CN101784229A

CN101784229A - 用在呼吸测量系统中的电-气动组件

Info

Publication number: CN101784229A
Application number: CN200880104431A
Authority: CN
Inventors: D·斯坎波利
Original assignee: RIC Investments LLC
Current assignee: Philips RS North America LLC
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2028-08-28
Also published as: CN101784229B; JP5616221B2; EP2185069A4; WO2009029732A1; EP2185069B1; US20090062673A1; JP2010537742A; EP2185069A1

Abstract

一种用在呼吸测量系统中的电-气动组件(100)，其包括壳体(210)，所述壳体(210)具有在其中限定的多个通道(212、214、216、218)和形成空腔(220)的多个壁(224)。壳体包括上表面(215)、下表面(225)和在壳体的下表面中限定的多个孔。盖子(250)附贴至壳体的上表面以封闭所述空腔从而形成腔室，并且封闭所述通道从而形成多个管道。控制部件(320)可操作地耦合至所述多个孔中的至少一个孔，并且测量部件(352、354)可操作地耦合至多个孔中的至少一个孔。该组件提供了简单、坚固的部件用于管理呼吸测量系统的气动。

Description

用在呼吸测量系统中的电-气动组件

优先权声明

根据35U.S.C.§119(e)的条款，本申请要求于2007年8月29日提交的美国临时专利申请No.60/968,732的权益，并且根据35U.S.C§120/365的条款，本申请要求于2008年8月22日提交的美国申请No.12/196,358的权益。

技术领域

本发明涉及用在呼吸测量系统中的集成的电-气动组件和组装其的方法。

背景技术

在麻醉给药期间、在重症护理环境中以及在训练项目的进程和其它医学测试之前或者期间对运动员和其他个人的身体状况监控中的呼吸流量和压力测量提供对于评定心肺功能和呼吸回路完整性的有价值信息。已经应用许多不同技术来创建流量和/或压力传感器，以尝试满足这些环境的苛刻要求。

虽然已知各种其他类型的流量测量装置，但常规上差压流量传感器已经用于获得呼吸流量测量结果。通常执行压力监测以测量所递送(即，吸入的)的气体的压力、呼出的气体的压力或者二者。流量测量提供流率和诸如潮气量的体积信息。压力和流量监测可以与呼吸气体测量一起使用或结合使用以评定诸如氧消耗、二氧化碳消除以及甚至心脏输出或肺部毛细管血液流量的其它呼吸参数。

差压流量传感器基于伯努利原理工作，即也称作为“流量元件”的限制件(restriction)两端的压降与空气的体积流率成比例。由差压传感器来测量压降。流量和限制件或对气流的其它阻力件两端的压降的关系取决于阻力件的设计。在一般称为“呼吸速度测定器(pneumotach)”的一些差压流量传感器中，流量限制件创建流量和压力差之间的线性关系。这种设计包括Fleisch呼吸速度测定器，其中该限制件包括许多小管或精细屏幕以确保层流和对流量的更线性响应。流量传感器的另一物理配置是提供流量限制件，其具有尺寸或形状相对于流量变化的孔口。

通常的基于差压的流量传感器包括连续设置在呼吸导管中的流量元件。压差传感器位于流量元件处或附近。管道将差压传感器与流量元件相连，从而使得压力传感器与气体流在流量限制件的每侧上流体连通。更具体地，流体元件包括在流量限制件的每侧上的压力去除端口，并且管道在差压传感器的每侧的每个端口处传递压力。典型地，用若干英尺的柔性、小孔、双或三管腔管道将流量元件连接至差压传感器。

为了在临床环境中维持性能和功能，呼吸测量系统除了测量功能之外还包括归零和净化功能。差压换能器和表压换能器用于流量测量和气道压力测量。在紧急护理环境中执行流量和气道压力测量持续几天到几周时间。然而，由于包括温度改变的因素，压力传感器内在地漂移。结果，需要周期性归零以确保恰当地校准流量和压力传感器。归零或重新校准差压传感器通常必须将差压换能器的两侧暴露于相同压力，通常为大气。归零或重新校准表压换能器通常需要将表压换能器的电路侧暴露于大气压。这样，归零功能通常需要使用放置在流量元件和差压和/或表压换能器之间的阀门。

此外，基于差压的流量传感器通常用在诸如紧急或重症护理单元的临床环境中，其通常在到达或来自患者的气流中包括高湿度。在气流中的高湿度能够导致在压力传输管道中湿气的冷凝，而不管是否加热压力传输管道或呼吸导管的任意部分。最初，冷凝可以导致阻尼和失真的压力信号，并且如果不将其清除，能够导致管道的完全阻塞。因此，利用来自压缩气体源或泵的空气周期性地净化压力传输管道以便降低冷凝在压力和流量测量方面的不利影响。

与需要用于归零和净化功能的阀门和互连相关的复杂性导致常规呼吸测量系统“庞大”，多件组件难以组装或组装成本高昂并且具有许多必须由手动进行的复杂气动连接。此外，不同部件之间相对大数目的气动连接导致在这些连接处泄露的较大可能性。这种泄露不利地影响测量并且导致气动路径中增加的可变性，从而增加尤其是在有负载条件(例如，低适应性、较高压力)下的测量的可变性。

在常规呼吸测量系统具有这些问题的前提下，期望提供一种具有成本效率、容易组装的呼吸测量解决方案，其利用常规呼吸测量系统解决了下列问题中的一个或多个：(a)消除必须手动进行的气动连接；(b)提高长期可靠性；(c)改善性能；以及(d)通过降低压力传输管道路径之间的可变性来改善单元间(inter-unit)的可重复性。

发明内容

因此，本发明的一个目标是提供用在呼吸测量系统中的电-气动组件，其克服了常规呼吸测量系统的缺点。根据本发明的一个实施例，该目标是通过提供一种用在呼吸测量系统中的电-气动组件是实现的，其包括壳体，该壳体具有在其中限定的多个通道和形成空腔的多个壁。所述壳体包括上表面、下表面和在所述壳体的所述下表面中限定的多个孔。盖子附贴至壳体的上表面以封闭所述空腔从而形成腔室，并且封闭所述通道从而形成多个导管。控制部件可操作地耦合到所述多个孔中的至少一个孔并且测量部件可操作地耦合到所述多个孔中的至少一个孔。该组件提供了简单、鲁棒性强的部件用于管理呼吸测量系统的气动。

在参照附图考虑下面的说明和随附权利要求基础上(所有这些形成该说明书的一部分，其中类似的标号在各个附图中指示对应的部分)，本发明的这些以及其他目标、特征和特性，以及操作方法和结构的相关元件的功能及部分的组合以及制造经济性将变得清晰。然而，应该清楚的明白，附图仅是为了图示说明和描述的目的并且并不旨在作为本发明的限制定义。除非上下文中清楚说明，否则在说明书和权利要求中所用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数的对象。

附图说明

图1是与个人的气道连通的呼吸导管的示意性表示并且其具有可操作地耦合到其上的呼吸速度测定器和本发明的电-气动组件；

图2是用在流量/压力测量系统中的电-气动组件的透视图；

图3是在图2中的电-气动组件的分解视图；

图4是在图1中的电-气动组件的壳体部分的透视图；

图5是在图4中的壳体的下表面的透视图；

图6是在图5中的壳体的上表面的俯视图；以及

图7是图中的壳体的下表面的仰视图。

具体实施方式

参照图1，描绘了呼吸导管10。在本发明的示例性实施例中，呼吸导管10是包括一端12处的患者接口的呼吸回路(也称作为患者回路)。患者接口是适于将呼吸导管耦合成与个人I的气道A流体连通的侵入性或非侵入性的任意设备，例如气管插管、气管导管、鼻罩、鼻/口罩或鼻导管。如所描绘的，将呼吸导管10的一端12放置为与气道A连通，而呼吸导管的另一端14向要被个人I吸入的气体源开放。本发明预期，源或气体可以是诸如现有技术中已知的大气、氧源、通风机、压力支持系统(例如，CPAP、双水平压力支持系统、自动滴定压力支持系统)、其它气体源(例如，氦氧混合气)的任意气体源。

呼吸导管10包括沿着其长度放置的至少一个气道适配器20，其包括限定了压力和/或流量传感器部件的流量限制件。管道30也在图1中示出，其提供气道适配器和包含电-气动组件100的呼吸监视器50之间的流体连通，其将在下面参照图2-7详细讨论。适于与本发明一起使用的气道适配器的示例在美国专利No.5,789,660、6,312,389和7,174,789中教导，这些专利的内容通过引用包含于此。

图2描绘一种适于用在根据本发明的原理的呼吸测量系统中的电-气动组件100。电-气动组件100包括壳体组件200、电路板组件300和流量递送部件285，该流量递送部件包括泵支持部290和泵294。电-气动组件的所有部件是在使用之前组装的。可以预期包括诸如压缩气体源的其它流量递送部件用于电-气动组件。壳体组件200和电路板组件300组装时，测量和控制部件与导管流体连通并且彼此连通。如在下面详细讨论的，流量递送部件285与压力腔室流体连通，该压力室与患者的呼吸回路中的适配器的管道流体连通。

本发明允许用在呼吸测量系统中的壳体的整体构建。该壳体容易地组装成流量/压力测量系统并且合并了常规流量/压力测量系统的所有功能。由于将所有管道和压力容器并入到单一低成本壳体中，因此流量测量系统的尺寸、组装复杂性和成本(至少部分地)显著降低，并且同时消除了对于个体单元平衡的需要。这样，本发明的流量/压力测量系统最大化了制造的容易程度。

图3描绘电-气动组件100的分解视图。壳体组件200包括基本上刚性的壳体210和基本上平面的盖子250。壳体210包括上表面215和下表面225。盖子250包括内表面254和外表面252。壳体210还包括用于传输压力或流量的多个通道、用作流量/压力储存器的空腔、与至少一个通道流体连通的多个开口以及(任选地)与所述空腔流体连通的多个开口。壳体组件200包括在之前已知的呼吸流量/压力测量设备中所需要的所有必须的气动连接和体积并在“单一”部分中提供所有这些元件。

如在图3-7中所示，壳体盖子250的内表面254附贴至壳体的上表面以封闭空腔220，从而形成腔室。当盖子封在壳体之上时，也形成多个导管。关于本发明，壳体组件200的壳体210和盖子250利用足够硬的塑料制成以维持维度稳定性和精密公差。壳体210和盖子250的示例性材料包括诸如ABS、聚碳酸酯(PC)、PC/ABS混合物和丙烯酸的热塑性塑料。

示例性壳体组件200不需要工具来组装到电路板300上也不需要工具将气动连接至测量和控制部件。壳体210和盖子250优选地通过超声焊接接合并且优选地具有相同材料并且材料为诸如非晶态聚合物的适于超声焊接。可选的解决方案包括溶剂粘合、环氧树脂、粘合剂和使用冲切标签，从而使得通道不暴露于粘合剂。

超声组装过程取决于通过热塑性塑料部分以在接合区域生成摩擦热的能量传输。与盖子的粘合是使用在称作为能量引导器的壳体中的三角结构生成的，其中该能量引导器铸模在接合表面上，该接合表面是通道之间的外壁和内壁。能量引导器的主要目的是“聚集能量以快速地启动接合表面的软化和融化”。如果通过超声焊接接合，本发明预期将盖子的粘合表面与纹理表面铸模以通过增加部分之间的摩擦改善焊接质量。

电路板组件300包括测量部件、控制部件、接口部件和组装到电路板310上的相关电子器件。在示例性实施例中，控制部件包括阀320，并且测量部件包括压力换能器352和354。适于用在本发明中的阀的商业示例是从Lee Company(Westbrook，CT)和Parker Pneutronics(Hollis，NH)可获得的双通或三通微型电磁阀。在示例性实施例中，阀是8mm宽、9mm高和24mm长，并且包括三个端口以允许其与具有1/16”内径的管道或歧管接口。将压力换能器354配置为测量差压并且将压力换能器352配置为测量表压力。适于用在本发明中的压力换能器的商业示例可从Honeywell和AllSenors(Morgan Hill，CA)获得。

接口部件包括电连接器325、326、327、328和329。电连接器325与泵294的连接器部分接口。电连接器325提供用于未来扩展的接口。电连接器327提供用于光学检测的接口。电连接器328提供普通的I/O和功率连接至主机系统。本发明预期将电-气动组件100接合至其它监测部件并计算从利用这些其它部件和电-气动组件100进行的测量导出的参数。同样地，电连接329为分离的监测部件提供连接，该监测部件在示例性实施例中为Capnostat 5传感器或Quo传感器(均来自Respironics，Inc)。利用来自这些传感器的气体波形数据，结合由电-气动组件100执行的流量和压力测量，可以使用在电路板310上的处理器或在主机系统上的处理器得到诸如氧消耗、二氧化碳消除、死区(dead space)以及来自体积气体波形的斜率和角度的体积气体测量。电路板310还包括槽孔311、312和313以允许壳体组件200与电路板300的简单组装。

在图3中还描绘了阀密封件330、换能器密封件340、泵过滤器292、泵支撑件290和泵294。阀密封件330与阀320的端口和在壳体210的底部表面上的阀连接端口260(参见图5)的内径压配合，以生成在每个阀端口和阀连接端口之间基本不泄露的连接。还示出了也是压配合的换能器密封件340，并且其用于将压力换能器352和354的两个端口与各自连接端口233、234和235、236(参见图5)相连接。用于换能器密封件和阀密封件的示例材料包括硅树脂、丁腈橡胶、EPDM、和聚氨酯。要注意，虽然为了便于组装优选压配合组装，但是可以使用诸如粘接的其它方法接合。泵过滤器292压配合到泵支撑件290中并且具有泵过滤器292的组装的泵支撑件290插入到壳体210的开口230中。用于泵过滤器的示例性材料包括烧结的聚乙烯、多孔金属和烧结的多孔金属。

图4和图5描绘壳体210的上部和下部透视图。壳体210包括插入式锁闩(snap latch)240、242、244和246，其每个包括具有偏斜的凸块的悬梁。为了将壳体组件200与电路板组件300组装起来，插入式锁闩240、242、244、246分别插入到在电路板310中的槽孔311、312和313中(要注意，接收插入式锁闩246的第四槽孔在图中未示出)。为了图示说明的目的，插入式锁闩242(以及其它插入式锁闩)的凸块245包括形成与槽孔311匹配的90°钩状物的表面243，其还具有在侧部具有窗体的90°凹槽，以允许插入式锁闩242脱离以便于通过垂直力的应用来拆卸。在壳体210上提供支架231和232以提供在组装和操作期间结构的稳定性。倒钩配件226和228用作将电-气动组件100与输入管道接合并且从而用作差压和气道压力测量的输入端口。通道212、214、216和218提供测量和控制部件之间的流体连接。

图6和7是壳体210的俯视图和仰视图，其中清晰描绘了开口和通道。连接端口226和228与在患者呼吸回路中的气道适配器20流体连通。连接端口226与适配器的通风机侧(在机械通风的患者情况下)或大气侧(在自主呼吸的患者情况下)流体连通并且与通道216和其各自的阀连接端口和开口流体连通。连接端口228与适配器的患者侧和阀连接部分266流体连通。通道212包括分别与换能器连接端口234和236以及阀连接端口268、271和272流体连通的开口279、281、283、285和286。通道214包括分别与换能器连接端口235和阀连接端口267和269流体连通的开口280、282和284。通道216包括与连接端口226和阀连接端口263流体连通的开口287和277。通道218包括开口276和275并且与空腔220流体连通。开口276和275分别与阀连接端口262和265流体连通。阀连接端口233和234与压力换能器352的相应端口流体连通。阀连接部分235和236与压力换能器354的相应端口流体连通。

在所示的实施例中，所有四个阀是三通电磁阀。然而，这些阀的两个用作三通阀并且两个用作二通阀。连接部/开口261、267和268与用作二通阀的第一阀相关。连接部/开口262、263和269与用作三通阀的第二阀相关。连接部/开口264、270和271与用作二通的第三阀相关。连接部/开口265、266、272与用作三通的第四阀相关。还要注意，连接部261和264是死端(dead-ended)。开口270与大气通风端口256流体连通。本发明具有：(a)与净化系统完全集成的气动歧管；(b)较小的底座；(c)穿过气动部到达压力换能器的较短的路径长度；和(d)使用这样的超声焊接方法的新颖组装方法。

在图2-7中示出的示例性电-气动组件100允许在要以可靠的成本效率解决方案实现的呼吸测量系统中所需要的测量、归零和净化功能。测量功能是通过使得在压力换能器352和354与连接器226和228之间能够流体连通来执行的。归零功能是通过使得压力换能器的端口和大气之间能够流体连通以及在差压换能器354的情况下使得相同压力换能器的每个端口之间也能够流体连通来执行的。

壳体组件200包括体积，其在若干秒的期间是受压的并且压力释放使得能够带来更有效的净化功能。该体积是由壳体210的空腔220和盖子250的部分形成的。空腔220包括壁224并且被盖子250封闭以产生用作压力容器的腔室。当泵294启动时递送空气到该腔室中。连接至在通道218中的开口的阀保持关闭直到该腔室充分受压。如果要净化气道适配器的通风机侧上的管道，则阀开启开口276和277之间的路径。如果要净化气道适配器的患者侧上的管道，则阀开启开口275和阀连接部分266之间的路径。

本发明的电-气动组件允许简单组装，组装的步骤概述如下：

1、接合壳体210和盖子250；

2、使阀密封件和换能器密封件压配合到歧管组件的底部面上的气动端口中；

3、安装泵过滤器292(压配合)到泵支撑件290中；

4、将组装的具有泵过滤器292的泵支撑件290推入到壳体组件200的开口230中；

5、将电路板310与“装载的”壳体组件200接合(例如，插接)到一起；

6、将泵294插入到泵支撑件290中；

7、将泵294电连接到电路板连接器325；

8、将大气通风过滤器258压入到壳体组件200的开口256中；

通过本发明实现的优点包括：

(1)单片设计，其包含所有气动件、气动连接、电路板安装连接和用于净化的压力容器。

(2)较高性能——较少内部体积、不需要平衡、几乎避免与主要管道系统相关的泄露。

(3)低成本——大于从机械歧管到铸模设计每片成本的降低幅度的量级。

(4)容易制造——设计允许在5分钟内的设备的完全组装。

要注意，虽然上面将本发明描述为包含流量和压力感测能力二者，但是本发明预期可仅提供这些功能的一种。在这种情况下，可以使用相同的部件配置，但是可以阻止或去除诸如开口和传感器的不需要的元件。相反地，本发明还预期在电-气动组件100中提供诸如温度、湿度、pH、或其它气体监测功能的附加功能。当然，能够提供多于一种类型的功能，例如多流量或压力测量。在这种情况下，端口、传感器和通道的数目适当的增加。

虽然为了图示说明的目的已基于目前认为是最实用和优选的实施例对本发明进行了详细描述，但是应该理解这样的细节仅是为了图示说明的目的，并且本发明不限于所公开的实施例，而是相反地，本发明意在覆盖在随附权利要求的精神和范围内的修改和等同布置。例如，应该理解本发明预期任意实施例的一个或多个特征能够最大程度地与任意其他实施例的一个或多个特征结合。

Claims

1.一种用在呼吸测量系统中的电-气动组件(100)，包括：

(a)壳体(210)，其具有在其中限定的多个通道(212、214、216、218)和形成空腔(220)的多个壁(224)，其中，所述壳体包括上表面(215)和下表面(225)，其中，在所述壳体的所述下表面中限定多个孔，并且孔限定在所述壳体中并且适于与压力源流体连通；

(b)盖子(250)，其具有内表面和外表面，其中，所述内表面附贴至所述壳体的所述上表面以封闭所述空腔从而形成腔室，并且封闭所述通道从而形成多个导管；

(c)控制部件(320)，其可操作地耦合到所述多个孔中的至少一个孔；以及

(d)测量部件(352、354)，其可操作地耦合到所述多个孔中的至少一个孔。

2.根据权利要求1所述的电-气动组件，还包括与所述腔室流体连通的流量递送部件(285)。

3.根据权利要求2所述的电-气动组件，其中，所述流量递送部件是泵(294)。

4.根据权利要求1所述的电-气动组件，其中，所述测量部件是压力传感器、流量传感器或压力传感器和流量传感器二者。

5.根据权利要求1所述的电-气动组件，其中，所述控制部件是阀。

6.根据权利要求1所述的电-气动组件，其中，所述控制部件包括多个阀，并且其中，所述测量部件包括多个传感器。

7.根据权利要求1所述的电-气动组件，其中，所述盖子基本是平面的。

8.根据权利要求1所述的电-气动组件，其中，所述壳体基本是刚性的。

9.根据权利要求1所述的电-气动组件，还包括电路板(300)，其中，所述控制部件、所述测量部件和所述壳体附贴至所述电路板。

10.一种用在呼吸测量系统中的电-气动组件(100)，包括：

(a)壳体(210)，其具有第一表面(215)和在所述第一表面中限定的多个通道(212、214、216、218)和空腔(220)；

(b)连接装置(226、228)，其用于将所述多个通道和所述空腔耦合成与气道适配器流体连通；

(b)覆盖装置(250)，其用于覆盖所述第一表面以封闭所述空腔从而形成腔室，并且封闭所述通道从而形成多个导管；

(c)流量控制装置(320)，其用于控制所述多个通道中的流体流量；以及

(d)测量装置(352、354)，其可操作地耦合至所述多个通道以便测量通过所述气道适配器的气体特性。

11.根据权利要求10所述的电-气动组件，还包括与所述腔室流体连通的流量生成装置(285)，用于向所述腔室提供气体。

12.根据权利要求10所述的电-气动组件，其中，所述测量装置是压力传感器、流量传感器或压力传感器和流量传感器二者。

13.根据权利要求10所述的电-气动组件，其中，所述流量控制装置是阀。

14.根据权利要求10所述的电-气动组件，其中，所述壳体基本是刚性的。

15.根据权利要求10所述的电-气动组件，还包括电路板，其中，所述流量控制装置、所述测量装置和所述壳体附贴至电路板。

16.一种用于组装用在呼吸测量系统中的电-气动组件(100)的方法，包括：

提供壳体(210)，所述壳体具有在其中限定的多个通道(212、214、216、218)和形成空腔(220)的多个壁(224)，其中，所述壳体包括上表面(215)和下表面(225)，其中，在所述壳体的所述下表面中限定多个孔，并且孔限定在所述壳体中并且适于与压力源流体连通；

提供盖子(250)，所述盖子具有内表面和外表面；

将所述盖子的所述内表面附贴至所述壳体的所述上表面以封闭所述空腔从而形成腔室，并且封闭所述通道从而形成多个导管；

将控制部件(320)耦合到所述多个孔中的至少一个孔；以及

将测量部件(352、354)耦合到所述多个孔中的至少一个孔。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括将所述控制部件、所述测量部件和所述壳体耦合到电路板。