CN116831524A - 一种具有吸痰功能的气管导管和吸痰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有吸痰功能的气管导管和吸痰方法，包括主体导管、声音监测模块和主控模块，主体导管上连接有吸痰管，主体导管上设有至少一个吸痰通道；吸痰通道的一端与吸痰管连通，吸痰通道的另一端通向主体导管外；声音监测模块设于主体导管的后方，用于监听气道内的音频以及朝向主体导管内发出音频并接收回音；主控模块与声音监测模块相连接，用于处理声音监测模块的音频数据。本发明使用声学实时监测导管位置和气道堵塞程度，通过监测痰声、痰液体积和痰液位置，从而能对痰液实现精准去除，从很大程度上降低了医护人员的工作强度，减轻了病人的痛苦。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种具有吸痰功能的气管导管；此外，本发明还涉及一种气道吸痰方法。
背景技术
人工气道是将导管经上呼吸道置入气管或直接置入气管所建立的气体通道。实施气管插管术和气管切开置管术的患者大部分会有痰液生成，其痰液生成有以下几个原因：第一，由于疾病本身所致如肺部感染、肺水肿等疾病；第二，人工气道本身和镇静等原因，造成咳嗽反射及功能的减弱消失，造成痰液积聚增多，因为建立人工气道丧失了咳嗽咳痰的能力；第三，人工气道插入气管刺激气管黏膜导致分泌物增多。
建立了人工气道后，观察患者是否需要吸痰，一般通过观看呼吸机的波形，听诊患者肺部痰鸣音，或者观察患者的呛咳反射。这些方法都是出现痰液后对患者已经造成明显影响，才能判断出痰液堵塞，是一种具有延后性的间接测量方法。
另外，目前气管插管术和气管切开置管术期间吸痰方法通常采用间隔一定时间，痰液在气管内积聚一定量，将吸痰管插入人工气道内到达气管来抽吸、清理肺内到达气管和人工气道的痰液。这种方式要么导致吸痰过于频繁，给医护人员带来多余的工作量和工作强度，也增加了感染风险；要么导致吸痰不及时，且不能彻底清除痰液给病人带来了痛苦。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的至少一个实施例提供了一种具有吸痰功能的气管导管，通过监测痰声、痰液体积和痰液位置，从而能对痰液实现精准去除，从很大程度上降低了医护人员的工作强度，减轻了病人的痛苦。为此，本发明的至少一个实施例还提供一种气道吸痰方法。
第一方面，本发明实施例提出一种具有吸痰功能的气管导管，包括：
导管组件，包括主体导管，主体导管上连接有吸痰管，主体导管上设有至少一个吸痰通道；吸痰通道的一端与吸痰管连通，吸痰通道的另一端通向主体导管外；
声音监测模块，设于主体导管的后方，用于监听气道内的音频以及朝向主体导管内发出音频并接收回音；
主控模块，与声音监测模块相连接，用于处理声音监测模块的音频数据。
在一些实施例中，本发明提供的一种具有吸痰功能的气管导管，声音监测模块包括发音单元和收音单元，发音单元和收音单元均与主控模块相连接，发音单元和收音单元均设于主体导管的内侧壁上，且发音单元位于收音单元的后方。
在一些实施例中，本发明提供的一种具有吸痰功能的气管导管，发音单元包括扬声器，收音单元包括第一麦克风和第二麦克风；扬声器、第一麦克风和第二麦克风沿主体导管的轴线方向、并列地设置于主体导管的内侧壁上，第一麦克风位于扬声器和第二麦克风之间；扬声器、第一麦克风和第二麦克风分别与主控模块相连接。
在一些实施例中，本发明提供的一种具有吸痰功能的气管导管，主控模块用于把监听到的音频与预存于主控模块内的音频阈值进行比较，以及接收回音并将接收到的回音与预存于主控模块内的回音阈值进行比较，以判断气管导管在插管中痰液的位置。
在一些实施例中，本发明提供的一种具有吸痰功能的气管导管，吸痰管上设有用于监测吸痰过程中气体流量的气体流量传感器。
在一些实施例中，本发明提供的一种具有吸痰功能的气管导管，吸痰通道沿主体导管的轴线方向设置。
第二方面，本发明实施例还提供了一种气道吸痰方法，使用第一方面中一种具有吸痰功能的气管导管，方法包括：
在气管导管插管过程中，监听气道内的音频得到第一声学气道监测数据，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据；
通过第一声学气道监测数据判断痰液的声音状态，通过第二声学气道监测数据判断气道中痰液的体积状态和位置状态；
通过气道中痰液的声音状态、体积状态和位置状态进行吸痰操作。
在一些实施例中，本发明提供的一种气道吸痰方法，通过气道中痰液的声音状态、体积状态和位置状态进行吸痰操作包括：
如果在预设时间里进行至少两次吸痰操作后仍有痰液阻塞气道报警，则判断为异常痰液阻塞并提示进行人为干预清痰；如果在预设时间里进行至少两次吸痰操作后没有痰液阻塞气道报警，则判断为正常痰液阻塞，则继续通过吸痰管进行吸痰操作。
在一些实施例中，本发明提供的一种气道吸痰方法，吸痰管进行吸痰操作时，通过连接在吸痰管上的气体流量传感器判断痰液是否阻塞吸痰管；如果痰液阻塞了吸痰管，则进行人工除痰操作；如果痰液没有阻塞吸痰管，则通过所述第一声学气道监测数据判断是否吸痰干净。
在一些实施例中，本发明提供的一种气道吸痰方法，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据包括：
气管导管每间隔第一预设时长执行一次下述气道监测操作：
发音单元朝向主体导管的前端方向发出音频，以朝向主体导管的前端方向传播一个预设频率的单频脉冲信号Pi；
发音单元的第一麦克风和第二麦克风分别对音频进行采集，以分别获取对应的第一输出音频脉冲信号和第二输出音频脉冲信号；
若第一麦克风接收到第一输出音频脉冲信号的时间早于第二麦克风接收到第二输出音频脉冲信号的时间时，则判定此时采集到的声音为由主体导管的后端向主体导管的前端方向传播的入射声，即单频脉冲信号Pi，并记录此时第一麦克风获取到第一输出音频脉冲信号的时间点，并将该时间点标记为输出时间点t0；
若第一麦克风接收到第一输出音频脉冲信号的时间晚于第二麦克风接收到第二输出音频脉冲信号的时间时，则判定此时采集到的声音为由主体导管的前端向主体导管的后端方向传播的反射声；
当采集到反射声时，若此时采集到的第一输出音频脉冲信号为一个与单频脉冲信号Pi相反相位的信号，并且该信号为第一麦克风接收到单频脉冲信号Pi后接收到的首个与单频脉冲信号Pi相反相位的信号，则判定此时采集到的反射声为入射声传输至主体导管的前端后，向主体导管的后端方向反射的第一反射波Pr1，并将第一麦克风采集到第一反射波Pr1的时间点标记为第一时间点t1；
当采集到反射声时，若此时采集到的第一输出音频脉冲信号为一个与单频脉冲信号Pi相反相位的信号，并且该信号为第一麦克风接收到第一反射波Pr1后接收到的首个与单频脉冲信号Pi相反相位的信号，则判定此时采集到的反射声为入射声传输至气管隆突后，向主体导管的后端方向反射的第二反射波Pr2，并将第一麦克风采集到第二反射波Pr2的时间点标记为第二时间点t2；
当采集到反射声时，若此时采集到的第一输出音频脉冲信号为一个与单频脉冲信号Pi同相位的信号，并且接收到该第一输出音频脉冲信号的时间早于第一麦克风接收到第一反射波Pr1的时间，则判定此时采集到的声音为入射声传输至主体导管内痰液后，向主体导管的后端方向反射的第三反射波Pr10，以此判定主体导管内存在痰液，并将第一麦克风采集到第三反射波Pr10的时间点标记为第三时间点t10；
当采集到反射声时，若此时采集到的第一输出音频脉冲信号的时间晚于第二麦克风接收到第二输出音频脉冲信号的时间，且第一输出音频脉冲信号为一个与单频脉冲信号Pi同相位的信号，并且接收到该第一输出音频脉冲信号的时间晚于第一麦克风接收到第一反射波Pr1的时间，则判定此时采集到的声音为入射声传输至气管内痰液后，向主体导管的后端方向反射的第四反射波Pr20，以此判定气管内存在痰液，并将第一麦克风采集到第四反射波Pr20的时间点标记为第四时间点t20。
在一些实施例中，本发明提供的一种气道吸痰方法，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据还包括：
通过下式1检测出主体导管的前端位置的声反射率R1：
和/或
通过下式2检测出主体导管所处部位的截面积A1：
其中，A0为主体导管的截面积；
或
通过下式3检测出主体导管所处部位的截面积A1：
将主体导管所处部位的截面积A1与预存于系统中的气管截面积阈值进行比较，以确定气管导管是否正确插入气管。
在一些实施例中，本发明提供的一种气道吸痰方法，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据还包括：
检测获得主体导管内的实时声速c：
当确定气管导管正确插入气管、并确定气管导管和气管内无异物后，通过下
式4检测出主体导管的前端至气管隆突的距离Lt：
或
当确定气管导管正确插入气管、并确定气管导管和气管内无异物后，通过下
式5检测出主体导管的前端至气管隆突的距离Lt：
其中，L1为第一麦克风到主体导管的前端的距离。
在一些实施例中，本发明提供的一种气道吸痰方法，当判定主体导管内存在异物后，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据还包括：
通过下式6检测主体导管内异物相对于第一麦克风的距离Lt10：
其中，L1为第一麦克风到主体导管的前端的距离；
和/或
通过下式7检测主体导管内异物的最大截面积尺寸A10：
其中，A0为主体导管的截面积。
在一些实施例中，本发明提供的一种气道吸痰方法，当判定气管内存在异物后，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据还包括：
通过下式8检测气管内异物相对于主体导管的前端的距离Lt20：
其中，L1为第一麦克风到主体导管的前端的距离；
和/或
第一麦克风采集位于第四反射波Pr20后接收到的第一个与单频脉冲信号Pi同相位，且由主体导管的前端向主体导管的后端方向传播的折射波信号Pt30；
通过下式9检测气管内异物的最大截面积尺寸A20：
其中，A0为主体导管的截面积。
可见，本发明实施例的一种具有吸痰功能的气管导管和吸痰方法，使用声学实时监测导管位置和气道堵塞程度，通过监测痰声、痰液体积和痰液位置，从而能对痰液实现精准去除，从很大程度上降低了医护人员的工作强度，减轻了病人的痛苦。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1显示为本发明实施例中一种具有吸痰功能的气管导管的结构示意图；
图2显示为本发明实施例中一种具有吸痰功能的气管导管的多个吸痰通道示意图；
图3显示为音频在第一管径状态下的传播状态示意图；
图4显示为音频在第二管径状态下的传播状态示意图；
图5显示为本发明实施例中气管导管在气管内的声学测距原理图；
图6显示为本发明实施例中管导管中存在异物时的声学测距原理图；
图7显示为本发明实施例中气管中存在异物时的声学测距原理图；
图8显示为本发明实施例中一种气道吸痰方法的工作流程示意图。
对应说明书附图内的附图标记参考如下：
导管组件1，主体导管11，主体导管前端111，吸痰通道112，吸痰管12，连接管13，气囊14，扬声器21，第一麦克风22，第二麦克风23，气体流量传感器3，气管4，气管隆突5，主体导管内异物61，气管内异物62。
具体实施方案
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
本方案发明人发现，在现有技术中，通过人工气道吸痰方法不能确定痰液位置，从而导致吸痰不及时、吸痰不彻底，以至于不停地观察症状体征给医护人员带来大量的工作量和工作强度，不能及时彻底清除痰液也给病人带来了痛苦。本发明实施例提供如下方案：
如图1所示，本发明实施例提供一种具有吸痰功能的气管导管，包括：
导管组件1，包括主体导管11，主体导管11上连接有吸痰管12，主体导管11上设有至少一个吸痰通道112；吸痰通道112的一端与吸痰管12连通，吸痰通道112的另一端通向主体导管11外。具体实施时，主体导管11由空心的圆柱状的管体构成，且主体导管11后端连接有连接管13，并可在主体导管前端111设置气囊14，将主体导管11更好地固定在气管4内，吸痰管12与外部吸痰设备连接。吸痰管12上设有气体流量传感器3，用于监测吸痰过程中的气流流量，用于后续给呼吸机的流量数值补充。一方面，用于补偿呼吸通路的气体损失，避免报警；另一方面，可以通过流量判断吸痰管是否完全堵塞。
如图2所示，主体导管11上设置四个吸痰通道112，吸痰通道沿主体导管11的轴线方向设置，四个吸痰通道112呈圆周阵列均匀排列，与四个吸痰通道112分别连接的吸痰管12最终汇总到一个总的吸痰管中，起到吸痰效果更佳的效果，减少吸痰过程中的堵塞情况。
声音监测模块，设于主体导管11的后方，用于监听气道内的音频以及朝向主体导管11内发出音频并接收回音。
主控模块，与声音监测模块相连接，用于处理声音监测模块的音频数据。主控模块用于把监听到的音频与预存于主控模块内的音频阈值进行比较，以及接收回音并将接收到的回音与预存于主控模块内的回音阈值进行比较，以判断气管导管在插管中痰液的位置。
通过声音监测模块采集音频信号，并将采集到的音频信号直接输出至显示模块供用户参考，用户根据采集数据自行算出检测结果；也可对采集到的音频信号进行处理识别，将音频数据转换为对应的检测结果数据输出至显示模块供用户参考。
由主体导管11中用于插入人体内的一端构成该主体导管前端111，而由主体导管11中置于人体外的一端构成该主体导管11的后端，在其它实施例中可采用与主体导管11内径尺寸一致的连接管13连接主体导管11，此时，由连接管13的一端构成主体管的后端，用于安装声音监测模块。
声音监测模块包括发音单元和收音单元，发音单元和收音单元均与主控模块相连接，发音单元和收音单元均设于主体导管11的内侧壁上，且发音单元位于收音单元的后方。发音单元包括扬声器21，收音单元包括第一麦克风22和第二麦克风23；扬声器21、第一麦克风22和第二麦克风23沿主体导管11的轴线方向、并列地设置于主体导管11的内侧壁上，第一麦克风22位于扬声器21和第二麦克风之间23；扬声器21、第一麦克风22和第二麦克风23分别与主控模块相连接。
可将第一麦克风22与第二麦克风23的间距设置为25毫米，而将第一麦克风22至主体导管前端111的间距设置为300毫米，并可选用7.5毫米、8毫米或9毫米的导管构成主体导管11(在其他实施例中，也可根据实际需要对尺寸进行设定)。
气管导管利用声音监测模块实现对气道的检测，利用声音监测模块监听气道内的音频以及向主体导管11发出音频并接收回音，实现把监听到的音频与预存于主控模块内的音频阈值进行比较，以及接收回音并将接收到的回音与预存于主控模块内的回音阈值进行比较，从而判断气道内是否存在异常，以判断气管导管在插管中痰液的位置。其中回音阈值为气道处于正常情况下应该检测到的音频值。
如图3至图8所示，本发明实施例还提供一种气道吸痰方法，使用上述具有吸痰功能的气管导管，方法包括：
在气管导管插管过程中，通过第一麦克风22或者第二麦克风23监听气道内的音频得到第一声学气道监测数据，第一声学气道监测数据包括是否有痰鸣音，同时向气管导管的主体导管11内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据。
通过第一声学气道监测数据判断痰液的声音状态，通过第二声学气道监测数据判断气道中痰液的体积状态和位置状态。
可以理解的是，通过第一声学气道监测数据判断痰液的声音状态时，在气道中直接实时监听抓取的呼吸音相比通过外部听诊获得的响度更大、更清晰、更少的外部干扰噪音。几种常见的获得性异常呼吸音有湿啰音、干啰音、哮鸣音、帛裂音、吱嘎音及鸭鸣音等。其中湿啰音中的痰鸣音，是一种高音调强烈连续的单音，通常反应出呼吸通路中是否有痰液堵塞。通过分析呼吸音中的信号特性来判断痰液的声音状态，其趋向于正弦波形基本频率一般高于500Hz，可以据此判断是否有明显的痰鸣音，然后进一步判断痰液堵塞情况。信号分析基于离散傅里叶变换(DFT)，其公式如下：
其中，X(m)是DFT的第m个输出，x(n)是输入的时域信号，j是虚数单位。
可以理解的是，通过第二声学气道监测数据判断气道中痰液的体积状态和位置状态时，气管导管每间隔第一预设时长执行性一次下述气道监测操作，具体的，第一预设时长为10ms，实际应用中也可根据需要设置第一预设时长：
述发声单元朝向主体导管前端111方向发出声响，以朝向主体导管前端111方向传播一个预设频率的单频脉冲信号Pi，该实施例中，可选用频率在500Hz～4000Hz的脉冲构成单频脉冲信号Pi。
第一麦克风22和第二麦克风23分别对声音进行采集，以分别获取对应的第一输出音频脉冲信号和第二输出音频脉冲信号。
若第一麦克风22接收到第一输出音频脉冲信号的时间早于第二麦克风23接收到第二输出音频脉冲信号的时间时，则判定此时采集到的声音为由主体导管11的后端向主体导管前端111方向传播的入射声，即单频脉冲信号Pi，并记录此时第一麦克风22获取到第一输出音频脉冲信号的时间点，并将该时间点标记为输出时间点t0。
若第一麦克风22接收到第一输出音频脉冲信号的时间晚于第二麦克风23接收到第二输出音频脉冲信号的时间时，则判定此时采集到的声音为由主体导管前端111向主体导管11的后端方向传播的反射声。
当采集到反射声时，若此时采集到的第一输出音频脉冲信号为一个与单频脉冲信号Pi相反相位的信号，并且该信号为第一麦克风22接收到单频脉冲信号Pi后接收到的首个与单频脉冲信号Pi相反相位的信号，则判定此时采集到的反射声为入射声传输至主体导管前端111后，向主体导管11的后端方向反射的第一反射波Pr1，并将第一麦克风采集到第一反射波Pr1的时间点标记为第一时间点t1。
当采集到反射声时，若此时采集到的第一输出音频脉冲信号为一个与单频脉冲信号Pi相反相位的信号，并且该信号为第一麦克风22接收到第一反射波Pr1后接收到的首个与单频脉冲信号Pi相反相位的信号，则判定此时采集到的反射声为入射声传输至气管隆突5后，向主体导管11的后端方向反射的第二反射波Pr2，并将第一麦克风采集到第二反射波Pr2的时间点标记为第二时间点t2。
当采集到反射声时，若此时采集到的第一输出音频脉冲信号为一个与单频脉冲信号Pi同相位的信号，并且接收到该第一输出音频脉冲信号的时间早于第一麦克风22接收到第一反射波Pr1的时间，则判定此时采集到的声音为入射声传输至主体导管内异物61后，向主体导管的后端方向反射的第三反射波Pr10，以此判定主体导管内存在异物，并将第一麦克风采集到第三反射波Pr10的时间点标记为第三时间点t10。
当采集到反射声时，若此时采集到的第一输出音频脉冲信号的时间晚于第二麦克风23接收到第二输出音频脉冲信号的时间，且第一输出音频脉冲信号为一个与单频脉冲信号Pi同相位的信号，并且接收到该第一输出音频脉冲信号的时间晚于第一麦克风22接收到第一反射波Pr1的时间，则判定此时采集到的声音为入射声传输至气管内异物62后，向主体导管的后端方向反射的第四反射波Pr20，以此判定气管内存在异物，并将第一麦克风采集到第四反射波Pr20的时间点标记为第四时间点t20。
在其他实施方式中也可统一选用第二麦克风采集到各个反射波的时间点进行标记，以为后续检测提供依据。
通过下式1检测出主体导管前端111位置的声反射率R1：
和/或
通过下式2检测出主体导管所处部位的截面积A1：
其中，A0为主体导管的截面积；
或
通过下式3检测出主体导管所处部位的截面积A1：
将主体导管所处部位的截面积A1与预存于系统中的气管4截面积阈值进行比较，以确定具备声学监测功能的可视气管导管是否正确插入气管4。
检测获得主体导管内的实时声速c：
当确定气管导管正确插入气管、并确定气管导管和气管内无异物后，通过下
式4检测出主体导管的前端至气管隆突的距离Lt：
或
当确定具备声学监测功能的可视气管导管正确插入气管4、并确定可视气管导管及气管4内无异物后，通过下式5检测出主体导管前端111至气管隆突5的距离Lt：
其中，L1为第一麦克风22到主体导管前端111的距离；
公式中的声压值是管道突变位置处的声压，而到达麦克风位置处的声压大小由于声波传输过程的损耗，实际存在差异。声传播过程中的衰减一般分为有扩散衰减、散射衰减和吸收衰减。其中声波在管道中传播可看作平面波，不存在扩散衰减。散射衰减系数公式如下：
其中，Lc为平均晶粒直径；v0为纵波速；S为散射因素，是关于入射波和散射波的函数。而吸收衰减系数公式如下：
其中，ρ为管道中介质的密度，ε为介质的热传导系数，CV为介质的定容比热容，E为相应的弹性系数，σ和θ分别代表绝热值和恒温值。由上述两个公式可知，管道中的声音衰减主要与传播的介质相关。而实际插管过程中介质变化相对较小，所以可以将衰减系数设为常数α。实际衰减系数由实际测试过程中获取。
由此，可将气管截面积公式转化如下：
其中，P′i为入射波Pi对应到麦克风1的测试值，P′r1为反射波Pr1对应到麦克风1的测试值。
通过下式6检测主体导管内异物61相对于第一麦克风的距离Lt10：
其中，L1为第一麦克风22到主体导管前端111的距离；
和/或
通过下式7检测主体导管内异物61的最大截面积尺寸A10：
其中，A0为主体导管的截面积。
通过下式8检测气管内异物62相对于主体导管前端111的距离Lt20：
其中，L1为第一麦克风到主体导管前端111的距离；
和/或
第一麦克风采集位于第四反射波Pr20后接收到的第一个与单频脉冲信号Pi同相位，且由主体导管前端111向主体导管的后端方向传播的折射波信号Pt30；
通过下式9检测气管内异物的最大截面积尺寸A20：
其中，A0为主体导管的截面积。
同理，根据声波传输过程中的损耗情况，可将该上述公式转化如下：
其中，Pt′30是折射信号Pt30对应到麦克风1的实际测试值。
下面结合图3至图8对本发明的气管导管的监测方法的原理进行进一步地说明：
如图3所示，当声波传播过程中管道截面从大变小时，反射波与入射波相位相同；而如图4所示，当声波传播过程中管道截面从小变大时，反射波与入射波相位相反。图2及图3中的Rp是声压反射率，Pi、Pr和Pt分别是入射波、反射波和折射波，A0和A1分别是声波传播前后两个截面的截面积。
采用本发明气管导管进行检测时，将气管导管插入气管中时，可近似地将主体导管和气管分别看作两根均匀截面的导管，其中，气管的管径比主体导管的管径大，故可将该状态等效地看作图4所示的状态。
在工作中，当将气管导管插入气管中后，可使用扬声器21发出频率在500～4000Hz的脉冲声音作为入射声波Pi(即单频脉冲信号Pi)时，由于声音波长远大于主体导管的管径，故可近似将主体导管和气管看作两根均匀截面的导管，参考图3所示的结构，由此可以得到声音在主体导管和气管中的传播反射公式可参阅下式10所示：
而当声波在气管中继续往前传播到气管隆突5时，截面积再一次地会突变较大，此时声波同样发生反射。
图5显示了以实施例中，当主体导管进入正常气管中后，当处于呼吸间隙时，导管内无气流速度，时主要声音信号的一个传播周期。
扬声器21每隔10ms发出一个500Hz～4000Hz的单频脉冲信号Pi，为了便于理解，此处预设该信号为正相位，当该单频脉冲信号Pi依次经过第一麦克风22和第二麦克风23时会被实时抓取下来，此时可以根据第一麦克风22接收到第一输出音频脉冲信号和第二麦克风23接收到第二输出音频脉冲信号的前后顺序判定该信号是入射声还是反射声，当第一麦克风22接收到第一输出音频脉冲信号早于第二麦克风23接收到第二输出音频脉冲信号时，则判断该信号是入射声，并且将第一麦克风22接收到该第一输出音频脉冲信号的时间点标记为输出时间点t0。
而当脉冲声音继续往前传播到主体导管前端111时，传播管道的截面积发生变化，此时会产生一个第一反射波Pr1和透射波Pt1，第一反射波Pr1依次经过第二麦克风23和第一麦克风22时被抓取，该信号为相反相位信号，可根据第一麦克风22和第二麦克风23采集到的信号的时间先后顺序，分析出此信号为从主体导管的前端111处反射的反射声信号，标记此时的时间点为t1(即将采集到第一反射波Pr1的时间点标记为第一时间点t1)。透射波Pt1继续传播经过气管隆突5后会产生相应的第二反射波Pr2，该信号同为相反相位信号，标记此刻的时间t2(即将采集到第二反射波Pr2的时间点标记为第二时间点t2)。
第一麦克风22和第二麦克风23可直接根据抓取的时间先后顺序，将第一反射波Pr1和第二反射波Pr2经过两个麦克风后继续往前传播后再次发生反射的信号识别为无效信号，并在后期处理时对这些信号进行去除。
根据声学在不同截面管道中传播的原理，传播距离L的计算公式如下式11所示：
L＝c×t 式11；
式17中的c为管道中的声速，而t为声音在管道中传播的时间。由于气道中的气体介质存在着个体差异和随时间、温度等因素变化，所以需要实时确认声速，而由于气道中介质随时间变化相对缓慢，所以可以在一个测试周期中认为该介质近似无变化。
故可可采用上式9检测获得主体导管内的实时声速c。进而可采用上式4检测出主体导管前端111至气管隆突5的距离Lt。
而根据平面声波在有限导管中传播原理，可得导管端部处声反射的相关公式如下式12所示：
故可采用上式2和式3检测出主体导管所处部位的截面积A1。
同时，由于人成年后气管的尺寸范围相对固定，且与食道、支气管和口腔等都有较大差异；故可根据检测出主体导管所处部位的截面积A1是否在正常成人的气管截面积范围内(正常成人的气管截面积范围可作为气管截面积阈值预存于系统中)，判断可视气管导管是否正常插入气管中，而非错误插入食道、支气管和口腔等位置。
如图6所示，当主体导管中某处有异物时，单频脉冲信号Pi入射后经过主体导管内的异物后会产生第三反射波Pr10，该第三反射波Pr10为正相位信号，且该第三反射波Pr10相对第一反射波Pr1的时间稍前，同时可根据第三反射波Pr10经过第二麦克风23和第一麦克风22的先后顺序判断该信号为异物反射信号，记录此刻时间为t10(即将采集到第三反射波Pr10的时间点标记为第三时间点t10)，故此时可结合上述提到的声波传输原理，通过上式6检测主体导管内异物61相对于第一麦克风22的距离Lt10。同时，可结合上式7检测主体导管内异物61的最大截面积尺寸A10。
如图7所示，当气管中某处有异物时，单频脉冲信号Pi入射后经过主体导管前端头同样产生第一反射波Pr1，并且产生对应的折射波Pt1；折射波Pt1继续传播遇到气管内异物62后，就会出现第四反射波Pr20，此处的反射率为R20；而反射波传播至主体导管前端111后出现新的第五反射波Pr30和对应的折射波Pt30，此处的反射率为R30；与第五反射波Pr30对应的折射波Pt30信号也为正相位信号，且相对第一反射波Pr1的时间延后，被第一麦克风22记录后标记对应的时间为t20(即将采集到第四反射波Pr20的时间点标记为第四时间点t20)。因此，可通过上式8检测气管内异物62相对于主体导管前端111的距离Lt20。
分析图7中各处的信号的传播特征，可得下式13至式16：
Pi+Pr1＝Pt1 式15；
Pr20+Pr30＝Pt30 式16；
故可通过上式9检测气管内异物62的最大截面积尺寸A20。
如图8所示，插入插管导管后，通过气道中痰液的声音状态、体积状态和位置状态进行吸痰操作。如果在预设时间里进行至少两次吸痰操作后仍有痰液阻塞气道报警，则判断为异常痰液阻塞并提示进行人为干预清痰；如果在预设时间里进行至少两次吸痰操作后没有痰液阻塞气道报警，则判断为正常痰液阻塞，则继续通过吸痰管进行吸痰操作。具体的，在吸痰管中注入生理盐水，然后进行吸痰。吸痰过程中同时监测吸痰管中的流量用于补偿呼吸机中损失的气流，以免触发报警。
需要解释的是，上述的预设时间可以设置为1小时，也可以设置为1小时左右，例如58分钟、59分钟、1小时1分钟、1小时2分钟等等。上述的至少两次吸痰操作可以设置为3次吸痰操作，具体可以理解为，在1小时里进行3次吸痰操作后仍有痰液阻塞气道报警，则判断为异常痰液阻塞并提示进行人为干预清痰。
吸痰管12进行吸痰操作时，通过连接在吸痰管12上的气体流量传感器3判断痰液是否阻塞吸痰管12。如果痰液阻塞了吸痰管12，则进行人工除痰操作；如果痰液没有阻塞吸痰管12，则通过第一声学气道监测数据判断是否吸痰干净。每次吸痰时间限定为15s，暂停后判断前次吸痰过程中是否有吸痰声音，是则代表未吸痰干净，则继续吸痰；否则表示吸痰结束，继续监听呼吸音和检测异物堵塞。
综上所述，本发明实施例的一种具有吸痰功能的气管导管和吸痰方法，使用声学实时监测导管位置和气道堵塞程度，通过监测痰声、痰液体积和痰液位置，从而能对痰液实现精准去除，从很大程度上降低了医护人员的工作强度，减轻了病人的痛苦。
以上内容仅为本申请的具体实施方式，本申请的保护范围并不局限于此。本领域技术人员在本申请所公开的技术范围内可以进行变化或替换，这些变化或替换都应当在本申请的保护范围之内。
本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (14)
1.一种具有吸痰功能的气管导管，其特征在于，包括：
导管组件(1)，包括主体导管(11)，所述主体导管(11)上连接有吸痰管(12)，所述主体导管(11)上设有至少一个吸痰通道(112)；所述吸痰通道(112)的一端与所述吸痰管(12)连通，所述吸痰通道(112)的另一端通向所述主体导管(11)外；
声音监测模块，设于所述主体导管(11)的后方，用于监听气道内的音频以及朝向所述主体导管(11)内发出音频并接收回音；
主控模块，与所述声音监测模块相连接，用于处理所述声音监测模块的音频数据。
2.根据权利要求1所述的具有吸痰功能的气管导管，其特征在于：所述声音监测模块包括发音单元和收音单元，所述发音单元和所述收音单元均与所述主控模块相连接，所述发音单元和收音单元均设于所述主体导管(11)的内侧壁上，且所述发音单元位于所述收音单元的后方。
3.根据权利要求2所述的具有吸痰功能的气管导管，其特征在于：所述发音单元包括扬声器(21)，所述收音单元包括第一麦克风(22)和第二麦克风(23)；所述扬声器(21)、第一麦克风(22)和第二麦克风(23)沿所述主体导管(11)的轴线方向、并列地设置于所述主体导管(11)的内侧壁上，所述第一麦克风(22)位于所述扬声器(21)和第二麦克风之间(23)；所述扬声器(21)、第一麦克风(22)和第二麦克风(23)分别与所述主控模块相连接。
4.根据权利要求1所述的具有吸痰功能的气管导管，其特征在于：所述主控模块用于把监听到的音频与预存于所述主控模块内的音频阈值进行比较，以及接收所述回音并将接收到的所述回音与预存于所述主控模块内的回音阈值进行比较，以判断气管导管在插管中痰液的位置。
5.根据权利要求1所述的具有吸痰功能的气管导管，其特征在于：所述吸痰管(12)上设有用于监测吸痰过程中气体流量的气体流量传感器(3)。
6.根据权利要求1所述的具有吸痰功能的气管导管，其特征在于：所述吸痰通道沿所述主体导管(11)的轴线方向设置。
7.一种气道吸痰方法，其特征在于，使用如权利要求1-6任一项所述的具有吸痰功能的气管导管，所述方法包括：
在气管导管插管过程中，监听气道内的音频得到第一声学气道监测数据，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据；
通过所述第一声学气道监测数据判断痰液的声音状态，通过所述第二声学气道监测数据判断气道中痰液的体积状态和位置状态；
通过气道中痰液的声音状态、体积状态和位置状态进行吸痰操作。
8.根据权利要求7所述的气道吸痰方法，其特征在于：通过气道中痰液的声音状态、体积状态和位置状态进行吸痰操作包括：
如果在预设时间里进行至少两次吸痰操作后仍有痰液阻塞气道报警，则判断为异常痰液阻塞并提示进行人为干预清痰；如果在预设时间里进行至少两次吸痰操作后没有痰液阻塞气道报警，则判断为正常痰液阻塞，则继续通过吸痰管进行吸痰操作。
9.根据权利要求8所述的气道吸痰方法，其特征在于：吸痰管进行吸痰操作时，通过连接在吸痰管上的气体流量传感器判断痰液是否阻塞吸痰管；如果痰液阻塞了吸痰管，则进行人工除痰操作；如果痰液没有阻塞吸痰管，则通过所述第一声学气道监测数据判断是否吸痰干净。
10.根据权利要求7所述的气道吸痰方法，其特征在于，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据包括：
气管导管每间隔第一预设时长执行一次下述气道监测操作：
发音单元朝向所述主体导管的前端方向发出音频，以朝向所述主体导管的前端方向传播一个预设频率的单频脉冲信号Pi；
发音单元的第一麦克风和第二麦克风分别对音频进行采集，以分别获取对应的第一输出音频脉冲信号和第二输出音频脉冲信号；
若所述第一麦克风接收到所述第一输出音频脉冲信号的时间早于所述第二麦克风接收到所述第二输出音频脉冲信号的时间时，则判定此时采集到的所述声音为由所述主体导管的后端向所述主体导管的前端方向传播的入射声，即所述单频脉冲信号Pi，并记录此时所述第一麦克风获取到所述第一输出音频脉冲信号的时间点，并将该时间点标记为输出时间点t0；
若所述第一麦克风接收到所述第一输出音频脉冲信号的时间晚于所述第二麦克风接收到所述第二输出音频脉冲信号的时间时，则判定此时采集到的所述声音为由所述主体导管的前端向所述主体导管的后端方向传播的反射声；
当采集到所述反射声时，若此时采集到的所述第一输出音频脉冲信号为一个与所述单频脉冲信号Pi相反相位的信号，并且该信号为所述第一麦克风接收到所述单频脉冲信号Pi后接收到的首个与所述单频脉冲信号Pi相反相位的信号，则判定此时采集到的所述反射声为所述入射声传输至所述主体导管的前端后，向所述主体导管的后端方向反射的第一反射波Pr1，并将所述第一麦克风采集到所述第一反射波Pr1的时间点标记为第一时间点t1；
当采集到所述反射声时，若此时采集到的所述第一输出音频脉冲信号为一个与所述单频脉冲信号Pi相反相位的信号，并且该信号为所述第一麦克风接收到所述第一反射波Pr1后接收到的首个与所述单频脉冲信号Pi相反相位的信号，则判定此时采集到的所述反射声为所述入射声传输至气管隆突后，向所述主体导管的后端方向反射的第二反射波Pr2，并将所述第一麦克风采集到所述第二反射波Pr2的时间点标记为第二时间点t2；
当采集到所述反射声时，若此时采集到的所述第一输出音频脉冲信号为一个与所述单频脉冲信号Pi同相位的信号，并且接收到该第一输出音频脉冲信号的时间早于所述第一麦克风接收到所述第一反射波Pr1的时间，则判定此时采集到的声音为所述入射声传输至主体导管内痰液后，向所述主体导管的后端方向反射的第三反射波Pr10，以此判定所述主体导管内存在痰液，并将所述第一麦克风采集到所述第三反射波Pr10的时间点标记为第三时间点t10；
当采集到所述反射声时，若此时采集到的所述第一输出音频脉冲信号的时间晚于所述第二麦克风接收到所述第二输出音频脉冲信号的时间，且所述第一输出音频脉冲信号为一个与所述单频脉冲信号Pi同相位的信号，并且接收到该第一输出音频脉冲信号的时间晚于所述第一麦克风接收到所述第一反射波Pr1的时间，则判定此时采集到的声音为所述入射声传输至气管内痰液后，向所述主体导管的后端方向反射的第四反射波Pr20，以此判定所述气管内存在痰液，并将所述第一麦克风采集到所述第四反射波Pr20的时间点标记为第四时间点t20。
11.根据权利要求10所述的气道吸痰方法，其特征在于，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据还包括：
通过下式1检测出所述主体导管的前端位置的声反射率R1：
和/或
通过下式2检测出所述主体导管所处部位的截面积A1：
其中，A0为所述主体导管的截面积；
或
通过下式3检测出所述主体导管所处部位的截面积A1：
将所述主体导管所处部位的截面积A1与预存于系统中的气管截面积阈值进行比较，以确定气管导管是否正确插入气管。
12.根据权利要求10所述的气道吸痰方法，其特征在于，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据还包括：
检测获得所述主体导管内的实时声速c：
当确定气管导管正确插入气管、并确定气管导管和气管内无异物后，通过下式4检测出所述主体导管的前端至气管隆突的距离Lt：
或
当确定气管导管正确插入气管、并确定气管导管和气管内无异物后，通过下式5检测出所述主体导管的前端至气管隆突的距离Lt：
其中，L1为所述第一麦克风到所述主体导管的前端的距离。
13.根据权利要求10所述的气道吸痰方法，其特征在于，当判定所述主体导管内存在异物后，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据还包括：
通过下式6检测所述主体导管内异物相对于所述第一麦克风的距离Lt10：
其中，L1为所述第一麦克风到所述主体导管的前端的距离；
和/或
通过下式7检测所述主体导管内异物的最大截面积尺寸A10：
其中，A0为所述主体导管的截面积。
14.根据权利要求10所述的气道吸痰方法，其特征在于，当判定气管内存在异物后，向气管导管的主体导管内发出音频并接收回音得到第二声学气道监测数据还包括：
通过下式8检测所述气管内异物相对于所述主体导管的前端的距离Lt20：
其中，L1为所述第一麦克风到所述主体导管的前端的距离；
和/或
所述第一麦克风采集位于所述第四反射波Pr20后接收到的第一个与所述单频脉冲信号Pi同相位，且由所述主体导管的前端向所述主体导管的后端方向传播的折射波信号Pt30；
通过下式9检测所述气管内异物的最大截面积尺寸A20：
其中，A0为所述主体导管的截面积。
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| CN207822230U (zh) * | 2017-09-26 | 2018-09-07 | 昆明医科大学第二附属医院 | 一种可自动吸痰的气管插管 |
| CN116099091A (zh) * | 2023-02-13 | 2023-05-12 | 中国人民解放军北部战区总医院 | 具备声学监测功能的可视气管导管和监测方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |