JP2005027848A - 人工呼吸器を制御する制御方法および制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】管路圧力に外乱が生じる場合であっても、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけて、患者の負担を軽減する人工呼吸器の制御方法を提供する。
【解決手段】管路圧力とともにポンプ圧力Ｐｓに基づいて、管路圧力が予め定められる設定圧力になるように、各アクチュエータ３１，３２を制御する。ポンプ圧力Ｐｓは、患者の状態変化などの外乱によって変動することがない。これによって吸気期間Ｗ１においては、呼気管路圧力Ｐａｉを短時間でかつロバスト性を向上して安定的に設定吸気圧力Ｐａａに達成させることができる。また呼気期間Ｗ２においては、吸気管路圧力Ｐａｅがポンプ圧力Ｐｓ以上に高くなることがなく、安定的に設定呼気圧力Ｐａｂに達成させることができる。このようにすることによって、外乱が生じても管路圧力を設定圧力に制御することができ、患者の負担をより軽減することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】管路圧力とともにポンプ圧力Ｐｓに基づいて、管路圧力が予め定められる設定圧力になるように、各アクチュエータ３１，３２を制御する。ポンプ圧力Ｐｓは、患者の状態変化などの外乱によって変動することがない。これによって吸気期間Ｗ１においては、呼気管路圧力Ｐａｉを短時間でかつロバスト性を向上して安定的に設定吸気圧力Ｐａａに達成させることができる。また呼気期間Ｗ２においては、吸気管路圧力Ｐａｅがポンプ圧力Ｐｓ以上に高くなることがなく、安定的に設定呼気圧力Ｐａｂに達成させることができる。このようにすることによって、外乱が生じても管路圧力を設定圧力に制御することができ、患者の負担をより軽減することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工呼吸器に用いられる制御装置およびおよび制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の技術の人工呼吸器１の一部を簡略化して示すブロック図である。人工呼吸器１は、患者の肺３に酸素を含む気体を供給し、患者の肺の換気を行う。人工呼吸器１は、ポンプ２と、吸気管路５と、呼気管路６と、呼気弁７とを含む。ポンプ２は、酸素を含む気体を吸気管路５に供給する。吸気管路５は、ポンプ２から供給された気体８をマスクまたは気管チューブである装着部材１１を介して患者の肺３に導く。また呼気管路６は、患者が吐出する気体９を装置外部に導く。呼気弁７は、呼気管路６に介在されて呼気管路６の開閉を行う。
【０００３】
人工呼吸器１は、吸気期間においては、ポンプ２によって患者の肺３へ気体８を供給するとともに、呼気弁７によって呼気管路６を閉じる。また呼気期間においては、ポンプ２による患者の肺３への気体供給を停止するとともに、呼気弁７によって呼気管路６を開く。人工呼吸器１は、このような吸気期間動作と呼気期間動作とを交互に繰り返して、患者の換気機能を支援する（たとえば特許文献１〜３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−７３１号公報
【特許文献２】
特開２００２−２００１６８号公報
【特許文献３】
特開２００２−１３６５９８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
人工呼吸器の換気方式には、大別して、一呼吸毎に一定量の気体を患者に送る従量方式、たとえばＶＣＶ方法と、呼気期間中に患者の気道圧力を一定に保ち、患者の肺のコンプライアンスに対応した換気量を得る従圧方式、たとえばＰＣＶ、ＰＳＶ方法がある。後者の方式において、患者の肺の換気を良好に行うためには、患者の気道圧力を調整する必要がある。具体的には、人工呼吸器１は、吸気期間中においては、気道圧力が過度に高くならないように調整される。また呼気期間中においては、気道圧力が吸気終末陽圧（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｅｎｄ−Ｅｘｐｉｒａｔｏｒｙ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ、略称、ＰＥＥＰ圧）が保たれるように調整される。このように気道圧力が適切に調整されることによって、患者の肺の換気を良好に行うことができる。
【０００６】
目標とする目標気道圧力は、人工呼吸器１に設定される。ただし肺の状態たとえば肺の硬さ、いわゆる肺のコンプライアンスは患者ごとに個人差があり、患者ごとに適切な気道圧力が異なる。また同じ患者であっても、患者の症状たとえば前記肺のコンプライアンスや患者の気道抵抗が変化することによって、適切な気道圧力も変化する。
【０００７】
従来技術として、人工呼吸器１は、圧力検出器１５によって管路圧力を検出し、検出される管路圧力に基づいてフィードバック制御して、管路圧力を設定圧力に調整する。管路圧力を設定圧力に保つことで、気道圧力を目標気道圧力に近づけている。
【０００８】
しかしながら管路圧力は、患者の気道圧力とは対応しない場合がある。たとえば管路圧力は、気道圧力の変化に対して時間遅れがある。また管路圧力は、気道圧力にかかわらず、外乱によって変化してしまう。たとえば外乱として、患者の咳および管路に介在される加湿器などがある。
【０００９】
外乱によって患者の気道圧力と管路圧力とが対応しない場合には、管路圧力に基づいて管路圧力を制御しても、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけることができない。また外乱の１つである、患者の気道抵抗や肺のコンプライアンスは、患者の症状によって、大きく変化する。この場合、上述した従来技術では、フィードバック制御系の応答性および安定性が損なわれる場合がある。
【００１０】
したがって本発明の目的は、こうした外乱が生じる場合であっても、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけて、患者の負担を軽減する人工呼吸器の制御方法および制御装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御方法であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力と、吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力とを取得し、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、呼気管路を閉じるよう開閉駆動手段を制御するとともに、供給圧力および管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段を制御することを特徴とする人工呼吸器の制御方法である。
【００１２】
本発明に従えば、管路圧力と供給圧力とを取得し、それらに基づいて供給駆動手段を制御する。供給圧力は、供給駆動手段の駆動に追従して直ちに変化する。したがって供給駆動手段を制御してから管路圧力が変化するまでに時間遅れがある場合でも、供給圧力に基づいて供給駆動手段を制御することで応答性を向上することができ、管路圧力を短時間で設定吸気圧力に達成させることができる。
【００１３】
また供給圧力は、患者の状態変化および管路の圧力抵抗変化などの影響をほとんど受けることがない。患者の咳および加湿器などの外乱によって管路圧力が一時的に変化したとしても、直ちに修正制御することができる。これによって管路圧力は、外乱前の圧力に修正される。したがって外乱の影響を小さくして、管路圧力の過剰調整を防ぐことができ、管路圧力を安定して設定吸気圧力に達成することができる。言い換えると安定的でかつロバスト性を向上した管路圧力の制御を実現することができる。
【００１４】
患者の気道圧力が設定吸気圧力と一致するまで、吸気管路から気道に向けて気体が流れる。したがって設定吸気圧力を、患者の肺の換気を良好に行うことができる目標気道圧力に設定すると、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけることができる。本発明では、応答性を向上するとともに外乱による影響を小さくして管路圧力を設定呼気圧力にすることができるので、患者の気道圧力もまた目標気道圧力に早くかつ安定して近づけることができる。
【００１５】
また本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御方法であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力と、吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力とを取得し、
患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、開閉駆動手段を制御するとともに、供給圧力に基づいて、供給圧力が設定呼気圧力よりも予め定める補償圧力分高くなるように、供給駆動手段を制御することを特徴とする人工呼吸器の制御方法である。
【００１６】
本発明に従えば、呼気期間において、管路圧力に基づいて開閉駆動手段を制御するとともに、供給圧力に基づいて供給駆動手段を制御する。これによって管路圧力は設定呼気圧力に保たれ、一定量の気体が排出場所に向かって流れる平衡状態に保たれる。
【００１７】
仮に管路圧力が設定呼気圧力よりも低くなった場合、開閉手段が呼気管路を平衡状態よりも閉じるとともに、供給手段が吸気管路から所定圧力の気体を供給することで、管路圧力を再び設定呼気圧力に保つことができる。また仮に管路圧力が設定呼気圧力よりも高くなった場合、開閉手段が呼気管路を平衡状態よりも開くことによって、管路圧力を再び設定呼気圧力に保つことができる。
【００１８】
本発明によれば、呼気管路を通過する気体の流量ではなく、管路圧力を制御、たとえばフィードバック制御する。仮に管路の気体漏れによって管路圧力が低下したとしても、管路圧力が設定呼気圧力となるように、呼気管路をさらに閉じて、管路圧力が再び設定呼気圧力に保たれる。したがって管路の気体漏れを補償して管路圧力を設定呼気圧力に保つことができる。
【００１９】
設定吸気圧力を、患者の肺の換気を良好に行うことができる目標気道圧力に設定すると、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけることができる。本発明では、外乱の影響にかかわらず管路圧力を安定して設定呼気圧力に保つことによって、患者の気道圧力もまた、目標気道圧力に安定して近づけることができる。
【００２０】
また本発明は、吸気管路内を流れる気体の流量である吸気管路流量と、呼気管路内を流れる気体の流量である呼気管路流量とを取得し、
吸気管路流量と呼気管路流量との差に基づいて、患者が気体を吸引し始めたことを判断することを特徴とする。
【００２１】
本発明に従えば、供給圧力に基づいて供給駆動手段を制御する制御量、すなわち制御特性を調整することによって、管路圧力が設定呼気圧力からずれたときの吸気管路流量の変化率を大きくすることができる。患者が自発呼吸をしている場合、患者が管路内の気体を吸引すると、管路圧力は設定呼気圧力よりも小さくなる。このとき、前述したように調整されることで、吸気管路を流れる気体の流量変化率は、その気体の圧力の変化率に比べて大きく変化する。
【００２２】
このように患者が気体を吸引し始めたときに、吸気管路流量と呼気管路流量との差を大きくし、この差を検出することによって、患者が気体を吸引する吸気状態に移行したことを精度よく判断することができる。
【００２３】
また本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御方法であって、
吸気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、供給手段から気体が流れる流れ方向上流側の圧力である吸気管路圧力を取得し、
呼気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、気道から気体が流れる流れ方向下流側の気体の圧力である呼気管路圧力を取得し、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、呼気管路圧力に基づいて、呼気管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御し、
患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、吸気管路圧力に基づいて、吸気管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御方法である。
【００２４】
本発明に従えば、吸気期間において、呼気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。吸気期間では吸気管路圧力は、患者の気道圧力よりも高い圧力となる。また吸気管路圧力は、吸気管路に加湿器が介在されることによって振動的になる。これに対して患者の気道から呼気管路に流れる気体の流量はほとんどなく、患者の気道圧力と呼気管路圧力とはほぼ等しい圧力となる。したがって吸気期間において、呼気管路圧力を検出して、その呼気管路圧力に基づいて供給駆動手段を制御、たとえばフィードバック制御することによって、患者の気道圧力をずれなく設定吸気圧力に近づけることができる。
【００２５】
また呼気期間において、吸気管路圧力に基づいて供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する。呼気期間では、呼気管路圧力は、患者の気道圧力よりも低い圧力となり、患者の気道圧力に対してずれる。これに対して吸気管路圧力と患者の気道圧力とは、ほぼ等しい圧力となる。したがって吸気管路圧力に基づいて供給手段を制御、たとえばフィードバック制御することによって、患者の気道圧力をずれなく設定呼気圧力に近づけることができる。また患者の咳などによって、一時的に患者が吐出する気体の流量が増加した場合であっても、流れ方向上流側の吸気管路圧力は大きく変化することがなく、吸気管路圧力が外乱によって不安定になることを防ぐことができる。
【００２６】
このように呼気期間および吸気期間において、患者の気道圧力により近い圧力を検出して、各駆動手段を制御するので、患者の気道圧力を良好に設定圧力に達成させて、患者の負担を軽減することができる。
【００２７】
またたとえば各管路に圧力検出孔を形成し、圧力検出孔から圧力導管によって気体を導いて圧力を検出した場合、患者に装着される側部分から遠ざかった位置に圧力検出孔を形成することができる。これによって痰および唾などを患者が吐出したとしても、圧力検出孔が詰まることを防ぐことができ、より正確な気道圧力を検出することができる。また患者に装着される側部分寄りに圧力導管を設ける必要がないので、圧力導管の脱落および装着ミスを無くすことができる。
【００２８】
また本発明は、前記制御方法を実行するためのコンピュータである。
また本発明は、前記制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【００２９】
また本発明は、前期制御方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体である。
【００３０】
本発明に従えば、前述した人工呼吸器の制御方法をコンピュータによって実現されるので、短時間で制御量を演算することができる。また供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する制御特性を容易に設定することができ、患者ごと、および患者の状態に応じて、最適な制御特性に容易にかつ短時間で設定することができる。また長時間継続して制御しても制御特性が変動することがなく、安定的に患者の気道圧力を調整することができる。また、プログラムをコンピュータに読込ませることによって、前述した人工呼吸器の制御方法を実現することができる。またプログラムは、記録媒体に記録されていてもよい。
【００３１】
また本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御装置であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力を検出する供給圧力検出手段と、
吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力を検出する管路圧力検出手段と、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、呼気管路を閉じるよう開閉駆動手段を制御する開閉制御手段と、
吸気期間において、検出される供給圧力および管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段を制御する供給制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御装置である。
【００３２】
本発明に従えば、供給制御手段は、検出される管路圧力と供給圧力とに基づいて供給駆動手段を制御する。供給圧力は、供給駆動手段の駆動に追従して直ちに変化する。したがって供給駆動手段を制御してから管路圧力が変化するまでに時間遅れがある場合でも、供給圧力に基づいて供給駆動手段を制御することで応答性を向上することができ、管路圧力を短時間で設定吸気圧力に達成させることができる。
【００３３】
また、供給圧力は、患者の状態変化および管路の圧力抵抗変化などの影響をほとんど受けることがない。患者の咳および加湿器などの外乱によって管路圧力が一時的に変化したとしても、供給制御手段は、その外乱によって変化された供給圧力に基づいて、供給駆動手段を直ちに修正する。これによって管路圧力は、外乱前の圧力に修正される。すなわち外乱の影響を小さくして、管路圧力の過剰調整を防ぐことができる。したがって管路圧力を安定して設定吸気圧力に達成することができる。言い換えると安定的でかつロバスト性を向上した管路圧力の制御を実現することができる。
【００３４】
患者の気道圧力が設定吸気圧力と一致するまで、吸気管路から気道に向けて気体が流れる。したがって設定吸気圧力を、患者の肺の換気を良好に行うことができる目標気道圧力に設定すると、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけることができる。本発明では、応答性を向上するとともに外乱による影響を小さくして管路圧力を設定呼気圧力にすることができるので、患者の気道圧力もまた目標気道圧力に早くかつ安定して近づけることができる。
【００３５】
また本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御装置であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力を検出する供給圧力検出手段と、
吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力を検出する管路圧力検出手段と、
患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、検出される管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、開閉駆動手段を制御する開閉制御手段と、
呼気期間において、検出される供給圧力に基づいて、供給圧力が設定呼気圧力よりも予め定める補償圧力分高くなるように、供給駆動手段を制御する供給制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御装置である。
【００３６】
本発明に従えば、呼気期間において、管路圧力に基づいて開閉駆動手段を制御するとともに、供給圧力に基づいて供給駆動手段を制御する。これによって管路圧力は設定呼気圧力に保たれ、一定量の気体が排出場所に向かって流れる平衡状態に保たれる。
【００３７】
仮に管路圧力が設定呼気圧力よりも低くなった場合、呼気管路を平衡状態よりも閉じて、吸気管路から一定圧力の気体を供給することで、管路圧力を再び設定呼気圧力に保つことができる。また仮に管路圧力が設定呼気圧力よりも高くなった場合、呼気管路を平衡状態よりも開くことによって、管路圧力を再び設定呼気圧力に保つことができる。
【００３８】
さらに供給圧力は外乱によって変動することが少なく、吸気管路を流れる気体の圧力は一定に保たれる。管路圧力が外乱によって変化したとしても、開閉駆動手段が制御されて呼気管路の開閉度が調整されるだけであり、気道圧力は、吸気管路を流れる気体の圧力を超えて過度に高くなることがない。すなわち吸気管路圧力を最適に設定することによって、患者の呼気動作の負担となることを防止することができる。
【００３９】
また本発明によれば、呼気管路を通過する気体の流量ではなく、管路圧力を制御、たとえばフィードバック制御する。仮に管路の気体漏れによって管路圧力が低下したとしても、管路圧力が設定呼気圧力となるように、呼気管路をさらに閉じ、管路圧力が再び設定呼気圧力に保たれる。したがって管路の気体漏れを補償して管路圧力を設定呼気圧力に保つことができる。
【００４０】
設定吸気圧力を、患者の肺の換気を良好に行うことができる目標気道圧力に設定すると、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけることができる。本発明では、外乱の影響にかかわらず管路圧力を安定して設定呼気圧力に保つことによって、患者の気道圧力もまた、目標気道圧力に安定して近づけることができる。
【００４１】
また本発明は、吸気管路内を流れる気体の流量である吸気管路流量を検出する吸気管路流量検出手段と、
呼気管路内を流れる気体の流量である呼気管路流量を検出する呼気管路流量検出手段と、
患者が気体を吸引し始めたことを判断する吸気開始判断手段とをさらに備え、吸気開始判断手段は、検出される吸気管路流量と呼気管路流量との差に基づいて、患者が気体を吸引し始めたことを判断することを特徴とする。
【００４２】
本発明に従えば、供給圧力に基づいて供給駆動手段の制御する制御量、すなわち制御特性を調整することによって、管路圧力が設定呼気圧力からずれたときの吸気管路流量の変化率を大きくすることができる。患者が自発呼吸をしている場合、患者が管路内の気体を吸引すると、管路圧力は設定呼気圧力よりも小さくなる。このとき、前述したように調整されることで、吸気管路を流れる気体の流量変化率は、その気体の圧力の変化率に比べて大きく変化する。
【００４３】
このように患者が気体を吸引し始めたときに、吸気管路流量と呼気管路流量との差を大きくし、吸気開始判断手段によって、この差を検出することによって、患者が気体を吸引する吸気状態に移行したことを精度よく判断することができる。
【００４４】
また本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御装置であって、
吸気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、供給手段から気体が流れる流れ方向上流側の気体の圧力である吸気管路圧力を検出する吸気管路圧力検出手段と、
呼気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、気道から気体が流れる流れ方向下流側の位置の気体の圧力である呼気管路圧力を検出する呼気管路圧力検出手段と、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、検出される呼気管路圧力に基づいて、呼気管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御し、患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、検出される吸気管路圧力に基づいて、吸気管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御装置である。
【００４５】
本発明に従えば、吸気期間において、呼気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。吸気期間では呼気管路圧力は、患者の気道圧力よりも高い圧力となる。また吸気管路圧力は、吸気管路に加湿器が介在されることによって振動的になる。これに対して患者の気道から呼気管路に流れる気体の流量はほとんどなく、患者の気道圧力と呼気管路圧力とはほぼ等しい圧力となる。したがって吸気期間において、呼気管路圧力を検出して、その呼気管路圧力に基づいて供給駆動手段を制御、たとえばフィードバック制御することによって、患者の気道圧力をずれなく設定吸気圧力に近づけることができる。
【００４６】
また呼気期間において、吸気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。呼気期間では、呼気管路圧力は、患者の気道圧力よりも低い圧力となり、患者の気道圧力に対してずれる。これに対して吸気管路圧力と患者の気道圧力とは、ほぼ等しい圧力となる。したがって吸気管路圧力に基づいて供給手段を制御、たとえばフィードバック制御することによって、患者の気道圧力をずれなく設定呼気圧力に近づけることができる。また患者の咳などによって、一時的に患者が吐出する気体の流量が増加した場合であっても、流れ方向上流側の吸気管路圧力は大きく変化することがなく、吸気管路圧力が外乱によって不安定になることを防ぐことができる。
【００４７】
このように呼気期間および吸気期間において、患者の気道圧力により近い圧力を検出して、各駆動手段を制御するので、患者の気道圧力を良好に設定圧力に達成させて、患者の負担を軽減することができる。
【００４８】
またたとえば各管路に圧力検出孔を形成し、圧力検出孔から圧力導管によって気体を導いて圧力を検出した場合、患者に装着される側部分から遠ざかった位置に圧力検出孔を形成することができる。これによって痰および唾などを患者が吐出したとしても、圧力検出孔が詰まることを防ぐことができ、より正確な気道圧力を検出することができる。また患者に装着される側部分寄りに圧力導管を設ける必要がないので、圧力導管の脱落および装着ミスを無くすことができる。
【００４９】
また本発明は、気道内の気体の圧力を表示するための表示手段をさらに備え、表示手段は、吸気期間において、検出される呼気管路圧力を患者の気道圧力として表示し、呼気期間において、検出される吸気管路圧力を患者の気道圧力として表示することを特徴とする。
【００５０】
本発明に従えば、吸気期間中には呼気管路圧力を表示手段に表示し、患者が呼気を吐出する呼気期間中には吸気管路圧力を表示手段に表示することによって、たとえば加湿器などの管路抵抗の変化および患者の咳などが生じても、患者の気道圧力とほぼ同じ圧力を随時報知することができる。また呼気期間と吸気期間とで、視認者が視線を切り換える必要がなく、同じ表示面で気道圧力を確認することができるので、利便性を向上することができる。
【００５１】
また本発明は、前記人工呼吸器と、前記人工呼吸器の制御装置とを備えることを特徴とする人工呼吸設備である。
【００５２】
本発明に従えば、前述した制御装置を備えることで、患者の気道圧力を良好に設定値に達成させて、人工呼吸動作時の患者の負担を軽減することができる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である人工呼吸器２０に用いられる制御装置２１の構成を説明するためのブロック図である。図２は、人工呼吸器２０とその制御装置２１を含む人工呼吸設備１９の電気的構成を示すブロック図である。人工呼吸器２０は、制御装置２１によって制御されて、自発呼吸動作が低下または停止している患者の気道に酸素を含む気体を供給し、患者の肺の換気を支援または強制的に行う装置である。
【００５４】
制御装置２１は、吸気期間に人工呼吸器２０を制御する吸気動作部１１と、呼気期間に人工呼吸器２０を制御する呼気動作部１２と、吸気期間か呼気期間かを判断して制御動作を切り換える切換部１３とを含む。
【００５５】
吸気動作部１１と呼気動作部１２とは、互いに制御動作が異なる。吸気動作部１１と呼気動作部１２とは、後述する管路圧力とポンプ圧力とに基づいて、人工呼吸器２０からの圧力をフィードバック制御する。切換部１３は、吸気期間であるか、呼気期間であるかを示す呼吸モード信号によって吸気動作と呼気動作とを切り換える。
【００５６】
図２に示すように、人工呼吸器２０は、装着部材２４と、ポンプ２２と、ポンプ用アクチュエータ３１と、呼気弁２７と、吸気管路２５と、呼気管路２６と、呼気弁用アクチュエータ３２とを含む。
【００５７】
装着部材２４は、患者の気道に気体を供給するために患者に装着され、患者の気道に連通する装着孔が形成される。たとえば装着部材２４は、患者の口および鼻のいずれかを覆うマスクである。また装着部材２４は、患者の気管に直接装着される気管チューブであってもよい。
【００５８】
ポンプ２２は、酸素を含む気体を装着部材２４に向けて供給する供給手段である。ポンプ２２は、たとえばベローズ６０を有するベローズ型ポンプによって実現される。ポンプ２２は、吸入場所７１より気体をベローズ６０内のポンプ空間６５に吸入し、ポンプ空間６５の気体を吸気管路２５に吐出する。ポンプ２２は、たとえば空気を吸気管路２５に吐出する。ポンプ２２には、ポンプ空間６５から吸入場所７１に気体が逆流することを防ぐ吸入逆止弁６９と、吸気管路２５からポンプ空間６５に気体が逆流することを防ぐ吐出逆止弁４１とが設けられる。
【００５９】
ポンプ２２には、吐出される気体の圧力を検出するためのポンプ圧力検出孔７０が形成される。ポンプ圧力検出孔７０は、吐出逆止弁４１よりも流れ方向上流側に形成される。ポンプ用アクチュエータ３１は、ポンプ２２を駆動する供給駆動手段であって、ベローズ６０をその軸線方向に伸縮駆動する。本発明において、流れ方向は、吸入場所７１からポンプ２２、吸気管路２５、患者の気道および呼気管路２６を介して、排出場所２３へ気体が流れる方向である。
【００６０】
吸気管路２５は、ポンプ２２と装着部材２４とを接続する管路であり、ポンプ２２から供給された気体を患者の気道に導く。吸気管路２５には、吸気流量測定手段８１および吸気フィルタ８３が介在する。吸気流量測定手段８１および吸気フィルタ８３は、吐出逆止弁４１よりも、流れ方向下流側に設けられる。
【００６１】
吸気管路２５は、吸気管路内の気体の圧力である吸気管路圧力を測定するための吸気側圧力検出孔８２が形成される。この吸気側圧力検出孔８２は、吸気フィルタ８３よりも流れ方向上流側であって、吐出逆止弁４１よりも流れ方向下流側に形成される。
【００６２】
呼気管路２６は、装着部材２４と装置外部の排出場所２３とを接続する管路であり、患者の気道から流出した気体を装置外部の排出場所２３に導く。排出場所２３の気体は、大気圧と同じ圧力である。呼気管路２６には、呼気弁２７、呼気流量測定手段８４および呼気フィルタ８６が介在する。呼気流量測定手段８４は、呼気弁２７よりも流れ方向下流側に設けられる。呼気フィルタ８４は、呼気弁２７よりも流れ方向上流側に設けられる。呼気管路２６には、呼気管路内の気体の圧力である呼気管路圧力を測定するための呼気側圧力検出孔８５が形成される。呼気側圧力検出孔８５は、呼気フィルタ８６よりも流れ方向下流側であって、呼気弁２７よりも流れ方向上流側に形成される。
【００６３】
本実施の形態では、吸気管路２５および呼気管路２６とが装着部材２４側で合流する共通管路１８が構成され、総合して略Ｙ字状に形成される。言換えると、装着部材２４に接続される共通管路１８から吸気管路２５および呼気管路２６がそれぞれ分岐する。
【００６４】
また吸気管路２５は、吸気フィルタ８３からポンプ２２に延びる固定部分２５ａと、吸気フィルタ８３から装着部材２４に延びる着脱部分２５ｂとを有する。同様に呼気管路２６は、呼気フィルタ８６から呼気弁２７に延びる固定部分２６ａと、呼気フィルタ８６から装着部材２４に延びる着脱部分２６ｂとを有する。吸気管路２５および呼気管路２６の固定部分２５ａ，２６ａは、残余の人工呼吸器部分に固定して設けられるのに対して、着脱部分２５ｂ，２６ｂは、可撓性を有して固定部分２５ａ，２６ａから着脱可能に設けられる。
【００６５】
呼気弁２７は、呼気管路２６に介在されて呼気管路２６の開閉を行う開閉手段である。呼気弁２７は、その弁体９０が呼気管路２６を無段階的に開閉可能に移動自在に設けられる。また呼気弁用アクチュエータ３２は、呼気弁２７の弁体９０を変位駆動する開閉駆動手段である。
【００６６】
呼気弁２７を閉じた状態とし、ポンプ２２がポンプ用アクチュエータ３１によって駆動されてポンプ空間６５の気体の圧力であるポンプ圧力が高くなると、ポンプ内の気体が、吸気管路２５を介して患者の気道に流れる。ポンプ用アクチュエータ３１は、ポンプ圧力が予め設定される値になるようにフィードバック制御される。
【００６７】
呼気弁２７の弁体９０が呼気弁用アクチュエータ３２によって駆動されて、呼気管路２６が閉じた状態から開いた状態になると、呼気管路２６内と排出場所２３とが連通する。排出場所２３の気体の圧力が患者の気道圧力よりも低い場合には、気道内の気体が呼気管路２６を介して排出場所２３に向かって流れる。呼気弁２７の開閉度が調整されることによって、呼気管路２６の管路抵抗が変化し、管路内の圧力が制御される。
【００６８】
人工呼吸器２０を制御する制御装置２１は、コンピュータを含む制御装置本体３３と、ポンプ圧力検出器３４と、吸気圧力検出器３５と、呼気圧力検出器３６と、呼気流量検出器３７と、吸気流量検出器３８と、管理者から与えられる設定情報を取得する入力手段３９と、患者の気道圧力を表示するための表示手段４０と、ポンプ用サーボアンプ４６と、呼気弁用サーボアンプ４７とを含む。
【００６９】
ポンプ圧力検出器３４は、ポンプ２２の突出圧であるポンプ圧力を検出し、そのポンプ圧力を電気信号に変換する。ポンプ圧力検出器３４は、その電気信号を制御装置本体３３に与える。吸気圧力検出器３５は、吸気管路２５内の気体の圧力を検出し、その圧力を電気信号に変換する。吸気圧力検出器３５は、吸気管路内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、可及的にポンプ２２寄りであって、吐出逆止弁４１および呼気流量検出ヘッドを測定する位置８１よりも流れ方向下流側の気体の圧力を検出する。
【００７０】
呼気圧力検出器３６は、呼気管路２６内の気体の圧力を検出し、その圧力を電気信号に変換する。呼気圧力検出器３６は、呼気管路内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、可及的に呼気弁２７寄りであって、呼気弁２７よりも流れ方向上流側の気体の圧力を検出する。吸気圧力検出器３５および呼気圧力検出器３６は、患者の気道圧力を検出するための気道圧力検出手段となる。
【００７１】
吸気流量検出器３８は、吸気管路２５を流れる気体の流量を電気信号に変換し、その電気信号を制御装置本体３３に与える。呼気流量検出器３７は、呼気管路２６を流れる流量を電気信号に変換し、その電気信号を制御装置本体３３に与える。
【００７２】
入力手段３９は、医師および看護士などの人工呼吸器２０または、人工呼吸設備１９を管理する管理者からの設定指令が入力される。入力手段３９は、たとえばキーボードおよび各種ボタン、つまみなどによって実現される。入力手段３９は、入力された指令を示す信号を制御装置本体３３に与える。
【００７３】
表示手段４０は、患者の気道圧力を報知する報知手段であり、液晶ディスプレイ、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）ディスプレイなどによって実現される。表示手段４０は、制御装置本体３３から受ける表示指令信号に基づいて、たとえば気道圧力として検出される管路圧力の時間的変化を示す波形を表示画面に表示する。
【００７４】
ポンプ用サーボアンプ４６は、制御装置本体３３が演算した演算結果信号を増幅して、ポンプ用アクチュエータ３１を駆動するために必要な電力に変換し、その電力をポンプ用アクチュエータ３１に与える。また呼気弁用サーボアンプ４７は、制御装置本体３３が演算した演算結果信号を増幅して、呼気弁用アクチュエータ３２を駆動するために必要な電力に変換し、その電力を呼気弁用アクチュエータ３２に与える。
【００７５】
制御装置本体３３は、インターフェース１０１と、演算部（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、略称、ＣＰＵ）１０２と、一時記憶部（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ、略称、ＲＡＭ）１０３と、記憶部（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ、略称、ＲＯＭ）１０４とを含む。インターフェース１０１は、接続される各手段３４〜３９からの信号が入力されて、それらの信号を演算部１０２に与える。記憶部１０４は、制御装置本体３３が実行すべきプログラムが記憶され、演算部１０２が記憶部１０４に記憶されるプログラムを読み出して実行することによって、吸気制御部１１、呼気制御部１２および切換部１３となる。これによって制御装置本体３３は、後述する人工呼吸器２０の制御を行うことができる。
【００７６】
また一時記憶部１０３は、接続される各手段３４〜３９から入力される信号を記憶するとともに、演算部１０２の演算結果を記憶する。また制御装置本体３３は、接続される各手段３４〜３９を制御するためのドライバ回路を備えている。記憶部１０４は、コンパクトディスクなどのコンピュータ読取可能な記録媒体であってもよい。
【００７７】
図３は、制御装置３３によって制御される患者の気道圧力Ｐａｗを示すタイミングチャートである。人工呼吸器２０は、患者の換気機能を支援する圧補助換気（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ、略称、ＰＳＶ）動作および患者の換気を強制的に行う従圧式調節換気（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ、略称、ＰＣＶ）動作を行うことができる。以後ＰＳＶ動作について説明する。
【００７８】
制御装置本体３３は、吸気期間Ｗ１と呼気期間Ｗ２とで制御動作を切り換えている。吸気期間Ｗ１と呼気期間Ｗ２との切り換えは、呼吸モード信号ｇに基づいて切り換えられる。呼吸モード信号ｇは、吸気トリガー信号ｇ１および呼気トリガー信号ｇ２を含む。吸気トリガー信号ｇ１は、吸気制御動作を開始することを示す信号である。呼気トリガー信号ｇ２は、呼気制御動作を開始することを示す信号である。吸気トリガー信号ｇ１および呼気トリガー信号ｇ２は、ＰＳＶ動作時には、患者の呼吸状態から検出される。呼吸状態の検出については後述する。
【００７９】
制御装置本体３３は、患者の気道圧力Ｐａｗを最適にする設定圧力が予め設定される。患者が気体を吸引する吸気期間Ｗ１においては、設定吸気圧力Ｐａａが設定されている。また患者が気体を吐出する呼気期間Ｗ２においては、設定呼気圧力Ｐａｂが設定されている。設定呼気圧力Ｐａａおよび設定吸気圧力Ｐａｂは、患者ごとおよび患者の状態に応じて変更可能に設定される。各設定圧力Ｐａａ，Ｐａｂは、管理者によって入力手段３９から入力される。
【００８０】
吸気設定圧力Ｐａａは、呼気設定圧力Ｐａｂよりも大きく設定され、患者の肺の換気機能に負担となる過負荷圧力Ｐｒよりも小さく設定される。呼気設定圧力Ｐａｂは、たとえば患者の肺胞の虚脱を防止するために、大気圧Ｐａよりも高い圧力である吸気終末陽圧（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｅｎｄ−Ｅｘｐｉｒａｔｏｒｙ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ、略称、ＰＥＥＰ圧）以上に設定される。
【００８１】
図４は、制御装置本体３３の動作手順を示すフローチャートの一例である。制御装置本体３３の動作について説明すると、まず図４に示すように、ステップｓ０で装着部材２４が患者に装着され、人工呼吸器２０および制御装置２１の電源が与えられる。人工呼吸可能な状態になると、ステップｓ１に進む。
【００８２】
ステップｓ１では、入力手段３９から設定圧力が入力され、設定圧力を一時記憶部１０３に記憶する。また既に記憶している設定圧力が用いられる場合には、記憶部１０４からその値を読み出して、設定圧力を一時記憶部１０３に記憶する。設定圧力を取得するとステップｓ２に進む。
【００８３】
ステップｓ２では、吸気トリガー信号ｇ１を取得するまで待機し、図３に示す第１時刻ｔ３で、吸気トリガー信号ｇ１を取得すると、ステップｓ３に進む。ステップｓ３では、設定吸気圧力Ｐａａを示す信号が変更されたか否かを判断し、変更されていないならばステップｓ５に進む。また設定吸気圧力Ｐａａが変更されているならばステップｓ４で、一時記憶部１０３から変更された設定吸気圧力Ｐａａを読出して、設定吸気圧力Ｐａａを更新してステップｓ５に進む。ステップｓ５では、吸気動作部１１が吸気制御動作を開始する。制御装置本体３３は、気道圧力として検出される管路圧力を設定吸気圧力Ｐａａに一致させるように人工呼吸器２０を制御する。
【００８４】
次に、ステップｓ６で呼気トリガー信号ｇ２を取得したかどうかを切換部１３が判断し、呼気トリガー信号ｇ２を取得していないとステップｓ３に戻り、吸気制御動作を継続する。ステップｓ６で、図３に示す第１時刻ｔ１から第２時刻ｔ２に達して、呼気トリガー信号ｇ２を取得すると、ステップｓ７に進む。
【００８５】
ステップｓ７では、設定呼気圧力Ｐａｂを示す信号が変更されたか否かを判断し、変更されていないならばステップｓ９に進む。また設定呼気圧力Ｐａｂが変更されているならばステップｓ８で一時記憶部１０３から変更された設定呼気圧力Ｐａｂを読出して、設定呼気圧力Ｐａｂを更新してステップｓ９に進む。ステップｓ９では、呼気制御部１２が呼気制御動作を開始する。制御装置本体３３は、気道圧力として検出される管路圧力を設定呼気圧力Ｐａｂに一致させるように人工呼吸器２０を制御する。
【００８６】
次に、ステップｓ１０で吸気トリガー信号ｇ１を取得したかどうかを判断し、吸気トリガー信号ｇ１を取得していないとステップｓ７に戻り、呼気制御動作を継続する。ステップｓ１０で、図３に示す第２時刻ｔ２から第３時刻ｔ３に達して、吸気トリガー信号ｇ１を取得すると、ステップｓ３に戻る。制御装置本体３３は、制御動作の終了命令が与えられるまでこの動作を繰り返し、終了命令が与えられると、制御動作を終了する。
【００８７】
このようにして制御装置本体３３は、呼吸モード信号ｇに基づいて、吸気制御動作と呼気制御動作を交互に切り換える。また動作時にあって、入力手段３９によって設定圧力が変更された場合には、その変更された設定圧力を反映して、変更後の設定圧力に、気道圧力として検出される管路圧力を一致させるように人工呼吸器２０を制御する。これによって動作時に患者の状態が変更した場合であっても、その状態に応じた設定圧力に更新することができる。
【００８８】
図５は、管路を流れる気体を示すために人工呼吸器２０を簡略化して示す断面図である。図５（１）は、吸気期間Ｗ１における人工呼吸器２０の状態を示し、図５（２）は、呼気期間Ｗ２における人工呼吸器２０の状態を示す。
【００８９】
図５（１）に示すように、吸気期間Ｗ１において、制御装置本体３３の吸気制御部１１は、ポンプ２２を駆動させて、患者の気道に酸素を含む気体を導くとともに、呼気弁２７の弁体９０を駆動させて、呼気管路２６を閉じる。ポンプ２２からの吐出される気体２８は、吸気管路２５を介して患者の気道に供給される。
【００９０】
制御装置本体３３は、吸気期間Ｗ１においては、呼気圧力検出器３６によって検出される呼気管路圧力Ｐａｉを患者の気道圧力とする。吸気期間Ｗ１では、患者の気道から呼気管路２６に流れる気体の流量はほとんどなく、患者の気道圧力Ｐａｗと呼気管路圧力Ｐａｉとは、ほぼ等しい圧力となる。
【００９１】
しかしながらポンプ２２から患者の気道に気体が流れるので、吸気管路圧力Ｐａｅは、患者の気道圧力Ｐａｗよりも高い圧力となり、患者の気道圧力Ｐａｗに対してずれる。また加湿器などが吸気管路２５に接続される場合、吸気管路圧力Ｐａｅは、不安定となりさらに患者の気道圧力Ｐａｗに対してずれる。
【００９２】
本発明の本実施の形態のように、吸気期間Ｗ１には、呼気管路圧力Ｐａｉを気道圧力として検出して、その呼気管路圧力Ｐａｉに基づいてポンプ用アクチュエータ３１をフィードバック制御することによって、患者の気道圧力Ｐａｗをずれなく設定吸気圧力Ｐａａに近づけることができる。
【００９３】
図５（２）に示すように、呼気期間Ｗ２において、制御装置本体３３の呼気制御部１２は、呼気弁２７の弁体９０を駆動させて、呼気管路２６を開く。呼気期間Ｗ２中には、患者から吐出される気体２９は、呼気管路２６を介して排出場所２３に排出される。
【００９４】
制御装置本体３３は、呼気期間Ｗ２において、吸気圧力検出器３５によって検出される吸気管路圧力Ｐａｅを患者の気道圧力とする。呼気期間Ｗ２では、吸気管路２５から患者の気道に流れる基体の流量はほとんどなく、患者の気道圧力Ｐａｗと吸気管路圧力Ｐａｅとは、ほぼ等しい圧力となる。
【００９５】
これに対して患者の気道から呼気管路２６に気体が流れるので、呼気管路圧力Ｐａｉは、患者の気道圧力Ｐａｗよりも低い圧力となり、患者の気道圧力Ｐａｗに対してずれる。特に排出場所２３に近い位置では、排出場所２３の気体の圧力に近くなる。
【００９６】
本発明の実施の形態のように、呼気期間Ｗ２には、吸気管路圧力Ｐａｅを気道圧力として検出して、その吸気管路圧力Ｐａｅに基づいてポンプ用アクチュエータをフィードバック制御することによって、患者の気道圧力Ｐａｗをずれなく設定呼気圧力Ｐａｂに近づけることができる。また患者の咳などによって、一時的に患者が吐出する気体の流量が増加した場合であっても、流れ方向上流側の吸気管路圧力Ｐａｅは大きく変化することがなく、気道圧力として検出される管路圧力が外乱によって不安定になることを防ぐことができる。
【００９７】
図６は、制御装置本体３３の吸気制御動作および換気制御動作を総合して示すブロック線図である。図７は、制御装置本体３３の吸気制御動作を示すブロック線図である。制御装置本体３３は、吸気期間Ｗ１における動作を実行する吸気動作部１１を有する。吸気動作部１１は、ポンプ用アクチュエータ３１を制御するポンプ吸気制御部１１０と、呼気弁用アクチュエータ３２を制御する弁吸気制御部１１１とを有する。実際には、制御装置本体３３が吸気制御プログラムを実行することによって、吸気動作部１１が実現される。この場合、検出される圧力Ｐａｉ，Ｐｓおよび設定される圧力Ｐａａは、電気信号に変換されて演算が行われる。
【００９８】
ポンプ吸気制御部１１０は、呼気管路圧力Ｐａｉが設定吸気圧力Ｐａａとなるように、ポンプ用アクチュエータ３１をフィードバック制御する。ポンプ吸気制御部１１０は、２つの制御ループを有する。ポンプ吸気制御部１１０は、呼気管路圧力Ｐａｉととともにポンプ圧力Ｐｓをフィードバック量として、ポンプ用アクチュエータ３１をカスケード制御する。
【００９９】
ポンプ吸気制御部１１０の２つの制御ループのうち一方の制御ループであるメジャーループ４２は、呼気管路圧力Ｐａｉをフィードバック量とし、設定吸気圧力Ｐａａを目標値とする。メジャーループ４２は、第１比較部４８と、第１制御部４４とを含む。第１比較部４８は、呼気管路圧力Ｐａｉと設定吸気圧力Ｐａａとを取得して、それら２つを比較する。第１比較部４８は、設定吸気圧力Ｐａａから呼気管路圧力Ｐａｉを減算して、その演算結果ａを第１制御部４４に与える。第１制御部４４は、第１比較部４８の演算結果ａを予め定められる制御動作に従って演算処理し、その演算結果ｂを後述する第２比較部４９に与える。本実施の形態では、第１制御部４４は、第１比較部４８の演算結果ａを積分演算、いわゆるＩ動作し、演算結果ｂを第２比較部４９に与える。
【０１００】
ポンプ吸気制御部１１０の２つの制御ループのうち他方の制御ループであるマイナーループ４３は、ポンプ圧力Ｐｓをフィードバック量とし、第１制御部４４の演算結果ｂを目標値とする。マイナーループ４３は、第２比較部４９と、第２制御部４５とを含む。第２比較部４９は、第１制御部４４の演算結果ｂとポンプ圧力Ｐｓとを取得して、それら２つを比較する。第２比較部４９は、第１制御部４４の演算結果ｂからポンプ圧力Ｐｓを減算して、その演算結果ｃを第２制御部４５に与える。第２制御部４５は、第２比較部４９の演算結果ｃを予め定められる制御動作に従って演算処理し、演算結果ｄをポンプ用サーボアンプ４６に与える。本実施の形態では、第２制御部４５は、第２比較部の演算結果ｃを比例演算、いわゆるＰ動作し、演算結果ｄをポンプ用サーボアンプ４６に与える。
【０１０１】
ポンプ吸気制御部１１０は、第２制御部４５の演算結果ｄをポンプ用サーボアンプ４６で増幅した操作量ｅをポンプ用アクチュエータ３１に与えて、ポンプ用アクチュエータ３１を駆動する。
【０１０２】
弁吸気制御部１１１は、呼気管路２６を完全に閉じる呼気管路全閉信号ｆを呼気弁用サーボアンプ４７に与える。弁吸気制御部１１１は、呼気管路全閉信号ｆを呼気弁用サーボアンプ４７で増幅した操作量ｈを呼気弁用アクチュエータ３２に与えて、呼気弁用アクチュエータ３２を駆動する。
【０１０３】
このように制御装置本体３３は、患者の気道圧力として検出される呼気管路圧力Ｐａｉのほかにポンプ圧力Ｐｓを検出し、それらに基づいてポンプ用アクチュエータ３１を制御駆動する。ポンプ圧力Ｐｓは、ポンプ用アクチュエータ３１の駆動に追従して直ちに変化する。したがってポンプ用アクチュエータ３１を制御してから呼気管路圧力Ｐａｉが変化するまで時間遅れがある場合でも、ポンプ圧力Ｐｓに基づいてポンプ用アクチュエータ３１を制御することで応答性を向上することができ、呼気管路圧力Ｐａｉを短時間で設定吸気圧力Ｐａａに達成させることができる。
【０１０４】
またたとえば患者の咳などの外乱によって呼気管路圧力Ｐａｉが一時的に変化した場合、ポンプ用アクチュエータ３１が、その呼気管路圧力Ｐａｉの変化に応じてポンプ２２を駆動してしまう。しかし制御装置本体３３が、その外乱によって変化されたポンプ圧力Ｐｓに基づいて、ポンプ用アクチュエータ３１を直ちに修正制御することができる。これによってポンプ圧力Ｐｓは、外乱前の圧力に修正される。すなわち外乱によって呼気管路圧力Ｐａｉが一時的に急変しても、管路圧力Ｐａｉが過度に変化することを阻止することができる。これによって安定的でかつロバスト性を向上した気道圧力の制御を実現することができる。ポンプ吸気制御部１１０が、このようなカスケード制御を行うことによって、患者の気道圧力を安定して短時間で設定呼気圧力Ｐａａに達成することができ、患者の負担を軽減することができる。
【０１０５】
また患者の状態変化および吸気管路２５に介在される加湿器などの外乱によって、検出される呼気管路圧力Ｐａｉが振動的変化または一時的に急変したとしても、第１制御部４４の演算結果ｂは、積分演算されるので振動成分およびインパルス成分を吸収することができる。これによって外乱の影響をさらに小さくして、呼気管路圧力Ｐａｉを呼気設定圧力Ｐａａに安定的に近づけることができる。
【０１０６】
またポンプ圧力Ｐｓは、患者の状態変化の影響をほとんど受けることがない。第１制御部４４の演算結果ｂからポンプ圧力Ｐｓを減算した演算結果ｃに対して比例演算を行うので、患者の状態変化による外乱が増幅されることを防いで、ポンプ用アクチュエータ３１の駆動が不安定になることを防ぐことができる。これによって安定性を保ったうえで、第２制御部４５の比例ゲインを大きくすることができ、さらに応答性を向上するとともに、通常のＰＩ制御の場合に比べて、患者の気道抵抗が大きく変化しても安定性を保つことができる。
【０１０７】
またポンプ吸気制御部１１０は、第１制御部４４と第２制御部４５とによって、呼気管路圧力ＰａｉをあたかもＩＰ動作で制御することになり、設定吸気圧力Ｐａａに対して定常偏差が生じることを防止することができ、管路に気体漏れがある場合であっても、患者の気道圧力Ｐａｗを設定吸気圧力Ｐａａにすることができる。
【０１０８】
図８は、制御装置本体３３の呼気制御動作を示すブロック線図である。制御装置本体３３は、呼気期間Ｗ２における動作を実行する呼気動作部１２を有する。呼気動作部１２は、ポンプ用アクチュエータ３１を制御するポンプ呼気制御部１１２と、呼気弁アクチュエータ３２を制御する弁呼気制御部１１３とを有する。実際には、制御装置本体３３が呼気制御プログラムを実行することによって、呼気動作部１２が実現される。この場合、検出される圧力Ｐａｅ，Ｐｓおよび設定される圧力Ｐａｂ，ｓは、電気信号に変換されて演算が行われる。
【０１０９】
ポンプ呼気制御部１１２は、ポンプ圧力Ｐｓが予め定める補償圧力ｓを設定呼気圧力Ｐａｂに加算した目標圧力となるように、ポンプ用アクチュエータ３１をフィードバック制御する。具体的には、ポンプ呼気制御部１１２は、ポンプ圧力Ｐｓをフィードバック量として、前記目標圧力を目標値として、ポンプ用アクチュエータ３１をフィードバック制御する。
【０１１０】
ポンプ呼気制御部１１２の制御ループは、加算部５０と、第３比較部５１と、第３制御部５２とを含む。加算部５０は、設定呼気圧力Ｐａｂと補償圧力ｓとを取得して、それら２つを加算する。加算部５０は、演算結果ｊを第３比較部５１に与える。第３比較部５１は、加算部５０の演算結果ｊとポンプ圧力Ｐｓとを取得して、それら２つを比較する。第３比較部５１は、加算部５０の演算演算ｊからポンプ圧力Ｐｓを減算して、その演算結果ｋを第３制御部５２に与える。第３制御部５２は、第３比較部５１の演算結果ｋを予め定められる制御動作に従って演算処理し、その演算結果ｍをポンプ用サーボアンプ４６に与える。本実施の形態では、第３制御部５２は、第３比較部５１の演算結果ｋを比例演算、いわゆるＰ動作し、演算結果ｍをポンプ用サーボアンプ４６に与える。
【０１１１】
ポンプ呼気制御部１１２は、第３比較部５１の演算結果ｍをポンプ用サーボアンプ４６で増幅した操作量ｅをポンプ用アクチュエータ３１に与えて、ポンプ用アクチュエータ３１を駆動する。
【０１１２】
弁呼気制御部１１３は、吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂとなるように、呼気弁用アクチュエータ３２をフィードバック制御する。具体的には、弁呼気制御部１１３は、吸気管路圧力Ｐａｅをフィードバック量として、設定呼気圧力Ｐａｂを目標値として、呼気弁用アクチュエータ３２を制御する。
【０１１３】
弁呼気制御部１１３の制御ループは、第４比較部５３と、第４制御部５４とを含む。第４比較部５３は、設定呼気圧力Ｐａｂと吸気管路圧力Ｐａｅとを取得して、それら２つを比較する。第４比較部５３は、設定呼気圧力Ｐａｂから吸気管路圧力Ｐａｅを減算して、その演算結果ｎを第４制御部５４に与える。第４制御部５４は、第４比較部５３の演算結果ｎを予め定められる制御動作に従って演算処理し、その演算結果ｒを呼気弁用サーボアンプ４７に与える。本実施の形態では、第４制御部５４は、第４比較部５３の演算結果ｎを比例演算および積分演算、いわゆるＰＩ動作し、演算結果ｒを呼気弁用サーボアンプ４７に与える。
【０１１４】
弁呼気制御部１１３は、第４制御部５４の演算結果ｒを呼気弁用サーボアンプ４６で増幅した操作量ｈを呼気弁用アクチュエータ３２に与えて、呼気弁用アクチュエータ３２を駆動する。
【０１１５】
呼気期間Ｗ２において、吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂよりも高い場合、呼気弁２７の弁体９０が駆動されて呼気管路２６を開く。呼気管路２６が開かれると、呼気管路２６内の気体は、患者の気道内の気体および吸気管路２５内の気体に比べて圧力が低くなる。これによって気道から気体が排出場所２３に流れるとともに、ポンプ２２から吸気管路２５および呼気管路２６を介して気体が排出場所２３に流れる。
【０１１６】
しばらくすると気道と吸気管路２５との中の気体の圧力差がほとんどなくなり、吸気管路２５から気道に流れる気体の流量が小さくなる。ただしポンプ圧力Ｐｓは設定呼気圧力Ｐａｂよりも高くなるように制御されるので、呼気管路２６を流れる気体の流量がゼロになることはない。呼気弁用アクチュエータ３２は、吸気管路圧力Ｐａｅが高くなると呼気管路２６をさらに開き、吸気管路圧力Ｐａｅが低くなると呼気管路２６をさらに閉じる。これによって吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂに保つとともに、呼気管路２６に一定量の気体が排出場所２３に向かって流れる平衡状態に制御することができる。
【０１１７】
このように制御することによって、管路圧力が変動しても、気道圧力を設定呼気圧力Ｐａｂに達成させることができる。たとえば一時的に検出される吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂよりも低くなった場合には、呼気管路２６を平衡状態よりも閉じることによって、管路圧力を高くすることができ、再び設定呼気圧力Ｐａｂに保つことができる。また吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂよりも高くなった場合には、呼気管路２６を平衡状態よりも開くことによって、管路圧力を低くすることができ、再び設定呼気圧力Ｐａｂに保つことができる。
【０１１８】
ポンプ用アクチュエータ３１は、ポンプ圧力Ｐｓに応じて制御される。ポンプ圧力Ｐｓは、患者の状態が変化しても、影響を受けることが少ない。したがってポンプ圧力Ｐｓは、外乱に対して安定して目標とする圧力にすることができる。また、患者の気道圧力は、ポンプ圧力Ｐｓよりも高くなることがなく、前述したようにポンプ圧力Ｐｓを安定して制御することができるので、患者の気道圧力が過度に高くなることを防ぐことができる。
【０１１９】
また第３制御部５２が積分演算を含まず、比例演算によるフィードバック制御によって実現されて、呼気弁２７による呼気管路２６の現在の開閉度に応じてポンプ用アクチュエータ３１の制御量を調整する。これによって吸気管路流量と吸気管路圧力とを平衡状態に保つことができる。
【０１２０】
また患者の状態が変化して、検出される吸気管路圧力Ｐａｅが一時的に変化したとしても呼気管路２６の開閉を調整するだけであるので、患者の気道圧力Ｐａｗが低くなる方向にしか調整されない。したがって吸気管路圧力Ｐａｅが外乱を受けても、過度に気道圧力が高くなることが防がれ、患者の負担を軽減することができる。
【０１２１】
仮に管路に漏れがあった場合には漏れがない場合に比べて吸気管路圧力Ｐａｅが低下する。吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂよりも低下すると、呼気弁用アクチュエータ３２が呼気管路２６をさらに閉じる。これによってポンプ圧力Ｐｓと吸気管路圧力Ｐａｅとの圧力差が大きくなり、ポンプ２２から供給される気体の流量が増加し、吸気管路圧力Ｐａｅが増加する。したがって管路の気体漏れを補償して吸気管路圧力Ｐａｅを設定呼気圧力Ｐａｂに保つことができる。
【０１２２】
図９は、吸気管路２５を流れる気体の呼気管路流量ｔと吸気管路圧力Ｐａｅとの関係を示すグラフである。図９において、横軸は、吸気管路流量ｔであり、縦軸は吸気管路圧力Ｐａｅを示す。前述するポンプ呼気制御部１１２の制御特性に従えば、呼気管路流量ｔと吸気管路圧力Ｐａｅとの関係は、図９に示すポンプ特性直線Ｌ１で表わされる。すなわち、吸気管路圧力Ｐａｅは、吸気管路流量ｔが増加するとともに減少する。
【０１２３】
呼気管路流量ｔがゼロの場合、図９におけるポンプ特性直線Ｌ１の切片で示すように、呼気管路圧力Ｐａｅは、補償圧力Ｓ分を設定呼気圧力Ｐａｂに付加した値となる。また呼気管路圧力Ｐａｅの変化に対する呼気管路流量ｔの変化率は、図９におけるポンプ特性直線Ｌ１の傾きで示すように、ポンプ呼気制御部１１２の制御特性によって決定される。ポンプ特性直線Ｌ１の切片および傾きは、ポンプ呼気制御部１１２に設定される補償圧力Ｓおよびフィードバックゲインを調整することによって変更可能である。
【０１２４】
また前述する弁呼気制御部１１３の制御特性に従えば、呼気管路流量ｔと吸気管路圧力Ｐａｅとの関係は、図９に示す弁特性直線Ｌ２で表わされる。すなわち、吸気管路圧力Ｐａｅは、吸気管路流量ｔにかかわらず、設定呼気圧力Ｐａｂに制御される。
【０１２５】
したがって吸気管路流量ｔおよび吸気管路圧力Ｐａｅは、理論的には、平衡状態でポンプ特性直線Ｌ１と弁特性直線Ｌ２との交点Ａで示される。平衡状態における吸気管路流量ｔは、この交点Ａで示される流量ＱＡとなる。またポンプ呼気制御部１１２の制御特性を調整して、ポンプ特性直線Ｌ１の切片および傾きを変えることによって、交点Ａを移動させることができ、平衡状態における呼気管路流量ｔを調整することができる。
【０１２６】
実際の吸気管路流量ｔは、ポンプ特性直線Ｌ１のほかに、吐出逆止弁４１の啓発圧力および吸気管路２５の圧力損失などの影響を受ける。ポンプ特性直線Ｌ１にさらに吐出逆止弁４１の啓発圧力分を考慮した特性を示す逆止弁付加直線Ｌ３を図９に一点鎖線で示す。また逆止弁付加直線Ｌ３にさらに吸気管路２５の圧力損失を考慮した特性を示す管路圧力損失付加直線Ｌ４を図９に二点鎖線で示す。したがって現実的な呼気管路流量ｔは、管路圧力付加直線Ｌ４と、弁特性直線Ｌ２との交点Ｂによって決定され、交点Ｂで示される流量ＱＢが吸気管路流量ｔとなる。
【０１２７】
ポンプ２２の制御特性は、ポンプ特性直線Ｌ１の傾きδＰ／δＱが小さくなるように設定されることが好ましい。すなわち吸気管路圧力Ｐａｅの変化率δＰに対して、吸気管路流量ｔの変化率δＱが大きくなるように設定されることが好ましい。これによって吸気管路圧力Ｐａｅの変化に対して、吸気管路流量ｔを大きく変化させることができる。言換えると、吸気管路流量ｔの変化に対して、吸気管路圧力Ｐａｅの変化を小さくすることができる。
【０１２８】
呼気管路２６を完全に閉じた状態でも気体漏れが大きくて、吸気管路圧力Ｐａｅを設定呼気圧力Ｐａｂに保つことができない場合、実際に吸気管路２５を漏れる気体の流量ＱＣと管路圧力付加直線Ｌ４との交点Ｃで平衡状態となる。このとき、ポンプ特性直線Ｌ１の傾きδＰ／δＱを小さくすることによって、設定呼気圧力Ｐａｂから少し低下した圧力Ｐｃで平衡状態に保つことができ、気道圧力Ｐａｗが設定呼気圧力Ｐａｂから大きくずれることを防止することができる。これによって患者の負担を少なくすることができる。
【０１２９】
図１０は、制御装置本体３３の呼吸状態検出動作を示すブロック線図である。患者の吸気開始時の検出について説明する。図３および図４に示すように制御装置本体３３は、患者が気道から気体を吐出し終えて、気体を吸引し始める吸引開始時を検出するために、吸気開始を検出する吸気開始検出部１１５を有する。吸気開始検出部１１５は、流量比較部５５と、設定値比較部５６と、吸気トリガー生成部５７とを含む。
【０１３０】
流量比較部５５は、吸気管路流量ｔと呼気管路流量ｕとを取得し、それら２つを比較する。流量比較部５５は、吸気管炉流量ｔから呼気管路流量ｕを減算して、その演算結果ｖを設定値比較部５６に与える。設定値比較部５６は、流量比較部５５の演算結果ｖと、予め定められる吸気判定値ｗとを取得し、それら２つを比較する。設定値比較部５６は、流量比較部ｖの演算結果から呼気判定値ｗを減算して、その演算結果Ｑｐを吸気トリガー生成部５７に与える。吸気トリガー生成部５７は、演算結果Ｑｐがゼロ以上かどうか判定し、ゼロ以上であるならば、吸気トリガー信号ｇ１を生成する。
【０１３１】
呼気制御動作を制御装置本体３３の呼気動作部１２が行っている間に、患者が気体を吸引すると、吸気管路２５の気体が吸引され、吸気管路圧力Ｐａｅが少し低下する。これによって吸気管路流量ｔが、吸気管路圧力Ｐａｅの変化に応じて変化する。前述したようにポンプ特性直線Ｌ１の傾きδＰ／δＱが小さく設定されることによって、吸気管路流量変化量ΔＱは、吸気管路圧力ΔＰよりも大きく変化する。また吸気管路流量ｔの増加流量分は、ほとんど患者に吸引される。したがって呼気管路流量ｕの変化率は小さい。これによって患者が気体を吸引した時には、吸気管路圧力Ｐａｅの変化に比べて、吸気管路流量ｔと呼気管路流量ｕとの流量差変化のほうが急峻になる。
【０１３２】
このように患者の吸気開始時の変化を急峻にすることができるので、より敏感に吸引開始時を敏感に検出することができる。またノイズの影響を受けにくくすることができる。これによって呼吸状態の検出を確実に行うことができる。
【０１３３】
さらに吸気開始時に、吸気制御動作に開始するまでに圧力差によって多くの気体を気道に流すことができる。これによって吸気制御動作に切り換る前であっても患者の気道に多くの気体を導くことができ、患者の負担をさらに軽減することができる。患者の呼気開始時の検出については、たとえば吸気管路を流れる気体の流量を積分して、肺内の気体の体積が予め定めるしきい値に達したか否かで判断してもよい。また吸気流量の最大値を１００％とし、予め設定される吸気流量の設定値まで減少したことを検出する従来の技術を用いて呼気開始時を検出してもよい。
【０１３４】
以上のようにして制御装置は、吸気トリガー信号ｇ１および呼気トリガー信号ｇ２を検出する構成によって、各トリガー信号ｇ１、ｇ２を含む呼吸モード信号ｇを取得し、呼吸モード信号ｇを切換部１３に与える。切換部１３は、呼吸モード信号ｇに応じて吸気制御動作を行うか呼気制御動作を行うかを切り換える。
【０１３５】
図１１は、検出される気道圧力を表示手段４０に表示する動作を説明するための図である。制御装置本体３３は、吸気トリガーｇ１を取得すると、検出される呼気管路圧力Ｐａｉを表示手段４０に与え続ける。次に呼気トリガーｇ２を取得すると、吸気管路圧力Ｐａｅを表示手段４０に与え続ける。
【０１３６】
これによって加湿器などの管路抵抗の変化が生じても、患者の気道圧力Ｐａｗとほぼ同じ圧力を随時報知することができる。また吸気期間Ｗ１と呼気期間Ｗ２とで、視認者が視線を切り換える必要がなく、同じ表示面で気道圧力Ｐａｗに近い値を確認することができるので、利便性を向上することができる。たとえば表示例は、図３（３）に示すような状態で表示される。
【０１３７】
またＰＳＶ動作について説明したが、ＰＣＶ動作についても、気道の圧力を制御することができる。ＰＣＶ動作においては、呼吸モードの検出方法と、気道圧力設定値が異なるが、他の構成、動作については前述した制御装置と同様である。また図８、図１０で説明した機能は、他の換気方法たとえば従量調節換気（
Ｖｏｌｕｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ）方法の場合にも応用できる。
【０１３８】
以上のように、本発明の実施の形態である制御装置２１によれば、吸気期間Ｗ１において、呼気管路圧力Ｐａｉに基づいて、ポンプ用アクチュエータ３１をフィードバック制御する。吸気期間Ｗ１では、患者の気道から呼気管路２６に流れる気体の流量はほとんどなく、患者の気道圧力Ｐａｗと呼気管路圧力Ｐａｉとはほぼ等しい圧力となる。したがって患者の気道圧力Ｐａｗをずれなく設定吸気圧力Ｐａａに近づけることができる。
【０１３９】
また呼気期間Ｗ２において、吸気管路圧力Ｐａｅに基づいて、各駆動手段を制御する。呼気期間Ｗ２では、患者の気道から吸気管路２５に流れる気体の流量はほどんどなく、気道圧力Ｐａｗと、吸気管路圧力Ｐａｅとはほぼ等しい圧力となる。したがって患者の気道圧力Ｐａｗをずれなく設定呼気圧力Ｐａｂに近づけることができる。また患者の咳などによって、一時的に患者が吐出する気体の流量が増加した場合であっても、流れ方向上流側の吸気管路圧力Ｐａｅは大きく変化することがなく、吸気管路圧力Ｐａｅが外乱によって不安定になることを防ぐことができる。
【０１４０】
このように呼気期間Ｗ１および吸気期間Ｗ２において、患者の気道圧力Ｐａｗにより近い圧力を検出することができるので、患者の気道圧力Ｐａｗを良好に設定圧力に達成させて、患者の負担を軽減することができる。
【０１４１】
また各管路２５，２６から圧力検出器３６，３７に管路内の気体を導くための圧力検出孔８２，８３は、気道から遠ざかった位置に形成される。すなわち吸気側圧力検出孔８２は、流れ方向上流側に形成され、呼気側圧力検出孔８３は、流れ方向下流側に形成される。これによって痰および唾などを患者が吐出したとしても、圧力検出孔８２，８５が詰まることを防ぐことができ、より正確な気道圧力を検出することができる。
【０１４２】
さらに本実施の形態では、各フィルタ８３，８６よりも装着部材２４から離れた位置に設けられるので、圧力検出孔８２，８３の気体は、患者の状態変化による外乱の影響を受けにくくすることができる。また吸気管路２５のうちの固定部分２５ａに圧力検出孔８２，８３が形成されるので、圧力導管が変位することを防止できる。また吸気管路２５および呼気管路２６の着脱部分を取替えたとしても、圧力導管を着脱部分２５ｂ，２６ｂとともに取外す必要がなく、利便性を向上することができる。これによって圧力導管の脱落および装着ミスを無くすことができる。さらに装着部材２４付近を小型化することができ、医師および看護士などが医療活動を円滑に行うことができる。
【０１４３】
また、吸気期間Ｗ１において、呼気管路圧力Ｐａｉのほかにポンプ圧力Ｐｓに基づいて、各アクチュエータ３１，３２を制御する。このようにポンプ圧力Ｐｓに基づいて制御することによって、呼気管路圧力Ｐａｉの変化に時間遅れがある場合であっても、応答性を向上することができ、呼気管路圧力Ｐａｉを短時間で設定呼気圧力Ｐａａに達成させることができる。
【０１４４】
ポンプ圧力Ｐｓは、患者の状態変化の影響をほとんど受けることがない。患者の咳などの外乱によって呼気管路圧力Ｐａｉが一時的に変化して、その一時変化に応じてポンプ２２が駆動されたとしても、ポンプ２２が駆動されて変化したポンプ圧力Ｐｓに基づいて、ポンプ２２の駆動量が直ちに修正される。これによってポンプ圧力Ｐｓは、外乱前の圧力に修正される。言い換えると外乱によって呼気管路圧力Ｐａｉが一時的に変化しても、患者の気道圧力Ｐａｗが過度に変化することを阻止することができ、安定的でかつロバスト性を向上して呼気管路圧力Ｐａｉの制御を実現することができる。
【０１４５】
また呼気期間Ｗ２において、吸気管路圧力Ｐａｅとポンプ圧力Ｐｓとに基づいて、各アクチュエータ３１，３２を制御する。このように制御することによって、吸気管路流量が変動しても、吸気管路圧力Ｐａｅを安定的に設定呼気圧力Ｐａｂに達成させることができる。また吸気管路流量ｔを設定流量にすることができる。
【０１４６】
仮に検出される吸気管路圧力Ｐａｅが外乱によって変化したとしても、呼気弁用アクチュエータ３２が制御されて呼気管路２６の開閉度が調整されるだけであり、患者の気道圧力Ｐａｗは、ポンプ圧力Ｐｓを超えて高くなることがない。すなわち患者の気道圧力Ｐａｗが過度に高くなることを防ぐことができる。
【０１４７】
吸気期間Ｗ１および呼気期間Ｗ２において、検出される管路圧力が外乱によって変動しても、検出される管路圧力を設定気道圧力に設定することができる。これによって患者の気道圧力Ｐａｗを設定気道圧力に応答性を向上して安定的に近づけることができる。これによって呼吸動作における患者の負担をさらに軽減することができる。この場合、吸気期間Ｗ１においては、気道圧力の検出を呼気管路圧力で行い、呼気期間Ｗ２においては、気道圧力の検出を吸気管路圧力で行うほうが好ましいが、装着部材付近の管路内の気体の圧力を気道圧力としてもよい。
【０１４８】
また実際には、制御装置本体３３は、記憶部１０４に記憶されるプログラムを演算部１０２が実行することによって、各アクチュエータ３１，３２を制御する。このようにコンピュータによって制御することによって、短時間で制御量を演算することができる。またポンプ用アクチュエータ３１および呼気弁応アクチュエータ３２を制御する制御特性を容易に変更することができ、患者ごと、および患者の状態に応じて、最適な制御特性に容易にかつ短時間で設定することができる。また長時間継続して制御しても制御特性が変動することがなく、安定的に患者の気道圧力Ｐａｗを調整することができる。本発明は、人工呼吸器２０を制御する制御装置２１について説明したが、他の制御装置を用いて前述した制御方法を実現することによって、同様の効果を得ることができる。また制御装置２１と人工呼吸器３０とを含むことによって、患者の負担が少ない人工呼吸設備を実現することができる。
【０１４９】
以上のような本発明の構成は、発明の例示であって、発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば本発明において、人工呼吸器の詳細な構成については、特に限定しない。
【０１５０】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の本発明によれば、供給圧力と管路圧力とに基づいて、供給駆動手段を制御する。これによって応答性を向上するとともに外乱の影響を少なくして、患者の気道圧力を目標とする目標気道圧力に近づけることができる。したがって患者の気道圧力を短時間に安定して最適な気道圧力に達成させることができ、肺の換気における患者の負担を低減することができる。
【０１５１】
また請求項２記載の本発明によれば、漏れなどの外乱によって管路から排出する気体の流量が変動しても、吸気管路圧力を一定にすることができる。これによって呼気期間における患者の気道圧力を設定呼気圧力から変動することを防止し、呼吸動作における患者の負担を軽減することができる。
【０１５２】
また請求項３記載の本発明によれば、患者が気体を吸引する吸気状態に移行したことを精度よく判断することができる。吸気状態に移行したことを判断すると直ぐに、呼気制御動作から吸気制御動作に移行することで、患者が吸気しているのに、呼気制御動作が行われることを防ぎ、患者の呼吸動作の負担をさらに軽減することができる。
【０１５３】
また請求項４記載の本発明によれば、吸気期間では、呼気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。また呼気期間では、吸気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。これによって患者の気道圧力に近い圧力に基づいて、各駆動手段を制御することができ、患者の気道圧力をずれなく設定圧力に近づけることができる。これによって患者の負担をさらに軽減することができる。
【０１５４】
またたとえば気道から遠ざかった位置に圧力検出孔を形成することで、圧力検出孔が詰まることを防ぐことができ、より正確な気道圧力を検出することができる。また気道寄りに圧力導管を設ける必要がないので、圧力導管の脱落および装着ミスを無くすことができる。
【０１５５】
また請求項５〜７記載の本発明によれば、短時間で制御量を演算することができる。また供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する制御特性を容易に設定することができ、患者ごと、および患者の状態に応じて、最適な制御特性に容易にかつ短時間で設定することができる。また長時間継続して制御しても制御特性が変動することがなく、安定的に患者の気道圧力を調整することができる。
【０１５６】
また請求項８記載の本発明によれば、供給圧力と管路圧力とに基づいて、供給駆動手段を制御する。これによって応答性を向上するとともに外乱の影響を少なくして、患者の気道圧力を目標とする目標気道圧力に近づけることができる。すなわち患者の気道圧力を短時間に安定して最適な気道圧力に達成させることができ、肺の換気における患者の負担を低減することができる。
【０１５７】
また請求項９記載の本発明によれば、漏れなどの外乱によって管路から排出する気体の流量が変動しても、吸気管路圧力を一定にすることができる。これによって呼気期間における患者の気道圧力を設定呼気圧力から変動することを防止し、呼吸動作における患者の負担を軽減することができる。
【０１５８】
また請求項１０記載の本発明によれば、患者が気体を吸引する吸気状態に移行したことを精度よく判断することができる。吸気状態に移行したことを判断すると直ぐに、呼気制御動作から吸気制御動作に移行することで、患者が吸気しているのに、呼気制御動作が行われることを防ぎ、患者の呼吸動作の負担をさらに軽減することができる。
【０１５９】
また請求項１１記載の本発明によれば、吸気期間では、呼気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。また呼気期間では、吸気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。これによって患者の気道圧力に近い圧力に基づいて、各駆動手段を制御することができ、患者の気道圧力をずれなく設定圧力に近づけることができる。これによって患者の負担をさらに軽減することができる。
【０１６０】
またたとえば気道から遠ざかった位置に圧力検出孔を形成することで、圧力検出孔が詰まることを防ぐことができ、より正確な気道圧力を検出することができる。また気道寄りに圧力導管を設ける必要がないので、圧力導管の脱落および装着ミスを無くすことができる。
【０１６１】
また請求項１２記載の本発明によれば、吸気期間中には呼気圧力を表示手段に表示し、患者が呼気を吐出する呼気期間中には呼気圧力を表示手段に表示することによって、加湿器などの管路抵抗の変化および患者の咳などが生じても、患者の気道圧力とほぼ同じ圧力を随時報知することができる。また呼気期間と吸気期間とで、視認者が視線を切り換える必要がなく、同じ表示面で気道圧力を確認することができるので、利便性を向上することができる。
【０１６２】
また請求項１３記載の本発明によれば、人工呼吸設備が前述した制御装置を備えることで、患者の気道圧力を良好に目標気道圧力に近づけることができ、人工呼吸動作時の患者の負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である人工呼吸器２０に用いられる制御装置２１の構成を示すブロック図である。
【図２】人工呼吸器２０とその制御装置２１を含む人工呼吸設備１９の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】制御装置３３によって制御される患者の気道圧力Ｐａｗを示すタイミングチャートである。
【図４】制御装置本体３３の動作手順を示すフローチャートである。
【図５】管路を流れる気体を示すために人工呼吸器２０を簡略化して示す断面図である。
【図６】制御装置本体３３の吸気制御動作および換気制御動作を総合して示すブロック線図である。
【図７】制御装置本体３３の吸気制御動作を示すブロック線図である。
【図８】制御装置本体３３の呼気制御動作を示すブロック線図である。
【図９】吸気管路２５を流れる気体の呼気管路流量ｔと吸気管路圧力Ｐａｅとの関係を示すグラフである。
【図１０】制御装置本体３３の呼吸状態検出動作を示すブロック線図である。
【図１１】検出される気道圧力を表示手段４０に表示する動作を説明するための図である。
【図１２】従来の技術の人工呼吸器１の一部を簡略化して示すブロック図である。
【符号の説明】
２０ 人工呼吸器
２１ 制御装置
２２ ポンプ
２３ 排出場所
２４ 装着部材
２５ 吸気管路
２６ 呼気管路
２７ 呼気弁
３１ ポンプ用アクチュエータ
３２ 呼気弁用アクチュエータ
３３ 制御装置本体
３４ ポンプ圧力検出器
３５ 吸気圧力検出器
３６ 呼気圧力検出器
３７ 呼気流量検出器
３８ 吸気流量検出器
３９ 入力手段
４０ 表示手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工呼吸器に用いられる制御装置およびおよび制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の技術の人工呼吸器１の一部を簡略化して示すブロック図である。人工呼吸器１は、患者の肺３に酸素を含む気体を供給し、患者の肺の換気を行う。人工呼吸器１は、ポンプ２と、吸気管路５と、呼気管路６と、呼気弁７とを含む。ポンプ２は、酸素を含む気体を吸気管路５に供給する。吸気管路５は、ポンプ２から供給された気体８をマスクまたは気管チューブである装着部材１１を介して患者の肺３に導く。また呼気管路６は、患者が吐出する気体９を装置外部に導く。呼気弁７は、呼気管路６に介在されて呼気管路６の開閉を行う。
【０００３】
人工呼吸器１は、吸気期間においては、ポンプ２によって患者の肺３へ気体８を供給するとともに、呼気弁７によって呼気管路６を閉じる。また呼気期間においては、ポンプ２による患者の肺３への気体供給を停止するとともに、呼気弁７によって呼気管路６を開く。人工呼吸器１は、このような吸気期間動作と呼気期間動作とを交互に繰り返して、患者の換気機能を支援する（たとえば特許文献１〜３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−７３１号公報
【特許文献２】
特開２００２−２００１６８号公報
【特許文献３】
特開２００２−１３６５９８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
人工呼吸器の換気方式には、大別して、一呼吸毎に一定量の気体を患者に送る従量方式、たとえばＶＣＶ方法と、呼気期間中に患者の気道圧力を一定に保ち、患者の肺のコンプライアンスに対応した換気量を得る従圧方式、たとえばＰＣＶ、ＰＳＶ方法がある。後者の方式において、患者の肺の換気を良好に行うためには、患者の気道圧力を調整する必要がある。具体的には、人工呼吸器１は、吸気期間中においては、気道圧力が過度に高くならないように調整される。また呼気期間中においては、気道圧力が吸気終末陽圧（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｅｎｄ−Ｅｘｐｉｒａｔｏｒｙ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ、略称、ＰＥＥＰ圧）が保たれるように調整される。このように気道圧力が適切に調整されることによって、患者の肺の換気を良好に行うことができる。
【０００６】
目標とする目標気道圧力は、人工呼吸器１に設定される。ただし肺の状態たとえば肺の硬さ、いわゆる肺のコンプライアンスは患者ごとに個人差があり、患者ごとに適切な気道圧力が異なる。また同じ患者であっても、患者の症状たとえば前記肺のコンプライアンスや患者の気道抵抗が変化することによって、適切な気道圧力も変化する。
【０００７】
従来技術として、人工呼吸器１は、圧力検出器１５によって管路圧力を検出し、検出される管路圧力に基づいてフィードバック制御して、管路圧力を設定圧力に調整する。管路圧力を設定圧力に保つことで、気道圧力を目標気道圧力に近づけている。
【０００８】
しかしながら管路圧力は、患者の気道圧力とは対応しない場合がある。たとえば管路圧力は、気道圧力の変化に対して時間遅れがある。また管路圧力は、気道圧力にかかわらず、外乱によって変化してしまう。たとえば外乱として、患者の咳および管路に介在される加湿器などがある。
【０００９】
外乱によって患者の気道圧力と管路圧力とが対応しない場合には、管路圧力に基づいて管路圧力を制御しても、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけることができない。また外乱の１つである、患者の気道抵抗や肺のコンプライアンスは、患者の症状によって、大きく変化する。この場合、上述した従来技術では、フィードバック制御系の応答性および安定性が損なわれる場合がある。
【００１０】
したがって本発明の目的は、こうした外乱が生じる場合であっても、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけて、患者の負担を軽減する人工呼吸器の制御方法および制御装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御方法であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力と、吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力とを取得し、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、呼気管路を閉じるよう開閉駆動手段を制御するとともに、供給圧力および管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段を制御することを特徴とする人工呼吸器の制御方法である。
【００１２】
本発明に従えば、管路圧力と供給圧力とを取得し、それらに基づいて供給駆動手段を制御する。供給圧力は、供給駆動手段の駆動に追従して直ちに変化する。したがって供給駆動手段を制御してから管路圧力が変化するまでに時間遅れがある場合でも、供給圧力に基づいて供給駆動手段を制御することで応答性を向上することができ、管路圧力を短時間で設定吸気圧力に達成させることができる。
【００１３】
また供給圧力は、患者の状態変化および管路の圧力抵抗変化などの影響をほとんど受けることがない。患者の咳および加湿器などの外乱によって管路圧力が一時的に変化したとしても、直ちに修正制御することができる。これによって管路圧力は、外乱前の圧力に修正される。したがって外乱の影響を小さくして、管路圧力の過剰調整を防ぐことができ、管路圧力を安定して設定吸気圧力に達成することができる。言い換えると安定的でかつロバスト性を向上した管路圧力の制御を実現することができる。
【００１４】
患者の気道圧力が設定吸気圧力と一致するまで、吸気管路から気道に向けて気体が流れる。したがって設定吸気圧力を、患者の肺の換気を良好に行うことができる目標気道圧力に設定すると、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけることができる。本発明では、応答性を向上するとともに外乱による影響を小さくして管路圧力を設定呼気圧力にすることができるので、患者の気道圧力もまた目標気道圧力に早くかつ安定して近づけることができる。
【００１５】
また本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御方法であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力と、吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力とを取得し、
患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、開閉駆動手段を制御するとともに、供給圧力に基づいて、供給圧力が設定呼気圧力よりも予め定める補償圧力分高くなるように、供給駆動手段を制御することを特徴とする人工呼吸器の制御方法である。
【００１６】
本発明に従えば、呼気期間において、管路圧力に基づいて開閉駆動手段を制御するとともに、供給圧力に基づいて供給駆動手段を制御する。これによって管路圧力は設定呼気圧力に保たれ、一定量の気体が排出場所に向かって流れる平衡状態に保たれる。
【００１７】
仮に管路圧力が設定呼気圧力よりも低くなった場合、開閉手段が呼気管路を平衡状態よりも閉じるとともに、供給手段が吸気管路から所定圧力の気体を供給することで、管路圧力を再び設定呼気圧力に保つことができる。また仮に管路圧力が設定呼気圧力よりも高くなった場合、開閉手段が呼気管路を平衡状態よりも開くことによって、管路圧力を再び設定呼気圧力に保つことができる。
【００１８】
本発明によれば、呼気管路を通過する気体の流量ではなく、管路圧力を制御、たとえばフィードバック制御する。仮に管路の気体漏れによって管路圧力が低下したとしても、管路圧力が設定呼気圧力となるように、呼気管路をさらに閉じて、管路圧力が再び設定呼気圧力に保たれる。したがって管路の気体漏れを補償して管路圧力を設定呼気圧力に保つことができる。
【００１９】
設定吸気圧力を、患者の肺の換気を良好に行うことができる目標気道圧力に設定すると、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけることができる。本発明では、外乱の影響にかかわらず管路圧力を安定して設定呼気圧力に保つことによって、患者の気道圧力もまた、目標気道圧力に安定して近づけることができる。
【００２０】
また本発明は、吸気管路内を流れる気体の流量である吸気管路流量と、呼気管路内を流れる気体の流量である呼気管路流量とを取得し、
吸気管路流量と呼気管路流量との差に基づいて、患者が気体を吸引し始めたことを判断することを特徴とする。
【００２１】
本発明に従えば、供給圧力に基づいて供給駆動手段を制御する制御量、すなわち制御特性を調整することによって、管路圧力が設定呼気圧力からずれたときの吸気管路流量の変化率を大きくすることができる。患者が自発呼吸をしている場合、患者が管路内の気体を吸引すると、管路圧力は設定呼気圧力よりも小さくなる。このとき、前述したように調整されることで、吸気管路を流れる気体の流量変化率は、その気体の圧力の変化率に比べて大きく変化する。
【００２２】
このように患者が気体を吸引し始めたときに、吸気管路流量と呼気管路流量との差を大きくし、この差を検出することによって、患者が気体を吸引する吸気状態に移行したことを精度よく判断することができる。
【００２３】
また本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御方法であって、
吸気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、供給手段から気体が流れる流れ方向上流側の圧力である吸気管路圧力を取得し、
呼気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、気道から気体が流れる流れ方向下流側の気体の圧力である呼気管路圧力を取得し、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、呼気管路圧力に基づいて、呼気管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御し、
患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、吸気管路圧力に基づいて、吸気管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御方法である。
【００２４】
本発明に従えば、吸気期間において、呼気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。吸気期間では吸気管路圧力は、患者の気道圧力よりも高い圧力となる。また吸気管路圧力は、吸気管路に加湿器が介在されることによって振動的になる。これに対して患者の気道から呼気管路に流れる気体の流量はほとんどなく、患者の気道圧力と呼気管路圧力とはほぼ等しい圧力となる。したがって吸気期間において、呼気管路圧力を検出して、その呼気管路圧力に基づいて供給駆動手段を制御、たとえばフィードバック制御することによって、患者の気道圧力をずれなく設定吸気圧力に近づけることができる。
【００２５】
また呼気期間において、吸気管路圧力に基づいて供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する。呼気期間では、呼気管路圧力は、患者の気道圧力よりも低い圧力となり、患者の気道圧力に対してずれる。これに対して吸気管路圧力と患者の気道圧力とは、ほぼ等しい圧力となる。したがって吸気管路圧力に基づいて供給手段を制御、たとえばフィードバック制御することによって、患者の気道圧力をずれなく設定呼気圧力に近づけることができる。また患者の咳などによって、一時的に患者が吐出する気体の流量が増加した場合であっても、流れ方向上流側の吸気管路圧力は大きく変化することがなく、吸気管路圧力が外乱によって不安定になることを防ぐことができる。
【００２６】
このように呼気期間および吸気期間において、患者の気道圧力により近い圧力を検出して、各駆動手段を制御するので、患者の気道圧力を良好に設定圧力に達成させて、患者の負担を軽減することができる。
【００２７】
またたとえば各管路に圧力検出孔を形成し、圧力検出孔から圧力導管によって気体を導いて圧力を検出した場合、患者に装着される側部分から遠ざかった位置に圧力検出孔を形成することができる。これによって痰および唾などを患者が吐出したとしても、圧力検出孔が詰まることを防ぐことができ、より正確な気道圧力を検出することができる。また患者に装着される側部分寄りに圧力導管を設ける必要がないので、圧力導管の脱落および装着ミスを無くすことができる。
【００２８】
また本発明は、前記制御方法を実行するためのコンピュータである。
また本発明は、前記制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【００２９】
また本発明は、前期制御方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体である。
【００３０】
本発明に従えば、前述した人工呼吸器の制御方法をコンピュータによって実現されるので、短時間で制御量を演算することができる。また供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する制御特性を容易に設定することができ、患者ごと、および患者の状態に応じて、最適な制御特性に容易にかつ短時間で設定することができる。また長時間継続して制御しても制御特性が変動することがなく、安定的に患者の気道圧力を調整することができる。また、プログラムをコンピュータに読込ませることによって、前述した人工呼吸器の制御方法を実現することができる。またプログラムは、記録媒体に記録されていてもよい。
【００３１】
また本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御装置であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力を検出する供給圧力検出手段と、
吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力を検出する管路圧力検出手段と、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、呼気管路を閉じるよう開閉駆動手段を制御する開閉制御手段と、
吸気期間において、検出される供給圧力および管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段を制御する供給制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御装置である。
【００３２】
本発明に従えば、供給制御手段は、検出される管路圧力と供給圧力とに基づいて供給駆動手段を制御する。供給圧力は、供給駆動手段の駆動に追従して直ちに変化する。したがって供給駆動手段を制御してから管路圧力が変化するまでに時間遅れがある場合でも、供給圧力に基づいて供給駆動手段を制御することで応答性を向上することができ、管路圧力を短時間で設定吸気圧力に達成させることができる。
【００３３】
また、供給圧力は、患者の状態変化および管路の圧力抵抗変化などの影響をほとんど受けることがない。患者の咳および加湿器などの外乱によって管路圧力が一時的に変化したとしても、供給制御手段は、その外乱によって変化された供給圧力に基づいて、供給駆動手段を直ちに修正する。これによって管路圧力は、外乱前の圧力に修正される。すなわち外乱の影響を小さくして、管路圧力の過剰調整を防ぐことができる。したがって管路圧力を安定して設定吸気圧力に達成することができる。言い換えると安定的でかつロバスト性を向上した管路圧力の制御を実現することができる。
【００３４】
患者の気道圧力が設定吸気圧力と一致するまで、吸気管路から気道に向けて気体が流れる。したがって設定吸気圧力を、患者の肺の換気を良好に行うことができる目標気道圧力に設定すると、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけることができる。本発明では、応答性を向上するとともに外乱による影響を小さくして管路圧力を設定呼気圧力にすることができるので、患者の気道圧力もまた目標気道圧力に早くかつ安定して近づけることができる。
【００３５】
また本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御装置であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力を検出する供給圧力検出手段と、
吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力を検出する管路圧力検出手段と、
患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、検出される管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、開閉駆動手段を制御する開閉制御手段と、
呼気期間において、検出される供給圧力に基づいて、供給圧力が設定呼気圧力よりも予め定める補償圧力分高くなるように、供給駆動手段を制御する供給制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御装置である。
【００３６】
本発明に従えば、呼気期間において、管路圧力に基づいて開閉駆動手段を制御するとともに、供給圧力に基づいて供給駆動手段を制御する。これによって管路圧力は設定呼気圧力に保たれ、一定量の気体が排出場所に向かって流れる平衡状態に保たれる。
【００３７】
仮に管路圧力が設定呼気圧力よりも低くなった場合、呼気管路を平衡状態よりも閉じて、吸気管路から一定圧力の気体を供給することで、管路圧力を再び設定呼気圧力に保つことができる。また仮に管路圧力が設定呼気圧力よりも高くなった場合、呼気管路を平衡状態よりも開くことによって、管路圧力を再び設定呼気圧力に保つことができる。
【００３８】
さらに供給圧力は外乱によって変動することが少なく、吸気管路を流れる気体の圧力は一定に保たれる。管路圧力が外乱によって変化したとしても、開閉駆動手段が制御されて呼気管路の開閉度が調整されるだけであり、気道圧力は、吸気管路を流れる気体の圧力を超えて過度に高くなることがない。すなわち吸気管路圧力を最適に設定することによって、患者の呼気動作の負担となることを防止することができる。
【００３９】
また本発明によれば、呼気管路を通過する気体の流量ではなく、管路圧力を制御、たとえばフィードバック制御する。仮に管路の気体漏れによって管路圧力が低下したとしても、管路圧力が設定呼気圧力となるように、呼気管路をさらに閉じ、管路圧力が再び設定呼気圧力に保たれる。したがって管路の気体漏れを補償して管路圧力を設定呼気圧力に保つことができる。
【００４０】
設定吸気圧力を、患者の肺の換気を良好に行うことができる目標気道圧力に設定すると、患者の気道圧力を目標気道圧力に近づけることができる。本発明では、外乱の影響にかかわらず管路圧力を安定して設定呼気圧力に保つことによって、患者の気道圧力もまた、目標気道圧力に安定して近づけることができる。
【００４１】
また本発明は、吸気管路内を流れる気体の流量である吸気管路流量を検出する吸気管路流量検出手段と、
呼気管路内を流れる気体の流量である呼気管路流量を検出する呼気管路流量検出手段と、
患者が気体を吸引し始めたことを判断する吸気開始判断手段とをさらに備え、吸気開始判断手段は、検出される吸気管路流量と呼気管路流量との差に基づいて、患者が気体を吸引し始めたことを判断することを特徴とする。
【００４２】
本発明に従えば、供給圧力に基づいて供給駆動手段の制御する制御量、すなわち制御特性を調整することによって、管路圧力が設定呼気圧力からずれたときの吸気管路流量の変化率を大きくすることができる。患者が自発呼吸をしている場合、患者が管路内の気体を吸引すると、管路圧力は設定呼気圧力よりも小さくなる。このとき、前述したように調整されることで、吸気管路を流れる気体の流量変化率は、その気体の圧力の変化率に比べて大きく変化する。
【００４３】
このように患者が気体を吸引し始めたときに、吸気管路流量と呼気管路流量との差を大きくし、吸気開始判断手段によって、この差を検出することによって、患者が気体を吸引する吸気状態に移行したことを精度よく判断することができる。
【００４４】
また本発明は、酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御装置であって、
吸気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、供給手段から気体が流れる流れ方向上流側の気体の圧力である吸気管路圧力を検出する吸気管路圧力検出手段と、
呼気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、気道から気体が流れる流れ方向下流側の位置の気体の圧力である呼気管路圧力を検出する呼気管路圧力検出手段と、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、検出される呼気管路圧力に基づいて、呼気管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御し、患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、検出される吸気管路圧力に基づいて、吸気管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御装置である。
【００４５】
本発明に従えば、吸気期間において、呼気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。吸気期間では呼気管路圧力は、患者の気道圧力よりも高い圧力となる。また吸気管路圧力は、吸気管路に加湿器が介在されることによって振動的になる。これに対して患者の気道から呼気管路に流れる気体の流量はほとんどなく、患者の気道圧力と呼気管路圧力とはほぼ等しい圧力となる。したがって吸気期間において、呼気管路圧力を検出して、その呼気管路圧力に基づいて供給駆動手段を制御、たとえばフィードバック制御することによって、患者の気道圧力をずれなく設定吸気圧力に近づけることができる。
【００４６】
また呼気期間において、吸気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。呼気期間では、呼気管路圧力は、患者の気道圧力よりも低い圧力となり、患者の気道圧力に対してずれる。これに対して吸気管路圧力と患者の気道圧力とは、ほぼ等しい圧力となる。したがって吸気管路圧力に基づいて供給手段を制御、たとえばフィードバック制御することによって、患者の気道圧力をずれなく設定呼気圧力に近づけることができる。また患者の咳などによって、一時的に患者が吐出する気体の流量が増加した場合であっても、流れ方向上流側の吸気管路圧力は大きく変化することがなく、吸気管路圧力が外乱によって不安定になることを防ぐことができる。
【００４７】
このように呼気期間および吸気期間において、患者の気道圧力により近い圧力を検出して、各駆動手段を制御するので、患者の気道圧力を良好に設定圧力に達成させて、患者の負担を軽減することができる。
【００４８】
またたとえば各管路に圧力検出孔を形成し、圧力検出孔から圧力導管によって気体を導いて圧力を検出した場合、患者に装着される側部分から遠ざかった位置に圧力検出孔を形成することができる。これによって痰および唾などを患者が吐出したとしても、圧力検出孔が詰まることを防ぐことができ、より正確な気道圧力を検出することができる。また患者に装着される側部分寄りに圧力導管を設ける必要がないので、圧力導管の脱落および装着ミスを無くすことができる。
【００４９】
また本発明は、気道内の気体の圧力を表示するための表示手段をさらに備え、表示手段は、吸気期間において、検出される呼気管路圧力を患者の気道圧力として表示し、呼気期間において、検出される吸気管路圧力を患者の気道圧力として表示することを特徴とする。
【００５０】
本発明に従えば、吸気期間中には呼気管路圧力を表示手段に表示し、患者が呼気を吐出する呼気期間中には吸気管路圧力を表示手段に表示することによって、たとえば加湿器などの管路抵抗の変化および患者の咳などが生じても、患者の気道圧力とほぼ同じ圧力を随時報知することができる。また呼気期間と吸気期間とで、視認者が視線を切り換える必要がなく、同じ表示面で気道圧力を確認することができるので、利便性を向上することができる。
【００５１】
また本発明は、前記人工呼吸器と、前記人工呼吸器の制御装置とを備えることを特徴とする人工呼吸設備である。
【００５２】
本発明に従えば、前述した制御装置を備えることで、患者の気道圧力を良好に設定値に達成させて、人工呼吸動作時の患者の負担を軽減することができる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である人工呼吸器２０に用いられる制御装置２１の構成を説明するためのブロック図である。図２は、人工呼吸器２０とその制御装置２１を含む人工呼吸設備１９の電気的構成を示すブロック図である。人工呼吸器２０は、制御装置２１によって制御されて、自発呼吸動作が低下または停止している患者の気道に酸素を含む気体を供給し、患者の肺の換気を支援または強制的に行う装置である。
【００５４】
制御装置２１は、吸気期間に人工呼吸器２０を制御する吸気動作部１１と、呼気期間に人工呼吸器２０を制御する呼気動作部１２と、吸気期間か呼気期間かを判断して制御動作を切り換える切換部１３とを含む。
【００５５】
吸気動作部１１と呼気動作部１２とは、互いに制御動作が異なる。吸気動作部１１と呼気動作部１２とは、後述する管路圧力とポンプ圧力とに基づいて、人工呼吸器２０からの圧力をフィードバック制御する。切換部１３は、吸気期間であるか、呼気期間であるかを示す呼吸モード信号によって吸気動作と呼気動作とを切り換える。
【００５６】
図２に示すように、人工呼吸器２０は、装着部材２４と、ポンプ２２と、ポンプ用アクチュエータ３１と、呼気弁２７と、吸気管路２５と、呼気管路２６と、呼気弁用アクチュエータ３２とを含む。
【００５７】
装着部材２４は、患者の気道に気体を供給するために患者に装着され、患者の気道に連通する装着孔が形成される。たとえば装着部材２４は、患者の口および鼻のいずれかを覆うマスクである。また装着部材２４は、患者の気管に直接装着される気管チューブであってもよい。
【００５８】
ポンプ２２は、酸素を含む気体を装着部材２４に向けて供給する供給手段である。ポンプ２２は、たとえばベローズ６０を有するベローズ型ポンプによって実現される。ポンプ２２は、吸入場所７１より気体をベローズ６０内のポンプ空間６５に吸入し、ポンプ空間６５の気体を吸気管路２５に吐出する。ポンプ２２は、たとえば空気を吸気管路２５に吐出する。ポンプ２２には、ポンプ空間６５から吸入場所７１に気体が逆流することを防ぐ吸入逆止弁６９と、吸気管路２５からポンプ空間６５に気体が逆流することを防ぐ吐出逆止弁４１とが設けられる。
【００５９】
ポンプ２２には、吐出される気体の圧力を検出するためのポンプ圧力検出孔７０が形成される。ポンプ圧力検出孔７０は、吐出逆止弁４１よりも流れ方向上流側に形成される。ポンプ用アクチュエータ３１は、ポンプ２２を駆動する供給駆動手段であって、ベローズ６０をその軸線方向に伸縮駆動する。本発明において、流れ方向は、吸入場所７１からポンプ２２、吸気管路２５、患者の気道および呼気管路２６を介して、排出場所２３へ気体が流れる方向である。
【００６０】
吸気管路２５は、ポンプ２２と装着部材２４とを接続する管路であり、ポンプ２２から供給された気体を患者の気道に導く。吸気管路２５には、吸気流量測定手段８１および吸気フィルタ８３が介在する。吸気流量測定手段８１および吸気フィルタ８３は、吐出逆止弁４１よりも、流れ方向下流側に設けられる。
【００６１】
吸気管路２５は、吸気管路内の気体の圧力である吸気管路圧力を測定するための吸気側圧力検出孔８２が形成される。この吸気側圧力検出孔８２は、吸気フィルタ８３よりも流れ方向上流側であって、吐出逆止弁４１よりも流れ方向下流側に形成される。
【００６２】
呼気管路２６は、装着部材２４と装置外部の排出場所２３とを接続する管路であり、患者の気道から流出した気体を装置外部の排出場所２３に導く。排出場所２３の気体は、大気圧と同じ圧力である。呼気管路２６には、呼気弁２７、呼気流量測定手段８４および呼気フィルタ８６が介在する。呼気流量測定手段８４は、呼気弁２７よりも流れ方向下流側に設けられる。呼気フィルタ８４は、呼気弁２７よりも流れ方向上流側に設けられる。呼気管路２６には、呼気管路内の気体の圧力である呼気管路圧力を測定するための呼気側圧力検出孔８５が形成される。呼気側圧力検出孔８５は、呼気フィルタ８６よりも流れ方向下流側であって、呼気弁２７よりも流れ方向上流側に形成される。
【００６３】
本実施の形態では、吸気管路２５および呼気管路２６とが装着部材２４側で合流する共通管路１８が構成され、総合して略Ｙ字状に形成される。言換えると、装着部材２４に接続される共通管路１８から吸気管路２５および呼気管路２６がそれぞれ分岐する。
【００６４】
また吸気管路２５は、吸気フィルタ８３からポンプ２２に延びる固定部分２５ａと、吸気フィルタ８３から装着部材２４に延びる着脱部分２５ｂとを有する。同様に呼気管路２６は、呼気フィルタ８６から呼気弁２７に延びる固定部分２６ａと、呼気フィルタ８６から装着部材２４に延びる着脱部分２６ｂとを有する。吸気管路２５および呼気管路２６の固定部分２５ａ，２６ａは、残余の人工呼吸器部分に固定して設けられるのに対して、着脱部分２５ｂ，２６ｂは、可撓性を有して固定部分２５ａ，２６ａから着脱可能に設けられる。
【００６５】
呼気弁２７は、呼気管路２６に介在されて呼気管路２６の開閉を行う開閉手段である。呼気弁２７は、その弁体９０が呼気管路２６を無段階的に開閉可能に移動自在に設けられる。また呼気弁用アクチュエータ３２は、呼気弁２７の弁体９０を変位駆動する開閉駆動手段である。
【００６６】
呼気弁２７を閉じた状態とし、ポンプ２２がポンプ用アクチュエータ３１によって駆動されてポンプ空間６５の気体の圧力であるポンプ圧力が高くなると、ポンプ内の気体が、吸気管路２５を介して患者の気道に流れる。ポンプ用アクチュエータ３１は、ポンプ圧力が予め設定される値になるようにフィードバック制御される。
【００６７】
呼気弁２７の弁体９０が呼気弁用アクチュエータ３２によって駆動されて、呼気管路２６が閉じた状態から開いた状態になると、呼気管路２６内と排出場所２３とが連通する。排出場所２３の気体の圧力が患者の気道圧力よりも低い場合には、気道内の気体が呼気管路２６を介して排出場所２３に向かって流れる。呼気弁２７の開閉度が調整されることによって、呼気管路２６の管路抵抗が変化し、管路内の圧力が制御される。
【００６８】
人工呼吸器２０を制御する制御装置２１は、コンピュータを含む制御装置本体３３と、ポンプ圧力検出器３４と、吸気圧力検出器３５と、呼気圧力検出器３６と、呼気流量検出器３７と、吸気流量検出器３８と、管理者から与えられる設定情報を取得する入力手段３９と、患者の気道圧力を表示するための表示手段４０と、ポンプ用サーボアンプ４６と、呼気弁用サーボアンプ４７とを含む。
【００６９】
ポンプ圧力検出器３４は、ポンプ２２の突出圧であるポンプ圧力を検出し、そのポンプ圧力を電気信号に変換する。ポンプ圧力検出器３４は、その電気信号を制御装置本体３３に与える。吸気圧力検出器３５は、吸気管路２５内の気体の圧力を検出し、その圧力を電気信号に変換する。吸気圧力検出器３５は、吸気管路内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、可及的にポンプ２２寄りであって、吐出逆止弁４１および呼気流量検出ヘッドを測定する位置８１よりも流れ方向下流側の気体の圧力を検出する。
【００７０】
呼気圧力検出器３６は、呼気管路２６内の気体の圧力を検出し、その圧力を電気信号に変換する。呼気圧力検出器３６は、呼気管路内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、可及的に呼気弁２７寄りであって、呼気弁２７よりも流れ方向上流側の気体の圧力を検出する。吸気圧力検出器３５および呼気圧力検出器３６は、患者の気道圧力を検出するための気道圧力検出手段となる。
【００７１】
吸気流量検出器３８は、吸気管路２５を流れる気体の流量を電気信号に変換し、その電気信号を制御装置本体３３に与える。呼気流量検出器３７は、呼気管路２６を流れる流量を電気信号に変換し、その電気信号を制御装置本体３３に与える。
【００７２】
入力手段３９は、医師および看護士などの人工呼吸器２０または、人工呼吸設備１９を管理する管理者からの設定指令が入力される。入力手段３９は、たとえばキーボードおよび各種ボタン、つまみなどによって実現される。入力手段３９は、入力された指令を示す信号を制御装置本体３３に与える。
【００７３】
表示手段４０は、患者の気道圧力を報知する報知手段であり、液晶ディスプレイ、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）ディスプレイなどによって実現される。表示手段４０は、制御装置本体３３から受ける表示指令信号に基づいて、たとえば気道圧力として検出される管路圧力の時間的変化を示す波形を表示画面に表示する。
【００７４】
ポンプ用サーボアンプ４６は、制御装置本体３３が演算した演算結果信号を増幅して、ポンプ用アクチュエータ３１を駆動するために必要な電力に変換し、その電力をポンプ用アクチュエータ３１に与える。また呼気弁用サーボアンプ４７は、制御装置本体３３が演算した演算結果信号を増幅して、呼気弁用アクチュエータ３２を駆動するために必要な電力に変換し、その電力を呼気弁用アクチュエータ３２に与える。
【００７５】
制御装置本体３３は、インターフェース１０１と、演算部（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、略称、ＣＰＵ）１０２と、一時記憶部（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ、略称、ＲＡＭ）１０３と、記憶部（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ、略称、ＲＯＭ）１０４とを含む。インターフェース１０１は、接続される各手段３４〜３９からの信号が入力されて、それらの信号を演算部１０２に与える。記憶部１０４は、制御装置本体３３が実行すべきプログラムが記憶され、演算部１０２が記憶部１０４に記憶されるプログラムを読み出して実行することによって、吸気制御部１１、呼気制御部１２および切換部１３となる。これによって制御装置本体３３は、後述する人工呼吸器２０の制御を行うことができる。
【００７６】
また一時記憶部１０３は、接続される各手段３４〜３９から入力される信号を記憶するとともに、演算部１０２の演算結果を記憶する。また制御装置本体３３は、接続される各手段３４〜３９を制御するためのドライバ回路を備えている。記憶部１０４は、コンパクトディスクなどのコンピュータ読取可能な記録媒体であってもよい。
【００７７】
図３は、制御装置３３によって制御される患者の気道圧力Ｐａｗを示すタイミングチャートである。人工呼吸器２０は、患者の換気機能を支援する圧補助換気（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ、略称、ＰＳＶ）動作および患者の換気を強制的に行う従圧式調節換気（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ、略称、ＰＣＶ）動作を行うことができる。以後ＰＳＶ動作について説明する。
【００７８】
制御装置本体３３は、吸気期間Ｗ１と呼気期間Ｗ２とで制御動作を切り換えている。吸気期間Ｗ１と呼気期間Ｗ２との切り換えは、呼吸モード信号ｇに基づいて切り換えられる。呼吸モード信号ｇは、吸気トリガー信号ｇ１および呼気トリガー信号ｇ２を含む。吸気トリガー信号ｇ１は、吸気制御動作を開始することを示す信号である。呼気トリガー信号ｇ２は、呼気制御動作を開始することを示す信号である。吸気トリガー信号ｇ１および呼気トリガー信号ｇ２は、ＰＳＶ動作時には、患者の呼吸状態から検出される。呼吸状態の検出については後述する。
【００７９】
制御装置本体３３は、患者の気道圧力Ｐａｗを最適にする設定圧力が予め設定される。患者が気体を吸引する吸気期間Ｗ１においては、設定吸気圧力Ｐａａが設定されている。また患者が気体を吐出する呼気期間Ｗ２においては、設定呼気圧力Ｐａｂが設定されている。設定呼気圧力Ｐａａおよび設定吸気圧力Ｐａｂは、患者ごとおよび患者の状態に応じて変更可能に設定される。各設定圧力Ｐａａ，Ｐａｂは、管理者によって入力手段３９から入力される。
【００８０】
吸気設定圧力Ｐａａは、呼気設定圧力Ｐａｂよりも大きく設定され、患者の肺の換気機能に負担となる過負荷圧力Ｐｒよりも小さく設定される。呼気設定圧力Ｐａｂは、たとえば患者の肺胞の虚脱を防止するために、大気圧Ｐａよりも高い圧力である吸気終末陽圧（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｅｎｄ−Ｅｘｐｉｒａｔｏｒｙ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ、略称、ＰＥＥＰ圧）以上に設定される。
【００８１】
図４は、制御装置本体３３の動作手順を示すフローチャートの一例である。制御装置本体３３の動作について説明すると、まず図４に示すように、ステップｓ０で装着部材２４が患者に装着され、人工呼吸器２０および制御装置２１の電源が与えられる。人工呼吸可能な状態になると、ステップｓ１に進む。
【００８２】
ステップｓ１では、入力手段３９から設定圧力が入力され、設定圧力を一時記憶部１０３に記憶する。また既に記憶している設定圧力が用いられる場合には、記憶部１０４からその値を読み出して、設定圧力を一時記憶部１０３に記憶する。設定圧力を取得するとステップｓ２に進む。
【００８３】
ステップｓ２では、吸気トリガー信号ｇ１を取得するまで待機し、図３に示す第１時刻ｔ３で、吸気トリガー信号ｇ１を取得すると、ステップｓ３に進む。ステップｓ３では、設定吸気圧力Ｐａａを示す信号が変更されたか否かを判断し、変更されていないならばステップｓ５に進む。また設定吸気圧力Ｐａａが変更されているならばステップｓ４で、一時記憶部１０３から変更された設定吸気圧力Ｐａａを読出して、設定吸気圧力Ｐａａを更新してステップｓ５に進む。ステップｓ５では、吸気動作部１１が吸気制御動作を開始する。制御装置本体３３は、気道圧力として検出される管路圧力を設定吸気圧力Ｐａａに一致させるように人工呼吸器２０を制御する。
【００８４】
次に、ステップｓ６で呼気トリガー信号ｇ２を取得したかどうかを切換部１３が判断し、呼気トリガー信号ｇ２を取得していないとステップｓ３に戻り、吸気制御動作を継続する。ステップｓ６で、図３に示す第１時刻ｔ１から第２時刻ｔ２に達して、呼気トリガー信号ｇ２を取得すると、ステップｓ７に進む。
【００８５】
ステップｓ７では、設定呼気圧力Ｐａｂを示す信号が変更されたか否かを判断し、変更されていないならばステップｓ９に進む。また設定呼気圧力Ｐａｂが変更されているならばステップｓ８で一時記憶部１０３から変更された設定呼気圧力Ｐａｂを読出して、設定呼気圧力Ｐａｂを更新してステップｓ９に進む。ステップｓ９では、呼気制御部１２が呼気制御動作を開始する。制御装置本体３３は、気道圧力として検出される管路圧力を設定呼気圧力Ｐａｂに一致させるように人工呼吸器２０を制御する。
【００８６】
次に、ステップｓ１０で吸気トリガー信号ｇ１を取得したかどうかを判断し、吸気トリガー信号ｇ１を取得していないとステップｓ７に戻り、呼気制御動作を継続する。ステップｓ１０で、図３に示す第２時刻ｔ２から第３時刻ｔ３に達して、吸気トリガー信号ｇ１を取得すると、ステップｓ３に戻る。制御装置本体３３は、制御動作の終了命令が与えられるまでこの動作を繰り返し、終了命令が与えられると、制御動作を終了する。
【００８７】
このようにして制御装置本体３３は、呼吸モード信号ｇに基づいて、吸気制御動作と呼気制御動作を交互に切り換える。また動作時にあって、入力手段３９によって設定圧力が変更された場合には、その変更された設定圧力を反映して、変更後の設定圧力に、気道圧力として検出される管路圧力を一致させるように人工呼吸器２０を制御する。これによって動作時に患者の状態が変更した場合であっても、その状態に応じた設定圧力に更新することができる。
【００８８】
図５は、管路を流れる気体を示すために人工呼吸器２０を簡略化して示す断面図である。図５（１）は、吸気期間Ｗ１における人工呼吸器２０の状態を示し、図５（２）は、呼気期間Ｗ２における人工呼吸器２０の状態を示す。
【００８９】
図５（１）に示すように、吸気期間Ｗ１において、制御装置本体３３の吸気制御部１１は、ポンプ２２を駆動させて、患者の気道に酸素を含む気体を導くとともに、呼気弁２７の弁体９０を駆動させて、呼気管路２６を閉じる。ポンプ２２からの吐出される気体２８は、吸気管路２５を介して患者の気道に供給される。
【００９０】
制御装置本体３３は、吸気期間Ｗ１においては、呼気圧力検出器３６によって検出される呼気管路圧力Ｐａｉを患者の気道圧力とする。吸気期間Ｗ１では、患者の気道から呼気管路２６に流れる気体の流量はほとんどなく、患者の気道圧力Ｐａｗと呼気管路圧力Ｐａｉとは、ほぼ等しい圧力となる。
【００９１】
しかしながらポンプ２２から患者の気道に気体が流れるので、吸気管路圧力Ｐａｅは、患者の気道圧力Ｐａｗよりも高い圧力となり、患者の気道圧力Ｐａｗに対してずれる。また加湿器などが吸気管路２５に接続される場合、吸気管路圧力Ｐａｅは、不安定となりさらに患者の気道圧力Ｐａｗに対してずれる。
【００９２】
本発明の本実施の形態のように、吸気期間Ｗ１には、呼気管路圧力Ｐａｉを気道圧力として検出して、その呼気管路圧力Ｐａｉに基づいてポンプ用アクチュエータ３１をフィードバック制御することによって、患者の気道圧力Ｐａｗをずれなく設定吸気圧力Ｐａａに近づけることができる。
【００９３】
図５（２）に示すように、呼気期間Ｗ２において、制御装置本体３３の呼気制御部１２は、呼気弁２７の弁体９０を駆動させて、呼気管路２６を開く。呼気期間Ｗ２中には、患者から吐出される気体２９は、呼気管路２６を介して排出場所２３に排出される。
【００９４】
制御装置本体３３は、呼気期間Ｗ２において、吸気圧力検出器３５によって検出される吸気管路圧力Ｐａｅを患者の気道圧力とする。呼気期間Ｗ２では、吸気管路２５から患者の気道に流れる基体の流量はほとんどなく、患者の気道圧力Ｐａｗと吸気管路圧力Ｐａｅとは、ほぼ等しい圧力となる。
【００９５】
これに対して患者の気道から呼気管路２６に気体が流れるので、呼気管路圧力Ｐａｉは、患者の気道圧力Ｐａｗよりも低い圧力となり、患者の気道圧力Ｐａｗに対してずれる。特に排出場所２３に近い位置では、排出場所２３の気体の圧力に近くなる。
【００９６】
本発明の実施の形態のように、呼気期間Ｗ２には、吸気管路圧力Ｐａｅを気道圧力として検出して、その吸気管路圧力Ｐａｅに基づいてポンプ用アクチュエータをフィードバック制御することによって、患者の気道圧力Ｐａｗをずれなく設定呼気圧力Ｐａｂに近づけることができる。また患者の咳などによって、一時的に患者が吐出する気体の流量が増加した場合であっても、流れ方向上流側の吸気管路圧力Ｐａｅは大きく変化することがなく、気道圧力として検出される管路圧力が外乱によって不安定になることを防ぐことができる。
【００９７】
図６は、制御装置本体３３の吸気制御動作および換気制御動作を総合して示すブロック線図である。図７は、制御装置本体３３の吸気制御動作を示すブロック線図である。制御装置本体３３は、吸気期間Ｗ１における動作を実行する吸気動作部１１を有する。吸気動作部１１は、ポンプ用アクチュエータ３１を制御するポンプ吸気制御部１１０と、呼気弁用アクチュエータ３２を制御する弁吸気制御部１１１とを有する。実際には、制御装置本体３３が吸気制御プログラムを実行することによって、吸気動作部１１が実現される。この場合、検出される圧力Ｐａｉ，Ｐｓおよび設定される圧力Ｐａａは、電気信号に変換されて演算が行われる。
【００９８】
ポンプ吸気制御部１１０は、呼気管路圧力Ｐａｉが設定吸気圧力Ｐａａとなるように、ポンプ用アクチュエータ３１をフィードバック制御する。ポンプ吸気制御部１１０は、２つの制御ループを有する。ポンプ吸気制御部１１０は、呼気管路圧力Ｐａｉととともにポンプ圧力Ｐｓをフィードバック量として、ポンプ用アクチュエータ３１をカスケード制御する。
【００９９】
ポンプ吸気制御部１１０の２つの制御ループのうち一方の制御ループであるメジャーループ４２は、呼気管路圧力Ｐａｉをフィードバック量とし、設定吸気圧力Ｐａａを目標値とする。メジャーループ４２は、第１比較部４８と、第１制御部４４とを含む。第１比較部４８は、呼気管路圧力Ｐａｉと設定吸気圧力Ｐａａとを取得して、それら２つを比較する。第１比較部４８は、設定吸気圧力Ｐａａから呼気管路圧力Ｐａｉを減算して、その演算結果ａを第１制御部４４に与える。第１制御部４４は、第１比較部４８の演算結果ａを予め定められる制御動作に従って演算処理し、その演算結果ｂを後述する第２比較部４９に与える。本実施の形態では、第１制御部４４は、第１比較部４８の演算結果ａを積分演算、いわゆるＩ動作し、演算結果ｂを第２比較部４９に与える。
【０１００】
ポンプ吸気制御部１１０の２つの制御ループのうち他方の制御ループであるマイナーループ４３は、ポンプ圧力Ｐｓをフィードバック量とし、第１制御部４４の演算結果ｂを目標値とする。マイナーループ４３は、第２比較部４９と、第２制御部４５とを含む。第２比較部４９は、第１制御部４４の演算結果ｂとポンプ圧力Ｐｓとを取得して、それら２つを比較する。第２比較部４９は、第１制御部４４の演算結果ｂからポンプ圧力Ｐｓを減算して、その演算結果ｃを第２制御部４５に与える。第２制御部４５は、第２比較部４９の演算結果ｃを予め定められる制御動作に従って演算処理し、演算結果ｄをポンプ用サーボアンプ４６に与える。本実施の形態では、第２制御部４５は、第２比較部の演算結果ｃを比例演算、いわゆるＰ動作し、演算結果ｄをポンプ用サーボアンプ４６に与える。
【０１０１】
ポンプ吸気制御部１１０は、第２制御部４５の演算結果ｄをポンプ用サーボアンプ４６で増幅した操作量ｅをポンプ用アクチュエータ３１に与えて、ポンプ用アクチュエータ３１を駆動する。
【０１０２】
弁吸気制御部１１１は、呼気管路２６を完全に閉じる呼気管路全閉信号ｆを呼気弁用サーボアンプ４７に与える。弁吸気制御部１１１は、呼気管路全閉信号ｆを呼気弁用サーボアンプ４７で増幅した操作量ｈを呼気弁用アクチュエータ３２に与えて、呼気弁用アクチュエータ３２を駆動する。
【０１０３】
このように制御装置本体３３は、患者の気道圧力として検出される呼気管路圧力Ｐａｉのほかにポンプ圧力Ｐｓを検出し、それらに基づいてポンプ用アクチュエータ３１を制御駆動する。ポンプ圧力Ｐｓは、ポンプ用アクチュエータ３１の駆動に追従して直ちに変化する。したがってポンプ用アクチュエータ３１を制御してから呼気管路圧力Ｐａｉが変化するまで時間遅れがある場合でも、ポンプ圧力Ｐｓに基づいてポンプ用アクチュエータ３１を制御することで応答性を向上することができ、呼気管路圧力Ｐａｉを短時間で設定吸気圧力Ｐａａに達成させることができる。
【０１０４】
またたとえば患者の咳などの外乱によって呼気管路圧力Ｐａｉが一時的に変化した場合、ポンプ用アクチュエータ３１が、その呼気管路圧力Ｐａｉの変化に応じてポンプ２２を駆動してしまう。しかし制御装置本体３３が、その外乱によって変化されたポンプ圧力Ｐｓに基づいて、ポンプ用アクチュエータ３１を直ちに修正制御することができる。これによってポンプ圧力Ｐｓは、外乱前の圧力に修正される。すなわち外乱によって呼気管路圧力Ｐａｉが一時的に急変しても、管路圧力Ｐａｉが過度に変化することを阻止することができる。これによって安定的でかつロバスト性を向上した気道圧力の制御を実現することができる。ポンプ吸気制御部１１０が、このようなカスケード制御を行うことによって、患者の気道圧力を安定して短時間で設定呼気圧力Ｐａａに達成することができ、患者の負担を軽減することができる。
【０１０５】
また患者の状態変化および吸気管路２５に介在される加湿器などの外乱によって、検出される呼気管路圧力Ｐａｉが振動的変化または一時的に急変したとしても、第１制御部４４の演算結果ｂは、積分演算されるので振動成分およびインパルス成分を吸収することができる。これによって外乱の影響をさらに小さくして、呼気管路圧力Ｐａｉを呼気設定圧力Ｐａａに安定的に近づけることができる。
【０１０６】
またポンプ圧力Ｐｓは、患者の状態変化の影響をほとんど受けることがない。第１制御部４４の演算結果ｂからポンプ圧力Ｐｓを減算した演算結果ｃに対して比例演算を行うので、患者の状態変化による外乱が増幅されることを防いで、ポンプ用アクチュエータ３１の駆動が不安定になることを防ぐことができる。これによって安定性を保ったうえで、第２制御部４５の比例ゲインを大きくすることができ、さらに応答性を向上するとともに、通常のＰＩ制御の場合に比べて、患者の気道抵抗が大きく変化しても安定性を保つことができる。
【０１０７】
またポンプ吸気制御部１１０は、第１制御部４４と第２制御部４５とによって、呼気管路圧力ＰａｉをあたかもＩＰ動作で制御することになり、設定吸気圧力Ｐａａに対して定常偏差が生じることを防止することができ、管路に気体漏れがある場合であっても、患者の気道圧力Ｐａｗを設定吸気圧力Ｐａａにすることができる。
【０１０８】
図８は、制御装置本体３３の呼気制御動作を示すブロック線図である。制御装置本体３３は、呼気期間Ｗ２における動作を実行する呼気動作部１２を有する。呼気動作部１２は、ポンプ用アクチュエータ３１を制御するポンプ呼気制御部１１２と、呼気弁アクチュエータ３２を制御する弁呼気制御部１１３とを有する。実際には、制御装置本体３３が呼気制御プログラムを実行することによって、呼気動作部１２が実現される。この場合、検出される圧力Ｐａｅ，Ｐｓおよび設定される圧力Ｐａｂ，ｓは、電気信号に変換されて演算が行われる。
【０１０９】
ポンプ呼気制御部１１２は、ポンプ圧力Ｐｓが予め定める補償圧力ｓを設定呼気圧力Ｐａｂに加算した目標圧力となるように、ポンプ用アクチュエータ３１をフィードバック制御する。具体的には、ポンプ呼気制御部１１２は、ポンプ圧力Ｐｓをフィードバック量として、前記目標圧力を目標値として、ポンプ用アクチュエータ３１をフィードバック制御する。
【０１１０】
ポンプ呼気制御部１１２の制御ループは、加算部５０と、第３比較部５１と、第３制御部５２とを含む。加算部５０は、設定呼気圧力Ｐａｂと補償圧力ｓとを取得して、それら２つを加算する。加算部５０は、演算結果ｊを第３比較部５１に与える。第３比較部５１は、加算部５０の演算結果ｊとポンプ圧力Ｐｓとを取得して、それら２つを比較する。第３比較部５１は、加算部５０の演算演算ｊからポンプ圧力Ｐｓを減算して、その演算結果ｋを第３制御部５２に与える。第３制御部５２は、第３比較部５１の演算結果ｋを予め定められる制御動作に従って演算処理し、その演算結果ｍをポンプ用サーボアンプ４６に与える。本実施の形態では、第３制御部５２は、第３比較部５１の演算結果ｋを比例演算、いわゆるＰ動作し、演算結果ｍをポンプ用サーボアンプ４６に与える。
【０１１１】
ポンプ呼気制御部１１２は、第３比較部５１の演算結果ｍをポンプ用サーボアンプ４６で増幅した操作量ｅをポンプ用アクチュエータ３１に与えて、ポンプ用アクチュエータ３１を駆動する。
【０１１２】
弁呼気制御部１１３は、吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂとなるように、呼気弁用アクチュエータ３２をフィードバック制御する。具体的には、弁呼気制御部１１３は、吸気管路圧力Ｐａｅをフィードバック量として、設定呼気圧力Ｐａｂを目標値として、呼気弁用アクチュエータ３２を制御する。
【０１１３】
弁呼気制御部１１３の制御ループは、第４比較部５３と、第４制御部５４とを含む。第４比較部５３は、設定呼気圧力Ｐａｂと吸気管路圧力Ｐａｅとを取得して、それら２つを比較する。第４比較部５３は、設定呼気圧力Ｐａｂから吸気管路圧力Ｐａｅを減算して、その演算結果ｎを第４制御部５４に与える。第４制御部５４は、第４比較部５３の演算結果ｎを予め定められる制御動作に従って演算処理し、その演算結果ｒを呼気弁用サーボアンプ４７に与える。本実施の形態では、第４制御部５４は、第４比較部５３の演算結果ｎを比例演算および積分演算、いわゆるＰＩ動作し、演算結果ｒを呼気弁用サーボアンプ４７に与える。
【０１１４】
弁呼気制御部１１３は、第４制御部５４の演算結果ｒを呼気弁用サーボアンプ４６で増幅した操作量ｈを呼気弁用アクチュエータ３２に与えて、呼気弁用アクチュエータ３２を駆動する。
【０１１５】
呼気期間Ｗ２において、吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂよりも高い場合、呼気弁２７の弁体９０が駆動されて呼気管路２６を開く。呼気管路２６が開かれると、呼気管路２６内の気体は、患者の気道内の気体および吸気管路２５内の気体に比べて圧力が低くなる。これによって気道から気体が排出場所２３に流れるとともに、ポンプ２２から吸気管路２５および呼気管路２６を介して気体が排出場所２３に流れる。
【０１１６】
しばらくすると気道と吸気管路２５との中の気体の圧力差がほとんどなくなり、吸気管路２５から気道に流れる気体の流量が小さくなる。ただしポンプ圧力Ｐｓは設定呼気圧力Ｐａｂよりも高くなるように制御されるので、呼気管路２６を流れる気体の流量がゼロになることはない。呼気弁用アクチュエータ３２は、吸気管路圧力Ｐａｅが高くなると呼気管路２６をさらに開き、吸気管路圧力Ｐａｅが低くなると呼気管路２６をさらに閉じる。これによって吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂに保つとともに、呼気管路２６に一定量の気体が排出場所２３に向かって流れる平衡状態に制御することができる。
【０１１７】
このように制御することによって、管路圧力が変動しても、気道圧力を設定呼気圧力Ｐａｂに達成させることができる。たとえば一時的に検出される吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂよりも低くなった場合には、呼気管路２６を平衡状態よりも閉じることによって、管路圧力を高くすることができ、再び設定呼気圧力Ｐａｂに保つことができる。また吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂよりも高くなった場合には、呼気管路２６を平衡状態よりも開くことによって、管路圧力を低くすることができ、再び設定呼気圧力Ｐａｂに保つことができる。
【０１１８】
ポンプ用アクチュエータ３１は、ポンプ圧力Ｐｓに応じて制御される。ポンプ圧力Ｐｓは、患者の状態が変化しても、影響を受けることが少ない。したがってポンプ圧力Ｐｓは、外乱に対して安定して目標とする圧力にすることができる。また、患者の気道圧力は、ポンプ圧力Ｐｓよりも高くなることがなく、前述したようにポンプ圧力Ｐｓを安定して制御することができるので、患者の気道圧力が過度に高くなることを防ぐことができる。
【０１１９】
また第３制御部５２が積分演算を含まず、比例演算によるフィードバック制御によって実現されて、呼気弁２７による呼気管路２６の現在の開閉度に応じてポンプ用アクチュエータ３１の制御量を調整する。これによって吸気管路流量と吸気管路圧力とを平衡状態に保つことができる。
【０１２０】
また患者の状態が変化して、検出される吸気管路圧力Ｐａｅが一時的に変化したとしても呼気管路２６の開閉を調整するだけであるので、患者の気道圧力Ｐａｗが低くなる方向にしか調整されない。したがって吸気管路圧力Ｐａｅが外乱を受けても、過度に気道圧力が高くなることが防がれ、患者の負担を軽減することができる。
【０１２１】
仮に管路に漏れがあった場合には漏れがない場合に比べて吸気管路圧力Ｐａｅが低下する。吸気管路圧力Ｐａｅが設定呼気圧力Ｐａｂよりも低下すると、呼気弁用アクチュエータ３２が呼気管路２６をさらに閉じる。これによってポンプ圧力Ｐｓと吸気管路圧力Ｐａｅとの圧力差が大きくなり、ポンプ２２から供給される気体の流量が増加し、吸気管路圧力Ｐａｅが増加する。したがって管路の気体漏れを補償して吸気管路圧力Ｐａｅを設定呼気圧力Ｐａｂに保つことができる。
【０１２２】
図９は、吸気管路２５を流れる気体の呼気管路流量ｔと吸気管路圧力Ｐａｅとの関係を示すグラフである。図９において、横軸は、吸気管路流量ｔであり、縦軸は吸気管路圧力Ｐａｅを示す。前述するポンプ呼気制御部１１２の制御特性に従えば、呼気管路流量ｔと吸気管路圧力Ｐａｅとの関係は、図９に示すポンプ特性直線Ｌ１で表わされる。すなわち、吸気管路圧力Ｐａｅは、吸気管路流量ｔが増加するとともに減少する。
【０１２３】
呼気管路流量ｔがゼロの場合、図９におけるポンプ特性直線Ｌ１の切片で示すように、呼気管路圧力Ｐａｅは、補償圧力Ｓ分を設定呼気圧力Ｐａｂに付加した値となる。また呼気管路圧力Ｐａｅの変化に対する呼気管路流量ｔの変化率は、図９におけるポンプ特性直線Ｌ１の傾きで示すように、ポンプ呼気制御部１１２の制御特性によって決定される。ポンプ特性直線Ｌ１の切片および傾きは、ポンプ呼気制御部１１２に設定される補償圧力Ｓおよびフィードバックゲインを調整することによって変更可能である。
【０１２４】
また前述する弁呼気制御部１１３の制御特性に従えば、呼気管路流量ｔと吸気管路圧力Ｐａｅとの関係は、図９に示す弁特性直線Ｌ２で表わされる。すなわち、吸気管路圧力Ｐａｅは、吸気管路流量ｔにかかわらず、設定呼気圧力Ｐａｂに制御される。
【０１２５】
したがって吸気管路流量ｔおよび吸気管路圧力Ｐａｅは、理論的には、平衡状態でポンプ特性直線Ｌ１と弁特性直線Ｌ２との交点Ａで示される。平衡状態における吸気管路流量ｔは、この交点Ａで示される流量ＱＡとなる。またポンプ呼気制御部１１２の制御特性を調整して、ポンプ特性直線Ｌ１の切片および傾きを変えることによって、交点Ａを移動させることができ、平衡状態における呼気管路流量ｔを調整することができる。
【０１２６】
実際の吸気管路流量ｔは、ポンプ特性直線Ｌ１のほかに、吐出逆止弁４１の啓発圧力および吸気管路２５の圧力損失などの影響を受ける。ポンプ特性直線Ｌ１にさらに吐出逆止弁４１の啓発圧力分を考慮した特性を示す逆止弁付加直線Ｌ３を図９に一点鎖線で示す。また逆止弁付加直線Ｌ３にさらに吸気管路２５の圧力損失を考慮した特性を示す管路圧力損失付加直線Ｌ４を図９に二点鎖線で示す。したがって現実的な呼気管路流量ｔは、管路圧力付加直線Ｌ４と、弁特性直線Ｌ２との交点Ｂによって決定され、交点Ｂで示される流量ＱＢが吸気管路流量ｔとなる。
【０１２７】
ポンプ２２の制御特性は、ポンプ特性直線Ｌ１の傾きδＰ／δＱが小さくなるように設定されることが好ましい。すなわち吸気管路圧力Ｐａｅの変化率δＰに対して、吸気管路流量ｔの変化率δＱが大きくなるように設定されることが好ましい。これによって吸気管路圧力Ｐａｅの変化に対して、吸気管路流量ｔを大きく変化させることができる。言換えると、吸気管路流量ｔの変化に対して、吸気管路圧力Ｐａｅの変化を小さくすることができる。
【０１２８】
呼気管路２６を完全に閉じた状態でも気体漏れが大きくて、吸気管路圧力Ｐａｅを設定呼気圧力Ｐａｂに保つことができない場合、実際に吸気管路２５を漏れる気体の流量ＱＣと管路圧力付加直線Ｌ４との交点Ｃで平衡状態となる。このとき、ポンプ特性直線Ｌ１の傾きδＰ／δＱを小さくすることによって、設定呼気圧力Ｐａｂから少し低下した圧力Ｐｃで平衡状態に保つことができ、気道圧力Ｐａｗが設定呼気圧力Ｐａｂから大きくずれることを防止することができる。これによって患者の負担を少なくすることができる。
【０１２９】
図１０は、制御装置本体３３の呼吸状態検出動作を示すブロック線図である。患者の吸気開始時の検出について説明する。図３および図４に示すように制御装置本体３３は、患者が気道から気体を吐出し終えて、気体を吸引し始める吸引開始時を検出するために、吸気開始を検出する吸気開始検出部１１５を有する。吸気開始検出部１１５は、流量比較部５５と、設定値比較部５６と、吸気トリガー生成部５７とを含む。
【０１３０】
流量比較部５５は、吸気管路流量ｔと呼気管路流量ｕとを取得し、それら２つを比較する。流量比較部５５は、吸気管炉流量ｔから呼気管路流量ｕを減算して、その演算結果ｖを設定値比較部５６に与える。設定値比較部５６は、流量比較部５５の演算結果ｖと、予め定められる吸気判定値ｗとを取得し、それら２つを比較する。設定値比較部５６は、流量比較部ｖの演算結果から呼気判定値ｗを減算して、その演算結果Ｑｐを吸気トリガー生成部５７に与える。吸気トリガー生成部５７は、演算結果Ｑｐがゼロ以上かどうか判定し、ゼロ以上であるならば、吸気トリガー信号ｇ１を生成する。
【０１３１】
呼気制御動作を制御装置本体３３の呼気動作部１２が行っている間に、患者が気体を吸引すると、吸気管路２５の気体が吸引され、吸気管路圧力Ｐａｅが少し低下する。これによって吸気管路流量ｔが、吸気管路圧力Ｐａｅの変化に応じて変化する。前述したようにポンプ特性直線Ｌ１の傾きδＰ／δＱが小さく設定されることによって、吸気管路流量変化量ΔＱは、吸気管路圧力ΔＰよりも大きく変化する。また吸気管路流量ｔの増加流量分は、ほとんど患者に吸引される。したがって呼気管路流量ｕの変化率は小さい。これによって患者が気体を吸引した時には、吸気管路圧力Ｐａｅの変化に比べて、吸気管路流量ｔと呼気管路流量ｕとの流量差変化のほうが急峻になる。
【０１３２】
このように患者の吸気開始時の変化を急峻にすることができるので、より敏感に吸引開始時を敏感に検出することができる。またノイズの影響を受けにくくすることができる。これによって呼吸状態の検出を確実に行うことができる。
【０１３３】
さらに吸気開始時に、吸気制御動作に開始するまでに圧力差によって多くの気体を気道に流すことができる。これによって吸気制御動作に切り換る前であっても患者の気道に多くの気体を導くことができ、患者の負担をさらに軽減することができる。患者の呼気開始時の検出については、たとえば吸気管路を流れる気体の流量を積分して、肺内の気体の体積が予め定めるしきい値に達したか否かで判断してもよい。また吸気流量の最大値を１００％とし、予め設定される吸気流量の設定値まで減少したことを検出する従来の技術を用いて呼気開始時を検出してもよい。
【０１３４】
以上のようにして制御装置は、吸気トリガー信号ｇ１および呼気トリガー信号ｇ２を検出する構成によって、各トリガー信号ｇ１、ｇ２を含む呼吸モード信号ｇを取得し、呼吸モード信号ｇを切換部１３に与える。切換部１３は、呼吸モード信号ｇに応じて吸気制御動作を行うか呼気制御動作を行うかを切り換える。
【０１３５】
図１１は、検出される気道圧力を表示手段４０に表示する動作を説明するための図である。制御装置本体３３は、吸気トリガーｇ１を取得すると、検出される呼気管路圧力Ｐａｉを表示手段４０に与え続ける。次に呼気トリガーｇ２を取得すると、吸気管路圧力Ｐａｅを表示手段４０に与え続ける。
【０１３６】
これによって加湿器などの管路抵抗の変化が生じても、患者の気道圧力Ｐａｗとほぼ同じ圧力を随時報知することができる。また吸気期間Ｗ１と呼気期間Ｗ２とで、視認者が視線を切り換える必要がなく、同じ表示面で気道圧力Ｐａｗに近い値を確認することができるので、利便性を向上することができる。たとえば表示例は、図３（３）に示すような状態で表示される。
【０１３７】
またＰＳＶ動作について説明したが、ＰＣＶ動作についても、気道の圧力を制御することができる。ＰＣＶ動作においては、呼吸モードの検出方法と、気道圧力設定値が異なるが、他の構成、動作については前述した制御装置と同様である。また図８、図１０で説明した機能は、他の換気方法たとえば従量調節換気（
Ｖｏｌｕｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ）方法の場合にも応用できる。
【０１３８】
以上のように、本発明の実施の形態である制御装置２１によれば、吸気期間Ｗ１において、呼気管路圧力Ｐａｉに基づいて、ポンプ用アクチュエータ３１をフィードバック制御する。吸気期間Ｗ１では、患者の気道から呼気管路２６に流れる気体の流量はほとんどなく、患者の気道圧力Ｐａｗと呼気管路圧力Ｐａｉとはほぼ等しい圧力となる。したがって患者の気道圧力Ｐａｗをずれなく設定吸気圧力Ｐａａに近づけることができる。
【０１３９】
また呼気期間Ｗ２において、吸気管路圧力Ｐａｅに基づいて、各駆動手段を制御する。呼気期間Ｗ２では、患者の気道から吸気管路２５に流れる気体の流量はほどんどなく、気道圧力Ｐａｗと、吸気管路圧力Ｐａｅとはほぼ等しい圧力となる。したがって患者の気道圧力Ｐａｗをずれなく設定呼気圧力Ｐａｂに近づけることができる。また患者の咳などによって、一時的に患者が吐出する気体の流量が増加した場合であっても、流れ方向上流側の吸気管路圧力Ｐａｅは大きく変化することがなく、吸気管路圧力Ｐａｅが外乱によって不安定になることを防ぐことができる。
【０１４０】
このように呼気期間Ｗ１および吸気期間Ｗ２において、患者の気道圧力Ｐａｗにより近い圧力を検出することができるので、患者の気道圧力Ｐａｗを良好に設定圧力に達成させて、患者の負担を軽減することができる。
【０１４１】
また各管路２５，２６から圧力検出器３６，３７に管路内の気体を導くための圧力検出孔８２，８３は、気道から遠ざかった位置に形成される。すなわち吸気側圧力検出孔８２は、流れ方向上流側に形成され、呼気側圧力検出孔８３は、流れ方向下流側に形成される。これによって痰および唾などを患者が吐出したとしても、圧力検出孔８２，８５が詰まることを防ぐことができ、より正確な気道圧力を検出することができる。
【０１４２】
さらに本実施の形態では、各フィルタ８３，８６よりも装着部材２４から離れた位置に設けられるので、圧力検出孔８２，８３の気体は、患者の状態変化による外乱の影響を受けにくくすることができる。また吸気管路２５のうちの固定部分２５ａに圧力検出孔８２，８３が形成されるので、圧力導管が変位することを防止できる。また吸気管路２５および呼気管路２６の着脱部分を取替えたとしても、圧力導管を着脱部分２５ｂ，２６ｂとともに取外す必要がなく、利便性を向上することができる。これによって圧力導管の脱落および装着ミスを無くすことができる。さらに装着部材２４付近を小型化することができ、医師および看護士などが医療活動を円滑に行うことができる。
【０１４３】
また、吸気期間Ｗ１において、呼気管路圧力Ｐａｉのほかにポンプ圧力Ｐｓに基づいて、各アクチュエータ３１，３２を制御する。このようにポンプ圧力Ｐｓに基づいて制御することによって、呼気管路圧力Ｐａｉの変化に時間遅れがある場合であっても、応答性を向上することができ、呼気管路圧力Ｐａｉを短時間で設定呼気圧力Ｐａａに達成させることができる。
【０１４４】
ポンプ圧力Ｐｓは、患者の状態変化の影響をほとんど受けることがない。患者の咳などの外乱によって呼気管路圧力Ｐａｉが一時的に変化して、その一時変化に応じてポンプ２２が駆動されたとしても、ポンプ２２が駆動されて変化したポンプ圧力Ｐｓに基づいて、ポンプ２２の駆動量が直ちに修正される。これによってポンプ圧力Ｐｓは、外乱前の圧力に修正される。言い換えると外乱によって呼気管路圧力Ｐａｉが一時的に変化しても、患者の気道圧力Ｐａｗが過度に変化することを阻止することができ、安定的でかつロバスト性を向上して呼気管路圧力Ｐａｉの制御を実現することができる。
【０１４５】
また呼気期間Ｗ２において、吸気管路圧力Ｐａｅとポンプ圧力Ｐｓとに基づいて、各アクチュエータ３１，３２を制御する。このように制御することによって、吸気管路流量が変動しても、吸気管路圧力Ｐａｅを安定的に設定呼気圧力Ｐａｂに達成させることができる。また吸気管路流量ｔを設定流量にすることができる。
【０１４６】
仮に検出される吸気管路圧力Ｐａｅが外乱によって変化したとしても、呼気弁用アクチュエータ３２が制御されて呼気管路２６の開閉度が調整されるだけであり、患者の気道圧力Ｐａｗは、ポンプ圧力Ｐｓを超えて高くなることがない。すなわち患者の気道圧力Ｐａｗが過度に高くなることを防ぐことができる。
【０１４７】
吸気期間Ｗ１および呼気期間Ｗ２において、検出される管路圧力が外乱によって変動しても、検出される管路圧力を設定気道圧力に設定することができる。これによって患者の気道圧力Ｐａｗを設定気道圧力に応答性を向上して安定的に近づけることができる。これによって呼吸動作における患者の負担をさらに軽減することができる。この場合、吸気期間Ｗ１においては、気道圧力の検出を呼気管路圧力で行い、呼気期間Ｗ２においては、気道圧力の検出を吸気管路圧力で行うほうが好ましいが、装着部材付近の管路内の気体の圧力を気道圧力としてもよい。
【０１４８】
また実際には、制御装置本体３３は、記憶部１０４に記憶されるプログラムを演算部１０２が実行することによって、各アクチュエータ３１，３２を制御する。このようにコンピュータによって制御することによって、短時間で制御量を演算することができる。またポンプ用アクチュエータ３１および呼気弁応アクチュエータ３２を制御する制御特性を容易に変更することができ、患者ごと、および患者の状態に応じて、最適な制御特性に容易にかつ短時間で設定することができる。また長時間継続して制御しても制御特性が変動することがなく、安定的に患者の気道圧力Ｐａｗを調整することができる。本発明は、人工呼吸器２０を制御する制御装置２１について説明したが、他の制御装置を用いて前述した制御方法を実現することによって、同様の効果を得ることができる。また制御装置２１と人工呼吸器３０とを含むことによって、患者の負担が少ない人工呼吸設備を実現することができる。
【０１４９】
以上のような本発明の構成は、発明の例示であって、発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば本発明において、人工呼吸器の詳細な構成については、特に限定しない。
【０１５０】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の本発明によれば、供給圧力と管路圧力とに基づいて、供給駆動手段を制御する。これによって応答性を向上するとともに外乱の影響を少なくして、患者の気道圧力を目標とする目標気道圧力に近づけることができる。したがって患者の気道圧力を短時間に安定して最適な気道圧力に達成させることができ、肺の換気における患者の負担を低減することができる。
【０１５１】
また請求項２記載の本発明によれば、漏れなどの外乱によって管路から排出する気体の流量が変動しても、吸気管路圧力を一定にすることができる。これによって呼気期間における患者の気道圧力を設定呼気圧力から変動することを防止し、呼吸動作における患者の負担を軽減することができる。
【０１５２】
また請求項３記載の本発明によれば、患者が気体を吸引する吸気状態に移行したことを精度よく判断することができる。吸気状態に移行したことを判断すると直ぐに、呼気制御動作から吸気制御動作に移行することで、患者が吸気しているのに、呼気制御動作が行われることを防ぎ、患者の呼吸動作の負担をさらに軽減することができる。
【０１５３】
また請求項４記載の本発明によれば、吸気期間では、呼気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。また呼気期間では、吸気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。これによって患者の気道圧力に近い圧力に基づいて、各駆動手段を制御することができ、患者の気道圧力をずれなく設定圧力に近づけることができる。これによって患者の負担をさらに軽減することができる。
【０１５４】
またたとえば気道から遠ざかった位置に圧力検出孔を形成することで、圧力検出孔が詰まることを防ぐことができ、より正確な気道圧力を検出することができる。また気道寄りに圧力導管を設ける必要がないので、圧力導管の脱落および装着ミスを無くすことができる。
【０１５５】
また請求項５〜７記載の本発明によれば、短時間で制御量を演算することができる。また供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する制御特性を容易に設定することができ、患者ごと、および患者の状態に応じて、最適な制御特性に容易にかつ短時間で設定することができる。また長時間継続して制御しても制御特性が変動することがなく、安定的に患者の気道圧力を調整することができる。
【０１５６】
また請求項８記載の本発明によれば、供給圧力と管路圧力とに基づいて、供給駆動手段を制御する。これによって応答性を向上するとともに外乱の影響を少なくして、患者の気道圧力を目標とする目標気道圧力に近づけることができる。すなわち患者の気道圧力を短時間に安定して最適な気道圧力に達成させることができ、肺の換気における患者の負担を低減することができる。
【０１５７】
また請求項９記載の本発明によれば、漏れなどの外乱によって管路から排出する気体の流量が変動しても、吸気管路圧力を一定にすることができる。これによって呼気期間における患者の気道圧力を設定呼気圧力から変動することを防止し、呼吸動作における患者の負担を軽減することができる。
【０１５８】
また請求項１０記載の本発明によれば、患者が気体を吸引する吸気状態に移行したことを精度よく判断することができる。吸気状態に移行したことを判断すると直ぐに、呼気制御動作から吸気制御動作に移行することで、患者が吸気しているのに、呼気制御動作が行われることを防ぎ、患者の呼吸動作の負担をさらに軽減することができる。
【０１５９】
また請求項１１記載の本発明によれば、吸気期間では、呼気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。また呼気期間では、吸気管路圧力に基づいて各駆動手段を制御する。これによって患者の気道圧力に近い圧力に基づいて、各駆動手段を制御することができ、患者の気道圧力をずれなく設定圧力に近づけることができる。これによって患者の負担をさらに軽減することができる。
【０１６０】
またたとえば気道から遠ざかった位置に圧力検出孔を形成することで、圧力検出孔が詰まることを防ぐことができ、より正確な気道圧力を検出することができる。また気道寄りに圧力導管を設ける必要がないので、圧力導管の脱落および装着ミスを無くすことができる。
【０１６１】
また請求項１２記載の本発明によれば、吸気期間中には呼気圧力を表示手段に表示し、患者が呼気を吐出する呼気期間中には呼気圧力を表示手段に表示することによって、加湿器などの管路抵抗の変化および患者の咳などが生じても、患者の気道圧力とほぼ同じ圧力を随時報知することができる。また呼気期間と吸気期間とで、視認者が視線を切り換える必要がなく、同じ表示面で気道圧力を確認することができるので、利便性を向上することができる。
【０１６２】
また請求項１３記載の本発明によれば、人工呼吸設備が前述した制御装置を備えることで、患者の気道圧力を良好に目標気道圧力に近づけることができ、人工呼吸動作時の患者の負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である人工呼吸器２０に用いられる制御装置２１の構成を示すブロック図である。
【図２】人工呼吸器２０とその制御装置２１を含む人工呼吸設備１９の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】制御装置３３によって制御される患者の気道圧力Ｐａｗを示すタイミングチャートである。
【図４】制御装置本体３３の動作手順を示すフローチャートである。
【図５】管路を流れる気体を示すために人工呼吸器２０を簡略化して示す断面図である。
【図６】制御装置本体３３の吸気制御動作および換気制御動作を総合して示すブロック線図である。
【図７】制御装置本体３３の吸気制御動作を示すブロック線図である。
【図８】制御装置本体３３の呼気制御動作を示すブロック線図である。
【図９】吸気管路２５を流れる気体の呼気管路流量ｔと吸気管路圧力Ｐａｅとの関係を示すグラフである。
【図１０】制御装置本体３３の呼吸状態検出動作を示すブロック線図である。
【図１１】検出される気道圧力を表示手段４０に表示する動作を説明するための図である。
【図１２】従来の技術の人工呼吸器１の一部を簡略化して示すブロック図である。
【符号の説明】
２０ 人工呼吸器
２１ 制御装置
２２ ポンプ
２３ 排出場所
２４ 装着部材
２５ 吸気管路
２６ 呼気管路
２７ 呼気弁
３１ ポンプ用アクチュエータ
３２ 呼気弁用アクチュエータ
３３ 制御装置本体
３４ ポンプ圧力検出器
３５ 吸気圧力検出器
３６ 呼気圧力検出器
３７ 呼気流量検出器
３８ 吸気流量検出器
３９ 入力手段
４０ 表示手段
Claims (13)
- 酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御方法であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力と、吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力とを取得し、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、呼気管路を閉じるよう開閉駆動手段を制御するとともに、供給圧力および管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段を制御することを特徴とする人工呼吸器の制御方法。 - 酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御方法であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力と、吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力とを取得し、
患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、開閉駆動手段を制御するとともに、供給圧力に基づいて、供給圧力が設定呼気圧力よりも予め定める補償圧力分高くなるように、供給駆動手段を制御することを特徴とする人工呼吸器の制御方法。 - 吸気管路内を流れる気体の流量である吸気管路流量と、呼気管路内を流れる気体の流量である呼気管路流量とを取得し、
吸気管路流量と呼気管路流量との差に基づいて、患者が気体を吸引し始めたことを判断することを特徴とする請求項２記載の人工呼吸器の制御方法。 - 酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御方法であって、
吸気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、供給手段から気体が流れる流れ方向上流側の圧力である吸気管路圧力を取得し、
呼気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、気道から気体が流れる流れ方向下流側の気体の圧力である呼気管路圧力を取得し、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、呼気管路圧力に基づいて、呼気管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御し、
患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、吸気管路圧力に基づいて、吸気管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御方法。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の制御方法を実行するためのコンピュータ。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の制御方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体。
- 酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御装置であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力を検出する供給圧力検出手段と、
吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力を検出する管路圧力検出手段と、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、呼気管路を閉じるよう開閉駆動手段を制御する開閉制御手段と、
吸気期間において、検出される供給圧力および管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段を制御する供給制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御装置。 - 酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御装置であって、
供給手段から供給される気体の圧力である供給圧力を検出する供給圧力検出手段と、
吸気管路および呼気管路のいずれかの管路圧力を検出する管路圧力検出手段と、
患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、検出される管路圧力に基づいて、管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、開閉駆動手段を制御する開閉制御手段と、
呼気期間において、検出される供給圧力に基づいて、供給圧力が設定呼気圧力よりも予め定める補償圧力分高くなるように、供給駆動手段を制御する供給制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御装置。 - 吸気管路内を流れる気体の流量である吸気管路流量を検出する吸気管路流量検出手段と、
呼気管路内を流れる気体の流量である呼気管路流量を検出する呼気管路流量検出手段と、
患者が気体を吸引し始めたことを判断する吸気開始判断手段とをさらに備え、
吸気開始判断手段は、検出される吸気管路流量と呼気管路流量との差に基づいて、患者が気体を吸引し始めたことを判断することを特徴とする請求項９記載の人工呼吸器の制御装置。 - 酸素を含む気体を供給する供給手段と、供給手段から気体を患者の気道に導くための吸気管路と、患者の気道から気体を排出場所に導くための呼気管路と、呼気管路に介在されて呼気管路を開閉する開閉手段と、供給手段を駆動する供給駆動手段と、開閉手段を駆動する開閉駆動手段とを備える人工呼吸器を制御する制御装置であって、
吸気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、供給手段から気体が流れる流れ方向上流側の気体の圧力である吸気管路圧力を検出する吸気管路圧力検出手段と、
呼気管内において、患者の気道内の圧力が導かれる領域のうち、気道から気体が流れる流れ方向下流側の位置の気体の圧力である呼気管路圧力を検出する呼気管路圧力検出手段と、
患者の気道に気体を供給する吸気期間において、検出される呼気管路圧力に基づいて、呼気管路圧力が予め定められる設定吸気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御し、患者の気道から気体が流出することを許容する呼気期間において、検出される吸気管路圧力に基づいて、吸気管路圧力が予め定められる設定呼気圧力になるように、供給駆動手段および開閉駆動手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする人工呼吸器の制御装置。 - 気道内の気体の圧力を表示するための表示手段をさらに備え、
表示手段は、吸気期間において、検出される呼気管路圧力を患者の気道圧力として表示し、呼気期間において、検出される吸気管路圧力を患者の気道圧力として表示することを特徴とする請求項４記載の人工呼吸器の制御装置。 - 前記人工呼吸器と、請求項８〜１２のいずれかに記載の人工呼吸器の制御装置とを備えることを特徴とする人工呼吸設備。
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| JP2003195896A JP2005027848A (ja) | 2003-07-11 | 2003-07-11 | 人工呼吸器を制御する制御方法および制御装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2003
- 2003-07-11 JP JP2003195896A patent/JP2005027848A/ja active Pending
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