CN116547234A - 一氧化氮生成过程控制 - Google Patents

Abstract

本公开描述了用于控制一氧化氮的电气生成的系统和方法。在一些方面，一种用于生成一氧化氮的系统包括容纳与谐振高压电路连通的两个或更多个电极的等离子体室，该谐振高压电路被配置为向等离子体室发送信号以从反应物气体的流在产物气体中生成一氧化氮；以及控制器，被配置为生成具有多个谐波频率的脉宽调制信号以激励谐振高压电路。控制器被配置为调整脉宽调制信号的占空比，控制器基于等离子体形成之前的目标电压和等离子体形成之后等离子体室中的目标电流来选择占空比。

Description

一氧化氮生成过程控制

相关申请

本申请要求于2020年10月16日提交的美国临时专利申请No.63/093,040和于2021年10月15日提交的美国实用专利申请No.17/503,223的权益和优先权，每个申请的内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及用于生成和递送与各种通气设备一起使用的一氧化氮的系统和方法，并且更具体地涉及一氧化氮生成过程控制。

背景技术

已发现一氧化氮(NO)以多种方式对于疾病的治疗是有用的，特别是心脏和呼吸系统疾病。以前的用于产生NO并将NO气体递送给患者的系统具有许多缺点。例如，基于罐的系统要求高浓度NO气体的大罐，并且在恢复治疗时要求用NO进行吹扫。从NO₂或N₂O₄合成NO要求处理有毒化学品。现有的发电系统涉及在要递送给患者或通过递送管泵送的主要空气流中生成等离子体。

发明内容

本公开涉及用于生成和/或递送一氧化氮的系统和方法。

在一些方面，本公开提供了一种用于生成一氧化氮的系统，该系统包括容纳与谐振高压电路连通的两个或更多个电极的等离子体室，该谐振高压电路被配置为向等离子体室发送信号以从反应气体流在产物气体中生成一氧化氮；以及控制器，被配置为生成具有多个谐波频率的脉宽调制信号以激励谐振高压电路。控制器被配置为调整脉宽调制信号的占空比，控制器基于等离子体室中等离子体形成之前的目标电压和等离子体形成之后的目标电流来选择占空比。

在一些实施例中，等离子体形成之前的电压和等离子体形成之后的电流通过改变脉冲宽度调制信号中的谐波振幅来独立地控制。在一些实施例中，通过在脉冲宽度调制信号的两个或更多个占空比之间交替来改变谐波振幅。在一些实施例中，在等离子体形成之后对电流的控制允许在等离子体脉冲内进行电流调制。在一些实施例中，控制器被配置为脉冲调制等离子体以控制NO产生率。

在一些实施例中，控制器被配置为调整产物气体中一氧化氮的浓度。在一些实施例中，控制器被配置为促进等离子体室中的电极间隙的击穿。在一些实施例中，控制器被配置为优化产物气体中NO与NO₂之间的比率。在一些实施例中，控制器被配置为补偿对等离子体室中电极的改变，诸如电极磨损。在一些实施例中，控制器被配置为补偿系统中的反应物特性，包括湿度、氧/氮比、温度和压力中的至少一个。

提供了一种用于生成一氧化氮的系统，该系统包括容纳与谐振高压电路连通的两个或更多个电极的等离子体室，该谐振高压电路被配置为向等离子体室发送信号以从反应气体流在产物气体中生成一氧化氮；以及与谐振高压电路通信的控制器，用于通过在两个或更多个占空比之间交替来独立地控制在等离子体室中形成等离子体的电压和在等离子体室中的等离子体中的电流以独立地调整波形的谐波频率的振幅。

在一些实施例中，控制器被配置为调整产物气体中一氧化氮的浓度。在一些实施例中，控制器被配置为促进等离子体室中的电极间隙的击穿。在一些实施例中，控制器被配置为优化产物气体中NO与NO₂之间的比率。在一些实施例中，控制器被配置为补偿对等离子体室中电极的改变，诸如电极磨损。在一些实施例中，控制器被配置为补偿系统中的反应物特性，包括湿度、氧/氮比、温度和压力中的至少一个。

提供了一种用于生成一氧化氮的方法，包括使用谐振高压电路为等离子体室提供能量，以从反应气体流在产物气体中生成一氧化氮；以及使用与谐振高压电路通信的控制器通过使用多个谐波频率调整用于激励谐振高压电路的波形的占空比来控制在等离子体室中形成等离子体的电压和在等离子体室中维持等离子体的电流。在一些实施例中，等离子体形成之前的电压和等离子体形成之后的电流是通过改变脉宽调制信号中的谐波振幅来独立控制的。

附图说明

通过示例性实施例的非限制性示例，参考所指出的多个附图，在下面的详细描述中进一步描述本公开，其中贯穿附图的若干视图，相像的附图标记表示相似的部分，并且其中:

图1是用于生成富含NO的产物气体的系统的示例性实施例；

图2是用于生成富含NO的产物气体的系统的示例性实施例；

图3是利用再循环体系架构的用于生成富含NO的产物气体的系统的示例性实施例；

图4图示了具有再循环体系架构的NO生成系统的示例性实施例；

图5A是示例性等离子体功率测量方案；

图5B是示例性等离子体功率测量方案；

图5C是示例性等离子体功率测量方案；

图6A是利用MOSFET半桥的示例性谐振电路；

图6B是利用MOSFET全桥的示例性谐振电路；

图7图示了示出比例阀校准曲线的示例性曲线图；

图8图示了示出阀校准的示例性曲线图；

图9图示了具有再循环体系架构的NO生成系统的示例性实施例；

图10图示了具有前馈气动体积的再循环/闭环气动体系架构的示例性实施例；

图11图示了呼吸机波形的示例性曲线图；

图12图示了用于具有线性体系架构的系统的产生率控制的示例性实施例；

图13图示了用于恒定浓度/恒定流量体系架构的生产控制方案的示例性实施例；

图14图示了校准曲线的示例性曲线图；

图15图示了谐振电路的模拟模型的示例性实施例；

图16图示了系统功率流图的示例性实施例；

图17图示了模拟结果的示例性实施例，示出了开路、10kΩ和1kΩ等离子体阻抗的谐振频率和等离子体功率；

图18是示出具有不同电容值的谐振阻抗的示例性曲线图；

图19是示出PWM波形的示例性曲线图；

图20图示了谐波振幅控制的示例性曲线图；

图21图示了模拟形状的谐波激励波形的FFT的示例性曲线图；

图22图示了脉冲内电流调制波形的示例性曲线图；

图23图示了脉冲内电流调制的两种方法的示例性曲线图；

图24图示了具有输入电压预调节器的控制系统框图的示例性实施例；

图25图示了等离子体脉冲调制的示例性曲线图；

图26图示了示出针对具有固定激励的一个脉冲的变压器初级电流感测和输入电流的示例性曲线图；

图27图示了示出针对具有脉冲内电流调制的一个脉冲的变压器初级电流感测和输入电流的示例性曲线图；

图28A、图28B和图28C图示了用于将反应气体朝着一个或多个电极指引的喷嘴的实施例；

图29描绘了用平行电极的电弧滑动和拉伸；

图30A、图30B和图30C描绘了喷嘴尺寸对通过电极间隙的气流的影响；

图31图示了安装在等离子体室中的示例性平行电极；

图32A和图32B图示了具有不均匀剖面的电极的示例性实施例；

图33A、图33B、图33C和图33D图示了示例性喷嘴形状及其与平行电极间隙的对准；

图34图示了被预成形为模拟磨损电极的形状的电极的示例性实施例；

图35描绘了具有减少磨损和促进对准的特征的电极；

图36A描绘了具有爬电腔体的拆分等离子体室的示例性实施例；

图36B描绘了在内表面上具有脊以增加爬电距离的等离子体室的示例性实施例；

图37描绘了具有处于一个电位的两个电极和处于相反电位的第三个电极的平行电极设计的实施例；

图38描绘了多平行电极设计的示例性实施例；

图39图示了多间隙平行设计的示例性实施例，其中多个电极电连接，并且间隙尺寸相同；

图40图示了具有多个不相似间隙的平行电极设计的示例性实施例；

图41图示了具有单个电源和用于在间隙之间进行选择的开关的平行电极设计的示例性实施例；

图42图示了可更换平行电极设计的示例性实施例；

图43图示了由单个电源供电的多平行电极设计的示例性实施例；

图44图示了等离子体室中的平行电极的实施例；

图45A和图45B图示了具有多个电极间隙的多个平行电极的示例性实施例；

图46图示了具有多个喷嘴的等离子体室的示例性实施例；

图47A图示了反应气体扩散器的使用；

图47B图示了在等离子体室的入口处使用锥形反应气体流动路径；

图48提供了具有多个喷嘴的等离子室的计算建模结果；

图49图示了多平行电极设计的示例性实施例；

图50描绘了具有可更换滑动元件的滑动电极等离子体室的示例性实施例；

图51描绘了可更换滑动电弧电极组件的实施例；

图52描绘了具有对准特征的可更换滑动电弧电极的示例性实施例；

图53A和图53B描绘了具有可更换的滑动电弧电极和嵌入式变压器的等离子体室组件的示例性实施例；

图54描绘了集成到等离子体室的端帽中的滑动电弧电极的示例性实施例；

图55图示了滑动电弧电极的示例性实施例；

图56图示了滑动电弧电极的示例性实施例；

图57A图示了4对滑动电弧电极阵列的示例性实施例；

图57B呈现了图57A中所示的4对滑动电弧电极阵列的间隙区域的特写视图；

图58A和图58B描绘了电极之间具有介电材料的2对滑动电弧电极阵列的示例性实施例；

图59A和图59B描绘了偏移滑动电弧阵列的示例性实施例；

图60A描绘了可更换滑动电弧电极的实施例；

图60B描绘了可更换平行电极的实施例；

图61描绘了具有平行电极的等离子体室组件；

图62描绘了可更换等离子体室和洗涤器组件的示例性实施例；

图63图示了卷绕的线电极的示例性实施例；

图64图示了具有外部冷却特征的电极设计的示例性实施例；

图65A和图65B图示了与特定电极间隙重叠的直管电极的示例性实施例；

图66图示了双管腔冷却电极的示例性实施例；

图67A和图67B图示了具有单个弯曲或电弧的管状电极的示例性实施例；

图68描绘了用于反应物气体和产物气体的气体调节筒的实施例；

图69呈现了通过示例性气体调节筒的气体流动路径；

图70图示了产物气体洗涤器筒的示例性实施例；

图71图示了洗涤器管的示例性实施例；

图72描绘了示出用于校准NO设备上的气体传感器的示例性过程的流程图；

图73描绘了示出用于校准再循环体系架构内的NO传感器的示例性过程的流程图；以及

图74描绘了气体校准套件的示例性实施例。

虽然上述附图阐述了当前公开的实施例，但如讨论中所指出的，也可设想其它实施例。本公开以表示而非限制的方式呈现说明性实施例。本领域技术人员可以设计许多其它修改和实施例，这些修改和实施例落入当前公开的实施例的原理的范围和精神内。

具体实施方式

以下描述仅提供示例性实施例，并不旨在限制本公开的范围、适用性或配置。更确切地说，示例性实施例的以下描述将为本领域技术人员提供实现一个或多个示例性实施例的使能描述。应该理解的是，在不脱离当前公开的实施例的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

在以下描述中给出具体细节以提供对实施例的透彻理解。但是，本领域的普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些实施例。例如，当前公开的实施例中的系统、过程和其它元件可以被示为框图形式的组件，以免不必要的细节使实施例模糊不清。在其它情况下，可以在没有不必要的细节的情况下示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使实施例模糊不清。

而且，应注意的是，个别实施例可以被描述为描绘为流程图、流图、数据流图、结构图或框图的过程。虽然流程图可以将操作描述为顺序过程，但许多操作可以并行或并发执行。此外，可以重新安排操作的次序。当过程的操作完成时，它可以被终止，但可以存在图中没有讨论或包括的附加步骤。此外，并非任何特定描述的过程中的所有操作都可以发生在所有实施例中。过程可以与方法、函数、过程、子例程、子程序等对应。当过程与函数对应时，其终止与函数返回到调用函数或主函数对应。

现在将参考附图更全面地描述主题，这些附图构成本文的一部分并且通过说明的方式示出了本公开的具体示例方面和实施例。但是，主题可以以各种不同的形式实施，因此，被覆盖或要求保护的主题旨在被解释为不限于本文阐述的任何示例实施例；提供示例实施例仅仅是为了说明。因此，以下详细描述不旨在具有限制意义。

一般而言，术语可以至少部分地从上下文中的用法来理解。例如，如本文所用的诸如“和”、“或”或“和/或”之类的术语可以包括可以至少部分地取决于使用此类术语的上下文的多种含义。通常，“或”如果用于关联列表，诸如A、B或C，那么意指A、B和C，此处在包含的意义上使用，以及A、B或C，此处在排他的意义上使用。此外，如本文使用的术语“一个或多个”至少部分地取决于上下文，可以用于描述单数意义上的任何特征、结构或特点，或者可以用于描述复数意义上的特征、结构或特点的组合。类似地，诸如“一个”、“一种”或“该”之类的术语可以理解为传达单数用法或传达复数用法，这至少部分地取决于上下文。此外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达因素的排他性集合，而是可以允许存在不一定明确描述的附加因素，同样，至少部分地取决于上下文。

本公开涉及用在各种应用中的一氧化氮(NO)递送的系统和方法，例如，在医院室内、急诊室、医生办公室、诊所和医院外作为运送患者时的便携式或流动设备或气源。NO生成和/或递送系统可以采用多种形式，包括但不限于被配置为与利用产物气体的现有医疗设备一起工作的设备、独立(流动)设备、可以与现有医疗设备集成的模块、可以执行NO系统的各种功能的一种或多种类型的药筒、紧凑型NO吸入器，以及电子NO罐。NO生成系统使用包含至少氧气和氮气的混合物的反应气体，包括但不限于环境空气，以及放电(等离子体)以产生富含NO的产物气体。

NO生成设备可以与任何可以利用NO的设备一起使用，包括但不限于呼吸机、麻醉设备、除颤器、心室辅助设备(VAD)、持续气道正压通气(CPAP)机、双水平仪气道正压通气(BiPAP)机、无创正压通气机(NIPPV)、鼻插管应用、雾化器、体外膜肺氧合(ECMO)、旁路系统、自动心肺复苏系统、氧气递送系统、制氧机、制氧系统、自动体外除颤器AED、MRI和患者监护仪。此外，产生的一氧化氮的目的地可以是与任何医疗设备相关联的任何类型的递送设备，包括但不限于鼻插管、手动通气设备、面罩、吸入器或任何其它递送回路。NO生成能力可以集成到这些设备中的任何设备中，或者这些设备可以与如本文所述的NO生成设备一起使用。

本公开包括在NO生成和NO递送领域中的构思。应当注意的是，NO递送概念可以适用于从多种来源递送的NO，包括NO罐、电生成的NO和化学衍生的NO。

NO疗法涉及向患者递送已知量的NO。NO疗法的剂量可以根据吸入浓度(例如，ppm)或每单位时间的NO摩尔数(例如，mg/hr)来规定。当规定为浓度时，目的是使吸入气体成为NO和其它气体的均匀混合物，以便整个肺部充满浓度一致的NO。

NO发生器中的含有NO的气体被称为“产物气体”。一些NO设备从含有氮气和氧气的反应气体中生成NO，而其它设备则从固体和/或液体试剂中提取NO。

NO在存在氧气的情况下迅速氧化成NO₂，因此无法在不显著损失的情况下长时间存储。当NO与氧气共存时，无论NO是如何生成的，无论是通过放电、射频加热还是化学衍生，这一化学事实都是个问题。

这种在氧气存在的情况下NO到NO₂的快速转化提出了挑战，因为NO必须从其生成位置通过NO设备内的通路递送到携带吸入气体的气动导管。NO可以因通路内的氧化、通路内的表面材料和通路内的擦洗材料而损失。

通过在吸气流中引入正确数量的NO分子，可以实现恒定的NO吸入浓度。在一些实施例中，这通过以恒定流率将适当浓度的产物气体递送至吸气流而在恒定吸气流中实现。但是，在可变吸气流量中实现恒定的吸入浓度会具有挑战性。一种方法是以恒定流率递送产物气体并改变产物气体的浓度，以便在每个流量水平下将适当数量的NO摩尔数添加到吸气流中。使用这种方法始终保持注射器处的NO的正确浓度是一项挑战，原因是在当产物气体从生成位置转移到注射器时会存在传输时间、扩散、表面损失和洗涤器损失。产物气体通路中的限流部件(例如，洗涤器和过滤器)引入时间滞后，该时间滞后会限制NO生成系统可以准确计量的吸气流量可变性的水平。生成位置和注射器之间的传输时间还要求产生率是可预测的，使得可变浓度/恒定流量解决方案不适用于非周期性的吸气流量。

另一种计量可变吸气流量的方法是生成以可变流率注射的恒定浓度产物气体。为了实现恒定的吸气流量浓度，以与吸气流量成正比的流量来注射NO气体。所注射流量与吸气流量的比率被称为“稀释比”。

NO产生率被定义为以ppm为单位的NO浓度与以(slpm)为单位的气体质量流率的数学乘积，并且可以以ppm.slpm或缩写为ppm.lpm为单位进行测量。虽然在气体中产生放电相当简单，但使用这种方法产生已知数量的NO却极具挑战性。NO产生取决于多种因素，包括但不限于等离子体活性水平、反应气体的流率和环境因素(压力、温度和湿度)。一旦形成，NO的损失率就取决于停留时间、压力、温度、洗涤器和其它因素。

NO生成过程中存在的变量越少，将NO产生控制到准确水平的能力就越大。例如，可以通过使用干燥的反应气体来消除湿度对NO生成的影响的风险。通过在固定的反应气体流率下操作，可以消除反应气体流率对NO生成的影响的风险。

在一些实施例中，NO被递送到吸气肢(inspiratory limb)气流中，从而稀释吸气气体并增加该气流的体积/压力。例如，当将含NO的气体添加到呼吸机回路中时，附加体积的气体会增加患者的压力，干扰呼吸机操作并稀释呼吸机回路中的医用气体(例如，O₂)。为此，尽可能少地稀释吸入气流可以是有益的。较高浓度的NO启用较低水平的稀释，但会增加NO氧化损失，从而使得更难了解注射的NO浓度。系统内较高浓度的NO也会导致较高的NO₂水平预注射器。

在以可变质量流率递送恒定浓度并且按需产生NO的实施例中，NO的产生率与注射的质量流率相匹配。这导致NO产生率带宽要求接近流量控制带宽要求。大多数NO感测技术，特别是适合集成到便携式设备中的小型廉价技术，带宽和响应时间不足，无法支持NO生成速率的闭环调节。因此，高带宽NO生成设备必须利用准确的开环过程控制来获得所需的带宽。在一些实施例中，高带宽开环控制与低带宽闭环控制相结合以提高整体准确性。开环过程控制器通过直接控制过程变量(自变量)或者调整设备的操作点以校正过程变量(因变量)来解释(account for)过程变量。在NO生成设备中，过程变量包括但不限于等离子体参数(例如，强度、占空比等)、反应气体流率、反应气体压力、温度和湿度。

在一些实施例中，可以通过将过量的NO转移到废物路径来降低NO产生率的带宽要求。在一些实施例中，可以通过将产物气体临时存储在贮存器中来降低带宽要求。

在这个文档中，对流的引用包括质量流。在许多实施例中，NO被添加到吸气流。吸气流可以在呼吸机的吸气肢内、吸入器内或其它向患者递送气体的设备内。在一些实施例中，NO通过递送设备被递送并被引入到患者处的吸气流(例如，鼻塞将流直接递送到患者的鼻子)。

放电等离子体可以是DC或AC。在一些实施例中，反应气体流使等离子体电弧增加超过电极间隙的长度。对于给定的电极间距，通过用反应气体流拉伸电弧来最大化NO产量。

在一些实施例中，等离子体是用射频能量(例如，RF加热、微波)生成的。在一些实施例中，可以通过调整以下参数中的一个或多个来调整NO生成：RF频率、波导间距、天线位置、流量、压力、温度等，作为生产中的变量。在一些实施例中，等离子体发生器电路是射频(RF)功率发生器，其将RF功率递送到一个或多个RF天线。在一些实施例中，RF功率在13.56MHz左右操作，功率在50-100W范围内，但是根据天线设计、生产目标和反应气体条件，其它功率范围也可以有效。在一些实施例中，RF功率在2.45GHz左右操作，以提高N₂分子的耦合和激励，峰功率高达100W。在另一个实施例中，系统在大约2.5GHz和小于4W下操作以生成高达500ppm.lpm。在一些实施例中，可以被用于生成NO的可能RF频率的范围是30kHz至300GHz。

图1图示了NO生成系统10的示例性实施例，其包括用于反应气体吸入12和递送至等离子体室22的部件。等离子体室22在其中包括一个或多个电极24，这些电极被配置为使用高压电路(等离子体发生器)28从反应气体中产生含有期望量的NO的产物气体32。该系统包括与等离子体发生器28和(一个或多个)电极24电连通的控制器30，电极被配置为使用与系统内的条件和/或与用于将产物气体递送给患者的单独设备相关的条件和/或与接收产物气体的患者相关的条件来控制产物气体32内NO的浓度。在一些实施例中，等离子体发生器电路是生成跨电极间隙的电位差的高压电路。

在一些实施例中，NO系统气动路径包括推动空气通过歧管36的泵。在一些实施例中，歧管配置有一个或多个阀：三通阀、二元阀、止回阀和/或比例孔口。治疗控制器30控制泵的流量、等离子体中的功率和放电后气流的方向。通过配置阀，治疗控制器可以将气体引导至手动呼吸通路、呼吸机通路或气体传感器室，以直接测量产物气体中的NO、NO₂和O₂水平。在一些实施例中，呼吸气体(即，治疗流)可以被引导通过呼吸机筒，该呼吸机筒测量呼吸气体的流量并且可以将呼吸气体与NO产物气体合并。

以富含等离子体室22中产生的NO的产物气体32形式的NO生成系统的输出可以被引导至呼吸设备或其它(例如，外部施药器)设备以递送给患者，或者可以被引导至为NO生成系统的自测试或校准提供的多个部件。在一些实施例中，系统以两种方式收集气体以进行采样：1)从患者附近的患者吸气回路收集气体并通过采样管线48、过滤器50和脱水器52，或2)气体在它们离开等离子体室22时直接从气动回路分流。在一些实施例中，产物气体在被洗涤之后但在稀释到患者气流中之前用分流阀44分流到气体传感器。在一些实施例中(未示出)，分流的产物气体在递送到气体传感器之前被稀释以降低浓度。在一些实施例中，产物气体是从设备附近和/或设备内稀释后的吸入气流中收集的。在设备的气体分析部分内，产物气体通过一个或多个传感器以测量其中的各种气体的温度、湿度、浓度、压力和流率中的一项个多个。

图2描绘了NO生成和递送系统60的实施例。反应气体62通过气体过滤器64进入系统。泵66被用于推动气体通过系统。系统是否包括泵可以取决于反应气体供应的压力。如果反应气体被加压，那么可以不要求泵。如果反应气体处于大气压力下，那么需要泵或其它装置来移动反应气体通过系统。泵后面的贮存器68衰减来自泵的压力和/或流量的快速改变。贮存器与流量控制器70耦合，当被加压时，贮存器可以使系统能够向等离子体室72提供大于泵66流率的流率。等离子体室72内的电极74由等离子体生成电路78激励，等离子体生成电路78基于从处理控制器80接收的期望处理条件产生高压输入。用户接口76从用户接收期望的治疗条件(剂量、治疗模式等)并将它们传送至主控制板105。主控制板105向治疗控制器80中继目标剂量并监视来自气体分析传感器组104的测得的NO浓度。主控制板105监视系统的错误条件，并且可以根据需要生成警报。当反应气体62通过等离子体室72并部分转化为一氧化氮和二氧化氮时，反应气体62转化为产物气体82。通常由一个或多个阀(即，比例阀、二元阀、三通阀等)组成的高度补偿器84可选地被用于在等离子体室72内提供背压，用于一氧化氮产生的附加控制。根据需要，产物气体通过歧管86到达过滤器-净化器-过滤器88组件，该组件从产物气体中去除二氧化氮和/或微粒。从过滤器-净化器-过滤器88，产物气体被直接或间接地通过通气筒90引入患者治疗流。在一些实施例中，通气筒90包括测量治疗流93的流量传感器92。来自流量传感器92的治疗流量测量用作经由治疗控制器80进入反应气体流量控制器70的输入。在将产物气体82引入治疗流之后，它通过吸气管道。在患者附近，接头(fitting)96被用于从吸入气流中抽取吸入气体的一小部分，通过采样管线98、过滤器100、脱水器102和Nafion(或等效物)管道来制备气体样本并将其输送到气体传感器104。Nafion管道在使用干燥校准气体时为气体样本增加环境湿度，并在收集潮湿气体样本时从气体样本中去除水分，以保护气体传感器免受超出范围的气体湿度水平的影响。样本气体离开气体分析传感器组104进入环境空气。在一些实施例中，系统60可以可选地引导气体通过分流阀94和分流气体路径95直接到达气体传感器组并离开系统。在涉及分流阀94的一些实施例中，歧管86包括阀(未示出)以在分流阀94打开时阻止流向过滤器-净化器-过滤器。在一些实施例中(未示出)，分流的产物气体在递送到气体传感器之前用不含NO的气体稀释。

图3和图4图示了具有再循环体系架构的NO系统的实施例，其中产物气体的一部分被注射到吸入气流中而另一部分没有被注射的NO系统设计。图3描绘了NO生成和递送系统110的实施例，该系统利用再循环体系架构，其中反应物气体进入系统并通过包含微粒过滤器、VOC洗涤器(例如，活性炭)、干燥剂(例如，分子筛、硅胶)和NO₂洗涤器(如碱石灰)中的一个或多个的气体调节器112。气体流向等离子体室114，在那里高压被施加到电极116以生成一氧化氮产物气体。产物气体通过泵118并继续通过可选的脉动降低器120以减少产物气体的压力和/或流率的波动。虚线圈出了可以是歧管122的一部分或附接到歧管122以简化气动路由的部件。在通过脉动降低器之后，产物气体通过过滤器/洗涤器/过滤器124。过滤器/洗涤器/过滤器从产物气体中去除颗粒物和NO₂。应当注意的是，一些洗涤器(例如，使用片材材料的洗涤器)在一些实施例中不包括过滤器之一，因为没有生成洗涤器颗粒。在一些实施例中，过滤器/洗涤器/过滤器是用户可更换的。来自过滤器/洗涤器/过滤器的产物气体的压力和流量是预先测量的。然后，产物气体被划分为一到三个分离的流动路径。在一条路径中，产物气体流过回流控制器126，回到等离子体室之前。在另一条路径中，产物气体流过样本流量控制器128、流量传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器和NO传感器。在另一条路径中，产物气体在被注射治疗气体流之前流过注射流量控制器130和流量传感器。流过返回路径的气体在进入等离子体室之前与进入的反应气体合并。在一些实施例中，等离子体室处于或接近大气压。在一些实施例中，由于入口过滤器/洗涤器的流动限制，等离子体室内的压力低于大气压。室内较低的压力可以降低击穿电压要求并实现低水平的NO产生。调制回流控制器以在流量控制器上游的管道内维持恒定压力，同时样本流量控制器维持产物气体NO传感器的目标流率，注射流量控制器以目标流率释放产物气体。在一些实施例中，目标注射流率与治疗流量成比例。注射流量控制器上游的恒定压力改进流量控制和剂量准确性。

AC波形控制

在一些实施例中，等离子体中电流和电压的调制可以通过操纵AC波形的谐波来实现。这在等离子体生成中特别有价值，因为等离子体的电负载在电击穿之前和之后以及等离子体生成期间改变，这会造成谐振电路的操作模式的改变。在滑动电弧电极的情况下，随着电弧沿电极滑下并且间隙增加，负载也会改变。等离子体生成系统中来自预热的补偿也可以通过改变等离子体电流用这些技术来实现。

在一些实施例中，电流可以作为占空比的函数来调制。在一些实施例中，短占空比事件具有比长占空比事件更低的电流。这可以为NO系统提供更广泛的产生范围。在一些实施例中，等离子体内的电流随着经过的时间而斜升。经过的时间可以是相对于电压被设置为高的时间的或从等离子体形成的时间开始的(例如，电极之间的电击穿)。这种方法使得能够根据需要以更高的分辨率实现范围广泛的NO产生。在一些实施例中，可以利用可变间隙电极(滑动电弧、滑动焊炬等)来使用电流调制。通过根据时间改变电流，由于电弧基于反应气体通过等离子体室的速度以可预测的方式沿着电极移动的事实，等离子体电流被有效地映射到电极上的具有特定电极间隙的特定位置处。在一些实施例中，在放电时，电流保持低以实现低生产值并最小化等离子体内的短电间隙的功率。电弧以由反应气体速度决定的速度沿着电极行进。设计注意电极几何形状、反应气体速度和内部脉冲电流调制之间的相互作用可以在需要时实现精细的生产分辨率，同时仍然支持广泛的产生值。在一些实施例中，当电弧处于短间隙中时等离子体功率可以被最小化，从而最小化短间隙区域中的电极温度和磨损。

鉴于反应气体速度、等离子体电流和电极几何形状之间的相互作用，存在可以在放电持续时间内实现相同的生产输出的多种组合。在一些实施例中，滑动电弧电极具有直边(对于恒定速度，间隙随时间线性增加)并且脉冲内电流随时间随二阶多项式变化。在一些实施例中，滑动电弧电极具有弯曲边缘(对于恒定速度，间隙随时间非线性增加)，并且脉冲内电流随时间线性变化。这两个示例可以具有等效的NO产生，并且仅用作可以设计和控制电极间隙和电流的方式的示例。在一些实施例中，直边电极因其可制造性而优选。

击穿发生在高电压被施加到电极的几微秒内。电流斜升率会受到滑动量的影响(例如，因为它与流率、电极几何形状等有关)。

脉冲参数测量电路(PPMC)

在一些实施例中，NO生成系统包括高压电路内的用以测量等离子体内的电流、电压和/或功率的特征。这个特征可以提供对NO发生器系统的放电活动和健康状况的深入了解。在一些实施例中，等离子体功率被测量并用作NO产生的指示器。本领域技术人员将理解，在等离子体功率和由NO发生器系统产生的浓度水平之间存在直接相关性。在一些实施例中，NO发生器响应于等离子体功率相对于预期水平的增加/减少而更改等离子体活性。例如，如果测量到等离子体功率低于预期，那么可以增加和/或延长等离子体功率(例如，增加占空比)以弥补损失的NO产生。在一些实施例中，如果检测到电击穿被延迟，那么等离子体脉冲可以被延长以补偿延迟所造成的生产损失。

在一些实施例中，等离子体电压、电流和/或功率测量被用于通知NO发生器系统关于电极的状况。例如，系统可以检测电弧是否完全发生或是否延迟发生。在另一个实施例中，机械传感器可以用于检测放电的存在或不存在。机械传感器的示例是位于与等离子体室流体连通或位于等离子体室外部的检测声压的变化的声音测量设备。声音测量设备能够感测到正在发生放电。在一些实施例中，机械传感器是检测与放电和压力波相关联的运动的加速度计。在另一个实施例中，电传感器被用于检测放电的存在或不存在。在一些实施例中，用接收由电弧生成的EMF信号的天线来检测放电。在一些实施例中，温度感测设备可以被用于检测放电的存在或不存在。温度感测设备测量等离子体室内或等离子体室外的水平，这些水平指示在电弧发生时生成的热量。

电极活动的减少可以指示磨损、污染或有缺陷的电极，或者沿等离子体室(内部或外部)表面的电气爬电。可以通过检测在间隙处击穿所需的更高电压和/或从脉冲发起到电击穿的时间增加来检测磨损的电极(更大的间隙)。一氧化氮生成系统可以通过施加附加的电压/功率/电流来响应，以补偿和/或提醒用户需要设备服务或将设备切换到二级备用一氧化氮生成系统。

在一些实施例中，以下参数中的一个或多个由等离子体电监视特征确定：击穿电压、最大击穿电压、最小击穿电压、击穿时间、最大等离子体电流、最大等离子体电压、最小等离子体电压、RMS功率/周期、等离子体周期中的脉冲数、等离子体周期的持续时间以及遗漏或错误识别出的波形数。应当注意的是，可以为波形的正半部分和波形的负半部分确定最大值和最小值。关于每次放电的这种水平的信息可以提供对实际发生的NO浓度产生和系统健康状况的深刻理解。进而，系统可以利用这个信息来优化等离子体控制和/或调整参数，以递送准确的NO水平。

等离子体电气监视也有利于故障检测。例如，NO生成系统可以检测以下一项或多项：室内电极之间的电气爬电(而不是电弧)、等离子体室外部的电弧/爬电、可以生成/更改EMI发射的条件、到设备内的其它部件的电弧(例如，外壳或低压电路系统)，无法生成NO，以及电路系统生成臭氧的可能性。例如，电弧形成的延迟可以与施加到电极的高电压相关联，该高电压有可能生成电晕(corona)和臭氧。

图5A、5B和5C中描绘了示例性等离子体功率测量方案。在图的底部，NO生成控制器向变压器的初级绕组发送低压(例如，30V)脉动波形。在图的左侧，变压器将低压脉动波形转换成次级绕组上的高压脉动波形。高压脉动波形被施加到电极，这产生电弧以生成NO。传感器被用于测量高压脉动波形的电气参数。波形的参数由脉冲参数测量电路(PPMC)监视，该电路测量等离子体电流、电压、功率和波形定时中的至少一个。在一些实施例中，PPMC使用变压器来感测通过次级线的开关电流。在一些实施例中，第二传感器被用于测量等离子体室内或周围(与电极通信)的机械、电气和/或温度参数。传感器可以测量电气参数，包括但不限于EMF、RF、电场、电位、光谱等，并且可以使用诸如上述天线之类的设备。传感器也可以被用于检测机械参数，包括但不限于运动(加速度、速度、重力、振动等)和/或使用诸如麦克风之类的设备的声压级的改变。传感器还可以被用于通过使用例如热敏电阻、热电偶或热电堆来检测温度的改变。在一些实施例中，来自PPMC的测量数据进入分离的PPM控制器，该分离的PPM控制器将模拟信号转换成数字信号、过滤信号并对数据进行后处理以确定参数，包括但不限于峰电压、峰电流、等离子体功率和击穿时间。PPM控制器向NO生成控制器发送调整信息，以便它可以对脉动波形进行调整。本领域技术人员可以认识到的是，NO生成系统与图5A中的PPM系统配合形成闭环系统。由PPM系统提供的反馈允许NO生成系统实时调整脉冲波形以产生准确的NO浓度水平。对NO生成系统所做的改变也可以补偿环境条件的改变，诸如温度、大气压力和/或相对湿度的改变或如上所述的电气部件的磨损。在一些实施例中，PPM控制器的功能被结合到NO生成控制器中。

图5C中描绘了示例性等离子体功率测量电路系统。在这个示例图中，两个传感器被用于测量等离子体功率。在一些实施例中，PPMC系统使用第一传感器(例如，传感器1)来测量高压脉冲波形的电流。传感器可以包括电流互感器、电感线圈、磁通门、霍尔效应、磁阻或本领域技术人员已知的任何其它电流感测机制中的一种。可以认识到的是，电线可能不需要与次级电线物理接触，而是可以代替地穿过、环绕、环绕或靠近电线。在一些实施例中，如图5C中所示，测得的电流信号被发送到过滤电路以去除噪声。过滤电路可以包括电感器-电容器、电阻器-电容器、Pi过滤器、低通、高通或本领域技术人员已知的类似过滤器配置。所示电路还可以包含模拟前端电路(例如，模拟前端1)。前端电路可以包括被配置为低增益放大器、高增益放大器、有源过滤器、差分放大器、电流到电压放大器或发送到PPMC的类似电路的运算放大器监视电路。在一些实施例中，PPMC系统使用第二传感器(例如，传感器2)来测量高压脉动波形的电压。传感器2可以使用高阻抗节点来感测高压脉动波形的电压。高阻抗节点可以包含串联电阻器配置，用于将PPM系统的测量电路与NO生成系统的高压电路分开。在高压瞬变能够进入测量电路的情况下，它们将被抑制，如瞬变抑制块所示。信号被发送到模拟前端(例如，模拟前端2)，并且可以使用与上述模拟前端1类似的构造。PPMC监视电路包含模数转换器(ADC)电路，并且能够将测得的信号数字化。PPMC能够获得由图5C中所示的由NO生成系统生成的等离子体的电压、电流、时间和功率信息。这个信息不限于等离子体，而是还可以包括关于发生电弧时电极击穿的信息。

在一些实施例中，PPM控制器包含微处理器或微控制器和模数转换器(ADC)。在一些实施例中，传感器信号作为模拟信号被递送以避免在高EMI环境中操作微处理器，如在等离子体室附近发现的那样。在一些实施例中，PPM控制器ADC采样频率是AC等离子体的基频频率的至少5倍。在一些实施例中，1MHz的采样率被用于测量115kHz的AC等离子体波形。其它采样频率可以根据电压和电流数据所需的分辨率和准确性水平工作。在利用专用PPMC处理器的情况下，该处理器将等离子体功率传送到NO生成控制器。

在一些实施例中，初级侧测量可以为次级侧上的等离子体电压和电流提供相当准确的代理。在等离子体形成之后，变压器初级电流与等离子体电流成正比，并且可以直接测量或者可以通过观察初级侧DC阻挡电容器上的电压(Cp，如图6A中所指示的)来间接测量(虽然异相)。如果频率已知、次级侧电容(Cs)的值已知并且对流入变压器磁化电感(Lmp)的电流施加校正，那么击穿/等离子体形成之前的次级侧电压也可以从初级侧电流测量中推断出来。可以通过观察电路的操作频率的改变、变压器两端的高dv/dt或变压器初级侧的高di/dt来检测击穿事件。当电路元件的值已知时，其它计算/推断也是可能的，诸如校正电感以通过测量初级侧变压器电压来获得次级侧电压的估计值。

由于污染、腐蚀、氧化、电气爬电、间隙变化和其它因素的综合作用，预计电极性能会随着时间的推移而改变。这些改变自身表现为NO产生校准曲线、击穿定时、等离子体电压和等离子体电流的改变。PPM控制器系统可以被用于检测这些性能的改变，以便NO生成系统可以应用适当的缓解来保持生成的NO水平准确。PPMC提供电压电平和高压电流电平中的一个或多个。这些测量使NO生成系统能够监视电极状态，为NO生成算法提供反馈，并启用实时等离子体功率测量。

PPMC还可以被用于检测电极和/或等离子体室故障、电极腐蚀(较大间隙)以及电极性能的其它改变。在一些实施例中，当PPMC在电极通电时没有检测到电流时，可以推断系统已经发生故障(例如，变压器故障、电极间隙过大)。在一些实施例中，PPMC可以检测沿着等离子体室的内壁或外壁的电气爬电，其中该电气爬电导致电压上升速率的改变。在另一个实施例中，PPMC可以通过检测指示低阻抗路径的操作频率(不存在与击穿前的开路条件相关联的操作频率)来检测室中的电气爬电。这也可以通过产物气体中NO水平的显著移位来检测。在一些实施例中，PPMC检测升高的击穿电压或延迟的击穿，这可以指示电路中的错误连接或电极间隙增加。在一些实施例中，当这些测量达到阈值时，NO生成系统推荐电极和/或等离子体室更换。在一些实施例中，NO发生器通过改变放电的时间或通过调整NO产生校准曲线来补偿电极磨损水平。在一些实施例中，基于已经记录在表格或公式中的先前表征工作对NO产生曲线进行调整。在一些实施例中，NO生成设备提示使用经校准的NO传感器手动或自动完成NO产生校准。经校准的NO传感器可以位于NO生成系统的内部或外部。

在一些实施例中，PPMC被用于在每次患者治疗开始时对n个等离子体周期进行采样。这可以在设备校准、系统自检或实际治疗期间完成。然后系统软件计算每个等离子体循环的斜率(Theta1)和误差(R²)。在一些实施例中，减小的斜率(对于给定的功率水平产生更少的NO)和增加的R^2(更大的数据方差)指示电极磨损。

PPMC通过提供实际的击穿时间来为NO生成算法提供反馈。PPMC使NO生成控制器能够检测实际击穿时间，从而调整每次放电的放电结束点，以便放电仅在目标放电持续时间(又称为占空比)后结束。类似地，电流斜坡的定时可以根据需要及时后移以解决击穿延迟。这种NO生成特征可以在设备使用寿命期间提供NO生产准确性的显著改变。击穿时间和/或测得的击穿电压的改变也可以是电极的磨损程度的指示，并且如果超过可接受的极限，那么提示更换电极和/或重新校准。

次级电路电压和电流的PPMC输出的数学乘积就是等离子体功率。在一些实施例中，NO发生器将电极对驱动到特定功率水平达特定持续时间，使用PPMC输出来计算离散放电期间的实时等离子体功率水平。在一些实施例中，根据功率水平和放电持续时间，给定反应气体流率的NO产生校准被存储在设备内。

NO发生器可以收集大量数据，用于对系统性能和剂量准确性改进进行附加分析。在一些实施例中，NO发生器针对一次或多次放电测量以下参数中的一个或多个：最大击穿电压、最小击穿电压、击穿电压、击穿时间、最大等离子体电流(波形的正半部分)，最大等离子体电流指数、最小等离子体电流(波形的负半部分)、最小等离子体电流指数、最大等离子体电压(波形的正半部分)、最大等离子体电压指数、最小等离子体电压(波形的负半部分)、最小等离子体电压指数、每周期RMS功率(sum((V*I)^2)/N)、等离子体周期中的脉冲数、等离子体周期持续时间(毫秒)以及遗漏或错误识别出的波形数。

PPMC影响被测高压电路的特点(例如，固有频率)。通过将PPMC集成到NO生成系统的实际硬件中，使其始终存在，系统的特点(例如，NO产生校准)包含PPMC的任何影响，从而呈现它们对生产讨论的影响。

NO产生控制

有可能检测放电。在一些实施例中，NO生成系统检测故障事件。这可以通过检测电压(dV/dt)、电流(dI/dt)和/或频率(dω/dt)的改变来完成。电极间隙两端的电压增加，直到电击穿。与击穿相关的压降可以被检测为放电的指示。同样，击穿也会造成电流的突然尖峰。在一些实施例中，电击穿发生在施加高压(脉冲发起)的几微秒内。

抖动加受控的持续时间

在一些实施例中，以固定脉冲调制频率操作并使用抖动方法的NO生成系统交替有限长度放电的脉冲宽度以产生介于有限速率之间的平均NO产生率。在一些实施例中，系统以50/50的比率在两个离散放电长度之间交替。在一些实施例中，不同放电长度的比率对于附加的NO产生分辨率是不相等的(即，非50/50)比率。在一些实施例中，脉冲宽度和产生率之一为零。在一些实施例中，抖动与等离子体电流调制相结合以提供对产生率的更精细的分辨率控制。

有限持续时间产生

在电极间隙内实现电击穿的时间可以随以下参数中的一个或多个而变化：电压上升速率、反应气体湿度、电极温度、电极类型、电极磨损、等离子体室压力以及存在或不存在游离离子。这种击穿时间的变化会影响放电过程中产生的NO量。例如，如果NO生成系统在设定的持续时间内向电极施加高电压，那么电击穿时间的增加或减少将反向影响击穿发生后的脉冲持续时间，分别减少或增加NO的产生。在一些实施例中，NO生成系统检测击穿事件并在击穿事件之后将等离子体维持一定量的时间。这种方法可以用于固定电极间隙设计或者可变电极间隙设计，诸如滑动电弧电极。在滑动电弧电极中，随着电弧沿着电极边缘行进，电极间隙随时间增加。因此，与固定间隙设计相比，放电持续时间的变化对NO产生的影响可能更为显著，因为NO产生的最高产生量发生在其中电极间隙最大的放电事件的末端。

流量控制

流量控制

iNO递送系统可以包括一个或多个气流控制器以递送一氧化氮疗法。至少，反应气体和注射器流量受到控制。在一些实施例中，这是用单个流量控制器实现的(反应气体流量等于注射器流量)。一些实施例结合了几个流量和压力控制器，诸如针对再循环体系架构所描述的那些。图3和图4中示出了再循环、闭环气动体系架构的示例性实施例。

线性流量控制

在一些实施例中，一个或多个阀充当线性流量控制器。在一些实施例中，称为线性体系架构，流量控制器供应反应气体流，其也变为产物气体流和注射气体流。在一些实施例中，包括再循环体系架构，等离子体室流和注射的产物气体流被独立地控制。在一些实施例中，使用类似于线性体系架构的旁路体系架构，其中流在等离子体室和等离子体室周围的旁路之间划分。这种方法使注射流不同于等离子体室流以及在形成之后快速稀释产物气体以减少NO浓度和NO₂形成。

流量控制器可以包括一个或多个泵、阀、入口和/或出口压力传感器，以及流量传感器。在一些实施例中，阀是比例阀。流量传感器被用于比例阀的闭环控制，而压力传感器被用于前馈控制。比例阀或泵可以由可变电压或电流源驱动，包括使用脉宽调制来改变施加的电压。

前馈

在一些实施例中，前馈控制被用于改进阀的阶跃响应。在一些实施例中，前馈控制使用用于通过孔板的流量的方程。在将作为孔口几何形状的函数的所有参数简化为单个常数K之后，方程变为：

其中，

·Q_m是质量流量(kg/s)

·K是孔口常数

·ρ₁是上游流体密度(kg/m³)

·dp是压降(Pa)

在一些实施例中，比例阀的孔口可以被视为线性电阻器。校准曲线可以对阀“电导”进行建模，以流量除以压力为单位，作为控制信号的函数。图7图示了示出比例阀校准曲线250的示例性曲线图，其中控制信号是施加到阀的PWM占空比。当通过等离子体室的压力和流率恒定时，NO产生最为一致和准确。等离子体室内的压力是流率、泵位置、等离子体室上游的流量限制和等离子体室下游的流量限制的函数。维持等离子体室下游恒定的流量限制/压降是有益的。当一次可以将流导向一个或多个方向时，这就提出了挑战。以下体系架构方法被用于维持等离子体室内的恒定压力。应当注意的是，术语“压降”、“背压”和“流量限制”全都与这个问题有关。

流量划分器控制

在一些实施例中，包括再循环体系架构，以及任何其它恒定浓度/恒定反应气体流量体系架构，固定的产物气体流率在注射器、再循回路径和可选的NO传感器路径之间分配而不干扰反应气体流量或压力。这减少了影响NO产生率的过程变量的范围，否则需要动态补偿。在一些实施例中，比例流量划分器因此可以被设计为维持洗涤器下游的恒定产物气体压力。

机械控制

在一些实施例中，流量划分器是用三通比例阀实现的，其尺寸被设计为使得当流从一个出口过渡到另一个时进入入口的总压降是恒定的。

开环控制

在一些实施例中，两个或更多个可调阀被电子控制以划分流，使得它们的总压降对于给定的输入流量是恒定的。在一些实施例中，两个匹配的阀被校准以确定它们作为驱动电压/电流的函数的打开百分比。流量传感器和控制器调节通过其中一个阀的流量。在一些实施例中，控制器伺服期望的开度(open fraction)，并且前馈查找计算驱动电压/电流。然后另一个阀被驱动到反向开度，同样使用前馈，使得两个阀的总和等于100％。

在一些实施例中，针对关于驱动电压/电流的流量限制校准不相似的阀。控制器伺服注射器阀的期望操作点以调节注射器流量。控制器将其它阀驱动到逆流限制，以维持通过(注射器和返回路径)对(pair)的恒定的流量限制。

阀校准通过将控制信号映射到打开百分比(percent open)来线性化阀响应。这允许流量控制器彼此相对地驱动两个阀，使得两个阀加起来达到100％打开，从而提供恒定的压降。在一些实施例中，控制信号是PWM占空比。在一些实施例中，通过将一个阀驱动到100％打开并在其驱动范围(电压或电流)上扫掠另一个来完成校准。在一些实施例中，扫掠在增加和减少驱动信号的情况下运行以补偿阀中的任何滞后。对于每个操作点(占空比)，平均打开百分比被用于最小化由于任一方向的滞后引起的误差。

图8图示了示出阀校准的示例性曲线图。打开百分比是通过将注射器流量与总流量进行比较来计算的。

其中X_i是注射器流量并且X_t是通过两个阀的总流量。

闭环压力控制

在一些实施例中，可以使用对注射器阀的入口(洗涤器的出口)的闭环压力控制。在这个上下文中，“闭环”是指测量入口压力并使用负反馈控制器(例如，PID)对其进行调整。通过使用补偿诸如滞后、粘滞和模型误差的缺陷的闭环控制，这些实施例可以实现比开环控制可能实现的更严格的跨流量划分器的压降控制。闭环控制还可以补偿注射器的出口处的呼吸机回路压力的变化。在一些实施例中，两个比例阀形成流量划分器：一个控制注射器流量，另一个控制再循环流量(或不再循环过量产物气体的体系架构中的废物流量)。在这些实施例中，再循环阀用作背压调节器，即，它通过放掉过量流量来调节上游压力。在一些实施例中，注射器阀充当简单的线性流量控制器，如上所述，由恒压源供给。在一些实施例中，多个阀可以被用于提供对注射器流量或到流量划分器的入口压力的更精细控制。在一些实施例中，多个阀可以控制多个输出流。在一些实施例中，总共三个阀可以被用于分别控制入口压力、注射器流量和到一氧化氮传感器的样气流量。

在一些实施例中，使用具有压力传感器作为其反馈源的PID控制器来控制再循环(或废物)阀。

在一些实施例中，可能有必要在产物气体路径中提供额外的死体积(除了气动和洗涤器设计中的死体积)。这充当蓄能器，以在压力控制器致动所需的短暂延迟期间供应注射器阀气体而没有显著的压力变化。洗涤器和/或泵的流量限制一般应当将等离子体与这种瞬变隔离开。

再循环

再循环体系架构是系统以固定流量通过等离子体室和固定产物气体浓度操作的体系架构。为了调节注射剂量，产物气体只有一部分被引导至患者，并且剩余流量可以被吹扫，或者在再循环体系架构的情况下，再循环回到输入端。在所有情况下，注射器流量控制都是使用比例流量划分器实现的，该流量划分器由两个可变孔口组成，而不是使用具有单个可变孔口的单个比例阀。在单个孔口通过改变节流来改变流量，在恒定流量条件下增加背压的作用下，流量划分器的两个孔口被电气控制或机械链接，使得通过孔口的组合的总流量限制近似恒定。这不仅导致恒定流量，而且还导致eNO设备(即，等离子体室、洗涤器)内的恒定压力，而与注射器流量无关。

再循环体系架构减轻了否则会限制eNO剂量递送的有效性能的几个约束。例如，产物气体流转换率受气体的可压缩性和洗涤器的死体积/流量限制的限制，这限制了线性体系架构跟踪快速改变的呼吸机流量的能力。非再循环体系架构还可以导致洗涤器和其它死体积中的可变的停留时间，这会导致难以补偿的NO损失率。通过消除通过等离子体室的可变流量，再循环去除了必须以其它方式补偿的过程变量。通过等离子体室的可变流量一般也与滑动电弧电极不兼容。再循环体系架构系统旨在最小化NO后洗涤器的数量，因为NO与氧气反应形成NO₂的倾向以及准确了解注射器处的NO浓度的期望。

图4图示了具有再循环体系架构的NO生成系统的另一个示例性实施例。该系统包括入口过滤器260，其被配置为从入口去除微粒和其它污染物(诸如VOC)。等离子体室262被配置为在反应气体(空气)流中的多个电极之间创建等离子体以产生NO。脉冲阻尼器264被用于平滑脉动泵入口流以产生通过等离子体室262的平滑流。气泵266可以抽取与再循环产物气体混合的环境室内空气通过等离子体室，并将其作为产物气体通过洗涤器供应到注射器。洗涤器268可以从产物气体流中去除NO₂。洗涤器前后的过滤器(未显示)可以用于收集来自电极和洗涤器的微粒。产物气体流量传感器FS2可感测洗涤器流出的产物气体流量，可以用于将气泵速度控制在固定流量，也可以用于补偿反应气体流量的等离子体强度。在一些实施例中，通过等离子体室的流量固定在3lpm。这个流率为大多数临床应用提供了足够的气体-等离子体交互、气体周转和NO产生。在一些实施例中，通过等离子体室的固定流率在0.5至10lpm的范围内。喷射流量控制器FC1被用于调节注射器流量。注射器流量传感器FS1感测注射器流量并可以被用于反馈以控制注射器阀。在一些实施例中，组合多个感测元件以增加传感器的动态范围。再循环流量控制器FC2被用于将过量的产物气体再循环到等离子体室入口。无论注射器流量如何，它都可以在洗涤器出口处维持恒定或接近恒定的产物气体压力。样本流量控制器FC3是比例阀，用于调节流向NO传感器的产物气体流量。NO传感器的流路中的传感器测量样本气体中的压力、温度和湿度中的一个或多个。来自这个传感器的信息可以被用于确定洗涤器的状态以及是否要求湿度控制来保护NO传感器。根据需要，这个信息还可以被用于补偿针对温度、压力和湿度的NO传感器测量。样本流量传感器FS3可以感测到NO传感器的产物气体流量。它可以被用于控制样本阀。通风流量传感器FS4可以感测通风机的空气流率，并且可以被用于控制注射器流量和产生率。在一些实施例中，呼吸机空气流率的压力、温度和/或湿度由FS4或者一个或附加的传感器测量。NO传感器被用于测量产物气体NO浓度并且可以被用作NO剂量控制算法的输入，以补偿系统中的NO损失。产物压力传感器可以感测洗涤器出口/共用阀入口处的产物气体压力。它可以被用于控制再循环阀。注射器将产物气体喷射到通风机气流中。在一些实施例中，患者吸气流量传感器(又称为通气流量传感器)和NO注射发生在可拆卸筒内。

在一些实施例中，反应气体由气泵以恒定流率从入口抽吸通过等离子体室。泵可以位于等离子体室之后以避免对等离子体室加压。当泵抽真空时，室在大气压力下操作，减去入口过滤器的压降。

因为NO产生率对流量敏感，尤其是如果使用滑动电弧电极的话，所以在一些实施例中，使用脉冲阻尼器来平滑空气泵的脉动输入流。这包括流量限制和/或流量限制和泵入口之间的死体积。在一些实施例中，流量限制由固定孔口(例如，0.030”直径)组成，其尺寸取决于目标流率、存在的死体积量和被阻尼的频率。

在一些实施例中，放电频率被设置为匹配泵脉冲频率或是泵脉冲频率的倍数(例如，频率的1/2，或每隔一个泵脉冲)。每次放电都在泵脉动循环的同一点处生成放电，消除了在等离子体室内不同压力水平下电击穿和电弧放电导致的NO产量变化。在一个示例中，泵以3lpm的恒定流量流动，生成频率为75Hz的脉动。等离子体放电被编程为以相同的频率生成，与泵脉动同相。在另一个实施例中，当等离子体室压力达到泵压力循环内的特定水平(例如，最低压力水平、过零点、最高压力)时，如等离子体室压力传感器感测到的，触发放电。在另一个实施例中，泵上的编码器被用于每次在泵循环的相同点处触发放电。

在泵之后，产物气体通过碱石灰或其它洗涤器以去除NO₂。NO在氧气存在下自然分解成NO₂，因此洗涤器和注射器之间的气动路径被最小化。在一些实施例中，一个或多个微粒过滤器位于洗涤器部件之前和/或之后以从电极、洗涤器材料、泵和其它来源捕获粒子。

在洗涤器之后，由流量控制器FC1和流量控制器FC2组成的比例流量划分器被用于将受控流量引导至注射器，同时在洗涤器出口处维持恒定的产物气体压力。在一些实施例中，泵不能控制得与注射器流量一样快，因此改变跨洗涤器的压降的注射器流量的改变会对反应物和产物气体流量产生不利影响。在注射器处维持恒定压力确保泵可以以恒定或接近恒定的速度操作。

流量划分器可以使用单个三通阀、一对彼此相对控制以维持恒定压降的比例阀或用作流量控制器(喷射阀)和背压调整器(再循环阀)的一对阀来实现。

小的、恒定的样本流也从后洗涤器产物气体流中抽出以被电化学NO传感器感测，其在一些实施例中对流量变化交叉敏感。维持恒定流量提高其稳定性和可重复性。由于目标流量和输入压力都是恒定的，因此这个流量控制器可以具有低带宽，并且主要表现为流量划分器控制的稳态流量偏移量。在一些实施例中，样气流量是200ml/min。但是，可以使用10至1000ml/min的样本流率。

未被导向注射器的气体，包括流经NO传感器的气体，被再循环回到等离子体室入口并与室内空气混合形成反应气体流，从而形成闭合系统。进入系统的室内空气的流量可以等于离开系统的注射器流量。

剂量控制算法

在一些实施例中，用于再循环体系架构的剂量控制算法与用于其它体系架构的剂量控制算法非常相似。主要是，注射器浓度的变化速度不够快，无法支持除具有固定稀释分数的恒定浓度以外的剂量递送方法，并且由于可用的NO感测技术响应缓慢，因此必须使用开环过程控制来调节产生率。再循回路径的添加使控制系统复杂化：离开等离子体室的产物气体部分地由再循环产物气体组成。因此，计算或测得的一氧化氮再循环质量流量(ppm*slpm)的误差导致预期产物气体质量流量的误差。因为这种新的产物气体流也被再循环，所以这种误差往往会随着循环的每次迭代而累积。

所需的等离子体产生率可以通过产物气体流中所需的一氧化氮质量流量(ppm*slpm)减去再循环的一氧化氮质量流量来确定。对于一阶近似，产生率应当等于注射率，因为产物气体流量减去再循环流量等于注射器流量。如果产物气体流量恒定，产物气体浓度恒定，再循回路径的尺寸足够小和/或压降足够低，那么再循环流率的传播延迟可忽略不计，并且这个近似成立。

系统中可以存在误差累积的问题。例如，上述近似的问题是再循环的NO量可能不等于产物气体量减去测得的注射流量。由于一种或多种机制，包括氧化成NO₂，NO在循环中丢失。在一些示例中，NO也因与洗涤器材料的直接交互而损失。此外，注射器流量的误差使得生成过量或不足的替代NO。由于再循环回路，推断的NO浓度中的这些误差会随着再循环回路的每一圈而累积。

测得的反应物/产物气体流量或产生率的误差确实导致输出产物气体浓度的误差，但对于给定的气体团，它们出现一次并且随着再循环回路周围的每个循环其振幅减小。因此，由这些来源造成的误差的上限等于原始误差。另一方面，每次特定的气体团通过回路时都会发生NO损失误差，因此会累积超过原始误差。NO损失或增益的来源可以包括但不限于注射器流量误差、在洗涤器内损失/吸收的NO、NO通过氧化转化为NO₂(并随后被洗涤器去除)、在气动通路中从可渗透材料中洗入/洗出NO、泄漏、对NO损失的高估(导致明显的NO增益)和被等离子体破坏的再循环的NO。

为了减轻误差的累积，可以采用一氧化氮传感器来提供负反馈。因为只有NO损失会导致累积误差，所以可以设计反馈回路来专门补偿NO损失。因为预计NO损失是稳定状态或是缓慢改变的过程，所以这个控制回路的性能要求与电化学一氧化氮传感器的缓慢响应兼容。快速瞬变，即，呼吸周期的跟踪，仍然使用开环过程控制。在一些实施例中，NO传感器测量高达2000ppm的NO。在一些实施例中，NO传感器测量高达5000ppm的NO。一般而言，根据临床应用和所需的NO产量，NO传感器的额定NO含量在100到10,000ppm之间。如图9中所示，目标递送浓度Ct由稀释因子缩放以产生目标注射器浓度(C_ot)。将其与测得的输出浓度(C_om)进行比较以产生误差项。过程控制器(例如，PID)用于计算系统中的NO损失C_loss。本领域技术人员将理解的是，为此目的，其它过程控制算法在功能上等同于PID。NO损失与目标注射器浓度(C_ot)相加，以在等离子体室的出口处产生目标产物气体浓度(C_pt)。在一些实施例中，通过用系统的前馈模型来补偿NO损失或启动行为(循环启动)以修改目标浓度，从而改进系统性能。目标产物气体浓度(C_pt)乘以产物气体质量流率(Q_pm)以产生产物气体中的目标NO质量流率Z_pt(每秒NO摩尔数)。从产物气体目标中减去再循环NO质量流率Z_rm以产生等离子体室内的产生率目标Z_nt。在一些实施例中，再循环的NO质量流量(Z_rm)通过将测得的注射器浓度C_om乘以测得或计算出的再循环气体质量流率(Q_rm)来确定。在一些实施例中，再循环的NO质量流量(Z_rm)通过将目标注射器浓度C_ot乘以测得或计算出的再循环气体质量流量(Q_rm)来估计。在一些实施例中，再循环的NO质量流量(Z_rm)通过时间延迟目标注射器浓度C_ot并将其乘以测得或计算出的再循环气体质量流量(Q_rm)来估计；响应于C_ot的改变，时间延迟对NO在受控流量下通过再循环回路的传播进行建模。将目标产生率Z_nt和测得的反应气体流率Q_pm以及任何环境因素(诸如温度、湿度或压力)馈送到等离子体系统的产生率模型以确定等离子体的操作点。在一些实施例中，产生率模型由零个或多个查找表与零个或多个线性或非线性回归方程组合而成。等离子体的操作点包括占空比、抖动和/或等离子体电流中的至少一个。对这个操作点的实际系统响应产生实际注射器浓度C_o，该浓度由NO传感器测量。

在一些实施例中，足够高带宽的NO传感器代替上述控制系统。测量浓度C_om与目标浓度C_ot进行比较并且过程控制器(例如，PID)被用于直接设置目标产生率Z_nt或者等离子体操作点。

闭环控制器还补偿产生率的误差。但是，因为与呼吸周期相比，NO传感器和相关联的反馈回路慢，所以不能预期控制器校正产生率中的增益误差或非线性性。更确切地说，它将调整等离子体的平均操作点以产生正确的时间平均浓度。在诸如呼吸机系统之类的脉冲递送环境中，这会导致等离子体在具有正误差和负误差的操作点之间交替，使得平均误差为零。这些误差将导致产物气体中的呼吸内浓度波动/误差，因此源自这个产物气体的注射流将包含不同浓度的一氧化氮。因为注射器流率是脉动的，所以注射器的体积平均浓度可以不同于产物气体的时间平均浓度。出于这个原因，该系统除了NO传感器外还结合了产生率模型来确定等离子体操作点。

在一些实施例中，未通过注射器递送的产物气体被转移到通风口、NO吸收介质或其它废物路径而不是被再循环。在这些实施例中，等离子体可以独立于注射器流量的恒定产生率和流量操作。在此类实施例中，使用NO传感器的闭环控制不会在产物气体浓度中产生呼吸内变化，并且可能仅需要NO传感器反馈回路用于准确调节注射器浓度，而无需附加模型。在一些实施例中，使用前馈控制。闭环控制的响应受NO传感器的响应时间和回路传播延迟的限制。虽然这为稳态操作提供了可接受的性能，但它导致对操作点阶跃改变的响应变慢。特别地，控制对两种情况的响应较差：NO损失的阶跃改变和浓度的阶跃改变。

系统性能可以通过包括用于NO损失的预测(前馈)模型来提高。在一些实施例中，NO损失的预测模型可能足够准确以消除对NO传感器的需要。当再循环回路中产物气体的周转率很高时，这是最可行的，即，其中预测模型中的误差会累积的循环迭代较少。

在一些实施例中，除了注射器流率的误差之外，NO损失的主要形式可以是浓度和停留时间的常数函数。如果系统在恒定流量和恒定产物气体浓度处操作，那么它应当具有恒定的NO损失补偿以校正这些损失。这个传递函数的改变，例如由于洗涤器老化或环境因素，预计会比注射器浓度闭环控制器的带宽慢得多。因此，预计控制系统可以能够对它们进行补偿。

但是，在一些实施例中，碱石灰NO洗涤器内的NO损失也可以取决于其它因素，诸如吸收的NO₂的量。如果是这样，那么NO损失率会随NO₂生成率而变化，而NO₂产生率又会在呼吸周期内变化。闭环控制响应太慢以至于无法补偿这种动态损失。因此可以使用预测NO₂产量和相关联NO损失的前馈模型。

通过减轻负反馈控制系统的负担，准确的前馈模型还改进了控制系统的启动/稳定时间。鉴于控制系统的带宽相对较低，这可以是有用的。

前馈补偿器可以考虑以下因素中的一个或多个(排名不分先后)：操作环境(温度、压力、湿度等)、洗涤器使用年限、制造差异(例如，每单位校准)、生产副产品(例如，NO₂)、产物气体的停留时间、系统操作温度、产物气体的浓度、流量和产品的氧含量气体。

在NO产生率改变与气体到达NO传感器并且传感器对改变做出响应之间存在长传播延迟。在一些实施例中，这个延迟可以在5到30秒之间。在一些实施例中，要求极慢/过阻尼的回路响应来减轻在这个延迟时段期间由于积分器饱和引起的过冲。在一些实施例中，可以通过添加前馈项来启动回路来最小化积分器饱和。因为系统中的流量是恒定的，所以前馈可以基于系统的死体积被集成为简单传播延迟。图10中示出了具有前馈气动体积的再循环/闭环气动体系架构的示例性实施例。

通过假设可变流量再循环体积可忽略不计，可以在软件中计算给定产物气体团的传播延迟。系统中剩余的体积被划分为许多尺寸相等的体积(即离散化)。缓冲区存储每个体积的浓度历史记录；因此，最老的样本表示正在再循环到等离子体室中的浓度。浓度由再循环流量和NO产生率计算得出。积分器通过在每个计算间隔添加(质量流量*时间步长)来累积通过回路的气体的质量流量；浓度历史根据计算间隔期间流动的体积来填充。

再循环体系架构还可以提供低剂量率。使用抖动或其它手段，低产生率会导致等离子体脉冲之间的长间隔。在线性体系架构中，这会在产物气体体积中产生低NO浓度区域和其它高NO浓度区域；必须依靠扩散或混合技术来最大限度地减少递送浓度的误差。相比之下，再循环体系架构在低剂量条件下仅注射产物气体流的一小部分。因此，离开等离子体室的大部分NO分子被再循环而不是新产生，因此由于大脉冲间隔引起的浓度的任何变化仅表示总NO浓度的一小部分。

再循环回路的启动

在一些实施例中，可以在再循环回路周围一圈产生高浓度NO，并且可以在将任何气体引导至患者之前关闭等离子体。关闭等离子体的定时是重要的，这样再循环回路中的浓度就不会出现尖峰或下降。在一些实施例中，再循环回路可以在向患者注射之前被启动以减少从冷起动实现精确给药的时间。

再循环回路的吹扫

NO和NO₂气体不应当长时间靠近流量控制和感测元件。随着时间的推移，系统内残留的NO会变成NO₂。因此，重要的是在使用之后清洁NO生成设备内的流路。NO和NO₂可以嵌入NO发生器的实际材料中，从而需要足够的时间让这些材料在设备存储之前排出气体。在一些实施例中，再循环回路在使用后被洗涤掉NO/NO₂气体。在一些实施例中，产物气体在再循环回路内循环足够的时间，以使所有NO氧化成NO₂，被回路材料(例如，管道)吸收的所有NO/NO₂被释放，并且所有NO₂被洗涤器吸收。在一些实施例中，当NO₂传感器指示没有剩余的NO₂时回路洗涤完成。在一些实施例中，气体循环设定的时间量，其特征在于提供足够的时间来洗涤所有剩余的NO和NO₂。在一些实施例中，不含NO/NO₂的气体(吹扫气体)流过再循环回路并且打开阀以将来自再循环回路的含NO/NO₂的气体直接释放到大气中或通过Nox洗涤器以吹扫循环。在一些实施例中，流过再循环回路并流出净化阀的净化气体的体积大于再循环回路的体积。

呼吸机系统

在一些实施例中，呼吸机为肺功能受损的患者提供辅助或完全通气。它可以提供普通或富氧空气。当吸入一氧化氮(iNO)疗法与呼吸机结合使用时，它可以以恒定的吸入浓度剂量提供给患者。

机械呼吸机使用多种不同的通气模式，诸如(但不限于)恒定气道正压通气、压力控制通气、容量控制通气、辅助控制通气和压力支持通气。呼吸机流量和压力波形会根据通气方法、呼吸频率、患者的自主呼吸和其它变量而发生显著变化。许多模式涉及从小偏流(2-10LPM)到大吸气流量(高达150LPM)和返回的快速气流转换。也会出现一段无流量(0slpm)。图11中示出了具有零偏流的示例性呼吸机波形300。再循环回路方法允许在回路内生成和洗涤NO产物气体，即使没有NO被注射到通风流中也是如此。这可确保当通气流量恢复时，注射器处有足够、准确浓缩的NO。

产物气体NO传感器校准

在一些实施例中，校准气体通过产物气体NO传感器(例如，通过再循环回路)以校准产物气体NO传感器。在一些实施例中，NO设备的输出被用于校准NO发生器内的产物气体浓度NO传感器。这是通过生成NO流并将其传递到用于吸入气体监视的NO气体传感器或者外部NO传感器来实现的。在一些实施例中，NO产物气体在传递到气体传感器之前被稀释，但这会在校准中引入一些误差。气体传感器测量的NO浓度被用于识别再循环回路中已知的气体浓度，这可以被用于更新产物气体NO传感器的校准设置。在一些实施例中，校正因子被应用到测得的气体以考虑(account for)可能与行进到参考传感器相关联的附加气体老化，这在行进到产物气体NO传感器时是不会发生的。当使用吸入气体传感器时，这种校准通常在传感器校准后立即执行，以便了解它们的校准状态。

电极更换

在一些实施例中，产物气体NO传感器可以被用于NO产生校准。在系统的整个使用寿命期间，或者在更换一个或多个部件(例如，电极)之后，不能准确性地进行产生校准。在一些实施例中，NO发生器向等离子体室供应已知流率的反应气体并扫过一定范围的放电占空比，同时用产物气体NO传感器测量产物气体中的NO浓度。在涉及再循环回路的一些实施例中，系统在这个校准步骤期间将所有产物气体流引导出系统(无再循环)。在一些实施例中，系统保持再循环回路闭合并且通过校准序列的过程补偿反应气体内NO的积累的校准测量。在一些实施例中，NO生成系统要求产物气体NO传感器在用于校准NO生产之前被校准。

在一些实施例中，外部NO测量设备被用于测量来自NO生成/递送设备的产物气体浓度。产物气体从洗涤器连接、通气筒、通气筒连接、袋子连接或其它外部气动连接路由到外部设备。在这个实施例中，设备扫掠一系列NO产生水平，保持每个水平足够长的时间以使系统和外部测量设备在移动到下一个生产水平之前稳定下来(例如，在一些应用中为30秒)。在一些实施例中，外部NO测量设备利用以下方法中的一种或多种来测量NO：红外光谱、化学发光、气体检测管、光电离和电化学。在一些实施例中，外部设备还测量NO₂以便也可以确定产物气体NO/NO₂比率。

在一些实施例中，NO发生器用环境空气或另一种零气体吹扫产物气体NO传感器以使设备内的产物气体NO传感器调零从而实现传感器的零值。在一些实施例中，等离子体被关闭并且产物气体泵被用于抽吸新鲜空气通过系统。在一些实施例中，用冗余NO生成通道，NO生成系统可以将一个通道中的NO传感器调零，同时在冗余NO生成通道中为患者生成NO。在一些实施例中，不含NO的吹扫气体通过再循环回路以使产物气体传感器(例如，氮气、氧气、空气)调零。

在一些实施例中，NO发生器/递送设备可以在检测到环境条件的改变之后自动将NO产物气体传感器重新调零。这是因为一些NO/NO₂测量方法对温度、湿度和压力中的一个或多个敏感。在一些实施例中，NO/NO₂测量能力包括对温度、湿度和压力变化中的一个或多个的补偿。

产物气体NO传感器冗余性

一些实施例包括多于一个产物气体NO传感器用于冗余。在具有冗余生成通道的NO发生器中，这会导致每个通道有4个总产物气体NO传感器用于单冗余，以及每个通道有6个产物气体NO传感器用于双冗余。在一些实施例中，一个或多个中央NO产物气体传感器可以与一个或多个NO生成通道流体连通，从而减少所需的NO传感器的总数。但是，中央传感器库一次只能测量来自一个通道的NO。在一些实施例中，如果一个通道正在治疗(treat)呼吸机而另一个通道正在治疗手动复苏器，那么中央传感器组优先应用于呼吸机，因为这是更长期和更复杂的治疗。

剂量递送和剂量准确性要求

在一些实施例中，为了确保患者吸入正确浓度的NO，可以在整个呼吸周期中在吸入气流(例如，呼吸机气流)内维持恒定的NO浓度。

在呼吸机应用中，FDA指南推荐对所递送的NO浓度有±20％的容差。在一些实施例中，基于市场研究和临床医生对现有iNO疗法的经验，目标性能是≤10％的标称准确性。

因为自主呼吸的患者可以从呼吸机管路吸入任何部分的空气，包括在偏流期间通过注射器的空气，所以有必要在整个呼吸周期中维持NO浓度准确性。FDA指南指示，任何呼吸的潮气量，无论吸气肢长度变化导致的呼吸机相位如何，NO浓度都应在目标浓度的20％以内，除了10％的体积可以在目标浓度的0到150％之间。

手动复苏

在一些实施例中，通气是使用袋阀面罩手动执行的。该袋子可以充满来自外部来源的空气/氧气，并且可以通过护理人员挤压袋子来产生患者吸气。在这些情况下，可以通过提供大致恒定的富含NO的空气或富含NO的氧气来为袋子充气，从而提供NO疗法。过多的气体可以排放到房间或真空系统。在这些情况下，iNO系统的响应时间要求相对低，因为流量不会快速改变。

脉动NO递送

在一些实施例中，该系统可以经由插管以脉冲形式递送富含NO的空气或氧气。该系统不是为患者提供恒定浓度的定量空气供患者吸气，而是为患者每次呼吸提供已知摩尔质量的一氧化氮。剂量以mg/hr或等效单位计算，而不是浓度(ppm)。在脉动递送方案中，脉冲被定时以确保所供应的全部NO都被患者吸入。

NO注射方法

任何NO注射方法的目标都是调节患者吸入的NO剂量。在一些实施例中，这可以通过以恒定浓度向患者提供足够的气体来实现。

稀释

稀释比或稀释分数被定义为富含NO的流量与呼吸机流量的比率。可以将其视为或者NO稀释呼吸机流量的量或者呼吸机流量稀释NO的量。在一些实施例中，稀释比被定义为NO产物气体流量与组合吸气流量(NO产物气体+呼吸机气体)的比率，但是本文中呈现的所有比率均使用先前的定义。

术语稀释因子被定义为通风流量与注射器流量的比率(即，稀释比的倒数)：

稀释/混合之后的NO浓度等于：

因此，对于给定的稀释(呼吸机)浓度和注射器浓度，注射器流量必须与呼吸机流量成正比，从而导致恒定的稀释因子。相反，可变的稀释因子要求可变的注射器浓度以维持恒定的稀释(呼吸机)浓度。换句话说，一氧化氮的质量流量必须与总(稀释后)呼吸机流量成正比，以维持恒定的浓度。

在一些实施例中，稀释分数是固定的。例如，对于所有治疗，稀释分数固定在10:1的实施例。在一些实施例中，稀释分数是可变的。在一个实施例中，对于特定患者治疗(流量和NO剂量的组合)，稀释分数保持恒定。所选择的的实际稀释分数是患者剂量、患者流率和NO生成要求中的一个或多个的函数。在一些实施例中，稀释分数仅作为剂量的函数来确定。低剂量可以具有高稀释分数(例如，100:1)，其优点是可以减少患者呼吸回路的体积。随着患者剂量和流率的增加，要求相应地增加注射的NO质量流率。这通过增加产物气体NO浓度和/或增加注射流量来解决，从而有效地降低稀释分数。在一些实施例中，可变稀释分数使NO系统能够最小化添加到患者回路的体积，从而最小化影响伴随和/或辅助治疗的风险。

氧气稀释

注射呼吸机回路的富含NO的空气会稀释通常被供给患者的气体。当为患者提供大气水平的氧气时，在平衡空气中用NO稀释不会出现氧气稀释问题。用补充氧气的治疗(例如，O₂浓度>21％)将导致氧气稀释，稀释比例与添加的NO量成正比。例如，来自800ppm NO罐中80ppm NO的治疗将吸入的氧气稀释10％，将100％的氧气治疗变成90％的氧气治疗。

测量的单位

因为浓度是NO递送的不完整测量，例如，它还取决于流量，因此根据其质量流量、每分钟摩尔数或等效单位来考虑NO通常很有用。对于产生、注射和稀释的NO数量，单位ppm*slpm特别方便。因为slpm是针对温度和压力进行补偿的，所以ppm*slpm与每分钟的摩尔数成正比，因此表示真实的质量流量。

用于恒定吸气肢体浓度的注射模式

如上所述，保持恒定的呼吸机浓度要求维持NO质量流量与总(稀释后)呼吸机流量的恒定比率。因为呼吸机流量可以快速改变，所以这要求系统的快速动态性能。例如，如果FDA的“体积持续时间”术语被解释为潮气量，那么潮气量为500ml并且吸气峰流量为120slpm，这表明要求25ms的响应时间才能满足来自FDA的10％体积持续时间的指导。虽然在一些实施例中使用下述恒定浓度方法，但也可以使用其它方法。

eNO系统中使用的任何注射模式的关键约束是由于产物气体中存在氧气，因此存储时间有限。在氧气存在的情况下，NO以随浓度、压力和温度增加而增加的速率转化为NO₂；因此，从空气中按需产生的NO的半衰期非常短；以秒为单位。这排除了在任何时间长度存储NO的注射模式。

恒定的产物气体浓度

在一些实施例中，使用控制方法来维持恒定的注射器浓度并改变注射器流量。质量流量控制器可以实现毫秒级响应时间，支持对呼吸机流量变化的快速响应。如果可以维持恒定的注射器浓度，那么满足FDA的20％准确性和10％“体积持续时间”容限的指导是非常可行的。来自NO发生器的NO的恒定浓度水平会随着临床应用而变化。例如，低剂量患者治疗要求NO发生器内较低的恒定浓度，而高剂量患者治疗将要求NO发生器内的较高浓度。一般而言，NO发生器内的NO的浓度可以在1到10,000ppm之间变化，这取决于患者剂量、吸气肢气体流率和稀释比。

恒定的产物气体流率

在一些实施例中，以固定注射的NO流量(可变稀释因子)操作的系统改变其一氧化氮浓度以跟踪吸气流。在一些实施例中，受气动元件、洗涤器和管道的影响，在NO产生和NO注射之间存在传播延迟。这种传播延迟使得不可能实时呼吸并满足“体积持续时间”要求。因此，此类系统有必要使用高度准确的预测模型，使得在呼吸之前生成NO。这种系统在用于自主呼吸的患者时可能表现不佳，但在易于预测的周期性吸气(例如，呼吸机治疗)期间可以充分发挥作用。

故意改变NO产物气体中扩散浓度的倾向，以及预测和跟踪这种扩散的复杂性，进一步使这种体系架构不切实际。这种系统的流率也必须低以防止在偏流期间过度稀释呼吸机回路。这需要极高的注射器浓度以在低流率下实现高质量流，这增加了更多的困难。

可变流量和可变浓度

在一些实施例中，可以使用具有可变流量和可变浓度的混合方法。这进一步增加了任何预测模型或跟踪算法的复杂性：这种模型还必须考虑传播时间不是恒定的而是随着注射器流量的变化而变化的事实。

可变吸气肢体浓度

在一些实施例中，可以有可能通过在实际吸入的吸气肢内准确地分配气体子集的剂量来规避对恒定吸气肢浓度的要求。这是通过利用注射器和患者之间的已知死体积以及吸气肢气体流率剖面来实现的。例如，在呼吸机应用中，死体积由管道、加湿器和其它附件组成。当流量可重复且死体积已知时，从注射器到患者的传播时间也可知。在此类情况下，可以准确地识别和分配实际激励的流量子集的剂量。因此，不必始终在吸气肢内维持恒定的浓度，并且系统可以被设计为以较低的峰注射率操作。这种NO生成和递送的方法可以帮助降低功耗、延长洗涤器寿命并减少电极磨损，因为总体上生成的NO较少。

持续NO递送

当NO以恒定浓度和流率递送到动态吸气流中时，吸入气体浓度(即，合并流量浓度)中的浓度会变化。利用这种NO递送方法，低吸气流的时段(即，呼吸之间的偏流)导致比高吸气流率的时段更高的NO浓度。在时间点t_n，高浓度NO区相对于患者的位置是注射点和患者之间的管道体积以及自注射时间t₀以来的流量积分的函数。如果系统被设计为使得高浓度NO区是患者吸入的气体体积，那么可以充分利用这个高浓度区来提高整体设备效率。在一些实施例中，NO在动态吸气流期间的低速时段期间被生成和递送，并且管道体积使得它是吸入的高浓度体积。在一些实施例中，NO生成系统在低速流动期间准确地分配足够体积的剂量，并确保它与将被患者吸入的体积相同，从而有效地以正确的浓度在吸气管内预加载肺的空气量肢体同时以比吸气流量所需的低得多的产生率运行。这种方法可以在节省电力的同时允许连续产生，从而允许系统调整尺寸以适应较低的峰产生率，并确保所有生成的NO都被吸入并且几乎没有NO被释放到周围环境中。生成较少的总体NO可以节省能源并减少NO发生器的消耗部件(诸如洗涤器、过滤器、干燥剂和电极)的磨损。在一些实施例中，该方法被集成到CPAP设备中。

偏流计量

NO设备和患者之间的吸气管体积由管道(直径、长度)、加湿器、适配器、雾化器端口、采样端口和吸气管中的任何其它体积源组成。在一个特定实施例中，NO设备和患者之间的吸气支路体积大于患者潮气量并且偏流足够高以在呼吸之间刷新NO设备和患者之间的体积。在这种情况下，激励体积完全由偏流组成。NO设备只需要以恒定的浓度和流率注射NO，以调整偏流。这大大简化了NO递送控制并减少了产生的NO总量，因为与吸气事件相关联的快速气体流率将剂量不足。

换句话说，以恒定流率和浓度注射NO将导致在与高吸入流率相关联的吸气流中出现低NO浓度区域。由偏流组成的吸入气体子集将以恒定水平和呼吸机回路内最高的NO浓度进分配剂量。如果可以设计系统以使高浓度NO区是患者吸入的气体体积，那么可以充分利用这个高浓度区来提高整体设备效率。因此，如果有足够体积的偏流被准确地分配，并且该体积位于NO设备和患者之间，在吸气时到达患者，系统有效地预加载肺部的剂量吸入气体正确的浓度，同时以比配给峰吸气流量所需的低得多的产生率运行。当偏流足够高以使吸气呼吸之间的潮气量流动时，这种方法效果最好。用数学术语来说：

偏置流量*(呼吸周期-吸气时间)>潮气量

可变产生

在可变产生的一种形式中，NO设备在低剂量水平(例如，<80ppm)下运行以改善血液氧合，并周期性地给患者提供高水平的NO(例如，>160ppm)以预防或治疗体内感染患者的吸气道和患者的吸气管。在一些实施例中，为了患者安全，高铁血红蛋白水平由NO设备监视。在高铁血红蛋白水平升高的情况下，NO生成和/或递送系统可以发出警报、降低剂量、跳过高剂量阶段和/或暂停治疗。

eNO产生率控制

电一氧化氮系统的一些实施例按需生成NO并且必须管理NO产生率。必须对此进行控制以调整注射器浓度。在一些实施例中，过量的NO可以被吹扫到Nox捕集器、房间或某种形式的废物处理系统。注射器递送所需数量的NO以准确分配吸气流的剂量，并且剩余的NO被丢弃。在此类实施例中，NO发生器可以在固定操作点或几个固定操作点之一处运行。在一些实施例中，操作点被校准以产生准确的NO产生率。对于一些实施例，所有生成的NO都被递送给患者(减去系统中的损失)；在此类实施例中，NO产生率必需与NO注射质量流率相匹配——如果不是瞬时的话，也是平均的。

在过程控制器中，传感器反馈可以被用于实现闭环控制。这种传感器的选择可以与系统的带宽相匹配。在NO递送系统的情况下，在一些实施例中，集成足够带宽的NO传感器来测量呼吸波形内的瞬时浓度是不切实际的。因此，有必要使用开环控制来控制一氧化氮的产生。

一氧化氮产生率是许多输入变量的函数。其中一些可以是受控变量(例如，等离子体强度、反应气体流率)，而另一些可以是不可控的(例如，温度、湿度)。生产的大部分动态范围来自调制等离子体。一些附加的控制可以通过调整流量来实现。其余因素影响小——它们是误差来源，必须考虑和/或补偿但不需要控制以便充分控制NO产生。这些包括但不限于：

·反应气体温度

·反应气体湿度

·反应气体压力

·电极温度

·电极磨损

·由于氧化引起的NO损失(转化为NO₂，然后被洗涤)

·由于因洗涤器化学引起的NO损失(受上述相同因素影响)

·电极相对于重力的朝向(热气体上升并且可以增加电极之间的气体流率

可以使用电流调制、电压调制、间隙长度调制和/或脉冲调制的组合来调制等离子体强度。

在一些实施例中，NO发生器主动控制等离子体室内的气压以实现或多或少的NO产生。在一些实施例中，NO发生器干燥反应气体以消除湿度对NO产生的影响。在一些实施例中，NO发生器将反应气体加湿至已知水平以消除由于湿度变化引起的NO产生的变化。在一些实施例中，NO发生器主动控制反应气体和/或电极和/或等离子体室的温度以调整NO和/或NO₂的产生。在一些实施例中，NO发生器在治疗之前、期间和/或之后主动测量电极间隙以补偿电极间隙随时间的变化。在一个实施例中，NO发生器包括在气体入口或再循环回路内的氧传感器以主动测量和补偿反应气体中的氧浓度变化。在一些实施例中，NO发生器主动控制N₂与O₂的比率以改变NO产生。这可以通过混合来自独立的N₂和O₂源的反应气体，或利用分子筛材料(诸如沸石)改变N₂与O₂的比率来完成。在一些实施例中，NO发生器基于来自朝向传感器的输入对流率和/或等离子体参数(占空比、电流)进行调整

流量调制方案

在一些实施例中，流量调制方案可以由系统的体系架构定义。在将反应气体流量直接馈送到注射器的线性体系架构中，流量不是独立变量；相反，它跟踪呼吸机流量(按稀释因子的倒数缩放)，因此等离子体调制是主要的控制机制。可以针对不同的使用情况调整稀释系数(例如，高反应气体流量用于高剂量情况，低反应气体流量用于低剂量情况)。这个控制系统的示例在图12中示出。感测到的呼吸机流量乘以稀释因子设定点以确定反应气体流量设定点。为了递送恒定的浓度，呼吸机流量也乘以剂量设定点以确定以ppm.lpm为单位的所需产生率。等离子体占空比查找算法和抖动控制器被用于确定等离子体占空比，以实现所需产生率。在一些实施例中，反应气体流量设定点也是等离子体占空比查找算法的输入。在恒定浓度/恒定流量体系架构中，包括再循环体系架构，反应气体流量可以保持恒定以降低其作为过程变量的重要性。可以针对不同的使用情况改变流量(例如，高流量用于高剂量情况，低流量用于低剂量情况)以适应流量对产生率的影响和/或改善注射器流量控制的动态范围。

在一些实施例中，除了针对用例的粗略调整之外，流量被视为因变量而不是自变量(即，它不用于直接控制产生率)。

等离子体调制方案

在一些实施例中，产生率主要通过调整等离子体来控制。可以使用本文件“等离子体控制”部分中描述的任何方法或方法组合。在一些实施例中，使用固定频率脉冲调制方案并添加抖动(以提供低产生率削减(turn-down)和改进的分辨率)和脉冲内电流调制(以改进滑动电弧电极寿命和分辨率)。在一些实施例中，间隙长度调制固有地由滑动电弧电极的使用引起。在一些实施例中，脉冲内电流调制中的电流是从脉冲开始经过的时间的函数；它实际上是个因变量。因此，控制系统将脉冲宽度(占空比)作为单个独立变量进行调制。滑动电弧中的间隙长度同样是空气速度和等离子体开启时间的函数。

可以通过将校正因子应用于控制系统中的状态变量(诸如等离子体占空比或目标产生率)来执行对影响产生率的非受控因素(因变量)的补偿。确定这个校正因子要求在广泛的环境和其它操作条件下对NO设备进行全面表征。图13中示出了生产控制方案的实施例的示例性概述。以ppm.lpm为单位的目标产生率针对测量或控制的反应气体流量下的NO损失进行校正。经校正的产生率被馈送到环境补偿算法或查找中，其作为反应气体流量、等离子体室压力、反应气体湿度、反应气体温度和可能的吸气脉冲持续时间的函数创建经补偿的生产目标。结果所得的经补偿的产生率被馈送到等离子体占空比查找算法和抖动控制器中，以确定导致正确产生率的等离子体占空比。在一些实施例中，电流调制控制器还调制谐振电路激励波形以独立于等离子体占空比调整等离子体电流。

等离子体占空比查找

在一些实施例中，使用等离子体占空比查找表。由于除抖动以外的其它过程变量实际上是因变量，因此主要控制变量是等离子体调制。在一些实施例中，等离子体参数与PWM占空比协变。以质量流量为单位(例如，ppm*slpm)的产生率被表征为通过等离子体室的反应气体流率(标记为等离子体流)和等离子体占空比的函数，如图14中所示。图14展示了反应气体流率沿着X轴对各种等离子体占空比的影响(分开的曲线)。图14包括0.015占空比曲线、0.020占空比曲线、0.027占空比曲线、0.036占空比曲线、0.047占空比曲线、0.063占空比曲线、0.084占空比曲线、0.112占空比曲线、0.148占空比曲线、0.198占空比曲线、0.263占空比曲线、0.350占空比曲线、0.466占空比曲线，及0.620占空比曲线。这种表征包括因变量，诸如电流调制。具有较低产量的曲线是在低等离子体占空比和/或低电流的情况下生成的。图顶部附近的虚线表示示例性系统的最大生产要求。这些生产曲线表示示例性NO生成系统的NO生成性能。基于制造差异，每个独立的系统可以具有略微不同的曲线。因此，通常要表征每个系统的反应气体流量、等离子体占空比和NO生成之间的关系。该表征的结果存储在设备中以供将来参考。在一些实施例中，结果被存储为查找表，系统在其中查找占空比和/或反应气体流率，以基于所需的NO产生水平进行操作。在其它实施例中，NO生产校准被捕获为方程式的系数，该方程式计算作为NO生产要求和已知反应气体流率的函数的占空比。在另一个实施例中，图14中的每条曲线回归为多项式并且系数存储在系统存储器中。在一些实施例中，剂量控制软件在流量和产生率之间进行插值以确定正确的占空比。图14还图示了产生率对等离子体强度(占空比)的相对灵敏度与对流率的相对灵敏度的关系，如前面所解释的，这促使选择占空比作为主要的独立过程变量。

在一些实施例中，为离散电流调制水平生成多个表。例如，当目标产生率低于标称电流下可达到的产生率时，设备会切换到低电流量调制方案及其相关联的生产曲线。

等离子体室

等离子体电气特点

等离子体被定义为离子和自由电子的气体。空气标称地是绝缘体；但是，当在气隙上施加足够的电压时，就会发生雪崩击穿，空气变成等离子体。发生击穿的电压标称地是气隙距离和反应气体压力的函数，但也受许多其它变量的影响，包括电极几何形状、时间和自由电子的存在。

在发生击穿之后，等离子体中离子和电子的存在使其导电；空气有效地从绝缘体过渡到导体。等离子体还可以表现出负阻抗特性：随着电流的增加，离子和自由电子的数量增加，并且电阻下降。因此，更多的电流导致更低的电压降，即，等离子体的有效电阻为负。

高压发生器电路

在NO生成设备的一些实施例中，高压组件使用谐振变压器来高效地产生等离子体形成所需的击穿电压并在等离子体形成之后高效地向等离子体供应AC电力。当前公开的实施例可以通过调谐电路和控制激励电压波形的谐波含量来改进谐振拓扑，以使单个谐振变压器能够提供以下功能：通过在具有高Q因子的谐振下操作来快速发起高压击穿、在等离子体形成之后和短路条件下的受控放电电流、放电电流的快速调整，以及电弧熄灭时等离子体的自动重新点燃。

10-1000kHz范围内的高谐振频率最小化变压器和其它电抗部件的尺寸。当考虑到AC波形中固有的功率波动时，它还提供了良好的时间分辨率。也可以使用其它操作频率范围，诸如例如50-400kHz。谐振电路可以如图6A中所示构造。一个或多个电容器(Cp)与变压器初级(Lpri)串联放置，以阻止/重新捕获磁化电流(Lmp)并调谐谐振。与变压器串联的电感(Lleak)与电容器形成LC串联谐振回路。在一些实施例中，电路的串联电感仅由变压器的漏电感(Lleak2)组成，其可以以产生大的和/或可重复的漏电感的方式构造。在一些实施例中，分立的串联电感器也被添加到电路。变压器次级上存在附加电容(Cs)。等离子体表现为跨变压器次级的主要电阻负载(Rarc)。在一些实施例中，串联电阻器Rout被添加到次级以减少电磁干扰和/或稳定负载的电阻。图15中所示的Rfet和Rpri是电路的寄生元件。

谐振电路由微控制器数字控制的MOSFET半桥或全桥激励。对于本领域技术人员显而易见的是，可以利用其它半导体器件或拓扑结构来实现可比较的结果，并且也可以使用分立的、模拟的、ASIC或可编程逻辑来生成控制信号。因为LC电路滤除方波激励的谐波，所以基本谐波分析可以合理地近似谐振电路操作，从而产生如图15中所示的谐振电路模拟模型。图6A中示出了这个电路利用MOSFET半桥的可能实施方式。使用MOSFET全桥的可能实施方式在图6B中所示。

谐振电路的输入电压可以由电池或外部电源供给。在一些实施例中，当输入电压可变时，诸如当电池放电时或当电源在电池和外部电源之间切换时，输入电压被预调整器调整为固定电压以产生可重复的谐振电路操作。预调整器可以是任何形式的线性或开关电源，包括但不限于升压、降压或升降压拓扑。

在一些实施例中，在预调整器的输出端采用大容量能量存储电容，并且预调节器的控制回路被调谐以限制峰输入电流和输入电流纹波，如电池或电源所看到的，否则如果等离子体是脉冲调制的，那么产生这种峰输入电流和输入电流纹波。这防止等离子体的高瞬时功率使过载保护电路跳闸并减少。系统功率流图的示例在图16中示出。

图16示出了具有预调整器的上面提到的激励电路的示例性实施例。该电路由电池或9-15V DC范围内的DC电压源供电。DC/DC升压转换器用作预调节器，使用测得的输入电流来限制输入电流纹波。跨预调节器的输出端连接的大容量储能电容器供给生成等离子体脉冲所需的能量。由半桥、DC阻挡电容器和高压变压器组成的谐振电路生成在电极之间形成等离子体所需的高压。

谐振操作模式

继续参考图6A、6B和15中的电路，因为电极之间的电极间隙的阻抗根据是否存在等离子体而变化，所以谐振电路实际上具有两种操作模式。在等离子体形成之前，电极间隙实际上是开路。电路的串联电感Lser由Lleak+Lleak2组成，与变压器次级电容(Cs)和初级DC阻挡电容(Cp)的串联组合产生谐振。这在下文中被称为“二次谐振”。在这种模式下的操作跨次级电容(Cs)产生大电压。在等离子体形成之后，次级侧电容被等离子体有效短路(Rarc)，并且由Lleak+Lleak2组成的电路Lser的串联电感与初级上的DC阻挡电容(Cp)谐振，从而形成RCL电路，其中“R”是等离子体的阻抗加上电路元件的寄生电阻。这在下文中被称为“初级谐振”。这种模式下的操作在形成的等离子体中产生大电流。因为初级侧电容(Cp)存在于两种操作模式下，所以两种谐振频率必然不同。

还存在由变压器的磁化电感(Lmp)、次级电容(Cs)和初级电容(Cp)形成的平行谐振。这在下文中被称为“平行谐振”。在一些实施例中，可以使用这种谐振代替次级谐振以在次级上生成高电压并点燃等离子体。

在一些实施例中，变压器次级(Cs)上的电容完全由“寄生”元件组成，诸如变压器的绕组间电容、电极电容和高压布线中的杂散电容。在一些实施例中，一个或多个分立电容器也被添加到电路。在一些实施例中，变压器匝数和构造被设计为最小化这种寄生电容，以便用更小的电力电子电路产生更高的谐振频率和更快的电压上升时间。

通过使用不同的等离子体阻抗值对图15中的模拟模型执行AC分析，可以直观地看到电路具有不同谐振频率的性质，这取决于等离子体是否存在。示出开路、10kΩ和1kΩ等离子体阻抗的谐振频率和等离子体功率的示例性模拟结果在图17中示出。当等离子体被建模为开路时，电路表现出115kHz的谐振频率，等于串联电感Lser＝(Lleak+Lleak2)与Cs(经变换的)和Cp的串联组合谐振。当等离子体被建模为较低阻抗负载(1-10千欧)时，谐振频率变为58kHz。

二次谐振

为了发起等离子体放电，谐振电路以二次谐振的频率被激励。当阻尼小时，每个相继的激励周期在谐振电路中积聚能量，跨变压器次级电容(Cs)产生越来越高的输出电压，直到在电极之间形成等离子体或直到达到临界电压/电流，使得由于阻尼引起的损失等于增加的能量。阻尼由系统中的多个寄生和/或有意元件引起，包括但不限于串联电阻、平行电阻/泄漏、电容器介电损失、变压器磁滞、涡流损失、趋肤和邻近效应以及磁芯损失。

在一些实施例中，使用受控量的阻尼来限制系统可以产生的峰电压。这为设计增加了一定程度的固有安全性和/或容错性。在一些实施例中，变压器被设计为在达到最大电压时饱和。因为谐振电路电流受激励频率下串联LC回路的阻抗限制，因此饱和变压器呈现的短路负载可以是非破坏性的。

为了计算谐振频率，次级电容(Cs)可以跨变压器反映并按匝数比N2/N1缩放。因此，它看起来与初级电容串联，产生的谐振频率w_s为：

其中谐振电容C_r为，

并且有效(经变换的)次级电容C_s(eff)为，

与初级串联的DC阻挡电容器(Cp)与次级谐振(C_s(eff))形成电容分压器，从而降低次级电压。它还产生有效谐振电容C_r，该电容必然低于Cs，从而提高谐振频率。较大的Cp值可以被用于最大化次级上的电压并最小化对谐振频率的影响。在一些实施例中，Cs＝20.7pF，Lleak＝1.2μH，Cp＝4.2μF。因此Cr为1.58μF，ω_s为116kHz，如图17的阻抗图所示。

初级谐振

当电路以“初级谐振”操作模式操作时，等离子体的阻抗通过变压器的高匝数比进行变换，从而在初级上产生小的负载阻抗。等离子体中的电流流量由激励电压和由此产生的串联RCL电路的阻抗确定，该串联RCL电路由串联电感(Lleak+Lleak2)、DC阻挡电容(Cp)和等离子体的变换阻抗(Rarc)组成。如果不小心将它们最小化，那么系统中的其它寄生元素也会限制电流。这些元素可以包括但不限于串联电阻、平行电阻、电容器介电损失、变压器磁滞、涡流损失、趋肤效应和邻近效应以及磁芯损失。

初级谐振的频率必然低于次级谐振的频率：因为串联电容器的有效电容小于任何一个单独的电容器，短路次级电容必然会增加有效谐振电容，从而降低谐振频率。对于一阶近似，谐振电容等于初级电容，因此谐振频率为，

如果电路处于初级谐振操作模式并且在其谐振频率下操作，那么反应阻抗jωL-j/(ωC)为零，等离子体电流仅由激励电压、等离子体阻抗和系统的寄生损失元件确定。在一些实施例中，结果产生的电流可能过高。在一些实施例中，电路以谐振以外的频率操作，使得串联电感和电容的反应阻抗不为零并且限制等离子体中的电流和短路故障条件下的电流。在一些实施例中，该电路被设计为通过操作来产生受控的等离子体电流，使得反应阻抗显著大于等离子体阻抗并且因此等离子体电流表现出对等离子体阻抗的可变性的低灵敏度。

谐振电路调谐

在一些实施例中，谐振电路调谐提供快速击穿、稳定的等离子体电流和高效操作。如即将描述的，调谐电路以在具有单一激励频率的初级谐振和次级谐振操作模式下操作产生次优结果。

为了发起等离子体形成，一般期望以尽可能接近其自然二次谐振的频率来激励电路。这在最短时间内产生最大电压。当产生高电压时电极间隙内的空气击穿使得电路在二次谐振操作模式下自限。

在等离子体形成之后，在一些实施例中，电路以不同于自然初级谐振的频率被激励，使得电抗阻抗Z_r＝jωL-j/(ωC)在驱动低阻抗等离子体和/或短路故障条件时限制电路中的电流。在一些实施例中，该电路被设计为通过操作来产生受控的等离子体电流，使得反应阻抗显著大于等离子体阻抗并且因此等离子体电流表现出对等离子体阻抗的可变性的低灵敏度。由于各种因素，等离子体阻抗可以表现出可变性，尤其是滑动电弧电极中发生的变化的电弧长度。这产生等离子体电流，它是激励电压的稳定函数：谐振频率和激励频率可以随着部件老化和操作温度或其它环境条件的变化而漂移。在自然谐振频率以外的频率下操作电路的另一个益处是，它降低对操作频率或谐振频率变化的灵敏度：斜率ΔZ/Δf在谐振时最高，因此电路在非谐振频率下运行谐振对操作频率和元件值漂移的误差不太敏感。

针对单个操作频率调谐串联谐振

对于给定的串联电感，较小的C_p值产生ω_s和ω_p的值，这些值更高且靠得更近，使得如果初级谐振在ω_s处被激励，那么可以产生显著的等离子体电流。但是，C_p两端产生的初级电压也上升并且次级两端施加的输入电压的比例下降；因此，为了达到相同的击穿电压，要求更大的输入电压并且初级电容器上产生更高的电压。谐振峰也变得非常窄，从而导致对谐振频率的误差的高灵敏度。

针对单个操作频率调谐平行谐振

平行谐振中的磁化电感的调谐是一种比减少初级电容更可行的“堆叠”谐振方式。降低变压器的磁化电感(例如，通过使变压器磁芯有间隙)提高平行谐振，并且可以被用于使其接近初级谐振。增加初级侧电容的值还可以减小次级电容变得短路时谐振频率的改变的量值。但是，较低的磁化电感值和较大的初级侧电容值导致平行谐振槽(tank)中出现非常大的循环电流。

多谐波调谐

为了通过调谐初级电容和/或磁化电感来减轻使ws接近wp的挑战，可以针对两种不同的激励频率设计电路。这可以通过控制不同激励频率的振幅来独立控制等离子体点火和持续电流。在一些实施例中，次级谐振用于点燃等离子体，而初级谐振用于维持等离子体电流。在一些实施例中，高压发生器可以被设计为用在ws处具有显著二次谐波分量的波形在ws/2处激励电路。然后可以将初级谐振调谐到接近但不完全是ws/2。在一些实施例中，变压器的磁化电感被最大化以减少磁化电流及其相关联的阻尼/损失。在一些实施例中，图15的电路能够在电路被116kHz谐波分量激励时产生大击穿电压，而当电路被58kHz谐波分量激励时维持大而稳定的等离子体电流。在一些实施例中，高压发生器电路和激励波形利用除一次和二次以外的谐波的组合(例如，一次和三次、二次和三次、一次和四次等)来激励电路的不同操作模式。

DC阻挡电容器C_p可以利用低损失电介质来防止显著损失和发热。DC阻挡电容器C_p可以利用随时间、温度和施加的电压极其稳定的电介质来防止谐振频率漂移。非限制性示例包括用于提供必要性能特点的聚丙烯膜和C0G陶瓷电容器。

在一些实施例中，电路被调谐以使得初级谐振低于激励频率。与初级谐振高于激励频率的电路相比，由于C_p/C_s的较大比率，因此产生更高的次级电压。它还会导致一次与二次谐波之间初级谐振阻抗的较大差异，从而降低每种操作模式对激励其它操作模式的谐波的灵敏度。特别地，当以初级谐振操作模式操作的电路在二次谐波频率下具有有限阻抗时，二次谐波激励分量的存在会限制控制器通过单独调制一次谐波来降低等离子体电流的能力的组件。在其它实施例中，更实际的是对电路进行调谐以使得初级谐振低于操作频率。例如，图15的电路使用58kHz的激励频率和九个0.47μF电容器在初级谐振以下被激励，以产生4.2μF的Cp值。为了在谐振以上操作电路时实现相同的阻抗和稳定性，将需要十九个0.47μF电容器—这显著增加成本和电路尺寸。图18图示了示出具有不同电容值的谐振阻抗的示例性曲线图。

在一些实施例中，使用平行谐振代替二次谐振来点燃等离子体。在这些实施例中，基波激励频率产生点火，而(一个或多个)高次谐波或谐波产生受控的等离子体电流。

谐振电路激励

如上所述，可以调谐电路使得可以用不同频率激励初级和次级谐振。因为诸如图6A或图6B中所示的实施例之类的MOSFET激励电路产生矩形波，所以激励波形必然包含基波激励频率的谐波。这些谐波可以被用于激励电路的不同谐振频率。在一些实施例中，当等离子体存在时，基波被用于激励初级谐振并控制等离子体电流，而当等离子体不存在时，二次谐波被用于激励次级谐振并产生高电压。因此，半桥以固定频率被激励，并且电路被动且自动地改变其操作频率，这取决于等离子体是否存在。这使得控制器能够在没有明确检测或调整谐振操作模式的改变的情况下操作。

在一些实施例中，初级和次级谐振的激励电压可以通过调整激励波形的相关谐波分量的振幅来独立控制。这种调整可以通过调整矩形激励波形的脉冲宽度来完成。因此，例如，有可能在不显著影响击穿时间的情况下调制等离子体电流，反之亦然。

谐振电路激励波整形/谐波含量

方波(50％占空比)仅包含奇次谐波(1、3、5、7等)，而具有其它占空比的波形还包含偶次谐波(2、4、6等)。通用矩形波形中给定谐波的振幅为：

a₄＝Ad

其中n是谐波数，A是峰-峰振幅，并且d是占空比。

通过以33.3％或66.7％占空比操作MOSFET激励电路，二次谐波的振幅最大化(0.276*Vin)，而基波的振幅为0.33*Vin。在一些实施例中，NO发生器在没有电流调制的情况下标称地在这个操作点处操作。

谐振频率确定

在一些实施例中，电路生成尽可能接近电路的次级谐振频率的谐波分量以产生快速等离子体形成。由于电路被调谐到在与初级谐振频率略有不同的频率下操作并且因此可容忍初级谐振激励频率中的误差，因此控制基波激励频率以在次级谐振频率处产生谐波。在一些实施例中，NO发生器能够通过用不产生等离子体放电的低激励振幅扫掠激励频率并观察电路的响应来自行确定其次级谐振频率。在一些实施例中，它测量变压器初级绕组中的电流。在谐振时，电路的反应电抗为零，并且因此电流最大。对于本领域技术人员来说显而易见的是，电路中的其它电气量可以可替代地被用于检测谐振峰值，包括但不限于次级电压、Cp两端的电压等。

电流调制

在一些实施例中，通过在逐个脉冲的基础上改变激励占空比来调制谐波振幅。这允许等离子体电流以与激励频率的一个周期一样小的时间分辨率进行调制(例如，对于1MHz的激励频率为1微秒)。脉冲宽度在两个或更多个离散的占空比之间交替，操作频率等于较高次谐波频率。例如，图19中所示的PWM波形在两个占空比之间交替，以提供50kHz和100kHz的受控谐波。波形中的脉冲频率为100kHz。这个波形等同于以50kHz和180度异相操作的两个具有不同固定占空比的PWM波形的总和。在下面描述波整形时，“基波”或“一次谐波”是由交替占空比产生的较低频率(50kHz)，而“二次谐波”是由脉冲率产生的较高频率(100kHz)。前面描述的谐波波形(例如，占空比为33％时为50kHz)可以被视为下面波形的一种特殊情况，其中一个脉冲具有66％的占空比(在100kHz脉冲速率下)，另一个具有0％的占空比。图19图示了PWM波形整形的示例。

由两个离散占空比组成的波形的谐波振幅可以如下确定。PWM波形的傅立叶展开为：

x(t)＝a₀+Σa_ncos(2πCtn)-Σb_nsin(2πCtn)

a₀＝Ad

b_n＝0

其中a_n是谐波n的振幅，d是占空比，A是峰-峰振幅，并且b_n为零，因为信号没有虚部。a₀是信号的DC偏移量并且被阻塞电容器拒绝。当为占空比d₂添加180°相移时，一次和二次谐波分量x₁(t)和x₂(t)变为：

对A进行归一化并使用三角恒等式cos(A+B)＝cos(A)cos(B)-sin(A)sin(B)，这简化为：

/>

如果将两个波形(0°处的d₁和180°处的d₂)相加，那么结果所得的谐波振幅a₁和a₂是：

在一些实施例中，d₁和d₂被调制以在次级谐振频率下维持恒定的激励电压a₂而在初级谐振频率下改变激励电压a₁。这提供了一致的等离子体形成时间，但在等离子体形成之后可变电流，从而允许经调制的产生率和可重复的击穿时间。对于交替的占空比d₁和d₂，图20示出了作为d₁的函数被调制的d₂以维持恒定的二次谐波振幅(a₂)。一次谐波振幅(a₁)作为d₁和d₂的函数变化，从而允许调制电流。图20图示了谐波振幅控制的示例性曲线图，图21图示了模拟的整形的谐波激励波形的FFT示例性曲线图。

在一些实施例中，a₂在等离子体脉冲开始时升高以发起更快的击穿，但在脉冲后期(在等离子体形成之后)降低以允许更高的a₁值(因为最大化a₂必然限制a₁，反之亦然)。这可以在图22的示例性脉冲内电流调制波形中看出。

在一些实施例中，电路使用平行谐振和初级谐振来操作。在这些实施例中，a₁与击穿时间相关联并且a₂与等离子体电流相关联。

必须注意的是，用于分析电路的基波谐波近似在分析电流调制时产生不准确的结果。这是因为谐振电路在其谐振频率以外的频率下确实具有有限阻抗。因此，基波分量(a₁)确实为等离子体的形成贡献了一些能量，而二次谐波分量(a₂)在等离子体形成之后确实贡献了一些电流。当使用电流调制来降低等离子体电流时，这一点尤为重要—a₂的值与谐振电路的调谐相结合，产生可以产生的最小电流。这可以在图22的示例性脉冲内电流调制波形中看出。仔细检查图18会发现，一些调谐在一次和与二次谐波频率之间产生更大的阻抗改变，这允许给定a₂的等离子体电流具有更大的动态范围。但是，增加这种差异一般意味着更接近初级谐振操作，这在特定电路调谐支持大电流削减比(固定a₂)的能力与其对操作频率或部件值改变的灵敏度之间产生权衡。

通过对激励波形进行整形的电流调制可以导致比通过改变输入电压实现的响应时间快得多的响应时间。输入电压的改变率受电源或输入电压预调节器的电容限制，而波形状可以在谐振激励频率下进行调整。通过使用波整形，在脉冲调制等离子体的每个脉冲内调制等离子体电流。这在下文中被称为“脉冲内电流调制”。例如，电流可以与滑动电弧电极内等离子体的位置同步地进行调制，以产生适合特定间隙长度的电流。

图23描绘了脉冲内电流调制的两种方法。实线500示出放电占空比(持续时间)与通过放电的电流之间的线性关系。虚线502示出放电占空比与电流之间的非线性关系。由于低占空比下的斜率较浅，因此非线性设计在低端产生分辨率方面具有优势。对于给定的占空比增量，较浅的斜率导致产量增量较小。其推论是，当使用虚线曲线相对于实线曲线时，占空比的小偏差导致NO产量的改变较小，从而导致在低产量水平下更稳定的NO产量。

输入电压预调节器

在一些实施例中，输入电压预调节器有两个目的。第一个是提供一致的激励电压，独立于输入电压。预调节器的第二个目的是平滑NO发生器的输入功率。

在等离子体形成之后，等离子体电流近似为I≈V/Z，其中V是激励电压，并且Z是谐振电路阻抗，包括等离子体阻抗。NO产生控制电路可以由经调节的DC电源供电，或者由电池供电，从而导致宽输入电压范围，因此有必要预先节整电压以确保等离子体电流一致。

NO产生控制电路可以由具有电流限制的电源供电，诸如电池或DC电源。瞬时等离子体功率高但占空比有限，因此即使未超过电源的平均功率限制，NO产生控制电路也可以触发电流限制。提供严格电压调节的预调节器将汲取等于其输出功率(加上损失)的输入功率，因此不会防止任何输入电流限制的误触发。在一些实施例中，预调节器因此利用控制转换器的平均输入电流的反馈回路。这个回路的设定点可以由外部电压回路确定。转换器采用大输出电容，能够吸收和供应高达50％的脉冲能量，而不会出现明显的电压纹波，并且电压回路带宽被调至低于等离子体脉冲频率。结果是预调节器充当纹波平滑器。控制系统框图504在图24中示出。感测输出电压(“Vreg”)并将其与参考值(“Vreg设定点”)进行比较以确定误差信号。误差被馈送到PID补偿器中以产生电流设定点(“Iref”)。PID的输出被限幅在最大电流(在这种情况下为5安培)。将电流设定点与测得的输入电流进行比较，以创建第二误差信号，该信号被馈送到第二PID补偿器以确定用于DC/DC升压转换器的操作占空比。物理设备(“升压转换器”)响应于这个刺激而产生输出电压(“Vreg电压”)和输入电流。从图26中所示的输入电流波形(CH4)可以观察到调节器的性能。

等离子体强度控制

等离子体强度的控制是控制一氧化氮产生率的主要手段；在一些体系架构中，它是唯一的手段。等离子体强度可以通过激励电压调制、谐振电路激励波整形和/或脉冲调制来控制。

励磁电压调制

在一些实施例中，可以通过改变谐振电路的激励电压来调制等离子体强度。这是通过以下一项或多项来实现的：(1)到半桥的DC输入电压的调制和(2)谐振电路激励波整形。

脉冲调制

在一些实施例中，通过以低于谐振电路的操作频率的调制频率启用/禁用半桥谐振激励来对等离子体进行脉冲调制(参见图25)。适用的脉冲调制方案的一些示例包括脉冲宽度调制、脉冲频率调制和脉冲分组。例如，在一些实施例中，系统标称地使用具有200Hz脉冲周期的固定频率脉冲宽度调制。在一些实施例中，选择脉冲频率以与等离子体通过滑动电弧电极所花费的时间对应。

在一些实施例中，脉冲调制是控制等离子体的主要手段。它提供了大动态范围和高可重复性。

在一些实施例中，诸如当使用数字控制器时，等离子体脉冲宽度可在有限增量上调整。例如，在一些实施例中，等离子体脉冲宽度可以具有10μs的分辨率。

在一些实施例中，脉冲调制频率和谐振激励频率之间的混叠可以将一些随机性引入给定持续时间放电所产生的NO的量中。例如，如果谐振频率为50.02kHz并且每5ms发起一个脉冲，那么会出现20Hz混叠。每个调制脉冲将在AC激励波形内的不同点开始，由此产生的对击穿时间和等离子体持续时间的影响将具有20Hz频率。当调制脉冲宽度短时，这种效果最为明显。在一些实施例中，可以通过增加AC激励频率来减小这些变化的量值，从而将放电的持续时间离散成更小的AC周期长的增量。在一些实施例中，通过同步AC激励频率和脉冲调制频率来消除变化。这些脉冲能量可重复性的改进表现为NO生产一致性的改进。

在一些实施例中，同步是通过在每个调制脉冲开始时重新同步AC频率发生器来实现的。在其它实施例中，同步是通过延迟调制脉冲的开始直到AC波形中的特定点来实现的。

脉冲分组

在一些实施例中，可以通过对脉冲进行分组来调整产生率。例如，等离子体可以以相当高的频率(≥1kHz)对有限数量或“组”的脉冲进行脉冲调制。然后以固定或可变间隔重复这种分组。通过防止电离的空气完全离开电极间隙，高脉冲频率可以缩短等离子体形成时间，从而减少臭氧产生(臭氧迅速与一氧化氮结合以形成二氧化氮)。但是，这种方法受到与简单脉冲调制相同的最小时间限制。因此，脉冲分组产生产物气体浓度的升高的时间量化，在一些应用中要求等离子体室下游的一定水平的气体混合。

抖动

在一些实施例中，等离子体脉冲宽度可在有限增量上调整。NO产生控制电路还具有导致等离子体形成和可重复放电持续时间的最小脉冲宽度，从而产生最小可接受的开启时间，因此对于给定的脉冲频率产生最小产生率。

为了提高NO发生器的有效分辨率和削减，一些实施例采用抖动算法来产生介于两个离散值之间的平均产生率。例如，为了实现两个步长之间10％的产生率，系统将在较低的占空比处操作10个步长中的9个，在较高的占空比处操作一个步长。在一些实施例中，占空比之一是0％。在一些实施例中，最小非零占空比由在形成之后产生可重复等离子体持续时间的最小脉冲宽度确定。在一些实施例中，占空比之一是100％。

在一些实施例中，抖动算法是通过使用“需求”积分器和“产生”积分器来实现的。对于计算间隔，将期望的产生率添加到需求积分器，同时将刚刚发生的实际(量化的)占空比的预期产生率添加到产生积分器。控制器确定理想的占空比以设置介于两个可实现的(量化的)占空比之间的期望产生率。如果需求积分器大于产生积分器，那么系统将四舍五入到最接近的占空比；否则它会向下舍入。

这个抖动算法的分辨率极限是对时间误差的容忍度以及扩散将均衡产物气体流中一氧化氮浓度的程度的函数。

低产生电流调制

在一些实施例中，可以使用低产生电流量调制方案来克服在非常低的产生率处抖动的时间量化问题。该系统以两种谐振激励波形状之一操作：标称和低电流。NO产生率标称地由等离子体脉冲宽度调制控制。当生产需求足够低时，激励波形状切换到低电流。在一些实施例中，这个电流调制与抖动算法相结合。以减小的电流操作具有减少在低产生率处抖动的时间误差的效果。

脉冲间电流调制

在一些实施例中，可以使用脉冲间电流量调制方案，使得谐振激励波形与脉冲调制频率同步地被调制并且被确定为调制占空比的函数，即，每个占空比与特定波形状相关联。在调制频率是可变的一些实施例中，波形状是调制频率的函数。与低产生电流调制不同，这产生连续传递函数，该连续传递函数具有单个独立变量(占空比或频率)供控制系统调整。可以调整/微调电流与占空比的关系的曲线的形状以产生最优分辨率(每步ulpm，或每步％)，从而最大化NO发生器的动态范围。示例脉冲间电流调制曲线在图23中示出。该关系可以是线性(实线)、二阶(虚线)、指数或完全自定义函数。

在一些实施例中，脉冲间电流的抖动固有地耦合到脉冲占空比的抖动，因为激励波形状是占空比的函数。在一些实施例中，独立于调制脉冲宽度调整脉冲电流以产生更精细的产生率控制的分辨率。例如，10个有限电流可以被用于在与80μs和90μs的离散脉冲宽度相关联的产生率之间产生10个线性变化的离散产生率，从而使产生率分辨率提高10倍。在一些实施例中，激励波形状是连续可变的。在一些实施例中，使用有限数量的离散波形状。在一些实施例中，抖动算法被用于在产生不同等离子体电流的两个或更多离散激励波形状之间明确地调制以进一步提高产生率分辨率。

脉冲内电流调制

在一些实施例中，在每个等离子体脉冲中动态调整谐振电路激励波形状以产生脉冲内电流调制。因此，电流是自脉冲开始以来时间的函数。这特别适用于滑动电弧电极，其中使用低电流限制了电极底部小间隙中的腐蚀/发热，而较高电流提供了等离子体稳定性并增加了较大间隙中的产量。这还通过以下来增加系统的动态范围：确保与低产生率相关联的短脉冲宽度具有低等离子体强度并因此具有高分辨率(每次时间改变，产量的变化小)，而与高产生率相关联的长脉冲宽度以高等离子体强度结束，并因此在有限的时间窗口内最大化产量。在一些实施例中，二次谐波激励电压(a2)保持恒定而一次谐波激励电压(a1)变化。在一些实施例中，二次谐波激励电压(a2)也变化，以产生较低的总电流和/或产生更快的击穿/等离子体形成时间。图22示出了一种情况，其中a2在脉冲开始时较高以产生更快的击穿，但在脉冲后期降低以允许更高的a1值。

在一些实施例中，当结合脉冲内电流调制应用抖动算法时，等离子体电流斜坡剖面自调制脉冲开始以来保持相对于时间的固定函数。斜坡曲线开始时短脉冲宽度和低电流的组合可以被用于实现非常低水平的NO产生(例如，<1ppm.lpm)。在一些实施例中，不同的等离子体电流斜坡剖面可以被用于在两个离散调制占空比或调制脉冲频率之间产生更精细的产生率分辨率。在一些实施例中，抖动算法在两个或更多个离散等离子体电流斜坡剖面之间进行选择以产生更精细的产生率分辨率。在一些实施例中，使用离散数量的斜坡剖面。在一些实施例中，斜坡剖面是连续可变的。

在一些实施例中，电路检测等离子体形成并在等离子体形成之后调整其激励频率和/或调制占空比(即，主体放电的持续时间)和/或激励波形状和/或等离子体电流斜坡曲线。在一些实施例中，可以通过测量和识别次级电压中的高dv/dt、次级电流中的高di/dt或谐振电路操作频率从二次谐波到基波的改变来检测等离子体形成，如图26和图27中所示。在一些实施例中，电击穿花费的时间比预期的要长，并且NO发生器将更多的电流递送到电极间隙以弥补特定放电内损失的放电时间。

喷嘴

一个或多个喷嘴可以被用于将反应气体通过孔口或喷嘴朝着一个或多个电极指引。在一些实施例中，喷嘴510是圆孔，这有助于机械加工，但是会生成不均匀的流速模式，如图28A中所示。离开圆形喷嘴的气体的速度在流的中心最大并且在边缘接近零。当反应气体从喷嘴移开时，反应气体的中心流在时间上比外围行进得更远。这种气体速度的差异会在等离子体电弧滑动时拉伸它，最终导致电弧坍塌。

在一些实施例中，喷嘴512的形状类似于狭缝，如图28B中所示。与圆形喷嘴相比，狭缝在狭缝的长维度中提供更均匀的流，但在狭缝的窄维度中的流更窄并且具有更陡峭的梯度。当反应气体流入等离子体室时，一个维度中的流的均匀性可以是有用的。在一些实施例中，狭缝被定向为与滑动电弧电极的平面正交，从而在z轴上提供均匀的速度模式，如图28B中所定义的。这消除了NO产生对电极相对于反应气体源的高度的制造变化的灵敏度。在一些实施例中，狭缝具有可变宽度以使系统能够调整反应气体流特点以优化NO产生。在一些实施例中，该系统可以根据占空比和/或NO产生水平改变治疗中的狭缝宽度。在一些实施例中，狭缝由鸭嘴阀组成，其随着反应气体流率的增加而产生更宽的狭缝。在图28C中描绘的一些实施例中，狭缝形喷嘴514以其长轴在滑动电弧电极的平面中定向。这种方法跨电极间隙提供更均匀的反应气体，从而减少电弧的拉伸以提供更长的滑动路径和更高的精度。具有平行于电极的狭缝形孔口还降低了NO产生对喷嘴从右到左的定位和喷嘴相对于电极平面中的电极间隙的朝向的制造差异的灵敏度。当间隙增加并且等离子体室内的气体速度变得不均匀时，电弧的拉伸在长占空比期间最为明显。

产物气体流量控制

产物气体湿度测量

再循环回路中的湿度传感器可以被用于确定系统中净化器的碱石灰状态。碱石灰需要水来吸收NO₂并将其转化。新的碱石灰通常含水量为15-20％。随着碱石灰变干，捕获NO₂的水含量减少，从而导致从产物气体流中去除NO₂的能力的降低。在一些实施例中，NO系统使用环境湿度、环境压力、环境温度和再循环回路湿度、再循环回路温度、再循环回路压力中的一个或多个来确定洗涤器水含量的状态。在一些实施例中，产物气体湿度测量也被用于补偿相对于湿度的产物气体NO测量。

NO剂量控制的环境补偿

在一些实施例中，湿度或其它环境因素可以被用作控制算法的输入。在一些实施例中，系统补偿诸如环境温度、反应气体湿度、反应气体温度、电极温度和反应气体压力之类的环境因素的影响。系统可以使用专用传感器直接测量这些参数中的每一个，或者可以使用其它传感器和系统的已知物理特性间接推断。在一些实施例中，由回归方程和/或查找表组成的系统模型确定作为环境因素的函数的目标产生率的校正因子。在一些实施例中，由回归方程和/或查找表组成的系统模型确定作为环境因素和等离子体操作点的函数的NO产生率，等离子体操作点由等离子体占空比、频率、抖动和/或电流中的至少一个组成。然后使用目标产生率和测得的环境条件来确定对应的等离子体操作点。

NO递送约束

将固定浓度的产物气体注射到动态呼吸机流中的NO递送系统必须满足特定的流量响应时间要求，以便产生稳定的剂量浓度。在一些实施例中，可以允许浓度偏离目标浓度20％。在一些实施例中，可以允许高达10％的呼吸体积持续时间为高达目标浓度的150％或0％。在一些情况下，这需要注射器流量控制器以最多25ms的延迟跟踪呼吸机流量。例如，对于峰吸气流量为120LPM且潮气量为500ml的成年患者，10％的潮气量将在25ms内通过注射器。

在一些实施例中，二氧化氮洗涤器具有流量限制和死体积，其具有低通过滤反应气体流的效果。在一些实施例中，这个过滤的时间常数明显长于25毫秒。这限制了一些线性体系架构满足流响应时间要求的能力。在一些实施例中，这通过将注射器流量控制器定位在洗涤器下游来减轻。在一些实施例中，这通过使用恒定压降流量划分器以允许洗涤器以恒定流量操作而与注射器流量的变化无关来减轻。通过在吸气事件发生时已经建立洗涤器流量，一些体系架构能够以成比例的NO流量更快地响应。

NO损失

等离子体室中产生的NO量常常不是注射器处可用的NO量。这可以是由多种因素造成的，包括但不限于等离子体室和注射器之间的NO氧化、气动回路的洗入和洗出效应(即，将NO吸收到气动通道的壁中)以及与洗涤剂材料的反应。在一些实施例中，NO生成系统通过在等离子体室内产生附加的NO来补偿NO的预期损失。这种补偿可以是以下一项或多项的函数：产物气体NO浓度、产物气体温度、产物气体压力、产物气体流率、等离子体室和注射器之间的体积、洗涤器与NO的交互、反应气体中的氧气浓度、产物气体中的氧气浓度，以及NO₂浓度。NO浓度的增加与气动回路材料中NO的氧化和吸收增加有关。产物气体压力的增加导致产物气体中NO和O₂之间的交互增加，从而导致NO损失增加。由于系统的流量限制，产物气体流率的增加使压力增加，但也减少了传输时间。等离子体室和注射器之间气动回路体积的增加与传输时间的增加和由于氧化而引起的NO损失更大有关。产物气体中O₂浓度的增加导致更大的NO与O₂交互和NO氧化。在一些实施例中，假设等量的NO和NO₂被洗涤器吸收。

计算前馈算法可以基于以下参数中的一个或多个：产生副产品、环境因素、NO氧化模型等。在再循环体系架构中，产物气体浓度、流率和压力可以是恒定的。在一些实施例中，前馈可以从预测的NO产生率减去预测的NO₂产生率以补偿洗涤器的NO吸收。在一些实施例中，气相氧化模型可以被用于预测由于氧化引起的附加NO损失。在一些实施例中，估计的产物气体NO水平可以通过假设由氧化产生的NO₂将使得洗涤器吸收更多NO来进一步补偿。

在一些实施例中，洗涤器的NO吸收率被表征为输入NO浓度、输入NO₂浓度、温度和湿度的函数。前馈补偿器使用这个特点基于系统的测得的或建模的操作点来预测NO吸收。

高效的NO产生

大电极间隙以高电效率(ppm.lpm/watt)产生NO，但要求高击穿电压来发起放电。在一些实施例中，使用更小的击穿间隙以促进电击穿并结合高反应气体速度以延长电弧，如图29中所示。初始放电发生在直线上的电极520、522之间的最短点之间。图29描绘了单次放电期间不同时间点的电弧位置和形状。一旦电弧建立，足够的反应气体速度和放电持续时间(即，占空比)就会使得电弧沿着电极表面向下游迁移，随着电弧弯曲和更远的附着点的电弧长度增加，如图29中所示。在一些实施例中，1-2m/s的反应气体流率足以使电弧在电极的表面上迁移。取决于电弧长度、放电持续时间和反应气体速度，电弧将达到最大迁移点并继续拉长，被反应气体流拉伸。在一些实施例中，电弧从初始小间隙位置(0°角)迁移到45°的最大迁移角，如图所示。这些电弧长的增加提高了NO的产生效率。在一个为低NO产量和高电效率而设计的平行电极实施例中，利用2mm的电极间隙和0.15LPM的反应气体流率在目标连续生产范围(30至1000ppm.lpm)中实现NO产生效率(>80ppm.lpm/W)。

电弧拉伸效应产生比实际电极间隙更长的等离子体电弧长度。因此，具有更小间隙电极的电极组件可以通过使用更高反应气体流速的“电弧弯曲”来使电效率更高，从而有效地增加等离子体的电弧长度。流速影响弯曲率但不影响流率。例如，1mm的间隙和7m/s的空气速度可以以0.15l/mn的流率生成超过500ppm.lpm的流量，并且可以通过较小的喷嘴直径来控制速度。电弧可以通过两种方式熄灭：1)主动关闭电弧或2)当电弧延长到无法被支撑的长度时被动关闭。被动关闭将可变性引入NO产生水平，因为每个电弧将在不同的持续时间之后终止。如可以通过对高压应用适当的占空比来实现的，被动关闭提供精确的电弧行程和放电事件之间的延长，以更严格地控制NO的产生。

喷嘴尺寸也有助于NO生产效率，如图30A、图30B和图30C中所示。图30A描绘了向平行电极对提供反应气体的大喷嘴530。反应气体在电极间隙上方和下方以低速行进，仅一部分行进穿过电极间隙和电弧。这种方法对于实现低生产水平可以是有用的。图30B描绘了具有直径略大于电极间隙的喷嘴532的实施例。大部分反应气体流过电极间隙并与等离子体交互，从而产生高NO产生效率。图30C描绘了一种设计，其中喷嘴534的直径小于电极间隙，从而导致更高的气体速度和更少的等离子体/气体交互。与前面的示例相比，更高的速度导致更早的电弧弯曲和更早的电弧坍塌。但是，在图30C中描绘的实施例中，来自间隙内的等离子体的离子没有被快速冲出间隙，从而导致更低的击穿电压和更快的击穿。在一些实施例中，发现孔口尺寸略大于电极间隙尺寸的圆形喷嘴对于NO生产效率是最优的，因为整个等离子体电弧长度被用于将反应气体转化为产物气体。

在一些实施例中，电极间隙内的反应气体速度保持在使电弧不会滑动或拉长的足够低的流率，从而提高产生控制的精度。在一个喷嘴和等离子体室实施例中，低反应气体流率(例如，0.15lpm)导致低反应气体速度(例如，<1m/s)，从而导致“直线”等离子体电弧。

电极设计

电极材料

电极通常完全或部分地由导电材料构成。在一些实施例中，电极由钌构成，钌是一种具有高熔化温度的金属。纯钌可以被用作电极材料，但也可与其它材料制成合金，以改善诸如抗氧化性、机械加工性和成本之类的特性。在一些实施例中，钌与钛、铂和钯中的一种或多种形成合金。在一些实施例中，电极中的一些或全部涂有钌或含钌合金。铂族金属中的其它材料，即，钌、铑、钯、锇、铱和铂，可以用作电极材料。在一些实施例中，铂族金属与铁或其它金属形成合金以使结果所得的材料具有磁性。这个特性促进使用永磁体或电磁体从气流中去除溅射的电极材料。

平行电极

平行电极设计涉及两个或更多个重叠的电极，它们之间有间隙。当施加AC电压时，由于电场集中和击穿倾向，电弧在多个位置发生。图31描绘了具有电极540、542的示例性平行电极设计。电极间隙可以通过室的加工而不是电极的插入深度来建立。而且，电极的重叠是变量。在一些实施例中，重叠等于电极的直径，从而提供更集中的电弧区域。这可以被用于聚焦反应气体和增加气体/等离子体交互。在一些实施例中，电极之间的重叠比杆直径长许多倍以提供更大的表面积以延长寿命。当与AC电压一起使用时，击穿发生在一个电极的点/端边缘与另一个电极的侧面之间，反之亦然，时间大致相等，从而提供一定程度的电极冗余。平行电极设计的不对称性(一侧为点/边，另一侧为平面/表面)使得端到侧的击穿电压低于侧到端的击穿电压。电极的形状可以变化。例如，电极本身可以是具有横截面或其它形状的圆形横截面杆。

在一些实施例中，平行电极在其侧面具有不均匀的剖面，如图32A和图32B中所示，以提高产生稳定性。NO产生稳定性是电弧长度的函数。通过更改杆的侧面剖面，电弧的位置可以集中到更离散的区域，从而限制电弧的长度。在图32A中，电弧从一根杆550的尖端到另一根杆552的侧面发生。通过去除杆侧面的材料，可以集中电弧的位置。在图32B中，通过将珠子558、560沿着电极杆554、556向下滑动以产生凸出剖面来实现类似的方法。电弧从一个杆的尖端到另一个电极的凸出侧发生。在一些实施例中，珠子和杆是根据它们分别作为阳极和阴极的性能而选择的不同材料。

在一些实施例中，可以提供可制造的平行电极设计。在一些实施例中，平行设计不具有用于集中反应气体的喷嘴。在一些实施例中，平行电极简单地嵌入管的壁中。在一些实施例中，喷嘴被用于提高穿过两个电弧位置的反应气体流的稳定性和数量。图33A、图33B、图33C和图33D描绘了各种示例性喷嘴形状570、572、574、576。喷嘴形状和尺寸会对电极处的流稳定性和速度具有影响。图33D中所示的多喷嘴设计将气体引导到电极端部的离散电弧位置。

随着平行电极磨损，电极的端部腐蚀，从而改变电极的形状。在一些实施例中，平行电极的端部在制造期间被形成为类似于磨损电极的形状。图34描绘了具有示例性形状584、586的平行电极对580、582。这种方法可以在电极对的使用寿命期间提供NO产生一致性的益处。等离子体的功耗也将更加一致，从而允许作为等离子体生成的代理的功率更容易用作闭环控制的反馈参数。预整形的电极端部剖面还可以通过减慢腐蚀速度来减少微粒产生和电极溅射。这种方法还减少了电极的磨合期、NO的产生量和/或新电极开始为给定的等离子体设置产生一致量的NO所需的时间。在一些实施例中，NO发生器通过改变等离子体参数来补偿电极组件的初始磨合以在电极磨损和/或磨合时达到目标NO产生水平。在一些实施例中，电极磨合补偿包括利用查找表，以基于电极的累积运行时间和/或由电极产生的累积NO来确定NO产生校正因子。NO产生校正因子可以乘以等离子体参数(频率、占空比)以补偿电极的老化。

图35描绘了来自平行电极设计的单个电极590。电极592的尖端预先形成磨损电极的形状以减少磨合时间并提高其使用寿命期间产生的一致性。另一端被加工成平坦表面。当安装到电极室中时，这个表面被键控以使端部特征与等离子体路径方向对准(即，相对于电极间隙旋转地定向电极)。

图36A描绘了拆分式等离子体室600的横截面。室的两半之间的界面包括爬电腔体602以增加从一个电极604到另一个电极606的表面距离。室的两半可以通过多种方式固定在一起，包括但不限于螺纹紧固件、粘合剂、热键合、夹具或外部灌封材料(如图所示)。图36B描绘了平行电极等离子体室610，其在内孔上具有脊612以增加表面距离，以减轻电气爬电。在这个实施例中，等离子体室可以由适当的材料铸造或机加工以包括脊。

在一些实施例中，可以使用具有多于两个电极的平行电极设计620，如图37中所示。图37描绘了具有处于一个电位的两个电极和处于相反电位的第三电极的实施例。第一电极与第三电极之间以及第二电极与第三电极之间形成间隙。在一些实施例中，两个间隙相同以提供冗余间隙和更长的电极寿命。当系统操作时，电弧在任一间隙发生，但一次只发生一个。这种方法提供附加的电极间隙以延长电极使用寿命，而无需增加附加的硬件和/或软件复杂性。电气击穿可以以类似的发生率发生在两个间隙中，均匀地磨损两个间隙。

图38描绘了多平行电极设计630，其中两个电气电路由三个电极632、634、636形成。在图38中，第一电极间隙小于第二电极间隙以实现更宽范围的NO产生。图39描绘了具有相同尺寸的所有间隙的多平行电极设计640。在一些实施例中，NO生成系统独立地使用两个间隙，从用于低NO产生的小间隙转变为用于高NO产生的大间隙，这取决于所需的总NO产生。在一些实施例中，1mm的小间隙用于从10到1000ppm.slpm的NO产生，而2.5mm的大间隙用于从1000ppm.slpm到10,000ppm.slpm的产生。在一些实施例中，NO生成系统在单个放电事件的跨度内从小间隙转移到大间隙，其中来自短间隙等离子体的离子促进大间隙处的击穿。在一些实施例中，用于每个间隙的电力由独立的电源提供。在一些实施例中，开关可以被用于将电力从单个电源引导至任何一个或多个间隙。图40图示了由独立电压源供电的平行电极设计650。图41图示了由使用开关664来选择激活哪个电极间隙的单个电压源662供电的平行电极设计660。

平行电极可以呈现多于一个离散的电弧位置。因此，通过将反应气体流集中在电弧位置，从而改善气体/等离子体交互，可以实现高功率效率。在一些实施例中，反应气体流喷嘴的数量等于电弧位置的数量。在一些实施例中，基于在相应电极间隙处发生的电弧放电量以二元或模拟方式控制通过喷嘴的反应气体流。在一些实施例中，通过使反应气体流过不指向活性电极对的喷嘴来实现较低NO浓度的产物气体，从而对于给定的反应气体流率减少转化成NO的反应气体的量。在一些实施例中，狭缝喷嘴被用于指引反应气体的宽扇形穿过平行电极的电弧位置。

随着时间的推移，平行电极的端部边缘会腐蚀并变得更圆。在一些实施例中，电极绕着它们的长轴旋转以向间隙呈现新的、更尖锐的边缘。在一些实施例中，平行电极可以被索引到2个或更多个旋转位置，从而使单个电极对具有更长的寿命和生产一致性。

随着电极磨损，NO产生特点可以与电极是新的时候不同。可以更换电极和/或室以延长NO生成系统其余部分的使用寿命。随着电极磨损，在一些实施例中，整个电极/等离子体室组件被移除并更换。在一些实施例中，电极安装到框架。当更换电极时，仅更换电极和框架，而不更换等离子体室的部分或全部。这减少了更换的费用。图42描绘了可更换电极框架670的示例。如图所示，等离子体室672可以被拆分成左端和右端以移除电极框架。等离子体室和框架之间的密封可以通过多种方式实现，包括但不限于O形环、压缩配件、垫圈或围绕组件圆周的胶带。在一些实施例中，框架和电极可以由用户更换并且是一次性的。框架可以由任何耐高温、不导电的材料制成，诸如陶瓷、玻璃或高温聚合物。

多个平行电极

在一些实施例中，平行电极的阵列提供多个电极间隙。在一些实施例中，所有电极间隙都具有相同的距离，使得没有倾向于在一个位置比另一个位置更容易产生电弧。如图43中的示例性实施例所示，所示设计具有由单个电源供电的多对平行电极680、682、684、686。在图44中所示的示例性实施例中，有三重电极的四个集合690、692、693、696，它们被分组为两个极性(上和下)。每个三重电极包括重叠电极之间的两个电极间隙。在图44中所示的设计中总共有8个电极间隙。在一些实施例中，所有电极都在同一平面中。在一些实施例中，每个三重电极集合位于与气流的方向正交的平面中。随着电极磨损，间隙增加并且要求更高的电压才能击穿。在平行的多个电极间隙内，电击穿发生在最小间隙处，随着电极磨损，该间隙会移动位置。由于增加了电极间隙的数量，这种方法提供了延长使用寿命的益处。每次放电事件仅在一个间隙发生放电，因此总体NO产生水平与多间隙阵列与单个电极间隙相似。

在一些实施例中，每个三重电极集合被独立控制。在一种方法中，在切换到另一个三重电极之前，第一三重电极被使用一定的时间段和/或周期和/或功率。在一些实施例中，使用电极直到它们在切换到另一个电极对之前达到特定温度。这可以防止电极变得太热，这会影响磨损率、微粒生成和附近的配合。

在图45A和图45B中，多个电极间隙由多个平行电极形成(即，平行电极阵列)。反应气体流被朝着电极之间的间隙指引。反应气体可以通过圆形或狭缝孔。例如，四个电极可以从一侧进入室，而五个电极可以从另一侧进入室。电弧发生在电极重叠的地方，形成间隙。例如，九个电极形成六个电气间隙。也可以使用其它数量的电极，电极数量越多，使用寿命越长。

图46中描绘了平行电极阵列的另一个实施例。这个实施例由一系列多个室700、702、704组成，每个室包含两个或更多个电极706。反应气体通过入口708进入组件。气体通过喷嘴710，喷嘴710对准针对第一电极室700的反应气体流。这个示例性等离子体室具有三个电极：从远离观察者的墙壁发出的上电极和下电极以及从最靠近观察者的墙壁发出的中心电极。反应气体流围绕中心电极分叉并通过上下电极间隙。中心电极与上下电极之间的等离子体活动在反应气体中生成NO，从而形成产物气体。第一室和第二室之间的孔口(或喷嘴)再次会聚反应气体流并将反应气体朝着第二室中的中心电极指引。在一些实施例中，每个室之间的孔口(或喷嘴)具有与喷嘴710相同的直径。在一些实施例中，喷嘴710和每个孔口可以具有不同的直径。在一些实施例中，设计目标是在每个室内的电极间隙中具有相似的反应气体速度，以便从每个室产生一致的NO。

图47A呈现了平行阵列设计720的另一个实施例。反应气体在进入等离子体室724之前或在其进入等离子体室时通过扩散器722。扩散器使等离子体室宽度上的气体速度均匀，使放电位置之间的NO产生更加一致。三重电极的四个集合726、728、730、732提供十六个起电弧位置。在所描绘的实施例中，所有电极间隙同时被通电，一次只有一个间隙击穿。在一些实施例中(未示出)，一个或多个扩散器沿着等离子体室的长度定位，以均衡气体速度。在一些实施例中，在每个电极集合之前有扩散器。

图47B描绘了具有三重电极的四个集合的平行阵列设计740的实施例。反应气体以层流典型的速度分布进入等离子体室742。气流进入锥形区段744，其直径沿着长度以足够浅的角度增加，这防止流中出现涡流、减慢反应气体的速度，并在进入室的电极区域时有效地使气体速度剖面均匀。等离子体室的下游端的可选锥体可以减小产物气体流的直径，并以最小的流量限制增加气体的速度。

图48描绘了以0.15slpm的流率通过室的气体速度的计算模型。其它实施例设计被用于通过室的流率为0.1至10lpm。在一些实施例中，通过室的反应气体流率是恒定值，从而使得更容易预测和管理室内的气体速度。图46中描绘的实施例包括形成六个电极间隙和十二个拱形位置的9个电极。这种设计和其它类似设计可以在紧凑的设计中显著延长NO发生器的使用寿命。

当阵列中的所有电极同时通电以及当电极以离散对通电时，平行电极阵列可以被用于产生一致水平的NO产生。一次给所有电极通电导致一次仅在一个电极间隙发生电击穿。随着电极磨损和它们之间的间隙增加，电气击穿将倾向于在具有最短间隙的电极对处发生，从而在电极间隙之间分配使用/磨损并延长整个电极组件的寿命。

图49描绘了平行阵列等离子体室的另一个实施例。具有不同间隙的两对电极位于同一等离子体室中。每对电极由独立的电源驱动。系统在电路低压侧的电源之间进行选择。这种方法可以提高NO发生器的NO产生范围。一次可以使用一个或两个电极对。在一个实施例中，较小间隙为0.5mm并且较大间隙为2.5至3.5mm，这取决于最大生产要求。在一些实施例中，如图所示，小间隙比大间隙更靠近共用喷嘴，以在两个间隙中提供更均匀的反应气体流剖面。

模块化滑动电弧边设计

图50描绘了模块化滑动电弧设计750的实施例。电极包括可以被更换的边缘。每个电极由固定到等离子体室752的边缘组成。具有小间隙的上游端通过插入对应的孔(图示)或附接有紧固件754(例如，铆钉、螺钉等，未图示)而连接到等离子体室。在所描绘的实施例中，到高压电路的电连接756也通过紧固过程被定位和固定。这个图像是横截面图。组装是通过将电极从图像右侧插入等离子体室并将电极固定到等离子体室来完成的。在使用期间，等离子体室用盖子(未示出)密封，其保护电极免受损坏并防止反应物和产物气体的损失。滑动电极边缘可以由多种材料构成，包括但不限于铱、钛、铷、不锈钢、钌、钨和其它高熔点金属。

滑动电弧筒设计

图51描绘了电极筒760的实施例，其包括连接到喷嘴部件的两个滑动电弧电极762、764。这种设计可以促进更换电极并延长NO发生器的其余部件的使用寿命。喷嘴和电极刚性连接，可以保证喷嘴的正确对准以及电极之间的对准和间距。通过改进喷嘴和电极对准，减少更换电极之后进行现场校准的需要。在所示的实施例中，电极的形状是三角形的。在一些实施例中，电极的形状像材料的杆或条。图像左右两侧的翼片连接器用于连接高压电路。在一个实施例中，滑动电弧筒在插入筒时在电极和发电设备之间建立电连接，其中翼片与对应的电连接器对准。图51描绘了电极周围的保护盖。在一些实施例中，盖子保护电极免受污染和损坏并且在电极安装之前被移除。在另一个实施例中，盖子像套筒一样在下游端打开。套筒永久连接到电极，并与电极一起插入NO生成设备中。套筒在使用期间收集溅射的材料，因此它们不会随着时间的推移积聚在等离子体室的壁上，因为溅射会导致电气爬电和NO产量损失。

在一些实施例中，滑动电弧电极插入件使得能够更换电极。图52描绘了可更换滑动电弧电极插入件770的实施例。反应气体进入插入物并通过电极的小间隙。电弧在图像中向左移动，直到它们坍塌或被断电。产物气体通过电极框架中的孔。电极框架由非导电材料制成，诸如玻璃、陶瓷、聚合物或复合材料。使用穿过安装孔772的螺钉将插入件固定到等离子体室。可以将杆牢固地固定在正确的角度和间隙，从而消除安装期间这些参数的潜在误差。

图53A和图53B图示了安装到等离子体室中的滑动电弧插入件780的实施例。图53A图示了室的俯视图。反应气体通过入口/喷嘴782进入室并向上行进通过小间隙并从室顶部流出。电极插入件用螺丝固定。电极连接到室中的夹子以接收高压。图53B描绘了等离子体室的底视图。高压变压器被装入等离子体室的阱中。来自次级的电线穿过等离子体室壁到达夹子以形成次级电路。

图54描绘了替代更换滑动电弧设计790，其中电极集成到螺纹帽792。帽维持电极的小间隙和角度，并拧入等离子体室。反应气体可以通过可选的扩散器，使反应气体流过反应室，并减少帽位置变化的影响(即，帽有多紧)。产物气体离开图的右端。帽用密封件794(例如，面、O环、唇缘、压缩)密封到室。帽和室由非导电材料(例如，塑料、陶瓷、玻璃、复合材料)制成。

偏移滑动电弧设计

在一些实施例中，使用滑动电弧电极800，如图55中的3D所示，其中两个电极有意未对准，使得它们不在同一平面中。当使用AC电压时，这种方法可以促进电击穿。当AC电压具有一个极性时，从一个电极的边缘到另一个电极的面向间隙的表面发生电击穿，而当电压极性反转时，从另一个电极的边缘到另一个电极的面向间隙的表面发生电弧。在一些实施例中，引发器杆位于小间隙处以促进击穿并提供附加材料以延长寿命，如图56中的3D所示。图56是从喷嘴上方一点的角度看的电极的端视图。如图所示，一对滑动电弧电极810、812定位在杆所在的小间隙的下游(远离)。在等离子体引发器杆之间建立击穿之后，等离子体在反应气体流的推动下沿着滑动的电弧表面行进。在一些实施例中，绝缘体(例如，陶瓷)被用于在绝缘体和电极材料之间的间隙中产生三结效应以提升电极间隙附近的电场并促进间隙内的电击穿。在击穿之后，反应气体流将等离子体电弧推到细长电极的边缘。在一些实施例中，电弧引发材料的材料不同于细长电极材料。在一些实施例中，电弧引发材料是铱，而细长表面是钛以受益于铱的高温耐久性和钛的较低成本。

滑动电弧阵列

在一些实施例中，NO生成系统的寿命通过使用多对滑动电弧电极来延长。图57A和图57B描绘了具有四对电极的滑动电弧电极阵列820的实施例。反应气体被指引通过阵列的中心，通常由喷嘴(未示出)聚焦。电极以相反的对通电，因此电击穿和电弧行进一次仅在一对内发生。在一些实施例中，电击穿针对每次放电的不同电极对以最小化电极加热。例如，一个放电周期可以如下：第1对，然后第2对，然后第3对，然后第4对，然后第1对，依此类推。在一些实施例中，排他地使用一对电极直到它们被确定为充分磨损，然后NO发生器开始使用系列中的下一对电极。这个确定可以基于放电次数、生成的NO的数量或测得的性能特点，诸如击穿时间、峰电压、NO产生水平或其它参数。滑动电弧阵列设计可以为单对电极提供等效的NO产生水平，同时延长组件使用寿命并维持比串联多个室更紧凑的室设计。

图58A描绘了具有两对电极的滑动电弧阵列设计830的实施例。图58B示出了图58A的滑动电弧阵列设计的放大视图。介电材料位于电极之间，以确保电弧仅发生在特定电极对之间。示例介电材料包括聚合物、玻璃和非导电陶瓷。

图59A和图59B描绘了滑动电弧阵列840，其具有在反应气体流的方向上偏移的两对电极。在一些实施例中，反应气体通过喷嘴(未示出)聚焦。电极对位置的偏移使得可以使用短电极间隙，并且单个喷嘴可以向两个电极对提供反应气体流，从而简化系统的气动体系架构。附加的电极对可以通过适当的偏移量添加到这个设计中。在一些实施例中，电极对一次被激励一对，从第一对开始并前进到第二对电极用于随后的放电或当第一对已经耗尽时。在另一个实施例中，所有电极对同时通电，每次施加高电压时仅发生一次放电。在这个实施例中，产生电弧的电极对以看似随机的方式随着每次放电而变化，但是电极对随时间的磨损在多对电极上是均匀的。当使用不同的电极对时，反应气体流动方向的偏移会导致电极间隙处的不同反应气体速度。除非应用补偿，否则这会导致电极对之间的产量差异。在一些实施例中，基于正在使用的电极对，通过动态改变孔口尺寸或使用哪个孔口来补偿这种影响。在一些实施例中，每个电极对基于它们从单个喷嘴接收的反应气体流量针对NO产生进行校准。NO生成系统可以检测和/或控制哪个电极发生故障并改变放电的占空比以确保每次放电都生成目标量的NO。

在一些实施例中，间隙对于电极阵列中的每个电极对是相同的，使得每一对在功能上与其它对等同。在一些实施例中，电极对之间的间隙不同，使得特定电极对被通电用于特定水平(或范围)的NO产生。在一些实施例中，一个或多个喷嘴被指向(一个或多个)电极间隙并且选择一个或多个喷嘴的组合以实现特定的NO产生水平或范围。

电极磨损检测

随着电极磨损，它们之间的间隙会改变。例如，尖锐的特征可以变圆并且电极之间的距离可以增加。电极间隙的增加会影响击穿电压、击穿时间和NO产生水平。在一些实施例中，击穿时间用作电极间隙/磨损的指示器。在一些实施例中，间隙处的AC电压和AC电流之间的相位角是电极间隙长度的指示器。因为等离子体阻抗主要是电阻性的，并且间隙越长，电阻越高，间隙长度的改变可以作为等离子体中有功功率与AC谐振电路中无功功率之比的改变可观察其，表现为相移。在一些实施例中，累积电极使用被用作电极间隙的预测器。累积使用可以是以下一项或多项的函数：累积运行时间、产生的NO的中值摩尔数、累积排放次数和产生的NO的累积摩尔数。

越大的间隙需要越大的电压才能击穿。在一些实施例中，NO生成系统使用一次或多次放电的高压振幅来确定电极间隙。在一些实施例中，除了击穿电压之外，NO生成系统还使用以下参数中的一个或多个来推断电极间隙：热电子发射、反应气体湿度、反应气体温度、电极温度、等离子体室温度和初始电极间隙。

在一些实施例中，NO生成系统可以基于测得的/指示的电极间隙生成警报和/或提示电极更换。在一些实施例中，NO生成系统可以补偿电极间隙的改变以便维持准确的NO生成。例如，越长的间隙指示产生更多NO的越长电弧。响应于电极腐蚀可以发生的较长间隙，NO生成系统的一些实施例可以进行以下一项或多项操作：降低电极电流、减少放电持续时间、改变放电电流/时间关系和/或降低放电的频率。

电极磨损补偿

用于电极对的工厂生产校准在电极的预期寿命(磨损)期间可能不准确。换句话说，由特定频率和/或占空比的放电所生成的NO量可以作为电极磨损和腐蚀的函数而变化。在一些实施例中，NO生成系统包括自适应校准方案，由此在电极的寿命期间建立和使用一系列生产校准曲线(生产到占空比)以确保在电极磨损时准确生成/递送。在一些实施例中，使用单个数学函数来计算正确的等离子体参数(例如，频率、占空比等)作为以下一项或多项的函数：电极设计(例如，材料、几何形状、初始间隙、等)和使用寿命(例如，累积产生的NO(例如，摩尔数)、累积运行时间、应用的历史占空比(例如，平均值、范围、加权平均值)、应用的电压范围(例如，平均值、范围、加权平均值)、施加的功率水平和与电极使用相关的其它参数)。

在一些实施例中，补偿算法由几条校准曲线组成，第一条曲线表示电极在时间＝0(工厂)时的实际校准。在一个实施例中，后续曲线基于磨损电极的实际校准，以解释电极“磨合”时的非线性磨损。在一些实施例中，假设初始校准曲线的形式随着时间的推移是相似的并且将校准曲线乘以比例因子。例如，如果在给定的设定点(摩尔或ppm*lpm*时间)下，在给定的生产量或给定的时间量之后，平均产量发生了10％的偏移，那么可以通过在t＝0曲线上引入等同移位(在这种情况下为10％)来生成后续校准曲线。可以遵循相同的过程来生成与电极群磨损时观察到的产生检查点一样多的后续校准曲线。

在一个实施例中，一旦建立了一系列产生校准曲线，系统就会基于电极历史上产生的总NO递送量(以摩尔为单位)选择要使用的校准曲线。在一些实施例中，系统在两条或更多条离散曲线之间进行插值，以对作为电极磨损的函数的NO产生进行更精细的分辨率调整。应当注意的是，术语“电极磨损”适用于电极间隙以及圆角或尖锐特征随时间的改变。

校准曲线(或其插值)的生成和自适应选择也可以基于随时间检测到的功率或电流消耗(随着电极磨损)，或可以与电极磨损时的生产密切相关的任何其它参数，而不是电极历史或作为其补充。

由于电极磨损模式可以取决于使用情况(NO设定点、流率、时间)，导致电极的特定部分的磨损模式增加，因此可以有可能基于使用历史在校准曲线之间进行插值。例如，通常设置为20ppm NO目标或更低的滑动电弧电极使用与生成低产生水平所需的占空比相关联的特定范围的电极表面。因此，电极的磨损将发生在发生电弧的电极区域中，而不是沿着电极的整个长度。在一些实施例中，自适应校准仅应用于电极的第一部分(最近的间隙)，而与较长占空比相关联的部分的校准继续参考设备曲线(时间零)。在使用前表征电极并适应电极性能实时测量的这些方法提供了维持电极系统所需生产准确性的方式，从而延长了使用寿命。

放电监视

在一些实施例中，传感器监视滑动电弧的行进。在一些实施例中，传感器包括光学传感器、热传感器或相机中的一个或多个。在一些实施例中，电压和电流的相位角被用于推断间隙并推断沿着电弧的位置是沿着电极的长度。为了进一步说明，当AC电弧位于可变间隙电极的小间隙时，生成比生成NO的有功功率更多的无功功率(或虚功率)。相反，在更大的间隙中，会产生更多的有功功率。虚功率是高压电路中电容器和电感器内的功率。电弧的长度越短，电阻越接近于零。在这种情况下，大部分视在功率将在电路(电容器和电感器)内循环，并且相位角接近90度。如果所有功率都在电弧放电中，那么相位角将为0度。因此，随着电弧从短间隙移动到大间隙，电弧内的功率量增加，相位角减小。在一些实施例中，NO生成系统可以确定电极间隙并调整放电特性以产生特定数量的NO。随着电极磨损，间隙会变得更大，从而产生物理上更长的电弧，这产生更大量的NO。例如，NO生成系统可以通过减小占空比和/或减小电弧中的电流来补偿电极间隙的增加。

在电弧没有像预期那样行进的情况下，NO生成系统可以延长放电时间以实现NO产生的目标量。

电极冷却

电极腐蚀会随着电极温度而增加。每个电弧事件将热能添加到电极。这种热能会积聚，从而增加电极温度并加速电极磨损。可以使用各种方法降低电极温度，包括使用卷绕线电极和中空电极。

电极更换

电极更换可以根据需要、预防性地、作为有计划的维护的一部分或其它频率进行。用于更换电极的示例工作流程如下：

a.将设备断电。(允许冷却)

b.拆下侧板，断开电气和气动连接

c.移除等离子体室

d.更换电极(可以包括等离子体室)

e.重新组装单元(2X)

图60A和图60B描绘了可更换电极和等离子体室的示例性实施例。图60A描绘了滑动电弧等离子体室852，其包括侧面上的接纳更换电极850的槽。电极用O环密封件密封到室。室外部的暴露电极表面可以被用于被动或主动冷却电极。图60B描绘了具有电绝缘体862和密封件864(例如，O环密封件)的可更换电极杆860，其可以插入等离子体室的侧面。

图61描绘了具有喷嘴872、等离子体室874和电极876的可更换歧管870的实施例。在一些实施例中，电极被密封并固定到具有钎焊接头的歧管。在一些实施例中，歧管由玻璃或陶瓷中的一种或多种构成。歧管和NO生成系统其余部分之间的密封可以通过例如压缩配件、O环、唇形密封件、面密封件来实现。

图62描绘了等离子体室880的实施例，其中电极882被集成到产物气体洗涤器中。这个解决方案通过以更高的频率插入新电极使系统能够消除与电极磨损相关联的NO产生差异。可以使用廉价的电极材料(例如，不锈钢、钛)来降低一次性电极/洗涤器部件的成本。反应气体通过环形空间进入，并在通过中心管腔返回之前穿过组件的长度(参见描绘U形转弯的弯曲箭头)。管腔充当喷嘴以将反应气体集中到等离子体室内的电极间隙。等离子体室中会生成NO。在一些实施例中，如图所示，包括可选的洗涤器884和过滤器886以从产物气体中去除NO₂和微粒。可更换的等离子体室通过气封和固定机构与整个系统接口。在一些实施例中，等离子体室通过卡口接口插入到系统中。在一些实施例中，电极用作卡口特征以将可更换部件保持在系统的可重用部分中。在一些实施例中，可更换等离子体室包括法拉第笼。在一些实施例中，法拉第笼由与系统的其余部分(未示出)电接触的金属化表面组成。

在一些实施例中，NO生成系统在电极被更换之后被重新校准。这可以是涉及校准气体和/或已知的NO测量设备的手动操作。它也可以是自动方法，依赖于NO生成系统中经校准的气体传感器。

一般而言，期望电极更换不要求任何移除和安装工具。所有气动连接应当一步完成。在一些实施例中，机械连接随着保护盖的安装而完成，保护盖用作防止高压、用户接触、微粒和流体中的一个或多个的保护。

绕线电极

图63描绘了其中电极包括在线轴上的电线894的实施例。例如，线轴可以包括馈送线轴890和返回线轴892。当电极磨损时，线轴可以旋转，将新鲜的电极材料呈现给间隙。例如，线轴可以前进到患者之间的新鲜电极。这种方法允许在电极使用寿命期间更长的服务间隔时间和更一致的NO生成。此外，细线将等离子体限制到较小的区域，从而提高了生产稳定性。这种方法还高效地使用电极材料，因为大部分电线表面积将与等离子体接触。由于材料要求最低，还可以降低成本，从而可以使用贵金属和/或电镀/涂层线。

在图63中所描绘的实施例中，电极电线行进由单个蜗杆驱动齿轮896控制。这确保两根电极电线的均匀移动，同时最小化对附加马达的需求。电极电线的运动可以是连续的或步进的。滑动电弧表面和电极电线的长度可以变化。例如，滑动电弧表面可以是2”长并且电极电线可以是30”长。在固定的时间间隔，例如每个月，通过2”的推进电线来更换整个2”的电极电线。在一些实施例中，电极电线以每小时2”的速度行进以在每一整天使用之后更换整个电极表面，每侧要求大约182”的电极电线。

电极电线行进可以伴随等离子体电弧发生。如图所示，电极电线可以在分离的线轴上提供，或者缠绕在共用的线轴上。在一些实施例中，电极电线行进速率与NO产生、环境条件和操作温度中的一个或多个有关。例如，在一些实施例中，当操作温度较高时，电线移动速率增加以补偿加速的电极磨损。在一些实施例中，当NO发生器产生低水平的NO时，电线移动速率较慢，而对于高NO产生水平，电线移动速率则增加以最大化电极材料的使用。在一些实施例中，电极电线在患者治疗之间被推进。在一些实施例中，电极电线在等离子体室的使用开始或结束时被推进。

来自反应气体的对流

电极可以被流过等离子体室的反应气体冷却。在一些实施例中，反应气体在进入等离子体室之前被主动冷却。在一些实施例中，反应气体在注射等离子体室之前与NO生成设备内的热源绝缘并远离热源。在一些实施例中，反应气体在进入等离子体室时失去压力以降低温度。在一些实施例中，等离子体室包括多个喷嘴，用于使气体流过电极以进行冷却而不是等离子体生成。在一些实施例中，电极具有脊、冷却翼片和/或其它特征以增加对流冷却。

外部电极冷却

在一些实施例中，等离子体室外部的气流冷却电极。图64描绘了其中反应气体流过中心的等离子体室900的设计。单独的气体或液体流流过单独的通道902、904以冷却电极材料。

中空电极

在一些实施例中，冷却剂气体或液体穿过中空电极以降低温度，如图65A和图65B中所示。图65A和图65B描绘了与特定电极间隙重叠的直管电极910、912(图65A)和直管电极920、922(图65B)。反应气体通过指向间隙的喷嘴引入室。描绘直管是因为它们易于制造。在一些实施例中，电极是弯曲的以提供替代的电极间隙拓扑和速率改变。由于电极的朝向，等离子体将相对于室倾斜。喷嘴将反应气体朝着间隙指引。等离子体室的壁中的特征减少了系统中的死体积，并使反应气体流集中在电极间隙上。在一些实施例中，狭缝喷嘴将反应气体集中在等离子体生成的区域中。在一些实施例中，狭缝喷嘴不与电极平行。代替地，它倾斜以与电极之间的电弧平行。在一些实施例中，室和电极组件可以以相反方向插入系统以使用共用喷嘴并增加它们的使用寿命。在一些实施例中，通过室的流动可以反转以延长电极的使用寿命和设备服务之间的时间。

在一些实施例中，电极在内部涂有陶瓷、聚合物或其它电绝缘材料，以防止通过导电冷却液发生电短路。管状电极的横截面可以是圆形、方形、六角形、泪珠形或一些其它形状。当尖锐边缘朝着间隙定向时，诸如泪滴形状上的尖锐边缘可以增加间隙中的电场。

在一些实施例中，使用与等离子体朝向平行的狭缝喷嘴。这种方法将反应气体集中在电极间隙中，而不是单个圆形喷嘴，以增加NO的产生。

在一些实施例中，反应气体流的方向可以反转以使电极的寿命加倍。这可以通过使气体沿着相反方向通过室以气动方式实现。在一些实施例中，喷嘴和室是可分离的，使得等离子体室可以在相反方向上被移除和插入。这种方法可以应用于实心和/或中空电极。

用于电极的冷却剂可以是气体(空气、氮气等)或液体(水、乙二醇、矿物油等)。当使用液体进行冷却时，可以使用非导电液体来防止通过冷却系统的高压电路的短路。可替代地，可以为每个电极使用独立的冷却系统。在液体冷却的一些实施例中，使用闭环冷却剂路径。在一些实施例中，液体通过电极并返回到贮存器以损失热量。在一些实施例中，带有冷却翼片的热交换器被用于从电极冷却剂中散热。在一些实施例中，热交换器位于NO发生器内，使得箱式冷却空气被用于冷却冷却剂。在一些实施例中，热电设备被用于主动冷却电极气体或液体冷却剂。

图66描绘了双腔冷却电极930的实施例。冷却剂从电极的同一端进和出。电极由带有端帽932的双腔挤压件构成，以将流从一个管腔指引到另一个。在一些实施例中，端帽被焊接、钎焊、铜焊或结合到挤压件以提供流体密封连接。

图67A和图67B图示了具有单个弯曲或电弧形的管状电极(图67A中的电极940、942和图67B中的电极950)的实施例。这种方法启用滑动电弧设计，同时促进电极的分离，以控制电弧放电并最小化沿着等离子体室的内壁的爬电可能性。在一些实施例中，电极开始平行然后分叉。在一些实施例中，电极以会聚角进入室并到达最接近的点，在那里发生电击穿。从击穿位置开始，电极再次分叉。在击穿位置发起的电弧沿着电极在气流方向上行进。弯曲或电弧的角度可以变化。例如，在图67A中，电极940、942可以包括30度弯曲，因此不干扰喷嘴并且存在用于击穿的离散位置。图67B图示了具有单个弯曲的电极950，并且该电极可以绕长轴旋转，使得电极的较短腿可以在相反方向上行进。

电极与室的热耦合

降低电极温度的另一种手段是确保电极和等离子体室之间的热耦合。在一些实施例中，在电极和等离子体室之间使用导热膏以提高导热性。在一些实施例中，等离子体室由导热且不导电的材料制成。

洗涤器

笼式捕获

在一些实施例中，笼式捕获技术被用于从产物气体中选择性地去除NO₂。笼式捕获涉及使用定制纳米材料以化学和/或物理方式选择性地吸引特定类型的分子。这种方法有效地吸引和保留笼式捕获材料的结构内的污染物。它可以允许增加吸收能力和环境稳健性(例如，对环境湿度的免疫力)。在一些实施例中，气流中的NO₂被隔离到笼捕获材料内的分子笼中并以N₂O₄的形式存储。在一些实施例中，笼式捕获反应是可逆的，从而使笼式捕获材料能够被重用多次。在一个实施例中，将洗涤器浸泡在水中溶解N₂O₄，在该过程中形成硝酸。在一些实施例中，NO设备的NO₂洗涤器可以被移除并浸泡在水中以从洗涤器材料中去除NO₂。形成的硝酸然后在排入下水道之前用碱性物质中和。在一个实施例中，在弃置之前，硝酸的pH值与碱性物质(例如，氢氧化钠或碱石灰)中和至5.5至8.5的值。这种方法的益处是，使用笼式捕获技术的洗涤器可以被多次重用，从而减少进入垃圾填埋场或焚化炉的材料量。在一些实施例中，笼式捕获材料是金属有机框架(例如，Manchester框架材料MFM-520)。

洗涤器设计

在一些实施例中，可更换的NO₂洗涤器筒960可以通过三腔连接与NO发生器962接口，该接口与扭曲(例如，卡口适配或螺纹)接合，如图68中所示。在图68中，洗涤筒为圆柱形。反应气体(例如，空气)通过一个或多个孔进入洗涤器筒。抓握手柄964可以被用于扭转筒以将筒与控制器接合，扭转筒以从NO发生器去除并将筒拉出NO发生器。反应气体通过颗粒过滤器，然后通过气体调整材料床966(例如，用于去除VOC的活性炭、用于去除VOC和去除水的分子筛等)。然后反应气体通过洗涤器筒960的端部并进入NO发生器962，在那里它被转化成产物气体。产物气体通过进入筒的中央管腔离开NO发生器。在一些实施例中，产物气体在没有任何NO₂洗涤器的情况下直接从筒的右端传递到左端。在一些实施例中，当气体从右向左移动时气体被洗涤以去除NO₂。洗涤器材料可以是颗粒状、片状、涂层和其它形状因素的一种或多种NO₂洗涤器材料。一旦产物气体到达洗涤器滤筒的左端，它就会径向流出到返回层。在返回层内，产物气体在离开筒并返回到NO发生器之前经过洗涤以去除NO₂。径向(例如，O环)或面密封件被用于防止气体通道之间的流体连通。在一些实施例中，反应气体调节用分开的筒处置并且不包括在产物气体洗涤器的范围内。在其它实施例中，反应气体如图所示穿过产物气体洗涤器但不被洗涤。图69提供了反应气体和产物气体通过洗涤器筒970的流动路径的更多细节。在这个实施例中，反应气体仅被过滤(未洗涤或干燥)。图69的实施例还示出在出流路径和返回流路径中的产物气体洗涤。

在一些实施例中，洗涤器筒内的气流可以与洗涤器的长轴平行，其中气体以顺序方式流过过滤器和介质。在一些实施例中，随着气体从洗涤器壳体内的内部位置径向流动到外部位置(或反之亦然)，完成过滤和/或洗涤。

洗涤器筒保留

在一些实施例中，NO发生器包括互锁设备以防止洗涤器筒的插入和/或去除。在一些实施例中，互锁设备在NO治疗期间被激活以防止用户移除洗涤器筒和中断疗法。

反应气体洗涤

在一些实施例中，反应气体在通过等离子体室之前被洗涤以去除可以存在于环境中的VOC和其它污染物。从反应气体中去除VOC在两个方面是重要的：(1)它控制等离子体室的输入以限制等离子体室中发生的化学反应的类型，以及(2)它减轻内部传感器中的VOC交叉灵敏度气动路径，诸如NO传感器。在一些实施例中，反应气体洗涤器包含活性炭、分子筛材料或笼式捕集材料中的一种或多种。反应气体洗涤器可以是独立的洗涤器，或与入口过滤器、产物气体洗涤器、电极和/或NO生成系统的其它一次性和半一次性部件组合。

图70描绘了包括用于从产品气体中去除NO₂的两个洗涤器管982的产物气体洗涤器筒980。洗涤器管周围的壳体提供了用于过滤环境空气并使其进入NO发生器的管道。活性炭)用于VOC、NOx化合物和其它物质，以在使用之前清洁反应气体。

擦洗的挤出物

在一些实施例中，用于产物气体流的管或导管包括用于洗涤NO₂的材料。在一些实施例中，隔离NO₂的材料沿着挤出物的表面涂覆。在一些实施例中，管的ID被涂覆。涂层可以单独由一种或多种NO₂洗涤器材料制成。在一个实施例中，第三种材料用于将NO₂洗涤器材料结合到基板管材上。在一些实施例中，NO₂洗涤材料与粘附到基板管材料的基质材料混合。

在一些实施例中，管由共挤出物组成，其中内部挤出物至少部分地由NO₂-洗涤剂材料组成。

在一些实施例中，整个管由已经与NO₂洗涤剂材料复合的材料构成。在一些实施例中，诸如聚氨酯或PEBAX之类的聚合物与例如碱石灰复合。

在一些实施例中，如图71中所示，管子990由三层组成：产物气体不可渗透的外护套层992、由洗涤器材料组成的中间层994，以及允许产物气体进入中间层并且同时还防止来自中间层的洗涤器材料迁移的穿孔内层996。在一些实施例中，洗涤器材料颗粒被用于构造中间层。

涂层管的擦洗水平是可用管表面积、管长度、涂层化学、可用洗涤器材料表面积、气体速度、气体流动状态(层流与湍流)、涂层密度中的一个或多个的函数、涂层年龄和环境因素(压力、温度、湿度)。

气体采样

在一些实施例中，样本气体在脱水器之前或在脱水器内被冷却以促进水冷凝并改善从气体样本中去除水。在一些实施例中，这消除了使用Nafion管道来降低气体样本湿度的需要。在一些实施例中，冷却通过热电冷却器、冰和压降中的一种或多种来实现。在一些实施例中，气体样本通过Nafion管道，其中加热元件提高温度并降低Nafion管道外的相对湿度，从而从气体样本中去除水分。在一些实施例中，测量气体样本的湿度并且调整加热元件的温度以将气体样本湿度维持在目标范围内。在一些实施例中，目标气体样本范围是30％至70％的相对湿度。在一些实施例中，热电冷却器被用于冷却脱水器，同时加热Nafion管道周围的环境以干燥样本气体。

在一些实施例中，样本气体通过和/或靠近去除过量湿度的干燥剂。在一些实施例中，样本气体通过位于干燥剂床中的Nafion管道。在一些实施例中，干燥剂呈珠状。在一些实施例中，选择干燥剂以维持特定的湿度范围，以使其从过度潮湿的样本气体中吸收水分并为过度干燥的样本气体提供湿度。在一些实施例中，干燥剂与脱水器一起包装，使得它由用户周期性地更换而不增加使用步骤。

NO传感器会随时间漂移。在NO传感器漂移的情况下，NO控制器可以基于错误信息生成高NO警报。这是个问题，因为典型的NO递送系统会在存在高吸入NO警报时停止治疗。在一些实施例中，NO生成系统可以通过评估NO产生水平来确定NO产生是否增加来检查高NO警报的有效性。可以通过测量产物气体NO浓度、等离子体活性(电流、电压、功率、光发射)、稀释产物气体NO浓度、产物气体流率、反应气体流率和与NO产生相关的其它相关参数中的一个或多个来评估NO产量。通过确认NO产量没有改变，吸入NO浓度没有增加的机制，NO生成和递送系统可以推断吸入NO浓度传感器已经漂移。这使得NO生成和递送系统能够在存在高吸入NO读数的情况下降低警报条件的严重程度并继续治疗。

对吸入的气体混合物的补偿

设备的吸气肢内的气体混合物因治疗而异。一些患者接受补充氧气，而其他患者接受补充氦气。

氧气补偿

吸入的氧气水平可以从大气(21％)到纯氧(100％)。空气的密度为1.225kg/m³，而氧气的密度为1.429kg/m³。最坏的情况是，在大气氧气水平下校准的在没有吸入气体混合物补偿的情况下运行的系统，在使用100％氧气时在吸入质量流量测量中会出现16％的测量误差。可以对吸气肢内的各种氧气分数进行质量流量测量误差的补偿。在一些实施例中，控制器基于氧传感器测量和/或用户输入确定呼吸回路内的氧气水平和/或氮气水平，并相应地调整吸气流量传感器的校准。在一些实施例中，NO生成系统测量吸入气体中的氮含量并推断气体的平衡是氧气作为质量流量测量补偿的输入。在一些实施例中，通过根据指示的氧气水平查找吸气流量传感器的适当校准来补偿吸气流量传感器的校准。在一些实施例中，补偿值基于具有各种氧气水平的传感器的先前表征。在一些实施例中，基于指示的气体混合物的气体密度与系统校准所用的气体混合物的比率简单地计算补偿。在另一个实施例中，NO设备使用吸入气体中测得的NO浓度作为对NO生成/递送系统的反馈，以将吸入的NO浓度驱动至目标值。

氦气处理

在一些实施例中，患者吸气流包括与空气、氧气和可能的其它气体混合的氦气(又名氦氧混合气处理)。吸入气体的密度改变，这会对系统中质量流量传感器的校准产生高达2倍的影响。在一些实施例中，系统使用户能够录入吸入气体中的氦气量，并且设备治疗控制器在质量流量传感器校准中补偿氦气量。在一些实施例中，NO生成系统包括氦传感器以测量吸入气体中氦的分数。然后将这个测量用作控制器的输入，以相应地改变吸入气体质量流量传感器的校准。在另一个实施例中，测量吸入的NO浓度的传感器用作反馈以将吸入的NO浓度驱动至目标值。

类似的方法可以被用于其它可以被感测的补充吸入气体及其组合。

脉动NO递送

恒定持续时间NO脉动

脉动NO递送可以允许节省能量并将NO递送到肺的特定部位。在一些实施例中，NO发生器和/或递送系统总是生成相同持续时间的NO脉冲。在一个实施例中，所有脉冲持续0.5秒。在一些实施例中，NO发生器和/或递送系统进行以下一项或多项以在递送持续时间恒定的脉冲的同时准确地给患者分配剂量：更改脉冲流率、更改脉冲浓度、更改相对于呼吸开始的脉冲开始时间，以及为呼吸的子集分配剂量(呼吸跳过)。在一些实施例中，NO生成和/或递送系统基于抖动算法向患者递送脉冲，该抖动算法跟踪NO需求与随时间递送的NO，使得每当NO需求超过递送的NO时向患者递送新脉冲。

患者适应症补偿

在一些实施例中，NO递送设备根据患者诊断更改NO脉冲策略，如外部用户(护理提供者)或患者所指示的，或基于对NO发生器的输入。作为示例，间质性肺病(ILD)是一种临床病症，患者的肺组织会出现疤痕、失去弹性并降低顺应性。患者必须用呼吸肌来扩张肺部以吸入足够的空气，但往往无法吸入足够的空气。带有疤痕组织的气囊(肺泡)中的气体交换膜增厚，以及肺部严重疤痕区域的通气减少导致系统性低氧水平。ILD患者通常具有呼吸波形，可以通过从吸气到呼气的快速转变、比正常呼吸频率更快，以及呼气之后没有停顿来识别。这些患者可以受益于在整个呼吸过程中接受NO，因此可以扩张肺部较健康区域的血管，从而减少肺部最疾病部位的血流量。因此，NO递送设备应当在这些患者的吸气早期，而不是呼吸到达解剖学上最病态的肺和死腔的最后部分分配剂量。这种相同的脉动分配剂量方法适用于左心室辅助设备和肺动脉高压患者，即使整个肺部健康并且能够吸收氧气。

另一个患者适应症是慢性阻塞性肺病。这些患者往往有一个或多个肺部病变区域，而其余肺部或多或少是健康的。医学研究表明，这些患者在吸气过程中倾向于先吸收肺部的健康部分，然后再吸收肺部的不健康部分。不对肺部不健康部位分配剂量会导致流向不健康部位的血流量增加，并且实际会降低患者的整体氧合。因此，与ILD中的患者一样，仅对患者吸气的初始部分分配剂量是有益的。可以被分配剂量以有益于患者的吸气部分将因患者而异。

患者氧合是患者健康状况的指示。这个参数可以由内置于NO递送设备中的SpO2传感器测量，或由外部设备测量并传送至NO递送设备。在一些实施例中，测量或从外部设备接收SpO2信息的NO递送设备可以使用闭环控制方案(这也适用于ILD)确定最优的吸气比例。在一些实施例中，应当被分配剂量的呼吸部分由外部用户录入到设备中。

气体传感器校准

NO生成和/或递送系统内的传感器要求不时地进行校准，气体传感器也不例外。现有技术的校准涉及15分钟的过程，用户将各种校准气体连接到气体分析仪的气体传感器组，以便系统可以获得每种类型气体传感器校准的高读数和低读数。氧气传感器可以使用大气(20.8％氧气)和其它值进行校准。在一些实施例中，不含氧气的气体(例如，N₂平衡中的NO)被用于为氧气传感器提供零值。在一些实施例中，来自医院供应的氧气被用于获得高校准读数(例如，100％ O₂)。

在一些实施例中，NO和NO₂气体传感器使用校准套件进行校准。校准气体套件(CGK)用已知的气体浓度对3P-001设备进行自动校准。在一个实施例中，GCK包括校准气瓶、流量调整器、管道、一个或多个智能芯片和独特的连接器，这些连接器类似于已经与NO设备接口的组件(例如，水收集器、洗涤器筒或气体调节筒)。在一些实施例中，CGK的电力由NO生成/递送设备提供和控制。

电化学传感器的t90(即，气体传感器从满量程的10％到90％的上升时间)可以非常慢，其中有一些接近400秒。一些气体传感器制造商推荐校准气体流过传感器至少10分钟，或者在获取校准读数之前每个传感器的传感器信号在30秒内没有改变。图72描绘了示例性流程图，其示出了在NO设备上针对NO、NO₂和O₂校准传感器的典型步骤序列。校准气体通过脱水器连接进入系统，这是正常激励气体样本通过的路径。

图73描绘了在再循环体系架构内校准NO传感器的典型步骤序列。再循环回路首先用空气吹扫以获得传感器的真正零读数。然后，高浓度NO校准气体通过NO传感器足够长的时间，使传感器读数稳定下来。在一些实施例中，校准气体通过通常处置反应物气体或产物气体的外部接口被引入系统。在一些实施例中，校准气体通过通常由可更换洗涤器占据的端口引入到NO系统。在一些实施例中，校准气体通过用于校准气体的专用端口引入系统。

图74描绘了气体校准套件的实施例。它由容纳校准气瓶的外壳(例如，盒子或挎包)组成。在一些实施例中，校准气瓶的尺寸为1.6l，加压至1000psi并可为大约35次校准提供足够的气体。每个瓶子的顶部都有阀，以用于控制瓶子中的气体流量。阀通常是关闭的，因此当气体校准套件未通电或套件关闭时(例如，自供电套件)，阀关闭以防止校准气体损失或污染。在一些实施例中，手动阀位于与自动阀串联的气瓶上以进一步减轻气体损失和/或污染。

在所示的气体校准套件中，左侧的两个气缸用于校准测量NO和NO₂激励浓度的气体传感器。NO和NO₂的零值可以从氧气校准步骤或环境空气中获得。在一些实施例中，校准气瓶在N₂的平衡中包括NO和NO₂，在这种情况下，套件中仅需要一个吸入气体校准气瓶。NO和NO₂校准气体的示例浓度分别为100ppm和5ppm。该套件还包括气缸，用于校准最右侧的内部高浓度NO传感器。在一些实施例中，高校准气体浓度为2500ppm。其它实施例使用范围从1000ppm到3000ppm的气体校准内部高NO传感器。

在所描绘的实施例中，气体校准套件通过现有接口与NO设备接口。样本吸入气体通常通过脱水器流入系统。因此，具有脱水器形状的连接器使GCK能够将校准气体引入吸入气体测量传感器。GCK在压力下提供校准气体。在一些实施例中，GCK推动校准气体通过吸入气体传感器路径。在其它实施例中，NO设备内的气体采样泵将校准气体从GCK抽入NO设备。通常，校准期间的流率与操作期间的流率相同(例如，在100至300ml/min的范围内)。高浓度NO校准气体使用类似于NO₂洗涤器的连接器进入NO系统。

在所示实施例中，通过与气动连接建立的电连接向GCK提供电力。这个电力可以被用于打开气阀、为微处理器供电、从存储器设备中读取以及其它用途。在一些实施例中，GCK包括电池或者从墙上插座或其它外部源接收电力。

在一些实施例中，数据在NO设备和GCK之间交换。例如，GCK可以向NO设备提供校准气体的实际浓度、其有效期、批号和执行的校准计数。NO设备可以拒绝过期或已使用足够次数以致校准气体浓度可能已更改的校准气体。

图74示出了用于在GCK不使用时存放气体连接的口袋。在一些实施例中，GCK可以同时支持吸入气体传感器和内部高NO传感器的校准。在一些实施例中，如果在非大气水平下执行氧气高校准，那么GCK还与医院高浓度氧气(例如，100％)接口。

在一些实施例中，机械接口包括智能芯片连接，类似于系统用来与一次性部件通信的连接。NO递送设备读取智能芯片并识别插入的部件作为GCK的一部分，并且可以自动进入校准模式和/或校准序列。智能芯片可以包括的信息包括但不限于：校准气体浓度、校准气体批号、校准气体有效期、CGK序列号和剩余校准次数。

由高度和/或天气引起的环境压力改变应由NO生成设备(例如，气体采样泵、再循环流量控制器)适应。

用户安全性

在一些实施例中，NO生成或递送设备测量环境空气以检查NO和NO₂水平对临床医生来说是安全的。在一些实施例中，NO设备使用与用于分析吸入气体相同的传感器。在一些实施例中，专用传感器被用于安全性监视。在一些实施例中，当NO₂水平超过阈值(例如，2ppm)时，NO生成设备生成警报(例如，可听的、可见的)。

在本文件中引用的出版物通过引用整体并入本文。虽然已经描述了本公开的一个或多个实施例，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是说明性的，而不是限制性的，并且许多修改对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的，包括本文描述的说明性方法、说明性系统和平台以及说明性设备的各种实施例可以彼此以任何组合使用。此外，各种步骤可以以任何期望的次序执行(并且可以添加任何期望的步骤和/或可以消除任何期望的步骤)。

Claims (20)

1.一种用于生成一氧化氮的系统，包括：

等离子体室，容纳与谐振高压电路连通的两个或更多个电极，所述谐振高压电路被配置为向等离子体室发送信号以从反应气体流中产生产物气体中的一氧化氮；以及

控制器，被配置为生成具有多个谐波频率的脉宽调制信号以激励谐振高压电路，其中控制器被配置为调整脉宽调制信号的占空比，控制器基于等离子体室中等离子体形成之前的目标电压和等离子体形成之后的目标电流来选择占空比。

2.如权利要求1所述的系统，其中等离子体形成之前的电压和等离子体形成之后的电流通过改变脉冲宽度调制信号中的谐波振幅来被独立地控制。

3.如权利要求2所述的系统，其中通过在脉冲宽度调制信号的两个或更多个占空比之间交替来改变谐波振幅。

4.如权利要求2所述的系统，其中对在等离子体形成之后的电流的控制允许在等离子体脉冲内进行电流调制。

5.如权利要求1所述的系统，其中控制器被配置为调整产物气体中一氧化氮的浓度。

6.如权利要求1所述的系统，其中控制器被配置为促进等离子体室中的电极间隙的击穿。

7.如权利要求1所述的系统，其中控制器被配置为优化产物气体中NO与NO₂之间的比率。

8.如权利要求1所述的系统，其中控制器被配置为补偿对等离子体室中电极的改变。

9.如权利要求8所述的系统，其中对电极的改变包括电极磨损。

10.如权利要求1所述的系统，其中控制器被配置为补偿系统中的反应物特性，包括湿度、氧/氮比、温度和压力中的至少一个。

11.如权利要求1所述的系统，其中控制器被配置为对等离子体进行脉冲调制以控制NO产生率。

12.一种用于生成一氧化氮的系统，包括：

等离子体室，容纳与谐振高压电路连通的两个或更多个电极，所述谐振高压电路被配置为向等离子体室发送信号以从反应气体流中产生产物气体中的一氧化氮；以及

控制器，与谐振高压电路通信，用于通过在两个或更多个占空比之间交替来独立地控制在等离子体室中形成等离子体的电压和在等离子体室中的等离子体中的电流以独立地调整波形的谐波频率的振幅。

13.如权利要求12所述的系统，其中控制器被配置为调整产物气体中一氧化氮的浓度。

14.如权利要求12所述的系统，其中控制器被配置为促进等离子体室中的电极间隙的击穿。

15.如权利要求12所述的系统，其中控制器被配置为优化产物气体中NO与NO₂之间的比率。

16.如权利要求12所述的系统，其中控制器被配置为补偿对等离子体室中电极的改变。

17.如权利要求16所述的系统，其中对电极的改变包括电极磨损。

18.如权利要求12所述的系统，其中控制器被配置为补偿系统中的反应物特性，包括湿度、氧/氮比、温度和压力中的至少一个。

19.一种用于生成一氧化氮的方法，包括：

使用谐振高压电路为等离子体室提供能量，以从反应气体流中产生产物气体中的一氧化氮；以及

使用与谐振高压电路通信的控制器通过调整波形的占空比来控制在等离子体室中形成等离子体的电压和在等离子体室中维持等离子体的电流，其中所述波形用于使用多个谐波频率来激励谐振高压电路。

20.如权利要求19所述的方法，其中等离子体形成之前的电压和等离子体形成之后的电流是通过改变脉宽调制信号中的谐波振幅来被独立控制的。