專利名稱：用于改善cpap舒適性的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在正壓力作用下將供給的空氣輸送給患者從而治療睡眠呼吸紊 亂的方法和裝置。特別地，本發(fā)明涉及一種可以提供平滑而舒適的壓力-時間波形的方法 和裝置。
背景技術(shù)：
由于Sullivan發(fā)明了鼻部的持續(xù)呼吸道正壓(鼻部CPAP)裝置用以治療梗阻性 睡眠呼吸暫停(OSA)以及其他形式的睡眠呼吸紊亂(SDB)，如在美國專利號4，944，310中所 講的，引出許多的研究工作以改善該裝置的舒適度。其中一個方面是提高患者接觸面的舒 適度，例如提供了由ResMed Limited制造的MIRAGE 和ULTRA MIRAGE 面具。提供更舒 適患者接觸面的另一個方面是使得在正壓作用下由送風(fēng)機所提供空氣的波形更舒適。有些低成本的CPAP送風(fēng)機裝置，例如ResMed Limited的S7 裝置，在患者的呼吸 周期中始終是在大致固定的正壓作用下提供空氣，例如15cmH20。送風(fēng)機包括電動機和風(fēng) 扇，其構(gòu)造可以將根據(jù)電動機旋轉(zhuǎn)速度預(yù)先確定的特定壓力輸送到患者的接口，例如面具。 當(dāng)患者在這樣的系統(tǒng)中吸入氣體時，面具中的壓力會有少量減小。當(dāng)患者呼氣氣體時，面具 中的壓力會有少量增加。面具中壓力的這種起伏被稱為“振蕩”。其他送風(fēng)機在壓力控制器 中使用了反饋裝置，用來平衡患者對面具壓力的作用從而減少振蕩。這樣的裝置在澳大利 亞目前的零售價格為大約1000澳元。另外一組CPAP裝置，例如ResMed的AUTOESET SPIRIT 裝置，可以監(jiān)控患者并 確定出輸送給患者的適當(dāng)?shù)腃PAP設(shè)置，其壓力在整個夜晚的過程中都可以變化，例如，在 患者睡眠的初始階段輸送15cmH20，而在夜里較晚的時候增大到20cmH20。要根據(jù)呼吸的具 體情況和嚴(yán)重程度確定壓力的變化，例如流動限制和打鼾。這樣的裝置在澳大利亞目前的 零售價格為大約2000澳元。雙水平的CPAP裝置，例如ResMed VPAP 的產(chǎn)品，在呼吸周期的吸氣過程中為患者 的面具提供了較高的壓力，例如10-20cmH20，并在呼吸周期的呼氣過程中為患者的面具提 供了較低的壓力，例如4-10cmH20。裝置控制周期和患者呼吸周期之間不相配會導(dǎo)致患者不 舒適。當(dāng)裝置從較高壓力向較低壓力變換的時候，使電動機制動。當(dāng)裝置從較低壓力向較 高壓力變換的時候，使電動機加速。根據(jù)裝置的設(shè)定，可以要求裝置在50-100ms的時間內(nèi) 壓力變換5-18cmH20。為了獲得這種變化，峰值電力負(fù)載可以在60-90W的范圍之內(nèi)。由于 VPAP 裝置要求低慣性和峰值負(fù)載，需要較大的并且成本較高的電源。這樣的裝置根據(jù)其 特性設(shè)置在澳大利亞目前的零售價格為大約3，500-7, 500澳元。美國專利No. 6，345，619 (Finn)敘述了一種CPAP，它在裝置控制周期的吸氣和呼 氣之間變換過程中所提供的空氣壓力是在IPAP (吸氣呼吸道正壓)和EPAP (呼氣呼吸道正壓)壓力的中間。美國專利 No. 6，484，719 (Berthon-Jones)和 6，532, 957 (Berthon-Jones) 敘述的裝置提供了根據(jù)波形模板的靜壓支撐裝置。美國專利No. 6，553，992 (Berthon-Jones et al.)敘述了一種通風(fēng)器，其伺服控制器通過調(diào)整壓力波形和壓力調(diào)制振幅的曲線而調(diào) 整支撐的程度，當(dāng)伺服控制器通過增大壓力調(diào)制振幅而增大支撐的程度時，會逐漸產(chǎn)生更 多矩形的并使之更有效的壓力波形；當(dāng)伺服控制器通過降低壓力調(diào)制振幅而降低支撐的程 度時，會逐漸產(chǎn)生更多平滑的并使之更舒適的壓力波形。所有這些專利的內(nèi)容都在這里結(jié) 合作為參考。CPAP和VPAP裝置是機械通風(fēng)器。通風(fēng)器已經(jīng)被分為(Chatburn，Principles and Practice of Mechanical Ventilation, MJ Tobin、McGraw Hill 編輯，1994，CH. 2)壓力、 容量或流量控制器中的任何一種。每種情況下，通風(fēng)器控制著輸送給患者的空氣壓力隨時 間變化、空氣容量隨時間變化、或者空氣流量隨時間變化。許多種這樣的裝置可以被編程從 而輸送不同的波形，例如脈沖(矩形)的、指數(shù)的、斜坡的和正弦曲線的。對實際輸送給患 者的波形形狀產(chǎn)生影響的，是患者呼吸系統(tǒng)的柔順性和抵抗性，還有他呼吸的作用力，以及 機構(gòu)的限制，例如送風(fēng)機的動量和傳播延遲等。西門子伺服通風(fēng)器900B是靠壓縮空氣產(chǎn)生動力的通風(fēng)器，使用類似剪刀的 閥控制吸氣流動的方式(McPherson&Spearman, RespiratoryTherapy Equipment, The C. V. Mosby Company, 1985，第 469-474 頁)。通風(fēng)器的構(gòu)造是當(dāng)壓力、容量、流量或時間中的某一項達(dá)到預(yù)定值的時候，就輸送 吸氣波形。將感興趣的變量當(dāng)作是初始的或啟動的變量。時間和壓力啟動也一樣。PuritanBennett 7200a通風(fēng)器是流量啟動。Digger Babylog通風(fēng)器是容量啟動。hfrasonics Star Sync模塊可以靠胸壁運動將hfant Mar通風(fēng)器啟動。通風(fēng)器的吸氣周期結(jié)束是由 于有些變量達(dá)到了預(yù)定值。進(jìn)行測量并用來結(jié)束吸氣的變量被稱為周期變量。以時間和容 量作為周期變量的通風(fēng)器也是已知的。許多通風(fēng)器提供了呼氣結(jié)束正壓(PEEP)。這些通風(fēng)器中有些使用了閥(PEEP閥) 使得PEEP可以變化。有些裝置，例如Ernst et al.在美國專利No. 3，961，627中所講的， 在一個呼吸循環(huán)中提供了壓力和流量控制相結(jié)合?？刂浦芷诒环肿魉膫€相位I，II，III和 IV。呼吸周期和控制周期在時間上沒必要一起下落；然而，控制周期的相位I和II大致對 應(yīng)著吸氣，而控制周期的相位III和IV大致對應(yīng)著呼氣。相位I，III和IV是壓力調(diào)節(jié)，而 相位II是流量調(diào)節(jié)。醫(yī)生可以靠三個控制元素選擇壓力過程，靠呼氣壓力減小、拐點、以及 最終的呼氣壓力。在相位III中，壓力從相位II結(jié)束測量的壓力值開始根據(jù)固定的壓力減 小率dP/dt繼續(xù)變化。當(dāng)在相位III中測量的壓力達(dá)到拐點時，壓力接下來線性變化為固定 的最終的呼氣壓力。呼氣部分從拐點到呼吸周期結(jié)束表示為相位IV。在呼氣中壓力的線性 變化過程表示一個優(yōu)選的實施例，但是也可以用其他的壓力曲線過程取代，例如指數(shù)曲線。自發(fā)呼吸的患者至少會產(chǎn)生一些作用力進(jìn)行呼吸，但是并不充分?；颊叩暮粑?期和通風(fēng)器的呼吸周期之間缺乏同步性會導(dǎo)致患者不舒適。在成比例輔助通風(fēng)(PAV)中，如Magdy ^imes所述的，通風(fēng)器產(chǎn)生的壓力與患者 的作用力成比例；患者的牽引越多，機器產(chǎn)生的壓力越高。通風(fēng)器只起到放大患者作用力 的作用，而沒有向目標(biāo)強加任何通風(fēng)或壓力?？梢岳斫釶AV的目的是使患者可以舒適地 獲得他或她的控制系統(tǒng)認(rèn)為適合的任何的通風(fēng)和呼吸方式。在美國專利No. 5，044，362、5，107，830,5, 540，222 和 5，884，662 中也敘述了 PAV 系統(tǒng)。在美國專利No. 5，044, 362中，Younes敘述了如下方式工作的系統(tǒng)(a)吸氣的流量當(dāng)管路中的速度傳感器輸出部分的高頻組件進(jìn)行濾波時，留下 的信號與在呼吸道中獨立測量的流量非常相符。因此線路中的速度信號通過了低通濾波 器，而最后的信號被用作通風(fēng)器的指令信號，直到產(chǎn)成的壓力與吸氣流量成比例，這被稱為 提供了阻力輔助。增益控制可以選擇輔助的大小。在實踐中，流量信號永久連接著加法放 大器，并且設(shè)定了最小增益以補償線路中的阻力。當(dāng)需要較大輔助來補償患者自身的阻力 時，就加大增益。(b)吸氣的容量可以結(jié)合與吸氣流量相關(guān)的信號從而測量吸氣容量。將與壓力 成比例的信號減去從而使得活塞室壓縮。根據(jù)波義耳法則，被減去的壓力信號的大小由系 統(tǒng)的氣體容量作用。當(dāng)最終的信號選擇路徑通向加法放大器時，通風(fēng)器單元與吸氣量成比 例地增大壓力。再次獲得的輔助的大小可以由增益裝置控制。(c)斜坡產(chǎn)生器這個工作模式可以讓通風(fēng)器單元起作用而不需考慮患者的作用 力，并且提供了被控制的通風(fēng)器。要啟動該功能可以靠操作者轉(zhuǎn)動開關(guān)從而將該功能的產(chǎn) 生器置入電路之中?；蛘?，可以準(zhǔn)備好斜坡產(chǎn)生器，如果在某段時間患者自發(fā)呼吸失敗就自 動選擇路徑通向加法放大器。(d)D.C.輸出由偏差放大器提供的可調(diào)節(jié)的DC輸出也選擇路徑通向加法放大 器，從而最終產(chǎn)生連續(xù)的壓力。美國專利No. 5，5；35，738 (Estes et al.)敘述了另一中 PAV 裝置。例如Puritan-Bennett7200a的支持生命的通風(fēng)器可以非常精確的控制輸送給患 者的空氣的壓力、容量和流量比率。然而這種支持的生命通風(fēng)器對于家庭用于治療睡眠呼 吸紊亂太過昂貴，成本的范圍為50，000到100，000澳元。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種低成本的CPAP裝置，它提供了用于治療睡眠呼 吸紊亂的更舒適空氣波形。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種低成本的用于治療睡眠呼吸紊亂的CPAP裝 置，它在呼氣過程中提供降低的氣壓。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種低成本的用于治療睡眠呼吸紊亂的CPAP裝 置，它在呼氣過程中將氣壓從第一水平降低到第二水平，第二水平不低于預(yù)定限值。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種控制由電動機驅(qū)動的送風(fēng)機形成的壓力的方 法，包括的步驟有當(dāng)送風(fēng)機形成的壓力超出臨界值時使電動機慣性轉(zhuǎn)動。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種CPAP裝置，它在裝置控制周期的吸氣部分過 程中提供第一正壓力的空氣，在裝置控制周期的呼氣部分過程中提供第二正壓力的空氣， 并且提供在控制循環(huán)的吸氣與呼氣部分之間平穩(wěn)變化的壓力波形。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種CPAP裝置，包括電動機、電動機速度控制器、 葉輪(如在本文中使用的，葉輪是靠電動機驅(qū)動從而進(jìn)行送氣的旋轉(zhuǎn)機構(gòu))、蝸殼、流量傳 感器、控制器、空氣輸送管和患者接觸面，其中(i)在控制循環(huán)的吸氣部分中，CPAP裝置適合于在患者接觸面中提供第一正壓力的空氣；(ii)流量傳感器適合于測量通過空氣輸送管的空氣流動率；(iii)壓力傳感器適合于測量患者接觸面中的空氣壓力；(iv)控制器適合于檢測來自流量傳感器的表示患者呼吸周期呼氣部分開始的信 號；(ν) 一旦檢測到呼吸周期的呼氣部分開始，控制器適合于指示電動機速度控制器 使電動機慣性轉(zhuǎn)動，直到患者接觸面中的壓力降到預(yù)定水平，其后控制器指示電動機控制 器控制電動機的速度，以輸送第二正壓力的空氣；并且(vi) 一旦檢測到呼吸暫?；蛘呋颊吆粑芷诘奈鼩獠糠珠_始，控制器適合于指 示電動機速度控制器將電動機加速，直到患者接觸面中的壓力達(dá)到患者接觸面的第一正壓 力。本發(fā)明的另一個方面是提供一種具有低慣性電動機的CPAP裝置。根據(jù)這一方面， 電動機的慣性要足夠低，使得電動機可以從輸送第一壓力水平的第一速度慣性轉(zhuǎn)動，直到 呼氣周期結(jié)束前達(dá)到第二預(yù)定壓力水平。根據(jù)這一方面，電動機的慣性要足夠低，使得到第 二預(yù)定壓力水平的減速率相對于典型的呼氣周期更快。優(yōu)選地，電動機和/或葉輪的慣性 小于13，600g*mm2。最終結(jié)果是制造用于治療睡眠呼吸紊亂的低成本的CPAP裝置，通過電 動機驅(qū)動的送風(fēng)機向患者的呼吸道提供所需壓力的空氣，其中在呼氣過程中通過使電動機 慣性轉(zhuǎn)動而使壓力從高水平降低到低水平。在本發(fā)明的另一方面，第一壓力水平是根據(jù)諸如美國專利No. 5，704，345所述的 自動算法而確定。本發(fā)明的另一方面是提供CPAP裝置，具有可以輸送更舒適空氣波形的電動機。本發(fā)明的另一方面是提供一種具有最大壓降的CPAP舒適模式。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的CPAP裝置；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置的特性曲線，其中使用了慣性轉(zhuǎn)動減慢電動 機；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置的特性曲線，其中使用了制動和慣性轉(zhuǎn)動的
結(jié)合；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置的特性曲線，其中33%工作周期使用了制 動；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置的特性曲線，其中使用了負(fù)峰值檢測以確定 增大壓力的時間；圖6a_d示出了適于與根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置一起使用的下蝸殼的不同視圖；圖7a_f示出了適于與根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置一起使用的上蝸殼的不同視圖；圖示出了適于與根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置一起使用的上蝸殼的另外視圖；圖9a_c示出了適于用在根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置中的電動機和葉片組件；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置的特性曲線，其中CPAP壓力設(shè)定為15cm H2O,而減少的水平為3cm H2O,上面的曲線表示流量，下面的曲線表示壓力，每個水平柵格對應(yīng)大約1秒；以及圖11具有與圖10的水平和垂直刻度相同，表示與圖10類似的視圖，但是CPAP壓 力設(shè)定為IOcm H2O0
具體實施例方式圖1示出了根據(jù)我們發(fā)明的一個實施例的裝置。無刷電動機10具有安裝在其上 的葉輪12。葉輪12駐留在蝸殼36中。電動機10受電動機控制器M(適合的控制器包括 TMS320LC2402或者M(jìn)C33035IC)控制。電動機包括傳感器32、34，分別提供表示電動機旋轉(zhuǎn) 速度和電流的信號。當(dāng)給電動機繞組通電的時候，葉輪旋轉(zhuǎn)?？諝馔ㄟ^葉輪的入口吸入并獲 得動量。當(dāng)空氣離開葉輪進(jìn)入蝸殼時，它改變速度并增大壓力。空氣離開蝸殼，分別經(jīng)過流 量和壓力傳感器觀、30 (例如SMI5652-003流量傳感器和SMI5652-003或MPX2010壓力傳 感器)到達(dá)空氣輸送管道16(例如，由Smooth-bor Plastics制造的)，該管道接下來連接 著患者接觸面18，在圖中所示實施例中是鼻部面具，例如ResMed Limited制造的MIRAGE 和ULTRA MIRAGE 面具。也可以使用其他形式的患者接觸面，例如整個臉部的面具、鼻叉 和鼻墊。流量和壓力傳感器觀、30向微控制器14提供數(shù)據(jù)。適合的控制器包括HITACHI SH 7032/34的32位RISC裝置，具有2_20MHz的時鐘頻率，8比10位的A-D轉(zhuǎn)換器和 不同輸入輸出特征。微處理器14使用了 Accelerated Technologies Incorporated 的Nucleus Plus實時操作系統(tǒng)(RTOS)。本發(fā)明的一種形式，裝置輸送預(yù)定的CPAP壓 力；這種裝置是ResMed Limited的S7ELITE。在本發(fā)明的另一種形式，根據(jù)美國專利 No. 5，704，345 (Berthon-Jones)，將微控制器14被編程從而輸送CPAP治療，該專利的方法 和裝置用于檢測呼吸系統(tǒng)中的呼吸暫停和呼吸道阻塞。美國專利No. 5，704，345的內(nèi)容在 此作為參考引入。微控制器14被編程用以檢測在患者呼吸周期中患者在吸氣和呼氣部分之間的轉(zhuǎn) 換。有許多種方式完成這種檢測。一種方式是監(jiān)控流向和流出患者的空氣流量。當(dāng)呼吸流 量信號穿過零點時(零交叉)，就完成了在吸氣和呼氣之間的轉(zhuǎn)換。作為替換或者附加，也 可以監(jiān)控面具的壓力。當(dāng)面具壓力下降到低于第一臨界值的時候，就是發(fā)生了吸氣。當(dāng)面 具壓力上升到高于第二臨界值的時候，就發(fā)生了呼氣。作為替換或者附加，可以在患者上使 用努力傳感器，例如，確定胸壁的運動、前胸骨的運動或者患者其它的運動(例如美國專利 No. 6，445，942中所述的)?？梢詫y量技術(shù)與呼吸時間的同步估算相結(jié)合。例如，可以測 量患者的平均呼吸率，當(dāng)通過流量、壓力或努力傳感器檢測到吸氣的時候，就可根據(jù)測量到 的平均呼吸率假定在一段時間后發(fā)生呼氣。該裝置包括顯示器22，例如2線路16字符的IXD或者更小的顯示裝置。該裝置包 括鍵盤沈，例如使用逆光硅酮開關(guān)的鍵盤。該裝置還包括電源，由SKYNET制造的II類絕緣 可在24V提供40W電能。該裝置可以包括能與外部裝置連通的接口 20。例如，適合的接口 芯片有MAXIM的MAX3130/MAX3131。這些芯片同時提供了 IrDA和RS-232連通。慣性是指如果物體靜止時保持其靜止的趨勢，或者，如果物體移動，使其繼續(xù)向相 同方向移動除非有某種外力作用其上。適合本發(fā)明所使用的電動機和葉輪應(yīng)當(dāng)是足夠低的 慣性。在使用CPAP裝置時，電動機通常以每分鐘幾千轉(zhuǎn)(RPM)進(jìn)行工作。如果不再向運轉(zhuǎn)的電動機供電，它減慢下來所需要的時間是電動機和葉輪的慣性以及通過葉輪的空氣流動 速率的函數(shù)。給定的電動機、葉輪和蝸殼結(jié)合將在較低的旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生較低的壓力。在本 發(fā)明的一個優(yōu)選形式中，慣性小于13，000至14，OOOg ·πιπι2，最好小于13，600g ·πιπι2。圖6_8 中示出了蝸殼外殼的一種適合形式，而圖9中示出了電動機和葉輪的一種適合形式。適合 于構(gòu)建葉輪的材料是填充了例如GE LEXAN 3412R聚碳酸酯的玻璃。在ResMedLimited的 S7 ELITE中會找到這樣的蝸殼和葉輪。慣性或者慣性矩是對于旋轉(zhuǎn)慣性的術(shù)語，是線性運動的質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)模擬。慣性矩 是相對于特定的旋轉(zhuǎn)軸被限定，在我們的情形中，是相對于電動機心軸的軸線被限定。點質(zhì) 量相對于軸線的慣性矩被定義為質(zhì)量和到軸線距離的平方的乘積。任何延伸物體的慣性矩 都是在這個基本定義上建立的。復(fù)雜物品的慣性可以用計算機程序包進(jìn)行計算，例如用SolidWorks。該 程序包考慮了轉(zhuǎn)子、心軸、葉輪和進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的其它任何物體，將它們都分解成為幾 百萬個質(zhì)量塊，并將所有這些單個的慣性都加到一起(J. L. Meriam和L. G. Kraige, EngineeringMechanics-Dynamics, John Wiley&Sons, Inc. , 1998,第 665-682 頁)?；蛘撸部梢愿鶕?jù)基本原理計算慣性矩。可以將轉(zhuǎn)子分解為簡單形狀，例如圓盤、 圓柱、球形等。對于這些形狀，可以分析計算出慣性值，然后將它們加到一起得出總的慣性 矩。例如由ResMed Limited制造的S7ELITE的CPAP裝置可以改造包括本發(fā)明。通常， 根據(jù)本發(fā)明實施例的CPAP裝置的控制器被編程，從而輸送范圍在4到25cm H2O的CPAP壓 力。在該裝置的自動調(diào)節(jié)形式中，例如Autokt SPIRIT以及在上述美國專利No. 5，704，345 中所講的，CPAP裝置被編程以增加CPAP壓力，從而克服或防止部分或完全的呼吸道阻塞， 其表現(xiàn)為出現(xiàn)鼾聲、呼吸暫?；蛄鲃悠骄彙？刂破?4被編程，根據(jù)患者醫(yī)生所建議的治療壓力在患者呼吸周期的呼氣階段 中輕微地降低患者接觸面中輸送給患者的氣壓。降低的量一種形式是通過CPAP裝置上的 開關(guān)26進(jìn)行可取的設(shè)置而確定。例如，控制器可以被編程從而提供呼氣過程中的四種不同 水平的壓力降低量，每一水平都導(dǎo)致壓力另外降低Icm H20(舒適模式)。例如，當(dāng)在吸氣過 程中CPAP壓力設(shè)定為以15cm H2O的壓力向患者接觸面輸送空氣并且舒適模式被設(shè)定為第 2水平，在呼氣過程中壓力將會降低到13cm H2O0在我們發(fā)明的另一種形式中，降低的量是大約2. 5、3和3. 5cm H2O ；在本發(fā)明又一 形式中，降低的量是大約1、2和3. 5cm H2O,以及1、2和3cm H2O0在我們發(fā)明的一個優(yōu)選形式中，壓力降低的最大量靠水平設(shè)定進(jìn)行固定，在呼氣 過程中壓力不會落至低于預(yù)定的量。最好的，面具壓力不會落至低于4cm H2O0在我們發(fā)明的一種形式中，當(dāng)監(jiān)控呼吸流量的流量信號表明患者呼吸周期的呼氣 部分開始時，會根據(jù)水平設(shè)定使得壓力由CPAP壓力降低設(shè)定量。壓力保持在較低的水平， 一直到檢測到吸氣開始的時候，這時壓力將返回到CPAP壓力。在我們發(fā)明的另一種形式中，當(dāng)監(jiān)控呼吸流量的流量信號表明患者呼吸周期的呼 氣部分開始時，會根據(jù)水平設(shè)定使得壓力由CPAP壓力降低設(shè)定量。壓力保持在較低的水 平，一直到檢測到吸氣開始的時候，或者檢測到呼吸暫停，這時壓力將返回到CPAP壓力。一旦檢測到呼吸暫停，在吸氣和呼氣的過程中壓力可保持在較高的水平。另外，一旦檢測到呼吸暫停結(jié)束(即恢復(fù)正常呼吸)或者持續(xù)預(yù)定時間的呼氣，可將呼氣模式中降 低的壓力恢復(fù)。根據(jù)本發(fā)明的一個特征，壓力降低是靠電動機的“慣性轉(zhuǎn)動”而實現(xiàn)。就是說，當(dāng) 檢測到呼氣的時候，暫時停止給電動機繞組供電，使得轉(zhuǎn)子最終減慢下來并導(dǎo)致輸送到患 者接觸面的空氣壓力降低。這種方法使壓力逐漸減小從而特別舒適。監(jiān)測患者接觸面中的 壓力，當(dāng)患者接觸面壓力降低到可接受的水平(被設(shè)置為“舒適”水平)時，恢復(fù)給電動機 繞組供電而處于足以將患者接觸面的壓力保持在較低水平的低速。如果流量信號表示檢測 到吸氣開始，就增加電動機速度從而輸送所需CPAP壓力。通常，按順序進(jìn)行三個步驟(i) 一旦檢測到從吸氣轉(zhuǎn)變到呼氣，就將電動機斷電使其慣性轉(zhuǎn)動。(ii)當(dāng)患者面具(或者使用任何其它的接觸面)中的壓力在呼氣過程中達(dá)到最小 壓力水平時，電動機再次通電并且控制其速度從而將壓力控制在適合呼氣的水平。(iii) 一旦檢測到從呼氣轉(zhuǎn)變到吸氣，就增大電動機速度從而在患者面具中提供 適合吸氣的更高壓力。圖2為示波器的屏幕，示出的兩個跡線是根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置用呼吸機進(jìn)行 測試時輸送呼吸容量為500ml且每分鐘15次呼吸的正弦式呼吸。上面的跡線表示壓力信 號。下面的跡線表示流量信號。用流量信號檢測至少一個轉(zhuǎn)變。流量信號由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù) 值(零交叉)可以定義為呼氣開始。流量信號由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?零交叉)可以定義為吸 氣開始。當(dāng)流量信號小于臨界值的時候，就表示已發(fā)生零交叉。臨界值具有調(diào)整壓力和流量 曲線之間相位延遲的效應(yīng)。臨界值越大，就越可以相信零交叉檢測的可靠性。然而在轉(zhuǎn)變 發(fā)生時，潛在地導(dǎo)致相位延遲和同步性降低的不確定性會增加。將吸氣流量定義為正值，從 吸氣到呼氣轉(zhuǎn)變的臨界值為0到51/min，最好是11/min。從呼氣到吸氣轉(zhuǎn)變的臨界值為_4 到-11/min，最好是-11/min。本發(fā)明的另一種形式中，從吸氣到呼氣轉(zhuǎn)變的臨界值范圍為-4到-11/min，最好 是-11/min，而從呼氣到吸氣轉(zhuǎn)變的臨界值范圍為0到51/min，最好是11/min。這種方法的 優(yōu)點是，如果在呼氣到吸氣的流量曲線中具有平坦的區(qū)域，正如有時會發(fā)生的那樣，不會太 早引發(fā)吸氣。本發(fā)明的又一方式中，結(jié)合了流量計算容積。當(dāng)容積為負(fù)時就認(rèn)為發(fā)生了呼氣，而 當(dāng)容積為正時就認(rèn)為發(fā)生了吸氣。通常，在本發(fā)明的裝置中，循環(huán)/引發(fā)臨界值的特性得益于靈敏度?！皯T性轉(zhuǎn)動”的結(jié)果表明呼氣過程中在大約1. 7秒的時間內(nèi)從大約3到km H2O緩 慢下降到新設(shè)定的壓力，而一旦開始吸氣就形成快速的上升時間(大約300至800ms)。上 升時間是包括電力供應(yīng)和慣性的多種因素的函數(shù)。下降時間長的原因是因為電動機的慣性 和沒有有效斷開。在我們發(fā)明的其他形式中，至少在慣性轉(zhuǎn)動的某些時候電動機的制動會影響壓力 的降低。制動可以通過縮短繞組來實現(xiàn)。本發(fā)明的一種形式中，壓力和流量都通過相應(yīng)的 壓力和流量傳感器進(jìn)行檢測。在本發(fā)明的其他形式中，壓力是從電動機速度進(jìn)行估算。圖3示出了與圖2相同的一組曲線。但是在圖3中，緊隨著從吸氣到呼氣的零交 叉，施加了制動使得壓力在MOms內(nèi)降到大約2. 7cm H2O0所使用的制動時間是誤差即在測量的壓力與目標(biāo)壓力之間差值的函數(shù)。誤差越大，制動歷時越久。誤差減小，制動所使用的 時間越短。因此制動時間的持續(xù)是誤差的函數(shù)。在圖2中，使用了 50ms開/關(guān)、30ms開/ 關(guān)和IOms開/關(guān)的制動持續(xù)時間。因此所產(chǎn)生的壓力降低是慣性轉(zhuǎn)動和電動機制動相結(jié) 合的結(jié)果。—種形式中，施加了制動并且不釋放直到傳感器上的壓力與新設(shè)定的呼氣循環(huán)的 壓力相同。如果當(dāng)吸氣開始時(即呼吸流量，&> Hth)制動開始作用，隨后制動被釋放并且 設(shè)定的壓力返回到CPAP治療壓力。使用狀態(tài)機以在開/關(guān)循環(huán)中施加制動，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時使其周期更快?？紤]到制動的大小壓降，還可以進(jìn)一步改善轉(zhuǎn)換制動的施加。實現(xiàn)壓力下降的算法如下1)檢測零交叉。2)設(shè)定目標(biāo)壓力=(治療壓力-選擇的下降壓力)。3)計算壓力誤差=目前壓力-目標(biāo)壓力。4)當(dāng)壓力誤差>=鄰接值，以優(yōu)選的工作循環(huán)制動電動機。一種形式，使用抖動制動，就是說，在很短的時間內(nèi)將電動機制動，例如工作循環(huán) (例如IOms加上制動，20ms解除制動)的25% _50%，最好是33%。得到要求的壓力降低 所需要的工作循環(huán)的大小是慣性的函數(shù)。通過如上所述的電動機和葉輪的結(jié)合，使用更短 的工作循環(huán)-假定10% -不足以在理想的時間內(nèi)減慢電動機而獲得所需壓力。然而，使用 較低慣性的電動機和葉輪，可以通過10%工作循環(huán)獲得理想壓力。另外，盡管用優(yōu)選的電動 機和葉輪使用大于約50%的工作循環(huán)可以產(chǎn)生壓力峰值，而當(dāng)使用其他電動機和葉輪時， 可以使用大于50%的工作循環(huán)。圖4示出了當(dāng)制動具有33%工作循環(huán)時裝置的特性曲線。臨界值的大小取決于用來使電動機制動的工作循環(huán)。對于33%的工作循環(huán)，臨界 值設(shè)定為0. 5-0. 9cm H2O,最好為0.5cm H2O0對于25%的工作循環(huán)，可使用的臨界值范圍 為0. 2-0. 7cm H2O,而對于50%的工作循環(huán)，可使用的臨界值范圍為0. 8-1. 4cm H2O0由于電動機從低速加速到足以提供治療壓力的速度要花費一定的時間，壓力從較 低的“舒適”壓力增加到治療壓力也需要一定的時間。時間延遲會導(dǎo)致患者和送風(fēng)機之間 同步性降低。在本發(fā)明的這種形式中，并不是在檢測到吸氣開始前(例如，流量信號從負(fù)的 變?yōu)檎盘?一直等待著，而是嘗試著預(yù)測吸氣發(fā)生的時間并且調(diào)整壓力的增大以保持同 步性。在我們發(fā)明的一種形式中，使用了負(fù)峰值檢測器使得在呼氣循環(huán)的頂點時壓力開 始斜坡上升，從而使得在吸氣循環(huán)開始前穩(wěn)定地輸送治療壓力，如圖5所示。這種方法使用 了前述的下臨界值，而上臨界值被負(fù)峰值檢測器代替。在我們發(fā)明的另一種形式中，我們使用了后面的方法以試圖消除錯誤的負(fù)峰 值。從間隔IOms的三個點計算出流量的動態(tài)平均值。滯后的臨界值會與該移動平均值 一致。可以通過改變臨界值峰值檢測算法或者改變尋找負(fù)峰值所采用的方法(例如，篩 選和計算微分值)從而改進(jìn)這個實施例。檢測負(fù)峰值也可以使用最小檢測的技術(shù)，例如 "Minimizationor Maximization of Functions，，第 10 章，Numerical Recipes,W. H. Press et al.，1986，劍橋大學(xué)出版社，ISBN 0 521 30811 9。可以使用其它的技術(shù)來預(yù)測吸氣將要發(fā)生時間，調(diào)整壓力的增長并保持同步性。例如，在本發(fā)明的另一種形式中，平均的呼氣周期持續(xù)時間，td，由流量的連續(xù)零交叉以及 壓力從較低的“舒適”壓力增長到治療壓力所必須的時間，tp，而計算得出。一旦檢測到呼 氣，計時器、就從呼氣開始起記錄時間。當(dāng)、=td-tp時，啟動電動機從較低速度到較高速 度的加速。在慣性轉(zhuǎn)動過程中壓力降低率取決于慣性轉(zhuǎn)動剛開始前的吸氣壓力。例如從 15cmH20的吸氣壓力，在大約1秒內(nèi)壓力可以降低3cm H2O0見圖10。不同的是，從IOcmH2O 的呼氣壓力，在大約2秒內(nèi)壓力可以降低3cm H2O0見圖11。因此根據(jù)本發(fā)明的一個實施 例，提供了 一種裝置用于獲得呼氣壓力減輕的調(diào)節(jié)率。本發(fā)明中發(fā)生的壓力降低被可調(diào)節(jié)量限制的優(yōu)點是該限制確保了充分的CO2清除 和/或保持呼吸道打開。例如，在呼氣壓力降低完全取決于呼氣流量的CPAP系統(tǒng)中，呼氣 過程中的CPAP壓力會下降到低于確保充分(X)2清除的壓力，通常是kmH20。因此，可以對 裝置進(jìn)行改進(jìn)，例如美國專利No. 5，535，738或者Respironics Inc.的帶有C-Flex模式的 BiPAP通風(fēng)器那樣，其中在呼吸周期的呼氣部分，壓力會遵照呼吸流動率，但是只可以降到 臨界值。因此，患者接觸面的壓力永遠(yuǎn)不會降到能保證充分的(X)2清除和/或保持呼吸道 打開的壓力以下。對目前已經(jīng)使用在重復(fù)治療周期管理過程中的本發(fā)明的慣性轉(zhuǎn)動技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行 了敘述。然而，該技術(shù)至少還有其他的兩個用途。一個是在斜坡相位過程中，可在許多CPAP 治療機上獲得的特征，在該機器中當(dāng)患者想要睡著的時候，在斜坡相位過程中產(chǎn)生面具壓 力并達(dá)到治療壓力。參見美國專利No. 5，199，424,5, 522，382和6，705，351。例如，在斜坡 相位(ramp phase)過程中，可以在循環(huán)的過程中使得吸氣壓力恒定(盡管從一個循環(huán)到另 一個循環(huán)增大)，但是也可以使呼氣壓力由一個循環(huán)到另一個循環(huán)增大而且靠本發(fā)明所講 的電動機或送風(fēng)機轉(zhuǎn)子慣性轉(zhuǎn)動進(jìn)行控制。在斜坡相位結(jié)束時，即一旦達(dá)到治療壓力時，也 可以停用慣性轉(zhuǎn)動技術(shù)。還可以考慮適當(dāng)?shù)刂饾u減小慣性轉(zhuǎn)動技術(shù)斜坡相位端部，從而平 穩(wěn)地變換到治療的CPAP壓力的水平。通過逐步降低連續(xù)呼吸中呼氣與吸氣之間的壓力差 獲得這種逐漸減小的效果。最好地，這在斜坡相位的最后一分鐘發(fā)生，并且等于大約15次 的平均呼吸。這種逐漸減小是想要減少對患者的干擾并增加患者的舒適度。通過在斜坡相位結(jié)束時停用慣性轉(zhuǎn)動技術(shù)，當(dāng)患者想要入睡的時候(即在斜坡相 位的過程中)為患者提供了最大的舒適度，而沒有讓慣性轉(zhuǎn)動技術(shù)干擾睡眠過程中(在治 療相位中)臨床確定的治療壓力。同樣的，可以在自動滴定呼吸道正壓(APAP)的“穩(wěn)定時 間”的相位過程中使用本發(fā)明的慣性轉(zhuǎn)動技術(shù)，例如可用在ResMedAutoSet SP^IT CPAP 裝置中。在“穩(wěn)定時間”的過程中，提供了恒定的但是較低的面具壓力，從而使得患者可以 不知不覺地進(jìn)入睡眠。在“穩(wěn)定時間”結(jié)束時，APAP為患者提供了由治療算法確定的適當(dāng)?shù)?可變的治療處理壓力。通過只在“穩(wěn)定時間”的過程中使用本發(fā)明的慣性轉(zhuǎn)動技術(shù)，可以在 轉(zhuǎn)變到睡眠的過程中增強患者的舒適度而不包含實際的治療。當(dāng)然，如果在臨床上不想讓 患者接觸面的壓力降低到低于“穩(wěn)定時間”相位所設(shè)定的低壓，那么在該相位過程中不結(jié)合 慣性轉(zhuǎn)動技術(shù)會比較合適?；蛘撸€(wěn)定時間的相位壓力可以設(shè)定在足以進(jìn)行慣性轉(zhuǎn)動技術(shù)、 但是在呼氣的過程中又不會使壓力水平降低到低于臨床預(yù)定可接受水平的水平。在CPAP 的斜坡相位結(jié)束時或者在APAP的“穩(wěn)定時間”結(jié)束時停用慣性轉(zhuǎn)動技術(shù)，避免了在治療過 程中由于存在慣性轉(zhuǎn)動而造成壓力供給不足或者(X)2清除不充分。
盡管已經(jīng)參考附圖敘述了本發(fā)明的特別實施例，但是應(yīng)當(dāng)理解這些實施例只是用 來表示本發(fā)明原理的應(yīng)用?？梢栽谄渲羞M(jìn)行許多改變，并且可以設(shè)計出其它的布置而不背 離本發(fā)明的精髓和范圍。例如在所示的實施例中，使用了流量信號以確定吸氣和呼氣之間 的變換，但是也可以使用其它的信號，例如壓力信號。還可以使用信號的結(jié)合，例如流量和 努力信號結(jié)合，而且可以使用慣性轉(zhuǎn)動來控制或減少患者接觸面的壓力波動。
權(quán)利要求
1.一種通過CPAP裝置控制空氣輸送的壓力的方法，其中，所述CPAP裝置包括 電動機驅(qū)動的葉輪，所述葉輪用于將空氣輸送到患者接觸面；用于檢測所述患者接觸面中的壓力的壓力傳感器； 用于檢測流到所述患者接觸面的流量的流量傳感器；以及控制器，所述控制器(1)控制輸送到所述患者接觸面的空氣的壓力以及( 檢測各個 相位、各個相位之間的轉(zhuǎn)變和患者呼吸周期的阻塞； 所述方法包括如下步驟(i)在沒有阻塞的情況下，一旦檢測到吸氣或者從呼氣向吸氣的轉(zhuǎn)變，通過驅(qū)動所述葉 輪以第一壓力水平輸送加壓空氣；(ii)在沒有阻塞的情況下，一旦檢測到從吸氣向呼氣的轉(zhuǎn)變，使所述葉輪慣性轉(zhuǎn)動直 到所述患者接觸面中的壓力減小到第二壓力水平，以及隨后通過驅(qū)動所述葉輪以所述第二 壓力水平輸送加壓空氣；以及(ii i) 一旦檢測到患者呼吸周期的阻塞，以克服所述阻塞的水平輸送加壓空氣。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，檢測到的阻塞是呼吸暫停的結(jié)果。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，檢測到的阻塞是打鼾的結(jié)果。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述阻塞導(dǎo)致流動平緩。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，檢測到從吸氣向呼氣或者從呼氣向吸氣的 轉(zhuǎn)變包括如下子步驟(iv)所述控制器確定流向患者的呼吸空氣流量；以及 (ν)通過確定所述呼吸空氣流量超過臨界值而檢測到轉(zhuǎn)變。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述臨界值是可調(diào)節(jié)的。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二壓力水平是可調(diào)節(jié)的。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二壓力水平是可調(diào)節(jié)的。
9.一種用于控制輸送到患者的空氣的壓力的裝置，包括 電動機驅(qū)動的葉輪，所述葉輪用于將空氣輸送到患者接觸面； 用于檢測所述患者接觸面中的壓力的壓力傳感器；用于檢測流到所述患者接觸面的流量的流量傳感器；以及控制器，所述控制器(1)控制輸送到所述患者接觸面的空氣的壓力以及( 檢測各個 相位、各個相位之間的轉(zhuǎn)變和患者呼吸周期的阻塞；其中，所述控制器基于以下所述控制輸送到患者的空氣的壓力(i)在沒有阻塞的情況下，一旦檢測到吸氣或者從呼氣向吸氣的轉(zhuǎn)變，通過驅(qū)動所述葉 輪以第一壓力水平輸送加壓空氣；(ii)在沒有阻塞的情況下，一旦檢測到從吸氣向呼氣的轉(zhuǎn)變，使所述葉輪慣性轉(zhuǎn)動直 到所述患者接觸面中的壓力減小到第二壓力水平，以及隨后通過驅(qū)動所述葉輪以所述第二 壓力水平輸送加壓空氣；以及(iii)一旦檢測到患者呼吸周期的阻塞，以克服所述阻塞的水平輸送加壓空氣。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，檢測到的阻塞是呼吸暫停的結(jié)果。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，檢測到的阻塞是打鼾的結(jié)果。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述阻塞導(dǎo)致流動平緩。
13.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，檢測到從吸氣向呼氣或者從呼氣向吸氣的 轉(zhuǎn)變包括如下子步驟(iv)所述控制器確定流向患者的呼吸空氣流量；以及 (ν)通過確定所述呼吸空氣流量超過臨界值而檢測到轉(zhuǎn)變。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述臨界值是可調(diào)節(jié)的。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述第二壓力水平是可調(diào)節(jié)的。
16.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述第二壓力水平是可調(diào)節(jié)的。
全文摘要
一種低成本CPAP裝置，其中一旦檢測到從吸氣轉(zhuǎn)變到呼氣，將送風(fēng)機電動機斷電使其慣性轉(zhuǎn)動。當(dāng)患者面具(或者使用任何其它的接口)中的壓力在呼氣過程中達(dá)到最小壓力水平時，電動機再次通電并且控制其速度，從而將壓力控制在適合呼氣的水平。一旦檢測到從呼氣轉(zhuǎn)變到吸氣，增大電動機速度，從而在患者面具中提供適合吸氣的更高壓力。
文檔編號A61HGK102078655SQ20111004566
公開日2011年6月1日 申請日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月20日
發(fā)明者史蒂文·保羅·法魯賈, 安德烈斯·M·普賴斯, 羅恩·理查德, 馬修·奧爾德, 馬克·佩恩 申請人:雷斯梅德有限公司