肺模拟器的制作方法

肺用于气体交换，即向血液供给氧气并除去代谢产生的co2。

肺被对称地分成两个肺半部。每个肺半部都有自己的支气管树和肺泡区。吸入的呼吸气体经由两个主支气管流过气管进入肺半部。

支气管构成流动阻碍，该流动阻碍被描述为阻力，并且与呼吸肌组织结合的肺泡区具有弹性特性，该弹性特性用术语顺应性描述。此外，经由呼吸肌组织在肺泡上施加拉伸力。这种力的影响被称为呼吸驱动。

肺的这些阻力的、弹性的和有力的特性被组合在术语呼吸力学下。

在最简单的水平中，呼吸机能的模拟表示假设两个肺半部组合成一个隔室，其特征在于单个阻力、单个顺应性和单个呼吸驱动。这种模型被称为单隔室肺模型。

双隔室肺模型将该模型概念用于每个单个的肺半部。以这种方式，可以更好地描述肺的呼吸机械特性的实际行为。

在呼吸装置调节不当的情况下，患有呼吸功能不全的患者的人工呼吸会对通气的患者造成相当大的伤害。

为此，医生必需能够在他们给患者通气之前使用肺模拟器学习操作和正确设置呼吸装置。这种肺模拟器是肺模型的物理实现。

然而，不仅要正确设置呼吸装置，而且要正确设置患者的插管、即呼吸器管插入气管，这需要实践经验。

在de102010027436中描述了一种肺模拟器，这种肺模拟器实现了单隔室肺模型。呼吸器管和气道阻力作为气动阻力实现。顺应性和呼吸驱动由活塞-缸系统结合线性驱动器产生，使得线性驱动器在活塞上施加取决于位置的反作用力，使得其导致期望的弹性行为。

在pl183237b1中描述了一种系统，该系统的基础是使用活塞-缸系统，通过测量缸中的压力并通过了解输出部的体积流量，经由电-气类比重建患者的阻力和顺应性。这种解决方案不需要这些参数的物理实现。

wo97/12351a1同样描述了用于模拟多隔室系统的类似解决方案。该文献同样从活塞-缸系统开始，声称可以仅通过多隔室肺模型的数学建模来模拟阻力和顺应性的行为。

在wo2012/155283a1中示出了阻力和顺应性同样通过模拟产生的模型。与其它模拟器不同，这种系统使用波纹管系统，其中，由单个线性驱动器使两个波纹管运动。

de3049583c2公开了一种具有两个呼吸波纹管的双隔室肺模型，这两个呼吸波纹管由活塞驱动器驱动。

最后提及的三种解决方案的体积和重量都非常大，并且绝对不能像手提行李一样在飞机上运输。

肺半部被物理地分开而形成的另外的肺模拟器从us6874501b1以及us6296490b1中已知，前一篇示出了透明胸腔的教育和视觉辅助模型，后一篇示出了用于测量引入肺部的呼吸气体流量的复苏实践假人。

所有前述的代表现有技术的系统具有附加的计算机，无论是作为笔记本电脑还是作为pc，该计算机经由其屏幕有助于对肺内连接的非常复杂的分析和评估。它们都使用单个驱动器，该驱动器使任一活塞上面在缸内或波纹管内运动。

因此，从现有技术中已知的顺应性呼吸驱动系统包括活塞-缸系统或波纹管系统，其中，活塞或波纹管的可动端板通过线性驱动器运动。

波纹管解决方案具有绝对无泄漏的优点，但是缺点是由于折叠的偏转，顺应性不如在活塞-缸系统的情况下那样被精确地限定。

插管模拟器代表气管，医生在内窥镜的支持下学习如何将呼吸器管引入气管。当涉及双腔管的插管时，双腔管必须引入每个主支气管，这是尤其重要的。这种难以实施的插管对于经常使用的单侧通气是必要的。这些插管模拟器中的一些具有非常简单的肺的代表，但是不可能有由计算机构成的便利分析。

在现有技术中不利的是，插管模拟器和肺模拟器大多设计为两个不同的装置。此外，现有技术不允许真正的双隔室模拟，这是双腔插管和单侧通气的先决条件。

本发明的任务在于创造一种肺模拟器，该肺模拟器同时允许基于真实的物理双隔室肺模型的肺模拟以及使用双腔管的插管模拟，并且应该可以经由外部或内部计算机提供复杂的分析。此外，肺模拟器应该轻便且易于运输、在可能的情况下也被批准作为飞机上的手提行李。

根据权利要求1解决了本发明的该任务。

对于本发明而言重要的是实现肺的双隔室模型，这是通过如下实现的：使肺模型具有气管导管，该气管导管在其输出部处分支成两个较窄的支气管。从每个支气管出发有对相应一个阻力顺应性呼吸驱动系统的气动连接。气管导管的输入部气动地附连于插管开口(即，插管输入部)，通过该插管开口引入呼吸器管。

特别有利的是，具有两个支气管的气管导管用两个主支气管机械地再现真实的物理气管。经由真实气管的cad数据的3d打印可以很容易地实现这一点。这具有以下优点：通常在内窥镜支持下实施的插管可以在尽可能真实的情形下进行实践。同样，气管导管和支气管也可以由简单的管或软管形成。

阻力顺应性呼吸驱动系统在各种情形下包括气动阻力元件和顺应性呼吸驱动系统。优选地，对于两个隔室来说，这些系统在结构上相同，然而也可以不同地形成。

阻力由气动阻力元件形成，阻力值可以改变。

对此的可能性是提供具有不同值的多个流动阻力，这些流动阻力可以通过气动开关来选择。在这方面，本领域技术人员知道通过开关也可以类似于二进制序列那样选择低阻力的组合。

然而，优选地，阻力由可变气动阻力元件形成，所述元件的液压直径可以手动或经由驱动器改变。

解决方案包括气动阻力元件，该气动阻力元件构造如下：

锥形内部主体轴向对齐地设置在锥形管中。这两个部件具有相同的锥度，并且内部主体可相对于锥形管轴向运动。两个部件彼此形成环形间隙，该环形间隙的尺寸以及由此液压直径也取决于内锥体相对于管的轴向位置。流动阻力是环形间隙宽度和环形间隙长度的函数。

内锥体到锥形管的轴向位移可以手动完成，然而优选地通过电动机、例如通过较小的线性驱动器完成，其中，通过路线调节(器)回路，可以为内锥体到锥形管的位置设定限定的距离，这导致限定的阻力。

阻力值可变的气动阻力元件的另一变型在于，由薄板形成间隙系统，其中，每个板通过弹性材料在侧向周界处与下一个板保持一定距离。因此，可以流过自由间隙表面。如果在外板上施加力，则板间距减小，并且该间隙系统的液压直径进而随之减小，这导致流动阻力的改变。间隙间距的改变可以手动地或经由马达齿轮进行。

第一气动阻力元件与第一支气管的输出部气动连接，第二气动阻力元件与第二支气管的输出部气动连接。

顺应性呼吸驱动系统可以已知的方式由活塞-缸系统或波纹管系统形成，通过线性驱动器将力施加到这些系统上。在活塞-缸系统的情况下，线性驱动器作用在活塞上，并且在波纹管系统的情况下，线性驱动器作用在波纹管的可移动端板上。

在这方面，线性驱动器表示

呈音圈马达形式的电动驱动器，或

旋转驱动器，该旋转驱动器的旋转运动经由主轴转换为线性运动，或

线性马达(直线马达)。

第一顺应性呼吸驱动系统的输入部与第一气动阻力元件的输出部气动连接，并且第二顺应性呼吸驱动系统的输入部与第二气动阻力元件的输出部连接。

顺应性呼吸驱动系统的驱动单元、以及在由电动机驱动的情况下的流动阻力的驱动单元需要电压供给、以及在每种情况下需要一个马达控制器。此外，肺模拟器包括协调所有单元的协作的中央控制器。

从第一支气管输出部到第一顺应性呼吸驱动系统以及从第二支气管输出部到第二顺应性呼吸驱动系统的距离上的体积流量v’的确定可以通过安装在该距离中的适当位置的体积流量传感器以已知的方式来测量而进行。另一种可能性包括通过根据等式以评估在相应的顺应性呼吸驱动系统中的活塞运动来确定体积流量。

然而，在这种已知的解决方案的情况下，没有考虑可压缩体积的影响，这种可压缩体积的影响特别地在较大的缸或波纹管的体积的情况下不再可以忽略不计。

为此，根据本发明，根据以下公式对上述计算进行修正：

此处，vz表示缸体积，pz表示各活塞-缸系统中的缸压力，p0表示大气压。

肺模拟器内的压力通过压力传感器确定。为此，需要至少两个压力传感器来确定：

在代表肺泡压力1时，输入部处的压力或者第一缸或波纹管内的压力，以及

在代表肺泡压力2时，输入部处的压力或者第二缸或波纹管内的压力。

有利地，提供两个另外的压力传感器，这两个压力传感器确定：

呼吸装置y形件处的压力，以及

就在分支到两个支气管之前的气管导管端部处的压力。

压力传感器的输出部与中央控制器的输入部电连接。

设备的整个智能包括在计算机、例如pc/笔记本电脑中的程序形式中，该计算机允许通过图形用户界面(gui)与操作者进行通信。计算机还采取中央控制器的控制并使用复杂算法评估其输出信号，并以数字和图形形式显示结果。

相应的顺应性呼吸驱动系统的线性驱动器由驱动控制器控制。该驱动控制器接收来自中央控制器的控制信号。同时，驱动控制器将信号、位置、速度、电流输送给中央控制器。

根据本发明，肺模拟器的壳体分为前部和后部。

前部可以例如通过在底端的铰链与后部连接，使得前部可以相对于后部折叠地打开，其中优选地，折叠角被限制为90°。

在前部设置具有两个支气管的气管导管。气管导管的输入部和插管开口之间的气动连接可以不同的方式进行：

作为优选地弯曲的管件；

经由喉部的物理仿真和另一管件；或者

经由喉部的物理仿真和包括嘴部开口的口腔的物理仿真，优选地作为具有张开嘴的人脸的三维表示(下文称为面部模型)。

通过将壳体折叠式打开的可能性，气管导管及其直到插管开口的不同的连接可能性水平地位于医生进行插管的位置。相反地，活塞-缸系统垂直地设置，因此活塞和缸之间的破坏性摩擦被尽可能地减小。

如果焦点更少集中于插管，而是集中于呼吸机能的模拟，则前部不需要(折叠)打开。然而，为了能够经由管进行与呼吸装置的连接，可以在前部形成开口，气管导管的第二输入部气动地连接在该开口处。经由该开口，医生可以直接引入呼吸器管直到刚好分支成两个支气管之前。

根据本发明，采用管状线性马达作为线性驱动器，该管状线性马达直接将力施加到活塞-缸系统或波纹管的活塞上而没有另外的传动装置。

在该管状线性马达的情况下，转子杆在定子内运动。当转子杆例如通过其第一端将活塞拉到外部时，转子杆的第二端远离定子运动。然而，这种管状线性马达需要较大的安装空间，这不必要地扩大了壳体。

为此，在转子杆露出的区域中的壳体处，可以设置伸缩管，伸缩管的延伸长度是可变的，并且在操作装置期间可以将伸缩管拉出，并且在其它情况下被推到一起。或者，可以提供可移除的护套，该护套在操作装置之前可以套到例如壳体中的可闭合的开口上，转子杆在操作过程中从开口露出。

由于根据本发明的肺模拟器构成两隔室肺模型，因此需要两个这样的伸缩管或护套。在伸缩管的情况下，这些伸缩管可以在它们各自的背离线性马达的端部部分处通过横杆连接，该横杆同时用作手提手柄。通过侧向突出的螺栓例如以已知的方式使伸缩管止动，其中，这对于拉出和推入的情形都是可能的。

该解决方案的优点在于，壳体可以保持得较小以便运输，而在操作期间通过拉出伸缩管或套上护套，提供了用于转子杆运动的必要空间。同时，该装置具有可伸展的手提手柄。

肺模拟器的重量是不可忽视的。为了能够更容易地运输肺模拟器，例如在壳体的后部可以安装两个滚轮。结合可伸展的手提手柄，该装置由此在关于其可运输性方面类似于推车。这是一种非常便利的节省重量和金钱的解决方案。

在不平坦的地面上运输的期间，肺模拟器的部件优选地设置成抵抗壳体内的振动，使得没有不允许的干扰施加于这些对干扰敏感的部件。

本发明的一特别有利的实施例提供了壳体的前部和后部通过拉链相互连接。

下面参照实施例描述本发明。

此处，

图1示出了肺模拟器的所有部件的功能协作的示意图，

图2示出了肺模型最重要的气动部件的示意图，

图3示出了顺应性呼吸驱动系统的示意图，以及

图4示出了具有面部模型的壳体的示意图。

将参照各附图提供对实施例的说明。

图1示出了呼吸器管16经由插管开口1.1插入气管导管1中。呼吸器管16的输入部连接于呼吸装置的y形件15。气管导管1分支到支气管1.2和支气管1.3中。

从支气管1.2起有到气动阻力元件2的气动连接，其值可以改变。气动阻力元件2的输出部与顺应性呼吸驱动系统4的输入部连接。呼吸驱动系统4由缸4.1和活塞4.2组成，活塞4.2经由转子杆4.4与线性驱动器4.3机械连接。

线性驱动器4.3的控制通过驱动控制器9进行，该驱动控制器9本身通过can总线与中央控制器8连接。该中央控制器8通过数据连接部12与外部计算机11连接。整个系统的电流供给由电源7进行。

气动阻力元件2经由数据线将其关于其切换位置的信息传输到中央控制器8。

压力传感器6.1确定顺应性呼吸驱动系统4的输入部处的压力。第二压力传感器6.2确定顺应性呼吸驱动系统5的输入部处的压力。第三压力传感器6.3确定气管导管1的端部处的压力，并且第四压力传感器6.4确定y形件15处的压力。

由气动阻力元件3、顺应性呼吸驱动系统5和驱动控制器10表示的另一个肺半部的功能与第一肺半部相同，因此不再进一步描述。

图2示出了两个对称构造的两个肺半部的气动示意图。在下文中，将仅描述一个肺半部。支气管1.2的输出部与气动阻力元件2的输入部连接。气动阻力元件2包括阻力切换器2.1，该阻力切换器2.1可经由旋钮2.4改变。具有不同值的四个气动阻力2.2通入收集组件2.3。软管2.5构成与顺应性呼吸驱动系统4的缸4.1的气动连接。

图3示出了顺应性呼吸驱动系统4，该顺应性呼吸驱动系统4与顺应性呼吸驱动系统5相同。线性驱动器4.3经由其转子杆4.4与活塞4.2机械连接。活塞4.2在缸4.1内运动。可以看到转子杆4.4如何向上延伸到线性驱动器4.3的定子外。

图4示出了壳体13，该壳体13由前部13.1和后部13.2组成，所有部件均都从构造上容纳在壳体中。在向外打开的前部13.1上设置有面部模型14，该面部模型14的嘴部开口与气管导管1气动地连接。两个伸缩管17.1和17.2在后部13.2上突出，这两个伸缩管的端部通过手提手柄17.3相互连接。未示出用于对伸缩管17.1和17.2进行止动所需的横向螺栓。

电源7、中央控制器8和驱动控制器9和10设置在后部13.2内。

后部13.2在其两侧的底端分别包括一个滚轮18。

附图标记列表

1气管导管

1.1插管开口

1.2第一支气管

1.3第二支气管

2第一气动阻力元件

2.1阻力切换器

2.2气动阻力

2.3收集组件

2.4旋钮

2.5连接管

3第二气动阻力元件

4第一顺应性呼吸驱动系统

4.1缸

4.2活塞

4.3线性驱动器

4.4活塞杆

5第二顺应性呼吸驱动系统

5.1缸

5.2活塞

5.3线性驱动器

6压力传感器

6.1用于肺泡压力1的压力传感器

6.2用于肺泡压力2的压力传感器

6.3用于气管中压力的压力传感器

6.4用于y形件处压力的压力传感器

7电源

8中央控制器

9第一驱动控制器

10第二驱动控制器

11计算机

12数据连接部

13壳体

13.1前部

13.2后部

14面部模型

15y形体

16呼吸器管

17携带系统

17.1第一伸缩管

17.2第二伸缩管

17.3手提手柄

18滚轮。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.肺模拟器，包括

气管导管(1)，所述气管导管具有附连于插管开口(1.1)的至少一个气动输入部，并且分支成两个侧向露出的支气管(1.2、1.3)作为气动输出部，

第一气动阻力元件(2)和第二气动阻力元件(3)，

其中，所述第一支气管(1.2)连接于所述第一气动阻力元件(2)的输入部，以及

所述第二支气管(1.3)连接于所述第二气动阻力元件(3)的输入部，

第一和第二顺应性呼吸驱动系统(4、5)，每个所述顺应性呼吸驱动系统包括用于产生运动的线性驱动器(4.3、5.3)，其中

所述第一气动阻力元件(2)的输出部连接于所述第一顺应性呼吸驱动系统(4)的输入部，以及

所述第二气动阻力元件(3)的输出部连接于所述第二顺应性呼吸驱动系统(5)的输入部，

用于确定通过所述第一气动阻力元件(2)和所述第二气动阻力元件(3)的体积流量的装置，

至少两个压力传感器(6.1、6.2、6.3、6.4)，其中

第一压力传感器(6.1)经由软管与所述第一顺应呼吸驱动系统(4)的输入部或内部连接，以及

第二压力传感器(6.2)经由软管与所述第二顺应呼吸驱动系统(5)的输入部或内部连接，

至少一个电源(7)和一个中央控制器(8)，所述中央控制器(8)用于与所述线性驱动器(4.3、5.3)的驱动控制器(9、10)进行数据交换，并且用于与所述压力传感器(6.1、6.2、6.3、6.4)和用于确定体积流量的所述装置通信，

计算机(11)，所述计算机(11)集成在所述装置中或是外部的计算机，通过数据连接部(12)与所述中央控制器(8)联接，其中，所述计算机(11)配置成建立用户与肺模拟器的通信并模拟患者的呼吸机能，以及

壳体(13)，所述壳体(13)包括前部(13.1)和后部(13.2)，所述前部(13.1)和所述后部(13.2)尽可能封闭所述肺模拟器，用于运输所述肺模拟器。

2.如权利要求1所述的肺模拟器，其特征在于，所述气管导管(1)和所述支气管(1.2、1.3)形成以在形状和尺寸上代表具有两个主支气管的人类气管。

3.如前述权利要求所述的肺模拟器，其特征在于，所述两个气动阻力元件(2、3)的值能改变。

4.如前述权利要求中任一项所述的肺模拟器，其特征在于，所述顺应性呼吸驱动系统(4、5)中的每一个包括一个活塞-缸系统，其中，活塞(4.2、5.2)可移动地设置在缸(4.1、5.1)内，所述活塞(4.2、5.2)分别由一个线性驱动器(4.3、5.3)运动。

5.如权利要求1-3中任一项所述的肺模拟器，其特征在于，每个顺应性呼吸驱动系统(4、5)包括波纹管系统，其中，每个所述波纹管的可移动端板分别由一个线性驱动器(4.3、5.3)运动。

6.如前述权利要求中任一项所述的肺模拟器，其特征在于，用于确定通过相应的所述气动阻力元件(2、3)的体积流量的所述装置包括：

一个相应的体积流量传感器，所述体积流量传感器设置在两个距离的每一个中，和/或

使用公式计算在相应的距离中的体积流量，其中vz为所述缸或波纹管的体积，pz为在相应的所述活塞-缸系统或所述波纹管系统中的缸压力或波纹管压力，以及p0为大气压力。

7.如前述权利要求中任一项所述的肺模拟器，其特征在于，所述壳体(13)包括前部(13.1)和后部(13.2)，其中，所述前部(13.1)在底端与所述后部(13.2)连接，并且所述前部(13.1)能够相对于所述后部(13.2)向外折叠式打开90°，其中，所述气管导管(1)设置在所述前部(13.1)的内侧。

8.如前述权利要求中任一项所述的肺模拟器，其特征在于，所述气管导管(1)具有两个气动输入部，其中，第二输入部(1.4)附连于设置在所述前部(13.1)的前侧上的开口。

9.如前述权利要求中任一项所述的肺模拟器，其特征在于，所述线性驱动器(4.3、5.3)是具有转子杆的管状线性马达，其中，在所述壳体(13)的所述后部(13.2)上、在所述转子杆从所述线性马达(4.3、5.3)的定子中露出的位置处设置有可伸出的伸缩管(17.1、17.2)，所述伸缩管在其各端部处经由手柄杆(17.3)相互连接，由此形成携带系统(17)。

10.如前述权利要求中任一项所述的肺模拟器，其特征在于，所述壳体的后部(13.2)在其底侧配备有两个滚轮。