CN101203260B - 一种呼吸机 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于连接到病人(4)以便进行呼吸治疗的呼吸机(6)，包括：控制单元(28)，该控制单元包括用于从EMG检测器(34)接收EMG信号的输入和用于基于EMG的控制信号的输出；以及用于根据基于EMG的控制信号产生呼吸气流的气动单元(10)。其功能以一种更好的方式得到保证，其中：呼吸机(6)包括用于确定与病人(4)的呼吸动力学相关的参数的检测器(12，14，22，24)，所述检测器(12，14，22，24)连接到控制单元(28)，其中，所述控制单元(28)设置成在输入上的EMG信号丢失的情况下根据与呼吸动力学相关的参数来控制气动单元(10)。

Description

一种呼吸机
技术领域
本发明涉及一种控制单元，该控制单元用于根据呼吸生物电信号，特别是所感测到的膈膜肌电(EMG)活动(EAdi)来控制的呼吸机；并且涉及一种EMG控制型呼吸机。本发明还涉及一种控制受控于呼吸生物电信号的呼吸机的方法以及一种计算机程序产品。
这种设备典型地用来在如重症监护病房的医院环境中支持呼吸能力不足的病人，或用于如家庭护理的较简单的应用，而且还能够用作麻醉机的组成部分。
背景和现有技术
呼吸动作(breathing effort)由大脑的呼吸中枢控制，通过膈神经中的神经传输来刺激主呼吸肌，即膈膜。当该肌肉得到刺激时，它就收缩并降低胸腔中的压力，从而产生吸气气流。
EP0774269公开了一种传统的气动控制型呼吸机，其能够根据病人的需要来选择和调整通气模式。该呼吸机设置成：如果感测到病人的呼吸动作就从时间控制模式转换到支持模式；如果病人在一定的时间段内变成无呼吸状态，则反之。空气压力和/或流量被监视。这种设备专门依赖于以气动方式所感测到的呼吸动作，导致该呼吸机产生正压。呼吸机的输出基于由医生所做的设置。该设备只能在上述通气模式之间切换。呼吸机的输出将总是基于固定的流量或压力设置。
通过借助于检测收缩膈膜的电活动即肌电图(EMG)来感测吸气动作，通气领域的新发展改进了呼吸机对病人呼吸动作的响应性。通过使用具有电极阵列的食管导管来检测和测量肌电信号。调节该信号，并且计算表示膈膜电活动即EAdi的信号。然后，以与该EAdi成比例的适合的方式控制从呼吸机到病人的气体供应，如控制传到该病人的压力。以下专利文件公开这种新技术的部分。
WO98/48877描述了一种受控于膈膜处的食管电极所测量的EMG信号的呼吸机。该控制涉及吸入呼吸气体压力，该压力以与EMG信号成比例的方式被控制。
WO99/62580也描述了一种根据EMG信号来控制的呼吸机。在这种情况下，该控制涉及一种闭合控制系统，该闭合控制系统基于针对给定吸气肺容量的EMG信号的振幅、针对该EMG信号的给定强度的吸气肺容量或二者的组合。
来自与呼吸关联的肌肉(特别是膈膜)的EMG信号，直接与病人以神经方式控制的呼吸需要相关。从而，基于该EMG信号控制呼吸机能够保证通气直接与病人的真实的呼吸需要相关。
当根据EMG信号进行控制时可能出现的问题是该信号可能缓慢地或突然地停止。这可能由信号捕获方面的问题引起，也可能是因为病人不再从呼吸中枢产生神经呼吸信号。后者可由不同的原因导致。一种原因可能是服用呼吸抑制剂药物，另一种可能是过量通气。信号的突然丢失可能是因为导管意外错位或断开，如当该病人以未受控制的方式或以由呼吸机操作者控制的方式移动时。
EMG控制的通气可能出现的另一个问题是：呼吸机中的吸气和呼气阶段的内部调节监视变得困难，因为该EMG控制型呼吸机不对这些阶段进行正常的基于时间的区分。
发明目的
本发明的一个目的是提供一种通过呼吸生物电信号如EMG来控制的呼吸机，其在该生物电信号丢失时将令人满意地工作。
发明内容
根据本发明，这个目的通过一种用于连接到病人以便进行呼吸治疗的呼吸机的控制单元来实现，所述控制单元包括：第一控制输入，用于接收至少一个与呼吸相关的生物电信号；控制装置，用于根据所述至少一个生物电信号产生用于控制所述呼吸机的气动单元的控制信号；以及控制输出，用于将所述控制信号输出到所述气动单元。所述控制单元进一步包括第二控制输入，用于从至少一个检测器接收与所述病人的呼吸动力学相关 的呼吸参数，其特征在于所述控制装置设置成：确定所述第一控制输入上是否存在生物电信号；以及，如果所述第一控制输入上存在所述生物电信号，则仅根据所述生物电信号产生用于控制所述气动单元的所述控制信号，或者如果所述第一控制输入上不存在生物电信号，则根据所述呼吸参数产生所述控制信号。
该目的还通过一种通过与呼吸相关的生物电信号来控制、用于为病人提供呼吸治疗的呼吸机来实现，特征在于：它设置成由这样的控制单元来控制。该控制单元可以是该呼吸机的组成部分，或可以单独提供。
该目的还通过一种控制受控于与呼吸相关的生物电信号、用于为病人提供呼吸治疗的呼吸机的方法来实现，所述呼吸机包括用于产生呼吸气流的气动单元，所述方法包括以下步骤：
-确定所述呼吸机的控制单元中存在来自所述病人的与呼吸相关的生物电信号；以及
如果存在所述生物电信号，
根据所述生物电信号产生用于控制所述气动单元的控制信号；
如果不存在所述生物电信号，
根据呼吸参数产生控制所述气动单元的控制信号，该呼吸参数从设置成确定来自所述病人的与呼吸动力学相关的呼吸参数的至少一个检测器获得。
该生物电信号优选地是接收自EMG检测器的EMG信号；然而，它还可以是所记录的来自膈神经的信号，或任何其它的表示病人呼吸的生物电信号。
使用检测器来感测/确定与呼吸动力学(所感测到的病人的动作)相关的参数，使得能够断定该生物电信号是因为信号错误而停止还是因为该病人的呼吸中枢不再产生呼吸信号而停止。这样，在丢失生物电信号的情况下，能够在一定程度上确定硬件错误。与呼吸动力学/病人动作相关的参数可通过呼吸气流量、呼吸气容量或压力来建立。其中的两个或更多个的组合还可用来确定病人在尝试呼吸。
该控制单元可以设置成，如果第一控制输出上不存在生物电信号，则确定该病人是否在尝试呼吸；以及，响应于所感测到的病人所产生的动作来产生所述控制信号。
在一个优选实施例中，该控制单元配置成，如果它感测到病人的动作，则产生病人的支持型通气。如果没有感测到病人的动作，它优选地设置成根据预先编程设置的控制参数产生病人的控制型通气。
如果该病人仍在产生尝试的呼吸，则显然生物电信号应该存在，但由于某些原因没有被记录(测量电极位置改变、干扰将信号淹没或其它)。通气以更常规的机械方式通过受支持的呼吸来提供。
如果没有尝试的呼吸可以记录，即，与呼吸动力学相关的参数已经丢失，这说明病人的呼吸中枢不再向呼吸肌发送呼吸信号。该呼吸机然后变成根据编程设置的工作模式(其适合于由操作者在治疗开始之前选择)来控制呼吸。
确定病人是否在尝试呼吸可以根据第二控制输入上所收到的信号来进行。
控制单元优选地进一步设置成，如果在根据呼吸参数产生控制信号时检测到生物电信号，则返回到根据该生物电信号产生控制信号。
用于确定与呼吸动力学相关的呼吸参数的检测器可以包括在呼吸机内或可以单独提供。该呼吸机还可以包括连接到该控制单元的、用于显示呼吸的显示器。
不管生物电信号停止时所发生的情况如何，可行的做法可以是发出警报或以某种其它方式使操作者知道所发生的情况。
对于确定吸气和呼气阶段以便在显示器上显示曲线的内部调节，生物电信号(当它们存在时)可用来确定和显示呼吸。作为补充，或当生物电信号停止时作为替代，可以使用与呼吸动力学相关的参数(或多个参数)。
本发明针对以下情况提供了安全措施，即不再感测到允许直接按照病人的需要提供呼吸治疗的生物电信号的情况。本发明还处理更复杂的情况，其中该设备需要区分信号丢失的原因(可能由于与硬件/传输相关的错误，或病人的镇静或病理状况的改变)，以便在最普遍的情况下提供最好的治疗。
本发明还使医生能够在不使病人遭受由于呼吸机支持的意外中断所带来的任何危害的情况下修正硬件故障、导管放置以及药物/镇静。
附图说明
将针对附图对根据本发明的呼吸机加以更详细的描述。
图1示出根据本发明的呼吸机系统。
图2示出根据本发明的方法。
具体实施方式
图1概括示出用于病人4的治疗系统2。该治疗系统2包括根据本发明的呼吸机6。通过第一气体连接8A和第二气体连接8B，该呼吸机6可以连接到一个或多个合适的气体源。该气体源(未示出)可以是外部或内部驱动源。气体在气动单元10内调节成呼吸气体，该气动单元尤其可包括用于控制呼吸气体的压力或流量的阀。
呼吸气体的压力和流量还可以通过第一压力计12和第一流量计14确定。第一压力计12和第一流量计14可以作为单独的单元或作为气动单元10的部件提供。
呼吸气体然后通过管系统从呼吸机6引导到病人4，该管系统尤其可以包括吸气管16、病人连接18和呼气管20(以便引导呼吸气体回到呼吸机6。病人连接18可以由呼吸面罩、气管套管或其它公知的病人连接装置构成。
管系统还可以包括许多其它标准部件，这些标准部件无需在本文更详细地描述，如加湿器、减湿器、滤菌器、湿度和热交换器等。
呼气气体(以及任何只通过病人连接18的呼吸气体)在它再次通过气动单元10之前，在第二压力计22中被测量压力以及在第二流量计24中被测量流量，以便控制呼气压力和流量。这里应该指出，气动单元10在这里是功能层面上的描述。气动单元10可以以许多公知的方式实施，例如通过实施每一个带有单独阀的单个气体通道来实施。然后呼气气体通过出口26离开呼吸机6，该出口可以连接到排气(evacuation)等等。
气动单元10受控于控制单元28，将在以下对该控制单元进行描述。
通过用户界面，操作者可以对以下的功能进行编程设置，如工作模式、呼吸模式、参数值、警报阈值等。该用户界面还可以为操作者例如通过显示器32提供大量信息。
在这个实施例中，呼吸机6的控制单元28使用来自病人4的EMG信息来控制呼吸气体的压力和流量(并由此间接控制吸气和呼气阶段)
为获得EMG信号，EMG检测器34通过电极36连接到病人4。EMG检测器34和电极36可以如例如US5,671,752所述实施或以某一其它公知方式实施，如放置在胸腔上、腹部上、或膈神经附近，感测并滤出EMG或其它与通气有关的生物电信号的表面电极。
EMG信号通过连接38(可以是有线的或无线的)发送到控制单元28，并在控制单元28的第一控制输入40上接收。控制单元28中的控制装置41根据该EMG信号产生控制信号，该控制信号在第一控制输出42上输出并作为控制信号馈送到气动单元10。以这种方式，气动单元10根据从病人获得的EMG信号而得到控制。这样的控制的原理在例如WO98/48877和WO99/62580中描述。
可以将EMG检测器34实施为呼吸机6的完全集成的部件，甚至集成到控制单元28自身。在这种情况下，将不再需要外部连接38。
在至少第二控制输入44上，控制单元28接收来自压力和流量计12、14、22、24的分别指示吸气和呼气气体的气体压力和气体流量的信号。为清晰起见，图1中只示出了一个连接。
只要呼吸机6将EMG信号用作用于供给(和净化)呼吸气体的控制参数，该呼吸将遵循最终由病人呼吸中枢确定的自然呼吸周期，自然呼吸周期又构成病人4的实际呼吸需要的直接指标。
然而，如果该EMG信号丢失，则失去上述的可能性。EMG信号的丢失原则上有两个可能的原因。第一个主要原因是检测链(从传感器到信号处理)中的错误，使得实际由病人所产生的EMG信号未被记录。这可能由例如传感器被移位并且不能再捕获弱EMG信号、或信号干扰完全淹没EMG信号并且使得不能对EMG信号进行过滤而引起。例如，为了清洁或更换导管而从病人去除导管也产生EMG信号的丢失，尽管该病人仍在产生EMG信号。
第二个主要原因是病人4不再产生EMG信号。这可能是因为呼吸中枢没有产生神经信号或者是神经信号不再到达肌肉。前者可能是严重疾病或损伤的结果，或者是药物的结果。
如以下将要解释的，根据本发明的呼吸机6能够区分这两个主要原因，并被设计成快速起作用以保证对病人的最好的连续治疗。
通过来自第一压力计12、第一流量计14、第二压力计22和第二流量计24中的一个或多个的信号，得到与病人的呼吸动力学相关的参数。
如果EMG信号由于第一个原因(可以称为设备故障)丢失，与呼吸动力学/气体感测相关的参数将指示病人的动作，即，呼吸驱动是完好的。控制单元28然后自动改变其工作模式并按照支持呼吸模式开始为病人4通气。这又可以由预设的支持水平构成。支持呼吸模式(以及其参数)可以有利地由操作者基于治疗开始之前病人4的状况来选择，或者可以由缺省模式构成。
如果EMG信号由于第二个主要原因丢失，与呼吸动力学相关的参数也将对此加以指示-原则上这意味着病人4完全停止了呼吸。控制单元28在这种情况下将自动将其工作模式变换到按照控制呼吸模式为病人4通气，由此完全接管病人的呼吸。这里，控制呼吸模式也可以由操作者编程设置或者由缺省模式构成。
有许多本领域的技术人员公知的可能的支持和控制模式，这样的模式的示例可以在EP0774269中察看。
关于EMG信号的丢失，向操作者自动发出警报或通知是有利的。丢失的原因还可以包括在该通知中并形成例如待发出的警报的类型的基础。除了警报通知之外，呼吸机的当前工作模式被呈现在用户界面30上。
一旦重新获得EMG信号复，控制单元28就再次开始基于EMG信号来控制呼吸气体的供应。
也可以在呼吸机内实现支持和控制呼吸模式之间的自动转换。
在基于EMG的控制过程中，并不对吸气阶段和呼气阶段进行划分，而在机械通气(mechanic ventilation)中通常进行这样的划分。这些阶段还提供操作者可能用到的信息。
通过用户界面30，更具体而言显示器32，可以显示吸气阶段和呼气阶段的估计曲线。这些曲线可以在计算装置46中根据EMG信号确定。
当然完全可能将与呼吸动力学相关的参数用于相同的目的，用来代替EMG信号或者作为补充。当然，如果EMG信号丢失，则自动完成转换。在控制型通气中，该信息直接从呼吸机获得。
本发明的总的方法在图2中说明。
在步骤S1，EMG信号由EMG检测器34监视并馈送到控制单元28。
在步骤S2，控制单元28确定是否从EMG检测器34接收到EMG信号。如果是，转到步骤S3；如果否，转到步骤S4。
在步骤S3，控制单元28设置成根据该EMG信号产生到气动单元10的信号。转到步骤S1。
在步骤4，确定为什么没有EMG信号。这优选地通过确定病人是否仍在尝试呼吸来完成。这可以借助于由传感器12、14、22、24所提供的流量和压力信号来确定。如上所述，如果检测到的流量和压力的变化指示病人主动呼吸的动作，则错误应该是在设备。转到步骤S6。如果没有检测到这样的流量和压力的变化，就认定病人确实没有尝试呼吸。转到步骤S5。
步骤S5：为病人提供控制型通气。转到步骤S1。
步骤S6：为病人提供受控于病人自己的呼吸尝试的支持型通气。
这样，该方法可以以循环方式运行，其中对EMG信号进行不断监视，并且，只要存在EMG信号，就根据该EMG信号控制呼吸机。如果EMG信号不存在，就以其它的方式控制呼吸机。如果在以其它方式控制呼吸机时在控制单元中再一次检测到EMG信号，则系统可以返回到再次根据EMG信号控制呼吸机。
优选地对以下两种情况加以区分：EMG信号的丢失由设备故障导致的情况和病人确实没有呼吸的情况。在设备故障的情况下，可以控制呼吸机支持病人自己的呼吸。如果病人没有呼吸，则应该提供控制型通气。
尽管以上描述一般涉及在食管中所检测到的膈膜EMG信号，对于本领域的技术人员来说，其它与呼吸相关的生物电信号，如膈膜表面EMG或从膈神经所检测到的信号，也可以来控制呼吸机。

Claims (10)

1.一种用于呼吸机(6)的控制单元(28)，所述呼吸机用于连接到病人(4)以便进行呼吸治疗，所述控制单元(28)包括：第一控制输入(40)，用于接收至少一个与呼吸相关的生物电信号；控制装置(41)，用于根据所述至少一个生物电信号产生用于控制所述呼吸机的气动单元(10)的控制信号；以及控制输出(42)，用于将所述控制信号输出到所述气动单元(10)，所述控制单元(28)进一步包括第二控制输入(44)，用于从至少一个检测器(12，14，22，24)接收与所述病人(4)的呼吸动力学相关的呼吸参数，其特征在于所述控制装置(41)设置成：确定所述第一控制输入(40)上是否存在所述至少一个生物电信号；以及，
如果所述第一控制输入(40)上存在所述生物电信号，则仅根据所述生物电信号产生用于控制所述气动单元(10)的所述控制信号，或者
如果所述第一控制输入(40)上不存在所述生物电信号，则根据所述呼吸参数产生用于控制所述气动单元(10)的所述控制信号。
2.根据权利要求1所述的控制单元(28)，其中所述控制装置(41)设置成：如果所述第一控制输入(40)上不存在生物电信号，则确定所述病人是否正尝试呼吸；以及根据所述病人是否正尝试呼吸来产生所述控制信号。
3.根据权利要求2的所述控制单元(28)，其中所述控制装置(41)设置成：如果发现所述病人正尝试呼吸，则产生用于支持型通气的控制信号。
4.根据权利要求2或3所述的控制单元(28)，其中所述控制装置(41)设置成：如果发现所述病人没有尝试呼吸，则根据预先编程设置的控制参数产生用于控制型通气的控制信号。
5.根据权利要求1所述的控制单元(28)，其中所述控制装置(41)设置成：如果在根据所述呼吸参数产生所述控制信号时检测到生物电信号，则返回到根据所述生物电信号产生所述控制信号。
6.根据权利要求1所述的控制单元(28)，其中所述至少一个生物电信号是EMG信号。
7.根据权利要求1所述的控制单元(28)，其中所述至少一个生物电信号是神经信号。
8.一种呼吸机(6)，设置成根据与呼吸相关的生物电信号来得到控制，用于为病人(4)提供呼吸治疗，其特征在于：所述呼吸机被设置成由根据前述权利要求的任何一个所述的控制单元(28)来控制，并且所述呼吸机(6)包括作为组成部分的所述控制单元(28)。
9.根据权利要求8所述的呼吸机(6)，进一步包括用于确定与呼吸动力学相关的所述呼吸参数的所述检测器(12，14，22，24)。
10.根据权利要求9所述的呼吸机(6)，进一步包括连接到所述控制单元(28)的、用于显示呼吸的显示器(32)。
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