專(zhuān)利名稱(chēng)：一種麻醉氣體濃度測(cè)量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用特定氣體對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光波吸收率高的現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)人體呼出氣體濃度的方法和裝置，尤其涉及用不同的透光片和特定的算法檢測(cè)不同麻醉氣體濃度的方法和裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的氣體濃度監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量原理一般都是基于非色散紅外光譜分析技術(shù)(NDIR，Non-Dispersive Infrared)，即根據(jù)被測(cè)氣體對(duì)某一波段紅外光的吸收特性，選擇特定波段的紅外光通過(guò)氣體樣本，紅外光的衰減量與被測(cè)氣體樣本的濃度近似符合Beer-Lambert定律。麻醉氣體濃度檢測(cè)則是利用幾種麻醉氣體都有顯著吸收的幾個(gè)波段(通常是要檢測(cè)出幾種麻醉氣體就選取幾個(gè)波段)，通過(guò)檢測(cè)這幾個(gè)波段附近的紅外光的衰減量來(lái)計(jì)算麻醉氣體濃度。
由于麻醉氣體紅外吸收光譜之間互相重疊，氣體濃度與各通道的衰減量的對(duì)應(yīng)關(guān)系很難找到，目前通常采用矩陣方程的計(jì)算方法來(lái)根據(jù)各個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量信號(hào)計(jì)算麻醉氣體濃度。其計(jì)算步驟是利用N個(gè)特定波段的紅外帶通透光片得到N個(gè)波段的紅外光，這些紅外光照射被測(cè)氣體樣本，紅外傳感器測(cè)量穿過(guò)氣體樣本的紅外光強(qiáng)，得到N個(gè)測(cè)量信號(hào)。以N個(gè)測(cè)量信號(hào)做為變量，利用一個(gè)N維矩陣方程計(jì)算被測(cè)氣體樣本中麻醉氣體濃度和識(shí)別麻醉氣體類(lèi)型。
現(xiàn)有技術(shù)的主要缺點(diǎn)是Beer-Lambert定律只適用于單色光。由于透光片有一定的帶寬，難以達(dá)到Beer-Lambert定律對(duì)單色光的要求，非單色光只是近似符合Beer-Lambert定律，導(dǎo)致氣體濃度與紅外光的衰減量的對(duì)數(shù)呈非線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此所述的矩陣方程是個(gè)非線(xiàn)性的方程。這樣的非線(xiàn)性方程的求解需要用到N個(gè)測(cè)量信號(hào)的二階以上變量，而對(duì)于存在多階變量的矩陣方程很難求解。解決該問(wèn)題的方法是設(shè)計(jì)特定的透光片參數(shù)，使矩陣方程變成一個(gè)線(xiàn)性方程后求解。但該透光片參數(shù)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，還會(huì)受到生產(chǎn)工藝的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提出一種麻醉氣體測(cè)量方法和裝置，在該測(cè)量裝置的最佳實(shí)施例中，利用3個(gè)測(cè)量透光片和1個(gè)參考透光片得到3個(gè)測(cè)量信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)，然后利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到的測(cè)量信號(hào)與麻醉氣體濃度之間的非線(xiàn)性函數(shù)計(jì)算出麻醉氣體濃度并識(shí)別出麻醉氣體種類(lèi)。該非線(xiàn)性函數(shù)的建立方法如下首先構(gòu)造一個(gè)3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有3個(gè)輸入層神經(jīng)元、20個(gè)隱含層神經(jīng)元和5個(gè)輸出層神經(jīng)元；將通入已知濃度氣體時(shí)所得的3個(gè)測(cè)量信號(hào)與參考通道的比值向量作為訓(xùn)練輸入數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的已知麻醉氣體濃度向量作為訓(xùn)練的目標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)此人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)足夠的樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練后即可得到各個(gè)測(cè)量信號(hào)與麻醉氣體濃度之間的非線(xiàn)性關(guān)系函數(shù)。
本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題通過(guò)采用以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)施一種麻醉氣體濃度測(cè)量的方法，基于包括紅外光源、微處理器電路、檢測(cè)氣室、紅外傳感器、信號(hào)放大處理電路的測(cè)量裝置，所述方法包括步驟a.在裝置中設(shè)置n個(gè)紅外透光片，其中紅外透光片之一為參考波長(zhǎng)通道透光片，其余紅外透光片為對(duì)各種麻醉氣體均有吸收的不同波長(zhǎng)的透光片；b.紅外光源依次被各透光片掃過(guò)，并穿過(guò)檢測(cè)氣室，由一只紅外傳感器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再由信號(hào)放大處理電路將信號(hào)放大；c.微處理器電路將放大后的信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的非線(xiàn)性函數(shù)，識(shí)別出麻醉氣體種類(lèi)及其濃度。
上述方法所述的n個(gè)紅外透光片設(shè)置在一透光片輪之上，在最佳實(shí)施例中所述n＝4；所述透光片輪由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；所述電動(dòng)機(jī)由微處理器電路控制。在最佳實(shí)施例中采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確的控制。
所述的信號(hào)放大處理電路中一放大器的反向輸入端接入一數(shù)字電位器，所述數(shù)字電位器受微處理器電路控制，以決定該放大器放大倍數(shù)的大小，以獲得合適的信號(hào)幅度。
上述方法中，步驟c所述反向誤差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳播算法，由一個(gè)3神經(jīng)元輸入層、
以及一個(gè)5神經(jīng)元輸出層和在輸入與輸出層之間的一個(gè)20神經(jīng)元隱含層組成；此網(wǎng)絡(luò)輸入層3個(gè)神經(jīng)元的輸入值分別為通道系數(shù)P1，P2，P3，它們組成系數(shù)向量P＝{P1，P2，P3}，網(wǎng)絡(luò)輸出層5個(gè)神經(jīng)元的輸出C1，C2，C3，C4，C5分別代表地氟醚(Desflurane)，異氟醚(Isoflurane)，氟烷(Halothane)，七氟醚(Sevoflurane)，氨氟醚(Enflurane)的濃度值，它們組成輸出濃度向量C＝{C1，C2，C3，C4，C5}；神經(jīng)元之間以權(quán)值wij連接，神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)之間有自身的傳輸函數(shù)yni=f(xi)=21+e-2xi-1]]>xi=Σj=1lwij×y(n-1)j+bni]]>所述3個(gè)神經(jīng)元的輸入值分別為通道系數(shù)P1，P2，P3，其相對(duì)應(yīng)的三個(gè)信號(hào)分別為8.3μm波長(zhǎng)代表測(cè)量波段信號(hào)S1，8.5μm波長(zhǎng)代表測(cè)量波段信號(hào)S2，8.7μm波長(zhǎng)代表測(cè)量波段信號(hào)S3，10.5μm代表參考波段信號(hào)Sr，各測(cè)量波段信號(hào)與參考波段信號(hào)之比后，各測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為相對(duì)于參考波段信號(hào)變化的系數(shù)Pn＝Sn/Srn＝1，2，3Pn只與透光片通光系數(shù)和氣室的氣體濃度有關(guān)，與光源強(qiáng)度、光路通光效率以及溫度漂移等等因素?zé)o關(guān)。將P1，P2，P3輸入通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的非線(xiàn)性函數(shù)式。
本發(fā)明按照上述方法設(shè)計(jì)制造一種麻醉氣體濃度測(cè)量的裝置，該裝置包括紅外光源、微處理器電路、檢測(cè)氣室、紅外傳感器、信號(hào)放大處理電路、顯示器、鍵盤(pán)，尤其是還包括透光片輪，所述透光片輪上有n個(gè)紅外透光片。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，所述透光片輪上有4個(gè)紅外透光片，紅外透光片之四為10.5μm波長(zhǎng)，紅外透光片之一為8.3μm波長(zhǎng)，紅外透光片之二為8.5μm波長(zhǎng)，紅外透光片之三為8.7μm波長(zhǎng)。
所述透光片輪聯(lián)結(jié)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接微處理器電路。
所述紅外光源的安裝位置滿(mǎn)足其軸線(xiàn)穿過(guò)各紅外透光片、穿過(guò)檢測(cè)氣室，與紅外傳感器的軸線(xiàn)重合。
所述紅外傳感器的輸出接入信號(hào)放大處理電路，信號(hào)放大處理電路的輸出接入微處理器電路，信號(hào)放大處理電路中一放大器的反向輸入端接入一數(shù)字電位器，所述數(shù)字電位器受微處理器電路控制，以決定該放大器放大倍數(shù)的大小。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提出的利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法可以很好地?cái)M合出麻醉氣體濃度與測(cè)量通道光強(qiáng)變化量之間的非線(xiàn)性關(guān)系，且更易于實(shí)現(xiàn)。并且測(cè)量裝置中可以使用較少的透光片進(jìn)行麻醉氣體濃度的測(cè)量和氣體種類(lèi)識(shí)別，降低了檢測(cè)設(shè)備的成本。


圖1是本發(fā)明麻醉氣體濃度測(cè)量的裝置的構(gòu)成框圖；圖2是信號(hào)放大處理電路的電原理圖；圖3是微處理器電路、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和其他驅(qū)動(dòng)電路的電原理圖；圖4是四通道透光片波長(zhǎng)和氣體特性曲線(xiàn)示意圖；圖5是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳盡的描述。
如圖1～5所示實(shí)施一種麻醉氣體濃度測(cè)量的方法，基于包括紅外光源10、微處理器電路80、檢測(cè)氣室50、紅外傳感器60、信號(hào)放大處理電路70的測(cè)量裝置，所述方法包括步驟a.在裝置中設(shè)置n個(gè)紅外透光片T1～Tn，其中紅外透光片T1為參考波長(zhǎng)通道透光片，其余紅外透光片T2～Tn為對(duì)各種麻醉氣體均有吸收的不同波長(zhǎng)的透光片；b.紅外光源10依次被各透光片T1～Tn掃過(guò)，并穿過(guò)有麻醉氣體的檢測(cè)氣室50，由紅外傳感器60進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再由信號(hào)放大處理電路70將信號(hào)放大；c.微處理器電路80將放大后的信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的非線(xiàn)形函數(shù)，，識(shí)別出麻醉氣體種類(lèi)及其濃度。
上述方法中所述的n個(gè)紅外透光片T1～Tn設(shè)置在透光片輪30之上，在最佳實(shí)施例中所述n＝4；所述透光片輪30由電動(dòng)機(jī)20驅(qū)動(dòng)；所述電動(dòng)機(jī)20由微處理器電路80控制。
在所述信號(hào)放大處理電路70中放大器U7B的反向輸入端接入一數(shù)字電位器U8，所述數(shù)字電位器U8受微處理器電路80控制，以決定放大器U7B放大倍數(shù)的大小。
本發(fā)明最佳實(shí)施例的測(cè)量裝置利用3個(gè)測(cè)量透光片和1個(gè)參考透光片得到3個(gè)測(cè)量信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)，然后利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到的測(cè)量信號(hào)與麻醉氣體濃度之間的非線(xiàn)性函數(shù)計(jì)算出麻醉氣體濃度并識(shí)別出麻醉氣體種類(lèi)。該非線(xiàn)性函數(shù)的建立方法如下首先構(gòu)造一個(gè)3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有3個(gè)輸入層神經(jīng)元、20個(gè)隱含層神經(jīng)元和5個(gè)輸出層神經(jīng)元；將通入已知濃度氣體時(shí)所得的3個(gè)測(cè)量信號(hào)與參考通道的比值向量作為訓(xùn)練輸入數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的已知麻醉氣體濃度向量作為訓(xùn)練的目標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)此人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)足夠的樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練后即可得到各個(gè)測(cè)量信號(hào)與麻醉氣體濃度之間的非線(xiàn)性關(guān)系函數(shù)。
yni=f(xi)=21+e-2xi-1]]>xi=Σj=1lwij×y(n-1)j+bni]]>上述方法中所述反向誤差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳播算法，由一個(gè)3神經(jīng)元輸入層、以及一個(gè)5神經(jīng)元輸出層和在輸入與輸出層之間的一個(gè)20神經(jīng)元隱含層組成；此網(wǎng)絡(luò)輸入層3個(gè)神經(jīng)元的輸入值分別為通道系數(shù)P1，P2，P3，它們組成系數(shù)向量P＝{P1，P2，P3}，網(wǎng)絡(luò)輸出層5個(gè)神經(jīng)元的輸出Cl，C2，C3，C4，C5分別代表地氟醚(Desflurane)，異氟醚(Isoflurane)，氟烷(Halothane)，七氟醚(Sevoflurane)，氨氟醚(Enflurane)的濃度值，它們組成輸出濃度向量C＝{C1，C2，C3，C4，C5}；神經(jīng)元之間以權(quán)值wij連接，神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)之間有自身的傳輸函數(shù)所述3個(gè)神經(jīng)元的輸入值分別為通道系數(shù)P1，P2，P3，其相對(duì)應(yīng)的三個(gè)信號(hào)分別為8.3μm波長(zhǎng)代表測(cè)量波段信號(hào)S1，8.5μm波長(zhǎng)代表測(cè)量波段信號(hào)S2，8.7μm波長(zhǎng)代表測(cè)量波段信號(hào)S3，10.5μm代表參考波段信號(hào)Sr，各測(cè)量波段信號(hào)與參考波段信號(hào)之比后，各測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為相對(duì)于參考波段信號(hào)變化的系數(shù)Pn＝Sn/Srn＝1，2，3Pn只與透光片通光系數(shù)和氣室的氣體濃度有關(guān)，與光源強(qiáng)度、光路通光效率以及溫度漂移等等因素?zé)o關(guān)。將P1，P2，P3輸入通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的非線(xiàn)性函數(shù)式。
本發(fā)明還可以通過(guò)以下的技術(shù)方案進(jìn)一步實(shí)施采用上述方法設(shè)計(jì)制造一種麻醉氣體濃度測(cè)量的裝置，包括紅外光源10、微處理器電路80、檢測(cè)氣室50、紅外傳感器60、信號(hào)放大處理電路70、顯示器150、鍵盤(pán)160，尤其是還包括透光片輪30，所述透光片輪30上有n個(gè)紅外透光片T1～Tn。
在最佳實(shí)施例中，所述透光片輪30上的紅外透光片是4個(gè)，紅外透光片T4為10.5μm，紅外透光片T1為8.3μm，紅外透光片T2為8.5μm，紅外透光片T3為8.7um。
所述透光片輪30聯(lián)結(jié)電動(dòng)機(jī)20，電動(dòng)機(jī)20接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路110，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路110連接微處理器電路80。
所述紅外光源10的安裝位置是其軸線(xiàn)穿過(guò)紅外透光片T1～T4、穿過(guò)檢測(cè)氣室50，與紅外傳感器60的軸線(xiàn)重合。
所述紅外傳感器60的輸出接入信號(hào)放大處理電路70，信號(hào)放大處理電路70的輸出接入微處理器電路80，信號(hào)放大處理電路70中放大器U7B的反向輸入端接入一數(shù)字電位器U8，所述數(shù)字電位器U8受微處理器電路80控制，以決定放大器U7B放大倍數(shù)的大小。
如圖1～3所示，本發(fā)明最佳實(shí)施例裝置中的紅外光源10發(fā)出寬光譜的紅外光照射檢測(cè)氣室50中的被測(cè)氣體樣本。四個(gè)特別選擇的紅外透光片T1～T4均勻分布地放置在透光片輪30上，透光片輪30放置在光源10和檢測(cè)氣室50之間，由電動(dòng)機(jī)20驅(qū)動(dòng)以一定頻率旋轉(zhuǎn)，四個(gè)紅外帶通透光片的中心波長(zhǎng)分別為麻醉氣體均有吸收的8.3μm(帶寬0.21μm)8.5μm(帶寬0.15μm)和8.7μm(帶寬0.25μm)以及麻醉氣體對(duì)紅外光沒(méi)有任何吸收的10.5μm(帶寬0.23μm)。通過(guò)四個(gè)透光片得到的四個(gè)波段的紅外光中8.3μm、8.5μm和8.7μm三個(gè)做為測(cè)量波段，如圖4所示，10.5μm做為參考波段。測(cè)量波段和參考波段紅外光穿過(guò)檢測(cè)氣室中的被測(cè)氣體后，被紅外傳感器60探測(cè)，分別得到測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)。其中測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度隨著被測(cè)氣體中麻醉氣體濃度變化而變化，參考信號(hào)不隨麻醉氣體濃度變化而變化。將測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大處理電路70送入微處理器電路80進(jìn)行相應(yīng)的處理得到麻醉氣體的種類(lèi)和濃度。檢測(cè)氣室50中的氣體由氣泵100從病人呼吸氣體中連續(xù)抽取小樣本的采樣氣體，并送入檢測(cè)氣室50中。在氣體進(jìn)入采樣氣室50的氣路中通過(guò)流速檢測(cè)電路130檢測(cè)實(shí)時(shí)的抽氣速率，并由微處理器電路80通過(guò)氣泵控制電路140控制氣泵100的抽氣速度，達(dá)到穩(wěn)定采樣氣體抽氣速度的目的。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱(chēng)并行分布式處理，其基本原理是模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)，由一些神經(jīng)元及其大規(guī)模并行連接而成的網(wǎng)絡(luò)，它具有自組織、自學(xué)習(xí)功能，在分類(lèi)以及非線(xiàn)性函數(shù)擬合方面有較好的效果。本專(zhuān)利采用的是反向誤差傳播算法(BackpropagationAlgorithm)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱(chēng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是一種層狀結(jié)構(gòu)的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖3)，由一個(gè)3神經(jīng)元輸入層、一個(gè)5神經(jīng)元輸出層和在輸入與輸出層之間的一個(gè)20神經(jīng)元隱含層組成。此網(wǎng)絡(luò)輸入層3個(gè)神經(jīng)元的輸入值分別為通道系數(shù)P1，P2，P3，它們組成向量P＝{P1，P2，P3}在這里稱(chēng)為系數(shù)向量。網(wǎng)絡(luò)輸出層5個(gè)神經(jīng)元的輸出C1，C2，C3，C4，C5分別代表地氟醚(Desflurane)異氟醚(Isoflurane)氟烷(Halothane)七氟醚(Sevoflurane)氨氟醚(Enflurane)的濃度值，它們組成輸出濃度向量C＝{C1，C2，C3，C4，C5}。神經(jīng)元之間以權(quán)值wij連接，神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)之間有自身的傳輸函數(shù)yni=f(xi)=21+e-2xi-1]]>xi=Σj=1lwij×y(n-1)j+bni]]>式中xi為第n層第i個(gè)神經(jīng)元的輸入，yni代表第n層第i個(gè)神經(jīng)元的輸出。wij為后一層第i個(gè)神經(jīng)元與前一層第j個(gè)神經(jīng)元的連接權(quán)值。bni為第n層第i個(gè)神經(jīng)元的輸入修正項(xiàng)。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要經(jīng)過(guò)訓(xùn)練才能建立輸入與輸出之間的近似函數(shù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程分為信息的正向傳輸過(guò)程和誤差的反向傳輸過(guò)程兩個(gè)階段。外部輸入的信號(hào)經(jīng)輸入層隱含層的神經(jīng)元逐層處理向前傳輸?shù)捷敵鰧拥玫捷敵鱿蛄俊０演敵鱿蛄颗c目標(biāo)向量(期望得到的輸出向量)相比較，如果不一致，則轉(zhuǎn)入逆向傳輸過(guò)程，將目標(biāo)向量與網(wǎng)絡(luò)輸出向量之間誤差沿原來(lái)聯(lián)結(jié)的通路返回，通過(guò)特定的訓(xùn)練算法修改各層神經(jīng)元的連接權(quán)值wij和bni，使誤差減少，然后再轉(zhuǎn)入正向傳輸過(guò)程，反復(fù)迭帶，直到誤差小于指定的值為止。訓(xùn)練過(guò)程中所用到的訓(xùn)練數(shù)據(jù)是由一些輸入數(shù)據(jù)和應(yīng)該得到的實(shí)際輸出數(shù)據(jù)即目標(biāo)值組成的樣本集合本專(zhuān)利中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本集是由通已知標(biāo)準(zhǔn)濃度的氣體時(shí)測(cè)得的系數(shù)向量p和濃度向量C組成。選取已知濃度的麻醉氣體單獨(dú)通入測(cè)量裝置進(jìn)行記錄，得到三通道的系數(shù)向量P作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸入值，通入的氣體的濃度作為訓(xùn)練目標(biāo)值。例如在通1％的異氟醚時(shí)可得到系數(shù)向量P＝{P1，P2，P3}＝{0.4 0.43 0.42}，那么網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練目標(biāo)向量則為濃度向量C＝{C1，C2，C3，C4，C5}＝{0 1 0 0 0}。在本專(zhuān)利中選取各麻醉氣體訓(xùn)練濃度為(0.3％ 1％ 2％…10％)，每種氣體共有11個(gè)濃度點(diǎn)，測(cè)得相應(yīng)的三通道的11個(gè)系數(shù)向量P。把5種氣體所得的55個(gè)系數(shù)向量P作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練向量，與其對(duì)應(yīng)的各氣體的濃度向量作為目標(biāo)向量輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練。
采用回歸BP算法進(jìn)行訓(xùn)練，一般經(jīng)2000次訓(xùn)練后網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)向量與網(wǎng)絡(luò)輸出向量之間誤差即可達(dá)到要求。訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其權(quán)值wij和修正項(xiàng)bni不再改變。這時(shí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就成為一個(gè)函數(shù)式。這個(gè)函數(shù)式是由神經(jīng)元自身傳輸函數(shù)式權(quán)值wij修正項(xiàng)bni所組成的非線(xiàn)性方程式，它近似的描述了三通道系數(shù)P1，P2，P3與五種麻醉氣體濃度C1，C2，C3，C4，C5之間的非線(xiàn)性對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。
通過(guò)訓(xùn)練好的函數(shù)，我們就可由測(cè)得的三通道系數(shù)P1，P2，P3準(zhǔn)確的判別出是哪種麻醉氣體出現(xiàn)并測(cè)量出此種氣體的濃度值。
在圖1中，顯示器150用于顯示檢測(cè)結(jié)果和其他信息。
鍵盤(pán)160用于輸入操作指令。
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路110在最佳實(shí)施例中用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。三通閥控制電路120的輸入VALVE接入微處理器電路80中U2的P1.0引腳。
在圖3中，流速檢測(cè)電路130中的U5是圖1中的傳感器40，用于檢測(cè)氣體流量。
實(shí)踐證明，本發(fā)明提出的利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法可以很好地?cái)M合出麻醉氣體濃度與測(cè)量通道光強(qiáng)變化量之間的非線(xiàn)性關(guān)系，且更易于實(shí)現(xiàn)。并且測(cè)量裝置中可以使用較少的透光片進(jìn)行麻醉氣體濃度的測(cè)量和氣體種類(lèi)識(shí)別，降低了檢測(cè)設(shè)備的成本。
權(quán)利要求
1.一種麻醉氣體濃度測(cè)量的方法，基于包括紅外光源(10)、微處理器電路(80)、檢測(cè)氣室(50)、紅外傳感器(60)、信號(hào)放大處理電路(70)的測(cè)量裝置，其特征在于，所述方法包括步驟a.在裝置中設(shè)置n個(gè)紅外透光片(T1～Tn)，其中一紅外透光片為參考波長(zhǎng)通道透光片，其余紅外透光片為對(duì)各種麻醉氣體均有吸收的不同波長(zhǎng)的透光片；b.紅外光源(10)依次被各透光片(T1～Tn)掃過(guò)，并穿過(guò)檢測(cè)氣室(50)，由紅外傳感器(60)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再由信號(hào)放大處理電路(70)將信號(hào)放大；c.微處理器電路(80)將放大后的信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的非線(xiàn)性函數(shù)，識(shí)別出麻醉氣體種類(lèi)及其濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的麻醉氣體濃度測(cè)量的方法，其特征在于所述n個(gè)紅外透光片(T1～Tn)是設(shè)置在透光片輪(30)之上，所述n＝4；所述透光片輪(30)由電動(dòng)機(jī)(20)驅(qū)動(dòng)；所述電動(dòng)機(jī)(20)由微處理器電路(80)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的麻醉氣體濃度測(cè)量的方法，其特征在于在所述信號(hào)放大處理電路(70)中放大器U7B的反向輸入端接入一數(shù)字電位器U8，所述數(shù)字電位器U8受微處理器電路(80)控制，以決定放大器U7B放大倍數(shù)的大小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的麻醉氣體濃度測(cè)量的方法，其特征在于所述反向誤差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳播算法，包括一個(gè)3神經(jīng)元輸入層、以及一個(gè)5神經(jīng)元輸出層和在輸入與輸出層之間的一個(gè)20神經(jīng)元隱含層；此網(wǎng)絡(luò)輸入層3個(gè)神經(jīng)元的輸入值分別為通道系數(shù)P1，P2，P3，它們組成系數(shù)向量P＝{P1，P2，P3}，網(wǎng)絡(luò)輸出層5個(gè)神經(jīng)元的輸出C1，C2，C3，C4，C5分別代表地氟醚、異氟醚、氟烷、七氟醚、氨氟醚的濃度值，它們組成輸出濃度向量C＝{C1，C2，C3，C4，C5}；神經(jīng)元之間以權(quán)值wij連接，神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)之間有自身的傳輸函數(shù)ym=f(xi)=21+e-2xi-1]]>xi=Σj=1lwij×y(n-1)j+bni]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的麻醉氣體濃度測(cè)量的方法，其特征在于所述3個(gè)神經(jīng)元的輸入值分別為通道系數(shù)P1，P2，P3，其相對(duì)應(yīng)的三個(gè)信號(hào)分別為8.3μm波長(zhǎng)代表測(cè)量波段信號(hào)S1，8.5μm波長(zhǎng)代表測(cè)量波段信號(hào)S2，8.7μm波長(zhǎng)代表測(cè)量波段信號(hào)S3，10.5um波長(zhǎng)代表參考波段信號(hào)Sr，各測(cè)量波段信號(hào)與參考波段信號(hào)之比后，各測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為相對(duì)于參考波段信號(hào)變化的系數(shù)Pn＝Sn/Srn＝1，2，3Pn只與濾光片通光系數(shù)和氣室的氣體濃度有關(guān)，與光源強(qiáng)度、光路通光效率以及溫度漂移等等因素?zé)o關(guān)。
6.一種麻醉氣體濃度測(cè)量的裝置，包括紅外光源(10)、微處理器電路(80)、檢測(cè)氣室(50)、紅外傳感器(60)、信號(hào)放大處理電路(70)、顯示器(150)和鍵盤(pán)(160)，其特征在于還包括透光片輪(30)，所述透光片輪(30)上有n個(gè)紅外透光片(T1～Tn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的麻醉氣體濃度測(cè)量的裝置，其特征在于所述透光片輪(30)上n個(gè)紅外透光片(T1～Tn)是4個(gè)，紅外透光片(T4)為10.5um，紅外透光片(T1)為8.3um，紅外透光片(T2)為8.5um，紅外透光片(T3)為8.7um。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的麻醉氣體濃度測(cè)量的裝置，其特征在于所述透光片輪(30)聯(lián)結(jié)電動(dòng)機(jī)(20)，電動(dòng)機(jī)(20)接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(110)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(110)連接微處理器電路(80)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的麻醉氣體濃度測(cè)量的裝置，其特征在于所述紅外光源(10)的安裝位置是其軸線(xiàn)穿過(guò)紅外透光片(T1～Tn)、再穿過(guò)檢測(cè)氣室(50)，并與紅外傳感器(60)的軸線(xiàn)重合。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的麻醉氣體濃度測(cè)量的裝置，其特征在于所述紅外傳感器(60)的輸出接入信號(hào)放大處理電路(70)，信號(hào)放大處理電路(70)的輸出接入微處理器電路(80)，信號(hào)放大處理電路(70)中放大器U7B的反向輸入端接入一數(shù)字電位器U8，所述數(shù)字電位器U8受微處理器電路(80)控制，以決定放大器U7B放大倍數(shù)的大小。
全文摘要
一種麻醉氣體濃度測(cè)量的方法，基于包括紅外光源(10)、微處理器電路(80)、檢測(cè)氣室(50)、紅外傳感器(60)、信號(hào)放大處理電路(70)的測(cè)量裝置，包括步驟a.在裝置中設(shè)置n個(gè)紅外透光片(T1～Tn)，其中一紅外透光片為參考波長(zhǎng)通道透光片，其余紅外透光片為對(duì)各種麻醉氣體均有吸收的不同中心波長(zhǎng)的透光片；b.紅外光源(10)依次被各透光片掃過(guò)，并穿過(guò)檢測(cè)氣室(50)，由紅外傳感器(60)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再由信號(hào)放大處理電路(70)將信號(hào)放大；c.放大后的信號(hào)在微處理器電路(80)中經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行反向誤差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳播算法處理，識(shí)別出麻醉氣體種類(lèi)及其濃度。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1760664SQ20041005188
公開(kāi)日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者劉強(qiáng), 李新勝, 張偉, 周慧玲, 葉繼倫 申請(qǐng)人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司