主流式人呼吸二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及一種主流式人呼吸二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法：控制光源亮滅，雙通道熱釋電傳感器輸出幅值連續(xù)變化的調(diào)制信號(hào)；對(duì)每個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理；然后利用峰谷的和、差值提取交流分量；根據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取的擬合參數(shù)d1和d2確定當(dāng)前呼吸CO2濃度。本發(fā)明能夠快捷、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)人呼吸二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)。
【專利說明】主流式人呼吸二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及一種主流式人呼吸二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]人呼吸二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在醫(yī)療監(jiān)測(cè)中起到了越來越重要的作用?；诜欠止饧t外原理的呼吸二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照測(cè)量位置不同可分為:直接測(cè)量的主流式監(jiān)測(cè)和通過抽取呼吸氣體測(cè)量的旁流式監(jiān)測(cè)。旁流式監(jiān)測(cè)由于對(duì)呼吸氣流進(jìn)行除濕、穩(wěn)流等預(yù)處理，能夠較準(zhǔn)確的測(cè)量呼吸氣體濃度，但由于抽取氣流的延時(shí)使顯示波形有明顯的失真。目前主流式監(jiān)測(cè)多采用熱電堆傳感器和恒定強(qiáng)度輻射源，雖然避免了波形失真的問題，但由于呼吸氣流的干擾使監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差較大，而且在長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)波形還易出現(xiàn)漂移問題。傳感器技術(shù)的發(fā)展使熱釋電傳感器性能得到極大的提升，其具有感應(yīng)波長范圍寬，響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著輸出信號(hào)弱，易受電路噪聲干擾等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有主流式呼吸監(jiān)測(cè)測(cè)量誤差大、易出現(xiàn)波形漂移等問題，提供一種快捷、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)人呼吸二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)的方法。本發(fā)明提出的實(shí)現(xiàn)直接在呼吸管道上對(duì)病人的呼吸二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能從濃度波形中分析出病人生命體征狀況和相關(guān)信息，給醫(yī)生提供準(zhǔn)確可靠的信息指導(dǎo)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0004]一種主流式人呼吸二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，所采用的監(jiān)測(cè)模塊將適配器置于呼吸管道上，紅外光源與雙通道熱釋電傳感器固定在適配器的兩端，雙通道熱釋電傳感器的一個(gè)通道為測(cè)量通道，另一個(gè)通道為參考通道，微控制器發(fā)送的脈沖信號(hào)通過光源驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)紅外光源發(fā)出調(diào)制光源信號(hào)，監(jiān)測(cè)方法如下:
[0005]( I)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行自校準(zhǔn)；
[0006](2)首先監(jiān)測(cè)模塊發(fā)出脈沖信號(hào)控制光源亮滅，雙通道熱釋電傳感器輸出幅值連續(xù)變化的調(diào)制信號(hào)，然后監(jiān)測(cè)模塊開始計(jì)時(shí)等待，當(dāng)雙通道熱釋電傳感器輸出電壓達(dá)到波峰Vh或波谷點(diǎn)V1時(shí)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)化器開始平頂采樣；
[0007](3)采樣時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)測(cè)量通道電壓值和參考通道電壓值交叉采樣，分別在每個(gè)通道采集數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)按照10個(gè)一組進(jìn)行下述的初步處理:首先通過去除每通道10個(gè)數(shù)據(jù)中3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，以濾除脈沖噪聲，然后對(duì)每個(gè)通道中剩余4個(gè)數(shù)據(jù)取均值以濾除隨機(jī)白噪聲；
[0008](4)將每個(gè)通道的處理結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)；
[0009](5)上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后，對(duì)于每個(gè)通道的數(shù)據(jù)，首先通過幅值判斷是波峰Vh或是波谷V1，然后利用峰谷的和、差值提取交流分量和直流分量；最終得到測(cè)量通道交流分量va。、測(cè)量通道直流分量vd。、參考通道交流分量Vm和參考通道直流分量Vto四個(gè)分量；
[0010](6)舍去兩直流分量Vd。和Vt，保留兩通道交流分量差值:Ds=Va。- Var,從而濾除管道中水蒸氣干擾和氣流干擾；
[0011](7)對(duì)交流分差值進(jìn)行基準(zhǔn)值調(diào)整:De=ai*Ds-a2，其中，a1、a2為第(I)步的的自校準(zhǔn)步驟確定的參數(shù)；
[0012](8 )根據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取的擬合參數(shù)Cl1和d2確定當(dāng)前呼吸CO2濃度K=C^ln (De) +d2，示；[0013]作為優(yōu)選實(shí)施方式，步驟(1)的過程如下:
[0014](I)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)兩個(gè)通道接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后，發(fā)送給上位機(jī)；
[0015](2)上位機(jī)先將接收的每個(gè)通道的波峰、波谷值轉(zhuǎn)化為交流、直流分量，并對(duì)獲得的測(cè)量通道交流分量Va。、測(cè)量通道直流分量vd。、參考通道交流分量Vm和參考通道直流分量Vto四個(gè)分量進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；
[0016](3)計(jì)算各個(gè)分量的平均值，即:Kac=Mean (Vac)、Kdc=Mean (Vdc)、Kar=Mean (Var)、Ka0=Mean (Var)；
[0017](4)判斷四個(gè)分量平均值Kac;、Kdc;、Km、Ka(l是否都在各自預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，如果都在范圍內(nèi)則認(rèn)為校準(zhǔn)成功，否則重新統(tǒng)計(jì)；
[0018]( 5 )校準(zhǔn)成功后，計(jì)算基準(zhǔn)值調(diào)整所用的參數(shù)；其中參數(shù)為固定系數(shù)K與測(cè)量通道交流分量平均值Ka。倒數(shù)的乘積；參數(shù)a2為兩交流分量Va。、Var平均值的差值:
Kac Kar ；
[0019]雙通道熱釋電傳感器的測(cè)量通道和參考通道分別接收被二氧化碳分子吸收的4.26 μ m紅外光和沒有被任何氣體分子吸收的3.95 μ m紅外光。
[0020]本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)技術(shù)效果如下:
[0021](I)針對(duì)目前主流式監(jiān)測(cè)易出現(xiàn)漂移問題，本發(fā)明使用雙通道熱釋電紅外傳感器和電調(diào)制技術(shù)，將傳感器輸出變?yōu)橹芷诠潭ǖ恼{(diào)制信號(hào)，便于通過帶通濾波放大電路改善輸出信噪比，同時(shí)避免漂移提高監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性。
[0022](2)由于呼吸二氧化碳濃度體現(xiàn)在不斷變化的調(diào)制信號(hào)中，本系統(tǒng)采用平頂采樣法獲取傳感器輸出在波峰點(diǎn)和波谷點(diǎn)電壓幅值，并通過數(shù)字濾波技術(shù)去除電路中的干擾噪聲。
[0023](3)針對(duì)呼吸氣流中的水蒸氣干擾和氣流干擾采用信號(hào)分解方法進(jìn)行補(bǔ)償。首先利用波峰、波谷電壓值提取交流、直流分量。然后利用兩通道交流分量的差值進(jìn)行干擾補(bǔ)償，最終經(jīng)過基準(zhǔn)值調(diào)整和濃度擬合計(jì)算出當(dāng)前呼吸二氧化碳濃度值。
[0024](4)針對(duì)使用過程中更換管道適配器可能導(dǎo)致計(jì)算濃度的參數(shù)變化，因此本系統(tǒng)先在校準(zhǔn)狀態(tài)下對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析確定相應(yīng)參數(shù)，當(dāng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)時(shí)通過該參數(shù)進(jìn)行基準(zhǔn)值調(diào)整來彌補(bǔ)器件更換導(dǎo)致的變化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1主流式呼吸二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)處理流程圖。
[0027]圖3本系統(tǒng)校準(zhǔn)狀態(tài)處理流程圖。
【具體實(shí)施方式】:[0028]本發(fā)明的二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)方法針對(duì)主流式氣體監(jiān)測(cè)而提出，下面給出本發(fā)明適用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。
[0029]該主流式呼吸二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)和監(jiān)測(cè)模塊組成。上位機(jī)為通用計(jì)算機(jī)或監(jiān)護(hù)儀。監(jiān)測(cè)模塊如圖1所示，分別將紅外光源9和熱釋電傳感器4置于適配器I兩側(cè)，微控制器通過光源驅(qū)動(dòng)電路8和紅外光源9發(fā)出調(diào)制光源信號(hào)，置于管道另一端的雙通道熱釋電傳感器4的兩個(gè)通道分別接收被二氧化碳分子2吸收的4.26 μ m紅外光和沒有被任何氣體分子3吸收的3.95 μ m紅外光。傳感器輸出經(jīng)過帶通濾波放大電路5濾波放大后送入數(shù)據(jù)采集處理電路6中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，最后通過串口通信電路7將處理結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。另外，本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)，分別是:用于對(duì)人呼吸氣體監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)狀態(tài)和用于確定基準(zhǔn)值調(diào)整參數(shù)的校準(zhǔn)狀態(tài)。
[0030]1、監(jiān)測(cè)狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)模塊按以下過程確定當(dāng)前人呼吸二氧化碳濃度:
[0031](I)首先監(jiān)測(cè)模塊發(fā)出脈沖信號(hào)控制光源亮滅，使傳感器輸出幅值連續(xù)變化的調(diào)制信號(hào)。然后監(jiān)測(cè)模塊開始計(jì)時(shí)等待，當(dāng)傳感器輸出電壓達(dá)到波峰Vh或波谷點(diǎn)V1時(shí)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)化器開始平頂采樣。
[0032](2)采樣時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器先采集測(cè)量通道電壓值，然后采集參考通道電壓值，之后再采集測(cè)量通道電壓值。以此方式分別在每個(gè)通道采集10個(gè)數(shù)據(jù)。
[0033](3)完成采集后開始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。首先通過去除每通道10個(gè)數(shù)據(jù)中3個(gè)最大值和3個(gè)最小值濾除脈沖噪聲，然后對(duì)每個(gè)通道中剩余4個(gè)數(shù)據(jù)取均值濾除隨機(jī)白噪聲。最后將每個(gè)通道的處理結(jié)果通過串口發(fā)送到上位機(jī)中進(jìn)行下一步處理。
[0034](4)上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后首先通過幅值判斷是波峰Vh或是波谷V1,然后利用峰谷的和、差值提取交流Va、直流Vd分量，即:Va= (Vh-V1) /2 ；Vd= (V^V1) /2。最終得到測(cè)量通道交流分量Va。、測(cè)量通道直流分量Vd。、參考通道交流分量L和參考通道直流分量Vto四個(gè)分量。
[0035](4)舍去兩直流分量Vd。和Vfc，保留兩通道交流分量差值:Ds=Va。- Var,從而濾除管道中水蒸氣干擾和氣流干擾。
[0036](5)對(duì)交流分差值進(jìn)行基準(zhǔn)值調(diào)整:?=-- - a2，其中&1、a2為校準(zhǔn)狀態(tài)確定的參數(shù)。
[0037](6)最后根據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取的擬合參數(shù)Cl1和d2確定當(dāng)前呼吸CO2濃度:C=C^ln (De) +d2，并實(shí)現(xiàn)二氧化碳濃度波形實(shí)時(shí)顯示。
[0038]2、由于使用過程中管道適配器更換導(dǎo)致基準(zhǔn)值調(diào)整參數(shù)變化，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在校準(zhǔn)狀態(tài)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。具體按如下過程實(shí)現(xiàn):
[0039]( I)上位機(jī)與采樣模塊握手通信，并準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；
[0040](2)同監(jiān)測(cè)狀態(tài)一樣，上位機(jī)先將接收的波峰、波谷值轉(zhuǎn)化為交流、直流分量，并對(duì)獲得的四個(gè)分量:va。、Vdc, Var, Vdr進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；
[0041](3)當(dāng)接收數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)個(gè)數(shù)后停止接收數(shù)據(jù)，開始計(jì)算各個(gè)分量的平均值，即:Kac=Mean (Vac)、Kdc=Mean (Vdc)、Kar=Mean (Var)、Ka0=Mean (Var)；
[0042](4)判斷四個(gè)分量平均值Kac;、Kdc;、Km、Ka(l是否都在各自預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，如果都在范圍內(nèi)則認(rèn)為校準(zhǔn)成功，否則上位機(jī)提示重新統(tǒng)計(jì)。
[0043](5)校準(zhǔn)成功后，計(jì)算基準(zhǔn)值調(diào)整所用的參數(shù)。其中參數(shù)為固定系數(shù)K與測(cè)量通道交流分量平均值Ka。倒數(shù)的乘積:ai=K/Ka。；參數(shù)a2為兩交流分量Vac;、Vm平均值的差值:
Kac Kar ο
【權(quán)利要求】
1.一種主流式人呼吸二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，所采用的監(jiān)測(cè)模塊將適配器置于呼吸管道上，紅外光源與雙通道熱釋電傳感器固定在適配器的兩端，雙通道熱釋電傳感器的一個(gè)通道為測(cè)量通道，另一個(gè)通道為參考通道，微控制器發(fā)送的脈沖信號(hào)通過光源驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)紅外光源發(fā)出調(diào)制光源信號(hào)，監(jiān)測(cè)方法如下: (1)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行自校準(zhǔn)； (2)監(jiān)測(cè)模塊發(fā)出脈沖信號(hào)控制光源亮滅，雙通道熱釋電傳感器輸出幅值連續(xù)變化的調(diào)制信號(hào)，然后監(jiān)測(cè)模塊開始計(jì)時(shí)等待，當(dāng)雙通道熱釋電傳感器輸出電壓達(dá)到波峰Vh或波谷點(diǎn)V1時(shí)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)化器開始平頂采樣； (3 )采樣時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)測(cè)量通道電壓值和參考通道電壓值交叉采樣，分別在每個(gè)通道采集數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)按照10個(gè)一組進(jìn)行下述的初步處理:首先通過去除每通道10個(gè)數(shù)據(jù)中3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，以濾除脈沖噪聲，然后對(duì)每個(gè)通道中剩余4個(gè)數(shù)據(jù)取均值以濾除隨機(jī)白噪聲； (4)將每個(gè)通道的處理結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)； (5)上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后，對(duì)于每個(gè)通道的數(shù)據(jù)，首先通過幅值判斷是波峰Vh或是波谷V1，然后利用峰谷的和、差值提取交流分量和直流分量；最終得到測(cè)量通道交流分量Va。、測(cè)量通道直流分量Vd。、參考通道交流分量Vm和參考通道直流分量Vto四個(gè)分量； (6)舍去兩直流分量Vd。和Vt，保留兩通道交流分量差值:Ds=Va。-Var,從而濾除管道中水蒸氣干擾和氣流干擾； (7)對(duì)交流分差值進(jìn)行基準(zhǔn)值調(diào)整:De=aiJ)s- a2，其中，&1、a2為第(I)步的的自校準(zhǔn)步驟確定的參數(shù)； (8 )根據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取的擬合參數(shù)(I1和d2確定當(dāng)前呼吸CO2濃度Adfln (De) +d2,示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主流式人呼吸二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，步驟(I)的過程如下: (1)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)兩個(gè)通道接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后，發(fā)送給上位機(jī)； (2)上位機(jī)先將接收的每個(gè)通道的波峰、波谷值轉(zhuǎn)化為交流、直流分量，并對(duì)獲得的測(cè)量通道交流分量Va。、測(cè)量通道直流分量Vd。、參考通道交流分量L和參考通道直流分量Vto四個(gè)分量進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)； (3)計(jì)算各個(gè)分量的平均值，即:Kac=Mean(Vac)、Kdc=Mean(Vdc)、Kar=Mean(Var)、Ka0=Mean (Var)； (4)判斷四個(gè)分量平均值Kac;、Kdc;、Km、Kto是否都在各自預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，如果都在范圍內(nèi)則認(rèn)為校準(zhǔn)成功，否則重新統(tǒng)計(jì)； (5)校準(zhǔn)成功后，計(jì)算基準(zhǔn)值調(diào)整所用的參數(shù)；其中參數(shù)為固定系數(shù)K與測(cè)量通道交流分量平均值Ka。倒數(shù)的乘積:ai=K/Ka。；參數(shù)a2為兩交流分量Va。、Vm平均值的差值:
Kac Kar ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主流式人呼吸二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，雙通道熱釋電傳感器的測(cè)量通道和參考通道分別接收被二氧化碳分子吸收的4.26 μ m紅外光和沒有被任何氣體分子吸收的3.95 μ m紅外光。
【文檔編號(hào)】G01N21/3504GK103712942SQ201310712510
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】楊嘉琛, 王海濤, 陳波波 申請(qǐng)人:天津大學(xué)