体位变换通气系统建模仿真与控制算法研究

　　1　引言

　　机械通气是借助呼吸机建立气道口与肺泡间的压力差,利用机械装置来代替、控制或改变自主呼吸运动的一种通气方式。长期以来,有创正压通气挽救了许多危重病患者的生命,但是该通气方法却有着很多严重的并发症和后遗症[1, 2]。

　　针对这种情况, 2005年,李宪玉等人结合膈肌在呼吸过程中的主导作用和俯卧位通气的临床经验,提出同步变压位机械通气方法(包括伏卧位同步变压[3]、同步体位变换[4]和同步变压位),并申请“人工呼吸床(椅)”实用新型(专利申请号:20042001504106)。

　　由于同步变压位机械通气方法是一种新的医学方法,为了对其进行深入研究,需要开发可以用于临床医学试验的医　疗设备。2008年许继平等人研究了伏卧位同步变压机械通气方法的临床试验用设备,成功开发出可以进行医学研究的智能人工呼吸床[5]。

　　为了能开展同步体位变换机械通气的临床医学试验,本文研究了基于该通气方法的试验用设备。首先提出滑杆驱动式智能呼吸保健椅机械方案,以此为基础,利用ADAMS动力学仿真软件建立了该方案的动力学模型并进行了仿真验证;然后,针对滑杆驱动式智能呼吸保健椅具有的大惯量、复合运动模式、驱动方式复杂、易打滑等特点,提出针对力矩伺服的专家知识PID控制器;最后对智能呼吸保健椅系统进行了ADAMS和MATLAB联合仿真研究。仿真结果表明了滑杆驱动式智能呼吸保健椅方案和专家知识PID控制器的可行性,可以进行实验设备加工,同时仿真研究工作减小了开发成本、加快了研发进度。

　　2　体位变换机械通气原理

　　体位变换机械通气方法原理如图1所示。

      　患者躺在一张可以与呼吸同步变换床体角度的床板上,吸气时令床体头侧抬高一定角度,横膈内脏受重力和惯性力下移,拉动肺脏吸张;呼气时躯干恢复平卧位,横膈内脏复位上移压缩肺脏呼出残气。

　　3　机械结构设计方案及动力学仿真

　　3. 1　机械结构设计

　　滑杆驱动式智能呼吸保健椅系统由座椅、圆弧支架、滑杆、电机和轨道组成,如图2所示。

　　图中,座椅靠背和水平成60°夹角,以方便躺靠,座椅腿托与水平成45°夹角,以方便腿部安放,座椅与圆弧支架焊接相连并放置于轨道上。轨道用来支撑圆弧支架,两侧(图2中平行于纸面)设置有高于轨道平面的限制钢条,以防止座椅摇动时发生侧移。在座椅靠前、中间位置下面刚性连接有一个滑槽杆,电机及电机托件固定在轨道中间位置,电机输出轴和滑槽杆通过钢杆相连,钢杆的一端是带有销槽的套筒,实现与电机输出轴的连接,另一端是与滑槽相配套的滚轴。当电机逆时针转动时,座椅受到一个向后的作用力而逆时针摇动,当电机顺时针转动时,带动智能呼吸保健椅顺时针摇动,这样随着电机的往复运动,驱动智能呼吸保健椅前后摇动。