一种医用盐雾浓度检测装置及计算方法与流程

本发明属于医用检测装置
技术领域：
，涉及一种医用盐雾浓度检测装置及计算方法。
背景技术：
：医用雾化器是应用于治疗各种上呼吸道疾病的一种设备，属于医疗器械。雾化吸入治疗是呼吸系统疾病治疗方法中一种重要和有效的治疗方法，采用医用雾化器将药液或者药粉雾化成微小颗粒，药物通过呼吸吸入的方式进入呼吸道和肺部沉积，从而达到无痛、迅速有效治疗的目的。雾化器的输送多为气固两相流系统。由于气固两相流系统单从理论的角度尚难以解释其复杂性和随机性，而且理论研究离不开试验的验证，因此，要认清现象、获得概念、建立模型，首先要解决的就是多相流参数的检测问题。气固两相流流动的复杂性,使得测量技术面临着不少困难,主要体现在以下几个方面:1)不均匀的固体浓度分布；2)气固两相流流型多样化导致不规则的速度分布；3)粒子尺寸和形状变化大，粒子尺寸一般在几微米到几厘米范围内变化，而颗粒的形状却千变万化，很难恰当的进行分类；4)化学成分不同，对于许多非节流式传感器，如静电、电容、微波传感器等，固体颗粒的化学组分都会影响其性能。除了上面提到的因素之外，其它因素也可能影响气固两相流检测性能，如颗粒在测量段管道内侧的沉淀程度等。要控制和预测这些因素是不可能的，且某些因素在传输管道不同和固体材料类型不同时变化范围比较大。鉴于气固两相流动的复杂性、随机性等影响因素较多，因此，气固两相流参数检测难度很大。尽管目前国内外均做了大量的研究工作，但是迄今为止，商品化的多相流相浓度检测装置为数很少，大部分还处在实验室研究开发阶段。目前，气固两流固相浓度参数测量方法主要有四种：第一种是电学法，电学法主要包括电容法和静电法等；第二种是衰减法，衰减法主要包括电磁波法和声波法等；第三种方法是层析层相法；第四种方法是共振法，共振法主要包括核磁共振法。电容法是一种非侵入式测量方法，不影响流场，具有结构简单、成本低廉、性能价格比好、易于安装、传感器响应速度快、实时性好、适用范围广等优点。但在实际运用中缺点是电容测量值与相浓度之间并非一一对应的线性关系，而且参数之间的关系错综复杂，难以用解析式直接描述；电容的测量值易受相分布及流型变化的影响，导致较大的测量误差等。电荷法具有灵敏度高，仅关注运动的颗粒，沉积在管壁上的颗粒对它没有影响。但是电荷法是一种侵入式测量方法，具有会影响流场，容易阻塞输送物的传送且易造成堆积等缺点。衰减法测量范围宽、空间分辨率高，但是结构设备复杂、昂贵，不当应用容易产生辐射泄漏，容易对患者造成伤害。共振法也属于非接触测量方式，适于测量腐蚀性和易聚合物质而且精度较高，但具有结构复杂、成本高，经济性差等缺点。层析层相法是一种非侵入式、快速测量的技术，能够在线显示输送管内颗粒浓度分布。但也同样具有自身的缺点，即测量场是一软场。现有的气固参数检测装置，如：2008年刘石等人利用一种旋流浓集装置(专利申请号200810240476.7)，将稀疏气固两相流经旋流浓集后，采用电容层析成像测量方法来测量气固两相流的浓度等参数，结构简单，标定方便，但是由于最后测量的是经旋流装置后变大浓度的气固两相流，不适合浓度随病人身体条件、病情程度、安全性等条件可变的医用盐雾输送管内的盐雾测量；2011年刘石等人利用介电系数变化测量电极提供的粉体介电系数变化信号，修正分步测量电极的数据，从而对粉粒体空间分布做出更为准确重建(专利申请号201110066957.2)，介电系数变化测量属于接触式测量，测量电极容易被损坏，且对流场有一定的影响；2012年杨道业等人在申请专利双阵列式电容传感器及其气固两相流检测方法(专利申请号201210258938.4)中利用双阵列式电容传感器相邻极板灵敏度不均匀的特点，重建管道内部两个截面的相浓度分布；2013年崔自强等人在申请专利具有双层旋转电极的电容层析成像传感器(专利申请号201310420106.2)中将检测电极附于旋转管壁上，可从任意角度测量电容值，存在计算量过大，实时性差的缺点；2013年王辉在一种医用盐雾测控仪及盐雾浓度定量控制方法(专利申请号201310561189.7)中通过驱动步进电机控制螺旋输送器，将盐粉从加料仓经圆形管道输送至雾化杯，能定量输送药粉、送药量也可随时按需调整的功能。但空气压缩机很难使输送管道的药粉均匀输送，简单的通过近似均匀计算，存在测量精度低的缺点。2015年马昌媛在一种医用雾化器盐雾浓度检测传感器及检测方法(专利申请号201510205148.3)中利用半导体激光器作为光源发出激光照射在气流通道内的待测盐雾上，然后经光透镜汇聚处理的散射光来检测盐雾浓度。但激光照射盐雾颗粒发生散射时，容易造成同一颗粒被多次散射光检测，并且有的颗粒会出现被遮挡漏检的情况，从而造成测量误差大的缺点。总之，现有的气固参数检测装置存在实时性差，灵敏度低，精度低，误差大等特点。适合医用盐雾输送管内的盐雾浓度检测装置还比较少，其检测装置需要具有高精度，高灵敏度，抗杂散电容能力强，安全性高、实时性高等特点。技术实现要素：针对目前医用盐雾输送管内盐雾浓度检测装置的缺乏，以及现有技术安全性低、实时性差、灵敏度低、精度低、误差大等不足，本发明提供一种精度高、灵敏度高、抗杂散电容能力强、安全性高、实时性好的医用盐雾浓度检测装置及计算方法。本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种医用盐雾输送管内的盐雾浓度检测装置，其特征在于，包括电容阵列传感器、数据采集控制系统、图像重建上位机，电容阵列传感器设置在医用盐雾输送管上，用于将盐雾浓度的变化转化为传感器输出电容的变化；所述电容阵列传感器包括测量电极阵列、半椭圆环状屏蔽电极、屏蔽罩，所述测量电极阵列8以圆周均布方式贴于被测医用盐雾输送管的外侧，通过电缆与数据采集控制系统连接；半椭圆环状屏蔽电极套在医用盐雾输送管上、且位于测量电极阵列两侧，半椭圆环状屏蔽电极的高度高于测量电极厚度；所述屏蔽罩固定在医用盐雾输送管上、并将测量电极阵列和半椭圆环状屏蔽电极包附在其与所述输送管构成的空间内；数据采集控制系统与图像重建上位机连接，用于控制电容阵列传感器检测医用盐雾的电容，并将电容转化为数字量并传送给图像重建上位机中；图像重建上位机通过电容层析成像图像重构算法重建出输送管内的盐雾浓度分布图像，并通过所述盐雾浓度检测计算方法计算盐雾浓度。优选地，所述数据采集控制系统包括电源模块、极板通道选择模块、电容/电压(C/V)转换模块、单片机控制单元，所述电源模块用于给C/V转换模块、极板通道选择模块、单片机控制单元提供电源；所述极板通道选择模块与所述测量电极阵列传感器连接，用于控制所述测量电极阵列传感器中每一个电极的状态；通过极板通道选择模块使得测量电极阵列中的一对极板分别为激励极板和检测极板，其他十个极板处于接地状态，通过电容测量反映盐雾浓度的的信息，将信号传输到C/V转换模块上；所述C/V转换模块，用于将极板间的微小电容值转化为电压值；所述单片机控制单元，通过异步串口与上位机相连，用于控制极板通道选择模块，并将模拟电压信号转换为数字电压信号，并传输至所述上位机。优选地，所述测量电极阵列由12个极片组成，其中电极张角是20°，电极间的间隔角是10°，所有电极布于绝缘管道外侧，电极表面与外壁表面平行，电极的轴向长度为绝缘管道内径的0.5倍，采用2mm厚的铜箔，表面镀敷绝缘层。优选地，所述半椭圆环状屏蔽电极采用铜制成，高度为测量电极厚度的4倍，宽度为1cm，与测量电极阵列的轴向距离是3mm。优选地，所述屏蔽罩采用2mm厚的铜箔制成，轴向长度是所述输送管内径的0.8倍，与所述输送管外壁的距离为1.2cm。所述的盐雾浓度检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)数据采集控制系统与图像重建上位机连接，用于控制电容阵列传感器检测医用盐雾的电容，并将电容转化为数字量并传送给图像重建上位机中；(2)图像重建上位机通过电容层析成像图像重构算法重建出输送管内的盐雾浓度分布图像：(2.1)将图像重建问题理解为一种最优解的问题，即定义一个目标函数，minJ(G)=12||C-SG||]]>其中：C为归一化电容测量值矩阵，C＝SG；S为归一化灵敏度矩阵；G代表的是归一化后的介电常数分布矩阵，即图像重构中的像素灰度值；由于S不是方阵，因此其逆矩阵S-不存在，所以不能够对其进行直接求解，通过求解S的转置矩阵ST来代替逆矩阵S-，进而求取G的近似值，G＝STC(2.2)基于正则化的思想，选取预处理矩阵，确定好正则化因子κ；G0代表的是初始值，设置为0，定义迭代公式：Gk+1＝Gk+αkDST(C-SGk)+βk(Gk-Gk-1)其中αk、βk为步长，k表示次迭代次数；令D＝(STS+κI)-1，表示预处理矩阵，正则化因子κ的大小取在0.5到1之间，I代表单位阵；(2.3)利用数据采集控制系统采集的一系列测量电压值通过迭代公式求解出最优解Gk值，完成图像重建；(3)计算所述输送管内的盐雾浓度：首先，上位机对重建图像二值化转换处理，黑色代表盐雾，用0表示。白色代表气体，用1表示；依据图像二值化转换处理结果，求得二值图像中黑色像素的总数s黑总及总的像素s总；然后，利用重建图像中黑色/总像素的比值，得到输送管内的盐雾瞬时浓度C瞬其次，根据每秒重建的N幅图像,分别计算得到各瞬时浓度，C瞬1，C瞬2,...C瞬i,...C瞬N；最后，对各瞬时的盐雾浓度进行平均计算，得到平均盐雾浓度C平均优选地，所述正则化因子κ取0.8。优选地，步骤(2)中还包括以下步骤：构造最小二乘函数J(Gk+1)，充当约束条件，获得最优步长αk'、βk'，来加快收敛速度以及较少迭代次数，J(Gk+1)=||C-SGk+1||2=C-SGk-αk′DSSTC-βkSGk+αk′DSSTSGk+βk′SGk+1TC-SGk-αk′DSSTC-βk′SGk+αk′DSSTSGk+βk′SGk+1]]>对J求偏导并令其等于零：∂J(Gk+1)αk′=0]]>∂J(Gk+1)βk′=0]]>得最优步长αk'、βk'：αk′βk′=2llTlSΔGk+(lSΔGk)TlSΔGk+(lSΔGk)T2ΔGkTST(ΔGkTST)T-12l(C-SGk)(C-SGk)SΔGk+((C-SGk)SΔGk)-1]]>其中：l＝(C-SGk)TDSSTΔGk＝Gk-Gk-1。本发明所述的医用盐雾浓度检测装置及计算方法具有如下优点：1)本装置采用高度高于测量电极厚度的半椭圆环状屏蔽电极，从而更加有效的避免了测量电极阵列两侧的边缘效应，提高了测量电极电场分布的均匀性，进而改善了传感器的灵敏度和精度并节约了铜片材料。使装置具有高精度，高敏度，抗杂散电容能力强，安全性高等特点。2)提供了一种电容层析成像图像重构算法，引入了正则化因子，并分析了优化步长，对于收敛率有了较大的提高，且其收敛稳定性以及收敛速度都有了显著的提高，最终提高了图像重建质量，增加了检测装置检测的实时性、精度等特点。3)利用重建图像中黑色/总像素的比值，计算得到输送管内的瞬时盐雾浓度，并对各瞬时多幅图像求得的盐雾浓度求平均值。计算方法具有速度快，精度高的特点。附图说明图1是本发明所述的医用盐雾输送管内盐雾浓度检测装置示意图。图2是本发明的医用盐雾输送绝缘管以及检测传感器装配图。图3是本发明的医用盐雾输送管以及检测电容传感器截面示意图。图4是本发明的数据采集和控制系统结构框图。图5是本发明的医用盐雾输送管内盐雾浓度检测计算方法流程图。图中，1-图形重建上位机；2-数据采集控制系统；3-医用盐雾输送管；4-电容阵列传感器；5-吸嘴；6-屏蔽罩；7-半椭圆环状屏蔽电极；8-测量电极阵列。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。如图1所示，医用盐雾输送装置包括圆柱绝缘管道3、吸嘴5。本发明所述的医用盐雾输送管3内盐雾浓度检测装置，包括电容阵列传感器4、数据采集控制系统2、图像重建上位机1。电容阵列传感器4设置在医用盐雾输送管3上，用于将盐雾浓度的变化转化为传感器输出电容的变化。如图2、图3所示，所述电容阵列传感器4包括测量电极阵列8、半椭圆环状屏蔽电极7、屏蔽罩6，所述测量电极阵列8以圆周均布方式贴于被测医用盐雾输送管3的外侧，通过同轴电缆与数据采集控制系统2连接。所述测量电极阵列8由12个极片组成，其中电极张角是20°，电极间的间隔角是10°，所有电极布于绝缘管道外侧，电极表面与外壁表面平行，电极的轴向长度为绝缘管道内径的0.5倍，采用2mm厚的铜箔，表面镀敷绝缘层。半椭圆环状屏蔽电极7套在医用盐雾输送管3上、且位于测量电极阵列8两侧，半椭圆环状屏蔽电极7的高度高于测量电极厚度。所述半椭圆环状屏蔽电极7采用铜制成，采用的高度为测量电极厚度的4倍，宽度为1㎝，绕圆柱绝缘管道3一圈，与测量电极阵列8的轴向距离是3mm。所述屏蔽罩6固定在医用盐雾输送管3上、并将测量电极阵列8和半椭圆环状屏蔽电极7包附在其与所述输送管3构成的空间内。所述屏蔽罩6轴向长度是圆柱绝缘管道3内径的0.8倍，与圆柱绝缘螺旋输送管3外的距离为1.2㎝，采用2mm厚的铜箔制成。数据采集控制系统2通过异步串口与图像重建上位机1连接，用于控制电容阵列传感器4检测医用盐雾的电容，并将电容转化为数字量并传送给图像重建上位机1中。如图4所示，所述数据采集控制系统2包括单片机控制单元、极板通道选择模块、C/V转换模块、电源模块。所述单片机控制单元是整个测量系统的核心，采用台湾凌阳科技有限公司生产的16位SPCE061A单片机作为控制核心,给极板通道选择模块提供控制信号，并将模拟电压信号转换为数字电压信号，通过通用异步串口与上位机1通讯。所述极板通道选择模块与所述检测电极阵列连接，包括激励切换部分、检测切换部分和接地切换部分，采用两片八选一多路模拟开关MAX338和4片DG201制成。所述C/V转换模块，采用高度集成化的通用微小电容检测芯片MS3110，将极板间的微小电容值转化为相应的电压值，对被测电容只进行一次充放电,即可完成对电容的测量。通用微小电容读取芯片MS3110，它是一个基于电荷放大原理的电容测量电路，通过对MS3110内部各寄存器的编程实现对电容的测量，把MS3110的CS2IN引脚连至激励切换部分的输出，把MS3110的CSCOM引脚连至检测切换部分的输出，MS3110的输出值是直流信号。所述电源模块，由稳压电源给单片机控制单元、极板通道选择模块、C/V转换模块提供5v的电压,并经过1117稳压芯片降压至2.5v最终分压至2.25v给C/V转换模块提供参考电压,经过LM2575倍压至15v给极板通道选择模块的接地切换部分提供15v电压。所述上位机1，采用联想扬天T498O，配置有RS232标准串行接口COM，通过串行接口接收单片机发送的一系列测量电压值。图像重建上位机1通过电容层析成像图像重构算法重建出输送管3内的盐雾浓度分布图像，并通过所述盐雾浓度检测计算方法计算盐雾浓度。本发明所述的医用盐雾输送管3内的盐雾浓度检测计算方法的流程如图5所示，首先，数据采集控制系统2与图像重建上位机1连接，用于控制电容阵列传感器4检测医用盐雾的电容，并将电容转化为数字量并传送给图像重建上位机1中。然后，图像重建上位机1通过电容层析成像图像重构算法重建出输送管3内的盐雾浓度分布图像。图像重建的过程如下：(1)将图像重建问题理解为一种最优解的问题，即定义一个目标函数，minJ(G)=12||C-SG||]]>其中：C为归一化电容测量值矩阵，C＝SG；S为归一化灵敏度矩阵；G代表的是归一化后的介电常数分布矩阵，即图像重构中的像素灰度值；由于S不是方阵，因此其逆矩阵S-不存在，所以不能够对其进行直接求解，通过求解S的转置矩阵ST来代替逆矩阵S-，进而求取G的近似值，G＝STC(2)基于正则化的思想，选取预处理矩阵，确定好正则化因子κ；G0代表的是初始值，设置为0，定义迭代公式：Gk+1＝Gk+αkDST(C-SGk)+βk(Gk-Gk-1)其中αk、βk为步长，k表示次迭代次数；令D＝(STS+κI)-1，表示预处理矩阵，正则化因子κ的大小取在0.5到1之间，通常取0.8；I代表单位阵；为了避免当算法迭代次数超过某一上限值时，其值便不再收敛，而处于发散状态的情况，我们利用最小二乘法充当约束条件，以此来加快收敛速度以及较少迭代次数。构造最小二乘函数J(Gk+1)，充当约束条件，获得最优步长αk'、βk'，来加快收敛速度以及较少迭代次数，J(Gk+1)=||C-SGk+1||2=C-SGk-αk′DSSTC-βkSGk+αk′DSSTSGk+βk′SGk+1TC-SGk-αk′DSSTC-βk′SGk+αk′DSSTSGk+βk′SGk+1]]>对J求偏导并令其等于零：∂J(Gk+1)αk′=0]]>∂J(Gk+1)βk′=0]]>得最优步长αk'、βk'：αk′βk′=2llTlSΔGk+(lSΔGk)TlSΔGk+(lSΔGk)T2ΔGkTST(ΔGkTST)T-12l(C-SGk)(C-SGk)SΔGk+((C-SGk)SΔGk)-1]]>其中：l＝(C-SGk)TDSSTΔGk＝Gk-Gk-1。(3)利用数据采集控制系统2采集的一系列测量电压值通过迭代公式求解出最优解Gk值，完成图像重建；最后，根据重建的图像计算所述输送管3内的盐雾浓度。具体的，上位机1对重建图像二值化转换处理，黑色代表盐雾，用0表示。白色代表气体，用1表示；依据图像二值化转换处理结果，求得二值图像中黑色像素的总数s黑总及总的像素s总。然后，利用重建图像中黑色/总像素的比值，得到输送管3内的盐雾瞬时浓度C瞬。其次，根据每秒重建的N幅图像,分别计算得到各瞬时浓度，C瞬1，C瞬2,...C瞬i,...C瞬N；最后，对各瞬时的盐雾浓度进行平均计算，得到平均盐雾浓度C平均；所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3