CN116157182A - 流量触发的气体输送 - Google Patents

Abstract

流体输送系统响应于吸气向患者提供诸如补充氧气的流体。流体输送系统包括阀组件，通过测量鼻插管或口腔插管、面罩或头盔中气流的温度变化来感测吸气的开始而触发该阀组件。

Description

流量触发的气体输送

技术领域

本公开涉及用于监测氧气或其他气体并将其输送给人类或其他动物、以及用于有效地保存所述气体的输送的设备和方法。本公开具有向人类或动物患者输送补充的氧气的特定用途，并且将结合这种用途进行描述，尽管其他用途也在考虑范围之内。

背景技术

在美国，现在有超过150万人类患者正在接受补充氧气治疗，据信每年的费用超过20亿美元。此外，由于COVID-19引起的急性病例加剧了对补充氧气的需求，达到了一些医院快用尽氧气供应的程度。

大多数接受长期补充氧气治疗(LTOT)的患者由于患有慢性阻塞性肺病(COPD)而患有慢性低氧血症。目前还没有治愈这种疾病的方法。然而，慢性低氧血症的不利影响可以通过施用长期氧疗法(LTOT)来减轻。从鼻插管连续吸入通常2-3lpm(升/分钟)的低流量的氧气会增加患者呼吸的氧气浓度。据估计，每1lpm的流量，整体吸入浓度会上升3-4％。氧气浓度的增加弥补了患者肺部吸收氧气的欠佳功能。

通常，当患者被诊断患有慢性低氧血症时，根据在医生办公室进行的20分钟滴定测试，开具固定流量的氧气。在测试过程中，患者的血氧饱和度通过使用侵入式血气分析仪或非侵入式设备(例如脉搏血氧仪)进行测量。在测量血饱和度(SpO₂)时，可能会要求患者在跑步机上行走，以测量他或她在运动时对补充氧气的需求。基于这个简短的测试，开具了固定流量的补充氧气。患者可能会被建议在活动期间(例如，在爬楼梯、睡觉或感到呼吸急促时)增加补充氧气的流量。患者将需要确认补充氧气治疗的适当性，目标是在患者的所有活动期间(包括睡眠期间)将患者的氧饱和度保持在90％以上。一些患者可能需要补充氧气以每天24小时呼吸，或者可能仅在行走时需要补充氧气，或者可能仅在睡眠时需要补充氧气治疗。在醒着的时候需要LTOT的患者中，通常在睡觉时需要更高的流量。通常的做法是在患者睡觉时将流量增加1升/分钟。

如果患者甚至在休息时也需要呼吸补充氧气，他或她将在他或她的家中获得一个固定的氧气发生单元，其可以设置为产生例如高达5升/分钟的93％的氧气。通常，该单元现在是手动设置为以升/分钟为单位的规定流量。如果患者在走动时需要补充氧气，他或她通常会携带小型高压氧气瓶或小型可再装液氧杜瓦瓶。也可以使用小型便携式制氧机，它可以产生高达3升/每分钟的连续氧气或以更高的流量输送脉冲氧气。这些便携式氧气输送系统都有缺点。便携式浓缩器通常体积更大、噪音更大，并且电池寿命相对较短。小型高压氧气瓶容量有限，尤其是较小的那些，但不需要电池，也不会产生浓缩器产生的那种噪音。

由于在小型瓶和杜瓦瓶中提供用于走动的氧气的费用，已经开发了各种氧气保存设备来保存氧气流量。这些现有技术的氧气保存设备仅在患者吸入开始时输送短脉冲氧气。通过在呼气期间或吸入的后期期间不输送氧气，保存了对于增加患者的氧饱和度没有影响的氧气。现在存在气动和电子的两种氧气保存设备，其声称与连续氧气流输送相比，能够实现从2:1至7:1的氧气保存比。如此高的保存比是通过电子设备实现的，这些电子设备被编程为跳过呼吸，以便每隔一次呼吸输送氧气脉冲。然而，电子设备不能用于所有走动的患者，因为如此高的保存比实际上会导致患者的氧饱和度差，特别是在如在剧烈行走或走上楼梯时的氧气利用增加的时期。

此外，目前可用的保存设备测量鼻气压的下降，这对于许多患者来说不足以在各种情况下触发氧气释放，各种情况包括：极度降低的呼吸功能；大多数口呼吸；边走边说；迅速地行走或激烈谈话时；或在睡觉时。在启动这些动态设备后，患者被“教导”专注于鼻呼吸以帮助触发设备。患者通常需要停止他或她的活动并专注于他或她的鼻呼吸，或者将鼻插管探头放入他或她的嘴中以更有效地触发该设备。

电子氧气保存器中吸入开始的压力感应目前通过以下两种方式之一完成：

1.一些现有技术设计采用双腔插管，其中一个腔专用于压力感测，而另一个腔专用于供氧。这种设计旨在对吸入的开始更敏感，但存在只能将氧气输送到一个鼻腔通道的缺点。

2.其它设计使用单腔套管，其典型地具有连接到两个鼻塞(nasal prong)下面的T型件的压力传感器。从两个鼻腔通道检测到与吸入相关的总压降，然后将氧气输送到两个鼻腔通道。

由于压力感测中固有的滞后作用，这两种设计都会延迟触发氧气流。然而，即使触发氧气流时的微微延迟也很容易被患者察觉。当前使用压力传感器的设计的另一个缺点是，如果患者的鼻腔通道之一被阻塞，它将干扰氧气的检测和输送。

当前制氧系统的另一个缺陷是，患者对氧气的理想需求会在短期内由于变化的运动和在长期内因健康的改善或恶化而随时间变化的事实。当医生为患者开出固定流量的氧气时，医生主要关心的是确保患者的血饱和度不低于88-89％的氧饱和度。医生不希望患者在任何活动期间经历低于90％的氧的去饱和。尽管理论上存在对长时间给予高浓度(超过50％)氧气的患者的潜在毒性的担忧(例如，吸收性肺不张、增加的氧化应激和炎症)，但临床经验对LTOT设置中的这些担忧提供的支持很少。(“Long-term supplementary oxygentherapy.”Up-To-Date；2013年1月18日。Brian L Tiep,MD Rick Carter，PhD，MBA)。

根据Fussell等人的一项研究报道，目前的氧气治疗计划容易出错(RespiratoryCare.2003年2月，第48卷第2期)。在那项研究中，使用脉搏血氧仪连续监测20名患有COPD的患者的血饱和度水平，以确认每个患者的氧气处方是否足以维持他或她的饱和度。该研究的结论是，在COPD患者的LTOT筛查过程中，常规氧合评估方法与连续动态血氧测定之间的关联较差。最近在一篇题为“Critical Comparisons of the Clinical Performance ofOxygen-conserving Devices(Am.J.Respir.Crit.Care Med.2010年5月15日；181(10):1061-1071)”的文章中，所有基于压力感测的保存设备的当前集合被批评未能实现其功效要求。作者声称，“虽然每个设备在鼻呼吸和嘴呼吸时都被激活，但它们都没有按照工程预期始终如一地运行。”

当患者在使用保存设备或固定的氧气流量时获得低氧饱和度结果时，自然反应是简单地增加流量，而实际上，低氧饱和度结果通常是由于在吸入开始时尽早触发补充氧气流量的延迟造成的。增加的鼻流量变得越来越昂贵，并且通常不能很好地耐受。一些在家中使用固定制氧机的COPD患者经济困难，担心连续运行制氧机的电力成本。在许多情况下，这导致了依从性问题，其中患者可能选择不打开制氧机和不遵循医生处方的治疗，以节省他们的电费。此外，这些制氧机会向房间散发大量热量，这可能会进一步增加能源成本，即用于冷却房间的成本。目前的制氧机设计通常会产生例如5升/分钟的最大流速。如果患者的休息处方是2升/分钟，则患者可以将通过其插管的流速设置为所需的流量，并且正在产生的过量氧气被简单地推入鼻孔，而这在嘴呼吸时可能会被浪费。许多氧疗患者可能会带着不可接受的血氧饱和度水平在活动、谈话、打盹或睡眠时花费大量时间。

当患者在进行更剧烈的活动、说话、进食和/或睡觉期间进行嘴呼吸时，目前基于压力的氧气保存单元未能达到他们的要求。接受动态氧气的患者通常不得不停下来并专注于鼻呼吸，或者将鼻插管叉(prong)置于他们口中并吸吮它们以触发氧气的释放。当氧气需求得不到满足时，简单的解决办法是增加鼻腔流量，这会导致不舒服的鼻腔通道干燥问题增加，有时还会导致鼻粘膜出血。此外，患者经常在进食时完全停止氧气输送系统。

在我之前的美国专利9,707,366中，我描述了一种用于向患者可控输送氧气的改进的系统、方法和装置，其中鼻插管或组合鼻口插管带有阀组件和流量传感器，用于在患者呼吸时感测通过患者鼻腔的“流量泄漏”。这种“隐藏信号”与同时监测鼻腔和/或口腔流量模式相结合，使得按需氧气输送系统不会出现不确定性或方向错误的氧气——这两者都会导致氧气浪费或向患者输送的氧气不足。更具体地，我之前的‘366专利描述了一种流体输送系统，其包括：至少一个流体源；连接到所述至少一个流体源的至少一个阀组件，其中至少一个阀组件被配置为在患者吸气期间允许流体从至少一个源流出；出口端，包括与至少一个阀组件流体连通的鼻插管或口腔插管；以及用于响应患者吸气触发流体输送的鼻流量传感器。流体输送系统还包括配置成操作至少一个阀组件的电源。鼻流量传感器的位置可以在鼻插管或口腔插管之中或附近、在流体源附近或在鼻插管或口腔插管与至少一个流体源之间的空气管中。

发明内容

本公开通过提供改进的触发机构从而改进了我之前的‘366专利的方法和装置，所述触发机构用于触发阀，以将流体从用于输送的流体源通过鼻插管或口插管释放到患者。通过该方法输送的流体可以包括氧气。更具体地，本公开在一个方面提供了一种流量传感器，其采用加热器和温度传感器，以通过测量由流体流动引起的对流冷却所造成的温差来检测吸气的开始，并且在吸气开始的大约不到20毫秒内、通常在10-20毫秒内触发流动，这比目前可用的任何压力传感器能够提供的要好得多。

此外，为了允许使用高灵敏度的空气流量传感器，保护传感器免受高压氧气流的影响，本公开优选地通过切换阀将空气流量传感器与氧气流动管线隔离。

在本公开的一个方面，提供了一种用于向人或动物可控输送流体的流体输送系统，包括：至少一个所述流体源；连接到所述至少一个所述流体源的至少一个阀组件，其中所述至少一个阀组件被配置为在所述人或动物吸气期间允许来自至少一个源的所述流体的流动；出口端，包括与至少一个阀组件流体连通的鼻插管或口腔插管；以及用于响应于所述人或动物吸气触发流体输送的流量传感器，其中流量传感器与鼻插管或口腔插管流体连通并位于鼻插管或口腔插管的上游，并且包括温度传感器，例如热敏电阻，其被配置成在所述吸气开始的大约不到20毫秒内、通常在10-20毫秒内检测指示所述人或动物吸气开始的温度变化。该系统还可以包括配置成操作至少一个阀组件的电源。

在本公开的另一方面，流量传感器位于鼻插管或口腔插管之中或附近，或者位于连接鼻插管或口腔插管和至少一个所述流体源的管中。鼻插管和口腔插管可以彼此连接。优选地，输送的流体优选包括补充氧气、治疗气体或麻醉气体。

在一个实施方式中，流体输送系统包括用于基于来自流量传感器的信号控制至少一个阀组件的电子电路。优选地，电子电路包括用于通过所述至少一个阀组件启动所述流体的释放的触发机构。

流体输送系统还可以包括加热器，该加热器被配置为将流量传感器或流量传感器上游的流体加热至高于环境温度。

在优选实施方式中，温度传感器被配置为通过温度的定向变化来检测吸气的开始和呼气的开始，并且其中该系统任选地包括位于所述温度传感器的上游和任选地下游的加热器。

在另一实施方式中，流量传感器通过压电致动器阀与至少一个所述流体源隔离。

本公开还提供了一种用于保存从流体供应输送到人或动物的流体的装置，包括：连接在流体供应和鼻插管或口腔插管之间的流体保存器控制器，其中所述控制器包括至少一个阀，其被选择性地触发以将所述流体递送至鼻插管或口腔插管；流量传感器，其配置为感测人或动物的吸气；以及触发机构，其与所述传感器通信以启动保存器控制器，其中流量传感器与所述鼻插管或口腔插管流体连通，并且包括温度传感器，例如热敏电阻，其配置成在所述吸气开始的大约不到20毫秒内、通常在10-20毫秒内检测指示所述人或动物的所述吸气的开始的温度变化。

在本公开的一个实施方式中，流量传感器和触发机构彼此远离，并且流量传感器和触发机构有线或无线通信。

在本公开的优选实施方式中，流量传感器和触发机构彼此远离，并且流量传感器和触发机构有线或无线通信。

在本公开的优选实施方式中，至少一个阀包括至少一个阀，流体供应优选地包括氧气、治疗气体或麻醉气体。

在一个实施方式中，该装置还包括用于基于来自流量传感器的信号控制至少一个阀的电子电路，和/或配置为将流量传感器或流量传感器上游的流体加热至高于环境温度的加热器。

在一个实施方式中，温度传感器被配置为通过温度的定向变化来检测吸气的开始和呼气的开始，并且其中该系统可选地包括位于所述温度传感器的上游和可选的下游的加热器。

在另一个实施方式中，流量传感器通过压电致动器阀与流体供应隔离。

本公开还提供了一种用于保存从所述流体源向患者的流体输送的方法，包括以下步骤：提供与流体源连通的阀和患者佩戴的鼻插管或口鼻插管；利用与鼻插管或口腔插管连通的包括诸如热敏电阻的温度传感器的流量传感器，通过检测在所述吸气开始后不超过约15-20毫秒内通过所述鼻插管或口腔插管的气流的温度变化，感测吸气的开始，响应于感测到的吸气开始而触发阀，从而经由鼻插管或口鼻插管从用于输送的流体源释放所述流体至患者，优选地，流体包括氧气、治疗气体、麻醉气体。

在一个实施方式中，该方法包括将流量传感器或流量传感器上游的流体加热至高于环境温度。

在另一个实施方式中，流量传感器包括温度传感器，其配置为通过温度的定向变化来检测吸气的开始和呼气的开始。

在又一实施方式中，该方法包括在感测吸气开始时将流量传感器与流体源隔离的步骤。

本公开还提供了一种用于控制向人或动物的流体的输送的流体输送系统，包括：

至少一个所述流体源；

至少一个阀组件，其连接到所述至少一个所述流体源，其中所述至少一个阀组件被配置为在所述人或动物吸气期间允许来自至少一个源的流体的流动；

出口端，包括与至少一个阀组件流体连通的鼻插管或口腔插管、面罩或头盔；和

流量传感器，用于响应所述人或动物的吸气触发流体输送，

其中流量传感器与鼻插管或口腔插管、面罩或头盔流体连通并位于其上游，并且包括温度传感器，该温度传感器被配置成在所述吸气开始的小于约20毫秒内、优选地10-20毫秒内检测指示所述人或动物吸气开始的温度变化，和

其中至少一个阀组件被配置为使得流体流量输送渐变，以配合人或动物的呼吸模式。

在一个实施方式中，流体输送系统包括配置成操作至少一个阀组件的电源。

在另一个实施方式中，流量传感器位于鼻插管或口腔插管、面罩或头盔之中或附近，或者位于连接鼻插管、面罩或头盔或口腔插管以及至少一个所述流体源的管中。

在又一个实施方式中，鼻插管和口腔插管彼此连接。

在又一个实施方式中，输送的流体包括补充氧气、治疗气体或麻醉气体。

在第四实施方式中，流体输送系统包括用于基于来自流量传感器的信号控制至少一个阀组件的电子电路，该电子电路优选地包括用于通过所述至少一个阀组件启动所述流体的释放的触发机构。

在一个特别优选的实施方式中，该至少一个阀组件被配置为使得流体流动渐变，从触发时的人或动物的吸气能力下的15-40％、优选地20-35％、更优选地约33％的起始流量至100％流量。

在另一个实施方式中，流体输送系统还包括加热器，该加热器被配置为将流量传感器或流量传感器上游的流体加热到环境温度以上，并且如果需要，温度传感器被配置为通过温度的定向变化检测吸气的开始和呼气的开始，其中该系统可选地包括位于所述温度传感器上游和可选地下游的加热器。

在另一实施方式中，流量传感器通过压电致动器阀与至少一个所述流体源隔离。

本公开还提供了一种用于保存从流体供应输送到人或动物的流体的装置，包括：

连接在流体供应和鼻插管或口腔插管、面罩或头盔之间的流体保存器控制器，其中所述控制器包括至少一个阀，其被选择性地触发以将所述流体输送到鼻插管或口腔插管、面罩或头盔；

流量传感器，其被配置为感测人或动物的吸气；和

触发机构，其与所述流量传感器通信以启动保存器控制器，其中流量传感器与所述鼻插管或口腔插管、面罩或头盔流体连通，并且包括温度传感器，所述温度传感器配置成在所述吸气开始的大约不到20毫秒内、优选10-20毫秒内检测指示所述人或动物的所述吸气开始的温度变化，其中所述至少一个阀组件被配置成使得流体流量输送渐变，以协调人或动物的呼吸模式。

在该装置的一个实施方式中，流量传感器和所述触发机构彼此远离，并且其中所述流量传感器和所述触发机构有线或无线通信。

在该装置的另一个实施方式中，流体供应包括氧气、治疗气体或麻醉气体。

在一个优选实施方式中，该装置还包括基于来自流量传感器的信号控制至少一个阀的电子电路，并且可选地还包括配置成将流量传感器或流量传感器上游的流体加热至环境温度以上的加热器。

在一个特别优选的实施方式中，至少一个阀组件被配置为使流体流量从触发时的15-40％、优选地20-35％、更优选地约33％的起始流量渐变至人或动物吸气能力下的100％流量。

在该装置的又一个实施方式中，温度传感器被配置成通过温度的定向变化来检测吸气的开始和呼气的开始，并且其中该系统可选地包括位于所述温度传感器的上游和可选的下游的加热器。

在又一装置中，流量传感器通过压电致动器阀与流体供应隔离。

本公开还提供了一种用于保存从流体源向患者的流体输送的方法，包括以下步骤：

提供与所述流体源连通的阀和患者佩戴的鼻插管或口鼻插管、面罩或头盔；

使用与鼻插管或口腔插管、面罩或头盔连通的流量传感器，通过在所述吸气开始的大约不到20毫秒内、优选地10-20毫秒内检测通过所述鼻插管或口腔插管、面罩或头盔的流体的温度变化来感测吸气的开始，和

响应于感测到的吸气开始，触发阀门，以从流体源释放所述流体以经由鼻插管或口鼻插管、面罩或头盔递送至患者，其中阀组件被配置为使得流体流量输送渐变，以协调人或动物的呼吸模式。

在该方法的优选实施方式中，流体包括氧气、治疗气体或麻醉气体，并且可选地，还包括将流量传感器或流量传感器上游的流体加热至高于环境温度。

在该方法的另一个实施方式中，流量传感器包括温度传感器，该温度传感器被配置为通过温度的定向变化来检测吸气的开始和呼气的开始。

该方法的又一实施方式包括在感测吸气开始时将流量传感器与流体源隔离的步骤。

在该方法的又一个实施方式中，阀组件被配置成使流体流量从触发时的15-40％、优选地20-35％、更优选地约33％的起始流量渐变至人或动物的吸气能力下的100％的流量。

附图说明

通过结合附图阅读以下详细描述，将更好地理解本公开，在附图中，相似的附图标记用于指示相似的元素，并且其中：

图1和图2是根据本公开的用于流体输送的两个不同系统的框图；

图3是根据本公开的优选实施方式的遥感器和控制的框图；

图4示意性地说明了根据本公开的优选实施方式的触发算法；

图5是比较本公开的系统与采用压力流量传感器的传统现有技术系统的气流输送开始的表格；

图6为本公开的气流输送的流程图；和

图7是描绘根据本公开的气流输送的方块流程图。

具体实施方式

如本文所用，“鼻插管”旨在包括两个内腔鼻插管以及鼻罩或枕罩。而“口腔插管”旨在包括面罩以及呼吸管、封口件等、以及潜水员头盔和危险头盔等。

在下面的描述中将参考附图描述实施方式，其中相同的数字表示相同或相似的元件。在整个说明书中，提及“一个实施方式”、“某些实施方式”或类似的语言意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书中，短语“在一个实施方式中”和类似的语言的出现可能但不一定都指代相同的实施方式。

本公开的所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施方式中。在以下描述中，列举了许多具体细节以提供对本公开的实施方式的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下或者利用其他方法、组件、材料等来实践本公开。在其他情况下，未示出或详细描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊本公开的各方面。

本公开的流体输送系统根据患者的潮式呼吸以间歇时间间隔向人或动物提供补充氧气。流体输送系统包括鼻或口鼻流量触发阀组件，其响应于患者的吸气而打开，并在吸气阶段关闭以保存氧气，否则氧气在吸气结束前将被浪费在填充患者的“无效腔(deadspace)”。也就是说，本公开通过放置在鼻插管或口腔插管或者头盔情况下的供应管中的温度传感器来感知吸气的开始，并在吸气开始(即，在吸气开始后不超过约15-20毫秒内)时触发调节阀打开，并保持开放与人或动物的潮式呼吸一致的一段时间。

鼻腔或口腔流量温度传感器足够灵敏，能够在大约不到20毫秒内、通常在10-20毫秒内检测到吸气开始，并向阀组件发送信号以打开，并允许氧气流动一段时间。通过在吸气开始后不超过约20毫秒内打开、通常在10-20毫秒内打开，然后保持打开有限的时间段，可以实现真正的按需氧气输送系统，没有不确定性或误用的氧气——两者都会导致氧气浪费或输送给患者的氧气不足。利用吸气开始的流量信息，消除了例如脉冲调节氧气或连续流动氧气所涉及的浪费。此外，患者或用户在呼吸开始和氧气输送之间具有令人愉快的同步感，并且通过消除任何可察觉的氧气输送延迟，可以自由地走动和自然地说话，而不用担心错过他或她的氧气节奏。保存设备的效率也可以用于通过可靠的脉冲氧气输送系统从中央液体供应的住院或卧床不起的患者。

此外，与现有技术中描述的压力流量传感器不同，使用根据我的公开的温度传感器感测并因此触发基本上是瞬时的，即在吸入开始的大约不到20毫秒内，通常在10-20毫秒内。因此，输送补充氧气基本上没有延迟。与传统的压力流量传感器检测器相比，也没有任何氧气浪费。因此，补充氧气的流动基本上随着吸气的开始而开启，并且被定时以根据患者的潮式呼吸的斜升和/或在检测到呼气开始时保持开启一段时间。结果是，补充氧气得以保存，因为当患者不需要氧气时不提供补充氧气：在“无效腔”(即不参与气体的交换的吸入的空气体积)的填充期间，或在呼气期间。

如本文所用，吸入与吸气同义使用，呼出与呼气同义使用。吸入是空气从外部环境通过气道进入肺部的运动。在吸气过程中，胸部扩张，膈膜向下或向尾部收缩，导致胸膜腔扩张和胸腔内的负压。这种负压导致气流主要从鼻子或嘴巴进入咽(喉)和气管，最终进入肺部。通过使用温度传感器形式的流量传感器，吸气开始的确定基本上是瞬时的，即，在吸气开始的大约不到20毫秒内，通常在10-20毫秒内，利用吸气最重要的阶段输送补充氧气。虽然任何剂量的或脉冲的氧气输送系统设置为流量当量，剂量和连续流量具有更高的一致性和均等性。假定与连续流相当的术语“脉冲当量”是当前的保存调节器的设置方式。连续流量设置为升/分钟。

由于脉冲单元不会输出持续氧气，因此无法以升/分钟来衡量。相反，它们按单个脉冲(剂量)的大小进行分类，即，该脉冲在一分钟内输送的频率，以及脉冲在吸气(呼吸)循环中输送的时间。脉冲式制氧机的另一个限制性问题是，当患者每分钟尝试的呼吸多于单元能够产生的时。发生这种情况时，氧气用户将获得更小的脉冲、含氧量更少的脉冲，或者根本没有脉冲。在氧气用户用力并明显气喘吁吁的情况下，该单元可能无法满足用户的需求。使用根据本公开的鼻腔或口腔流量温度传感器，我们能够更接近于连续氧气流量的当量，因为氧气基本上是立即输送的(即，在用户开始吸入空气后，大致在吸入开始的大约不到20毫秒内，通常在10-20毫秒内)。没有如先前所讨论的触发氧气释放的压力传感器方法中固有的延迟，就没有必要提高剂量来弥补输送延迟。

另外，使用根据本公开的吸入开始流量触发的脉冲氧气，由于检测吸气开始的灵敏度增加，用户不必考虑他或她是如何呼吸的——触发器通过经由流量传感器的温度下降感测吸气的开始，甚至是在患者张口呼吸或说话、边走边说话或进食时。用户是否有大鼻孔或者用户是否在椅子上打瞌睡或睡觉都无关紧要。无需培训——用户只需将插管放入他或她的鼻孔或嘴中，即可体验基本同步的氧气输送。如上文所述，传统的压力流量触发的脉冲氧输送在输送的氧气的“喷出”中具有明显的延迟，而根据本公开的使用温度下降的吸气开始流量触发的氧气输送基本上没有可察觉的延迟，给人一种更自然的感觉。它基本上在用户吸气时释放氧气，而不是在用户开始吸气之后。此外，与使用传统胸部应变仪判断吸气开始时相比，本公开的流量传感器在检测到任何胸部运动之前触发阀门打开！这种吸入开始和氧气输送之间的改进的同步性更舒适、更有效和更可靠，并且由于它实际上执行其他类型的保存单元仅声称要做的操作，因此将产生更好的患者依从性。

本公开的其他用途是在睡眠障碍的诊断领域。很多关注都集中在睡眠研究上，以确认睡眠呼吸暂停的诊断，睡眠呼吸暂停正在睡眠实验室和家庭睡眠研究中被诊断出来。通过更准确地测量吸气流量，可以增强睡眠期间呼吸的感测和记录。因此，可以触发脉冲氧气输送的同一鼻腔流量温度传感器也可以适用于在诊断评估期间有效地测量呼吸。患有睡眠呼吸暂停或周期性呼吸并且仅使用氧气补充的患者也可以安全地使用脉冲氧气输送。该设备现在可以让使用C-PAP或Bi-PAP机器的患者利用脉冲氧气输送的效率优势——仅在吸气期间输送补充氧气。这是对目前仅向通向面罩的软管添加氧气的方法(考虑到内置面罩通风以及夜间发生的意外面罩泄漏，其提供了效率最低的氧气输送系统)的改进。

根据本公开的吸气开始触发的氧气输送也可以解放目前限制在每分钟3升连续流量的走动患者。使用便携式制氧机，在睡眠时将脉冲频率设置为每分钟4-6+升是不可靠的(“Critical Comparisons of the Clinical Performance of Oxygen-conservingDevice”，Am.J.Respir.Crit.Care Med.2010年5月15日；181(10)：1061-1071；2010年2月4日在线发布，doi：10.1164/rccm.200910-1638OC PMCID：PMC2874449)。这些脉冲高流量设备声称能够在睡眠时为患者供氧，但大多数医疗保健提供者并不认为脉冲高流量设备能够可靠地为睡眠患者输送足够的氧气。

根据本公开的吸气开始触发的氧气输送也可以适用于在输送点“搭载”到医院和诊所中央液氧系统，提供目前不存在的效率。

现在参考附图的图1-3，图1是示出根据本公开的第一示例性实施方式的流体输送系统100的外壳的组件的框图。更具体地说，图1示出了具有手动旁通阀配置的流体输送系统。

系统100包括外壳120，其可以是壳体或类似结构，其包含用于流体输送的各种部件，使得氧气(O2)供应110可以输送给患者114。氧气供应110可以包括氧气罐110A、来自医院或其他医疗机构的管道氧气供应110B，或用于供应氧气的其他设备。在外壳120内，系统100包括压力调节器122，其可连接到氧气供应110并调节氧气被引入系统100的压力。氧气供应110可以使用压力调节器122的连接器可移除地连接到系统100。氧气供应的压力可能非常高，例如在某些情况下高达3000PSI，并且在压力调节器122的出口侧，压力可以降低到期望的PSI，例如在一个示例中为15PSI。从压力调节器122接收氧气的是手动旁通阀124，其允许手动控制对患者114的氧气输送。具体而言，手动旁通阀124可允许用户选择沿着第一路径的氧气输送，其中脉冲氧气输送由电子控制器126控制，称为“脉冲模式”，或选择沿着第二路径的氧气输送，该第二路径基本上绕过控制器126并直接或接近直接地向患者114输送氧气，称为“旁通模式”。

当处于脉冲模式时，即，当手动旁通阀124被定位为向由控制器126控制的患者输送氧气时，氧气被引导至阀128，其可以是三通压电电动阀或另一种类型的阀。当阀128处于未通电状态时，它阻止氧气流穿过其中，而当通电或启动时，它打开一个或多个阀端口以允许氧气流穿过。向阀128的氧气供应也与连接到控制器126的氧气压力传感器130流体连通，使得可以感测氧气的压力。阀128的输出连接到通向患者114的系统100的氧气输出132。如图1所示，对患者的氧气输送可包括带有鼻插管143的各种管，鼻插管143可以放置在患者鼻子附近，但是也可以使用其他输送系统，包括面罩、封口件等。

控制器126还包括电子控制组件，例如微控制器、电路、输入和输出设备，或控制系统100的激活和使用的其他组件，其相对于图3进行了详细描述。一般而言，控制器126与阀128、氧气压力传感器130、指示器设备134、环境空气供应136和电源138通信。环境空气供应136可包括在外壳120中的端口，其吸入环境空气并使其通过空气流量传感器140。空气流量传感器140与鼻插管143通信，并为处理器或微控制器提供环境空气流量的读数并感测吸气的开始，如下所述。环境空气供应136的输出可以使用管和插管、面罩、封口件或其他输送组件，或经由环境空气出口142和双腔插管输送给患者114，如图2所示。

指示器设备134可包括多种指示器类型，例如在一个示例中为带有视觉指示器的小键盘。也可以使用其他类型的指示器。指示器设备134的视觉指示器可包括用于包括待机、脉冲控制、灵敏度、旁通或脉冲输送、功率水平和警报的操作的视觉指示器。通常，指示器设备134可以基本上集成到外壳120中，但它也可以是完全或部分独立的设备。电源138可以包括一个或多个不同的电力供应设备，例如硬连线设备，例如115/230V交流电源、用户可更换电池、能够充电的用户可更换电池、或可替换或不可替换的内部可充电电池。自然地，电源138可以包括这些或其他电源的组合，以确保在一个电源出现故障的情况下继续操作系统100。控制器126可以包括附加的组件，例如声音警报系统144，以根据需要向患者或其他用户提供声音警报。控制器126的附加组件相对于图2进行讨论。

在操作中，插管或其他输送设备靠近患者114的嘴巴或鼻子定位。系统100从氧气供应110接收氧气，并通过环境空气供应136接收环境空气。当患者吸气时，负压被施加到在氧气输出132和/或环境空气输入136处容纳的插管。当处于脉冲模式时，控制器126被激活并且控制脉冲氧气被输送给患者。控制器126的激活导致控制器126为压电阀128通电，从而为氧气打开路径，以从氧气供应110流经压力调节器122、旁通阀124并到达患者114。控制器126可以控制给患者114的氧气的特定流量，例如，通过控制氧气脉冲长度、脉冲频率或允许氧气通过阀128的其他脉冲特性的流量开始，或通过控制激活的敏感性或系统100的一个或多个组件。在控制脉冲氧气输送期间，患者114可以继续通过环境空气输入136接收环境空气。

控制器126可以例如用按钮或开关手动激活，或者更优选地根据本公开，通过指示吸气开始的感测信号自动激活。在一个示例中，控制器126可以通过感测当患者开始吸气时产生的温度变化而被激活。在该示例中，定位在环境空气供应136的路径中的热敏电阻140形式的流量传感器被加热至高于环境的温度，通常高于环境10至20℃。当用户吸气时，内联热敏电阻检测到由于环境空气流通过加热的热敏电阻140而导致的温度下降。当检测到这种温度下降时，激活信号被发送到阀128以释放氧气。可替代地，可以将位于热敏电阻140附近的环境空气供应136的路径中的空气加热到高于环境的温度。当用户吸气时，热敏电阻可用于检测环境空气流供应经过热敏电阻140时的温度升高，而热敏电阻140又可用于发送启动信号。在优选实施方式中，热敏电阻配置成测量任一方向的温度变化，即，测量吸气时的温度变化以触发氧气输送，以及测量呼气时的温度变化以触发停止氧气输送。感测呼气的开始还允许系统为每次吸气提供单一触发。在感测到吸气并触发流体脉冲之后，通过抑制任何触发直到感测到呼气，系统可以防止相同的吸气的再次触发。

为了保护流量传感器免受高压氧气流的影响，阀128包括双致动器压电阀200、202。压电阀200内联连接在补充氧气源110和流量传感器板140之间，而压电阀202在一侧连接到传感器板140，并且在另一侧通向环境空气。将流量传感器与高压氧气流隔离，允许使用高度敏感的流量传感器，这反过来又允许我们在开始时基本上立即感觉到吸气，从而允许我们在最合适的时间触发氧气脉冲，而没有浪费。现有技术的保存器从同一管线感测和输送气流，并且不能在开始时基本上立即感测到吸气。此外，通过隔离流量传感器，我们消除了来自用户呼出的气的任何流量污染。

到目前为止，系统100的操作的描述是针对系统处于脉冲模式时的情况，即，氧气输送由电子控制器126控制。然而，使用手动旁通阀124，用户将系统100从脉冲模式变化到旁通模式以直接向患者114输送氧气。如图1所示，在旁通模式中，来自压力调节器122的氧气供应110可通过手动旁通阀124，并直接或几乎直接被引导至氧气出口132，因为氧气可通过一个或多个分流接头。因此，在旁通模式下，氧气在没有控制器126的脉冲控制的情况下输送给患者114。使用旁通阀124，取决于患者或系统100的预期用途，用户可以根据需要控制系统100的所需操作模式。

图3是相应地示出了根据本公开的第三示例性实施方式的图1-2的流体输送系统100和102的控制器126的电气框图的框图。如图3所示，控制器126包括与流体输送系统的组件通信的各种控制器电路和处理模块。所有组件可以与微控制器150通信，微控制器150可以从每个组件接收信号和处理数据并控制处理功能。

微控制器150连接到氧气传感器130或氧气换能器电阻桥，由此来自氧气传感器130的信号被桥信号放大器放大，然后通过ADC连接输入到微控制器150。可选的次级振荡器可以提供给微控制器150。内部工厂CAL开关或跳线可以通过CAL开关电路连接到微控制器150。由热敏电阻140感测的环境空气供应136的温度可以通过流量传感器电路152连接到微控制器150。在流量传感器电路152内，加热器控制和一个或多个加热器驱动器可以用于加热热敏电阻140和/或它周围的环境供应，并且来自热敏电阻140的流量信号在流量传感器电路152中被接收回。该信号可以通过偏移调整和/或跨度调整来处理，然后在传输到微控制器150之前被放大。

压电阀128从连接到微控制器150的氧气端口压电阀驱动器154和流量传感端口压电阀驱动器156接收控制信号。氧气端口压电阀驱动器154具有连接到电源和开/关信号的压电驱动器DC-DC转换器、电压选择器电路和FET开关控制。流量传感端口压电阀驱动器156具有第二压电驱动器DC-DC转换器、电压选择器电路和FET开关控制。在任一驱动器154、156的操作期间，来自电压选择器电路的信号被提供给FB电路，其提供电压反馈给压电驱动器DC-DC转换器。FET开关控制接收到的来自微控制器的信号被传输到每个驱动器154、156的相应的连接或漏极开关。来自氧气端口驱动器154的氧气开关和流量感测驱动器156的流量传感器开关的结果信号被传输到压电阀128以控制通电和启动。

指示器设备134可以通过一个或多个小键盘按键感应和LED驱动器电路连接到微控制器150。类似地，声音警报系统144可以使用蜂鸣驱动器连接到微控制器150。电源138，包括硬连线电源或电池电源，可以使用控制电源分配的电源选择连接到微控制器150。各种电压调节器和转换器可用于直接地或通过如图3所示的微控制器150促进为流体输送系统的各种电路和组件的供电。还可以包括附加的电源组件，例如电源输入保护电路、充电电路、电池电压监控器或其他。微控制器150还可以具有与其连接的ADC测试电路158。

本公开的进一步细节参见图4，其是示出了用于本公开的补充氧气输送系统的操作算法的示意图，并说明在感测吸气并触发流体脉冲之后，系统如何通过抑制任何进一步的触发直至感测到呼气来防止在同一吸气上再次触发。

图5的表I报告了根据本公开的使用温度传感器在患者吸气开始后触发补充氧气流的响应时间，与使用传统压力传感器(OM-700型Chad Lotus治疗氧气保存器和CTOX-MN02型SmartDose氧气保存器)在吸气开始后触发补充氧气流进行对比。在测试中，发现根据本公开的温度传感器流量传感器比传统的现有技术的压力流量传感器敏感40倍。

图6示出了根据本公开的优选实施方式的用于气体输送的流程图。更具体地，我们发现，通过从感测到的吸入开始增加补充氧气流量的输送，补充氧气可以更好地保存，即吹过柱(mast)或插管的损失很小或没有损失，并且用户更舒服。这是由于这样的事实，即，如传统方式那样打开来自加压源的完全计量的补充氧气流将导致氧气以远远超过用户所能容忍的初始速率流入用户。也就是说，由于呼吸时肺部的自然扩张，用户无法足够快地吸入完全目标流量的补充氧气，以达到舒适和效率。因此，不是用完全目标流量的补充氧气冲击佩戴者，而是在检测到吸入开始时，增加补充氧气流，基本上与用户的呼吸模式相协调。通常，补充氧气的输送从触发时的15-40％、优选20-35％、更优选33％的起始流量增加到用户最大吸气量时的100％目标流量，然后在用户开始呼气时或之前关闭并暂停。举例来说，假设目标流量为每分钟16升氧气，吸气开始时的氧气流量最初可设置为每分钟5或6升，并根据用户的吸气增加至每分钟16升，然后在流量传感器感测到吸气停止或减慢时关闭。这在图7中进行了说明。

尽管已经参考某些实施方式详细描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，可以通过除了出于说明而非限制的目的而呈现的所描述的实施方式以外的实施方式来实践本公开。例如，上述系统可以插入到传统的固定流量调节器，或插入到传统的医院壁挂单元调节器，并将其转换为“智能调节器”。系统也可以内置到C-PAP面罩中或改进为C-PAP面罩的附加特征。该系统还可用于控制治疗气体(例如一氧化氮或麻醉气体)的输送，或用于调节用于登山和水中呼吸器应用、消防和救援防护装备、太空服应用等的补充氧气或呼吸气体的流量，这些应用可能使用密封头盔而不是鼻插管或口腔插管或面罩。因此，如本文所用，鼻插管和口腔插管旨在还包括面罩、密封的头盔等。其他变化也是可能的。因此，所附权利要求的范围不应限于本文包含的实施方式的描述。

Claims (15)

1.一种用于控制向人或动物的最好是补充氧气、治疗气体或麻醉气体的流体的输送的流体输送系统，包括：

所述流体的至少一个源；

至少一个阀组件，其可选地包括配置成操作至少一个阀组件的电源，连接到所述流体的所述至少一个源，其中至少一个阀组件配置成在所述人或动物吸气期间允许来自至少一个源的所述流体的流动；

出口端，其包括与至少一个阀组件流体连通的鼻或口腔插管、面罩或头盔；和

流量传感器，用于响应所述人或动物的吸气触发流体输送，

其中流量传感器与鼻或口腔插管、面罩或头盔流体连通并位于其上游，且包括温度传感器，所述温度传感器配置成在所述吸气开始的大约不到20毫秒内、优选地10-20毫秒内检测指示所述人或动物吸气开始的温度变化，并且

其中至少一个阀组件可选地被配置为使流体流量输送渐变，以与人或动物的呼吸模式相协调。

2.根据权利要求1所述的流体输送系统，其中所述流量传感器位于鼻插管或口腔插管、面罩或头盔之中或附近，或者位于适于连接鼻插管、面罩或头盔或口腔插管或彼此连接的口鼻插管和所述流体的至少一个源的管中。

3.根据权利要求1所述的流体输送系统，还包括用于基于来自流量传感器的信号控制至少一个阀组件的电子电路，其中该电子电路优选地包括用于启动所述流体通过所述至少一个阀组件的释放的触发机构。

4.根据权利要求1所述的流体输送系统，其中所述传感器包括热传感器、优选热敏电阻，或MEMS热流量传感器、优选MEMS热质量流量传感器，MEMS压阻流量传感器或MEMS超声波传输流量传感器。

5.根据权利要求4所述的流体输送系统，还包括被配置为加热热敏电阻的驱动器，或被配置为将流量传感器或流量传感器上游的流体加热到高于环境温度、优选地高于环境温度10-20℃的加热器。

6.根据权利要求4所述的流体输送系统，其中所述温度传感器被配置成通过温度的定向变化检测吸气开始和呼气开始，并且其中系统可选地包括位于所述温度传感器或两个MEMS热流量传感器或两个MEMS热质量流量传感器的上游和可选的下游的加热器，以及位于两个MEMS热流量传感器或两个MEMS热质量流量传感器之间的加热器。

7.根据权利要求1所述的流体输送系统，其中所述流量传感器通过压电致动器阀与所述流体的至少一个源隔离。

8.一种用于保存从流体供应输送到人或动物的优选为补充氧气、治疗气体或麻醉气体的流体的装置，包括：

流体保存器控制器，其连接在流体供应和鼻插管或口腔插管、面罩或头盔之间，其中所述控制器包括至少一个阀，可选地包括配置成操作至少一个阀的动力供应源，选择性地触发以输送所述流体至鼻插管或口腔插管、面罩或头盔；

流量传感器，其配置为感测人或动物的吸气；和

触发机构，其与所述流量传感器通信以启动保存器控制器，其中流量传感器与所述鼻或口腔插管、面罩或头盔流体连通并在其上游，且包括温度传感器，所述温度传感器配置成在所述吸气开始的大约不到20毫秒、优选地10-20毫秒内检测指示所述人或动物的所述吸气开始的温度变化，其中所述至少一个阀可选地被配置成使得流体流量输送渐变，以与人或动物的呼吸模式相协调。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述流量传感器和所述触发机构彼此远离，并且其中所述流量传感器和所述触发机构有线或无线通信，并且可选地进一步包括用于基于来自流量传感器的信号控制至少一个阀的电子电路。

10.根据权利要求8所述的装置，其中所述传感器包括热传感器、优选热敏电阻，或MEMS热流量传感器、优选MEMS热质量流量传感器，MEMS压阻流量传感器或MEMS超声波传输流量传感器。

11.根据权利要求10所述的装置，还包括被配置为加热热敏电阻的驱动器或被配置为将流量传感器或流量传感器上游的流体加热至高于环境温度的加热器。

12.根据权利要求8所述的装置，其中所述温度传感器被配置为通过温度的定向变化来检测吸气的开始和呼气的开始，并且其中所述系统可选地包括位于所述温度传感器或两个MEMS热流量传感器或两个MEMS热质量流量传感器的上游和可选的下游的加热器和位于两个MEMS流量传感器或两个MEMS热质量流量传感器之间的加热器。

13.根据权利要求8所述的装置，其中流量传感器通过压电致动器阀与流体供应隔离。

14.一种用于保存从流体源到患者的优选为补充氧气、治疗气体或麻醉气体的流体的输送的方法，包括以下步骤：

提供与所述流体源连通的阀和患者佩戴的鼻或口鼻插管、面罩或头盔；

使用与鼻或口腔插管、面罩或头盔流体连通并位于其上游的流量传感器，通过检测经由所述鼻或口腔插管、面罩或头盔的流体的温度变化，在所述吸气开始的大约不到20毫秒、优选10-20毫秒内，感测吸气的开始，

响应于感测到的吸气的开始，触发所述阀，以将所述流体从流体源释放，经由鼻或口鼻插管、面罩或头盔输送至患者，其中所述阀可选地配置为使得流体流量输送渐变，以与人或动物的呼吸模式相协调，并且可选地包括在感测到吸气开始时将流量传感器与流体源隔离的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述传感器包括热传感器，优选热敏电阻，或MEMS热流量传感器，优选MEMS热质量流量传感器，或MEMS压电流量传感器或MEMS超声波流量传感器，并且可选地还包括将流量传感器或流量传感器上游的流体加热到高于环境温度，或

其中，流量传感器包括温度传感器，其配置成通过温度的定向变化来检测吸气的开始和呼气的开始，并且可选地包括加热所述流量传感器的上游和/或下游的流体流。

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