JP2002528187A - 人工呼吸器システム - Google Patents

人工呼吸器システム

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Abstract

(57)【要約】 携帯性を有し機械式の人工呼吸器（１０）が、定速型の圧縮器（２０）と、再循環用のバイパス回路とを使用する。バイパス流れは、バネ偏倚されたバイパス弁（２６）にして、流量弁を横断する差圧を、人工呼吸器が最小エネルギー消費量下に運転されるに十分な値に維持するべく、主たる流量制御弁（１２）の入口（２４）及び出口（２８）の両方に結合したバイパス弁により制御される。流量弁は、経験的に導出さしたルックアップ表に従い、所望の空気流量を発生させ、且つ、該発生した空気流量の測定値を提供するべく、マイクロプロセッサ（８２）により作動される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の分野） 本発明は呼吸補助を必要とする患者のための人工呼吸器に関し、詳しくは、再
循環用のバイパス弁と、主弁を横断する差圧を一定に維持するためのコンピュー
タ化された主弁制御体とを備え連続運転される圧縮器を使用する人工呼吸器シス
テムに関する。
【０００２】 （従来技術） 自分では呼吸することができない、あるいは呼吸補助を必要とする患者のため
の従来の低圧回転圧縮器型の人工呼吸器は、可変速型圧縮器かあるいは定速型圧
縮器を使用する。可変速型圧縮器は米国特許第５，６９４，９２６号に例示され
、本来静止した状態から急激に加速運転することで吸入を生じさせ、次いで、停
止あるいは基礎流量水準に減速されると、患者は呼気することができるようにな
る。圧縮器を急加速及び急制動するために、圧縮器には高価な低慣性機構と、非
常に大きな電流を取り扱うための駆動回路とを設ける必要がある。これにより、
大きく且つ高価な電力装置と、人工呼吸器を商用電力線に繋がない場合の相当量
の予備電池とが必要となる。
【０００３】 米国特許第４，９５７，１０７号に示されるような定速型圧縮器はこの問題を
解決する。しかしこの圧縮器では、呼気中に有意量の空気が廃棄されることで別
の問題が生じる。つまり、圧縮器を無用に動作せしめるのみならず、吸入空気が
酸素添加されている場合は、呼気中に酸素源をシールしない限り大量の酸素が無
駄になってしまう。米国特許第４，９５７，１０７に例示されるようなシステム
もまた、空気送給は“入る”かあるいは“切る”の何れかであり、呼吸中に複雑
な吸気圧力及び流量曲線を生じさせるべくこの空気送給を変化させることができ
ないと言う問題がある。 一般に、従来の人工呼吸器は比較的大型で且つ重く、患者は殆ど動くことがで
きず、あるいは、小型且つ軽量のものであっても、その換気容量は限定的なもの
である。
【０００４】 （解決しようとする課題） 車椅子の背後に取り付け、あるいは人が好都合に持つことのできる、また、融
通性があり、しかも電力消費量の点で経済的な、比較的小型且つ軽量の、現在の
ところ入手することのできない、人工呼吸器システムを提供することである。
【０００５】 （課題を解決するための手段） 本発明は、上述の課題を、呼気中の排出分がバイパス弁に通して再循環される
、連続運転型の圧縮器を有する人工呼吸器を提供することにより解決するもので
ある。吸気流量は、マイクロプロセッサを介して作動されるデジタルステップモ
ータにより駆動する流量弁により制御される。バイパス弁が、流量弁を横断する
差圧を比較的一定に維持する一方で、圧縮器の余剰の流れを吸入側に戻し、かく
して、エネルギー消費量の最小化を保証する。マイクロプロセッサは、所望の流
量を発生させるために必要な弁位置を、流量弁を横断する差圧を考慮しつつ連続
的且つ反復的に計算することにより、経験的に導出したルックアップ表に従い流
量弁を制御する。かくして、流量弁は、流量制御体及び流量フィードバック体と
して高精度に機能する。本発明によれば、酸素の損失が回避され、しかも尚、定
速型圧縮器を使用することのできる、構成部品が小型で比較的持ち運びやすく且
つ融通性のある人工呼吸器が創出される。本発明の新規な有益性は、単一の定速
型圧縮器を使用して、呼吸量制御モード及び呼吸圧制御モードの何れでも運転す
ることが出来ることである。
【０００６】 （発明の実施の態様） 図１には本発明の人工呼吸器１０の機械的部分が概略示されている。人工呼吸
器１０は電子機械的なものであり、様々なモード下に患者への正圧（陽圧）呼吸
補助を提供することができるものである。 詳しく説明すると、以下の呼吸形式、即ち、 ａ）各呼吸における一回呼吸量の空気が各呼吸の吸入プリセット時間において
送達され、呼吸が患者によってかあるいは調時回路によって開始される容量制御
呼吸： ｂ）吸入中に９９ｃｍＨ2Ｏまでの圧力を生じさせるための十分な流量が維持
され、呼吸が、患者かあるいは人工呼吸器によって開始され、吸入が、流量が所
定水準に低下したとき、あるいは調時アルゴリズムがタイムアウトした時に終了
する圧力呼吸： ｃ）吸入流量が、患者の要求に合わせるための、及び、一定の基準線圧力を維
持するための必要に応じて変化し、呼吸が患者によって開始され、吸入が、流量
が所定水準に低下する、あるいは設定したバックアップ時間が無くなる、の何れ
か早い方に応じて終了される自発呼吸： に対する補助が提供される。 本発明の１つの特徴は、人工呼吸器１０が、流量−終了圧力モードあるいは時
間−終了圧力モード、つまり自発呼吸モード、もしくは、従来からの一回呼吸量
モードにおいて、圧縮器動作あるいは圧縮器速度（呼吸時の）を変化させること
なく、単に流量弁１２を適宜に作動するのみで運転され得ることである。
【０００７】 周囲空気は、入口フィルタ１４を通して人工呼吸器１０に入り、アキュムレー
タ／消音装置１６に入り、そこで随意的に、ソレノイド弁１８ａ〜ｄにより設定
された割合で酸素と混合される。アキュムレータ／消音装置１６は、従来通り、
運転時の圧縮器騒音をも減少させる。酸素添加された空気は、人工呼吸器１０の
最大要求量を満足させるに十分な速度で運転されるよう調整したドラッグ（ｄｒ
ａｇ）圧縮器であるのが好ましい定速型の圧縮器２０を使用して、アキュムレー
タ／消音装置１６から抜き出される。圧縮器２０の出口流量と、出口圧力ＰOTと
が消音装置２２に伝達される。消音装置２２からの排出流量は結局、流量弁１２
の入口２４に流入する。
【０００８】 最大要求量時を除き、流量弁１２に送る必要のない過剰の酸素添加空気が、少
なくとも幾分か常に存在する。この過剰の空気はバイパス弁２６を介して再循環
され、アキュムレータ／消音装置１６に戻り、新たな酸素に対する必要性を減少
させる。 バイパス弁２６は、流量弁１２の出口２８側の位置での患者の空気圧力Ｐｐと
、バネ３０の圧力との合計圧力により閉じた位置に偏倚される。バネ３０は、約
１０〜１５ｃｍＨ2Ｏの一定の閉鎖偏倚力を提供するものであるのが好ましい。
かくして、バイパス弁２６は、ＰOTがＰｐ及びバネ偏倚力の合計圧力に打ち勝つ
まで開放されないことから、流量弁１２の入口２４と出口２８との間に約１０〜
１５ｃｍＨ2Ｏの一定の差圧を維持しようとする。この差圧はトランスデューサ
３１により監視される。
【０００９】 流量弁１２の出口２８側は、固定オリフィス４２を介設した導管３２を通して
患者と直結される。差圧型トランスデューサ４０の入口導管３６及び３８をオリ
フィス４２の各側の入口部４３及び４４に結合することにより、患者への、また
、患者からの空気流量を測定することができる。 呼気中に患者の呼気圧力が調節バネ５０の偏倚力を越えると、呼気弁４６が番
号４８で示す出口位置で大気中への開放通路を提供し、呼気駆動用のソレノイド
弁５２が図１に示す位置を取る。吸気中、呼気弁４６はソレノイド弁５２により
閉鎖状態に錠止され、ソレノイド弁５２は、賦活されると呼気弁４６のバネチャ
ンバに流量弁の圧力ＰOTを付加する。圧力ＰOTが、上述した理由によって導管３
２内の圧力Ｐｐよりも常に高い限り、吸気中に出口４８から空気が逃出すること
はない。
【００１０】 人工呼吸器１０内には、圧縮器が故障した場合に患者が呼吸できるようにする
ための、大気圧以下釈放弁５４が設けられる。人工呼吸器１０の流量送達システ
ムが故障した場合に圧力Ｐｐを安全な値に制限する、バネ偏倚式の過圧釈放弁５
６も設けられる。 差圧型トランスデューサ４０の入口部４３及び４４が患者の息の水分によって
詰まりやすいことから、パージソレノイド５８が定期的に瞬間作動され、圧力Ｐ OT の空気を入口部４３及び４４を介して導管３２内に噴入し、かくして入口部４
３及び４４、導管３２の清浄状態が維持される。逆止弁６０、６２が、パージ流
れのない状態において差圧型トランスデューサ４０の２つの入口部４３及び４４
を分離する。
【００１１】 較正目的上、自動ゼロ化のためのソレノイド弁６８、７０が定期的に作動され
、差圧型トランスデューサ４０を入口部４３及び４４から脱係合する。この条件
下での差圧型トランスデューサ４０の読み取り値はゼロとなるべきである。もし
ゼロでない場合、差圧型トランスデューサ４０のオフセット信号レベルは制御体
８２により適宜に補償される。患者の、オリフィス４２の側での実際の気道圧力
を測定するための気道圧力トランスデューサ７２が、入口導管３８に結合される
。入口ポート７６位置での酸素圧を測定するための酸素圧トランスデューサ７４
もまた取り付けられ、それにより、固定オリフィス７８ａ〜ｄを通してアキュム
レータ／消音装置１６内に送られる酸素容積を自動調節するためのデータが提供
される。
【００１２】 流量弁１２はステップモータ８０によりデジタル的に運転される。ステップモ
ータ８０は制御体であるマイクロプロセッサ８２により駆動される。マイクロプ
ロセッサ８２に入力される値は、トランスデューサ３１の出力（流量弁の差圧）
、トランスデューサ４１の出力（気道流量）、トランスデューサ７２の出力（気
道圧力）、そして、トランスデューサ７４の出力（酸素圧力）であり、運転モー
ドの所望の設定値であり、呼吸の速度、時間、圧力及びあるいは容積の各パラメ
ータであり、また、酸素濃度である。マイクロプロセッサ８２の出力は、ソレノ
イド弁１８ａ〜ｄのための作動信号（酸素流量）、ソレノイド弁５２のための作
動信号（呼気制御）、ソレノイド弁５８のための作動信号（流量センサのパージ
）、ソレノイド弁６８、７０のための作動信号（自動ゼロ化）、のみならず、流
量弁１２を駆動するステップモータ８０に対するデジタル制御信号、である。 ステップモータ８０の制御、従って流量弁１２の制御は最も臨界的なものであ
り、且つマイクロプロセッサ８２が制御すべき最も複雑な運転である。マイクロ
プロセッサ８２は、以下に説明する如く経験的に発生された一対のルックアップ
表に従い、ステップモータ８０を作動させて弁の位置決めを制御する。
【００１３】 気道流量ｆが、流量弁１２を横断する差圧ｄｐと、弁オリフィス８４の面積と
により決定される。 ｆ∝ａ√ｄｐ−−−−−−−（１） 弁オリフィスの面積がステップモータ位置によって決まることから、気道流量
ｆを、差圧ｄｐとステップモータ位置ｘとの関数として以下のように表すことが
できる。 ｆ∝ｘ√ｄｐ−−−−−−−（２）
【００１４】 精度を改善するために、ステップモータ位置及び差圧を様々に組み合わせて実
際の流量を測定する。これにより、トランスデューサ３１からの出力と、指令さ
れたステップモータ８０の位置ｘとの関数としての流量を与える特徴、あるいは
ルックアップ表（図４）が得られる。 得られたルックアップ表は、実際の運転上必要なものよりも粗いものではある
が、補完法により中間値を確認することができる。 ｘ及びｄｐの関数としてのｆを知ることにより、表４は、流量及び差圧の関数
としてのステップモータ位置を明らかにするべく再配列することができる。 ｘ∝ｆ／√ｄｐ−−−（３）
【００１５】 そうして得た位置表（図５）によれば、所望の流量及び差圧下の関数としての
ステップモータ位置が得られる。図４におけるように、図５の表の中間値もまた
補完法により確認することができる。 流量ｆと、従って差圧ｄｐとはそれら自身がステップモータ８０の指令位置ｘ
の関数であるところから、図５のルックアップ表からの位置の算出をマイクロプ
ロセッサ８２により連続的に更新して差圧の変動を追随させ、所望の流量が送達
されるようにするべきである。好ましい実施例における代表的な反復時間は２ｍ
ｓのオーダーである。 流量弁１２が、流量トランスデューサ（弁位置と差圧との関数としての流量を
図４のルックアップ表から知り得ることから）及び流量制御体（その位置により
流量を制御することから）の機能を共に奏し得ることを銘記されたい。差圧型ト
ランスデューサ４０の発生する検出された流量測定値は流量弁とは無関係である
。この流量測定値の信号は、呼吸を開始しようとする患者の努力を検出し、呼気
の一回呼吸量を表示するための呼気流量を測定するために使用される。
【００１６】 ステップモータ８０の要求位置を連続的に反復再計算する必要を生じさせる要
因の１つは、人工呼吸器１０の大抵の運転モードでは、吸気中に吸気流量が広範
囲に変化するという事実である。代表的な運転モードでの一回の呼吸サイクルの
時間の関数としての流量を示す図３に示すように、流量（及び結局は弁の位置）
は吸気の開始時点で急上昇し、次いで、患者の肺が充満されるに従い減少する。
吸気流量は、選択したモード及びパラメータ設定値により決定された如く終了さ
れ、呼気駆動用のソレノイド弁５２が釈放されることにより、引き続き呼気が開
始される。 以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし
得ることを理解されたい。
【００１７】 （発明の効果） 車椅子の背後に取り付け、あるいは人が好都合に持つことのできる、また、融
通性があり、しかも電力消費量の点で経済的な、比較的小型且つ軽量の、現在の
ところ入手することのできない人工呼吸器システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の人工呼吸器の概略ダイヤグラム図である。
【図２】 全呼吸サイクルを通して流量弁を横断する差圧が不変であることを例示する、
時間／圧力ダイヤグラム図である。
【図３】 患者の呼吸サイクル中の典型的な流量の変動を例示する、時間／流量ダイヤグ
ラム図である。
【図４】 差圧及び弁位置の関数として流量を示した三次元ダイヤグラム図である。
【図５】 所望の流量のための、差圧変化を考慮した弁位置を示す三次元ダイヤグラム図
である。
【符号の説明】
１０ 人工呼吸器 １２ 流量弁 １４ 入口フィルタ １６ アキュムレータ／消音装置 ２０ 圧縮器 ２２ 消音装置 ２４ 入口 ２６ バイパス弁 ２８、４８ 出口 ３０ バネ ３１ トランスデューサ ３２ 導管 ３６、３８ 入口導管 ４０ 差圧型トランスデューサ ４２ 固定オリフィス ４３、４４ 入口部 ４６ 呼気弁 ５０ 調節バネ ５２ ソレノイド弁 ５４ 大気圧以下釈放弁 ５６ 過圧釈放弁 ５８ パージソレノイド ６０、６２ 逆止弁 ６８、７０ ソレノイド ７２ 気道圧力トランスデューサ ７６ 入口ポート ７４ 酸素圧力トランスデューサ ７８ａ〜ｄ 固定オリフィス ８２ 制御体

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 呼吸補助を必要とする患者のための人工呼吸器であって、 （ａ）空気入口及び空気出口を有し、該空気出口位置で空気を第１の圧力水準
    に圧縮するべく配列された圧縮器と、 （ｂ）入口及び出口と、該入口及び出口間に介装した弁要素とを有し、前記第
    １の圧力水準に加圧された空気が前記入口に付与され、該空気が、第２の圧力水
    準下に前記出口から排出される流量弁と、 （ｃ）前記第１の圧力水準の空気の一部分を受けるべく配列されたバイパス弁
    にして、該受けた空気部分をバイパス弁が開放状態のとき前記圧縮器の入口側に
    放出し、更に、該バイパス弁が、 （ｄ）閉じた位置に向けて偏倚する偏倚力によって偏倚され、該バイパス弁が
    開放状態の時、前記第１の圧力水準が、前記偏倚力と前記第２の圧力水準とを合
    計した力を上回ったとき前記流量弁の出口に結合されるようになっているバイパ
    ス弁と、 （ｅ）流量弁の出口から排出される空気を患者の肺に導入するように配列した
    導管と、 を含む人工呼吸器。
  2. 【請求項２】 圧縮器が実質的に定速型の圧縮器である請求項１の人工呼吸
    器。
  3. 【請求項３】 偏倚力が実質的に一定の偏倚力である請求項１の人工呼吸器
    。
  4. 【請求項４】 （ｆ）弁要素に結合され、流量弁の入口及び出口間の空気流
    量を選択的に増減するためのアクチュエータと、 （ｇ）該アクチュエータに作動上結合した制御体にして、該アクチュエータを
    して、選択された空気流量と、第１の圧力水準及び第２の圧力水準間の差圧とに
    応じて前記弁要素を再位置決めせしめる制御体と、を更に含む請求項１の人工呼
    吸器。
  5. 【請求項５】 （ｇ）の制御体が、所定の差圧下での所定の空気流量に相当
    する弁要素位置のためのルックアップ表を含み、該制御体が、該ルックアップ表
    から、検出された最新の差圧下で選択された空気流量を発生させるために必要な
    弁要素位置を連続的に算出するように配列され、（ｆ）のアクチュエータが、弁
    要素を算出された位置に位置決めするように制御される請求項４の人工呼吸器。
  6. 【請求項６】 ルックアップ表が経験的に導出されたものである請求項５の
    人工呼吸器。
  7. 【請求項７】 経験的に得られた値どうしの中間の値が補完法によって得ら
    れる請求項６の人工呼吸器。
  8. 【請求項８】 制御体が、所定の差圧下での弁要素の所定位置に相当する空
    気流量のための第２のルックアップ表を含み、該制御体が、該第２のルックアッ
    プ表から、検出された最新の差圧下での弁要素の最新の位置により発生される空
    気流量を連続的に算出するようになっている請求項５の人工呼吸器。
  9. 【請求項９】 第２のルックアップ表が経験的に導出されたものである請求
    項８の人工呼吸器。
  10. 【請求項１０】 経験的に得られた値どうしの中間の値が補完法によって得
    られる請求項９の人工呼吸器。
  11. 【請求項１１】 アクチュエータがステップモータである請求項５の人工呼
    吸器。
  12. 【請求項１２】 ｇ）加圧下の酸素源と、 ｈ）該酸素源の酸素圧力を測定するように配列されたトランスデューサと、 ｉ）前記酸素源に結合され、測定した酸素圧に応じて選択量の酸素を空気と混
    合する配列構成としたデジタル作動式の弁アセンブリと、 を更に含む請求項１の人工呼吸器。
  13. 【請求項１３】 呼吸補助を必要とする患者のための人工呼吸器における自
    己調節式の流量制御システムであって、 ａ）入口及び出口と、該入口及び出口間に介装した弁要素とを有する流量弁に
    して、前記入口に第１の圧力水準の空気が提供され、該空気が、第２の圧力水準
    下に前記出口から排出され、前記弁要素が、該流量弁を貫く空気の流路の特定の
    断面積に各々関連する複数の位置を通して可動の流量弁と、 ｂ）前記弁要素の位置を制御するべく配列した制御体にして、前記第１の圧力
    水準及び第２の圧力水準の差圧を表す入力値を受け、該入力値と、前記弁要素の
    位置とを使用して前記流量弁を通る空気流量の検出及び調節を共に実行し、それ
    により、前記流量弁が、前記空気流量を閉ループ制御するための流量弁自体の流
    量トランスデューサとして作用する制御体と、 を含む自己調節式の流量制御システム。
  14. 【請求項１４】 ｃ）偏倚された弁を含むバイパス回路にして、流量弁の外
    側の１つの位置を流量弁の内側の１つの位置に結合し、前記偏倚された弁が、流
    量弁の入口及び出口間の差圧を実質的に一定に維持するように偏倚されるバイパ
    ス回路を更に含んでいる請求項１３の自己調節式の流量制御システム。
  15. 【請求項１５】 空気流量を測定することなく、人工呼吸器の弁を通る空気
    流量を閉ループ制御するための方法であって、 ａ）弁に、種々の弁位置での既知の流路断面を提供すること、 ｂ）前記弁の入口及び出口間の差圧を発生させること、 ｃ）該差圧を監視すること、 ｄ）制御信号に従い、弁の位置を制御すること、 ｅ）前記差圧と前記制御信号とを用い、前記制御信号を調節して所望の空気流
    量を発生させること、 を含む、空気流量を測定することなく、人工呼吸器の弁を通る空気流量を閉ル
    ープ制御するための方法。
  16. 【請求項１６】 弁の入口及び出口間の差圧が実質的に一定に維持されるこ
    とを含む請求項１５の空気流量を測定することなく、人工呼吸器の弁を通る空気
    流量を閉ループ制御するための方法。
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