用于向患者提供机械通气支持的系统和方法

技术领域

本公开涉及用于承受全身麻醉的患者的机械通气的领域。更具体 地，本公开涉及用于控制新鲜气体引入呼吸回路的系统和方法。

背景技术

机械通气支持是提供给患者的常见治疗技术，该患者由于镇静作 用或肌肉麻痹而太虚弱而无法在没有外来帮助下完成呼吸循环。向经 历完全肺衰竭并且不能在自身力量下发起呼吸循环的病人提供人工 通气。向能够发起自主呼吸、但从体积持续时间的外部控制以及伴随 通气协助而提供的吸入浓度中获益的患者提供通气协助。

先前的机械通气系统使呼出气体排离患者并且每次呼吸只包括 新鲜气体。现代机械通气系统通过处理呼出气体并使它们在稍后的呼 吸循环中返回到患者而回收来自患者呼出气体中的至少一部分。这些 低流动性机械通气系统探寻输送给患者的医用气体的使用的最大化。

发明内容

用于向患者提供机械通气支持的系统包括配置成气动地向患者 提供机械通气支持的机械通气机。呼吸回路气动连接于机械通气机和 病人连接之间，该患者连接配置成向患者输送机械通气支持。该呼吸 回路包括患者连接上游的吸气段和患者连接下游的呼气段。吸气止回 阀设置在呼吸回路的吸气段内。新鲜气体歧管配置成向呼吸回路提供 新鲜气体用于输送给患者。新鲜气体阀设置在新鲜气体歧管与呼吸回 路之间。新鲜气体阀能在至少两个位置之间操作。在第一位置，新鲜 气体阀引导新鲜气体通过上游管道，该上游管道提供新鲜气体给吸气 止回阀上游的呼吸回路。在第二个位置，新鲜气体阀引导新鲜气体通 过下游管道，该下游管道提供新鲜气体给吸气止回阀下游的呼吸回 路。数字信号处理器在第一位置和第二位置之间选择性地操作新鲜气 体阀来向患者提供机械通气支持。

利用机械通气机为患者通气的方法包括操作该机械通气机来向 患者提供一系列通气支持呼吸。新鲜气体流通过新鲜气流阀引入呼吸 回路的吸气段。该新鲜气体流在输送给患者的通气支持呼吸的整个系 列中持续输送到呼吸回路。利用设置在呼吸回路内的至少一个气体传 感器感测通气支持值。呼吸回路的操作状况与接收感测的通气支持值 的数字信号处理器相同。利用数字信号处理器在第一位置和第二位置 之间操作新鲜气流阀。新鲜气流阀的第一位置引导新鲜气体流进入第 一管道，其将新鲜气体流引入吸气止回阀上游的吸气段，并且第二位 置引导新鲜气体流进入第二管道，其将新鲜气体流引入吸气止回阀下 游的吸气段。

用于向患者提供机械通气支持的系统包括通过患者连接气动连 接到患者的呼吸回路。风箱(bellow)气动连接到呼吸回路的吸气段 和呼气段。该风箱接收来自呼气段的呼出气体，并且通过排气阀释放 来自呼吸回路的多余压力。该风箱进一步连接到机械通气机，其操作 风箱以通过吸气段向患者提供机械通气支持。吸气止回阀设置在呼吸 回路的吸气段内。吸气传感器设置在吸气段内。该吸气传感器测量来 自吸气段的通气支持值。呼气传感器设置在呼气段内。该呼气传感器 测量来自呼气段的通气支持值。新鲜气体歧管配置成向呼吸回路提供 新鲜气体用于输送给患者。新鲜气体阀设置在新鲜气体歧管和呼吸回 路之间。新鲜气体阀能在至少两个位置之间操作。新鲜气体阀的第一 位置引导新鲜气体到上游管道，其向吸气止回阀上游的呼吸回路提供 新鲜气体。新鲜气体阀的第二位置引导新鲜气体通过下游管道，其向 吸气止回阀下游的呼吸回路提供新鲜气体。数字信号处理器接收来自 吸气传感器和呼气传感器的通气支持值。该数字信号处理器从通气支 持值中的至少一个确定呼吸回路的操作状况，并且基于确定的操作状 况在第一位置与第二位置之间选择性地操作新鲜气体阀。

附图说明

图1是用于向患者提供机械通气支持系统的示意图。

图2A是描绘在吸气期间吸气止回阀上游的新鲜气体输送的示意 图。

图2B是描绘在呼气期间吸气止回阀上游的新鲜气体输送的示意 图。

图3A是描绘在患者吸气期间吸气止回阀下游的新鲜气体输送的 示意图。

图3B是描绘在患者呼气期间吸气止回阀下游的新鲜气体输送的 示意图。

图4是描绘利用机械通气机为患者通气的方法的实施例的流程 图。

具体实施方式

图1是描绘用于向患者12提供机械通气支持的系统10的实施例 的示意图。

系统10包括呼吸回路14。该呼吸回路14通过吸气段16引导医 用气体朝向患者12，并且通过呼气段18引导呼出气体远离患者。Y 连接器20将吸气段16和呼气段18连接到患者连接22，其便于系统 10气动连接到患者12。要理解存在很多种可以与系统10的实施例一 起使用的患者连接22。这些患者连接22包括但不限于气管导管、通 气面罩和喉罩。

呼吸回路14气动连接到风箱24。风箱24由机械通气机26操作， 该机械通气机26为风箱24提供驱动气体28供应以便在呼吸回路14 内形成医用气体或呼吸的压力波形以作为呼吸支持输送给患者12。

吸气止回阀30设置在吸气段16内并且呼气止回阀32设置在呼 气段18内。吸气止回阀30和呼气止回阀32保持呼吸回路14内的大 体上单向流动。呼吸回路内的单向流动的例外情况将在本文更详细描 述。

在机械通气支持中，系统10与患者12通过连续吸气与呼气阶段 进行循环。在呼气阶段期间，来自患者12的呼出的气体从患者连接 22引导进入呼气段18，其中呼出气体进一步引导进入风箱24。操作 机械通气机26以降低驱动气体28的压力，该驱动气体28允许风箱 24扩张以接受呼出的呼吸气体。任何多余气体体积的呼出的呼吸气体 通过排气阀34排到风箱24外。当患者接收人工通气时，呼气阶段和 呼气阶段的大小和持续时间通过控制机械通气机26而确立。如果患 者12正接收通气协助，则检测患者12的自主呼吸尝试并且操作机械 通气机26来提供程式化的通气协助。在吸气阶段期间，机械通气机 26输送驱动气体28到风箱24，从而压紧风箱24并迫使包含在其中 的呼出气体离开风箱24并且进入吸气段16。在一个实施例中，通过 位于来自风箱24的气体的流动路径中的二氧化碳吸收器36提供来自 风箱24的气体。该二氧化碳吸收器36使用化学反应来俘获来自呼出 气体的二氧化碳并且释放氧气和水。要理解在备选实施例中除二氧化 碳吸收器36之外，另外的调节设备还可用于进一步处理来自患者的 呼出气体用于再循环回到患者。这样的另外的调节设备可包括增湿 器、热交换器、过滤器，或麻醉剂源。

由于呼出气体的至少一部分通过排气阀34排出，一定体积的新 鲜气体必须从新鲜气体歧管38提供给吸气段16。新鲜气体歧管38连 接到医用气体源。该源可以包括加压医用气体瓶或者在医院或临床环 境中发现的墙壁供应管道。在描述氧气源40与空气源42时，要理解， 除氧气和空气外可使用多种其它医用气体或可使用多种其它医用气 体来代替氧气和空气。可以使用的备选医用气体的非限制性示例包括 氦氧混合气、一氧化二氮、氙气或者氮气(其用作平衡气体)。另外， 新鲜气体歧管38可包括麻醉剂蒸发器来分配来自麻醉液贮存器的汽 化麻醉剂。

数字信号处理器(DSP)44通信地连接到新鲜气体歧管38以便 控制输送到吸气段16的新鲜气体混合物。具体地，DSP 44操作新鲜 气体歧管38以便以确立的氧气浓度输送规定的新鲜气体流，如将在 本文进一步详细公开的。

DSP 44连接到计算机可读介质46。该计算机可读介质46可以是 多种已知的非易失性可读存储器实现中的任何实现。在一个示范性实 施例中，该计算机可读介质46是闪速存储器。该计算机可读介质46 可以是DSP 44的一体式部件(未描述)。备选地，该计算机可读介 质46可以是通信地连接到DSP 44的单独部件。

利用计算机可读代码对计算机可读介质46编程，该计算机可读 代码由DSP 44访问和执行。当DSP 44执行计算机可读代码时，DSP 44采用执行本文公开的归属于DSP 44的功能和操作这样的方式操作。

输入装置48也通信地连接到DSP 44。输入装置48可以是临床医 生用来输入系统10的控制或操作参数的键盘、软键、触摸屏或者鼠 标。尽管没有在图1中描述，DSP 44可以通信地连接到机械通气机 26，使得DSP 44提供命令和控制给机械通气机26，例如来操作机械 通气机26以提供如本文描述的功能。

风箱24由机械通气机26操作，以使来自患者12的呼出气体再 循环回到吸气段16用于输送回到患者12。尽管例如由CO2吸收器36 提供气体调节，再循环气体中的体积、组分气体浓度必须通过新鲜气 体(其通过新鲜气体管道50从新鲜气体歧管38提供)的引入而改动。 新鲜气体管道50分成上游管道54，其在吸气止回阀30上游的位置处 流动地连接到吸气段16。新鲜气体管道50还分成下游管道56，其在 吸气止回阀30下游的位置处流动地连接到吸气段16。一个或多个气 体传感器(未描述)监测再循环呼吸气体的压力、体积、流速和组分 气体浓度中的至少一个。DSP 44接收这些监测值并控制新鲜气体歧管 38通过新鲜气体管道50供应新鲜气体组合，使得供应给患者12的呼 吸气体满足期望的体积和组分气体浓度需求。新鲜气体阀52至少是 连接新鲜气体管道50、上游管道54和下游管道56的三通阀。DSP 44 操作新鲜气体阀52，以便限定两个备选流动路径，在第一流动路径中 通过新鲜气体管道50和上游管道54提供新鲜气体(其要在吸气止回 阀30上方的位置处提供给吸气段16)。DSP 44进一步操作新鲜气体 阀52到第二位置，其中通过新鲜气体管道50和下游管道56由新鲜 气体歧管38提供新鲜气体(其要在吸气止回阀30下游的位置处提供 给吸气段16)。

系统10的一个操作特征是提供氧气冲洗程序的能力。在氧气冲 洗中，100％氧气从新鲜气体歧管38以高流速流过呼吸回路14。该程 序可用于选择性地为患者12提供一段时间的高氧气浓度通气，或者 快速地再注满风箱中的气体体积。备选地，这样的程序可用来快速降 低呼吸回路14和患者12中的高浓度麻醉剂。在系统10中，氧气冲 洗管道58将氧气源40流动地连接到新鲜气体管道50。氧气冲洗阀 60设置在新鲜气体管道58内。操作氧气冲洗阀60来输送主要是高流 动性的氧气到新鲜气体管线50。在实施例中，氧气冲洗阀60由瞬时 推动阀机械致动，并且氧气冲洗的致动或流动被感测并且传送到DSP 44。

在备选实施例中，冲洗阀60由DSP 44操作来输送高流动性的氧 气。当接收到来自输入装置48的控制信号(其指示临床医生正做出 具体选择来发起氧气冲洗程序)时，DSP 44发起氧气冲洗程序。在一 个设置中，新鲜气体阀52不只是三通阀或实际上是多个阀，使得氧 气冲洗管道58直接连接到新鲜气体阀52(未描绘)并且氧气流在氧 气冲洗程序期间完全绕过新鲜气体管道50。在该实施例中，操作新鲜 气体阀不仅来选择气流的目的地(上游管道54或下游管道56)，还 来选择气流的源(新鲜气体管道50或氧气冲洗管道58)。

吸气传感器62设置在吸气段16中，并且呼气传感器64设置在 呼出段18内。吸气传感器62和呼气传感器64每个感测至少一个通 气支持值。通气支持值的示例包括传感器处的压力、流速和组分气体 浓度。吸气传感器62和呼气传感器64为DSP 44提供指示来自输送 到患者66的医用气体的这些通气支持值的信号和代表来自由患者68 呼出的气体的通气支持值的信号。

DSP 44接收这些通气支持值，其示范性地包括吸气流速、吸气压 力、吸入氧气浓度、呼气流速、呼气压力和呼出氧气浓度。在一些实 施例中，传感器62和64可以组合成单个传感器(未示出)，并且可 以位于患者连接22处以在通气的相应吸气和呼气阶段期间感测吸气 信号66和呼气信号66。本领域内技术人员将认识到备选实施例可包 括这些通气支持值中的一些或全部，或将认识到还可使用其它值。DSP 44处理这些值以便识别呼吸回路的操作状况，如将在本文进一步公开 的。DSP 44基于识别的呼吸回路14的操作状况控制新鲜气体阀52使 得新鲜气体在相对于吸气止回阀30的最佳位置处提供给吸气段16。

在本文中参考图2A、2B、3A和3B，其每个描绘医用气体在系 统内的不同条件下采取的流动路径。图2A-3B描绘系统10的简化实 施例；然而，要理解在备选实施例中，在图1中示出的更详细的特征 也将存在。相似的标号已经在图1-3B中使用来指示图之间的相似结 构。

图2A和图2B描绘当在第一位置操作新鲜气体阀52使得新鲜气 体流70输送通过吸气止回阀30上游的上游管道54时医用气体的流 动。图2A描绘采用该新鲜气体阀52配置的呼吸循环的吸气阶段。机 械通气机26使用分别来自氧气源40和空气源42的氧气和空气中的 一个或多个作为引导进入风箱24的驱动气体28。要理解在备选实施 例中，机械通气机26包括其自身的驱动气体源，其示范性地可以是 例如由马达或螺线管(未描述)电驱动的压缩机(未描述)或者风箱 24。驱动气体28压缩风箱24，并且迫使医用气流72离开风箱24进 入呼吸回路14的吸气段16。由新鲜气体歧管38提供的新鲜气流70 流过新鲜气体管道50和上游管道54以在穿过吸气止回阀30、吸气段 16和患者连接22之前加入来自风箱24的医用气流72以便输送到患 者12。

图2B描绘在呼吸循环的呼气阶段期间的气流，其中在第一位置 操作新鲜气体阀52用于引导新鲜气体流70通过上游管道54的流。

在患者12的呼气期间，呼出气体74通过患者连接22流回到呼 吸回路14。如可以在图2B中看到的，呼出气流74的一部分引导进入 吸气段16的一部分，而另外的流被吸气止回阀30阻挡。大部分的呼 出气流74被引导通过呼气段18并被允许穿过呼气止回阀32。穿过呼 气止回阀32的呼出气流74被引导进入风箱24。在呼气阶段期间，操 作机械通气机26来使驱动气体28的压力减少到低于呼吸回路14中 的呼出气体74的压力。因此，随着风箱24扩张，驱动气体28被挤 出。这在风箱24内形成体积来接收呼出气流74。超出风箱24内包含 的体积的任何过多呼出气体作为废气76通过排气阀34去除。

操作新鲜气体歧管38来持续提供新鲜气流70。然而，由于呼出 气体74引起吸气止回阀30下游的吸气段16中的压力，新鲜气流70 向上游引导以与呼出气流混合并进入风箱24。由于呼出气流74代表 更大体积的气体，添加新气流70进入风箱24将使呼出气流74的一 部分引导通过排气阀34作为废气流76。

图3A描绘在系统实施例中的气体流动，其中在第二位置操作新 鲜气体阀52使得来自新鲜气体歧管38的新鲜气流70引导通过新鲜 气体管道50和下游管道56进入呼吸回路14的吸气段16(在吸气止 回阀30下游的位置处)。图3A描绘在患者12的呼吸循环的吸气阶 段期间该实施例的操作。

机械通气机26提供驱动气体28给风箱24，该驱动气体28压缩 风箱以输送医用气流72进入呼吸回路14的吸气段16。医用气流72 持续通过吸气止回阀30，其中医用气流72与新鲜气流70混合用于通 过患者连接22输送给患者12。

图3B描绘在第二种情况下操作新鲜气体阀52使得新鲜气体流70 在吸气止回阀30下游的位置处输送到吸气段16时系统配置中的气体 流动。

在图3B中，呼出气体74通过患者连接22离开患者12并且与来 自吸气段16的新鲜气流70在呼吸回路14中混合。呼出气体和新鲜 气体的混合气流78流过呼气段18和呼气止回阀32。混合气流78进 一步引导通过呼吸回路14进入风箱24，其中风箱24扩张以接收混合 气流78的体积。风箱24中接收的任何过多气流通过排气阀34作为 废气流76排出。

关于图1-3B，由DSP 44对新鲜气体阀52的控制提供系统10， 其中基于感测的呼吸回路14或整个系统10内的状况，为新鲜气流70 的输送选择相对于吸气止回阀30的最佳位置。

关于图2B，可以看出，呼出气流74形成提供给风箱24的气体的 大部分。因此，连续的新鲜气流70进入风箱24，并且一部分呼出气 流74被作为废气流76排出风箱24。因此，新鲜气体阀52在第一位 置的操作呈现患者的呼吸系统的呼气阶段期间保存引入系统的新鲜 气体的优势。这与图3B中发现的气流成对比，其中混合气流78提供 进入风箱24。由于混合气流78包括新鲜气流70和呼出气流74，在 患者呼气的开始或结束的停顿期间，新引入的新鲜气流70循环通过 呼吸回路14并且进入风箱24，其中新鲜气流70最终通过排气阀34 作为废气流76排出。因此，在第二位置操作新鲜气体阀52时的系统 10的呼气阶段期间，未使用的新鲜气体可以通过通气到环境大气或另 一个形式的气体清除器而浪费。

在另外的示范性实施例中，在图2B中，呼出气体74流入吸气段 16直到该流动由吸气止回阀30停止。因此，当系统循环到达如图2A 中示出的吸气阶段时，最先输送给患者12的气体是之前在吸气段16 中俘获的呼出气体。然而，包含在吸气止回阀30的下游的吸气段16 内的呼出气体的确切体积可以是相对小的，该特征可以在实际输送给 患者12的气体浓度中引入误差，特别如果患者经历低潮气量(示范 性地50毫升或更少)时是这样。

在图2A和2B中发现的示例要与图3A和3B中示出的成对比。 当在第二位置操作新鲜气体阀52时，新鲜气流70在如图3B中示出 的患者的呼气阶段期间流过吸气段16。因此，当患者12循环进入吸 气阶段时，吸气段16填充有新鲜气流70，并且对患者12首先提供该 新鲜气体。

系统的另外特征将在本文中关于图4的流程图更详细地描述。图 4是描绘用机械通气机为患者通气的方法100的实施例的流程图。在 102，操作机械通气机以便提供一系列流体波形或呼吸，其向患者提 供通气支持。

在104，新鲜气体流被引入机械连接到患者的呼吸回路的吸气段。 该新鲜气体流通过新鲜气流阀引入吸气段。

接着，在106，用至少一个气体传感器感测至少一个通气支持值。 在实施例中，该至少一个气体传感器包括吸气传感器62和呼气传感 器64(在图1中描绘)中的一个或两者。该至少一个气体传感器感测 多种通气支持值的任何值，其包括但不限于吸气流速、吸气压力、吸 入氧气浓度、呼气流速、呼气压力和呼出氧气浓度。本领域内普通技 术人员将认识到备选的通气支持值由该至少一个传感器感测。该至少 一个传感器提供该感测的至少一个通气支持值给通信连接到新鲜气 体阀的数字信号处理器。

在108，数字信号处理器通过分析在106从该至少一个气体传感 器接收的至少一个通气支持值中的至少一个而识别呼吸回路的操作 状况。该识别的呼吸回路的操作状况可采取多种形式，其指明数字信 号处理器的操作响应。

下面是呼吸回路的操作状况的一些非限制示例，这些操作状况可 由数字信号处理器识别。数字信号处理器可以使用从吸气传感器获得 的测量来确定患者呼吸的潮气量。如果潮气量小，示范性地少于200 毫升，那么数字信号处理器可以识别患者是婴儿或者患者具有相似的 小潮气量，使得在吸气段中俘获的呼出气体可能影响提供给患者的呼 吸支持的质量。

在备选实施例中，吸气传感器可以测量出吸气段中的流速和/或氧 气浓度，并且识别已发起氧气冲洗程序。典型地，氧气冲洗程序将具 有每分钟35升和每分钟70升之间的纯的或大致上纯的氧气的流量。

还理解在备选实施例中，数字信号处理器44可例如从输入装置 48等接收输入，其将指明呼吸回路的操作状况。这样的示例可以是“婴 儿”通气设置、低潮气量设置的发起，或选择输入来发起氧气冲洗步 骤。在这些实施例中，由吸气传感器感测到的通气支持值可以用于证 实识别命令由通气支持系统遵循。

可以由数字信号处理器识别的呼吸回路的再另外的操作状况是 堵塞的呼气段的操作状况。因为没有从呼吸回路中去除呼出气流，并 且另外的气体被输送到患者的肺(其可能不适当地输送太大的气体压 力或体积进入患者的肺)，堵塞的呼气段引起患者气压伤的风险增加， 从而导致肺自身受损。由呼气传感器感测到的通气支持值可以在识别 呼气段的堵塞中使用。通气支持值的下列特性中的一个或多个可导致 数字信号处理器识别呼气段被堵塞。这些特性包括患者体内持久的高 气道压力、患者呼气结束时增加的气道压力和通过呼气段的气流量的 降低。

因此，公开了呼吸回路的三个示范性操作状况，其包括低潮气量、 氧气冲洗程序和堵塞的呼气段。然而，本领域普通技术人员将认识到 可由数字信号处理器44相似地识别的其它操作状况。

在110，数字信号处理器响应于识别的操作状况操作新鲜气体阀 52。在112，数字信号处理器操作新鲜气体阀至第一位置，以引入吸 气止回阀上游的新鲜气体流。在112处吸气止回阀上游的新鲜气体流 的引入可以由数字信号处理器当识别出呼气段被堵塞或已经发起氧 气冲洗程序时发起。在呼吸回路的那些操作状况中的两者中，优选吸 气止回阀上游的新鲜气流的引入，这是因为，由于过多的新鲜气流将 通过排气34排出而不是直接输送给患者12，因此保护患者避免气 压伤的风险。

备选地，在114，DSP操作新鲜气体阀引入吸气止回阀下游的新 鲜气体流。新鲜气体阀的该操作由数字信号处理器响应于识别出低潮 气量正被供应给患者而发起。由于该低潮气量，吸气止回阀下游的新 鲜气流的引入冲洗呼出气体的吸气段，使得新鲜气流从吸气的开始输 送给患者，而不是患者最初接收呼出气体。备选地，基于例如由患者 12吸入的气体浓度中的快速变化等临床需求，临床医生可以选择(通 过控制新鲜气体阀52的DSP 44经由输入装置48)新鲜气体进入呼吸 回路14。

该书面说明使用示例来公开本发明，其包括最佳模式，并且还使 本领域内技术人员能够做出并且使用本发明。本发明的专利范围由权 利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的 其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或 者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件 则规定在权利要求的范围内。

部件列表

标号    部件名称        标号    部件名称

10      系统            58      氧气冲洗管道

12      患者            60      氧气冲洗阀

14      呼吸回路        62      吸气传感器

16      吸气段          64      呼气传感器

18      呼气段          70      新鲜气流

20      Y连接器         72      医用气流

22      患者连接        74      呼出气流

24      风箱            76      废气流

26    机械通气机          78混合气流

28    驱动气体            100方法

30    吸气止回阀          102步骤

32    呼气止回阀          104步骤

34    排气阀              106步骤

36    二氧化碳吸收器      108步骤

38    新鲜气体歧管        110步骤

40    氧气源              112步骤

42    空气源              114步骤

44    数字信号处理器

46    计算机可读介质

48    输入装置

50    新鲜气体管道

52    新鲜气体阀

54    上游管道

56    下游管道