KR20100101080A - 호흡기 가습 시스템 - Google Patents

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월터 에이. 니콜스
크리스토퍼 에스. 터커
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필립 모리스 유에스에이 인크.
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Abstract

호흡기 가습 시스템(10)은 환기장치(80)와 연결된 캐필러리 통로(52), 공기 스트림을 전달하도록 채택되는 환기장치, 캐펄러리 통로 내에서 물을 적어도 부분적으로 증발시키도록 작동 가능한 히터, 캐필러리 통로로 물을 공급하도록 채택되는 펌프 유닛(40)을 구비하고, 여기서 가열시 물은 에어로졸 스트림을 형성하기 위해 적어도 부분적으로 증발된다. 에어로졸 스트림은 습도가 높은 공기 스트림을 형성하기 위해 공기 스트림과 조합된다.

Description

호흡기 가습 시스템{RESPIRATORY HUMIDIFICATION SYSTEM}
본 발명은 가정용 또는 병원용으로 습기를 제공하는 가습 시스템 관한 것으로, 보다 상세하게는 캐필러리 통로를 통해 공급된 물의 흐름속도에 기초하여 상대 습도를 제어하는 가습 시스템에 관한 것이다.
지속적 기도 양압(continuous positive airway pressure: CPAP) 환기장치(ventilator)를 구비한 전형적인 가정용 또는 병원용 가습 시스템은 보통 호흡기 튜브 내의 응축을 경험한다. 결과적으로, 가습 시스템은 환자로부터 떨어져 응축하는 것의 방향을 고치기 위한, 그리고 그것을 호흡기 튜브 밖으로 배수하기 위한 수단들을 요구한다. 더욱이, 이러한 응축과 관련된 손실들은 물 저장소가 더 빈번하게 가득 차는 것을 요구한다.
더욱이, 전형적인 패스오버(passover) 가습 시스템들은 공기(air) 또는 가스(gas) 스트림(stream)을 큰 표면 영역 또는 가열된 물의 부피에 접촉시킴으로써, 그것을 가습하는 것에 의존한다. 그러나, 이러한 패스오버 가습 시스템들의 동적인 응답 시간은 전형적으로 느리다. 특히 그것들은 흐름속도(flow rate) 내의 쉬프트(shifts)들과 함께 상대 습도(relative humidity: RH)를 변화시키는 것이 느리다.
따라서, 높은 흐름속도(예컨대, 50 liters/min 이상의 흐름속도)를 갖는 환기장치 공기 스트림에 100% 이상의 상대 습도(RH)를 제공하기 위해 가열된 캐필러리(capillary) 통로를 이용함으로써 이러한 부족을 극복할 수 있는 가습 시스템을 구비하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 더욱이, 캐필러리 통로를 통해 공급된 물의 흐름속도에 기초하여 주위의 RH로부터 100% RH까지 상대 습도를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명은 기존의 가습 시스템의 상기한 문제를 해결할 수 있는 호흡기 가습 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시예에 따르면, 호흡기 가습 시스템은 공기 스트림(air stream)을 전달하도록 채택되는 환기장치와 연결된 캐필러리 통로(capillary passage); 캐필러리 통로 내에 물을 적어도 일부분 증발시키기 위해 작동 가능한 히터; 습도가 높은 공기 스트림(humidified air stream)을 형성하기 위해, 가열시에 공기 스트림을 조합하는 에어로졸 스트림(aerosol stream)을 형성하도록 적어도 일부분 증발되는 물을 캐필러리 통로로 공급하도록 채택되는 펌프 유닛(pumping unit); 온-오프 스위치를 구비하고, 프로그래밍됨에 따라, 스위치가 온(on)일 때 가열된 상태로 캐필러리를 유지시키고 펌프를 연속적으로 작동하도록 구성된 콘트롤러(controller); 및 펌프 유닛의 연속적인 작동을 수용하는 물 재순환 배열(water recirculation arrangement);을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 호흡기 가습 시스템은 에어로졸 스트림을 형성하기 위해 가열된 캐필러리 통로(heated capillary passage) 내에서 적어도 일부분 증발된, 가압수(pressurized water) 공급기로부터 공급된 물을 받도록 채택되는 가열된 캐필러리 통로; 캐필러리 통로로 가압수를 공급하도록 채택되는 펌프 유닛; 가압수에서 미네랄을 제거하기 위해 작동 가능한 필터; 및 습도가 높은 공기 스트림을 형성하기 위해 공기 스트림과 조합되는 에어로졸 스트림을 전달하기 위해 채택되는 환기장치;를 포함하되, 가열된 캐필러리 통로는, 캐필러리 통로 내의 가압수가 그 안에 가압수의 적어도 일부분을 휘발시키기 위해 가열될 때, 에어로졸을 형성하기 위해 채택되는 캐필러리 통로; 및 캐필러리 통로 내의 물을 적어도 부분적으로 증발된 상태로 가열시키도록 배열된 히터;를 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 미네랄 라덴 물(mineral laden water)과 함께 작동시킬 수 있는 향상된 능력을 갖는 호흡기 가습 시스템은 작동 온도가 120℃와 130℃ 사이의 범위이고, 공기 스트림을 전달하기 위해 채택되는 환기장치와 연결된, 코팅된 캐필러리 통로; 캐필러리 통로 내에 물을 적어도 일부분 증발시키도록 작동 가능한 히터; 습도가 높은 공기 스트림을 형성하기 위해 가열시에 공기 스트림을 조합하는 에어로졸 스트림을 형성하도록 적어도 일부분 증발되는 물을 캐필러리 통로로 공급하도록 채택되는 펌프 유닛;을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 습도가 높은 공기 스트림을 전달하는 방법은 약 70kPa 내지 560kPa (10 내지 80psig(pound-force per square inch guage))의 압력과 약 0.25㎤/min 과 2.2㎤/min 사이의 흐름속도에서 물을 캐필러리 통로로 공급하는 단계; 에어로졸 스트림을 형성하기 위해 캐필러리 통로 내에서 물의 적어도 일부분을 증발시키는 단계; 환기장치로부터 공기 스트림을 공급하는 단계; 습도가 높은 공기 스트림을 형성하기 위해 에어로졸 스트림과 공기 스트림을 조합하는 단계; 및 습도가 높은 공기 스트림을 배출하는 단계;를 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 호흡기 가습 시스템의 다이어그램,
도 2는 일 실시예에 따른 캐필러리 튜브 형태의 에어로졸 발생기의 단면도,
도 3은 라인 3-3에 따라 도 2의 에어로졸 발생기의 단면도,
도 4a는 일 실시예에 따른 가열 요소 및 가열된 캐필러리 튜브의 단면도,
도 4b는 다른 실시예에 따른 가열 요소 및 가열된 캐필러리 튜브의 단면도,
도 5는 다른 실시예에 따른 라미나 구조 형태의 캐필러리 유닛의 단면도,
도 6은 일 실시예에 따른 가습 시스템의 사시도,
도 7은 제어 시스템을 도시한 도 6에 도시된 바와 같은 가습 시스템의 단면도,
도 8은 가압수 공급기를 도시한 도 6에 도시된 바와 같은 가습 시스템의 단면도,
도 9는 0.19mm(0.0073 인치)의 내부 직경과 33mm(1.3 인치)의 길이를 갖는 가열된 캐필러리 튜브에 대한 전력(watts) 대비 흐름속도(㎕/sec)의 결과 및 결과로서 생기는 에어로졸의 질을 도시한 표,
도 10은 0.12mm (0.0048 인치)의 내부 직경과 33mm (1.3 인치)의 길이를 갖는 가열된 캐필러리 튜브에 대한 전력(watts) 대비 흐름속도(㎕/sec)의 결과 및 결과로서 생기는 에어로졸의 질을 도시한 표,
도 11은 약 0.12mm (0.0048인치(K32EG))의 내부 직경, 0.080mm (0.00314 인치)의 캐필러리의 하류 종단 상의 개구, 약 33mm (1.3 인치)의 길이를 갖는 가열된 캐필러리 튜브에 대한 전력(watts) 대비 흐름속도(㎕/sec)의 결과 및 결과로서 생기는 에어로졸의 질을 도시한 표,
도 12는 0.19mm (0.0073 인치)의 내부 직경과 33mm (1.3 인치)의 길이를 갖는 가열된 캐필러리 튜브에 대한 전력(watts) 대비 흐름속도(㎕/sec)의 결과 및 결과로서 생기는 에어로졸의 질(상대 습도)을 도시한 표,
도 13은 캐필러리 통로를 떠나는 에어로졸 스트림 내의 에어로졸의 입자 사이즈를 도시한 표이다.
이하, 예시 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 각 실시예를 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 가습 시스템(10)은 기존의 분야의 상기한 부족들을 극복한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 호흡기 가습 시스템(10)은 온/오프 스위치(14)를 갖는 콘트롤러(12), 액체 공급기(liquid supply: 20), 필터 어셈블리(filter assembly: 30)(또는 필터), 펌프 유닛(40), 가열된 캐필러리 통로(52)(예컨대, 캐필러리)를 갖는 캐필러리 유닛(50), 및 공기 스트림(82)을 전달하기 위해 채택되는 환기장치(80)를 포함한다.
액체 공급기(20)는 가열된 캐필러리 통로(52)와 함께 휘발되어질 수 있는 액상(liquid phase) 내의 적합한 유체 또는 액체 재료(24)(예컨대, 물)를 담아 놓는 저장소(22)를 포함한다. 선행된 일 실시예에 있어서, 액체 공급기(20)는 물(H20)을 전달한다; 그러나, 다른 적합한 액체 재료들이 이용될 수도 있다. 물(24)은 펌프 유닛(40)을 매개로 캐필러리 유닛(50)에 공급된다. 펌프 유닛(40)은 바람직하게는 약 0.25cc/min과 약 2.2cc/min 사이의 범위의 일정한 흐름속도에서 캐필러리 유닛(50)에 물을 전달한다. 원한다면, 물(24)은 유체 또는 캐필러리 통로(52)로 물(24)의 전달을 촉진시키기 위해 대기압보다 높은 압력에서 저장소(22)에 저장될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 물(24)은 휘발되어질 물(24)을 담아 놓기 적합한 재료로 형성된 저장소(22) 또는 리필가능한(refillable) 저장 챔버 내에 저장된다. 선택적으로, 물(24)은 처분가능한 저장 챔버 또는 (살균된 및/또는 증류된 물의 자루와 같은)저장소(22)에 저장되고, 챔버 또는 저장소는 물(24)이 고갈될 시, 새로운 저장 챔버 또는 저장소(22)에 의해 대체되거나 버려질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 또한 물(24)로부터 미네랄(minerals)들을 제거하기 위해 채택되는 필터 어셈블리(30)를 포함한다. 가압수 라인들을 포함하는 급수기 내의 미네랄 침전물들의 존재가 캐필러리 통로(52) 내의 열전달을 막을 수 있고, 시스템(10)의 좋지 않은 수행을 야기시킬 수 있다는 것은 인식될 수 있다. 더욱이, 전형적인 수돗물은 종종 캐필러리 통로(52)(예컨대, 캐필러리 유닛(50) 내의 캐필러리 튜브(60)) 내에 미내랄 침전물들을 남길 것이고, 이러한 침전물들은 캐필러리 통로(52)의 패쇄를 야기할 수 있다.
필터 어셈블리(30)는 필터 어셈블리(30)에 의해 초래된 압력 강하에 의존하여 펌프 유닛(40)의 상류 또는 하류 중 하나의 방향으로 흐르게 위치할 수 있다. 선행된 실시예에 있어서, 필터 또는 필터 어셈블리(30)가 펌프 유닛(40)의 상류쪽에 위치함에 따라, 물(24)은 펌프 유닛(40)이 물(24)을 캐필러리 유닛(50)으로 펌프로 푸기 전에 여과된다. 일 실시예에 있어서, 필터 어셈블리 또는 필터(30)는 이온교환 수지 필터(ion-exchange resin filter)이고, 이는 물(24)로부터 미네랄 침전물들을 제거한다.
펌프 유닛(40)은 저장소(22)로부터 물(24)을 받고 캐필러리 유닛(50) 내의 가열된 캐필러리 통로(52)(또는 유체 통로)로 물(24)을 펌프로 푸고, 여기서 물(24)은 에어로졸 스트림(83)으로 적어도 일부분 증발된다. 펌프 유닛(40)은 연동식 펌프(peristaltic pump), 기어 펌프(gear pump), 또는 피스톤 펌프(piston pump)와 같은, 캐필러리 유닛(50)에 적당한 압력과 정배수 미터링(positive metering)을 공급할 수 있는 어느 적합한 펌프 장치일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 연동식 펌프가, 적셔진 통로가 대체가능한 튜브로 구성되어 있기 때문에 선호된다.
일 실시예에 따르면, 펌프 유닛(40)은 가열된 캐필러리 통로(52)로 약 0.25㎤/min과 약 2.22㎤/min(분당 큐빅 센티미터) 사이의 범위를 갖는 일정한 흐름속도에서, 약 10 내지 80 psig(pound-force per square inch gauge)의 가압수(24)를 전달한다. 환기장치(80)는 바람직하게는 습도가 높은 공기 스트림(84)을 형성하기 위해 캐필러리 통로(52)로부터 에어로졸 스트림(83)과 조합되는 공기 스트림(82)을 전달한다. 그리고는 습도가 높은 공기 스트림(또는 습도가 높은 가스 스트림: 84)은 환자 인터페이스 장치(92)를 통해 방출된다.
실시예에 따르면, 시스템(10) 내의 캐필러리 유닛(50)은 환기장치(80)의 공기 스트림(82)(예컨대, 50liters/min 이상)과 비말동반(entrained)되는 10 미크론보다 작은, 바람직하게는 약 1 내지 2 미크론의 입자 사이즈를 갖는 물방울들의 에어로졸 스트림(83)을 발생시킨다. 에어로졸 스트림(83) 내의 물방울들은 습도가 높은 공기 스트림(84)을 만들기 위해 공기 스트림(82) 내에서 증발한다. 일 실시예에 따르면, 캐필러리 통로(52)로부터의 에어로졸 스트림(83)은 환기장치(80)로부터 공기 스트림(82)에 관하여 동축의(coaxial) 관계로 향하게 된다.
열용량이 캐필러리 유닛(50)에 의해 생산된 에어로졸 입자들(51)의 증발을 도울 경우, 도 1에 도시된 것처럼 시스템(10)은 높은 공기 흐름속도(예컨대, 50 liters/min 이상)를 갖는다는 것은 인식될 수 있다. 결론적으로, 가습 시스템(10)은 긴 작동 시간동안 아주 조금 응축한다. 더욱이, 낮은 응축률은 또한 시스템 내의 캐필러리 유닛(50)의 위치와 관련하여 디자인 유연성을 갖는 시스템(10)을 제공한다. 예컨대, 원한다면, 캐필러리 유닛(50)은 환자에 근접할 수 있고, 또는 선택적으로 제어 회로(control circuit: 240, 도 7 참조)를 포함하는 지원 전자부(support electronics)와 펌프 유닛(40)을 갖추어 이루어진 베이스 유닛(base unit: 200, 도 6~8 참조)의 주요 몸체(main body) 내에 통합될 수 있다.
캐필러리 유닛(50)은 가열된 유체 통로 또는 물을 적어도 일부분 증발시킬 수 있는 캐필러리 통로(52)를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 캐필러리 유닛(50)은 입구 종단(inlet end: 54), 배출구 종단(outlet end: 56), 및 가열 시스템(heating system: 58)(도 4a 및 4b 참조)을 갖는 캐필러리 튜브(60)를 포함한다. 가열 시스템(58)은 납땜 또는 용접과 같은 알려진 수단들에 의해 캐필러리 튜브(60)에 연결된 적어도 하나의 상류 전극(upstream electrode: 72)과 하류 전극(downstream electrode: 74)로 구성된 한 쌍의 전극들(72, 74)(또는 컨택트들(contacts))일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 물(24)은 전극들(72, 74)의 쌍 사이의 가열된 단면(heated section: 73)(도 4a 및 4b 참조)으로 캐필러리 튜브(60)를 통해 흐르고, 여기서, 유체는 가열되고 수증기 또는 에어로졸 스트림(83)으로 변환된다. 에어로졸 스트림(83)은 캐필러리 튜브(60)의 가열된 단면(73)으로부터 캐필러리 튜브(60)의 종단으로 통과하고 캐필러리 튜브(60)의 배출구 종단(56)으로부터 배출된다. 에어로졸 스트림(83)의 형태로 휘발된 유체는 캐필러리 튜브(60)로부터 배출되고 공기 스트림(84)을 형성하기 위해 환기장치(80)로부터 나온 공기 스트림(82)과 조합되며, 습도가 높은 공기 스트림(84)은 가까운 공간 내에 습도 수준 유지 또는 환자, 동물 또는 식물에게로의 전달과 같은 목적을 위해 방출된다.
캐필러리 유닛(50)은 환기장치(80)로부터 나온 공기 스트림(82)과 인터페이스로 접속하는 하우징(housing: 90) 내에 포함될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 공기 스트림(82)은 바람직하게는 약 10 liters/min 내지 70 liters/min(LPM)에서 전달되고, 더 바람직하게는 약 5 liters/min 내지 50 liters/min(LPM)에서 전달된다. 호흡(breathing) 가스 또는 공기 스트림(82)이 환자에게 전달되는 것을 제어하기 위해, 환기장치(80)는 환기장치 지지체의 공급 및 공기 스트림(82)의 환자에게로의 공급을 제어하기 위한 프로세싱 시스템과 효율적으로 연결된 적어도 하나의 선택가능한 환기장치 세팅 제어를 포함한다.
시스템(10)은 또한 가까운 공간 내에 습도 수준 유지 또는 환자, 동물 또는 식물에게로의 전달과 같은 목적을 위해 바람직하게는 CPAP 어댑터 또는 다른 적합한 환자 인터페이스 장치(92)를 포함한다. 공기 스트림(82)이 원하는 공기흐름(airflow)을 얻기 위해 적합한 밸브 배열과 함께 압축된 공기의 탱크와 같은, 가압 공기 소스(pressurized air source) 또는 병원-압축 공기 호스(hospital-compressed airline)로부터 나올 수 있다는 것은 인식될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 호흡기 튜브 또는 흐름 튜브(flow tube: 94)는 하우징(90)의 배출구(91)와 연결된 입구(96)를 갖는다. 호흡기 튜브 또는 흐름 튜브(94)는 또한 환자 인터페이스 장치(92)와 연결된 배출구(98)를 갖는다. 호흡기 튜브 또는 흐름 튜브(94)가 바람직하게는 하우징(90)으로부터 CPAP 어댑터, 비음 고정기(nasal prongs), 마스크(mask), 마우스피스(mouthpiece) 또는 다른 적합한 환자 인터페이스 장치(92)까지 뻗어있는 약 2 내지 6 피트(feet)의 길이를 갖는다는 것은 인식될 수 있다.
프로그래밍 가능한 자동 콘트롤러(programmable automation controller: PAC)(도시되지 않음)는 바람직하게는 캐필러리 통로(52)를 포함하는 캐필러리 유닛(50)의 가열과 마찬가지로, 펌프유닛(40)을 제어한다. 콘트롤러는 내셔널 인스트루먼트(National Instruments)에 의해 팔리는 컴팩트리오(CompactRIO®)과 같은 PAC 또는 어느 적합한 마이크로 프로세서일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전극들(72, 74)(도 4a 및 4b 참조)에 전력을 제어하기 위한 알고리즘을 포함하는 시스템(10)의 제어는 여기에 전체로서 통합된 명세서 미국 6 640 050 및 6 772 757 발명에서 공개된 것과 같이, 캐필러리 통로(52)의 저항 또는 온도의 감시(monitoring)에 기초할 수 있다.
사용시에, 시스템(10)은 가열된 물(24)(즉, 가압수)의 작은 질량과 캐필러리 통로(52)를 포함하는 캐필러리 유닛(50)의 낮은 질량의 결과와 같이 상대 습도(RH)의 변화에 반응한다. 더욱이, 캐필러리 유닛(50)으로 흐르는 물(24)의 흐름속도를 조절 또는 변화시키기 위한 펌프 유닛(40)의 능력이 수 밀리 세컨드 내에 습도가 높은 공기 스트림(84)의 상대 습도(RH)를 변화 또는 쉬프트할 수 있는 능력을 가진 시스템을 제공한다. 따라서, 환자의 공기흐름을 측정함으로써, 시스템(10)은 펌프 유닛(40)으로부터 액체 재료(24)(즉, 물)의 흐름속도를 단순히 변화시킴에 의해 원하는 상대 습도를 갖는 습도가 높은 가스 스트림(84)을 전달할 수 있다. 더욱이, 시스템(10)은 환자의 호흡 프로파일(profile)에 대응되는 시스템(10)을 생성하면서, 수 밀리 세컨드 내에 시스템(10)의 시작 및 정지를 허용한다. 따라서, 일 실시예에 있어서, 캐필러리 통로(52)로의 물(24)의 흐름속도는 환자의 호흡 프로파일과 일치되는 간헐적인 혹은 펄스 전달(pulse delivery)일 수 있다. 가습 시스템(10)의 낮은 응축률은 또한 시스템(10) 내의 캐필러리 유닛(50)의 위치 안에 디자인 유연성을 낳는다. 예컨대, 캐필러리 유닛(50)은 환자와 근접하게 위치할 수 있고, 또는 선택적으로 펌프 유닛(40)과 지원 전자부 및 구성요소들을 포함하는 분리된 유닛 내에 통합될 수 있다.
도 1을 참조하여, 다른 실시예에 따르면, 시스템(10)은 바람직하게는 캐필러리 유닛(50)의 상류에 위치한 밸브(130)(예컨대, 솔레노이드), 선행된 작동 온도에서 가열된 상태의 캐필러리 통로(52)를 유지하도록 프로그래밍된 콘트롤러(12), 및 펌프 유닛(40)이 계속적으로 작동 상태를 유지하도록 허용하는 밸브(130)와 연관된 물 재순환 배열(water recirculation arrangement: 140)(또는 재순환 통로)을 포함한다. 콘트롤러(12)가 제어 전자부(200)(도 6 참조)로부터 요구 신호(demand signal: 142)를 수신한 때, 이러한 배열과 함께, 시스템(10)은 즉시 이미 가열되어 있는 가열된 캐필러리(52)로 물을 전달하며, 최소의 응답 시간 내에 수증기의 에어로졸을 생성하고 배출한다. 선택적으로, 시스템(10)이 온-오프 스위치(14)를 매개로 꺼졌을 때, 캐필러리(52)로의 히터(도시되지 않음)와 펌프 유닛(40)은 멈추게 되고 밸브(130)는 닫혀진 상태로 남아있게 된다.
시스템(10)이 캐필러리 통로(52)를 막을 수 있는 미네랄 내용물을 갖는 수돗물과 함께 때때로 및/또는 우연히 작동될 수 있다는 것은 인식될 수 있다. 따라서, 또 다른 실시예에 따르면, 캐필러리 통로(52)의 내부 표면을 따라 미네랄 침전물의 감소는 테플론(Teflon®) 또는 이와 유사한 기판과 같은 불소가 포함된 중합체로 캐필러리 통로(52)의 내부 표면을 코팅함으로써, 및 가열된 캐필러리 통로(52)의 작동 온도를 약 120℃ 내지 130℃로 감소시킴으로써 얻어질 수 있다. 더욱이, 가열된 캐필러리 통로(52)의 작동 온도를 감소시킴으로써, 캐필러리 통로(52) 내의 감소된 증기 영역이 형성되고, 이에 따라 거기에 미네랄이 침전되는 기회가 감소하게 된다. 예컨대, 선행된 실시예에 따르면, 테플론 코팅은 캐필러리 통로 또는 캐필러리(52)의 내부 표면을 따라 미네랄 침전물의 점착을 줄이는데 충분하다.
다른 실시예에 따르면, 캐필러리 통로(52)의 배출은 바람직하게는 동방향(co-directional) 또는 더 바람직하게는, 스트림이 혼합되어 있는 환치장치(80)의 흐름 스트림(flow stream)의 방향과 관련하여 동축이고, 여기서 이러한 배열에 의해, 통로를 꽉 채움을 통한 손실은 최소화된다.
도 2는 일 실시예에 따라 캐필러리 튜브(60)(또는 통로)의 형태의 가열된 캐필러리 유닛(50)을 포함하는 하우징(90)의 단면도를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 캐필러리 유닛(50)은 입구(54) 및 배출구(56)(또는 출구 종단)를 가진 캐필러리 통로(52) 또는 유체 통로를 구비한 캐필러리 튜브(60)를 포함한다. 입구(54)는 펌프 유닛(40)으로부터 상류 필터 시스템(30)과 함께, 또는 펌프 유닛(40)으로부터 하류 필터 시스템(30)과 함께 바람직하게는 가압수의 형태로 물을 받는다. 물(24)은 액체 또는 유체의 형태로 캐필러리 튜브(60)의 입구(54)로 들어간다. 일 실시예에 따르면, 물(24)은 캐필러리 통로(52) 내에서 에어로졸 스트림(83)으로 적어도 일부분 증발될 것이고, 캐필러리 통로(52)의 배출구 또는 출구 종단(56)에서 캐필러리 통로(52)를 떠난다. 캐필러리 튜브(60)로부터 나온 에어로졸 스트림(83)은 습도가 높은 공기 스트림(84)을 형성하기 위해, 캐필러리 통로(52)의 출구 종단(56)에서, 환기장치(80)로부터 나온 공기 스트림(82)과 인터페이스로 접속한다.
캐필러리 튜브(60)는 스테인리스 스틸(stainless steel), 인코넬(Inconel), 또는 유리와 같은 니켈-기초 초합금과 같은 재료를 포함하는 금속 또는 비금속 튜브로 구성될 수 있다. 선택적으로, 캐필러리 어셈블리 또는 튜브(60)는 예컨대, 용융 실리카(fused silica) 또는 알루미늄 규산염 세라믹(aluminum silicate ceramic), 또는 반복되는 가열 순환과 발생된 압력을 견뎌낼 수 있고 적합한 가열 상태 특성을 구비할 수 있는, 다른 실질적으로 비-반응성 재료들로 구성될 수 있다.
도 3은 라인 3-3을 따라 도 2의 캐필러리 유닛(50)과 하우징(90)의 단면도를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 캐필러리 튜브(60)로부터의 에어로졸 스트림(83)은, 에어로졸 스트림(83)이 하우징(90) 내의 캐필러리 튜브(60)로부터 배출될 때, 바람직하게는 환기장치(80)로부터의 나온 공기 스트림의 중심에 위치하거나 동축이다. 일 실시예에 따르면, 캐필러리 또는 캐필러리 튜브(60)는 바람직하게는 약 0.05mm 내지 0.5mm (0.0020 내지 0.020 인치)의 내부 직경(62), 더 바람직하게는 약 0.2mm 내지 0.5mm (0.0080 내지 0.020 인치)의 내부 직경(62)을 갖고, 그리고 약 0.1mm 내지 0.8mm (0.005 내지 0.032 인치)의 외부 직경(64), 더 바람직하게는 약 0.3mm 내지 0.8mm (0.012 내지 0.032 인치)의 외부 직경(64)을 갖는 금속 또는 스테인리스 스틸 튜브이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 가열 시스템(또는 히터)(58) 및 가열된 캐필러리 튜브(60)의 단면도를 도시한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 가열 시스템(58)은 제어된 전원 공급기(도시되지 않음)와 연결된 저항성 통로를 제공하기 위해 캐필러리 튜브(60)에 적용된 한 쌍의 전극들(또는 컨택트들)(72, 74)로 구성된 전극 어셈블리를 포함한다. 전극들(72, 74)은 바람직하게는 캐필러리 튜브(60)의 입구 종단(54) 및 두 전극들(72, 74) 사이의 가열된 단면(73)을 형성하는 캐필러리 튜브(60)의 배출구 종단(56)에 위치한다. 두 전극들(72, 74) 사이에 인가된 전압은 스테인리스 또는 다른 캐필러리 튜브(60)를 구성하는 재료의 저항성 또는 가열 요소 또는 히터, 및 가열된 단면(73)의 길이와 단면 영역과 같은 다른 파라미터들에 기초하여 가열된 단면(73) 안에 열을 발생시킨다. 두 전극들(72, 74) 사이에 인가된 전압은 약 1 내지 70watts, 및 더 바람직하게는 5 내지 50watts일 수 있다.
가열된 단면(73)은 약 25mm (0.98 인치) 내지 75mm (2.95 인치)의 가열된 길이(66)를 가지며, 더 바람직하게는 약 25mm (0.98 인치) 내지 35mm (1.38 인치)의 가열된 길이(66)를 갖는다. 선행된 실시예에 있어서, 캐필러리 튜브(60)는 캐필러리 튜브(60)의 배출구 종단(56)에서 감소된 직경을 갖는 끝이 뾰족한 캐필러리를 포함하지 않는다.
도 4b는 다른 실시예에 따른 가열 시스템(58) 및 가열된 캐필러리 튜브(60)의 단면도를 도시한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 가열 시스템(58)은 제어된 전원 공급기(도시되지 않음)와 연결된 저항성의 통로를 제공하기 위해 캐필러리 튜브(60)에 적용된 한 쌍의 전극들(또는 컨택트들)(72, 74)로 구성된 전극 어셈블리를 포함한다. 전극들(72, 74)은 캐필러리 튜브(60)의 입구 종단(54)과 상류 전극(72) 사이에서 정의되는 공급(feed)(또는 인접하는(proximal)) 단면(71), 두 전극들(72, 74) 사이에서 정의되는 가열된 단면(73), 및 하류 전극(74)과 캐필러리 튜브(60)의 출구 종단(56) 사이에서 정의되는 말단(distal)(또는 팁(tip)) 단면(75)과 함께, 캐필러리 튜브(60)의 길이를 따라 떨어져 공간지워진 위치에서 연결된다. 두 전극들(72, 74) 사이에 인가된 전압은 스테인리스 스틸 또는 다른 캐필러리 튜브(60)를 구성하는 재료의 저항성 또는 가열 시스템(70) 및 가열된 단면(73)의 길이와 단면 영역과 같은 다른 파라미터들에 기초하여 가열된 단면(73) 안에 열을 발생시킨다.
도 5는 라미네이트(laminate) 또는 라미나(laminar) 구조(100) 형태의 캐필러리 유닛(50)의 단면도를 도시한다. 이 실시예에 따르면, 캐필러리 유닛(50)은 라미나 구조로 구성되고, 여기서 재료의 여러 층들은 유체 통로 또는 캐필러리 통로(52)를 생성하기 위해 서로 결합된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 캐필러리 유닛(50)은 라미네이트 구조(100)로부터 만들어질 수 있고, 여기서 유체 또는 캐필러리 통로(52)는 여기에 전체로서 통합된 공인된 미국 특허 6,701,921 및 6,804,458 발명에 일반적으로 설명된 것처럼, 제 1 층(102) 및 제 2 층(104) 내의 채널(110)을 포함하고, 위쪽에 가로 놓여진 제 1 층(102)은 채널(110)을 덮고 있다.
도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 액체 공급기(20), 필터 어셈블리(30), 펌프 유닛(40) 및 캐필러리 유닛(50)은 베이스 유닛(200) 내에서 바람직하게는 독립적이다. 베이스 유닛(200)은 또한 습도 제어 시스템(210), 바람직하게는 월 트랜스포머(wall transformer)와 같은 낮은 DC 전원(직류 또는 연속적인 전류원)의 형태의 전원(220), 환기장치 회로(85)로의 배출구(230), 및 전자 제어 회로(240)를 포함한다. 습도 제어 시스템(210)은 습도 감지기 또는 센서(도시되지 않음)와 베이스 유닛(200)의 외부 표면 상에 위치한 습도 표시부(214)를 포함한다. 습도 제어 시스템(210)은 원하는 상대 습도(RH)를 갖는 습도가 높은 가스 스트림(84)을 제공하기 위해 변화 또는 바뀔 수 있는 펌프 유닛(400)의 속도와 같은 것으로 구성된다.
전자 제어 시스템(240)은 캐필러리 유닛(50)에 부착된 전극들에게 주는 전력 및 펌프 유닛(40)의 속도를 제어한다. 일 실시예에 따르면, 전력을 제어하는 알고리즘은 캐필러리 유닛(50)의 온도 또는 저항을 감시함에 기초할 수 있다. 액체 재료(즉, 물)(24)의 흐름속도를 변화 또는 바꾸는 것과 같이 펌프 유닛의 속도를 변화시킴으로써, 습도가 높은 공기 스트림(84)의 상대 습도(RH)의 쉬프트는 수 밀리 세컨드 내에 달성될 수 있다. 더욱이, 환자의 공기흐름(또는 습도가 높은 공기를 위한 다른 요구)을 측정함으로써, 시스템(10) 내의 상대 습도는 제어될 수 있고, 따라서 상대 습도는 캐필러리 유닛(50)으로 흐르는 물(24)의 흐름속도를 대응적으로 변화시킴으로써 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 가습률(rate of humidification)은 환기장치로부터 공기의 흐름속도에 변화들에 대한 반응에 거의 즉시 변화될 수 있다.
베이스 유닛(200)은 또한 캐필러리 유닛(50)으로부터 환기장치 공급 튜브(86)와 에어로졸 공급 튜브(88)로 구성된 환기장치 회로(85)까지의 배출구(230)를 포함한다. 환기장치 공급 튜브(86)와 에어로졸 공급 튜브(88)는 바람직하게는 연결되고, 여기서 캐필러리 유닛(50)으로부터 나온 에어로졸 스트림(83)은 환기장치(80)로부터 나온 공기 스트림(82) 내로 비말동반된다. 공기 스트림(82)과 에어로졸 스트림(83)이 습도가 높은 가스 스트림(84)를 형성하기 위해 조합될 때, 에어로졸 스트림(83)과 연관된 어떠한 에어로졸들(81)도 공기 스트림(82) 내에서 증발한다는 것은 인식될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 필터 어셈블리(30)는 바람직하게는 베이스 유닛(200)으로부터 액체 공급기(20)의 제거를 허용하는 체크 밸브(check valve: 32)를 갖는 펌프 유닛(40)과 연결된다. 사용시에, 액체 공급기(20)를 포함하는 저장소(22)는 바람직하게는 대체가능한 유닛이고, 여기서 물의 새로운 소스(source) 또는 다른 적합한 물(24)은 필요한 만큼 공급될 수 있다.
도 9 내지 11은 3개의 캐필러리 구조의 전력, 물의 흐름속도 및 압력의 상관관계를 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 표는 약 1.3 인치의 길이 및 약 0.0073 인치의 내부 직경을 갖는 K32EG 내부 직경 캐필러리 통로(52)로 구성된 캐필러리 유닛(50)에 대한 전력 대비 흐름속도를 나타낸다. 도 10과 11은 약 0.12mm (0.0048 인치(32 게이지))의 내부 직경과 약 33mm (1.3 인치)의 길이를 갖는 캐필러리 유닛(50), 및 약 0.12mm (0.0048 인치(K32EG))의 내부 직경, 약 33mm (1.3 인치)의 길이 및 약 0.08mm (0.00314 인치)의 개구를 갖는 캐필러리 유닛(50)에 대한 동일한 상관관계를 각각 나타낸다.
도 12는 도 1에 도시된 바와 같이, 약 0.19mm (0.0073 인치)의 내부 직경과 약 33mm (1.3 인치)의 길이를 갖는 캐필러리 유닛(50)을 사용하는 시스템(10)에 의해 생산된 상대 습도를 도시한다. 상대 습도(RH)의 측정은 환자가 시스템과 인터페이스로 접속할 수 있는 위치와 거의 대응되는 3개의 풋 호흡 튜브(foot respiratory tube)의 종단에서 취해졌다.
도 13은 전력 대비 (캐필러리로부터 25mm (1인치) 측정된)캐필러리 통로로 나간 에어로졸의 입자 사이즈를 나타낸 표이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 캐필러리에 공급된 전력의 양이 온도 증가로 인해 증가함에 따라 에어로졸의 입자 사이즈는 감소한다.
다른 실시예에 따르면, 미생물의 활동은 무해하게 될 수 있다는 것은 인식될 수 있다. 예컨대, 약 0.2mm (0.008 인치)의 내부 직경을 갖고 약 150℃로 가열된 물이 1.65㎤/min으로 공급되는 캐필러리 통로(52)는 미생물의 활동 없이 만들어지는 에어로졸 물을 제공할 수 있다.
여러 실시예들이 설명된 반면, 변형들 및 수정들은 본 분야의 기술을 가진 자들에게 명백해지는 결과를 초래할 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 변형들 및 수정들은 여기에 첨부된 청구범위의 범위 및 영역 내에서 고려되야 한다.

Claims (26)

  1. 공기 스트림(air stream)을 전달하도록 채택되는 환기장치와 연결된 캐필러리 통로;
    캐필러리 통로 내에 물을 적어도 일부분 증발시키기 위해 작동 가능한 히터;
    습도가 높은 공기 스트림(humidified air stream)을 형성하기 위해, 가열시에 공기 스트림을 조합하는 에어로졸 스트림을 형성하도록 적어도 일부분 증발되는 물을 캐필러리 통로로 공급하도록 채택되는 펌프 유닛;
    온-오프 스위치를 구비하고, 프로그래밍됨에 따라, 스위치가 온(on)일 때 가열된 상태로 캐필러리를 유지시키고 펌프를 연속적으로 작동하도록 구성된 콘트롤러; 및
    펌프 유닛의 연속적인 작동을 수용하는 물 재순환 배열(water recirculation arrangement);을 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡기 가습 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    펌프 유닛이 약 70kPa 내지 560kPa (10 내지 80psig(pound-force per square inch guage))의 압력에서 물을 캐필러리 통로로 전달하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    물이 가압수 공급기(pressurized water supply)로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    기압수 공급기로부터 공급된 물에서 미네랄을 제거하기 위해 채택되는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    히터가 2 미크론 미만의 입자 사이즈를 갖는 에어로졸 입자들을 생산하기 위해 채택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서.
    캐필러리 통로로부터의 에어로졸 스트림이 환기장치로부터 나온 공기 스트림과 관련하여 동축의(coaxial) 관계로 향하게 되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    캐필러리 통로가 캐필러리 튜브 내에서 가압수를 적어도 일부분 증발시키는 데 효율적인 온도 범위까지 캐필러리 튜브를 가열하도록 작동 가능한 적어도 하나의 히터 몸체를 갖는 캐필러리 튜브인 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    캐필러리 통로의 배출구와 유체 연결(fluid communication)되어 있는 입구 종단 및 환자 인터페이스 장치에 연결되도록 채택되는 배출구 종단을 갖는 흐름 튜브(flow tube)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 캐필러리 통로가
    그 안에 서로 결합된 라미네이트 몸체의 대향하는 층들 사이에 위치한 캐필러리 통로를 가지고 있는 라미네이트 몸체; 및
    캐필러리 통로 내의 물을 적어도 부분적으로 증발된 상태로 가열시키도록 배열되는 히터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    에어로졸 스트림이 2 미크론 미만의 입자 사이즈를 갖는 에어로졸들을 포함하고, 에어로졸들이 공기 스트림과 비말동반(entrainment)하여 증발되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 에어로졸 스트림을 형성하기 위해 가열된 캐필러리 통로 내에서 적어도 일부분 증발된, 가압수 공급기로부터 공급된 물을 받도록 채택되는 가열된 캐필러리 통로;
    캐필러리 통로로 가압수를 공급하도록 채택되는 펌프 유닛;
    가압수에서 미네랄을 제거하기 위해 작동 가능한 필터; 및
    습도가 높은 공기 스트림을 형성하기 위해 공기 스트림과 조합되는 에어로졸 스트림을 전달하기 위해 채택되는 환기장치;를 포함하되,
    가열된 캐필러리 통로는, 캐필러리 통로 내의 가압수가 그 안에 가압수의 적어도 일부분을 휘발시키기 위해 가열될 때, 에어로졸을 형성하기 위해 채택되는 캐필러리 통로; 및 캐필러리 통로 내의 물을 적어도 부분적으로 증발된 상태로 가열시키도록 배열된 히터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡기 가습 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    펌프 유닛이 약 70kPa 내지 560kPa (10 내지 80 psig(pound-force per square inch guage))의 압력에서 가압수를 캐필러리 통로로 전달하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    캐필러리 통로가 환기장치로부터 공기 스트림과 인터페이스로 접속하는 하우징 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    캐필러리 통로로부터의 에어로졸 스트림이 환기장치로부터 나온 공기 스트림과 동축으로 향하게 되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    캐필러리 통로의 배출구와 유체 연결되어 있는 입구 종단 및 환자 인터페이스 장치에 연결되도록 채택되는 배출구 종단을 갖는 흐름 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    캐필러리 통로는 그 안에 캐필러리 통로를 갖는 라미네이트 몸체로 구성되고, 서로 결합된 라미네이트 몸체의 대향하는 층들 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 작동 온도가 120℃와 130℃ 사이의 범위이고, 공기 스트림을 전달하기 위해 채택되는 환기장치와 연결된, 코팅된 캐필러리 통로;
    캐필러리 통로 내에 물을 적어도 일부분 증발시키도록 작동 가능한 히터;
    습도가 높은 공기 스트림을 형성하기 위해 가열시에 공기 스트림을 조합하는 에어로졸 스트림을 형성하도록 적어도 일부분 증발되는 물을 캐필러리 통로로 공급하도록 채택되는 펌프 유닛;을 포함하되,
    미네랄 라덴 물(mineral laden water)과 함께 작동시킬 수 있는 향상된 능력을 갖는 호흡기 가습 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    온-오프 스위치를 구비하고, 프로그래밍됨에 따라, 스위치가 온(on)일 때 가열된 상태로 캐필러리를 유지시키고 펌프를 연속적으로 작동하도록 구성된 콘트롤러;
    펌프 유닛의 연속적인 작동을 수용하는 물 재순환 배열;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    코팅된 캐필러리 통로는 불소가 포함된 중합체로 코팅되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제 17 항에 있어서,
    코팅된 캐필러리 통로는 감소된 수증기 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 약 70kPa 내지 560kPa (10 내지 80psig(pound-force per square inch guage))의 압력과 약 0.25㎤/min 과 2.2㎤/min 사이의 흐름속도에서 물을 캐필러리 통로로 공급하는 단계;
    에어로졸 스트림을 형성하기 위해 캐필러리 통로 내에서 물의 적어도 일부분을 증발시키는 단계;
    환기장치로부터 공기 스트림을 공급하는 단계;
    습도가 높은 공기 스트림을 형성하기 위해 에어로졸 스트림과 공기 스트림을 조합하는 단계; 및
    습도가 높은 공기 스트림을 배출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 습도가 높은 공기 스트림을 전달하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    에어로졸 스트림이 2 미크론 미만의 입자 사이즈를 갖는 에어로졸 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    물 공급 단계 중 적어도 하나를 조절하는 단계 및 상기 공기 공급 단계에서의 변화에 대응적으로 증발시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 물의 적어도 일부분을 증발시키는 단계는 캐필러리 통로로 열이 연속적으로 교통하는 단계를 포함하고 상기 물 공급 단계는 연속적이며 물의 초과 흐름(excess flow)을 재순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 물 공급 단계는 물을 펌프로 푸는 단계를 포함하고, 상기 방법은 상기 펌프로 푸는 단계를 조절함으로써 상대 습도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 물 공급 단계는 상기 캐필러리 통로의 상류 위치에서 물을 여과하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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