CN105433947A - 气动系统、流体分析系统及动压调整方法 - Google Patents

Abstract

一种气动系统、流体分析系统及动压调整方法。该装置、系统和方法包括连接流体分析单元的连接接口、连接泵送单元的连接接口、流量传感器和压力传感器。该装置、系统和方法还包括用于基于来自流量传感器和压力传感器的测量值计算泵冲程力或幅度和/或泵激频率以用于获取通过气动系统的恒流的控制单元。

Description

气动系统、流体分析系统及动压调整方法

技术领域

本发明总体上涉及气动系统，例如气动总管。更具体地，本发明涉及用于流体分析器和用于控制流经气动系统的流体的气动系统。本发明尤其涉及用于例如机械呼吸机、麻醉机或病人监控装置中的流体分析器从而检测呼出和/或吸入流体的组分的气动系统。

背景技术

在市场上的常规气动系统中，系统的不同组件(例如阀、泵、流量和压力传感器以及测量部件)通过金属或塑料管道和连接件流体连通。这些简单系统具有很多缺点，例如，管道和相连组件之间的很多接点增大了系统泄露的风险。大量的组件使得系统很复杂而难以组装，这样会增加成本并且会提高组件操作者造成错误的风险。

此外，由许多连接造成的流体通道上的死腔和尺寸变化会造成有害系统延迟、上升和下落时间的增大。

现有技术中，存在一些利用一体化设计方式的高端系统。这些系统使用总管而非管道来将至少部分流体分配至装置的不同组件。现有的高端系统仍然具有一些缺点，例如外部缓冲空间会被用在总管的外面从而试图获取无波动的流体流。上升和迟延时间都会很高。而且，现有的一体化设计将不能提供快速且准确的系统控制和调整。

旁流式气体分析器与病人呼吸回路连接，从呼吸回路中获得用作分析的气体样品的少部分样品流体。现有技术中，存在两种常见的隔膜泵技术，即活塞泵和音圈泵，其用于气体分析装置中以产生采样流量。活塞泵通过由旋转马达产生的活塞运动将定量的流体从一点传送至另一点。泵量是固定的，但是泵激频率可以变化从而获得所需的流体。

音圈泵通过音圈的运动传送定量的流体。这种技术通过改变冲程幅度和冲程频率从而改变泵量以获得所需的流体。

发生在机械通气病人的动态气体测量中的问题是病人回路中的压力将会在呼吸中发生变化，吸气阶段结束时，压力达到最大。对于自主呼吸病人，情况是相反的，压力会在呼气阶段达到最大。升高的压力压缩气体，如果没有补偿，会导致在较高的压力中大部分气体会被传送。

本技术领域现有技术的旁流式分析器试图在多次呼吸的平均周期保持恒流在中，并不会在呼吸周期中根据压力变化调整流量。当呼吸周期中不做调整，抽出的样品流在压力下会有几个百分比的变化。但是越来越多的主机设备和先进的临床参数计算会比现有技术要求更好的流量控制。

因此，改进的一体设计会具一些有优势，尤其是可以降低波动、改进上升、下落和迟延时间从而提供更好控制和系统调整。并且，相比于现有系统，一体设计更容易生产、应用并且更节能。

发明内容

因此，本说明书实施例为了降低、减小或消除例如上文单独或任意组合指出的本技术领域中的一个或多个缺陷、缺点或问题，根据所附的权利要求要求，提供一种装置、系统或方法以提供一种改进的气动系统，例如气动总管，该改进的气动系统可用于补偿动态压力变化的气体分析和泵调节设备。气动总管可以用于例如机械呼吸机、麻醉机或病人监控装置中的例如流体分析器，以分析呼出和/或吸入流体的组分。当检测呼出和/或吸入流体的组分时，改进的气动系统能够在呼吸周期中提高上升时间的表现、在没有外部空间的情况下消除波动、能够实现动压调整并且调整流体。

在本发明的一个方面，公开用于呼出和/或吸入气体的流体分析的气动系统。该气动系统包括用于流体分析单元的连接接口、用于泵单元的连接接口、流量传感器和/或压力传感器以及用于基于来自于流量传感器和/或压力传感器的测量值计算泵冲程力和/或泵激频率，以在动态压力呼吸周期获得通过所述气动系统的恒流，所述呼吸周期指的是吸气和/呼气过程。

通过调整这里公开的泵，流体可以在在单个呼吸过程中适应动压，从而可以在单个吸气或呼气中获得恒流。因此系统可以平衡呼吸过程中的病人呼吸模式至可呼吸水平。

在一些实施方式中，气动系统具有布置在连接流体分析单元的连接接口和连接泵单元的连接接口之间的缓冲空间。

该缓冲空间被用来消除波动、提高泵性能以及改进流体控制。

在本发明的一些其他实施方式中，气动系统包括气动总管。

如本文所述，总管的使用将会经一步提高气动系统的性能以及可以改进泵的调整。

在本发明的其他方面，公开流体分析系统。该系统包括如本文所述的气动系统、与连接泵单元的连接接口的泵单元以及与连接流体分析单元的连接接口相连的流体分析单元。控制单元被配置成基于来自于流量传感器和/或压力传感器的测量值计算泵冲程力和/或泵激频率，以在动态压力呼吸周期获得通过所述气动系统的恒流，所述呼吸周期指的是吸气和/呼气过程。

在本发明的另一个方面，公开泵送流体的动压调整的方法。该方法包括计算流量和/或通过气动系统的流体的压力、基于测量值计算泵冲程力和/或泵激频率，以在动态压力呼吸周期获得通过所述气动系统的恒流，所述呼吸周期指的是吸气和/呼气过程。

需要注意，本文中使用的术语“包括/包含”应理解成说明所述特征、整件、步骤或组件的存在但不会排除一个或多个特征、整件、步骤、组件或他们的组合的存在或增加。

附图说明

参照附图，在本发明的实施方式的以下描述中，本发明的实施方式能够实现的这些及其他方面、特征和优点是清楚的并且已被阐明，其中：

图1示出用于流体分析的气动总管的流体通道的一个示例。

图2A和图2B示出具有一体式比色皿的气动总管的一个示例。

图3示出未附有比色皿的气动总管的一个示例。

图4示出一调整泵方法的流程图。

具体实施方式

本发明的特定实施方式现在将会参照附图进行描述。但是，本发明可以体现为不同形式并且不应本解释为限定于这里阐述的实施方式；而且，这些实施方式被提供使得本发明将是透彻且完整的，并且可以向本领域的技术人员完全传递本发明的范围。本发明的范围仅限定于所附的专利权利要求。

图1示出用于流体分析的气动总管的流体通道的一个示例。所述流体可以是来自于主体，例如连接机械呼吸机、麻醉机或者病人监控装置的病人，的呼出或吸入气体的样本。气动总管用来减少气动系统中通常使用的管道和连接件等的数量。通过降低管道和连接件的数量，可以降低制造气动系统的成本。所用的气动总管可以使得波前完整而带有最小畸变，因为它不仅具有更少的管道和连接件，而且还使用没有任何维度转换的笔直管道，并且具有无或只有很少死腔的接点。因此，该系统提升了上升、下落时间以及迟延时间。当需要检测呼吸气体组分的快速变化时，提高上升和下落时间是非常重要的，信号波前在经过气动系统时需要保持有最小畸变。浓度上升和浓度下降的快速转换对于气体组分的正确分析是关键的。

同时气动总管将会更牢固并且更耐用。与传统气动系统相比，由于具有更少的接点，发生泄露的可能性会被降低。

气动总管可以由两个部分组成，即通过焊接或钎焊，例如超声焊接，固定在一起的上方部件和下方部件。或者，前述两个部件可以通过粘合剂固定。作为另一种替换，前述两个部件可以通过使用例如螺钉或本领域的技术人员已知的方式进行可松开的附接。

或者，总管可以由三个或更多部件制成，例如一个下方部件和两个上方部件。作为另一种替换，气动总管可以由单个单元注塑而成，例如通过使用3D打印机。

一种实施方式中，如图1所示，气动总管包括连接流体分析单元12、23的连接接口。流体分析单元具有入口14、42(图3)和出口13、41(图3)。流体分析单元的连接接口包括用于供流体从流体分析单元流入气动总管的入口10。该流体分析单元可以为一分析单元。多数流体分析器对于气动波动以及系统的上升时间、下落时间和迟延时间是敏感的。

分析器单元可以是用于测量流体中的氧气浓度的氧气传感器、用于光谱测量的测试比色皿或者例如超声分析器或比色器的其他形式的分析器。

气动总管还包括连接泵单元24的连接接口。连接泵单元的连接接口具有入口20和出口11。泵被用来向系统泵送流体。限制件18被设置在连接泵单元24的连接接口和连接流体分析单元12、23的连接接口之间的流体通道上。例如，该流体通道可以从连接流体器分析单元12、23的连接接口的入口14、42(图3)至连接泵单元连接接口的出口11。缓冲空间19被设置在连接泵单元24的连接接口和限制件18之间。如果系统没有限制件18，则缓冲空间19可以设置在连接泵单元24的连接接口和连接流体器分析单元12、23的连接接口之间的流体通道上。例如，流体通道可以从连接流体分析器的连接接口的入口14至连接泵单元的连接接口的出口11。

缓冲空间19可以作为恒流控制腔体、泵能力提升腔体和波动消除腔体以及会影响测量系统的所有因素。通过将缓冲空间19布置在流体分析器的后方并且位于限制件18和泵之间，气动波动可以被减小。气动波动由泵进行泵送流体和泵自身的振动造成。由于气动波动会给流体分析器例如氧气传感器或者用于光谱测试的测试比色皿上的测试带来负面影响，气动波动的减少因而会提高测试性能，这是因为流体会更稳定地通过流体分析单元流体器分析单元12、23和限制件18。

由于造成全冲程力的低压状况可以避免，因此泵是在更加合适的条件下工作，所以泵的能力通过缓冲空间19的这种布置会被优化。这种布置能够使得泵在释放所有能力的完全冲程长度中工作。这种布置还可以影响泵的能效，优化的流动可以带来改进的泵的能源消耗，这是因为泵可以在提升的冲程长度和降低的冲程频率下工作并且仍然可以提供通过限制件和任何流体分析器的更平稳的流体。

如上所述，限制件18和泵之间的缓冲空间需要仔细优化从而获得系统的高端性能。优化的三个主要因素为气动波动消减、泵送性能和流体调整。

缓冲空间19必须足够大到消除任何气动波动。气动波动会影响例如用于光谱测试的比色皿和氧气传感器的测量以及通过限制件上的压降来测量流量的能力。

缓冲空间19的尺寸的下限首先取决于泵的类型、泵激频率、泵冲程容量、泵最大容量和限制件的尺寸。在这方面，缓冲空间的尺寸没有上限。

另一方面，该空间19必须足够大到允许泵能够有效工作。如果可用空间太小，会产生较大的压力，这会负面影响泵的性能。

该空间19的尺寸下限首先取决于泵的类型、泵激频率、泵冲程容量、泵最大容量和限制件尺寸。但只考虑这方面，空间19的尺寸没有上限。

缓冲空间19还必须足够小到系统可以对泵冲程长度中发生的变化作出快速反应从而调整流量。如果空间19太大，流量调整将会缓慢且不准确的。在这方面，空间19的尺寸没有下限，但是空间19的尺寸的上限首先取决于与泵送流体样本的压力状况相关的泵类型、泵激频率、泵冲程容量、泵最大容量和限制件尺寸。

或者，在一些实施方式中，限制件18可以被布置在泵接口后方。限制件18可以仍然用于测量例如压差或流量。如果限制件18被布置在泵的后方，所测得的数据会包括已被布置在泵前方的缓冲空间消除并且不得不平衡的波动。

此外和/或替代地，在气动总管的一些实施方式中，流体器分析单元可以是直接位于气动总管上或者作为总管的整体结构件的比色皿30。具有一体式比色皿的气动总管的一种实施方式示于图2A中。图2B示出具有连接至比色皿40的连接件的总管，该连接件具有流入比色皿40的出口41和流出比色皿40的入口42。

比色皿可以用于电磁辐射测试，例如使用红外线和/或可见光和/或紫外线的光谱测试。

当比色皿是附接部件时，气动总管具有连接入口和出口并且用于将比色皿连接至气动总管的连接接口。

对于流体样本例如来自主体的呼出或吸入流体，比色皿的入口可以流体连通至气动总管的入口10。比色皿的出口与连接泵单元的连接接口的出口11流体连通。

此外，在一些实施方式中，气动总管具有两个或更多流体器分析单元，例如比色皿和氧气传感器。而比色皿可以被布置在用于流体样本的气动总管的入口10和用于流体器分析单元的连接接口的出口之间。它们还可以其他方式进行布置。

通过将比色皿布置在第二流体分析单元(例如氧气传感器)的前方，在与比色皿相关的测量系统分析流体前，上升时间、下落时间和迟延时间不会受到影响。

如图2A所示，将比色皿布置在气动总管上或者作为气动总管的一体部分的优点例如是上升时间、下落时间和迟延时间可以得到改进。上升时间的改进是由于比色皿前方存在无任何维度转换的更小的流动空间和短且直的通道、更小的死腔接点，通过使用气动总管，前述优点可以实现。而且，比色皿和气动总管之间的定位和改进的接口降低进一步改进上升时间所需的管道和管道连接件的数量。由于波前畸变，所有的气动连接件可以有助于改进上升时间。

与连接接口的比色皿相比，通过比色皿与总管一体成型，上升时间会得到进一步改进，这是因为比色皿与气动总管之间无需连接件。

此外，气动总管可以具有用于联接参考气体例如通过参考入口从房屋进入气动总管的环境空气的阀21。参考气体可以用于作为检测分析系统是否正常工作并且能够平衡气体的参考。

此外，在一些实施方式中，连接气动总管的泵可以通过连接泵单元24的连接接口的入口20将流体泵送回到气动总管。接着，流体被泵送到连接至医院的排气系统或再循环给病人的气动总管的出口15。对于一些测量对象例如CO₂，废气会被直接输送到环境中。

在气动总管的一些实施方式中，限制件18可以用于获得压降并且使用与流量传感器交错的压降传感器。压降传感器可以用作测量流量的流量传感器。测量流量的其他方式是例如质量流量计或热流量计。

与气动系统的流体通道结合，限制件18还提供病人侧的高压和EVAC侧的低大气压之间的压降。限制件的压降消除入口17a和出口17b之间的压降造成的通流。

此外和/或作为替代，气压计22还被布置在总管的通道中以用于测量气压。气压计22可以用作计算物质或者平衡压力变化的流体中的组分浓度的输入计量器。气压计22还可以用作在呼吸周期例如吸气和/或呼气过程中的泵调整的计量器。例如，当压力上升时，要求保持流量的泵力会下降，反之亦然。

在一种实施方式中，如图1所示，气压状态是在比色皿中测得并且被用来在压力变化中平衡光谱测试。所测得的气压状态可以用于泵的调整。如果未使用比色皿，气压计可以在气压系统的入口和泵的出口之间的任何位置进行测量。

测量用于泵调整的气压的其他方式可以是测量与环境有关的压力的表压传感器、绝对测量传感器和测量与具有稳定压力的系统的某个位置有关的压力的压降传感器。

此外和/或作为替代，在一些实施方式中，系统具有流量传感器。然后气压状态可以在流量传感器处测得从而相对压力变化来平衡流量测试，以及能够允许快速调整泵至确定恒流状态。

作为在流量传感器处测量气压状态，气压状态可以在泵前方的其他位置测量，例如图1所示的比色皿。测得的气压状态仍然可以用于相对压力变化平衡流量测量。缺点是与在流量传感器处测量气压状态，会存在偏置误差，但是通过使用校正程序可以解决。

此外，当前操作条件中的流体的温度平衡还可以通过邻近流量传感器的热敏传感器来完成。

此外，由于气动波动的改进处理和这里所述的气动总管的提升的泵量，可能的是可以在呼吸周期例如呼气和/或吸气过程中实现动压调整。泵调整算法用于保持流体稳定流过分析系统。该算法通过利用所测量的瞬时流量上的控制回路反馈控制器从而在呼吸周期例如吸气和/或吸气过程中控制变化着的动压下的恒流。

控制单元具有被应用的改进控制方法，该方法通过气压计的信息引入馈前控制。

这基本上会加速调整并且使得控制单元能够在呼吸周期中紧跟快速变化的动压。

在上述的方法中，泵的调整基于所测得的气压。还通过使用压降或限制件的流量测量作为控制单元的输入参数，调整可以进一步得到改进。

气压的馈前调整使得控制回路以更小的流量误差和能够更快速地调整成为可能。

或者，泵调整可以通过使用来自于作为输入参数的流量传感器的唯一数据完成。在这种情形中，为了平衡变化的压力状况，还可以测量病人回路侧的流量传感器中的瞬时气压。这通过测量气动总管中流体的气压瞬时且快速反应地完成。

控制单元基于测得的压力和/或流量计算出优化的泵冲程力和/或泵激频率。优化的泵冲程力和/或泵激频率接着会被反馈至泵控制器。取决于所用的泵，泵冲程幅度可以是调整参数而非泵冲程力。

或者，对于限定的泵激频率，控制单元可以计算出接着将被反馈至泵控制器的优化的泵冲程力。又或者，对于限定的泵冲程力，控制单元可以计算出接着将被反馈至泵控制器的优化的泵激频率。输出力和/或频率可以被不断调整从而产生适应病人的每一次呼吸之间的压力变化的优化泵送流量。此外，在调整的一些实施方式中，输出力和/或频率还可以被不断调整以产生适应每一次呼吸中的压力变化的优化泵送流量。

通过使用基于音圈的泵而非基于活塞的泵，实现稳定泵送流量的泵的调整几乎可以在无声条件中完成，因为在改变泵激频率时，相比于活塞泵造成的噪音，音圈的冲程力改变可以在无声条件中完成。

由于流量和/或压力测量中的快速更新速度，在呼吸周期例如吸气和/或呼气中，泵可以快速调整冲程容量。在瞬时压力状态中调整冲程容量的唯一延迟是泵如何快速地改变膜的位置以及限制件和可以用作容器的泵之间的系统中的可能的容量，这会将延迟引入到动压调整中。限制件和泵之间的最小容量因此是优选的。当最小化流体限制件和泵之间的容量时，流体限制件可以限制通过并且在泵冲程中的流体，限制件和泵之间的气体可以被压缩以及减压。由于流量限制，压力均衡被约束。这是能够限制泵达到全容量并且造成波动的手风琴效应。因此，容量必须大到能够处理这些效应。

用于快速调整的这两个约束因素与测量系统的机械设计有关。在这种情况中，一体成型的气动总管。当提供具有吸气或呼气过程中动压调整的气体分析器，需要更高要求的气动总管设计。如上文所述的，要求与缓冲器容量有关的限制件和泵之间的优化容量。

此外，通过降低气动波动，由波动产生的系统声音还会被降低。来自气动波动的声音有时候会损害连接机械呼吸机、麻醉机或病人监控装置的主体。在如图1所示的一些其他实施方式中，气动总管可以包括进一步降低来自气动波动的声音的消音器16，因为这些声音会损害与机械呼吸机、麻醉机或病人监控装置相连的主体。在图中，消音器16被定位在气体排气出口15处并且其他消音器可以用于气动系统的其他位置处。两种技术可以被用来降低气动总管中的噪音。利用谐振腔和突变部的电阻式消音器可以产生变化从而消除由例如泵冲程造成的压力波。

此外和/或作为替代，可以使用利用声波吸收材料的耗散型消音器。在消音器的一些实施方式中，两种技术的结合可以被用来降低较高和较低的频率的声音。

图4示出呼吸周期例如呼气和/或吸气过程中泵送流体的动压调整的方法的流程图的示例。该方法包括以下优化步骤：将缓冲空间100布置在气动系统的连接泵单元的连接接口和连接流体器分析单元的连接接口之间。该方法还包括测量流量110和通过气动系统的流体的气压并且基于测量值计算泵冲程力120和/或泵激频率，以在动态压力呼吸周期获得通过所述气动系统的恒流，所述呼吸周期指的是吸气和/呼气过程。

通过布置用作恒流控制腔体、泵腔改进腔体和波动消除腔体的缓冲空间100，可以实现会影响测量系统的所有参数的测量的改进。

虽然本发明的一些实施方式在本文中进行了描述和图示，本领域的技术人员可以容易想象用于实现这些功能和/或获得这里所述的的这些结果和/或一个或多个优点的各种其他方式和/或结构，每一个这种改变和/或改进会被认为落入本发明的范围内。更一般地，本领域的技术人员可以理解这里所述的所有参数、尺寸、材料和构造是示例性的，并且真实的参数、尺寸、材料和/或构造将取决于具体应用或者使用本发明的教导的应用中。而且，除了本文所述以外的不同的方法步骤、通过硬件实现的方法可以在本发明的范围内被提供。本发明的不同特征和步骤可以除本文所述以外的方式结合。本发明的范围只被所附的专利权利要求限制。

Claims (15)

1.一种气动系统，用于呼出和/或吸入气体的流体分析，其特征在于，包括：

用于连接一流体分析单元的连接接口；

用于连接一泵单元的连接接口；

流量传感器和/或压力传感器；和

控制单元，用于基于来自所述流量传感器和/或所述压力传感器的测量值来计算泵冲程力和/或泵激频率，以在动态压力呼吸周期获得通过所述气动系统的恒流，所述呼吸周期指的是吸气和/呼气过程。

2.根据权利要求1所述的气动系统，其特征在于，还包括设置在连接所述流体分析单元的连接接口和连接所述泵单元的连接接口之间的缓冲空间。

3.根据权利要求1或2所述的气动系统，其特征在于，所述气动系统包括气动总管。

4.根据权利要求1至3任一项所述的气动系统，其特征在于，所述连接所述流体分析单元的连接接口被配置为向一比色皿输送流体以及从所述比色皿中接收流体，所述比色皿被配置成采用电磁辐射进行测量。

5.根据权利要求4所述的气动系统，其特征在于，所述比色皿是所述气动总管流体通道的一整体结构件。

6.根据权利要求1至5任一项所述的气动系统，其特征在于，所述流体分析单元是氧气传感器。

7.根据权利要求2至6任一项所述的气动系统，其特征在于，还包括限制件，所述限制件设置于所述连接所述流体分析单元的所述连接接口和所述缓冲空间之间，所述限制件包括用于测量流经所述限制件流体的测量部件。

8.根据权利要求7所述的气动系统，其特征在于，连接所述泵单元的所述连接接口包括供流体流入或流出所述泵单元的入口和出口，连接所述流体分析单元的所述连接接口包括供流体流入或流出所述流体分析单元的入口和出口。

9.根据权利要求8所述的气动系统，其特征在于，连接所述泵单元的所述连接接口和连接所述流体分析单元的所述连接接口之间的所述流体通道与连接所述流体分析单元的所述连接接口的所述入口和连接所述泵单元的所述连接接口的所述出口流体连通。

10.一种流体分析系统，其特征在于，包括：

根据权利要求1至9任一项所述的用于流体分析的气动系统；

泵单元，与所述泵单元的连接接口相连；和

流体分析单元，与所述流体分析单元的连接接口相连，

其中，所述控制单元被配置成基于来自所述流量传感器和所述绝对压力传感器的测量值来调整所述泵单元的泵冲程力和/或泵激频率，以在动态压力呼吸周期获得通过所述气动系统的恒流，所述呼吸周期指的是吸气和/呼气过程。

11.根据权利要求10所述的流体分析系统，其特征在于，所述泵单元被配置成当流体被所述泵单元从所述气动总管中抽出前从所述流体分析单元抽出流体。

12.根据权利要求10或11所述的流体分析系统，其特征在于，所述气动系统包括至少两个流体分析单元，其中一个是用于电磁辐射测量并且被布置成与所述气动系统的入口和连接第二流体分析单元的所述连接接口的出口流体连通的比色皿，以至于待分析的流体从所述入口进入所述比色皿并且通过连接所述第二流体分析单元的所述连接接口的所述出口进一步进入所述第二流体分析单元。

13.根据权利要求10至12任一项所述的流体分析系统，其特征在于，所述气动系统还包括被配置成选择待分析流体或来自参考入口的参考流体的阀。

14.一种动压调整方法，应用于泵送流体，其特征在于，包括：

测量通过如权利要求1至9任一项所述的用于流体分析的所述气动系统的流体和/或流体压力；

基于所述测量值计算泵冲程力和/或泵激频率，以在动态压力呼吸周期获得通过所述气动系统的恒流，所述呼吸周期指的是吸气和/呼气过程。

15.根据权利要求14所述的动压调整的方法，其特征在于，包括将限制件布置在连接所述流体分析单元的所述连接接口和与连接所述泵单元的所述接口流体连通的缓冲空间之间，从而用于测量流经所述限制件的流体。