CN113398347B

CN113398347B - 一种引导式人工口咽通道吸痰装置及工作方法

Info

Publication number: CN113398347B
Application number: CN202110846212.1A
Authority: CN
Inventors: 周生余; 秦念博; 孙海航; 张发艳; 李玮
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2041-07-26
Also published as: CN113398347A

Abstract

本发明涉及一种引导式人工口咽通道吸痰装置及工作方法，包括直管和弯管，直管与弯管连接，内套管套接在直管与弯管组成的管道内侧，内套管包括至少一组引导管和至少一组吸痰管，引导管和吸痰管并列布置，引导管内设有红外光线传感器，引导管管口位于弯管管口处，引导管靠近红外光线传感器一侧的管口与吸痰管管口平齐，红外光线传感器与检测主机连接。依据红外光线传感器获取的呼吸末二氧化碳浓度和气体流速确定喉部的位置，从而便于吸痰操作。

Description

一种引导式人工口咽通道吸痰装置及工作方法

技术领域

本发明涉及医用器材领域，具体为一种引导式人工口咽通道吸痰装置及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

人工口咽通道装置，临床常用来帮助病人维持呼吸道通畅，也可以用来采集并分析病人的痰液从而发现致病菌。对于此类病人而言，取痰操作需要将吸痰管穿过人工口咽通道装置到达喉部上方吸取痰液，从而避免与唾液混合，防止唾液中的细菌干扰痰液的纯度，导致检测不准确。

取痰的过程中，由于人工口咽通道的内径相对较大，导致吸痰管在其中左右摆动幅度过大，难以对准喉的上方并吸取痰液；口咽通道的形状为曲线，导致吸痰管在推进时，常常在口咽部受阻；或者即便推进到病人咽喉近会厌端，常常偏离喉正上方，导致穿过口咽通道的吸痰管同样偏离喉部正上方而不能进入气管；取痰期间，病人仍在呼吸，期间测试的呼气末二氧化碳(ETCO₂)浓度会受到杂质气体的干扰，影响测试结果。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种引导式人工口咽通道吸痰装置及工作方法，在原口咽通道装置的基础上安装红外光线传感器，同时测定ETCO₂浓度和气体流速两个参数，利用两个参数使吸痰管准确地到达喉的上方，同时排除杂质气体的干扰。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种引导式人工口咽通道吸痰装置，包括：直管和弯管，直管与弯管连接，内套管套接在直管与弯管组成的管道内侧，内套管包括至少一组引导管和至少一组吸痰管，引导管和吸痰管并列布置，引导管内设有红外光线传感器，引导管管口位于弯管管口处，引导管靠近红外光线传感器一侧的管口与吸痰管管口平齐，红外光线传感器与检测主机连接。

红外光线传感器位于引导管管口处。

吸痰管表面具有刻度。

红外光线传感器获取流过引导管中气体的二氧化碳浓度和气体流速传递给检测主机。

直管和弯管采用硅胶材料。

红外光线传感器包括并列布置的测量室和参比室，发射红外光线的灯丝位于测量室和参比室的顶部，二者底部具有检测室，检测室中部具有薄膜和定片，薄膜将检测室分隔为两个分别与测量室和参比室对应的空间，定片位于薄膜的一侧，定片与薄膜之间具有的设定距离形成电容并与电容检测器连接。

测量室与引导管管口相连通通入测试气体，参比室和检测室内密封有不吸收红外光的气体，红外光线由灯丝发出，形成分别穿过测量室和参比室，到达检测室的两路平行的红外光，被测气体中的二氧化碳吸收部分红外光，使得检测室内薄膜两侧空间内的气体受到红外热效应产生压力差，推动薄膜朝向定片移动，改变薄膜与定片之间的距离，从而改变两者之间的电容。

电容的改变与薄膜与定片之间距离的改变相对应，而薄膜与定片之间距离的改变又与被测气体吸收二氧化碳的能力对应，则可以间接确定待测气体的ETCO₂浓度。

本发明的第二个方面提供上述装置的工作方法，包括以下步骤：

利用红外光线传感器获取流过引导管中气体的二氧化碳浓度和气体流速；

检测主机接收二氧化碳浓度和气体流速参数，当二氧化碳浓度值到达设定范围且气体流速最大时，认为引导管管口到达了喉部正上方，推动吸痰管完成吸痰操作。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、依据呼吸末二氧化碳浓度和气体流速的参数确定喉部的位置，从而便于吸痰操作。

2、选择性好，呼出的气体含有多种成分，各种气体成分被各自对应的特征频率光谱,互相独立,互不干扰。

3、响应速度快,稳定性好,在开机相对短的时间内就能正常工作,当浓度发生变化时,也比其他检测方法能及时做出响应。

4、信噪比高,寿命长,测量精度高,同时系统具有零点自动补偿与灵敏度自动补偿功能,因而不用定时校准,使用寿命长。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的喉部定位过程示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的红外探测器原理图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的红外探测器结构示意图；

图4是本发明一个或多个实施例提供的集成传感器示意图；

图5是本发明一个或多个实施例提供的热释电探头等效电路图；

图6(a)是本发明一个或多个实施例提供的无被测气体作用时的动量耦合原理图；

图6(b)是本发明一个或多个实施例提供的有被测气体作用时的动量耦合原理图；

图7(a)是本发明一个或多个实施例提供的CO₂含量检测的原理示意图；

图7(b)是本发明一个或多个实施例提供的红外线气体分析仪结构原理示意图；

图3中：31.气室，32.过滤网，33.反射光，34.红外光源头，35.热释电探头，36.光路格栅，37.光路，38.滤光片；

图7中：1.灯丝，2.同步电机，3.切光片，4.测量室，5.参比室，6.检测室，7.薄膜，8.定片，9.电容检测仪，10.记录仪，11.第一红外探测器，12.第二红外探测器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，在给佩戴了人工口咽通道装置的病人进行取痰操作时，由于人工口咽通道装置特殊的结构导致吸痰管难以定位喉部的位置，因此以下实施例给出的基于人工口咽通道装置的喉部定位方法和系统，在已有的人工口咽通道装置中增加红外光线传感器。能达到同时测定ETCO₂浓度和气体流速两个参数，能够排除杂质气体的干扰，并且准确定位喉的位置，使吸痰管能更准确地到达喉的上方吸取痰液。

ETCO₂，指呼气末二氧化碳，一般情况下，呼吸末气体的CO₂值大致接近于动脉血CO₂分压，使用呼吸机及麻醉等类似设备时，需要根据病人呼出的二氧化碳浓度来调节通气量，保持ETCO₂接近术前水平。监测ETCO₂波形还可确定引导管是否在气道内，而对于正在进行机械通气者，例如连接了本实施例中人工口咽通道装置的引导管，如发生了漏气、导管扭曲、气管阻塞等故障时，可立即出现ETCO₂数字及形态改变和报警。ETCO₂浓度是佩带人工口咽通道装置的病人长期监测的参数。

实施例一：

如图1-7所示，一种引导式人工口咽通道吸痰装置，包括：直管和弯管，直管与弯管连接，内套管套接在直管与弯管组成的管道内侧，内套管包括至少一组引导管和至少一组吸痰管，引导管和吸痰管并列布置，引导管内设有红外光线传感器，引导管管口位于弯管管口处，引导管靠近红外光线传感器一侧的管口与吸痰管管口平齐，红外光线传感器与检测主机连接。

红外光线传感器位于引导管管口处。

吸痰管表面具有刻度。

直管和弯管采用硅胶材料。

红外光线传感器包括并列布置的测量室4和参比室5，发射红外光线的灯丝1位于测量室4和参比室5的顶部，二者底部具有检测室6，检测室6中部具有薄膜7和定片8，薄膜7将检测室分隔为两部分分别与测量室4和参比室5对应的空间，定片8位于薄膜7的一侧，两者之间具有的设定距离形成电容并与电容检测器连接；

测量室4与引导管管口相连通通入测试气体，参比室和检测室内密封有不吸收红外光的气体，红外光线由灯丝1发出，形成分别穿过测量室4和参比室5，到达检测室6的两路平行的红外光，被测气体中的二氧化碳吸收部分红外光，使得检测室6内薄膜7两侧空间内的气体受到红外热效应产生压力差，推动薄膜7朝向定片8移动，改变薄膜7与定片8之间的距离，从而改变两者之间的电容。

电容的改变与薄膜与定片之间距离的改变相对应，而薄膜与定片之间距离的改变又与被测气体吸收二氧化碳的能力对应，则可以间接确定待测气体的浓度。

上述装置，利用红外光线传感器获取流过人工口咽通道装置的呼吸末二氧化碳浓度和气体流速，当呼吸末气体的CO₂值接近于动脉血CO₂分压(40mmHg)且气体流速最大时，认为引导管管口到达了喉部正上方，此时将吸痰管推进设定长度(通过刻度控制深度)，由声门插入引导管，即到达喉部上方，同时由于红外光线传感器靠近喉部，会先接触流过喉部的呼出气体，则获取的二氧化碳浓度不会受到杂质气体的干扰。

动脉血CO₂分压正常情况下为45mmHg，则呼吸末气体的CO₂值到达45mmHg±5％的范围且气体流速最大时，认为引导管管口到达了喉部正上方。

杂质气体的干扰是指，当气体流过喉部后会经过声门，声门中会含有前一个阶段吸入的部分空气，这部分空气中的杂质会对呼出的二氧化碳浓度检测造成影响，使得呼吸末二氧化碳浓度的检测不准确。而位于引导管管口处的红外线传感器更加靠近喉部位置，能够避免杂质气体的干扰。

具体如下：

1.红外光谱计算原理

红外光谱吸收法是利用双原子分子对红外光具有特定吸收峰这一特性来实现的,某种气体只对应吸收某种波段处的红外光能量,这个波段就称为这一气体的特定红外吸收峰,它并不与其他气体吸收峰干扰,而吸收的能量与气体在红外光区内的浓度有关,可以通过检测主机来检测气体的浓度。红外光由一系列处于红外频率的单色光组成。大部分非对称双原子和多原子分子(CH₄,H₂O,NH₃CO,C₂H₂,SO₂,NO和NO2等)在红外区都有自己特征频率的吸收频率。气体吸收红外光最强的频率为该气体的特征吸收频率。光穿过气体时,特征频率谱线光能就会被气体吸收,从而使该频率的光能量减弱。每种气体在红外辐射波段都有一条或若干条自己的特征吸收谱线。使用相应波段红外光源通过待测气体,根据探测光强的变化检测气体浓度。

由红外光线传感器测得初始光强I₀；再测得呼气末CO₂后的光强I

根据Lambert-Beer定律:

I＝I₀exp[-α(λ)CL] (1)

其中：C为待测气体浓度(体积分数)；L为光源与气体作用的有效长度；α(λ)为介质的吸收系数,则:

对于确定系统,-α(λ)L是一个定量,只要得出I与I₀的比值即可求出CO₂浓度值C。

2.原理解释

对于两个参数来说可以用同一个红外光线传感器探头测得，两者测定的区别在于CO₂是依据特定气体的红外光谱吸收峰不同，而气体流速则是对于气体厚度对光线的吸收在单位时间的变化来测定。

3.具体操作：位于吸痰管前端的红外光线传感器，即本实施例中位于引导管管口出的红外线传感器(吸痰管和引导管管口平齐且固定在一起同步移动，传感器位于引导管前端则同样位于吸痰管前端)，在吸痰管由口腔深入喉的过程中，将监测到的气体流速和呼吸气末的CO₂浓度显示在检测主机上。操作人员判断呼吸末CO₂浓度大致接近于动脉血CO₂分压且气体流速最大时，可判断为引导管位于喉的上方，再将吸痰管继续深入进行吸痰操作。

4.数据处理：用CO₂在红外光谱上所对应的相应波段的红外光透过待测的CO₂，则可得初始(I₀)和结束(I)的光强变化，将两者的比值代入Lambert-Beer定律则可得CO₂的浓度。

再将标准的红外光透过气体，并测出气体对红外光的折射率则可得出气体的厚度。将单位时间内气体厚度的变化视为气体流速。

5.气体流速检测部分，其原理如图6所示，在没有被测气流作用，此时参考气源发射喷嘴喷射出来的紊流射流在没有外界气流干扰时，通过压差检测部分的引流口等量进入到压差检测腔内，由于其左右气流压力相等，压差检测部分的活塞不会发生移动，传感器输出光强度就不会发生变化；若有被测气流作用，此时被测流体以一定的流速流入检测腔，气源进口处也持续流入恒定的参考射流，二者在检测腔内发生交汇，气源射流会在被测气流的作用下发生一定的偏移。那么，气源射流进入到左右压差检测腔内的压力就会不相等，压差检测部分的活塞在气源压差的作用下发生移动，传感器输出光强度就会随之发生变化。因此，测试出此时气源射流的压力差就能计算出被测流体的流速。

图2中，红外探测器利用MEMS工艺以及集成技术把探测元件和滤光片有序地集成在1个小腔内,双通道分离排列。

图3是一种简单的红外探测装置，由3个主要部分组成:红外探测器、红外LED、光学气室。包括气室31，气室31上表面具有过滤网32，气室31侧部靠近过滤网32处接受反射光33，侧部远离过滤网32处具有红外光源头34，用于发射红外光，热释电探头35位于气室31下表面通过数据线连接检测主机，气室31内部还具有光路格栅36，光源沿光路37经滤光片38传播。热释电探头35的等效电路图如图5所示。

图4为传感器集成化示意图,采用MEMS工艺将红外双路敏感元件及滤光片制作成探测头,然后通过微封装技术进行可靠性封装,再利用微小集成技术将探测头、红外光源、过滤网集成在30mm×30mm的镀膜气室内,使其具备防尘、防爆等功能。

6.CO₂含量检测部分，图7(a)为CO₂含量检测的原理示意图，图该图所示，一束红外线(波长-般为3～10μm)同时照射到填充气体的工作室和参比室，位于工作室底部的第一红外探测器11和位于参比室底部的第二红外探测器12接收红外线输出检测信号，工作室具有气体出、入口通入被测气体，参比室的作用是在待测组分为零时使经两个气室后照射到红外探测器上的红外线强度相等，减小光源波动及环境变化的影响。参比室中充有不吸收红外线的气体，例如氮气等。如果工作室内通过的气体与参比室一样不吸收红外线,则红外线到达两个红外探测器的强度也相同；若进入工作室的气体中含有一定量的CO₂气体，由于该气体对波长为4.26μm的红外线有较强的吸收能力，因此使到达红外探测器的红外线能量有所减弱。其输出信号减小。随着被测气体中CO₂气体浓度的增加，测量气室中对入射的红外线的吸收程度也相应增加，从而使第一红外探测器11与第二红外探测器12输出信号之间的差值变大。因此，可以根据该差值大小获得被测气体CO₂气体的含量。

图7(b)为红外线气体分析仪的结构原理图，如该图所示，包括两个几何形状和物理参数都相同的灯丝1串联构成了红外线辐射光源，发射出具有一定波长的红外线，两部分红外辐射线分别由两个抛物体反射镜聚成两束平行光，在同步电机2的切光片3的周期性切割作用下(即断续遮挡光源)，就变成了两束脉冲式红外线。

两束红外线中的一路通过测量室4进入检测室6，另一路通过参比室5进入检测室6,参比室中密封的是不吸收红外线的气体,它的作用是保证两束红外线的光学长度相等，即几何长度加上通过的窗口数要相等，因此通过参比室5的红外线，光强和波长范围基本不变，而另一束红外线通过测量室4时，因测量室4中的待测气体按照其波长吸收特征吸收相应的红外光线，其光强减弱，所以进入检测室的红外线就被选择性的吸收，待测组分气体吸收红外线能量后，气体分子的热运动加强，产生热膨胀形成压力的变化，由于进入检测室两侧红外线能量不同，两侧气室中的待测组分吸收红外线能量也不同，因此左右两侧气室内气体的温度变化也不同，压力变化也就不同，必然是左侧气室内的气体的压力大于右侧气室内气体的压力，此压力差推动薄膜7产生位移(图中薄膜是鼓向右侧),从而改变了薄膜7与另一定片8之间的距离，因薄膜与定片组成一个电容器，它们之间距离的变化改变了电容器的电容量,因此电容的大小与样品中待测组分的含量有关，通过电容检测仪9获取电容的变化并由记录仪10保存，电容的改变与薄膜与定片之间距离的改变相对应，而薄膜与定片之间距离的改变又与被测气体吸收二氧化碳的能力对应，则可以间接确定待测气体的浓度。

依据ETCO₂浓度和气体流速的参数，利用人工口咽通道装置确定喉部的位置，从而便于吸痰操作。选择性好，呼出的气体含有多种成分，各种气体成分被各自对应的特征频率光谱,互相独立,互不干扰。

响应速度快,稳定性好,在开机相对短的时间内就能正常工作,当浓度发生变化时,也比其他检测方法能及时做出响应。

信噪比高,寿命长,测量精度高,同时系统具有零点自动补偿与灵敏度自动补偿功能,因而不用定时校准,使用寿命长。

实施例二：

本实施例提供上述装置的工作方法，包括以下步骤：

检测主机接收二氧化碳浓度和气体流速参数，当二氧化碳浓度值接近于动脉血二氧化碳分压且气体流速最大时，认为引导管管口到达了喉部正上方，推动吸痰管完成吸痰操作。

依据ETCO₂浓度和气体流速的参数，利用人工口咽通道装置确定喉部的位置，从而便于吸痰操作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种引导式人工口咽通道吸痰装置，其特征在于：包括直管和弯管，直管与弯管连接，内套管套接在直管与弯管组成的管道内侧，内套管包括至少一组引导管和至少一组吸痰管，引导管和吸痰管并列布置，引导管内设有红外光线传感器，引导管管口位于弯管管口处，引导管靠近红外光线传感器一侧的管口与吸痰管管口平齐，红外光线传感器与检测主机连接，红外光线传感器获取流过引导管中气体的二氧化碳浓度和气体流速发送给检测主机；所述红外光线传感器将标准的红外光透过气体，测出气体对红外光的折射率则得出气体的厚度，将单位时间内气体厚度的变化视为气体流速。

2.如权利要求1所述的一种引导式人工口咽通道吸痰装置，其特征在于：所述红外光线传感器位于引导管管口处。

3.如权利要求1所述的一种引导式人工口咽通道吸痰装置，其特征在于：所述吸痰管表面具有刻度。

4.如权利要求1所述的一种引导式人工口咽通道吸痰装置，其特征在于：所述直管和弯管采用硅胶材料。

5.如权利要求1所述的一种引导式人工口咽通道吸痰装置，其特征在于：所述红外光线传感器包括并列布置的测量室和参比室，发射红外光线的灯丝位于测量室和参比室的顶部，二者底部具有检测室。

6.如权利要求5所述的一种引导式人工口咽通道吸痰装置，其特征在于：所述检测室中部具有薄膜和定片，薄膜将检测室分隔为两个分别与测量室和参比室对应的空间，定片位于薄膜的一侧，定片与薄膜之间具有的设定距离形成电容并与电容检测器连接。

7.如权利要求6所述的一种引导式人工口咽通道吸痰装置，其特征在于：所述测量室与引导管管口相连通通入测试气体，参比室和检测室内密封有不吸收红外光的气体。

8.如权利要求7所述的一种引导式人工口咽通道吸痰装置，其特征在于：所述灯丝发出红外光线，形成分别穿过测量室和参比室，到达检测室的两路平行的红外光，被测气体中的二氧化碳吸收部分红外光，使得检测室内薄膜两侧空间内的气体受到红外热效应产生压力差，推动薄膜朝向定片移动，改变薄膜与定片之间的距离，从而改变两者之间的电容，间接确定待测气体的CO2浓度。