控制呼吸持续性及呼吸音的监测装置及方法

1.本发明涉及一种监测装置及方法，特别涉及一种控制呼吸持续性及呼吸音的监测装置及方法。


背景技术：

2.目前，控制呼吸是指病人丧失自主呼吸功能或者手术治疗时全身麻醉过程中而建立的人工通气措施。实施方法包括如下步骤：气管插管、插管借助套囊与气管密闭衔接、气管插管尾端与麻醉机或呼吸机气体循环管路紧密连接、启动麻醉机或呼吸机将适宜氧气浓度的气流吹入气管内(实现肺泡内正压通气，此阶段为吸气相。注：患者自主呼吸时吸气为负压通气。)、呼气相机器停止正压供气，胸廓及肺被动回缩，其内的正压气体被动排出(呼气相)，直至与大气压相同。在麻醉机或呼吸机设置潮气量、呼吸频率、吸呼比、气道压力限制等参数，通气设备启动后患者的控制呼吸循环往复。目前的临床情况如下所述：
3.1、现有的涉及控制呼吸监测项目包括患者生命体征监测，具体如下：
4.①
、呼气末二氧化碳分压(petco2)：分析仪测定特定波长的红外光的吸收率来确定呼吸气体中的co2浓度，并形成呼吸频率。虽然petco2的浓度曲线可以表达控制呼吸的连续性，但是，浓度数值的高低不能反映气道的通畅性。
5.②
、经皮脉搏血氧饱和度(spo2):目前临床监测控制呼吸只能间接依赖于脉搏血氧饱和度实现患者氧合状况的监测。spo2监测是呼吸持续状态的结果，而不是监测呼吸持续状态本身，有多种原因可以导致spo2异常(比如：心衰、肺水肿、肺内感染、失血性休克、感染性休克、高颅压、ards、贫血、寒冷、昏迷、传感器位置不当等)，呼吸持续状态中断只是其中的一个因素。所以当发现spo2下降以后，需要详细排查原因；即便呼吸持续状态中断后，需要间隔一段时间spo2才能下降，且血氧饱和度只有下降低于90％，监护仪才能报警，且监护仪的报警音对工作人员的惊醒度不高。上述这些事实表明依赖spo2对呼吸持续状态中断具有明显的滞后性、非特异性、弱敏感性、对患者生命安全威胁严重等缺点。
6.③
、经心电图电极贴测量电阻抗方法监测呼吸频率:数值受电极位置、呼吸幅度等因素影响。
7.2、麻醉机参数潮气量、呼吸频率、气道压力、吸呼比的监测。这些参数的传感器有压力差传感器；涡轮流量传感器；超声流量传感器；金属丝振动传感器等。
8.上述监测项目均没有患者呼吸音监测内容，对呼吸持续性中断的监测具有滞后性、不敏感性以及非直接性判断的提示，对工作人员警醒度差等缺点。可见，目前有关控制呼吸的监测项目中缺乏直接针对呼吸道通畅性和呼吸连续性及有效性的监测指标。


技术实现要素：

9.本发明的主要目的是为了解决现有临床手术中没有患者呼吸音监测内容，对患者呼吸持续性中断的监测具有滞后性、不敏感性以及非直接性判断的提示，对工作人员警醒度差等诸多问题；
10.本发明的另一个目的是为了解决目前在临床手术中有关控制呼吸的监测项目中缺乏直接针对呼吸道通畅性和呼吸连续性及有效性监测指标的问题。
11.本发明为了达到上述目的、解决上述问题，而提供的一种控制呼吸持续性及呼吸音的监测装置及方法。
12.本发明提供的控制呼吸持续性及呼吸音的监测装置包括有声音传感器、温度传感器和监护仪，其中声音传感器和温度传感器装配在麻醉机呼吸回路与气管插管相连的连接管上，声音传感器和温度传感器收集的数据信号经数据线均与监护仪相连接，声音传感器和温度传感器能够把采集的数据实时传输给监护仪，监护仪根据声音传感器和温度传感器传输的数据进行计算辨别发现超标数据后监护仪能够发出声音报警和光报警的提示。
13.监护仪包括有第一cpu、第二cpu、声音测量电路、温度测量电路、显示电路、报警电路、通信电路和电源，其中声音传感器与声音测量电路相连接，温度传感器与温度测量电路相连接，声音传感器和温度传感器能够把患者呼吸音及呼吸温度的物理量变成电信号；声音测量电路和温度测量电路能够把声音传感器和温度传感器输出的信号调理成适合adc采集的电信号；声音测量电路和温度测量电路均与第二cpu相连接，第二cpu用于对患者呼吸音及呼吸温度的采集及数据处理；第二cpu与第一cpu相连接，第一cpu是控制系统的核心，第一cpu用于对系统的整体控制，第二cpu用于测量患者呼吸温度及呼吸音，第二cpu通过fft快速傅里叶变换算法计算出一个呼吸周期内声音强度及频谱，第二cpu能够把每个呼吸周期的监测数据发送给第一cpu，第一cpu根据第二cpu的测量数据判定患者呼吸是否正常，显示电路、报警电路和通信电路均与第一cpu相连接，显示电路用于显示系统工作状态和测量数据的信息；报警电路在检测到呼吸异常时实现声光报警；通信电路用于系统向上位机通信，把工作状态及测量数据发送给上位机也能够接收上位机指令；电源分别与第一cpu、第二cpu、声音测量电路、温度测量电路、显示电路、报警电路和通信电路相连接，电源为第一cpu、第二cpu、声音测量电路、温度测量电路、显示电路、报警电路和通信电路供电。
14.第一cup采用国产高性能单片机，型号为stc8a8k60s4，第一cup内部集成了四个串口及十二位adc模数转换电路，第一cup能够实现控制数据采集、患者呼吸状态的判定、显示及通信。
15.第二cpu采用国产高性能三十二位单片机。
16.声音传感器为驻极体话筒，驻极体话筒由声音测量电路中的j8接入，由电阻r34为声音传感器供电，声音测量电路中的电阻r8及c1构成低通滤波器，使声音传感器的供电更加纯净，声音信号通过声音测量电路中的c2耦合到运放u2的正输入端，声音测量电路中的电阻r40及r13构成一个偏置电路，使声音信号在vcc/2的基准附近变化，声音测量电路中的可变电阻vr1用于放大倍数的调整，声音测量电路中电容e7的隔离直流作用使声音测量电路在直流放大倍数为1而交流放大倍数为1+r15/vr1，声音测量电路中的电阻r24及二极管d4和d5构成钳位电路。
17.温度测量电路采用温度相应快的小型负温度系数电阻构成桥式电路，温度传感器由温度测量电路中的j10接入，其中温度测量电路中的vcc为半桥供电，温度测量电路中的rt10为电桥信号取出端，温度测量电路中的rt11端接热敏电阻和r19及vr3构成半桥电路，温度测量电路中的可变电阻vr3用于调节电桥平衡，温度测量电路中的运算放大器u4b构成差动放大电路用来放大电桥输出的温度信号，温度测量电路中的u4b的输出信号通过电容
e3耦合到u4a进一步放大，温度测量电路中的u4a为一个同相放大电路，温度测量电路中可变电阻vr2能够把该级放大倍数在11和111倍之间调节，设置了加法电路把负电压信号变换成单端信号以满足模数转换电路的要求，基准电压u10产生-2.5v的基准电压，u4c的输出值满足以下公式：
18.u4co＝2.5-u4ao
19.其中，u4co是运放u4c的输出电压，u4ao是运放u4a的输出电压；
20.温度测量电路中的二极管d7及d6及r25构成钳位电路，当输出超出adc量程即大于vcc或小于gnd时把输出电压限定在vcc及gnd之间；
21.温度测量电路中的运放u4d为过0检测电路，其输出电压为呼吸周期信号，电阻r2和r4为运放提供一个小电压阈值，使呼吸周期信号的输出稳定可靠，u4d输出的呼吸周期信号加到第二cpu的中断输入端，通过定时器测量呼气及吸气时间，两者相加即呼吸周期；
22.温度测量电路中的u5为dc-dc变换模块，用于产生负电压供运放电路使用，温度测量电路中的电容c5、c6、c7及c8构成电源去耦电路，放置在运放附近，使运放输出信号准确。
23.显示电路采用迪文科技触摸屏实现，显示分辨率为800x480点，显示内容包括呼吸频率、呼吸音强度、呼吸温度及呼吸音曲线和报警状态。
24.报警电路由声光两部分构成，声音报警为语音提示音输出，具有人机交互功能，光报警采用led显示屏以文字显示的方式实现，提示结果明确。
25.本发明提供的控制呼吸持续性及呼吸音的监测方法，其方法包括如下步骤：
26.第一步、利用声音传感器探测控制呼吸中的患者双向气流中的呼吸音，具体步骤如下：
27.步骤1、根据吸气相和呼气相声音在声强、音调和周期方面有差别，从而出现交替性规律，据据此规律性计算建立呼吸节律，并依据呼吸节律存在与否，监测呼吸持续性，当交替节律丧失，则确定呼吸持续性中断，并自动启动人工语音报警；
28.步骤2、根据吸气相和呼气相声音的正常与异常判断呼吸道的通畅性，当患者出现水泡音、痰鸣音、哮鸣音和喘鸣音时，确定呼吸道的通畅性下降，并自动启动人工语音报警；
29.第二步、利用温度传感器探测气管插管管腔中呼吸气流温度的交替变化规律确定呼吸持续性，具体如下：
30.步骤1、设计两条曲线，即t1曲线和t2曲线，其中t1曲线为麻醉机呼吸管路中进入患者肺内的气流温度变化，在26.3-26.4℃之间波动，t2曲线为患者气管插管内的吸入和呼出气流温度变化，在27.5-30.4℃之间波动，t2曲线呼气相时温度上升，吸气相时温度下降，在横坐标120秒时刻，人工设置呼吸管路供气中断模式，呼出气流温度在1秒钟内继续上升至31℃,继而吸气相温度下降趋势立即终止，温度曲线由31℃持续缓慢下降至29.6℃，持续时间45秒钟，温度曲线完全丧失上升与下降均匀交替出现的节律性，频率为5秒钟/周期，当突发因素至供气流中断事件发生时，呼吸温度曲线在最短至一个呼吸周期内即5秒钟的时间就会发生异常变化；
31.步骤2、采用小时间常数温度传感器对患者呼吸气体的温度进行采集，配合以环境温度的监测，达到呼吸监测的目的，呼吸监测时，温度传感器温度分为温度上升即呼气和温度下降即吸气两个阶段，温度升高的呼气阶段，温度的变化值满足公式(1)，具体如下：
[0032][0033]
其中
[0034]
δt(t)-随时间变化的温度值；
[0035]
τ-传感器温度时间常数；
[0036]
t-时间；
[0037]
t
0-呼气最高温度；
[0038]
在温度降低的吸气阶段，温度按指数规律变化，满足公式(2)，具体如下：
[0039][0040]
由公式(1)和公式(2)得出，如果使测量值响应快及灵敏度高，选择热敏电阻为小温差时间常数的温度传感器，利用温度变化检测呼吸需要呼气和吸气之间有一定的温度差，考虑到人体呼出气温度在35℃以上，而医院手术室温度能够满足进气温度在25℃以下，呼气和进气之间有10℃左右的温度差，因此该监测方法能够达到检测要求；
[0041]
由于呼吸过程中的温度变化值和气体交换量之间存在正比关系，因此通过呼吸温度数据及环境温度的参数，能够准确地计算出人体潮气量的值；
[0042]
由于一个呼吸过程由温度上升的呼气过程及温度降低的吸气过程组成，当完成一个呼气及吸气时间测量后，即可计算出瞬时呼吸频率，具体如下：
[0043][0044]
其中
[0045]fhx-呼吸频率；
[0046]
t
h-呼气持续时间(单位为秒)；
[0047]
t
x-吸气持续时间(单位为秒)；
[0048]
l-单位时间(一般为1分钟)；
[0049]
当患者气管插管开口处呼吸气流温度恒定时，确定呼吸持续性中断，并自动启动人工语音报警。
[0050]
本发明的有益效果：
[0051]
本发明提供的控制呼吸持续性及呼吸音的监测装置及方法是根据呼吸状态的持续性和气道内的通畅性这两个安全因素而提供的技术方案。
[0052]
病人在控制通气时，会发生痰、脓液、血液导致的气道不同程度的阻塞，支气管应激或哮喘发作导致支气管痉挛。这些情况出现时，肺通气性能下降，气体交换质量降低。但是，气道的上述情况需要及时正确听诊才能发现，而临床工作中听诊不能实时持续进行，且患者此时丧失了自主咳痰保持气道通畅性，所以实时监测气道的呼吸音，借以判断气道通畅性，及时发现呼吸音的变化并做出诊断和正确处理就显得非常重要。本发明首次提出呼吸通畅性概念、监测指标和技术解决方案。
[0053]
临床工作中，常有如下情况发生：管路连接处脱落、松懈、麻醉机气源供气中断、供电中断、自主与机械通气转换操作失常引起的人工呼吸低效、无效及中断等。这些情况因控
制呼吸的连续性丧失及呼吸中断而严重威胁患者的生命安全。本发明首次提出呼吸连续性监测概念和相应的监测指标及技术解决措施。通过监测呼气和吸气中的呼吸音、双向气流的热量差异，探测出控制呼吸动作本身是否建立和持续。这样能够避免单纯通过监测患者的生命体征和麻醉机参数来间接监测控制呼吸，杜绝了对呼吸状态判断和处理的延迟性，提高控制呼吸敏感性、及时性和安全性。
[0054]
本发明的人工控制通气状态下呼吸监护仪将在监测控制呼吸连续性、人工通气时呼吸道通畅性、人工语音报警等方面填补该领域的空白。本发明提供的监测装置及方法相较于现有的装置和方法具有及时性、精准性、双重保险性以及独创性等特点。本发明首次提出控制呼吸的气道通畅性概念和控制呼吸连续性概念，并建立监测指标和技术解决方案。
附图说明
[0055]
图1为本发明所述的监测装置整体结构示意图。
[0056]
图2为本发明所述的声音传感器、温度传感器位置关系示意图。
[0057]
图3为本发明所述的监护仪结构框图。
[0058]
图4为本发明所述的声音测量电路原理示意图。
[0059]
图5为本发明所述的温度测量电路原理示意图。
[0060]
图6为本发明所述的气管插管中呼吸气流温度变化曲线节律示意图。
[0061]
上图中的标注如下：
[0062]
1、声音传感器 2、温度传感器 3、监护仪 4、麻醉机 5、气管插管 6、连接头 7、第一cpu 8、第二cpu 9、声音测量电路 10、温度测量电路 11、显示电路 12、报警电路 13、通信电路 14、电源。
具体实施方式
[0063]
请参阅图1至图6所示：
[0064]
本发明提供的控制呼吸持续性及呼吸音的监测装置包括有声音传感器1、温度传感器2和监护仪3，其中声音传感器1和温度传感器2装配在麻醉机4上端与气管插管5相连的连接头6上，声音传感器1和温度传感器2均与监护仪3相连接，声音传感器1和温度传感器2能够把采集的数据实时传输给监护仪3，监护仪3根据声音传感器1和温度传感器2传输的数据进行计算辨别发现超标数据后监护仪3能够发出声音报警和光报警的提示。
[0065]
监护仪3包括有第一cpu7、第二cpu8、声音测量电路9、温度测量电路10、显示电路11、报警电路12、通信电路13和电源14，其中声音传感器1与声音测量电路9相连接，温度传感器2与温度测量电路10相连接，声音传感器1和温度传感器2能够把患者呼吸音及呼吸温度的物理量变成电信号；声音测量电路9和温度测量电路10能够把声音传感器1和温度传感器2输出的信号调理成适合adc采集的电信号；声音测量电路9和温度测量电路10均与第二cpu8相连接，第二cpu8用于对患者呼吸音及呼吸温度的采集及数据处理；第二cpu8与第一cpu7相连接，第一cpu7是控制系统的核心，第一cpu7用于对系统的整体控制，第二cpu8用于测量患者呼吸温度及呼吸音，第二cpu8通过fft快速傅里叶变换算法计算出一个呼吸周期内声音强度及频谱，第二cpu8能够把每个呼吸周期的监测数据发送给第一cpu7，第一cpu7根据第二cpu8的测量数据判定患者呼吸是否正常，显示电路11、报警电路12和通信电路13
均与第一cpu7相连接，显示电路11用于显示系统工作状态和测量数据的信息；报警电路12在检测到呼吸异常时实现声光报警；通信电路13用于系统向上位机通信，把工作状态及测量数据发送给上位机也能够接收上位机指令；电源14分别与第一cpu7、第二cpu8、声音测量电路9、温度测量电路10、显示电路11、报警电路12和通信电路13相连接，电源14为第一cpu7、第二cpu8、声音测量电路9、温度测量电路10、显示电路11、报警电路12和通信电路13供电。
[0066]
第一cup7采用国产高性能单片机，型号为stc8a8k60s4，第一cup7内部集成了四个串口及十二位adc模数转换电路，第一cup7能够实现控制数据采集、患者呼吸状态的判定、显示及通信。
[0067]
第二cpu8采用国产高性能三十二位单片机。
[0068]
声音传感器1为驻极体话筒，驻极体话筒由声音测量电路9中的j8接入，由电阻r34为声音传感器1供电，声音测量电路9中的电阻r8及c1构成低通滤波器，使声音传感器1的供电更加纯净，声音信号通过声音测量电路9中的c2耦合到运放u2的正输入端，声音测量电路9中的电阻r40及r13构成一个偏置电路，使声音信号在vcc/2的基准附近变化，声音测量电路9中的可变电阻vr1用于放大倍数的调整，声音测量电路9中电容e7的隔离直流作用使声音测量电路9在直流放大倍数为1而交流放大倍数为1+r15/vr1，声音测量电路9中的电阻r24及二极管d4和d5构成钳位电路。
[0069]
温度测量电路10采用温度相应快的小型负温度系数电阻构成桥式电路，温度传感器2由温度测量电路10中的j10接入，其中温度测量电路10中的vcc为半桥供电，温度测量电路10中的rt10为电桥信号取出端，温度测量电路10中的rt11端接热敏电阻和r19及vr3构成半桥电路，温度测量电路10中的可变电阻vr3用于调节电桥平衡，温度测量电路10中的运算放大器u4b构成差动放大电路用来放大电桥输出的温度信号，温度测量电路10中的u4b的输出信号通过电容e3耦合到u4a进一步放大，温度测量电路10中的u4a为一个同相放大电路，温度测量电路10中可变电阻vr2能够把该级放大倍数在11和111倍之间调节，设置了加法电路把负电压信号变换成单端信号以满足模数转换电路的要求，基准电压u10产生-2.5v的基准电压，u4c的输出值满足以下公式：
[0070]
u4co＝2.5-u4ao
[0071]
其中，u4co是运放u4c的输出电压，u4ao是运放u4a的输出电压；
[0072]
温度测量电路10中的二极管d7及d6及r25构成钳位电路，当输出超出adc量程即大于vcc或小于gnd时把输出电压限定在vcc及gnd之间；
[0073]
温度测量电路10中的运放u4d为过0检测电路，其输出电压为呼吸周期信号，电阻r2和r4为运放提供一个小电压阈值，使呼吸周期信号的输出稳定可靠，u4d输出的呼吸周期信号加到第二cpu的中断输入端，通过定时器测量呼气及吸气时间，两者相加即呼吸周期；
[0074]
温度测量电路10中的u5为dc-dc变换模块，用于产生负电压供运放电路使用，温度测量电路10中的电容c5、c6、c7及c8构成电源去耦电路，放置在运放附近，使运放输出信号准确。
[0075]
显示电路11采用迪文科技触摸屏实现，显示分辨率为800x480点，显示内容包括呼吸频率、呼吸音强度、呼吸温度及呼吸音曲线和报警状态。
[0076]
报警电路12由声光两部分构成，声音报警为语音提示音输出，具有人机交互功能，
光报警采用led显示屏以文字显示的方式实现，提示结果明确。
[0077]
本发明提供的控制呼吸持续性及呼吸音的监测方法，其方法包括如下步骤：
[0078]
第一步、利用声音传感器1探测控制呼吸中的患者双向气流中的呼吸音，具体步骤如下：
[0079]
步骤1、根据吸气相和呼气相声音在声强、音调和周期方面有差别，从而出现交替性规律，据据此规律性计算建立呼吸节律，并依据呼吸节律存在与否，监测呼吸持续性，当交替节律丧失，则确定呼吸持续性中断，并自动启动人工语音报警；
[0080]
步骤2、根据吸气相和呼气相声音的正常与异常判断呼吸道的通畅性，当患者出现水泡音、痰鸣音、哮鸣音和喘鸣音时，确定呼吸道的通畅性下降，并自动启动人工语音报警；
[0081]
第二步、利用温度传感器2探测气管插管5管腔中呼吸气流温度的交替变化规律确定呼吸持续性，具体如下：
[0082]
步骤1、设计两条曲线，即t1曲线和t2曲线，其中t1曲线为麻醉机4呼吸管路中进入患者肺内的气流温度变化，在26.3-26.4℃之间波动，t2曲线为患者气管插管5内的吸入和呼出气流温度变化，在27.5-30.4℃之间波动，t2曲线呼气相时温度上升，吸气相时温度下降，在横坐标120秒时刻，人工设置呼吸管路供气中断模式，呼出气流温度在1秒钟内继续上升至31℃,继而吸气相温度下降趋势立即终止，温度曲线由31℃持续缓慢下降至29.6℃，持续时间45秒钟，温度曲线完全丧失上升与下降均匀交替出现的节律性，频率为5秒钟/周期，当突发因素至供气流中断事件发生时，呼吸温度曲线在最短至一个呼吸周期内即5秒钟的时间就会发生异常变化；
[0083]
步骤2、采用小时间常数温度传感器2对患者呼吸气体的温度进行采集，配合以环境温度的监测，达到呼吸监测的目的，呼吸监测时，温度传感器2温度分为温度上升即呼气和温度下降即吸气两个阶段，温度升高的呼气阶段，温度的变化值满足公式(1)，具体如下：
[0084][0085]
其中
[0086]
δt(t)-随时间变化的温度值；
[0087]
τ-传感器温度时间常数；
[0088]
t-时间；
[0089]
t
0-呼气最高温度；
[0090]
在温度降低的吸气阶段，温度按指数规律变化，满足公式(2)，具体如下：
[0091][0092]
由公式(1)和公式(2)得出，如果使测量值响应快及灵敏度高，选择热敏电阻为小温差时间常数的温度传感器2，利用温度变化检测呼吸需要呼气和吸气之间有一定的温度差，考虑到人体呼出气温度在35℃以上，而医院手术室温度能够满足进气温度在25℃以下，呼气和进气之间有10℃左右的温度差，因此该监测方法能够达到检测要求；
[0093]
由于呼吸过程中的温度变化值和气体交换量之间存在正比关系，因此通过呼吸温度数据及环境温度的参数，能够准确地计算出人体潮气量的值；
[0094]
由于一个呼吸过程由温度上升的呼气过程及温度降低的吸气过程组成，当完成一个呼气及吸气时间测量后，即可计算出瞬时呼吸频率，具体如下：
[0095][0096]
其中
[0097]fhx-呼吸频率；
[0098]
t
h-呼气持续时间(单位为秒)；
[0099]
t
x-吸气持续时间(单位为秒)；
[0100]
l-单位时间(一般为1分钟)；
[0101]
当患者气管插管5开口处呼吸气流温度恒定时，确定呼吸持续性中断，并自动启动人工语音报警。