JP2014180304A - Expiratory valve, and breath auxiliary device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ダイヤフラムを用いた呼気弁、及びこの呼気弁を用いた呼吸補助装置に関する。 The present invention relates to an exhalation valve using a diaphragm and a breathing assistance device using the exhalation valve.
医療現場では人工呼吸器などの呼吸補助装置が用いられる。この呼吸補助装置には、自発呼吸のない患者(全身麻酔、心肺蘇生中、重篤な患者)に用いる調節換気(Controlled Ventilation)方式、患者の自発呼吸に合わせて気道に陽圧(正圧)を作り出す補助換気(Assisted Ventilation)方式、補助換気と調節換気を組み合わせた部分的補助換気(Assist/Control)方式、気道の供給する気体を5〜40Hzの頻度で振動させて、1〜2ml/kgの非常に少ない1回換気量を実現する高頻度振動換気(high frequency oscillation)方式など、種々の方式が採用される。 In the medical field, a respiratory assistance device such as a ventilator is used. This breathing assistance device has a controlled ventilation system for patients without spontaneous breathing (general anesthesia, cardiopulmonary resuscitation, and severe patients), and positive pressure (positive pressure) in the respiratory tract according to the patient's spontaneous breathing Assisted Ventilation method to create Assistance, Partial Assist / Control method combining auxiliary ventilation and controlled ventilation, oscillate the gas supplied by the airway at a frequency of 5-40 Hz, 1-2 ml / kg Various systems such as a high frequency oscillation system that realizes a very low tidal volume are adopted.
いずれの呼吸補助装置においても、気道に陽圧を作り出すポンプユニットと、気道を陽圧に保ちつつ呼気を大気に放出する呼気弁と、が必要となる。 In any respiratory assistance device, a pump unit that creates a positive pressure in the airway and an exhalation valve that discharges exhalation to the atmosphere while keeping the airway at a positive pressure are required.
ポンプユニットは、動力源として、ファンを回転させて気体を搬送するブロアや、ピストンを往復運動させて気体を搬送するシリンダポンプなど、比較的大きな機器を使用する。このため、従来の呼吸補助装置では、ポンプユニットを収容した箱状の筐体が使用者の脇に設置されて用いられる。 The pump unit uses a relatively large device such as a blower that rotates a fan to convey gas and a cylinder pump that conveys gas by reciprocating a piston as a power source. For this reason, in the conventional respiratory assistance apparatus, the box-shaped housing | casing which accommodated the pump unit is installed and used by a user's side.
呼気弁には、ダイヤフラムを利用して、構造を簡単にしたものがある(例えば、特許文献1参照)。ダイヤフラムは、呼気を導く管路の出口を塞ぐように配置され、出口から遠退く方向に撓むことで管路を開放する。ダイヤフラムにおける管路の反対側には、ポンプユニットによって送排気されるバックチャンバが配置されている。すなわち、ダイヤフラムは、管路内の空間とバックチャンバ内の空間とを仕切るように配置され、これらの空間の気圧差によって機能する。 Some exhalation valves have a simplified structure using a diaphragm (see, for example, Patent Document 1). The diaphragm is disposed so as to block the outlet of the pipe that guides exhalation, and opens the pipe by bending in a direction away from the outlet. A back chamber that is fed and exhausted by a pump unit is disposed on the opposite side of the pipe line in the diaphragm. That is, the diaphragm is arranged so as to partition the space in the pipe line and the space in the back chamber, and functions by the pressure difference between these spaces.
具体的に、管路内の気圧がバックチャンバ内の気圧より低い場合に、ダイヤフラムが管路の出口に吸い付いてシールする。一方、管路内の気圧がバックチャンバ内の気圧より高い場合に、ダイヤフラムがバックチャンバ側に撓んで管路を開放し、呼気が大気に放出される。この呼気弁によれば、患者が咳やくしゃみをした場合であっても、ダイヤフラムが瞬時に応答して呼気が大気に放出されるので、管路内の気圧が上昇し過ぎることはなく、ひいては、患者に負担が掛かることを防止できる。 Specifically, when the pressure in the pipeline is lower than the pressure in the back chamber, the diaphragm sticks to the outlet of the pipeline and seals it. On the other hand, when the pressure in the pipe line is higher than the pressure in the back chamber, the diaphragm is bent toward the back chamber side to open the pipe line, and exhaled air is released to the atmosphere. According to this exhalation valve, even if the patient coughs or sneezes, the diaphragm responds instantly and exhaled air is released into the atmosphere, so that the air pressure in the pipeline does not rise too much, and eventually It is possible to prevent the patient from being burdened.
使用者の脇に設置されたポンプユニットからは、バックチャンバまでに経路を有する。このため、ポンプユニットからの動力がバックチャンバに作用するまでにある程度の応答時間を要するが、人命にかかわる医療現場では、その応答時間を短くして、呼気弁を精度良く制御できることが望まれている。 A pump unit installed beside the user has a path to the back chamber. For this reason, a certain amount of response time is required until the power from the pump unit acts on the back chamber. However, it is desired that the exhalation valve can be accurately controlled by shortening the response time in the medical field where human life is involved. Yes.
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、精度良く制御できる呼気弁及びこの呼気弁を備える呼吸補助装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an exhalation valve that can be controlled with high accuracy and a breathing assistance device including the exhalation valve.
本発明者の鋭意研究により、上記目的は以下の手段によって達成される。 The above-mentioned object is achieved by the following means based on the earnest research of the present inventors.
即ち、上記目的を達成する本手段は、呼気を大気に導く呼気流路の出口を開閉するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムにおける前記呼気流路の反対側に設けられて、該ダイヤフラムと共に空間を形成するバックチャンバと、前記バックチャンバの周囲に設けられ、該バックチャンバに対する送排気を行って該バックチャンバ内の気圧を調節するマイクロポンプと、前記マイクロポンプの動作を制御する制御ユニットと、を備えることを特徴とする、呼気弁である。 That is, the means for achieving the above object includes a diaphragm that opens and closes an outlet of an exhalation flow path that guides exhalation to the atmosphere, and a back that is provided on the opposite side of the exhalation flow path in the diaphragm and forms a space together with the diaphragm. A chamber, a micropump that is provided around the back chamber, adjusts the air pressure in the back chamber by supplying and exhausting air to the back chamber, and a control unit that controls the operation of the micropump. It is a featured exhalation valve.
上記発明において、上記目的を達成する呼気弁は、前記呼気流路内の気圧によって該呼気流路側から前記ダイヤフラムに作用する開放力を、呼吸動作に連動して算出する開放力算出手段と、前記バックチャンバ内の気圧を測定し、その測定結果を信号にして前記制御ユニットに出力するバックチャンバ側気圧計と、を備え、前記制御ユニットは、前記バックチャンバ側気圧計による前記測定結果を用いて、前記バックチャンバ内の気圧によって該バックチャンバ側から前記ダイヤフラムに作用する閉鎖力を算出すると共に、該閉鎖力が前記開放力に略一致するように前記マイクロポンプを制御することを特徴とすることが好ましい。 In the above invention, the exhalation valve that achieves the above object includes an open force calculating means that calculates an open force acting on the diaphragm from the exhalation flow path side by the air pressure in the exhalation flow path in conjunction with a breathing action, A back chamber side barometer that measures the pressure in the back chamber and outputs the measurement result as a signal to the control unit, and the control unit uses the measurement result of the back chamber side barometer. The closing force acting on the diaphragm is calculated from the back chamber side based on the atmospheric pressure in the back chamber, and the micropump is controlled so that the closing force substantially coincides with the opening force. Is preferred.
上記発明において、上記目的を達成する呼気弁は、呼気の流れを測定し、その測定結果を信号にして前記制御ユニットに出力する呼気測定計を備え、前記制御ユニットは、前記呼気測定計の測定結果が、予め設定されている流量又は流速を超える呼気を示す場合に、前記閉鎖力が前記開放力に略一致するように前記マイクロポンプを制御するのではなく、前記閉鎖力を弱めて該閉鎖力が前記開放力を下回るように前記マイクロポンプを制御することを特徴とすることが好ましい。 In the above invention, the exhalation valve that achieves the above object includes an exhalation measuring instrument that measures an exhalation flow and outputs the measurement result as a signal to the control unit, and the control unit measures the exhalation measuring instrument. If the result indicates exhalation exceeding a preset flow rate or flow rate, the micropump is not controlled so that the closing force substantially matches the opening force, but the closing force is weakened and the closing force is reduced. It is preferable that the micropump is controlled so that the force is less than the opening force.
上記発明において、上記目的を達成する呼気弁は、前記マイクロポンプとして、前記バックチャンバに対する送気を行う送気用マイクロポンプと、前記バックチャンバに対する排気を行う排気用マイクロポンプと、を備えることを特徴とすることが好ましい。 In the above invention, an exhalation valve that achieves the above object includes, as the micropump, an air supply micropump that supplies air to the back chamber and an exhaust micropump that exhausts the back chamber. Preferably it is a feature.
上記発明において、上記目的を達成する呼気弁の前記送気用マイクロポンプは、気体を前記バックチャンバ外から吸入する送気用吸入口と、前記バックチャンバに直結されて前記送気用吸入口から吸入した気体を該バックチャンバ内に吐出する送気用吐出口と、を備え、前記排気用マイクロポンプは、前記バックチャンバに直結されて該バックチャンバ内から気体を直接吸入する排気用吸入口と、前記排気用吸入口から吸入した気体を前記バックチャンバ外に吐出する排気用吐出口と、を備えることを特徴とすることが好ましい。 In the above invention, the micropump for exhalation of the exhalation valve that achieves the above object includes an insufflation port for inhaling gas from outside the back chamber, and an inhalation port directly connected to the back chamber. An exhaust port for discharging the sucked gas into the back chamber, and the exhaust micropump is directly connected to the back chamber and directly sucks the gas from the back chamber; And an exhaust outlet for discharging the gas sucked from the exhaust inlet to the outside of the back chamber.
上記発明において、上記目的を達成する呼気弁の前記制御ユニットは、前記送気用マイクロポンプ及び前記排気用マイクロポンプの双方を同時に動作させておき、前記送気用マイクロポンプ及び前記排気用マイクロポンプの一方の動作を停止させることで、前記バックチャンバ内の気圧を制御することを特徴とすることが好ましい。 In the above invention, the control unit of the exhalation valve that achieves the above object operates both the air supply micropump and the exhaust micropump simultaneously, and the air supply micropump and the exhaust micropump. It is preferable that the air pressure in the back chamber is controlled by stopping one of the operations.
上記発明において、上記目的を達成する呼気弁の前記マイクロポンプは、気体を吸入する吸入口、及び該吸入口から吸入した気体を吐出する吐出口、を有してなり、該吸入口及び該吐出口の一方が選択的に前記バックチャンバに接続されるものであり、前記吸入口及び前記吐出口の前記バックチャンバとの接続関係を切り替えて、該バックチャンバに対する送排気を選択的に行わせる切替え機構と共に、ポンプユニットを構成することを特徴とすることが好ましい。 In the above invention, the micropump of the exhalation valve that achieves the above object has an inlet for sucking gas and an outlet for discharging the gas sucked from the inlet. One of the outlets is selectively connected to the back chamber, and the switching is performed so that the connection between the suction port and the discharge port with the back chamber is switched to selectively supply and exhaust air to the back chamber. It is preferable that the pump unit is configured together with the mechanism.
上記発明において、上記目的を達成する呼気弁の前記切替え機構は、前記マイクロポンプの姿勢を、前記吸入口を前記バックチャンバに直結させて該マイクロポンプが該バックチャンバに対する排気を行う排気姿勢と、前記吐出口を前記バックチャンバに直結させて該マイクロポンプが該バックチャンバに対する送気を行う送気姿勢と、で切り替えることを特徴とすることが好ましい。 In the above invention, the exhalation-valve switching mechanism that achieves the above-described object is characterized in that the micropump has an attitude in which the micropump exhausts the back chamber by connecting the suction port directly to the back chamber; It is preferable that the discharge port is directly connected to the back chamber and the micropump is switched between an air supply posture for supplying air to the back chamber.
上記発明において、上記目的を達成する本手段は、呼気となる気体を供給源から生物に導く吸気流路と、前記生物の呼気を大気に導く呼気流路と、前記呼気流路内の気体を大気に放出して該呼気流路内の気圧を調節する上記発明のいずれかに記載の呼気弁と、を備えることを特徴とする、呼吸補助装置である。 In the above invention, the means for achieving the above object comprises: an inspiratory flow path for introducing a gas to be exhaled from a supply source to a living body; an expiratory flow path for guiding the exhaled gas of the living organism to the atmosphere; and a gas in the expiratory flow path. An exhalation valve according to any one of the above-described inventions, wherein the exhalation valve according to any one of the above-mentioned inventions is released to the atmosphere to adjust the air pressure in the exhalation flow path.
本発明によれば、呼気弁を精度良く制御できるという優れた効果を奏し得る。 According to the present invention, it is possible to achieve an excellent effect that the exhalation valve can be accurately controlled.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の例について詳細に説明する。 Hereinafter, examples of embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、本発明の第1実施形態に係る医療用の呼吸補助装置10の構成が例示されている。この呼吸補助装置10は、呼気となる気体の供給源11と、この供給源11から気体を使用者に導く吸気流路12と、この吸気流路12から分岐して使用者の呼気を大気に導く呼気流路13と、この呼気流路13内の気圧を計測する気圧計14と、使用者による呼吸気の流れ(流量・流速、及び流向)を検出する流量計(呼気流量計)17と、呼気流路13内の気体を大気に放出して当該呼気流路13内の気圧を調節する呼気弁15と、装置全体を統括的に制御する制御ユニット16と、を備えている。
FIG. 1 illustrates the configuration of a medical
供給源11は、空気や酸素などの気体を圧縮した状態で貯留したガスタンク18と、このガスタンク18からの気体の流れを開閉する開閉弁21と、ガスタンク18から供給される気体の流量を調整する流量調整弁19と、この流量調整弁19で調整された気体の流量を計測する流量計20と、を備えている。開閉弁21及び流量調整弁19は、気圧計14及び流量計17,20のそれぞれのセンシングデータ(検出・測定結果、センシング信号)に基づいて制御される。開閉弁21は、特に種類が限定されることはないが、電動弁や、応答速度が速い電磁弁などを採用できる。流量調整弁19は、特に種類が限定されることはないが、ニードル弁などを採用できる。流量計20は、センシングデータを制御ユニット16に出力する。
The
吸気流路12及び呼気流路13はそれぞれ、樹脂製の蛇腹チューブからなり、一体となって一つの空間を構成する。この吸気流路12内の気圧は、定常状態において、呼気流路13内の気圧と一致する。吸気流路12から分岐した呼気流路13の出口には、呼気弁15が設けられている。気圧計14は、センシングデータを制御ユニット16に出力する。流量計17は、センシングデータを制御ユニット16に出力する。
The
呼気弁15は、呼気を大気に放出する一方で、大気の逆流を防止する逆止弁として機能する。この呼気弁15は、呼気流路13の出口を開閉するダイヤフラム22と、このダイヤフラム22における呼気流路13の反対側に設けられて、当該ダイヤフラム22と共に空間を形成するバックチャンバ23と、このバックチャンバ23内の気圧を計測する気圧計24と、バックチャンバ23の周囲に直接固定され、当該バックチャンバ23に対する送排気を行って当該バックチャンバ23内の気圧を調整するポンプユニット25と、を備えている。
The exhalation-
ダイヤフラム22は、呼気流路13の出口よりも一回り大きい薄板であり、当該出口を塞ぐように配置されている。すなわち、ダイヤフラム22は、呼気流路13内の空間とバックチャンバ23内の空間とを仕切るように配置されている。このダイヤフラム22は、通常の呼吸気時において、呼気流路13内の気圧P1によって作用する開放力F1(=P1×S1、S1;呼気流路13の出口における開口面積)と、バックチャンバ23内の気圧P2によって作用する閉鎖力F2(=P2×S2、S2;ダイヤフラム22の面積)とが略一致するように制御され、呼気流路13の出口を容易に開閉可能な状態となっている(図2(A)参照)。このため、ダイヤフラム22は、出口から遠退く方向に撓むことで呼気流路13を開放して呼気を放出する。また、ダイヤフラム22は、咳やくしゃみによる呼気時において、閉鎖力F2を弱めて当該閉鎖力F2が開閉力F1を下回るように制御され、出口から遠退く方向に積極的に撓み、呼気流路13を強制的に開放して呼気を放出する(図2(B)参照)。
The
気圧計24は、センシングデータを制御ユニット16に出力する。ポンプユニット25は、バックチャンバ23に対する送気を行う送気用マイクロポンプ27と、バックチャンバ23に対する排気を行う排気用マイクロポンプ28と、を備えている。なお、本実施形態では、ポンプユニット25がバックチャンバ23の周囲に直接固定されている場合を例に説明するが、本発明のポンプユニットは、バックチャンバの周囲に設けられていれば良い。ここでいう「バックチャンバの周囲」とは、バックチャンバとの間に何らかの部品を介在させて距離を有していても良い。ただし、応答性の観点からは、バックチャンバの周囲に直接固定されていることが好ましい。
The
送気用マイクロポンプ27は、気体をバックチャンバ23外から吸入する送気用吸入口29と、バックチャンバ23に直結されて送気用吸入口29から吸入した気体を当該バックチャンバ23に吐出する送気用吐出口30と、などを備えている。この送気用マイクロポンプ27は、気圧計14及び24並びに流量計17のそれぞれのセンシングデータに基づいて制御ユニット16に制御される。
The air feeding micropump 27 discharges the gas sucked from the
排気用マイクロポンプ28は、バックチャンバ23に直結されて当該バックチャンバ23内から気体を直接吸入する排気用吸入口31と、この排気用吸入口31から吸入した気体をバックチャンバ23外に吐出する排気用吐出口32と、などを備えている。この排気用マイクロポンプ28は、気圧計14及び24並びに流量計17のそれぞれのセンシングデータに基づいて制御ユニット16に制御される。
The
制御ユニット16は、気圧計14及び24並びに流量計17のセンシングデータに基づいて、ポンプユニット25を制御する。また、制御ユニット16は、気圧計14及び流量計20のセンシングデータに基づいて、供給源11を制御する。なお、制御ユニット16による制御の詳細な説明については後述する。
The
送気用マイクロポンプ27及び排気用マイクロポンプ28にはそれぞれ、図3(A)に示されるマイクロポンプ100が採用される。このマイクロポンプ100は、特許文献WO2008/069266で提案されているものであり、一次ブロア室101と、この一次ブロア室101の外側に形成された二次ブロア室102と、を備えている。
The
一次ブロア室101は、振動源となる圧電素子103と、この圧電素子103が固定されたダイヤフラム104と、このダイヤフラム104と共に空間を形成する振動枠105と、を備えている。振動枠105は、一次ブロア室101の内外で流体を移動させる開口106を有している。二次ブロア室102は、ダイヤフラム104側に吸入口107を有すると共に、開口106に対向するように吐出口108を有している。
The
以上のマイクロポンプ100では、圧電素子103によってダイヤフラム104が共振すると、一次ブロア室101と二次ブロア室102との間で流体が移動し、これによる流体抵抗によって振動枠105が共振する。このダイヤフラム104と振動枠105との共振によって、吸入口107から流体が吸い込まれて、吐出口108から流体が放出される。
In the
このマイクロポンプ100は、気体を搬送するブロア用途に適しており、逆止弁を用いることなく搬送できる。マイクロポンプ100は、外径が20mm×20mm×2mm程度の箱形状であって極めて小さいものの、入力正弦波を15Vpp(Volt peak to peak)で26kHzとした場合で、最大約1L/分(静圧0Pa時)の空気を搬送でき、また最大約2kPa(流量0L/分)の静圧を得ることができる。
The
一方、マイクロポンプ100は、圧電素子103によるダイヤフラム104の振動で流体を搬送するから、搬送可能な流体の体積に自ずと限界があり、この静圧/流量特性も図3(B)に示されるような直線を示す。すなわち、例えば約1kPaの静圧を得る場合、流量は0.5L/分となる。
On the other hand, since the
なお、入力正弦波のVppを10や20に変化させた場合、圧電素子103の振幅が変化するので、流量及び圧力を変化させることができる。すなわち、入力正弦波のVppを滑らかに変化させた場合には、流量及び圧力を滑らかに変化させることができる。あるいは、入力正弦波の周波数を変化させた場合、流量及び圧力を変化させることができる。すなわち、入力正弦波の周波数を滑らかに変化させた場合には、流量及び圧力を滑らかに変化させることができる。ただし、流量及び圧力には、圧電素子103の能力や部材の強度や耐久性によって上限がある。通常は定格のVpp及び周波数で使用される。
Note that, when the Vpp of the input sine wave is changed to 10 or 20, the amplitude of the
なお、ここでは1つの圧電素子103をダイヤフラム104に貼り付けたモノモルフ(ユニモルフ)構造を紹介しているが、勿論、2つの圧電素子を貼り合わせて振動量を増やすバイモルフ構造を採用することもできる。なお、マイクロポンプ100の構造は、液体の搬送に適した構造など、他にも様々に存在する。従って、本発明では、その目的に応じて最適な構造を採用すれば良い。すなわち、ここで説明したマイクロポンプ100は、逆止弁を用いることなく気体を搬送できるが、このマイクロポンプ100に代えて、吸入口及び吐出口に逆止弁を備えるマイクロポンプを適用しても良い。
Although a monomorph (unimorph) structure in which one
図4に示されるように、制御ユニット16は、ハード構成として、CPU34と、第1記憶媒体35と、第2記憶媒体36と、第3記憶媒体37と、入力装置38と、表示装置39と、入出力インタフェース40と、バス41と、を備えている。
As shown in FIG. 4, the
CPU34は、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて本制御ユニット16の各種機能を実現する。第1記憶媒体35は、いわゆるRAM(ランダム・アクセス・メモリ)であり、CPU34の作業領域として使用される。第2記憶媒体36は、いわゆるROM(リード・オンリー・メモリ)であり、CPU34で実行される基本OSを記憶する。第3記憶媒体37は、磁気ディスクを内蔵したハードディスク装置、CDやDVDやBDを収容するディスク装置、及び不揮発性の半導体フラッシュメモリ装置などで構成されており、CPU34で実行される各種プログラム、気圧計14,24及び流量計20のセンシングデータなどが保存される。
The
入力装置38は、入力キーやキーボード、マウスであり、各種情報を入力する。表示装置39は、ディスプレイであり、各種動作状態を表示する。入出力インタフェース40は、気圧計14,24及び流量計20のセンシングデータ、送気用マイクロポンプ27及び排気用マイクロポンプ28を動作させる電源(正弦波の波形)及び制御信号が入出力される。更に、この入出力インタフェース40は、外部のパーソナルコンピュータからプログラムなどのデータを取得したり、同パーソナルコンピュータに対してセンシングデータを出力したりする。バス41は、CPU34、第1記憶媒体35、第2記憶媒体36、第3記憶媒体37、入力装置38、表示装置39、入出力インタフェース40などを一体的に接続して通信を行う配線となる。
The
図5には、この制御ユニット16に保存される制御プログラムがCPU34で実行されることで得られる機能構成が示されている。制御ユニット16は、機能構成として、センシング部43と、ポンプ制御部44と、弁制御部45と、を備える。
FIG. 5 shows a functional configuration obtained by the
センシング部43は、気圧計14,24及び流量計17のセンシングデータを常に取得してポンプ制御部44に伝達する。更に、このセンシング部43は、気圧計14及び流量計17,20のセンシングデータを常に取得して弁制御部45に伝達する。
The sensing unit 43 always acquires sensing data of the
ポンプ制御部44は、センシング部43のセンシングデータを参照して、送気用マイクロポンプ27及び排気用マイクロポンプ28への入力正弦波のVpp及び周波数を、目標となる流量値及び圧力値に近づくように制御する。具体的に、ポンプ制御部44は、気圧計14による検出結果を用いて、呼気流路13内の気圧P1によって当該呼気流路13側からダイヤフラム22に作用する開放力F1(=P1×S1、S1;呼気流路13の出口における開口面積)を算出すると共に、気圧計24による検出結果を用いて、バックチャンバ23内の気圧P2によって当該バックチャンバ23側からダイヤフラム22に作用する閉鎖力F2(=P2×S2、S2;ダイヤフラム22の面積)を算出する。このため、ポンプ制御部44は、呼吸動作に連動して開放力F1を算出する開放力算出手段として機能するといえる。
The pump control unit 44 refers to the sensing data of the sensing unit 43, and approximates the Vpp and frequency of the input sine wave to the
そして、ポンプ制御部44は、閉鎖力F2が開放力F1に略一致するようにポンプユニット25を制御する。
And the pump control part 44 controls the
ただし、ポンプ制御部44は、流量計17の検出結果が、予め設定されている流量・流速(閾値)を超える呼気(咳やくしゃみによる呼気)を示す場合に、閉鎖力F2が開放力F1に略一致するようにポンプユニット25を制御するのではなく、閉鎖力F2を弱めて当該閉鎖力F2が開放力F1を下回るようにポンプユニット25を制御する。なお、上記閾値は、咳やくしゃみによる呼気の流量が、通常の呼吸による呼気の流量と比較して、オーダーが異なる程多いことを考慮して適宜設定しておけばよい。
However, when the detection result of the
弁制御部45は、センシング部43のセンシングデータを参照して、開閉弁21及び流量調整弁19への制御信号を、目標となる流量値に近づくように制御する。
The
次に、呼吸補助装置10の制御例について説明する。
Next, a control example of the
使用者が通常の呼吸で呼気する場合、呼気流路13内が昇圧する。呼気流路13内が昇圧すると、気圧計14によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット16に出力される。制御ユニット16は、センシングデータに基づいて、供給源11及びポンプユニット25を制御する。すなわち、開閉弁21を閉じてガスタンク18からの気体の供給を停止する。また、開閉弁21の動作にあわせて、送気用マイクロポンプ27及び排気用マイクロポンプ28を動作させ、バックチャンバ23に対する送排気を行って、バックチャンバ23内の気圧を目標値に向かって調整する。これにより、閉鎖力F1を開放力F2に略一致することを保つ。呼気は、ダイヤフラム22が出口から遠退く方向に撓んで呼気流路13を開放することで、呼気流路13の出口から放出される。
When the user exhales with normal breathing, the pressure in the
続いて、使用者が吸気する場合、呼気流路13内が減圧する。呼気流路13内が減圧すると、気圧計14によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット16に出力される。制御ユニット16は、センシングデータに基づいて、供給源11及びポンプユニット25を制御する。すなわち、開閉弁21を開いてガスタンク18から気体を供給すると共に、流量調整弁19によってガスタンク18から供給される気体の量を、目標値に向かって調整する。また、開閉弁21及び流量調整弁19の動作にあわせて、送気用マイクロポンプ27及び排気用マイクロポンプ28を動作させ、バックチャンバ23に対する送排気を行って、バックチャンバ23内の気圧を目標値に向かって調整する。これにより、閉鎖力F1を開放力F2に略一致することを保つ。呼気流路13の開口は、ダイヤフラム22によってシールされる。
Subsequently, when the user inhales, the inside of the
続いて、使用者が吸気中に咳やくしゃみによる呼気をすると、その呼気は、流量計17によってセンシングされる。また、呼気流路13内の気圧とバックチャンバ23内の気圧は、気圧計14,24によってセンシングされる。各センシングデータは、制御ユニット16に出力される。制御ユニット16は、センシングデータに基づいて、ポンプユニット25及び供給源11を制御する。すなわち、排気用マイクロポンプ28を動作させ、バックチャンバ23に対する排気を行って、バックチャンバ23内を目標値に向かって減圧する。これにより、閉鎖力F2が弱まり、当該閉鎖力F2が開放力F1を下回ることとなり、ダイヤフラム22が出口から遠退く方向に撓んで呼気流路13を強制的に開放する。咳やくしゃみによる呼気は、呼気流路13の出口から放出される。また、排気用マイクロポンプ28の動作にあわせて、開閉弁21が閉じられ、ガスタンク18からの気体の供給が停止する。
Subsequently, when the user exhales due to coughing or sneezing during inspiration, the exhalation is sensed by the
以上の呼吸補助装置10によれば、ポンプユニット25がバックチャンバ23の周囲に固定されているから、ポンプユニット25からの動力がバックチャンバ23に作用するまでに応答時間を要さず、呼気弁を精度良く制御できる。これにより、人命にかかわる医療現場において支障をきたすことがない。また、バックチャンバ23とポンプユニット25とが一体化されるので、使用者の体の動作に連動してバックチャンバ23が動いても、このバックチャンバ23とポンプユニット25とが一緒に動くので、バックチャンバ23とポンプユニット25との接続が途切れないで済む。従って、呼吸補助動作の安定性が増すと同時に、使用者も体を動かしやすくなる。
According to the
そして、ポンプユニット25が送気用マイクロポンプ27及び排気用マイクロポンプ28をそれぞれ備えているから、バックチャンバ23に対する送排気の切替え制御を精度良く行える。また、各マイクロポンプ25は小さいので、これを複数配置しても、従来のブロア等のポンプユニットと比較して小さく且つ軽量に構成できる。更に、小型化されたポンプユニット25がバックチャンバ23に直接固定されるので、呼吸補助装置10を極めてコンパクトに構成できる。
Since the
図6には、第2実施形態に係る医療用の呼吸補助装置50の構成が例示されている。なお、第1実施形態と第2実施形態は、同一又は類似する部分が多いので、これらの説明は省略すると共に、ここでは第1実施形態と異なる点を中心に説明する。後述する第3実施形態及び別の実施形態についても、他の実施形態と共通する説明は省略すると共に、他の実施形態と異なる点を中心に説明する。
FIG. 6 illustrates the configuration of a medical
呼吸補助装置50は、二つのマイクロポンプ27,28を採用するポンプユニット25に代えて、一つのマイクロポンプ52を採用するポンプユニット51を備えている。ポンプユニット51は、バックチャンバ23に対する送排気を選択的に行うマイクロポンプ52と、このマイクロポンプ52の姿勢を切り替えてバックチャンバ23に対する送排気を選択的に行わせる切替え機構53と、を備えている。
The
マイクロポンプ52は、気体を吸入する吸入口54と、この吸入口54から吸入した気体を吐出する吐出口55と、などを備えている。このマイクロポンプ52には、図3(A)に示されるマイクロポンプ100が採用される。
The
マイクロポンプ52は、切替え機構53により、姿勢が切り替えられて、吸入口54及び吐出口55のバックチャンバ23との接続関係が切り替えられ、吸入口54及び吐出口55の一方が選択的にバックチャンバ23に接続される。具体的に、マイクロポンプ52の姿勢は、図7(A)に示される送気姿勢と、図7(B)に示される排気姿勢と、の間で切り替えられる。送気姿勢では、吐出口55がバックチャンバ23に直結されて、マイクロポンプ52がバックチャンバ23に対する送気を行う。排気姿勢では、吸入口54がバックチャンバ23に直結されて、マイクロポンプ52がバックチャンバ23に対する排気を行う。
The
図8には、制御ユニット16に保存される制御プログラムがCPU34で実行されることで得られる機能構成が示されている。制御ユニット16は、機能構成として、切替え制御部57などを備える。センシング部43は、流量計17のセンシングデータを常に取得して切替え制御部57に伝達する。切替え制御部57は、センシング部43のセンシングデータを参照して、切替え機構53への制御信号を、目標となるマイクロポンプ52の姿勢となるように制御する。
FIG. 8 shows a functional configuration obtained when the control program stored in the
次に、呼吸補助装置50の制御例について説明する。
Next, a control example of the
使用者が呼気すると、その呼気は、流量計17によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット16に出力される。制御ユニット16は、センシングデータに基づいて、ポンプユニット51等を制御する。すなわち、切替え機構53を動作させ、マイクロポンプ52の姿勢を適宜切り替えると共に、マイクロポンプ52を動作させ、バックチャンバ23に対する送排気を行って、バックチャンバ23内を目標値に向かって調整する。
When the user exhales, the exhalation is sensed by the
続いて、使用者が吸気すると、その吸気は、流量計17によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット16に出力される。制御ユニット16は、センシングデータに基づいて、ポンプユニット51等を制御する。すなわち、切替え機構53を動作させ、マイクロポンプ52の姿勢を適宜切り替えると共に、マイクロポンプ52を動作させ、バックチャンバ23に対する送排気を行って、バックチャンバ23内を目標値に向かって調整する。
Subsequently, when the user inhales, the inhalation is sensed by the
以上の呼吸補助装置50によれば、マイクロポンプ52を一つ備えるだけで、バックチャンバ23への送排気を行える。これにより、第1実施形態の呼吸補助装置10と比較して更に小さく且つ軽量に構成できる。
According to the
図9には、第3実施形態に係る医療用の呼吸補助装置60の構成が例示されている。呼吸補助装置60は、マイクロポンプ52の姿勢を変更して接続関係を切り替えるポンプユニット51に代えて、マイクロポンプ62の姿勢を変更せずに接続関係を切り替えるポンプユニット61を備えている。ポンプユニット61は、バックチャンバ23に対する送排気を選択的に行うマイクロポンプ62と、このマイクロポンプ62の吸入口が接続された吸入管63と、マイクロポンプの吐出口が接続された吐出管64と、吸入管63及び吐出管64のバックチャンバ23への接続関係を切り替える切替え弁65と、を備えている。
FIG. 9 illustrates the configuration of a medical
マイクロポンプ62は、吸入口及び吐出口(いずれも符号省略)などを備えている。このマイクロポンプ62には、図3(A)に示されるマイクロポンプ100が採用される。
The
マイクロポンプ62は、切替え弁65により、吸入口及び吐出口のバックチャンバ23への接続関係が切り替えられ、吸入口及び吐出口の一方が選択的にバックチャンバ23に接続される。具体的に、図10(A)に示される送気を行う状態と、図10(B)に示される排気を行う状態と、の間で切り替えられる。送気を行う状態では、吐出管64がバックチャンバ23に直結されて、マイクロポンプ62がバックチャンバ23に対する送気を行う。排気を行う状態では、吸入管63がバックチャンバ23に直結されて、マイクロポンプ62がバックチャンバ23に対する排気を行う。
In the
尚、本発明のポンプユニット及び呼吸補助装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、上記した実施の形態の構成要件を、可能な範囲で他の実施の形態に適用してもよい。 Note that the pump unit and the respiratory assistance device of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. In addition, the configuration requirements of the above-described embodiment may be applied to other embodiments to the extent possible.
すなわち、第1実施形態に係る呼吸補助装置10では、送気用マイクロポンプ27と排気用マイクロポンプ28とを一つずつ備えているが、それぞれについて、複数備えるようにしてもよい。この場合、直列または並列に接続したり、行と列との関係となる格子状(直列且つ並列)に接続したりしてもよい。これらの場合、個々のマイクロポンプが故障しても、他のマイクロポンプで補えるので、安全性を高めることも可能となる。
That is, in the
また、第1実施形態に係る呼吸補助装置10では、制御ユニット16は、送気用マイクロポンプ27及び排気用マイクロポンプ28の一方を動作させているが、この制御態様に限定されるものではない。すなわち、制御ユニット16は、送気用マイクロポンプ27及び排気用マイクロポンプ28の双方を動作させておき、送気用マイクロポンプ27及び排気用マイクロポンプ28の一方の動作を停止させることで、バックチャンバ23内の気圧を制御するようにしてもよい。これにより、立ち上がりの遅れによるタイムラグをなくすことができ、呼気弁15を更に精度良く制御できる。
In the
また、第2実施形態に係る呼吸補助装置50では、切替え機構53がマイクロポンプ52の姿勢を切り替えることで、バックチャンバ23に対する送排気を切り替えるようにしたが、マイクロポンプ52の姿勢は固定したままで、電磁弁などによってマイクロポンプ52の経路を切り替えることで、バックチャンバ23に対する送排気を切り替えるようにしてもよい。
Further, in the
また、上記各実施形態において、気圧計14の測定結果に基づいて開放力F1を算出する開放力算出手段の場合を例に説明したが、本発明における開放力算出手段は、これに限定されず、流量調整弁19の動作を制御する弁制御部45の信号(ガスタンク18から供給される気体の量を制御する信号)に基づいて開放力F1を算出するようにしてもよい。
Moreover, in each said embodiment, although the case of the opening force calculation means which calculates opening force F1 based on the measurement result of the
次に、別の実施形態に係る医療用の呼吸補助装置70について説明する。図11には、呼吸補助装置70の構成が例示されている。呼吸補助装置70は、マイクロポンプ27,28を採用するポンプユニット25に代えて、マイクロポンプ以外のポンプを採用するポンプユニット71を備えている。
Next, a medical
ポンプユニット71は、バックチャンバ23に対する送気を行う送気用ポンプ72と、バックチャンバ23に対する排気を行う排気用ポンプ73と、を備えている。送気用ポンプ72は、特に種類は限定されないが、羽根車を備えた回転ポンプなどが採用される。排気用ポンプ73は、特に種類は限定されないが、特に種類は限定されないが、羽根車を備えた回転ポンプなどが採用できる。また、排気用ポンプ73とバックチャンバ23との間には、真空引き可能なチャンバ73aを設けるようにしてもよい。真空引き可能なチャンバ73aを設けることで、バックチャンバ23からの排気を瞬時に行うことができ、応答性を高めることができる。なお、ポンプユニット71の基本的な制御は、ポンプユニット25の制御と同様である。
The
本発明の呼吸補助装置は、様々な生物の呼吸補助目的で利用できる。 The respiratory assistance device of the present invention can be used for the purpose of assisting various organisms.
10,50,60 呼吸補助装置
11 供給源
12 吸気流路
13 呼気流路
14 気圧計
15 呼気弁
16 制御ユニット
17 流量計(呼気測定計)
22 ダイヤフラム
23 バックチャンバ
24 気圧計(バックチャンバ側気圧計)
25,51,61 ポンプユニット
27 送気用マイクロポンプ
28 排気用マイクロポンプ
29 送気用吸入口
30 送気用吐出口
31 排気用吸入口
32 排気用吐出口
44 ポンプ制御部(開放力算出手段)
52,62,100 マイクロポンプ
53 切替え機構
54,107 吸入口
55,108 吐出口
10, 50, 60 Respiration assist
22
25, 51, 61
52, 62, 100
Claims (9)
前記ダイヤフラムにおける前記呼気流路の反対側に設けられて、該ダイヤフラムと共に空間を形成するバックチャンバと、
前記バックチャンバの周囲に設けられ、該バックチャンバに対する送排気を行って該バックチャンバ内の気圧を調節するマイクロポンプと、
前記マイクロポンプの動作を制御する制御ユニットと、を備えることを特徴とする、
呼気弁。 A diaphragm that opens and closes the exit of the exhalation flow path that guides exhalation to the atmosphere;
A back chamber which is provided on the opposite side of the exhalation flow path in the diaphragm and forms a space together with the diaphragm;
A micropump provided around the back chamber, for adjusting the atmospheric pressure in the back chamber by supplying and exhausting the back chamber;
A control unit for controlling the operation of the micropump,
Exhalation valve.
前記バックチャンバ内の気圧を測定し、その測定結果を信号にして前記制御ユニットに出力するバックチャンバ側気圧計と、を備え、
前記制御ユニットは、
前記バックチャンバ側気圧計による前記測定結果を用いて、前記バックチャンバ内の気圧によって該バックチャンバ側から前記ダイヤフラムに作用する閉鎖力を算出すると共に、該閉鎖力が前記開放力に略一致するように前記マイクロポンプを制御することを特徴とする、
請求項1に記載の呼気弁。 An opening force calculating means for calculating an opening force acting on the diaphragm from the side of the exhalation flow path by an air pressure in the exhalation flow path in conjunction with a breathing action;
A back chamber side barometer that measures the atmospheric pressure in the back chamber and outputs the measurement result as a signal to the control unit,
The control unit is
Using the measurement result of the back chamber side barometer, the closing force acting on the diaphragm from the back chamber side is calculated from the pressure in the back chamber, and the closing force substantially matches the opening force. The micro pump is controlled by
The exhalation-valve according to claim 1.
前記制御ユニットは、
前記呼気測定計の測定結果が、予め設定されている流量又は流速を超える呼気を示す場合に、前記閉鎖力が前記開放力に略一致するように前記マイクロポンプを制御するのではなく、前記閉鎖力を弱めて該閉鎖力が前記開放力を下回るように前記マイクロポンプを制御することを特徴とする、
請求項2に記載の呼気弁。 Comprising an exhalation meter that measures the flow of exhalation and outputs the measurement result as a signal to the control unit;
The control unit is
When the measurement result of the exhalation meter indicates exhalation exceeding a preset flow rate or flow velocity, the micropump is not controlled so that the closing force substantially coincides with the opening force. The micropump is controlled so that the closing force is less than the opening force by weakening the force,
The exhalation-valve according to claim 2.
前記バックチャンバに対する送気を行う送気用マイクロポンプと、
前記バックチャンバに対する排気を行う排気用マイクロポンプと、を備えることを特徴とする、
請求項1〜3のいずれかに記載の呼気弁。 As the micropump,
An air supply micropump for supplying air to the back chamber;
An exhaust micropump for exhausting the back chamber,
The exhalation-valve in any one of Claims 1-3.
前記排気用マイクロポンプは、前記バックチャンバに直結されて該バックチャンバ内から気体を直接吸入する排気用吸入口と、前記排気用吸入口から吸入した気体を前記バックチャンバ外に吐出する排気用吐出口と、を備えることを特徴とする、
請求項4に記載の呼気弁。 The air supply micropump is an air supply intake port for sucking gas from outside the back chamber, and a gas supply port that is directly connected to the back chamber and discharges the gas sucked from the air supply intake port into the back chamber. A gas outlet,
The exhaust micropump is directly connected to the back chamber and exhausts the gas directly from the back chamber. The exhaust micropump discharges the gas sucked from the exhaust suction outside the back chamber. And an outlet.
The exhalation-valve according to claim 4.
請求項4又は5に記載の呼気弁。 The control unit operates both the air supply micropump and the exhaust micropump at the same time, and stops the operation of one of the air supply micropump and the exhaust micropump. Controlling the atmospheric pressure in the chamber,
The exhalation-valve according to claim 4 or 5.
気体を吸入する吸入口、及び該吸入口から吸入した気体を吐出する吐出口、を有してなり、該吸入口及び該吐出口の一方が選択的に前記バックチャンバに接続されるものであり、
前記吸入口及び前記吐出口の前記バックチャンバとの接続関係を切り替えて、該バックチャンバに対する送排気を選択的に行わせる切替え機構と共に、ポンプユニットを構成することを特徴とする、
請求項1〜3のいずれかに記載の呼気弁。 The micropump is
A suction port for sucking gas and a discharge port for discharging the gas sucked from the suction port, and one of the suction port and the discharge port is selectively connected to the back chamber. ,
The pump unit is configured together with a switching mechanism that selectively connects and discharges air to and from the back chamber by switching the connection relationship between the suction port and the discharge port with the back chamber.
The exhalation-valve in any one of Claims 1-3.
請求項7に記載の呼気弁。 The switching mechanism is configured such that the micro pump has an attitude in which the suction port is directly connected to the back chamber and the micro pump exhausts air from the back chamber, and the discharge port is directly connected to the back chamber. The micropump is switched between an air supply posture for supplying air to the back chamber,
The exhalation-valve according to claim 7.
前記生物の呼気を大気に導く呼気流路と、
前記呼気流路内の気体を大気に放出して該呼気流路内の気圧を調節する請求項1〜8のいずれかに記載の呼気弁と、を備えることを特徴とする、
呼吸補助装置。 An intake passage that guides the gas to be inhaled from the supply source to the organism,
An exhalation flow path for guiding exhalation of the organism to the atmosphere;
The exhalation valve according to any one of claims 1 to 8, wherein the exhalation valve according to any one of claims 1 to 8, which adjusts the atmospheric pressure in the exhalation flow path by releasing the gas in the exhalation flow path to the atmosphere,
Respiratory device.
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