CN107551370A - 一种模拟人类咳嗽的痰液清除系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗器械技术领域，具体公开一种模拟人类咳嗽的痰液清除系统，包括直流无刷鼓风机、两位三通电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、气罐、真空泵、直流无刷鼓风机驱动器、中央处理器和人机界面；直流无刷鼓风机的出风口与两位三通电磁阀的进气接口相连通，两位三通电磁阀的出气接口与呼吸面罩相连通；气罐与两位三通电磁阀的排气接口相连通；气罐与真空泵的入口相连通；直流无刷鼓风机驱动器与直流无刷鼓风机电连接；两位三通电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、真空泵和直流无刷鼓风机驱动器与中央处理器电连接，中央处理器与人机界面电连接。本发明中的装置能够充分扩张肺部、咳痰效果好、操作简单方便、显示直观。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种模拟人类咳嗽的痰液清除系统。
背景技术
对于健康人体来说，正常的咳嗽能够清除气道内淤积的分泌物，保护人体的呼吸系统。正常的咳嗽包含三个过程：深吸气使肺部扩张；声门关闭同时胸腔和膈肌收缩，使肺内压力升高；声门突然打开，由于肺内外的压差产生高速气流，高速气流将携带气道内的分泌物排出。人体正常的咳嗽峰值流量范围为360—720L/min。
但是，对于神经性肌肉疾病、肺气肿、慢性阻塞性肺疾病以及采用机械通气的病人，由于他们的呼吸肌无力、气道阻塞、会厌功能失效，不能产生有效的咳嗽，无法自主排痰。随着淤积在气道内的痰液增加，会使气道阻力增高，导致通气不足，造成呼吸功能障碍，加重病人的缺氧和二氧化碳潴留，严重者会因痰痂堵塞气道而危及生命；另外，痰液堵塞气道，细菌容易繁殖，从而导致病人发生或加重肺部感染。在临床治疗中，通常以峰值流量160L/min作为判断咳嗽是否有效的标准，如果咳嗽峰值流量低于160L/min则被认为是无效咳嗽，无效咳嗽可能增加呼吸感染的风险，是应该避免的情况。
目前，常规的痰液清除技术主要为“吸痰管吸痰技术”，它利用一个细小的导管经过气管插管或直接插入气道，接触气道内的痰液，通过细小导管另一端产生的负压将痰液从病人气道内吸出。这种方法的缺点在于导管的使用容易对气道造成损伤，并将导管内的细菌带入肺部，而引发呼吸机相关性肺炎(VAP)及气管痉挛，加重病人症状。
另一种常见的分泌物清除技术为机械式吸-呼技术，其中以飞利浦公司的coughassist为代表。它通过正压供气，使病人的肺部扩张，然后突然切换为负压，从而产生高速的排气气流，正如咳嗽一样，高速气流将痰液带出气道。
但是，coughassist的缺点是：
1.正压供气时间与患者身体情况不匹配，不能充分地使肺部扩张
Coughassist进气时间是在开始工作前由医护人员设定的，但是对于不同病况的病人，可能出现以下两种情况：(1)在设定时间内肺部没有充分的扩张，进气量不足；(2)在不到设定时间的情况下肺部已经充分扩张，多余时间的供气可能造成过量充气，引起病人不适。
2.负压排气的时间与患者排气情况不匹配，容易造成过量排气，肺压降低使肺部萎缩
Coughassist负压咳痰时间也是由医护人员在开始工作前设定的。对于不同的病人，咳痰的时间不尽相同，如果时间设定的过短，可能肺内气体没有完全排出，咳痰效果大打折扣；如果时间设定的过长，可能造成过量排气，肺压降低，肺部萎缩。
3.设定进、排气压力时需要不断手动调节机械旋钮，费时费力
Coughassist在设定进、排气压力时，需要在设备开启的状态下人工堵住进、排气口，手动调节机械设定旋钮，使压力达到设定值。
4.咳痰过程中的压力和流量没有监测，不能向操作人员直观的显示出来
由于coughassist中没有设置用来监测气体流量的流量传感器和监测气体压力的压力传感器，无法将实际工作过程中的压力、流量情况实时反映给医护人员。
针对上述缺点，本发明提出了一种模拟人类咳嗽的痰液清除器。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种能够充分扩张肺部、咳痰效果好、操作简单方便、显示直观的模拟人类咳嗽的痰液清除系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种模拟人类咳嗽的痰液清除系统，包括直流无刷鼓风机、两位三通电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、气罐、真空泵、直流无刷鼓风机驱动器、中央处理器和人机界面；所述直流无刷鼓风机的出风口与所述两位三通电磁阀的进气接口相连通，所述两位三通电磁阀的出气接口与呼吸面罩相连通；所述气罐与所述两位三通电磁阀的排气接口相连通；所述气罐与所述真空泵的入口相连通；所述直流无刷鼓风机驱动器与所述直流无刷鼓风机电连接；所述两位三通电磁阀、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述真空泵和所述直流无刷鼓风机驱动器均与所述中央处理器电连接，所述中央处理器与所述人机界面电连接。
可选的，还包括与所述中央处理器电连接的流量传感器，所述流量传感器设置于所述两位三通电磁阀的出气接口与所述呼吸面罩之间。
可选的，还包括与所述中央处理器电连接的气体压力比例阀，所述气体压力比例阀设置于所述气罐与所述真空泵的入口之间。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1.正压供气时，通过流量传感器反馈的流量信号来判断正压通气过程是否结束，很好的克服了coughassist正压供气时间与患者身体情况不匹配，不能充分地使肺部扩张的缺点。
2.负压排气时，通过流量传感器和第一压力传感器反馈的信号与系统默认(人工设定)值相比，判断排气过程是否结束，避免了coughassist负压排气的时间与患者排气情况不匹配，容易造成过量排气的问题。
3.该装置由操作人员通过人机界面来设定进、排气压力；整个过程的输出压力、流量以及气罐内的负压都通过相应的传感器进行采集，反馈到中央处理器，然后通过人机界面显示出来，避免了通过机械旋钮设定压力带来的费时费力问题，同时能够直观的显示整个过程的压力和流量变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种模拟人类咳嗽的痰液清除器供气时结构框图。
图2是本发明一种模拟人类咳嗽的痰液清除器排气时结构框图。
附图标记说明：1、微型直流无刷鼓风机；2、两位三通电磁阀；3、流量传感器；4、第一压力传感器；5、第二压力传感器；6、气罐；7、气体压力比例阀；8、真空泵；9、风机驱动器；10、中央处理器；11、人机界面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种模拟人类咳嗽的痰液清除系统，以解决现有咳痰机，不能准确的控制肺部的充气量和排气量且操作费时费力的问题。
基于此，本发明提供的模拟人类咳嗽的痰液清除系统，其包括直流无刷鼓风机、两位三通电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、气罐、真空泵、直流无刷鼓风机驱动器、中央处理器和人机界面；所述直流无刷鼓风机的出风口与所述两位三通电磁阀的进气接口相连通，所述两位三通电磁阀的出气接口与呼吸面罩相连通；所述气罐与所述两位三通电磁阀的排气接口相连通；所述气罐与所述真空泵的入口相连通；所述直流无刷鼓风机驱动器与所述直流无刷鼓风机电连接；所述两位三通电磁阀、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述真空泵和所述直流无刷鼓风机驱动器均与所述中央处理器电连接，所述中央处理器与所述人机界面电连接。
本发明采用第一压力传感器监测肺部的压力，从而准确的控制肺部压力，使肺部充分扩张，供气压力通过人机界面设定，操作省时省力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种模拟人类咳嗽的痰液清除系统，直流无刷鼓风机1、两位三通电磁阀2、第一压力传感器4、第二压力传感器5、气罐6、真空泵8、风机驱动器9、中央处理器10和人机界面11；所述直流无刷鼓风机1的出风口与所述两位三通电磁阀2的进气接口b相连通，所述两位三通电磁阀2的出气接口a与呼吸面罩相连通；所述气罐6与所述两位三通电磁阀2的排气接口c相连通；所述气罐6与所述真空泵8的入口相连通；所述风机驱动器9与所述直流无刷鼓风机1电连接；所述两位三通电磁阀2、所述第一压力传感器4、所述第二压力传感器5、所述真空泵8和所述风机驱动器9均与所述中央处理器10电连接，所述中央处理器10与所述人机界面11电连接。
于本具体实施例中，如图1和2所示，所述模拟人类咳嗽的痰液清除系统还包括流量传感器3，所述流量传感器3设置于所述两位三通电磁阀2的出气接口a与所述呼吸面罩之间；还包括气体压力比例阀7，所述气体压力比例阀7设置于所述气罐6与所述真空泵8的入口之间；所述流量传感器3和所述气体压力比例阀7均与所述中央处理器10电连接。
本装置采用直流无刷鼓风机1向病人进行正压供气，使病人肺部充分扩张。直流无刷鼓风机1由一风机驱动器9驱动，通过模拟量(电压或电流)输入来调节直流无刷鼓风机1转速进而调节输出气体压力。
负压产生部分由真空泵8、气体压力比例阀7和气罐6组成。真空泵8通过气体压力比例阀7连接到气罐6，对气罐6进行抽气；真空泵8工作时通过气体压力比例阀7来调节气罐6内产生的负压。气体压力比例阀7通过模拟量输入来调节设定的负压值。
采用两位三通电磁阀2来切换进、排气过程。
在两位三通电磁阀2后端安装第一压力传感器4和流量传感器3，用来监测输出的气体压力和流量；在气罐6内安装第二压力传感器5，用来监测气罐6内的负压。第一压力传感器4和第二压力传感器5采集到的数据将传到中央处理器10，进行显示及处理；风机驱动器9、真空泵8、气体压力比例阀7和两位三通电磁阀2由中央处理器10进行控制。
实际工作时由医护人员根据病人的不同情况通过人机界面11向中央处理器10输入供气正压值和排气负压值；中央处理器10向风机驱动器9输出模拟量(电压或电流)使直流无刷鼓风机1按预定压力供气，同时中央处理器10控制两位三通电磁阀2处于默认位置(出气接口a与进气接口b导通)，直流无刷鼓风机1开始向病人供气，使病人肺部充分扩张。两位三通电磁阀2后端的第一压力传感器4和流量传感器3实时地将信号传递给中央处理器10，通过人机界面11显示给操作人员。随着病人肺部气体增加，气压上升，肺内压力和外部直流无刷鼓风机1供气压力的差值逐渐减小，气体流量逐渐降低，当肺内压力达到设定的供气压力时，由于气体的惯性作用，气体流量将会在零值附近震荡，当流量传感器3监测到这个信号后中央处理器10立即控制两位三通电磁阀2切换到排气通路，出气接口a与排气接口c导通，同时控制风机驱动器9使直流无刷鼓风机1停止工作，开始排气过程。
在直流无刷鼓风机1供气的同时，中央处理器10控制真空泵8和气体压力比例阀7工作，根据预定的负压值输出相应的模拟量(电压或电流)来调节气体压力比例阀7，使气罐6内的压力达到预定的负压值，同时气罐6内的第二压力传感器5将气罐6内的压力反馈到中央处理器10，通过人机界面11显示给操作人员。
当两位三通电磁阀2切换到排气通路时，由于阀口两端(出气接口a与排气接口c)的压力差产生瞬时高速排气气流，携带痰液从气道内排出，完成模拟人类咳嗽的过程。在排气过程中，两位三通电磁阀2后端的第一压力传感器4和流量传感器3实时地将信号传递给中央处理器10，与人工设定的排气临界压力或流量值进行对比，如果达到人工设定值，中央处理器10控制两位三通电磁阀2切换到进气通路(默认位置，出气接口a与进气接口b导通)，完成一次咳痰过程。
下面对本发明作进一步的说明。
1.工作原理
机械通气时供气压力为0—60cmH2O,即0—5.88kpa。本发明装置供气压力设定为0—6kpa(表压),通过中央处理器10向风机驱动器9输出相应的模拟量(电压或电流)信号来实现直流无刷鼓风机1输出压力在0—6kpa范围内可调。
本装置负压通过真空泵8、气体压力比例阀7和气罐6共同作用产生。真空泵8抽气口接气体压力比例阀7输入端，气体压力比例阀7输出端接气罐6。工作时，真空泵8常开，两位三通电磁阀2处于默认位置(出气接口a与进气接口b导通)，气罐6内形成密闭环境，中央处理器10向气体压力比例阀7输出相应的模拟量(电压或电流)信号，气体压力比例阀7输出端即气罐6产生不同负压值。本装置负压值设定范围为-20kpa—0(表压)。
在标况下，通过气体压力比例阀7的气体积流量可以表示为
其中Q为气体体积流量,pu为正向压力，pd为负向压力，R为气体常数，ρ为气体标况下密度，θ为气体标况下温度，κ为空气的比热，A为有效面积。
本装置采用有效面积为80mm2的两位三通电磁阀2，通过计算得产生的流量范围为0—881L/min，结果表明通过调节进、排气压力，咳嗽峰值流量能够超过临床判断有效咳嗽的临界值160L/min，同时也覆盖了人体正常咳嗽的峰值流量范围360—720L/min。说明本装置能够充分地模拟人类的咳嗽行为。
2.本装置的工作步骤如下：
(a)医护人员根据病人情况将正、负压设定值，咳痰次数通过人机界面11输入中央处理器10，并启动装置；
(b)中央处理器10根据设定值向风机驱动器9和气体压力比例阀7输出相应的模拟量信号，两位三通电磁阀2处于默认位置(出气接口a与进气接口b导通)，同时控制真空泵8开始工作。直流无刷鼓风机1按设定的正压进行供气，同时气罐6在真空泵8和气体压力比例阀7的作用下达到设定负压；
(c)供气和产生负压的过程中，供气压力、流量和气罐负压信号分别通过第一压力传感器4、流量传感器3和第二压力传感器5传到中央处理器10；再通过人机界面11展示给医护人员；
(d)开始进气后，当中央处理器10通过流量传感器3监测到零值附近波动信号时，立即控制两位三通电磁阀2进行切换，此时出气接口a与排气接口c导通，同时向风机驱动器9输出模拟量信号，使直流无刷鼓风机1停止工作，开始排气过程；
(e)在排气过程中，当中央处理器10接受到的流量传感器3或第一压力传感器4的反馈信号达到人工设定的排气临界压力或流量值时，控制两位三通电磁阀2切换默认位置(出气接口a与进气接口b导通)，完成一次咳痰过程,同时中央处理器10记录咳痰次数；
(f)中央处理器10判断咳痰次数是否达到设定值，如果小于设定次数则重复步骤(b)—(e),如果达到设定次数则使整个装置停止工作。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种模拟人类咳嗽的痰液清除系统，其特征在于，包括直流无刷鼓风机、两位三通电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、气罐、真空泵、直流无刷鼓风机驱动器、中央处理器和人机界面；所述直流无刷鼓风机的出风口与所述两位三通电磁阀的进气接口相连通，所述两位三通电磁阀的出气接口与呼吸面罩相连通；所述气罐与所述两位三通电磁阀的排气接口相连通；所述气罐与所述真空泵的入口相连通；所述直流无刷鼓风机驱动器与所述直流无刷鼓风机电连接；所述两位三通电磁阀、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述真空泵和所述直流无刷鼓风机驱动器均与所述中央处理器电连接，所述中央处理器与所述人机界面电连接。
2.根据权利要求1所述的模拟人类咳嗽的痰液清除系统，其特征在于，还包括与所述中央处理器电连接的流量传感器，所述流量传感器设置于所述两位三通电磁阀的出气接口与所述呼吸面罩之间。
3.根据权利要求1或2所述的模拟人类咳嗽的痰液清除系统，其特征在于，还包括与所述中央处理器电连接的气体压力比例阀，所述气体压力比例阀设置于所述气罐与所述真空泵的入口之间。
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