CN211383240U - 一种与呼吸同步响应的智能雾化设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种与呼吸同步响应的智能雾化设备，主要由气源输出终端和雾化控制手柄两个独立模块组成。本实用新型提供连续射流雾化和呼吸同步响应雾化两种模式供选择，满足了临床使用的多样性。当采用呼吸同步响应雾化模式工作时，药液雾化输出与患者呼吸动作保持同步，避免雾化药液在患者呼气动作时被无效释放，使药液的雾化利用率提高了一倍，具有很高的临床应用价值。

Description

一种与呼吸同步响应的智能雾化设备

技术领域

本发明涉及一种与呼吸同步响应的智能雾化设备,是一种雾化吸入治疗过程中使用的医用设备，属于医疗器械范畴。

背景技术

雾化治疗是呼吸系统疾病治疗中常用的治疗方法，适用于哮喘、支气管炎、慢性阻塞性疾病（COPD）、肺炎、咽炎等疾病的治疗。雾化治疗主要优点是：药物的有效成分直接作用于病变部位，起效快；同时减少了全身用药的副作用，患者依从性好。但现有雾化技术也存在很大的缺憾：在雾化过程中，药物在吸气时被患者吸入呼吸道内，但在患者呼气时药物被无效排出，药物的利用率只有50%左右，造成极大浪费。

为此，本发明提出了一种与呼吸同步响应的智能雾化设备，有利于提高药物的利用度。

发明内容

一种与呼吸同步响应的智能雾化设备，主要由空气压缩泵、核心控制模块、呼吸传感器、继电器、人机交互界面、气体输出接口、雾化器接口、电源模块及主机保护外壳构成。雾化器是本发明配套使用的常规医用耗材，是本发明的可选组件。

所述的雾化器由雾化杯、面罩或咬嘴组成，采用医用高分子材料制成，雾化器产品的雾化输出口形状不同，分为面罩式和咬嘴式两种。

所述的空气压缩泵是压缩空气的生产输出装置，为射流雾化提供空气动力源。空气压缩泵工作原理和款型不限，但应优选体积小、噪音低、无内在污染源的产品。空气压缩泵产生的压缩空气通过输气管路输送到装有药液的雾化杯，雾化杯中的药液在气体射流作用下成为细小的雾粒雾化输出，供患者雾化吸入治疗。空气压缩泵通常采用小型无油、活塞式空压机，要求输出气体流量不低于10L/min、输出气体压力不低于50KPa，工作噪音不高于60db；正常工作状态下，空气压缩泵应能持续输出50kPa～200kPa的压缩空气。

所述的核心控制模块是以单片机为核心的集成电路，核心控制模块与呼吸传感器、继电器、电源模块联通，主要用于呼吸传感器信号处理、空气压缩泵的工作状态控制等。

所述的气体输出接口与雾化器接口采用输气管路连接。气体输出接口外部端设置在气源输出终端保护外壳的侧面，气体输出接口的内部端与空气压缩泵的输出管路连通。

所述的电源模块主要由整流器、滤波器、PWM控制器、变压器、标准电压采样器及电源导线组成，电源模块采用传统电路焊接工艺生产。AC110V或AC220V网电进入电源模块后，其中一个电路经AC/DC转化、降压成直流电源（通常为DC3.0V~DC24V）输出，供核心控制模块及低功耗元器件使用，另外一个电路保持AC110V或AC220V供空气压缩泵使用。

所述的主机保护外壳用于各组成部件的安装支承和防护，通常采用无毒高分子材料模具注塑成型。

所述的呼吸传感器是指能够有效识别患者呼气和吸气动作交替变化的感应装置，呼吸传感器与核心控制模块联通工作。呼吸传感器的工作原理和技术实施方式不限，呼吸传感器包括温差式呼吸传感器、声学呼吸传感器、压差式呼吸传感器，其工作原理分别是：

（1）温差式呼吸传感器：由于人体呼气或者吸气时，口鼻外周的温度存在显著差异，呼气时口鼻外周温度较高，吸气时口鼻外周温度较低。根据呼吸时口鼻外周的温差特征，温差式呼吸传感器具体实施方式是：采用响应时间较高的温度传感器，要求响应时间≤10ms、测量精度≤0.1℃；温度传感器与核心控制模块联通工作，温度传感器放置于患者的的口鼻外周，核心控制模块就能够有效监测到患者呼气或者吸气时的温度变化，根据温度的差异特征判断患者呼气和吸气的动作交替。

（2）声学呼吸传感器：由于人体呼气或者吸气时，呼气和吸气的表现声学特征明显不同。因此，将声学传感器与核心控制模块联通工作，声学传感器贴附在颈部、鼻腔、胸腔等部位时，核心控制模块均能够有效获取呼气和吸气的不同声学特征，根据声学传感器获取的人体呼气和吸气的不同声学特征，经过信号放大处理，就能够判断患者呼气和吸气的动作交替。

压差式呼吸传感器：当人体呼气或者吸气时，胸腔或腹腔等部位会根据呼吸节奏有规律地膨胀或收缩。根据呼吸动作时胸腔或腹腔等形变的这一特征，将压力传感器或拉力传感器与核心控制模块联通工作，压力传感器或拉力传感器检测部置入束缚带内，束缚带固定在胸腔或腹腔等外周，核心控制模块动态监测胸腔或腹腔等外周的压力/张力变化，能有效判断患者呼气和吸气的动作交替。吸气时胸腔或腹腔等外周的压力/张力增大，而呼气时外周的压力/张力减少，以此判断患者呼气和吸气的动作交替。更为直接有效的实施方法是，根据患者呼气和吸气时的口鼻腔外周呈现的不同气压特征，呼气时口鼻腔外周呈正压状态，吸气时口鼻腔外周呈负压状态，因此将微压力传感器放置在患者口鼻腔外周的雾化器的罩杯（或咬嘴）内，动态监测口鼻腔外周的压力变化，就能够判断患者呼气和吸气的动作交替。核心控制模块监测到口鼻腔外周呈现负压状态时，判定患者处于吸气状态，监测到口鼻腔外周呈现正压状态时，判定患者处于呼气状态。为了避免微压力传感器在雾化过程中污染或损伤，在具体实施时，将呼吸传感器焊接集成在核心控制模块中，呼吸传感器的检测口采用延长软管延伸到主机保护外壳的外侧，并形成测压接口。雾化治疗时，通过60cm~100cm左右的软管将测压接口与雾化器的罩杯或咬嘴内部连通，核心控制模块同样能够有效监测患者呼气和吸气时雾化器的罩杯或咬嘴内的压力变化，核心控制模块以此判断患者呼气和吸气的动作交替。

所述的继电器用于空气压缩泵的工作状态控制，继电器采用直流控交流继电器。继电器的控制端接口与核心控制模块连通，控制电压为DC3.0V~DC24V；继电器的负载端接口与空气压缩泵连通，负载电压AC110~AC220V。核心控制模块通过控制继电器的导通或断开控制空气压缩泵的工作状态，继电器断开电路时，空气压缩泵暂停工作，继电器恢复导通时，空气压缩泵随即恢复工作。

所述的人机交互界面用于功能控制及状态提示，主要由功能键和显示屏组成。人机交互界面的功能键包括雾化模式选择键、开始/停止键、开关机键，功能键采用通用的触点开关制备。显示屏提示读出雾化模式、工作状态、呼吸频率、雾化时长等信息，显示屏采用常规0.9~1.4英寸液晶产品。

所述的雾化器接口用于雾化器的连接固定。雾化器接口尺寸应与雾化杯底部的进气接口吻合，雾化杯底部的进气接口插入雾化器接口后应牢固、无气体泄漏。

本发明提供连续射流雾化和呼吸同步响应雾化两种工作模式，使用者在人机交互界面自主选择。当采用呼吸同步响应雾化模式工作时，呼吸传感器主动识别患者呼气或吸气交替时的特征变化，包括口鼻外周温度、口鼻外周气压、胸腹腔的张力以及呼气吸气的声学特征变化，核心控制模块根据这些特征判断患者呼气或吸气动作交替，控制压缩空气的输出状态，从而实现雾化输出与呼吸同步。核心控制模块控制压缩空气输出的技术方案有以下两种：技术方案①是空气压缩泵启动工作后，核心控制模块根据患者呼气或吸气动作交替，命令气路控制模块开放或关闭输气管路，控制压缩空气进入雾化杯的状态；当患者吸气动作时，气路控制模块开放输气管路，压缩空气进入雾化杯中，药液在压缩空气射流作用下被雾化输出，喷射进入患者吸入呼吸道；当患者呼气动作时，气路控制模块关闭输气管路，阻断压缩空气进入雾化杯中，药液中止雾化输出，如是反复。技术方案②是核心控制模块根据患者呼气或吸气动作交替，控制继电器动作，进而控制空气压缩泵的工作状态。核心控制模块根据患者呼气或吸气动作交替，命令继电器动作，当患者吸气动作时，核心控制模块命令继电器进入电路导通状态，空气压缩泵随即启动工作，压缩空气正常输出并进入雾化杯中，药液在压缩空气射流作用下被雾化输出；当患者呼气动作时，核心控制模块命令继电器断开电路，空气压缩泵随即停止工作，压缩空气输出中断，雾化杯中的药液中止雾化输出，如是反复。呼吸同步响应雾化模式使药液雾化输出与患者呼气或吸气动作保持同步，避免药液在患者呼气动作时被无效雾化释放，使雾化药液的利用率提高一倍。

技术方案①所述的气路控制模块是一种能够有效控制气流输出状态的装置，气路控制模块设置在空气压缩泵输出口与雾化器接口之间的输气管路中的任意位置；优选的方案是，气路控制模块设置在空气压缩泵输出口与气体输出接口之间。气路控制模块与核心控制模块联通，并根据核心控制模块给出的命令，控制输气管路的闭合或者开放动作，控制压缩空气的输出状态。当患者吸气时，核心控制模块命令气路控制模块开放输气管路，压缩空气顺畅进入雾化杯中，药液被雾化输出；当患者呼气时，核心控制模块命令气路控制模块闭合输气管路，阻断压缩空气进入雾化杯中，药液雾化中止。气路控制模块通常采用电磁阀为主体制备，电磁阀气源进口端连通压缩空气输入管路，气源出口端与雾化器接口连通，通过电磁阀的开启和闭合控制输气管路的通断。气路控制模块还可以采用夹闭输气管路软管的方式实现输气管路的通断，具体方式是在软质输气管路的外周设置截止阀，由电机驱动截止阀位移，控制输气管路软管的夹闭或放开，输气管路被夹闭时，阻断压缩空气进入雾化杯中，药液雾化中止；输气管路被放开时，压缩空气顺畅进入雾化杯中，药液被雾化输出。

当选择呼吸同步响应雾化模式工作时，技术方案①所述的气路控制模块跟随患者呼吸动作反复闭合或开放输气管路。当气路控制模块闭合压缩空气输气管路时，空气压缩泵仍然持续工作，而产生的压缩空气无法正常输出，引起空气压缩泵负载增加。如果空气压缩泵长时间保持这种工作状态，将影响其使用寿命，同时也浪费能耗。因此，技术方案①中还设有气压传感器。所述的气压传感器与核心控制模块联通，用于监测输气管路内的动态压力。气压传感器的测压口与空气压缩泵输出口下游的输气管路内部连通。在呼吸同步响应雾化模式工作时，气压传感器动态监测输气管路中的气压，当输气管路内的气压大于核心控制模块中设定的气压限值时，空气压缩泵暂停工作；当输气管路内气压低于核心控制模块中设定的气压限值时，空气压缩泵立刻恢复工作。核心控制模块中的气压限值在100KPa~200KPa之间设定。这种根据输气管路内气压变化，伺服控制空气压缩泵工作的技术特征，有效克服了输气管路闭合时空气压缩泵负载过大的隐患。

由于进入雾化杯的压缩空气至少应达到30KPa以上的压力、4L/min以上的气体流量，才能达到有效的射流雾化作用，而空气压缩泵从启动到输出有效雾化气体有一定的时间迟滞效应。因此，为了提高压缩空气输出的响应能力，缩短有效输出响应时间，技术方案①的空气压缩泵输出口下游还设有储气罐，储气罐用于压缩空气的缓冲存储。储气罐的进气口与空气压缩泵连通，储气罐的出气口与输气管路连通。储气罐的形状不限，通常采用不锈钢、铜等无毒材料机床加工制成，也可以用无毒高分子材料模具注塑成型。储气罐有效容积不低于100ml，耐压值不低于200KPa。气压传感器测压口可以设置在储气罐内，核心控制模块能够动态监测储气罐内的空气压力，核心控制模块根据储气罐内的空气压力控制空气压缩泵的工作状态，当储气罐内的气压大于气压限值时，核心控制模块命令继电器断开电路，空气压缩泵暂停工作；当储气罐内气压低于气压限值时，核心控制模块命令继电器导通电路，空气压缩泵立刻恢复工作。

核心控制模块控制压缩空气输出的技术方案②的具体实现方式是：将直流控交流继电器的控制端接口与核心控制模块连通，控制电压为DC3.5V；直流控交流继电器的负载端接口与空气压缩泵连通，负载电压AC220V。呼吸传感器主动识别患者呼气或吸气交替时表现的特征变化，包括口鼻外周温度、气压、胸腹腔的张力以及呼气吸气的声学特征变化，核心控制模块根据这些特征判断患者呼气或吸气动作交替。核心控制模块根据患者呼气或吸气动作交替，命令继电器动作，当患者吸气动作时，核心控制模块命令继电器进入电路导通状态，空气压缩泵随即启动工作，压缩空气正常输出并进入雾化杯中，药液在压缩空气射流作用下被雾化输出；当患者呼气动作时，核心控制模块命令继电器断开电路，空气压缩泵随即停止工作，压缩空气输出中断，雾化杯中的药液中止雾化输出，如是反复。该技术方案的优点是，采用核心控制模块和继电器联合工作，直接控制空气压缩泵的工作和输出，可以省略气压传感器、储气罐、气路控制模块部件，结构更简单；该技术方案的缺点是，对空气压缩泵的响应能力和气体输出要求更高。

本发明的优点和临床意义是：本发明提供连续射流雾化和呼吸同步响应雾化两种模式供选择，满足了临床使用的多样性。当采用呼吸同步响应雾化模式工作时，药液雾化输出与患者呼吸动作保持同步，避免雾化药液在患者呼气动作时被无效释放，使药液的雾化利用率提高了一倍，具有很高的临床应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例1产品结构示意图。

图2是本发明技术方案①工作原理框图。

图3是本发明技术方案②工作原理框图。

图中所示：气源输出终端（1）、雾化控制手柄（2）、空气压缩泵（3）、控制模块A（4）、气压传感器（5）、气体输出接口（6）、电源模块（7）、主机保护外壳（8）、手柄电源线接口（9）、气路输入接口（10）、雾化器接口（11）、手柄电源线（12）、手柄保护外壳（13）、继电器（14）、储气罐（15）、气路控制模块（16）、显示屏（17）、操作按钮（18）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体地说明本发明。

实施例1：根据技术方案①实施的制备举例。

本实施例根据本发明技术方案①提供的技术特征开展，根据图1的所示的产品主体结构和图2所示的工作原理图制备。整体思路是将本发明设计成为气源输出终端（1）和雾化控制手柄（2）两个独立模块；两个独立模块分别设置一个以单片机为核心的控制模块，其中控制模块A设置在气源输出终端（1）内部，控制模块B设置在雾化控制手柄（2）内部； 将人机交互界面设置在雾化控制手柄（2）中，其目的是便于患者操作使用；气路控制模块（16）选用两位两通电子阀，电子阀设置在雾化控制手柄（2）内部，目的是提高压缩空气的响应速度。本实施例的主要部件具体参数为：

1、气源输出终端（1）的主要元器件准备：

（1）空气压缩泵（3）采用扬州产H-815型空气压缩机，供电电压220V、50Hz，功率130W，最大输出气压150KPa，最大输出气体流量12L/min。

（2）控制模块A（4）：采用 MICROCHIP公司的型号为PIC12F的单片机，集成电路按照传统PCB贴片或焊接工艺生产；单片机控制程序中写入空气压缩泵（3）工作的气压限值200KPa。

（3）气压传感器（5）：深圳产气体压力传感器，型号HP107-200GS，量程200KPa，气压传感器（5）焊接集成在控制模块A（4）上，气压传感器（5）的测压口与储气罐（15）连通。

（4）电源模块（7）采用TP-LINK公司生产的T090060-2A整装电源模块，输入电压AC220V 50HZ，输出电压DC5.0V。

（5）继电器(14)采用DELIXI公司生产的CDG1-1A型固态继电器，断态时间小于10ms，控制电压为DC3.0V，负载电压AC220V。继电器(14)的控制端采用导线与控制模块A（4）上的电路控制接口联通工作，负载端接口采用导线与空气压缩泵（3）电源接口连通。

2、气源输出终端（1）整装：

（1）将空气压缩泵（3）固定安装在主机保护外壳（8）内仓的限位槽内，用

减震橡胶垫将空气压缩泵（3）上下夹紧，以便减少空气压缩泵（3）工作时的震动和噪音。

（2）将控制模块A（4）、继电器(14)和电源模块（7）分别用螺丝固定在主机保护外壳（8）的内壁，各部件之间应保持10mm以上间距。按照图2的工作原理图，用导线将以上组件连接。

（3）安装固定储气罐（15），储气罐（15）的进气口采用输气管路与空气压缩泵（3）的输出口连通，储气罐（15）的进气口采用120cm输气管路延长到主机保护外壳（8）外部，与雾化控制手柄（2）的气路输入接口（10）连通。

（4）主机保护外壳（8）正面安装手柄电源线接口（9），手柄电源线接口（9）采用3.5*1.3MM 电源母座制成，手柄电源线接口（9）内部与电源模块（7）的输出接口连接。手柄电源线接口（9）供手柄电源线（12）插入式连接。

（5）主机保护外壳（8）正面安装电源开关，电源开关采用传统船形电源开关或按钮式AC220V电源开关均开。

安装主机保护外壳（8）的盖板，用4个自攻螺丝固定，气源输出终端（1）制备完成。

实施例2：雾化控制手柄（2）的制备举例。

根据图1的所示的产品主体结构制备，主要部件具体参数为：

1、雾化控制手柄（2）所需主要元器件：

（1）气路控制模块（16）采用微型常闭式电磁阀，两口两位，供电电压12V，最大工作压力0.8MPa，响应时间不大于50ms。

（2）控制模块B：采用MICROCHIP公司的型号为PIC12F的单片机，集成电路按照传统PCB贴片或焊接工艺生产。

（3）呼吸传感器：采用微压力传感器，量程0～100kPa，测量精度±0.3%Fs。

（4）显示屏（17）：采用1.14英寸LCD液晶，工作电压DC3.0V。

（5）操作按钮（18）：采用欧姆龙公司B3F 型轻触开关按钮，尺寸12*12*7.3。

2、雾化控制手柄（2）整装

（1）将气路控制模块（16）和控制模块B分别固定安装到手柄保护外壳（13）内仓。

（2）将呼吸传感器、操作按钮和显示屏分别焊接在控制模块B上的对应位置，在操作按钮上加盖按钮帽。

（3）将呼吸传感器的测压口用软质测压管延伸到手柄保护外壳（13）外部。

（4）将气路输入接口（10）安装在气路控制模块（16）的进气端接口，将雾化器接口（11）安装在气路控制模块（16）的输出端接口。

（5）手柄电源线（12）尾端的导线与控制模块B上的电源输入接口焊接。

（6）安装手柄保护外壳（13）的盖板，用4个自攻螺丝固定，雾化控制手柄（2）制备完成。

实施例3：本发明应用和测试的举例。

根据图1所示，将实施例1、实施例2制备完成的产品正确连接，具体要求如下：

1、采用软质输气管路将气体输出接口（6）与气路输入接口（10）连通，软质输气管路耐压值不低于300KPa，连接完成后在200KPa气压条件下不应接口脱落或气体泄露。

2、将手柄电源线（12）的DC接口插入手柄电源线接口（9）内。

3、将雾化杯底部进气接口垂直插入雾化器接口（11）内，要求在200KPa气压条件下不应接口脱出或气体泄露。

4、在雾化杯内加入药液，面罩与雾化杯连接，面罩在患者口鼻腔外周固定。

5、将呼吸传感器的测压口延伸的软质测压管的头部置入雾化器的面罩的内部，也可以使用医用胶布将软质测压管的头部固定在口鼻外周。

6、开启主机保护外壳（8）正面的电源开关，空气压缩泵（3）开始工作。空气压缩泵（3）输出压缩空气到储气罐（15）内，当储气罐（15）内气压高于200KPa时，空气压缩泵（3）能自动暂停工作。

7、打开雾化控制手柄（2）的开关，选择呼吸同步响应雾化模式，开始雾化；输出压缩空气后，储气罐（15）内气压降低后，空气压缩泵（3）能自动恢复工作，继续输出压缩空气。在雾化过程中，呼吸传感器动态监测口鼻外周的压力变化，控制模块B判断患者呼气与吸气动作交替，气路控制模块（16）根据患者呼气与吸气动作实时响应；当患者吸气动作时，气路控制模块（16）开放输气管路通路，压缩空气进入雾化杯中，药液在压缩空气射流作用下被雾化输出，喷射进入患者吸入呼吸道；当患者呼气动作时，气路控制模块（16）关闭输气管路通路，阻断压缩空气进入雾化杯中，药液中止雾化输出，如是反复。

上述附图及实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中，对本发明的保护范围不构成任何限制。

Claims (7)

1.一种与呼吸同步响应的智能雾化设备，主要由空气压缩泵、核心控制模块、呼吸传感器、继电器、人机交互界面、气体输出接口、雾化器接口、电源模块及主机保护外壳构成，其中，所述的核心控制模块与呼吸传感器、继电器、电源模块联通，所述的气体输出接口与雾化器接口采用输气管路连接；所述的呼吸传感器与核心控制模块联通工作；所述的继电器的控制端接口与核心控制模块连通，继电器的负载端接口与空气压缩泵连通。

2.根据权利要求1所述的一种与呼吸同步响应的智能雾化设备，其特征还在于：所述的呼吸传感器包括温差式呼吸传感器、声学呼吸传感器、压差式呼吸传感器。

3.根据权利要求1所述的一种与呼吸同步响应的智能雾化设备，其特征还在于：空气压缩泵的气压限值在100KPa~200KPa之间设定。

4.根据权利要求1所述的一种与呼吸同步响应的智能雾化设备，其特征还在于：空气压缩泵输出口下游还设有储气罐，储气罐用于压缩空气的缓冲存储。

5.根据权利要求1所述的一种与呼吸同步响应的智能雾化设备，其特征还在于：继电器采用直流控交流继电器，继电器的控制端接口与核心控制模块连通。

6.根据权利要求1所述的一种与呼吸同步响应的智能雾化设备，其特征还在于：气路控制模块采用电磁阀，一端连通压缩空气输入管路，另外一端与雾化器接口连通。

7.根据权利要求1所述的一种与呼吸同步响应的智能雾化设备，其特征还在于：雾化器是配套使用的医用耗材。

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