JP2010240235A - 呼吸同調型気体供給システム及び呼吸同調型気体供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】呼吸同調型気体供給方式で使用される装置の性能を向上させる。
【解決手段】使用者の呼吸と同調して呼吸用気体を使用者に供給する呼吸同調型気体供給システム１であって、呼吸用気体の流量を測定する流量センサ２と、呼吸用気体の流れを制御する制御弁３と、呼吸用気体の連続流及び呼吸同調量を設定する設定手段４と、使用者の呼吸状態に対応する呼吸信号が入力された時点から制御弁３を開放するとともに呼吸用気体の呼吸同調量の算出を開始し、算出した呼吸同調量が設定手段４で設定した所定設定値に到達した段階で制御弁３を閉止させる制御手段９と、を備える。制御手段９は、呼吸信号が入力された時点から制御弁３を閉止させるまでの間、流量センサ２で測定した呼吸用気体の連続流が設定手段４で設定した所定設定値になるように制御弁３を連続的に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、呼吸同調型気体供給システム及び呼吸同調型気体供給方法に関する。

現在、肺気腫症や慢性気管支炎等の呼吸器系疾患を患っている患者のために、在宅酸素療法（Home Oxygen Therapy；ＨＯＴ）が採用されている。このような在宅酸素療法においては、空気に含まれる窒素ガスをゼオライト等の吸着体で吸着除去することにより濃縮酸素ガスを生成する酸素濃縮装置や、携帯用途として酸素ボンベと組み合わせて使用される気体供給装置が使用されている。気体供給装置には、通常、使用者（患者）に供給されるガスの流量を調整するための流量設定機構が設けられている。従来は、径の異なる複数の小孔が設けられたオリフィス板や複数の電磁弁を用いたオリフィス式の流量設定機構が採用されていた。また、現在においては、超音波式ガス濃度流量測定手段とガス圧力調整手段とガス流路開閉弁とメインコントローラとを有する気体供給装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、現在の気体供給装置においては、使用者（患者）の呼吸に同調して酸素を供給するいわゆる呼吸同調型気体供給方式が採用されている。このような呼吸同調型気体供給方式は、使用者の呼吸を検出する呼吸検出手段を用いており、例えば使用者の吸気時間にのみ酸素を供給することにより、ランニングコスト（酸素使用量や電力量）を節減することが可能であるとされている。

特開２００５−７４０６１号公報

従来の気体供給装置で採用されるオリフィス式の流量設定機構等の機械的流量設定手段は、気体温度、流体供給圧力、２次圧（背圧）が一定の条件であれば、精度を保って流量を供給することができるが、外部条件の変化に起因する供給流量の変化を検知することができない。具体的には、（１）気体は流体温度や周囲温度の変化に起因してその体積が膨張・縮小するが、酸素濃縮器の使用条件においては季節・設置場所の室温によりその温度は変化する。（２）気体は流体供給圧力やチューブの出口圧力（気圧）の変化に起因して、その体積が膨張・縮小するため、設置場所の標高や気象変化（高気圧・低気圧）によりその計測結果に誤差が生じる。（３）酸素を濃縮する手段として用いられるコンプレッサの回転数（電源変動、経年変化等）の変化に伴い、流量設定手段に供給される圧力（一次圧）が変化する。（４）大気圧（設置場所の標高や気象の変化に伴い変化する）の変化に起因して、コンプレッサが吸込む空気の圧力（密度）が変化し、流量設定手段に供給される圧力（一次圧）が変化する。（５）装置と使用者とをつなぐチューブの延長距離により圧力損失が変化し、これに伴い流量設定機構の２次側の圧力（背圧）が変化する。（６）チューブが折れたり踏まれたりした場合にも、チューブの圧力損失が異なる。（７）装置の末端に設置される加湿瓶の水の残量（液面の高さ）に起因して、流量設定手段の２次圧（背圧）が変化する。呼吸検出手段を用いて、呼吸に同調させることにより酸素消費量の削減を図る呼吸同調型供給方式を採用した場合には、その影響はより大きくなる。

また、超音波式ガス流量測定手段等の体積流量測定手段を採用した場合、流体温度、流体供給圧力、２次圧（背圧）が一定の条件であれば、精度を保って流量を供給することができるが、外部条件の変化に起因する供給流量の変化を検知することができない。具体的には、（１）気体は流体温度や周囲温度の変化に起因してその体積が膨張・縮小するが、酸素濃縮器の使用条件においては季節・設置場所の室温によりその温度は変化する。（２）気体は供給圧力の変化に起因してその体積が膨張・縮小するが、酸素濃縮器の使用条件においては設置場所の標高や気象変化（高気圧・低気圧）によってコンプレッサが吸込む空気の圧力（密度）が変化し、流量設定手段に供給される圧力（一次圧）が変化する。（３）また、装置と使用者とをつなぐチューブの延長距離により圧力損失が変化し、これに伴い流量設定機構の２次側の圧力（背圧）が変化することにより、酸素濃縮器にて主に採用されているオリフィス式や面積式流量計では計測結果に誤差が生じる。（４）設置場所の標高や気象の変化に伴い、チューブ出口の背圧が変化するため、酸素濃縮器にて主に採用されているオリフィス式や面積式流量計では計測結果に誤差が生じる。（５）酸素を濃縮する手段として用いられるコンプレッサの回転数（電源変動、経年変化など）の変化に伴い、流量設定手段に供給される圧力（一次圧）が変化する。呼吸検出手段を用いて、呼吸に同調させることにより酸素消費量の削減を図る呼吸同調型供給方式を採用した場合には、その影響はより大きくなる。

また、前記した特許文献１には、呼吸検出手段と超音波式ガス濃度流量測定手段とガス圧力調整手段とガス流路開閉弁とメインコントローラとを有する気体供給装置における呼吸同調型供給方式が開示されている。呼吸検出手段により吸気開始タイミングが検出されると、メインコントローラは、ガス圧力調節手段によって調節された現在のガス圧力情報を元に、所定のガスの量を使用者に供給するために必要なガス流路開放時間を判断してガス流路開閉弁を開閉する。その後、超音波式ガス濃度流量測定手段は、ガス流量がゼロであることを測定するとともに、ガス中の酸素濃度を測定する（ガス流量を測定するのは、ガス流量がゼロでないと酸素濃度を正確に測定することができないからである）。酸素濃度の測定は、ガスが所定の酸素濃度以上になっていることを確認するために行うものである。しかしながら、特許文献１に開示された気体供給装置を使用した場合には、ガス流路を開閉する過程の後に酸素濃度を測定する過程を経ているため、一回のサイクルに時間がかかる。また、ガス圧力調整手段によりガス圧力が一定に保たれていることを前提としているため、予期しないガス圧の変動が生じるとガス供給量が変化してしまう。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、使用者の呼吸に同調して酸素を供給する呼吸同調型気体供給方式で使用される装置の性能を向上させることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の第一の側面は、使用者の呼吸と同調して呼吸用気体を使用者に供給する呼吸同調型気体供給システムであって、呼吸用気体の流量を測定する流量センサと、呼吸用気体の流れを制御する制御弁と、呼吸用気体の連続流及び呼吸同調量を設定する設定手段と、使用者の呼吸状態に対応する呼吸信号が外部から又はシステム内の呼吸検知センサから入力された時点から制御弁を開放（流量制御開始）するとともに呼吸用気体の呼吸同調量の算出を開始し、算出した呼吸同調量が設定手段で設定した所定設定値に到達した段階で制御弁を閉止（流量制御停止）させる制御手段と、を備え、制御手段は、呼吸信号が入力された時点から制御弁を閉止させるまでの間、流量センサで測定した呼吸用気体の連続流が設定手段で設定した所定設定値になるように制御弁を連続的に制御するものである。

また、本発明の第二の側面は、呼吸用気体の流量を測定する流量センサと、呼吸用気体の流れを制御する制御弁と、を備える気体供給システムを用いて、使用者の呼吸と同調して呼吸用気体を使用者に供給する呼吸同調型気体供給方法であって、気体供給システムが、使用者の呼吸状態に対応する呼吸信号が外部から又はシステム内の呼吸検知センサから入力された時点から制御弁を開放（流量制御開始）するとともに呼吸用気体の呼吸同調量の算出を開始し、算出した呼吸同調量が所定設定値に到達した段階で制御弁を閉止（流量制御停止）させる流量制御工程を含み、この流量制御工程では、気体供給システムが、呼吸信号が入力された時点から制御弁を閉止させるまでの間、流量センサで測定した呼吸用気体の連続流が所定設定値になるように制御弁を連続的に制御するものである。

かかる構成及び方法を採用すると、使用者の呼吸状態に対応する呼吸信号が入力されて制御弁が開放（流量制御開始）された時点から、呼吸用気体の呼吸同調量が所定設定値に到達して制御弁が閉止（流量制御停止）するまでの間、流量センサで測定した呼吸用気体の連続流が所定設定値になるように制御弁を連続的に制御することができる。従って、呼吸同調型気体供給方式で使用される装置の性能を向上させることができる。なお、本発明において、「連続流」は瞬時流量と同義であり、「呼吸同調量」は積算流量と同義である。

前記呼吸同調型気体供給システムにおいて、呼吸用気体が流通する流路と、流量センサと、制御弁と、設定手段と、制御手段と、が一体的に設けられてなるマスフローコントローラを採用することが好ましい。

かかる構成を採用すると、流量センサや制御弁が一体的に設けられてなるマスフローコントローラ（質量流量制御装置）を用いることができる。マスフローコントローラは、外部環境（具体的には、気体や周囲の温度、気体の供給圧力、計測場所の２次側の圧力条件（背圧）の変化、コンプレッサの供給能力、チューブ延長距離、大気圧の変化、加湿瓶の液面高さ等の外部要因）の影響を受け難いため、一定量（呼吸同調量）の呼吸用気体の供給が可能となり、流量制御の精度を向上させることができる。

また、前記呼吸同調型気体供給システムにおいて、呼吸信号が入力された時点から制御弁を閉止させるまでの間、呼吸用気体の連続流が略一定となるように制御弁を制御する制御手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、呼吸用気体の連続流を略一定の値に維持することができるので、呼吸用気体の供給状態を安定させることができる。

また、前記呼吸同調型気体供給システムにおいて、呼吸信号が入力された時点から制御弁を閉止させるまでの間、呼吸用気体の連続流が経時変化するように制御弁を制御する制御手段を採用することもできる。

かかる構成を採用すると、呼吸用気体の連続流を経時変化させることができるので、例えば、使用者の体調（呼吸状態）や外部環境等に応じて、また、酸素療法の治療効果の促進や治療方法の改善等を目的として、呼吸用気体の供給態様を変更することができる。

本発明によれば、呼吸同調型気体供給方式で使用される装置の性能を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る呼吸同調型気体供給システムの構成を示す構成図である。 図１に示す呼吸同調型気体供給システムで採用される熱式流れセンサの斜視図である。 図２の熱式流れセンサのIII-III部分における端面図である。 （Ａ）は呼吸信号のタイムチャートであり、（Ｂ）は（Ａ）の呼吸信号に同調させたガス流量のタイムチャートである。 本発明の実施形態に係る呼吸同調型気体供給方法を説明するためのフローチャートである。 ガス流量が経時変化する状態を示すタイムチャートであり、（Ａ）はガスの連続流の所定設定値が中盤でピークを迎えるもの、（Ｂ）はガスの連続流の所定設定値が後半でピークを迎えるもの、（Ｃ）はガスの連続流の所定設定値が規則的に変化するもの、である。 本発明の実施形態に係る呼吸同調型気体供給システムの変形例の構成を示す構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態においては、使用者の呼吸と同調して濃縮酸素ガス（呼吸用気体）を使用者に供給する呼吸同調型気体供給システム及びこのシステムを用いた呼吸同調型気体供給方法について説明する。

まず、図１〜図４を用いて、本実施形態に係る呼吸同調型気体供給システム１の構成について説明する。

本実施形態に係る呼吸同調型気体供給システム１は、コンプレッサにより圧縮された空気に含まれる窒素ガスを選択的に吸着させて濃縮酸素ガスを生成するゼオライト等の吸着体、生成された濃縮酸素ガスを貯留するタンク、使用者の鼻に装着されるカニューラ、濃縮酸素ガスに水分を与える加湿器等を備える呼吸同調型気体供給装置の気体供給の制御を実施するシステムである。呼吸同調型気体供給システム１は、図１に示すように、流量センサ２、制御弁３、流量設定部４、表示部５、濃縮酸素ガスが流通する流路６、中央制御装置７等を一体的に設けたマスフローコントローラ１０と、外部に設置された図示されていない呼吸検知センサからマスフローコントローラ１０に入力される呼吸信号と、から構成される。

流量センサ２は、流路６内を流通する濃縮酸素ガスに接触するように配置された半導体ダイヤフラムを有する熱式流れセンサであり、流路６内の濃縮酸素ガスの連続流の質量流量を測定するものである。流量センサ２で測定された濃縮酸素ガスの連続流に係る情報は、中央制御装置７に入力され、制御弁３の制御等に使用される。流量センサ２は、図２及び図３に示すように、キャビティ２２が設けられた基板２１、基板２１上にキャビティ２２を覆うように配置された絶縁膜２３、絶縁膜２３に設けられたヒータ２４、ヒータ２４の両側に配置された第一の測温抵抗素子２５及び第二の測温抵抗素子２６、周囲温度センサ２７等を有している。

絶縁膜２３のキャビティ２２を覆う部分は、断熱性のダイヤフラムを構成している。周囲温度センサ２７は、流路６内を流通する濃縮酸素ガスの温度を測定する。ヒータ２４は、キャビティ２２を覆う絶縁膜２３の中心に配置されており、流路６を流れる流体を、周囲温度センサ２７が計測した温度よりも一定温度だけ高くなるように加熱する。第一の測温抵抗素子２５はヒータ２４より上流側の温度を検出するために用いられ、第二の測温抵抗素子２６はヒータ２４より下流側の温度を検出するために用いられる。

ここで、流路６中の流体が静止している場合、図２及び図３に示すヒータ２４で加えられた熱は、上流方向と下流方向へ対称的に拡散する。従って、第一の測温抵抗素子２５及び第二の測温抵抗素子２６の温度は等しくなり、第一の測温抵抗素子２５及び第二の測温抵抗素子２６の電気抵抗は等しくなる。これに対し、流路６中の流体が上流から下流に流れている場合、ヒータ２４で加えられた熱は、下流方向に運ばれる。従って、第一の測温抵抗素子２５の温度よりも、第二の測温抵抗素子２６の温度が高くなる。このため、第一の測温抵抗素子２５の電気抵抗と第二の測温抵抗素子２６の電気抵抗に差が生じる。第二の測温抵抗素子２６の電気抵抗と第一の測温抵抗素子２５の電気抵抗の差は、流路６中の流体の速度や流量と相関関係がある。このため、第二の測温抵抗素子２６の電気抵抗と第一の測温抵抗素子２５の電気抵抗の差から、流路６を流れる流体の流速や流量が求められる。本実施形態における流量センサ２は、第一の測温抵抗素子２５及び第二の測温抵抗素子２６を有することにより、流量や流速のみならず流れ方向（正方向又は逆方向）をも判定することができる。

図２及び図３に示す基板２２の材料としては、シリコン(Si)等が使用可能である。絶縁膜２３の材料としては、酸化ケイ素(SiO₂)等が使用可能である。キャビティ２１は、異方性エッチング等により形成される。また、ヒータ２４、第一の測温抵抗素子２５、第二の測温抵抗素子２６及び周囲温度センサ２７の材料には白金(Pt)等が使用可能であり、リソグラフィ法等により形成可能である。

制御弁３は、流路６を流通する濃縮酸素ガスの流れを制御するものである。本実施形態においては、制御弁３として、中央制御装置７からの制御信号により開度が変化するように開閉駆動されて濃縮酸素ガスの流量を調整する比例ソレノイドバルブを採用している。制御弁３は、図１に示すように、ガスが流れる一次側流路３１及び二次側流路３２が形成された弁座３３、一次側流路３１及び二次側流路３２を連通する弁室３４、弁室３４に収納されて二次側流路３２を開閉する弁体３５、弁体３５に連結された磁性体のプランジャ３６、通電されてプランジャ３６を上下させるソレノイドコイル３７等を有している。

流量設定部４は、濃縮酸素ガスの連続流及び呼吸同調量を設定するものであり、本発明における設定手段として機能する。流量設定部４の構成は特に限定されるものではなく、例えば、複数のボタンスイッチを押下操作することにより流量を設定する構成や、ダイヤルスイッチを回転操作することにより流量を設定する構成を採用することができる。流量設定部４を用いて、濃縮酸素ガスの連続流を例えば０．５〜２．０L/minの範囲で設定したり、濃縮酸素ガスの呼吸同調量を例えば８〜４５mLの範囲で設定したりすることができる。流量設定部４により設定された流量に係る情報は、中央制御装置７に入力され、制御弁３の制御等に使用される。なお、流量設定部４に加えて、各種情報の表示態様（表示内容や表示形式）を設定するための各種操作スイッチを設けることもできる。また、遠隔操作により流量を設定する構成を採用してもよい。

表示部５は、流量センサ２で測定した流量情報や流量設定部４で設定した流量情報等の各種情報を表示するものである。表示部５の構成は特に限定されるものではなく、例えば、各種情報を数字又は英字で表示する７セグメントディスプレイを採用することができる。また、モードを設定する操作スイッチを設けた場合には、この操作スイッチにより設定されたモードを示すモード表示灯（連続流モード表示灯や呼吸同調量モード表示灯）を設けることもできる。

流路６は、吸着体を通過することにより生成された濃縮酸化ガスを流通させるものである。流路６の上流側には、濃縮酸化ガスが貯留されたタンク等が接続され、流路６の下流側には、装置と使用者とをつなぐチューブや使用者の鼻に装着されるカニューラ等が接続される。

呼吸検知センサは、使用者の呼吸状態を検知するものである。呼吸検知センサの構成は特に限定されるものではなく、例えば、使用者の呼吸による濃縮酸素ガスの圧力の微小な変化を検出する圧力センサ、使用者の呼吸による湿度の微小な変化を検出する湿度センサ、使用者の呼吸による胸部や腹部の動きを検出する体動センサ等を採用することができる。本実施形態においては、呼吸検知センサとして、カニューラの内部圧力が上昇した場合に呼気状態（使用者が空気を吐いている状態）にあると判断し、内部圧力が低下した場合に吸気状態（使用者が空気を吸っている状態）にあると判断するダイヤフラム型の圧力センサを採用している。呼吸検知センサで検出された使用者の呼吸状態に係る信号（呼吸信号）は、中央制御装置７に入力され、流量の算出や制御弁３の制御等に使用される。

中央制御装置７は、呼吸同調型気体供給システム１の制御弁３等を制御するものであり、各種制御プログラムやデータを格納したメモリ、制御プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）、各種センサからの検出信号を処理する信号処理回路、制御弁３を駆動する弁駆動回路等から構成されている。

中央制御装置７は、呼吸検知センサで検出した呼吸信号が入力された時点から制御弁３を開放するとともに濃縮酸素ガスの呼吸同調量の算出を開始し、算出した呼吸同調量が所定設定値（流量設定部４で設定した呼吸同調量の値）に到達した段階で制御弁３を閉止させる。また、中央制御装置７は、呼吸信号が入力された時点から制御弁３を閉止させるまでの間、流量センサ２で測定した濃縮酸素ガスの連続流が所定設定値（流量設定部４で設定した連続流の値）になるように制御弁３を連続的に制御する。すなわち、中央制御装置７は、本発明における制御手段として機能する。

図４（Ａ）に示すような吸気信号Ｓ_IN及び呼気信号Ｓ_OUTから構成される呼吸信号が検出された場合を想定する。中央制御装置７は、吸気信号Ｓ_INが入力されると同時に、タンク入口の弁及び制御弁３を開放して、図４（Ｂ）に示すように連続流ｑ_S（所定設定値）の濃縮酸素ガスの供給を開始させるとともに、濃縮酸素ガスの呼吸同調量の算出を開始する。その後、中央制御装置７は、流量センサ２で測定した連続流がｑ_SになるようにＰＩＤ制御等を用いて制御弁３の開度を連続的に補正し、算出した呼吸同調量がＱ_S（所定設定値）に到達した段階で制御弁３を閉止させる。一方、中央制御装置７は、呼気信号Ｓ_OUTが入力されている間は、制御弁３の閉止状態を維持して濃縮酸素ガスの供給を停止する。

なお、本実施形態においては、吸気信号Ｓ_INが入力された時点（制御弁３を開放した時点）から制御弁３を閉止させるまでの間における連続流の所定設定値を一定の値ｑ_Sとしているため、供給される濃縮酸素ガスの連続流の時間履歴（波形）は図４（Ｂ）に示すように台形状となる。

次に、図５のフローチャートを用いて、本実施形態に係る呼吸同調型気体供給システム１を用いた呼吸同調型気体供給方法について説明する。

最初に、使用者は、カニューラ（管）を自らの鼻に装着するとともに、呼吸同調型気体供給装置の電源を投入してマスフローコントローラ１０等の各種機器を作動させる（システム起動工程：Ｓ１）。システム起動工程Ｓ１により、呼吸同調型気体供給装置のコンプレッサが作動すると、圧縮された空気が吸着体を通過して濃縮酸素ガスが生成され、タンクに充填される。

そして、使用者は、マスフローコントローラ１０の流量設定部４（又は呼吸同調型気体供給システム１に設けられた図示されていない他の操作部）を操作して複数の供給モードの中から所望のモードを選択することにより、濃縮酸素ガスの連続流及び呼吸同調量を所望の値（所定設定値）に設定する（流量設定工程：Ｓ２）。ここで、「供給モード」とは、使用者が夜の就寝時、昼の安静時、昼の日常活動時等、生活状態に応じて必要な酸素量を予めモード選択できるようにしたものである。例えば、あるモードを選択することにより、図４（Ｂ）に示すように連続流及び呼吸同調量をｑ_S及びＱ_Sに各々設定する。

流量設定工程Ｓ２を経た後、マスフローコントローラ１０の中央制御装置７は、呼吸検知センサを介して使用者の呼吸状態を検出する（呼吸状態検出工程：Ｓ３）。そして、中央制御装置７は、呼吸状態検出工程Ｓ３で検出された呼吸信号のうち吸気信号が入力されると、タンク入口の弁及び制御弁３を開放して濃縮酸素ガスの供給を開始させるとともに、濃縮酸素ガスの呼吸同調量（積算値）の算出を開始する（同調流量制御開始工程：Ｓ４）。

次いで、中央制御装置７は、流量センサ２を用いて濃縮酸素ガスの連続流の測定を行い（流量検出工程：Ｓ５）、流量センサ２で測定した連続流が所定設定値になるように、ＰＩＤ制御等を用いて制御弁３の開度を連続的に補正する（制御弁開度補正工程：Ｓ６）。そして、中央制御装置７は、算出した呼吸同調量が所定設定値に到達したか否かを判定する（流量判定工程：Ｓ７）。

中央制御装置７は、流量判定工程Ｓ７において、算出した呼吸同調量が所定設定値に到達していないと判定した場合に、流量検出工程Ｓ５に戻って制御を続行する。一方、中央制御装置７は、流量判定工程Ｓ７において、算出した呼吸同調量が所定設定値に到達したものと判定した場合に、制御弁３を閉止させ（制御弁閉止工程：Ｓ８）、積算した呼吸同調量をリセットする（積算値リセット工程：Ｓ９）。同調流量制御開始工程Ｓ４、流量検出工程Ｓ５、制御弁開度補正工程Ｓ６、流量判定工程Ｓ７及び制御弁閉止工程Ｓ８は、本発明における流量制御工程を構成する。

その後、中央制御装置７は、電源オフ等によるシステム停止信号の有無を判定し（システム停止判定工程：Ｓ１０）、システム停止信号が検出されるまで、呼吸状態検出工程Ｓ３から積算値リセット工程Ｓ９までの工程群を繰り返し実施する。この際、必要に応じて、流量設定工程Ｓ２を割り込ませることも可能である。なお、呼気信号が入力されている間、中央制御装置７は、制御弁３の閉止状態を維持して濃縮酸素ガスの供給を停止する。最後に、呼吸同調型気体供給装置の電源を切り、マスフローコントローラ１０等の各種機器を停止させる。

以上説明した実施形態に係る呼吸同調型気体供給システム１においては、使用者の呼吸状態に対応する呼吸信号が入力された時点から、濃縮酸素ガスの呼吸同調量が所定設定値Ｑ_Sに到達して制御弁３が閉止するまでの間、流量センサ２で測定した連続流が所定設定値ｑ_Sになるように制御弁３を連続的に制御することができる。従って、オリフィス板や複数の電磁弁を採用することなく濃縮酸素ガスの流量制御を実現させることができるので、呼吸同調型気体供給方式で使用される装置の性能を向上させることができる。

特に、本実施形態に係る呼吸同調型気体供給システム１においては、濃縮酸素ガスが流通する流路６と、流量センサ２と、制御弁３と、流量設定部４と、中央制御装置７と、が一体的に設けられてなるマスフローコントローラ１０を採用している。このため、外部環境（具体的には、気体や周囲の温度、気体の供給圧力、計測場所の２次側の圧力条件（背圧）の変化、コンプレッサの供給能力、チューブ延長距離、大気圧の変化、加湿瓶の液面高さ等の外部要因）の影響を受け難いため、一定量（呼吸同調量）の呼吸用気体の供給が可能となり、流量制御の精度を向上させることができる。

なお、以上の実施形態においては、所定の呼吸同調量（Ｑ_S）の濃縮酸素ガスを供給するにあたり、図４（Ｂ）に示すように連続流の所定設定値を一定の値（ｑ_S）に維持した例を示したが、連続流の所定設定値を経時変化させることもできる。

例えば、所定の呼吸同調量（Ｑ_S）の濃縮酸素ガスを供給するにあたり、連続流の所定設定値を徐々に変化させて図６（Ａ）に示すようにピーク（ｑ_A）を中盤に設定したり、図６（Ｂ）に示すようにピーク（ｑ_B）を後半に設定したりすることもできる。また、所定の呼吸同調量（Ｑ_S）の濃縮酸素ガスを供給するにあたり、連続流の所定設定値を図６（Ｃ）に示すように一定周期で二段階（ｑ_C、ｑ_D）に規則的に変化させることもできる。このように濃縮酸素ガスの連続流を経時変化させることにより、使用者の体調（呼吸状態）や外部環境等に応じて、濃縮酸素ガスの供給態様を最適な状態に調整することが可能となる。例えば、間欠的に供給される濃縮酸素がカニューラに到達するまでの時間を算出する際には、カニューラに接続されるチューブの延長距離によって生じる遅れ時間を考慮する必要があるが、連続流を経時変化させることにより、遅れ時間を最適化することができる。

また、以上の実施形態においては、使用者の呼吸信号のうち「吸気信号Ｓ_IN」が入力されると同時に制御弁３を開放する（濃縮酸素ガスの呼吸同調量の算出を開始する）例を示したが、制御弁開放（呼吸同調量算出開始）の時期はこれに限られるものではない。制御弁３の開放から使用者に濃縮酸素ガスが到達するまでのタイムラグ、使用者の呼吸状態（呼吸信号の波形）、カニューラまでのチューブの長さ等種々の条件を考慮して、制御弁開放（呼吸同調量算出開始）の時期を適宜設定することができる。

また、制御弁３が開いているときに使用者が咳やくしゃみをした場合、図４に示した呼気信号Ｓ_OUTは急激に変化して大きな絶対値を示すと同時に、流量センサ２は流量の減少又は逆流を検出することがある。このような場合、制御弁３を強制的に所定時間だけ全閉にすることにより、カニューラ内壁に付着している液滴等が飛沫となって制御弁３より上流側に侵入することを抑制することができる。このような全閉制御を行うために、中央制御装置７は、呼気信号Ｓ_OUTに対する判定用の閾値を予め設定しておくことが好ましい。また、呼気信号Ｓ_OUT自体又は呼気信号Ｓ_OUTの急激な変化を電気的記憶媒体（メモリ）等に経時的に記憶しておき、その後、使用者の呼吸状態のデータを読み出すようにすることもできる。

また、以上の実施形態に係る呼吸同調型気体供給システム１においては、図１に示すように、供給気体の上流側に流量センサ２を配置し、下流側に制御弁３を配置した例を示したが、図７に示すように、供給気体の上流側に制御弁３を配置し、下流側に流量センサ２を配置することもできる。このようにすると、マスフローコントローラ１０の流量センサ２を呼吸検知センサとして機能させることができる。前記したように、流量センサ２は、第一の測温抵抗素子２５及び第二の測温抵抗素子２６を有することにより、逆方向の流れの検知が可能である。また、制御弁３を閉止した状態で使用者が吸気した場合に、滞留している気体が吸気により吸引され、逆方向に流れる微小な流れが発生する。よって、逆方向の流れを、制御弁３の下流側に位置する流量センサ２が検知する（流量センサ２で呼吸状態を検知する）ことができる。

また、以上の実施形態においては、流量センサ２として、ダイヤフラムを有し流量ととともに流れ方向を検出可能な熱式流れセンサを例示したが、流量センサの種類はこれに限られるものではない。例えば、一つのヒータを備えただけの単純な（流れ方向の判別はできない）熱式流れセンサを用いてもよい。また、主流路から分岐したバイパス流路を備え、このバイパス流路に熱線を巻いた、いわゆるキャピラリ型の熱式流れセンサを用いることもできる。さらに、超音波方式の流れセンサを用いてもよい。その他、本発明を、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。

１…呼吸同調型気体供給システム
２…流量センサ（呼吸検知センサ）
３…制御弁
４…流量設定部（設定手段）
５…表示部
６…流路
７…中央制御装置（制御手段）
１０…マスフローコントローラ
２１…基板
２２…キャビティ
２３…絶縁膜
２４…ヒータ
２５…第一の測温抵抗素子
２６…第二の測温抵抗素子
２７…周囲温度センサ
３１…一次側流路
３２…二次側流路
３３…弁座
３４…弁室
３５…弁体
３６…プランジャ
３７…ソレノイドコイル
Ｓ１…システム起動工程
Ｓ２…流量設定工程
Ｓ３…呼吸状態検出工程
Ｓ４…同調流量制御開始工程（流量制御工程）
Ｓ５…流量検出工程（流量制御工程）
Ｓ６…制御弁開度補正工程（流量制御工程）
Ｓ７…流量判定工程（流量制御工程）
Ｓ８…制御弁閉止工程（流量制御工程）
Ｓ９…積算値リセット工程
Ｓ１０…システム停止判定工程

Claims (7)

1. 使用者の呼吸と同調して呼吸用気体を使用者に供給する呼吸同調型気体供給システムであって、
   呼吸用気体の流量を測定する流量センサと、
   呼吸用気体の流れを制御する制御弁と、
   呼吸用気体の連続流及び呼吸同調量を設定する設定手段と、
   使用者の呼吸状態に対応する呼吸信号が外部から入力された時点から前記制御弁を開放するとともに呼吸用気体の呼吸同調量の算出を開始し、算出した呼吸同調量が前記設定手段で設定した所定設定値に到達した段階で前記制御弁を閉止させる制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記呼吸信号が入力された時点から前記制御弁を閉止させるまでの間、前記流量センサで測定した呼吸用気体の連続流が前記設定手段で設定した所定設定値になるように前記制御弁を連続的に制御するものである、
   呼吸同調型気体供給システム。
2. 使用者の呼吸と同調して呼吸用気体を使用者に供給する呼吸同調型気体供給システムであって、
   使用者の呼吸状態を検出する呼吸検知センサと、
   呼吸用気体の流量を測定する流量センサと、
   呼吸用気体の流れを制御する制御弁と、
   呼吸用気体の連続流及び呼吸同調量を設定する設定手段と、
   前記呼吸検知センサで検出した使用者の呼吸状態に対応する呼吸信号が入力された時点から前記制御弁を開放するとともに呼吸用気体の呼吸同調量の算出を開始し、算出した呼吸同調量が前記設定手段で設定した所定設定値に到達した段階で前記制御弁を閉止させる制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記呼吸信号が入力された時点から前記制御弁を閉止させるまでの間、前記流量センサで測定した呼吸用気体の連続流が前記設定手段で設定した所定設定値になるように前記制御弁を連続的に制御するものである、
   呼吸同調型気体供給システム。
3. 呼吸用気体が流通する流路と、前記流量センサと、前記制御弁と、前記設定手段と、前記制御手段と、が一体的に設けられてなるマスフローコントローラを備える、
   請求項１又は２に記載の呼吸同調型気体供給システム。
4. 前記制御手段は、前記呼吸信号が入力された時点から前記制御弁を閉止させるまでの間、呼吸用気体の連続流が略一定となるように前記制御弁を制御するものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の呼吸同調型気体供給システム。
5. 前記制御手段は、前記呼吸信号が入力された時点から前記制御弁を閉止させるまでの間、呼吸用気体の連続流が経時変化するように前記制御弁を制御するものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の呼吸同調型気体供給システム。
6. 呼吸用気体の流量を測定する流量センサと、呼吸用気体の流れを制御する制御弁と、を備える気体供給システムを用いて、使用者の呼吸と同調して呼吸用気体を使用者に供給する呼吸同調型気体供給方法であって、
   前記気体供給システムが、使用者の呼吸状態に対応する呼吸信号が外部から入力された時点から前記制御弁を開放するとともに呼吸用気体の呼吸同調量の算出を開始し、算出した呼吸同調量が所定設定値に到達した段階で前記制御弁を閉止させる流量制御工程を含み、
   前記流量制御工程では、前記気体供給システムが、前記呼吸信号が入力された時点から前記制御弁を閉止させるまでの間、前記流量センサで測定した呼吸用気体の連続流が所定設定値になるように前記制御弁を連続的に制御する、
   呼吸同調型気体供給方法。
7. 使用者の呼吸状態を検出する呼吸検知センサと、呼吸用気体の流量を測定する流量センサと、呼吸用気体の流れを制御する制御弁と、を備える気体供給システムを用いて、使用者の呼吸と同調して呼吸用気体を使用者に供給する呼吸同調型気体供給方法であって、
   前記気体供給システムが、前記呼吸検知センサで検出した使用者の呼吸状態に対応する呼吸信号が入力された時点から前記制御弁を開放するとともに呼吸用気体の呼吸同調量の算出を開始し、算出した呼吸同調量が所定設定値に到達した段階で前記制御弁を閉止させる流量制御工程を含み、
   前記流量制御工程では、前記気体供給システムが、前記呼吸信号が入力された時点から前記制御弁を閉止させるまでの間、前記流量センサで測定した呼吸用気体の連続流が所定設定値になるように前記制御弁を連続的に制御する、
   呼吸同調型気体供給方法。

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