CN111529867A - 一种咳嗽负压和咳嗽气流成比例的机械辅助咳痰方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种咳嗽负压和咳嗽气流成比例的机械辅助咳痰方法，包括：S1，在排气负压相开始时，记录咳嗽峰值流量；S2，检测咳嗽流量，实现与咳嗽流量成比例的排气负压；S3，在排气负压相结束时，切换排气通道的出口通径为阻断状态。本发明还对应提出一种咳嗽负压和咳嗽气流成比例的机械辅助咳痰系统。本发明的方法和系统克服了常规MI‑E咳痰模式中咳痰负压控制方式易于加剧患者气道过早陷闭和存在造成肺泡塌陷风险的缺点。

Description

一种咳嗽负压和咳嗽气流成比例的机械辅助咳痰方法及系统
技术领域
本发明涉及辅助咳痰技术领域，更具体地，涉及一种咳嗽负压和咳嗽气流成比例的机械辅助咳痰模式及其系统。
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。但是对于某些咳嗽功能受限的病人，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，控制与病人气道连接的接口(面罩连接端、咬嘴连接端、或是气管插管连接端)处的气道压力交替地在设定充气相正压和设定排气相负压之间来回切换。充气相(或称正压相)正压缓慢的上升而使病人的肺逐渐膨胀，短暂屏气后快速地切换到排气相(或称负压相)负压以产生高速的咳嗽气流，从而带出气道内的分泌物。负压相结束后又切换到正压相，如此反复的模拟多次咳嗽(一组咳痰)，直到气道内分泌物充分被咳出后结束一次咳痰治疗。有时可以在负压相和正压相之间增加一个暂停相，暂停相的气道压力为0(即为大气压力)，增加暂停相的目的是为了减轻连续咳嗽造成的病人不适和急迫感。
目前最具有代表性的商品化的MI-E装置是Philips Respironics公司的CoughAssist T70/E70和Breas Medical公司的NIPPY Clearway，这两款机器都有一个高级自动咳嗽模式(Advanced Auto mode)。高级自动咳嗽模式下，允许在每次负压相前设置多次正压相，以实现负压抽气前肺部充分恢复充盈(肺复张)，降低负压抽气造成病人肺泡不可逆塌陷的风险。
发明专利US6929007B2公布了一种改进的具有叩击功能的MI-E系统，该系统通过在充气正压和排气负压过程中加入高频的振荡以起到松动气道痰液的效果。此专利在CoughAssist E70产品中得到了应用。
发明专利US2005/0039749A1也公布了一种改进的MI-E系统，该系统可在负压相结束后的暂停相，判断病人的吸气用力，实现向正压相切换的自动同步触发，从而改善使用咳痰机的病人咳痰感受。此专利的具体应用体现为CoughAssist T70/E70中的Cough-Trak功能。
发明专利EP1933912B1提出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转向呼气相的时机，在判断到转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负压抽吸通道，之后一旦判断到负压相结束条件满足，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。此专利的具体应用是濡新(北京)科技发展有限公司研发的CoughSync在线咳痰机。
在目前MI-E装置的咳痰模式中，都不对一个咳嗽周期内排气相的咳嗽负压进行主动调节，亦即产生咳嗽负压的涡轮(或风机)在一个咳嗽周期内的排气相始终保持固定的转速不变，并且负责正/负压切换的阀门在一个咳嗽周期内的排气相始终保持固定的开口位置不变。
由于目前的MI-E装置的这种咳嗽负压控制方式，使得在一个咳嗽周期内的排气相，实际的(患者端)气道负压会随着咳嗽气流的降低反而升高。也就是说，在一个咳嗽负压相，开始的时候咳嗽气流最大，这时对应的气道负压最低；而在结束的时候咳嗽气流最小，这时对应的气道负压反而最高。简单的说，就是咳嗽负压和咳嗽气流成反比的关系。
这种常规MI-E装置的咳嗽负压和咳嗽气流成反比的模式，会对患者的呼吸气道造成不利的后果：
(1)容易加剧患者的气道(在一个咳嗽相中)过早陷闭。根据等压点原理，在一次咳嗽中，气道的等压点在从咳嗽开始到咳嗽结束的过程中，会逐渐从大气道向深部小气道移动。由于常规MI-E咳痰模式的负压递升方式，会使得等压点仅移动到支气道部位时，就造成了气道压缩，因此肺部仍有很大一部分气量未能有效排出，这就是过早陷闭现象。对应一些患有慢性支气道疾病的患者，这种现象尤为普遍，如COPD患者，所以一些文献的研究表明，MI-E可能对于这类患者并不适用。
(2)咳嗽末的高咳嗽负压易于造成患者的肺泡塌陷。在咳嗽排气相的开始时刻，咳嗽气流最大，这时的气道口的负压并非直接作用在患者的肺部(因为在肺和气道口端之间存在气流造成的压力差)，而当咳嗽结束时刻，咳嗽气流最小(并几乎接近于0)，这时肺泡和气道口端的压力差几乎消失，因此高的咳嗽末负压就会直接作用于肺部。咳嗽末的高负压直接作用于肺泡，这就存在造成肺泡塌陷甚至抽吸损伤的危险。
综上所述，咳痰排气相的咳嗽负压与咳嗽气流成被动的反比变化关系，容易造成患者气道过早陷闭和肺泡塌陷，因此使得常规的MI-E治疗应用存在诸多禁忌。
鉴于MI-E通常被用于患有神经肌肉疾病的患者人群，这类患者人群的气道一般不存在不稳定或是肺部较脆弱的状况，所以上述常规MI-E模式的缺陷在这类受众患者人群中，还显得并不突出。但是，随着近年来MI-E的推广应用，越来越多的本就有气道病变或存在肺泡塌陷高风险的患者，如COPD患者、机械通气插管患者，开始尝试使用MI-E实现气道分泌物清除。这时，常规MI-E的缺陷就显得尤为突出。
发明内容
本发明提出一种新的成比例咳痰负压控制模式，其核心思想是控制咳嗽排气相的负压与咳嗽气流成(正)比例的变化。本发明提出一种咳嗽负压和咳嗽气流成比例的机械辅助咳痰方法，包括：
S1，在排气负压相开始时，记录咳嗽峰值流量；
S2，检测咳嗽流量，实现与咳嗽流量成比例的排气负压；
S3，在排气负压相结束时，切换排气通道的出口通径为阻断状态。
本发明还提出一种咳嗽负压和咳嗽气流成比例的机械辅助咳痰系统，包括：咳痰控制器、风机、切换阀和咳痰管路，其中，风机、大气和咳痰管路交汇在切换阀，切换阀具有四个端口，第一端连接到咳痰管路一端，咳痰管路另一端连接到患者，切换阀的第二端连接到大气，切换阀的第三端连接到风机出口，切换阀的第四端连接到风机入口，其中，所述咳痰控制器能够完成如下步骤：
S1，在排气负压相开始时，记录咳嗽峰值流量；
S2，检测咳嗽流量，实现与咳嗽流量成比例的排气负压；
S3，在排气负压相结束时，调节切换阀使得排气通道的出口通径为阻断状态。
在本发明的方法和系统中，咳痰排气相的咳痰负压与咳嗽气流成主动的正比变化关系。在排气相的开始点，咳嗽气流最大，这时对应的气道负压最高；在咳嗽排气相的持续过程中，随着咳嗽气流的递减，咳嗽负压也成比例的递降；直到一次咳嗽末，咳嗽气流减至0，咳嗽负压也降至大气压。本发明的方法和系统克服了常规MI-E咳痰模式中咳痰负压控制方式易于加剧患者气道过早陷闭和存在造成肺泡塌陷风险的缺点。
附图说明
为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。
图1为常规MI-E咳痰模式下的典型压力和流量波形图。
图2为本发明的成比例咳痰负压控制方法的典型压力和流量波形图。
图3为本发明的MI-E咳痰系统的结构原理图。
图4为本发明的成比例咳痰负压控制方法的流程图。
图5为本发明的成比例咳痰负压控制方法的的一个实施例的流程图。
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。
常规MI-E咳痰模式下在一个咳嗽周期中的典型压力和流量波形如图1所示。一个机械辅助咳嗽有两个气相，即充气正压相和排气负压相。在充气正压相，气道压力开始为最低(接近大气压)，然后缓慢上升至设定的目标正向压力，在压力升高的过程中，气流呈现出先增后减的样式，这种气流样式是患者吸气时感觉较为舒适的一种样式，非常接近于正常人自然咳嗽时深吸气的气流变化样式。在充气正压相的末尾，吸气气流几乎等于0，这时处于屏气阶段，这也和自然咳嗽前有一声门关闭的时段的生理机制非常相似。屏气阶段后，转到排气负压相，这时气道压力突然由正压快速地转为负向最大，这样的气道压力突降会在患者肺部和气道口之间创造一个很大的压差，在这个大压差的作用下，排气气流会突然增大，会产生一个咳嗽峰值流量，咳嗽流量通常在开始咳嗽的100ms之内就会达到峰值。咳嗽峰值流量出现之后流量就会下降，咳嗽气流下降的原因一方面是患者肺部压力随着气量减少而下降所致，一方面是负压抽吸造成的气道压缩而从增大了气流阻力所致。当咳嗽气流几乎消失时，一次咳嗽却并没有立即结束，因为常规MI-E咳痰模式的负压相持续通常是由设定时间控制的(也或者是因为患者在结束一次咳嗽后，暂时没有马上开始用力吸气)。在一次咳嗽结束前的对应咳嗽气流最小的一小段时间内，气道压力有一个明显的特征，就是这时的气道压力出现了一个小平台(图1中已经指出：“排气相结束前的高负压平台”)，这个小平台对应的压力值即为设定的目标负向压力。
本发明提出了成比例咳痰负压控制模式，如图2所示。成比例咳痰负压控制模式与常规MI-E模式相比，它们在充气相没有差别，所不同的是排气相的负压控制方式。在成比例咳痰负压控制模式下，咳嗽负压在咳嗽开始处，亦即咳嗽峰值流量的对应点，呈现为最大；随着咳嗽的持续，咳嗽负压会与咳嗽气流成比例的下降，这种下降通常是以反指数的样式进行的；当咳嗽气流接近0时，咳嗽负压也接近0(大气压)。
比较成比例咳痰负压控制模式与常规MI-E模式可以发现，它们的最大区别是：常规模式的咳痰负压在负压相持续过程中是渐增的，在结束点为最大。而本发明的成比例模式恰恰相反，其咳痰负压在开始处为最大，随负压相的持续是渐减的，在结束点为最小。
并且，如果两种模式下设定同样的目标负压，成比例模式产生的咳痰峰值流量一定大于常规模式产生的咳痰峰值流量，因为成比例模式在咳痰峰值流量点对应的气道负压显然大于常规模式在咳痰峰值流量点对应的气道负压。显然，咳痰峰值流量越大，对应的痰液清除效果就会越好。
综上分析，本发明的成比例咳痰模式不仅会明显提升气道痰液的清除效果，同时可以在MI-E治疗中避免陷闭气道和抽瘪肺泡的风险。
如图3所示，本发明提出一种可实现本发明所述新咳痰模式的咳痰系统。咳痰系统包括：咳痰控制器、风机、切换阀、流量传感器、压力传感器、过滤器、咳痰管路等模块。
风机、大气、咳痰管路交汇在切换阀。切换阀具有4个端口，第一端连接到咳痰管路一端，咳痰管路另一端连接到患者。切换阀的第二端连接到大气。切换阀的第三端连接到风机出口，切换阀的第四端连接到风机入口。切换阀中有一个运动部件，它通过旋转(如图3所示)或是直线运动的方式选通大气、患者、风机入口、风机出口之间的气流通道。咳痰模式中的各相切换以及各相的压力控制，都可通过咳痰控制器实时反馈控制切换阀来实现。实际中，还应该通过调节切换阀中运动部件的位置以控制各相气流通径的大小，这样就可以实现在设定正相压力和设定负相压力之间的任一压力值目标的精度控制。
风机一般是离心式涡轮，可以产生充气正压和排气负压。在咳痰中它可以始终处于调速的状态，也可以处于恒速的状态。风机的旋转速度受控于咳痰控制器。
在咳痰管路上设置有压力传感器，压力传感器监测实际气道压力值，并传输给咳痰控制器，用于咳痰控制器压力反馈控制和判断各相的触发和切换。
在咳痰管路上设置有流量传感器，流量传感器提供气道中的双向流量值的监测，并传输给咳痰控制器，由咳痰控制器对流量值进行积分可以得到容量值。流量值和容量值都可用于判断触发和切换。
在咳痰管路上设置有过滤器，在切换阀通向大气的管路上也设置有过滤器。过滤器一方面可以防止环境中的有害成分(如灰尘、细菌、病毒)进入机器内部和患者气道，另一方面可以防止患者咳出气体中的有害成分被排放到环境大气中。
如图4所示，本发明还提出一种咳嗽负压和咳嗽气流成比例的机械辅助咳痰方法，本发明的方法包括：S1，在排气负压相开始时，加大排气通道的出口通径，记录咳嗽峰值流量。S2，检测咳嗽流量，通过调节风机转速和排气通道的出口通径，实现与咳嗽流量成比例的排气负压。S3，在排气负压相结束时，将风机处于最低转速状态，切换排气通道的出口通径为阻断状态。
图5显示了成比例咳痰负压控制方法的一个控制时序图。成比例咳痰模式下的一个咳嗽周期可以分为7个时段，每个时段都具有控制特征。
第一时段：充气正压相。在该时段，切换阀门从阻断气路的状态切换到接通充气通道(大气——>风机入口——>风机出口——>患者气道)的状态。
第二时段：充气正压上升相。在该时段，如图2所示，根据吸气气流样式又可明显区分出两个时段：在吸气气流的上升阶段，通过增大切换阀门的开口，逐渐扩大充气通道的通径；在吸气气流开始下降时，切换阀门的开口又应该逐渐缩小，优选地，还要保持风机处于恒高转速状态。如果在咳嗽过程中采取风机调速的控制方式，还应该逐渐调高风机的转速。
第三时段：充气正压平台相，亦即屏气相。在该时段，这时吸气气流已经非常小，风机应该处于最高转速的状态，切换阀门又恢复到充气开始前的阻断状态。阻断的气道可以保证患者开始主动呼气时造成的的气道压力轻微变化即能被及时快速地探测到，因此可同步地触发充气相向排气相的切换。
第四时段：排气负压相。在该时段，切换阀门应该快速地反向旋转至(或移动至)的本次咳嗽的最大开口处，接通排气通道(患者——>风机入口——>风机出口——>大气)。在排气负压相开始的50～200ms内记录下这次咳嗽的峰值咳嗽流量。
第五时段：排气负压成比例下降相，体现了本发明的创新。在该时段，负的气道压力目标是时变的，其随着咳嗽气流的逐渐降低而减小。每个时间点的气道压力目标和设定峰值压力目标、本次咳嗽峰值流量、当前的咳嗽流量有关，它们之间的关系可以用式(1)表示：
PE(t)＝PE-SET×FE(t)/FE-PEAK (1)
式(1)中，PE(t)表示当前时刻的压力控制目标，PE-SET表示设定的负向峰值压力目标，FE(t)表示当前监测到的实际咳嗽流量，FE_PEAK表示本次排气相开始时段记录的咳嗽峰值流量。
一旦确定了压力控制目标，咳痰控制器就可以根据各种熟知的控制算法通过调节阀门的开口或风机的转速来实现它，如前馈控制、反馈控制或前馈+反馈控制等控制算法等。无论何种控制策略，在这个压力目标递减的过程中，切换阀门的开口都会逐渐缩小，优选地还要保持风机处于恒高转速状态，如果采取风机调速的控制方式，还应该配合地逐渐调低风机的转速。
第六时段：排痰负压相结束。在该时段，这时切换阀门又恢复到充气相开始前的状态，即阻断气体通道的状态。如果采用风机调速的控制策略，这时风机的转速也又恢复到充气相开始前的最低转速状态。
第七时段：等待触发下一次充气正压相。该时段相当于常规MI-E模式中的暂停相，这时的气道压力等于大气压力。咳痰控制器实时探测患者吸气用力造成的气道压力变化，一旦探测出气道压力有明显的下降特征，即可触发到新的一次充气正压相。
如上所述各个时段循环往复，直到一组咳嗽治疗完成。
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)

1.一种咳嗽负压和咳嗽气流成比例的机械辅助咳痰方法，其特征在于，包括：
S1，在排气负压相开始时，记录咳嗽峰值流量；
S2，检测咳嗽流量，实现与咳嗽流量成比例的排气负压；
S3，在排气负压相结束时，切换排气通道的出口通径为阻断状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在S1中，在排气负压相开始时，加大排气通道的出口通径；
在步骤S2中，通过调节风机转速和排气通道的出口通道，使得负的气道压力随着咳嗽气流的逐渐降低而减小；
在步骤S3中，在排气负压相结束时，将风机处于最低转速状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在步骤S2中，每个时间点的气道压力目标与设定峰值压力目标、本次咳嗽峰值流量以及当前的咳嗽流量有关。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
S4，排痰负压相结束，切换阀门又恢复到充气相开始前的状态，即阻断气体通道的状态；
S5，等待触发下一次充气正压相。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在充气正压相，切换阀门从阻断气路的状态切换到接通充气通道；
在充气正压上升相，在吸气气流的上升阶段，逐渐扩大充气通道的通径或者逐渐调高风机的转速；在吸气气流开始下降时，逐渐缩小充气通道的通径并且保持风机处于恒高转速状态；
在充气正压平台相，将充气通径恢复到充气开始前的阻断状态。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在步骤S1中，在排气负压相开始的50～200ms内记录下这次咳嗽的峰值咳嗽流量。
7.一种咳嗽负压和咳嗽气流成比例的机械辅助咳痰系统，其特征在于，包括：咳痰控制器、风机、切换阀和咳痰管路，
其中，风机、大气和咳痰管路交汇在切换阀，切换阀具有四个端口，第一端连接到咳痰管路一端，咳痰管路另一端连接到患者，切换阀的第二端连接到大气，切换阀的第三端连接到风机出口，切换阀的第四端连接到风机入口，
其中，所述咳痰控制器能够完成如下步骤：
S1，在排气负压相开始时，记录咳嗽峰值流量；
S2，检测咳嗽流量，实现与咳嗽流量成比例的排气负压；
S3，在排气负压相结束时，调节切换阀使得排气通道的出口通径为阻断状态。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括流量传感器和压力传感器，
所述流量传感器设置在咳痰管路上，用于检测实际气道流量值，传输给咳痰控制器，所述压力传感器设置在咳痰管路上，用于监测实际气道压力值，并传输给咳痰控制器，所述咳痰控制器根据设定的峰值压力目标、本次咳嗽峰值流量、当前的咳嗽流量来计算每个时间点的气道压力目标。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：
在充气正压相，咳痰控制器切换阀门从阻断气路的状态切换到接通充气通道；
在充气正压上升相，在吸气气流的上升阶段，咳痰控制器逐渐扩大充气通道的通径或逐渐调高风机的转速；在吸气气流开始下降时，逐渐缩小充气通道的通径并且保持风机处于恒高转速状态；
在充气正压平台相，咳痰控制器将充气通径恢复到充气开始前的阻断状态。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，
排气负压相结束，咳痰控制器切换阀门又恢复到充气相开始前的状态，即阻断气体通道的状态，并待触发下一次充气正压相。
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