KR20230044283A - 만성호흡기질환 관리를 위한 연결형 산소요법 시스템 - Google Patents

만성호흡기질환 관리를 위한 연결형 산소요법 시스템 Download PDF

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KR20230044283A
KR20230044283A KR1020237006972A KR20237006972A KR20230044283A KR 20230044283 A KR20230044283 A KR 20230044283A KR 1020237006972 A KR1020237006972 A KR 1020237006972A KR 20237006972 A KR20237006972 A KR 20237006972A KR 20230044283 A KR20230044283 A KR 20230044283A
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와이 룬 오오이
티르자 수미트로
텍 웨이 탠 (첸 디웨이)
키안 분 림
제이슨 트지아
킨 와 로우
신 친 리
유 판 로
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레즈메드 아시아 피티이. 엘티디.
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Abstract

산소농축기 사용자에게 주변의 유해한 환경조건에 대응하는 방법 및 시스템을 개시한다. 사용자의 생리학적 데이터를 수집한다. 산소농축기의 작동 데이터를 산소농축기 작동 중에 수집한다. 산소농축기 주변의 환경 데이터를 수집한다. 수집한 환경 데이터를 기반으로 산소농축기 주변에 유해환경조건이 존재하는지의 여부를 판정한다. 수집한 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터를 분석하여 판정된 유해환경조건에 대한 대응조치를 결정한다. 대응조치를 사용자에게 전달한다.

Description

만성호흡기질환 관리를 위한 연결형 산소요법 시스템
관련 출원의 교차 인용
본원은 2020년 7월 28일에 출원한 미국 가특허출원 제63/057,607호에 대하여 우선권을 주장하며, 해당 출원은 본원에 원용되어 있다.
본 발명은 일반적으로 휴대용 산소농축기(POC)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 POC의 작동 및/또는 POC를 사용하는 환자의 행동을 조정하여 주변 공기오염의 영향을 줄이기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
장기산소요법(LTOT)의 일환으로 산소 보충을 필요로 하는 사용자(환자)가 많다. 현재 LTOT를 받는 대다수의 사용자는 만성폐쇄성폐질환(COPD) 진단을 받은 이들이다. 여기에는 만성 기관지염, 폐기종 및 관련 폐 상태와 같은 일반적인 질병이 포함된다. 예를 들어, 활동 수준을 높여야 하는 비만자, 낭포성 섬유증이 있는 사용자, 또는 기관지 폐이형성증이 있는 유아 등의 그 외 사용자도 산소 보충을 필요로 할 수 있다.
의사는 이들 사용자에게 산소농축기 또는 휴대용 의료용 산소 탱크를 처방할 수 있다. 일반적으로 특정한 연속 산소 유량을 처방하도록 되어 있다(예: 분당 1리터(LPM), 2 LPM, 3 LPM 등). 의료전문가들은 해당 사용자가 운동을 하면 질병의 진행을 늦추고 삶의 질을 개선하는 한편 장기적으로 수명을 연장해 준다는 사실을 밝혀냈다. 그러나 러닝 머신이나 고정식 자전거와 같은 대부분의 고정식 운동은 해당 사용자에게는 너무 버거운 경우가 대부분이다. 때문에 이동성의 필요성이 대두하였으며, 최근까지는 소형압축 산소 탱크나 바퀴가 달린 카트에 실린더를 사용하는 방식으로 이동성을 확보하였다. 다만 이와 같은 탱크는 산소량이 한정적이며 장착 시에 무게가 약 50파운드(약 23kg)나 나간다는 단점이 있다.
산소농축기는 지난 50년간 호흡기 치료 시 산소를 공급하는 수단으로 널리 쓰였다. 산소농축기는 VSA(진공 스윙 흡착), PSA(압력 스윙 흡착) 또는 VPSA(진공 압력 스윙 흡착) 등의 순환 프로세스를 구현할 수 있다. 예를 들어 산소농축기, 이를테면 POC는 스윙 흡착 프로세스(예: 진공 스윙 흡착, 압력 스윙 흡착 또는 진공 압력 스윙 흡착. 이하 본 명세서에서 “스윙 흡착 프로세스”로 총칭)에서 감압(예: 진공 작동) 및/또는 가압(예: 압축기 작동)을 기반으로 작동한다. 압력 스윙 흡착의 경우 가스 분리 흡착제의 입자를 포함하는 하나 이상의 캐니스터 내부의 가스 압력을 증가시키기 위해 하나 이상의 압축기를 사용할 수 있다. 가스 분리 흡착층과 같은 다량의 가스 분리 흡착제를 함유하는 캐니스터는 체층(sieve bed)의 구실도 한다. 압력이 증가함에 따라 가스의 특정 분자가 가스 분리 흡착제에 흡착된다. 가압 상태에서 캐니스터의 가스 일부를 제거하면 흡착 분자에서 비흡착 분자를 분리하는 것이 가능하다. 흡착 분자는 체층을 배기하여 탈착한다. 산소농축기에 관한 추가 세부사항은, 예를 들어 본원에서도 원용하고 있는 미국공개 특허출원 제2009-0065007호(공개일: 2009년 3월 12일, 발명의 명칭: 산소농축기 장치 및 방법)을 참조할 수 있다.
대기는 일반적으로 약 78%의 질소와 21%의 산소를 포함하며 나머지는 아르곤, 이산화탄소, 수증기, 그 외 미량 기체로 구성된다. 예를 들어, 공기 등의 기체 혼합물이 산소보다 질소와 친화력이 좋은 가스 분리 흡착제가 들어 있는 캐니스터를 가압 상태로 통과하면 질소의 일부 또는 전부가 캐니스터 내부에 남기 때문에 캐니스터에서 빠져나온 기체는 다량의 산소를 함유하게 된다. 체층이 질소흡착용량 한계에 도달하면 배기하여 흡착한 질소를 탈착한다. 이후 체층은 산소농축공기의 생성 사이클을 처음부터 다시 시작한다. 캐니스터 2개들이 시스템의 경우 캐니스터를 번갈아 가며 가압하는 것으로 한쪽이 산소를 분리하는 동안 나머지 한쪽을 배기하는 것이 가능하다(이로써 거의 연속적으로 공기에서 산소를 분리한다). 이와 같은 방식으로 산소농축공기를 사용자에게 보충 산소를 공급하는 등 다양한 용도를 위해 캐니스터와 결합한 저장용기, 그 외 가압가능 용기 또는 도관에 축적할 수 있다.
VSA(진공 스윙 흡착)는 대체 가스 분리 기술을 제공한다. VSA는 일반적으로 체층 내에 진공을 생성하도록 구성된 압축기와 같은 진공을 사용하여 체층의 분리 프로세스를 통해 기체를 끌어온다. VPSA(진공 압력 스윙 흡착)는 진공과 가압 기술을 결합하여 사용하는 하이브리드 시스템으로 이해할 수 있다. 예를 들어, VPSA 시스템은 분리 프로세스를 위해 체층을 가압할 수 있으며 체층 감압을 위해 진공을 적용할 수도 있다.
기존의 산소농축기는 부피가 크고 무거웠기 때문에 일반적인 보행 활동이 어렵고 비실용적이었다. 최근 대형 고정식 산소농축기를 제조하는 기업에서는 휴대용 산소농축기(POC)를 개발하기 시작했다. POC의 장점은 이론적으로 계속해서 산소를 생성하여 공급하고 환자에게 이동성을 제공할 수 있다는 것이다. 해당 장치를 작게 만들어 이동성을 높이려면 산소농축공기 생산에 필요한 다양한 시스템을 응축하게 된다. POC는 중량, 크기, 전력 소비율을 최소화하기 위해 생산된 산소를 가능한 한 효율적으로 활용하려고 한다. 일부 구현예의 경우, 산소를 일련의 펄스로서 전달하는 방식을 채택하고 있는데, 각각의 펄스 또는 “볼루스(bolus)”가 흡입 시작과 일치하도록 시간을 조정한다. 해당 치료 모드는 고정식 산소농축기에 더 적합한 기존의 연속 흐름 전달과는 별개의 펄스형 산소 전달(POD) 또는 수요 모드로 알려져 있다. POD 모드는 흡입 시작을 결정하는 센서가 있는 활성 밸브인 보존기로 구현할 수 있다.
예를 들어 대기질 지수(AQI) 또는 꽃가루 수로 측정하는 주변 공기오염은 POC 작동에 영향을 미치고 산소 환자의 상태를 악화시킬 수 있다. 예를 들어 특정 밀도 임계값 이상의 PM2.5(직경 2.5마이크로미터 이하의 흡입 가능한 입자)에 단기간 노출되면 몇 분 안에 혈중 산소 포화도(SpO2)가 급격히 감소할 수 있으며 그 효과는 몇 시간 동안 지속한다. 또 다른 예로, POC는 공기 흐름 경로에서 특정 크기 이상의 미립자를 제거하기 위해 하나 이상의 미립자 필터를 포함할 수 있다. 해당 필터가 예상 수명을 다하기 전에 제거된 입자로 막히면(예상 이상으로 대기질이 좋지 않은 경우 발생할 수 있음) POC는 규정된 산소 용량을 전달하기 위해 더 열심히 움직여야 하므로 구성요소 및 배터리 수명에 영향을 미칠 수 있다. 또는 필터를 빠져나가는 입자가 밸브 등 기체 경로의 그 외 위치에 머물면서 유사한 효과를 가져오기도 한다.
따라서 POC의 작동 및/또는 산소 환자의 행동을 조정하여 환자 환경에서 공기오염의 영향을 줄일 수 있는 산소요법 시스템이 필요하다.
본 개시내용은 주변 환경 조건, 특히 대기질에 반응하는 만성 호흡기 질환 관리를 위한 연결형 산소요법 시스템에 관한 것이다. 시스템의 일부로 POC는 사용량, 출력 임피던스 등의 작동 데이터, 호흡률과 같은 환자 매개변수, 원격 서버에 대한 지리적 위치 등을 전송한다. 서버는 지리적 위치를 공공 환경 데이터베이스 또는 기타 정보원과 연관시켜 POC 주변의 대기질 등 환경 조건을 얻는다. POC는 미립자 센서를 포함하거나 센서와 통신하여 주변 대기질 데이터를 측정하고 서버로 보낼 수 있다. 서버는 데이터를 분석하고 POC를 사용하는 환자에게 공기오염과 같은 주변 유해환경조건의 영향을 줄이기 위한 조치를 취하거나 권장한다.
본원에서 개시하는 예시적 방법 중 하나는 산소농축기의 사용자 주변의 유해환경조건에 대응하는 것이다. 사용자의 생리학적 데이터를 수집한다. 산소농축기의 작동 데이터를 산소농축기 작동 중에 수집한다. 산소농축기 주변의 환경 데이터를 수집한다. 수집한 환경 데이터를 기반으로 산소농축기 주변에 유해환경조건이 존재하는지의 여부를 판정한다. 수집한 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터를 분석하여 판정된 유해환경조건에 대한 대응조치를 결정한다. 대응조치를 사용자에게 전달한다. 예시적 방법의 또다른 구현예로, 작동 데이터는 지리적 위치 데이터를 포함한다. 예시적 방법의 또다른 구현예로, 환경 데이터를 수집하는 단계는 지리적 위치 데이터를 이용하여 환경 데이터베이스로부터 환경 데이터를 검색하는 단계를 포함한다. 예시적 방법의 또다른 구현예로, 환경 데이터는 대기질 측정값을 포함한다. 예시적 방법의 또다른 구현예로, 유해환경조건의 존재 여부를 판정하는 단계는 대기질 측정값과 공기오염을 나타내는 임계값을 비교하는 단계를 포함한다. 예시적 방법의 또다른 구현예로, 분석 단계는 데이터베이스에 저장된 다른 휴대용 산소농축기에서 수집한 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터를 이용한다. 예시적 방법의 또다른 구현예로, 수집한 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터를 데이터베이스에 저장하는 단계를 추가로 포함한다. 예시적 방법의 또다른 구현예로, 대응조치는 사용자의 산소농축기를 제어하여 산소 유량 제어를 변경하는 것이다.
또다른 개시예는 산소농축공기를 생성하여 사용자에게 전달하도록 구성된 산소농축기를 포함하는 연결형 산소요법 시스템에 관한다. 생리학적 센서는 상기 사용자의 생리학적 데이터를 수집하도록 구성되어 있다. 작동 센서는 산소농축기의 작동 중에 산소농축기의 작동 데이터를 수집하도록 구성되어 있다. 시스템은 사용자의 생리학적 데이터와, 산소농축기의 작동 중에 산소농축기의 작동 데이터를 수집하는 프로세서를 포함한다. 프로세서는 산소농축기 주변의 환경 데이터를 수집한다. 수집한 상기 환경 데이터에 기반하여 프로세서는 산소농축기 주변의 유해환경조건의 존재 여부를 판정한다. 프로세서는 수집한 상기 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터를 분석하여 판정된 유해환경조건에 대한 대응조치를 결정한다. 프로세서는 대응조치를 사용자에게 전달한다.
예시적 시스템의 또다른 구현예는 산소농축기와 통신하는 서버를 추가로 포함한다. 프로세서는 서버의 프로세서이다. 예시적 시스템의 또다른 구현예는 산소농축기와 서버 사이에서 중개자 역할을 하도록 구성된 휴대용 연산장치를 포함한다. 예시적 시스템의 또다른 구현예는 산소농축기 주변의 환경 데이터를 생성하도록 구성되어 있는 환경 센서를 포함한다. 예시적 시스템의 또다른 구현예는 산소농축기의 지리적 위치 데이터를 생성하도록 구성되어 있는 지리적 위치 장치를 포함한다. 예시적 시스템의 또다른 구현예는 환경 데이터를 포함하는 환경 데이터베이스를 포함한다. 예시적 시스템의 또다른 구현예는, 프로세서가 지리적 위치 데이터를 이용하여 환경 데이터베이스로부터 환경 데이터를 검색하도록 구성되어 있다. 예시적 시스템의 또다른 구현예는 다른 산소농축기로부터 얻은 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터가 저장되어 있는 데이터베이스를 포함한다. 예시적 시스템의 또다른 구현예는, 프로세서가 분석 단계에서 다른 산소농축기로부터 얻은 상기 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터를 이용하도록 구성되어 있다. 예시적 시스템의 또다른 구현예에서, 대응조치는 산소농축기를 제어하여 사용자에 대한 산소 유량 제어를 변경하는 것이다. 프로세서는 산소농축기를 제어하도록 구성되어 있다.
상기 요약은 본 발명의 각 실시예 또는 모든 양태를 망라하지 않는다. 전술한 요약은 본원이 제시하는 새로운 양태 및 특징 중 일부의 예를 제공할 뿐이다. 첨부한 도면 및 하기의 청구범위와 관련하여 본 발명을 실시하기 위한 대표적인 실시예 및 모드를 다음에서 상세하게 설명하며, 이로써 본 발명의 상기 특징 및 이점, 및 기타 특징 및 이점을 명확하게 제시할 것이다.
본 발명을 다음의 첨부한 도면을 참조하여 예시적인 실시예로 설명하고자 한다.
도 1a는 본 기술의 한 형태에 따른 산소농축기를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 산소농축기의 구성요소의 개략도이다.
도 1c는 도 1c의 산소농축기의 주요 구성요소의 측면도이다.
도 1d는 도 1a의 산소농축기의 압축 시스템의 측면 사시도이다.
도 1e는 열 교환 도관을 포함하는 압축 시스템의 측면도이다.
도 1f는 도 1a의 산소농축기의 예시적인 출구 구성요소의 개략도이다.
도 1g는 도 1a의 산소농축기용 출구 도관을 도시한다.
도 1h는 도 1a의 산소농축기용 대체 출구 도관을 도시한다.
도 1i는 도 1a의 산소농축기용 캐니스터 시스템을 분해한 사시도이다.
도 1j는 도 1i의 캐니스터 시스템의 단부도이다.
도 1k는 도 1j에 도시된 캐니스터 시스템 단부의 조립도이다.
도 1l은 도 1i의 캐니스터 시스템 중 도 IJ 및 IK에서 도시한 단부에 대향하는 단부의 도면이다.
도 1m은 도 1l에 도시된 캐니스터 시스템 단부의 조립도이다.
도 1n은 도 1a의 산소농축기와 통신할 수 있는 예시적인 장치의 통신 장치의 블록도이다.
도 1o는 도 1a의 산소농축기에 대한 예시적인 제어 패널을 도시한다.
도 2는 POC로부터의 데이터 수집 및 그 데이터의 분석을 허용하는 연결형 산소요법 시스템의 블록도이다.
도 3은 도 2의 시스템과 같은 연결형 산소요법 시스템에서 구현한 바와 같이 주변 환경조건에 대응하는 방법을 예시하는 플로우차트이다.
본 발명은 다양한 변형 및 대체 형태가 가능하다. 일부 대표적인 실시예를 도면에 예로서 도시하였으며 하기에서 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명은 개시된 특정 형태에 한정되지 않는다. 본 개시내용은 첨부한 청구범위가 정의하는 본 발명의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 수정, 등가물 및 대안을 포함한다.
본 발명은 다양한 형태로 구현이 가능하다. 대표적인 실시예를 도면에 예로서 도시하였으며 하기에서 상세히 설명할 것이다. 본 개시는 본 개시의 원리의 예시이며, 개시의 광범위한 양태는 도시한 실시예에 한정되지 않는다. 해당 범위 내에서, 예를 들어 요약, 발명의 내용 및 발명의 상세한 설명에 개시되었지만 청구범위에 명시적으로 제시되지 않은 요소 및 제한 사항을 암시, 추론 등에 의해 단독으로 또는 집합적으로 청구범위에 포함해서는 안 된다. 본 명세서에서 별도로 부인하지 않는 한 단수형은 복수형을 포함하고 그 반대도 마찬가지이다. "포함(including)"은 "포함하되 한정되지 않음"을 의미한다. 또한, "약", "거의", "실질적으로", "대략" 등과 같은 근사어는 본원에서 "~에", "근처에" 또는 "거의", 예를 들어 “이내" 또는 "허용 가능한 제조 공차 이내", 혹은 이들의 논리적 조합을 의미할 수 있다.
본 발명은 클라우드 기반 엔진에서 환자 건강 상태의 분석을 제공하기 위해 다수의 산소농축기 장치로 수집한 작동 데이터를 활용하는 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 의료(특히 통합 의료) 시장에서 연결형 의료 서비스를 가치를 높이고, 통신 및 머신 러닝 기술이 지원하는 산소농축기 장치 및 서비스에 감지 기술을 통합하여 의료 부담을 줄인다.
휴대용 산소농축기(POC)와 같은 예시적인 산소농축기 장치는 지리적 위치 및 치료 사용과 같은 작동 데이터, 호흡률 및 흡기 시간과 같은 생리학적 데이터를 모니터링하고 수집할 수 있다. 예시적인 POC는 연결된 신체 패치 또는 스마트 워치, 팔찌 또는 반지와 같은 전기적 또는 광학적 감지 기능이 있는 건강 모니터링 장치의 추가 센서로부터 생리학적 데이터를 수집해도 좋다. 예시적인 POC는 또한 POC와 통신하는 추가 센서로부터 주변 환경 데이터를 수집할 수 있다. 환자가 사용하는 스마트 흡입기와 같은 다른 치료 장치에서 데이터를 통합할 수도 있다. 예시적인 POC는 수집한 데이터를 네트워크를 통해 서버와 같은 원격 연산장치로 전송할 수 있다.
본 발명은 또한 서버에서 실행되는 건강 데이터 분석 엔진에 관한 것이다. 건강 데이터 분석 엔진은 산소농축기에서 전송된 데이터를 수집하고 데이터를 분석하여 POC를 사용하는 환자에게 공기오염과 같은 주변 유해환경조건의 영향을 줄이기 위한 조치를 취하거나 권장하도록 구성된다.
도 1a~1n은 산소농축기(100)의 구현을 도시한다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 산소농축기(100)는 순환 압력 스윙 흡착(PSA) 프로세스를 사용하여 산소농축공기를 생성한다. 그러나 그 외 실시형태에서 산소농축기(100)는 순환 진공 스윙 흡착(VSA) 프로세스 또는 순환 진공 압력 스윙 흡착(VPSA) 프로세스를 사용하여 산소농축공기를 생성해도 좋다. 본 기술의 예시는 다음과 같은 구조 및 작동 중 하나로 구현이 가능하다.
도 1a는 산소농축기(100)의 외부 하우징(170)의 구현을 도시한다. 일부 구현에서, 외부 하우징(170)은 경량 플라스틱으로 구성될 수 있다. 외부 하우징(170)은 압축 시스템 입구(105), 냉각 시스템 수동 입구(101) 및 외부 하우징(170)의 각 단부에 있는 출구(173), 출구 포트(174) 및 제어 패널(600)을 포함한다. 입구(101) 및 출구(173)는 냉각 공기가 하우징에 들어가고, 하우징을 통해 흐르고, 하우징(170)의 내부를 빠져나가 산소농축기(100)의 냉각을 보조하게 한다. 압축 시스템 입구(105)는 공기가 압축 시스템에 들어갈 수 있도록 한다. 출구 포트(174)는 산소농축기(100)에 의해 생성된 산소농축공기를 사용자에게 제공하기 위한 도관을 부착하는데 쓰인다.
도 1b는 도 1a의 예시적인 산소농축기(100)의 구성요소의 개략도를 도시한다. 산소농축기(100)는 산소농축공기를 사용자에게 제공하기 위해 기류 내에 산소를 농축할 수 있다. 본원에서 쓰이는 "산소농축공기"는 약 50% 이상의 산소, 약 60% 이상의 산소, 약 70% 이상의 산소, 약 80% 이상의 산소, 약 90% 이상의 산소, 약 95% 이상의 산소, 약 98% 이상의 산소, 또는 약 99% 이상의 산소로 구성된 기체 혼합물이다. 최소 범위의 예시로는 휴대용 산소농축기의 산소 농도 86~87%를 들 수 있다.
산소농축기(100)는 휴대용 산소농축기여도 좋다. 예를 들어, 산소농축기(100)는 산소농축기(100)를 손으로, 혹은 운반 케이스에 넣어 운반할 수 있는 무게 및 크기이다. 한 구현예에서, 산소농축기(100)는 약 20파운드(9.7kg) 미만, 약 15파운드(6.80kg) 미만, 약 10파운드(4.54kg) 미만, 또는 약 5파운드(2.27kg) 미만의 중량을 가진다. 한 구현예에서, 산소농축기(100)는 약 1000입방인치(0.0164입방미터) 미만, 약 750입방인치(0.0123입방미터) 미만, 약 500입방인치(0.0082입방미터) 미만, 약 250입방인치(0.0041입방미터) 미만, 또는 약 200입방인치(0.0033입방미터) 미만의 체적을 가진다.
가스 분리 흡착제를 포함하는 캐니스터(302 및 304) 형태의 체층에서 주변 공기를 가압함으로써 주변 공기로부터 산소농축공기를 생성할 수 있다. 산소농축기에서 유용한 가스 분리 흡착제는 공기류로부터 적어도 질소를 분리하여 산소농축공기를 생성할 수 있다. 가스 분리 흡착제의 예로는 공기류로부터 질소를 분리할 수 있는 분자체가 꼽힌다. 산소농축기에서 쓰일 수 있는 흡착제의 예로는 제올라이트(천연) 또는 상승 압력 하에서 공기류로부터 질소를 분리하는 합성 결정질 알루미노실리케이트를 들 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 사용 가능한 합성 결정질 알루미노실리케이트의 예로는 UOP LLC(Des Plaines, IL) 시판의 OXYSIV 흡착제; W. R. Grace & Co(Columbia, MD) 시판의 SYLOBEAD 흡착제; CECA S.A.(Paris, France) 시판의 SILIPORITE 흡착제; Zeochem AG(Uetikon, Switzerland) 시판의 ZEOCHEM 흡착제; Air Products and Chemicals, Inc.(Allentown, PA) 시판의 AgLiLSX 흡착제를 들 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 공기는 공기 입구(105)를 통해 산소농축기(100)로 들어간다. 공기는 압축 시스템(200)에 의해 공기 입구(105)로 흡인된다. 압축 시스템(200)은 산소농축기의 주변으로부터 공기를 흡입하고 공기를 압축하여 압축된 공기를 캐니스터(302 및 304) 중 하나 또는 둘 모두로 밀어 넣는다. 한 구현예에서, 입구 머플러(108)를 공기 입구(105)와 결합하여 압축 시스템(200)으로 공기를 산소농축기로 유도할 때 생성되는 소리를 감소시켜도 좋다. 한 구현예에서, 입구 머플러(108)는 습기 및 소리를 줄이기 위해 쓰일 수 있다. 예를 들어, 수분 흡착제 재료(폴리머 수분 흡착제 재료 또는 제올라이트 재료와 같은)를 사용하여 유입 공기로부터 수분, 즉 물을 흡착하고 공기 입구(105)를 통과하는 공기의 소리를 줄여도 좋다.
압축 시스템(200)은 공기를 압축하도록 구성된 하나 이상의 압축기를 포함할 수 있다. 압축 시스템(200)에 의해 생성된 압축 공기는 캐니스터(302, 304) 중 하나 또는 둘 모두에 공급된다. 일부 구현예에서, 주변 공기를 캐니스터에서 대략 13~20psi 게이지 압력(psig) 범위의 압력으로 가압해도 좋다. 캐니스터에 배치된 가스 분리 흡착제의 유형에 따라 압력이 달라지기도 한다.
입구 밸브(122, 124)와 출구 밸브(132, 134)가 각각의 캐니스터(302, 304)에 결합된다. 도 1b에 도시한 바와 같이, 입구 밸브(122)는 캐니스터(302)에 결합되고 입구 밸브(124)는 캐니스터(304)에 결합된다. 출구 밸브(132)는 캐니스터(302)에 결합되고 출구 밸브(134)는 캐니스터(304)에 결합된다. 입구 밸브(122, 124)는 압축 시스템(200)에서 각각의 캐니스터로의 공기 통과를 제어하는 데 쓰인다. 출구 밸브(132, 134)는 배기 프로세스 동안 각각의 캐니스터(302, 304)로부터 기체를 배기하기 위해 사용된다. 일부 구현예에서, 입구 밸브(122, 124) 및 출구 밸브(132, 134)는 실리콘 플런저 솔레노이드 밸브여도 좋으나, 다른 유형의 밸브를 사용해도 좋다. 플런저 밸브는 조용하고 미끄러짐이 적다는 이점이 있다.
일부 구현예에서, 입구 밸브(122, 124) 및 출구 밸브(132, 134)를 제어하기 위해 2단계 밸브 작동 전압을 생성해도 좋다. 예를 들어, 입구 밸브를 개방하기 위해 입구 밸브에 고전압(예를 들어, 24V)을 인가한다. 입구 밸브를 열어두기 위해 전압을 감소(예: 7V)시킨다. 밸브를 열어두기 위한 전압이 낮으면 사용 전력을 더 절감할 수 있다. 전압을 감소하키면 열 축적 및 전력 소비를 최소화하여 전원 공급 장치(180)(후술)의 실행 시간을 연장한다. 밸브의 전원이 차단되면 스프링 동작으로 닫힌다. 일부 구현예에서, 전압은 반드시 단계적 응답(예: 초기 24V와 최종 7V 사이의 곡선 하향 전압)이 아닌 시간의 함수로서 인가해도 좋다.
한 구현예에서, 컨트롤러(400)는 밸브(122, 124, 132, 134)에 전기적으로 결합된다. 컨트롤러(400)는 메모리(420)에 저장된 프로그램 명령을 실행하도록 동작가능한 하나 이상의 프로세서(410)를 포함한다. 프로그램 명령은 본 명세서에서 후술하는 방법 등 산소농축기의 작용에 쓰이는 다양한 사전정의 방법을 수행하도록 컨트롤러(400)를 구성한다. 프로그램 명령은 입구 밸브(122, 124)를 서로 다른 위상으로 작동시키기 위한 프로그램 명령을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입구 밸브(122 또는 124) 중 하나가 열리면 전기 기계식 밸브를 사용하는 경우와 같이 다른 밸브가 닫힌다. 캐니스터(302)를 가압하는 동안, 출구 밸브(132)는 닫히고 출구 밸브(134)는 열린다. 입구 밸브와 유사하게, 출구 밸브(132, 134)는 서로 역위상으로 작동한다. 일부 구현예에서, 입구 및 출구 밸브를 여는 데 쓰이는 전압 및 전압의 지속 시간을 컨트롤러(400)로 제어해도 좋다.
체크 밸브(142, 144)는 각각 캐니스터(302, 304)에 결합된다. 체크 밸브(142, 144)는 캐니스터가 가압되고 배출될 때 발생하는 차압에 의해 수동적으로 작동되는 일방향 밸브이거나 능동 밸브일 수 있다. 체크 밸브(142, 144)는 각각의 캐니스터의 가압 동안 생성된 산소농축공기가 캐니스터 밖으로 흐르도록 하고 산소농축공기 또는 임의의 다른 가스가 캐니스터로 역류하는 것을 방지하기 위해 캐니스터에 결합된다. 이러한 방식으로, 체크 밸브(142, 144)는 산소가 풍부한 공기가 가압 중에 각각의 캐니스터를 빠져나가도록 허용하는 일방향 밸브로서 작용한다.
본 명세서에서 사용되는 "체크 밸브"라는 용어는 유체(기체 또는 액체)를 한 방향으로 흐르게 하고 유체의 역류를 방지하는 밸브를 의미한다. 사용하기에 적합한 체크 밸브로는 볼 체크 밸브; 다이어프램 체크 밸브; 버터플라이 체크 밸브; 스윙 체크 밸브; 덕빌 밸브; 엄브렐러 밸브; 리프트 체크 밸브를 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 가압 상태에서, 가압된 주변 공기의 질소 분자는 가압 캐니스터의 가스 분리 흡착제에 흡착한다. 압력이 증가함에 따라 캐니스터의 공기에 산소가 농축될 때까지 더 많은 질소가 흡착된다. 비흡착 가스 분자(주로 산소)는 압력이 캐니스터에 연결된 체크 밸브의 저항을 극복하기에 충분한 지점에 도달하면 가압 캐니스터 밖으로 흘러나간다. 한 구현예에서, 순방향으로의 체크 밸브의 압력 강하는 1psi(6.9kPa) 미만이다. 반대 방향의 파손 압력은 100psi(689.5kPa)보다 크다. 그러나 하나 이상의 구성요소를 변경하면 밸브의 작동 매개변수도 변하게 된다. 순방향 흐름 압력이 증가하면 일반적으로 산소농축공기 생산이 감소한다. 역류에 대한 중단 압력을 줄이거나 너무 낮게 설정하면 일반적으로 산소농축공기의 압력이 감소한다.
예시적 구현예에서, 캐니스터(302)는 압축 시스템(200)에서 생성되고 캐니스터(302)로 전달되는 압축 공기에 의해 가압된다. 캐니스터(302)의 가압 동안, 입구 밸브(122)는 개방되고 출구 밸브(132)는 폐쇄되며, 입구 밸브(124)는 폐쇄되고 출구 밸브(134)는 개방된다. 캐니스터(302)가 가압되는 동안 캐니스터(304)를 주변 대기에 배기할 수 있도록 출구 밸브(132)가 폐쇄될 때 출구 밸브(134)는 개방한다.
시간이 경과하면 캐니스터(302)의 압력은 체크 밸브(142)를 열기에 충분해진다. 캐니스터(302)에서 생성된 산소농축공기는 체크 밸브(142)를 통과하고, 한 구현예에서는 어큐뮬레이터(106)에 수집된다.
어느 정도 시간이 경과하면 캐니스터(302)의 가스 분리 흡착제는 질소로 포화되어 들어오는 공기로부터 상당한 양의 질소를 분리할 수 없게 된다. 일반적으로 산소농축공기 생산의 사전 설정 시간 후에 이 상태에 도달한다. 전술한 구현예에서, 캐니스터(302) 내의 가스 분리 흡착제가 이 포화점에 도달하면 압축공기의 유입을 멈추고 캐니스터(302)를 배기하여 질소를 탈착시킨다. 캐니스터(302)를 배기하는 동안, 입구 밸브(122)는 닫히고 출구 밸브(132)는 열린다. 캐니스터(302)를 배기하는 동안, 캐니스터(304)는 전술한 것과 동일한 방식으로 산소농축공기를 생성하도록 가압된다. 출구 밸브(134)를 닫고 입구 밸브(124)를 열면 캐니스터(304)를 가압할 수 있다. 어느 정도 시간이 경과하면 산소농축공기가 체크 밸브(144)를 통해 캐니스터(304)를 나간다.
캐니스터(302)를 배기하는 동안, 출구 밸브(132)는 개방되어 배기 가스(주로 질소)가 농축기 출구(130)를 통해 캐니스터(302)를 빠져나와 대기로 배출되도록 한다. 한 구현예에서, 캐니스터로부터 가압된 가스를 방출함으로써 생성된 소음을 감소시키기 위해 배기 가스가 머플러(133)를 통하도록 유도해도 좋다. 배기 가스가 캐니스터(302)로부터 배출됨에 따라, 캐니스터(302) 내의 압력이 떨어지고, 질소가 가스 분리 흡착제로부터 탈착되게 한다. 질소의 탈착은 캐니스터(302)를 리셋하여 공기류에서 질소를 다시 분리할 수 있게 해준다. 머플러(133)는 산소농축기(100)를 떠나는 가스의 소리를 머플링하기 위해 개방 셀 폼(또는 다른 재료)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서는, 공기의 유입과 산소농축공기의 배출을 위해 조합한 머플링 구성요소/기술을 도입하여 산소농축기가 50 데시벨 미만의 소음만으로 작동할 수 있도록 한다.
캐니스터(302, 304)의 배기로 질소의 적어도 대부분이 제거되는 것이 좋다. 한 구현예에서, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 적어도 약 98%, 또는 실질적으로 완전히 캐니스터의 질소를 제거함으로써 캐니스터를 질소 분리에 다시 사용할 수 있다.
일부 구현예에서, 다른 캐니스터 또는 저장된 산소농축공기로부터 캐니스터로 도입되는 산소농축공기류로 질소 제거를 촉진한다. 예시적인 구현예에서, 캐니스터(304)에서 배기 가스가 배출될 때 산소농축공기의 일부를 캐니스터(302)로부터 캐니스터(304)에 전달한다. 캐니스터(304)를 배기하는 동안 캐니스터(302)로부터 캐니스터(304)로 산소농축공기를 전달하면 흡착제에 인접한 질소의 분압을 낮춤으로써 흡착제에서의 질소 탈착을 촉진한다. 산소농축공기류는 캐니스터에서 탈착된 질소(및 기타 가스)를 제거하는 데 도움이 된다. 한 구현예에서, 산소농축공기는 2개의 캐니스터(302, 304) 사이의 흐름 제한기(151, 153, 155)를 통해 이동할 수 있다. 흐름 제한기(151)는 세류 흐름 제한기여도 좋다. 예를 들어, 흐름 제한기(151)는 0.009D 흐름 제한기일 수 있다(예: 내부에 있는 튜브의 직경보다 흐름 제한기의 반경이 0.009인치(0.022cm)로 작다). 흐름 제한기(153 및 155)는 0.013D 흐름 제한기여도 좋다. 캐니스터를 연결하는 데 사용되는 특정 구성 및 튜브에 따라 그 밖의 유형과 크기의 흐름 제한기를 사용해도 좋다. 일부 구현예에서, 흐름 제한기는 각각의 도관에 더 좁은 직경을 도입함으로써 공기 흐름을 제한하는 압입 흐름 제한기이다. 일부 구현예에서, 압입 흐름 제한기는 사파이어, 금속 또는 플라스틱으로 만들어진다(그 밖의 소재여도 좋다).
캐니스터 사이의 산소농축공기류는 밸브(152) 및 밸브(154)를 사용하여 제어해도 좋다. 밸브(152, 154)는 퍼지하는 캐니스터의 과도한 산소 손실을 방지하기 위해 배기 프로세스 중 짧은 기간 동안 개방하거나 폐쇄해도 좋다. 기간을 달리하는 것도 가능하다. 예시적인 구현예에서, 캐니스터(302)를 배기하고, 캐니스터(304)에서 생성된 산소농축공기의 일부를 캐니스터(302)로 통과시킴으로써 캐니스터(302)를 퍼지하는 것이 바람직하다. 산소농축공기의 일부는 캐니스터(304)의 가압 시 캐니스터(302)의 배기 동안 흐름 제한기(151)를 통해 캐니스터(302)를 통과한다. 추가적인 산소농축공기는 캐니스터(304)로부터 밸브(154) 및 흐름 제한기(155)를 통해 캐니스터(302) 내로 전달된다. 밸브(152)는 이송 프로세스 동안 닫힌 상태를 유지할 수 있거나, 추가적인 산소농축공기가 필요한 경우 개방될 수 있다. 밸브(154)의 개방을 제어하고 적절한 흐름 제한기(151 및 155)를 선택하면 적정량의 산소농축공기를 캐니스터(304)로부터 캐니스터(302)로 보낼 수 있게 한다. 한 구현예에서, 산소농축공기의 양은 캐니스터(302)를 정화하고 캐니스터(302)의 밸브(132)를 배기함으로써 산소농축공기의 손실을 최소화하기에 충분한 양이다. 해당 구현예는 캐니스터(302)의 배기에 관해 설명하고 있지만, 흐름 제한기(151), 밸브(152) 및 흐름 제한기(153)를 사용하여 캐니스터(304)를 배기할 때도 동일한 프로세스를 적용할 수 있다.
균등화/배기 밸브(152, 154) 쌍은 흐름 제한기(153, 155)와 함께 작동하여 2개의 캐니스터(302, 304) 사이의 공기류 균형을 최적화한다. 이는 다른 캐니스터에서 온 산소농축공기로 캐니스터(302 및 304) 중 하나를 퍼지하기 위한 유량 제어를 최적할 수 있다. 또한 2개의 캐니스터(302, 304) 사이에서의 유동 방향을 조정하는 것도 가능하다. 흐름 밸브(152, 154)는 양방향 밸브로 작동될 수 있지만, 해당 밸브를 통한 유량은 밸브를 통해 흐르는 유체의 방향에 따라 변한다. 예를 들어, 밸브(152)를 통해 캐니스터(304)로부터 캐니스터(302)를 향해 흐르는 산소농축공기는 밸브(152)를 통해 캐니스터(302)로부터 캐니스터(304)를 향해 흐르는 산소농축공기보다 유량이 더 많다.
단일 밸브를 사용하는 경우 산소농축공기가 너무 많거나 너무 적으면 캐니스터 사이에 보내지고 캐니스터는 시간이 지남에 따라 다른 양의 산소농축공기를 생성하기 시작한다. 평행한 공기 경로에서 대향 밸브 및 흐름 제한기를 사용하면 두 캐니스터 사이의 산소가 풍부한 공기의 흐름 패턴을 균등화할 수 있다. 흐름을 균등화하면 사용자가 여러 주기에 걸쳐 일정한 양의 산소농축공기를 사용할 수 있고 예측 가능한 양의 산소농축공기로 다른 캐니스터를 퍼지할 수 있습니다. 일부 구현예에서, 공기 경로에 제한기를 설치하지 않는 대신 저항 내장 밸브를 설치하거나, 공기 경로 자체로 저항을 생성하도록 반경을 좁혀도 좋다.
때때로, 산소농축기(100)는 일정 시간 동안 정지한다. 산소농축기가 정지하면 압축 시스템의 단열 열 손실로 인해 캐니스터 내부의 온도가 떨어질 수 있다. 온도가 떨어지면 캐니스터 내부에서 기체가 차지하는 체적이 낮아진다. 캐니스터(302, 304)의 냉각은 캐니스터(302, 304)의 음압을 야기할 수 있다. 캐니스터(302, 304)로 연결되는 밸브(예를 들어, 밸브(122, 124, 132, 134))를 기밀하게 밀폐하는 대신에 동적으로 밀폐하는 것이다. 따라서, 압력 차이를 조정하기 위해 정지 후에 외부 공기가 캐니스터(302 및 304)에 들어갈 수 있다. 외기가 캐니스터(302, 304) 내부로 유입되면 가스 분리 흡착제가 외기의 수분을 흡착하기도 한다. 캐니스터(302, 304) 내부에서 수분을 흡착하면 가스 분리 흡착제의 점진적 열화를 야기할 수 있고, 산소농축공기를 생성하는 가스 분리 흡착제의 능력을 꾸준히 감소시킨다.
한 구현예에서, 산소농축기(100)가 정지 전에 캐니스터(302, 304) 모두를 가압함으로써 정지된 후에 외부 공기가 캐니스터(302, 304)로 유입되는 것을 금지한다. 캐니스터(302, 304)를 양압 하에 저장함으로써, 밸브는 캐니스터(302, 304) 내의 공기의 내부 압력에 의해 기밀 위치로 강제로 작동하게 된다. 한 구현예에서, 정지 시 캐니스터(302 및 304)의 압력은 적어도 대기압보다 커야 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "대기압"은 산소농축기(100)가 위치하는 주변의 압력(예: 방 내부, 외부, 평면 내 압력 등)을 의미한다. 한 구현에예서, 캐니스터(302 및 304)의 압력은 정지 시 적어도 표준 대기압보다 크다(즉, 760mmHg(Torr), 1atm, 101,325Pa 초과). 한 구현예에서, 캐니스터(302 및 304)의 압력은 정지 시 대기압보다 적어도 약 1.1배 더 크고, 대기압보다 약 1.5배 이상 높으며, 또는 대기압보다 약 2배 이상 크다.
한 구현예에서, 가압 공기를 압축 시스템으로부터 각 캐니스터(302, 304)로 유도하고 모든 밸브를 폐쇄하여 가압 공기를 캐니스터에 가두는 것으로 캐니스터(302, 304)를 가압할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 정지 시퀀스가 개시될 때, 입구 밸브(122 및 124)는 개방되고 출구 밸브(132 및 134)는 폐쇄된다. 입구 밸브(122 및 124)가 공통 도관에 의해 함께 결합되기 때문에, 캐니스터(302 및 304) 모두는 하나의 캐니스터로부터의 공기 및/또는 산소농축공기가 다른 캐니스터로 전달될 수 있으므로 가압될 수 있다. 이는 압축 시스템과 두 입구 밸브 사이의 경로가 이와 같은 전달을 허용할 때 발생할 수 있는 상황이다. 산소농축기(100)가 교대 가압/배기 모드로 작동하기 때문에, 캐니스터(302, 304) 중 적어도 하나는 임의의 시간 동안 가압 상태에 있어야 한다. 다른 구현예에서, 압력은 압축 시스템(200)의 작동에 의해 각각의 캐니스터(302, 304)에서 상승한다. 입구 밸브(122 및 124)가 개방될 때 캐니스터(302 및 304) 사이의 압력은 균등화되지만, 캐니스터 하나에서의 균등화 압력은 정지 시에 공기가 캐니스터로 들어가는 것을 억제하기에 충분하지 않을 수 있다. 공기가 캐니스터로 유입되는 것을 확실히 방지하기 위해, 압축 시스템(200)은 양쪽 캐니스터 내부의 압력을 적어도 대기압보다 높은 수준으로 증가시키기에 충분한 시간 동안 작동될 수 있다. 캐니스터의 가압 방법에 관계없이 일단 캐니스터가 가압되면 입구 밸브(122 및 124)가 닫히고 가압된 공기를 캐니스터 내부에 가두어 정지 기간 동안 공기가 캐니스터로 유입되는 것을 방지한다.
도 1c는 산소농축기(100)의 구현예를 도시한다. 해당 실시예에서, 산소농축기(100)는 압축 시스템(200), 캐니스터 시스템(300) 및 외부 하우징(170) 내에 배치된 전원 공급 장치(180)를 포함한다. 입구(101)는 외부 하우징(170)에 위치하여 환경으로부터의 공기가 산소농축기(100)에 들어갈 수 있도록 한다. 입구(101)는 컴파트먼트 내 구성요소의 냉각을 돕기 위해 공기가 구획 내로 흐르게 할 수 있다. 전원 공급 장치(180)는 산소농축기(100)에 전원을 제공한다. 압축 시스템(200)은 입구(105)와 머플러(108)를 통해 공기를 끌어들인다. 머플러(108)는 압축 시스템이 흡인하는 공기의 소음을 감소시킬 수 있고 또한 유입되는 공기로부터 수분, 즉 물을 제거하기 위한 건조제를 포함할 수 있다. 산소농축기(100)는 출구(173)를 통해 산소농축기로부터 공기 및 다른 가스를 배출하는 팬(172)을 추가로 포함해도 좋다. 일부 구현예에서, 압축 시스템(200)은 하나 이상의 압축기를 포함한다. 다른 구현예에서, 압축 시스템(200)은 캐니스터 시스템(300)의 모든 캐니스터에 연결된 단일 압축기를 포함한다. 도 1d 및 1E에는, 압축기(210) 및 모터(220)를 포함하는 압축 시스템(200)이 도시되어 있다. 모터(220)는 압축기(210)에 결합되어 압축기(210)에 작동력을 제공하여 압축기구를 작동시킨다. 예를 들어, 모터(220)는 공기를 압축하는 압축기(210)의 구성요소의 주기적 운동을 야기하는 회전 구성요소를 제공하는 모터일 수 있다. 압축기(210)가 피스톤식 압축기인 경우 모터(220)는 압축기(210)의 피스톤을 왕복운동시키는 작동력을 제공한다. 피스톤의 왕복 운동은 압축기(210)에 의해 압축 공기가 생성되게 한다. 압축 공기의 압력은 부분적으로 압축기가 작동하는 속도(예: 피스톤이 왕복하는 속도)에 따라 추정한다. 따라서 모터(220)는 압축기(210)에 의해 생성된 공기의 압력을 동적으로 제어하기 위해 다양한 속도로 작동 가능한 가변 속도 모터일 수 있다.
한 구현예에서, 압축기(210)는 피스톤을 가지는 단일 헤드 워블형 압축기를 포함한다. 다이어프램 압축기 및 다른 유형의 피스톤 압축기와 같은 다른 유형의 압축기가 쓰일 수 있다. 모터(220)는 DC 또는 AC 모터일 수 있으며 압축기(210)의 압축 부품에 작동 동력을 제공한다. 모터(220)는 브러시리스 DC 모터여도 좋다. 모터(220)는 압축기(210)의 압축 구성요소를 가변 속도로 작동시키도록 구성된 가변 속도 모터일 수 있다. 모터(220)는 도 1b에 도시된 바와 같이 모터에 작동 신호를 보내 모터의 작동을 제어하는 컨트롤러(400)에 결합해도 좋다. 예를 들어, 컨트롤러(400)는 모터를 켜고, 모터를 끄고, 모터의 작동 속도를 설정하기 위해 모터(220)에 신호를 보낼 수 있다. 따라서, 도 1b에 도시된 바와 같이 압축 시스템(200)은 속도 센서(201)를 포함할 수 있다. 속도 센서(201)는 모터(220)의 회전 속도 및/또는 압축 시스템(200)의 다른 왕복 작동 주파수를 결정하는 데 사용되는 모터 속도 변환기여도 좋다. 예를 들어, 모터 속도 변환기로부터의 모터 속도 신호를 컨트롤러(400)에 제공한다. 속도 센서 또는 모터 속도 변환기는 예를 들어 홀 효과 센서일 수 있다. 컨트롤러(400)는 속도 신호 및/또는 압력 센서(예를 들어, 어큐뮬레이터 압력 센서(107))와 같은 산소농축기의 그 외 센서 신호에 기초하여 모터(220)를 통해 압축 시스템을 작동시켜도 좋다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(400)는 속도 센서(201)로부터의 속도 신호 및 어큐뮬레이터 압력 센서(107)로부터의 어큐뮬레이터 압력 신호와 같은 센서 신호를 수신한다. 해당 신호로, 컨트롤러는 후술하는 바와 같이 어큐뮬레이터 압력 및/또는 모터 속도와 같은 센서 신호에 기초하여 압축 시스템의 작동을 위한 하나 이상의 제어 루프(예를 들어, 피드백 제어)를 구현할 수 있다.
압축 시스템(200)은 상당한 열을 발생시킨다. 열은 모터(220)에 의한 전력 소모 및 기계적 운동으로의 변환에 의해 발생한다. 압축기(210)는 압축되는 공기에 의해 압축기 구성요소의 움직임에 대한 증가된 저항으로 인해 열을 발생시킨다. 열은 또한 압축기(210)에 의한 공기의 단열 압축으로 인해 본질적으로 발생된다. 따라서 공기의 지속적인 가압으로 인클로저가 발열한다. 또한, 전원 공급장치(180)는 전력을 압축 시스템(200)에 공급할 때 발열할 수 있다. 또한, 산소농축기의 사용자는 실내보다 주변 온도가 잠재적으로 더 높은 미제어 환경(예: 실외)에서 장치를 작동할 수도 있다. 이 경우 유입 공기는 이미 가열된 상태이다.
산소농축기(100) 내부에서 생성된 열은 문제가 될 수 있다. 리튬 이온 배터리는 일반적으로 수명이 길고 무게가 가볍기 때문에 산소농축기의 전원 공급 장치로 쓰인다. 그러나, 리튬 이온 배터리 팩은 온도 상승 시 위험할 수 있으며, 위험할 정도로 전원 공급 장치 온도를 감지하면 시스템을 정지하기 위해 산소농축기(100)에 안전 제어를 적용한다. 또한, 산소농축기(100)의 내부 온도가 높아짐에 따라 농축기에서 생성되는 산소량이 감소할 수 있다. 이는 부분적으로 고온에서는 동일한 체적의 공기라 해도 산소량이 감소하기 때문이다. 생성된 산소량이 일정량 이하로 떨어지면 산소농축기(100)를 자동으로 정지시켜도 좋다.
산소농축기의 컴팩트한 특성 때문에 열 발산이 어려울 수 있다. 일반적으로는 인클로저를 통해 냉각 공기 흐름을 생성하기 위해 하나 이상의 팬을 사용하는 방법으로 해결한다. 그러나 이러한 해결책은 전원 공급 장치(180)로부터 추가 전력을 공급받아야 하므로 산소농축기(100)의 휴대 가능 사용 시간이 단축된다. 한 구현예에서, 모터(220)에 의해 생성된 기계적 동력을 이용하는 수동 냉각 시스템을 사용한다. 도 1d 및 1E에 따르면 압축 시스템(200)의 모터(220)는 외부 회전 전기자(230)를 가진다. 구체적으로, 모터(220)의 전기자(230)(예를 들어, DC 모터)는 전기자(230)를 구동하는 고정장 주위를 감싸고 있다. 모터(220)은 전체 시스템의 발열에 크게 기여하므로 모터에서 열을 발산하여 인클로저 바깥으로 내보내면 크게 도움이 된다. 모터의 외부 고속 회전에 의해 모터(220)의 주요 구성요소와 그것이 존재하는 공기의 상대 속도는 매우 높다. 전기자의 표면적은 내부에 장착된 경우보다 외부에 장착된 경우 더 크다. 열교환률은 표면적과 속도의 제곱에 비례하므로, 외부에 장착된 더 큰 표면적 전기자를 사용하면 모터(220)의 열 발산 능력이 증가한다. 전기자(230)를 외부에 장착하여 냉각 효율을 높이면 하나 이상의 냉각 팬이 필요하지 않으므로 산소농축기 내부를 적절한 온도 범위 내로 유지하면서 중량과 전력 소비율을 줄일 수 있다. 추가로, 외부에 장착된 전기자(230)의 회전은 추가적인 냉각을 생성하기 위해 모터에 근접한 공기의 움직임을 생성한다.
또한 외부 회전 전기자는 모터의 효율성을 높여 열 발생을 줄일 수 있다. 외부 전기자가 있는 모터는 플라이휠이 내연 기관에서 작동하는 방식과 유사하게 작동한다. 모터가 압축기를 구동할 때 낮은 압력에서 회전 저항이 낮다. 압축 공기의 압력이 높을수록 모터의 회전 저항이 높아진다. 결과적으로 모터는 일관된 이상적인 회전 안정성을 유지하지 못하고 대신 압축기의 압력 요구에 따라 서지가 일어나며 속도도 느려진다. 모터가 서지한 다음 속도가 느려지면 효율성이 떨어지고 따라서 발열하게 된다. 외부 전기자를 사용하면 모터에 더 큰 각운동량이 추가되어 모터가 경험하는 가변 저항을 보상하는 데 도움이 된다. 모터가 열심히 작동할 필요가 없기 때문에 모터에서 발생하는 열이 줄어들 수 있다.
한 구현예에서, 외부 회전 전기자(230)에 공기 전달 장치(240)를 결합함으로써 냉각 효율을 더욱 높일 수 있다. 한 구현예에서, 공기 전달 장치(240)는 외부 전기자(230)의 회전으로 인해 공기 전달 장치(240)가 모터의 적어도 일부를 통과하는 기류를 생성하도록 외부 전기자(230)에 결합된다. 한 구현예에서, 공기 전달 장치(240)는 외부 전기자(230)에 결합된 하나 이상의 팬 블레이드를 포함한다. 한 구현예에서, 공기 전달 장치(240)가 외부 회전 전기자(230)의 움직임에 의해 회전하는 임펠러 역할을 하도록 복수의 팬 블레이드가 환형 링에 배열될 수 있다. 도 1d 및 1E에 도시된 바와 같이, 공기 전달 장치(240)는 외부 전기자(230)의 외면에 모터(220)와 정렬되어 장착될 수 있다. 전기자(230)에 공기 전달 장치(240)를 장착함으로써 공기의 흐름이 외부 회전 전기자(230)의 주요 부분으로 향하게 하여 사용 시 냉각 효과를 제공한다. 한 구현예에서, 공기 전달 장치(240)는 대부분의 외부 회전 전기자(230)가 공기 흐름 경로에 있도록 공기 흐름을 안내한다.
또한, 도 1d 및 1E에 따르면, 압축기(210)에 의해 가압된 공기는 압축기 출구(212)에서 압축기(210)를 나간다. 압축 공기를 캐니스터 시스템(300)으로 전달하기 위해 압축기 출구 도관(250)이 압축기 출구(212)에 결합된다. 앞서 언급한 바와 같이 공기가 압축되면 공기 온도가 상승한다. 이러한 온도 증가는 산소농축기의 효율에 해로울 수 있다. 가압된 공기의 온도를 낮추기 위해 압축기 출구 도관(250)을 공기 전달 장치(240)에 의해 생성된 공기 흐름 경로에 배치한다. 압축기 출구 도관(250)의 적어도 일부는 모터(220)에 근접하게 위치할 수 있다. 따라서, 공기 전달 장치에 의해 생성된 공기 흐름은 모터(220) 및 압축기 출구 도관(250) 모두와 접촉한다. 한 구현예에서, 압축기 출구 도관(250)의 대부분은 모터(220)에 근접하게 위치한다. 한 구현예에서, 압축기 출구 도관(250)은 도 1e에 도시된 바와 같이 모터(220) 둘레에 감긴다. 한 구현예에서, 압축기 출구 도관(250)은 열 교환 금속으로 구성된다. 열 교환 금속은 알루미늄, 탄소강, 스테인리스강, 티타늄, 구리, 구리-니켈 합금 또는 이들 금속의 조합으로 형성된 기타 합금을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 따라서, 압축기 출구 도관(250)은 공기의 압축에 의해 본질적으로 야기되는 열을 제거하기 위한 열 교환기로서 작용할 수 있다. 압축 공기에서 열을 제거함으로써 임의의 압력과 체적에서 분자 수가 증가한다. 그 결과, 각각의 PSA 사이클 동안 각각의 캐니스터에 의해 생성 가능한 산소농축공기의 양이 증가한다.
여기에서 설명하는 방열 메커니즘은 수동적이거나 산소농축기(100)에 필요한 요소를 사용한다. 따라서 추가 전력이 필요한 시스템을 사용하지 않고도 열 발산을 증가시킬 수 있다. 추가 전원을 필요로 하지 않음으로써 배터리 팩의 실행 시간을 늘릴 수 있고 산소농축기의 크기와 무게를 최소화할 수 있다. 마찬가지로 추가 박스 팬이나 냉각 장치를 사용하지 않아도 된다. 이러한 추가 기능을 제거하면 산소농축기의 중량과 전력 소비율이 줄어든다.
위에서 논의한 바와 같이 공기의 단열 압축은 공기 온도를 증가시킨다. 캐니스터 시스템(300)에서 캐니스터의 배출 동안, 캐니스터로부터 배출되는 배기 가스의 압력이 감소한다. 캐니스터에 있는 가스의 단열 감압으로 인해 가스가 배출될 때 온도가 떨어진다. 한 구현예에서, 캐니스터 시스템(300)에서 배출한 냉각 배기 가스(327)는 전원 공급 장치(180) 및 압축 시스템(200)을 향한다. 한 구현예에서, 캐니스터 시스템(300)의 기부(315)는 캐니스터로부터 배기 가스(327)를 수용한다. 배기 가스(327)는 기부(315)를 통해 기부의 출구(325)로 향하고 전원 공급 장치(180)를 향한다. 언급한 바와 같이 배기 가스는 가스의 감압으로 인해 냉각되므로 수동적으로 전원 공급 장치에 냉각을 제공한다. 압축 시스템이 작동할 때, 공기 전달 장치는 냉각된 배기 가스를 모으고 배기 가스(327)를 압축 시스템(200)의 모터(220) 쪽으로 향하게 한다. 팬(172)은 또한 압축 시스템(200)을 가로질러 하우징(170) 밖으로 배기 가스(327)를 보내는 것을 도울 수 있다. 이러한 방식으로 배터리의 추가 전력 요구 사항 없이 추가적인 냉각이 가능하다.
산소농축기(100)는 적어도 2개의 캐니스터를 포함할 수 있으며, 각각의 캐니스터는 가스 분리 흡착제를 포함한다. 산소농축기(100)의 캐니스터는 성형 하우징으로 형성될 수 있다. 구현에서, 종래 기술의 캐니스터 시스템(300)(체층이라고도 함)은 도 1i에 도시된 바와 같이 2개의 하우징 구성요소(310 및 510)를 포함한다. 각종 구현예에서, 산소농축기(100)의 하우징 구성요소(310 및 510)는 2개의 캐니스터(302 및 304) 및 어큐뮬레이터(106)를 정의하는 2부분 성형 플라스틱 프레임을 형성할 수 있다.
하우징 구성요소(310, 510)는 별도로 형성되어 결합해도 좋다. 일부 구현예에서, 하우징 구성요소(310 및 510)는 사출 성형 또는 압축 성형한다. 하우징 구성요소(310, 510)는 폴리카보네이트, 메틸렌 카바이드, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 폴리염화비닐과 같은 열가소성 폴리머로 만들어질 수 있다. 다른 구현예에서, 하우징 구성요소(310, 510)는 열경화성 플라스틱 또는 금속(스테인리스 스틸 또는 경량 알루미늄 합금과 같은)으로 제조해도 좋다. 산소농축기(100)의 중량을 줄이기 위해 경량 소재를 사용하기도 한다. 일부 구현예에서, 2개의 하우징 구성요소(310, 510)를 나사 또는 볼트를 사용하여 함께 체결한다. 또는, 하우징 구성요소(310 및 510)를 함께 솔벤트 용접해도 좋다.
도시된 바와 같이, 산소농축기(100)의 공기 흐름 전체에 걸쳐 필요한 밀봉 커넥터의 수를 줄이기 위해 밸브 시트(322, 324, 332 및 334) 및 도관(330 및 346)을 하우징 구성요소(310)에 통합해도 좋다.
하우징 구성요소(310, 510)의 서로 다른 섹션 사이의 공기 경로/튜브는 성형된 도관의 형태를 취할 수 있다. 공기 경로를 위한 성형된 채널 형태의 도관은 하우징 구성요소(310 및 510)에서 다수의 평면을 점유할 수 있다. 예를 들어, 성형 공기 도관을 하우징 구성요소(310 및 510)에서 상이한 깊이와 상이한 위치에 형성해도 좋다. 일부 구현예에서, 도관의 대부분 또는 실질적으로 전부를 잠재적인 누출 지점을 감소시키기 위해 하우징 구성요소(310, 510)에 통합하기도 한다.
일부 구현예에서, 하우징 구성요소(310, 510)를 함께 결합하기 전에, 하우징 구성요소가 적절하게 밀봉되도록 하우징 구성요소(310, 510)의 여러 지점 사이에 O링을 배치해도 좋다. 일부 구현예에서, 구성요소는 하우징 구성요소(310 및 510)에 개별적으로 통합하거나 결합해도 좋다. 예를 들어, 튜브, 흐름 제한기(예를 들어, 압입 흐름 제한기), 산소 센서, 가스 분리 흡착제, 체크 밸브, 플러그, 프로세서, 전원 공급 장치 등을 하우징 구성요소를 결합하기 전, 혹은 결합한 후에 하우징 구성요소(310 및 510)에 결합해도 좋다.
일부 구현예에서, 하우징 구성요소(310 및 510)의 외부로 이어지는 개구(337)는 흐름 제한기와 같은 장치를 삽입하는 데 사용될 수 있다. 개구는 성형성을 높이기 위해 사용될 수도 있다. 개구 중 하나 이상을 몰딩 후에 막기도 한다(예: 플라스틱 플러그 사용). 일부 구현예에서, 흐름 제한기는 통로를 밀봉하기 위해 플러그를 삽입하기 전에 통로에 삽입될 수 있다. 압입 흐름 제한기는 압입 흐름 제한기와 각각의 개구 사이에 마찰 끼워맞춤을 허용할 수 있는 직경을 가지기도 한다. 일부 구현예에서, 삽입한 후에 압입 흐름 제한기를 제 위치에 유지하기 위해 압입 흐름 제한기의 외부에 접착제를 추가해도 좋다. 일부 구현예에서, 플러그는 각각의 튜브에 마찰 끼워맞춤으로 끼워진다(또는 외부 표면에 접착제가 도포될 수 있음). 압입 흐름 제한기 및/또는 다른 구성요소를 좁은 팁 도구 또는 막대(예를 들어, 각 개구의 직경보다 작은 직경을 가짐)를 사용하여 각각의 개구에 삽입하고 압축할 수 있습니다. 일부 구현예에서, 압입 흐름 제한기는 튜브의 특징요소와 접촉하여 삽입이 정지할 때까지 각 튜브에 삽입된다. 예를 들어, 특징요소는 반경 감소를 포함할 수 있습니다. 그 밖의 특징요소도 적용 가능하다(예: 튜브 측면의 범프, 나사산 등). 일부 구현예에서, 압입 흐름 제한기는 하우징 구성요소(예를 들어, 좁은 튜브 구획의 형태로) 내부에 성형될 수 있다.
일부 구현예에서, 스프링 배플(139)은 배플(139)의 스프링 측면이 캐니스터의 출구를 향하도록 하우징 구성요소(310 및 510)의 각각의 캐니스터 수용 부분에 배치될 수 있다. 스프링 배플(139)은 캐니스터 내의 가스 분리 흡착제에 힘을 가하는 동시에 가스 분리 흡착제가 출구 개구로 들어가는 것을 방지하는 것을 도울 수 있다. 스프링 배플(139)의 사용은 가스 분리 흡착제를 콤팩트하게 유지하면서 또한 팽창(예를 들어, 열팽창)을 허용할 수 있다. 가스 분리 흡착제를 콤팩트하게 유지함으로써 산소농축기(100)의 이동 중에 가스 분리 흡착제가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
일부 구현예에서, 필터(129)는 각 캐니스터의 입구와 대면하는 하우징 구성요소(310 및 510)의 각 캐니스터 수용 부분에 배치될 수 있다. 필터(129)는 캐니스터에 들어가는 공급 공기류로부터 입자를 제거한다.
일부 구현예에서, 압축 시스템(200)으로부터의 가압된 공기는 공기 입구(306)로 들어갈 수 있다. 공기 입구(306)는 입구 도관(330)에 결합된다. 공기는 입구(306)를 통해 하우징 구성요소(310)로 들어가고, 입구 도관(330)을 통해 이동한 다음 밸브 시트(322, 324)로 이동한다. 도 IJ 및 1K는 하우징(310)의 단부도를 도시한다. 도 1j는 밸브를 하우징 구성요소(310)에 맞추기 전의 하우징(310)의 단부도를 도시한다. 도 1k는 하우징 구성요소(310)에 밸브가 끼워진 하우징 구성요소(310)의 단부도를 도시한다. 밸브 시트(322, 324)는 입구 밸브(122, 124)를 각각 수용하도록 구성된다. 입구 밸브(122)는 캐니스터(302)에 결합되고 입구 밸브(124)는 캐니스터(304)에 결합된다. 하우징 구성요소(310)는 또한 출구 밸브(132, 134)를 각각 수용하도록 구성된 밸브 시트(332, 334)를 포함한다. 출구 밸브(132)는 캐니스터(302)에 결합되고 출구 밸브(134)는 캐니스터(304)에 결합된다. 입구 밸브(122 및 124)는 입구 도관(330)으로부터 각 캐니스터로의 공기의 통로를 제어하는 데 사용된다.
한 구현예에서, 압축 공기는 캐니스터(302 또는 304) 중 하나로 보내지고 다른 캐니스터는 배기된다. 밸브 시트(322)는 하우징 구성요소(310)를 통해 캐니스터(302)로 통과하는 개구(323)를 포함한다. 마찬가지로, 밸브 시트(324)는 하우징 구성요소(310)를 통해 캐니스터(304)로 통과하는 개구(375)를 포함한다. 입구 도관(330)으로부터의 공기는 각각의 밸브(122 및 124)가 개방되면 개구(323 또는 375)를 통과하고 각각의 캐니스터(302 및 304)로 들어간다.
체크 밸브(142 및 144)(도 1i 참조)는 각각 캐니스터(302 및 304)에 결합된다. 체크 밸브(142, 144)는 캐니스터가 가압되고 배출될 때 발생하는 차압에 의해 수동적으로 작동되는 일방향 밸브이다. 캐니스터(302 및 304)에서 생성된 산소농축공기는 캐니스터로부터 하우징 구성요소(510)의 개구(542 및 544)로 통과한다. 통로(미도시)는 개구(542, 544)를 도관(342, 344)에 각각 연결한다. 캐니스터(302)에서 생성된 산소농축공기는 캐니스터(302)의 압력이 체크 밸브(142)를 열기에 충분할 때 캐니스터(302)로부터 개구(542)를 통해 도관(342)으로 통과한다. 체크 밸브(142)가 개방되면, 산소가 풍부한 공기는 도관(342)을 통해 하우징 구성요소(310)의 단부를 향하여 흐른다. 유사하게, 캐니스터(304)에서 생성된 산소농축공기는 캐니스터(304)의 압력이 체크 밸브(144)를 열기에 충분할 때 캐니스터(304)로부터 개구(544)를 통해 도관(344)으로 통과한다. 체크 밸브(144)가 개방되면, 산소농축공기는 도관(344)을 통해 하우징 구성요소(310)의 단부를 향하여 흐른다.
캐니스터(302 또는 304)로부터의 산소농축공기는 도관(342 또는 344)을 통해 이동하고 하우징 구성요소(310)에 형성된 도관(346)으로 들어간다. 도관(346)은 도관을 도관(342), 도관(344) 및 어큐뮬레이터(106)에 연결하는 개구를 포함한다. 따라서, 캐니스터(302 또는 304)에서 생성된 산소가 풍부한 공기는 도관(346)으로 이동하여 어큐뮬레이터(106)로 전달된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 어큐뮬레이터(106) 내의 가스 압력은 어큐뮬레이터 압력 센서(107)와 같은 센서에 의해 측정될 수 있다(또한 도 1f 참조). 따라서, 어큐뮬레이터 압력 센서(107)는 축적된 산소농축공기의 압력을 나타내는 신호를 생성한다. 적합한 압력 변환기의 예는 HONEYWELL ASDX 시리즈의 센서이다. 대안으로 적합한 압력 변환기는 GENERAL ELECTRIC의 NPA 시리즈 센서이다. 일부 버전에서, 압력 센서(107)는 어큐뮬레이터(106)와 산소농축공기의 방출을 제어하여 볼루스로 사용자에게 전달하는 밸브(예를 들어, 공급 밸브(160)) 사이의 출력 경로에서와 같이 어큐뮬레이터(106) 외부의 가스 압력을 측정할 수 있다.
캐니스터(302)는 입구 밸브(122)를 닫고 출구 밸브(132)를 열어 배기한다. 출구 밸브(132)는 배기 가스를 캐니스터(302)로부터 하우징 구성요소(310)의 단부에 의해 한정된 체적으로 방출한다. 폼 재료는 캐니스터로부터의 가스 방출에 의해 생성되는 소리를 감소시키기 위해 하우징 구성요소(310)의 단부를 덮을 수 있다. 유사하게, 캐니스터(304)는 입구 밸브(124)를 닫고 밸브(134)의 출구를 개방함으로써 배출된다. 출구 밸브(134)는 배기 가스를 캐니스터(304)로부터 하우징 구성요소(310)의 단부에 의해 한정된 체적으로 방출한다.
캐니스터(302, 304) 사이에 산소가 풍부한 공기를 전달하는 데 사용하기 위해 3개의 도관이 하우징 구성요소(510)에 형성된다. 도 1l에 도시된 바와 같이 도관(530)은 캐니스터(302)를 캐니스터(304)에 연결한다. 흐름 제한기(151)(미도시)는 사용 중에 산소농축공기류를 제한하기 위해 캐니스터(302)와 캐니스터(304) 사이의 도관(530)에 배치된다. 도관(532)은 또한 캐니스터(302)를 캐니스터(304)에 연결한다. 도관(532)은 도 1m에 도시된 바와 같이 밸브(152)를 수용하는 밸브 시트(552)에 결합된다. 흐름 제한기(153)(미도시)는 캐니스터(302)와 캐니스터(304) 사이의 도관(532)에 배치된다. 도관(534)은 또한 캐니스터(302)를 캐니스터(304)에 연결한다. 도관(534)은 도 1m에 도시된 바와 같이 밸브(154)를 수용하는 밸브 시트(554)에 결합된다. 흐름 제한기(155)(미도시)는 캐니스터(302)와 캐니스터(304) 사이의 도관(534)에 배치된다. 균등화/배기 밸브(152/154) 쌍은 흐름 제한기(153, 155)와 함께 작동하여 2개의 캐니스터(302, 304) 사이의 공기 흐름 균형을 최적화한다.
어큐뮬레이터(106) 내의 산소농축공기는 공급 밸브(160)를 통해 하우징 구성요소(510)에 형성된 확장 챔버(162)로 통과한다. 하우징 구성요소(510)의 개구(미도시)는 어큐뮬레이터(106)를 공급 밸브(160)에 연결한다. 한 구현예에서, 확장 챔버(162)는 챔버를 통과하는 가스의 산소 농도를 추정하도록 구성된 하나 이상의 장치를 포함할 수 있다.
하나 이상의 캐니스터에 결합된 출구 시스템은 사용자에게 산소농축공기를 제공하기 위한 하나 이상의 도관을 포함한다. 한 구현예에서, 캐니스터(302 및 304) 중 어느 하나에서 생성된 산소농축공기는 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이 각각 체크 밸브(142 및 144)를 통해 어큐뮬레이터(106)에 수집된다. 캐니스터(302, 304)를 떠나는 산소농축공기는 사용자에게 제공되기 전에 산소 어큐뮬레이터(106)에 수집될 수 있다. 일부 구현예에서, 산소농축공기를 사용자에게 제공하기 위해 도관이 어큐뮬레이터(106)에 결합될 수 있다. 산소농축공기는 산소농축공기를 사용자의 입 및/또는 코로 전달하는 기도 전달 장치(예: 환자 인터페이스)를 통해 사용자에게 제공될 수 있다. 한 구현예에서, 전달 장치는 사용자의 코에 직접 연결되지 않을 수 있는 사용자의 코 및/또는 입을 향해 산소를 보내는 튜브를 포함할 수 있다.
도 1f에는 산소농축기용 출구 시스템 구현의 개략도가 도시되어 있다. 공급 밸브(160)는 어큐뮬레이터(106)로부터 사용자에게 산소농축공기의 방출을 제어하기 위해 도관에 결합될 수 있다. 한 구현예에서, 공급 밸브(160)는 전자기적으로 작동되는 플런저 밸브이다. 공급 밸브(160)는 컨트롤러(400)에 의해 작동되어 사용자에게 산소농축공기의 전달을 제어한다. 공급 밸브(160)의 작동은 압력 스윙 흡착 프로세스에 맞춰지거나 동기화되지 않는다. 그 대신 아래 설명된 대로 작동이 사용자의 호흡과 동기화된다. 일부 구현예에서, 공급 밸브(160)는 산소농축공기를 제공하기 위한 임상적으로 효과적인 진폭 프로파일을 확립하기 위해 연속값에 따라 작동할 수 있다.
어큐뮬레이터(106) 내의 산소농축공기는 도 1f에 도시된 바와 같이 공급 밸브(160)를 통해 팽창 챔버(162)로 통과한다. 한 구현예에서, 확장 챔버(162)는 확장 챔버(162)를 통과하는 가스의 산소 농도를 추정하도록 구성된 하나 이상의 장치를 포함할 수 있다. 확장 챔버(162) 내의 산소가 풍부한 공기는 공급 밸브(160)에 의해 어큐뮬레이터(106)로부터의 가스 방출을 통해 간단히 축적된 다음, 작은 오리피스 흐름 제한기(175)를 통해 유량 센서(185)로 그리고 나서 미립자 필터(187)로 배출된다. 흐름 제한기(175)는 0.025D의 흐름 제한기일 수 있다. 다른 유형 및 크기의 흐름 제한기를 사용해도 좋다. 일부 구현예에서, 하우징의 공기 경로의 직경은 제한된 가스 흐름을 생성하도록 제한될 수 있다. 유량 센서(185)는 도관을 통해 흐르는 가스의 속도를 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 임의의 센서일 수 있다. 미립자 필터(187)는 산소가 풍부한 공기를 사용자에게 전달하기 전에 박테리아, 먼지, 과립 입자 등을 필터링하는 데 사용될 수 있다. 산소농축공기는 필터(187)를 통과하여, 산소농축공기를 전달 도관(192)을 통해 사용자에게, 또한 압력 센서(194)로 보내는 커넥터(190)로 이동한다.
출구 경로의 유체 역학은 공급 밸브(160)의 프로그래밍 작동과 결합되어 과도한 낭비 없이 사용자의 폐로의 신속한 전달을 보장하는 진폭 프로파일과 정확한 시간에 제공되는 대량의 산소를 성립시킨다.
확장 챔버(162)는 챔버를 통과하는 기체의 산소 농도를 결정하도록 구성된 하나 이상의 산소 센서를 포함할 수 있다. 한 구현예에서, 확장 챔버(162)를 통과하는 기체의 산소 농도는 산소 센서(165)를 사용하여 추정된다. 산소 센서는 기체의 산소 농도를 측정하도록 구성된 장치이다. 산소 센서의 예는 초음파 산소 센서, 전기 산소 센서, 화학적 산소 센서 및 광학 산소 센서를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 한 구현예에서, 산소 센서(165)는 초음파 방출기(166) 및 초음파 수신기(168)를 포함하는 초음파 산소 센서이다. 일부 구현예에서, 초음파 방출기(166)는 다수의 초음파 방출기를 포함할 수 있고 초음파 수신기(168)는 다수의 초음파 수신기를 포함할 수 있다. 다수의 방출기/수신기를 포함하는 구현예의 경우, 다수의 초음파 방출기 및 수신기는 축 방향으로 정렬될 수 있다(예를 들어, 축 정렬에 수직일 수 있는 기체류 경로를 가로질러 배치한다).
사용 시, 방출기(166)로부터의 초음파 음파는 챔버(162)에 배치된 산소농축공기를 통해 수신기(168)로 지향될 수 있다. 초음파 산소 센서(165)는 산소농축공기의 조성을 결정하기 위해 산소농축공기를 통한 음속을 검출하도록 구성될 수 있다. 소리의 속도는 질소와 산소에서 다르고 두 기체의 혼합물에서 혼합물을 통과하는 소리의 속도는 혼합물 내 각 기체의 상대적인 양에 비례하는 중간 값일 수 있다. 사용 시, 수신기(168)에서의 소리는 방출기(166)로부터 전송된 소리와 약간 위상이 다르다. 이 위상 변이는 와이어를 통한 전자 펄스의 상대적으로 빠른 속도와 비교할 때 기체 매질을 통한 음속의 상대적으로 느린 속도로 인해 발생한다. 위상 변이는 방출기(166)와 수신기(168) 사이의 거리에 비례하고 확장 챔버(162)를 통과하는 소리의 속도에 반비례한다. 챔버(162) 내 기체의 밀도는 확장 챔버(162)를 통과하는 소리의 속도에 영향을 미치고 밀도는 확장 챔버(162) 내의 산소 대 질소의 비율에 비례한다. 따라서 위상 변이는 확장 챔버(162)의 산소 농도를 측정하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 방식으로, 어큐뮬레이터(106) 내의 산소의 상대 농도는 어큐뮬레이터(106)를 통해 이동하는 검출된 음파의 하나 이상의 특성의 함수로서 추정될 수 있다.
일부 구현예에서, 다수의 방출기(166) 및 수신기(168)가 사용될 수 있다. 방출기(166) 및 수신기(168)로부터의 판독값은 난류 시스템에 내재할 수 있는 오류를 줄이기 위해 평균화될 수 있다. 일부 구현예에서, 통과 시간을 측정하고 측정된 통과 시간을 다른 기체 및/또는 기체 혼합물에 대하여 사전에 정의한 통과 시간과 비교하여 다른 기체의 존재를 검출할 수도 있다.
초음파 산소 센서 시스템의 감도는 예를 들어 방출기(166)와 수신기(168) 사이에 여러 음파 사이클이 발생하도록 방출기(166)와 수신기(168) 사이의 거리를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 일부 구현예에서, 적어도 2개의 소리 사이클이 존재한다면, 변환기의 구조적 변화의 영향은 두 시점에서 고정된 기준에 대한 위상 편이를 측정함으로써 감소될 수 있다. 후기 위상 변이에서 초기 위상 변이를 빼면, 확장 챔버(162)의 열팽창에 의한 변이를 감소되거나 제거될 수 있다. 방출기(166)와 수신기(168) 사이의 거리 변화에 따른 변이는 측정 구간에서 거의 동일할 수 있지만, 산소 농도 변화에 따른 변화는 누적될 수 있다. 일부 구현예에서, 후기 위상 변이를 중간 사이클의 수에 곱하 후 인접 사이클 2개 사이의 변이와 비교하기도 한다. 확장 챔버 내의 산소 감지에 관한 추가 세부 사항은 예를 들어 미국특허출원 제12/163,549호(발명의 명칭: 산소농축기 장치 및 방법, 공개일: 2009년 3월 12일, 공개특허번호: 제2009/0065007호)에 기재되어 있으며, 해당 출원은 본 명세서에서 원용된다.
유량 센서(185)는 출구 시스템을 통해 흐르는 기체의 유량을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 사용할 수 있는 유량 센서에는 다이어프램/벨로우즈 유량계; 회전 유량계(예: 홀 효과 유량계); 터빈 유량계; 오리피스 유량계; 및 초음파 유량계 등이 있다. 유량 센서(185)는 컨트롤러(400)에 결합될 수 있다. 출구 시스템을 통해 흐르는 기체의 속도는 사용자의 호흡량을 나타낸다. 출구 시스템을 통해 흐르는 기체 유량의 변화는 또한 사용자의 호흡률을 결정하는 데 사용될 수 있다. 컨트롤러(400)는 공급 밸브(160)의 작동을 제어하기 위해 제어 신호 또는 트리거 신호를 생성할 수 있다. 이러한 공급 밸브의 작동 제어는 유량 센서(185)에 의해 추정된 사용자의 호흡률 및/또는 호흡량에 기초해도 좋다.
일부 구현예에서, 초음파 센서(165) 및 예를 들어 유량 센서(185)는 제공되는 산소의 실제 양의 측정을 제공할 수 있다. 예를 들어, 유량 센서(185)는 제공된 가스의 양(유량에 기초함)을 측정할 수 있고, 초음파 센서(165)는 제공된 가스의 산소 농도를 제공할 수 있다. 컨트롤러(400)는 이들 2개의 측정값을 이용하여 사용자에게 제공되는 산소의 실제 양의 근사치를 판정한다.
산소농축공기는 유량 센서(185)를 통과하여 필터(187)로 이동한다. 필터(187)는 사용자에게 산소농축공기를 제공하기 전에 박테리아, 먼지, 과립 입자 등을 제거한다. 여과된 산소농축공기는 필터(187)를 통과하여 커넥터(190)로 향한다. 커넥터(190)는 필터(187)의 출구를 압력 센서(194) 및 전달 도관(192)에 연결하는 "Y" 커넥터일 수 있다. 압력 센서(194)는 도관(192)을 통해 사용자에게 전달되는 가스의 압력을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 압력 센서(194)는 감지 표면에 적용되는 양압 또는 음압의 양에 비례하는 신호를 생성하도록 구성된다. 압력 센서(194)에 의해 감지된 압력의 변화는 후술하는 바와 같이 사용자의 호흡률뿐만 아니라 흡입의 시작(촉발 순간이라고도 함)을 결정하는 데 사용될 수 있다. 컨트롤러(400)는 사용자의 호흡수 및/또는 흡입 개시에 기초하여 공급 밸브(160)의 작동을 제어할 수 있다. 한 구현예에서, 컨트롤러(400)는 유량 센서(185) 및 압력 센서(194) 중 하나 또는 둘 다에 의해 제공되는 정보에 기초하여 공급 밸브(160)의 작동을 제어할 수 있다. 컨트롤러(400)는 공급 밸브(160)가 작동되는 시간을 제어함으로써 각 볼루스의 체적를 조절할 수 있다. 컨트롤러(400)는 제공되는 산소의 실제 체적(투여량)의 측정값을 제공하기 위해 초음파 센서(165) 및 유량 센서(185)로부터 데이터를 판독함으로써 작동 시간 및 볼루스 체적를 보정할 수 있다.
산소농축공기는 전달 도관(192)을 통해 사용자에게 제공될 수 있다. 한 구현예에서, 전달 도관(192)은 실리콘 튜브일 수 있다. 전달 도관(192)은 도 1g 및 1H에 도시된 바와 같이 기도 전달 장치(196)를 사용하여 사용자에게 결합될 수 있다. 기도 전달 장치(196)는 비강 또는 구강에 산소농축공기를 제공할 수 있는 임의의 장치일 수 있다. 기도 전달 장치의 예에는 비강 마스크, 비강 필로우, 비강 프롱, 비강 캐뉼라, 마우스피스를 들 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 비강 캐뉼라형 기도 전달 장치(196)가 도 1g에 도시되어 있다. 비강 캐뉼라형 기도 전달 장치(196)는 사용자가 주변으로부터 공기를 호흡할 수 있게 하면서 산소농축공기를 사용자에게 전달할 수 있도록 사용자의 기도에 근접하게(예를 들어, 사용자의 입 및/또는 코에 근접하게) 위치한다.
다른 구현예에서, 마우스피스는 사용자에게 산소농축공기를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 도 1h에 도시된 바와 같이, 마우스피스(198)가 산소농축기(100)에 결합될 수 있다. 마우스피스(198)는 산소가 풍부한 공기를 사용자에게 제공하기 위해 사용되는 유일한 장치일 수 있거나, 기도 전달 장치(196)(예를 들어, 비강 캐뉼라)와 조합하여 사용될 수 있다. 도 1h에 도시된 바와 같이 산소농축공기는 비강 기도 전달 장치(196) 및 마우스피스(198) 모두를 통해 사용자에게 제공될 수 있다.
마우스피스(198)는 사용자의 입에 제거 가능하게 위치할 수 있다. 한 구현예에서, 마우스피스(198)는 사용자의 입에서 하나 이상의 치아에 제거가능하게 결합될 수 있다. 사용하는 동안 산소가 풍부한 공기가 마우스피스를 통해 사용자의 입으로 향한다. 마우스피스(198)는 사용자의 치아에 맞도록 성형된 나이트 가드 마우스피스여도 좋다. 또는 마우스피스가 하악 재배치 장치여도 좋다. 한 구현예에서, 마우스피스의 적어도 대부분은 사용 중에 사용자의 구강에 위치한다.
사용 중에, 마우스피스 부근에서 압력 변화가 감지될 때 산소농축공기가 마우스피스(198)로 향할 수 있다. 일 구현예에서, 마우스피스(198)는 압력 센서(194)에 결합될 수 있다. 사용자가 사용자의 입을 통해 공기를 흡입할 때, 압력 센서(194)는 마우스피스에 근접한 압력 강하를 검출할 수 있다. 산소농축기(100)의 컨트롤러(400)는 흡입 개시 시에 사용자에게 산소농축공기 볼루스의 방출을 제어할 수 있다.
일반적인 호흡 동안 흡입은 코, 입을 통해 또는 코와 입을 통해 발생할 수 있다. 또한 호흡은 다양한 요인에 따라 한 통로에서 다른 통로로 바뀔 수 있다. 예를 들어, 활동적인 행동을 하는 중에 사용자는 코로 호흡하는 것에서 입으로 호흡하는 것으로 또는 입과 코로 호흡하는 것으로 전환할 수 있다. 단일 전달 방식(비강 또는 구강)에 의존하는 시스템은 모니터링되는 경로를 통한 호흡이 중단되면 제대로 작동하지 않을 수 있다. 예를 들어, 산소농축공기를 사용자에게 제공하기 위해 비강 캐뉼라가 사용되는 경우, 흡입 센서(예를 들어, 압력 센서 또는 유량 센서)가 비강 캐뉼라에 결합되어 흡입 시작을 결정한다. 사용자가 코로 호흡을 멈추고 입으로 호흡으로 전환하면, 산소농축기(100)는 비강 캐뉼라로부터 피드백이 없기 때문에 언제 산소농축공기를 제공해야 할지 알 수 없다. 그러한 상황에서, 산소농축기(100)는 흡입 센서가 사용자에 의한 흡입을 감지할 때까지 유량을 증가시키거나 산소농축공기를 제공하는 빈도를 증가시킬 수 있다. 사용자가 호흡 방식을 자주 전환하면 산소농축공기를 제공하는 기본 모드로 인해 산소농축기(100)가 더 많이 작동하여 시스템의 휴대용 사용 시간이 제한될 수 있다.
한 구현예에서, 마우스피스(198)는 비강 캐뉼라형 기도 전달 장치(196)와 함께 사용되어 도 1h에 도시된 바와 같이 산소농축공기를 사용자에게 제공한다. 마우스피스(198) 및 비강 기도 전달 장치(196)는 흡입 센서에 결합된다. 한 구현예에서, 마우스피스(198) 및 비강 기도 전달 장치(196)는 동일한 흡입 센서에 결합된다. 대안적인 구현예에서, 마우스피스(198) 및 비강 캐뉼라형 기도 전달 장치(196)는 상이한 흡입 센서에 결합된다. 구현예에 상관없이, 흡입 센서는 입 또는 코로부터 흡입의 개시를 검출할 수 있다. 산소농축기(100)는 흡입의 개시가 검출된 근처의 전달 장치(즉, 마우스피스(198) 또는 비강 캐뉼라형 기도 전달 장치(196))에 산소농축공기를 제공하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 산소가 풍부한 공기는 흡입 개시가 전달 장치 근처에서 검출되는 경우 마우스피스(198) 및 비강 기도 전달 장치(196) 모두에 제공될 수 있다. 도 1h에 도시된 바와 같은 이중 전달 시스템의 사용은 사용자가 자고 있을 때 특히 유용할 수 있으며 의식적인 노력 없이 코 호흡과 입 호흡 사이를 전환하는 것이 가능해진다.
산소농축기(100)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 산소농축기(100)의 다양한 구성요소에 결합된 내부 컨트롤러(400)를 사용하여 자동으로 작동해도 좋다. 컨트롤러(400)는 도 1b에 도시된 바와 같이 하나 이상의 프로세서(410), 내부 메모리(420), 셀룰러 무선 모듈(CWM) 모듈(430) 및 GPS 수신기(434)를 포함해도 좋다. 산소농축기(100)를 작동하고 모니터링하는 데 사용되는 방법은 내부 메모리(420) 또는 컨트롤러(400)에 연결된 외부 메모리 매체에 저장된 프로그램 명령에 의해 구현되고 하나 이상의 프로세서(410)에 의해 실행될 수 있다. 저장매체는 다양한 형태의 기억 장치 또는 저장 장치를 포함해도 좋다. "저장매체"는 CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory), 플로피 디스크 또는 테이프 장치의 설치 매체, DRAM(Dynamic Random Access Memory), DDR RAM(Double Data Rate Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), EDO RAM(Extended Data Out Random Access Memory), Random Access Memory(RAM) 등의 컴퓨터 시스템 메모리 또는 랜덤 액세스 메모리, 자기 매체, 예를 들어 하드 드라이브 또는 광학 스토리지와 같은 비휘발성 메모리를 포함한다. 저장매체는 다른 유형의 메모리 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있습니다. 또한, 저장매체는 프로그램이 실행되는 컨트롤러(400) 근처에 위치하거나, 후술하는 바와 같이 네트워크를 통해 컨트롤러(400)에 연결되는 외부 연산장치에 위치할 수 있다. 후자의 경우, 외부 연산장치는 실행을 위해 컨트롤러(400)에 프로그램 명령을 제공할 수 있다. "저장매체"는 서로 다른 위치, 예를 들어 네트워크를 통해 연결된 연산장치에 상주하는 둘 이상의 저장매체를 포함하기도 한다.
일부 구현예에서, 컨트롤러(400)는 예를 들어 산소농축기(100)에 배치된 회로 기판에 포함된 하나 이상의 FPGA(field programmable gate array), 마이크로컨트롤러 등을 포함하는 프로세서(410)를 포함한다. 프로세서(410)는 메모리(420)에 저장된 프로그래밍 명령을 실행하도록 구성된다. 일부 구현예에서, 프로그래밍 명령은 프로세서(410) 외부의 메모리가 별도로 액세스되지 않도록(즉, 메모리(420)가 프로세서(410) 내부에 있을 수 있음) 프로세서(410)에 내장될 수 있다.
프로세서(410)는 압축 시스템(200), 시스템을 통한 유체 흐름을 제어하는 데 사용되는 하나 이상의 밸브(예: 밸브(122, 124, 132, 134, 152, 154, 160)), 산소 센서(165), 압력 센서(194), 유량 센서(185), 온도 센서(미도시), 팬(172), 모터 속도 센서(201), 그 외 전기적으로 제어될 수 있는 임의의 구성요소를 포함하되 이에 한정되지 않는 산소농축기(100)의 각종 구성요소와 연결되어도 좋다. 일부 구현예에서, 별도의 프로세서(및/또는 메모리)가 하나 이상의 구성요소에 연결되어도 좋다.
컨트롤러(400)는 산소농축기(100)를 작동하도록 구성되고(예를 들어, 프로그램 명령에 의해 프로그래밍됨) 오작동 상태에 대해 산소농축기(100)를 모니터링하도록 추가로 구성된다. 예를 들어, 한 구현예에서, 컨트롤러(400)는 시스템이 작동 중이고 미리 결정된 시간 동안 사용자에 의해 호흡이 감지되지 않는 경우 알람을 트리거하도록 프로그래밍된다. 예를 들어, 컨트롤러(400)가 75초 동안 호흡을 감지하지 못하면 알람 LED가 점등하거나 가청 알람이 울릴 수 있다. 예를 들어 수면 무호흡증이 있는 동안 사용자가 진정으로 호흡을 멈춘 경우 알람은 사용자를 깨우기에 충분하여 사용자가 호흡을 재개하도록 할 수 있다. 호흡 동작은 컨트롤러(400)가 이 알람 기능을 재설정하기에 충분할 수 있다. 혹은, 전달 도관(192)을 사용자가 제거할 때 시스템이 우발적으로 켜져 있는 경우, 알람은 사용자가 산소농축기(100)를 끄도록 상기시키는 역할을 할 수 있다.
컨트롤러(400)는 산소 센서(165)에 추가로 결합되고, 확장 챔버(162)를 통과하는 산소농축공기의 산소 농도를 연속적으로 또는 주기적으로 모니터링하도록 프로그램될 수 있다. 최소 산소 농도 임계값은 컨트롤러(400)가 낮은 산소 농도를 사용자에게 경고하기 위해 LED 시각적 알람 및/또는 가청 알람을 켜도록 컨트롤러(400)에 프로그램될 수 있다.
컨트롤러(400)는 또한 내부 전원 공급 장치(180)에 결합되고 내부 전원 공급 장치의 충전 레벨을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 최소 전압 및/또는 전류 임계값은 컨트롤러(400)에 프로그래밍되어 컨트롤러(400)가 LED 시각적 알람 및/또는 가청 알람을 켜 사용자에게 저전력 상태를 경고할 수 있다. 알람은 간헐적으로 활성화될 수 있으며 배터리가 사용 가능한 충전량이 0에 가까워지면 증가된 빈도로 활성화될 수 있다.
컨트롤러(400)는 연결형 산소요법 시스템을 구성하기 위해 하나 이상의 외부 장치에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 하나 이상의 외부 장치는 원격 외부 장치여도 좋다. 하나 이상의 외부 장치는 외부 연산장치여도 좋다. 하나 이상의 외부 장치는 또한 생리학적 데이터를 수집하기 위한 센서를 포함해도 좋다.
도 1n은 연결형 산소요법 시스템(450)의 한 구현예를 도시하며, 여기에서 컨트롤러(400)는 셀룰러 무선 모듈(CWM)(430), 또는 컨트롤러(400)가 네트워크 등을 통해 원격 연산장치(460)와 연결하는 GSM(Global System for Mobile Telephony) 또는 다른 프로토콜(예를 들어, WiFi) 등의 무선 통신 프로토콜을 사용하여 통신하도록 구성된 다른 무선 통신 모듈을 포함할 수 있다. 클라우드 기반 서버와 같은 원격 연산장치(460)(또는 원격 외부 장치(464))는 컨트롤러(400)와 데이터를 교환할 수 있다. 원격 외부 장치는 휴대용 연산장치와 같은 원격 연산장치여도 좋다. 예를 들어, 컨트롤러(400)는 블루투스와 같은 단거리 무선 통신 프로토콜을 사용하여 컨트롤러(400)가 스마트폰 등의 휴대용(모바일) 연산장치(466)와 통신할 수 있게 하도록 구성된 단거리 무선 모듈(SRWM)(440)을 또한 포함할 수 있다. 휴대용 연산장치(466)는 도 1a의 POC(100)의 사용자와 연관될 수 있다. 두 개 이상의 외부 장치가 있는 경우 각 외부 장치는 동일하거나 상이해도 좋다. 예를 들어, 두 개의 외부 장치가 있고 각각의 외부 장치가 동일한 경우, 두 개의 서버(460)가 있어도 좋다. 또는 두 개의 외부 장치가 있고 각각의 외부 장치가 다른 경우 서버(460)와 휴대용 연산장치(466)가 있어도 좋다. 서버(460)는 또한 GSM과 같은 무선 통신 프로토콜을 사용하여 휴대용 연산장치(466)와 무선 통신할 수 있다. 휴대용 연산장치(466)의 프로세서는 POC(100), 사용자 및/또는 서버(460)와 휴대용 연산장치(466)의 상호작용을 제어하기 위해 "앱"으로 알려진 애플리케이션 프로그램을 실행할 수 있다.
서버(460)는 또한 인터넷 또는 클라우드와 같은 광역 네트워크(470) 또는 이더넷과 같은 근거리 네트워크에 대한 유선 또는 무선 연결을 통해 개인용 연산장치(464)와 통신할 수 있다. 개인용 연산장치(464)의 프로세서는 개인용 연산장치(464)와 서버(460)의 상호작용을 제어하기 위해 "클라이언트" 프로그램을 실행할 수 있다. 클라이언트 프로그램의 예로는 브라우저를 들 수 있다.
컨트롤러(400)와 함께 또는 컨트롤러에 의해 구현될 수 있는 추가 기능은 본 개시에서 별도로 상세히 설명한다. 컨트롤러(400)는 POC(100)에서 본 명세서에 기술된 내부 센서로부터 생리학적 데이터를 수신할 수 있다. 혹은, 컨트롤러(400)는 독립형 센서 또는 건강 모니터링 또는 다른 장치 상의 센서일 수 있는 외부 혈중 산소화 센서(436) 및 다른 외부 센서(438)로부터 생리학적 데이터 또는 관련 데이터를 수집할 수 있다. 수집된 생리학적 데이터는 서버(460) 또는 휴대용 연산장치(466)에 의해 분석해도 좋으며, 컨트롤러(400)의 내부 레지스터에 대한 추가 제어 명령을 제공해도 좋다.
POC(100)는 작동 데이터를 수집하고 수집한 작동 데이터를 서버(460)에서 실행될 수 있는 원격 건강 데이터 분석 엔진(472)으로 전송한다.
작동 데이터의 한 예는 사용 데이터(POC가 언제, 얼마나 오래, 어떤 설정에서 사용되었는지의 여부)이다. 사용 데이터는 사용이 발생한 위치를 나타내는 지리적 위치 데이터와 상관될 수 있습니다. 지리적 위치 데이터는 POC(100)에 위치한 GPS 수신기(434) 또는 휴대용 연산장치(466)에 위치한 GPS 수신기와 같은 지리적위치 장치에서 얻을 수 있다. 그 밖의 작동 데이터는 압력 센서(194) 및 유량 센서(185)로부터의 출력 압력 및 유량 데이터를 포함한다.
POC(100)에 의해 수집 가능한 작동 데이터의 또 다른 예는 치료 세션 동안 전달된 볼루스의 총 수에 대한 "자동 펄스 전달” 볼루스의 비율이다(하기 참조). 비율이 클수록 흡입이 많이 감지되지 않는 것이며, 이는 호흡이 더 얕고 더 불규칙함을 의미한다.
건강 데이터 분석 엔진(472)은 POC(100)로부터 수집된 동작 및 생리학적 데이터를 수신하고 수집된 데이터를 분석한다. 건강 데이터 분석 엔진(472)은 또한 환자 정보 데이터베이스와 같은 외부 데이터베이스로부터 다른 관련 데이터를 수신하고 분석할 수 있다. 다른 외부 데이터베이스도 건강 데이터 분석 엔진에 추가 데이터를 제공할 수 있다. 예를 들어, 데이터베이스는 다른 POC 및 해당 환자의 데이터를 제공할 수 있다. 데이터베이스는 또한 환경 데이터, 과학 데이터 및 인구 통계 데이터와 같은 다른 소스의 관련 외부 데이터를 저장할 수 있다. 데이터베이스로부터의 데이터 및 환자 데이터를 후술하는 바와 같이 머신 러닝 엔진(480)에 의해 추가로 연관지어도 좋다. 의료제공자가 액세스할 수 있는 개인용 연산장치(464)와 같은 외부 장치를 후술하는 바와 같이 건강 데이터 분석 엔진(472)에 연결하기도 한다.
생리학적 및 기타 데이터는 도 1n의 외부 센서(438)와 같은 추가적인 외부 센서로부터 수집될 수 있다. 일 실시예에서, 외부 센서(438)는 신체 장착형 건강 모니터링 장치에 설치되어 있다. 해당 장치는 환자로부터 지속적으로 낮은 충격 방식으로 데이터를 캡처하기 위해 스마트 웨어러블 의류, 스마트 시계 또는 기타 스마트 장치일 수 있다. 예를 들어, 건강 모니터링 장치는 오디오 센서, 심박수 센서, (폐 용량을 측정하는) 폐활량계와 같은 호흡 센서, ECG 센서, PPG(photoplethysmography) 센서, 적외선 센서, 광음향 호기 이산화탄소 센서, 활동 센서, 무선 주파수 센서, SONAR 센서, 광학 센서, 도플러 레이더 모션 센서, 온도계 또는 임피던스, 압전, 광전 또는 스트레인 게이지 유형 센서 등 하나 이상의 센서를 포함한다. 이 데이터는 POC 100의 작동 데이터와 같이 하루 동안 수집된 다른 데이터 소스 또는 특정 기간 동안 수집된 데이터와 조합할 수 있다. 추가 외부 센서(438)는 비강 캐뉼라(196)와 같은 기도 전달 장치에 장착해도 좋다.
선택적 내부 오디오 센서를 POC 100에 내장하여 특정 환자 소리를 감지할 수 있다. 추가 오디오 데이터를 수집하기 위해 POC 100의 외부에 마이크와 같은 선택적 외부 오디오 센서가 위치할 수 있다. 상온센서, 접촉식 또는 비접촉식 체온센서, 실내습도센서, 근접센서, 제스처센서, 터치센서, 가스센서, 공기질센서, 미세먼지센서, 가속도계, 자이로스코프, 기울기 센서, 수동 또는 능동 SONAR와 같은 음향 센서, 초음파 센서, 무선 주파수 센서, 가속도계, 광도 센서, LIDAR 센서, 적외선 센서(수동형, 투과형 또는 반사형), 이산화탄소 센서, 일산화탄소 센서 또는 화학물질 센서 등의 추가 센서를 외부 포트를 통해 컨트롤러(400)에 연결할 수 있다. 해당 추가 센서로부터의 데이터는 또한 컨트롤러(400)에 의해 수집될 수 있다. 추가 센서로부터의 데이터를 주기적으로 중앙 컨트롤러(400)가 수집해도 좋다. 해당 데이터는 일반적으로 POC(100) 또는 그 작동 환경의 작동 상태와 관련된다.
이와 같은 일 실시예에서, 외부 센서(438)는 컨트롤러(400)에 연결된 대기질 모니터링 장치에 위치한 환경 센서일 수 있다. 대기질 모니터링 장치의 환경 센서(438)는 POC(100)의 환경에서 가스, 연기, 연기 또는 미립자를 감지할 수 있다. 해당 센서는 POC(100) 주변에서 PM2.5(일반적으로 직경이 2.5마이크로미터 이하인 흡입 가능한 입자) 및 PM10(직경이 10마이크로미터 이하인 입자)의 양 또는 밀도를 측정할 수 있다.
추가 센서로부터의 데이터는 POC(100)와 통신할 수 있는 모바일 연산장치(466)로 전송할 수 있다. 혹은 추가적인 외부 센서(438)로부터의 데이터를 POC(100)로 직접 전송해도 좋다. 건강 모니터링 장치, POC(100), 대기질 모니터링 장치 또는 모바일 연산장치(466) 상의 외부 센서(438)로부터의 데이터를 네트워크(470)로 전송해도 좋다.
본 기술에 따르면, POC(100)는 환자 주변의 다른 센서와의 데이터 전송 및 건강 데이터 분석 엔진(472)에 의한 원격 처리를 위한 수집된 데이터의 전송을 관리하는 통신 허브 역할을 하는 전자 부품을 포함할 수 있다. 해당 데이터는 POC(100)가 능동적으로 산소를 전달하지 않는 경우에도 POC(100)에 의해 건강 모니터링 장치 상의 외부 센서(438)와 같은 외부 센서로부터 수집될 수 있다. 혹은, 모바일 연산장치(466)는 외부 센서(438), POC(100) 및 다른 데이터 소스로부터 데이터를 수집할 수 있고, 따라서 건강 데이터 분석 엔진(472)으로의 데이터 전송을 관리하는 통신 허브 역할을 할 수 있다. POC(100)와 통신할 수 있는 가정용 디지털 어시스턴트와 같은 다른 장치도 통신 허브 역할을 할 수 있다.
제어 패널(600)은 사용자가 산소농축기(100)의 미리 결정된 작동 모드를 개시하고 시스템의 상태를 모니터링할 수 있도록 사용자와 컨트롤러(400) 사이의 인터페이스 역할을 한다. 도 1o는 제어 패널(600)의 구현을 도시한다. 제어 패널(600)에는 내부 전원 공급 장치(180)를 충전하기 위한 충전 입력 포트(605)가 배치될 수 있다.
일부 구현예에서, 제어 패널(600)은 산소농축기(100)에 대한 다양한 작동 모드를 활성화하는 버튼을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 패널(600)은 전원 버튼(610), 유량 설정 버튼(620~626), 액티브 모드 버튼(630), 슬립 모드 버튼(635), 고도 버튼(640), 배터리 체크 버튼(650)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 버튼 중 하나 이상은 각각의 버튼이 눌렸을 때 발광할 수 있고 각각의 버튼이 다시 눌렸을 때 전원이 꺼질 수 있는 각각의 LED를 포함해도 좋다. 전원 버튼(610)은 시스템의 전원을 켜거나 끈다. 전원 버튼(610)이 활성화되어 시스템을 끄면, 컨트롤러(400)는 시스템을 정지 상태(예를 들어, 두 캐니스터가 가압된 상태)에 놓기 위해 정지 시퀀스를 개시할 수 있다. 유량 설정 버튼(620, 622, 624, 626)은 소정의 산소농축공기의 연속 유량을 선택하도록 한다(예: 버튼(620)으로 0.2 LPM, 버튼(622)으로 0.4 LPM, 버튼(624)으로 0.6 LPM, 버튼(626)으로 0.8 LPM). 다른 구현예에서, 유량 설정값을 수를 늘리거나 줄여도 좋다. 유량 설정값을 선택한 후 산소농축기(100)는 선택한 유량 설정에 따라 산소농축공기의 생산을 달성하기 위해 작동을 제어할 것이다. 고도 버튼(640)은 사용자가 산소농축기(100)를 정기적으로 사용하는 위치보다 더 높은 위치에 있을 때 활성화되어도 좋다.
배터리 체크 버튼(650)은 산소농축기(100)에서 배터리 체크 루틴을 개시하여 제어 패널(600)에서 상대 배터리 전력 잔량 LED(655)를 점등한다.
사용자는 상대적으로 활동적이지 않은 경우(예를 들어, 수면, 앉아 있는 등) 낮은 호흡률 또는 깊이를 나타낼 수 있으며, 이를 검출된 호흡률 또는 깊이를 임계값과 비교하여 추정할 수 있다. 사용자가 상대적으로 활동적인 경우(예: 걷기, 운동 등) 호흡률이나 깊이가 높을 수 있다. 활성/수면 모드는 호흡수 또는 깊이로부터 자동으로 추정해도 좋고, 사용자가 활성 모드를 위한 버튼(630) 또는 수면 모드를 위한 버튼(635)을 누름으로써 활성 모드 또는 수면 모드를 수동으로 설정해도 좋다.
이하에서 설명하는 POC(100)의 작동 및 모니터링 방법은 전술한 바와 같이 POC(100)의 메모리(420)와 같은 메모리에 저장된 하나 이상의 기능 및/또는 관련 데이터를 포함하는 프로그램 명령에 의해 구성되는, 컨트롤러(400)의 하나 이상의 프로세서(410)와 같은 하나 이상의 프로세서에 의해 실행이 가능하다. 혹은, 기술한 방법의 단계 중 일부 또는 전부는 전술한 바와 같이 연결형 산소요법 시스템(450)의 일부를 형성하는 서버(460)와 같은 외부 연산장치의 하나 이상의 프로세서에 의해 유사하게 실행해도 좋다. 후자의 경우 프로세서(410)는 POC(100)의 메모리(420)에 저장된 프로그램 명령으로 구성하고 외부 연산장치에서 수행할 단계의 수행에 필요한 측정값 및 매개변수를 외부 연산장치로 전송할 수 있다.
산소농축기(100)의 주요 용도는 사용자에게 보충 산소를 제공하는 것이다. 산소농축기(100)의 제어 패널(600)에서 하나 이상의 유량 설정이 선택될 수 있으며, 선택된 유량 설정에 따라 산소농축공기의 생산을 달성하기 위한 작동을 제어할 것이다. 일부 버전에서는 유량 설정값이 복수이다(예: 유량 설정값 6개). 본 명세서에서 상술한 바와 같이, 컨트롤러(400)는 POD(펄스형 산소 전달) 또는 수요 작동 모드를 구현할 수 있다. 컨트롤러(400)는 선택한 유량 설정값에 따라 산소농축공기의 전달을 달성하기 위해 하나 이상의 방출된 펄스 또는 볼루스의 크기를 조절할 수 있다.
전달된 산소농축공기의 효과를 최대화하기 위해, 컨트롤러(400)는 산소농축공기의 각 볼루스의 방출을 사용자의 흡입과 동기화하도록 프로그래밍될 수 있다. 사용자가 숨을 들이쉴 때 산소가 풍부한 공기를 사용자에게 방출하는 것은 예를 들어 사용자가 숨을 내쉴 때 산소를 방출하지 않음으로써 산소 낭비를 방지할 수 있다. 제어 패널(600) 상의 유량 설정값은 전달된 산소의 분당 체적(분당 호흡률을 곱한 볼루스 체적), 예를 들어 0.2 LPM, 0.4 LPM, 0.6 LPM, 0.8 LPM, 1 LPM, 1.1 LPM에 대응할 수 있다.
산소농축기(100)에 의해 생성된 산소농축공기는 산소 어큐뮬레이터(106)에 저장되고, POD 작동 모드에서 사용자가 흡입할 때 사용자에게 방출된다. 산소농축기(100)에 의해 제공되는 산소농축공기의 양은 공급 밸브(160)에 의해 부분적으로 제어된다. 한 구현예에서, 공급 밸브(160)는 컨트롤러(400)에 의해 추정된 적절한 양의 산소농축공기를 사용자에게 제공하기에 충분한 시간 동안 개방된다. 산소 낭비를 최소화하기 위해 산소가 풍부한 공기는 사용자의 흡입 시작이 감지된 직후 볼루스로 제공될 수 있다. 예를 들어, 산소농축공기의 볼루스를 사용자가 흡입한 처음 몇 밀리초 동안 제공해도 좋다.
한 구현예에서, 압력 센서(194)와 같은 센서는 사용자에 의한 흡입의 시작을 결정하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 압력 센서(194)를 이용하여 사용자의 흡입을 감지한다. 사용 시, 산소농축공기를 제공하기 위한 전달 도관(192)은 비강 전달 장치(196) 및/또는 마우스피스(198)를 통해 사용자의 코 및/또는 입에 결합된다. 따라서 전달 도관(192)의 압력은 사용자의 기도 압력을 나타내며 따라서 사용자 호흡에 해당한다. 흡입이 시작되면 사용자는 코 및/또는 입을 통해 몸 안으로 공기를 흡입하기 시작한다. 공기가 흡인됨에 따라, 부분적으로 전달 도관(192)의 단부를 가로질러 흡인되는 공기의 벤투리 효과로 인해 음압이 전달 도관(192)의 단부에 생성된다. 컨트롤러(400)는 압력 센서(194)로부터의 압력 신호를 분석하여 흡입 시작을 나타내는 압력 강하를 검출한다. 흡입 시작의 검출 시, 공급 밸브(160)가 개방되어 어큐뮬레이터(106)로부터 산소농축공기의 볼루스를 방출한다.
전달 도관(192) 내의 압력의 양압 변화 또는 상승은 사용자에 의한 호기(exhalation)를 나타낸다. 컨트롤러(400)는 호기의 시작을 나타내는 압력 상승을 검출하기 위해 압력 센서(194)로부터의 압력 신호를 분석할 수 있다. 한 구현예에서는 양압 변화가 감지되면, 다음 흡입 개시가 감지될 때까지 공급 밸브(160)가 폐쇄된다. 혹은, 공급 밸브(160)를 볼루스 기간(bolus duration)으로 알려진 소정의 간격 후에 폐쇄해도 좋다.
흡입의 인접한 시작 사이의 간격을 측정함으로써, 사용자의 호흡률이 추정할 수 있다. 흡기 시작과 후속 호기 시작 사이의 간격을 측정하여 사용자의 흡기 시간을 추정할 수 있다.
다른 구현예에서, 압력 센서(194)는 사용자의 기도와 공압 연통하지만 전달 도관(192)과는 별개인 감지 도관에 위치할 수 있다. 해당 구현예에서 압력 센서(194)로부터의 압력 신호는 또한 사용자의 기도 압력을 나타낸다.
일부 구현예에서, 압력 센서(194)의 감도는 특히 압력 센서(194)가 산소농축기(100)에 위치하고 압력 차이가 산소농축기(100)를 사용자에게 연결하는 전달 도관(192)을 통해 검출되는 경우 사용자와 압력 센서(194)의 물리적 거리에 의해 영향을 받을 수 있다. 일부 구현예에서, 압력 센서(194)는 산소농축공기를 사용자에게 제공하는 데 사용되는 기도 전달 장치(196)에 배치될 수 있다. 압력 센서(194)로부터의 신호는 유선을 통해, 또는 블루투스™ 또는 다른 무선 기술과 같은 원격 측정을 통해 전자적으로 산소농축기(100)의 컨트롤러(400)에 제공될 수 있다.
일부 구현예에서, POC(100)가 활성 모드에 있고 흡입의 시작이 사전 정의한 간격 동안, 예를 들어, 1시간 동안 감지되지 않으면, 8초 후 POC 100은 절전 모드로 변경된다. 그런 다음, 추가로 정해진 간격(예: 8초) 동안 흡입 시작이 감지되지 않으면 POC(100)는 "자동 펄스" 모드로 들어간다. 자동 펄스 모드에서, 컨트롤러(400)는 공급 밸브(160)의 작동을 제어하여 볼루스를 규칙적이고 미리 결정된 간격, 예를 들어 4초 간격으로 전달하도록 한다. POC 100은 트리거 프로세스에 의해 흡입 시작이 감지되거나 POC 100의 전원이 꺼지면 자동 펄스 모드를 종료한다.
일부 구현예에서, 검출된 사용자의 호흡률을 사용하여 추정된 것과 같은 사용자의 현재 활동 수준이 사전 결정된 임계값을 초과하는 경우, 컨트롤러(400)는 알람(예: 시각적 및/또는 가청 알람)을 구현하여 현재 사용자에게 호흡률이 산소농축기(100)의 전달 용량을 초과한다고 경고할 수 있다. 예를 들어, 임계값은 분당 호흡수(BPM) 40으로 설정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 1n의 센서(436)와 같은 장치는 POC(100)의 사용자로부터 혈중 산소화 데이터를 수집하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 혈중 산소화 센서(436)는 손목 모니터 또는 허리 장착형 모니터와 같은 신체 착용형 혈중 산소화 모니터여도 좋다. 이와 같은 모니터는 광혈류측정법으로 혈중 산소화를 측정한다. 신체 착용 모니터는 POC(100)(CWM(430)를 통해) 또는 휴대용 연산장치(466)와 같은 외부 장치와 통신하는 송신기를 포함할 수 있다.
또다른 외부 혈중 산소화 센서는 혈중 산소화 수준을 측정하는 손가락 클립 장치일 수 있다. 해당 장치는 광혈류측정법으로 혈중 산소화를 측정해도 좋다. 해당 예에서는 Nonin사의 Onyx, WristOx2 또는 NoninConnect 장치와 같은 손가락 클립 장치로 외부 장치와 무선 통신을 해도 좋다. Turner Medical사에서 제조한 3078 귀 센서를 장비한 BCI 3301 휴대용 맥박 산소 측정기와 같은 귀 장착 장치여도 좋다. 혹은 사용자 또는 전문의료인이 혈중 산소 농도를 측정하고 측정값을 휴대용 연산장치(466)에서 실행되는 앱에 입력해도 좋다.
또 다른 대안으로 혈중 산소화 센서(436)를 POC(100)에 설치해도 좋다. 이러한 센서는 사용자가 손가락을 삽입할 수 있도록 POC(100)의 하우징에 물리적 개구가 있는 손가락 클립 장치일 수 있다. 센서는 측정된 혈중 산소화 데이터를 컨트롤러(400)에 직접 전달한다. 다른 구현예에서는 Fitbit, Spry Health의 Loop, Biosency의 BORAband 또는 Apple watch와 같은 손목 착용 장치와 같은 기존 신체 착용 센서를 적용하는 것을 포함하기도 한다. 센서(436)는 무선 수신기를 통해 데이터를 통신하는 이식형 센서일 수 있다. 이식된 센서의 예로는 피부 부착 패치 또는 일회성 나노봇 이식이 꼽힌다.
다른 대안으로, POC(100) 자체가 웨어러블 장치일 수 있으며, 혈중 산소화 센서(436)는 POC(100)에 장착되어 착용시 사용자의 피부에 접촉될 수 있다. 외부 센서(438)는 해당 구현예에서 건강 모니터링 장치가 아닌 POC(100)에 장착될 수 있다.
연결형 산소요법 시스템(450)에서 예시적인 POC(100)는 가정 환경에서 연결된 허브 역할을 한다. 허브 역할을 하는 POC(100)는 이 경우 외부 건강 데이터 분석 엔진(472)과 협업하여 COPD, 천식, 폐기종 및 만성 기관지염과 같은 건강 상태를 관리한다. 이 관리는 통합 지불자에게 서비스로 제공될 수 있다. 건강 모니터링 장치에 장착된 것과 같은 POC(100) 및 관련 외부 센서(438)는 환자가 겪을 수 있는 호흡 상태를 다양하게 모니터링할 수 있다.
수집 데이터는 건강 상태의 변화(예: 정상 호흡률/빈호흡보다 높음)를 추적하기 위해 호흡 변화를 결정하는 데 사용될 수 있다. 시간 경과에 따른 호흡 데이터 수집은 기본 호흡률이 시간 경과에 따라 어떻게 변화하는지 결정할 수 있다. 질병 분석에는 악화되는 건강 상태를 추적하는 것이 포함되기도 한다. 예를 들어, 수집 데이터를 분석하여 천식, 꽃가루 알레르기, 감기 또는 호흡기 감염의 악화를 감지할 수 있다.
건강 데이터 분석을 확인하거나 강화하기 위해 오디오 데이터를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 내부 오디오 센서로부터의 환자의 호흡 소리는 오디오 데이터를 결정하기 위해 외부 오디오 센서에 의해 검출된 외부 소리와 함께 사용해도 좋다. 오디오 데이터는 코골이, 헐떡임, 기침, 쌕쌕거림, 비산, 심장 박동 소리의 레벨을 포함할 수 있다. 해당 소리는 호흡기 질환 및 기타 건강 상태를 모니터링하는 데 쓰여도 좋다. 예를 들어, 쌕쌕거리는 소리의 강도와 시기(흡기 또는 호기)는 호흡기 질환, 장애 또는 질병의 증상일 수 있다. 또한 무박동과 같이 소리가 들리지 않는 것은 심박수 및 호흡수 증가와 같은 다른 활력 징후와 함께 심각한 천식을 의미하기도 한다.
수집한 작동 데이터와 생리학적 데이터는 다른 소스로부터의 데이터로부터 도출될 수 있는 환자 특정 조건의 맥락에서 분석해도 좋다. 이러한 데이터는 모바일 연산장치(466)에서 실행되는 앱에 의해 생성된 인터페이스를 통해 환자에 의해 보고된 결과 또는 데이터베이스의 전자 건강 기록으로부터의 입력을 포함할 수 있다. 따라서 환자별 데이터에는 동반 질환, 인구 통계학적 세부 정보(체질량 지수(BMI), 연령, 성별), 지리적 세부 정보(꽃가루 수로 인한 알러지 위험, 외부 온도로 인한 열사병, 고도에 따른 대기질 및 산소 수준으로 인한 산소 수준), 환자와 관련된 약물 정보가 포함된다. 환자가 보고한 결과(PRO)에는 환자의 감각(웰빙), 피로감 여부, 환자의 졸음 정도에 대한 주관적인 피드백이 포함되어도 좋다.
POC(100)의 센서는 질병 진행으로 인한 특정 휘발성 유기 화합물(VOC)의 특성 변화를 식별하기 위해, 이를테면 교차 반응 센서 어레이 및 패턴 인식/딥 러닝을 사용하여 환자의 기체(호흡)를 감지할 수 있다.
도 2는 POC(100)의 컨트롤러(400)가 도 1n에서와 같이 컨트롤러(400)가 GSM(Global System for Mobile Telephony) 또는 기타 프로토콜(예: WiFi)과 같은 무선 통신 프로토콜을 사용하여, 네트워크(470)를 통해 클라우드 기반 서버(460)와 같은 원격 외부 장치(또는 원격 연산장치)와 통신할 수 있도록 구성된, CWM(430)을 포함하는 연결형 산소요법 시스템(450A)의 다른 구현예를 도시한다. 네트워크(470)는 인터넷, 클라우드와 같은 광역 네트워크 또는 이더넷과 같은 근거리 네트워크일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 원격 외부 장치는 휴대용 연산장치(466)와 같은 원격 연산장치일 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(400)는 컨트롤러(400)가 Bluetooth™와 같은 단거리 무선 통신 프로토콜을 사용하여 스마트폰과 같은 휴대용 연산장치(466)와 통신할 수 있게 하도록 구성된 단거리 무선 모듈(440)을 포함할 수 있다. 휴대용 연산장치(466)는 POC(100)의 사용자(1000)와 연관될 수 있다.
서버(460)는 또한 GSM과 같은 무선 통신 프로토콜을 사용하여 휴대용 연산장치(466)와 무선 통신할 수 있다. 휴대용 연산장치(466)의 프로세서는 POC(100), 사용자(1000) 및/또는 서버(460)와 스마트폰의 상호작용을 제어하기 위해 환자 참여 프로그램 또는 "앱"(482)을 실행할 수 있다. 환자 참여 앱(482)은 도 1n의 센서(436)와 같은 네트워크 혈중 산소화 센서를 사용할 수 없는 경우 사용자(1000)가 외부 센서로부터의 SpO2 판독값과 같은 데이터를 입력할 수 있는 입력 인터페이스를 포함해도 좋다.
서버(460)는 유해환경조건을 결정하고 대응하기 위해 수신된 데이터를 분석하는 것과 같은 동작을 실행할 수 있는 분석 엔진(472)을 포함한다. 서버(460)는 또한 네트워크(470)를 통한 유선 또는 무선 연결을 통해 개인용 연산장치(464)와 같은 다른 장치와 통신할 수 있다. 서버(460)는 연결형 산소요법 시스템(450)에 의해 관리되는 POC 및 사용자에 대한 작동 및 생리학적 데이터를 저장하는 데이터베이스(484)에 액세스할 수 있다. 데이터베이스(484)는 POC 사용자에 대한 생리학적 데이터 및 POC 사용과 관련된 작동 데이터를 갖는 사용자 데이터베이스와 같은 개별 데이터베이스로 분할해도 좋다. 서버(460)는 또한 추가 데이터를 제공할 수 있는 환경 데이터베이스(486)와 같은 다른 관련 데이터베이스와 네트워크(470)를 통해 통신해도 좋다.
POC(100)의 사용자(1000) 및 휴대용 연산장치(466)는 POC 사용자 시스템(490)으로 구성될 수 있다. 연결형 산소요법 시스템(450A)은 각각 POC 사용자, POC(100)와 같은 POC, 휴대용 연산장치(466)와 같은 휴대용 연산장치를 포함하는 복수의 POC 사용자 시스템(490, 492, 494 및 496)을 포함할 수 있다. 각 POC 사용자 시스템(492, 494 및 496)은 직접적으로 또는 POC의 각 사용자와 관련된 각 휴대용 연산장치를 통해 서버(460)와 통신한다. 컨트롤러(400)에 해당하는 컨트롤러와 시스템(492, 494, 496)의 각 POC에서 CWM(430)에 해당하는 송수신기가 도 1n와 관련하여 전술한 데이터를 수집하고 전송한다. 개인용 연산장치(464)는 POC 그룹의 사용자 모집단의 치료를 담당하는 건강 관리자(HME)와 연관될 수 있다.
데이터베이스(484)로부터의 데이터, 건강 데이터 분석 엔진(472)으로부터의 분석 결과 및 사용자 시스템(490)과 같은 개별 POC 사용자 시스템으로부터의 데이터를 머신 러닝 엔진(480)에 의해 추가로 연관지어도 좋다. 머신 러닝 엔진(480)은 신경망, 결정 트리 앙상블, 서포트 벡터 머신, 베이지안 네트워크 또는 그래디언트 부스팅 머신과 같은 머신 러닝 구조를 구현할 수 있다. 이러한 구조는 다양한 건강 상태를 모니터링하기 위해 선형 또는 비선형 예측 모델을 구현하도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 환자의 건강 상태를 판단하는 것과 같은 데이터 처리는 지도 머신 러닝, 딥 러닝, 합성곱 신경망, 순환 신경망 중 하나 이상에 의해 수행해도 좋다. 수작업 기능이 있는 설명적이고 예측적인 지도 머신 러닝 외에도 머신 러닝 엔진(480)에서 딥 러닝을 구현할 수 있다. 이는 일반적으로 정상 및 비정상 조건에 관한 대량의 점수(레이블) 데이터(예: POC 장치의 수백 개의 데이터 포인트)에 의존한다. 해당 접근 방식은 신경망(단순 신경망보다 "더 깊은" 신경망)을 형성하기 위해 상호 연결된 많은 뉴런 계층을 구현하여 각 계층에서 점점 더 복잡한 기능을 "학습"할 수 있다. 머신 러닝은 수동 기능이나 간단한 의사 결정 트리보다 더 많은 변수를 사용하는 것이 가능하다.
합성공신경망(CNN)은 정보를 추론하기 위한 오디오 및 이미지 처리(예: 얼굴 인식)에 널리 사용되며 오디오 스펙트로그램 또는 이미지로 표현된 수집된 데이터에서 생성된 인구 규모 게놈 데이터 세트에도 적용될 수 있다. 이미지 또는 스펙트로그램 처리를 실시할 때 시스템은 디지털화된 이미지 또는 스펙트로그램 데이터의 강도, 스펙트럼 및 통계적 추정치로부터 시간 및 주파수 속성을 인지적으로 "학습"한다.
그러나 CNN의 경우와는 달리, 문제를 항상 고정 길이의 입력 및 출력으로 표현할 수 있는 것은 아니다. 예를 들어, 호흡음이나 심장 소리를 처리하는 것은 음성 인식 및 시계열 예측과 유사하다. 따라서 소리 분석의 경우 이전 출력 또는 숨겨진 상태를 입력으로 사용할 수 있는 순환 신경망(RNN)과 같은, 컨텍스트 정보를 저장하고 사용하는 시스템이 좀 더 유리하다. 다시 말해 컨텍스트 노드에 정보를 저장할 수 있는 다층 신경망이 좋다. RNN은 시간 단계에 걸쳐 상태 정보를 유지함으로써 가변 길이 입력 및 출력을 처리할 수 있으며, 그래디언트 소실 문제 및/또는 그래디언트 클리핑 사용을 관리하는 LSTM(장단기 기억, RNN이 제어를 강화할 수 있는 "뉴런" 유형, 단방향 또는 양방향일 수 있음)을 포함할 수 있다.
머신 러닝 엔진(480)은 입력 데이터 분석에 도움을 주기 위해 알려진 데이터 입력으로부터 알려진 환자 상태의 지도 학습을 통해 훈련할 수 있다. 머신 러닝 엔진(480)은 또한 입력 데이터와 환자 상태 사이의 알려지지 않은 상관관계를 결정하기 위해 자율학습을 통해 훈련하여 건강 데이터 분석 엔진(472)의 분석 범위를 넓힐 수 있다.
사용자 시스템(492, 494, 496)과 같은 POC 사용자 시스템 그룹의 사용자 모집단으로부터의 데이터 수집은 보다 정확한 건강 데이터 분석을 제공할 목적으로 대규모 데이터 세트를 구축할 수 있게 한다. 전술한 바와 같이, 수집된 데이터는 추가적인 분석을 위해 머신 러닝 엔진(480)에 제공될 수 있다. 건강 데이터 분석 엔진(472) 및/또는 머신 러닝 엔진(480)으로부터의 분석은 사용자(1000)와 같은 임의의 개별 사용자에 대한 건강 데이터 분석을 제공하기 위해 쓰여도 좋다.
도 3은 도 2의 시스템(450A) 등 연결형 산소요법 시스템에서 구현되는 바와 같이 주변 환경조건을 분석하고 이에 대응하기 위한 방법(1010)을 예시하는 플로우차트이다. 방법(1010)은 서버(460)에서 실행되는 분석 엔진(472)에 의해 실행될 수 있다. 방법(1010)은 POC 사용자 시스템(490)과 같은 연결형 산소요법 시스템의 POC 사용자 시스템에 의해 전송되는 작동 및 생리학적 데이터를 수신하는 단계 1020에서 시작한다. 위에서 언급했듯이 생리학적 데이터의 예는 호흡률과 흡기 시간이다. 위에서 언급한 바와 같이 작동 데이터의 예로는 사용 데이터와 지리적 위치 데이터를 들 수 있다.
이어서 단계 1030은 POC 사용자 시스템(490)과 같은 POC 사용자 시스템에 의해 전송된 환경 데이터를 수신한다. 혹은 단계 1020은 단계 1020에서 POC 사용자 시스템으로부터 수신된 지리적 위치 데이터에 기초하여 환경 데이터베이스(486)로부터 특정 POC 사용자 시스템, 예를 들어 POC 사용자 시스템(490) 주변의 환경 데이터를 검색할 수 있다. 전술한 바와 같이, 환경 데이터의 예는 POC 사용자 시스템(490)의 환경에서 PM2.5 및 PM10과 같은 미립자의 양 또는 밀도에 의해 측정한 대기질의 데이터이다. 단계 1020 및 1030에서 수집된 데이터는 데이터베이스(484)에 저장된다.
다음 단계 1040에서는 유해환경조건이 특정 POC 사용자 시스템(490) 주변에 존재하는지 여부를 결정하기 위해 단계 1020 및 1030에서 수집한 환경 데이터, 생리학적 데이터, 작동 데이터를 분석한다. 예를 들어, 단계 1040은 각 POC 사용자 시스템 주변의 미립자 밀도와 같은 대기질 측정값을 공기오염 임계값과 비교할 수 있다. 유해환경조건이 존재하지 않는 경우("N"), 방법(1010)은 단계 1045에서 종료된다. 특정 POC 사용자 시스템, 예를 들어 POC 사용자 시스템(490) 주변에 유해환경조건이 존재하는 경우("Y"), 방법(1010)은 단계 1050으로 진행한다. 단계 1050은 유해환경조건의 영향을 줄이기 한 POC 사용자 시스템(490)의 대응조치를 결정하기 위해 데이터의 추가 분석을 수행한다.
대응조치의 한 예는 현재 치료 세션에서 사용 중인 유량 설정값을 증가시키는 방식으로 POC(100)를 제어하는 것이다. POC(100)의 컨트롤러(400)는 볼루스의 부피 또는 산소 전달 빈도를 증가시키라는 명령을 수신할 수 있다. 이와 같은 대응조치를 통해, POC(100)를 제어하도록 구성된 컨트롤러(400)에서 사용자에게 공급되는 산소의 흐름을 변경하여 POC(100)를 제어할 수 있다. 결과적으로 대응조치는 사용자에 대한 산소의 유량 제어를 변경할 수 있다. 따라서 대응조치는 수집한 데이터를 기반으로 POC(100)를 제어하는 것이 된다. 또 다른 예는 사용자(1000)에게 외출하지 말 것을 권고하는 것이다. 또 다른 예는 사용자(1000)가 외출할 경우 POC(100)를 가져가라고 권고하는 것이다. 또 다른 예는 미립자 필터(187)를 교체하라고 권고하는 것이다.
다음 단계 1060에서는 그 후 네트워크(470)를 통해 POC 사용자 시스템(490)의 사용자(1000)에게 대응조치를 알린다. 일부 구현예에서는 환자 참여 앱(482)에 의해 생성된 인터페이스에서 "푸시" 알림을 통해 알린다. 다른 구현예에서는 POC(100)의 제어 패널(600) 상의 디스플레이를 통해 대응조치를 알린다. 이를 테면 “오늘 대기질이 좋지 않습니다. 설정값 4를 사용하십시오"와 같은 메시지를 표시하는 것이다.
단계 1050은 머신 러닝 엔진(480)의 도움으로 실시할 수 있다. 시간이 경과함에 따라 데이터베이스(484)는 다양한 수준의 실내 및 실외 활동에서의 유량 설정값 사용과 같은 각종 사용 시나리오 하에서 유해환경조건의 이전 인스턴스와 사용자의 생리에 미치는 영향에 관한 대규모 데이터 세트를 구축한다. 이로부터 머신 러닝 엔진(480)은 위에서 설명한 머신 러닝을 사용하여 사용 시나리오, 유해환경조건, 유사한 사용자 그룹의 호흡 곤란 또는 불포화 이벤트의 부재와 같은 긍정적 결과 사이의 상관관계를 학습할 수 있다. 이러한 상관관계가 학습되면, 단계 1050을 구현하기 위한 분석 엔진(472)은 단계 1040에서 결정된 POC 사용자 시스템(490)의 사용자(1000)와 유사한 사용자 그룹을 결정할 수 있다.
그런 다음 분석 엔진(472)은 단계 1040에서 "Y"를 트리거한 것과 유사한 유해환경조건 하에서 해당 그룹의 사용자에 대한 긍정적인 결과와 연관된 사용 시나리오를 결정한다. 단계 1050에서 생성된 대응조치는 사용자 그룹에 대한 긍정적인 결과와 관련된 사용 시나리오를 발생시키는 조치에 해당한다. 위치와 관련하여 수집된 데이터는 환경 요인을 고려하여 치료를 조정하는 등 호흡기 질환 치료를 개선하는 데 사용될 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 단수형 관사 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명백하지 않은 한 복수형도 포함하는 것으로 해석해야 한다. 또한 "including/includes(포함하다)", "having/has(가지다)", "with(~와 함께)" 또는 이들의 변형어를 상세한 설명 및/또는 청구범위에서 사용하는 경우 “(포함하는)"과 유사한 방식으로 포괄적으로 해석해야 한다.
별도로 정의하지 않는 한, 기술적 및 과학적 용어를 포함하여 본원에서 사용하는 용어는 모두 해당 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 당업자가 일반적으로 이해할 수 있는 것과 같은 의미를 가진다. 또한, 일반적으로 쓰이는 사전에서 정의하는 용어는 관련 기술의 맥락에서 그 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 명시적으로 정의하지 않는 추상적이거나 형식적인 의미로 해석해서는 안 된다.
본 발명의 다양한 실시예가 위에서 기술되었지만, 이들은 단지 예시일 뿐이며 본 발명의 범주를 한정하지 않는다. 본 발명의 하나 이상의 구현예를 설명하였으나, 당업자는 본 명세서 및 첨부 도면을 참조하여 변경 또는 수정을 할 수 있다. 또한, 본 발명의 특징을 한 구현예에서만 개시한 경우에도, 해당 특징은 임의의 또는 특정한 용도에서다른 구현예의 하나 이상의 다른 특징과 결합할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되어서는 안 된다. 본 발명의 범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가물에 따라 정의해야 한다.
100: 산소농축기
101: 입구
105: 입구
106: 어큐뮬레이터
107: 어큐뮬레이터 압력 센서
108: 입구 머플러
122: 입구 밸브
124: 밸브
129: 필터
130: 출구
132: 출구 밸브
133: 머플러
134: 출구 밸브
139: 스프링 배플
142: 체크 밸브
144: 체크 밸브
151: 흐름 제한기
152: 밸브
153: 흐름 제한기
154: 밸브
155: 흐름 제한기
160: 공급 밸브
162: 확장 챔버
165: 초음파 센서
166: 방출기
168: 수신기
170: 하우징
172: 팬
173: 출구
174: 출구 포트
175: 흐름 제한기
180: 전원 공급 장치
185: 유량 센서
187: 필터
190: 커넥터
192: 전달 도관
194: 압력 센서
196: 비강 캐뉼라형 기도 전달 장치
198: 마우스피스
200: 압축 시스템
201: 속도 센서
210: 압축기
212: 압축기 출구
220: 모터
230: 외부 회전 전기자
240: 공기 전달 장치
250: 압축기 출구 도관
300: 캐니스터 시스템
302: 캐니스터
304: 캐니스터
306: 공기 입구
310: 하우징 구성요소
315: 기부
322: 밸브 시트
323: 개구
324: 밸브 시트
325: 출구
327: 배기 가스
330: 입구 도관
332: 밸브 시트
337: 개구
342: 도관
344: 도관
346: 도관
375: 개구
400: 컨트롤러
410: 프로세서
420: 메모리
430: 셀룰러 무선 모듈
434: GPS 수신기
436: 센서
438: 외부 센서
440: 단거리 무선 모듈
450: 산소요법시스템
450: 산소요법시스템
460: 서버
464: 개인용 연산장치
466: 휴대용 연산장치
470: 네트워크
472: 건강 데이터 분석 엔진
480: 머신 러닝 엔진
482: 환자 참여 앱
484: 데이터베이스
486: 환경 데이터베이스
490: 사용자 시스템
492: 사용자 시스템
494: 사용자 시스템
510: 하우징 구성요소
530: 도관
532: 도관
534: 도관
542: 개구
544: 개구
552: 밸브 시트
554: 밸브 시트
600: 제어 패널
605: 입력 포트
610: 전원 버튼
620: 유량 설정 버튼
622: 유량 설정 버튼
624: 버튼
626: 버튼
630: 버튼
635: 버튼
640: 고도 버튼
650: 배터리 체크 버튼
655: LED
1000: 사용자
1010: 방법
1020: 단계
1030: 단계
1040: 단계
1045: 단계
1050: 단계
1060: 단계

Claims (18)

  1. 산소농축기 사용자 주변의 유해환경조건에 대응하는 방법에 있어서,
    상기 사용자의 생리학적 데이터를 수집하는 단계,
    상기 산소농축기의 작동 중 산소농축기의 작동 데이터를 수집하는 단계;
    상기 산소농축기 주변의 환경 데이터를 수집하는 단계;
    수집한 상기 환경 데이터에 기초하여, 유해환경조건이 상기 산소농축기 주변에 존재하는지의 여부를 판정하는 단계;
    판정된 상기 유해환경조건에 대한 대응조치를 결정하기 위해 수집한 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터를 분석하는 단계;
    상기 대응조치를 상기 사용자에게 전달하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 작동 데이터는 지리적 위치 데이터를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 환경 데이터를 수집하는 단계는 상기 지리적 위치 데이터를 이용하여 환경 데이터베이스로부터 환경 데이터를 검색하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환경 데이터는 대기질 측정값을 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유해환경조건의 존재 여부를 판정하는 단계는 상기 대기질 측정값과 공기오염을 나타내는 임계값을 비교하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분석 단계는 데이터베이스에 저장된 다른 휴대용 산소농축기에서 수집한 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터를 이용하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 수집한 상기 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터를 상기 데이터베이스에 저장하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대응조치는 상기 사용자의 상기 산소농축기를 제어하여 산소 유량 제어를 변경하는 것인 방법.
  9. 연결형 산소요법 시스템에 있어서,
    산소농축공기를 생성하여 사용자에게 전달하도록 구성된 산소농축기와,
    상기 사용자의 생리학적 데이터를 수집하도록 구성된 생리학적 센서와,
    상기 산소농축기의 작동 중에 상기 산소농축기의 작동 데이터를 수집하도록 구성된 작동 센서와,
    프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 사용자의 생리학적 데이터를 수집하고,
    상기 산소농축기의 작동 중에 상기 산소농축기의 작동 데이터를 수집하고,
    상기 산소농축기 주변의 환경 데이터를 수집하고,
    수집한 상기 환경 데이터에 기반하여 상기 산소농축기 주변의 유해환경조건의 존재 여부를 판정하고,
    수집한 상기 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터를 분석하여 판정된 상기 유해환경조건에 대한 대응조치를 결정하고,
    상기 대응조치를 상기 사용자에게 전달하도록 구성되어 있는, 연결형 산소요법 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 산소농축기와 통신하는 서버를 추가로 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 서버의 프로세서인, 연결형 산소요법 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 산소농축기와 상기 서버 사이에서 중개자 역할을 하도록 구성된 휴대용 연산장치를 추가로 포함하는 시스템.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소농축기 주변의 상기 환경 데이터를 생성하도록 구성되어 있는 환경 센서를 추가로 포함하는 시스템.
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소농축기의 지리적 위치 데이터를 생성하도록 구성되어 있는 지리적 위치 장치를 추가로 포함하는 시스템.
  14. 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 환경 데이터를 포함하는 환경 데이터베이스를 추가로 포함하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 지리적 위치 데이터를 이용하여 상기 환경 데이터베이스로부터 상기 환경 데이터를 검색하도록 구성되어 있는 시스템.
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 다른 산소농축기로부터 얻은 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터가 저장되어 있는 데이터베이스를 추가로 포함하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 분석 단계에서 다른 산소농축기로부터 얻은 상기 생리학적 데이터, 작동 데이터, 환경 데이터를 이용하도록 구성되어 있는, 시스템.
  18. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대응조치는 상기 산소농축기를 제어하여 상기 사용자에 대한 산소 유량 제어를 변경하는 것이고, 상기 프로세서는 상기 산소농축기를 제어하도록 구성되어 있는, 시스템.
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