一种呼吸机的制作方法

本发明涉及呼吸机技术领域，具体涉及一种呼吸机。

背景技术：

呼吸机作为一项能人工替代自主通气功能的有效手段，已普遍用于各种原因所致的呼吸衰竭、大手术期间的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和急救复苏中，在现代医学领域内占有十分重要的位置。呼吸机是一种能够起到预防和治疗呼吸衰竭，减少并发症，挽救及延长病人生命的至关重要的医疗设备。

测量呼吸机输出气体流量的方式有多种：包括采用超声波流量传感器、压差式流量传感器或热式质量流量传感器进行测量。

其中，超声波流量传感器反馈回来的信息是体积流量(这正是呼吸机所需要的最终计算参数)，但它很容易受温度、压力影响，需要动态计算补偿，体积流量精度比较难控制而且监测到的数值不能与质量流量相互转换。

差压式流量传感器补偿技术是比较复杂的，利用流体流动的节流原理，产生压力差而实现流量测量。差压方式流量传感器的基本流量公式如下：

qm＝k√(△p*ρ)

qv＝k√(△p/ρ)

其中，qm是压差值所对应的被测流体的质量流量，k是传感器的流量系数，△p是流量传感器所输出的差压值，ρ是被测流体密度，qv是压差值所对应的被测流体的工况体积流量。

从基本公式看出，差压式传感器无论是计算质量流量还是体积流量，都与密度ρ相关。而且结果还需要开方，属于非线性的被测流体温度、压力补偿，造成流体温度、压力补偿技术比较复杂，难以实现。

热式质量传感器测量的值是流体的质量流量，质量流量不受温度、压力的影响，而且热式质量流量传感器监测到数值可以与体积流量相互转换。目前呼吸机上的流量传感器大多采用此技术，但目前市面上的呼吸机流量精度还是受流体温度、压力影响比较大，因此使用环境范围比较单一，有些呼吸机甚至没有流体温度、压力补偿而不能应用于直升机救援等环境条件变化大的应用场合。

与本发明最相近似的现有方案是呼吸机采用热式流量传感器，但现有技术的缺点有两点：

1、热式流量传感器输出的数值大多是标准状态下的气体流速，而呼吸机需要测量的气体大多是非标准状态的，因此热式流量传感器输出的数值还需要根据当前的气体压强和温度进行适当的补偿才可以使用。有些呼吸机甚至直接拿标准状态下的传感器数值作为实际检测数值而没经过任何温度、压力补偿，导致呼吸机在登山救援或者直升机救援等温度、气压变化大的应用环境就无法使用；或者有些呼吸机对流量传感器的数据做了温度、压力补偿，但因为温度、气压数据拟合不好，导致在温度、气压变化大的应用场合气体流量计算偏差大，精度不高。

2、目前市面上呼吸机多采用内置式流量传感器监测呼吸机输出流量，这会因呼吸管路漏气而导致输出气体检测数据不准确。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种呼吸机，以至少解决背景技术所提出的技术问题之一。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种呼吸机，包括主机、输气管道和气流测量系统，所述输气管道末端连接有呼吸面罩，所述气流测量系统用于测量所述呼吸机输出气体的体积流量，所述气流测量系统包括：

热式流量传感器，安装在所述输气管道上，用于测量流经所述输气管道的气体体积流量；

温度传感器，安装在所述输气管道上，用于获取流经所述输气管道的气体的温度；

气压传感器，与所述输气管道连接，用于获取所述输气管道内的气压；以及

流量换算器，用于根据预设公式和所述质量流量、温度、气压计算所述呼吸机输出气体的体积流量。

进一步，所述预设公式如下：

vx＝k*vs*(tx/px)；

k＝ps/ts；

其中，vx是流量换算器的输出值，k是温压补偿系数，vs是热式流量传感器的输出值，px是气压传感器的输出值，tx是流体温度的检测值，ps是理想气体的标准气压，ts理想气体的标准温度。

进一步，所述热式流量传感器为带温度测量功能的热式流量传感器，所述热式流量传感器的型号为sfm3300。

进一步，所述热式流量传感器通过rs485电缆线与所述流量换算器通信连接。

进一步，所述气压传感器的型号为hscmlnt2.5basa5绝压型数字气压传感器。

进一步，所述流量换算器为单片机。

进一步，所述单片机的型号为stm32。

进一步，所述气压传感器通过spi通信总线与所述流量换算器通信连接。

进一步，所述温度传感器、气压传感器的气压检测点均靠近所述热式流量传感器设置。

进一步，所述温度传感器、气压传感器和热式流量传感器均靠近所述呼吸面罩设置。

本发明的有益效果体现在：

使用合理的温度、压力补偿技术以及优化检测管路，可以大大提高呼吸机输出气体的测量精度，保证呼吸机工作环境不因温度、大气压变化而影响呼吸机输出气体的监测，从而提高呼吸机输出气体流量检测的精度，扩大呼吸机的应用环境范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明提供的一种呼吸机的气流测量系统的电气结构示意图；

图2为本发明提供的一种呼吸机的气流测量系统的元器件连接结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

一种呼吸机，包括主机、输气管道和气流测量系统，所述输气管道5末端连接有呼吸面罩，所述气流测量系统用于测量所述呼吸机输出气体的体积流量。如图1所示，所述气流测量系统包括：

热式流量传感器1，安装在所述输气管道5上，用于测量流经所述输气管道5的气体体积流量；

温度传感器2，安装在所述输气管道5上，用于获取流经所述输气管道5的气体的温度；

气压传感器3，与所述输气管道5连接，用于获取所述输气管道5内的气压；以及

流量换算器4，用于根据预设公式和所述气体流速、温度、气压计算所述呼吸机输出气体的体积流量。

具体的，本实施例中，所述预设公式如下：

vx＝k*vs*(tx/px)；

k＝ps/ts；

其中，vx是流量换算器4的输出值，k是温压补偿系数，vs是热式流量传感器1的输出值，px是气压传感器3的输出值，tx是流体温度的检测值，ps是理想气体的标准气压，ts理想气体的标准温度。

根据理想气体状态方程：

p*v＝n*r*t＝(m/μ)*r*t(1)

其中p是理想气体压力，v是理想气体体积，n是物质的量，r是理想气体常数，t是理想气体热力学温度，m是理想气体的质量，μ是理想气体的摩尔质量；

由公式(1)可以推导出：

v＝(n*r*t)/p(2)

密度ρ定义公式：

ρ＝m/v(3)

其中m是流体质量，v是流体体积。

联合(1)(2)(3)方程式得到

ρ＝(μ*p)/(r*t)(4)

设定体积流量为fv,质量流量为fg，根据质量流量与体积流量的定义公式：

fg＝ρ*fv(5)

联合式(4)(5)得到：

fv＝[(r*t)/(μ*p)]*fg(6)

变形得到fv＝(r/μ)*(t/p)*fg(7)

公式(7)是质量流量转换成体积流量的理论公式。

根据质量守恒定律，流体的质量不会随其温度、气压变化而变化，由此得出：

(μ*px)/(r*tx)*vx＝(μ*ps)/(r*ts)*vs(8)

其中：μ是理想气体的摩尔质量，px是当前的流体压力，tx是当前的流体温度，vx是当前的流体体积流量；ps是理想气体的标准气压，ts理想气体的标准温度，vs是流体在标准状态下的标准体积。

由公式(8)变形整理得到：

vx＝vs*(ps/px)*(tx/ts)(9)

在呼吸机的实际应用当中，vs是热式流量传感器1的输出值，vx是流量换算器4的输出值，px是气压传感器3的输出值，tx是流体温度的检测值，联合以上的方程得知，vx与vs必定存在一个温压补偿系数k，使得：

vx＝k*vs*(tx/px)(10)

联合式(9)(10)得到：

k＝ps/ts(11)

具体的，图2所示为气流测量系统的具体电路图，其中，为了简化管路温度传感器的线路连接，减少管路设计复杂度，所述热式流量传感器1为带温度测量功能的热式流量传感器1，所述热式流量传感器1的型号为sfm3300。sfm3300是iic通信，由于它是外置式传感器，通信距离较长，因此需要把iic通信转换成通信距离较长较稳定的rs485通信，与所述流量换算器4进行通信连接。使用外置气体流量传感器的优点是，可以忽略中间管路气体泄漏，避免输出气体检测误差大。

进一步，所述气压传感器3的型号为hscmlnt2.5basa5绝压型数字气压传感器3。输气管道5气压检测点尽可能靠近sfm3300传感器，然后通过气管连接到呼吸机主板上的hscmlnt2.5basa5绝压型数字气压传感器进行实时检测管道气压变化。气压传感器3通过spi通信总线与流量换算器通信连接。

具体的，所述流量换算器4为单片机。所述单片机的型号为stm32。

进一步，所述温度传感器2、气压传感器3和热式流量传感器1均靠近所述呼吸面罩设置，以减少中间管路气体泄漏造成的气体流量检测误差。

下面介绍使用本发明的呼吸机进行的实际验证获取的数据：

没做温压补偿处理的vx＝vs，呼吸机的工作环境气压由101.3kpa以5kpa/min的速率下降到65kpa，热式流量传感器的数值vs与气体分析仪检测到的数值vt如下图所示：

可以看出，随着气压不断降低，气体分析仪的数值vt与流量传感器的数值vs不断变大。

根据实测的数据，以vs＝vt，ps＝101kpa,25℃的数据为基准，求出k的均值为：4.081，tx＝25，则公式(10)为：

vx＝4.081*vs*(25/px)(12)

根据公式(12)的数据补偿，vx的数值(下表中vs补偿后的数值)与气流分析仪的数值vt如下图所示：

可以看出，经过补偿后得到的vx数据(表中vs补偿后的数值)与气体分析仪实测的数据非常接近，误差已经很小了。证明了通过均值k做数据补偿可以大大减少数据误差，提高热式流量传感器的测量精度。

以下是经过温压补偿后，实测的呼吸机潮气量的值(目标潮气量为500ml)：

本发明的呼吸机通过采用优化的监测管路和温度、气压补偿技术，呼吸机的潮气量监测值误差在7％以内，并且顺利通过了55kpa～110kpa，-20℃～70℃的环境温度气压变化测试。方案性能优越，高效可靠。

综上所述，本发明的呼吸机使用合理的温度、压力补偿技术以及优化检测管路，可以大大提高呼吸机输出气体的测量精度，保证呼吸机工作环境不因温度、大气压变化而影响呼吸机输出气体的监测，从而提高呼吸机输出气体流量检测的精度，扩大呼吸机的应用环境范围。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。