主流式人呼吸末二氧化碳浓度测量方法与流程

本发明属于生物医学工程领域，为涉及一种人呼吸末二氧化碳浓度精确监测方法。

背景技术：

在临床等医疗监测中人呼吸中二氧化碳浓度实时监测越来越受到重视，尤其呼气末二氧化碳分压成为六个基本生命特征。当前基于非分光红外原理的呼吸末二氧化碳浓度监测系统测量主要可分为两种：直接测量的主流式监测和通过抽取呼吸气体测量的旁流式监测。

旁流式监测可以对引出气体除湿、稳压使得测量精度较高，但由于抽取气流的延时使显示波形有明显的失真而且设备比较繁琐。而主流式监测大多可分为热电堆传感器监测和热释电传感器监测，虽然热电堆传感器监测可以使电路电源稳定，但由于呼吸气流的干扰使监测结果误差较大，而且在长时间连续监测时波形还易出现漂移问题。热释电传感器出现使得监测性能得到极大的提升，其具有感应波长范围宽，响应速度快，性能稳定等优点，但也存在着输出信号弱，易受电路噪声干扰等问题。

虽然当前主流式二氧化碳监测技术相应快，性能稳定，但精度不高，测量过程繁琐的现象仍然存在，本文中针对人呼吸末二氧化碳浓度较低和测量过程，对测量过程和方法来进行改进，从而来提高测量精度。

技术实现要素：

本发明的目的是克服当前主流式二氧化碳监测技术精度不高，测量过程繁琐的现象，提供一种测量精度较高的主流式人呼吸末二氧化碳浓度测量方法。技术方案如下：

一种主流式人呼吸末二氧化碳浓度测量方法，包括下列步骤：

1)在波形正常情况下测量参考通道和测量通道两个通道输出调制波形的峰峰值，然后对两个通道进行一致性分析，求得未呼吸时两个通道输出调制波形一致性调节参数k1，k2；

2)进行呼吸实验，当双通道热释电传感器输出电压达到波峰V_H或波谷点V_L时启动模数转化器开始区域采样；

3)采样时，对测量通道电压值和参考通道电压值交叉采样，分别在每个通道采集数据，对所采集的数据进行滤波处理，来滤除突发噪声，然后对每个剩余的采样数据进行排序，对波峰值数据组取得最大值作为该波峰处的采样值；同理在对波谷值数据组取得最小值作为该波谷处的采样值；

4)对接收数据大小进行判断可得到测量通道峰值电压V_MH和谷值电压V_ML；及参考通道峰值电压V_RH和谷值电压V_RL；

5)计算出各通道的幅度值信息，即测量通道U_M＝V_MH-V_ML，参考通道为U_R＝V_RH-V_RL；

6)对两个通道初始幅值进行一致性补偿，即

7)根据标定试验，获取拟合参数K,则可得当前的呼吸CO2浓度：

本发明针对人呼吸末二氧化碳浓度较低和测量过程，对测量过程和方法来进行改进，从而来提高测量精度。

附图说明

图1主流式人呼吸末CO₂监测模块。

具体实施方式

本发明的二氧化碳浓度监测方法针对主流式气体监测而提出，下面给出本发明适用的监测系统组成。

该主流式呼吸二氧化碳浓度监测系统由上位机和监测模块组成。上位机为通用计算机或监护仪。监测模块如图1所示，1表示光源模块，2表示传感器模块，3为透明的玻璃片，4为气体通路。其中3和4构成管道适配器，可以直接安装在人呼出气体官道上。而光源模块分立在管道适配器的两边。传感器模块具有三个通道，在每个通道口处均安装滤光片，其中CO₂通道的滤光片为4.26μm,参考通道的滤光片为3.95μm。

当前传感器采用双通道测量方案，其中一个为测量通道，另一个通道为参考通道，参考通道引入的目的为了避免光源不稳定，元器件漂移等问题，然而在初始校准情况下，两通道的初始输出调制波形幅值情况不一致会影响后续实验的进行，本发明提出了对两通道一致性分析，为两通道进行初始补偿，避免误差，提高精度。

当前二氧化碳浓度测量的方法中均依据朗伯-比尔定律，即：

I＝I₀exp(-KcL) (1)

其中，I₀和I分别为初始入射光强度和出射光强度，c是被测气体浓度，L是气室长度，K是气体红外光吸收系数。然而该方法计算过程对低浓度气体测量误差较大，本文中根据人呼出末二氧化碳浓度较低情况，对该测量方法进行改进，即通过泰勒展开式：

I＝I₀(1-KcL) (2)

从而将测量方案调整为测量两个通道的输出电压，然后将电压相减，并比上参考通道的电压，此时该电压值与呼出末二氧化碳浓度值呈线性关系，通过标定实验，我们就可以得到该线性关系参数。

操作过程为：

(1)上电自检，在无管道无气流通过时，打开电源，检查传感器两个通道波形是否正常。

(2)在波形正常情况下测量两个通道输出调制波形的峰峰值，然后对两个通道进行一致性分析，求得未呼吸时两个通道输出调制波形一致性调节参数k1，k2。

(3)进行呼吸实验，监测模块发出脉冲信号控制光源亮灭，双通道热释电传感器输出幅值连续变化的调制信号，然后监测模块开始计时等待，当双通道热释电传感器输出电压达到波峰V_H或波谷点V_L时启动模数转化器开始区域采样；

(4)采样时，模数转换器对测量通道电压值和参考通道电压值交叉采样，分别在每个通道采集数据，所采集的数据按照16个一组进行下述的初步处理：首先通过去除每通道10个数据中3个最大值和3个最小值，来滤除突发噪声，然后对每个剩余9个数据进行排序，对波峰值数据组取得最大值作为该波峰处的采样值；同理在对波谷值数据组取得最小值作为该波谷处的采样值。

(5)每个通道的处理结果发送到上位机；上位机对接收数据大小进行判断可得到测量通道峰值电压V_MH和谷值电压V_ML；及参考通道峰值电压V_RH和谷值电压V_RL。

(6)计算出各通道的幅度值信息，即测量通道U_M＝V_MH-V_ML，参考通道为U_R＝V_RH-V_RL。

(7)对两个通道初始幅值进行一致性补偿，即其中k1，k2为未呼吸时两个通道输出调制波形一致性调节参数。

(8)根据标定试验，获取拟合参数K,则可得当前的呼吸CO2浓度：