TWI889455B - 具有改進的閥門的通風系統 - Google Patents

Abstract

一種呼吸通風器系統，具有：入口，經配置以連接至加壓空氣或氣體源；出口，經配置以連接至患者介面；線內閥門，位於入口與出口之間；以及控制單元，經配置以控制用於控制自源至患者的加壓空氣或氣體流的閥門，其中閥門包括併入至閥門主體中的空氣或氣體儲存器或積儲器。

Description

具有改進的閥門的通風系統

本揭示案大體而言係關於呼吸護理系統，並且更特定而言，係關於機械通風系統或呼吸護理系統，亦即，通風器或呼吸器。本揭示案對於為呼吸受到疾病損害的人類或動物患者提供呼吸支持具有特殊用途，並且將結合此類用途進行描述，而且亦可以用於治療患有睡眠呼吸暫停的患者或用作麻醉系統的部件。

當前的新型冠狀病毒肺炎(Covid-19)疫情凸顯了呼吸系統受損患者對機械通風系統的需求。呼吸治療設備可用於在受試者呼吸循環期間的適當時間以治療壓力向患者供應清潔的可呼吸氣體(通常是空氣，具有或不具有補充氧氣)。治療壓力輔助可以以與患者呼吸同步的方式實施，以便在患者的正常呼吸吸氣循環期間允許更大的壓力並且在呼氣期間允許更低的壓力。亦可以實施治療壓力輔助來超越患者的正常呼吸吸氣循環。

呼吸護理系統通常包括氣體或空氣流產生器或壓縮氣體或空氣源、空氣過濾器、鼻面罩、口腔面罩或全面罩、將氣流產生器連接至面罩的空氣輸送導管、各種感測 器以及基於微處理器的控制器。任選地，代替面罩，氣管切開管亦可以用作患者介面。氣流產生器可以包括伺服控制式電機及形成鼓風機的葉輪。在一些情況下，可以實施用於鼓風機電機的制動器以更快地降低鼓風機的速度，從而克服電機及葉輪的慣性。儘管有慣性，制動可允許鼓風機更快地及時達到較低的壓力條件，以便與患者的呼氣同步。在一些情況下，氣流產生器亦可以包括能夠配置成將產生的空氣排放至大氣中的閥門，作為改變輸送至患者的壓力的裝置，作為電機速度控制的替代。感測器量測電機速度、質量流率及出口壓力等，諸如藉由壓力換能器等。任選地，設備可以包括在空氣輸送迴路的路徑中的加濕器及/或加熱器元件。控制器可以包括具有或不具有整合資料擷取及顯示功能的資料儲存容量。

呼吸護理系統可以用於治療許多病症，例如由肺、神經肌肉或肌肉骨骼疾病及呼吸控制疾病引起的呼吸功能不全或衰竭。它們亦可以用於與睡眠呼吸障礙(sleep disordered breathing,SDB)(包括輕度阻塞性睡眠呼吸暫停(mild obstructive sleep apnea,OSA))、過敏性上呼吸道阻塞或上呼吸道早期病毒感染相關的病症。

當前的Covid-19疫情已經拉長了呼吸護理系統的當前供應。醫院被迫共享呼吸護理系統，亦即，兩名患者共享通風器。醫院亦採用改造習知用於阻塞性睡眠呼吸暫停的設備作為習知通風器的不良替代品。

此外，當前的通風器是複雜且昂貴的設備，需要不斷的監督及調整，並且容易發生故障。

本揭示案提供了一種簡單的低成本通風器，其克服了先前技術通風器的現行狀態的上述及其他缺點。

更特定而言，本揭示案提供了一種通風器，其就成本、尺寸減小、重量減輕、功率減小、雜訊降低及可靠性而言與當前通風器相比具有顯著優點。本揭示案的瞬時通風器的一個關鍵是獨特的空氣或氣體流量閥門，該閥門中併入了空氣或氣體儲存器或積儲器。將空氣或氣體儲存器或積儲器併入至閥門中簡化了系統的構造及成本，同時提供改進的響應時間，從而提供更好的患者支持。習知通風器採用比例電磁閥門(proportional solenoid valve,PSOL閥門)或基於渦輪的設計，其中核心流量/壓力調節部件是高成本的多部件產品(訂購價格為1,500美元至2,000美元)。此外，在實踐中，習知PSOL閥門的柱塞的導柱上的靜摩擦可能會削弱閥門的靈敏度，進而可能會導致滯後效應。為了克服習知通風器的上述及其他缺點，本揭示案採用了一種新穎的低成本空氣或氣體閥門，該閥門具有併入至閥門中的一體式空氣或氣體儲存器或積儲器，並且該閥門基本上由五個主要元件及基本上一個移動零件組成。

在一個實施例中，本揭示案的呼吸通風器系統包含：入口，經配置以連接至加壓空氣或氣體源；出口，經 配置以連接至患者介面；線內閥門，位於入口與出口之間；以及控制單元，經配置以控制用於控制自源至患者的加壓空氣或氣體流的閥門，其中閥門包括併入至閥門主體中的空氣或氣體儲存器或積儲器。

在一個較佳實施例中，閥門包含由線性驅動機構控制的閥門閘，較佳地伺服機構、機械螺桿驅動器或音圈驅動器。

患者介面可以選自由面罩、插管及氣管切開插管組成的組，並且加壓空氣或氣體源可以選自由空氣罐、壓縮機、空氣泵及加壓空氣管線組成的組。

本揭示案亦提供了一種用於輔助有需要的患者呼吸的方法，包含：提供如上所述的通風系統；將通風系統連接至加壓空氣源及至患者介面；啟動至通風器系統的空氣或氣體流以預載空氣或氣體儲存器或積儲器，以及藉由打開及關閉閥門來控制氣體流經通風系統。

在本揭示案的另一個實施例中，通風器系統包括用於調節空氣或氣體的加熱器及/或加濕器。

閥門可以回應於患者的正常呼吸循環而打開及關閉，或者閥門可以經打開及關閉以引入空氣或氣體流以超越患者的正常呼吸循環。

患者可以是人類動物；或非人類動物。

10:呼吸通風器系統

12:通風控制器

14:加壓氣體源

16:氣體供應管線

18:鼻罩或全面罩

22:患者

24:二氧化碳圖監測器

26:命令輸入及監測器

28:閥門

30:空氣或氣體輸入埠

34:吸氣流量連接件

36:呼氣流量埠

38:呼氣流量閥門

40:閥門殼

41:呼氣流量感測器或呼吸感測器

42:氣體供應入口

44:氣體源出口

46:氣體儲存器或積儲器

48:閥門閘

50:閥門殼滑動表面

52:閥門殼密封表面

54:線性致動器

56:彈簧組件

58:彈簧柱塞

60:墊圈

70:壓力感測器

72:加濕及加熱模組

從以下結合附隨圖式的描述中可以看出本揭示案的進一步的特徵及優點，其中相同的元件符號表示相同的部分，並且其中第1圖是根據本揭示案的併入展示為連接至患者的緊緻型通風裝置的通風器系統的示意圖；第2圖是根據本揭示案製作的緊緻型通風裝置的透視圖；第3圖是根據本揭示案的較佳實施例的緊緻型換氣裝置的閥門部件的功能元件圖的剖視圖；第4圖及第5圖是根據本揭示案的緊緻型換氣裝置的閥門部件的橫斷面功能元件圖；第6圖是展示本主題揭示案的閥門部件的力矩平衡的圖；第7圖是根據本揭示案的閥門部件的分解圖；第8圖是圖示本主題揭示案的緊緻型換氣裝置的操作的流程圖；以及第9A圖至第9C圖是圖示根據本揭示案的觸發氣流的圖表。

在下面的詳細描述中，術語「空氣」及「氣體」以及術語「呼吸器」及「通風器」相應地可互換使用。

本揭示案的本呼吸治療設備基於患者的自然潮式呼吸循環或基於程式化的呼吸循環以間歇性時間間隔向患者提供補充空氣或氧氣。

參照第1圖及第2圖，呼吸通風器系統10包括連接至加壓氣體源14的通風控制器12。加壓氣體源可以是加壓空氣或空氣/氧氣罐、如圖所示的壓縮機或空氣泵、或加壓空氣管線。下文將詳細描述的通風控制器12允許加壓氣體經由16處的氣體供應管線流向患者，該氣體供應管線固定至患者介面，諸如患者22佩戴的鼻罩或全面罩18。或者，患者介面18可以包括插管或氣管切開插管。完成系統的是二氧化碳圖監測器24，二氧化碳圖監測器24感測及量測來自患者的吸入及/或呼出氣流，以及命令輸入及監測器26。二氧化碳圖監測器24以及命令輸入及監測器26是習知的，並且不需要為了理解本揭示案而進一步描述。

當前揭示案的呼吸通風器系統10的中心是氣體或氣流控制閥門28，氣體或氣流控制閥門28具有如下文將描述的一體式氣體或空氣儲存器或積儲器。

現在參照第3圖至第5圖，氣體或氣流控制閥門28包括閥門殼40，閥門殼40含有氣體或氣流控制閥門28的主動元件。氣體供應入口42示為在負X軸面上，而氣體源出口44在正X軸面上。此外，殼40形成氣體儲存器或積儲器46。氣體供應入口42可與標準的醫院O₂源或任何氣體源(例如，氣罐或壓縮機)介接。

下面參照第3圖及第4圖描述的閥門閘48基於其沿X軸的位置而控制源流率QSource(t)。負Z表面上的面在閥門殼滑動表面50上沿X軸滑動。閘的正X軸上的閥門閘面與閥門殼密封表面52之間的距離δ藉由在正X軸上在閥門殼密封表面與閥門閘Y-Z面之間形成阻力通道來決定流阻。

特定參照第5圖及第7圖，氣體或氣流控制閥門28包括閥門閘48，閥門閘48經配置以沿閥門殼滑動表面50的X軸滑動以設定其沿X軸的位置。氣體或氣流控制閥門28亦包括線性致動器54，諸如，由諸如PZT或PMN的電致伸縮材料、磁致伸縮材料形成的伺服機構，或音圈驅動器或其他線性驅動器結構的機械螺桿驅動器。它的長度及由此產生的閘閥門位置基於所需的源流率Q_Source(t)或流量源壓力P_Source(t)在閉合迴路控制下經控制。閥門閘48亦可在開放迴路控制下經驅動。

負X方向的預載力藉由彈簧組件56施加至閥門閘48組件。

固定螺釘在X方向上驅動閥門閘48，從而設定彈簧組件預載力與閥門閘48沿X軸的初始位置。

彈簧柱塞58沿負Z方向向閥門閘48提供預載。目的是持續保持閥門閘48與閥門殼滑動表面50之間的氣密密封。

墊圈60在閥門殼的X-Z表面與閥門閘48之間保持氣密密封。

再次參照第1圖及第2圖，通風控制器12包括空氣或氣體輸入埠30，空氣或氣體輸入埠30連接至氣體或氣流控制閥門28。控制閥門28具有連接至埠的出口，該埠包括吸氣流量連接件34及呼氣流量埠36，呼氣流量埠36進而連接至呼氣流量閥門38。呼氣流量閥門38可以排放至大氣中，或連接至洗滌CO₂並且經由氣體輸入埠30再循環。系統亦包括呼氣流量感測器或呼吸感測器41以及與用於觸發閥門28的感測器的連接，呼氣流量感測器或呼吸感測器41用於感測患者呼吸。感測器可以包含氣流感測器、溫度感測器、聲音感測器、CO₂感測器，或用於偵測患者胸部移動的運動或應變感測器。

閥門蓋包圍閥門殼的X-Z面，一個在正Y軸上，一個在負Y軸上。這些蓋在閥門殼40與大氣之間形成氣密密封。

再次參照第4圖至第6圖，第4圖的左側展示處於關閉位置的閥門，其中δ=0，而閥門流阻R_Valve(0)無窮大。第5圖展示了閥門組件，其中閘沿X軸在負方向移動了距離δ。因此，閥門阻力不再是無窮大，並且氣體自儲存器流至氣體源出口，如圖所示。

閥門流阻R_Valve(δ)，計算如下：源流，Q_Source(t)，由式3控制，其中：儲存器壓力，P_Reservoir(t)出口壓力，P_Outlet(t)源流率，Q_Source(t) 閥門高度，H_Valve沿Y軸的閥門深度，D_Valve距閥門殼密封表面的閥門閘距離，δ A_Resistance(δ)=阻力通道橫斷面面積=D_Valve δ 式1)

氣體動力黏度，η(質量/(距離-時間)R_Valve(δ)=經過阻力通道的排氣流阻=(8η/π)H_Valve/A_Resistance(δ)² 式2)

然後，可藉由以下關係決定源流率：Q_Source(t)=(P_Reservoir(t)-P_Outlet(t))/R_Valve(δ) 式3)

閥門殼中的氣體儲存器區域是必需的，因為平均源流率Q_Source(t)沒有超過可用供應流率Q_Supply(t)，但Q_source(t)的峰值流率超過了可用供應流率。這一差異是由儲存在儲存器中的氣體組成的。

廣義閥門閘的力及力矩平衡如第6圖所圖示。力平衡及力矩平衡的控制式均在式4至式12中提供。

P_Reservoir=儲存器壓力θ=閥門閘角度W=閥門閘寬度H=閥門閘高度H_Valve=H/Cosθ 式4)

D_Valve=閥門閘深度L₁,L₂ & L₃=彈簧距離 c_Friction=楔塊摩擦係數Z_Actuator=距Z=0的致動器距離P_Reservoir=儲存器氣體壓力F_PressureX=X方向上來自腔室壓力的力=-P_Reservoir HD 式5)

F_PressureZ=Z方向上來自腔室壓力的力=-P_Reservoir(WD+H tan θ D/2) 式6)

F_Plunger=Z方向上來自彈簧柱塞的力P_Resistor(Z)=沿流阻壁的壓力

P_Reservoir(Z/H) 式7)

F_PResistor=由於流動而產生的壓力作用在阻壁上的力=(P_Reservoir/2)D_ValveH_Valve 式8)

F_Spring=藉由預載彈簧提供的力F_Actuator=藉由定位致動器提供的力Z力平衡F_Z=F_Plunger+F_PressureZ+3 F_Spring Sin θ 式9)

F_Friction=X方向上的摩擦力=F_Z c_Friction 式10)

X力平衡(3 F_Spring+F_PResistor)Cos θ=F_PressureX+F_Actuator 式11)

關於Y軸的力矩平衡 F_Spring(L₁+L₂+L₃)Cos θ²+F_PResistor((2/3)H/Cos θ)Cos θ²=F_PressureXH/2+F_ActuatorZ_Actuator 式12)

亦參照第7圖，閥門組件28藉由改變流阻R_Valve(δ)，來控制源氣體流動。這是藉由改變致動器54的長度(第5圖)△X來實現的，這進而導致閥門閘48在閥門閘48與閥門殼密封表面52之間的對應間隙中沿X軸移動δ。儲存器壓力P_Reservoir(t)由壓力感測器70(第1圖)監測及利用以計算所需的△X命令，△X命令控制Q_Source(t)，如式3所概述。

氣體流經氣體供應入口42中的管線內流量感測器，用以量測源流Q_Source(t)，它是時間t的函數。由氣體源控制器及感測器/使用者介面利用此流量量測來計算所需的△X命令，△X命令控制Q_Source(t)，如式3所概述。

與習知通風器的情況一樣，入口氣體或流量可能需要加濕及/或加熱。這是藉由自控制器至加濕及加熱模組72的命令來實現的，加濕及加熱模組72與儲存器46連通，儲存器46添加水蒸氣，從而藉由加熱及隨後的水蒸發、水的壓電霧化或向氣流添加水的其他習知方法來向氣流添加濕度。氣體亦可以在氣體流經模組時藉由模組加熱。

氣體流經相對濕度感測器，濕度感測器量測氣體相對濕度RH(t)，它是時間t的函數。由控制器利用此量測來產生所需的RH命令RH_Command(t)，它是時間的函數。

溫度及壓力源模組量測氣體溫度T(t)。由控制器及感測器/使用者介面利用此溫度量測來計算至加濕加熱模組的加熱命令T_Command(t)，以控制氣體溫度。

溫度及壓力源模組亦可以量測氣體出口壓力P_Outlet(t)。由控制器及感測器/使用者介面利用此壓力來計算所需的△X命令，△X命令控制Q_Source(t)，如式3所概述。溫度及壓力模組的出口與氣體供應管線介接，該氣體供應管線終止於加壓鼻通風器或其他患者呼吸設備，諸如，面罩、插管或插管。

氣體源控制器及感測器/使用者介面包括控制氣體源流率Q_Source(t)、壓力P_Outlet(t)、溫度T(t)及相對濕度RH(t)所需的感測器介面。它產生致動器命令△X(t)、溫度命令T_Command(t)及相對濕度命令RH_Command(t)。它亦與使用者命令輸入設備及狀態監視器介接，從而接收使用者限定的命令集：氣體源流率Q_Source(t)、壓力P_Outlet(t)、T(t)及RH(t)。氣體源控制器及感測器/使用者介面亦向使用者命令輸入設備及狀態監視器提供感測器讀數。

使用者命令輸入設備及狀態監視器允許使用者產生針對以下各項的命令：氣體源流率Q_Source(t)、壓力P_Outlet(t)、T(t)及RH(t)。它亦顯示感測器讀數。設備可以是以有線或無線方式與加壓鼻呼吸器組件通訊的I-Pad類介面。

氣體供應管線可以是標準的O₂管線。氣體供應管線亦可以是絕熱的，以便在自氣體源行進至加壓鼻通風器組件時最小化氣體熱損失。氣體供應管線亦可併入電加熱元件以維持氣體溫度，並且亦可以併入電源及資料線組以向加壓鼻通風器組件提供電力並且自加壓鼻通風器組件接收感測器資料。因為氣體供應管線具有已知的流阻R_GSL，藉由式P_Source(t)=P_Outlet(t)-Q_Source(t)R_GSL，加壓鼻通風器氣埠入口點處的壓力P_Source(t)可以藉由已知Q_Source(t)、P_Outlet(t)及R_GSL而計算出。

額外的感測器可提供用於控制氣體源組件的輸入。這些包括但不限於氣室壓力P_Chamber(t)、氣室溫度T_AC、氣室相對濕度RH_AC、自加壓鼻通風器組件氣室取樣的ETCO₂及/或O₂量測值、經由胸腔運動(諸如，系統)監測呼吸頻率及潮氣量的基於阻抗的設備。

參照第8圖，整體操作如下：氣體源14向通風控制器12供應加壓氣體，通風控制器12打開閥門28以所需的頻率、流速及壓力向患者22供應氣體以支持患者的呼吸。由於在併入至閥門28中的空氣或氣體儲存器46中存在加壓氣體或空氣供應，加壓空氣或氣體向患者22的輸送基本上在閥門打開的同時進行。空氣或氣體儲存器46在患者呼氣時經再充填。

與習知的通風裝置相比，本揭示案的所得通風器系統是一種低成本、相對簡單的裝置，其堅固、體積小且重量輕，並且在回應患者需求方面格外快速。

第9A圖至第9C圖是示出患者的3個上升時間(壓力支持)的流量及壓力波形。

10:呼吸通風器系統

12:通風控制器

Claims (5)

1. 一種呼吸通風器系統，包括： 一加壓空氣或氣體源；以及 一閥門系統，該閥門系統包含一第一閥門及一第二閥門，該第一閥門及該第二閥門彼此串聯並經配置以控制加壓空氣或氣體從該加壓空氣或氣體源至一患者的流動；其中該第一閥門包括： 一入口及一出口，該第一閥門的該入口經配置以連接至一加壓空氣或氣體源，該第一閥門的該出口連接至該第二閥門的一入口； 其中該第二閥門包括一入口及一出口，該第二閥門的該入口連接至該第一閥門的該出口，該第二閥門的該出口經配置以連接至一患者介面； 其中該第一閥門及該第二閥門共同作用以形成呈併入至該閥門系統的一主體中且經配置以儲存一定量的加壓空氣或氣體的一空氣或氣體儲存器的形式的一腔室，其中該空氣或氣體儲存器經配置以在該第一閥門及該第二閥門打開時打開並將所儲存的所述一定量的加壓空氣或氣體與來自該源的加壓空氣或氣體一起輸送至患者，藉此增加送至該患者的所述空氣或氣體的一峰值流率，其中該空氣或氣體儲存器或積儲器經配置以在用於控制送至該患者的加壓空氣或氣體的流動的該閥門關閉時用一加壓空氣或氣體儲存器填充，使得通過該第二閥門的空氣或氣體的該流動超過該加壓空氣或氣體源的一可用供應流率。
2. 如請求項1所述之呼吸通風器系統，其中該第二閥門包括由一線性驅動機構控制的一閥門閘，該線性驅動機構包括一機械螺桿驅動器或一音圈驅動器。
3. 如請求項1所述之呼吸通風器系統，其中該患者介面選自由一面罩、一插管及一氣管切開插管組成的組。
4. 如請求項1所述之呼吸通風器系統，其中該加壓空氣或氣體源選自由一空氣罐、一壓縮機、一空氣泵及加壓空氣管線組成的組。
5. 如請求項1所述之呼吸通風器系統，進一步包括用於調節該空氣或氣體的一加熱器及一加濕器中的至少一者。