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CPAP(帶有自行校正功能的CPAP)，適合于足夠精確地測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。當肌肉組織在患者入睡后松弛時，提高的壓力會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擔。其直接后果是長期的日間疲倦。如果該病癥得不到治療，會使當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又盡可能的小。因為身體的感覺會經(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)，而太大的壓力則會導(dǎo)致不利的副作用，例如因為由外部作用到心室的壓力而引起心跳容量減少。
當大腦中的呼吸調(diào)節(jié)中樞中斷自發(fā)呼吸時，呼吸休克也可能在呼吸道完全通暢時出現(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由于壓力升高而延長發(fā)作時間。只有在障礙性睡眠窒息時壓力提高才會導(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于控制自動CPAP的算法具有重要意義。
呼吸道障礙或改道會導(dǎo)致通過自然呼吸道入口、即口或鼻進入肺的氣流阻力變大。在中樞睡眠窒息時，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)，有助于對自動CPAP進行自動的壓力控制。
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與自然空氣環(huán)境相通的參考管的管嘴進行呼吸。一個無閥門泵產(chǎn)生恒定頻率的參考氣流，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壓力測量裝置檢測并顯示出來。
參考管的長度和直徑被如此調(diào)節(jié)，使得在低頻率的自然呼吸時產(chǎn)生低阻抗，而在高頻率的參考氣流時產(chǎn)生高阻抗。因而參考氣流可能不僅僅通過作為氣動扼流圈的參考管泄漏到外部空氣環(huán)境中?；颊叩暮粑揽赡苡幸粋€大氣流阻力或小氣流阻力，不過都還會流入管嘴。
如果通向患者肺部的呼吸道由于障礙全部或部分地改道，則參考氣流也可能不會進入到肺部。在這種情況下，參考氣流會在管嘴中導(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氣流會通過呼吸道進入到肺部，并在那里由身體組織所吸收。在這種情況下，管嘴中的參考氣流只能產(chǎn)生一個很小的交替壓力。
利用這種裝置測量到的交替壓力與借助于體積描記法測得的實際的呼吸道阻力有很好的關(guān)聯(lián)性。為了標示出使用一個交流信號來獲得測量值，得到的測量值一般都用“os”來標記，因此測量到的呼吸道阻力被標記為Ros(振蕩測得的或者振蕩的呼吸道阻力)。
目前還已知有這樣自動的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行測量。這些裝置利用呼吸管作為參考管，呼吸面罩作為管嘴。在呼吸面罩中測得的交替壓力是一個代表呼吸道阻力大小和進行分析以影響CPAP壓力的信號。一個此類的裝置在前面已經(jīng)提到的EP 0705615中做了描述。
其缺點在于，該裝置要求使用無閥門泵，它會產(chǎn)生振蕩的參考氣流，并且這種泵成為了導(dǎo)致額外成本的負擔。同樣，缺點還在于，需要額外的導(dǎo)流管將參考氣流導(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)的交替壓力來測量人的振蕩性呼吸道阻力Ros，尤其是在呼吸治療期間。同時，既不需要額外的無閥門泵來產(chǎn)生參考氣流，也不需要使用額外的導(dǎo)流管將參考氣流饋送到呼吸面罩中。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)點的改進在從屬權(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)，在每個不帶自行校正功能的CPAP中，使用了如風箱呼吸面罩、呼吸管、壓力測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患者的呼吸道阻力Ros進行測量，尤其在借助自動CPAP的治療期間，它包含通過電氣方式驅(qū)動的風箱，當例如由控制裝置或計算機產(chǎn)生的控制信號改變?yōu)轱L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，風箱的轉(zhuǎn)數(shù)可以被相應(yīng)地改變，并產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)的壓力，這個壓力通過一根呼吸管傳導(dǎo)到患者的呼吸面罩中，同時作用到呼吸面罩上的壓力借助于一根測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。
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。另外，這個控制信號被如此設(shè)計使得風箱的轉(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，其中這個波動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選擇性放大器選出僅僅由周期性壓力波動所導(dǎo)致的交流電壓分量。這也是對患者的振蕩性呼吸道阻力Ros的一個量度標準。
另外，符合目的的是借助一個整流器將由選擇性放大器給出的信號映射成直流電壓。借助于濾波單元可以產(chǎn)生一個平滑的信號電壓，它可以為了壓力控制的目的由控制裝置或計算機進行處理，并且可以輕而易舉地被顯示出來。根據(jù)信號電壓的幅值，計算機可以借助于輸入的程序最好是自動地確定是否應(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、以及壓力測量裝置都毫無例外地并行設(shè)置在以管嘴為第一個節(jié)點、以外部氣體環(huán)境為第二節(jié)點之間的區(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。壓力測量裝置測量存在于順序連接的管道與呼吸道阻隔件的連接點和開放外部環(huán)境之間的交替壓力。
其優(yōu)點在于，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，并且只增加了這個唯一的附加功能。即風箱除了產(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中都有一個可以電控的風箱。風箱為了額外產(chǎn)生交替壓力所需的控制信號可以借助于同樣已有的控制計算機的軟件來提供。
例如在CPAP中存在的壓力傳感器必須還要附帶地測量交替壓力。呼吸管并不只是幫助患者通氣，同時本身還作為參考阻隔件或者氣動預(yù)置阻隔件，它將風箱的參考氣流中的交替壓力轉(zhuǎn)換到患者的呼吸面罩中。此外，該設(shè)計只需要低成本的電子功能級、選擇性放大器、整流器和濾波單元；并且這些功能級還可以通過軟件低成本地實現(xiàn)。
本發(fā)明將在后面通過一個實施例得到更為詳細的說明。在附圖中示出了

圖1本發(fā)明所述裝置的簡要示圖；圖2氣動元件的等效電路圖；圖3呼吸面罩中的壓力信號軌跡。
在這個例子中，采用了一個帶有直流電源的電機2，由風箱1產(chǎn)生的壓力取決于電機2的工作電壓的大小。電機2的工作電壓源由兩個串聯(lián)連接并由計算機3控制的元件UCPAP和UWS構(gòu)成。由此電機2得到了一個與較小的供電交流電壓疊加的供電直流電壓。結(jié)果由風箱1產(chǎn)生的人造環(huán)境壓力也包括一個時間上恒定的、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。當然這種產(chǎn)生壓力的方法只有在使用特別高的動力的電機2時才起作用。
由風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的氣流阻力對從風箱1出來的交替氣流分量而言是一種阻抗。這個阻抗基于壓力振蕩的恒定頻率和管與CPAP及風箱1的內(nèi)部構(gòu)造的固定的預(yù)定幾何形狀保持恒定，從而使測量裝置的參考阻抗也恒定。呼吸管5一般長度為1.7米，在例如20Hz頻率時具有很高的阻抗。對于患者通常的呼吸頻率大約0.2Hz到1Hz而言，管阻抗很小，不會阻礙自發(fā)呼吸。
通過呼吸管5導(dǎo)入的空氣會繼續(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測量管9導(dǎo)入壓力傳感器10來進行測量。壓力傳感器10在其輸出端給出一個與壓力成比例的電信號UM，它由一個與治療相關(guān)的直流信號和一個20Hz的交流電壓信號UOS組成。其中很小的交流電壓分量可以借助一個被調(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，緊接著通過一個整流器12轉(zhuǎn)換成直流電壓。在用濾波單元13進行平滑之后，得到了電壓UOS。這個電壓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才會發(fā)生變化。
電壓UOS可以傳送到計算機3，從而它可以借助于其程序算法為提高治療效果而對治療壓力的恒定壓力部分進行優(yōu)化。但該電壓也可以可選地或者附帶地借助一個顯示器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)生參考氣流。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還被送入計算機3，以進行進一步的處理，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。由風箱1產(chǎn)生的交替壓力分量現(xiàn)在引起一個參考氣流，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。
在實際工作中，濾波元件13的輸出端處的電壓會根據(jù)障礙的程度在近似為0和UOSMAX之間取不同的值，并由計算機3進行監(jiān)控。此外，將壓力傳感器3的輸出電壓UM送至計算機3。在此之前，這個電壓借助于低通濾波器6從交流電壓分量中分離出來。計算機3需要這個電壓來監(jiān)控根據(jù)現(xiàn)有的程序算法計算出的最佳治療壓力。這個最佳治療壓力會由計算機3根據(jù)振蕩呼吸道阻力ROS的變化及電壓UOS的大小變化來進行調(diào)節(jié)。
附圖標記列表1風箱2電機3計算機4患者5呼吸管6呼吸面罩7上呼吸道8肺部9測量管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uOS振蕩呼吸道阻力的電信號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)動的、用于產(chǎn)生與轉(zhuǎn)數(shù)相關(guān)的壓力的風箱(1)，和用于控制風箱轉(zhuǎn)數(shù)的控制裝置，尤其是計算機(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)在工作時給出一個電壓力測量信號(uM)，其特征在于，進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箱(1)的轉(zhuǎn)數(shù)，并分析基于因周期性改變風箱(1)的轉(zhuǎn)數(shù)而在其出氣口處產(chǎn)生的壓力波動、在電壓力測量信號(uM)中包含的交流電壓分量對治療的影響，尤其是對治療壓力調(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)給出的電壓力測量信號(uM)借助于這個放大器被放大，從而去除信號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，還具有一個整流器(12)，在選擇性放大器(11)的輸出端給出的信號借助于這個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量確定患者的呼吸阻力，其中相對于一個作為患者的呼吸阻力的單獨基值提高所測得的呼吸阻力，在提高治療壓力的情況下向患者輸送呼吸氣體，并且當呼吸阻力再次接近達到所述基值時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，使用了一個通過電氣方式驅(qū)動的風箱，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)的交替壓力來測量人的呼吸氣流阻力R
文檔編號A61M16/00GK1867370SQ200480029671
公開日2006年11月22日 申請日期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 申請人:霍弗里希特有限公司