专利名称：用于控制呼吸速率的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于控制患者呼吸速率的系统和方法。更具体而言， 本发明的实施例涉及(例如，在双水平正气压系统中)控制气压的施加以 帮助患者降低他/她的呼吸速率。
背景技术：
高血压是一个在几乎所有西方社会中的重大问题，并是脑卒中和心脏 病的潜在诱因。被称为"无声杀手"的高血压在大约每四个美国人中就有 一个人受到其的影响，而在一些欧盟国家中发病率甚至更高。近期的研究 表明，多达80%寻求OSA治疗的患者在不知不觉中受到这种疾病的困扰， 于是还发现高血压是阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)患者群体中的共同致病 因素。
放慢呼吸己经被证明可有效降低高血压。确实，诸如瑜珈和气功的技 术重点是减慢人的呼吸，以有效地减轻压力并降低血压。近年来，已经揭 示出这种响应下方的生理机制通过如下事件链涉及到植物神经系统中的变 化
减慢呼吸的过程要求植物神经系统对血压进行更频繁的调节。
响应于这些频繁的变化，植物神经系统变得对BP变化(经由压力反 射)更加敏感。
压力反射被放大。
为了更好地调节BP，通过增强迷走神经活动并抑制交感神经活动(两者都用于降低BP),进行中央神经控制的重新调节。
若干研究支持利用放慢呼吸来降低高血压患者血压的想法。当前，一 种上市的装置(Intercure窗的RESPeRATE (FortLee， NJ))经FDA批准用 于治疗高血压。RESPeRATE装置被设计成利用视听提示来充当呼吸"教 练"，以引导使用者放慢呼吸速率。
在Gavish的美国专利5，800,337中至少部分描述了这种装置的工作。 Gavish公开了一种系统，其用于通过响应于用户生物节律活动的变化改变 对用户的输入的至少一个"非频率"特征来修改自然发生的生物节律活动。 Gavish的重点是不依赖于被监测的用户生物节律(例如呼吸)的总频率的 变化而影响总生物节律模式(同样例如为呼吸)的部分或区段的绝对持续 时间和相对持续时间。Gavish公开的给用户的输入包括音频、视觉或触觉 提示。
尽管已知有其他生物节律反馈方法，但仍需要不同的方法来影响患者 的呼吸速率或频率，以尤其诱发更低的血压等或简单地诱发改善的放松期 间。
发明内容
本文描述了一种一般称之为调整速度的(paced)呼吸(PB)方法的方 法，用于帮助患者通过利用正压提示，以治疗速率呼吸，从而降低他们的 血压等。
本发明的一方面是采用来自诸如可从Respironics (Murrysville， PA)买 到的双水平PAP (BiPAP)装置的适当装置的正气压(PAP)作为更自然的 本体感受信号，来指导患者以缓慢、对治疗而言意义重大的呼吸速率(例 如， <每分钟10次呼吸(BPM))来呼吸。本文公开的方法提供了一种供某 些患者降低他们血压的无药物方法，本发明还有其他生理学优点。
在一种可能的实施方式中，提供了一种方法，该方法监测患者或用户 的呼吸以确定用户的呼吸频率。可以认为呼吸包括吸气部分或时间和呼气 部分或时间。在用户呼吸的吸气部分期间，供应双水平PAP的HI压，而在 呼气部分期间，供应双水平PAP的LO压。然后将用户的呼吸频率与目标 呼吸频率进行比较。在用户的呼吸频率大于目标频率时，以预定方式增加供应双水平PAP的ffl压的时间，并调节供应双水平PAP的LO压的时间。 可以根据HI压时间和LO压时间之间的固定比率调节LO压时间，或者可 以调节LO压时间以与用户的实际呼气时间一致。本领域的技术人员将认识 到，除了正气压之外，压力提示的一个或多个可以是正压、负压或大气压。
本文所述的方法也可以维持计数器或计时器，以跟踪在预定时段内， 例如在给定一周内用户的治疗时间量。尽管不是关键性的，但这确实是重 要的特征，因为有过报道称，在8周时间内一些呼吸治疗要生效的阈值是 180分钟的缓慢呼吸。例如，可以利用公知的SmartCard技术来存储和报告 治疗数据。
另一种可能的实施方式可以包括结合Bi-PAP装置使用血压袖带(血压 计)以利用与常规xPAP机器中相同的报告技术来跟踪和报告血压。
其他效果
本文所述的诱发缓慢呼吸的方法和装置可能具有除治疗高血压之外的 效果。已经观察到类似的压力反射敏感性变化伴有疼痛的变化，于是该装 置可以具有痛觉减退效果。利用相关的自主影响，最终可以证明该治疗有 益于包括下面内容的其他障碍
偏头痛
焦虑(和紧张)
多动腿综合征
肥胖症
慢性疲劳/纤维肌痛 情绪障碍
分娩期间的慢模式呼吸 '在参考附图考虑以下说明书和权利要求书后，将更加明了本发明的这 些和其他目的、特征和特性以及结构相关元件及部件组合的操作方法和功 能，以及制造的经济性，全部附图构成本说明书的一部分，其中类似的附 图标记表示各图中的对应部分。然而应当明白地理解，附图仅仅是为了图 示和说明而不是意在定义本发明的限制。如在说明书和权利要求中所用的， 除非上下文明确做出不同说明，单数形式"一"和"该"包括多个所指对象。
图1描绘出根据本发明实施例的PB方法的示范性系统架构； 图2为根据本发明实施例由顶层驱动系统(TLDS)执行的示范性指令 序列；
图3示出了根据本发明实施例的示范性低层控制系统(LLCS); 图4A-C示出了根据本发明实施例的PB方法的若干操作情景。
具体实施例方式
本发明的实施例能够利用正压装置降低患者的呼吸速率。正压装置是 公知的，例如在美国专利6，105，575中被公开过，本文通过引用将其全文并 入。在这一相同领域中，持续气道正压(CPAP)已经使用了很多年并被证 明在促进均匀呼吸方面是有帮助的。还知道有吸气正气压(IPAP)，双水平 正气压(BiPAP)是吸气正气压的一个类别。在BiPAP中，为患者提供两个 水平的正气压(HI和LO)。根据本发明的原理适当控制BiPAP的ffl段和 LO段的时间选择能够更有效地帮助患者降低他/她的呼吸速率。
在这点上，根据本发明的实施例，调整速度的呼吸(PB)方法和相关 系统(本文将其统称为"PB方法")首先测量患者的呼吸速率，然后确定 最佳"机器吸气时间"(r吸气")和"机器呼气时间"(r呼气,，以充当呼吸
"教练"。r吸气"和r呼V^对应于在BiPAP疗法的情况下向患者施加hi或 LO压。通过设置r欲V^和r辨气PB方法可以帮助控制或影响患者的呼吸 频率。就控制而言，患者的呼吸速率为被测变量(5AP)，吸气和呼气的周 期(r欲^和7v气"是用于对呼吸频率进行反馈控制的控制变量。
pb方法优选由两层控制构成，但本领域的技术人员将认识到，可以将 本文所述的方法实现为单个程序设计模块或分成更大数量的模块或控制 局。如图i中所示，提供了
1. 在其中设置目标呼吸速率的顶层驱动系统(TLDS) 102，以及
2. 将目标呼吸速率(B/ ^^-)用作输入并根据预定控制逻辑设置机器吸
气和呼气时间(r吸V^和r呼气M)的低层控制系统(LLCs) 104。通过变量錄更蓊向TLDS 102提供反馈(下文论述)。
根据一个实施例并如下文所述，优选无论呼吸速率如何都将吸气和呼
气周期(r^"和r^M)设置为固定比率，使得用于对患者的呼吸进行反
馈控制的变量为呼吸频率。在患者可以比机器的目标呼吸速率更快地放慢
他/她的呼吸速率的情况下，TLDS 102经由LLCS 104发送的命令(即，万i ^^■^f)更新其目标呼吸速率。
顶层驱动系统
TLDS 102的整体目标是在例如至少IO分钟内将患者的呼吸(5及p)驱 动到尽可能低的频率。TLDS 102通过逐步降低目标呼吸速率(丑i 脉-)并 将该值发送到低层控制系统(LLCS) 104来降低患者的呼吸速率。TLDS 102 确定患者应该以什么速率进行呼吸，LLCS 104通过设置控制变量(r ，M 和rC对朋^f故出响应。图2描绘出示出了逐步降低目标呼吸速率以 帮助辅导患者更慢呼吸的指令序列的流程图。
图2中所描绘的变量定义如下
G-同步(S)模式中花费的时间 5i ^(A:)-目标呼吸速率
万i^(A)-患者平均呼吸速率
b^Ofc)-瞬时呼吸速率
"在当前呼吸速率花费的时间 总治疗时间
Z-S模式下的抽样周期
少-当前呼吸速率允许的最大时间
r圾气-患者的吸气时间
7V，-患者的呼气时间
为了逐步降低患者的呼吸速率，TLDS 102的步骤序列200以同步模式
(s模式)操作llcs 104时间量x (即r欲气"-r欲气，且r时"-r呼气)，
并监测患者的平均呼吸速率^^的，如步骤202和204所示。亦即，将机 器设置为精确跟踪患者的呼吸模式。在步骤206， 一旦完成S模式操作， TLDS 102以呼吸速率单位(朋。将目标呼吸速率降低到低于在S模式期间测量的当前平均呼吸速率，并使治疗定时器"复位，以确定下一个目标
呼吸速率更新和治疗时间的结束。在步骤208，在呼气结束时将呼吸计数k i口一。之后，在步骤210， TLDS102使计时器f复位，f表示在当前呼吸花 费的时间。
在每次呼吸结束时，TLDS 102在步骤212判断上一次呼吸(B及⑨)是 否处于或低于(示范性)10BPM (每分钟呼吸次数)。如果是这样的话，然 后在步骤214将呼吸周期加到治疗计时器&。如果治疗计时器还未达到如步 骤216所示的IO分钟或更多的总时间，然后，在步骤218， TLDS102査询 LLCS看是否有更新的目标呼吸速率。如果是这样的话，然后在步骤220更 新5i ^并开始新的循环。否则TLDS 102在步骤222判断是否是通过査询 计时器f (其指示在当前呼吸速率花费的时间)更新目标呼吸速率的时候。 更具体而言，如果到达了更新目标呼吸的时间(即，从上次更新目标呼吸 速率已过去时间量y，或t^时间y),则根据步骤224实现的以下规则再次 更新目标呼吸速率
1. 如果患者呼吸得比机器更慢(即，当前的目标呼吸速率大于或等于 患者的平均呼吸速率)，则将新的目标呼吸速率更新到平均呼吸速率减去一 个BRU (步骤226)。
2. 如果患者呼吸得比机器更快，则将目标呼吸速率设置为患者的呼吸 速率(步骤228)。所述值若是相等，执行步骤226以降低用户的呼吸速率。 仅在患者速率比机器更快时才优选将所述目标设置成患者的速率。
. 更简单地讲，如果患者呼吸得比机器更慢，则调节机器将患者的呼吸 推进到较慢的速度(pace)。否则，如果患者呼吸得比机器更快，机器"备 份"自己并将自己调节到患者的呼吸速率。
最后，如果在呼吸结束时不需要任何动作(即，不执行上述任一种情 形)，则对计时器f复位，TLDS等待另一次呼吸结束。如果在步骤212患 者的瞬时呼吸速率不低于10BPM,则不将呼吸周期加到总治疗时间^上， 该过程继续进行到步骤216。如果总治疗时间^大于如步骤216所描绘的例 如10分钟，则认为患者在至少10分钟内具有期望频率的呼吸速率，该过 程返回到S模式，如步骤230所示。低层控制系统
将TLDS 102产生的目标呼吸速率发送到LLCS 104，在LLCS处将其
用于确定要在当前呼吸循环使用的r级气"和r呼气。为了确定r欲气M和r^
的值，除了选择适当控制值之外，LLCS 104还使用公知的具有抗积分饱和 (anti-windup)机制的标准积分控制方程以为患者提供最大舒适度。
图3以方框图形式示出了支配所述控制机制的部件。具体而言，图示
为
1. 呼吸速率(BR)低通滤波器302，
2. 控制器304，
3. 状态机机构306，以及
4. 肺动力学308。
呼吸速率(BR)低通滤波器302 (通过监测肺动力学308)确定最后n 次呼吸的平均呼吸速率，并为控制器304提供患者的呼吸状态度量。控制 ^ 304利用滤波器呼吸速率的读数和目标呼吸速率来估算似乎足够当前呼 吸之用的f:。最后，状态机306以控制器304的输出作为参考并用其来
分别计算吸气状态和呼气状态的实际机器周期r欲V^和r时气下文描述表 达这些方框行为的详细方程。
为了确定f:的值，PB方法使用其方程类似积分控制器(参见方程(l) 和方程(2))的呼吸速率控制器。控制器304的目标是，在当前目标呼吸 速率和当前低通滤波处理后的患者呼吸速率之间的误差(e(t))增大时，增 大机器估计的吸气时间f::
刷=^标(小(1)
在这些方程中，k为当前呼吸次数，《Q为当前目标呼吸速率Si ^(A) 和滤波之后患者的当前呼吸速率5及p(^之间的当前误差信号，且f^(it)是要
由状态机306使用的机器估计吸气时间。 BR低通滤波器
在一个可能的实施例中，呼吸速率低通滤波器302使用单个FIR数字 滤波器来确定平均呼吸速率。支配该方框行为的示范性方程为m=0 (3)
其中，^^(Q为低通滤波器信号，BR(t)为呼吸k时的瞬时信号样本。
bm为权重因数。例如，对于简单移动平均而言bm可以是l/N。或者，bm可 以是加权平均。
状态机
状态机306确定提供给患者的机器吸气和呼气时间的实际值。如下所 示确定这些值
r吸气"W = maxff吸气"的r吸气) (4)
乂
r呼气,败吸气"w (5)
r呼气"W = min〔f呼J的,—^ W) ( 6 )" "
在方程(4)、 (5)和(6)中，A:表示当前呼吸，fC^)和fC^)是估 算的机器吸气时间和呼吸时间，4/0t)为患者的吸气时间，7P)为患者的周 期时间(即，给定的整个呼吸的周期)，t^"W和7^"(;t)分别代表实际的机
器吸气时间和呼气时间。
从方程(4)指出的是，机器实际吸气时间是由控制器估计时间和患者
的吸气时间之间最常的时间确定的。该机制提供了 一种鼓励患者延长他们
的吸气时间的方法。至于在方程(6)中患者的呼气时间，要指出的是状态 机306将会基于估计的机器呼气时间f二W或患者到呼气的时间 (rOt)-7^M(0)中的最短时间来结束呼气。如上所述，机器的估计呼气时
间是基于机器吸气时间7^M(;t)的固定比率(R)计算的(参见方程(5))。
为了更好地理解方程(4) - (6)的动力学，图4A-C示出了若干情景。 在这些图中，曲线图表示以IOBPM的患者呼吸，其中7^JW =2秒，7^M0O "4秒。
图4A的情况A示出了在f:W〈r级^(，寸，使得r吸气，)等于r吸气，)=2 秒。该情况还示出了在fC^)〉 7V^)时，因此t^，)等于t;D =4秒。 在情况A时，机器基本完美地与患者的呼吸一致。
图4B ^i情况B示出了在f:W〉r吸乂A)时的情况。在这种情况下， W^) = fCcW-2.5秒，且r扱乂^)-2.0秒。注意效果是如曲线图所示，将，患者较长时间提供IPAP ffl压。最终，图4C的情形C示出了在 iCw"呼气W好游像况。,这辨臂况K ;气,)寧ffC^h 3.5秒，机器 将在患者实际开始吸气之前开始另一吸气周期。
注意，LLCS的本质是基于逐次呼吸在两种可能的频率力或/2之间进行 选择。变量7i是由患者的呼吸速率定义的(参见图4A和4B的情况A和B)， /2被定义为固定比率CR)确定的固定较低频率(如图4C中的情况C所示)。
在选择预设频率力时，患者的呼吸速率力慢于装置的当前目标频率。 在这种情况下，希望机器经由TLDS降低其指导频率力。在这种情景中，状 i机306将更新发送到如图1和图2所示的当前患者呼吸速率(万^的)以 下的目标呼吸速率。
根据上述内容，本领域的技术人员将理解PB方法的实施例的新颖方 面。下文描述PB方法的其他优点。
如上文详细所述，PB方法使用压力提示指导用户的呼吸模式，使其达 到目标频率。这样一来，还可以配置输送除室内空气之外气体的装置以类 似方式工作。这种装置的范例包括输氧装置、麻醉装置、新鲜空气呼吸机 和呼吸式(或其他)药物输送装置。应当认识到，该提示可以是正压、负 压或大气压。此外，发明人还构思可以将本发明的独特特征并入利用任何 入可感知激励来提示用户的独立装置中。除了如上所述的基于压力的提示 外，该提示也可以是触觉的、视觉的或听觉的。
而且，因为该PB方法涉及到利用提供压力提示的装置同歩跟踪患者， 因此可以采用该方法跟踪睡眠开始。例如，如果在利用来自装置的压力提 示成功降低呼吸速率一段时间之后，患者(尽管经过若干次这种尝试)不 再能与PB方法同步，该装置可以假设用户已经入睡，不再能够以感知方式 与呼吸教练交互。在这种情况下，机器可以提供对睡眠开始时间的准确估 计。这一特征可以代表保健提供者的有价值的便利，因为它可以利用该装 置提供对真实睡眠时间的更精确估计，而不仅仅是"机器运行时间"。 ,如上所述，该PB方法并入了呼吸教练，该呼吸教练积极工作以降低用 户的呼吸速率。既有科学的知识也有轶事知识来支持这种措施能够降低压 力并诱发更放松状态的主张。数百万人在使用气功、瑜珈和其他深呼吸训 练来缓解压力和其他很多目的。这种行为修正的科学优点近年来已变得非常确实。
出于类似原因，可以将该PB方法用于治疗慢性疼痛综合征。该装置可 用于指示的机制还未得到充分认识，但该机制可能涉及到压力反射敏感性 的改变，这种改变作为中介引起了对高血压的显著效果。
同样出于类似原因，可以代替抗焦虑药或在抗焦虑药之外使用该PB方 法来抗击焦虑。
先前的证据证明深呼吸训练能够有效降低与高血压和压力相关的胆固 醇。据认为这些效果下层的机制可能涉及在几周深呼吸干预之后与压力反 射敏感性相关的中枢神经系统改变。胆固醇水平的变化是否是高血压和压 ^水平或一些并行现象降低的结果仍是未知。 ' 该PB方法在减肥程序中也可能有效。
类似地，该PB方法可能对注意力缺乏多动障碍(ADHD)的检测和治 疗有帮助。
而且，该PB方法可能对惊恐障碍的检测和治疗有帮助。 此外，因为该PB方法诱发放松和降低压力的技术特性，所以其也可以 适于监测用户感受到的"放松"水平。这样的测量可以包括 交感神经张力(张力测量法) 无创血压(经护套) 体积描记术 脉搏传导时间 皮肤流电响应 瞳孔直径
肌肉交感神经活性(MSNA)
尽管已经出于例示的目的而基于当前认为是最实际和优选的实施例详 细描述了本发明，但应当理解，这样的细节仅仅出于上述目的，本发明并 不局限于所披露的实施例，而是相反，意在覆盖权利要求书的精神和范围 之内的修改和等价设置。
权利要求
1、一种提供呼吸提示的方法，包括监测用户的呼吸并确定所述用户的用户呼吸频率，其中，呼吸包括吸气部分和呼气部分；基本与所述用户的所述呼吸同步，在所述吸气部分期间向所述用户供应正高气压，在所述呼气部分期间供应正低气压；将所述用户呼吸频率与目标呼吸频率比较；以及在所述用户呼吸频率大于所述目标呼吸频率时，以预定方式增加向所述用户供应所述正高气压的时间并调节向所述用户供应所述正低气压的时间。
2、 根据权利要求1所述的方法，还包括调节向所述用户供应所述正低 气压的时间以实现向所述用户供应所述正高气压的时间和向所述用户供应 所述正低气压的时间之间的预定比率。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中，将向所述用户供应所述正低气 压的时间设置成所估计的呼气时间和所述用户的实际呼气时间中的最小 值。
4、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标呼吸速率为每分钟IO 次呼吸或更少。
5、根据权利要求1所述的方法，还包括保持跟踪治疗时间并将所述治 疗时间与预定最大治疗时间进行比较。
6、根据权利要求1所述的方法，其中，以预定方式增加向所述用户供 应所述正高气压的时间的所述步骤包括将所述时间延长预定呼吸速率单 位。
7、 根据权利要求1所述的方法，还包括确定所述用户以给定呼吸频率 呼吸了多久。
8、 根据权利要求1所述的方法，其中顶层驱动系统向控制所述正高气 压和所述正低气压的低层控制系统供应所述目标呼吸频率。
9、 根据权利要求1所述的方法，还包括以预定方式连续增加向所述用 户供应所述正高气压的时间。
10、 根据权利要求1所述的方法，还包括计算所述用户的平均呼吸速率。
11、 根据权利要求1所述的方法，还包括计算所述目标呼吸频率和所 述用户的当前呼吸频率之间的差。
12、 根据权利要求1所述的方法，还包括供应除室内空气之外的气体。
13、 根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述用户对供应所述正 高气压的时间变化的响应性检测所述用户的睡眠状态的开始。
14、 一种减慢人的呼吸速率的方法，包括 向控制器供应呼吸速率目标；在所述控制器中至少部分基于所述呼吸速率目标和所述呼吸速率目标 与所述人的呼吸速率之间的误差值计算所述人的呼吸的估计吸气时间；至少部分基于所述估计吸气时间产生机器吸气时间和机器呼气时间；以及利用所述机器吸气时间和机器呼气时间分别控制供应给该人的HI气压 供应和LO气压供应。
15、 根据权利要求14所述的方法，还包括选择性地过滤表示该人呼吸动力学的信号来确定所述用户的呼吸速率。
16、 根据权利要求14所述的方法，还包括将所述机器吸气时间设置为 所述估计吸气时间和该人的吸气时间中的最大值。
17、 根据权利要求14所述的方法，还包括将所述机器呼气时间设置为 估计呼气时间和该人的呼吸周期与所述机器呼气时间之间的差中的最小 值。
18、 根据权利要求14所述的方法，其中，由双水平正气压装置(bi-PAP) 供应所述HI气压和所述LO气压。
19、 根据权利要求14所述的方法，其中，所述LO气压包括负压。
20、 一种用于控制双水平正气压(BiPAP)装置的方法，包括 将机器吸气时间设置为估计吸气时间和用户的实际吸气时间中的最大值；将机器呼气时间设置为估计呼气时间和所述用户的呼吸周期与所述机 器呼气时间之间的差中的最小值；以及利用所述机器吸气时间和所述机器呼气时间控制所述BiPAP装置中的 相应HI和LO正压时间选择。
21、 根据权利要求20所述的方法，还包括保持跟踪治疗时间并将所述 治疗时间与预定最大治疗时间进行比较。
22、 根据权利要求20所述的方法，还包括以预定方式增加所述估计吸 气时间。
23、 根据权利要求20所述的方法，还包括确定所述BiPAP装置的用户 以给定呼吸频率呼吸了多久。
全文摘要
一种用于提供呼吸提示的方法和对应系统包括监测用户的呼吸并确定所述用户的用户呼吸频率，其包括呼吸的吸气部分和呼气部分；基本与所述用户的呼吸同步，在所述吸气部分期间向所述用户供应高正气压，在所述呼气部分期间供应低正气压；将所述用户的呼吸频率与目标呼吸频率比较；以及在所述用户呼吸频率大于所述目标呼吸频率时，以预定方式增加向所述用户供应所述高正气压的时间并调节向所述用户供应所述低正气压的时间。
文档编号A61M11/00GK101528289SQ200780029765
公开日2009年9月9日 申请日期2007年8月11日 优先权日2006年8月11日
发明者E·威特, L·A·巴罗阿, T·柯比 申请人:Ric投资有限责任公司