一种提高呼吸氧合量及氧合率的装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种提高呼吸氧合量及氧合率的装置，属于医疗设备技术领域。


背景技术：

2.人的生命离不开氧，通过呼吸吸入氧气，氧气在肺内与血红蛋白结合，生成载氧血红蛋白，载氧血红蛋白将氧气送往全身，肺内的二氧化碳与剩余的氧气及吸入的其它气体成分通过呼气排出体外。人体吸入的氧气，由于在肺内氧合的时间、氧气接触面积、氧气压力的限制，大部分氧气没有与血红蛋白氧合利用就被呼出(无论是吸入空气、纯氧气或含有氧气的治疗气体)，例如当人体呼吸空气时，吸入的氧气浓度为21％，而呼出的气体中的氧气浓度约为16％，这说明人体在呼吸过程中仅结合了吸入空气中5％浓度的氧气，呼吸氧合量及氧合率有限，不利于有吸氧需求的患者(或称使用者)的治疗和康复。


技术实现要素：

3.为克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种提高呼吸氧合量及氧合率的装置，以利于提高呼吸氧合量及氧合率。
4.本实用新型实现上述目的的技术方案是：一种提高呼吸氧合量及氧合率的装置，设有呼吸通道，所述呼吸通道(或称呼吸气道，或简称气道)的前端为呼吸口，用于连通使用者的呼吸系统，所述呼吸通道上设有阻力控制阀，所述阻力控制阀与所述呼吸口之间的呼吸通道上设有用于检测其内部压力的呼吸通道压力传感器。
5.所述呼吸通道可以采用以下任意一种基本构造：
6.1)所述呼吸通道既作为吸气通道，又作为呼气通道(最简易的构造)。
7.2)所述呼吸通道的后端连接气源，所述呼吸通道以接出支路的形式设置只用于呼气的呼气通道，所述呼气通道的前端连接在所述阻力控制阀的后端的呼吸通道上，所述呼气通道的后端为敞口端，通常可以连接有呼气动力源(通常为负压源)，位于所述呼气通道连接部位后侧的呼吸通道只用于吸气，可称为吸气通道，所述吸气通道上设有第一气阀，所述呼气通道上设有第二气阀。
8.优选的，所述呼吸通道的后端分为两路(分为两条呼吸通道支路)，一路为吸气通道，另一路为呼气通道，所述吸气通道的后端连接气源，所述呼气通道的后端连接呼气动力源。
9.优选的，所述吸气通道上设有第一气阀。
10.优选的，所述呼气通道上设有第二气阀。
11.所述呼气动力源可以为负压泵(例如，柱塞泵)或其他任意适应用作呼气动力的装置。
12.例如，所述呼气动力源为能够设置负压(内部呈负压状态)的气体容器。
13.例如，所述气体容器可以为密封容器(不敞口的容器)，连接有负压气泵。
14.优选的，所述气体容器上设有用于检测其内部压力的气体容器压力传感器。
15.优选的，所述吸气通道设有吸气支路，所述吸气支路的前端连接在位于第一气阀前侧的吸气通道上，所述吸气支路的后端连通大气(敞口)，所述吸气支路上设有第三气阀。通过这种支路设置，在相应情形下，可以不经气源进行吸气，可以根据实际情况，选择或切换成适宜的吸气方式。
16.优选的，所述呼吸通道上设有呼气支路，所述呼气支路的前端连接在位于阻力控制阀前侧的呼吸通道上，所述呼气通道支路上设有第四气阀。通过这种支路设置，在相应情形下，可以与常规呼吸机一样，不经阻力控制阀进行呼气。可以根据实际治疗情况，选择或切换成适宜的呼气方式。
17.所述呼吸口可以设有呼吸面罩或口罩。
18.所述呼吸口可以设有鼻导管，或者采用其他任意适宜的现有技术。
19.所述呼吸通道主体部分(主管)的前端可以为适宜安装(例如，插接)呼吸口(包括各种形式的用作呼吸口的件)的结构，可以依据实际需要，将适宜的呼吸口安装在所述呼吸通道主体部分(主管)的前端。
20.所述阻力控制阀可以采用任意适宜于调节呼吸通道阻力的阀门，例如，各种适宜的流量调节阀、控制阀、截止阀(只具有通和断两种工作状态的阀门)等，可以通过改变阀门的开度或其他适宜方式进行呼吸通道阻力(流量)的调节。
21.所述阻力控制阀可以是电控阀门，也可以是手控阀门，当所述阻力控制阀采用手控阀门时，所述呼吸通道上可以不设有所述呼吸通道压力传感器。
22.所述阻力控制阀优选采用电控阀门，以便可以依据所述呼吸通道压力传感器检测的压力信号实现呼气阻力的自动控制。
23.优选的，所述气源的数量为一个或若干个，若干个所述气源并联在所述呼吸通道的后端。
24.当所述气源的数量为若干个时，各所述气源的出口或各所述气源与所述呼吸通道的后端的连接管道上均设有出气控制阀，所述出气控制阀可以是截止阀，也可以是流量调节阀。
25.所述气源可以是盛装含有氧气、一氧化氮或药物气溶胶等的治疗气体的容器，例如气罐。
26.可以依据现有技术设置配套的控制装置(例如中央处理器或plc控制器)进行本实用新型中各相关元件/装置(主要指各阀门)的控制，亦可以通过配套适宜的数据采集电路采集各检测元件(主要指各压力传感器)的输出信号，送入控制装置作为控制相关元件/装置工作的依据，以使本实用新型在相应控制装置的控制下实现所需呼吸模式。
27.本实用新型的有益效果是：本实用新型可以在呼气过程中通过调节所述阻力控制阀增加所述呼吸通道内的气流阻力，既可以提高呼出气体的压力，使人体肺部内的压强升高，又可以延长氧气在人体肺部内的停留时间，从而提高呼吸氧合量及氧合率，有利于有吸氧需求的患者的治疗和康复；还可以通过呼气动力源增加呼气动力，弥补病患的呼气能力，缩短实际呼气时间，保持合理的呼吸周期。
附图说明
28.图1是本实用新型的一种实施方式的结构示意图；
29.图2是本实用新型的另一种实施方式的结构示意图；
30.图3是人体一个呼吸过程的呼吸道内压强随时间变化的曲线图；
31.图4是在人体一个呼吸过程中增加呼气阻力和不增加呼气阻力时呼吸道内的压强随时间变化的曲线的对比图；
32.图5是图4中的曲线与呼气过程中在呼气通道内增加负压的呼吸道内的压强随时间变化的曲线的对比图；
33.图6是本实用新型涉及的产品构造和控制原理图。
具体实施方式
34.本实用新型实施方式中的所有方向性指示(例如前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系，不构成对实际使用方向的限定，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
35.参见图1、图2及图6，本实用新型公开了一种提高呼吸氧合量及氧合率的装置，包括呼吸通道1，所述呼吸通道为适于气体流通的通道或管道，用于人体吸入气体和呼出气体的流通，所述呼吸通道的前端为用于与人体呼吸腔连通的呼吸口，所述呼吸通道上设有阻力控制阀2，所述阻力控制阀为能够调节通道气流阻力的气阀，通过调节呼气时的阻力可以调节呼气过程中的呼气流量(流速)曲线，实现所需的呼气模式。所述阻力控制阀与所述呼吸口之间的呼吸通道内设有呼吸通道压力传感器3，用于检测其所在呼吸通道内的实时压力。
36.所述呼吸通道压力传感器可以设置在所述呼吸通道内，也可以从所述呼吸通道的外部密封插入所述呼吸通道内。
37.所述呼吸通道可以采用以下任意一种基本构造：
38.1)所述呼吸通道既作为吸气通道，又作为呼气通道。
39.采用此种结构，人体在呼吸过程中，吸入的是从所述呼吸通道的后端进入所述呼吸通道内的空气，呼出的气体从所述呼吸通道的后端排入大气，呼气时，通过所述阻力控制阀调节所述呼吸通道内的呼气流量(呼气阻力)。
40.2)所述呼吸通道的后端连接气源4或连通大气，并以接出支路的形式设置只用于呼气的呼气通道102，用于人体在呼气过程中呼出的气体排出，所述呼气通道的前端连接在所述阻力控制阀的后端的呼吸通道上，所述呼气通道的后端为敞口端，可以与大气连通或连接呼气动力源，位于所述呼气通道与所述呼吸通道的连接部分后侧的呼吸通道为吸气通道101，用于人体在吸气过程中吸入治疗气体或空气，所述吸气通道上设有第一气阀5，用于控制所述吸气通道的通断，所述呼气通道上设有第二气阀6，用于控制所述呼气通道的通断。
41.实际上，可以将上述构造中的呼气通道(呼吸通道中构成呼气通道的部分)和支接出的呼气通道视为将呼吸通道的后端分为两路，一路为呼气通道，一路为吸气通道。
42.采用此种结构，人体在呼吸过程中，吸入的是来自所述气源的治疗气体或空气，吸气时，所述第一气阀开启，所述第二气阀关闭，呼出的气体从所述呼气通道的后端排入大气，呼气时，所述第一气阀关闭，所述第二气阀开启，通过所述阻力控制阀调节所述呼吸通道内的呼气流量(呼气阻力)。
43.所述呼气通道的后端优选连接有气体容器7，所述气体容器设有负压气泵8。如此设置，可以在人体呼气时，在所述呼气通道内形成一定程度的负压，为有呼气障碍的患者提供辅助呼气措施，相当于直接采用负压气泵作为呼气动力源，这种负压容器提供的负压更稳定，且易于操控。
44.所述气体容器主要用于平稳所述呼气通道内的压力变化，减小压力波动。所述气体容器内优选设有气体容器压力传感器9，用于检测所述气体容器内的实时压力，并依据其检测的压力信号控制所述负压气泵工作，调整所述气体容器和所述呼气通道内的气压，将所述呼气通道内的压力调整为患者最适宜的呼气辅助压力。
45.当所述吸气通道的后端连接气源时，所述吸气通道优选设有吸气支路103，所述吸气支路的前端连接在所述第一气阀的前端的吸气通道上，所述吸气支路的后端连通大气，所述吸气支路上设有第三气阀10，用于控制所述吸气支路的通断。实际应用中，所述吸气通道与所述吸气支路一通一断(通过所述第一气阀和所述第三气阀控制)，可以依据患者的实际需求，选择吸入治疗气体还是吸入空气。另外，所述吸气支路的设置，还可以在患者不需要辅助呼气措施辅助呼气(通过所述气体容器和所述负压气泵辅助呼气)的情况下，通过所述吸气支路排出呼气。人体呼出的气体的排放通道可以在所述呼气通道与所述吸气支路之间依据需要切换。
46.当所述呼气通道的后端连接呼气动力源或所述气体容器时，也可以在呼气通道上设置呼气支路(未绘出)，所述呼气支路的前端连接在所述第二气阀前端的呼气通道上，所述呼气支路上设置第四控制阀，以便根据需要直接通过呼气支路呼气。
47.所述气源的数量可以为一个或若干个，当所述气源的数量为若干个时，若干个所述气源中的治疗气体通常不同，各所述气源并联在所述呼吸通道的后端，各所述气源的出口或各所述气源与所述吸气通道的后端的连接管道上均设有出气控制阀，用于控制相应的气源的出气，可以依据患者的实际需求，选择使用相应的治疗气体(吸入气体)。
48.所述气源可以是盛装含有适当比例的氧气、一氧化氮或药物气溶胶等治疗气体成分的混合气体(该混合气体也可简称为治疗气体)的容器，例如相应的气罐。
49.呼吸过程中，吸入的是从所述呼吸通道(吸气通道)的后端进入所述呼吸通道内的气体，吸气时，所述第一气阀开启，所述第二气阀关闭，呼气时，所述第一气阀关闭，所述第二气阀开启，呼出的气体从所述呼气通道进入所述气体容器后排出(必要时，所述气体容器的输出管可以接入气体消毒装置，经过消毒后排放，可以在气体容器的输出管上设置排放控制阀及排气泵，依据实际状况持续或在需要时将气体容器中的气送入气体消毒装置)。通过所述阻力控制阀控制所述呼吸通道内的呼气压力，在呼气开始时，控制为较高的压力，以利于达到更好氧合效果，经过设定时间后，降低压力，可以依靠所述气体容器和所述负压气泵的设置，在通道内形成一定程度的负压，为有呼气障碍的患者提供辅助呼气动力。另外，此种结构还可以在患者不需要辅助呼气措施辅助呼气(通过所述气体容器和所述负压气泵辅助呼气)的情况下，通过呼气支路排出呼气。人体呼出的气体的排放通道可以在所述呼气通道与所述呼气支路之间依据需要切换。
50.所述气体容器内优选设有气体容器压力传感器，用于检测所述气体容器内的实时压力，并依据其检测的压力信号控制所述负压气泵工作，调整所述气体容器和所述呼气通道内的气压，将所述呼气通道内的压力调整为患者最适宜的呼气辅助压力(通常为负压)。
51.所述呼吸口优选设有呼吸面罩11或鼻导管，方便佩戴使用，使所述呼吸口与人体的呼吸腔连通。
52.所述提高呼吸氧合量及氧合率的装置可以依据现有技术设置配套的控制装置(例如中央处理器或plc控制器)进行相关元件/装置(主要指各阀门)的控制，亦可以通过配套适宜的数据采集电路采集各检测元件(主要指各压力传感器)的输出信号，送入控制装置作为控制相关元件/装置工作的依据。
53.本实用新型公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。
54.所述提高呼吸氧合量及氧合率的装置的原理依据为：
55.肺泡内氧与血红蛋白的氧合量及氧合率与氧气压力成正比，因此增加氧气压力或吸入气体压力可以提高氧合量。
56.呼吸道(指人体呼吸道)内压强随呼吸而变化，吸入气体时压强低，呼出气体时压强高。如果以环境气压为零点压强，即所述呼吸通道压力传感器在呼吸道外部，那么吸入时呼吸道内为负压，呼出时为正压，一个吸呼过程的压强变化曲线具体如图3所示，其中p为压强，t为时间。
57.1、压强控制曲线：
58.如图4所示，曲线1为没有增加呼气阻力时的压强，曲线2为增加呼气阻力后的压强，曲线2的形状根据需要可以调整。图4中的曲线2为控制曲线的一个特例，其中t2-t3部分的物理意义为所述提高呼吸氧合量及氧合率的装置在患者呼气阶段通过调整或完全关闭气阀，以增加呼气通道阻力。t3-t4部分的物理意义为通过调整气阀，减小了所述呼吸通道的气流阻力，使所述呼吸通道重新打开。优选地，t3-t4部分可被视为某函数f(t)，因此其形状可根据需要进行调整。t3-t4部分的函数形状也可不做限制，在t4时达到目标负压值即可。
59.所述提高呼吸氧合量及氧合率的装置在吸气阶段与呼气阶段对所述呼吸通道施加的额外阻力可以由所述控制装置自动计算，也可以人工手动控制。
60.在呼气潮气容积与单位用力呼气量(一次最大吸气后再尽力尽快呼气时，在单位时间内所能呼出的最大气体量，代表了所述呼吸通道的通气能力，与呼气阶段曲线1的幅值最大值呈正相关，气体压强公式pv＝nrt，p为压强，v为气体体积(肺/气道可容纳气体体积)，n为物质(气体)摩尔量，t为温度，p正比于n)均为固定值的情况下，若要求得呼气阶段的最佳压强控制曲线p(t)(曲线2)，需要针对不同压强下氧合量o(p,t)(随压强p和时间t变化的函数)的积分s与最后残气压强值δp1做最优化
‑‑
在呼气期间内使曲线2所示压强下的氧合积分s最大、残气压强δp1最小。
61.如公式(1)所示，由于氧合量o(p,t)是关于压强和时间变化的二元函数，且氧合量o(p)与压强p之间的函数关系(物理特性)是固定的(o(p)与p(t)相互独立)，因此通过使积分s达到最大值，可求出氧合量o(t)与时间t之间的函数关系，即可求出压强p与时间t之间的关系(最佳压强控制曲线)。又如公式(2)所示，在呼气潮气容积固定的情况下，吸气过程的压强变化是呼气过程的压强变化的镜像，因此吸气过程的压强变化的积分与呼气过程的压强变化(t2-t3时段内压强不变化)的积分相等。公式(3)中，t1为压强曲线由负变正的时刻(开始呼气)，t2为气道通气能力达到最大的时刻(呼气流速最快)，t3为压强曲线幅值开始
减小的时刻(装置关闭)，t4为呼气过程终止残气压强达到δp1的时刻。虽然公式(1)中p(t)的时间长短没有限制，但公式(2)和公式(3)限制了p(t)的时间长短，因此最佳压强控制曲线可以确定。另外，氧合量可用氧分压、血氧饱和度、氧合指数等指标表示。
62.s＝max∫∫o(p,t)dpdt＝max∫∫o(p)p(t)dpdt
ꢀꢀ
(1)
[0063][0064][0065]
2、负压法减少潴留气体：
[0066]
为了加快呼气末端的排气速度和减小残气量，在呼气阶段t3时刻(开启装置后)后某一时刻t5加入负压-δp2(优选-3～-5cmh2o)，如图4中曲线3，将减少肺部潴留气体。
[0067]
加入负压-δp2的时刻(t5)取决于压强曲线p(t)的特征：若压强曲线p(t)小于某阈值p
th
，或p(t)的一阶导数大于某阈值d
th
，则加入负压-δp2。
[0068]
3、呼气、吸气阶段的区别与判断
[0069]
从图5可知，在吸气阶段与呼气阶段分界点t1处，压强曲线p(t)的值为0。同时，压强曲线p(t)的一阶导数也由小变大，即p(t)的二阶导数由负变正。
[0070]
另外，若不以环境(大气)气压为零线，在t1处压强曲线p(t)的值可能不为0。此时，可以通过数据拟合压强曲线，找到t1的曲线特征，根据其特征定位或预测t1。
[0071]
所述提高呼吸氧合量及氧合率的装置应用时(以方式2的优选技术方案为例)，通过呼吸通道压力传感器检测所述呼吸通道内的实时压力，并将检测的压力信号反馈给所述控制装置，以分析呼吸状态，包括吸相、呼相、转折点、最大压力、最小压力、呼吸周期、吸呼比等等，用于优化控制、状态记录、效果分析等。所述控制装置可以依据现有技术设置两种控制模式：自动分析与人工调整。自动分析模式中，所述控制装置根据所述呼吸通道压力传感器反馈的呼吸通道内的压力信号计算出最优压强控制曲线p(t)，负压-δp2的大小、以及加入负压-δp2的时刻t5(可以依据患者第一个呼吸周期检测的呼吸通道内的压力信号进行计算)；人工调整模式中，所述控制装置可根据需要，人工设定吸气与呼气阻力(从而改变压强控制曲线p(t))、持续时间，以及负压-δp2大小。
[0072]
所述阻力控制阀用于所述呼吸通道内气流阻抗(气流流量)的调整控制，可以连续控制，也可以完全关闭所述呼吸通道，通过所述控制装置控制所述流量控制阀的开度，实时调整气流阻抗。气流阻抗可以连续变化，也可以阶梯变化，也可以只有通和断状态(最简化情况)，不进行连续流阻控制。
[0073]
所述第一气阀由所述控制装置控制，在吸气相打开，呼气相关闭，在吸气相让治疗气体吸入，当不需要特殊治疗气体时可以通过所述吸气支路直接连接环境空气。治疗气体可以是氧气、一氧化氮或药物气溶胶等单一气体，也可以是组合气体(非混合)，其浓度、流速、流量、释放顺序可以由所述控制装置根据处方设定控制。
[0074]
所述第二气阀由所述控制装置控制，在呼气相打开，吸气相关闭，在呼气相提供负压，当不需要负压呼气时可以直接连接环境空气。所述气体容器压力传感器用于检测气体
容器内的实时压力，所述控制装置根据所述气体容器压力传感器检测的压力信号，控制所述负压气泵调整所述气体容器内的气压，使呼吸道内压力符合最优压强控制曲线p(t)和设定负压-δp2。
[0075]
本实用新型的工作过程为：
[0076]
(1)将所述呼吸口与人体口或鼻相连，所述呼吸通道压力传感器持续将检测到的所述呼吸通道内的压力信号传送至所述控制装置，所述控制装置计算出最优压强控制曲线p(t)、吸气阶段与呼气阶段分界点t1、负压-δp2和加入负压-δp2的最优时刻t5；
[0077]
(2)所述控制装置根据步骤(1)中计算出的最优压强控制曲线p(t)，控制所述阻力控制阀调整吸气与呼气阻力(流量)，使呼吸道内压强符合最优压强控制曲线p(t)；
[0078]
(3)步骤(2)中的吸气相时，所述控制装置控制所述第一气阀开启、所述第二气阀关闭，患者从所述气源(治疗气体气源)吸入治疗气体，或者通过所述呼吸通道与大气连通的端口吸入空气；
[0079]
(4)在到达步骤(1)中吸气相与呼气相分界点t1时，即步骤(2)中呼气相开始时，所述控制装置控制所述第二气阀开启、所述第一气阀关闭，优选地，在最优时刻t5加入负压-δp2，使所述气体容器和所述呼气通道内压力符合步骤(1)中计算出的最优压强控制曲线p(t)，也可在t2-t4区间内任意时刻加入负压-δp2。