JP2010207370A - 呼吸補助装置及び呼吸補助装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高所地においては多くの酸素が必要とされることから、酸素ボンベ等が早く空になり、重い酸素ボンベ等の場合、そのまま高所地にゴミとして投棄され、それが腐食して環境保護の面において問題があった。
【解決手段】現在位置の大気圧を検出する圧力センサー１４と、外部から空気の導入を行なう空気導入部１２と、所定濃度の酸素が充填された酸素ボンベ１１とを備える。更に、検出した大気圧に基づいて空気と酸素との混合比率を調整する調整部１７と、調整された混合比率に基づいて空気と酸素を混合する混合部１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、呼吸補助装置及び呼吸補助装置の制御方法に関する。

高所地では平地と比べて空気が薄いために、空気中の酸素を体内に取り込みにくくなることで血中の酸素が不足し、呼吸困難、頭痛、めまい等の様々な症状が発生することがある。このため、高所地での作業や登山等においての呼吸を補助するために、ユーザーが携帯して酸素を吸入するための呼吸補助装置が提供されている。
例えば、呼吸補助装置として下記の特許文献１の空気供給装置では、大気中の有害物質吸引、種々植物による花粉アレルギー症状、高所地における酸欠症状等に対応するために、図８に示す空気供給装置の構成を提案している。同図では、ウェアー及び装身具に、複数の空気放散孔又は開口溝（１）を持った新鮮空気放散管（２）が装着されて、送気管（３）を経由して、脱着開閉弁（４）によって新鮮空気供給源（５）に結続することで、新鮮空気（６）を身辺に放散するようにしている。

特開２００７−３０１３１７号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載されているような呼吸補助装置を、高所地での作業や登山等において長時間利用するためには、新鮮空気供給源（５）として、多くの酸素が充填された例えば酸素ボンベ等が必要になる。高所地においては多くの酸素が必要とされることから、酸素ボンベ等が早く空になり、重い酸素ボンベ等の場合、そのまま高所地にゴミとして投棄され、それが腐食して環境保護の面において問題が生じる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］現在位置の大気圧を検出する圧力センサーと、外部から空気の導入を行なう空気導入部と、所定濃度の酸素が充填された酸素容器と、前記導入した空気と前記酸素容器からの酸素との混合比率を調整する調整部と、前記調整部で調整された混合比率に基づいて、前記導入した空気と前記酸素容器からの酸素を混合する混合部とを有し、前記調整部は、前記検出した大気圧に基づいて前記混合比率を調整することを特徴とする呼吸補助装置。

上記した呼吸補助装置によれば、圧力センサーが検出した大気圧に基づいて、調整部が、空気導入部からの空気と酸素容器からの酸素との混合比率を調整する。大気圧に基づいて混合比率を調整することから、大気圧に応じた無駄の無い酸素濃度に調整することができる。これにより、酸素容器に充填された酸素の使用量を抑制することができ、結果として、酸素ボンベ等の酸素容器の投棄を減少させることになり環境保護に貢献することができる。

［適用例２］前記調整部は、前記検出した大気圧が低くなるに従って前記酸素の混合比率を高くするように調整する上記呼吸補助装置。

上記した呼吸補助装置によれば、調整部が、大気圧が低くなるに従って酸素の混合比率を高くするように調整することから、逆に大気圧が高いときには酸素濃度を低くするように調整することができ、酸素の使用量を抑制することができる。

［適用例３］前記調整部は、所定の大気圧に応じた酸素分圧に保つように前記混合比率を調整する上記呼吸補助装置。

上記した呼吸補助装置によれば、調整部が、所定の大気圧に応じた酸素分圧に保つように混合比率を調整することから、呼吸に適した酸素分圧に保たれた酸素濃度に調整することができる。

［適用例４］前記混合された前記空気と前記酸素とを吸入するユーザーの生体情報を取得する生体情報取得部を更に有し、前記調整部は、前記検出した大気圧と前記取得した生体情報とに基づいて前記混合比率を調整する上記呼吸補助装置。

上記した呼吸補助装置によれば、調整部は、大気圧に加えて、生体情報取得部によって取得したユーザーの生体情報に基づいて酸素の混合比率を調整することから、ユーザーの生体情報に適した酸素濃度に調整することができる。

［適用例５］前記圧力センサーは、現在位置の高度を検出し、前記調整部は、前記検出した高度に基づいて前記混合比率を調整する上記呼吸補助装置。

上記した呼吸補助装置によれば、圧力センサーが検出した高度に基づいて、調整部が、空気導入部からの空気と酸素容器からの酸素との混合比率を調整する。高度に基づいて混合比率を調整することから、高度に応じた無駄の無い酸素濃度に調整することができる。

［適用例６］所定濃度の酸素が充填された酸素容器を有し、現在位置の大気圧を検出する大気圧検出工程と、外部から空気の導入を行なう空気導入工程と、前記導入した空気と前記酸素容器からの酸素との混合比率を調整する調整工程と、前記調整工程で調整された混合比率に基づいて、前記導入した空気と前記酸素容器からの酸素を混合する混合工程とを有し、前記調整工程において、前記検出した大気圧に基づいて前記混合比率を調整することを特徴とする呼吸補助装置の制御方法。

上記した呼吸補助装置の制御方法によれば、大気圧検出工程において検出した大気圧に基づいて、調整工程において、空気導入工程において導入した空気と酸素容器からの酸素との混合比率を調整する。大気圧に基づいて混合比率を調整することから、大気圧に応じた無駄の無い酸素濃度に調整することができる。これにより、酸素容器に充填された酸素の使用量を抑制することができ、結果として、酸素ボンベ等の酸素容器の投棄を減少させることになり環境保護に貢献することができる。

呼吸補助装置の概略構成図。 圧力センサーの構成を示す図であり、（Ａ）は圧力センサーの断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図。 呼吸補助装置の動作を示すフローチャート。 酸素付加量を取得する処理を示すフローチャート。 外気混合の処理を示すフローチャート。 第２実施形態に係る呼吸補助装置の概略構成図。 第２実施形態における酸素付加量を取得する処理を示すフローチャート。 呼吸補助装置の従来例としての空気供給装置を示す構成図。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る呼吸補助装置について、図面を参照して説明する。

最初に、第１実施形態に係る呼吸補助装置の概略構成について説明する。
図１は、第１実施形態に係る呼吸補助装置１の概略構成図である。同図に示す呼吸補助装置１は、酸素容器としての酸素ボンベ１１、空気導入部１２、混合部１３、圧力センサー１４、マスク１５、流量計１６及び調整部１７を備えている。

酸素ボンベ１１には、充填する酸素容量を増やすために高濃度の酸素が高圧で充填されている。酸素ボンベ１１は、図示しない逆止弁及びレギュレーターに接続されており、酸素ボンベ１１内の高濃度の酸素が減圧及び流量調整されて、接続チューブ２１を介して混合部１３に供給される。

空気導入部１２は、外部空気を図示しない外部空気導入口からエジェクター等を用いて導入する。このとき、導入した空気をエアフィルターを用いて清浄化しても良い。導入した外部空気は、接続チューブ２２を介して混合部１３に供給される。
する。

混合部１３は、酸素ボンベ１１から供給された高濃度の酸素と、空気導入部１２から供給された外部空気とを混合して所定の酸素濃度に調整した混合気を生成し、接続チューブ２３を介してマスク１５に供給する。このときの高濃度の酸素と外部空気との混合比率は、調整部１７によって調整される。

圧力センサー１４は、呼吸補助装置１の現在位置の大気圧を検出する。圧力センサー１４としては、大気圧を高精度に検出するために、双音叉振動子を搭載したダイアフラム型の圧力センサーを用いることが望ましい。
図２は、圧力センサー１４の構成を示す図であり、（Ａ）は圧力センサーの断面図、（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。圧力センサー１４は、ダイアフラム１２０と、このダイアフラム１２０と対向して設けられる容器１４０、及び感圧素子としての圧電振動片１３０とを基本構成とする絶対圧センサーである。

上記のような基本構成を有する圧力センサー１４のうち、ダイアフラム１２０は、外部（図２（Ａ）では上方）からの圧力を受圧すると、受圧した圧力によって撓み変形する薄肉部１２２と、この薄肉部１２２の周囲に形成される枠部１２８とを基本構成とする。そして、本実施形態のダイアフラム１２０は薄肉部１２２の一方の面に、詳細を後述する圧電振動片１３０を載置、固定するための支持部１２４を有する。支持部１２４は圧電振動片１３０を２点で支持するために設けられるものであり、圧電振動片１３０の両端部を固定するために、対を成すように形成されている。また、薄肉部１２２の他方の面には、圧電振動片１３０を支持部１２４に載置した際に、圧電振動片１３０の振動部１３４が位置することとなる部位に対応させて、厚肉化するための突出部１２６を設けても良い。

本実施形態で採用する圧電振動片１３０は、いわゆる双音叉振動子である。双音叉型の振動子は、振動部の両端部に基部１３２を有し、この２つの基部１３２の間に双音叉形状を成す振動部１３４を有する。このような構成の双音叉型の振動子は、双音叉形状を成す振動部１３４に内部応力を生じさせると、共振周波数が変化するという特性を持っている。具体的には、振動部１３４に引張応力が生じると共振周波数が高くなり、圧縮応力が生じると共振周波数は低くなる。従って、圧力センサー１４において、ダイアフラム１２０が圧力を受圧すると、受圧した圧力によってダイアフラム１２０は撓み変形し、支持部１２４を介して双音叉振動子に引張力が作用するので、双音叉振動子に引張応力が生じ共振周波数が変化することとなる。この共振周波数の変化から圧力変化を検出する。

図１に戻って、マスク１５は、呼吸補助装置１のユーザーに装着されて、当該ユーザーは、混合部１３から接続チューブ２３を介して供給される混合気を吸入する。マスク１５には、図示しないレギュレーターが付設され、ユーザーの吸気期間に自動開閉弁を開き、呼気期間中は閉じることによって酸素消費量を節約することが可能となっている。流量計１６は、接続チューブ２３，２４を介してユーザーの呼吸時における吸入量を測定する。

調整部１７は、酸素ボンベ１１からの高濃度の酸素と、空気導入部１２からの外部空気との混合比率を調整する。また、調整部１７は、流量計１６において測定したユーザーの吸入量に基づいて、混合部１３からマスク１５へ供給する混合気の流量を調整する。即ち、調整部１７は、混合部１３からマスク１５を介してユーザーに供給する酸素付加量を調整する。

ここで、調整部１７は、混合部１３からマスク１５へ供給する混合気の酸素分圧が、所定の酸素分圧を保つように混合比率を調整する。本実施形態では、ここでの所定の酸素分圧を、平地（海抜０ｍ）における酸素分圧とする。以下の表１は、気圧と酸素分圧の対応例を示す表である。

表１において、平地での気圧１０１３．２５ｈＰａの場合は、酸素分圧２１１．７７ｈＰａ（網掛け部分）であるが、高所地での気圧３５５．９２ｈＰａの場合は、酸素分圧７４．３９ｈＰａ（網掛け部分）となり大幅に低下している。このように酸素分圧が低い高所地では、ユーザーは、酸素の摂取量が減ってしまい呼吸が苦しくなる。このため、高所地においても平地と同様な酸素分圧を保つために、以下の式（１）に基づいて、酸素濃度を算出して混合比率を調整する。

次に、呼吸補助装置１の動作について説明する。
図３は、呼吸補助装置１の動作を示すフローチャートである。同図に示すフローチャートは、例えば、呼吸補助装置１に備えられた図示しない起動スイッチがオンされた場合に開始される。

呼吸補助装置１は、混合部１３からマスク１５を介してユーザーに供給する酸素付加量を取得する（ステップＳ１０）。

図４は、酸素付加量を取得する処理を示すフローチャートである。同図において、呼吸補助装置１は、流量計１６により、ユーザーの呼吸時における吸入量を測定する（ステップＳ１１）。次に、呼吸補助装置１は、圧力センサー１４により、大気圧検出工程として現在位置における大気圧を検出する（ステップＳ１２）。

次に、呼吸補助装置１は、調整部１７により、ステップＳ１１において測定した吸入量に基づいて、混合部１３からマスク１５へ供給する混合気の流量を取得する。そして、ステップＳ１２において検出した大気圧に基づいて、調整工程として高濃度の酸素と外部空気との混合比率を取得する。呼吸補助装置１は、これらの混合気の流量及び混合比率を取得することにより、マスク１５を介してユーザーに供給する適正な酸素付加量を取得することになる（ステップＳ１３）。

図３のフローチャートに戻って、呼吸補助装置１は、ステップＳ１０において取得した酸素付加量に基づいて、酸素ボンベ１１からの高濃度の酸素と、空気導入部１２からの外部空気とを混合する外気混合の処理を行なう（ステップＳ２０）。

図５は、外気混合の処理を示すフローチャートである。同図において、呼吸補助装置１は、空気導入部１２により、空気導入工程として外部空気を導入して混合部１３へ供給する（ステップＳ２１）。次に、呼吸補助装置１は、混合部１３により、図３のステップＳ１０において取得した酸素付加量における混合比率に基づいて、混合工程として酸素ボンベ１１からの高濃度の酸素と、空気導入部１２からの外部空気とを混合し、適正量の酸素を付加した混合気を生成する（ステップＳ２２）。

図３のフローチャートに戻って、呼吸補助装置１は、ステップＳ２０において生成した混合気を、接続チューブ２３を介してマスク１５に供給する（ステップＳ３０）。

次に、呼吸補助装置１は、呼吸補助装置１の動作終了の指定を受け付けたか否かを判定する（ステップＳ４０）。ここでの、動作終了の指定は、呼吸補助装置１に備えた起動スイッチがオフされることで受け付ける。動作終了の指定を受け付けた場合（ステップＳ４０：Ｙｅｓ）は、図３のフローチャートの処理を終了する。他方、動作終了の指定を受け付けていない場合（ステップＳ４０：Ｎｏ）は、ステップＳ１０に戻り、酸素付加量を取得する処理以降を繰り返す。

上記した呼吸補助装置１は、圧力センサー１４によって検出した大気圧に基づいて、酸素ボンベ１１からの高濃度の酸素と外部空気とを混合し、その場所の大気圧に応じた適正量の酸素を付加した混合気を生成する。これにより、例えば、ユーザーが呼吸補助装置１を装着して、平地から高所地へと上るときに、平地から高所地に近づくにつれて徐々に酸素濃度を高くした混合気をユーザーに提供することができる。また、ユーザーが高所地から平地へと下るときに、高所地から平地に近づくにつれて徐々に酸素濃度を低くした混合気をユーザーに提供することができる。
これにより、ユーザーは、その場所に適した酸素濃度の混合気を吸入することができ、酸欠が引き起こす呼吸困難等の様々な症状に対応することができる。更に、大気圧に応じて適正量の酸素が付加されることから、酸素ボンベ１１に充填された高濃度の酸素を無駄なく効率的に消費することができ、酸素ボンベ１１の高濃度の酸素の使用量を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る呼吸補助装置について、図面を参照して説明する。図６は、第２実施形態に係る呼吸補助装置２の概略構成図である。同図に示す呼吸補助装置２は、図１に示す第１実施形態に係る呼吸補助装置１に対して、生体情報取得部１８が付加されている。

この生体情報取得部１８は、ユーザーの例えば年齢、性別、体重、肺活量等の生体情報を、呼吸補助装置２に備えられた例えば図示しない操作パネル等から取得する。
また、第２実施形態における調整部１７は、混合比率を調整する際に、第１実施形態において用いた大気圧に加えて、生体情報取得部１８によって取得したユーザーの生体情報を用いる。

例えば、年齢については、一般的に加齢に伴い肺活量が低下して酸欠状態になり易いことから、老齢者の場合は酸素濃度を高くするように混合比率を調整する。また、女性よりも男性の方が多くの酸素を必要とすることから、女性よりも男性の方の酸素濃度を高くするように混合比率を調整する。また、体重が増加すると多くの酸素を必要とすることから、体重の増加に応じて酸素濃度を高くするように混合比率を調整する。また、肺活量が低下する程、多くの酸素を必要とすることから、肺活量の低下に応じて酸素濃度を高くするように混合比率を調整する。

次に、第２実施形態における呼吸補助装置２の動作について説明する。
第２実施形態における呼吸補助装置２の動作と、図３に示す第１実施形態における呼吸補助装置１の動作とは、図３に示すステップＳ１０における酸素付加量を取得する動作が異なる。

図７は、第２実施形態における酸素付加量を取得する処理を示すフローチャートである。同図において、呼吸時の吸入量を測定する処理（ステップＳ１１１）、大気圧を検出する処理（ステップＳ１１２）は、図４のフローチャートに示すステップＳ１１，Ｓ１２の処理と同様の処理内容であるため説明を省略する。

図７において、呼吸補助装置２は、生体情報取得部１８により、ユーザーの生体情報を取得する（ステップＳ１１３）。

次に、呼吸補助装置２は、調整部１７により、ステップＳ１１１において測定した吸入量に基づいて、混合部１３からマスク１５へ供給する混合気の流量を取得する。そして、ステップＳ１１２において検出した大気圧、及びステップＳ１１３において取得した生体情報に基づいて、高濃度の酸素と外部空気との混合比率を取得する。呼吸補助装置２は、これらの混合気の流量及び混合比率を取得することにより、マスク１５を介してユーザーに供給する適正量の酸素付加量を取得することになる（ステップＳ１１４）。

上記した呼吸補助装置２は、圧力センサー１４によって検出した大気圧に加えて、ユーザーの生体情報に基づいて酸素ボンベ１１からの高濃度の酸素と外部空気とを混合し、その場所の大気圧及びユーザーの生体情報に応じた適正量の酸素を付加した混合気を生成する。これにより、ユーザーの例えば年齢、性別、体重、肺活量等に基づいて、ユーザーに最適となるように調整した酸素濃度の空気をユーザーに提供することができる。

（変形例）
上述した実施形態では、圧力センサー１４によって検出した大気圧に基づいて、高濃度の酸素と外部空気との混合比率を調整するようにしたが、圧力センサー１４によって現在位置の高度を検出して、この高度に応じた酸素濃度となるように混合比率を調整しても良い。以下の表２は、高度及び気圧と酸素分圧の対応例を示す表である。

表２において、平地での高度０ｍの場合は、酸素分圧２１１．７７ｈＰａ（網掛け部分）であるが、高度８０００ｍの場合は、酸素分圧７４．３９ｈＰａ（網掛け部分）となり大幅に低下する。この場合、高度から以下の式（２）に基づいて気圧を算出し、この気圧から前記した式（１）に基づいて酸素濃度を算出して混合比率を調整しても良い。現在位置の高度に基づいて混合比率を調整することにより、ユーザーは、高度に応じて適正に調整された空気を吸入することができる。なお、Ｐは求める気圧、Ｐ０は高度０ｍでの基準気圧、Ｔ０は温度、ｈは高度を示している。

１，２…呼吸補助装置、１１…酸素ボンベ、１２…空気導入部、１３…混合部、１４…圧力センサー、１５…マスク、１６…流量計、１７…調整部、１８…生体情報取得部、２１，２２，２３，２４…接続チューブ、１２０…ダイアフラム、１２２…薄肉部、１２４…支持部、１２６…突出部、１２８…枠部、１３０…圧電振動片、１３２…基部、１３４…振動部、１４０…容器。

Claims (6)

1. 現在位置の大気圧を検出する圧力センサーと、
   外部から空気の導入を行なう空気導入部と、
   所定濃度の酸素が充填された酸素容器と、
   前記導入した空気と前記酸素容器からの酸素との混合比率を調整する調整部と、
   前記調整部で調整された混合比率に基づいて、前記導入した空気と前記酸素容器からの酸素を混合する混合部とを有し、
   前記調整部は、前記検出した大気圧に基づいて前記混合比率を調整することを特徴とする呼吸補助装置。
2. 前記調整部は、前記検出した大気圧が低くなるに従って前記酸素の混合比率を高くするように調整することを特徴とする請求項１に記載の呼吸補助装置。
3. 前記調整部は、所定の大気圧に応じた酸素分圧に保つように前記混合比率を調整することを特徴とする請求項２に記載の呼吸補助装置。
4. 前記混合された前記空気と前記酸素とを吸入するユーザーの生体情報を取得する生体情報取得部を更に有し、
   前記調整部は、前記検出した大気圧と前記取得した生体情報とに基づいて前記混合比率を調整することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の呼吸補助装置。
5. 前記圧力センサーは、現在位置の高度を検出し、
   前記調整部は、前記検出した高度に基づいて前記混合比率を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の呼吸補助装置。
6. 所定濃度の酸素が充填された酸素容器を有し、
   現在位置の大気圧を検出する大気圧検出工程と、
   外部から空気の導入を行なう空気導入工程と、
   前記導入した空気と前記酸素容器からの酸素との混合比率を調整する調整工程と、
   前記調整工程で調整された混合比率に基づいて、前記導入した空気と前記酸素容器からの酸素を混合する混合工程とを有し、
   前記調整工程において、前記検出した大気圧に基づいて前記混合比率を調整することを特徴とする呼吸補助装置の制御方法。

Images