用于从呼吸气体样本移除液体的液体分离器和气道适配器的制作方法

本公开大体涉及用于从呼吸气体的样本移除液体的液体分离器和气道适配器(airway adapter)。

背景技术：

当病人通过常规的呼吸机机械地吸取氧气时，气管内管被放置到气管中，以便其行进穿过口腔或鼻腔和喉。气管内管的另一端通过鲁尔型(luer type)连接件连接于呼吸回路Y形件。如果利用旁流式气体分析仪来气体监测该病人，则用于对呼吸气体采样的气道适配器通常连接在气管内管和呼吸回路Y形件的连接件之间，通过气体分析仪分析该呼吸气体。在吸气期间，包括更高氧气(O₂)浓度的新鲜呼吸气体流到病人的肺中，通过呼吸回路Y形件的吸气分支、气道适配器、气管内管和它们的连接件，然后到气管、支气管、多个支气管、细支气管，且最终到达肺深处的肺泡，在该处实际上发生所有的气体交换。用穿过肺泡的薄壁的新鲜呼吸气体中的O₂分子替换在肺泡周围的微血管中流动的血液的血红蛋白中的二氧化碳(CO₂)分子。O₂分子占取它们在血红蛋白中的位置，而CO₂分子在用过的呼气呼吸气体内，穿过与新鲜气体在吸气期间进入的相同路径从病人流出。因此，通过气体分析仪测量的呼吸气体的气体浓度与血液中的气体浓度略微成比例。如果使用麻醉药剂，则它们在吸气期间流到病人中，且未被病人吸收的含量在呼气期间从病人流出，这可利用气体分析仪监测。

呼吸回路的常规病人侧部分(也在图1中示出)通常由气管内管2和Y形件4组成，气管内管2连接于病人1且连接至旁流型气道适配器3，旁流类型气道适配器3用于对呼吸气体采样以用于气体分析目的，Y形件4将呼吸回路的病人侧部分通过用于吸气气体6和呼气气体7的呼吸回路管道连接于呼吸机5。气体分析仪8放置成离病人更远，接近主机装置或放置到主机装置(诸如呼吸机5)中。从病人的呼吸抽取的呼吸气体样本，被气体分析仪8从气道适配器3吸取，穿过与呼吸气体连接的采样端口9，穿过采样管10且穿过水分离单元11，到气体分析仪8中，以被分析。采样管10的长度可从2变化至6米，且该管的内径可从1.2变化至2 mm。呼吸气体包括接近100%的湿度，其在采样管10中冷凝成水。该呼吸气体还可包括可进入采样管10的其他液体物质(诸如血液、粘液等)。水分离单元11通常包括多孔膜或类似结构，其从在管10中流动的气体分离水或液体物质，从而阻止其进入分析仪内侧的敏感部件。

采样管的内径和长度与采样气体流速度一起主要地确定气体分析仪的总系统响应时间和总系统上升时间。管道的长度通常由医院中的使用环境确定，且在2至6米之间。具有高采样气体流速度以减少总系统响应和上升时间将是有益的，但倾向是具有低于200 ml/min或有利地接近50 ml/min的采样气体流速度，以实现年幼病人的气体检测，他们的潮气量(tidal volumes)可低如2ml。减少总系统响应和上升时间的有利选择是为了减小采样管的直径。然而，在该直径减小时，冷凝水和其他液体物质阻塞采样管，从而容易使测量系统上升时间恶化且增加测量系统响应时间、或甚至阻止整个气体分析，因为样本气体不被允许进入气体分析仪。

一些现有技术系统可包括柱状水分离单元，该柱状水分离单元部分地置于气道适配器呼吸流动路径和样本气体管内侧的容积的内侧，该样本气体管与气道适配器连接。此种系统生成对气体流的高且不必要的流动阻力，从而扰乱肺中的气体交换。此种系统还为位置敏感的，且容易在某些位置中被冷凝水和其他液体物质阻塞。

技术实现要素：

在本文中解决上述缺点、不足和问题，这将通过阅读和理解下列说明书来理解。

在实施例中，用于从流过气道适配器的呼吸气体样本移除液体的液体分离器包括室和膜，该气道适配器具有由壁包围的通道，该通道构造成置于病人与呼吸机之间，该室构造成接收呼吸气体的气体样本，该膜具有暴露于呼吸气体流的外表面，该膜至少部分地包围该室，且该膜构造成从由该室接收的气体样本分离液体。该液体分离器还包括支撑结构和连接件，该支撑结构用于支撑膜，该连接件操作地附接至该支撑结构，且该连接件能够连接于该气道适配器，该连接件包括腔，该提供从室穿过腔的开口到样本管的用于样本气体的流动路径。该膜构造成从通道的中央部分分支成至少两个不同的分支，该至少两个分支中的各个延伸至不同方向以获得样本。

在另一实施例中，气道适配器包括由壁包围的用于呼吸气体流的通道，该通道构造成置于病人与呼吸机之间。该气道适配器还包括用于输送呼吸气体的第一端口和用于输送呼吸气体的第二端口，该第二端口通过通道与该第一端口流动连通。该气体适配器还包括液体分离器，该液体分离器延伸到通道中，以用于从流过通道的呼吸气体的样本移除液体，该液体分离器包括室和膜,该室构造成接收呼吸气体样本，该膜具有暴露于呼吸气体流的外表面，该膜至少部分地包围该室，且该膜构造成从由室接收的气体样本分离液体。液体分离器还包括支撑结构和连接件，该支撑结构用于支撑膜，该连接件操作地附接至该支撑结构，该连接件包括腔，该提供从室穿过腔的开口到样本管的用于样本气体的流动路径，该连接件操作地连接至壁。该膜构造成从通道的中央部分分支成至少两个不同的分支，该至少两个分支中的各个朝壁延伸至不同的方向，以获得样本。

在又一实施例中，气道适配器包括由壁包围的用于呼吸气体流的通道，该通道构造成置于病人与呼吸机之间。该气道适配器还包括用于输送呼吸气体的第一端口和用于输送呼吸气体的第二端口，该第二端口通过通道与该第一端口流动连通。该气体适配器还包括液体分离器，该液体分离器延伸到通道中，以用于从流过该通道的呼吸气体样本移除液体，该液体分离器包括室和膜，该室构造成接收呼吸气体样本，该膜具有暴露于呼吸气体流的外表面，该膜至少部分地包围该室，且该膜构造成从由室接收的气体样本分离液体。液体分离器还包括支撑结构和连接件，该支撑结构用于支撑膜，该连接件操作地附接至该支撑结构，该连接件包括腔，该腔提供从室穿过腔的开口到样本管的用于样本气体的流动路径，该连接件操作地连接至壁。该膜构造成从通道的中央部分分支成至少两个不同的分支，该至少两个分支中的各个朝壁延伸至不同的方向，以获得样本，且该分支构造成限制穿过通道的呼吸气体流，从而提供指示该呼吸气体流的信号。

从附图和它们的详细说明，本发明的各种其他特征、方面和优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见。

附图说明

图1示出现有技术呼吸回路的示意图；

图2示出具有根据实施例的液体分离器的气道适配器的分解局部截面图；

图3示出与图2的液体分离器连接的气道适配器的截面示意端视图；

图4示出沿A-A线截取的与图3的液体分离器连接的气道适配器的截面示意图；

图5示出具有根据另一实施例的液体分离器的气道适配器的透视截面图。

具体实施方式

在参考附图的以下详细描述中解释特定实施例。这些特定实施例当然可被修改，且不应限制在权利要求中阐述的本发明的范围。

图2示出具有第一端口31和第二端口32的气道适配器30的分解示意图。端口可典型地分别通过气管内管连接至病人38，且通过呼吸回路Y形件连接至呼吸机39。气道适配器30包括由壁37包围的通道36，适配器30允许呼吸气体在第一端口31与第二端口32之间流动。因此，第二端口通过通道36与第一端口流动连通。该适配器还可包括液体分离器40，以用于从流动通过通道的呼吸气体的样本移除液体，诸如水。此外，气道适配器可包括第三端口33，第三端口33位于第一端口31和第二端口32之间以用于液体分离器40。液体分离器40可与壁37或第三端口成整体，但是其还可通过开口34可分离地连接到第三端口33中，以与在端口31和32之间流动的呼吸气体连接。当液体分离器如图3和4所示地连接至气道适配器30时，其通常延伸到通道36中。

液体分离器40包括多孔膜41，该多孔膜41具有暴露于呼吸气体流的外表面51，从而使呼吸气体能够穿过膜流到室50，室50可由支撑结构42(诸如框架)和膜41限定。支撑结构用于支撑膜41。膜可附接在支撑结构42的两侧上，但阻止液体(诸如水物质)穿过膜41进入，从而将它们保持在室50的外侧。支撑结构42可由塑料或类似的材料制成。可通过粘贴、利用超声焊接、利用激光焊接或类似的附接方法将膜41附接在支撑结构42的两侧上(在图2中仅示出顶部膜的一部分)，以形成在其间具有间隙的双层构造。

液体分离器40还包括连接件43，连接件43具有对样本管60的固定或可移除的连接。可操作地附接至支撑结构的连接件43包括具有预定截面面积的腔44，腔44与样本管60的管腔61对齐。腔44通过开口46通往室50中，且管腔61的另一端通往气体分析仪中，且与气体泵(在图2中未示出)连接。因此腔44提供从室50穿过腔的开口46至样本管60，且进一步到气体分析仪的用于样本气体的流动路径。在图2中，支撑结构42为矩形形状的，从而形成矩形形状室50，但支撑结构42也可定形成多种形式的、圆盘或类似的，从而不同于矩形形状室50地形成。如果期望，则可将室50分成区段。

连接件43可固定或可移除地连接至气道适配器30中端口34的开口33。当液体分离器40连接至气道适配器30时，室50可置于第一端口31和第二端口32之间，以便支撑结构42的侧表面47面朝端口31和32，从而允许呼吸气体从膜41的侧面流动。在与样本管60连接的气体泵(在附图中未示出)穿过开口46、腔44和管腔61吸取呼吸气体时，其生成到室50中的负压力，这导致在端口31和32之间在气道适配器内侧流动的呼吸气体穿过膜41流到室50中，且穿过开口46和腔44以及管腔61，朝向气体分析仪45。冷凝水或水汽、粘液、血液或类似的液体物质不穿过膜41渗透到室50和腔44以及管腔61中，而是在通道36中停留在气道适配器30内侧，且在室50外侧。

在所有的液体物质(诸如水、粘液和血液)在呼吸气体流内移动时，它们具有惯性。有利的是，支撑结构42的侧表面47面朝第一端口31和第二端口32，而膜41的外表面51与在端口31和32之间流动的呼吸气体平行地对齐，以阻止过多的液体物质与膜41碰撞且阻塞膜41的外表面51从而阻止样本气体流到室50中。因此，膜41的外表面51可与通道36的纵向轴线平行地延伸。有利的是，使表面47定形为以便它们产生更少的湍流到流动经过表面51的呼吸气体中，以引起更少的气体(尤其是不同气体柱的边界)混合，但也使液体物质最少化，以与外表面51碰撞且更少地抵抗呼吸气体流。

呼吸循环交替的包括吸气和呼气变换。吸气或呼吸的体积称为潮气量，且吸气和呼吸交替变换的频率称为呼吸速率(respiration rate)。潮气量和呼吸速率取决于病人的大小和生理机能。一般来说，随着病人的大小减小，潮气量减小且呼吸速率增大。

室50的大小需要足够小，以允许与吸气或呼气对应的仅一个气体浓度体积在相应的吸气和呼气阶段期间的时间填充室50的容积，以使室50中的穿过膜41吸取的不同气体浓度柱的混合最小化。不同浓度气体柱的混合使气体浓度信号上升时间降低，这可视为二氧化碳描记图中的圆形过渡。室50的容量可由支撑结构42的厚度和膜41的表面面积限定，该厚度可与室50的相反侧上的膜41之间的距离相同。室50的容量可通过减小框架42的厚度而减小，其还可降低通过支撑结构47的侧表面47的区域产生的非期望的流动阻力。然而，支撑结构42的最小厚度不可小于开口46的内径和围绕开口46的支撑结构42的壁厚度。

为了减少室50内侧的气体柱混合，且为了使膜41的不同表面区域和开口46之间的样本气体过渡时间差(sample gas transit time difference)最小化，有利的是使开口定位成关于侧表面47基本上接近中间点以使被采样的气体通过膜41的不同区域行进到开口46中所需的距离相等。

还有利的是，使外表面51的面积最小化，以降低跨过膜41的表面和开口46的不同点之间的样本气体过渡时间差和样本气体过渡时间。另一方面，膜41必须具有一定的最小外表面面积，以使跨过膜41的压力差最小化，该压力差与膜41的表面面积成反比例，以减小气体泵产生足够的流量以获得用于分析的气体样本所需做的功。因此，膜41的外表面的面积越大，则跨过膜41的压力差越小，且气体泵需要做的功越小。此外，膜41的外表面51的面积的大小影响膜41多容易因与液体物质的碰撞而被堵塞。一般来说，膜41的外表面51的面积越小，则它们越容易被液体物质阻塞，且甚至气体泵变得越难吸取气体样本。可与侧表面47的长度对应的支撑结构42的高度(H)有利的是延伸跨过气道适配器30的内径，以使膜41的外表面51的面积最大化。然而，还有利的是，侧表面47不与气道适配器30的内壁连接，以阻止漂流在气道适配器的内壁上的冷凝水或其他液体物质阻塞膜。有利的是，侧表面47的沿平行于直径的方向(其是相对于呼吸气体流的方向或通道36的纵向轴线垂直的方向)的长度增长，因为吸气和呼气气体的边界同时地跨过膜41的整个外表面区域经过膜41。这意味着，跨过膜41的不同区域在直径方向上被吸取通过的气体样本比在呼吸气体流的方向上更为同步。其在过渡时间差的意义上也是有利的方向，因为由于在气道适配器30中占优势的层流，呼吸气体在具有清楚边界的与吸气和呼气成比例的分开的气体浓度柱中行进。

气道适配器30和液体分离器40之间的固定连接确保在呼吸回路中不存在泄漏，但另一方面，如上所述，此种复杂的部件组合的制造将变得更难。如果当液体分离器40的整个表面已由于大量的水或液体物质(诸如粘液或血液)而被堵塞时需要更换气道适配器，则其也是不有利。当断开呼吸回路，以用新的气道适配器替换气道适配器时，释放保持不健康的肺打开的正的端部呼气压力，且肺萎陷，从而阻止肺泡中的气体交换。因此，有利的是，当替换阻塞的液体分离器，在气道适配器30与液体分离器40之间具有可移除的连接，以便不需要断开呼吸回路(将气道适配器从气管内管和呼吸回路Y形件分离)且因此释放正的端部呼气压力。

第三端口33可包括弹性可穿透膜35，膜35覆盖开口34，从而阻止正的端部呼气压力穿过开口34从呼吸回路逸出。当液体分离器40被放置到端口34中时，支撑结构42和附接至该支撑结构的膜41使覆盖开口34的附接至第三端口33的弹性可穿透膜35位移，从而使支撑结构42和附接至该支撑结构的膜41能够放置到第一端口31与第二端口32之间。当液体分离器40被从第三端口33移除时，弹性可穿透膜35回到其关闭状态，从而阻止正的端部呼气压力从呼吸回路逸出。

备选地，液体分离器40和样本管60之间的连接可为固定的或可移除的。可移除的连接使得能够移除样本管60，而无需从呼吸回路移除适配器且损失正的端部呼气压力。然而，如果用于液体分离的膜41被阻塞，则这对该情形是没有帮助的，但如果样本线路60存在问题，则其是有帮助的。缺点将是：每个额外的连接、沿样本气体流槽的阶梯状变化或死体积、腔44与管腔61之间的连接产生湍流，且混合具有不同气体浓度的气体柱，因此使测量的上升时间减少。

图3和4从不同方向示出当液体分离器40连接于气道适配器时的气道适配器的截面示意图。联系图2描述气道适配器和液体分离器二者。在图3中，示出了通道36的中央部分70，其垂直于通道的纵向轴线朝向通道的壁37延伸。膜可从此中央部分70分支成至少两个不同的分支71，该至少两个分支中的各个朝壁37延伸至不同方向，以从呼吸气体获得样本。分支典型地相对于通道的纵向轴线交叉地延伸。在图3和4中示出的该特定实施例中，分支71在壁37的相对部分之间延伸跨过通道。图3和4的这些分支之间的角度大致为180度，但该角度可改变且可小于180度。有利地，该角度可取决于从通道的中央部分延伸的分支的数量。不同分支之间的角度可取决于分支的数量而在5-度之间，但是技术上，其可能是难以制造的。更具体而言，不同分支之间的角度可大于90度，但不大于180度，以改进制造且降低气体流阻力和湍流。有利地，该角度在从通道的中央部分70延伸的各种分支之间是同样的。

当液体分离器40连接于气道适配器时，腔44的开口46可在离壁37预定距离处置于通道内侧。离壁的预定距离可为通道36的直径的至少10%，更具体而言为通道36的直径的至少30%，或甚至再具体而言，为通道36的直径的至少40%。最有利的位置将在通道36的中部。腔的开口46典型地与至少两个分支流动地连通。

至少一个分支可朝壁延伸且达到该壁，但有利地，该至少一个分支的外表面51可停留在离壁的预定距离处。该预定距离可为通道36的直径的至少2%，更具体而言为通道36的直径的至少5%，或甚至再具体而言，为通道36的直径的至少10%。

通道的中央部分70覆盖通道的中部，但还可覆盖围绕该通道中部的中央区域。该中央区域可围绕通道的中部朝壁延伸小于通道直径的25%，更具体而言小于通道直径的15%，或再具体而言，小于通道直径的5%。

分支71的沿通道36的纵向轴线的宽度(W)可至少与开口46的直径一样长，但通常其是开口46直径的至少2倍，更具体而言是开口46直径的至少4倍，或再具体而言，为开口46直径的至少5倍。分支的厚度可至少与开口46的直径一样长。通常，其可小于开口46直径的6倍，更具体而言小于开口46直径的4倍，或再具体而言，小于开口46直径的2倍。该厚度包括膜41的相对外表面51之间的距离，从而在其间留下室50。

在图5中示出具有根据另一实施例的液体分离器140的气道适配器130的透视截面图。气道适配器130中的液体分离器与图2-4中示出的液体分离器不同，但该液体分离可遵从联系图2解释的相同原则来进行。同样在此情形中，液体分离器可与气道适配器130成整体，或可为可分离的。已通过不同地成形的支撑结构142(诸如星形支撑结构)替换具有膜41的矩形支撑结构42，支撑结构142包括附接至液体分离器140中的星形结构的三个分支171的各个的两侧的膜141。分支171中的与样本管160内侧的管腔161连接的一个包括开口146，开口146通到分成区段的星形室150的中部，星形室150由星形支撑结构142和膜141限定。样本管160内侧的管腔161还连接于样本气体泵(图中未示出)，该样本气体泵将样本气体从气道适配器130内侧的通道136穿过管腔161、开口146和膜141吸取到气体分析仪39中。室150的容积应当最小化，而膜141的表面面积如在图2的实施例中描述和示出的那样最大化。因为分支171中的至少两个总是独立的，所以气道适配器130的通道136内侧的星形液体分离器是位置不敏感的，且不易觉察积聚在由壁137包围的通道136的底部上的冷凝水或其他液体物质。

气道适配器130的通道136内侧的星形液体分离器140增大第一端口131和第二端口132之间的呼吸气体流的流动阻力，但这当其与基于横跨流动屏障的压力差的呼吸气体流测量结合时变成了优点，流动屏障在此情形中为星形构造。因此分支171中的一个包括样本管160内侧的至少两个压力腔162和163，该至少两个压力腔162和163分别与压力开口164和165连接，压力开口164和165还连接于压力传感器(图中未示出)，以测量横跨流动阻力的压力和/或压力差，该流动阻力在此情形中为通道136内侧的星形构造。在图3中，腔161、162和163位于一个分支171和一个样本管160内侧，该管腔161还连接至样本气体泵，且该压力腔162、163还连接于分别更远离地放置的压力传感器(图中未示出)，但有利地在气体分析仪的内侧。然而，清楚的是，如果需要，则腔161、162和163可位于不同分支171和分开的样本管内侧。

图2-4和5中示出的实施例的优点是，在气道适配器30内侧尽可能接近病人地从呼吸气体分离液体物质，在该处，液体物质增多，且纯净的气体样本穿过样本管60、160朝气体分析仪45连续。可相当大地减小腔44、和样本管60、160的管腔61、161以及气体分析仪内侧的所有腔(图中未示出)的直径，以提高气体分析仪性能，因为液体物质不会阻塞微小的腔，因为在它们已经在它们的起点处被分离。液体分离器40、140和气体分析仪45之间的腔的直径的减小缩短响应时间，从呼吸气体取得气体样本和分析其之间的时间延迟，因为样本气体的流速在样本管60、160和与其连接的所有腔中变得更高。而且，上升时间缩短且二氧化碳描记图精确度提高，因为不同气体浓度柱之间的混合和扩散减少。还可能减少样本气体流，但维持测量性能，这对于具有非常低的潮气量和高呼吸速率的更小的儿童是尤其有利的。

本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。