在机最正规外围足球网站械设计上采用分块式结构设计方法

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文章关键词:足球外围平台,伪周期

  摘要:首次提出了一种基于“人工呼吸床(椅)”实用新型的智能人工呼吸床系统。在机械设计上采用分块式结构设计方法,旨在达到复杂多变参数环境下实验目的;创新地运用伪周期机制,实现与呼吸同步辅助通气功能;考虑到医学临床实验的局限性,对控制系统进行了仿真测试,保证临床实验的安全稳定进行。通过建立腹下托板动作模型和呼吸信号模型,搭建呼吸床仿真系统。仿真结果表明,呼吸床系统运行稳定,辅助

  摘要:首次提出了一种基于“人工呼吸床(椅)”实用新型的智能人工呼吸床系统。在机械设计上采用分块式结构设计方法,旨在达到复杂多变参数环境下实验目的;创新地运用伪周期机制,实现与呼吸同步辅助通气功能;考虑到医学临床实验的局限性,对控制系统进行了仿真测试,保证临床实验的安全稳定进行。通过建立腹下托板动作模型和呼吸信号模型,搭建呼吸床仿真系统。仿真结果表明,呼吸床系统运行稳定,辅助通气同步性能较高,但在呼吸频率快速变高时,托板的同步运行明显变得不稳定,为控制算法的进一步优化提供了建议。

  机械通气(mechanical ventilation, MV)技术起源于上世纪20年代, 60-70年代该技术得到了较快的发展[1],如今,用辅助呼吸机械抢救呼吸衰竭患者已成为现代医院不可缺少的手段。近几十年来,呼吸机技术发展极为迅速,到上世纪90年代初,世界呼吸机专业制造厂商已达20余家[2]。长期以来,在机械通气模式上,正压通气一直主导着机械通气领域的发展方向,绝大多数呼吸衰竭患者的救治靠正压通气完成,尽管应用正压通气技术已经挽救了无数危重病患者的生命,但正压通气存在诸如气管切开、呼吸机肺炎和撤机难等缺陷。正压通气不良反应发生的根源主要是由呼吸道的开放和向肺内生压、硬灌高压气体的方法违背了人的正常负压呼吸的生理特点所致,因此,各国都在寻求更加安全有效的新的机械通气方法。

  针对正压通气模式存在的诸多缺陷,结合现代人体生理学和智能控制技术,本文提出了一种新型的基于“人工呼吸床(椅)”实用新型(专利申请号: 106)的智能人工呼吸床。该实用新型在机械通气领域提出了符合人体呼吸生理的创新理念,巧妙地运用与呼吸同步变换体位和对斜伏卧位悬空腹变压的方法,通过重力和惯性力的作用,充分调动、发挥膈肌的呼吸潜能,使肺潮气量成倍地增加。本文将分别从机械设计、智能控制和仿真研究三方面介绍该实用新型的产品转化过程。

  同步变压、同步变位和同步变位压[3, 4]是“人工呼吸床(椅)”实用新型的核心理论,其打破了正压机械通气的传统模式,通过充分利用横隔膜在呼吸过程中的效用,提高呼吸潮气量,在机械通气领域取得了里程碑式的进步。

  图1为同步变位、同步变压和同步变位压实验用床示意图。仰卧同步变位时,当患者开始吸气后,人体由平躺变为倾斜,此时横隔膜因受到重力和惯性力的作用而向足侧移动,形成肺内负压,辅助吸气;而当患者开始呼气后,人体由倾斜变为平躺,此时横隔膜因受到重力和惯性力的作用而向头侧移动,对肺部形成正压,辅助呼气。伏卧同步变压,是令患者斜伏卧在有腹下托板的床体上,当患者开始吸气后,腹下托板从床面位置开始下移最终至脱离腹部的位置,此时患者腹部悬空、下垂,拉动横隔膜向足侧移动,形成肺内负压,辅助吸气;当患者开始呼气后,腹下托板开始向上复位,最后恢复至床面位置,此时患者腹部被向上托压,横隔膜向头侧移动,形成肺内正压,辅助呼气。同步变位压,是伏卧同步变位和同步变压的双重作用,能更有效地形成肺内正、负压,辅助呼、吸气。智能人工呼吸床是依托以上创新理论、方法的“人工呼吸床(椅)”实用新型,开发为新型、安全、高效的机械通气装置和广大慢阻肺患者的保健康复治疗椅。

  至今,伏卧同步变压实验用床已完成设计、加工工作,现已开始临床实验。下面针对该型实验用床,介绍床体的具体设计方案。

  伏卧同步变压方法的主要工作原理是通过机械动力对患者腹部实施规律性托压,增加横隔膜动作幅度,以达到提高潮气量的目的,因此腹部托压机械装置是机械设计的核心工作;为了使实验用床能在不同实验参数条件下进行实验,例如不同类型腹部托板、最正规外围足球网站不同身高人群、不同床体倾斜角度等,就需要床体很多部分是能动的,通过变换相应部分的位置来满足不同实验条件的要求。所以在机械设计上,采用分块式结构设计方法,将实验用床床体分为三部分:头胸段、腹腿段和小腿段。床体具体结构如图2所示。

  1)头胸段。考虑便于使用呼吸器,留有椭圆形口孔。它与中间的腹腿段构成悬腹孔,可由它的调头安装改变悬腹孔的形状,适合不同类型的腹下托板。可略加平移头胸段以改变悬腹孔头足向跨度尺寸。头胸段的支架下有调节床体倾斜角度手柄,可调节床体使用角度。

  2)腹腿段。托起患者身体的耻骨联合、髋骨和大腿部。患者腹部可由腹下托板托起,而托板的规律运动可由固定在床体上的伺服电机驱动。为了适合不同的人群,腹下托板设计为有两种类型:宽型和窄型,前者适合肥胖的大腹患者,后者适合瘦弱的瘪腹患者。

  3)小腿段。除了托起小腿之外还起到抵住身体下滑的作用。小腿段可以沿床面分别向头、足部平移,以适应不同身高的人群。

  另外,由于系统治疗过程中存在患者的自调整能力差、腹下托板的周期性挤压和床体的倾斜治疗等特点,所以会产生治疗过程中患者身体下滑、变形和左右平移等现象,从而影响治疗效果,为了解决上述问题,系统采用了胸兜和臀托双重保护措施,阻止异常情况的发生。

  根据智能人工呼吸床功能实现的要求,智能控制设计方案包括两部分:控制通气实现方案和辅助通气实现方案。

  在伏卧同步变压法中,因腹下托板的往返运动,患者腹部时而受到向上的托压、时而又下垂悬空,促使横隔膜分别向头侧和足侧移动,从而形成肺内正、负压实现机械通气功能。因此腹下托板的往返运动是伏卧同步变压法的关键所在,为了达到较好的通气效果,要求腹下托板的运动应符合如下几点要求:

  1)单次呼或吸控制通气过程中,腹下托板运动状态应满足启停慢、中间快原则;

  2)单次呼或吸控制通气过程中,腹下托板动作时间是呼或吸时间的三分之二,其余时间腹下托板处于停止等待状态;

  为了达到以上腹下托板的运动要求,系统采用伺服控制方案。鉴于医疗器械的特殊性,系统使用了进口的松下交流伺服电机、研华PCI-1240数字高精度伺服控制卡,保证系统的安全稳定。在软件功能实现上,系统以VisualC++为编程环境,依托PCI-1240完备的C++ SDK(软件开发包)开发智能控制软件。

  辅助通气与控制通气的区别在于,前者需要与患者呼吸同步,是实时控制,而后者只要求按预定的参数动作,相比之下,辅助通气的实现要难于控制通气。

  在辅助通气过程中,为了帮助患者提高呼吸质量,增加呼吸潮气量,根据伏卧同步变压原理,在患者吸气过程中,腹下托板应由与床体平行位置运动到与腹部脱离接触的位置,而呼气过程则相反。因此腹下托板与呼吸的同步运动是伏卧同步变压法辅助通气的关键所在。为了达到较好的通气效果,腹下托板的运动不仅要满足控制通气的三点要求,还应满足如下几点要求:

  为了达到以上辅助通气中腹下托板的同步运动要求,首当其冲是解决与呼吸同步的实现问题。一般的,呼吸机采用的同步方式有三种:时间切换同步、压力切换同步和容量切换同步,通过多年来的临床实验和实际使用证明,它们基本满足了呼吸机同步的需要,同时基于三种切换方式的混合同步模式也在不断完善中[5-7],尽管这些同步方式能满足呼吸机所要求的功能,但是由于其存在周期长度的不可预知性和非正常周期切换等特性,使之很难应用到人工呼吸床系统,所以找到一个新的同步方法迫在眉睫。

  针对该呼吸床的功能特点,结合同步控制的实际,为了较好地实现机械通气,要求腹下托板必须是完整的全周期或半周期运动,即托板启动后,至少完成一个呼或吸或呼吸动作才停止同步,所以在每次周期运动中,必须有确定的动作触发信号和周期。对于动作触发信号,可以通过流量传感器采集呼吸信号,分析处理实时地得到动作触发信号,但是对于周期的确定,由于人体是一个复杂系统,呼吸过程中,周期长短的决定因素很多,呼吸过程比较复杂,所以实时地确定周期,咳嗽、打嗝的屏蔽,扰动的过滤等等都是比较难解决的问题。鉴于以上情况,借鉴传统机械通气同步切换方法,本系统采用了一种有针对性的伪周期同步处理机制。伪周期是指以旧同步周期为基准,使用特定的规则确定正常周期接受领域,如果新周期在该领域外,则被确定为伪周期。需要指出的是,一个周期被确定为伪周期并不表示该周期将被丢弃,在一定的判断法则审查下,周期可能被丢弃也有可能复活,成为新的正常周期。伪周期同步处理机制具体执行步骤如下:

  1)拘捕。如果新周期不在正常周期接受领域则被拘捕,将作为伪周期处理,关进伪周期“监狱”等候审查;

  2)审查。在伪周期“监狱”里有“囚犯”的情况下,如果新的周期是正常周期,则所有伪周期将被定为异常周期;如果连续几次出现类似伪周期,则启用“法不责众”准则,认定新的伪周期为正常周期;

  3)宣判。在伪周期“监狱”里有“囚犯”的情况下,如果出现了正常周期,则移出所有“囚犯”,清空“监狱”;如果连续几次出现类似伪周期,则释放所有“囚犯”,同时确定其地位,成为新的正常同步周期。

  伪周期同步处理机制的优点在于其以周期为核心指标,通过对周期的智能判断,有效地屏蔽咳嗽、打嗝等干扰信号的影响,同时满足了系统的同步控制要求,使得系统不仅能成功地实现控制通气功能,同时也让系统运行稳定安全,符合医疗器械的行业标准。

  在智能人工呼吸床系统中对临床试验用床进行计算机仿真是非常必要的。由于本研究是北京理工大学、广州呼吸疾病研究所等多家单位联合开展的,考虑到安全性、成本控制等因素,因此实验用床在广州呼研所进行临床实验时,在控制算法、机械设计的改进完善工作中,对同步变压试验用床进行了计算机仿线数学模型的建立

  腹下托板运动的数学模型建立。根据同步变压通气方法的原理,腹下托板是基于该原理试验用床的主要功能部分,其动作由伺服马达控制驱动。为了达到起停慢、中间快的舒适控制需要,系统采用了S曲线加/减速马达运行方案,运行曲线所示。其中加减速运行区域a、b、c、d、e和f的时间均为总运行时间的十分之一。

  其中, SV是启动速度, DV是驱动速度,AC是设定加速度,AR是加速度变化率,这四个参数是马达运动控制器所需要的初始化设置参数,p为马达控制器的输出脉冲,为托板当前位置(与床体平面的夹角), k为脉冲与角度的比例常数,T为单方向运动总时间(对应呼或吸时间), t0为加/减速时间,是总时间的十分之一。

  人体呼吸过程的数学模型建立。由于腹下托板的运动主要和人体呼吸周期有关,所以把呼吸周期作为研究对象进行建模。对不同测试人群的多组呼吸周期数据进行分析考察,不仅发现各组呼吸周期平稳,除短时异常情况(如咳嗽、说话)出现外,几乎无大范围的突变情况出现,同时通过对各组数据进行概率与数理统计分析,发现邻近周期的比值k(n)近似服从=0的正态分布

  系统仿真软件是以Visual C++为编程环境建立起来的。采用模块化设计方法,应用C++面向对象编程技术,将系统中呼吸过程仿真处理和实验床运行仿真处理两个过程模块化、对象化,这样降低了两个处理过程的耦合度,有利于模块的分离测试和联合测试完善,同时保证了实际运行控制算法的可剥离性和准确性。系统模块化仿线是智能人工呼吸床仿真系统下的两幅截图,其中左图处于吸气过程,右图处于呼气过程。

  仿真试验结果表明,在变化因子较小的情况下腹下托板能很好地与呼吸同步,同时实现了托板同步运动的起停慢、中间快的舒适运行,表明控制算法的可行性。但是,在变化因子负值较大,即呼吸频率快速变高时,托板的同步运行明显变得不稳定了,表现在新的呼吸周期到来后腹下托板将等待小于一个周期的时间,同时在新周期到来时,将继续同步。究其原因主要因为考虑到系统运行安全稳定性和人体呼吸频率的平缓变化性,控制算法增加了安全性而以损失同步为代价。当然,在以后的临床试验中,控制算法还需要进一步改进和完善,特别是跟踪注意变化因子的情况,如果负值较大的情况经常出现的话,将需要改变算法以应对该类情况的发生。

  本文提出了一种基于“人工呼吸床(椅)”实用新型的智能人工呼吸床。该实用新型巧妙地运用与呼吸同步变换体位和对斜伏卧位悬空腹变压的方法,通过重力和惯性力的作用,充分调动、最正规外围足球网站发挥了膈肌的呼吸潜能,增加肺潮气量。针对同步变压、变位通气方法的特点,在智能控制算法上创新地使用了伪周期算法,不仅实现了与呼吸同步地辅助通气功能,同时提高了系统同步控制和安全稳定性能。鉴于医疗器械的特殊性,以VisualC++为编程环境对基于伪周期算法的控制系统进行了仿真,发现存在的问题,并对控制算进行了改进,避免了临床实验的危险发生。

  许继平(1979-),男(汉族),湖南省人,北京理工大学博士研究生,主要研究方向为医疗器械智能控制实现与治疗专家系统研究。

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