CN100586498C - 改进通气支持循环的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种呼吸机，其在呼吸的吸入循环和呼出循环过程中将不同压力的空气输送至患者，并且在患者的呼吸流量经过一定的阈值级别之后，所述呼吸机从吸入操作循环至呼出操作。所述阈值大体从吸入的开始增加至吸入的结束。这种增加可以是在整个或者仅仅吸入循环的一部分中是线性的，并且阈值可调整成在吸入循环的最初部分的过程中防止循环。最小值以及最大值都是峰值流量的函数，并且阈值可随着吸入经过的时间而增加。阈值从最小值增加至最大值的速度可以针对个别患者需要进行调整，并且可以通过以前的呼吸确定。

Description

改进通气支持循环的方法和设备
技术领域
本发明涉及提供与受治疗者的呼吸循环(周期)同步的辅助呼吸(ventilatory assistance)的方法和设备。更具体地讲，本发明涉及用于同步呼吸机的方法，以使其压力响应与患者的呼吸循环相协作地循环。
背景技术
本发明可应用于任何形式的通气，其中呼吸流被用于循环，尽管在无创压力支持通气中是显著有用的。本发明还发现用于尤其压力支持变化的有创通气。本发明发现更多用于存在较高级别的压力支持中，其中患者大体不具有睡眠呼吸暂停而是呼吸不足或无法呼吸，在这种情况中，辅助呼吸大体主要在夜间提供，但也在白天的一些时间提供。当尤其在慢性阻塞性肺疾病(COPD)中呼吸力学非正常时，循环成为一个显著的问题。
在呼吸机中，经常必须设置一种控制处理过程，以判断患者的实际呼吸循环从吸入至呼出(或反之亦然)的时间，从而呼吸机可实现合适的通气响应。例如，一种呼吸装置提供这样一种处理过程，判断触发吸入压力以便在患者的呼吸循环的吸入部分过程中发出适合的压力的时间。类似地，这种装置还具有这样一种处理过程，判断循环至呼出压力以便在患者呼出的过程中发出适合的机器-患者响应的时间。这些处理过程用于将呼吸机与患者的实际呼吸循环同步。本领域技术人员将清楚，“触发”是与将用于患者的吸入的最初压力级别相关联的事件，而“循环”是与切换至将用于患者的呼出的压力级别相关联的事件。
例如，双级呼吸机在患者的呼吸循环的吸入部分的过程中提供较高的压力级别，即所谓的IPAP，并且在呼吸循环的呼出部分的过程中提供较低的压力级别，即所谓的EPAP。传统上，通过监控呼吸流或压力并且限定阈值级别例如零或峰值流量的百分比而实现切换。在所测量的呼吸流量值低于阈值时，装置将发出EPAP。针对这种切换的另一种可选方式可涉及记录的呼吸速度以及监控从吸入开始的消耗时间；在达到特定的时间之后，机器可切换至呼吸循环的呼出部分，其中所述特定的时间是针对呼吸循环的吸入部分的期望的时间。
用于循环的这些处理过程的目的是使得呼吸机装置对于患者更加舒适，这是因为如果呼吸事件没有被适当地同步，则装置对于患者而言可相当的不舒适。显著更加重要的目的是优化气体交换，并且尤其在具有严重的呼出流限制的COPD中，防止延长的吸入次数，这导致了动态过度膨胀。当前用于循环的方法可有时不正确地检测呼出并且导致了不正确的压力改变。例如，如果呼吸机过早循环进入呼出，则当在需要时，在吸入的过程中，较少的支持将提供至患者。因而需要通过最小化不正确的同步改进这种处理过程。
发明内容
本发明的目的是，通过提供随着时间改变的可变循环阈值而改进同步化。
本发明的另一目的是，提供同步化呼出阈值，随着循环进行，所述阈值改变以变得更灵敏。
本领域技术人员在阅读以下本发明的说明书之后将清楚其它的目的。
在本发明中，比较于流量的测量而计算同步化阈值，从而判断呼吸机是否应该从吸入进行至呼出。在优选实施例中，阈值是时间的函数，允许其在单个吸入循环中，从循环的早期部分的过程中的较低灵敏阈值变化至循环的后期部分的过程中的较高灵敏阈值。在本发明的一个实施例中，阈值设有不应期，以防止在循环的特定时间过程中过渡至呼出，而同时这种过渡是不期望的或者不可能正确地反映患者实际进行到了呼出。本发明的其它方面在以下的说明中将更详细描述。
附图说明
图1示出了用于实现本发明的方法的优选呼吸机设备的结构；
图2是在一个循环中随着时间变化的呼出同步阈值的一个实施例的曲线图；
图2B是在一个循环中随着时间变化呼出同步阈值的灵敏度函数的曲线图；
图3是在一个循环中随着时间变化的呼出同步阈值的另一个实施例的曲线图；
图4是在一个循环中包括不应期的呼出同步阈值的一个实施例的曲线图；
图5是在一个循环中随着时间变化的并且包括不应期的呼出同步阈值的一个实施例的曲线图；
图6是在一个循环中随着时间变化的呼出同步阈值的另一个实施例的曲线图。
具体实施方式
参看图1，压力发送装置包括伺服控制鼓风机2、面罩6、以及送气管道8，其用于连接在鼓风机2与面罩6之间。废气经由排气部13排出。可选地，流量传感器4f和/或压力传感器4p还可被利用，在这种情况中，可利用呼吸速度描记器以及不同的压力传感器或类似装置测量面罩流量，以获取流量信号F(t)，并且利用压力传感器在压力计接口测量面罩压力，以获取压力信号P面罩(t)。压力传感器4f和流量传感器4p仅仅示意性在图1中示出，这是因为本领域技术人员将清楚测量流量和压力的方式。流量信号F(t)和压力信号P面罩(t)发送至控制器或微处理器15，以获取压力请求信号P请求(t)。可选地，流量信号f(t)和压力信号P面罩(t)可依据鼓风机电机而被估计或计算，即通过监控供应至电机的电流和/或电机的速度，如美国专利No.5740796、No.6332463或No.6237593所述，而不用如上所述设置流量传感器和压力传感器。可选地，鼓风机电机速度可大体保持恒定，并且面罩中的压力改变可通过控制伺服阀的打开而实现，其中所述伺服阀可变地将气流转向或传送至面罩。
控制器15或处理器被构造成并且适于实现在此更加详细所述的方法，并且可包括集成芯片、内存和/或其它指令或数据存储介质。例如，由控制方法编程的指令可被编码到装置的内存中的集成芯片中或者装载为软件。
优选地，装置发出持续气道正压的变化的压力级别，其大体在吸入过程中高于呼出。然而，根据在此所述的本发明的控制原理，其它类型的通气压力处理可应用在该设备中，例如固有患者同步压力的其它更加舒适的变化。
根据本发明的原理，同步阈值在单吸入呼吸循环中作为时间的函数改变。换句话说，在循环的过程中，该阈值不保持恒定。阈值随着时间而增加，以使其在吸入循环的过程中更加敏感，并因而使得阈值更容易随着吸入循环推进至呼出而实现呼吸机的循环。例如，可变的循环阈值可通过装置随着吸入时间推移而被连续计算，并且其在该时间过程中改变，直至通过流落于阈值之下而检测到呼出。另一种理解本发明的方式是，随着吸入进行，呼吸机渐增地对循环的开始灵敏。
图2中示出了本发明的一个实例。在该图中，用于检测呼出的循环阈值函数(如虚线所示)在吸入的过程中从较小灵敏变化至较大灵敏。这种灵敏度的增加改进了同步化，这是因为由于这种内循环变化阈值，装置很少可能不注意地在吸入的早期阶段切换为呼出，但是随着吸入进行，阈值变得更加可能使得呼吸机切换为呼出。换句话说，很难在吸入的早期部分的过程中进行循环，而比较容易在吸入的后续部分的过程中进行循环。
在实施例中，阈值随着时间T最大变化，其中所述时间T最大优选是吸入的期望时间。而且，阈值可选地可限制于在最小阈值和/或最大阈值之间变化。在一个实施例中，最大阈值和最小阈值可以是峰值流量的函数，例如一定比例的或百分比的以前的呼吸峰值流量，相应地例如50％和10％。可选地，最大阈值和最小阈值可以是某些零以上的预先限定的固定量，它们是基于流量测量。临床医生或医师可选择这些百分比或量。
在最大值与最小值之间，阈值优选是增函数，例如经过的吸入时间的增函数。例如，增函数可以是经过的吸入时间(T经过的吸 入时间)与期望的吸入时间T最大之比(例如，k*T经过的吸入时间/T最大)，其中k是预设的灵敏度常数，其可以针对需要较快灵敏度增加的患者被调得较高，以允许针对需要较快循环的患者快速循环至呼出。在一个实施例中，T最大或期望的吸入时间是由以前的呼吸确定，例如来自以前正常呼吸(包括咳嗽)的平均吸入时间。可选地，T最大可以是预设的最大吸入循环时间。所述经过的吸入时间T经过的吸入时间计数器可以在呼出的过程中被设为0，并且在吸入的开始处开始计数。例如，阈值可如下被设定：
临时阈值＝(k*T经过的吸入时间/T最大)*最大阈值
如果临时阈值＜最小阈值，则
将阈值设定为最小阈值
否则，如果临时阈值＞最大阈值，则
将阈值设定为最大阈值
否则
将阈值设定为临时阈值
其它的方案可以被利用，以便作为吸入时间的函数改变循环阈值。例如，同步阈值可以被设定为(a)在期望的吸入时间的第一部分的过程中为最小阈值，例如期望的循环时间的大约25％，(b)在期望的吸入时间的中间部分的过程中从最小阈值直线上升至最大阈值(例如，期望的吸入循环时间的接下来的大约50％)，以及(c)针对期望的吸入时间的最后部分的最大阈值(例如，期望的循环时间的最后的大约25％)。这种函数可以是由阈值因子或阈值灵敏度函数实现，如图2B的曲线所示。利用图2B的函数，用于循环的同步阈值可以由以下公式计算：
阈值＝Ts(t)*峰值流量
其中：
Ts(t)是吸入循环时间的阈值灵敏度函数，其导致了0与1之间的因子，如图2B中的曲线所示；并且
峰值流量是峰值吸入流量。
在图2B所示的曲线中，在吸入循环的第一部分的过程中，因子可以是0或较小值(例如，0.10)，并且随着循环进行，因子可以直线增加至最大值(例如，0.60)。本领域技术人员将清楚不同形式的因子曲线，其可被制造用于阈值灵敏度函数，其在循环中在一段时间内增加阈值的灵敏度，以实现有效的循环阈值。在本发明的所有实施例中，阈值大体从吸入的开始增加至吸入的结束。在一种形式中，增加的速度是恒定的。
在另一个实施例中，如图3所示，阈值可以作为单调增函数而直线增加。增加曲线可以在吸入的开始处为0流量，并且随着呼吸循环的吸入部分进行而增加。该实施例可通过参看图2的实施例所述的公式而实施，即通过将最小阈值设定为0并且将灵敏度常数设定为1。最大阈值可被设定为峰值流量的某些期望的百分比。在这种方式中，随着患者的吸入时间达到期望的时间或某些预定的最大时间，循环阈值将逐渐直线上升直至峰值流量的预设的最大百分数。可选地，参看图2B的灵敏度函数，因子的曲线可在0开始，并且增加至较高的值。清楚的是，在计时呼吸的情况中，因为流量在计时呼吸的开始处大体为零或为负，所以该算法将造成直接循环，这是因为实际流量小于0的循环阈值。因此，该循环阈值函数正如所述可仅仅应用于触发式呼吸，但是可结合用于绝对不应期(在可出现循环之前最小吸入时间)，其允许用于由呼吸机所发出的压力支持的时间，以使得流量在绝对不应期的结束时显著为正。(可选地，可以将循环控制为在流量仅仅沿向下的方向交叉阈值时发生。)
在一个实施例中，不应期被实施为在特定的时间时期的过程中，阻止循环至呼出。例如，这种实施方式在图4的曲线中示出。在图4中，恒定的阈值被示出具有不应期，其是吸入时间的函数。在所示的实例中，循环阈值在吸入的开始不执行，因而在不应期的过程中停止循环。尽管循环阈值可处于期望的百分比的峰值流量，其适合地循环呼吸机，在不应期的过程中，其可被设定为将停止循环的级别(例如，-4*峰值流量)。然而，在不应期消逝之后，阈值升高，以返回至期望的可操作的阈值级别。例如，阈值可被设定为在吸入循环(T最大)的期望时间的首先25％的过程中不执行，如下：
如果(T经过的吸入时间＜0.25*T最大)，则
阈值＝-4*峰值流量
否则
阈值＝0.25*峰值流量。
类似地，这种不应期可实施用于图3和4中所示的早期的实施例的增函数。例如，如图5的循环阈值所示，限于最小阈值与最大阈值之间的增函数在吸入的早期部分的过程中具有不应期，并且仅仅在其后有效。
之前所述的实施方式的各种不同的方面可被组合以形成用于同步呼吸机的其它动态阈值。一种这样的组合示于图6中。在该曲线中，在循环的第一时间部分的过程中，不应期被加强。在循环的接下来的时间部分(A)中，最小阈值被应用。在随后的时间部分(B)中，阈值从最小阈值直线上升至第二分层阈值。在第四时期(C)过程中应用第二分层阈值。最后，在最后的时期D中，阈值是从第二分层阈值到最大阈值的增函数。
计时式和触发式呼吸的呼吸机理各不相同。在计时式呼吸中，呼吸流在呼吸的开始时显著为负，并且仅仅有时在呼吸开始之后或者根本不出现患者自主呼吸。由于较低压力支持级别，可出现早期循环，尤其如果循环阈值是固定值或是一定比例的峰值流量的最大值以及某些固定的最小(正)循环阈值。在压力支持伺服呼吸机的情况中，其中压力支持级别在自主呼吸的时间过程中可以相当低，结果可以是，在从触发式呼吸过渡至计时式呼吸之后的首先一个或两个呼吸可以是相对无效的，并且肯定比没有出现早期循环的情况更低效。为此和其它原因，存在这样的优点，即具有用于计时式和触发式呼吸的不同的循环阈值算法。
在某些情况中，大体在计时式呼吸的过程中，具有这样的优点，即针对某些比例的吸入具有缓和的负循环阈值。这意味着可由患者自主呼吸中止吸入，而并不将消极中止。在负循环阈值的过程的结束时，循环阈值可以朝向更负的值突然地或平稳地改变。
在吸入时间的部分或全部的过程中的循环阈值可以是某些预定的恒定值以及某些诸如(瞬时)峰值呼吸流量的呼吸流量这两者的函数。
在优选的实施例中，多个这些特征被组合，从而在计时式呼吸过程中的循环算法如下：
设有最大吸入时间TiMax，在该时间，将出现循环而不管任何其它状态。TiMax被设定为这样的值，其对于计时式呼吸是合理的；例如，如果计时式呼吸循环(备份速度的倒数)是TTotTimed，则TiMax等于用于治疗的患者的合理的吸入分数(大体在0.25与0.4之间)乘以TTotTimed。
针对处于[0，TiMax/6)内的吸入时间而言，不能出现循环。
针对处于[TiMax/6，TiMax/3)内的吸入时间而言，循环阈值是稍微较小的负值QCycMin，例如-0.1l/s。
令QPeak(Ti)代表吸入时间Ti的瞬时峰值流量。
令QPeakPos(Ti)＝max(瞬时峰值流量QPeak(Ti)，0)
针对处于[TiMax/3，TiMax*2/3)内的吸入时间Ti，循环阈值QCyc是由该吸入时间区间开始处的值QCycMin与等于该吸入时间区间结束处的一定比例的QPeakPos(Ti)的FCyc的阈值之间的插值确定，尤其根据：
QCyc＝(Ti-TiMax/3)/(TiMax*2/3-TiMax/3)*(FCyc*QPeakPos(Ti)-QCycMin)+QCycMin
针对处于[TiMax*2/3，TiMax)内的吸入时间Ti而言，循环阈值QCyc是由一定比例的QPeakPos(Ti)的FCyc确定。
尽管本发明在其全文说明书中参照所述的各种不同的实施例进行了说明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的不同原理的示意性应用。在不脱离本发明的精神和范围的前提下，处于在此所述的本发明的示意性实施例以外，还可以提供多种改型，以及其它结构。例如，尽管在本说明书中已经大体图示的方式示出了循环阈值，但是类似的阈值可以被实施作为用于吸入的触发阈值。

Claims (19)

1.一种呼吸机，其在呼吸的吸入循环和呼出循环过程中将不同压力的空气输送至患者，并且在患者的呼吸流量越过一定的阈值级别之后，所述呼吸机从吸入操作循环至呼出操作，其特征在于，所述阈值作为时间的函数从吸入的开始至吸入的结束增加。
2.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，在至少一部分所述吸入循环的过程中，所述阈值线性增加。
3.根据权利要求2所述的呼吸机，其特征在于，在吸入循环的最初部分的过程中，停止所述呼吸机的循环操作。
4.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，所述阈值从最小值增加至最大值，其中所述最小值和最大值都是峰值流量的函数。
5.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，所述阈值从最小值增加至最大值，其中每个值为峰值流量的相应百分比。
6.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，所述阈值从最小值增加至最大值，其中每个值是高于零值的相应预定量。
7.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，所述阈值作
为吸入经过时间和期望的最大吸入时间这两者的函数从最小值增加至最大值。
8.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，所述阈值从最小值增加至最大值的速度针对个体患者的需要是可调的。
9.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，所述阈值从最小值增加至最大值的速度是通过以前呼吸而确定的。
10.根据权利要求9所述的呼吸机，其特征在于，所述阈值从最小值增加至最大值的速度基于预定数量的以前正常呼吸的平均吸入时间。
11.一种呼吸机，其在呼吸的吸入循环和呼出循环过程中将不同压力的空气输送至患者，并且依据患者的吸入流量，所述呼吸机从吸入操作循环至呼出操作，其特征在于，随着吸入的进行，所述呼吸机作为时间的函数对循环启动的灵敏度逐渐增加。
12.根据权利要求11所述的呼吸机，其特征在于，在至少一部分所述吸入循环的过程中，灵敏度线性增加。
13.根据权利要求11所述的呼吸机，其特征在于，在吸入循环的最初部分的过程中，停止所述呼吸机的循环操作。
14.根据权利要求11所述的呼吸机，其特征在于，灵敏度随着峰值流量而增加。
15.根据权利要求11所述的呼吸机，其特征在于，灵敏度随着吸入经过时间的变化而增加。
16.根据权利要求11所述的呼吸机，其特征在于，灵敏度随着吸入经过时间以及期望的最大吸入时间这两者的变化而增加。
17.根据权利要求11所述的呼吸机，其特征在于，灵敏度增加的速度针对个体患者的需要是可调的。
18.根据权利要求11所述的呼吸机，其特征在于，灵敏度增加的速度是通过以前呼吸确定的。
19.根据权利要求18所述的呼吸机，其特征在于，灵敏度增加的速度基于预定数量的以前正常呼吸的平均吸入时间。
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