CN105828888A - 脉搏饱和度氧输送系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于将氧气输送到飞机乘客的系统和方法包括氧气供给、口鼻面罩、用于调整从氧气供给到口鼻面罩的氧气流的控制器以及用于确定使用者的血氧饱和度水平的传感器，其中控制器基于传感器对使用者血氧饱和度水平的确定来调整氧气流。

Description

脉搏饱和度氧输送系统和方法
相关申请的交叉参考
本申请要求于2013年12月20日提交的美国申请No.61/919,007和与2014年12月17日提交的美国专利申请No.14/573,998的优先权，其内容以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本发明一般涉及紧急氧气供给系统，诸如在商用飞机上常规携带的并且在机舱压力损失时自动调配的那些紧急氧气供给系统。更具体地，本发明关于提高使用所供给的氧气的效率从而减少在飞机上需要携带的氧气的总量。
背景技术
紧急氧气供给系统通常安装在飞机上为了在超过12,000英尺的高度下机舱压力损失时向乘客供给氧气的目的。该类型的紧急系统通常包括当从在高处的贮藏室释放时适应于配合在乘客的口部和鼻部上的面部面罩。面部面罩连接到飞机上的氧气储备，在低压下该飞机上的氧气储备能够将氧气分配给乘客。如果在主要的机舱压力高度情况下呼吸环境空气，那么输送到面罩的补充性氧气使乘客的血氧饱和度水平增大至超出将承受的程度。估计由氧气储备提供的氧气流足以维持所有乘客直到重新建立机舱压力为止或直到能够达到更低、更安全的高度为止。
在一些紧急氧气输送系统中，面部面罩具有附属储气袋，在系统展开时以及在单独的面部面罩经由拉线激活时，氧气流就被引导进入附属储气袋中。氧气以被计算用于适应最坏的情形的恒定速率来供给，即用显著大于平均潮气量的潮气量来满足乘客的需要，当在最大巡航高度处机舱压力发生损失时乘客以快于平均呼吸速率的呼吸速率来呼吸。在典型的呼吸面具中，总共三个阀用来协调袋与面罩之间以及面罩与环境之间的流动。吸气阀用来在乘客呼气的同时以及在吐气后的间歇期间将流入袋中的氧气限制在袋中，同时避免从面罩到袋中的任何反向流动。当乘客吸气时，吸气阀打开，以允许吸入积聚在袋中的氧气。在积聚的氧气被耗尽时，稀释阀打开，以允许将机舱空气抽吸到面罩中。从而通过在吸入阶段的平衡期间吸入的机舱空气来稀释进入袋中并且穿过打开的吸气阀进入面罩中的连续的氧气流。在呼气期间，呼气阀打开，以允许自由流从面罩进入环境中，同时吸气阀关闭，以避免流从面罩回到袋中。在吐气后的间歇期间所有三个阀都保持关闭，同时氧气连续流入储气袋中。
紧急氧气供给系统的低效率能够需要更大的氧气贮藏或氧气生成装置并且因此重量超出必要的，这自然对飞机的有效负载能力和燃料消耗量有不利影响。在氧气的生成、贮藏、分配或消耗方面提高此类系统的效率可因此产生重量减轻，尤其当在数百次飞行期间成倍增加时。相反地，在没有相称的尺寸减小的条件下提高系统的效率将给予系统操作更大的安全裕度。因此非常期望以任何可能的方式提高紧急氧气供给系统的效率。
授予Cannon的美国专利申请No.08/0000480描述了用于改善飞机紧急氧气系统上的氧气消耗速率的系统。通过按照此类乘客的实际需求调整每个单独的乘客的氧气分配额、诱导乘客更有效地使用此类分配额来降低氧气消耗的速率从而实现改善的效率。更具体地，分配额是按照每个乘客的呼吸速率来调整的，其中更快的呼吸导致乘客的氧气分配额的更快的输送速率。通过对氧气的输送进行定时以使得氧气被吸入到肺的最有效吸收区域中并且通过限制所输送的氧气的体积以便近似地与肺的那个区域的体积一致来引起更有效的使用所输送的氧气。机舱空气依赖于满足乘客呼吸容量的平衡。然而，Cannon的系统假定乘客中氧气效力相同，但不同的乘客以不同的效率消耗氧气。本发明致力于测量乘客系统中的氧含量并且基于该测量调整进入面罩中的氧气流的经改善的系统。
发明内容
本发明利用连接到乘客/患者的脉搏血氧计并且使用读数作为将一定剂量的氧气输送到使用者的基础。脉搏血氧计可基于一些非入侵性技术来测量使用者的血氧饱和度水平(SpO2)。
通过现有的OCS来控制脉搏饱和度系统的定时，但用量取决于使用者的特定SpO2而变化，从而有助于更加有效的输送系统。作为示例，人们可将氧脉搏减少一半，从而使系统使用时间加倍，或者减少贮藏罐的尺寸。在医院中或在紧急情况下，医学治疗设施不是监测患者的血氧饱和度然后手动改变经调节的输送系统，而是该系统能够基于具体的氧饱和度水平(例如97％的O2饱和度)来设定氧气输送速率并且该系统将自动地调整给患者的剂量，直到实现饱和度水平为止。那时，它将渐进地趋向标称值，但如果患者曾再次降到设定点以下，那么系统将检测饱和差并且重新调整脉搏量以使饱和度回到需要的设定点量。系统也可具有操作范围，例如最小氧气剂量和最大氧气剂量。在这种情况下，不考虑人的饱和度(即99.9％)，他们将仍然接收最小剂量；并且如果使用者的饱和度一直低，那么系统将具有其将提供的最大脉搏用量。这是避免系统过早地用完氧气的预防措施。
这种类型的系统具有广泛的应用。示例包括用于飞机上乘客、在医院或治疗设施处的呼吸系统患者、民用或军用医疗后运送(MEDEVAC)飞机上的患者的生命保障系统。
根据优选实施例的以下具体实施方式，结合附图，本发明的其它特征或优点将变得更加明显，附图以示例的方式说明了本发明的操作。
附图说明
图1A为示出了乘客氧气供给系统的部分剖开的飞机；
图1B为包括了本发明的第一优选实施例的图1A的供氧系统的高架透视图；
图2为口鼻面罩前面的放大、高架透视图；
图3为在乘客/患者上的图2的面罩的高架透视图；以及
图4为本发明的另选实施例的示意图。
具体实施方式
本发明的范围涵盖飞机生命保障系统和飞机医疗保障系统，但也涵盖其中将氧气输送到患者的传统医疗系统。为了方便，本公开下文将专注于乘客氧气输送系统，但应理解的是，本发明不限定于这个目的并且延伸至其它应用。
本发明的系统使用脉搏血氧计的应用作为基础从而通过对使用者血氧水平的实时测量来控制和调整到使用者的氧气的剂量。现有技术的脉搏供氧系统基于飞机高度来输送脉搏剂量，其存储在集成电路上的软件中的值的表中。本发明的方法基于一种或更多种确定使用者的氧水平(SpO2)的非侵入性技术来检测患者的血氧饱和度水平，然后相应地调整氧气流速率。下文讨论检测血氧饱和度的不同技术。
脉搏血氧计本质上为放置在患者身体细薄部分上(通常为指尖或耳垂)或者在婴儿的情况下放置在脚两侧的传感器。两种不同波长的光穿过患者到光电检测器。测量每个波长处正改变的吸光度，从而允许确定乘客的氧合血红蛋白的吸光度。在氧合血红蛋白和其脱氧形式之间的这些波长处的吸收显著不同。根据吸光度读数，能够根据红光和红外光的吸收比来计算氧合血红蛋白/脱氧血红蛋白比。
二氧化碳检测(capnometry)为测量呼出的气体中二氧化碳浓度的呼吸监测程序。在该程序期间使用的装置被称为二氧化碳检测计。它也确定通气的充足率和患者的呼吸速率。它通过使用红外频率并且测量在呼吸过程期间由CO2分子吸收的光的量来工作。
T-稳定(T-stat)血氧计。通过甚至对在最小的毛细血管中的氧饱和度进行读数，T-稳定血氧计甚至确定无脉搏患者的氧含量。T-稳定血氧计为监测毛细血管组织中的血氧水平的可见光光谱学(VLS)系统。如果传统的脉搏血氧计的读数被指示为SPO2％，那么新的T-稳定血氧计显示StO2％。T-稳定氧气监测仪专注于甚至当血液流动弱、受阻或完全不存在脉搏时到达小毛细血管的氧气的量。它为非侵入性的，并且它通过解译血液颜色来操作(与脉搏血氧计一样)。然而，传统脉搏血氧计使用红光或红外光频率测量饱和血红蛋白和不饱和血红蛋白的比，而T-稳定监测仪使用更短的波长(绿和蓝)。这些光波能够监测具体组织(甚至在最小的血管-毛细血管)并且检测该位置处的氧水平。
装置由主要的电子监测仪和传感器探针组成。监测仪采集数据、分析数据并且显示结果。传感器发射照亮需研究的具体组织的光频率。当反射光返回到监测仪时，分析反射光并且估计StO2。
在本发明中，单独或并行地实施上文提及的技术，从而提供关于暴露于快速减压或其中氧含量低于正常的环境中的乘客的氧饱和度数据。图1A说明了带有座椅2的飞机1并且在座椅上方为乘客氧气供给系统。图1B更详细地说明了氧气供给系统，氧气供给系统包括既经由电缆线路22电连接到控制器20同时也用流管24连接到控制器20的氧气供给罐10，流管24联接到阀。流管24连接到歧管28，歧管28能够基于来自处理器的命令调整穿过歧管的氧气流。因此自适应控制器20通过到口鼻面罩40的细长管道32将小剂量的氧气输送到乘客/患者，口鼻面罩40由可调整的或有弹性的带42固定在合适的位置。控制器优选利用非侵入性血氧计传感器50与患者接触以便测量患者中的血液血红蛋白氧饱和度。然后经由集成到氧气输送系统诸如氧气面罩40中和/或面罩带42上的传感器记录数据。在面罩件40上的传感器50由夹具支撑在鼻梁上从而提供稳固的配合或在面罩的侧面(见图3)从而从(一个或更多个)面颊上的毛细血管得到读数。在面罩带42上的传感器52从颈的后部获取读数。位于指尖或耳垂上的保守传感器也可与该系统兼容。
血氧计50在给定时间段生成顺序地表示患者的血液血红蛋白饱和度的多个血液饱和度输出信号。控制器20评估从传感器50沿着管道42传递到控制器20的多个血氧计输出信号，并且基于该评估提供血液饱和度信号。响应于输出信号，反馈控制器基于氧水平读数来设定穿过要输送到患者的每个氧气供应管道的歧管的氧气分量。面罩40优选包括指示系统的操作状态的一个或更多个LED55。例如，如果红色LED被照亮，那么其指示面罩没有运行；黄色LED指示面罩正在运行，但其氧气感测能力不起作用。该指示可归因于以下事实，传感器没有正确地得到来自乘客的任何信息或者面罩没有在使用中。最后，绿色LED指示面罩正被正确地使用，并且氧饱和度系统正在正确地运行。本发明也构想其它布置和警报/显示。
取决于应用和所旨在的使用，本发明可采取许多不同的形式。例如，使用血氧计的氧气面罩(图2)可包括口鼻面罩40，口鼻面罩40包括入口阀60、出口阀62、用于供给氧气以及信号或电力电缆线路(如果存在的话)的管道32的入口64、作为调节向前述口鼻面罩供给氧气的个人服务单元(PSU)的一部分的控制器，以及与鼻夹、脸颊、耳垂、指尖或颈的后部固定在一起实施(但不限定于)在鼻梁上的氧气感测设备。下列中的一个或更多个能够被用于测量氧水平：(1)能够实施脉搏血氧计以检测乘客动脉血的氧饱和度；(2)能够实施二氧化碳检测技术以检测乘客呼出的气息中二氧化碳的百分数从而得出氧饱和度和呼吸速率；以及(3)T-稳定血氧计。T-稳定血氧计与常规脉搏血氧计类似地执行，但更加强大并且能够从人体中最小的毛细血管检测饱和度。
实行本发明的一个优选方式为在增压的飞机机舱内的使用呼吸装置以便通过PSU或移动呼吸器具的功用向就座的乘客提供航空等级的氧气。在这种情况下，控制装置(诸如，控制器板)可位于PSU中，其利用以上所列技术中的一种或多种来检测飞机乘客氧合血红蛋白水平，利用来源于乘客的数据并且实施调整氧气输出以对应于指定的饱和度水平的算法或查找表，考虑多个生理指标以及飞机高度和机舱压力来指定目标饱和度水平。在优选实施例中，系统将包括检查以检测错误的信号，并且维持一系列的滑动平均(runningaverage)以防止信号中的丢失或不正确的读数从而避免剂量过多。
面罩40包括将面罩固定到乘客的可调整的带42，其中面罩通常为紧贴乘客的面部提供空气密封的截头锥形薄壁结构。在面罩上存在三个阀，每个阀都在呼吸循环的不同部分进行操作。吸气阀60用来在乘客呼气的同时以及在吐气后的间歇期间将流入袋中的氧气限制在袋(未示出)中，并且还始终避免从面罩到袋中的任何流动。当乘客吸气时，吸气阀60打开，以允许吸入积聚在袋中的氧气。在积聚的氧气被耗尽时，稀释阀62打开，以允许将机舱空气抽吸到面罩40中。从而通过在吸入阶段的平衡期间吸入的机舱空气来稀释进入袋中并且穿过打开的吸气阀60进入面罩中的连续的氧气流。在呼气期间，呼气阀打开，以允许自由流从面罩进入环境中，同时吸气阀关闭，以避免流从面罩回到袋中。在吐气后的间歇期间所有三个阀都保持关闭，同时氧气连续流入储气袋中。
在后面部分处的面罩40的带42可包括传感器52，传感器52与乘客颈部接触，并且能够使用以上所述方法中的一个来确定乘客的氧饱和度。传感器将被连接到确定输送到乘客的氧脉冲的邻近乘客座位的氧气流调节器。可沿着氧气流管道32输送来自传感器的信号以限制系到面罩40的管/电缆的数目。传感器也可位于面罩的壁处，在那里传感器可与乘客的皮肤接触或佩戴在手指或其它位置上。
对于连续气态系统，起作用的调节系统优选作为对控制器板的响应单元工作，该控制器板测量并监测乘客血液的氧饱和度水平。在脉搏自动供氧系统(pulsedemandsystem)的情况下，调制的速率由单独的乘客的吸气频率规定。因此，调制的模式必须相应地变化。利用经由键盘77或其它输入装置从控制器板接收的关于乘客的生理状态的数据，结合依据机舱压力和高度的飞机状态，系统调节氧气流速并且开始将氧气输送到乘客。
本发明可进一步以用于将小用量的氧气量输送到患者的自适应控制器为特征，所述控制器包括用于测量患者的血液血红蛋白的非侵入性血氧计传感器，其中所述血氧计在给定时间段生成顺序地表示所述血液血红蛋白饱和度的多个血液血红蛋白饱和度输出信号值。控制器包括用于生成并调整所述血液血红蛋白饱和度输出值的滑动平均以及用于生成输出信号的装置，该输出信号为所述滑动平均的函数。包括检查以便识别可能无效的输出信号值并且响应于所述血液血红蛋白饱和度输出信号值以便评估多个所述血液血红蛋白饱和度输出信号值以及基于所述评估提供经处理的输出信号的处理器。如果发生错误检测，那么优选存在用于取代每个所述可能无效的输出信号值的各自输出信号从而形成有效输出信号的序列的装置。
自适应控制器可包括用作脉搏血氧计的血氧计，并且所述多个血液血红蛋白饱和度输出信号值为如由脉搏血氧计(SpO2)测量的血红蛋白的氧饱和度值。自适应控制器的处理器包括用于识别可能无效的输出信号值并且用于提供除所述经识别的可能无效的输出信号值之外的有效输出信号值的序列的人工辨别装置，以及用于生成有效输出信号值的所述序列的滑动平均并且用于提供所述滑动平均作为所述经处理的输出信号的装置。
图4示意地说明了可使用非易失性存储器的系统，非易失性存储器被配置用于存储用于启动的第一参考点并且增加从联接到氧气控制器20的氧气瓶或罐10到呼吸器具/面罩40的氧气供给，以及用于在第一参考点之上的预配置压力高度下中止从增压的飞机机舱到呼吸器具的稀释空气流。系统也可包括逻辑控制单元70，逻辑控制单元70联接到非易失性存储器80和压力传感器85，并且被配置用于通过处理第一参考点和压力数据来生成控制信号从而调节来自氧气瓶的氧气供给以及从增压的飞机机舱经由氧气调节器到呼吸器具的稀释空气流。在一些应用中，非易失性存储器80为闪存。另一个选择为联接到逻辑控制单元以便接收通过由受试者佩戴的脉搏血氧计50发送的氧合血红蛋白饱和度数据的串行端口。逻辑控制单元70可包括用于使用第一查找表来确定相应高度的第一比较器模块95和用于基于旋转位移生成控制信号的第二比较器模块96。其也可包括用于放大控制信号的放大器。
从上述将明显看出，虽然已经说明和描述了本发明的特定形式，但在不背离本发明的精神和范围的情况下能够进行各种修改。相应地，除了随附权利要求以外，不旨在限制本发明。

Claims (26)

1.一种用于将氧气输送到使用者的方法，所述方法包括：
建立氧气储备和用于将氧气传递到使用者的导管；
经由控制器调节到所述使用者的氧气流；
将规则提供给所述控制器，通过所述规则基于所述使用者的血氧饱和度水平来调节所述氧气流；
提供传感器以非入侵性地检测所述使用者的血氧饱和度水平；
将所述使用者的血氧饱和度水平传递到所述控制器；以及
基于所述使用者的血氧饱和度水平，调整到所述使用者的所述氧气的流速。
2.根据权利要求1所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述控制器为飞机上乘客安全单元的一部分。
3.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述传感器为脉搏血氧计。
4.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述传感器为二氧化碳检测计。
5.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述传感器为T-稳定血氧计。
6.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述传感器为飞机乘客呼吸面罩的一部分。
7.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述系统为脉搏氧气输送系统。
8.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述传感器测量使用者的面颊中的毛细血管。
9.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述控制器使用所述飞机的高度作为所述规则的一部分，所述氧气流通过所述规则被调节。
10.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述控制器能够检测错误的信号并且相应地调整所述氧气的所述流速。
11.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中在氧气输送期间如果发生信号丢失，则所述控制器使用使用者血液饱和度水平的滑动平均。
12.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述传感器与使用者的皮肤接触。
13.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述控制器接收来自所述使用者的生理数据，并且在对到所述使用者的所述氧气流的调节中利用所述生理数据以及所述使用者的所述氧饱和度水平。
14.根据权利要求2所述的用于将氧气输送到使用者的方法，其中所述氧气在被使用者呼吸之前被飞机机舱空气稀释。
15.一种用于输送氧气到飞机乘客的系统，所述系统包括：
氧气供给；
口鼻面罩；
控制器，其用于调整从所述氧气供给到所述口鼻面罩的氧气流；
传感器，其用于确定使用者的血氧饱和度水平；以及
其中所述控制器基于所述传感器对所述使用者的血氧饱和度水平的确定来调整所述氧气流。
16.根据权利要求15所述的用于输送氧气的系统，其中所述传感器为脉搏血氧计。
17.根据权利要求15所述的用于输送氧气的系统，其中所述传感器为二氧化碳检测计。
18.根据权利要求15所述的用于输送氧气的系统，其中所述传感器为T-稳定血氧计。
19.根据权利要求15所述的用于输送氧气的系统，其进一步包括用于指示所述系统的状态的状态显示系统。
20.根据权利要求19所述的用于输送氧气的系统，其中所述显示系统为多个LED灯。
21.一种用于将小用量的氧气量输送到患者的自适应控制器，所述控制器包括：
针对所述患者的非侵入性血氧计传感器，其用于测量所述患者的血液血红蛋白饱和度，所述血氧计在给定时间段生成顺序地表示所述血液血红蛋白饱和度的多个血液血红蛋白饱和度输出信号值；
用于生成并且调整所述血液血红蛋白饱和度输出值的滑动平均的装置；
用于生成输出信号的装置，所述输出信号为所述滑动平均的函数；
处理装置，其包括用于识别可能无效的输出信号值并且响应于所述血液血红蛋白饱和度输出信号值以便评估多个所述血液血红蛋白饱和度输出信号值以及基于所述评估提供经处理的输出信号的装置；
用于取代每个所述可能无效的输出信号值的各自输出信号从而形成有效输出信号的序列的装置。
22.根据权利要求21所述的自适应控制器，其中所述血氧计为脉搏血氧计并且所述多个血液血红蛋白饱和度输出信号值为如由脉搏血氧计测量的血红蛋白的氧饱和度值。
23.根据权利要求21所述的自适应控制器，其中所述处理装置包括：
人工辨别装置，其用于识别可能无效的输出信号值并且用于提供除所述经识别的可能无效的输出信号值之外的有效输出信号值的序列；以及
用于生成有效输出信号值的所述序列的滑动平均并且用于提供所述滑动平均作为所述经处理的输出信号的装置。
24.根据权利要求23所述的自适应控制器，其中所述人工辨别装置包括用于将每个所述多个输出信号值与所述滑动平均进行比较并且用于识别可能无效的任何输出信号值的装置，所述可能无效的任何输出信号值与所述滑动平均相差超过预定量。
25.一种用于将氧气分量输送到患者的自适应控制器，所述控制器包括：
测量装置，其联接到所述患者以便测量所述患者的血氧水平并且用于提供顺序地表示所述所测量的血氧水平的多个输出信号值；
处理装置，其联接到所述测量装置，以便生成所述多个输出信号值的滑动平均并且用于从目标值中减去所述滑动平均以产生差值信号，所述目标值表示对所述患者来说期望的血氧水平；
反馈控制装置，其被联接以接收所述差值信号，以便调整要输送到所述患者的所述氧气分量，从而在量值上最小化所述差值信号。
26.一种用于自适应地控制输送到患者的氧气分量的方法，所述方法包括以下所述步骤：
a)在给定时间段测量多个间隔期间所述患者的血液血红蛋白饱和度，并且提供所述测量的值作为输出信号；
b)评估所述输出信号的所述测量的值中的每个，以识别可能无效的输出信号值；
c)将所述识别的可能无效的输出信号值从所述输出信号中排除，以产生经处理的输出信号；
d)在某种意义上调整输送到所述患者的所述氧气分量以最小化所述经处理的输出信号和预定的期望的血液血红蛋白饱和度信号之间的任何差值。
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