JP2009529953A - 高周波振動人工呼吸装置のための閉ループ制御システム - Google Patents

Abstract

高周波振動人工呼吸装置（ＨＦＯＶ）のための制御システムは、発振器コントローラと平均気道圧力（ＭＡＰ）コントローラとを含む。ＨＦＯＶは、患者気道への送達のための正と負の圧力波を生成することに適応する往復運動するピストンを含む。発振器コントローラは、ピストン往復運動の周波数および振幅とピストンの中心合わせとを調整することにまとめて適応する発振器圧力ループと中心合わせループとを含む１対の閉ループ制御回路を備える。ＭＡＰコントローラは、患者回路圧力の形のフィードバックを利用して患者におけるＭＡＰを調整するために適応する閉ループ制御回路を備える。同様に発振器コントローラは、ピストンの運動を調整するために患者回路圧力ならびにピストン変位フィードバックを利用する。

Description

本発明は、一般的には医療装置に関し、より特定的には患者に供給される呼吸空気に正および負の圧力波を生成するための高周波振動人工呼吸装置（ＨＦＯＶ）のための閉ループ制御システムに関する。好都合にも、本制御システムは、特に、平均気道圧力（ＭＡＰ）の正確な制御のための手段を提供しながら、ＨＦＯＶによって生成される圧力振動の正確な制御を可能にすることに適応している。

吸気期間中だけ換気して、呼気期間中の換気に関しては人間の生理的反応に頼る従来の人工呼吸装置（ベンチレータ）とは反対に、ＨＦＯＶは、ある種の肺疾患を患っている新生児および／または他の小児または成人患者といったあるタイプの患者の呼吸において極めて重要である活性呼気を生成する。場合によっては、患者の肺は、特に呼気期間中に適切な換気またはガス交換を与えることができない可能性がある。これに関してＨＦＯＶは特に、呼気期間における呼吸能力が損なわれている患者の十分なガス交換と十分な酸素供給とを与えるために開発されている。

ＨＦＯＶ患者換気システムの単純化された説明では、ＨＦＯＶは典型的には、比較的一定の気道圧力で肺と肺胞とを開いておきながら同時に患者に比較的小さな１回換気量を送達する。この小さな１回換気量は、典型的には毎秒呼吸回数で測定される、または１Ｈｚが毎秒１呼吸に等しいヘルツ（Ｈｚ）で測定される比較的速い呼吸数で肺に送達される。ＨＦＯＶは典型的には、人間の正常な呼吸数を大幅に超える呼吸数で動作する。例えばＨＦＯＶは、５Ｈｚ（すなわち毎秒５呼吸）という呼吸数で動作し得るが、成人の安静時呼吸数は典型的には１Ｈｚ未満である。

患者に送達される正および負の圧力波または圧力振動は典型的には、ＨＦＯＶ内に配置されたピストンによって生成される。このピストンは、所望の周波数で弾性ダイアフラム（隔膜）を迅速に動かすことに適応している。ピストンは正の値と負の値との間で方形波駆動装置の極性を切り替えることによって引き起こされる迅速な往復運動を誘発する方形波駆動装置によって電力供給されるリニアモータによって駆動され得る。方形波駆動装置における極性電圧または電流の変化は、ピストン振幅の比例的増加または減少を引き起こす。

ピストン変位が圧力振動を引き起こすので、ピストン振幅が大きいほど、患者に送達される１回換気量は大きくなる。ある患者は気道内に高い抵抗を持つことがあり、これが今度はピストンがその往復運動中に対抗して作動しなくてはならない大きな抵抗を生成する。したがって、ピストン運動（例えば振幅）の正確な制御は、患者に最適換気量を供給するために望ましい。

更に、ＨＦＯＶはまた概ね一定の気道圧力で肺と肺胞とを開いておかなくてはならないので、また異なる患者は異なるレベルの気道抵抗を有するので、ＭＡＰは調整可能であることが更に望ましい。患者人工呼吸システムにおけるＭＡＰの調整は典型的には、患者Ｙ字部に隣接して配置された呼気バルブによって容易にされる。理想的にはＭＡＰは、時間と共に肺胞に損傷を与える恐れがあり、また更に面倒な事態につながる可能性のある肺の膨張／収縮サイクルを抑制するために、肺と肺胞が開放状態に維持されるように調整される。

従来技術は、患者回路または肺システムに圧力パルスを発生させることに向けられた幅広い種々のＨＦＯＶを含む。例えばＢｉｓｅｒａ等に発行された、高周波人工呼吸装置（High Frequency Ventilator）と題する米国特許第４，４０９，９７７号は、圧搾空気によって活性化されるカテーテルに高周波空気パルス送達することに適応した高周波呼吸装置を開示している。Ｂｉｓｅｒａ装置は、密閉チャンバを形成する柔軟な袋と、１パルスごとにこの袋を圧縮し、それによって患者の肺に至るカテーテルに空気を送達するためにチャンバに圧力パルスを与える圧力源とを含む。

Ｊｅｎｓｅｎに発行された、高周波人工呼吸装置および方法（Oscillating Ventilator and Method）と題する米国特許第４，７１９，９１０号は、ハウジングに取り付けられたピストンであってモータに流れる電流の極性を交互に反転させるように動作可能である回路を介してハウジング内で往復運動するダイアフラム的に密閉されたピストンを有するＨＦＯＶを開示している。Ｊｅｎｓｅｎ装置は、患者に送達されるガス流内に分極した圧力波を送達するためにチューブを介して患者の気道に接続される。

Ｐｈｕｅに発行された、高周波人工呼吸装置（High Frequency Artificial Respirator）と題する米国特許第４，７８８，９７４号は、人工呼吸装置の患者回路が呼吸ガスを供給され、また振動発生器が呼吸ガスに高周波振動を与える高周波人工呼吸装置を開示している。これによって作り出された圧力波は、気道内でのガスの拡散を助け、患者に人工呼吸を与える患者回路内のガス流に送達される。

Ｉｎｏｕｅに発行された、高周波振動人工呼吸装置（High Frequency Oscillatory Ventilator）と題する米国特許第５，７０４，３４６号は、ピストンの往復運動を介して患者に高周波圧力を伝達するための装置を開示している。Ｉｎｏｕｅ装置は、ピストンによって生成される圧力を吸収するための袋であって、ピストンを駆動するために回転モータが使用され得るようにピストンストロークを変えずに患者におけるガス交換量を調整することを可能にする柔らかい袋を利用する。

Ｂｅｎｎａｒｓｔｅｎに発行された、高周波振動人工呼吸装置（High Frequency Oscillation Ventilator）と題する米国特許第６，６４０，８０７号は、あるガス量を交互に患者に供給し患者から除去するためのＨＦＯＶを開示している。Ｂｅｎｎａｒｓｔｅｎ ＨＦＯＶは、発振器ボリュームとは独立に患者への送達のために所望の吸気１回換気量を確立するために装置によって供給されるガス量を配分するための流れコントローラを含む。

Ｃｈｕ等に発行された、往復運動ピストン人工呼吸装置のためのサーボ制御システム（Servo Control System for a Reciprocating Piston Ventilator）と題する米国特許第４，６１７，６３７号は、ピストンの往復運動を制御するための予測サーボ制御システムにおいて非線形時間領域解析を利用してＨＦＯＶのピストンを動かすための制御システムを開示している。この予測サーボ制御システムは、ピストンの動きを調整するための制御信号を生成するために、ルックアップ（参照）テーブルに記憶されている流れプロファイルと圧力および位置情報とを利用する。

上記のＨＦＯＶを制御する際に利用される技法の多くは、ＨＦＯＶの種々の動作パラメータを表す入力信号がＭＡＰおよび１回換気量といった所望の換気特性を達成するためにコントローラに供給される開ループ制御システムを使用する。不都合なことに、患者の換気中のＨＦＯＶの動作パラメータの変化によって、また患者の生理的応答の変化によって、患者人工呼吸システムにおいて、ＭＡＰにおける誤差とピストン運動（振幅および／または周波数）における誤差とを含む不正確さが発展する可能性がある。このような不正確さは、患者内に発展する面倒な事象という危険を伴う患者人工呼吸の最適でない効果に至る恐れがある。

従来技術は、ＨＦＯＶのための開ループ制御システムの上記の問題を克服するための幾つかの試みを含む。例えばＣｈｕ引例は、より高い精度でＭＡＰを制御する試みにおいて流量および圧力測定値の形のシステムフィードバックを使用するサーボ制御システムを開示しているように見える。しかしながらこのようなフィードバックは、ピストン運動を制御するために単に間接的に利用されるだけである。これに関してＣｈｕ引例に開示された制御システムは、患者換気（すなわち患者回路圧力）とＨＦＯＶ動作（すなわちピストン運動）の重要なパラメータに対するフィードバックを直接利用する系統的な制御システム手法よりむしろ人為的経験的手法を使用する予測制御システムであると理解される。

これに関して理解されるように従来技術の制御システムは、ＨＦＯＶの相反する制御目標に取り組むことができない。より具体的には従来技術のＨＦＯＶの多くは、ＨＦＯＶによって生成された圧力振動の正確な制御を可能にせず、ピストン振幅が周波数に関係なく最大にされ得るように往復運動機構（すなわちピストン）の正確な中心合わせ（センタリング）も可能にしない制御システムを使用している。ピストンに関する中心合わせ制御の恩恵なしの閉ループ圧力制御だけでは、ピストンのストロークの相反する端部のうちの一方に向かってピストンをドリフトさせ、最終的に振動を維持する能力を妨げるであろう。更に従来技術のＨＦＯＶの多くは、ＭＡＰ制御から圧力振動を減衰または減結合するための手段を与えるとは理解されない。最後に従来技術のＨＦＯＶの制御システムは、ＭＡＰの変化に対する応答速度を改善するための効果的で正確な手段を提供するとは理解されない。

（関連出願への相互参照）
本出願は、その全内容が引例によって本明細書に明確に組み込まれている２００５年１１月８日に出願された「高周波振動人工呼吸装置（HIGH FREQUENCY OSCILLATING VENTILATOR）」と題する米国出願第１１／２６９，４８８号に関連する。

報告書ＲＥ：連邦政府支援研究／開発は、適用なし。

発明の概要

ＨＦＯＶに適用されるような従来技術の制御システムに関連する前述の欠陥は、具体的には、ピストン運動とＭＡＰとを制御するために別々のフィードバックコントローラが利用される本発明の制御システムによって取り組まれて軽減されている。これらのコントローラは、ピストンの運動を調整し、また正確なピストン中心合わせを可能にする際に患者回路圧力フィードバックとピストン位置フィードバックとを結合する。更にこのコントローラは、ＭＡＰの正確な制御を与えるように患者人工呼吸装置システムに含まれる呼気バルブを調整するために患者圧力フィードバックを利用する。

その最も広い意味で、制御システムは、発振器コントローラとＭＡＰコントローラとを含む。発振器コントローラは、ピストン往復運動の周波数と振幅とをまとめて調整して、ピストンの正確な中心合わせを可能にする発振器圧力ループと中心合わせループとを含む１対の閉ループ制御回路を備える。ＭＡＰコントローラは、患者におけるＭＡＰを調整するための閉ループ制御回路を備える。

患者人工呼吸装置回路は、ＨＦＯＶにおけるピストン位置を測定して中心合わせループへのフィードバックのためのピストン変位信号を生成するように動作するピストン位置センサーを含み得る。圧力センサーは、患者人工呼吸装置回路における患者Ｙ字部に隣接して配置されることが可能であり、好適にはＭＡＰ調整ループへのフィードバックのための測定圧力信号を生成するために患者回路圧力を測定するように構成される。

測定圧力信号は、また好適には、発振器圧力ループに供給される。発振器圧力ループは、測定圧力信号（患者Ｙ字部において圧力センサーによって生成された）を所望発振器圧力信号と比較し、これに応じて発振器圧力誤差信号を生成する。中心合わせループはピストン位置センサーによって生成されたピストン変位信号を所望のピストン位置としての空値またはゼロと比較し、これに応じて変位誤差信号を生成する。

好適には、ピストン変位信号と測定圧力信号は各々、これらの信号の周波数帯域がオーバーラップせず、また衝突しないような仕方で濾波（フィルタリング）される。更にピストン変位信号と測定圧力信号の各々は、ピストン中心と所望圧力とにそれぞれ比較され、この差分は、ゼロに向かって差分を減少させるように、またそれぞれの比例積分（ＰＩ）コントローラの積分成分におけるワインドアップ（windup）を限定するように動作する比例積分（ＰＩ）コントローラを介して濾波される。

それから発振器圧力ループと中心合わせループのＰＩコントローラからの出力は、ＨＦＯＶに電力供給するための電流増幅器を駆動するために電流または電圧信号の形であり得る発振器コマンド信号を生成するために結合される。電流増幅器は、ピストンが往復運動して、患者に正および負の圧力波を発生させ得るように、ＨＦＯＶの極性を反転するための方形波信号を生成するように適応し得る。

ＭＡＰ調整ループは、呼気ポートを介して周囲に対して換気し得る呼気バルブを操作することによって患者におけるＭＡＰを調整する。より具体的には患者回路圧力の形のフィードバックは、ＭＡＰ調整ループによって利用され、また発振器圧力ループによって誘発された振動を隔離してＭＡＰ調整ループにおける応答を最大にするための濾波の後に、所望のＭＡＰ信号と比較される。

それから結果として得られたＭＡＰループ誤差信号は、バルブアクチュエータを駆動するための呼気バルブコマンド信号を生成するために積分コントローラを介して濾波される。理想的にはこのバルブアクチュエータは、より高い周波数圧力振動に直面して患者におけるＭＡＰの安定で正確な制御を与えるように呼気バルブ上で力の量または流量範囲の変化量を調整するために呼気バルブコマンド信号に応答する。

本明細書に開示される種々の実施形態のこれらおよび他の特徴と利点は、全体を通じて同様の番号が同様の部分を指す上記の説明と図面とに関して、よりよく理解されるであろう。

詳細な説明

さて、本発明を例示する目的で図示し、本発明を限定する目的ではない図面を参照すると、図１には高周波振動人工呼吸装置（ＨＦＯＶ）２６のための閉ループ制御システム１０が示されている。本発明の制御システム１０は、具体的にはＨＦＯＶ２６内でピストン７０往復運動によって誘発される圧力振動の正確な制御を与えるように適応している。更に、本発明の制御システム１０は、圧力振動を発生させるピストン７０の正確な中心合わせのための手段を提供する。

更に、本発明の制御システム１０は、手段の応答性を最大にしながら平均気道圧力（ＭＡＰ）の制御から圧力振動を減結合するための手段を提供する。重要なことに、制御システム１０は、ＭＡＰを正確に調整しながらピストン７０の運動を調整するために、患者回路圧力Ｐｃとピストン７０位置またはピストン７０変位のフィードバックを使用することによって上記の目標を達成する。

図１には、ＨＦＯＶ２６のための閉ループ制御システム１０のブロック図が示されている。例示的ＨＦＯＶは、出願の全内容が本明細書に引例によって明確に組み込まれており、本出願に関して共通の譲受人を有する、２００５年１１月８日に出願された高周波振動人工呼吸装置（HIGH FREQUENCY OSCILLATING VENTILATOR）と題する米国特許出願第１１／２６９，４８８号に開示されているＨＦＯＶと同様に構成され得る。このようなタイプのＨＦＯＶ２６は、患者に気道圧力を与えるための、患者１２に接続可能であるＨＦＯＶ２６と一緒の往復運動機構２４（すなわちピストン７０）を含む。

図２は、閉ループ制御システム１０が使用に適応し得る例示的ＨＦＯＶ２６の概略図である。見られるようにＨＦＯＶ２６は、固定的に取り付けられた線状アクチュエータ６６を有するハウジングアセンブリ６４を含む。線状コイル６８は線状アクチュエータ６６内に同軸的に配置されることが可能であり、線状コイル６８の往復運動を可能にするような仕方で線状アクチュエータ６６を貫通して軸方向にそれ自身延びるプッシュロッド７４によってアクチュエータに懸架される。ピストン７０は、プッシュロッド７４の反対の端部に取り付けられた線状コイル６８を有するプッシュロッド７４の一方の端部に取り付けられ得る。

ピストン７０にはハウジングアセンブリ６４を第１のサイド（側）８０と第２のサイドとに密閉的に分割するダイアフラム７６が取り付けられ得る。ダイアフラム７６は、ピストン７０に動作可能に係合することが可能であり、好適にはＨＦＯＶ２６が複数の患者間で移転できるように取り外し可能および／または交換可能であるように構成される。ダイアフラム７６は、ピストン７０の往復運動中の静かな横揺れ運動を可能にするための深い半径溝７８を含み得る。

ダイアフラム７６の交換可能性は、ハウジングアセンブリに取り外し可能に固定された円錐形カバー８６の使用によって容易にされ得る。円錐形カバー８６の取り外しは、患者移転時に交換され得るダイアフラム７６へのアクセスを可能にする。円錐形カバー８６に形成された開口部８４は、図２に示された患者Ｙ字部２０に延びる患者チューブ１６によって患者１２に接続される。ガス源１８は患者チューブ１６に接続され、これを通して酸素および／または圧縮空気または調整空気がバイアス流れＱ_ｂｉａｓに送達され得る。患者チューブ１６は、患者気道における呼吸機能を与えるために気管内チューブを介して患者気道に接続され得る。

前述のように、ＨＦＯＶ２６によって作り出された正および負の気道圧力の形のバイアス流れＱ_ｂｉａｓに加えられる振動エネルギーは、患者気道内に正の圧力を与えることによって呼吸の仕事を容易にする。このような圧力は二酸化炭素が呼気期間中に患者の肺から直ちに除去される吸気および呼気期間の両方を改善することが分かっている。この仕方でＨＦＯＶ２６は、ガス交換を改善するために酸素と二酸化炭素の拡散を促進する。理想的には、ＨＦＯＶ２６は、最少量の圧力で患者回路１４における最大容積置換を達成することが分かっている方形圧力波プロファイルを使用する電流増幅器２８によって駆動され得る。

図２にも見られるように、ＨＦＯＶ２６の制御は、患者気道で取られ、外側制御ループ５６に送られ得る圧力測定値を使用して内側および外側制御ループ５８、５６によって容易にされる。内側制御ループ５８は、外側制御ループ５６に接続されており、以下更に詳細に説明されるような仕方でピストン７０の往復運動を調整するためにピストン位置センサー７２からのフィードバックを受信する。

患者換気回路は、患者チューブ１６に流体的に接続された呼気バルブ５２を含み得る。呼気バルブ５２は、肺がほぼ膨張状態に維持されるように、患者回路／肺システム内のＭＡＰを調整するように動作する。ガスは患者１２によって呼気バルブ５２を介して呼気ポート５４に呼気される。図１に見られるように、バルブアクチュエータ５０は、呼気バルブ５２を駆動するように動作する。

前述のように、本発明の制御システム１０は、ＨＦＯＶ２６内のピストン７０運動を調整するために患者回路圧力Ｐｃおよびピストン７０位置フィードバックを利用する。更に、患者回路圧力Ｐｃフィードバックは、所望のＭＡＰを達成するために内部の圧力または流量範囲を調整することによって呼気バルブ５２を調整するために別の制御ループで利用される。この仕方で制御システム１０は、ピストン７０の制御を介して圧力振動の周波数と振幅とを正確に制御するための手段を与える。

更に、制御システム１０は、ピストンのストローク限界の境界内でＨＦＯＶ２６に関するピストン７０の中心合わせのための手段を提供する。制御システム１０は、ピストン７０往復運動によって引き起こされる圧力振動からの入力を減衰させながらＭＡＰを調整するための安定で正確な手段を提供する。制御システム１０は、また、任意の周波数における圧力振動の振幅の最大化を可能にするピストン７０の正確な中心合わせのための手段を提供する。

さて、図１を詳細に参照すると、本発明の制御システム１０は、発振器コントローラ３０と平均気道圧力（ＭＡＰ）コントローラ４２とからなる。発振器コントローラ３０は、発振器圧力ループ３２と中心合わせループ３６とを含む１対の閉ループ制御回路からなる。まとめて言えば、発振器圧力ループ３２と中心合わせループ３６は、ピストン７０の制御を達成するために患者回路圧力Ｐｃとピストン７０位置とのフィードバックを使用することによってピストン７０往復運動の周波数および振幅とピストン７０の中心合わせとを調整するように適応している。ＭＡＰコントローラ４２は、患者１２におけるＭＡＰを効果的に調整するために呼気バルブ５２の通気中の圧力または流量範囲を調整するために患者回路圧力Ｐｃを利用する閉ループ制御回路を備える。

ピストン位置センサー７２は、ピストン７０位置を測定するための、光センサー、ホールセンサー、抵抗センサー、容量センサー、ＬＶＤＴ、または任意の他の適当な変位または位置測定装置として構成され得る。ピストン位置センサー７２は、また、中心合わせループ３６への送達のためのピストン変位信号ｘ（ｋ）_ｍｅａｓを生成し得る。圧力トランスデューサといった圧力センサー２２は、患者Ｙ字部２０に隣接して配置されることが可能であり、発振器コントローラ３０とＭＡＰコントローラ４２へのフィードバックのために、患者回路１４において圧力を測定するように動作する。

圧力センサー２２によって患者回路１４において生成された測定圧力信号Ｐ（ｋ）_ｍｅａｓは、発振器圧力ループ３２に送られ、それからこの発振器圧力ループ３２は測定圧力信号Ｐ（ｋ）_{ｆｉｌｔｅｒ}と所望発振器圧力Ｐ（ｋ）_ｒｅｆ信号または発振器圧力ループ３２に与えられるコマンドとの間の差分を決定する。それによって発振器圧力ループ３２は、測定圧力信号Ｐ（ｋ）_ｍｅａｓと所望発振器圧力信号Ｐ（ｋ）_ｒｅｆとの間の差分に応じて発振器圧力誤差信号Ｐ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}を生成する。

中心合わせループ３６は、ピストン位置センサー７２によって生成されたピスト変位信号ｘ（ｋ）_ｍｅａｓと所望ピストン７０位置としてストローク中心を表すゼロとの間の差を決定するように、またこれに応じて変位誤差信号ｘ(ｋ)_{ｅｒｒｏｒ}を生成するように動作する。それから発振器圧力誤差信号Ｐ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}とピストン変位誤差信号ｘ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}は、ピストン７０の振幅および／または周波数が調整され得るピストン７０の往復運動を調整するための発振器コマンド信号Ｖ（ｋ）ｏを生成するために結合される。

重要なことは、発振器圧力ループ３２と中心合わせループ３６の各々は、周波数帯域がオーバーラップし、それによって衝突するのを防止するためにピストン変位信号ｘ（ｋ）_ｍｅａｓと測定圧力信号Ｐ（ｋ）_ｍｅａｓとが濾波されるように、帯域フィルタ３４と低域フィルタ３８とをそれぞれ含む。図１に示されるように、中心合わせループ３６は、中心合わせループ３６が低域フィルタ３８の通過帯域内のピストン７０変位の限定された周波数範囲に応答するような中心合わせループフィルタ３６遮断周波数を有する１次低域フィルタを含み得る。立ち代って、発振器圧力ループ３２は、中心合わせループ低域フィルタ３８遮断周波数に概ね等しい低い遮断周波数と発振器圧力ループ３２における雑音伝播が制限されるような高い遮断周波数とを有する２次帯域フィルタ３４を含み得る。したがって、発振器圧力ループ３２は、帯域フィルタ３４の通過帯域内の回路圧力変化の限定された周波数範囲に応答する。

帯域フィルタ３４は、単極低域フィルタに直列に接続された単極高域フィルタを備え得る。単極高域フィルタは、低域フィルタ３８の−３ｄＢ遮断周波数において−３ｄＢカットオフを有するが、単極低域フィルタは高い遮断周波数において−３ｄＢカットオフを持ち得る。測定圧力信号Ｐ（ｋ）_ｍｅａｓは、濾波された圧力信号Ｐ（ｋ）_{ｆｉｌｔｅｒ}を生成するために帯域フィルタ３４によって濾波され、それからこの濾波圧力信号Ｐ（ｋ）_{ｆｉｌｔｅｒ}は発振器圧力誤差信号Ｐ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}を生成するために所望発振器圧力Ｐ（ｋ）_ｒｅｆ信号と比較される。ピストン変位信号ｘ（ｋ）_ｍｅａｓは濾波変位信号ｘ（ｋ）_{ｆｉｌｔｅｒ}を生成するために低域フィルタ３８によって濾波される。

中心合わせループ３６と発振器圧力ループ３２の各々は更に、理想的には発振器圧力誤差信号Ｐ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}と変位誤差信号ｘ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}とをゼロの方に追いやるためにこれらの誤差信号のそれぞれを濾波するように、また更に発振器圧力ループ比例積分ＰＩ_ｐコントローラ４０と中心合わせループＰＩ_ｘコントローラ６０のそれぞれの積分成分におけるワインドアップ（windup）を限定するように、構成された発振器圧力ループ比例積分ＰＩ_ｐコントローラ４０と中心合わせループＰＩ_ｘコントローラ６０とを含み得る。積分成分におけるワインドアップは、出力電圧の既知の飽和限界と中心合わせループ３６の比例成分と電圧出力の圧力成分とを使用することによって管理される。このような成分は、段階的に積分限界を確立するために互いに加算および／または減算される。この仕方でＰＩ_ｐおよびＰＩ_ｘコントローラ４０、６０の各々からの出力の合計は、電圧飽和限界を超えることを避けるために、また電流増幅器２８がいつ飽和するかに関して発振器コントローラ３０を注意状態にしておくために限定される。

前述のように、濾波圧力信号Ｐ（ｋ）_{ｆｉｌｔｅｒ}は、発振器圧力ループ３２に関する誤差を決定するために所望発振器圧力Ｐ（ｋ）_ｒｅｆ信号から差し引かれる。所望発振器圧力Ｐ（ｋ）_ｒｅｆ信号は、患者人工呼吸装置システムの所望動作パラメータと患者１２による応答とに依存して周波数、振幅および／またはデューティサイクルが変化し得る合成周期信号である。発振器圧力誤差信号Ｐ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}は、積分成分のワインドアップが出力電圧制御の既知の飽和限界電圧と発振器圧力ループ３２の比例成分とを使用することによって限定される発振器圧力ループ３２のＰＩ_ｐコントローラ４０によって濾波される。中心合わせループ３６の変位出力信号Ｖ（ｋ）_ｘと発振器圧力ループ３２の圧力出力信号Ｖ（ｋ）_ｐは、ＨＦＯＶ２６のピストン７０を調整するための電圧または電流制御信号として発振器コマンド信号Ｖ（ｋ）ｏを与えるために合計される。

前述の装置を使用して、発振器コントローラ３０は、圧力振動のサイズが如何なる設定周波数に関しても最大にされ得るように、ピストンのストローク限界内でピストン７０の正確な中心合わせを与えながら、圧力振動の周波数および／または振幅の安定で正確な制御を可能にする。更に、発振器コントローラ３０は、ＰＩ補償器における飽和を防止して制御システム１０の安定性を維持するために、動作開始時にピストンの中心位置に向かうピストン７０の自動帰還であって、これに続いて所望または指定された振幅への振動の徐々の増加を伴うピストンの自動帰還を与えるように構成される。この目的で、フィルタは、前の設定値から新しい設定値にゆっくり遷移するために制御設定値の変化を緩和し得る。このような設定値の変化は、周波数、圧力振幅および／またはデューティサイクルならびにＭＡＰの変化に適合し得る。

なお、図１を参照すると、ＭＡＰコントローラ４２は、ＭＡＰを正確に制御するために、濾波された患者回路圧力Ｐｃを利用するＭＡＰ調整ループ４４を備える。更に、ＭＡＰ調整ループ４４は、正確なＭＡＰ制御のために発振器圧力ループによって誘発された圧力振動を隔離または減衰するための手段を与える。ＭＡＰ調整ループ４４は、患者回路１４とＨＦＯＶ２６とに流体的に連通している呼気バルブ５２を調整する。ガス源１８によって与えられるバイアス流れＱ_ｂｉａｓと連通しているＨＦＯＶ２６によって送達される１回換気量Ｑｐは、呼気バルブ５２によって制御される呼気流れＱ_ｖｅｎｔによって相殺される。

ＭＡＰ調整ループ４４は、好適には、ＭＡＰ調整ループ４２の応答を最大にしながら、発振器圧力ループ３２によって誘発された振動の減衰を最大にするような仕方で圧力センサー２２によって生成された測定圧力信号Ｐ（ｋ）_ｍｅａｓを濾波するように構成された低域フィルタ４６を含む。低域フィルタ４６は、所望ＭＡＰ信号に関して−３ｄＢカットオフを有する６極フィルタといった何らかの適当な高次急勾配カットオフフィルタとして構成され得る。代替として、８次楕円フィルタまたは何らかの他の適当な高次急峻カットオフ低域フィルタが使用可能である。濾波圧力信号Ｐ（ｋ）_{ｆｉｌｔｅｒ}は、予めプログラムされた信号またはユーザ入力信号であり得る所望ＭＡＰ信号Ｐ（ｋ）_ｒｅｆと比較される。濾波圧力信号Ｐ（ｋ）_{ｆｉｌｔｅｒ}と所望ＭＡＰ信号Ｐ（ｋ）_ｒｅｆとの間の差分に応じてＭＡＰループ誤差信号Ｐ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}が生成される。

それからＭＡＰループ誤差信号Ｐ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}は、誤差をゼロの方に追いやって、呼気バルブアクチュエータ５０またはドライバの電圧飽和限界間のＭＡＰループ誤差信号Ｐ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}の積分動作を制限するように特に構成された積分コントローラ４８によって濾波される。積分コントローラ４８は、振動に対して、また患者Ｙ字部２０に導入されたバイアス流れＱ_ｂｉａｓに対して、呼気バルブ５２上の力または流量範囲を調整するための電圧または電流制御信号であり得る呼気バルブコマンド信号Ｖ（ｋ）_Ｍを生成する。この仕方でＭＡＰ調整ループ４４は、患者におけるＭＡＰを制御するための安定で正確な手段を提供する。

またここでは、ピストンの全ストロークの前方位置に向かって開ループ制御の下でピストンがゆっくり動くにつれて、増分（すなわち相対値）タイプのピストン位置センサーが最初にピストン７０の位置を感知する中心合わせループ３６を初期設定するための方法が開示される。この動きを完了した後にピストン位置センサー７２は、ピストン７０の変位量を測定して記録する。このような測定値は、ピストン７０の既知の全ストロークと比較され、ピストン７０が中心にあるときにこれがゼロ（０）を読み取るようにピストン変位信号ｘ（ｋ）_ｍｅａｓを計算して修正するために使用される。代替として位置センサー７２は、絶対値タイプであることもあり、それによってストローク中心を決定するための初期較正工作は必要とされない可能性がある。測定されたピストン変位と実際のピストン変位との間の差を修正するための能力を与えることによって、ピストン７０はより正確に中心合わせされ、それによって如何なる設定周波数に関してもピストン７０振幅の最大化を可能にする。

次に、本発明の制御システム１０の動作を説明する。圧力は、測定圧力信号Ｐ（ｋ）_ｍｅａｓを生成するために適当な圧力センサー２２を使用して患者回路１４において測定される。測定圧力信号Ｐ（ｋ）_ｍｅａｓは帯域フィルタ３４によって濾波され、これに応じて圧力出力信号Ｖ（ｋ）_ｐを生成するために所望発振器圧力Ｐ（ｋ）_ｒｅｆ信号と比較される。同様にピストン７０変位３６はピストン位置センサー７２を利用して測定され、これに応じてピストン変位信号ｘ（ｋ）_ｍｅａｓが生成される。ピストン変位信号ｘ（ｋ）_ｍｅａｓは、濾波変位信号ｘ（ｋ）_{ｆｉｌｔｅｒ}を生成するために低域フィルタ３８によって濾波され、それから変位出力信号Ｖ（ｋ）_ｘを生成するために所望ピストン７０位置としてのゼロ（０）から差し引かれる。

測定圧力信号Ｐ（ｋ）_ｍｅａｓとピストン変位信号ｘ（ｋ）_ｍｅａｓは、好適には、これらの周波数帯域がオーバーラップせず、また衝突しないように濾波され、それから発振器圧力ループＰＩ_ｐコントローラ４０と中心合わせループＰＩ_ｘコントローラ６０とを通り抜けて、ピストンの中心合わせと圧力変調との制御目標が両方とも満たされるようにピストン７０運動を調整するための発振器コマンド信号Ｖ（ｋ）_Ｏを生成するように結合される。好適には、測定圧力信号Ｐ（ｋ）_ｍｅａｓは、中心合わせループ３６との干渉を減らしてループ高周波雑音伝播を制限するために予め決められた遷移周波数と限定周波数との間からこの信号の帯域幅を制限するために濾波される。同様に、ピストン変位信号ｘ（ｋ）_ｍｅａｓは、空電（static）と予め決められた遷移周波数との間にこの信号の帯域幅を限定するために、また発振器圧力ループ３２との干渉を減らすために濾波される。この仕方で高周波圧力振動の周波数と振幅は、圧力振動の最大化を可能にするためにピストンの端から端までの最大ストロークを与えながら正確に変調され得る。

前述のように、患者１２におけるＭＡＰの調整は、閉回路ＭＡＰ調整ループ４２において測定患者回路圧力Ｐｃフィードバックを使用することによって容易にされる。測定圧力信号Ｐ（ｋ）_ｍｅａｓは濾波され、この濾波された圧力信号Ｐ（ｋ）_{ｆｉｌｔｅｒ}はＭＡＰ圧力誤差信号Ｐ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}を生成するために所望ＭＡＰ信号Ｐ（ｋ）_ｒｅｆから差し引かれる。それからＭＡＰ圧力誤差信号Ｐ（ｋ）_{ｅｒｒｏｒ}は、バルブアクチュエータ５０を駆動するための電流または電圧信号の形の呼気バルブコマンド信号Ｖ（ｋ）_Ｍを生成するために積分コントローラ４８を介して濾波される。呼気バルブコマンド信号Ｖ（ｋ）_Ｍは、圧力振動が重畳される所望のＭＡＰを維持する際にバイアス流れＱ_ｂｉａｓと組み合わせて呼気バルブによって必要とされる力の大きさまたは流量範囲の大きさに比例する。更に低域フィルタ４６における遮断周波数の選択は、発振器圧力ループ３２によって制御される圧力振動からのＭＡＰ調整ループ４２の隔離を可能にし、それによってループ間の相反する応答を防止する。

また、本発明の更なる変形と改善は、当分野に通常のスキルを有する人々に明らかであり得る。したがって、ここで説明され図示された部分の特定の組合せは、単に本発明のある幾つかの実施形態を表すように意図されており、本発明の思想と範囲の中における代替の装置または方法の限定として働くようには意図されていない。

高周波振動人工呼吸装置（ＨＦＯＶ）のための閉ループ制御システムの図である。 本発明の閉ループ制御システムが組み込まれ得るＨＦＯＶと患者換気回路の概略図である。

Claims (21)

1. 往復運動するピストンを有し、患者に気道圧力を与えるために患者に接続可能である高周波振動人工呼吸装置（ＨＦＯＶ）のための制御システムであって、
   ピストン往復運動の周波数および振幅とピストンの中心合わせとを調整することにまとめて適応する発振器圧力ループと中心合わせループとを含む１対の閉ループ制御回路を備える発振器コントローラと、
   前記患者における平均気道圧力（ＭＡＰ）を調整することに適応した閉ループ制御回路を備える平均気道圧力（ＭＡＰ）コントローラと、
   を具備する制御システム。
2. 前記制御システムは、
   前記ピストン位置を測定し、これに応じて前記中心合わせループへの送達のためのピストン変位信号を生成するように構成されたピストン位置センサーと、
   前記患者における圧力を測定し、これに応じて前記発振器コントローラへの送達のための測定圧力信号を生成するように構成された圧力センサーと、
   をさらに具備し、
   前記発振器圧力ループは前記測定圧力信号と所望発振器圧力信号との間の差を決定し、これに応じて発振器圧力誤差信号を生成するように構成されており、
   前記中心合わせループは前記ピストン変位信号と前記所望ピストン位置としてのゼロとの間の差を決定し、これに応じて変位誤差信号を生成するように構成されており、
   前記発振器圧力信号と前記ピストン変位信号は前記ピストンの往復運動を調整するための発振器コマンド信号を生成するために結合される、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記ピストン変位信号と前記測定圧力信号は各々、これら信号の周波数帯域がオーバーラップしないような仕方で濾波される、請求項２に記載の制御システム。
4. 前記中心合わせループは中心合わせループフィルタ遮断周波数を有する１次低域フィルタを含み、
   前記発振器圧力ループは前記中心合わせループフィルタ遮断周波数に概ね等しい低い遮断周波数と前記発振器圧力ループにおける雑音伝播が制限されるような高い遮断周波数とを有する２次帯域フィルタを含む、請求項３に記載の制御システム。
5. 前記帯域フィルタは単極低域フィルタに直列に接続された単極高域フィルタを備え、
   前記単極高域フィルタは前記中心合わせループフィルタ遮断周波数において−３ｄＢカットオフを有し、
   前記単極低域フィルタは前記高い遮断周波数において−３ｄＢカットオフを有する、請求項４に記載の制御システム。
6. 前記中心合わせループと前記発振器圧力ループの各ループは、これらに含まれる誤差をゼロの方に追いやって、それぞれの比例積分（ＰＩ）コントローラの積分成分におけるワインドアップを限定するために前記発振器圧力誤差信号と変位誤差信号のそれぞれ信号を濾波するように構成された比例積分（ＰＩ）コントローラを含む、請求項４に記載の制御システム。
7. 前記ピストン位置センサーは変位トランスデューサとして構成されている、請求項２に記載の制御システム。
8. 前記圧力センサーは圧力トランスデューサとして構成されている、請求項２に記載の制御システム。
9. 前記制御システムは、
   前記患者における圧力を測定し、これに応じて前記ＭＡＰコントローラへの送達のための測定圧力信号を生成するように構成された圧力センサーをさらに具備し、
   前記ＭＡＰコントローラは前記患者および前記ＨＦＯＶと流体的に連通する呼気バルブを有するＭＡＰ調整ループを備えており、
   前記ＭＡＰ調整ループは前記測定圧力信号と所望ＭＡＰ信号との間の差を決定し、これに応じて前記呼気バルブを駆動するためのＭＡＰループ誤差信号を生成するように構成されている、請求項１に記載の制御システム。
10. 前記ＭＡＰ調整ループは、前記発振器圧力ループによって誘発される振動の減衰を最大にして前記ＭＡＰ調整ループの応答と精度とを最大にするような仕方で前記測定圧力信号を濾波するように構成されている低域フィルタを含む、請求項９に記載の制御システム。
11. 前記ＭＡＰ調整ループ低域フィルタは前記所望ＭＡＰ信号に関して急勾配のカットオフを有する高次フィルタとして構成されている、請求項１０に記載の制御システム。
12. 前記ＭＡＰ調整ループは、前記ＭＡＰループ誤差信号を受信し、これにおける誤差をゼロの方に追いやり、前記呼気バルブのこれの積分動作を電圧飽和限界間に限定するように構成されている積分コントローラをさらに含む、請求項１に記載の制御システム。
13. 前記ＨＦＯＶは、
    ハウジングアセンブリと、
    前記ハウジングアセンブリ内に固定的に取り付けられている線状アクチュエータと、
    前記線状アクチュエータ内に同軸的に配置されている線状コイルであって、前記線状アクチュエータを貫通して軸方向に延びる、前記線状アクチュエータ上に線状コイルを滑動可能に支持するためのプッシュロッドを有する線状コイルと、
    前記プッシュロッドに取り付けられているピストンと、
    前記ピストンに動作可能に係合可能な、前記ハウジングアセンブリを第１、第２のサイドに密閉的に分割するダイアフラムであって、前記線状コイルと前記アクチュエータは前記第１のサイドに配置され、前記ダイアフラムはこれらの周囲に形成された深い半径溝を有し、ピストン往復運動中に反転しないように構成されているダイアフラムと、
    前記第２のサイドに形成され、患者にガスを送達するために前記患者に流体的に接続されている開口部と、
    を具備し、
    前記線状コイルと線状アクチュエータは前記患者における前記ガス内に正と負の圧力波を交互に発生させる仕方で前記ダイアフラムの往復運動を引き起こすように協同動作する、請求項１に記載の制御システム。
14. 呼気バルブを有する患者人工呼吸装置システムにおいてピストン運動と平均気道圧力（ＭＡＰ）とを調整する閉ループ方法であって、
    前記患者における圧力を測定し、これに応じて測定圧力信号を生成することと、
    所望発振器圧力信号を前記測定圧力信号と比較し、これに応じて圧力出力信号を生成することと、
    ピストン変位を測定し、これに応じてピストン変位信号を生成することと、
    前記ピストン変位信号を所望ピストン位置としてのゼロから差し引き、これに応じて変位出力信号を生成することと、
    前記圧力出力信号を前記変位出力信号に結合し、これに応じて前記ピストン運動を調整するための発振器コマンド信号を生成することと、
    所望ＭＡＰ信号を前記測定圧力と比較し、これに応じて前記患者におけるＭＡＰを調整するための呼気バルブコマンド信号を生成することと、
    を具備する閉ループ方法。
15. 前記測定圧力信号と前記変位出力信号との周波数帯域がオーバーラップしないように前記測定圧力信号と前記変位出力信号とを濾波するステップを更に具備する、請求項１４に記載の方法。
16. 発振器圧力ループと中心合わせループとを備える発振器コントローラを使用して患者人工呼吸装置の発振器ピストンの運動を調整する方法であって、
    前記発振器圧力ループにおいて、
    前記患者における圧力を測定し、これを表す測定圧力信号を生成することと、
    これの帯域幅を予め決められた遷移周波数と雑音制限周波数との間に限定するために前記測定圧力信号を濾波し、これに応じて濾波圧力信号を生成することと、
    所望発振器圧力信号を受信することと、
    前記濾波圧力信号と前記所望発振器圧力信号とを合計し、これに応じて発振器圧力誤差信号を生成することと、
    発振器圧力ループ比例積分（ＰＩ_ｐ）コントローラを介して前記発振器圧力誤差信号を濾波し、これに応じて圧力出力信号を生成することと、
    前記中心合わせループにおいて、
    ピストン位置を測定し、これを表すピストン変位信号を生成することと、
    前記ピストン変位信号の帯域幅を空電と前記予め決められた遷移周波数との間に限定するために前記ピストン変位信号を濾波し、これに応じて濾波変位信号を生成することと、
    前記濾波変位信号を所望ピストン位置としてのゼロから差し引き、これに応じて変位誤差信号を生成することと、
    中心合わせループ比例積分（ＰＩ_ｘ）コントローラを介して前記変位誤差信号を濾波し、これに応じて変位出力信号を生成することと、
    前記圧力および変位出力信号を合計し、これに応じて前記ピストン運動を駆動するための前記発振器コマンド信号を生成することと、
    を具備する方法。
17. 前記測定ピストン変位信号は前記遷移周波数において−３ｄＢロールオフを有する１次低域フィルタを使用して濾波される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記測定圧力信号は前記中心合わせループ低域フィルタ遮断周波数に概ね等しい低い遮断周波数と前記発振器圧力ループにおける雑音伝播が制限されるような高い遮断周波数とを有する２次帯域フィルタを使用して濾波される、請求項１６に記載の方法。
19. 前記所望発振器圧力信号の周波数、振幅、およびデューティサイクル設定値のうちの少なくとも１つにおける変化を誘発することと、
    前の設定から変化の速度を遅くするような仕方で前記所望発振器圧力信号の設定値における変化を濾波することと、
    をさらに具備する、請求項１６に記載の方法。
20. 前記患者人工呼吸装置はＭＡＰ調整ループを使用して前記患者におけるＭＡＰを調整するための呼気バルブを含み、
    前記方法は、
    前記ＭＡＰ調整ループにおいて前記測定圧力信号を受信することと、
    前記発振器圧力ループによって誘発された振動の減衰を最大にして、前記ＭＡＰ調整ループの応答を最大にするような仕方で前記測定圧力信号を濾波し、これに応じて濾波圧力信号を生成することと、
    前記ＭＡＰ調整ループにおいて所望ＭＡＰ信号を受信することと、
    前記所望ＭＡＰ信号から前記濾波圧力信号を差し引き、これに応じてＭＡＰ圧力誤差信号を生成することと、
    積分コントローラを介して前記ＭＡＰ圧力誤差信号を濾波し、これに応じて前記呼気バルブを駆動するための呼気バルブコマンド信号を精製することと、
    をさらに具備する、請求項１６に記載の方法。
21. 前記測定圧力信号は急勾配の遮断周波数を有する高次低域フィルタを使用して濾波される、請求項２０に記載の方法。

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