[发明专利]一种模拟人肺自主呼吸运动装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及呼吸生理医学研究领域，更具体地，涉及一种模拟人肺自主呼吸运动装置及控制方法。

背景技术

呼吸运动是一个复杂的过程，用于表征呼吸运动的参数有：吸呼比（R_I/E）、呼吸频率（f_res/min）、潮气量（VT）、肺活量（VC）等呼吸生理参数。

现有模拟人肺呼吸功能的装置，大多基于手动被动式模拟人肺呼吸运动。这种方式难以做到精确量化地控制吸呼比（R_I/E）、呼吸频率（f_res/min）、潮气量（VT）、肺活量（VC）等呼吸生理参数。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明首先提出一种模拟人肺自主呼吸运动的装置，该装置更加符合人肺呼吸生理，在科学实验研究、呼吸生理教学、呼吸相关产品检验等场合具有极高的应用价值。

为了实现上述目的，其技术方案为：

一种模拟人肺自主呼吸运动装置，流量传感器、模拟肺腔上基板、弹簧、直流伺服电机驱动器、滑轮、牵拉绳、模拟肺腔换气口、控制电路、固定基柱、模拟肺腔下基板、直流伺服电机、卷绳轴承、模拟肺底层基板和模拟肺腔；

所述固定基柱设置在模拟肺腔底层基板上，模拟肺腔上基板放置在固定基柱上，所述模拟肺腔放置在模拟肺腔底层基板与模拟肺腔上基板之间，模拟肺腔上设有模拟肺腔换气口，所述流量传感器安装在模拟肺腔换气口上，流量传感器的输出端接控制电路，控制电路接直流伺服电机驱动器；所述弹簧安装在模拟肺腔上基板和模拟肺腔下基板之间并处于拉伸状态；牵拉绳一端固定在模拟肺腔下基板上，另一端通过滑轮缠绕在直流伺服电机的卷绳轴承上；直流伺服电机驱动器驱动直流伺服电机。

该模拟人肺自主呼吸运动装置通过流量传感器采集模拟肺腔换气口是流量信号；将采集的流量信号传输到控制电路进行分析处理产生电机驱动信号，直流伺服电机驱动器电机驱动信号对直流伺服电机进行转速和转向控制，直流伺服电机转向的控制决定放线和收线动作，而转速的控制则决定放线或收线的快慢，进而达到对模拟肺腔进行呼吸气流的模拟；流量传感器对模拟呼吸的潮气量进行实时监测进而达到对呼吸运动潮气量的控制。

弹簧处于拉伸状态使其对悬浮状态的肺腔下基板有往上拉伸的力；而牵拉绳是缠绕在直流伺服电机转动轴承上，通过电机的正反转进行收线和放线动作，收线和放线可对处于悬浮状态的肺腔下基板可以产生向下和向上运动；由于肺腔上基板固定，而下基板受到牵拉绳的牵引产生运动，故而使模拟肺腔的容积产生变化。由理想气体状态方程PV=mRT可知若气体温度不变，则理想气体状态方程的mRT是一个常数，故最终使模拟肺腔的肺内压产生变化。肺内压的变化与外界气压形成压力差，由Hagen-Poiseuille方程可知压力差可形成气流的变化。而流量传感器能检测到气体经过气管的流量，进而通过控制电路控制电机的正反转。装置能很好地模拟人肺在不同呼吸状态下的肺腔运动和气流特性，在科研、教学及呼吸相关产品检验上有极好应用价值。

更进一步的，还包括模拟肺顶层面板和液晶显示触摸屏，所述放置在模拟肺腔上基板，并开设有用于模拟肺腔换气口穿过的孔，所述液晶显示触摸屏安装在模拟肺顶层面板上，液晶显示触摸屏与控制电路连接。

液晶显示触摸屏作为显示装置和信号输入装置，其中液晶显示触摸屏采用TFT彩色液晶显示触摸屏。

更进一步的，所述模拟肺腔的腔体是柔性硅胶腔体，柔性硅胶的弹性模量小，柔韧性好，可以模拟充当肺腔。

更进一步的，所述控制电路包括自带AD微控制器、数据传输串口、SD数据存储接口、直流供电电源系统和3.3V备用电池，TFT彩色液晶显示触摸屏的数据交换端接控制电路的通用输入输出端，直流伺服电机驱动器接至控制电路的通用数据输入输出端。

本发明的又一目的是提出一种模拟人肺自主呼吸运动的控制方法，采用绳牵引技术进行精确量化实现吸呼比（R_I/E）、呼吸频率（f_res/min）、潮气量（VT）、肺活量（VC）呼吸生理参数。

为了实现上述目的，其技术方案为：

一种模拟人肺自主呼吸运动的控制方法，包括：

流量传感器检测通过模拟肺腔换气口的气流量并传输到控制电路的微控制器，并设定呼吸生理参数；微控制器根据检测到的气流量和设定的呼吸生理参数进行分析处理，并产生电机驱动信号，控制直流伺服电机工作，从而控制牵拉绳的拉伸运动，最后控制模拟肺腔的呼吸运动；