KR20230054906A - 유량 요법 기기를 위한 유로 감지 - Google Patents

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딘 안토니 바커
필립 존 딕킨슨
샬쿠이크 안드레 반
조엘 마이클 로손
제스 에드워드 도넬리
러셀 윌리암 버지스
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피셔 앤 페이켈 핼스케어 리미티드
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Abstract

환자에게 제공되는 가스들의 유량을 측정하는 감지 챔버를 포함한 호흡 유량 요법 기기를 개시한다. 감지 챔버는 송풍기 및/또는 혼합기 다음에 배치될 수 있다. 감지 챔버는 초음파 변환기, 온도 센서, 가온 온도 감지 소자 및/또는 가스 농도 센서를 포함할 수 있다. 센서 시스템과 함께 사용되는 가스들의 유로는 유량 측정 시 이상 현상들을 야기할 수 있는, 가스 흐름 내의 원하지 않는 와동을 방지한다.

Description

유량 요법 기기를 위한 유로 감지{FLOW PATH SENSING FOR FLOW THERAPY APPARATUS}
본 발명은 가스를 환자에게 전달하기 위한 유량 요법 기기(flow therapy apparatus)에서의 유로 감지를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
호흡 보조 기기는 병원, 의료 시설, 재택 간호 또는 가정집 환경과 같은 다양한 환경에서 사용자 또는 환자에게 가스 흐름을 전달하는 데 사용된다. 호흡 보조 기기 혹은 유량 요법 기기는 상기 가스 흐름과 함께 산소를 전달하기 위해 사용되는 밸브 및/또는 가온(heated) 가습된 가스를 전달하기 위한 가습 기기를 포함할 수 있다. 유량 요법 기기는 유량, 온도, 가스 농도, 습도, 압력 등을 비롯한 가스 흐름 특성을 조정 및 제어할 수 있게 한다. 이러한 가스 특성은 가온 온도 감지 소자 및/또는 서미스터와 같은 센서를 이용하여 측정된다.
본 개시는 유로의 적어도 일 부분을 통해 가스 유량을 측정하는 유량 요법 기기를 기술한다. 이러한 유로 부분은 연속적으로 만곡되게 구성될 수 있어 유의한 각들(significant angles)이 없다. 유로는 입구, 수평 부분, 및 출구를 포함할 수 있으며, 입구와 출구는 수직 반대 방향으로 위치될 수 있고, 수평 부분은 입구와 출구 사이에 위치된다. 수평 부분은 그 전체 길이를 따라 매끄러운 곡선을 가질 수 있다. 유로는 그 내부에 위치되어 상기 유로 부분을 통과하는 가스들의 유량을 측정하도록 구성된 하나 이상의 센서들을 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서들은 초음파 변환기(트랜스듀서) 또는 가스 농도 센서 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서들은 유량 및/또는 산소 농도를 감지하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 센서들은 센서 모듈에 배치될 수 있다.
유로는 총 유동 거리가 50 mm 내지 150 mm이 되도록 추가 구성될 수 있다. 또한, 유로는 평균 단면 직경이 10 mm 내지 20 mm가 되도록 추가 구성될 수 있다.
유로는, 유로의 제1 단부에서의 제1 단면적과; 유로의 제2 단부에서의 제2 단면적과; 유로의 제1 단부와 제2 단부 사이의 중간 단면적을 더 포함할 수 있으며, 중간 단면적은 제1 단면적보다 작을 수 있고, 중간 단면적은 제2 단면적보다 작을 수 있다.
하나 이상의 센서들은 송풍기 다음에 배치될 수 있다. 송풍기는 혼합기일 수 있다. 하나 이상의 센서들은 가스의 유속을 측정하도록 구성된 가온 온도 감지 소자, 및/또는 온도, 습도, 습온도, 및/또는 압력 센서들을 더 포함할 수 있다.
또한, 유량 측정 시 이상 현상들을 야기할 수 있는, 가스 흐름 내 원하지 않는 와동(vorticity)을 방지하기 위한 가스의 유로가 기술되어 있다. 유로는 초음파 센서 시스템과 함께 사용될 수 있다.
본 개시는, 적어도 2개의 상이한 가스 공급원으로부터 가스 흐름을 받는 입구 포트와; 입구 포트로부터의 가스의 흐름을 받는 송풍기로서, 상기 적어도 2개의 상이한 가스 공급원들로부터의 가스 흐름을 혼합하여 혼합 가스를 생성하도록 구성된 것인 송풍기와; 송풍기로부터 혼합 가스를 받아서 가스가 센서 챔버를 통해 흐르게 안내하는 가스 유로(a gases flow path)와; 가스 유로를 통해 흐르는 가스 흐름의 특성을 측정하도록 구성된 하나 이상의 센서들을 포함할 수 있는 유량 요법 기기를 기술한다. 하나 이상의 센서들은 송풍기 다음에 배치될 수 있다. 송풍기는 혼합기일 수 있다. 하나 이상의 센서들은 센서 모듈에 배치될 수 있다.
상이한 가스 공급원은 산소 가스를 포함할 수 있고, 입구 포트는 산소 가스의 흐름을 송풍기로 전달하도록 구성된 밸브를 포함할 수 있다. 밸브는 비례 밸브를 포함할 수 있다.
하나 이상의 센서들은 2개 이상의 초음파 변환기들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서들은 또한 가스 농도 센서를 포함할 수 있다.
초음파 변환기들은 가스 농도를 결정하도록 구성될 수 있다. 초음파 변환기들은 유속을 결정하도록 구성될 수 있다.
하나 이상의 센서들은 가스 유속을 측정하도록 구성된 가온 온도 감지 소자를 포함할 수 있다.
본 개시는 유량 요법 기기 내의 감지 챔버를 기술하는 것으로, 감지 챔버는 가스 흐름을 수용하도록 구성된 유로와; 유로를 통해 흐르는 가스 흐름의 특성을 측정하도록 구성된 하나 이상의 센서들로서, 유로의 하류 측 부분에 위치된 제1 초음파 변환기와 유로의 상류 측 부분에 위치된 제2 초음파 변환기를 포함하는 하나 이상의 센서들을 포함할 수 있으며, 상기 유로는 제1 및 제2 초음파 변환기 사이에서 곡선(만곡된) 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 곡선 형상은 가스 흐름 내의 사공간을 줄이도록 구성될 수 있다.
상기 센서들은 유로 내 가스의 온도를 측정하도록 구성된 하나 이상의 온도 센서들을 더 포함할 수 있다.
온도 센서는 유로 내에 배치될 수 있다.
감지 챔버는 감지 회로 기판을 더 포함하며, 감지 회로 기판의 제1 부분의 적어도 일부가 유로 내에 위치된다.
감지 회로 기판은 가스 흐름과 온도 센서 사이에 열전도를 초래하도록, 그리고 감지 챔버의 벽과 온도 센서 사이의 열 전도를 방해하도록 추가 구성될 수 있다.
감지 회로 기판은 유로의 외부에 위치되는 감지 회로 기판의 적어도 제2 부분을 더 포함할 수 있다.
감지 챔버는 감지 회로 기판의 제1 부분을 감지 회로 기판의 제2 부분으로부터 나누는 밀봉재를 더 포함할 수 있다. 밀봉재는 공압 씰일 수 있다.
유로는 총 유동 거리가 50 mm 내지 150 mm이 되도록 추가 구성될 수 있다.
유로는 평균 단면 직경이 10 mm 내지 20 mm가 되도록 추가 구성될 수 있다.
*유로는 그 길이를 따라 일정한 단면 형상을 갖도록 추가 구성될 수 있다.
유로는, 유로의 제1 단부에서의 제1 단면적과; 유로의 제2 단부에서의 제2 단면적과; 유로의 제1 단부와 제2 단부 사이의 중간 단면적을 더 포함할 수 있으며, 중간 단면적은 제1 단면적보다 작을 수 있고, 중간 단면적은 제2 단면적보다 작을 수 있다. 유로는 제1 및 제2 초음파 변환기 사이에 걸쳐 곡선 형상을 이루도록 구성될 수 있다.
본 개시는 감지 챔버의 제1 단부로부터 감지 챔버의 제2 단부까지의 가스 유로를 따라 감지 챔버를 통해 흐르는 가스의 특성을 결정하기 위한 방법을 기술하며, 감지 챔버는 제1 단부에 위치된 제1 초음파 변환기와 제2 단부에 위치된 제2 초음파 변환기를 포함하며, 제1 단부로부터 제2 단부로 가스 유로를 따라 하류 방향이 정의되고, 제2 단부로부터 제1 단부로 가스 유로를 따라 상류 방향이 정의된다. 상기 방법은 제1 초음파 변환기로부터 하류 음향 펄스를 전송하고 제2 초음파 변환기에서 하류 음향 펄스를 검출하는 단계와; 하류 음향 펄스에 적어도 일부 근거하여 하류 이동 시간을 결정하는 단계와; 제2 초음파 변환기로부터 상류 음향 펄스를 전송하고 제1 초음파 변환기에서 상류 음향 펄스를 검출하는 단계와; 상류 음향 펄스에 적어도 일부 근거하여 상류 이동 시간을 결정하는 단계와; 제1 초음파 변환기와 제2 초음파 변환기 사이의 사공간을 고려하여 가스의 특성을 결정하는 단계를 포함한다.
가스의 특성을 결정하는 단계는 하기 식들을 이용하여 가스 속도를 결정하는 것을 포함할 수 있다:
Figure pat00001
식에서 c는 음속을 나타내고, D는 가스 흐름이 있는 경우의 제1 초음파 변환기와 제2 초음파 변환기 사이의 거리를 나타내며, D 0 은 가스 흐름이 없는 경우의 제1 초음파 변환기와 제2 초음파 변환기 사이의 거리를 나타내고, t 1 은 하류 이동 시간을 나타내고, t 2 는 상류 이동 시간을 나타낸다.
본 개시는 감지 챔버의 제1 단부로부터 감지 챔버의 제2 단부까지의 가스 유로를 따라 감지 챔버를 통해 흐르는 가스의 특성을 결정하는 방법을 기술하며, 감지 챔버는 제1 단부에 위치된 제1 초음파 변환기와 제2 단부에 위치된 제2 초음파 변환기를 포함하며, 제1 단부로부터 제2 단부로 가스 유로를 따라 하류 방향이 정의되고, 제2 단부로부터 제1 단부로 가스 유로를 따라 상류 방향이 정의된다. 상기 방법은 제1 초음파 변환기로부터 하류 음향 펄스를 전송하고 제2 초음파 변환기에서 하류 음향 펄스를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 전체 수신된 초음파 파형을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 수신된 파형과 기준 간에 상호 상관분석을 수행하여 이동 시간을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 기준은 이전에 기록된 것이거나 기정된 것일 수 있다. 기준은 별도의 파이거나 이전 파일 수 있다. 상호 상관분석은 유량이 산출될 수 있도록 차동 이동 시간을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 가스는 헬륨과 산소의 혼합기체 또는 이산화탄소를 포함할 수 있다. 교차 상관분석에는 작동 중의 이상 현상들을 강조 표시하는 것이 포함될 수 있다.
본 개시는 유량 요법 기기 내의 측정 모듈을 교정하기 위한 시스템을 기술한다. 상기 시스템은 기정된 작동 매개변수들에서 가스 유량을 전달하도록 구성된 송풍기와; 가스 특성에 대한 제1 값을 결정하도록 구성된 제1 센서와; 제1 값을 저장하도록 구성된 제1 메모리와; 송풍기로부터의 가스 유량을 변경하고, 기정된 작동 매개변수들에서 제1 값과 기준값 사이의 비교에 적어도 일부 근거하여 교정 매개변수를 조정하도록 구성된, 제어 시스템을 포함할 수 있다. 기준값은 룩업 테이블, 사용자 입력 또는 산출된 값 중 하나 이상으로부터 얻어질 수 있다.
제1 센서는 한 쌍의 초음파 변환기를 포함할 수 있다.
교정 시스템은 제2 가스의 유량을 전달하도록 구성된 밸브를 더 포함할 수 있으며, 제어 시스템은 제2 가스의 유량을 변화시키도록 추가 구성될 수 있다. 제2 가스는 산소를 포함할 수 있다.
시스템은 가스 특성에 대한 제2 값을 결정하도록 구성된 제2 센서를 더 포함할 수 있으며, 제어 시스템은 제1 값과 제2 값을 비교하도록 추가 구성될 수 있다.
제2 센서는 온도 센서를 포함할 수 있다. 제2 센서는 가스 유속을 측정하도록 구성된 가온 온도 감지 소자를 포함할 수 있다. 제2 센서는 습도 센서를 포함할 수 있다. 제2 센서는 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
가스 특성은 유량일 수 있다. 가스 특성은 산소 농도 또는 다른 가스 농도일 수 있다. 가스 특성은 온도일 수 있다. 가스 특성은 습도일 수 있다. 가스 특성은 압력일 수 있다.
본 개시는 유량 요법 기기 내의 감지 챔버를 기술한다. 감지 챔버는 가스 특성을 측정하도록 구성된 하나 이상의 센서들로서, 유로의 하류 부분에서의 제1 초음파 변환기 및 유로의 상류 부분에서의 제2 초음파 변환기를 포함하는 하나 이상의 센서들과; 가스 유속을 측정하도록 구성된 가온 온도 감지 소자를 포함한다. 가온 온도 감지 소자는 유량 측정의 리던던시를 제공할 수 있으며, 상기 리던던시는 제1 및 제2 초음파 변환기에 의한 저유량에서의 신속한 유량 측정과 가온 온도 감지 소자에 의한 저유량에서의 정확한 유량 측정을 포함한다. 리던던시는 유속 교정을 보조할 수 있다.
가온 온도 감지 소자는 초음파 변환기의 교정 매개변수를 조정할 수 있다. 가온 온도 감지 소자는 초음파 변환기의 판독값을 조정할 수 있다. 이러한 조정은 지속적인 조정일 수 있다. 조정은 기정된 양, 비율, 또는 유량일 수 있거나 또는 다른 감지된 매개 변수에 가중될 수 있다.
본 개시는 유량 요법 기기 내의 감지 챔버를 기술한다. 감지 챔버는 가스 특성을 측정하도록 구성된, 그리고 유로의 하류 부분에서의 제1 초음파 변환기와 유로의 하류 부분에서의 제2 초음파 변환기를 포함하는 하나 이상의 센서들을 포함할 수 있으며, 상기 하나 이상의 센서들은 감지 회로 기판 상에 직접 탑재될 수 있다. 감지 챔버는 초음파 센서에 근접하게 위치되는 초음파 회로부를 더 포함할 수 있다. 초음파 회로부는 하나 이상의 센서들로부터 환경적으로 격리될 수 있다. 챔버는 초음파 회로부를 하나 이상의 센서들로부터 격리시키는 밀봉재를 더 포함할 수 있다. 밀봉재는 공압 씰일 수 있다. 하나 이상의 센서들 중 적어도 하나는 감지 회로 기판 상에 배치될 수 있다.
본 개시는 가스 전달 시스템을 기술한다. 시스템은 가스 특성을 결정하도록 구성된 하나 이상의 센서들과; 주위 압력의 추정치를 결정하도록 구성되어 있는 제1 절대 압력을 결정하도록 구성된 제1 압력 센서와; 제2 절대 압력을 결정하도록 구성된 제2 압력 센서를 포함하며, 제1 절대 압력과 제2 절대 압력 간의 차이에 의해 산출 차압이 구해질 수 있고, 가스 특성의 산출은 주위 압력의 변화에 적어도 일부 근거하여 조정될 수 있다.
시스템은 송풍기를 더 포함할 수 있다. 제2 절대 압력 센서는 송풍기의 하류 측에 있을 수 있다. 가스 공급원에 의해 발생되는 압력은 산출 차압으로부터 추정될 수 있다.
가스 특성을 결정하도록 구성된 하나 이상의 센서들은 초음파 센서들을 포함할 수 있다. 주위 압력 판독값에 의해 질량 유속과 체적 유속의 비교가 가능해진다. 제1 절대 압력 센서는 가스 전달 시스템의 하우징 내에 위치될 수 있다. 제2 압력 센서는 감지 챔버 또는 센서 모듈 내에 위치될 수 있으며, 가스 공급원에 의해 가스가 가압된 후의 가스 흐름의 압력을 검출한다.
도 1은 유량 요법 기기 형태의 호흡 보조 기기를 개략적 형태로 나타낸다.
도 2는 유량 요법 기기의 정면도로서, 가습기 챔버는 제 위치에 있고, 핸들/레버는 들어 올려진 상태이다.
도 3은 도 2에 상응하는 평면도이다.
도 4는 도 2에 상응하는 우측면도이다.
도 5는 도 2에 상응하는 좌측면도이다.
도 6은 도 2에 상응하는 배면도이다.
도 7은 도 2에 상응하는 전방 좌측 사시도이다.
도 8은 도 2에 상응하는 전방 우측 사시도이다.
도 9는 도 2에 상응하는 저면도이다.
도 10은 유량 요법 기기의 공기 및 산소 입구 배열(arrangement)의 제1 형태를 나타낸다.
도 11은 유량 요법 기기의 공기 및 산소 입구 배열의 제2 형태를 나타낸다.
도 12는 도 11의 공기 및 산소 입구 배열을 더 상세히 보여주는 횡단면도이다.
도 13은 도 11의 공기 및 산소 입구 배열을 더 상세히 보여주는 또 다른 횡단면도이다.
도 14는 도 11의 공기 및 산소 입구 배열을 더 상세히 보여주는 종단면도이다.
도 15는 유량 요법 기기의 주 하우징의 상부 및 하부 섀시 구성요소의 분해도이다.
도 16은 주 하우징의 하부 섀시의 전방 좌측면도로서, 모터 및/또는 센서 모듈 서브-어셈블리를 수용하기 위한 하우징을 보여준다.
도 17a는 유량 요법 기기의 주 하우징의 제1 하측 사시도로서, 모터 및/또는 센서 모듈 서브-어셈블리를 위한 하우징 내부의 리세스를 보여준다.
도 17b는 유량 요법 기기의 주 하우징의 제2 하측 사시도로서. 모터 및/또는 센서 모듈 서브-어셈블리를 위한 리세스를 보여준다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따른 호흡 보조 시스템의 구성요소들과 상호 작용하고/하거나 제어 및 방향을 제공하는 제어 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 제어기의 블록도를 나타낸다.
도 20은 본 개시의 일 실시예에 따른 모터 및/또는 센서 모듈의 블록도를 나타낸다.
도 21은 본 개시의 일 실시예에 따른 감지 챔버를 나타낸다.
도 22a는 본 개시의 일 실시예에 따른 감지 챔버 내의 감지 회로 기판을 나타낸다.
도 22b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 감지 챔버 내의 감지 회로 기판을 나타낸다.
도 22c는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 감지 챔버 내의 감지 회로 기판을 나타낸다.
도 23a는 본 개시의 일 실시예에 따른 변환기 시그널링 구현의 회로도를 나타낸다.
도 23b는 본 개시의 일 실시예에 따른 양방향 변환기 시그널링 구현의 회로도를 나타낸다.
도 24a는 변환기 신호 펄스를 개략적으로 나타낸다.
도 24b는 송수신될 때의 전파된 변환기 신호를 나타낸다.
도 24c는 링잉(울림)을 감소시키도록 설계된 예시적인 변환기 펄스를 개략적으로 나타낸다.
도 25a는 초음파 감지 모델의 블록도를 나타낸다.
도 25b는 사공간을 포함하는 초음파 감지 모델의 블록도를 나타낸다.
도 26a는 본 개시의 일 실시예에 따른 교정 시스템을 나타내는 흐름도이다.
도 26b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 교정 시스템을 도시하는 흐름도이다.
도 27a는 추적부를 갖는 감지 챔버 내 감지 회로 기판을 나타낸다.
도 27b는 도 27a의 확대 부분을 나타내는 도면으로서, 추적부를 더 상세히 보여준다.
도 28은 2개의 절대 압력 센서를 이용하여 게이지 압력을 측정하는 것을 설명하는 흐름도이다.
도 29 내지 도 33은 유량 요법 기기의 다른 실시예들에 관한 다양한 도면을 나타낸다.
도 1에 유량 요법 기기(10)를 나타내었다. 일반적으로, 기기(10)는 모터/임펠러 배열 형태의 유량 발생기(flow generator)(11), 선택품목으로서의 가습기(12), 제어기(13) 및 (예를 들어, 디스플레이 및 입력 장치(들), 이를테면 버튼(들), 터치 스크린, 터치 스크린과 버튼(들)의 조합, 또는 이와 유사한 것을 포함하는) 사용자 I/O 인터페이스(14)를 포함할 수 있다. 제어기(13)는 기기의 구성요소들을 제어하도록 구성되거나 프로그램되며, 유량 발생기(11)를 작동시켜 환자에게 전달하기 위한 임의 흐름의 가스(가스 흐름)를 발생하기, 가습기(12)(존재하는 경우)를 작동시켜 상기 발생된 가스 흐름을 가습 및/또는 가온하기, 기기(10)의 재구성 및/또는 사용자-정의 작동을 위해 사용자 인터페이스(14)로부터 사용자 입력을 수신하기, 및 사용자에 정보를 (예를 들면, 디스플레이 상에) 출력하기가 그에 포함된다. 여기서 사용자란 환자, 의료 전문인, 또는 본 기기 사용에 관심이 있는 모든 사람일 수 있다.
환자 호흡 도관(16)은 유량 요법 기기(10)의 하우징(100) 내 가스 흐름 출구(21)에 결합되며, 환자 인터페이스(17), 이를테면 다기관(19)와 비강 프롱(18)을 구비한 비강 캐뉼라에 결합된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 환자 호흡 도관(16)은 안면 마스크 또는 기관절개 인터페이스에 결합될 수 있다. 가습될 수 있는 가스 흐름이 유량 요법 기기(10)에 의해 생성되어 캐뉼라(17)를 통해 환자 도관(16)을 통해 환자에게 전달된다. 환자 도관(16)에는 상기 도관을 통과하여 환자에게 보내지는 가스 흐름을 가온하도록 열선(16a)이 구비될 수 있다. 열선(16a)는 제어기(13)의 제어 하에 있다. 환자 도관(16) 및/또는 환자 인터페이스(17)는 유량 요법 기기(10)의 일부로, 또는 대안적으로는 유량 요법 기기의 주변장치로 간주될 수 있다. 유량 요법 기기(10)와, 호흡 도관(16)과, 환자 인터페이스(17)가 함께 유량 요법 시스템을 형성한다.
당업자가 유량 요법 호흡 기기(10)의 전반적인 작동을 알고 있을 것이므로, 여기에서 자세히 설명할 필요는 없을 것이다. 그러나, 일반적으로, 제어기(13)는 유량 발생기(11)를 제어하여 원하는 유량의 가스 흐름을 생성하고/하거나, 하나 이상의 밸브들을 조정하여 공기와 산소 또는 다른 대체 가스의 배합을 제어하고/하거나, 존재하는 경우 가습기(12)를 제어하여 가스 흐름을 적절한 수준으로 가습 및/또는 가온한다. 가스 흐름은 환자 도관(16)과 캐뉼라(17)를 통해 환자에게로 향하게 된다. 또한, 제어기(13)는 가습기(12) 내의 가온 소자 및/또는 환자 도관(16) 내의 가온 소자(16a)를 제어하여, 환자에 바람직한 수준의 치료 및/또는 바람직한 수준의 편안함을 주는 바람직한 온도까지 가스를 가온할 수 있다. 제어기(13)는 가스 흐름의 적절한 목표 온도에 프로그램되거나 또는 가스 흐름의 적절한 목표 온도를 정할 수 있다.
유량, 온도, 습도 및/또는 압력 센서들과 같은 작동 센서들(3a, 3b, 3c, 20, 25)이 유량 요법 기기(10) 및/또는 환자 도관(16) 및/또는 캐뉼라(17)의 다양한 자리에 배치될 수 있다. 이들 센서로부터의 출력은 제어기(13)에 수신되어, 제어기가 적절한 치료를 제공하는 방식으로 유량 요법 기기(10)를 작동시키는 데 도움을 줄 수 있다. 일부 구성형태에서, 적절한 치료를 제공하는 것에는 환자의 흡기 요구를 충족시키는 것이 포함된다. 기기(10)는 제어기(13)가 센서들로부터 8개의 신호를 수신하고/하거나 유량 요법 기기(10)의 다양한 구성요소, 즉 유량 발생기(11), 가습기(12), 열선(16a), 또는 유량 요법 기기(10)와 관련된 부속장치나 주변장치를 포함하되 이에 한정되지 않는 다양한 구성요소를 제어하는 것을 가능하게 하는 송신기 및/또는 수신기(15)를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 송신기 및/또는 수신기(15)는 원격 서버에 데이터를 전달하거나 또는 기기(10)의 원격 제어를 가능하게 할 수 있다.
환자 인터페이스는 비강 캐뉼라와 같은 비-밀봉식 인터페이스일 수 있다.
주 하우징에 관한 설명을 포함한 개요
2016년 6월 24일에 "호흡 보조 기기"란 명칭으로 출원되었으며 그 전체가 본원에 참조로 포함된 국제 특허 출원 제PCT/IB2016/053761호에 유량 요법 기기의 몇몇 실시예들이 기재되어 있다. 도 29 내지 도 33은 이러한 실시예들 중 일부를 나타낸다. 도 2 내지 도 17b는 주 하우징(100)을 포함하는 유량 요법 기기(10)의 또 다른 실시예를 나타낸다. 주 하우징(100)에는 주 하우징 상부 섀시(102)와 주 하우징 하부 섀시(202)가 있다.
주 하우징 상부 섀시(102)는 외주벽 배열(a peripheral wall)(106)을 갖는다. 외주벽 배열은 분리형 가습 챔버(300)를 수용하기 위한 가습기 또는 가습 챔버 만입부(108)를 형성한다. 상기 분리형 가습 챔버(300)는 환자에게 전달될 가스를 가습하는 데 적절한 액체, 이를테면 물을 담고 있다.
도시된 형태에서, 주 하우징 상부 섀시(102)의 외주벽 배열(106)은 주 하우징(100)의 전후 방향으로 배향된 대체로 수직 방향의 좌측 외벽(110)과, 주 하우징(100)의 전후 방향으로 배향된 대체로 수직 방향의 좌측 내벽(112)과, 상기 좌측 내외벽(110,112) 상단들 사이로 뻗어 있으며 상기 상단들을 상호 연결시키는 상호 연결 벽(114)을 포함한다. 주 하우징 상부 섀시(102)는 주 하우징(100)의 전후 방향으로 배향된 대체로 수직 방향의 우측 외벽(116)과, 주 하우징(100)의 전후 방향으로 배향된 대체로 수직 방향의 우측 내벽(118)과, 우측 내외벽(116, 118) 상단들 사이로 뻗어 있으며 상기 상단들을 상호 연결시키는 상호 연결 벽(120)을 더 포함한다. 상호 연결 벽(114, 120)은 주 하우징(100)의 각자의 외부 에지 쪽으로 경사를 이루고 있지만, 대안적으로는 대체로 수평 방향으로나 내부 쪽으로 경사를 이룰 수 있다.
주 하우징 상부 섀시(102)는 대체로 수직 방향의 후방측 외벽(122)을 더 포함한다. 주 하우징 상부 섀시(102)의 상부는 전방으로 경사진 표면(124)을 포함한다. 상기 표면(124)에는 도 53과 도 54에 보다 상세히 나타낸 디스플레이 및 사용자 인터페이스 모듈(14)을 수용하기 위한 리세스(126)가 마련되어 있다. 상호 연결 벽(128)은 후방측 외벽(122)의 상단부와 표면(124)의 후방측 에지 사이로 뻗어 있으며 상기 상단부와 에지를 상호 연결시킨다.
표면(124)의 전단부로부터 대체로 수직 방향의 벽 부분(130)이 하향으로 뻗는다. 벽 부분(130)의 하단으로부터 대체로 수평 방향의 벽 부분(132)이 전방으로 뻗어 렛지를 형성한다. 벽 부분(132)의 전단부로부터 대체로 수직 방향의 벽 부분(134)이 하향으로 뻗어져 가습 챔버 만입부(108)의 대체로 수평 방향의 바닥 부분(136)에서 종결된다. 좌측 내벽(112), 우측 내벽(118), 벽 부분(134) 및 바닥 부분(136)이 함께 가습 챔버 만입부(108)를 형성한다. 가습 챔버 만입부(108)의 바닥 부분(136)에는 가습 공정 동안 사용되는 가습 챔버(300) 내의 액체를 가온하기 위한 히터 배열, 이를테면 열판(140) 또는 다른 적절한 가온 소자(들)를 수용하는 리세스(138)가 마련되어 있다.
주 하우징 하부 섀시(202)는 예를 들어 클립과 같은 적절한 체결구 또는 일체형 부착 특징부에 의해 상부 섀시(102)에 부착될 수 있다. 주 하우징 하부 섀시(202)는, 주 하우징(100)의 전후 방향으로 배향되며 상부 섀시(102)의 좌측 외벽(110)에 인접한 대체로 수직 방향의 좌측 외벽(210)과, 주 하우징(100)의 전후 방향으로 배향되며 상부 섀시(102)의 우측 외벽(116)에 인접한 대체로 수직 방향의 우측 외벽(216)을 포함한다. 주 하우징 하부 섀시(202)는 상부 섀시(102)의 후방측 외벽(122)에 인접한 대체로 수직 방향의 후방측 외벽(222)을 더 포함한다.
하부 하우징 섀시(202)는 상부 하우징 섀시(102)의 립(lip)(142)에 인접해 있으며 레버(500)의 핸들 부분(506)을 수용하기 위한 리세스의 일부를 또한 형성하는 립(242)을 구비한다. 하부 립(242)은 전방을 향한 돌출부(243)를 포함하며, 이러한 돌출부는 레버(500)의 핸들 부분(506)을 위한 리테이너로서 역할을 한다.
하부 하우징 섀시(202)의 밑면은 저벽(a bottom wall)(230)을 포함한다. 각각의 상호 연결 벽(214, 220, 228)은 대체로 수직 방향의 벽(210, 216, 222)과 저벽(230) 사이로 뻗으며 이들 벽을 상호 연결시킨다. 저벽(230)은 가습 챔버(300)로부터 (예컨대, 유출에 의해) 액체가 누출된 경우에 액체가 배수될 수 있게 하는 복수의 개구를 가진 그릴(grill)(232)을 포함한다. 저벽(230)은 전후 배향된 세장형 슬롯들(234)을 또한 포함한다. 이들 슬롯(234)은 가습 챔버(300)로부터 액체가 누출된 경우에 액체가 전자기기 하우징에 들어가지 않고 배수될 수 있게 추가적 도움을 준다. 도시된 구성형태에서는 열판(140)이 저벽(230)의 바깥 부분들에 의해 지지되지 않음에 따라, 슬롯(234)은 액체의 배수를 극대화하기 위해 그릴(232)의 개구에 비해 폭이 넓고 길 수 있다.
도 17a 내지 도 17b에 나타낸 바와 같이, 하부 섀시(202)에는 분리형 모터 및/또는 센서 모듈을 수용하는 모터 리세스(250)가 있다. 저벽(230)의 후방측 에지 가까이에는 분리형 모터 및/또는 센서 모듈을 수용하는 리세스 개구부(251)가 마련되어 있다. 연속적으로 쭉 이어진 가스 불투과성 외주벽(252)이 하부 섀시(202)의 저벽(230)과 일체로 형성되어 상기 개구부(251) 둘레로부터 상향으로 뻗는다. 외주벽(252)의 후방측 부분(254)은 제1 높이를 가지며, 외주벽(252)의 전방 부분(256)은 제1 높이보다 큰 제2 높이를 가진다. 외주벽(252)의 후방 부분(254)은 대체로 수평인 단(258)에서 종결되며, 상기 단은 외주벽(252)의 상부 보조 후방 부분(260)에서 종결된다. 외주벽(252)의 전방 부분(256) 및 상부 보조 후방 부분(260)은 천장부(262)에서 종결된다. 가스 흐름 통로(gas flow passage) 이외에 모든 벽과 천장부(262)가 연속적으로 쭉 이어진 가스 불투과성이다. 따라서, 가스 흐름 통로 이외에 전체 모터 리세스(250)가 가스 불투과성이며 연속적이다.
대안적 구성형태에서, 품목들(252, 254, 256, 258, 260, 264)을 포함하는 모터 리세스는 하부 섀시(202)와 별도로 형성될 수 있다. 리세스를 포함한 모터 어셈블리가 리세스 개구부(251) 내로 삽입되어 하부 섀시(202)에 부착될 수 있다. 모터 어셈블리 및 리세스가 하부 섀시(202) 내로 삽입될 때, 가스 흐름 통로 관(264)이 하향으로 뻗어 있는 관(133)을 통해 연장되어 연질 밀봉재에 의해 밀봉될 수 있다.
기기(10)는 가습 챔버(300)를 기기(10)로 유동 결합(fluid coupling)시키는 연결 다기관 배열(320)을 포함한다. 하우징(100)의 전방에서의 한 위치로부터 하우징(100)의 후방을 향한 방향으로, 가습 챔버(300)는 당해 가습 챔버(300)의 후방 방향으로 챔버 만입부(108) 내로 선형 슬라이드-온 이동하면서 기기(10)에 유동적으로 결합될 수 있다. 연결 다기관 배열(320)은 고정된 L자형 엘보우(elbow)(324)를 통해 모터/임펠러 유닛(402)으로부터의 가스 흐름 통로와 유체 연통하는 다기관 가스 출구 포트(322)를 포함한다.
연결 다기관 배열(320)은 분리형 엘보우로 구현되는 다기관 가스 입구 포트(340)(가습 가스 리턴부)를 더 포함한다. 분리형 엘보우는 L자형이며, 환자 인터페이스(17)에 가스를 전달하기 위해 환자 도관(16)에 결합되는 환자 출구 포트(344)를 더 포함한다. 다기관 가스 출구 포트(322), 다기관 가스 입구 포트(340) 및 환자 출구 포트(344) 각각은 기기(10), 가습 챔버(300) 및 환자 도관(16) 간에 밀봉된 가스 통로를 제공하기 위해 O링 씰 또는 T-씰과 같은 연질 밀봉재를 포함한다.
가습 챔버 가스 입구 포트(306)는 연결 다기관 가스 출구 포트(322)와 상보적이며, 가습 챔버 가스 출구 포트(308)는 연결 다기관 가스 입구 포트(340)와 상보적이다. 이들 포트의 축들은 바람직하게는 평행하여, 가습 챔버(300)가 선형 이동하여 챔버 만입부(108) 내로 삽입될 수 있게 한다.
기기(10)는 모터와 유체 연통하는 공기 및 산소(또는 대안적 보조 가스) 입구들을 구비하여 모터가 공기, 산소 또는 이들의 적절한 혼합물을 가습 챔버(300) 및 그에 따라 환자에게 전달할 수 있게 한다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 기기(10)는 통합형 공기/산소(또는 대안적 보조 가스) 입구 배열(350)을 구비할 수 있다. 이 배열은 하우징(100)으로의 통합형 공기/산소 포트(352), 필터(354), 및 산소 공급원과 유체 연통하는 산소관(358)이 측방향으로 연장되어 있는 커버(356)를 구비할 수 있다. 포트(352)는 모터(402)와 유동적으로 결합된다. 예를 들어, 포트(352)는 당해 포트(352)와 모터 및/또는 센서 모듈(400)의 입구 개구 또는 포트 사이의 가스 흐름 통로를 통해 모터 및/또는 센서 모듈(400)과 결합될 수 있으며, 결과적으로는 모터에 이르게 된다. 이러한 배열은 2014년 5월 23일에 미국 특허 출원 US 제14/286,590호로 출원되었고 US 제2014/0345615호로 공개되었던 유형일 수 있으며, 해당 명세서의 내용은 그 전체가 본원에 참조로 포함되었다.
대안적으로, 기기(10)는 모터가 공기, 산소(또는 대안적 보조 가스) 또는 이들의 적절한 혼합물을 가습 챔버(300)에 그리고 환자에게 전달할 수 있게 하도록 도 11 내지 도 14에 나타낸 배열을 가질 수 있다. 이러한 배열은 하우징(100)의 하부 섀시(202)의 후방 벽(222)에 공기 입구(356')를 포함한다. 공기 입구(356')는 개구 및/또는 슬롯의 적절한 그릴 배열을 갖는 강성 판을 포함한다. 상기 판의 내부 면 상에는 잡음 감쇠 발포체가 판에 인접하게 제공될 수 있다. 공기 필터 박스(354')는 주 하우징(100) 내부로의 공기 입구(356')에 인접하여 위치되고, 필터된 공기를 모터 및/또는 센서 모듈(400)에 있는 공기 입구 포트(404)를 통해 모터에 전달하기 위한 공기 출구 포트(360)를 포함한다. 공기 필터 박스(354')는 미립자(예컨대, 먼지) 및/또는 병원균(예컨대, 바이러스 또는 박테리아)을 가스 흐름으로부터 제거하도록 구성된 필터를 포함할 수 있다. O링 씰과 같은 연질 밀봉재가 공기 출구 포트(360)와 공기 입구 포트(404) 사이에 제공되어 구성요소들 간을 밀봉시키게 된다. 기기(10)는 하우징(100)의 후방 단부에서 하우징(100)의 일 측면에 인접하여 위치된 별도의 산소 입구 포트(358')를 포함하며, 이러한 산소 입구 포트(358')는 산소 공급원, 이를테면 탱크 또는 파이프 수송식 산소 공급원으로부터 산소를 받기 위함이다. 산소 포트(358')는 밸브(362)와 유체 연통한다. 밸브(362)는 가습 챔버(300)에 전달되는 가스 흐름에 첨가되는 산소의 양을 제어할 수 있게 하는 솔레노이드 밸브일 수 있다. 대안적 구성형태에서 산소 포트(358') 및 밸브(362)를 다른 보조 가스에도 사용하여 가스 흐름에 대한 다른 보조 가스의 첨가를 제어할 수 있음을 이해해야 한다. 상기 다른 보조 가스는 가스 요법에 유용한 다수의 가스 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있으며, 그 예로 헬륨과 산소의 혼합기체 및 산화질소가 포함되지만 이에 한정되지 않는다. 밸브 및 필터에 관한 보다 상세한 설명은 2016년 10월 18일에 "밸브 모듈 및 필터"란 명칭으로 출원된 미국 가출원 제62/409543호에 기재되어 있으며, 그 전체가 본원에 참조로 포함되었다.
도 13 내지 도 16에 나타낸 바와 같이, 하부 하우징 섀시(202)는 적절한 전자 기판들(272)을 갖추고 있다. 전자 기판들은 하부 하우징 섀시(202)의 각각의 외벽(210, 216)에 인접하여 위치될 수 있다. 전자 기판들(272)은 적절한 전기 또는 전자 부품들, 이를테면, 비제한적으로 마이크로프로세서, 커패시터, 레지스터, 다이오드, 연산 증폭기, 비교기 및 스위치를 수용할 수 있거나 그와 전기적으로 도통될 수 있다. 센서가 사용될 수 있다. 전자 기판들(272)의 부품(이를테면, 비제한적으로 하나 이상의 마이크로프로세서들)은 기기의 제어기(13)로서 역할을 할 수 있다.
전자 기판들(272) 중 하나 또는 둘 다는, 디스플레이 유닛 및 사용자 인터페이스(14), 모터, 밸브(362) 및 열판(140)을 포함하는, 기기(10)의 전기적 구성요소들과 전기적으로 도통되어, 모터를 작동시켜 원하는 유량의 가스를 공급하고, 가습기(12)를 작동시켜 가스 흐름을 적합한 수준까지 가습 및 가온하며, 적합한 양의 산소(또는 대안적 구성형태에서는, 적합한 양의 대안적 보조 가스)를 가스 흐름에 공급할 수 있다.
전자 기판들(272)은 상부 하우징 섀시(102)의 후방측 벽(122)으로부터 돌출된 커넥터 배열(274)과 전기적으로 도통될 수 있다. 커넥터 배열(274)은 간호사 알람 장치, 맥박 산소 측정 포트 및/또는 다른 적절한 부속 장치에 결합될 수 있다. 전자 기판들(272)은 또한 상부 하우징 섀시(102)의 후방측 벽(122)에 제공되는 전기 커넥터(276)와 전기적으로 도통되어 기기(10)의 구성요소들에 주 전력 또는 배터리 전력을 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 유량, 온도, 습도 및/또는 압력 센서들과 같은 작동 센서들이 유량 요법 기기(10) 및/또는 환자 도관(16) 및/또는 캐뉼라(17)의 다양한 자리에 배치될 수 있다. 전자 기판들(272)은 이들 센서와 전기적으로 도통될 수 있다. 이들 센서로부터의 출력은 제어기(13)에 수신되어, 제어기(13)가 흡기 요구를 충족시키는 것을 비롯한 최적의 치료를 제공하는 방식으로 유량 요법 기기(10)를 작동시키는 데 도움을 줄 수 있다.
위에 개요를 설명한 바와 같이, 전자 기판들(272), 그리고 다른 전기 및 전자 부품들은 안전도를 향상시키고 화재 위험을 없애기 위해 가스 유로로부터 공압식 격리될 수 있다. 밀봉하는 것 역시 물 침투를 방지한다.
제어 시스템
도 18은 환자 상태를 검출하고 가스 공급원을 포함한 유량 요법 기기의 작동을 제어할 수 있는 제어 시스템(520)의 일 실시예의 블록도를 나타낸다. 일 실시예에서, 제어 시스템(520)은 가스가 환자에게 전달될 때 유량 요법 기기를 통해 흐르는 가스의 유량(532)을 관리한다. 제어 시스템(520)은 송풍기의 모터 속도나 블렌더 내의 밸브를 조정함으로써 유속을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 제어 시스템(520)은 후술되는 바와 같이 특정 환자를 위한 유속의 설정값 또는 개인 맞춤화된 값을 자동으로 정할 수 있다. 일부 실시예에 의하면, 환자의 안락과 치료를 개선하기 위해 제어 시스템(520)은 유속을 최적화시킬 수 있다.
제어 시스템(520)은 또한 청각적 및/또는 시각적 출력(534)을 발생할 수 있다. 예를 들어, 유량 요법 기기는 스피커가 더 구비되어 있을 수 있는 디스플레이(630)(도 19 참조)를 포함할 수 있다. 디스플레이(630)는 제어 시스템(520)에 의해 발생되는 임의의 경고 또는 경보를 의사에게 표시할 수 있다. 디스플레이(630)는 또한 의사가 조정할 수 있게 되어 있는 제어 매개변수들을 표시할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(520)은 특정 환자를 위한 유량을 자동 추천할 수 있다. 제어 시스템(520)은 또한 환자의 회복 상태를 생성하여 이를 디스플레이에 전송할 수 있다.
일부 실시예에서, 제어 시스템(520)은 환자에게 전달되는 가스의 출력 상태들을 제어하기 위해 가온 소자들 중 하나의 온도 설정점(530)을 변경할 수 있다. 제어 시스템(520)은 또한 가온 소자들의 작동 또는 듀티 사이클을 변경할 수 있다.
제어 시스템(520)은 하나 이상의 수신된 입력들(502 내지 510)에 기초하여 출력(530 내지 534)을 결정할 수 있다. 입력(502 내지 508)은 제어기(600)가 자동 수신한 센서 측정치에 상응할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제어 시스템(520)은 전술된 유량 요법 기기에서 흉-복부 비동기(TAA) 센서 입력(502), 호흡수 센서 입력(504), 호흡일(work of breathing) 센서 입력(506), CO2 센서 입력(508) 및/또는 다른 센서(압력 센서, 외기온도 센서, 맥박 산소측정 센서)에 상응하는 센서 입력들을 수신한다. 일 실시예에서, 제어 시스템(520)은 또한 사용자로부터의 입력을 수신하거나 메모리(624)에 저장된 값을 수신할 수 있다. 제어 시스템(520)은 치료 기간에 걸쳐 환자를 위해 동적으로 유속(532)을 조정할 수 있다. 일 실시예에 의하면, 제어 시스템(520)은 시스템 매개변수와 환자 매개변수를 지속적으로 검출할 수 있다.
제어기
제어 시스템(520)은 입력 상태의 검출 및 출력 상태의 제어를 위한 프로그래밍 명령어들을 포함할 수 있다. 프로그래밍 명령어는 도 19에 나타낸 바와 같이 제어기(600)의 메모리(624)에 저장될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로그래밍 명령어는 본원에 설명되는 방법, 프로세스 및 기능에 상응한다. 제어 시스템(520)은 제어기(600)의 하나 이상의 하드웨어 프로세서들(622)에 의해 실행될 수 있다. 프로그래밍 명령어는 C, C++, JAVA, 또는 임의의 다른 적절한 프로그래밍 언어로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 시스템(520) 부분들의 몇몇 또는 전부가 ASIC 및 FPGA와 같은 주문형 회로부(628)에서 구현될 수 있다.
도 18에 나타낸 바와 같이, 제어 시스템(520)은 유량 요법 기기의 다수 구성요소로부터의 입력을 수신할 수 있다. 도 18에 나타낸 입력들(502 내지 510) 모두가 존재할 수 있는 것은 아니다. 입력들(502 내지 510) 및 출력들(530 내지 534)이 반드시 모든 실시예들에 존재할 필요는 없다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제어 시스템(520)은 호흡일(WOB) 및/또는 호흡수 센서 입력(506)을 수신하고 흐름 제어 측정치(532)를 생성하는 것만 할 수 있다. 구성형태에 따라, 이들 입력에 상응하는 구성요소들 중 일부는 유량 요법 기기에 포함되어 있지 않을 수 있다. 입력 자체의 부족함은 제어 시스템(520)이 입력 혹은 시스템 상태를 판단하는 데 이용될 수 있다.
도 19는 제어기(600)의 일 실시예의 블록도를 나타낸다. 제어기는 메모리(626)에 저장된 명령어들을 실행할 수 있는 하드웨어 프로세서(622)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 의하면, 제어 시스템(520)은 프로그래밍 명령어로서 메모리(626)에 저장된다. 제어기는 또한 센서 신호를 수신하기 위한 회로들(628)을 포함할 수 있다. 제어기는 호흡 보조 시스템 및 환자의 상태를 전송하기 위한 디스플레이(630)를 더 포함할 수 있다. 디스플레이(630)는 또한 경고를 표시할 수 있다. 제어기는 또한 디스플레이(630)와 같은 사용자 인터페이스를 통해 사용자 입력을 수신할 수 있다. 사용자 인터페이스는 버튼들이나 다이얼을 대안적으로 또는 부가적으로 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스는 터치 스크린을 대안적으로 또는 부가적으로 포함할 수 있다.
모터 및/또는 센서 모듈
도 20은 유량 요법 기기의 리세스(250)에 수용되는 모터 및/또는 센서 모듈(2000)의 블록도를 나타낸다. 모터 및/또는 센서 모듈은 실내 공기를 끌어들여 환자에게 전달하는 송풍기(2001)를 포함한다. 일부 실시예에서, 송풍기(2001)는 원심 송풍기이다.
실내 공기는 실내 공기 입구(2002)로 들어가며, 상기 실내 공기 입구는 입구 포트(2003)를 통해 송풍기(2001)로 들어간다. 입구 포트(2003)에는 가압된 가스가 송풍기(2001)로 들어갈 수 있게 하는 밸브(2004)가 포함될 수 있다. 밸브(2004)는 송풍기(2001) 내로의 산소 흐름을 제어할 수 있다. 밸브(2004)는 비례 밸브 또는 이원 밸브를 비롯한 임의 유형의 밸브일 수 있다. 일부 실시예에서는 입구 포트에 밸브가 포함되어 있지 않다.
일부 실시예에서, 송풍기(2001)는 1,000 RPM 초과 30,000 RPM 미만, 2,000 RPM 초과 및 21,000 RPM 미만, 또는 앞서 언급한 값들 중 임의 값들 사이의 모터 속도로 작동할 수 있다. 송풍기(2001)가 작동되면 입구 포트(2003)를 통해 송풍기(2001)에 들어가는 가스들이 혼합된다. 혼합시키는 데에는 에너지가 필요하기 때문에, 별도의 혼합기, 이를테면 배플들을 갖춘 정적 혼합기를 갖춘 시스템에서 발생할 수 있는 압력 강하가 송풍기(2001)를 혼합기로 사용함으로써 감소될 수 있다.
혼합된 공기는 도관(2005)을 통해 송풍기(2001)를 빠져나와 감지 챔버(2007)의 유로(2006)로 들어간다. 센서들(2008)이 있는 감지 회로 기판이 감지 챔버(2007)에 위치됨에 따라 감지 회로 기판의 적어도 일부가 가스 흐름 속에 담기게 된다. 감지 회로 기판 상의 센서들(2008)은 흐름 속의 가스 특성을 측정하기 위해 가스 흐름 속에 위치된다. 가스는 감지 챔버(2007) 내의 유로(2006)를 통과한 후, 가습 챔버(300)로 배출된다(2009).
통합형 송풍기 및 혼합기(2001)의 하류 측에 센서들(2008)을 위치시킴으로써 송풍기 및/또는 혼합기의 상류 측에 센서들이 위치된 시스템에 비해 산소 농도를 포함한 가스 분획 농도의 측정과 같은 측정의 정확도를 높일 수 있다. 이러한 위치설정은 반복적 흐름 프로파일을 제공할 수 있다. 또한, 통합형 송풍기 및 혼합기의 하류 측에 센서들을 위치시킴으로써, 송풍기에 앞서 감지가 이루어지는 경우에, 입구와 감지 시스템 사이에는 별도의 혼합기, 이를테면 배플들을 갖춘 정적 혼합기가 필요하기 때문에 발생할 수 있는 압력 강하를 피하게 된다. 혼합기는 혼합기 전체에 압력 강하를 유도한다. 송풍기 다음에 센서들을 위치시킴으로써 송풍기가 혼합기 역할을 하는 것을 허용하며, 정적 혼합기가 압력을 낮추게 되는 한편, 반대로, 송풍기는 압력을 높인다. 또한, 감지 회로 기판 및 센서들(2008)의 적어도 일부를 유로에 담기면 측정 정확도가 높아지는데, 그 이유는 흐름 내에 담긴 센서들이 가스 흐름과 동일한 상태(이를테면, 온도 및 압력)에 처하게 될 가능성이 더 많기 때문이며, 이에 따라 가스 특성을 더 잘 표현하게 된다.
감지 챔버
본원에 기술되는 유량 요법 기기는 모듈식 시스템이다. 원한다면, 일부 또는 모든 센서들을 포함한 모터/감지 모듈을 따로 분리 및 교체할 수 있다. 모듈성을 향상시키기 위해, 유로 내에 적어도 일부가 배치될 수 있는 감지 챔버 내 하나의 감지 회로 기판에 센서들의 일부 또는 모두가 위치될 수 있으며, 제어 회로 기판상의 제어 전자장치(control electronics)가 유로로부터 밀봉될 수 있다. 감지 회로 기판에는, 교정을 위한 변환, 메모리 및 제어를 포함하는, 감지 알고리즘의 코드가 자리할 수 있다. 본 출원의 목적상, 감지 회로 기판은 감지 챔버 또는 센서 모듈 내에 배치되는 회로 기판으로 정의된다.
유량 요법 기기가 사용되는 동안에 물이 감지 회로 기판에 닿을 수 있다. 예를 들어, 기기가 기울어질 수 있거나, 가습기 챔버로부터의 물이 상류로 또는 포트로 이동할 수 있거나, 건조 모드가 완료되기 전에 사용자가 기기를 끌 수 있다. 물에 닿으면 감지 회로 기판 상의 전자 부품들이 손상될 수 있고, 센서 부식 및 공기 흐름의 오염 가능성이 야기될 수 있다. 감지 회로 기판에 물이 닿아 생기는 영향을 줄이기 위해, 감지 회로 기판 상에 습도 센서를 배치함으로써, 물 침투 가능성에 대해 기기를 점검할 필요가 있거나 또는 시정 조치를 수행할 필요가 있음을 사용자에게 경고할 수 있다. 감지 모듈에서의 습도가 예상보다 높다는 것을 습도 센서가 감지하였다면, 시정 조치는 송풍기로 하여금 감지 회로 기판으로부터 물을 제거하기 위한 플로우 시퀀스를 시작하게 하는 것을 포함할 수 있다. 여기에는 감지 회로 기판 또는 다른 송풍기 모드를 건조시키기 위한 펄스가 포함될 수 있다. 시정 조치는 또한 습도 센서 또는 외부 히터에 내장된 히터를 켜는 것도 포함할 수 있다. 그 밖에, 감지 회로 기판 상에 물이 침투되는 것을 방지하거나 감지 회로 기판 상에 대한 물 침투의 영향을 줄이기 위해, 그리고 산소 침투의 영향을 줄이기 위해, 감지 회로 기판을 컨포멀 코팅으로 피복할 수 있다. 이는 전자기기 주변의 밀봉 특징부(후술됨)와 조합되어 사용될 수 있다. 또한, 물 침투로 인한 손상을 덜 받는다는 이유로 밀폐형 프레임 변환기(후술됨)가 사용되기도 한다. 챔버와 감지 모듈 사이에 워터트랩을 도입할 수도 있다. 한 가지 비제한적 예로, 챔버와 감지 모듈 사이의 일방향 밸브가 있다.
도 21은 모듈식 감지 챔버(2007)의 일 실시예를 나타낸다. 감지 챔버(2007)는 모터 및/또는 센서 모듈 내의 송풍기(2001)의 하류 측에 위치될 수 있다. 감지 챔버(2007)는 유로(2006)를 포함하며, 케이싱(2101) 안에 감지 회로 기판(2200)(도 22)을 유지하도록 설계된다.
가스 흐름은 유량 요법 기기를 통과하는 동안 압력 강하를 겪을 수 있는데, 이는 전원을 소비하며, 결과적으로, 특정 유속에 도달하고자 하는 시스템의 능력에 영향을 미칠 수 있다. 압력 손실은 유로의 직선 구간에서의 마찰, 또는 직선 경로로부터의 편차, 이를테면 경로에서의 굴곡, 밸브, 수축 또는 팽창으로 인해 발생할 수 있다.
유로(2006)는 곡선 형상을 가진다. 가스 흐름이 입구(2103)에서 유입되어, 곡선형 유로(2104)를 따라 흐르다가, 유로(2105)의 반대 쪽에서 빠져 나간다. 일부 실시예에서, 입구와 출구는 수직으로 반대되는 방향으로 위치될 수 있고, 가스 흐름은 수직 상향 방향의 경로로 들어간 후, 수평 방향으로 굽이돌고 나서, 다시 수직 상향 방향으로 굽이돌 수 있다. 일부 실시예에서는, 유로에 급커브가 없다. 일부 실시예에서, 유로의 단부들은 곡선형이되, 중간 부분은 더 직선형이다. 일부 실시예에서, 유로는 유로의 길이 전체에 걸쳐 일정한 단면 형상을 유지한다. 일부 실시예에서, 유로는 유로의 제1 단부로부터 안쪽으로 약간 좁아지다가, 유로의 제2 단부까지 다시 넓어지며, 이는 더 나은 측정 정확도를 위해 흐름의 속도를 높일 수 있다. 일부 실시예에서, 유로의 표면은 유로 내부의 마찰을 감소시키기 위해 표면 개질제/윤활제로 라이닝 처리된다. 여러 다양한 유로 구성형태가 이용될 수 있다. 곡선형 유로 형상에서는 측정 구간이 유로와 부분적으로 일치됨에 따라 유량 측정의 감도를 낮추지 않으면서 가스 흐름의 압력 강하를 감소시킬 수 있다.
감지 회로 기판(2200)의 적어도 일부가 유로(2006) 내의 가스 흐름과 겹치도록 감지 회로 기판이 감지 챔버 내의 케이싱(2101) 안에 위치된다. 흐름 속 가스 특성을 측정하기 위해 초음파 변환기(2204)(도 22a 내지 도 22b)를 유지하도록 유로(2006)를 따라 개구부들(2102)이 위치될 수 있다.
유로(2006)의 총 거리는 변환기 사이의 거리이다. 일부 실시예에서, 유로의 총 거리는 약 10 mm 내지 약 1000 mm, 약 40 mm 내지 약 200 mm, 약 50 mm 내지 약 150 mm, 약 70 mm 내지 약 120 mm, 약 80 mm 및 100 mm, 또는 앞서 언급한 값들 중 임의 값들 사이, 또는 약 95 mm이다.
유로(2006)의 총 유동 거리는 음향 경로와 일치하는 유로의 일부를 나타낸다. 일부 실시예에서, 유로의 총 유동 거리는 약 1 mm 내지 약 500 mm, 약 10 mm 내지 약 200 mm, 약 50 mm 내지 약 150 mm, 약 70 mm 내지 약 100 mm, 또는 약 70 mm 내지 약 88 mm, 또는 앞서 언급한 값들 혹은 그와 대등한 값들 중 임의 값들 사이, 또는 약 75 mm이다. 변환기들 사이의 총 거리에서 총 유동 거리를 뺀 것이 사공간이며, 이는 가스 흐름이 없는 초음파 경로의 어느 한 단부나 양 단부에 있을 수 있다.
유로(2006)의 직경은 약 2 mm 초과 약 100 mm 미만, 약 5 mm 내지 약 50 mm, 약 10 mm 내지 약 30 mm, 약 12 mm 내지 약 25 mm, 또는 약 15 mm 내지 20 mm, 또는 앞서 언급한 값들 중 임의 값들 사이, 또는 약 16 mm 일 수 있다. 유로의 직경을 줄이면, 고유량 시 가스 속도가 유용한 속도보다 높아질 수 있고, 센서 측정 시 비선형 효과가 증가될 수 있으며, 압력 강하가 유발될 수 있고, 센서 배열 및 설계에 방해/제약이 될 수 있다. 유로의 직경을 늘리면, 시스템에서 더 많은 공간을 차지할 수 있으며, 흐름 감도가 낮아질 수 있다. 따라서, 최적의 균형은 전술한 범위에 따라 얻어질 수 있다. 동일한 범위들이 다른 유동 구성형태를 갖는 장치에 이용가능하다.
유로(2006)는 단면 크기에서의 총 유동 거리에 상응하는 센서(2204)의 감도를 가리키는 정규 유동 거리를 갖는다. 흐름 감도는 총 유동 거리와 가스 속도의 영향을 받으며, 가스 속도는 단면 크기의 영향을 받는다. 단면이 원형인 도관을 가정할 때, 흐름 감도
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에 비례한다. 여기서 D는 총 유동 거리를 나타내고, r은 단면의 반경을 나타낸다.
일부 실시예에서, 유로(2006)는 유로의 단면인 8 mm 반경에 대해 정규화된 정규 유동 거리를 가지며, 상기 정규 유동 거리는 약 1 mm 내지 약 500 mm, 약 10 mm 내지 약 200 mm, 또는 50 mm 내지 약 150 mm, 약 70 mm 내지 약 100 mm, 또는 약 70 mm 내지 약 88 mm, 또는 앞서 언급한 값들 혹은 그와 대등한 값들 중 임의 값들 사이, 또는 약 75 mm이다. 일부 실시예에서, 유로(2006)는 6 mm 반경에 대해 정규화된 정규 유동 거리를 가지며, 상기 정규 유동 거리는 약 1 mm 내지 약 500 mm, 약 10 mm 내지 약 200 mm, 약 20 mm 내지 약 60 mm, 약 30 mm 내지 약 50 mm, 또는 앞서 언급한 값들 혹은 그와 대등한 값들 중 임의 값들 사이, 또는 약 40 mm이다. 일부 실시예에서, 유로(2006)는 10 mm 반경에 대해 정규화된 정규 유동 거리를 가지며, 상기 정규 유동 거리는 약 10 mm 내지 약 500 mm, 약 50 mm 내지 약 200 mm, 약 100 mm 내지 약 150 mm, 약 110 mm 약 130 mm, 또는 앞서 언급한 값들 혹은 그와 대등한 값들 중 임의 값들 사이, 또는 약 120 mm이다. 일부 실시예에서, 유로(2006)는 6 mm 반경 내지 10 mm 반경에 대해 정규화된 정규 유동 거리를 가지며, 상기 정규 유동 거리는 약 40 mm 내지 120 mm, 또는 앞서 언급한 값들 혹은 그와 대등한 값들 중 임의 값들 사이에 속한다.
도 22a 내지도 22c는 감지 챔버 내에 위치되도록 구성된 감지 회로 기판(2200)의 실시예들을 나타낸다. 일부 실시예에서, 감지 회로 기판(2200)은 인쇄 감지 회로 기판(PCB)이다. 일부 실시예에서, 회로는 회로 기판 상에 인쇄되는 대신에 전자 부품들을 연결하는 전기 배선을 이용하여 제조된다. 일부 실시예에서, 감지 회로 기판의 적어도 일부분은 유로의 외부에 탑재된다.
감지 회로 기판(2200)은 초음파 변환기들(2204); 하나 이상의 개별 가스 온도 센서들(2205); 가온 온도 감지 소자들(2206); 별도의 온도 센서와 통합형 습온도 센서들(2208)과 함께 사용될, 습도만을 위한 센서를 포함하는 습도 센서들; 기압 측정용 센서들; 차압 측정용 센서들; 및/또는 게이지 압력 측정용 센서들을 포함할 수 있다. 가온 온도 감지 소자는 가온 온도 감지 부재, 열선 풍속계(이를테면, 백금 와이어 또는 가온된 서미스터), 및/또는 음의 온도 계수(NTC) 서미스터를 포함할 수 있다. 가온 온도 감지 소자의 다른 비제한적 예로 유리나 에폭시로 캡슐화된 또는 비캡슐화된 서미스터가 있다. 가온 온도 감지 소자는 가스의 유속을 측정하도록 구성된다. 감지 회로 기판(2200)은 제1 부분(2201)과 제2 부분(2202)을 포함한다. 제1 부분(2201)은 가스의 유로(2006) 내부에 있도록 위치되는 반면, 제2 부분(2202)은 가스의 유로(2006) 외부에 있도록 위치된다. 가스 흐름의 방향을 도 22a 내지 도 22c에서 화살표(2203)로 표시하였다. 가스 흐름의 방향이 도 22a에서는 직선으로 예시되어 있고, 도 22b와 도 22c에서는 곡선으로 되어 있다. 공기의 전반적인 방향은 하나의 상류 변환기(2204)로부터 반대쪽으로 또 다른 하류 변환기(2204)를 향한다.
감지 회로 기판(2200)의 제1 부분(2201)은 흐름을 따른 가스의 특성을 측정하기 위해 감지 회로 기판의 각 단부에 초음파 변환기들, 송수신기들 또는 센서들을 포함할 수 있다. 센서들을 유로 혹은 모듈의 외부가 아닌 유로 혹은 모듈 내에 위치시킴으로써, 한 쌍의 변환기 둘 다 서로에 대해 상대적으로 작은 온도 범위 내에서 작동할 수 있게 하거나, 둘 다 대체로 한 온도(즉, 가스 흐름의 온도)에서 작동할 수 있게 한다. 변환기들은 온도에 민감하기 때문에 이들 변환기를 대체로 균일한 온도에 두면 정확도가 높아진다. 또한, 유로를 따라 센서들이 위치되면 가스 속도의 영향을 고려한 측정 및 산출이 가능하므로 센서 측정에 미치는 가스 속도의 영향을 없앨 수 있다.
감지 회로 기판(2200)의 반대쪽 양 단부에 있는 초음파 변환기들(2204) 사이의 거리는 측정 해상도에 영향을 미칠 수 있다. 각각의 초음파 변환기(2204) 사이의 거리를 증가시킴으로써 비례 오차 또는 비율 오차를 감소시킬 수 있는데, 이는 일반적으로 측정 길이가 갖는 일정량의 오차 때문이며; 길이가 증가된 경우, 측정 시 생성되는 오차의 비율은 길이가 감소한 경우보다 낮다. 따라서, 측정의 전체적 불확실성이 감소한다. 거리가 증가하면 초음파 변환기(2204) 사이의 음향 신호에 더 긴 주기가 허용되기 때문에 측정 분해능 및 정확도 역시 높아질 수 있다. 그러나, 거리가 증가하면 신호가 약해질 수 있다.
초음파 변환기들(2204)은 그들 사이의 공간이 유로(2006)와 적어도 부분적으로 일치하도록 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기들은 감지 회로 기판의 반대쪽 양 단부에 위치된다. 유로의 전면(全面)이 음향 경로에 노출되기 때문에, 음파는 유로(2006)의 모든 가스를 통해 전파된다. 유로의 한 섹션보다는 전체 유로에서 음파들의 평균을 낼 수 있다. 더 긴 거리에 걸쳐 평균을 내면 오차가 줄고, 공기-산소 혼합의 의존성이 낮아진다.
감지 회로 기판(2200)의 제1 부분(2201)은 유로(2006) 내에 서미스터(2205)와 같은 온도 센서들을 포함할 수 있다. 가스 유로에 온도 센서가 잠기면 가스와 센서 사이의 열전도가 증가하여, 보다 정확하게 가스 온도를 감지할 수 있고, 온도 센서가 더 빠르게 응답할 수 있다. 또한, 온도 센서를 유로에 위치시킴으로써 기생 열원 및 싱크, 예를 들면, 모듈 벽으로부터의 열 전도를 최소화할 수 있다. 일부 실시예에서, 서미스터(2205)는 음의 온도 계수(NTC) 서미스터이다. 일부 실시예에서, 서미스터(2205)는 디지털 센서이다.
일부 실시예에서, 감지 챔버 내의 감지 회로 기판은 챔버 벽과 감지 회로 기판 사이의 열전도를 감소시키도록 배치된 추적부(이를테면, 구리 추적부)를 포함한다. 도 27a는 추적부(2701)를 갖는 감지 회로 기판(2200)의 실시예를 나타내며, 도 27b는 도 27a에서의 추적부(2701)를 갖는 감지 회로 기판(2200)의 확대 부분을 나타낸다. 일부 실시예에서, 추적부(2701)는 공기로의 열전달이 이루어지도록 감지 회로 기판의 외부 층들에 위치된다. 일반적으로, 구리 또는 다른 유사한 전도성 물질의 높은 열전도율 때문에, 전체 감지 회로 기판의 열전도도의 상당 부분은 감지 회로 기판 트레이스로 인한 것일 수 있다. 구불구불하고 길이가 긴 트랙은 열 전도를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 밀도가 높은 구리 평면으로 인해 감지 회로 기판의 벌크 전도도도 증가시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 트랙은 매우 조밀하게 배치되어 있는 것이 아니라 가늘고 길다. 이러한 구성형태는 실질적으로 벌크 도전율을 증가시키지 않으면서 트랙으로 인한 열 전도를 감소시킬 수 있다.
감지 회로 기판(2200)의 제1 부분(2201)은 가온 온도 감지 소자들(2206)을 포함할 수 있다. 가온 온도 감지 소자의 온도는 선택 가능하다. 가온 온도 감지 소자(2206)는 본원에 기술된 바와 같이 가스 유속을 감지하도록 구성된 가변-온도 센서이다. 도 22c는 가온 온도 감지 소자(2206)를 중심으로 한 차단부들(2012)을 보여준다. 전술한 추적부와 유사하지만 그와 대조적으로, 상기 차단부들(2012)은 가온 온도 감지 소자(2206)에 미치는 온도의 영향을 줄일 수 있다.
일부 실시예에서, 감지 챔버는 감지 회로 기판(2200)의 제1 부분(2201)을 감지 회로 기판(2200)의 제2 부분(2202)으로부터 분할하는 밀봉재를 포함한다. 밀봉재는 단단한 부분들이 밀봉되는 부드러운 표면을 제공하도록 감지 회로 기판의 중간 섹션 양측에 O링과 홈들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉재는 공동 성형으로 이루어질 수 있으며, 이때 연질 층이 기기의 단단한 부분들 상에 성형됨으로써 밀봉 구성요소를 제공한다. 밀봉재는, 회로의 제1 부분에 있는 센서들이 가스 흐름의 특성을 측정하는 곳인, 유로의 고압 영역을 밀봉시킬 수 있다. 밀봉재는 가스가 유로의 고압 영역을 벗어나 유량 요법 기기의 전자기기 쪽으로 이동하는 것을 막을 수 있고, 물이 감지 회로 기판의 제2 부분에 닿는 것을 막을 수 있다.
감지 회로 기판(2200)의 제2 부분(2202)은 드라이버들, 마이크로컨트롤러들 및/또는 다른 회로부(2207)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 부분(2202)은 각각의 초음파 변환기(2204)에 대한 회로를 포함하여, 초음파 변환기에 의해 펄싱을 제어하도록 한다. 초음파 변환기(2204)를 위한 회로를 초음파 변환기(2204)에 근접하게 위치시킴으로써 잡음을 줄이고, 온도 영향에 대해 회로를 보상하는 능력을 증가시킨다. 잡음이 감소되는 것은, 가까운 근접성으로 인해, 초음파 근접 센서(2204)로부터 감지 회로 기판 처리 회로부(2207)로 신호를 전송하는 데 있어서 짧은 아날로그 섹션만 필요하기 때문이며, 주변 부품으로부터의 잡음에 취약할 수 있는 상기 아날로그 섹션은 감지 회로 기판(2200)에서의 두 접지면 사이에, 이를테면 구리 재질의 평면들 사이에 개재된다. 일단 신호가 감지 회로 기판 처리 회로부(2207)에 도달하면, 모든 추가 전송은 잡음에 강인한 디지털 신호를 통해 이루어진다. 초음파 변환기(2204)와 회로부(2207)가 근접하다는 것은 회로부(2207)가 가스와 비슷한 온도에 있을 가능성이 많다는 것을 의미하며, 이에 따라 회로부(2207)와 가스 간의 온도 차로 인한 초음파 변환기(2204)의 판독에서의 부정확성이 보상된다. 일부 실시예에서, 두 초음파 변환기를 위한 회로들은 감지 회로 기판(2200)의 제2 부분(2202)의 반대쪽 양 단부에 있다. 회로들을 반대쪽 양 단부에 위치시킴으로써, 전송 신호와 수신 신호 사이의 전기 간섭을 피할 수 있다.
이하, 감지 회로 기판(2200)의 보다 상세한 내용을 도 22c와 연계하여 설명하기로 한다. 후술되는 특징들은 도 22a와 도 22b에 나타낸 실시예들에 포함될 수 있다. 도 22c에 나타낸 바와 같이, 감지 회로 기판(2200)은 제1 부분(2201)과 제2 부분(2202)을 포함한다. 제1 부분(2201)을 둘러싸고 있는 공압 씰은 가스가 제1 부분(2201) 밖으로 누출되는 것을 방지하도록 구성된다. 공압 씰은 감지 회로 기판(2200)의 각각의 표면(상부 및 하부)에 대해 밀봉하도록 구성될 수 있다. 감지 회로 기판(2200)의 각 표면상의 공압 씰은 O링 씰일 수 있다. 추가 밀봉 특징부를 사용할 수 있다. 비제한적인 예로, 챔버(2101) 내에 감지 회로 기판(2200)을 탑재하기 위해 구멍(2216) 안에 삽입될 나사 보스에 부가되는 추가의 플러그가 있다. 플러그는 산소를 포함하는 가스가 나사를 통해 감지 모듈 또는 감지 챔버 또는 감지 회로 기판(2200)을 빠져나올 확률을 낮출 수 있다. 유로 및 회로부(2207)를 밀봉하기 위한 플러그와 O링 씰 둘 다는 공동 성형된 가스켓들로 대체될 수 있어, 적은 부품을 사용할 수 있게 되고, 조립 시간 및 조작자 오류의 가능성을 감소시킬 수 있다.
감지 회로 기판(2200)의 제1 부분(2201)은 감지 회로 기판(2200)의 반대쪽 양 단부에 초음파 변환기들(2204)을 포함한다. 초음파 변환기(2204)는 산소 농도 및 유속과 같은 가스 특성을 측정할 수 있다. 초음파 변환기(2204)는 후술되는 바와 같이 개방형 프레임이거나 밀폐형 프레임일 수 있다. 도 22c에 나타낸 바와 같이, 초음파 변환기(2204)는 감지 회로 기판(2200) 상에 직접 탑재된다. 이러한 배열은 초음파 변환기가 먼저 케이싱과 결합된 후 감지 회로 기판(2200) 상에 조립되면 발생하게 될 음향 교란(acoustic coupling)을 억제할 수 있다. 직접 탑재의 또 다른 이점은 초음파 변환기를 탑재하는 데 필요한 단계들이 더 적다는 것이다. 또한, 변환기들(2204) 사이의 거리가 고정되어 있어, 시간에 따른 물리적 변위의 가능성을 감소시킨다. 또한, 도 22c는 온도 센서(2205)와 습온도 센서(2208) 사이의 중간쯤 유로(2203)에 위치되며 유량을 측정하도록 구성된 가온 온도 감지 소자(2206)를 나타낸다. 흐름을 측정하는 데 있어서 초음파 변환기들과 가온 온도 감지 소자를 모두 구비하면 넓은 범위의 유량에 걸쳐 빠르고 정확한 흐름 측정치들을 제공하는 데 유리할 수 있으며, 이에 대해서는 아래에 상세히 설명하기로 한다.
도 22c의 감지 회로 기판(2200)은 온도 센서(2205)와 온습도 센서(temperature and humidity sensor)(2208)를 더 포함한다. 온습도 센서(2208)는 이슬점을 모니터링할 수 있다. 도 22c에 나타낸 바와 같이, 온도 센서(2205)는 온습도 센서 (2208)의 상류 측에 있다. 온도 센서(2205)는 유로(2203)의 입구에 더 가깝고, 온습도 센서(2208)는 유로(2203)의 출구에 더 가깝다. 온도 센서(2205)와 온습도 센서(2208) 각각은 초음파 변환기들(2204) 중 하나에 각각 가깝게 근접해 있다. 예를 들어, 온도 센서(2205)와 온습도 센서(2208) 각각은 초음파 변환기들(2204) 중 하나에 약 10 내지 50 mm 안에 있다. 일부 실시예에서, 온도 센서(2205)와 온습도 센서(2208) 각각은 초음파 변환기들(2204) 중 하나에 약 20 내지 45 mm 안에 있다. 일부 실시예에서, 온도 센서(2205)와 온습도 센서(2208) 각각은 초음파 변환기들(2204) 중 하나에 약 30 내지 40 mm 안에 있다. 센서들을 유지하고 있는 도 22a와 도 22b에 나타낸 직선형 핑거들과는 달리, 도 22c의 감지 회로 기판(2200)의 제1 부분(2201)은 곡선형 핑거(2010)를 포함함으로써 온도 센서(2205)와 습온도 센서(2208)를 유로(2203)의 중심에 보다 가깝게 위치시켜 판독 정확도가 향상되도록 한다. 온도 센서(2205)와 온습도 센서(2208)는 시스템이 유로(2203) 내의 두 위치에서 온도를 측정할 수 있게 한다. 제1 위치는 유로의 입구에 더 가까우며, 온도는 온도 센서(2205)에 의해 측정된다. 제2 위치는 유로(2203)의 출구에 더 가까우며, 온도는 온습도 센서(2208)에 의해 측정된다. 두 온도 판독값은 유로(2203)를 따른 온도 구배의 근사치를 제공한다. 이 방식은 유로 내의 온도 구배가 크지 않는 경우에 유효하게 작용한다. 예를 들어, 본원의 개시 내용을 통해 당업자가 이해할 수 있듯이, 수학 공식, 이를테면 가중합 또는 다른 공식을 이용하여 두 판독값으로부터 벌크 가스 온도 산출이 결정될 수 있다. 또한, 이들 두 온도는, 온도 센서(2205) 및 온습도 센서(2208)가 초음파 변환기(2204)에 근접하기 때문에 초음파 변환기(2204)에 의해 송수신되는 초음파 신호들의 온도들을 양호하게 근사화하도록 한다. 이는 변환기 자체에 대한 의존성을 낮추는 것이 목표인 에지 검출 방법(아래의 "초음파 감지" 섹션에서 설명됨)을 허용함으로써, 유로(2206)를 따르는 가스의 온도만 산소 농도 및 유속의 산출에 연관되도록 한다.
대안적으로, 유로 내의 구배가 큰 경우, 다음과 같은 기법이 이용될 수 있다. 기압 센서(2209)(아래의 "이중 절대 압력 센서" 섹션에서 보다 상세하게 설명됨) 상의 온도 센서와 온습도 센서(2208) 사이에서 온도 구배를 취할 수 있으며, 이 구배를 온도 센서(2205)와 온습도 센서(2208) 사이의 온도 구배와 함께 온습도 센서(2208)에 더 가까이 있는 초음파 변환기(2004)의 온도를 근사화하는 데 이용할 수 있다. 동일 기법을 온도 센서(2205)에 더 가까이 있는 초음파 변환기(2004)의 온도를 근사화하는 데 이용할 수 있다. 기압 센서(2209) 상의 온도 센서와 온도 센서(2205) 사이에서 온도 구배를 취할 수 있으며, 이 구배를 온도 센서(2205)와 온습도 센서(2208) 사이의 온도 구배와 함께 온도 센서(2205)에 더 가까이 있는 초음파 변환기(2004)의 온도를 근사화하는 데 이용할 수 있다.
기기 안의 이슬점이 외부의 이슬점과 대체로 같기 때문에, 이슬점 측정치를 제공한다면 습도 센서(2208)는 기기 내부나 외부 어느 곳에든 배치될 수 있다. 그러나, 송풍기에 의해 가스들이 혼합된 후의 습도를 측정하도록 하는 위치에 습도 센서를 배치하는 것이 좋다. 이러한 구성형태의 한 가지 장점은 습도 측정이 습도 변화에 더 빠르게 대응된다는 점이다. 또 다른 장점은 기기를 산소 발생기(oxygen concentrator)와 함께 사용하는 경우에는 초음파 측정들이 상기 발생기의 효과성에 의존하지 않게 된다는 반면에, 가스 혼합 전에 주위 공기의 습도를 측정하면 상기 발생기의 효과성에 근거한 사소한 오류가 생기게 된다.
회로 기판(2200)의 제2 부분(2202)은 드라이버들, 마이크로컨트롤러들, EEPROM과 같은 비휘발성 메모리, 및/또는 다른 회로부(2207)를 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러의 사용은 가온 온도 감지 소자와 초음파 변환기 사이의 센서 융합을 가능하게 하며, 동시에 시스템은 이에 따른 더 정확한 가온 온도 감지 소자를 이용하여, 초음파 변환기에 의해 신속하게 결정되었던 유속을 수정하도록 작동된다. 일부 실시예에서, 마이크로컨트롤러는 비휘발성 메모리를 포함한다. 비휘발성 메모리의 사용은 다음과 같은 기능과 장점들을 제공한다. 교정 매개변수들 및 이러한 매개변수들에 대한 한도를 저장할 수 있어, 전술한 바와 같은 시스템의 모듈성을 허용한다. 보다 상세한 내용은 아래의 "교정" 섹션에서 제공하기로 한다. 예를 들어, 제조 시 및/또는 현장에서 모듈을 추적하는 데 이용될 수 있는 각 모듈에 대한 고유 ID 역시 저장될 수 있다. 또한 비휘발성 메모리는 작동 중 오류를 기록할 수 있게 하며, 이는 오류 진단에 도움이 될 수 있다.
초음파 감지
음속(c로 표기됨) 및 가스 속도(v로 표기됨)를 활용하는 감지 시스템의 한 모델을 도 25a에 나타내었으며, 이하 설명하기로 한다. 두 개의 변환기(2204)가 거리 D만큼 이격되어 서로 마주보며, 각각은 그들 사이의 거리("음향 경로"(2501))를 이동하여 다른 변환기(2204)에 의해 수신되는 펄스를 생성한다. 센서가 음향 경로(2501)와 평행한 가스 흐름의 일부 성분을 갖도록 배치된 경우, 제1 방향의 신호는 (c + v)의 속도로 흐름과 함께 이동하고, 제2 방향의 신호는 (c - v)의 속도로 흐름에 거슬러 이동한다. 센서는 이들 두 신호의 이동 시간(TOF)을 측정합니다. 이 이동 시간을 사용하여 c와 v를 산출할 수 있고, 가스 유속을 구할 수 있다.
제1 방향으로 측정된 이동 시간은
Figure pat00003
였고, 제2 방향으로는
Figure pat00004
였으며, 이로 풀어 음속과 가스 속도를 구할 수 있다:
Figure pat00005
.
실제는, 가스 흐름이 없는 초음파 경로의 양 단부에 "사공간"이 보통 존재한다. 사공간(2502)을 포함하는 모델을 도 25b에 나타내었다. 일반적으로, 이러한 사공간 영역(2502)은 명확하게 정의되지 않으며, 초음파 경로(2501)와 일치하는 유로(2503)의 성분이 감지 영역의 길이를 따라 변할 수 있다. 그러나, 본 개시의 매끄러운 곡선형 유로는 흐름 프로파일의 변화를 줄이며, 결과적으로는 사공간을 감소시킨다. 사공간이 작기 때문에, 도 25b에 나타낸 근사화는 매우 양호한 것으로서, 사공간은 명확하게 정의된 영역인양 취급될 수 있다. 초음파 경로(2501)의 두 단부들로 분할된 사공간(2502)의 평균 거리 D 0 와, 가스 흐름(2503)이 존재하는 거리 D에 대하여, 측정된 이동 시간들
Figure pat00006
이다.
c에 대한 정확한 해는 다음과 같이 구해질 수 있다:
Figure pat00007
.
가스 속도는 아래와 같이 주어진다:
Figure pat00008
.
위 식들은 음속이 가스 속도보다 상당히 높을 것이라는 가정에 근거하여 간단히 정리될 수 있으며, 따라서 c2 >> v2를 근사화함으로써 식들은 다음과 같이 간단히 정리된다:
Figure pat00009
.
체적 유속은 가스 속도 v를 유효 단면적으로 곱함으로써 구할 수 있다 (
Figure pat00010
). 흐름이 음향 경로와 경사를 이루었다면, 체적 유속은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pat00011
.
유효 단면적은 단면적을 충분히 나타내는, 기지(known) 매개변수와 미지(unknown) 매개변수가 조합된 일괄적 매개변수로 간주 될 수 있다.
일부 실시예에서는, 위에 주어진 식들을 다른 형태들로 약분한다.
도 23a는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감지 시 변환기 시그널링 구현의 회로도를 나타낸다. 송신기 드라이버(2301)는 송신기(2301)를 구동시켜 신호를 내보내도록 하며, 상기 신호는 공기를 통해 수신기(2304)로 전파된다(2303). 증폭기(2305)는 파형을 증폭시키고, 에지 또는 시간 지연이 검출되며(2306), 마이크로컨트롤러(2307)는 구동 신호를 제공하고 에지들을 캡쳐한다. 도 23b는 도 23a에서의 경로의 두 방향을 겹쳐 배치하는 양방향 시그널링의 회로도를 나타낸다. 여러 토폴로지가 구현될 수 있다.
송신기 드라이버(2302)는 인버터로서 작동하는 4개의 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 첫 번째 두 트랜지스터는 레벨 쉬프팅을 위해, 두 번째 두 트랜지스터는 변환기를 구동하는 하프-브릿지 구동을 형성한다. 반대 방향으로의 음향 시그널링 중에 변환기(2303)가 수신기(2304)로서 작동할 때 송신기 드라이버(2302)가 송신기/변환기(2303)로부터 분리되면 변환기(2303)는 드라이버(2302)로부터 격리될 수 있다. 일부 실시예에서, 송신기 드라이버는 집적 드라이버 칩이다. 일부 실시예에서, 송신기 드라이버 트랜지스터는 더 짧은 지연을 나타낼 수 있고 온도에 대해 양호한 안정성을 가질 수 있는 MOSFET이다. 일부 실시예에서, 송신기 드라이버 트랜지스터는 바이폴라 접합 트랜지스터이다.
일부 실시예에서, 송신기(2303)는 25 kHz, 40 kHz 또는 임의의 다른 주파수에서 작동하는 "개방형 프레임" 압전 변환기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 송신기(2303)는 저전압, 이를테면 약 20V 미만에서 작동하는 "폐쇄형 프레임" 압전 변환기를 포함할 수 있다. 산소 안전을 위해 저전압이 바람직하다. 한편, 개방형 프레임 변환기는 더 큰 진폭, 더 우수한 감도 및 신호 대 잡음비를 제공하고, 더 낮은 전압에서 동작하므로, 본원에 기술되는 유량 요법 기기와 사용하기에 보다 적합하다. 하지만, 개방형 프레임 변환기는 밀봉되어 있지 않으므로, 물의 침투에 의해 쉽게 손상될 수 있고 콘(cone)이 떨어져 나가는 때처럼 기계적 손상을 더 받기 쉽기 때문에 신뢰성이 떨어질 수 있다. 반면, 폐쇄형 프레임 변환기는 콘을 가지고 있지 않기 때문에 물 침투나 기계적 손상을 입기가 그다지 쉽지 않다. 하지만, 폐쇄형 프레임 변환기는 유량 요법 기기의 공통 동작 전압을 상회하는 고전압을 종종 필요로 한다.
수신기(2304)는 25 kHz, 40 kHz, 또는 임의의 다른 주파수에서 작동하는 "개방형 프레임" 압전 변환기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 수신기(2304)는 저전압, 이를테면 약 20V 미만에서 작동하는 "폐쇄형 프레임" 압전 변환기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 송신기(2303)와 수신기(2304)는 동일한 유형의 변환기이다.
도 24a는 반대 방향으로 송신 및 수신될 때의 신호들을 개략적으로 나타내고, 도 24b는 송신 및 수신될 때의 전파 신호(2303)를 나타낸다. 펄스 트레인이 변환기/송신기(2302)에 인가되며, 펄스나 펄스 버스트(2401) 또는 구형파일 수 있다. 압전 변환기는 쉽게 공진할 수 있기 때문에, 변환기/송신기(2303)에 의해 생성되는 신호가 구형파가 아닐 수 있지만, 대신 포락선 처리된 정현파일 수 있다. 유사하게, 변환기/수신기(2304)에 수신되는 파형(2402)은 정확하게는 송신된 음파가 아닐 수 있지만, 송신된 파(波)와 변환기/수신기의 공진이 조합된 결과에 기초한 것일 수 있다. 복구 위상(2403) 후, 또 다른 펄스 트레인(2401)이 변환기/수신기(2304)에 인가되고 변환기/송신기(2303)에 수신된다.
펄스 트레인 간의 주기는 다양할 수 있지만, (예를 들어 펄스 트레인들을 시간 내에 함께 더 가까이 이동시키는 등으로) 주기를 감소시키면 변환기의 링잉으로 인해 후속 트레인들 간에 간섭을 야기할 수 있다. 예를 들어, 펄스 트레인 간의 시간이 단축되면, 이전 펄스 트레인의 신호가 정착되기 전에 새로운 펄스 트레인이 시작될 수 있다. 따라서, 펄스 트레인의 한 특정 포인트로부터 결정된 측정치들은 이전 펄스 트레인들의 신호들이 정착될 때 그 신호들의 끝과 겹칠 수 있다. 초음파 송신기는 링잉을 감소시키도록 설계된 특징부들을 구비할 수 있다. 도 24c에 나타낸 바와 같이, 초음파 송신기는 펄스의 링잉을 신속하게 감소시키기 위해 구동 신호에 가까워지거나 180도 위상차가 있도록 펄스(2405)를 연장할 수 있다. 너무 많은 위상차 펄스들은 링잉 현상이 다시 시작되도록 만들 수 있을 것이므로, 링잉을 감소시키는 데 도움이 되도록 몇 개의 추가 위상차 펄스만 전송할 필요가 있다. 일부 실시예에서, 펄스의 위상이 180도보다 적게 또는 180도 넘게 차이가 나도록 펄스를 변경할 수 있다. 다른 실시예에 의하면, 하나 이상의 펄스들을 생략하여 링잉을 감소시킬 수 있다.
임의의 수의 펄스가 각 펄스 트레인에서 전송될 수 있다. 그러나, 펄스 수가 늘어나면 에코가 증가할 수 있으며, 이는 센서의 거동을 예측할 수 없게 만든다. 펄스 수를 줄이면 정확한 측정치를 얻기에 진폭이 충분하지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스 트레인의 총 전송 시간은 이동 시간보다 짧다. 전송 시간이 길어지면, 예컨대, 서로 간섭하는 신호, 가스 내에서의 에코들의 간섭, 펄싱으로부터의 전기적 잡음, 또는 하우징을 통해 이동하는 음향으로 인한 측정 오차들을 초래할 수 있다. 일부 실시예에서, 전송된 펄스의 수는 1 내지 50개, 1 내지 10개, 5개 또는 임의의 다른 수의 펄스이다. 펄스의 주파수는 다양할 수 있다. 펄스의 주파수는 송신기(2303)의 주파수와 동일하거나, 또는 송신기(2303)의 주파수보다 낮을 수 있거나, 또는 송신기(2303)의 주파수보다 높을 수 있다.
증폭기(2305)는 디커플링 커패시터가 없는 공통 이미터 바이폴라 접합 전송(BJT) 증폭기를 포함할 수 있다. 이 유형의 증폭기는 낮은 위상 지연과 우수한 주파수 응답을 얻을 수 있다. 다른 실시예에서, 증폭기(2305)는 연산 증폭기 또는 기타 다른 집적화된 증폭기를 포함할 수 있다.
에지/시간 지연(2306)은 수신된 파형의 제로-교차(zero-crossing)를 측정함으로써, 즉, 도 24b에 나타낸 바와 같이 영점을 교차하는 곳인 'RX' 곡선(2402) 상의 포인트들을 검출함으로써 측정될 수 있다. 신호 대 잡음비가 매우 작기 때문에, 수신기가 막 "링업"되기 시작하는 파형의 처음 몇몇 에지를 검출하는 일이 실제로는 어렵다. 그러면, 통상, 측정 시작점은 실제 시작 후 하나 이상의 에지들이 될 것이며, 실제 이동 시간은 이로부터 산출되어야 한다. 단순 선형 회귀분석 시스템에서는, 적어도 두 개의 에지가 측정되고, 파형 주기가 계산됨에 따라, 측정된 점을 다시 적절한 수의 주기로 보외법에 의해 추정하여 파형의 시작점을 찾을 수 있다. 많은 에지들이 측정되면 선형 회귀를 이용하여 0번째 에지에서의 시간 오프셋을 계산할 수 있다. 인접한 에지들의 산술 평균을 취하여 파형의 피크를 먼저 계산할 수 있다 (그리고 나서, 이를 동일한 유형의 계산에 이용할 수 있다). 산술 평균 산출은 에지 검출 시 영점에서의 오프셋 영향을 약화시키는데, 이렇게 하지 않으면 결과가 약간 왜곡될 수 있다.
실제로, 이러한 선형 회귀 방법들에는 근본적인 한계가 있다. 송신기와 수신지 둘 다가 0이 아닌 위상 응답을 가지고 있으며, 전술한 대로, 대부분의 압전 변환기는 쉽게 공진한다. 또한, 각 변환기의 정확한 위상 응답 및 공진 주파수는 부품 간, 온도 및 시간에 따라 달라질 수 있다. 그 후, 수신되는 실제 파형은 송신기 임펄스 응답과 컨볼류션(합성곱)된 구동 파형이고, 수신기 임펄스 응답과 컨볼류션된다. 이에 따라, 수신되는 파형은 진정한 포락선 처리된 정현파가 아니라, 오히려 시작점에서 복잡한 위상 지연을 가지며 파형이 "링잉"될 때 가변되는 주파수를 가지므로, 구동 파형의 공진 주파수 간의 차이, 그리고 TX 및 RX 변환기들, 또는 더 일반적으로는 임펄스 응답에 따라 부분 또는 전체 비트가 발생할 수 있다. 기본 공진 주파수들이 상이한 온도 및 다른 파형 - 변이 상태 하에서 편이되기 때문에, 수신되는 파형의 모양 역시 변이된다. 에지에서의 단순 선형 회귀분석에서는 파형 주기가 측정된 에지에서 보외법에 의해 추정된 에지로 변하지 않는다고 가정하기 때문에, 에지의 어떠한 단순 선형 회귀분석도 변이로 인해 부정적인 영향을 받게 될 것이다. 이러한 부가적인 온도 및 유사한 파형 변이 영향들을 설명하기 위해서는 선형 회귀분석이나 이와 유사한 산출법에 온도 및 다른 경험적 보정을 추가할 필요가 있다. 결과적으로 이들 보정은 시간이 지남에 따라 또는 차동 변환기를 통해 정확하지 않을 수도 있다.
파형을 변이시키는 온도 드리프트(drift) 또는 다른 유사한 영향을 약화시키기 위한 한 가지 방법은 구동 주파수를 조정하는 것이다. 전술한 바와 같이, 많은 변환기의 공진 주파수 편이는 온도에 따라 어느 정도 일관적이므로, 구동 주파수는 이에 따라 달라질 수 있다. 대안적 실시예에서는, 감지된 파형 및 그에 따라 조정된 구동 주파수로부터 변환기의 공진 주파수가 추정될 수 있어, 시스템이 구동 주파수를 공진 주파수와 동적으로 정합시키고 가짜 위상 지연을 최소화할 수 있도록 한다.
일부 실시예에서, 이러한 불일치, 특히 직접 조정될 수 없는 송신기와 수신기 간의 부정합을 더 잘 설명하기 위해, 각 에지에 가중치를 부여하는 보다 일반적인 식이 이용될 수 있다. 예를 들어, 가중치 벡터는 다음과 같이 사용될 수 있다:
Figure pat00012
, 이때 t는 이동 시간이고, w i 는 i번째의 에지의 가중치이고, E i 는 i번째 에지의 시간이다. 적절한 가중치 집합을 선택함으로써, TX 및 RX 공진 주파수들의 타당한 편이에 대해서도, 컨볼루션 역과정을 근접하게 근사화하는 식을 생성하는 것이 가능하다. 이런 방식으로, 이동 시간의 산출 시, 경험적 온도 보정은 약간만 또는 전혀 요구되지 않는다.
일부 실시예에서, 에지/시간 지연은 증폭된 파형을 측정함으로써 측정될 수 있다. 증폭된 파형은 사실 도 24b에 나타낸, 포착되어 저장된 RX파이다. 증폭된 실제 파형이 관찰되고 있는 것이기 때문에 증폭된 파형을 측정하면 오류 검출 기능을 향상시킬 수 있으며, 시간 지연을 보다 정교하게 추정하는 데에도 이용될 수 있다. 예를 들어, 수신된 파형과, 이전에 기록된 또는 앞서 정의된 기준 간의 상호 상관 분석을 수행하여 이동 시간을 결정하는 것이 가능해진다. 상기 기준은 별도의 파이거나 이전 파일 수 있다. 복잡한 형상 전체에 상호 상관분석이 수행되기 때문에, 이 방법은, 에지 검출에 행해지며 정확한 에지가 검출되고 있음을 파악하기 위해 기정된 창(윈도우)에서 에지가 있어야 하는 위치를 알 것을 요구하는 "창 적용(windowing)"에 의존하지 않는다. "창 적용"의 필요성으로부터 독립하면 결과적으로 더 넓은 범위의 음향을 감지할 수 있게 된다. 음속 범위로 인해 에지가 창 바깥에 있게 되더라도, 상호 상관분석은 여전히 이동 시간을 정확하게 측정할 수 있으며, 이러한 이동 시간은 나중에 에지-기반 측정을 위한 새로운 에지 창을 정의하는 데 이용될 수 있다. 이런 식으로, 산소로 인한 것보다 몇 배나 더 큰 음속 변화를 일으키는 등, 높은 음속 범위로 인해 특정 시스템에서 이용될 수 없었던, 예를 들면, 헬륨과 산소의 혼합 기체 또는 이산화탄소 같은 가스들을 이용하는 것이 가능해진다. 파형을 기준과 비교함으로써 작동 중의 이상 현상들, 이를테면, 낮은 신호 진폭, 간섭, 변환기 주파수에서의 허용될 수 없는 편이를 강조 표시할 수 있다. 각 방향의 파형들을 또한 서로 상호 상관시켜 차동 이동 시간을 생성할 수 있으며, 그로부터 유속을 산출할 수 있다.
마이크로컨트롤러(2307)는 구동 신호를 제공하고 에지를 포착한다. 마이크로컨트롤러는 어떤 주파수에서도 작동할 수 있지만 높은 주파수가 분해능을 향상시킬 수 있다. 마이크로컨트롤러(2307)는 주파수 24 MHz, 48 MHz, 72 MHz, 120 MHz 또는 임의의 다른 주파수에서 작동할 수 있다.
교정
일부 실시예에서는, 센서들을 통합 사용함으로써 리던던시를 제공하고 유량 요법 기기를 교정할 수 있다. 본 명세서의 목적상, 교정이란 측정된 변수들과 예상 또는 기준 변수들 간에 차이가 있다면 변수들을 체크하고/하거나 시스템, 측정치 및/또는 디스플레이를 조정하는 것을 가리킨다. 가온 온도 감지 소자는 초음파와 비교하여 낮은 유량에서도 높은 감도를 나타내는 로그 응답을 가진다. 가온 온도 감지 소자는 개선된 저유량 측정 정확도를 제공할 수 있지만, 초음파 변환기는 신속한 측정을 제공할 수 있다. 제어 시스템은 기지 값들(known values)을 갖는 상황을 만들도록 송풍기와 산소 흐름을 끄고, 다양한 유형의 센서들로부터의 판독값을 비교하여, 감지된 값들이 허용 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 그런 후 제어 시스템은 송풍기 속도와 산소 유속을 변경할 수 있으며, 다양한 유형의 센서들로부터의 판독값을 이용하거나 비교하고 그에 따라 교정할 수 있다.
교정은 가스 속도, 유량, 가스 온도, 습도, 압력 및/또는 산소 농도를 비롯한 가스 특성을 산출하기 위해 이용된 수학적 모델의 매개변수를 조정하는 것일 수 있다. 특히, 가스 특성이 수학적 모델에 기초하여 산출되는 경우, 관계 내의 모델 매개변수는 미지의 변동을 나타낼 수 있다. 센서들을 사용하여 기지 상태 동안 측정을 수행함으로써, 모델에서 이들 측정치를 이용하여 미지 매개변수(들)의 값을 알아낼 수 있다.
미지 매개변수의 교정 조정은 오로지 그 매개변수의 직접적인 물리적 해석이 원인일 수 있다기보다는 시스템 내 변동이 많아졌음을 설명하는 것일 수 있다(즉, 조정은 여러 매개변수에서의 미지의 변동을 설명하는 것일 수 있다). 이는 최소한 두 가지 상황에서 발생할 수 있다. 첫째는, 두 매개변수가 분리될 수 없는 상황으로서, 이 경우 교정 조정은 상기 두 매개변수의 결과를 합치는 것으로 여겨질 수 있다. 예를 들어, 앞서 설명한 기체 속도에 대한 초음파 감지 모델에서,
Figure pat00013
항의 매개변수들은 이들을 구별시키는 변수 없이 한 그룹으로 묶여지므로, 교정 목적 상, 이들의 합친 값을 조정할 수 있다. 둘째는, 시스템이 모든 매개변수의 값을 알아내는 데 충분한 교정 지점을 갖고 있지 않을 수 있는 상황으로서, 이 경우 교정 조정은 여러 매개변수의 변동을 근사화하는 것일 수 있다. 예를 들어, 앞서 설명한 음속에 대한 초음파 감지 모델에서, 매개변수들 D + D 0 , t 1 및 t 2 는 여러 교정 지점을 이용하여 명확하게 설명될 수 있는 뚜렷한 가변성을 나타낼 수 있다. 그러나, 하나의 교정 지점을 사용하는 더 단순한 경우에서는, 전술한 매개변수들 중 하나의 값만 알아내어 전술한 매개변수들 모두의 전체 가변성을 설명할 수 있다. 이러한 두 번째 경우에서는 시스템을 검증하고/하거나 추가 교정 지점들이 필요한지 여부를 확인하기 위해 추가 측정이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 앞서 설명한 음속 모델에서, 기지의(known) 음속
Figure pat00014
, 및 초음파 이동 시간 t 1 과 t 2 의 교정 지점 측정을 이용하여, 교정하고자 하는 매개 변수는 D + D 0 일 수 있으며, 이때 위의 모델에서
Figure pat00015
이다. 모델에는 가스 속도(velocity)가 나와있지 않기 때문에 임의의 유속에서의 교정 지점을 취할 수 있지만, 제로 유량에서의 교정 지점을 취함으로써 가스 속도와 음속 간의 잔류 교차 영향을 줄일 수 있다.
그러나, 앞서 설명한 유속 모델
Figure pat00016
에서는 제로 유량에서 유사한 교정을 할 수 없는데, 그 이유는
Figure pat00017
항이 0이 될 것으로 예상가능하기 때문이다. 하지만, 변환기 지연으로 인해 두 방향 간에 약간의 비대칭이 일반적으로 예상될 수 있다. 비대칭성은 다음과 같이 모델로 만들어질 수 있다:
Figure pat00018
.
이러한 비대칭 모델을 이용하여, 가스 속도 모델을 다음과 같이 조정할 수 있다:
Figure pat00019
.
모델의 나머지 값들은 유로의 기하학적 모양을 기반으로 하며, 변동에 덜 민감하다. 따라서, 이렇게 조정된 가스 속도 모델은 제로 유량에서 교정하는 데 이용될 수 있다.
일부 실시예에 의하면, 교정 방법은 제로 속량에 의존하지 않으며, 임의의 유속으로 적용될 수 있다. 교정 방법은 각 이동 시간 방향으로 별도의 지연
Figure pat00020
및
Figure pat00021
를 허용할 수 있으며, 이로써 음속 계산은 다음과 같이 된다:
Figure pat00022
.
c값과 v값이 알려진 경우, v와 유사하게 다음과 같이 지연을 계산한다:
Figure pat00023
.
이 경우, D + D 0 의 값은 모든 센서에 대해 고정되거나 또는 제조 중에 별도로 결정될 수 있다. c나 v를 따로 교정하길 원한다면, 남아있는 변수에 대한 현재 계산된 값을 대입할 수 있다. 예를 들어, 음속 판독값에 영향을 미치지 않으면서 흐름을 교정하려면, c의 현재 감지된 값을 이용하여, c가 아닌 v에 영향을 미치는
Figure pat00024
및
Figure pat00025
값들을 생성한다. 이런 식으로, 어떠한 기지의 흐름에서, 그리고 반대로 음속에 대해 유속을 교정할 수 있다.
다른 센서들을 위한 교정도 마찬가지로 활용될 수 있다. 예를 들어, 가온 온도 감지 소자는 킹의 법칙 또는 그의 도함수를 통해 모델로 만들어질 수 있으며, 미지 매개변수는 교정 지점에서의 측정을 기반으로 조정될 수 있다. 일부 실시예에서는, 저유량에서 신속하지만 항상 정확하지는 않는 초음파 변환기에 의해 제공되는 리던던시를 저유량에서 느리기는 해도 양호한 정확도를 갖는 초음파 변환기에 의해 제공되는 리던던시와 작동 중에 조합하여 저유량에서 신속하면서 정확한 판독값을 연속적으로 제공할 수 있다. 예를 들어, 저유량은 약 25 L/분 미만 또는 약 20 L/분 미만 또는 약 15 L/분 미만의 유량을 포함한다. 예를 들어, 가온 온도 감지 소자로부터 유량 판독값을 얻을 때마다, 이를 전술된 단락들에 기술된 바와 같이 초음파 변환기의 교정 매개변수를 산출하거나 조정하는 데 이용함으로써, 초음파 변환기의 판독값에서의 임의의 오차나 드리프트를 연속적으로 보정할 수 있다. 조정은 직접, 또는 매개변수를 특정 양이나 특정 비로 단지 조정하기 위해 필터를 사용하여 수행될 수 있고/있거나, 흐름 또는 다른 감지된 매개변수에 조정 수준이 가중될 수 있거나, 칼만 필터(Kalman filter)와 유사하게 기지의 시스템 응답 특성을 이용하여 최적 가중치를 추정할 수 있다. 조정은 유사한 방식으로 교정 매개변수에 수행되는 대신에 초음파 변환기의 유량 판독값에 직접 수행될 수도 있다.
따라서, 일부 실시예에서, 시스템의 교정은 도 26a의 흐름도에 도시된 다음과 같은 단계들에 이용될 수 있다. 먼저 단계 2601에서, 제어 시스템은 밸브를 끄고 송풍기를 고정 송풍기 속도로 조정할 수 있다. 단계 2602에서는 다양한 센서(예컨대, 초음파, 온도, 습도, 압력)로부터의 측정치들이 허용값 내에 속하는지 체크하여 시스템이 제대로 작동하고 있음을 보장할 수 있다. 예를 들어, 초음파 변환기의 대략적인 유속을 체크하여 유로가 막히지 않았음을 보장할 수 있고/있거나, 압력 센서로 압력을 측정하고 허용값 내에 있음을 확인할 수 있다.
다음으로, 단계 2603에서 제어 시스템은 송풍기와 밸브를 꺼서 제로 유속을 생성할 수 있다. 단계 2605에서 초음파 변환기로부터의 측정치는 전술한 바와 같이 총 센서 거리(D + D 0 ) 및 제로-유량 오프셋을 교정하는 데 사용될 수 있다. 초음파 변환기로부터의 판독값은 가온 온도 감지 소자를 교정하기 위한 기준으로 이용될 수 있다. 그러나, 가온 온도 감지 소자는 시스템에서 더 많은 미지의 값(예컨대, 온도 감도, 온도 및/또는 전력 구배)을 갖기 때문에 가온 온도 감지 소자에는 일반적으로 2개의 교정 지점이 필요하다. 교정된 후에 초음파 변환기는 예를 들어 제로 유량에서 또는 하나 이상의 비-제로 유량 상태들에서 추가 교정을 수행하도록 적어도 하나의 새로운 상태를 생성하기 위한 기준으로 사용될 수 있다.
초음파 변환기를 교정한 후(2612), 시스템은 교정된 초음파 변환기를 사용하여 다른 센서들을 교정할 수 있다(2613). 단계 2606에서는 송풍기를 켜서 흐름이 시스템을 통과하도록 할 수 있다. 밸브가 여전히 꺼진 상태에서, 산소 농도는 20.9%(공기 중의 산소 농도)에 가까운 것으로 알려졌다. 단계 2607에서는 측정을 수행하여 산소 판독값이 허용값 내에 속하는지 체크할 수 있다. 마찬가지로, 기지의 산소 공급원에 기기가 연결되어 있다면, 밸브를 완전히 열고, 송풍기를 저유량에 설정한 다음, 측정을 수행하여 산소 판독값이 100%에 가까운지 또는 허용값 범위 내에 속하는지 체크할 수 있다(예를 들어, 산소 농축기는 대략 100% 산소만 전달한다). 또한, 100% 산소의 경우, 상대 습도 센서로 획득한 측정치들을 취하여 상대 습도 판독값이 0%에 가까운지 또는 허용값 범위 내에 속하는지 체크할 수 있다.
단계 2608에서 제어 시스템은 초음파 변환기 및 가온 온도 감지 소자 모두를 이용하여 측정을 하고 이들 측정치를 비교함으로써, 단계 2609에서 가온 온도 감지 소자 매개변수를 그에 따라 교정할 수 있다. 송풍기는 추가 교정 지점을 위해 측정될 수 있는 추가 세트의 흐름을 생성하도록 조정될 수 있다.
그리고 나서 단계 2610에서 제어 시스템은 송풍기를 끌 수 있고, 단계 2611에서 기지의 제로 유량에서 초음파 변환기 및 가온 온도 감지 소자의 교정을 검증할 수 있다.
도 26b는 시스템의 교정 단계들에 관한 또 다른 실시예를 나타낸다. 단계 2620에서, 시스템은 주어진 동작 매개변수에 대한 기대값을 생성한다. 기대값은 룩업 테이블, 사용자 입력, 산출된 값 등에서 얻을 수 있다. 단계 2622에서, 시스템은 단계 2620으로부터 주어진 기지의 동작 매개변수들에서 실행된다. 단계 2624에서, 시스템은 센서들 중 하나를 사용하여 제1 값을 측정한다. 단계 2626에서, 시스템은 제1 값을 단계 2620으로부터의 기대값과 비교한다. 단계 2628에서, 시스템은 제1 값과 기대값의 차이에 근거하여 측정치를 교정할 수 있다. 교정이 가능한 측정치들로는 음속, 송풍기가 꺼진 상태에서의 유량(제로 유속) 또는 특정 유속이 있다. 선택 사항으로, 단계 2630에서, 시스템은 체크하는 의미로 다양한 동작 매개변수에서 실행되는 등으로 단계 2620 내지 단계 2628을 한 번 또는 여러 번 반복할 수 있다. 일부 실시예에 의하면, 선택 사항으로 단계 2632에서 시스템은 제1 값을 공장 설정값과 비교할 수 있다. 이 비교는 비교 단계 2626에서 행해질 수 있거나 또는 비교 단계 2626 후에 단 어떠한 교정도 이루어지기 전에 행해질 수 있다. 제1 값이 한계치를 벗어난 경우 시스템은 교정 프로세스를 중지하고 경보를 출력할 수 있다. 상기 한계치는, 예를 들어, 그 범위 내에서 기기가 작동하도록 되어 있는 공장 허용 한계치 또는 다른 기정된 교정 한계치들일 수 있다.
일부 실시예에서, 교정 시스템은 자신의 매개변수들을 체크하고, 해당 매개변수들을 요구에 맞게 허용되는 한계치 내에 속하도록 조정한다. 일부 실시예에서, 교정 시스템은 자신의 매개변수들을 체크하여, 매개 변수 조정 없이, 감지 값들의 허용 여부를 판단한다. 시스템 교정을 제조 중에 수행함으로써 시스템의 후속 교정을 위한 기준으로 역할을 할 수 있는 허용치를 정할 수 있다. 교정은 공장에서, 사용자에 의해, 또는 시스템에 의해 자동으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 교정이 필요함을 사용자에게 알릴 수 있거나, 유닛을 자동으로 교정함으로써 시스템이 필요할 때마다 교정되거나 적절한 시간에만 교정되도록 할 수 있다. 다른 예에서, 사용자는 교정 시스템을 시작할 수 있다.
이중 절대 압력 센서 배열
유량 요법 기기는 2개의 절대 압력 센서를 포함할 수 있으며, 그 중 하나는 도 22c의 기압 센서(2209)이다. 흔히 게이지 센서는 가스 흐름 압력과 주위 압력 간의 차이를 측정하기 위해 감지 모듈에 자리한다. 가스 흐름 압력과 주위 압력 간의 차이는 가스가 사용자에게 전달될 때 유량 요법 기기의 사용자가 어떻게 느끼는지를 모니터링하기 위한 값이다. 게이지 센서는 작은 범위 내에서 측정하므로 절대 압력 센서보다 높은 분해능, 적은 잡음 및 높은 정확도의 장점들을 가진다. 그렇지만, 게이지 센서에는 몇 가지 단점을 있다. 게이지 센서에 두 개의 파이프를 설치하는 것이 요구된다. 이들 파이프는 여러 가지 이유로 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 파이프가 떨어져 산소 누출이 발생할 수 있다. 산소 누출은 안전상 위험하다. 게이지 센서는 또한 센서의 포트들이 흐름을 향하는 곳이나 정체 압력이 있는 영역에 배치될 수 없기 때문에 위치설정에 민감하다. 또한, 센서를 수용하는 케이스 내 구멍들을 통해 파이프들이 통과해야 되기 때문에, 케이스의 외주벽 배열이 덜 견고하다.
본원에 기술된 유량 요법 기기는 환자에게 전달되는 압력을 제어하기보다는 흐름을 제어하기 때문에, 시스템의 판독값은 잡음의 영향을 덜 받는다. 예를 들어, 이는 환자의 호흡과 동기화하는 데 유용할 수 있다. 잡음은 일반적으로 걸러낼 수 있다. 따라서, 요법 기기 내 절대 압력 센서들은 흐름을 제어한다는 목적으로 판독값의 정확도를 떨어뜨리지 않으면서도 밀봉재 뒤 파이프의 존재 필요성을 없앰으로써 게이지 압력 센서보다 단순한 기계 디자인을 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 한 기압 센서는 도 22의 유로 내 감지 회로 기판(2200) 상에 배치된다. 다른 기압 센서는, 기체 유로 또는 기기의 가압 영역에 자리하지 않고 주위 온도에 노출된 인쇄 회로 기판 상에 위치될 수 있다. 따라서, 도 28의 흐름도에 나타낸 바와 같이, 단계 2802에서, 유로 내 감지 회로 기판 상에 있는 기압 센서는 도 1의 제어기(13)나 도 19의 제어기(600)와 같은 시스템의 제어기에 가스 흐름(PF)의 절대 압력을 제공한다. 단계 2804에서, 다른 기압 센서는 주위 압력(PA)에 대한 판독값을 제어기에 제공한다. 단계 2806에서, 제어기는 이들 두 값의 차이(PF - PA)를 산출하고, 단계 2808에서는 이 압력 차이를 시스템의 게이지 압력(PG)으로서 출력한다. 시스템은 게이지 압력(PG)을 이용하여 모터 속도 곡선을 조정하고 산소 또는 가스 유속을 정확하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 게이지 압력(PG)은 환자의 호흡과 동기화하는 데 유용할 수 있다.
두 기압 센서의 판독값을 기반으로 시스템의 게이지 압력(PG)을 계산하고, 산소 누출을 없애어 사용자 안전을 향상시키는 것 외에, 이중 절대 압력 센서 배열은 다음과 같은 응용 및/또는 장점들도 가진다.
유로 내의 절대 압력 센서, 이를테면 도 22c의 기압 센서(2209)는 산소 산출에 약간의 보정이 있을 수 있도록 한다. 도 22c의 기압 센서(2209)와 같이 유로 내에 위치된 절대 압력 센서는 초음파 유량 센서(체적 유량)와 가온 온도 감지 소자(질량 유량) 간의 비교를 가능하게 한다. 모터는 일정한 체적 유량을 생성하기 때문에 기기 내의 체적 유량 감지에 있어 큰 변화가 있을 것으로 예상되지 않는다. 그러나, 일정 모터의 경우, 질량 유량은 고도, 온도 또는 산소 분율에 따라 달라지게 된다. 절대 압력 센서는 초음파 유량 센서와 가온 온도 감지 소자 간의 판독값을 비교하기 위해 체적 유량을 질량 유량으로 환산시키는 데 혹은 그 반대로 환산시키는 데 필요한 가스 밀도의 계산에 도움을 준다. 이는 센서들의 정확도를 판단하고 적절하게 보정할 수 있게 한다. 예를 들어, 질량 유량은 다음과 같이 산출할 수 있다:
질량 유량 = 밀도 x 체적 유량.
가온 온도 감지 소자가 시스템으로부터 제거되면, 질량 유속은 위의 식을 이용하여 체적 유속으로부터 여전히 환산될 수 있다. 두 기압 센서의 판독값을 기반으로 시스템의 게이지 압력(PG)을 산출하는 또 다른 응용은 상기 배열이 압력 측정치를 알고리즘으로 인수 분해함으로써 누출 및 차단 알고리즘들에 대한 더 분명한 범위들 또는 더 좁은 범위의 누설 및 차단 경보들을 가능하게 한다는 것이다. 질량 유량과 체적 유량 간의 환산은 가온 온도 감지 소자에 근거한 초음파 유량 판독값을 보정하는 데에도 유용하다. 또한, 주위 압력 센서가 추가됨으로써 질량 유량과 체적 유량 간의 환산이 이루어질 수 있어, 시스템이 다양한 고도에 대한 한계치를 재정의할 수 있게 된다. 그 결과, 한계치는 주위 상태에 맞추어 보다 특정화되며, 더 많은 누설/차단 사건을 더 높은 정확도로 포착할 수 있다.
구체적으로, 송풍기가 예상 송풍기 속도보다 빠른 속도로 작동하여야만 유속을 유지할 수 있는 경우에는 차단 경보가 발생된다. 따라서 고도가 증가하면 질량 유량이 감소할 것이고, 이는 원하는 질량 유량을 전달하기 위해서는 송풍기 속도를 증가시켜야 한다는 것을 의미한다. 그 결과, 더 높은 고도에서는 주어진 질량 유속에 대해 더 빠른 모터 속도를 예상해야 함을 시스템이 인지하도록 하고, 마찬가지로 더 낮은 고도에서는 주어진 질량 유속에 대해 더 느린 모터 속도를 예상해야 함을 시스템이 인지하도록 압력 센서를 이용하여 차단에 대한 한계치들의 조정이 가능하기 때문에, 시스템이 차단을 검출할 수 있게 된다.
유사하게, 원하는 유속을 유지하기 위해서 송풍기가 아주 고속으로 작동할 필요가 없는 경우에는, 예를 들어, 챔버가 시스템으로부터 제거되면 (따라서, 제약이 적어지면), 누출 경보가 발생할 수 있다. 높은 고도일수록 질량 유량이 낮아지고, 동일한 모터 속도의 경우 더 낮은 고도에서는 더 낮은 유속이 보일 것이므로, 압력 센서가 없이는 시스템이 혼동될 수 있어, 시스템을 위해 더 큰 한계치를 정의할 필요가 있다. 그러므로 다양한 고도에 대한 한계치를 재정의할 수 있다는 것은 더 높은 고도에 대해 더 낮은 한계치를 정의할 수 있고, 이로써 더 많은 누출/차단 상태를 알아낼 수 있음을 의미한다.
보다 구체적으로, 유로 내 절대 압력 센서는 가스 내의 수증기 분압에 응답하여 보정이 이루어질 수 있게 한다. 어떠한 습도 알고리즘에서도 압력에 좌우되는, 유입되는 가스의 수분 함량을 파악하는 것이 유용하다. 특히, 전력-기반 습도 제어 알고리즘의 경우, 가스가 가습되기 전 입구에서 가스 특성을 측정하고, 이에 발생되는 습도는 수분을 가온하기 위해 열판에 입력된 전력과 상기 가스 특성을 근거로 추정된다. 이 경우, 주어진 이슬점 온도에 이르는데 필요한 물의 질량이 주위 압력에 크게 좌우되기 때문에 압력이 습도 추정의 정확도에 미치는 영향이 크다. 게이지 압력은, 이를테면 환자 인터페이스(8)를 통해, 환자 출구 포트(21, 344) 혹은 환자로의 압력 강하(그에 상응한 이슬점 온도의 하강을 일으킴)를 기초로 습도 산출에도 비록 조금이지만 영향을 미칠 수 있다.
비록 원시(raw) 주위 압력 값만 측정되어 기기로 제공되지만, 다양한 알고리즘을 이용하여 수동 또는 자동으로 고도를 산출해서 시스템 체크용으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 기기는 압력 판독값을 기반으로 고도를 산출할 수 있고, 산출된 고도를 사용자에게 표시하여 이것이 기기로부터의 사실적 판독값인지 판단할 수 있다. 또 다른 예에서, 기기는 디스플레이된 고도가 정확한지를 사용자에게 확인시키거나 사용자에게 고도 레벨을 입력하도록 요청할 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은, 유로의 외부 또는 가압 영역의 외부에 위치되어 주위 온도에 노출되거나, 또는 제어 기판과 감지 모듈 혹은 감지 챔버 사이의 게이지 압력 센서와 함께 주위 압력을 판독하기에 적합한 다른 자리에 위치된 절대 압력 센서를 사용할 수 있다. 시스템은 게이지 압력 센서에 의한 차압과 절대 압력 센서에 의한 주위 압력 판독값을 더함으로써 환자에게 전달되는 총 압력을 구할 수 있다.
문맥에 달리 명료하게 요구되지 않는 한, 상세한 설명과 청구 범위에 걸쳐, "포함한다", "포함하는" 등의 단어들은 배타적 또는 소진적 의미와 반대되는 포괄적인 의미로, 즉 "포함하지만 이에 국한되지 않는"의 의미로 해석되어야 한다.
본원에서 "약"이란 용어는 표준 측정 정확도 내에 있음을 의미하고자 사용된다.
본 명세서에서의 임의의 선행 기술에 대한 언급은 그 선행 기술이 세계 어떤 나라에서든 노력하고 있는 분야에서 일반 상식의 일부를 형성하는 것으로 인정한다거나 또는 어떤 형태로든 제안하는 것이 아니며, 그렇게 간주되어서도 안 된다.
개시된 기기 및 시스템은 또한 부품, 소자 또는 특징부 중 둘 이상의 임의의 또는 모든 조합으로 개별적 또는 총체적으로 본원의 명세서에 언급되었거나 명시된 부품, 소자 및 특징부로 구성된다고 폭넓게 말할 수 있다.
전술된 설명에서, 기지의 동치(equivalent)를 갖는 정수들 또는 성분들과 관련하여 언급한 경우, 본원에서 이들 정수는 마치 개별적으로 제시된 듯이 통합된다.
실시예에 따라, 본원에 기술된 알고리즘들, 방법들 또는 프로세스들 중 어느 하나의 특정 동작들, 사건들 또는 기능들은 상이한 순서로 수행될 수 있거나, 추가, 병합 또는 다 같이 생략될 수 있다(예컨대, 전술된 동작들 또는 사건들 모두가 알고리즘을 실행하는 데 필요한 것은 아니다). 더욱이, 특정 실시예에서, 동작들 또는 사건들은 예컨대 멀티 스레드 처리, 인터럽트 처리, 또는 다중 프로세서나 프로세서 코어를 통해, 또는 다른 병렬 아키텍처에 순차적으로가 아닌 동시에 수행될 수 있다.
본원에 기술된 현재 바람직한 실시예들을 다양하게 변경 및 수정하는 것이 당업자에게는 명백할 것임을 주목해야 한다. 이러한 변경 및 수정은 개시된 기기 및 시스템의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 그리고 그 부수적인 이점들을 줄이지 않으면서 행해질 수 있다. 예를 들어, 다양한 구성요소를 원하는 대로 재배치시킬 수 있다. 이로써, 개시된 기기 및 시스템의 범위 내에 이러한 변경 및 수정을 포함하고자 한다. 또한, 개시된 기기 및 시스템을 실행하기 위해 이들 특징부, 양태 및 이점 모두가 꼭 필요한 것은 아니다. 따라서, 개시된 기기 및 시스템의 범위는 이하 청구 범위에 의해서만 정해지도록 한다.

Claims (16)

  1. 유량 요법 기기에 있어서,
    가스 흐름을 위한 유로(flow path)를 포함하는 감지 챔버; 및
    제어기를 포함하고,
    상기 감지 챔버는,
    상기 가스 흐름의 가스 특성을 측정하는 하나 이상의 센서로서, 상기 유로의 하류 부분에 제 1 초음파 변환기를 포함하고, 상기 유로의 상류 부분에 제 2 초음파 변환기를 포함하는, 하나 이상의 센서; 및
    상기 유로에서 상기 가스 흐름의 가스 유속(gases flow rate)을 측정하는 가온 온도 감지 소자를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 가온 온도 감지 소자로부터의 출력과 상기 제 1 및 제 2 초음파 변환기로부터의 출력을 사용하여, 유량 측정의 리던던시를 제공하고, 상기 리던던시는 상기 제 1 및 제 2 초음파 변환기에 의한 저유량에서의 신속한 유량 측정과 상기 가온 온도 감지 소자에 의한 저유량에서의 정확한 유량 측정을 포함하는, 유량 요법 기기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 제공된 상기 리던던시에 기초하여 유량 측정을 교정하는, 유량 요법 기기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 가온 온도 감지 소자의 출력에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 초음파 변환기의 교정 매개 변수를 조정하는, 유량 요법 기기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 가온 온도 감지 소자의 출력에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 초음파 변환기의 출력을 조정하는, 유량 요법 기기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제 1 및 제 2 초음파 변환기의 상기 교정 매개 변수 또는 출력을 지속적으로 조정하는, 유량 요법 기기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기는 기정된 양, 비율 또는 가중된 유량 또는 다른 감지된 매개 변수들에 의해 상기 제 1 및 제 2 초음파 변환기의 상기 교정 매개 변수 또는 출력을 조정하는, 유량 요법 기기.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    송풍기를 포함하고, 상기 유로는 상기 송풍기로부터 상기 가스 흐름을 받고 상기 감지 챔버의 상기 유로를 통해 상기 가스 흐름을 안내하는, 유량 요법 기기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 감지 챔버는 감지 회로 기판을 더 포함하고, 상기 감지 회로 기판의 제 1 부분은 적어도 부분적으로 상기 감지 챔버의 상기 유로 내에 배치되는, 유량 요법 기기.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 흐름은 유의한 각도(significant angles)가 없도록 연속적으로 만곡되는 상기 감지 챔버의 상기 유로의 적어도 일부를 통해 측정되는, 유량 요법 기기.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 감지 챔버의 상기 유로는 입구, 수평 부분 및 출구를 포함하고, 상기 입구와 상기 출구는 수직으로 대향 방향에 배치되고, 상기 수평 부분은 상기 입구와 상기 출구 사이에 배치되는, 유량 요법 기기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 감지 챔버의 상기 유로의 상기 수평 부분은 상기 수평 부분의 전체 길이를 따라 매끄러운 곡선을 갖는, 유량 요법 기기.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 초음파 변환기는 가스 농도를 더 결정하는, 유량 요법 기기.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 유로에서 상기 가스 흐름의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 감지 회로 기판은 상기 유로에서의 상기 가스 흐름과 상기 온도 센서 사이의 열 전도를 초래하고, 상기 감지 챔버의 벽과 상기 온도 센서 사이의 열전도를 방해하는, 유량 요법 기기.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 감지 회로 기판은 상기 감지 챔버의 상기 유로의 외부에 배치되는 상기 감지 회로 기판의 적어도 제 2 부분을 포함하는, 유량 요법 기기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 감지 챔버는 상기 감지 회로 기판의 상기 제 2 부분으로부터 상기 감지 회로 기판의 상기 제 1 부분을 나누는 밀봉재를 포함하는, 유량 요법 기기.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 감지 회로 기판은 상기 감지 챔버의 상기 유로의 외부에 배치되는 상기 감지 회로 기판의 적어도 제 2 부분을 포함하는, 유량 요법 기기.
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