呼吸機(jī)的調(diào)研報(bào)告

針對(duì)呼吸機(jī)探討的調(diào)研報(bào)告目前呼吸機(jī)多數(shù)采納壓力限制和容量限制的工作模式，這種模式很大程度上取決于患者，由于患者的不穩(wěn)定性會(huì)造成肯定的人機(jī)不協(xié)調(diào)，所以對(duì)呼吸機(jī)靈能推斷和自動(dòng)跟隨限制方面的探討將會(huì)有著重大的意義。國(guó)內(nèi)外探討現(xiàn)狀1.1限制方面在對(duì)呼吸機(jī)壓力限制方法上，北京交通高校的包涵設(shè)計(jì)的基于Pl限制算法的CPAP呼吸機(jī)限制器，在該限制器中采納了增量限幅式PI限制算法，該方法避開(kāi)了傳統(tǒng)PID算法易產(chǎn)生噪聲影響限制精度的問(wèn)題，降低了限制回路的響應(yīng)時(shí)間，算法作用時(shí)間僅需毫秒級(jí)即可使系統(tǒng)穩(wěn)定輸出，提高了系統(tǒng)的限制精度[1]。山東高校的樊曉克在其智能化呼吸機(jī)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊PID限制器，利用其十幾年研制呼吸機(jī)的閱歷以與醫(yī)學(xué)專家閱歷建立了模糊限制規(guī)則庫(kù)以與一套PSV模糊限制算法，在規(guī)則庫(kù)中考慮到了各種呼吸狀況，收到了滿足的效果[2]。吉林高校的張彥春采納了模糊限制系統(tǒng)去探討呼吸機(jī)的限制器[3]。FavreAS，JandreFC，Giannella-NetoA在其CPAP限制器中運(yùn)用了一個(gè)閉環(huán)限制器去限制通氣閥的開(kāi)閉使得壓力波動(dòng)范圍更小[8]。在呼吸相識(shí)別方法上。暨南高校的冼瑩在呼吸機(jī)人機(jī)同步的上引入了新方法其通過(guò)采納食道電極、流量計(jì)、生理試驗(yàn)放大器和數(shù)據(jù)采集器建立一個(gè)隔肌肌電采集系統(tǒng)，通過(guò)分析隔肌肌電信號(hào)并利用閾值法和改良的數(shù)學(xué)形態(tài)濾波法結(jié)合提取出吸氣起先時(shí)刻，呼氣起先時(shí)刻和呼吸周期三個(gè)參數(shù)[4]。河北工業(yè)高校的徐文超在其研制的呼吸機(jī)中引入了CAN總線使得系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性[5]。在雙水平模型的建立上臺(tái)灣的Ching-ChihTsai，Zen-ChungWang等提出了預(yù)料模型理論，在每個(gè)呼吸階段結(jié)束時(shí)通過(guò)該理論，對(duì)下一階段的呼吸相的時(shí)間進(jìn)行預(yù)料，然后系統(tǒng)依據(jù)這個(gè)時(shí)間進(jìn)行呼吸相的切換[6,7]。近年來(lái)人們?cè)噲D將限制理論與人工智能結(jié)合應(yīng)用于機(jī)械通氣領(lǐng)域，當(dāng)前的一些嘗試主要有：①LDS醫(yī)院的COMPASS分散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并與醫(yī)院信息網(wǎng)相連；②KUSIVAR系統(tǒng)，引入了專家決策，并集成了病人—呼吸機(jī)模型；③VRM首先引入模糊邏輯；④VQ—ATTENDING系統(tǒng)首先引入醫(yī)生顧問(wèn)分析參數(shù)設(shè)置；⑤RESPAID首先運(yùn)用機(jī)器自學(xué)習(xí)技術(shù)。飛利浦偉康公司是全球呼吸機(jī)聞名的生產(chǎn)商，其產(chǎn)品利用了很多先進(jìn)技術(shù)，包括Auto-Trak數(shù)字式自動(dòng)追蹤靈敏度技術(shù)、Bi-Flex壓力釋放技術(shù)、優(yōu)化的降噪技術(shù)、SystemOne濕度限制與干盒子技術(shù)。偉康專利的Auto-Trak技術(shù)可馬上對(duì)呼吸道的改變狀況作出響應(yīng)，協(xié)作RiseTime的運(yùn)用，可在整個(gè)治療過(guò)程中確?；颊咚璧氖孢m性。無(wú)論漏氣狀況如何，也無(wú)論患者病情的改變?nèi)绾?，均可自?dòng)調(diào)整呼吸的觸發(fā)和切換閾值，并可確保在大量漏氣的狀況下輸出穩(wěn)定的壓力并保持好的人機(jī)同步。在呼吸過(guò)程中，Bi-Flex技術(shù)都能夠讓BiPAP治療變得更像正常呼吸。Bi-Flex在呼吸循環(huán)中的三個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行壓力釋放：吸氣相的壓力上升、吸氣相的壓力下降、以與呼氣相的壓力釋放。Systemone濕度限制是一項(xiàng)突破性技術(shù)，即使在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，也能通過(guò)溫度、相對(duì)濕度和患者氣流分析，持續(xù)維系最佳濕度指數(shù)。裝置配備五項(xiàng)設(shè)定，可利用增加型濕度限制，將水滴冷凝在管路與面罩中的潛在可能性限制到最低。在任何狀況下，干盒子技術(shù)都能將濕化器和設(shè)備內(nèi)部完全隔絕，以避開(kāi)機(jī)器意外損壞。瑞思邁公司在其呼吸機(jī)生產(chǎn)上也具有其獨(dú)特性。Vsync技術(shù)使得其呼吸機(jī)能夠自動(dòng)的補(bǔ)償漏氣，并提高呼吸觸發(fā)以與切換的靈敏度。在其呼吸機(jī)上還應(yīng)用了其專有的TiControl?（吸氣時(shí)間限制）確保醫(yī)生可管理各種呼吸條件下的臨床狀況。國(guó)外在呼吸機(jī)研制方面起步較早，探討也較為完善。目前國(guó)外的呼吸機(jī)廠家有，澳大利亞的瑞思邁，該廠家的機(jī)器外觀精致，配件齊全，是最專注的呼吸機(jī)品牌，它的新產(chǎn)品也推出了EPR—輕松呼吸系統(tǒng)。最近還推出雙渦輪靜音機(jī)型，運(yùn)用時(shí)聲音很小，但是價(jià)格很貴。美國(guó)的偉康，該廠家獨(dú)創(chuàng)的flex功能使得患者在運(yùn)用時(shí)感覺(jué)比較舒適，外觀牢固，功能多，性價(jià)比高。美國(guó)的泰科，該廠家的呼吸機(jī)靜音，小巧，便利攜帶，其星辰系列呼吸機(jī)僅重760克。國(guó)內(nèi)呼吸機(jī)起步較晚，發(fā)展也不成熟，目前主要有邁瑞，長(zhǎng)峰醫(yī)療等廠家。此外，遼寧高校的龍慧平對(duì)基于3G的嵌入式家用呼吸機(jī)進(jìn)行了肯定的探討[10]，在人機(jī)自動(dòng)跟隨方面，采納的是壓力和流量相結(jié)合的方法，詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方式為：針對(duì)氣壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)氣壓值和流量值都屬于正常時(shí)，系統(tǒng)處于正常的運(yùn)行狀態(tài)之下，但是假如其中一個(gè)出現(xiàn)異樣，例如：當(dāng)氣壓削減到肯定值的時(shí)候，進(jìn)行流量推斷，假如流量正常的時(shí)候，說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行正常，但是假如氣壓值較小，而流量值比較大的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候可能是因?yàn)楣艿罁p壞或面罩沒(méi)有佩戴好，這個(gè)時(shí)候要啟動(dòng)漏氣補(bǔ)償或者漏氣報(bào)警。當(dāng)氣壓值始終處于設(shè)定值旁邊，但是檢測(cè)到的氣體流量值過(guò)小的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候很可能是氣體通道發(fā)生了肯定的堵塞，這個(gè)時(shí)候必需與時(shí)報(bào)警。1.2數(shù)據(jù)分析方面在呼吸數(shù)據(jù)探討方法上VáradyPéter，MicsikTamas，BenedekSandor，BenyóZoltán通過(guò)探討正常呼吸、呼吸不足、呼吸暫停三種不同的呼吸信號(hào)特征，利用信號(hào)分類的方法來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)呼吸是否正常[9]。南方醫(yī)科高校的孫薇提出了基于雙圖形因子的堵塞推斷方法[11]，依據(jù)實(shí)際試驗(yàn)獲得正常吸氣波形與堵塞吸氣波形對(duì)比，提出了兩個(gè)圖形因子，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)因子來(lái)推斷是否有堵塞的現(xiàn)象。東南高校的王健通過(guò)SVM的方法勝利的對(duì)不同的呼吸狀況進(jìn)行歸類[12]，通過(guò)libSVM工具對(duì)SVM的核函數(shù)以與錯(cuò)誤代價(jià)系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。山東高校的樊曉克對(duì)PSV模糊限制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括限制器所依靠的人肺的數(shù)學(xué)模型、模糊限制器的設(shè)計(jì)，使呼吸具有自主呼吸模式[13]。國(guó)內(nèi)外最新產(chǎn)品介紹圖1是美國(guó)偉康公司研發(fā)的BiPAPST雙水平呼吸機(jī)，它能夠自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)，自動(dòng)壓力調(diào)整，自動(dòng)漏氣補(bǔ)償，充分使呼吸機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；同時(shí)添加了SD數(shù)據(jù)儲(chǔ)存卡，便利用戶自己讀取，了解自己的運(yùn)用信息。偉康專利的Auto-Trak技術(shù)可馬上對(duì)呼吸道的改變狀況作出響應(yīng)，協(xié)作RiseTime的運(yùn)用，可在整個(gè)治療過(guò)程中確保患者所需的舒適性。無(wú)論漏氣狀況如何，也無(wú)論患者病情的改變?nèi)绾?，?dú)有的特性均可自動(dòng)調(diào)整呼吸的觸發(fā)和切換閾值，并可確保在大量漏氣的狀況下輸出壓力的異樣穩(wěn)定和最佳人機(jī)同步。圖1美國(guó)偉康公司生產(chǎn)的BiPAPST雙水平呼吸機(jī)圖2瑞思邁S9呼吸機(jī)產(chǎn)品參數(shù)圖3瑞思邁S10呼吸機(jī)產(chǎn)品信息圖2和圖3分別是瑞思邁的S9系列的VPAPAUTO/AUTO25和S10系列的AirSense10VAUTO雙水平全自動(dòng)呼吸機(jī)。S9系列的改進(jìn)AutoSetTM算法可以區(qū)分堵塞性和中樞性睡眠呼吸暫停，并供應(yīng)合適的治療響應(yīng)。相關(guān)技術(shù)介紹3.1主重量分析(PCA)和獨(dú)立重量分析(ICA)在模式識(shí)別領(lǐng)域中，僅獲得待識(shí)別目標(biāo)的原始數(shù)據(jù)是不夠的，須要從原始數(shù)據(jù)中發(fā)掘潛在的本質(zhì)信息。通常待識(shí)別目標(biāo)的原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，處于一個(gè)高維空間中，干脆用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類識(shí)別，計(jì)算困難度高且影響了分類器的性能。為了有效實(shí)現(xiàn)分類識(shí)別，須要從待識(shí)別目標(biāo)的原始數(shù)據(jù)映射到一個(gè)低維空間，提取到最大可能反映待識(shí)別目標(biāo)的本質(zhì)信息。目前常用的提取特征的方法有主重量分析(PCA)和獨(dú)立重量分析(ICA)：PCA（PrincipalComponentAnalysis）是一種最小均方意義上的最優(yōu)變換，它的目標(biāo)是去除輸入隨機(jī)向量之間的相關(guān)性，突出原始數(shù)據(jù)中的隱含特性。其優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)壓縮以與對(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維。但PCA方法利用二階的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行計(jì)算，并未考慮到信號(hào)數(shù)據(jù)的高階統(tǒng)計(jì)特性，變換后的數(shù)據(jù)間仍有可能存在高階冗余信息；ICA（IndependentComponentAnalysis）是20世紀(jì)90年頭Jutten和Herault提出的一種新的信號(hào)處理方法。該方法的目的是將視察到的數(shù)據(jù)進(jìn)行某種線性分解，使其分解成統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的成分。從統(tǒng)計(jì)分析的角度看，ICA和PCA同屬多變量數(shù)據(jù)分析方法，但I(xiàn)CA處理得到的各個(gè)重量不僅去除了相關(guān)性，還是相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，而且是非高斯分布。因此，ICA能更加全面揭示數(shù)據(jù)間的本質(zhì)結(jié)構(gòu)。所以，ICA在很多方面對(duì)傳統(tǒng)方法的重要突破使得其越來(lái)越成為信號(hào)處理中一個(gè)極具潛力的工具，并已在模式識(shí)別、信號(hào)除噪、圖像處理等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。3.2模糊限制模糊限制實(shí)質(zhì)上是一種非線性限制，從屬于智能限制的范疇。模糊限制的一大特點(diǎn)是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實(shí)際應(yīng)用背景。一般限制系統(tǒng)的架構(gòu)包含了五個(gè)主要部分，即:定義變量、模糊化、學(xué)問(wèn)庫(kù)、邏輯推斷與反模糊化，下文將對(duì)每一部分做簡(jiǎn)潔的說(shuō)明：（1）定義變量也就是確定程序被視察的狀況與考慮限制的動(dòng)作，例如在一般限制問(wèn)題上，輸入變量有輸出誤差E與輸出誤差改變率EC，而模糊限制還將限制變量作為下一個(gè)狀態(tài)的輸入U(xiǎn)。其中E、EC、U統(tǒng)稱為模糊變量。（2）模糊化將輸入值以適當(dāng)?shù)谋壤D(zhuǎn)換到論域的數(shù)值，利用口語(yǔ)化變量來(lái)描述測(cè)量物理量的過(guò)程，依據(jù)適合的語(yǔ)言值（linguisticvalue）求該值相對(duì)的隸屬度，此口語(yǔ)化變量稱為模糊子集合（fuzzysubsets）。（3）學(xué)問(wèn)庫(kù)包括數(shù)據(jù)庫(kù)（database）與規(guī)則庫(kù)（rulebase）兩部分，其中數(shù)據(jù)庫(kù)供應(yīng)處理模糊數(shù)據(jù)的相關(guān)定義；而規(guī)則庫(kù)則藉由一群語(yǔ)言限制規(guī)則描述限制目標(biāo)和策略。（4）邏輯推斷仿照人類下推斷時(shí)的模糊概念，運(yùn)用模糊邏輯和模糊推論法進(jìn)行推論，得到模糊限制訊號(hào)。該部分是模糊限制器的精髓所在。（5）解模糊化解模糊化（defuzzify）：將推論所得到的模糊值轉(zhuǎn)換為明確的限制訊號(hào)，做為系統(tǒng)的輸入值。3.3Auto-Trak數(shù)字式自動(dòng)追蹤靈敏度技術(shù)Auto-TRAK是一款革命性的內(nèi)嵌式軟件，設(shè)計(jì)用于探測(cè)呼氣與吸氣的發(fā)生從而將無(wú)創(chuàng)雙水平治療進(jìn)行同步。Auto-TRAK感應(yīng)可馬上對(duì)呼吸道改變狀況作出響應(yīng)，在整個(gè)治療過(guò)程中確?；颊咚璧氖孢m性。每一次呼吸感應(yīng)都自動(dòng)完成，免去了手動(dòng)感應(yīng)調(diào)整的麻煩。該系統(tǒng)不斷地進(jìn)行監(jiān)測(cè)并作出調(diào)整，從而精確追蹤患者的呼吸形式?？偨Y(jié)綜合上述探討結(jié)果，目前呼吸機(jī)探討大多數(shù)限定在壓力-流量限制，本次探討可以以壓力-流量限制為主線，加以PPG（脈搏波）或膈肌肌電信號(hào)等協(xié)助檢測(cè)對(duì)象，從而增加反饋的精確性；另一方面，可以對(duì)呼吸數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理，以對(duì)多種突發(fā)狀況進(jìn)行預(yù)估。思路：確立限制對(duì)象（P&V），檢測(cè)裝置（傳感器）→硬件設(shè)計(jì)→選用一種數(shù)據(jù)處理方法→程序編寫→試驗(yàn)驗(yàn)證參考文獻(xiàn)[1]包涵.基于Pl限制算法的CPAP呼吸機(jī)限制器設(shè)計(jì)[D]:[碩士學(xué)位].北京:北京交通高校,2011[2]樊曉克.智能化呼吸機(jī)設(shè)計(jì)方案和PSV限制算法的探討[D]:[碩士學(xué)位].濟(jì)南:山東高校,2006[3]張彥春.睡眠呼吸機(jī)模糊限制系統(tǒng)探討[D]:[碩士學(xué)位].吉林:吉林高校,2005[4]冼瑩.呼吸機(jī)人機(jī)同步新方法的探討[D]:[碩士論文].廣州:暨南高校,2006[5]徐文超.基于CAN總線的呼吸機(jī)限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]:[碩士學(xué)位].天津:河北工業(yè)高校,2008[6]C.-C.Tsai,Z.-C.Wang,C.-S.ChenTwoDegree-of-freedomControlforBi-levelPositiveAirwayPressureofanObstructiveSleepApneaTreatmentSystem[C].IndustrialElectronicsSociety,2007.IECON2007.33rdAnnualConferenceoftheIEEE.IEEE,2007.944-949[7]C.C.Tsai,Z.C.Wang,C.S.Chen,C.Y.Lai.Adaptivepressuretrackingandbreathingperiodpredictionforobstructivesleepapneatreatmentrespiratorswithbi‐levelpositiveairwaypressure[J].JournaloftheChineseInstituteofEngineers,2010,33(2):215-228[8]A.Favre,F.Jandre,A.Giannella-NetoClosed-loopcontrolofacontinuouspositiveairwaypressuredevice[C].EngineeringinMedicineandBiologySociety,2003.Proceedingsofthe25thAnnualInternationalConferenceoftheIEEE.IEEE,2003.419-422[9]P.Várady,T.Micsik,S.Benedek,Z.Benyó.Anovelmethodforthedetectionofapneaandhypopneaeventsinr