用于提供呼吸氣體的系統和方法

專利名稱：用于提供呼吸氣體的系統和方法
技術領域：
本發明基本涉及輸送呼吸氣體到患者呼吸道，并且尤其涉及與患者的呼吸周期協調地輸送呼吸氣體。
背景阻塞性睡眠呼吸暫停是由上呼吸道的肌肉松弛到上呼吸道衰竭或逐漸由這些相同的肌肉阻塞的程度而導致的呼吸道呼吸紊亂。已知阻塞性睡眠呼吸暫停能夠通過將加壓的空氣應用到患者的鼻道而治療。加壓空氣的該應用在患者的上呼吸道中形成了氣夾板(pneumatic splint)，由此阻止上呼吸道衰竭或阻塞。
在阻塞性睡眠呼吸暫停的治療中，具有多種已知的CPAP療法，包括例如單級別CPAP和雙級別CPAP。單級別CPAP包括恒定地應用單一的治療性的或醫療指定的CPAP級別。即，在整個呼吸周期中，單一的治療正氣壓被輸送到患者。雖然這種療法在治療阻塞性睡眠呼吸暫停中是成功的，由于在呼氣過程中正輸送到患者呼吸道中的正氣壓級別，一些患者在呼氣時感受到不適。
響應于該不適，開發了雙級別CPAP療法。雙級別CPAP包括在吸氣期間輸送較高的治療CPAP和在呼氣期間輸送較低的治療CPAP。該較高的治療CPAP級別通常已知是吸氣正呼吸道壓力或“IPAP”。該較低的治療CPAP級別通常已知是呼氣正呼吸道壓力或“EPAP”。由于EPAP低于IPAP，和單級別CPAP療法相比，患者在呼氣期間需要費較少的力呼氣并且因此感受到較少的不適。
然而，雙級別CPAP的開發顯著增加了CPAP設備的復雜性，因為這些設備必須精確地確定何時患者吸氣和呼氣，并且合適地協調其IPAP和EPAP級別。一種方法是確定正輸送到患者的空氣的即時和平均流速并且而后比較兩者以確定患者在吸氣還是在呼氣。如果即時流速大于平均流速，認為患者在吸氣。如果即時流速小于平均流速，認為患者在呼氣。
雖然在治療阻塞性睡眠呼吸暫停和其它諸如慢性阻塞性肺病和影響呼吸肌肉和組織的神經肌肉紊亂的與呼吸相關的疾病中，CPAP已經成功，還非常需要提供輸送治療呼吸氣體到患者的附加方法。
概述在一方面，提供了一種提供呼吸氣體的方法。在一個實施例中，該方法包括a)感測與呼吸氣體的輸送相關的感測參數，b)響應于當前呼吸周期的第一部分期間的感測參數和第一預定感測參數值之間的差別而變化與流量/壓力控制元件相關的控制參數，c)至少部分地根據變化控制參數來確定從當前呼吸周期的第一部分轉變到第二部分，d)至少部分地根據已確定的轉變，變化控制參數以導致當前呼吸周期的第二部分期間的感測參數的第一變化，以及e)至少部分地根據第一預定感測參數值，變化控制參數以導致當前呼吸周期的第三部分期間的感測參數的第二變化。
附圖簡述在包括在說明書中并構成其一部分的附圖中，示出了本發明的實施例，其與上面給出的本發明的一般描述和下面給出的詳細描述一起，作為本發明原理的例子。


圖1是示出用于輸送呼吸氣體的系統的一個實施例的功能框圖。
圖2是示出用于該系統的控制處理的實施例的流程圖。
圖3是示出用于該系統的一個實施例中的隨時間的閥檔位位置和罩壓力的圖。
圖4是示出用于該系統的另一實施例中的隨時間的閥檔位位置和罩壓力的圖。
圖5是示出用于該系統的又一實施例中的隨時間的閥檔位位置和罩壓力的圖。
圖6是用于輸送呼吸氣體系統的另一實施例。
圖7A-7C示出用于該系統的控制處理的另一實施例。
圖8A-8C示出了圖6中所示的用于系統實施例的隨時間的肺流量、閥檔位位置、控制壓力和感測壓力。
圖9是用于輸送呼吸氣體系統的又一實施例。
示出的實施例詳述在討論各種實施例之前，回顧整個公開文本中使用的一些典型術語的定義是合適的。所有術語的單數和復數形式落入各自的定義在此使用的“邏輯”包括而不限于硬件、固件、軟件和/或每一個的組合，以執行功能或動作，和/或導致另一部件的功能或動作。例如，根據所需應用或需求，邏輯可以包括軟件控制的微處理器、諸如特定用途集成電路(ASIC)的離散邏輯或其它編程邏輯設備。邏輯還可以完全嵌入作為軟件。
在此使用的“軟件”包括而不限于一個或多個計算機可讀和/或可執行指令，其導致計算機或其它電子設備以所需方式執行功能、動作或/行為。指令可以以各種形式嵌入，諸如程序、算法、塊或包括各個應用或來自動態鏈接庫的代碼的程序。軟件可以還以各種形式實施，諸如單機程序、功能調用、JAVA服務小程序(Servlet)、小應用程序、存儲在存儲器中的指令、部分操作系統或其它類型的可執行指令。本領域普通技術人員將意識到，軟件的形式是根據例如所需應用的需求、其運行的環境和/或設計者/編程者等的需求。
在此使用的“呼吸狀態”包括任何狀態或狀態組合，其中氣體引入肺和/或從肺中排出。例如，第一呼吸狀態可以與將空氣引入肺相關，并且第二呼吸狀態可以與將空氣從肺中排出相關。另外，呼吸狀態能夠具有一個或多個子狀態。例如，吸氣開始能夠是一種呼吸狀態，并且吸氣的結束可以是另一種呼吸狀態，具有其間定義一個或多個其它呼吸狀態的范圍。相似的，呼氣的開始和結束，以及其間的范圍，也能夠由一個或多個呼吸狀態定義。
在此描述的系統和方法尤其適于協助自然呼吸患者的呼吸，雖然他們還可以應用到其它呼吸療法，包括例如急性和家庭護理通風。現在參考圖1，示出了圖示系統的一個實施例的框圖100。系統包括具有控制邏輯104的控制器102、吹風機106、具有雙向步進馬達的可變位置提升閥108和壓力傳感器112。流動通道110為可呼吸氣體提供了從閥102到患者界面114的通路。患者界面114能夠是任何鼻罩、面罩、插管或類似設備。壓力傳感器112感測諸如流動通道110中壓力的呼吸氣體參數，其與患者界面114中的壓力有關并指示該壓力。控制器102優選是基于處理器的，并且能夠包括各種輸入/輸出電路，包括模數(A/D)輸入和數模(D/A)輸出。控制器102將閥檔位位置數據116發送到閥108，以控制其位置并且傳感器112將壓力數據118發送回控制器102以用于讀取。
閥檔位位置優選由步進馬達說明書定義并且能夠包括少于1個檔或是整個檔的檔位位置。一般地，閥檔位位置的范圍可以從任何負數到任何正數。一個優選的閥檔位位置范圍包括0到100，其中檔位位置0與完全封閉的閥位置相關，而檔位100與完全打開的閥位置相關。因此，為給出的吹風機速度和閥構造，每個閥檔位位置能夠被確定為與近似壓力變化相等(例如，一個閥檔位位置等于0.2cm水柱的壓力變化)。
雖然參考以可變位置閥108形式的流量/壓力控制元件和以壓力傳感器112形式的傳感器元件，已經描述了圖1的實施例，但流量/壓力控制和傳感器元件能夠包括其它類型的設備。例如，流量/壓力控制元件能夠是可變速吹風機、與線性閥或螺線管閥組合的可變速吹風機、與步進馬達控制的可變位置閥組合的可變速吹風機、與線性閥或螺線管閥或步進馬達控制的可變位置閥組合的可變速吹風機或這些部件的任何其它合適組合。傳感器元件能夠包括流量傳感器、溫度傳感器、紅外光發射/傳感器、馬達電流傳感器或者單獨或與壓力傳感器組合的馬達速度傳感器。從這些傳感器產生的數據反饋到控制器102用于處理。
現在參考圖2，將參考其中圖示的流程圖描述系統的操作。在下文中的流程圖中，矩形元件表示處理塊并表現軟件指令或指令組。四邊形元件表示數據輸入/輸出處理塊，并代表涉及數據的輸入或讀取或者數據的輸出或發送的軟件指令或指令組。在此示出和描述的該流程圖不表示任何特殊編程語言的語法。相反，流程圖示出了本領域技術人員可以用于制作電路或產生軟件以執行系統的處理的功能信息。應當注意到諸如循環和變量的初始化和臨時變量的使用的許多例程元素未示出。
在塊200中，控制器102打開閥108并設置吹風機106為在其輸出產生預定壓力的速度。經由存儲在控制器102的存儲器中的壓力-速度查詢表，該預定壓力基本上設置為醫療規定用于患者的正壓力加上例如5cm水柱的附加壓力。雖然已經描述了5cm水柱的附加壓力，也能夠選擇不包括附加壓力的其它壓力。醫療規定的正壓力通常是高于環境壓力的壓力。例如，預定壓力的范圍可以從4到20cm水柱。一旦吹風機106設置以提供該設置的壓力，其在設備的有效操作期間，幾乎不變化。代替地，控制器102使用閥108的檔位位置以通過閉環和開環控制兩者而調節輸出壓力。閉環控制是感測壓力的函數，而開環控制是時間的函數。共同地，這些控制環在患者的整個呼吸周期中指導系統的操作。還應當注意到，閉環和開環控制還能夠基于諸如即時和平均流速、患者界面中的氣體溫度和/或患者界面中的氣體(例如，CO2)的成分的其它參數。
在塊202，為后續處理讀取和存儲壓力。在塊204，平均閥檔位位置被確定和保持或更新。在步驟206，控制器102確定是否已經感測壓力下降。這優選通過將當前感測壓力與前一感測壓力相比而實現。如果當前感測壓力較小，那么壓力下降已經發生而流程行進到塊208。在塊208，控制器102增加閥檔位位置以補償壓力下降。增加閥檔位位置具有增加從閥輸出輸送的呼吸氣體的流量和壓力的效果。檔位位置交迭地變化直到最小化感測壓力之間的誤差或差別。在操作的該階段期間，控制器102力圖在流動通道112中保持恒定壓力直到感測到患者呼氣。
在塊210，即時和平均閥位置之間的差值隨時間被積分和存儲在存儲器中。六個這種積分的總和通過確定是否該總和大于吸氣閾值的開始(塊212和214)，而被用于確定吸氣呼吸狀態的開始。如果總和大于閾值，吸氣呼吸狀態的開始已經發生并且定時器在塊216開始測量吸氣呼吸狀態。在塊218中該測量持續直到已經發現峰值閥檔位位置。通過將前一閥檔位位置與當前閥檔位位置相比較并且將較大的檔位位置存儲在存儲器中作為峰值閥檔位位置而確定峰值閥檔位位置。如果峰值閥檔位位置在一定時間周期保持不變化(例如，80ms)，那么控制器102假設在該吸氣階段內峰值閥檔位位置已發生，并且在塊220中停止吸氣呼吸狀態時間測量。峰值閥檔位位置是一個指示吸氣呼吸狀態即將結束的閾值。
在塊222，控制器102測試以通過讀取壓力信號確定是否壓力增加已經發生。如果在已經發現峰值閥檔位位置之后壓力增加已經發生，那么吸氣呼吸狀態正在逼近結束。塊224減少閥位置以降低提供的流量和壓力以使得保持空氣流動通道中的恒定壓力。這通過交迭處理再一次實現，通過該交迭處理，當前感測壓力和在先感測壓力之間的誤差被最小化。塊226測試以通過比較兩個變量VAR1和VAR2而確定是否吸氣呼吸狀態已經結束。這些變量如下定義VAR1＝(即時檔位位置)-(平均檔位位置)VAR2＝[(峰值檔位位置)-(平均檔位位置)]*閾值變量“閾值”是例如85％或0.85的百分比值，不過還能夠選擇其他百分比值。如果VAR1＜VAR2，那么吸氣呼吸狀態已經結束并且呼氣呼吸狀態已經或正準備開始。
塊228根據呼氣卸載函數減少閥檔位位置，所述呼氣卸載函數降低隨時間輸送的壓力，從而在呼氣呼吸狀態期間初始輸送的壓力小于吸氣呼吸狀態期間輸送的壓力。壓力下降直到提供預定最小壓力，其能夠包括環境壓力。在塊230中該較低壓力保持一個呼氣時間周期，即例如是測得的吸氣狀態時間周期的2.5倍。該時間周期結束之后還能夠選擇不同于2.5的倍數，在塊232讀取壓力信號并且閥檔位位置根據壓力加載函數增加。該壓力加載函數讀取當前壓力并且隨時間將輸出壓力返回到醫療規定的正壓力，其中系統再一次尋找吸氣呼吸狀態的開始。
以這種方式，在呼吸周期的吸氣階段期間提供了正壓力以在吸氣中協助患者，而在呼吸周期的呼氣階段期間提供較低壓力以允許患者對較低壓力呼氣。這種系統相對于其他類型的連續正呼吸道壓力輸送提供了一定程度的舒適度，因為對于任何可感知的時間周期，患者不需要對著吸氣期間使用的相同壓力呼氣。
現在參考圖3，示出了圖示閥檔位位置曲線300和輸出壓力曲線302作為時間函數的圖。兩條曲線已經重疊以更清楚地圖示壓力和閥檔位位置之間的同步。現在將參考圖3的曲線回顧操作說明。
在狀態0之前，系統處于閉環控制中并且經由其壓力傳感器正感測其輸出處的壓力。由于在狀態0之前存在非常小的壓力變化，該系統保持恒定閥檔位位置，這導致了恒定輸出壓力(優選地，醫療規定的正壓力)。這通常發生在患者呼氣的末期，其中在系統中存在患者導致的非常小的壓力變化。
當患者開始吸氣時，由壓力傳感器112感測到壓力下降。該壓力下降導致系統以檔位方式進一步打開閥108以補償患者吸氣導致的壓力下降。在這種吸氣期間，系統嘗試保持輸出壓力基本等于醫療規定的正壓力。閥的每個檔位位置等于已知的近似壓力變化(例如，0.2cm水柱)。感測壓力和設置的壓力(即，醫療規定的正壓力)之間的差值產生了誤差值，系統嘗試通過適當地調整閥檔位位置以最小化該誤差值，所述適當地調整閥檔位位置適當地調整了輸送的壓力。
當閥檔位位置增加時，狀態0發生并且觸發確定的時間周期，其導向狀態1。在該確定時間周期期間，即時閥檔位位置和平均檔位位置之間的差值隨著6個時間間隔被積分。為清楚起見，圖3僅示出了3個時間間隔。如果這6個積分的總和大于閾值，那么假設患者吸氣并且吸氣計時器開始，其測量吸氣時間。
當峰值閥檔位位置已經達到狀態2，該吸氣時間測量終止。峰值閥檔位位置通過將在先閥檔位位置與當前閥檔位位置比較并且將較大的檔位位置存儲在存儲器中作為峰值閥檔位位置而確定峰值閥檔位位置。如果峰值閥檔位位置保持一定時間周期(例如，80ms)不變化，那么系統假設對于該吸氣階段峰值閥檔位位置已經發生。
在狀態2之后，系統尋找呼氣觸發。這通過比較兩個變量而實現，兩個變量都基于閥檔位位置。該等式已經在上面被定義為VAR1和VAR2。如果VAR1≤VAR2，那么觸發存在并且系統移動到狀態3。
在狀態3，系統閉合可變位置閥108以使得在其輸出提供較低壓力。通過減少閥檔位位置到例如位置0(即，閉合)或其他某個位置，閥108能夠快速和線性閉合(例如，具有3ms/檔位的確定斜率)。在呼氣的重要部分期間，系統現在提供比吸氣期間所使用的要更低的壓力。這使得患者呼氣更容易。
從狀態3到狀態4，系統出于開環控制中，并且不根據壓力或任何其他參數變化閥檔位位置。在該確定時間周期期間，閥保持在其檔位位置。如上所述，時間周期能夠是在先確定的吸氣時間(即，從狀態1到狀態2的時間)的2.5倍。這是系統操作的壓力卸載部分。
在狀態4，呼氣時間周期終止并且系統逐步施加壓力到其輸出直到壓力再一次達到醫療規定的正壓力。系統現在在其輸出再加載壓力。這通過感測狀態4的壓力而實現，其主要由于患者呼氣而引起，并且快速變化閥檔位位置以符合該壓力。因此該呼氣階段以一個取決于患者呼氣壓力的壓力開始。從狀態4到狀態5，系統以線性方式(例如，具有40ms/檔位的確定斜率)逐步變化閥檔位位置，由此逐步打開閥直到輸出壓力再一次達到較高的醫療規定的正壓力。系統現在已準備好下一個患者吸氣，其中重復該處理。
圖4示出了涉及基于呼氣觸發的控制的本發明實施例。在這點上，除了不提供吸氣觸發，該控制類似于上述。尤其，呼吸周期時間測量作為峰值閥檔位位置的函數。兩個峰值閥檔位位置(狀態2)之間的時間是呼吸周期時間的量度。狀態3的呼氣觸發、從狀態3到4的卸載部分和從狀態4到5的加載部分與如上參考圖3所述的相同。卸載部分(狀態3到4)和加載部分(狀態4到5)被定義作為在先呼吸周期的呼吸周期時間的百分比。這些百分比范圍可以很寬，但是通常被選定使得卸載和加載部分一起是從呼吸周期時間的約50％到85％。該實施例的優點是其需要控制器102的較少處理。
圖5中圖示的是本發明的一個實施例，其使用即時和平均閥檔位位置以檢測患者的呼吸狀態并根據已檢測的狀態協調輸送的壓力。在該實施例中，系統出于閉環控制模式，其中其總是感測壓力并且基于該壓力調整其輸出。更特別地，隨著患者呼吸，根據反饋到控制器102的壓力，通過閥檔位位置增加以提升為吸氣而輸送的壓力以及閥檔位位置減少以降低為呼氣而輸送的壓力，確定了平均閥檔位位置。通過將即時閥檔位位置與平均閥檔位位置比較，能夠檢測患者的呼吸狀態。如果即時閥檔位位置在平均閥檔位位置之上，患者正在吸氣。如果即時閥檔位位置在平均閥檔位位置之下，患者正在呼氣。為了減少過早或不穩定的觸發，平均閥檔位位置能夠偏移至高于吸氣檢測的真實值和低于其呼氣檢測的真實值。
在圖5中，附圖標記502指示即時閥檔位位置以正斜率穿越平均閥檔位位置。這指示患者正在吸氣，因為閥正在增加其檔位位置以補償患者吸氣引起的壓力下降。附圖標記504指示即時閥檔位位置以負斜率穿越平均閥檔位位置。這指示患者正在呼氣，因為閥正在減少其檔位位置以補償患者呼氣引起的壓力上升。根據這種檢測，在吸氣期間能夠應用IPAP級別，而在呼氣期間能夠應用EPAP級別。附圖標記506指示下一個吸氣檢測。
圖6中所示的是系統600形式的本發明的另一實施例。除了可變位置閥108處于關于流動通道110的通風位置之外，系統600與系統100(圖1)相似。而且，控制器102包括控制邏輯602。在這點上，吹風機106輸出的呼吸氣體在流動通道110中行進到患者界面114。可變位置閥108放置成其能夠轉移來自流動通道110和患者界面114的呼吸氣體。閥108的檔位位置受邏輯602控制。雖然參考可變位置閥108形式的流量/壓力控制元件和壓力傳感器112形式的傳感器元件描述了圖6的實施例，但流量/壓力控制元件和傳感器元件能夠包括其他類型的設備。例如，流量/壓力控制元件能夠是可變速吹風機、與線性閥或螺線管閥組合的可變速吹風機、與步進馬達控制的可變位置閥組合的可變速吹風機、與線性閥或螺線管閥以及步進馬達控制的可變位置閥組合的可變速吹風機或這些部件的任何其它合適組合。傳感器元件能夠包括流量傳感器、溫度傳感器、紅外光發射/傳感器、馬達電流傳感器或者單獨或與壓力傳感器組合的馬達速度傳感器。從這些傳感器產生的數據反饋到控制器102用于處理。
圖7A-C示出了涉及控制邏輯602的實施例的流程圖。在塊700中，控制器102封閉閥108并且設置吹風機106為在其輸出產生預定壓力的速度。經由存儲在控制器102的存儲器中的壓力-速度查詢表，該預定壓力通常為患者設置為醫療規定的正壓力，加上附加壓力成分。附加壓力成分能夠是設置壓力的百分比或一些其他值。提供附加壓力成分，從而如果不是所有患者需要多個方案，能夠在大多情況下輸送醫療規定的正壓力。醫療規定的正壓力通常是高于環境壓力的壓力。例如，規定的壓力的范圍可以從4到20cm水柱。一旦吹風機106被設置以提供所需壓力，其在設備的有效操作期間幾乎不不變化。代替地，控制器102使用閥108的檔位位置調節輸出壓力。
在塊702，讀取和存儲壓力。在塊704，邏輯確定中值閥檔位位置、呼吸率(圖7C)與上和下呼吸率閾值。在一個實施例中，中值閥檔位位置與上和下呼吸率閾值可以如下確定中值閥檔位＝(當前*0.0003)+(在先*0.9997)
呼吸率上閾值＝中值+(中值*0.1)呼吸率下閾值＝中值-(中值*0.1)其中“當前”表示當前閥檔位位置，“在先”表示在先中值閥檔位位置，而“中值”表示中值閥檔位位置。邏輯可以初始地通過數個呼吸狀態循環以確定上述值。
一旦確定上和下呼吸率閾值，監視閥檔位位置用于呼吸率的確定。參考圖7C，在塊742確定閥檔位變化的斜率。這可以通過隨時間將當前和一個或多個在先閥檔位位置相比而實現。如果在塊744中閥檔位位置的斜率為負，則邏輯前進到塊746。否則，邏輯循環回到塊742或704以繼續處理直到下一閥檔位變化。在塊746，邏輯測試以確定是否閥檔位位置已經下降低于上呼吸率(BR)閾值(參見圖8B)。如果是，邏輯前進到塊748，其中其測試以確定是否閥檔位位置已經下降低于下呼吸率(BR)閾值(參見圖8B)。如果是，邏輯前進到塊750，其中為當前呼吸記錄結束時間并且為下一呼吸記錄開始時間。根據每個呼吸的開始和結束時間，能夠計算和存儲呼吸率(例如，呼吸次數/分鐘)以用于后續使用。
往回參考圖7A，在塊706通過將設置的壓力與由壓力傳感器112讀取的壓力相比，產生壓力誤差。在塊708中，壓力誤差被用于產生閥檔位誤差，其能夠是根據下式Verror＝(Perror*P)+(Derror*D)+(Serror*S)其中“Verror”是閥檔位誤差，“Perror”是壓力誤差，“Derror”是當前和在先壓力誤差計算之間的壓力誤差差值，“Serror”是壓力誤差的總和，而“P”、“D”、“S”是恒量。“Verror”等式一般定義成比例積分微商(下文中簡稱PID)伺服控制器。一般地，在經驗地研究了系統性能之后，選定“P”、“D”、“S”的恒量。另外，還能夠為這些恒量選擇理論值。該PID伺服控制在整個邏輯操作中是基本有效的，盡管在患者呼吸狀態的部分期間內也可以接受間歇的操作。如將描述的，在患者的呼吸特征對系統性能的作用被給定的情況下，邏輯利用各種用于PID控制器的壓力設置以產生合適的壓力輸出。
塊710測試以確定是否閥檔位誤差大于或等于零。如果是，邏輯前進到塊712，其中閥檔位位置增加一個或多個檔位以使得嘗試減少誤差。否則，邏輯前進到塊714，其中閥檔位位置減少一個或多個檔位以嘗試和減少誤差。應當注意到，邏輯采用的閥檔位位置可以等于或可以不等于所述控制閥運動的步進馬達的一個檔位。例如，一個閥檔位可以等于閥的步進馬達的半個檔位運動。
在步驟712或714之后，邏輯推進到塊716，其中針對峰值閥檔位位置而監視閥檔位。在一個實施例中，邏輯根據下列確定吸氣閾值吸氣閾值＝[(峰值-中值)*0.5]+中值其中“峰值”是來自一個或多個在先呼吸周期的峰值閥檔位位置，“中值”是中值閥檔位位置，而0.5是典型的比例因子。在其他實施例中可以使用其他比例因子值。在當前閥檔位位置超過吸氣閾值之后，邏輯開始確定峰值閥檔位位置。通過將當前閥檔位位置與在先閥檔位位置相比并選擇較大的值而確定峰值閥檔位位置。
在塊718，邏輯根據下列確定卸載閾值卸載閾值＝[(峰值-中值)*T]+中值其中“峰值”是來自一個或多個在先呼吸周期的峰值閥檔位位置，“中值”是中值閥檔位位置，而“T”是根據確定的每分鐘呼吸次數從查詢表中確定的百分比卸載觸發值。根據每分鐘呼吸次數的一個例子在下面的表1中示出表1
在表格1中，每個“每分鐘呼吸次數”值具有與其相關的、值“X”、“Y”、“Z”形式的相應的“T(％卸載)”值，其通常等于或小于1。對于任何給出的“每分鐘呼吸次數”值，該“T(％卸載)”值能夠相同或者不同，并且確定卸載周期相對于中值閥檔位位置多快開始。例如，接近1的“T(％卸載)”值將提升卸載閾值而遠高于中值閥檔位位置，于是相對于閥檔位位置較迅速地使得觸發壓力減少。接近零(0)的“T(％卸載)”值將降低卸載閾值使其接近中值閥檔位位置，于是相對于閥檔位位置較晚地引起觸發壓力減少。一般地，“每分鐘呼吸次數”值越大，“T(％卸載)”值越大。還應當注意到，一個或多個“每分鐘呼吸次數”值可以具有與其相關的相同或不同的“T(％卸載)”值。
在塊720，邏輯測試以確定是否閥檔位位置已經下降低于卸載閾值。如果不是，邏輯循環返回到塊702以繼續閥檔位位置的有效PID伺服控制。如果是，邏輯前進到塊722。在塊722，邏輯確定卸載壓力和壓力減少控制波形和相關的壓力設置。同樣，設置了減少計時器。在一個實施例中，卸載壓力如下確定卸載壓力＝Pset-[Pset*((ΔV*Vscale)/K)*S]其中“Pset”是醫療規定的正壓力，“ΔV”是由(峰值-中值)定義的閥檔位位置的變化，“Vscale”是從表2(在下)選擇的值并且基于Pset，“K”是恒量(例如，在2000-4000的范圍中，例如3000)，而“S”是范圍1-3中的恒量但是能夠小于1或大于3。如果由于某些操作條件，邏輯僅僅需要簡單地保持規定的壓力，“S”恒量可以設置為0從而卸載壓力等于規定的壓力。“Vscale”的值可以基于規定的壓力(Pset)，例如，如表2中所示。
表2
在表格2，Pset值的范圍從0到20，并且表示醫療規定的正壓力值的范圍。每個Pset值具有與其相關的相應Vscale值(“A”、“B”、“C”等)，其能夠由在先經驗或系統的理論建模而確定。例如，如果系統600配置以工作在患者界面114的較寬范圍中，那么每種類型的患者界面114可以在給定壓力Pset下引起系統600的性能的輕微差異。因此，技術人員可以選擇在了解各種患者界面對系統性能的影響之后確定Vscale值。一般地，如表2中所示，“Vscale”值的范圍可以從0到0.28，但是其他實施例可以超出該范圍。而且，可以采用某些安全描施以不允許卸載壓力下降超出某些級別。例如，如果壓力Pset是4cm水柱，那么邏輯不可以允許任何壓力卸載，因為該設置的壓力已經是非常低的醫療規定的正壓力。然而，在多數情況下，卸載壓力確定產生了小于醫療規定的正壓力的值。
此外，在塊722中，邏輯確定例如195個壓力設置，其為壓力設置減少到卸載壓力設置定義了控制波形。這些壓力設置由有效PID伺服控制使用。在一個實施例中，195個壓力設置由壓力減少計時器(例如780ms)獲得。在一個實施例中，對于卸載周期的控制波形能夠由斜坡向下部分和保持部分定義。斜坡向下部分可以包括10個壓力設置，其在例如由例如10個4ms增量構成的40ms中，順序地將壓力設置從治療壓力設置減少到卸載壓力設置。保持部分經過例如由例如185個4ms周期構成的740ms而維持壓力設置在卸載壓力設置。應當注意到，可以選擇其他值而描述的值僅意味著示出了本發明的一個實施例。還應當注意，在卸載周期的斜坡和/或保持部分期間，感測壓力能夠用于重新確定或調整控制波形。
在塊724中，調整閥檔位位置以試圖使感測壓力跟隨已確定的控制波形的壓力設置，其中該控制波形是用于將壓力設置減少到卸載壓力設置。換句話說，塊724使用與塊706-714相同的邏輯，因為有效PID伺服控制用于校正閥檔位位置，而控制波形的壓力設置用于所需的壓力設置。例如，每個壓力設置定義“設置壓力”，其與感測壓力相比較以產生壓力誤差，所述壓力誤差由有效PID伺服控制使用。
在塊726中，邏輯測試以確定是否壓力減少計時器(例如，780ms)已經終止。如果是，邏輯前進到塊732。如果不是，邏輯前進到塊728，其中其確定是否已經達到控制波形中的卸載壓力設置。如果壓力減少計時器已經終止，邏輯前進到塊732，其中其準備將壓力重新加載到醫療規定的正壓力。如果在塊728中還沒有達到卸載壓力設置，邏輯循環返回到塊724并且根據控制波形的壓力設置繼續進行對閥檔位位置的有效PID伺服控制。如果在塊728中已經達到了卸載壓力設置，邏輯前進到塊730，其中在閥檔位位置的整個有效PID伺服控制中，卸載壓力設置被保持，直到壓力減少計時器終止。
在壓力減少計時器已經終止之后，邏輯執行塊732，其中其確定壓力增加控制波形和相關的壓力設置。同樣，設置了壓力增加計時器。在一個實施例中，邏輯確定例如100個壓力設置，其為壓力增加到醫療規定的正壓力(治療壓力)定義了控制波形。該波形基于在減少計時器終止時的壓力設置和醫療規定的正壓力。在一個實施例中，壓力增加計時器可以設置到400ms。在一個實施例中，用于加載周期的控制波形能夠由斜坡向上部分定義。斜坡向上部分可以包括100個壓力設置，其在例如由例如100個4ms增量構成的400ms中，順序地將壓力設置從卸載壓力設置增加到治療壓力設置。在另一實施例中，用于加載周期的控制波形能夠以與在上面描述的用于卸載周期的控制波形相似的方式由斜坡向上部分和保持部分而定義。再一次，應當注意到，可以選擇其他值并且所述的值僅意味著示出本發明的一個實施例。還應當注意到，感測壓力能夠用于重新確定或調整加載周期的斜坡和/或保持部分期間的控制波形。
在塊734中，調整閥檔位位置以試圖使感測壓力跟隨已確定的控制波形的壓力設置，其中該控制波形是用于將壓力設置增加到醫療規定的正壓力設置。換句話說，塊734使用與塊706-714和724相同的邏輯，因為有效PID伺服控制用于校正閥檔位位置，而控制波形的壓力設置用于所需的壓力設置。
在塊736中，邏輯測試以確定是否壓力增加計時器(例如，400ms)已經終止。如果是，邏輯前進到塊700，其中壓力設置到醫療規定的正壓力。如果不是，邏輯前進到塊738，其中其確定是否已經達到控制波形中的醫療規定的正呼吸道壓力設置(例如，治療壓力設置)。如果在塊7 38中還沒有達到醫療規定的正壓力設置，邏輯循環返回到塊734并且根據控制波形的壓力設置繼續進行對閥檔位位置的有效PID伺服控制。如果在塊738中已經達到了治療壓力，邏輯前進到塊740，其中在閥檔位位置的整個有效PID伺服控制中，醫療規定的正壓力設置被保持，直到壓力增加計時器終止。一旦壓力增加計時器終止，邏輯循環返回到塊700并且為下一呼吸周期重復該處理。
現在參考圖8A-8C，示出了用于圖6中圖示的實施例的隨時間的肺流量、閥檔位位置、控制壓力和感測壓力。圖8A圖示了隨時間的進入肺和從肺中出來的呼吸氣體的流量。圖8B圖示了隨時間的閥檔位位置，以及中值閥檔位、上或下呼吸率(BR)閾值、吸氣閾值和卸載閾值。參考圖7A-7C的邏輯已經描述了這些值和閾值的使用。圖8C圖示了控制壓力波形，其由確定壓力設置和系統感測的壓力。在吸氣期間，PID伺服控制器試圖維持設置壓力，其是用于患者的醫療規定的正壓力。由于患者需求，這引起閥檔位位置變化，其增加到峰值閥檔位位置并且而后減少。在該階段期間，峰值檔位位置被監視，并計算中值閥檔位位置。當閥檔位位置下降到卸載閾值之下時，卸載壓力隨著壓力減少控制波形和被有效PID伺服控制用來減少壓力而下降到卸載壓力的相關壓力設置一起被確定。壓力減少計時器也開始。如果由于患者呼吸特征，在減少計時器終止之前感測壓力達到卸載壓力，則由有效PID伺服控制器維持卸載壓力直到減少計時器終止。一旦減少計時器終止，無論是否達到卸載壓力，都根據減少計時器終止時的感測壓力和醫療規定的正壓力確定壓力增加控制波形和相關的壓力設置。由有效PID伺服控制器使用壓力增加控制波形以在增加時間周期期間把壓力增加回到所設置的治療壓力。由于有效PID伺服控制器和患者呼吸特征的作用，在增加計時器終止之前，壓力可以增加到所需的治療級別。
圖9中圖示的是系統700形式的本發明又一實施例。系統700相似于系統600(圖6)。圖9示出了環境輸入702和過濾器704，其將環境大氣提供到與吹風機106相連的輸入。環境輸入702和過濾器204隱含在圖1和6的在先描述的系統和相應的吹風機操作中。系統700還包括非環境輸入704，其接收由可變位置閥108從流動通道110轉移的呼吸氣體。該布置不同于圖6中，其中由可變位置閥108轉移呼吸氣體，但是不必須將已轉移的氣體導回吹風機。否則，系統700以與系統600相同的在上面參考圖6、7A-C和8A-C描述的方式操作。而且，關于系統600描述的選擇、變化和替換同樣適于系統700，除了它們不將呼吸氣體轉移到非環境輸入704中。在其他實施例中，可以在過濾器704和吹風機106之間提供一個或多個附加過濾器。
雖然已經通過說明其實施例示出了本發明，且雖然已經相當詳細的描述了實施例，說明書的意圖不是限制或以任何方式限制隨附的權利要求的范圍到這種細節。對于本領域技術人員將易于發現其他優點和修改方案。例如，閥檔位位置能夠根據非線性函數變化，該非線性函數作為線性函數的替換、附加或與線性函數組合。能夠感測流動氣體的替換或附加參數，包括通過使用流量傳感器調節閥檔位位置的流速。更特別地，還能夠使用流動的方向和/或流速(例如，即時和平均)的變化。因此，在其更寬的方面，本發明不局限于示出和描述的特定細節、典型裝置和圖示例子。因此，在不脫離申請者的基本發明構思的精神和范圍的情況下，可以脫離這些細節。
權利要求
1.一種提供呼吸氣體的方法，包括a)感測與輸送呼吸氣體相關的感測參數；b)響應于當前呼吸周期的第一部分期間的感測參數和第一預定感測參數值之間的差值，變化與流量/壓力控制元件相關的控制參數；c)至少部分地根據變化控制參數，確定當前呼吸周期的第一部分到第二部分的轉變；d)至少部分地根據已確定的轉變，在當前呼吸周期的第二部分期間變化控制參數以引起感測參數的第一變化；以及e)至少部分地根據第一預定感測參數值，在當前呼吸周期的第三部分期間變化控制參數以引起感測參數的第二變化。
2.根據權利要求1的方法，其中感測參數是呼吸氣體壓力、呼吸氣體流量、呼吸氣體溫度或呼吸氣體成分。
3.根據權利要求1的方法，其中流量/壓力控制元件包括可變位置閥，而控制參數包括閥檔位位置。
4.根據權利要求1的方法，其中流量/壓力控制元件包括可變速度吹風機，而控制參數包括吹風機速度。
5.根據權利要求1的方法，其中b)中的變化包括f)至少部分地根據感測參數和第一預定感測參數值而確定閥檔位誤差；以及g)變化控制參數以最小化閥檔位誤差。
6.根據權利要求1的方法，其中流量/壓力控制元件是可變位置閥，控制參數是閥檔位位置，而c)中的確定包括f)確定卸載閾值；以及g)確定是否變化閥檔位位置小于卸載閾值。
7.根據權利要求6的方法，其中f)中的確定包括h)確定呼吸率；i)確定中值閥檔位位置；j)為一個或多個在先呼吸周期確定峰值閥檔位位置；k)辨認與已確定的呼吸率相關的預定的百分比卸載因子；以及1)至少部分地根據已確定的中值閥檔位位置計算卸載閾值。
8.根據權利要求1的方法，其中d)中的變化包括f)確定第二預定感測參數值；g)設置減少計時器到預定卸載時間；h)至少部分地根據第一和第二預定感測參數值，為當前呼吸周期的第二部分確定一預定感測參數值序列；以及i)至少部分地根據該預定感測參數值序列而變化控制參數直到減少計時器終止。
9.根據權利要求8的方法，其中流量/壓力控制元件是可變位置閥，控制參數是閥檔位位置，第一預定感測參數值是規定的壓力，第二預定感測參數值是卸載壓力，并且f)中的確定包括j)確定峰值閥檔位位置；k)確定中值閥檔位位置；1)通過從峰值閥檔位位置減去中值閥檔位位置以獲得第一中間結果，用第一恒量乘以第一中間結果以獲得第二中間結果，并且用規定的壓力乘以第二中間結果，由此計算出壓力偏移；以及m)通過從規定的壓力中減去壓力偏移計算卸載壓力。
10.根據權利要求1的方法，其中e)中的變化包括f)確定第二預定感測參數值；g)設置增加計時器到預定加載時間；h)至少部分地根據第一和第二預定感測參數值為當前呼吸周期的第三部分確定一預定感測參數值序列；以及i)至少部分地根據該預定感測參數值序列而變化控制參數直到增加計時器終止。
全文摘要
提供了一種提供呼吸氣體的系統和方法。在一個實施例中，該方法包括感測與呼吸氣體的輸送相關的感測參數；響應于呼吸周期的第一部分期間的感測參數和第一預定感測參數值之間的差別而變化與流量/壓力控制元件相關的控制參數；至少部分地根據變化控制參數來確定從呼吸周期的第一部分轉變到第二部分；至少部分地根據已確定的轉變，變化控制參數以導致呼吸周期的第二部分期間的感測參數的第一變化；以及至少部分地根據第一預定感測參數值，變化控制參數以導致呼吸周期的第三部分期間的感測參數的第二變化。
文檔編號A61M16/00GK101014380SQ200580028591
公開日2007年8月8日 申請日期2005年6月20日 優先權日2004年6月18日
發明者M·莫里斯, G·W·弗洛利德, N·J·卡蘭 申請人:英瓦卡爾公司