專利名稱：用于治療睡眠窒息的呼吸裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的用于治療睡眠窒息的呼吸裝置，尤其是一種自動(dòng)CPAP(帶有自行校正功能的CPAP)，適合于足夠精確地測(cè)量人的呼吸道中的氣流阻力或者這種氣流阻力的改變。本發(fā)明還涉及一種用于控制這種呼吸裝置的方法。
一種類似的實(shí)現(xiàn)CPAP治療方法的呼吸裝置及其控制方法在EP0705615A1中公開。
在CPAP(連續(xù)正氣路壓力)治療中，患者在由CPAP產(chǎn)生的、其壓力隨自然環(huán)境連續(xù)提升的人造環(huán)境中呼吸。當(dāng)肌肉組織在患者入睡后松弛時(shí)，提高的壓力會(huì)阻礙患者虛弱的上呼吸道的崩潰。呼吸道及特別是通過咽喉的呼吸道保持所謂的氣路張開，由此使得患者可以毫無阻礙地進(jìn)行自然的自發(fā)呼吸。如果不使用CPAP，患有障礙性睡眠窒息疾病的患者就可能在一夜之間經(jīng)歷無數(shù)次(多達(dá)幾百次)的呼吸休克。這樣睡眠就不再是休息，相反將成為極大的負(fù)擔(dān)。其直接后果是長(zhǎng)期的日間疲倦。如果該病癥得不到治療，會(huì)使當(dāng)事人的壽命大大縮短。
CPAP治療的效果取決于能否保證治療壓力足夠大同時(shí)又盡可能的小。因?yàn)樯眢w的感覺會(huì)經(jīng)歷持續(xù)的變化，不變的恒定治療壓力并不是最佳的。即使在一夜之內(nèi)，人經(jīng)歷了不同的睡眠階段，分別相適應(yīng)的、變化的壓力也會(huì)比預(yù)設(shè)不變的治療壓力有效得多。過小的壓力可能導(dǎo)致障礙性睡眠窒息的癥狀有所反復(fù)，而太大的壓力則會(huì)導(dǎo)致不利的副作用，例如因?yàn)橛赏獠孔饔玫叫氖业膲毫Χ鹦奶萘繙p少。
當(dāng)大腦中的呼吸調(diào)節(jié)中樞中斷自發(fā)呼吸時(shí)，呼吸休克也可能在呼吸道完全通暢時(shí)出現(xiàn)。這種由中樞神經(jīng)系統(tǒng)導(dǎo)致的呼吸休克被稱為中樞睡眠窒息。中樞睡眠窒息發(fā)生的概率隨CPAP壓力的提高而增加。尤其是中樞睡眠窒息會(huì)由于壓力升高而延長(zhǎng)發(fā)作時(shí)間。只有在障礙性睡眠窒息時(shí)壓力提高才會(huì)導(dǎo)致自發(fā)呼吸恢復(fù)正常。區(qū)分障礙性睡眠窒息與中樞睡眠窒息對(duì)于控制自動(dòng)CPAP的算法具有重要意義。
呼吸道障礙或改道會(huì)導(dǎo)致通過自然呼吸道入口、即口或鼻進(jìn)入肺的氣流阻力變大。在中樞睡眠窒息時(shí)，自然呼吸道入口與肺之間的呼吸道是暢通的，其產(chǎn)生的呼吸道阻力也較小，只是需要患者更費(fèi)力地呼吸。呼吸道阻力由此也成為區(qū)分障礙性睡眠窒息與中樞睡眠窒息有用的參數(shù)，有助于對(duì)自動(dòng)CPAP進(jìn)行自動(dòng)的壓力控制。
在OS2508 319中描述了一種方法和一種裝置，其中患者可以通過一個(gè)與自然空氣環(huán)境相通的參考管的管嘴進(jìn)行呼吸。一個(gè)無閥門泵產(chǎn)生恒定頻率的參考?xì)饬?，它通過導(dǎo)流管被送入到管嘴中，其頻率約為10Hz，總?cè)萘渴冀K保持在約大約1.5cm3。在管嘴產(chǎn)生的交替壓力由一個(gè)壓力測(cè)量裝置檢測(cè)并顯示出來。
參考管的長(zhǎng)度和直徑被如此調(diào)節(jié)，使得在低頻率的自然呼吸時(shí)產(chǎn)生低阻抗，而在高頻率的參考?xì)饬鲿r(shí)產(chǎn)生高阻抗。因而參考?xì)饬骺赡懿粌H僅通過作為氣動(dòng)扼流圈的參考管泄漏到外部空氣環(huán)境中。患者的呼吸道可能有一個(gè)大氣流阻力或小氣流阻力，不過都還會(huì)流入管嘴。
如果通向患者肺部的呼吸道由于障礙全部或部分地改道，則參考?xì)饬饕部赡懿粫?huì)進(jìn)入到肺部。在這種情況下，參考?xì)饬鲿?huì)在管嘴中導(dǎo)致很高的交替壓力。
如果患者的呼吸道是打開的，則送入管嘴中的參考?xì)饬鲿?huì)通過呼吸道進(jìn)入到肺部，并在那里由身體組織所吸收。在這種情況下，管嘴中的參考?xì)饬髦荒墚a(chǎn)生一個(gè)很小的交替壓力。
利用這種裝置測(cè)量到的交替壓力與借助于體積描記法測(cè)得的實(shí)際的呼吸道阻力有很好的關(guān)聯(lián)性。為了標(biāo)示出使用一個(gè)交流信號(hào)來獲得測(cè)量值，得到的測(cè)量值一般都用“os”來標(biāo)記，因此測(cè)量到的呼吸道阻力被標(biāo)記為Ros(振蕩測(cè)得的或者振蕩的呼吸道阻力)。
目前還已知有這樣自動(dòng)的CPAP裝置，其中的振蕩呼吸阻力由OS 2508319所描述的、為此目的而集成到呼吸治療裝置中的裝置來進(jìn)行測(cè)量。這些裝置利用呼吸管作為參考管，呼吸面罩作為管嘴。在呼吸面罩中測(cè)得的交替壓力是一個(gè)代表呼吸道阻力大小和進(jìn)行分析以影響CPAP壓力的信號(hào)。一個(gè)此類的裝置在前面已經(jīng)提到的EP 0705615中做了描述。
其缺點(diǎn)在于，該裝置要求使用無閥門泵，它會(huì)產(chǎn)生振蕩的參考?xì)饬?，并且這種泵成為了導(dǎo)致額外成本的負(fù)擔(dān)。同樣，缺點(diǎn)還在于，需要額外的導(dǎo)流管將參考?xì)饬鲗?dǎo)入管嘴。
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種用于治療睡眠窒息的呼吸裝置，其中可以通過分析在呼吸面罩內(nèi)出現(xiàn)的交替壓力來測(cè)量人的振蕩性呼吸道阻力Ros，尤其是在呼吸治療期間。同時(shí)，既不需要額外的無閥門泵來產(chǎn)生參考?xì)饬鳎膊恍枰褂妙~外的導(dǎo)流管將參考?xì)饬黟佀偷胶粑嬲种?。本發(fā)明還給出了一種控制所述用于治療睡眠窒息的呼吸裝置的方法。
這一任務(wù)通過具有權(quán)利要求1所述特征的用于治療睡眠窒息的呼吸裝置來解決。該呼吸裝置的具有優(yōu)點(diǎn)的改進(jìn)在從屬權(quán)利要求2至5中給出。一種與上述權(quán)利要求相對(duì)應(yīng)的控制所述用于治療睡眠窒息的呼吸裝置的方法在權(quán)利要求6中給出。
為了解決該任務(wù)，在每個(gè)不帶自行校正功能的CPAP中，使用了如風(fēng)箱呼吸面罩、呼吸管、壓力測(cè)量管和壓力傳感器等現(xiàn)有元件，其中以一種新的配置為這些元件賦予了附加的功能。另外，必要的元件還可以通過電子功能級(jí)或者軟件解決方案的方式加入到控制過程中。
所述呼吸裝置允許對(duì)患者的呼吸道阻力Ros進(jìn)行測(cè)量，尤其在借助自動(dòng)CPAP的治療期間，它包含通過電氣方式驅(qū)動(dòng)的風(fēng)箱，當(dāng)例如由控制裝置或計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)改變?yōu)轱L(fēng)箱供電的供電直流電壓幅值或者改變轉(zhuǎn)流供電電壓的頻率時(shí)，風(fēng)箱的轉(zhuǎn)數(shù)可以被相應(yīng)地改變，并產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)的壓力，這個(gè)壓力通過一根呼吸管傳導(dǎo)到患者的呼吸面罩中，同時(shí)作用到呼吸面罩上的壓力借助于一根測(cè)量管被傳遞到壓力傳感器，從而使所述壓力傳感器從中產(chǎn)生電信號(hào)。
本發(fā)明的特征在于，為了改變與分別所使用的供電電壓類型相關(guān)的供電電壓幅值或頻率，采用了周期改變的控制信號(hào)。另外，這個(gè)控制信號(hào)被如此設(shè)計(jì)使得風(fēng)箱的轉(zhuǎn)數(shù)、以及所產(chǎn)生的低幅值、恒定頻率的壓力產(chǎn)生波動(dòng)，其中這個(gè)波動(dòng)頻率最好處于人耳不能聽到的聲波范圍內(nèi)。
由傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)包括與所產(chǎn)生的人造環(huán)境高度成正比的直流電壓分量，由周期性壓力波動(dòng)產(chǎn)生的交流電壓分量，以及可能由頻率非常低或者頻率非常高的壓力變化，如打鼾噪音所導(dǎo)致的可能存在的電壓部分。因此，符合目的的是借助于一個(gè)選擇性放大器選出僅僅由周期性壓力波動(dòng)所導(dǎo)致的交流電壓分量。這也是對(duì)患者的振蕩性呼吸道阻力Ros的一個(gè)量度標(biāo)準(zhǔn)。
另外，符合目的的是借助一個(gè)整流器將由選擇性放大器給出的信號(hào)映射成直流電壓。借助于濾波單元可以產(chǎn)生一個(gè)平滑的信號(hào)電壓，它可以為了壓力控制的目的由控制裝置或計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并且可以輕而易舉地被顯示出來。根據(jù)信號(hào)電壓的幅值，計(jì)算機(jī)可以借助于輸入的程序最好是自動(dòng)地確定是否應(yīng)該提高、減少或者不改變剛剛產(chǎn)生的用于處理睡眠窒息的治療壓力。
在已知的用于測(cè)量振蕩呼吸道阻力的裝置中，所有元件，無閥門振蕩泵、參考管、肺呼吸道阻隔件、以及壓力測(cè)量裝置都毫無例外地并行設(shè)置在以管嘴為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)、以外部氣體環(huán)境為第二節(jié)點(diǎn)之間的區(qū)域內(nèi)。而本發(fā)明的裝置則與之相反，其中作為交替壓力發(fā)生器的風(fēng)箱與作為參考管的呼吸管和肺部呼吸道阻隔件順序相連。壓力測(cè)量裝置測(cè)量存在于順序連接的管道與呼吸道阻隔件的連接點(diǎn)和開放外部環(huán)境之間的交替壓力。
其優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明所述的配置不需要額外的高成本組件。該裝置僅使用已經(jīng)在CPAP中存在的元件，并且只增加了這個(gè)唯一的附加功能。即風(fēng)箱除了產(chǎn)生直流壓力外還要產(chǎn)生額外的交流壓力。例如在每種現(xiàn)代CPAP中都有一個(gè)可以電控的風(fēng)箱。風(fēng)箱為了額外產(chǎn)生交替壓力所需的控制信號(hào)可以借助于同樣已有的控制計(jì)算機(jī)的軟件來提供。
例如在CPAP中存在的壓力傳感器必須還要附帶地測(cè)量交替壓力。呼吸管并不只是幫助患者通氣，同時(shí)本身還作為參考阻隔件或者氣動(dòng)預(yù)置阻隔件，它將風(fēng)箱的參考?xì)饬髦械慕惶鎵毫D(zhuǎn)換到患者的呼吸面罩中。此外，該設(shè)計(jì)只需要低成本的電子功能級(jí)、選擇性放大器、整流器和濾波單元；并且這些功能級(jí)還可以通過軟件低成本地實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明將在后面通過一個(gè)實(shí)施例得到更為詳細(xì)的說明。在附圖中示出了

圖1本發(fā)明所述裝置的簡(jiǎn)要示圖；圖2氣動(dòng)元件的等效電路圖；圖3呼吸面罩中的壓力信號(hào)軌跡。
在這個(gè)例子中，采用了一個(gè)帶有直流電源的電機(jī)2，由風(fēng)箱1產(chǎn)生的壓力取決于電機(jī)2的工作電壓的大小。電機(jī)2的工作電壓源由兩個(gè)串聯(lián)連接并由計(jì)算機(jī)3控制的元件UCPAP和UWS構(gòu)成。由此電機(jī)2得到了一個(gè)與較小的供電交流電壓疊加的供電直流電壓。結(jié)果由風(fēng)箱1產(chǎn)生的人造環(huán)境壓力也包括一個(gè)時(shí)間上恒定的、與治療有關(guān)的直流壓力分量，它與交流壓力分量相疊加。交流電壓源UWS的幅值應(yīng)當(dāng)選擇得盡可能的小，使得患者感覺不到存在周期性的壓力波動(dòng)。當(dāng)然這種產(chǎn)生壓力的方法只有在使用特別高的動(dòng)力的電機(jī)2時(shí)才起作用。
由風(fēng)箱部分的氣流阻隔件和CPAP的內(nèi)部呼吸系統(tǒng)中的通道所形成的內(nèi)部阻力Ri產(chǎn)生后，風(fēng)箱1產(chǎn)生的壓力被傳導(dǎo)到呼吸管5。呼吸管5和內(nèi)部阻力Ri的氣流阻力對(duì)從風(fēng)箱1出來的交替氣流分量而言是一種阻抗。這個(gè)阻抗基于壓力振蕩的恒定頻率和管與CPAP及風(fēng)箱1的內(nèi)部構(gòu)造的固定的預(yù)定幾何形狀保持恒定，從而使測(cè)量裝置的參考阻抗也恒定。呼吸管5一般長(zhǎng)度為1.7米，在例如20Hz頻率時(shí)具有很高的阻抗。對(duì)于患者通常的呼吸頻率大約0.2Hz到1Hz而言，管阻抗很小，不會(huì)阻礙自發(fā)呼吸。
通過呼吸管5導(dǎo)入的空氣會(huì)繼續(xù)傳導(dǎo)到呼吸面罩6，并從這里開始繼續(xù)通過咽喉的上呼吸道7到達(dá)肺部8。呼吸道阻力RAW是開放或者改道的上呼吸道7和肺部的支呼吸管中順序連接的氣流阻力的總和。嚴(yán)格來說，這種呼吸道阻力也和頻率有關(guān)，因而也是一種阻抗。
在呼吸面罩6內(nèi)部的空氣壓力PM可以通過將它借助一個(gè)測(cè)量管9導(dǎo)入壓力傳感器10來進(jìn)行測(cè)量。壓力傳感器10在其輸出端給出一個(gè)與壓力成比例的電信號(hào)UM，它由一個(gè)與治療相關(guān)的直流信號(hào)和一個(gè)20Hz的交流電壓信號(hào)UOS組成。其中很小的交流電壓分量可以借助一個(gè)被調(diào)節(jié)為與交流壓力的頻率相一致的選擇性放大器11來放大，緊接著通過一個(gè)整流器12轉(zhuǎn)換成直流電壓。在用濾波單元13進(jìn)行平滑之后，得到了電壓UOS。這個(gè)電壓UOS表示患者的振蕩呼吸道阻力ROS，它與按照其它醫(yī)學(xué)方法(體積描記法、中斷方法)測(cè)得的呼吸道阻力RAW有良好的相關(guān)性。優(yōu)選用于治療睡眠窒息的呼吸裝置是CPAP裝置。呼吸道阻力ROS只有在上呼吸道7的橫截面面積隨著障礙程度改變時(shí)才會(huì)發(fā)生變化。
電壓UOS可以傳送到計(jì)算機(jī)3，從而它可以借助于其程序算法為提高治療效果而對(duì)治療壓力的恒定壓力部分進(jìn)行優(yōu)化。但該電壓也可以可選地或者附帶地借助一個(gè)顯示器14顯示出來。為了導(dǎo)出含有CO2的呼出氣體，CPAP系統(tǒng)帶有橫截面面積約為12mm2的出氣孔15，通常只有直接位于呼吸面罩上的4mm的孔。這個(gè)出氣孔15有恒定阻力，與呼吸道阻力并行連接。
現(xiàn)在假設(shè)患者4的上呼吸道7通暢并且直到肺部8是開放的。在這種情況下，由風(fēng)箱1產(chǎn)生的交替壓力分量通過參考阻抗和患者4的呼吸道阻力RAW的順序連接而產(chǎn)生參考?xì)饬?。其中的參考阻抗通過選擇頻率來確定，使得它與健康的呼吸道阻力相比足夠大，因而使總的由風(fēng)箱1產(chǎn)生的交替壓力不斷積累形成比較大的參考阻抗。而患者的小呼吸道阻力RAW還不能形成交替壓力。出氣孔15的氣流阻力也不是很大，但它與小呼吸道阻力相比足夠大。在呼吸面罩6中的交替壓力借助于測(cè)量管9被傳導(dǎo)到壓力傳感器10。在經(jīng)過選擇性放大器1的放大、整流器12的整流、以及濾波單元13的濾波之后，得到了一個(gè)代表呼吸道阻力ROS的電壓UOS。由于呼吸道是通暢的，即呼吸道阻力很小，所以電壓uOS或UOS也很小。電壓UOS還被送入計(jì)算機(jī)3，以進(jìn)行進(jìn)一步的處理，此外還可以借助于顯示器14顯示出來。
現(xiàn)在應(yīng)該假設(shè)患者4的上呼吸道7發(fā)生完全障礙性阻塞。在這種狀態(tài)下，呼吸道阻力RAW變得無限大。由風(fēng)箱1產(chǎn)生的交替壓力分量現(xiàn)在引起一個(gè)參考?xì)饬?，它可以在克服參考阻抗后通過出氣孔15變成自由氣流。這樣在呼吸面罩中會(huì)出現(xiàn)作為出氣孔15的氣流阻抗處的壓力降的盡可能最大的交替壓力，它經(jīng)過測(cè)量、放大、濾波和整流后在濾波器13的輸出端處得到盡可能最大的電壓UOSMAX。
在實(shí)際工作中，濾波元件13的輸出端處的電壓會(huì)根據(jù)障礙的程度在近似為0和UOSMAX之間取不同的值，并由計(jì)算機(jī)3進(jìn)行監(jiān)控。此外，將壓力傳感器3的輸出電壓UM送至計(jì)算機(jī)3。在此之前，這個(gè)電壓借助于低通濾波器6從交流電壓分量中分離出來。計(jì)算機(jī)3需要這個(gè)電壓來監(jiān)控根據(jù)現(xiàn)有的程序算法計(jì)算出的最佳治療壓力。這個(gè)最佳治療壓力會(huì)由計(jì)算機(jī)3根據(jù)振蕩呼吸道阻力ROS的變化及電壓UOS的大小變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
附圖標(biāo)記列表1風(fēng)箱2電機(jī)3計(jì)算機(jī)4患者5呼吸管6呼吸面罩7上呼吸道8肺部9測(cè)量管10壓力傳感器
11選擇性放大器12整流器13濾波元件14顯示器15出氣孔16低通濾波器UCPAP供電直流電壓uWS供電交流電壓RiCPAP內(nèi)部阻力PM呼吸面罩壓力RAW呼吸道阻力ROS振蕩呼吸道阻力uM呼吸面罩壓力的電信號(hào)uOS振蕩呼吸道阻力的電信號(hào)UOS電壓uOS經(jīng)整流、濾波之后的電壓UOSmax電壓UOS的最大可能值
權(quán)利要求
1.用于治療睡眠窒息的呼吸裝置，具有與呼吸管(5)相連接的呼吸面罩(6)，通過電氣方式以可變轉(zhuǎn)數(shù)驅(qū)動(dòng)的、用于產(chǎn)生與轉(zhuǎn)數(shù)相關(guān)的壓力的風(fēng)箱(1)，和用于控制風(fēng)箱轉(zhuǎn)數(shù)的控制裝置，尤其是計(jì)算機(jī)(3)，以及用于確定呼吸面罩(6)上出現(xiàn)的壓力的壓力傳感器(10)，該壓力傳感器(10)在工作時(shí)給出一個(gè)電壓力測(cè)量信號(hào)(uM)，其特征在于，進(jìn)行控制以利用恒定的、最好是處于人耳不能聽到的頻率范圍內(nèi)的頻率周期性地改變風(fēng)箱(1)的轉(zhuǎn)數(shù)，并分析基于因周期性改變風(fēng)箱(1)的轉(zhuǎn)數(shù)而在其出氣口處產(chǎn)生的壓力波動(dòng)、在電壓力測(cè)量信號(hào)(uM)中包含的交流電壓分量對(duì)治療的影響，尤其是對(duì)治療壓力調(diào)節(jié)的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的呼吸裝置，其特征在于，風(fēng)箱可通過選擇供電電壓(UCPAP，UWS)的幅值來改變它的轉(zhuǎn)數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的呼吸裝置，其特征在于，風(fēng)箱可通過選擇交流或轉(zhuǎn)流供電電壓的頻率來改變它的轉(zhuǎn)數(shù)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的呼吸裝置，其特征在于，還具有一個(gè)被調(diào)節(jié)為與轉(zhuǎn)數(shù)變化的頻率相一致的選擇性放大器(11)，由壓力傳感器(10)給出的電壓力測(cè)量信號(hào)(uM)借助于這個(gè)放大器被放大，從而去除信號(hào)中含有的直流電壓分量和由于緩慢的或頻率較高的壓力變化而產(chǎn)生的信號(hào)分量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的呼吸裝置，其特征在于，還具有一個(gè)整流器(12)，在選擇性放大器(11)的輸出端給出的信號(hào)借助于這個(gè)整流器映射成直流電壓或直流電流。
6.控制用于治療睡眠窒息的呼吸裝置的方法，其中在呼吸裝置的一個(gè)呼吸面罩中連續(xù)地產(chǎn)生具有預(yù)先給定的頻率的交替壓力幅值，并通過在呼吸面罩中的壓力測(cè)量確定患者的呼吸阻力，其中相對(duì)于一個(gè)作為患者的呼吸阻力的單獨(dú)基值提高所測(cè)得的呼吸阻力，在提高治療壓力的情況下向患者輸送呼吸氣體，并且當(dāng)呼吸阻力再次接近達(dá)到所述基值時(shí)使治療壓力減小或者保持不變，其特征在于，為了產(chǎn)生振蕩的壓力幅值，使用了一個(gè)通過電氣方式驅(qū)動(dòng)的風(fēng)箱，并利用它來產(chǎn)生治療壓力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于治療睡眠窒息的呼吸裝置，其中可以通過分析在呼吸面罩內(nèi)出現(xiàn)的交替壓力來測(cè)量人的呼吸氣流阻力R
文檔編號(hào)A61M16/00GK1867370SQ200480029671
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月20日
發(fā)明者赫爾穆特·霍弗里希特 申請(qǐng)人:霍弗里希特有限公司