CN101743030B - 一种用于气道管理系统的气体混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气道管理系统的气体混合装置(10)。该装置具有细长的腔室(C)，其具有用于将大气(AA)引入所述腔室的第一气体入口(1P)，所述第一气体入口位于内腔室的端部。另外，第二气体入口(2P)被设置用于将气体(G)引入所述腔室(C)，所述第二气体入口包括喷嘴(INJ)，所述气体由该喷嘴(INJ)沿喷射方向(ID)排入所述腔室，所述喷射方向具有与所述第一气体入口(1P)的流入方向(F)相反指向的投影(ID_proj)从而使得大气和气体混合。第一气体入口(1P)相对的位置上设置有允许个体通过气体混合装置进行呼吸的呼吸口(3P)。该装置的优点在于呼吸阻力相对较低，同时能够将所需混合的气体充分混合。另外，本发明提供一种相对紧凑的气体混合装置，其有利于与例如呼吸面具集成，该呼吸面具用于测量个体例如患者的呼吸参数。

Description

一种用于气道管理系统的气体混合装置

技术领域

本发明涉及一种个体用的用于气道管理系统的气体混合装置，该系统能够管理一种或者多种供给给个体的气体。本发明还涉及一种形成该气体混合装置的部件的管件、包括该气体混合装置的呼吸面具或口罩、包括该气体混合装置的呼吸系统以及该气体混合装置在测定个体的一个或者多个呼吸参数中的应用。

背景技术

通过吸气氧气进入体内并从肺部扩散至血液中。接下来，血液循环将氧气输送到组织。吸入的空气进入到血液的氧气输送不规则，将会引起血液的低氧饱和度。氧气摄入的不规则包括：肺部不正常的换气，参见例如慢性阻塞性肺病；肺部内不正常的氧气扩散，参见例如肺纤维化；以及不正常的通过肺部的灌注(例如血液流动)。测定表征这些充氧问题的参数对于诊断、监视和确定合适的干预治疗是重要的。这对于广泛人群是这样的，包括从自动换气的那些人和经常需要持续氧气供应的那些人到仅在锻炼中遭遇呼吸困难的患者。

在临床实践中，临床医生经常根据简单的测试或者各种估计来评价患者的充氧问题。它们包括从听诊或者胸部X光而获得的定性估计。它们还包括更多的定量估计，例如动脉氧气饱和度、肺泡-动脉氧压梯度或者“有效的分流通管”的估计、根据没有流过肺部的血液的分数在一定程度上表征所有充氧问题的参数。

与较差的充氧问题的临床表述表征不同，还已经开发了详尽的实验技术例如多种惰性气体清除技术(MIGET)，其表征多达50个肺泡的模型的参数。这些模型的参数提供了每个个体的准确生理图片。尽管MIGET作为实验工具具有广泛的应用，但是其作为常规的临床工具还是受到一些限制。这主要是由于该技术的成本高且技术复杂。

近来，WO 00/45702(Andreassen等人)已经公开了用于确定与个体有关的一种或多种呼吸参数的装置和方法，通过该装置确定一种或者多种呼吸参数，其中所述个体正遭受呼吸疾病如血氧不足。该装置通过配置合适软件的计算机控制，该装置包括以下功能：在线连续收集数据、自动评价测量时机、自动评价下一目标(动脉血液的氧饱和度(SpO₂))、自动评价达到所述目标SpO₂的合适的吸入气体中的氧气分数(FIO₂)设置、自动控制FIO₂、在线参数估计、以及自动评价所需测量的次数。该装置也被称为自动的肺参数估计器(ALPE)。将涉及所述APLE-装置和方法的WO 00/45702全部内容引入本发明作为参考。

为了利用ALPE-装置确定个体的呼吸参数，合适和精确地控制在吸入气体中的氧气分数(FIO₂)是重要的。因此，需要改变吸入气体的组成，例如以可再生的方式混合两种或者多种气体，并且将该混合气体供给所述个体。

US 5,772,392公开了一种与用于呼吸装置(例如呼吸治疗装置和通气装置)的呼吸管路组件一起使用的气体混合装置，以及用于将多种气体如可呼吸的气体，例如氧化氮与其他气体以如下方式供给的方法，该方式有利于建立所述气体的可靠递送标准，有利于充分混合所述气体，并且减少所述气体暴露于另一种气体的时间从而消除由这样的气体混合物产生的有毒副产物或者使其生成最小化。该混合装置通过管子中嵌入的隔片或膜片使所述气体混合，所述隔片具有允许待混合的气体流过以制造紊流从而产生气体混合物的孔。然而，为了提供足够的紊流，该装置的孔通常是相对较窄的，但是对于使用与呼吸装置连用的混合装置的个体，这将导致相应高的呼吸阻力。另外，所述气体混合装置的长度应该10倍于孔径左右以制造足够的紊流，从而导致该装置的长度为4～10厘米，这使得所述气体混合装置会很长并且不容易与例如呼吸面具集成为一体。

因此，一种改进的气体混合装置是有利的，尤其是更加高效和/或可靠的气体混合装置是有利的。

发明内容

相应地，本发明致力于缓解、减轻或者消除上述缺陷中的一种或者多种缺陷。特别地，提供一种能够解决现有技术的上述问题，特别是呼吸阻力的问题的气体混合装置，这可以看作是本发明的目的。

在本发明的第一方面，通过提供一种用于气道管理系统(air-waymanagement system)的气体混合装置，可以达到该目的和其他目的，所述装置包括：

a)细长的腔室(C)；

b)第一气体入口(1P)，其被设置用于将大气(AA)引入所述腔室，所述第一气体入口位于内腔室的端部；

c)第二气体入口(2P)，其被设置用于将气体(G)引入所述腔室(C)，所述第二气体入口包括喷嘴(INJ)，所述气体由该喷嘴(INJ)沿喷射方向(ID)排入所述腔室，所述喷射方向具有相对于所述第一气体入口(1P)的流入方向(F)相反指向的投影(projection)(ID_proj)，从而提供所述大气和所述气体的混合；和

d)呼吸口(3P)，用于允许个体通过所述气体混合装置呼吸，所述呼吸口位于所述腔室(C)内与所述第一气体入口(1P)相对。

本发明的优点尤其在于(但不限于)，获得一种具有较低的呼吸阻力，同时能够将所需混合的气体充分混合的气体混合装置。另外，本发明提供一种相对紧凑的气体混合装置，因为投影(ID_proj)与第一气体入口(1P)的流入方向(F)相反，即逆流气体混合提供了与本领域公知的方法(例如US 5772392)相比在较短的距离内更高效地混合。本发明的气体混合装置的紧凑性提供了尤其是直接集成为个体所使用的呼吸面具或者口罩(mouth piece)，或者集成在个体所使用的呼吸面具或者口罩附近，这对于个体使用的便利性是非常有利的。

在优选的实施方式中，所述装置还可以包括转向器膜(DEF)，其位于第一入口(1P)和所述喷嘴(INJ)之间。该转向器能够增强所述大气和所述气体的混合。通常，所述转向器膜(DEF)和所述喷嘴(INJ)的出口之间的距离可以为至少2mm，优选为至少4mm，或者更优选为至少6mm。

在一个实施方式中，所述喷嘴(INJ)出口的直径最大为3mm，优选最大为1.5mm，或者更优选最大为0.5mm。根据具体情况的流体动力学条件，可以改变该距离，正如本领域技术人员很容易想到的一样。

在另一个实施方式中，所述装置还可以包括气体传感器(GS)，其被设置用于测量由混合所述大气和所述气体所获得的混合气体的性质。通常，测定气体组成，例如氧气传感器可以插入到该装置中。另外可以插入二氧化碳传感器。

另外或者可选地，所述装置还可以包括气体流量传感器(FS)，优选地为双向流量传感器，从而能够评估进入所述装置的大气和/或气体的流量，并且还可能评估从该装置流出的气体的流量，即被所述个体呼出的气体的流量。为了更加有效地测量，所述装置还包括文丘里收缩部件(venturi-contraction)，所述流量传感器位于所述文丘里收缩部件处。

在一个实施方式中，所述装置还包括位于所述喷嘴(INJ)和所述呼吸口(3P)之间的气道过滤器(BF)，以确保卫生条件和/或保护该装置内部的传感器。

在另一个实施方式中，所述呼吸口(3P)适合于接纳个体使用的面具(FM)或口罩。

在具体的实施方式中，所述气体混合装置的总内部体积，即气体和大气的可利用体积的最大值可以为10cm³，优选最大为15cm³，或者最优选最大为20cm³。因此，与其他气体混合装置相比，该装置具有相对低的死空间。

在优选的实施方式中，该气体混合装置可以设计为：在通过所述装置的流量约为50L/min下，所述呼吸阻力的最大值为0.2Pa*s/L，优选最大值为0.4Pa*s/L，或者最优选最大值为0.6Pa*s/L。这些呼吸阻力值都显著低于其他目前可知的气体混合装置。

在本发明的第二方面，本发明涉及一种形成权利要求1所述的气体混合装置的部件的管件(TF)，所述管件包括所述细长的腔室(C)的至少一部分、含有喷嘴(INJ)的第二入口(2P)、第一入口(1P)和呼吸口(3P)，该管状件适于接纳：

-任选的所述气体传感器(GS)，和任选的

-所述流量传感器(FS)。

在一个实施方式中，当与所述气体混合装置的接受部件(RP)正确组装时，所述管件可以适合于给用户提供触摸响应和/或声音响应。因此，一旦正确组装，用户可以听到“咔嗒”的声音。这也可以通过电传感器或者光学传感器来实现，使用一些电子元件来检查是否正确组装，并且基于正确和/或不正确的组装给用户反馈。有可能地，如果没有正确组装，则电子元件可以阻止装置运行。

在另一个实施方式中，所述管件在一次性使用之后可以处理掉，以确保卫生条件。甚至进一步地，通过例如机械锁定机构和/或可能的电子锁定机构，所述管件可以被设置为只允许一次性使用。

在本发明的第三方面，本发明涉及一种呼吸面具或口罩，其包括根据本发明的第一方面的气体混合装置。

在本发明的第四方面，本发明涉及一种用于测量个体的一种或多种呼吸参数的气道管理系统，所述系统包括：

本发明的第三方面的呼吸面具或者口罩；

用于给第二入口供应气体的气体供应装置；和

与所述气体供应装置相互连接的控制单元；

其中，所述控制单元被设置为接受来自于任选的气体传感器(GS)和任选的流量传感器(FS)的输出信号，以及响应于所述输出信号控制所述气体供应装置。

在本发明的第五方面，本发明涉及一种根据本发明的第一方面的气体混合装置在测量个体的一种或者多种呼吸参数中的应用。

因此，在本发明的最广泛方面，本发明涉及一种用于测定与个体有关的一种或者多种呼吸参数的装置。术语“个体”在本文中被理解为选自以下所组成的组中的个体：人类、农场动物、家畜、宠物、和用于实验的动物例如猴子、老鼠、兔子等。

术语“呼吸参数”在本文中被理解为与从肺部到血液的氧气输送有关的参数，例如与不正常通气相关的参数、从肺部到肺部毛细血管的氧气吸入的阻力、以及关于静脉血液到动脉血液流的分流(shunting)的参数。这些呼吸参数可以以绝对值或者与一系列标准值相比的相对值的形式给出，并且可以将这些参数进一步标准化或者一般化，从而获得可与对其他个体(至少对相同物种的个体)测量的相似参数相比较的参数。

术语说明

FIO2    吸入气体中的氧气的分数。

PIO2    吸入气体中的氧气的压力。

SaO2    动脉血液中的氧饱和度，由血样测得。

PaO2    动脉血液中的氧气的压力，由血样测得。

SpO2    动脉血液中的氧饱和度，由皮测得。

PpO2    动脉血液中的氧气的压力，由皮测得。

FECO2   在混合的呼出气体中的二氧化碳的分数。

FE′O2  在呼气结束时呼出的气体中的氧气的分数。

FEO2    在混合的呼出气体中的氧气的分数。

PECO2   在混合的呼出气体中的氧气的压力。

PE′O2  在呼气结束时呼出的气体中的氧气的压力。

Vt      呼吸容量，即每次呼吸中呼吸的气体的体积。

f       呼吸频率，即每分钟呼吸的次数。

VO₂     氧气消耗量，即每分钟被组织消耗的氧气量。

Vd      死空间，即没有参与和血液进行气体交换的肺部的体积。

shunt   表示没有参与气体交换的血液的分数的呼吸参数。

Rdiff   表示氧气扩散通过肺泡的肺毛细管膜的阻力的呼吸参数。

通气。

表示在肺部区域内通气和灌注之间平衡的呼吸参数。

V-shift  表示FIO2与SaO2、FIO2与SpO2、FE′O2与SaO2或者FE′O2与SpO2的关系曲线图的垂直位移的呼吸参数。

H-shift表示FIO2与SaO2、FIO2与SpO2、FE′O2与SaO2、或者FE′O2与SpO2的关系曲线图的水平位移的呼吸参数。

本发明的第一、二、三、四和五方面可以与其他的任何一个方面相结合。通过下述的实施方式的阐述，本发明的各个方面将更加清楚，

附图说明

现在结合附图，只通过实施例对本发明进行解释，其中，

图1是根据本发明的气道管理系统的简图。

图2是说明个体如何佩戴包括根据本发明的气体混合装置的呼吸面具的简图。

图3是根据本发明的气体混合装置的简图。

图4是根据本发明的气体混合装置的更具体的实施方式。

图5是说明气体混合装置的流入槽相对于喷射方向的指向的图。

图6是根据本发明的气体混合装置的实施方式的立体图。

图7(AA和TOP)分别是图6的气体混合装置的截面图和俯视图。

图8是图6的气体混合装置的分解图。

图9是表示利用本发明的气道管理系统可以有利地测量的氧气饱和度(SaO2)与呼气结束时吸入的氧气的分数(FE′O2)的曲线图。

具体实施方式

图1是根据本发明的气道管理系统的简图。该气道管理系统包括与气体混合装置10连接且用于为其供应气体G的气体供给装置。该气体混合装置10允许个体100例如患者进行呼吸诊断，通过安装在气体混合装置10上的面具FM呼吸，如图所示气体混合装置10左边的双向箭头所示。面具FM是密封的，或者可以使用具有鼻夹的口罩。所述面具FM和气体混合装置10结合构成了呼吸面具。通过与环境大气AA气体接触的第一入口(图1中未示出)进行呼吸。

为了测量个体100的一种或者多种呼吸参数，气体供给装置20可操作地与适于控制供给装置20的控制单元CU连接。气体传感器GS(通常为氧气传感器)和流量传感器FS(图1中也未示出)位于所述装置10内。所述气体传感器和流量传感器给出合适的输出信号，其显示一种或者多种气体性质，例如组成以及通过气体混合装置的流量，所述控制单元CU被设置为接受来自于气体传感器(GS)和流量传感器(FS)的所述输出信号，并响应于所述输出信号控制所述气体供应装置。控制单元CU可操作地与显示器30连接，以将下列信息反馈给用户例如护士或者医生，所述信息是指关于气道管理系统的信息，可能是一种或者多种呼吸参数。

图2是个体100如何佩戴包括根据本发明的气体混合装置10的呼吸面具的简图。值得一提的是，所述气体混合装置10的相对小型或者紧凑型允许所述装置10集成为容易佩戴的呼吸面具“ALPE”，这还有利于简单和方便的配线，且有利于在诊断情况下给所述面具供气。

图3是根据本发明的气体混合装置10的简图。该气体混合装置10针对并适用于气道管理系统，即呼吸系统。该装置10包括细长的腔室C，其中进行气体混合，即除了大气或气体流入和/或流出腔室C，所述腔室应该是基本上不透气的或者密封的。特别地，所述腔室具有第一气体入口1P，其被设置用于将大气AA直接地或者通过合适的格栅或者过滤器引入所述腔室C，如流入箭头F所示。所述第一入口1P位于内腔室的端部。另外，还有第二气体入口2P，其被设置用于将气体G引入所述腔室C。所述第二气体入口包括喷嘴INJ，所述气体G可以从所述喷嘴INJ沿喷射方向ID排入所述腔室C。所述喷射方向ID具有与所述第一气体入口1P的流入方向F相反指向的投影(ID_proj)(参见图5)，从而使大气AA和气体G混合。由此，通过提供逆流方向的引入气体G，可以获得与流入气体AA的混合。

所述装置10还包括允许个体100通过气体混合装置10呼吸的呼吸口3P。所述呼吸口与第一气体入口1P相对设置于腔室C内，以形成通过所述细长的腔室C的定向气流F。所述腔室C的内径通常为10～30mm。术语“细长的”在本发明中广义地理解为所述装置10的横向尺寸小于所述装置10的纵向尺寸。优选地，横向尺寸比所述装置的纵向尺寸小1.5、2、3、4或者5倍。

与图3相比，图4是根据本发明的气体混合装置10的更具体的实施方式。特别地，所述装置10还包括转向器膜DEF，其位于第一入口1P和所述喷嘴INJ之间。本发明人通过测试和实验发现，精心设计和放置的可渗透大气的转向器膜DEF可以具有将沿喷射方向ID的来自于喷嘴INJ的气体G有效分散的功能，从而使其和流入的大气AA在装置10的相对短的距离内混合。

更具体地，根据进入流F的速率、所希望期望的气体混合物、进入第二入口2P的气体G的速率以及其他因素，所述转向器膜DEF和所述喷嘴的出口间隔2mm以上，优选为4mm以上，或者更有选为6mm以上。可以预料到，所述转向器膜DEF和所述喷嘴INJ具有可调的相对距离，从而动态改变所获得的气体混合物。所述转向器膜DEF还具有将流量传感器FS和气体传感器GS隔开的功能，从而确保两个传感器独立地进行测量。

在图4中，另外，气体传感器GS被设置用于测量由混合所述大气AA和气体G所获得的气体的性质。气体的性质可以是与呼吸诊断和/或治疗有关的任何合适性质，但是，通常气体传感器包括氧气传感器。气体组成也是特别相关的，尤其是通过气体传感器GS测得的如下参数：

FIO2    吸入气体中的氧气的分数，

PIO2    吸入气体中的氧气的压力，

FECO2   混合的呼出气体中的二氧化碳的分数，

FE′O2  在呼出结束时呼出的气体中的氧气的分数，

FEO2    混合的呼出气体中的氧气的分数，

PECO2   混合的呼出气体中的氧气的压力，和/或

PE′O2  在呼出结束时呼出的气体中的氧气的压力。

上述列举并不是穷尽性的，因为本领域的技术人员可以容易地通过气体传感器GS直接或者间接地测量气体的其他参数或者性质。

另外，图4所示的装置10包括气体流量传感器FS，优选为双向流量传感器。所述流量传感器FS位于第一入口1P附近，优选地，所述气体流量传感器FS可以与文丘里收缩部件相配合，这种配合如图7所示且将进行解释。

所述装置10还包括气道过滤器BF，其位于所述喷嘴INJ和所述呼吸口3P之间。该过滤器能够有效地抗细菌和/或病毒、可能有效地抗其他污染物。所述过滤器BF保护气体传感器GS、喷嘴INJ和转向膜DEF。

所述气道过滤器BF优选与所述腔室C形成为一体，从而至少对所述装置10的用户和管理者，使得所述过滤器BF是不可拆卸的(有意地或者无意地)。可以通过例如焊接、胶合或超声连接等方式使所述腔室C和所述过滤器BF在锁定位置连接在一起。

如图4所示，所述呼吸口3P适合于接纳面具FM或口罩(图中未示出)。面具FM或口罩可以适合于各种类型个体，例如成人或者小孩。对于口罩的情况，应该使用鼻夹以确保气密性。如果有可能，所述装置10能够与气管内管或者其他类型的呼吸管道连接。

图5是气体混合装置10的流入F槽相对于喷射方向ID的指向的详细图。所述喷射方向ID与流动方向F不是反平行的，但是所述喷射方向具有与所述装置10的所述第一气体入口1P的流入方向F相反指向的投影ID_proj。优选地，所述投影ID_proj与所述喷射方向向量ID基本相等，也即所述喷射方向ID与流动方向F是基本反平行的，以提供最佳的混合，但是其他变化和设计也是可能的，只要与所述流入方向F相反指向的投影ID_proj不为0，即所述喷射方向ID具有逆流组分。

优选地，所述喷嘴INJ被形成为如下尺寸，以产生气体G的流出层流。对于呼吸测量相关的气体流动速率，申请人发现，所述喷嘴INJ尾部的长径比至少为3，优选至少为4，或者更优选至少为5。通常，对于大多数应用，所述喷嘴INJ出口直径最大为3mm，优选最大为1.5mm，或者更优选最大为0.5mm。因此，所述直径的变化区间为0.2～3mm。

图6是根据本发明的气体混合装置10的具体实施方式的立体图。所述第一入口1P在所述气体流量传感器FS(这里未示出)附近形成文丘里收缩部件的一部分。所述呼吸口3P紧邻所述过滤器BF，所述呼吸口3P的直径大于圆周型腔室C的横向尺寸，以降低通过所述过滤器BF的流动阻力。如上所解释的，所述过滤器BF形成为所述腔室C的整体且不可拆卸的部分。这对应于图8中的管件TF的至少一部分。所述装置10的上部，即至少所述腔室10的可见部分和所述第一1P和第三3P入口构成了一个管件TF，参见图8。所述管件TF还包括含有喷嘴INJ的第二入口2P，所述管件TF适合于接纳所述气体传感器GS和所述流动传感器FS。所述管件TF可以进一步适合于被接纳在下部的接受部件RP中。

图7(AA和TOP)分别是图6所示的气体混合装置10的截面图和俯视图。截面图AA是沿图6中线A-A的截面图。在图A-A中，可以看见所述装置10的内部部件，尤其是所述腔室C内的内部部件。在所述俯视图TOP中，可以看到放置在基本上长方形的接受部件的顶部上的所述细长的圆柱状管件TF。

图8是图6和图7中所示的气体混合装置的分解图。需要注意的是，所述管状件TF包括一些不同的部件，它们可以在制造之后立即组装，也可以在即将应用之前立即组装，或者根据具体的环境在中间时间进行组装。由于卫生和安全的需要，所述管件TF优选为被设计成仅供一个患者使用的一次性管件。有可能，在一次性使用之后仅替换所述过滤器BF。在其他的实施方式中，为了安全原因以避免所述过滤器的重复使用，所述过滤器BF与所述管件TF形成整体，优选不可拆卸地与所述管件TF组装。

图9是表示利用本发明的气道管理系统测得的氧气饱和度(SaO2)与呼气结束时呼吸氧气的分数(FE′O2)的曲线图。除了气体传感器GS测定的吸入和/或呼出气体参数外，还可以要求测量例如通过脉冲式血氧计(SpO2)测量动脉氧气饱和度(SaO2)。可以进行动脉或者静脉血气体样品的测量，或者可以通过浸入方式连续监控动脉或者静脉血气体样品的测量，且与本发明的测量相结合。

图9显示了对于以下情况的呼气结束时呼吸氧气的分数(FE′O2，x轴)与模型预测的动脉氧气饱和度(SaO2，SpO2，y轴)的曲线图：1)正常个体，其中分流(shunt)＝5％，Rdiff＝0kPa/(l/min)(实线)；2)假想患者，其中Rdiff和通风/灌注紊乱(点划线)；3)假想患者，其中分流紊乱(短划线)。线段A表示由于分流紊乱而引起的曲线垂直方向位移(V-shift)，而线段B表示由于氧气扩散不正常的通气灌注而引起的曲线的水平方向位移(H-shift)。

特别地，可以测定下述非穷尽性的呼吸参数列表：

Vt    呼吸容量，即在每次呼吸中呼吸的气体的体积，

f     呼吸频率，即每分钟呼吸的次数，

VO₂   氧气消耗量，即每分钟被组织消耗的氧气量，

Vd    死空间，即没有参与和血液气体交换的肺部的体积，

shunt 表示没有参与气体交换的血液的分数的呼吸参数。

Rdiff 表示氧气扩散通过肺泡肺毛细管膜的阻力的呼吸参数。

通气。

表示在肺部区域内通气和灌注之间的平衡的呼吸参数。

V-shift  表示FIO2与SaO2、FIO2与SpO2、FE′O2与SaO2或者FE′O2与SpO2的曲线的垂直位移的呼吸参数。

H-shift表示FIO2与SaO2、FIO2与SpO2、FE′O2与SaO2或者FE′O2与SpO2的曲线的水平位移的呼吸参数。

对于这些呼吸参数的其他参考，读者可以参考WO 00/45702，涉及所述ALPE-装置和方法，将其全文引入本发明作为参考。

所述控制单元CU的关键特征之一是实时控制给定气体混合物的混合。为此，基于具有负反馈的传统比例-积分-微分控制器PID控制系统的调控循环能够根据流量需要成比例地开启流量阀(未示出)。这种类型的控制系统是基于所需要的水平与测量水平之间误差的差值的，并且它使以很小的差值快速调整成为可能。为了获得稳定的系统，可能需要调整一些参数，所述稳定的系统没有波动或者在没有或者具有可接受的偏差的时候具有可接受的阶跃响应。

取决于管件TF的阻力、阀反应次数、阀延迟和流量测量延迟，这些参数可能是未知的。因此，计算最终参数值是困难的。所以，解决此问题的方法是设计一种完整的控制系统，在该控制系统中定义一些调控参数。在所述呼吸处理系统组装在一起且已经进行了一些测量后，可以定义这些循环参数。

PID调控参数Kp、Ki和Kd通过Ziegler-Nichols法进行调制。如果这些值倾向于波动，则可以使用更保守的Tyreus和Luyben调制。为了减少所述控制系统中的波动影响，这些值抑制了控制。所述循环被设计为，使得即使有传感器FS和GS或者影响调控循环的其他组成的变化，所述循环也是稳定的。这可以通过给波动点设置余量来达到。

由于实时需要和可靠性的需要，实施氧气PID控制器调控。下面给出一些相关的气体控制方程的简单概述：

如果所希望的FIO2＞0.21(气体G＝氧气)

${\mathrm{FIO}}_2=\frac{Q_{\mathrm{air}}\·0.21+Q_{\mathrm{gas}}}{Q_{\mathrm{air}}+Q_{\mathrm{gas}}}$

Q_gas＝Q_air·k

${\mathrm{FIO}}_2=\frac{0.21+k}{1+k}$

并且，

$k=\frac{0.21-{\mathrm{FIO}}_2}{{\mathrm{FIO}}_2-1}$

为了达到FIO2为0.22-0.40，要求k的范围为0.01-0.32。

如果所希望的FIO2＜0.21(气体G＝氮气)

${\mathrm{FIO}}_2=\frac{Q_{\mathrm{air}}\·0.21}{Q_{\mathrm{air}}+Q_{\mathrm{gas}}},$ Q_gas＝Q_air·k

${\mathrm{FIO}}_2=\frac{0.21}{1+k}$

并且，

$k=\frac{0.21-{\mathrm{FIO}}_2}{{\mathrm{FIO}}_2-1}$

为了达到FIO2为0.15-0.20，要求k的范围为0.4-0.01。

尽管结合具体实施方式已经对本发明进行了描述，但是不限于这里给出的特定的实施方式。相反，本发明的范围仅通过权利要求进行限制。在权利要求中，术语“包括”没有排除其他组成或者步骤的存在。另外，尽管单独的特征包含在不同的权利要求中，但是它们能够有利地结合，包含在不同的权利要求中并不意味着这些特征的组合是不可行和/或没有优点的。另外，单数表达并不排除复数形式。因此，“a”、“an”、“第一”、“第二”等并不排除复数形式。此外，权利要求中的参考标记并不构成限制本发明范围。

Claims (27)

1.一种用于气道管理系统的气体混合装置(10)，所述装置包括：

a)细长的腔室(C)；

b)第一气体入口(1P)，其被设置用于将大气(AA)引入所述腔室，所述第一气体入口位于内腔室的端部；

c)第二气体入口(2P)，其被设置用于将气体(G)引入所述腔室(C)，所述第二气体入口包括喷嘴(INJ)，所述气体由该喷嘴(INJ)沿喷射方向(ID)排入所述腔室，所述喷射方向具有与所述第一气体入口(1P)的流入方向(F)相反指向的投影(ID_proj)，从而使所述大气和所述气体混合；

d)呼吸口(3P)，用于允许个体通过所述气体混合装置呼吸，所述呼吸口位于所述腔室(C)内与第一气体入口(1P)相对；和

e)转向器膜(DEF)，在所述腔室内且位于第一气体入口(1P)与所述喷嘴(INJ)之间。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述转向器膜(DEF)和所述喷嘴(INJ)的出口之间的距离为至少2mm。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述转向器膜(DEF)和所述喷嘴(INJ)的出口之间的距离为至少4mm。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述转向器膜(DEF)和所述喷嘴(INJ)的出口之间的距离为至少6mm。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述喷嘴出口直径最大为3mm。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述喷嘴出口直径最大为1.5mm。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述喷嘴出口直径最大为0.5mm。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括气体传感器(GS)，其被设置用于测量由混合所述大气(AA)和所述气体(G)所获得的气体性质。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述气体传感器(GS)包括氧气传感器。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括气体流量传感器(FS)。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述气体流量传感器(FS)为双向流量传感器。

12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述装置包括文丘里收缩部件，所述流量传感器(FS)位于所述文丘里收缩部件处。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括位于所述喷嘴(INJ)和所述呼吸口(3P)之间的气道过滤器(BF)。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述呼吸口(3P)适合于接纳面具(FM)或口罩。

15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述气体混合装置的总内部体积最大为10cm³。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述气体混合装置的总内部体积最大为15cm³。

17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述气体混合装置的总内部体积最大为20cm³。

18.根据权利要求1所述的装置，其中，在通过所述装置的流量为50L/min下，呼吸阻力最大为0.2Pa*s/L。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，在通过所述装置的流量为50L/min下，呼吸阻力最大为0.4Pa*s/L。

20.根据权利要求18所述的装置，其中，在通过所述装置的流量为50L/min下，呼吸阻力最大为0.6Pa*s/L。

21.一种管件(TF)，其形成权利要求1所述的气体混合装置(10)的部件，所述管件包括所述细长的腔室(C)的至少一部分、第一气体入口(1P)、含有喷嘴(INJ)的第二入口(2P)和呼吸口(3P)，所述管件(TF)还包括转向器膜(DEF)，其位于第一气体入口(1P)与所述喷嘴(INJ)之间；

该管状件适合于接纳：

任选的气体传感器(GS)，和任选的流量传感器(FS)。

22.根据权利要求21所述的管件，其中，当正确组装在所述气体混合装置(10)的接受部件(RP)上时，所述管件适合于给用户提供触摸响应和/或声音响应。

23.根据权利要求21所述的管件，其中，所述管件在一次使用后可被处理掉。

24.根据权利要求23所述的管件，其中，所述管件被设置为只允许一次使用。

25.一种呼吸面具，包括权利要求1～20中任一项所述的气体混合装置。

26.一种口罩，包括权利要求1～20中任一项所述的气体混合装置。

27.一种气道管理系统，其用于测量个体的一种或者多种呼吸参数，所述系统包括：

权利要求25所述的呼吸面具或者权利要求26所述的口罩；

用于给第二入口供应气体的气体供应装置；和

与所述气体供应装置相互连接的控制单元；

其中，所述控制单元被设置为接受来自于任选的气体传感器(GS)和任选的流量传感器(FS)的输出信号，并响应于所述输出信号控制所述气体供应装置。

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