專利名稱：使用偏壓閥的機械呼吸機系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明主要涉及機械呼吸機，尤其是涉及一種結(jié)合有低慣性、高速、高效的羅茨鼓風機的便攜式呼吸機，其具體地適于提供完全的呼吸機功能，并且其接近小的膝上型電腦的尺寸同時能向患者提供數(shù)小時的電池供電的、全方位呼吸輔助。
背景技術(shù)：
·對需要呼吸輔助的患者來說，現(xiàn)有技術(shù)包括各種各樣的機械呼吸機。不利地是，這些機械呼吸機通常配置為相對大的設備，其占據(jù)了操作室和患者恢復室中可用的有限空間的相對大的體積。另外，這種現(xiàn)有技術(shù)機械呼吸機一般具有低效率，使得為了操作該設備需要相對大量的動力。另外，現(xiàn)有技術(shù)的機械呼吸機不是真正的便攜式設備，因為這些設備在操作期間一般必須持續(xù)連接到主電源。這些設備的相對大的重量和體積進一步限制了它們的便攜性。應用于機械呼吸機上的壓縮機技術(shù)的進步在某種程度上減小了機械呼吸機的尺寸和整體動力消耗。例如，授權(quán)給DeVries等人的美國專利6，152，135結(jié)合了這種壓縮機技術(shù)的提高，尤其是提供了在尺寸和動力上的減小以實現(xiàn)真正地自備式及便攜式機械呼吸機。為了便于患者有限持續(xù)時間內(nèi)的移動而不會受到連接到諸如墻上電源插座的靜止電源的限制，類似于DeVries設備的呼吸機可以進一步包括電池組或與電池組相連，以使機械呼吸機可以安裝在活動臺上。另外，類似于DeVries設備的機械呼吸機已經(jīng)實現(xiàn)了改良的以下功能:通過使用在低壓下操作的用于傳送呼吸到患者的旋轉(zhuǎn)拖曳壓縮機，傳送多種呼吸模式到患者的能力。這種拖曳壓縮機可以以變速或恒速模式操作。以變速模式操作的機械呼吸機通過在呼吸循環(huán)的呼氣相位(即呼氣)期間從靜止急加速壓縮機然后急減速來提供吸氣支持(即吸氣輔助)給患者。不利地是，這種急加速和急減速需要用于壓縮機的復雜的驅(qū)動電路和高電流消耗。這種變速拖曳壓縮機的相對高的電流牽引(current draw)增加了機械呼吸機的整體成本。此外，高電流要求需要結(jié)合有體積大和重的電池，用于當呼吸機不與靜止電源連接時提供作為應急備用的備用電源?？蛇x地，為了消除由變速壓縮機的高電流要求產(chǎn)生的限制，旋轉(zhuǎn)拖曳壓縮機可以以恒速模式操作。不利的是，這種恒速拖曳壓縮機具有其自身固有的缺陷，其降低了機械呼吸機的整體效用。例如，因為壓縮機以恒速運行，所以當空氣或氣體未供給到患者時，即使在呼氣相位(即呼氣)期間，也持續(xù)地消耗動力。雖然可以通過將呼氣期間的氣流再循環(huán)到壓縮機的進氣(intake)來減少動力消耗，但是為了在不與靜止電源連接時操作機械呼吸機，仍然需要相當大量的備用電池動力?？梢钥闯?，本領域中需要一種小尺寸和輕質(zhì)量的機械呼吸機以增強其便攜性。此夕卜，本領域中需要一種能夠不受靜止電源的限制給患者提供延長的持續(xù)時間的呼吸輔助的便攜式機械呼吸機。另外，本領域中需要一種以體積和壓力控制模式提供呼吸輔助的便攜式機械呼吸機，其能夠在手術(shù)室、重病特別護理室和患者恢復室的噪音敏感環(huán)境中安全地及安靜地操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明特別適于解決與用于提供呼吸輔助給患者的機械呼吸機相關聯(lián)的上述缺陷。本發(fā)明尤其提供一種結(jié)合有羅茨鼓風機的便攜式機械呼吸機，與現(xiàn)有機械呼吸機相比，其考慮的是提聞效率以及減少尺寸和質(zhì)量。另外，機械呼吸機的小尺寸和動力效率為諸如在患者移動期間需要持續(xù)呼吸輔助的患者提供了移動性。有利的是，機械呼吸機包括位于羅茨鼓風機的下游在流量計與患者回路之間的偏壓閥(bias valve)。所述偏壓閥具體適合于衰減或阻尼由位于偏壓閥上游的羅茨鼓風機產(chǎn)生的脈動氣流。盡管偏壓閥位于羅茨鼓風機的下游，但是其阻尼效應由于空氣柱(即在羅茨鼓風機出口與偏壓閥之間)內(nèi)的氣流的限制而被傳遞回上游。位于羅茨鼓風機的下游的流量計因而接收經(jīng)阻尼的氣流，以使可以進行精確的氣流測量。公開號為2005/0051168、授權(quán)給DeVries等人的美國專 利“便攜式呼吸機系統(tǒng)”中詳細公開了結(jié)合有羅茨鼓風機的類型的機械呼吸機，其全部內(nèi)容通過引用專門地合并于此。除了阻尼羅茨鼓風機的脈動氣流輸出，偏壓閥還適于產(chǎn)生相對于患者回路壓力的偏壓或高壓(elevated pressure)。偏壓閥可以包括能夠接合到閥座的提動頭(poppet),并且進一步包括具體配置為使提動頭偏置到閥座以產(chǎn)生預期量偏壓的偏置構(gòu)件。呼吸控制元件(exhalation control module)可以使用偏壓以便于在吸氣開始時關閉呼氣閥。呼氣閥也可以在呼氣期間調(diào)節(jié)呼氣末正壓通氣(PEEP)和執(zhí)行其它功能。偏壓也幫助控制諸如吸氣保持、呼氣保持和調(diào)節(jié)平均吸氣壓力/吸氣負壓(MIP/NIF)的用戶激活操作。偏壓便于以下文更詳細描述的方式關閉呼氣閥以在執(zhí)行這些用戶激活操作期間阻止氣流進出患者回路。理想地，偏置構(gòu)件配置為具有足以使提動頭偏置到閥座以使在羅茨鼓風機的流速范圍(flow range)內(nèi)偏壓基本恒定的預定剛度常數(shù)。在羅茨鼓風機的流速范圍內(nèi)保持偏壓恒定和相對低的能力有利地使機械呼吸機的動力消耗最小化。在這點上，偏壓構(gòu)件優(yōu)選地具有低剛度常數(shù)，低剛度常數(shù)與提動頭自由移動結(jié)合提供了在羅茨鼓風機的流速范圍內(nèi)的優(yōu)選恒壓特性。提動頭在閥座上的外露區(qū)域的量與彈性預載結(jié)合限定了對由羅茨鼓風機產(chǎn)生的脈動氣流的阻力的量(magnitude)，這反過來導致產(chǎn)生預期量偏壓。除了產(chǎn)生偏壓，偏壓閥也配置為提供由羅茨鼓風機產(chǎn)生的脈動氣流的衰減或阻尼。如先前描述的，由諸如熱線式質(zhì)量流量計的流量計提供羅茨鼓風機的氣流輸出的測量。由于測量氣流輸出具有的靈敏度，氣流輸出的精確測量取決于偏壓閥提供慣性阻尼和粘性阻尼中的至少一個。偏壓閥提供的慣性阻尼是在氣缸內(nèi)滑動地往復的提動頭的質(zhì)量的結(jié)果。隨著提動頭在氣缸內(nèi)往復，提動頭提供粘性阻尼。更具體地說，位于提動頭與氣缸之間的環(huán)形提動頭間隙引起粘性阻尼的產(chǎn)生，當在氣缸的底部收集的氣體隨著提動頭向下移入氣缸而通過提動頭間隙時，產(chǎn)生粘性阻尼。反過來，隨著提動頭移出氣缸，為了填充氣缸的底部的擴大的體積，氣體必須以反方向通過提動頭間隙。氣體通過提動頭間隙的通道產(chǎn)生了粘性阻尼效應。有利的是，粘性阻尼和慣性阻尼的組合效應優(yōu)選地足以衰減由羅茨鼓風機產(chǎn)生的脈動氣流輸出，以使流量計可以精確地測量羅茨鼓風機的氣流輸出。


結(jié)合下述描述和附圖，將更好地理解此處公開的各種實施例的這些以及其它特征和優(yōu)勢，其中相似的標記始終代表相似的元件，其中:圖1為呼吸機系統(tǒng) (ventilation system)的氣動圖,該呼吸機系統(tǒng)具有結(jié)合有羅茨鼓風機的機械呼吸機，并且可以包括呼氣閥和在呼吸循環(huán)期間操作以關閉呼氣閥的呼吸控制元件，并且進一步示出了位于羅茨鼓風機的下游的偏壓閥，偏壓閥配置為便于由流量計的精確氣流測量以及產(chǎn)生偏壓以便于呼吸控制元件的操作；圖2為偏壓閥的分解立體圖，示出了偏壓閥的各個部件的相互連接關系；圖3是偏壓閥的截面?zhèn)纫晥D，示出了布置在氣缸內(nèi)的可往復運動的提動頭；以及圖4是一曲線圖，曲線圖的左側(cè)示出了羅茨鼓風機的高振幅的、未經(jīng)阻尼的脈動氣流輸出，曲線圖的右側(cè)示出了羅茨鼓風機的經(jīng)阻尼的相對低振幅的氣流，其是由偏壓閥產(chǎn)生的慣性阻尼和粘性阻尼的結(jié)果。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖，其中附圖是為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明，附圖示出了便攜式機械呼吸機10，便攜式機械呼吸機10具有用于產(chǎn)生經(jīng)由患者連接器26到患者或患者回路28的氣流的諸如羅茨鼓風機16的鼓風機組件14。正如公開號為2005/0051168、授權(quán)給DeVries等人的美國專利“便攜式呼吸機系統(tǒng)”中更詳細描述地，便攜式呼吸機10以變速模式作為呼吸傳送機構(gòu)操作，并且由于使用羅茨鼓風機16而具有提高的效率和縮小的尺寸，上述專利的全部內(nèi)容通過引用專門合并于此。優(yōu)選地，便攜式機械呼吸機10包括降噪構(gòu)件(sound-reducing elements),以便于其在諸如醫(yī)院的患者恢復室的噪音敏感環(huán)境中的操作。此外，與現(xiàn)有機械呼吸機相比，便攜式機械呼吸機10具有減少的重量和減少的動力消耗。上述優(yōu)勢共同地有助于機械呼吸機的便攜性特征，從而在患者移動期間或在諸如動力中斷的緊急狀況期間，對在遠距離內(nèi)需要持續(xù)呼吸輔助的患者提供移動性。如公開號為20050051168的美國專利中描述的，便攜式呼吸機10可以包括對接架(docking cradle)和監(jiān)視器，其中對接架可以將便攜式呼吸機10支撐在活動臺上。為了擴展便攜式呼吸機10接口容量，對接架可以增加其自己的動力供給或動力源和/或再充電系統(tǒng)。監(jiān)視器可以是能可釋放地安裝到對接架上的圖形顯示監(jiān)視器，以提供增強的顯示性能(display capabilities)?，F(xiàn)在參考圖1，所示的是呼吸機系統(tǒng)12的氣動圖，示出了機械呼吸機10，呼吸機系統(tǒng)12包括位于羅茨鼓風機16下游的質(zhì)量流量計18。羅茨鼓風機16將室內(nèi)空氣吸進入口過濾器并且向患者傳送加壓氣體。流量計18適于測量由羅茨鼓風機16產(chǎn)生的氣流。重要的是，機械呼吸機10包括位于羅茨鼓風機16的下游的在流量計18與患者回路28之間的偏壓閥30。為了提高流量計18所進行的氣流測量的精確性，偏壓閥30阻尼由羅茨鼓風機16產(chǎn)生的脈動氣流。盡管偏壓閥30位于羅茨鼓風機16的下游，但是由于限制了在羅茨鼓風機16出口和偏壓閥30之間延伸的空氣柱或通道內(nèi)的氣流，偏壓閥30有效地阻尼了偏壓閥30上游(即，在流量計18處)的脈動。更具體地說，偏壓閥30的阻尼效應向上游經(jīng)由通道被傳遞到羅茨鼓風機16出口處流出的氣流。因此，流量計18接收的氣流也被阻尼，這允許流量計18精確地測量由羅茨鼓風機16產(chǎn)生的氣流輸出。從圖1可以看出，氣動圖進一步包括操作以調(diào)節(jié)與患者回路28的呼氣分支連接的呼氣閥22的呼吸控制元件20。呼吸控制元件20流體地連接到偏壓閥30，偏壓閥30提供偏壓以便于呼吸控制元件20在吸氣狀態(tài)期間關閉呼氣閥22的操作。氣動圖也包括壓力變換元件24，壓力變換元件24接收來自與患者回路28連接的氣道傳感線路和流量傳感線路86的輸入。壓力變換元件24也流 體地連接到偏壓閥30，偏壓閥30提供偏壓以輔助凈化傳感線路(sense line)86?？蛇x地，便攜式機械呼吸機10可以配置為使得在呼氣相位期間未被患者使用的壓縮氣體可以再循環(huán)或再流通。此外，便攜式機械呼吸機10可以配置為使用內(nèi)置氧氣混合器來傳送混合氣，這可以由F102 (吸入氧氣濃度)傳感器來監(jiān)視。F102可以同機械呼吸機10的其它操作參數(shù)的顯示一起顯示在用戶接口上。如先前所述的，氣動回路可以進一步包括與連接在患者回路28中的Y形接頭84相連的氣道及流量傳感線路86，以對壓力變換元件24提供在機械呼吸機10的控制回路中使用的壓力值(airway value)和流量值?，F(xiàn)在參考圖2，所示的是偏壓閥30的分解圖，其示出了偏壓閥30的各個部件的相互連接關系。如先前所述的，偏壓閥30具體配置為，阻尼羅茨鼓風機16的脈動氣流輸出以提高流量計18的精確性和提供偏壓到呼吸控制元件20以改進各種呼吸功能的調(diào)節(jié)。偏壓相對于患者回路28壓力被限定為提高的驅(qū)動壓力，并且由呼吸控制元件20使用以執(zhí)行許多功能，包括但不限于在吸氣開始時關閉呼氣閥22、在呼氣期間調(diào)節(jié)呼氣末正壓通氣(PEEP)和凈化從Y形接頭84連接延伸到壓力變換元件24的傳感線路86 (例如，氣道及流量傳感線路)。因為傳感線路86會因來自患者呼吸的濕氣而結(jié)塊或者阻塞，這會危及流量和壓力測量的精確性，因此需要周期性地凈化傳感線路86。參考圖2和圖3，偏壓閥30在最廣意義上可以包括閥座58、提動頭64和配置為使提動頭64偏置到閥座58的偏置構(gòu)件76。如圖1所示，偏壓閥30流體地連接到羅茨鼓風機16并且在閥座58處接收來自羅茨鼓風機16的氣流。提動頭64能夠直接接合到閥座58，并且基于從羅茨鼓風機16到患者回路28的氣流量在關閉位置和開啟位置之間往復。偏置構(gòu)件76產(chǎn)生使提動頭64偏置到閥座58的彈性預載，以在呼吸控制元件20和壓力變換元件24處形成預期的偏壓。如先前所述的，偏壓便于呼吸控制元件20和壓力變換元件24依次允許關閉呼氣閥22、調(diào)節(jié)PEEP和凈化傳感線路86的操作。另外，偏壓幫助執(zhí)行諸如吸氣保持、呼氣保持和調(diào)節(jié)平均吸氣壓力/吸氣負壓(MIP/NIF)的用戶激活操作。更具體地說，偏壓閥30與控制羅茨鼓風機16操作的鼓風機控制算法協(xié)作來操作。偏壓閥30和鼓風機控制算法共同調(diào)節(jié)在執(zhí)行用戶激活操作期間進出患者回路28的氣流。偏壓閥30通過產(chǎn)生稍微高于患者回路28壓力的偏壓以便保持呼氣閥22在適當時間被關閉，來調(diào)節(jié)在執(zhí)行用戶激活操作期間進出患者回路28的氣流。在吸氣保持操作期間，偏壓為使得呼氣閥22保持關閉一段時間，在該時間期間可以進行特定測量。另外，吸氣保持提供額外的時間段，在該時間段期間空氣可以保持在肺中，允許發(fā)生更多氣體交換。機械呼吸機10可以預設為諸如在高氣道壓力或患者回路28發(fā)生故障的情況下退出吸氣保持操作。在吸氣保持操作完成后，呼氣閥22被打開以允許呼吸周期的呼氣相位的開始。在呼氣保持操作期間，患者呼氣在呼氣閥22在開啟位置以允許正常偏流(biasflow)的同時進行。但是，機械呼吸機10可以配置為當發(fā)生特定事件時退出呼氣保持操作。例如，如果在該操作期間檢測到患者呼吸嘗試，則優(yōu)選地操作機械呼吸機10以退出呼氣保持并且傳送呼吸到患者。當呼氣保持操作完成時，呼氣閥22關閉以允許吸氣相位的開始。偏壓閥30通過將呼氣閥22保持在關閉位置來輔助調(diào)節(jié)MIP/NIF，以阻止向前氣流進入患者回路28，否則將危及各種壓力測量的精確性。除了在該操作期間測量氣道壓力以夕卜，MIP/NIF操作還通過測量患者在封閉的患者回路28內(nèi)吸引負壓的能力，從而判斷患者是否準備切斷機械呼吸機10。在上述每一個用戶激活操作中，偏壓將呼氣閥22保持在關閉位置以在操作期間阻止任何氣流進出患者回路28。偏壓閥30通過對呼吸控制元件20提供偏壓(即，相對于患者回路壓力的高壓)到圖1所示的呼吸機系統(tǒng)12中的患者回路28的呼吸機側(cè)，來執(zhí)行該功能。在這點上，偏壓閥3 0優(yōu)選地配置為提供高于患者回路壓力大約2cmH20至4cmH20的偏壓。由于偏置構(gòu)件76的彈性預載，偏壓閥30具體適于提供偏壓以使提動頭64偏置到閥座58，正如以下將更詳細地描述的。另外，提動頭64和閥座58具體配置為提供在提動頭/閥座接口處相對緊密的或防漏密封，以使向前氣流不會響應于作用在提動頭64上的向前壓力而進入患者回路28。優(yōu)選地，偏壓閥30適于產(chǎn)生4cmH20偏壓，并且允許流速上升到每分鐘4公升(LPM)而偏壓僅稍微在4cmH20以上。從圖2和圖3可以看出，偏置構(gòu)件76可以配置為螺旋彈簧78，螺旋彈簧78優(yōu)選地具有足以使提動頭64偏置到閥座58的剛度常數(shù)，以使在羅茨鼓風機16的流速范圍內(nèi)偏壓基本恒定。偏壓可以設定為大約2cmH20至4cmH20，盡管取決于系統(tǒng)要求可以使用其它偏壓。有利的是，在羅茨鼓風機16的流速范圍內(nèi)保持偏壓相對恒定的能力在允許羅茨鼓風機16實現(xiàn)其最高流量要求的同時使機械呼吸機10的動力消耗最小化。圖2和圖3示出了偏壓閥30的優(yōu)選結(jié)構(gòu)設置，示出了氣缸46，氣缸46使提動頭64在其中往復，偏壓閥30進一步包括將提動頭64向其關閉位置偏置的偏置構(gòu)件76。偏壓閥30包括諸如彎管殼體40的殼體、固定地安裝在彎管殼體40內(nèi)的中空氣缸46和接收來自羅茨鼓風機16的氣流的環(huán)形閥座58。彎管殼體40和氣缸46共同限定了環(huán)形殼體室34。提動頭64可以沿閥軸66在氣缸46內(nèi)往復。氣缸46具有氣缸側(cè)壁50和氣缸端壁48。在氣缸端壁48和一個提動頭端面70之間限定了氣缸內(nèi)腔52。偏置構(gòu)件76可以配置為布置在氣缸內(nèi)腔52內(nèi)的螺旋彈簧78并且使提動頭64偏置到閥座58。殼體入口 38在閥座58接收來自羅茨鼓風機16的氣流。如先前所述的，為了動力消耗目的，在羅茨鼓風機16的流速范圍內(nèi)保持偏壓恒定是有利的。這樣，提動頭64具體配置為可在氣缸46內(nèi)滑動，以使提動頭64可以隨著來自羅茨鼓風機16的氣流的增加自由移動遠離閥座58。另外,偏置構(gòu)件76優(yōu)選地具有低剛度常數(shù)，低剛度常數(shù)與提動頭64自由移動結(jié)合使得偏壓呈現(xiàn)出在羅茨鼓風機16的流速范圍內(nèi)的優(yōu)選恒壓特性。當提動頭64接合到閥座58時，彈性預載量和提動頭64的外露區(qū)域量(即座區(qū)域72)將確定產(chǎn)生的阻力量(即偏壓)。如圖2和圖3所示,彎管殼體40具有殼體側(cè)壁42和殼體端壁44，殼體入口 38形成在彎管殼體40的與殼體端壁44相反的一端上并且在閥座58處連接到羅茨鼓風機16。殼體出口 36形成在殼體側(cè)壁42上并且流體地連接到患者回路28。如先前所述的，中空氣缸46固定地安裝在彎管殼體40內(nèi)并且由氣缸端壁48和氣缸側(cè)壁50限定。氣缸側(cè)壁50布置為與殼體側(cè)壁42同軸間隔以限定二者之間的環(huán)形殼體室34。氣缸46在與殼體入口 38 —致的一端上(即在閥座58處)是敞開的。氣缸側(cè)壁50具有形成在其中的至少一個徑向開口 54，徑向開口 54作用為使殼體入口 38到環(huán)形殼體室34最終到殼體出口 36流 體地相互連接。在一實施例中，徑向開口 54可以包括多個形成在氣缸側(cè)壁50的鄰近閥座58的上部上的三個等角間隔(three equiangularly-spaced)的徑向槽。閥座58優(yōu)選地配置為具有固定地安裝到殼體入口 38的徑向凸緣60的環(huán)形構(gòu)件。閥座58可以進一步包括從徑向凸緣60軸向向內(nèi)延伸的環(huán)形座接口 62。氣缸側(cè)壁50可以依靠閥座58固定地容納在彎管殼體40內(nèi)。更具體地說，在一實施例中，氣缸側(cè)壁50的鄰近閥座58的一部分可以位于座接口 62與彎管側(cè)壁之間。附加地或可選地，閥座58可以壓配合入氣缸側(cè)壁50。應指出的是，盡管此處示出和公開的彎管殼體40和氣缸46為圓柱形的，但可以預想到的是，偏壓閥30可以配置為諸如矩形、橢圓形等的各種可選形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)。通過偏壓閥30阻尼脈動氣流和提供偏壓所提供的預期功能部分地取決于提動頭64的質(zhì)量、偏置構(gòu)件76的彈性預載和提動頭64接觸閥座58的座區(qū)域72。為了產(chǎn)生偏壓，提動頭64可以配置為能夠與閥座58密封地接合以及反作用于羅茨鼓風機16產(chǎn)生的氣流的諸如盤狀的各種形狀。提動頭64本身可以是圓柱形形狀，并且優(yōu)選地沿閥軸66可滑動地布置在氣缸46內(nèi)。提動頭64具有圓柱形的提動頭側(cè)面68和相反的提動頭端面70。氣缸內(nèi)腔52形成在氣缸端壁48與一個提動頭端面70之間，另一個提動頭端面70能夠密封地接合閥座58的座接口 62。如先前描述的，當布置為抵靠在閥座58時，提動頭64限定了羅茨鼓風機16的脈動氣流反作用在其上的座區(qū)域72。主要參考圖1，氣動圖不出了使羅茨鼓風機16與偏壓閥30流體地相互連接的流量計18。在一優(yōu)選實施例中，流量計18配置為熱線式質(zhì)量流量計18，其理想地被配置為精確地測量羅茨鼓風機16產(chǎn)生的氣流。為了提高流量計18的精確性，偏壓閥30具體地配置為在熱線式質(zhì)量流量計18處提供羅茨鼓風機16產(chǎn)生的脈動氣流的阻尼。有利的是，這種阻尼由偏壓閥30產(chǎn)生的慣性阻尼力和粘性阻尼力中的至少一個來提供，正如以下更詳細的描述。返回參考圖2，提動頭64被定尺寸且配置為與氣缸46互補。在這點上，提動頭側(cè)68和氣缸側(cè)壁50限定了在二者之間的大體窄環(huán)形的提動頭間隙74。提動頭間隙74優(yōu)選地足以提供由羅茨鼓風機16產(chǎn)生的脈動氣流的粘性阻尼。當氣缸內(nèi)腔52中的氣體流經(jīng)大體窄的提動頭間隙74并且經(jīng)由形成在氣缸側(cè)壁50上的徑向開口 54 (S卩，徑向槽)進入殼體室34時，產(chǎn)生這種粘性阻尼，反之亦然。提動頭64響應于作用在提動頭64的座區(qū)域72上的脈動氣流而往復。另外，提動頭64優(yōu)選地具有足以提供來自羅茨鼓風機16的脈動氣流的慣性阻尼的質(zhì)量。圖3示出了提動頭64的形式，提動頭64包括形成在其中的用于容納質(zhì)量構(gòu)件80的沉孔，質(zhì)量構(gòu)件80經(jīng)由被0形環(huán)88密封的銷82固定到提動頭64上。所示的偏置構(gòu)件76配置為螺旋彈簧78，其安裝在氣缸內(nèi)腔52中并且同軸地布置在提動頭端面70中的沉孔中的質(zhì)量構(gòu)件80的上面。為了增加或減輕提動頭64的質(zhì)量以實現(xiàn)預期的慣性阻尼特性，可以替換不同尺寸的質(zhì)量構(gòu)件80。在羅茨鼓風機16的操作期間，脈動氣流以擾動頻率作用在提動頭64上。提動頭64和偏置構(gòu)件76以提動頭固有頻率在氣缸46內(nèi)往復，提動頭固有頻率部分地是由提動頭64/質(zhì)量構(gòu)件80的質(zhì)量和彈簧78的彈簧剛度造成的。提動頭64和質(zhì)量構(gòu)件80優(yōu)選地被定尺寸且配置為，當擾動頻率基本高于提動頭固有頻率時使脈動氣流的慣性阻尼最大化。在機械呼吸機10的大多數(shù)操作期間，相對于提動頭固有頻率的高擾動頻率是提動頭64/偏置構(gòu)件76和羅茨鼓風機16之間的典型關系。有利的是，脈動氣流的慣性阻尼使得機械呼吸機10的優(yōu)選實施例中利用的熱線式質(zhì)量流量計18的測量精確性增加。如先前所述的，粘性阻尼由在提動頭側(cè)68與氣缸側(cè)壁50之間的提動頭間隙74提供。隨著提動頭64響應于作用在閥座58上的氣流而朝向氣缸內(nèi)腔52向內(nèi)移動，迫使氣缸內(nèi)腔52內(nèi)所含的氣體通過大體窄的提動頭間隙74從而經(jīng)由徑向開口 54進入殼體室34。同樣，隨著提動頭64離開氣缸端壁48,氣體轉(zhuǎn)換方向，從殼體室34穿過提動頭間隙74并且填充氣缸內(nèi)腔52。當作用在提動頭64上的擾動頻率基本等于提動頭固有頻率時，作為氣體穿過提動頭間隙74的結(jié)果所產(chǎn)生的粘性阻尼是最有效的。在圖4的曲線圖中可以看出偏壓閥30的阻尼效應的一個實例，圖4的左側(cè)示出了處于非阻尼狀態(tài)的羅茨鼓風機16的氣流輸出。曲線圖的右側(cè)是經(jīng)衰減或經(jīng)阻尼的羅茨鼓風機16的氣流輸出的圖。經(jīng)阻尼的氣流是由偏壓閥30產(chǎn)生的慣性阻尼和粘性阻尼的結(jié)果。返回參考圖2和圖3，關于偏壓閥30的各個部件的具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造，可以預想到的是，氣缸46由諸如不銹鋼的適合的金屬材料制成，盡管可以使用其它適合的材料。由于在提動頭64與氣缸46之間需要相對緊密的配合，氣缸側(cè)壁50內(nèi)表面可以由包括諸如CNC加工的加工的各種方法以緊密公差制造。不利地是，這種加工過程可能導致形成在氣缸側(cè)壁50上的橫向于提動頭64的往復方向的切削痕跡(tur ning mark)。由于需要高循環(huán)壽命的提動頭64 (S卩，由于提動頭64往復的結(jié)果)，氣缸側(cè)壁50的內(nèi)表面優(yōu)選地是平滑的或磨光的以減少表面粗糙度以及提供具有對提動頭64移動的最小阻力的平滑表面。在這點上，可以預想到的是，為了避免提動頭間隙74的尺寸變化，提動頭64本身優(yōu)選地由呈現(xiàn)低摩擦特性和良好的機械性能以及低熱膨脹系數(shù)的材料制成?；谶@些原因，提動頭64優(yōu)選地由公知的具有高拉力和高光滑的諸如聚醚醚銅(PEEK)的合成聚合物制成。由于黃銅具有包括高硬度和良好工作特性的良好的機械性能，閥座58優(yōu)選地由黃銅制成，盡管閥座58可以由其它適合的材料制成?？梢耘渲脼槁菪龔椈?8的偏置構(gòu)件76也可以優(yōu)選地由彈簧鋼或不銹鋼制成，盡管可以使用其它適合的材料。在操作中，如圖1中的氣動圖所示，羅茨鼓風機16產(chǎn)生脈動氣流，該脈動氣流被傳送到偏壓閥30。由于提動頭與閥座58接合的構(gòu)造，偏壓閥30產(chǎn)生偏壓，該偏壓相對于患者回路28壓力是提高的驅(qū)動壓力。如先前所述的，由呼吸控制元件20使用該驅(qū)動壓力以在吸氣開始時關閉呼氣閥22、在呼氣期間調(diào)節(jié)PEEP，以及由壓力變換元件24使用以凈化在Y形接頭84處鄰接患者回路28的傳感線路86。由于偏置構(gòu)件76響應于作用在提動頭64的座區(qū)域72上的脈動氣流而彈性預載，產(chǎn)生了偏壓。偏置構(gòu)件76被定尺寸且配置為提供預定彈性預載，這反過來導致高于患者回路28壓力的預期量的偏壓 。優(yōu)選地，偏置構(gòu)件76具有相對低剛度常數(shù)，以使在羅茨鼓風機16的流速范圍內(nèi)偏壓基本恒定。偏壓優(yōu)選地足夠高以幫助呼吸控制元件20執(zhí)行上述功能以及幫助諸如吸氣保持和呼氣保持的用戶激活操作。有利的是，偏壓閥30的獨特的設置也提供由羅茨鼓風機16產(chǎn)生的脈動氣流的阻尼，以使流體地連接到羅茨鼓風機16的流量計18可以精確地測量羅茨鼓風機16產(chǎn)生的氣流。提動頭64產(chǎn)生的阻尼可以是慣性阻尼和粘性阻尼中至少一個的結(jié)果。如先前所述的，慣性阻尼取決于提動頭64質(zhì)量與偏置構(gòu)件76產(chǎn)生的反作用力的結(jié)合。粘性阻尼量取決于隨著提動頭64在氣缸46內(nèi)往復提動頭64與氣缸46之間的提動頭間隙74的尺寸。理想地，提動頭64和質(zhì)量構(gòu)件80被定尺寸且配置為當擾動頻率(SP，由作用在提動頭64上的脈動氣流產(chǎn)生的)基本高于提動頭固有頻率時使慣性阻尼最大化。另外，偏壓閥30優(yōu)選地配置為當擾動頻率基本等于提動頭固有頻率時使粘性阻尼最大化。粘性阻尼和慣性阻尼的組合效果優(yōu)選地足以提高流量計18測量羅茨鼓風機16產(chǎn)生的氣流的精確性。介紹了本發(fā)明的各個實施例的說明以示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例，可以以不同的方式體現(xiàn)和采用其他發(fā)明概念。附隨的權(quán)利要求旨在解釋為包括除了在現(xiàn)有技術(shù)限定的范圍內(nèi)的各種變形。
權(quán)利要求
1.一種具有用于向患者回路產(chǎn)生氣流的羅茨鼓風機的便攜式機械呼吸機，所述機械呼吸機包括: 呼吸控制元件，其配置為操作與患者回路連接的呼氣閥；以及偏壓閥，其連接在羅茨鼓風機與患者回路之間，并且配置為對呼吸控制元件提供偏壓，并且其中所述偏壓閥配置為提供羅茨鼓風機產(chǎn)生的氣流的阻尼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械呼吸機，其中偏壓閥配置為在羅茨鼓風機的流速范圍內(nèi)提供實質(zhì)上恒定的偏壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械呼吸機，其中: 羅茨鼓風機通過鼓風機控制算法控制； 在執(zhí)行以下用戶激活操作中的至少一個期間:吸氣保持、呼氣保持和調(diào)節(jié)平均吸氣壓力/吸氣負壓(MIP/NIF)，偏壓閥和鼓風機控制算法共同調(diào)節(jié)進出患者回路的氣流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械呼吸機，進一步包括: 壓力變換元件，其流體地連接到偏壓閥并且承受偏壓閥的偏壓； 連接在患者回路與壓力變換元件之間的氣道傳感線路和流量傳感線路中的至少一個； 其中，壓力變換元件操作以使用 偏壓來凈化傳感線路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械呼吸機，進一步包括: 流量計，其介于羅茨鼓風機與偏壓閥之間，并且被操作以測量羅茨鼓風機的氣流量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機械呼吸機，其中: 由羅茨鼓風機產(chǎn)生的氣流是脈動氣流； 提動頭具有足以產(chǎn)生用于由流量計測量的脈動氣流的慣性阻尼的質(zhì)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機械呼吸機，其中: 偏壓閥包括 氣缸; 提動頭，其配置為在氣缸內(nèi)往復地滑動，并且限定提動頭與氣缸之間的實質(zhì)上窄的提動頭間隙； 提動頭間隙被定尺寸為，在提動頭往復期間當氣體通過提動頭間隙時產(chǎn)生氣流的粘性阻尼。
8.一種用于具有產(chǎn)生氣流的羅茨鼓風機的機械呼吸機的偏壓閥，所述機械呼吸機具有流體地連接到偏壓閥的一側(cè)的呼吸控制元件和流體地連接到偏壓閥的相反側(cè)的患者回路，呼吸控制元件配置為操作與患者回路連接的呼氣閥，所述偏壓閥包括: 連接到羅茨鼓風機的閥座； 提動頭，其能夠接合到閥座上，并且能夠在分別用于阻止和允許氣體從羅茨鼓風機流至IJ患者回路的關閉位置與打開位置之間往復；以及 偏置構(gòu)件，配置為使提動頭偏置到閥座，以使對呼吸控制元件提供提高的驅(qū)動壓力用于調(diào)節(jié)呼氣閥。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的偏壓閥，其中偏置構(gòu)件具有足以使提動頭偏置到閥座的剛度常數(shù)，以使在羅茨鼓風機的流速范圍內(nèi)所述提高的驅(qū)動壓力實質(zhì)上恒定。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的偏壓閥，其中偏壓閥配置為，在執(zhí)行以下用戶激活操作中的至少一個期間:吸氣保持、呼氣保持和調(diào)節(jié)平均吸氣壓力/吸氣負壓(MIP/NIF)，提供足以阻止氣流進出患者回路的提高的驅(qū)動壓力。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的偏壓閥，進一步包括: 壓力變換元件，其流體地連接到偏壓閥并且承受偏壓閥的提高的驅(qū)動壓力； 連接在患者回路與壓力變換元件之間并且配置為測量患者回路的壓力和流量的氣道和流量傳感線路中的至少一個； 其中，壓力變換元件操作以使用所述提高的驅(qū)動壓力來凈化傳感線路。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的偏壓閥，其中: 機械呼吸機進一步包括介于羅茨鼓風機與偏壓閥之間并且操作以測量羅茨鼓風機的氣流量的流量計。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的偏壓閥，其中: 由羅茨鼓風機產(chǎn)生的氣流是脈動氣流； 提動頭具有足以產(chǎn)生用于由流量計測量的脈動氣流的慣性阻尼的質(zhì)量。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的偏壓閥，進一步包括: 連接到提動頭的質(zhì)量構(gòu)件； 其中: 提動頭以擾動頻率反作用于氣流； 提動頭和偏置構(gòu)件以提動頭固有頻率往復； 提動頭和質(zhì)量構(gòu)件被定尺寸且配置為當擾動頻率實質(zhì)上高于提動頭固有頻率時使慣性阻尼最大化。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的偏壓閥，其中偏壓閥配置為提供用于由流量計測量的脈動氣流的粘性阻尼。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的偏壓閥，其中偏壓閥配置為當擾動頻率實質(zhì)上等于提動頭固有頻率時使粘性阻尼最大化。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的偏壓閥，其中流量計配置為熱線式質(zhì)量流量計。
18.一種用于機械呼吸機的用于衰減由羅茨鼓風機產(chǎn)生的脈動氣流的偏壓閥，所述機械呼吸機具有流體地連接到偏壓閥的一側(cè)的呼吸控制元件和流體地連接到偏壓閥的相反側(cè)的患者回路，呼吸控制元件配置為操作與患者回路連接的呼氣閥，所述機械呼吸機具有介于羅茨鼓風機與偏壓閥之間并且配置為測量羅茨鼓風機的氣流量的質(zhì)量流量計，所述偏壓閥包括: 殼體組件，其具有與流體地連接到患者回路的殼體出口和流體地連接到羅茨鼓風機的殼體入口相通的環(huán)形殼體室， 所述殼體組件包括: 彎管殼體，其具有殼體側(cè)壁和殼體端壁，殼體入口形成在彎管殼體的與殼體端壁相反的一端上并且連接到羅茨鼓風機，殼體出口形成在殼體側(cè)壁上； 中空氣缸，其固定地安裝在彎管殼體內(nèi)，并且具有氣缸端壁和氣缸側(cè)壁，氣缸側(cè)壁布置為與殼體側(cè)壁同軸間隔以限定氣缸側(cè)壁與殼體側(cè)壁之間的環(huán)形殼體室，所述氣缸在與殼體入口一致的一端是開口的；以及 環(huán)形閥座，其固定地安裝到殼體入口上并且具有座接口 ；提動頭，其可滑動地布置在氣缸內(nèi)并且能夠在氣缸內(nèi)往復地移動，并且具有提動頭側(cè)面和相反的提動頭端面，在氣缸端壁和一個提動頭端面之間限定氣缸內(nèi)腔，另一個提動頭端面配置為能夠密封地接合到座接口上并且限定座區(qū)域；以及偏置構(gòu)件，其具有足以使提動頭偏置到座接口的彈性預載； 其中，座區(qū)域和彈性預載被定尺寸且配置為對呼吸控制元件提供預定偏壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的偏壓閥，其中提動頭具有足以產(chǎn)生用于由質(zhì)量流量計測量的羅茨鼓風機的脈動氣流的慣性阻尼的質(zhì)量。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的偏壓閥，進一步包括: 質(zhì)量構(gòu)件，其連接到提動頭； 其中: 提動頭以擾動頻率反作用于脈動氣流； 提動頭和偏置構(gòu)件以提動頭固有頻率往復； 提動頭和質(zhì)量構(gòu)件被定尺寸且配置為當擾動頻率實質(zhì)上高于提動頭固有頻率時使慣性阻尼最大化。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的偏壓閥，其中偏壓閥配置為提供用于由流量計測量的脈動氣流的粘性阻尼。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的偏壓閥，其中偏壓閥配置為當擾動頻率實質(zhì)上等于提動頭固有頻率時使粘性阻尼最大化。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的偏壓閥，其中: 提動頭和氣缸限定了在提動頭與氣缸之間的實質(zhì)上窄的提動頭間隙，用于在提動頭往復期間當氣體通過氣缸內(nèi)腔與環(huán)形殼體室之間的提動頭間隙時產(chǎn)生粘性阻尼。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的偏壓閥，其中偏置構(gòu)件具有在羅茨鼓風機的流速范圍內(nèi)足以產(chǎn)生實質(zhì)上恒定偏壓的剛度常數(shù)。
25.一種用于具有產(chǎn)生氣流的羅茨鼓風機的機械呼吸機的偏壓閥，所述機械呼吸機具有流體地連接到所述偏壓閥的一側(cè)的呼吸控制元件和流體地連接到偏壓閥的相反側(cè)的患者回路，所述呼吸控制元件配置為操作與患者回路連接的呼氣閥，所述偏壓閥包括: 連接到羅茨鼓風機的閥座； 提動頭，其能夠接合到閥座上，并且能夠在分別用于阻止和允許氣體從羅茨鼓風機流至IJ患者回路的關閉位置與打開位置之間往復；以及 偏置構(gòu)件，配置為使提動頭偏置到閥座，以使偏壓產(chǎn)生并且被提供到呼吸控制元件以用于調(diào)節(jié)呼氣閥。
26.一種用于衰減從氣體源到氣流接收設備的脈動氣流的偏壓閥裝置，所述偏壓閥裝置包括: 殼體組件，其包括: 與流體地連接到所述氣流接收設備的殼體出口和流體地連接到所述氣體源的殼體入口相通的環(huán)形殼體室，以及 殼體，其具有殼體側(cè)壁和殼體端壁，所述殼體入口形成在與殼體端壁相反的一端上，所述殼體出口形成在殼體側(cè)壁上； 中空氣缸，其固定地安裝在所述殼體組件內(nèi)，并且具有氣缸端壁和氣缸側(cè)壁，所述氣缸側(cè)壁布置為與所述殼體側(cè)壁同軸間隔布置以限定氣缸側(cè)壁與殼體側(cè)壁之間的殼體室，所述氣缸在與殼體入口一致的一端是開口的；以及 環(huán)形閥座，其固定地安裝到殼體入口上并且具有座接口 ； 提動頭，其可滑動地布置在氣缸內(nèi)并且能夠在氣缸內(nèi)往復地移動， 其中: 所述提動頭具有提動頭側(cè)面和相反的提動頭端面； 在氣缸端壁和一個提動頭端面之間限定氣缸內(nèi)腔，并且 另一個提動頭端面配置為能夠密封地接合到座接口上并且限定座區(qū)域；以及 彈簧，其具有足以使提動頭偏置到座接口的彈性預載；并且 其中所述偏壓閥裝置結(jié)合具有流體地連接到所述偏壓閥裝置的呼吸控制元件的呼吸機使用； 其中所述氣體源包括羅茨鼓風機組件并且所述氣流接收設備包括流體地連接到偏壓閥裝置的相反側(cè)的患者回路，并且 其中所述呼吸控制元件被配置為操作連接到患者回路的呼氣閥。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的偏 壓閥裝置，進一步包括:介于所述氣體源與所述偏壓閥裝置之間的質(zhì)量流量計，其中所述質(zhì)量流量計配置為測量來自所述氣體源的氣流量。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的偏壓閥裝置，其中所述氣流接收設備包括患者回路。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的偏壓閥裝置，其中所述座區(qū)域和彈性預載被定尺寸且配置為對呼吸控制元件提供預定偏壓。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的偏壓閥裝置，其中所述提動頭具有足以產(chǎn)生脈動氣流的慣性阻尼的質(zhì)量。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的偏壓閥裝置，進一步包括: 連接到提動頭的質(zhì)量構(gòu)件； 其中: 提動頭以擾動頻率反作用于脈動氣流； 提動頭和彈簧以提動頭固有頻率往復；并且 提動頭和質(zhì)量構(gòu)件被定尺寸且配置為當擾動頻率實質(zhì)上高于提動頭固有頻率時提供最大程度的慣性阻尼。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的偏壓閥裝置，其中偏壓閥配置為當擾動頻率實質(zhì)上等于提動頭固有頻率時提供最大程度的粘性阻尼。
33.根據(jù)權(quán)利要求26所述的偏壓閥裝置，其中所述提動頭和氣缸限定了在提動頭與氣缸之間的實質(zhì)上窄的提動頭間隙，用于在提動頭往復期間當氣體通過氣缸內(nèi)腔與殼體室之間的提動頭間隙時產(chǎn)生粘性阻尼。
34.根據(jù)權(quán)利要求26所述的偏壓閥裝置，其中彈簧具有在鼓風機組件的流速范圍內(nèi)足以產(chǎn)生實質(zhì)上恒定偏壓的剛度常數(shù)。
35.一種呼吸機，包括: 鼓風機組件，其用于產(chǎn)生氣流； 呼吸控制元件； 患者回路，所述呼吸控制元件配置為操作連接到所述患者回路的呼氣閥；偏壓閥，其包括: 殼體組件，其包括: 環(huán)形殼體室，其形成流體地連接到患者回路的殼體出口和流體地連接到鼓風機組件的殼體入口 ； 殼體，其具有殼體側(cè)壁和殼體端壁，其中殼體入口形成在殼體組件的與殼體端壁相反的一端上并且連接到鼓風機組件，并且其中殼體出口形成在殼體側(cè)壁上； 中空氣缸，其固定地安裝在殼體組件內(nèi)，并且具有氣缸端壁和氣缸側(cè)壁， 其中氣缸側(cè)壁布置為與殼體側(cè)壁同軸間隔布置以限定氣缸側(cè)壁與殼體側(cè)壁之間的殼體室，并且 其中所述氣缸在與殼體入口一致的一端是開口的；以及 環(huán)形閥座，其固定地安裝到殼體入口上并且具有座接口； 提動頭，其可滑動地布置在氣缸內(nèi)并且能夠在氣缸內(nèi)往復地移動，并且具有提動頭側(cè)面和相反的提動頭端面， 其中在氣缸端壁和一個提動頭端面之間限定氣缸內(nèi)腔，并且 其中另一個提動頭端面配置為能夠密封地接合到座接口上并且限定座區(qū)域；以及 偏置構(gòu)件，其具有足以使提動頭 偏置到座接口的彈性預載； 其中，呼吸控制元件流體地連接到所述偏壓閥并且所述患者回路流體地連接到其相反側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種使用偏壓閥的機械呼吸機系統(tǒng)，尤其公開一種具有用于向患者回路產(chǎn)生氣流的羅茨鼓風機的便攜式機械呼吸機，所述機械呼吸機包括呼吸控制元件，其配置為操作與患者回路連接的呼氣閥；以及偏壓閥，其連接在羅茨鼓風機與患者回路之間，并且配置為對呼吸控制元件提供偏壓，并且其中所述偏壓閥配置為提供羅茨鼓風機產(chǎn)生的氣流的阻尼。偏壓便于在吸氣開始時關閉呼氣閥、在呼氣期間調(diào)節(jié)呼氣末正壓通氣和經(jīng)由壓力變換元件凈化傳感線路。
文檔編號F01C1/18GK103191502SQ20131006996
公開日2013年7月10日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者道格拉斯·F·德弗里斯, 托德·阿勒姆 申請人:卡爾福新203公司