CN110038199A - 一种在线同步咳痰方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线同步咳痰方法，包括：S1，采集气道压力；S2，提取非咳痰时段的通气特征；S3，识别咳痰时段的压力下降突变点；S4，判断S3中的压力下降突变点和S中的通气特征是否匹配，如果匹配则触发咳痰，否则不触发咳痰。本发明还对应提出一种在线同步咳痰系统，包括：咳痰管路，所述咳痰管路设置也有接头，所述接头的三个端口分别连接到呼吸机、病人和咳痰机；咳痰机，所述咳痰机能够检测所述接头内的气道压力，并且基于所述气道内的压力来控制咳痰机是否触发咳痰。本发明通过仅仅监控气道压力即能实现是否触发咳痰。

Description

一种在线同步咳痰方法和系统

技术领域

本发明涉及咳痰领域，更具体的，涉及一种在线同步咳痰方法和系统。

背景技术

咳嗽，是一种正常人清除呼吸气道分泌物的生理机制。但是对于某些患有咳嗽功能障碍疾病的病人，比如咳嗽力减弱的神经肌肉疾病病人、机械通气插管的病人，借助某种外力以清除气道分泌物就变的非常必要。

机械充排气(MI-E)装置，俗称咳痰机，是一种熟知的被用来辅助患有无效咳嗽的病人清除其气道内的有害分泌物的装置。这种装置模拟正常人的咳嗽生理机制，控制与病人连接的管路(面罩连接端、咬嘴连接端、或是气管插管连接端) 气道压力交替地在设定正相充气压力(正压相)和设定负相排气压力之间(负压相)来回切换。正相充气压力缓慢的上升而使病人的肺逐渐膨胀，然后快速地切换到负相排气压力以产生高速的咳嗽气流，从而带出气道内的分泌物。

专利EP1933912B1创新性地提出了一种能够和呼吸机配合工作的在线MI-E 咳痰系统。该系统通过与呼吸机管路连接的传感器判断呼吸机由吸气相切换到呼气相的时机，在判断到切换时机到来的瞬间将呼吸机与病人的正常通气通道截断，同时打开病人与咳痰机之间的咳痰通道实施负压抽吸，即由正压相切换到负压相；在负压相一旦判断到抽吸结束条件满足，该系统又自动恢复呼吸机与病人气道的正常通气连接。简单来说就是，这种MI-E的正相压力由呼吸机控制，负相压力由咳痰机控制。这种在线的MI-E咳痰系统可以大大避免传统吸痰管吸痰引发的诸多风险，并实现无创地清除插管病人气道痰液的效果。

专利CN105343944进一步对EP1933912B1提出的在线MI-E咳痰系统进行了细化、丰富和完善，提出了一套可工程实施的解决方案。该专利的具体应用即是濡新(北京)科技发展有限公司研发的CoughSync咳痰机。CoughSync咳痰机是目前世界上唯一一款已商品化的在线MI-E咳痰装置。

目前的在线MI-E咳痰装置主要由一个咳痰主机、一套咳痰管路和一个三通接头组件组成。咳痰管路包括一根较粗的抽吸管路和四根较细的测控管路。这些管路的一头与咳痰机主机连接，另一头与三通接头组件连接。三通接头组件中集成有一个球囊阀、一个球囊阀控制端口、一个固定孔径的差压流量传感器、三个压力采样端口。三通接头的三通口分别对应连接呼吸机管路、抽吸管路、病人插管。

在线MI-E的一个核心技术是：如何实现准确的判断呼吸机由吸气相转向呼气相的切换时间点，以同步触发咳痰抽吸动作，既不能提前触发也不能延后触发。如果提前触发会影响呼吸机的正常通气并引发呼吸机报警；如果延后触发会影响咳痰效果(延后造成咳出气量减少和咳嗽峰值流量降低)。但是实际中又不可能做到咳痰触发完全没有延时，能够将咳痰触发延时控制在150ms以内是一个折中了当前技术现状和临床需求的合理范围。

由于呼吸机有多种通气模式，不同的通气模式下的通气波形特征又不尽相同，因此实际中会出现一种咳痰触发判断方法可能适用于某一种通气模式，但并不能适用于另一种通气模式的情况。为了能够适用于各种通气模式的同步咳痰触发判断，目前的在线MI-E装置配备了多个在线探测传感器，即一个近端差压流量传感器、两个压力传感器，以增强咳痰触发判断的同步性。

但是利用多个传感器，特别是利用近端差压流量传感器来实现同步咳痰触发判断，又存在如下明显的缺陷：

(1)增加了系统复杂性和实现成本；

(2)在通气管路中加入流量传感器，增加了气道阻力和通气死腔；

(3)差压流量传感器本身的性能存在瓶颈：低流量段监测不准确，因此依靠流量信息判断吸-呼切换不够灵敏；

(4)差压流量传感器很容易受环境变化的影响而发生漂移，特别是通气管路中的水汽以及患者分泌物极易造成流量传感器监测完全失效，一旦流量传感器信息发送漂移或失效，就会造成错误的咳痰触发判断。

总之，利用多个传感器判断在线咳痰时机，存在增加系统复杂性和增加系统使用风险的缺陷。为了解决目前在线MI-E咳痰系统存在的如上缺陷，本专利提出一种仅利用一个压力传感器进行触发判断来启动在线咳痰的装置，该装置可适用于与所有的常规呼吸机通气模式相配合，实现机械通气插管患者的在线痰液清除，这些常规模式包括压力控制模式P-A/C、容量控制模式V-A/C、压力支持模式PSV、容控间歇指令通气模式V-SIMV、压控间歇指令通气模式P-SIMV。

发明内容

目前的在线MI-E咳痰系统中利用多个传感器判断在线咳痰时机，这存在系统复杂、实现成本高、极易错误触发咳痰的缺陷。

为了解决目前在线MI-E咳痰系统存在的这些缺陷，本发明提出一种仅利用一个压力传感器进行触发判断来启动在线咳痰的装置，该装置可适用于与所有的常规呼吸机通气模式相配合，实现机械通气插管患者的在线痰液清除，这些常规模式包括压力控制模式P-A/C、容量控制模式V-A/C、压力支持模式PSV、容控间歇指令通气模式V-SIMV、压控间歇指令通气模式P-SIMV。

本发明的一种在线同步咳痰方法，包括：S1，采集气道压力；S2，提取非咳痰时段的通气特征；S3，识别咳痰时段的压力下降突变点；S4，判断S3中的压力下降突变点和S中的通气特征是否匹配，如果匹配则触发咳痰，否则不触发咳痰。

本发明的在线同步咳痰系统，包括：咳痰管路，所述咳痰管路设置也有接头，所述接头的三个端口分别连接到呼吸机、病人和咳痰机；咳痰机，所述咳痰机能够检测所述接头内的气道压力，并且基于所述气道内的压力来控制咳痰机是否触发咳痰，所述咳痰机被配置为：

S1，采集气道压力；

S2，提取非咳痰时段的通气特征；

S3，识别咳痰时段的压力下降突变点；

S4，判断S3中的压力下降突变点和S2中的通气特征是否匹配，如果匹配则触发咳痰，否则不触发咳痰。

本发明提出的在线咳痰方法和系统与常规的MI-E咳痰模式相比，具有以下优点：

(1)省略了流量传感器，降低了系统复杂度和实现成本；

(2)省略了流量传感器，降低了气道阻力和通气死腔；

(3)避免了由于流量传感器不准确和失效造成的咳痰错误触发风险；

(4)对咳痰装置的咳痰管路接头进行了优化，使得咳出的病人气道分泌物不易对正常的呼吸机通气通道造成污染。

附图说明

图1为本发明的咳痰系统的结构原理图。

图2为五种常规通气模式的典型压力波形图。

图3为本发明的咳痰方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。

图1表示了本发明的咳痰系统的结构。本发明的咳痰系统包括：咳痰机、一个两通接头和一个三通接头。与目前的在线MI-E装置相比，图1所示的在线咳痰系统去掉了靠近病人的近端的流量传感器，将球囊阀部位的三通接头组件改为了两通接头，并且在病人插管端增加了一个三通接头。

两通接头可以是球囊阀，两通接头一端连接呼吸机，另外一端连接到三通接头。所述两通接头的开关受咳痰机控制。三通接头的第一端连接到所述两通接头，第二端连接到病人(病人的气管插管)，第三端连接到咳痰机。优选地，在三通接头的第三端和咳痰机之间的咳痰抽吸管路上设置集痰器，用于收集咳出的痰液。将咳痰抽吸管路接口提前到患者插管近端，这样就可以避免咳出的气道分泌物污染正常的呼吸机通气通道。

可选地，两通接头的两个粗接口分别连接呼吸机管路和一段延长管，延长管连接到三通接头。优选地，两通接头中集成有一个球囊阀和一个压力监测采样口，球囊阀通过细的球囊控制管的一端连接到咳痰机的球囊充放气器件，压力监测采样口通过细的压力监测管连接连接到咳痰机的气道压力传感器。

如图1所示，所述咳痰机包括：控制器、抽吸泵、球囊充放气器件、气道压力传感器、抽吸阀。

当球囊充放气器件向球囊阀中充气时，球囊阀鼓起将呼吸机和病人之间的气流通道关断。当球囊阀中的气体通过球囊充放气器件放气时，球囊阀瘪下将呼吸机和病人之间的气流通道重新打开。

气道压力传感器通过压力监测管与两通接头连接，用于监测通气和咳痰时的气道压力信息。

抽吸泵能够产生咳痰时必要的咳痰负压。抽吸阀负责打开和关断咳痰抽吸管路的气流通道。正常呼吸机通气时，抽吸阀处于关断状态(球囊阀处于打开状态)；咳痰时，抽吸阀处于打开状态(球囊阀处于关断状态)。

控制器接收气道压力传感器采集得到的气道压力信息，并对其进行处理以判断呼吸机由吸气相转向呼气相的切换时间点。咳痰治疗中球囊充放气器件、抽吸气泵、抽吸阀的动作都由控制器进行控制。

图2显示了五种常规通气模式的压力波形特征，如图2所示，用于插管病人机械通气支持的呼吸机一般都有五种常规模式：压力控制模式P-A/C、容量控制模式V-A/C、压力支持模式PSV、容控间歇指令通气模式V-SIMV、压控间歇指令通气模式P-SIMV。

由于咳痰机并未和呼吸机建立通讯，因此咳痰机并不能预先知道呼吸机的通气模式为何以及准确的吸气相结束时间点，因此只能依靠对呼吸机通气过程中的气道压力实时信息进行识别，才能判断出呼吸机由吸气相转入呼气相的同步切换点。同步切换点的一个明显特征是：压力向下突变。但是仅判断压力向下突变极易造成错误的触发咳痰，因为通气模式的压力波形中有一些极易造成混淆的非同步切换点，这些非同步切换点包括控制吸气压力过冲点、吸气压力触发点、吸气相屏气起始点、较低压力的呼气切换点等等。

也就是说，本发明提出的在线咳痰系统要能够解决：如何排除那些极易造成混淆的非同步切换点，并准确的判断出呼吸机由吸气相转入呼气相的同步切换点。为此，本发明的方法和系统具有图3所示的在线同步咳痰触发判断功能。

所述功能集成在所述控制器内。所述控制器包括：压力滤波模块、通气模式特征识别和提取模块、压力下降突变点识别模块、特征匹配模块。

压力滤波模块对气道压力传感器采集得到的信息进行预处理，以排除伪差信息的影响。例如，可以通过滤波方法来排除伪差信息，压力滤波可以采用一阶或是二阶数字低通滤波，低通滤波的截止频率可以设置在10Hz～30Hz。压力滤波也可以采用算数平均值滤波的方式实现，如以10ms(采样周期1ms)的滚动平均值作为当前的压力监测值。

在非咳痰时段，如手动咳痰模式下用户还未执行启动咳痰操作，或定时咳痰模式下一组咳痰已完成正等待下一组咳痰开始的中间时段，通气模式特征识别和提取模块对当前呼吸机的通气模式特征信息进行提取，所提取的特征可以包括6 个(以下数值为描述本发明的举例，不意味着限制本发明的方法)：

特征1：呼气相压力PEEP。具体计算方法可以是，每1s计算一次平均压力 (50ms一个监测值，20个监测值做平均)P_aver1，最近10s中，P_aver1的最小值作为PEEP特征值(每1s滚动更新一次)。

特征2：吸气相平台压力Pplat。具体计算方法可以是，滚动计算300ms的平均压力(10ms一个监测值，如果30个监测值的波动范围小于0.5cmH2O，则将这10个监测值做平均)P_aver2，最近5s中，P_aver2的最大值作为Pplat特征值 (每1s滚动更新一次)。

特征3：吸气相峰值压力Ppeak。具体计算方法可以是，每1s计算一次1s 内的压力最大值(10ms一个监测值，持续判断最大值)P_max1，最近10s中， P_max1的最大值作为Ppeak(每1s滚动更新一次)。

特征4：平均吸气时间Tinsp_aver。具体计算方法可以是，计算气道压力不间断地大于PEEP+3的时间T_insp，最近10次T_insp的平均值作为Tinsp_aver。

特征5：有无吸气屏气Pause_ON或Pause_OFF。具体判断方法可以是，如果(Ppeak－Pplat)≧3，则认为有吸气屏气段，即Pause_ON，否则认为无吸气屏气段，即Pause_OFF。

特征6：呼气相压力下降斜坡Eslope。具体计算方法可以是，计算气道压力不间断地下降，并处于(PEEP+3～Pplat)压力范围内的时间T_decline，并用呼气压力下降幅度(Pplat－PEEP)除以T_decline，算得P_decline＝(PEEP－ Pplat)/T_decline，将最近10次P_decline的最大值作为Eslope。

在咳痰时段，如手动咳痰模式下用户按下启动咳痰按键，或定时咳痰模式开始一组咳痰，压力下降突变点识别模块从滤波后的压力信号判断当前时刻是否为气道压力下降突变点，具体判别方法可以是，计算当前时刻的压力值较一段时间 T_change(例如50ms)前的压力变化值P_change，如果下降超过一阈值(例如 1cmH2O)，即P_change<－1,则认为出现了气道压力下降突变点。如果判断到气道压力下降突变点，则同步切换点特征匹配性判断模块开始工作。

同步切换点特征匹配性判断模块使用非咳痰时段提取的通气特征信息进行如下判断：如果当前气道压力下降突变点与通气模式类型中的同步切换点特征匹配，则触发一次咳痰；否则如果当前压力下降突变点不与同步切换点特征匹配，该点将被视为非同步切换点，则不触发一次咳痰。

实际中，特征匹配判断模块可以通过逐一判断如下条件是否满足：

(1)当前的压力点P_current大于呼气相压力匹配阈值，如(PEEP+3)；

(2)当前的压力变化P_change小于呼气相压力下降斜坡匹配阈值，如 (Eslope×T_change)，其中可选T_change＝0.05；

(3)当前压力下降突变点前的气道压力不间断地大于呼气相压力匹配阈值，如(PEEP+3)，的时间Ti_current大于平均吸气时间匹配阈值，如(Tinsp_aver×80％)；

(4)如果当前通气模式有屏气段，即Pause_ON，当前的压力点P_current 应小于吸气相平台压力匹配阈值，如(Pplat－2)；

(5)如果当前通气模式无屏气段，即Pause_OFF，当前的压力点P_current 应小于吸气相峰值压力匹配阈值，如(Ppeak－2)；

如果上述(1)～(5)判断条件皆满足，则认为当前气道压力下降突变点与通气模式类型中的同步切换点特征匹配；否则如有任一条件不满足，都认为当前压力下降突变点不与同步切换点特征匹配。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种在线同步咳痰方法，其特征在于，包括：

S1，采集气道压力；

S2，提取非咳痰时段的通气特征；

S3，识别咳痰时段的压力下降突变点；

S4，判断S3中的压力下降突变点和S2中的通气特征是否匹配，如果匹配则触发咳痰，否则不触发咳痰。

2.根据权利要求1所述的在线同步咳痰方法，其特征在于，

S2中的通气特征包括：呼气相压力PEEP、吸气相平台压力Pplat、吸气相峰值压力Ppeak、平均吸气时间Tinsp_aver、有无吸气屏气、呼气相压力下降斜坡Eslope。

3.根据权利要求1所述的在线同步咳痰方法，其特征在于，

在S1中，采用滤波方式排除采集的数据中的伪差信息。

4.根据权利要求1所述的在线同步咳痰方法，其特征在于，

S3中，如果计算当前时刻的压力值较一段时间T_change前的压力变化值P_change下降超过一阈值,则判断为出现了气道压力下降突变点。

5.根据权利要求1所述的在线同步咳痰方法，其特征在于，S4中，如果满足如下条件，则认为匹配：

1)当前的压力点P_current大于呼气相压力匹配阈值；

2)当前的压力变化P_change小于呼气相压力下降斜坡匹配阈值；

3)当前压力下降突变点前的气道压力不间断地大于所述呼气相压力匹配阈值的时间Ti_current大于平均吸气时间匹配阈值；

4)如果当前通气模式有屏气段，当前的压力点P_current应小于吸气相平台压力匹配阈值；

5)如果当前通气模式无屏气段，当前的压力点P_current应小于吸气相峰值压力匹配阈值。

6.一种在线同步咳痰系统，其特征在于，包括：

咳痰管路，所述咳痰管路设置也有接头，所述接头的三个端口分别连接到呼吸机、病人和咳痰机；

咳痰机，所述咳痰机能够检测所述接头内的气道压力，并且基于所述气道内的压力来控制咳痰机是否触发咳痰，所述咳痰机被配置为：

S1，采集气道压力；

S2，提取非咳痰时段的通气特征；

S3，识别咳痰时段的压力下降突变点；

S4，判断S3中的压力下降突变点和S2中的通气特征是否匹配，如果匹配则触发咳痰，否则不触发咳痰。

7.根据权利要求6所述的在线同步咳痰系统，其特征在于，所述接头包括：一个两通接头和一个三通接头，

所述两通接头一端连接呼吸机，另外一端连接到三通接头；

所述三通接头的第一端连接到所述两通接头，第二端连接到病人，第三端连接到咳痰机；

所述咳痰机包括：控制器、充放气器件、气道压力传感器和抽吸泵，所述充放气器件用于控制所述两通接头的充气和放气，所述气道压力传感器用于检测所述两通接头内的气体压力，所述抽吸泵连接到所述三通接头的第三端，用于控制第三端的开和闭，所述控制器基于所述气道压力传感器采集的气体压力来控制所述两通接头的充放气以及所述三通接头的第三端的开和闭。

8.根据权利要求6所述的在线同步咳痰系统，其特征在于，

在S1中，采用滤波方式排除采集的数据中的伪差信息。

在S2中，通气特征包括：呼气相压力PEEP、吸气相平台Pplat、吸气相峰值压力Ppeak、平均吸气时间Tinsp_aver、有无吸气屏气、呼气相压力下降斜坡Eslope；

S3中，如果计算当前时刻的压力值较一段时间T_change前的压力变化值P_change下降超过一阈值,则判断为出现了气道压力下降突变点。

9.根据权利要求6所述的在线同步咳痰系统，其特征在于，S4中，如果满足如下条件，则认为匹配：

1)当前的压力点P_current大于呼气相压力匹配阈值；

2)当前的压力变化P_change小于呼气相压力下降斜坡匹配阈值；

3)当前压力下降突变点前的气道压力不间断地大于所述呼气相压力匹配阈值的时间Ti_current大于平均吸气时间匹配阈值；

4)如果当前通气模式有屏气段，当前的压力点P_current应小于吸气相平台压力匹配阈值；

5)如果当前通气模式无屏气段，当前的压力点P_current应小于吸气相峰值压力匹配阈值。

10.根据权利要求6所述的在线同步咳痰系统，其特征在于，

所述咳痰机包括抽吸阀，所述抽吸阀的开和闭受所述控制器控制，

在所述三通接头的第三端和咳痰机之间的咳痰抽吸管路上设置有集痰器。