JP2009542411A - バイアス弁を利用する人工呼吸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】患者回路に所望のガス流及び圧力を提供するように構成される、ルーツブロワを有する携帯型人工呼吸器を提供する。
【解決手段】人工呼吸器は、ルーツブロワが発生するガス流を測定するように作動する流量計と、患者回路に接続される呼気弁を操作するように構成される呼気制御モジュールと、を含む。ルーツブロワと患者回路との間に接続されるバイアス弁は、具体的には、呼気制御モジュールにおいて患者回路の圧力に関するバイアス圧力を生成するように構成される。また、バイアス弁は、質量流量計に流れるガスが実質的に定圧特性を示すように、ルーツブロワが発生する拍動性ガス流を減衰させるように構成される。バイアス圧力は、吸気開始時の呼気弁の閉鎖を容易にし、呼気の間に呼気終末陽圧を調節し、圧力変換モジュールを介して各検出ラインをパージする。
【選択図】図３

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００４年８月４日に出願の米国特許出願第１０／９１２，７４７号の一部継続出願であり、２００３年８月４日に出願の米国仮特許出願第６０／４９２，４２１号、２００４年５月１８日に出願の米国特許出願第１０／８４７，６９３号、２００４年８月４日に出願の米国特許出願第１０／９１２，７４７号、２００４年１１月１０日に出願の米国特許出願第１０／９８５，５２８号、２００５年３月２３日に出願の米国特許出願第１１／０８８，３１６号、及び２００５年９月２３日に出願の米国特許出願第１１／２３４，６３６号の優先権の利益を主張するものである。これらのあらゆる明細書及び図面の全ては、参照により本明細書に明確に組み込まれる。

ステートメント：連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載 適用なし

本発明は、概して人工呼吸器に関し、より具体的には、十分な人工呼吸機能を提供するために適合され、低慣性、高速度、高効率なルーツ式ブロワ（Roots-type blower）を内蔵し、患者に対して総合的な呼吸補助を電池式で数時間は提供し、小型ラップトップコンピュータのサイズに近い、携帯型（ポータブル）人工呼吸器に関する。

従来技術には、呼吸補助を必要とする患者のために様々な人工呼吸器がある。しかし、不都合なことに、このような人工呼吸器は、因習的に、手術室や患者の回復室（patient-recovery room）などにおいて利用可能な限定空間のうちの比較的大部分を占める比較的大型の装置として構成される。加えて、従来の人工呼吸器は、装置を作動させるために比較的大電力を必要とするため、一般的に低効率である。さらに、従来技術の人工呼吸器は、その作動の間、一般的に主電源に連続して接続されていなければならない点において、本当の意味での携帯型機器ではない。さらにまた、比較的重量が重く、大きさがあるこのような装置は、その携帯性を制限する。

人工呼吸器に利用される圧縮器の技術進歩によって、ある程度まで、人工呼吸器のサイズや全体的な電力消費が低減されてきた。例えば、デブリーズ（DeVries）等により取得された米国特許第６，１５２，１３５号では、このような圧縮器の技術改良を組み込んでおり、より具体的には、サイズ及び電力の低減を可能にして、真の意味での内蔵型及びポータブル型の人工呼吸器を実現している。さらに、デブリーズの装置と類似の人工呼吸器では、壁面の電気コンセントなど固定電源への接続に制約されることなく、制限された所要時間の間において患者の輸送を容易にするため、可動スタンドに取り付けられることができるように電池パックを含み又は電池パックと接続可能である。

加えて、デブリーズの装置と類似の人工呼吸器では、患者に呼吸をもたらすために、低圧下で作動するロータリー式のドラッグ圧縮器（drag compressor）を用いて、患者に様々な呼吸モードを供給する能力に関して改良した機能性を実現している。このようなドラッグ圧縮器は、可変速度（variable speed）又は一定速度の何れかのモードで作動されることができる。可変速度モードで作動する人工呼吸器は、呼吸周期の呼息（例えば、呼気）フェーズの間の急速な減速に続く停止から圧縮器を急速に加速することによって、患者に吸気のサポート（例えば、吸入補助）を提供する。しかし、不都合なことに、このような急速な加速及び減速では、圧縮器用に複雑な駆動回路を必要とし、高電流消費を必要とする。このような可変速度ドラッグ圧縮器の比較的高電流の引き込みは、人工呼吸器の全体的な費用を増加する。さらに、高電流要求は、人工呼吸器が固定電源に接続されていないときの緊急用バックアップとして、予備の電池出力を提供するための大型で重量のある電池の組み込みを必要とする。

あるいは、ロータリー式ドラッグ圧縮器は、可変速度圧縮器の高電流要求により課された制限を外すために、定速度モードで作動されることができる。しかし、不都合なことに、このような定速度ドラッグ圧縮器は、人工呼吸器の全体的な有用性を損なう固有の欠陥を内包している。例えば、定速度で圧縮器を作動させると、空気やガスを患者に供給しない呼息フェーズ（例えば、呼気）の間にも電力が連続して消費される。この電力消費は、呼気の間に空気流を圧縮器のインテークに戻して再循環させることで減少させることができるが、固定電源に接続されない場合、依然として、相当量の予備電池出力が人工呼吸器の作動のために要求される。

以上のように、携帯性を向上させるために、サイズが小型で軽量な人工呼吸器に対する技術の必要性が存在する。また、固定電源の制約を受けずに作動時間を延長して患者に呼吸補助を提供できるポータブル人工呼吸器に対する技術の必要性が存在する。さらに、容積（ボリューム）及び圧力の制御モードで呼吸補助を提供し、手術室、集中治療室及び患者の回復室などのノイズセンシティブな環境においても安全且つ静音作動できる、ポータブル人工呼吸器に対する技術の必要性が存在する。

本発明は、具体的には、患者に呼吸補助を提供する人工呼吸器の上述した不具合を解決するように適合される。より具体的には、本発明は、従来技術の人工呼吸器と比較して効率を改善し、サイズ及び重量の低減を可能にするルーツブロワ（Roots blower）を組み込んだポータブル人工呼吸器を提供する。加えて、人工呼吸器の小型化及び電力効率は、例えば、患者輸送の間などの連続した呼吸補助を必要とする患者に対して移動性を提供する。

有利に、人工呼吸器は、ルーツブロワより下流で、流量計と患者回路（patient circuit）との間に位置するバイアス弁を含む。バイアス弁は、具体的には、該バイアス弁の上流に位置するルーツブロワが生じる拍動性ガス流（pulsating gas flow）を弱化又は減衰するように適合される。バイアス弁は、ルーツブロワの下流に位置するが、（例えば、ルーツブロワの出口とバイアス弁との間の）気柱範囲内にガス流を閉じこめることから、その減衰化効果を上流に戻すように伝達する。従って、ルーツブロワの下流に位置する流量計は、正確なガス流の測定値を得ることができるように減衰されたガス流を受信する。ルーツブロワを内蔵する人工呼吸器は、デブリーズ等による米国特許公開第２００５／００５１１６８号、発明の名称「ポータブル人工呼吸器システム（PORTABLE VENTILATOR SYSTEM）」に詳述されており、その全ての内容は参照により本明細書に明確に組み込まれる。

ルーツブロワからの拍動性流量出力を減衰することに加えて、バイアス弁は、バイアス圧力又は患者回路の圧力と比較して高い圧力の生成にも適している。バイアス弁は、弁座に係合可能なポペット弁を含んで構成されることができる共に、さらに、所望量のバイアス圧力を作り出すために、弁座に対してポペット弁を付勢するように特に構成されたバイアス部材を含む。バイアス圧力は、吸気を開始するときに呼気弁を閉じることを容易にするため、呼気制御モジュールによって使用されることができる。また、呼気弁は、呼気の間に呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ：positive end-expiratory pressure）を安定化し、及び他の機能を実行することができる。

バイアス圧力は、吸気ホールド、呼気ホールド、及び、平均吸気圧／陰性吸気力（ＭＩＰ／ＮＩＦ：mean inspiratory pressure/negative inspiratory force）の調整などの使用者活性化操作の制御をも補助する。バイアス圧力は、以下でより詳細に説明する使用者活性化操作を実行している間に患者回路の空気流の流出入を止めるために、呼気弁の閉鎖を容易にする。理想的には、バイアス部材は、バイアス圧力がルーツブロワの流量範囲にわたって実質的に一定となるように、ポペット弁を弁座に付勢するために十分な所定のばね定数を有して構成される。

バイアス圧力を一定に維持する能力及びルーツブロワの流量範囲にわたって比較的に低く維持する能力は、人工呼吸器の電力消費を有利に最小限に抑える。この点に関して、バイアス部材は、ポペット弁の自由な移動と組み合わされ、ルーツブロワの流量範囲にわたり好適な一定の圧力特性を提供する低バネ定数を有するとよい。ポペット弁の弁座での露出領域の量は、バネ前負荷（spring preload）と組み合わされて、ルーツブロワが生じる拍動性ガス流に対する抵抗の大きさを画定し、所定量のバイアス圧力を発生する。

また、バイアス圧力を発生させることに加えて、バイアス弁は、ルーツブロワにより生じる拍動性ガス流の弱化又は減衰を提供するように構成される。前述したように、ルーツブロワの流量出力の測定は、熱線式質量流量計（heated wire mass flow meter）などの流量計により提供される。流量出力を測定しなければならない感度に起因して、流量出力の正確な測定値は、慣性減衰及び粘性減衰の少なくとも一方を提供するバイアス弁に依存する。バイアス弁により提供される慣性減衰は、シリンダ内を摺動自在に往復するポペット弁の質量に結びつく。

粘性減衰は、ポペット弁がシリンダ内を往復するときに、該ポペット弁により提供される。より具体的には、ポペット弁とシリンダとの間にある環状のポペット弁クリアランスが、結果として粘性減衰を作り出す。つまり、粘性減衰は、ポペット弁がシリンダ内を下方に（シリンダ底部に向けて）進み、シリンダ底部に閉じこめられたガスがポペット弁クリアランスを通過するときに発生する。一方、ポペット弁がシリンダ内をシリンダ底部から離れる方向に進むときには、シリンダ底部で膨張する容積を充満状態にするために、ガスは、ポペット弁クリアランスを逆方向に通過しなければならない。ポペット弁クリアランスを通過するガスの移動は、粘性減衰効果を生成する。有利に、粘性減衰及び慣性減衰の併用効果は、流量計が流量出力を正確に測定できるように、ルーツブロワが生じる拍動性流量出力を十分に弱化させるので好ましい。

本明細書に開示する様々な実施形態又はその他の様々な実施形態の特徴及び利点は、後述の説明及び図面に関連して一層理解され得るであろう。図面全体を通して同様の構成要素には同様の符号を付す。
呼気弁と、該呼気弁を呼吸周期の間に閉鎖するように作動する呼気制御モジュールと、を含むルーツブロワを内蔵する人工呼吸器を有する人工呼吸器システムの空気回路図であって、さらに、ルーツブロワの下流に位置し、流量計による正確な流量測定を容易にし、及び、呼気制御モジュールの作動を容易にするバイアス圧力を生じるバイアス弁を示す図 バイアス弁の各構成要素の内部接続関係を示す分解斜視図 シリンダ内を往復可能に配置されたポペット弁を示すバイス弁の縦断面図 ルーツブロワの拍動性流量出力を示すグラフ。グラフの左側は高振幅の減衰していないルーツブロワの拍動性流量出力であり、グラフの右側はバイアス弁が生じた慣性減衰及び粘性減衰により比較的に低振幅に減衰されたルーツブロワの拍動性流量出力である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。ここで、図面は、本発明の一実施形態を説明することを目的としており、本発明の範囲を制限するものではない。
ポータブル人工呼吸器１０はブロワアセンブリ１４を備える。ブロワアセンブリ１４は、例えば、ルーツブロワ１６であり、患者接続２６を経由して患者又は患者回路２８にガス流をもたらす。全内容が参照により本明細書に明確に組み込まれる、デブリーズ等による米国特許公開第２００５／００５１１６８号、発明の名称「ポータブル人工呼吸器システム」に、より詳述されているように、ポータブル人工呼吸器１０は、呼吸を生み出すメカニズムのように可変速度モードで作動し、ルーツブロワ１６の使用により生じる改善された効率及び減少したサイズを有する。

ポータブル人工呼吸器１０は、例えば、病院の患者回復室などノイズセンシティブな環境における作動を容易にするために静音（sound-reducing）要素を含むとよい。さらに、ポータブル人工呼吸器１０は、従来の人工呼吸器と比較して、軽量化した重量及び減少した電力消費を有する。上記利点は、人工呼吸器のポータブル性の特徴に対してトータル的に寄与し、患者を輸送する間や停電などの緊急事態の間に、遠隔地で連続した呼吸補助を必要とする患者に対して移動性を提供する。

米国特許公開第２００５／００５１１６８号に記載されているように、ポータブル人工呼吸器１０は、ドッキングクレイドル及びモニタを含むことができる。ドッキングクレイドルは、ポータブル人工呼吸器１０を可動スタンドで支えることができる。また、ドッキングクレイドルは、人工呼吸器１０自身の電源装置となり、又は、人工呼吸器１０のインタフェース機能を拡張するための電源システム及び再充電システムの少なくとも一方となることができる。モニタは、高性能な表示機能を提供するために、ドッキングクレイドルに着脱可能なグラフィックディスプレイでもよい。

図１を参照する。図１は、ルーツブロワ１６の下流に位置する質量流量計１８を含む人工呼吸器１０を示す人工呼吸器システム１２の空気回路図である。ルーツブロワ１６は、大気をその入口のフィルタに引き込み、加圧ガスを患者に送出する。流量計１８は、ルーツブロワ１６により生じたガス流を測定するように適合されている。

重要な点は、人工呼吸器１０が、ルーツブロワ１６より下流で、流量計１８と患者回路（patient circuit）２８との間に位置するバイアス弁３０を含むことである。バイアス弁３０は、流量計１８により得られるガス流測定値の精度を改善するために、ルーツブロワ１６が生じる拍動性ガス流を減衰する。バイアス弁３０は、ルーツブロワ１６の下流に位置するが、ルーツブロワ１６の出口とバイアス弁３０との間の気柱範囲内又は通路内にガス流を閉じこめることから、バイアス弁３０上流（すなわち、流量計１８で）の拍動減衰に効果的である。より具体的には、バイアス弁３０の減衰効果が、通路を通って上流に伝達され、ルーツブロワ１６の出口に生じる流れまで達する。従って、流量計１８で受信されるガス流量もまた減衰される。これにより、流量計１８は、ルーツブロワ１６が発生したガス流量出力を正確に測定することができる。

図１から確認できるように、空気回路図は、さらに、患者回路２８の呼気リム（limb）に接続された呼気弁２２を調整するように作動する呼気制御モジュール２０を含む。呼気制御モジュール２０は、バイアス弁３０に流動的に（fluidly）接続されている。このバイアス弁３０は、バイアス圧力を提供して、吸気フェーズにおける呼気弁２２の閉鎖の際に、呼気制御モジュール２０の作動を容易にする。また、空気回路図は、患者回路２８に接続された空気路検出ライン８６及び流れ検出ライン８６からの入力を受信する圧力変換モジュール２４を含む。さらに、圧力変換モジュール２４は、各検出ライン８６のパージを補助するためのバイアス圧力を提供するバイアス弁３０に流動的に接続されている。

オプションとして、ポータブル人工呼吸器１０は、呼気フェーズの間に、患者が用いない圧縮空気を再利用又は再循環できるように構成されてもよい。また、ポータブル人工呼吸器１０は、ＦＩＯ２（吸入酸素濃度）センサにより監視されることが可能な内部Ｏ２混合器を用いて、混合ガスを送出するように構成されてもよい。ＦＩＯ２は、人工呼吸器１０の他の動作パラメータの表示と共にユーザインタフェース上に表示されることができる。さらに、前述したように、空気回路図は、人工呼吸器１０で制御ループを用いるために、圧力変換モジュール２４に対して空気路と流れ値とを提供するように、患者回路２８内のＹ接合部８４に接続された空気路検出ライン８６と流れ検出ライン８６とを含むことができる。

図２を参照する。図２は、バイアス弁３０の各構成要素の内部接続関係を示すバイアス弁３０の分解斜視図である。前述したように、バイアス弁３０は、具体的には、流量計１８の精度を改善するためにルーツブロワ１６の拍動性流量出力を減衰させ、及び、様々な呼吸機能の調整を改善するために呼気制御モジュール２０にバイアス圧力を提供するように構成されている。また、バイアス圧力は、患者回路２８の圧力に比べて高い駆動圧力として定義され、及び、呼気制御モジュール２０により使用される。呼気制御モジュール２０は、次の機能に限定するものではないが、吸気を開始するときに呼気弁２２を閉鎖する機能、呼気の間に呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ）を調整する機能、及び、Ｙ接続部８４から圧力変換モジュール２４に延長された各検出ライン（すなわち、空気路ライン及び流れライン）８６をパージする機能、などを含む複数の機能を実行するためにバイアス圧力を使用する。各検出ライン８６をパージする機能は、患者の呼吸による湿気により検出ライン８６が詰まり又は遮断されて、流量測定値や圧力測定値の精度を損なう虞があるため、定期的に実行されることが必要である。

図２及び図３を参照すると、バイアス弁３０は、最も広義には、弁座５８と、ポペット弁６４と、弁座５８に対してポペット弁６４を付勢するように構成されたバイアス部材７６と、を含んで構成されることができる。図１に示すように、バイアス弁３０は、ルーツブロワ１６に流動的に接続されており、該ルーツブロワ１６からのガス流を弁座５８で受信する。ポペット弁６４は、弁座５８に直接に係合可能であり、ルーツブロワ１６から患者回路２８へ向かうガス流量に基づいて閉位置と開位置との間を往復運動させられる。バイアス部材７６は、呼気制御モジュール２０及び圧力変換モジュール２４で所望のバイアス圧力を発生するために、弁座５８に対してポペット弁６４を付勢するバネ前負荷を作り出す。

前述したように、バイアス圧力は、呼気制御モジュール２０及び圧力変換モジュール２４の作動を容易にし、同様に、呼気弁２２の閉鎖、ＰＥＥＰの調整、及び、各検出ライン８６のパージ、を可能にする。加えて、バイアス圧力は、吸気ホールド、呼気ホールド、及び、平均吸気圧／陰性吸気力（ＭＩＰ／ＮＩＦ）の調整などの使用者活性化操作の実行を補助する。より具体的には、バイアス弁３０は、ルーツブロワ１６の作動を制御するブロワ制御アルゴリズムと共に作動する。バイアス弁３０及びブロワ制御アルゴリズムは、使用者活性化操作を実行している間に、患者回路２８への流れ及び患者回路２８からの流れの双方を協動で調整する。バイアス弁３０は、呼気弁２２の閉鎖状態を所定時間にわたり維持するように、患者回路２８の圧力を僅かに超えるバイアス圧力を発生することで上記のように作動する。

吸気ホールドの操作中に、バイアス圧力は、所定の測定値を得ることができる時間周期の間、呼気弁２２を閉鎖状態に維持する。加えて、吸気ホールドは、肺内で空気を維持させることができる追加の時間周期を提供し、より多くのガス交換が生じることを可能にする。人工呼吸器１０は、例えば、患者回路２８における空気路が高圧となり又は障害が生じた場合に、吸気ホールドの操作を終了するようにプリセット（pre-set）されることができる。吸気ホールド操作の完了に続いて、呼吸サイクルにおける呼気フェーズの開始を可能にするために、呼気弁２２が開かれる。

呼気ホールドの操作中に、患者の呼気は、呼気弁２２を、正常なバイアス流れを可能にする開位置にし続ける。しかしながら、人工呼吸器１０は、所定のイベントが発生したときには、呼気ホールドの操作を終了するように構成されることができる。例えば、この操作中に患者の呼吸努力（breathing effort）が検出されると、人工呼吸器１０は、呼気ホールドを終了して患者に呼吸をもたらすように作動するとよい。呼気ホールド操作が完了すると、吸気フェーズの開始を可能にするために、呼気弁２２が閉じる。

バイアス弁３０は、様々な圧力測定値の精度を損なうことになりかねない患者回路２８への順流を防止するために、呼気弁２２の閉位置を維持することによりＭＩＰ／ＮＩＦの調節を補助する。ＭＩＰ／ＮＩＦの操作は、該操作中に空気路の圧力を測定することに加えて、閉鎖した患者回路２８内において負圧を吸引する患者の能力を測定することにより、人工呼吸器１０を取り外すための患者の準備が整ったかを決定することができる。

上記の使用者活性化操作の夫々において、バイアス圧力は、該操作の継続期間の間に、患者回路２８に出入りしようとするあらゆる流れを防止するために、呼気弁２２を閉位置に維持する。バイアス弁３０は、この機能を、図１に示した呼吸システム１２における患者回路２８の人工呼吸器側に対するバイアス圧力（すなわち、患者回路の圧力に比べて高い圧力）を呼気制御モジュール２０に提供することにより実行する。この点に関して、バイアス弁３０は、患者回路の圧力を上回る略２〜４ｃｍＨ２Ｏのバイアス圧力を提供するように構成されるとよい。

以下でより詳細に説明するように、バイアス弁３０は、このバイアス圧力、具体的には、弁座５８に対してポペット弁６４を付勢するバイアス部材７６のバネ前負荷に起因するバイアス圧力を提供するように適合される。加えて、ポペット弁６４及び弁座５８は、具体的には、ポペット弁６４上に作用する前進の圧力に応じた順流が患者回路２８に入らないように、ポペット弁／弁座の接触面において比較的に密着したシール又は漏れ防止シールを提供するように構成される。好ましくは、バイアス弁３０は、４ｃｍＨ２Ｏのバイアス圧力を生成し、４ｃｍＨ２Ｏのバイアス圧力より数ｃｍＨ２Ｏだけ高圧力で、最大４リットル／分（ＬＰＭ）の流量を許可するように適合されている。

図２及び図３から確認できるように、バイアス部材７６は、バイアス圧力がルーツブロワ１６の流量範囲にわたって実質的に一定となるように、弁座５８に対してポペット弁６４を付勢するのに十分なバネ定数を好適に有するコイルバネ７８として構成されることができる。バイアス圧力は、略２〜４ｃｍＨ２Ｏに設定されることができるが、システム要件に応じて他のバイアス圧力が使用されてもよい。有利に、バイアス圧力をルーツブロワ１６の流量範囲にわたって比較的に一定に維持する能力は、人工呼吸器１０の電力消費量を最小限に抑えると共に、ルーツブロワ１６がそのピーク流量要件を達成できるようにすることを可能にする。

バイアス弁３０の好ましい構造配列を図２及び図３に示す。図２及び図３は、シリンダ内を往復運動するポペット弁６４と、ポペット弁６４をその閉位置方向に付勢するバイアス部材７６と、を含むシリンダ４６を示している。バイアス弁３０は、エルボハウジング４０などのハウジングと、エルボハウジング４０内に固定して取り付けられる中空シリンダ４６と、及び、ルーツブロワ１６からのガス流を受信する環状の弁座５８と、含んで構成される。エルボハウジング４０及びシリンダ４６は、環状のハウジングチャンバ３４を共同で画定する。

ポペット弁６４は、弁軸６６に沿ってシリンダ４６内を往復運動する。シリンダ４６は、シリンダ側壁５０と、シリンダ端壁（底壁）４８と、を有する。シリンダチャンバ５２は、シリンダ端壁４８とポペット弁端部７０のうちの一方との間で画定される。バイアス部材７６は、シリンダチャンバ５２内に配置されるコイルバネ７８として構成されることができ、弁座５８に対してポペット弁６４を付勢する。弁座５８におけるハウジングインレット（注入口）３８は、ルーツブロワ１６からの流れを受け入れる。

前述したように、電力消費を低減するには、ルーツブロワ１６の流量範囲にわたってバイアス圧力を一定に維持することが有用である。このように、ポペット弁６４は、具体的には、ルーツブロワ１６からの流量が増加するにつれて弁座５８から円滑に離れて移動できるように、シリンダ４６内を摺動可能なように構成される。加えて、バイアス部材７６は、ポペット弁６４の自由な移動と組み合わされて、バイアス圧力がルーツブロワ１６の流量範囲にわたり好適な一定の圧力特性を示すことを可能にする低バネ定数を有するとよい。バネ前負荷の量と、弁座５８に係合されたときのポペット弁６４（すなわち、座部領域７２）の露出領域の量と、が発生させる抵抗（すなわち、バイアス圧力）を決定する。

図２及び図３に示すように、エルボハウジング４０は、ハウジング側壁４２と、ハウジング端壁（底壁）４４と、を有する。ハウジング端壁４４は、該ハウジング端壁４４に対向するエルボハウジング４０端部に形成されて弁座５８と共にルーツブロワ１６に接続されるハウジングインレット３８を備える。ハウジングアウトレット（排出口）３６は、ハウジング側壁４２に形成されて、患者回路２８に流動的に接続される。前述したように、中空シリンダ４６は、エルボハウジング４０内に固定して取り付けられ、シリンダ端壁４８とシリンダ側壁５０により形成される。シリンダ側壁５０は、ハウジング側壁４２から離隔して該ハウジング側壁４２と同軸上に配置され、ハウジング側壁４２とシリンダ側壁５０との間に環状のハウジングチャンバ３４を画定する。

シリンダ４６は、ハウジングインレット３８に（すなわち、弁座５８に対して）合致するように、その端部が開口する。シリンダ側壁５０は、該側壁に形成された少なくとも１つの放射状開口５４を有する。放射状開口５４は、ハウジングインレット３８を環状ハウジングチャンバ３４へ流動的に相互接続し、最終的に、ハウジングインレット３８からハウジングアウトレット３６までを流動的に相互接続する機能を果たす。一実施形態において、放射状開口５４は、弁座５８に近接するシリンダ側壁５０の上部において、円周方向に等間隔で形成される複数（例えば、３つ）の放射状スロットで構成されることができる。

弁座５８は、ハウジングインレット３８に固定して取り付けられる放射状フランジ６０を有する環状要素として構成されるとよい。弁座５８は、放射状フランジ６０の内径から軸方向に延びる環状座部インタフェース６２をさらに含むことができる。シリンダ側壁５０は、弁座５８により、エルボハウジング４０内に固定して収容されることができる。より具体的には、一実施形他において、弁座５８に近接するシリンダ側壁５０の一部分は、座部インタフェース６２とエルボ側壁４２との間で保持されることができる。加えて又は代替として、弁座５８は、シリンダ側壁５０の内側に圧入されることができる。

この実施形態では、エルボハウジング４０及びシリンダ４６を円筒形として説明したが、バイアス弁３０を、例えば、矩形、楕円などの種々の代替の形状、サイズ及び構造で構成できることを意図している点に留意しなければならない。拍動性ガス流を減衰しバイアス圧力を提供する場合において、バイアス弁３０が提供するように意図された機能は、ポペット弁６４の質量と、バイアス部材７６のバネ前負荷と、弁座５８に対するポペット弁６４の座部領域７２と、に部分的に依存する。バイアス圧力を生成するために、ポペット弁６４は、例えば、弁座５８に対して密閉的に係合可能で、且つ、ルーツブロワ１６が発生するガス流に対して反作用を示すディスク形状などの様々な形状で構成されることができる。

ポペット弁６４自体は円筒形状であってもよく、弁軸６６に沿ってシリンダ４６内を摺動可能に配置されるとよい。ポペット弁６４は、円筒状のポペット弁側面６８と、夫々対向するポペット弁端部７０と、を有する。シリンダチャンバ５２は、シリンダ端壁４８とポペット弁端部７０のうちの一方との間に形成される。ポペット弁端部７０のうちの他方は、環状弁座５８の座部インタフェース６２に対して密閉的に係合可能である。前述したように、ポペット弁６４は、弁座５８に接触して配置されたときに、ルーツブロワ１６からの拍動性ガス流に対して反作用を示す座部領域７２を画定する。

図１を一時的に参照すると、空気回路図は、ルーツブロワ１６をバイアス弁３０に流動的に相互接続させる流量計１８を示している。好適な一実施形態において、流量計１８は、理想的には、ルーツブロワ１６が発生する流量を正確に測定するように構成される熱線式質量流量計１８として構成される。流量計１８の精度を改善するために、バイアス弁３０は、具体的には、熱線式質量流量計１８で、ルーツブロワ１６が発生した拍動性ガス流に減衰を与えるように構成される。有利に、このような減衰は、以下でより詳細に説明するように、バイアス弁３０が発生した慣性減衰及び粘性減衰の少なくとも一方により提供される。

再び図２を参照すると、ポペット弁６４は、シリンダ４６に対して相補的であるようにサイズ設定され及び構成される。この点に関して、ポペット弁側面６８及びシリンダ側壁５０は、これらの間の非常に狭い環状のポペット弁クリアランス７４を画定する。ポペット弁クリアランス７４は、ルーツブロワ１６が発生する拍動性ガス流を減衰させる粘性減衰を提供するために十分であるとよい。このような粘性減衰は、シリンダチャンバ５２内のガスが、十分に狭いポペット弁クリアランス７４を通過して、シリンダ側壁５０に形成された放射状開口５４（すなわち、放射状スロット）を通りハウジングチャンバ３４に入るときに（逆もまた同様）、発生する。ポペット弁６４は、該ポペット弁６４の座部領域７２に対して作用する拍動性ガス流に応答して往復運動する。

加えて、ポペット弁６４は、ルーツブロワ１６による拍動性ガス流の慣性減衰を提供するために、十分な質量を有するとよい。図３に示しているのは、ポペット弁６４の変形例である。このポペット弁は、Ｏリング８８で密閉されるピン８２によりポペット弁６４に固定される質量要素８０を収容するために形成された座ぐりを含んでいる。バイアス部材７６は、シリンダチャンバ５２内に取り付けられて、ポペット弁端部７０における座ぐり内の質量要素８０上で、該質量要素８０と同軸上に配置されるコイルバネ７８として構成されたもので示されている。質量要素８０は、所定の慣性減衰特性を達成するためにポペット弁６４の質量を増減させることを目的として、様々なサイズの質量要素８０に置換されることができる。

ルーツブロワ１６の作動中に、拍動性ガス流は、強制的周波数（forcing frequency）でポペット弁６４に対して作用する。ポペット弁６４及びバイアス部材７６は、ポペット６４／質量要素８０の質量及びバネ７８のバネ定数により部分的には、ポペット弁固有周波数でシリンダ４６内を往復運動する。ポペット６４弁及び質量要素８０は、強制的周波数がポペット弁固有周波数よりも実質的に高いときに、拍動性ガス流の慣性減衰を最大とするようサイズ設定され及び構成されるとよい。ポペット弁固有周波数と比較して高い強制的周波数は、人工呼吸器１０の大部分の動作中におけるポペット弁６４／バイアス部材７６とルーツブロワ１６との間の典型的な関係である。有利に、拍動性ガス流の慣性減衰は、好適な実施形態の人工呼吸器１０において利用される熱線式質量流量計１８による測定精度を向上させることができる。

前述したように、粘性減衰は、ポペット弁側面６８とシリンダ側壁５０との間のポペット弁クリアランス７４により提供される。弁座５８で作用するガス流に応答してポペット弁６４がシリンダチャンバ５２方向内向きに移動するときに、シリンダチャンバ５２の中に含まれるガスは、非常に狭いポペット弁クリアランス７４を通過するように強制される。そして、ポペット弁クリアランス７４を通過したガスは、放射状開口５４を経てハウジングチャンバ３４に入る。また、ポペット弁６４がシリンダ端壁４８から離れる方向に移動するときに、ガスは、これまでの移動方向を反転し、ハウジングチャンバ３４からポペット弁クリアランス７４を通過するように移動して、シリンダチャンバ５２に充填される。

ガスがポペット弁クリアランス７４を通過して移動することで生じる粘性減衰は、ポペット弁６４に作用する強制的周波数がポペット弁固有周波数と実質的に等しいときに、最も効果的である。バイアス弁３０の減衰効果の一例を図４のグラフから見ることができる。グラフの左側は、減衰されていない状態のルーツブロワ１６の流量出力を示している。グラフの右側は、ルーツブロワ１６の流量出力が弱化又は減衰された状態を示すプロットである。減衰された流れは、バイアス弁３０が発生した慣性減衰及び粘性減衰の結果である。

再度、図２及び図３を参照する。バイアス弁３０の様々な構成要素に対する特定の構造的な構成に関して、シリンダ４６には、あらゆる適切な材料を使用することができ、例えば、ステンレス鋼などの適切な金属材料から製造されることが考えられる。ポペット弁６４とシリンダ４６との間には比較的精密な嵌めあいが要求されるため、シリンダ側壁５０の内周面は、例えば、ＣＮＣ機械加工などの機械加工を含む様々な手段により厳しい精度で製造されるとよい。しかし、不都合なことに、このような機械加工プロセスは、ポペット弁６４の往復運動方向に対して横切るように（直角に）方向づけられた回転傷（turning mark）をシリンダ側壁５０上に形成することがある。ポペット６４弁は（すなわち、ポペット弁６４はその往復運動のために）長いサイクル寿命が必要であるため、このような場合には、シリンダ側壁５０の内周面を加工面粗さを低減するために滑らかにし又は研磨して、その内周面にポペット弁６４の運動に対して最小抵抗を有する滑面が提供されるとよい。

同様に、ポペット弁６４自体は、低摩擦特性及び有利な機械的性質のほか、ポペット弁クリアランス７４のサイズ変化を回避するために低熱膨張係数をも示す材料で製造されるとよいことが考えられる。このような理由で、ポペット弁６４は、例えば、高抗張力及び高潤滑性を有することで知られているポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの合成高分子で製造されるとよい。弁座５８は、あらゆる適切な材料から製造されることができるが、真鍮（brass）の有利な機械的特性が高硬度及び有利な加工特性を備えるため、真鍮で製造されるとよい。バイアス部材７６は、コイルバネ７８として構成されることができ、また、あらゆる適切な材料を利用することができるが、好ましくは、ばね鋼又はステンレス鋼で製造されるとよい。

作動において、ルーツブロワ１６は、図１の空気回路図に示したように、バイアス弁３０に送出する拍動性ガス流を発生する。弁座５８に対するポペット弁の係合構成に起因して、バイアス弁３０は、患者回路２８の圧力に比べて高い駆動圧力であるバイアス圧力を発生する。前述したように、このような駆動圧力は、吸気を開始するときに呼気弁２２を閉鎖し、呼気中にＰＥＥＰを調節するために呼気制御モジュール２０により利用されると共に、患者回路２８に近接してＹ接合部８４に接続される検出ライン８６をパージするために圧力変換モジュール２４が使用する。

バイアス圧力は、ポペット弁６４の座部領域７２に作用する拍動性流れに応答するバイアス部材７６のバネ前負荷によって生成される。バイアス部材７６は、所定のバネ前負荷を提供するようにサイズ設定され及び構成され、そして、患者回路２８の圧力よりも高い所望量のバイアス圧力を生じる。好ましくは、バイアス部材７６は、ルーツブロワ１６の流量範囲全体にわたってバイアス圧力が実質的に一定となるような比較的低いバネ定数を有する。バイアス圧力は、呼気制御モジュール２０が前述の機能を実行すると共に、例えば、吸気ホールド及び呼気ホールドなどの使用者活性化操作を補助するに際し、該呼気制御モジュール２０を補助するために十分に高いとよい。

有利に、バイアス弁３０の特有の配置は、ルーツブロワ１６が発生する拍動性ガス流の減衰を提供するので、ルーツブロワ１６に流動的に接続された流量計１８はその拍動性ガス流を正確に測定することができる。ポペット弁６４が発生する減衰は、慣性減衰及び粘性減衰の少なくとも一方であるとよい。前述したように、慣性減衰は、バイアス部材７６が生じる反力と協働するポペット弁６４の質量に依存する。

粘性減衰の量は、シリンダ４６内をポペット弁６４が往復運動するときに必要な、ポペット弁６４とシリンダ４６との間のポペット弁クリアランス７４のサイズ（寸法）に依存する。理想的には、ポペット弁６４及び質量要素８０は、強制的周波数（すなわち、ポペット６４弁に作用する拍動性ガス流により発生する強制的周波数）がポペット弁固有周波数よりも実質的に高いときに、慣性減衰を最大とするようにサイズ設定され及び構成される。加えて、バイアス弁３０は、強制的周波数がポペット弁固有周波数と実質的に等しいときには、粘性減衰を最大とするように構成されるとよい。粘性減衰と慣性減衰とを組み合わせた効果は、ルーツブロワ１６が発生する流れを測定する流量計１８の精度を十分に向上させるので好ましい。

本発明の様々な実施形態の説明は、本発明の好ましい実施形態を説明するために提示したものであり、その他の本発明の思想は、それ以外の様々な方法で具体化され、採用されることができる。添付の特許請求の範囲は、従来技術により制限される範囲を除き、あらゆる変形形態を含むように解釈されることを意図している。

Claims (24)

1. 患者回路に対してガス流を発生するルーツブロワを有するポータブル人工呼吸器であって、
   前記患者回路に接続された呼気弁を作動するように構成される呼気制御モジュールと、
   前記ルーツブロワと前記患者回路との間に接続されて、前記呼気制御モジュールにバイアス圧力を提供するように構成されるバイアス弁と、
   を含んで構成される人工呼吸器。
2. 前記バイアス弁は、前記ルーツブロワの流量範囲にわたって実質的に一定なバイアス圧力を提供するように構成される請求項１記載の人工呼吸器。
3. 前記ルーツブロワは、ブロワ制御アルゴリズムにより制御され、
   前記バイアス弁及びブロワ制御アルゴリズムは、吸気ホールド、呼気ホールド及び平均吸気圧／陰性吸入力（ＭＩＰ／ＮＩＦ）の調節を実行する使用者活性化操作の少なくとも１つを実行している間に、患者回路への流れ及び患者回路からの流れを協動で調整する
   請求項１記載の人工呼吸器。
4. 前記バイアス弁に流動的に接続されて、前記バイアス弁からの前記バイアス圧力を受信する圧力変換モジュールと、
   前記患者回路と前記圧力変換モジュールとの間に接続される空気路検出ライン及び流れ検出ラインの少なくとも１つと、
   をさらに含んで構成され、
   前記圧力変換モジュールは、前記バイアス圧力を利用して前記検出ラインをパージするように作動する
   請求項１記載の人工呼吸器。
5. 前記ルーツブロワと前記バイアス弁との間に組み込まれて、前記ルーツブロワのガス流量を測定するように作動する流量計をさらに含んで構成される請求項１記載の人工呼吸器。
6. 前記ルーツブロワが発生する前記ガス流は、拍動性ガス流であり、
   前記ポペット弁は、前記流量計による測定に適するように前記拍動性ガス流を減衰させる慣性減衰を生成するのに十分な質量を有する
   請求項５記載の人工呼吸器。
7. 前記バイアス弁は、シリンダを含み
   前記ポペット弁は、前記シリンダ内を摺動自在に往復運動するように構成されて、前記ポペット弁と前記シリンダとの間の十分に狭いポペット弁クリアランスを画定し、
   前記ポペット弁クリアランスは、前記ポペット弁の往復運動中にガスが前記ポペット弁クリランスを通過するときに、前記拍動性ガス流を減衰させる粘性減衰を生成するようサイズ設定される
   請求項５記載の人工呼吸器。
8. ガス流を発生するルーツブロワを有する人工呼吸器用のバイアス弁であって、該人工呼吸器は、患者回路と接続される呼気弁を作動させるように構成されて前記バイアス弁の一側に流動的に接続される呼気制御モジュールと、前記バイアス弁の他側に流動的に接続される前記患者回路と、を有し、前記バイアス弁は、
   前記ルーツブロワに接続される弁座と、
   前記弁座に係合可能で、前記ルーツブロワからのガスが前記患者回路に流入することの防止及び許容を夫々行うように、閉位置と開位置との間を往復運動するポペット弁と、
   前記呼気制御モジュールにおいてバイアス圧力が前記呼気弁の調節用に提供されるように、前記弁座に対して前記ポペット弁を付勢するよう構成されるバイアス部材と、
   を含んで構成される。
9. 前記バイアス部材は、前記ルーツブロワの流量範囲にわたって前記バイアス圧力が実質的に一定となるように、前記弁座に対して前記ポペット弁を付勢するのに十分なバネ定数を有する請求項８記載のバイアス弁。
10. 前記バイアス弁は、吸気ホールド、呼気ホールド及び平均吸気圧／陰性吸入力（ＭＩＰ／ＮＩＦ）の調節を実行する使用者活性化操作の少なくとも１つを実行している間に、患者回路への流れ及び患者回路からの流れを防止するのに十分なバイアス圧力を提供するように構成される請求項８記載のバイアス弁。
11. 前記バイアス弁に流動的に接続されて、前記バイアス弁からの前記バイアス圧力を受信する圧力変換モジュールと、
    前記患者回路と前記圧力変換モジュールとの間に接続されて、前記患者回路の圧力及び流量を測定するように構成される空気路検出ライン及び流れ検出ラインの少なくとも１つと、
    をさらに含んで構成され、
    前記圧力変換モジュールは、前記バイアス圧力を利用して前記検出ラインをパージするように作動する
    請求項８記載のバイアス弁。
12. 前記人工呼吸器は、前記ルーツブロワと前記バイアス弁との間に組み込まれて前記ルーツブロワのガス流量を測定するように作動する流量計をさらに含む請求項８記載のバイアス弁。
13. 前記ルーツブロワが発生する前記ガス流は、拍動性ガス流であり、
    前記ポペット弁は、前記流量計による測定に適するように前記拍動性ガス流を減衰させる慣性減衰を提供するのに十分な質量を有する
    請求項１２記載のバイアス弁。
14. 前記ポペット弁に取り付けられる質量要素をさらに含んで構成され、
    前記ポペット弁は、強制的周波数を有する前記拍動性ガス流に対して反応し、
    前記ポペット弁及び前記バイアス部材は、ポペット弁固有周波数で往復運動し、
    前記ポペット弁及び前記質量要素は、前記強制的周波数が前記ポペット弁固有周波数よりも実質的に高いときに、慣性減衰を最大とするようサイズ設定され及び構成される
    請求項１２記載のバイアス弁。
15. 前記バイアス弁は、前記流量計による測定に適するように、前記拍動性ガス流を減衰させる粘性減衰を提供するよう構成される請求項１４記載のバイアス弁。
16. 前記バイアス弁は、前記強制的周波数が前記ポペット弁固有周波数と実質的に等しいときに、粘性減衰を最大とするよう構成される請求項１５記載のバイアス弁。
17. 前記流量計は、熱線式質量流量計として構成される請求項１２記載のバイアス弁。
18. ルーツブロワが発生する拍動性ガス流を減衰させる人工呼吸器のバイアス弁であって、該人工呼吸器は、患者回路と接続される呼気弁を作動させるように構成されて前記バイアス弁の一側に流動的に接続される呼気制御モジュールと、前記バイアス弁の他側に流動的に接続される前記患者回路と、前記ルーツブロワと前記バイアス弁との間に配置されて前記ルーツブロワからのガス流を測定するように構成される質量流量計と、を有し、前記バイアス弁は、
    前記患者回路に流動的に接続されるハウジングアウトレットと、前記ルーツブロワに流動的に接続されるハウジングインレットと、が開口する環状ハウジングチャンバを有するハウジングアセンブリであって、
    ハウジング側壁及びハウジング端壁を有し、前記ハウジングインレットが前記ハウジング端壁に対向するハウジング端部に形成されて前記ルーツブロワに接続され、前記ハウジングアウトレットが前記ハウジング側壁に形成されるエルボハウジングと、
    シリンダ端壁及びシリンダ側壁を有して前記エルボハウジング内に固定して取り付けられ、前記シリンダ側壁が前記ハウジング側壁から離隔して該ハウジング側壁と同軸上に配置されて前記ハウジング側壁と前記シリンダ側壁との間に環状のハウジングチャンバを画定し、前記ハウジングインレットに合致するように端部が開口する中空シリンダと、
    前記ハウジングインレットに固定して取り付けられ、座部接触面を有する環状の弁座と、
    を含む前記ハウジングアセンブリと、
    ポペット弁側面及び夫々対向するポペット弁端部を有して、前記シリンダ内を摺動可能に配置されると共に前記シリンダ内を往復運動可能とされ、前記シリンダ端壁と前記ポペット弁端部のうちの一方との間にシリンダチャンバを画定し、前記ポペット弁端部のうちの他方が前記座部の座部インタフェースに密閉的に係合可能であるように構成されて座部領域を画定するポペット弁と、
    前記ポペット弁を前記座部インタフェース方向に付勢するのに十分なバネ前負荷を有するバイアス部材と、
    を含んで構成され、
    前記座部領域及びバネ前負荷は、前記呼気制御モジュールに所定のバイアス圧力を提供するようにサイズ設定され及び構成される。
19. 前記ポペット弁は、前記質量流量計による測定に適するように前記ルーツブロワからの前記拍動性ガス流を減衰させる慣性減衰を生成するのに十分な質量を有する請求項１８記載のバイアス弁。
20. 前記ポペット弁に取り付けられる質量要素をさらに含んで構成され、
    前記ポペット弁は、強制的周波数を有する前記拍動性ガス流に対して反応し、
    前記ポペット弁及び前記バイアス部材は、ポペット弁固有周波数で往復運動し、
    前記ポペット弁及び前記質量要素は、前記強制的周波数が前記ポペット弁固有周波数よりも実質的に高いときに、慣性減衰を最大とするようサイズ設定され及び構成される
    請求項１９記載のバイアス弁。
21. 前記バイアス弁は、前記質量流量計による測定に適するように、前記拍動性ガス流を減衰させる粘性減衰を提供するよう構成される請求項２０記載のバイアス弁。
22. 前記バイアス弁は、前記強制的周波数が前記ポペット弁固有周波数と実質的に等しいときに、前記粘性減衰を最大とするよう構成される請求項２１記載のバイアス弁。
23. 前記ポペット弁及び前記シリンダは、前記ポペット弁の往復運動中にガスが前記シリンダチャンバと前記ハウジングチャンバとの間の前記ポペット弁クリランスを通過するときに前記粘性減衰を発生するように、前記ポペット弁と前記シリンダとの間に十分に狭いポペット弁クリアランスを画定する請求項２１記載のバイアス弁。
24. 前記バイアス部材は、前記ルーツブロワの流量範囲にわたって実質的に一定のバイアス圧力を発生するのに十分なバネ定数を有する請求項１８に記載のバイアス弁。

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