本發(fā)明涉及(例如)在腹腔鏡術(shù)或呼吸領(lǐng)域中用于控制在醫(yī)療裝置中的氣體溫度的方法和用于實(shí)施所述方法的裝置。

在各種醫(yī)療程序中，將氣體引入到身體的內(nèi)部部分中。其實(shí)例是腹腔鏡術(shù)，其中迄今為止在治療性干預(yù)期間，將氣體(例如co2)供給到腹部。在這些程序中，所供給氣體正常地經(jīng)加熱，以使得進(jìn)入到身體的內(nèi)部部分中的氣體接近體溫，這是因?yàn)樘湟约疤珶岬臍怏w將導(dǎo)致患者的疼痛癥狀。因此，測(cè)量和控制氣體溫度尤為重要。通常，用于所述程序的氣體管線提供有打算允許相應(yīng)溫度控制的溫度傳感器。除其它原因外，由于其導(dǎo)致額外成本，故所述單獨(dú)傳感器的使用是不利的。由于所關(guān)聯(lián)軟管是可棄式物品，因此需要避免任何額外成本。測(cè)量溫度的另一種可能性是測(cè)量加熱導(dǎo)線的溫度。軟管出口的氣體溫度與加熱導(dǎo)線的溫度之間存在關(guān)聯(lián)，然而其取決于多個(gè)參數(shù)，僅舉其中一些參數(shù)為例，例如氣體的體積流量、氣體類型、加熱功率、幾何結(jié)構(gòu)和軟管的材料以及外部溫度。

鑒于此背景，目標(biāo)是提供用于測(cè)量和控制氣體溫度且克服以上缺點(diǎn)的方法。作為此目標(biāo)的解決方案，提出根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法。有利實(shí)施例是回引技術(shù)方案1的附屬權(quán)利要求的標(biāo)的物。此外，提出用于實(shí)施根據(jù)技術(shù)方案5所述的方法的裝置。其有利實(shí)施例是回引技術(shù)方案5的附屬權(quán)利要求的標(biāo)的物。

本發(fā)明方法大體上是基于，為測(cè)量和控制加熱軟管的患者側(cè)末端的氣體溫度，使用數(shù)學(xué)模型。出于此目的，由加熱導(dǎo)線、電子測(cè)量系統(tǒng)、供給管線、溫度傳感器和氣流組成的完整系統(tǒng)是通過(guò)一組微分方程描述且一起置于所謂的狀態(tài)-空間模型中。在模型的參數(shù)足夠精確確定的條件下，則利用相同輸入變量，可估算氣體軟管的出口(即套管針入口)的氣體溫度。通過(guò)比較實(shí)際與所估算的導(dǎo)線溫度，可檢測(cè)到偏差(所謂的觀測(cè)器誤差)。其可能是(例如)由于不同初始狀態(tài)而發(fā)生(例如，沒(méi)有關(guān)于氣體供給開(kāi)始時(shí)的氣體溫度的先驗(yàn)信息)。如果利用性能標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定觀測(cè)器誤差，并且然后將結(jié)果回饋到模型(狀態(tài)變量校正)，那么誤差將減小，并且因此獲得軟管出口的氣體溫度的精確估算。所提出方法的優(yōu)點(diǎn)尤其在于為測(cè)量軟管出口的氣體溫度，不需要額外溫度傳感器。因此，即使在軟管出口沒(méi)有溫度傳感器，也可實(shí)現(xiàn)與借助包括溫度傳感器的常規(guī)軟管測(cè)量的精確度相當(dāng)?shù)墓浪憔_度。由此，即使沒(méi)有額外傳感器也可確保對(duì)患者的安全性。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的方法經(jīng)配置使得估算系統(tǒng)作為狀態(tài)觀測(cè)器、尤其作為龍伯格(luenberger)觀測(cè)器實(shí)施。所述狀態(tài)觀測(cè)器(包括龍伯格觀測(cè)器)描述于(例如)控制工程學(xué)的教科書(shū)中。

實(shí)施以上方法的所述裝置的具體實(shí)施例是用于腹腔鏡術(shù)的吹入設(shè)備。其包含提供有所需出口壓力且能夠?qū)崿F(xiàn)適宜體積流量的氣體供給(例如，來(lái)自耐壓瓶)。體積流量是可控制的，例如，介于0l/min與50l/min之間。通過(guò)供給軟管將氣體引入到身體內(nèi)部部分中。為在軟管出口獲得所需溫度(大約體溫，即，大約37℃)，在軟管內(nèi)部提供加熱裝置，例如加熱導(dǎo)線。引入到身體內(nèi)部部分中的氣體可借助單獨(dú)的氣體離開(kāi)裝置、借助抽吸設(shè)備或僅借助泄漏從身體內(nèi)部部分排出。通過(guò)上述根據(jù)本發(fā)明的方法，使用來(lái)自加熱導(dǎo)線的測(cè)量數(shù)據(jù)(借助電阻測(cè)量)，估算軟管出口的實(shí)際溫度并通過(guò)加熱導(dǎo)線的加熱功率的變化來(lái)控制。不必使用單獨(dú)溫度傳感器：在使用電阻具有溫度依賴性的加熱導(dǎo)線時(shí)，加熱導(dǎo)線溫度的測(cè)量可通過(guò)電阻測(cè)量進(jìn)行，因此不需要額外組件。

本發(fā)明的替代實(shí)施例包含呼吸設(shè)備。通過(guò)呼吸設(shè)備，將氧或含氧氣體混合物引導(dǎo)到患者的肺中。對(duì)于呼吸來(lái)說(shuō)，含氧氣體混合物的潤(rùn)濕是絕對(duì)必要的。為防止冷凝以及為獲得患者可接受的氣體溫度，在呼吸軟管內(nèi)通過(guò)電加熱導(dǎo)線進(jìn)行電阻加熱。以與上文用于腹腔鏡術(shù)的裝置類似的方式，加熱導(dǎo)線可通過(guò)使用相應(yīng)電阻測(cè)量用作溫度傳感器。軟管出口的實(shí)際溫度是通過(guò)本發(fā)明方法估算。借助估算值，以電子方式控制加熱功率。因此，獲得即使在各種各樣的呼吸條件下也可確保軟管入口的氣體溫度的精確測(cè)量和控制的裝置。

本發(fā)明實(shí)施例顯示于圖中且于下文中更詳細(xì)地解釋：

圖1在模型示意圖中顯示納入有加熱導(dǎo)線的氣體供給軟管，其中參考數(shù)字具有以下意義：

氣體體積流在箭頭方向上流動(dòng)穿過(guò)軟管。然而，對(duì)應(yīng)于加熱導(dǎo)線的長(zhǎng)度，在此模型中僅部分長(zhǎng)度的軟管被加熱。然后，隨后為未加熱的剩余長(zhǎng)度和用于過(guò)渡到患者的盧耳(luer)轉(zhuǎn)接器。此處通過(guò)電阻測(cè)量來(lái)測(cè)量加熱導(dǎo)線的溫度。要針對(duì)在32℃到42℃范圍內(nèi)0l/min到50l/min的體積流量測(cè)量軟管出口的流溫度。

在此方法中，連續(xù)測(cè)量并處理體積流量、加熱導(dǎo)線的溫度、電功率和其時(shí)程。圖2(來(lái)自艾斯曼r(isermannr)(2008).機(jī)電一體化系統(tǒng)(mechatronischesysteme).基礎(chǔ)知識(shí)(grundlagen).施普林格出版社(springer-verlag)：柏林)示意性顯示根據(jù)本發(fā)明的估算過(guò)程。加熱導(dǎo)線的控制是(例如)通過(guò)脈沖寬調(diào)變電壓(pwm)執(zhí)行。測(cè)量電功率(圖2中的u)和導(dǎo)線電阻(圖2中的y)。使測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)歷說(shuō)明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型(圖2中的“固定模型”)。對(duì)于各種流量，提供不同模型參數(shù)，使得模型可適于所測(cè)量的體積流量。將借助模型估算的溫度值與導(dǎo)線溫度的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較(圖2中的y–ym)。將估算值與測(cè)量值之間的偏差(圖2中的e)回饋到模型，使得狀態(tài)變量的估算得以改良(圖2中的狀態(tài)估算方法)。一旦估算值與實(shí)際值匹配，可采用估算狀態(tài)變量(圖2中的^x)并進(jìn)一步加以利用。這些狀態(tài)變量之一是氣體流的離開(kāi)溫度，其因此可被精確估算。

本發(fā)明方法呈現(xiàn)多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。所觀測(cè)溫度/狀態(tài)變量慮及程序的擾動(dòng)(擾動(dòng)觀測(cè)器)。所觀測(cè)變量可用作控制變量，使得可能調(diào)整不同參考值?？傊?，將產(chǎn)生可與使用溫度傳感器(用于測(cè)量流溫度)時(shí)的可能控制性能相當(dāng)?shù)目刂菩阅?。由此廣泛排除對(duì)患者的風(fēng)險(xiǎn)，并且控制工藝可通過(guò)省略流溫度傳感器而以顯著更經(jīng)濟(jì)的方式配置。本發(fā)明方法的具體優(yōu)點(diǎn)在于可排除由于流溫度傳感器所致的誤差。由于在此方法中，傳感器和執(zhí)行器是相同的，因此在缺陷的情況下，測(cè)量元件和致動(dòng)器二者將失效。在不通過(guò)溫度測(cè)量同時(shí)驗(yàn)證的情況下引入加熱功率是不可能的。

對(duì)于狀態(tài)變量(出口溫度)的估算，需要所述工藝的數(shù)學(xué)模型。這個(gè)數(shù)學(xué)模型具有圖4中所表示的標(biāo)準(zhǔn)化形式，稱為狀態(tài)-空間模型。為確定這個(gè)狀態(tài)-空間模型，需要建立過(guò)程的實(shí)體替代模型且使其呈現(xiàn)這種標(biāo)準(zhǔn)化形式。所采用的矩陣必須提供有數(shù)值(識(shí)別)。用于描述導(dǎo)線溫度隨時(shí)間的行為的程序例示性顯示于圖3中，其中在流體與導(dǎo)線間交換的熱量(方程1)、導(dǎo)線中儲(chǔ)存的熱量(方程2)和所提供的熱量(方程3)是以微分方程的形式描述。方程4則顯示能量平衡(熱平衡)。通過(guò)組合方程和對(duì)所述方程的適宜運(yùn)算，獲得方程5。方程6顯示為所應(yīng)用狀態(tài)-空間模型的比較，所述模型與方程6高度相同且其系數(shù)含有模型方程的參數(shù)。遵循相應(yīng)程序?qū)怏w和軟管溫度建模(參見(jiàn)圖1)。

圖4顯示所得狀態(tài)-空間模型，其依賴于氣體流量。

圖5顯示實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與借助所述方法所獲得的估算數(shù)據(jù)的比較。結(jié)果顯示，所應(yīng)用的模型是正確的并且導(dǎo)致估算數(shù)據(jù)所需的精確度。

圖6和7顯示用于建模為擾動(dòng)的不同環(huán)境條件的方法。實(shí)際應(yīng)用經(jīng)歷一系列的擾動(dòng)，例如不同環(huán)境溫度(圖4中的ξ)或不同氣體進(jìn)入溫度(圖4中的θe)。在狀態(tài)-空間模型中提供所述擾動(dòng)。即使流速有變化，仍可見(jiàn)到測(cè)量溫度與估算溫度高度一致。

圖8顯示根據(jù)本發(fā)明的加熱導(dǎo)線控制與僅通過(guò)加熱導(dǎo)線的電阻來(lái)調(diào)整加熱導(dǎo)線功率的經(jīng)典預(yù)控制的比較。結(jié)果可見(jiàn)，本發(fā)明方法可顯著更快地實(shí)現(xiàn)控制。

上文方法的實(shí)際實(shí)施適宜地在為醫(yī)療裝置的一部分的微控制器上實(shí)現(xiàn)。其通常提供有輸入和輸出和存儲(chǔ)器。數(shù)學(xué)運(yùn)算是以軟件模塊形式執(zhí)行。軟件模塊的順序圖顯示于圖9中，其中參考數(shù)字具有以下意義：

所述軟件可包括在自身存儲(chǔ)器芯片上，例如eprom。

所屬領(lǐng)域技術(shù)人員可基于本說(shuō)明書(shū)(包括圖和在申請(qǐng)時(shí)已知的科技文獻(xiàn))實(shí)施本發(fā)明的其它實(shí)施例，而不需要任何進(jìn)一步創(chuàng)新。