CN217489468U - 一种自主呼吸微型传感器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种自主呼吸微型传感器系统，包括固定在被检测者上唇部的基底部，其上对称设有两根正对被检测者鼻腔的微管，每根微管内均设有二氧化碳传感器和流量传感器；单独使用时，被检测者呼出和吸入的气流均通过微管、触发二氧化碳传感器和流量传感器，从而对气流的流量以及其中二氧化碳的分压/浓度进行检测，以便对呼吸功能障碍患者的自主呼吸功能进行监测；在通气状态下，监测数据可以传输到呼吸机主机上，帮助医护人员调节呼吸机参数、使机械通气与自主呼吸相一致。上述系统可以对被检测者的自助呼吸状态进行简单、高效、准确地监测，从而有效提高呼吸机的人机同步性，进而提高无创通气的舒适性、耐受性、依从性和有效性。

Description

一种自主呼吸微型传感器系统

技术领域

本实用新型属于呼吸传感器技术领域，特别涉及一种自主呼吸微型传感器系统。

背景技术

无创通气即佩戴面罩或鼻罩进行机械通气的通气方式。无创通气最关键的问题是人-机同步性，即呼吸机开始送气与自主呼吸吸气的同步性，以及呼吸机切换至呼气相与自主呼吸开始呼气的同步性。从理论上、根本原理上和逻辑上讲，应该从以下几个方面来提高或改善人- 机同步性，一是越快(越及时)、越准确探测到自主呼吸的吸气和呼气并尽快将信号传输至呼吸机控制系统；二是呼吸机的软件处理系统及其算法能够准确快速识别输入的自主呼吸信号；三是输出执行体系如涡轮气流发生器、电磁阀的响应速度越快和精确度越高。上述三个方面的进步或完善均可以独立地改善或提高人-机同步性。本实用新型系从第一个方面改善人-机同步性的。而人-机不同步的具体表现可以概括为四个类型，一是吸气触发延迟，就是呼吸机输出呼吸(机械的流速/压力)落后于自主呼吸吸气若干时间(比如100ms)，称之为吸气触发延迟；二是呼气切换延迟或过早，就是呼吸机停止吸气(切换至呼气相)落后或早于自主呼吸呼气若干时间(比如100ms)；三是假触发/误触发，就是患者此刻没有进行呼吸(吸气)，呼吸机误认为患者开始吸气，控制系统给予一次完全的机械通气，而且有可能在其过程中的任何阶段与真的自主呼吸重叠，产生人-机对抗，并且影响舒适性和耐受性；四是遗失/丢失触发，就是患者此刻出现/产生自主呼吸(吸气)，而呼吸机未能探测到或未能识别出自主呼吸，控制系统不给予一次同步的机械通气，从而产生人-机对抗，并且影响舒适性和耐受性。从现有无创呼吸机制造和临床实践来看，应该说上述改善人-机同步性的三个方面都在不断地进步和改进，通常第一个方面(快速准确探测并传输自主呼吸的吸气和呼气)和第三个方面(输出系统的响应速度和精度)的进步带来的是普惠性进展，也就是说只要成本预算足够采用这样的高端硬件，就可以帮助该品牌的无创呼吸机在原来的基础上改善人-机同步性，除非该硬件为某品牌独占；但是第二个方面则依赖于不同厂家在算法、数据模型的积累和进步，不能分享和普惠。从第一个方面的现状来看，无论使用何种压力或流速传感器以及不论传感器放置的位置是面罩还是近端管路，都不能直接准确探测到自主呼吸的吸气和呼气本身并且快速将信号传输给软件控制系统，所以处理人- 机同步性的方法尽管多种多样，但都是通过间接的算法来尽量及时和准确地探测、识别自主呼吸，使其人-机同步性的质量仍有不少差距，从而无法确保无创通气的舒适性、耐受性、依从性和有效性。另外，实时呼吸监测也是一个很重要的环节，如果能够对自主呼吸进行连续动态的监测，有助于进行机械通气之前对呼吸衰竭的进展程度进行评估，从而对通气治疗的时机和强度进行判断。现有的有创呼吸机或无创呼吸机在进行无创通气过程中，只能估测潮气量、分钟通气量，与实际值往往相去甚远。因此，如何准确监测病人的自主呼吸情况、以便提高无创通气的人机同步性，成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种自主呼吸微型传感器系统。

本实用新型具体技术方案如下：

本实用新型提供了一种自主呼吸微型传感器系统，包括固定在被检测者上唇部的基底部，所述基底部上对称设有两根微管，所述微管的正对所述被检测者的鼻腔，每根所述微管内均设有传感器芯片，所述传感器芯片上设有二氧化碳传感器和流量传感器；所述基底部上还设有微电池和蓝牙芯片，所述传感芯片分别与所述微电池以及所述蓝牙芯片电性连接。

进一步地，所述二氧化碳传感器由热电偶金属制成，且一部分涂有惰性涂层、另一部分裸露在空气中；所述流量传感器由热堆或热电偶构成。

进一步地，所述传感器芯片为正方形，所述流量传感器共有四个、分别设在所述基体的四角，所述二氧化碳传感器有两个、分别对称设在所述传感器芯片中部的两侧。

进一步地，所述传感器系统还包括佩戴部，所述佩戴部与所述基底部连接、并将所述基底部固定在所述被检测者的头部或面部。

进一步地，所述佩戴部为粘贴带，所述粘贴带粘贴在所述被检测者的面部。

进一步地，所述佩戴部包括连接带以及设在所述连接带两端的佩戴部。

进一步地，所述佩戴部包括两个套环，所述套环套设在所述被检测者的耳廓上、将所述基底部固定在所述被检测者的头部。

进一步地，所述佩戴部包括两个相互配合的接合部，两个所述接合部绕到所述被检测者颈部后方并相互连接、将所述基底部固定在所述被检测者的头部。

本实用新型的有益效果如下：本实用新型提供了一种自主呼吸微型传感器系统，包括固定在被检测者上唇部的基底部，其上对称设有两根正对被检测者鼻腔的微管，每根微管内均设有二氧化碳传感器和流量传感器，基底部上还设有用于接收并传输传感器信号的蓝牙芯片、以及提供电力的微电池；该系统可以单独使用，也可以设在呼吸机面罩内、在通气状态下同步使用；单独使用时，被检测者呼出和吸入的气流均通过微管、触发二氧化碳传感器和流量传感器，从而对气流的流量以及其中二氧化碳的分压/浓度进行检测，并由蓝牙芯片无线传输到主机上，以便对未进行机械通气的呼吸功能障碍患者的自主呼吸功能进行监测；当在通气状态下使用时，监测数据可以传输到呼吸机主机上，从而帮助医护人员调节呼吸机参数、使机械通气与自主呼吸相一致。上述系统可以对被检测者的自主呼吸状态进行简单、高效、准确地监测，从而有效提高呼吸机的人机同步性，进而提高无创通气的舒适性、耐受性、依从性和有效性，适宜在护理工作中推广使用。

附图说明

图1为实施例1所述的自主呼吸微型传感器系统的结构示意图；

图2为实施例1所述的自主呼吸微型传感器系统应用于无创呼吸机时的使用方式示意图；

图3为实施例1所述的自主呼吸微型传感器系统中传感芯片的结构示意图；

图4为实施例1所述的自主呼吸微型传感器系统中第一种佩戴方式示意图；

图5为实施例1所述的自主呼吸微型传感器系统中第二种佩戴方式示意图；

图6为实施例1所述的自主呼吸微型传感器系统中第一种佩戴方式示意图；

图7为实施例2所述的自主呼吸微型传感器系统应用于有创呼吸机时的使用方式示意图；

图8为实施例3所述的自主呼吸微型传感器系统应用于呼吸功能检测时的使用方式示意图；

图9为实施例3中应用旁流式采样管采集呼吸数据的示意图；

图10为实施例4所述的自主呼吸微型传感器系统应用于睡眠呼吸监测时的使用方式示意图。

其中：1、左微管；2、右微管；3、左采样口；4、右采样口；5、左传感芯片；6、右传感芯片；7、蓝牙芯片；8、微电池；9、基底部； 10、呼吸机面罩/鼻罩；11、呼吸机；12、排气孔；13、排气阀；14、粘贴带；15、连接带；16、套环；17、结合部；18、流量传感器、19、二氧化碳传感器；20、呼吸监护仪；21、旁流式CO₂采样管11。

具体实施方式

下面结合附图和以下实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实用新型实施例1提供了一种自主呼吸微型传感器系统，包括固定在被检测者上唇部的基底部9，基底部9上对称设有平行排列的左微管1和右微管2，左微管1上的左采样口3和右微管2 上的右采样口4分别正对被检测者的鼻腔，左微管1和右微管2内分别设有左传感芯片5和右传感芯片6，两个传感芯片上均设有二氧化碳传感器和流量传感器；基底部9上还设有微电池8和蓝牙芯片7，两个传感芯片分别与微电池8以及蓝牙芯片7电性连接。

使用时，将基底部9固定在被检测者的上唇部，使两根微管正对被检测者的鼻腔；基底部9由硅胶、塑料或织物等柔性超薄材料制成，具有弹性，能够适应面部的肌肉形状进行固定；微管由Nafion(聚四氟乙烯)管制作而成，长约15mm、厚约1mm、直径约5mm，两微管之间的距离与两闭孔之间的距离相等，Nafion管可以瞬间移除采样气体中的水汽，从而避免冷凝水阻塞微管、影响传感芯片工作；微电池8 为传感芯片和蓝牙芯片7提供电量。当被检测者呼吸时，呼出和吸入的气流均通过微管、触发二氧化碳传感器和流量传感器，从而对气流的流量以及其中二氧化碳的分压/浓度进行检测，并由蓝牙芯片7无线传输到主机上；由于左右鼻孔以及鼻中隔等存在差异，可能导致双侧采样微管测量结果存在偏差，因此采用双侧测量的平均值，以便对未进行机械通气的呼吸功能障碍患者的自主呼吸功能进行监测，同时可以对血氧饱和度进行实时监测，从而判断其呼吸衰竭的程度。

如图2所示，由于装置整体很小，因此可以设置在呼吸机11的面罩或鼻罩内；此时也可以将蓝牙芯片7与呼吸机主机连接，通过呼吸机主机接收自主呼吸数据，可以为临床医生或家庭使用者提供参考，帮助调整压力、频率、氧浓度等呼吸机参数，从而达到最适宜的无创通气参数，使呼吸机的出气和进气可以直接与自主呼吸的吸气和呼气同步。

经典/传统无创通气是指使用无创双水平呼吸机11、通过有排气孔或排气阀的面罩或鼻罩10进行的机械通气，施行无创通气的必要条件是患者存在自主呼吸。无创通气过程中存在两种类型的漏气，一种叫做故意漏气(intentional leak)，是通过呼吸面罩的排气孔12或呼吸管路上的排气阀13进行的已知的或故意设计的漏气，其特点之一是已知其在不同的呼气压力下的漏气(排气)速度和排气量，特点之二是整个呼吸周期(吸气相和呼气相)都在漏气或排气，即呼气主要通过故意漏气进行；另一种叫做非故意漏气，是由于面罩或鼻罩与面部界面不可能完全密闭产生的不确定或变化的漏气。人-机同步性是经典/传统无创通气的核心问题和难题，因其关乎通气效果、耐受性、依从性和成功几率。现有的方法是通过置于呼吸管路或呼吸机内部的流速和压力传感器，采集流速压力信号测算非故意漏气并进行漏气补偿，结合面罩的故意漏气数据，通过数学物理模型构成的算法判断自主呼吸的吸气和呼气，并由呼吸机提供与自主呼吸同步的无创正压通气。但是这种方式不是直接探测到自主呼吸的吸气，而是依赖算法间接判断，因此同步性会受到不同程度影响，尤其是患者自主呼吸微弱、大量漏气等情况下影响更大。而本系统应用于无创呼吸机时，采用有排气孔的全脸面罩10进行经典/传统的无创通气，传感器置于上唇，完全罩在面罩之内，可以同时监测流速和方向，吸气气流是朝向鼻孔的，呼气气流则远离鼻孔，吸气和呼气流速方向相反，因而可以直接监测到自主呼吸的吸气和呼气，进而能够用于无创呼吸机的同步吸气和呼气切换。

该系统可以监测吸入气和呼出气的CO2浓度，当CO2浓度从高向低切换的瞬间即是自主呼吸的吸气启动，当CO2浓度从低向高切换的瞬间即是自主呼吸的呼气启动，由此呼吸机可以同步进行吸气支持和呼气切换。另外，呼气末CO2直接代表了通气水平，所以在无创通气过程中，当呼气末CO2升高代表通气不足，需要增大无创通气的吸气压力水平，当呼气末CO2按预期降低或者稳定时代表通气足够或稳定，因此，本传感器监测的CO2水平可以作为临床调节参数的依据。

在具体实施时，呼吸气流流经传感芯片表面、改变各个位置的温度分布，由热堆或热电偶构成的流量传感器分别感测其所处位置的温度场变化，根据各组间的差分可确定气流的流向，而各组间幅度变化的平均值与流量相关联，根据事先参比标准流量装置所获得的参比数值进行计算、即可得到实际的测量数据。二氧化碳传感器通过其上覆盖有惰性涂层(钝化层)的部分和裸露的部分之间的信号差可消除环境和其他效应造成的误差、从而达到最佳灵敏度，气体的热导与气体组分直接相关，根据事先参比气体进行标定、即可获得当前气流的二氧化碳浓度值。

如图3所示，具体实施时，一种优选的实施方式是，将传感芯片设置为正方形，流量传感器18共有四个、分别设在传感芯片的四角，二氧化碳传感器19共有两个、设在基体中部并对称设在两侧，即，每个二氧化碳传感器19的上下游位置分别设有一个流量传感器18。通过这一设计，使得该芯片能够同时感知相反方向的气流，从而满足不同方向的流速测量需求。

在一些具体的实施例中，传感器系统还包括佩戴部，佩戴部与基底部9连接、并将基底部9固定在被检测者的头部或面部。

如图4所示，在一种实施方式中，佩戴部为粘贴带14(可采用医用固定胶带)，粘贴带14粘贴在被检测者的面部，从而对基底部9进行固定。

如图5所示，在另一种实施方式中，佩戴部包括连接带15以及设在连接带15两端的固定部。具体地，固定部为一体成型设在连接带15 端部的两个套环16，套环16套设在被检测者的耳廓上、将基底部9 固定在被检测者的头部。连接带15和套环16可以采用硅胶等有弹性的材质制成，便于拉伸，从而方便佩戴，同时能够适应不同头围的人佩戴。

如图6所示，在另一种实施方式中，固定部为设在连接带15端部的接合部17，两个接合部17绕到被检测者颈部后方并相互连接、将基底部9固定在被检测者的头部。接合部17可以采用医用固定胶带等带有粘性的材质，也可以采用魔术贴、子母扣等形式，只要能相互扣合即可；此时的连接带15也可以采用硅胶等弹性材质制成，从而适应不同头围的患者使用。

本实施例提供的自主呼吸微型传感器系统可以单独使用，也可以设在呼吸机面罩内、在通气状态下同步使用；单独使用时，被检测者呼出和吸入的气流均通过微管、触发二氧化碳传感器和流量传感器，从而对气流的流量以及其中二氧化碳的分压/浓度进行检测，并由蓝牙芯片无线传输到主机上，以便对未进行机械通气的呼吸功能障碍患者的自主呼吸功能进行监测；当在通气状态下使用时，监测数据可以传输到呼吸机主机上，从而帮助医护人员调节呼吸机参数、使机械通气与自主呼吸相一致。上述系统可以对被检测者的自主呼吸状态进行简单、高效、准确地监测，从而有效提高呼吸机的人机同步性，进而提高无创通气的舒适性、耐受性、依从性和有效性，适宜在护理工作中推广使用。

实施例2

如图7所示，本实施例2提供了上述传感器系统的另一种使用方式，在该实施例中，上述系统应用于使用有创呼吸机进行无创通气。这种通气方式即非传统/经典无创通气，是指通过无排气孔或排气阀的面罩或头盔式面罩(helmet)进行的机械通气，主要用于早期或轻度的急性低氧呼吸衰竭患者。人-机同步性是非经典/传统无创通气的核心问题和难题，因其关乎通气效果、耐受性、依从性和成功几率。现有的方法是通过置于呼吸管路或呼吸机内部的流速和压力传感器，采集流速压力信号作为自主呼吸的触发和同步信号，大多数品牌ICU有创呼吸机没有精确的数学物理模型构成的算法判断自主呼吸的吸气和呼气，而漏气又不可避免存在，所以，当前的非传统/经典无创通气的同步性远未满足临床需要，需要改进和提高自主呼吸探测的方式和灵敏度，从而改进同步性。本实施例传感器置于上唇，完全罩在面罩之内，不仅可以监测流速还可以同时监测流速的方向，吸气气流是朝向鼻孔的，呼气气流则远离鼻孔，吸气和呼气流速方向相反，因而可以直接监测到自主呼吸的吸气和呼气，进而能够用于有创呼吸机的同步吸气和呼气切换。

实施例3

如图8～9所示，本实施例3提供了上述传感器系统的另一种使用方式，在该实施例中，上述系统应用于未使用无创或有创呼吸机治疗的、发生或可能发生呼吸功能衰竭的患者，用于对呼吸功能进行连续、无创监测。

当前对于呼吸功能的连续监测，最常用的方法是通过放置在胸部的微电极监测胸腔的阻抗变化，从而监测到呼吸频率。但是该方法存在如下缺陷：1、受到干扰因素比较多，比如身体运动或晃动、呼吸运动过于微弱、其他电信号干扰等；2、只能监测呼吸频率，不能提供呼吸深度、呼吸量或呼吸效率等参数，临床价值有限；3、未能直接监测呼吸本身的一些参数，比如潮气量、分钟通气量、呼出气CO₂等指标。在肺功能室也可以进行呼吸功能监测，虽然监测参数很全面，但是主要用于呼吸功能测试或肺功能测试，而不是连续监测，无法广泛用于呼吸功能障碍或呼吸功能不全或可能出现呼吸功能衰竭患者的连续、无创监测。

该传感器可以在近端(靠近鼻孔)直接监测到吸入和呼出气的流速以及CO₂浓度/分压，通过呼吸监护仪20的程序可估算通气量相关的参数，如潮气量、分钟通气量等；呼气末CO₂直接代表了自主呼吸功能状态，通过呼吸监护仪20的程序判断呼吸功能状态，当呼气末 CO₂升高代表通气不足，存在通气功能不全。

呼吸监护仪20可以通过吸气和呼气流速方向的切换和CO₂水平的切换判断自主呼吸周期和计算时间相关的参数，包括吸气时间、呼气时间、吸呼比、呼吸频率等。暂时采用放入鼻腔的旁流式CO₂采样管 21采集呼出气流输入呼吸监护仪，精确测量呼气末CO₂，测量数据有线输入呼吸监护仪20，与本实用新型实施例3的置于上唇的流量、CO₂的一体化无线传输MEMS传感器所监测的CO₂水平、血气分析PaCO₂建立数学关系，可以提供更为精确的CO₂监测

更进一步，通气量、呼吸频率和CO₂监测参数进行大数据和人工智能深度开发和应用，有可能预测或预警呼吸衰竭发展方向、程度和预后，为呼吸衰竭治疗或干预提供精准的临床依据。

实施例4

如图10所示，本实施例4提供了上述传感器系统的另一种使用方式，在该实施例中，上述系统应用于睡眠呼吸监测和睡眠呼吸障碍的诊断中。

目前最常用的监测参数包括：(1)呼吸气流监测，可以判断呼吸暂停或气流受限；(2)监测胸廓运动，判断自主呼吸用力；(3)监测血氧饱和度，判断氧减程度；(4)眼动、脑电、心电，睡眠分期和诊断。当前的睡眠监测设备对于呼吸气流的监测是通过鼻塞式的采样管进行的，这对睡眠有一定的干扰，也不便同时监测呼出气CO₂。

该传感器可以在近端(靠近鼻孔)直接监测到吸入和呼出气的流速以及CO₂浓度/分压，因而可以根据流速判断吸气暂停或气流受限；呼气末CO₂直接代表了自主呼吸功能状态，当呼气末CO₂升高代表通气不足，可以判断睡眠障碍是否合并通气功能不全。

此外，该传感系统采用无线传输，不使用鼻塞式采样管，患者睡眠不受干扰，可以自由翻身和采用任何睡姿。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自主呼吸微型传感器系统，其特征在于，包括固定在被检测者上唇部的基底部，所述基底部上对称设有两根微管，所述微管的正对所述被检测者的鼻腔，每根所述微管内均设有传感芯片，所述传感芯片上设有二氧化碳传感器和流量传感器；所述基底部上还设有微电池和蓝牙芯片，所述传感芯片分别与所述微电池以及所述蓝牙芯片电性连接。

2.如权利要求1所述的自主呼吸微型传感器系统，其特征在于，所述二氧化碳传感器由热电偶金属制成，且一部分涂有惰性涂层、另一部分裸露在空气中；所述流量传感器由热堆或热电偶构成。

3.如权利要求2所述的自主呼吸微型传感器系统，其特征在于，所述传感芯片为正方形，所述流量传感器共有四个、分别设在基体的四角，所述二氧化碳传感器有两个、分别对称设在所述传感芯片中部的两侧。

4.如权利要求1~3中任一项所述的自主呼吸微型传感器系统，其特征在于，所述传感器系统还包括佩戴部，所述佩戴部与所述基底部连接、并将所述基底部固定在所述被检测者的头部或面部。

5.如权利要求4所述的自主呼吸微型传感器系统，其特征在于，所述佩戴部为粘贴带，所述粘贴带粘贴在所述被检测者的面部。

6.如权利要求4所述的自主呼吸微型传感器系统，其特征在于，所述佩戴部包括连接带以及设在所述连接带两端的固定部。

7.如权利要求6所述的自主呼吸微型传感器系统，其特征在于，所述固定部包括两个套环，所述套环套设在所述被检测者的耳廓上、将所述基底部固定在所述被检测者的头部。

8.如权利要求6所述的自主呼吸微型传感器系统，其特征在于，所述佩戴部包括两个相互配合的接合部，两个所述接合部绕到所述被检测者颈部后方并相互连接、将所述基底部固定在所述被检测者的头部。

9.如权利要求1所述的自主呼吸微型传感器系统，其特征在于，所述微管由Nafion材料制成。

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