相关申请案的交互参照
本申请案主张于2016年5月20日申请的美国临时申请案号62/339,211的优先权和效益，其全部内容于此并入做为参考。
本发明是关于一种通气设备，通过使用本文所描述的通气设备，依据病患需求同步输送正压通气及负压通气。
背景技术：
机械通气涉及使用呼吸器或压缩袋来机械性的辅助病人的呼吸及/或取代病人的自发呼吸的方法。机械通气传输两种通气方式：(a)空气(或混合气体)被挤压进入病人的上呼吸道及肺部的正压通气，以及(b)扩张病人的胸腔以在病人肺部内制造次大气压的负压通气。在缺少负压通气时，病人的肺部自然的将内部气体冲回及逐出。
呼吸器一般是用于有呼吸辅助需求的病人，但其传统上体积庞大、笨重且耗电而几乎难以提供病人机动性。单独使用正压通气让病人感到不舒适，无法清除气道内的分泌物，并将空气推入较少阻力的肺空间，这可能导致通气/灌流差异(ventilationandperfusionmismatch)。单独使用负压通气，则可能导致上呼吸道塌陷并危及患者的呼吸道。目前利用两个独立的呼吸器提供同步正压通气及负压通气，无法达到时间上完全同步。以两个独立的呼吸器输送正压通气及负压通气，一旦无法同步，可能导致严重的并发症，例如缺氧、气压伤、及延长机械通气使用时间。
因此，急需发展一种能够同步输送正压通气及负压通气给呼吸困难或有肺部复健需求的病患的呼吸器。本发明提供能够满足上述需求的呼吸器。
技术实现要素：
在实施例中，本发明提供一种通气设备，其包含具有第一通气孔及第二通气孔的外壳；设置在所述外壳内的固定间隔件；以及可操作的与动力机构连接的可动间隔件，其中可动间隔件及固定间隔件将外壳划分为第一空间及第二空间，其中第一通气孔及第二通气孔设置在固定间隔件的两侧；以及其中可动间隔件在第一方向上旋转，并在第一通气孔中产生负压，及在第二通气孔中产生正压，且可动间隔件以相反于第一方向的方向旋转以同时降低第一通气孔中的负压及第二通气孔中的正压。
在另一实施例中，还提供一种对患者通气的方法，其包含使用本文所描述的通气设备，同步产生正压通气及负压通气，以及在患者的吸气阶段期间，传输负压通气、正压通气或同步传输负压通气及正压通气给患者。
在本案中所使用的用语“发明”、“所述发明”、“此发”及“本发明”意在广义的指称本案及下述权利要求书的所有目标。包含这些用语的陈述应理解为不限于本文所述的目标，或不限于下述权利要求书的意义或范围。由本案所涵盖的实施方式是由以下专利申请范围所界定，而非由本发明内容所界定。因此，此处提供了本发明的各个方面的高级别的概述，并介绍将在以下实施方式部分进一步描述的一些概念。本发明内容并非意在辨识所请求的目标的关键特征或必要特征，也非意在用于协助判断所请求的目标的范围。本案的目标应通过参考说明书全文、任何或所有附图及各权利要求书的适当部份来理解。
当阅读附图及所对应的实施方式时，本发明将变得更为显而易见。
附图说明
本发明的例示性实施例将参考以下附图详细说明：
图1a及图1b是为根据本发明的实施例的通气设备100的俯视图。
图2绘示通气设备的第一导管及第二导管与病患之间的连接的示意图。
图3绘示通气设备的第一导管、第二导管及第三导管与病患之间的连接的示意图。
图4a及图4b是为根据本发明的第二实施例的通气设备100的顶角视图。
图5a及图5b是为根据本发明的第三实施例的通气设备100的视图。
具体实施方式
下文中，本公开的实施例将参考附图详细描述，使得本公开所属领域具有通常知识者能理解本公开的内容。本公开所属领域具有通常知识者应当理解，所描述的实施例可在不脱离本案的精神与范围的前提下，以各种不同方式进行修改。
除非内文另有明确定义，如本文所使用的，单数形式“一”及“所述”意在也涵盖复数形式。其将进一步理解的是，当在说明书中使用用语“包含(comprises)”及/或“包含(comprising)”时，其明确指出所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件及/或构件的存在，而非排除一或多个其它特征、整体、步骤、操作、组件及/或构件及/或其群组的增加或存在。其将进一步理解的是，虽然在本文中使用用语“第一”及“第二”来描述各种组件，然而，这些组件不应被这些用语所局限。这些用语仅用于区分一组件与另一组件。
为了说明书的清楚及简明，图式可能省略一些部份，并且相同的组件字母或符号代表相同的部件或类似的部件。在附图中，层、膜、平板、区域等的厚度可为了清楚而夸大，而非用于局限本发明的实施例。如果组件如层、膜、区域或衬底被称作“在”另一组件“上(on)”，代表所述组件可直接在其它组件上，或可能存在中间组件。
用语“病患(subject)”可代表处在呼吸困难或需要通气辅助的脊椎动物。病患包含温血动物，例如哺乳动物、灵长类动物，以及优选的，包含人类。非人类灵长类动物也可为病患。用语病患包含驯养动物，如猫、狗等，家畜(例如，牛、马、猪、绵羊、山羊等)及实验动物(例如，小鼠、兔、大鼠、沙鼠、豚鼠猪等)。因此，兽医用途及医学制剂均在本文考虑中。
本文的所有数值可理解为以“约(about)”来修饰。在实施例中，当用语“约(about)”涉及测量值如量(amount)、时间期间等，代表涵盖了具体数值±10％，优选为±5％，更精确为±1％，甚至更佳为±0.1％的变量，同样的变量也适用于负压，除非另有定义。如本文所用的用语“约(about)”，当涉及范围时，代表涵盖了具体数值±10％，优选为±5％，更精确为±1％，甚至更佳为±0.1％的变量，同样的变量也适用于负压，除非另有定义。
本发明是关于一种可携式或穿戴式通气设备100，以同步提供病患正压及负压通气，而不需控制器来同步正压及负压通气的传输。在实施例中，如第1a图及第1b图所示，通气设备100包含具有第一通气孔104及第二通气孔106的外壳102、固定间隔件108及连接于动力机构112的可动间隔件110。在一些实施例中，外壳102实质上为圆形的。固定间隔件108设置在外壳102内，并与可动间隔件110共同将外壳102划分为第一空间114及第二空间116。在第一空间114及第二空间116内的气体之间彼此并无连通(亦即，在第一空间114中的气体并不会移动到第二空间116，反之亦然)。在一些实施例中，固定间隔件108及可动间隔件110为刚体。在其它实施例中，固定间隔件108及可动间隔件110为弹性体。
在实施例中，动力机构112包含下列部件的至少其中之一：齿轮组、电动马达或用于调整电动马达的可调速驱动器。在另一实施例中，可动间隔件110的一端可连接于齿轮组并作为轴，使得可动间隔件110能够通过动力机构112绕着所述轴旋转。
参考第1a图，在可动间隔件110沿着第一方向d1移动前，在第一空间114及第二空间116中的压力相等，为大气压力。根据波以尔定律，当可动间隔件110沿第一方向d1旋转时(亦即，从第一空间114朝向第二空间116)，第二空间116中的气体被压缩，并在其中产生正压来保持病患的上呼吸道。于此同时，第一空间114扩张并在其中产生负压以扩张病患的胸部或肺部。在实施例中，可动间隔件110对应于病患的吸气阶段而沿着第一方向d1旋转。
在实施例中，当可动间隔件110到达第二通气孔106前的挡板122或到达第二通气孔106处，在第一导管(如第2图所绘示)中的第一泄压阀210及在第二导管(如第2图所绘示)中的第二泄压阀214同时开启以使气体平衡。这分别减少了第一空间114及/或第一通气孔104中的负压，以及第二空间116及/或第二通气孔106中的正压。在实施例中，在第一泄压阀210开启后，第一空间114及/或第一通气孔104中的压力达到大气压力。在例示性实施例中，以压力传感器104a测量第一空间114及/或第一通气孔104中的压力。在另一实施例中，在第二泄压阀214开启后，第二空间116及/或第二通气孔106中的压力达到大气压力。随后，可动间隔件110朝相反于第一方向的方向旋转(即沿着方向d2，从第二空间116向第一空间114)，如第1b图所示。在其它实施例中，当可动间隔件沿着方向d2旋转时，第一泄压阀212及第二泄压阀214维持开启，因此在沿着方向d2旋转期间，第一空间114、第一通气孔104、第二空间116及/或第二通气孔106中的压力维持在大气压力。在实施例中，可动间隔件110对应于患者的呼气阶段，朝相反于第一方向d1的方向(亦即，沿着方向d2)旋转。在例示性实施例中，以压力传感器106a测量第二空间116及/或第二通气孔106中的压力。在另一例示性实施例中，压力传感器104a与压力传感器106a与可动间隔件110进行通信。根据来自压力传感器104a及106a的输入信号，可通过改变可动间隔件110的旋转状态，来调整第一空间114及/或第一通气孔104中的压力，以及第二空间116及/或第二通气孔106中的压力。
第2图绘示了本发明的通气设备与需要通气辅助的患者200之间的连接状态。通气设备100进一步包含用于将通气设备(例如，通气设备的第一通气孔104)连接于病患胸部的第一导管206，以及用于将通气设备(例如，通气设备的第二通气孔106)连接于病患的上呼吸道(例如，病患的脸部及嘴部)的第二导管208。在实施例中，第一导管206使用外壳装置204连接于病患的胸部，外壳装置204为选自体腔系统(bodytanksystem)、胸甲(chestcuirass)、体套(bodywrap)或其组合。在例示性实施例中，外壳装置204与通气设备共同提供足够的负压来扩张病患的胸腔或肺部。在另一实施例中，第二导管208使用面罩202连接于病患的上呼吸道。面罩202的非受限实施例包含防漏面罩、口部呼吸道持续正压(continuouspositiveairwaypressure,cpap)面罩及全脸面罩。在例示性实施例中，面罩202与通气设备100共同提供足够的正压来开启并支持病患的上呼吸道。
在一些实施例中，第一压力传感器212及/或第一泄压阀210是设置在第一导管206中。在例示性实施例中，第一压力传感器212靠近病患200。在其它实施例中，第二压力传感器216及/或第二泄压阀214是设置在第二导管208中。在例示性实施例中，第二压力传感器216靠近病患200。第一压力传感器212及第二压力传感器216经配置以分别监测或检测第一导管206及第二导管208中的压力。压力传感器的非受限实施例包含应变计式压力传感器(pressuretransducer)、压力传送器(pressuretransmitter)、压力发送器(pressuresender)、压力指示器(pressureindicator)、压力表(piezometer)及压力计(manometer)。在一些实施例中，第一压力传感器212及第二压力传感器216分别电性连接第一泄压阀210及第二泄压阀214，并分别控制第一泄压阀210及第二泄压阀214开启及关闭，因此在第一导管206及第二导管208内的压力维持在预定范围内。
在一些实施例中，气体供应机构218连接于第二导管208。可动间隔件110沿着第一方向(如第1a图所示的方向d1)旋转的同时，来自气体供应机构218的气体(例如，氧气)被传输到第二导管208，并与来自第二空间116的气体(例如，室内气体)混合。在其它实施例中，在第二导管208中产生的正压将来自气体供应机构218的氧气传输到病患200的上呼吸道，借此提升针对病患的供氧量。
第3图绘示本发明的通气设备100的另一实施例，其中，通气设备100进一步包含下列组件的至少其中之一：连接于第一导管206及第二导管208的第三导管300、在第二导管208中的双向泄压阀302或在第三导管300中的单向泄压阀304，其中，单向泄压阀304靠近第一导管206设置。在例示性实施例中，气体供应机构218较双向泄压阀302更靠近病患设置。
在某些实施例中，可设想由第二导管208提供持续的正压，例如当病患200需要心肺复苏(cardiopulmonaryresuscitation,cpr)或清痰(sputumclearance)时。在例示性实施例中，可通过以下步骤达成第二导管208中的持续正压：在呼吸循环的呼气阶段期间，可动间隔件110沿着第一方向d1旋转，以产生第二空间116及第二导管208中的正压。一旦当可动间隔件110到达第二通气孔106前方的挡板122，或到达第二通气孔106处，第一导管206中的第一泄压阀210即开启，因此在沿方向d1旋转的期间，外壳装置204、第一空间114及第一导管206中产生的负压平衡到气压力。类似的，第二导管208中的第二泄压阀214开启，因此在沿方向d1旋转的期间，第二空间116及第二导管208中产生的正压平衡到大气压力。在需要在第一导管206中的正压的实施例中，一旦当第一压力传感器212检测到第一导管206的压力降低或到达大气压力，第一泄压阀210及第二导管208中的双向泄压阀302即关闭。在不需要第一导管206中的正压的另一实施例中，一旦当第二压力传感器216检测到第二导管208中的压力降低或到达大气压力，第二导管208中的双向阀302即关闭，同时第一泄压阀210维持开启。在一些实施例中，第二泄压阀214在沿着方向d2旋转/呼气阶段期间维持开启。当可动间隔件110沿d2方向旋转，第一空间114及第一导管206中的压力上升到达一点，在所述点中，第一导管206中的压力(由第一压力传感器212所检测)高于第二导管208中的压力(由第二压力传感器216所检测)，单向泄压阀304开启，使得第一导管206中约5到约4050分水柱的正压通过第三导管300到达第二导管208及病患的上呼吸道。当可动间隔件100到达第一通气孔104前方的挡板120或到达第一通气孔104处，第一泄压阀210为了使气体平衡而再次开启，因此在沿d2旋转/呼气阶段期间在第一空间114及第一导管206中产生的正压下降，直到其中的压力达到大气压力。在实施例中，当可动间隔件100到达第一通气孔104前方的挡板120或到达第一通气孔104处，第二导管208中的双向泄压阀302开启。可动间隔件110再次沿着第一方向d1旋转，以对应于病患的吸气阶段，如前文中所描述。
通过可动间隔件110如本文所描述的沿着第一方向d1及相反第一方向的方向d2旋转，并结合第三导管300来持续提供约5到约200公分水柱的压力到第二导管，可执行cpr或清痰功能。在实施例中，第二导管208中的持续正压可支持病患的上呼吸道，并持续提供病患所需的气体(例如，氧气)，同时第一导管206中间歇的正压可压缩病患的胸腔，以提升心脏输出量或分泌物排出。与向病患上呼吸道提供间歇的正压的手动cpr相比，第二导管208及病患上呼吸道中持续的正压具有优势。
cpr的频率可通过调整可动间隔件110的旋转速度来调整。在实施例中，在进阶心脏生命维持期间，通过提供正压到外壳装置204，在每30次的胸部按压中，正压(约5到约200公分水柱)从第一导管210被传输到第三导管300及第二导管208两次。
在实施例中，可动间隔件110、第一泄压阀210、第二泄压阀214及第二导管302中的双向阀对于第一导管206及第二导管208的压力的效果示出如表1及表2所示。
表1：在同步化压力通气期间，可动间隔件、泄压阀对于第一导管及第二导管的效果
a代表阀关闭
b代表阀开启
表2.可动间隔件、泄压阀对于第一导管、第二导管及第三导管中的压力的效果
*预设压力约为5、6、7、8、9、10公分水柱或其间的任意值
在实施例中，本发明的通气设备产生的正压范围从约0到约200公分水柱。在实施例中，正压的下限等于或大于约10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20公分水柱，或所述数值之间以0.1公分水柱为增量的任意值或范围(例如，约15.2公分水柱、约12.1公分水柱)。在另一例示性实施例中，正压的上限等于或小于约200、199、198、197、196、195、194、193、192、191、190公分水柱，或所述数值之间以0.1公分水柱为增量的任意值或范围(例如，约195.2公分水柱、约192.1公分水柱)。在另一实施例中，正压为介于本文前述的上限及下限之间的压力，例如12公分水柱到200公分水柱，13.2公分水柱到199.5公分水柱。
在一些实施例中，由本发明的通气设备所产生的负压范围为约0到约-200公分水柱。在例示性实施例中，负压的下限等于或大于约-10、-11、-12、-13、-14、-15、-16、-17、-18、-19或-20公分水柱，或所述数值之间以0.1公分水柱为增量的任意值或范围(例如，约-15.2公分水柱、约-12.1公分水柱)。在另一例示性实施例中，负压的上限等于或小于约-200、-199、-198、-197、-196、-195、-194、-193、-192、-191、-190公分水柱，或所述数值之间以0.1公分水柱为增量的任意值或范围(例如，约-196.3公分水柱、约-198.4公分水柱)。在另一实施例中，负压为介于本文前述的上限及下限之间的压力，例如-12公分水柱到-200公分水柱，-13.2公分水柱到-199.5公分水柱。
在其它实施例中，通气设备100的负压及正压可根据波以尔方程式p1*v1＝p2*v2来计算。在例示性实施例中，在可动间隔件110沿着第一方向d1移动时，第一档板114中的压力p1为一大气压力(1033.23公分水柱)，并且体积v1为患者的肺部体积(约3l)。当可动间隔件110沿着第一方向旋转直到到达第二通气孔的档板处，v2＝3l(病患的肺部容量)+3l(外壳装置204的体积)＝6l，并且计算的p2＝p1*v1/v2＝501.67公分水柱。因此，最大负压pnm＝p2-大气压力＝-501.67公分水柱。在另一例示性实施例中，在可动间隔件110以相反于第一方向的方向旋转时(亦即，第一方向的反方向)，p1'为一大气压力(1033.23公分水柱)且v1'＝3l(外壳装置204的体积)+3l(病患的肺容量)＝6l。当可动间隔件110沿着第一方向的反方向旋转直到到达第一通气孔处的档板，v2'为肺容量＝3l且所计算的正压p2'＝p1'*v1'/v2'＝2066公分水柱。因此，最大正压ppm＝p2'-一大气压力＝2066-1033公分水柱＝1033公分水柱。
在实施例中，可动间隔件110沿着第一方向d1及反方向(方向d2)的旋转为单一呼吸循环，并且各呼吸循环需时约0.5到约15秒。各呼吸循环的频率范围从约4次/分到约60次/分，并且可根据病患的年龄及身体条件来调整。
参考第4a图，在另一实施例中，通气设备包含位于外壳102内的可动间隔件110及第二间隔件109。第二间隔件109的一端固定于动力机构112。在例示性实施例中，第二间隔件109包含接合部124，且动力机构112包含凹部。第二间隔件109通过将接合部插入动力机构112的凹部而固定于动力机构112。可动间隔件110及第二间隔件109将通气设备分为第一空间114及第二空间116。
在实施例中，可动间隔件110沿着d1方向移动(以在第二通气孔106中产生负压，并在第一通气孔104中产生正压)并通过第二通气孔106。就在可动间隔件110到达第二间隔件109之前，所述第二间隔件109将从外壳102抽离。在例示性实施例中，第二间隔件109透过传动杆128滑入放置槽130，同时从外壳102抽离，如第4b图所示。当第二间隔件109从外壳102抽离，可动间隔件110继续沿着d1方向移动并到达第一通气孔104处。第二间隔件109再次连接动力机构112，可动间隔件110继续沿着d1方向移动以在第一通气孔104中产生负压，并在第二通气孔106中产生正压。
参考第5a图及第5b图，为根据本发明的第三实施例的通气设备100的视图。在另一实施例中，提供一种穿戴式通气设备100，以同步提供病患正压及负压通气，而不需控制器来同步正压及负压通气的传输。在实施例中，如第5a图及第5b图所示，通气设备100包含具有第一通气孔104及第二通气孔106的外壳102，以及连接于动力机构112的可动间隔件110。在一些实施例中，外壳102实质上为柱体，但其顶面与底面可分别为圆形、椭圆或多边形。可动间隔件110设置在外壳102内，以将外壳102划分为第一空间114及第二空间116。
在第一空间114及第二空间116内的气体之间彼此并无连通(亦即，在第一空间114中的气体并不会移动至第二空间116，反之亦然)。在一些实施例中，可动间隔件110为硬性体。在其他实施例中，可动间隔件110可为弹性体。
在本实施例中，动力机构112可具有导轨112a以确保可动间隔件110之行进方向，导轨112a较佳可穿过可动间隔件110上的通孔112b。而该导轨112a上系采用任何可使可动间隔件110稳定于方向d1或d2行进之输送构造，同时确保第一空间114及第二空间116之间的气闭性。例如，动力机构112可进一步包含设置于导轨112a一侧之马达组112c，以及设置于导轨112a上之齿炼、齿轮组、或输送带构造，使得可动间隔件110能够藉由动力机构112而在方向d1上往复移动。
进一步说明本实施例，在可动间隔件110沿着第一方向d1移动前，在第一空间114及第二空间116中的压力相等，为大气压力。当可动间隔件110沿第一方向d1行进时(亦即，从第一空间114朝向第二空间116)，第二空间116中的气体被压缩，并在其中产生正压来保持病患的上呼吸道。
于此同时，第一空间114扩张并在其中产生负压以扩张病患的胸部或肺部。在实施例中，可动间隔件110对应于病患的吸气阶段而沿着方向d1行进。
类似于先前实施例，当可动间隔件110到达第二通气孔106前的挡板122或到达第二通气孔106处，在第一导管(如第2图所绘示)中的第一泄压阀210及在第二导管(如第2图所绘示)中的第二泄压阀214同时开启以使气体平衡。这分别减少了第一空间114及/或第一通气孔104中的负压，以及第二空间116及/或第二通气孔106中的正压。
在实施例中，在第一泄压阀210开启后，第一空间114及/或第一通气孔104中的压力达到大气压力。在例示性实施例中，以压力传感器104a测量第一空间114及/或第一通气孔104中的压力。在另一实施例中，在第二泄压阀214开启后，第二空间116及/或第二通气孔106中的压力达到大气压力，以压力传感器106a测量第二空间116及/或第二通气孔106中的压力。随后，可动间隔件110朝相反于方向d1的方向行进，即方向d2，如第5b图所示。
在其他实施例中，当可动间隔件沿着方向d2移动时，第一泄压阀212及第二泄压阀214维持开启，因此在沿着方向d2行进期间，第一空间114、第一通气孔104、第二空间116及/或第二通气孔106中的压力维持在大气压力。在实施例中，可动间隔件110对应于患者的呼气阶段，朝方向d2行进。
类似于前述实施例中，压力传感器104a及压力传感器106a可与可动间隔件110进行通讯。根据来自压力传感器104a及106a的输入讯号，可藉由改变可动间隔件110的行进状态，来调整第一空间114及/或第一通气孔104中的压力，以及第二空间116及/或第二通气孔106中的压力。
藉由可动间隔件110沿着方向d1及方向d2往复移动，并结合前述第三导管300，可执行cpr或清痰功能。在实施例中，前述第二导管208中的持续正压可支持病患的上呼吸道，并持续提供病患所需的气体(例如，氧气)，同时第一导管206中间歇的正压可压缩病患的胸腔，以提升心脏输出量或分泌物排出。与向病患上呼吸道提供间歇的正压的手动cpr相比，第二导管208及病患上呼吸道中持续的正压具有优势。
本文所描述的通气设备呈现了例如下列特征：
1.同步传输正压通气及负压通气给病患而不发生任何时间延迟；
2.仅需小型的外壳及简便的动力机构，使装置可方便携带并且经济实惠；以及
3.通过选择性设置的第三导管，在第一导管及第二导管中提供正压，可用于执行cpr。
虽然本发明已经通过举例以及就优选的实施例来描述，但应当了解本发明不限于此。相反来说，其意在涵盖各种修改及类似的安排及步骤，并且所附权利要求书应该以最广义的方式解读，从而涵盖所有此种修改及类似的安排及步骤。