专利名称：用于治疗阻碍性睡眠窒息的人工呼吸机及其控制方法
技术领域：
本发明涉及具有权利要求1的前序部分所述特征的用于治疗患有 阻碍性睡眠窒息的病人的人工呼吸机及其控制方法。
背景技术：
用于治疗阻碍性睡眠窒息的人工呼吸机产生人工空气，它具有比 自然空气更高的压力并在睡眠时通过一根呼吸软管和一个面革送给被 治疗的病人。
在睡眠时肌肉收缩减弱，喉部呼吸道软组织可能萎靡，睡眠者面 临窒息的危险。所形成的呼吸停止称为阻碍性睡眠窒息。软呼吸道萎 靡的原因是其中的压力下降，此压力下降由呼吸气流的高速度引起。 结果呼吸道在舌根和软腭区域中不能再经受住与外界正常环境大气压 的压差。它们相互挤压并关闭气流通道。进一步作用的肺部抽吸力加 强了这个关闭，从而使病人可能在数十秒长时间内不吸入空气。在每 个夜晚睡眠时这个过程会发生数百次。长时间的结果是生活质量下降、 心脏一循环系统疾病并且使一般寿命期望下降。
当 一个患有阻碍性睡眠窒息的病人呼吸人工空气时，在喉部人工 空气的压力比自然环境大气压至少高出流动所需的压降，于是喉部软 組织能够不再萎靡。病人重又能自由和自发地吸收，并且睡眠窒息的 数量减小到健康人的水平。为此，人工空气由人工呼吸机产生，并且 通过一根呼吸软管和一个呼吸面罩馈送给病人。
产生具有始终恒定的治疗压力的人工空气的人工呼吸机被称为
CPAP (持续正压通气)设备，它已为人们所熟悉，
在病人呼吸道中的空气流动不是无阻力地进行的。在长度上分布
的层流和湍流的阻力分量起阻碍作用。阻力分量是鼻道阻力、咽喉中 软壁呼吸道的阻力和支气管的阻力。湍流阻力的大小与流强度有关。
病人的呼吸道阻力和设备的流阻力是串联的。设备的内阻力可由 相应的设备控制器施加影响。当设备的流阻力被实现为负的并从而反 作用于病人的正呼吸道阻力作用时，实现了较小的呼吸肌负担。负的
阻力具有相反的压力流关系。涉及到CPAP设备内部的流阻力，如果 向病人方向施加空气流，设备应产生较高的压力；如果病人向设备方 向呼出空气，设备应产生较低的压力。
在吸气时产生较高的治疗压力而在呼气时产生较低的治疗压力的 CPAP设备已知作为两级设备(例如RESPIRONICS公司的名为 BIPAPR 的设备)，为了确定从吸气到呼气的转换以及倒转过来从呼 气到吸气的转换，此设备具有一个处理器，它被称为呼吸起动器。当 病人由于其它疾病已具有通常升高的呼吸道阻力时，或者当采用 CPAP设备的治疗只有用非常高的治疗压力才有效时总是应用两级设 备。
两级设备的压力控制与用于人工呼吸的人工呼吸机的压力控制是 可比较的。其缺点在于只存在两个压力等级，它们与相应呼吸深度无 关地被预先给定，而不可能匹配于呼吸深度。由呼吸起动器引起的压 力转换造成一个矩形的人工呼吸压力变化曲线，并从而对呼吸道阻力 没有最佳的补偿。从较低到较高压力等级的转换短时间地形成一次人 工呼吸，这时空气被压入肺部。在从高到低压力等级的转换中由于开 始时高的呼出流而可能造成小呼吸道的收缩，甚至妨碍了呼气。这种 现象对病人来说是不舒服的，并可以通过以下方式被减轻从一个压 力等级到另一个压力等级的转换不是严格的矩形变化曲线，而是渐变的。
两级设备的使用舒适度决定性地受到呼吸起动器的正确功能影 响。恰好在呼气阶段结束时，这时呼吸气流几乎没有了，还出现空气 颠动，因为心脏跳动有节奏地影响被压缩的肺部容积和由此形成的空 气流。所以呼吸起动器不能精确地识别一次呼气的结束，并且病人具
有这样的感觉压力切换经常在错误的时刻进行。
发明内容
因此本发明的目的在于给出一种治疗睡眠窒息的人工呼吸机，它 在应用时明显降低了病人呼吸肌的负担，使得治疗过程更舒适，并且 可能减轻治疗滞后的结果。另一方面本发明给出了用于控制这种设备 的方法。
这一任务由具有权利要求1所述特征的人工呼吸机完成。从属权 利要求2至5给出了这种人工呼吸机的具有优点的改进。
该任务的另一解决方案是一种如权利要求6所述的用于控制这种 人工呼吸机的方法，权利要求7和8给出了这种方法的具有优点的改 进。
根据本发明的人工呼吸机包括一个压力发生器，它可以提供直至 一个可自由选择的极值的任意压力，并且由一个压力调节装置进行控 制。人工呼吸机利用所述压力发生器、例如一个鼓风机产生人工空气， 其借助于呼吸软管和呼吸面罩被馈送给病人。
按照本发明，包含在人工呼吸机中的控制器-该控制器在一个具 有优点的改进中可以是一个伺服处理器(见权利要求3)-确定呼吸 道阻力上的压力损失，并且使治疗压力变化基本成正比地匹配于所确
定的压力损失变化。
在一个具有优点的改进中，控制器被设置为由病人的呼吸气流和
呼吸道阻力的大小计算出呼吸道阻力上的压力损失。为此，人工呼吸 机具有一个用于确定呼吸气流的装置。病人的呼吸道阻力可在外部确
定并以输入数据的形式通知人工呼吸机，或者像权利要求4所述的具
有优点的改进那样，借助于集成在人工呼吸机中的测量装置自动地持
续或间歇测量此阻力。
作为具有优点的改进，呼吸道阻力的连续或间歇测量例如可以借
助于一个规范的压力或气流信号进行。这样，呼吸道阻力的变化在对
根据本发明的人工呼吸机进行控制时总是立即被考虑.由于从人工呼 吸机馈送空气通常通过鼻罩进行，并且鼻子的流阻力存在相当大的变 化，呼吸道阻力的连续测量尤其是补偿鼻子呼吸的不同大小的障碍的 一种途径。
本发明所述人工呼吸机的另一个具有优点的实施例是将新颖的特
性与长久以来已知并在专利文献例如EP 0705615A1中说明的、按照 用于求出最佳基础压力的自动调节原理(Auto-CPAP)工作的设备的 工作方式的组合(参见权利要求4 )。 一个根据本发明利用这种组合装 配得到的人工呼吸机自动确定有效的基础压力，它同样可以随病人身 体构造而改变。
如果不采用上面所述的具有优点的实施例，不仅基础压力、而且 呼吸道阻力都可用外部装置确定，并固定输入到本发明所述的人工呼 吸机中。
利用本发明所述人工呼吸机所要取得的效果是一个吸呼力放大器 的作用，它以匹配的压力升高来支持吸气动作，并以匹配的压力下降 来支持呼气动作。这种作用可以与汽车的转向力放大器或制动力放大 器的作用相比较。
通过以下方来获得舒适的呼吸不仅是吸气时的压力升高、而且 呼气时的压力下降都近似正比于呼吸阻力上的压力损失而进行。为此 目的，在已知呼吸道阻力的情况下，压力损失作为呼吸阻力和呼吸气 流平方的一部分的乘积来计算，因为湍流阻力随流速线性增长。上述 部分所占比例由呼吸力放大的程度来决定.
同样具有优点的是，匹配于不同的睡眠状态，这种睡眠状态已知 通知不同的呼吸参数来区分，如呼吸频率和呼吸量。以这种方式来避 免在呼吸强度很小时人工呼吸机的参与，其方法是最大吸气压力与最 小呼气压力之间的差自动减小。相反在呼吸强度很大的情况下，最大 吸气压力与最小呼气压力之间的差相应增大。
此外，可借助控制器由预先给定的强度确定人工呼吸机是补偿呼 吸道阻力上的全部压力损失还是补偿其中的一部分(参见权利要求 6)。为此目的，控制器的输出信号与预先给定的基础压力信号相加，
并作为主导参量被馈送给压力调节装置(参见权利要求7)。
下面借助一个实施例详细说明本发明。附图中
图1示出根据本发明的人工呼吸机的一个实施例的方框图，以及
图2对于在确定治疗压力pact时所考虑压力损失Ap的不同大小比
例的部分示出呼吸空气流K、压力损失Ap、治疗压力Pw和肺内压力
p^的信号变化曲线。
具体实施例方式
图1所示方框图示出了根据本发明的人工呼吸机l的一个可行的 实现方案。
为了产生压力，在人工呼吸机中具有一个压力发生器3，这里采 用鼓风机的形式，和一个振荡泵4，此泵产生具有小的振幅的振荡压 力变化。两个压力在一个相加位置5上相加得到一个和压力，并通过 一个流阻Ri和一根呼吸软管6导入呼吸面革7。这样在流阻Ri上形成 一个与呼吸机气流^有关的压降。流处理器8由呼吸机气流^的信号 确定出呼吸气流^的信号变化过程，它通往病人2的肺部。这是通过 计算漏泄气流&的变化过程并将其从呼吸机气流&的变化过程中减去 来实现的。漏泄气流是通过泄气阀Rl(通常情况下它只是通向外部的 一个开口)的残余气流，以及通过其它寄生出气口、甚至通过面革的 非密封部分的气流。
治疗压力pa"的测量在呼吸面罩7(通常它只是一个鼻革)中进行。 从面罩测出的压力被送到压力处理器9，它提供两个输出信号。在输 出端A上的信号表示实际的恒定压力分量，并作为实际压力被送到压 力调节装置10。此装置将实际压力与相加器11提供的额定压力进行 比较，额定压力包含了人工呼吸机l的预先给定的基础压力p。作为其 分量。额定压力与实际压力之间的差以这样的方式调节压力发生器3 所产生的压力大小，使得尽可能不出现残留的调节偏差.
压力处理器9的输出端B上的另一个信号表示呼吸面罩7中的交 变压力。此压力是由振荡泵4产生的。然而其振幅与存在的所有阻力 的大小比例关系、流阻Ri、病人2的呼吸道阻力Raw以及泄流幵口的 流阻RL有关。为了更好地理解，图中示出了病人的配合度C和呼吸 泵P，然而它们对本发明所述的人工呼吸机1的功能没有贡献。
流阻Ri和泄流开口的流阻Rl的大小是已知的，从而压力处理器 可以计算呼吸道阻力RAw上的交变压力，它是对该阻力大小的一个度量。
测量结果通过切换开关12传送给伺服处理器13，它通过考虑已 确定的呼吸气流^计算呼吸道阻力RAw上的压力损失Ap,并由预先给
定的强度int来分析应由人工呼吸机1补偿消耗在呼吸道阻力R認上
的全部压力损失Ap还是只补偿其中的 一部分。
通过操纵切换开关12，伺服处理器13的阻力输入可以切换到人 工输入的阻力值Rawx上。在这种工作方式下， 一个外部确定的呼吸 道阻力可被固定地预先给定，这对于某些应用可能是有意义的。
祠服处理器13的输出信号和预先给定的基础压力p。借助于相加 器11相加得到用于由压力调节装置10处理的额定治疗压力pact。
图2以信号关系示出根据本发明的人工呼吸机l的工作方式。为 便于识别该过程，该过程被简化并被考虑为正弦形激励。
一旦病人2的呼吸泵P表明了吸气期和呼气期，肺的容积(配合 度)C通过呼吸气流^被充气和放气。此呼吸气流^流过呼吸道阻力
RAW，在其上消耗了一部分治疗压力Paet。在压力消耗Ap与气流之间
不存在线性关系，而是一个近似平方的关系。因此如图所示，压力消
耗Ap的时间变化曲线不再是正弦形的。
采用本发明所述人工呼吸机时，治疗压力Paet连续地改变压力损 失的一部分量。
当这个部分所占比例为零(该图中的左图)时，治疗压力Pact在
时间上不发生变化。由吸气和呼吸引起的周期性波动的压力损失Ap变
化在此情况下完全反映了肺内压力PL。对于人工呼吸机的使用者而
言，这意味着基于其呼吸阻力RAM的呼吸障碍无例外地必须通过其呼 吸肌来克服。
随着该部分所占比例加大(该图中中间的图(比例=0.5)和右图 (比例-l))时，由吸气和呼气引起的周期性波动的压力损失Ap的变
化被越来越多地转移到治疗压力Paet的波动上。结果，肺内压力P^的 波动以相同的程度减小。对于使用者而言，这意味着其呼吸力量变小。 为克服呼吸道阻力RAW所需的呼吸工作以增大的比例被压力发生器接 管。具有较高呼吸道阻力RAW的使用者为了正常的吸气或呼气过程不 必再需要很大的呼吸肌力量。使用者可以用一个非常小的肺内吸力或 压力实现相同的换气强度。
为了能求出呼吸道阻力Raw的大小，例如可以采用振荡的呼吸阻 力测量方法。
另一个可能是呼吸道阻力通过外部测量方法确定，并且所测得的 值或进一步确定的值被输入到人工呼吸机中。
采用本发明所述人工呼吸机可以治疗阻碍性睡眠窒息，其中借助
于压力发生器3产生人工空气，空气通过呼吸软管6和吸吸面軍7被 馈给病人2。同时人工呼吸机1如此改变人工空气的压力使预先给
定的人工空气治疗压力pw以病人2的呼吸道的呼吸道阻力Raw所消
耗的压力Ap的一个比例值被改变。优选的是，对于吸气或呼气预先给
定不同的比例值，以这个比例值来改变人工空气的治疗压力pact。
附图标记列表
1 人工呼吸机
2 病人
3 压力发生器
4 振荡泵
5 相加位置
6 呼吸软管
7 呼吸面罩
8流处理器
9压力处理器
10压力调节装置
11相加器
12切换开关
13伺服处理器
A输出端
B输出端
C肺容积(配合度)
int强度
P呼吸泵
P0基础压力
Pact治疗压力
PL肺内压力
Raw呼吸道阻力
Rawx外部确定的呼吸道阻力
Ri流阻
RL流阻
&呼吸机气流
漏泄气流
呼吸气流
压力损失
权利要求
1.用于治疗阻碍性睡眠窒息的人工呼吸机，它具有一个用于产生具有治疗压力(pact)的人工空气的压力发生器(3)，一个用于控制压力发生器(3)的压力调节装置(10)，以及一个呼吸软管(6)及呼吸面罩(7)，用于将压力发生器(3)所产生的人工空气馈送给病人(2)，其特征在于，具有一个控制器(13)，它用于连续确定落在病人呼吸道的呼吸道阻力(RAW)上的压力损失(Δp)，并用于使治疗压力变化过程基本成正比地匹配于所确定出的压力损失(Δp)变化过程。
2. 如权利要求1所述的人工呼吸机，其特征在于，它具有一个用 于连续确定实际呼吸气流(^)的装置(8)，并且用于连续确定呼吸 道阻力(RAW )的控制器(13 )由呼吸气流(^ )和呼吸道阻力(RAW )的值控制。
3. 如以上权利要求中任一项所述的人工呼吸机，其特征在于，控 制器(13)是一个伺服处理器。
4. 如以上权利要求中任一项所述的人工呼吸机，其特征在于，它还具有一个用于持续或间歇地自动确定呼吸道阻力(Raw)的装置。
5. 如以上权利要求中任一项所述的人工呼吸机，其特征在于，它 包括一个按照自动调节原理(自动CPAP原理)工作的装置，该装置 自动确定最佳的基础压力(p。)。
6. 用于控制以上权利要求中任一项所述的人工呼吸机的方法，其 特征在于，用于产生治疗压力(paet)的压力发生器(3)如此被控制 器(13)控制，使得人工空气的治疗压力以预先给定的基础压力(p。) 出发，通过改变实际确定的病人(2)的呼吸道的呼吸道阻力(Raw) 上消耗的压力(Ap)的比例值被调节。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，控制器(13)预先给 定一个强度信号，该信号确定人工呼吸机(1 )应补偿病人呼吸道阻力(Raw)上所消耗的压力(Ap)的全部还是只补偿其中的一部分。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，控制器(13)的一个输出值与预先给定的基础压力(P。)的值被一个相加器(11)相加， 并且得到的和信号作为由压力发生器(3)所调节的治疗压力(Pact) 的主导参量被传送到压力调节装置(10)。
全文摘要
本发明涉及用于治疗阻碍性睡眠窒息的人工呼吸机，它具有一个用于产生具有治疗压力(p<sub>act</sub>)的人工空气的压力发生器(3)，一个用于控制压力发生器(3)的压力调节装置(10)，以及一个呼吸软管(6)和呼吸面罩(7)，它们用于将压力发生器(3)所产生的人工空气馈送给病人(2)，其特征在于具有一个控制器(13)，用于连续确定落在病人呼吸道的呼吸道阻力(R<sub>AW</sub>)上的压力损失(Δp)，并用于使治疗压力变化过程基本成正比地匹配于所确定的压力损失(Δp)变化过程。这种用于治疗睡眠窒息的人工呼吸机在应用中明显减小了病人呼吸肌的负担，使得治疗过程变得更舒适，并且减轻了延迟治疗的后果。
文档编号A61M16/00GK101104092SQ20071012879
公开日2008年1月16日 申请日期2007年7月12日 优先权日2006年7月13日
发明者赫尔穆特·霍弗里希特 申请人:霍弗里希特有限公司