CN101340941A - 用于估计呼气末肺容量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的用于确定机械通气患者的呼气末肺容量(EELV)的方法包括以下步骤：提供给患者包含第一固定的N₂/O₂气体组成的呼吸气体，至少直到在该患者呼出的气体中的N₂/O₂气体组成恒定为止；在确定的时间点(t₁，t₂)至少一次将N₂/O₂气体组成变为在呼吸气体中的第二固定组成；测量患者在每次呼吸时呼出的N₂/O₂气体组成的变化直到至少两次后续呼吸中呼出的O₂浓度大致稳定的时间点(t₂，t₃)为止，该测量在呼吸管道的下游进行；确定每次呼吸的气体总体积；基于第一和第二时间点(t₁，t₂)间O₂浓度的变化确定患者肺的EELV。

Description

用于估计呼气末肺容量的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种如在权利要求1的前序中限定的患者换气用呼吸器，一种如在权利要求8的前序中限定的控制装置，和一种如在权利要求14的前序中限定的方法。

背景技术

人的功能残气量(functional residual capacity，FRC)是指在常压下呼气后的肺容积。呼气末肺容量(end-expiratory lung volume，EELV)的定义是在正常呼气结束时在经机械通气的患者呼吸道中残留的气体体积。在呼气末正压(positive end expiratory pressure，PEEP)升高的情况下，即，如果呼气末的压力高于常压，则呼气末肺容量将大于功能残气量。对于ZEEP(呼气末零压(zero endexpiratory pressure)，即PEEP＝0)，FRC等于EELV。

从临床观点来看，呼气末肺容量是有用的，因为异常低值可以指示部分肺已经塌陷并且不能参与肺中的气体交换。因此，期望得到一种简单的确定呼气末肺容量的方法，以便能够研究患者呼气末肺容量随时间的变化，例如每隔一小时确定一次呼气末肺容量。这种测量也可以在尝试打开肺的塌陷部位之前和之后进行，即所谓的肺恢复术。因此，呼气末肺容量的测量可以作为其它测量值如动脉O₂饱和度的补充，它提供与患者换气有关的有价值的信息。

在研究应用中，使用惰性气体洗出来确定呼气末肺容量。这更加难以找到一种可接受的用于临床应用的方法。

等人在“Estimation of Functional Residual Capacity atthe Bedside Using Standard Monitoring Equipment：A ModifiedNitrogen washout/washin Technique Requiring a Small Change ofthe Inspired Oxygen Fraction”(Anesth Analg 2005；101：206-12)中公开了一种利用氮气洗出估算FRC或EELV的方法。该方法利用呼吸气中约10％的O₂浓度变化和约4分钟的程序持续时间可以提供令人满意的结果，并且已经发现该结果即使在病危患者中也能接受。在本文中，基于在洗出程序的开始和结束之间呼入的N₂浓度的变化来进行计算。

利用O₂或N₂作为指示剂气体是有利的，因为这些气体已经可以从呼吸器获得，而且对患者无害。

发明目的

本发明的一个目的是提供一种确定呼气末肺容量的可靠方法，该方法从临床观点而言是可以接受的，并且会提供比

等人的方法更准确的结果。

发明内容

上述目的可通过一种用于患者换气的呼吸器来实现，其包括用于提供呼吸空气给患者的装置、用于接收患者呼出气体的装置和所述呼出气体的气体出口，所述呼吸器的特征在于包括控制单元，该控制单元包括装置，所述装置基于每个呼吸周期的呼出体积及在第一时间点和第二时间点的呼出气体中的N₂/O₂组成差异以及(对于第一和第二时间点之间的每次呼吸而言)在每次呼吸中呼出的N₂/O₂组成的差异和刚好在第二时间点之后的每次呼吸中呼出的N₂和/或O₂的量来计算由该呼吸器换气的患者的呼气末肺容量(EELV)，所述呼吸器的特征在于其包括测量呼出气体中O₂浓度的测量装置，所述的测量装置配置在气体出口附近。

所述目的还通过一种确定机械通气患者的呼气末肺容量(EELV)的方法来实现，其中：呼吸气体通过吸气管提供给患者，并且通过呼气管排出，所述的方法包括以下步骤：

-提供给患者包含第一固定的N₂/O₂气体组成的呼吸气体，至少直到在该患者的呼出气体中的所述N₂/O₂气体组成恒定为止；

-在确定的时间点，至少一次将所述N₂/O₂气体组成变为在所述呼吸气体中的第二固定组成；

-测量所述患者在每次呼吸时呼出的N₂/O₂气体组成的变化，直到至少两次后续呼吸中呼出的O₂浓度基本稳定的时间点为止，所述测量在呼吸管的下游进行；

-确定每次呼吸的气体总体积；

-基于第一和第二时间点之间的O₂浓度变化确定患者肺的EELV。

如果在呼气管下游测量气体的组成，则被测量的指示剂气体(O₂或N₂)将只包括呼出的指示剂气体。当如同现有技术一样在Y片进行测量时，O₂或N₂浓度会变化很快，这是因为被测气体将在呼吸气和呼出气之间变化。因此，为了可靠测量在该点的O₂或N₂浓度，需要非常快的传感器。通过在出口处测量，呼出气在第二管即输送来自患者的呼出气体的管中混合，从而使呼出气体中O₂分数的变化更加平稳。因此，即使使用不太快的传感器，也可以以可靠的方式进行测量。

在一个实施方案中，控制单元设置为根据下式计算EELV：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·(x_n-x_{\mathrm{after}})}{x_{\mathrm{before}}-x_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：

VCe_n是在第一和第二时间点之间呼吸数为n的呼出气体体积；

V_system是从气体输送阀到呼气侧气体分析点的呼吸器和患者管道***所包含的体积；

x是随呼出的N₂/O₂组成线性变化的量；

x_n是在第一和第二时间点之间呼吸数为n的所述量的值。

x_before是第一时间点之前所述量的值；

x_after是在第二时间点或刚好在第二时间点之后所述量的值。

例如，x可以是气体的密度ρ、气体中O₂或N₂的浓度、粘度、热导率或任意其它随呼出的混合N₂/O₂组成呈线性变化的量。

对于气体密度而言，上述方程变为：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·({\mathrm{\ρ}}_n-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{after}})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{before}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：

ρ_n是在第一和第二时间点之间每次呼吸中的气体密度；

ρ_before是在第一时间点前的气体密度；

ρ_after是在第二时间点或刚好在第二时间点之后的气体密度。

控制单元可设置为根据下式计算呼气末肺容量(EELV)：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·(O2{\mathrm{mix}}_n-{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}})}{{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{before}}-{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：

VCe_n是第一和第二时间点之间的呼吸数为n的呼出气体体积；

O2mix_n是在第一和第二时间点之间的呼吸数为n的混合呼出气体中的O₂浓度；

O2mix_after是刚好在第二时间点之后的呼吸的混合呼出气体中的O₂浓度；和

O2mix_before是在第一时间点时的混合呼出气体中的O₂浓度。

优选地，控制单元设置为在计算EELV之前针对温度校正ρ_n、ρ_before和ρ_after的值，以消除出现温度诱导漂移的风险，该漂移可干扰密度ρ和气体组成的比例性。

根据一个优选的实施方案，其中该控制单元还包括通过在第一时间点改变所述呼吸气体中O₂浓度的方式来控制由所述呼吸器提供给患者的呼吸气体中O₂浓度的控制装置。

所述呼吸器还可包括用于测量呼出气体的体积流量的测量装置，所述测量装置优选设置为靠近气体出口。

在一个优选的实施方案中，所述测量装置包括超声传感器，设置用于提供与向控制单元的气体流量相关的数据。

如果使用超声测量来确定气体的质量和体积流量，则无需单独的气体浓度传感器。无需确定实际的气体浓度；可以使用随O₂或N₂的浓度线性变化的参数。该参数是密度或是与密度呈比例关系的任何其它参数。因此，如果该超声传感器测量用于确定体积流量和质量流量，则无需单独的O₂传感器或N₂传感器。

改变N₂/O₂组成的步骤优选包括增加O₂浓度。第一组合物可包括比提供给患者的正常N₂/O₂空气组合物中更多或更少的O₂。

改变O₂浓度的步骤典型地包括将O₂浓度改变总体积的5％～30％单位，例如10％单位。

确定每次呼吸的气体总体积的步骤优选通过呼气管下游的体积传感器来进行。

本发明还涉及如上文限定的呼吸器用控制单元。

附图说明

下文将参照附图以举例的方式更详细地描述本发明，附图中：

图1为从患者肺部洗出指示剂气体如SF₆的图。

图2a为如果呼吸气中O₂量减少时从患者肺部洗出O₂的图。

图2b为呼吸气中的O₂浓度第一次和第二次变化之后患者肺中的O₂浓度变化的图。

图3示出根据本发明第一实施方案的用于测量O₂洗出的测量装置。

图4示出根据本发明第二实施方案的用于测量O₂洗出的测量装置。

图5为本发明方法的总流程图。

图6示意性示出用于测量本身已知的通道中的气体流量的装置。

图7是根据本发明一个优选实施方案的一种可用于确定质量流量的方法的总流程图。

具体实施方式

图1示出根据现有技术的气体洗出的原理。在呼吸气中加入一定量的惰性气体如SF₆。实线表示患者吸入的呼吸气中SF₆的分数。虚线代表呼出气中SF₆的分数。患者用含有SF₆的气体换气直至患者肺里的SF₆的分数达到预定值，例如2％。患者肺中的SF₆总体积为V_SF6＝V_肺×F_SF6，其中：V_肺是患者的肺容积；F_SF6是SF₆的分数，即在该实例中为2％。因此，总的肺容积V_肺＝V_SF6/F_SF6。

从图1可见，当在t₁时刻从吸入气体中除去SF₆时，在呼出气体中SF₆的浓度会渐近地下降至零。患者肺内的SF₆总量可通过测量直至t₂时刻患者呼出的SF₆来确定，在该t₂时刻，呼出气体中不再含有SF₆。

呼出的SF₆的体积可表示为：

V_SF6＝∫Φ_exp(t)·F_SF6(t)dt    (1)

根据本发明以及如现有技术已知的，作为添加气体并确定该气体的总体积的替代方案，可以使用呼吸气中的其中一种气体，即O₂或N₂作为指示剂气体。然后，在规定的时间点处，分别降低O₂或N₂的浓度，并监测该气体的洗出。为了使对患者的副作用最小化，优选O₂浓度在减少前增加一段时间。例如，可采取10％的步幅进行增加和减少。

虽然本说明书是基于O₂的测量，但是技术人员很清楚也可以测量N₂浓度或O₂和N₂的组合浓度。并且技术人员知道如何测量这些不同气体的浓度。因为O₂和N₂的浓度相互关联，因此在计算中可以使用任何一种浓度。

图2a是使用O₂作为实例的图，其示出呼吸气(breathing gas)和呼出气(expired gas)中O₂浓度随时间的变化函数。在该实例中，呼吸气包含50％的氧气。呼出气包含45％的氧气。在时间t₁，呼吸气的O₂浓度降至40％。然后，呼出气中O₂浓度会逐渐降低直至达到新的O₂稳定值。这里所指的是部分洗出O₂。图2a示出洗出的基本原理，例如，当测试人短时连接到呼吸器并且只用于测定EELV的目的时，可以使用该洗出。如果患者通过呼吸器换气，则O₂的浓度变化通常应该只是暂时的，如图2b所示。

图2b是显示优选情况的图，在此情况下，在第一时间点t₃的进行第一次O₂浓度变化。在第二时间点t₄，呼出气中的O₂浓度再次稳定。在第三时间点t₅，进行第二次变化回到原来的浓度。在第四时间点处，第二变化后的呼出气中的O₂浓度再次稳定。图2b表示的过程是当患者连接呼吸器换气时的正常过程。

呼吸气中的O₂浓度用实线表示，呼气中的O₂浓度用虚线表示。第一变化优选增加O₂浓度以确保给患者供给充足的O₂。如果O₂浓度太高而不可能增加，则第一变化可改为降低O₂浓度。

这样，可以得到两个EELV值：第一次O₂浓度变化后的值和第二次变化后的值。

改变O₂浓度的步骤通常包括按照总体积的5％～30％单位例如10％单位来改变O₂浓度。本文中提出的浓度从临床观点上是可以接受的。应当指出的是长期暴露于过高的O₂浓度中可能导致氧中毒。

可以有规律地获得EELV，例如在操作者设定的适合各个患者状况的规律时间间隔内得到。例如，当EELV降至低于规定的阈值时，可以通过自动报警来增加监控。

图3示出患者的换气过程，患者由一对肺51表示。该患者利用呼吸器53换气，该呼吸器通过Y片(Y piece)55与患者相连，Y片55将用于呼吸器提供的呼吸气的第一管道57和用于将患者的呼出气移出的第二管道59与患者的肺以本领域常见的方式相连。众所周知，呼吸气通常包含空气和O₂的合适比例混合物。呼出的空气例如通过阀63从呼吸器的气体出口61排入环境。通常，在Y片55处进行CO₂、O₂和气流的测量。Y片处的气流在吸入气和呼出气之间交替变化，这意味着O₂含量变化非常快，这是因为每次呼吸时气流都改变方向。根据本发明，相反地，O₂的测量在气体出口处进行，其中由于只测量呼出气，所以气体出口处的气体组成变化更为平稳。

在此方法中，呼出气将在第二管道59中混合，使得呼出气中O₂分数的变化将更加平稳，从而使测量更容易和可靠。如现有技术中已知的，也可使用配有用于混合气体的大混合室和机械搅拌设备的呼吸器。在这种情况下，使用非常慢的O₂传感器是可以接受的。根据本发明，优选使用呼吸器里面已有的管道而无需任何额外的室。

也可在气体出口61或阀63处测量气流。这是有利的，因为在相同或实际相同的点处测量O₂的流量和分数会使结果更可靠。如图3所示，流量传感器65配置在阀63附近(阀63的上游或下游)，O₂传感器67配置在气体出口61附近。呼吸器本身和流量传感器65以及O₂传感器67可由一个或多个控制单元控制，在图3中该控制单元表示为一个控制单元69。传感器65、67和控制单元69可以外置，也可以为呼吸器53的集成部件。在图3中，控制单元69也用于进行下文讨论的计算。当然，这些计算也可以在呼吸器的单独计算单元或在外部单元中进行。

当在或邻近呼吸器的出口61处进行测量时，换气***的总容积即患者的呼吸道、各个导管和呼吸器本身的容积必须在计算中加以考虑。必须从结果中减去换气***的容积以得到EELV。

图4示出与图3给出的装置稍有不同的呼吸器和测量装置。肺51、呼吸器53、Y片55、吸气和呼气管57、59、出口61、阀63和流量传感器65基本如图3所述。与图3所示不同的是，气体组成是在呼气管59的侧游(sidestream)确定的。在图4所示的实施方案中，采样泵71配置在侧游用于在出口处进行气流采样。O₂传感器73接收来自采样泵71的气体样品，并确定气体组成，尤其是气体的O₂或N₂的含量。来自O₂传感器73和流量传感器65的测量结果送入微控制器75，其根据本发明执行计算。或者是配置微控制器75例如通过USB接口与外部计算机通讯和与呼吸器通讯来控制呼吸器的功能。然后，根据本发明必要的计算可在外部计算机上进行。

根据本发明，用于流量和浓度测量的算法基于下述内容。

该算法要求呼吸气的组成十分稳定。这意味着呼吸器的吸气部分必须十分可靠。组成的恒定误差是可以接受的，但组成应当理想地不发生改变。而且，假定在整个测量周期内患者的O₂吸收恒定。实验表明，这种情况在一定程度上需要提供可靠的测量方法。

假设洗出结束后O₂浓度的变化ΔFO₂(F表示气体组分的体积分数，在此为O₂)在肺的所有部位和***的所有其它部分中都是相同的。如果是这种情况，则在洗出期间的O₂供给量和排出量必定不同，如方程(2)所给出的。

(EELV+V_system)·ΔFO2＝VO2out-VO2in    (2)

其中：ΔFO2＝FO2_before-FO2_after。VO2out(单位：升或m³)在呼气侧测得。对于每个呼吸周期，测量通过阀63的O₂流出体积。VCeO2作为每个周期的呼出O₂体积(单位：升或m³)由方程(3)限定：

${\mathrm{VCeO}2}_n=\underset{t_n}{\overset{t_n+\mathrm{\Δt}}{\∫}}\stackrel{\·}{V}e\left(t\right)\·\mathrm{FO}2\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

FO2(t)是在出口61处测得的O₂分数。VO2out是在洗出期间所有周期VCeO2_n的总和。

参数VCe代表如方程(4)所给出的每周期呼出气体的体积：

${\mathrm{VCe}}_n=\underset{t_n}{\overset{t_n+\mathrm{\Δt}}{\∫}}\stackrel{\·}{V}e\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

是呼出流量传感器在规定的参考状态如AP21(即大气压和21℃)下测量的流量。

因此，VCe和VCeO2为特定参考状态如AP21下的体积。

VO2in是对气体体积的O₂净供给量，其包括两个部分：

1.在吸气侧来自O₂流入量的正面贡献，及

2.来自患者氧吸收的负面贡献。

假定：VO2in可以作为所有呼吸的每次呼吸平均O₂流入VCiO2之和得到。

洗出期间的VO2out是循环体积VCeO2_n的总和。因此，方程(2)可改写为：

$(\mathrm{EELV}+V_{\mathrm{system}})=\frac{1}{\mathrm{\ΔFO}2}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{VCeO}2}_n-\stackrel{\‾}{\mathrm{VCiO}2})---\left(5\right)$

在洗出期间，在将***的吸气部中的阀调节至新O₂浓度后，假设VCiO2恒定。当洗出完成并且***的O₂浓度达到新的平衡时，VCiO2等于VCeO2。因此，洗出后可由VCeO2确定VCiO2：

VCiO2＝VCeO2_after    (6)

方程(5)可改写为：

$(\mathrm{EELV}+V_{\mathrm{system}})=\frac{1}{\mathrm{\ΔFO}2}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{VCeO}2}_n-{\mathrm{VCeO}2}_{\mathrm{after}})---\left(7\right)$

VCeO2_n可随呼吸体积而改变，甚至在给患者机械通气时其可一定程度地改变。为了得到波动较小的值，定义标准值O2mix为每次呼吸期间排出的O₂浓度：

${O2\mathrm{mix}}_n=\frac{{\mathrm{VCeO}2}_n}{{\mathrm{VCe}}_n}---\left(8\right)$

将O2mix***方程(7)中得到：

$(\mathrm{EELV}+V_{\mathrm{system}})=\frac{1}{\mathrm{\ΔFO}2}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{VCe}}_n\·{O2\mathrm{mix}}_n-{\mathrm{VCe}}_{\mathrm{after}}\·{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}})---\left(9\right)$

最后假设在洗出期间或洗出后，每个周期的平均呼出气体体积相同。这样，基于在洗出期间和洗出后测量的几次呼吸，可以得到更可靠的VCe_after值。

$\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n={\mathrm{VCe}}_{\mathrm{after}}---\left(10\right)$

从方程(9)中消去VCe_after，最后可产生可用于确定呼气末肺容量(EELV)的方程：

$(\mathrm{EELV}+V_{\mathrm{system}})=\frac{1}{\mathrm{\ΔFO}2}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·({O2\mathrm{mix}}_n-{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}})---\left(11\right)$

O₂体积浓度的变化，ΔFO2＝O2mix_before-O2mix_after，可通过洗出之前和洗出之后之间的O2mix差来确定。O2mix_after可以在认为洗出完成之后作为对于呼吸数(例如10)的平均值来确定。

总之，呼气末肺容量(EELV)可通过方程(12)计算得到：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·({O2\mathrm{mix}}_n-{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}})}{{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{before}}-{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}---\left(12\right)$

O2mix可通过方程(13)确定：

${O2\mathrm{mix}}_n=\frac{{\mathrm{VCeO}2}_n}{{\mathrm{VCe}}_n}---\left(13\right)$

每一呼吸周期所呼出的体积可通过对方程(14)和(15)积分得到。

${\mathrm{VCeO}2}_n=\underset{t_n}{\overset{t_n+\mathrm{\Δt}}{\∫}}\stackrel{\·}{V}e\left(t\right)\·\mathrm{FO}2\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(14\right)$

${\mathrm{VCe}}_n=\underset{t_n}{\overset{t_n+\mathrm{\Δt}}{\∫}}\stackrel{\·}{V}e\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(15\right)$

其中，

是通过对于特定参考状态如AP21的流量传感器测量的流量。应该指出的是，包含偏流量，在这种情况下，偏流量叠加在呼出流量上。

如果***容积V_system未知，则可通过Maquet Servo-i呼吸器中预检验程序中使用的简单方法将管道加压至一定水平(例如50cmH₂O)并测量供气量来确定***容积。

测得的O₂浓度反映出N₂的变化，这是因为假设在呼出空气中的其它气体不受测量影响。因此可依据最易测量的那个来测量O2或N2浓度。

体积流量可利用本领域内任意类型的流量传感器来测量，其包括：

·差压流量传感器

·热流传感器

·涡流扩散传感器(vortex shedding sensor)

·超声传感器

气体浓度或组成可用本领域内已知的任意类型的O₂和N₂传感器来测量，其包括：

·电化学传感器

·顺磁传感器

·激光二极管传感器

·基于荧光的传感器

技术人员熟悉可根据本发明使用的这些或其它类型的传感器。

当利用图6和7中的方法或图3和4中的任何一种O₂浓度的测量方法时，由于利用了浓度中的两个变量的商，因此无需对O₂和N₂传感器进行偏移校准。与实际浓度相比，传感器具有线性特性就足够了。

如上述所讨论的，可使用任何随混合的呼出N₂/O₂组成线性变化的量来替代气体组合物的密度或气体中O₂和N₂的浓度。例如，这些量是气体的密度、粘度和热导率。因此上述方程12的一般表达式变为：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·(x_n-x_{\mathrm{after}})}{x_{\mathrm{before}}-x_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}---\left(16\right)$

其中：

x是随呼出的N₂/O₂组成线性变化的量；和

x_n是在t₁和t₂之间呼吸数为n时该量的值；

x_before是在t₁时该量的值；

x_after是在t₂或刚好t₂后的该量的值。

因此，在一般情况下，在图4中的O₂浓度传感器67可以是测量随N₂/O₂组成线性变化的量的任意类型的传感器。

根据本发明的第二个方面的气体流量和间接浓度测量可利用本领域中的任何已知手段进行。然而，利用结合图6和7讨论的方法是尤其有利的。如果如上所提到的，像本领域常见的那样，用超声传感器获得气体的体积流量和质量流量，则只需要一组传感器来确定O₂的流量和分数或是在总气体中O₂分数的变化。因此，可以取消另外所需的单独的O₂传感器。传感器65和67可用一个传感器实现。

为了使本方法奏效，我们只需要与真实气体浓度线性成比例的浓度量，所以在方程9、11和12中的浓度O2mix_n、O2mix_before和O2mix_after可用密度ρ_n、ρ_before和ρ_after代替，使得方程12例如变为：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·({\mathrm{\ρ}}_n-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{after}})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{before}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}---\left(17\right)$

其中：ρ_n是第一和第二时间点(t₁和t₂见附图2)之间呼吸数为n气体的密度；

ρ_before是在t₁时间的气体密度；

ρ_after是在t₂时间或刚过t₂时刻时的气体密度。

为了消除温度导致的密度变量漂移的风险，测量方案中应增加温度传感器，该温度传感器的可能会慢，这是因为该温度传感器的主要作用是在测量呼气末肺容量过程中消除由慢温度漂移导致的偏差。为简化起见，因为密度正比于气体浓度，所以同上，密度需要从实际温度换算为标准温度下密度。

图5是本发明方法的总流程图。

在任选的步骤S1中，改变呼吸气的组成，即，尤其是O₂或N₂的浓度。

当变化后呼出气的组成稳定后，或者如果呼出气的组成无变化，则在步骤S2中确定呼出气的组成。

在步骤S3中，再次改变呼吸气的组成。如果在步骤S1中O₂浓度增加，则在步骤S3中O₂浓度减少。如果在步骤S1中O₂浓度减少，则在步骤S3中O₂浓度增加。

在步骤S4中，确定每次呼吸时呼出气的气体组成和体积。

在步骤S5中，确定在步骤S3中进行变化后的呼出气的气体组成是否稳定。如果不稳定，则进行步骤S4；如果稳定则进行步骤S6。

步骤S6：确定气体组成再次稳定后呼出气的气体组成。

步骤S7：基于洗出(或洗入)之前、期间或之后的气体组成和每次呼吸的气体体积确定来确定EELV。这可以例如通过方程12、16或17完成。

步骤S1是一任选步骤，进行步骤S1可以避免气体组成变化带给患者的负作用。如果在确定呼气末肺容量时，呼吸气的组成可以改变且对患者无负作用，或患者只是为确定EELV而被换气，那么步骤S1则无需执行，因此从步骤S2开始进行换气。

如果执行步骤S1，即呼吸气组成发生了初始变化，则呼气末肺容量的测量也可或可选择地在步骤S2和S3之间进行的洗入或洗出期间进行。为此，步骤S4-S7在步骤S2和S3之间进行，而不是在步骤S3后或其它的步骤间进行。

将有利地得到两个EELV值：一个是呼吸气组成第一次改变后的值，一个是呼吸气组成第二次改变后的值。通过这种方式可得到更可靠的值。

密度可通过超声传感器确定，这会在以下进行讨论。

在图6中，气流Φ穿过气流通道。根据现有技术，设置第一和第二超声传感器T1和T2用来测量通道中该气流。还包括压力传感器P。如本领域中所常见的，传感器T1和T2均同时作为传送器和接收器。脉冲序列由第一传感器T1送出，由第二传感器T2接收，即基本上与气流方向相同。测量下游tof_do的飞行时间。然后脉冲序列以相反方向由T2传送至T1，并测量上游tof_up的飞行时间。上游飞行时间和下游飞行时间会不同并可用于指示气流体积。技术人员熟悉这些方法。如本领域中所熟知的，传感器T1、T2和压力传感器P的相对位置可以变化。

根据本发明，可利用飞行时间tof_up和tof_do和压力值一起根据以下内容来确定气体的质量流量：

从超声传感器获得的飞行信号时间用于计算两个值：

1)，Φ_actual，其正比于流速，因此正比于气体在特定状态下的体积流量：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{actual}}=k_1\·\frac{{\mathrm{tof}}_{\mathrm{up}}-{\mathrm{tof}}_{\mathrm{do}}}{{\mathrm{tof}}_{\mathrm{up}}\·{\mathrm{tof}}_{\mathrm{do}}}---\left(18\right)$

2)c_actual，其正比于气体中的声速：

$c_{\mathrm{actual}}=k_2\·\frac{{\mathrm{tof}}_{\mathrm{up}}+{\mathrm{tof}}_{\mathrm{do}}}{{\mathrm{tof}}_{\mathrm{up}}\·{\mathrm{tof}}_{\mathrm{do}}}---\left(19\right)$

在方程(18)和(19)中，k₁和k₂是校准常数，该校准常数取决于传感器之间的距离。而且，k₁取决于通道的横截面积和穿过该通道的流量分布。超声测量进行地很快，典型地在十分之一毫秒内完成，因此可给出Φ_actual和c_actual的基本瞬时值。下标“actual”表示得到的流量和声速值，代表在当前气体状态即当前压力和温度下的流量和声速。

根据方程(20)，声速取决于分子量(M)和绝对温度(T)：

$c^2=\mathrm{\γ}\frac{R_M}{M}T---\left(20\right)$

其中：

γ是恒压恒容下的比热容量的商(C_p/C_v)；RM是普适气体常数(R_M＝8.3143J/mol K)；M是气体混合物的平均分子量(表示为kg/mol)，以及T是绝对温度(表示为Kelvin)。

对于双原子气体而言，在至多约400K的温度时，所述商γ＝1.40。

根据下述内容，所述体积流量可用于计算参考状态：经过所述超声传感器的质量流量可在给定的气体状态{p，T}或者在参考状态下表示为体积流量乘以气体密度。即：

体积流量＝Φ_actualρ_actual＝Φ_refρ_ref    (21)

Φ_ref是在(理论)参考状态下的体积流量[m³/s]；

ρ_ref是在参考状态下的气体密度[kg/m³]；

Φ_actual是当前状态下的体积流量[m³/s]；

ρ_actual是当前状态下的气体密度[kg/m³]；

因此，该方程可视为在理论参考状态下的体积流量的定义。

密度ρ由理想气体定律确定：

$\frac{p}{\mathrm{\ρ}}=\frac{R_M}{M}T---\left(22\right)$

代入方程(20)后得到(消去气体常数R和分子量M后)：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ref}}\frac{p_{\mathrm{ref}}}{T_{\mathrm{ref}}}={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{actual}}\frac{p_{\mathrm{actual}}}{T_{\mathrm{actual}}}---\left(23\right)$

基于当前状态的体积流量，方程(23)可用来计算所选对{p_ref，T_ref}定义的参考状态下的流量。

根据本发明，可计算下列表达式的瞬时值：

$W\left(t\right)={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{actual}}\left(t\right)\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{c_{\mathrm{actual}}^2\left(t\right)}{p}_{\mathrm{actual}}\left(t\right)---\left(24\right)$

因此，体积流量和声速的当前值Φ_actual和c_actual可从超声传感器得到，同时从单独的压力传感器中得到当前压力。γ₀是一常数因子。

将方程(20)代入方程(24)，得到：

$W\left(t\right)={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{actual}}\left(t\right)\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{\mathrm{\γ}\left(t\right)}\frac{M\left(t\right)}{R_M}\frac{p_{\mathrm{actual}}\left(t\right)}{T_{\mathrm{actual}}\left(t\right)}---\left(25\right)$

通过与式(23)比较后，式(25)可改写为：

$W\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{\mathrm{\γ}\left(t\right)}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ref}}\left(t\right)\frac{M\left(t\right)}{R_M}\frac{p_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}{T_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}---\left(26\right)$

利用理想气体定律(22)，式(26)可改写为：

$W\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{\mathrm{\γ}\left(t\right)}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ref}}\left(t\right){\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ref}}\left(t\right)---\left(27\right)$

这意味着如果选择非常接近于γ(t)的常数γ₀，则表达式W(t)可以被解释为通过超声传感器的瞬时质量流量(见方程21)。如果γ₀不是绝对正确的，只要γ(t)基本恒定，则该表达式仍然产生一个正比于质量流量的值。

总之，分别基于来自超声传感器和压力传感器的测量数据{Φ_actual、c_actual}和{p_actual}，可立即计算下述表达式：

$W\left(t\right)={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{actual}}\left(t\right)\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{c_{\mathrm{actual}}^2\left(t\right)}{p}_{\mathrm{actual}}\left(t\right)---\left(28\right)$

假设正确选择了γ₀因子，则可以得到经过传感器的瞬时质量流量。只要γ(t)基本恒定(中等温度下的双原子气体混合物就是这种情况)，这样做是有效的。

从方程(27)可见，如果γ₀/γ(t)＝1，则W(t)等于质量流量。因此，如果γ₀/γ(t)＝1，则质量流量可用方程(28)表示。

因此，根据本发明的方法可以总结为如图7所示：

步骤11：得到上游和下游的飞行时间信号；

步骤12：计算气体的瞬时体积流量和声速(方程(18)和(29))；

步骤S13：测量气流压力。

步骤S14：根据方程(28)计算真实体积流量、真实声速、真实压力和常数γ₀之间的关系，方程(28)可以被解释为通过超声传感器的瞬时质量流量。

可以理解，步骤S13可以在步骤S14前的程序的任何一点进行。如果必须通过单独的传感器来得到体积流量(该传感器可以是本领域中已知的任意类型的传感器)，则可用简化的方式获得飞行时间信号。利用一个或两个垂直于气流的超声传感器可获得一个飞行时间信号tof，而无需获得两个方向上的飞行信号。在这种情况下，声速可根据对方程(19)做少许修改得到的方程c_actual＝2k₂/tof计算得到。

基于所测的质量流量和体积流量，可以确定气体的密度。特定时间点的密度可基于在给定时刻瞬时质量流量和瞬时体积流量的商来确定，如方程(29)所定义的。

$\mathrm{\ρ}\left(t\right)=\frac{\stackrel{\·}{m}\left(t\right)}{\stackrel{\·}{V}\left(t\right)}---\left(29\right)$

作为替代方案，平均密度可以通过在一定时间周期例如方程(30)所示的一次呼吸期间流经管道的气体总质量和总体积的商来确定。

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Cycle}}=\frac{m_{\mathrm{Cycle}}}{V_{\mathrm{Cycle}}}---\left(30\right)$

正如在引言中所解释的，人的功能残气量是指在常压下呼气后肺的容积。呼气末肺容量(EELV)的定义是在一次正常呼气结束时，机械通气患者呼吸道中残留的气体体积。在呼气末正压(PEEP)升高的情况下，即如果呼气末压高于常压时，呼气末肺容量将高于功能残气量。

Claims (24)

1.一种用于患者换气的呼吸器，其包括用于提供呼吸空气给患者的装置(57)、用于接收所述患者的呼出气体的装置(59)和所述呼出气体的气体出口(61)，所述呼吸器包括控制单元，所述控制单元包括装置，所述装置基于每个呼吸周期的呼出体积和在第一时间点(t₁；t₃；t₅)和第二时间点(t₂；t₄；t₆)的呼出气体中的N₂/O₂组成差异以及对于第一和第二时间点(t₁，t₂；t₃，t₄；t₅，t₆)之间的每次呼吸而言在每次呼吸中呼出的N₂/O₂组成差异和刚好在第二时间点(t₂；t₄；t₆)之后的每次呼吸中呼出的N₂和/或O₂的量来计算通过所述呼吸器换气的患者的呼气末肺容量EELV，所述呼吸器的特征在于其包括用于测量随呼出气体中N₂/O₂组成线性变化的量的组成测量装置(67)和基于所述测量确定呼出气体中N₂/O₂组成的变化的控制装置(69)，所述测量装置(67)设置于所述气体出口(61)附近。

2.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述控制单元设置为根据下式计算呼气末肺容量EELV：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·(x_n-x_{\mathrm{after}})}{x_{\mathrm{before}}-x_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：VCe_n是呼吸数为n的呼出气体体积，

x是随呼出的N₂/O₂组成线性变化的量，和

x_n是在第一和第二时间点(t₁，t₂；t₃，t₄；t₅，t₆)之间的每次呼吸中呼吸数为n时所述量的值，

x_before是在第一时间点(t₁；t₃；t₅)之前所述量的值，

x_after是在第二时间点(t₂；t₄；t₆)或刚好在所述第二时间点(t₂；t₄；t₆)之后所述量的值。

3.根据权利要求2所述的呼吸器，其中所述控制单元设置为根据下式计算呼气末肺容量EELV：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·({O2\mathrm{mix}}_n-{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}})}{{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{before}}-{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：VCe_n是呼吸数为n的呼出气体体积，

O2mix_n是在第一和第二时间点(t₁，t₂；t₃，t₄；t₅，t₆)之间呼吸数为n的呼出气体中的O₂浓度，

O2mix_after是刚好在第二时间点(t₂；t₄；t₆)之后的呼吸的呼出气体中的O₂浓度，和

O2mix_before是在第一时间点(t₁；t₃；t₅)之前呼出气体中的O₂浓度。

4.根据权利要求2所述的呼吸器，其中所述控制单元设置为根据下式计算EELV：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·({\mathrm{\ρ}}_n-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{after}})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{before}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：ρ_n是在第一和第二时间点(t₁，t₂；t₃，t₄；t₅，t₆)之间呼吸数为n的所述气体的密度，

ρ_before是在第一时间点(t₁；t₃；t₅)的所述气体的密度，

ρ_after是在第二时间点(t₂；t₄；t₆)或刚好在第二时间点(t₂；t₄；t₆)之后的所述气体的密度。

5.根据权利要求4所述的呼吸器，其中所述控制单元设置为在计算EELV之前相对于温度校正ρ_n、ρ_before和ρ_after的值，以消除温度诱导漂移的风险。

6.根据前述权利要求中任一项所述的呼吸器，其中所述控制单元还包括通过改变第一时间点(t₁；t₃；t₅)的所述呼吸气体中的O₂浓度的方式来控制由所述呼吸器提供给患者的呼吸气体中O₂浓度的控制装置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的呼吸器，还包括用于测量所述呼出气体的体积流量的测量装置(65)，所述测量装置设置于所述气体出口(61)附近。

8.根据前述权利要求中任一项所述的呼吸器，其中所述组成测量装置包括至少一个超声传感器，所述超声传感器还用于测量所述气体的体积流量和质量流量。

9.一种用于呼吸器的控制单元，所述控制单元包括装置，所述装置基于每个呼吸周期的呼出体积及在第一时间点(t₁)和第二时间点(t₂)的呼出气体中的N₂/O₂组成之间的差异以及对第一和第二时间点(t₁；t₂)之间的每次呼吸而言在每次呼吸中呼出的N₂/O₂组成差异和刚好在第二时间点(t₂；t₄；t₆)之后的每次呼吸中呼出的N₂和/或O₂的量来计算通过所述呼吸器换气的患者的呼气末肺容量EELV。

10.根据权利要求9所述的控制单元，其中所述控制单元设置为根据下式计算呼气末肺容量EELV：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·(x_n-x_{\mathrm{after}})}{x_{\mathrm{before}}-x_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：VCe_n是呼吸数为n的呼出气体体积，

x是随呼出的N₂/O₂组成线性变化的量，和

x_n是在第一和第二时间点(t₁，t₂；t₃，t₄；t₅，t₆)之间的每次呼吸中呼吸数为n时所述量的值，

x_before是在第一时间点(t₁；t₃；t₅)时所述量的值，

x_after是在第二时间点(t₂；t₄；t₆)或刚好在第二时间点(t₂；t₄；t₆)之后所述量的值。

11.根据权利要求10所述的控制单元，其设置为根据下式计算呼气末肺容量EELV：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·({O2\mathrm{mix}}_n-{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}})}{{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{before}}-{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：VCe_n是第一和第二时间点(t₁，t₂；t₃，t₄；t₅，t₆)之间的呼吸数为n的呼出气体体积，

O2mix_n是在第一和第二时间点(t₁，t₂；t₃，t₄；t₅，t₆)之间的呼吸数为n的呼出气体中的O₂浓度，

O2mix_after是刚好在第二时间点(t₂；t₄；t₆)之后的呼吸的呼出气体中的O₂浓度，

O2mix_before是在第一时间点(t₁；t₃；t₅)之前的呼出气体中的O₂浓度。

12.根据权利要求9～11中任一项所述的控制单元，其设置为基于从超声传感器接收到的流量数据来计算EELV。

13.根据权利要求12所述的控制单元，其设置为根据下式计算EELV：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·({\mathrm{\ρ}}_n-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{after}})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{before}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：ρ_n是在第一和第二时间点(t₁；t₂；t₃；t₄；t₅；t₆)之间呼吸数为n的所述气体的密度，

ρ_before是在第一时间点(t₁；t₃；t₅)的所述气体的密度，

ρ_after是在第二时间点(t₂；t₄；t₆)或刚好在第二时间点(t₂；t₄；t₆)之后的所述气体的密度。

14.根据权利要求13所述的控制单元，其设置为在计算EELV之前相对于温度校正ρ_n、 ρ_before和ρ_after的值，以消除温度诱导漂移的风险。

15.根据权利要求9～14中任一项所述的控制单元，还包括通过改变第一时间点(t₁；t₃；t₅)的呼吸气体中的O₂浓度来控制呼吸器提供给患者的呼吸气体中的O₂浓度的控制装置。

16.一种用于确定机械通气患者的呼气末肺容量(EELV)的方法，其中呼吸气体通过吸气管提供给患者并通过呼气管从患者除去，所述方法包括以下步骤：

提供给患者包含第一固定的N₂/O₂气体组成的呼吸气体至少直到在所述患者的呼出气体中所述N₂/O₂气体组成恒定为止；

在确定的时间点(t₁；t₃；t₅)至少一次将所述N₂/O₂气体组成变为在所述呼吸气体中的第二固定组成；

测量所述患者在每次呼吸时呼出的N₂/O₂气体组成的变化直到至少两次后续呼吸中呼出的O₂浓度基本稳定的时间点(t₂；t₄；t₆)，为止，所述测量在所述呼吸管的下游进行；

确定每次呼吸的气体总体积；

基于第一和第二时间点(t₁，t₂；t₃，t₄；t₅，t₆)间的O₂浓度的变化来确定所述患者的肺的EELV。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述改变N₂/O₂组成的步骤包括降低O₂浓度。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述改变N₂/O₂组成的步骤包括增加O₂浓度。

19.根据权利要求16～18中任一项所述的方法，其中所述改变O₂浓度的步骤包括将O₂浓度改变总体积的5％到35％单位。

20.根据权利要求16～19中任一项所述的方法，其中所述确定每次呼吸的总气体体积的步骤是通过在呼气管下游的体积传感器进行的。

21.根据权利要求16～20中任一项所述的方法，其中根据下列方程确定所述EELV：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·(x_n-x_{\mathrm{after}})}{x_{\mathrm{before}}-x_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：

VCe_n是呼吸数为n的呼出气体体积，

x是随呼出的N₂/O₂组成线性变化的量，和

x_n是在第一和第二时间点(t₁，t₂；t₃，t₄；t₅，t₆)之间呼吸数为n的每次呼吸中所述量的值，

x_before是在第一时间点(t₁；t₃；t₅)时所述量的值，

x_after是在第二时间点(t₂；t₄；t₆)或刚好在第二时间点(t₂；t₄；t₆)之后所述量的值。

22.根据权利要求21所述的方法，其中根据下列方程确定所述EELV：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·({O2\mathrm{mix}}_n-{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}})}{{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{before}}-{O2\mathrm{mix}}_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：

VCe_n是呼吸数为n的呼出气体体积，

O2mix_before是在第一时间点(t₁；t₃；t₅)的呼出气体中的O₂浓度，

O2mix_n是在第一和第二时间点(t₁，t₂；t₃，t₄；t₅，t₆)之间的呼吸数为n的呼出气体中的O₂浓度，和

O2mix_after是刚好在第二时间点(t₂；t₄；t₆)之后的呼吸的呼出气体中的O₂浓度。

23.根据权利要求16～22中任一项所述的方法，其中根据下列方程确定所述EELV：

$\mathrm{EELV}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{VCe}}_n\·({\mathrm{\ρ}}_n-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{after}})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{before}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{after}}}-V_{\mathrm{system}}$

其中：

ρ_n是在第一和第二时间点(t₁，t₂；t₃，t₄；t₅，t₆)之间呼吸数为n的所述气体的密度，

ρ_before是在第一时间点(t₁；t₃；t₅)的所述气体的密度，

ρ_after是在第二时间点(t₂；t₄；t₆)或刚好在第二时间点(t₂；t₄；t₆)之后的所述气体的密度。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括在计算EELV之前相对于温度校正ρ_n、ρ_before和ρ_after的值，以消除温度诱导漂移的风险的步骤。

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