TWI703995B - 可攜式呼吸器及提供振盪氣流的方法 - Google Patents

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郭許達
吳健樑
吳玟叡
廖育德
呂紹永
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台灣基督長老教會馬偕醫療財團法人馬偕紀念醫院
國立交通大學
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Abstract

本揭示內容關於一種可攜式呼吸器以及用以對一亟需之個體提供一振盪氣流的方法。該方法包含： (a) 形成一混合氣體，其包含純氧及空氣；(b) 藉由對該混合氣體施加一預定振盪頻率及一預定換氣期間，將該混合氣體轉換成該振盪氣流；(c) 以一第一噴射壓力輸出該步驟(b)之該振盪氣流，其中該輸出振盪氣流具有一第一流速；以及(d) 透過以下步驟調變步驟(c)之該輸出振盪氣流：(i) 調整該混合氣體中該純氧及該空氣各自含量；或是(ii) 調整該步驟(b)之該預定換氣期間，其中，若該第一噴射壓力小於該預定噴射壓力，則減少該預定換氣期間；或若該第一噴射壓力大於該預定噴射壓力，則增加該預定換氣期間。

Description

可攜式呼吸器及提供振盪氣流的方法
本揭示內容是關於人工呼吸領域。具體是關於調控一人工呼吸裝置以對一亟需之個體提供高頻換氣的方法。
如何使呼吸器依賴患者避免不必要之醫療浪費並增加醫療照護之成本效益，是醫學相關領域的主要目的。臨床上，目前雖有眾多傳統型呼吸器可適用於有需求的人，但長期使用下，這些儀器通常會造成包含肺壓力損傷(pulmonary pressure injury)、肺泡過度擴張(over expansion of alveoli)及高氣道壓力(high airway pressure)等併發症。為了克服前述缺陷，目前已構建出能夠提供低體積及高流速之氣流給予病患的高頻呼吸器(高於正常生理呼吸頻率)，且經證明可有效減少肺損傷，藉以降低因氣道/肺壓力問題導致的併發症及死亡率。據此，高頻呼吸器已經廣泛使用，特別是小兒科學診療將其用於防止小兒的肺損傷、呼吸中止及/或慢性肺疾病。
儘管高頻呼吸器具有一定優點，但在某些情況下仍然存在副作用。在僅透過被動呼氣進行排氣的情況下，給予越高的吸氣流速，會產生更高的平均肺壓。若肺部無法呼氣完全，則患者的肺部產生異常空氣滯留，而大幅降低換氣效率。 再者，目前用以產生高頻換氣的儀器體積大且價格昂貴，因此可於醫療機構中使用，這不符合居家照護與安寧照護的需求。
有鑑於此，相關領域亟需一種可攜式設備以及一種調控該設備的改良方法，以對所需之個體提供高頻換氣。
為了給讀者提供基本的理解，以下提供本揭示內容的簡要發明內容。此發明內容不是本揭示內容的廣泛概述，同時非用來識別本發明的關鍵/必需元件或勾勒本發明的範圍。其唯一目的是以簡化的概念形式呈現本揭示內容的一些概念，以作為呈現於後文中更詳細描述的序言。
如本文所實施和廣泛描述的，本揭示內容之目的在於提供一可攜式設備及調控該設備以對一亟需之個體提供高頻換氣，同時消除任何可能的肺損傷的方法。
據此，本揭示內容之一態樣關於用以對一亟需之個體提供一振盪氣流的方法。所述方法包含：(a) 形成一混合氣體，其包含純氧及空氣；(b) 藉由對該混合氣體施加一預定振盪頻率及一預定換氣期間，將該混合氣體轉換成該振盪氣流；(c) 以一第一噴射壓力輸出步驟(b)之該振盪氣流，其中該輸出振盪氣流具有一第一流速；以及(d) 透過以下步驟調變(modulate)步驟(c)之該輸出振盪氣流：(i) 藉由調整該混合氣體中該純氧及該空氣各自含量，分別將該第一流速與一預定流速匹配，以及將該第一噴射壓力與一預定噴射壓力匹配；或是(ii) 藉由調整步驟(b)之該預定換氣期間，匹配該第一噴射壓力及該預定噴射壓力，其中若該第一噴射壓力小於該預定噴射壓力，則減少該預定換氣期間；或若該第一噴射壓力大於該預定噴射壓力，則增加該預定換氣期間。
根據本揭示內容某些實施方式，於步驟(a)中，從該純氧及該空氣之來源各自供應該純氧及該空氣，並於一具有固定體積的儲氣槽中混合，以形成該混合氣體。
根據本揭示內容某些實施方式， 於步驟(c)中，該振盪氣流之該第一噴射壓力是與該儲氣槽中該混合氣體的量成正比。
根據本揭示內容某些實施方式，於步驟(d)(i)中，若該第一流速小於該預定流速，則增加該混合氣體中該純氧與該空氣各自含量；或是若該第一流速大於該預定流速，則減少該混合氣體中該純氧與該空氣各自含量。
在特定實施方式中，預定流速約為每分鐘0公升至30公升(以下表示為：公升/分鐘)。
根據本揭示內容某些實施方式， 步驟(a)的該混合氣體具有一預定氧氣濃度。
在某些非必要性實施方式中，本方法更包含(e) 在步驟(c)中及/或在步驟(d)(i)之後偵測該混合氣體中的一實際氧氣濃度；以及(f) 藉由調整該步驟(a)之該混合氣體中該純氧的含量，匹配該實際氧氣濃度與該預定氧氣濃度。
在某些實施方式中，前述預定氧氣濃度之體積百分比約為20至90 (vol %)。
根據本揭示內容特定實施方式，所述預定振盪頻率係約1赫茲(以下以Hz表示)至8 Hz。
根據本揭示內容某些實施方式，該預定噴射壓力係約5磅力每平方英寸(pound per square inch 或 pound-force per square inch，psi)至45磅力每平方英寸。
根據本揭示內容某些具體實施例，該預定換氣期間係以具有一約2:1至1:6之呼吸比(I/E ratio)為特徵。
本揭示內容另一態樣則關於一種可攜式呼吸器，其包含一儲氣槽、至少二輸入氣流閥、一頻率控制器、一電磁閥、一輸出流量計以及一控制單元。該儲氣槽設以容置由純氧及空氣混合而成之一混合氣體，其中該混合氣體具有一氣體壓力。該至少二輸入氣流閥設於該儲氣槽之上游，以分別控制該混合氣體中該空氣及/或該純氧的各自含量。再者，該頻率控制器是設以對該混合氣體施加一預定振盪頻率及一預定換氣期間，以將該混合氣體轉換成該振盪氣流。該電磁閥設以一第一噴射壓力輸出該振盪氣流，其中該振盪氣流具有一第一流速。該輸出流量計是設置於該電磁閥之下游，以偵測該振盪氣流之該第一流速。該控制單元是設以控制該至少二輸入氣流閥、該頻率控制器、該電磁閥以及該輸出流量計，其中，該控制單元經指令編程執行一調變該振盪氣流的方法，該方法包含：(i)      藉由調整該混合氣體中該純氧及該空氣各自含量，分別將該第一流速與一預定流速匹配，以及將該第一噴射壓力與一預定噴射壓力匹配；或是(ii) 藉由調整該預定換氣期間，將該第一噴射壓力與該預定噴射壓力匹配。在步驟(ii)中，若該第一噴射壓力小於該預定噴射壓力，則減少該預定換氣期間；或是若該第一噴射壓力大於該預定噴射壓力，則增加該預定換氣期間。
根據本揭示內容某些實施方式，該第一噴射壓力實質上等於該氣體壓力，且與該儲氣槽中該混合氣體的量成正比。
根據本揭示內容某些實施方式，可攜式呼吸器更包含一壓力感測器，設以耦接至該儲氣槽，以偵測該混合氣體之該氣體壓力。
在特定實施方式中，前述壓力感測器為一絕對壓力感測器、一表壓感測器、一真空壓力感測器、一差壓感測器或一密封壓力感測器。
在特定實施方式中，該至少一輸入氣流閥基於該氣體壓力控制該混合氣體中該空氣及/或該純氧的各自含量。
在特定實施方式中，該至少一輸入氣流閥基於該第一流速控制該混合氣體中該空氣及/或該純氧的各自含量。
根據本揭示內容某些實施方式，可攜式呼吸器更包含一設置於該至少一輸入氣流閥與該儲氣槽之間的輸入流量計，設以分別偵測空氣與純氧的各別流速，以獲得一實際氧氣濃度，其中該輸入氣流閥基於該實際氧氣濃度控制該混合氣體中該純氧的含量。
根據本揭示內容部分實施方式，該混合氣體具有一約體積百分比為20至90之預定氧氣濃度。
根據本揭示內容部分實施方式，該頻率控制器包含一振盪器及一數位類比轉換器。
在非必要實施方式中，可攜式呼吸器更包含至少一止回閥，設以分別防止純氧、空氣及/或振盪氣流回流。
在非必要實施方式中，可攜式呼吸器更包含一氣道壓力感測器，設以測定該個體之一氣道壓力。
根據本揭示內容部分實施方式，該預定振盪頻率係約1 Hz至8 Hz，該預定噴射壓力係約5 psi至45 psi，且該預定換氣期間係以具有一約2:1至1:6之呼吸比(I/E ratio)為特徵。
根據本揭示內容部分實施方式，於前述方法之步驟(i)中，若該第一流速小於該預定流速，則增加該混合氣體中該純氧與該空氣各自含量；或是若該第一流速大於該預定流速，則減少該混合氣體中該純氧與該空氣各自含量，其中該預定流速約為每分鐘0公升至30公升。
透過上述設計，本揭示內容的方法可針對本揭示內容之可攜式呼吸器加以調變，以適當地即時調整輸出氣流。
在參閱下文實施方式後，本發明所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易瞭解本發明之基本精神及其他發明目的，以及本發明所採用之技術手段與實施態樣。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。實施方式中涵蓋了多個具體實施例的特徵以及用以建構與操作這些具體實施例的方法步驟與其順序。然而，亦可利用其他具體實施例來達成相同或均等的功能與步驟順序。
I.  定義
為了便於說明，此處統整性地說明本說明書、實施例以及後附的申請專利範圍中所記載的特定術語。除非本說明書另有定義，此處所用的科學與技術詞彙之含義與本發明所屬技術領域中具有通常知識者所理解與慣用的意義相同。此外，在不和上下文衝突的情形下，本說明書所用的單數名詞涵蓋該名詞的複數型；而所用的複數名詞時亦涵蓋該名詞的單數型。具體而言，除非上下文另有明確說明，本文和後附的申請專利範圍所使用的單數形式「一」(a及an)包含複數形式。此外，在本說明書與申請專利範圍中，「至少一」(at least one)與「一或更多」(one or more)等表述方式的意義相同，兩者都代表包含了一、二、三或更多。
雖然用以界定本發明較廣範圍的數值範圍與參數皆是約略的數值，此處已盡可能精確地呈現具體實施例中的相關數值。然而，任何數值本質上不可避免地含有因個別測試方法所致的標準偏差。在此處，「約(about)」通常係指實際數值在一特定數值或範圍的正負10%、5%、1%或0.5%之內。或者是，「約」一詞代表實際數值落在平均值的可接受標準誤差之內，視本發明所屬技術領域中具有通常知識者的考量而定。除了實驗例之外，或除非另有明確的說明，當可理解此處所用的所有範圍、數量、數值與百分比（例如用以描述材料用量、時間長短、溫度、操作條件、數量比例及其他相似者）均經過「約」的修飾。因此，除非有相反的說明，本說明書與附隨申請專利範圍所揭示的數值參數皆為約略的數值，且可視需求而更動。至少應將這些數值參數理解為所指出的有效位數與套用一般進位法所得到的數值。
本文使用的術語「 換氣期間」(ventilatory duration)是指由呼吸器製造及輸出的排出氣流之持續期間，其基本上可對應受試者的吸氣與呼氣。可藉由開啟或關閉靠近呼吸器出口的閥來控制換氣期間。可基於預設訊號或可基於任何即時回饋來調整所述閥。在本揭示內容呼吸器的實際操作上，換氣期間實質上代表吸氣的工作週期(inspiratory duty cycle)，或是，吸氣期間對呼氣期間之比值 ，又稱呼吸比(I/E ratio)。
在本文中，可互換地使用「受試者」、「個體」(subject) 或「病患」、「患者」(patient)之詞語，以指稱能接受本發明之換氣裝置及/或該調變方法的哺乳動物(包含人類)。所謂的「哺乳動物」(mammal)是指哺乳綱的所有成員，包含人類物種(智人( Homo sapiens))、靈長類、馴養動物及家畜(諸如兔、豬、羊及牛)；以及動物園圈養動物、用於運動的動物或寵物。再者，除非明確指出性別，否則「個體」或「受試者」或「患者」一詞均有包含男性(雄性)及女性(雌性)。因此，術語「受試者」、「個體」或「病患」、「患者」包含受益於本揭示內容的處理方法的任何哺乳動物。「個體」或「病患」的實例包含但不限於：人類、猴子、豬、山羊、牛、馬、犬、貓等等。在某些例示性實施方式中，個體是豬或人。
II.  具體實施方式
本發明旨在提供一可攜式呼吸設備及一改良的方法，用以對一亟需之個體提供高頻換氣(例如：提供一振盪氣流)。具體是從該呼吸設備產生的振盪氣流是受到本發明之方法加以調變。
以下參考第1圖及第2圖來描述本發明之實施方式。第1圖是描繪本發明調變方法1之步驟的流程圖，且第2圖為執行本發明方法的可攜式呼吸器2之示意圖。執行時，可攜式呼吸器2耦接至一空氣供應單元201及一純氧供應單元203，其分別含有用以提供氣體至可攜式呼吸器2的鋼瓶，所述氣體隨後作為振盪氣流從該可攜式呼吸器2輸出至個體205的肺部。較佳地，振盪氣流的輸出受到本發明方法的調整。
在本揭示內容方法，首先將空氣和純氧輸入可攜式呼吸器2之儲氣槽25中，以形成混合氣體來開始換氣程序(步驟S11)。借助於獨立地設以一預定壓力提供空氣與純氧的鋼瓶(該預定壓力例如為50 psi)，空氣供應單元201及純氧供應單元203各自供應空氣及純氧。
接著欲將步驟S11中所形成的混合氣體轉換成振盪氣流並將其輸出 (步驟S12及S13)。為了此目的，對該混合氣體施加一預定振盪頻率及一預定換氣期間，藉此透過一噴射壓力該混合氣體以振盪氣流之形式輸出。在操作時，由於本發明可攜式呼吸器2儲氣槽25具有固定體積，當空氣及氧氣持續進入儲氣槽25 (步驟S11)，儲氣槽25之內部壓力因而持續以與總氣體分子量成正比的方式增加，如此一來，容置於儲氣槽25內的混合氣體以符合理想氣體方程式的方式進行，也就是說，儲氣槽25容置的總氣體分子量是與混合氣體之壓力成正比。此處的混合氣體壓力是因為累積於儲氣槽25的氣體分子，本發明將其稱為噴射壓力(jet pressure)。此噴射壓力也作為用以將所容置的混合氣體經過電磁閥28排出或輸出的驅動力。在某些實施方式中，噴射壓力低於前述空氣供應單元201及該純氧供應單元203所設定的壓力。在某些實施方式，噴射壓力不超過45磅力每平方英寸(以下簡稱psi)。在其他實施方式，噴射壓力是5 psi至45 psi，例如是5、10、15、20、25、30、35、40、或45 psi。較佳的實施方式是該噴射壓力是從15 psi至25 psi。
為了產生振盪氣流，透過一頻率控制器27對該混合氣體施加一預定振盪頻率及一預定換氣期間，用以將該混合氣體轉換成振盪氣流，之後以前述的噴射壓力從電磁閥28輸出(步驟S13)。設置頻率控制器27基於使用者從控制單元210之控制介面輸入的指令來產生一振盪頻率及換氣期間，指令可以是吸氣的工作週期(即：吸氣/呼氣(I/E)比)。根據某些實施方式，頻率控制器27包含一振盪器、一數位類比轉換器、(數個)微處理器及一比較器，其中該振盪器及該數位類比轉換器均接受微處理器衍生的數位訊號，並連接至該比較器以產生一含有振盪頻率及換氣期間(例如：吸氣的工作週期)之資訊的集成波形。微控制器設以基於所述數位訊號，透過調整電容值及電壓值來分別控制振盪器及數位類比轉換器。通常，振盪器設以產生週期的、振盪的電子訊號(通常為一正弦波及/或一方形波)給予該比較器，藉此輸出一頻率訊號給一特定裝置(例如，本發明可攜式呼吸器2的電磁閥28)以作為後續用途。除此之外，振盪器可產生不同頻率的輸出訊號，舉例來說，可從小於1赫茲(Hz)至超過100千赫茲(kHz)。在某些實施方式中，本發明振盪器產生頻率低於20赫茲(以下以Hz簡稱)之訊號，具體而言，從1 Hz至15 Hz、從1 Hz至10 Hz、從1 Hz至8 Hz、從1 Hz至5 Hz、從2 Hz至4 Hz或從1 Hz至3 Hz。在某些實施方式中，振盪器是設計成使得振盪頻率得以根據輸入的壓力或電流在某個範圍內變化。在較佳實施方式中，振盪器是電壓控制振盪器(voltage-controlled oscillator, VCO)，以基於實際需求提供可調的振盪頻率。
為了實現最佳的換氣效果，需要微調或調變振盪氣流使得流速及/或噴射壓力與使用者預設的參數匹配。預設的參數包含，但不限於：流速及/或空氣與純氧濃度、噴射壓力、振盪頻率、換氣期間(例如：I/E比)等等。在開始換氣之前可直接從控制單元210輸入該些預設參數。
根據本揭示內容之實施方式，控制單元210可經內建之指令編程，以執行本揭示內容調變振盪器流的方法。具體而言，控制單元210執行之方法，可以該噴射壓力輸出的振盪氣流可藉由調整純氧及空氣各自含量，其最終調整噴射壓力及振盪氣流之流速來進行調變；也可以藉由調整預定換氣期間來調變輸出的振盪氣流(步驟S14)。也可額外或替代地透過調整進入呼吸器2之純氧濃度來調變步驟S13的振盪氣流。據此，調變振盪氣流的主要路徑是透過流速控制，其監測振盪氣流的流速及噴射壓力。也可額外或替代地透過濃度控制來調變振盪氣流，其監測及調整混合氣體的純氧濃度。
(i)流速控制路徑
可藉由設置在電磁閥28下游之輸出流量計29測定振盪氣流的流速，接著將該流速與一預定流速相比較。該預定流速可為使用者預設的值；也可以從進入可攜式呼吸器2的純氧及空氣之各別流速衍生之。當經輸出流量計29測定振盪氣流之流速小於預定流速之情況下，則開啟第一及第二輸入氣流閥(21、21')以允許更多空氣及純氧進入該可攜式呼吸器2，藉此增加所偵測的流速值到其與原本的預定流速相匹配為止。需注意的是分別以第一及第二輸入流量計(22, 22’)來測量空氣與純氧的各別流速。另一方面，當測得的流速大於預定流速時，則關閉第一及第二輸入氣流閥(21, 21')以減少進入可攜式呼吸器2的空氣及純氧，藉以減少所偵測的流速值到其降至可與原本預定流速相匹配。根據本揭示內容之實施方式，預定流速可在約每分鐘0.5公升至每分鐘30公升的範圍內，像是每分鐘0.5、1、5、10、15、20、25或30公升(公升/分鐘)。在較佳實施方式，預定流速為約25(公升/分鐘)。須注意的是，第一及第二輸入氣流閥(21, 21’)可以是藉由開啟、關閉或部分阻礙各式通到來調控、引導或控制氣體流動的任何氣閥。在特定實施方式中，第一及第二輸入氣流閥(21, 21’)是比例控制閥，其獨立具有可控制內部閥軸組件之位置的能力，而內部閥軸則增加或減少從該流量閥釋出的流量。在較佳實施方式中，第一及第二輸入氣流閥(21, 21’)各別為可受電壓控制的電空比例(electro-pneumatic proportional)閥。據此，藉由開啟或關閉第一或第二輸入氣流閥(21, 21’)調整之空氣或純氧的流速，以根據實際需求增加或減少進入可攜式呼吸器2的空氣量或純氧量。此外，基於經第一及第二輸入流量計(22, 22’)所分別測定之空氣及純氧的流速，可實時導出混合氣體的氧氣濃度並調節之。
替代方案是，也可透過監測噴射壓力來達成調變。噴射壓力是透過耦接儲氣槽25的壓力感測器26來測定。壓力感測器26還可額外作為調節第一及第二輸入氣流閥(21, 21’)的轉換器，因此，噴射壓力可藉由開啟或關閉第一及第二輸入氣流閥(21, 21’)以讓更多空氣及純氧進入可攜式呼吸器2的量增加或減少，來與一預定噴射壓力值(例如經使用者預先設定的值)匹配。可用於本揭示內容的壓力感測器26實例包含但不限於：絕對壓力感測器、表壓感測器(gauge pressure sensor)、真空壓力感測器、差壓感測器(differential pressure sensor)以及密封壓力感測器。在較佳實施方式中，壓力感測器是表壓感測器。
可額外或替代性地，在某些實施方式中，非藉由調整進入可攜式呼吸器2之純氧及空氣的各別含量，反而是藉由改變換氣期間以使噴射壓力與該預定壓力值匹配。在這樣的情況下，若噴射壓力小於預定噴射壓力值，則減少預定換氣期間(例如：可減少I/E比)；相反地，若噴射壓力大於預定噴射壓力值，則增加預定換氣期間(例如：可增加I/E比)。根據本揭示內容之實施方式，I/E比是介於約2:1至1:6的範圍，像是2:1、1.5:1、1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5、1:5、1:5.5或1:6；較佳的是約1:1至1:4；更佳是約1:2。
(ii) 濃度控制路徑
另一個可調變振盪氣流的方法是透過調整混合氣體中純氧濃度來達成。為了此目的，測定混合氣體中純氧的實際濃度，並使其與一預定氧氣濃度匹配之。該預定氧氣濃度通常落在體積百分比為20至90之間，例如體積百分比20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85或90 (vol%)。較佳的實施方式中，預定氧氣濃度的體積百分比是20%。在某些實施方式中，混合氣體中純氧的實際濃度可從第二輸入流量計22'測定之純氧的流速推導之。當實際氧氣濃度低於預測值，則開啟第二輸入氣流閥21’以使更多純氧進入可攜式呼吸器2。反之，若實際氧氣濃度大於預定的數值，則關閉第二輸入氣流閥21’以減少純氧進入可攜式呼吸器2。額外或非必要的，可以再輸出振盪氣流之前或之後測定純氧的實際濃度。
透過上述方式，可藉由在符合預設參數(例如噴射壓力、I/E比等等)的情況下，以期望的振盪氣流輸出混合氣體來實現最佳換氣。
本發明也可以額外或非必要性地包含測定個體205之氣道壓力的步驟(例如，透過使用一氣道壓力感測器220)以促進實時監控及/或調整噴射壓力以及振盪氣流。較佳地，監控結果可呈現於使用者介面(例如控制單元210)的螢幕。也可以額外或視情況將控制單元210設成若病患的氣道壓力無法與預設值匹配的話則傳送一警報。
額外或非必要性地，本發明也包含可確保氣體(空氣、純氧及混合氣體)在可攜式呼吸器2中僅以單一方向流動的裝置。為了此目的，複數個止回閥設置在儲氣槽25的上游及/或下游以防止氣體回流。根據本揭示內容較佳實施方式，三個止回閥230、231及232則分別設置在可攜式呼吸器2中。第一止回閥230則設置在第一輸入流量計22及儲氣槽25之間；第二止回閥231則設置在第二輸入流量計22’及儲氣槽25；而第三止回閥232則設置在輸出流量計29的下游。具體而言，第一止回閥230及第二止回閥231分別設以防止空氣及純氧逆流回空氣供應單元201及純氧供應單元203。第三止回閥232則設以防止振盪氣流逆流回輸出流量計29。
下文提出多個實施例來說明本發明的某些態樣，以利本發明所屬技術領域中具有通常知識者實作本發明。不應將這些實驗例視為對本發明範圍的限制。無須進一步說明，據信所屬技術領域中具有通常知識者可根據本文的描述，最大限度地利用本發明。本文引用的所有公開文獻均透過引用其整體併入本文。
實施例
材料與方法
實驗動物
從私人牧場(新北市八里區)取得六隻迷你豬(品系名：藍瑞斯，約40公斤)並將其飼養於AAALAC認可的實驗室動物房，處理豬隻的實驗程序符合《實驗動物照護及使用指南：第八版》("Guide for the Care and Use of Laboratory Animals: Eighth Edition") 國家學院出版社(National Academies Press)，華盛頓特區，2011年。
類急性呼吸窘迫(Acute respiratory distress-like， 以下稱之ARDL)症狀及換氣處理
在本實驗中，首先先對動物施以正常的換氣，接著對該些動物投以油酸以誘導類急性呼吸窘迫症狀。接著以實驗例1之呼吸器產生的高頻換氣，根據第3圖繪示的調變流程來治療展現ARDL症狀(即：PaO 2＜ 60 mmHg)的動物。在換氣期限，每十分鐘收集動脈血中含氧量(arterial blood gas，ABG)來評估治療狀況。
具體而言是透過氣管內插管法(endotracheal intubation)給予每隻動物換氣，其中將氣管插管(直徑2 mm)插入氣管直至氣管分支(carina)上約3–4 公分處。開始正常換氣時，所設定之潮氣容積(Vt)為每公斤10毫升(mL/kg)、呼吸速率(respiratory rate，RR)為每分鐘15次(15/分鐘)。接著，每兩分鐘給予每隻豬0.2毫升、濃度為50% (以95%之甲醇稀釋)的油酸以誘導ARDL症狀，該症狀主要以氧氣分壓(PaO 2)小於60 mmHg為特徵。
將實驗例1之可攜式呼吸器與具有ARDL症狀(即：PaO 2＜60 mmHg)之動物連接，且將根據第3圖繪示的調變流程所產生的高頻換氣施予該動物30分鐘。在開始換氣之前，使用者輸入預設參數，該些預設參數至少包含振盪氣流之流速(第3圖標示為『FR』)、噴射壓力(第3圖標示為『Pj』)、混合氣體之氧氣濃度(第3圖標為『O 2conc.』)、I/E比以及振盪頻率。先使呼吸器根據前述預設值運作幾分鐘，接著轉移到第3圖繪示的調變流程。在該調變流程中，可分別測定、並且透過調整進入呼吸器之空氣與純氧之各別流速、或是透過調整I/E比來調整振盪氣流的實際流速、實際噴射壓力及實際氧氣濃度。實驗之後將動物犧牲，並收集其肺組織用以後續顯微觀察實驗。
實驗例1：構建本發明可攜式呼吸器
本揭示內容呼吸器之所有組件分別從市售來源取得並實質上根據第2圖繪示的布局組裝之，呼吸器設以執行第3圖的調變流程以產生本發明之高頻換氣。第4圖呈現以呼吸器輸出的氣流集成波形。集成波形則隨預設頻率(2 Hz–4Hz)不同而有所差異。所構建之呼吸器的尺寸之長寬高約為20公分/15公分/17公分)。
實驗例2：以實驗例1之可攜式呼吸器產生的高頻換氣來治療ADRL個體
在本實驗中，具有ADRL症狀的迷你豬接受實驗例1呼吸器產生的高頻通氣處理，其中呼吸器先基於預設參數運作幾分鐘，接著再切換成第3圖繪示之調變流程執行15分鐘。第5圖總結實驗結果，不同線條為不同受試者之數據。在調變流程時，預設參數包含潮氣體積(Vt)：3(毫升/公斤)、每分鐘120次之呼吸速率(RR)、噴射壓力為20 psi、且吸入氧氣分率(FiO 2，或是O 2濃度)為1(亦即濃度為100%的氧氣)。
如第5圖所示，在換氣初始時(時間點=0)，測得的PaO 2小於60 mmHg，這表示受試者具有ARDL症狀。經過給予100%氧氣濃度換氣(其基於前述預設值而產生)15分鐘之後，將基於所收集的ABG數據執行第3圖呈現的調變流程。藉由改變空氣與純氧各別的流速以氧氣濃度至50%，可於接下來的15分鐘內將呼吸頻率及吸氣體積調整到正常的範圍(從圖上PaO 2回到約正常值80–100 mmHg可看出)。
此外， 受試個體之肺組織的顯微鏡實驗也可看出經本發明實驗例1提供的換氣可恢復肺組織的損害(數據未顯示)。
應當理解的是，前述對實施方式的描述僅是以實施例的方式給出，且本領域所屬技術領域中具有通常知識者可進行各種修改。以上說明書、實施例及實驗結果提供本發明之例示性實施方式之結構與用途的完整描述。雖然上文實施方式中揭露了本發明的各種具體實施例，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不悖離本發明之原理與精神的情形下，當可對其進行各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當以附隨申請專利範圍所界定者為準。
1:調變方法
2:可攜式呼吸器
201:空氣供應單元
203:純氧供應單元
205:個體
210:控制單元
21、21’:輸入氣流閥
220:氣道壓力感測器
22、22’:輸入流量計
230、231、232:止回閥
25:儲氣槽
26:壓力感測器
27:頻率控制器
28:電磁閥
29:輸出流量計
S11–S14:步驟
為讓本發明的上述與其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖是根據本揭示內容實施方式所繪示的流程圖，其係關於透過可攜式呼吸器2提供換氣的調變方法1；
第2圖是根據本揭示內容實施方式繪示之可攜式呼吸器2之示意圖；
第3圖是根據本揭示內容實施例繪示之調變流程；
第4圖描繪本發明可攜式呼吸器2輸出的氣流之集成波形圖；以及
第5圖描繪經利用本發明可攜式呼吸器2以前述調變方法1處理一預定期間之後的結果。
根據慣常的作業方式，圖中各種元件與特徵並未依比例繪製，其繪製方式是為了以最佳的方式呈現本發明相關的具體特徵與元件。此外，在不同的圖式間，以相同或相似的元件符號來指稱相似的元件/部件。
1:調變方法
S11-S14:步驟

Claims (23)

  1. 一種調變一振盪氣流的方法，包含：(a)形成一混合氣體，其包含純氧及空氣；(b)藉由對該混合氣體施加一預定振盪頻率及一預定換氣期間，將該混合氣體轉換成該振盪氣流；(c)以一第一噴射壓力輸出步驟(b)之該振盪氣流，其中該輸出振盪氣流具有一第一流速；以及(d)透過以下步驟調變步驟(c)之該輸出振盪氣流，(i)藉由調整該混合氣體中該純氧及該空氣各自含量，分別將該第一流速與一預定流速匹配，以及將該第一噴射壓力與一預定噴射壓力匹配；或是(ii)藉由調整步驟(b)之該預定換氣期間，匹配該第一噴射壓力及該預定噴射壓力，其中若該第一噴射壓力小於該預定噴射壓力，則減少該預定換氣期間；或是若該第一噴射壓力大於該預定噴射壓力，則增加該預定換氣期間。
  2. 如請求項1所述之方法，其中於步驟(a)中，從該純氧及該空氣之來源各自供應該純氧及該空氣，並於一具有固定體積的儲氣槽中混合，以形成該混合氣體。
  3. 如請求項2所述之方法，其中於步驟(c)中，該振盪氣流之該第一噴射壓力是與該儲氣槽中該混合氣體的量成正比。
  4. 如請求項1所述之方法，其中於步驟(d)(i)中， 若該第一流速小於該預定流速，則增加該混合氣體中該純氧與該空氣各自含量；或是若該第一流速大於該預定流速，則減少該混合氣體中該純氧與該空氣各自含量。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該預定流速約為每分鐘0公升至30公升。
  6. 如請求項1所述之方法，其中步驟(a)的該混合氣體具有一預定氧氣濃度。
  7. 如請求項6所述之方法，更包含：(e)在步驟(c)中及/或在步驟(d)(i)之後，偵測該混合氣體中一實際氧氣濃度；以及(f)藉由調整步驟(a)之該混合氣體中該純氧的含量，匹配該實際氧氣濃度與該預定氧氣濃度。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該預定氧氣濃度約20%至90%。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該預定振盪頻率係約1Hz至8Hz，且該預定噴射壓力係約5psi至45psi。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該預定換氣期間係以具有一約2：1至1：6之呼吸比(I/E ratio)為特徵。
  11. 一種用以提供一振盪氣流之可攜式呼吸器，包含：一儲氣槽，設以容置由純氧及空氣混合而成之一混合氣體，其中該混合氣體具有一氣體壓力； 至少二輸入氣流閥，設於該儲氣槽之上游，以分別控制該混合氣體中該空氣及該純氧的各自含量；一頻率控制器，設以對該混合氣體施加一預定振盪頻率及一預定換氣期間，以將該混合氣體轉換成該振盪氣流；一電磁閥，設以一第一噴射壓力輸出該振盪氣流，其中該振盪氣流具有一第一流速；一輸出流量計，設置於該電磁閥之下游，以偵測該振盪氣流之該第一流速；以及一控制單元，設以控制該至少二輸入氣流閥、該頻率控制器、該電磁閥以及該輸出流量計，其中，該控制單元經指令編程執行一調變該振盪氣流的方法，該方法包含：(i)藉由調整該混合氣體中該純氧及該空氣各自含量，分別將該第一流速與一預定流速匹配，以及將該第一噴射壓力與一預定噴射壓力匹配；或是(ii)藉由調整該預定換氣期間，將該第一噴射壓力與該預定噴射壓力匹配，其中若該第一噴射壓力小於該預定噴射壓力，則減少該預定換氣期間；或是若該第一噴射壓力大於該預定噴射壓力，則增加該預定換氣期間。
  12. 如請求項11所述之可攜式呼吸器，其中該第一噴射壓力實質上等於該氣體壓力，且與該儲氣槽中該混合氣體的量成正比。
  13. 如請求項11所述之可攜式呼吸器，更包含一壓力感測器，設以耦接至該儲氣槽，以偵測該混合氣體之該氣體壓力。
  14. 如請求項13所述之可攜式呼吸器，其中該壓力感測器為一絕對壓力感測器、一表壓感測器、一真空壓力感測器、一差壓感測器或一密封壓力感測器。
  15. 如請求項13所述之可攜式呼吸器，其中該至少一輸入氣流閥基於該氣體壓力控制該混合氣體中該空氣及該純氧的各自含量。
  16. 如請求項11所述之可攜式呼吸器，其中該至少一輸入氣流閥基於該第一流速控制該混合氣體中該空氣及該純氧的各自含量。
  17. 如請求項11所述之可攜式呼吸器，更包含一設置於該至少一輸入氣流閥與該儲氣槽之間的輸入流量計，設以分別偵測空氣與純氧的各別流速，以獲得一實際氧氣濃度，其中該輸入氣流閥基於該實際氧氣濃度控制該混合氣體中該純氧的含量。
  18. 如請求項11所述之可攜式呼吸器，其中該混合氣體具有一約體積百分比為20至90之預定氧氣濃度。
  19. 如請求項11所述之可攜式呼吸器，其中該頻率控制器包含一振盪器及一數位類比轉換器。
  20. 如請求項11所述之可攜式呼吸器，更包含至少一止回閥，設以分別防止純氧、空氣、振盪氣流或其組合回流。
  21. 如請求項11所述之可攜式呼吸器，更包含一氣道壓力感測器，設以測定一氣道壓力。
  22. 如請求項11所述之可攜式呼吸器，其中該預定振盪頻率係約1Hz至8Hz，該預定噴射壓力係約5psi至45psi，且該預定換氣期間係以具有一約2：1至1：6之呼吸比(I/E ratio)為特徵。
  23. 如請求項11所述之可攜式呼吸器，其中該方法之步驟(i)中，若該第一流速小於該預定流速，則增加該混合氣體中該純氧與該空氣各自含量；或是若該第一流速大於該預定流速，則減少該混合氣體中該純氧與該空氣各自含量，其中該預定流速約為每分鐘0公升至30公升。
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