一种咳痰启动时机判断装置及咳痰机的制作方法

1.本发明涉及气道治疗技术领域，更具体地，涉及一种咳痰启动时机判断装置及咳痰机。


背景技术：

2.正常人，主要靠气道黏液纤毛运动和咳嗽两种机制清除气道内的分泌物，但是对于依靠呼吸机支持的插管患者(即有创通气患者)而言，其自身的这两种气道分泌物机制都存在不同程度的减弱，再加上这类患者一般都伴有造成气道分泌物(较之常人)增加的气道原发病(如肺部感染和慢性支气管疾病)，因此气道分泌物管理对于有创通气的患者而言尤为重要。常规的气道分泌物管理技术主要是气管内吸痰术，这种常规技术极易引发患者不适、血氧下降等诸多并发症。
3.专利cn105343944提出了一种模拟咳嗽的能够和呼吸机配合工作的在线气道引流装置，又称同步咳痰机。该装置利用一个三通结构组件将呼吸机、负压抽吸装置(亦即同步咳痰机)、病人进行连接，正常情况下，病人与负压抽吸装置之间的通道处于关断状态，不影响呼吸机对患者实施正常通气。一旦启动了气道痰液引流程序，负压抽吸装置就利用三通结构上的传感器判断呼吸机由吸气相切换到呼气相的时机(吸气峰值的快速下降)，在判断到切换时机到来的瞬间，再利用三通结构上的球囊阀将呼吸机与病人的正常通气通道截断，同时快速打开负压抽吸通道对患者实施负压抽吸；在负压抽吸短暂持续后，该系统又自动恢复呼吸机与病人气道的正常通气连接，呼吸机再对患者实施充气。如此，呼吸机和负压抽吸装置反复配合，呼吸机对患者实施充气，负压抽吸装置对患者实施抽气，以达到一种模拟自然人咳嗽的引流效果。这种在线的引流技术可以避免传统气管内吸痰术引发的诸多并发症，并实现无创地清除插管病人气道痰液的效果。
4.现在的与呼吸机配合实现在线气道痰液引流的系统，亦即同步咳痰机系统，以定时的方式启动一组咳痰引流程序，咳痰引流如果太频繁会影响患者正常休息，咳痰引流不及时则无法体现此系统的治疗价值。也就是说，需要用户(气道管理人员或是呼吸治疗医师)设定固定的咳痰启动间隔，一般可设置在15分钟～120分钟。咳痰机系统在等待设定的时间间隔到来后，无论患者的气道内是否有痰液蓄积都会启动一组咳痰引流治疗。这样一种定时启动在线咳痰引流的方法和系统存在着明显的缺陷：
5.(1)如果咳痰间隔设置的过短，则咳痰引流会频繁地执行，这样不仅是多余的，还会打扰患者的病情恢复和正常休息，并且频繁地打断呼吸机的通气治疗程序，也多多少少对呼吸机的通气效果产生负面影响(如可能频繁地引发呼吸机报警)。
6.(2)相反，如果咳痰间隔设置的过长，则会造成气道痰液引流的不及时，无法起到此系统预期的自动气道分泌物的效果。
7.(3)咳痰间隔设置的过短或是过长都不合适，在应用此系统时，就要求操作用户对患者的气道分泌物状况有非常仔细的认识，并根据不同的患者病情以及病情的进展，频繁地个性化地调节咳痰间隔，这样就增加了用户的操作难度，换言之，此系统的价值体现对用
户操作经验的依赖性过高。


技术实现要素：

8.本发明为了克服现有定时在线咳痰引流系统存在的矛盾问题，本发明提出一种咳痰启动时机判断装置，包括：呼气流量采集单元，用于采集气道内中的负向呼气流量信息；第一滤波器，其对所述负向呼气流量信息进行滤波，获得呼气中的平均流量；第二滤波器，其对所述负向呼气流量信息进行滤波，用于获得呼气中的高频抖动信息；痰液聚集特征变量提取单元根据所述平均流量和所述高频抖动信息计算痰液聚集特征变量，其中痰液聚集特征变量与所述平均流量负相关，与所述高频抖动信息正相关；咳痰启动时机判断单元，当其判断所述痰液聚集特征变量大于设定阈值时，通知启动咳痰操作。
9.根据本发明的另一方面，还提出一种具有咳痰启动时机判断装置的咳痰机，包括：
10.咳痰启动时机判断装置，包括：呼气流量采集单元，用于采集气道内中的负向呼气流量信息；第一滤波器，其对所述负向呼气流量信息进行滤波，获得呼气中的平均流量；第二滤波器，其对所述负向呼气流量信息进行滤波，用于获得呼气中的高频抖动信息；痰液聚集特征变量提取单元根据所述平均流量和所述高频抖动信息计算痰液聚集特征变量，其中痰液聚集特征变量与所述平均流量负相关，与所述高频抖动信息正相关；咳痰启动时机判断单元，当其判断所述痰液聚集特征变量大于设定阈值时，通知启动咳痰操作；
11.咳痰控制装置，所述咳痰控制装置接收到所述咳痰启动时机判断装置的通知启动咳痰操作后，启动一组咳痰治疗。
12.本发明的装置的有益效果包括：(1)本发明的装置能够实现自动判断气道痰液聚集，并能根据气道痰液的聚集程度自动启动咳痰引流程序，因此更加智能化。(2)克服了现有系统的存在的定时间隔过长或是过短的两难问题。(3)降低了对用户的使用经验依赖，可提高用户的使用体验，最大化在线咳痰设备的医用价值。
附图说明
13.为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。
14.图1为本发明的咳痰启动时机判断装置的应用图。
15.图2为咳痰通气的操作示意图。
16.图3为本发明的装置的一个实施方式的原理图。
17.图4为本发明的装置的工作流程图。
18.图5为本发明的装置的应用在咳痰机上的流程图。
19.附图标记
20.1-三通球囊阀、2-流量传感器、3-咳痰管路、4-测控管路、5-集痰杯、6-测控接头、7-过滤器、8-患者端口、9-咳痰机端口、10-呼吸机端口、11-球囊。
具体实施方式
21.下面参照附图描述本发明的实施方式，以便于本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所列举的实施例不作为本发明的限定，在不冲突的情况下，下述的
实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，其中相同的部件用相同的附图标记表示。
22.图1显示了本发明的自动咳痰时机判断装置的应用示意图。其可以集成在咳痰机内部，也可以作为单独的外部模块与咳痰机联合使用。咳痰机还具有咳痰控制装置，与咳痰启动时机判断装置进行信息交互。
23.图1中显示了咳痰机、呼吸机通过三通球囊阀1连接到患者。其中三通球囊阀1的患者端口连接到患者，咳痰机端口9通过咳痰管路3连接到咳痰机，呼吸机端口10通过管路连接到呼吸机。三通球囊阀1中的球囊11具有开口通向大气，进行放气和充气。呼吸机端口10上设置有流量传感器2。
24.正常无气道分泌物聚集的情况下，咳痰机不启动，三通球囊阀1处于打开的状态(球囊11处于放气状态)，呼吸机控制患者的吸气和呼气气流。一旦启动了咳痰治疗，则在呼吸机的呼气阶段，三通球囊阀1即处于关断的状态(球囊11处于充气状态，阻断患者和呼吸机之间的气路)，咳痰机通过负压吸引的方式将患者的呼气气流导引入咳痰机并排出。由于咳痰机负压吸引的作用，患者的呼气气流流速会剧增，加速的气流会将气道内的分泌物带出到咳痰管路3中。
25.如图2的咳痰通气的操作示意图所示，当未启动咳痰治疗时，呼吸机正常通气，呼吸机控制通气管路中的压力和流量。吸气时压力增加，气流向患者气道运动(流量为正)；呼气时压力降低(降低到peep)，气流向呼吸机运动(流量为负)。
26.启动一种咳痰治疗后，在吸气相，供给患者的气流仍由呼吸机提供；在呼吸机由吸气转向呼气的时刻，咳痰机通过控制三通球囊阀1阻断呼吸机通道(球囊11充气)，打开咳痰机内部的抽吸阀(未在图1中标出)，气道内压力变为负压，在负压的作用下(患者肺内为正压)，气流向咳痰机运动。咳痰负向气流减小到一定程度，咳痰机先关断内部的抽吸阀，再打开管路上的三通球囊阀1(球囊阀11放气)，呼吸机重新与患者联通，呼吸机触发吸气又将患者肺部气量充满，在呼吸机吸气结束后，咳痰机再次启动抽吸(阻断呼吸机通道，打开抽吸通道)。如此的呼吸机控制吸气，咳痰机控制呼气(抽吸)，反复多次即视为一组咳痰治疗。
27.一组咳痰治疗(其咳痰次数由用户设定)结束后，咳痰机处于等待状态，呼吸机又接管所有的吸呼气控制。
28.目前市面上的在线咳痰机设备，如coughsync 100，允许用户设置咳痰治疗的启动间隔，按照定时的方式启动在线咳痰治疗。
29.图3显示了本发明的咳痰启动时机判断装置的结构原理图。图4显示了所述装置的工作流程图。本发明的装置包括：呼气流量采集单元、第一滤波器、第二滤波器、痰液聚集特征变量提取单元和启动咳痰判断单元。
30.气道内的呼吸气流包括正向气流和负向气流。正向气流为吸气气流，负向气流为呼气气流。呼气流量采集单元(通过流量传感器2)仅采集气道内中的负向呼气流量信息。
31.采集的呼气流量经过两路滤波器，第一滤波器用于获得呼气中的平均流量，滤波后的信息用lp_qe(t)表示。第二滤波器用于获得高频抖动信息，滤波后的信息用hp_qe(t)表示，其中t表示时间。第一滤波器可以是低通滤波器，第二滤波器可以为高通滤波器。
32.低通滤波后的lp_qe(t)用以计算呼气中的平均流量average_lp_qe，其计算公式如下：
[0033][0034]
高通滤波后的hp_qe(t)用以计算高频信号的抖动功率power_hp_qe，其计算公式如下：
[0035][0036]
式中的te表示呼气时间，也就是每次呼吸流量为负的时间。
[0037]
通过痰液聚集特征变量提取单元计算痰液聚集特征，判断是否有痰液聚集。痰液聚集特征变量与平均流量average_lp_qe负相关，与抖动功率power_hp_qe正相关。当痰液聚集在大气道达到一定的程度后，必然会增加患者的呼气气道阻力，这样就会降低呼气的平均流量，平均流量average_lp_qe降低，所以气阻增加相应的特征变量增大。当痰液聚集到一定程度后，就会引发呼气气流的振荡(如图2所示)，痰液越多，振荡强度越大，也就是抖动功率power_hp_qe会增大，痰液聚集相应的特征变量也会增大。
[0038]
在一个实施方式中，根据如下公式(3)计算每次呼吸后表征气道是否有痰液聚集的特征变量sputum_index(痰液指示变量)：
[0039]
sputum_index(t)＝power_hp_qe(t)/average_lp_qe(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0040]
式中的t表示某次呼吸。
[0041]
当痰液聚集在大气道达到一定的程度后，必然会增加患者的呼气气道阻力，这样就会降低呼气的平均流量，由于average_lp_qe处于式(3)的分母项，所以气阻增加相应的特征变量增大；再者，当痰液聚集到一定程度后，就会引发呼气气流的振荡(如图2所示)，痰液越多，振荡强度越大，也就是power_hp_qe会增大，由于气流抖动功率处于式(3)的分子项，因此痰液聚集相应的特征变量也会增大。
[0042]
咳痰启动时机判断单元判断指示痰液聚集程度的特征变量大于某一设定阈值(用cough_initiation_threshold表示)时，即sputum_index(t)》cough_initiation_threshold，咳痰启动时机判断模块通知咳痰控制装置启动一组咳痰治疗。
[0043]
如图5所示，咳痰控制装置在正常呼吸机通气中处于等待阶段，直到收到咳痰启动判断装置发来的启动咳痰指令后才启动一组咳痰控制，一组咳痰治疗结束后，咳痰控制装置会再次等待咳痰启动判断装置检测本组咳痰治疗的效果。咳痰启动判断装置如果判断到本次咳痰治疗降低了气道痰液聚集特征变量，则认为咳痰有效，如果判断到气道痰液聚集特征变量没有降低或反而升高，则会认为咳痰无效。在咳痰无效的情况下，咳痰机发出报警，以提示用户关注患者的气道痰液聚集严重事件，用户可以响应此报警为患者实施手动气管吸痰等操作。
[0044]
在应用本发明的自动咳痰启动判断装置后，原咳痰机的系统的定时启动咳痰功能仍可作为备份存在，可以设置较长的备份定时间隔，这样就即可达到既不降低治疗效果又能不过多打扰患者的临床效果，也降低了咳痰机操作者的使用设置难度。
[0045]
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本说明书使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。