CN112165968A - 用于从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过说明性地根据预编程方案施加振荡气流和声学振动而从包含小气道在内的气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的装置，所述预编程方案限定频率、波形、压力振幅和振荡持续时间中的至少一个。在一个说明性实施例中，所述装置施加气流振荡和声波的组合以通过匹配特定气道区段和粘液的共振来促进使粘液从气道壁分离，从而加强效果。为了进行优化，算法说明性地将所需的频率、振幅、占空比和/或相对相位与特定患者和分泌物特性相匹配。

Description

用于从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月12日提交的美国临时专利申请序列号62/616,804的优先权，所述申请序列的公开内容明确地通过引用并入本文。
背景技术
本发明涉及帮助分解或排出气道中累积分泌物的装置，更具体地说，涉及用于治疗呼吸疾病的帮助分解或排出气道中累积分泌物的装置。
呼吸吸入器通常在医学领域用于治疗各种上呼吸道疾病和疾病。一些上呼吸道疾病可能是慢性的，需要终生治疗。众所周知，本领域中的装置有助于从气道中去除粘液和其它固体和流体，特别是对于患有这种终身慢性疾病的患者。然而，传统的分泌物去除装置可能效率低，并且不太适合小的气道。
例如，急性细支气管炎是一种常见的婴儿疾病，通常由病毒病原体引起，其特征是浓稠的炎性分泌物阻塞和堵塞婴儿的小气道。这可能导致呼吸窘迫或呼吸衰竭，从而需要机械通气。本领域中已知的一些治疗装置可以使婴儿的状况恶化，而其它装置不能有效地清除小气道。类似地，患有慢性阻塞性肺疾病(“COPD”)的患者出现小气道狭窄，但是可用的治疗通常不能有效地治疗小气道。这使得COPD患者的功能能力和感知健康状况欠佳。因此，需要一种用于治疗患者的非侵入式装置，更具体地说，需要一种用于消除患者气道(尤其是小气道)中的分泌物的阻塞并去除所述分泌物的非侵入式装置。
发明内容
本公开的装置和方法被配置成施加气流振荡和声波的组合通过分解或解凝聚粘液块、将聚粘液块从气道壁上分离以及促进清除来促进粘液的去除。举例来说，粘液从气道壁的分解和脱离是通过被配置成匹配特定气道区段和粘液的共振的振荡气流和声脉冲的组合来实现的，从而通过阻抗匹配原理来加强效果。例如，单独工作的肺内叩击通气(“IPV”)系统倾向于在气道壁上推动和扩散粘液，同时在粘液中间打开一个孔。向空气脉动添加声学作用使得粘液分解，并使颗粒向患者咬嘴移动，直到气道几乎完全被清除。为了进行优化，算法可以将振荡气流和声脉冲的所需频率、振幅、占空比和相对相位与特定患者的几何形状和特定分泌物相匹配。
根据本公开的说明性实施例，一种用于从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的装置包含气流系统和声学系统，所述声学系统可操作地耦接到所述气流系统。所述气流系统包含供气源、可电操作的流量控制阀和流量控制器，所述可电操作的流量控制阀与所述供气源进行流体连通，所述流量控制器与所述流量控制阀进行电连通。所述声学系统包含声学脉冲发生器和声学控制器，所述声学控制器与所述声学脉冲发生器进行电连通。气流通路与所述气流系统进行流体连通，并且与所述声学系统进行声学连通。所述流量控制器使所述流量控制阀和所述供气源向所述气流通路提供振荡气流，并且所述声学控制器使所述声学脉冲发生器向所述振荡气流提供声学振动。
根据另一说明性实施例，所述流量控制器包含处理器和存储器，所述存储器包含由所述处理器执行以便以限定的气流频率和振幅限定气流的软件。在说明性实施例中，所述限定的气流频率介于每分钟195次(“bpm”)与405bpm之间，限定的气流振幅介于15厘米水柱(“cmH2O”)与55cmH2O之间。
根据另一个说明性实施例，所述声学控制器包含处理器和存储器，所述存储器包含由所述处理器执行以便以限定的声学振动频率和振幅限定声学振动的软件。在一个说明性实施例中，所述限定的声学振动介于295赫兹(“Hz”)与500Hz之间。
在一个说明性实施例中，压力传感器可操作地耦接到所述气流通路并与所述主控制器连通，所述主控制器被配置成响应于所述压力传感器检测到的气压而控制所述气流系统和所述声学系统。
根据本公开的另一个说明性实施例，一种用于从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的装置包含气流通路、气流系统和声学系统，所述气流系统与所述气流通路连通，所述声学系统与所述气流通路连通。所述气流系统包含供气源和可电操作的流量控制阀，所述可电操作的流量控制阀与所述供气源进行流体连通。所述声学系统包含脉冲发生器，所述脉冲发生器被配置成产生振动。控制器可操作地耦接到所述气流系统和所述声学系统，所述控制器被配置成控制由所述流量控制阀提供的空气的频率、波形、压力振幅和振荡持续时间中的至少一个，并且所述控制器被配置成控制所述脉冲发生器产生的所述振动的频率、振幅、占空比和相对相位中的至少一个。
根据说明性实施例，所述控制器包含处理器和存储器，所述存储器可操作地耦接到所述处理器，其中存储在所述存储器内的软件由所述处理器执行，以便以限定的气流频率和振幅限定气流并且以限定的声学振动频率和振幅限定声学振动。说明性地，所述限定的气流频率介于每分钟195次与每分钟405次之间，所述限定的气流振幅介于15cmH2O与45cmH2O之间，所述限定的声学振动频率介于295赫兹与500赫兹之间，并且限定的声学振动振幅介于47分贝与109分贝之间。
根据本公开的另一个说明性实施例，一种从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的方法把票包含以下步骤：对包含分泌物的气流通路施加振荡气流，以及对所述气流通路内的所述气流施加声学振动。说明性地，所述振荡气流由预编程的可执行指令控制，所述预编程的可执行指令限定频率、波形、压力振幅和振荡持续时间中的至少一个。进一步说明性地，所述声学振动由预编程的可执行指令控制，所述预编程的可执行指令限定频率、振幅、占空比和相对相位中的至少一个。在一个说明性实施例中，所述方法进一步包含以下步骤：测量所述气流通路内的气压并且响应于所测量的气压而调节所述振荡气流和所述声学振动。
根据本公开的说明性实施例，一种用于从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的装置通过根据预编程方案施加振荡气流和声学振动来提供治疗，所述预编程方案通过软件控制限定频率、波形、压力振幅和/或振荡持续时间。
根据本公开的另一个说明性实施例，一种用于从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的装置通过根据算法施加振荡气流和声学振动来提供治疗，所述算法作为由处理器执行的机器可读指令存储在存储器中，其自动将所需的频率、振幅、占空比和/或相对相位与特定患者参数(例如，身高、体重、几何形状等)和/或特定分泌物特性(例如，体积、深度、流变性质(例如，粘度和/或弹性)和/或表面性质(例如，表面张力)匹配。
本领域的技术人员在考虑了以下举例说明目前所理解的实施本发明的最佳模式的说明性实施例的详细描述后将会明白本发明另外的特征和优点。
附图说明
附图的详细描述特别参考了附图，其中：
图1是本公开的用于从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的说明性装置的示意图，包含装置主体的横截面视图，并示出了通过所述装置到达患者咬嘴的气流；
图2是包括图1的装置的控制器的说明性印刷电路板的框图；
图3是包含图1的说明性装置并在患者和内科医生之间提供信息(例如定制的处方和/或有效的治疗程序)传输的说明性通信系统的示意图；
图4是用于图1的说明性装置的实验测试的说明性测试设置的示意图，示出了通过测试设置到达人工肺的气流；
图5A是图4的说明性测试设置的第一透视图，展示了测试设置的组件，例如继电器盒、电磁阀、上游压力换能器、下游压力换能器、呼吸器阀、扬声器、测试区段和人工肺；
图5B是图4的说明性测试设置的第二透视图，展示了测试设置的压力调节器相对于图5A所示的测试设置的部件；
图6是展示了在实验环境中图4、5A和5B的测试设置的动作步骤和对应结构的流程图；
图7A是展示了在图4的说明性测试设置中仅使用气压振荡获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的曲线图，其中用于测试目的的呼吸器阀是Percussionaire肺内呼吸器，并且气压设定为30cmH2O；
图7B是展示了在图4的说明性测试设置中仅使用气压振荡获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的曲线图，其中用于测试目的的呼吸器阀是Percussionaire肺内呼吸器，并且气压设定为40cmH2O；
图7C是展示了在图4的说明性测试设置中仅使用气压振荡获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的曲线图，其中用于测试目的的呼吸器阀是Percussionaire肺内呼吸器，并且气压设定为50cmH2O；
图8A是展示了在图4的说明性测试设置中使用声学补充和气压振荡两者结合获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的曲线图，其中用于测试目的的呼吸器阀是Percussionaire肺内呼吸器，并且气压设定为30cmH2O；
图8B是展示了在图4的说明性测试设置中使用声学补充和气压振荡两者结合获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的曲线图，其中用于测试目的的呼吸器阀是Percussionaire肺内呼吸器，并且气压设定为40cmH2O；
图8C是展示了在图4的说明性测试设置中使用声学补充和气压振荡两者结合获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的曲线图，其中用于测试目的的呼吸器阀是Percussionaire肺内呼吸器，并且气压设定为50cmH2O；
图9A是另一个展示了在图4的说明性测试设置中使用声学补充和气压振荡两者结合获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的曲线图，其中用于测试目的的呼吸器阀是Percussionaire肺内呼吸器，并且气压设定为30cmH2O；
图9B是另一个展示了在图4的说明性测试设置中仅使用气压振荡获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的曲线图，其中用于测试目的的呼吸器阀是Percussionaire肺内呼吸器，并且气压设定为30cmH2O；
图10A是展示了在图4的说明性测试设置中结合使用声学补充和气压振荡两者获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的曲线图，其中用于测试目的的呼吸器阀是屹龙(Hill-Rom)Metaneb肺内呼吸器，并且气压设定为30cmH2O；
图10B是展示了在图4的说明性测试设置中仅使用气压振荡获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的曲线图，其中用于测试目的的呼吸器阀是屹龙Metaneb肺内呼吸器，并且气压设定为30cmH2O；
图11是比较在图4、5A和5B的说明性测试设置中测量模拟气道内模拟分泌阻塞物或堵塞物的移动获得的结果的曲线图，其中将单独使用气压振荡的测试设置的结果与使用结合了声学补充的两种气压振荡的测试设置的结果进行比较；
图12是比较在图4、5A和5B的说明性测试设置中结果的测量模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的平均动态粘度获得的曲线图，其中将单独使用气压振荡的测试设置的结果与使用结合了声学补充的两种气压振荡的测试设置的结果进行比较；
图13是比较通过图4、5A和5B的说明性测试设置的测试区段的气流平均速度获得的结果的曲线图，其中将单独使用气压振荡的测试设置的结果与使用结合声学补充的两种气压振荡的测试设置的结果进行比较；
图14A是展示了在图4、5A和5B的说明性测试设置中使用不同频率的气压振荡和不同频率的声学补充的组合获得的模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为20cmH2O；
图14B是展示了在图4、5A和5B的说明性测试组织中使用不同频率的气压振荡和不同频率的声学补充的组合获得的模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为30cmH2O；
图14C是展示了在图4、5A和5B的说明性测试组织中使用不同频率的气压振荡和不同频率的声学补充的组合获得的模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为40cmH2O；
图14D是展示了在图4、5A和5B的说明性测试组织中使用不同频率的气压振荡和不同频率的声学补充的组合获得的模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为50cmH2O；
图15A是要览图，示出了用于获得图15B和15C所示的结果而在图4、5A和5B的说明性测试设置中利用的螺线管频率(Hz)和扬声器频率(bpm)；
图15B是展示了在不同扬声器功率分数、螺线管频率和扬声器频率时获得的图4、5A和5B的说明性测试设置中的全长模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为40cmH2O；
图15C是展示了在不同扬声器功率分数、螺线管频率和扬声器频率时获得的图4、5A和5B的说明性测试设置中的全长模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为50cmH2O；
图16A是展示了在不同扬声器功率分数下获得的图4、5A和5B的说明性测试设置中的全长模拟气道或半长模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为40cmH2O，螺线管频率设定为300bpm，扬声器频率设定为300Hz；
图16B是展示了在不同扬声器功率分数下获得的图4、5A和5B的说明性测试设置中的全长模拟气道或半长模拟气道中的模拟分泌阻塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为40cmH2O，螺线管频率设定为300bpm，扬声器频率设定为400Hz；
图16C是展示了在不同扬声器功率分数下获得的图4、5A和5B的说明性测试设置中的全长模拟气道或半长模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为40cmH2O，螺线管频率设定为400bpm，扬声器频率设定为300Hz；
图16D是展示了在不同扬声器功率分数下获得的图4、5A和5B的说明性测试设置中的全长模拟气道或半长模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为40cmH2O，螺线管频率设定为400bpm，扬声器频率设定为400Hz；
图17A是展示了在不同扬声器功率分数下获得的图4、5A和5B的说明性测试设置中的全长模拟气道或半长模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为50cmH2O，螺线管频率设定为300bpm，扬声器频率设定为300Hz；
图17B是展示了在不同扬声器功率分数下获得的图4、5A和5B的说明性测试设置中的全长模拟气道或半长模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为50cmH2O，螺线管频率设定为300bpm，扬声器频率设定为400Hz；
图17C是展示了在不同扬声器功率分数下获得的图4、5A和5B的说明性测试设置中的全长模拟气道或半长模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为50cmH2O，螺线管频率设定为400bpm，扬声器频率设定为300Hz；
图17D是展示了在不同扬声器功率分数下获得的图4、5A和5B的说明性测试设置中的全长模拟气道或半长模拟气道内的模拟分泌阻塞物或堵塞物的穿透时间的结果的图，其中气压设定为50cmH2O，螺线管频率设定为400bpm，扬声器频率设定为400Hz；
图18A是展示了在全扬声器功率、半扬声器功率和零扬声器功率下获得的使用400bpm的螺线管频率、490Hz的扬声器频率和30cmH2O的气压随时间推移从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的图；
图18B是使用半扬声器功率的图18A的分泌物去除结果的像素化快照；
图18C是使用零扬声器功率的图18A的分泌物去除结果的像素化快照；
图19A是展示了在全扬声器功率和半扬声器功率下使用400bpm的螺线管频率、490Hz的扬声器频率和50cmH2O的气压随时间推移获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的曲线图；
图19B是使用半扬声器功率的图19A的分泌物去除结果的像素化快照；
图20A是展示了使用300bpm的螺线管频率、490Hz的扬声器频率和40cmH2O的气压在具有全分泌物量的半扬声器功率和半分泌物量的零扬声器功率下随时间推移获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物或堵塞物的结果的图；
图20B是图20A的使用具有全分泌物量的半扬声器功率的分泌物去除结果的像素化快照；
图20C是图20A的使用具有半分泌物量的零扬声器功率的分泌物去除结果的像素化快照；
图21A是展示了使用400bpm的螺线管频率和50cmH2O的气压在没有声学增强的情况下获得的从模拟气道去除模拟分泌阻塞物的结果的像素化快照；
图21B是展示了图21A的结果的曲线图；
图22A是展示了使用400bpm的螺线管频率和50cmH2O的气压在声学增强增加和扬声器频率为490Hz的情况下获得的从模拟气道中去除模拟分泌阻塞物的结果的像素化快照；以及
图22B是展示了图22A的结果的曲线图。
具体实施方式
本文描述的本公开的实施例并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的精确形式。相反，本文描述的实施例使得本领域技术人员能够实践本公开。
首先参考图1，示出了用于从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的说明性装置10。说明性装置10可用于治疗多种呼吸系统疾病，例如慢性阻塞性肺疾病、急性细支气管炎、囊性纤维化和其它疾病。说明性装置10包含装置主体12，所述装置主体也用作装置10的手柄，从而允许患者在使用过程中用一只手握住装置10。图1的装置主体12以横截面示出，以展示装置主体12的内容。
在一个说明性实施例中，用户通过用户输入将装置10置于操作模式，例如，通过按压装置主体12外部的按钮14。在另一个说明性实施例中，用户使用支持在装置主体12的表面上的图形用户界面(“GUI”)16操作装置10。用户可以通过听觉手段或视觉手段来识别装置10是可操作的，例如，GUI 16上的文本或背光、装置主体12上的操作灯等。
进一步参考图1，空气入口20流体地耦接到气流系统22，以向装置10提供气流。气流系统22说明性地包含供气源24、压力调节器26和控制阀28。控制阀28说明性地是可电操作的阀，如电磁阀。流量控制器(示意性地为呼吸器阀30)说明性地耦接到供气源24。如本文进一步详细描述的，呼吸器阀30可以由肺内叩击呼吸器(“IPV”)限定。空气入口20可以通过空气入口连接器31可拆卸地耦接到装置主体12的远端，从而允许气流进入内部空气导管或通道34。
如图2所示，印刷电路板40示意性地设置在装置主体12内，并且在说明性实施例中，其支撑由处理器44和存储器46限定的主控制器42。主控制器42示意性地包含流量控制器42a和声学控制器42b。压力传感器48、听觉输出装置50(例如，蜂鸣器)、实时时钟52和用于实时时钟52的备用电池54也可以由印刷电路板40支撑，并且与主控制器42进行电连通。此外，数据获取单元41说明性地在装置10的使用期间将来自压力传感器48的反馈传送到主控制器42。
装置10说明性地由可充电电池组49供电。当电池耗尽时，用户可以通过将电池组49连接到外部现成的电池充电器来对其充电。电池组49说明性地包含保护电池组49免于过度充电、过度放电、最大电池电压和最小电池电压的保护电路。
再次参考图1和2，空气入口20流体地耦接到供气源24，以向装置10的主体12提供空气。在说明性实施例中，供气源24(如鼓风机)可以产生压力至少为每平方英寸100磅的空气。示意性地，空气入口20通过空气入口连接器31可拆卸地耦接到装置主体12的远端，从而允许气流进入内部空气导管34。在说明性实施例中，空气入口20和空气入口连接器31之间的连接被配置成提供最小量的气压损失。
当空气移动通过装置主体12时，处理器44根据作为机器可读指令(例如，软件)存储在控制器42的存储器46中的预编程方案或算法说明性地操作空气压力调节器26和螺线管控制阀28。首先，空气压力调节器26说明性地将来自供气源24的气流的压力调节到由控制器42执行的预编程方案或算法提供的可操作水平，例如介于每平方英寸25磅与30磅之间。然后，空气从空气压力调节器26移动到螺线管控制阀28，所述螺线管控制阀说明性地以由控制器42执行的预编程方案或算法提供的给定频率打开和关闭，例如每分钟100至300个循环。
然后，空气从装置主体12经由内部空气导管34进入呼吸器阀30。呼吸器阀30可以说明性地为IPV，如由爱达荷州桑德波因特市Percussionaire公司制造的调频管IPV(Phasitron IPV)，或者由印第安纳州巴特斯维尔市的屹龙公司(Hill-Rom,Inc.)制造的Metaneb IPV。在另一个说明性实施例中，呼吸器阀30可以包括与可用作吸气和呼气阀的T型适配器连接的文丘里阀。说明性地，电磁阀28和/或压力调节器26可以结合在呼吸器阀30内。
在说明性实施例中，气流系统22可操作地耦接到声学系统33。更具体地，气流系统22的呼吸器阀30经由扬声器/阀适配器32可操作地耦接到声学系统33的声学装置或扬声器58。扬声器58为呼吸器阀30内的空气提供声学增强。更具体地，扬声器放大器56可以安置在装置主体12中，并且可以可操作地耦接到控制器42(直接或经由数据获取单元41)。扬声器58和放大器56可以包括可从加利福尼亚州亨廷顿海滩的Sanming Sound公司获得的压缩驱动器单元SD-210R 100W(钕驱动器)，或者能够在至少180赫兹(“Hz”)和7000Hz的频率之间递送高达至少133分贝(“dB”)的声学振幅的另一声学装置(例如扬声器和放大器)。说明性地，控制器42使得扬声器放大器56根据存储在存储器46中的预编程方案或算法产生声学振动频率。声学振动频率可以设定为约100Hz、约200Hz、约300Hz、约400Hz、约500Hz或约600Hz。已经证明最大声学频率效应在例如约400Hz出现。扬声器放大器56将声学振动频率传送到扬声器58，从而将振动频率添加到适配器32处经过振荡的气压。
仍然参考图1，空气管或气流通路60示意性地提供从呼吸器阀30到患者接口62的气流(如可拆卸的面罩或咬嘴)。可拆卸的面罩被配置成在使用过程中放置在患者的鼻子和嘴上。另一个实施例可以利用可拆卸的咬嘴62，所述咬嘴被配置成仅用于口部。允许自由气流从空气导管34沿着内部空气通道通过咬嘴62。使用咬嘴62的患者可以在被提供由电磁阀28产生的经过振荡的气压频率和由扬声器58提供的声学频率的同时正常呼吸。在一个说明性实施例中，装置10还可以包含喷雾器，以在患者使用装置10呼吸时通过患者的呼吸系统递送药物。
当患者向患者接口62呼气时，患者可以自由地向所述接口呼气。在呼气期间，由于由电磁阀28控制的气压脉冲，装置10产生呼气压力。在一个说明性实施例中，患者可以从耦接到由印刷电路板40支撑的压力传感器48的咬嘴出口阀释放空气。压力传感器48可以包括上游压力换能器64，所述上游压力换能器可操作地耦接到气流通路60，用于测量出口气流的压力。压力换能器64可以包括可从新泽西州莱昂尼亚的科莱特公司(Kulite)获得的压力换能器。
在另一个说明性实施例中，咬嘴62内的活动控制器包括至少一个压力传感器和至少一个流速传感器，并且所述咬嘴测量气道阻力，从而向控制器42提供反馈。更具体地，所测量的压力和流速允许由处理器44执行的存储器46内的预编程方案或算法优化装置10的参数，并基于例如患者的年龄和大小以及疾病或分泌物(即粘液)的性质针对每个患者个性化参数。
在另一个说明性实施例中，装置10的处理器44应用存储器46中的方案或算法根据控制器42的存储器46在使用期间记录的响应来个性化和调整装置的空气振荡和声学脉动。所述算法还可以使用特定患者参数(例如，身高、体重、气道几何形状等)和特定分泌物特性，以匹配所需的频率、振幅、占空比和装置10的相对相位，从而优化分泌物去除的效果。分泌物特性可以包含体积、深度、流变性质(例如粘度和/或弹性)和表面性质(例如表面张力、内聚性和/或粘附性)。
图3示出了包含装置10的说明性通信系统。例如，传感器202测量来自患者204的呼吸响应，并使用图形用户界面应用207将所述响应传送到患者204所拥有的手持装置206，例如平板电脑或智能手机。手持装置206还可以将响应传送到基于云的系统208，从而允许内科医生210访问记录的响应并与患者204传送有效的治疗212。
图4和5A-5B展示了可以用于测试设置10的效率和有效性的测试设置101。测试设置101包含许多与装置10相同的组件，尽管这些组件不一定被封装在装置主体12内。同样，类似的组件包含类似的参考标记。此外，测试设置101包含模拟气道103、模拟气道103内的模拟分泌阻塞物105以及模拟或人工肺107(例如，柔性气囊)。下游压力传感器或换能器109位于模拟气道103和人工肺107之间，并用于通过在不同的装置设置下测量模拟分泌阻塞物105下游的气压来测量装置10的有效性。类似于上游压力换能器64，下游压力换能器109可以包含可从新泽西州莱昂尼亚的科莱特公司获得的压力换能器。
现在参考图5A-6，示出了展示图4的测试设置101的功能的测试顺序。例如，具体参考图6，用户可以通过GUI 16在输入框150将期望的或限定的扬声器频率输入到控制器42′的存储器46中、在输入框152将期望的或限定的扬声器振幅输入到所述存储器中、以及在输入框154将期望的或限定的扬声器相位输入到所述存储器中。存储器46中的软件说明性地在功能框160生成扬声器信号，所述信号然后被传送到数据获取单元41′。用户还可以在输入框156处将期望或限定的电磁阀频率输入到软件中并在输入框158将期望或限定的电磁阀相位输入到软件中来在功能框162生成电磁阀信号，所述电磁阀信号也被传送到数据获取单元41′。改变输入框154处的扬声器相位和输入框158处的电磁阀相位允许用户分别抵消扬声器58′和呼吸器阀28′的影响。数据获取单元41′根据功能框164将电磁阀信号(在功能框162生成)传送到继电器41′(图5A-5B)，以根据电磁阀信号(在功能框162生成)操作电磁阀28′。数据获取单元41′还通过扬声器放大器56′放大扬声器信号(在功能框160生成)，以根据扬声器信号(在功能框160生成)操作扬声器58′。
进一步参考图5A-6，供气源24′向测试设置101提供空气；说明性地，供气源24′以大约100磅每平方英寸(“psi”)或大约7030.7厘米水柱(“cmH2O”)的气压提供气流。空气流过压力调节器26′，所述压力调节器如上所述将气流的压力调节到可操作的水平。然后，空气从压力调节器26′流到如上所述操作的电磁阀28′，然后进入示意性地耦接到T型适配器的呼吸器阀30′。空气通过耦接到呼吸器阀30′的扬声器58′被声学增强，所述扬声器如上所述进行操作。然后，空气自由进入测试区段166(包含含有包括模拟分泌物的阻塞物105的模拟气道103)，并且人工肺107耦接到模拟气道103的与呼吸器阀30′相对的远端。
上游压力换能器64′和下游压力换能器109分别在功能框170测量上游气压，在功能框172测量下游气压，并将测得的压力数据传送到数据获取单元41′。数据获取单元41′随后将测得的压力和时间戳传输到控制器42的存储器46中的数据文件，用于如功能框174所示的以后的分析和利用。
出于测试目的，可以通过模拟材料对包含粘液在内的自然存在的人类分泌物(例如，阻塞物105)进行建模。说明性地基于产生模仿分泌物行为的行为的性质(例如粘度和表面张力)来选择模拟材料。各种分泌物特性可以包含体积、深度、流变性质(例如粘度和/或弹性)和表面性质(例如表面张力、内聚性和/或粘附性)。
例如，使用的一种模拟材料可以是蛋黄酱。在其它实施例中，模拟材料可以是触变材料。例如，一杯这种触变材料的体积可以包括：1)三分之一杯40-60的甘油-水混合物；2)半杯润滑凝胶，如Lubri凝胶(Lubri Gel)或K-Y凝胶(K-Y Gel)；3)五茶匙具有20至50微米大小的纳米颗粒的粉末，例如水溶性聚(乙烯)氧化物聚合物(保益乐(Polyox))、氧化铝、盐和滑石粉；4)五到10cc食用色素或两茶匙速溶咖啡。在另外的实施例中，出于测试的目的，可以使用瓜尔胶、四硼酸盐或刺槐豆胶代替粘液。半乳甘露聚糖胶(一种来源于刺槐豆的物质，包括半乳糖和甘露糖，半乳糖和甘露糖的比例为每四个甘露糖单位一个半乳糖单位)以及硬葡聚糖(一种通过菌核真菌的需氧发酵获得的物质)出于测试目的可另外用于代替粘液或其它分泌物。
可以通过改变粉末的大小来改变模拟材料的粘度，同时可以使用石蜡油来降低表面张力。表面张力、粘度和温度也有很强的相关性。模拟材料的说明性接触角约为75度，这可以通过取一滴直径约为二毫米的模拟材料并测量侧面高度来测量。替代性地，可以使用光学粘度计。
在说明性测试期间，可以记录气道模拟器的视频以根据测试持续时间和分泌运动的方向对气道模拟器中的分泌物进行后处理和量化。参考图7A-10B，给出了初步结果。结果表明，流速、流量脉动和声学频率会影响模拟气道中模拟物质(堵塞物)的去除，因此不应解释为指示正趋势或负趋势。具体参考图7A-7C和8A-8C，给出了来自利用PercussionaireIPV-1C单元的测试设置的数据。图7A、7B和7C显示了当不使用声学作用并且分别使用30cmH2O、40cmH2O和50cmH2O的气压进行测试时，模拟气道中剩余的模拟分泌物的百分比。同时，图8A、8B和8C显示了当使用声学作用进行测试时模拟气道中剩余的模拟分泌物的百分比。通过比较图7A和图8A、图7B和图8B等可以看出，气流的声学增强使得从模拟气道中更快地去除模拟分泌物。
在图9A和9B中示出了对利用设定气压为30cmH2O的Percussionaire IPV系统的测试设置的模拟气道中的模拟分泌物的量的另外的图形比较。图9A示出了使用声学增强系统的模拟气道中剩余的模拟分泌物的百分比随时间的变化，而图9B示出了当使用标准系统(即，无声学作用)时模拟气道中剩余的模拟分泌物的百分比随时间的变化。如图所示，增强型系统可以比标准系统明显更快地清除分泌物。
替代性地，图10A和10B中示出了对利用设定气压为30cmH2O的屹龙MetaNeb IPV系统的测试设置的模拟气道中的模拟分泌物的量的另外的图形比较。图10A示出了使用声学增强系统的模拟气道中剩余的模拟分泌物的百分比随时间的变化，而图10B示出了当使用标准系统(即，无声学作用)时模拟气道中剩余的模拟分泌物的百分比随时间的变化。如图所示，增强的系统清除分泌物的速度明显快于标准系统。
现在参考图11-13，描绘了另外的数据来展示与具有声学增强的气流脉动相比没有声学增强的气流脉动的不同效果。在图11-13的每一个中，线302展示了声学增强的空气脉动的效果，而线304展示了没有声学增强的空气脉动的效果。具体地，图11测量测试期间模拟气道内模拟分泌阻塞物的移动。如图所示，与没有声学增强的空气脉动相比，通过声学增强的空气脉动可以更有效地移动分泌阻塞物。
现在参考图12，在测试过程中使用的模拟分泌物的相对粘度是在使用声学增强的空气脉动的系统中与使用没有声学增强的空气脉动的系统相比进行测量的。随着分泌物粘度变低，利用空气脉动更容易穿透，并且也更有效地在气道内移动，从而促进从气道中去除分泌物。如所展示的，与不使用声学作用的系统相比，使用声学增强的系统中的分泌物的粘度明显下降。
图13展示了进入测试设置的人造肺的空气的平均气流速度。在有分泌阻塞物的气道中，流入肺的气流比没有分泌阻塞物的气道中流入肺的气流少。声学增强的空气脉动的空气流速高于没有声学增强的空气脉动的空气流速。此外，声学增强产生气流振荡，这对于模拟分泌物具有显著的影响。
在气道被分泌物完全阻塞的情况下，希望穿透由分泌引起的阻塞物，以允许使用者呼吸，并使用装置10(图1)更好地促进从气道去除分泌物。图14A-14D描绘了装置10(图1)在一致的螺线管压力和扬声器功率百分比下穿透分泌阻塞物的能力的图示。当穿透时间达到或超过300秒时，假设分泌阻塞物在被推入用于测试的人工肺之前没有被穿透。例如，图14A展示了当扬声器频率介于400Hz与500Hz之间且恒定气压为20cmH2O时分泌阻塞物在被推入人工肺之前没有被穿透。一起观察图14A-14D，中间范围频率(例如300-490Hz)比测试的频率的顶部范围或底部范围更快地穿透分泌阻塞物。此外，较高的螺线管压力比较低的供应压力以更快的速度更一致地穿透分泌阻塞物。
使用图15A的图例通过图15B-15C展示了扬声器功率降低对装置10(图1)穿透分泌阻塞物的能力的影响。如果图中没有画出点，或者用箭头代替点，则假设在将阻塞物推入用于测试的人工肺之前，不会发生穿透。具体而言，在图15B中，图上绘制的点示出了在扬声器功率分数的范围内一致气压为40cmH2O时在变化的电磁阀频率和扬声器频率下的穿透时间。替代性地，图15C表示一致螺线管压力为50cmH2O时的相同数据。选择40cmH2O和50cmH2O的气压是因为在先前的测试(图14A-14D)中装置10(图1)在这些压力下的性能。如图15B-15C展示的，扬声器功率的降低通常导致穿透时间增加。然而，介于40％与80％之间的任何功率降低通常比没有声学辅助的情况下产生更快的穿透时间，在没有声学辅助的情况下，穿透在明显更长的时间之后发生或者根本不发生。扬声器功率的这一范围允许在需要不同声级的几种不同情况下扬声器功率的可变性。
现在参考图16A-16D和图17A-17D，描绘了管长度对分泌阻塞物去除的影响。在这些图中，三角形绘图点表示使用长度为先前实验中使用的全长管的一半的管穿透所花费的时间，而圆形绘图点表示使用全长管穿透所花费的时间。具体而言，图16A-16D测试了在一致的螺线管频率和一致的扬声器频率下气压为40cmH2O时管长度对不同扬声器功率分数的影响。此外，图17A-17D还测试了在一致的螺线管频率和一致的扬声器频率下但气压为50cmH2O时管长度对不同扬声器功率分数的影响。这些测试中的许多测试显示，半长管和全长管之间几乎没有差异，而其它测试显示，就穿透时间的长度而言，半长管与全长管之间存在转换。因此，可以得出这样的结论，即管的长度对装置10(图1)到达分泌阻塞物的穿透所花费的时间几乎没有影响，这使得装置10(图1)适用于儿童和成人。
在图18A-18C和19A-19B中可以看到来自分泌物清除试验的数据。具体地，图18A-18C显示了在400bpm的螺线管频率、490Hz的扬声器频率和30cmH2O的气压下随时间推移的分泌量。图18A对使用满扬声器功率(104dB)、半扬声器功率(52dB)和零扬声器功率的测试结果进行了比较。在图18B中可以看到52dB情况的像素化快照，而零功率情况的像素化快照示于图18C中。对于此处和下面的像素化快照，视频数据是视线数据，这意味着如果分泌物被涂在整个测试区段，视频将看不到分泌物后面的任何东西，并且假设测试区段完全充满。因此，在每次测试开始时，分泌物模拟物都有所增加，因为分泌物被穿透并涂在管内壁上。每个快照的左侧是嘴侧，而肺侧在图像的右侧，时间从上到下向前推进。如图18C展示的，没有声学增强的测试区段—分泌物模拟物从未被穿透，而只是被推入用于测试的人工肺中。
图19A展示了在半功率和满功率下在螺线管频率为400bpm、扬声器频率为490Hz、气压为50cmH2O时模拟气道内的分泌物量随时间推移的变化。在图19B中可以看到半功率情况的像素化快照。
现在参考图20A-20C，描绘了对装置10(图1)与没有声学增强的标准IPV可以从气道去除的分泌物的量的比较。使用490Hz的一致扬声器频率，以及300bpm的一致螺线管频率和40cmH2O的一致气压。具体而言，图20A展示了与使用具有半功率声学作用并使用全分泌物量的装置10(图1)时模拟气道中剩余的分泌物随时间推移的量相比使用没有声学增强的标准IPV并使用初始分泌物量的一半时模拟气道中剩余的分泌物随时间推移的量。图20B提供了半功率情况的像素化快照，而图20C提供了零功率情况的像素化快照。如所展示的，声学增强允许在几乎与标准IPV相同的时间量内穿透两倍的分泌物量，并且还能够在比标准IPV更短的时间量内去除分泌物。
现在参考图21A和21B，描绘了在不使用声学增强的情况下从模拟气道去除模拟分泌物的时间。使用400bpm的一致螺线管频率，以及50cmH2O的一致气压。具体参照图21B，绘制了相关实验模拟堵塞物随时间进展的无量纲分散度。无量纲值被定义为在给定时间与模拟分泌物相关的像素数与在实验开始时与模拟分泌物相关的像素数之比。例如，值“1”表示实验的开始，其中模拟的分泌物不受干扰，而值“0”表示测试的结束，其中模拟的分泌物已被去除。在纯体积移动的情况下，数值保持在“1”以下；如果模拟分泌物在模拟气道内表面沉积，所述值超过“1”。
现在参考图21A，当模拟分泌物移动到先前清晰的模拟气道区域时，用于生成21B图的算法也产生白色像素。否则，当模拟分泌物离开模拟气道的先前清晰的区域时，会产生黑色像素。灰色像素表示在整个实验中没有经历任何变化的模拟气道的空间区域。如图21A所示，在没有使用声学增强的测试设置中，模拟的气道阻塞物持续向下游朝着肺移动，并且没有朝着嘴穿透和去除。
现在参考图22A至22B，再现了与上述相同的实验，但是另外使用了扬声器频率为490Hz的声学增强。如图22A所示，具有相当大的表面沉积的阻塞物发生初始下游运动，这与堵塞物的穿透有关。声学增强然后能够将阻塞物打碎成小得多的碎片，然后这些碎片可以逐渐向上游朝向口腔脉冲。
如本文所详述的，一种用于从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的说明性装置通过根据预编程方案施加振荡气流和声学振动来提供治疗，所述预编程方案通过软件控制来限定频率、波形、压力振幅和/或振荡持续时间。所述说明性装置包含施加振荡气流的气流系统、施加声学振动的声学系统、以及可操作地耦接到所述气流系统和所述声学系统的控制器，所述控制器被配置成将频率、振幅、占空比和相对相位与特定患者的几何形状和特定分泌物相匹配。
尽管已经参考某些优选实施例对本发明进行了详细描述，但是在如以下权利要求所描述和限定的本发明的精神和范围内存在变化和修改。

Claims (40)

1.一种用于从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的装置，所述装置包括：
气流系统，所述气流系统包含供气源、可电操作的流量控制阀和流量控制器，所述可电操作的流量控制阀与所述供气源进行流体连通，所述流量控制器与所述流量控制阀进行电连通；
声学系统，所述声学系统可操作地耦接到所述气流系统，所述声学系统包含声学脉冲发生器和声学控制器，所述声学控制器与所述脉冲发生器进行电连通；以及
气流通路，所述气流通路与所述气流系统进行流体连通并且与所述声学系统进行声学连通；
其中所述流量控制器使所述流量控制阀和所述供气源向所述气流通路提供振荡气流，并且所述声学控制器使所述声学脉冲发生器向所述振荡气流提供声学振动。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述流量控制器包含处理器和存储器，所述存储器包含由所述处理器执行以便以限定的气流频率和振幅限定气流的软件。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述限定的气流频率介于每分钟195次与每分钟405次之间。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述限定的气流振幅介于15cmH2O与55cmH2O之间。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述声学控制器包含处理器和存储器，所述存储器包含由所述处理器执行以便以限定的声学振动频率和振幅限定声学振动的软件。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述限定的声学振动频率介于295赫兹与500赫兹之间。
7.根据权利要求1所述的装置，其中肺内叩击呼吸器限定所述流量控制器和所述流量控制阀。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述脉冲发生器包含声学扬声器和扬声器放大器。
9.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括患者接口，所述患者接口与所述气流通路进行流体连通。
10.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括图形用户接口，所述图形用户接口可操作地耦接到所述流量控制器和所述声学控制器。
11.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括可充电电池，所述可充电电池与所述气流系统和所述声学系统进行电连通。
12.根据权利要求1所述的装置，其中主控制器限定所述流量控制器和所述声学控制器，所述主控制器包含处理器和存储器，所述存储器可操作地耦接到所述处理器。
13.根据权利要求12所述的装置，其进一步包括压力传感器，所述压力传感器可操作地耦接到所述气流通路并与所述主控制器连通，所述主控制器被配置成响应于所述压力传感器检测到的气压而控制所述气流系统和所述声学系统。
14.一种用于从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的装置，所述装置包括：气流通路；
气流系统，所述气流系统与所述气流通路连通，所述气流系统包含供气源和可电操作的流量控制阀，所述可电操作的流量控制阀与所述供气源进行流体连通；
声学系统，所述声学系统与所述气流通路连通，所述声学系统包含脉冲发生器，所述脉冲发生器被配置成产生振动；以及
控制器可操作地耦接到所述气流系统和所述声学系统，所述控制器被配置成控制所述流量控制阀提供的空气的频率、波形、压力振幅和振荡持续时间中的至少一个，并且所述控制器被配置成控制所述脉冲发生器产生的所述振动的频率、振幅、占空比和相对相位中的至少一个。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述控制器由流量控制器和声学控制器限定，所述流量控制器与所述流量控制阀进行电连通，并且所述声学控制器与所述脉冲发生器进行电连通。
16.根据权利要求14所述的装置，其中所述控制器包含处理器和存储器，所述存储器可操作地耦接到所述处理器；并且存储在所述存储器内的软件由所述处理器执行，以便以限定的气流频率和振幅限定气流并且以限定的声学振动频率和振幅限定声学振动。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述限定的气流频率介于每分钟195次与每分钟405次之间。
18.根据权利要求16所述的装置，其中所述限定的气流振幅介于15cmH2O与55cmH2O之间。
19.根据权利要求16所述的装置，其中所述限定的声学振动频率介于295赫兹与500赫兹之间。
20.根据权利要求16所述的装置，其中所述限定的气流频率介于每分钟195次与每分钟405次之间；所述限定的气流振幅介于15cmH2O与55cmH2O之间；所述限定的声学振动频率介于295赫兹与500赫兹之间；并且所述限定的声学振动振幅介于47分贝与109分贝之间。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述限定的气流频率介于每分钟295次与每分钟405次之间；所述限定的气流振幅介于35cmH2O与45cmH2O之间；所述限定的声学振动频率介于395赫兹与405赫兹之间；并且所述限定的声学振动振幅介于99分贝与109分贝之间。
22.根据权利要求20所述的装置，其中所述限定的气流频率介于每分钟295次与每分钟305次之间；所述限定的气流振幅介于35cmH2O与45cmH2O之间；所述限定的声学振动频率介于295赫兹与305赫兹之间；并且所述限定的声学振动振幅介于47分贝与57分贝之间。
23.根据权利要求20所述的装置，其中所述限定的气流频率介于每分钟295次与每分钟305次之间；所述限定的气流振幅介于45cmH2O与55cmH2O之间；所述限定的声学振动频率介于295赫兹与405赫兹之间；并且所述限定的声学振动振幅介于99分贝与109分贝之间。
24.根据权利要求20所述的装置，其中所述限定的气流频率介于每分钟395次与每分钟405次之间；所述限定的气流振幅介于45cmH2O与55cmH2O之间；所述限定的声学振动频率介于295赫兹与405赫兹之间；并且所述限定的声学振动振幅介于99分贝与109分贝之间。
25.根据权利要求20所述的装置，其中所述限定的气流频率介于每分钟395次与每分钟405次之间；所述限定的气流振幅介于25cmH2O与55cmH2O之间；所述限定的声学振动频率介于485赫兹与495赫兹之间；并且所述限定的声学振动振幅介于99分贝与109分贝之间。
26.根据权利要求20所述的装置，其中所述限定的气流频率介于每分钟295次与每分钟305次之间；所述限定的气流振幅介于35cmH2O与45cmH2O之间；所述限定的声学振动频率介于485赫兹与495赫兹之间；并且所述限定的声学振动振幅介于99分贝与109分贝之间。
27.根据权利要求14所述的装置，其中肺内叩击呼吸器限定所述流量控制器和所述流量控制阀。
28.根据权利要求14所述的装置，其中所述脉冲发生器包含声学扬声器和扬声器放大器。
29.根据权利要求14所述的装置，其进一步包括患者接口，所述患者接口与所述气流通路进行流体连通。
30.根据权利要求14所述的装置，其进一步包括图形用户接口，所述图形用户接口可操作地耦接到所述流量控制器和所述声学控制器。
31.根据权利要求14所述的装置，其进一步包括压力传感器，所述压力传感器可操作地耦接到所述气流通路并与所述控制器连通，所述控制器被配置成响应于所述压力传感器检测到的气压而调节气流频率、气流振幅、声学振动频率和声学振动振幅中的至少一个。
32.一种从气道消除分泌物的阻塞并去除所述分泌物的方法，所述方法包括以下步骤：
对包含分泌物的气流通路施加振荡气流；以及
对所述气流通路内的所述气流施加声学振动。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述振荡气流由预编程的可执行指令控制，所述预编程的可执行指令限定频率、波形、压力振幅和振荡持续时间中的至少一个。
34.根据权利要求33所述的方法，其中限定的振荡气流频率介于每分钟195次与每分钟405次之间。
35.根据权利要求33所述的方法，其中限定的气流压力振幅介于15cmH2O与55cmH2O之间。
36.根据权利要求32所述的方法，其中所述声学振动由预编程的可执行指令控制，所述预编程的可执行指令限定频率、振幅、占空比和相对相位中的至少一个。
37.根据权利要求36所述的方法，其中限定的声学振动频率介于295赫兹与500赫兹之间。
38.根据权利要求32所述的方法，其中施加振荡气流的步骤包含提供气流系统的步骤，所述气流系统包含供气源、可电操作的流量控制阀和流量控制器，所述可电操作的流量控制阀与所述供气源进行流体连通，所述流量控制器与所述流量控制阀进行电连通。
39.根据权利要求32所述的方法，其中施加声学振动的步骤包含提供声学系统的步骤，所述声学系统可操作地耦接到所述气流系统，所述气流系统包含声学脉冲发生器和声学控制器，所述声学控制器与所述脉冲发生器进行电连通。
40.根据权利要求32所述的方法，其进一步包括以下步骤：测量所述气流通路内的气压并且响应于所测量的气压而调节所述振荡气流和所述声学振动。
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