集成到患者界面中的傳感器和閥門的制作方法
【專利摘要】一種改進(jìn)的患者界面組件和壓力支持系統(tǒng)將壓力傳感器和閥門集成到患者界面組件中，并且在傳感器和閥門之間采用閉環(huán)控制以便限制在患者在正常呼吸期間遭受到表示異常呼吸或流量負(fù)載的狀況的時刻和在患者接收到變化的壓力支持的時刻之間的延遲。
【專利說明】集成到患者界面中的傳感器和閥門
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及氣道壓力支持系統(tǒng)，更具體地說涉及用于壓力支持系統(tǒng)的患者界面組件，其中氣流控制回路的壓力傳感器和閥門集成到患者界面組件中。
【背景技術(shù)】
[0002]許多人在睡眠期間會遭遇呼吸失調(diào)。睡眠呼吸暫停是世界上上百萬人遭遇的這種睡眠呼吸失調(diào)的普通示例。一種睡眠呼吸暫停為阻塞性睡眠呼吸暫停(0SA)，這是這樣一種情況，其中由于氣道(通常是上氣道或咽管區(qū)域)阻塞而導(dǎo)致睡眠反復(fù)被不能呼吸中斷。氣道阻塞通常被認(rèn)為是至少部分由于用來穩(wěn)定上氣道段的肌肉松弛引起，由此允許組織使得氣道塌陷。另一種睡眠呼吸暫停癥為中樞呼吸暫停，這是由于存在來自大腦呼吸中樞的呼吸信號的存在而導(dǎo)致的呼吸中止。呼吸暫停狀況不論是0SA、中樞或OSA和中樞的混合都被定義為完全或接近完全呼吸中止，例如相對峰值呼吸氣流減小90%或更大。
[0003]患有睡眠呼吸暫停的那些患者在睡眠期間經(jīng)歷睡眠破碎以及間歇地完全或接近完全的通氣中止，并且可能出現(xiàn)氧基血紅素嚴(yán)重不飽和。這些癥狀在臨床上會被轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重白天目盍睡、心率失常、肺動脈高血壓、充血性心力衰竭和/或認(rèn)知障礙(cognitivedysfunction)。睡眠呼吸暫停的其它結(jié)果包括右心室功能紊亂、在失眠期間以及在睡眠期間的二氧化碳滯留以及動脈氧壓力持續(xù)減小。睡眠呼吸暫?；颊哂捎谶@些因素而處于意外死亡的危險，以及在駕駛和/或操作可能危險的設(shè)備期間出現(xiàn)意外的危險增大。
[0004]即使在患者沒有受到完全或近乎完全氣道堵塞的情況下，也已知的是，負(fù)面影響例如睡眠喚醒在只有氣道部分堵塞的情況下也會出現(xiàn)。部分氣道堵塞通常導(dǎo)致被稱為呼吸不足的淺呼吸。呼吸不足通常定義為相對于峰值呼吸氣流50%或更大的減小。其它類型的睡眠失調(diào)呼吸包括但不限于上氣道阻力綜合病癥(UARS)和氣道振動，例如咽管壁振動，通稱為打鼾。因此，在對具有呼吸失調(diào)例如0SA、中樞呼吸暫停或UARS的患者進(jìn)行診斷中，重要的是要精確檢測到患者呼吸暫停和呼吸不足的出現(xiàn)。
[0005]已知有這樣的裝置，這些裝置試圖檢測出呼吸暫停和呼吸不足以實時地確定患者是否出現(xiàn)睡眠呼吸暫停癥狀。Dodakian的美國專利N0.5，295，490、Lynn的美國專利 N0.5，605，151、； Karakasoglu 等人的美國專利 N0.5，797，852、Raviv 等人的美國專利N0.5, 961, 447、Alien等人的美國專利N0.6, 142, 950、Rapoport等人的美國專利N0.6，165，133,Hadas的美國專利N0.6，368，287描述了普通呼吸暫停/呼吸不足檢測裝置的示例。
[0006]還已知的是,通過向患者氣道施加連續(xù)正氣壓(CPAP)來治療睡眠失調(diào)呼吸。該正壓力有效地“分開”氣道，由此保持通向肺部的開放通道。還已知的是，提供這樣一種正壓力治療，其中輸送給患者的氣體壓力隨著患者的呼吸循環(huán)而改變，或者隨著患者的呼吸努力而改變，以便提高對患者的舒適度。該壓力支持技術(shù)被稱為雙級壓力支持，其中輸送給患者的吸氣正氣道壓力(IPAP)高于呼氣正氣道壓力(EPAP)。
[0007]還已知的是，提供這樣的正壓力治療，其中根據(jù)所檢測到的患者狀況例如患者是否正在出現(xiàn)呼吸暫停和/或呼吸不足來自動地調(diào)節(jié)壓力。該壓力支持技術(shù)被稱為自滴定型壓力支持，因為該壓力支持裝置尋求給患者提供這是與處理失調(diào)呼吸所需的壓力一樣高的壓力。因此，通過自滴定型壓力支持系統(tǒng)治療患者的有效性可以在很大程度上取決于對呼吸暫停和/或呼吸不足的精確檢測。
[0008]在Sullivan等人的美國專利N0.5, 245, 995、Gruenke等人的美國專利N0.5，259，373,5, 549，106 和 5，845，636,Axe 等人的美國專利 N0.5，458，137 和 6，058，747、Berthon-Jones 的美國專利 N0.5，704，345; 6，029，665 和 6，138，675、Remmers 的美國專利 N0.5，645，053 以及 Rapoport 等人的美國專利 N0.5，335，654,5, 490，502,5, 535，739 和5，803，066中披露了普通自滴定型壓力支持系統(tǒng)的示例?？赡艹?Remmers等人的美國專利N0.5645053之外，所有這些普通的壓力支持系統(tǒng)都對患者的監(jiān)控狀況起作用。也就是說，一旦出現(xiàn)表示異常呼吸的狀況，則該系統(tǒng)改變壓力支持以處理這種情況。
[0009]但是，還已知的是，已知的壓力支持系統(tǒng)的缺點在于，在檢測呼吸狀況方面的延遲以及在響應(yīng)于呼吸狀況在治療上改變壓力支持方面的額外延遲。壓力源例如CPAP機(jī)通常通過采用長柔性管與患者界面裝置連接，該柔性管將流體流例如呼吸氣體從壓力源運送給患者界面裝置。這些供氣管通常直徑為22毫米并且長度為6英尺?？諝鈨?nèi)的壓力變化通常以每毫秒大約I英尺的速度運動，因此需要大約10毫秒穿過6英尺長的管道。在患者出現(xiàn)代表異常呼吸的狀況時，由于該狀況導(dǎo)致的壓力變化需要大約6毫秒從患者界面?zhèn)鬏斖ㄟ^6英尺的管道以便由位于壓力源上的傳感器檢測到(由于流量負(fù)載變化在正常呼吸情況下也會出現(xiàn)壓力變化)。雖然壓力源能夠非常迅速地改變其壓力，但是變化的壓力同樣需要6毫秒從壓力源沿著6英尺長的管道行進(jìn)以在患者界面處被接收到。在患者身上狀況開始到患者接收到變化的壓力支持之間的總延遲因此大約12毫秒。該延遲由于用來調(diào)節(jié)壓力的機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)動態(tài)而進(jìn)一步增大。
[0010]在目前的系統(tǒng)中，通過控制算法來管理剛才所述的時間延遲，該算法假設(shè)氣流阻力(resistance)和(體積) 柔度(compliance)的大小是恒定一致的。在這些算法中的這個假設(shè)將氣流回路設(shè)計嚴(yán)格限制于具有相對較大橫截面積的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)上，這提供了大體上恒定一致的氣流阻力和柔度。結(jié)果是，面罩通常在鼻部附近配備有相對較大的非柔性彎管，該彎管然后與相對較大的非柔性軟管連接。例如，在與6英尺軟管連接的典型標(biāo)準(zhǔn)面罩和彎管中，在60LMP流量下的總阻力為5X l(T3LPM/cmH20 (軟管)+16.7 X l(T3LPM/cmH20 (面罩和彎管)=21.7X l(T3LPM/cmH20。另外，該阻力將通常只是變化大約1.5 X l(T3LPM/cmH20。
[0011]但是，期望能夠采用改進(jìn)的面罩設(shè)計，它可以由結(jié)合有非傳統(tǒng)的氣流通道的小型柔性管道代替上面標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)限定。但是，這些特征(通過定義)將相對于氣流具有高阻力，并且阻力大小在整個夜晚期間顯著變化(即它門不是恒定一致的)。另外，柔軟材料會具有相對較高的機(jī)械變形，這會導(dǎo)致氣流回路中出現(xiàn)明顯可變的體積柔度。因此需要能夠使用這種改進(jìn)的面罩設(shè)計的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]因此，改進(jìn)的患者界面組件和壓力支持系統(tǒng)將壓力傳感器和閥門集成到患者界面組件中，并且在傳感器和閥門之間采用了閉環(huán)控制。該結(jié)構(gòu)減小了在患者經(jīng)受表示在正常呼吸期間的異常呼吸或流量負(fù)載的狀況的時刻和患者接受變化的壓力支持的時刻之間的時間延遲，因此能夠補(bǔ)償在氣流回路中的柔度和阻力變化，因此能夠使用上述改進(jìn)的面罩設(shè)計。
[0013]因此，本發(fā)明的一個方面在于提供改進(jìn)的壓力支持系統(tǒng)和患者界面組件，它們提供了改進(jìn)的治療患者監(jiān)測。
[0014]本發(fā)明的另一個方面在于提供改進(jìn)的壓力支持系統(tǒng)和患者界面組件，它們向患者提供改進(jìn)的治療壓力支持。
[0015]本發(fā)明的另一個方面在于提供一種具有集成在其中的壓力傳感器和閥門的改進(jìn)的患者界面組件。
[0016]本發(fā)明的另一個方面在于提供改進(jìn)的患者界面組件和壓力支持系統(tǒng)，它們使得能夠?qū)μ峁┙o患者的壓力支持實現(xiàn)改進(jìn)的控制。
[0017]本發(fā)明的另一個方面在于提供改進(jìn)的患者界面組件和壓力支持系統(tǒng)，它們克服了已知壓力支持系統(tǒng)的已知缺陷。
[0018]在一個實施例中，提供了一種患者界面組件，其構(gòu)造為與提供流體流的壓力源流體連通，所述患者界面組件包括:具有形成在其中的構(gòu)造為與患者的呼吸道流體連通的腔室的患者界面裝置，所述患者界面裝置構(gòu)造為在所述患者界面組件由患者佩戴時定位在患者頭部上；第一壓力傳感器，其構(gòu)造為檢測在所述腔室內(nèi)的壓力狀況，所述第一壓力傳感器構(gòu)造為在所述患者界面組件由患者佩戴時定位在患者頭部上；閥門，其構(gòu)造為在所述患者界面組件由患者佩戴時定位在患者頭部上；以及柔性管件，其具有可變的柔度和阻力特性，并且構(gòu)造為在所述患者界面組件由患者佩戴時定位在患者頭部上，所述患者界面裝置通過所述管件定位在所述閥門下游。采用閉環(huán)控制以至少基于由所述第一壓力傳感器所檢測到的壓力狀況來控制閥門以及由此控制通過所述患者界面裝置輸送至患者的壓力。
[0019]通過參照附圖閱讀下面的說明書和所附權(quán)利要求書將更加清楚地了解本發(fā)明的這些和其它目的、特點和特征以及結(jié)構(gòu)的相關(guān)元件和各部件組合的功能和操作方法和制造經(jīng)濟(jì)性，所有這些內(nèi)容形成了本說明書的一部分，其中各個附圖中類似的附圖標(biāo)記代表對應(yīng)的部件。但是，要明確理解的是，這些附圖用于圖示說明的目的而不是用來界定本發(fā)明的范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為根據(jù)一個具體非限定性實施例的壓力支持系統(tǒng)的視圖，其中可以實施在本發(fā)明的各個實施例中的本發(fā)明；
[0021]圖2為圖1的壓力支持系統(tǒng)的示意圖；
[0022]圖3為圖1的壓力支持系統(tǒng)的患者界面組件的一部分的視圖；
[0023]圖4a為圖3的患者界面組件的流量控制回路的示意圖；
[0024]圖4b為圖3的患者界面組件的流量控制回路的可選示意圖；
[0025]圖5為現(xiàn)有技術(shù)PAP裝置的壓力回路的閉環(huán)反饋系統(tǒng)的方框圖，其中壓力回路圍繞著患者壓力估計值封閉；
[0026]圖6為用來說明在系統(tǒng)響應(yīng)和穩(wěn)定性方面的時間延遲的作用的示例性任意閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖；
[0027]圖7-10為伯德(Bode)圖，顯示出閉環(huán)控制的各個方面；[0028]圖11為PAP裝置的壓力回路的閉環(huán)反饋系統(tǒng)的方框圖，其中壓力回路圍繞著患者壓力封閉；
[0029]圖12為PAP裝置的閉環(huán)反饋系統(tǒng)的方框圖，該反饋系統(tǒng)包括用于沒有直接受到輸送延遲影響的閥門的單獨控制回路；
[0030]圖13為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的壓力支持系統(tǒng)的方框圖；并且
[0031]圖14為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的壓力支持系統(tǒng)的方框圖。
【具體實施方式】
[0032]如在這里所使用的一樣，單數(shù)形式的“一”、“一個”和“所述”包括復(fù)數(shù)的概念，除非上下文另有明確指示。如在這里所使用的一樣，兩個或多個部分或部件“聯(lián)接”的表述應(yīng)該意味著這些部分直接或間接即通過一個或多個中間部分或部件連接在一起或一起操作，只要出現(xiàn)連接就行。如在這里所使用的一樣，“直接聯(lián)接”意味著兩個元件直接相互接觸。如在這里所使用的一樣，“固定聯(lián)接”或“固定”意味著兩個部件聯(lián)接以便作為一體運動，同時相對于彼此保持恒定取向。
[0033] 如在這里所使用的一樣，詞語“整體”意味著部件形成為一個部件或單元。也就是說，包括單獨形成并且然后聯(lián)接在一起作為組件的元件的部件不是“整體”部件或主體。如在這里所采用的一樣，兩個或多個部分或部件相互“接合”的表述應(yīng)該指的是，這些部分直接或者通過一個或多個中間部分或部件在彼此上施加力。如在這里所采用的一樣，術(shù)語“數(shù)目”應(yīng)該指的是一個或大于一個的整數(shù)(即多個)。
[0034]在這里所采用的方向短語例如但不限于頂部、底部、左邊、右邊、上、下、前、后及其衍生詞涉及在這些附圖中所示的元件的取向，但是在權(quán)利要求上不是進(jìn)行限定，除非在這里有明確表述。
[0035]在圖1中顯示出一種改進(jìn)的壓力支持系統(tǒng)2，其一部分位于患者4上。在圖2中也示意性地顯示出壓力支持系統(tǒng)2。改進(jìn)的壓力支持系統(tǒng)2可以被描述為包括相互流體連通的改進(jìn)的患者界面組件8和壓力源10。
[0036]在這里所示的示例性實施例中，壓力源10為產(chǎn)生氣流的裝置,例如CPAP機(jī)12,從中延伸出細(xì)長的供氣管16，也被稱為患者回路，在其自由端處設(shè)有旋轉(zhuǎn)節(jié)流器(swivelreducer) 18。供氣管16例如但不限于為6英尺長直徑為22mm的柔性管。旋轉(zhuǎn)節(jié)流器18具有與供氣管16的自由端連接的相對較寬的第一端部，并且具有可以與患者界面組件8連接的相對狹窄的第二端部。例如但不限于，旋轉(zhuǎn)節(jié)流器18的狹窄端部能夠連接直徑為15mm的管子，并且還提供了旋轉(zhuǎn)特征，這使得供氣管16和患者界面組件8能夠相對于彼此旋轉(zhuǎn)。要指出的是，該示例性供氣管16和旋轉(zhuǎn)節(jié)流器18為不打算以任何方式限制的任選結(jié)構(gòu)。壓力源10構(gòu)造為給患者界面組件8提供壓力流體流以供患者4呼吸，例如空氣或其它呼吸氣體。
[0037]患者界面組件8可以包括患者界面20、流體連接裝置24、流量控制回路26和頭藍(lán)28。要指出的是，為了清楚簡化，在圖3中在沒有患者4和頭盔28的情況下顯示出患者界面組件8。要明確指出的是，在這里所述的患者界面組件8僅僅是可以按照下面給出的方式構(gòu)造以實現(xiàn)本發(fā)明所期望的結(jié)果的許多患者界面組件中的一個示例。因此對于患者界面組件8的說明決不是用來以任意方式進(jìn)行限制。[0038]流體連接裝置24可以包括柔性附接管32，所述柔性附接管可以與旋轉(zhuǎn)節(jié)流器18連接并且在所示的示例性實施例中是直徑為15mm的管件。流體連接裝置24另外可以包括具有外殼26的歧管裝置34，并且還包括一對在歧管裝置34和患者界面20之間延伸的高順從度的柔性的流體連接元件40。流體連接元件40為直徑較小的柔性管段，它門使得歧管裝置34和患者界面20之間能夠形成流體連通。在所示的示例性實施例中，連接元件40呈并聯(lián)關(guān)系，以便在患者4側(cè)睡并且部分或完全阻塞了連接元件40中的一個的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)不中斷的流體流。從圖1可理解的是，該示例性頭盔28安裝在流體連接元件40上并且在患者4的頭部后面延伸，但是在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下頭盔28可以為許多種不同結(jié)構(gòu)中的任一種。
[0039]患者界面20包括具有形成在其中的腔室44 (圖2)的外殼42，該腔室與流體連接元件40流體連通。患者界面20另外包括襯墊48，它設(shè)置在外殼42上并且構(gòu)造為直接接觸患者4且在腔室44和外界大氣之間提供密封。在圖2中顯示出排氣口 50形成在外殼42中，但是要理解的是，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下提供用于呼氣氣流的開口的排氣口可以設(shè)置在患者界面組件8上的其它地方，或者可能設(shè)置在壓力源10上。
[0040]圖2在箭頭52處示意性地顯示出吸氣氣流，并且在箭頭56處還顯示出呼氣氣流。箭頭52和56用來表示患者4的呼吸道，并且用來說明壓力支持系統(tǒng)2的各個部件都與患者4的呼吸道流體連通。
[0041]從圖2和4a可以理解的是，流量控制回路26為閉環(huán)控制系統(tǒng)，它包括控制器58，該控制器在圖4a中所示的示例性實施例中設(shè)置在歧管裝置34的外殼36上，但是如在這里其它地方所更詳細(xì)地說明的一樣可以位于壓力支持系統(tǒng)2上的其它地方。流量控制回路26還包括壓力傳感器60和閥門64。在這里所述的流量控制回路26的示例性實施例中，設(shè)有另外的壓力傳感器66，但是要指出的是，該壓力傳感器66是任選的。壓力傳感器60、閥門64和壓力傳感器66通過使用多根導(dǎo)線68A、68B和68C與控制器58電子連通。當(dāng)然，本發(fā)明也考慮了在各個元件之間的 無線連通。
[0042]壓力傳感器66可以設(shè)置在閥門64上游，這意味著它位于閥門64和CPAP機(jī)12之間。壓力傳感器60可以位于閥門64下游，因為它位于閥門64的與壓力傳感器66相反的側(cè)面上，并且位于CPAP機(jī)12下游并且從中提供流體流。
[0043]有利的是，壓力傳感器60設(shè)置在外殼42上并且與腔室44流體連通，以便檢測在腔室44內(nèi)的壓力狀況，這使得能夠檢測在患者4中的異常呼吸狀況。通過將壓力傳感器60設(shè)置在能夠直接檢測在腔室44內(nèi)的壓力狀況的位置中，能夠非?？焖俚貦z測到患者4所受到的異常呼吸狀況，因為在壓力傳感器60和患者4的呼吸道之間的距離非常小。這樣，壓力傳感器60產(chǎn)生出由控制器58檢測到的信號,作為表不在腔室44內(nèi)的壓力的輸入信號。
[0044]控制器58具有微處理器和存儲器，其中存儲器在其中存儲有可在微處理器上執(zhí)行的一個或多個程序。這些程序可以為各種形式中的任一種，并且可以執(zhí)行各種函數(shù)中的任一種，所述函數(shù)能夠控制提供給患者4的加壓流體。在這里所述的示例性實施例中，可在控制器58上執(zhí)行的這些程序包括比例、積分和導(dǎo)數(shù)控制函數(shù)中的一個或多個，并且控制器58在這里所述的示例性實施例中用作PID控制器，以及提供其它功能。其它實施例包括具有相位滯后(積分為相位滯后的具體類型)或相位超前(導(dǎo)數(shù)為相位超前的具體類型)以及前饋項的比例控制器的一些組合。另外，這可以包括其它控制技術(shù)例如狀態(tài)-控件控制、魯棒性H 控制等。
[0045]響應(yīng)于來自壓力傳感器60的輸入信號，控制器58產(chǎn)生輸出信號,它傳輸給閥門64以調(diào)節(jié)可動閥門元件的位置，并且由此調(diào)節(jié)在閥門64下游提供的流體的壓力。在這方面，位于閥門64上游的壓力傳感器66也給控制58提供輸入信號，以便使得控制器58能夠更精確地產(chǎn)生出由從控制器58提供給閥門64的輸出信號所表示的閥門64的閥門元件的所
期望位置。
[0046]要指出的是，閥門64的可動閥門元件的所期望位置可以通過控制器58根據(jù)由壓力傳感器60和壓力傳感器66所確定的且傳輸給控制器58的在閥門64上游和下游的壓力狀況來確定，也就是說，可以根據(jù)在確定必須調(diào)節(jié)閥門64的時刻所存在的壓力狀況來確定閥門64的可動閥門元件的所期望最終位置，而不是通過使得可動閥門元件逐步運動一段時間來確定其位置，其中依靠來自壓力傳感器60和壓力傳感器66的進(jìn)一步的信號來確定閥門64的正確設(shè)置。
[0047]換句話說，壓力傳感器60和壓力傳感器66的設(shè)置使得能夠?qū)﹂y門64的可動元件進(jìn)行精確的初始定位，并且控制器58采用來自壓力傳感器60和壓力傳感器66的進(jìn)一步的信號來微調(diào)閥門64的設(shè)定。來自壓力傳感器60和壓力傳感器66的信號因此用來使得能夠通過控制器58來對閥門64進(jìn)行精確初始設(shè)定，而不是依靠通過閥門64的一系列逐步調(diào)節(jié)直到在腔室44中實現(xiàn)所期望的壓力狀況來定位可動閥門元件。但是要指出的是，來自壓力傳感器60和壓力傳感器66的信號在閥門64的控制中可以按照許多方式米用。
[0048]從圖2中可以理解的是，在本發(fā)明的第一實施例中，閥門64和壓力傳感器66設(shè)置在外殼36內(nèi)部的歧管裝置34上。圖2顯示出相互間隔開的閥門64和壓力傳感器66，但是要理解的是，為了清楚和簡化僅僅顯示出這種間距，并且要理解的是，閥門64和壓力傳感器66可以彼此非?？拷卦O(shè)置，但是在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下它們可以相互間隔開。
[0049]通過將閥門64設(shè)置在相對靠近患者界面20的歧管裝置34上，從而由控制器58指示的由閥門64作出的壓力調(diào)節(jié)相對迅速地傳輸給患者界面20和患者4?？紤]典型人類頭部的尺寸，閥門64將通常設(shè)置在與患者4的呼吸道間隔小于一英尺的位置處，結(jié)果是，閥門64的動作而導(dǎo)致的流體壓力變化以小于I毫秒的延遲傳輸給患者4，這是非常有利的。
[0050]因為壓力傳感器60非常靠近患者4的呼吸道，并且因為閥門64位于與呼吸道間隔小于I英尺的位置處(在所示的示例性第一實施例中)，所以在檢測到表示在患者4中正常呼吸期間的異常呼吸或流量負(fù)載的狀況和所導(dǎo)致的閥門64改變系統(tǒng)壓力之間的整個延遲仍然具有小于I毫秒的整體延遲，這是非常有利的。在出現(xiàn)狀況和提供治療壓力以緩解該狀況之間提供這種相對較小的延遲是有益的，因為它以最小的延遲給患者4迅速提供治療氣壓。
[0051] 此外，在由流量控制回路26提供的氣壓上的控制程度也是非常有利的。通過將壓力傳感器60和閥門64設(shè)置成大大消除在狀況開始出現(xiàn)時和提供壓力治療以緩解該狀況之間的延遲，從而使得能夠使用響應(yīng)更加快速的閥門和閥門命令。對于閥門命令而言，要理解的是，在其中內(nèi)在有12毫秒的延遲的系統(tǒng)中，閥門控制信號將構(gòu)造為對閥門作出相對較小的變化，以便避免控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性或者其它不期望有的效果例如動作過大。但是，在這里所述的其中在狀況開始出現(xiàn)和提供治療緩解之間的延遲最小(例如小于I毫秒)的系統(tǒng)中，能夠更加積極地作出用來調(diào)節(jié)閥門64的位置的輸出信號，以便提供流體壓力更加迅速的變化，因為將以非常小的延遲檢測出流體壓力的相應(yīng)變化，這改善了對壓力的控制。
[0052]要理解的是，可以認(rèn)為閥門具有“增益”，這指的是微分方程，所述微分方程與閥門64相關(guān)并且表征由于在給定閥門64的兩側(cè)上的壓力狀況的情況下可動閥門元件的位置遞進(jìn)變化而導(dǎo)致的壓力遞進(jìn)變化。增益相對于可動閥門元件的位置變化可以是線性的或者非線性的。還有，增益可以相對較高，這意味著閥門位置的較小變化導(dǎo)致壓力的較大變化，或者可以相對較低，這意味著閥門位置的較小變化導(dǎo)致壓力的較小變化。在狀態(tài)變化和檢測到結(jié)果之間的時間滯后相對較大的控制系統(tǒng)通常需要具有相對較低的整體系統(tǒng)增益(例如采用具有相對較小增益或較低控制器增益的閥門中的任一個或兩者)，以便避免在控制系統(tǒng)中出現(xiàn)不穩(wěn)定性。但是，在具有最小延遲的控制系統(tǒng)中，例如在這里所述的系統(tǒng)中，可以采用更高的整體系統(tǒng)增益(例如采用具有相對較高增益或較高控制器增益的閥門中的任一個或兩個)，從而由于以壓力傳感器60最小的延遲迅速檢測出壓力而使得能夠成功地執(zhí)行更加積極的壓力變化命令。
[0053]因此可以看出，雖然前面的系統(tǒng)由于流體輸送的內(nèi)在延遲以及閥門和傳感器設(shè)置在離患者6英尺或更遠(yuǎn)的位置處而具有相對較大的12毫秒延遲，但是患者界面組件8和壓力支持系統(tǒng)2有利地通過將壓力傳感器60和閥門64相對緊密靠近患者4的呼吸道來減輕這些問題。但是，要理解的是，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下可以實施上述的許多變型。例如，控制器58描述為設(shè)置在流體連接裝置24上。要理解的是，在其它實施例中，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下控制器58可以整體或部分集成到患者界面20中。
[0054]仍然可選的是，如大體上在圖4b中所示一樣，可選的流量控制回路126可以采用無線通信裝置72來代替導(dǎo)線 68A、68B和68C，并且控制器58可以設(shè)置在CPAP機(jī)12上。無線通信裝置72可以非限制地采用射頻發(fā)射器、紅外發(fā)射器、藍(lán)牙通信等在控制器58和壓力傳感器60和66以及閥門64之間提供無線通信。在圖4b中大體上所示的實施例中，無線通信裝置72包括一對RF發(fā)射器74和76，它們分別設(shè)置用于供壓力傳感器60和66使用。無線通信裝置72還包括一對RF收發(fā)器80和82，它們分別與控制器58和閥門64協(xié)作。RF發(fā)射器74和76向RF收發(fā)器80以及因此控制器58發(fā)射無線信號，這些信號表示由壓力傳感器60和66檢測出的壓力值。RF收發(fā)器80然后向RF收發(fā)器82以及因此閥門64發(fā)射表示閥門64的可動閥門元件的運動的無線信號以實現(xiàn)在患者界面20中的流體壓力的改變。
[0055]在這里所述的實施例中，閥門64與RF收發(fā)器82協(xié)作，而不是僅僅與RF接收器協(xié)作，因為閥門64另外還構(gòu)造為給控制器58提供表示閥門64的可動元件的物理位置的信號。表示可動閥門元件的物理位置的這種信號也能夠如在圖4a中大體上所示一樣用導(dǎo)線68B提供。通過給控制器58提供閥門64的物理位置，控制系統(tǒng)及其命令由于與閥門64相關(guān)的上述已知傳輸功能而更加積極和精確。也就是說，由于閥門64的可動閥門元件位置的某些變化而將導(dǎo)致的壓力變化的特征在于以在控制器58上的程序形式存儲的輸送功能。
[0056]通過知道閥門64的可動元件的當(dāng)前位置，通過使用壓力傳感器60和66知道在閥門64的任一側(cè)上的壓力，并且通過使用壓力傳感器60檢測患者身上的狀況，控制器58可以給閥門64提供指令，該指令可以表征為從第一位置(point)向第二位置運動的指令。這種控制指令比依賴于壓力的進(jìn)一步檢測以便將閥門設(shè)定從初始粗略的設(shè)定調(diào)節(jié)至最終的所期望設(shè)定的運動命令更加精確和更加積極。
[0057]要指出的是，在圖2中所示的柔性管道也被示意性地顯示為具有柔度特性，如用附圖標(biāo)記84A、84B和84C在電子電容器符號處所表示的一樣，并且還包括由電子電阻器符號代表并且在附圖標(biāo)記88A、88B和88C處所示的阻力特性。例如，供氣管16包括柔度特性84A和阻力特性88A?！叭岫取碧匦灾傅氖求w積隨著壓力增大而變化，例如柔性管的局部放氣部分由于壓力增大而隨著充氣稍微膨脹，這種膨脹導(dǎo)致體積變化，這表示不是吸氣氣流的流體。“阻力”指的是對流體流的阻力。附接管32同樣包括柔度特性84B和阻力特性88B。流體連接元件每個都包括柔度特性84C和阻力特性88C。排氣口 50包括阻力特性88D。
[0058]在圖2中顯示出各種柔度和阻力特性以便進(jìn)一步闡述相對靠近患者4的呼吸道設(shè)置閥門64和壓力傳感器66的優(yōu)點。也就是說，控制器58采用了與閥門64相關(guān)的上述傳輸功能以便在調(diào)節(jié)腔室44內(nèi)的壓力中確定閥門64的可動閥門元件的位置。但是，控制器58還包括并且采用了程序，這些程序表征了在控制閥門64時歧管裝置34和流體連接元件40的流動特性。具體地說，流體連接元件40的上述流體流動特性具有柔度特性84C和阻力特性88C的特征。要注意的是，通過保持供氣管16和附接管32的柔度特性84A和84B以及阻力特性88A和88B在閥門64的上游，能夠大大忽略它們在流量控制回路26上的影響，因為它們沒有設(shè)置在閥門64和壓力傳感器60之間。通過使得能夠影響腔室44中的壓力的變量數(shù)量最少，即通過忽略柔度特性84A和84B以及阻力特性88A和88B，從而必要時能夠更加迅速和精確地改變腔室44中的壓力。
[0059]在一個實施例中，柔度特性84C在20cmH20下可以改變大約±60ml，并且阻力特性88C在60LPM流量下可以改變大約±100X10_3LPM/cmH20 (在一個具體實施例中，它可以在60LPM流量下可以改變大約±33X10_3LPM/cmH20)，其中適當(dāng)?shù)目刂坪脱a(bǔ)償因此通過在如在本文其它地方所述的流量控制回路26中實施的閉環(huán)控制系統(tǒng)提供。另外，可以克服的患者界面組件8的總阻力只是受到CPAP機(jī)12的壓縮機(jī)的壓力產(chǎn)生能力的限制。在一個示例性實施例中，本發(fā)明可以克服的患者界面組件8的總阻力在60LPM下大約為1500 X IO^3LPM/cmH20或更大，其中總阻力變化大約為±100X l(T3LPM/cmH20或更大，并且其中適當(dāng)?shù)目刂坪脱a(bǔ)償因此通過在如在本文 其它地方所述的流量控制回路26中實施的閉環(huán)控制系統(tǒng)提供。
[0060]因此可以理解的是,在可選的實施例中，壓力傳感器60、閥門64和壓力傳感器66可以處于不同的位置。例如，在圖2中所示的第一示例性實施例中，壓力傳感器60當(dāng)前描述為大體上設(shè)置在排氣口 50和患者4的呼吸道之間。但是，壓力傳感器60可以位于在附圖標(biāo)記90處所示的位置處(圖2)。如果將壓力傳感器60重新設(shè)置到位置90，則排氣口 50的阻力特性88D將在壓力傳感器60上具有不同的效果，這必須在控制閥門64時由控制器58考慮。
[0061]在圖2中在附圖標(biāo)記92處表示了閥門64的可選位置。在這種位置中，即在患者界面20上，壓力傳感器60和閥門64將更緊密地靠近，并且在腔室44內(nèi)提供更高程度的壓力控制。還有，閥門64的這種設(shè)置將避免需要考慮流體連接元件40的柔度特性84C和阻力特性88C。
[0062]壓力傳感器66任選可以設(shè)置在旋轉(zhuǎn)節(jié)流器18中。這種可選的定位將需要控制器58在控制閥門64時考慮附接管32的柔度特性84B和阻力特性88B。
[0063]因此，要理解的是，在這里所提及的壓力傳感器60、閥門64和壓力傳感器66的各種位置可以組合設(shè)置，并且在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下還可能有這些元件的其它設(shè)置。而且，控制器58的設(shè)置以及無線通信裝置72的使用同樣可以按照任意組合設(shè)置。
[0064]如在本文其它地方所述的一樣，本發(fā)明提供了改進(jìn)的患者界面組件和壓力支持系統(tǒng)，它們將壓力傳感器和閥門集成到患者界面組件中并且在傳感器和閥門之間采用了閉環(huán)控制。下面的說明描述了與閉環(huán)控制系統(tǒng)相關(guān)的許多重要考慮事項，尤其與壓力支持治療例如PAP治療相關(guān)的考慮事項，這與設(shè)計本發(fā)明所采用的具體閉環(huán)控制方法相關(guān)。
[0065]有效的PAP治療需要控制提供給患者的壓力。用來保持系統(tǒng)所期望的輸出的機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為控制系統(tǒng)。典型的反饋控制系統(tǒng)包括受控的過程(設(shè)備(plant))、用來評估物理控制參數(shù)的狀態(tài)的傳感器(或估計器)以及調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的控制器。在該情況(PAP治療)中，壓力傳感器(或者來自替代裝置(surrogate )的估計值)為用于壓力發(fā)生器以保持所期望的治療壓力的反饋機(jī)構(gòu)(設(shè)備)。壓力傳感器的輸出“反饋”給控制器以使得控制器能夠針對在實際壓力和所期望壓力之間的任意殘余差異進(jìn)行調(diào)節(jié)。該差異被稱為“誤差”項，并且導(dǎo)致使得實際壓力向壓力設(shè)定值會聚的控制動作。
[0066]有兩個主要因素引起壓力誤差，設(shè)定值變化(即所期望壓力的變化)和負(fù)載側(cè)的干擾(在該情況下，來自患者或用來提供治療的氣動系統(tǒng)的流量變化)。
[0067]圖5為現(xiàn)有技術(shù)PAP裝置152的壓力回路的閉環(huán)反饋系統(tǒng)150的方框圖，其中壓力回路圍繞著患者壓力估計值封閉。來自圖5的實際壓力通常在裝置的出口處測量出。進(jìn)行補(bǔ)償以應(yīng)對在軟管和患者界面組件中出現(xiàn)的任何壓降以產(chǎn)生出患者壓力的估計值。但是，軟管長度、直徑和結(jié)構(gòu)(彎曲等)方面的差異與不同的患者界面組件組合導(dǎo)致不同的傳遞函數(shù)(即在輸入和輸出壓力之間的函數(shù)關(guān)系)，以表征在出口壓力和患者壓力之間的差異。由于在系統(tǒng)中的輸送延遲，由于用患者壓力封閉壓力反饋回路而出現(xiàn)另外的復(fù)雜情況。
[0068]該延遲會影響系統(tǒng)動態(tài)和系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性以及對任意壓力誤差的響應(yīng)速率。例
如，考慮如圖6所示的任意閉環(huán)系統(tǒng)154。該系統(tǒng)的設(shè)備在Laplace域中為
【權(quán)利要求】
1.一種患者界面組件(8)，所述患者界面組件構(gòu)造為與提供流體流的壓力源(10)流體連通，所述患者界面組件包括: 患者界面裝置(20)，所述患者界面裝置具有形成在其中的構(gòu)造為與患者呼吸道流體連通的腔室(44)，所述患者界面裝置構(gòu)造為在所述患者界面組件被患者佩戴時定位在患者頭部上； 第一壓力傳感器(60)，所述第一壓力傳感器構(gòu)造為檢測在所述腔室內(nèi)的壓力狀況，所述第一壓力傳感器構(gòu)造為在所述患者界面組件被患者佩戴時定位在患者頭部上； 閥門(64)，所述閥門適于在所述患者界面組件被患者佩戴時測量在所述患者界面裝置內(nèi)的壓力； 柔性管件(20)，所述柔性管件具有可變的柔度和阻力特性，并且構(gòu)造為在所述患者界面組件被患者佩戴時定位在患者頭部上，所述患者界面裝置通過所述管件定位在所述閥門下游，其中采用閉環(huán)控制以至少基于由所述第一壓力傳感器檢測出的壓力狀況來控制所述閥門并由此控制通過所述患者界面裝置輸送至患者的壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的患者界面組件，其特征在于，所述柔性管件的阻力特性在所述患者界面組件的使用期間在60LPM下能夠變化大約土 100X 10_3LPM/cmH20。
3.如權(quán)利要求2所述的患者界面組件，其特征在于，所述柔性管件的阻力特性在所述患者界面組件的使用期間在60LPM下能夠變化大約±33X 10_3LPM/cmH20。
4.如權(quán)利要求1所述的患者界面組件，其特征在于，所述柔性管件的柔度特性在所述患者界面組件的使用期間在20cmH20下能夠變化大約±60ml。
5.如權(quán)利要求1所述的患者界面組件，其特征在于，所述患者界面組件的總阻力在60LMP 下大約為 1500X l(T3LPM/cmH20 或更大。
6.如權(quán)利要求1所述的患者 界面組件，其特征在于，所述閥門構(gòu)造為在所述患者界面組件被患者佩戴時定位成距患者呼吸道一英尺或更小的距離。
7.如權(quán)利要求1所述的患者界面組件，其特征在于，所述閥門構(gòu)造為在所述患者界面組件被患者佩戴時定位成距患者呼吸道一定距離，使得由于所述閥門的動作而導(dǎo)致的輸送至患者的壓力變化以小于I毫秒的延遲連通至患者。
8.如權(quán)利要求1所述的患者界面組件，其特征在于，所述第一壓力傳感器定位在所述腔室內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述的患者界面組件，其特征在于，所述患者界面組件還包括流體連接裝置(24)，所述流體連接裝置通過所述管件與所述患者界面裝置流體連通，并且構(gòu)造為接收所述流體流，所述第一壓力傳感器和所述閥門每個都設(shè)置在所述患者界面裝置和所述流體連接裝置中的至少一個上。
10.如權(quán)利要求1所述的患者界面組件，其特征在于，所述第一壓力傳感器和所述閥門是流量控制回路(26)的一部分，其中所述流量控制回路還包括控制器(58)，所述控制器構(gòu)造為接收來自所述第一壓力傳感器的輸入信號并且還構(gòu)造為至少部分響應(yīng)于所述輸入信號而采用所述閉環(huán)控制以給所述閥門提供用于控制所述閥門的輸出信號。
11.如權(quán)利要求10所述的患者界面組件，其特征在于，所述患者界面組件還包括流體連接裝置(24)，所述流體連接裝置通過所述管件與所述患者界面裝置流體連通并且構(gòu)造為接收所述流體流，所述第一壓力傳感器和所述閥門每個都設(shè)置在所述患者界面裝置和所述流體連接裝置中的至少一個上，并且其中所述控制器的至少一部分設(shè)置在所述患者界面裝置和所述流體連接裝置中的至少一個上。
12.如權(quán)利要求9所述的患者界面組件，其特征在于，所述第一壓力傳感器設(shè)置在所述患者界面裝置上，并且其中所述閥門設(shè)置在所述流體連接裝置上。
13.如權(quán)利要求12所述的患者界面組件，其特征在于，所述流體連接裝置包括:歧管裝置(34)，所述歧管裝置構(gòu)造為接收所述流體流；以及至少一對流體連接元件，所述至少一對流體連接元件在所述歧管裝置和所述患者界面裝置之間流體連通地延伸。
14.如權(quán)利要求13所述的患者界面組件，其特征在于，所述閥門設(shè)置在所述歧管裝置上。
15.如權(quán)利要求10所述的患者界面組件，其特征在于，所述流量控制回路還包括無線通信裝置(72)，所述控制器構(gòu)造為接收來自所述第一壓力傳感器的輸入信號，并且給所述閥門提供輸出信號，所述無線通信裝置構(gòu)造為能夠?qū)λ鲚斎胄盘柡退鲚敵鲂盘栔械闹辽僖粋€進(jìn)行無線傳輸。
16.如權(quán)利要求10所述的患者界面組件，其特征在于，所述第一壓力傳感器和所述閥門是所述流量控制回路的一部分，其中所述流量控制回路還包括位于所述閥門的與所述第一壓力傳感器相反的側(cè)的第二壓力傳感器(66)。
17.如權(quán)利要求16所述的患者界面組件，其特征在于，所述第一壓力傳感器設(shè)置在所述患者界面裝置上，并且其中所述第二壓力傳感器和所述閥門兩者都位于所述流體連接裝置上。
18.如權(quán)利要求10所述的患者界面組件，其特征在于，所述患者界面裝置、所述流體連接裝置和所述流量控制回路中·的至少一個包括排氣口，所述排氣口構(gòu)造為與患者呼吸道流體連通，所述第一壓力傳感器構(gòu)造為位于所述排氣口和患者之間。
19.一種給患者提供呼吸氣流的方法，包括: 將患者界面組件定位在患者頭部上，所述患者界面組件與提供氣流的壓力源流體連通，并且包括: (i)患者界面裝置，所述患者界面裝置具有形成在其中的構(gòu)造為與患者呼吸道流體連通的腔室； (ii)第一壓力傳感器，所述第一壓力傳感器構(gòu)造為檢測在所述腔室內(nèi)的壓力狀況； (iii)閥門；和 (iv)柔性管件，所述柔性管件具有可變的柔度和阻力特性，其中所述閥門適于控制在所述柔性管件中的壓力或氣流； 使用所述第一壓力傳感器檢測在所述腔室內(nèi)的壓力狀況，以及 采用閉環(huán)控制以至少基于由所述第一壓力傳感器檢測出的壓力狀況來控制所述閥門并由此控制通過所述患者界面裝置輸送給患者的壓力。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述柔性管件的阻力特性在所述患者界面組件的使用期間在60LPM下能夠變化大約土 100X 10_3LPM/cmH20。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述柔性管件的柔度特性在所述患者界面組件的使用期間在60LPM下能夠變化大約±33X 10_3LPM/cmH20。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述患者界面組件的總阻力在60LMP下大約為 1500Xl(T3LPM/cmH20。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述閥門構(gòu)造為在所述患者界面組件被患者佩戴時定位成距患者呼吸道一英尺或更小的距離。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述閥門構(gòu)造為在所述患者界面組件被患者佩戴時定位成距患者呼吸道一定距離，使得由于所述閥門的動作而導(dǎo)致的輸送給患者的壓力變化以小于I毫秒的延遲連通至患者。
【文檔編號】A61M16/00GK103547308SQ201280023814
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月13日
【發(fā)明者】C·S·盧奇, H·A·洛克哈特, D·W·史密斯, N·F·奧康納, J·S·格拉斯豪 申請人:皇家飛利浦有限公司