CN1743020A - 携带式高频呼吸器 - Google Patents

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郭许达
吴健梁
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Abstract

本发明涉及一种携带式高频呼吸器(HighFrequency Ventilation，HFV)，其包含一空气压缩泵、一用以驱动该空气压缩泵的电源供应单元，以及一用以调控该空气压缩泵控制单元，其中该空气压缩泵为高频空气压缩泵，运作频率范围在每分钟100～4,000次之间。借助本发明的携带式高频呼吸器可帮助患有胸腔疾病且呼吸量降低的病人增加呼吸量，并避免因动脉血中氧气不足，而影响病人的日常生活。

Description

携带式高频呼吸器
技术领域
本发明涉及一种医疗用呼吸器，尤其涉及一种医疗用、携带式的高频呼吸器。
背景技术
一般当病患发生呼吸衰竭时，无法借助自行呼吸获取足够的氧气时，就必须借助使用人工的方式帮助患者呼吸，以自外界吸入足够的空气量。而呼吸器即用以协助因换气不足或换气停止，而造成体内二氧化碳增加，致使动脉血中氧气不足的胸腔疾病病人，以自外界获得足够的空气。
慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD)的患者，严重时常因换气不足造成体内二氧化碳增加，动脉中的血氧量亦因此不足，致使全身器官的氧合作用降低，以致影响日常生活。这样的病人只好长期居家使用氧气治疗，或进行减肺手术治疗(Lung volume reduction surgery)，更严重时甚至需进行肺脏移植手术(Lung transplantation)。
公知医疗用呼吸器，依其换气频率大致上可区分成两大类，第一类为换气频率在每分钟8～60次之间，大多在每分钟40次以下，称之为低频呼吸器，由于正常人类每分钟呼吸次数为12-16次，这类呼吸器最为广泛使用；第二类为运作频率在每分钟约60次以上的高频呼吸器，其主要用于气管的上呼吸道手术中病人发生气胸时。其中，低频呼吸器目前医院中较为常用的种类，由于其换气频率较低，因此每次所需输出的气体量较大，压力亦较高。然而，这对于一些肺部有漏洞的病患来说，瞬问输入的高压气体却会使得肺部过度撑大，而使得原本的肺部漏气的情况更为严重，降低了此种呼吸器的工作效率。在此种状况下，使用高频呼吸器会是较好的选择。高频呼吸器因其运作频率较高，亦即每分钟内输出空气的次数较高，因此每次仅需输出较少量，且较低压的气体，即可满足患者的潮气量(Tidal volume)需求。潮气量指人在正常静止呼吸时，呼出与吸入的空气量。
呼吸器大都在医院的加护病房使用，其主要用以紧急处理呼吸衰竭的病人，由于其病情都非常不好，因此需要较为精密的设计。不论低频呼吸器或高频呼吸器体积都非常庞大，当用来改善慢性肺病病人的症状时，病患皆需要住进医院才使用。但有一些症状较为轻微，或经治疗后呼吸窘迫症状已有改善的病患，其潮气量并未达正常人的状况，无法自行呼吸完全获取所需的氧气量，且前述设备精良但体积庞大的呼吸器并不适用此种病患，其只能使用氧气桶、氧气制造机或氧气浓缩机等设备，来改善血中氧气浓度。
为此即有人提出一种携带式氧气供应装置，其由一盛装液态氧的储存容器、一连接至病患气管的导管，以及一控制氧气输出量的控制器所组成。其虽具有较小设备体积，但是对于携带来说，其体积仍过大。再有，储存容器中的液态氧只能供患者使用约数小时，这会限制患者行动的距离。另外，由于氧气为一种助燃剂，在使用上仍具有一定的危险性。因此，这种携带式呼吸器在使用上仍有许多的限制。
为此本发明即致力于提供一种轻便、便于携带且安全的高频呼吸器。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种便于携带的携带式高频呼吸器，以改善胸腔疾病病人的生活质量。
本发明的又一目的，在于提供一种结构简单的高频呼吸器，以降低生产及维护成本。
为达成并符合本发明前述的目的，本发明在此提供一种携带型高频呼吸器，包含：一高频空气泵，其设置有一气体输入口与一气体排出口；一控制器单元，其借助一控制线路连接并调控该高频空气泵的运作；以及一电源供应单元，其用以提供该高频空气泵及该控制单元运作所需的电力；其中，该高频空气泵的运作频率在每分钟100～4,000次之间。
也就是说，本发明提供一种可携带且易操作的高频呼吸器，其包含一高频空气泵、一通过控制线路与该高频空气泵连接，并用以调控该高频空气泵的控制器单元以及一用以提供该高频空气泵与该控制器单元电力的电源供应单元。其中，该高频空气泵的运作频率、输出气体的流量与压力可依使用者需求进行调整。
上述高频呼吸器的控制器单元，可依每个病患的状况不同，来控制该高频呼吸器运作频率，以及输出空气的压力与流量。
上述高频呼吸器的电源供应单元，只要是可携带且能提供该高频空气泵与该控制器单元电力的，皆可被应用于本发明的高频呼吸器中，在此并没有特别的限制。
一般而言，胸腔疾病(如，慢性阻塞性肺疾病)的患者，其肺部换气功能有所缺陷，无法负担患者身体所需，亦即肺部无法充分呼出体内组织产生的二氧化碳，也无法将外界氧气导入体内作有效的气体交换。这会使得病患因血液中pH值偏低而过度酸化，进而使得全身的器官与组织逐渐因无法获得足够的氧气而衰竭。而根据本发明所指出的高频呼吸器，可借助其高频空气泵的运作，将外界的空气经由导管源源不断的送入病患的气管中，以增加病患吸入的空气量。
本发明将借助参考下列的实施例做进一步的说明，这些实施例并不限制本发明前面所揭示的内容。本领域技术人员，可做一些改良与修饰，但仍不脱离本发明的保护范围。
本领域技术人员可借助阅读下列较佳实施例的叙述及参阅附图而了解本发明的内容。
附图说明
图1为根据本发明所指出的携带式高频呼吸器的立体示意图；
图2为根据本发明所指出的携带式高频呼吸器的剖面示意图；
图3为根据本发明所指出的携带式高频呼吸器另一实施例的剖面示意图；
图4为以根据本发明所指出的携带式高频呼吸器进行动物试验时，连续测定血液中二氧化碳及氧气浓度的第一部份分析图；
图5为以根据本发明所指出的携带式高频呼吸器进行动物试验时，连续测定血液中二氧化碳及氧气浓度的第二部份分析图；
图6为以根据本发明所指出的携带式高频呼吸器进行动物试验时，连续测定血液中二氧化碳及氧气浓度的第三部份分析图。
其中，附图标记说明如下：
10 携带式高频呼吸器            12 调控装置
14 警示装置                    16 显示装置
20 高频空气泵                  30 控制器单元
32 控制线路                    40 电源供应单元
42 线路                        50 气体排出口
52 过滤器                      54 过滤膜
60 气体输入口                  70 空气
80 药物容置室
具体实施方式
参阅图1及图2，根据本发明所指出的携带式高频呼吸器10，至少包含一高频空气泵20、一通过控制线路32与该高频空气泵20连接，并用以调控该高频空气泵20的控制器单元30，以及一用以提供该高频空气泵20与该控制器单元30电力的电源供应单元40。根据本发明所指出的携带式高频呼吸器10于运作时，借助连接于高频空气泵20的气体输入口60自外界吸入空气70，经由高频空气泵20运送后，自气体排出50输出，再经由一导管(未显示)传送至预先设置于使用者气管上的开口中。由于自携带式高频呼吸器10所输出的气体无经过口、鼻，直接进入使用者的气管中，为使使用者吸入的空气质量较佳，可于气体排出口50上进一步装设一过滤器52。过滤器52中的过滤膜54可应用任何公知的空气过滤膜，只要是可以滤除微生物及/或空气中悬浮粒子及/或化学性污染物的空气过滤膜皆可被应用于本发明中，在此并没有特别的限制。例如，活性碳过滤膜或孔径在0.01～2微米之间的过滤膜。
上述该高频空气泵20上可进一步设置一调控装置12，用以使携带式高频呼吸器10的换气频率、输出的空气的压力与流量可依使用者需要进行调整。携带式高频呼吸器10可调整的换气频率、输出的空气的压力与流量范围，在此并没有特别的限定。不过依临床实际操作上的需求，高频空气泵20可运作的频率范围较佳为每分钟100～4,000次，更佳为每分钟200～3,000次；输出空气的压力较佳为10～50cmHg；输出空气的流量较佳为每分钟2～40公升，更佳为每分钟5～25公升。
虽然根据本发明所指出的携带式高频呼吸器10所输出的空气70压力不大，但如为安全起见避免因输出的空气70压力过大，使肺部承受过大的压力而受伤害，可于携带式高频呼吸器10上进一步设置一警示装置14，当压力超过预设的上限值时，以声音、震动及/或亮灯方式通知使用者。另外，亦可于携带式高频呼吸器10上进一步设置一压力计(未显示)，以显示输出空气的压力。当压力过高时可使用者得知，进而暂时关闭携带式高频呼吸器10。此外，携带式高频呼吸器10上另可进一步设置一紧急泄压阀(未显示)，以于输出的空气压力过高时，可用以紧急释放压力，以避免肺部因承受过大的压力而受伤害。
前述高频空气泵20的运作频率、输出空气的压力与流量的调控借助控制器单元30来调控，其控制方式可借助使用任何公知或未知的控制方式或装置，只要可符合并可执行本发明所指出的控制器单元30的需求，皆可被应用于本发明中，在此并没有特别的限制，在此可举出的例子包含机械组件、电磁阀及电子感测组件等，但并不仅限于此。
为便于控制器单元30调控高频空气泵20的运作频率、输出空气的压力与流量，可于控制器单元30上进一步设置一调控装置12来控制运作频率、空气压力及空气流量，以利使用者进行调整。为使使用者可正确得知所设定的运作频率与空气流量与实际值是否吻合时，可进一步于高频空气泵20或控制器单元30上进一步设置一显示装置16用以显示运作频率与空气流量。
上述携带式高频呼吸器10的电源供应单元40，可借助一线路42分别与高频空气泵20及控制器单元30连接，并经由线路42提供高频空气泵20及控制器单元30电力。可应用于本发明中的电源供应单元40，只要是可携带且能提供高频空气泵20与控制器单元30电力的，皆可被应用于本发明的携带式高频呼吸器10中，在此并没有特别的限制。例如，化学电池及物理电池的一次电池或二次电池，其中化学电池指，其构成材料为化学物质，借助其氧化还原反应所产生的能量转换成电能；而物理电池，则利用光或热变换成电能储存的系统。一次电池，指使用过后其寿命终止，无法重复充电使用的电池，在此可举出的例子包含碳性电池、碱性电池、锂电池、氧化银电池及锌氧电池等，但并不仅限于此；二次电池，指可重复充电使用的电池，在此可举出的例子包含镍镉电池(Ni-Cd)、镍氢电池(Ni-MH)、锂离子电池(Li-ion)及铅酸电池(Pb acid)等，但并不仅限于此。
参阅图3，为根据本发明所指出的携带式高频呼吸器另一实施例的平面示意图。根据本发明所指出的携带式高频呼吸器10，可于其中进一步设置一用以放置药物的药物容置室80，药物可随着空气70的输出一并被运送至使用者的气管中。在此实施例中根据本发明所指出的携带式高频呼吸器10，除可供给使用者所需的空气帮助其呼吸外，亦可进一步提供给药的功能。药物容置室80内的药物释放可借助一控制装置(未显示)来调控，其可设置为自动给药的形式，或可使使用者自行调整的手动形式。用以控制药物容置室80内的药物释放的控制装置亦可整合至控制器单元30中，以简化其设计。可应用于药物容置室80内的药物，例如吸入型支气管扩张剂、副交感神经拮抗剂(anti-cholineric agents)或乙二型交感神经刺激剂(beta 2 agonists)，但此并不限制本发明的技术内容。
由于本发明的高频呼吸器在较高的频率下运作，因此每次所输出的空气体积较少，所以不会产生高压空气导入患者的肺部中，故可减少压力伤害的危险，或是因肺部压力快速变化而造成的损伤。
此外，本发明的高频呼吸器在患者呼吸时，以轻微的正压输送空气到肺部，使得病患无须额外做功即可吸入较多的空气。不断的正压也能帮助支持呼吸道的畅通，以避免夜间因睡眠呼吸暂停而塌陷。使用本发明能持续产生正压的高频呼吸器时，病患仍可自主呼吸。
另外，由于本发明的高频呼吸器将外界的空气经过滤后直接输送至病患的肺部中，故无需另外的气体瓶储存氧气，因此可大幅减少其体积。
为进一步确认根据本发明所指出携带式高频呼吸器的可实施性，确实可促进二氧化碳排除与增进肺气体交换。在此以动物进行测试，并以每分钟流量为2～4公升的携带式高频呼吸器及哈佛呼吸器(Harvard Ventilator)进行测试，观察动脉血液中氧气和二氧化碳的变化，藉以了解可携式高频呼吸器的功效。
在此以七只平均体重为12.7±0.8公斤小猎犬(beagle)为实验对象。实验动物经麻醉，施行气管内插管(7.5mm)，然后使用哈佛呼吸器进行容积控制式通气。开始的呼吸器设定为：氧气浓度(FiO2)为室内空气(room air)；吸气呼气时间比值(I/E)为1∶2；呼吸器潮气容积(VT)为12ml/kg；每分钟呼吸次数(RR)为16/min。使用一条(French No.10)导管进行气管内通气，经由气管插管口进入气管，置于气管分岐(carina)上3-4厘米，其位置由支气管镜确认。
实验动物先以哈佛呼吸器设定进行机械式通气20分钟后，经动脉血气体分析以确定达到稳定状态下，再分别以下列阶段的通气设定造成人为的高二氧化碳、低血氧状态；然后施予不同流量的高频气管内通气后，比较前后的血氧及血中二氧化碳浓度变化。
第一阶段：降低呼吸器潮气量(VT：3-5ml/kg)，但维持RR：16-18/min以造成通气不足。再以低流量高频气管内通气(每分钟2公升)，然后以高流量高频气管内通气(每分钟4公升)，每次设定通气20分钟后抽动脉血做气体分析。
第二阶段：降低RR为5-6/min，但维持潮气量(VT：10ml/kg)进行通气20分钟以造成通气不足。再以低流量高频气管内通气(每分钟2公升)，然后以高流量高频气管内通气(每分钟4公升)，每次设定通气20分钟后抽动脉血做气体分析。
第三阶段：同时降低潮气量(VT：5-6ml/kg)和RR为5-6/min以造成通气不足。再以低流量高频气管内通气(每分钟2公升)，然后以高流量高频气管内通气(每分钟4公升)，每次设定通气20分钟后抽动脉血做气体分析。
第一阶段的测试结果如图4所示。血中二氧化碳浓度由一开始的53.9±10.8mmHg，降至低流量高频气管内通气的35.5±6.3mmHg，再降至高流量高频气管内通气的27.6±7.2mmHg。而血氧浓度则分别为61.7±29.8mmHg，升高为120.0±15.0mmHg，再升高为137.4±18.0mmHg。血中二氧化碳浓度和血氧浓度分别有统计学上有意义的变化。
第二阶段和第三阶段结果分别如图5和图6所示。其变化如第一阶段结果一样，皆呈现高频气管内通气，无论低流量或高流量对促进二氧化碳排除及改善血氧浓度都有帮助。
至于高频气管内通气对呼吸系统机械力学(mechanics)的影响，包括最高气道压力与内源性呼气末正压(Intrinsic PEEP)，如表一所示。
表一以高频呼吸器进行高频气管内通气对呼吸系统机械力学(mechanics)的影响。
表一
                降低VT                   降低RR             同时降低VT与RR
基准线 降低VT 低流量高频气管内通气 高流量高频气管内通气 降低RR 低流量高频气管内通气 高流量高频气管内通气 同时降低VT与RR 低流量高频气管内通气 高流量高频气管内通气
吸气VT(Insp VT) 0.135±0.009 0.046±0.003 0.110±0.007 0.136±0.009 0.135±0.009 0.260±0.011 0.390±0.013 0.046±0.003 0.175±0.006 0.301±0.009
呼气VT(Exp VT) 0.135 0.046 0.170 0.305 0.135 0.250 0.375 0.045 0.168 0.300
最高气道压力(Peak Paw，cmH2O) 10.0 7.1 8.6 12.1 10.0 12.8 21.4 7.0 11.5 20.2
内源性呼气末正压(cmH2O) 0 0 0 2.0 0 0 3.6 0 0 1.8
备注：VT：潮气量；RR：每分钟呼吸次数
由表一中可看出，气道压力在高频气管内通气下稍微增加，而内源性呼气末正压则只有在高流量下有稍微增加，由基准线(baseline)的0cmH2O增加为2cmH2O和3.6cmH2O。
实验测试的结果显示，利用根据本发明所指出的携带式高频呼吸器进行通气，确实有效的达到辅助性机械式通气的目的，改善肺气体交换。除了可以有效降低血中二氧化碳外，实验结果亦发现经高频呼吸器进行气管内通气后血中氧浓度也升高。更重要的是，本装置为可携式，较以往临床上应用的呼吸器更为方便。
虽然，本发明已借助参考前述较佳实施例而揭示，本领域技术人员可轻易的据此做一些改变或修饰，但此将不脱离本发明申请专利范围所界定的范畴。

Claims (20)

1、一种携带型高频呼吸器，其包含：
一高频空气泵，其设置有一气体输入口与一气体排出口；
一控制器单元，其借助一控制线路连接并调控该高频空气泵的运作；以及
一电源供应单元，其用以提供该高频空气泵及该控制单元运作所需的电力；
其中，该高频空气泵的运作频率在每分钟100～4,000次之间。
2、根据权利要求1所述的携带型高频呼吸器，其中该控制器单元用以调控该高频空气泵的运作频率及所输出气体的压力与流量。
3、根据权利要求2所述的携带型高频呼吸器，其中该气体的压力为10～50cmHg。
4、根据权利要求2所述的携带型高频呼吸器，其中该气体的流量为每分钟2～40公升。
5、根据权利要求1所述的携带型高频呼吸器，其中该携带型高频呼吸器中进一步设置有一压力警示装置。
6、根据权利要求5所述的携带型高频呼吸器，其中该压力警示装置以声音、震动或灯光方式警示。
7、根据权利要求1所述的携带型高频呼吸器，其中该高频空气泵上进一步设置有一紧急泄压阀。
8、根据权利要求1所述的携带型高频呼吸器，其中该高频空气泵上进一步设置一压力计。
9、根据权利要求1所述的携带型高频呼吸器，其中设置于该高频空气泵的该气体排出口上进一步设置一过滤器。
10、根据权利要求9所述的携带型高频呼吸器，其中该过滤器中设置有一活性碳过滤膜。
11、根据权利要求9所述的携带型高频呼吸器，其中该过滤器中设置有一孔径在0.05～2微米之间的空气过滤膜。
12、根据权利要求1所述的携带型高频呼吸器，其中该控制器单元上进一步设置有一调整装置，其可用以调整该携带型高频呼吸器的运作频率及空气压力与流量。
13、根据权利要求1所述的携带型高频呼吸器，其中该控制器单元上进一步设置有一运作频率显示器。
14、根据权利要求1所述的携带型高频呼吸器，其中该控制器单元上进一步设置有一空气流量计。
15、根据权利要求1所述的携带型高频呼吸器，其中该电源供应单元为化学电池或物理电池。
16、根据权利要求15所述的携带型高频呼吸器，其中该化学电池为一次电池或二次电池。
17、根据权利要求16所述的携带型高频呼吸器，其中该一次电池为碳性电池、碱性电池、锂电池、氧化银电池或锌氧电池。
18、根据权利要求16所述的携带型高频呼吸器，其中该二次电池为镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池或铅酸电池。
19、根据权利要求1所述的携带型高频呼吸器，其中该携带型高频呼吸器中进一步设置有一药物容置室。
20、根据权利要求19所述的携带型高频呼吸器，其中该携带型高频呼吸器中进一步设置有一药物释放控制装置，用以控制该药物容置室中的药物的释放。
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