CN108136140A - 用于将高浓度no与吸入疗法气体一起扩散的装置和方法 - Google Patents

用于将高浓度no与吸入疗法气体一起扩散的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明的系统和方法可使高浓度NO能够通过扩散装置递送到呼吸机呼吸回路中，而不会生成不希望的大量NO2。

Description

用于将高浓度NO与吸入疗法气体一起扩散的装置和方法
技术领域
本发明的原理和实施方案总体涉及一种用于将一氧化氮(NO)与施用于患者以进行吸入疗法的其他气体合并的装置。
背景
已经显示许多气体对人类和动物具有药理作用。一种这样的气体是一氧化氮(NO)，其在吸入时用于扩张肺中的血管、改善血液的氧合作用并降低肺动脉高压。在用于各种肺部病状(诸如急性肺血管收缩、高血压和血栓栓塞或吸入性损伤)的吸入疗法领域中，治疗包括了使用从气瓶供应的治疗气体NO。更具体地说，用于吸入疗法的这种气态NO是从装有NO的高压气瓶供应到患者。例如，这种方法公开在标题为“一氧化氮递送系统(NitricOxide Delivery System)”的美国专利号：5,558,083中，所述专利内容以引用的方式整体并入本文。
一般来说，吸入一氧化氮(INO)疗法涉及将设定剂量下的一定浓度的NO递送到机械通气的患者。这种类型(环绕式)的NO递送系统能够感测机械呼吸机的吸气分支中的新鲜气流，并且通过注入器模件将来自源气瓶的NO比率式地(ratio-metrically)递送到呼吸机的吸气分支中以达到规定的患者剂量。
典型地说，NO源(例如，来自源气瓶)的浓度可以是约800ppm NO。如以上所论述的，800ppm下的这种NO源气体可成比例地递送(例如，比率式地递送)到新鲜气流中，使得新鲜气流中NO的浓度为约5至80ppm。
尽管INO疗法具有许多益处，但已经发现，当将NO递送到新鲜气流中时，通过与新鲜气流中的O2反应可生成二氧化氮(NO2)(毒性气体)。更具体地说，二氧化氮的形成与NO浓度的平方乘以O2的浓度成比例。
NO转化成NO2的动力学和速率方程由下式给出：
2NO→N2O2
N2O2+O2→2NO2
由此，得出NO2的形成速率＝k[NO]2[O2]，其中k以L·mol-1·s-1为单位，或者以气体的分压为单位。
因此，产生的NO2量(ppm NO2)与NO浓度的平方相关，并与氧化浓度和时间呈线性关系。
有鉴于此，从低浓度NO源(例如，100ppm、400ppm和800ppm NO气瓶)递送到呼吸机呼吸回路中的NO可能不会导致不希望的大量NO2，例如>1ppm；然而，按照以上动力学，使用从高浓度源(例如，2000ppm、5000ppm和10,000ppm NO气瓶)递送到呼吸机呼吸回路中的NO预期会生成不可接受量的毒性NO2，例如当提供40ppm NO剂量和60％的O2一起时生成>1ppm的NO2。理论上，对于相同的NO疗法剂量，来自5000ppm源气体的NO2的形成速率可达到800ppm源的39倍。
有人试图使用不同的技术来解决这个问题；然而，这些技术可能无法在特定系统中起作用，可能无法在递送高浓度NO时起作用，可能完全不起作用，或者可能无法解决NO2生成的实际原因和/或先前不了解的NO2生成的潜在因素。因此，存在对减少NO2生成的系统和方法的需要，所述系统和方法能够在特定系统中起作用，解决NO2生成的实际原因和/或先前不了解的潜在因素。
概述
本发明的系统和方法可用于减少在例如递送到呼吸机呼吸回路中的新鲜气流中时生成的NO2。此外，本发明的系统和方法可使高浓度NO能够通过扩散装置递送到呼吸机呼吸回路中，而不会生成不希望的大量NO2，例如对于40ppm NO剂量和100％的O2一起，>1ppm的NO2。使用高浓度NO源(例如，2000、4880、10,000ppm NO气瓶)可提供益处，诸如但不限于：使用较小的NO气瓶，其允许增加便携性并将较小体积的高浓度气体引入到呼吸机气体流中；以及NO和载气N2气体对富氧新鲜气流(FGF)的稀释较少。出人意料地发现，在以相等或更高的速率进行扩散的情况下，引入较小的NO体积可用与较小的气体体积相关的较短扩散时间总体生成较少的NO2。本文解决的问题涉及在可形成大浓度的NO2之前至少快速降低NO浓度。
解决上述问题的方式有若干种，包括减少高浓度的NO在呼吸机气体流内存在的时间，这可以通过增加NO扩散到其他气体中的速率和/或减少高浓度NO在快速扩散之前驻留在呼吸机呼吸回路中的时间来实现。这种时间的减少可以在NO直接注入点处通过以下方法来实现：将从高(源)浓度至低(设定剂量)浓度的瞬时NO浓度时间最小化。在直接注入点处的、从源至设定剂量的非常快速的NO浓度降低显著地减少了NO2生成，并且可通过多种方法来实现，包括但不限于诸如气体混合、气体扩散、热效应、气体流取向相交、气体流速度相交或其任何组合。瞬时NO浓度时间或NO在大体高于设定剂量时驻留在FGF中的时间指的是：与NO在设定剂量或接近设定剂量时驻留在FGF中的时间相比，可以显著更高的速率生成NO2的时间。换言之，众所周知，即使在达到均匀的NO浓度之后，仍然会继续生成NO2。然而，NO浓度接近设定剂量的区域中的NO2生成与O2浓度和时间呈线性关系，并且因此与在瞬时NO浓度时间段期间观察到的NO2生成相比，其处于显著较低的速率。
本发明的原理和实施方案总体涉及一种用涉及高浓度NO源的NO吸入疗法治疗患者的装置和方法。然而，虽然本文所述的方法、系统和装置在高浓度NO源的背景下进行了论述，但是本文所述的方法、系统和装置也可应用于较低浓度的NO源，诸如等于或低于800ppmNO的那些源。
本发明的各方面涉及一种将包含NO的气体流和包含分子氧(O2)的新鲜气流合并以递送到患者的装置，其中NO和O2的扩散发生得足够快，使得NO2的产生最小化，因此小于1ppm的NO2被递送到患者和/或在呼吸机回路中生成。
在各种实施方案中，患者吸入气中NO的浓度在以下范围内：约1ppm至约80ppm、或可替代地5ppm至约80ppm、或约20ppm至约60ppm。设定剂量的其他示例性NO浓度包括约1ppm、约2ppm、约3ppm、约4ppm、约5ppm、约10ppm、约15ppm、约20ppm、约25ppm、约30ppm、约35ppm、约40ppm、约45ppm、约50ppm、约55ppm、约60ppm、约65ppm、约70ppm、约75ppm或约80ppm。
在各种实施方案中，NO源的浓度在以下范围内：约200ppm至约10,000ppm、或约400ppm至约10,000ppm、或大于800ppm至约10,000ppm、或约1,000ppm至约5,500ppm。NO源的其他示例性NO浓度包括约200ppm、约300ppm、约400ppm、约500ppm、约600ppm、约700ppm、约800ppm、约1000ppm、约1200ppm、约1500ppm、约2000ppm、约2200ppm、约2400ppm、约2440ppm、约2500ppm、约3000ppm、约3500ppm、约4000ppm、约4500ppm、约4800ppm、约4880ppm、约5000ppm、约6000ppm、约7000ppm、约8000ppm、约9000ppm或约10,000ppm。
在各种实施方案中，使用高浓度NO源(诸如4880或5000ppm NO源)产生的NO2水平可以类似于或低于使用较低浓度NO源(诸如200ppm或800ppm NO源)产生的那些NO2水平。
本发明的各方面涉及一种通过提高呼吸气体、新鲜气流内的NO的混合和/或扩散效率来进行从源浓度至设定剂量的快速NO浓度降低以用于治疗各种肺部病状的方法。
本发明的各方面涉及一种用于将高浓度气体注入到横向气体流中的扩散装置，所述扩散装置包括：主体，其包括具有厚度的壁、外表面和围绕中空内部区域的内表面；突出部，其从主体的内表面延伸；以及注入通道，其穿过壁和突出部到达位于新鲜气流的速度高的位置处(例如，居中定位于主体的横截面中，其中指向更高的位置等)的注入端口。如本文所用，气流的“高速度”是气流的具有比边缘边界(例如管壁)处或附近的气流速度更高的速度的任何部分。由于无滑移条件，边缘边界处的气流的速度为零，并且由于气体的粘性，更接近零速度气体的气流具有比更远离边缘边界和零速度气体的气流更低的速度。
因此，在示例性实施方案中，高浓度气体被注入到横向气体流的距边缘边界(例如壁)一定距离的部分中。
本发明的各方面涉及一种用于将高浓度气体(例如，大于800ppm至10,000ppm No)注入到横向气体流中的扩散装置，所述扩散装置包括：主体，其包括具有厚度的壁、外表面和内表面；突出部，其从环形主体的内表面延伸；渐缩区段，其包括具有厚度、外表面和内表面的壁、具有第一直径的入口端和与所述入口端相对的具有第二直径的出口端，其中第二直径小于第一直径，并且其中渐缩区段连接到突出部并从突出部悬挂，使得突出部形成渐缩区段的支撑件；以及注入通道，其穿过突出部到达渐缩区段的内表面中的注入端口。在示例性实施方案中，可引导来自注入通道并进而离开注入端口的气流流动在存在最快气体速度之处进入横向气体流中。
在一个或多个实施方案中，用于将高浓度气体(例如，大于800ppm至10,000ppmNO)注入到横向气体流中的扩散装置不包括从突出部悬挂的渐缩区段。在各种实施方案中，突出部从环形主体的内表面径向延伸到由圆柱形壁围绕的敞开空间的大致中心中，并且注入通道穿过突出部到达注入端口。
在各种实施方案中，注入端口的内径在以下范围内：约0.58mm(0.023英寸)至约4.75mm(0.187英寸)、或约0.8mm(0.031英寸)至约2.4mm(0.094英寸)、或约1.12mm(0.044英寸)至约2.29mm(0.090英寸)或约1.83mm(0.072英寸)。示例性下限包括：约0.58mm、约0.6mm、约0.7mm、约0.8mm、约0.9mm、约1mm、约1.1mm、约1.2mm、约1.3mm、约1.4mm、约1.5mm、约1.6mm、约1.7mm和约1.8mm。示例性上限包括：约4.75mm、约4.5mm、约4mm、约3.5mm、约3mm、约2.5mm、约2.4mm、约2.29mm、约2.2mm、约2.1mm、约2mm和约1.9mm。
在一个或多个实施方案中，扩散装置可被配置成且设定尺寸成插入到具有对应且适当的呼吸机管大小的针对新生儿、小儿或成年人安排的呼吸回路中并与之流体连通。在各种实施方案中，环形主体的外径在约10mm至约25mm的范围内，并且内径在约10mm至约25mm的范围内，其中内径比外径小圆柱形壁的厚度。
在各种实施方案中，圆柱形壁的厚度‘C’在约1mm至约3.175mm的范围内或为约1.5mm。
在各种实施方案中，扩散装置被配置且设定尺寸用于插入到(诸如呼吸机呼吸回路的)呼吸管材中。
在各种实施方案中，第一直径在约6mm至约18mm的范围内，并且第二直径在约3.17mm至约9.5mm的范围内，其中第一直径大于第二直径。
在各种实施方案中，渐缩区段围绕轴线对称，并且注入通道与渐缩区段的轴线形成约60°至约120°范围内的角度。
在各种实施方案中，渐缩区段是漏斗形的。
在各种实施方案中，渐缩区段是截头圆锥形的。
在各种实施方案中，渐缩区段是钟形的。
本发明的各方面涉及一种将高浓度气体扩散到横向气体流中的方法，其包括使第一气体的至少一部分穿过渐缩区段，所述渐缩区段包括具有厚度、外表面和内表面的壁，具有第一直径的入口端，以及与入口端相对的、具有第二直径的出口端，其中第二直径小于第一直径；以及使第二气体流穿过注入通道到达渐缩区段的内表面中的注入端口，其中第二气体流进入渐缩区段内的第一气体流中并至少部分地与之一起扩散。
在各种实施方案中，所述方法还包括：使第一气体的至少一部分围绕渐缩区段的外表面的至少一部分穿过，其中渐缩区段位于环形主体内，所述环形主体具有外表面和内表面以及大于渐缩区段的第一直径的内径。
在各种实施方案中，支撑件将环形主体与渐缩区段连接，因此穿过注入通道的第二气体穿过支撑件到达注入端口。
在各种实施方案中，第二气体流以约60°至约120°范围内的角度初始进入第一气体流。
在各种实施方案中，第一气体是包含分子N2和分子O2的可呼吸气体，并且第二气体包含分子NO和分子N2。
在各种实施方案中，第二气体中的NO的浓度在大于800ppm至约5,500ppm的范围内。
在各种实施方案中，第一气体以以下范围内的流速进入环形主体：约0升每分钟(SLPM)至约120SLPM、或约0.5SLPM至约60SLPM、或约0.5SLPM至约2SLPM。
在各种实施方案中，第一气体(例如，FGF)是包含分子N2和分子O2的可呼吸气体，并且第二气体包含浓度在大于1000ppm至约5,500ppm的范围内的分子NO，并且第二气体以以下范围内的流速离开注入端口：约0.05毫升每分钟(SMLPM)至约2SLPM，或约0.1SMLPM至约1SLPM。
患者呼吸机回路中的氧浓度可被设定为在医用空气(21％O2)至医用氧气(100％O2)的连续范围内的值，但是对于接受INO疗法的患者，通常可升高至60％。
在各种实施方案中，第二气体的流速与第一气体的流速成线性比例。
在各种实施方案中，第一气体在渐缩区段的第二直径处的速度大于第一气体在渐缩区段的第一直径处的速度，其中第二气体在具有更快或相等速度的点处进入第一气体。
本发明的各方面还涉及一种将高浓度气体扩散到横向气体流中的方法，所述方法包括：使第一气体的至少一部分穿过主体的中空内部区域，所述主体具有围绕中空内部区域的内表面；以及使第二气体流穿过注入通道到达注入端口，所述注入端口突出到主体的中空内部区域中，其中第二气体流进入中空内部区域内的第一气体流并至少部分地与之一起扩散
附图简述
本发明的实施方案的另外的特征、它们的性质和各种优点将在结合附图考虑以下详细描述时变得更加明显，所述附图也是对申请人所设想的最佳模式的说明，并且其中相同的附图标号自始至终指代相同的部件，其中：
图1A-F示出在各种条件下将NO注入富氧空气后生成的NO2；
图1G示出NO注入点下游的各点处生成的NO2；
图2A-C示出具有多个叶片的混合装置的示例性实施方案；
图3A-C示出具有多个成角度翅片的渐缩区段的示例性实施方案；
图4A-C示出具有多个板的混合装置的示例性实施方案；
图5A-C示出具有多个弯曲叶片的混合装置的示例性实施方案；
图6A-C示出具有多个弯曲叶片并在渐缩区段处具有注入通道的混合装置的示例性实施方案；
图7示出管内的气流的示例性速度分布；
图8A-B示出用于扩散高NO源浓度、低容量气流和高容量气流的装置的示例性实施方案；
图8C-D示出用于扩散高NO源浓度、低容量气流和高容量气流的装置的另一个示例性实施方案；
图9A示出具有漏斗形状的渐缩区段的示例性实施方案；
图9B示出具有圆锥形状的渐缩区段的示例性实施方案；
图9C示出具有钟形形状的渐缩区段的示例性实施方案；
图10示出双向渐缩区段的示例性实施方案；
图11示出描绘渐缩区段壁的内表面的凸形轮廓的示例性渐缩区段；
图12示出第二气体通过注入通道进入穿过渐缩区段的第一气体中的示例性实施方案；
图13示出扩散装置插入呼吸机回路中的示例性实施方案；
图14示出使用本文所述的示例性扩散器与使用常规的低源浓度注入器模件在机械通气期间生成的NO2的比较；
图15A-F示出使用本文所述的示例性扩散器、使用本文所述的示例性加速器与使用常规的低源浓度注入器模件在光滑内孔管内以稳态FGF流动条件生成的NO2的比较；
图16示出通过加热示例性呼吸机呼吸回路减少了所生成的NO2；
图17示出初始区域中生成的NO2，其中各种NO源气瓶浓度在800ppm至9760ppm不等、气体速度比(FGF:NO)约为1:1；
图18A-D示出初始区域中生成的NO2，其中各种NO源气瓶浓度在800ppm至9760ppm不等、气体速度比(FGF:NO)有变化以及设定剂量为10ppm NO；
图19示出初始区域中生成的NO2，其中NO源气瓶浓度为4880ppm以及设定剂量为40ppm，气体速度比(FGF:NO)有变化；
图20A-B示出初始区域中生成的NO2，其中各种NO源气瓶浓度在800ppm至9760ppm不等、气体速度比(FGF:NO)有变化以及设定剂量为10ppm NO；
图21示出初始区域中生成的NO2，其中NO源气瓶浓度为4880ppm以及设定剂量为40ppm，气体速度比(FGF:NO)有变化；以及等于设定剂量的40ppm的均相期间生成的NO2；并且
图22A-B示出以ppm计以及作为设定剂量的百分比的所生成的NO2，其中模拟呼气时间段相对于具有较高流量的吸气时间段的变化。
详述
总体而言，本发明涉及一种将NO注入到呼吸机呼吸回路的吸气分支中的新鲜气流中以使得最小化NO2生成的系统和方法。本发明运用了申请人出人意料地发现的影响NO2生成的先前未知因素。更具体地说，本发明的系统和方法可用于将来自高浓度NO源(例如，5000ppm NO源)的NO递送到呼吸机呼吸回路的吸气分支中的新鲜气流中，以使得通过将变量(举例来说，诸如但不限于：将NO注入到新鲜气流中的位置、新鲜气流速度、NO流速和/或NO与新鲜气流的冲击速度的比率)作为因素考虑来很大程度地最小化NO2生成和/或使所生成的NO2处于期望的范围内(例如，递送给患者小于1ppm的NO2、如使用常规注入器模件由大体上更低浓度的NO源生成的相同或更少的NO2等等)。
此外，本发明的系统和方法可以通过以下方式与呼吸机呼吸回路一起使用：大体上不引起压降(例如在60SLPM下小于1.5cm H2O)、使流剖面变化最小化、使新鲜气流的可压缩体积的增加最小化和/或使得患者能够在呼吸机呼吸回路中自主呼吸。此外，本发明的系统和方法：可以直接用于流量传感器的下游，所述流量传感器要求新鲜气流是层流的；和/或可以直接用于至少一个气体取样管线的上游。
“可压缩体积”意指导管以及与导管的流动路径流体连通并与之同管线的所有部件的体积。例如，呼吸回路的可压缩体积是呼吸回路的体积和其内的所有部件(例如，加湿器、注入器模件、取样三通管)的体积。
如本文所用，“扩散(diffusion)”、“扩散(diffusing)”和相关术语是指将一种气体(例如NO)的分子全部输送进入和遍及另一种气体(例如富氧空气)的气流。术语“扩散(diffusion)”、“扩散(diffusing)”和相关术语的使用不排除大量流体运动或其他输送现象对两种或更多种气体流的混合和均化的贡献。
如上所述，在申请人的研究之前，据信NO2的形成是基于NO和O2的浓度(例如，NO的百万分率、O2的百分比(或者称为FiO2))以及气体混合与患者之间的距离/停留时间来预测。根据这一观点，递送来自高浓度源(例如，5000ppm、10,000ppm NO气瓶)的NO将导致大体上高水平的NO2。例如，下降到10ppm设定剂量的4880ppm NO气瓶浓度的调节比是488:1，而下降到10ppm设定剂量的800ppm气瓶浓度具有80:1的调节比，理论上说，对于10ppm的剂量，在4880ppm NO供应的情况下生成NO2的速率是在800ppm NO供应气瓶的情况下速率的37倍。在没有克服这个问题的装置的情况下，高浓度的NO源不能用于INO疗法，因为这会导致向患者递送不期望的高水平的NO2，并且将无法实现与使用高浓度NO源进行INO疗法相关的许多益处(例如，NO供应气瓶较小、INO疗法装置的便携性增加、呼吸回路中含NO气体(例如，氮气和NO气体共混物)的体积较小、由于注入的较小的含NO气体体积引起的吸入氧稀释降低等)。
在示例性实施方案中，使用较高浓度源气体可减少递送给患者的NO2的一部分。例如，源气体的NO浓度越高，待递送以获得期望的设定NO剂量所需的源气体的体积越小。即使在源气体中的相同NO2浓度(例如气瓶中的相同NO2浓度)的情况下，通过使用这种较小体积的源气体，也将会递送较小体积的来自源气体的NO2，并且因此患者接收到较少的来自NO源(例如气瓶)的NO2。
至少鉴于这些未实现的益处，申请人对在将NO注入呼吸机呼吸回路的吸气分支中时的NO2生成进行了广泛的研究和测试。
从这项研究和测试中，出人意料地发现，NO2形成在通气的呼气阶段期间更大，其中呼吸机的吸气分支中的新鲜气流大体上是比通气的吸气非层流(湍流)阶段期间更加缓慢、层流(非湍流)的。利用这一知识，进行了进一步的研究和测试，以确定NO2输出与变量(诸如含NO气体的冲击速度、FGF的流速和NO剂量)之间的关系。在这些实验的各者中，新鲜气体是富氧的(例如60％O2/空气)，NO2浓度是在越过NO注入点的一定距离(例如1,000mm)处测量的，并且NO源浓度是低浓度(例如800ppm NO)或高浓度(例如4880ppm NO)的。使用常规的注入器模件注入NO并混合气体。在表1-2和图1A-F中示出这个测试的结果。
表1-利用低浓度NO源生成的NO2
表2-利用高浓度NO源生成的NO2
图1A和1B显示，NO与呼吸回路中新鲜气流的冲击速度会显著地影响所生成的NO2的量。此外，通过比较图1A(低浓度)与图1B(高浓度)可以看出，增加NO浓度总体上增加了所产生的NO2的量。
图1C-1F示出了在将NO注入具有不同流速的FGF中时针对不同的设定NO剂量所生成的相应的NO2量。通过比较图1C(低浓度)与图1D(高浓度)可以看出，增加NO浓度总体上增加了所产生的NO2的量，尤其是在FGF的较低流速下。这也通过比较图1E(低浓度)与图1F(高浓度)得以显示，因为0.5SLPM的NO2输出曲线在低NO源浓度与高NO源浓度之间存在显著的不同。
尽管以上内容有助于理解NO2生成，但是当将NO(例如，来自高浓度NO源)注入呼吸机呼吸回路的吸气支路中时，它在很大程度上使最小化NO2生成变复杂化了。例如，新鲜气流速度可以变化(例如，新鲜气体流速可以在患者呼吸周期的过程中变化等)；注入新鲜气流中的NO速度可以变化(例如，NO流速可以根据(举例来说)NO递送管线中的压力、扩散装置处的NO注入端口的尺寸、NO递送系统中的NO递送管道的尺寸来变化)；并且可能被INO疗法需要来例如实现恒定的吸入NO浓度的比率式递送可能需要与新鲜气流成比例地改变递送的NO。在呼气阶段，一些呼吸机使用低偏流(0.5SLPM)且在呼吸机呼吸回路中具有较慢的FGF，这可能比吸气阶段(呼吸机呼吸回路中更快的FGF)期间生成更多的NO2。例如，以上数据显示，在常规注入器模件可能发生不充分扩散的相同时间段内、在与呼吸机呼气偏流相关联的低FGF下，与利用800ppm NO相比，利用4880ppm NO可生成10至20倍的NO2。
因此，在示例性实施方案中，扩散装置可以被设计成为通过控制NO和新鲜气流的冲击速度以及将NO注入到FGF中的位置来最小化NO2生成。在各种实施方案中，NO流动流的速度相对于注入NO的位置处的FGF可以是足够高的，以使所生成的NO2最小化。不受理论的约束，认为NO流动流可以垂直地且以成比例的速度穿透FGF流。在相对于FGF速度非常低的NO速度下，不受理论的约束，据信NO停留在FGF流的外壁处，从而导致不良混合。相反，如果只有NO速度是高的而FGF不是，则混合时间也会延长，从而导致高NO2。
不受任何具体理论的束缚，据信两种混合气体流的初始接触扩散速率可主要由分子动能控制。在这种气体冲击混合过程中，耗散性的气体动量的交换可提供直接作用的混合。这种快速扩散可以直接发生在喷嘴出口附近，或直接发生在气体冲击点处。分子动能被定义为1/2乘以摩尔质量乘以速度的平方，并且因此速度与摩尔质量的平方根成反比。等体积的不同气体含有相同数量的颗粒，并且在给定的温度和压力下，每升的摩尔数是恒定的。这表明气体的密度与其摩尔质量成正比。因此，这表明由于NO、N2、空气和O2的相似分子量(都在28至32克每摩尔的范围内)，在大致相等的速度或1:1的比率下，将存在相同的混合能(即相同的动能)。但是，鉴于空气/O2混合物与NO/N2混合物之间的轻微分子量不平衡，根据N2、NO、O2和空气的相对比例，耗散性能量交换的最大扩散可以是在小于1:1(FGF:NO)的速度比(诸如0.85:1、0.9:1或0.95:1)时的。
在各种实施方案中，两个气体流的速度可以彼此成比例以便使所生成的NO2最小化。因为其他因素(例如，NO递送管线中的压力、NO注入通道的尺寸等)可为固定的，所以可以例如通过改变NO注入端口的尺寸来控制NO速度。应了解，可以使用用于控制NO速度的任何装置。然而，因为新鲜气流的速度通常由呼吸机控制，所以控制新鲜气流速度可能在很大程度上是具有挑战性的。此外，如上所述，呼气阶段期间的新鲜气流的速度可能大体上是缓慢的。至少在一些情况下，至少呼气阶段期间的新鲜气流的冲击速度可能过于缓慢而无法使NO2生成最小化。因此，在示例性实施方案中，扩散装置可包括至少一个能够将新鲜气流加速到期望的冲击速度的加速器，所述新鲜气流例如可被引导到与含NO气体的交点。
在一个或多个实施方案中，NO气体与新鲜气流管的冲击点处的孔口直径的大小可被适当地设置成保持扩散模件100管直径(即FGF管直径)与NO喷嘴出口直径面积(即注入端口孔口直径)之间的固定纵横比出口面积。这一管出口面积比率可以与NO气瓶浓度除以NO设定剂量成比例。例如，对于处于20ppm设定剂量的800ppm气瓶浓度，在NO流速上存在40比1的调节比。为了保持1:1的冲击气体速度关系，在最低预期新鲜气体流速(例如，0.5SLPM)下，注入器模件流管面积与注入喷嘴出口面积之比的大小可设置成40:1。作为另一个实例，对于处于10ppm设定剂量的4880ppm气瓶浓度，在NO流速上存在488比1的调节比。为了保持1:1的冲击气体速度关系，注入器模件管面积与注入喷嘴出口面积之比的大小可设置成488:1。
在一个或多个实施方案中，注入通道和注入端口的尺寸可被调节成使得NO速度与FGF速度的比率小于大约2:1，诸如大约1.5:1、1:1、0.95:1、0.9:1、0.85:1、0.8:1、0.7:1、0.6:0.5:1、0.4:1、0.3:1、0.2:1、0.1:1或0.05:1。
在示例性实施方案中，至少一个加速器可以是能够加速全部或部分新鲜气流的任何装置或部件。例如，加速器可以是具有渐缩表面、渐缩区段、双向圆锥形结构和/或能够加速新鲜气流的任何形状或表面的圆锥形结构。其他实例包括具有类似于翼的表面的结构，因为在翼的顶部(弯曲的表面)上面流动的气体比在翼的底部(相对平坦的表面)下面流动的气体速度更快。这些加速器结构仅是示例性的，并且能够加速气流的至少某一部分的其他结构也在本发明的范围内。
应注意，当将NO注入新鲜气流时，可以调节装置的配置和尺寸以尽可能快速地降低源NO浓度。在各种实施方案中，可向装置的NO注入点下游增加混合特征。在各种实施方案中，混合可被认为具有2个阶段。可生成大部分NO2的第一阶段是从NO注入至NO浓度达到设定剂量(例如，等于设定剂量的均态)时的时间。NO2生成的第二阶段是因在设定剂量下、在吸气分支中的驻留时间而产生。大部分NO2可以在NO与新鲜气流(例如，O2)之间的第一接触点处或附近生成。在图1G中可以看到NO生成的这两个阶段，该图示出了注入点下游的各个点处的NO2浓度。从图1G可以看出，大部分NO2在NO被注入(阶段1)之后很快生成，在NO的初始注入和混合(阶段2)之后仅生成一小部分NO2。在第一阶段期间生成的这一大部分NO2遵循以上NO2生成动力学，因为在NO注入的第一阶段，局部NO浓度是最高的(例如，因为NO尚未扩散到新鲜气流中以提供均匀的设定NO剂量)。以举例的方式，当将5000ppm NO注入呼吸回路中时，在注入点处，NO浓度是最高的(例如，大约5000ppm NO)，因为NO尚未与新鲜气流一起扩散。在这个注入点之后，注入的NO和新鲜气流一起扩散，从而致使NO浓度降低到较低浓度(例如，从5000ppm NO至期望的20ppm NO剂量)。
因此，一种快速混合NO和FGF的方法是使用直接在NO注入点下游或靠近NO注入点放置的混合装置，以确保合并后的气体流尽可能快地具有均匀的NO浓度。例如，多个叶片、板和/或翅片可以放置在NO注入点的下游，以确保两种气体流的迅速混合。可以使用1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个或更多个叶片、板和/或翅片。图2A-C提供具有四个叶片的混合装置的示例性配置的各种视图。图3A-C提供具有三个成角度翅片的混合装置的示例性配置的各种视图。图4A-C提供具有八个板的混合装置的示例性配置的各种视图。图5A-C提供具有四个弯曲叶片的混合装置的示例性配置的各种视图。图6A-C提供具有四个弯曲叶片并在渐缩区段处具有注入通道的混合装置的示例性配置的各种视图。
当在混合装置中使用多个叶片、板和/或翅片时，叶片、板和/或翅片可以在NO注入点下游的相同距离处并行放置，和/或可以在NO注入点下游的不同距离处串行放置。例如，每个叶片、板或翅片可以放置在NO注入点下游的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70、80、90或100cm处。
混合装置的存在也可用于缩短NO注入点与一个或多个取样点之间的距离，所述取样点用于监测合并后的气体的成分，诸如O2、NO和NO2浓度。例如，第一取样点可以位于混合装置下游的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70、80、90或100cm处。此外，可以使用多个取样点，诸如位于距NO注入点不同距离处的取样点。可以使用1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、15个、20个、25个、30个或更多个取样点。取样点之间的距离可以是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25或30cm。可使用多个取样点来单独分析随着沿着呼吸回路的长度而变化的合并后的气体流，或者可以合并两个或更多个取样以提供气体成分的平均值。
此外，NO到新鲜气流中的注入点的位置会影响NO2生成的减少。在示例性实施方案中，NO注入点可以位于初始高浓度的驻留时间被最小化和/或初始高浓度NO被快速分散的位置处。例如，NO的注入点(例如，高浓度NO，5000ppm NO)可位于环形主体的中心处或作为渐缩区段的一部分，以减少NO保持在初始高浓度的时间量。因此，NO注入点可以位于NO将与新鲜气流迅速混杂的位置处，从而使高浓度NO的驻留时间最小化，并进而减少所生成的NO2。不受任何具体理论的束缚，据信相较于在新鲜气流将具有低速度的管的边缘(即壁)处注入NO的其他传统技术，在新鲜气流具有高速度的某一点处注入NO将生成更少的NO2。
图7示出通过管的气流的示例性速度分布。从图7可以看出，气流在最接近边缘边界(例如管壁)处具有最低速度，并且在最远离边缘边界处具有最高速度。因此，在一些实施方案中，NO在距边缘边界一定距离处注入，在该距离处，气体速度高于边缘边界处或附近的气体速度。
在示例性实施方案中，为了减少NO2的生成，NO到新鲜气流中的注入点可以位于将新鲜气流加速到期望速度的位置处。加速器可以用于增加从入口端至出口端的新鲜气流速度，并且注入端口位于距入口的一定距离处，在该距离处新鲜气流已增加到预期速度。速度的增加可以通过将气体的势能转化成动能来形成。以举例的方式，当气体从较高压力区域流动到较低压力区域时，速度可通过减小渐缩区段的横截面来增加。气体速度与横截面面积的变化和气体密度的变化成比例。当然，可设想其他用于提高速度的技术。
使用于在将NO注入呼吸机呼吸回路中时使NO2生成最小化的任何潜在的解决方案进一步复杂化，呼吸机要求与呼吸机呼吸回路一起使用的任何元件(例如，注入器模件、NO2最小化装置等)不会引起呼吸机吸气流剖面的实质变化(通过增加流动阻力或增加可压缩体积)。总体而言，跨整个呼吸回路的可允许压降(包括呼吸机出口阻力)可以是：对于成人，30SLPM下的6cm H2O；对于小儿，15SLPM下的6cm H2O；以及对于新生儿，2.5SLPM下的6cmH2O。鉴于此，应使跨扩散器的可允许压降最小化。例如，当前的INOmax DS注入器模件的额定值为60SLPM下的1.5cm H2O。因此，本发明的系统和方法使NO2最小化，而不会影响呼吸机性能和/或引起相当大压降、流剖面变化以及引入例如可能影响患者通气换气的相当大可压缩体积。
因此，在示例性实施方案中，扩散装置可被配置成且设定尺寸成使得至少加速器在最低预期新鲜气体流速下增加新鲜气流冲击速度，同时不会在最高峰值新鲜气流中引起相当大压降，不会引起吸气新鲜气流的流剖面的相当大变化，且不会在呼吸回路中形成相当大可压缩体积。例如，可选择口部和喉部直径以增加FGF速度，同时最小化压力变化和通向患者的气流的延迟。为了使压力、流量和可压缩体积的变化最小化，扩散装置可包括供新鲜气流绕过加速器的区域。例如，扩散器可包括旁路间隙，所述旁路间隙可以围绕扩散器和/或加速器的周边进行定位。
在使用本文公开的技术以使第一阶段中的NO2生成最小化(例如，在注入点处快速地扩散NO和新鲜气流等)之后，NO可以期望的设定剂量(例如，1至80ppm NO)或与之非常接近的剂量来继续穿过呼吸回路的其余区域。当这个NO剂量或非常接近期望的设定剂量的剂量穿过呼吸回路的其余区域时，可能生成NO2(第二阶段)；然而，如上所述，使用本文公开的技术，将很大程度地最小化所产生的大部分NO2，由此很大程度地减少所生成的NO2的总量(例如，即时的NO2生成和潜在的NO2生成)。
为了进一步减轻NO2生成，可以在技术上尽可能地接近患者来(例如，在呼吸机呼吸回路中)引入NO，以通过减少NO和O2一起运输的时间来减少接触时间，从而部分地减少NO2形成。NO2转化时间是NO和氧气在到达患者之前组合地驻留在一起的经过时间。因此，NO2转化时间是呼吸机流速(吸气和呼气)、呼吸机I:E比率以及从NO注入点至患者呼吸道端部的呼吸回路容量的函数。
然而，如上所述，在示例性实施方案中，下游NO2生成(即阶段2)远远少于注入(阶段1)时的NO2生成。因此，在一些实施方案中，在明显位于患者上游(诸如距患者几英尺)的位置处注入含NO的气体，NO2仍然可以处于可接受的水平(例如小于1ppm)。示例性的NO注入点包括至少在患者上游的1、2、3、4、5、6、7、8、9或10英尺处的那些NO注入点。这类位置可以在患者“Y”件的上游、在加湿器的上游、在喷雾器的上游或者可以是呼吸机呼吸回路中、患者上游的其他位置。
在各种实施方案中，第二气体流可以与第一气体流的轴线所成的约60°至约120°范围内的角度来注入，或以与之所成的以下范围内的角度来注入：约75°至约105°、或约80°至约100°、或约85°至约95°、或为约90°。
本发明的一个方面涉及一种用于将高浓度气体注入到横向气体流中的注入装置。
在一个或多个实施方案中，所述装置包括注入端口，所述注入端口将第二气体流垂直地注入到第一气体流中。
在各种实施方案中，高浓度的含NO气体可以在以下范围内：大于800ppm NO至约5000ppm NO、或约2000ppm No至约4880ppm NO、或为约4880ppm NO。示例性的下限包括：约800ppm、约1,000ppm、约1,200ppm、约1,400ppm、约1,600ppm、约1,800ppm、约2,000ppm、约2,200ppm、约2,400ppm、约2,600ppm、约2,800ppm、约3,000ppm、约3,200ppm、约3,400ppm、约3,600ppm、约3,800ppm、约4,000ppm、约4,200ppm、约4,400ppm、约4,600ppm和约4,800ppm。示例性的上限包括：约10,000pm、约9,000ppm、约8,000ppm、约7,000ppm、约6,500ppm、约6,000ppm、约5,500ppm、约5,200ppm、约5,000ppm和约4,900ppm。高浓度的含NO气体可在约200psig至约3000psig范围内的压力下包含在加压气瓶中，或者在以下范围内的压力下包含在加压气瓶中：约2000psig至约2400psig或约2200psig至约2400psig。当然，可设想其他高浓度NO源。
图8A-B示出用于使用以上公开的技术扩散高浓度低容量气流和高容量气流的示例性装置。
在一个或多个实施方案中，扩散装置100包括主体110，所述主体110可以是由具有壁115和中空的(也称为敞开的)内部区域118的圆柱体形成的环形主体。主体110可被配置成且设定尺寸成连接到呼吸机呼吸回路中的管材(例如，10、15和22mm)，装配到呼吸机管材中，或者将呼吸机管材装配到主体中。在各种实施方案中，装置的入口端包括公连接部，所述公连接部被配置成且设定尺寸成接合到呼吸机管，并且出口端包括母连接部，所述母连接部被配置成且设定尺寸成接合到呼吸机管或加湿器室入口。在非限制性实例中，装置的入口端包括22mm(O.D.)的公连接部，并且出口端包括22mm(I.D.)的母连接部。此外，在各种实施方案中，如本领域已知的，扩散装置100可以是联接到呼吸机呼吸回路或诸如加湿器室的部件的注入器模件的部件或零件。
在一个或多个实施方案中，扩散装置100包括主体110，所述主体110可以是矩形的、立方体的或被配置成且设定尺寸成连接到呼吸机呼吸回路中的管材(例如，10、15和22mm)的其他几何形状，并且具有中空内部区域。为了方便起见，在主体包括圆柱形壁的实施方案中，将主体在本说明书中称为环形主体。
在一个或多个实施方案中，环形主体110可在入口端和/或出口端处具有外径‘A’。外径‘A’可以在约10mm(0.394英寸)至约25mm(1.0英寸)的范围内、或为约22mm(0.866英寸)，其中呼吸机管材可以围绕入口端OD的外侧和出口端ID的内侧进行装配。在各种实施方案中，如本领域已知的，呼吸机管可以利用摩擦配合连接来连接到扩散装置的入口端和/或出口端。在各种实施方案中，入口端处的OD可以与出口端的OD相同或不同。
在一个或多个实施方案中，环形主体可以在出口端和/或入口端处具有内径‘B’。内径‘B’可以在约10mm(0.394英寸)至约25mm(1.0英寸)的范围内、或为约22mm(0.866英寸)，其中呼吸机管材可以装配到入口端ID的内侧中。在各种实施方案中，如本领域已知的，呼吸机管可以利用摩擦配合连接来连接到扩散装置的入口端和/或出口端。在各种实施方案中，入口端处的ID可以与出口端的ID相同或不同。
在一个或多个实施方案中，气体可进入扩散装置100的入口端并离开扩散装置的出口端，其中气体可包括可呼吸气体的混合物。在各种实施方案中，可呼吸气体可包括空气或空气和附加的氧气。
在各种实施方案中，圆柱形壁115的壁厚‘C’可以在约1mm(0.040英寸)至约3.175mm(0.125英寸)的范围内、或在约1mm(0.040英寸)至约2mm(0.079英寸)的范围内、或在约1.588mm(0.0625英寸)至约2.388mm(0.094英寸)的范围内。
在一个或多个实施方案中，扩散装置的长度‘D’可以在约6.35mm(0.25英寸)至约41.3mm(1.625英寸)的范围内、或在约22.225mm(0.875英寸)至约41.275mm(1.625英寸)的范围内、或在约25.4mm(1.00英寸)至约38.1mm(1.50英寸)的范围内。
在一个或多个实施方案中，用于将递送管附接到扩散装置的管接头190可以从圆柱形壁115的外表面突出。在各种实施方案中，管接头可具有4.5mm(0.177”)的直径‘M’并且从圆柱形壁115的外表面突出8.7mm(0.34英寸)的高度‘N’。在各种实施方案中，管接头可包括用于附连递送管的软管倒钩。
在一个或多个实施方案中，装置还包括从圆柱形壁115的内表面延伸的突出部195。在各种实施方案中，突出部195可以向中空内部区域118中延伸径向距离‘P’。在各种实施方案中，突出部195可以延伸直到或接近中空内部区域118的中心，该中心将是壁115的ID的一半。在各种实施方案中，距离‘P’略微小于ID的一半，使得含NO的气体将从喷嘴口向前喷射到中间部，在中间部，FGF气体速度高于圆柱形壁的内表面处的FGF气体速度。因此，在各种实施方案中，‘P’与‘B’/2之间的差值在约0.1mm至约5mm或约0.5mm至约3mm的范围内。在示例性实施方案中，‘P’与‘B’/2之间的差值为约1.5mm，即突出部195的端部在距中空内部区域118的中心约1.5mm处。‘P’与‘B’/2之间的示例性差值的下限可以是约0.1mm、约0.2mm、约0.3mm、约0.4mm、约0.5mm、约0.6mm、约0.7mm、约0.8mm、约0.9mm、约1mm、约1.1mm、约1.2mm、约1.3mm和约1.4mm，并且示例性上限可以是约5mm、约4.5mm、约4mm、约3.5mm、约3mm、约2.5mm、约2.4mm、约2.3mm、约2.2mm、约2.1mm、约2mm、约1.9mm、约1.8mm、约1.7mm和约1.6mm。
在一些实施方案中，‘P’设置为特定百分比的‘B’，诸如约50％、约49％、约48％、约47％、约46％、约45％、约40％、约40％、约35％、约30％、约25％、约20％、约15％、约10％或约5％的‘B’。在示例性实施方案中，‘P’在‘B’的约40％与约45％之间。
在一个或多个实施方案中，可以选择尺寸‘B’、‘P’、‘L’等以在特定条件下实现尺寸之间的期望关系和/或气体性质之间的期望关系。例如，可以选择‘B’和‘L’，使得对于给定的源气体浓度和给定的期望NO剂量(例如20ppm)，最低预期FGF下的气体速度将大致等于含NO的气体的气体速度。作为另一个实例，可以选择‘B’和‘L’，使得对于给定的源气体浓度，在一定范围的期望NO剂量(例如5ppm至80ppm)下，FGF的气体速度将类似于含NO的气体的气体速度。作为另一个实例，可以选择‘B’和‘P’，使得含NO的气体从喷嘴口向前喷射到距圆柱形壁的内表面一定距离处(诸如中空内部区域118的中心处或附近)。作为另外的实例，可以选择‘B’和‘P’，使得含NO的气体从喷嘴口向前喷射到FGF的一部分，该部分具有特定百分比的FGF峰值速度，诸如99％、98％、95％、90％、85％、80％、75％、70％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％或10％的FGF峰值速度。
在各种实施方案中，通向注入端口185的注入通道180可形成在管接头中，其中注入通道180具有内径‘L’。在各种实施方案中，内径‘L’可以在约0.8mm(0.03125英寸)至约2.4mm(0.094英寸)或约1.6mm(0.0625英寸)的范围内。示例性下限包括约0.5mm、约0.6mm、约0.7mm、约0.8mm、约0.9mm、约1mm、约1.1mm、约1.2mm、约1.3mm、约1.4mm、约1.5mm和约1.6mm。示例性上限包括约4.75mm、约4.5mm、约4mm、约3.5mm、约3mm、约2.5mm、约2.4mm、约2.29mm、约2.2mm、约2.1mm、约2mm、约1.9mm、约1.8mm、约1.7mm和约1.6mm。注入通道提供用于将气体(例如，NO)递送到扩散装置100的中空内部区域118的流动路径。
在一个或多个实施方案中，扩散装置100不包括从主体110突出的管接头190，而是具有可将递送管插入其中的母连接器，其中母连接器允许递送管连接到注入通道180并与之流体连通。在各种实施方案中，递送管的ID和注入通道的ID相同和/或具有一致的横截面面积。
在一个或多个实施方案中，注入端口185可以是允许流动通过注入通道180的气体以预期的速率和/或速度进入中空内部区域118的孔口。在各种实施方案中，注入端口可以是具有可与注入通道的直径相同或不同的固定尺寸的开口，其提供与流速相关的预期流动速度。在各种实施方案中，诸如通过沿突出部195的长度具有多个注入端口185和/或通过具有多个突出部195且每个突出部195具有一个或多个注入端口185，可使用多于一个的注入端口185。如上所述，注入端口可以将含NO的气体注入距边缘边界一定距离的FGF的一部分中，使得含NO的气体被注入到具有高速度的FGF中，而不是注入到具有零速度或低速度的FGF的一部分中。在一些实施方案中，当使用多于一个注入端口185时，注入端口185的直径具有比用于单个注入端口185的直径更小的直径，以确保含NO的气体的速度不会降低并保持与FGF速度成比例。
在利用多个注入端口185的一些实施方案中，一次仅可以使用一个或一些注入端口185，其中选择是取决于NO设定剂量的。例如，多个注入端口185可以具有不同的孔口直径，其中较小的孔口直径用于较低的NO设定剂量，并且较大的孔口直径用于较高的NO设定剂量。以这种方式，即使在不同的NO设定剂量的情况下，含NO的气体与FGF的速度比率也可以保持在恒定的比率。在一些实施方案中，在较高的NO设定剂量下使用较多的端口185，并且在较低的NO设定剂量下使用较少的注入端口185，以将含NO的气体和FGF的速度修改成期望的比率。在其他实施方案中，可以同时使用全部多个注入端口185。在各种实施方案中，多个注入端口185可以是作为注入器模件的一部分的多个比例控制阀。
在一个或多个实施方案中，阀(未示出)和/或可变孔口可以与注入端口185流体连通和/或可以位于注入端口185处。可以调节比例阀和/或可变孔口以控制从注入通道180注入中空内部区域118中的气体的速度。在各种实施方案中，可以相对于FGF速度调节阀孔口和/或可变孔口的大小以及通过注入端口185注入的气体的速度，其中阀和气体速度可通过反馈环路进行控制。在各种实施方案中，反馈环路可包括能够测量呼吸回路中的新鲜气流的流量传感器，其中流量传感器可以与控制模件电连通，所述控制模件通过调节阀和/或可变孔口来控制通过注入通道180和阀和/或可变孔口馈送到扩散模件100中的NO的剂量。在一个或多个实施方案中，能够测量新鲜气流的扩散器和流量传感器被结合成单件，诸如与注入器模件成一整体。
在一个或多个实施方案中，扩散模件100包括比例控制阀、NO流量传感器和FGF流量传感器，以用于测量呼吸回路中的新鲜气流并递送与FGF成比例的含NO气流以提供期望的NO设定剂量。在这类实施方案中，可以从控制模件中去除比例控制阀和/或流量传感器。这种配置可以消除控制模件与扩散器之间的压缩气体体积，因为扩散模件100内的比例阀被用作用于调节进入呼吸回路的含NO气流的主阀。不受任何具体理论的束缚，据信在扩散模件100中具有比例阀且在控制模件中具有比例阀可导致在每个吸气周期结束时压缩气体被储存在注入通道和NO递送管内，并且这个压缩气体然后可能减压，从而使一定量的含NO气体进入呼吸回路并导致NO的过量递送。在高浓度NO的情况下，由于递送量减少，这一潜在的问题会被放大。因此，用扩散模件100中的比例控制阀代替控制模件中的比例控制阀可减小或消除这一潜在问题的影响。
在一个或多个实施方案中，含NO气体作为来自一个或多个注入端口185的多个脉冲被注入到FGF中。相较于含NO气流恒定时，多个脉冲可用于提供更高速度的含NO气体。通过提供脉冲(例如NO流关-开-关-开)，可以提供更高的瞬时NO体积流量，其中瞬时NO速度对应地增加，而不用提供比在合并后气体流中提供期望的NO浓度所需的更高的平均体积流量。作为实例，如果系统检测到低FGF偏流(例如0.5SLPM)，则NO可被递送为多个高速脉冲，以在这个阶段期间保持适当的含NO气体体积量。以这种方式，NO递送系统可(例如在呼气偏流期间)利用NO流的脉宽调制以保持与FGF气体速度成比例的更高的NO气体速度，同时保持期望的平均NO流速或设定剂量浓度。
在呼气阶段期间，只递送脉动的高峰流以增加NO出口速度，以便在这个阶段期间保持适当的气体体积量。脉动流将为关-开-关-开，以满足达到设定剂量所需的平均流速。NO流的脉宽调制。
本发明的各方面还涉及将高浓度气体扩散到横向气体流中的方法，所述方法包括：使第一气体的至少一部分纵向穿过主体的中空内部区域，所述主体具有围绕中空内部区域的内表面；以及使第二气体流穿过注入通道到达注入端口，所述注入端口突出到主体的中空内部区域中，其中第二气体流进入中空内部区域内的第一气体流并至少部分地与之一起扩散。
图8C-D示出用于使用以上公开的技术扩散高浓度低容量气流和高容量气流的另一个示例性装置。当然，可设想能够使用以上技术扩散高浓度低容量气流和高容量气流的其他配置。与成人呼吸回路/配件一起使用的22mm标称扩散器的尺寸是示例性的。应注意，尺寸和/或配置的非限制性实例旨在用于标准成人呼吸回路，并且可以无需过度的实验，针对涉及标准新生儿呼吸回路、标准小儿呼吸回路或其他非标准大小的呼吸回路的应用来调节装置的尺寸和比例。
在一个或多个实施方案中，扩散装置100包括环形主体110，所述环形主体110可以是具有壁和中空内部区域的圆柱体。主体可被配置成且设定尺寸成连接到呼吸机呼吸回路中的管材(10、15和22mm)，装配到呼吸机管材中，或者将呼吸机管材装配到主体中。在各种实施方案中，装置的入口端包括公连接部，所述公连接部被配置成且设定尺寸成接合到呼吸机管，并且出口端包括母连接部，所述母连接部被配置成且设定尺寸成接合到呼吸机管或加湿器室入口。在非限制性实例中，装置的入口端包括22mm(O.D.)的公连接部，并且出口端包括22mm(I.D.)的母连接部。此外，如本领域已知的，扩散装置100可以是联接到呼吸机呼吸回路的注入器模件的部件或零件。
在一个或多个实施方案中，环形主体110可在入口端和/或出口端处具有外径‘A’。外径‘A’可以在约10mm(0.394英寸)至约25mm(1.0英寸)的范围内、或为约22mm(0.866英寸)，其中呼吸机管材可以围绕入口端OD的外侧和出口端ID的内侧进行装配。在各种实施方案中，如本领域已知的，呼吸机管可以利用摩擦配合连接来连接到扩散装置的入口端和/或出口端。
在一个或多个实施方案中，环形主体可以在出口端和/或入口端处具有内径‘B’。内径‘B’可以在约10mm(0.394英寸)至约25mm(1.0英寸)的范围内、或为约22mm(0.866英寸)，其中呼吸机管材可以装配到入口端ID的内侧中。在各种实施方案中，如本领域已知的，呼吸机管可以利用摩擦配合连接来连接到扩散装置的入口端和/或出口端。
在一个或多个实施方案中，气体可进入扩散装置100的入口端并离开扩散装置的出口端，其中气体可包括可呼吸气体的混合物。在各种实施方案中，可呼吸气体可包括空气或空气和附加的氧气。
在各种实施方案中，扩散装置100的壁厚‘C’可以在约1mm(0.040英寸)至约3.175mm(0.125英寸)的范围内、或在约1mm(0.040英寸)至约2mm(0.079英寸)的范围内、或在约0.0625至约0.094的范围内。
在一个或多个实施方案中，扩散装置的长度‘D’可以在约6.35mm(0.25英寸)至约41.3mm(1.625英寸)的范围内、或在约22.225mm(0.875英寸)至约41.275mm(1.625英寸)的范围内、或在约25.4mm(1.00英寸)至约38.1mm(1.50英寸)的范围内。
在一个或多个实施方案中，装置还包括渐缩区段150，所述渐缩区段150包括可具有截头圆锥形、漏斗形或钟形形状的壁，其中渐缩区段150从第一(入口)端处的内径‘E’缩小到与第一端相对的第二(出口)端处的内径‘F’，其中第一(入口)端处的开口具有比第二(出口)端处的开口更大的直径。在各种实施方案中，具有较大直径的第一端是口部152，并且具有较小直径的第二端是喉部158。
在一个或多个实施方案中，加速器可包括渐缩区段或双向渐缩区段。
在各种实施方案中，口部152处的内径‘E’可以在约14mm(0.511英寸)至约18mm(0.709英寸)的范围内或为约16.03mm(0.631英寸)。
在各种实施方案中，喉部158处的内径‘F’可以在约3.17mm(0.125英寸)至约9.5mm(0.375英寸)的范围内或为约6.35mm(0.250英寸)。
在一个或多个实施方案中，渐缩区段150可具有从口部152的前缘到喉部158的后缘的长度‘I’。在各种实施方案中，渐缩区段150的长度‘I’可以在约8mm(0.315英寸)至约13mm(0.519英寸)的范围内或为约10.3mm(0.405英寸)。
在一个或多个实施方案中，渐缩区段的内表面在口部150的前缘处形成锐角，因此不存在垂直于渐缩区段的轴线的平坦表面。在各种实施方案中，渐缩区段的壁的厚度可以在约1mm至约2mm的范围内或为约1.5mm。
在一个或多个实施方案中，渐缩区段150可以位于扩散装置100的主体110的内部。在各种实施方案中，渐缩区段可以通过支撑件160从环形主体110的圆柱形壁115悬挂，其中支撑件160可以从圆柱形壁115的内表面延伸到敞开的内部区域118中。在各种实施方案中，环形主体110、渐缩区段150以及将渐缩区段150接合到环形主体的支撑件可以是一个整体件，其中环形主体110、渐缩区段150和支撑件160被模制为单件，因此这些部件包括单个一体构造。在各种实施方案中，渐缩区段150和环形主体110是同轴的。在一个或多个实施方案中，突出部195可以通过互连主体110和渐缩区段150来形成支撑件160。
在一个或多个实施方案中，在口部152的边沿与圆柱形壁115的内表面之间可能存在间隙151，其中间隙151的大小‘G’在约0.5mm(0.02英寸)至约3mm(0.118英寸)的范围内，这提供了围绕口部152的边沿的开口。在各种实施方案中，开口允许进入气体的至少一部分通过沿着内部区域的周边并围绕渐缩区段150流动而绕过渐缩区段150。
在一个或多个实施方案中，开口的横截面面积在内部区域的横截面面积的约9.5％至约19.0％的范围内
在一个或多个实施方案中，间隙151的横截面面积在内部区域的横截面面积的约15％至约35％的范围内，其中限定为B直径的内部区域是20mm。
在一个或多个实施方案中，渐缩区段150距环形主体110的前缘可存在距离‘H’。在各种实施方案中，距环形主体110的前缘的距离‘H’可以在3.175mm(0.125英寸)至约12.7mm(0.50英寸)的范围内。在各种实施方案中，尺寸H可以减小，从而使装置的大小和重量最小化。
在一个或多个实施方案中，渐缩区段150距环形主体110的后缘可存在距离‘J’。在各种实施方案中，距环形主体110的后缘的距离‘J’可以在3.175mm(0.125英寸)至约12.7mm(0.50英寸)的范围内。在各种实施方案中，尺寸J可以减小，从而使装置的大小和重量最小化。
在一个或多个实施方案中，用于将递送管附接到扩散装置的管接头190可以从圆柱形壁115的外表面突出。在各种实施方案中，管接头可具有约4.5mm(0.177英寸)的直径‘M’并且从圆柱形壁115的外表面突出约8.7mm(0.34英寸)的高度‘N’。
在各种实施方案中，通向注入端口的注入通道180可形成在管接头中，其中注入通道180具有内径‘L’。在各种实施方案中，内径‘L’可以在约0.8mm(0.03125英寸)至约2.4mm(0.094英寸)或约1.6mm(0.0625英寸)的范围内。
在一个或多个实施方案中，在注入通道180的内端处形成注入端口185的开口可位于新鲜气体速度在扩散器装置中最大化的区域的近侧(例如距渐缩区段150的出口端存在距离‘K’)。在各种实施方案中，距渐缩区段150的出口端的距离‘K’可以在约2mm(0.787英寸)至约5mm(0.197英寸)的范围内或为约3mm(0.118英寸)。
在一个或多个实施方案中，NO注入端口可终止于喉部壁处，或者延伸管可从渐缩区段的内表面进一步突出到喉部中。在各种实施方案中，延伸管可突出到喉部的中心中。
在一个或多个实施方案中，注入端口可以距渐缩区段的前缘6.81mm。
在一个或多个实施方案中，渐缩区段可以悬挂在壳体的中空圆柱形部分内，其中壳体适于连接到呼吸机管材。在各种实施方案中，壳体可以具有不同于圆柱形或环形的形状，同时具有被配置成且设定尺寸成连接到合适的呼吸机管材的入口和出口。例如，扩散装置的矩形壳体可具有有着用于连接到管材的I.D.的圆柱形入口和出口开口。
在一个或多个实施方案中，扩散装置可与鼻插管或与面罩一起用于呼吸机回路中。
图9A示出具有漏斗形状的渐缩区段300的示例性实施方案。
在一个或多个实施方案中，漏斗形渐缩区段300具有凸形的内表面，并朝向喉部310引导进入口部320的气体。在各种实施方案中，内表面的凸形轮廓可具有恒定的曲率或变化的曲率。
图9B示出具有圆锥形状的渐缩区段340的示例性实施方案。
在一个或多个实施方案中，圆锥形渐缩区段340具有内表面，所述内表面从渐缩区段340的口部320到喉部310是笔直的，并且圆锥形渐缩区段340朝向喉部310引导进入口部320的气体。
图9C示出具有钟形形状的渐缩区段370的示例性实施方案，其中钟形形状可具有恒定的曲率或变化的曲率。
在各种实施方案中，如300、340和370所描绘的渐缩区段可喉部到喉部地邻接，以提供双向渐缩区段来允许沿任一取向在通气回路中插入和使用。图10示出双向渐缩区段的示例性实施方案。双向渐缩区段700可包括两个渐缩区段150，所述两个渐缩区段150在其喉部处联接，其中注入阀在双向渐缩区段700的最窄部分处提供气体的注入。在各种实施方案中，两个渐缩区段可在包括圆柱形区段740的喉部处联接。在各种实施方案中，注入端口将位于两个渐缩区段接合的位置处，并且FGF速度应在最低预期FGF速率下处于最大值。在一些实施方案中，在预期FGF速率较低(例如，小于2SLPM)的环境中利用渐缩区段。
在一个或多个实施方案中，钟形渐缩区段370具有凹形的内表面，并朝向喉部310引导进入口部320的气体。
图11示出描绘渐缩区段壁415的内表面的轮廓的示例性渐缩区段400。
本发明的原理和实施方案还涉及包括渐缩区段400的扩散装置，所述渐缩区段400包括逐渐减小的横截面面积，所述逐渐减小的横截面面积增加了经过注入端口并离开喉部的气流的速度，因此高浓度气体快速地分散并与呼吸机气体一起扩散。
在一个或多个实施方案中，渐缩区段400可以是具有可变横截面面积的轴向对称管，其中面积从嘴部面积向喉部面积逐渐减小。在各种实施方案中，壁415可具有直线、抛物线、双曲线、悬链曲面或漏斗轮廓。
在一个或多个实施方案中，渐缩区段400可包括具有恒定的直径和横截面面积的圆柱形区段440，所述圆柱形区段440从横截面面积最小的点延伸长度‘P’，并且/或者渐缩区段的斜率变为0(零)(即水平)。
在各种实施方案中，渐缩区段形成增加的压力梯度，因此由于有利的压力梯度，不会发生流动或边界分离。避免边界分离也避免了可能耗尽气流能量并增加流动阻力的逆流区域和旋涡。60SLPM体积流量的压降可以约为0.65cm H2O，并且在30SLPM下可以约为0.16cm H2O。
在一个或多个实施方案中，渐缩区段壁430的轮廓具有半径为R1的恒定曲率，其中R1可以在7.5mm(0.296英寸)至约8.3mm(0.328英寸)的范围内或为约7.6mm(0.299英寸)。
本发明的一个方面涉及一种用于将高浓度气体扩散到横向气体流中的方法。
图12示出第二气体通过注入通道180进入穿过渐缩区段150的第一气体中的示例性实施方案。(气流由直线箭头和弯曲箭头指示。)
在一个或多个实施方案中，第一气体的至少一部分进入扩散装置100并穿过渐缩区段150，所述渐缩区段150包括具有厚度、外表面和内表面的壁155，具有第一直径的入口端，以及与入口端相对的、具有第二直径的出口端，其中第二直径小于第一直径；并且使第二气体流穿过注入通道180到达渐缩区段150的内表面中的注入端口185。在各种实施方案中，第二气体流进入渐缩区段150内的第一气体流并至少部分地与之一起扩散。在各种实施方案中，以期望的流动速率和速度将第二气体注入第一气体流中可在两个气体流的点接触或汇合处形成充分的扩散。在各种实施方案中，对于4880ppm NO，第二气体(1-80ppm剂量下的NO)的预期体积流量可以在约0.1SMLPM至约33.3SMLPM的范围内，其中当第一气体流速在约0.5SLPM至约2.0SLPM的范围内时，第二气体(NO)的体积流量与第一气体(FGF)的体积流量成比例。
在一个或多个实施方案中，第一气体的至少一部分围绕渐缩区段的外表面的至少一部分穿过，其中渐缩区段150位于环形主体110内，所述环形主体110具有外表面和内表面以及大于渐缩区段的第一直径的内径。在各种实施方案中，第一气体的至少一部分穿过口部152的边沿153与圆柱形壁115的内表面之间的间隙151。
在一个或多个实施方案中，第一气体是包含分子N2和分子O2的可呼吸气体，并且第二气体包含分子NO和分子N2。
在一个或多个实施方案中，第一气体由呼吸机以一定的流速提供，所述流速在约0升每分钟(SLPM)至约120升每分钟(SLPM)的范围内。在一些情况下，如本文所述，在呼气流动期间，可能存在0.5SLPM至2SLPM范围内的流动，这可能导致生成更高的NO2。因此，至少在一些情况下，所公开的技术可以针对于这些较低的流速。
在各种实施方案中，第二气体中的NO浓度可以在以下范围内：大于800ppm至约5000ppm、或约2000ppm至约4880ppm、或为约4800ppm。
在一个或多个实施方案中，第二气体的流速与第一气体的流速成线性比例。
在一个或多个实施方案中，第二气体流可以与第一气体流的轴线所成的约60°至约120°范围内的角度来初始进入第一气体流，或以与之所成的以下范围内的角度来初始进入第一气体流：约75°至约105°、或约80°至约100°、或约85°至约95°、或为约90°。在各种实施方案中，第二气体可以与第一气体流垂直地注入，其中两个垂直气体流用于在接触点处施加湍流，以将NO2水平降低至等于或小于当前的800ppm疗法所生成的量的值。
在不受理论限制的情况下，据信当FGF受到相交的NO流的冲击时会产生充分的扩散，其中NO和FGF在呼吸机偏流下具有足够的速度。此外，恰好位于NO注入点之后的短环形出口可允许渐缩区段内的曾经压缩的FGF气体(现与NO合并)迅速离散，从而突然离开并与围绕渐缩区段的旁路流一起自由扩散。
在一个或多个实施方案中，第二气体以以下范围内的流速离开注入端口185：约0.1毫升每分钟(SMLPM)至约6.3SLPM、或约0.05毫升每分钟(SMLPM)至约2SLPM、或约1.0毫升每分钟(SMLPM)至约1SLPM。2SLPM的气体流速具有通过I.D.为0.16cm的注入通道和注入端口的大约0.42米/秒的速度。具有这种速度的气体在穿过扩散装置时在这种速度下不会经受明显的压缩，所述速度小于声速的0.2倍(即，马赫数<0.2)。0.5SLPM的气体流速具有通过I.D.为0.16cm的注入通道和注入端口的大约0.10米/秒的速度。管理以下时期期间的NO2转化可以是有帮助的：非常低的呼吸机流速(例如呼气期间的偏流≤2SLPM)、增加的氧浓度(FiO2≥60％)和较高的NO设定剂量(≥20ppm)。
在一个或多个实施方案中，第一气体在渐缩区段150的第二直径处的速度大于第一气体在渐缩区段150的第一直径处的速度。
在一个或多个实施方案中，第一气体在渐缩区段的第二直径处的速度大于第一气体在渐缩区段的第一直径处的速度，其中第二气体在具有更快速度的点处进入第一气体。在各种实施方案中，渐缩区段朝向环形主体的中间部生成增加的气体速度和压力梯度，使得最高气体速度是沿着渐缩区段150的轴线的。例如，渐缩区段150的I.D.从口部处的1.6cm减小到喉部处的0.635cm将会导致第一气体速度的增加。在一些情况下，入口气体速度比出口气体速度的比率与入口面积比出口面积的比率成比例。
从图12可以看出，第二气体在注入端口185处进入第一气体，所述注入端口185更靠近渐缩区段150的喉部并且在所述注入端口185处，第一气流的速度与渐缩区段的口部处的第一气体速度相比是有所增加的。
图13示出扩散装置100插入呼吸机回路600中的示例性实施方案。在各种实施方案中，呼吸机系统可以向机械通气的患者提供升高的(>21％)分数吸入氧(FiO2)浓度以及NO剂量。患者呼吸机回路中的氧浓度可以在医用空气(21％O2)到医用氧气(100％O2)的范围内，但是对于接受INO疗法的患者，通常升高至60％。高浓度NO气体源610中的NO可以用氮气N2进行稀释。
在一个或多个实施方案中，扩散装置100(例如，作为注入器模件605中的部件，位于能够测量呼吸回路中的新鲜气流等的流量传感器615的下游)可以连接到来自呼吸机630的呼吸机管件并与之流体连通。呼吸机可连接到新鲜气体源620并与之流体连通。扩散模件100还可连接到控制模件640并与之流体连通，所述控制模件640控制馈送到扩散模件100中的NO的剂量。控制模件640可连接到NO气体源610并与之流体连通。在各种实施方案中，新鲜气体源620和NO气体源610可具有调节器以控制来自气瓶的压力。在各种实施方案中，扩散装置可连接到加湿器650并与之流体连通，所述加湿器650向通向患者的吸气气流增加水蒸汽含量。在各种实施方案中，从扩散装置100至患者的距离可以是大约1米。在各种实施方案中，增湿器可具有约280ml的可压缩体积。在各种实施方案中，扩散装置100和流量传感器615与注入器模件605成一整体。
在一个或多个实施方案中，扩散装置将来自呼吸机630和新鲜气体源620的进入的新鲜气流与来自NO气体源610的、流动通过控制模件640的进入的含NO气体一起扩散。递送到患者的气流可以在插入到加湿器650和/或扩散装置100下游的取样三通管660处被取样。在各种实施方案中，可在到达患者之前监测NO、NO2和/或O2浓度。根据含NO气体和FGF如何快速地合并以提供设定剂量下的均匀气体流，取样三通管600可放置在呼吸回路中的各个位置处。此外，可以使用多个取样点，诸如位于距NO注入点不同距离处的取样点。可以使用1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、15个、20个、25个、30个或更多个取样点。取样点之间的距离可以是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25或30cm。可使用多个取样点来单独分析随着沿着呼吸回路的长度而变化的合并后的气体流，或者可以合并两个或更多个取样以提供气体成分的平均值。
如在下面的实施例中所解释的，出人意料地发现温度升高可减少在其他方面类似的条件下生成的NO2量。因此，本发明的实施方案还涉及通过加热NO递送系统和/或呼吸机回路的一个或多个部分来最小化NO2生成。不受任何具体理论的束缚，据信气体温度升高可增加气体分子的可用动能，这可促进初始混合，从而导致进一步的NO2减少。
例如，加热元件可添加到NO递送系统、从NO递送系统至注入器模件的管材、注入器模件和/或呼吸器回路的吸气分支的管材，并且/或者加热元件可放置在注入点的上游、下游或注入点处的任何其他位置处。加热元件可以是加热的加湿器或者可以是专用的加热部件。示例性加热元件包括但不限于热电冷却装置或电阻加热元件。NO递送系统中的加热元件可有助于最小化NO递送系统内内部生成的NO2。同样地，放置在将NO递送到注入器模件和将NO从注入器模件递送到患者的管材中和/或与所述管材热连通的加热元件可有助于使这些点处的NO2生成最小化。
在各种实施方案中，加热元件可将NO源气体和/或合并后的NO和FGF加热至期望的温度。示例性温度包括但不限于约25℃、约26℃、约27℃、约28℃、约29℃、约30℃、约31℃、约32℃、约33℃、约34℃、约35℃、约36℃、约37℃、约38℃、约39℃、约40℃、约45℃或约50℃。
实施例
本发明通过以下呈现的实施例来进一步描述。这类实施例的使用仅是说明性的，并且决不限制本发明或任何示例性术语的范围和意义。同样地，本发明不限于本文所述的任何具体的优选实施方案。实际上，在阅读本说明书之后，本发明的许多修改和变化对于本领域技术人员来说将是明显的。本发明因此仅受随附权利要求书的术语以及所述权利要求书授权的等效物的全部范围限制。
实施例1-NO2生成系统的比较
将利用高NO源浓度(例如4880ppm)和具有如本文所述的示例性扩散器(例如，如图8A-B所示的扩散器)的注入器模件的NO递送系统与利用低NO源浓度(例如800ppm)和常规注入器模件的常规NO递送系统进行比较。通过具有示例性通气参数(例如40的呼吸率、30ml的潮气量、60％的FiO2、0.5SLPM偏流等)的新生儿呼吸机提供FGF。从图14可以看出，尽管有着明显更高的NO源浓度，利用扩散器的高NO源浓度系统(系统2)产生了与较低NO源浓度下的常规NO递送系统(系统1)类似的NO2量。
还将系统1和系统2与利用高NO源浓度(例如4880ppm)和具有如本文所述的示例性加速器(例如像图8C-D所示的加速器)的注入器模件的NO递送系统(被指定为系统3)进行比较。图15A-F示出在各种NO设定剂量和FGF流速下每个系统生成的NO2。从图15A-F可以看出，高NO源浓度下的系统2和3在40ppm的设定剂量下都产生了类似于或低于较低NO源浓度下的常规NO递送系统的NO2量。不受任何具体理论的束缚，据信系统2和3在40ppm下的相对较低的NO2值是由具有类似速度的FGF和含NO气体导致的。从下表3可以看出，对于作为系统2和3测试的具体配置，含NO气体的速度在40ppm下与FGF速度最相似。
表3-系统2和3的含NO气体的速度
实施例2-利用经加热系统的NO2生成
然后将实施例1的系统2中使用的NO递送系统与加热的呼吸机呼吸回路(例如约38℃)一起使用。从图16可以看出，加热呼吸机呼吸回路在所有测试条件下均降低了NO2水平。
尽管在本文中已参照具体实施方案来描述本发明，但应理解，这些实施方案仅说明本发明的原理和应用。对于本领域技术人员来说明显的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明的装置、系统和方法做出各种修改和变更。因此，本发明意图包括在随附权利要求书和它们的等效物的范围内的修改和变更。
实施例3-使用气体速度比的NO2最小化
实施例1的系统2中使用的NO递送系统被修改为具有各种NO源浓度并提供FGF速度比含NO气体速度的各种比率。多个气体取样点用于NO和NO2浓度测量，这可平均地说明管横截面内的任何不均匀的气体分布。在NO注入点T0下游的三个不同点处测量NO2浓度：T1(在NO注入点下游203mm)、T2(在NO注入点下游673mm)和T3(在NO注入点下游2268mm)。对于下面描述的实验，从T0到T1的区域被认为具有不均匀的气体分布，并且从T2到T3的区域被认为具有均匀的气体分布。NO2转化率是通过以下方式确定的：从测量的NO2浓度减去来自NO源气瓶的NO2贡献，并将NO2浓度的净增益除以取样点之间的驻留时间(体积流量除以区段的体积)。
图17示出初始的T0-T1区域中生成的NO2，其中各种NO源气瓶浓度在800ppm至9760ppm不等、气体速度比(FGF:NO)约为1:1。从图17可以看出，通过具有约为1:1的气体速度比，在相同的设定剂量(20ppm)和相同的FGF流速(0.5或2SLPM)下，NO2生成速率在各种气瓶浓度之间是类似的。
图18A-D示出初始的T0-T1区域中生成的NO2，其中各种NO源气瓶浓度在800ppm至9760ppm不等、气体速度比(FGF:NO)有变化以及设定剂量为10ppm NO。从图18A-D中的各图可以看出，即使当NO源浓度、FGF流速和NO设定剂量相同时，低于2:1的气体速度比提供了比高于2:1的气体速率比更低的NO2生成速率。
图19示出初始的T0-T1区域中生成的NO2，其中NO源气瓶浓度为4880ppm以及设定剂量为40ppm，气体速度比(FGF:NO)有变化。通过比较图19和图18C可以看出，在其他设定剂量浓度下也可以看出NO2生成速率与气体速度比之间的关系。
图20A-B示出初始的T0-T1区域中生成的NO2，其中各种NO源气瓶浓度在800ppm至9760ppm不等、气体速度比(FGF:NO)有变化以及设定剂量为10ppm NO。从图20A-B可以看出，即使当NO源浓度、FGF流速和NO设定剂量相同时，低于2:1的气体速度比提供了比高于2:1的气体速率比更低的NO2生成速率。如图20A-B针对x轴和y轴在以10为底的对数标度上绘制的，这表明瞬时NO2生成是非线性的。
图21示出初始的T0-T1区域中生成的NO2，其中NO源气瓶浓度为4880ppm以及设定剂量为40ppm，气体速度比(FGF:NO)有变化。图21还示出从T2至T3的平均NO2生成速率。从图21可以看出，从T0至T1的NO2生成速率显著高于从T2至T3的NO2生成速率。另外，从T2至T3(以三角形示出)的NO2生成速率不随着气体速度比而变化，说明当合并后的气体流在T2处达到均相之后，实现了恒定速率的NO2生成速率。图21还提供每种配置的FGF管的内径的大小：0.942英寸、0.669英寸或0.335英寸。可以看出，减小FGF管径不会减少NO2生成，而是导致更高的NO2生成速率。这与所观察到的现象一致：NO2生成在较低的FGF:NO速度比(尤其是低于2:1的那些速度比)的情况下被最小化。
实施例4-循环流动期间的NO2生成
实施例3的NO递送系统被修改以模拟具有变化的流速的呼吸机。使用最小流量为0.5SLPM且最大流量为5SLPM的方波流，其中变化的吸气比呼气比率(高流量比低流量比率)在2:2至1:3的范围内。图22A-B示出以ppm计以及作为NO设定剂量的百分比的所生成的NO2。从图22A-B可以看出，大部分NO2在更高的呼气(低流量)比率下生成。从图22B可以看出，高百分比的NO在低设定剂量下转化成NO2，其中当吸气:呼气比率为1:3且NO设定剂量为1ppm时，几乎25％的NO转化成NO2。
实施例5：NO2生成系统的比较
在10ppm NO的设定剂量和4880ppm NO的气瓶浓度下，从T0至T1比较利用悬浮漏斗的NO递送系统(实施例1的系统3)的NO2生成速率与实施例3的NO递送系统的NO2生成速率。该比较的结果在下表4中示出。
表4-实施例1的系统3和实施例3的系统的NO2生成
从表4可以看出，悬浮漏斗设计与气体速度比为约2:1的扩散器的表现类似。然而，速度比低于2:1(1:1或0.5:1)的扩散器提供了比悬浮漏斗设计更低的NO2生成速率。
在本说明书全篇中提及“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”意味着结合实施方案描述的具体特征、结构、材料或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书全篇中各个地方中出现诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”的短语未必指本发明的同一实施方案。此外，具体特征、结构、材料或特性可以任何合适方式在一个或多个实施方案中加以组合。

Claims (28)

1.一种用于将高浓度气体注入到横向气体流中的扩散装置，所述扩散装置包括：
主体，其包括具有厚度的壁、外表面和围绕中空内部区域的内表面；
突出部，其从所述主体的所述内表面延伸并进入所述中空内部区域；以及
注入通道，其穿过所述壁和所述突出部到达注入端口，使得所述注入端口在距所述主体的所述内表面一定距离处将所述高浓度气体注入到所述横向气体流中。
2.如权利要求1所述的扩散装置，其中所述注入端口具有从所述最高速度横向气体流的中心中点凹入的出口。
3.如权利要求1或2所述的扩散装置，其中所述中空内部区域具有直径，并且所述突出部的从所述内表面至所述注入端口出口的长度在所述中空内部区域的所述直径的约30％至约45％的范围内。
4.如权利要求1-3中任一项所述的扩散装置，其中所述注入端口具有在约0.7mm至约2.4mm的范围内的内径。
5.如权利要求1-4中任一项所述的扩散装置，其中所述主体是环形主体，其包括圆柱形壁，所述圆柱形壁的外径在约10mm至约25mm的范围内，并且内径在约10mm至约25mm的范围内，其中所述内径比所述外径小所述圆柱形壁的所述厚度。
6.如权利要求1-5中任一项所述的扩散装置，其中所述圆柱形壁的所述厚度在约1mm至约3.175mm的范围内，并且所述注入通道与所述中空内部区域的纵向轴线形成约60°至约120°的范围内的角度。
7.如权利要求1至6中任一项所述的扩散装置，其中所述扩散装置被配置且设定尺寸用于插入到呼吸管材中。
8.如权利要求1-7中任一项所述的扩散装置，其中所述扩散装置与包括流量传感器的注入器模件成一整体。
9.如权利要求1-8中任一项所述的扩散装置，其还包括渐缩区段，所述渐缩区段包括具有厚度、外表面和内表面的壁、具有第一直径的入口端和与所述入口端相对的具有第二直径的出口端，其中所述第一直径在约6mm至约18mm的范围内，并且所述第二直径在约3.17mm至约9.5mm的范围内，其中所述第二直径小于所述第一直径，并且其中所述渐缩区段连接到所述突出部并从所述突出部悬挂。
10.如权利要求1-9中任一项所述的扩散装置，其中所述渐缩区段围绕轴线对称，并且所述注入通道与所述渐缩区段的所述轴线形成约60°至约120°的范围内的角度。
11.如权利要求9所述的扩散装置，其中所述渐缩区段是漏斗形的、截头圆锥形的或钟形的。
12.如权利要求1-11中任一项所述的扩散装置，其中所述扩散装置包括多个注入端口。
13.如权利要求1-12中任一项所述的扩散装置，其中所述注入通道和所述注入端口中的一个或多个具有比例阀或可变孔口。
14.一种将高浓度气体扩散到横向气体流中的方法，其包括：
使第一气体的至少一部分穿过具有围绕中空内部区域的内表面的主体的所述中空内部区域；以及
使第二气体流穿过注入通道到达突出到所述主体的所述中空内部区域中的注入端口，其中所述第二气体流进入所述中空内部区域内的所述第一气体流并至少部分地与之一起扩散，
其中所述第一气体流具有第一速度且所述第二气体流具有第二速度，并且所述第一速度比所述第二速度的比率小于2:1。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述第二气体流以约60°至约120°的范围内的角度初始进入所述第一气体流。
16.如权利要求14或15所述的方法，其中所述第一气体是包含分子N2和分子O2的可呼吸气体，并且所述第二气体包含分子NO和分子N2。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述第二气体中的NO的浓度在大于400ppm至约10,000ppm的范围内。
18.如权利要求14-17中任一项所述的方法，其中所述第二气体的流速与所述第一气体的流速成线性比例。
19.如权利要求14-18中任一项所述的方法，其中所述第一速度比所述第二速度的比率小于或等于约1:1。
20.如权利要求19所述的方法，其中当所述第一气体流具有小于2SLPM的体积流量时，提供小于或等于约1:1的所述比率。
21.如权利要求14-20中任一项所述的方法，其中所述第二气体流在所述第一气体流的具有最高速度的所述中心中点处或附近进入所述第一气体流。
22.如权利要求14-21中任一项所述的方法，其中所述第二气体流作为多个脉冲被注入到所述第一气体流中。
23.一种将高浓度含NO气体扩散到横向含氧气体流中的方法，所述方法包括：
从用户接收一定剂量的NO；
通过具有围绕中空内部区域的内表面的主体的所述中空内部区域接收包含氧气的第一气体流；
基于所述NO的剂量选择孔口大小；以及
使包含NO的第二气体流穿过注入通道到达突出到所述主体的所述中空内部区域中的注入端口，其中所述第二气体流进入所述中空内部区域内的所述第一气体流并至少部分地与之一起扩散，其中所述孔口位于所述注入通道和所述注入端口的流动路径内，并且所述孔口大小提供所述第一气体的速度与所述第二气体的速度的预先确定的比率。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述比率小于2:1。
25.如权利要求24所述的方法，其中当所述第一气体流具有小于2SLPM的体积流量时，提供小于2:1的所述比率。
26.如权利要求23-25中任一项所述的方法，其中选择所述孔口大小包括选择可变大小的孔口的孔口大小。
27.如权利要求23-25中任一项所述的方法，其中选择所述孔口大小包括从具有不同孔口直径的多个孔口中选择孔口。
28.如权利要求23-27中任一项所述的方法，其中所述第二气体流作为多个脉冲被注入到所述第一气体流中以在所述第一气体流和所述第二气体流的合并后的气体流中提供所述设定剂量的NO。
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