CN101653633B - 改变呼吸机的备用频率的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种呼吸机设备，在未检测到患者呼吸的备用定时模式(22)中或者检测到患者呼吸(20)的自发模式中，该呼吸机设备向患者输送通气支持。控制备用模式的计时阀值(18)被选择成偏离患者的正常期望呼吸时间，以在自发模式中促进患者发起的通气，但在呼吸暂停的情况下允许备用通气。在定时模式期间将所述计时阀值从更低警惕计时阀值自动调节(28，30)到等于或接近于患者的正常期望呼吸计时的更高警惕阀值。可以使这样的调节从最小变化到最大警惕计时设置，或者作为在定时模式下优选为输送的机器呼吸数量的时间函数在它们之间逐渐增加。

Description

改变呼吸机的备用频率的方法和装置
本申请是申请日为2004年03月05日、申请号为200480006230.3和题目为“改变呼吸机的备用频率的方法和装置”的中国专利申请的分案申请。
本申请要求于2003年3月7日提交的澳大利亚临时专利申请No.2003901042的权益。
技术领域
本发明涉及用于治疗诸如呼吸功能不全这样的呼吸系统病症的自动控制机械呼吸机。尤其是，本发明涉及当患者没有正在自发呼吸时提供更合适的通气备用频率的方法和装置。
背景技术
正和负压力机械呼吸机都已被使用了数十年来治疗患有呼吸系统病症的病人。由MJ Tobin编写的“Principles & Practice of MechanicalVentilation(机械呼吸机的原理和实践)”一书(1994，McGrawHillBook Company，ISBN 0-07-064943-X)中描述了呼吸机的一种范围。S.P.McPherson的“Respiratory Therapy Equipment(呼吸治疗设备)”一书(第三版，1985，C.V.Mosby Company，ISBN 0-8016-3312-5)中描述了其它的呼吸机。Mushin等人的“Automatic Ventilation of theLungs(肺的自动通气)”一书(第三版，1980，Blackwell ScientificPublications，ISBN 0-632-002286-7)中描述了其它的呼吸机。
正压力呼吸机在正压下向患者的气道供应空气或可呼吸气体。流量是单位时间的空气体积。潮气量是呼吸循环期间进入和离开肺的空气体积。每分通气量是1分钟内输送到患者的空气体积。存在两种控制呼吸机的通常方法：(1)体积或流量控制；和(2)压力控制。通过调节每分通气量，呼吸机可以被规划来控制输送到患者的空气体积。空气被输送到患者的频率是单位时间的呼吸(或循环)。
为了获得理想的每分通气量，输送到患者的空气的频率和体积都要变化。
在该说明书中，呼吸机将被描述成被触发到吸气相或者被循环到呼气相。自发呼吸是由患者发起的呼吸。如果呼吸机决定吸气的开始或结束，那么呼吸被认为是强制的。如果患者触发呼吸机(例如，用自发呼吸)，那么呼吸机被说成是辅助器。如果时间将呼吸机触发到吸气相，那么呼吸机被说成是控制器。如果患者可以辅助并且该机器可以援助他(如果他的呼吸频率下降或者完全停止)，那么呼吸机被叫做辅助器/控制器。对于机器而言，成为所有这三者都是可能的。
(1)当它是患者触发时，它是辅助器并且没有定时备用频率；
(2)当它是时间触发时，它是控制器并且不提供辅助装置；或者
(3)当定时频率备用患者频率时，它是辅助器/控制器(有时被称为“自发/定时”)。
当呼吸机在患者自发呼吸相同的时间在吸气和呼气之间转换时，呼吸机被说成是与患者同步。失去同步会导致患者不舒服和无效通气。出于该描述的目的，当自发/定时呼吸机响应于所检测到的患者呼吸而正在输送通气支持时，它被认为是处于自发模式。类似地，当自发/定时呼吸机响应于未能检测到患者呼吸而正在根据备用计时阀值备用频率输送机器呼吸时，它被认为是处于定时模式。
美国专利6,484,719(Berthon-Jones)中描述了在自发呼吸对象中提供通气辅助的方法，该专利的内容被结合于此以作参考。
在一些情况下，当患者在吸气和呼气之间转换时，自发/定时呼吸机不能检测。因此一些呼吸机具有自发模式的“超时”。这样的呼吸机在超时时期结束时将从自发模式(等待患者)转换到定时模式(以备用频率输送通气)。美国专利6,213,119中描述了“超时”的改进系统，该专利的内容被结合于此以作参考。
如这里所述，备用频率(循环/时间)可以由其倒数，即备用周期(时间/循环)替代地描述。
在为自动呼吸机编程时，出现了关于设备的最合适备用频率的选择的问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，呼吸机被设计成具有备用处理模块或备用计时模块，使得该呼吸机被构造或编程以在自发呼吸未被检测到的情况下输送具有计时阀值或备用频率的定时呼吸。在第一实施例中，计时阀值或备用频率可以被设置为第一频率，该第一频率基本上低于(即，频率小于)患者的正常呼吸频率。在这点上，该第一频率以一种方式被选择成脱离或偏离通常与正常或期望的患者呼吸相关的频率，所述方式通过呼吸机促进了患者发起的通气，而在呼吸暂停的情况下允许定时通气。因此，第一频率被设置成相对较低，从而呼吸机将更不可能干涉患者的正常呼吸循环，这意味着当瞬时备用频率低于已经由传统的固定备用频率呼吸机设置的备用频率时，呼吸机从定时模式重新开始自发模式或者继续处于自发模式的机会增加。换句话说，如果患者再次开始自发呼吸，定时模式被中止或者自发呼吸模式继续。如果在未检测到呼吸时(意味着自发呼吸未重新开始)患者继续要求定时通气，那么呼吸机将自动地使计时阀值正常化为更高警惕的计时或者大约正常期望的呼吸计时。因此，呼吸机逐渐或逐步将呼吸频率从第一频率增加到第二频率，第二频率等于、接近于或稍低于患者的正常呼吸频率。当然，取决于特定应用，第二频率也可以变为高于患者的正常呼吸频率。
换句话说，低定时频率用于减小错误进入呼吸机的定时模式的可能性，而可在定时模式中调整计时频率以使得患者在定时模式期间能够适当呼吸。因此，备用频率被作为定时模式中经过时间的函数而自动地进行调节，从而增加到患者的通常或平均呼吸频率。依据计时阀值为备用周期，该备用周期作为定时模式中的时间的函数而被自动地调节，从而减小到患者的通常或平均呼吸频率。
在另一方面，定时频率可以在两个界限之间调节，即第一较低频率和高于第一频率的第二频率。在一种形式中，第一频率明显低于患者的通常呼吸频率，第二频率等于或稍低于患者的通常呼吸频率。当然，第二较高频率可以任选地等于或高于患者的通常或频率呼吸频率。当呼吸转换到定时模式时，未能检测到自发呼吸，呼吸机被初始地设置为第一较低频率，然后患者被通气。如果预定周期之后自发患者呼吸仍未被呼吸机检测到，那么备用频率被增加到第二频率。在一个优选形式中，如果自发呼吸机未被检测到，根据本发明的装置在定时模式中将备用频率从较低频率变到超过大约5次呼吸的较高频率。
在一种形式中，在根据本发明的装置中，第二频率大约比第一频率快25％。在另一个优选实施例中，第二频率大约比第一频率快50％。
在另一实施例中，将可调节备用频率作为通气充足率的函数自动修改。在这种调节备用频率的优选实施例中，通气充足率影响在备用频率的最小和最大值之间备用频率调节的变化速度。
在一个实施例中，在定时模式中，所述设备周期性地将计时阀值返回到更低警惕的计时阀值，以促进与患者的再次同步。
在这里的具体描述中描述了本发明的其它方面。
附图说明
图1显示了根据本发明的一个实施例规划的呼吸机；
图2是在计时阀值的自动调节中采取的步骤的一个实施例的流程图；
图3是在计时阀值的自动调节中采取的步骤的一个替代实施例的流程图；
图4显示了根据通气充足率调节备用频率的“Δ”函数。
发明详述
图1作为例子显示了适合实现本发明的装置。图1显示了在伺服控制器3的控制下连接到电动机2的叶轮1，所述伺服控制器又在控制器4的控制下。在一个形式中，控制器4是基于微处理器的控制器，例如英特尔486微处理器。叶轮1和电动机2形成吹风机。来自吹风机的空气沿着柔性管道6通到患者接口，例如带有气孔9的鼻罩5。尽管例举了鼻罩，但本发明可以与鼻-口罩、全罩式面罩或气管内插管结合使用。许多开关7连接到控制器。许多传感器连接到控制器，即：流量传感器10，压力传感器11，鼾声传感器12，电动机速度传感器13和电动机电流传感器14。有一组显示器8连接到控制器4以用于显示来自控制器的信息。存在接口15以允许控制器4与诸如计算机这样的外部设备通信。使用这种设备，吹风机的速度变化可以被控制，以可选择地改变所述罩中的压力，从而实现通气支持。任选地，吹风机的电动机速度可以通常保持恒定，所述罩中的压力变化可以通过控制伺服阀(未示出)的打开而实现，所述伺服阀可以可变地转向/排气或者将气流输送到所述罩。本领域的熟练技术人员将认识到用于产生通气支持和将该通气支持输送到患者的其它设备。
控制器4或处理器被构造成或用于实现这里所述的方法学，并且可以包括集成芯片、存储器和/或其它指令或数据存储介质。例如，用控制方法学编程的指令可以在设备的存储器中的集成芯片上被编码，或者这样的指令可以作为软件被装载。使用这样的控制器，可以仅仅通过调节压力输送方程，将该装置用于许多不同的压力通气治疗，其中所述压力输送方程用于设置吹风机的速度或者利用释放阀来操纵排气。本领域的熟练技术人员也将认识到所述控制器的方面也可以由模拟设备或其它电路实现。
一般而言，如图2的流程图的步骤所示，根据本发明的设备可以在自发模式下输送通气支持(步骤22)，以根据检测患者的吸气(步骤20)同步地使患者通气。然而，如果在通过阀值与测量的频率或周期的比较而确定的某个计时阀值(例如，计时频率(1/Tcurrent)或计时周期(Tcurrent))经过之前未检测到患者吸气(步骤24)，那么该设备将发起定时模式(步骤26)，在该定时模式中将输送机器发起的呼吸。本领域的那些熟练技术人员将认识到通过强制执行计时阀值而进入定时模式的方法。如这里进一步所述的，然后可以在步骤28和30中执行计时阀值(1/Tcurrent或Tcurrent)的自动调节。
在下面的描述中，除非另外指出，“周期”表示频率的倒数。定义Tapn为当患者不呼吸时备用周期的理想时间，或者从吸气开始(非患者触发的)到下一次吸气开始(非患者触发的)的时间的理想时间，即当患者未触发呼吸机并且从呼吸机的观点来看至少明显地(如果并非真正地呼吸暂停)没有触发呼吸机时，为理想频率的倒数。优选地该频率大约是患者的正常期望呼吸频率，但是根据需要，它可以偏高或偏低。定义Tspont为当患者自发呼吸时备用周期的理想时间，Tspont被优选地选择成偏离患者的正常期望呼吸频率，使得计时阀值的警惕性比正常呼吸更低。定义Tcurrent为被用来对向患者输送通气进行控制的当前备用周期。
如果当前呼吸在时间tbreathstart开始，那么如果患者在该时间之前还未触发呼吸机，则机器发起的或“定时”的呼吸将在tbreathstart+Tcurrent发生。应当理解的是，Tspont和Tapn被选择成使得根据正在被治疗的患者的呼吸力学，从Tspont到Tapn的呼吸周期的减小导致了通气的单调增加，其中压力支持水平固定。那些本领域的熟练技术人员将会认识到确定呼吸事件再次发生的时间tbreathstart，或者为了给自发或定时循环通气支持的输送计时而另外检测呼吸循环中的事件的方法。
(I)基本方法学
Tcurrent被初始化为Tspont。如果定时呼吸发生，那么Tcurrent被减小了某个量ΔdTcurrent(不一定是常数)，然后结果被限制成至少为Tapn。更具体而言，在一个实施中，Tcurrent被减小了(Tspont-Tapn)/Ndec，其中Ndec例如为5，从而在该情况下当5次定时呼吸之后到达呼吸暂停备用频率。在图2的步骤28中示出了对计时阀值进行的该调节。
由于希望最大化与患者再同步的机会，所以通常Ndec不应当太小(例如，1)。患者未触发呼吸机的时间周期越长，触发就越不可能马上发生，并且如果定时通气继续处于低频率，那么将越有可能发生缺氧。
如果在任意时间发生触发呼吸，那么Tcurrent被减小某个量ΔiTcurren，然后结果被限制成使得它至多为Tspont。更具体而言，在一个实施中，Tcurrent被增加了(Tspont-Tapn)/Ninc，其中在优选实施中，Ninc＝1，从而在该情况下当1次触发呼吸之后备用频率立即返回到自发呼吸备用频率Tspont。理想的是Ninc＜Ndec，这是因为如果检测到一次自发呼吸，那么可能有更多的自发呼吸，并且希望最大化触发下一个的机会。在图2的步骤30中示出了对计时阀值进行的该调节。
在图3所示的一个实施中，当利用周期Tapn输送连续的定时呼吸时，用高达Tspont的更长周期输送偶然呼吸(例如在每10次定时呼吸的相邻系列中的1次呼吸)，以便增加与患者的再同步的机会，同时平均而言，以接近Tapn的倒数的频率为患者通气。因此，当呼吸机处于定时模式，如果出现一定数量的连续定时呼吸(步骤32)，那么为了促进与患者的再同步，可以周期地改变或放宽备用频率，使其更不警惕，如图3中的步骤34所示。因此，在定时模式中，对于一次呼吸循环，频率或周期可以分别减小或增加。如果根据更宽松的备用速度或周期没有检测到患者呼吸，所述患者呼吸将触发自发模式，那么对于接下来的呼吸循环，备用频率被返回到更高警惕的频率或周期(例如，患者正常期望的或平均的呼吸频率或周期)。例如，在步骤30中，呼吸机可以使Tcurrent返回到Tspont，然后重复上面的方法学以用于向Tapn或者按照选择增加，当单个机器产生的呼吸之后，呼吸机将在步骤28将Tcurrent调回到Tapn。
(II)优点
本发明的优点包括设置比通常更低的备用频率的能力，从而比通常更不容易干涉患者的自发呼吸，同时能够设置更高并且因此更有效的备用频率，当患者真正地或显著地呼吸暂停时，该频率将具有优势，从而允许更低的压力支持水平。
(III)使用测量通气量来修改备用频率变化速度的算法
如果可获得每分通气量的快速响应测量值(响应时间典型地为2或3次呼吸的数量级，例如，拐角频率大约为3.2/60Hz的流量的绝对值的第4阶贝塞尔低通滤波)，并且也可获得理想或目标通气量(如伺服呼吸机中的，尽管呼吸机实际上不需要伺服-控制呼吸机--没有伺服控制仍可以产生一些优点，但这里所设想的典型情况为伺服呼吸机)，那么可以使ΔdTcurrent取决于实际通气充足率的某个测量值，例如可以由来自流量传感器或被构造成这样做的差动压力传感器的信号确定的测量通气量对目标通气量的比率Rvent(例如，Vmeas/Vtarg)。当Rvent远大于1时，比如≥1.2，由于通气完全充足，于是ΔdTcurrent可以被选择为0。在带有低或零最小压力支持水平的伺服呼吸机的情况下，如果所有的呼吸都被定时，那么Rvent不能在≥1.2停留任何明显的时期周期，这是因为这样的事实：Rvent大于1将导致压力支持水平被减小从而使得Rvent≈1。当叹气之后紧接着短暂的暂停时，出现Rvent≥1.2的定时呼吸的情况可以典型地发生，并且在这些情况下减小Tcurrent是不可取的，这是因为自发呼吸将可能非常快地发生，并且一希望最大化与它同步的机会。在缺少压力支持水平的伺服控制时，Rvent≥1.2表示在设定的压力水平在低频下获得了充足以上的通气(假定被认为是可接受的)，因此没有必要增加频率。
当Rvent明显小于1时，ΔdTcurrent可以被增加，从而，例如如果存在显著的通气不足，那么Tcurrent可以在两次呼吸中从Tspont减小到Tapn，这是因为在该情况下非常快速地到达更有效的呼吸暂停备用频率是可期望的。Rvent的中间值应当以单调方式产生Tcurrent的中间值，但是未必使用端点(即，Tspont和Tapn)之间的线性插值。为了在伺服呼吸机的情况下得到本发明的全部益处，当Rvent≈1时必须ΔdTcurrent＞0。这种情况的原因在于，压力支持的自动增加，所述压力支持的自动增加响应这样的事实：当Rvent＜1时，它可以导致通气不足被快速地校正，即Rvent≈1，从而当Rvent≈1时，若ΔdTcurrent＝0，那么备用周期永不减小，从而导致患者使用高于最佳的压力，在低于最佳的频率下持续通气。为了防止该情况，可期望的是当Rvent≈1时，ΔdTcurrent≥(Tspont-Tapn)/10。
图4例举了用于根据通气充足率调节备用频率的分段线性“Δ”函数，该函数由下面的公式表示：
ΔdTcurrent＝(Tspont-Tapn)*Kdec(Rvent)
如图中所示，x轴显示了通气充足率的测量值Rvent。y轴显示了将用于备用频率的校正系数(Kdec)的相对大小。例如，x轴上的值0.2表示通气的低充足率，该通气的低充足率由相对高的校正系数补偿，从而导致备用频率以较大的Δ值增加。在本发明的其他实施例中，Δ函数可以具有不同的形状，例如，线性的、曲线的和/或它们的组合。该Δ函数也可以具有其它输入参数。
应当注意的是，该算法与固定压力水平的组合构成了呼吸暂停期间通气的伺服控制的形式，尽管这并不是本发明的主要意图。当通气超过目标时，基于频率的这样的伺服控制算法将会要求ΔdTcurrent为负值。
在一种形式中，该装置具有学习模式，该学习模式在名称为“Determining Suitable Ventilator Setting in Patients with AlveolarHypoventilation During Sleep(在睡眠时确定带有肺泡通气不足的患者的合适通气设置)”的公布的澳大利亚专利申请AU24896/01(Berthon-Jones)中被描述，并且也在美国专利No.6,644,312中被公开，该专利的公开文本被结合于此以作参考。在学习模式期间，该设备学习患者的自然呼吸频率。然后，较低备用频率被设置为该频率的函数，优选地大约等于该频率的2/3或67％，或者替代地为75％，较高频率被设置成等于被确定为患者的自然呼吸频率的频率或者根据时期周期确定的平均正常呼吸频率。当然，呼吸机可以包括一种功能，以按照需要或者必要，提示由较高和/或较低呼吸频率或周期的用户进行输入。
在一种形式中，通过将“Δ”加入到备用频率中，将备用频率以步进的方式从第一频率变化到第二频率。Δ可以是固定大小，或者它可以是通气充足率的测量值的函数。在本发明的一个实施例的下面例子中，在C++程序语言中被执行，确定Δ函数的大小的子例程被例举：
    int VPAP_ST_Sync_RelVentErrT::CalcBackupPeriodDecrement()
    {
    //返回以HZ为单位的信号减小值。
    int
MaxBackupDecrement＝BackupPeriodWhenBreathing-BackupPeriodApn
oeic；
    double RelVentErr；
    if(RelativeVentilationErrGetP＝NIL‖
    ！RelativeVentilationErrGetP-＞Get(RelVentErr))
    )
    //如果没有获得关于通气错误的信息。
    return MaxB ackupDecrement/5；
//目的是如果呼吸机提供定时呼吸并且恰好到达目标通气量，我们希望保证适当//快速地到达呼吸暂停频率。我们不希望受困于在低频率下提供高压力支持和这样符合目标值。
if(RelVentErr＞＝0.3)
//很好地超过目标值，所以根本不改变备用周期。这例如可以是叹气之后的暂停。
return 0；
double PropnOfMaxDecrement；
if(RelVentErr＞＝-0.1)
  PropnOfMaxDecrement＝0.2*(0.3-RelVentErr)/0.4；
else
{
  if(RelVentErr＜-1.0)
    RelVentErr＝-1.0；//应当是不必要的
  PropnOfMaxDecrement＝(-0.1-RelVentErr)/0.9；
}
return(int)(PropnOfMaxDecrement*MaxBackupDecrement+0.5)；
}
尽管已经参考优选实施方式描述了本发明，应当理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理的应用的例示。在不超出本发明的精神和范围的情况下可以对此进行许多修改和设想其它的方案。

Claims (14)

1.一种向患者提供备用通气的装置，包括：
吹风机，用于在所述患者的呼吸循环期间向所述患者输送压力支持通气；以及
控制装置，用于在自主模式和定时模式中控制压力支持的输送，所述自主模式是通过检测所述患者的呼吸循环的存在而发起同步循环通气支持，所述定时模式是在没有检测到所述患者的呼吸循环的情况下根据计时阈值间隔来输送所述压力支持，
所述计时阈值间隔被设置为所述患者的正常期望呼吸计时的函数，所述函数被选择成以引起所述压力支持通气与患者发起的呼吸同步但在呼吸暂停的情况下允许备用通气的方式，使所述患者的正常期望呼吸计时偏离所述计时阈值间隔。
2.如权利要求1所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述控制装置在不存在呼吸事件时调节所述计时阈值间隔，以将所述计时阈值间隔正常化到所述患者的正常期望呼吸计时。
3.如权利要求2所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述控制装置根据响应于在所述计时阈值间隔内不存在呼吸事件而输送的多个通气循环，逐步调节所述计时阈值间隔。
4.如权利要求1所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述控制装置在存在呼吸事件时调节所述计时阈值间隔，以使所述计时阈值间隔偏离所述患者的正常期望呼吸计时。
5.如权利要求4所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述控制装置根据响应于多个呼吸事件而输送的多个通气循环，逐步调节所述计时阈值间隔。
6.如权利要求5所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述控制装置响应于单个呼吸事件，将所述计时阈值间隔返回到偏离所述患者的正常期望呼吸计时的初始计时阈值间隔。
7.如权利要求6所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述控制装置在不存在呼吸事件时调节所述计时阈值间隔，以将所述计时阈值间隔正常化到所述患者的正常期望呼吸计时。
8.如权利要求7所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述计时阈值间隔的调节受限于最高呼吸频率，所述最高呼吸频率比低于正常期望呼吸频率的第一频率快大约50％。
9.如权利要求7所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述计时阈值间隔的调节受限于最低呼吸频率，所述最低呼吸频率作为由所述向患者提供备用通气的装置确定的正常呼吸频率的百分比被计算。
10.如权利要求9所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述百分比是大约67％。
11.如权利要求2所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述控制装置使用所述患者的通气充足率的函数来做出所述计时阈值间隔的调节。
12.如权利要求11所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述患者的通气充足率的所述函数基于当前测量通气量和当前目标通气量的比率。
13.如权利要求12所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述测量通气量是每分通气量，以及对于测量每分通气量对目标每分通气量的比率而言，所述函数是分段线性的。
14.如权利要求2所述的向患者提供备用通气的装置，其中，所述计时阈值间隔被周期地返回到在不存在呼吸事件时偏离正常期望呼吸计时的值。
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