JP2014233413A - 換気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より簡素な構成で振動空気圧による換気を行うことができる換気装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、被換気空間内部の内気を外部に排出し、被換気空間内部に外部のガス供給源からの外気を供給する換気装置に関する。そして、本発明の換気装置は、第１のシリンダと第１のピストンとを有する第１ピストン機構と、第２のシリンダと第２のピストンとを有する第２のピストン機構と、第１及び第２のピストンが同期した往復運動を行うように駆動させる駆動機構とを備え、第１のシリンダにはガス供給源から内部の方向にのみ通気可能な第１の弁と、内部から被換気空間の方向にのみ通気可能な第２の弁とが設けられており、第２のシリンダには、被換気空間から内部の方向にのみ通気可能な第３の弁と、内部から外部の方向にのみ通気可能な第４の弁とが設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、換気装置に関し、例えば、高頻度振動換気法を適用した人工呼吸器に関する。

従来の人工呼吸器の一つの方式として、高頻度振動換気法（ＨＦＯＶ：Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｙ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ）がある。高頻度振動換気法とは、１回換気量が死腔体積（ｄｅａｄ ｖｏｌｕｍｅ）以下の１〜３［ｍｌ／ｋｇ］（体重）で，５〜３０［Ｈｚ］の高い換気数の振動流を気道に与える人工換気法である。高頻度振動換気法を用いて換気を行うことにより、テーラー分散をはじめとする様々な要因で体内の換気が促進されるため、１周期あたりの換気量が死腔体積以下の小さな換気量でも、患者の生命維持に必要な換気（ガス交換）が可能になる。

従来の高頻度振動換気法を利用した人工呼吸器としては、特許文献１の記載技術がある。

特許文献１に記載された人工呼吸器は、吸気（空気と酸素の混合気）を供給する吸気導入部と、陽圧及び陰圧の両方の空気圧を同時に発生するブロワと、ブロワで発生した陽圧又は陰圧を交互に選択して所定の振動空気圧に変換するロータリバルブ機構と、ロータリバルブ機構からの振動空気圧に付勢されて作動し、吸気導入部から患者に供給される吸気に振動空気圧を付勢するダイヤフラム機構とを備えている。

特開２００１−３７８８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された人工呼吸器は、吸気導入部、ブロワ、ロータリバルブ機構、及びダイヤフラム機構等を備えるため大型でかつ部品点数が多い装置となり、さらに、複雑かつ精密な制御（例えば、各構成要素間のタイミング同期制御や出力量制御等）が必要となる。

装置の小型化や低廉化を目指す場合に、より簡素（シンプル）で部品点数の少ない構造となることが望ましい。また、装置の信頼性、耐久性、保守性（メンテナンス性）、等を鑑みた場合も、より簡素で部品点数が少ない構造が望ましい。特に、ＡＥＤ（自動体外式除細動器、Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｄｅｆｉｂｒｉｌｌａｔｏｒ）に並ぶ可搬性（ポータビリティ）を目指す場合には、従来の人工呼吸器とは異なる構造が必要となる。ＡＥＤを必要とする患者は、多くの場合自発的な呼吸も停止しているため、ＡＥＤを利用した心臓の除細動と並行して、人工呼吸を行う方が蘇生率は高くなる。一方で、近年病院で用いられている人工呼吸器は一部の機種を除いて気管への挿管が必要であるが、気管挿管は所定の資格（医師，歯科医師，または所定の講習と実習を受けた救急救命士）を持つ者にのみに認められた医療行為とされているため、気管挿管の必要がなく、簡易操作で使用できる可搬式の人工呼吸器(例えばマスク式等)の実現が望まれている。

マスク式の人工呼吸器を実現する場合には、振動空気圧を用いた換気装置（例えば、高頻度振動換気法を適用した装置）を用いることが好適であるが、現在のところは特許文献１の記載技術のように大型でかつ複雑な構造の装置となっているため、ＡＥＤと同様の大きさとコストで製造することは困難である。

以上のような問題に鑑みて、より簡素な構成で振動空気圧による換気を行うことができる換気装置がのぞまれている。

本発明は、被換気空間内部の内気を外部に排出し、上記被換気空間内部に外部のガス供給源からの外気を供給する換気装置において、（１）第１のシリンダと、上記第１のシリンダ内で往復運動する第１のピストンとを有する第１ピストン機構と、（２）第２のシリンダと、上記第２のシリンダ内で往復運動する第２のピストンとを有する第２のピストン機構と、（３）上記第１のピストンと上記第２のピストンが同期した往復運動を行うように駆動させる駆動機構とを備え、（４）上記第１のシリンダには、上記ガス供給源から当該第１のシリンダ内部の方向にのみ通気可能な第１の弁と、当該第１のシリンダ内部から上記被換気空間の方向にのみ通気可能な第２の弁とが設けられており、（５）上記第２のシリンダには、上記被換気空間から当該第２のシリンダ内部の方向にのみ通気可能な第３の弁と、当該第２のシリンダ内部から外部の方向にのみ通気可能な第４の弁とが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、より簡素な構成で大きな圧力の代わりに小さな振動空気圧による換気
を行うことができる換気装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る人工呼吸器の概略断面図である。 第１の実施形態に係る人工呼吸器のピストンの構成及び動作について示した説明図である。 第１の実施形態に係るピストンの１周期分の位置の変位についてカム線図の形式で示したグラフである。 第２の実施形態に係る人工呼吸器の概略断面図である。 第２の実施形態に係るピストンの１周期分の位置の変位についてカム線図の形式で示したグラフである。 第１の実施形態及び第２の実施形態に係る人工呼吸器の効果測定実験に用いた人体モデルの概略断面図である。 第１の実施形態及び第２の実施形態に係る人工呼吸器の効果測定実験に用いた人体モデルを構成する気道モデルの一部を拡大して示す断面図である。 第１の実施形態及び第２の実施形態に係る人工呼吸器を用いた場合の効果測定実験結果について示したグラフ（その１、拍出体積Ｖ＝４０ｍｌの場合）である。 第１の実施形態及び第２の実施形態に係る人工呼吸器を用いた場合の効果測定実験結果について示したグラフ（その２、拍出体積Ｖ＝８０ｍｌの場合）である。 第１の実施形態及び第２の実施形態に係る人工呼吸器を用いた場合の効果測定実験結果について示したグラフ（その３、拍出体積Ｖ＝１１８ｍｌの場合）である。 第１の実施形態及び第２の実施形態に係る人工呼吸器を用いた場合の効果測定実験結果について示したグラフ（その４、拍出体積Ｖ＝１５８ｍｌの場合）である。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による換気装置を人工呼吸器に適用した場合の第１の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、この実施形態の人工呼吸器１の全体構成を示す概略断面図である。

人工呼吸器１は、患者Ｒの体内（主として、患者Ｒの気道ＡＷや肺Ｐを含む体内）に、ガス供給源５０から供給されたガス（以下、「外気」とも呼ぶ）を供給（注入）し、さらに、患者Ｒの体内のガス（以下、「呼気」、又は「内気」とも呼ぶ）を外部（この実施形態では大気中）に排気するものである。

ガス供給源５０は、例えば、既存の人工呼吸器で用いられるガス供給源を用いることができるので詳しい説明を省略するが、大気中の空気と酸素ボンベ等の酸素を混合して排出する装置や所定の酸素濃度のガスが充填されたボンベ等を用いることができる。また、この実施形態の人工呼吸器１では、ガス供給源５０として上述のような装置を用いるものとして説明するが、特に装置を配置せずに、単に大気（大気中の空気）をガス供給源５０として用いるようにしてもよい。なお、大気をガス供給源５０として用いる場合には、外気取入用逆止弁１４に取り込む空気の異物等を除去するフィルタ等を配置することが望ましい。

次に、人工呼吸器１の内部構成について説明する。

人工呼吸器１は、外気を取り込んで患者Ｒの体内に供給するための外気供給用ピストン機構１０と、患者Ｒの体内の内気を取り込んで外部に排気する内気排気用ピストン機構２０とを備えている。

外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０は、それぞれ、円筒形のシリンダ１１、２１と、シリンダ１１、２１の内部で往復運動する円柱形のピストン１２、２２と、一方の端面がピストン１２、２２に固定されたシャフト１３、２３とを有している。

シリンダ１１、２１、ピストン１２、２２及びシャフト１３、２３の素材は限定されないものであるが、例えば、ポリカーボネート、カーボンロッドやアクリル等の軽量な合成樹脂性素材や、アルミニウム、チタン、ステンレス等の金属素材（耐腐食性の高い素材が望ましい）等を用いることができる。なお、ピストン１２、２２についてはシリンダ内の気密性を保ちつつシリンダとの摺動摩擦を軽減することを目的として、外周面にフェルト（例えば、シリコンオイル等を浸潤させたフェルト等）やラバーをピストンリングとして配置することが望ましい。

また、外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０は、それぞれ、後述する逆止弁を介して被換気チャンバー３０等と接続（通気）可能となっている。そして、人工呼吸器１では、図１に示すように、被換気チャンバー３０が、チューブ３１、マスク３２、患者Ｒの鼻孔、及び気道ＡＷを介して、患者Ｒの肺Ｐと接続（通気）している。チューブ３１及びマスク３２については、例えば、既存の人口呼吸器で用いられるものを用いることができるため詳しい説明を省略する。

外気供給用ピストン機構１０のシリンダ１１には、ガス供給源５０からシリンダ１１内部の方向（図１の矢印Ｘ１１の方向）にのみ通気可能な外気取入用逆止弁１４と、シリンダ１１内部から被換気チャンバー３０の方向（図１のＸ１２の方向）にのみ通気可能な外気注入用逆止弁１５が配設されている。

内気排気用ピストン機構２０には、被換気チャンバー３０からシリンダ２１内の方向（図１の方向Ｘ１３）にのみ通気可能な内気取入用逆止弁２４と、シリンダ２１内部から装置外（シリンダ２１外部）の方向（図１の方向Ｘ１４）にのみ通気可能な内気排気用逆止弁２５とが配設されている。

この実施形態では、外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０に設ける弁（バルブ）は、１方向にのみ通気可能な弁（バルブ）であれば具体的な構成については限定されず逆止弁以外の名称・構成の弁（例えば、一方向弁等）を用いるようにしてもよい。

また、外気供給用ピストン機構１０のシャフト１３と、内気排気用ピストン機構２０のシャフト２３は、並行するように配置されている。さらに、シャフト１３、２３のそれぞれの端面（ピストン１２、２２と逆方向の端面）は、リンク部４０に固定されている。リンク部４０は、シャフト１３及びシャフト２３と垂直する方向に配置されたシャフト形状の部材となっている。人工呼吸器１では、このリンク部４０を、シャフト１３、２３と並行となる方向（図１のＸ２１、Ｘ２２の方向）に往復運動させることで、外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０の駆動を同期（往復運動の振幅、周期及び位相を同期）させることができる構成となっている。

なお、リンク部４０の素材や形状についても限定されないものであるが、安定して外部ガス供給用ピストン機構１０及び外部ガス供給用ピストン機構１０を駆動するために、軽量であるが剛性の高い素材（例えば、アルミニウム合金、ステンレス等の金属素材）を用いることが望ましい。

また、人工呼吸器１では、リンク部４０を介して、ピストン１２、２２を駆動（往復運動）させる駆動機構（以下、「ピストン駆動機構」と呼ぶ）として、後述するスコッチ・ヨーク機構が採用されている。

図２は、外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０の構成及び駆動（往復運動）した場合の動作について示した説明図である。

なお、図２では、外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０は、逆止弁以外の構成について同じ仕様であるものとして図示している。そして、図２に示すように、シリンダ１１、２１の内径（ピストン１２、２２の外径）の寸法はいずれ同じ寸法Ｄとなっているものとする。

図２（ａ）は、ピストン１２、２２が上死点Ｐ１に到達した状態について示しており、図２（ｂ）は、ピストン１２、２２が下死点Ｐ２に到達した状態について示している。そして、図２では、上死点Ｐ１と下死点Ｐ２との間のストロークをＳと図示している。そして、以下では、ピストン１２、２２が往復した上死点Ｐ１から下死点Ｐ２までの行程によって拍出するガスの体積を「拍出体積Ｖ」と呼ぶものとする。拍出体積Ｖは、主としてストロークＳとピストンの内径Ｄにより定まる。

次に、第１の実施形態のピストン駆動機構の構成について説明する。

第１の実施形態のピストン駆動機構（スコッチ・ヨーク機構）は、主としてリンク部４０、クランク円盤５２、及びＡＣサーボモータ５１により構成されている。クランク盤５２は、ＡＣサーボモータ５１を駆動源として回転軸５２ａを中心に回転運動を行う。また、クランク円盤５２の偏心した位置にはクランクピン５２ｂが設けられている。クランクピン５２ｂは、リンク部４０に設けられた溝４０ａと摺動自在に嵌合している。第１の実施形態のピストン駆動機構では、ＡＣサーボモータ５１の回転運動を、クランク円盤５２（回転軸５２ａ）及びリンク部４０（溝４０ａ）により構成されるスコッチ・ヨーク機構により往復運動に変換している。外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０のストロークＳについては、クランク円盤５２における回転軸５２ａとクランクピン５２ｂとの間の距離（以下、「クランク半径ｒ」とも呼ぶ）により調整することができる。

すなわち、人工呼吸器１では、ストロークＳ（拍出体積Ｖ）及びクランク円盤５２の回転速度（ＡＣサーボモータ５１の回転速度、以下「振動周波数ｆ」とも呼ぶ）により、単位時間あたりの換気量（患者Ｒの体内に供給可能な外気の量、及び、患者Ｒの体内から排出可能な内気の量）を調整することができる。例えば、患者の体重１ｋｇあたり２ｍｌの拍出体積を必要とする場合（２ｍｌ／ｋｇの場合）、人工呼吸器１の拍出体積は１００ｍｌに設定する必要がある。また、この場合、振動周波数ｆは、患者Ｒの状態（例えば、パルスオキシメータにより測定される患者Ｒの酸素飽和度）に応じて、１０〜１５Ｈｚの間で調整（例えば、当該人工呼吸器１のオペレータが手動で調整）可能な構成としてもよい。

リンク部４０の両方の端部には、それぞれガイドシャフト４１、４２を貫通させるための貫通孔４０ｂ、４０ｃが設けられている。ガイドシャフト４１、４２は、それぞれシャフト１３、２３と並行となるように配置されており、図示しないフレーム等に固定されている。ガイドシャフト４１、４２は、それぞれリンク部４０の貫通孔４０ｂ、４０ｃに摺動自在に貫通した状態となっており、リンク部４０の往復運動がシャフト１３、２３と並行して直動するように案内する機能を担っている。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、人工呼吸器１の動作について図１を用いて説明する。

人工呼吸器１は、ＡＣサーボモータ５１の駆動（例えば、スイッチのＯＮ）及び、ガス供給源５０の駆動（例えば、ボンベ等のバルブを解放・調節）により、動作（患者Ｒに対する人工呼吸）を開始する。なお、ガス供給源５０として大気の空気を用いる場合には、特に操作の必要はない。

ここでは、初期状態で、図２に示すように、ピストン１２、２２の位置が上死点Ｐ１であったものとする。

次に、ピストン駆動機構の駆動（スコッチ・ヨーク機構の駆動）により、ピストン１２、２２の位置が上死点Ｐ１から下死点Ｐ２に移動したものとする。そうすると、外気供給用ピストン機構１０のシリンダ１１内には、ガス供給源５０から外気取入用逆止弁１４を介して、外気が取り込まれる。また、同時に内気排気用ピストン機構２０のシリンダ２１には、内気取入用逆止弁２４を介して被換気チャンバー３０内（患者Ｒの体内）の内気（呼気）が取り込まれる。

次に、ピストン駆動機構の駆動（スコッチ・ヨーク機構の駆動）により、ピストン１２、２２の位置が下死点Ｐ２から上死点Ｐ１に移動したものとする。そうすると、外気供給用ピストン機構１０のシリンダ１１内の外気が、外気注入用逆止弁１５を介して被換気チャンバー３０（患者Ｒの体内）に供給（注入）される。また同時に、内気排気用ピストン機構２０のシリンダ２１内の内気（呼気）が、内気排気用逆止弁２５を介して外部（大気）に排出される。

人工呼吸器１では、以上のようなサイクルの動作を所定の周期（周波数）で繰り返し行うことにより、換気チャンバー３０内を介して患者Ｒの体内を換気することができる。

次に、ピストン１２、２２の往復運動における変位について説明する。

図３は、クランク円盤５２が回転軸５２ａを中心として１回転する間のピストン１２、２２の変位（回転角度毎の位置）についてカム線図の形式で示したグラフである。

図３では、横軸をクランク円盤５２の回転角度（０°〜３６０°）、縦軸をピストン１２、２２の位置（下支点Ｐ２〜上死点Ｐ１）としている。

上述のように、スコッチ・ヨーク機構により構成される駆動機構により、クランク円盤５２の回転運動が往復運動に変換され、ピストン１２、２２が動作するため、クランク円盤５２の回転角ごとのピストン１２、２２の位置をグラフにすると、その１周期分の波形（線図）は図３に示すように正弦波状（ストロークＳの正弦波）となる。したがって、ＡＣサーボモータ５１によりクランク円盤５２が等速で回転（同じ角速度で回転）する場合、ピストン１２、２２の位置の変位は、図３に示すような正弦波が繰り返されるグラフで示されることになる。以下では、ピストン１２、２２の位置が図３に示すような正弦波状で周期的に変位する際に、被換気チャンバー３０に供給される振動空気圧（振動流）を、「正弦波状振動流」と呼ぶものとする。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
第１の実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。

人工呼吸器１では、外気供給用ピストン機構１０と内気排気用ピストン機構２０を駆動させるだけで、患者Ｒの体内の内気の排出と外気の供給を分離して同時に行うことができる。例えば、特許文献１の記載技術では、吸気（空気と酸素の混合気）を供給する吸気導入部と、陽圧及び陰圧の両方の空気圧を同時に発生するブロワと、ブロワで発生した陽圧又は陰圧を交互に選択して所定の振動空気圧に変換するロータリバルブ機構と、ロータリバルブ機構からの振動空気圧に付勢されて作動し吸気導入部から患者に供給される吸気に振動空気圧を付勢するダイヤフラム機構とを備え、それぞれの機構を精密なタイミングと出力で制御する必要がある。これに対して、第１の実施形態の人工呼吸器１では、２つのピストン１２、２２はリンク部４０に固定されているため、駆動機構のＡＣサーボモータ５１（クランク円盤５２）の回転速度を制御するのみで、特にタイミング制御（例えば、２つのピストンの同期制御等）を行う必要がなく、簡易な制御構成で動作が可能となる。言い換えると、従来の人工呼吸器では、通常外気を患者に供給する回路と、患者の呼気（内気）を外部に排出するための回路とを構築し、それぞれの回路を同期して制御する構成が必要となるが、第１の実施形態の人工呼吸器１では、外気供給用ピストン機構１０と内気排気用ピストン機構とが一体となった機構となっているため別々に制御するという概念が必要なく、簡素（シンプル）な構造となっている。

また、人工呼吸器１では、主たる構成要素が外気供給用ピストン機構１０と内気排気用ピストン機構しか存在せず、上述のように簡素な構成で駆動・制御されるため、従来よりも少ない部品点数で製造することができ、より小型化に適した構造となっている。

（Ｂ）第２の実施形態
以下、本発明による換気装置を人工呼吸器に適用した場合の第２の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。

（Ｂ−１）第２の実施形態の構成及び動作
図４は、第２の実施形態の人工呼吸器１Ａの全体構成を示す概略断面図であり、第１の実施形態の図面（上述の図１）と同一又は対応する部分には、同一又は対応する符号を付している。

以下では、第２の実施形態の人工呼吸器１Ａの構成について第１の実施形態との差異を説明する。

第２の実施形態の人工呼吸器１Ａでは、ピストン駆動機構の構成がスコッチ・ヨーク機構から三角カム機構に置き換わっている点で第１の実施形態と異なっている。

具体的には、第２の実施形態では、リンク部４０及びクランク円盤５２が、リンク部４０Ａ及び三角カム５３に置き換わっている点で、第１の実施形態と異なっている。

図４に示すように、リンク部４０Ａは、矩形（長方形）のフレーム形状（断面は矩形であるものとする）となっている。

リンク部４０Ａのフレーム外面４０ｇ（フレームの一辺の外面外）に、ピストン１２、２２の端面が固定されている。また、リンク部４０Ａには、リンク部４０Ａの往復運動を案内するガイドシャフト４１、４２を貫通させるための貫通孔４０ｄ、４０ｅが設けられている。

そして、リンク部４０Ａのフレーム内面４０ｆ側に、三角カム５３が、配設（外周面がフレーム内面４０ｆに接するように配設）されている。三角カム５３は、ＡＣサーボモータ５１を駆動源とし、回転軸５３ａを中心とした回転運動を行うものである。言い換えると、三角カム５３は、回転軸５３ａを中心として回転する際に、リンク部４０Ａのフレーム内面４０ｆに接して、摺動しながら回転することにより、リンク部４０Ａを往復運動（ガイドシャフト４１、４２及びピストン１２、２２と並行となる方向の往復運動）させる。このように第２の実施形態では、三角カム５３及びリンク部４０Ａにより構成される三角カム機構により、回転運動が往復運動に変換され、その往復運動がリンク部４０Ａに固定されたピストン１２、２２に伝達される構造となっている。

第２の実施形態では、ピストン駆動機構が三角カム機構となったことにより、ピストン１２、２２の往復運動における変位が第１の実施形態と異なる。

図５は、三角カム５３が回転軸５３ａを中心として１回転する間のピストン１２、２２の変位（回転各ごとの位置）についてカム線図の形式（上述の図３と同様の形式）で示したグラフである。図５に示すように、第２の実施形態では、三角カム機構により、ピストン１２、２２が上死点Ｐ１及び下死点Ｐ２を中心として、それぞれ６０°分ずつ変位が停止するように構成されている。具体的には、第２の実施形態では、図５に示すように、上死点Ｐ１を含む１５０°〜２１０°の区間、及び下死点Ｐ２を含む３３０°〜３０°の区間で、ピストン１２、２２の変位が停止するように三角カム機構が調整されている。言い換えると、第２の実施形態では、ピストン１２、２２の変位をカム線図で表すと図５に示す波形となるように、三角カム５３の外形が調整されている。なおピストン１２、２２の変位が停止する区間については、上述の例に限定されないものである。

また、第２の実施形態において、外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０のストロークＳについては、外径の異なる三角カム５３に置き換えることにより調整することができる。

このように、第２の実施形態では、ピストン駆動機構を三角カム機構に置き換えることにより、１周期の間で間欠的にピストン１２、２２を往復運動させ、被換気チャンバー３０に間欠的な振動空気圧（以下、「間欠振動流」とも呼ぶ）を供給することができる。

このように、本発明の人工呼吸器（換気装置）では、リンク部を駆動する駆動機構（回転運動を往復運動に変換する変換機構）を置き換えることにより様々な変位特性でピストン１２、２２を駆動させることができる。

（Ｂ−２）第２の実施形態の効果
第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、以下のような効果を奏することができる。

第２の実施形態の人工呼吸器１では、駆動機構として三角カムを用いることにより、被換気チャンバー３０（患者Ｒの体内）に間欠振動流を供給することができる。ここで、被換気チャンバー３０（患者Ｒの体内）に、正弦波状振動流を供給する場合（第１の実施形態の場合）に対する間欠振動流を供給する場合（第２の実施形態の場合）の有意性について説明する。

以下では、第１の実施形態の人工呼吸器１（正弦波状振動流による換気）と、第２の実施形態の人工呼吸器１Ａ（間欠振動流による換気）との換気効率の差異を検証した実験結果について説明する。

本実験では、図６に示すような人間の体内のモデルＭを用いた。図６は、本実験で用いたモデルＭの概略断面図である。

モデルＭでは、患者Ｒの気道ＡＷに対応する気道モデルＭ１に、患者Ｒの肺Ｐに対応する肺モデルＭ２が接続されている。なお、気道モデルＭ１は、被換気チャンバー３０に接続されている。

本実験では、図７に示すように２種類の気道モデルＭ１Ａ、Ｍ１Ｂを用いた測定を行った。図７（ａ）、図７（ｂ）は、それぞれ気道モデルＭ１Ａ、Ｍ１Ｂの一部を拡大して示す断面図である。気道モデルＭ１Ａは、図７（ａ）に示す通り、内径が１８ｍｍの円筒形状の直管となっている。一方、気道モデルＭ１Ｂは、図７（ｂ）に示すように、１０ｍｍ間隔で、幅１０ｍｍ深さ６ｍｍの溝Ｇが形成された溝付管となっている。言い換えると、気道モデルＭ１Ｂは、直径１８ｍｍ幅１０ｍｍの大径部と、直径１２ｍｍ幅１０ｍｍの小径部が交互に接続された管となっている。気道モデルＭ１Ｂでは、この溝Ｇの存在により、より人間の気道に近い形状を再現している。

肺モデルＭ２は、内部空間が図６の方向から見て幅３１０ｍｍ×高さ８０ｍｍ×奥行８０ｍｍとなる直方体を用いて構成されている。肺モデルＭ２には、開口部Ｍ２２が設けられており、その開口部Ｍ２２は、肺（肺胞）組織の弾力性を再現するためのラバー膜Ｍ２３で覆われている。

また、図６に示すように、肺モデルＭ２には、肺モデルＭ２内に二酸化炭素を供給（充填）するための炭酸ガス供給源Ｅ１（炭酸ガスが所定の圧力で充填された圧力調整弁付きボンベ）、及び肺モデルＭ２内の圧力を測定する圧力測定器Ｅ２が接続されている。また、肺モデルＭ２内には、肺モデルＭ２内のガスを撹拌するための電動式のファンＥ３、及び肺モデルＭ２内の二酸化炭素濃度（炭酸ガス濃度）を測定するための二酸化炭素濃度測定器Ｅ４が配置されている。

なお、本実験では、ピストン１２、２２の直径Ｄ（シリンダ１１、２１の内径）は５０ｍｍであるものとする。そして、本実験では、肺モデルＭ２内の二酸化炭素濃度を５％とした後、人工呼吸器１による正弦波状振動流、及び人工呼吸器１Ａによる間欠振動流により換気したときの二酸化炭素濃度の半減期の期間を測定した。すなわち、本実験では、人工呼吸器１で直管の気道モデルＭ１Ａを用いた第１の実験系、人工呼吸器１で溝付管の気道モデルＭ１Ｂを用いた第２の実験系、人工呼吸器１Ａで直管の気道モデルＭ１Ａを用いた第３の実験系、及び人工呼吸器１Ａで溝付管の気道モデルＭ１Ｂを用いた第４の実験系について、それぞれ実験（二酸化炭素濃度の半減期の測定）を行った。なお、本実験では、ガス供給源５０としては特に装置を設けず大気中の空気をそのまま外気供給用ピストン機構１０に取り入れている。

そして、本実験では、第１〜第４のそれぞれの実験系について、拍出体積Ｖ、及び振動周波数ｆを変化させて、二酸化炭素濃度の半減期を測定した。具体的には、本実験では、拍出体積Ｖを４０ｍｌ、８０ｍｌ、１１８ｍｌ、１５８ｍｌと４段階に変化させ、さらに振動周波数ｆを０．２Ｈｚ、１Ｈｚ、２Ｈｚ、６Ｈｚと４段階に変化させた。なお、振動周波数ｆは、ＡＣサーボモータ５１の回転速度により調整することができる。また、本実験では、全ての実験系の測定において、実験室内の温度を２０±２[℃]としている。

そして、第１〜第４の実験系について二酸化炭素濃度の半減期を測定した結果は図８〜図１１のようになった。

図８〜図１１は、それぞれ、拍出体積Ｖを４０ｍｌ、８０ｍｌ、１１８ｍｌ、１５８ｍｌとした場合の各実験系の測定結果について示したグラフである。図８〜図１１のグラフでは、それぞれ横軸を振動周波数ｆ、縦軸を二酸化炭素濃度の半減期として、各実験系の測定結果がプロットされている。

図８〜図１２に示すように、全体としては、正弦波状振動流、及び間欠振動流のいずれを用いて換気を行った場合も、拍出体積Ｖ及び振動周波数ｆの増加に対して反比例して、より短い半減期で、モデルＭ内を換気することができることがわかる。また、図８〜図１２に示すように、拍出体積Ｖが比較的小さい条件での直管（気道モデルＭ１Ａ）内の正弦波状振動流より、溝付管（気道モデルＭ１Ｂ）内の正弦波状振動流や両方の管路中の間欠振動流の方が半減期が短く、拍出体積Ｖが比較的大きい条件では、低振動周波数領域を除いて、条件が変わっても半減期に大差がなくなることがわかる。したがって、人工呼吸器においては、正弦波状振動流（第１の実施形態の人工呼吸器１）よりも間欠振動流（第２の実施形態の人工呼吸器１Ａ）の方が、より適していることがわかる。

（Ｃ）他の実施形態
本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するような変形実施形態も挙げることができる。

（Ｃ−１）上記の各実施形態では、外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０は各１つずつの構成となっているが、複数のピストン機構を束ねた構成としてもよい。

（Ｃ−２）上記の各実施形態では、外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０のシャフト１３、２３はリンク部に固定されて一体となっているが、切り離した構成としてもよい。この場合、外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０は別々に往復運動を制御することになるが、往復運動の周期及び位相の同期をとる必要がある。

（Ｃ−３）上記の各実施形態では、外気供給用ピストン機構１０及び内気排気用ピストン機構２０のピストン１２、２２を往復運動させる駆動機構として、スコッチ・ヨーク機構、又は三角カム機構等の機械的な制御構成を適用しているが、ＡＣサーボモータ、ソレノイド、プランジャー等を用いて電気的に往復運動の変位を制御するようにしてもよい。

（Ｃ−４）上記の各実施形態では本発明の換気装置を人工呼吸器に適用する例について説明したが、換気する対象は人体に限定されないものである。例えば、本発明の換気装置を大規模化（例えば、ピストンの大口径化、ピストン数の増加、振動周波数の増加等）し、建築物の室内換気等に適用するようにしてもよい。

（Ｃ−５）上記の各実施形態では、本発明の人工呼吸器１、１Ａは、被換気チャンバー３０内を換気することで、間接的に被換気空間としての患者Ｒの体内を換気しているが、被換気チャンバー３０を省略して、直接各ピストン機構をマスク３２に接続するようにしてもよいし、マスク３２を介さずに各ピストン機構を直接患者Ｒの気道ＡＷに接続（例えば、各ピストン機構の逆止弁にチューブを接続し、当該チューブを直接気道ＡＷに挿管）するようにしてもよい。このように本発明の人工呼吸器１、１Ａと、被換気空間（患者Ｒの体内）とを接続する構成については限定されないものである。

１…人工呼吸器、１０…外気供給用ピストン機構、１１…シリンダ、１２…ピストン、１３…シャフト、１４…外気取入用逆止弁、１５…外気注入用逆止弁、２０…内気排気用ピストン機構、２１…シリンダ、２２…ピストン、２３…シャフト、２４…内気取入用逆止弁、２５…内気排気用逆止弁、３０…被換気チャンバー、３１…チューブ、３２…マスク、Ｒ…患者、ＡＷ…気道、Ｐ…肺。

Claims (5)

1. 被換気空間内部の内気を外部に排出し、上記被換気空間内部に外部のガス供給源からの外気を供給する換気装置において、
   第１のシリンダと、上記第１のシリンダ内で往復運動する第１のピストンとを有する第１ピストン機構と、
   第２のシリンダと、上記第２のシリンダ内で往復運動する第２のピストンとを有する第２のピストン機構と、
   上記第１のピストンと上記第２のピストンが同期した往復運動を行うように駆動させる駆動機構とを備え、
   上記第１のシリンダには、上記ガス供給源から当該第１のシリンダ内部の方向にのみ通気可能な第１の弁と、当該第１のシリンダ内部から上記被換気空間の方向にのみ通気可能な第２の弁とが設けられており、
   上記第２のシリンダには、上記被換気空間から当該第２のシリンダ内部の方向にのみ通気可能な第３の弁と、当該第２のシリンダ内部から外部の方向にのみ通気可能な第４の弁とが設けられている
   ことを特徴とする換気装置。
2. 上記第１のピストンと上記第２のピストンは１つのリンク部に固定されており、上記駆動機構は上記リンク部を往復運動させることを特徴とする請求項１に記載の換気装置。
3. 上記駆動機構は、上記第１のピストン及び上記第２のピストンの位置の変位が正弦波状となるように、上記第１のピストン及び上記第２のピストンを往復運動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の換気装置。
4. 上記駆動機構は、上記第１のピストン及び上記第２のピストンの位置の変位が間欠的となるように、上記第１のピストン及び上記第２のピストンを往復運動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の換気装置。
5. 上記駆動機構は、上記第１のピストン及び上記第２のピストンの往復運動を、上死点及び下死点で所定期間停止させることを特徴とする請求項４に記載の換気装置。

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