Un método de controlar el calentamiento de un gas respirable en el que se utiliza un control de realimentación PID (100) que tiene un conjunto de coeficientes,

que comprende calentar agua (27) en una cámara (20), y hacer pasar el gas a través de la cámara (20) para calentar el gas, caracterizado por ajustar los coeficientes basándose en una diferencia de calor entre la aportación de calor al agua (27) y la salida de calor de la cámara (20) en relación con un punto de regulación de la temperatura

Ajuste del coeficiente PID para el control en bucle cerrado de un calentador respiratorio.

Campo del invento

El presente invento se refiere a un control de realimentación para el calentamiento de un gas respiratorio y, más particularmente al control PID en bucle cerrado del mismo.

Antecedentes del invento

Los sistemas respiratorios proporcionan un gas respirable, tal como oxígeno, gas anestésico y/o aire directamente a la boca, nariz o vías aéreas de un paciente como asistencia o para facilitar la respiración del paciente. Puede utilizarse un ventilador como parte del sistema respiratorio para impulsar al gas respirable hacia el paciente a través de un conducto o manguera de la rama de inspiración de un circuito de respiración. El circuito de respiración puede incluir un conducto o manguera de una rama de expiración para llevar el aire y otro gas o gases expulsados desde el paciente de nuevo al ventilador.

Típicamente, se desea calentar el gas respirable e incorporarle humedad antes de suministrarlo al paciente. A tal fin, muchos sistemas respiratorios incluyen un sistema de humidificación que tiene una cámara para contener agua y una unidad calentadora en la cual puede montarse la cámara de forma separable. La unidad calentadora incluye un calentador, que puede estar constituido por uno o más elementos de calentamiento y una placa metálica que define una placa caliente. Una pared de la cámara, tal como la superficie inferior de la cámara, es térmicamente conductora y se encuentra en contacto térmico con la placa caliente del calentador para, así, calentar el agua de la cámara. La cámara puede rellenarse manualmente o puede estar prevista una fuente de agua para rellenar selectivamente la cámara a medida que se vacía. El gas respirable se acopla a la cámara y es hecho pasar a través de ella para ser calentado y humidificado. Ejemplos de disposiciones de cámara y unidad calentadora se muestran en las patentes norteamericanas núms. 6.988.497 y 5.943.473. La rama de inspiración lleva el gas calentado y humidificado al paciente y la rama de expiración, si existe, lleva el aire exhalado y, posiblemente, otros gases desde el paciente. La rama de inspiración y/o la rama de expiración pueden calentarse mediante, por ejemplo, circuitos calentadores, que pueden estar constituidos por hilos que corran interiormente y a lo largo de la manguera o conducto. Un ejemplo de un circuito de respiración con ramas calentadas se muestra en la patente norteamericana núm. 6.078.730. En algunas realizaciones, la o las ramas pueden no estar calentadas.

El documento US 2003/0209246 A1 se refiere a un aparato para entregar aire calentado y humidificado al tracto respiratorio de un paciente humano. A tal fin, se calienta agua en una unidad de suministro y el gas que ha de entregarse al paciente se calienta mediante el agua calentada.

En una disposición de calentamiento típica, se establece un punto de regulación de la temperatura, tal como mediante un termostato o similar. Cuando la temperatura cae por debajo del punto de regulación se conecta o se incrementa la energía para el calentador, con objeto de llevar la temperatura de nuevo hasta el punto de regulación. Si la temperatura aumenta por encima del punto de regulación, se reduce o se interrumpe la energía para el elemento calentador a fin de permitir que la temperatura descienda hasta el punto de regulación. En muchas aplicaciones, es posible proporcionar un control más preciso de la temperatura mediante el uso de un control más sofisticado basado en el PID o control proporcional-integral-derivativo. Como es bien sabido, los controles de realimentación funcionan obteniendo una señal de entrada indicativa del estado corriente de una variable del sistema, obteniendo una señal de diferencia o de error entre la señal de entrada y el punto de regulación que representa el valor deseado y entregando como salida una señal de corrección a utilizar por el sistema para llevarle hacia el punto de regulación. Con el control de realimentación PID, el bucle de realimentación incluye cálculos que implican coeficientes determinados empíricamente o de otra manera para cada uno de los aspectos proporcional, integral y derivada de la señal de error.

Los coeficientes de control de realimentación PID se determinan, típicamente, con relación a la naturaleza de las variables que pueden afectar al comportamiento del sistema. En el contexto de un sistema respiratorio, el valor de entrada se toma a partir de las temperaturas medidas, y la salida se utiliza para regular la energía alimentada al calentador en un esfuerzo de llevar la temperatura hacia el punto de regulación. Generalmente, variables tales como el caudal y/o el nivel de humedad no se vigilan ni se tienen en cuenta con fines de control, si bien pueden tener impacto sobre el control fiable del o de los elementos de calentamiento y pueden afectar a la temperatura y al nivel de humedad del gas que llega al paciente. A modo de ejemplo, los coeficientes pueden predeterminarse suponiendo que el caudal estará, siempre, dentro de un cierto intervalo. Si el caudal realmente es menor, se eliminará de la cámara, al pasar el gas por ella, menos calor del que se preveía, lo que puede tener como consecuencia grandes oscilaciones de la temperatura resultante, incluyendo variaciones de la temperatura indeseablemente por encima o por debajo del punto de regulación. Similarmente, si el caudal es realmente mayor que el supuesto, se eliminará más calor del que se preveía, y puede que el control no sea capaz de llevar la temperatura al punto de regulación deseado. El reto es, por tanto, proporcionar un control de realimentación PID fiable dependiendo de las mediciones de temperatura en un entorno en el que las variaciones del caudal y/o del nivel de humedad no son conocidas o no pueden determinarse directamente, pero pueden influir sobre el comportamiento del sistema.

Sumario del invento

El presente invento proporciona un control de realimentación PID fiable dependiente de las mediciones de temperatura en un sistema respiratorio sin necesidad de mediciones de caudal. A tal fin y, de acuerdo con los principios del presente invento, los coeficientes a utilizar para el control de realimentación PID se ajustan basándose en la diferencia existente entre la aportación de calor y la salida de calor en relación con el punto de regulación, particularmente cuando el calentador trabaja en un proceso de calentamiento, tal como a partir de un estado relativamente frío. La aportación de calor puede obtenerse midiendo la temperatura del calentador y la salida de calor puede obtenerse midiendo la temperatura en la salida de la cámara. A este respecto, se ha determinado que la diferencia de temperatura entre el calentador y la salida de la cámara con relación a un punto de regulación durante un proceso de calentamiento, es indicativa del probable caudal de gas a través de la cámara. Los coeficientes pueden ajustarse, entonces, para lograr la correlación con el caudal probable y utilizarse para un funcionamiento normal, o estable, del control de realimentación PID. Sigue sin ser necesario vigilar directamente el caudal o el nivel de humedad.

El control puede comenzar, inicialmente con un conjunto de coeficientes correlacionados con un primer caudal. En una realización particular del invento, cada una de una franja de caudales tiene un conjunto de coeficientes PID asociados con ella, y los coeficientes se ajustan seleccionando el conjunto de coeficientes apropiado con relación a la diferencia entre la aportación de calor y la salida de calor basándose en la diferencia de temperatura medida entre el calentador y la salida de la cámara en relación con el punto de regulación. En esa realización, en un proceso de calentamiento, los coeficientes se establecen, inicialmente, para que correspondan a los de la franja de caudales más bajos si el calentamiento se produce en la puesta en marcha del sistema o se establecen para que correspondan a los coeficientes utilizados en último lugar si, por ejemplo, el calentamiento tiene lugar tras una pausa del funcionamiento. Después de permitir que el sistema funcione durante un cierto tiempo ("el intervalo de calentamiento"), se obtiene (en ese momento o basándose en una media de lecturas durante un período de tiempo en el transcurso del intervalo de calentamiento) la diferencia de temperatura entre la aportación de calor (tal como la temperatura medida en el calentador) y la salida de calor (tal como la temperatura medida en la salida de la cámara) y se la compara con un límite inferior y un límite superior basándose en la temperatura del punto de regulación. Si la diferencia de temperatura...

1. Un método de controlar el calentamiento de un gas respirable en el que se utiliza un control de realimentación PID (100) que tiene un conjunto de coeficientes, que comprende calentar agua (27) en una cámara (20), y hacer pasar el gas a través de la cámara (20) para calentar el gas, caracterizado por ajustar los coeficientes basándose en una diferencia de calor entre la aportación de calor al agua (27) y la salida de calor de la cámara (20) en relación con un punto de regulación de la temperatura.

2. Un método como se reivindica en la reivindicación 1, que comprende además obtener un valor de entrada de calor y un valor de salida de calor y determinar la diferencia entre ellos.

3. Un método como se reivindica en la reivindicación 2, en el que la obtención de un valor de entrada de calor incluye obtener una lectura de temperatura de un calentador destinado a calentar el agua (27) contenida en la cámara (20), la obtención de un valor de salida de calor incluye obtener una lectura de temperatura del gas calentado, y la determinación de la diferencia incluye calcular una diferencia entre las lecturas de temperatura obtenidas.

4. Un método como se reivindica en la reivindicación 3, en el que los coeficientes se ajustan para corresponder a un caudal más bajo si la diferencia es demasiado pequeña en relación con el punto de regulación y para corresponder a un caudal más alto si la diferencia es demasiado grande en relación con el punto de regulación.

5. Un método como se reivindica en la reivindicación 1, en el que los coeficientes se ajustan para corresponder a un caudal más bajo si la relación implica que la diferencia de calor es demasiado pequeña en relación con el punto de regulación y para corresponder a un caudal más alto si la relación implica que la diferencia de calor es demasiado grande en relación con el punto de regulación.

6. Un método como se reivindica en la reivindicación 1, que comprende además comparar la diferencia de calor con límites superior e inferior relacionados con el punto de regulación y ajustar los coeficientes a un caudal más bajo si la diferencia de calor está por debajo del límite inferior y a un caudal superior si la diferencia de calor está por encima del límite superior.

7. Un método como se reivindica en la reivindicación 1, que comprende además comparar la diferencia de calor con límites superior e inferior relacionados con el punto de regulación y ajustar los coeficientes a un caudal más bajo si la diferencia de calor es igual o está por debajo del límite inferior y a un caudal superior si la diferencia de calor es igual o está por encima del límite superior.

8. Un método como se reivindica en la reivindicación 1, en el que se establecen una pluralidad de conjuntos de coeficientes, cada uno de ellos correspondiente a una franja respectiva de caudales, correspondiendo un primer conjunto de coeficientes a una franja de caudales bajos, correspondiendo un segundo conjunto de coeficientes a una franja de caudales altos, y correspondiendo al menos un tercer conjunto de coeficientes a una franja de caudales intermedios, comprendida entre las franjas de caudales bajos y altos, cuyo método comprende, además, trabajar inicialmente con un conjunto de coeficientes y en el que el ajuste de los coeficientes incluye seleccionar uno de los conjuntos de coeficientes.

9. Un método como se reivindica en la reivindicación 8, en el que los límites inferior y superior se establecen en relación con el punto de regulación, seleccionándose el primer conjunto de coeficientes si la diferencia de calor está por debajo del límite inferior, seleccionándose el segundo conjunto de coeficientes si la diferencia de calor está por encima del límite superior, y seleccionándose el tercer conjunto de coeficientes si la diferencia de calor se encuentra entre los límites superior e inferior.

10. Un método como se reivindica en la reivindicación 9, en el que se selecciona el primer conjunto de coeficientes si la diferencia de calor es igual o está por debajo del límite inferior.

11. Un método como se reivindica en la reivindicación 10, en el que se selecciona el segundo conjunto de coeficientes si la diferencia de calor es igual o está por encima del límite superior.

12. Un método como se reivindica en la reivindicación 9, en el que se selecciona el segundo conjunto de coeficientes si la diferencia de calor es igual o está por encima del límite superior.

13. Un método como se reivindica en la reivindicación 8, en el que el funcionamiento inicial se produce con el primer conjunto de coeficientes.

14. Un método como se reivindica en la reivindicación 8, en el que la obtención de un valor de aportación de calor incluye obtener una lectura de temperatura de un calentador destinado a calentar el agua contenida en la cámara, la obtención de un valor de salida de calor incluye obtener una lectura de temperatura del gas calentado, y la determinación de una diferencia incluye calcular una diferencia entre las lecturas de temperatura obtenidas, cuya diferencia se utiliza para seleccionar el conjunto de coeficientes.

15. Un método como se reivindica en la reivindicación 8, en el que el punto de regulación se correlaciona con una temperatura deseada del gas cuando éste sale de la cámara.

16. Un método como se reivindica en la reivindicación 8, que comprende además reajustar los coeficientes seleccionando uno de los conjuntos de coeficientes en relación con una señal de error entre una temperatura de punto de regulación y una temperatura real medida.

17. Un método como se reivindica en la reivindicación 16, en el que se selecciona el conjunto de coeficientes para una franja siguiente de caudales más bajos si una desviación estándar de la señal de error supera un umbral mínimo.

18. Un método como se reivindica en la reivindicación 16, en el que se selecciona el conjunto de coeficientes para una franja siguiente de caudales más altos si un estado estable de la señal de error supera un umbral mínimo.

19. Un método como se reivindica en la reivindicación 16, en el que el punto de regulación se correlaciona con una temperatura deseada del gas que sale de la cámara (20).

20. Un método como se reivindica en cualquier reivindicación precedentes, que comprende además reajustar los coeficientes en relación con una señal de error entre una temperatura de punto de regulación y una temperatura real medida.

21. Un método como se reivindica en la reivindicación 20, en el que los coeficientes se reajustan para un caudal más alto si una desviación estándar de la señal de error supera un umbral mínimo.

22. Un método como se reivindica en la reivindicación 20, en el que los coeficientes se reajustan para un caudal más bajo si un estado estable de la señal de error supera un umbral mínimo.

23. Un método de controlar el calentamiento de un gas respirable en el que se utiliza un control (100) de realimentación PID que tiene un conjunto de coeficientes, que comprende calentar agua (27) contenida en una cámara (20) y hacer pasar el gas a través de la cámara (20) para calentar el gas, caracterizado por ajustar los coeficientes en relación con una señal de error entre una temperatura de punto de regulación y una temperatura real medida.

24. Un método como se reivindica en la reivindicación 23, en el que los coeficientes se ajustan para un caudal más bajo si una desviación estándar de la señal de error supera un umbral mínimo.

25. Un método como se reivindica en la reivindicación 23, en el que los coeficientes se ajustan para un caudal más alto si un estado estable de la señal de error supera un umbral mínimo.

26. Un método como se reivindica en la reivindicación 23, en el que la temperatura de punto de regulación corresponde a una temperatura deseada del gas cuando sale de la cámara (20), cuyo método comprende además obtener la temperatura real medida midiendo la temperatura del gas cuando sale de la cámara (20).

27. Un sistema calentador para calentar un gas respirable que comprende un calentador (56) destinado a calentar agua (27) en una cámara (20) a través de la cual será hecho pasar el gas, un dispositivo (58) sensible a la temperatura destinado a proporcionar una señal indicativa de la aportación de calor a dicha agua (27) desde el calentador (56), una entrada (55) destinada a recibir una señal indicativa de la salida de calor desde dicha cámara (20), y un controlador (54) destinado a regular el calentador (56) y que tiene un control (100) de realimentación PID que utiliza un conjunto de coeficientes, incluyendo el controlador (54) un procesador (70), caracterizado porque el procesador (70) está destinado a ajustar los coeficientes basándose en una diferencia de calor correspondiente a la diferencia existente entre las señales indicativas de la aportación de calor a dicha agua (27) a partir del calentador (56) y las señales indicativas de la salida de calor desde dicha cámara (20) en relación con un punto de regulación de temperatura.

28. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 27, en el que procesador (70) está destinado a ajustar los coeficientes para que correspondan a un caudal más bajo si la diferencia es demasiado pequeña en relación con el punto de regulación y para que correspondan a un caudal más alto si la diferencia es demasiado grande en relación con el punto de regulación.

29. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 27, en el que el procesador (70) está destinado a comparar la diferencia con límites superior e inferior relacionados con el punto de regulación y a ajustar los coeficientes a un caudal más bajo si la diferencia está por debajo del límite inferior y a un caudal más alto si la diferencia está por encima del límite superior.

30. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 27, en el que el procesador (70) está destinado a comparar la diferencia con límites superior e inferior relacionados con el punto de regulación y a ajustar los coeficientes a un caudal más bajo si la diferencia es igual o está por debajo del límite inferior y a un caudal más alto si la diferencia es igual o está por encima del límite superior.

31. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 27, que comprende además una memoria (80) para almacenar una pluralidad de conjuntos de coeficientes, cada uno de los cuales corresponde a una franja respectiva de caudales, correspondiendo un primer conjunto de coeficientes a una franja de caudales bajos, correspondiendo un segundo conjunto de coeficientes a una franja de caudales altos, y correspondiendo al menos un tercer conjunto de coeficientes a una franja de caudales intermedios, comprendida entre las franjas de caudales bajos y altos, estando destinado el control (100) de realimentación PID a funcionar con un conjunto de coeficientes y estando destinado el procesador (70) a seleccionar uno de los conjuntos de coeficientes de la memoria (80) con el fin de ajustar los coeficientes.

32. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 31, en el que el procesador (70) está destinado a determinar límites inferior y superior en relación con el punto de regulación y a seleccionar el primer conjunto de coeficientes si la diferencia está por debajo del límite inferior, el segundo conjunto de coeficientes si la diferencia está por encima del límite superior, y el tercer conjunto de coeficientes si la diferencia está comprendida entre los límites superior e inferior.

33. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 32, en el que el procesador (70) está destinado a seleccionar el primer conjunto de coeficientes si la diferencia es igual o está por debajo del límite inferior.

34. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 32, en el que el procesador (70) está destinado a seleccionar el segundo conjunto de coeficientes si la diferencia es igual o está por encima del límite superior.

35. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 31, en el que el procesador (70) está destinado a seleccionar el primer conjunto de coeficientes para el funcionamiento inicial del control (100) de realimentación PID.

36. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 31, en el que el procesador (70) está destinado a reajustar los coeficientes seleccionando uno de los conjuntos de coeficientes en relación con una señal de error entre una temperatura de punto de regulación y una señal indicativa de la salida de calor de dicha cámara (20) en dicha entrada.

37. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 27, en el que procesador (70) está destinado a reajustar los coeficientes seleccionando uno de los conjuntos de coeficientes en relación con una señal de error entre una temperatura de punto de regulación y una señal indicativa de la salida de calor de dicha cámara (20) en dicha entrada.

38. Un sistema calentador para calentar un gas respirable, que comprende un calentador (56) destinado a calentar agua (27) en una cámara (20) a través de la cual será hecho pasar el gas, una entrada (55) destinada a recibir una señal indicativa de una temperatura; y un controlador (54) destinado a regular el calentador (56) y que tiene un control (100) de realimentación PID que utiliza un conjunto de coeficientes, incluyendo el controlador (54) un procesador (70) destinado a ajustar los coeficientes en relación con una señal de error entre una temperatura de punto de regulación y la señal indicativa de una temperatura en la entrada (55).

39. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 38, en el que el procesador (70) está destinado a ajustar los coeficientes para un caudal más alto si una desviación estándar de la señal de error supera un umbral mínimo.

40. Un sistema calentador como se reivindica en la reivindicación 38, en el que el procesador (70) está destinado a ajustar los coeficientes para un caudal más bajo si un estado estable de la señal de error supera un umbral mínimo.