负压换气以及复苏系统的制作方法

专利名称：负压换气以及复苏系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种呼吸协助装置，尤其是涉及一种在病人面临呼吸困难或呼吸失败的情况下帮助呼吸的换气系统，本发明尤其涉及一种具有可驱动来模仿病人本身自然呼吸模式的人造肋骨框架的负压换气系统。
背景技术：
面临呼吸失败的病人通常需要来自外部装置或系统的辅助性换气以便于换气(即交换呼吸气体)和肺扩张从而防止肺衰竭。帮助这种病人呼吸的一种方法是在胸腔壁四周间歇性施加负压，从而在肺内形成负压并产生向内的空气流和/或其他呼吸气流进入肺内。在吸气期间存储在肺内和胸腔壁内的能量用来在肺和胸腔壁呼气反弹的时候将呼吸气体排出呼吸系统。负压换气法的概念在1670年已经被提出，当时John Mayow首先提出负压换气的样机。该样机由病人可就座的盒子组成。附加在盒子上的是用以将空气移入或移出盒子的气囊和风箱，气囊口在沿病人颈部四周密封以形成密闭空间。因此，风箱的运动在病人四周形成负压，从而帮助将空气移入和移出病人肺部。
多少年来，在Mayow的负压换气法的原理基础上，其他的一些换气模型随后也发展起来。早在1930年代，肺模型获得广泛流行，并且被认为是当时换气技术领域的代表。在1992年，一些改进的铁的手提肺模型得到发展并制造。最普遍提到的是Spencer-DHB铁肺，这些新的负压换气机由于它们体积庞大且笨重被证实非常难用。在1980年代之前，所有的负压换气机都是控制病人的换气模式，在1980年代，Emersom公司研发出可提供负压换气帮助的换气机。这允许负压的产生与病人吸气效果一致，大大提高了病人的舒适度，并且与负压换气机同步。与此同时，在1980年代早期，在法国的多米尼克.罗伯特提出通过护鼻面具无伤害正压换气法的概念后，人们对负压换气机的兴趣减少了。罗伯特的方法对当时的负压换气机是个重大改进，其允许允许辅助性换气机小体积、轻量、方便携带。
自罗伯特以来，无伤害正压换气法越来越受欢迎，用于慢性或急性呼吸失败的病人的换气支持的供应。该无伤害正压换气法广受欢迎部分是基于该类型换气机带来的许多便利，尺寸小(仅需很小的专用层空间)易于操作，容易自然接近病人，从而允许对伤口、压力点、各种导管、静脉注射和床单的更接近的关注。然而去除这些好处不管，无伤害正压换气机也有几个缺点。例如，无伤害正压换气机阻止病人顺利沟通，导致面部和口部疼痛，进食困难，以及胃涨。尽管许多病人忍受着这种换气方法，但极少数人喜欢它。
相反，整体负压换气法在病人舒适度上更胜一筹。整体负压换气法允许病人可用口沟通而无论在采用换气机本身或在其运作期间都无需保持安静。病人使用这些装置进行换气呼吸无需与充氧供应对抗。此外，该大容量机器可以容易舒服地超过(override)异步呼吸效果。最重要的是，负压换气机比无伤害正压换气机具有生理上的优势。整体负压换气机没有负压换气机所引起的病人心脏输出减小，而是改善了病人心脏输出。在负压换气期间，平均胸压降低，且有助于静脉血回流。整体负压换气法同时也改进了病人换气和灌注的匹配，因为气体移入病人肺部的模式与病人自然的自助呼吸模式相近似。更重要的是，与正压换气法相比，负压换气法可以更好地清除导气管的分泌物，以避免气管插管以及重复性导气管抽吸和支气管镜检查，从而避免细菌双重感染的危险。
目前可用的负压换气系统会被它们较大的尺寸和重量所限制，缺乏护士对病人的接触渠道，并限制了病人的舒适度。目前采用的便携式负压换气机并不如整体换气机有效。病人很难系上它们，颈部、手臂、臀部密封处附近的气漏问题非常普遍，使得气体从病人身体上透出，导致非预期的冷却效果。这些负压换气机还会阻碍病人灵活性使得使用者感觉不舒服。因此需要比现在采用的系统更小尺寸的、更轻便的、对于护士和病人来说更易于操作的，使病人感觉更舒服的负压换气系统。需要的是具有更多自动化特征以改变呼吸模式的负压换气机。

发明内容
本发明提供一种改进的负压换气系统，其包括动态活动的多部件人造肋骨框架，构造以贴切地配合在病人自身胸腔壁和腹部周围。该人造肋骨框架提供病人自身胸腔壁的支撑结构，并包括实现病人胸腔运动的具有柔韧性的支柱。设计该人造肋骨框架的形状、尺寸和动态运动以模仿那些病人自身胸腔壁。该人造肋骨框架包括具有与人造肋骨连接的人造脊骨的胸腔壁部件。用以放置在病人腹部的腹部部件通过允许腹部部件朝向和远离胸腔壁部件移动的转换元件与胸腔壁部件相连。该胸腔壁部件和腹部部件相配合作用使得该换气机在吸气和呼气期间模仿病人自身自然呼吸模式同时移动胸腔壁和腹部。
在操作中，该人造肋骨框架通过同时拉起人造肋骨框架的胸腔壁部件和腹部部件的前面部分来运动。此时，该胸腔壁部件和腹部部件的前面部分移离该胸腔壁部件和腹部部件的背部。该运动是通过改变人造肋骨框架的人造脊骨和人造肋骨之间的角度来实现的。这样的运动允许负压换气系统的整体大小和重量得以明显的简化和减小。
本发明的负压换气系统允许在呼气阶段产生短暂胸内正压，增加呼气高峰的气流率，开始并/或促进病人咳嗽以帮助病人清除导气管的分泌物。可以将自动反馈系统结合到该换气机中，以允许单独调整潮气量、呼吸频率和吸气/呼气比率(I∶E比率)，使其与病人自发呼吸同步。另外，利用测得的二氧化碳潮来自动调节潮气量和/或呼吸频率。
该系统还可以提供更有效的心肺压缩。当病人的血循环不充分时，例如在心跳停止期间，复苏过程的非常重要的部分是心外压。按压并释放胸腔壁引起胸内交替的正压或负压，然后引起心瓣膜动作，转换成心室内压的先增加然后减小，从而产生血液流动。然而，但胸腔被按压的时候，该胸内压上升的幅度由于横膈膜的下移而减小了。当施加于胸腔的压力移除后，施压时候存储在胸腔壁的回转压力造成胸内负压促使静脉血液回流并重新填充心房和心室。这个过程在施加于胸腔壁的压力移除后因为横膈膜的向上移动而减小了效果。本发明提供人造肋骨框架和腹部部件的同等的相对运动，从而在CPR期间，增大一个胸压循环的胸内正压和负压的幅度。因此，本发明的系统可使得CPR期间的复苏更有效。
以下结合附图的详细描述以更好地理解本发明，其中

图1是病人系上本发明负压换气系统的侧面透视图；图2是病人系上本发明负压换气系统的另一实施例的侧面透视图；图3A是本发明人造肋骨框架在呼气结束时的侧面视图；图3B是图3A的人造肋骨框架沿B-B线剖面视图；图3C是本发明人造肋骨框架在吸气结束时的侧面视图；图3D是图3C的人造肋骨框架沿D-D线剖面视图；图4是本发明的气缸和活塞系统的侧面透视图；图5A是本发明人造肋骨框架剖面视图；图5B是图5A中球体和球窝关节处的放大示意图；图6是本发明人造肋骨框架的透视图；
图7A是图7B的负压换气机夹套沿A-A线的剖视图；图7B是本发明负压换气机夹套的透视图。
具体实施例方式
现在下面会描述一些可替换实施例以便全面理解本发明所公开的装置和方法的结构、功能、制造和使用的原理。附图揭示了这些实施例中的一个或多个例子，本领域一般技术人员可以理解，本文具体介绍以及附图中显示的装置和方法是非限制性的实施例，本发明的范围仅有权利要求所限定。在一个实施例中显示或介绍的特征可以与其它实施例中的特征相结合。这种修改和变化意在包括在本现在来看本发明附图，图中的负压换气系统10应用于病人12上。该系统10包括具有脊骨元件22的动态可移动人造肋骨框架(ARC)20，肋骨元件26，28，30，32可调性连接在脊骨元件22上。脊骨中的关节24可允许病人一定程度上弯曲其自身的脊骨。首先，最高的第一肋骨元件28和它邻近的肋骨元件26与胸骨部件40连接，该胸骨部件40构造以靠在病人自身胸骨上，形成人造胸腔。在可替换实施例中，第一肋骨元件28刚性地地连在脊骨元件22上，而通过关节42枢转式连接在胸骨部件40上。在本实施例中，肋骨元件26通过关节44枢转式连接在脊骨元件22上，并通过关节46连接在胸骨部件40上，肋骨元件30和32通过关节48和50分别枢转式连接在腹部部件60上，该腹部部件60构造以靠在病人胸腔上。与第一肋骨元件28类似，最下端肋骨元件32刚性连接在脊骨元件22上，如图所示。该脊骨元件22、肋骨元件26，28，30，32、胸骨部件40和腹部部件60共同组成本发明的人造肋骨框架20。
该人造肋骨框架20的运动在一个实施例中可通过将腹部部件60可转移地连接在胸骨部件40上来实现。如在一个实施例中所示，该腹部部件60通过转移元件52如活塞和气缸与胸骨部件40连接，其可允许腹部部件60和胸骨部件40沿关节54彼此相对滑动。密封件56，如束套环，沿胸骨部件40定位以密封病人颈部，以及沿腹部部件60定位以密封病人下面躯干，这与用于病人12的臂的密封件(未示出)一起在病人的躯干和人造肋骨框架20之间形成了封闭的系统。因此，当胸骨部件40和腹部部件60彼此相对滑动时，该相互连接的肋骨元件26，28，30，32和脊骨元件22随每一个呼吸运动调整，从而改变该人造胸腔壁的截面尺寸。由于人造胸腔壁的截面尺寸改变，人造肋骨框架20内产生的胸压随之改变。也就是说，人造胸腔壁内的截面尺寸的增大或减小会导致人造胸腔壁和病人躯干(即胸部和腹部)之间的压力增大或减小。通过包括呼气结束时肋骨内负偏压，同等的呼气结束时的正压可附加在换气方案中。
在本发明的一个方面中，该负压换气系统10构造成与病人的身体接近一致，因此在该系统和病人12之间不会形成太大空气空间。为预防疼痛，可采用密闭泡沫隔板来填充在腹部部件60和/或胸骨部件40中。在另一方面，还可以包括用以检测该人造肋骨框架内压的压力传感器58。如附图1所示。该系统10可自动化。例如，该转移元件52，或者活塞和气缸，可以与管62连接，以传导流体而提供动力给活塞和气缸。管62可连接泵64以将流体抽进或抽出该活塞和气缸从而使得腹部部件60和胸骨部件40相对运动。泵64的作用是将流体抽进或抽出该活塞和气缸52。该活塞和气缸滑动并使两个部件60，40彼此相对及远离移动。此运动改变肋骨元件26，28，30，32和脊骨元件22之间的角度，并改变该人造胸腔壁的截面尺寸。该电泵64电源可由电池或壁电压供电。
为了更好地控制系统10的生理参数，可采用控制面板66来监测生理测量以及控制系统10的运作。如附图所示，该控制面板66可与传导压力传感器58信号的导线68连接，也可以与接在病人鼻腔以获得末端二氧化碳潮(tidal CO2)参数的取样管70相连接，或与感应气流的电热调节器相连。通过控制面板，可控制泵64，并设定以下参数呼吸率、潮气量、I/E比率，以及肺部容积(剩余的)。例如，通过压力传感器58检测到病人自身呼吸效果压力增大。该信号传至控制面板66，触发呼吸循环。如果没有病人的呼吸努力可建立基本的备用比率(比如12次呼吸/分钟)。因此，可采用全身氧气处理的自动反馈来控制胸内负偏压。
在另一实施例中，该转移元件52，或者说活塞和气缸，可连接在脊骨元件22和肋骨元件26，28，30，32的其中一个上。在该构造中，活塞可在气缸中滑进和滑出，导致肋骨元件26，28，30，32和脊骨元件22之间的角度的改变，从而导致该人造胸腔壁的截面尺寸的改变。
在另一实施例中，如图2所示，可在胸骨元件40上直接接上马达72。该马达72可包括螺旋形杆以为胸骨元件40与腹部部件60的相对运动提供动力。当该马达72绕某个方向转动，它推动胸骨元件40和腹部部件60相互远离，当该马达72绕另一个方向转动，它推动两个部件40，60相互接近。该马达72可接上电源74，从电缆76获得电压。电源74指引该马达72以一个或两个方向转动以推动该螺旋形杆。
图3A到图3D从三维角度解说了本发明中实施例的该人造肋骨框架20的基本的动力学形状改变。如前所述，该人造胸腔壁的形状与病人自然胸腔近似。图3A显示了呼气结束时重叠有胸骨部件40和腹部部件60的人造肋骨框架20的侧视图。图3B是沿B-B线的人造肋骨框架20的剖面视图。在吸气期间，两个部件40，60之间相互滑离，扩大了肋骨元件26，28，30，32和脊骨元件22之间的角度，如图3C所示。因此b1＞a1，b2＞a2，两个部件40，60的剖面都增大了(即Y＞X)，如图3D所示。
如图3A-3D所示，该人造胸腔壁的截面尺寸的改变在横膈膜水平面最大，在第一肋骨28处最小，而腹部部件60的形状与病人自身腹部近似。因此，该人造胸腔壁模仿病人自身肋骨架。增大脊骨元件22和肋骨元件26，28之间的角度(a1)导致吸气阶段截面尺寸的增大。同样的原理应用于腹部部件60，但肋骨元件30，32和脊骨元件22之间的角度(a2)则面向相反的方向。在呼吸循环期间，腹部部件60的截面尺寸的变化在横膈膜水平上最大，而在肋骨元件32处最小。这些动力学原理使得病人自身胸腔壁以类似于自然呼吸时出现的运动方式来运动。
在操作中，该胸骨部件40和腹部部件60相遇并在横膈膜水平前相互交迭。该胸骨部件40和腹部部件60借助允许该两个组件40、60相对滑动的转移元件52实现相互移近和相互远离。这种滑行运动可由活塞和气缸系统80推动，如图4所示。当液体86被泵进气缸84，它将活塞82推出气缸84。由于气缸84固定在胸骨部件40上，而活塞82连接在腹部部件60上，该运动导致该胸骨部件40滑离腹部部件60。当该液体被抽离气缸84，该胸骨部件40和离腹部部件60相互朝向移动。两个部件40，60的相对运动导致脊骨元件22和肋骨元件26，28，30，32之间的角度变化，依次改变了该人造胸腔壁的体积和病人的肺容量。
为了允许肋骨元件28，30和脊骨元件22的运动，如图5A和5B所示，可在关节44处使用球体和球窝关节90将肋骨元件28，30连接到脊骨元件22上。同样地，为了允许肋骨元件26，28，30，32相对胸骨部件40和腹部部件60运动，可在关节42，46，48处使用球体和球窝关节90将肋骨元件26，28，30，32连接到胸骨部件40和腹部部件60上。在所述实施例中，第一肋骨元件28和脊骨元件22之间，或者肋骨元件32和脊骨元件22之间，均没有关节。如附图5A所示，连接在脊骨元件22上的肋骨元件26在关节46处与胸骨部件40连接，图5B中显示球体和球窝关节90的放大示意图，其中该肋骨元件26的末端具有球体连接件92，以便在构造以容纳球体连接件92的胸骨部件40的球形球窝94中可转动地且枢轴式运动。肋骨元件26类似地连接到脊骨元件22。可以想象的是，在本系统10中的肋骨元件26，28，30，32和脊骨元件22或者胸骨部件40或腹部部件60之间的所有关节可构造为类似于所示的球体和球窝关节90。
本系统的特征是该人造肋骨元件26，28，30，32的形状是模仿病人实际肋骨架的形状。如图6所示，相邻肋骨元件之间可以有部分交迭。本发明负压换气系统10的肋骨元件26，28，30，32的长度可根据病人12的尺寸来调整。一旦选定肋骨元件的长度，则可将肋骨元件锁定并固定在脊骨元件上从而形成刚性肋骨(图未示)。为了允许病人12合适的置于该人造肋骨框架20中，该胸骨部件40可形成为如图所示的两个独立组件40a、40b。在放置在病人12身上之前，该胸骨部件的两个半部40a、40b可打开，而两个半部40a、40b仍然是通过肋骨元件26，28，30，32连接在脊骨元件22上。该特点使得该人造肋骨框架20可以毫不困难地放置在病人12身上。一旦人造肋骨框架20放置在病人12身上，该胸骨部件40的两个半部40a、40b可用如锁96的元件锁合起来并固定在一起形成一个部件。
本发明的另一实施例，该人造肋骨框架20可包括由具有一些弹性的塑料薄片组成的外盖102和衬套104以提供密封系统10，如图7A和7B所示。可以预期，该具有衬套和外盖的人造肋骨框架20可形成放置在病人胸腔壁及其以下躯干周围的负压换气夹套100。该夹套100可在病人颈部、手臂和躯干处密封以造成密闭空间。因此，改变该人造肋骨框架20的截面尺寸导致病人胸腔壁和腹腔壁的压力的改变。
尽管这里是作为换气系统描述的，但是本发明也可以用作复苏系统。该人造肋骨框架20与腹部部件60一起用于为心跳衰竭和/或心跳停止的病人执行胸腔按压复苏。该系统10可通过提供人造肋骨框架和腹部部件的协调及相对运动而实现更有效的心肺按压效果，因而在CPR期间，胸腔按压周期中，正、负胸内压的幅度增大。因此，本发明可使CPR期间的复苏效果更有效。
可以理解，前述只是本发明原则的的示意说明，本领域的一般技术人员在不背离本发明精神和原则的前提下，可以做出各种改型。本文中所引述的所有参考文献通过引用明确地结合入本文。
权利要求
1.一种呼吸协助系统，其包括构造以密封安装在病人胸腔壁和腹部上以形成密闭系统的人造肋骨框架，所述人造肋骨框架包括脊骨元件、与脊骨元件相连的多个肋骨元件、构造用于靠病人胸腔放置的胸骨部件，以及构造用于靠病人腹部放置的腹部部件，所述胸骨部件和腹部部件连接在所述肋骨元件上；其中，所述胸骨部件和腹部部件通过转移元件可移动地相互连接，这样，胸骨部件相对腹部部件的运动导致所述人造肋骨框架的大小和形状改变，从而产生在呼吸循环期间人造肋骨框架内的负压和正压。
2.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该转移元件是气缸和活塞组件。
3.如权利要求2所述的呼吸协助系统，其特征在于，该气缸和活塞组件固定连接在胸骨部件和腹部部件上。
4.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该转移元件是机动化螺杆。
5.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该人造肋骨框架包括适于设在人造肋骨框架和病人胸腔之间的泡沫衬垫。
6.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该腹部部件和胸骨部件可以可滑动地相对移动。
7.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该多个肋骨元件的其中至少一个是通过球体和球窝关节与胸骨部件活动连接。
8.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该多个肋骨元件的其中至少一个是通过球体和球窝关节与腹部部件活动连接。
9.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该多个肋骨元件的其中至少一个是通过球体和球窝关节与脊骨元件活动连接。
10.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该系统进一步包括用于调整选自潮气量、呼吸频率、包括高频振荡换气的吸气/呼气比率的生理参数的自动反馈系统。
11.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该系统是自动化的。
12.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该胸骨部件相对腹部部件的运动导致该人造肋骨框架截面尺寸的改变。
13.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该胸骨部件和腹部部件相互靠近的运动减小了该多个肋骨元件和脊骨元件之间的角度。
14.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该胸骨部件和腹部部件相互远离的运动增大了该多个肋骨元件和脊骨元件之间的角度。
15.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该人造肋骨框架包括有盖。
16.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该人造肋骨框架包括有衬套。
17.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该人造肋骨框架形成有夹套以放置在病人颈部以及下躯干的周围。
18.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该呼吸协助系统进一步构造来执行胸腔按压以使面临心脏衰竭或心动停止的病人复苏。
19.如权利要求1所述的呼吸协助系统，其特征在于，该脊骨元件具有连接其上的四个肋骨元件，最上端肋骨元件和最下端肋骨元件刚性连接在脊骨部件上，第一中间肋骨元件和第二中间肋骨元件通过关节枢轴式连接在肋骨元件上。
20.如权利要求19所述的呼吸协助系统，其特征在于，该最上端肋骨元件通过关节枢轴式连接在胸骨部件上，该最下端肋骨元件通过关节枢轴式连接在腹部部件上。
21.如权利要求19所述的呼吸协助系统，其特征在于，该中间肋骨元件的其中一个通过关节可移动地连接到胸骨部件，另一中间肋骨元件则通过关节可移动地连接到腹部部件。
全文摘要
公开了一种负压换气系统，其包括动态可移动的、多部件人造肋骨框架，其可构造以贴身放置在病人自身胸腔壁和腹部的周围。该人造肋骨框架的形状、大小和动态运动的设计是模拟病人自身胸腔壁的。该人造肋骨框架包括相连接的人造肋骨和人造脊骨，以形成包括有胸骨部件的人造胸腔壁。用以放置在病人腹部的腹部部件通过转移元件连接到胸腔壁组件上，其允许腹部部件靠近或远离胸腔壁部件运动。该胸腔壁和腹部部件相互配合以使得该换气机在吸气和呼气期间可模拟病人自身自然呼吸模式同时移动胸腔壁和腹部部件。
文档编号A61H31/02GK1909867SQ200480041124
公开日2007年2月7日 申请日期2004年11月29日 优先权日2003年12月4日
发明者Y·姜, R·M·卡克马雷克, W·M·扎波尔 申请人:综合医院公司附属之麻萨诸塞综合医院