用于估计呼气末肺容量的方法和装置的制作方法

专利名称：用于估计呼气末肺容量的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如在权利要求1的前序中限定的患者换气用呼
吸器， 一种如在权利要求8的前序中限定的控制装置，和一种如在 权利要求14的前序中限定的方法。
背景技术：
人的功能残气量(functional residual capacity, FRC )是指在常 压下呼气后的肺容积。呼气末肺容量(end-expiratory lung volume, EELV)的定义是在正常呼气结束时在经机械通气的患者呼吸道中 残留的气体体积。在呼气末正压(positive end expiratory pressure, PEEP)升高的情况下，即，如果呼气末的压力高于常压，则呼气末 肺容量将大于功能残气量。对于ZEEP (呼气末零压(zero end expiratory pressure ),即PEEP = 0 )， FRC等于EELV。
从临床观点来看，呼气末肺容量是有用的，因为异常低值可以 指示部分肺已经塌陷并且不能参与肺中的气体交换。因此，期望得 到一种简单的确定呼气末肺容量的方法，以便能够研究患者呼气末 肺容量随时间的变化，例如每隔一小时确定一次呼气末肺容量。这 种测量也可以在尝试打开肺的塌陷部位之前和之后进行，即所谓的 肺恢复术。因此，呼气末肺容量的测量可以作为其它测量值如动脉 02饱和度的补充，它提供与患者换气有关的有价值的信息。
在研究应用中，使用惰性气体洗出来确定呼气末肺容量。这更 加难以找到一种可接受的用于临床应用的方法。
Olegird等人在"Estimation of Functional Residual Capacity at the Bedside Using Standard Monitoring Equipment: A Modified Nitrogen washout/washin Technique Requiring a Small Change of the Inspired Oxygen Fraction" ( Anesth Analg 2005; 101:206-12 ) 中乂>开了一种利用氮气洗出估算FRC或EELV的方法。该方法利 用呼吸气中约10%的02浓度变化和约4分钟的程序持续时间可以 提供令人满意的结果，并且已经发现该结果即使在病危患者中也能
接受。在本文中，基于在洗出程序的开始和结束之间呼入的N2浓 度的变化来进行计算。
利用02或N2作为指示剂气体是有利的，因为这些气体已经可
以从呼吸器获得，而且对患者无害。 发明目的
本发明的一个目的是提供一种确定呼气末肺容量的可靠方法，
该方法从临床观点而言是可以接受的，并且会提供比Oleg&d等人 的方法更准确的结果。

发明内容
上述目的可通过一种用于患者换气的呼吸器来实现，其包括用于 提供呼吸空气给患者的装置、用于接收患者呼出气体的装置和所述呼 出气体的气体出口，所述呼吸器的特征在于包括控制单元，该控制单 元包括装置，所述装置基于每个呼吸周期的呼出体积及在第一时间点 和第二时间点的呼出气体中的>[2/02组成差异以及(对于第一和第二 时间点之间的每次呼吸而言)在每次呼吸中呼出的]\2/02组成的差异 和刚好在第二时间点之后的每次呼吸中呼出的N2和/或02的量来计算 由该呼吸器换气的患者的呼气末肺容量(EELV)，所述呼吸器的特征 在于其包括测量呼出气体中02浓度的测量装置，所述的测量装置配置 在气体出口附近。
所述目的还通过一种确定机械通气患者的呼气末肺容量(EELV) 的方法来实现，其中呼吸气体通过吸气管提供给患者，并且通过呼 气管排出，所述的方法包括以下步骤
-提供给患者包含第一固定的N2/02气体组成的呼吸气体，至少 直到在该患者的呼出气体中的所述N2/02气体组成恒定为止；
-在确定的时间点，至少一次将所述N2/02气体组成变为在所述 呼吸气体中的第二固定组成；
-测量所述患者在每次呼吸时呼出的N2/02气体组成的变化，直 到至少两次后续呼吸中呼出的o2浓JLi4^l定的时间点为止，所述测 量在^吸管的下游进行； '
-确定每次呼吸的气体总体积；
-基于第一和第二时间点之间的o2浓度变化确定患者肺的
EELV。
如果在呼气管下游测量气体的组成，则被测量的指示剂气体(o2 或N2)将只包括呼出的指示剂气体。当如同现有技术一样在Y片进 行测量时，02或N2浓度会变化很快，这是因为被测气体将在呼吸气
和呼出气之间变化。因此，为了可靠测量在该点的02或N2浓度，需
要非常快的传感器。通过在出口处测量，呼出气在第二管即输送来自 患者的呼出气体的管中混合，从而使呼出气体中02分数的变化更加平 稳。因此，即佳J吏用不太快的传感器，也可以以可靠的方式进行测量。
在一个实施方案中，控制单元设置为根据下式计算EELV:<formula>complex formula see original document page 10</formula>其中
VCen是在第一和第二时间点之间呼吸数为n的呼出气体体积；
Vsw是从气体输送阀到呼气侧气体分析点的呼吸器和患者管道系统 所包含的体积；
x是随呼出的N2/02组成线性变化的量； x"是在第一和第二时间点之间呼吸数为n的所述量的值。
Xbef。re是第 一时间点之前所述量的值；
xafto是在第二时间点或刚好在第二时间点之后所述量的值。
例如，X可以是气体的密度p、气体中02或N2的浓度、粘度、热
导率或任意其它随呼出的混合N2/02组成呈线性变化的量。 对于气体密度而言，上述方程变为
<formula>complex formula see original document page 10</formula>
其中 .
pn是在第 一和第二时间点之间每次呼吸中的气体密度；
Pbef。re是在第 一时间点前的气体密度；
Pafto是在第二时间点或刚好在第二时间点之后的气体密度。
控制单元可设置为根据下式计算呼<末肺容量(EELV):
皿卩^^3--「一
其中
VCen是第一和第二时间点之间的呼吸数为n的呼出气体体积；
02mixn是在第一和第二时间点之间的呼吸数为n的混合呼出气体中 的02浓度；
02mixafter是刚好在第二时间点之后的呼吸的混合呼出气体中的02浓 度；和
02miXbef。re是在第一时间点时的混合呼出气体中的02浓度。
优选地，控制单元设置为在计算EELV之前针对温度校正pn
、Pbcforc
和Pafter的值，以消除出现温度诱导漂移的风险，该漂移可干扰密度P 和气体组成的比例性。
根据一个优选的实施方案，其中该控制单元还包括通过在第一时 间点改变所述呼吸气体中02浓度的方式来控制由所述呼吸器提供给 患者的呼吸气体中02浓度的控制装置。
所述呼吸器还可包括用于测量呼出气体的体积流量的测量装置， 所述测量装置优选设置为靠近气体出口 。
在一个优选的实施方案中，所述测量装置包括超声传感器，设置 用于提供与向控制单元的气体流量相关的数据。
如果使用超声测量来确定气体的质量和体积流量，则无需单独的 气体浓度传感器。无需确定实际的气体浓度；可以使用随02或N2的
浓度线性变化的参数。该参iblL密度或是与密度呈比例关系的任何其
它^。因此，如果该超声传感器测量用于确定体积流量和质量流量， 则无需单独的02传感器或N2传感器。 *
改变&/02组成的步骤优选包括增加02浓度。第一组合物可包括
比提供给患者的正常N2/02空气组合物中更多或更少的02。
改变02浓度的步骤典型地包括将02浓度改变总体积的5%~ 30%单位，例如10%单位。 '
确定每次呼吸的气体总体积的步骤优选通过呼气管下游的体积传 感器来进行。
本发明还涉及如上文限定的呼吸器用控制单元。


下文将参照附图以举例的方式更详细地描述本发明，附图中
图1为从患者肺部洗出指示剂气体如SF6的图。
图2a为如果呼吸气中02量减少时从患者肺部洗出02的图。
图2b为呼吸气中的02浓度第一次和第二次变化之后患者肺中 的02浓度变化的图。
图3示出根据本发明第一实施方案的用于测量02洗出的测量装置。
图4示出根据本发明第二实施方案的用于测量02洗出的测量装置。
图5为本发明方法的总流程图。
图6示意性示出用于测量本身已知的通道中的气体流量的装置。
图7是根据本发明一个优选实施方案的一种可用于确定质量流 量的方法的总流程图。
具体实施例方式
图1示出根据现有技术的气体洗出的原理。在呼吸气中加入一 定量的惰性气体如SF6。实线表示患者吸入的呼吸气中SF6的分数。 虚线代表呼出气中SF6的分数。患者用含有SF6的气体换气直至患 者肺里的SF6的分数达到预定值，例如2%。患者肺中的SF6总体 积为Vsf6 = V#xfsf6，其中v肺是患者的肺容积；f^是sf6的分
数，即在该实例中为2%。因此，总的肺容积V肺-Vsf6/Fsf6。 页
从图1可见，当在^时刻从吸入气体中除去SF6时，在呼出气 体中SF6的浓度会渐近地下降至零。患者肺内的SF6总量可通过测
量直至42时刻患者呼出的SF6来确定，在该t2时刻，呼出气体中不
再含有SF6。
呼出的SF6的体积可表示为
<formula>formula see original document page 13</formula> (1)
根据本发明以及如现有技术已知的，作为添加气体并确定该气 体的总体积的替代方案，可以使用呼吸气中的其中一种气体，即 02或N2作为指示剂气体。然后，在规定的时间点处，分别降低02 或N2的浓度，并监测该气体的洗出。为了使对患者的副作用最小 化，优选02浓度在减少前增加一段时间。例如，可采取10%的步 幅进行增加和减少。
虽然本说明书是基于02的测量，但是技术人员很清楚也可以测 量N2浓度或02和N2的组合浓度。并且技术人员知道如何测量这
些不同气体的浓度。因为02和N2的浓度相互关联，因此在计算中
可以使用任何一种浓度。
图2a是4吏用02作为实例的图，其示出呼吸气(breathing gas) 和呼出气(expired gas )中02浓度随时间的变化函数。在该实例中， 呼吸气包含50%的氧气。呼出气包含45°/。的氧气。在时间t"呼 吸气的02浓度降至40%。然后，呼出气中02浓度会逐渐降低直至 达到新的02稳定值。这里所指的是部分洗出02。图2a示出洗出的 基本原理，例如，当测试人短时连接到呼吸器并且只用于测定EELV 的目的时，可以使用该洗出。如果患者通过呼吸器换气，则02的 浓度变化通常应该只是暂时的，如图2b所示。
图2b是显示优选情况的图，在此情况下，在第一时间点t3的 进行第一次02浓度变化。在第二时间点t4,呼出气中的02浓度再 次稳定。在第三时间点ts，进行第二次变化回到原来的浓度。在第 四时间点处，第二变化后的呼出气中的02浓度再次稳定。图2b表 示的过程是当患者连接呼吸器换气时的正常过程。
呼吸气中的02浓度用实线表示，呼气中的02浓度用虚线表示。
第一变化优选增加o2浓度以确保给患者供给充足的o2。如果o2
浓度太高而不可能增加，则第f变化可改为降低02浓度。
这样，可以得到两个EELV值第一次02浓度变化后的值和 第二次变化后的值。
改变02浓度的步骤通常包括按照总体积的5% ~ 30%单位例如 10。/。单位来改变02浓度。本文中提出的浓度从临床观点上是可以 接受的。应当指出的是长期暴露于过高的02浓度中可能导致氧中 毒。
可以有规律地获得EELV，例如在操作者设定的适合各个患者 状况的规律时间间隔内得到。例如，当EELV降至低于规定的阈值 时，可以通过自动^L警来增加监控。
图3示出患者的换气过程，患者由一对肺51表示。该患者利用 呼吸器53换气，该呼吸器通过Y片(Y piece) 55与患者相连，Y 片55将用于呼吸器提供的呼吸气的第一管道57和用于将患者的呼 出气移出的第二管道59与患者的肺以本领域常见的方式相连。众 所周知，呼吸气通常包含空气和02的合适比例混合物。呼出的空 气例如通过阀63从呼吸器的气体出口 61排入环境。通常，在Y片 55处进行C02、 02和气流的测量。Y片处的气流在吸入气和呼出 气之间交替变化，这意味着02含量变化非常快，这是因为每次呼 吸时气流都改变方向。；限据本发明，相反地，02的测量在气体出口 处进行，其中由于只测量呼出气，所以气体出口处的气体组成变化 更为平稳。
在此方法中，呼出气将在第二管道59中混合，使得呼出气中 02分数的变化将更加平稳，从而使测量更容易和可靠。如现有技术 中已知的，也可使用配有用于混合气体的大混合室和机械搅拌设备 的呼吸器。在这种情况下，使用非常慢的02传感器是可以接受的。 根据本发明，优选使用呼吸器里面已有的管道而无需任何额外的 室。
杬可在气体出口 61或阀63处测量气流。这是有利的，因为在 相同或实际相同的点处测量02的流量和分数会^^结果更可靠。如
图3所示，流量传感器65配置在阀63附近(阀63的上游或下游)，
02传感器67配置在气体出口 61附近。呼吸器本身和流量传感器
65以及02传感器67可由一个或多个控制单元控制，在图3中该控
制单元表示为一个控制单元69。传感器65、 67和控制单元69可以
外置，也可以为呼吸器53的集成部件。在图3中，控制单元69也
用于进行下文讨论的计算。当然，这些计算也可以在呼吸器的单独 计算单元或在外部单元中进行。
当在或邻近呼吸器的出口 61处进行测量时，换气系统的总容积 即患者的呼吸道、各个导管和呼吸器本身的容积必须在计算中加以 考虑。必须从结果中减去换气系统的容积以得到EELV。
图4示出与图3给出的装置稍有不同的呼吸器和测量装置。肺 51、呼吸器53、 Y片55、吸气和呼气管57、 59、出口 61、阀63 和流量传感器65基本如图3所述。与图3所示不同的是，气体组 成是在呼气管59的侧游(sidestream)确定的。在图4所示的实施 方案中，采样泵71配置在侧游用于在出口处进行气流采样。02传 感器73接收来自采样泵71的气体样品，并确定气体组成，尤其是 气体的02或N2的含量。来自02传感器73和流量传感器65的测 量结果送入微控制器75,其根据本发明执行计算。或者是配置微控 制器75例如通过USB接口与外部计算机通讯和与呼吸器通讯来控 制呼吸器的功能。然后，根据本发明必要的计算可在外部计算机上 进行。
根据本发明，用于流量和浓度测量的算法基于下述内容。
该算法要求呼吸气的组成十分稳定。这意味着呼吸器的吸气部 分必须十分可靠。组成的恒定误差是可以接受的，但组成应当理想 地不发生改变。而且，假定在整个测量周期内患者的02吸收恒定。 实验表明，这种情况在一定程度上需要提供可靠的测量方法。
假设洗出结束后02浓度的变化AF02 (F表示气体组分的体积 分数，在此为02)在肺的所有部位和系统的所有其它部分中都是相 同的。如果是这种情况，则在洗出期间的02供给量和排出量必定 不同，如方程(2)所给出的。 其中AF02 = F02bef。re - F02after。 V02out (单位升或m3)在 呼气侧测得。对于每个呼吸周期，测量通过阀63的02流出体积。 VCe02作为每个周期的呼出02体积(单位升或m3)由方程(3) 限定
rCe。2" = J一)'i702, (3)
F02(t)是在出口 61处测得的02分数。V02out是在洗出期间所有 周期VCe02n的总和。
参数VCe代表如方程(4)所给出的每周期呼出气体的体积 FCe" = JYe, (4)
^e(0是呼出流量传感器在规定的参考状态如AP21 (即大气压 和21'C)下测量的流量。
因此，VCe和VCe02为特定参考状态如AP21下的体积。
V02in是对气体体积的02净供给量，其包括两个部分
1. 在吸气侧来自02流入量的正面贡献，及
2. 来自患者氧吸收的负面贡献。
假定V02in可以作为所有呼吸的每次呼吸平均02流入^"002 之和得到。
洗出期间的V02out是循环体积VCe02n的总和。因此，方程 (2)可改写为<formula>formula see original document page 16</formula> (5)
在洗出期间，在将系统的吸气部中的阀调节至新02浓度后，假
设VCi02恒定。当洗出完成并且系统的02浓度达到新的平衡时， VCi02等于VCe02。因此，洗出后可由VCe02确定VCi02:
<formula>formula see original document page 16</formula>(6)
方程(5)可改写为
<formula>complex formula see original document page 17</formula>
VCe02n可随呼吸体积而改变，甚至在给患者机械通气时其可 一定程度地改变。为了得到波动较小的值，定义标准值02mix为 每次呼吸期间排出的02浓度
。2我=rCg02" (8) 将02mix插入方程(7 )中得到
最后假设在洗出期间或洗出后，每个周期的平均呼出气体体积 相同。这样，基于在洗出期间和洗出后测量的几次呼吸，可以得到
更可靠的VCeafter值。
<formula>complex formula see original document page 17</formula>
从方程(9)中消去VCeafter，最后可产生可用于确定呼气末肺 容量(EELV)的方程
(孤Z^ + ]^咖卜^^f^Ce" (。2附礼-02W ,) (11)<formula>complex formula see original document page 17</formula>
02体积浓度的变化，AFO2=O2mixbef0re-O2mixafter,可通过洗出 之前和洗出之后之间的02mix差来确定。02mixafter可以在i^为洗 出完成之后作为对于呼吸数(例如10)的平均值来确定。
总之，呼气末肺容量(EELV)可通过方程(12)计算得到
<formula>complex formula see original document page 17</formula>
02mix可通过方程(13)确定， <formula>formula see original document page 18</formula> (13)
每二呼吸周期所呼出的体积可通过对方程(14)和(15)积分 得到。
<formula>formula see original document page 18</formula> (14)
<formula>formula see original document page 18</formula> (15)
其中，^e(f)是通过对于特定参考状态如AP21的流量传感器测量的 流量。应该指出的是，PeW包含偏流量，在这种情况下，偏流量叠 加在呼出流量上。
如果系统容积Vsystem未知，则可通过Maquet Servo-i呼吸器中 预检验程序中使用的筒单方法将管道加压至一定水平(例如50 cmH20)并测量供气量来确定系统容积。
测得的02浓度反映出N2的变化，这是因为假设在呼出空气中 的其它气体不受测量影响。因此可依据最易测量的那个来测量02 或N2浓度。
体积流量可利用本领域内任意类型的流量传感器来测量，其包
括
差压流量传感器 热流传感器
涡流扩散传感器(vortex shedding sensor ) .超声传感器
气体浓度或组成可用本领域内已知的任意类型的02和N2传感 器来测量，其包括
电化学传感器' ，
顺磁传感器
激光二极管传感器 基于荧光的传感器
技术人员熟悉可根据本发日为使用的这些或其它类型的传感器。
当利用图6和7中的方法或图3和4中的任何一种02浓度的测 量方法时，由于利用了浓度中的两个变量的商，因此无需对02和 N2传感器进行偏移校准。与实际浓度相比，传感器具有线性特性就 足够了。
如上述所讨论的，可使用任何随混合的呼出1\2/02组成线性变 化的量来替代气体组合物的密度或气体中02和]\2的浓度。例如， 这些量是气体的密度、粘度和热导率。因此上述方程12的一般表 达式变为
<formula>formula see original document page 19</formula>(16)
其中
x是随呼出的1\2/02组成线性变化的量；和 Xn是在t和t2之间呼吸数为n时该量的值； 是在t时该量的值；
是在t2或刚好t2后的该量的值。
因此，在一般情况下，在图4中的02浓度传感器67可以是测 量随]^2/02组成线性变化的量的任意类型的传感器。
根据本发明的第二个方面的气体流量和间接浓度测量可利用本 领域中的任何已知手段进行。然而，利用结合图6和7讨论的方法 是尤其有利的。如果如上所提到的，像本领域常见的那样，用超声 传感器获得气体的体积流量和质量流量，则只需要一组传感器来确 定02的流量和分数或是在总气体中02分数的变化。因此，可以取 消另外所需的单独的02传感器。传感器65和67可用一个传感器 实现 '
为了使本方法奏效，我们只需要与真实气体浓度线性成比例的
浓度量，所以在方程9、 11和12中的浓度02mixn、 02miXbef。re和
02miXafter可用密度pn、 pbef。re和Pafter代替，使得方程12例如变为
其中Pn是第一和第二时间点(h和t2见附图2)之间呼吸数为n 气体的密度；
<formula>complex formula see original document page 20</formula>
是在^时间的气体密度；
<formula>complex formula see original document page 20</formula>
是在t2时间或刚过t2时刻时的气体密度。
为了消除温度导致的密度变量漂移的风险，测量方案中应增加 温度传感器，该温度传感器的可能会慢，这是因为该温度传感器的 主要作用是在测量呼气末肺容量过程中消除由慢温度漂移导致的 偏差。为简化起见，因为密度正比于气体浓度，所以同上，密度需 要从实际温度换算为标准温度下密度。
图5是本发明方法的总流程图。
在任选的步骤S1中，改变呼吸气的组成，即，尤其是02或N2
的浓度。
当变化后呼出气的组成稳定后，或者如果呼出气的组成无变化， 则在步骤S2中确定呼出气的组成。
在步骤S3中，再次改变呼吸气的组成。如果在步骤Sl中02 浓度增加，则在步骤S3中02浓度减少。如果在步骤S1中02浓度 减少，则在步骤S3中02浓度增加。
在步骤S4中，确定每次呼吸时呼出气的气体组成和体积。
在步骤S5中，确定在步骤S3中进行变化后的呼出气的气体组 成是否稳定。如果不稳定，则进行步骤S4 ;如果稳定则进行步骤 S6。
步骤S6:确定气体组成再次稳定后呼出气的气体组成。
步骤S7:基于洗出(或^入)之前、期间或之后的气体组成和 每次呼吸的气体体积确定来确定EELV。这可以例如通过方禾呈12、 16或17完成。
步骤S1是一任选步骤，进行步骤S1可以避免气体组成变化带 '给患者的负作用。如果在确定呼气末肺容量时，呼吸气的组成可以 改变且对患者无负作用，或患者只是为确定EELV而被换气，那么 步骤S1则无需执行，因此从步骤S2开始进行换气。
如果执行步骤S1，即呼吸气组成发生了初始变化，则呼气末肺 容量的测量也可或可选择地在步骤S2和S3之间进行的洗入或洗出 期间进行。为此，步骤S4-S7在步骤S2和S3之间进行，而不是在 步骤S3后或其它的步骤间进行。
将有利地得到两个EELV值 一个是呼吸气组成第一次改变后 的值， 一个是呼吸气组成第二次改变后的值。通过这种方式可得到 更可靠的值。
密度可通过超声传感器确定，这会在以下进行讨论。
在图6中，气流①穿过气流通道。根据现有技术，设置第一和 第二超声传感器Tl和T2用来测量通道中该气流。还包括压力传感 器P。如本领域中所常见的，传感器T1和T2均同时作为传送器和 接收器。脉冲序列由第一传感器T1送出，由第二传感器T2接收， 即基本上与气流方向相同。测量下游tofd。的飞行时间。然后脉冲序 列以相反方向由T2传送至Tl，并测量上游tofup的飞行时间。上 游飞行时间和下游飞行时间会不同并可用于指示气流体积。技术人 员熟悉这些方法。如本领域中所熟知的，传感器T1、 T2和压力传 感器P的相对位置可以变化。
根据本发明，可利用飞行时间tofup和tofd。和压力值一起根据 以下内容来确定气体的质量流量
从超声传感器获得的飞行信号时间用于计算两个值
1)，①aetuaP其正比于流速，因此正比于气体在特定状态下的
体积流量<formula>complex formula see original document page 21</formula> 2)caetual，其正比于气体中的声速
<formula>formula see original document page 22</formula>
在方程(18)和(19)中，ki和k2是校准常数，该校准常数取 决于传感器之间的距离。而且，、取决于通道的横截面积和穿过该 通道的流量分布。超声测量进行地^f艮快，典型地在十分之一毫秒内 完成，因此可给出O
actual Cactual
的基本瞬时值。下标"actual"表 示得到的流量和声速值，代表在当前气体状态即当前压力和温度下 的流量和声速。
根据方程(20)，声速取决于分子量(M)和绝对温度(T): 其中
Y是恒压恒容下的比热容量的商(Cp/Cv); RM是普适气体常数(RM =8.3143J/mol K) ;M是气体混合物的平均分子量(表示为kg/mol)， 以及T是绝对温度(表示为Kelvin )。
对于双原子气体而言，在至多约400K的温度时，所述商Y-1.40。
根据下述内容，所述体积流量可用于计算参考状态经过所述 超声传感器的质量流量可在给定的气体状态ip,T》或者在参考状态 下表示为体积流量乘以气体密度。即
体积流量^^V^Pn^-^VP^ (21) ①ref是在(理论)参考状态下的体积流量[m"s； pref是在参考状态下的气体密度[kg/m3； ①actual是当前状态下的体积流量[m3/s； Pactual 是当前状态下的气体密度[kg/m3；
因此，该方程可视为在理论参考状态下的体积流量的定义。
密度p由理想气体定律确定 <formula>formula see original document page 23</formula> (22)
代厶方程(20 )后得到(消去气体常数R和分子量M后)<formula>formula see original document page 23</formula>
基于当前状态的体积流量，方程(23)可用来计算所选对
{Pref，Tref}定义的参考状态下的流量。
根据本发明，可计算下列表达式的瞬时值<formula>formula see original document page 23</formula>(24)
因此，体积流量和声速的当前值①a咖w和Ca"^可从超声传感 器得到，同时从单独的压力传感器中得到当前压力。Y。是一常数因 子。
将方程(20)代入方程(24)，得到
<formula>formula see original document page 23</formula>(25)
通过与式(23)比较后，式(25)可改写为
<formula>formula see original document page 23</formula>
利用理想气体定律(22)，式(26)可改写为
<formula>formula see original document page 23</formula> (27)
这意味着如果选择非常接近于Y(t)的常数Y。，则表达式W(t) 可以被解释为通过超声传感器的瞬时质量流量(见方程21)。如果 Yo不是绝对正确的，只要y(t)基本恒定，则该表达式仍然产生一个 正比于质量流量的值。
总之，分别基亍来自超声传感器和压力传感器的测量教据(O
actual、 CactuaI}:^{pactual}，可立即计算下述表达式 <formula>formula see original document page 24</formula> (28)
假设正确选择了 y。因子，'则可以得到经过传感器的瞬时质量 流量。只要Y(t)基本恒定(中等温度下的双原子气体混合物就是这 种情况)，这样做是有效的。
从方程(27)可见，如果Y。A/(t)-l，则W(t)等于质量流量。 因此，如果Y。/y(t)-l，则质量流量可用方程(28)表示。
因此，根据本发明的方法可以总结为如图7所示
步骤ll:得到上游和下游的飞行时间信号；
步骤12:计算气体的瞬时体积流量和声速(方程(18 )和(29 ));
步骤S13:测量气流压力。
步骤S14:根据方程(28)计算真实体积流量、真实声速、 真实压力和常数Y。之间的关系，方程(28)可以被解释为通过超声 传感器的瞬时质量流量。
可以理解，步骤S13可以在步骤S14前的程序的任何一点进 行。如果必须通过单独的传感器来得到体积流量(该传感器可以是 本领域中已知的任意类型的传感器)，则可用筒化的方式获得飞行 时间信号。利用一个或两个垂直于气流的超声传感器可获得一个飞 行时间信号tof，而无需获得两个方向上的飞行信号。在这种情况 下，声速可根据对方程(19)做少许修改得到的方程Caetuaf2k2/tof 计算得到。
基于所测的质量流量和体积流量，可以确定气体的密度。特 定时间点的密度可基于在给定时刻瞬时质量流量和瞬时体积流量 的商来确定，如方程<formula>formula see original document page 24</formula>(29)所定义的。
作为替代方案，平均密度可以通过在一定时间周期例如方程 (30 )所示的一次呼吸期间流经管道的气体总质量和总体积的商来
确定 '
正如在引言中所解释的，人的功能残气量是指在常压下呼气后 肺的容积。呼气末肺容量(EELV)的定义是在一次正常呼气结束时， M通气患者呼吸道中残留的气体体积。在呼气末正压(PEEP)升高 的情况下，即如果呼气末压高于常压时，呼气末肺容量将高于功能残 气量。
权利要求
1.一种用于患者换气的呼吸器，其包括用于提供呼吸空气给患者的装置(57)、用于接收所述患者的呼出气体的装置(59)和所述呼出气体的气体出口(61)，所述呼吸器包括控制单元，所述控制单元包括装置，所述装置基于每个呼吸周期的呼出体积和在第一时间点(t1；t3；t5)和第二时间点(t2；t4；t6)的呼出气体中的N2/O2组成差异以及对于第一和第二时间点(t1，t2；t3，t4；t5，t6)之间的每次呼吸而言在每次呼吸中呼出的N2/O2组成差异和刚好在第二时间点(t2；t4；t6)之后的每次呼吸中呼出的N2和/或O2的量来计算通过所述呼吸器换气的患者的呼气末肺容量EELV，所述呼吸器的特征在于其包括用于测量随呼出气体中N2/O2组成线性变化的量的组成测量装置(67)和基于所述测量确定呼出气体中N2/O2组成的变化的控制装置(69)，所述测量装置(67)设置于所述气体出口(61)附近。
2. 根据权利要求l所述的呼吸器，其中所述控制单元设置为根据下 式计算呼气末肺容量EELV:<formula>formula see original document page 2</formula>其中VCen是呼吸数为n的呼出气体体积，x是随呼出的N2/02组成线性变化的量，和Xn是在第一和第二时间点(tb t2; t3， t4; t5, t6)之间的每次呼吸中 呼吸数为n时所述量的值，是在第一时间点(t1; t3; t5)之前所述量的值，Xafter是在第二时间点(t2; t4; t6)或刚好在所述第二时间点(t2; t4; t6)之后所述量的值。
3. 根据权利要求2所述的呼吸器，其中所述控制单元设置为根据下 式计算呼气末肺容量EELV:<formula>formula see original document page 2</formula>其中VCen是呼吸数为n的呼出气体体积，02mixn是在第一和第二时间点(tb t2; t3, t4; t5, t6)之间呼吸数为 n的呼出气体中的02浓度，02miXafter是刚好在笫二时间点(t2; t4; t6)之后的呼吸的呼出'气体中的02浓度，和02miXbef。re是在第一时间点U; t3; ts)之前呼出气体中的02浓度。
4. 根据权利要求2所述的呼吸器，其中所述控制单元设置为根据下 式计算EELV:<formula>formula see original document page 3</formula>其中Pn是在第一和第二时间点t25 t3, t4; t5,t6)之间呼吸数为n的所述气体的密度，Pbef。re是在第一时间点(t1; t3; t5 )的所述气体的密度，Pafter是在第二时间点(t2; t4; t6)或刚好在第二时间点(t2; t4; t6)之后的所述气体的密度。
5. 根据权利要求4所述的呼吸器，其中所述控制单元设置为在计算 EELV之前相对于温度校正pn、 pbef。re和pafter的值，以消除温度诱导 漂移的风险。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的呼吸器，其中所述控制单元还 包括通过改变第一时间点(t1;t3;t5)的所述呼吸气体中的02浓度的 方式来控制由所述呼吸器提供给患者的呼吸气体中o2浓度的控制装 置。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的呼吸器，还包括用于测量所述 呼出气体的体积流量的测量装置(65 ),所述测量装置设置于所述气体 出口 ( 61)附近。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的呼吸器，其中所述组成测量装 置包括至少一个超声传感器，所述超声传感器还用于测量所述气体的体积流量和质量流量o '
9.一种用于呼吸器的控制单元，所述控制单元包括装置，所述装置 基于每个呼吸周期的呼出体积及在第一时间点(^ )和第二时间点(t2)的呼出气体中的N2/02组成之间的差异以;SJ寸第一和第二时间点 t2 )之间的每次呼吸而言在每次呼吸中呼出的N2/02组成差异和刚好在 第二时间点(t2; t4; t6)之后的每次呼吸中呼出的.]\2和/或02的量来计 算通过所述呼吸器换气的患者的呼气末肺容量EELV。
10.根据权利要求9所述的控制单元，其中所述控制单元设置为根据 下式计算呼气末肺容量EELV:￡<formula>formula see original document page 4</formula>其中VCen是呼吸数为n的呼出气体体积，X是随呼出的N2/02组成线性变化的量，和Xn是在第一和第二时间点(tl512; t3， t4; t5, t6)之间的每次呼吸中 呼吸数为n时所述量的值，Xw是在第一时间点(t1; t3; t5 )时所述量的值，Xafter是在第二时间点(t2; t4; t6)或刚好在第二时间点(t2; t4; t6)之后所述量的值。
11.根据权利要求10所述的控制单元，其设置为根据下式计算呼气末 肺容量EELV:<formula>formula see original document page 4</formula>其中:VCen是第一和第二时间点(tl512; t3, t4; t5, t6)之间的呼吸 数为n的呼出气体体积，02mixn是在第一和第二时间点(tl512; t3, t4; t5， t6)之间的呼吸数 为n的呼出气体中的02浓度，02miXafter是刚好在第二时间点(t2; t4; t6)之后的呼吸的呼出气体 中的02浓度，02miXbef。re是在奪一时间点(t1; t3; t5)之前的呼出气体中'的02浓度。
12. 根据权利要求9~11中任一项所述的控制单元，其设置为基于从 超声传感器接收到的流量数据来计算EELV。
13. 根据权利要求12所述的控制单元，其设置为根据下式计算EELV:其中Pn是在第一和第二时间点(t1; t2; t3; t4; t5; t6)之间呼吸数 为n的所述气体的密度，是在第一时间点(t1;t3;t5)的所述气体的密度，Pafter是在第二时间点(t2; t4; t6)或刚好在第二时间点(t2; t4; t6) 之后的所述气体的密度。
14. 根据权利要求13所述的控制单元，其设置为在计算EELV之前相对于温度校正Pn、 Pbef。re和Pafter的值，以消除温度诱导漂移的风险。
15. 根据权利要求9 14中任一项所述的控制单元，还包括通过改变第一时间点(t1;t3;t5)的呼吸气体中的02浓度来控制呼吸器提供给 患者的呼吸气体中的02浓度的控制装置。
16. —种用于确定机喊通气患者的呼气末肺容量(EELV)的方法，其 中呼吸气体通过吸气管提供给患者并通过呼气管从患者除去，所述方 法包括以下步骤提供给患者包含第一 固定的N2/02气体组成的呼吸气体至少直到 在所述患者的呼出气体中所述N2/02气体组成恒定为止；在确定的时间点(t1; t3; t5)至少一次将所述N2/02气体组成变为 在所述呼吸气体中的第二固定组成；测量所述患者在每次呼吸时呼出的N2/02气体组成的变化直到至 少两次后续呼吸中呼出的02浓M^I定的时间点(t2; t4; t6 )，为止， 所述测量在所述呼吸管的下游进行；确定每次呼吸的气体总体积；基于第一和第二时间点(tb t2; t3, t4; t5， t6)间的02浓度的变化来 确定所述患者的肺的EELV。AUK =
17. 根据权利要求16所述的方法，其中所述改变1\2/02组成的步骤包 括降低02浓度。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中所述改变N2/02组成的步骤包 括增加02浓度。
19. 根据权利要求16~18中任一项所述的方法，其中所述改变02浓 度的步骤包括将02浓度改变总体积的5%到35%单位。
20. 根据权利要求16~19中任一项所述的方法，其中所述确定每次呼 吸的总气体体积的步骤是通过在呼气管下游的体积传感器进行的。
21. 根据权利要求16~20中任一项所述的方法，其中根据下列方程确 定所述EELV:其中VCen是呼吸数为n的呼出气体体积，x是随呼出的&/02组成线性变化的量，和Xn是在第一和第二时间点(tb t2; t3， t4; t5， t6)之间呼吸数为n的 每次呼吸中所述量的值，Xbef。re是在第一时间点(t1; t3; t5 )时所述量的值，Xafter是在第二时间点(t2; t4; t6)或刚好在第二时间点(t2; t4; t6)之后所述量的值。
22.根据权利要求21所述的方法，其中根据下列方程确定所述EELV:其中VCen是呼吸数为n的呼出气体体积，02mix,re是在第一时间点(t1;t3;t5)的呼出气体中的02浓度， 02mixn是在第一和第二时间点(& t2; t3， t4; t5, t6)之间的呼吸数为11的呼出气体中的02浓度，和02miXafter是刚好在第二时间点(t2; t4; t6)之后的呼吸的呼出气体 '中的02浓度。 '
23. 根据权利要求16~22中任一项所述的方法，其中根据下列方程确 定所述EELV:<formula>formula see original document page 7</formula>其中Pn是在第一和第二时间点(& t2; t3， t4; t5， t6)之间呼吸数为n的 所述气体的密度，Pbef。re是在第一时间点(t1; t3; t5 )的所述气体的密度，Pafter是在第二时间点(t2; t4; t6)或刚好在第二时间点(t2; t4; t6)之后的所述气体的密度。
24. 根据权利要求23所述的方法，还包括在计算EELV之前相对于温度校正Pn、 Pbef。re和Pafter的值，以消除温度诱导漂移的风险的步骤。
全文摘要
本发明的用于确定机械通气患者的呼气末肺容量(EELV)的方法包括以下步骤提供给患者包含第一固定的N₂/O₂气体组成的呼吸气体，至少直到在该患者呼出的气体中的N₂/O₂气体组成恒定为止；在确定的时间点(t₁，t₂)至少一次将N₂/O₂气体组成变为在呼吸气体中的第二固定组成；测量患者在每次呼吸时呼出的N₂/O₂气体组成的变化直到至少两次后续呼吸中呼出的O₂浓度大致稳定的时间点(t₂，t₃)为止，该测量在呼吸管道的下游进行；确定每次呼吸的气体总体积；基于第一和第二时间点(t₁，t₂)间O₂浓度的变化确定患者肺的EELV。
文档编号A61B5/091GK101340941SQ200580052248
公开日2009年1月7日 申请日期2005年12月6日 优先权日2005年12月6日
发明者克里斯特·阿尔门, 帕尔·埃姆特尔, 芒努斯·哈尔巴克, 马里奥·隆卡尔 申请人:马奎特紧急护理公司