CN111729163B - 一种呼吸机适配器及呼吸机*** - Google Patents

一种呼吸机适配器及呼吸机*** Download PDF

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Abstract

一种呼吸机适配器及呼吸机***。一种呼吸机适配器包括：第一N路分配器(1)、第二N路分配器(2)，N个Y形转接头。主路径(11)包括主路径恒定直径段(111)和主路径变径段(112)；主路径恒定直径段(111)向远离四个分支路径的方向偏转预定角度。本发明提出的一种呼吸机适配器，连接到现有技术中的呼吸机即可使得多个患者共享一台呼吸机，各个分支管路获得了较为平均的流速，有利于扩展单个呼吸机所能支持的患者数量，最大限度地提高呼吸机的效率。

Description

一种呼吸机适配器及呼吸机***
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种呼吸机适配器及呼吸机***。
背景技术
呼吸机作为一项能人工替代自主通气功能的有效手段，已普遍用于各种原因所致的呼吸衰竭、大手术期间的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和急救复苏中。如图1所示为现有技术的呼吸机***结构示意图，现有技术的呼吸机***包括呼吸机1’、加湿器2’、Y形转接头3’、压力流量计4’、压力传感器5’以及第一压力检测管51’和第二压力检测管52’。
连接到呼吸机1’的位于较上方的通过第一支路接纳来自患者的呼出空气，如朝向呼吸机1’指向的第一大箭头所指示，并且其通过第二支路将吸入空气发送到患者，如位于较下方的远离呼吸机1’指向的第二大箭头所指示。
压力传感器5’是压差传感器，其包括允许空气传递到患者或从患者传递的圆柱形壳体和连接到第一压力检测管51’和第二压力检测管52’的两个压力检测端口53’和54’。压力传感器5’进一步包括沿着壳体的内侧定位在压力检测端口53’与压力检测端口54’之间的阻力元件。阻力元件在气流通过壳体时改变气流的速度，这在压力检测端口53’与54’之间产生压差。这个压差由压力压力流量计4’检测以测量通过壳体的呼吸流量。压力流量计4’然后测量压差以产生一个或多个相应电信号。这些电信号由呼吸机1’处理用以触发呼吸机特定的工作模式，例如：
间歇正压通气(IPPV)模式：吸气时产生正压，将气体压入肺内，靠身体自身压力呼出气体。
辅助/控制通气(A/C)模式：病人有自主呼吸时,机器随呼吸启动,一旦自发呼吸在一定时间内不发生时,机械通气自动由辅助转为控制型通气。
同步间歇指令通气(SIMV)模式：呼吸机于一定的间歇时间接收自主呼吸导致气道内负压信号,同步送出气流,间歇进行辅助通气。即若干次自主呼吸后给一次正压通气,保证每分钟通气量。
第一压力检测管51’和第二压力检测管52’可填充有其压力响应于呼吸机1’和患者的呼吸动作而改变的气体体积或气体柱。压力的这些改变由压力流量计4’测量。
呼吸机1’将气体从呼吸机吸入端口供应到加湿器2’。气体通常包括室内空气或氧气。气体通常是干燥的且处于25℃的室温。离开加湿器2’的气体通常处于100％相对湿度(RH)(即饱和)并且处于大于室温并且小于或等于体温37℃的温度。该气体经由包含Y形转接头3’和压力传感器5’的吸入支路供应到患者。从患者返回的气体由于冷凝而小于100％RH并且处于较低温度(例如，33℃)并且经由包含Y形转接头3’和压力传感器5’的呼出支路返回到呼吸机1’。
如上所述的现有技术中的呼吸机***仅能够供应一个患者。在遭遇严重的传染病疫情，地震、洪水等自然灾害时，呼吸机数量不足将无法支持短时间内大量增加的患者。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本申请实施例提供的技术方案如下：
一种呼吸机适配器100包括第一N路分配器1、第二N路分配器2，N个Y形转接头；N个Y形转接头的一个分支端口通过第一单向阀10依次与第一N路分配器1的每一个分支端口连接在一起；N个Y形转接头的另一个分支端口通过第二单向阀20依次与第二N路分配器2的每一个分支端口连接在一起；其中N＝2×i，i为自然数；其中，第一N路分配器1、第二N路分配器2的支路数量与Y形转接头的数量对应，第一单向阀10和第二单向阀20分别与第一N路分配器1、第二N路分配器2的分支端口一一对应；主路径11包括主路径恒定直径段111和主路径变径段112；主路径恒定直径段111向远离四个分支路径的方向偏转预定角度。
一种呼吸机***，其特征在于，包括依次级联的：呼吸机、呼吸机适配器、压力传感器；压力流量计并联于压力传感器上。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提出的一种呼吸机适配器，连接到现有技术中的呼吸机即可使得多个患者共享一台呼吸机，各个分支管路获得了较为平均的流速，有利于扩展单个呼吸机所能支持的患者数量，最大限度地提高呼吸机的效率。
附图说明
图1为现有技术中呼吸机***的结构示意图；
图2为本发明的呼吸机***的结构示意图；
图3为本发明的呼吸机适配器的实施例一的结构示意图；
图4为本发明的Y形转接头的结构示意图；
图5为本发明的呼吸机适配器的实施例二的结构示意图；
图6为本发明的呼吸机适配器各实施例与现有技术的性能比较图；
图7为现有技术中的一路分多路的分配器结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图更加充分地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以具体实施为许多不同的形式，并且不应解读为将本发明限制于本文所阐述的实施方式；相反地，提供这些实施方式使得本公开变得透彻和完整，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。相同的标号将通篇指代相同的元件。如在本文所使用的，措辞“和/或”包括一个或更多个相关列出的项目的任何组合和全部组合。
除非另外定义，否则本文所使用的所有术语(包括技术的和科学的术语)均具有与本发明所属技术领域的技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非在本文明确定义，否则例如在常用词典中定义的术语应被解释为具有与其在的相关技术和该特定的公开的情况下的含义相一致的含义，并且将不解释为理想化的或过分正式的含义。
应强调的是，当在该说明书使用时，措辞“包含/包括”是指定特定的特征、要素、步骤或组件的存在，但是不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤、组件或其组的存在或附加。
应理解的是，虽然可以在本文使用措辞第一和第二来描述各种组件，但是这些组件不应被这些措辞所限制。这些措辞仅用于从另一组件区分一个组件。因而，例如，在不背离本发明的教导的情况下，下面描述的第一组件可以被称为第二组件。
如图2所示为本发明的呼吸机***，拆除现有技术中的Y形转接头及后续的压力传感器、压力流量计将本发明的呼吸机适配器100接入。本发明的呼吸机适配器100包括第一N路分配器1、第二N路分配器2，N个Y形转接头；N个Y形转接头的一个分支端口通过第一单向阀10依次与第一N路分配器1的每一个分支端口连接在一起；N个Y形转接头的另一个分支端口通过第二单向阀20依次与第二N路分配器2的每一个分支端口连接在一起；其中N＝2×i，i为自然数。
其中，第一单向阀10和第二单向阀20分别与第一N路分配器1、第二N路分配器2的分支端口一一对应，即第一单向阀10的数量为N个，第二单向阀20的数量为N个。第一单向阀10和第二单向阀20的导通方向相反，可防止在本发明的呼吸机适配器100管路中形成内部回路。
第一N路分配器1、第二N路分配器2的支路数量与Y形转接头的数量对应，N个支路数量对应N个Y形转接头，N个Y形转接头对应于N个患者。例如当i＝1则N＝2，采用本发明的呼吸机适配器100能够将一台呼吸机扩展为2个患者使用。当i＝2则N＝4，采用本发明的呼吸机适配器100能够将一台呼吸机扩展为4个患者使用。以此类推，采用本发明的呼吸机适配器100实际所能支持的最大患者数量根据呼吸机所能达到的最大功率和患者所需要的最小输气量决定。典型地，临床上呼吸机中的吸气峰流速范围为40-80L/min。
如图2中给出的是N＝4的实施例，即其中包括4个Y形转接头：第一Y形转接头3、第二Y形转接头4、第三Y形转接头5、第四Y形转接头6。第一至第四Y形转接头的左侧分支端口依次与第一四路分配器1的分支端口连接在一起。第一至第四Y形转接头的右侧分支端口依次与第二四路分配器2的分支端口连接在一起。第一至第四Y形转接头、第一四路分配器1、第二四路分配器2封装在壳体内形成本发明的呼吸机适配器100。现有技术中的呼吸机原有的压力流量计4’、压力传感器5’可安装于任意一个Y形转接头之后，用以触发呼吸机工作于预设模式。
实施例一：
本实施例的第一N路分配器、第二N路分配器的具体结构如图3所示。当N＝4，第一N路分配器、第二N路分配器包括主路径和四个分支路径。如前面所述的，N＝4仅仅是实例性的，N还可以等于2、6、8、10依次类推。
图2中的第一四路分配器和第二四路分配器一般用简单的一路分多路的分支结构实现。典型的一路分多路的分配器70如图7所示，包括主路径71和数个分支路径72。然而这种传统的分支管路仅能在较少支路的情况下能够近似做到平均分配气体流量。当多个支路同时接入主路径时，容易产生涡流、反向湍流、管路振动导致***流量分配不均匀。如图7中，正常的流动方向为73、75，然而由于管路配置不当，在某些分支容易产生反向的湍流74，影响分配器各个端口的均匀性。
图3所示的为本发明提出的四路分配器，旨在解决现有技术中的上述问题。图3的平面坐标系中横向为第二轴，纵向为第一轴。包括主路径11、第一分支路径12、第二分支路径13、第三分支路径14、第四分支路径15。四个分支路径(12、13、14、15)相互平行于第一轴，设置于主路径11的一侧；主路径11的延伸方向为第二轴，第二轴与第一轴垂直。主路径11包括主路径恒定直径段111和主路径变径段112。每个分支路径包括分支路径恒定直径段(122、132、142、152)和分支路径变径段(121、131、141、151)。分支路径设置于主路径变径段112的一侧。主路径恒定直径段111向远离四个分支路径的方向偏转预定角度。
所述的预定角度为主路径恒定直径段111和第二轴的夹角，优选为5～30°，更优选为15°。
其中，主路径恒定直径段111的直径为H，每个分支路径的直径分别为h1、h2、h3、h4。分支路径之间的间距为G，主路径变径段的末端直径为H’。
为了研究不同管路直径对气流分配的影响，采用COMSOLMULTIPHYSICS的CFD模块进行了仿真。
经仿真，主路径不同位置的管路直径对流速的阻力不同，从而所形成的涡流大小也不同，进一步造成各个管路的流速不同。为尽可能地消除涡流影响，需要调节分配器内部的管径。在本实施例中，在主路径中引入了主路径变径段112，使得管路的直径沿长度方向以渐变方式减小。主路径变径段112的下半部分截面的边缘为椭圆的四分之一周长。椭圆的焦点位于四个分支路径的同侧。所述椭圆的长轴大于2×(3×G+h1+h2+h3+h4)，优选地为2.1×(3×G+h1+h2+h3+h4)。主路径变径段112的末端直径H’与主路径恒定直径段111的直径H的比值为0.1～0.7，优选为0.3。
本实施例中，在管路内壁主路径与分支路径的交界处设置有圆弧形倒角，以消除拐角处尖锐的凸起，从而进一步减少所产生的涡流。
四路分配器的分支路径的流速与主路径的流速相差越大所产生的涡流程度越大。而主路径和分支路径的管路直径是影响流速的重要因素。为了获得四个分支路径较为平均的流速，需要配置合适的管路直径比例。
当H与h1～h4任一的取值相当时，第一分支路径12、第二分支路径13、第三分支路径14、第四分支路径15之间的压力差较大，流速不平均。当主路径恒定直径段111的直径H满足以下关系时：H≥1.2×(h1+h2+h3+h4)，其中h1、h2、h3、h4为呼吸机适配器每个分支路径的直径，第一至第四分支路径之间的压力差较小，流速较为平均。
第一至第四分支路径每个分支路径的分支路径变径段(121、131、141、151)作为接口方便与Y形转接头的端口(33或34)连接管相连，防止在工作过程中松脱。变径段的直径也能够微调流速和阻力，减少产生涡流的可能性。分支路径变径段(121、131、141、151)与Y形转接头的端口(33或34)可以通过套接连接在一起也可以通过诸如超声波焊接、热熔等方式连接在一起。
本实施例的呼吸机适配器100的Y形转接头的具体结构如图4所示。第一至第四Y形转接头具有完全相同的形状。Y形转接头包括：第一端口31、过渡段32、第二端口33、第三端口34；第一端口31位于过渡段32的一侧；第二端口33和第三端口34对称设置于过渡段32的另一侧；第一端口31为直径d1的管，第二端口33为具有直径d2的管，第三端口34为具有直径d3的管，其中d1＝d2+d3。优选地，d2＝d3。过渡段32为一中空的扁平腔体，沿其横向宽度从一端向另一端逐渐变大。通过上述设计能够保证从第一端口31均匀分配流速至第二端口33、第三端口34，过渡段32相比于现有技术在纵向上更长，因此可以减少涡流产生的可能。
Y形转接头的第一端口31通过管路连接患者面罩，或者连接现有技术中呼吸机在此之前被拆分的压力传感器和压力流量计。Y形转接头的第二端口33连接第一四路分配器1的分支端口，Y形转接头的第三端口34连接第二四路分配器2的分支端口。
实施例二：
如图5所示为实施例二的第一四路分配器、第二四路分配器的结构示意图。与实施例一相比，本实施例的主路径变径段112的下半部分截面的边缘为椭圆的四分之一周长。椭圆的焦点位于四个分支路径的相反侧。所述椭圆的长轴大于2×(3×G+h1+h2+h3+h4)，优选地为2.1×(3×G+h1+h2+h3+h4)。
如图6所示为本发明的各个实施例与现有技术的对照例的示意图。
定义ε为各个分支路径的流量不均匀系数：
Figure BDA0002547002810000061
其中Vi为各个分支路径的体积流量，L/min；
Figure BDA0002547002810000062
为各个分支路径的体积流量的平均值，L/min。图6中横轴为四路分配器支路序号，纵轴为各实施例与现有技术中对照例的流量不均匀系数ε。从图中看出，采用本发明实施例的技术方案相对于现有技术中固定管径的适配器，各个分支管路获得了较为平均的流速，有利于扩展单个呼吸机所能支持的患者数量。
本发明还公开了一种呼吸机***，其特征在于，包括依次级联的：呼吸机、呼吸机适配器、压力传感器；压力流量计并联于压力传感器上。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种呼吸机适配器，其特征在于，包括：第一N路分配器(1)、第二N路分配器(2)，N个Y形转接头；N个Y形转接头的一个分支端口通过第一单向阀(10)依次与第一N路分配器(1)的每一个分支端口连接在一起；N个Y形转接头的另一个分支端口通过第二单向阀(20)依次与第二N路分配器(2)的每一个分支端口连接在一起，其中N＝4；第一N路分配器(1)、第二N路分配器(2)的支路数量与Y形转接头的数量对应，第一单向阀(10)和第二单向阀(20)分别与第一N路分配器(1)、第二N路分配器(2)的分支端口一一对应；主路径(11)包括主路径恒定直径段(111)和主路径变径段(112)；主路径恒定直径段(111)向远离四个分支路径的方向偏转预定角度；当N＝4，第一N路分配器、第二N路分配器包括主路径和四个分支路径，形成为第一四路分配器和第二四路分配器；所述四路分配器包括主路径(11)、第一分支路径(12)、第二分支路径(13)、第三分支路径(14)、第四分支路径(15)；四个分支路径(12、13、14、15)相互平行于第一轴，设置于主路径(11)的一侧；主路径(11)的延伸方向为第二轴，第二轴与第一轴垂直；每个分支路径包括分支路径恒定直径段(122、132、142、152)和分支路径变径段(121、131、141、151)；分支路径设置于主路径变径段(112)的一侧；主路径恒定直径段(111)的直径为H，每个分支路径的直径分别为h1、h2、h3、h4；分支路径之间的间距为G，主路径变径段的末端直径为H’；主路径变径段(112)的末端直径H’与主路径恒定直径段(111)的直径H的比值为0.1～0.7；主路径变径段(112)的下半部分截面的边缘为椭圆的四分之一周长；椭圆的焦点位于四个分支路径的同侧；所述椭圆的长轴大于为2×(3×G+h1+h2+h3+h4)；主路径恒定直径段(111)的直径H满足以下关系：H≥1.2×(h1+h2+h3+h4)，其中h1、h2、h3、h4为呼吸机适配器每个分支路径的直径。
2.根据权利要求1所述的一种呼吸机适配器，其特征在于：所述的预定角度为主路径恒定直径段(111)和第二轴的夹角为5～30°。
3.根据权利要求1所述的一种呼吸机适配器，其特征在于：主路径变径段(112)的下半部分截面的边缘为椭圆的四分之一周长，椭圆的焦点位于四个分支路径的相反侧。
4.根据权利要求1所述的一种呼吸机适配器，其特征在于：主路径变径段(112)的末端直径H’与主路径恒定直径段(111)的直径H的比值为0.3。
5.根据权利要求1所述的一种呼吸机适配器，其特征在于：在管路内壁主路径(11)与分支路径(12、13、14、15)的交界处设置有圆弧形倒角。
6.根据权利要求1所述的一种呼吸机适配器，其特征在于：Y形转接头包括：第一端口(31)、过渡段(32)、第二端口(33)、第三端口(34)；第一端口(31)位于过渡段(32)的一侧；第二端口(33)和第三端口(34)对称设置于过渡段(32)的另一侧；第一端口(31)为直径d1的管，第二端口(33)为具有直径d2的管，第三端口(34)为具有直径d3的管，其中d1＝d2+d3；过渡段(32)为一中空的扁平腔体，沿其横向宽度从一端向另一端逐渐变大。
7.一种呼吸机***，其特征在于，包括依次级联的呼吸机、如权利要求1-6任意一项所述的呼吸机适配器、压力传感器；压力流量计并联于压力传感器上。
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