CN101534886A - 用于高频振荡通气机的闭环控制系统 - Google Patents

用于高频振荡通气机的闭环控制系统 Download PDF

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Abstract

一种用于高频振荡通气机(HFOV)的控制系统,包括振荡器控制器和平均气道压力(MAP)控制器。所述HFOV包括适于生成用于传送到患者气道的正压波和负压波的往复式活塞。所述振荡器控制器包括闭环控制电路对,所述闭环控制电路对包括振荡器压力环路和定心环路,所述振荡器压力环路和所述定心环路共同适于调节活塞往复的频率和振幅以及为所述活塞定心。所述MAP控制器包括适于使用患者管路压力形式的反馈来调节患者处的MAP的闭环控制电路。同样地,所述振荡器控制器使用患者管路压力以及活塞位移反馈来调节活塞的运动。

Description

用于高频振荡通气机的闭环控制系统
对相关申请的交叉引用
本申请与2005年11月8日递交的名称为“High Frequency OscillatingVentilator(高频振荡通气机)”的美国专利申请No.11/269,488相关,该申请的全部内容通过引用特别合并于此。
关于联邦资助研究/开发的声明
技术领域
本发明总的来说涉及医疗设备,更具体地说,涉及一种用于高频振荡通气机(HFOV)的闭环控制系统,其中高频振荡通气机用于在供给患者的呼吸空气中产生正压波和负压波。有利地,该控制系统在提供准确控制平均气道压力(MAP)的手段的同时特别适于允许准确控制HFOV所产生的压力振荡。
背景技术
与仅在吸气阶段通气并且在呼气阶段依赖人对通气的生理反应的传统通气机不同,HFOV会主动呼气,这在诸如遭受特定肺疾病的婴儿和/或其它儿童或成人患者的特定类型患者的呼吸中很重要。在某些情况下,尤其是在呼气阶段,患者的肺可能无法提供足够的通气或气体交换。就这一点来说,HFOV是为呼气阶段的呼吸能力受到损伤的患者提供充足的气体交换和充分的加氧而专门开发的。
在HFOV患者通气系统的简化描述中,HFOV通常给患者传送相对较小的潮气量,同时保持肺和肺泡在相对恒定的气道压力下打开。较小的潮气量以相对较快的频率被传送给肺,其中频率通常以每秒的呼吸次数或赫兹(Hz)来测量,1Hz等于每秒1次呼吸。HFOV通常以远高于人类正常呼吸频率的呼吸频率来工作。例如,HFOV可以以5Hz的频率(即每秒5次呼吸)工作,而成年人静止时的呼吸频率通常小于1Hz。
传送给患者的正压波和负压波或压力振荡通常由布置在HFOV中的活塞产生。该活塞适于以期望的频率快速移动弹性隔膜(elastic diaphragm)。该活塞可以由方波驱动器供电的线性电动机来驱动,该方波驱动器会引起由方波驱动器的极性在正值与负值之间切换而导致的快速往复。方波驱动器处极性电压或电流的变化会导致活塞振幅成比例地增加或减小。
因为活塞位移引起压力振荡,因此活塞的振幅越大,传送给患者的潮气量就越大。特定患者在气道中可能具有较高的阻力,这就使活塞在往复期间必须抵抗更大的阻力。因此,为了给患者提供最优通气量,期望对活塞运动(例如振幅)进行准确控制。
此外,由于HFOV必须在通常恒定的气道压力下保持肺和肺泡打开,并且由于不同的患者具有不同级别的气道阻力,因此进一步期望的MAP是可调的。通常借助于与患者Y形支架相邻布置的呼气阀(exhalation valve)来便于患者通气系统中MAP的调节。理想地,为了防止会随着时间的推移对肺泡造成损伤并且可能导致其它并发症的肺膨胀/紧缩周期,MAP被调节为使得肺和肺泡维持在打开状态。
现在技术包括多种针对在患者管路或肺系统中产生压力脉冲的HFOV。例如,给Bisera等人出版的题目为“High Frequency Ventilator(高频通气机)”的美国专利No.4,409,977公开了一种适于给加压空气所激励的导管传送高频空气脉冲的高频呼吸装置。Bisera设备包括形成密封腔的柔软袋子和给该腔提供压力脉冲以在每次脉冲时压缩袋子从而给通向患者肺部的导管传送空气的压力源。
给Jensen出版的题目为“Oscillating Ventilator and Method(振荡通气机及方法)”的美国专利No.4,719,910公开了一种HFOV,该HFOV具有安装在壳体中并借助电路在该壳体中往复的、用隔膜密封的活塞,该电路可操作为交替反转流入电动机的电流的极性。Jensen设备通过管子连接至患者的气道,以在传送给患者的气流中传送极化压力波。
给Phuc出版的题目为“High Frequency Artificial Respirator(高频人造呼吸机)”的美国专利No.4,788,974公开了一种高频呼吸机,其中患者管路被供应呼吸气体,并且振荡发生器使呼吸气体高频振荡。由此产生的压力波被传送给患者管路中的气流,这为空气通道中的气体扩散以及给患者进行人工呼吸提供了帮助。
给Inoue出版的题目为“High Frequency Oscillatory Ventilator(高频振荡通气机)”的美国专利No.5,704,346公开了一种通过活塞的往复给患者传输高频压力的设备。Inoue设备使用软袋来吸收活塞所产生的压力,并且该软袋允许在不改变活塞冲程的情况下对患者中的气体交换量进行调节,从而使旋转的电动机可以用于驱动活塞。
给Bennarsten出版的题目为“High Frequency Oscillation Ventilator(高频振荡通气机)”的美国专利No.6,640,807公开了一种交替地向患者供应气体容量并从患者处移除气体容量的HFOV。Bennarsten HFOV包括用于分配由该单元供应的气体容量的流量控制器,以便独立于振荡器容量而建立给患者传送的期望吸入潮气量。
给Chu等出版的题目为“Servo Control System for a Reciprocating PistonVentilator(用于往复式活塞通气机的伺服控制系统)”的美国专利No.4,617,637公开了一种在控制活塞往复运动的预测伺服控制系统中利用非线性时域分析来移动HFOV的活塞的控制系统。该预测伺服控制系统利用存储在查找表中的流量概要以及利用压力和位置信息来生成用于对活塞的运动进行调节的控制信号。
在对以上提及的HFOV进行的控制中所使用的多种技术都采用开环控制系统,在开环控制系统中,表示HFOV的各种工作参数的输入信号被送入控制器,以便实现期望通气特性,例如MAP和潮气量。遗憾的是,由于在患者通气期间HFOV的工作参数的变化,并且由于患者的生理反应的变化,在患者通气系统中会出现不准确性,包括MAP的误差和活塞运动(振幅和/或频率)的误差。这种不准确性可能会导致患者通气的非最优效能,以及患者产生并发症的风险。
现有技术包括克服用于HFOV的开环控制系统的上述问题的若干种尝试。例如,在以更高的精度控制MAP的尝试中,Chu参考文献似乎公开了一种采用流速和压力测量值形式的系统反馈的伺服控制系统。然而,这种反馈仅仅被间接用于控制活塞运动。就这点来说,Chu参考文献中所公开的控制系统被理解为使用综合经验方法的预测控制系统,而不是使用直接利用关于患者通气的关键参数(即患者管路压力)和HFOV运行(即活塞运动)的反馈的系统控制系统方法的预测控制系统。
就这一点来说,正如所理解的那样,现有的控制系统无法解决HFOV的矛盾控制目标。更具体地说,多种现有的HFOV采用这样的控制系统,即不允许对HFOV所产生的压力振荡进行准确控制,也不允许准确地对往复机构(即活塞)定心使得活塞振幅可在不考虑频率的情况下被最大化。在没有受益于对活塞进行定心控制的情况下,闭环压力控制独自会使得活塞偏向其冲程的对端之一,并最终妨碍维持振荡的能力。另外,多种现有的HFOV不被理解为提供从MAP控制中削弱或断开压力振荡的手段。最后,现有HFOV的控制系统不被理解为提供用于对MAP变化的响应速率进行改善的有效且准确的手段。
发明内容
以上所述的与应用于HFOV的现有控制系统相关联的缺陷具体由本发明的控制系统来处理并减轻,其中在本发明的控制系统中,使用分立的反馈控制器来控制活塞运动和MAP。这些控制器对患者管路压力反馈和活塞位置反馈进行结合来调节活塞运动以及准确地为活塞定心。此外,该控制器使用患者压力反馈来调节患者通气机系统中包括的呼气阀,从而提供对MAP的准确控制。
在广义上来说,该控制系统包括振荡器控制器和MAP控制器。该振荡器控制器包括闭环控制电路对,所述闭环控制电路对包括振荡器压力环路和定心环路,所述振荡器压力环路和所述定心环路共同调节活塞往复的频率和振幅并允许准确地为所述活塞定心。该MAP控制器包括用于调节患者处的MAP的闭环控制电路。
患者通气机管路可以包括活塞位置传感器,该活塞位置传感器用于测量HFOV中的活塞位置,并生成用于反馈给所述定心环路的活塞位移信号。压力传感器可以与患者通气机管路中的患者Y形支架相邻布置,并且优选被配置为测量患者管路压力,以便生成测得压力信号,来反馈给所述MAP调节环路。
测得压力信号还优选被送入所述振荡器压力环路。所述振荡器压力环路将测得压力信号(由患者Y形支架处的压力传感器生成)与期望振荡器压力信号进行比较,并且响应于该比较而生成振荡器压力误差信号。所述定心环路将活塞位置传感器生成的活塞位移信号与作为期望活塞位置的空或零进行比较,以响应于该比较而生成位移误差信号。
优选地,活塞位移信号和测量的压力信号以使它们的频带不重叠且不冲突的方式各自被滤波。另外,活塞位移信号和测得压力信号各自分别与活塞中心和期望压力进行比较,并且该差通过比例积分(PI)控制器被滤波,该比例积分控制器用于将差减小到零,并限制相应的PI控制器的积分分量的饱卷(windup)。
然后来自振荡器压力环路和定心环路的PI控制器输出被合并,以便生成可以是电流或电压信号形式的振荡器命令信号,从而驱动电流放大器给HFOV供电。电流放大器可以适于生成方波信号,以反转HFOV的极性,从而使活塞可以往复,并在患者处生成正压波和负压波。
MAP调节环路通过操纵呼气阀来调节患者处的MAP,所述呼气阀可以通过呼气口向周围环境排气。更具体地说,患者管路压力形式的反馈被MAP调节环路利用,并在被滤波以隔离由振荡器压力环路所引起的振荡并最大化MAP调节环路中的响应之后,与期望MAP信号进行比较。
然后作为结果的MAP环路误差信号通过积分控制器被滤波,以生成呼气阀命令信号,来驱动阀致动器。理想地,所述阀致动器响应于呼气阀命令信号来调节呼气阀上的压力量或流动面积的变化,以在面对较高频的压力振荡时提供对患者处MAP的稳定且准确控制。
附图说明
通过以下的描述和附图,这里所公开的各种实施例的这些或其它特征和优点将更好理解,在附图中,相同的附图标记始终指代相同的部件,并且其中:
图1是用于高频振荡通气机(HFOV)的闭环控制系统的图;以及
图2是可以合并本发明的闭环控制系统的HFOV和患者通气管路的示意图。
具体实施方式
现在参考附图,其中所示的内容出于示出本发明的目的,而不是用于限制本发明,图1所示的是用于高频振荡通气机(HFOV)26的闭环控制系统10。本发明的控制系统10特别适于提供对HFOV 26中活塞70往复所引起的压力振荡的准确控制。此外,本发明的控制系统10提供用于准确地对产生压力振荡的活塞70进行定心的手段。
另外,本发明的控制系统10提供用于从平均气道压力(MAP)的控制中断开压力振荡同时最大化该控制的响应的手段。重要的是,控制系统10通过使用患者管路压力Pc和活塞70位置或活塞70位移的反馈以便在准确调节MAP的同时调节活塞70的移动来实现以上所述的目标。
图1所示的是用于HFOV 26的闭环控制系统10的结构图。示例性HFOV可以被构造为与2005年11月8日递交的题目为“High Frequency OscillatingVentilator(高频振荡通气机)”的美国专利申请No.11/269,488所公开的HFOV类似,该专利申请的全部内容通过引用特别合并于此,并且与本申请具有共同的受让人。这种类型的HFOV 26包括往复机构24(即活塞70),利用该往复机构,HFOV 26可连接至患者12,以给该患者提供气道压力。
图2是示例性HFOV 26的示意图,闭环控制系统10可适用于该HFOV26。可以看出,HFOV 26包括壳体组件64,壳体组件64具有固定安装到其上的线性致动器66。线性线圈68可以采用同轴方式布置在线性致动器66中,并且例如通过推杆74悬挂在线性致动器66上,推杆74本身以允许线性线圈68往复的方式沿轴向延伸通过线性致动器66。活塞70可以安装在推杆74的一端,而线性线圈68安装在推杆74的对端。
隔膜76可以附在活塞70上,隔膜76以密封方式将壳体组件64划分为第一侧80和第二侧82。隔膜76可以采用可操作方式接合到活塞70,并且优选被配置为可拆除和/或可替换的,从而使得HFOV 26可以在患者之间转移。隔膜76可以包括深半径凹槽78,以允许在活塞70的往复期间安静地做旋转运动。
可以通过以可拆除方式紧闭壳体组件的锥形盖86的使用来便于隔膜76的可替换性。锥形盖86的拆除允许接近隔膜76,隔膜76可以在患者转移期间被替换。形成在锥形盖86中的开口84通过延伸到图2中所示的患者Y形支架20的患者导管16连接至患者12。气体源18可以连接至患者导管16,氧气和/或压缩的或第的空气通过该患者导管16以偏流Q被传送。患者导管16可以通过气管内导管连接至患者气道,以便在患者气道处提供呼吸功能。
如早先所提及的,由HFOV 26产生的以正气道和负气道的形式添加到偏流Q的振动能量通过在患者气道处提供正压力来促进呼吸做功。已经发现这种压力增强吸气和呼气阶段,其中在呼气阶段期间二氧化碳很容易从患者的肺部移除。以此方式,HFOV 26促使氧气和二氧化碳的扩散,以增强气体交换。理想地,可以由电流放大器28使用方形压力波形来驱动HFOV26,已经发现方形压力波形以最小量的压力在患者管路14中实现了最大排量。
从图2中也可以看出,通过内部控制环路58和外部控制环路56,使用在患者气道处提取的压力测量结果并将压力测量结果送入外部控制环路56中,便于对HFOV 26的控制。内部控制环路58连接至外部控制环路56,并接收来自活塞位置传感器72的反馈,以如下更详细描述的方式来调节活塞70的往复运动。
患者通气管路可以包括流体连接至患者导管16的呼气阀52。呼气阀52用于调节患者管路/肺系统中的MAP,从而使肺部保持在接近膨胀的状态。气体被患者12通过呼气阀52呼出到呼气口54。从图1中可以看出,阀致动器50用于驱动呼气阀52。
如早先所提及的,本发明的控制系统10利用患者管路压力Pc和活塞70位置反馈来调节HFOV 26中的活塞70运动。另外,在独立的控制环路中使用患者管路压力Pc反馈,通过调整呼气阀52中的压力或流动面积来调节呼气阀52,从而实现期望MAP。以此方式,控制系统10提供通过控制活塞70来准确控制压力振荡的频率和振幅的手段。
此外,控制系统10提供在活塞70冲程限的边界中相对于HFOV 26对活塞70进行定心的手段。控制系统10在衰减来自活塞70往复运动所引起的压力振荡的输入同时提供用于对MAP进行调节的稳定且准确的手段。控制系统10还提供准确地对活塞70进行定心的手段,从而允许使任意频率下压力振荡的振幅最大化。
现在详细参考图1,本发明的控制系统10由振荡器控制器30和平均气道压力(MAP)控制器42组成。振荡器控制器30由闭环控制电路对组成,其中该闭环控制电路对包括振荡器压力环路32和定心环路36。振荡器压力环路32和定心环路36共同适于通过使用患者管路压力Pc和活塞70位置的反馈来调节活塞70往复的频率和振幅以及为活塞70定心,从而实现对活塞70的控制。MAP控制器42包括利用患者管路压力Pc反馈来调整呼气阀52排气期间的压力或流动面积,从而有效地调节患者12处的MAP的闭环控制电路。
活塞位置传感器72可以被配置为光传感器、霍尔传感器、电阻传感器、电容传感器、LVDT或任意其它合适的用来测量活塞70位置的位移或位置测量设备。活塞位置传感器72还可以产生用来传送给定心环路36的活塞位移信号x(k)meas。诸如压力变换器之类的压力传感器22可以与患者Y形支架20相邻布置,用于测量患者管路14处的压力,以反馈给振荡器控制器30和MAP控制器36。
由压力传感器22在患者管路处14产生的测得压力信号P(k)meas被送入振荡器压力环路32,然后,振荡器压力环路32确定测得压力信号P(k)滤波与期望振荡器压力P(k)ref信号之间的差或提供给振荡器压力环路32的命令。振荡器压力环路32由此响应于测得压力信号P(k)滤波与期望振荡器压力信号P(k)ref之间的差而生成振荡器压力误差信号P(k)误差
定心环路36用于确定由活塞位置传感器72生成的活塞位移信号x(k)meas与作为期望活塞70位置的表示中间冲程的零之间的差,并响应于该确定而生成位移误差信号x(k)误差。然后将振荡器压力误差信号P(k)误差和活塞位移误差信号x(k)误差进行结合来生成振荡器命令信号V(k)O,以调节活塞70的往复运动,其中可以调节活塞70的振幅和/或频率。
重要的是,振荡器压力环路32和定心环路36中的每一个分别包括带通滤波器34和低通滤波器38,从而使得活塞位移信号x(k)meas和测得压力信号P(k)meas被滤波,以防止它们的频带重叠以及由此产生冲突。如图1所示,定心环路36可以包括具有定心环路滤波器36截止频率的一阶低通滤波器38,使得定心环路36响应活塞70位移处于低通滤波器38的通带之内有限频率范围。振荡器压力环路32则可以包括二阶带通滤波器34,二阶带通滤波器34具有一般与定心环路低通滤波器38截止频率相等的低截止频率和限制振荡器压力环路32中的噪声传播的高截止频率。因此,振荡器压力环路32响应管路压力变化处于带通滤波器34的通带之内的有限频率范围。
带通滤波器34可以包括与单极点低通滤波器串联连接的单极点高通滤波器。该单极点高通滤波器可以在低通滤波器38的-3dB截止频率处具有-3dB的截止,而单极点低通滤波器可以在高截止频率处具有-3dB的截止。由带通滤波器34对测得压力信号P(k)meas进行滤波,以生成滤波后的压力信号P(k)滤波,然后将该滤波后的压力信号P(k)滤波与期望振荡器压力信号P(k)ref进行比较,从而生成振荡器压力误差信号P(k)误差。由低通滤波器38对活塞位移信号x(k)meas进行滤波,以生成滤波后的位移信号x(k)滤波
定心环路36和振荡器压力环路32可以进一步分别包括振荡器压力环路比例积分PIp控制器40和定心环路PIx控制器60,理想地,振荡器压力环路比例积分PIp控制器40和定心环路PIx控制器60被配置为对振荡器压力误差信号P(k)误差和位移误差信号x(k)误差中的相应信号进行滤波,以将这些误差驱向零,并另外限制相应PIp控制器40和PIx控制器60的积分分量中的饱卷。积分部件中的饱卷通过使用输出电压的已知饱和限、定心环路36的比例分量以及输出电压的压力分量来管理。这些分量相加和/或相减,从而以步进为基础建立积分限。以此方式,来自PIp控制器40和PIx控制器60中每一个的输出的和被限制,以避免超出电压饱和限,并且保持振荡器控制器30注意电流放大器28处于饱和状态的时间。
正如早先所提及的,从期望振荡器压力P(k)ref信号中减去滤波后的压力信号P(k)误波,以便确定振荡器压力环路32的误差。期望振荡器压力P(k)ref信号是合成的周期信号,该信号的频率、振幅和/或占空比可能会随患者通气机系统的期望工作参数并且基于患者12的响应而改变。振荡器压力误差信号P(k)误差被振荡器压力环路32的PIp控制器40滤波,其中通过使用输出电压控制的已知饱和限电压和振荡器压力环路32的比例分量来对积分分量中的饱卷进行限制。对定心环路36的位移输出信号V(k)x与振荡器压力环路32的压力输出信号V(k)p求和,以提供作为电压或电流控制信号的振荡器命令信号V(k)O,来调节HFOV 26的活塞70。
使用以上所述的布置,振荡器控制器30能够对压力振荡的频率和/或振幅进行稳定且准确的控制,同时提供在活塞70的冲程限之内为活塞70的准确定心,从而使压力振荡的大小可以针对任意设置频率被最大化。除此之外,振荡器控制器30被配置为提供在开始工作时将活塞70自动复位至其中心位置,紧接着振荡逐渐增加到期望或指定振幅,从而避免PI补偿器饱和,并且维持控制系统10的稳定性。为此,滤波器可以对控制设置中的变化进行缓冲,以便从先前的设置缓慢过渡到新的设置。设置的这种变化可以应用到频率、压力振幅和/或占空比以及MAP的变化。
仍参考图1,MAP控制器42包括利用滤波后的患者管路压力Pc以准确地控制MAP的MAP调节环路44。此外,MAP调节环路44提供用于为准确的MAP控制而隔离或衰减由振荡器压力环路所引起的压力振荡的手段。MAP调节环路44调节与患者管路14及HFOV 26流体相通的呼气阀52。由HFOV 26传送的潮气量Qp与气体源18提供的偏流Q一起被呼气阀52控制的呼气流量Q排出抵消。
MAP调节环路44优选包括低通滤波器46,该低通滤波器46被配置为以使由振荡器压力环路32引起的振荡的衰减最大化同时使MAP调节环路42的响应最大化的方式,来对压力传感器22所生成的测得压力信号P(k)meas进行滤波。低通滤波器46可以被配置为任意合适的高阶、锐截止滤波器,例如相对于期望MAP信号具有-3dB截止的六极点滤波器。可替换地,可以使用八阶椭圆滤波器或任何其它合适的高阶、锐截止低通滤波器。将滤波后的压力信号P(k)误波与期望MAP信号P(k)ref进行比较,其中期望MAP信号P(k)ref可以是预编程的信号或用户输入的信号。MAP环路误差信号P(k)误差是响应于滤波后的压力信号P(k)滤波与期望MAP信号P(k)ref之间的差而生成的。
然后,MAP环路误差信号P(k)误差由积分控制器48进行滤波,积分控制器48具体被配置为将该误差驱向零,并将MAP环路误差信号P(k)误差的积分作用限制在呼气阀致动器50或驱动器的电压饱和限之间。积分控制器48生成可以是电压或电流控制信号的呼气阀命令信号V(k)M,以针对振荡以及在患者Y形支架20处引入的偏流Q来调节呼气阀52上的压力或流动面积。以此方式,MAP调节环路44提供用于对患者处的MAP进行控制的稳定且准确的手段。
这里还公开一种用于对定心环路36进行初始化的方法,其中增量(即,相对)型的活塞位置传感器72最初随着活塞在开环控制下缓慢移动到其全冲程正向位置而检测活塞70的位置。在完成这个动作之后,活塞位置传感器72测量并记录活塞70的位移量。将该测量结果与活塞70的已知全冲程进行比较,并将该测量值用于计算和校正活塞位移信号x(k)meas,使得在活塞70处于中心时活塞位移信号x(k)meas为零(0)。可替换地,位置传感器72可以是绝对型的位置传感器,由此初始校准操作不需要确定中冲程。通过提供校正测得活塞位移与实际活塞位移之差的能力,可以更加准确地为活塞70定心,从而允许使任意设置频率下的活塞70振幅最大化。
现在描述本发明的控制系统10的操作。使用合适的压力传感器22测量患者管路14处的压力,以便生成测得压力信号P(k)meas。测得压力信号P(k)meas由带通滤波器34进行滤波,并与期望振荡器压力信号P(k)ref进行比较,以响应于该比较而生成压力输出信号V(k)p。同样地,利用活塞位置传感器72对活塞70位移36进行测量,并且响应于该测量而生成活塞位移信号x(k)meas。活塞位移信号x(k)meas由低通滤波器38进行滤波,以产生滤波后的位移信号x(k)滤波,然后从作为期望活塞70位置的零(0)中被减去,以生成位移输出信号V(k)x
测得压力信号P(k)meas和活塞位移信号x(k)meas优选被滤波,从而使它们的频带不重叠且不冲突,然后通过振荡器压力环路PIp控制器40和定心环路PIx控制器60,并被合并以生成振荡器命令信号V(k)O,以调节活塞70的运动,从而满足为活塞定心和压力调制这两个控制目标。优选地,测得压力信号P(k)meas被滤波以将其带宽限制在预定的过渡频率与限制频率之间,从而减少与定心环路36的相互作用,并限制环路高频噪声的传播。同样地,活塞位移信号x(k)meas被滤波以将该活塞位移信号x(k)meas的带宽限制在静态过渡频率和预定过渡频率之间,以减少与振荡器压力环路32的相互作用。以此方式,高频压力振荡的频率和振幅可以得到准确调制,同时提供活塞的最大端到端冲程,以允许最大化压力振荡。
正如早先所提及的,通过在闭环电路MAP调节环路42中使用测得患者管路压力Pc反馈便于患者12处的MAP调节。测得压力信号P(k)meas被滤波,并且从期望振荡器压力信号P(k)ref中减去滤波后的压力信号P(k)滤波,以生成MAP压力误差信号P(k)误差。然后,MAP压力误差信号P(k)误差通过积分控制器48被滤波,以便生成电流或电压信号形式的呼气阀命令信号V(k)M,以驱动阀致动器50。在维持压力振荡添加于其上的期望的MAP时,呼气阀命令信号V(k)M与、呼气阀52所需的压力量或流动面积以及偏置流量Q的结合成比例。此外,低通滤波器46中截止频率的选择允许将MAP调节环路42与振荡器压力环路32所控制的压力振荡隔离开,从而避免环路之间的冲突响应。
对本领域技术人员来说,本发明的其它修改和改进是很明显的。因此,这里所描述和示出的部件的特定组合仅意在表示本发明的特定实施例,并不意在作为本发明精神和范围内的可替换设备或方法的限制。

Claims (21)

1、一种用于高频振荡通气机HFOV的控制系统,所述高频振荡通气机具有往复式活塞,并且可连接至患者以向该患者提供气道压力,所述控制系统包括:
包括闭环控制电路对的振荡器控制器,该闭环控制电路对包括振荡器压力环路和定心环路,所述振荡器压力环路和所述定心环路共同适于调节活塞往复的频率和振幅以及为所述活塞定心;以及
平均气道压力MAP控制器,包括适于调节所述患者处的MAP的闭环控制电路。
2、根据权利要求1所述的控制系统,进一步包括:
活塞位置传感器,被配置为测量所述活塞的位置,并响应于该测量而生成活塞位移信号,以传送给所述定心环路;以及
压力传感器,被配置为测量所述患者处的压力,并响应于该测量而生成测得压力信号,以传送给所述振荡器控制器;
其中:
所述振荡器压力环路被配置为确定所述测得压力信号与期望振荡器压力信号之间的差,并响应于该确定而生成振荡器压力误差信号;
所述定心环路被配置为确定所述活塞位移信号与作为期望活塞位置的零之间的差,并响应于该确定而生成位移误差信号;
所述振荡器压力信号和所述活塞位移信号被结合以生成用于调节所述活塞的往复运动的振荡器命令信号。
3、根据权利要求2所述的控制系统,其中所述活塞位移信号和所述测得压力信号以这两个信号的频带不重叠的方式各自被滤波。
4、根据权利要求3所述的控制系统,其中:
所述定心环路包括具有定心环路滤波器截止频率的一阶低通滤波器;
所述振荡器压力环路包括二阶带通滤波器,所述带通滤波器具有一般与所述定心环路滤波器截止频率相等的低截止频率,所述带通滤波器具有限制所述振荡器压力环路中的噪声传播的高截止频率。
5、根据权利要求4所述的控制系统,其中:
所述带通滤波器包括与单极点低通滤波器串联连接的单极点高通滤波器;
所述单极点高通滤波器在所述定心环路滤波器截止频率处具有-3dB的截止;
所述单极点低通滤波器在所述高截止频率处具有-3dB的截止。
6、根据权利要求4所述的控制系统,其中所述定心环路和所述振荡器压力环路中的每一个环路均包括比例积分PI控制器,所述比例积分PI控制器被配置为对所述振荡器压力误差信号和所述位移误差信号中相应的信号进行滤波,以将包含在所述振荡器压力误差信号和所述位移误差信号中的误差驱向零,并限制相应的PI控制器的积分分量的饱卷。
7、根据权利要求2所述的控制系统,其中所述活塞位置传感器被配置为位移变换器。
8、根据权利要求2所述的控制系统,其中所述压力传感器被配置为压力变换器。
9、根据权利要求1所述的控制系统,进一步包括:
压力传感器,被配置为测量患者处的压力,并响应于该测量而生成测得压力信号,以传送给所述MAP控制器;
其中:
所述MAP控制器包括MAP调节环路,所述MAP调节环路具有与患者及所述HFOV流体相通的呼气阀;
所述MAP调节环路被配置为确定所述测得压力信号与期望MAP信号之间的差,并响应于该确定而生成MAP环路误差信号,以驱动所述呼气阀。
10、根据权利要求9所述的控制系统,其中所述MAP调节环路包括低通滤波器,所述低通滤波器被配置为以使由所述振荡器压力环路引起的振荡衰减最大化并使所述MAP调节环路的响应和准确度最大化的方式来对所述测得压力信号进行滤波。
11、根据权利要求10所述的控制系统,其中所述MAP调节环路低通滤波器被配置为相对于所述期望MAP信号具有锐截止的高阶滤波器。
12、根据权利要求1所述的控制系统,其中所述MAP调节环路进一步包括积分控制器,所述积分控制器被配置为接收所述MAP环路误差信号,将所述MAP环路误差信号中的误差驱向零,并将所述积分控制器中的积分作用限制在所述呼气阀的电压饱和极限之间。
13、根据权利要求1所述的控制系统,其中所述HFOV包括:
壳体组件;
线性致动器,固定安装在所述壳体组件中;
线性线圈,以同轴的方式布置在所述线性致动器内,并且具有沿轴向延伸通过所述线性致动器的、用于以可滑动方式支撑所述线性致动器上的线性线圈的推杆;
活塞,安装在所述推杆上;
隔膜,以可操作方式可接合到所述活塞,并以密封方式将所述壳体组件划分为第一侧和第二侧,所述线性线圈和所述线性致动器被布置在所述第一侧,所述隔膜具有形成在所述隔膜的边缘附近的深半径凹槽,并且所述隔膜被配置为在所述活塞的往复期间不反转;以及
开口,形成在所述第二侧,并且流体连接至患者,以向该患者传送气体;
其中:
所述线性线圈和所述线性致动器合作,来以在患者处的所述气体中交替产生正压波和负压波的方式实现所述隔膜的往复。
14、一种调节具有呼气阀的患者通气机系统中的活塞运动和平均气道压力MAP的闭环方法,所述方法包括以下步骤:
测量患者处的压力,并响应于该测量而生成测得压力信号;
将期望振荡器压力信号与所述测得压力信号进行比较,响应于该比较而生成压力输出信号;
测量活塞位移,并响应于该测量而生成活塞位移信号;
从作为期望活塞位置的零减去所述活塞位移信号,并响应于该减去而生成位移输出信号;
将所述压力输出信号与所述位移输出信号合并,并响应于该合并而生成振荡器命令信号,以调节所述活塞运动;以及
将期望MAP信号与所述测得压力进行比较,并响应于该比较而生成呼气阀命令信号,以调节患者处的MAP。
15、根据权利要求14的方法,进一步包括对所述测得压力信号和所述位移输出信号进行滤波以使所述测得压力信号和所述位移输出信号的频带不重叠的步骤。
16、一种使用包括振荡器压力环路和定心环路的振荡器控制器来调节患者通气机的振荡器活塞的运动的方法,所述方法包括以下步骤:
在所述振荡器压力环路中:
测量患者处的压力,并生成表示该患者处的压力的测得压力信号;
对所述测得压力信号进行滤波以将所述测得压力信号的带宽限制在预定过渡频率和噪声限制频率之间,并响应于该滤波而生成滤波后的压力信号;
接收期望振荡器压力信号;
对所述滤波后的压力信号与所述期望振荡器压力信号求和,并响应于该求和而生成振荡器压力误差信号;以及
通过振荡器压力环路比例积分PIp控制器对所述振荡器压力误差信号进行滤波,并响应于该滤波而生成压力输出信号;以及
在所述定心环路中:
测量活塞位置,并生成表示该活塞位置的活塞位移信号;
对所述活塞位移信号进行滤波以将所述活塞位移信号的带宽限制在静态频率和所述预定过渡频率之间,并响应于该滤波而生成滤波后的位移信号;
从作为期望活塞位置的零减去所述滤波后的位移信号,并响应于该减去而生成位移误差信号;
通过定心环路比例积分PIx控制器对所述位移误差信号进行滤波,并响应于该滤波而生成位移输出信号;
对所述压力输出信号与所述位移输出信号求和,并响应于该求和而生成振荡器命令信号,以驱动所述活塞运动。
17、根据权利要求16所述的方法,其中所述测得活塞位移信号使用在所述过渡频率处具有-3dB截止的一阶低通滤波器来被滤波。
18、根据权利要求16所述的方法,其中所述测得压力信号使用二阶带通滤波器来被滤波,所述带通滤波器具有一般与所述定心环路低通滤波器截止频率相等的低截止频率,并且所述带通滤波器具有限制所述振荡器压力环路中的噪声传播的高截止频率。
19、根据权利要求16所述的方法,进一步包括:
使所述期望振荡器压力信号的频率设置、幅度设置和占空比设置中的至少一种设置改变;
以放慢从先前设置改变的速率的方式来对所述期望振荡器压力信号的设置的改变进行滤波。
20、根据权利要求16所述的方法,其中所述患者通气机包括呼气阀,该呼气阀用于使用MAP调节环路来调节该呼气阀处的MAP,所述方法进一步包括以下步骤:
接收所述MAP调节环路处的测得压力信号;
以使由所述振荡器压力环路引起的振荡的衰减最大化并且使所述MAP调节环路的响应最大化的方式,来对所述测得压力信号进行滤波,并响应于该滤波而生成滤波后的压力信号;
接收所述MAP调节环路处的期望MAP信号;
从所述期望MAP信号减去所述滤波后的压力信号,并响应于该减去而生成MAP压力误差信号;
通过积分控制器对所述MAP压力误差信号进行滤波,并响应于该滤波而生成呼气阀命令信号,以驱动所述呼气阀。
21、根据权利要求20所述的方法,其中所述测得压力信号使用具有锐截止频率的高阶低通滤波器来被滤波。
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