自作用气缸和振动肺活量计
阅读：53发布：2020-05-12
专利汇可以提供自作用气缸和振动肺活量计专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种自作用 气缸 ，所述气缸包括 气缸壳体 和 活塞 ，所述气缸壳体包括电磁 力 发生装置，以产生电磁力，所述活塞位于气缸壳体内，其中，电磁力直接作用在活塞上，以使活塞在气缸壳体内移动。自作用气缸可以用作振动 肺 活量计 ，以确定气流、输入阻抗或强制振动的肺力学。，下面是自作用气缸和振动肺活量计专利的具体信息内容。
1.一种自作用气缸，包括：
-气缸壳体，所述气缸壳体包括产生电磁力的电磁力发生装置，所述电磁力发生装置包括具有两段铜绕组的电机线圈，每一段所述铜绕组产生的电磁力与另一段铜绕组产生的电磁力的方向相反；
-活塞，所述活塞位于气缸壳体内，所述活塞包括沿着轴向方向极化的环形永久磁铁；
-位置检测装置，所述位置检测装置用于测量活塞相对于气缸壳体的位置；
-前气室和后气室，所述前气室和后气室位于气缸壳体内在活塞的相对侧上；
-流动通道，所述流动通道容许在前气室与后气室之间的空气流动；
-前盖板，所述前盖板遮盖前气室，并包括前口，所述前口使空气能在前气室与呼吸系统之间交换；
-后盖板，所述后盖板遮盖后气室，并包括接口，所述接口使空气能在后气室与外部环境之间交换；和
-压力变送器，所述压力变送器用来测量穿过流动通道的压降，
其中，电磁力直接作用在所述活塞上，以使所述活塞在所述气缸壳体内移动，以及压力测量用于当活塞保持在向前位置时来确定来自前口的气流，而压力和位置测量用于当活塞按照预定的波形振动时来确定连接到前口上的呼吸系统的输入阻抗。
2.按照权利要求1所述的自作用气缸，其中，接口包括孔，而外部环境是周围环境。
3.按照权利要求1所述的自作用气缸，其中，接口包括后口，而外部环境是通风器回路。
4.按照权利要求1到3中任一项所述的自作用气缸，还包括：
-第二压力变送器，所述第二压力变送器用于测量前气室与大气之间的压差。
5.按照权利要求1到3中任一项所述的自作用气缸，其中，活塞包括在其后表面上的反射面，而位置检测装置包括：
-偏心激光二极管，所述偏心激光二极管将激光束投射到反射面上；和-光学位置传感器，所述光学位置传感器接收反射的激光束。
6.按照权利要求5所述的自作用气缸，还包括：
电子电路，所述电子电路用于根据来自位置检测装置的读数通过激发电磁力发生装置来伺服控制活塞的位置。
7.按照权利要求1到3中任一项所述的自作用气缸，其中，前口装有抗细菌过滤器。
8.按照权利要求1到3中任一项所述的自作用气缸，还包括连接装置，所述连接装置用于将气缸连接到外部结构上。
自作用气缸和振动肺活量计
技术领域
背景技术
[0002] 在伺服控制活塞/气缸泵中具有普遍意义。例如，SCIREQ的最佳典型产品TMflexiVent 实质上是一种计算机控制的活塞泵，这种活塞泵定制供用于临床前研究用作肺力学的机械通风器和测量装置。
[0003] 伺服控制活塞泵通常包括：i)执行机构，ii)活塞/气缸组件，iii)位置/位移测量装置，和iv)将其它部件连接一起以便将力从一个部件传送到另一个部件的齿轮、杆件或其它装置。尽管在某些情况下，执行机构和位置测量多少形成整体，例如当使用步进电机时，但没有不受专利权限制的已知解决方案，所述解决方案将执行机构和气缸组合成整体装置，这样使得一点也不需要连接杆件或齿轮。
[0004] 上述配置有许多缺点。首先，它们的尺寸不能轻易地减小，因为必须为连接杆提供空间。例如，以DC线性执行机构为基础的配置可能轻易地要求总长度大于其实际行程长度的4倍。此外，连接齿轮和杆件可能由于重量、刚度不足、对准不良、接头间隙、摩擦作用和动态性能而造成问题和/或降低性能。最后，各部件的多样性都加到整个系统成本上。 [0005] 因此，目前仍有必要研制独立的线性执行机构/气缸，所述独立的线性执行机构/气缸将线性执行机构、移动气体或液体的气缸和测量位置的装置形成一个整体装置，所述整体装置i)不需要任何连接杆或齿轮；和ii)装配到具有可比行程容积的常规执行机构/气缸组件的较小外壳中。
[0006] 此外，对于肺活量测定和肺的强制振动力学需要有改进的整体装 置。在肺的医疗中，患者的呼吸形式往往是通过记录在患者的口部和/或鼻处的气流并得到许多参数，比如呼吸气量和呼吸频率来进行定量评估。经常，也要求患者实施特殊的动作，比如在用力呼气之后深吸气，以便测量一秒钟内的强制呼气量(FEV1)和强制肺活量(FVC)。这种方法通常称为“肺活量测定法”。
[0007] 近年来，已经出现称为强制振动技术(FOT)作为肺活量测定法的可能替代方法。简单地说，FOT通常是在亚声速频率到大约50Hz的频带下，通过将小幅度的波形施加到治疗对象的气道开口上来测量呼吸系统的输入阻抗。记录所得到的流量和压力波动，并用来计算输入阻抗的实际和假想部分。在人体上得到FOT测量结果的装置通常是根据大功率扬声器，所述扬声器通过长的管道连接到治疗对象的气道开口上。具有校准的阻力和/或偏流的侧口确保患者不再吸入他们自己呼出的空气。利用呼吸速度描记器来评估或测量所得到的气流。
[0008] FOT具有一些优点是：较少地要求患者配合；提供详细的信息；以及测量的参数直接与肺的物理学有关。然而，目前的FOT装置受到限制，因为这种装置尺寸大、低频性能差并且患者与装置之间的连接不良。
[0009] 因此，目前仍需要“振动肺活量计”(OS)，所述振动肺活量计i)可以起到肺活量计作用并得到FOT测量结果；ii)为紧凑型且重量足够轻，可携带并能手持操作；iii)将FOT波形发生器紧密接近气道开口放置，以使患者与装置之间能良好连接；iv)提供直到超低频的良好性能；和v)有可能形成整体机械通风器回路。
发明内容
[0010] 本发明的目的是提出一种能满足至少一个上述要求的自作用气缸。 [0011] 按照本发明，所述目的用这种自作用气缸达到，所述自作用气缸将线性电磁执行机构、气缸和位置检测装置集成成一小型且独立的装置，其中，电磁执行机构的力直接作用到活塞头上。
[0015] -位置检测装置，其用于测量活塞相对于气缸壳体的位置，
[0016] -前气室和后气室，所述前气室和后气室位于气缸壳体内活塞的相对侧上； [0017] -流动通道，所述流动通道使空气能在前气室和后气室之间流动； [0018] -前盖板，所述前盖板遮盖前气室，并包括前口，以使前气室与呼吸系统之间能交换空气；
[0020] -压力变送器，所述压力变送器用于测量穿过流动通道的压降， [0021] 其中，电磁力直接作用在所述活塞上，以使所述活塞在所述气缸壳体内移动，以及压力测量用于当活塞保持在向前位置时来确定来自用口的气流，而压力和位置测量用于当活塞按照预定的波形振动时来确定连接到前口上的呼吸系统的输入阻抗。 [0022] 现在将参照附图给出本发明的优选实施例的非限制性说明。
[0023] 附图说明
[0024] 图1是本发明自作用气缸的侧视横剖面图；
[0025] 图2是图1所示自作用气缸在活塞处于完全向前位置时的侧视横剖面图； [0026] 图3是图1所示自作用气缸在活塞处于完全向后位置时的侧视横剖面图； [0027] 图4是本发明优选实施例的振动肺活量计的侧视横剖面图；
[0028] 图5是图4所示振动肺活量计的后视图。
具体实施方式
[0029] 参见图1-3，本发明提供一种自作用气缸10，所述气缸10包括气缸壳体12和活塞14，所述气缸壳体12包括电磁力发生装置以产生电磁力，而所述活塞14位于气缸壳体12内，其中，电磁力直接作用在活塞14上，以使活塞14在所述气缸壳体12内移动。 [0030] 自作用气缸(SAC)的基本概念是由电磁执行机构产生的力直接作用在活塞上。换句话说，一个部件或组件起到执行机构的移动部件和活塞两种作用，而第二个部件或组件起到执行机构的固定部件和气缸两种作用。优选的是，力的传送是基于动磁式线性电磁执行机构的原理。在本发明替代的实施例中，可以采用动圈式设计。
[0031] 按照本发明的优选实施例，SAC的基本布置以图1所示的横剖视图示出。固定组件包括：气缸壳体12，所述气缸壳体12优选是外部铁磁性壳体；电机线圈16，所述电机线圈16有两段铜绕组，这两段铜绕组缠绕或相反在反方向上通电(例如，两段绕组在同一方向缠绕但有反向电流)；非铁绕线管18，所述绕线管18机械地支承电机线圈，并可具有用于密封和/或减小摩擦的内涂层；前盖板20，所述前盖板20配有专门用途所需的孔或口；后盖板22，所述后盖板22含有专门用途所需的孔或口；偏心激光二极管24，所述偏心激光二极管24将清晰的激光束投射到执行机构的移动部件上；和光学位置检测装置26，所述检测装置26读出激光从移动部件的反射。执行机构的移动部件包括：环形永久磁铁28，所述环形永久磁铁28在其轴向上被极化；两个铁磁性极板圆盘30，所述两个极板圆盘30分别连接到磁铁的任何一端上，磁铁的形状和尺寸可以是这样，即它们可以使磁场产生90°变向而成为径向，且没有锐角转角或磁场窒息；薄套筒32，所述薄套筒32装在磁铁周围，并通过极板保持在轴向上，所述薄套筒32用一材料制成，或者在其外表面上施加涂层，用于密封和/或减少摩擦；活塞14，所述活塞14包括表面和支承结构，以防止空气从移动部件的一侧交换到另一侧；以及反射镜或其它反射面34，所述反射镜或反射 面34连接到活塞表面的后表面上，或与所述后表面形成整体，所述反射镜或反射面34适合于将激光二极管24发射的光根据固定部件内移动部件的位置反射到光学位置检测装置26的不同段上。固定部件和移动部件都包括螺钉、O形圈和/或胶接，它们保持装置的机械整体性，但它们的确切位置和结构对于装置的基本操作无关紧要。同样，在不影响装置的操作情况下，现有尺寸的某些部件的纵横比和相对尺寸可以改变。
[0032] 这种装置必须满足以下设计约束条件，以便正常地操作。i)套筒32的外径和绕线管18的内径以及它们的材料和/或涂层的选择方案必须选定，以达到配合，所述配合对任何特殊用途都提供合适的密封和摩擦特性的组合。ii)极板圆盘30的外径必须小于套筒32的外径。iii)环形磁铁28和极板30的内径以及激光二极管24和光学位置检测装置26在后盖板22上的位置必须是激光束可以到达或者反射离开反射镜34，以便在固定部件内移动部件可能位置的整个范围内没有障碍的情况下，最后到达光学位置检测装置26(如图2和3中所示)。
[0033] 在本发明的另一个实施例中，通过根据来自光学位置检测装置26的读数适当地激发电机线圈16来伺服控制移动部件位置的电子电路可以直接结合到SAC主体中。SAC的金属部件可以起到用于集成功率放大器的适当散热片作用，所述集成功率放大器适合于向执行机构提供功率。微型信号处理芯片可以执行伺服控制任务，并可用各个控制器参数编程序，以补偿各单元之间微小的变化，并确保可再现性能。
[0034] 参见图4和5，按照本发明的优选实施例，还提供一种振动肺活量计(OS)40，所述振动肺活量计(OS)40使用如上限定的自作用气缸10。在自作用气缸10的这个优选实施例中，气缸10还包括前气室42和后气室44，所述前气室和后气室42和44位于气缸壳体12内活塞14的相对侧上。气缸10还包括流动通道46，以使空气能在前气室42与后气室
44之间流动。气缸10还包括前盖板48，所述前盖板48遮盖前气室42，并包括口，以使空气能在前气室42与治疗对象之间交换。所述口可以是标准的临床用口，或者口罩也在其中，并可配 有细菌过滤器，且可以是一次性的。气缸10还包括后盖板50，所述后盖板50遮盖后气室44，并包括孔52，以使空气能在后气室44与周围环境之间交换，气缸10还包括手柄
54。该手柄54可以用其它安装或连接装置替换，以将气缸连接到各种结构上。气缸10还包括压力变送器56，以测量穿过流动通道46的压降。当活塞保持在向前位置时，利用压力测量来确定来自临床用口的气流。而当活塞按照预定的波形振动时，利用压力测量来确定来自临床用口的气流的输入阻抗。
44之间流动。气缸10还包括前盖板48，所述前盖板48遮盖前气室42，并包括口，以使空气能在前气室42与治疗对象之间交换。所述口可以是标准的临床用口，或者口罩也在其中，并可配 有细菌过滤器，且可以是一次性的。气缸10还包括后盖板50，所述后盖板50遮盖后气室44，并包括孔52，以使空气能在后气室44与周围环境之间交换，气缸10还包括手柄
54。该手柄54可以用其它安装或连接装置替换，以将气缸连接到各种结构上。气缸10还包括压力变送器56，以测量穿过流动通道46的压降。当活塞保持在向前位置时，利用压力测量来确定来自临床用口的气流。而当活塞按照预定的波形振动时，利用压力测量来确定来自临床用口的气流的输入阻抗。
[0035] OS40的设计是基于上述SAC技术。如前所述，SAC将线性执行机构、气缸和位置检测装置形成一个小型且独立的整体装置，这里电磁执行机构的力直接作用到活塞头上。 [0036] 对OS，SAC的设计曾如图4所示修改如下。A)增加了流动通道46，以使空气能在移动部件的两侧之间流动。这个通道46必须提供流动阻力，以便可以从穿过这个通道46的压降计算出瞬时流率，所述流动阻力是数学上可逆的平稳又充分的线性。在目前的设计中，该通道是利用活塞面板上的精密孔而实现的；然而，通道原则上也可以在其它位置，例如通过移动部件外表面上的精密纵向凹槽来实现。B)前盖板48曾作修改，以夹持抗细菌过滤器和提供标准的临床用口。C)后盖板50曾作修改，以包括足够大的孔，以使到达执行机构后段中的空气轻易地通过扩散作用与环境空气交换。D)在替代的设计中，后盖板50曾作修改，以提供标准的临床用口，用于结合到通风器回路中。E)增加手柄54，所述手柄54具有用于电子电路的空间。F)差压变送器56包括在电子电路中，使得差压变送器的口与执行机构的移动部件的两侧连通，并由此测量穿过流动通道46的压降。G)增加了第二变送器，以测量在活塞相对于大气的前侧上的压力。在后气室44处于大气压下的情况下，这个变送器是多余的，并因此可以省去，这样变送器56又有效地承担第二变送器的功能。 [0037] 对于肺活量测量，当移动部件保持在向前位置中，而治疗对象通过附到前盖板48中的口上的口罩呼吸时，这个装置可起到标准流量计作用。流量从差压和流动通道46的阻力进行计算，所述差压用变送器 56测出，而所述流动通道46的阻力从工厂校准操作法中得知。
[0038] 对于FOT测量，OS40的移动部件按照预定的波形振动。根据所需测量的准确性质，治疗对象可以在打开喉门情况下自然地呼吸或者保持被动。在第一种情况下，测量结果只是在自然呼吸的功率谱中没有强烈显示的频率下才轻易地得到。
[0039] 在振动期间，经常地测量活塞的位置，并由此测出活塞位移的容积。随着活塞朝治疗对象移动一定的容积ΔVo，该容积将分成三个分量。ΔVo的一部分(ΔVp)将进入患者的气道；第二部分(ΔVc)将引起压缩活塞表面与患者的气道开口之间容积中的气体达到一定的气道开口压力(Paw)，所述压力(Paw)被第二变送器(或者根据具体情况，由第一传感器56)捕获；而ΔVo的第三部分(ΔVL)将流过通道46并排放到大气。因此，进入患者的容积可以用下式表示，
[0040] ΔVp＝ΔVo-ΔVc-ΔVL (1)
[0041] 就肺活量测定法而论，ΔVL可以从由变送器56测出的压力和流动通道46的阻力性能计算。另外，Paw与ΔVc之间的关系仅取决于设备的几何形状，并由此可以用分析或实验方法确定，而随后用来计算ΔVc 的瞬时值。因此，方程1右边的所有量均已知，这样可以计算左边的数值。因为Paw也已测出，所以治疗对象的呼吸系统的输入阻抗可以从由OS 40收集的数据在所考虑的任何已知频率下作为时间Paw与V′p 之比而计算出来，这里，V′p是Vp相对时间的导数，并通常称为流量。
[0042] 尽管上面通过本发明的一些优选实施例已经阐述本发明，但应当理解，本发明不限于这些精确的实施例，并在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在其中进行各种改变和修改。
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