專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域中的正壓機(jī)械通氣呼吸機(jī)，更具體地，涉及一種對(duì)呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的方法及裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有呼吸機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如附圖中

圖1所示，其功能是為有呼吸功能障礙的病人提供呼吸支持，其原理為可根據(jù)設(shè)定的通氣模式，通過(guò)檢測(cè)呼吸機(jī)與病人之間氣路中的通氣流量、壓力等信息，控制呼吸機(jī)氣路中氣體的流通方式，為病人提供相應(yīng)的呼吸支持。附圖1中，模塊2表示的空氣、氧氣、或是空氣-氧氣混合氣體，在控制器I的控制下，按照設(shè)定比例進(jìn)入空氧混合器3中進(jìn)行混合，再經(jīng)由吸氣流量傳感器4及吸氣閥5，進(jìn)入濕化器6，在濕化器6中得到加濕、加熱，然后通過(guò)呼吸管道7、氣道壓力傳感器8，最后經(jīng)由患者的呼吸道到達(dá)肺部，完成吸氣氣路；患者呼出的氣體通過(guò)氣道壓力傳感器8進(jìn)入呼吸管道7，再經(jīng)由呼氣流量傳感器10、呼氣閥11，呼出到空氣中，完成呼氣氣路?？刂破鱅通過(guò)關(guān)閉呼氣閥11，調(diào)節(jié)吸氣閥5，控制吸氣氣流的起始、變化以及結(jié)束；控制器I通過(guò)關(guān)閉吸氣閥5，調(diào)節(jié)呼氣閥11，控制呼氣氣流的起始、變化以及結(jié)束?？刂破鱅通過(guò)吸氣流量傳感器
4、呼氣流傳感器10，檢測(cè)氣路中氣體的流量，并可得到潮氣量(氣體體積)的檢測(cè)數(shù)據(jù)；控制器I通過(guò)氣道壓力傳感器8檢測(cè)氣路中的壓力值。控制器按照設(shè)定的通氣方式，根據(jù)檢測(cè)到的流量、壓力等數(shù)據(jù)，通過(guò)控制吸氣閥5、呼氣閥11，調(diào)控吸氣氣流的起動(dòng)、變化、切換到呼氣過(guò)程、結(jié)束一個(gè)呼吸循環(huán)過(guò)程。呼吸機(jī)調(diào)控呼吸過(guò)程的性能，主要取決于控制器I的設(shè)計(jì)技術(shù)?？刂破鱅既包含硬件電路、控制軟件，還包括人工操作、信息顯示的的控制面板?？刂破鱅將由氣道壓力傳感器8采集到的壓力數(shù)據(jù)，吸氣流量傳感器4與呼氣流量傳感器10采集到的流量數(shù)據(jù)，以及通過(guò)計(jì)算得出的容量數(shù)據(jù)，按照一定的組合方式，可在控制器I的控制面板上通過(guò)顯示器顯示出呼吸波形圖像，如壓力-時(shí)間曲線(xiàn)、容量-時(shí)間曲線(xiàn)，流速-時(shí)間曲線(xiàn)，壓力-容量環(huán)、壓力-流量環(huán)和容量-流量環(huán)等。呼吸機(jī)在使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些異常的呼吸狀況，如呼吸管道內(nèi)積水過(guò)多，氣道阻塞，患者呼吸道內(nèi)有痰，呼吸管道漏氣，呼吸管道內(nèi)壓力過(guò)高、過(guò)低，患者呼吸順應(yīng)性改變等。這些異常狀況在呼吸過(guò)程中出現(xiàn)時(shí)，需要監(jiān)護(hù)人員及時(shí)參與處置，否則可能對(duì)患者造成損傷。即現(xiàn)有呼吸機(jī)主要存在以下不存:(I)、現(xiàn)有呼吸機(jī)只在控制器的控制面板上通過(guò)顯示器顯示呼吸波形，并未對(duì)呼吸波形進(jìn)行充分利用。事實(shí)上，呼吸波形包含了豐富的信息，可被應(yīng)用于參與呼吸過(guò)程的調(diào)控、監(jiān)測(cè)、報(bào)警過(guò)程，使呼吸機(jī)的控制器具有更加優(yōu)越的性能。(2)、現(xiàn)有呼吸機(jī)的控制器對(duì)于呼吸異常狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單，僅通過(guò)檢測(cè)氣路中的氣體流量、壓力等參數(shù)，判斷當(dāng)前患者呼吸是否出現(xiàn)異常狀況，這種根據(jù)固定閾值進(jìn)行判斷異常的呼吸機(jī)，容易出現(xiàn)誤判或漏判。(3)、現(xiàn)有呼吸機(jī)控制器監(jiān)測(cè)的呼吸道壓力的上、下限值是設(shè)定后即固定不變的，而患者的呼吸機(jī)能可能存在變化，這種固定不變的監(jiān)測(cè)值，增加了呼吸過(guò)程中人機(jī)對(duì)抗(呼吸機(jī)提供的氣流所起的實(shí)際作用不是輔助病人的自主呼吸，而是對(duì)抗其自主呼吸)的可能性。(4)、現(xiàn)有呼吸機(jī)控制器提供的監(jiān)測(cè)異常呼吸狀況功能只能有效監(jiān)測(cè)出呼吸道內(nèi)壓力是否高于設(shè)定的上限、下限值，以及呼吸道漏氣等異常狀況，而對(duì)于呼吸道內(nèi)積水過(guò)多，氣道阻塞，患者呼吸道內(nèi)有痰，患者呼吸順應(yīng)性改變等異常狀況，則不能自動(dòng)判別，只能由監(jiān)護(hù)人員根據(jù)呼吸機(jī)提供的呼吸波形圖像，進(jìn)行人工分析判斷患者的呼吸狀況，這需要醫(yī)護(hù)人員具有相當(dāng)高的專(zhuān)業(yè)水平，并需要其具有快速判別能力。(5)現(xiàn)有呼吸機(jī)的報(bào)警功能是在呼吸異常狀況出現(xiàn)后才報(bào)警，增加了監(jiān)護(hù)人員處置異常情況時(shí)的緊迫感，也給患者增加了不適感。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種對(duì)呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸機(jī)在使用過(guò)程中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并預(yù)測(cè)出患者將會(huì)出現(xiàn)的呼吸異常狀況。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種用于呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的方法，，包括以下步驟:S1.分別建立呼吸正常與異常情形下的波形特征庫(kù)，建立呼吸異常波形圖像動(dòng)態(tài)變化特征庫(kù)；S2.采集壓力、流量數(shù)據(jù)，并對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算得到容量數(shù)據(jù)，形成各種呼吸波形圖像；S3.對(duì)呼吸波形圖像進(jìn)行分析處理，獲取各呼吸波形圖像的特征信息，將所獲取的特征信息與波形特征庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，從而確定得到的特征信息所屬的類(lèi)型；當(dāng)狀態(tài)為異常狀態(tài)時(shí)，則跳轉(zhuǎn)至步驟S4 ；S4.再次采集壓力、流量數(shù)據(jù)，并對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算得到容量數(shù)據(jù)，形成當(dāng)前各種呼吸波形圖像的時(shí)間序列，對(duì)步驟S2獲取的呼吸波形圖像與當(dāng)前各種呼吸波形圖像的時(shí)間序列進(jìn)行分析，得到圖像的變化特征信息，將該變化特征信息與呼吸異常波形圖像動(dòng)態(tài)變化特征庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，從而判別當(dāng)前呼吸波形的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)是否是在向某種異常呼吸狀況的呼吸波形發(fā)展，產(chǎn)生預(yù)警信號(hào)?；诤粑ㄐ螆D像處理保證了呼吸狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能自適應(yīng)性:由于呼吸波形記錄的是持續(xù)了一段時(shí)間的連續(xù)數(shù)據(jù)，這一段時(shí)間系列上的連續(xù)數(shù)據(jù)是互相相關(guān)的，數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，及其在時(shí)間上幅值的分布規(guī)律，能從整體上描述出特定的特征信息，這種特征信息顯然與患者個(gè)體具有一定程度的關(guān)聯(lián)性，因此，該特征信息既是一種綜合的而非單一點(diǎn)的評(píng)判準(zhǔn)則，又是一種與個(gè)體特性相關(guān)聯(lián)的評(píng)判準(zhǔn)則，比現(xiàn)有的呼吸機(jī)僅對(duì)壓力、容量等單一參數(shù)進(jìn)行設(shè)定的評(píng)判準(zhǔn)則具有顯著的優(yōu)越性。將該具有患者個(gè)體自適應(yīng)性的呼吸波形圖像分析技術(shù)應(yīng)用于呼吸機(jī)控制器中的通氣模式控制策略，則可實(shí)現(xiàn)具有較優(yōu)越的自適應(yīng)性通氣控制模式。優(yōu)選地，所述步驟S3中對(duì)呼吸波形圖像進(jìn)行分析處理是采用基于分?jǐn)?shù)低階α穩(wěn)定分布下的短時(shí)傅里葉變換STFT ;具體為:
權(quán)利要求
1.一種用于呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.分別建立呼吸正常與異常情形下的波形特征庫(kù)，建立呼吸異常波形圖像動(dòng)態(tài)變化特征庫(kù)； 52.采集壓力、流量數(shù)據(jù)，并對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算得到容量數(shù)據(jù)，形成各種呼吸波形圖像； 53.對(duì)呼吸波形圖像進(jìn)行分析處理，獲取各呼吸波形圖像的特征信息，將所獲取的特征信息與波形特征庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，從而確定得到的特征信息所屬的類(lèi)型；當(dāng)狀態(tài)為異常狀態(tài)時(shí)，則跳轉(zhuǎn)至步驟S4; 54.再次采集壓力、流量數(shù)據(jù)，并對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算得到容量數(shù)據(jù)，形成當(dāng)前各種呼吸波形圖像的時(shí)間序列，對(duì)步驟S2獲取的呼吸波形圖像與當(dāng)前各種呼吸波形圖像的時(shí)間序列進(jìn)行分析，得到圖像的變化特征信息，將該變化特征信息與呼吸異常波形圖像動(dòng)態(tài)變化特征庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，從而判別當(dāng)前呼吸波形的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)是否是在向某種異常呼吸狀況的呼吸波形發(fā)展，產(chǎn)生預(yù)警信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的方法，其特征在于，所述步驟S3中對(duì)呼吸波形圖像進(jìn)行分析處理是采用基于分?jǐn)?shù)低階α穩(wěn)定分布下的短時(shí)傅里葉變換STFT ;具體為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的方法，其特征在于，所述呼吸正常波形特征庫(kù)的建立方式為:選取各種正常呼吸波形圖像，對(duì)其各幅圖像進(jìn)行圖像處理，提取特征信息建立呼吸正常波形特征庫(kù)； 所述異常正常波形特征庫(kù)的建立方式為:選取各種異常呼吸波形圖像，對(duì)其各幅圖像進(jìn)行圖像處理，提取特征信息建立呼吸異常波形特征庫(kù)； 所述特征信息為呼吸波形圖的拐點(diǎn)、波峰、波谷、頻率或斜率中一種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的方法，其特征在于，所述呼吸異常波形圖像動(dòng)態(tài)變化特征庫(kù)的建立方式為:選取各種異常呼吸波形圖像的時(shí)間序列，對(duì)序列中的每幅圖像進(jìn)行特征數(shù)據(jù)提取，然后從第二幅圖像開(kāi)始，依次將每幅圖像作為當(dāng)前圖像，對(duì)比當(dāng)前圖像之前的一幅圖像在特征數(shù)據(jù)上的變化，得到變化特征信息，從而建立該序列呼吸波形圖像的動(dòng)態(tài)變化特征庫(kù)，所述變化特征信息為呼吸波形圖的拐點(diǎn)、波峰、波谷、頻率或斜率中一種或多種的變化狀況。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的方法，其特征在于，所述步驟S2、S3中的呼吸波形圖像為壓力一時(shí)間曲線(xiàn)、流量一時(shí)間曲線(xiàn)或容量一時(shí)間曲線(xiàn)中的一種或多種。
6.一種用于呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的裝置，包括控制器、空氧混合器、吸氣流量傳感器、吸氣閥、濕化器、呼吸管道、氣道壓力傳感器、呼氣流量傳感器和呼氣閥；所述控制器用于控制吸氣閥、呼氣閥和濕化器；其特征在于，所述吸氣流量傳感器、氣道壓力傳感器和呼氣流量傳感器的輸出端接控制器的輸入端，所述控制器根據(jù)所采集的壓力、流量信號(hào)來(lái)獲取呼吸波形的特征信息，將所述特征信息與控制器內(nèi)已存的波形特征庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，從而確定呼吸狀態(tài)； 當(dāng)呼吸狀態(tài)異常時(shí)則繼續(xù)采集壓力、流量數(shù)據(jù)，對(duì)前后獲取的呼吸波形進(jìn)行處理，獲取其變化特征信息，將變化特征信息與已存的呼吸異常波形圖像動(dòng)態(tài)變化特征庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，從而判別當(dāng)前呼吸波形的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)是否是在向某種異常呼吸狀況的呼吸波形發(fā)展，產(chǎn)生預(yù)警信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的裝置，其特征在于，所述控制器對(duì)波形的處理采用基于分?jǐn)?shù)低階a穩(wěn)定分布下的短時(shí)傅里葉變換STFT ;具體為:
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于呼吸波形圖像識(shí)別與預(yù)警的方法及裝置，在呼吸機(jī)控制器中嵌入了基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的呼吸波形分析模塊及預(yù)警功能模塊。呼吸波形分析模塊在監(jiān)測(cè)呼吸狀況時(shí)具有個(gè)性化的自適應(yīng)性；根據(jù)該特點(diǎn)能從一段呼吸波形圖像中提取判別特征信息，作為呼吸狀況的判別依據(jù)。預(yù)警功能模塊可以在呼吸異常狀況出現(xiàn)的早期，進(jìn)行預(yù)警，使得監(jiān)護(hù)人員可以根據(jù)預(yù)警，提前消除異常呼吸狀況的出現(xiàn)，能夠提取出呼吸波形圖像的動(dòng)態(tài)變化特征，作為當(dāng)前呼吸狀況是否是向異常呼吸狀態(tài)發(fā)展的判別依據(jù)。
文檔編號(hào)A61B5/08GK103169476SQ20131008238
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者羅語(yǔ)溪, 高玉寶, 蔣慶, 梁九興, 周煒紅 申請(qǐng)人:中山大學(xué)