JP2016087412A - 超音波気流測定システム用の呼吸管 - Google Patents

Abstract

【課題】正しい位置に挿入されているか否かをシステムにより検出可能な汎用の呼吸管を創出する。
【解決手段】本発明は、人間及び動物の呼吸における体積流量及び／又はモル質量を確定する超音波気流測定システム用の呼吸管に関する。本発明によると、該呼吸管は、その少なくとも一部に断面多角形状を有している。さらに、呼吸管には、外部の光学手段により読み取り可能な少なくとも１つの指標７が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、人間及び動物の呼吸における体積流量及び／又はモル質量を確定する超音波気流測定システム用の呼吸管に関する。

一般に、呼吸気流の測定には、以下の測定方法のうちの１つが用いられる。

１．呼吸管内での抵抗による気流に関する圧力降下の測定に基づく方法
２．気流中におかれた加熱ワイヤを冷却する手段によって気体の速度を決定する方法
３．タービン（羽根車）の回転速度の測定に基づく方法
４．気流に向かって進む超音波パルスの実行時間を測定する方法
医療環境において、以下の特許文献１に記載された超音波実行時間測定に基づく方法は、数年間、その使用が拡がった。医療用途は、以下に述べる特徴により、産業用途とは異なる。

・高い応答速度で、極めて測定範囲が広い。すなわち、極めて高いピーク気流速度と極めて低い気流速度との双方を、高いサンプリングレートで正確に測定しなければならない。

・気体の組成が大きく変化する。ある医療検査においては、異なる気体の方法が用いられている。理想的には、同一の気体は、呼吸気流の速度の測定には影響を与えない。

・衛生上の良好な特性が必要である。このことは、全ての環境下において相互汚染を避けるために、測定装置が患者の入れ替えの間の清掃に適していなければならないことを意味する。

超音波実行時間測定に基づく気流測定装置において、相互汚染を避けるために、しばしば、交換可能な呼吸管が用いられる。以下の特許文献２、特許文献３及び特許文献４には、このような交換可能な呼吸管が記載されている。

これまで実質的に使用されてきた呼吸管は、その断面が円形状又はやや楕円形状であった。呼吸管の内径は、大抵２０ｍｍが好ましく、これは、麻酔に広く使われる管径と一致するからである。図１は、肺機能の診断のための肺活量計に用いられる、従来例に係る呼吸管の例示的実施形態を示している。該呼吸管は、以下の要素を含む。

・患者が唇にくわえる一体型のマウスピース１
・測定システム内において呼吸管の位置を明確に規定する三角状目印を有するリング２
・測定システムとの間で呼吸管を封止する封止用唇状部（シーリングリップ）３
・円形の内径が約２０ｍｍの呼吸管の本体４
・斜めに配置されて相互に超音波を伝達させ、最早ここに示された超音波気流測定システムの伝送要素及び受信要素である２つの楕円形状の音響開口部５
・呼吸管が不注意に測定システムから再度外れ得ることを防ぐ返し６
呼吸管は、大抵、射出成型法によって製造される。音響開口部５の該開口には、大抵、製造中において、材料中に射出成形された網が設けられる。これらの網はその表面に極めて小さい開口を有しており、音響パルスを伝達させる。一方、これらの網は呼吸管内での気流の失速を防ぎ、従って、強い乱流を防ぐ。患者一人につき１本だけの呼吸管が使用されるため、これらの網は、患者同士の間で起こり得る相互汚染を防ぐ。

欧州特許出願公開第０５９７０６０号明細書 欧州特許第０５９７０６０号明細書 米国特許第５４１９３２６号明細書 米国特許第５４６４７３７０号明細書

しかしながら、これらの構成により、上記の交換可能な呼吸管は、次に述べるようないくつかの問題を有している。

・三角状目印を有するリングは、呼吸管が使用者によって測定システム内にいつも正確に同じ位置に挿入されるということが保証されない。

・例えば、呼吸管は、完全に挿入され得ないか又は正確に位置合わせされ得ないかのいずれかである（呼吸管の望まれない回転による）。しかしながら、測定システムの正しい位置に置かれていない呼吸管は、流速測定において測定エラーを引き起こす。

・呼吸管の測定経路における超音波の進入は、円形断面において最適条件ではなく、気流の上部及び下部を含まない。このように、気流の断面において不均一な分布もまた、測定エラーを引き起こし得る。

本発明は、上記の問題を解決すべく、特に、正しい位置に挿入されているか否かをシステムにより検出可能な汎用の呼吸管を創出することを目的とする。

本発明によると、この目的は、請求項１に係る特徴の組み合わせによって解決される。故に、人間及び動物の呼吸における体積流量及び／又はモル質量を確定する超音波気流測定システムに用いられる汎用の呼吸管において、該呼吸管は少なくとも一部が断面多角形状に設計される。該呼吸管は、外部の光学手段により読み取り可能な少なくとも１つの指標（インディケータ）を含む。

呼吸管における断面多角形状に設けられた少なくとも一部は、該呼吸管が測定システムにねじれて挿入され得ることを防ぐ。好ましくは、この目的のための断面多角形状は、（例えば、ある角度で不注意にねじられることによる）呼吸管の誤った挿入を防ぐために、非対称に設計される。

少なくとも１つの指標により、呼吸管の測定システム内における有無は、自動的に検出され得る。加えて、測定システム内において、呼吸管の長軸方向の正確な位置も確保され得る。さらに、複数の指標を選択することにより、呼吸管のタイプ（型）の情報を読み取ることができる。

本発明に係る有利な態様は、請求項１に続く従属項によって得ることができる。

故に、少なくとも１つの指標は、呼吸管の外側の表面上の領域に形成でき、該指標は、色及び／又は反射の程度によって呼吸管の残りの表面とは異なる。この少なくとも１つの指標を形成することにより、同一の指標は、例えば、光バリア又は反射光バリアのような光学手段によって読み取ることができる。これらの光バリアは、該呼吸管が使用される超音波気流測定システムに対応して調整される。

本発明の特に有利な態様によると、少なくとも１つの指標は、呼吸管の外側の表面の形状によって形成され得る。少なくとも１つの指標を形成するために、例えば、呼吸管には、少なくとも１つの縁部の領域に櫛状部が形成され得る。該櫛状縁部の表面に形成された空間を通して、例えば光線が通過でき、その結果、光学センサに作用する。

本発明のさらに有利な態様によると、呼吸管は、ほとんど断面長方形状であり、該呼吸管の側面はわずかに傾いている。これにより、呼吸管が不注意に１８０°ずれて測定システムに挿入されることを防ぐことができる。

好都合にも、呼吸管は、その表面に少なくとも１つの外周封止用唇状部を有している。少なくとも１つの封止用唇状部は、呼吸管が挿入可能な測定装置、すなわち超音波気流測定システムと協働して、該測定システムの内面との確実な封止をもたらすことができ、これにより、呼吸管の外側に気流の均一に作用する力を生じる。

超音波パルスを通過させるのに役立つ呼吸管の開口部は、好都合にも、繊維状の網によって閉じられる。繊維状の網は、射出可能な可塑性材料からなる呼吸管を製造する射出成型処理の間に、いずれも同一の可塑性材料から射出可能とすることができる。しかしながら、これに代えて、繊維状の網は、また、呼吸管と異なる材料から構成することができ、開口部を覆う別の作業工程において、呼吸管と接続可能とすることができる。

本発明の他の有利な態様によると、呼吸管は、個々に嵌めるマウスピースを有し得る。

さらに、呼吸管は、好ましくもまた、嵌めるように設計されたフィルタを付加的に有し得る。

最後に、呼吸管はまた、その外側の表面に少なくとも１つの突起部を有し得る。該突起部により、呼吸管は超音波気流測定システムから外すことができる。

好都合にも、異なるタイプの呼吸管は、呼吸管の容積及び測定分解能に関して特別な用途に最適化されるように、内部の異なる断面形状を有し得る。

少なくとも１つの指標による呼吸管のタイプの信頼できる検出は、付加的に且つ好都合にも、超音波気流測定システムの測定評価との適合を与える。測定された気流信号、すなわち、測定された遷移時間と気流量の出力速度との間の数学的な関連は、使用された呼吸管とそれぞれ調整され得る。

本発明に係る、さらなる特徴、詳細及び効果は、図面に示された例示的実施形態を参照しながら詳細に説明される。

図１は従来例に係る呼吸管を示す模式図である。 図２は本発明の第１の実施形態に係る呼吸管を示す斜視図である。 図３は図２に示す呼吸管の側面図、平面図及び正面図である。 図４は円形状及び長方形状の呼吸管における測定経路を貫く模式図である。 図５は図２に示す呼吸管の長軸方向に垂直な断面図である。 図６は本発明の第２の実施形態に係る呼吸管を示す長軸方向の断面図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る呼吸管は、図２に斜視図として示されている。この呼吸管は、例えば、上記の特許文献１から知られるように、図示されない超音波気流測定装置に挿入して供される。この呼吸管は、一人の患者につき１回の使用として設計され、光学システムによって検出され得る機械的な指標が設けられる。図２の斜視図に示すように、呼吸管は、一体に形成されたマウスピース１を有していることが分かる。取り出しタブと対応する停止リング２は、図示しない測定システムに挿入される端部の位置を決定し、一方、使用後には、該呼吸管は取り出しタブを用いて容易に取り外しができる。

呼吸管は、前部領域及び後部領域に２つの外周封止用唇状部３を有している。これら外周封止用唇状部３は、ここ示さない超音波気流測定システムとの間の封止に役立つ。呼吸管の本体４は、ほぼ断面長方形状である。しかし、その側面はわずかに傾いている。厳密に言えば、これは各角部が丸められた台形状である。呼吸管の互いに対向する側部に配置された２つに開口部５は、超音波の伝達に役立ち、各々網によって閉じられている。最後に、呼吸管には、射出成型により返し６が形成されている。該返し６は、呼吸管が再度測定システムから不注意に外れ得ることを防ぐ。

呼吸管の外側表面における上側の縁部及び下側の縁部の各領域には、各々射出成型により櫛状に形成された２つの機械的指標７が設けられている。図３は、側面図、上面図及び正面図に加えて、上述の具現化した別形を示している。正面図は、呼吸管が実質的に断面長方形状となることを表している。さらに、呼吸管の側面が斜めに設計されていることにより、該呼吸管が１８０°回転している場合に、測定システムに挿入され得ないことが分かる。

超音波気流測定システムに使用される従来の呼吸管と比べて、本発明に係る呼吸管は、ここに示す例示的実施形態のように、その断面がほぼ長方形状である。断面形状が円形状又はやや楕円形状と比べて、この斜めの長方形状は、超音波ビームの断面への「進入」がより良くなる。

図４は、超音波セルが共に横方向に配置された呼吸管の２つの変形例を示している。超音波セルは、それぞれ符号１０及び２０で示されている。超音波セル１０、２０は、双方が超音波信号の同じ送信器であり受信器である。超音波セルの間で且つ２本の遮断線Ａの間の領域は、呼吸管の超音波ビームによって覆われる体積流量の領域を示す。これは、この領域において、呼吸管内の体積流量が超音波ビームによって測定され得ることを意味する。これに対し、外側の領域Ｂにおける全体積流量は、超音波によって検出されない。呼吸管の断面を覆う体積流量の不均一な分布は、測定結果にエラーを生じさせる。呼吸管の断面が長方形状の場合には、領域Ｂに対する領域Ａの比の値がより大きいこと、すなわち、実際に体積流量のパーセンテージがより大きいことが超音波測定信号によって検出される。図４の右側の形態に示す呼吸管は、本発明に係る構成の形状と実質的に同一である。従って、この呼吸管は、該呼吸管の内部での体積流量の分布が不均一な場合に生じるエラーを減少させる。

図５は、符号２００で示される超音波気流測定システムに挿入され、呼吸管１００における機械的指標に対する光学的検出の実際の変形例を示す。図５に示すように、呼吸管１００は、櫛状構造３００を有している。該櫛状構造３００は、呼吸管１００の底部右側の領域で且つ長軸方向に整列されて配置されている。該櫛状構造３００は、既に図２の斜視図として概ね示されている。例えば、ＬＥＤ源である光源４００により、光ビームは、櫛状の指標３００を通過してラインセンサ５００に至る。この目的のための超音波気流測定システム２００の呼吸管ホルダは、指標３００の領域において透明でなければならない。光源４００及びこれに関連する光線の経路は、櫛状構造３００がラインセンサ５００上に完全に描写されるように設計されなければならない。ラインセンサ５００の情報を読み出すことにより、以下に示す情報の異なる項目が得られると共に、超音波気流測定システム２００で処理され得る。

ａ）呼吸管の有無
ｂ）超音波気流測定システム内での呼吸管の位置
ｃ）呼吸管のタイプ
指標３００が長軸に沿って配列されているため、呼吸管の位置を検出することができる。呼吸管の同一タイプを検出するために、櫛状の指標３００の構造として、同一の情報が符号化される。指標３００の機械的構造における凹凸が、ラインセンサ５００上に、光と影との特徴あるシーケンスを生じる。ラインセンサ５００上の指標３００のイメージ（像）から、超音波気流測定システム２００のコントローラ（図示せず）において、識別ナンバが算出可能である。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態であって、呼吸管の変形例に係る長軸方向の断面を表している。この呼吸管は、概ね図２の呼吸管に相当する。しかしながら、図２に示された別形と比べて、ここでは、マウスピース１と付加的なフィルタインサート８とが、呼吸管の残りの本体４と嵌まるように接続されている。このように設けられた嵌め込み接続は、マウスピース１及び／又はフィルタインサート８の交換を容易とする。

１ マウスピース
２ 停止リング
３ 外周封止用唇状部
４ 本体
５ 開口部
６ 返し
７ 機械的指標
８ フィルタインサート
１０，２０ 超音波セル
１００ 呼吸管
２００ 超音波気流測定システム
３００ 櫛状構造（指標）
４００ 光源
５００ ラインセンサ

Claims (13)

1. 人間及び動物の呼吸における体積流量及び／又はモル質量を確定する超音波気流測定システム用の呼吸管において、
   その少なくとも一部に断面多角形状を有し、
   外部の光学手段により読み取り可能な少なくとも１つの指標が設けられていることを特徴とする呼吸管。
2. 請求項１の呼吸管において、
   前記少なくとも１つの指標は、外側の表面上の領域に形成され、
   前記指標は、色及び／又は反射の程度によって残りの表面とは異なることを特徴とする呼吸管。
3. 請求項１の呼吸管において、
   前記少なくとも１つの指標は、外側の表面の形状によって形成されることを特徴とする呼吸管。
4. 請求項３の呼吸管において、
   前記外側の表面は櫛状に形成されて、少なくとも１つの縁部の領域に前記少なくとも１つの指標を形成することを特徴とする呼吸管。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の呼吸管において、
   ほとんど断面長方形状であり、該呼吸管の側面はわずかに傾いていることを特徴とする呼吸管。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の呼吸管において、
   その表面に少なくとも１つの外周封止用唇状部を有していることを特徴とする呼吸管。
7. 請求項６に記載の呼吸管において、
   前記表面は、該呼吸管が挿入可能な測定装置と協働するように湾曲しており、
   前記外周封止用唇状部は、前記測定装置との間に確実な封止をもたらすことにより、外側に気流の均一に作用する力を生じることを特徴とする呼吸管。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の呼吸管において、
   超音波パルスを通過させるのに役立つ呼吸管の開口部は、繊維状の網によって閉じられていることを特徴とする呼吸管。
9. 請求項８に記載の呼吸管において、
   前記繊維状の網は、射出可能な可塑性材料からなる該呼吸管を製造する射出成型処理の間に、同一の可塑性材料から射出可能であることを特徴とする呼吸管。
10. 請求項８に記載の呼吸管において、
    前記繊維状の網は、該呼吸管と異なる材料から構成されていることを特徴とする呼吸管。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の呼吸管において、
    個々に嵌めるマウスピースを有していることを特徴とする呼吸管。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の呼吸管において、
    嵌め込み可能なフィルタを有していることを特徴とする呼吸管。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の呼吸管において、
    その外側の表面に少なくとも１つの突起部を有しており、
    前記突起部により、前記超音波気流測定システムから取り外し可能であることを特徴とする呼吸管。

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