本發(fā)明涉及一種水位監(jiān)測調(diào)控的系統(tǒng)及方法，特別涉及一種基于呼吸濕化器的水位智能監(jiān)測調(diào)控系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、呼吸濕化器是一種通過加溫和濕化呼吸氣體，幫助維持患者氣道系統(tǒng)正常生理功能的醫(yī)療設(shè)備。其主要目的是防止氣道干燥、炎癥及提高氣道表面的黏液清除功能。通常配合呼吸機(jī)使用，為患者提供加溫、濕化的呼吸氣體，以維持患者氣道表面黏液纖毛系統(tǒng)的正常清除功能及肺泡上皮正常的舒縮和彌散特性，幫助患者維持正常的氣道功能，避免氣道干燥及炎性癥狀。

2、呼吸濕化器一般包括加熱板、濕化水罐、溫濕度監(jiān)測裝置和控制顯示面板。在工作過程中，滅菌注射用水通過專用管道進(jìn)入濕化水罐，控制顯示面板根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)調(diào)節(jié)加熱板功率，加熱濕化水罐內(nèi)濕化水產(chǎn)生水蒸氣，并通過呼吸管路將加溫加濕的氣體攜帶至患者端。

3、在此過程中，濕化水罐內(nèi)的水位對濕化效果至關(guān)重要。然而，在實際應(yīng)用中，醫(yī)護(hù)人員工作繁忙，可能因疏忽或操作不當(dāng)導(dǎo)致濕化水罐內(nèi)水位異常。在加熱板功率固定的情況下，水位過低可能導(dǎo)致濕化水罐干燒或水分蒸發(fā)不足，不僅會損壞設(shè)備，還會使得患者端的氣體濕化程度下降，無法滿足治療需求。相反，水位過高可能導(dǎo)致濕化水罐內(nèi)水流溢出或氣體濕化程度過高，影響設(shè)備的正常運(yùn)行和氣體濕化效果，給患者帶來不必要的風(fēng)險。

4、現(xiàn)有技術(shù)通常通過設(shè)置固定位置的液面監(jiān)測器來判斷濕化水罐內(nèi)的水位，或者通過獲取濕化水罐出氣口溫度、加熱盤溫度等數(shù)據(jù)，再根據(jù)加熱盤功率推測水位。但這種方法的準(zhǔn)確性較差，無法實時準(zhǔn)確報告水位的變化，導(dǎo)致無法精確識別水位情況，增加了患者治療中的潛在風(fēng)險。此外，現(xiàn)有技術(shù)依賴于調(diào)節(jié)加熱盤的加熱速率來促使氣體迅速達(dá)到患者端溫濕度目標(biāo)，然而這種做法不僅安全性有待提升，還容易造成濕化水消耗速度過快，給及時補(bǔ)充濕化水帶來困難。

5、因此，現(xiàn)有技術(shù)在濕化水罐水位監(jiān)控調(diào)控方面存在較大的不足，急需一種更加精準(zhǔn)、實時、智能化的水位監(jiān)測調(diào)控系統(tǒng)，以確保患者獲得理想的氣道濕化效果，同時提高設(shè)備的安全性和可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種基于呼吸濕化器的水位智能監(jiān)測調(diào)控系統(tǒng)及方法，實時監(jiān)測水位變化，并根據(jù)患者端溫濕度反饋智能調(diào)整濕化水的輸注量；基于歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，利用構(gòu)建的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)模型對未來24小時內(nèi)的水位變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。

2、本發(fā)明的目的一方面是這樣實現(xiàn)的：一種基于呼吸濕化器的水位智能監(jiān)測調(diào)控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、處理識別模塊、主控模塊、流量控制模塊、報警反饋模塊、無線模塊和用戶端顯示模塊；

3、所述數(shù)據(jù)采集模塊用于實時監(jiān)測濕化水罐內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)、環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)、氣源流量數(shù)據(jù)、濕化水輸注流量數(shù)據(jù)及用戶端溫濕度數(shù)據(jù)；并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至處理識別模塊；

4、所述處理識別模塊用于將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，以獲取關(guān)鍵差值與變化率指標(biāo)，基于歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，利用構(gòu)建的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)模型對未來24小時內(nèi)的水位變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)罐內(nèi)水位狀態(tài)向主控模塊發(fā)送實時信號；

5、所述主控模塊接收處理模塊的信號，執(zhí)行對應(yīng)的濕化水流量指令至流量控制模塊，智能控制流量調(diào)節(jié)閥，自動向濕化水罐中添加濕化水至安全水位范圍；同時，主控模塊還結(jié)合患者端的實時溫濕度反饋，進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)，確保濕化水水量充足，可滿足加熱后患者端可達(dá)到其所需目標(biāo)溫濕度的水量需求；當(dāng)接收到異常信號時，發(fā)送報警指令至報警反饋模塊；

6、所述報警反饋模塊用于接收主控模塊指令，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時發(fā)出報警提示音，提示水位異常或需及時添加備用濕化水；

7、所述無線模塊用于將主控模塊和報警反饋模塊的數(shù)據(jù)上傳至用戶端顯示模塊；

8、所述流量控制模塊與設(shè)置在濕化水罐進(jìn)液口上的流量調(diào)節(jié)閥相連接，用于接收主控模塊的信號，調(diào)整輸注濕化水量，保持濕化水罐內(nèi)水位在安全范圍內(nèi)；

9、所述用戶端顯示模塊用于實現(xiàn)顯示當(dāng)前水位、水消耗速率、剩余可用時間、24小時水位變化預(yù)測曲線、異常模式預(yù)警及聲光報警信息，提示醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行處理；

10、所述數(shù)據(jù)采集模塊、處理識別模塊、流量控制模塊、報警反饋模塊、無線模塊與主控模塊電連接；

11、所述數(shù)據(jù)采集模塊與內(nèi)部溫濕度傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器、氣源流量傳感器、濕化水輸注流量傳感器及患者端溫濕度傳感器電連接。

12、作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，所述氣源流量傳感器設(shè)置在濕化水罐進(jìn)氣口內(nèi)壁上，所述內(nèi)部溫濕度傳感器設(shè)置在濕化水罐內(nèi)；所述環(huán)境濕度傳感器設(shè)置在濕化水罐的底座上；所述濕化水輸注流量傳感器在濕化水罐進(jìn)液口內(nèi)壁上；所述患者端溫濕度傳感器處于呼吸機(jī)管路近患者端。

13、本發(fā)明的目的另一方面是這樣實現(xiàn)的：一種基于呼吸濕化器的水位智能監(jiān)測調(diào)控方法，包括以下步驟：

14、1)數(shù)據(jù)采集模塊通過內(nèi)部溫濕度傳感器，環(huán)境溫濕度傳感器、氣源流量傳感器、濕化水輸注流量傳感器及患者端溫濕度傳感器實時監(jiān)測濕化水罐內(nèi)的實時溫濕度(單位：攝氏度(℃)和相對濕度(％rh))、外部環(huán)境溫濕度(單位：攝氏度(℃)和相對濕度(％rh))、氣源流量(單位：升每分鐘(l/min))、濕化水輸注流量(單位：毫升每分鐘(ml/min))及患者端溫濕度(單位：攝氏度(℃)和相對濕度(％rh))，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至處理識別模塊；

15、2)處理識別模塊接收到數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計算獲得關(guān)鍵差值與變化率指標(biāo)，并通過構(gòu)建的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)模型對監(jiān)測及計算得的數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)訓(xùn)練；生成當(dāng)前水位、水消耗速率、剩余可用時間、24小時水位變化預(yù)測曲線以及異常模式預(yù)警信號，并將對應(yīng)信號傳輸給主控模塊；

16、3)主控模塊接收處理模塊的信號，執(zhí)行對應(yīng)的濕化水流量指令至流量控制模塊，智能控制流量調(diào)節(jié)閥，自動向濕化水罐中添加濕化水至安全水位范圍；同時，主控模塊還結(jié)合患者端的實時溫濕度反饋，進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)，確保濕化水水量充足，可滿足加熱后患者端可達(dá)到其所需目標(biāo)溫濕度的水量需求；當(dāng)接收到異常信號時，發(fā)送報警指令至報警反饋模塊；

17、4)報警反饋模塊在處理模塊監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常時，接收主控模塊指令，發(fā)出報警提示音，提示水位異常或需及時添加備用濕化水；主控模塊通過無線模塊將當(dāng)前水位、水消耗速率、剩余可用時間、24小時水位變化預(yù)測曲線、異常模式預(yù)警信號、聲光報警信息上傳至用戶端顯示模塊，提示醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行處理。

18、作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，步驟2)中所述處理識別模塊接收到數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計算獲得關(guān)鍵差值與變化率指標(biāo)具體包括：

19、濕化水罐內(nèi)與環(huán)境溫度差值δt：δt＝t罐-t環(huán)，δt反映了濕化水罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度之間的差異；

20、濕化水罐內(nèi)與環(huán)境濕度差值δrh：δrh＝rh罐-rh環(huán)，δrh差值表示了濕化水罐內(nèi)濕度與環(huán)境濕度之間的不同；

21、10s溫度差值變化率δt'/δt：首先，記錄兩個相鄰的10秒時間點的溫度差值δt1和δt2，分別對應(yīng)t1和t2時刻的濕化水罐內(nèi)與環(huán)境溫度差值，然后，計算這兩個溫度差值之間的變化量δt'＝δt2-δt1；通過公式計算10s溫度差值變化率：δt'/δt＝δt'/10s，δt'/δt變化率反映了在10秒內(nèi)，濕化水罐內(nèi)與環(huán)境溫度差值的變化速度；

22、10s濕度差值變化率δrh'/δt：記錄兩個相鄰10秒時間點的濕度差值δrh1和δrh2，然后計算這兩個濕度差值之間的變化量δrh'＝δrh2-δrh1，最后通過公式得到10s濕度差值變化率：δrh'/δt＝δrh'/10s，δrh'/δt變化率表示了在10秒內(nèi)，濕化水罐內(nèi)與環(huán)境濕度差值的變化快慢；

23、10s氣源流量變化率δq/δt：記錄兩個相鄰10秒時間點的氣源流量q1和q2，計算這兩個流量之間的變化量δq＝q2-q1；通過公式計算10s氣源流量變化率：δq/δt＝δq/10s，δq/δt變化率揭示了氣源流量在10秒內(nèi)的變化情況。

24、作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，步驟2)中所述通過構(gòu)建的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)訓(xùn)練具體包括：采用1d-cnn提取濕化水罐內(nèi)溫濕度、外部環(huán)境溫濕度、濕化水罐內(nèi)外溫濕度差值、氣源流量及其變化率特征，隨后通過lstm網(wǎng)絡(luò)對時間序列信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，完成水位、水消耗速率、剩余可用時間等預(yù)測。

25、作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，在采用1d-cnn提取濕化水罐內(nèi)溫濕度、外部環(huán)境溫濕度、濕化水罐內(nèi)外溫濕度差值、氣源流量及其變化率特征之前需進(jìn)行預(yù)處理，具體包括：

26、輸入數(shù)據(jù)包括濕化水罐內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)t罐、濕化水罐內(nèi)的濕度數(shù)據(jù)rh罐、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)t環(huán)、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)rh環(huán)、氣源流量q、濕化水罐內(nèi)與環(huán)境溫度差值δt、濕化水罐內(nèi)與環(huán)境濕度差值δrh、10s溫度差值變化率δt'/δt、10s濕度差值變化率δrh'/δt、10s氣源流量變化率δq/δt；每個時間步t的數(shù)據(jù)表示為一個包含多個特征的一維向量；

27、數(shù)據(jù)輸入到1d-cnn-lstm模型之前需進(jìn)行加權(quán)處理，不同數(shù)據(jù)項依重要性被賦予不同的權(quán)重系數(shù)：

28、初級權(quán)重w1(0.7～0.9)適用于原始采集數(shù)據(jù)(t罐(t)、rh罐(t)、t環(huán)(t)、rh環(huán)(t)、q(t))

29、中級權(quán)重w2(0.9～1.1)適用于差值數(shù)據(jù)(δt(t)、δrh(t))；

30、高級權(quán)重w3(1.1～1.3)適用于變化率數(shù)據(jù)

31、每個時間步的特征經(jīng)過加權(quán)后形成加權(quán)數(shù)據(jù)矩陣，表示為：

32、

33、加權(quán)后的數(shù)據(jù)矩陣xweighted，其形狀為(n,m)，其中n是時間步數(shù)，m是每個時間步的特征數(shù)；此數(shù)據(jù)矩陣將作為后續(xù)1d–cnn層和lstm層網(wǎng)絡(luò)的輸入，用于進(jìn)行進(jìn)一步的分析和預(yù)測。

34、作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，步驟2)中所述生成24小時水位變化預(yù)測曲線具體包括：

35、通過1d-cnn-lstm模型，對未來24小時內(nèi)濕化水罐水位的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，并輸出水位變化曲線，幫助醫(yī)護(hù)人員提前分析水位動態(tài)；

36、1d-cnn-lstm模型輸出未來24小時的水位預(yù)測值：

37、

38、其中，為第t+1時刻的預(yù)測水位值，n為未來24小時的時間步數(shù)，t為時間步長，單位為分鐘(設(shè)為5分鐘)；

39、將預(yù)測的水位值繪制成水位變化曲線，輸出一張未來24小時水位變化趨勢圖，上傳至用戶端顯示模塊實時更新并嵌入醫(yī)護(hù)人員的交互界面。

40、作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，步驟2)中所述異常模式預(yù)警信號具體包括：

41、實時檢測濕化水罐內(nèi)水位變化及濕化水輸注的異常模式，觸發(fā)預(yù)警以便醫(yī)護(hù)人員及時處理設(shè)備故障或更換備用濕化水；

42、水位變化速率計算公式為：

43、

44、其中，δt表示時間間隔，為1d-cnn-lstm模型輸出的當(dāng)前時間t的水位值，為1d-cnn-lstm模型輸出的上一時間t-1的水位值；

45、異常模式判定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)如下：

46、水位下降速率異常水位上升速率異常濕化水輸注異常qadd＝0；

47、其中，r正常上限為水位下降時速率的正常上限值，r正常下限為水位上升時速率的正常下限值qadd為濕化水添加流量，單位：ml/s；

48、當(dāng)檢測到異常模式時，產(chǎn)生報警信號并傳輸給主控模塊。

49、作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，步驟3)中所述主控模塊結(jié)合患者端的實時溫濕度反饋，進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)，具體包括：

50、濕化水罐中的水位換算：

51、

52、其中：wlevel為濕化水罐當(dāng)前水位在安全水位范圍內(nèi)的相對位置，范圍為0到1；為濕化水罐當(dāng)前水位高度(單位：mm)；hmax為濕化水罐的最大水位高度(單位：mm，濕化水罐的上限水位)；

53、wlevel＝0表示濕化水罐中的水位已降到最低安全閾值；wlevel＝1表示濕化水罐中的水位已達(dá)最大安全水位上限；值介于0和1之間時，表示水位處于安全范圍內(nèi)，且比例值反映了當(dāng)前水位與安全水位的相對關(guān)系。

54、患者端溫度差δt：表示患者端溫度與目標(biāo)溫度的差值δt＝tp-ttarget，δt>0時表示溫度過高；δt＝0時表示溫度適宜；δt<0時表示溫度過低；

55、患者端濕度差δh：表示患者端濕度與目標(biāo)濕度的差值δh＝hp-htarget，δh>0時表示濕度過高；δh＝0時表示濕度適宜；δh<0時表示濕度過低；

56、添加濕化水流量計算公式

57、qadd＝k×(δt·wt+δh·wh)×(1-wlevel)

58、其中，qadd為濕化水添加流量(單位：ml/s)；δt＝tp-ttarget為溫度差；δh＝hp-htarget為濕度差；wt(0.6～0.7)和wh(0.4～0.5)分別為溫度和濕度的權(quán)重系數(shù)，用來調(diào)節(jié)溫度和濕度對濕化水流量的相對影響，；wlevel為濕化水罐當(dāng)前水位比例(0～1之間)；k(0.8～1.2)為調(diào)節(jié)系數(shù)。

59、本發(fā)明工作時，通過數(shù)據(jù)采集模塊采集濕化水罐內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)、環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)、氣源流量數(shù)據(jù)、濕化水輸注流量及患者端溫濕度，通過處理識別模塊計算濕化水罐內(nèi)關(guān)鍵差值與變化率指標(biāo)，并根據(jù)預(yù)設(shè)算法得出濕化水罐內(nèi)水位，并預(yù)測罐內(nèi)濕化水消耗速率、剩余可用時間、24小時水位變化預(yù)測曲線及異常模式預(yù)警信號。通過主控模塊接收到處理模塊的信號，執(zhí)行對應(yīng)的濕化水流量指令至流量控制模塊，智能控制流量調(diào)節(jié)閥，自動向濕化水罐中添加濕化水至安全水位范圍；同時，主控模塊還結(jié)合患者端的實時溫濕度反饋，進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)，確保濕化水水量充足，可滿足加熱后患者端可達(dá)到其所需目標(biāo)溫濕度的水量需求；當(dāng)接收到異常信號時，發(fā)送報警指令至報警反饋模塊。最終通過無線模塊將當(dāng)前水位、水消耗速率、剩余可用時間、24小時水位變化預(yù)測曲線、異常模式預(yù)警及聲光報警信息實時顯示在醫(yī)護(hù)人員的電腦顯示屏上。

60、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果為：本發(fā)明應(yīng)用1d-cnn-lstm結(jié)構(gòu)，能夠有效提取濕化水罐內(nèi)外溫濕度差值、氣源流量及其變化率等特征，同時顯著降低網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量和計算復(fù)雜度，為實時水位監(jiān)測提供保障；隨后通過lstm網(wǎng)絡(luò)對時間序列信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，完成水位、水消耗速率、剩余可用時間的預(yù)測，異常時發(fā)出報警提示，給醫(yī)護(hù)人員預(yù)留準(zhǔn)確、安全的操作時間，提高了呼吸濕化設(shè)備的安全性和可靠性；最后結(jié)合患者端的實時溫濕度反饋，智能控制流量調(diào)節(jié)閥，自動向濕化水罐中添加濕化水至安全水位范圍，同時滿足加熱后患者端可達(dá)到其所需目標(biāo)溫濕度的水量需求，使患者端溫濕度達(dá)到目標(biāo)范圍，從而給予患者最合理的氣道濕化方案。