Автоматизированная система доставки кислорода - RU2544478C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изображение

Настоящее изобретение в общем смысле касается систем и способов доставки кислорода. Более конкретно, изобретение направлено на автоматизированную систему доставки кислорода.

Уровень техники

Многим пациентам требуется вспомогательное дыхание, включая подачу дополнительного кислорода и/или вспомогательную вентиляцию легких. Младенцы, в частности, рожденные до срока, могут быть неспособными поддерживать адекватное дыхание и нуждаются в поддержке в форме дыхательной газообразной смеси, объединенной со вспомогательной вентиляцией. Дыхательная смесь имеет повышенную по сравнению с комнатным воздухом долю содержания кислорода (FiO₂), в то время как вспомогательная вентиляция обеспечивает повышенное давление в верхних дыхательных путях. У значительного количества младенцев, получающих вспомогательное дыхание, отмечаются эпизоды снижения насыщения крови кислородом, или десатурации, то есть периоды, в течение которые утилизация кислорода в легких оказывается нарушенной и насыщенность крови кислородом падает. Такие приступы могут происходить до двадцати раз в час и каждый подобный эпизод должен тщательно отслеживаться лечащим врачом.

Большинство систем существующего уровня техники требуют присутствия дежурного, контролирующего насыщение крови кислородом и вручную регулирующего настройки дыхательного аппарата для обеспечения дополнительной подачи кислорода немедленно после выявления десатурации. Аналогично, дежурный должен снизить снабжение пациента кислородом, как только насыщение крови кислородом восстанавливается до нормальных пределов. Отсутствие возможности быстрого снабжения пациента дополнительным кислородом может привести к гипоксически-ишемическим повреждениям, включая неврологические повреждения, и в длительных случаях может стать причиной смерти. Аналогичным образом невозможность снизить подачу кислорода пациенту после восстановления также имеет клинические последствия, самые частые из которых - ретинопатия недоношенных, форма слепоты, вызываемая окислением сенсорных зрительных нейронов. Притом, что на существующем уровне техники была предпринята по меньшей мере одна попытка создать замкнутую систему автоматического регулирования подачи FiO₂ с использованием замеров у пациента уровней насыщения кислородом гемоглобина артериальной крови, эта система не способна безопасно и адекватно определять и приводить в соответствие данные ошибочных измерений, ставя пациента под угрозу риска развития по меньшей мере отмеченных выше состояний.

Соответственно, необходима усовершенствованная система доставки кислорода, которая позволяла бы в автоматическом режиме безопасно управлять количеством подаваемого пациенту кислорода, основываясь на количестве замеряемого в кровотоке кислорода и связанной с такими измерениями информацией о состоянии.

Сущность изобретения

Воплощения настоящего изобретения предпочтительно обеспечивают систему для автоматического снабжения пациента кислородом.

В одном воплощении автоматизированная система доставки кислорода включает датчик измерения количества кислорода в кровотоке пациента, подсистему пневматики и управляющую подсистему. Подсистема пневматики включает впуск кислорода, впуск воздуха, выпуск газообразной смеси и механизм подачи газа для смешивания кислорода и воздуха с образованием газообразной смеси, имеющей доставляемую концентрацию кислорода, и для доставки газообразной смеси пациенту. Управляющая подсистема включает устройство ввода для получения желательной концентрации кислорода в кровотоке пациента, сенсорный интерфейс для получения данных измерений и информации о состоянии, связанной с получаемыми от датчика данными измерений, интерфейс подсистемы пневматики для отсылки команд и получения данных от подсистемы пневматики и процессор для управления доставляемой концентрацией кислорода на основе желательной концентрации кислорода, данных измерений и информации о состоянии. Таким образом, представлено достаточно широкое описание некоторых воплощений изобретения с тем, чтобы имеющееся здесь их подробное описание могло быть лучше понято, и чтобы лучше был воспринят настоящий вклад в технологию. Разумеется, существуют дополнительные воплощения изобретения, которые будут описаны ниже и которые раскрыты в прилагаемой формуле изобретения.

В этой связи перед подробным пояснением по меньшей мере одного воплощения изобретения следует понять, что настоящее изобретение не ограничивается деталями конструкции и устройством блоков, изложенными в следующем далее описании или представленными на чертежах. В дополнение к описанным, данное изобретение пригодно к реализации и в виде других воплощений и может применяться и осуществляться различными способами. Кроме того, следует понимать, что используемые здесь фразеология и терминология, а также реферат служат лишь для целей описания и не должны восприниматься как ограничительные.

В этой связи специалистам в данной области очевидно, что концепция, на которой базируется данное раскрытие, может легко применяться в качестве основы для разработки и других конструкций, способов и систем, обеспечивающих реализацию определенных целей настоящего изобретения. Поэтому является важным, чтобы формула изобретения рассматривалась в качестве включающей такие эквивалентные конструкции в той мере, в какой они не отступают от сущности и объема настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является блок-схемой автоматизированной системы доставки кислорода в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг.2А является блок-схемой механизма подачи газа в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг.2В является блок-схемой механизма подачи газа в соответствии с еще одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг.3 является диаграммой процесса управления автоматизированной системой доставки кислорода в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг.4 является технологической схемой процесса, иллюстрирующей способ автоматизированного снабжения пациента кислородом в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг.5 является технологической схемой процесса, иллюстрирующей способ автоматизированного снабжения пациента кислородом в соответствии с еще одним воплощением настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Далее изобретение описывается с обращением к чертежам, на которых одинаковые номера позиций повсюду соответствуют одним и тем же узлам.

Фиг.1 является блок-схемой автоматизированной системы доставки кислорода в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения. В целом автоматизированная система 100 доставки кислорода является программно управляемой, снабженной сервоприводом системой доставки газов, которая обеспечивает полнофункциональную искусственную вентиляцию легких с поддержкой по давлению и объему для новорожденных, педиатрических и взрослых пациентов. Более конкретно, автоматизированная система 100 доставки кислорода надежно поддерживает количество измеряемого в кровотоке пациента кислорода в пределах выбираемого пользователем диапазона посредством титрования FiO₂ на основе измерений кислорода. Как изображено на фиг.1, автоматизированная система 100 доставки кислорода включает датчик 10, который измеряет количество кислорода в кровотоке пациента, управляющую подсистему 20 и подсистему 30 пневматики.

В одном предпочтительном воплощении датчик 10 является использующим технологию выделения сигнала пульсоксиметрическим датчиком Masimo (Masimo Corporation, Ирвин, Калифорния), который измеряет поглощение света на двух различных длинах волн, таких как волны красного и инфракрасного света, из которого может быть определена доля эритроцитов на оптическом пути, которые переносят кислород и, отсюда, количество кислорода в кровотоке пациента. В этом воплощении сенсорным модулем 12 является интерфейсная плата Masimo, такая как MS 11, MS 13 и др., датчиком 10 - пульсоксиметрический датчик Masimo, такой как LNCS (или LNOP) Adtx, Pdtx, Inf, Neo, NeoPt, и т.п., который соединяется с управляющей подсистемой 20 через сенсорный модуль 12 и вспомогательные соединительные кабели. Сенсорный модуль 12 включает микроконтроллер, процессор цифровой обработки сигналов и обслуживающую электронную схему, предназначенную для управления активными компонентами датчика 10, такими как красный и инфракрасный светодиоды, для улавливания генерируемых датчиком 10 световых сигналов, для обработки этих сигналов и генерации данных измерений и связанной с датчиком информации о состоянии. Основываясь на этих световых сигналах, сенсорный модуль 12 рассчитывает насыщенность периферийным кислородом SPO₂ в кровотоке пациента и частоту пульса пациента, генерирует связанную с данными SPO₂ информацию о состоянии, включая, например, индекс перфузии, показатель качества сигнала и т.д., и передает эти данные управляющей подсистеме 20 через сенсорный интерфейс 14, такой как интерфейс последовательной передачи данных RS-232. В качестве варианта сенсорный модуль 12 может быть непосредственно введен в управляющую подсистему 20, заменяя сенсорный интерфейс 14.

В этом воплощении индекс перфузии представляет собой относительное изменение оптического поглощения оксигенированных эритроцитов между периодами систолы и диастолы артериального пульса. Показатель качества сигнала в целом представляет степень достоверности для SpO₂, и в этом воплощении пульсоксиметра показатель качества сигнала основывается на изменениях в оптическом поглощении, связанных и не связанных с сердечным циклом. Кроме того, сенсорный модуль 12 может выявлять артефакты измерений или отказы датчика, такие как оптическая интерференция (например, слишком большая внешняя засветка), электрические помехи, необнаружение датчика, неприсоединение датчика и т.п.и предоставлять эту информацию о состоянии управляющей подсистеме 20. В одном варианте воплощения сенсорный модуль 12 может обеспечивать направление красных и инфракрасных плетизмографических сигналов непосредственно к сенсорному интерфейсу 14 с определенным разрешением и частотой сигналов, такими как, например, 4 байта/сигнал и 60 Гц, из которых управляющей подсистемой 20 вычисляются показатели SpO₂. Эти сигналы могут соответствующим образом обрабатываться, усредняться, фильтроваться и т.д. и использоваться для получения показателя индекса перфузии, показателя качества сигнала, различных параметров сигнала и т.д.

В еще одном воплощении датчик 10 является чрескожным датчиком давления газа, таким как, например. Radiometer TCM 4 или транскутанный монитор ТСМ40 (Radiometer Medical ApS, Bronshoj, Дания), который непосредственно измеряет парциальное давление кислорода в артериолярной крови, то есть в крови поверхностных капиллярных кровеносных сосудов, с помощью газопроницаемой мембраны, размещаемой в тесном контакте с кожей. Мембрана нагревается до температуры между 38°С и 40°С, чтобы вызвать расширение поверхностных кровеносных сосудов, и кислород начинает диффундировать через поверхность кожи и проницаемую мембрану до тех пор, пока парциальное давление кислорода в датчике не придет в равновесие с парциальным давлением кислорода в крови. Чрескожный датчик давления газа включает электрохимические ячейки с серебряным и платиновым электродами и резервуаром с растворенными химическими реактивами, которые способны к прямому обнаружению кислорода, а также диоксида углерода в растворенном в крови состоянии. Обеспечиваемые таким датчиком данные измерений включают измерения артериального парциального давления кислорода PtcO₂ и измерения артериального парциального давления углекислого газа PtcCO₂, в то время как информация о состоянии может включать данные по тепловыделению, температуре датчика и кожной перфузии. Эти данные могут быть дополнены вспомогательной информацией, полученной с помощью пульсоксиметра. В этом воплощении чрескожного датчика давления газа сенсорный модуль 12 может быть представлен в виде независимого модуля или качестве компонента в управляющей подсистеме 20.

В еще одном воплощении датчик 10 является инвазивным катетерным гематологическим анализатором, таким как, например, Diametric Neocath, Paratrend или внутриартериальный монитор Neotrend, который вводится в кровеносный сосуд и непосредственно определяет различные химические показатели крови, такие как содержание O₂, СO₂, рН и т.д., используя хемолюминисцентные материалы, которые либо генерируют, либо поглощают свет с определенными длинами волн, зависящими от количества молекул, растворенных вблизи датчика. Затем свет по оптическому волокну в катетере передается на внешнее контрольное устройство, такое как сенсорный модуль 12. Обеспечиваемые этим датчиком данные измерений включают растворенный в крови кислород РO₂, растворенный в крови диоксид углерода рСO₂, кислотность крови рН и температуру крови. В этом воплощении чрескожного датчика давления газа сенсорный модуль 12 может быть представлен в виде независимого модуля или качестве компонента в управляющей подсистеме 20.

Управляющая подсистема 20 контролирует исполнение всех функций обеспечения вентиляции, обработки данных датчика, вычисления параметров газа, мониторинга и обеспечения пользовательского интерфейса. В одном предпочтительном воплощении управляющая подсистема 20 включает, в числе прочего, дисплей 24, одно или несколько устройств 26 ввода, сенсорный интерфейс 14, интерфейс 28 подсистемы пневматики и один или несколько присоединенных к ней процессоров 22. Например, дисплей 24 может представлять собой имеющий заднюю подсветку жидкокристаллический (LCD) дисплей с 12,1-дюймовой активной матрицей с разрешением 800х600, который предоставляет пользователю графический пользовательский интерфейс (GUI), включающий все регулируемые средства управления и сигнальные устройства, а также отображает временные диаграммы, линии связи, цифровые мониторы и аварийные ситуации. Устройства 26 ввода могут включать аналоговую резистивную сенсорную экранную накладку для дисплея 24, набор мембранных клавиш панели(ей), оптическое кодирующее устройство и т.д. Программное обеспечение, исполняемое процессором 22, взаимодействует с сенсорной экранной накладкой для предоставления пользователю набора контекстно-зависимых экранных клавиш, в то время как панель мембранных клавиш обеспечивает набор аппаратных кнопок с заранее определенными постоянными функциями. Например, пользователь может выбрать некоторую функцию экранной клавишей и с использованием оптического кодирующего устройства отрегулировать конкретные установки, которые принимаются или отменяются посредством нажатия соответствующей аппаратной кнопки. Интерфейс 28 подсистемы пневматики связывается с интерфейсом 34 управляющей подсистемы, размещенным в подсистеме 30 пневматики, для отсылки команд и получения данных от подсистемы 30 пневматики, например, по высокоскоростному каналу последовательной связи.

Процессор 22 в основном управляет концентрацией доставляемого пациенту кислорода, исходя из желательной, вводимой пользователем концентрации артериального кислорода и получаемых от датчика 10 данных измерений и информации о состоянии.

Например, процессор 22 выполняет вычисления параметров газа, управляет всеми клапанами, соленоидами и электроникой подсистемы пневматики, необходимыми для снабжения пациента газовой смесью. Кроме этого, процессор 22 управляет GUI, включая обновления дисплея 24, отслеживает нажатия клавиш мембранной клавиатуры, аналогового резистивного сенсорного экрана и активность оптического кодирующего устройства. Исполняемые процессором 22 способы регулирования газовой смеси более подробно обсуждаются далее.

Подсистема 30 пневматики содержит все механические клапаны, датчики, микроконтроллеры, аналоговую электронику, источника питания и т.п., необходимые для получения, обработки и доставки газообразной смеси пациенту. В одном предпочтительном воплощении подсистема 30 пневматики включает, в числе прочего, интерфейс 34 управляющей подсистемы, один или несколько возможных микроконтроллеров (не показаны), впуск 36 кислорода, впуск 37 воздуха, выпуск 38 для газообразной смеси, возможный впуск 39 для выдыхаемого воздуха и механизм 40 подачи газа, который смешивает кислород и воздух для образования газообразной смеси, имеющей доставляемую концентрацию кислорода, и затем доставляет газообразную смесь пациенту через выпуск 38 для газообразной смеси. В одном воплощении подсистема 30 пневматики получает кислород через впуск 36 для кислорода и сжатый воздух через впуск 37 для воздуха, фильтрует и смешивает эти газы посредством газосмесительного устройства и затем обеспечивает подачу газообразной смеси с подходящим давлением или объемом через выпуск 38 для газообразной смеси. В другом воплощении подсистема 30 пневматики получает кислород через впуск 36 для кислорода и сжатый воздух через впуск 37 для воздуха, фильтрует эти газы и затем направляет рассчитанный поток воздуха и рассчитанный поток кислорода к выпуску для пациента так, чтобы обеспечить подходящее давление или объем газообразной смеси с заданной долей содержания кислорода FiO₂ через выпуск 38 для газообразной смеси. В следующем воплощении подсистема 30 пневматики получает кислород, предварительно смешанный с дополнительным газом, таким как азот, гелий, кислородно-гелиевая смесь 80/20 и т.д., через впуск 37 для воздуха и управляющая подсистема 30 регулирует смешивание, объем подачи, отслеживание и сигнализацию об объемах, а также отслеживание и подачу сигналов о показателе FiO₂, основываясь на свойствах поступающего воздуха / дополнительного газа. Также могут быть обеспечены нагреваемая экспираторная система, распылитель и компрессор.

В одном воплощении управляющая подсистема 20 и подсистема 30 пневматики, соответственно, располагаются внутри отдельных аппаратных модулей или корпусов, в то время как в другом воплощении управляющая подсистема 20 и подсистема 30 пневматики размещаются внутри единого модуля или корпуса.

Фиг.2А является блок-схемой механизма подачи газа в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения. В этом воплощении механизм 40 подачи газа включает, в числе прочего, пневматику 41 впуска, смеситель 42 кислорода, накопительную систему 43, клапан 44 регулирования расхода, датчик 45 регулирования расхода и предохранительный редукционный клапан, и выпускной трубопровод 46. В одном воплощении компрессор 49 обеспечивает подачу дополнительного или подменного воздуха к смесителю 42 кислорода. Пневматика 41 на впуске получает чистые O₂ и воздух или смесь из воздуха и дополнительного газа, обеспечивает дополнительную фильтрацию и регулирует поступление O₂ и воздуха к смесителю 42 кислорода, который смешивает O₂ и воздух до желательной концентрации, определяемой командами, получаемыми от управляющей подсистемы 20. Накопительная система 43 служит для обеспечения пиковых величин расхода. Клапан 44 регулирования расхода в целом управляет расходом подаваемой пациенту газообразной смеси, а датчик 45 расхода обеспечивает управляющую подсистему 20 информацией о фактическом потоке инспирации. Газ доставляется пациенту через предохранительный редукционный клапан и выпускной трубопровод 46.

В одном воплощении пневматика 41 на впуске включает трубопровод с «умными», соответствующими стандартам конкретной страны или региона фитингами для сжатого (например, от 20 до 80 фунтов на кв. дюйм) воздуха и кислорода, сверхтонкие входные фильтры, которые удаляют аэрозоли и дисперсные загрязнители из поступающего газа, датчики давления, которые обнаруживают утечки каждого из поступающих газов, обратный клапан на впуске воздуха и управляющий переключатель кислорода на впуске кислорода. Переключатель кислорода действует и как запорный клапан для кислорода, когда не поступает питания, и как обратный клапан, когда подается питание. Расположенная далее по ходу комбинация регулятора расхода воздуха и переключателя O₂ может также использоваться для обеспечения сбалансированного давление подачи в системе смешивания газов. Регулятор расхода воздуха снижает давление подачи воздуха до 11,1 фунтов на кв. дюйм и направляет переключатель O₂ таким образом, чтобы отслеживать это давление. Когда обеспечивается компрессор 49, давление подачи воздуха регулируется от около 5 фунтов на кв. дюйм до около 10 фунтов на кв. дюйм или предпочтительно от около 6 фунтов на кв. дюйм до около 9,5 фунтов на кв. дюйм.

Когда давление поступающего воздуха падает ниже около 20 фунтов на кв. дюйм, компрессор 49 активируется для автоматического направления воздуха к смесителю 42 кислорода. Когда компрессор 49 не обеспечивается, открывается перекидной соленоид для подачи к регулятору расхода воздуха сжатого кислорода, давая возможность регулятору расхода воздуха подать отрегулированное с помощью O₂ давление для направления переключателя O₂. Кроме того, смеситель 42 кислорода одновременно передвигается в положение 100% O₂ так, чтобы сохранялся полный подаваемый пациенту поток. Аналогичным образом, когда давления кислорода падает ниже около 20 фунтов на кв. дюйм, перекидной соленоид остается закрытым, соленоид переключателя кислорода отключается от питания, смеситель передвигается к 21% O₂ и отрегулированное давление воздуха обеспечивает подачу в смеситель 42 кислорода 100% воздуха.

Смеситель 42 кислорода снабжение газами получает от пневматики 41 впуска и смешивает два газа до определенной величины, определяемой управляющей подсистемой 20. В одном воплощении смеситель 42 кислорода включает клапан, шаговый двигатель и электронный блок управления.

Накопитель 43 связан с выпускным трубопроводом смесителя кислорода 42 с помощью управляемого клапана с большим просветом, подключенного параллельно с обратным клапаном. Накопитель 43 запасает смешанный газ из смесителя 42 кислорода, что увеличивает эффективность системы и обеспечивает дыхательный объем в соответствии с дыхательными циклами и подачу пикового расхода при относительно сниженном давлении, следствием чего являются предпочтительные пониженные энергетические потребности системы. Давление газа в накопителе циклически изменяется между около 2 фунтов на кв. дюйм и около 12 фунтов на кв. дюйм в зависимости от дыхательного объема и потребностей в пиковых расходах. Отводное отверстие накопителя позволяет выходить из накопителя приблизительно 6 литрам газа в минуту, тем самым обеспечивая стабильную смесь O₂ даже без использования потока от регулирующего клапана. Предохранительный редукционный клапан обеспечивает защиту от давления выше около 12 фунтов на кв. дюйм. Периодически, через заданные промежутки времени может активироваться соленоид отвода воды для выпуска соответствующего количества газа из накопителя 43 с тем, чтобы выдуть всю возможно накопленную влагу. Вслед за накопителем далее по ходу присоединен регулятор для обеспечения источника регулируемого давления для пневматики. Для выполнения измерений доставляемой FiO₂ датчиком O₂ отбирался отходящий поток в 0,1 л/мин. В другом воплощении накопитель 43 может быть исключен из механизма 40 подачи газа.

Система регулирования потока обеспечивает желательную скорость подачи газообразной смеси пациенту и включает клапан 44 регулирования расхода и датчик 45 расхода, а также датчик температуры газа и датчики давления в пневмосистеме. Сжатый газ, запасенный в накопителе 43, питает клапан 44 регулирования расхода, находящийся под управлением управляющей подсистемы 20 через интерфейс 34 управляющей подсистемы. Датчик расхода 45 вместе с датчиком температуры газа и датчиками давления в пневмосистеме обеспечивает обратную связь с управляющей подсистемой 20. Через определенные промежутки времени управляющая подсистема 20 снимает показания датчиков, производит расчеты и выдает команду, устанавливающую положение регулирующего расход клапана 44. Управляющая подсистема 20 производит регулировки по расходу, температуре газа, плотности газа и противодавлению. Пропорциональное падение давления потока измеряется с помощью датчика давления, подходящим образом обнуляемого при использовании одного или нескольких автоматически устанавливающихся на нуль соленоидов. Важно, что когда пациентом является новорожденный, обратный/перепускной клапан находится в закрытом состоянии и газообразная смесь продолжает течь от смесителя 42 кислорода к накопителю 43, чтобы обеспечить требуемый минимальный поток через смеситель, но газообразная смесь не протекает обратно от накопителя 43 к цепи пациента. Это предпочтительно минимизирует время, необходимое для внесения изменений в устанавливаемую, достигающего выпуска для пациента долю содержания кислорода.

Предохранительный редукционный клапан и выпускной трубопровод 46 включают, в числе прочего, трехходовой предохранительный соленоид, предохранительный клапан, управляемый повышенным / давлением ниже давления окружающей среды, и обратный клапан. Предохранительный редукционный клапан и выпускной трубопровод 46 предотвращают развитие в дыхательном контуре избыточного давления и позволяют пациенту дышать окружающим воздухом во время появления предупреждающего сигнала «предохранительный клапан открыт». Безопасное состояние может также быть активировано при полном прекращении поступления газа или полном нарушении энергоснабжения. Предохранительный редукционный клапан является механическим предохранительным клапаном, который не допускает превышения давлением некоторой величины с максимальным расходом газа около 150 л/мин. Этот клапан управляется предохранительным соленоидом и при потере электроснабжения или в ситуации срабатывания сигнала "vent inop" («вентиляция не работает») предохранительный соленоид деактивируется, что заставляет клапан давления ниже окружающей среды открываться, давая возможность пациенту дышать газом из окружающей среды. В этом случае обратный клапан способствует обеспечению того, чтобы пациент вдыхал через клапан давления ниже окружающей среды и выдыхал через клапан выдоха, не допуская, таким образом, возвратного дыхания пациента.

В одном предпочтительном воплощении доставляемый газ принудительно подается пациенту посредством закрытия управляемого сервоприводом клапана выдоха. Пациенту дается возможность выдыхать через клапан выдоха, который также поддерживает базовое давление или PEEP (положительное давление в конце выдоха). Выдыхаемый пациентом газ выходит через патрубок выдоха цепи пациента и в одном воплощении возвращается в подсистему 30 пневматики через впуск 39 выдоха, проходит через нагретый экспираторный фильтр к датчику внешнего потока и затем через клапан выдоха в окружающую атмосферу.

Предпочтительно объем газа может отслеживаться в патрубке выдоха аппарата или в тройнике дыхательного контура пациента, что делает возможным более точный контроль за пациентом, особенно в случае младенцев, с обеспечением удобства обращения с датчиком потока в патрубке выдоха, защищенного нагреваемым фильтром, что является предпочтительным во взрослом ICU (отделение интенсивной терапии). Может быть измерено как трахеальное, так и пищеводное давление. В дыхательном контуре к тройнику пациента может быть возможно присоединен датчик СO₂, такой как, например, датчик СO₂ Novametrix Capnostat 5 Mainstream, присоединяемый к управляющей подсистеме 20 через последовательный порт связи для обеспечения контроля давления выдыхаемого в конце спокойного выдоха СO₂ и получения временной диаграммы давления выдыхаемого СO₂. При использовании в соединении с тройником датчика расхода или когда в дыхательном контуре допускается компенсация изменения объема легких при изменении давления, временная диаграмма давления СO₂ может также использоваться для получения вторичных мониторов.

Фиг.2 В является блок-схемой механизма подачи газа в соответствии с еще одним воплощением настоящего изобретения. В этом воплощении механизм 50 подачи газа включает, в числе прочего, пневматику 51 впуска кислорода, устройство 52 регулирования потока кислорода, пневматику 53 впуска воздуха, устройство 54 регулирования потока воздуха, коллектор 57 смешивания газов, датчик 55 регулирования потока и предохранительный редукционный клапан, и выпускной трубопровод 56. Пневматика 51 впуска кислорода получает чистый O₂, обеспечивает дополнительную фильтрацию и обеспечивает подачу O₂ к регулятору 52 потока кислорода. Пневматика 53 впуска воздуха получает чистый воздух или смесь воздуха и дополнительного газа, обеспечивает дополнительную фильтрацию и обеспечивает подачу воздуха к регулятору 54 потока воздуха. В одном воплощении регулятор 54 потока воздуха является регулирующим клапаном, управляемым сервоприводом, в то время как в другом воплощении регулятор 54 потока воздуха является вентилятором с регулируемой скоростью или насос. Регулятор 52 потока кислорода и регулятор 54 потока воздуха управляют соответствующими потоками кислорода и воздуха, направляемыми к коллектору 57 смешивания газов в строгом соотношении, определяемом командами, получаемыми от управляющей подсистемы 20. Датчик 55 расхода обеспечивает управляющую подсистему 20 информацией о фактическом потоке инспирации и газе, доставляемом пациенту через предохранительный редукционный клапан и выпускной трубопровод 56. В этом воплощении доля содержания кислорода в доставляемой смеси газов зависит от регулирования расходов кислорода и воздуха (Qoxygen и Qair, соответственно), как это представлено в Уравнении (1):

Фиг.2С является блок-схемой механизма подачи газа в соответствии с еще одним воплощением настоящего изобретения. В этом воплощении механизм 60 подачи газа включает, в числе прочего, пневматику 61 впуска кислорода, устройство 62 регулирования потока кислорода, пневматику 63 впуска воздуха, коллектор 67 смешивания газов, устройство 68 регулирования газового потока, датчик 65 регулирования потока и предохранительный редукционный клапан и выпускной трубопровод 66. Пневматика 63 впуска воздуха получает чистый воздух или смесь воздуха и дополнительного газа, обеспечивает дополнительную фильтрацию и обеспечивает подачу воздуха к коллектору 67 смешивания газов. Пневматика 61 впуска кислорода получает чистый O₂, обеспечивает дополнительную фильтрацию и обеспечивает подачу O₂ к регулятору 62 расхода кислорода, который управляет потоком кислорода, направляемого к коллектору 67 смешивания газов согласно командам, получаемым от управляющей подсистемы 20. Смесь газов затем направляется к регулятору 68 газового потока, который управляет потоком доставляемого пациенту смешанного газа согласно командам, получаемым от управляющей подсистемы 20. В одном предпочтительном воплощении регулятор 68 газового потока является вентилятором с переменной скоростью или насосом. Датчик 65 расхода обеспечивает управляющую подсистему 20 информацией о фактическом потоке инспирации и газе, доставляемом пациенту через предохранительный редукционный клапан и выпускной трубопровод 66. В этом воплощении доля содержания кислорода в доставляемой смеси газов зависит от регулировок расхода кислорода и смешанного газа (Qoxygen и Qgas, соответственно), как это представлено в Уравнении (2):

Фиг.3 является диаграммой процесса управления автоматизированной системой доставки кислорода в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения. В целом автоматизированная система 100 доставки кислорода регулирует доставляемую пациенту FiO₂ способом обратной связи, основывающимся на измерениях концентрации кислорода в кровотоке пациента и желательной концентрации кислорода, задаваемой пользователем. Процесс 90 регулирования FiO₂ с использованием обратной связи реализуется с помощью программного и/или программно-аппаратного обеспечения, исполняемого одним или несколькими процессорами 22, и включает получение вводных данных 82 от оператора через устройство(а) 26 ввода, получение сенсорных данных 80 от сенсорного модуля 12 или непосредственно от датчика 10 и отсылку команд механизму 40 подачи газа, а также другим компонентам в пневматическом модуле 30, требующихся для регулирования доставляемой пациенту FiO₂.

Вводимые оператором данные 82 включают, в числе прочего, данные по порогам чувствительности датчика, желательную процентную долю FiO₂ и нижнее пороговое значение FiO₂, соответствующее наиболее низкой приемлемой величине FiO₂. Сенсорные данные 80 включают данные измерений датчика и связанную информацию о состоянии, такую как, например, показатели качества сигнала и т.п.В одном предпочтительном воплощении датчик 10 является пульсоксиметром, а сенсорные данные 80 включают измерения SpO₂, индекс перфузии, показатели качества сигнала, отображения артефактов измерений, данные по отказам датчика и т.д. Вводимые оператором данные 82, соответственно, включают нижний порог SpO₂, соответствующий нижней границе заданного допустимого диапазона значений SpO₂, и верхний порог SpO₂, соответствующий верхней границе заданного допустимого диапазона значений SpO₂.

Процесс 90 регулирования FiO₂ с обратной связью обеспечивает фильтрацию 92 сенсорных данных, регулирование 94 FiO₂ и подготовку 96 выходных данных. На этапе фильтрации 92 сенсорных данных происходит получение данных измерений, представляющих концентрацию кислорода в кровотоке пациента, связанной информации о состоянии и данных о пороге чувствительности датчика, производится обработка сенсорных данных и определяется, являются ли такие данные измерений достоверными. В одном воплощении по данным измерений определяется статус оксемии, определяющий уровень содержания кислорода в кровотоке пациента как относящийся к низкому диапазону, нормальному диапазону или высокому диапазону. При регулировании 94 FiO₂получают обработанные сенсорные данные и данные о статусе оксемии, порогах чувствительности датчика, желательной процентной доле FiO₂ и нижнем пороговом значении FiO₂ и определяют величину доставляемой FiO₂, а также другие рабочие параметры для пневматического модуля 30, такие как скорость потока газообразной смеси, давление подачи и т.д. При подготовке 96 выходных данных при необходимости осуществляется преобразование данных по доставляемой FiO₂ и рабочим параметрам в специальные команды для механизма 40 подачи газа, а также других компонентов модуля 30 пневматики.

В одном предпочтительном воплощении регулирование 94 FiO₂ управляет доставляемой FiO₂, основываясь на желательной концентрации кислорода, измеренной концентрации кислорода, базовом уровне FiO₂ и FiO₂-компоненте статуса оксемии. Базовый уровень FiO₂ представляет средний уровень FiO₂, необходимый для поддержания пациента в устойчивом состоянии нормоксии, в то время как FiO₂-компонент статуса оксемии обеспечивает различные алгоритмы управления, такие как пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный и т.д.

Предпочтительно регулирование 94 FiO₂ обеспечивает то, что концентрация кислорода в кровотоке пациента не падает ниже нижнего порога и не поднимается выше верхнего порог в случаях, когда сенсорные данные оказываются недостоверными. Установление этого основывается не только на представительных измерениях концентрации кислорода, но также, что важно, на связанной с измерениями датчика информации о состоянии. Например, притом, что сенсорный модуль 12 может представить некоторые величины измерений, которые оказываются попадающими в диапазон нормальной концентрации кислорода, на практике эти данные по обеспечиваемым сенсорным модулем 12 одному или несколькими связанным с ними показателям достоверности могут быть признаны не внушающими доверия.

В воплощении пульсоксиметра при фильтровании 92 сенсорных данных получают сведения о нижнем и верхнем пороговых значениях SO₂p и проверяют измеренный индекс перфузии SO₂p, показатель качества сигнала, индикаторы артефактов измерений, данные по отказам датчика и т.п.для определения, является ли измерение SO₂p достоверным, и сохраняет данные по SO₂p за одну или несколько секунд. Из данных измерений SO₂p и пороговых величин SO₂p определяется статус оксемии. В одном предпочтительном воплощении определяется состояние гипоксемии (нижний диапазон), если измерение SO₂p оказывается меньше нижнего порога SO₂p, состояние гипероксемии (верхний диапазон) определяется, если измерение SO₂p оказывается выше верхнего порога SO₂p, и состояние нормоксии (нормальный диапазон) определяется, когда измерение SO₂p находится между нижним и верхним порогами SO₂p. Притом, что конкретные величины для нижних и верхних пороговых значений SpO₂ предписываются лечащим врачом на основании специфических потребностей пациента, обычно эти пороги попадают в диапазон от 80% до 100%. Например, нижний порог SO₂p может быть установлен равным 87%, тогда как величина верхнего порога SpO₂ может составлять 93%. При определении могут использоваться данные самых последних измерений SpO₂ или, в качестве варианта, может быть статистически обработан ряд предшествующих измерений SpO₂ и при определении может использоваться результирующая величина (например, среднее значение выборки, среднее арифметическое и т.д.).

В этом воплощении при регулировании 94 FiO₂ получают обработанные данные измерений SpO₂, индекса перфузии, показателя качества сигнала и т.п.и данные по статусу оксемии, пороговым величинам SpO₂, желательной процентной доле содержания FiO₂ и нижнему порогу FiO₂, в соответствии с которыми вычисляется доставляемая FiO₂ и другие рабочие параметры пневматического модуля 30. Притом, что конкретные величины нижнего порогового значения FiO₂ предписываются лечащим врачом на основании специфических потребностей пациента, обычно этот порог оказывается в диапазоне от 21% до 100%, составляя, например, 40%. Что касается нижнего порога FiO₂, если рассчитанная величина доставляемой FiO₂ оказывается меньше нижнего порога FiO₂, то регулирование 94 FiO₂ устанавливает показатель доставляемой FiO₂ на уровне нижнего порогового значения FiO₂. Аналогичным образом, что касается порогов SPO₂, если измеренная величина SPO₂ оказывается меньше нижнего порога SPO₂, регулирование 94 FiO₂ увеличивает расчетную величину доставляемой FiO₂, а если измеренное значение SPO₂ превышает верхний порог SPO₂, регулирование 94 FiO₂ уменьшают расчетную величину доставляемой FiO₂. Что касается информации сенсора о состоянии, то, если индекс перфузии оказывается ниже пороговой величины перфузии, составляя, например, 0,3%, регулирование 94 FiO₂ устанавливает доставляемую FiO₂ равной заранее заданной величине. Аналогичным образом, если показатель качества сигнала меньше пороговой величины качества сигнала, составляя, например, 0,3, регулирование 94 FiO₂ устанавливает доставляемую FiO₂ равной заданной величине и возможно приводит в действие звуковые или визуальные сигналы оповещения. Подобный режим работы может быть принят и для индикаторов артефактов измерений, данных по отказам датчика и т.п.

В следующем воплощении с целью линеаризации действий по регулированию давления кислорода в крови, изменения в FiO₂ при состояниях нормоксии и гипоксемии могут быть вычислены из теоретических данных по давлению кислорода. В этом воплощении регулирование 94 FiO₂ вначале применяет преобразование величин SpO₂ для нормализации их частотного распределения, а затем применяет к преобразованным величинам SpO₂ один или несколько линейных фильтров. Одним таким преобразованием является обратное преобразование кривой насыщенности оксигемоглобина.

Фиг.4 является технологической схемой, иллюстрирующей способ 200 автоматизированной доставки пациенту кислорода в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Вначале от пользователя получают (210) желательную концентрацию кислорода. Как рассматривалось выше, пользователь может вводить желательную концентрацию кислорода, такую как, например, желательная процентная доля FiO₂, с помощью устройств(а) 26 ввода и дисплея 24.

Получение (220) сенсорных данных производится от сенсорного модуля 12 или непосредственно от датчика 10 через сенсорный интерфейс 14. Как рассматривалось выше, сенсорные данные включают измерение количества кислорода в кровотоке пациента и связанную с измерениями информацию о состоянии, такую как, например, измерения насыщенности периферийным кислородом, измерения артериального парциального давления кислорода, измерения содержания в крови растворенного кислорода, индекс перфузии, показатель качества сигнала, артефакты измерений, информацию о состоянии сенсора и т.д.

Затем проводится определение (230) достоверности результатов измерений на основе полученных при измерениях величин и информации о состоянии. Как рассматривалось выше, при фильтрации 92 сенсорных данных происходит получение данных измерений, представляющих концентрацию кислорода в кровотоке пациента, связанной информации о состоянии и данных о пороге чувствительности датчика, производится обработка сенсорных данных и определяется, являются ли такие данные измерений достоверными.

Если результаты измерений оцениваются как достоверные (240), то доставляемая пациенту FiO₂ регулируется (250) на основе желательной концентрации кислорода и результатах таких измерений. Как рассматривалось выше, при регулировании 94 FiO₂ получают обработанные сенсорные данные, данные о порогах чувствительности датчика и желательной процентной доле FiO₂ и регулируют подачу FiO₂ на основе желательной процентной доли FiO₂ и измеренной концентрации кислорода.

С другой стороны, если результаты измерений не признаются достоверными (240), регулирование 94 FiO₂ настраивает (260) подачу пациенту FiO₂ в соответствии с заранее заданной величиной.

Затем пациенту направляется (270) газообразная смесь с установленной процентной долей FiO₂ кислорода.

Фиг.5 является технологической схемой, иллюстрирующей способ 2O₂ автоматизированного снабжения пациента дыхательной смесью газов с рассчитанным процентным содержанием кислорода, в соответствии с другим воплощением настоящего изобретения.

Вначале от пользователя получают (210) желательную концентрацию кислорода. Как рассматривалось выше, пользователь может вводить желательную концентрацию кислорода, такую как, например, желательная процентная доля FiO₂, с помощью устройств(а) 26 ввода и дисплея 24.

Получение (222) пульсоксиметрических данных производится от пульсоксиметрического модуля или непосредственно от пульсоксиметра через сенсорный интерфейс 14. Как рассматривалось выше, пульсоксиметрические данные включают измерение насыщенности периферийным кислородом SPO₂ в кровотоке пациента, индекс перфузии, показатель качества сигнала и, возможно, отображение артефактов измерения, состояния пульсоксиметра и т.п.

Затем проводится (232) проверка достоверности измерения SPO₂ на основе величины измеренного SPO₂ и по меньшей мере одного из индекса перфузии, и показателя качества сигнала, и, возможно, отображения(й) артефактов измерения, состояния пульсоксиметра и т.п.Как рассматривалось выше, при фильтрации 92 сенсорных данных происходит получение данных измерений SPO₂, индекса перфузии, показателя качества сигнала и т.д., а также данных о пороговых величинах SPO₂, проводится обработка данных и определяется, являются ли такие данные измерений достоверными. Фильтрация 92 сенсорных данных на основе измеренного SPO₂ также определяет статус оксемии.

Если измерения SPO₂ оцениваются как достоверные (242), то измеренная SPO₂ классифицируется по диапазонам гипоксемии, нормоксии или гипероксемии и регулирование (254) доставляемой пациенту FiO₂ основывается на желательной процентной доле FiO₂, результатам измерения SPO₂ и в соответствующем диапазоне. Как рассматривалось выше, при регулировании 94 FiO₂ получают данные о статусе оксемии, пороговой величине FiO₂, результатах обработки SPO₂, пороговых величинах SPO₂ и желательной процентной доле FiO₂ и регулируют величину доставляемой FiO₂ на основе желательной процентной доли FiO₂, данных измерения SPO₂ и в соответствующем диапазоне. Регулирование 94 FiO₂ обеспечивает, чтобы доставляемая FiO₂ была не ниже пороговой величины FiO₂, увеличивает подачу FiO₂, если измерения SPO₂ оказываются ниже нижнего порога SPO₂ и снижает FiO₂, если измерения SPO₂ превышают верхний порог SPO₂.

С другой стороны, если результаты измерений SpO₂ не признаются достоверными (242), регулирование 94 FiO₂ настраивает (260) доставляемую пациенту FiO₂ в соответствии с заранее заданной величиной.

Затем кислород подается (270) пациенту.

Из данного подробного описания явствует много признаков и преимуществ данного изобретения и, вследствие этого, оно предназначается для охвата в соответствии с прилагаемой формулой изобретения всех таких признаков и преимуществ изобретения, находящихся в пределах сущности и объема изобретения. Кроме того, поскольку специалистами в данной области могут быть легко осуществлены многочисленные модификации и изменения, ограничение изобретения точными, описанными и поясняемыми здесь конструкцией и операциями является нежелательным, соответственно, все подходящие модификации и эквиваленты могут квалифицироваться как находящиеся в пределах объема данного изобретения.

Реферат

Группа изобретений относится к медицинской технике. Автоматизированная система доставки кислорода содержит датчик измерения количества кислорода в кровотоке пациента, содержащий пульсоксиметр; подсистему пневматики, включающую механизм подачи газа, соединенный с впуском кислорода, впуском воздуха и выпуском газообразной смеси для смешивания кислорода и воздуха с образованием газообразной смеси, имеющей доставляемую концентрацию кислорода, и для доставки газообразной смеси пациенту; и управляющую подсистему, соединенную с датчиком и подсистемой пневматики, включающую устройство ввода. Сенсорный интерфейс выполнен с возможностью получения данных измерений и информации о состоянии, связанной с данными измерений датчика. Информация о состоянии включает индекс перфузии и показатель качества сигнала. Интерфейс подсистемы пневматики служит для отсылки команд и получения данных от подсистемы пневматики. Процессор соединен с устройством ввода, сенсорным интерфейсом и интерфейсом подсистемы пневматики для управления концентрацией подаваемого кислорода на основе желательной концентрации кислорода, данных измерений и информации о состоянии. Раскрыты альтернативные варианты автоматизированной системы, отличающиеся средствами получения информации о состоянии. Изобретения позволяют обеспечить безопасное управление количеством подаваемого кислорода в автоматическом режиме. 8 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула