呼吸机雾化剂递送 对相关申请的交叉引用
依据U.S.C.§119(e)的规定，本申请要求享有2007年4月19日提交的美国临时专利申请No.60/925,308的权益，依据U.S.C.§120/365的规定，本申请要求享有2008年4月10日提交的美国申请No.12/100487的权益。
【技术领域】
本发明总体上涉及为患者服用雾化药剂，更具体而言涉及优化呼吸操作的递送以提高药剂递送的有效性。
背景技术
已经知道通过患者的呼吸道递送药剂。这种递送方式使得应对疾病，特别是影响肺系统的疾病的局域化和系统性效应的医疗制度得以发展。
雾化器是所采用的经由呼吸道递送药物的通用设备。通常，雾化器将水基药剂转换成供患者吸入的雾化剂。雾化器可以采用不同机制对药剂进行雾化。例如，气动(或喷气)雾化器采用压缩空气将水基药物分散成雾化剂形式。相反，超声波雾化器采用电源激励压电元件，压电元件产生高频振动。这些振动导致小颗粒从水基药剂表面分离，从而形成雾化剂。振动网技术(VMT)雾化器采用的是其中有众多微观孔隙的网。在网(或雾化器之内的另一部件)中诱发振动，导致水基药剂被挤压通过网眼。以雾化剂的形式将水基药剂从网眼喷射出去。
重要的是以可再现且精确的方式服用医生开出的药物剂量。可再现性和精确度非常大程度上取决于在药物递送期间执行的一个或多个呼吸动作。术语“呼吸动作”、“动作”及其派生词是指与服用部分和/或全部剂量的药物相关的若干呼吸周期特征和/或定剂量(dosing)特征。可以将术语呼吸动作理解为包括，例如但不限于每分钟呼吸次数(BPM)、吸入流率、潮气量、递送入患者体内的雾化剂体积、雾化剂脉冲时长和配量事件时长。
授予Denyer等人的美国专利申请No.10/535,597教导了一种提高为患者服药的精确度和可重复性的呼吸动作，该申请与本申请有相同的发明人和受让人，在此将其全文并入本文。一般而言，Denyer等人教导了一种在药物递送装置中产生信号的方法，患者通过该装置接收一定剂量的药物。可以将这些信号用作反馈，以帮助患者完成期望的呼吸动作。然而，Denyer等人一般针对的是能够自发呼吸的患者(例如，未被换气的患者)。相反，机械换气的患者可能无法对所产生的反馈信号做出充分响应，从而无法完成期望的呼吸动作。
通过呼吸机电路向患者递送雾化药剂可能效率低下。在一些情况下，仅有百分之十到三十的标称剂量实际到达患者那里。剩余的药剂例如可能在呼出气流中被送出或丢失而阻塞于呼吸机电路、气管内导管和患者上方气道中。
为了减少丢失于呼出气流中的药剂所做的努力包括例如仅在吸入期间触发雾化剂发生器、增大沉降时间和在服用雾化药剂期间调整患者位置取向。为了减少由于堵塞而导致的药剂丢失所做的努力包括例如重新在呼吸机电路和患者接口设备(例如，气管内导管；面具等)之间定位雾化剂发生器(例如，雾化器)、在产生雾化剂期间中止加湿以及降低吸入流率。这些努力的每一种都获得了不那么理想的结果，通常需要医生的确认行为。例如，医生必需手工调节呼吸机的设置来减小吸入流率。
因此，需要一种装置和方法，用于为被换气患者实现改善的雾化药剂递送，其克服了与已知系统相关联的这些和其他问题。
【发明内容】
根据本发明的一方面，一种向接收呼吸气体流的机械换气患者递送药剂的方法包括：向这种患者递送呼吸动作；监测所述呼吸动作对这种患者的生理效应；响应于监测到的生理效应自动确定优化的呼吸动作；以及向这种患者递送所述优化的呼吸动作。
根据本发明的另一方面，一种用于协调向机械换气患者递送气流和递送药剂的方法包括：利用流发生器产生所述气流；确定与所述流发生器相关联的若干第一操作参数；确立呼吸动作，其中，所述呼吸动作包括与所述流发生器相关联的若干第二操作参数以及与药剂递送设备相关联的若干操作参数；向这种患者递送所述呼吸动作，其中，以协调地方式实现与所述流发生器相关联的若干第二操作参数和与所述药剂递送设备相关联的若干操作参数；监测这种患者对所述呼吸动作的生理反应；以及响应于这种患者的生理反应自动确定优化的呼吸动作。
根据本发明的另一方面，一种用于向被动换气患者递送雾化药剂的系统包括：用于产生呼吸气体流的呼吸机；用于使药剂雾化的雾化器；用于产生与这种患者对接收所述雾化药剂的响应相关联的输出信号的监测设备；以及可操作地与所述呼吸机、雾化器和监测设备耦合的控制器，其中，所述控制器适于协调所述呼吸机和所述雾化器的工作以产生呼吸动作，并响应于来自所述监测设备的输出信号，自动确定呼吸机设置和雾化器设置，以优化向这种患者递送所述雾化药剂。
参考附图考虑以下说明书和所附权利要求，将更加明了本发明的这些和其他目的、特征和特性以及结构相关元件及部件组合的操作方法和功能，以及制造的经济性，全部附图构成本说明书的一部分，其中，类似的附图标记表示各图中的对应部分。然而应当明白地理解，附图仅仅是为了例示和说明而不是意在定义本发明的限制。
【附图说明】
图1是根据本发明的一个实施例适于提供呼吸性治疗疗法的系统的示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施例用于向机械换气患者递送药剂的操作过程；
图3示出了根据本发明的另一实施例用于向机械换气患者递送药剂的操作过程；
图4为示出了根据本发明的一个实施例向机械换气患者递送雾化药剂的曲线图；
图5为示出了与图4递送雾化药剂相关的肺顺应性的曲线图；
图6为示出了与图4递送雾化药剂相关的肺阻力的曲线图；
图7为示出了与图4递送雾化药剂相关的电路压力的曲线图；
图8为示出了根据本发明一个实施例对机械换气患者进行雾化药剂治疗的曲线图；
图9为示出了与图8的雾化药剂治疗相关的每分钟呼吸的曲线图；
图10为示出了与图8的雾化药剂治疗相关的心率的曲线图。
【具体实施方式】
这里使用的方向性短语，例如左、右、顺时针方向、逆时针方向、顶部、底部、上、下及其派生词，涉及到图中所示的元件取向，除非在权利要求中明确指出，否则不对权利要求有限制。
如本文所使用的，除非上下文明确做出不同说明，术语“数量”应表示一个或超过一个，单数形式“一”、“一个”和“该”包括多个所指对象。
如本文所使用的，两个或更多部分“连接”或“耦合”在一起的表述应当表示这些部分直接结合在一起或通过一个或多个中间部分结合在一起。此外，如本文所使用的，两个或更多部分“附着”在一起的表述应当表示这些部分是直接结合在一起的。
图1中示出了根据一个实施例用于向被换气患者递送雾化药剂的系统1。系统1包括流发生器2、雾化剂发生器3、患者监测设备5和控制器6。
构造流发生器2以产生呼吸气体流，该气体流通过患者电路7通往患者4。在本实施例中，尽管想到可以使用其他设备，但将呼吸机2用作流发生器，例如均可从宾夕法尼亚州Murrysville的Respironics Inc.买到的呼吸机或呼吸机。如图1所示，通过例如气管内导管8的患者接口设备8将呼吸气体流递送给患者4，患者接口设备8与患者电路7流体相通。想到可以采用其他患者接口。雾化剂发生器3位于患者电路7的下游；这里，处于患者电路7和气管内导管8之间。结果，消除了雾化药剂在患者电路7中的阻塞。尽管想到过可以使用其他设备，但在本实施例中将例如可从Respironics Inc.买到的雾化器的雾化器3用作雾化剂发生器。
构造监测设备5以例如响应于所递送的呼吸动作跟踪患者4的生理状态。尽管也想到可以使用其他设备，这种监测设备5的范例包括Cardiopulmonary Management System和Capnograph，每种都可从Respironics Inc.买到。通常为患者4使用若干传感器(图1中未示出)，传感器经由信号线12与监测设备5通信。尽管图示为经由硬线路连接通信，在保持处于本发明范围之内的同时，想到监测设备5可以与若干传感器无线通信。监测设备5可以接收到与例如但不限于肺顺应性、气道阻力、电路压力、呼吸速率、每分呼吸量、动脉血氧分压、动脉血二氧化碳分压和动脉血中氧饱和度百分比相关联的信号。
控制器6可以包括处理器、存储器和用户接口设备(未示出)等。通常，处理器适于实施用于优化呼吸动作递送的若干例程。所述例程可以是多种形式的任何形式，例如但不限于可由处理器执行的软件、固件等。例如，处理器可以适于实施用于协调呼吸机2和雾化器3的工作的例程。存储器可以是各种内部和/或外部存储介质的任一种，例如，但不限于RAM、ROM、(一个或多个)EPROM、(一个或多个)EEPROMS等，提供用于数据存储的寄存器，例如以计算机内部存储区域的方式，并且可以是易失性存储器或非易失性存储器。存储器为可由处理器执行的若干例程提供存储器等。用户接口可以包括，但不限于鼠标、键盘和/或显示器。
构造控制器6以与呼吸机2、雾化器3和监测设备5通信。在本实施例中，控制器6经由信号线9与呼吸机2通信，经由信号线11与雾化器3通信，经由信号线10与监测设备5通信。尽管图示为经由硬线路连接通信，在保持处于本发明范围之内的同时。想到系统1可以结合一个或多个无线通信设备(例如，控制器6可以与呼吸机2、雾化器3和/或监测设备5无线通信)。
尽管在图1中被示为离散部件，在保持在本发明的范围之内的同时，想到可以将一个或多个设备和/或其功能组合成单个设备。例如，可以将控制器6的功能并入呼吸机2中并由呼吸机2执行。
系统1适于使得呼吸机2和雾化器3的工作是同步的。如这里将要更详细论述的，控制器6适于，但不限于判断患者4的呼吸周期、在患者呼吸周期的一部分期间激活雾化器3并在雾化剂递送期间控制呼吸机2的工作。控制器6还适于响应于患者对呼吸动作和/或所递送药剂的生理反应来优化呼吸机2和雾化器3的工作。
图2示出了根据本发明一个实施例的用于向机械换气患者递送药剂的操作过程。例如，但不限于，本实施例中的患者是154磅(70kg)重的平均成年高度的男性患者，全肺容量(TLC)为6升(L)、肺活量(VC)4.8L、肺余气量(RV)为1.2L。在正常呼吸期间，假设患者的潮气量为五百毫升(500mL)、呼吸速率为每分钟十次呼吸(10BPM)，每分呼吸量为每分钟五升(5L/min)。对于本领域技术人员而言，显然，本发明决不限于这种患者，可以容易地适用于任何患者。
在操作21，向这种患者递送呼吸动作。在本实施例中，控制器6适于使呼吸机2和雾化器3的工作同步，从而产生期望的呼吸动作。例如，控制器6调节呼吸机2，在大约三秒(3sec)的时间内以每分钟二十四升(24L/min)的速率递送呼吸气体流。这种动作提供了1.2L的潮气量，大约是患者肺活量的25％。此外，控制器6在吸入阶段初期激活雾化器3，使药剂雾化，在吸入阶段结束前(例如吸入阶段结束前两秒)去活雾化器3，从而能在雾化剂脉冲之后递送一定时间的“新鲜空气”。
在操作22，监测患者对呼吸动作和所递送药剂的生理反应。在当前实施例中，监测设备5跟踪患者对呼吸动作和所递送药剂的生理反应。对患者4施加若干传感器(图1中未示出)，并经由信号线12与监测设备5通信。监测设备5可以接收到与例如但不限于肺顺应性、气道阻力、电路压力、呼吸速率、每分呼吸量、动脉血氧分压、动脉血二氧化碳分压和动脉血中氧饱和度百分比相关联的信号。
在操作23，响应于在操作22中监测到的患者生理反应自动优化呼吸动作。在当前实施例中，监测设备5经由信号线10向控制器6发送若干与患者生理反应相关联的信号。控制器6采用这些信号来计算优化的呼吸动作。例如，控制器6可以使用与肺顺应性、气道阻力和电路压力相关联的信号来计算将由优化的呼吸动作递送的新吸入体积。
在操作24，向患者递送优化的呼吸动作。在本实施例中，控制器6调节呼吸机2和/或雾化器3的设置以递送优化的呼吸动作。例如，控制器6可以调节呼吸机2，以递送大约为患者肺活量80％的潮气量。例如，调节呼吸机2以在大约四点五秒(4.5sec)的时间内递送大约每分钟五十升(50L/min)的流率，并在吸入阶段初期激活雾化器3，在吸入阶段结束前去活雾化器3(从而能够在雾化剂脉冲之后递送一段时间的“新鲜空气”)。
想到在治疗期间可以将操作22-24重复任意多需要的次数。例如，要在在单次治疗期间递送整个处方剂量的药物可能需要多个呼吸动作(即治疗可以由任意数量的呼吸动作构成)。此外，想到可以将与治疗的最后呼吸动作相关联的优化动作设置用于后继治疗的第一个呼吸动作。结果，优化了后继治疗的雾化剂递送(例如，系统1自动“知道”患者的病情)。
图3示出了根据本发明另一个实施例用于递送雾化药剂的操作过程30。在操作31，治疗开始，此时，医生向递送系统中加入预设剂量的水基药剂并指定要递送药剂的时长。在本实施例中，例如，医师向雾化器3中加入预设剂量的舒喘宁并指出要在5到30分钟内递送该剂量。
操作控制然后前进到操作32，在操作32，确定呼吸机的正常参数。在本实施例中，控制器6经由信号线9从呼吸机2接收正常参数(例如与稳定态呼吸周期相关联的参数)。在本实施例中，例如，设置呼吸机2，利用1.2秒的吸入时间，以25L/min的流率递送500mL的潮气量。
在接收正常参数之后，操作控制前进到操作33，在操作33，加载基线呼吸动作参数。在本实施例中，从正常呼吸机设置导出基线呼吸动作参数并加载到控制器6中。例如，但不限于，用于基线呼吸动作的潮气量参数是正常潮气量参数的1.5倍，用于基线呼吸动作的吸入流率参数是正常吸入流率参数的50％，用于基线呼吸动作的雾化剂脉冲时间参数大约是正常吸入时间参数的25％，包括最大两秒的“新鲜空气”时期。
在加载基线动作参数之后，在操作34中确定呼吸动作。在本实施例中，控制器6利用在操作33中加载的基线动作参数和来自操作32的正常操作参数建立这一阶段的呼吸动作。继续以上范例，由控制器将用于基线呼吸动作的潮气量确定为750mL(即1.5×500mL)，将吸入流率确定为12.5L/min(即25L/min的50％)，将吸入时间确定为3.6秒，并将雾化剂脉冲时间确定为0.9秒(即大约为3.6秒的25％)。
在确定呼吸动作之后，操作控制前进到操作35，在操作35，产生信号，告知患者即将开始呼吸动作。在本实施例中，例如，产生声音信号。想到过可以使用任何信号(例如，但不限于声音信号、视觉信号和/或触觉信号)或信号组合来告知患者即将开始呼吸动作，同时保持处于本发明的范围之内。
当在操作35中产生信号之后，操作控制前进到操作36，在此将呼吸动作递送给患者。在本实施例中，控制器6适于递送在操作34中建立的呼吸动作。因此，控制器6经由信号线9向呼吸机2发送触发信号和流时间信号。作为响应，呼吸机2将吸入流率从25L/min降低到12.5L/min，并将潮气量从500mL增大到750mL。此外，控制器6经由信号线11向雾化器3发送雾化剂触发信号。作为响应，雾化器3在0.9秒内(即雾化剂脉冲时间)使水基药剂雾化。由呼吸机2产生的呼吸气体流将雾化药剂经由气管内导管8和患者的上方气道输送到患者的肺部。在吸入阶段结束之前使雾化器3去活，以提供“新鲜空气”期间。
想到过让控制器6可以在递送呼吸动作之前或之后发出其他命令。例如，控制器6可以在递送呼吸动作之前发出第一命令中止呼吸机的加湿器工作，在递送呼吸动作之后发出第二命令重新开始加湿器工作。
在递送呼吸动作之后，操作控制前进到操作37，在此产生信号，告知患者当前呼吸动作已结束。在本实施例中，例如，产生声音信号。在保持处于本发明的范围之内的同时，想到可以使用任何信号(例如，但不限于声音信号、视觉信号和/或触觉信号)或信号组合来告知患者呼吸动作已结束。
接下来，操作控制前进到操作38，在此测量患者对呼吸动作以及所递送药剂的响应。在本实施例中，用呼吸机2来监测几个参数，例如，但不限于肺顺应性、气道阻力和电路压力。经由信号线9将这些参数发送到控制器6。此外，监测设备5适于监测几个参数，例如，但不限于每分钟呼吸次数(BPM)、每分呼吸量、氧饱和度(SAO2)、二氧化碳(CO2)和心率。将这些参数从监测设备5经由信号线10发送到控制器6。
在测量患者的响应之后，在操作39处判断吸入体积是否优化。在本实施例中，将作为患者肺活量80％的潮气量选择作为目标，并使用肺顺应性、气道阻力和电路压力参数等判断是否应当增加/减小用于下一动作的吸入体积。此外，使用BPM、每分呼吸量、SAO2、CO2和心率参数来判断是否能够对下一呼吸动作的参数做出调节以使患者压力最小。想到可以采用除作为患者肺活量80％的潮气量之外的度量来判断呼吸动作是否被优化。
如果吸入体积未被优化(例如在本示例中，如果呼吸动作的潮气量设置不是患者肺活量的80％)，操作39分支到“否”，操作控制前进到操作40，在此更新基线动作参数。在本实施例中，用在操作34中确定的呼吸参数替换一个或多个基线动作参数。当在操作40中更新基线动作参数之后，或者如果操作39分支到“是”，操作控制前进到操作41。
在操作41，判断是否已经递送了医师在操作31加载到递送系统中的水基药剂的全部剂量。如果残余一部分药剂，操作41分支到“否”，操作控制返回到操作34。在操作34，确定呼吸动作。应当指出，该呼吸动作将包括来自操作40的更新后基线参数(如果有的话)。重复操作34到41，直到向患者递送了全部剂量的药剂和/或要递送药剂的时长(如在操作31中所指定的)已到期。在本实施例中，递送呼吸动作之间的时长取决于患者对前一呼吸动作的响应。例如，第一呼吸动作可能导致患者心率增加。在患者心率回到可接受水平之前将不会递送后继的呼吸动作。
如果在操作41判定已经递送了向雾化器3中加载的完全剂量的水基药剂，操作41分支到“是”，操作控制前进到操作42。在操作42，存储最近更新的一组基线参数(如在操作40中所确定的)。因此，用于后继治疗的药剂递送(例如实施下一次操作过程30)将得到优化。
在存储了更新后的默认设置之后，操作控制前进到操作43，在此产生表示已完成当前治疗的信号。在本实施例中，例如，产生声音信号。在保持处于本发明的范围之内的同时，想到可以使用任何信号(例如，但不限于声音信号、视觉信号和/或触觉信号)或信号组合来表示已完成当前治疗。优选地(但不是必需地)，在操作35中产生的信号(告知患者呼吸动作开始的信号)、在操作37中产生的信号(告知患者呼吸动作结束的信号)以及在操作43中产生的信号(告知患者当前治疗结束的信号)充分不同，以免让患者混淆所产生信号的含义。
在产生了表示完成治疗的信号之后，操作44终止操作过程30。在本实施例中，控制器6告知呼吸机2治疗完成。结果，向呼吸机2中加载与患者稳定状态呼吸周期相关联的参数。在本实施例中，例如，复位呼吸机2，在1.2秒的吸入时间内，以25升每分钟(L/min)的流率递送500mL的潮气量。想到过，可以在需要时更新这些参数，以反映出因给予治疗造成的患者病情的任何变化。例如，所服用药剂对患者的作用可能必需要把潮气量参数增大到600mL。
图4为根据本发明一个实施例的单个呼吸动作的图解示意，用于向机械换气患者递送雾化药剂。如图4所示，在吸入阶段期间采用该呼吸动作。呼吸动作包括雾化剂脉冲，接着是“新鲜空气”期间，该期间在呼出阶段紧前方。图5-7示出了与图4中递送雾化药剂相关的肺顺应性、肺阻力和电路压力。参考图5，可以看出，肺顺应性的量在吸入期间一般会减少。相反，参考图6和7，可以看出，对于吸入阶段的第一部分，肺阻力和电路压力保持相对恒定，但在接近吸入阶段终止处迅速增大。
图8示出了根据本发明的一个实施例在雾化药剂治疗期间向机械换气患者递送的呼吸气体流。图9和10分别示出了这样的患者响应于图8的雾化药剂治疗的每分钟BPM和心率。
在期间“t1”期间，向患者递送稳态呼吸气体流以维持正常呼吸。患者的BPM和心率保持基本恒定。
在期间“t2”期间，向患者递送呼吸动作。如图8所示，呼吸动作包括正常(即稳态)流率的减小、正常(即稳态)潮气量的增加以及具有“新鲜空气”期间的雾化剂脉冲。响应于该呼吸动作，患者的BPM减小，而患者的心率增加。在第一预定期间内减小与气流相关联的正常潮气量和正常流率，在时长小于第一预定期间时长的第二预定期间内激活雾化器。在本实施例中，第二预定期间的时长(即雾化剂脉冲的时长)比第一预定期间的时长(即整个呼吸动作的时长)少“新鲜空气”期间的时长。
在递送呼吸动作之后，递送给患者的呼吸气体的量有些瞬变过程。如图8所示，在期间“t3”开始时向患者递送较大的呼吸气体流。作为响应，患者的BPM增加，而患者的心率减小。在期间“t3”期间，递送给患者的呼吸气体量缓慢下降，直到达到稳定状态。作为响应，患者的BPM和心率降回到基本恒定水平。
在患者的BPM和心率回到恒定水平(如期间“t4”中所示)之后，在期间“t5”期间递送另一呼吸动作。在本实施例中，这一呼吸动作得到优化，可以包括流率的减小、潮气量的增加和具有“新鲜空气”期间的雾化剂脉冲，这可能与在期间“t2“期间递送的呼吸动作不同。响应于在期间“t5”期间递送的呼吸动作，患者的BPM减小，患者的心率增加。
在递送呼吸动作之后，递送给患者的呼吸气体的量有些瞬变过程。在期间“t6”开始时向患者递送较大的呼吸气体流。作为响应，患者的BPM增加，而患者的心率减小。在期间“t6”期间，递送给患者的呼吸气体量缓慢下降，直到达到稳定状态。作为响应，患者的BPM和心率降回到基本恒定水平(如在期间“t7”中所示)。
尽管图8-10仅示出了两个呼吸动作的递送，保持在本发明范围之内的同时，想到可以向患者递送任意数量的呼吸动作。
尽管采用具体呼吸动作例示了所公开的实施例，但本领域的技术人员应当明白，选择为患者使用的具体呼吸动作可以涵盖很大的值范围。例如，想到可以选择任意数量的呼吸动作，其中，以每分钟0-99升的流率，以0-10秒的吸入时间递送0-4000毫升之间的潮气量。通常，想到将选择选定的呼吸动作，其中，以每分钟10-50升的流率，以0.5和5秒之间的吸入时间递送100-1000毫升之间的潮气量。
尽管已经基于当前认为是最实际和优选的实施例出于例示的目的详细描述了本发明，但应当理解，这样的细节仅仅出于上述目的，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，意在涵盖所附权利要求的精神和范围之内的修改和等价设置。