JP2005279317A - 患者の換気の必要性と調和するアシストされた換気装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 瞬間的弾性圧力の関数として、大気圧より高く昇圧された選択可能な圧力で被験者の気道に呼吸可能な空気を絶えず供給するために調節可能な空気供給手段と、換気気流を表わす流量信号を生成する流量検出手段と、流量検出手段からの流量信号を処理して換気気流の測定値を提供するとともに空気供給手段をコントロールする処理手段とを備え、処理手段は、被験者に対するエラスタンス値を入力として受け入れることと、流量信号からのサンプルされた流量値を用いて、あらゆるリークが突然に変化する度合いを示す指数値を計算することと、換気気流の測定値及び指数値の関数として、気流の吸気体積を計算することと、吸気体積及び前記エラスタンス値の関数として、瞬間的弾性反動圧力を計算することとを実行するようにプログラムされている。
【選択図】 図1
Description
(i) 被験者が起きており、実質的な換気努力を行っている間、供給された補助は、患者の努力及び相と密接に調和しなければならない。
(ii) 機械は、被験者の化学反射に完全に依存することなく、少なくとも指定された最小換気を維持するために補助の度合いを自動的に調節しなければならない。
(iii) それは、大きなリークが存在する際に、正しく動作しなければならない。
P(t) = P0 + R.fRESP(t) + E.V(t)
ここで、Rは気道抵抗のパーセンテージであり、fRESP(t)は時間tでの瞬間換気気流であり、Eは肺と胸壁とのエラスタンスのパーセンテージであり、V(t)は吸気のスタートから瞬時的現在までの吸気体積である。呼気の半サイクルの間、V(t)は、ゼロと見なされ、受動の呼気を生み出す。
(i) 換気が目標換気を十分に越えているとき、補助の相及び度合いを被験者の自発的な努力と調和すること。
(ii) 完全に被験者の化学反射に依存することなく少なくとも指定された最低の平均換気を維持するために、補助の度合いを自動的に調節すること、及び、チェーンストークス呼吸のような自発的な換気努力における不安定性を抑制すること。
(iii) 突然のリークの効果にいくらかの免除を与えること。
予想された呼吸の流れ対時間の波形に類似した典型的な流れ対時間の波形f(t)の少なくとも2つの同定可能な特徴FNを選ぶステップと、各々の前記特徴に対して、
重み付けWNを前記相に指定して、前記特徴に対する換気サイクルにおける相φNを検査することによって決めるステップと、
メンバーシップ関数が換気気流の関数である「大きさ」ファジー集合MNと、そのメンバーシップ関数が換気気流の時間微分の関数であって、全ての他の選ばれた特徴に近いポイントに対するものより、その相が前記特徴FNに近い一般化された典型的な呼吸の波形の上のポイントに対して、ファジー交差MN AND CNが大きい方であるように選ばれた「変化速度」ファジー集合CNとを規定するステップと、
流れがMNであり、流れの変化率がCNであるならば、重み付けWNで相=φNであるように、選ばれた特徴FNにファジー推論規則RNをセットするステップと、
リークの訂正された換気気流を測定するステップと、
各々の特徴FNに対して、ファジー集合MNとCNでのファジーメンバーシップを計算するステップと、
各々の特徴FNに対して、相がφNであるファジー度合い YN = MN AND CNを決めるために、ファジー推論規則RNを適用するステップと、
瞬間相φを決めるために相φN及び重み付けWNで、YNを用いて、非ファジー化(defuzzification)手順を適用するステップと、を備えている。
リークの訂正された換気気流を測定するステップと、
換気気流から、0〜1間での繰り返しで連続変数として換気サイクルでの瞬間相φを計算し、瞬間相変化率dφ/dtを計算するステップと、
前記瞬間相変化率dφ/dtをローパスフィルター処理することにより平均換気速度を計算するステップとを備えている。
領域0〜1間での繰り返し及び範囲0〜1で、所望の波形テンプレート関数Π(φ)を割り当てるステップと、
0〜1間での繰り返しの連続変数として換気サイクルでの瞬間相φを計算するステップと、
所望の圧力変調振幅Aを選択するステップと、
前記計算された相φで波形テンプレート関数Π(φ)の値に所望の圧力変調振幅Aを乗じたものに終端呼気圧力を加えたものとして、所望の瞬間送出圧力を計算するステップと、
被験者に対する送出圧力を所望の送出圧力にセットするステップとからなる、サンプリング間隔で繰り返して実行されたステップを備える。
通常のサイクル時間を与える通常の換気速度を指定するステップと、
前記通常の換気速度を印加するために予め設定された圧力変調振幅を指定するステップと、
観察されたサイクル時間を与える観察された換気速度を計算するステップと、
前記指定されたサイクル時間で除された前記観察されたサイクル時間に前記予め設定された圧力変調振幅を乗じたものとして圧力変調の所望の振幅を計算するステップとからなるサブステップを備える、自発呼吸をする被験者での換気補助を提供する方法をさらに開示する。
リークのために大略訂正された換気気流を決めるステップと、
前記訂正換気気流が、予想よりも長い間大きく正であるか、または予想よりも長い間大きく負であるというファジー度合に等しい、0〜1に変化する指数Jを計算するステップと、
吸気のスタートを同定するステップと、
吸気のスタートから、前記指数Jのファジー否定を乗じた前記訂正換気気流を時間で積分したものとして瞬間吸気体積を計算するステップとからなるステップを備えている。
リークのために大略訂正された換気気流を決めるステップと、
前記換気気流が予想より大きく正であるか又は予想より大きく負であるファジー度合いに等しい0〜1で変化する指数Jを計算するステップと、
前記指数Jのファジー否定で乗じられた前記換気気流に等しい修正された気流を計算するステップと、
換気サイクルでの相を同定するステップと、
時間に対して前記修正気流の積分したものとして瞬間吸気体積を計算し、該積分が換気サイクルの呼気部分間でゼロに保たれるステップと、
少なくとも前記瞬間吸気体積の関数として所望の瞬間送出圧力を計算するステップと、
被験者に対する送出圧力を所望の送出圧力にセットするステップとからなり、サンプリング間隔で繰り返して実行される、ステップを備えている。
リークのために大略訂正された換気気流を決めるステップと、
前記換気気流が予想より大きく正であるか又は予想より大きく負であるファジー度合いに等しい0〜1で変化する指数Jを計算するステップと、
換気サイクルでの相を同定するステップと、
前記指数Jのファジー否定で乗じた換気気流に等しい修正された換気気流を計算するステップと、
時間に関して前記修正気流を積分したものとして瞬間吸気体積を算出し、該積分が換気サイクルの呼気の部分間でゼロに保たれるステップと、
呼気の圧力に、瞬間換気気流で乗じた抵抗を加え、換気気流の絶対値を乗じた換気気流を乗じた非線形抵抗を加え、前記調節された瞬間吸気体積を乗じたエラスタンスを加えて、所望の瞬間送出圧力を算出するステップと、
被験者に対する送出圧力を前記所望の瞬間送出圧力をセットするステップとからなるステップを備えている。
領域0〜1間での繰り返し及び範囲0〜1で所望の波形テンプレート関数Π(φ)を記述するステップと、
リークに対して大略訂正された換気気流を決めるステップと、
換気気流が予想より大きく正であるか、又は予想より大きく負であるというファジー度合いに等しい0〜1に変化する指数Jを計算するステップと、
指数Jの最近のピークに等しいJPEAKを計算するステップと、
換気サイクルでの瞬間相を計算するステップと、
指定された換気を少なくとも越える換気の度合いをサーボコントロールするために選ばれた、圧力変調の所望の振幅を計算するステップと、
終端呼気圧力に、前記計算された相φでの波形テンプレート関数Π(φ)の値を乗じて計算された圧力変調振幅Aを加えて、所望の送出圧力を計算するステップと、
被験者に対する送出圧力を前記所望の瞬間送出圧力をセットするステップとからなるステップを備えている。
目標換気速度で除された目標換気の二倍に等しい目標気流を計算するステップと、
目標気流を差し引いたローパスフィルター処理された瞬間換気気流の絶対値に等しい誤差項を導くステップと、
利得を乗じた誤差項の積分したものから、圧力変調の振幅を計算し、該積分がゼロと最大値との間に存するようにクリップするステップとからなるステップを備える。
目標換気の速度で除された目標換気の2倍に等しい目標気流を計算するステップと、
目標気流を差し引いたローパスフィルターを乗じた瞬間換気気流の絶対値と等しい誤差項を導くステップと、
利得で乗じた誤差項の積分から、圧力変調の訂正されてない振幅を計算して、該積分がゼロと最大値との間に存するようにクリップするステップと、
換気サイクルの長さの数倍の時定数で、ローパスフィルター処理された振幅として前記振幅の最近の平均を計算するステップと、
最近のピークの妨害指数JPEAKを乗じたローパスフィルター処理された振幅に、JPEAKのファジー否定を乗じた前記訂正されてない振幅を加えたものに等しい圧力変調の実際の振幅をセットするステップとからなるステップを備える。
上記の「A」または「B」の方法に対して記載したように、瞬間的なマスク圧力計算するステップと、
上記の「C」の方法に対して記載したように、瞬間的なマスク圧力を計算するステップと、
上記の2つの圧力の加重平均を計算するステップと、
マスク圧力を前記加重平均にセットするステップとからなる、サンプリング間隔で繰り返し実行されたステップを備える。
装置の第一実施形態を与える装置を図1(a)に示す。ブロワー10が、送出チューブ12を経た被験者の気道と連通したマスク11に呼吸可能なガスを供給し、排出拡散器13を通して排出された。マスク11への気流は、呼吸気流計14と差圧圧力変換器15を用いて測定される。変換器15からのマスク流れ信号は、マイクロプロセッサー16によってサンプリングされる。マスク圧力は、圧力変換器18を用いているポート17で測定される。変換器18からの圧力信号は、マイクロプロセッサー16によってサンプリングされる。マイクロプロセッサー16が、瞬間的なマスク圧力要求信号をサーボ19に送る。変換器18から制御ファンモータ20までの実際の圧力信号と前記圧力要求信号とを比較する。マイクロプロセッサーの取り付けは、シリアルポート21を通して調節される。
2. 図2に示されたように、相Φでの所望の送出圧力が以下の式によって与えられるように、適切な圧力波形関数Π(Φ)を選択すること。
P= P0+AΠ(Φ)
ここで、振幅Aは、終端吸気圧と終端呼気の圧力差に等しい。しかしながら、他の波形は、特別な必要性を持った被験者に適切である。
3. 換気サイクルでの相Φをゼロに初期化すること、及び、実際の吸息と呼息との現在の見積りTIとTEとを、それぞれ、TITGTとTETGTとに初期化すること。
4. 長さTのサンプリング間隔での吸気するときの相の変化率ΔΦIを初期化すること。
ΔΦI=0.5T/TITGT
5. 呼気するときの相の変化率ΔΦEを初期化すること。
ΔΦE=0.5T/TETGT
6. 瞬間換気気流fRESPを測定すること
7. 平均的な全呼吸時間 TT = TI+TEを計算すること。
8. 一定でTTの部分である調節可能な時定数τfで換気気流をローパスフィルター処理すること。
9. 換気気流の絶対値の半分として瞬間換気Vを計算する。
V =0.5 |fRESP|
10. 目標換気VTGTと測定された分時換気Vとから、VERRの大きい値は不十分な換気を示すように、誤差項VERRを導くこと。
VERR = (VTGT - V)dt
11. TTと比較して長い時定数τVBARでVをローパスフィルター処理した結果としてVBARをとること。
12. 正規化された気流fNORMを計算すること。
fNORM = fRESP/VBAR
13. fNORMから、メンバーシップ関数が図3に示されるファジー集合の各々のメンバーシップの度合いを計算すること。
14. 平均的な換気サイクル時間TTの現在の見積りで除されたdfNORM/dtに等しい、正規化された変化率dfNORM/dΦを計算すること。
15. 正規化された変化率から、図4に示したファジー集合の各々でのメンバーシップの度合いを計算すること。
16. 表lにおける各々の列Nに対して、ファジー推論規則を適用することによって、コラム分類したファジー相に示したファジー集合でのメンバーシップの度合いgNを計算すること。
17. 表2に示すようにN規則の各々の結果を相ΦNと結合すること(Φ10が現在の相Φであることに注意すること)。
18. Φ10を除くΦNの各々を0.89τ/TTずつ増大させて、前出のローパスフィルターステップを補償すること。
19. 半径gNと角度ΦN 回転の極座標でNユニット質量の重心までの角度として、新しい瞬間相ΦINSTを計算すること。
20. 前のステップで見積られた相と現在の相との間での最小のサインされた差ΔΦINSTを計算すること。
ΔФINST = 1-(ΔФINST -Ф) (ФINST-Ф>0.5)
ΔФINST = ФINST -Ф+1 (ФINST-Ф<-0.5)
ΔФINST = ФINST -Ф (上記以外)
21. 前のステップで計算された値と平均的な値(ΔΦIまたはΔΦE)との加重平均に等しい修正された見積りΔΦREVを導入すること。
ΔФ = (1-W)ΔФI + WΔФINST (0<Ф<0.5)
ΔФ = (1-W)ΔФI + WΔФINST (上記以外)
被験者が規則正しく呼吸しているならば、Wの小さい方の値は、相のよりよい追跡を引き起こす。被験者が不規則に呼吸しているならば、大きい方の値が相のよりよい追跡を引き起こす。
22. 混合割合〔比〕が、被験者の換気がVTGTより上であるならば1であり、被験者がVTGTの近くまたは下であるならばゼロである、被験者の換気が中間の範囲を通して増大するとき、ゼロから1まで比例して増加するように混合割合Bを導くこと。
23. 被験者の換気がVTGTより上にあるならば、被験者の換気のアクティビティーからステップ21で計算したΔΦによって主に影響され、被験者がVTGTの近くまたはその下で呼吸しているならば、目標換気の時間によって主に影響され、換気が中間の範囲にあるならば、これら2つの量の間で比例するΔΦBLENDを計算すること。
ΔФBREND = BΔФ + 0.5(1-B)T/TITGT (0<Ф<0.5)
ΔФBREND = BΔФ + 0.5(1-B)T/TITGT (上記以外)
24. ΦBLENDによるΦを増加させること。
25. 相の平均的な変化率(ΔΦIまたはΔΦE)をアップデートすること。
ΔФI = T/τVBAR(ΔФBREND−ΔФI) (0<Ф<0.5)
ΔФE = T/τVBAR(ΔФBREND−ΔФE) (上記以外)
26.吸気TI及び呼気TEの概略の時間を再計算すること。
TI=0.5T/ΔФI
TE=0.5T/ΔФE
27. 所望のマスク圧力変調振幅ADを計算すること。
AD=ASTD/2 (TT<TTSTD/2)
AD=2・ASTD (TT>2・TTSTD)
AD=ASTD・TT/TTSTD (上記以外)
28. 誤差項VERRから、追加のマスク圧力変調振幅AEを計算すること。
AE=K・VERR (VERR>0のとき)
AE=0 (上記以外)
ここで、Kのより大きい方の値が、補助の度合いの早いが安定性の少ない制御を生み出すが、Kの小さい方の値が、補助の度合いの遅いが安定性の大きい制御を生み出す。
29. マスク圧力PMASKをPMASK = PO+(AD+AE)Π(Φ)にセットすること。
30. 換気サイクルの時間と比較すると短いサンプリング間隔Tを待つこと。そして、換気気流を測定するステップに続くこと。
上記のことから次のように、それは当業者には標準の手順である換気気流に必要である。リークがない場合、換気気流は、マスクと排出との間で配置された呼吸気流計で直接測定される。可能なリークの存在で、クロスレフェレンスによって本明細書に組み込まれたヨーロッパ出願番号 0 651 971(すなわち米国特許番号5,704,345)で開示された1つの方法は、リークを通して平均的な流れを計算することである。そこから、マスク圧力を変化させることによって誘発されたリークを通して流れの変調により、呼吸気流計流れ信号の変調の量を計算する。すなわち、以下のステップを用いる。
l. 呼吸気流計を用いて、マスクでの気流fMASKを測定するステップと、
2. マスクでの圧力PMASKを測定するステップと、
3. 呼吸と比較すると長い時定数で、ローパスフィルター処理した気流から、平均リークを計算するステップと、
4. 呼吸と比較すると長い時定数で、ローパスフィルター処理したマスク圧力から、平均マスク圧力を計算するステップと、
5. リークを通した流れの変調を計算するステップと、
δ(leak) = 0.5×平均的なリーク×誘発圧力
ここで、誘発圧力は、PMASK-平均マスク圧力である。
そこから、瞬間換気気流は、次のように計算される。
fRESP = fMASK −平均的なリーク−δ(leak)
クロスレフェレンスによって本明細書に組み込まれたヨーロッパ出願番号 0 651 971(すなわち米国特許番号5,704,345)で開示されるような便利な拡大は、気流fTURBINEと圧力PTURBINEをタービンの出口で測定することである。空気送出ホースで圧力を下降させ、排出を通して気流を失なわせるによってPMASKとfMASKとを計算すること。
1. ΔPHOSE = K1(FTURBINE) - K2(FTURBINE)2
2. PMASK = PTURBINE - ΔPHOSE
3. FEXHAUST = K3(PMASK)0.5
4. FMASK = FTURBINE - FEXHAUST
以下の実施形態は、変化する換気の仕組み、不充分な換気の駆動、異常な化学受容体反射作用、低換気症候群、又はチェーンストークス呼吸を持った被験者に特に適用でき、又は上気道又は下気道、肺、胸壁、又は神経筋のシステムの異常を持った被験者に適用できる。
補助の度合いのサーボコントロールの積分された利得が、非常に早く(0.3 cmH2O/L/秒/秒)から非常にゆっくりまで調節できる。チェーンストークス呼吸をもつ患者が、非常に高い換気の制御ループ利得を有するが、長い制御ループ遅延を有し、ハンチングになる。ループ利得を均一で高くセットすることによって、患者のコントローラーは、安定する。これによって、チェーンストークス呼吸の各々のサイクルの間に通常起る極端な息切れが妨げられる。これがあると患者を非常に安心させる。彼らが中枢神経系の無呼吸を持つことは、不可能である。逆に、肥満の低換気症候群にかかった被験者は、低いまたはゼロループ利得を持つ。彼らは、中枢神経系の無呼吸の間、息を切らしたと感じない。しかしながら、彼らが多くの粘液を持ち、咳をする必要があり、非常にそわそわし、ベッドの回りで転がる必要がある。このことは、彼らが機械が処置しない中枢神経系の無呼吸を持つことを要求する。ループ利得を非常に低くセットすることによって、患者は、一組の深呼吸をすることができ、咳をしたり、転がったりしている間、適度な長さ中枢神経系の無呼吸を持つことができるが、考慮に入れるとそれからために許される、しかし、長時間、維持された無呼吸又は呼吸低下が防止される。
注1:この第2の実施形態において、様々な量のために用いた名前及び記号は、第1の実施形態の中で用いられたそれらと異なっている。
注2:「スイング」という用語が、終端吸気での所望の瞬間的な圧力と終端呼気での所望の瞬間的な圧力との間での差異を示すために用いられる。
注3:ファジーメンバーシップ関数は、完全な非メンバーシップに対するゼロと、完全なメンバーシップに対する1との間で値を返すものである。ファジー交差 A AND Bは、AとBの小さい方であり、ファジー結合 A OR Bは、A及びBの大きい方であり、ファジー否定 NOT Aは、1−Aである。
注4:root(x)は、xの平方根であり、abs(x)は、xの絶対値であり、sign(x)は、xが負であるならば-1であり、それ以外の場合+1である。
星印(*)は、これが前後関係から明らかではならない乗算を示すために明示的に用いられる。
第2の実施形態の装置を図1(b)に示す。ブロワー110は、マスク111まで空気送出ホース112を通して、圧力のかかった空気を供給する。吐出された空気は、マスク111にある排出口113を通して排出される。呼吸気流計114及び差圧圧力変換器115は、先端112での気流を測定する。流れ信号は、マイクロプロセッサー116に供給する。先端112に沿ったあらゆる都合のよいポイント117での圧力は、圧力変換器118を用いて測定される。圧力変換器118からの出力は、マイクロコントローラ116に供給され、さらにモータサーボ119に供給される。マイクロプロセッサ116が、圧力要求信号でモータサーボ119を供給し、その信号は、ブロワーモータ120を制御するために圧力変換器l18からの信号と比較される。ユーザーが可変できるパラメータが、通信ポート121を経由してマイクロプロセッサ116に装填される。計算されたマスク圧力と流れとが、希望するならば、通信ポート121を経由して出力される。
ユーザーが調節可能な以下のパラメータは、指定されて記憶される。
STD TTOT = 60/目標換気の速度
STD TI = STD TTOT *目標デューティサイクル
STD TE = STD TTOT - STD TI
STD dφI = 0.5/STD TI
STD dφE = 0.5/STD TE
PEL(φ)=スイング*Π(φ)
ここで、スイングは終端呼気での圧力を差し引いた終端吸気での圧力である。
Π(φ)= e-2τφ 吸気の間
Π(φ)= e-4t(φ-0.5) 呼気の間
τはユーザーが選択可能な波形の時定数である。
τ= 0ならば、Π(φ)は、正方形の波である。図5に大略示したように、τ= 0.3に対する最大実行値は、波形を生み出す。
以下のことは、50 Hzでされたルーチン処理の概要である。
流れセンサで流れを測定し、圧力感知ポートで圧力を測定すること。
センサ圧力と流れとからマスク圧力と流れとを計算すること。
マスクリークのコンダクタンスを計算すること。
リークによって瞬間気流を計算すること。
換気気流と、ローパスフィルター処理された換気気流とを計算すること。
マスクオン/オフ状態と導入を計算すること。
瞬間的で最近のピークの妨害を計算すること。
リークコンダクタンス計算に対する時定数を計算すること。
換気サイクルでの相を計算すること。
吸気と呼気とに対する相の平均変化率と、吸息時間と呼息時間の長さと、換気速度とをアップデートすること。
ホース圧力損失をEPAP圧力に加えること。
抵抗のアンロードを加えること。
サーボコントロール換気に必要な瞬間的な弾力の補助を計算すること。
様々な仮定を用いて瞬間的な弾力の反動圧力を見積ること。
重み付けすること及び見積りを結合すること。
所望のセンサ圧力を発生させるためにサーボ圧力を加えること。
所望のセンサ圧力を達成するためのモータ速度をサーボコントロールすること。
各々のステップの詳細を次に説明する。
流れは、呼吸気流計と差圧圧力変換器とを用いて、ブロワーの出口で測定される。圧力は、ブロワー出口とマスクとの間のあらゆる都合のよいポイントで測定される。給湿器および/あるいは抗菌性のフィルターは、圧力検知ポートとブロワーとの間に挿入することができる。流れ及び圧力は、A/Dコンバーターを用いて、50 Hzでデジタル化される。
圧力測定ポイントからマスクまでの圧力損失は、ブロワーでの流れから計算され、測定ポイントからマスクまでの(2次の)抵抗から計算される。
ホースの圧力損失 = sign(flow)*ホース抵抗*流れ2
ここで、sign(x)= -1 (x<0のとき)であり、+1 (xがそれ以外のとき)である。マスク圧力は、測定したセンサ圧力からホース圧力損失を差し引くことによって計算される。
マスク圧力 = センサ圧力 - ホース圧力損失
拡散器の流れ = 排出抵抗*sign(マスク圧力)* 平方根(abs(マスク圧力))
マスク流れ = センサ流れ - 拡散器流れ
リークのコンダクタンスは、次のように計算される。
ルートマスク圧力 = sign(PMASK)(abs(PMASK))0.5
LPマスク気流 = ローパスフィルター処理されたマスク気流
LPルートマスク圧力 = ローパスフィルター処理されたルートマスク圧力
リークのコンダクタンス = LPマスク気流 / LPルートマスク圧力
二つのローパスフィルター処理されたステップに対する時定数は、10秒に初期化され、それ以来動的に調整される(下記参照)。
リークによる瞬間的な流れは、瞬間的なマスク圧力とリークのコンダクタンスとから計算される。
瞬間的なリーク = リークのコンダクタンス*ルートマスク圧力
換気気流は、マスクでの流れと瞬間的なリークとの差である。
換気気流 = マスク流れ - 瞬間的なリーク
心原性気流と他のノイズとを除去するために換気気流をローパスフィルター処理すること。時定数は、換気サイクルTTOT(STD_TTOTに初期化され、下のようにアップデートされる)の現在の見積られた長さの1/4Oであるように動的に調節される。このことは、高い換気速度で、フィルターによって導入された短い相遅延だけがあり、低い換気速度で、心原性気流の有効な拒絶があることを意味する。
マスクは、初めに外れていると仮定される。オン/オフの移行は、換気気流が最初に0.2L/秒より上に行くとき起るように見なされ、オン-オフの移行は、l.5秒以上の間マスク圧力が2cmH20未満であるとき起るように見なされる。
図6に示すように、引込は、マスクがオフであるならばゼロから、ちょうど着られていて、20秒以上の間マスクがオンであるならば1.0までの値をとる。
Jは、リークのインピーダンスが突然に変化したファジー度合いである。それは、予想されるより長い間、換気気流の絶対的な大きさが大きいファジー度合いとして計算される。
瞬間的な妨害指数Jは、指数IIとIEとのファジー結合(大きい方)として計算される。
瞬間的な妨害指数が最近のピークの妨害指数の最近の値より大きいならば、最近のピークの妨害指数は、瞬間的な妨害指数に等しいようにセットされる。一方、最近のピークの妨害指数は、10秒の時定数でローパスフィルター処理された瞬間的な妨害指数に等しいようにセットされる。計算の電気的な類推したものを図9に示す。
リークのコンダクタンスが突然に変化するならば、計算されたコンダクタンスは、初めのうちは不正確であり、ローパスフィルターの時定数が長いならば遅い速度で、時定数が短いならば、早い速度で、正しい値に徐々に近づく。逆に、リークのインピーダンスが安定しているならば、時定数が長ければ長いほど、瞬間的なリークの計算はより正確になる。したがって、リークが安定しているという度合いに対して時定数を長くすることと、リークが突然に変化しているという度合いに対して時定数を低減することと、それがリークが安定しているという中間的な場合であるならば、中間的に長いまたは短い時定数を用いることは望ましい。
現在の相φが、吸気のスタートに対して0から、呼気のスタートに対して0.5まで、終端呼気=次の吸気のスタートに対する1.0まで、変化する。9つの別々の特徴(ピーク、0交差、高原状態、及びいくらかの中間ポイント)は、図11に示すように波形に基づいて同定される。
フィルター処理された換気気流は、ユーザーの特定した目標換気に関して次のように正規化される。
標準の気流 = 目標換気/7.5 L/分
f' = フィルター処理した換気気流/標準の気流
フィルター処理した換気気流の変化速度は、次のように、15 呼吸/分での7.5 L/分の目標換気に計算されて正規化される。
標準のdf/dt = 標準気流*目標周波数/15
d(フィルターをかけた気流)/dtを計算すること
8/50秒の時定数でローパスフィルター処理すること
標準のdf/dtで除することによって正規化すること
換気 = abs(換気気流)をSTD TTOTの時定数でローパスフィルター処理する
正規化された換気 = 換気 / 標準気流
最近の換気が、ローパスフィルター処理されたabs(換気気流)であるが、調節できる時定数でフィルター処理され、図15に示すように、サーボ利得(ユーザーによって指定される)から計算される。例えば、サーボ利得が0.3という最大値にセットされるならば、時定数がゼロであり、最近の換気が瞬間的なabs(換気気流)に等しい。逆に、サーボ利得がゼロであるならば、時定数はSTD TTOTの2倍であり、通常の呼吸の予想された長さである。
目標の絶対の換気 = 2*目標換気
正規化された最近の換気 = 最近の換気 / 目標絶対気流
大きなリークがあるというファジー度合いは、図17に示したメンバーシップ関数から計算される。
スイッチ負及びスイッチ正のファジー集合のメンバーシップは、図18に示したメンバーシップ関数を用いて、正規化換気気流から計算される。そして、吸気相及び呼気相のファジー集合でのメンバーシップは、図19に示したメンバーシップ関数を用いて、現在の相fから計算される。
手順W(y)は、ユニット高さ及びユニットベースの二等辺三角形の領域を計算し、図20に示すように、高さYで頭切りしている。計算において、ファジー交差 a AND bは、a and bの小さい方であり、ファジー結合 a OR bは、a and bの大きい方であり、ファジー否定 NOT aは、1-aであることを思い出すこと。
WSTANDARD = 8+16*JPEAK+16*呼吸低下+16*大きなリーク
WEARLY INSP = W(上昇AND小さな正)
WPEAK INSP = W(大きく正 AND 安定 AND NOT 最近のピーク妨害)
WLATE INSP = W(下降 AND 小さく正)
WEARLY EXP = W(下降 AND 小さく負)
WPEAK EXP = W(大きく負 AND 安定)
WLATE EXP = W(上昇 AND 小さく負)
WPAUSE = (過呼吸 AND NOT JPEAK)*W(安定 AND 0)
それらは、非常に重い重みづけを有する。
WTRIG INSP = 32W(呼気相ANDスイッチ正)
WTRIG EXP = 32W(吸気相ANDスイッチ負)
上記の10のファジー規則の各々に対して、我々は、表ZZZに示すように、相角度fNを添付する。φNが回転であって、ラジアンでないことに注意すること。現在、我々は、単位円を中心に適切な相角度φNで上記のものを計算した10の質量W(N)を配置しており、セントロイドを考慮に入れている。
これは、換気サイクルφでの瞬間相の計算を終える。
現在の相が吸気である(φ<0.5)ならば、算出された吸気時間TIはアップデートされる。
LP(dφI) = 4*STD TTOTの時定数でdφをローパスフィルター処理すること
(0.5/STD TI)/2〜4(0.5/STD TI)の範囲でLP(dφI)を切り取ること
TI = 0.5/切り取られたLP(dφI)
LP(dφE)=4*STD TTOTの時定数でdφをローパスフィルター処理すること
(0.5/STD TE)/2〜4(0.5/STD TE)の範囲でLP(dφE)を切り取ること
TE = 0.5/切り取られたLP(dφE)
TTOT = TI+TE
RR = 60/TTOT
非負荷抵抗は、患者の上部及び下部の気道を横切る圧力下降であり、SRAMに記憶された換気気流と抵抗値から計算される。
f = +/-2L/秒に頭切りされた換気気流
非負荷抵抗 = 気道抵抗*f+上部気道抵抗*f2*sign(f)
瞬間的な弾力補助の目的は、肺と胸壁のバネ性(瞬間的な弾性力)によって供給された弾力のある収縮圧力のいくらかまたは全てをバランスする圧力を提供することである。平均して予め設定された目標換気を少なくとも越えるように、分時換気をサーボコントロールに必要な追加の構成要素をプラスする。さらに、最小スイング(常に存在する)は、全てに加えられる。ユーザーが指定したパラメータエラスタンスは、患者の肺及び胸壁の既知又は見積られたエラスタンスの50-75%を言うように予め設定される。様々な構成要素は、次のように計算される。
瞬間最小補助 = 最小スイング*Π(φ)
サーボスイングされた量は、平均して、予め設定された目標換気に少なくとも等しいものに分時換気をサーボコントロールするのに必要な追加の圧力変調振幅である。
誤差 = 目標換気−abs(換気気流)/2
サーボスイング = S誤差*サーボ利得*0〜20cmH2Oでサンプル間隔でクリップサーボスイング*引込
セットされた最近のサーボスイング = 多くともJPEAKであるクリップサーボスイングを25秒の時定数でローパスフィルター処理されたサーボスイング*最近のサーボスイング
瞬間的なサーボ補助 = サーボスイング*Π(φ)
ユーザーの特定したエラスタンスに対して吸気する弾力性作業を取り除くために必要な瞬間的な圧力は、瞬間吸気体積の指定エラスタンス倍である。あいにく、時間について換気気流を積分することによってのみ瞬間吸気体積を計算することは、3つの理由のために実際に機能しない。まず、リークは積分の爆発的な暴走を引き起こす。第二に、積分器は各々の吸気の初めでリセットされ、この点が信頼性高く感知することが難しい。第3に、及び決定的に、患者が努力しなければ、何も起こらない。
第1の見積りは、見積られた瞬間吸気体積での指定エラスタンスの瞬間弾力反動である。重み付けされた換気気流を時間で積分したものに指定エラスタンスを乗じることによって計算され、換気相が呼気であるならば、ゼロにリセットされる。換気気流は、最近のピークの妨害指数JPEAKのファジー否定によって重み付けされており、リーク検出器が変化しているリークに適するための時間を有する前に、リークが突然増加する短時間の間、積分したものの急激な暴走を部分的に改良する。リークが非常に安定している場合、JPEAKがゼロであり、重み付けは、1であり、吸気体積は、一般に且つ正しく計算される。リークが突然に増加する場合、JPEAKが素早く増大し、重み付けは減少し、計算された吸気体積は、普通、不正確であるけれども、吸気体積の過大な見積りは改良される。計算は、次のようにして行なう。
瞬間体積 = {換気気流*(1-JPEAK)dt }の積分
相が呼気である(0.5<φ<1.0 回転)ならば、積分をゼロにリセットする
見積り1 = 瞬間的な体積*エラスタンス
標準のスイング量は、予め設定された目標一回換気体積の呼吸に対する、指定エラスタンスを取り除く追加の圧力変調振幅である。
目標一回換気体積 = 目標換気/目標周波数
標準スイング = エラスタンス*目標一回換気体積
見積り2 = 標準のスイング*Π(φ)
見積り3 = エラスタンス*目標換気/RR*Π(φ)
この呼吸に対する弾力作業が最近の呼吸に対するそれに似ているという仮定に基づいた瞬間的な補助は、次のように計算される。
LP弾力補助 = 2STD TTOTの時定数でローパスフィルター処理された、瞬間弾力補助
見積り4 = LP弾力補助*Π(φ)/PBAR
次に、上記の加重平均に基づいた実際の弾力性反動圧力の最良の見積りを取り除くために必要な圧力を計算すること。もしΠ(φ)が最もスムーズなセットであるならば、見積りは瞬間的弾力性反動の上記見積りの全てに等しく基づく。もしΠ(φ)が正方形の波であるならば、見積りは、見積りlを除く全ての見積りに基づく。なぜならば、正方形の波がφ=0で最大であり、見積り1がφ=0でゼロであるからである。中間の波形は、中間的に処理される。なめらかさの量は、正方形の波に対するゼロから、時定数が0.3又はそれ以上の波形に対して1まで変化する。
なめらかさ = 波形時定数 / 0.3
瞬間反動 = (なめらかさ*見積り1+見積り2+見積り3+見積り4)/(なめらかさ+3)
I = 瞬間最小補助+瞬間サーボ補助+瞬間反動
予め設定された最大許容スイング瞬間弾力補助より少なくなるようにIを頭切りすること = I*引込
これによって、瞬間的な弾力のある補助の計算が完了する。
所望のセンサ圧力 = epap+ホース圧力損失+非負荷抵抗+瞬間弾力補助
最終的なステップにおいて、センサで測定した圧力は、所望のセンサ圧力に等しいサーボコントロール圧力であり、モータ電流を調節するために、例えば省略された擬差動コントローラーを用いる。このことについて図1に参照することができる。
図21乃至27は、それぞれ、第2の実施形態の様子を表示している実際の60秒の記録を示す。必要な操作を実行するために訓練された普通の被験者から全て記録される。計算された換気気流、マスク圧力、及び換気相は、上述のアルゴリズム、シリアルポートを通した出力、デジタル的なプロットを用いて計算される。
連続変数として相を用いること。
従来技術において、相は、2つの値(吸気及び呼気)を持った分類上の変数として見なされる。吸気のスタートと呼気のスタートを検出するときの誤りは、送出圧力における分類上の誤りを生じる。逆に、本願では、相は値をゼロと1との間の値を有する連続変数と扱われる。このように、相の測定値における分類上の誤りは、避けられる。
被験者が早く呼吸しているときに短い時定数を用いることによって、及び被験者がゆっくりと呼吸しているときに長い時定数を用いることによって、フィルターは、換気サイクルのほんのわずかの一定の相遅延を導く。このように、不必要な相遅延は避けられることができるが、心原性の人工物は、ゆっくり呼吸している被験者において拒絶される。さらに、相が連続変数と扱われているので、ローパスフィルターでの遅延を十分に補償することは可能である。
全ての従来技術では、吸気の開始、又は呼気の開始において、顕著な不連続な圧力変化がある。圧力変化が、連続であり、より快適である。
平均吸気時間は、一回換気体積よりも、リークの存在で簡単に計算される。平均吸気時間と平均一回換気体積との間の相関関係を利用することによって、平均一回換気体積に適するように、変調の振幅を調節することは可能である。
ヨウネスは、外部の装置の抵抗を取り除くために、換気気流の2乗に比例した圧力の構成要素の使用を示しているけれども、本発明の実施形態での外部の装置の抵抗は、普通、無視できる。逆に、本発明の実施形態は、ヨウネスによって予期されなかった換気気流の2乗に比例したそのような構成要素の2つの用途を示す。第一に、寝ている被験者及び鼻がブロックされた被験者は、気流の2乗に比例する大きい抵抗を有しており、気流の2乗に比例した圧力の構成要素が用いられて、解剖学上の上部気道抵抗を取り除く。第二に、心拍又は他の人工物による小さい非換気気流の構成要素は、二乗であるとき、無視できる圧力変調を生み出し、その結果、そのような構成要素の使用がそのような非換気気流に相対的な免疫を与える。
目標換気以上に自発呼吸をする間、被験者の換気パターンを柔軟に追跡することから、スムーズで継ぎ目のないグラデーションがあり、移行期間を経て、被験者が努力をしないならば、呼吸時間、呼吸深さ、及び呼吸相を十分に制御する。その移行時間において、被験者は、呼吸タイミング及び呼吸深さに対して少しずつ変化させることができる。換気が近いものであるが所望の閾値でないとき、スムーズな移行がカテゴリー誤りを避ける。その利点は、自発呼吸から制御呼吸への移行が被験者に対して目立たないように起るということである。これは、被験者が眠ろうとしているときに特に重要である。被験者が起きて、自発呼吸努力を再開するとき、類似したスムーズな移行が、逆方向に起こる。
11 マスク
12 送出チューブ
13 排出拡散器
14 呼吸気流計
15 圧力変換器
16 マイクロプロセッサ
17 ポート
18 変換器
19 サーボ
20 制御ファンモータ
21 シリアルポート
110 ブロワー
111 マスク
112 空気送出ホース
113 排出口
114 呼吸気流計
115 圧力変換器
116 マイクロプロセッサ
117 ポイント
118 圧力変換器
119 モータサーボ
120 ブロワーモータ
121 通信ポート
Claims (6)
- 瞬間的弾性圧力の関数として、大気圧より高く昇圧された選択可能な圧力で被験者の気道に呼吸可能な空気を絶えず供給するために調節可能な空気供給手段と、
換気気流を表わす流量信号を生成する流量検出手段と、
前記流量検出手段からの流量信号を処理して換気気流の測定値を提供するとともに空気供給手段をコントロールする処理手段とを備え、該処理手段は、
被験者に対するエラスタンス値を入力として受け入れることと、
流量信号からのサンプルされた流量値を用いて、あらゆるリークが突然に変化する度合いを示す指数値を計算することと、
換気気流の前記測定値及び前記指数値の関数として、気流の吸気体積を計算することと、
前記吸気体積及び前記エラスタンス値の関数として、瞬間的弾性反動圧力を計算することとを実行するようにプログラムされていることを特徴とする、換気補助を提供している間に気流の吸気体積を計算する瞬間的弾性反動圧力を決定するための装置。 - リークが突然増加することを示す流量信号のファジー度合い、及びリークが突然減少する流量信号のファジー度合いのファジー論理関数から、前記指数値が計算されることを特徴とする、請求項1記載の装置。
- 前記ファジー論理関数は、リークが突然増加するファジー度合い及びリークが突然減少するファジー度合いのピークファジー和集合のファジー否定であり、
換気気流の前記測定値及び前記指数値の前記関数は、前記測定値と前記指数値の関数との積の積分であることを特徴とする、請求項2記載の装置。 - 瞬間的弾性圧力の関数として、大気圧より高く昇圧された選択可能な圧力で被験者の気道に呼吸可能な空気を絶えず供給するブロワー及びマスクと、
換気気流を表わす流量信号を生成する圧力変換器と、
前記流量検出手段からの流量信号を処理して換気気流の測定値を提供するとともに空気供給手段をコントロールする処理手段とを備え、該処理手段は、
被験者に対するエラスタンス値を入力として受け入れることと、
流量信号からのサンプルされた流量値を用いて、あらゆるリークが突然に変化する度合いを示す指数値を計算することと、
換気気流の前記測定値及び前記指数値の関数として、気流の吸気体積を計算することと、
前記吸気体積及び前記エラスタンス値の関数として、瞬間的弾性反動圧力を計算することとを実行するようにプログラムされていることを特徴とする、換気補助を提供している間に気流の吸気体積を計算する瞬間的弾性反動圧力を決定するための装置。 - リークが突然増加することを示す流量信号のファジー度合い、及びリークが突然減少する流量信号のファジー度合いのファジー論理関数から、前記指数値が計算されることを特徴とする、請求項4記載の装置。
- 前記ファジー論理関数は、リークが突然増加するファジー度合い及びリークが突然減少するファジー度合いのピークファジー和集合のファジー否定であり、
換気気流の前記測定値及び前記指数値の前記関数は、前記測定値と前記指数値の関数との積の積分であることを特徴とする、請求項5記載の装置。
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