一种医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法转让专利
申请号 : CN200610061935.6
文献号 : CN100590399C
文献日 : 2010-02-17
发明人 : 金巍 , 叶继伦
申请人 : 深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法，其特征在于包括线性差 异校准，所述线性差异校准包括以下步骤：A1、通过对呼吸力学模块的电路板卡进行放大电路校准和零点校准得 到标准电路板卡，通过将标准压力设备测量的压差与电路板卡测量的压差 相比较得出板卡校准系数；
B1、用标准电路板卡校准流量传感器，得出流量传感器校准系数。
2.如权利要求1所述的医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法，其特征 在于步骤A1包括以下步骤：A11、对呼吸力学模块的电路板卡进行零点校准；
A12、利用标准压力设备对电路板卡中的压差传感器进行满刻度压力 输入，测出压差；
A13、将标准压力设备测量的压差与步骤A12中电路板卡测量的压差 相比较，得出板卡校准系数，并将板卡校准系数存储在呼吸力学模块的存 储器中；
A14、再次对电路板卡进行零点校准，得到标准电路板卡。
3.如权利要求2所述的医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法，其特征 在于：步骤B1包括以下步骤：B11、将待校准的流量传感器设置在标准电路板卡的相应位置；
B12、利用恒流设备所产生的流量触发流量传感器感知并测出流量；
B13、将标准流量计测量的流量与步骤B12中测量的流量相比较，得 出流量传感器校准系数。
4.如权利要求3所述的医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法，其特征 在于步骤B13中的流量传感器校准系数为两个，分别用于校准压差-流量 曲线的正半轴和负半轴。
5.如权利要求4所述的医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法，其特征 在于步骤B13之后还包括以下步骤：B14、将流量传感器校准系数记录在可视介质或计算机可读介质上， 并随流量传感器一起出货，以供终端用户在更换流量传感器后将呼吸力学 模块中的流量传感器校准系数更新为更换后的流量传感器的校准系数。
6.一种医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法，其特征在于：包括线性 差异校准，所述线性差异校准包括以下步骤：A2、呼吸力学模块先测出直接由流量传感器得到的压差值；
B2、从呼吸力学模块的存储器中读取板卡校准系数，将压差值乘以板 卡校准系数得到第一次校准后压差值；
C2、从呼吸力学模块的存储器中读取流量传感器校准系数，将第一次 校准后压差值乘以流量传感器校准系数得到第二次校准后压差值，或根据 第一次校准后压差值计算出流量，将流量乘以流量传感器校准系数得到校 准后流量。
7.如权利要求6所述的医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法，其特征 在于：在步骤C2中根据第一次校准后压差值位于压差-流量曲线的正半轴 或负半轴，将第一次校准后压差值乘以与压差-流量曲线的正半轴或负半 轴相对应的流量传感器校准系数；根据流量位于压差-流量曲线的正半轴 或负半轴，将流量乘以与压差-流量曲线的正半轴或负半轴相对应的流量 传感器校准系数。
8.一种医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法，其特征在于：包括零点 校准和线性差异校准，所述线性差异校准包括以下步骤：A3、通过对呼吸力学模块的电路板卡进行放大电路校准和零点校准得 到标准电路板卡，通过将标准压力设备测量的压差与电路板卡测量的压差 相比较得出板卡校准系数，并将板卡校准系数存储在呼吸力学模块的存储 器中；
B3、用标准电路板卡校准流量传感器，得出流量传感器校准系数，并 将流量传感器校准系数记录在可视介质或计算机可读介质上，随流量传感 器一起出货，以供终端用户在更换流量传感器后将呼吸力学模块中的流量 传感器校准系数更新为更换后的流量传感器的校准系数；
C3、呼吸力学模块需要测量时，先测出直接由流量传感器得到的压差 值；
D3、将压差值乘以板卡校准系数得到第一次校准后压差值；
E3、将第一次校准后压差值乘以流量传感器校准系数得到第二次校准 后压差值，或根据第一次校准后压差值计算出流量，将流量乘以流量传感 器校准系数得到校准后流量。
9.如权利要求8所述的医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法，其特征 在于：步骤A3包括以下步骤：A31、对呼吸力学模块的电路板卡进行零点校准；
A32、利用标准压力设备对电路板卡中的压差传感器进行满刻度压力 输入，测出压差；
A33、将标准压力设备测量的压差与步骤A32中电路板卡测量的压差 相比较，得出板卡校准系数，并将板卡校准系数存储在呼吸力学模块的存 储器中；
A34、再次对电路板卡进行零点校准，得到标准电路板卡；
步骤B3包括以下步骤：
B31、将待校准的流量传感器设置在标准电路板卡的相应位置；
B32、利用恒流设备所产生的流量触发流量传感器感知并测出流量；
B33、将标准流量计测量的流量与步骤B32中测量的流量相比较，得 出流量传感器校准系数。
10.如权利要求9所述的医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法，其 特征在于：步骤B33中的流量传感器校准系数为两个，分别用于校准压差 -流量曲线的正半轴和负半轴；在步骤E3中根据第一次校准后压差值位于 压差-流量曲线的正半轴或负半轴，将第一次校准后压差值乘以与压差-流 量曲线的正半轴或负半轴相对应的流量传感器校准系数；根据流量位于压 差-流量曲线的正半轴或负半轴，将流量乘以与压差-流量曲线的正半轴或 负半轴相对应的流量传感器校准系数。
说明书 :
【技术领域】
本发明涉及一种医用呼吸力学模块中流量传感器校准方法。
【背景技术】
在医用监护中，呼吸力学模块被广泛应用在医用监护仪、麻醉机和呼 吸机中，在呼吸力学监测中，流量传感器起着重要的作用。由于工艺问题， 流量传感器的个体差异往往很难避免，并且其个体差异相当大。对于需要 频繁更换流量传感器的呼吸力学模块来说，这样的不一致性严重的影响了 呼吸力学监测的结果。以膜片式压差传感器为例，该传感器主要通过在气 路中插入一个塑料膜片，并在膜片上开出特定形状的气孔或气缝从而在膜 片两边形成压力差，用现有的压差换能器测量出压差大小来间接测量出气 道中的流量大小。气孔或气缝的几何形状直接决定压差对流量的坐标曲线。 图1是某一膜片式压差传感器的压差-流量曲线。理想情况下，该曲线应该 为两条对称的直线，并且所使用的所有流量传感器的特征曲线重合，这样 才能达到测量的一致性。但是实际测量中，由于流量-压差曲线对气路的形 状的改变非常敏感，而且规律也不容易掌握。这就导致即使是相同批号的 流量传感器不同个体之间的差异也是相当可观的。图2是与图1同一批次 另一个流量传感器。可以很容易的计算得到，两条曲线的趋势直线的斜率 差异达到了12.18％。因此，为了使监护仪能够为医生和病人提供准确的呼 吸力学参数测量，对流量传感器的校准变得至关重要。
现有的呼吸力学流量传感器主要有热丝式流量传感器和压差式流量 传感器。热丝式流量传感器由于测量原理不同，个体差异相对压差式传感 器来说成本很高。最重要的是，要达到精确的测量结果。就连热丝式传感 器也不能避免校准的过程。压差式流量传感器包括膜片式和文丘里式流量 传感器等。其中，与膜片式流量传感器相比，文丘里式流量传感器压差- 流量特性的线形较差。图3是一组比较典型的文丘里式流量传感器压差- 流量曲线。对于如图3所示的压差-流量特性曲线来说，在进行呼吸力学模 块设计时，如果采用低分辨率的AD转换器，可以保证高流量时的精度需要， 却难以保证低流量时的精度需要；如果采用高分辨率的AD转换器，可以保 证了低流量时的精度要求，对高流量来说则是一种浪费。因此呼吸力学监 测系统设计一般趋向于使用线形度较严格的流量传感器。目前对膜片式传 感器的校准方法有三种。一是使用标准流量发生设备(通常是自制工装)和 高精度流量检测设备进行穷举式逐点标定。这种方法记录所有的流量-压差 标定点，再将所有的点之间以直线相连，形成一个针对某一个流量传感器 的特征曲线。标定的点越多，则标定结果越精确。其缺点是：1)增加了开 发工作量，如果校准是手动进行，对于如此多的校准点来说，无疑是非常 大的工作量；如果是进行自动进行，则需要特别制作流量参比设备的通讯 程序和自动校准程序，也是一项不小的工作任务。2)费用昂贵，加上流量 发生装置就更是一比昂贵的费用。对于少量购买呼吸力学监测设备的终端 用户而言，这种校准方法显然不适用。二是用特制的恒流设备进行单点式 线形校准。其缺点是：需要引入恒流设备，并且当恒流设备提供的流量变 化时，不容易及时发现，从而导致校准错误。三是一些麻醉机和呼吸机在 机器内集成一个永久式流量传感器，校准时由麻醉机或呼吸机自身产生恒 流，将测量结果与内部集成的流量传感器的测量结果对比从而达到校准的 目的。其缺点是：只适用于麻醉机和呼吸机这种能够自己产生流量的大型 机械设备，对于监护仪或普通呼吸力学模块而言，这种方法不能适用。
【发明内容】
本发明的主要目的就是为了解决上述问题，提供一种医用呼吸力学模 块中流量传感器校准方法，对流量传感器进行低成本、方便、简单的校准， 不但适用于麻醉机和呼吸机等大型机械设备，而且也适用于不能自身产生 恒流的监护仪或普通呼吸力学模块。
为实现上述目的，本发明提出一种医用呼吸力学模块中流量传感器校 准方法，包括线性差异校准，所述线性差异校准包括以下步骤：
A1、通过对呼吸力学模块的电路板卡进行放大电路校准和零点校准得 到标准电路板卡，通过将标准压力设备测量的压差与电路板卡测量的压差 相比较得出板卡校准系数；
B1、用标准电路板卡校准流量传感器，在制作标准电路板卡的过程中 得出流量传感器校准系数。
其中，上述步骤A1包括以下步骤：
A11、对呼吸力学模块的电路板卡进行零点校准；
A12、利用标准压力设备对电路板卡中的压差传感器进行满刻度压力输 入，测出压差；
A13、将标准压力设备测量的压差与步骤A12中电路板卡测量的压差相 比较，得出板卡校准系数，并将板卡校准系数存储在呼吸力学模块的存储 器中；
A14、再次对电路板卡进行零点校准，得到标准电路板卡。
其中，上述步骤B1包括以下步骤：
B11、将待校准的流量传感器设置在标准电路板卡的相应位置；
B12、利用恒流设备所产生的流量触发流量传感器感知并测出流量；
B13、将标准流量计测量的流量与步骤B12中测量的流量相比较，得出 流量传感器校准系数。
其中，上述步骤B13中的流量传感器校准系数为两个，分别用于校准 压差-流量曲线的正半轴和负半轴。
步骤B13之后还包括以下步骤：
B14、将流量传感器校准系数记录在可视介质或计算机可读介质上，并 随流量传感器一起出货，以供终端用户在更换流量传感器后将呼吸力学模 块中的流量传感器校准系数更新为更换后的流量传感器的校准系数。
为实现上述目的，本发明还提出一种医用呼吸力学模块中流量传感器 校准方法，包括线性差异校准，所述线性差异校准包括以下步骤：
A2、呼吸力学模块先测出直接由流量传感器得到的压差值；
B2、从呼吸力学模块的存储器中读取板卡校准系数，将压差值乘以板 卡校准系数得到第一次校准后压差值；
C2、从呼吸力学模块的存储器中读取流量传感器校准系数，将第一次 校准后压差值乘以流量传感器校准系数得到第二次校准后压差值，或根据 第一次校准后压差值计算出流量，将流量乘以流量传感器校准系数得到校 准后流量。
其中，在步骤C2中根据第一次校准后压差值位于压差-流量曲线的正 半轴或负半轴，将第一次校准后压差值乘以与压差-流量曲线的正半轴或负 半轴相对应的流量传感器校准系数；根据流量位于压差-流量曲线的正半轴 或负半轴，将流量乘以与压差-流量曲线的正半轴或负半轴相对应的流量传 感器校准系数。
为实现上述目的，本发明还提出一种医用呼吸力学模块中流量传感器 校准方法，包括零点校准和线性差异校准，所述线性差异校准包括以下步 骤：
A3、通过对呼吸力学模块的电路板卡进行放大电路校准和零点校准得 到标准电路板卡，通过将标准压力设备测量的压差与电路板卡测量的压差 相比较得出板卡校准系数，并将板卡校准系数存储在呼吸力学模块的存储 器中；
B3、用标准电路板卡校准流量传感器，得出流量传感器校准系数，并 将流量传感器校准系数记录在可视介质或计算机可读介质上，随流量传感 器一起出货，以供终端用户在更换流量传感器后将呼吸力学模块中的流量 传感器校准系数更新为更换后的流量传感器的校准系数；
C3、呼吸力学模块需要测量时，先测出直接由流量传感器得到的压差 值；
D3、将压差值乘以板卡校准系数得到第一次校准后压差值；
E3、将第一次校准后压差值乘以流量传感器校准系数得到第二次校准 后压差值，或根据第一次校准后压差值计算出流量，将流量乘以流量传感 器校准系数得到校准后流量。
其中，上述步骤A3包括以下步骤：
A31、对呼吸力学模块的电路板卡进行零点校准；
A32、利用标准压力设备对电路板卡中的压差传感器进行满刻度压力输 入，测出压差；
A33、将标准压力设备测量的压差与步骤A32中电路板卡测量的压差相 比较，得出板卡校准系数，并将板卡校准系数存储在呼吸力学模块的存储 器中；
A34、再次对电路板卡进行零点校准，得到标准电路板卡；
步骤B3包括以下步骤：
B31、将待校准的流量传感器设置在标准电路板卡的相应位置；
B32、利用恒流设备所产生的流量触发流量传感器感知并测出流量；
B33、将标准流量计测量的流量与步骤B32中测量的流量相比较，得出 流量传感器校准系数。
其中，上述步骤B33中的流量传感器校准系数为两个，分别用于校准 压差-流量曲线的正半轴和负半轴；在步骤E3中根据第一次校准后压差值 位于压差-流量曲线的正半轴或负半轴，将第一次校准后压差值乘以与压差 -流量曲线的正半轴或负半轴相对应的流量传感器校准系数；根据流量位于 压差-流量曲线的正半轴或负半轴，将流量乘以与压差-流量曲线的正半轴 或负半轴相对应的流量传感器校准系数。
本发明的有益效果是：终端用户不需要另外购买任何校准设备，通过简 便的零点校准和线形差异校准，获得了与现有校准方法相当或更好的校准 效果。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1、图2为同一批次的两个流量传感器的压差-流量曲线；
图3为文丘里式流量传感器的压差-流量曲线；
图4为本发明一种实施例的呼吸力学模块校准系数计算流程；
图5为本发明一种实施例的呼吸力学测量结果校准流程。
【具体实施方式】
通过进行大量的实验并对大量实验数据进行处理和分析，结果发现流 量传感器的个体压差-流量特性差异体现在曲线形状上并不明显，而全在于 其线性增益的差别。(如图1和图2所示。)如果线性增益差异可以被校准， 那么其形状的差异完全可以忽略不计。这样，校准需要解决的问题就剩下 零点漂移(offset excursion)和线性差异(gain/linearity difference)。
对于零点漂移，本校准方法采取传统的零点校准的方法解决。即在进 行工厂级校准和实际测量前以及测量过程中进行零点校准。
对于线性差异，通过工厂校准和用户级校准结合的方法解决。在工厂 方面，首先进行板卡级校准，制作呼吸力学模块的标准电路板卡。在板卡 测试中的大量数据证实，所采用的压差-电压转换器(压差传感器)在进行 换能时通常可以保持严密的线性。因此，工厂校准中的板卡级校准主要针 对的是呼吸力学模块中的放大电路和压差传感器这一整体系统的线性增益 调节。这一校准的目的在于：1.进行绝对压力测量的校准，保证绝对压力 测量的精确性；2.保证所生产的呼吸力学模块电路板卡对压差测量的一致 性，这样用标准板卡校准得到的流量传感器的校准系数才能适用于每一块 板卡。板卡级校准的校准方法如图4所示，包括以下步骤：
在步骤11，对电路板卡进行零点校准，然后进行步骤12，对放大电路 进行校准。使用标准压力设备(如DPI610)对压差传感器进行满刻度压力 输入，测出压差或流量。例如，对于压力和压差满刻度分别为120cmH2O 和5cmH2O的系统而言，一般压力测量的校准点在110-120cmH2O，压差 校准点在4.5-5cmH2O。然后进行步骤13，将参比设备(当比较参数是压 力时，参比设备是标准压力计，当比较参数是流量时，参比设备是标准流 量计)测量的压差与之前电路板卡测量的压差进行比较，即参比设备测量 的压差比上电路板卡测量的压差，得出板卡校准系数k，并将板卡校准系 数k存储在呼吸力学模块的存储器(例如EEPROM或Flash)中进行永久 保存，直到新的校准系数将其更新；最后进行步骤14，再次对电路板卡进 行零点校准，得到标准电路板卡。
得到标准电路板卡后，利用该标准电路板卡对流量传感器进行校准， 流量传感器的校准方法如图4所示，包括以下步骤：
在步骤21，将待校准的流量传感器设置在标准电路板卡的相应位置， 利用恒流设备所产生的流量触发流量传感器感知并测出流量；然后进行步 骤22，将参比设备测量的流量与步骤21中测量的流量相比较，得出流量 传感器校准系数k1、k2，流量传感器校准系数k1、k2分别用于校准压差- 流量曲线的正半轴和负半轴；由于传感器的特性决定其所感受到的流量和 所产生的压力差呈基本线性，所以通过对比流量得到的k1和通过对比压差 得到的k1值基本相等；然后进行步骤23，将流量传感器校准系数k1、k2 记录在可视介质或计算机可读介质上，可视介质和计算机可读介质包括各 种材质的介质，例如标签、说明书、包装、软盘、光盘，甚至是产品本身， 并随流量传感器一起出货，流量传感器可以是和电路板卡装机出售给用户， 也可以单独出售给用户。流量传感器校准系数k1、k2供终端用户在更换流 量传感器后将呼吸力学模块中的流量传感器校准系数更新为更换后的流量 传感器的校准系数。
在用户方面，用户得到的是整套的呼吸力学模块或单个流量传感器， 当用户在更换流量传感器后，将流量传感器校准系数k1、k2输入模块中， 或通过计算机读取计算机可读介质(例如软盘、光盘)上的流量传感器校 准系数k1、k2，直接覆盖呼吸力学模块中的原流量传感器校准系数。下面 以板卡校准系数k和流量传感器校准系数k1进行测量结果校准为例进行说 明，其流程如图5所示，包括以下步骤：
在步骤31，通过测量直接得到压差值dp；然后进行步骤32，从呼吸 力学模块的存储器中读取板卡校准系数k，利用板卡校准系数k计算第一 次校准后的压差值dp1：dp1＝dp*k，然后进行步骤33或步骤34；
在步骤33，从呼吸力学模块的存储器中读取流量传感器校准系数k1， 利用流量传感器校准系数k1计算第二次校准后的压差值dp2：dp2＝dp1*k1。
在步骤34，通过流量计算公式计算流量flow：flow＝f(dp1)，然后进 行步骤35；
在步骤35，从呼吸力学模块的存储器中读取流量传感器校准系数k1， 利用流量传感器校准系数k1计算校准后流量flow1：flow1＝flow*k1。
上述是对压差和流量位于压差-流量曲线正半轴的情况下校准流程， 对于压差和流量位于压差-流量曲线负半轴的情况下，只需要在步骤33和 35中从呼吸力学模块的存储器中读取流量传感器校准系数k2，利用流量传 感器校准系数k2计算第二次校准后的压差值dp2和校准后流量flow1： dp2＝dp1*k2，flow1＝flow*k2。
综上所述，本发明是针对流量传感器个体差异的特点进行大量实验后 进行数据分析和总结后设计的一种操作非常简便的校准方法，这种校准方 法不仅包括常规的零点校准，还包括工厂校准和用户校准。利用本发明的 校准方法还可以校准其他模块中的流量传感器，只需要选用相应的电路板 卡即可。