（仪器科学与技术专业论文）呼吸机综合测试平台及呼吸模式的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 呼吸机是临床抢救和治疗各种原因引起的急慢性呼吸衰减或呼吸功能不全的 不可缺少的重要工具它对提高医疗技术水平，造福患者，必将产生积极的影响 论文的研究工作主要分为呼吸机综合测试平台的搭建，呼吸模式的仿真，呼 吸模式的验证等三个部分所傲的工作是为测试呼吸机的性能构建一种基于虚拟 仪器的测试平台，并对呼吸模式进行仿真与实验验证具体工作如下s ( 1 ) 搭建了呼吸机综合测试平台介绍了系统的总体结构、软硬件设计以及 功能实现的全过程该平台为呼吸模式研究提供了良好的基础 ( 2 ) 建立了包括肺及呼吸机在内的呼吸模型该模型简单而真实地反映了肺 与呼吸机之间的结构特点 采集卡 图2 6 调理电路结构框图 从呼吸机和模拟肺中传感器输出的信号，常具有大量的干扰信号，采用低通 滤波器，将干扰信号去掉，再通过可编程运放对信号加以放大由于各传感器输 出的信号大小各有不同，通过可编程运放将各信号放大所需要的倍数，使得信号 在采集卡所需的信号范围内 。 驱动电路把采集卡输出的电压信号转换为可以控制气体阀的电流信号，其结 构框图如图2 7 所示， 图2 7 驱动电路结构框图 从采集卡输出的是电压信号，而呼吸机的阀门需要电流信号控制，通过电压 一电流转换电路把电压信号转换为所需的电流信号驱动阀，同时由保护电路对阀 进行保护，防止驱动电流过大，破坏气阀 2 3 4 数据采集卡 所采用的数据采集卡为n i 公司的p c i - 6 2 2 9 数据采集卡，p c i - 6 2 2 9 是由n i 公 司所开发的一块基于l a b v i e w 的数据采集卡，此采集卡通过直接插入计算机的p c i 槽中实现与计算机数据通信它能实现的功能；数据采集、模拟输出、计数器、 i o 口，其结构框图如图2 8 所示。下面我将对它的功能进行简要介绍 i 1 6 x 1 6 i h i d c i ” 图 f p g a 刀卜 p c i 控制 器 固 ： 厂矶： 图2 8 数据采集卡结构框图 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 数据采集：它能实现1 6 位1 6 通道模拟信号采集，并且采集速度可达2 5 0 k 模拟信号输入范围一1 0 v 1 0 v 模拟输出：能实现4 通道1 6 位的模拟输出，转换速度可达7 4 0 k ，模拟信号输 出范围一l o v l o v 计数器：采集板上有两个3 2 位的计数器( c t r o 、c t r l ) ，计数方式灵活多样， 可以是边沿( 上升沿，下降沿、上升沿和下降沿) 计数、脉冲计数、半周期计数、 周期计数，时钟源可以是内部时钟和外部时钟，内部时钟频率为8 0 姗z 、2 咖z ， 0 1 姗z ，外部频率可以为：0 删zt o2 0 删z i o 口：p c i - 6 2 2 9 具有2 4 个i 0 口，这些i o 口可以用l a b v i e w 编写程序对 它们进行控制例如用于实现p 喇，只需要在l a b v i e w 中简单的调用几个模块就可 以快速精确的实现p 删调制 2 4 呼吸机综合测试平台的软件设计 呼吸机综合测试平台的软件采用l a b v i e w 进行开发l a b v i e w 是由美国国家仪 器公司创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具，使用图形 化程序设计语言g ( g r a p h i c ) ，用框图代替了传统的程序代码，是带有可扩展函 数库和子程序库的通用程序设计系统它提供了数据分析、显示和存储的应用程 序模块，这样就大大简化程序的设计 呼吸机综合测试平台主要是用于检测呼吸机和模拟肺中压力和流量信号以及 控制呼吸机通气实现呼吸模式为了满足该系统的需要的功能，此系统软件部分 的总体设计框图如图2 9 示 图2 9 系统软件总体设计框图 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 根据软件的总体设计框图可将此软件归纳为三个部分：控制与采集、数据处 理、界面设计各软件部分的数据传输关系如图2 1 0 所示具体过程；由数据采 集卡对呼吸机和模拟肺中的信号进行采集，把采集到的原始数据由m a t l a b 进行数 据处理，把需要显示的数据送到界面上显示，同时把用于实现模式控制的数据送 到数据采集卡上实现d a 转换，实现对呼吸回路的控制，实现各种呼吸模式的控制 图2 1 0 系统各模块之间的数据传送关系图 2 4 1 控翩与采集 数据采集主要包括对呼吸机中信号的采集以及对主动模拟肺中信号的采集 呼吸机中信号的采集主要是对呼吸机气道中的压力和流量信号进行采集，从呼吸 机中所采集的数据主要是用于数据分析和实现反馈，采用反馈能够更平稳实现各 个呼吸阀的控制；从主动模拟肺中所采集的数据主要用于分析，得出各种呼吸模 式在肺中所引起的反应，从而有利于呼吸模式的改善 控制将是用于对氧气阀、空气阀以及呼气阔的控制，通过数据采集使得对各 阀的控制形成一种闭环的控制，从而使得呼吸机对病人呼气和吸气时气道中的流 量和压力控制更加稳定 。 根据上所提的采集与控制的功能要求可画出其软件流图如图2 1 1 所示，首先 选择通道，包括数据采集通道和控制所用的d a 通道，然后启动数据采集，当采集 完成以后读出各通道所采集的数据，把采集到的原始数据按照一定的功能需求进 行一定的处理，把处理所得的实现呼吸模式控制的数据写到d a 中去，再启动d a 转换，通过所选的通道实现对气阀的控制阀的状态变化引起气道中压力和流量 又变化，从而又启动数据采集，这个过程循环实现 。 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 4 2 数据处理 图2 i l 采集与控制部分程序流图 数据处理主要包括对测量数据的存储、呼吸参数的计算以及模式控制参数的 计算数据处理部分的程序流图如图2 1 2 所示，软件的运行过程如下：将采集到 的数据分开为呼吸机中的数据和模拟肺中的数据，将模拟肺中的数据直接显示和 存储起来，同时将呼吸机中的数据转化为呼吸参数加以显示和存储，也将这些数 据用于实现p i d 或者自适应算法来实现对呼吸阀的控制 图2 1 2 数据处理部分程序流图 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 4 3 界面设计 为更好的观察呼吸机和模拟肺中的信号变化，设计一个比较直观的界面，其 界面的结构图如图2 1 3 所示，有结构图可看出此界面分为四个功能部分：图形显 示、测量参数显示、参数设定以及软件自身功能区图形显示主要包括压力一时 问波形、流量一时间波形，容量一时问波形、流量容量环、压力容量环，以及对 各个波形的放大和对波形中特殊点的提取功能测量参数显示主要包括吸气顺应 性、呼气顺应性、吸气阻力、呼气阻力、呼出潮气量、呼出分钟通气量、呼吸率、 呼吸比、平均压力、p e e p 、呼吸流速峰值参数的设定主要包括支持的压力值、 触发灵敏度、压力上下限报警值、p e e p ，吸气时间、呼吸率等软件自身功能区 用于对软件参数的设定重要包括d a 和a d 通道的选择、采样率的设定、采样范围 的设定等 图2 1 3 界面结构图 2 5 呼吸机的测试 采用呼吸机综合测试平台对s h a n g r i l a 5 8 0 呼吸机进行了测试，测试出 s h a n g r i l a s 8 0 呼吸机运彳亍p c v 、p s v 、c p a p 呼吸模式时的进气口的压力和流量数 据如附录a 所示 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 对s h a n g r i l a 5 8 0 呼吸机的具体测试过程如下：首先将综合测试平台中的呼吸机 部分用s h a n g r i l a s s 0 ，将s h a n g r u a 5 8 0 信号线和控制线直接连到综合测试平台的检 测和控制面板上；然后在l a b v i e w 上编写程序实现a d 和d a 口的选择和读写以及 通过调用m a t l a b 节点实现控制算法和数据处理，控制算法分别是p c v 、p s v 、c la p 实现算法实现p c v 时采用自适应控制方法控制s h g r u a s s 0 呼吸机通气，采集 到进气口的压力和流量数据如附录a 所示；p s v 采用p i 控制方法控制s h a n g r h a s 8 0 呼吸机通气，采集到进气口的压力和流量数据如附录a 所示；c p a p 也采用p i 控 制方法控制s h 锄鲫a 5 8 0 呼吸机通气，采集到进气口的压力和流量数据如附录a 所示 采用呼吸机综合测试平台测试到的s h a n g r u a s 8 0 呼吸机通气时的数据为呼吸 模式的研究提供了依据，同时验证了呼吸机综合测试平台设计的有效性和合理性 2 6 呼吸机综合测试平台与呼吸模式研究的关系 呼吸机综合测试平台是呼吸模式研究的硬件基础，呼吸模式的好坏取决于是 否能够满足病人的呼吸需求，然而验证呼吸模式的好坏不可能用病人来验证，这 就需要一个平台来验证，即呼吸机综合测试平台呼吸模式的研究主要工作分呼 吸机综合测试平台的搭建、呼吸模型的建立以及呼吸模式的仿真、呼吸模式的验 证等三步进行其工作流图如图2 1 4 所示； 图2 1 4 模式研究工作流图 第一步进行呼吸机综合测试平台的搭建，呼吸机综合测试平台的搭建为呼吸 模式的研究提供了基本实验条件的保障第二步呼吸模型的建立以及呼吸模式的 仿真，根据呼吸系统的基本功能建立呼吸模型，把所提出的呼吸模式的想法在呼 吸模型上加以仿真，看是否能达到我们的要求，如果能达到要求则将其应用到呼 吸机综合测试平台上，从而就进行了第三步工作呼吸模式的验证，验证呼吸模式 是否能满足需求，如果不满足则回到呼吸模式仿真中把呼吸模式加以改善，从而 研究出更好的呼吸模式 由于时间有限，本文只进行了呼吸机综合测试平台的搭建和呼吸模型的建立 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 以及呼吸模式的仿真，对于呼吸模式的验证将在以后进行 2 6 本章小结 本章主要介绍了呼吸机综合测试平台的总体设计，硬件和软件的设计以及功 能的实现过程。呼吸机综合测试平台的搭建，为呼吸模式的研究提供了必要的硬 件基础，从而为呼吸机的发展提供了有利的物资保障 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章呼吸模型的建立 呼吸模型的建立就是将人的呼吸系统采用一个简单的模型抽象出来，从而减 少了呼吸模式研究的难度呼吸模型的建立是呼吸模式研究必不可少的环节在 呼吸模式研究中主要考虑的是气道和肺泡中的压力和流量的变化，所以建立模型 模拟呼吸系统，主要是模拟出呼吸的动力和阻力呼吸的主要动力是呼吸运动， 呼吸运动是指呼吸肌收缩与舒张引起的胸廓扩大和缩小在吸气时，膈肌和肋间 外肌收缩使胸腔的上下、前后和左右径均增大，引起胸腔和肺容量的增大，肺内 压低于大气压，外界气体进入肺内，完成吸气；在呼气时，呼气运动不需要呼气 肌的收缩，因为当膈肌和肋间外肌舒张时，肺依靠其自身的回缩力而回位，并牵 引胸廓，使之缩小，从而引起胸腔和肺容积减小，肺内压高于大气压，肺内气体 被呼出，完成呼气根据上面的呼吸原理，将采用一个源( p m ) 来代表呼吸动力， p m 在吸气时为负、在呼气时稍高于大气压呼吸的阻力有弹性阻力和非弹性阻力， 弹性阻力包括肺泡表面张力和肺的弹性纤维回缩力，以肺泡表面张力为主，所以 只考虑肺泡的表面张力，肺的弹性阻力可用肺顺应性表示，即外力作用下肺扩张 的难易程度非弹性阻力包括气道阻力、粘滞阻力与惯性阻力，最主要是气道阻 力，所以只考虑气道阻力，气道阻力的大小一般用维持单位时间内气流量所需的 压力差来表示，影响气道阻力的因素有气道的大小，形状，表面粗糙程度等建 立的模型只考虑它的动力和阻力，即呼吸动力、顺应性和气阻下面将基于肺呼 吸机制以及呼吸机气流结构构建出呼吸模型，此模型能够简单而又真实反映出肺 与呼吸机之闻的结构特点，同时可以非常好的实现对呼吸机的反馈控制。 3 1 主要参数定义 呼吸机与肺进行通气时，气阻和顺应性是引起气道中气压和气流变化的主要 因素，只有对气阻和顺应性进行较好的建模才能更好的实现对呼吸机的控制下 面将对气阻和顺应性的定义以及建模过程作个介绍 3 1 1 气阻 气道阻力是产生一定气流流量所需要的压力差朗，定义式如下： 肚等 a t ， q 根据气体动力学可知影响气阻大小的因素主要有通气道的大小、形状、表面 粗糙程度；气阻的具体计算式子可以通过气体流量方程获得；在呼吸机与肺通气 第2 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 时，气阻主要产生于呼吸道与通气管，而这两个渠道所产生的气阻其压力差不高 气阻计算式具体获得过程如下： 根据气体动力学可知，当压差不高时。气体的质量流量方程为期： 肚障 如厕 ( 3 2 ) ，为热率，当为正二价气体时，取1 4 ，a p - - - b 一忍代表形成气流的压差，丑 代表气流上流的压力，最代表气流下流的压力，4 。代表气道流气的有效面积，g 为重力加速度，店为当压力为马的重力密度 通过( 3 2 ) 式可看出，当上流压力只固定时，控制流量主要通过控制如和p 来加以控制( 3 2 ) 式是质量流量与压力的关系，而在呼吸机中对流量主要是使 用体积流量，这要求获得体积流量与压力的关系通过体积流量方程获得 2 7 1 ： c 一 q ；彳鼍i a 尸l ( s g n ( a j ，) ) ( 3 3 ) a p - - 弓一e 代表形成气流的压差，e 代表气流上流的压力，b 代表气流下流 的压力，z 代表气道流气的有效面积，g 为重力加速度 通过( 3 2 ) 、( 3 3 ) 式所获得的气阻是非线性的，而当气流和压差比较小时 气体流量方程可转化为以下方程 气体质量流量方程为网： 矽。口旦4 竺( 3 4 ) 3 2 a l p 为重力密度，彳、d 、工分别为气道的面积、直径、长度，a 粘性系数 气体体积流量方程为1 2 7 ； 口：塑a p ( 3 5 ) 。1 2 - g 肚 p 为重力密度，d 、上分别为气道的直径，长度，粘性系数，g 为重力加 速度 通过( 3 5 ) 式所获得的气阻将是线性的，人的呼吸道是那种毛细管道，气流 和压差比较都比较小，用( 3 5 ) 表示呼吸道的气阻比较合适，从而( 3 5 ) 式表示 了呼吸道的气流与压力的关系根据( 3 5 ) 式可知，q 和a p 是一种线性关系，当 把压力等效于电压，流量等效于电流时，气阻等效于电阻是完全满足它们之间的 关系用电阻模型代表气阻将合乎研究的要求 第2 l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 1 2 顺应性 顺应性是单位压力改变时引起的容积改变唧定义式如下： c - - - a v ( 3 6 ) p 顺应性可分为静态顺应性和动态顺应性静态顺应性反映肺和胸壁的弹性( 弹 性阻力) 特征，在测量时于吸气末阻断气流，压力变化用平台压- p e e p 来计算，因 此排除了气道阻力成分而动态顺应性反映气道的阻力( 非弹性阻力) 和呼吸系 统弹性( 弹性阻力) 特征，在测量时有气流存在压力交化用峰压力- p e e p 来计算， 因此气道阻力可明显影响动态顺应性的水平在呼吸模型的建立时，把气道阻力 和顺应性分开建模，只考虑了静态顺应性，对动态顺应性不加以考虑这是由于 动态顺应性在临床上应用甚少，因为它除了测定弹性力外，尚测定其他成份的阻 力 呼吸机与肺通气时，顺应性主要是由肺泡所产生的呼吸道与通气管也具有 一定的弹性，也将产生一定的顺应性，它相对肺泡的顺应性来说是比较小的 顺应性与压力和容量的变化量有关顺应性的计算式子通过理想化气体方程 获得其获得过程如下鲫： 气体理想化方程为： p v 二m r t ( 3 7 ) 假设为一个容积不变刚性容器，其容积为圪。，通过( 3 7 ) 式可得： 器= 等 ( 3 8 ) a p盂r 。 当密度不变时，质量的变化与体积的变化成正比可得： 锄= 印矿。 ( 3 9 ) 每次容积的变化很小，所以可把( 3 9 ) 式代入( 3 8 ) 式可得； 豢= 鳖p r t = c ( 3 1 0 ) a p 通过( 3 1 0 ) 式可知，压力和容量变化量的比值是一个常数根据顺应性的定 义可知，压力和容量变化量的比值也就是顺应性的值然而用电容模型来代表顺 应性也将是合乎研究的要求 3 2 肺模型的建立 根据上面所得气阻、顺应性与气压和气流的关系，可以把肺模型建立为一个 线性模型，线性模型是一个非常简单的模型，但是它能很好的反映出肺的呼吸功 第2 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 能，其模型的建立过程如下： 人的呼吸系统由气道和肺泡构成，其呼吸过程为：人呼吸做功，使得肺泡扩 大，肺泡中压力下降，从而在气道中产生气压差，必然形成气流给肺供气因而 可以将呼吸道与肺泡等效于串联，而呼吸道对气流的影响主要反映为气阻( 五) ， 肺泡对气流的影响主要反映为顺应性( c = 1 e ) ，也就是气阻与顺应性串联设 忍进气口压力，最为肺泡中的压力，a p = 忍一兄为呼吸道的压力差，呼吸系统 中的流量为统，人自主呼吸在肺泡中所形成的压力为已由上节对气阻和顺应性 的定义可得 2 7 1 ： 置：篓：p c - p l ( 3 1 1 1 1 ) 置= =) 骁兢 + c ：上( 3 1 2 ) 忍一己 v 2 j 幺d t ( 3 1 3 由( 3 1 2 ) ，( 3 1 3 ) 可得： c ：韭兰( 3 1 4 ) 兄一己 假设压力代表电压，流量代表电流结合( 3 1 1 ) ，。( 3 1 4 ) 式得出集总参数 的电路如图3 1 所示，此模型将其称为r c 模型 2 7 1 ； 珏 械 t 牛c o p - 土 图3 1 呼吸系统模型 根据图3 1 所得出呼吸系统的拉普拉斯函数为： 骁2 彘曝一只) ( 3 1 5 ) 当人正常呼吸时，尼= 0 ，此时( 3 1 5 ) 变形为： 譬= 孟 己必+ e 式( 3 1 6 ) 是健康肺的呼吸传递函数上面建立的是肺的r c 模型 图3 _ 2 为人正常呼吸时肺中的压力和流量图 2 7 1 ，此图能够很好的反映人正常呼 吸时肺泡中的压力和流量的变化。 第2 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 暑 v 麓 02豫 投珥塔” i t 细0 ) 图3 2 正常呼吸时肺中的压力和流量波形图 根据人呼吸的生理过程自己构建一个与自主呼吸相似的只如图3 3 ，两图比较 可看出名与图3 2 中的肺泡压力曲线变化趋势十分相似，将所建立己作用于所建 的肺的r c 模型上，呼吸道的流量变化曲线如图3 3 ，由流量变化曲线可知，其变 化趋势与图3 2 的流量变化曲线比较相似，所以在研究呼吸模式时用此r c 模型代 替人肺能够满足一定的要求 图3 3r c 模型仿真波形 当人呼吸系统受到了伤害，使得e 和r 增加，要想呼吸到足够多得气体，。需 要己作更多功，从而引起呼吸肌过度劳累，时间长使得呼吸系统无法正常呼吸 这就需要加上呼吸机来辅助呼吸所以下面将建立一个带呼吸机的模型 3 3 带呼吸机时模型的建立 呼吸机与人的呼吸系统相连接，呼吸机的气管也对气流有一定的阻力，同时 第2 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 也具有一定的顺应性，所以需要把呼吸机气管的气阻和顺应性加到肺模型中来 3 3 1 线性模型的建立 呼吸机与人的呼吸系统相连接，根据气流的流动方向。可以将呼吸机模型和 肺模型串联起来，就是将呼吸机气管的气阻和顺应性串联到肺模型前面根据前 面所建的气阻和顺应性与流量和压力的关系，假设电压代表压力，电流代表流量 电阻代表气阻，电容代表顺应性，得出r r c c 模型 2 7 1 具体结构如图3 4 所示： = t 算挲q & 2 产g 。一广 由 o p i 土 图3 4r r c c 模型结构图 图3 4 中q 为呼吸机进气口流量，r r 、也分别是呼吸机气管和呼吸系统得气 阻，巴= 1 臣、c r - 1 e r 分别为肺的顺应性和气管的顺应性 在压力为基本控制的呼吸模式时，尼作为输出，q 作为输入，所以由图3 4 可得出传递函数为： 尼= 当病人是成年人时，r r r l ，所以易可以不计，r r c c 模型可变为r c c 模 型t 2 7 ，具体结构如图3 5 所示； 一兰 矿i 一上 9 r 、d e c2 兰l + 砸r l 乞( 3 1 8 ) 也 第2 5 页 鬻 = | j 辫 国防科学技术大学研究生院学位论文 在容量为基本控制的呼吸模式时，色作为输出，q 作为输入，所以由图3 4 可得出传递函数为： 土l j 譬2 箍q 一砸r l + r r _ 旺，9 ， j + 三- 土j + 土 吃+ 墨恐+ 辱 当墨 也时，根据图3 5 可得出传递函数为： 生 上，； q = 去q 一南己 ( 3 刎 j 十o = - 二-j 十；o r lr l 上面所建立的模型是不考虑呼吸机与肺之间漏气，然而实际上漏气是必然存 在的。漏气的产生由于气道漏孔，由于气压差的存在产生流量，同样满足气阻与 流量和压力的关系式，从而漏气也可以用电阻来表示漏气的存在使得在相同气 压作用下进入肺中的流量减少，因此可以考虑在r c c 模型上并联电阻来表示漏气 下面建立一个考虑漏气的模型，漏气的产生主要是通过两个渠道，一是呼吸机管 道e 产生，二是呼吸机与人的接口上产生模型建立如图3 6 所示叨； 图3 6 带漏气的r c c 模型结构图 把尼作为输出，q 作为输入，根据图3 6 可得出传递函数为； 足= 墨 q s 置+ i c r j 生且 葛葛 g p - + 最且+ 曼 外等“3 川 印+ 击+ 券毒 c i s c t s 上式为考虑漏气，流量作为输入，气压作为输出的系统传递函数 3 3 2 非线性模型的建立 第2 6 页 国防科学技术大字研冗生院学位论文 非线性模型将根据气阻与流量和气压之间的非线性关系而建立起来非线性 模型使用系统状态方程表示，它是在r c c 基础上建立起来的，其具体建立过程如 下伫7 l ： 设t = 巴一匕，x 2 = 忍； 由顺应性的定义可知： 2 击皿毋 ( 3 2 2 ) 屯= 砉陋一o , ) d t ( 3 ) 屯2 石j w 一 3 乃 对( 3 ： 2 ) ( 3 2 3 ) 式进行求导可得： 南= 线 ( 3 2 4 ) 南= 一骁) ( 3 2 5 ) 再由( 3 3 ) 式可得： q - - a 挎厄s g n 也) ( 3 2 6 ) 骁亍厄习驴k 一毛) ( 3 刀) 把( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) 式代入( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) 式可得： t i - - - 鲁厄习s 毗训 ( 3 岛- 一惫届习s 毗训+ 目捂压龇) ( 3 刎 综合上面的推导可得系统的状态方程为； 南一导厄习s 毗训 叠= 一惫嗣毗训+ 目捂压毗) 最= x 2 3 4 本章小结 本章主要介绍了r c 模型，r r c c 模型，r c c 模型，带漏气的r c c 模型以及非线 性模型的建立。各种呼吸模型的建立为呼吸模式研究提供了方便，所有的呼吸模 国防科学技术大学研究生院学位论文 式控制研究都可以在此基础上进行在呼吸模式研究中主要采用的是r c c 模型， 此模型简单而又能反应出呼吸机与肺之间的性能关系 第2 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第四章基于压力的呼吸模式( p b v ) 呼吸模式是指呼吸机以什么方式实现向病人通气可分为基于流量的呼吸模 式、基于容量的呼吸模式、基于压力的呼吸模式( p b v ) 基于流量的呼吸模式 是控制呼吸机给病人送气或放气时的流速基于容量的呼吸模式是控制呼吸机提 供辅助呼吸时的肺活量p b v 是采用一种控制压力的方法来实现辅助呼吸的呼吸 模式p b v 能够很好的实现触发的判断，能够较好的实现与病人呼吸同步，有利 于辅助呼吸所以大多数常用的呼吸模式都是采用基于压力的呼吸模式，例如压 力控制通气( p c v ) ，压力支持通气( p s v ) ，。同步间歇指令性通气( s n 小d ，气 道正压通气( c p a p ) 等p b v 已被大量的呼吸机所应用，在呼吸机领域中已成为 了呼吸模式的主流本章所研究的是基于压力的呼吸模式( p b v ) p b v 要求采 用适当的控制方法来实现呼吸模式中的压力控制实现压力控制方法多种多样， 本章将介绍以下两种方法：一种是p i 控制，另一种是自适应控制；还将分析给出 p c v ，p s v ，s m ，c p a p 等呼吸模式的仿真与实验结果。 4 1p i 控制实现p b v 4 1 1p i d 控制器的介绍 比例、积分、微分控制( 简称p i d 控制) 是过程控制中应用最广泛的一种控制 规律，控制理论可以证明，p i d 控制能满足相当多工业对象的控制要求，所以，它 至今仍然是一种基本的控制方法 一个典型的p i i ) 单回路控制系统如图4 - 1 所示，图中c 是被控参数，r 是给 定值 削蹴勰h 被鲥象p i 图4 1p i d 单回路控制系统 p i d 调节器的基本输入输出关系可用微分方程表示为 粥= 巧h 砉f 批+ l 割 他z ， 式中，材0 调节器的输出信号； e ( f ) 一调节器的输入偏差信号，e o ) = ，( r ) 一币) ； 第2 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 k 。一调节器的比例系数；瓦一调节器积分时间；l 一调节器微分时间 p i d 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控 制的比例控制是一种最简单的控制方式是按比例反应系统的偏差，系统一旦 出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差比例作用大，可以加快 调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳 定当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，使系统消 除稳态误差，提高无差度因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节 停止，积分调节输出一常值积分作用的强弱取决于积分时间常数t i ，t i 越小， 积分作用就越强。反之t i 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降 动态响应变慢对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这 个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统( s y s t e mw i t hs t e a d y - s t a t ee r r o r ) 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”积分项对误差取决于时间 的积分，随着时间的增加，积分项会增大这样，即使误差很小，积分项也会随 着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等 于零因此，比例+ 积分( p i ) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成 正比关系微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化 的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作 用消除因此，可以改善系统的动态性能在微分时间选择合适情况下，可以减 少超调，减少调节时间微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调 节对系统抗于扰不利此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微 分作用输出为零自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失 稳其原因是由于存在有较大惯性组件( 环节) 或有滞后( d e l a y ) 组件，具有抑制 误差的作用，其变化总是落后于误差的变化解决的办法是使抑制误差的作用的 变化。超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零这就是说，在 控制器中仅引入。比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值， 而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比椤i + 微 分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免 了被控量的严重超调所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+ 微分( p d ) 控制 器能改善系统在调节过程中的动态特性 在实现呼吸模式的控制时，根据所建立的模型可知，模型中没有大的惯性模 块和延迟模块，因而对呼吸模式的控制只需要使用p i 控制就可以实现对压力控制 的目标。 第3 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 1 2 控制系统的建立 p b v 要求控制呼吸机进气口的压力( b 眦) 为设定的压力( 鼻) ，设呼吸机进气口 流量为易，呼吸系统中的流量为q 上，人自主呼吸在肺泡中所形成的压力为只北氍 此控制系统将根据r c c 模型而建立，r c c 模型的传递函数为： = 里 9 + 毒百 ( 4 国 s + _ l 置 根据r c c 模型再加上p i 控制器、传感器传递函数以及阀的动力学传递函数建 立起系统框图如下叨： 图4 2 带p i 控翻器的系统框图 图4 2 中r g ) 是压力传感器的传递函数；g g ) 是阀的动力学传递函数，它把 压力转化流量；瓦= 吉，e 。- c r - - - - ；p i 是p i 控制器根据上面所建立的系统来 实现压力的控制，其关键是怎么确定p i 中的两个常数：比例增益和积分增益下 面将介绍参数的确定 4 1 3 参数的确定 p i d 控制分别对误差信号p o ) 进行比例、积分、微分运算，其结果的加权和构 成系统的控制信号”( f ) ，送给对象模型加以控制 p i d 控制器的数学表达式为： 甜( f ) = 巧阳+ 砉i 七班+ 乃剖 实现p i d 控制必须要确定e ，五，乃这三个参数，下面介绍z i e g l e r - - n i c h o l s 整定方法 z i e g l e r 和n i c h o l s 提出了一种实用的p i d 控制经验公式，这个经验公式是基 第3 l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 于带有延迟的一阶传递函数模型提出的这样的模型可以表示为： 矿 g ：垒一e “ l + s t 在实际的过程控制系统中，4 有大量的对象可以近似的由一阶模型来表示，如 果不能物理的建立系统模型，可以通过实验提取相应的模型参数，可以通过实验 1 矿r 测取对象模型的阶跃响应，再通过阶跃响应图获取量，工与t 值通过口= 等求 出口，再通过查经验表获取p i d 控制器的参数通过频率响应获得，首先通过频率 - 响应获取纹和疋，再由瓦= 竺：获取瓦，最后通过查表l 求得p i d 控制器的参数 表lp i d 控制器参数经验表 控制由阶跃响应整定 由频率响应整定 器类型k p 互 l k ， 正乃 p 。 0 5 x t p i o ， 3 工 0 4 k 。0 s t 。 p m 1 2 三 o 6 k ,o 5 瓦 0 1 2 t 。 4 2 自适应控制实现p b v 4 2 1 控制系统的建立 p b v 要求控制压力尼根设定压力保持相同，压力上升时间比较小为了达到 p b v 的要求，控制系统采用负反馈和补偿器实现控制根据前面所建立的r c c 模型 建立起控制系统如图4 3 所示【切 。图4 3 反颔箍制图 g g ) 是i 屺c 模型的传递函数，其表达式如下： g 似裂= ( 4 3 ) 第3 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 x g ) 是设定压力的拉普拉斯变换，西) 和尼g ) 分别为呼吸机进气口的流量和 压力的拉普拉斯变换，c g ) 为补偿器是由控制器传递函数和阀的动力学传递函数 组成 ， 建立图4 3 的控制系统需要确定补偿器c g ) ，按照p b v 的控制需求，可以把 图4 3 的控制系统建立为一个一阶模型一阶模型的传递函数r 6 ) 为【1 7 1 ； 雄) = 竺l ( 4 4 ) 按照图4 3 建立传递函数为： ， 哟= 错= 品端 “s ， 由( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) 式可得： 啪= ( 4 6 ) 通过( 4 6 ) 式可知，要想确定c g ) 就必须确定c r 、q 、吃这三个参数的 确定可以通过两种方法，一种方法是由医生确定病人的这三个参数值，然后设定 给呼吸机，这种方法对于研究控制是不可取的；另一种方法是通过一些算法，由 处理器估算出这三个参数的值如果用第二种方法实现p b v 控制，建立控制系统 如图4 4 所示唧： 图4 4 自适应控制框图 图4 4 控制系统与图4 3 控制系统相比较可知，图4 4 增加了一个参数估计环 节，参数估计方法有很多，下面将介绍用最小二乘法实现参数估计足、q 通过 传感器测得，用所测的忍、q 值估计出c r ，巴，也 4 2 2 参数估计 第3 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 令毛= 百1 ，乞= 鲁，屯= 警( 4 攀： g = 裂= 铡 ( 4 7 ) 对( 4 7 ) 式进行离散化： 黝籀娑嚣p “s ， = 毛删+ 瓴如丁2 一 丁妇b 1 ) 一。7 其中r 为采样时间 令岛= 一屯r 岛= 1 + 屯r ，岛= 毛r ，只= k t k 2 t 2 一毛丁( 4 8 ) 式变形为： 尼o ) = 岛尼o 1 ) + 岛尼o 一2 ) + 岛( 如) + 只q ( 疗一1 ) ( 4 9 ) 设现在观测出一1 时刻到+ 4 时刻的值，可列出下面方程组 ( + 1 ) = q 忍( ) + 晚尼( 一1 ) + 岛q 协+ 1 ) + 只q ( 忉 ( + 2 ) = b 尼【+ 1 ) + 岛尼( ) + 岛q 协+ 2 ) + 只q ( + 1 ) ( + 3 ) = o i p c ( n + 2 ) + 0 2 p c ( ? r + 1 ) + 岛q o v r + 3 ) + 日q ( + 2 ) ( + 4 ) = 0 1 p c ( n + 3 ) + 0 2 p c ( + 2 ) + 岛( 灯+ 4 ) + 只q ( + 3 ) 尼( 册尼( 一1 ) q ( + 1 ) 令p 垴岛岛只l r j 妒= 旧p c ( n + 曲2 ) 篇) 搿= l 昂( + 3 ) p c ( + 2 ) q ( + 4 ) ，= 眨( + 1 ) 名( + 2 ) 忍( + 3 ) 忍( + 4 汀可得： 、p = 妒 设蚕表示p 的最优估计，声表示，的最优估计f 表示残差 e ：p 一争 最小二乘法估计要求残差的平方和为最小值，即指标函数 ，= = c p 一硝( p 一纠 用最小值来确定否令尝。0 ，可求谷， ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) 荔= 捌7 ( p 一纠= 。 ( 4 ) j ，p 一声7 矽= o ( 4 1 4 ) j 妒7 p = 妒7 矽 ( 4 1 5 ) 毋= 眵7 声】_ 1 矿p ( 4 1 6 ) 通过( 4 1 6 ) 式可得到估算值，但计算量比较大，需要的存储量也很大，所以 第3 4 页 采用递推最小二乘法设( 4 1 0 ) 式中p ，分别用昂和石粟裹泵= - 一 目= 九矽( 4 1 7 ) ，以= k “r 霸磊 ( 4 1 8 ) ， 设巩= k 如r ， 瓦= 目簖昂 ( 4 1 9 ) 如果获得一组新得数据p “，q n + l = q ( + 5 ) p n + i = 硝“0 ( 4 2 0 ) 其中肌“= 昂( + 5 ) “ - 眨( + 4 ) ，尼( + 2 l q ( + 5 ) ，q o v + 4 ) 】 把( 4 1 7 ) 和( 4 2 0 ) 式合并写为： 巴 = 巴p ( 4 2 1 ) 冬“5 够：王隐 _ l 陇 臣“ “挖， = 隐。丁巴 = 昂+ ) 1 巩。= 隐 陇 - i = k 如+ 砥r ：衙+ 九r c 4 b - 。i + 甲。一t 。：、! = b n b 3 i ，t 。，、b 秤。弋蟊$ n = b n 母n t r n 心n t r n l ! 甲t n ? n + 9 。p n a ( 4 2 s ) 礼= 允+ 氐6 + 抵巩r 瞄m 一也瓦j ( 4 1 1 防科学技术大学研究生院学位论文 繇“= 母9 ，+ l q + 盛哆9 + 1 ) - 1 则可得百与瓦的递推关系式： = + 蜀。一如瓦j ( 4 2 7 ) 综合( 4 ：弭) ( 4 2 6 ) ( 4 2 7 ) 可以得出递推最小二乘法的估算公式， f 瓦。= 允+ 岛。h 一九允) 毋“= 目矿+ i ( 1 + 刃+ i 峨- 厂 ( 4 2 8 ) b n 1 = b n b n 9 n n 龟+ 最n b n 妒n “i ( i 最“b h 上面式子也可以写成下面形式 f 的+ 1 ) = 鳓) + 墨o + 1 ) ( p o + 1 ) 一尹r 0 + 1 训 足0 + 1 ) = 剖( 扫) 而+ l 砸+ 尹7 0 + 1 日白协+ 1 ) y ( 4 2 9 ) p o + 1 ) = 叫d 一烈弗而+ l 砸+ 矿o + 1 ) 蝴+ 1 ) r 矿g + l 净 通过( 4 2 9 ) 估算出各时刻的口值代入b = 吨r ，岛= l + k 3 t ，岛：毛r ， 只= 毛岛r 2 一南r 中可得： ( 4 3 0 ) 把( 4 3 。) 式代入毛2 百1 ，乞= 鲁，毛= 墨毫鱼得出g ，c 工，吃的估 计值 龟= 错- 一锵 4 3 呼气相与吸气相之间的转换 ( 4 3 1 ) 4 3 1 吸气相向呼气相的转换 第3 6 页一 +一驴_ 4了警量r = = = t 屯 b 南 一 精矗 如 珏 国防科学技术大学研究生院学位论文 呼吸机产生正压将气体压入肺部完成吸气以后，接着应完成向呼气的。切换” 目前常用的切换方式有四种，即压力切换、流速切换、容量切换和时间切换任 何呼吸机一种切换方式是必需的，但现代先进的呼吸机可有2 - 3 种切换方式供临 床根据不同情况选择 压力切换：以压力切换完成吸气向呼气转化的呼吸机称为定压呼吸机在这 种呼吸机内装有压力感知系统，当吸入气道压力达到预定值时，即停止吸气，吸 气时间、流速和气量均受预定压力、气道阻力及胸肺顺应性的影响压力切换机 理可以为气控、电控或二者的结合。 流量切换：所谓流速切换，是指在呼吸机内装有一个流速感应阀，当吸气流 速小于一定值时，即停止吸气，完成吸一呼切换，转入呼气流速切换呼吸机只保 证完成吸一呼切换时的流速恒定，肺内压、吸入气量和吸气时间都不恒定为了预 防流速的明显不同，有的流速切换装置上配有一个峰流控制器，用来调节吸气时 间和吸呼比值由于流速切换呼吸机的供给量和吸气时间因肺部情况的变化而变， 所以要有精确的通气量监测装置和报警装置，以便及时发现问题给予调整 容量切换：容量切换是指呼吸机将预调的吸入气量送入肺后即转向呼气，不 论肺和气道的情况如何，都压入预定的吸入气量，而气道压力和流速则不恒定 容量切换呼吸机称为定容呼吸机容量切换多采用间接驱动，也可直接驱动容 量切换机理为气控、电控或二者的结合 时间切换：达到预调的吸气时间。即停止吸气，转向呼气，这样吸气的气道压， 气流速度和吸入气量均因肺部情况不同而变化时间切换机制包括气控、电控或 电机械控制可以是直接驱动，也可是间接驱动 4 3 2 触发 在辅助呼吸时要求采用一些方法能够感觉出病人的呼吸要求实现呼吸机与病 人的同步，这要求能在适当的呼吸相时实现灵敏的触发，以最小的努力实现触发 触发可以用压力或者流量实现，通过测得的压力或者流量与设定的触发值进行比 较实现触发，这需要通过一定的算法消除噪声引起的错误触发流量触发比压力 触发更灵敏，由于有两个流量传感器来检测，一个在呼吸机的出气日，个在呼 吸机的呼气阀，由偏差估计流量的要求流量触发消除了由压力干扰引起的触发； 从吸气向呼气转化也需要触发，这触发可以采用压力，流量，时间触发 压力触发：采用压力触发方式时，设定压力触发灵敏度值后，呼吸机监测病 人回路中压力信号，病人有吸气努力时导致气道压力下降，降至低于设置的灵敏 度值时，即触发呼吸机给病人呼吸气流波形如图4 5 所示：在a 点气道压力降 至基线压力，当气道压力降至压力触发灵敏度设定值( b 点) 时，呼吸机产生1 第3 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 个病人触发吸气a - b 间隔大小取决于两个因素：气道压力下降的快慢，吸气作 用力越大，a 吨间隔越短；压力触发灵敏度的设定值，此值越小，a - - b 间隔越短 气道压力 ( c m h 2 0 ) 从呼吸机送出的 流量( u m i a ) 一”j 一一v 一 i a j ? 上 融 夕 图4 5 压力触发 流量触发：采用流量触发方式时，呼吸机的吸入流量传感器测量输送流量， 呼出流量传感器测量呼出流量，呼吸机还通过测量这2 个流量值的差来间接测量 病人流速( 假设为最小漏气) 病人有吸气时，呼气流量传感器测量值下降而吸 气流量传感器测量值保持恒定，当两者差异大于设定值即流量触发灵敏度值时， 呼吸机被触发。病人没有吸气时两个流量传感器测量值从理论上说应该是一致的， 若有差值则说明传感器有误差或病人回路系统中有漏气存在，为了避免因漏气而 导致的误触发，操作者可适当加大流量触发灵敏度值，以补偿病人回路系统的漏 气图4 6 显示的是病人的气流波形设定流量触发灵敏度值后，在呼气后期病 人回路维持一个持续气流( 称为基本流量) ，这个值比操作者设定的流量触发