CN100361716C - 无面罩供给吸入气体混合物以及气体取样的装置和方法 - Google Patents

无面罩供给吸入气体混合物以及气体取样的装置和方法 Download PDF

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Abstract

结合气体取样而向人供给吸入气体例如补充氧O2的装置和方法，包括用于监测人的换气。其中吸入气体的供给和气体取样在没有使用密封面罩的情况下进行。一个实施例的装置包括：氧供给装置；鼻孔气道压力取样装置；可选择的口腔气道压力取样装置；以及至少一个压力分析器，该压力分析器与取样装置相连并确定人的呼吸循环的阶段及其主要呼吸气道。氧供给装置与控制器相连由此控制器在人吸气阶段向人供给较大流量的氧。因此增加了潮汐末期的氧浓度。本发明还包括从两个鼻孔位置和嘴位置连续取样的二氧化碳取样管。鼻孔取样管与转换阀相连，转换阀再与用于确定呼气过程中二氧化碳浓度的二氧化碳检测计相连。口腔气体取样装置与第二个二氧化碳检测计相连。

Description

无面罩供给吸入气体混合物以及气体取样的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请是申请日为2000年6月13日、系列号为No.09/592943的美国专利申请的部分延续，该文献的内容被本文参引。
技术领域
本发明涉及一种结合对人呼出的气体进行取样而向人供给吸入气体(例如补充氧气(O2))的装置和方法，该取样例如用于检测人的换气或用于推断人血流中的麻醉药或气体的浓度。尤其是，本发明涉及一种装置和方法，通过该装置和方法，能够在不使用密封面罩的情况下完成吸入气体的供给和气体的取样。
背景技术
在对病人进行的各种医疗过程和处理中，会需要向病人供给合适的吸入气体成分，例如补充氧气。在涉及麻醉剂的供给的过程中或在病人失去意识和进行换气的其它情况下，氧以及气态、蒸汽状或雾状的麻醉药的供给通常通过面罩或气管导管来进行，该面罩套在病人的鼻子和嘴上，并进行密封。不过，在其它过程中，例如在病人可能服用了镇静药，但是他们自己有意识，并自己进行呼吸，补充氧或吸入气体的供给可以通过面罩或鼻套管(置于病人鼻子的各鼻孔上的管)完成，该面罩或鼻套管与氧或合适气体成分的供给源相连。
以氧作为将供给人的吸入气体的一个实例，补充氧的主要目的是增加肺泡气体的氧浓度，即增加在肺的小泡(微小的充气囊簇)中的气体混合物的氧浓度。在具有正常肺功能的人中，在肺泡囊的最深部分中的氧的水平基本由呼气的各“潮汐容积”(在一个完整呼气中的气体容积)的末期来反应。在人呼气的末期测得的气体取样称为“潮汐末期”气体取样。
这样，例如当人呼吸室内空气时，室内空气含有大约21％的氧。当人呼气时，潮汐末期的气体将有大约15％的氧；因此，毛细血管从肺泡的吸入气体中带走了6％的氧，以便在新陈代谢过程中由身体进行燃烧。另外，任何形式的补充氧的目的只是增加肺泡囊中的氧浓度。直接对肺泡囊中的气体进行测量和取样的便利方法是对嘴或鼻的呼出气体进行连续取样，并确定在潮汐末期时的氧浓度，该值合适地反应了在肺泡囊中的氧浓度。因此，人们可以通过氧供给系统使潮汐末期氧浓度增加的量来比较该氧供给系统的效率。
当人通过装在单向阀上的密封面罩进行呼吸并吸入100％的氧供给源时，潮汐末期的氧浓度达到90％。尤其是，当惰性的氮气从肺内消失时(在利用纯氧呼吸几分钟后)，肺泡气体将含有4％的水蒸气和5％的二氧化碳。其余的(大约90％)将是氧。因此，最佳的氧供给系统通常使潮汐末期的氧浓度从在呼吸没有补充氧的室内空气时的底线15％增加到在呼吸纯氧时的90％。尽管密封面罩是相对有效的氧供给系统，但是，有意识的病人即使在服用镇静药时也通常觉得该面罩非常不舒服；面罩阻碍了病人说话的能力，并使得某些病人焦虑。
另一方面，鼻套管通常并不会使有意识的病人象使用面罩那样不舒服或焦虑，因此，从病人舒服的观点来说，对于有意识的病人，优选是不采用用于供给氧的面罩。不过，鼻套管是效率比密封面罩低得多的氧供给系统。鼻套管通常使潮汐末期的氧浓度增加到大约40％(与密封面罩的90％相比)。鼻套管的效率较低有至少两个原因。
首先，当人吸气时，他们通常两个鼻孔以及嘴(三个孔)呼吸。因此，较大平均浓度的吸入氧由于嘴呼吸而大大被稀释，因为通过嘴呼吸的空气有21％体积的氧，这“降低了较大的平均浓度”。
第二，即使人们仅通过他们的鼻子呼吸，吸入速度也大大超过了鼻套管的供给速度(通常2-5升/分钟)，因此，人们仍然要用具有21％的O2的室内空气来稀释吸入的氧。当鼻套管的流量为2升每分钟，且人在2秒吸入一升空气，吸入速度是30升每分钟，因此，大部分吸入容积并不是来自鼻套管，而是来自室内。增加氧流量并不能有效解决该问题。首先，病人通常发现增加流量将导致不舒服。其次，增加的吸入气体流稀释了(冲走了)呼出气体例如二氧化碳和/或呼出的静脉麻醉剂或其它麻醉药的蒸气。当发生这种情况时，二氧化碳并不能准确取样以用于对呼吸充分性的测量。还有，麻醉药例如吸入麻醉剂或静脉麻醉剂并不能准确取样以用于对麻醉药的动脉浓度进行测量，例如，由该测量可以推断镇静等级。在各种医疗过程和处理中，还需要检测病人的生理状态，例如病人的换气(空气进入和离开肺，通常测量为气体容积每分钟)。当病人并不使空气进出肺时，病人将发生缺氧(氧不足)，当严重时和越来越严重时，缺氧是致命病症。目前可以通过脉冲血氧定量法来对氧不足进行非侵害监测。不过，脉冲血氧定量法对即将发生的问题的诊断较迟，因为当检测到低血氧状态时，问题已经发生。血氧不足的原因通常是换气不足。当为该疾病时，换气不足可能在血氧不足之前几分钟。对换气的良好监测将能够使病人“没有问题”(如果较早诊断换气不足病症，并进行矫正)，而脉冲血氧定量计通常只能诊断病人现在“有问题”。与换气监测相比，该脉冲血氧定量法的延迟在将吸入的镇静麻醉药供给病人时的灵敏性设定非常重要，就象通常在有意识镇静的情况下进行的痛觉过程中的情况那样。
换气监测通常测量流入和流出病人的肺的总容积。有效换气监测的一个方法是计算呼吸速度，然后测量换气的一个主要结果(effect)(从体内除去的二氧化碳)。某些监测换气的方法测量换气的“结果”(在气道处的压力波动、气流、呼吸声以及呼气湿度、热量和CO2)。其它换气方法测量换气的“努力(effort)”(例如经胸廓的阻抗体积描计(transthoracic impedance plethysmography)、胸带、从光体积描记(optoplethysmograms)中抽出的呼吸速度)。基于努力的换气监测可能更不合适，因为它们不能检测堵塞的气道，这时，病人将进行努力(胸膨胀、血容积移动等)，但是并不能获得伴随着气体交换的合适结果。
有多种换气监测器，例如1)气道流量计，以及2)二氧化碳检测计(二氧化碳分析器)。这些监测器通常用于经受普通麻醉的病人。当病人的气道在气道系统中处于“封闭”时，例如当病人有密封面罩或使气道通过置于肺内的气管套管而密封时，该类型的监测器工作很好。不过，对于“开放”的气道，例如当鼻套管用于氧补充时，这些系统的工作并不好。因此，当病人的气道未密封时，潮汐容积的选择有限。对于开放的气道，试图用二氧化碳检测计、阻抗体积描计、湿度、热量、声音以及由脉冲血氧计体积描计得出的呼吸速度来监测呼吸。下面说明一些局限性。
鼻孔二氧化碳检测计是将取样管置于一个鼻孔中，并连续分析在该鼻孔中的气流的二氧化碳含量的方法。只要1)病人总是用他/她的鼻子呼吸，以及2)鼻孔并不供氧，鼻孔二氧化碳检测计就能相对有效。尤其是，当病人说话时，大部分的呼吸通过嘴，这经常引起错误的警报声，因为二氧化碳检测计将鼻子中缺乏二氧化碳解释为无呼吸，而这时实际上显然只是在说话。现有技术的某些装置试图通过以下方式克服该问题：人工控制从鼻子或嘴来取样(Nazorcap)；在鼻子外部补充氧，同时在鼻子内部进行CO2取样(BCI)；在鼻子中提供氧，同时从嘴进行CO2取样(BCI)；以及在一个鼻孔中供给氧，从另一个鼻孔内部进行CO2取样(Salter Labs)。这些已有系统并不能向鼻子和嘴供给氧，或者自动控制从一个位置取样或考虑到可能一个鼻孔相对于另一个鼻孔完全或部分堵塞。而且，当向病人提供鼻孔氧时，在各次呼气中的二氧化碳可能被氧供给大量稀释。这时，二氧化碳检测计可能将稀释的CO2取样解释为无呼吸(呼吸停止)，再次导致频繁的错误警报。CO2的稀释还可能通过将高CO2值显示伪造成正常而掩饰了换气不足(检测到高CO2)，从而以病人一切都好的虚假安全感觉来麻痹临床医生。
作为主要的呼吸监测器，阻抗体积描计和体积描计呼吸速度计算也有缺点。这两种装置测量病人的“努力”(胸腔膨胀、血容积的移动)。阻抗体积描计通过向置于胸廓两侧的两个ECG电极极板施加小电压来进行。理论上，每次呼吸都可以检测到胸部阻抗的相位变化。不幸的是，所得到的结果通常有太多的噪音/人工因素，这对可靠性有不利影响。由脉冲血氧计体积描计得出的呼吸速度不能诊断无呼吸和将它与完全气道堵塞区分开，从而将无呼吸误诊为正常情况(错误的无警报状态)。
吸入或静脉麻醉药或气体的动脉浓度在临床上很有用，并可以由在病人呼出的气体中测量的麻醉药或气体的潮汐末期浓度推断出来。呼出气体混合物的所希望成分的潮汐末期浓度可以进行监测，并用于推断动脉浓度。可以进行监测的麻醉药和气体的实例主要包括：propofol、氙、静脉麻醉剂和镇静剂、以及水蒸气。
由于不同目的，可以向病人供给各种吸入气体成分。由空气稀释的氧可以用于代替纯O2，以减小富氧微环境可能支持或促使点火的危险，尤其是采用激光的处理过程(例如激光面部重新修复)。氧-氦混合物可以用于减小流阻。氧/空气/支气管扩张药混合物可用于治疗支气管狭窄、支气管痉挛或慢性阻塞性肺病(COPD)。O2和水蒸气的混合物可用于使肺分泌物潮湿和咳出。
考虑到用于供给吸入气体和气体取样的现有系统的上述缺点，需要一种改进的组合系统，以便实现这些功能，该气体取样包括监测换气。
发明内容
本发明的一个目的是增加吸入气体例如氧的肺泡浓度，同时不需要使病人戴上面罩。这尤其是通过以下方式进行：a)确定病人的呼吸阶段，即病人处于他们的呼吸循环的吸气阶段还是呼气阶段；以及b)在呼吸循环的吸气部分过程中供给较高流量的吸入气体，从而使病人能够接受到较高流量的吸入气体。在本发明的一个方面，在吸气循环过程中，该吸入气流可以提供给全部三个呼吸孔(即两鼻孔和嘴)，或直接提供到嘴的前面。因此，减小了在吸气口处由室内空气对吸入气体的稀释。
为了实现上述目的，本发明提供了一种使用口鼻气体扩散器和气体取样装置进行呼出气体分析的方法，该方法包括如下步骤：将所述口鼻气体扩散器和气体取样装置设置在人的鼻子与口腔之间的区域上，所述口鼻气体扩散器和气体取样装置具有从气源向人供给气体的管腔、以及将所供应的气体引向鼻子的鼻孔和引向口腔以便吸入的流体出口，所述口鼻气体扩散器和气体取样装置还具有延伸成分别插入鼻子的不同鼻孔中的插入件、以及延伸到口腔呼吸气流中的凸起，当人进行吸气和呼气时所述两个插入件适合将呼出气体从鼻孔穿过压力取样管腔和气体取样管腔引向传感器以进行检测，其中，所述流体出口远离所述取样管腔设置；使用所述插入件收集呼出气体；使用传感器确定人是否处于呼吸循环的呼气阶段或吸气阶段；在确定的呼吸循环的吸气阶段向人供给增加流量的吸入气体；以及使用分析器分析呼出气体，所述分析器接收由所述插入件收集的呼出气体。
本发明的第二目的是在更有效地对呼出气体进行取样，并与吸入气体向病人的无面罩供给相组合，该取样例如可以用于监测病人的呼吸。在该方面，本发明包括：将压力管腔和气体取样管腔置于病人的至少一个鼻孔内或附近，在某些实施例中则置于嘴内或附近。压力管腔与压力传感器相连，该压力传感器再与控制器或处理器相连，该控制器或处理器运行用于监测呼吸阶段(吸气或呼气)和速度的客户软件算法。来自相应管腔的压力取样相互比较，以便确定主要的换气通路。该气体取样管可以与气体分析器或监测器例如CO2分析器相连，该CO2分析器测量在呼气气体中的气体或麻醉药的水平。
为了实现本发明的上述目的，本发明还提出了一种向人供给吸入气体并且对人的呼出气体进行取样的装置，包括：吸入气体供给装置，所述气体供给装置包括供给由人呼吸的可变流量的供给气体的机构、以及响应人呼吸循环确定的阶段控制所述机构的控制器；用于将所述供给气体从所述气体供给装置提供到人的供给管腔；与所述供给管腔流体连通的无面罩口鼻气体扩散器和气体取样装置，口鼻气体扩散器和气体取样装置具有适合于设置在人的鼻子与口腔之间的区域上的壳体，所述口鼻气体扩散器和气体取样装置具有适合于从所述壳体延伸的两个插入件和凸起，所述两个插入件延伸成使得分别插入鼻子的不同鼻孔中、并且凸起延伸到口腔呼吸气流中，所述口鼻气体扩散器和气体取样装置包括适合于沿着每个鼻孔的方向和口腔的方向从所述供给管腔引导供给气体流用于呼吸的多个孔，其中，所述插入件和凸起适合于单独地从每个所述鼻孔和所述口腔出来的呼出气体流收集呼出气体进入压力取样管腔和气体取样管腔；与所述口鼻气体扩散器和气体取样装置的所述两个插入件流体连通的传感器，所述传感器产生发送到所述控制器的信号，显示人的确定呼吸阶段；适合于检测所述呼出气体流的特性的分析器，所述分析器与所述传感器电子连通并且与所述插入件流体连通；以及其中，所述分析器检测与人的呼吸循环的确定阶段相应的所述特性；并且吸入气体供给装置控制器根据人的呼吸循环的确定阶段来调节吸入气体向所述口鼻气体扩散器和气体取样装置的供给，从而在吸气阶段向人提供更高流量的供给气体。
通过下面所述将清楚本发明的其它方面。
附图说明
图1表示了根据本发明的一个实施例，置于病人上的装置的一次性部分的切开侧视图。
图2表示了根据本发明一个实施例的装置的一次性部分的外部透视图。
图3是表示根据本发明一个实施例的装置的一次性部分的底部、中间部分以及盖体部分的分解图。
图4表示了根据本发明的一个实施例，具有口采集室的装置的一次性部分的实施例。
图5A是根据本发明的一个实施例的、气体供给和气体取样系统的示意图。
图5B是根据本发明的一个可选实施例的、气体供给和气体取样系统的示意图。
图6是在本发明的一个实施例中的压力传感器管道的示意图。
图7是由于本发明方法，在呼吸循环过程中的压力波形的视图。
图8是本发明方法的一个优选实施例的流程图。
图9是根据本发明的一个可选实施例的、气体供给和气体取样系统的示意图。
图10是根据本发明的口鼻气体扩散器和气体取样装置的一个可选实施例的透视图。
图11是图10中所示的装置的侧视正视图。
图12是图10中所示装置的底部的平面图。
图13是图10中所示装置的测试后视图。
图14是使图10中的装置与图9中的电路相连的管道的横剖图。
图15是使图14的挤压管道的机器端与医疗装置接合的连接器的视图。
具体实施方式
单个二氧化碳检测计的实施例
作为实例，下面通过用补充氧作为吸入气体混合物，且用病人呼气中的二氧化碳作为气体取样来介绍本发明的原理。应当知道，本发明的原理并不局限于补充O2供给和CO2取样。
图1表示了根据本发明置于病人10上的装置的一次性部分4的局部视图。
该装置用于向病人进行补充氧的无面罩供给，并与对病人换气的监测相组合。氧气从O2供给管向病人供给，并从壳体16中的扩散器栅14(在图2中更详细地表示)离开部分4。扩散器栅14将扩散的氧吹入病人的鼻和嘴的中间区域内。两个细管腔(管)彼此相邻地安装在部分4上，并置于病人的一个鼻孔内(鼻管腔18)。另外两个管腔也彼此相邻的安装在部分4上，并置于病人的嘴的前面(口管腔20)。
对于鼻管腔18，一个管腔是压力管腔，用于对病人的鼻呼吸产生的压力进行取样，另一个管腔对呼吸气体进行连续取样，这样，它们可以在二氧化碳检测计中进行分析，以便确定二氧化碳的浓度。口管腔20的结构也基本相同，即一个管腔是压力管腔(对嘴呼吸时的压力进行取样)，另一个管腔对嘴呼吸中的呼出气体进行连续取样。
鼻管腔18和口管腔20分别与它们自身的气动导管例如22相连，该气动导管将鼻和口的压力取样反馈给压力传感器(未示出)，并将鼻和口的气体取样反馈给二氧化碳检测计(未示出)。部分4、管腔18、20、氧供给管12和反馈管道22都是一次性的(设计成例如在每次病人使用后就丢弃)。优选是，它们由柔韧的塑料材料例如挤出聚氯乙烯制成。
尽管管腔18、20和管道12、22在优选实施例的图1中表示为切开部分，但是如图2所示，它们装于盖体30内。还如图2所示，鼻管腔18(包括压力管腔28和气体取样管腔26)优选是由双孔的单筒管件形成。口管腔20(包括压力管腔32和气体取样管腔34)优选是由双筒管件形成。扩散器栅36形成于盖体30内，并起到氧扩散器的功能，它将大量的氧释放到病人10的口和鼻中间的区域内。
图3以切开形式更详细地表示了包括盖体30的一次性部分4。尤其是，底部110由具有合适坚固性但并不为刚性的塑料形成，它有开口112，用于插入氧供给管12。在部分110中的狭槽114接受来自管12的氧气，保持该氧气和迫使该氧气向上通过中间部分112中的开口148。中间部分112固定在底部110上，并平置于该部分110上。氧气从开口148进入盖体130(直接固定在中间部分112上)，并纵向从盖体130中运动到扩散器部分，在该扩散器部分，氧通过扩散器栅136离开盖体130，以云状形式进入病人的鼻和嘴的中间附近处。优选是将氧流供给全部三个呼吸孔(两个鼻孔和嘴)，以增加供给病人的氧的浓度。通过向全部三个孔提供氧流，减少了由纯室内空气对在吸入口处吸入的气体的稀释。还有，例如由栅格136产生的扩散气流是供给病人的氧气流的优选实施例。这是因为在充分供氧所需的较高流速下，通过单管腔套管供给的氧气流通常不舒服。而且，在这样的流速下，单管腔可能产生不希望的伯努利(Bernoulli)效果。应当知道，扩散器栅136的一种可选形式为接受O2喷射流的杯形或其它腔室形状，并包括泡沫塑料或填料纸部分，以便使O2的喷射流扩散。
还如图3所示，反馈管道22在开口122处进入底部110。形成于底部110内的槽146和140开始于开口122处，各槽146和140用于接受来自管腔128和132的反馈压力取样。形成于底部110内的槽144和142开始于开口122处，各槽144和142用于接受来自管腔126和134的反馈CO2取样。都形成于底部110中的槽146、144、140和142在它们的一端与相应的取样管腔(128、126、132和134)相连，而在它们的另一端与反馈管道22相连；中间部分112平置于部分110上，并固定在该部分110上，这样，槽146、144、140和142形成用于接受相应的反馈取样的通道。由此可见，当装配时，部分130、112和110一起形成整个一次性件4，如图2中所示。
图4表示了一次性部分4的优选实施例(这里部分110和112表示为彼此固定)，同时口的取样采集腔室210套在口管腔220上(鼻管腔以218表示，用于氧供给管的开口以212表示)。优选是，口的取样采集器210由塑料构成，并形成在腔室214中的空间，该空间采集病人通过口呼吸的较小容积的气体。该气体容积再有管腔220进行取样，并通过相应的压力和CO2反馈管道反馈给上述压力传感器和二氧化碳检测计，以便进行分析。因此，采集器210作为储存容器，用于口腔位置的更好取样。它还作为小腔室，用于对口腔位置更好地进行监测(呼气导致容积和压力增加，而吸气则从容积214中除去气体分子，使得压力降低)。
在一个优选实施例中，采集器210有不同的尺寸和形状，以便采集不同容积的空气或便于在嘴处或嘴附近进行不同的医疗过程。在另一优选实施例中，采集器210可进行调节，其中，它可以滑过管腔220，以便能直接布置在嘴的气流上。在还一实施例中，管腔220自身也可滑动地安装在部分222上，以便能够伸长和缩回，从而使管腔和采集器都能直接布置在口腔气流的前部。
本发明通常能够这样，即在必须通过面罩而进行正压换气的情况下，可以将本发明的装置置于人上，以便在紧急情况时使用户需要作的动作最小。因此，本发明装置允许面罩置于它上面，同时使得面罩的垫密封不会产生较大的效率。该装置与脸接触的材料优选是很软(例如增塑PVC)，且可变形。这防止了对神经的伤害，神经伤害是一种最常见的麻醉并发症，它通常由机械挤压或过度伸展而引起，该机械挤压或过度伸展抑制或切断了血液向神经的供给。
图5A表示了本发明的氧供给和气体取样系统的优选实施例的示意线路图。如上所述，一次性部分304包括：鼻管腔，该鼻管腔对通过病人的鼻孔呼吸的、鼻(鼻孔)容积318内的气体进行取样；口腔取样采集器，该口腔取样采集器形成口腔容积内的气体320，并对通过病人的嘴呼吸的气体进行取样；以及氧扩散器336，该氧扩散器336增加病人的呼吸中间区域的氧，从而增加病人的吸入氧部分和增加病人肺泡内的氧水平。该扩散器336保证较高的氧流速不会使病人不舒服。
氧气从氧供给源(O2罐或内部氧)供给扩散器336。当O2供给源是来自壁内氧源时，采用DISS接头340。该DISS接头340(阳接合器)的直径为只接受满足Compressed Gas Association标准的氧阴螺母和螺纹管接头。源压力传感器342监测氧源压力，并使在处理器上运行的用户软件能够能够调节送向定量阀346的模拟输入信号，以便在源压力波动时保持用户选定的流速。压力释放阀在源压力超过75psig时将压力释放到大气中。定量阀346通过模拟信号和相关的驱动器电路(该电路基本上是电压电流转换器，该电压电流转换器将模拟信号转变成将供给阀346的规定电流，从而使阀的输入信号与源压力成比例变化，如前所述)来设置氧的流速(例如2.0至15.0升每分钟)。应当知道，2.0和15.0L/min的流速也可以通过用与标定流量孔连接的2个更便宜的开关阀来代替一个昂贵的定量流量控制阀而实现。下游压力传感器350检测定量阀346的功能。当有源压力，阀起动，但没有检测到下游压力时，在处理器(未示出)上运行的相关软件表示供给系统中的误差。如上所述，鼻孔容积318和口腔采集容积320通过三通阀而反馈给二氧化碳检测计352。该二氧化碳检测计352接受病人气道的气体取样，并监测该气体取样中的CO2含量。与二氧化碳检测计352相关的软件向用户显示病人的参数(例如称为capnogram的连续二氧化碳曲线图显示以及潮汐末期的CO2数字值和呼吸速度)。合适的二氧化碳检测计可以由Nihon Kohden(Sj5i2)或CardioPulmonaryTechnologies(CO2WFA OEM)制造。根据病人呼吸主要通过的位置，三通阀354自动在口腔位置和鼻孔位置之间转换取样位置。该方法将在后面更详细地表示，但是简单地说，在处理器(未示出)上运行的相关软件根据逻辑判断病人通过鼻呼吸还是通过口呼吸的结果来转换取样位置。优选是在二氧化碳检测计和阀354之间的距离较短，以便减小与转换气体取样位置有关的死区空间。
如上所述，采集的鼻孔容积318反馈给鼻孔压力传感器356和鼻孔麦克风358。传感器356(例如Honeywell DCXL01DN)通过上述小孔管道监测在鼻孔容积318中的压力。当病人主要通过鼻子呼吸时，在处理器(未示出)上运行的相关软件通过传感器356确定。相关的偏移增益和温度补偿电路(下面将介绍)保证信号质量。鼻孔麦克风358监测在鼻孔取样位置处测得的病人的呼吸声。相关软件使用户能够向室内发出声响和控制音量。对于总呼吸声音信号，可以将鼻麦克风358的输出与口腔麦克风360的输出相加。在另外的实施例中，在监测病人的生理状态时，呼吸声信号向用户显示和/或进行进一步处理和分析。
口腔压力传感器362(例如Honeywell DCXL01DN)通过上述小孔管道监测在口腔采集容积320处的压力。当病人主要通过嘴呼吸时，在处理器(未示出)上运行的相关软件通过传感器362确定。相关的偏移增益和温度补偿电路(下面将介绍)保证信号质量。口腔麦克风360与上述鼻孔麦克风358一样，用于放大和将呼吸声传向室内。也可选择，白噪音发生器复制对应于呼吸压力幅值的呼吸声音，并对吸气和呼气的不同声音特性进行编码(WAV文件)，这样，在室内的护理人员能够听到它们，并进行判别。
双腔室脱水器364通过从取样气体中除去水而使CO2传感器防止腐蚀。隔离腔室收集由与鼻孔位置和口腔位置相连的憎水性过滤器除去的水。该隔离保证选择作为这样位置的呼吸位置是仅有的取样位置。一次性元件304通过单管腔、多管腔连接器344而与非一次性元件接合，当该单管腔、多管腔连接器344卡入包含非一次性装置的医疗装置中时，它通过单个动作形成五个流动槽道。
图5B表示了本发明的系统线路的另一实施例，它包括气体取样旁路线路，该气体取样旁路线路使得在口腔位置和鼻孔位置处的气体取样有相同的流速，不管该位置是通过二氧化碳检测计取样还是通过旁路。特别是，鼻孔转换阀555使得鼻孔气体取样位置在二氧化碳检测计和旁路线路之间转换。阀555的驱动与口腔转换阀557的驱动相关联，以保证一个取样位置与旁路线路相连，而另一取样位置与二氧化碳检测计相连。这可以出现两种情况：1)口腔气体取样位置反馈到二氧化碳检测计，而鼻孔气体取样位置与旁路相连；以及2)鼻孔气体取样位置反馈到二氧化碳检测计，而口腔气体取样位置与旁路相连。如上所述，根据逻辑判断病人通过鼻子呼吸还是通过嘴呼吸的结果，控制软件对气体取样位置进行转换。口腔转换阀557使得口腔气体取样位置在二氧化碳检测计和旁路线路之间转换，且它的操作与对鼻孔转换阀555所述相同。
旁路泵559保持旁路线路561中的流量，该流量等于由二氧化碳检测计规定的流量(例如200cc/min)。泵559还保证气体取样位置彼此同步，这样，当转换气体取样位置时，并不会使CO2波形和呼吸速度计算结果变坏。流量传感器563测量通过旁路线路561获得的流速，并将该流速提供给流量控制所需的电子控制器565。控制器565控制泵559的流量。
如图5B所示，希望使有效气体取样线路和旁路线路之间的流量平衡(例如，保持旁路中的流量等于或近似等于CO2取样线路中的流量，例如200cc/min)。在一个位置堵塞，从而使旁路和二氧化碳检测计线路有不同流量的情况下，这样能防止CO2波形和呼吸速度计算结果变坏。
图6表示了与压力传感器356和362相关的电子电路的示意图。该电路包括压力传感器402、高增益放大器(hi-gain amplifier)404、温度补偿和调零电路406以及低通滤波器408。增益和温度调零电路保证压力传感器输出的信号质量。根据压力传感器402的信噪比，可以选择低通滤波器408。
图7是根据本发明的优选方法，在典型呼吸循环过程中(口腔或鼻孔)压力读数的图表，其中具有界限值A、B、C和D。如图所示，当呼气706开始时，压力为正值，然后到达峰值，再当呼气结束时降回到零。压力变成负值(低于大气压)表示吸气708开始。在吸气的第一部分过程中，压力的负值更大，然后在吸气结束时将返回到零。
本发明的控制软件分别确定了上下界限值702、704。这两界限值稍微小于零，其中，下界限值704的负值比上界限值702更大。在各个呼吸循环过程中，当软件通过将压力与两个界限值中的一个比较而确定与界限值702、704交叉(图7中的点A、B、C和D)的时间。预计该交叉将按顺序发生，即首先为A，然后B，随后C，最后D。O2源的值在到达点A，710时将增大(例如10-15升/min流量)，而在到达点C，712时将减小(例如2-3升/min流量)，从而在吸气阶段的大部分过程中提供较高的氧流量。
为了确定发生界限值交叉的时间，软件以周期间隔检查口腔和鼻孔压力传感器的压力，例如间隔50微秒(见图8，步骤820)。在每次检查过程中，软件以如下方式将口腔和鼻孔压力进行组合，然后将该组合压力与两个界限值中的一个进行比较。
如图8的流程图所示，当软件开始运行时，它读出鼻孔和口腔压力(步骤802)，并等候组合压力值小于上界限值(点A)(步骤804)。当满足该条件时，软件将O2阀调大(步骤806)至较高的合适流量(例如10-15升/min)，然后开始等待组合压力值小于下界限值(点B)(步骤808)。当出现该情况时，软件等候组合压力值大于下界限值(点C)。当达到该值时，O2降低至较低的合适流量(例如2-3升/min)(步骤810)，且软件等候压力值超过上界限值(点D)。当达到该值时，针对下一次呼吸，将再次开始该循环。因此，对于氧，本发明可以使潮汐末期氧浓度从底线的15％(呼吸室内空气)增加到50-55％。尽管这可能不如用面罩进行氧补充有效，但是它明显优于现有技术的、开口于气道的氧补充装置。
还有，在呼气过程中并不完全切断吸入气体流，本发明选定了吸入气体的的底线较低流量，例如2L/min，因此，对呼气取样的准确性的流动干涉最小。在呼气过程中的非零吸入气体流增加了在鼻和嘴周围的、将在随后的吸气中吸入肺中的周围空气的吸入气体含量。而且，当吸入气体是O2，且软件出现了算法停留在呼气模式下的故障时，O2非零底线流量将保证病人呼吸到与室内空气相比局部富含O2的室内空气。
如上所述，二氧化碳检测计可以用于通过在单个位置对CO2的水平进行连续取样而提供如潮汐末期的CO2和呼吸速度这样的信息。因为呼吸能够通过鼻、嘴或者鼻和嘴来进行，软件必须驱动阀354(图5A)或阀555和557(图5B)，该阀354(图5A)或阀555和557(图5B)将二氧化碳检测计的取样位置转换到提供最佳取样的源，即嘴或鼻。
还如图8中所示，软件通过以周期间隔检查口腔和鼻孔的压力读数而确定最佳取样位置。在该检查过程中，当前和以前的三个口腔压力值与相应的鼻孔压力值比较。当组合的鼻孔压力超过组合的口腔压力大于三倍时，二氧化碳检测计取样在鼻子处获得。当组合的口腔压力超过组合的鼻孔压力大于三倍时，取样在嘴处进行。
还应当知道，气体取样管腔可以在转换阀处连接在一起，以便减小所需的气体分析器的数目。通过转换阀，与主要呼吸通路相连的气体取样管腔通向气体分析器。此外，在本发明的某些方面，用户看一个气体分析器的显示。例如，当使用二氧化碳检测计时，显示具有最高平均值(在最后n秒例如15秒中在曲线下面的区域)的CO2迹线(tracing)。因为本发明测量“效果”，即对于各次呼吸的CO2和气道压力变化，因此，它也能检测气道的完全堵塞。
多个二氧化碳检测计的实施例
如图9所示，本发明的一个可选实施例采用两个二氧化碳检测计912和914。压力传感器906检测在鼻分接头(nose tap)938处的压力。压力传感器908检测在鼻分接头940处的压力。各个鼻分接头938和940分别对病人的一个鼻孔中的压力进行取样。压力传感器906和908能够分别通过阀904和902暂时与大气相连，以便进行调零。并不对在嘴处的压力进行监测。主要的鼻孔呼吸通路通过对各鼻孔处的压力迹线进行分析而确定。当鼻孔的压力迹线有较大幅值的压力振动时，该鼻孔被认为是主要的鼻孔呼吸通路。
气体取样管腔置于两鼻孔处和嘴处。口腔气体取样管腔932直接与口腔二氧化碳检测计914相连，鼻孔二氧化碳检测计912可以通过转换阀910而与鼻孔气体取样管腔934或936相连。一旦压力传感器和软件确定了主要的鼻孔呼吸通路，该转换阀使来自主要的鼻孔呼吸通路的气体取样通向鼻孔二氧化碳检测计912。因此，呼出气体从右侧或左侧鼻孔通道连续取样。
软件分析从两个鼻孔取样的压力和，以确定该病人是在吸气还是在呼气。显然，不同的算法也可以只由主要鼻孔呼吸通路处的压力迹线来判断呼吸阶段，而不是将两鼻孔的压力加起来。在病人呼吸的吸气阶段过程中，在处理器(未示出)上运行的软件打开与氧源连接的阀922，从而使氧流量较高(例如15L/min)。当O2供给压力超过75psig时，高压释放阀918将释压。压力传感器920监测O2供给压力，这样，软件能够调节阀922的打开，以补偿O2供给压力的波动。在阀922下游的压力释放阀924防止在供给侧积累压力。部件918、920、922和924通过内部流动通道(未示出)安装在气体集管916上，以便使需要人工进行的气动连接的数目减至最小。
由子系统926产生的音频刺激用于促使病人执行特定动作，如按压按钮，该特定动作作为对命令的反应进行评估的一种方式，间接测量病人的意识能力。该自动反应测试在意识镇静系统中采用，例如在申请日为1999年6月3日，系列号为09/324759的美国专利申请中所述。
在图10中的口鼻部件1000将与图9中的线路一起使用。压力取样管腔1008和气体取样管腔1006装在左侧鼻孔插入件1004内，该左侧鼻孔插入件1004将插入病人的左侧鼻孔内。压力取样管腔1058和气体取样管腔1056装在右侧鼻孔插入件1054内，该右侧鼻孔插入件1054将插入病人的右侧鼻孔内。多个孔1012将O2扩散到鼻孔区域附近。考虑到嘴呼吸的可能性，类似的多个孔1026(图12)将O2扩散到嘴区域附近。口鼻部件1000通过可调节的绳索环或弹性带环1014而保持在病人的脸上，该绳索环或弹性带环1014设计成能针对病人快速调节。单个绳索或弹性带通过用调节小球1018压住两个切割端而形成环。该环以一个动作固定在口鼻部件1000的卡口凹槽1020上，该卡口凹槽1020使绳索在口鼻部件上保持就位，同时使该绳索缠绕在病人的头部后面。然后，调节小球1018沿该环滑动，以便调节该绳索的拉伸力。一旦调节好，该环再转到销栓1016上，这样，该销栓将两部分绳索张开，从而锁定调节小球，以防止该调节小球无意中松开。气体取样管腔1024(图11)装于凸起1022内，该凸起1022设计成伸出到流入嘴和从嘴流出的气流内。
下面参考图13，口鼻部件1000的管腔1038与用于左鼻孔的气体取样管腔1006(图10)内部连接。口鼻部件1000的管腔1036(图13)与口腔气体取样管腔1024(图11)内部连接。口鼻部件1000的管腔1034(图13)与用于左鼻孔的压力取样管腔1008(图10)内部连接。口鼻部件1000的管腔1030(图13)与用于右鼻孔的气体取样管腔1056(图10)内部连接。口鼻部件1000的管腔1028(图13)与使O2扩散到鼻和嘴附近区域内的多个孔1012和1026(图10和12)内部连接。口鼻部件1000的管腔1032(图13)与用于右鼻孔的压力取样管腔1058(图10)内部连接。口鼻部件1000中的内部流动通道实现上述连接的详细情况为本领域技术人员公知。
参考图14，图10的口鼻部件1000通过图14中的挤出撕开(tear-apart)管道而与图9的线路连接。该挤出管道包含七个管腔，这七个管腔分组成三束(1142、1144和1146)，这三束能够通过人工沿撕开线1143和1145撕开而彼此分离。在束1142中的管腔1130将O2流引向口鼻部件，并有最大的孔，以便适应O2的高流量和有最小的流阻。在束1146中的管腔1128载有音频刺激，该音频刺激促使病人按压作为自动反应测试(ART)系统的一部分的按钮。在中间束1144中的管腔1132载有口腔气体取样。在束1142中的管腔1138和1134载有来自一个鼻孔插入件的压力和气体取样。在束1144中的管腔1140和1136载有来自另一鼻孔插入件的压力和气体取样。各束的横截面形状象机翼，以便当面罩置于各个单独的束上时与面罩垫密封件的凹口以及病人的脸颊相适应。管腔布置成使较大孔的管腔在各束的中间，以便利用截面象机翼的各束。
本发明的附加特征是气动带状装置(图14中的横截面所示)能够连接在医用O2的、有倒刺的标准出口阳连接器，该出口阳连接器通常成为“圣诞树”，这样，本发明的口鼻部件也能够用于根据后面的程序将富含O2的空气供给病人。本发明的另一特征是图14中的气动带状装置能够通过一个动作夹在医疗装置上。为了实现这两个设计目的，图15的连接器用于使图14的气动带状装置适于与医疗装置连接。图14的气动带状装置利用七个凸形孔例如孔1150和1152而安装在适配器1148上。孔1152载有氧的入流，孔1150传送音频刺激。适配器1148有与O2供给管腔1130相连的锥形进口(图14)。该锥形进口由软材料制成，并设计成与称为圣诞树的、有倒刺的标准O2阳连接器相匹配。该连接器卡入医疗装置的插座内，以便只通过一个动作来建立七个气密气动连接。在医疗装置上的锥形凸形孔1158通过孔1152将氧供给管腔1130内。孔1156引入来自鼻压力分接头2的压力信号。栓钉1154一旦卡入医疗装置，就将紧密和牢固地保持多管腔连接器1148，以防止意外脱开。
因此，在不使用面罩的情况下，上述系统和方法改进了吸入气体的供给以及气体取样，该气体取样鼻孔CO2取样。该系统和方法尤其可以用于病人有意识的医疗情况(这样实际上较舒服)，也可用于急性疾病，例如在医院试验室中进行痛觉医疗过程，而且可以在ICU、CCU、救护车或家中用于病人控制的无痛处理等。应当知道，上述只是本发明的优选实施例。应当知道，尽管该优选实施例论述了气体取样，例如CO2取样和分析，但是本发明的原理包括对其它医疗气体和蒸气的取样和分析，例如propofol、氧、氙和静脉麻醉剂。还应当知道，尽管该优选实施例介绍了补充O2的供给，但是本发明的原理可用于纯气体或混合气体的供给，例如O2/氦气、O2/空气等。

Claims (18)

1.一种使用口鼻气体扩散器和气体取样装置进行呼出气体分析的方法，该方法包括如下步骤：
将所述口鼻气体扩散器和气体取样装置设置在人的鼻子与口腔之间的区域上，所述口鼻气体扩散器和气体取样装置具有从气源向人供给气体的管腔、以及将所供应的气体引向鼻子的鼻孔和引向口腔以便吸入的流体出口，所述口鼻气体扩散器和气体取样装置还具有延伸成分别插入鼻子的不同鼻孔中的插入件、以及延伸到口腔呼吸气流中的凸起，当人进行吸气和呼气时所述两个插入件适合将呼出气体从鼻孔穿过压力取样管腔和气体取样管腔引向传感器以进行检测，其中，所述流体出口远离所述取样管腔设置；
使用所述插入件收集呼出气体；
使用传感器确定人是否处于呼吸循环的呼气阶段或吸气阶段；
在确定的呼吸循环的吸气阶段向人供给增加流量的吸入气体；以及
使用分析器分析呼出气体，所述分析器接收由所述插入件收集的呼出气体。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：使用所述传感器确定主要呼吸位置，其中，所述分析器适合分析从所述主要呼吸位置收集的呼出气体，所述确定主要呼吸位置包括识别所述鼻孔中较少堵塞的一个，使得所述分析器适合于分析由所述插入件中合适的一个从所述较少堵塞的鼻孔收集的呼出气体。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：通过对呼吸位置的压力进行取样并且使用所述分析器对所述压力进行比较以识别显示较大压力变化的呼吸位置来确定主要呼吸位置。
4.一种向人供给吸入气体并且对人的呼出气体进行取样的装置，包括：
吸入气体供给装置，所述气体供给装置包括供给由人呼吸的可变流量的供给气体的机构、以及响应人呼吸循环确定的阶段控制所述机构的控制器；
用于将所述供给气体从所述气体供给装置提供到人的供给管腔；
与所述供给管腔流体连通的无面罩口鼻气体扩散器和气体取样装置，口鼻气体扩散器和气体取样装置具有适合于设置在人的鼻子与口腔之间的区域上的壳体，所述口鼻气体扩散器和气体取样装置具有适合于从所述壳体延伸的两个插入件和凸起，所述两个插入件延伸成使得分别插入鼻子的不同鼻孔中、并且凸起延伸到口腔呼吸气流中，所述口鼻气体扩散器和气体取样装置包括适合于沿着每个鼻孔的方向和口腔的方向从所述供给管腔引导供给气体流用于呼吸的多个孔，其中，所述插入件和凸起适合于单独地从每个所述鼻孔和所述口腔出来的呼出气体流收集呼出气体进入压力取样管腔和气体取样管腔；
与所述口鼻气体扩散器和气体取样装置的所述两个插入件流体连通的传感器，所述传感器产生发送到所述控制器的信号，显示人的确定呼吸阶段；
适合于检测所述呼出气体流的特性的分析器，所述分析器与所述传感器电子连通并且与所述插入件流体连通；以及
其中，所述分析器检测与人的呼吸循环的确定阶段相应的所述特性；并且吸入气体供给装置控制器根据人的呼吸循环的确定阶段来调节吸入气体向所述口鼻气体扩散器和气体取样装置的供给，从而在吸气阶段向人提供更高流量的供给气体。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述插入件包括用于每个所述鼻孔的鼻部分和所述凸起包括用于口腔的部分。
6.根据权利要求4所述的装置，其中：在人的呼吸循环的吸气阶段的一部分过程中控制器控制所述机构供给较高流量的供给气体，在其它情况下供给较低流量的供给气体。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，还包括压力比较器，所述压力比较器在确定人的主要呼吸位置。
8.根据权利要求4所述的装置，其中：所述分析器还包括气体检测装置。
9.根据权利要求8所述的装置，其中：该气体检测装置是二氧化碳检测计。
10.根据权利要求7所述的装置，其中：所述分析器还包括气体检测装置，该气体检测装置包括鼻孔气体取样装置和口腔气体取样装置，其中，控制器选择至少来自主要呼吸位置的气流进行监测。
11.根据权利要求8所述的装置，其中：所述气体检测装置包括鼻孔气体取样装置和口腔气体取样装置，所述口腔和鼻孔气体取样装置是与所述插入件和凸起中合适的一个流体连通的二氧化碳检测计。
12.根据权利要求4所述的装置，还包括：呼吸声音处理装置，该装置放大呼吸声音。
13.根据权利要求4所述的装置，其中：所述插入件和所述凸起具有远端，所述远端具有用于使所述呼出气体进入的开口，其中，所述开口延伸到鼻子的一个鼻孔或口腔的呼出气流中、并且远离所述多个孔以限制所述供给气体对所述分析器的干扰。
14.根据权利要求4所述的装置，其中：在呼气阶段，该控制器提供减小流量的供给气体。
15.根据权利要求4所述的装置，其中：在人的呼吸循环的吸气阶段的一部分过程中供给较高流量的供给气体，吸气阶段的所述部分在呼气阶段之前结束。
16.根据权利要求4所述的装置，其中：所述管腔和所述口鼻气体扩散器和气体取样装置包括气动带状装置，所述管腔被预先包装在一个或多个束中，在被设置到人上以前，所述多个束可人工彼此分离并可安装到所述壳体上。
17.根据权利要求4所述的装置，其中：所述插入件和所述凸起包括远端和近端，所述远端具有通向所述压力取样管腔和所述气体取样管腔的开口，所述近端被安装到所述壳体上，所述多个孔紧接每个所述插入件和所述凸起的近端并且部分地环绕所述近端设置。
18.根据权利要求4所述的装置，其中：所述控制器运行监测在两个鼻孔检测的压力总和的变化的软件。
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