CN108136146A - 在存在泄漏的情况下估计患者回路的依从性的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定非侵入式通气机系统中的连接回路的依从性的方法(200)。所述方法包括以下步骤：(i)提供(210)非侵入式通气机系统，所述系统具有流量或压力控制器；(ii)生成(220)针对所述流量或压力控制器的测试信号；(iii)针对预定时间段利用所生成的测试信号来激励(230)所述流量或压力控制器；(iv)在所述流量或压力控制器的所述激励期间获得(240)所述非侵入式通气机系统的一个或多个测量结果；(v)确定(250)所获得的测量结果的向量；并且(vi)处理(260)所述向量以确定所述回路的物理参数的估计。

Description

在存在泄漏的情况下估计患者回路的依从性的方法和系统
技术领域
本公开总体涉及用于在存在泄漏的情况下估计患者-通气机连接回路的依从性(compliance)的方法和系统。
背景技术
提供危重护理通气的最常见手段要求利用能充气的袖带在气管内密封的气管内导管对患者进行插管法治疗。插管法提供在临床上管理气道并且维持肺膨胀的最佳手段，但是其引入了重大的风险，包括归因于极度不舒适造成的患者的组织磨损、感染和镇静。因此，插管法近似被称为侵入式通气，并且插管法治疗的临床医师的决策必须仔细地考虑。对于要求呼吸支持的许多住院患者而言，导致插管法的不利副作用的风险可能超过益处。
鉴于侵入式通气的重大风险，已经从家庭护理通气发展出了备选方法，其提供通过气道施加支持的益处，但是使用诸如患者的嘴和鼻上的面罩或者气管切开插管的连接。该方法被称为非侵入式正压通气，或者简单地被称为非侵入式通气(“NIV”)。对于非侵入式通气而言，一些泄漏是期望的并且常常故意地被引入以便减少呼气末CO2，所述呼气末CO2否则将被患者再呼吸，因为单肢回路最经常被用于将通气机连接到非侵入式通气系统中的面罩。相比之下，侵入式通气通常使用双肢连接回路，其分离地承载呼出气体。这防止了侵入式通气中的CO2的再呼吸，其因此要求没有泄漏。
对于非侵入式通气呼吸模式而言，在提供准确的体积递送的目标的情况下(诸如保证平均体积的压力支持(AVAPS)系统)，准确的呼气体积测量结果会是基本的。然而，准确的呼气体积测量难以在非侵入式通气系统中实现，因为在患者连接回路中存在体积损失。这些损失包括归因于连接回路依从性的瞬态压缩损失，以及归因于故意泄露流量的连续损失。在要么监测要么递送的体积准确度方面，回路损失在体积变得更小时甚至变得更显著。并且因此，这能够最终限制NIV对于较小的患者的适用性。如果损失能够被适合地标识、表征和补偿，那么体积测量准确度能够得到改进。并且非侵入式通气系统能够被扩展到较小的患者。
对体积损失的补偿要求关于回路中的依从性和泄露的信息。尽管能够确定故意泄露，诸如通过患者设置期间的校准，但是确定回路依从性对于NIV单肢回路是具挑战性的，因为存在泄漏。在侵入式通气系统中，可以通过完全地阻塞并且增压不具有泄漏的患者回路而在通气机设置期间测量患者回路的依从性。相反，设计在非侵入式通气系统中的故意泄漏，使得其不能够被容易地阻塞，因此总是确保CO2在呼吸递送期间被适当地排出。因此，非侵入式通气机患者回路不能够以与侵入式患者回路相同的方式在不断增加的体积上容易地增压，其中泄露通常不是问题。
因此，在本领域中需要能够在存在泄漏的情况下估计患者-通气机连接回路的依从性从而改善体积估计和递送的非侵入式通气系统。
发明内容
本公开涉及用于在非侵入式通气机系统中在存在泄漏的情况下计算、测量和测试连接回路的依从性的创造性方法和系统。在本文中的各种实施例和实施方案涉及一种在患者-通气机回路中生成和利用随机流动波动的非侵入式通气机系统。起因于所述随机流动波动的流量和压力度量被用于估计依从性和泄露的回路参数。
一般而言，在一个方面中，提供了一种用于确定非侵入式通气机系统中的连接回路的依从性的方法。所述方法包括以下步骤：(i)提供非侵入式通气机系统，所述系统具有流量或压力控制器；(ii)生成针对所述流量或压力控制器的测试信号；(iii)针对预定时间段利用所生成的测试信号来激励所述流量或压力控制器；(iv)在对所述流量或压力控制器的所述激励期间获得所述非侵入式通气机系统的一个或多个测量结果；(v)确定所获得的测量结果的向量；并且(vi)处理所述向量以确定对所述回路的物理参数的估计。
根据实施例，所述测试信号是经滤波的白噪声。根据实施例，所述滤波器是低频率、高截止、低通滤波器。
根据实施例，将所述流量或压力控制器激励近似七秒。
根据实施例，所述测量结果是近端压力和鼓风机流量。
根据实施例，所述方法包括测量结果质量检查；以下步骤：对在预定时间段的第一子集期间所获得的一个或多个测量结果进行平均；分析所述平均以确定所述非侵入式通气机系统的患者端口是否被阻塞和/或在所述获得的步骤期间的泄露是否是不足够的；并且仅在所述患者端口被阻塞和/或所述泄露是足够的情况下继续到下一步骤。
根据实施例，使用Moore-Penrose伪逆方法来确定所述参数向量。
根据实施例，所述方法还包括对所述计算的质量检查：将所述物理参数测量结果与预定接受范围进行比较的步骤。
根据实施例，仅在所述物理参数测量结果在所述预定接受范围之内的情况下，所述测量结果被所述非侵入式通气机系统所利用。
一般而言，在一个方面中，提供了一种用于检测侵入式通气机系统中的未知泄露的方法。所述方法包括以下步骤：(i)提供侵入式通气机系统，所述侵入式通气机系统具有呼出阀和呼出阀流量传感器；(ii)生成针对流量控制器、所述呼出阀或压力控制器中的一个的测试信号；(iii)使用所述呼出阀维持受控制的泄露；(iv)针对预定时间段利用所生成的测试信号来激励所述流量控制器、所述呼出阀或所述压力控制器；(v)在对所述压力控制器、所述呼出阀或所述流量控制器的所述激励期间获得所述侵入式通气机系统的一个或多个测量结果，包括来自所述呼出阀流量传感器的测量结果；(vi)确定所获得的测量结果的向量；并且(vii)处理所述向量以确定对所述回路的物理参数的估计。
一般而言，在一个方面中，提供了一种非侵入式通气机系统。所述系统包括控制器，所述控制器被配置为：生成测试信号；针对预定时间段利用所生成的测试信号来激励所述流动源；获得所述系统的一个或多个测量结果；确定所获得的一个或多个测量结果的向量；并且提取所述系统的物理参数的估计。
一般而言，在一个方面中，提供了一种用于确定非侵入式通气机系统中的连接回路的依从性的方法。所述方法包括以下步骤：(i)提供非侵入式通气机系统，所述系统具有流量或压力控制器；(ii)生成针对所述流量或压力控制器的测试信号；(iii)针对预定时间段利用所生成的测试信号来激励所述流量或压力控制器；(vi)在对所述流量或压力控制器的所述激励期间获得所述非侵入式通气机系统的一个或多个测量结果；(v)对在所述预定时间段的第一子集期间所获得的一个或多个测量结果进行平均；(vi)分析所述平均以确定所述非侵入式通气机系统的患者端口是否被阻塞和/或在所述获得的步骤期间是否是不足够的，并且仅在所述患者端口被阻塞和/或足够的情况下继续到下一步骤；(vii)确定所获得的测量结果的向量；(viii)从所确定的向量中提取所述系统的物理参数的估计；并且(ix)将物理参数估计与预定接受范围进行比较。
应当领会到，前述概念和下文更详细讨论的额外概念的所有组合(假如这样的概念不相互矛盾)被视为在本文中所公开的发明主题的一部分。具体地，在本公开的末端出现的要求保护的主题的所有组合被视为在本文中所公开的发明主题的一部分。
根据在下文中所描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些和其他方面是显而易见的，并且参考所述实施例加以阐述。
附图说明
在附图中，相似的附图标记通常贯穿不用的视图指代相同的部分。同样地，附图未必是按比例的，相反重点通常在于图示本发明的原理。
图1是根据实施例的非侵入式通气机系统的示意性表示。
图2是根据实施例的用于在非侵入式通气机系统内在存在泄漏的情况下确定连接回路的依从性的方法的流程图。
图3是根据实施例的对连接回路进行建模的示意性表示。
具体实施方式
本公开描述了非侵入式通气机(“NIV”)系统和方法的各种实施例。更一般而言，申请人已经认识并理解到，提供一种通过确定连接回路在存在泄漏的情况下的依从性而准确地测量体积并且因此改善体积递送的非侵入式通气机系统和方法将是有益的。例如，利用随机流动波动来激励非侵入式通气机系统的患者-通气机回路，这意指例如随机流动波动是使用被供应到与患者-通气机回路相连接的流量阀以引起该回路内的压力响应的激活的电子控制信号来生成的。起因于所述随机流动波动的激励流动输入和压力响应的测量结果被用于估计依从性和泄露的回路参数。
根据实施例，替代使用分离地查看泄漏阻力和压力变化量到体积变化量改变的静态测量结果，所述患者回路被视为具有包括其之内的体积的时间常数作为依从性并且流量敏感阻力作为泄露的动态系统。具有时间变化的参数的该线性模型表示被称为线性参数变化(“LPV”)模型，一种类型的非线性模型。通过使用所述LPV模型，所述非线性系统能够通过扩展参数空间而被描述为线性参数模型。这允许使用线性最小二乘法来求解所述参数。由于在校准期间使患者回路中的流量和压力为正的，因而参数化不需要处理压力或流量的符号。这比在变量被许可改变符号的情况下使线性参数模型和计算简单得多。
因此，根据实施例是一种用于利用以下元素中的一个或多个元素来确定依从性和泄露阻力的方法：(i)用于测量回路响应的逐步流程；(ii)利用所生成的信号来激活所述患者回路的方法；(iii)所述患者回路的非线性模型，其体现依从性和泄露特性，并且其被用于创建用于参数估计的线性回归向量；以及(iv)参数估计，其使用非线性模型和所获得的测量结果来确定泄露阻力和回路依从性的参数。
在一个实施例中，参考图1是范例非侵入式通气系统100的表示。所述系统包括气体源，所述气体源能够是任何气体，包括但不限于大气空气和氧气等。所述气体源利用预定压力从通气机被排出。所述系统还包括控制器120，控制器120是常规微处理器、专用集成回路(ASIC)、片上系统(SOC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)、以及其他类型的控制器。控制器可以在采用或没有采用处理器的情况下实施，并且也可以被实施为执行一些功能的专用硬件与执行其他功能的处理器(例如，一个或多个可编程微处理器和相关联的电路)的组合。
控制器120能够与任何需要的存储器、电源、I/O设备、控制电路和/或根据在本文中所描述的或者以其他方式设想到的实施例的通气机的操作所必要的其他设备相耦合或者以其他方式与之通信。例如，在各种实施方案中，处理器或者控制器可以与一个或多个存储介质相关联。在一些实施方案中，所述存储介质可以被编码有一个或多个程序，所述一个或多个程序当在一个或多个处理器和/或控制器上运行时，执行在本文中所讨论的功能中的至少一些功能。各种存储介质可以被固定在处理器或控制器之内或者可以是能移动的，使得被存储在其上的一个或多个程序能够被加载到处理器或控制器中以便实施在本文中所讨论的本发明的各方面。术语“程序”或“计算机程序”在一般意义上在文本中被用于指代能够被用于对一个或多个处理器或者控制器进行编程的任何类型的计算机代码(例如，软件或微代码)。
根据实施例，控制器120被配置或编程为用作鼓风机控制器以协调并控制非侵入式通气机的鼓风机功能。例如，所述鼓风机控制器能够控制所述系统的(一个或多个)鼓风机的速率和强度，从而控制或引导通过回路的流量。根据另一实施例，所述鼓风机控制器是分离的部件，优选与控制器120相通信，但是能够以其他方式来协调所述系统的多项功能。尽管该实施例使用鼓风机流量控制器来激励所述回路，但是可以利用任何类型的流动源，包括例如按比例控制的压缩气体阀，其中，所述源提供实际流量和压力测量的手段。
非侵入式通气机包括管或管道130，管或管道130将气体从远程通气机部件140递送至用户接口150。用户接口150例如能够是面罩，所述面罩覆盖用户的嘴和/或鼻的全部或部分。可能存在容纳不同大小的患者或个体的许多不同大小的面罩，和/或面罩可以是能调节的。作为另一备选方案，用户接口150可以适配在气管切开插管内或其上，或者以其他方式与其相互作用。因此，用户接口150可以是各种大小的以容纳不同形状和大小的气管切开插管。所述用户接口被配置为适配患者的气道的至少部分并且包括呼出端口180。所述非侵入式通气系统能够包括在远程通气机部件140附近的管道的末端处的远端气体流量传感器160，以及在用户接口150附近的管道的末端处的近端压力传感器170。远端气体流量传感器160或近端压力传感器170中的任一个可以包括例如两个或更多个传感器。例如，远端气体流量传感器160能够包括鼓风机流量传感器和O2阀传感器。此外，所述传感器中的任意传感器可以在通气机的外部或内部。控制器120被配置为要么通过有线通信要么通过无线通信从远端气体流量传感器160和近端压力传感器170两者接收传感器数据。
在一个实施例中，参考图2是用于在非侵入式通气机系统中在存在泄漏的情况下计算、测量和测试连接回路的依从性的方法200的流程图。在步骤210处，提供了非侵入式通气机系统100。所述非侵入式通气机系统能够是在本文中所描述或者以其他方式设想的实施例中的任意实施例。
在步骤220处，所述系统生成测试信号。如下文更详细描述的，根据实施例，通过由滤波器对白噪声进行滤波来合成或生成噪声信号。例如，所述信号能够是由低频率、高截止、低通滤波器随后滤波的白噪声，但是许多其他合成和滤波过程是可能的。根据实施例，所述系统集中频率范围上的激励能量，其中，所述系统被期望对激励做出反应，即系统的模式。
根据实施例，为了防止信号到达负值，所生成的激励噪声能够通过偏置来偏移。例如，如下文详细描述的，所述激励噪声能够通过偏置来偏移，诸如近似为40lpm等。根据实施例，随机流动激励中的偏置能够根据正在被确定的泄露的大小而自动地设定。为了容纳非侵入式单肢回路中的泄露向下到例如几乎为零的较宽范围，能够添加额外的步骤以使用压力伺服系统对所述回路增压、测量在增压期间的平均流量、并且然后使用该平均流量作为用于随机流动激励的基础。因此，如果记住了偏置目标压力，则所述系统能够：(1)将稳定的压力控制应用到阻塞的患者回路并且读取稳定状态偏置流量；(2)使用该稳定状态流量作为针对随机流动噪声激励的偏置；并且(3)继续进行校准。
在步骤230处，利用所生成的测试信号来激励所述通气机。因此，所生成的测试信号能够是所生成的电子信号，所述电子信号被供应到患者-通气机回路以便引起对所述回路的激活。如下文更详细描述的，根据实施例，在针对七秒的每毫秒处，利用所生成的测试信号来激励所述鼓风机流量控制，但是许多其他时间帧是可能的。例如，其他时间帧能够取决于待解决的问题和/或待利用的系统来设计。根据实施例，利用以下等式：1/激励的持续时间＝谱分辨率，以及1/2*采样时间＝所测量的最高频率。因此，利用流动来激励所述回路，并且通过利用鼓风机获得流量和压力测量结果来跟踪流动轨迹。然而，根据另一实施例，所述鼓风机能够跟踪压力轨迹、利用压力来激励所述回路、并且读取流量作为响应。
对于在侵入式通气系统中的使用而言，步骤230备选地可以使用呼出阀来激励所述系统。在该实施例中，所述流量阀源可以提供恒定流量的气体并且呼出阀被调制为通过利用随机噪声源或测试信号命令其中断所述流动。所述呼出阀的调制创建了回路中的压力或流量波动。可以注意到，所述随机噪声源或所述测试信号可以与创建已知泄露率的另一呼出阀信号相组合，如下文所解释的。
在步骤240处，根据实施例，针对1到7000毫秒之一或全部来采集针对Pprox(m)(通过在患者连接处的近端感测线路由近端压力换能器所测量到的压力)、Qb(m)(未滤波的鼓风机流量)和/或的值。可以在激励步骤期间获得其他值。
在任选步骤245处，根据实施例，对在时间的某子集(诸如例如最后四秒)期间所获得的测量结果或值进行平均，以测试患者端口在测量期间被阻塞，或者测试泄露是否是不足够的。如果测试失败，那么所述过程停止并且所述系统能够报告患者端口未被阻塞。如果阻塞的患者测试通过，则测量矩阵φ和模型输出z＝(z(1)…z(2))能够使用Pprox和Qb测量结果来过滤和填充。根据实施例，如果泄露太小，则压力在利用流动的情况下将未足够地控制。为了解决具有小泄露的系统的该问题，可以利用压力来激励回路并且可以读取流量。例如，在侵入式通气机系统中，所述呼出阀可以被用于创建额外的已知泄露，其也可以解决该问题。
在步骤250处，获得压力和流量测量结果并且将其处理为向量。这能够例如通过各种不同的机制(包括本领域中已知的那些机制)来完成。
在方法的步骤260处，在估计器中处理所述向量。根据一个实施例，使用Moore-Penrose伪逆方法来计算参数向量，所述Moore-Penrose伪逆方法是求解最小二乘法问题的一种方式，但是其他方法是可能的。分析所述估计器输出参数以便确定物理参数估计。例如，由于所述物理参数被耦合在估计器参数中并且非线性地缠绕(wrapped up)，因而其能够根据估计器参数来解绕(unwrapped)，如下文更详细描述的。
在步骤270处，根据实施例，根据指定接受范围或界限来评价结果，并且如果结果未在所述范围之内，则将使测试失败。例如，最小值和最大值可以针对测量结果中的一个或多个测量结果来设定，并且如果结果未落在指定范围之内，则结果可能失败。所述范围可以由用户实验地或者根据范围的类别来确定。
在步骤280处，通过容限试验的结果被用在非侵入式通气系统计算中以改善体积测量结果和递送。
根据实施例，依从性可能针对所有压力不是恒定的。常常地，依从性测量结果主要不是包括患者管道的壁的材料的依从性，而是相反，管道的壁之内的气体的体积和压缩性。然而，利用一些管道材料(诸如可重用的硅)，管道能够以与压力相关的方式对依从性具有显著影响。因此，随着压力增加，壁材料可以伸展。为了容纳这些材料，根据实施例，所述方法还能够被修改，使得利用随机流动的激励在一系列增加的偏置流动上发生。在每个分离的偏置流动处，能够确定标称压力。针对这些偏置水平中的每个偏置水平处的依从性进行分离的计算将导致依从性值被确定为平均压力的函数。
根据实施例，在本文中所描述的或者以其他方式设想到的方法也能够被用于侵入式通气系统。尽管所述方法要求系统中的泄露，但是其能够被修改为对侵入式通气系统起作用，其中，泄露能够由呼出阀来提供。由于侵入式回路不具有故意泄露，因而呼出阀的存在允许创建已知泄露，如在图2的步骤225中所示的。使用在本文中所描述的方法，来自模型的对泄露的估计和如由呼出阀流量传感器所测量到的实际泄露被用于确定回路中的任何未知泄露。
根据这样的系统，将存在被附接到通气机的双肢患者回路，具有在提供流动源的端口处的一个端部以及在呼出阀端口处的另一端部。在流动源处所提供的测量结果包括到回路中的流量以及入口压力、呼出阀处的测量结果、流量和压力。
根据实施例，呼出阀连同其流量传感器一起被用于管理已知、固定的泄露(参见图2的步骤225)。例如，可控制的泄露能够通过利用呼出传感器对反馈中的呼出阀进行节流来完成，同时所述流量阀跟踪随机输入信号。针对呼出阀泄露控制的控制环可以被配置或者被调谐为具有低频滚降，使得呼出阀不试图对泄露做出反应或者跟随随机波动。相反，所述系统维持等于控制环设定点的平均流量。因此，呼出阀看起来是与单肢非侵入式回路的呼出端口泄露相似的固定泄露。根据实施例，该方法的优点将在于：与单肢回路相反，在提供泄露流量测量的侵入式系统的呼出阀处可以存在流量传感器。因此，测量而非估计泄露，并且仅必须估计系统的依从性。
执行校准流程，如在本文中所解释的，其中，利用随机流动或压力噪声来激励所述回路。获得流量和压力测量结果，并且能够从患者回路的两个端部来获得。测量结果能够被用于获得如在本文中所描述的依从性，但是对于侵入式通气而言，所述系统也将包括额外地标识回路流动阻力的模型。根据使用侵入式通气机的方法，步骤210包括提供侵入式通气机系统，所述系统包括呼出阀和呼出阀流量传感器。
呼出端口泄露阻力和回路依从性校准
根据实施例，描述了动态模型，所述动态模型将非线性泄露与依从性相组合以同时估计这两个分量。该方法估计存在于回路中的总泄露，包括可能尚未故意地设计到回路中的泄露，或者可能存在于故意设计的泄露中的任何变化。所述校准能够提供针对非侵入式通气单肢患者回路依从性和端口泄露阻力的所有可能组合的估计，包括但不限于：主动加湿配件、脱水器以及其他部件。根据实施例，因此，假定所有端口泄露设备适配一般二次2参数压力-流量模型。
根据实施例，能够执行对回路依从性和端口泄露流程的校准，例如，紧接在患者回路流动阻力校准之后。例如，根据一个实施例，该校准时间可能仅花费7秒钟来完成。能够执行流动阻力校准，例如，在患者连接端口保持未阻塞的情况下，使得流量主要行进穿过该端口。对于依从性和呼出端口泄露依从性而言，用户能够在开始校准之前故意地阻塞患者端口。所述端口能够通过任何装置来阻塞，包括但不限于尤其拇指、盖塞和/或塞子。通过阻塞患者连接，流动被迫使仅通过呼出端口离开，因此提供该端口的较大的反压力和校准。
在一个实施例中，参考图3是用于使用电路模拟的非侵入式通气系统的模型300，其中，分支电流表示流量，节点电压表示压力，电容表示气动依从性，以及电阻表示流量限制。图3表示线性参数变化系统，其中，部件参数根据其影响的流量或压力而变化。
最初，所有参数被假定为恒定的并且因此包括严格线性的系统。在图3中，例如，由数字310所表示的Qv是在通气机端口处进入患者回路的流量；由数字320所表示的CT是患者回路管道的集中依从性，很大程度上归因于管道内的气体的压缩；由数字330所表示的Pp或Pprox是通过患者连接处的近端感测线路由近端压力换能器所测量的压力；由数字340所表示的是患者附近的回路泄露的集中阻力，几乎归因于固定泄露；并且由数字350所表示的是通过固定回路泄露的流量。该模型表示被附接到通气机的回路，并且患者端口被阻塞。流动被允许进入通气机端口处的回路并且仅被允许在回路泄露处逸出。近端压力线路被连接，使得能够测量Pp。
接下来，根据实施例，在警告当执行计算时引入部件的已知非线性结构的情况下，依据参数来描述压力和流量行为。最重要的非线性行为能够来自泄露流动阻力的流量-压力行为；依从性是这样几乎线性的，能够假定其在操作压力的期望范围上保持恒定。Pprox压力由当入口和出口流量体积压缩管道内的气体时的净差来确定。以下等式中的变量“s”是拉普拉斯算符(表示复频率)。
最后，泄露流量也由Pprox压力来驱动：
根据实施例，所述方法假定Pp和总是正的，使得所述方法不需要关心流量的符号和负压力，其将以其他方式导致二次项中的另外的复杂化。该假定在呼吸递送中可能不总是真的，但是对于校准流程而言，其的确会被约束。利用假定回路模型和下文将描述的指定激励Qv，确定性总是真的。这显著地简化估计器。
利用常量Qv、将在稳定状态处使其与就绪状态压力Pp相匹配。然而，如果Qv在谱意义上包含足够丰富的内容，则所述系统能够被激励以揭示模型的动态参数。为了避免在公式化线性二次模型时使用平方根，能够被求解并且结果可以被代入等式1中，因此消除因为其不能由通气机直接测量。因此，以下等式保持：
Pp＝K2(Qv-sCTPp)2+K1(Qv-sCTPp) (等式3)
由于系数包含微分算符(s)以及变量，因而等式3中的第一项会是具挑战性的。因此，当最后一项被扩展时，结果被解释为导数的平方。扩展等式3导致以下内容：
在等式4中，sPp被写为(sPp)以强调运算次序。尽管所述模型实际上是非线性的，但是将测量结果因式分解并且分组允许所述方法将等式4视为线性参数模型，其能够被用于通过LS来估计参数。但是在这样做之前，根据实施例，通过将每侧除以(s+γ)来应用滤波，其中，γ(在某种程度上)是任意常量：
根据实施例，能够依据线性参数模型来表达等式5。
z(s)＝θTφ(s) (等式6)
其中，z是经滤波的近端压力读数的1×N向量，其被评价为：
并且θ是未知参数(待求解的)的5×1向量：
并且，φ(s)是经滤波的测量结果的5×N回归矩阵:
根据实施例，通过将非线性模型构筑为线性参数模型，发生应当解决的两件事情。第一，参数空间在大小方面增加以容纳非线性，并且第二，因此空间变为过指定或过确定的。因此，当求解CT时，例如，可以存在比得到CT的一种方式更多的方式，并且此外，CT的结果可以取决于其来源于何处而不同。因此，模拟可以确定针对特定问题的最佳选择。因此，等式7、8和9能够用作针对下文所使用的离散时间模型的基础，并且将根据模拟指定来自θ的参数的解开。
针对患者回路激励的目标流量
为了激励患者回路，噪声信号能够被合成并且被提供到流量或压力生成源，所述流量或压力生成源连接到回路以引起对(一个或多个)回路模式的激活。根据实施例，有色噪声信号是由通过低频率、高截止、低通滤波器对白噪声进行滤波而合成的。为了提供摇摆空间并且防止信号到达负值，所述激励噪声可以由40lpm偏置来偏移。
根据一个实施例，使用具有偏移40lpm的4.0的噪声功率的带限白噪声的滤波器输入来生成噪声。滤波器参数例如能够是：150抽头低通FIR直接形式II，等纹波；密度系数：20；采样频率：1000Hz；带通频率：20Hz；以及停止带频：30Hz，-32dB衰减。然后，处理所得到的信号。例如，一旦经滤波的近端压力的回归矩阵和向量被填写数据时，解使用Moore-Penrose伪逆方法来计算参数的最小二乘法(“LS”)：
θ＝zφT(φφT)-1 (等式10)
根据实施例，由于物理参数被耦合在估计器参数中并且非线性地缠绕，因而其能够从估计器参数解绕。具有实际测量结果的模拟和试验已经提出最佳选择来自例如：
根据实施例，参数模型和使用该模型的等式首先被表达为离散时间差分方程。另外，对于非侵入式通气而言，通气机供应的流动来自鼓风机，因此Qb、即未滤波的鼓风机流量，被Qv代替。
假定原始测量样本全部是在T＝0.001秒的间隔处被采集的并且基于指数(m)的增量，能够基于逐样本地执行针对最后分批最小二乘法计算的输入的模型向量的处理。除非另外指示，否则流量以lps为单位并且压力以cm H20为单位。根据实施例，过程是随着控制序列进展估计参数而实时运行的。
范例1-2使用分批Moore-Penrose伪逆方法的参数二次泄露模型
在步骤1处，对于m＝1至7000而言，利用所生成的测试信号来激励鼓风机流量控制。根据实施例，鼓风流量伺服系统被初始化到32000rpm并且速度控制器被初始化到11000计数。针对m＝1至7000，使用Qb_traj(m)＝QNIV_circ_cal(m)来控制流量。根据实施例，非零初始值提供鼓风机的快速加速，这允许在7秒内完成所述测试。当顺序终止时，能够命令鼓风机流量返回到零。根据实施例，该流量控制器是被用于非侵入式通气呼吸递送的控制器。
根据实施例，当使用测试信号来操作鼓风机控制时，针对m＝1至7000来采集针对Pprox(m)、Qb(m)和的值。对于该步骤和其他步骤而言，当各种各样的范围是可能的时，m＝1至7000能够是任何其他范围。
在步骤2处，根据实施例，针对每个捕获值的数据的最后四秒被平均以测试在测量期间患者端口是否被阻塞：
根据实施例，如果或者或者那么测试失败并且过程中的所有其他步骤被中止。所述系统然后能够报告患者端口未被阻塞。然而，如果阻塞的患者测试通过，则测量矩阵φ和模型输出z＝(z(1)…z(2))能够使用Pprox和Qb测量结果来滤波和填充：
根据实施例，近端压力测量结果的导数能够被定义为：
Pprox(0)＝Pprox(1)
其中，由以下低通滤波器来定义：让那么：
其中，y(0)＝0 (等式23)
根据实施例，在γ＝10rad/sec处设定滤波器极点。
在步骤3处，根据实施例，使用Moore-Penrose伪逆方法来计算参数向量：
θ＝zφT(φφT)-1 (等式24)
根据实施例，这是在步骤一和步骤二已经针对7000个样本完成之后所执行的单步向量-矩阵计算。积φφT是5×5矩阵，并且因此其逆是相对简单的。
在步骤4处，分析估计器参数以便确定物理参数估计：
K2＝θ1 (等式25)
K1＝θ4 (等式26)
在步骤5处，评价接受准则。根据实施例，根据指定容限来评价结果，并且如果结果未在容限之内，则将使测试失败。
K2min＜K2＜K2max (等式28)
K1min＜K1＜K1max (等式29)
CTmin＜CT＜CTmax (等式30)
其中，K2min＝30cm H2O/(l/sec)2；K2max＝130cm H2O/(l/sec)2；K1min＝0cm H2O/(l/sec)2；K1max＝10cm H2O/(l/sec)2；CTmin＝0.5ml/cm H2O；并且CTmax＝4.0ml/cm H2O。
范例2-1使用递归最小二乘法的参数二次泄露模型
根据该范例，利用递归最小二乘法(RLS)方法。根据实施例，在该方法期间的任何时间点，所述回路能够被测试以确定患者端口是否在测量期间被阻塞，或者回路中的泄露是否是不足够的。如果测试失败，那么所述过程可以停止并且所述系统能够报告患者端口未被阻塞。如果测试通过，则过程可以继续到下一步骤。根据实施例，如果泄露太小，则压力在利用流量的情况下将未足够地被控制。根据实施例，为了解决具有小泄露的系统的该问题，压力可以被用于激励回路并且流量可以被读取。例如，在侵入式通气机系统中，呼出阀可以被用于创建额外已知泄露，其也可以解决该问题。
在步骤1处，对于m＝1至2000而言，参数估计向量和协方差矩阵被初始化：
θ(0)＝[θ1(0) θ2(0)] (等式31)
θ2(0)＝0.1cm H2O/liter (等式33)
根据实施例，对于m＝1至2000而言，执行以下步骤2到7。鼓风机流量伺服系统和控制流量使用以下内容来重置：
Qb_traj(m)＝QNIV_circ_cal(m) (等式35)
根据实施例，在步骤3处，测量向量φ和模型输出z被更新：
φ(m)＝[φ1(m) 2(m)] (等式36)
和分别是离散时间、低通和高通滤波器。对于低通滤波器而言，让并且那么：
其中，y(0)＝0 (等式40)
并且对于高通滤波器而言，让那么：
其中，y(0)＝x(0)＝0(等式41)并且，γ＝3rad/sec.
根据实施例，在步骤4处，协方差矩阵C被更新：
其中，λ＝0.997能够是对应于333个样本或0.333秒的ASL的遗忘因子。
根据实施例，在步骤5处，Kalman增益向量K被更新：
根据实施例，在步骤6处，参数估计向量被更新并且估计被提取：
θ(m)＝θ(m-1)+K(m)[z(m)-θT(m-1)φ(m)] (等式44)
根据实施例，在步骤6处，分析估计器参数以获得物理参数：
根据实施例，最后的1000个值Ct和被用于分批平均。例如，针对依从性和泄露的估计的最后一秒能够被平均：
根据实施例，应用接受准则。结果根据指定容限来评价并且如果其未在指定容限之内，则其失败：
尽管关于实施例#1和实施例#2来检查以上分析，但是这些仅被提供为范例。许多其他实施例在上文被描述并且被设想为非侵入式通气系统和方法上的变型。
如在本文中所定义并且所使用的所有定义应当被理解为在词典定义上控制通过引用并入的文档中的定义和/或定义术语的普通意义。
除非清楚地指示相反，在说明书中并且在权利要求中如在本文中所使用的量词“一”和“一个”应当被理解为意指“至少一个”。
在说明书中并且在权利要求中如在本文中所使用的短语“和/或”应当被理解为意指这样结合的元件“之一或两者”(即，结合地存在于一些情况中并且分离地存在于其他情况中的元件)。利用“和/或”列出的多个元件应当以相同的方式解释(即，这样结合的元件的“一个或多个”)。除由“和/或”子句特别标识的元件之外，可以任选地存在其他元件，无论与特别地标识的那些元件有关还是无关。
如在本文中所使用的，在说明说中并且在权利要求中，“或者”应当被理解为具有与如上文所定义的“和/或”相同的意义。例如，当分离列表中的项时，“或”或者“和/或”应当被解释为包括性的，即，包括至少一个，而且包括超过一个若干或者一系列元件，并且任选额外的未列出的项。仅清楚地指向相反的术语(诸如“仅……中的一个”或者“确切地……中的一个”或者当使用在权利要求中时“由……组成”)将指代包括确切地若干或者一系列元件中的一个元件。一般而言，如在本文中所使用的术语“或者”应当仅被解释为当在排他性的术语(诸如“任一”、“之一”、“仅……中的一个”或者“确切地……中的一个”)之前时指示排他性备选方案(即，“一个或另一个但非两者”)。
在说明书中并且在权利要求中如在本文中所使用的，对一个或多个元件的列表的引用中的短语“至少一个”应当被理解为意指选自元件的列表中的任何一个或多个的至少一个元件，但是不必包括元件的列表内特别地列出的每一个元件中的至少一个并且不排除元件的列表中的元件的任何组合。该定义还允许除短语“至少一个”指代的元件的列表内特别地标识的元件之外，可以任选地存在元件，无论与特别地标识的那些元件有关还是无关。
还应当理解，除非清楚地指示相反，否则在包括超过一个步骤或者动作的本文要求保护的任何方法中，方法的步骤或者动作的次序不必限于方法的步骤或者动作被记载的次序。
在权利要求中以及在以上说明书中，所有连接词(诸如“包括”、“包含”、“承载”、“具有”、“包含”、“涉及”、“保持”、“构成”等)将被理解为开放式的(即，意指包括但不限于)。仅连接词“由……组成”和“基本上由……组成”应当相应地是封闭式或者半封闭式连接词，如在美国专利局专利审查指南规程2111.03章节中所阐述的。
尽管在本文中已经描述并且图示了若干发明实施例，但是本领域普通技术人员将容易设想到用于执行功能和/或获得结果和/或在本文中所描述的优点中的一个或多个的各种其他装置和/或结构，并且这样的变型和修改中的每个被认为是在本文中所描述的发明实施例的范围之内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，在本文中所描述的所有参数、尺寸、材料和配置旨在是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用发明教导的一个或多个特定应用。本领域技术人员将认识到或者能够使用不超过常规试验确定在本文中所描述的特定发明实施例的许多等价方案。因此，应当理解，前述实施例仅以范例的方式呈现，并且在权利要求书和其等价方案的范围之内，可以实践除特别地所描述和要求保护外的发明实施例。本公开的发明实施例涉及在本文中所描述的每个单独特征、系统、制品、材料、工具和/或方法。另外，如果这样的特征、系统、制品、材料、工具和/或方法不互相矛盾，则两个或更多个这样的特征、系统、制品、材料、工具和/或方法的任何组合被包括在本公开的发明范围之内。

Claims (15)

1.一种用于确定非侵入式通气机系统中的连接回路的依从性的方法(200)，所述方法包括以下步骤：
提供(210)非侵入式通气机系统，所述系统包括流量或压力控制器；
生成(220)针对所述流量或压力控制器的测试信号；
针对预定时间段利用所生成的测试信号来激励(230)所述流量或压力控制器；
在对所述压力或流量控制器的所述激励期间获得(240)所述非侵入式通气机系统的一个或多个测量结果；
确定(250)所获得的测量结果的向量；并且
处理(260)所述向量以确定所述回路的物理参数的估计。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测试信号是经滤波的白噪声。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述滤波器是低频率、高截止、低通滤波器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量结果是近端压力或鼓风机流量。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
对在所述预定时间段的第一子集期间所获得的所述一个或多个测量结果进行平均(245)；
分析所述平均以确定所述非侵入式通气机系统的患者端口是否被阻塞和/或在所述获得的步骤期间的泄露是否是不足够的；并且
仅在所述患者端口被阻塞和/或所述泄露是足够的情况下继续到下一步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所生成的测试信号由偏置来偏移。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参数向量是使用Moore-Penrose伪逆方法来确定的。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：将所述物理参数的测量结果与预定接受范围进行比较(270)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，仅在所述估计在所述预定接受范围之内的情况下，所述物理参数的估计被所述非侵入式通气机系统所利用。
10.一种非侵入式通气机系统(100)，包括：
控制器(120)，所述控制器被配置为生成测试信号；针对预定时间段利用所生成的测试信号来激励流动源；获得所述系统的一个或多个测量结果；确定所获得的一个或多个测量结果的向量；并且提取所述系统的物理参数的估计。
11.根据权利要求10所述的非侵入式通气机系统，还包括滤波器，其中，所述滤波器被配置为对白噪声进行滤波以生成所述测试信号。
12.根据权利要求11所述的非侵入式通气机系统，其中，所述滤波器是低频率、高截止、低通滤波器。
13.根据权利要求10所述的非侵入式通气机系统，其中，所述测量结果是近端压力。
14.一种用于确定非侵入式通气机系统中的连接回路的依从性的方法(200)，所述方法包括以下步骤：
提供(210)非侵入式通气机系统，所述系统包括流量或压力控制器；
生成(220)针对所述流量或压力控制器的测试信号；
针对预定时间段利用所生成的测试信号来激励(230)所述流量或压力控制器；
在对所述流量或压力控制器的所述激励期间获得(240)所述非侵入式通气机系统的一个或多个测量结果；
对在所述预定时间段的第一子集期间所获得的所述一个或多个测量结果进行平均(245)；
分析(245)所述平均以确定在所述获得的步骤期间所述非侵入式通气机系统的患者端口是否被阻塞或者不足够，并且仅在所述患者端口被阻塞或者足够的情况下继续到下一步骤；
确定(250)所获得的测量结果的向量；
从所确定的向量提取(260)所述系统的物理参数的估计；并且
将所述物理参数的估计与预定接受范围进行比较(270)。
15.一种用于检测侵入式通气机系统中的未知泄露的方法(200)，所述方法包括以下步骤：
提供侵入式通气机系统，所述系统包括呼出阀和呼出阀流量传感器；
生成(220)针对流量控制器、所述呼出阀或压力控制器中的一个的测试信号；
使用所述通气机系统的呼出阀来维持(225)所述系统中的受控制的泄露；
针对预定时间段利用所生成的测试信号来激励(230)所述流量控制器、所述呼出阀或所述压力控制器；
在对所述压力控制器、所述呼出阀或所述流量控制器的所述激励期间获得(240)所述侵入式通气机系统的一个或多个测量结果，包括来自所述呼出阀流量传感器的测量结果；
确定(250)所获得的测量结果的向量；并且
处理(260)所述向量以确定所述回路的物理参数的估计。
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