一种可扩展电子电路模拟肺的设计方法

1.本发明属于呼吸机设计制造领域，特别涉及一种可扩展电子电路模拟肺的设计方法。


背景技术：

2.呼吸机通过气体交换改善通气、降低呼吸功的消耗，对呼吸衰竭患者提供有效的呼吸支持，是临床上最常用的抢救和治疗设备之一。由于呼吸机稳定性、安全可靠性以及各控制元素的准确性对于呼吸治疗过程至关重要，所以对于呼吸机通气性能的测试模拟是呼吸机设计中非常重要的一步。
3.呼吸系统具有非线性、时延、以及参数动态范围变化大的特点，很难用传统的方法对呼吸机的闭环控制进行分析和研究，因此通常利用建模的方法来研究呼吸机的控制问题。国内外许多专家学者提出了各种不同的呼吸系统模型，但大多数模型都假定了肺功能为同质性，只考虑了单一的肺部模型，即将整个肺部看为一个气室进行研究。虽然有一些研究人员考虑了两室模型来反映人体有两个肺的事实，但也没有进行更详细深入的研究。实际上，人体的肺，尤其是患病人体的肺在解剖上和功能上都是异质性的，是由许多子单元和腔室组成的，这些子单元和腔室的气体交换能力各不相同，在呼吸系统的建模过程中应该考虑到这种异质性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可扩展电子电路模拟肺的设计方法。
5.本发明的技术方案是这样实现的：
6.呼吸机集总参数模型中的物理量与电学中的物理量具有很好的对应关系，因此可以采用电子电路形式来描绘气体回路，用电路中的电势、电流、电阻、电容分别代替气路中的气压、流量、气阻和肺部顺应性。在呼吸机系统模型电路中，电压源v1为呼吸机吸气阀送给患者的气流，电阻r
g
为气流进入通气通道时遇到的气阻，电阻r
p
为患者呼吸道中的气阻，电阻r
ij
(i,j＝1,2,3
…
)为患者各支气管道内的气阻，电容c
ij
(i,j＝1,2,3
…
)为患者肺部各气室(肺泡)的顺应性，电阻r
e
为气流流出通气通道时遇到的气阻，电压源peep为呼吸末气道正压。
7.所述模型电路中，电压源v1表征呼吸机吸气阀输入的气体，电压源v1一端接地，一端与r
g
的输入端口相接。
8.所述模型电路中，电阻r
g
表征进入通气通道时遇到的气阻，为可变电阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与电压源v1的一端相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电阻r
e
及电阻r
p
的输入端口相接。
9.所述模型电路中，电阻r
e
表征气流流出通气通道时遇到的气阻，为可变电阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与电阻r
g
的输出端口以及电阻r
p
的输入端
口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电压源peep的一端相接。
10.所述模型电路中，电压源peep表征呼吸末气道正压，一端接地，一端与r
e
的输出端口相接。
11.所述模型电路中，电阻r
p
表征患者呼吸道中的气阻，为可变电阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与电阻r
g
的输出端口以及电阻r
e
的输入端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与可扩展气室模块相接。
12.所述可扩展气室模块中，电阻r
ij
(i,j＝1,2,3
…
)表征各支气管道内的气阻，均为可变电阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与上级电阻的输出端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与下级电阻或同级电容的输入端口相接。
13.所述可扩展气室模块中，电容c
ij
(i,j＝1,2,3
…
)表征患者肺部各气室的顺应性，均为可变电容，一端与功率开关器q1的d极连接并接输入端口，输入端口与上级电阻的输出端口连接，另一端与功率开关器q2的d极连接，功率开关器q1的s极与功率开关器q2的s极连接并接输出端口，输出端口接地。
14.所述模型电路中，电阻与电容均为精确数字调节可变电阻或电容，均可通过光隔单元与控制单元相接，光隔单元向功率开关器送入触发信号，单片机控制单元向光隔单元送入pwm信号，单片机控制单元向四位数码显示单元送入显示信号，键盘输入单元向单片机控制单元送入输入信号，串口输入单元向单片机控制单元送入输入信号，电源输入单元向单片机控制单元送入电源。通过串口或键盘输入单元对电阻/电容进行精确调节。
15.本发明相较于现有技术的优点在于：
16.(1)与其他的单气室或双气室模拟肺不同，本发明所提出的模拟肺的气室可无限扩展，能够考虑到不同气室的顺应性的不同以及不同支气管道的气阻的不同，更贴近临床实际。
17.(2)本发明的电路中的所有的电阻以及电容均为精确数字调节可变电阻或电容，提高了电阻/电容的使用寿命，消除了因为长期摩擦造成的电阻/电容损耗，且可以对所有类型的电阻/电容进行精确可调，克服了当前限定可调电阻/电容的情况。
附图说明
18.图1为系统整体电路结构简图；
19.图2为精确数字调节可变电阻电路图；
20.图3为精确数字调节可变电容电路图；
21.图4为单气室模拟肺物理模型图；
22.图5为单气室模拟肺电路模型图；
23.图6为双气室模拟肺物理模型图；
24.图7为双气室模拟肺电路模型图；
25.图8为四气室模拟肺物理模型图；
26.图9为四气室模拟肺电路模型图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明的系统整体电路结构如图1所示。电压源v1表征呼吸机吸气阀输入的气体，电阻r
g
表征气流进入通气通道时遇到的气阻，电阻r
e
表征气流流出通气通道时遇到的气阻，电压源peep表征呼吸末气道正压，电阻r
p
表征患者呼吸道中的气阻，电阻r
ij
(i,j＝1,2,3
…
)表征各支气管道内的气阻，电容c
ij
(i,j＝1,2,3
…
)表征患者肺部各气室的顺应性。
29.附图1中各电阻及电容均为精确数字调节可变电阻或电容，均可通过光隔单元与控制单元相接，光隔单元向功率开关器送入触发信号，单片机控制单元向光隔单元送入pwm信号，单片机控制单元向四位数码显示单元送入显示信号，键盘输入单元向单片机控制单元送入输入信号，串口输入单元向单片机控制单元送入输入信号，电源输入单元向单片机控制单元送入电源。通过串口或键盘输入单元对电阻/电容进行精确调节。可变电阻及可变电容控制电路图如附图2、附图3所示。
30.附图1中虚线内部分为可扩展气室模块，可通过临床实际及患者状态进行模拟肺气室数量的改变，并且还可通过改变各可变电阻及可变电容的数值来模拟患者气管内气阻及肺部顺应性的变化。下面给出了单气室、双气室、四气室三种实施例下的电子电路模拟肺设计方法。
31.附图4为单气室模拟肺物理模型图，r
p
表征呼吸道气阻，气体经呼吸道直接进入唯一气室，c1表征此唯一气室的顺应性。
32.附图5为附图4所对应的单气室模拟肺电路模型图，电压源v1表征呼吸机吸气阀输入的气体，一端接地，一端与电阻的r
g
输入端口相接。电阻r
g
表征进入通气通道时遇到的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与电压源v1的一端相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电阻r
e
及电阻r
p
的输入端口相接。电阻r
e
表征气流流出通气通道时遇到的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r
g
的输出端口以及r
p
的输入端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电压源peep的一端相接。电压源peep表征呼吸末气道正压，一端接地，一端与r
e
的输出端口相接。电阻r
p
表征患者呼吸道中的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r
g
的输出端口以及r
e
的输入端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与c1的输入端口相接。电容c1表征单气室的顺应性，一端与开关管q1的d极连接并接输入端口，输入端口与电阻r
p
的输出端口连接，另一端与开关管q2的d极连接，开关管q1的s极与开关管q2的s极连接并接输出端口，输出端口接地。
33.附图6为双气室模拟肺物理模型图，r
p
表征呼吸道气阻，r1、r2分别表征两支气管道内的气阻，c1、c2分别表征两气室的顺应性，气体经呼吸道进入两支气管道，再经两支气管道分别进入两气室。
34.附图7为附图6所对应的双气室模拟肺电路模型图，电压源v1表征呼吸机吸气阀输入的气体，一端接地，一端与电阻的r
g
输入端口相接。电阻r
g
表征进入通气通道时遇到的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与电压源v1的一端相接，另一端
与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电阻r
e
及电阻r
p
的输入端口相接。电阻r
e
表征气流流出通气通道时遇到的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r
g
的输出端口以及r
p
的输入端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电压源peep的一端相接。电压源peep表征呼吸末气道正压，一端接地，一端与r
e
的输出端口相接。电阻r
p
表征患者呼吸道中的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r
g
的输出端口以及r
e
的输入端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电阻r1及r2的输入端口相接。电阻r1表征第一条支气管道的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r
p
的输入端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电容c1的输入端口相接。电容c1表征第一个气室的顺应性，一端与开关管q1的d极连接并接输入端口，输入端口与电阻r1的输出端口连接，另一端与开关管q2的d极连接，开关管q1的s极与开关管q2的s极连接并接输出端口，输出端口接地。电阻r2表征第二条支气管道的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r
p
的输入端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电容c2的输入端口相接。电容c2表征第二个气室的顺应性，一端与开关管q1的d极连接并接输入端口，输入端口与电阻r2的输出端口连接，另一端与开关管q2的d极连接，开关管q1的s极与开关管q2的s极连接并接输出端口，输出端口接地。
35.附图8为四气室模拟肺物理模型图，r
p
表征呼吸道气阻，r1、r2分别表征两一级支气管道内的气阻，r
11
、r
12
、r
21
、r
22
分别表征四条二级支气管道内的气阻，c
11
、c
12
、c
21
、c
22
分别表征四个气室的顺应性，气体经呼吸道进入两一级支气管道，再经两一级支气管道分别进入四条二级支气管道，最后进入四个气室。
36.附图9为附图8所对应的四气室模拟肺电路模型图，电压源v1表征呼吸机吸气阀输入的气体，一端接地，一端与电阻的r
g
输入端口相接。电阻r
g
表征进入通气通道时遇到的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与电压源v1的一端相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电阻r
e
及电阻r
p
的输入端口相接。电阻r
e
表征时变调节电阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r
g
的输出端口以及r
p
的输入端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电压源peep的一端相接。电压源peep表征呼吸末气道正压，一端接地，一端与r
e
的输出端口相接。电阻r
p
表征患者呼吸道中的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r
g
的输出端口以及r
e
的输入端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电阻r1及r2的输入端口相接。电阻r1表征第一条一级支气管道的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r
p
的输入端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电阻r
11
及r
12
的输入端口相接。电阻r
11
表征第一条二级支气管道的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r1的输出端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电容c
11
的输入端口相接。电容c
11
表征第一个气室的顺应性，一端与开关管q1的d极连接并接输入端口，输入端口与电阻r
11
的输出端口连接，另一端与开关管q2的d极连接，开关管q1的s极与开关管q2的s极连接并接输出端口，输出端口接地。电阻r
12
表征第二条二级支气管道的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r1的输出端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电容c
12
的输入端口相接。电容c
12
表征第二个气室的顺应性，一端
与开关管q1的d极连接并接输入端口，输入端口与电阻r
12
的输出端口连接，另一端与开关管q2的d极连接，开关管q1的s极与开关管q2的s极连接并接输出端口，输出端口接地。电阻r2表征第二条一级支气管道的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r
p
的输入端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电阻r
21
及r
22
的输入端口相接。电阻r
21
表征第三条二级支气管道的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r2的输出端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电容c
21
的输入端口相接。电容c
21
表征第三个气室的顺应性，一端与开关管q1的d极连接并接输入端口，输入端口与电阻r
21
的输出端口连接，另一端与开关管q2的d极连接，开关管q1的s极与开关管q2的s极连接并接输出端口，输出端口接地。电阻r
22
表征第四条二级支气管道的气阻，一端与功率开关器的d极连接并接输入端口，输入端口与r2的输出端口相接，另一端与功率开关器的s极连接并接输出端口，输出端口与电容c
22
的输入端口相接。电容c
22
表征第二个气室的顺应性，一端与开关管q1的d极连接并接输入端口，输入端口与电阻r
22
的输出端口连接，另一端与开关管q2的d极连接，开关管q1的s极与开关管q2的s极连接并接输出端口，输出端口接地。
37.本发明的操作方法如下：首先根据临床实际及不同患者的状况确定模拟肺所需气室数量、各气道气阻以及各气室的顺应性，进而得到设计电路中拓展的气室数量、各可变电阻阻值以及可变电容电容值，可变电阻阻值及可变电容容值由数字调节电路实现精确调节。之后可对电路施加不同的电压波形，来模拟呼吸机给定的不同气压值，通过对整个电路电压电流的研究实现对呼吸机性能的测试和评估。
38.本发明提出的模拟肺的设计方法基于可扩展肺室模型，在考虑了呼吸系统气阻以及肺部顺应性等参数的基础上，可以对肺部的气室数量进行无限扩展。本发明还采用了精确数字调节可变电阻和电容，来表征呼吸系统的气阻以及不同气室的顺应性，克服了传统可变电阻和可变电容存在机械摩擦、精度低的问题，使得模拟肺的模拟度大大提高。