王宏民，陳 毅，陳軍偉，莫敦成，葉浩槐

(1.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020； 2.深圳靈幻科技有限公司，廣東 深圳 518055)

1 引 言

呼吸機(jī)自面世以來(lái)就用作輔助醫(yī)療器械，其在智能家居使用場(chǎng)合中的作用也備受關(guān)注。在COVID-19大流行后，人們對(duì)家用呼吸機(jī)的需求增加，家用呼吸機(jī)越來(lái)越多地進(jìn)入日常使用場(chǎng)景[1-5]。新型冠狀病毒疫情是對(duì)國(guó)內(nèi)家用呼吸機(jī)行業(yè)的一次嚴(yán)峻考驗(yàn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多專家在家用呼吸機(jī)醫(yī)療護(hù)理方面進(jìn)行了大量研究。Michael A.Borrello建立呼吸系統(tǒng)RCC模型，基于該模型設(shè)計(jì)了自適應(yīng)逆?？刂破鳌Ｔ诤粑鼨z測(cè)技術(shù)方面，賈守強(qiáng)結(jié)合3種呼吸觸發(fā)方法，驗(yàn)證該方法的可行性[7]。李潔提出了一種根據(jù)患者呼吸事件進(jìn)行通氣模式轉(zhuǎn)換的策略和基于PI控制的壓力緩變技術(shù)，提高了患者的舒適度[8]。劉華東提出了呼吸指數(shù)和阻塞因子的計(jì)算方法，用于判斷呼吸暫停和低通氣事件[9]。黃皓軒提出了基于流量圖形的呼吸觸發(fā)方法。

本文依據(jù)某醫(yī)療企業(yè)的要求、市場(chǎng)上現(xiàn)有的一些研究成果，實(shí)時(shí)地根據(jù)控制器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，維持氣道內(nèi)壓力不變并對(duì)呼吸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。研究表明：在壓力恒定不變時(shí)，壓力控制器需要具有較好的穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)態(tài)性能；在壓力切換過(guò)程中，壓力控制器需要具有較好的動(dòng)態(tài)性能，快速完成壓力切換。

2 護(hù)理呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 護(hù)理呼吸機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

呼吸機(jī)放置于機(jī)器人內(nèi)部，呼吸機(jī)內(nèi)置通信模塊并與呼吸機(jī)器人頭部的通信模塊通過(guò)4G相連接，通過(guò)對(duì)呼吸機(jī)器人輸入語(yǔ)音指令或者在觸摸屏上進(jìn)行操作，即以呼吸機(jī)器人為媒介對(duì)呼吸機(jī)進(jìn)行控制。呼吸機(jī)的出氣口可以通過(guò)軟管直接與圖1中呼吸機(jī)器人側(cè)邊的呼吸管相連接，使用者只需帶好呼吸面罩就可以通過(guò)呼吸機(jī)來(lái)協(xié)助呼吸。將呼吸機(jī)的出氣口與呼吸機(jī)器人二層腔室中放置的制氧機(jī)、三層腔室的消毒倉(cāng)相連接，然后再回到呼吸機(jī)放置的一層腔室中與呼吸管相連接，這樣呼吸機(jī)輸出的氣體就可以得到加濕、加熱，更有利于使用者的治療。當(dāng)開啟呼吸機(jī)器人的跟隨模式后，攝像頭會(huì)持續(xù)獲得使用者的圖像信息并傳輸?shù)筋^部的圖像識(shí)別模塊，總控制電路板會(huì)對(duì)這些信息進(jìn)行處理，處理完成后通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?duì)呼吸機(jī)器人底部安裝的AGV智能跟隨底盤發(fā)送指令，跟隨底盤根據(jù)這些指令進(jìn)行移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)器人對(duì)使用者的跟隨。

圖1 護(hù)理呼吸機(jī)和機(jī)器人模型

2.2 護(hù)理呼吸機(jī)氣路設(shè)計(jì)

呼吸機(jī)得到指令后按比例對(duì)肺部輸送氧氣，通過(guò)比例閥精確地控制氧氣流速，供給病人需要的流速和壓力[10,11]。氣體過(guò)濾器位于呼吸器末端，其主要功能是將外界進(jìn)入呼吸氣路可能含有的粉塵或煙霧及微生物等雜質(zhì)過(guò)濾掉，因此安裝氣源過(guò)濾器是必要的。氣體溫濕器的主要作用是對(duì)患者吸入的空氣加溫加濕，避免因空氣干燥或者溫度太低而刺激患者的呼吸氣道。呼吸機(jī)氣路圖見圖2。

圖2 呼吸機(jī)氣路圖

2.3 呼吸模型的建立

呼吸系統(tǒng)通氣模型如圖3所示，外回路氣阻RT在試驗(yàn)中相對(duì)于氣道插管氣阻RL可忽略不計(jì)[15]。RL=KT·VL(KT是氣道插管氣阻常數(shù))。圖3中，Vi為輸送氣流，Ve為排出氣流，V為輸出氣體流速，VL為流經(jīng)肺的氣體流速，PV為輸出氣壓，PC為人體氣道壓，PL為肺泡氣壓，Pm為觸發(fā)壓力，CT和CL是通氣管路順應(yīng)性和肺部順應(yīng)性。

圖3 呼吸系統(tǒng)通氣模型

圖3中各量的關(guān)系為：

(1)

(2)

PV-PC=RT·VL

(3)

(4)

Vi-Ve=VL

(5)

將呼吸力學(xué)一階線性函數(shù)集中為參數(shù)模型，自適應(yīng)壓力反饋控制系統(tǒng)如圖4所示，圖中，X(s)=PC/s,PC代表目標(biāo)氣道壓力，C(s)代表控制函數(shù)，e(s)代表實(shí)際壓力值與理論壓力值的偏差，ET=1/CT,EL=1/CL，可推導(dǎo)出：

(6)

(7)

(8)

圖4 自適應(yīng)壓力反饋控制系統(tǒng)

控制壓力上升時(shí)間由一階系統(tǒng)的參數(shù)決定。整個(gè)系統(tǒng)將C(s)調(diào)節(jié)成一階系統(tǒng),系統(tǒng)函數(shù)為：

(9)

利用T(s)和式(6)-式(8)的關(guān)系，得到：

(10)

由RL和CL決定T固定時(shí)控制函數(shù)的參數(shù)。向量形式Y(jié)=AX由式(1)改寫而來(lái)并由最小二乘擬合可知：

X=(A′A)-1A′Y

(11)

下一呼吸周期的控制函數(shù)可由此計(jì)算結(jié)果得出。當(dāng)RT、RL和CL的估計(jì)值和實(shí)際值有差異時(shí)，傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)依然穩(wěn)定，由勞斯判據(jù)得出，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為：

可知壓力依然能調(diào)節(jié)，即便實(shí)際參數(shù)值與估算參數(shù)值有差異。

3 模糊-PID算法壓力控制方案設(shè)計(jì)

結(jié)合雙水平壓力控制的特點(diǎn)和要求，本文選擇將模糊控制和PID控制結(jié)合起來(lái)，使用模糊-PID雙?？刂破鬟M(jìn)行雙水平壓力控制。在壓力切換過(guò)程中使用模糊控制，當(dāng)壓力切換完成時(shí)使用PID控制[11,12]。氣道內(nèi)的壓力從平穩(wěn)的低壓力變化到平穩(wěn)的高壓力需要一定的時(shí)間，從高壓力變化到低壓力也需要一定的時(shí)間。當(dāng)獲取壓力波動(dòng)幅值時(shí)，對(duì)比波動(dòng)幅值與設(shè)定上升閾值的大小，波動(dòng)幅值大于上升閾值判斷為吸氣狀態(tài)，反之判斷為呼氣狀態(tài)。呼吸切換的過(guò)渡時(shí)間越短，說(shuō)明呼吸機(jī)的壓力控制動(dòng)態(tài)性能越好，但壓力調(diào)整速度過(guò)快會(huì)引起用戶的不適。因而，呼吸機(jī)輸入壓力值需要自適應(yīng)控制進(jìn)行調(diào)整。氣道壓力調(diào)節(jié)流程如圖5所示。

圖5 氣道壓力調(diào)節(jié)流程

3.1 模糊-PID控制器設(shè)計(jì)

自適應(yīng)模糊PID控制原理如圖6所示，控制執(zhí)行器為獲得準(zhǔn)確值，需要對(duì)模糊量進(jìn)行去模糊化，對(duì)Kp和Ki使用模糊規(guī)則進(jìn)行調(diào)節(jié)。參數(shù)模糊自適應(yīng)是找出PID的3個(gè)控制參數(shù)和偏差e及偏差變化率ec的模糊關(guān)系，計(jì)算出e及ec的傳感器反饋值與設(shè)定值，根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整[13]。

3.2 隸屬度函數(shù)選取

呼吸壓力精確量轉(zhuǎn)化為模糊量依據(jù)的是e和ec轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)化是根據(jù)模糊論域和隸屬度函數(shù)，輸入變量e、ec與輸出變量ΔKp、ΔKi的模糊論域解釋為NB代表負(fù)大，NM代表負(fù)中，NS代表負(fù)小，ZO代表零，PS代表正小，PM代表正中，PB代表正大。

圖6 自適應(yīng)模糊PID控制原理

將e和ec線性變換到區(qū)間[-1，1]之間，屬于確定性集合。圖7所示為變量的單點(diǎn)模糊化隸屬度函數(shù)。e和ec隸屬于各個(gè)模糊變量的隸屬度由隸屬度函數(shù)確定。壓力設(shè)定值為P1=0.5kPa的待測(cè)物體，由壓力傳感器檢測(cè)到的實(shí)際壓力為P(t),則氣體壓力的誤差e及誤差變化率ec分別為：

e(t)=P(t)-P1

(12)

ec(t)=e(t)-e(t-1)

(13)

(a)

(b)圖7 隸屬度函數(shù)

3.3 模糊控制規(guī)則庫(kù)設(shè)計(jì)

壓力的變化率出現(xiàn)在設(shè)定值附近時(shí)，相對(duì)小的正值或負(fù)值由模糊控制器輸出，誤差變化率ec不變即代表壓力變化率不變。當(dāng)e較大，ec較小時(shí)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度需要增大Kp、減小Kd值，與此同時(shí)，也應(yīng)該盡量減小Ki值來(lái)減少超調(diào)量；當(dāng)e與ec相對(duì)合適時(shí)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要Kp、Ki值保持不變，同時(shí)Kd值應(yīng)該減??；當(dāng)e與ec均較小時(shí)，應(yīng)減小Kp、Kd、Ki來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；當(dāng)e較小，ec較大時(shí)，應(yīng)減小Kd，直到e減小為0，ec增加為0。根據(jù)e和ec兩個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)的依據(jù)，得出模糊控制規(guī)則表，見表1。

表1 模糊推理規(guī)則庫(kù)表

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用試驗(yàn)平臺(tái)(見圖8)采集到的自適應(yīng)實(shí)時(shí)流量波形圖和自適應(yīng)壓力波形圖如圖9所示。壓力4cmH2O時(shí)，壓力控制器需具有較好的穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)態(tài)性能。將壓力誤差信號(hào)通過(guò)PID控制的3個(gè)環(huán)節(jié)，運(yùn)算輸出風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速百分比值，實(shí)現(xiàn)控制壓力快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值且無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差?？刂骑L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定為70時(shí)，波形圖如圖10(a)所示，其達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需時(shí)間較長(zhǎng)。加入PID控制環(huán)節(jié)后，調(diào)節(jié)KP比例放大系數(shù)，波形圖如圖10(b)所示。在引入Ki積分項(xiàng)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)修改不同的Ki參數(shù)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在振蕩現(xiàn)象，其結(jié)果如圖10(c)所示。引入容許誤差后，即當(dāng)誤差信號(hào)低于設(shè)定值時(shí)，誤差信號(hào)置零。隨后，調(diào)節(jié)積分項(xiàng)系數(shù)Ki，能夠消除被控量靜態(tài)誤差，但控制滯后現(xiàn)象嚴(yán)重。通過(guò)引入微分控制器，能有效減少系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)所需的時(shí)間，系統(tǒng)產(chǎn)生的超調(diào)現(xiàn)象依然存在，其結(jié)果如圖10(d)所示。

圖8 試驗(yàn)平臺(tái)

圖9 壓力-流量數(shù)據(jù)圖

(a)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)波形圖

(b)比例壓力控制波形圖

(c)比例-積分壓力控制波形圖

(d)比例-積分-微分壓力控制波形圖圖10 壓力控制波形圖

根據(jù)呼吸壓力的切換方式，參數(shù)測(cè)量氣路用來(lái)采集氣路中的壓力，傳感器將壓力數(shù)據(jù)傳送給呼吸機(jī)的控制器從而進(jìn)行壓力控制。呼吸機(jī)的壓力在2～20cmH2O范圍，用SD卡記錄呼吸過(guò)程中壓力傳感器測(cè)得的實(shí)際氣道壓力值，并在輸出范圍內(nèi)設(shè)置呼吸機(jī)的治療壓力，得到不同治療壓力時(shí)的實(shí)際輸出壓力變化情況，模糊-PID雙?？刂茐毫πЧ麥y(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 模糊-PID雙?？刂茐毫πЧ麥y(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

模糊-PID控制器因其壓力值變化平緩，超調(diào)量小且能夠滿足呼吸機(jī)壓力上升時(shí)間可變的要求。采用傳遞函數(shù)和模糊-PID雙?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)了呼吸機(jī)壓力控制系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。結(jié)果表明，采用模糊-PID雙?？刂扑惴梢允馆敵鰤毫Ω悠椒€(wěn)，減少壓力過(guò)沖和振蕩現(xiàn)象，提高了通氣的穩(wěn)定性和患者使用的舒適度。