一种用于二氧化碳浓度计算的多参数补偿方法

摘要

本发明属生物医学工程领域，涉及一种用于二氧化碳浓度计算的多参数补偿方法，包括：建立热敏电阻值与红外传感器值的关系图，其中检测点为不同温度下测得的实际传感器值，并作出热敏电阻值与实际传感器值的拟合曲线；根据实际传感器值和热敏电阻值的拟合曲线的特征得到温度补偿偏移量计算公式：Δ＝a(R′-20)+b(R′2-202)+c(R′3-203)；采集无呼吸时参考端的稳定数据v′f；在通道中有呼吸气体流动时；计算将呼吸衰减补偿和温度漂移补偿后得到的二氧化碳浓度。本发明可以大大提高二氧化碳浓度监测系统的精确度。

说明书

技术领域

本发明属生物医学工程领域，涉及一种二氧化碳浓度计算方法。

背景技术

在医用临床上监测二氧化碳浓度有着重要的意义，可以反映患者的O₂与CO₂的代谢情况。

无论是旁流式还是主流式二氧化碳浓度检测仪，实际中的二氧化碳浓度检测系统在测量过程中，都存在一定程度上的信号失真，由于红外光源的波动和探测器的温漂，以及主流通道内其他气体如氧气、二氧化氮、水蒸汽、各种麻醉气体对4.26μm的红外线的测量干扰等因素，会直接影响到结果的输出。因此需要通过实验总结自适应经验算法，利用软件算法对系统的浓度进行补偿校正计算。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种根据主流式二氧化碳浓度检测仪的实时连续测量得到的数据信号的自适应多参数补偿方法。

一种用于二氧化碳浓度计算的多参数补偿方法，应用于对带有主检测端和参考端的主流式二氧化碳浓度检测仪的软件补偿，主测量端和参考端相互靠近，采用相同的红外传感器分别采集不同特定波长光的光强信号，由置于主测量端和参考端之间的热敏电阻作为温度传感器，包括：

(1)建立热敏电阻值与红外传感器值的关系图，其中检测点为不同温度下测得的实际传感器值，并作出热敏电阻值与实际传感器值的拟合曲线；

(2)根据实际传感器值和热敏电阻值的拟合曲线的特征得到温度补偿偏移量计算公式：Δ＝a(R′-20)+b(R′²-20²)+c(R′³-20³)，R’为由红外传感器监测的热敏电阻值；

(3)采集无呼吸时参考端的稳定数据v′_f；

(4)在通道中有呼吸气体流动时，采用如下的方法实现二氧化碳浓度计算的多参数补偿：

(a)实时采集参考端信号v_f和主检测端信号v_m；

(b)计算此时的衰变率$\eta =\frac{v_f-v_f^{\prime }}{v_f^{\prime }};$

(c)计算利用衰变率补偿至无呼吸状态下主检测端的信号值v′_m：

$v_m^{\prime }=\frac{v_m}{1-\eta }=\frac{v_m·v_f^{\prime }}{{2v}_f^{\prime }-v_f};$

(d)根据采集的温度信号，计算热敏电阻值，并代入上一步得到的温度补偿偏移量计算公式进行反向补偿运算，得到偏移量Δ；

(e)根据所获得的偏移值对信号值进行补偿，并计算将呼吸衰减补偿和温度漂移补偿后得到的二氧化碳浓度：

$C_{c{o}^2}=k·\mathrm{Ln}(\frac{v_m}{2v_f^{\prime }-v_f}+\Delta )$

k：浓度计算中的常系数。

本发明提出一种适用于二氧化碳监测仪中二氧化碳浓度计算的自适应多参数补偿算法，综合考虑了实际系统中由呼吸气体流动造成的信号衰减和温度漂移两大因素造成的数据误差情况，分别对其进行自适应补偿计算，从而使最终分析得到二氧化碳浓度数据更加精确而有价值，可以大大提高二氧化碳浓度监测系统的精确度。

附图说明

图1本发明的主流式二氧化碳浓度测量装置的检测通道布局图。

图2本发明的主流式二氧化碳浓度测量装置的电路结构框图。

图3热敏阻值与红外传感器值的关系曲线图。

图4本发明的多参数补偿方法示意图。

具体实施方式

本发明的二氧化碳浓度多参数补偿方法针对主流式二氧化碳浓度检测仪而提出，下面首先给出本发明的补偿算法适用的一种检测仪。

该种主流式二氧化碳浓度监测装置如图1所示的红外光源1与红外传感器3，4构成的检测端垂直相对，其方向与气体呼吸主通道中气体流动的方向相垂直，主检测端与参考端并列设置在主呼吸通道璧上，以达到在呼吸的过程中，在气体流动的同时实时检测二氧化碳浓度的目的，为了减少温度漂移造成的误差，在两个检测端的中间设置一枚由热敏电阻构成的温度传感器5，以便收集主检测端和参考端工作温度数据和温度漂移数据，用来进行温度漂移的反向补偿。

在光路设计中使用了三层滤波：在红外光源1与测量通道间设置了3.9μm-4.35μm的光源滤波片2；在主测量端和参考端之前的测量通道上设置两层滤波片，第一层是采用3.9μm-4.35μm的滤波片7对测量端和参考端统一滤波，第二层主测量端使用4.26μm的窄带滤波片8，第二层参考端使用4μm的窄带滤波片9。

主流式二氧化碳浓度测量装置的电路结构框图见图2。测量过程如下：

原始信号的产生：由窄带滤波片和红外传感器构成的检测端会将检测出的物体吸收的红外线能量变化量转换为原始电信号输出。

原始信号的预处理：由于原始信号十分微弱并且存在一定干扰，故需要将收集到得原始信号进行放大、滤波等预处理。

计算二氧化碳浓度值：对预处理后的信号进行数字化处理，使之转换为数字信号并传送至计算单元，本实施例的计算单元为高速数字处理单元CPU，CPU对采集到的数据进行分析和转换并计算得到二氧化碳浓度。计算单元也可以采用计算机或者其他的微处理器。

考虑到实际呼吸气体流动造成的信号衰减和传感器温度漂移所造成的各种失真的具体情况，根据对实验数据的分析，本发明设置了两个补偿部分，参见图4。

1、呼吸衰减补偿：

检测系统中由光源产生光子，光子运动到对面的传感器上产生电信号。在实际的呼吸作用下，由于气流流动对光子有冲击作用，传感器接受的信号会受到影响，信号会衰减。光子的在呼吸时和无呼吸时的不同变化反映到参考端和主检测端的电压信号上表现为有呼吸时刻之后的信号衰减。因此，在对CO₂浓度值进行计算的时候，不能直接采用主测量端和参考端的值，而应该采用考虑了呼吸衰减并进行补偿后的值。

在通道中没有气流运动时，主检测终端和参考监测终端的采样信号保持稳定，而在通道中有气流运动时后，由主监测终端和参考监测终端监测到的信号由于呼吸对光子的影响而产生衰减，假设两个信号分别衰变到了V2和V4，因此，在对二氧化碳浓度值进行计算的时候，不能直接采用主测量端和参考端的值。若检测通路入射光强为I₀，主检测终端无呼吸时的稳定信号值定义为v′_m，而参考监测终端的稳定信号值定义为v′_f，同时由于吸收峰值在4.0μm波长的气体不参与呼吸过程，所以其浓度保持不变，当通道中的气体流速为v，则参考端信号v_f和主检测端信号v_m可计算得到，此时的衰变率为

$\eta =\frac{v_f-v_f^{\prime }}{v_f^{\prime }}$

将主检测端信号v_m根据衰减率补偿到无呼吸作用下稳定信号值v′_m为：

$v_m^{\prime }=\frac{v_m}{1-\eta }=\frac{v_m·v_f^{\prime }}{{2v}_f^{\prime }-v_f}$

2、温度漂移补偿：

气体监测传感器在进行信号采集时存在着一定的温度漂移，在当前浓度不变的情况下，若给监测装置进行升温，通过观察温度传感器来检测的信号变化可以发现：当系统温度由r升到r1时，传感器测量端会有微小的信号漂移ΔV_m。

在主监测通道中传感器旁边设置一热敏电阻来监测当前通道的温度，在没有呼吸作用时，改变通道温度，图3给出热敏电阻值与传感器值的关系。图中点为不同温度下对同一浓度测得的实际传感器值，实线为热敏阻值与传感器值的拟合曲线。其拟合多项式为：

V＝a×R+b×R²+c×R³+k

V为传感器电压值，R为热敏电阻值，a，b，c，k为拟合系数。

根据以上的漂移定量漂移值，随着传感器s的温度采集量的变化，系统可以实时的修正由于温度变化带来的微小信号偏移，补偿方法如下：

计算单元根据采集的温度信号，计算热敏电阻值，并采用上述拟合多项式对传感器检测端的信号进行反向补偿运算，将各个热敏电阻值的监测值反补偿到热敏阻值为20KΩ(热敏电阻在常温下的值为20KΩ)下对应的信号值，偏移量公式为：

Δ＝a(R′-20)+b(R′²-20²)+c(R′³-20³)，式中，R’为由红外传感器测得的热敏电阻值。

最后，将呼吸衰减补偿和温度漂移补偿后得到的二氧化碳浓度为：

$C_{c{o}^2}=k·\mathrm{Ln}(\frac{v_m}{2v_f^{\prime }-v_f}+\Delta )$

k：浓度计算中的常系数。