氣體混合控制裝置和方法

2023-07-30 17:32:11

專利名稱：氣體混合控制裝置和方法
氣體混合控制裝置和方法
背景技術：
呼吸機將加壓氣體(例如空氣和/或空氣與額外(補充)氧氣的混合物)的氣流輸送到病人的呼吸道，從而輔助或者代替病人的呼吸。呼吸機循環地操作，從而使得氣體在吸氣階段期間(對應於吸入)提供到病人並且在隨後的呼氣階段期間(對應於呼出)從病人接收。例如，為了提供空氣與額外氧氣的混合物，呼吸機通過空氣通路接收空氣以及通過分開的氧氣通路接收純氧，並且由此控制每種氣體的各自的量，從而獲得在吸氣階段期間提供給病人的期望混合物。通常地，病人通過控制氣體流動的導管或者「分支」與呼吸機相互作用。單支呼吸機提供單個導管用於吸氣和呼氣階段，意味著病人在吸氣期間從呼吸機接收(受壓的)氣體並且在呼氣期間通過相同的導管將氣體排出到呼吸機。一般地，排出的氣體被導引通過呼吸機的空氣通路。當吸氣氣流包括空氣和氧氣的混合物的時候，呼氣氣流必然包括至少一部分額外氧氣，導致了空氣通路中的「氧氣汙染」。由此，在吸氣氣流的隨後循環期間，來自空氣通路的氣體包括相比純空氣濃度更高的氧氣。當來自於空氣通路的氣體與來自於氧氣通路的附加氧氣混合的時候，提供給病人的混合氣體具有高於期望的氧氣濃度。相比之下，雙支呼吸機通過提供分開的導管用於吸氣和呼氣氣流來避免空氣通路的氧氣汙染。也就是說，病人在吸氣期間通過第一分支從呼吸機接收(受壓的)氣體，並且在呼氣期間通過分開的第二分支將氣體排出到呼吸機(或者呼吸機外部)。然而，兩個分開導管的設置和維護增加了呼吸機的複雜程度和費用。例如，必須設置閥以將吸氣和呼氣氣流導弓I到適當的導管用於正確的操作。

發明內容
在發明的一個方案中，呼吸機包括第一通路和第二通路、導管和控制器。第一通路被配置成提供第一氣體，第二通路被配置成提供第二氣體，其中第二氣體與第一氣體混合以產生混合氣體，該混合氣體具有預定百分比的第二氣體。導管被配置成在吸氣階段期間將混合氣體從第一通路和第二通路提供到入口端，並且在呼氣階段期間將排出氣體從入口端提供到第一通路。控制器被配置成使來自第二通路的第二氣體的供應延遲一延遲時間， 從而在隨後的吸氣階段期間保持提供到進出埠的混合氣體中第二氣體的預定百分比。在發明的另一個方案中，呼吸機包括空氣及氧氣通路、鼓風機、導管和控制器。空氣通路被配置成將空氣供應到混合節點。氧氣通路被配置成將氧氣供應到混合節點，氧氣與空氣在該混合節點混合以獲得具有預定氧氣百分比的混合氣體。鼓風機被配置成在吸氣階段期間使混合氣體加壓。導管被配置成在吸氣階段期間將受壓的混合氣體從鼓風機提供到入口端，並且在呼氣階段期間將排出氣體從入口端提供到空氣通路。控制器被配置成使來自於氧氣通路的氧氣的供應延遲一延遲時間，以便在隨後的吸氣階段期間保持混合氣體中氧氣的預定百分比。在發明的另一個方案中，提供了一種方法，用於控制在吸氣階段期間通過單支呼吸機而提供給病人的混合氣體的含量，該混合氣體包括與空氣混合的預定量的額外氧氣。
4該方法包括在呼氣階段期間測量經過空氣通路的排出氣體的流量，排出的氣體包括混合氣體的至少一部分額外氧氣；基於測量的流量而計算出排出氣體的體積；基於計算出的體積確定延遲時間；以及使來自與空氣通路分開的氧氣通路的氧氣流動停止所確定的延遲時間，以便在隨後的吸氣階段期間抵消排出氣體中的額外氧氣部分。


圖1是根據代表性實施方式的單支機械呼吸機的功能性框圖。圖2是示出了根據代表性實施方式的空氣和氧氣流量的圖表。圖3是根據代表性實施方式的氣體混合控制方法的流程圖。
具體實施例方式在接下來的詳細描述中，出於解釋性以及非限制性的目的，闡述了公開具體細節的示例性實施方式，以便提供根據本教導的實施方式的詳盡理解。然而，對於本領域普通技術人員明顯的是，從本公開獲得益處是，根據本教導但是脫離在此公開具體細節的其它實施方式仍然在所附權利要求的範圍之內。此外，公知裝置和方法的描述可被忽略，從而不會使示例性實施方式的描述不清楚。這種方法和裝置無疑在本教導的範圍內。在多個實施例中，單支機械呼吸機控制供應到病人的、與環境空氣相混合的額外氧氣的量。在呼吸機的吸氣和呼氣階段循環之後，接下來吸氣階段中的氧氣的量通過使氧氣流動延遲預定時間而得到控制，從而抵消空氣通路中由於前一個循環的呼氣階段所導致的過多氧氣(即氧氣汙染)。圖1是根據代表性實施方式的單支呼吸機100的功能的框圖。雖然可以理解的是， 在不背離本發明的範圍的情況下，氣體混合控制方法可被用於在呼吸機或者其它系統中混合其它氣體，但是為了說明的目的，氣體混合控制方法被用於在呼吸機系統中混合空氣和氧氣(例如，由呼吸機100所實施)，用於病人呼吸的輔助或代替。參考圖1，呼吸機100包括空氣通路120以及氧氣通路140，它們分別供應環境空氣和氧氣。空氣和氧氣在混合節點160混合併且提供到鼓風機162的輸入側。將與空氣混合的氧氣的量基於混合氣體中氧氣的期望百分比或濃度而確定，這被稱為吸入氣體中的氧氣含量(FiO2)。根據FW2的設定值，呼吸機100能夠使混合氣體中氧氣的百分比超過21% (直到100% )。混合氣體中氧氣的百分比通過調整由氧氣通路140所供應的氧氣的量控制，例如在控制器180的控制之下，下面進行論述。在所顯示的實施方式中，空氣通路120包括空氣入口 122、空氣入口過濾器124、空氣流量傳感器126以及旁路元件128。在吸氣階段期間(由圖1中的箭頭la、lb和Ic所表示)，空氣入口 122吸入環境空氣，其被空氣入口過濾器IM所過濾。通過鼓風機162的操作，空氣被吸入到空氣入口 122中，該鼓風機在吸氣階段期間產生壓力差。在替換性實施方式中，空氣入口 122可包括泵或其它裝置，用於獨立地將環境空氣吸入到空氣通路120中。 一部分空氣偏轉從而通過空氣流量傳感器126，該傳感器測量通過空氣通路120的空氣的流速。剩餘部分空氣通過旁路元件128。在所示實施方式中，空氣流量傳感器1 確定空氣的偏轉部分的流速，該流速隨後可被外推從而確定空氣通路120中全部量的空氣的流速， 由此使得氣流的中斷最小化。當然，其它實施方式可採用任意其它類型的空氣流量傳感器，而不會脫離本發明的範圍。測量的空氣流量可通過空氣流量傳感器126提供到控制器180， 該控制器可基於測量的空氣流量而確定空氣的體積。可選擇地，空氣流量傳感器1 可確定空氣的體積。氧氣通路140包括氧氣入口 142、氧氣入口過濾器144、閥145、氧氣流量傳感器 146以及旁路元件148。氧氣入口 142可以是例如從加壓的氧氣罐、壁掛式氧氣系統等來接收純氧的高壓氧氣入口。雖然在多個實施方式中可以不包括氧氣入口過濾器144，但是，在吸氣階段期間，氧氣可通過氧氣入口過濾器144被過濾。閥145可變化地限制允許通過氧氣通路140的氧氣的量，例如在控制器180的控制之下。閥145可以是例如比例電磁閥。可變地限制通過氧氣通路140的氧氣的流量調節將會在混合節點160與來自於空氣通路120 的空氣相混合的氧氣的量，由此確定出混合氣體中氧氣的比例(例如，空氣與額外氧氣的比率)。在經過閥145之後，一部分氧氣偏轉從而通過氧氣流量傳感器146，該傳感器測量氧氣通路140中氧氣的流速和/或體積。剩餘部分的氧氣通過旁路元件148。如上面關於空氣流量傳感器126所討論的那樣，在所示實施方式中，氧氣流量傳感器146確定出氧氣的偏轉部分的流速，該流速繼而可被外推以確定出氧氣通路140中氧氣總量的流速，由此使氧氣氣流的中斷最小化。當然，其它實施方式可採用任意其它類型的氧氣流量傳感器，而不會脫離本教導的範圍。由氧氣流量傳感器146所測量的測量氧氣流量可被提供給控制器 180。在吸氣階段期間，鼓風機162從混合節點160接收混合氣體並且輸出可變化地控制的受壓混合氣體，該氣體供應到進出埠 164。例如，鼓風機162可將壓力控制在一定範圍內。病人通過單個導管接收以及吸入混合氣體，該導管包括管狀迴路166。管狀迴路166 具有遠端，該遠端連接到呼吸面罩(未示出)或者連接到可插入到病人氣管中的氣管內管道或氣管造口術管道(未示出)。在多個實施方式中，除了壓力之外或者代替壓力，混合氣體的流速和/或鼓風機速度可被控制。壓力通過機器壓力傳感器163監測，其可將檢測到的壓力提供到控制器180和/ 或鼓風機162，從而可以對鼓風機162進行調整以保持期望的壓力。同樣地，在控制器180 或者操作者決定實施不同的壓力的範圍內，控制器180調整鼓風機162，直到機器壓力傳感器163顯示出已經獲得期望的壓力。在多個實施方式中，壓力傳感器可額外地或者可選擇地被定位在呼吸面罩或者其它病人連接部。在呼氣階段期間(如圖1中箭頭2所示)，通過空氣通路120以及氧氣通路的正向氣流被中斷，允許病人通過管狀迴路166以及入口端164而呼氣。呼出的或者排出的氣體經過鼓風機162(其可以在排出氣體壓力下對排出氣體加壓)，以及通過至少一部分空氣通路120。在呼氣階段期間，部分排出氣體可能通過空氣入口 122或者其它通風口(未示出) 離開呼吸機100。然而，例如當隨後的吸氣階段(由圖1中箭頭la、Ib和Ic所表示)開始時，所有排出氣體或者一部分排出氣體將會停留在空氣通路120中。當這種情況發生時，來自於前一個循環的、停留在空氣通路120中的排出氣體包括更高的氧氣濃度(例如，來自於前一個吸氣階段)，導致了「氧氣汙染」。也就是說，當空氣通路120中的排出氣體(其包括更高濃度的氧氣)在隨後的吸氣階段在混合節點160與來自於氧氣通路140的氧氣相混合時，所得到的、提供給病人的混合氣體將會具有比期望的氧氣含量更高的氧氣含量。
為了抵消更高的氧氣濃度，控制器180使得氧氣通路140在呼氣階段結束之後、在將額外氧氣提供到混合節點160之前延遲一個時間段，例如根據隨後的吸氣階段延遲。這有效地清除了將會否則包含在提供給鼓風機162的混合氣體中的額外氧氣。在實施方式中，排出空氣中額外氧氣的量可通過對呼氣階段期間通過流量傳感器 126的反向空氣流量進行測量而估算。控制器280接收測量的排出氣體流量，並且計算出空氣通路120中存在的(例如暫時存儲的)排出氣體的體積。控制器觀0隨後將排出氣體的計算體積與預定閾值進行比較。一旦排出氣體的計算體積超過閾值，那麼控制器280使來自於氧氣通路140的氧氣流量減小預定體積(其可以等於閾值)，例如如上所述，通過使接下來吸氣階段中的氧氣氣流延遲所述預定體積通過所需的時間段。一旦排出氣體的計算體積沒有超過閾值，則控制器280使來自於氧氣通路140的氧氣流量減小與計算體積相對應的量。作為示例，出於說明的目的，可以假設預定閾值為200ml。由此，如果排出氣體的計算體積為500ml，則控制器280會使來自於氧氣通路140的氧氣流量減少200ml (例如通過使來自氧氣通路140的氧氣輸出延遲對應於200ml氧氣流量的時間)。然而，如果排出氣體的計算體積為100ml， 那麼控制器280將會使來自於氧氣通路140的氧氣流量減小100ml。可以理解的是，氧氣流量減小的體積和/或氧氣流量被延遲的時間可通過多種方式確定，而不會脫離本教導的範圍。例如，在實施方式中，控制器180可執行一算法，該算法使排出氣體的計算體積與額外氧氣的具體的量(例如，假定排出氣體中的氧氣含量沒有被稀釋)相關聯，以及與隨後吸氣階段氧氣流量相關的對應體積減小和/或時間延遲相關聯。 在另一個實施方式中，空氣通路120可包括傳感器(未示出)，該傳感器被配置成檢測排出氣體中氧氣的實際百分比。控制器180可隨後使用檢測到的氧氣百分比來計算檢測到的百分比與期望氧氣百分比之間的精確差值，並且使對應的隨後吸氣階段中氧氣流量相關的體積減小和/或時間延遲建立在計算差值的基礎上。本領域技術人員可以理解的是，圖1中所示各個「部件」的一個或多個，特別包括控制器180，可利用軟體控制微處理器、硬布線邏輯電路、或者它們的結合而以物理方式實施。同時，雖然部件在圖1中在功能上是分開的以用於說明的目的，但是它們可以以任意的物理實施例進行多種結合。例如，控制器180可被實施為微處理器，微處理器被配置成執行一個或多個軟體算法(包括在此描述實施方式的氣體混合控制方法)，該微處理器與存儲器(未示出)結合，從而提供呼吸機100的功能性。也就是說，控制器180可包括非易失性存儲器，用於存儲可執行軟體代碼，其允許控制器執行如在此所述的呼吸機100的多種功能以及氣體混合控制方法。圖2是示出了根據示例性實施方式的空氣和氧氣流量的圖表。圖表包括經過兩個連續吸氣/呼氣氣體流動循環的、例如如各個流量傳感器1 和146所讀出的表示空氣流量的曲線220以及表示氧氣流量的曲線MO (用χ標記)。垂直軸表示氣體流量，從-60升每分鐘(Ipm)到+601pm，增量為IOlpm ；水平軸表示時間，從5秒到15秒，增量為1秒。參考圖2，區域A表示第一吸氣階段的主動吸氣，在此期間病人吸入混合氣體。空氣流量曲線220和氧氣流量曲線240都表示正向流量。區域B表示第一呼氣階段中的主動呼氣，在該階段病人呼出排出氣體(其假定具有與吸入的混合氣體大約相同的空氣和氧氣混合物)。空氣流量曲線220表示負向流量， 原因是排出氣體被導向經過空氣通路120並且由此僅僅流量傳感器1 檢測到負向流量。 同時，在區域B內，氧氣流量曲線240為零，表示通過氧氣通路140的氧氣供應例如通過閥 145的控制被關閉。區域C和D顯示了正向流動，例如為了補償洩露以及為了控制到設定壓力。病人還沒有開始隨後吸氣階段的物理吸氣(即，由區域E表示)。在區域C內，空氣流量曲線220 表示出較小的正向流量，原因是鼓風機162操作以在第一呼氣階段的負向氣流終止之後形成壓力差。然而，氧氣流量曲線240保持為零，表示出通過氧氣通路140的氧氣供應仍然關閉。由區域C覆蓋的時間段對應於氧氣流量必須被延遲以便使第一呼氣階段的氧氣汙染的空氣(區域B)離開空氣通路120的時間。如上所述，時間段的長度可由控制器180基於在第一呼氣階段期間空氣流量傳感器126所感測的排出氣體體積確定。在所示示例中，空氣流量曲線220在區域C內稍稍地達到最大值，用於補償氧氣流量的缺乏。在區域D內，來自於氧氣通路140的氧氣流量再次開始，用於即將來到的吸氣，如重疊的空氣流量曲線220和氧氣流量曲線240所表示。所示實施方式顯示了作為呼氣階段的一部分的、氧氣流被關閉 (區域C)的時間段，儘管可以理解，在其它實施方式中，氧氣流可在隨後吸氣階段的一部分期間和/或在相鄰的呼氣與吸氣階段之間被關閉，也不會脫離本教導的範圍。區域E顯示了第二吸氣階段中的主動吸氣，在此期間病人再次吸入混合氣體，其具有適當的氧氣濃度。空氣流量曲線220及氧氣流量曲線240都顯示了正向流量。隨著病人的呼吸過程，循環重複進行。圖3是根據示意性實施方式的氣體混合控制方法的流程圖，其將參考圖1和圖2 進行論述。圖3中操作的全部或者一部分可通過控制器180或者在控制器180的控制之下執行。在操作S310中，呼吸機100的多個元件被基於在進出位置164提供到病人的混合氣體的期望FiA而進行配置。例如，閥145可被調節，以用於通過氧氣通路140的適當氧氣氣流，當在混合節點160與來自於空氣通路120的空氣相混合時，該氧氣氣流能提供混合氣體中希望的氧氣比例。利用操作S310的配置，在操作S312中執行吸氣階段，從而將混合氣體(具有期望的FiO2)通過進出埠 164提供給病人用於吸入。在操作S314中，執行呼氣階段，在該階段病人呼出排出氣體。排出氣體流入空氣通路120中，在此排出氣體的流量在操作S316中被空氣流量傳感器1 測量並且提供給控制器180。在操作S318中，控制器180基於測量的空氣流量計算排出氣體的體積。在操作S320中，控制器確定出來自於氧氣通路140的氧氣流在下一個吸氣階段期間將被延遲的延遲時間。如上所述，延遲時間可利用任意多種技術確定，包括將計算出的體積與閾值比較以及一旦計算出的體積超出閾值則使氧氣氣流延遲預定時間。在操作S322 中，在下一個吸氣階段期間被病人吸入之前，例如通過暫時關閉通過閥145的氧氣氣流，所述氧氣氣流被停止所述延遲時間。由於呼吸機100的循環操作，操作S312到S322可隨後重複。當然，期望FW2的任意改變將需要呼吸機100的元件的重新配置，如操作S310中所儘管優選實施例在此公開，但是在本發明的概念和範圍之內可以進行多種變化。 在研究本說明書、附圖及權利要求之後，這種變形對於本領域普通技術人員而言將變得明顯。因此，本發明不應當被限制，除非在所附的權利要求的精神和範圍之內。
權利要求
1.一種呼吸機，包括第一通路，其設置成供應第一氣體；第二通路，其設置成供應第二氣體，該第二氣體與第一氣體混合從而形成包括預定百分比的第二氣體的混合氣體；導管，其設置成在吸氣階段期間將混合氣體從第一和第二通路提供到進出埠，以及在排氣階段期間將排出氣體從進出埠提供到第一通路；以及控制器，其設置成使來自於第二通路的第二氣體供應延遲一延遲時間，從而在隨後的吸氣階段期間保持提供到進出埠的混合氣體中第二氣體的預定百分比。
2.如權利要求1所述的呼吸機，其中第一氣體包括空氣以及第二氣體包括氧氣。
3.如權利要求1所述的呼吸機，進一步包括鼓風機，其設置成在吸氣階段期間對混合氣體加壓以及在呼氣階段期間對排出氣體加壓。
4.如權利要求1所述的呼吸機，其中第一通路包括第一流量傳感器，其設置成確定出在呼氣階段期間由第一通路所接收的排出氣體的流量。
5.如權利要求4所述的呼吸機，其中控制器基於確定出的排出氣體的流量來確定出在呼氣階段期間由第一通路所接收的排出氣體的體積。
6.如權利要求5所述的呼吸機，其中控制器基於確定出的排出氣體的體積來確定出延遲時間。
7.如權利要求6所述的呼吸機，其中控制器通過將確定出的排出氣體的體積與預定閾值進行對比來確定出延遲時間。
8.如權利要求7所述的呼吸機，其中當確定出的排出氣體的體積超過預定閾值時，控制器將延遲時間設定成等於預定時間段。
9.如權利要求7所述的呼吸機，其中當確定出的排出氣體的體積沒有超過預定閾值時，控制器將延遲時間設定成等於與確定出的排出氣體的體積相對應的時間段。
10.如權利要求6所述的呼吸機，其中第二通路包括閥，其被設置成在控制器的控制之下調節第二氣體的供應。
11.如權利要求10所述的呼吸機，其中控制器控制所述閥，從而使第二氣體的供應停止所述延遲時間。
12.如權利要求11所述的呼吸機，其中所述閥包括比例電磁閥
13.一種呼吸機，包括空氣通路，其被設置成將空氣供應到混合節點；氧氣通路，其被設置成將氧氣供應到混合節點，在混合節點氧氣與空氣混合從而獲得具有預定氧氣百分比的混合氣體；鼓風機，其被設置成在吸氣階段期間使混合氣體加壓；導管，其被設置成在吸氣階段期間將受壓的混合氣體從鼓風機提供到進出埠，以及在呼氣階段期間將排出氣體從進出埠提供到空氣通路；以及控制器，其被設置成使來自於氧氣通路的氧氣氣體延遲供應一延遲時間，從而在隨後的吸氣階段期間保持混合氣體中氧氣的預定百分比。
14.如權利要求13所述的呼吸機，其中氧氣通路包括閥，以及其中控制器控制所述閥從而使氧氣供應停止所述延遲時間。
15.如權利要求14所述的呼吸機，其中所述閥包括比例電磁閥。
16.如權利要求13所述的呼吸機，其中空氣通路包括空氣流量傳感器，其設置成確定出在呼氣階段期間由空氣通路所接收的排出氣體的流量。
17.如權利要求16所述的呼吸機，其中控制器基於確定出的排出氣體的流量來確定出在呼氣階段期間由空氣通路所接收的排出氣體的體積，以及其中控制器基於確定出的排出氣體的體積來確定出延遲時間。
18.如權利要求13所述的呼吸機，其中空氣通路包括氣體傳感器，其被設置成在呼氣階段期間確定出被空氣通路所接收的排出氣體中氧氣百分比。
19.如權利要求18所述的呼吸機，其中控制器基於排出氣體中確定出的氧氣百分比來確定出延遲時間。
20.一種方法，用於控制在吸氣階段期間通過單支呼吸機而提供給病人的混合氣體的含量，該混合氣體包括與空氣混合的預定量的額外氧氣，該方法包括在呼氣階段期間測量經過空氣通路的排出氣體的流量，排出的氣體包括混合氣體的至少一部分額外氧氣；基於測量的流量而計算出排出氣體的體積；基於計算出的體積而確定延遲時間；以及使來自於與空氣通路分開的氧氣通路的氧氣流動停止確定的延遲時間，從而在隨後的吸氣階段期間抵消排出氣體中的額外氧氣部分。
全文摘要
呼吸機包括第一和第二通路、導管和控制器。第一通路(120)被配置成供應第一氣體而第二通路(140)被配置成供應第二氣體，其中第二氣體與第一氣體混合從而產生具有預定百分比的第二氣體的混合氣體。導管(166)被配置成在吸氣階段期間將混合氣體從第一和第二通路提供到進出埠，以及在排氣階段期間將排出氣體從進出埠提供到第一通路。控制器(180)被設置成使來自於第二通路的第二氣體供應延遲一延遲時間，從而在隨後的吸氣階段期間保持提供到進出埠的混合氣體中第二氣體的預定百分比。
文檔編號A61M16/00GK102361661SQ201080013317
公開日2012年2月22日 申請日期2010年3月10日 優先權日2009年3月23日
發明者S·艾哈邁德 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司