CN107735133B - 用于无创通气的患者气道和泄漏流量估计的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于估计无创通气机系统中的患者气道流量的方法(600)。所述方法包括以下步骤：(i)确定(630)管道的近端处的估计的气体流量；(ii)通过从所述管道的所述近端处的估计的压力中减去所述管道的所述近端处的测量的压力来确定(640)近侧的压力误差值；(iii)补偿所确定的近侧的压力估计误差值；(iv)通过将所述管道的所述近端处的所述估计的气体流量反馈到累积流量的总和中来补偿(654)该估计结果的误差；(v)确定(656)估计的气体流量泄漏；(vi)监测(660)所述无创通气机系统中的泄漏；(vii)确定(670)气体流量泄漏因子；(viii)调整(680)所述估计的气体流量泄漏；并且(ix)补偿(690)所述患者气道流量的偏差。

Description

用于无创通气的患者气道和泄漏流量估计的方法和系统

技术领域

本公开内容总体上涉及利用无创通气机系统中的远程通气机压力和流量传感器来估计患者气道流量和泄漏流量的方法和系统。

背景技术

提供危急护理通气的最常见手段要求利用气管内管对患者进行气管插管，所述气管插管使用可充气袖套在气管内密封。气管插管为临床管理气道和维持肺膨胀提供了最好的手段，但是由于极度的不适，引起了包括组织磨损、感染和患者镇静在内的重大风险。因此，气管插管被适当地称为“有创”通气，并且必须仔细考虑临床医生的气管插管决定。对于需要呼吸支持的选定的一组住院患者，导致气管插管不良副作用的风险可能超过其益处。

鉴于有创通气的重大风险，采用了来自家庭护理通气的新方法，其提供了通过气道施加支持的益处，但是了使用简单地涉及将面罩适配在患者的口部和鼻子上的连接或者使用了气管造口管。这种方法被称为无创正压通气，或被简称为无创通气(“NIV”)。对于NIV，由于在NIV系统中单肢回路将通气机连接到面罩，因此一些泄漏是预期的并且通常有意引入以便减少否则由患者再次呼吸的潮气末CO₂。相比之下，有创通气采用双肢连接回路，其分别携带呼出气体，这防止了有创通气中对CO₂的再呼吸，因此不需要泄漏。

虽然通气机的主要功能是提供或补充患者呼吸，但是通气机通常包括整体监测和报警功能以保护患者并提供基本的临床信息。为了提供这些功能，通气机监测波形，包括压力、流量和体积。为了避免患者附近有过多的管道和导线并减少患者分泌物堵塞气道的风险，最好不要使用气道流量传感器。在没有近端流量传感器的情况下，通气机内部的传感器能够用于监测流量。然而，将通气机与患者分开的四到六英尺的管道会对这些传感器造成严重的问题。连接管的压力-流量动态(包括泄漏)解释了在通气机处测量的流量与在病人气道处的流量不同。管道阻力和顺应性倾向于使流量瞬态平稳，并且泄漏导致患者气道处的流量损失。结果，通气机处的流量是对气道流量的很差的估计。

为了解决阻力和压缩的影响，通气机制造商使用患者回路模型将滤波应用于波形测量。这些模型通常要求区分测量的压力，这往往会放大压力输入信号中的高频噪声。由于这些滤波器并不涉及肺部力学，因此该模型是不完整的，并且气道流量估计结果更不准确。

因此，本领域需要利用远程通气机压力和流量传感器来适当地估计患者气道流量和泄漏流量的无创通气机系统。

发明内容

本公开内容涉及用于估计无创通气机系统中的患者气道流量的发明方法和系统。本文中的各种实施例和实施方式针对无创通气机系统，其计算对患者气道流量和未知泄漏流量的高度准确的估计结果。无创通气机使用反馈机制使所测量的近侧的压力与所估计的近侧的压力之差最小化，其中，使用连接通气机与患者的患者回路的模型来生成估计的近侧的压力。无创通气机还通过调整已知的泄漏流量估计结果来补偿可能在系统中发生的泄漏。

一般而言，在一个方面中，提供了一种用于估计无创通气机系统中的患者气道流量的方法。所述方法包括以下步骤：(i)提供具有管道的无创通气机系统，所述管道具有远侧的通气机端和近侧的患者端；(ii)获得所述无创通气机系统的管道顺应性的测量结果和呼气端口泄漏流量模型的一个或多个参数的测量结果；(iii)使用所述无创通气机的一个或多个远侧的气体流量传感器来测量所述管道的远端处的气体流量；(iv)使用所述无创通气机的近侧的压力传感器来测量所述管道的近端处的压力；(v)确定所述管道的所述近端处的估计的气体流量，所述估计的气体流量是根据所述管道的所述远端处的气体流量的测量结果、所述管道的所述近端处的测量结果或压力、管道顺应性的所获得的测量结果以及所述泄漏流量模型的一个或多个参数的所获得的测量结果而计算出的；(vi)通过从所述管道的所述近端处的所估计的压力中减去所述管道的所述近端处的所测量的压力来确定近侧的压力误差值；(vii)使用补偿器来补偿所确定的近侧的压力估计误差值；(viii)通过将所述管道的所述近端处的所述估计的气体流量反馈到累积流量的总和中来补偿该估计结果的误差；(ix)确定估计的气体流量泄漏，所述估计的气体流量泄漏是根据所述管道的所述近端处的所估计的压力和所述泄漏流量模型的一个或多个参数的所获得的测量结果而计算出的；(x)监测所述无创通气机系统中的未知泄漏；(xi)当识别出未知泄漏时，确定气体流量泄漏因子；(xii)利用所确定的气体流量泄漏因子来调整所述估计的气体流量泄漏；并且(xiii)补偿所述患者气道流量的偏差。

根据实施例，获得管道顺应性的测量结果和所述泄漏流量模型的所述一个或多个参数的测量结果的步骤包括一次或多次校准测量。

根据实施例，所述方法还包括将所述气体流量泄漏因子与预定下限进行比较的步骤。

根据实施例，如果所述气体流量泄漏因子低于所述预定下限，则触发警报。

根据实施例，所述方法还包括将所述气体流量泄漏因子与预定上限进行比较的步骤。

根据实施例，如果所述气体流量泄漏因子高于所述预定上限，则触发警报。

根据实施例，所述补偿器是比例积分补偿器。

一般来说，在一个方面中，提供了一种无创通气机系统。所述系统包括：气道管道，其具有远侧的通气机端和近侧的患者端；远侧的气体流量传感器，其被配置为测量所述管道的远端处的气体流量；近侧的压力传感器，其被配置为测量所述管道的近端处的压力；以及气体流量控制器，其被配置为将确定体积的气体供应到所述管道的所述远端，其中，所述气体流量控制器被配置为通过以下操作来确定所供应的气体体积：(i)确定在所述管道的所述近端处的估计的气体流量，所述估计的气体流量包括所述管道的所述远端处的气体流量的测量结果、所述管道的所述近端处的压力的测量结果、管道顺应性的测量结果以及泄漏流量模型的一个或多个参数的测量结果；(ii)通过从所述管道的所述远端处的所估计的压力中减去所述管道的所述近端处的测量的压力来确定近侧的压力误差值；(iii)补偿所确定的近侧的压力估计误差值；(iv)通过将所述管道的所述近端处的所述估计的气体流量反馈到累积流量的总和中来补偿该估计结果的误差；(v)确定估计的气体流量泄漏，所述估计的气体流量泄漏包括所述管道的所述近端处的所估计的压力和所述泄漏流量模型的一个或多个参数的所获得的测量结果；(vi)监测所述无创通气机系统中的未知泄漏；(vii)当识别出未知泄漏时，确定气体流量泄漏因子；(viii)利用所确定的气体流量泄漏因子来调整所述估计的气体流量泄漏；并且(ix)补偿患者气道流量的偏差。

根据实施例，所述控制器包括补偿器，所述补偿器被配置为补偿所确定的近侧的压力估计误差值。

应当意识到，以下更详细讨论的前述概念和额外概念的所有组合(假定这些概念相互一致)被认为是本文公开的发明主题的一部分。具体而言，出现在本公开内容的结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文公开的发明主题的一部分。

参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些方面和其它方面将变得明显并且得到阐明。

附图说明

在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记通常指代相同的部分。而且，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。

图1是根据实施例的在患者连接的无创通气机系统中对流量和压力建模的示意表示。

图2是根据实施例的用于估计无创通气机系统中的患者气道流量的模型的示意表示。

图3是根据实施例的无创通气机系统的示意表示。

图4是根据实施例的在患者连接的无创通气机系统中对流量和压力建模的示意表示。

图5是根据实施例的用于估计无创通气机系统中的患者气道流量的模型的示意表示。

图6A是根据实施例的用于估计无创通气机系统中的患者气道流量的方法的流程图。

图6B是根据实施例的用于估计无创通气机系统中的患者气道流量的方法的流程图。

图7是根据实施例的针对近侧的压力、估计的总泄漏流量、气道流量和气道流量估计误差的一系列图表。

图8是根据实施例的针对近侧的压力、估计的总泄漏流量、气道流量和气道流量估计误差的一系列图表。

具体实施方式

本公开内容描述了无创通气机(“NIV”)系统和方法的各种实施例。更一般地，申请人已经认识到并意识到提供这样的NIV将是有益的：该NIV利用远程通气机压力和流量传感器来准确地估计患者气道流量和泄漏流量。例如，NIV使用反馈控制使测量的近侧的压力与估计的近侧的压力之差最小化，其中，使用连接通气机与患者的患者回路的模型来合成所估计的压力。在使用期间发生的意外的或未知的泄漏可通过使用反馈机制来补偿，该反馈机制通过调整已知的泄漏估计结果将净流量修改为零。该方法和系统使得气道流量估计结果紧密跟踪真实的气道流量，具有低噪声和最小偏差，并且提供对未知泄漏流量的准确估计结果。

虽然下面描述的方法和系统应用于NIV，但是这些方法也可以类似地用于管理可压缩气体通过任何传输通道(例如，用于加热和/或空调系统)的移动。基本上，包含远程估计流量需求的任何系统都能够利用本文所描述或以其他方式设想的方法和系统。

参考图1，根据实施例，图1是用于使用电路类比的NIV系统的模型，其中，分支电流表示流量，节点电压表示压力，电容表示气动顺应性，并且电阻表示流量限制。在图1中，Q_v是从通气机进入管道的所测量的净流量；C_T是管道的所测量的顺应性；Q_circ是在压缩期间被储存在管道顺应性中的流量分量；P_p或P_prox是在气道的近侧处所测量的压力；

是所测量的端口泄漏阻力；

是通过端口泄漏流向环境的流量分量；Q_L是进入肺部的未知的流量分量；R_L是未知的非线性集总气道阻力；并且C_L是肺部的未知的集总顺应性。对图1中的电路建模并且涉及压力和流量的一组方程，如果直接解读的话，肺流量的解会产生非因果形式，要求区分有噪声的近侧的压力信号。但是，然后患者回路不是孤立的，而是被耦合到患者的肺，如果考虑到这些动力学，会使得对导数进行平滑化。在图1中描绘的耦合模型也会产生回路与肺部参数之间的混乱，如果系统是线性的，则在估计中不难理清这种混乱，但是非线性阻力参数使得理清是不可能的，由此产生的二次微分方程是棘手的，并且因此肺阻力和顺应性不能通过典型的手段来估计。

鉴于上述内容，各种实施例和实施方式都涉及这样的NIV：其利用使用远程通气机压力和流量传感器的反馈机制来估计患者气道流量和泄漏流量。参考图3，在实施例中，图3是示例性NIV系统300的表示。NIV包括气体源，该气体源能够是用于呼吸的任何气体，包括但不限于大气和氧气等。该气体源以预定的压力从NIV排出。除了其他类型的控制器之外，NIV还包括作为常规微处理器、专用集成电路(ASIC)、片上系统(SOC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)的控制器20。控制器可以在采用或不采用处理器的情况下来实施，并且还可以被实施为执行一些功能的专用硬件与处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合以执行其他功能。

控制器20能够与任何所需的存储器、电源、I/O设备、控制电路和/或根据本文描述的或另外设想的实施例的NIV的操作所必需的其他设备相耦合或以其他方式相通信。例如，在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联。在一些实施方式中，可以利用一个或多个程序编码对存储介质进行编码，所述一个或多个程序在一个或多个处理器和/或控制器上被运行时执行本文讨论的至少一些功能。各种存储介质可以被固定在处理器或控制器内，或者可以是可转移的，使得其上存储的一个或多个程序可以被加载到处理器或控制器中，以便实施本文所讨论的本发明的各个方面。术语“程序”或“计算机程序”在本文中一般意义上用于指代能够用于对一个或多个处理器或控制器编程的任何类型的计算机代码(例如，软件或微代码)。

NIV包括将气体从远程通气机部件40递送到用户接口50的管或管道30。用户接口50能够是例如覆盖用户的口部和/或鼻子的全部或一部分的面罩。可以有许多不同尺寸的面罩以适应不同尺寸的患者或个体，并且/或者面罩是能调节的。作为另一种备选方案，用户接口50可以适配在气管造口管内或其上，或者以其他方式与气管造口管相互作用。因此，用户接口50可以是各种尺寸的以适应不同形状和尺寸的气管造口术。用户接口被配置为与患者的气道的至少部分适配并且包括呼气端口80。NIV系统包括位于管道的端部处在远程通气机部件40附近的远侧的气体流量传感器60，以及位于管道的端部处在用户接口50附近的近侧的压力传感器70。远侧的气体流量传感器60或近侧的压力传感器70中的任一个可以包括例如两个或更多个传感器。例如，远侧的气体流量传感器60能够包括鼓风机流量传感器和O₂阀传感器。另外，传感器中的任一个可以在NIV的外部或内部。控制器20被配置为通过有线或无线通信从远侧的气体流量传感器60和近侧的压力传感器70两者接收传感器数据。

值得注意的是，近侧的压力传感器70位于管道30的输出部处，而不是靠近患者或个人的口部。因此，由近侧的压力传感器70获得的数据不直接等同于患者气道中的气体流量，并且对气道流量的估计是必要的。一种用于估计患者气道流量(Q_L)的方法是经由以下方程的：

其中，

是估计的患者气道流量，Q_v是由远侧的气体流量传感器60测量的气体流量，C_T是患者连接回路顺应性，P_p是由近侧的压力传感器70测量的气体流量，并且

是总泄漏阻力。然而，方程(1)会导致有噪声的气道流量估计结果和大的瞬态误差。这在很大程度上归因于方程中的第二项，其解释了患者回路中气体压缩的流量损失以及有噪声的压力信号的导数。为了补偿噪声，估计结果通常被滤波，但是如果没有正确选择滤波器来匹配患者肺部动力学，则会导致额外的误差。

参考图2，在一个实施例中，图2是用于估计无创通气机系统中的患者气道流量的通气机/患者回路200的示意图。该回路包括作为输入到回路中的气体流量的测量的远侧的气体流量Q_v、使用对气体流量的泄漏阻力和回路顺应性的量度的电路阻抗模型210、作为连接回路泄漏流量的估计结果

(其利用总泄漏阻力

)、由近侧的压力传感器70测量的近侧的压力P_p、补偿器220以及所估计的患者气道流量

根据实施例，由连接回路阻抗模型210合成的压力是基于进入回路阻抗的净流量之和的近侧的压力的估计结果。将该压力从所测量的压力中减去，并且由控制器20使得测量的压力与估计的压力之差最小化。通过选择合适的补偿器220，控制器输出被有效地驱动以接近气道流量

的紧密估计结果以完成反馈回路。根据实施例，使用比例-积分补偿器(“PI补偿器”)将近侧的压力测量结果与近侧的压力估计结果之差驱动为零，并且由此估计气道和泄漏流量。根据实施例，PI补偿器利用以下方程：

其中，K_i是积分增益，K_p是比例增益。虽然能够使用PI补偿器，但是也能够类似地使用许多其他补偿器，其提供环路稳定性并且适当地使误差向零收敛，因此使得

跟踪_p的。

气道流量分析

因此，根据实施例，图1中的NIV模型能够被扩展到非线性、线性参数变化的模型。近似与患者耦合的NIV-患者回路的非线性方程就是：

这组方程能够被表达为框图，如图4中所图示的。图4的上部描绘了涉及肺的模型的部分，图4的下部描绘了患者回路。两部分通过近侧的压力P_prox和肺流量Q_L彼此耦合。如果不考虑患者回路阻力，通气机出口流量只能用作可测量的输入量，而机器压力则不提供另外的有用信息。Q_l是由P_prox和泄漏流量模型(例如，如图4中的R₁所示，尽管其他模型也是可能的)确定的净泄漏流量。要确定的输出是Q_L。虽然没有测量Q_L，但是测量了近端气道压力P_prox。P_L是肺压力，C_L和R_L分别是肺顺应性和阻力。通常假定C_L和泄漏模型两者都是已知的，并且根据一个实施例，除了其他机制以外，能够根据回路上的使用前校准流程来确定C_L和泄漏模型两者。

根据实施例，由于在确定R_L和C_L方面存在困难，因此如果还进行其他调整，则该模型的该部分能够被消除并且被离散时间滤波器所代替。另外，该模型的已知部分能够被如图5中所图示的原始连续时间模型的离散时间等价物所代替。该滤波器代替了图4中描绘的表示肺的模型的部分，但它不模拟肺。现在将确定P_prox的模型的回路部分的输出视为P_prox的估计结果

并且将该值从实际测量的P_prox中减去。这个差值e成为到滤波器的输入。滤波器的积分作用通过作用在该模型的回路部分上的它的输出的作用使e最小化，反馈到Q_L曾经连接的地方。但是Q_L现在被看作一个估计结果，因此被指代为

通过选择滤波器参数K_i和K_p，能够使整个反馈系统稳定，并且能够使e收敛到零。随着快速收敛，

将跟踪测量的P_prox，这将引起

和

跟踪实际的肺和泄漏流量(假定实际的R_l是正确的)。

泄漏干扰补偿器

当在NIV系统内发生未知的或意外的泄漏时，需要额外的控制以便确保所估计的泄漏和肺流量的收敛。虽然不能在逐样本的基础上导出进一步的信息，但是在整个呼吸周期内有能够用于确定在回路-肺系统中是否有意外的泄漏流量的信息。在呼吸速率和吸气时间的稳定状态环境下，在吸气期间进入肺的体积必须等于在呼气期间排出肺的体积。能够假定在大多数情况下，这些体积之间的任何差异都能够归因于不是由固定的泄漏模型来解释的体积损失。因此，泄漏流量估计结果能够通过在呼吸周期上乘以一个因子来调整。这也假定未知的泄漏在呼吸周期的时段上在某种程度上是静止的，或者至少缓慢变化。另外，根据实施例，被固定在每一次呼吸开始时的值并且基于根据先前呼吸对泄漏的调和的泄漏因子(K_L)乘以已知泄漏的输出以在反馈到估计器之前得到

因此，

成为总的泄漏，包括已知的分量和未知的分量。

确定K_L的方式需要仔细考虑如何处理净呼吸体积，这是因为涉及单呼吸延迟动态，而不恰当的管理会导致收敛太慢，摆动，限制估计器中的循环甚至不稳定性。图形根轨迹合成被用于基于模型Kz^-1导出这样的控制器。K是平均总泄漏流量对K_L的变化的敏感度，平均约为0.4升/秒，但对固定泄漏和呼吸参数敏感。而一个样本延迟来自回顾一个样本(一次呼吸)。泄漏因子被限制在零至最大预期泄漏流量之间。如果没有超出面罩和呼气端口预期的泄漏流量，则控制器的输出应当收敛到非常接近1的数值。通过允许因子低于1，在此设计中一直为零，控制器能够校正被低估的意外的或未知的泄漏流量阻力，或者由于任何原因在操作期间端口泄漏或面罩泄漏被阻塞。

参考图6A和图6B，在一个实施例中，图6A和图6B是用于估计无创通气机系统中的患者气道流量的方法600的流程图。在步骤605处，提供NIV系统。NIV系统能够是本文描述的或以其他方式设想的实施例中的任一个。在步骤610处，检索或获得管道顺应性(C_T)和泄漏阻力(R₁)的测量结果。通常在呼吸递送之前的患者设置期间获得这些测量结果。例如，根据一个实施例，基于校准流程来确定R₁的值。备选地，能够从R₁值的数据库中检索R₁，其中，值能够取决于用户从用户屏幕接口选择管道组和/或端口泄漏零件编号，自动使用植入管道组或其部件中的RFID标签，将零件编号读入通气机的条形扫描系统，或者各种其他方法。例如，管道顺应性(C_T)根据通气机在整个呼吸期间产生的压力来影响通气机回路中压缩气体的量。可压缩体积能够根据回路的内部体积及其壁的刚度而变化。

在该方法的步骤620处，在接近用户接口50的管道的端部处从近侧的压力传感器70获得一个或多个测量结果。近侧的压力传感器70能够使用各种测量方法和设备中的任何一种来获得(一个或多个)压力测量结果。

在该方法的步骤630处，控制器20确定管道的近端处的估计的压力(P_prox)。对管道的近端处的压力的估计利用了管道的远端处的气体流量(Q_v)的一个或多个获得的测量结果以及管道顺应性(C_T)和泄漏阻力的所获得的测量结果。

在该方法的步骤640处，控制器20通过从估计的近侧的压力

中减去实际测量的近侧的压力(P_prox)来确定近侧的压力估计误差值(e)。在该方法的步骤650处，控制器20使用比例积分补偿器使压力误差最小化。例如如图5所示，根据实施例，计算出的差值e被用作到滤波器540的输入。滤波器的积分作用通过作用在模型的回路部分上的它的输出的作用使e最小化，反馈到Q_L曾经连接的地方。但是Q_L现在被当作一个估计结果并因此被指代为

通过分析方法或联机控制用高级数据处理程序(dehoc)调谐来选择滤波器参数K_i和K_p，能够使整个反馈系统稳定，并且能够使e快速收敛并保持接近零。随着收敛，

将跟踪所测量的P_prox，这将引起

和

跟踪实际的肺和泄漏流量，假定泄漏模型、其参数和顺应性是正确的。当额外的“未知”泄漏发生或者R₁可能被确定为有误差时，该系统需要进一步的控制措施来确保所估计的泄漏和肺流量以及偏差的收敛，如下文更详细地讨论的。根据实施例，能够周期性地或连续地获得和/或更新在整个方法过程中获得的测量结果和/或计算结果。

在该方法的步骤654处，通过将估计结果提供回累计流量的总和，控制器使得患者气道流量的所获得的估计结果的误差变小。

在该方法的步骤656处，计算估计的气体流量泄漏。所述估计的气体流量泄漏基于管道的近端处的所估计的压力以及具有先验获得的参数的泄漏模型。像该方法的若干其他步骤一样，该步骤能够在其他步骤之前、之后发生或同时发生。

在该方法的步骤660处，监测NIV系统的未知的或意外的泄漏。本文描述的回路阻抗模型包括用于估计泄漏行为的泄漏模型，但是该泄漏被有意地构建到回路中(例如用于通过呼气端口80的患者呼气)。假定该泄漏值不变，并且通常在患者连接之前被校准或是已知的，在施加通气期间，可能产生额外的未知的或意外的泄漏，例如在将面罩密封在患者面部的面罩裙部周围。未知的泄漏能够被看作是系统中的干扰，并且在通气期间使用与控制器20相同或相分离的反馈控制器来估计泄露的大小。根据实施例，反馈控制器用于在整个呼吸期间使积分的估计的气道流量

最小化，这等价于使针对每次呼吸的净估计的肺体积最小化，如果净估计的肺体积减少到零，那么在经积分以得到体积的平均流量中没有泄漏分量。任何残留体积都在呼-呼吸反馈控制律中起作用，以调整校正因子

其校正泄漏模型的输出。

因此，在该方法的步骤670处，计算气体流量泄漏因子K_L。在该方法的步骤680处，使用气体流量泄漏因子K_L来调整所述估计的气体流量，并且在该方法的步骤690处，控制器20补偿经调整的气体总泄漏。参考图5，根据一个实施例，泄漏干扰模型550计算校正因子K_L，然后利用校正因子K_L来校正泄漏模型的输出。因此，补偿经调整的气体总泄漏会补偿患者气道流量的偏差。换句话说，使所估计的吸入气体体积与呼出气体体积之差最小化或等价地将净估计的体积强制为零会使气道流量估计结果的偏差最小化。

在该方法的任选步骤692处，将气体流量泄漏因子与预定下限进行比较。如果气体流量泄漏因子低于预定下限，则确定呼气端口的低泄漏或故障状况。根据NIV系统的设置和/或编程，能够发生警告、警报或气体流量调整。下限能够是出厂设置、可调节的设置和/或取决于诸如患者的体型、病况、疾病等因素以及其他因素的设置。

在该方法的任选步骤694处，将气体流量泄漏因子与预定上限进行比较。如果气体流量泄漏因子高于预定上限，则确定患者管道的断开故障。根据NIV系统的设置和/或编程，可以发生警告、警报或气体流量调整。上限能够是出厂设置、可调整的设置和/或取决于诸如患者的体型、病况、疾病等因素以及其他因素的设置。除其他以外，这些限制能够检测到CO₂积聚和可能的回路断开。

估计器计算

根据实施例，估计器包括使测量和估计的P_prox与回路动态模型部分之间的差异最小化的滤波器。该计算能够在每一个控制周期进行更新，但是其他时间范围也是可能的。滤波器部分能够包括例如以下项目：

其中，根据实施例，I_Fout(0)＝I_Fin(0)＝0；Q_Lmin＝-5.0lps；Q_Lmax＝5.0lps；

并且

根据实施例，在估计器环路中完成总体负反馈，而不管近侧的压力量度与估计结果之差是以什么顺序取得的。根据该实施例，环路中需要奇数个负号。例如，当压力误差写为

时，补偿器方程必须包括一个符号反转，这是因为

反馈到带负号的流量总和中。根据实施例，对于稳定的估计器操作来说需要这种负反馈。

根据实施例，估计器回路动态模型部分能够包括例如以下项目：

I_Cin(n)＝Q_sum(n)+Q_La(n) (12)

C_T＝C_Tcal (13)

根据实施例，方程(18)假定端口泄漏流量总是正的；二次模型假定

因此模型不包括符号校正。由未知泄漏补偿控制器的输出确定的K_L由呼吸速率(指数k)索引，并且在每一次呼吸开始时更新。因此它的值反映了前一次呼吸的信息，适用于当前的呼吸。

基于面罩的先验校准数据知晓

的值，并且根据面罩泄露类型进行分类，面罩泄露类型是在呼吸递送之前在患者设置期间选择的。下面的表1根据所选择的面罩泄露类型提供了

的值。

表1、根据所选择的面罩泄露类型的

的值。

根据实施例，在呼吸递送开始之前，在患者回路校准流程期间都测量K_2port(cmH₂O/lps²)、K_1port(cm H₂O/lps)和C_Tcal(升/cm H₂O)。对于有用的输出，估计结果将被滤波并按照lpm的单位进行缩放。

利用一阶滤波器来滤除无用的高频信号，并以lpm为单位来缩放流量。这个滤波器的一般连续时间(LaPlace)形式是：

并且使用任何离散时间替换来近似连续滤波器，并且在该特定实施例中，Tustin的双线性变换：

表2.针对NIV的经滤波的流量定义

根据实施例，当待机，回路断开或者紧急通气条件发生时，能够设置Q_Lreset。该标志重置或保持估计功能处于其初始条件下，直到呼吸递送恢复。重置会影响核心估计器、未知的泄漏补偿控制和净肺体积计算，并且用于在不能再获得入口流量或近侧的压力测量结果时或在系统确定回路模型行为已经受到损害时暂停估计。

Q_Lreset(n)＝NIVStandby(n)或NIV_Circ_Disconevt(n) (22)

在不能再测量近侧的压力的情况下(例如，与感测线断开)，能够使用算法来感测这种情况，并且在这种情况下，替代备选的近侧的压力估计结果，其能够替代基于入口回路流量的测量结果、机器压力测量结果和管道流量阻力的校准模型。

估计器计算

根据实施例，未知泄漏补偿控制器确定最后一次呼吸的平均泄漏流量并计算泄漏补偿因子K_L，以使该流量在后续呼吸中最小化。根据IE信号的上升过渡，每一次呼吸开始时都会更新该控制。

K_L(k)＝min{max{K_Lsum(k),K_Lmin},K_Lmax} (23)

K_Lsum(k)＝Q_leakIntIn(k)+K_L(k-1) (24)

其中，根据实施例，K_Lmax＝10.0；K_Lmin＝0.0；β＝2.0；并且K_L(0)＝1。这些泄漏因子的值允许在零至总的已知泄漏(面罩和呼气端口)的值的十倍之间：

其中，根据实施例，

并且I_inhOUT(0)＝0.001。对于NIV，应当根据转换公式将

Q_{Lung_dry}(n)转换为BTPS参考帧。

实验结果

根据一个实施例，估计器方法和系统使用Simulink软件来构建，并且随后被指定用于NIV产品中的软件实施。在图7中示出了对密歇根仪器训练和测试肺进行通气的单个呼吸压力和流量波形的范例。肺顺应性被设置为约0.02升/cm H₂O并使用Rp5气道限制。使用具有DEP呼气端口泄漏的Respironics 22mm BiPAP回路。回路顺应性被校准为0.0008升/cmH₂O，并且已知泄漏为97cm H₂O/(1/秒)^2。实现测量的肺流量误差约为1.5lpm rms，呼吸转换峰值误差小于6lpm。图8图示了一系列呼吸。在第一次呼吸之后

在回路连接中引入突然未知的泄漏步骤改变。泄漏在50秒时被去除。在85秒时，已知的泄漏几乎完全被堵塞。由于这一系列干扰动作，总的泄漏估计结果发出响应，并且气道流量估计结果(虚线)在几次呼吸内迅速恢复。

本文所定义和所使用的所有定义都应当被理解为控制字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义的术语的普通含义。

除非明确指出相反情况，本文在说明书和权利要求书中使用的词“一”和“一个”应当被理解为意指“至少一个”。

本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应当被理解为意指如此结合的元素的“任一个或两个”，即，在一些情况下联合存在而在其他情况下分离存在的元素。利用“和/或”列出的多个元素应当以相同的方式进行解释，即，如此结合的元素中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句子特别标识的元素以外，其他元素可以任选地存在，而不管与特别标识的那些元素相关还是不相关。

本文在说明书和权利要求书中使用的“或”应当被理解为具有与如上定义的“和/或”的相同的含义。例如，当在列表中分离项目时，“或”或“和/或”应当被解读为是包含性的，即，包含多个元素或元素列表中的至少一个元素，但也包括多于一个的元素，以及任选的其他未列出的项目。只有明确指出相反情况的术语(例如，“仅一个”或“正好一个”)或者当在权利要求中使用时，“由……组成”将指包含多个元素或元素列表中的正好一个元素。一般而言，本文中所使用的术语“或”仅当前面有诸如“任一个”、“中的一个”、“中的仅一个”或“正好一个”的排他性术语时才被解读为排他性替代词(即，“一者或另一者，而非两者”)。

本文在说明书和权利要求书中使用的关于一个或多个元素的列表的短语“至少一个”应当被理解为是意指从元素列表中的元素中的任何一个或多个中选择的至少一个元素，但是不一定包括元素列表内具体列出的每个或每一个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中的元素的任何组合。该定义还允许除了在元素列表内由短语“至少一个”所指的特别标识的元素之外的元素可以任选地存在，不管与特别标识的那些元素相关还是不相关。

还应当理解，除非明确指出相反情况，否则在本文所要求保护的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，该方法的步骤或动作的顺序不一定限于记载该方法的步骤或动作的顺序。

在权利要求书以及上面的说明书中，诸如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保留”、“由……构成”等所有过渡性短语应被理解为是开放式的，即，意指包括但不限于。只有过渡性短语“由……组成”和“基本上由……组成”分别应当是封闭式或半封闭式的过渡性短语，如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所阐述的。

虽然本文已经描述和说明了若干发明实施方式，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得本文所描述的结果和/或一个或多个优点的各种其它手段和/或结构，并且这些变化和/或修改中的每个被认为是在本文描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文所描述的所有参数、尺寸、材料和配置都是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于特定应用或使用本发明的教导的应用。本领域技术人员将认识到，仅仅使用常规实验就能够确定本文描述的特定的发明实施例的许多等同物。因此，应当理解，前述实施例仅以范例的方式呈现，并且在权利要求及其等同物的范围内，可以以与特别描述和要求保护的方式不同的方式来实践发明实施例。本公开内容的发明实施例针对本文所描述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。另外，如果这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法相互一致，则两个或更多个这种特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合都被包括在本公开内容的发明范围内。

Claims (15)

1.一种用于估计无创通气机系统中的患者气道流量的方法(600)，所述方法包括以下步骤：

提供(605)无创通气机系统，所述无创通气机系统包括管道，所述管道具有远端和近端；

获得(610)所述无创通气机系统的呼气端口泄漏流量模型的一个或多个参数的测量结果和管道顺应性的测量结果；

使用所述无创通气机系统的远端的气体流量传感器来测量(620)所述管道的远端处的气体流量；

使用所述无创通气机系统的近端的压力传感器来测量(620)所述管道的近端处的压力；

利用所述管道的所述远端处的气体流量的测量结果、所述管道的所述近端处的压力的测量结果、管道顺应性的所获得的测量结果以及所述泄漏流量模型的一个或多个参数的所获得的测量结果，确定(630)所述管道的所述近端处的估计的气体流量；

通过从所述管道的所述近端处的所估计的压力中减去所述管道的所述近端处的所测量的压力来确定(640)近端的压力误差值，所述管道的所述近端处的所估计的压力是使用连接通气机与患者的患者回路的模型来合成的；

使用补偿器来补偿(650)所确定的近端的压力误差值；

通过将所述管道的所述近端处的所述估计的气体流量反馈到累积流量的总和中来补偿(654)所述估计的气体流量的误差；

基于所述管道的所述近端处的所估计的压力和所述泄漏流量模型的一个或多个参数的所获得的测量结果，确定(656)估计的气体流量泄漏；

监测(660)所述无创通气机系统中的未知泄漏；

当识别出未知泄漏时，确定(670)包括来自先前呼吸的泄露信息的气体流量泄漏校正因子；

利用所确定的气体流量泄漏校正因子来调整(680)所述估计的气体流量泄漏；并且

通过补偿经调整的气体总泄漏来补偿(690)所述患者气道流量的偏差。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，获得管道顺应性的测量结果和所述泄漏流量模型的所述一个或多个参数的测量结果的步骤包括一次或多次校准测量。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述气体流量泄漏校正因子与预定下限进行比较(692)的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，如果所述气体流量泄漏校正因子低于所述预定下限，则触发警报。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述气体流量泄漏校正因子与预定上限进行比较(694)的步骤。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，如果所述气体流量泄漏校正因子高于所述预定上限，则触发警报。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述补偿器是比例积分补偿器。

8.一种无创通气机系统(300)，包括：

气道管道(30)，其包括远端和近端；

远端的气体流量传感器(60)，其被配置为测量所述管道的远端处的气体流量；

近端的压力传感器(70)，其被配置为测量所述管道的近端处的压力；以及

气体流量控制器(20)，其被配置为将确定体积的气体供应到所述管道的所述远端，其中，所述气体流量控制器被配置为通过以下操作来确定所供应的气体体积：(i)利用所述管道的所述远端处的气体流量的测量结果、所述管道的所述近端处的压力的测量结果、管道顺应性的测量结果以及泄漏流量模型的一个或多个参数的测量结果，确定在所述管道的所述近端处的估计的气体流量；(ii)通过从所述管道的所述近端处的所估计的压力中减去所述管道的所述近端处的测量的压力来确定近端的压力误差值，所述管道的所述近端处的所估计的压力是使用连接通气机与患者的患者回路的模型来合成的；(iii)补偿所确定的近端的压力误差值；(iv)通过将所述管道的所述近端处的所述估计的气体流量反馈到累积流量的总和中来补偿所述估计的气体流量的误差；(v)基于所述管道的所述近端处的所估计的压力和所述泄漏流量模型的一个或多个参数的所获得的测量结果，确定估计的气体流量泄漏；(vi)监测所述无创通气机系统中的未知泄漏；(vii)当识别出未知泄漏时，确定包括来自先前呼吸的泄露信息的气体流量泄漏校正因子；(viii)利用所确定的气体流量泄漏校正因子来调整所述估计的气体流量泄漏；并且(ix)通过补偿经调整的气体总泄漏来补偿患者气道流量的偏差。

9.根据权利要求8所述的无创通气机系统，其中，所述控制器包括补偿器，所述补偿器被配置为补偿所确定的近端的压力估计误差值。

10.根据权利要求9所述的无创通气机系统，其中，补偿器是比例积分补偿器。

11.根据权利要求8所述的无创通气机系统，其中，所述控制器还被配置为获得管道顺应性的测量结果和所述泄漏流量模型的一个或多个参数的测量结果。

12.根据权利要求8所述的无创通气机系统，其中，所述控制器还被配置为将所述气体流量泄漏校正因子与预定下限进行比较。

13.根据权利要求12所述的无创通气机系统，其中，所述控制器还被配置为在所述气体流量泄漏校正因子低于所述预定下限的情况下触发警报。

14.根据权利要求12所述的无创通气机系统，其中，所述控制器还被配置为将所述气体流量泄漏校正因子与预定上限进行比较。

15.根据权利要求14所述的无创通气机系统，其中，所述控制器还被配置为在所述气体流量泄漏校正因子高于所述预定上限的情况下触发警报。

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