本發(fā)明屬于醫(yī)療器械，具體涉及一種可以校準(zhǔn)肺功能儀的高精度呼吸模擬系統(tǒng)及其補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

1、呼吸模擬系統(tǒng)是利用活塞在活塞缸中運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬人的呼吸，向肺功能儀輸出符合相應(yīng)校檢規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)氣流量，從而校準(zhǔn)肺功能儀。不同的肺功能儀測(cè)試同一病人，可能得到差異較大的結(jié)果，給臨床診斷帶來(lái)一定的困難。要解決不同肺功能儀對(duì)于同一對(duì)象進(jìn)行測(cè)量會(huì)出現(xiàn)差異過(guò)大的這個(gè)問(wèn)題就必須要有性能優(yōu)秀的呼吸模擬系統(tǒng)對(duì)肺功能儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

2、現(xiàn)有的呼吸模擬系統(tǒng)的活塞推桿分為兩種，一種是活塞缸內(nèi)部不安裝導(dǎo)向桿等部件，通過(guò)單根推桿推進(jìn)，可以簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)，方便計(jì)算氣流量以及不確定度評(píng)定，但運(yùn)行誤差大。另一種是在活塞缸內(nèi)貫穿裝配若干根導(dǎo)向桿來(lái)減少活塞運(yùn)動(dòng)偏軸性，但這會(huì)增加流量計(jì)算以及不確定度評(píng)定的難度。且現(xiàn)有的呼吸模擬系統(tǒng)占地面積較大不利于開展工作。

3、現(xiàn)有的呼吸模擬系統(tǒng)因?yàn)檠b置設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方式、制造工藝等方面的因素，在運(yùn)動(dòng)中存在的各部件之間的摩擦較大、配合不良的情況，且呼吸模擬系統(tǒng)的活塞缸在制造過(guò)程中也存在制造誤差以及經(jīng)過(guò)一段時(shí)間工作后會(huì)磨損，呼吸模擬系統(tǒng)輸出的流量與所需流量的產(chǎn)生偏離。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種呼吸模擬系統(tǒng)及其補(bǔ)償方法。

2、本發(fā)明提供了一種呼吸模擬系統(tǒng)，包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；

3、所述機(jī)械系統(tǒng)包括活塞筒、連接裝置和驅(qū)動(dòng)裝置；

4、所述活塞筒包括活塞缸、前端板、后端板、底板、活塞和出口面板，所述活塞可沿軸向運(yùn)動(dòng)地設(shè)置于所述活塞缸內(nèi)，所述前端板和所述后端板裝配于所述活塞缸軸向兩端，所述底板適于支撐所述前端板和所述后端板，所述出口面板安裝于所述前端板，所述出口面板加工形成有一流量輸出口，所述前端板加工形成有一適于連通所述活塞缸與所述流量輸出口的圓孔，所述后端板加工形成有若干適于連通所述活塞缸與外部環(huán)境的后端通氣孔，所述底板適于可拆卸地安裝在可移動(dòng)平臺(tái)和不可移動(dòng)平臺(tái)；

5、所述連接裝置包括活塞連桿、驅(qū)動(dòng)連桿、直線軸承、螺母、連接面板和驅(qū)動(dòng)面板，所述連接面板設(shè)置于所述后端板的外側(cè)，所述驅(qū)動(dòng)面板固定設(shè)置于所述滑臺(tái)，所述驅(qū)動(dòng)連桿適于連接所述驅(qū)動(dòng)面板和所述連接面板并通過(guò)所述螺母固定，所述活塞連桿適于連接所述連接面板和所述活塞并通過(guò)所述螺母固定，所述直線軸承安裝在所述后端板上，所述活塞連桿、驅(qū)動(dòng)連桿穿過(guò)所述直線軸承；

6、所述驅(qū)動(dòng)裝置包括伺服電機(jī)、滾珠絲桿、滑臺(tái)、第一限位器和第二限位器，所述伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接所述滾珠絲桿，驅(qū)動(dòng)所述滑臺(tái)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而來(lái)模擬人的呼吸，所述第一限位器和所述第二限位器分別鄰近所述滾珠絲桿的軸向兩端設(shè)置，所述第一限位器和所述第二限位器適于限定所述滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍，進(jìn)而限制所述活塞的運(yùn)動(dòng)范圍，防止呼吸模擬裝置損壞；

7、作為優(yōu)選的：所述活塞缸包括沿其軸向延伸的第一軸線，所述第一軸線垂直于所述前端板和所述后端板，所述第一軸線平行于所述底板，所述第一軸線適于穿過(guò)所述活塞缸兩端的中心點(diǎn)、所述前端圓孔的圓心以及所述活塞的圓心，所述后端通氣孔關(guān)于所述第一軸線對(duì)稱設(shè)置。

8、作為優(yōu)選的：所述出口面板包括沿其軸向延伸的第二軸線，所述第二軸線適于穿過(guò)所述流量輸出口的圓心，所述第一軸線與所述第二軸線重合。

9、作為優(yōu)選的：所述活塞連桿左右對(duì)稱設(shè)置，所述活塞連桿垂直于所述活塞和所述連接面板設(shè)置，且所述活塞連桿一端與所述活塞固定連接或一體成型，所述活塞連桿的另一端固定到所述連接面板。

10、作為優(yōu)選的：所述驅(qū)動(dòng)連桿左右對(duì)稱設(shè)置，所述驅(qū)動(dòng)連桿垂直于所述驅(qū)動(dòng)面板和所述連接面板設(shè)置，且所述驅(qū)動(dòng)連桿一端固定到所述連接面板，所述驅(qū)動(dòng)連桿另一端固定到所述驅(qū)動(dòng)面板。

11、作為優(yōu)選的：所述后端板包括設(shè)置于其下端的方形開口，所述伺服電機(jī)嵌設(shè)于所述方形開口。

12、作為優(yōu)選的：所述后端板包括若干設(shè)置于其中部或上部的通孔，所述通孔內(nèi)安裝有直線軸承，所述直線軸承包括緊固裝配于所述通孔內(nèi)的軸承套和若干滾珠，所述滾珠既適于支撐所述活塞連桿或所述驅(qū)動(dòng)連桿，同時(shí)還適于傳遞軸向載荷。

13、作為優(yōu)選的：所述前端板的下端與所述后端板的下端裝配于所述底板的軸向兩端并圍合形成適于收容所述驅(qū)動(dòng)裝置的安裝空間，所述驅(qū)動(dòng)裝置裝配完成后封裝固定于所述底板。

14、所述控制系統(tǒng)包括控制器、計(jì)算機(jī)；

15、所述控制器分別與伺服電機(jī)、計(jì)算機(jī)、溫度變送器、濕度變送器、壓力變送器、筒內(nèi)壓力變送器、流量測(cè)量裝置雙向連接；

16、所述計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件編寫控制程序、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)呼吸曲線建立標(biāo)準(zhǔn)呼吸模型、設(shè)置若干校準(zhǔn)參數(shù)，通過(guò)對(duì)實(shí)際輸出的流量進(jìn)行采樣從而對(duì)活塞缸內(nèi)部建立數(shù)學(xué)模型，并在之后的使用中能對(duì)活塞的位移與速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

17、一種高精度呼吸模擬系統(tǒng)的補(bǔ)償方法，其適于對(duì)如權(quán)上所述的呼吸模擬系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償，包括：

18、1.檢查所述活塞筒的氣密性：

19、1-1將所述活塞筒的流量輸出口密封，啟動(dòng)所述筒內(nèi)壓力變送器，記錄此時(shí)筒內(nèi)壓力變送器的讀數(shù)p0；

20、1-2將總行程l均勻分成n段子行程，子行程的長(zhǎng)度為記每個(gè)分段點(diǎn)位置為xi，xn與行程終點(diǎn)重合；

21、1-3伺服電機(jī)驅(qū)使活塞位移li，i∈[1,n]，伺服電機(jī)的水平負(fù)載能力為f，觀察筒內(nèi)壓力計(jì)讀數(shù)pi；

22、1-4若pi出現(xiàn)先升后降的情況，則認(rèn)為此段活塞缸的密封性存在不足；若pi接近需要解除密封降壓再重新密封，重新讀取p0作為下一階段的基準(zhǔn)值，并重復(fù)步驟1.1～1.3。

23、1-5重復(fù)步驟1.1～1.4對(duì)活塞缸的密封性進(jìn)行逐段檢測(cè)。

24、2.對(duì)所述活塞缸進(jìn)行建模，獲取補(bǔ)償系數(shù)：

25、2-1將流量測(cè)量裝置與所述呼吸模擬系統(tǒng)連接，計(jì)算機(jī)向所述呼吸模擬系統(tǒng)下達(dá)命令并同時(shí)啟動(dòng)所述流量測(cè)量裝置，所述伺服電機(jī)使所述活塞以速度v0完成行程l的勻速運(yùn)動(dòng)，所述流量測(cè)量裝置測(cè)得所述呼吸模擬裝置在此過(guò)程中的輸出流量q(t)，這些數(shù)據(jù)為集中采集，可以使用液體代替氣體，以此獲得更好的數(shù)據(jù)。

26、2-2通過(guò)x＝v0t得出x與q(t)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即q(x)，x為活塞的實(shí)際行程位置，a為活塞缸截面，理論上q(x)＝v0a為一個(gè)定值，但因?yàn)榇嬖谡`差且認(rèn)為主要是活塞缸的加工誤差，所以實(shí)際上q(x)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)；

27、對(duì)所述活塞缸建立模型，在x∈[xi-1,xi)的范圍內(nèi)認(rèn)為所述活塞截面積為ai、實(shí)際活塞缸截面積ai與理論活塞缸面積a之差值為δai，i∈[1,n]，進(jìn)而得到ai與x的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及δai與x對(duì)應(yīng)關(guān)系，即δa(xi)＝a(xi)-a，并將a(xi)簡(jiǎn)記為ai、δa(xi)簡(jiǎn)記為δai；

28、2-3每一子行程所述活塞需要補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行速度

29、2-4當(dāng)呼吸模擬系統(tǒng)進(jìn)行其他功能時(shí)輸入設(shè)定體積v，獲取當(dāng)前活塞所處位置x，x∈[xn,xn+1)，當(dāng)所述活塞設(shè)定由所述第一限位器向所述第二限位器方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算活塞可運(yùn)動(dòng)的體積余量v暫＝(xn+1-x)an+1；當(dāng)所述活塞設(shè)定由所述第二限位器向所述第一限位器方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算所述活塞可運(yùn)動(dòng)的體積余量v暫＝(x-xn)an+1；

30、2-5當(dāng)所述活塞設(shè)定由所述第一限位器向所述第二限位器方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，將參數(shù)j初始化設(shè)置為0，將體積余量v暫與輸入體積v進(jìn)行比較：

31、若v暫＞v，則j＝0，

32、若v暫＜v，則j+1，且在體積余量上v暫＝(xn+1-x)an+1再加上下一個(gè)區(qū)間的體積

33、再與v比較，如果小于就繼續(xù)加，直到v暫＞v，則判斷j的大??；

34、若j＝1，得，

35、若j≥2，將j-1，得，

36、2-6當(dāng)活塞設(shè)定為由第二限位器向第一限位器運(yùn)動(dòng)時(shí)，將參數(shù)j初始化設(shè)置為0，將體積余量v暫與輸入體積v進(jìn)行比較；

37、若v暫＞v，則j＝0，

38、若v暫＜v，則j+1，且在體積余量上v暫＝(x-xn)an+1再加上下一個(gè)區(qū)間的體積

39、再與v比較，如果小于就繼續(xù)加，直到v暫＞v，則判斷j的大??；

40、若j＝1，得，

41、若j≥2，將j-1，得，

42、綜上即可得出補(bǔ)償修正過(guò)后的活塞運(yùn)動(dòng)距離與速度。

43、4.3.對(duì)所述活塞筒進(jìn)行建模，獲取壓縮補(bǔ)償系數(shù)，既活塞移動(dòng)速度與氣流量輸出的關(guān)系系數(shù)：

44、根據(jù)一維定常絕熱等熵流動(dòng)建立數(shù)學(xué)模型，列出活塞缸內(nèi)氣體參數(shù)、氣流量輸出口參數(shù)、滯止?fàn)顟B(tài)參數(shù)的關(guān)系式：

45、根據(jù)能量守恒定律得：

46、

47、pr:滯止?fàn)顟B(tài)壓強(qiáng)

48、tr:滯止?fàn)顟B(tài)溫度

49、ρr:滯止?fàn)顟B(tài)密度

50、p1:活塞缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)

51、t1:活塞缸內(nèi)氣體溫度

52、ρ1:活塞缸內(nèi)氣體密度

53、a1:活塞截面積

54、v1:用活塞運(yùn)動(dòng)速度

55、p2:氣流量輸出口壓強(qiáng)

56、t2:氣流量輸出口溫度

57、ρ2:氣流量輸出口密度

58、a2:氣流量輸出口截面積

59、v2:氣流量輸出口氣體流速

60、式中k為氣體絕熱系數(shù)，若氣體為空氣時(shí)k＝1.4

61、根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得：

62、pr＝ρrrtr...(3)

63、p1＝ρ1rt1...(4)

64、p2＝ρ2rt2...(5)

65、r為氣體常數(shù)，值為r＝287(j/kg*k)

66、根據(jù)等熵關(guān)系得：

67、

68、由式(2)～(6)可以得：

69、

70、

71、根據(jù)質(zhì)量守恒定律得：

72、qm＝ρ1v1a1＝ρ2v2a2...(10)

73、將(8)(9)代入(10)可得：

74、

75、其中滯止?fàn)顟B(tài)溫度tr、氣體常數(shù)r、活塞截面積a1、氣流量輸出看截面積a2、氣體絕熱系數(shù)k皆為常數(shù)，則根據(jù)活塞運(yùn)動(dòng)速度v1與氣流量輸出口氣體流速v2之間的關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償操作，根據(jù)模擬需要設(shè)置氣流量輸出口氣體流速v2得到活塞所需的活塞運(yùn)動(dòng)速度v1。

76、本發(fā)明的有益效果是：

77、(1)通過(guò)設(shè)置若干驅(qū)動(dòng)連桿、活塞連桿配合推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，在沒有貫穿活塞缸的導(dǎo)向桿的情況下，運(yùn)用誤差平均原理，減小因單桿推動(dòng)造成活塞的偏缸運(yùn)動(dòng)，從而提高校準(zhǔn)精度。

78、(2)通過(guò)活塞缸與滾珠絲桿上下并行排布，大大減小占地面積，可以安裝在較小的移動(dòng)平臺(tái)上，方便校準(zhǔn)工作的開展。

79、(3)通過(guò)具有滾珠的滾珠絲桿和直線軸承，一方面以滾動(dòng)的方式傳遞軸向負(fù)載，摩擦阻力小，傳動(dòng)效率更高，啟停更快，使呼吸模擬裝置能夠輸出更加擬合標(biāo)準(zhǔn)呼吸波形的數(shù)據(jù)；另一方面，若干滾珠直接承受載荷，減小因裝置本身重量造成的運(yùn)動(dòng)偏差，同時(shí)應(yīng)用誤差平均效應(yīng)能減小由于制造安裝不精確、工作時(shí)的形變等原因所發(fā)生的誤差。

80、(4)通過(guò)對(duì)實(shí)際輸出的流量進(jìn)行采樣從而對(duì)活塞缸內(nèi)部建立數(shù)學(xué)模型，并在之后的使用中能對(duì)活塞的位移與速度進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步地，通過(guò)對(duì)密封狀態(tài)下的活塞筒內(nèi)的壓力進(jìn)行讀取并自動(dòng)檢測(cè)活塞筒的密封性。

81、(5)通過(guò)考慮氣體的可壓縮性與活塞缸尺寸建立數(shù)學(xué)模型，此數(shù)學(xué)模型可選擇地應(yīng)用于多種尺寸的呼吸模擬裝置，在已有裝置的情況下可以通過(guò)所需氣流量輸出得出活塞實(shí)際所需運(yùn)行速度，進(jìn)一步提高了精確度。