一种模拟人肺自主呼吸运动装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及呼吸生理医学研究领域，公开一种模拟人肺自主呼吸运动装置，该装置包括模拟肺腔、弹簧、牵拉绳、流量传感器、显示触摸屏、电机驱动器、直流伺服电机及控制电路等组成。其中由显示触摸屏输入吸呼比、呼吸频率、潮气量和肺活量等呼吸生理参数，流量传感器检测通过模拟肺腔换气口的气流量，微控制器根据设定的呼吸参数及检测到的流量信号触发电机控制信号，进而电机控制牵拉绳的收线与放线动作，最后控制模拟肺腔的呼吸运动。这种模拟人肺呼吸运动装置更加符合人肺呼吸生理，在科学研究、教学、呼吸相关产品检验等场合具有极高的应用价值。
【专利说明】一种模拟人肺自主呼吸运动装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及呼吸生理医学研究领域，更具体地，涉及一种模拟人肺自主呼吸运动装置。
【背景技术】
[0002]呼吸运动是一个复杂的过程，用于表征呼吸运动的参数有:吸呼比(RI/E)、呼吸频率(fMS/min)、潮气量(VT)、肺活量(VC)等呼吸生理参数。
[0003]现有模拟人肺呼吸功能的装置，大多基于被动式模拟人肺呼吸运动。这种方式难以做到精确量化地控制吸呼比(RI/E)、呼吸频率(fMS/min)、潮气量(VT)、肺活量(VC)等呼吸生理参数。
实用新型内容
[0004]为了克服现有技术的不足，本实用新型首先提出一种模拟人肺自主呼吸运动的装置，该装置更加符合人肺呼吸生理，在科学实验研究、呼吸生理教学、呼吸相关产品检验等场合具有极高的应用价值。
[0005]为了实现上述目的，其技术方案为:
[0006]一种模拟人肺自主呼吸运动装置，流量传感器、模拟肺腔上基板、弹簧、直流伺服电机驱动器、滑轮、牵拉绳、模拟肺腔换气口、控制电路、固定基柱、模拟肺腔下基板、直流伺服电机、卷绳轴承、模拟肺底层基板和模拟肺腔；
[0007]所述固定基柱设置在模拟肺腔底层基板上，模拟肺腔上基板放置在固定基柱上，所述模拟肺腔放置在模拟肺腔底层基板与模拟肺腔上基板之间，模拟肺腔上设有模拟肺腔换气口，所述流量传感器安装在模拟肺腔换气口上，流量传感器的输出端接控制电路，控制电路接直流伺服电机驱动器；所述弹簧安装在模拟肺腔上基板和模拟肺腔下基板之间并处于拉伸状态；牵拉绳一端固定在模拟肺腔下基板上，另一端通过滑轮缠绕在直流伺服电机的卷绳轴承上；直流伺服电机驱动器驱动直流伺服电机。
[0008]该模拟人肺自主呼吸运动装置通过流量传感器采集模拟肺腔换气口是流量信号；将采集的流量信号传输到控制电路进行分析处理产生电机驱动信号，直流伺服电机驱动器电机驱动信号对直流伺服电机进行转速和转向控制，直流伺服电机转向的控制决定放线和收线动作，而转速的控制则决定放线或收线的快慢，进而达到对模拟肺腔进行呼吸气流的模拟；流量传感器对模拟呼吸的潮气量进行实时监测进而达到对呼吸运动潮气量的控制。
[0009]弹簧处于拉伸状态使其对悬浮状态的肺腔下基板有往上拉伸的力；而牵拉绳是缠绕在直流伺服电机转动轴承上，通过电机的正反转进行收线和放线动作，收线和放线可对处于悬浮状态的肺腔下基板可以产生向下和向上运动；由于肺腔上基板固定，而下基板受到牵拉绳的牵引产生运动，故而使模拟肺腔的容积产生变化。由理想气体状态方程PV=mRT可知若气体温度不变，则理想气体状态方程的mRT是一个常数，故最终使模拟肺腔的肺内压产生变化。肺内压的变化与外界气压形成压力差，由Hagen-Poiseuille方程▽P =可知压力差可形成气流的变化。而流量传感器能检测到气体经过气管的流
量，进而通过控制电路控制电机的正反转。装置能很好地模拟人肺在不同呼吸状态下的肺腔运动和气流特性，在科研、教学及呼吸相关产品检验上有极好应用价值。
[0010]更进一步的，还包括模拟肺顶层面板和液晶显示触摸屏，所述放置在模拟肺腔上基板，并开设有用于模拟肺腔换气口穿过的孔，所述液晶显示触摸屏安装在模拟肺顶层面板上，液晶显示触摸屏与控制电路连接。
[0011]液晶显示触摸屏作为显示装置和信号输入装置，其中液晶显示触摸屏采用TFT彩色液晶显示触摸屏。
[0012]更进一步的，所述模拟肺腔的腔体是柔性硅胶腔体，柔性硅胶的弹性模量小，柔韧性好，可以模拟充当肺腔。
[0013]更进一步的，所述控制电路包括自带AD微控制器、数据传输串口、SD数据存储接口、直流供电电源系统和3.3V备用电池，TFT彩色液晶显示触摸屏的数据交换端接控制电路的通用输入输出端，直流伺服电机驱动器接至控制电路的通用数据输入输出端。
[0014]与现有技术相比，本实用新型的有益效果为:
[0015]本模拟人肺自主呼吸的装置可由直流伺服电机控制固定在模拟肺腔下基板上牵拉绳的运动，以达到模拟肺腔呼吸运动的目的；牵拉绳的收线与放线的精确控制达到高模拟人肺呼吸运动；生理参数通过液晶显示触摸屏作为数据交互界面；选用自带AD微控制器可降低外置AD电路设计的复杂程度；为呼吸生理科学实验研究、呼吸生理教学及呼吸相关产品的检验提供模拟人肺自主呼吸运动平台。
【专利附图】
【附图说明】
`[0016]图1为模拟人肺自主呼吸运动装置结构框图。
[0017]图2为模拟人肺自主呼吸运动装置电气结构原理图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，但本实用新型的实施方式并不限于此。
[0019]本实用新型中模拟人肺呼吸运动的具体控制方式为:通过流量传感器采集模拟肺腔换气口的气流流量信号；将采集到的流量信号传送至自带AD微控制器进行分析处理产生电机驱动信号，根据电机驱动信号控制电机的正反转及转速的快慢，进而进一步控制牵拉绳的拉伸运动，最后控制模拟肺腔的呼吸运动；
[0020]上述自带AD微控制器根据人机交互界面TFT彩色液晶显示触摸屏人为的输入设定吸呼比(Ri7e)、呼吸频率(fres/min)、潮气量(VT )、肺活量(VC)等呼吸生理参数，流量传感器检测通过模拟肺腔换气口的气流量，微控制器根据设定的呼吸参数及检测到的流量信号触发电机控制信号；
[0021]所述微控制器控制电机转速采用经典PID控制原理，其控制输出可由以下微处理器可处理的离散 PID 公式:u(n) = Kpe(n) + KiIj1=OeO) + Κ(1Δθ(η)
[0022]其中:u(n)是第η个时刻点电机控制电压；Kp、K1、Kd分别为PID控制的比例系数、积分系数及微分系数；e(n)是第η个时刻点的流量偏差值e (n) = Qtl (n)-Q (η)，这里Q (η)是指流量传感器检测到的第η时刻的实时流量值，Qtl(Ii) = A1XQltariTi)+kEXQEtar(n), Qltar(η)和QEto(n)分别为目标吸气和呼气流量值，当吸气时系数A1 = I ;Ae = O,当呼气时系数A1 =O; Ae = I ；
[0023]Σ|=(!e⑴是从O时刻到第η个时刻的偏差累积值；Δ e (η)是偏差变化率Δ e (η)=e (n) -e (η-1)。
[0024]时间周期序列长度N可由吸呼比(Ri7e)和呼吸频率(fres/min)及自带AD微处理器的采样频率fdaq决定。其关系为:吸气时间
【权利要求】
1.一种模拟人肺自主呼吸运动装置，其特征在于，流量传感器、模拟肺腔上基板、弹簧、直流伺服电机驱动器、滑轮、牵拉绳、模拟肺腔换气口、控制电路、固定基柱、模拟肺腔下基板、直流伺服电机、卷绳轴承、模拟肺底层基板和模拟肺腔； 所述固定基柱设置在模拟肺腔底层基板上，模拟肺腔上基板放置在固定基柱上，所述模拟肺腔放置在模拟肺腔底层基板与模拟肺腔上基板之间，模拟肺腔上设有模拟肺腔换气口，所述流量传感器安装在模拟肺腔换气口上，流量传感器的输出端接控制电路，控制电路接直流伺服电机驱动器；所述弹簧安装在模拟肺腔上基板和模拟肺腔下基板之间并处于拉伸状态；牵拉绳一端固定在模拟肺腔下基板上，另一端通过滑轮缠绕在直流伺服电机的卷绳轴承上；直流伺服电机驱动器驱动直流伺服电机。
2.根据权利要求1所述的模拟人肺自主呼吸运动装置，其特征在于，还包括模拟肺顶层面板和液晶显示触摸屏，所述放置在模拟肺腔上基板，并开设有用于模拟肺腔换气口穿过的孔，所述液晶显示触摸屏安装在模拟肺顶层面板上，液晶显示触摸屏与控制电路连接。
3.根据权利要求1或2所述的模拟人肺自主呼吸运动装置，其特征在于，所述模拟肺腔的腔体是柔性硅胶腔体。
4.根据权利要求3所述的模拟人肺自主呼吸运动装置，其特征在于，所述控制电路包括自带AD的微控制器、数据传输串口、SD数据存储接口、直流供电电源系统和3.3V备用电池；微控制器与数据传输串口连接，微控制器的输出端接SD数据存储接口，直流供电电源系统和3.3V备用电池向微控制器供电。
【文档编号】G09B23/28GK203480750SQ201320448580
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年7月25日 优先权日:2013年7月25日
【发明者】蒋庆, 梁九兴, 罗语溪, 许煜聪, 张彦军 申请人:中山大学