ES2296818T3 - Generador de flujo a dos niveles. - Google Patents
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Abstract
Un aparato para el suministro de un gas de respiración a un usuario que comprende - un ventilador (22) que tiene un motor y un impulsor girado por el motor para suministrar un gas de respiración a un usuario y un sistema de control del ventilador (24) que proporciona una señal de control de motor al motor, caracterizado porque - el motor es un motor de corriente alterna (c.a.) y la señal de control del motor tiene frecuencia y amplitud variables, en el que la frecuencia y la amplitud de la señal de control del motor se ajustan periódicamente por el sistema de control del ventilador (24) para hacer que el funcionamiento del motor de corriente alterna permute entre el modo de inhalación por el que el impulsor es girado a una primera velocidad generando una presión positiva de inhalación en las vías respiratorias y el modo de exhalación por el que el impulsor es girado a una segunda velocidad, diferente de la primera velocidad, generando una presión positiva de exhalación en las vías respiratorias.
Description
Generador de flujo a dos niveles.
La presente invención se refiere a un aparato
para suministrar un gas de respiración a un usuario a niveles
alternativos de presión como tratamiento para afecciones
respiratorias tales como la apnea del sueño.
El síndrome de la apnea del sueño afecta a entre
el 1% y el 5% de la población general y se debe a la obstrucción de
las vías respiratorias superiores durante el sueño. Las
consecuencias directas de la apnea del sueño son la fragmentación
del sueño, cese parcial de la ventilación y
des-saturación de la oxihemoglobina. Esto a su vez
se traduce en una somnolencia durante el día, arritmia cardíaca,
insuficiencia cardíaca congestiva y otras diversas disfunciones de
la salud así como cognitivas. Todas estas tienen efectos secundarios
sociales y conductuales que pueden dar como resultado un aumento en
la morbilidad de los pacientes así como una posible mortalidad si
éstos están involucrados en actividades que requieren un estado de
alerta (tales como conducir un automóvil).
Las causas de la obstrucción de las vías
respiratorias superiores son variadas, aunque pueden incluir cambios
anatómicos que conducen al estrechamiento de las vías, pérdida de
tono muscular y/o un aumento del peso de las estructuras. La edad y
la obesidad aparecen como factores de riesgo sugiriendo que un
exceso de tejidos blandos en el cuello puede producir presión
suficiente sobre las estructuras internas como para poner en peligro
la apertura de las vías respiratorias.
El tratamiento ha implicado diversas
intervenciones quirúrgicas incluyendo la uvulopalatofaringoplastia,
la cirugía gástrica para la obesidad, la reconstrucción
maxilofacial o incluso la traqueotomía. Todos estos procedimientos
tienen el riesgo de una morbilidad significativa. Un tratamiento más
benigno pero que requiere algunos ajustes conductuales es el de la
presión positiva nasal continua de las vías respiratorias (PPnCVA o
simplemente PPCVA). En su forma más simple, este tratamiento supone
la aplicación de una presión positiva en las vías respiratorias
usando un generador de flujo de aire para hacer que las vías
permanezcan abiertas. Si se usa sistemáticamente durante el sueño,
los síntomas de la apnea del sueño pueden mitigarse con éxito.
Algunos pacientes, sin embargo, no responden o
no se adaptan al tratamiento PPCVA debido a su naturaleza continua.
Esto es especialmente cierto si la prescripción de la presión del
PPCVA es relativamente alta. Para estos individuos una terapia a
dos niveles es una alternativa más razonable. Los ciclos de presión
desde un alto nivel durante la inhalación (PPCI) a un bajo nivel
(PPCE) facilitan la exhalación mientras que al mismo tiempo se
continúa proporcionando algún refuerzo de la presión nominal. Esto
es útil también para individuos que tienen alguna dificultad en la
respiración tal como la debilidad del músculo del diafragma debido a
una enfermedad o daños espinales en los que una presión continua
puede ser problemática.
Se han usado varias prácticas en la
implementación del cambio de la PPCI a la PPCE en técnicas
anteriores. Algunos ejemplos incluyen el uso de fuelles lastrados,
válvulas reductoras de presión acopladas a fuentes neumáticas,
ventiladores de velocidad constante acoplados con válvulas,
accionadores de inyectores, pistones linealmente accionados,
pistones accionados no linealmente, y fuelles cargados con resorte.
La mayoría de los sistemas han usado ventiladores de velocidad
constante acoplados con válvulas para efectuar los rápidos cambios
de la presión requiriendo una mínima energía. Típicamente el
ventilador girará a una velocidad suficiente para proporcionar la
mayor presión de la PPCI y se ajusta la presión más baja usando una
válvula de escape controlada por solenoide. La posición de la
válvula se cambia en pequeña medida para compensar el aumento de la
demanda de flujo, y en gran medida para desviar el aire fuera del
paciente y bajar la presión a niveles de la PPCE.
Los ventiladores de velocidad variable no han
sido típicamente usados hasta el momento para generadores de caudal
a dos niveles por varias razones. Primero, la masa del conjunto
ventilador-motor impide su rápida aceleración y
deceleración lo que a su vez produce un rendimiento no óptimo con
respecto a la función de respiración (es decir, no se ayuda a la
inhalación o exhalación de un paciente dado en tiempo real).
Segundo, no son adecuados típicamente los controladores externos al
motor para la realización de ventilación rápida y típicamente
requieren dispositivos detectores externos (por ejemplo, detectores
de efecto Hall) añadiendo costes. Tercero, los motores de velocidad
variable son tradicionalmente motores de corriente continua (c.c.)
que disipan gran cantidad de calor requiriendo por ello medios para
la disipación del calor y haciendo más difícil la miniaturización
del dispositivo.
El documento WO97/02064 describe un aparato para
el suministro de gas de respiración a un usuario de acuerdo con el
preámbulo de la reivindicación 1 y comprende un ventilador que tiene
un motor y un impulsor girado por este motor para suministrar un
gas de respiración a un usuario, un sistema de control del
ventilador que proporciona una señal de control a este motor. El
aparato genera una presión positiva de un solo nivel a las vías
respiratorias para evitar la necesidad de incorporar caros
transductores de presión y aun así mantener una vigilancia precisa
de, y un control sobre, la presión de la PPCVA. Se determina un
valor de compensación de la presión del transductor para hacer
posible el suministro de una compensación de la presión calibrada.
Para este fin el documento WO97/02064 propone o bien medir la
presión real cuando el motor no está funcionando, o determinar si
no hay actividad de presión durante un periodo continuo que se
compara con eventos tales como la respiración. De hecho cualquier
fase de inhalación o expiración impide medir la presión exacta del
ambiente para poder proporcionar una compensación constante de la
presión generada por un generador de flujo de gas. De ahí que, el
generador del documento WO97/02064 siempre proporcione una presión
de gas constante en relación con la presión del aire exterior y,
por tanto, no se realiza una distinción entre el modo de inhalación
y el modo de exhalación.
El documento
US-A-5 495 160 describe un generador
digital de onda senoidal y un controlador de motor comprendiendo un
motor de corriente alterna y una señal de control del motor que
tiene una frecuencia y amplitud variables. Se suministra un
generador digital de onda senoidal para un inversor, cuyo generador
ha de poder generar una señal de onda senoidal digital sin
circuitos complejos o caros. Esto significa que la amplitud variable
y la frecuencia variable deberían generarse usando cálculos
aritméticos simples.
En el documento US 4 599 550 se describe un
equipo digital programado que se utiliza para generar formas de
onda trifásicas de pulsos de amplitud modulada que se usan para
controlar un motor de inducción.
La presente invención hace posible emplear un
ventilador de velocidad variable en un generador de flujo a dos
niveles usando de un motor síncrono de imán permanente de corriente
alterna (c.a.) controlado por microprocesador acoplado a un
impulsor centrífugo de baja inercia y alimentado por una fuente de
alimentación conmutada de tensión constante y de baja potencia. El
dispositivo girará el impulsor a la frecuencia rotacional de su
campo que puede cambiarse de acuerdo con la velocidad de
conmutación de un circuito temporizador en el microprocesador.
El objeto de la invención es proporcionar un
aparato que permita el suministro de un gas de respiración a un
usuario mediante la generación de una presión positiva a dos niveles
en las vías respiratorias, y lo cual puede producirse más
económicamente que con las técnicas actuales.
Este objeto se alcanza mediante un aparato para
el suministro de un gas de respiración a un usuario que comprende
un ventilador que tenga un motor y un impulsor girado por el motor
para suministrar un gas de respiración a un usuario, un sistema de
control del ventilador que proporciona una señal de control de motor
al motor. El motor es de corriente alterna (c.a.) y la señal de
control del motor tiene frecuencia y amplitud variables, donde la
frecuencia y la amplitud de la señal de control del motor se ajustan
periódicamente por el sistema de control del ventilador para hacer
que el funcionamiento del motor de c.a. permute entre un modo de
inhalación en el que el impulsor se gira a una primera velocidad
que genera una presión de inhalación positiva en las vías
respiratorias y un modo de exhalación en el que el impulsor se gira
a una segunda velocidad, diferente de la primera velocidad,
generando una presión de exhalación positiva en las vías
respiratorias.
Las realizaciones preferidas del aparato de la
invención se reivindican en las reivindicaciones 2 a 13.
El sistema de control del ventilador
preferiblemente incluye un microcontrolador que genera una variedad
de señales de control en forma de señales de pulsos de anchura
modulada que tienen ciclos de trabajo ponderados senoidalmente. El
microcontrolador incluye también preferiblemente una unidad de
comparación con un temporizador y una variedad de registros de
comparación de forma que la señal de pulsos de anchura modulada
ponderada senoidalmente puede crearse basándose en la comparación
de un valor del temporizador con un valor del registro de
comparación recuperado de un dispositivo de memoria. El
temporizador de comparación tiene preferiblemente una velocidad de
conmutación variable definiendo una frecuencia de la señal de pulsos
de anchura modulada. La amplitud y la frecuencia del pulso de
anchura modulada se ajustan preferiblemente por el controlador
usando el algoritmo de Bresenham.
En una realización preferida, la invención
utiliza un motor síncrono de c.a. trifásico de imán permanente de
baja inercia que es alimentado con pulsos de anchura modulada (PAM)
que semejan una onda senoidal de frecuencia y amplitud variables.
El proceso de aceleración y deceleración involucra cambiar de la
frecuencia A, amplitud A a la frecuencia B, amplitud B de una forma
lineal óptima, preferiblemente usando el denominado algoritmo de
Bresenham. Esto se adapta preferiblemente con un aumento ajustado de
la amplitud durante el proceso de aceleración que producirá la
aceleración usando la mínima intensidad. Durante la deceleración el
proceso puede acometerse de forma inversa usando una disminución
ajustada de la amplitud adaptada con un circuito especial en
derivación para impedir cambios en la tensión de la fuente de
alimentación. Estos cambios en la amplitud abrigan un mecanismo de
retroalimentación de la intensidad usado para impedir la pérdida de
sincronización del motor con los cambios de la amplitud. Los
cambios de velocidad son también preferiblemente temporizados para
impedir des-sincronizaciones.
Las anteriores y otras características y
ventajas de la presente invención se entenderán aún mejor a partir
de la siguiente descripción de las realizaciones preferidas de la
misma, tomadas en conjunto con los dibujos adjuntos en los que
números iguales denotan partes iguales.
La Figura 1 es un diagrama esquemático de un
aparato que incluye un generador de flujo de gas con un motor de
c.a. controlado por microordenador de acuerdo con la presente
invención.
La Figura 2 muestra la intensidad del estator
respecto a la intensidad de campo para un motor síncrono de
c.a.
La Figura 3 muestra la intensidad de devanado
media en relación con la amplitud bruta para un motor/ventilador
real.
La Figura 4 muestra la intensidad en relación
con el coeficiente de amplitud a dos altitudes diferentes
demostrando que un coeficiente de amplitud óptimo es independiente
de la altitud.
La Figura 5 muestra en forma de diagrama cómo
los pulsos modulados que son ponderados senoidalmente pueden
producir corrientes senoidales en un motor.
La Figura 6 muestra cómo se generan los pulsos
PAM usando diferentes valores de comparación en una unidad de
captura/comparación de un microprocesador.
La Figura 7 es el circuito equivalente de un
motor de c.a.
La Figura 8 muestra la amplitud bruta en función
de la frecuencia. La amplitud bruta es un valor de comparación
simple cargado en un registro de comparación que puede tener valores
entre cero y el valor del periodo máximo que en este caso es
120.
La Figura 9 muestra la presión como función de
la frecuencia para un ventilador centrífugo típico.
La Figura 10 muestra un proceso de aceleración
en tres etapas de acuerdo con la presente invención.
La Figura 11 muestra como la aceleración puede
realizarse en una amplia gama de frecuencias en una forma cuasi
lineal usando una tabla almacenada de búsqueda de la amplitud bruta
y los valores de frecuencia.
La Figura 12 muestra la intensidad resultante en
un proceso de aceleración, y en particular, como oscila la
intensidad debido al cambio de velocidad.
La Figura 13 muestra como las constantes de
aceleración y los parámetros del frenado pueden ajustarse
visualmente examinando la forma de onda de la intensidad durante la
aceleración y la deceleración.
La Figura 14 muestra el diseño de una fuente de
alimentación conmutada de rango múltiple y como la tensión puede
ser derivada de la fuente de alimentación durante la
deceleración.
Las Figuras 15 y 16 muestran un proceso paso a
paso de cómo la aceleración y deceleración pueden implementarse de
acuerdo con la presente invención.
La Figura 17 muestra un método para usar la
retroalimentación de la intensidad media para minimizar las
oscilaciones de la intensidad de acuerdo con la presente
invención.
En la Figura 1 se muestra en forma esquemática
un aparato 10 de acuerdo con la realización preferida de la
presente invención. El aparato 10 funciona de acuerdo con un proceso
que es otro aspecto de la presente invención para suministrar un
gas de respiración tal como aire a un paciente a niveles
alternativos de presión como tratamiento para afecciones
respiratorias tales como la apnea del sueño.
El aparato 10 incluye un generador de flujo de
gas 12 que recibe gas de respiración de una fuente y entrega el gas
a niveles alternativos de presión positiva a un aparato de
respiración 14 a través de un conducto de suministro 16 tal como
una manguera. El gas de respiración puede suministrarse por
cualquier fuente adecuada incluyendo, a modo de ejemplo, aire
ambiente o un frasco presurizado que contiene gas de respiración. El
aparato de respiración puede ser una máscara de nariz, una máscara
facial, una cánula nasal, un tubo de traqueotomía, o cualquier otro
aparato adecuado para interponerse entre la fuente de gas de
respiración y el sistema respiratorio del paciente. Típicamente se
proporciona un punto de escape (no mostrado) como parte del aparato
de respiración o del conducto de suministro para purgar los gases
de respiración durante la exhalación. Puede usarse cualquier punto
de salida incluyendo, a modo de ejemplo, diseños de válvulas
convencionales y accesos abiertos.
El generador de flujo de gas 12 incluye
generalmente una entrada de gas de respiración 18, una salida de gas
de respiración 20, un ventilador 22 que recibe el gas de
respiración de la entrada y que tiene un impulsor accionado por un
motor de velocidad variable para suministrar el gas a una presión
positiva a la salida, y un sistema de control del ventilador 24 que
controla la presión del gas de respiración en el conducto de
suministro ajustando la velocidad del motor. El generador de flujo
de gas incluye también preferiblemente una fuente de alimentación
26 para distribuir la potencia de fuentes internas o externas al
ventilador y al sistema de control del ventilador, y un medidor de
caudal 28, preferiblemente localizado aguas abajo del ventilador,
para generar una señal de caudal indicativa del flujo de gas de
respiración desde el ventilador. La señal de caudal desde el
medidor de caudal 28 se lleva al sistema de control del ventilador y
es adicionalmente llevada a un disparador convencional o circuito
de decisión 30 que usará la señal de caudal de forma conocida para
proporcionar una señal de disparo al sistema de control del
ventilador para iniciar un cambio en la velocidad del motor. El
generador de flujo de gas 12 se muestra también conteniendo un
detector de presión proximal 46 que detecta la presión del gas en
una línea 48 desde la máscara 14 y proporciona una señal indicativa
de la presión de la máscara al sistema de control del ventilador
24, y un detector de presión atmosférica 50 que proporciona una
señal indicadora de la presión atmosférica al sistema de control del
ventilador.
El motor del ventilador es preferiblemente un
motor de corriente alterna (c.a.) síncrono trifásico que tiene un
rotor/impulsor de imanes permanentes y un estator con tres
devanados. La aplicación de una corriente alterna trifásica a los
devanados genera un campo magnético rotativo en el espacio de aire
entre el rotor y el estator. El rotor gira entonces en sincronía
con la velocidad del campo rotatorio.
Para controlar la velocidad del motor, el
sistema de control del ventilador 24 incluye preferiblemente un
microcontrolador 32 programado para generar tres señales de pulsos
de anchura modulada (PAM) senoidalmente ponderados que están
desfasadas 120 grados para producir un campo rotatorio cuando se
aplican a los devanados respectivos del motor de c.a. Mientras que
los motores de c.a. funcionan típicamente a velocidad constante, el
microcontrolador de la presente invención se programa para variar la
presión del gas de respiración de forma alternativa en la salida
por medio de la aceleración y deceleración alternativas del motor.
El microcontrolador 32 es de diseño convencional con una unidad de
comparación 34 y una memoria de programa 36. Se muestran también en
comunicación con el micro-controlador, un reloj 38 y
un almacén de datos externos 40. El proceso de aceleración y
deceleración supone modificar las señales PAM cambiando desde la
frecuencia A, amplitud A a la frecuencia B, amplitud B de un modo
lineal óptimo, preferiblemente usando el denominado algoritmo de
Bresenham. Éste se adapta preferiblemente con un aumento ajustado
de la amplitud de la señal PAM durante el proceso de aceleración
que producirá la aceleración usando la mínima de intensidad de
alimentación. Durante la deceleración el proceso puede acometerse
de forma inversa usando una disminución ajustada de la amplitud
adaptada con un circuito especial en derivación para impedir
cambios en la tensión de la fuente de alimentación. Estos cambios en
la amplitud abrigan un mecanismo de retroalimentación de la
intensidad usado para impedir la pérdida de sincronización del
motor con los cambios de la amplitud. Cuando se implementa con un
conjunto rotor/impulsor de baja inercia (por ejemplo, menor de 5
\times 16^{-6} kg\cdotm^{2}), el aparato y el método de
acuerdo con la presente invención puede alcanzar cambios de presión
rápidos adecuados para terapia de presión positiva a dos niveles en
las vías respiratorias sin el uso de válvulas o detectores
especiales. En una realización preferida, la invención se
implementa en un sistema que tiene un ventilador con un impulsor
formado por un material plástico tal como plástico Noryl con 30% de
fibra de
vidrio.
vidrio.
El motor de c.a. síncrono tiene la deseable
característica de que su factor de potencia puede variarse en un
amplio intervalo cambiando simplemente la excitación del campo. Con
un débil campo el motor toma una corriente inductiva. Con
referencia a la Figura 2, si se mantiene constante la carga y se
aumenta la excitación, la intensidad disminuye y la diferencia de
fase entre la tensión y la intensidad se hace menor hasta que la
intensidad está en fase con la tensión y el factor de potencia es
la unidad. La intensidad está entonces en su mínimo valor. Un
aumento adicional en la intensidad de campo hace que la corriente
del estator sea capacitiva y el factor de potencia disminuya. Por
tanto la infra-excitación produce una corriente
inductiva; la sobre-excitación hace que la
corriente sea
capacitiva.
capacitiva.
Esta sobre e infra excitación puede conseguirse
usando señales PAM generadas por el microcontrolador. Una señal PAM
del tipo generado por el microcontrolador de acuerdo con la presente
invención se muestra a la izquierda de la Figura 5. Con referencia
a la Figura 5, se puede ver que las tensiones senoidales trifásicas
se crean con una señal que tiene una frecuencia constante muy alta
(comparada con la frecuencia de la senoide deseada) y un ciclo de
trabajo senoidalmente ponderado. Este método de PAM senoidal puede
referirse como PAMSP. El PAMSP puede implementarse en el
microcontrolador situando valores senoidalmente ponderados en tres
registros de comparación de una unidad de comparación del
microcontrolador 34 (Figura 1). La unidad de comparación contiene
un temporizador y varios registros de comparación configurados para
crear señales PAM de ciclo de trabajo variable. Cuando el valor en
el temporizador es el mismo que el valor del registro de
comparación, un terminal de salida es llevado bien a estado alto o
estado bajo. Así el ciclo de trabajo de la señal de salida sigue
linealmente al valor de comparación. Algunas unidades tienen tres
registros de comparación y un temporizador que pueden contar desde
0 a cualquier valor de "periodo" especificado de 16 bits.
Cuando el temporizador alcanza el valor del periodo, invierte su
dirección y cuenta hacia abajo hasta 0. Esto es útil para generar
señales PAM centradas como se muestra en la Figura 6. Por tanto,
cuando se alcanzan los valores de comparación, la señal PAM se
conmuta entre activa y no activa tal como se muestra. Cuando estos
pulsos son filtrados por los devanados del motor se ve una onda
senoidal continua como se muestra a la derecha de la Figura 5.
El PAMSP tiene la ventaja de requerir muy pocos
cálculos (suponiendo que se usen tablas de búsqueda con los valores
apropiados). Pueden realizarse cada una de las tres fases para
generar unas senoides que están desfasadas 120 grados. Las
tensiones de fase senoidales generan tensiones senoidales entre
fases y tensiones senoidales
fase-a-neutro cuando se conectan a
una carga equilibrada conectada en estrella. Dado que todas las
tensiones son senoidales, pueden usarse relaciones algebraicas para
escalar las tensiones generadas de modo que se evitan las lentas
instrucciones de multiplicación.
Las ondas senoidales generadas por la unidad de
comparación tienen una frecuencia específica (que es esencialmente
la velocidad de conmutación del temporizador de comparación) así
como "amplitud". Amplitud en este caso es el porcentaje del
periodo total de la frecuencia base. Por ejemplo, una onda senoidal
con el 100% de amplitud variaría la señal de PAM senoidalmente
desde cerca de anchura cero a la máxima anchura. Una onda senoidal
con el 50% de amplitud variaría la señal de PAM senoidalmente desde
cerca de anchura cero hasta aproximadamente el 50% del ancho
posible.
El motor de c.a. síncrono puede acelerarse y
decelerarse sin dificultad a cualquier velocidad suponiendo que la
fuente de alimentación y el campo magnético resultante tienen la
fuerza suficiente. En la práctica, sin embargo, una fuente de
alimentación siempre tendrá una fuerza limitada debido a
consideraciones de tamaño y calor y el campo magnético estará
limitado de acuerdo con el tipo de imán empleado en el rotor. En
tales casos, es deseable limitar o ajustar el grado de aceleración
y deceleración de acuerdo al motor. La presente invención incluye
un método óptimo de ajuste y control de la
aceleración/deceleración.
En general, la energía requerida para mantener
un ventilador en movimiento es la suma de la energía transmitida al
aire, la energía disipada por la fricción de los cojinetes y la
energía perdida como calor (pérdidas de la intensidad). Se ha
añadido un 4º término E_{Sinc} para indicar la energía adicional
(intensidad) que se requiere cuando los campos no se sincronizan
como se ha visto previamente en la Figura 2.
[1]E_{Total} =
E_{Aire} + E_{Fricción} + E_{Calor} +
E_{Sinc}
El impulsor por sí mismo almacena energía
cinética como puede verse a continuación
[2]E_{Impulsor} = {^{1}/_{2}}\ I
\omega^{2}
Aquí I es el momento de inercia del impulsor y
\omega es la frecuencia circular de rotación. La cantidad de
energía transmitida al aire es también función de la velocidad del
impulsor.
[3]E_{Aire} =
func\
(\omega^{2})
donde \omega es de nuevo la
frecuencia de rotación. Durante la aceleración se añade energía al
sistema aumentando la energía cinética del ventilador durante un
periodo de tiempo dado. Por lo tanto, podemos calcular la cantidad
de potencia requerida para acelerar a ritmo constante desde la
frecuencia 1 a la frecuencia 2
como:
[4]P =
{^{1}/_{2}}\ V\ I = (E_{1} - E_{2})/\Delta t <
L
donde L es un límite dado por la
potencia de la fuente de alimentación y E_{1.2} = E_{Aire} +
E_{Impulsor}. Esta potencia naturalmente no incluye pérdidas y
supone una fase correcta entre el estator y el rotor. Si se diseña
un sistema para tener las mínimas pérdidas por calor y por fricción
entonces la sincronización del motor es el factor de
"pérdidas" único más importante. Si el ventilador está infra o
sobre inducido el campo generado por el motor puede desplazarse de
fase con respecto al campo impulsor dando como resultado una mayor
disipación de intensidad y por tanto de energía. En general, cuando
un ventilador se impulsa a una frecuencia dada como se muestra en
la Figura 3, existe una amplitud de la onda senoidal inductora que
da como resultado una corriente
mínima.
Podemos por tanto crear una tabla de frecuencias
y sus valores de amplitud mínima asociados como se muestra en la
Figura 8. Esto se ajustará típicamente a una curva parabólica, esto
es, la amplitud será función del cuadrado de la frecuencia. Es por
tanto claro que la función frecuencia-amplitud no es
lineal.
Como acotación puede mencionarse que la
frecuencia es lo que produce una elevación en la presión como se
muestra en la Figura 9. Esta es también generalmente una función no
lineal pero debido a la ineficiencia del ventilador se requiere una
frecuencia adicional para tener presiones más altas dando como
resultado una curva no lineal similar a la mostrada en la Figura 9
que fue generada usando un caudal constante de 45 l/min. Hemos
averiguado por tanto que la presión, la frecuencia y la amplitud
óptima están interrelacionadas. La intensidad y la energía están
directamente ligadas a la amplitud.
El proceso de aceleración o deceleración supone
cambiar desde una combinación amplitud-frecuencia a
una segunda combinación amplitud-frecuencia como se
muestra en la Figura 10. De acuerdo con un aspecto de la invención,
esto se lleva a cabo usando un proceso en tres etapas. Primero se
añade una amplitud extra al motor para disminuir las posibilidades
de des-sincronización (fase xx), entonces se aumenta
la amplitud y la frecuencia hasta que la frecuencia alcanza el
objeto (fase yy) y finalmente se quita la amplitud extra (fase
zz).
A pesar de que el proceso de ajustar amplitud y
frecuencia se ha descrito como un proceso continuo, típicamente la
frecuencia y amplitud tienen valores enteros finitos cuando son
generados por un microcontrolador moderno. Consecuentemente, tanto
amplitud como frecuencia son ajustadas por el microcontrolador en
una serie de "saltos". Y aquí por tanto surge la cuestión de
cómo se puede cambiar mejor de un par amplitud frecuencia a
otro.
\newpage
De acuerdo con una realización preferida de la
presente invención, la cuestión se resuelve programando el
microcontrolador para usar el algoritmo de Bresenham. Brevemente
descrito en palabras, la variable con el mayor grado de
discretización se ajusta en incrementos unitarios en cada bucle de
iteración. La segunda variable se ajusta en incrementos unitarios a
intervalos regulares basados en la pendiente entre los dos
puntos.
En el contexto actual, "x" puede verse como
la frecuencia e "y" como la amplitud. Deseamos cambiar entre x1
y x2 (es decir desde la frecuencia 1 a la frecuencia 2 [lo que
corresponde a las presiones 1 y 2]) y consecuentemente cambiar la
amplitud "y" desde y1 a y2 en una forma lineal u
optimizada.
A continuación se da el
seudo-código para este algoritmo. La parte en
negrita está contenida preferiblemente dentro de la rutina para
ajustar la nueva presión. La parte en cursiva se contiene
preferentemente dentro de la rutina de la interrupción del
temporizador que ajusta la frecuencia y la amplitud en intervalos
regulares de tiempo (por ejemplo, cada 1/4000 de segundo).
Debe observarse que este algoritmo supone que x2
es mayor que x1 e y2 mayor que y1. Esto es verdad para la
aceleración. Para la deceleración y1 es mayor que y2 y x1 es mayor
que x2. Las fórmulas para dx y dy se reformulan como
x1-x2 e y1-y2 para dar números
positivos.
Una explicación más detallada del
seudo-código anterior con referencia a los números
de línea es la siguiente:
La línea 1 es una sentencia de función que pasa
la frecuencia de comienzo x1, la frecuencia final x2, la amplitud
de comienzo y1 y la amplitud final y2. El algoritmo supone que
estamos en el cuadrante 1 donde x e y son ambas mayores que 0. Se
supone adicionalmente que la pendiente de la línea que vamos a
trazar es menor que 1. En nuestro caso particular esto será verdad
en tanto el rango de las amplitudes (las y) es menor que el
correspondiente rango de las frecuencias (las x). La pendiente es
delta x/delta y (dx/dy) de forma que se cumple el criterio usando
este algoritmo como está escrito. El algoritmo puede usarse en otros
octantes mediante transformación. Por ejemplo si la pendiente es
mayor que uno (es decir, más valores de amplitud que valores de
frecuencia) habríamos conmutado x por
y.
y.
En la línea 4 se incrementa la amplitud (y la
frecuencia por implicación) en unidades unitarias. La sentencia
"if" en la línea 4 tendrá en cuenta la deceleración.
La línea 5 calcula la gama de frecuencias que
cubriremos en nuestra etapa. Esto supone que estamos acelerando (es
decir, x2 > x1). Si deceleramos, dx debe ser
x1-x2. Las diferencias dx y dy son siempre
positivas.
La línea 6 calcula la gama de amplitudes.
La línea 7 calcula el denominado error variable.
Este puede ajustarse a "2 * dy" más que "2*dy - dx" para
forzar un incremento inmediato de la amplitud durante el bucle.
Las líneas 8 y 9 son incrementos de las
variables de error.
Las líneas 10 y 11 son inicializaciones del
bucle (líneas 13 a 20).
Las líneas 13 a 20 contienen la esencia del
algoritmo. En cada etapa hay un incremento de la frecuencia (x)
dado que el rango de esa variable es el mayor, sin embargo,
periódicamente a intervalos fijados hay un incremento de amplitud
(y). Esto se basa en la variable de error "d". Si el valor de d
es positivo incrementamos y y añadimos aIncr a d, en otro caso sólo
incrementamos x y añadimos bIncr a d.
Obsérvese que dy siempre será positivo y dx
siempre será positivo PERO dy siempre será menor que dx por lo que
aIncr será negativo y bIncr será positivo. A modo de ejemplo,
supongamos que la pendiente es dy/dx = 1/3. En tal caso aIncr = -2
* bIncr = -4 dy. La variable de error será positiva cada 3ª vez e
incrementará y una vez cada tres incrementos de x.
En el caso donde la gama de los valores de y es
menor que la gama de los valores del x generalmente modificará y en
uno (en más o en menos). En una realización ejemplar, una presión de
salida del gas de 4 cm de H_{2}O corresponde a una frecuencia del
ventilador de alrededor de 148 Hz. Acelerar a 30 cm de H_{2}O
implicaría cambiar la frecuencia del ventilador a alrededor de 380
Hz por lo que se tiene una gama de alrededor de 230 Hz. Las
amplitudes correspondientes (los valores y) van desde 5 ó 6 a
alrededor de 80, de modo que cada 3 Hz incrementará una unidad de
amplitud. Teniendo en cuenta las gamas relativas de los valores de x
e y, la finalidad real del algoritmo de Bresenham es llegar a la
conclusión de la última sentencia, esto es, por cada n saltos en la
frecuencia (x) debe hacer un salto en la amplitud (y). Debemos
remarcar que como variación sobre lo anterior, es posible saltar
dos o más unidades de frecuencia a la vez en tanto que la amplitud
(y) se cambie también a la vez un número igual de unidades. Durante
la deceleración que requiere menos energía que la aceleración se
desea disminuir la velocidad más rápido para mejorar la tarea de la
respiración. En una realización preferida, esto se realiza saltando
dos unidades de frecuencia en cada intervalo de tiempo dado. Esto
normalmente permite alcanzar ritmos de alrededor de 0,75 ms/Hz. A
modo de contraste, durante la aceleración con la misma fuente de
alimentación, se alcanza normalmente un ritmo de alrededor de
1 ms/Hz.
1 ms/Hz.
Este algoritmo sería óptimo por sí mismo si la
relación entre la amplitud y la frecuencia fuera lineal.
Desafortunadamente esta relación no lo es, aunque podemos calibrar
y almacenar una tabla óptima de frecuencia-amplitud.
Usando esta información podremos por tanto proceder en una manera
cuasi lineal o incremental en una realización aproximando la curva
frecuencia-amplitud por una serie de segmentos de
línea como se muestra en la Figura 11. La ventaja de este método es
que E_{sinc} se convierte en un valor mínimo reduciendo por tanto
la posibilidad de des-sincronización para un tamaño
dado de la fuente de alimentación.
Un segundo método de proceder es programar el
microcontrolador para usar una transformación de coordenadas tal
que la amplitud bruta (esencialmente el valor de comparación
mostrado en la Figura 6) se corresponde con una cantidad
linealizada, A prima (A'), la cual tiene sus valores 0 (el valor en
el cual no tiene lugar movimiento del motor) y 100 (el valor en el
cual el estator está excitado al máximo). La relación
amplitud-frecuencia de la Figura 11 se convertiría
entonces en una línea recta y sería posible proceder desde una baja
presión a una alta presión en una sola etapa. En el programa básico
a continuación, se usa un valor del periodo de 8 bits (el cual es
la amplitud bruta). El contador cuenta desde 0 a 64 y de nuevo hacia
abajo como se muestra en la Figura 6 generando pulsos simétricos en
el tiempo. Los valores de comparación se cargan en los registros de
comparación aproximando una onda senoidal de n partes (aquí se
suponen 12). La amplitud máxima transformada (A') de la onda
senoidal se genera por el bucle "j" dado a continuación y es
igual a "j% * stepamp# + offset#". Se resta del periodo una
compensación igual al 5% del periodo total (amplitud bruta), porque
se ha determinado empíricamente que no puede tener lugar movimiento
del rotor sin alguna mínima activación del estator. Este porcentaje
diferirá dependiendo del diseño del motor, peso del rotor, etc. Por
tanto en la realización preferida, A' comprenderá valores de
comparación todos los cuales están asociados con el movimiento del
rotor.
Cuando se realiza esta transformación la
amplitud óptima para cualquier frecuencia dada puede determinarse
de la relación simple.
A' =
Coeficiente de amplitud/Frecuencia -
compensación
El coeficiente de amplitud se determina
encontrando la intensidad mínima a una frecuencia constante (por
ejemplo 320 Hz) bajo una carga constante (es decir, caudal
constante) como se muestra en la Figura 4. Esta será una constante
en todas las altitudes (es decir, densidades de aire) hasta 2.750 m
suponiendo que el caudal se mantiene constante e incluso a pesar de
que la disipación media de energía disminuye al disminuir la
densidad. Cuando aumenta el caudal el coeficiente de amplitud
óptimo aumentará también ligeramente. Consecuentemente debería
elegirse un caudal para la calibración del coeficiente de amplitud
que sea típico para el funcionamiento del dispositivo. Para la
realización preferida este es 45-60 litros por
minuto (l/min) el cual está ligeramente por encima de la fuga
nominal del orificio de purga de 4 mm (las máscaras faciales se
diseñan con un acceso de escape u orificio de purga de modo que
siempre hay algún flujo) y es por tanto aproximadamente el que
produciría un paciente respirando calmadamente. Dado que el flujo
se vigila usando un caudalímetro, el coeficiente de amplitud podría
cambiarse también como una función del caudal pero esto no se
requiere generalmente dado que la variación del coeficiente de
amplitud con la carga es pequeña.
Una vez que se conoce la relación entre A' y la
frecuencia, el método Bresenham puede usarse para cambiar
conveniente y óptimamente desde la primera frecuencia a la segunda
frecuencia con los valores correspondientes de A_{1}' y A_{2}'
permitiendo el dimensionado óptimo de la fuente de alimentación. Un
problema que aún resta es como se determina la amplitud extra (xx).
Se ha encontrado que si la amplitud extra es demasiado pequeña, el
rotor perderá su sincronización durante la aceleración. Esto puede
ocurrir también si la amplitud extra es demasiado grande. Para
determinar cuánta amplitud se necesita, se requiere un análisis de
la intensidad del motor.
El circuito equivalente para un motor de c.a.
síncrono se muestra en la Figura 7. La solución de la ecuación para
la intensidad en este circuito es:
i_{t} =
\sqrt{2}\ I_{t}\ sen(\omega t + \phi_{t}) +
Ae^{-(t/T)}
\newpage
Aquí la constante de tiempo se dará como la
relación entre la inductancia síncrona y la resistencia de la
bobina (L_{s}/R_{1}). Por tanto, si la aceleración inicial es
"lenta" el segundo término puede despreciarse esencialmente y
los efectos transitorios pueden ignorarse. Si la aceleración es
rápida, el segundo término puede ignorarse si la constante de
tiempo es grande o pasa el suficiente tiempo como para que los
transitorios no tengan ya consecuencias. Construir una constante de
tiempo grande puede llevarse a cabo incrementando la fuerza
magnética del rotor a través del uso de imanes de tierras raras y en
segundo lugar incrementando la fuerza del campo eléctrico del
estator. El campo eléctrico puede incrementarse con los aumentos
apropiados de la amplitud (A').
La Figura 12 muestra una oscilación típica de la
intensidad como resultado del proceso de aceleración. La oscilación
es un fenómeno electromecánico, el cual es el resultado de una
perturbación del sistema durante la aceleración que hace que el
campo magnético se adelante momentáneamente a la rotación del rotor
y entonces en consecuencia se retrase la rotación del rotor. La
alternancia entre avances y retrocesos continúa hasta que el rotor
está de nuevo perfectamente síncrono con el campo rotatorio. Para un
diseño de motor dado éste tendrá un periodo particular. El valor de
"xx" se obtiene empíricamente para minimizar la amplitud de la
oscilación que comienza al final de la aceleración y minimizar la
intensidad total durante la aceleración. La Figura 13 muestra una
curva correctamente ajustada en la izquierda mientras que en el
centro muestra el efecto de una amplitud extra excesiva. Una
amplitud extra demasiado pequeña simplemente hace que el sistema no
funcione. La cantidad de amplitud extra es proporcional a la tasa
de aceleración y a la frecuencia. Consecuentemente se definen una
multiplicidad de constantes tales que:
A' adicional
("xx") = frecuencia/constante de
aceleración
Con altas tasas de aceleración (por ejemplo, 1
ms/Hz) una constante de aceleración típica es 12. A menores tasas
de aceleración (por ejemplo, 1,25 a 2,50 ms/Hz) una constante de
aceleración típica es 15. A las menores tasas de aceleración (por
ejemplo, 4 ms/Hz) una constante de aceleración típica es 38. Estas
constantes de aceleración ajustadas se almacenan en una tabla
indexada por la tasa de aceleración. Esta tabla es accedida como
parte del proceso de aceleración como se describirá más
adelante.
Debería remarcarse que la oscilación de la
Figura 12 puede minimizarse también por un control de
retroalimentación de la intensidad. La intensidad media de los tres
devanados se filtra y escala de forma que una unidad de corriente
en el A/D es equivalente a dos unidades de amplitud o, dicho de otra
manera, un aumento de una unidad en la amplitud da como resultado
aproximadamente un medio de unidad de intensidad. Esto representa
una ganancia proporcional del 50% en el circuito de control de
retroalimentación donde la amplitud se usa para minimizar la
intensidad. Consecuentemente, como se muestra en la Figura 17, un
esquema de retroalimentación actual puede utilizarse
preferentemente por la interrupción de prioridad más alta para
reducir la cantidad de oscilación durante una aceleración, control
de presión y/o proceso de desaceleración. Con referencia a la Figura
17 en 102, la rutina ilustrada es llamada a un ritmo doce veces la
frecuencia del motor para producir una onda senoidal consistente en
doce partes; sin embargo, pueden utilizarse otros múltiplos de la
frecuencia. En 104 se realiza una determinación de si la llamada es
impar o par. Durante cada llamada par recargamos la amplitud más una
compensación de la amplitud como se indica en 106 y se actualizan
los registros de comparación con el siguiente componente de la onda
senoidal en 12 partes como se indica en 108. Durante cada llamada
impar se lee el canal de intensidad del A/D como se indica en 110 y
se realiza una comprobación en 112 para ver si la intensidad está
por encima del límite especificado durante un periodo de tiempo
especificado. Si es así, desconectaremos el motor y los
dispositivos periféricos como se indica en 114 y se vuelve en 116 a
la rutina de llamada. Si no es así, se actualizan los registros de
comparación con el siguiente componente de la onda senoidal en 12
partes en 118 y se calcula una nueva compensación de la amplitud
como la diferencia entre el valor de intensidad presente y el
último valor de intensidad en 120. Esta compensación de la amplitud
se limita a un valor seleccionado en 122. Entonces la intensidad
antigua se ajusta a la intensidad presente en 124 y retornamos como
se indica en 116.
La otra implicación de la oscilación mostrada en
la Figura 12 es que es preferible espaciar los ajustes de velocidad
en alguna cantidad mínima para permitir que decaigan las
perturbaciones de intensidad. Generalmente los cambios de velocidad
se deben bien a la detección de respiración (inhalación o
exhalación) y/o bien a ajustes en la retroalimentación de la
presión. Las detecciones de respiración producen cambios de la
velocidad con las máximas tasas de aceleración y deceleración (por
ejemplo, alrededor de 1 ms/Hz) de manera poco frecuente mientras
que los ajustes en la retroalimentación de la presión cambian la
velocidad a ritmos moderados (por ejemplo, alrededor de 4 ms/Hz) si
bien es cierto que más frecuentemente. Al acelerar a un ritmo
rápido, se añade una amplitud adicional (A') para hacer que el
ventilador siga el cambio de velocidad. Consecuentemente un
espaciado de alrededor de 20-40 ms es adecuado. Los
ajustes en la retroalimentación de la presión añaden menos amplitud
y también las frecuencias en cantidades más pequeñas.
Consecuentemente se añade un A' adicional. Un espaciado alrededor
de 60-100 ms es por tanto adecuado.
La Figura 13 también muestra la proporción de la
curva de tiempo de la intensidad atribuible al proceso de
deceleración. Es útil una modificación de los circuitos y se
requiere una modificación del programa para manejar la
deceleración. Con relación a los circuitos, el secundario de la
fuente de alimentación conmutada 26 (Figura 1) tiene
preferiblemente dos tomas de tensión. Una proporciona 12 V
necesarios para el funcionamiento del procesador y circuitos
analógicos. El otro proporciona 27,5 V necesarios para impulsar el
motor del ventilador. La fuente de alimentación regula sólo la
alimentación de 27,5 V. La alimentación de 12 V depende del
funcionamiento continuo de la alimentación de 27,5 V. Si la
alimentación de 27,5 V desaparece también lo hará la alimentación
de 12 V. Durante la deceleración el motor actúa como un generador e
intenta aumentar la tensión de 27,5 V. Normalmente esto hará que el
regulador de conmutación se detenga, dando como resultado una
pérdida de la alimentación de 12 V. Para impedir esto, puede
añadirse un circuito de sujeción 200 (Figura 14) que detecta la
tensión del motor y deriva el exceso a tierra. Esta modificación
permite el funcionamiento del esquema de deceleración con una
fuente alimentación conmutada de múltiples salidas. Durante el
funcionamiento, se suministra tensión al circuito del motor a
través del fusible 202 y el diodo 204. Durante el periodo de
deceleración, el motor crea una tensión excesiva en el ánodo del
diodo 204 haciendo que se polarice inversamente. Como la
polarización inversa alcanza aproximadamente 3 voltios, el
transistor 206 comenzará a conducir intensidad a través de la
matriz de resistencias 208. La matriz de resistencia 208 se
calentará, disipando así la energía creada por la deceleración del
motor.
Con respecto al programa, se resta una amplitud
de la amplitud nominal al comienzo de la deceleración (el parámetro
de frenado). Un valor correctamente ajustado da como resultado una
curva de intensidad de aspecto cuadrático al final de la
deceleración cuando se restablece la amplitud nominal (curva más a
la izquierda en la Figura 13). Si se quita una amplitud
insuficiente, la intensidad produce un pico al final de la
deceleración (curva más a la derecha en la Figura 13). Si este pico
es suficientemente grande puede hacer que el motor se
des-sincronice. De nuevo la cantidad de amplitud que
se necesita quitar depende de la velocidad. Con la tasa de
deceleración más alta (por ejemplo, 3/4 ms/Hz) deben quitarse 27
unidades A'. A menores tasas de deceleración (por ejemplo, 4 ms/Hz)
sólo deben quitarse 6 unidades A'. Una tabla de estos parámetros de
frenado ajustados indexada por la tasa de deceleración puede
almacenarse y puede accederse a ella desde el microprocesador
durante los procesos de cambio de velocidad.
Durante el proceso de aceleración o
deceleración, hay una probabilidad finita de que el rotor llegue a
des-sincronizarse con la velocidad de rotación del
campo. Esto puede suceder debido a una brusca irrupción de aire (por
ejemplo un estornudo) que aumenta dramáticamente la resistencia del
rotor y/o una obstrucción mecánica que impide la rotación. En la
realización preferida es deseable detectar tal condición, parar el
motor e intentar un re-arranque. Para llevar a cabo
esto, tanto la intensidad del motor como la tensión de las fuentes
de alimentación se digitalizan. Si tiene lugar una
des-sincronización, la intensidad del motor
aumentará dramáticamente. Si permanece por encima del nivel máximo
ajustable (ver Figura 17 en 112) durante más de un número ajustable
de conversiones del motor, el ventilador de refrigeración y la
iluminación del LCD se apagarán (ver Figura 17 en 114).
Similarmente si la tensión de la fuente de alimentación cae por
debajo del nivel ajustable, el motor y los dispositivos accesorios
se desconectan también. Finalmente si la intensidad detectada es
mayor que la amplitud (para un sistema con una ganancia del 50%
esto significa que la intensidad es doble de la que sería
normalmente) durante un periodo de tiempo medible, entonces también
desconectaremos la unidad. Esta última regla es útil para las
frecuencias más bajas donde la intensidad no puede exceder el valor
máximo ajustable pero donde tras una
des-sincronización la intensidad es aún demasiado
alta y podría causar un daño en el estator si el motor no es
desconectado.
Las Figuras 15 y 16 muestran en forma de
diagrama un proceso paso a paso por el cual puede realizarse la
invención. Cuando se requiere un cambio de velocidad en 302 se
realiza una decisión en 304 de si la petición constituye una
aceleración o una deceleración. Si se elige una aceleración entonces
se elige una constante de aceleración del tipo descrito
anteriormente de una tabla que está indexada por la tasa de
aceleración en 306. Usando esta constante, se calculan la pre
amplitud y la amplitud objeto en 308 y 310, respectivamente,
basándose en la velocidad actual y en la velocidad objeto (es decir
la frecuencia). Además se calcula una amplitud final en 312
basándose en la velocidad objeto en estado estable (es decir tras
haberse completado la aceleración). A partir de las velocidades
actual y objeto y de la pre amplitud y amplitud objeto, pueden
calcularse los coeficientes de Bresenham aIncr, bIncr, y "d"
como se indica en 314. En este punto se inicia el cambio de la
velocidad fijando un indicador en 316 el cual se lee en una de las
interrupciones del temporizador más rápidas. Similarmente si se
elige deceleración, se lee un parámetro de frenado adecuado de una
tabla que está indexada por la tasa de deceleración como se indica
en 318. Entonces pueden calcularse la pre amplitud y la amplitud
objeto usando este parámetro de frenado. Y entonces pueden
calcularse la amplitud final y los coeficientes de Bresenham como
en el caso anterior.
Haciendo referencia ahora a la Figura 16, una
vez que se ha fijado el marcador indicando un cambio de velocidad,
la interrupción del temporizador principal comienza ajustando la
velocidad y la amplitud simultáneamente como se indica en 324. Si
se toma en 326 la decisión de cambiar la velocidad, se realiza una
decisión en 328 de si d (esencialmente el número de ajustes en la
dirección y realizados por cada ajuste en la dirección x) es mayor
que cero. Si es así se añade aIncr a d en 330 y entonces la amplitud
se ajusta en 332 ó 334 dependiendo de si se ha solicitado una
aceleración o una deceleración en 336. Si d no es mayor que cero, se
añade bIncr a d en 328 hasta que llega a ser mayor que cero. En
cada iteración se ajusta la frecuencia en dy unidades hacia arriba
o hacia abajo dependiendo de si está teniendo lugar una aceleración
o una deceleración; el ritmo de interrupción del temporizador que
controla la generación de la onda senoidal por los PAMSP se ajusta
en 340. En este punto retorna la interrupción como se indica en
342. Si no se ha solicitado un cambio de velocidad entonces se
pregunta en 344 si la amplitud es igual a la amplitud final. Si no,
la amplitud se disminuye en 346 hasta que iguala la amplitud final.
Esta es la rama final del proceso de aceleración mostrado en la
Figura 10.
Mientras que se han descrito anteriormente en
detalle las realizaciones preferidas de la invención, la invención
no está dirigida a limitarse a las realizaciones que se han
descrito. Aquellos expertos en las técnicas pueden realizar
numerosos usos y modificaciones y separaciones de las realizaciones
específicas aquí descritas sin separarse de los conceptos de la
invención. Por ejemplo, aunque que la invención se ha descrito en
conexión con el tratamiento de la apnea del sueño, se entenderá que
la invención puede usarse en conexión con cualquier tipo de terapia
respiratoria, donde por "terapia respiratoria" se quiere
indicar cualquier aplicación en la que es deseable entregar un gas
de respiración a un usuario. Aunque el ventilador y los circuitos de
control del ventilador están preferiblemente contenidos dentro de
una única unidad de generación de flujo de gas, se entenderá que
pueden estas contenidos dentro de unidades separadas que se
comunican a través de una conexión externa. También se entenderá
que pueden situarse varios filtros en la entrada del gas y/o la
entrada del gas o en cualquier otra situación en el generador de
flujo de gas o el circuito del paciente. Además del control del
motor, el microcontrolador puede usarse para análisis de presión,
compensación de fugas, y otras funciones relacionadas con el
suministro de un gas de respiración a un usuario. Preferiblemente,
el generador de flujo de gas incluye un visualizador 42 y controles
44 que permiten a un operario vigilar las condiciones y ajustes del
aparato incluyendo, por ejemplo, la presión de salida, exceso de
fugas, volumen de oscilación, y flujo de pico. Si se desea, el
generador de flujo de gas puede incluir un puerto de comunicación
que permita conectar el sistema con un ordenador externo para la
visualización y/o control del generador de flujo de gas de forma
remota. El término "microcontrolador" se usa aquí genéricamente
para referirse a cualquier microprocesador adecuado, circuito
integrado, ordenador, o circuito capaz de introducir y obtener
señales y realizar las funciones de control del motor del tipo aquí
descrito. Los términos "memoria de programa", "memoria" y
"almacenamiento de datos" se usan genéricamente aquí para
referirse a cualquier tipo de dispositivo electrónico de
almacenamiento de datos incluyendo, a modo de ejemplo, memoria de
sólo de lectura (ROM), memoria de sólo lectura programable (PROM),
memoria de acceso aleatorio (RAM), dispositivos de almacenamiento
magnético, y dispositivos de almacenamiento óptico.
Claims (13)
1. Un aparato para el suministro de un gas de
respiración a un usuario que comprende
- un ventilador (22) que tiene un motor y un
impulsor girado por el motor para suministrar un gas de respiración
a un usuario y un sistema de control del ventilador (24) que
proporciona una señal de control de motor al motor,
caracterizado
porque
- el motor es un motor de corriente alterna
(c.a.) y la señal de control del motor tiene frecuencia y amplitud
variables, en el que la frecuencia y la amplitud de la señal de
control del motor se ajustan periódicamente por el sistema de
control del ventilador (24) para hacer que el funcionamiento del
motor de corriente alterna permute entre el modo de inhalación por
el que el impulsor es girado a una primera velocidad generando una
presión positiva de inhalación en las vías respiratorias y el modo
de exhalación por el que el impulsor es girado a una segunda
velocidad, diferente de la primera velocidad, generando una presión
positiva de exhalación en las vías respiratorias.
2. El aparato de la reivindicación 1,
caracterizado porque el sistema de control del ventilador
(24) incluye un microcontrolador (32) y la señal de control del
motor es una señal de pulsos de anchura modulada generada por el
microcontrolador (32).
3. El aparato de la reivindicación 2,
caracterizado porque la señal de pulsos de anchura modulada
tiene un ciclo de trabajo senoidalmente ponderado.
4. El aparato de la reivindicación 3,
caracterizado porque el microcontrolador (32) incluye una
unidad de comparación (34) con un temporizador y una variedad de
registros de comparación, y en el que la señal de pulsos de anchura
modulada senoidalmente ponderados se crea basándose en la
comparación de un valor del temporizador con un valor del registro
de comparación.
5. El aparato de la reivindicación 4,
caracterizado porque el sistema de control del ventilador
(24) incluye una memoria (36) programada para contener una tabla de
valores del registro de comparación senoidalmente ponderados.
6. El aparato de la reivindicación 4,
caracterizado porque el temporizador de comparación tiene un
ritmo de interrupciones variable definiendo una frecuencia de la
señal de pulsos de anchura modulada.
7. El aparato de la reivindicación 2,
caracterizado porque comprende adicionalmente un detector de
caudal (28) que genera una señal de caudal que varía en respuesta a
la inhalación y exhalación de un usuario, y un circuito de disparo
(30) que proporciona una señal de disparo al microcontrolador (32)
en respuesta a la señal de caudal, el microcontrolador (32) ajusta
la frecuencia y la amplitud de la señal de control del motor para
conmutar entre los modos de inhalación y exhalación en respuesta a
la señal de disparo.
8. El aparato de la reivindicación 2,
caracterizado porque el microcontrolador (32) incluye una
memoria (36) programada para contener valores de amplitud mínima
para un conjunto de frecuencias correspondientes a presiones de gas
específicas, y en el que el microcontrolador (32) recupera el valor
de amplitud almacenado en la memoria cuando conmuta de una
frecuencia a otra.
9. El aparato de la reivindicación 2,
caracterizado porque el sistema de control del ventilador
(24) cambia la frecuencia y amplitud de la señal de control del
motor ajustando la frecuencia en incrementos unitarios en cada
ciclo de reloj y ajusta la amplitud en incrementos unitarios en
intervalos regulares basándose en la pendiente de la frecuencia en
relación con la amplitud.
10. El aparato de la reivindicación 2,
caracterizado porque el sistema de control del ventilador
(24) cambia la frecuencia y la amplitud de la señal de control del
motor usando un algoritmo de Bresenham.
11. El aparato de la reivindicación 1,
caracterizado porque una primera frecuencia y amplitud de la
señal de control del motor hace que el ventilador (22) funcione a
una primera velocidad y una segunda frecuencia y amplitud de la
señal de control del motor hace que el ventilador (22) funcione a
una segunda velocidad, en donde la primera velocidad es más baja
que la segunda velocidad, y en el que el sistema de control del
ventilador (24) aumenta la velocidad del ventilador de la primera
velocidad a la segunda velocidad añadiendo una amplitud en exceso a
la señal de control del motor, aumentando la frecuencia y la
amplitud de la señal basándose en la diferencia entre el primero y
el segundo conjuntos de frecuencia y amplitud, y quitando el exceso
de amplitud.
12. El aparato de la reivindicación 11,
caracterizado porque el exceso de amplitud es igual a la
relación de la segunda frecuencia con una constante de
aceleración.
13. El aparato de la reivindicación 12, en el
que el sistema de control del ventilador (24) incluye una memoria
(24) programada para contener las constantes de aceleración para
varias frecuencias.
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