JP2018121891A - 酸素濃縮装置及びその制御方法、酸素濃縮装置用の制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】酸素供給量を抑えつつ、正常な使用者とは呼吸パターンが異なる使用者に対しても確実に酸素を供給することが可能な酸素濃縮装置を提供すること。【解決手段】本発明の酸素濃縮装置は、吸気状態検知手段、期間定義手段、供給条件調整手段及び供給制御手段を備える。吸気状態検知手段は使用者の吸気状態を検知する。期間定義手段は、酸素吸入の有効度が相対的に高い前半期間ｔ１と、酸素吸入の有効度が相対的に低い後半期間ｔ２とを定義する。供給条件調整手段は、吸気状態検知手段によって検知された吸気状態と、期間定義手段によって定義付けられた前半期間ｔ１とに基づいて、酸素の供給条件を調整する。供給制御手段は、供給条件に基づいて、前半期間ｔ１中において酸素を複数回に分けてパルス方式で供給する制御を行う。【選択図】図５

Description

本発明は、使用者に対して高濃度の酸素を供給する医療用途に好適な酸素濃縮装置及びその制御方法、酸素濃縮装置用の制御プログラムに関するものである。

医療用途で用いられる酸素濃縮装置として、従来、圧力変動吸着型の酸素濃縮装置が主流となっている。この種の酸素濃縮装置は、一般的にコンプレッサ、吸着筒、切換弁、酸素タンク等を備えている。コンプレッサは、原料空気を圧縮する機能を有している。吸着筒は、吸着剤によって空気中の窒素を優先的に吸着させ、酸素を分離するようになっている。切換弁は、吸着筒内を加圧状態または減圧状態に切り換えるためのものである。酸素タンクは、吸着筒を通過して濃縮された酸素を貯蔵するためのものである。

ところで、この種の酸素濃縮装置は、例えば、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ：Chronic Obstructive Pulmonary Disease）の患者に多く用いられている。また、ＣＯＰＤ患者にとって適切な酸素供給方法としては、連続流によって酸素を常時供給する方法に加えて、パルス流によって酸素を吸うときだけ供給する方法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。なお、パルス流を用いた酸素の供給は、一般的に、使用者（患者）の吸気を微差圧センサで検知した結果に基づいて、パルスで酸素を噴射することにより行われる。パルス流を用いることにより、連続流を用いる場合に比べて酸素の無駄を減らすことができる。

米国特許第９２７８１８５号明細書（図３等） 米国特許出願公開第２０１４／０１３７８５９号明細書（［０１１８］等）

ところで、パルス流を用いる場合、酸素は、使用者の吸気を検知するのと同時に一瞬で噴射される（図９に示す酸素のパルスＣ１を参照）。しかしながら、吸気期間の前半期間しか、吸入した酸素が肺の奥の領域に到達しないため、正常な使用者とは呼吸パターンが異なる使用者、例えば、呼吸が浅く長い使用者には十分に酸素を供給できない可能性がある。そこで、前半期間において、大量の酸素を一瞬で供給することも考えられている（図５に示す酸素のパルスＣ２を参照）。しかしながら、酸素が無駄になってしまうため、例えば、酸素を節約したいというニーズがある携帯形の酸素濃縮装置には不向きであるという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸素供給量を抑えつつ、正常な使用者とは呼吸パターンが異なる使用者に対しても確実に酸素を供給することが可能な酸素濃縮装置及びその制御方法、酸素濃縮装置用の制御プログラムを提供することにある。

上記課題を解決するための手段（手段１）としては、酸素を濃縮して使用者に供給する酸素濃縮装置であって、使用者の吸気状態を検知する吸気状態検知手段と、前記吸気状態検知手段によって検知された前記吸気状態に基づいて、酸素吸入の有効度が相対的に高い前半期間と、酸素吸入の有効度が相対的に低い後半期間とを定義する期間定義手段と、前記吸気状態検知手段によって検知された前記吸気状態と、前記期間定義手段によって定義付けられた前記前半期間とに基づいて、前記酸素の供給条件を調整する供給条件調整手段と、前記供給条件調整手段が調整した前記供給条件に基づいて、前記前半期間中において前記酸素を複数回に分けてパルス方式で供給する制御を行う供給制御手段とを備えることを特徴とする酸素濃縮装置がある。

従って、上記手段１に記載の発明では、吸気状態検知手段によって検知された使用者の吸気状態に基づき、吸気の前半期間中において酸素を複数回に分けて少しずつ供給することができる。このため、正常な使用者とは呼吸パターンが異なる使用者、例えば、呼吸が浅く長い使用者であったとしても、使用者に対して確実に酸素を供給することができる。しかも、供給制御手段は、吸入した酸素が肺の奥の領域（肺胞）に到達するために酸素吸入の有効度が高くなる前半期間中において、酸素を供給する制御を行う。このため、吸入した酸素を有効に利用することができる。また、酸素は、吸気の前半期間のみに供給され、しかも、複数回に分けて供給されるため、酸素供給量を確実に抑えることができる。

ここで、上記酸素濃縮装置としては、定置形の酸素濃縮装置や携帯形の酸素濃縮装置を用いることができる。なお、上記手段１の酸素濃縮装置では、酸素を複数回に分けて供給しているため、所定時間当りの酸素の供給量が少なくなる。その結果、酸素濃縮装置が備える空気供給機構（コンプレッサ等）は小型なもので済むようになるため、携帯形の酸素濃縮装置であれば、使用者にとって持ち運びが容易な酸素濃縮装置となる。

上記酸素濃縮装置は、使用者の吸気状態を検知する吸気状態検知手段を備える。吸気状態検知手段は、使用者の所定時間当りの吸気数及び使用者の吸気速度のうち、少なくとも所定時間当りの吸気数を吸気状態として検知することが好ましい。このようにすれば、吸気数や吸気速度に基づくことにより、使用者の吸気状態に合った酸素供給を適切に行うことができる。

また、上記酸素濃縮装置は、吸気状態検知手段によって検知された吸気状態と、期間定義手段によって定義付けられた前半期間とに基づいて、酸素の供給条件を調整する供給条件調整手段を備える。ここで、供給条件は、特に限定される訳ではないが、例えば、前半期間中において酸素を供給する供給回数を含んでいることが好ましい。このようにすれば、酸素の供給条件を細かく調整できるため、供給条件を、使用者の吸気状態に正確に合わせることができる。なお、供給回数は、複数回（２回以上）であって、１０回以下であることが好ましい。仮に、供給回数が１０回よりも多くなると、上述した空気供給機構（コンプレッサ等）の駆動回数が多くなるため、酸素濃縮装置の消費電力が増加する虞がある。

上記酸素濃縮装置は、供給条件調整手段が調整した供給条件に基づいて、前半期間中において酸素を複数回に分けてパルス供給方式で供給する制御を行う供給制御手段を備える。なお、供給制御手段の制御態様は特に限定されないが、例えば、供給制御手段は、酸素を等しい時間的間隔で供給する制御を行うことや、酸素を複数回に分けて同じ圧力で供給する制御を行うことや、酸素を複数回に分けて同じ供給時間で供給する制御を行うことが好ましい。以上のようにした場合、前半期間全体に亘って酸素が供給される感覚が得られるため、酸素の供給量を減らした場合であっても、酸素が確実に送られてくるという安心感を使用者に与えることができる。

上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、上記手段１に記載の酸素濃縮装置を制御する方法であって、使用者の吸気状態を検知する第１のステップと、検知された前記吸気状態に基づいて、酸素吸入の有効度が相対的に高い前半期間と、酸素吸入の有効度が相対的に低い後半期間とを定義する第２のステップと、検知された前記吸気状態と定義付けられた前記前半期間とに基づいて、前記酸素の供給条件を調整する第３のステップと、調整した前記供給条件に基づいて、前記前半期間中において前記酸素を複数回に分けてパルス方式で供給する制御を行う第４のステップとを含むことを特徴とする酸素濃縮装置の制御方法がある。

従って、上記手段２に記載の発明では、使用者の吸気状態を検知した検知結果に基づいて、吸気の前半期間中において酸素を複数回に分けて少しずつ供給する第４のステップを行っている。このため、正常な使用者とは呼吸パターンが異なる使用者、例えば、呼吸が浅く長い使用者であったとしても、使用者に対して確実に酸素を供給することができる。しかも、調整した供給条件に基づいて、吸入した酸素が肺の奥の領域（肺胞）に到達するために酸素吸入の有効度が高くなる前半期間中において、酸素を供給する制御を行う。このため、吸入した酸素を有効に利用することができる。また、酸素は、吸気の前半期間のみに供給され、しかも、複数回に分けて供給されるため、酸素供給量を確実に抑えることができる。

さらに、上記課題を解決するための別の手段（手段３）としては、上記手段１に記載の酸素濃縮装置を制御するコンピュータに、使用者の吸気状態を検知する第１のステップと、検知された前記吸気状態に基づいて、酸素吸入の有効度が相対的に高い前半期間と、酸素吸入の有効度が相対的に低い後半期間とを定義する第２のステップと、検知された前記吸気状態と定義付けられた前記前半期間とに基づいて、前記酸素の供給条件を調整する第３のステップと、調整した前記供給条件に基づいて、前記前半期間中において前記酸素を複数回に分けてパルス方式で供給する制御を行う第４のステップとを実行させるための酸素濃縮装置用の制御プログラムがある。

従って、上記手段３に記載の発明では、酸素濃縮装置用の制御プログラムをコンピュータに実行させることにより、正常な使用者とは呼吸パターンが異なる使用者、例えば、呼吸が浅く長い使用者であったとしても、使用者に対して確実に酸素を供給することができる。しかも、吸入した酸素が肺の奥の領域（肺胞）に到達するために酸素吸入の有効度が高くなる前半期間中において、酸素を供給する制御が行われるため、吸入した酸素を有効に利用することができる。また、酸素は、吸気の前半期間のみに供給され、しかも、複数回に分けて供給されるため、酸素供給量を確実に抑えることができる。

本実施形態の酸素濃縮装置の基本構成を示す説明図。 酸素濃縮装置の電気的構成を示すブロック図。 使用者の体内を示す説明図。 正常な使用者の呼吸パターンを示す線図。 呼吸が浅く長い使用者の呼吸パターンを示す線図。 （ａ），（ｂ）は、他の実施形態における酸素濃縮空気の供給方法を示す線図。 他の実施形態における酸素濃縮空気の供給方法を示す線図。 （ａ），（ｂ）は、他の実施形態における酸素濃縮空気の供給方法を示す線図。 従来技術において、正常な使用者の呼吸パターンを示す線図。

以下、本発明の酸素濃縮装置を具体化した一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、窒素吸着剤（以下「吸着剤」という）を用いて空気中から窒素を吸着除去することにより酸素を濃縮し、得られた酸素を使用者に供給する圧力変動吸着型の医療用酸素濃縮装置を例示する。

図１に示される酸素濃縮装置１１は、使用者１０（図３参照）による持ち運びが可能な携帯形の酸素濃縮装置である。酸素濃縮装置１１は、箱状をなす本体ケース１２を備えている。本体ケース１２の前面側には、カニューラを接続可能なカニューラ接続部１３が設けられている。一方、本体ケース１２の背面側には空気取込口（図示略）が設けられ、空気取込口の下方位置には電源スイッチ１４（図２参照）が設けられている。

また、本体ケース１２内には、空気を供給するための空気供給管２１が形成されている。空気供給管２１の始端は空気取込口に接続され、空気供給管２１の終端はカニューラ接続部１３に接続されている。また、空気供給管２１上には、フィルタ２２及びコンプレッサ２３等が設置されている。フィルタ２２は、図示しないが、例えば繊維をまとめて積層することでマット状に構成されており、空気（２１体積％の酸素を含有）に含まれる塵埃を除去する機能と吸入音を低減させる機能とを有している。コンプレッサ２３は、フィルタ２２の下流側に配置されており、フィルタ２２を介して取り込んだ空気を圧縮して下流側に供給するようになっている。また、コンプレッサ２３には冷却ファン２４が取り付けられている。冷却ファン２４は、稼働により高温になったコンプレッサ２３を冷却するためのものである。

図１に示されるように、空気供給管２１は、コンプレッサ２３の下流側において第１管３１と第２管３２とに分岐している。第１管３１上には、第１切換弁３３、第１吸着筒３４及び第１逆止弁３５が設置されている。同様に、第２管３２上には、第２切換弁３６、第２吸着筒３７及び第２逆止弁３８が設置されている。第１切換弁３３は、第１吸着筒３４の上流側に配置されており、第１管３１の上流部分を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。第１切換弁３３は、開状態に切り替えられた際に、コンプレッサ２３から送り出された空気を第１吸着筒３４内に供給するようになっている。同様に、第２切換弁３６は、第２吸着筒３７の上流側に配置されており、第２管３２の上流部分を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。第２切換弁３６は、開状態に切り替えられた際に、コンプレッサ２３から送り出された空気を第２吸着筒３７内に供給するようになっている。

図１に示される吸着筒３４，３７は、コンプレッサ２３によって圧縮された空気が強制通過する際に窒素を吸着することにより、空気を窒素と酸素とに分離するようになっている。詳述すると、吸着筒３４，３７内には、空気中の窒素を優先的に吸着して酸素を分離するゼオライト系の吸着剤（例えば、Ｌｉ−Ｘ型ゼオライト）が充填されている。そして、空気の通過に伴って第１吸着筒３４（または第２吸着筒３７）内が加圧されると、吸着剤に窒素が吸着される。このとき、酸素は、吸着剤にほとんど吸着することなく第１吸着筒３４（または第２吸着筒３７）内を通過する。その後、空気が通過しなくなって第１吸着筒３４（または第２吸着筒３７）内が減圧されると、吸着剤に吸着している窒素が離脱する。

さらに、第１切換弁３３には窒素ガス排出管３９の第１端部が接続され、第２切換弁３６には窒素ガス排出管３９の第２端部が接続されている。即ち、本実施形態の切換弁３３，３６は、図示しないソレノイドにより作動する３方向電磁弁である。窒素ガス排出管３９は、第１端部、第２端部及び第３端部に分岐しており、第３端部の終端は外部に窒素を排出する排出口となっている。また、第１切換弁３３は、窒素ガス排出管３９の第１端部を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。第１切換弁３３は、開状態に切り替えられた際に、第１吸着筒３４内の吸着剤に吸着している窒素を窒素ガス排出管３９の第３端部から排出するようになっている。同様に、第２切換弁３６は、窒素ガス排出管３９の第２端部を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。第２切換弁３６は、開状態に切り替えられた際に、第２吸着筒３７内の吸着剤に吸着している窒素を窒素ガス排出管３９の第３端部から排出するようになっている。また、窒素ガス排出管３９の第３端部上には、窒素の排出音を低減させる消音器４０が設置されている。

図１に示されるように、一対の吸着筒３４，３７の下流側には、両吸着筒３４，３７間を連通する連通管４１が設けられている。連通管４１上には、両吸着筒３４，３７間の圧力を調節するための均圧弁４２（二方弁）が設けられている。また、連通管４１上には、一対のオリフィス４３が設けられている。

また、第１逆止弁３５は、第１管３１において第１吸着筒３４の下流側に配置されている。第１逆止弁３５は、第１吸着筒３４及び第１逆止弁３５を順番に通過した酸素の逆流を防止するためのものである。同様に、第２逆止弁３８は、第２管３２において第２吸着筒３７の下流側に配置されている。第２逆止弁３８は、第２吸着筒３７及び第２逆止弁３８を順番に通過した酸素の逆流を防止するためのものである。なお、両逆止弁３５，３８の下流側において、分岐していた空気供給管２１（第１管３１及び第２管３２）は再び合流する。

そして、図１に示されるように、合流後の空気供給管２１上には、酸素タンク５１、酸素供給弁５２、バクテリアフィルタ５３、酸素センサ５４及び微差圧センサ５５が設置されている。酸素タンク５１は、逆止弁３５，３８を通過した酸素、具体的には、８５体積％以上（本実施形態では９０体積％）の酸素を含有する酸素濃縮空気を貯留するようになっている。そして、酸素タンク５１は、内部の圧力によって酸素濃縮空気を下流側に供給するようになっている。また、酸素タンク５１にはタンク圧センサ５６（図２参照）が設置されている。タンク圧センサ５６は、酸素タンク５１内の圧力（タンク圧）を測定して、タンク圧測定信号を出力するようになっている。なお、タンク圧は、酸素タンク５１内の酸素濃縮空気の貯留量が増加するのに伴って大きくなり、貯留量が減少するのに伴って小さくなる。

また、酸素供給弁５２は、酸素タンク５１の下流側に配置されており、空気供給管２１を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。酸素供給弁５２は、開状態に切り替えられた際に、下流側に酸素濃縮空気を供給可能とするようになっている。なお、本実施形態の酸素供給弁５２は、図示しないソレノイドにより作動する電磁弁である。また、バクテリアフィルタ５３は、酸素供給弁５２の下流側に配置されており、酸素濃縮空気に含まれるバクテリアを除去する機能を有している。酸素センサ５４は、バクテリアフィルタ５３の下流側に配置されており、空気供給管２１内を流れる酸素濃縮空気の酸素濃度を測定して、酸素濃度測定信号を出力するようになっている。

そして、図１に示される微差圧センサ５５は、酸素センサ５４と上述したカニューラ接続部１３との間に配置されている。微差圧センサ５５は、使用者１０がカニューラを介して酸素濃縮空気を吸うことにより、空気供給管２１内が負圧になった際に、空気供給管２１内の圧力（微差圧）を検知して、微差圧検知信号を出力するようになっている。

次に、酸素濃縮装置１１の電気的構成について説明する。

図２に示されるように、酸素濃縮装置１１は、装置全体を統括的に制御するためのコンピュータ６１を備えている。コンピュータ６１は、ＣＰＵ６２、メモリ６３及び入出力ポート６４等により構成されている。入出力ポート６４には、電源スイッチ１４、酸素センサ５４、微差圧センサ５５、タンク圧センサ５６及び大気圧センサ５７が電気的に接続されている。従って、電源スイッチ１４からのオンオフ信号や各センサ５４〜５７からの信号が、入出力ポート６４を介してＣＰＵ６２に入力されるようになる。また、入出力ポート６４には、コンプレッサ２３、冷却ファン２４、第１切換弁３３、第２切換弁３６、均圧弁４２及び酸素供給弁５２が電気的に接続されている。従って、ＣＰＵ６２からの駆動信号が、入出力ポート６４を介して上記の各機器（コンプレッサ２３、冷却ファン２４、切換弁３３，３６、均圧弁４２及び酸素供給弁５２）に出力され、それら駆動信号によって各機器が制御されるようになる。さらに、メモリ６３には、酸素濃縮装置１１用の制御プログラムが記憶されている。ＣＰＵ６２は、制御プログラムをメモリ６３から読み出して順次実行するようになっている。

次に、酸素濃縮装置１１による酸素の濃縮方法を説明する。

本実施形態の酸素濃縮装置１１では、第１吸着筒３４及び第２吸着筒３７において加圧及び減圧を交互に繰り返すことにより、酸素の濃縮及び吸着剤の再生を行う。まず、第１切換弁３３を駆動して第１管３１の上流部分を開状態に切り替える。ここで、コンプレッサ２３を作動させると、酸素濃縮装置１１の外部にある空気が、フィルタ２２を介して空気供給管２１内に取り込まれ、第１切換弁３３を介して第１吸着筒３４内に供給される。このとき、第１吸着筒３４内は加圧された状態となる。そして、第１吸着筒３４内に供給された空気は、第１吸着筒３４を通過する際に窒素と酸素とに分離され、窒素が第１吸着筒３４内の吸着剤に吸着するのに伴って酸素が濃縮される。その後、濃縮された酸素（酸素濃縮空気）は、第１逆止弁３５を介して酸素タンク５１に供給される。

そして、所定時間の経過後、第１切換弁３３を駆動して窒素ガス排出管３９の第１端部を開状態に切り替えるとともに、第２切換弁３６を駆動して第２管３２の上流部分を開状態に切り替える。その結果、コンプレッサ２３によって空気供給管２１内に取り込まれた空気が、第２切換弁３６を介して第２吸着筒３７内に供給される。このとき、第２吸着筒３７内は加圧された状態となる。そして、第２吸着筒３７内に供給された空気は、第２吸着筒３７を通過する際に窒素と酸素とに分離され、窒素が第２吸着筒３７内の吸着剤に吸着するのに伴って酸素が濃縮される。その後、濃縮された酸素（酸素濃縮空気）は、第２逆止弁３８を介して酸素タンク５１に供給される。一方、第１吸着筒３４内は減圧された状態となるため、第１吸着筒３４内の吸着剤に吸着している酸素は、離脱した後、第１切換弁３３を介して窒素ガス排出管３９に流れ込み、排出口から酸素濃縮装置１１の外部に排出される。

その後、各切換弁３３，３６を切り替えて、第１吸着筒３４内での窒素の吸着（及び第２吸着筒３７内での窒素の離脱）と、第２吸着筒３７内での窒素の吸着（及び第１吸着筒３４内での窒素の離脱）とを交互に繰り返す。その結果、９０体積％の酸素濃縮空気が連続的に得られるようになる。そして、第１吸着筒３４及び第２吸着筒３７を通過した酸素は、酸素タンク５１に貯留され、使用者１０に供給される。なお、図３に示されるように、使用者１０の呼吸器系は、鼻腔７１内の領域であるエリアＡ１と、上気道７２において鼻腔７１を除く領域であるエリアＡ２と、下気道７３内の領域であるエリアＡ３と、気管支の末梢から肺７４の奥の領域であって肺胞を有する領域であるエリアＡ４とからなっている。

なお、吸着（加圧）と離脱（減圧）とを切り替える際には、僅かな期間だけ均圧弁４２を開状態に切り替えて、加圧されていた第１吸着筒３４（または第２吸着筒３７）から減圧されていた第２吸着筒３７（または第１吸着筒３４）に対して酸素を供給する。この酸素により、第２吸着筒３７（または第１吸着筒３４）内の吸着剤に吸着された窒素や水分が洗い流され、第２切換弁３６（または第１切換弁３３）及び窒素ガス排出管３９を介して酸素濃縮装置１１の外部に排出される。

次に、酸素濃縮装置１１による酸素濃縮空気の供給方法を説明する。

まず、第１のステップにおいて、ＣＰＵ６２は、使用者１０の所定時間当り（本実施形態では１分間当り）の吸気数を吸気状態として検知する。即ち、ＣＰＵ６２は、『吸気状態検知手段』としての機能を有している。具体的に言うと、ＣＰＵ６２は、タンク圧センサ５６及び微差圧センサ５５の出力をモニタする。詳述すると、ＣＰＵ６２には、タンク圧センサ５６から出力されたタンク圧測定信号と、微差圧センサ５５から出力された微差圧検知信号が入力される。このとき、ＣＰＵ６２は、タンク圧測定信号が示すタンク圧をメモリ６３に記憶する。また、ＣＰＵ６２は、１分間当りの微差圧検知信号の入力回数（即ち、使用者１０の１分間当りの吸気数）を測定し、測定した入力回数（吸気数）をメモリ６３に記憶する。

続く第２のステップにおいて、ＣＰＵ６２は、測定された吸気状態（本実施形態では、使用者１０の１分間当りの吸気数）に基づいて、１回当りの呼吸期間Ｔ０の長さを算出する（図４，図５参照）。次に、ＣＰＵ６２は、算出した呼吸期間Ｔ０の長さに基づいて、吸気期間Ｔ１の長さと呼気期間Ｔ２の長さとを算出する（図４，図５参照）。ここで、呼吸期間Ｔ０の長さは、吸気期間Ｔ１の長さと呼気期間Ｔ２の長さとの和と等しくなっている。また、本実施形態において、呼気期間Ｔ２の長さは吸気期間Ｔ１の長さの２倍の大きさとなっている。なお、本実施形態では、使用者１０が正常な使用者である場合に、吸気期間Ｔ１が１ｓ（秒）、呼気期間Ｔ２が２ｓとなる。一方、呼吸が浅く長い使用者である場合には、吸気期間Ｔ１が１．５ｓ、呼気期間Ｔ２が３ｓとなる。

さらに、ＣＰＵ６２は、吸気期間Ｔ１の前半期間ｔ１と、吸気期間Ｔ１の後半期間ｔ２とを定義（算出）する（図４，図５参照）。即ち、ＣＰＵ６２は、『期間定義手段』としての機能を有している。ここで、吸気期間Ｔ１の長さは、前半期間ｔ１の長さと後半期間ｔ２の長さとの和と等しくなっている。また、前半期間ｔ１の長さは、吸気期間Ｔ１の長さの０．６倍の大きさに設定され、後半期間ｔ２の長さは、吸気期間Ｔ１の長さの０．４倍の大きさに設定されている。よって、本実施形態では、使用者１０が正常な使用者である場合に、前半期間ｔ１が０．６ｓ、後半期間ｔ２が０．４ｓとなる。一方、呼吸が浅く長い使用者である場合には、前半期間ｔ１が０．９ｓ、後半期間ｔ２が０．６ｓとなる。なお、前半期間ｔ１は、吸入した酸素濃縮空気が肺胞を有するエリアＡ４（図３参照）に到達するために、酸素吸入の有効度が相対的に高い有効期間（図４，図５参照）である。一方、後半期間ｔ２は、吸入した酸素濃縮空気がエリアＡ４には到達しないために、酸素吸入の有効度が相対的に低い無効期間（図４，図５参照）である。また、呼気期間Ｔ２は、酸素濃縮空気の吸入自体が行われないために無効期間となる。

なお、図４，図５に示される線図上には、使用者１０の呼吸パターンを示す圧力曲線８１が予め設定されている。圧力曲線８１では、前半期間ｔ１に吸気の圧力の最高点Ｐ１が位置している。さらに、前半期間ｔ１内には複数（図４では２個、図５では３個）の酸素濃縮空気のパルスＢ１が存在する一方、後半期間ｔ２内にはパルスＢ１が存在しないようになっている。即ち、酸素濃縮空気は、吸気期間Ｔ１の前半期間ｔ１のみにおいて使用者１０に供給される。各パルスＢ１と線図の時間軸Ｌ１（横軸）とによって囲まれる領域の合計の面積は、前半期間ｔ１において圧力曲線８１と時間軸Ｌ１とによって囲まれる領域の面積の２０％以上（図４，図５では３０％）である。また、各パルスＢ１と時間軸Ｌ１とによって囲まれる領域の７０％以上（図４では１００％、図５では８０％）が、圧力曲線８１と時間軸Ｌ１とによって囲まれる領域内に位置している。なお、前半期間ｔ１における圧力曲線８１は、右上がりの線であって、時間軸Ｌ１を基準とした圧力曲線８１の傾きは、使用者１０の吸気速度を示している。

続く第３のステップにおいて、ＣＰＵ６２は、測定された吸気状態（使用者１０の１分間当りの吸気数）と、算出された前半期間ｔ１とに基づいて、酸素濃縮空気の供給条件を調整する。即ち、ＣＰＵ６２は、『供給条件調整手段』としての機能を有している。具体的に言うと、ＣＰＵ６２は、吸気数から吐出量を近似式で算出する。詳述すると、まず、ＣＰＵ６２は、「１回当りの酸素供給弁５２の開時間（開状態となる時間）」と「１分間当りの吸気数」との積を算出する。その結果、算出した値が、１分間当りの酸素供給弁５２の合計開時間となる。さらに、この合計開時間より疑似的に「１分間当りの酸素濃縮空気の吐出量」を算出する。その後、ＣＰＵ６２は、タンク圧と吐出量とに基づいてパルスＢ１（図４，図５参照）の幅（パルス幅）を決定する。なお、決定したパルス幅が酸素濃縮空気の供給条件となる。さらに、ＣＰＵ６２は、酸素濃縮空気の供給条件として、前半期間ｔ１中において酸素濃縮空気を供給する供給回数も決定する。なお、本実施形態のパルス幅は０．２ｓに設定される。また、前半期間ｔ１中の酸素濃縮空気の供給回数は、前半期間ｔ１が０．６ｓである場合（即ち、正常な使用者である場合）に２回に設定され、前半期間ｔ１が０．９ｓである場合（即ち、呼吸が浅く長い使用者である場合）に３回に設定される。

続く第４のステップにおいて、ＣＰＵ６２は、第３のステップで調整した供給条件に基づいて、前半期間ｔ１中において酸素濃縮空気を複数回（２回または３回）に分けてパルス方式で供給する制御を行う。即ち、ＣＰＵ６２は、『供給制御手段』としての機能を有している。具体的に言うと、ＣＰＵ６２は、酸素濃縮空気を供給する際に、酸素供給弁５２に対して駆動信号を出力し、空気供給管２１を開状態に切り替える制御を行う。その結果、酸素タンク５１内の酸素濃縮空気が使用者１０に供給される。また、ＣＰＵ６２は、酸素濃縮空気を等しい時間的間隔で供給する制御を行う。具体的に言うと、ＣＰＵ６２は、酸素供給弁５２に対して駆動信号を０．３ｓごとに出力する。さらに、ＣＰＵ６２は、酸素濃縮空気を複数回に分けて同じ供給時間で供給する制御を行う。具体的に言うと、ＣＰＵ６２は、１回につき駆動信号を０．２ｓ間ずつ出力する。また、本実施形態では、酸素濃縮空気が常に同じ圧力（本実施形態では１３０ｋＰａ）で供給される。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の酸素濃縮装置１１では、ＣＰＵ６２によって検知した使用者１０の吸気状態に基づき、吸気期間Ｔ１の前半期間ｔ１中において酸素濃縮空気を複数回に分けて少しずつ供給することができる。このため、正常な使用者１０とは呼吸パターンが異なる使用者、例えば、呼吸が浅く長い使用者１０であったとしても、使用者１０に対して確実に酸素濃縮空気を供給することができる。しかも、ＣＰＵ６２は、吸入した酸素濃縮空気が肺７４の奥の領域（肺胞）に到達するために酸素吸入の有効度が高くなる前半期間ｔ１中において、酸素濃縮空気を供給する制御を行う。このため、吸入した酸素濃縮空気を有効に利用することができる。また、酸素濃縮空気は、前半期間ｔ１のみに供給され、しかも、複数回に分けて供給されるため、酸素供給量を確実に抑えることができる。

（２）本実施形態では、酸素濃縮空気を、吸気期間Ｔ１のみ、特には前半期間ｔ１のみに供給しているため、酸素濃縮空気の供給量が少なくなる。しかも、本実施形態では、酸素濃縮空気を複数回に分けて間欠的（０．３ｓごと）に供給しているため、酸素濃縮空気の供給量はよりいっそう少なくなる。その結果、酸素濃縮装置１１が備える空気供給機構（コンプレッサ２３等）は小型なもので済むようになるため、軽量であって使用者１０にとって持ち運びが容易な酸素濃縮装置１１とすることができる。また、小型のコンプレッサ２３を用いることにより、コンプレッサ２３の消費電力が少なくなるため、電源に限りがある携帯形の酸素濃縮装置１１であっても、酸素濃縮装置１１を長時間使用することができる。

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、ＣＰＵ６２が、使用者１０の所定時間当りの吸気数を吸気状態として検知していた。しかし、ＣＰＵ６２は、使用者１０の吸気速度を吸気状態として検知してもよいし、所定時間の吸気数及び吸気速度の両方を吸気状態として検知してもよい。なお、吸気速度は、前半期間ｔ１における圧力曲線８１の傾きを算出することにより、得ることができる。

・上記実施形態のＣＰＵ６２は、酸素濃縮空気を等しい時間的間隔（０．３ｓごと）で供給する制御を行っていたが、酸素濃縮空気を異なる時間的間隔で供給する制御を行うようにしてもよい。例えば、ＣＰＵ６２は、酸素濃縮空気を供給する度に時間的間隔を徐々に長くする制御（図６（ａ）参照）を行ってもよいし、酸素濃縮空気を供給する度に時間的間隔を徐々に短くする制御（図６（ｂ）参照）を行ってもよい。

・上記実施形態のＣＰＵ６２は、酸素濃縮空気を複数回に分けて同じ圧力で供給する制御を行っていたが、酸素濃縮空気を異なる圧力で供給する制御を行うようにしてもよい。例えば、ＣＰＵ６２は、酸素濃縮空気を供給する度に圧力を徐々に高くする制御（図７参照）を行ってもよいし、酸素濃縮空気を供給する度に圧力を徐々に低くする制御を行ってもよい。

・上記実施形態のＣＰＵ６２は、酸素濃縮空気を複数回に分けて同じ供給時間で供給する制御を行っていたが、酸素濃縮空気を異なる供給時間で供給する制御を行うようにしてもよい。例えば、ＣＰＵ６２は、酸素濃縮空気を供給する度に供給時間を徐々に長くする制御（図８（ａ）参照）を行ってもよいし、酸素濃縮空気を供給する度に供給時間を徐々に短くする制御（図８（ｂ）参照）を行ってもよい。

・上記実施形態では、前半期間ｔ１中の酸素濃縮空気の供給回数が、前半期間ｔ１が０．６ｓである場合（即ち、正常な使用者である場合）に２回に設定され（図４参照）、前半期間ｔ１が０．９ｓである場合（即ち、呼吸が浅く長い使用者である場合）に３回に設定されていた（図５参照）。しかし、正常な使用者である場合には、酸素濃縮空気を複数回に分けて供給したりしなくても、酸素濃縮空気を十分に供給できるため、酸素濃縮空気の供給回数を１回に変更してもよい。また、呼吸が浅く長い使用者である場合には、酸素濃縮空気の供給回数を４回以上に変更してもよいし、２回に変更してもよい。

・上記実施形態のＣＰＵ６２は、微差圧センサ５５から出力された微差圧検知信号に基づいて、使用者１０の吸気数を測定していたが、他の手段によって吸気数を測定してもよい。例えば、微差圧センサ５５の代わりに、空気供給管２１内の温度を測定して温度測定信号を出力する温度センサを設け、ＣＰＵ６２は、温度測定信号が示す温度に基づいて、吸気数を測定するようにしてもよい。即ち、使用者１０の吸気時に空気供給管２１内の圧力が低下すると、空気供給管２１内の温度も低下するため、ＣＰＵ６２は、温度測定信号が示す温度の変化をモニタすることにより、呼吸数を間接的に測定することができる。

・上記実施形態において、使用者１０の病状（例えば、ＣＯＰＤや喘息など）に応じて、複数の酸素供給モードから１つの酸素供給モードを選択するモード選択スイッチを設けてもよい。また、酸素供給モードは、自動的に選択されるようになっていてもよい。

・上記実施形態の酸素濃縮装置１１は、使用者１０による持ち運びが可能な携帯形の酸素濃縮装置に用いられていたが、室内等に設置される定置形の酸素濃縮装置に適用してもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）上記手段１において、前記供給制御手段は、線図上に設定された使用者の呼吸パターンを示す圧力曲線に基づいて、前記酸素を供給する制御を行うものであり、前記圧力曲線は、前記前半期間に吸気の圧力の最高点が位置するように設定されていることを特徴とする酸素濃縮装置。

（２）上記手段１において、前記供給制御手段は、線図上に設定された使用者の呼吸パターンを示す圧力曲線に基づいて、前記酸素を供給する制御を行うものであり、前記前半期間内に複数の前記酸素のパルスが存在し、複数の前記パルスと前記線図の時間軸とによって囲まれる領域の合計の面積は、前記前半期間において前記圧力曲線と前記時間軸とによって囲まれる領域の面積の２０％以上であることを特徴とする酸素濃縮装置。

（３）上記手段１において、前記供給制御手段は、線図上に設定された使用者の呼吸パターンを示す圧力曲線に基づいて、前記酸素を供給する制御を行うものであり、前記前半期間内に複数の前記酸素のパルスが存在し、複数の前記パルスと前記線図の時間軸とによって囲まれる領域の７０％以上が、前記前半期間において前記圧力曲線と前記時間軸とによって囲まれる領域内に位置していることを特徴とする酸素濃縮装置。

１０…使用者
１１…酸素濃縮装置
６１…コンピュータ
６２…吸気状態検知手段、期間定義手段、供給条件調整手段及び供給制御手段としてのＣＰＵ
ｔ１…前半期間
ｔ２…後半期間

Claims (10)

1. 酸素を濃縮して使用者に供給する酸素濃縮装置であって、
   使用者の吸気状態を検知する吸気状態検知手段と、
   前記吸気状態検知手段によって検知された前記吸気状態に基づいて、酸素吸入の有効度が相対的に高い前半期間と、酸素吸入の有効度が相対的に低い後半期間とを定義する期間定義手段と、
   前記吸気状態検知手段によって検知された前記吸気状態と、前記期間定義手段によって定義付けられた前記前半期間とに基づいて、前記酸素の供給条件を調整する供給条件調整手段と、
   前記供給条件調整手段が調整した前記供給条件に基づいて、前記前半期間中において前記酸素を複数回に分けてパルス方式で供給する制御を行う供給制御手段と
   を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 前記吸気状態検知手段は、使用者の所定時間当りの吸気数及び使用者の吸気速度のうち、少なくとも所定時間当りの吸気数を前記吸気状態として検知することを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
3. 前記供給条件は、前記前半期間中において前記酸素を供給する供給回数を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。
4. 前記供給回数は２回以上１０回以下であることを特徴とする請求項３に記載の酸素濃縮装置。
5. 前記供給制御手段は、前記酸素を等しい時間的間隔で供給する制御を行うことを特徴とする請求項３または４に記載の酸素濃縮装置。
6. 前記供給制御手段は、前記酸素を複数回に分けて同じ圧力で供給する制御を行うことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
7. 前記供給制御手段は、前記酸素を複数回に分けて同じ供給時間で供給する制御を行うことを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
8. 前記酸素濃縮装置は、携帯形の酸素濃縮装置であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置を制御する方法であって、
   使用者の吸気状態を検知する第１のステップと、
   検知された前記吸気状態に基づいて、酸素吸入の有効度が相対的に高い前半期間と、酸素吸入の有効度が相対的に低い後半期間とを定義する第２のステップと、
   検知された前記吸気状態と定義付けられた前記前半期間とに基づいて、前記酸素の供給条件を調整する第３のステップと、
   調整した前記供給条件に基づいて、前記前半期間中において前記酸素を複数回に分けてパルス方式で供給する制御を行う第４のステップと
   を含むことを特徴とする酸素濃縮装置の制御方法。
10. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置を制御するコンピュータに、
    使用者の吸気状態を検知する第１のステップと、
    検知された前記吸気状態に基づいて、酸素吸入の有効度が相対的に高い前半期間と、酸素吸入の有効度が相対的に低い後半期間とを定義する第２のステップと、
    検知された前記吸気状態と定義付けられた前記前半期間とに基づいて、前記酸素の供給条件を調整する第３のステップと、
    調整した前記供給条件に基づいて、前記前半期間中において前記酸素を複数回に分けてパルス方式で供給する制御を行う第４のステップと
    を実行させるための酸素濃縮装置用の制御プログラム。

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