JP2005537083A - 加湿システム - Google Patents

Abstract

加湿器（４）及び加湿ガスを所望の且つ正確な湿度レベルで患者に送り出すようになった加熱回路（６）を有する呼吸支援装置。加湿器は、ガスの流量、温度及び湿度を制御し、次に必要に応じてガスを送り出す上で所要の電力出力を決定する制御装置（１８）を有する。簡単な且つ小振りの装置を提供することにより外部センサが不要になる。

Description

本発明は、特に換気目的で患者の呼吸を助けるために最適湿度及び温度のガスを患者に供給し又は他の医療処置、例えば腹腔鏡下、内視鏡下又は眼科処置のためのガスを供給する加湿システムに関するが、これには限定されない。

患者の呼吸を助ける多くの方法が当該技術分野において知られている。持続的気道内陽圧法、即ちＣＰＡＰでは、通常は鼻マスクを通して加圧空気を患者に供給する。これは、いびきや閉塞性睡眠時無呼吸症候群、即ち、吸息中上気道の虚脱の繰り返しという特徴を呈する状態の治療に用いられる。陽圧は、上気道を開放状態に支え、その虚脱を阻止する。鼻ＣＰＡＰによるＯＳＡの治療は、効果的であると共に安全であることが分かったが、ＣＰＡＰは、使い方が困難であり、患者の大多数は、特に治療の初期段階において相当重い副作用を経験する。

上気道症状は、ＣＰＡＰによる治療に悪影響を及ぼす。粘膜の乾燥は、不快であり、夜中に患者を覚醒させる場合がある。リバウンドとしての鼻充血は一般に、次の日に起こり、見掛け上ウイルス感染状態を呈する。治療しなければ、上気道症状は、使用率に悪影響を及ぼす。

ガスは又、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）を患っている患者にも供給できる。また、現在では、気管切開術が施された患者の家庭内で加湿を行なうのに適した手段が無い。これら患者は、上気道をバイパスするので感染及び充血を生じがちである。

かかる症状を治療する多くの方法を採用でき、かかる方法としては、鼻疾患を軽減するための薬理学的薬剤の使用又は寝室を暖房することが挙げられる。最も一般的に採用されている方法の１つは、インライン型加湿器を用いる吸入空気の加湿である。２つの形式の加湿器が現在用いられている。コールドパスオーバー型加湿器は、広い水の表面に空気を当てることにより加湿する方式を有している。これらは安価であるが、湿度出力は、高流量では低く、典型的には、２５０Ｌ／分よりも高い流量では２〜４ｍｇ／Ｌ絶対湿度である。出力は、粘膜乾燥を阻止するには不十分である。加熱水浴型加湿器は、これよりも効率が高く、高流量でも高レベルの湿度を生じさせる。これら加湿器は、上気道粘膜乾燥を阻止するのに効果があり、鼻抵抗の増大を阻止し、上気道症状を治療する最も信頼性の高い手段である。

これら実際に用いられているシステムのどれについても、加湿器を患者に連結する管中に程度の差はあれ凝縮すなわちレインアウト（rain out）が生じる。凝縮の程度は、周囲温度に大きく依存しており、周囲温度とガス温度の差が大きければそれだけ一層高い。呼吸管中の多量の水の生成により、患者にとっての不快感が相当大きくなり、ガスの冷却が促進され、最終的には管が閉塞し、又は水が患者内へ排出される場合がある。また、患者が、呼吸ガスが周囲温度から大幅に外れた温度で送り出されると、不快感をもよおす場合がある。また、過剰の凝縮の結果として、加湿チャンバ内での水の使用量が不十分になる。

病院環境では、病院環境内での雰囲気の周囲温度が例えば空調によって制御される場合、装置により供給される加湿ガスの所要温度は、導管内での凝縮を阻止するよう周囲温度に十分近い設定温度パラメータ内で制御できる。しかしながら、ガスが実際に患者に供給されるときのガスの温度及び湿度の良好な制御を行うことは依然として必要である。

ユーザが家庭で加湿装置を用いることが必要な家庭治療環境では、周囲温度及びガス温度の範囲は、病院環境の範囲を多分に越える場合がある。家庭内治療環境では、ユーザは通常、導管の端部に連結された顔マスクを装着し、かかる加湿器は、呼吸疾患及び睡眠時無呼吸症候群の治療のために家庭環境で及び（又は）ベンチレータ又はＣＰＡＰ装置と関連して用いられる場合がある。更に、非稼働状態にある加湿器は、一般に、公知のパスオーバー型加湿法を利用して用いられる。

患者の体腔を手術のために膨らませる医療処置の場合、例えば腹腔鏡下手術又は内視鏡下手術の場合、体腔に流入するガスは、体腔組織の乾燥を引き起こさないようにすると共に患者の回復期間を短くするために湿っている共に体温の状態であることが重要である。

フィッシャー・アンド・ペイケルに付与された米国特許出願第５，６４０，９５１号明細書では、加熱導管の端部のところに設けられた温度プローブを有する加湿呼吸補助装置用加熱導管が開示されている。導管を加熱することにより、導管内における凝縮に関連した問題を解決することができる。しかしながら、供給ガスの温度（したがって、導管内発熱体２１に入力される電力）の閉ループ制御を実施するためには、ガスの供給温度にできるだけ近い温度を測定することが必要である。温度プローブ及びこの目的のために設けられたその関連配線は、顔マスク又は挿管状態の患者への取付けを嵩張ったものにし、したがって患者にとって不快なものになる。また、他の医療処置の場合でも、プローブ及び関連の配線の結果として、手術導入箇所のところに嵩張った取付けが生じ、これらは外科医にとって障害となり又は導入箇所の周りに褥瘡を生じさせる。

フィッシャー・アンド・ペイケル・ヘルスケア・リミテッド名義の国際公開第ＷＯ０１／１３９８１号パンフレットは、加湿ガスを所望レベルの湿度で患者に送り出すようになった呼吸補助装置を開示しており、かかる呼吸補助装置は、加湿器及び加熱導管を有する。加湿器は、ガス流量のパラメータを求め、次に加湿器への所要電力入力を求めてガスを所要の患者湿度で患者に送り出す制御装置を有している。第２の形態では、導管内発熱体が設けられ、制御装置は、これが正確に制御装置に連結されているかどうかを判定する。加湿器のヒータプレートは、特定の温度（設定値）に合わせて制御され、又はヒータプレート電力は、流量及び（又は）周囲温度の推定又は測定により制御される。導管内の発熱体は、流量及び周囲温度の測定又は推定によりヒータへの電力を制御することにより制御される。これにより、プローブ又は外部センサが不要になる。この装置のブロワ又はファンは、ＣＰＡＰを治療する目的で圧力制御される。このシステムでは、患者に供給されるガスの湿度は、特に高流量では正確ではない。

本発明の目的は、上述の欠点を解決する或る方法を提供し又は有用な選択で一般大衆又は少なくとも一般大衆又は産業界に有用な選択肢を提供する加湿システムを提供することにある。

したがって、本発明の要旨は、第１の特徴では、加湿ガスを所望レベルの湿度、流量及び温度で患者に送り出すようになった加湿システムであって、
（ａ）ガスの流れを提供するガス供給手段と、
（ｂ）電気的入力電力を有し、ガスを患者への送り出しに先立って或るレベルの湿度まで加湿することができる加湿手段と、
（ｃ）加湿手段へのガスの導入前にガスの流量を求める流量測定手段と、
（ｄ）加湿手段へのガスの導入前にガスの湿度を測定する湿度検出手段と、
（ｅ）加湿システムの外部の空気の温度を測定する第１の温度検出手段と、
（ｆ）発熱手段を有していて、加湿手段からの加湿ガスを患者に運ぶ運搬経路手段と、
（ｇ）制御手段とを有し、制御手段は、
ｉ）少なくとも第１の温度検出手段によって測定された空気の温度及び流量測定手段により測定されたガスの流量に基づいて運搬経路発熱手段の入力電力を求め、
ｉｉ）少なくとも流量測定手段により測定されたガスの流量及び湿度検出手段により検出されたガスの湿度に基づいて湿度手段への入力電力を求めて患者に供給されるガスの所望の湿度、流量及び温度を達成するようにするための記憶命令を含むことを特徴とする加湿システムにある。

本発明の要旨は、別の特徴では、加湿ガスを所望レベルの湿度、流量及び温度で患者に送り出すようになった加湿システムであって、
（ａ）ガスの流れを提供するガス供給手段と、
（ｂ）電気的入力電力を有し、ガスを患者への送り出しに先立って或るレベルの湿度まで加湿することができる加湿手段と、
（ｃ）加湿手段へのガスの導入前にガスの流量を測定する流量測定手段と、
（ｄ）加湿手段へのガスの導入前にガスの湿度を測定する湿度検出手段と、
（ｅ）加湿システムの外部の空気の温度を測定する第１の温度検出手段と、
（ｆ）水加熱手段の温度を測定する第１の温度検出手段と、
（ｇ）発熱手段を有していて、加湿手段からの加湿ガスを患者に運ぶ運搬経路手段と、
（ｈ）制御手段とを有し、制御手段は、
ｉ）少なくとも第１の温度検出手段によって測定された空気の温度及び流量測定手段により測定されたガスの流量に基づいて運搬経路発熱手段の入力電力を求め、
ｉｉ）少なくとも流量測定手段により測定されたガスの流量及び湿度検出手段により測定されたガスの湿度に基づいて水加熱手段の所要温度を求め、
ｉｉｉ）第２の温度検出手段から水加熱手段の実際の温度を求め、
ｉｖ）水加熱手段の入力電力を変化させて実際の温度が所要温度に近づくようにし、それにより患者に供給されるガスの所望の湿度、流量及び温度を達成するための記憶命令を含むことを特徴とする加湿システムにある。
本発明の要旨は、更に別の特徴では、加湿ガスを所望レベルの湿度、流量及び温度で患者に送り出すようになった加湿システムであって、
（ａ）ガスの流れを提供するガス供給手段を有し、
（ｂ）電気的入力電力を有し、ガスを患者への送り出しに先立って或るレベルの湿度まで加湿することができる加湿手段を有し、加湿手段は、ガス供給手段からのガスを受け入れるための入口及びガスを患者に送るための出口を有し、
（ｃ）加湿手段へのガスの導入前にガスの流量を測定する流量測定手段を有し、
（ｄ）加湿手段へのガスの導入前にガスの湿度を測定する湿度検出手段を有し、
（ｅ）加湿システムの外部の空気の温度を測定する第１の温度検出手段を有し、
（ｆ）出口から出るガスの温度を測定する第２の温度検出手段を有し、
（ｇ）発熱手段を有していて、加湿手段からの加湿ガスを患者に運ぶ運搬経路手段と、
（ｈ）制御手段とを有し、制御手段は、
ｉ）少なくとも第１の温度検出手段によって測定された空気の温度及び流量測定手段により測定されたガスの流量に基づいて運搬経路発熱手段の入力電力を求め、
ｉｉ）少なくとも流量測定手段により測定されたガスの流量及び湿度検出手段により測定されたガスの湿度に基づいて出口から出るガスの所要温度を求め、
ｉｉｉ）出口から出るガス実際の温度を２の温度検出手段から求め、
ｉｖ）水加熱手段の入力電力を変化させて実際の温度が所要温度に近づくようにし、それにより患者に供給される前記ガスの所望の湿度、流量及び温度を達成するための記憶命令を含むことを特徴とする加湿システムにある。

本発明と関連した当業者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく本発明の多種多様な実施形態及び用途における構成の多くの変更を想到できよう。本明細書における開示内容は、純粋に例示であり、本発明を何ら限定するものではない。

次に添付の図面を参照して本発明の好ましい一形態を説明する。
本発明の加湿システムには、病院環境で使用されようと家庭医療環境で使用されようといずれにせよ、一般に、ガス供給源、例えば周囲空気、シリンダからのガス、他の圧縮ガス供給源又は注入器からのガス及び加湿システムから患者への運搬導管が関連しており、この運搬導管は好ましくは、凝縮すなわち「レインアウト（rain out）」を減少させるよう加熱される。

発熱体すなわち加熱エレメントが好ましくは、導管内での加湿ガスの凝縮を阻止するのに役立つよう導管内に設けられる。かかる凝縮は、導管の壁の温度が通常は導管内の加湿ガスの温度よりも低い周囲温度（周囲大気の温度である）に近いことに起因している。発熱体は、導管を通る運搬中に熱伝導及び対流によりガスから失われたエネルギを効果的に埋め合わせする。かくして、導管内発熱体は、送り出されたガスが最適温度及び湿度状態になるようにする。

本発明の加湿システムは、種々の用途、例えば腹腔鏡下、眼科又は他の外科処置、気管切開術が施された患者及びガス注入に用いることができる。
本発明の加湿システムは、加湿ガス供給源の供給を必要とし又はその恩恵を受ける任意の治療で用いることができる。

本発明は、ガスの流れが、流れ駆動装置（例えば、ブロワ、ファン、圧縮機又は注入器）、加湿チャンバ、次に加熱送出し導管を順番に通過する加湿システムを提供する。このシステムは、ガスの流量、湿度及び温度を制御するために取られる測定値が内部で検出され、したがって患者又はオペレータの邪魔になるようなコンポーネントへの外部センサ又は電気リード線が不要になるようにするよう構成されている。これは、余剰のセンサのコストを節約するだけでなく、システムをセットアップしたり動作させたりクリーニングするのを簡単且つ容易にする。

典型的なブロワと加湿器の組合せは、ＯＳＡの治療向きに設計されており、これらは、圧力制御装置である。また、これらブロワと加湿器の組合せは、スタンドアロン型ブロワとして用いられ又は簡単な加湿器と組み合わせて用いられるよう設計されている。したがって、これら組合せは典型的には、低レベル、即ち２８〜３２ｍｇ／Ｌの湿度を送り出す。本発明は、典型的には患者の吸入流量要件（即ち、ピーク吸入流量）を提供するよう用いられた或る範囲の流量にわたり体温飽和ガス（室温で３７℃及び４４ｍｇ／Ｌ）を送り出すようになっている。

加湿システムは、圧力制限型流量制御装置として働き、したがってこの加湿システムは、ガスの流量を患者によって設定されたレベルに調節する。したがって、このシステムを用いると、バイパスエアウェイが確保された、例えば気管切開術又は鼻カニューレ又はマスクが装着された患者のため又は高流量ガスを必要とする他のシステムのために加湿ガスを送り出すことができる。これが、多くの患者に家庭環境と病院環境の両方において恩恵を与える可能性を備えている。

本発明の加湿システムは、加湿チャンバに先立って、流量、湿度、温度及び圧力の任意の組合せの予想又は測定を介して且つ検出した周囲温度を用いて送り出されたガス条件の非常に正確な制御を可能にする。次に、所要の発熱体電力、ヒータプレートの温度設定値及び（又は）ヒータプレートの電力の計算を後で行って最適湿度、温度及び流量を達成することができる。３７℃であり、ほぼ大気圧で１Ｌ当たり４４ｍｇの水蒸気を含むガスが患者の健康にとって「最適」であることを示唆する臨床上のデータが存在する。
本発明は、加湿ガスを所望レベルの湿度、流量及び温度で患者に送り出すようになった加湿システムである。

図１を参照すると、加湿システム１を通るガスの流れは、室内の空気から、入口２（これは又、フィルタ等を有するのがよい）を通り、内部ファンユニット３（ブロワ等）に流入し、次にこれを接合部９のところで追加の加圧ガス供給源と混合するのがよく、次にこれが入口ポート１０を経て加圧チャンバ４内に流入する。加圧システムの好ましい形態では、追加のガス供給源をファンからのガスと混合するが、本発明の他の形態では、追加のガス供給は行われない。

加圧チャンバの下にはヒータプレート５が設けられ、このヒータプレートは、チャンバ４内に保持された水を加熱する。ガスは、チャンバ４から出て、加湿システム１から加熱送出し導管６に流れると共に患者（図示せず）に流れる。制御装置（図示せず）が、上述の全てのコンポーネントに接続され、これらを制御しており、この制御装置については以下に詳細に説明する。

図１及び図４を参照すると、好ましい実施形態では、ファンユニット３、チャンバ４及びヒータプレート５を含む加湿器、及びこれらの種々の制御装置は、単一のハウジング１３内に収納されており、ファン、加湿器及びガスの種々の内部パラメータをモニタするために用いられるセンサは、ガス入口２を包囲する周囲空気の検出を可能にするようハウジング１３から僅かに外へ延びている外部ガス周囲空気温度センサ（Ｔ_amb）１２を除き、ハウジング１３内に位置している。

好ましい実施形態では、加湿チャンバは、図４に示すようにハウジングから外部に延び、この加湿チャンバは、使用中、患者又は他のユーザにより取外し及び交換が可能である。また、加湿チャンバ４の入口ポート１０は、ハウジング１３の内部に位置している。ガスがハウジング１３の外部の周囲空気から引き込まれるハウジング１３の入口２は、ハウジング１３の端部に設けられているが、実際には、ハウジング１３内の任意適当な箇所に配置できる。図４と関連して上述した実施形態及び図４は、本発明の加湿システムのハウジングの一形態を示している。

本発明の好ましい形態では、加湿システム内に用いられるファン３又は流れ源は、電動ファンである。さらに、加湿チャンバ４は、電動ヒータプレート５の上に位置し、電動発熱体は、送出し回路６内に位置することが好ましい。これら実施形態は、説明の目的上のためだけに用いられている。任意他の適当な実施形態に同一の制御方式を適用してもよく、例えば、ファンに代えて圧縮機を用い、チャンバに代えて加熱エーロゾル発生器を用い、そしてヒータに代えて温水ジャケットを用いてもよい。

図１〜図４に示すような本発明の実施形態では、オリフィスプレート７は、流量センサ及び圧力センサとして用いられる。オリフィスプレートにより、ガスはファンを出た後のガスの圧力の測定が可能になる。これら測定から、ガスの速度（流量）を計算することができる。しかしながら、本発明の他の形態では、他の流量検出装置、例えばベンチュリ又は熱線電流計を用いてもよいことは理解されるべきである。さらに、他の実施形態では、ファンの後に測定を行う流量センサ及び圧力センサは、実際には別々のセンサであってよい。

ガスの流量の制御
再び図１を参照すると、加湿システム１を通るガスの全流量の一部又は全ては、室内の周囲空気から入口２（これは、フィルタ等を更に有するのがよい）を通って内部ファンユニット３内へ流れる。好ましくは、内部ファンユニット３は、外部周囲空気を加湿システム中へ送り込む電気ファンである。全流量の一部を追加の加圧ガス供給源８から供給でき、この追加の加圧ガス供給源は、接合部９のところで空気と混じり合う。好ましくは、加圧ガスは、酸素であり、したがって患者に送られる空気と酸素の混合物は、酸素が豊富であるようになっている。ユーザは、酸素の濃度を変えることができるのが好ましい。

図１及び図２を参照すると、好ましい実施形態では、加湿システム１を通るガスの流量は、ファン３の出口及びオリフィスプレート７の後に図１に示すように位置するオリフィスプレート７の両側の圧力を検出することにより測定される。オリフィス７のファン３側の圧力は、Ｐ_fで示され、下流側の圧力は、Ｐ_inで示される。この流量検出方法は、当該技術分野において周知であり、オリフィスプレートをキャリブレーションすると測定流量と呼ばれる正確な流量測定値が得られる。次に、ガスの測定流量がユーザによって設定された設定流量に近づくように、（ファンへの電力又はファンＩ_fanへの電流を変えることにより）ファン速度Ｖ_fanを変化させる。

流量センサの点検
流量センサ（オリフィスプレート７）の正確な動作をモニタしたり点検するには、精度の低い流量推定法を利用して流量動作範囲を見出すのがよく、流量センサはこの範囲から外れていれば、センサは、故障していることが分かる。これにより、安全性が向上すると共に装置が或る程度の異常に対して耐性を持つことができる。加湿システムは、動作し続けることができ又は警報装置に信号を送って装置が安全モードに切り換わるようにすることができる。用いられる流量推定法は、フィッシャー・アンド・ペイケル・リミテッド名義の国際公開第ＷＯ０１／１３９８１号パンフレットに記載されているものであるのがよく、この場合、流量はファン速度及びファンへの負荷から推定し、又は流量をヒータプレートの検出温度とヒータプレートによって消費された電力の関係から推定することができる。なお、かかる国際公開パンフレットの内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する。

ガスの湿度のレベルの制御−ヒータプレート制御
図１及び図２を参照すると、加湿システム１を通るガスは、流量センサ７から短い導管を下り、温度センサ１５及び湿度センサ１６を越えて加湿チャンバ４内へ流れ続ける。加湿チャンバ４内の水は、ヒータプレート５と熱的接触状態にある。水の加熱は、加湿チャンバ４の湿度出力に直接影響を及ぼす。したがって、ガスが加湿チャンバ４から流出して出口ポート１１から出るので、ガスに含まれる湿度レベルは、ヒータプレート５の発熱体（図示せず）への電力入力により影響を受ける。逆に、ガス内に含まれている湿度レベルは、加湿チャンバ４内の水の温度又はその結果としてのヒータプレート５の温度によって影響を受ける。

システムにより患者に送り出されるのに必要なガスの湿度及び流量は、ユーザによって選択され、かくして加湿手段によって送り出されるのに必要なエネルギは知られており、これについては以下に説明する。上記加湿チャンバ４に流入するガスのエネルギも又、加湿チャンバ４の前に位置する流量センサ１４（オリフィスプレート７として図１に示されている）、湿度センサ１６及び温度センサ１５をそれぞれ用いることにより流量、湿度及び温度の検出から分かる。本発明で採用される湿度制御方式の基本は、エネルギの節約である。したがって、加湿チャンバ４に出入りするエネルギが分かり、所要のエネルギが確実に加湿チャンバ４から出るようにするためにヒータプレートが加える必要があるエネルギを、エネルギの保存則を用いて計算することができる。

加湿システムの好ましい形態では、加湿チャンバは、加湿チャンバ内の水の容積が常時一定のままであるようにする水自動供給機構を有している。さらに、この自動供給機構は、水の熱容量が一定のままであるようにし、これにより加湿器に必要な制御の複雑さが一段と単純化される。この用途に適した自動供給機能を備えている加湿チャンバは、フィッシャー・アンド・ペイケル・リミテッドの米国特許第５，４４５，１４３号明細書に記載されており、この米国特許明細書の内容全体を本明細書の一部を形成するものとしてここに援用する。この自動供給方式のチャンバ内では、加湿チャンバ内の水位は、短期間にわたり多量の冷水である。これは、チャンバの湿度出力に大幅に影響を及ぼす。

加湿器は、極めて定常状態にあり、一定流量のガス及び少量の水が低い熱慣性でチャンバに絶え間なく追加される。この定常状態により、定常流量エネルギ方程式の適用が可能になる。ヒータプレートに供給されるのが必要な電力の量を以下のように計算することができる。
Ｑ_hp＝Ｑ_out−Ｑ_in (数１）
上式において、Ｑ_outは、ユーザにより特定される定数であり、Ｑ_inは、流入ガス量のエンタルピーであり、これは、流入ガス流の温度及び湿度で決まる。したがって、
Ｑ_hp＝Ａ＋Ｂ・Ｈ_absolute＋Ｃ・Ｔ_in (数２）
となる。

ここで、
Ｑ_hp＝ヒータプレート電力、
Ｑ_out＝チャンバから流出するガスのエネルギ、
Ｑ_in＝チャンバ内に流入するガスのエネルギ、
Ｈ_absolute＝加湿チャンバの入口のところでの絶対湿度、
Ｔ_in＝加湿チャンバの入口のところのガス温度、
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ＝特定の流量及び出力湿度レベルについて実験的に求められた定数、
Ｔ_hp＝ヒータプレート温度である。

変形例として、ヒータプレート設定温度を次式３を用いて計算できる。
Ｔ_hp＝Ｄ＋Ｅ・Ｈ_absolute＋Ｆ・Ｔ_in （式３）
この方程式において、この特定のシステム内の熱抵抗を考慮に入れており、これらは実験的に見出される。

ユーザは、送り出されるべき所望の流量及び湿度オプション、例えば、４０Ｌ／分及び４４ｍｇ／Ｌを選択し、ヒータプレート制御装置１７は、オプションのこの組合せについて知られている定数（即ち、Ｄ＝９６．３７、Ｅ＝−０．７９、Ｆ＝−０．２２）を用い、加湿手段に流入するガスの温度及び湿度レベル（例えば、Ｔ_in＝３５℃、Ｈ_absolute＝８．７５ｍｇ／Ｌ）を測定し、次にヒータプレート温度設定値を以下のようにして計算する。

Ｔ_hp＝９６．３７−０．７９・Ｈ_absolute−０．２２・Ｔ_in （式４）
Ｔ_hp＝９６．３７−０．７９×８．７５−０．２２×３５ （式５）
ここで、Ｔ_hp＝ヒータプレート温度である。

変形例として、ヒータプレート設定温度を次式を用いて計算できる。
Ｔ_hp＝Ｄ＋Ｅ・Ｈ_absolute＋Ｆ・Ｔ_in （式６）
この方程式において、この特定のシステム内の熱抵抗を考慮に入れており、これらは実験的に見出される。

ユーザは、送り出されるべき所望の流量及び湿度オプション、例えば、４０Ｌ／分及び４４ｍｇ／Ｌを選択し、ヒータプレート制御装置１７は、オプションのこの組合せについて知られている定数（即ち、Ｄ＝９６．３７、Ｅ＝−０．７９、Ｆ＝−０．２２）を用い、加湿手段に流入するガスの温度及び湿度レベル（例えば、Ｔ_in＝３５℃、Ｈ_absolute＝８．７５ｍｇ／Ｌ）を測定し、次にヒータプレート温度設定値を以下のようにして計算する。

Ｔ_hp＝９６．３７−０．７９・Ｈ_absolute−０．２２・Ｔ_in （式７）
Ｔ_hp＝９６．３７−０．７９×８．７５−０．２２×３５ （式８）
Ｔ_hp＝８１．６６℃ （式９）

８．７５ｍｇ／Ｌの水蒸気を含む３５℃のガスが存在し、これらガスが４０Ｌ／分で加湿チャンバに流入している場合、ヒータプレート温度設定値は、計算により８２℃である。検出したヒータプレート温度がその設定値に近づくと、チャンバからの湿度出力は、４４ｍｇ／Ｌに近づく。

本発明の別の実施形態は、当該技術分野で知られている閉ループ制御を可能にするよう加湿手段の出口に設けられたセンサを有するのがよいことは理解されよう。本発明の新規な技術的思想をかかるシステムに組み込んで治療の技術的進歩を可能にすることができる。多くの現行の加湿器は、出口のところに設けられた温度センサ等を用い、ガスが飽和状態に近いという仮定を行い、そして乾球温度設定値に合わせた制御を行う。飽和の仮定は、或る入口条件、例えば高い入口温度又は湿度の場合不正確であり、これにより送り出される絶対湿度が所望の又は最適なレベルから大幅に外れる場合がある。本発明のこの別の実施形態は、加湿手段の入口のところに湿度センサを追加した状態で一般的な閉ループ制御法下で動作する。このようなセンサにより得られる情報により、絶対湿度の所望レベルを達成するのに必要な正確な乾球温度設定値の推定が可能になる。この設定値の計算は、方法及び原理が上述の計算に類似している。この実施形態のこの加湿システムは、現在利用できる加湿器よりもその飽和ガスの送出しの信頼性がかなり高い。

特に、図１は、加湿チャンバを出たガスの温度を求めるために加湿チャンバ４の出口１１のところに設けるのがよいかかる追加の温度センサ２３を示している。センサＴ_out２３は好ましくは、出口又は加湿器ハウジング内に設けられ、したがってセンサ２３への外部配線用リード線は不要になる。このセンサ２３は、湿度出力を制御するよう上述したのと非常によく似たやり方で使用できる。事実、ヒータプレート温度又はチャンバから出たガスの温度のいずれかの測定を利用すると、湿度出力を制御することができる。この場合、湿度出力を制御するために用いられていない２つのうちの他方を安全点検手段として用いるのがよく、この安全点検手段は、閾値よりも高い温度が検出されると加湿システムをオフに切り換える。

ガスの湿度及び温度の制御−加熱送出し導管の制御
図１及び図２に示すように、ガスの流れはチャンバ４から出て、ガスは加湿システム１から加熱送出し回路６及び患者２２に流れる。加熱送出し回路６は、これを貫通して延びる加熱ワイヤ２１を有するプラスチック導管であり、例えば、全てフィッシャー・アンド・ペイケル・ヘルスケア・リミテッドのニュージランド国特許第５１６３８７号明細書、第５１４３１４５号明細書及び第５２１０１７号明細書書のうちいずれか一に開示されているプラスチック製導管であり、これらニュージーランド国特許明細書の内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに援用する。送出し導管は、管壁内に押し出されたワイヤを有する。導管は、適当なプラスチック材料、例えば軟質ポリマーから押し出される。導管は、導管壁の表面から延びる隆起部又はリブを有する。各リブは、導管の中心に向かって延び、発熱体、通常は導管の長さに沿って埋め込まれたワイヤを有する。ヒータワイヤは、銅、銅合金又は他の適当な導電性材料、例えばＰＴＣヒータから作られたものであるのがよい。ヒータワイヤは、ポリマー導管の押出し時に同時押出し法により導管のリブ内に埋め込まれる。

加熱送出し回路６は、患者２２によって受け取られるガスの温度を制御する。患者に送り出されるガスの温度と導管内の任意の箇所でのガスの温度の両方を制御する。加湿チャンバから得られた加湿ガスを運ぶためには、ガスを送出し回路内の任意の箇所において露点温度よりも高く維持されなければならない。その目的は、水蒸気の全てを運ぶと共に凝縮を回避することができるようにすることにある。図２を参照すると、導管ヒータ制御装置１８は、部屋の周囲温度Ｔ_ambには基づかない特定の湿度設定値及び流量設定値が得られるよう送出し導管６を加熱するために用いられることが必要な電力を計算する。この周囲温度は、ファン入口２のところの温度センサ１２（図１参照）によって測定され、この周囲温度により、周りの周囲条件への送出し導管６からの熱の損失量の計測が可能になる。これら周囲温度と患者のところに所望の温度を達成するために、送出し導管６を加熱するために用いられる電力の関係は、実験により見出される。

酸素混合
図３を参照すると、好ましい形態における本発明の加湿システムは、追加のガス、好ましくは酸素をガス流中に混合するための外部ポートを有している。ポート４０は、加圧酸素源に連結され、それにより、酸素が加湿器の前であるがファン３の後に位置する箇所で加湿システムを通るガス流に追加される。

空気と酸素を混合するのに混合機を用いることが通例であるが、これには、一般には利用できない圧縮酸素及び空気供給源の両方が必要であり、混合機は又高価でもあり、かくして大きな追加の費用が加わる。空気と酸素を混合する他の一般的な方法は、空気同伴機を用いることである。空気同伴機は、酸素の高速ジェットを用いて周囲の室内空気を剪断し、それによりこの周囲空気の何割かを引き込み、下流側へのガスの混合流を生じさせることにより動作する。空気同伴機の大きな欠点は、下流側の導管の流れに対する抵抗が大きい場合、空気同伴機は、これを克服する駆動圧を生じさせることができず、かくして流れを発生させることができないということにある。本発明の好ましい実施形態はガスを患者に送り出す長いフレキシブル導管を有しているので、空気同伴機は、この環境では機能しない。

加湿システムの好ましい実施形態では、システムを流通するガスの酸素濃度を測定するため、酸素濃度計（図示せず）が４２の場所と同様な場所で混合ガス流中に設けるか、又は流入する酸素の流れ４１、ファン３からのガスの流れ及び混合ガス流４２についてそれぞれ１つづつ設けられた３つの流量計４１，４２，４３を設ける。これら３つのセンサのいずれか１つは、安全のため万全を期して設けられたものであり、全流量及び酸素濃度は、これらセンサのうち任意の２つから計算でき、もし万が一これらセンサのいずれか１つが故障してもこれらの量は依然として分かる。酸素は高濃度では有害な場合があるので、この測定は正確であることが重要である。これは、ユニット上に表示され、臨床上の決定をこの情報に基づいて行うことができる。ガス流中への入力量の融通性が得られるようにするため、流量制御ノブを備えたニードル弁４４が酸素ポート４０のところに設けられる。これにより、ユーザは、加湿システム内への酸素流の量を変えることができ、究極的には患者により吸入される酸素の濃度を変えることができる。

オーバーヒート検出
本発明の加湿システムは、導管ヒータプレート制御装置１８内に、送出し導管オーバーヒート検出システム、例えばフィッシャー・アンド・ペイケル・ヘルスケア・リミテッドのニュージランド国特許第５１６３８７号明細書に開示されている送出し導管オーバーヒート検出システムを有し、このニュージランド国特許明細書の内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに援用する。発熱体のためのかかる検出システムは、導管が高温である場合、導管内の発熱体により消費される電流が所定限度を超えた導管オーバーヒートを検出する方法を含む。検出システムは、ヒータ及び導管を安全モードに切り換え、次に導管内の発熱体の温度が安全レベルにいったん減少すると、動作モードに戻すことができるようにする。この装置は、発熱体中の電流を検出するセンサ及び発熱体中の電流を安全電流範囲に減少させるようアルゴリズムを実行する制御装置を有している。導管が２本の脚部を有している場合、センサは、脚部の各々中の電流を検出し、これら電流相互の差を求め、差が所定限度に近い場合、発熱体の各々への電力を減少させる。

電空式コネクタ
本発明の加湿システムの好ましい形態では、送出し導管６は、電空式コネクタ、例えば、フィッシャー・アンド・ペイケル・ヘルスケア・リミテッドのニュージランド国特許５１９３７４号明細書に記載されている電空式コネクタにより出力ポート１１に連結されており、このニュージランド国特許明細書の内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに援用する。特に、この種のコネクタは、導管がこの中に延び、この中全体に延び、そしてこの周りに延びる発熱体又は電線を有する場合に利用される。導管は、電気的連結器１９と空気圧的連結器２０の両方を提供するコネクタにより加湿チャンバに連結されている。図４では、シングルポート型電空式コネクタのチャンバ４側だけが示されている。この形態では、シングルポート型コネクタは全体が管状であり、このシングルポート型コネクタは、空気圧的連結器が導管内の電線への電力を提供する一体形電気ポートを有するねじ込み式、摺動カラー型又は差込み型結合方式によるものである場合、雄型部分及び雌型部分を有する。

本発明の加湿システムの略図である。 本発明の加湿システムの詳細ブロック図である。 本発明の加湿システムの酸素ポートの略図である。 単一ハウジング内に収納された状態の本発明の加湿システムの斜視図である。

Claims (22)

1. 加湿ガスを所望レベルの湿度、流量及び温度で患者に送り出すようになった加湿システムであって、
   （ａ）ガスの流れを提供するガス供給手段と、
   （ｂ）電気的入力電力を有し、前記ガスを前記患者への送り出しに先立って或るレベルの湿度まで加湿することができる加湿手段と、
   （ｃ）前記加湿手段への前記ガスの導入前に前記ガスの流量を求める流量測定手段と、
   （ｄ）前記加湿手段への前記ガスの導入前に前記ガスの湿度を測定する湿度検出手段と、
   （ｅ）前記加湿システムの外部の空気の温度を測定する第１の温度検出手段と、
   （ｆ）発熱手段を有し、前記加湿手段からの前記加湿ガスを前記患者に運ぶ運搬経路手段と、
   （ｇ）制御手段とを備え、該制御手段は、
   ｉ）少なくとも前記第１の温度検出手段によって測定された前記空気の前記温度及び前記流量測定手段により測定された前記ガスの前記流量に基づいて運搬経路発熱手段の入力電力を求め、
   ｉｉ）少なくとも前記流量測定手段により測定された前記ガスの前記流量及び前記湿度検出手段により検出された前記ガスの前記湿度に基づいて湿度手段への入力電力を求めて前記患者に供給される前記ガスの前記所望の湿度、流量及び温度を達成するようにするための記憶命令を含む、
   ことを特徴とする加湿システム。
2. 前記加湿手段は、或る量の水を受け入れるようになった加湿チャンバと前記水を加熱する水加熱手段とを有し、前記ガスは、前記加湿チャンバを通り、ガス入口を通り、そしてガス出口から出て前記水を蒸発させ、それにより前記ガスは加湿される、
   ことを特徴とする請求項１記載の加湿システム。
3. 前記加湿システムは、前記水加熱手段の温度を測定する第２の温度検出手段を更に有している、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の加湿システム。
4. 加湿ガスを所望レベルの湿度、流量及び温度で患者に送り出すようになった加湿システムであって、
   （ａ）ガスの流れを提供するガス供給手段と、
   （ｂ）電気的入力電力を有し、前記ガスを前記患者への送り出しに先立って或るレベルの湿度まで加湿することができる加湿手段と、
   （ｃ）前記加湿手段への前記ガスの導入前に前記ガスの流量を測定する流量測定手段と、
   （ｄ）前記加湿手段への前記ガスの導入前に前記ガスの湿度を測定する湿度検出手段と、
   （ｅ）前記加湿システムの外部の空気の温度を測定する第１の温度検出手段と、
   （ｆ）水加熱手段の温度を測定する第１の温度検出手段と、
   （ｇ）発熱手段を有し、前記加湿手段からの前記加湿ガスを前記患者に運ぶ運搬経路手段と、
   （ｈ）制御手段とを有し、該制御手段は、
   ｉ）少なくとも前記第１の温度検出手段によって測定された前記空気の前記温度及び前記流量測定手段により測定された前記ガスの前記流量に基づいて運搬経路発熱手段の入力電力を求め、
   ｉｉ）少なくとも前記流量測定手段により測定された前記ガスの前記流量及び前記湿度検出手段により測定された前記ガスの前記湿度に基づいて前記水加熱手段の所要温度を求め、
   ｉｉｉ）前記第２の温度検出手段から前記水加熱手段の実際の温度を求め、
   ｉｖ）前記水加熱手段の入力電力を変化させて前記実際の温度が前記所要温度に近づくようにし、それにより前記患者に供給される前記ガスの前記所望の湿度、流量及び温度を達成するための記憶命令を含む、
   ことを特徴とする加湿システム。
5. 前記加湿システムは、前記加湿手段への前記ガスの導入前にガスの温度を測定する第３の温度検出手段を更に有している、
   ことを特徴とする請求項４記載の加湿システム。
6. 前記制御手段は、前記流量測定手段により測定された前記ガスの前記流量、前記湿度検出手段により測定された前記ガスの前記湿度及び前記第３の温度検出手段により測定された前記ガスの温度に基づいて前記加湿手段の入力電力を求める命令を更に含む、
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の加湿システム。
7. 前記加湿システムは、前記加湿手段への前記ガスの導入前に前記ガスの圧力を測定する圧力検出手段を有している、
   ことを特徴とする請求項４〜６のうちいずれか一に記載の加湿システム。
8. 前記制御手段は、前記流量測定手段により測定された前記ガスの前記流量、前記湿度検出手段により検出された前記ガスの前記湿度、前記第３の温度検出手段により検出された前記ガスの前記温度及び前記圧力検出手段により測定された前記ガスの前記圧力に基づいて前記加湿手段の入力電力を求める命令を更に含む、
   ことを特徴とする請求項４〜７のうちいずれか一に記載の加湿システム。
9. 前記加湿システムは、追加のガス入力ポート及び前記ガスの酸素濃度を測定するようガスの前記流れ中に配置された少なくとも１つの酸素検出手段を有している、
   ことを特徴とする請求項４〜８のうちいずれか一に記載の加湿システム。
10. 前記追加のガス入力ポートは、前記加湿システムを通るガスの前記ガスの流れへの酸素の追加を可能にする、
    ことを特徴とする請求項９記載の加湿システム。
11. 前記制御手段は、前記流量測定手段により測定された前記ガスの前記流量、前記湿度検出手段により測定された前記ガスの前記湿度、前記第３の温度検出手段により測定された前記ガスの前記温度及び前記酸素検出手段により測定された前記ガスの前記酸素濃度に基づいて前記加湿手段の入力電力を求める命令を更に含む、
    ことを特徴とする請求項９又は１０記載の加湿システム。
12. 前記ガス供給手段、前記加湿手段、前記流量測定手段、前記湿度検出手段、前記第１及び第２の温度検出手段、前記圧力検出手段及び前記制御手段は、前記患者又は前記加湿システムの他のユーザの邪魔にならないよう前記加湿システムから延び又は前記加湿システムに取り付けられた外部センサ及び外部配線が存在しないよう単一ハウジング内に収容されている、
    ことを特徴とする請求項１又は７〜１１のうちいずれか一に記載の加湿システム。
13. 前記ハウジングは、前記ガス供給手段内へのガスのための外部入口及び前記加湿ガスのための出口を有し、前記出口は、前記加湿チャンバと前記運搬経路との間の電気的結合と空気圧的結合の両方を可能にするコネクタを経由して前記運搬経路手段に連結された前記加湿チャンバからのものである、
    ことを特徴とする請求項１２記載の加湿システム。
14. 前記加湿システムは、前記発熱手段のための運搬経路手段オーバーヒート検出装置を有し、該検出装置は、
    前記発熱手段中の電流を検出する手段を含む検出手段と、
    制御手段が、ｉ）前記検出手段から前記発熱手段中の前記電流の入力を受け取り、
    ｉｉ）前記電流が安全電流値未満であれば、前記発熱体への電力を動作電流値から少なくとも前記安全電流値に減少させ、さもなければｉ）に戻り、
    ｉｉｉ）前記発熱体への電力を所定時間後に前記動作電流値に増大させるようにするためのプログラムを格納した検出制御手段とを有する、
    ことを特徴とする請求項４〜１３のうちいずれか一に記載の加湿システム。
15. 前記運搬経路手段は、押出しプラスチック製管であり、前記発熱手段は、一部又は全部が前記壁内に収納されるよう前記管の壁内に埋め込まれた少なくとも２本の導電線である、
    ことを特徴とする請求項１４記載の加湿システム。
16. 前記押出しプラスチック製管の断面プロフィールは、曲げ中に完全な圧潰又は完全な閉塞が起こらないようなものである、
    ことを特徴とする請求項１５記載の加湿システム。
17. 前記押出しプラスチック製管は、様々な特性を持つ互いに異なるプラスチック材料の２以上の同時押出し層から成る、
    ことを特徴とする請求項１５又は１６記載の加湿システム。
18. 前記発熱手段は、例えばワイヤ又はテープ形態の正の温度係数の発熱体である、
    ことを特徴とする請求項４〜１７のうちいずれか一に記載の加湿システム。
19. 前記加湿手段は、チャンバ内の液体のレベルを制御するフロート弁システムを含み、前記フロート弁システムは、液体供給導管に結合可能な入口及び前記チャンバと連通するようになった出口を備える弁体と、前記弁体内に形成されていて、液体が前記出口に到達するために通過しなければならない第１の弁座と、前記第１の弁座の下流側に位置した状態で前記弁体内に形成されていて、液体が前記出口に到達するために通過しなければならない第２の弁座と、前記チャンバ内に設けられるようになった第１及び第２のフロートと、第１のフロートが前記チャンバ内の第１の所定の液体レベルに対応した位置を占めると、前記第１の弁座に当たって閉鎖するよう前記第１のフロートによって作動される第１の弁部材と、第２のフロートが、前記第１の所定の液体レベルよりも高い前記チャンバ内の第２の所定の液体レベルに対応した位置を占めると、前記第２の弁座に当たって閉じるよう前記第２のフロートによって作動される第２の弁部材と、前記第２のフロートに応答した前記第２の弁部材の変位を制御するために前記第２の弁部材に連結された円筒形作動部材と、前記第１のフロートに応答する前記第１の弁部材の変位を制御するために前記第１の弁部材に連結されていて、前記円筒形作動部材内に配置された内側作動部材とを有し、前記円筒形作動部材及び前記内側作動部材は、別個独立に前記第１及び第２のフロートをそれぞれの弁部材に連結し、前記第１の弁部材と前記第２の弁部材の自由な相対運動を可能にするよう動作できる、
    ことを特徴とする請求項４〜１７のうちいずれか一に記載の加湿システム。
20. 前記ガス供給手段は、変速電気モータにより駆動されるファンである、
    ことを特徴とする請求項４〜１９のうちいずれか一に記載の加湿システム。
21. 加湿ガスを所望レベルの湿度、流量及び温度で患者に送り出すようになった加湿システムであって、
    （ａ）ガスの流れを提供するガス供給手段を有し、
    （ｂ）電気的入力電力を有し、前記ガスを前記患者への送り出しに先立って或るレベルの湿度まで加湿することができる加湿手段を有し、前記加湿手段は、前記ガス供給手段からの前記ガスを受け入れるための入口及び前記ガスを前記患者に送るための出口を有し、
    （ｃ）前記加湿手段への前記ガスの導入前に前記ガスの流量を測定する流量測定手段を有し、ｓ
    （ｄ）前記加湿手段への前記ガスの導入前に前記ガスの湿度を測定する湿度検出手段を有し、
    （ｅ）前記加湿システムの外部の空気の温度を測定する第１の温度検出手段を有し、
    （ｆ）前記出口から出る前記ガスの温度を測定する第２の温度検出手段を有し、
    （ｇ）発熱手段を有していて、前記加湿手段からの前記加湿ガスを前記患者に運ぶ運搬経路手段と、
    （ｈ）制御手段とを有し、前記制御手段は、
    ｉ）少なくとも前記第１の温度検出手段によって測定された前記空気の前記温度及び前記流量測定手段により測定された前記ガスの前記流量に基づいて運搬経路発熱手段の入力電力を求め、
    ｉｉ）少なくとも前記流量測定手段により測定された前記ガスの前記流量及び前記湿度検出手段により測定された前記ガスの前記湿度に基づいて前記出口から出る前記ガスの所要温度を求め、
    ｖ）前記出口から出る前記ガス実際の温度を前記第２の温度検出手段から求め、
    ｖｉ）前記水加熱手段の入力電力を変化させて前記実際の温度が前記所要温度に近づくようにし、それにより前記患者に供給される前記ガスの前記所望の湿度、流量及び温度を達成するための記憶命令を含む、
    ことを特徴とする加湿システム。
22. 前記ガス供給手段、前記加湿手段、前記流量測定手段、前記湿度検出手段、前記第１及び第２の温度検出手段及び前記制御手段は、前記患者又は前記加湿システムの他のユーザの邪魔にならないよう前記加湿システムから延び又は前記加湿システムに取り付けられた外部センサ及び外部配線が存在しないよう単一ハウジング内に収容されている、
    ことを特徴とする請求項２１記載の加湿システム。

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