一种用于呼吸设备的空氧混合控制装置及方法与流程

本发明属于医疗设备技术领域，具体地说，涉及一种用于呼吸设备(如呼吸机、高流量呼吸湿化治疗仪等装置，以下简称呼吸设备)的空氧混合控制装置及方法。

背景技术：

在现代临床医学中，呼吸设备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。呼吸设备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。

呼吸设备在使用过程中，必须对患者进行机械通气，对于正在接受治疗的患者来说，通气量大小的控制和氧气浓度的调节是非常重要的，尤其是对于婴幼儿患者和病危重症患者。因此呼吸设备中需要具有空氧混合控制的装置，即在呼吸设备输入端对空气和氧气的体积进行合理配比，根据不同病人需提供特定氧浓度，以达到呼吸治疗效果。呼吸设备空氧混合控制装置的精准性及灵敏性，是呼吸设备性能的重要指标之一，决定着呼吸设备性能等级。

目前，呼吸设备，对于氧气供给主要存在以下两种方式：

第一种为恒定氧气供给，即将空气和恒定氧气浓度的氧气输入至呼吸设备的机器死腔；

但是，这种方式不能根据不同的目标去对应地调节氧气的供氧流量，造成了大量的氧气浪费，大大提高了成本。

第二种为脉冲式氧气供给：能够根据不同的目标，进行间断性氧气供给；但是，未能考虑到呼吸设备的机械死腔对氧气浓度的影响，以至于无法在确保目标在初始吸气段，获得具有预期的恒定的氧气浓度的空氧混合气体，造成了氧气量的浪费。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于呼吸设备的空氧混合控制装置，该装置包括：氧气气路、空气气路、氧气空气混合室和控制器；

所述氧气气路的进气端通过氧气源接口外接氧气源，所述空气气路的进气端通过空气源接口外接空气源；氧气气路、空气气路的出气端均连接至空气氧气混合室；空气氧气混合室连接呼吸设备的机械死腔，并连接至目标；

所述控制器，用于在当前呼吸周期内，对氧气气路的氧气流量进行控制，对空气气路的空气流量进行控制。

作为上述技术方案的改进之一，所述氧气气路上设有：氧气流量调节单元和氧气流量采集装置；

所述空气气路上设有：空气流量调节单元和空气流量采集装置；

所述氧气流量采集装置和空气流量采集装置分别与控制器进行通信连接，氧气流量调节单元和空气流量调节单元分别与控制器进行通信连接，实现数据采集、调节和控制；

所述氧气流量采集装置，用于采集氧气气路中的氧气流量；

所述氧气流量调节单元，用于调节氧气气路；

所述空气流量采集装置，用于采集空气气路中的空气流量；

所述空气流量调节单元，用于调节空气气路。

作为上述技术方案的改进之一，所述呼吸设备的机械死腔为从气体混合室到患者端的装置气路容积。

本发明还提供了一种用于呼吸设备的空氧混合控制方法，该方法包括：

在当前第n个呼吸周期内，该当前呼吸周期分为吸气相和呼气相；吸气相为吸气开始时刻到吸气结束时刻；呼气相为呼气开始时刻到为呼气结束时刻；其中，吸气结束时刻与呼气开始时刻相同；

通过控制器对氧气气路进行监测，获得当前呼吸的呼气开始时刻,吸气结束时刻和呼气结束时刻；在吸气相超前断气，以及在呼吸相超前通气。

作为上述技术方案的改进之一，该方法具体包括：

打开空气流量调节单元和氧气流量调节单元，并利用设置在氧气流量调节单元上的计时器记录此时的氧气流量调节单元的初始开启时刻为t0；其中，t0＝t0’；

根据预先估算的氧气流量调节单元的初始开启时刻t0和初次关闭时刻t1(n)，确定氧气流量调节单元的吸气时间；其中，t1(n)小于t2’；

在氧气流量调节单元的吸气时间内，将经空气气路传输的恒定的空气源和经氧气气路传输的具有恒定的氧气浓度的氧气源一起输入至空气氧气混合室，得到呼吸设备吸气的工作流速qsi，并在到达初次关闭时刻t1(n)后，向控制器发送关闭氧气流量调节单元的关闭信号，从而关闭氧气流量调节单元；

根据预先估算的氧气流量调节单元的二次开启时刻t3(n)和二次关闭时刻t4，确定氧气流量调节单元的二次吸气时间；其中，t4等于t4’，且t3小于t4’；

根据确定的氧气流量调节单元的二次吸气时间，控制器根据接收的二次开启氧气流量调节单元的二次开启时刻的信号，在二次开启时刻，二次打开氧气流量调节单元；

在氧气流量调节单元的呼气时间内，将经空气气路传输的恒定的空气源和经氧气气路传输的具有恒定的氧气浓度的氧气源一起输入至空气氧气混合室，得到呼吸设备呼气的工作流速qse，并在到达二次关闭时刻t1(n)后，向控制器发送关闭氧气流量调节单元的关闭信号，从而关闭氧气流量调节单元。

作为上述技术方案的改进之一，所述氧气流量调节单元的初次关闭时刻t1(n)的估算过程如下：

其中，t1(n)为第n个呼吸周期内的氧气流量调节单元的初次关闭时刻；k1为吸气修正系数；为通过前n-1个呼吸实际监测的估算出来的第n个吸气相的结束时刻；vm为呼吸设备的机械死腔的体积或容积；qsi为呼吸设备吸气的工作流速。

作为上述技术方案的改进之一，所述氧气流量调节单元的二次开启时刻t3(n)的估算过程如下：

其中，t3(n)为第n个呼吸周期内的氧气流量调节单元的二次开启时刻；k2为呼气修正系数；为前n-1个呼吸实际监测的估算出来的第n个呼气相的结束时刻；vm为呼吸设备的机械死腔的体积或容积；qse为呼吸设备呼气的工作流速。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的方法能够有效地输送预期设定的氧气浓度的混合气体，而同时减少氧气的供氧流量的供给，有效地节省了氧气的供氧流量。

附图说明

图1是本发明的一种用于呼吸设备的空氧混合控制装置的结构示意图；

图2是本发明的一种用于呼吸设备的空氧混合控制方法中的呼吸周期与目标流量的关系曲线图；

图3是本发明的一种用于呼吸设备的空氧混合控制方法中的呼吸周期与氧气供给状态的关系曲线图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种用于呼吸设备的空氧混合控制装置，该装置包括：氧气气路、空气气路、氧气空气混合室；

所述氧气气路的进气端通过氧气源接口外接氧气源，所述空气气路的进气端通过空气源接口外接空气源；氧气气路、空气气路的出气端均连接至空气氧气混合室；空气氧气混合室连接呼吸设备的机械死腔，并连接至目标；

所述控制器，用于在当前的呼吸周期内，对氧气气路的氧气流量进行控制，对空气气路的空气流量进行控制。

具体地，所述氧气气路上设有：氧气流量调节单元和氧气流量采集装置；

所述空气气路上设有：空气流量调节单元和空气流量采集装置；

所述氧气流量采集装置和空气流量采集装置分别与控制器进行通信连接，氧气流量调节单元和空气流量调节单元分别与控制器进行通信连接，实现数据采集、调节和控制；

所述氧气流量采集装置，用于采集氧气气路中的氧气流量；

所述氧气流量调节单元，用于调节氧气气路；

所述空气流量采集装置，用于采集空气气路中的空气流量；

所述空气流量调节单元，用于调节空气气路。

氧气流量采集将实时采集的氧流量传输至控制器，实现对氧气流量调节单元的控制，从而控制所输入的氧气浓度。可选地，在本实施例中，氧气流量调节单元为氧气流量调节阀，空气流量调节单元为空气流量调节阀，氧气流量采集装置为氧气流量传感器，空气流量采集装置为空气流量传感器。

在本实施例中，所述氧气源为高压气源或低压气源(制氧机制出的氧气)。

可选地，所述呼吸设备的机械死腔为本装置从气体混合室到患者端的装置气路容积。

本发明还提供了一种用于呼吸设备的空氧混合控制方法，该方法考虑呼吸设备的机械死腔对输出的混合气体中的氧气浓度的影响，通过对呼吸设备的机械死腔的气体容积vm、呼吸设备给定的工作流速qs和目标实际的呼吸流速qa，进行有效的氧气流量调整，根据需要提供适合的氧气浓度，以达到氧气节省的目的，以及目标在一个完整的呼吸周期内能获得有效的、恒定的氧气浓度气体进行治疗。

该方法包括：在当前第n个呼吸周期内，该当前呼吸周期分为吸气相和呼气相；吸气相为吸气开始时刻到吸气结束时刻；呼气相为呼气开始时刻到为呼气结束时刻；其中，吸气结束时刻与呼气开始时刻相同；

通过控制器对氧气气路进行监测，获得当前呼吸的呼气开始时刻,吸气结束时刻和呼气结束时刻；在吸气相超前断气，以及在呼吸相超前通气。

该方法具体包括：

在当前第n个呼吸周期t0’-t4’内，该当前呼吸周期分为吸气相t0’至t2’和呼气相t2’至t4’；

其中，t0’为目标的初始吸气时刻；t2’为目标的吸气结束时刻或目标的呼气开始时刻；t4’为目标的呼气结束时刻；

其中，当前呼吸周期通过呼吸探测设备探测上一个呼吸周期得到；

通过控制器对氧气气路进行监测获得当前呼吸的t0’,t2’和t4’时刻；所述控制器控制当前呼吸周期内，在吸气相，超前断气，以及在呼吸相，超前通气。

在氧气气路上依次设置氧气流量调节单元和氧气流量采集装置，将具有恒定氧气浓度的氧源通过氧气源接口从氧气气路的进气端进入氧气流量调节单元；

在空气气路上依次设置空气流量调节单元和空气流量传感器，将恒定的空气源通过空气源接口从空气气路的进气端进入空气流量调节单元；

在氧气气路、空气气路的出气端设置空气氧气混合室，空气氧气混合室的出气口连接呼吸设备的机械死腔；

打开空气流量调节单元和氧气流量调节单元，并利用设置在氧气流量调节单元上的计时器记录此时的氧气流量调节单元的初始开启时刻为t0；其中，t0＝t0’；

根据预先估算的氧气流量调节单元的初始开启时刻t0和初次关闭时刻t1(n)，确定氧气流量调节单元的吸气时间；其中，t1(n)小于t2’，即氧气流量调节单元的吸气时间小于吸气相t0’-t2’，且在吸气相的前段时间区间内；

具体地，氧气流量调节单元的初次关闭时刻t1的估算过程如下：

其中，t1(n)为第n个呼吸周期内的氧气流量调节单元的初次关闭时刻；k1为吸气修正系数；为通过前n-1个呼吸实际监测的估算出来的第n个吸气相的结束时刻；vm为呼吸设备的机械死腔的体积或容积；qsi为呼吸设备吸气的工作流速。

在氧气流量调节单元的吸气时间内，将经空气气路传输的恒定的空气源和经氧气气路传输的具有恒定的氧气浓度的氧气源一起输入至空气氧气混合室，得到呼吸设备吸气的工作流速qsi(呼吸设备吸气的工作流速为混合气体的吸气流速，是根据体积流量等于流速乘以管道截面积获得)，并在到达初次关闭时刻t1后，向控制器发送关闭氧气流量调节单元的关闭信号，从而关闭氧气流量调节单元；利用剩余的氧气流量和空气流量持续输入至空气氧气混合室，利用剩余的混合气供目标持续吸气，其目的是在吸气时间结束前，超前关闭氧气流量调节单元，利用管道内残存的具有恒定的氧气浓度的氧气源与空气源混合形成混合气，供目标继续吸气，不影响目标持续吸气，有效地节省了氧气源，大大降低了成本；另外，在该吸气过程中，不需要控制器实时控制和调节氧气流量调节单元，所输出的氧气源始终是恒定的氧气浓度，不需要任何调节，大大提高了工作效率；

根据预先估算的氧气流量调节单元的二次开启时刻t3(n)和二次关闭时刻t4，确定氧气流量调节单元的二次吸气时间；其中，t4等于t4’，且t3小于t4’，即氧气流量调节单元的二次吸气时间在呼气相t2’-t4’范围内，且在呼气相的结束前的时间区间内；

具体地，氧气流量调节单元的二次开启时刻t3(n)的估算过程如下：

其中，t3(n)为第n个呼吸周期内的氧气流量调节单元的二次开启时刻；k2为呼气修正系数；为前n-1个呼吸实际监测的估算出来的第n个呼气相的结束时刻；vm为呼吸设备的机械死腔的体积或容积；qse为呼吸设备呼气的工作流速。

根据确定的氧气流量调节单元的二次吸气时间，控制器根据接收的二次开启氧气流量调节单元的二次开启时刻的信号，在二次开启时刻，二次打开氧气流量调节单元；

在氧气流量调节单元的呼气时间内，将经空气气路传输的恒定的空气源和经氧气气路传输的具有恒定的氧气浓度的氧气源一起输入至空气氧气混合室，得到呼吸设备呼气的工作流速qse(呼吸设备呼气的工作流速为混合气体的呼气流速，是根据体积流量等于流速乘以管道截面积获得)，并在到达二次关闭时刻t1后，向控制器发送关闭氧气流量调节单元的关闭信号，从而关闭氧气流量调节单元，至此呼气相结束，通过在呼气相结束之前，超前开启氧气流量调节单元，提前将混合气通入呼吸设备的机械死腔内，对呼吸设备的机械死腔进行冲刷，能够极大地提高目标实际摄取的混合气，减少了氧气源的供给，有效地节省了氧气源的氧气量。同时，由于提前开启，平衡了在呼气阶段由于关闭氧气流量调节单元而造成的无氧气供给和氧气浓度无法维持在恒定浓度的问题，目标能在下一个完整的呼吸周期内获得具有恒定的氧气浓度的混合气。

所述方法还包括：根据氧气流量调节单元的初始关闭时刻和二次开启时刻，计算当前呼吸周期的调节供氧时间的比值vr：

vr＝(t2’-t0)/(t4-t2’)

其中，该公式的具体推导过程为：

t0-t1时段和t3-t4时段分别为初次开启氧气供给和二次开启氧气供给。t1-t3阶段关闭氧气供给。单个呼吸周期内的开启氧气供给的时间比r为

r＝((t1-t0)+(t4-t3))/(t4-t0)

以t0为0，则t0-t4即为当前呼吸周期：t0-t2为吸气时间，t4-t2为呼气时间。

其中，t2-t1＝vm/qsi，t4-t3＝vm/qse，继而可知，在qsi＝qse时，单个呼吸周期内的开启氧气供给的时间比r可变换为单呼吸周期的调节供氧时间的比值vr：

vr＝(t2-t0)/(t4-t2)

即等于单呼吸周期的吸呼比。

根据计算得到的vr，可获知在单个呼吸周期内，所节省的氧气量，从而能够明显地得到大大节省了氧气量。

如图2和3所示，一个完整的呼吸周期t0’-t4’内，该当前完整的呼吸周期分为吸气相t0’-t2’和呼气相t2’-t4’；如图3所示，阴影部分为开启氧气供给的时间；在整个完整的呼吸周期内，由于在吸气相结束前，提前关闭了氧气流调节单元，利用剩余的混合气供目标持续吸气，其目的是在吸气时间结束前，超前关闭氧气流量调节单元，利用管道内残存的具有恒定的氧气浓度的氧气源与空气源混合形成混合气，供目标继续吸气，不影响目标持续吸气，有效地节省了氧气源，大大降低了成本；另外，在呼气相结束前，提前开启氧气流量调节单元，提前对呼吸设备的机械死腔进行冲刷，平衡了在呼气阶段由于关闭氧气供给造成的低浓度，将死腔残留的低氧气浓度的混合气体，变成具有恒定的氧气浓度的混合气体，以在下一个完整的呼吸周期内，供目标使用。同时根据呼吸设备的机械死腔的有效控制，在吸气末端采用提前关闭氧气供给，而不影响患者吸入氧浓度，有效的减少了氧气的供给。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。