JP2018529450A - 高濃度ｎｏを吸入療法ガスとともに拡散させるための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明のシステムおよび方法は、高濃度ＮＯが、望ましくない大量のＮＯ２を発生させることなく、拡散装置を介して、人工呼吸器の呼吸回路に送達されることを可能にする。【選択図】図８Ａ

Description

本発明の原則および実施形態は、全般的には、吸入療法のために、一酸化窒素（ＮＯ）と、患者に投与される他のガスと、を混合させるための装置に関する。

いくつかのガスが、ヒトおよび動物において薬剤作用を有することが示されてきた。１つの係るガスが一酸化窒素（ＮＯ）である。一酸化窒素は、吸入されたとき肺内の血管を拡張させ、それにより血液の酸素化を改善し、肺高血圧を減少させる作用を有する。例えば急性の肺血管収縮、高血圧、および血栓塞栓症、または気道障害などの様々な肺疾患のための吸入療法の分野では、治療には、ガスボンベから供給される治療ガスＮＯの使用が用いられてきた。さらに詳細には、吸入療法のためのこのガス状ＮＯはＮＯを含む高圧ガスボンベから患者に供給される。例えば、係る手法が、「Ｎｉｔｒｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ」を発明の名称とする米国特許第５，５５８，０８３号で開示されており、同特許の全体は参照することにより本明細書に援用される。

吸入用一酸化窒素（ＩＮＯ）療法は、全般的に、ある濃度のＮＯを設定用量で人工呼吸器を装着する患者に送達することを伴う。この種（ラップアラウンド式）のＮＯ送達システムは、処方された患者用量を達成するために、人工呼吸器の吸息肢内のフレッシュガス流を検知し、供給ボンベからインジェクタモジュールを介して人工呼吸器の吸息肢にＮＯをレシオメトリックに供給することが可能である。

通常は、ＮＯ供給源（例えば供給ボンベから）の濃度は、約８００ｐｐｍＮＯであり得る。上述のように、８００ｐｐｍのこのＮＯ供給源ガスは、フレッシュガス流内のＮＯ濃度が約５〜８０ｐｐｍとなるよう、比例的（例えばレシオメトリック）に、フレッシュガス流に送達され得る。

ＩＮＯ療法は多数の利点を有するが、ＮＯをフレッシュガス流に送達したときに、フレッシュガス流内のＯ_２と反応することにより有毒ガスである二酸化窒素（ＮＯ_２）が発生し得ることが知られている。さらに詳細には、二酸化窒素の形成は、ＮＯ濃度の２乗にＯ_２の濃度を乗算した値に比例する。

ＮＯからＮＯ_２への変換に対する反応速度式は、
２ＮＯ→Ｎ_２Ｏ_２
Ｎ_２Ｏ_２＋Ｏ_２→２ＮＯ_２
により与えられる。

したがって、ＮＯ_２の形成速度＝ｋ［ＮＯ］^２［Ｏ_２］が与えられる。式中、ｋはＬ×ｍｏｌ^−１×ｓ^−１の単位であり、または、ガスに対する分圧である。

したがって発生するＮＯ_２の量（ｐｐｍＮＯ_２）は、ＮＯ濃度の２乗に関連し、酸素濃度および時間に対して線形である。

上記に鑑みて、低濃度ＮＯ供給源（例えば１００ｐｐｍ、４００ｐｐｍ、および８００ｐｐｍのＮＯボンベ）から人工呼吸器の呼吸回路に送達されるＮＯは、好ましくない大量（例えば１ｐｐｍを越える）のＮＯ_２を発生させ得ないが、上記の反応速度論にしたがえば、高濃度供給源（例えば２０００ｐｐｍ、５０００ｐｐｍ、および１０，０００ｐｐｍのＮＯボンベ）から人工呼吸器の呼吸回路に送達されるＮＯを使用した場合、許容不能な量の有毒なＮＯ_２の発生が期待されるであろう。例えば４０ｐｐｍＮＯ用量に６０％Ｏ_２を提供した場合、１ｐｐｍを越えるＮＯ_２が発生する。理論的に、同一のＮＯ療法用量に対しては、５０００ｐｐｍ供給源ガスから供給されたＮＯ_２は、８００ｐｐｍ供給源から供給された場合の３９倍大きい形成率を有するであろう。

様々な技術を使用してこの問題を解決することが試みられてきた。しかし、これらの技術は、特定のシステムでは作用しない場合があり、高濃度ＮＯを送達した場合に作用しない場合があり、まったく作用しない場合があり、またはＮＯ_２発生の実際の原因および／または以前は認識されなかったＮＯ_２発生における潜在的な要因の解決ができない場合がある。したがって、特定のシステムにおいて作用し、ＮＯ_２発生の実際の原因および／または以前は認識されなかった潜在的な要因を解決する、ＮＯ_２発生を低減させるシステムおよび方法が必要とされる。

本発明のシステムおよび方法は、例えば人工呼吸器の呼吸回路内のフレッシュガス流に送達されたときに発生するＮＯ_２の低減化において使用が可能である。さらに、本発明のシステムおよび方法は、例えば１００％Ｏ_２を有する４０ｐｐｍＮＯに対して、１ｐｐｍを越える好ましくない大量のＮＯ_２を発生させることなく、高濃度ＮＯが拡散装置を介して人工呼吸器の呼吸回路に送達されることを可能にし得る。高濃度ＮＯ供給源（例えば２０００、４８８０、１０，０００ｐｐｍのＮＯボンベ）の使用は、より小型のＮＯガスボンベを使用すること（これにより携帯性が向上し、人工呼吸器のガス流に導入される高濃度ガスの体積を低減化することが可能となる）、および、ＮＯおよびキャリアＮ_２ガスによる、酸素を豊富に含むフレッシュガス流（ＦＧＦ）の希釈が低減されること、などの利点をもたらし得るが、もたらされる利点はこれらに限定されない。同等であるかまたはより高速な拡散を用いて、より小さい体積のＮＯを導入した場合、全体的により少量のＮＯ_２が発生し得る（これは、より短い拡散時間が、より小さいガス体積に関連付けられるためである）ことが、驚くべきことに見出された。本明細書で解決される諸課題は、高濃度のＮＯ_２が形成され得ないうちに、少なくともＮＯ濃度を迅速に低下させることに関連する。

上述の諸問題を解決する方法は、高濃度ＮＯが人工呼吸器ガスストリーム内に存在する時間を短縮すること（これは、ＮＯが他のガスへと拡散する速度を上昇させることにより達成され得る）を、および／または、迅速に拡散される以前の、高濃度ＮＯの人工呼吸器呼吸回路内滞留時間を短縮することを、含んで、いくつか存在する。この時間短縮化は、高（供給源）濃度から低（設定用量）濃度への過渡的ＮＯ濃度時間を最小化する方法を通して、ＮＯが注入されるまさにその地点において達成され得る。注入のまさにその地点における供給源から設定用量への非常に迅速なＮＯ濃度低減化はＮＯ_２の発生を顕著に減少させ、係るＮＯ濃度低減化は、ガス混合、ガス拡散、熱効果、交差するガスストリームの方向、交差するガスストリームの速度、またはこれらの任意の組み合わせなどの方法を含むがこれらに限定されない多様な方法を通してなされ得る。過渡的ＮＯ濃度時間（すなわちＮＯが実質的に設定用量を越える量でＦＧＦ内に滞留する時間）は、ＮＯが設定用量において、または設定用量の付近においてＦＧＦ内に滞留する時間と比較して、ＮＯ_２が顕著に高い速度で生成される時間である。換言すると、均一なＮＯ濃度が達成された後でさえもＮＯ_２が継続して生成されることが確認されている。しかし、ＮＯ濃度が設定用量付近にある領域におけるＮＯ_２発生は、Ｏ_２濃度および時間に対して線形であり、したがって過渡的ＮＯ濃度の時間におけるＮＯ_２発生と比較して、顕著に低い速度にある。

本発明の原則および実施形態は、全般的には、高濃度ＮＯ供給源を含むＮＯ吸入療法を用いて患者を治療する装置および方法に関する。しかし本明細書で記載のこれらの方法、システム、および装置は、高濃度ＮＯ供給源の文脈において議論されるが、本明細書で記載の方法、システム、および装置は、より低い濃度のＮＯ（例えば８００ｐｐｍ以下のＮＯなど）供給源にも適用され得る。

本発明の態様は、患者に送達するために、ＮＯを含むガスストリームと、酸素分子（Ｏ_２）を含むフレッシュガス流ストリームと、を混合する装置に関する。ここでＮＯおよびＯ_２の拡散は十分迅速に発生し、それにより、ＮＯ_２の発生が最小化され、１ｐｐｍより少量のＮＯ_２が患者に供給され、および／または人工呼吸器回路において発生する。

様々な実施形態では患者吸入ガスにおけるＮＯの濃度は、約１ｐｐｍ〜約８０ｐｐｍ、もしくは代替的に５ｐｐｍ〜約８０ｐｐｍ、または約２０ｐｐｍ〜約６０ｐｐｍの範囲である。設定用量に対する他の例示的なＮＯ濃度は、約１ｐｐｍ、約２ｐｐｍ、約３ｐｐｍ、約４ｐｐｍ、約５ｐｐｍ、約１０ｐｐｍ、約１５ｐｐｍ、約２０ｐｐｍ、約２５ｐｐｍ、約３０ｐｐｍ、約３５ｐｐｍ、約４０ｐｐｍ、約４５ｐｐｍ、約５０ｐｐｍ、約５５ｐｐｍ、約６０ｐｐｍ、約６５ｐｐｍ、約７０ｐｐｍ、約７５ｐｐｍ、または約８０ｐｐｍを含む。

様々な実施形態ではＮＯ供給源の濃度は、約２００ｐｐｍ〜約１０，０００ｐｐｍ、または約４００ｐｐｍ〜約１０，０００ｐｐｍ、または８００ｐｐｍ超〜約１０，０００ｐｐｍ、または約１，０００ｐｐｍ〜約５，５００ｐｐｍの範囲である。ＮＯ供給源の他の例示的なＮＯ濃度は、約２００ｐｐｍ、約３００ｐｐｍ、約４００ｐｐｍ、約５００ｐｐｍ、約６００ｐｐｍ、約７００ｐｐｍ、約８００ｐｐｍ、約１０００ｐｐｍ、約１２００ｐｐｍ、約１５００ｐｐｍ、約２０００ｐｐｍ、約２２００ｐｐｍ、約２４００ｐｐｍ、約２４４０ｐｐｍ、約２５００ｐｐｍ、約３０００ｐｐｍ、約３５００ｐｐｍ、約４０００ｐｐｍ、約４５００ｐｐｍ、約４８００ｐｐｍ、約４８８０ｐｐｍ、約５０００ｐｐｍ、約６０００ｐｐｍ、約７０００ｐｐｍ、約８０００ｐｐｍ、約９０００ｐｐｍ、または約１０，０００ｐｐｍを含む。

様々な実施形態では、高濃度ＮＯ供給源（例えば４８８０または５０００ｐｐｍのＮＯ供給源）を使用して生成されたＮＯ_２レベルは、より低い濃度のＮＯ供給源（例えば２００ｐｐｍまたは８００ｐｐｍのＮＯ供給源）を用いて生成されたＮＯ_２レベルに同等であるかまたは係るＮＯ_２レベルよりも小さい値であり得る。

本発明の態様は、様々な肺疾患の治療のために、呼吸ガス、フレッシュガス流内におけるＮＯの混合および／または拡散の効率を向上させることにより、供給源濃度から設定用量までの迅速なＮＯ濃度低減化の方法に関する。

本発明の態様は、厚さを有する壁部、外側表面、および、中空内部領域を包囲する内側表面を含む本体と、本体の内側表面から延長する突起物と、壁部および突起物を通って、フレッシュガス流の速度が高い速度となる位置に配置された（例えば、本体の断面における中心（係る中心では、より高速に誘導される）、その他に配置された）注入ポートに至る注入流路と、を含む、高濃度ガスを横方向ガスストリームに注入するための拡散装置に関する。本明細書で使用される「高速度」のガス流は、縁部境界（例えばチューブの壁部）におけるガス流の速度または縁部境界付近のガス流の速度よりも高い速度を有する任意部分のガス流である。非スリップ状態により、縁部境界におけるガス流はゼロ速度を有し、ガスの粘性のために、ゼロ速度ガスに対してより近位にあるガス流は、縁部境界およびゼロ速度ガスに対してより遠位にあるガス流よりも低い速度を有する。

したがって例示的な実施形態では、高濃度ガスは、縁部境界（例えば壁部）からある距離にある横方向ガスストリームの一部に注入される。

本発明の態様は、高濃度ガス（例えば８００超〜１０，０００ｐｐｍのＮＯ）を横方向ガスストリームに注入するための拡散装置に関する。なお拡散装置は、厚さ、外側表面、および内側表面を有する壁部を含む本体と、環状本体の内側表面から延長する突起物と、厚さ、外側表面、および内側表面を有する壁部と、第１直径を有する流入端部と、流入端部の反対側において第１直径よりも小さい第２直径を有する流出端部とを有するテーパ状区域と、を含み、突起物がテーパ状区域に対する支持体を形成し、注入流路が突起物を通って、テーパ状区域の内側表面内の注入ポートに達するよう、テーパ状区域は突起物に接続され、かつ突起物から懸下される。例示的な実施形態では、注入流路から、次に注入ポートから流れるガス流は、最も高速なガス速度が存在する横方向ガスストリームに流入するよう誘導され得る。

１つまたは複数の実施形態では、高濃度ガス（例えば８００超〜１０，０００ｐｐｍのＮＯ）を横方向ガスストリームに注入するための拡散装置は、突起物から懸下されるテーパ状区域を含まない。様々な実施形態では、突起物は、環状本体の内側表面から、円筒形壁部により包囲される開放体積のおよそ中心へと径方向に延長し、注入流路が突起物を通って注入ポートまで通過する。

様々な実施形態では、注入ポートは、約０．５８ｍｍ（０．０２３インチ）〜約４．７５ｍｍ（０．１８７インチ）、もしくは約０．８ｍｍ（０．０３１インチ）〜約２．４ｍｍ（０．０９４インチ）、もしくは約１．１２ｍｍ（０．０４４インチ）〜約２．２９ｍｍ（０．０９０インチ）の範囲の、または約１．８３ｍｍ（０．０７２インチ）の内径を有する。例示的な下限は、約０．５８ｍｍ、約０．６ｍｍ、約０．７ｍｍ、約０．８ｍｍ、約０．９ｍｍ、約１ｍｍ、約１．１ｍｍ、約１．２ｍｍ、約１．３ｍｍ、約１．４ｍｍ、約１．５ｍｍ、約１．６ｍｍ、約１．７ｍｍ、および約１．８ｍｍを含む。例示的な上限は、約４．７５ｍｍ、約４．５ｍｍ、約４ｍｍ、約３．５ｍｍ、約３ｍｍ、約２．５ｍｍ、約２．４ｍｍ、約２．２９ｍｍ、約２．２ｍｍ、約２．１ｍｍ、約２ｍｍ、および約１．９ｍｍを含む。

１つまたは複数の実施形態では、拡散装置は、新生児用、小児用、または成人用の規模である呼吸回路（新生児、小児、または成人のそれぞれに対応し、かつそれぞれに対して適切な人工呼吸器チューブサイズを有する）へと挿入され、かつ係る呼吸回路と流体連通するような構成および寸法を有し得る。様々な実施形態では、環状本体は、約１０ｍｍ〜約２５ｍｍの範囲の外径と、約１０ｍｍ〜約２５ｍｍの範囲の内径と、を有する。なお内径は、外径よりも、円筒形壁部の厚さだけ小さい。

様々な実施形態では、円筒形壁部の厚さ「Ｃ」は、約１ｍｍ〜約３．１７５ｍｍの範囲、または約１．５ｍｍである。

様々な実施形態では、拡散装置は、呼吸チューブ（例えば人工呼吸器の呼吸回路用）に挿入されるよう構成され、かつ係る呼吸チューブに挿入される寸法を有する。

様々な実施形態では、第１直径は約６ｍｍ〜約１８ｍｍの範囲であり、第２直径は約３．１７ｍｍ〜約９．５ｍｍの範囲であり、第１直径は第２直径よりも大きい。

様々な実施形態では、テーパ状区域は軸の周りに対称的であり、注入流路は、テーパ状区域の軸に対して約６０度〜約１２０度の範囲の角度を形成する。

様々な実施形態では、テーパ状区域は漏斗形状である。

様々な実施形態では、テーパ状区域は円維台形状である。

様々な実施形態では、テーパ状区域はベル形状である。

本発明の態様は、高濃度ガスを横方向ガスストリームに拡散する方法に関する。この方法は、厚さ、外側表面、および内側表面を有する壁部と、第１直径を有する流入端部と、流入端部の反対側において第１直径よりも小さい第２直径を有する流出端部とを有するテーパ状区域を通して、第１ガスの少なくとも１部分を通過させることと、第２ガスストリームを、注入流路を通して、テーパ状区域の内側表面の注入ポートまで通過させることと、を含み、第２ガスストリームはテーパ状区域に進入し、テーパ状区域内で第１ガスストリームと少なくとも部分的に拡散する。

様々な実施形態では、この方法は、第１ガスの少なくとも１部分を、テーパ状区域の外側表面の少なくとも１部分の周囲に通過させることをさらに含む。なおテーパ状区域は、外側表面および内側表面と、テーパ状区域の第１直径よりも大きい内径と、を有する環状本体内にある。

様々な実施形態では、注入流路を通過する第２ガスが支持体を通して注入ポートまで通過するよう、支持体は環状本体をテーパ状区域注入に接続する。

様々な実施形態では、第２ガスストリームは最初、約６０度〜約１２０度の範囲の角度で第１ガスストリームに進入する。

様々な実施形態では、第１ガスはＮ_２分子およびＯ_２分子を含む呼吸可能なガスであり、第２ガスはＮＯ分子およびＮ_２分子を含む。

様々な実施形態では、第２ガス中のＮＯの濃度は８００ｐｐｍ超〜約５，５００ｐｐｍの範囲である。

様々な実施形態では、第１ガスは約０リットル／分（ＳＬＰＭ）〜約１２０ＳＬＰＭ、または約０．５ＳＬＰＭ〜約６０ＳＬＰＭ、または約０．５ＳＬＰＭ〜約２ＳＬＰＭの範囲の流量で環状本体に進入する。

様々な実施形態では、第１ガス（例えばＦＧＦ）はＮ_２分子およびＯ_２分子を含む呼吸可能なガスであり、第２ガスは１０００ｐｐｍ超〜約５，５００ｐｐｍの範囲の濃度のＮＯ分子を含み、第２ガスは、約０．０５ミリリットル／分（ＳＭＬＰＭ）〜約２ＳＬＰＭ、または約０．１ＳＭＬＰＭ〜約１ＳＬＰＭの範囲の流量で注入ポートから流出する。

患者の人工呼吸器回路における酸素濃度は、医療用空気（２１％Ｏ_２）〜医療用酸素（１００％Ｏ_２）の連続的範囲を越える値に設定され得るが、全般的に、ＩＮＯ療法を受ける患者に対しては６０％まで上昇され得る。

様々な実施形態では、第２ガスの流量は第１ガスの流量に線形比例する。

様々な実施形態では、第１ガスの速度は、テーパ状区域の第２直径において、テーパ状区域の第１直径における第１ガスの速度よりも大きい。なお第２ガスは、より大きい速度または等しい速度の地点において、第１ガスに進入する。

本発明の態様は、高濃度ガスを横方向ガスストリームに拡散する方法に関する。この方法は、中空内部領域を包囲する内側表面を有する本体の中空内部領域を通して、第１ガスの少なくとも１部分を通過させることと、第２ガスストリームを、注入流路を通して、本体の中空内部領域に突出する注入ポートまで通過させることと、を含み、第２ガスストリームは中空内部領域に進入し、中空内部領域内で第１ガスストリームと少なくとも部分的に拡散する。

本発明の様々な実施形態、本発明の性質、および様々な利点に関するさらなる特徴は、以下の詳細な説明を、添付の図面と併せて考慮すると、より明らかとなるであろう。なおこれらの図面は、出願人らにより考えられた最良の形態も例示するものであり、これらの図面の全部を通じて、同様の参照符号は同様の部分を指す。

様々な条件下で、酸素を豊富に含む空気にＮＯを注入した後に発生するＮＯ_２を示す図である。 様々な条件下で、酸素を豊富に含む空気にＮＯを注入した後に発生するＮＯ_２を示す図である。 様々な条件下で、酸素を豊富に含む空気にＮＯを注入した後に発生するＮＯ_２を示す図である。 様々な条件下で、酸素を豊富に含む空気にＮＯを注入した後に発生するＮＯ_２を示す図である。 様々な条件下で、酸素を豊富に含む空気にＮＯを注入した後に発生するＮＯ_２を示す図である。 様々な条件下で、酸素を豊富に含む空気にＮＯを注入した後に発生するＮＯ_２を示す図である。 ＮＯ注入地点から下流側の様々な地点において発生するＮＯ_２を示す図である。 複数のブレードを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 複数のブレードを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 複数のブレードを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 複数の角度を有するフィンを有するテーパ状区域の例示的な実施形態を示す図である。 複数の角度を有するフィンを有するテーパ状区域の例示的な実施形態を示す図である。 複数の角度を有するフィンを有するテーパ状区域の例示的な実施形態を示す図である。 複数のプレートを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 複数のプレートを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 複数のプレートを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 複数の湾曲ブレードを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 複数の湾曲ブレードを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 複数の湾曲ブレードを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 テーパ状区域において複数の湾曲ブレードと注入流路とを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 テーパ状区域において複数の湾曲ブレードと注入流路とを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 テーパ状区域において複数の湾曲ブレードと注入流路とを有する混合装置の例示的な実施形態を示す図である。 チューブ内におけるガス流の例示的な速度分布を示す図である。 高ＮＯ供給源濃度、低体積ガス流、および高体積ガス流を拡散するための装置の例示的な実施形態を示す図である。 高ＮＯ供給源濃度、低体積ガス流、および高体積ガス流を拡散するための装置の例示的な実施形態を示す図である。 高ＮＯ供給源濃度、低体積ガス流、および高体積ガス流を拡散するための装置の他の例示的な実施形態を示す図である。 高ＮＯ供給源濃度、低体積ガス流、および高体積ガス流を拡散するための装置の他の例示的な実施形態を示す図である。 漏斗形状を有するテーパ状区域の例示的な実施形態を示す図である。 円錐形状を有するテーパ状区域の例示的な実施形態を示す図である。 ベル形状を有するテーパ状区域の例示的な実施形態を示す図である。 双方向テーパ状区域の例示的な実施形態を示す図である。 テーパ状区域壁部の内側表面の凸状輪郭を図示する例示的なテーパ状区域を示す図である。 テーパ状区域を通過する第１ガスへと注入流路を通過して進入する第２ガスの例示的な実施形態を示す図である。 人工呼吸器回路に挿入される拡散装置の例示的な実施形態を示す図である。 本明細書で記載の例示的な拡散器と、従来の低供給源濃度インジェクタモジュールと、を使用する機械的人工呼吸の際に発生するＮＯ_２の比較を示す図である。 本明細書で記載の例示的な拡散器と、本明細書で記載の例示的な加速器と、従来の低供給源濃度インジェクタモジュールと、を使用して、滑らかなボアチューブ内において定常状態ＦＧＦ流のもとで発生するＮＯ_２の比較を示す図である。 本明細書で記載の例示的な拡散器と、本明細書で記載の例示的な加速器と、従来の低供給源濃度インジェクタモジュールと、を使用して、滑らかなボアチューブ内において定常状態ＦＧＦ流のもとで発生するＮＯ_２の比較を示す図である。 本明細書で記載の例示的な拡散器と、本明細書で記載の例示的な加速器と、従来の低供給源濃度インジェクタモジュールと、を使用して、滑らかなボアチューブ内において定常状態ＦＧＦ流のもとで発生するＮＯ_２の比較を示す図である。 本明細書で記載の例示的な拡散器と、本明細書で記載の例示的な加速器と、従来の低供給源濃度インジェクタモジュールと、を使用して、滑らかなボアチューブ内において定常状態ＦＧＦ流のもとで発生するＮＯ_２の比較を示す図である。 本明細書で記載の例示的な拡散器と、本明細書で記載の例示的な加速器と、従来の低供給源濃度インジェクタモジュールと、を使用して、滑らかなボアチューブ内において定常状態ＦＧＦ流のもとで発生するＮＯ_２の比較を示す図である。 本明細書で記載の例示的な拡散器と、本明細書で記載の例示的な加速器と、従来の低供給源濃度インジェクタモジュールと、を使用して、滑らかなボアチューブ内において定常状態ＦＧＦ流のもとで発生するＮＯ_２の比較を示す図である。 例示的な人工呼吸器の呼吸回路を加熱することにより発生するＮＯ_２の低減化を示す図である。 およそ１：１のガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）で、８００ｐｐｍ〜９７６０ｐｐｍの範囲の様々なＮＯ供給ボンベ濃度を用いて初期領域において発生するＮＯ_２を示す図である。 様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）および１０ｐｐｍＮＯの設定用量で、８００ｐｐｍ〜９７６０ｐｐｍの範囲の様々なＮＯ供給ボンベ濃度を用いて初期領域において発生するＮＯ_２を示す図である。 様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）および１０ｐｐｍＮＯの設定用量で、８００ｐｐｍ〜９７６０ｐｐｍの範囲の様々なＮＯ供給ボンベ濃度を用いて初期領域において発生するＮＯ_２を示す図である。 様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）および１０ｐｐｍＮＯの設定用量で、８００ｐｐｍ〜９７６０ｐｐｍの範囲の様々なＮＯ供給ボンベ濃度を用いて初期領域において発生するＮＯ_２を示す図である。 様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）および１０ｐｐｍＮＯの設定用量で、８００ｐｐｍ〜９７６０ｐｐｍの範囲の様々なＮＯ供給ボンベ濃度を用いて初期領域において発生するＮＯ_２を示す図である。 様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）で、４８８０ｐｐｍＮＯ供給ボンベ濃度および４０ｐｐｍの設定用量を用いて、初期領域において発生するＮＯ_２を示す図である。 様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）および１０ｐｐｍＮＯの設定用量で、８００ｐｐｍ〜９７６０ｐｐｍの範囲の様々なＮＯ供給ボンベ濃度を用いて、初期領域において発生するＮＯ_２を示す図である。 様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）および１０ｐｐｍＮＯの設定用量で、８００ｐｐｍ〜９７６０ｐｐｍの範囲の様々なＮＯ供給ボンベ濃度を用いて、初期領域において発生するＮＯ_２を示す図である。 様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）で、４８８０ｐｐｍＮＯ供給ボンベ濃度および４０ｐｐｍの設定用量を用いて初期領域で発生するＮＯ_２と、設定用量に等しい４０ｐｐｍの均質な位相の間に発生するＮＯ_２と、を示す図である。 発生したＮＯ_２を、ｐｐｍにおいて、設定用量のパーセンテージとして、より高い流れを有する吸気時間的期間に対する呼気時間的期間の変化のシミュレーションとともに示す図である。 発生したＮＯ_２を、ｐｐｍにおいて、設定用量のパーセンテージとして、より高い流れを有する吸気時間的期間に対する呼気時間的期間の変化のシミュレーションとともに示す図である。

本発明は、全般的には、人工呼吸器の呼吸回路の吸息肢内のフレッシュガス流にＮＯを、ＮＯ_２の発生が最小化されるよう、注入するシステムおよび方法を対象とする。本発明は、ＮＯ_２の発生に影響を及ぼすことを出願人が驚くべきことに見出した、以前は周知ではなかった要因を利用する。さらに詳細には本発明のシステムおよび方法は、わずかに例を挙げるとＮＯをフレッシュガス流に注入する位置、フレッシュガス流速度、ＮＯ流速度、および／またはＮＯならびにフレッシュガス流の衝突速度の比などを含むがこれらに限定されない変数を考慮に入れることにより、ＮＯ_２の発生が実質的に最小化され、および／または、発生したＮＯ_２が所望の範囲内となる（例えば、従来のインジェクタモジュール、その他を使用して、実質的により低い濃度のＮＯ供給源により発生するＮＯ_２と同じであるかまたはより少ない１ｐｐｍ未満のＮＯ_２が患者に送達される）よう、ＮＯを、高濃度ＮＯの供給源（例えば５０００ｐｐｍＮＯ供給源）から、人工呼吸器の呼吸回路の吸息肢内のフレッシュガス流に、送達するために使用され得る。

さらに本発明のシステムおよび方法は、圧力低下を実質的に生じさせないこと（例えば６０ＳＬＰＭにおいて１．５ｃｍＨ_２Ｏより低い圧力低下）、流れプロファイルの変化を最小化すること、フレッシュガス流の圧縮性体積における増加を最小化すること、および／または、患者が人工呼吸器の呼吸回路において自発的に呼吸することを可能にすることにより、人工呼吸器の呼吸回路とともに使用され得る。さらに、本発明のシステムおよび方法は、フレッシュガス流が層流であることを要求する流れセンサの直下流側で使用され得、および／または、少なくとも１つのガスサンプリングラインの直上流側で使用され得る。

「圧縮性体積」は、導管の、および導管の流路に対して流体連通し、かつ、係る導管の流路に接続された全部の構成要素の、体積を意味する。例えば、呼吸回路の圧縮性体積は、呼吸回路、および、呼吸回路内の全部の構成要素（例えば、加湿器、インジェクタモジュール、試料Ｔ）の体積である。

本明細書で使用される「拡散」、「拡散する」、およびその関連用語は、１つのガス（例えばＮＯ）の分子が、他のガス（例えば酸素を豊富に含む空気）のストリームに対して、総合的に輸送されることを指す。「拡散」、「拡散する」、およびその関連用語の使用は、２つ以上のガスストリームの混合および均質化に対する大量の流体移動または他の輸送現象の寄与を除外しない。

上述のように、出願人の研究以前には、ＮＯ_２の形成がＮＯおよびＯ_２の濃度（例えばＮＯのｐｐｍ、Ｏ_２のパーセント（他にＦｉＯ_２としても知られる））に、ならびに、ガス混合と患者との間の距離／滞留時間に、基づくものであると考えられていた。その考えにしたがうなら、高濃度供給源（例えば５０００ｐｐｍ、１０，０００ｐｐｍのＮＯボンベ）からＮＯを送達すると、実質的に高レベルのＮＯ_２が生じることとなる。例えば、１０ｐｐｍの設定用量に低下された４８８０ｐｐｍのＮＯボンベ濃度は４８８：１の低下比であり、その一方で、１０ｐｐｍの設定用量に低下された８００ｐｐｍボンベ濃度は８０：１の低下比を有する。理論的にＮＯ_２は１０ｐｐｍの用量に対して、８００ｐｐｍＮＯ供給ボンベを用いた場合よりも、４８８０ｐｐｍＮＯ供給を用いた場合、およそ３７倍大きい率で生成される。この問題を克服する手段がない場合、ＮＯの高濃度供給源をＩＮＯ療法に対して使用することは、好ましくない高レベルのＮＯ_２が患者に送達されることとなるため、不可能であり、ＩＮＯ療法のためにＮＯの高濃度供給源を使用することに関連する多数の利点（例えば、ＮＯ供給ボンベの小型化、ＩＮＯ療法装置の可搬性の向上、呼吸回路内におけるＮＯ含有ガス（例えば窒素およびＮＯガスの混合）の体積低減化、注入されたＮＯ含有ガス体積が小さいことに起因する吸入酸素の希釈低減化、その他）が、実現されないこととなるであろう。

例示的な実施形態では、より高い濃度の供給源ガスを使用することにより、患者に送達されるＮＯ_２の分量を減少させることが可能である。例えば、供給源ガスのＮＯ濃度が高いほど、所望の設定ＮＯ用量を達成するために送達されることが必要な供給源ガスの体積は小さくなる。供給源ガス中のＮＯ_２濃度が同一（例えばガスボンベ中のＮＯ_２濃度が同一）であったとしても、このより小さい体積の供給源ガスを使用することにより、供給源ガスに含まれるより少量体積のＮＯ_２が送達されることとなり、したがって患者はＮＯ供給源（例えばボンベ）からより少量のＮＯ_２を受け取ることとなる。

少なくともこれらの実現されない利点に鑑みて、出願人は、広範な研究と、ＮＯを人工呼吸器の呼吸回路の吸息肢に注入する際のＮＯ_２発生に関する試験と、を実施した。

この研究および試験から、人工呼吸の吸気非層流（乱流）位相の間におけるよりも、人工呼吸の呼気位相（人工呼吸器の吸息肢内のフレッシュガス流がより低速で、層流（非乱流）である）の間に、ＮＯ_２形成がより大きくなることが、驚くべきことに見出された。この知識を用いて、さらなる研究および試験が実施され、ＮＯ_２出力と、変数（例えばＮＯ含有ガスの衝突速度、ＦＧＦの流量、およびＮＯ用量など）と、の間の関係が決定された。これらの実験の各々では、フレッシュガスは酸素を豊富に含み（例えば６０％Ｏ_２／空気）、ＮＯ_２濃度はＮＯ注入地点を越える距離（例えば１，０００ｍｍ）において測定され、ＮＯ供給源濃度は、低濃度（例えば８００ｐｐｍＮＯ）または高濃度（例えば４８８０ｐｐｍＮＯ）のいずれかであった。ＮＯは注入され、ガスは従来のインジェクタモジュールを使用して混合された。この試験の結果を表１〜表２および図１Ａ〜図１Ｆに示す。

図１Ａおよび図１Ｂでは、呼吸回路内のフレッシュガス流に対するＮＯの衝突速度がＮＯ_２の発生量に対して実質的に影響を及ぼすことが示されている。図１Ａ（低濃度）と図１Ｂ（高濃度）とを比較することにより見られ得るように、ＮＯ濃度が増加すると全般的にＮＯ_２の発生量が増加する。

図１Ｃ〜図１Ｆでは、異なる流量を有するＦＧＦにＮＯが注入されたときの、異なる設定ＮＯ用量に対して発生したＮＯ_２のそれぞれの量が示されている。図１Ｃ（低濃度）と図１Ｄ（高濃度）とを比較することにより見られ得るように、特により低い流量のＦＧＦにおいて、ＮＯ濃度が増加すると全般的にＮＯ_２の発生量が増加した。このことは、図１Ｅ（低濃度）と図１Ｆ（高濃度）とを比較することによっても示される。なぜなら０．５ＳＬＰＭに対するＮＯ_２出力曲線が、低ＮＯ供給源濃度と高ＮＯ供給源濃度との間で劇的に異なるものであったためである。

上記はＮＯ_２発生に関する理解については有益であるが、ＮＯ（例えば高濃度ＮＯ供給源からの）が人工呼吸器の呼吸回路の吸息肢に注入されるときのＮＯ_２発生の最小化を実質的に複雑化する。例えば、フレッシュガス流速度は変動し得（例えば、フレッシュガス流量は患者の呼吸サイクルのうちに変動し得る）、フレッシュガス流に注入されるＮＯ速度は変動し得（例えばＮＯ流量は、わずかに例を挙げると、ＮＯ送達ラインにおける圧力、拡散装置におけるＮＯ注入ポートの寸法、ＮＯ送達システムにおけるＮＯ送達導管の寸法に応じて変動し得）、例えば一定の吸気ＮＯ濃度を達成するためにＩＮＯ療法に対して要求され得るレシオメトリックな送達は、フレッシュガス流に比例して送達されるＮＯを変動させることを要求し得る。呼気位相の間、いくつかの人工呼吸器は、人工呼吸器の呼吸回路において、低バイアス流（０．５ＳＬＰＭ）を使用し、より低速のＦＧＦを有する。このことは、吸気位相の間（人工呼吸器の呼吸回路においてＦＧＦがより高速である）よりも、より多量のＮＯ_２を発生させ得る。例えば、上記のデータでは、同一の時間的期間にわたり、人工呼吸器の呼気バイアス流に関連付けられた低いＦＧＦにおいて（ここでは、従来のインジェクタモジュールを用いた場合、不十分な拡散が生じ得る）、８００ｐｐｍＮＯを用いた場合よりも、４８８０ｐｐｍＮＯを用いた場合に１０〜２０倍多いＮＯ_２が発生し得ることが示されている。

したがって例示的な実施形態では、拡散装置は、ＮＯおよびフレッシュガス流の衝突速度と、ＮＯをＦＧＦに注入する位置と、を制御することにより、ＮＯ_２の発生を最小化するよう設計され得る。様々な実施形態では、ＮＯ流れストリームの速度は、ＮＯ_２の発生を最小化するためには、ＮＯが注入される位置におけるＦＧＦに対して十分に高い速度であり得る。理論に拘束されることなく、ＮＯ流れストリームは、ＦＧＦストリームに対して垂直に、比例した速度で、貫入するものと考えられる。ＦＧＦ速度に対してＮＯ速度が非常に低い場合には、理論に拘束されることなく、ＮＯがＦＧＦの外側壁部に滞留し、その結果、十分な混合が達成されないものと考えられる。逆に、ＮＯ速度のみが高く、ＦＧＦ速度が高くない場合、混合時間は延長され、それにより高ＮＯ_２が発生し得る。

いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、２つの混合ガスストリームの初期接触拡散速度は主に分子の運動エネルギーにより制御され得るものと考えられる。係るガス衝突混合プロセスでは、ガス運動量からの散逸的交換が直接的な能動的混合を提供し得る。この迅速な拡散は、ノズル流出口のすぐ近傍で、または直接的にガス衝突地点において、生じ得る。分子運動エネルギーは（１／２）×（モル質量）×（速度の２乗）として定義され、したがって速度はモル質量の平方根に反比例する。同等な体積の異なるガスは同一個数の粒子を含み、したがって所与の温度および圧力において、単位リットルあたりのモル数は一定である。このことは、ガスの密度がそのモル質量に正比例することを示す。したがって、このことは、同一の、すなわち１：１の比の混合エネルギー（すなわち同一の運動エネルギー）が、略等しい速度において存在するであろうことを示す。なぜなら、ＮＯ、Ｎ_２、空気、およびＯ_２の分子量が同様である（すべて単位モルあたり２８〜３２グラムの範囲内である）ためである。しかし、空気／Ｏ_２混合物とＮＯ／Ｎ_２混合物との間でわずかな分子量の不均衡が存在した場合、散逸的エネルギー交換からの最大の拡散は、Ｎ_２、ＮＯ、Ｏ_２、および空気の相対的比率に応じて、１：１（ＦＧＦ：ＮＯ）より小さい速度比（例えば０．８５：１、０．９：１、または０．９５：１）において生じ得る。

様々な実施形態では、２つのガスストリームの速度は、ＮＯ_２の発生を最小化させるために、互いに対して比例し得る。他の要因（例えばＮＯ送達ライン内の圧力、ＮＯ注入流路の寸法、その他）が固定され得るため、ＮＯ速度は例えばＮＯ注入ポートの寸法を変化させることにより制御され得る。ＮＯ速度を制御するためのあらゆる手段が使用され得ることが理解されるであろう。しかし、フレッシュガス流速度の制御は実質的には困難であり得る。なぜならフレッシュガス流の速度は通常は人工呼吸器により制御されるためである。さらに上述のように、呼気位相の間のフレッシュガス流の速度は実質的に低速である。少なくともいくつかの事例では、少なくとも呼気位相の間のフレッシュガス流の衝突速度は、低速すぎるため、ＮＯ_２発生の最小化は不可能である。したかって例示的な実施形態では、拡散装置は、例えばＮＯ含有ガスとの交差地点に誘導され得るフレッシュガス流を所望の衝突速度に加速する能力を有する少なくとも１つの加速器を含み得る。

１つまたは複数の実施形態では、フレッシュガス流チューブに対するＮＯガス衝突地点におけるオリフィス径は、拡散モジュール１００チューブ径（すなわちＦＧＦチューブ径）とＮＯノズル流出口直径面積（すなわち注入ポートオリフィス径）との間の固定されたアスペクト比の流出口面積を適切に維持するようなサイズであり得る。チューブ流出口面積におけるこの比は、ＮＯ設定用量に対してＮＯボンベ濃度に比例し得る。例えば、２０ｐｐｍの設定用量における８００ｐｐｍボンベ濃度に対して、４０〜１の低下比がＮＯ流量において存在する。１：１の衝突ガス速度関係を維持するために、注入ノズル流出口面積に対するインジェクタモジュール流チューブ面積は、期待される最も低いフレッシュガス流量（例えば０．５ＳＬＰＭ）において、４０：１のサイズであり得る。他の例として、１０ｐｐｍの設定用量における４８８０ｐｐｍボンベ濃度に対して、４８８〜１の低下比がＮＯ流量において存在する。１：１の衝突ガス速度関係を維持するために、インジェクタモジュールチューブ面積と、注入ノズル流出口面積と、は４８８：１のサイズであり得る。

１つまたは複数の実施形態では、注入流路および注入ポートの寸法は、ＮＯ速度とＦＧＦ速度との比が約２：１より小さくなる（例えば１．５：１、１：１、０．９５：１、０．９：１、０．８５：１、０．８：１、０．７：１、０．６： ０．５：１、０．４：１、０．３：１、０．２：１、０．１：１、または０．０５：１）よう、調整され得る。

例示的な実施形態では、少なくとも１つの加速器は、フレッシュガス流の全部または一部を加速する能力を有する任意の装置または構成要素であり得る。例えば加速器は、テーパ状表面、テーパ状区域、双方向円錐形状構造体、および／または、フレッシュガス流を加速する能力を有する任意の形状もしくは表面を有する円錐形状構造体であり得る。他の例としては、翼に類似する表面を有する構造体が挙げられる。なぜなら、翼上部（湾曲した表面）の上方を流れるガスは、翼底部（比較的平坦な表面）の下方を流れるガスよりも、より速い速度を有するためである。これらの加速器構造体は単なる例示であり、ガス流の少なくとも一部を加速する能力を有する他の構造体も、本発明の範囲に含まれる。

特に、ＮＯをフレッシュガス流に注入するとき、装置の構成および寸法は、供給源ＮＯ濃度を可能な限り迅速に低下されるよう、調整され得る。様々な実施形態では、混合機能がＮＯ注入地点の下流側の装置に追加され得る。様々な実施形態では、混合は２つの位相において考えられ得る。ＮＯ_２の大部分が発生し得る第１位相は、ＮＯの注入時から、ＮＯ濃度が設定用量（例えば設定用量に等しい均一状態）に到達する時点までの時間である。ＮＯ_２発生の第２位相は、設定用量における吸息肢内の滞留時間に起因する。ＮＯ_２の大部分は、ＮＯと、フレッシュガス流（例えばＯ_２）と、の間の第１接触地点において、またはその近傍において、発生し得る。ＮＯ発生のこれらの２つの位相が図１Ｇにおいて見られ得、図１Ｇでは、注入地点から下流側に位置する様々な地点におけるＮＯ_２濃度が示されている。図１Ｇから見られ得るように、ＮＯ_２の大部分は、ＮＯの注入直後に発生し（位相１）、ＮＯ_２のわずかな部分のみが初期注入およびＮＯの混合の後に発生する（位相２）。第１位相の間に発生するＮＯ_２の大部分は、上記のＮＯ_２発生反応速度論にしたがう。なぜなら、ＮＯ注入の第１位相では局所的ＮＯ濃度が最も高いため（例えば、ＮＯがフレッシュガス流に対してまだ拡散せず、均質な設定ＮＯ用量が提供されていないため）である。例えば、５０００ｐｐｍＮＯを呼吸回路に注入するとき、ＮＯ濃度は注入地点において最も高い（例えば、およそ５０００ｐｐｍＮＯ）。なぜならＮＯがフレッシュガス流に対してまだ拡散していないためである。この注入地点後、注入されたＮＯおよびフレッシュガス流は一緒に拡散して、それによりＮＯ濃度が、より低い濃度に（例えば５０００ｐｐｍＮＯから、２０ｐｐｍＮＯの所望の用量に）低下する。

したがって、ＮＯおよびＦＧＦを迅速に混合するための１つの手法は、混合されたガスストリームをできるだけ素早く均質なＮＯ濃度を有することを確保するための、ＮＯ注入地点の直下流側かまたはＮＯ注入地点の近傍に配置された混合装置の使用である。例えば複数のブレード、プレート、および／またはフィンが、２つのガスストリームの速やかな混合を確保するために、ＮＯ注入地点の下流側に配置され得る。１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、またそれ以上のブレード、プレート、および／またはフィンが使用され得る。図２Ａ〜図２Ｃでは、４つのブレードを有する混合装置の例示的な構成の様々な図面が示されている。図３Ａ〜図３Ｃでは、角度を有する３つのフィンを有する混合装置の例示的な構成の図面が示されている。図４Ａ〜図４Ｃでは、８つのプレートを有する混合装置の例示的な構成の図面が示されている。図５Ａ〜図５Ｃでは、４つの湾曲ブレードを有する混合装置の例示的な構成の図面が示されている。図６Ａ〜図６Ｃでは、テーパ区域において４つの湾曲ブレードと注入流路とを有する混合装置の例示的な構成の様々な図面が示されている。

複数のブレード、プレート、および／またはフィンが混合装置において使用され場合、ブレード、プレート、および／またはフィンは、ＮＯ注入地点から下流側に同一距離において並列に配置されてもよく、またはＮＯ注入地点から下流側の様々な距離において直列に配置されてもよい。例えば、各ブレード、プレート、またはフィンは、ＮＯ注入地点から下流側の１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、５０、６０、７０、８０、９０、または１００ｃｍに配置され得る。

混合装置の存在は、ＮＯ注入地点と、Ｏ_２、ＮＯ、およびＮＯ_２の濃度などの混合ガスの組成を監視するための１つまたは複数のサンプリング地点と、の間の距離を短縮するためにも使用され得る。例えば第１サンプリング地点は、混合装置から下流側の１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、５０、６０、７０、８０、９０、または１００ｃｍに配置され得る。さらに、複数のサンプリング地点（例えばＮＯ注入地点から様々な距離に配置されたサンプリング地点）が使用され得る。１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、またはそれ以上のサンプリング地点が使用され得る。サンプリング地点間の距離は１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、または３０ｃｍであり得る。複数のサンプリング地点が、呼吸回路の下流側の長さの関数として混合ガスストリームを別個に分析するために使用されてもよく、または、２つ以上のサンプリングが、ガスの組成に関する平均を提供するために、組み合わされてもよい。

さらに、フレッシュガス流へのＮＯの注入地点の場所は、ＮＯ_２発生における低減に影響を及ぼし得る。例示的な実施形態では、ＮＯ注入地点は、初期高濃度の滞留時間が最小化される場所、および／または、初期高濃度ＮＯが迅速に消散される場所に、配置され得る。例えばＮＯ（例えば高濃度ＮＯ、５０００ｐｐｍＮＯ）の注入地点は、ＮＯが初期高濃度において維持される時間量を低減させるために、環状本体の中心に、またはテーパ状区域の一部に、配置され得る。したがってＮＯ注入地点は、ＮＯがフレッシュガス流と迅速に混合され、それにより高濃度ＮＯの滞留時間が最小化されて、ＮＯ_２の発生が低減される場所に、配置され得る。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、フレッシュガス流が高速度を有する地点にＮＯを注入することにより、フレッシュガス流が低速を有するであろうチューブの縁部（すなわち壁部）においてＮＯを注入する従来の技術よりも、ＮＯ_２の発生量が減少すると考えられる。

図７では、チューブを通るガス流の例示的な速度分布が図示されている。図７から見られ得るように、ガス流は、縁部境界（すなわちチューブの壁部）の最も近位において最も低い速度を有し、縁部境界から最も遠位において最も高い速度を有する。したがって、いくつかの実施形態では、ＮＯは縁部境界からある距離において注入される。なお、係る特定距離において、ガス速度は、縁部境界におけるかまたは縁部境界の近位にあるガス速度よりも、より高い値となっている。

例示的な実施形態では、ＮＯ_２の発生を低下させるため、フレッシュガス流に対するＮＯの注入地点は、フレッシュガス流が所望の速度に加速されている場所に配置され得る。加速器は、フレッシュガス流速度を、流入端部から流出端部まで増加するよう作用し得る。注入ポートは、流入口からある距離に配置されており、当該距離では、フレッシュガス流は意図された速度に増加されている。速度の増加は、ガスのポテンシャルエネルギーを運動エネルギーに変換することにより、作られ得る。例えば速度は、テーパ状区域の断面積を減少させることにより増加され得る。なぜなら、ガスは、より高い圧力の領域からより低い圧力の領域に流れるためである。ガス速度は、断面積における変化およびガス密度における変化に比例する。もちろん、速度を増加するための他の技術も考えられる。

ＮＯを人工呼吸器の呼吸回路に注入するときのＮＯ_２発生を最小化させるための任意の潜在的な解決策をさらに複雑化することは、人工呼吸器に、人工呼吸器の呼吸回路とともに使用される任意の要素（例えば、インジェクタモジュール、ＮＯ_２最小化装置、その他）が、（流れに対する増加した抵抗、または増加した圧縮性体積により）人工呼吸器の吸気流れプロファイルに実質的な変化を生じさせないことを要求する。全般的に、呼吸回路全体にわたる許容可能な圧力低下は、人工呼吸器流出口抵抗を含んで、成人に対しては３０ＳＬＰＭにおいて６ｃｍＨ_２Ｏであり、小児に対しては１５ＳＬＰＭにおいて６ｃｍＨ_２Ｏであり、新生児に対しては２．５ＳＬＰＭにおいて６ｃｍＨ_２Ｏであり得る。上記に鑑みて、拡散器にわたる許容可能な圧力低下は最小化されるべきである。例えば現行のＩＮＯＭａｘＤＳインジェクタモジュールは、６０ＳＬＰＭにおいて１．５ｃｍＨ_２Ｏにおいて評価される。したがって、本発明のシステムおよび方法は、人工呼吸器の性能に影響を及ぼすことなく、および／または、実質的に圧力低下、流れプロファイル変化を生じさせること、ならびに、例えば、患者の人工呼吸ガス交換に影響を及ぼし得る実質的な圧縮性体積を導入することなく、ＮＯ_２を最小化させる。

したがって、例示的な実施形態では、拡散装置は、最も高いピークフレッシュガス流において実質的な圧力低下を生じさせず、吸気フレッシュガス流の流れプロファイルに実質的な変化を生じさせることなく、かつ、呼吸回路において実質的な圧縮性体積を作らない一方で、少なくとも１つの加速器が、フレッシュガス流衝突速度を、最も低い期待されるフレッシュガス流量に増加させるような構成および寸法を有し得る。例えば、口部および喉部の直径は、ＦＧＦ速度を増加させる一方で、圧力変化における遅延および患者へのガス流を最小化させるよう、選択され得る。圧力、流れ、および圧縮性体積に対する変化を最小化するために、拡散装置は、フレッシュガス流が加速器をバイパスするための領域を含み得る。例えば、拡散器は、拡散器および／または加速器の周辺部の周りに配置され得るバイパス間隙を含み得る。

第１位相におけるＮＯ_２の発生を最小化する（すなわち、ＮＯおよびフレッシュガス流を注入地点において迅速に拡散すること、その他）ための本明細書で開示の技術を使用した後、ＮＯは、所望の設定用量（例えば１〜８０ｐｐｍＮＯ）において、または係る設定用量にきわめて近い値において、呼吸回路の残余領域を横断し続け得る。このＮＯ用量（または所望の設定用量に非常に近い用量）が呼吸回路の残余領域を横断するにつれて、ＮＯ_２が発生し得る（第２位相）。しかし上述のように、本明細書で開示の技術を使用すると、発生したであろうＮＯ_２の大部分は実質的に最小化され、それにより、発生するＮＯ_２の総量（例えば、直接的なＮＯ_２発生および潜在的なＮＯ_２発生）が実質的に低減されることとなるであろう。

さらにＮＯ_２の発生を緩和するために、ＮＯは、ＮＯおよびＯ_２が一緒に移動する時間が短縮されそれにより部分的にＮＯ_２の形成が減少するよう技術的に可能な限り患者に近接して（例えば、人工呼吸器の呼吸回路において）導入され得る。ＮＯ_２変換時間は、ＮＯおよび酸素が、患者に到達する以前に、混合された状態で残留する経過時間である。したがってＮＯ_２変換時間は、人工呼吸器流量（吸気および呼気）、人工呼吸器Ｉ：Ｅ比、および、ＮＯ注入地点から患者気道の端部までの呼吸回路体積の関数である。

しかし上記で説明したように、例示的な実施形態では、下流側ＮＯ_２発生（すなわち位相２）は、注入時におけるＮＯ_２発生（位相１）よりも著しく少ない。したがっていくつかの実施形態では、ＮＯ含有ガスは、患者から著しく上流側にあるが、依然としてＮＯ_２が許容可能なレベル（例えば１ｐｐｍ未満）にある位置（例えば患者から数フィートなど）において注入される。例示的なＮＯ注入地点は、患者から少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０フィート上流側にある地点を含む。係る場所は、患者の「Ｙ」ピースの上流側、加湿器の上流側、噴霧器の上流側、または人工呼吸器の呼吸回路内の患者から上流側の他の場合であり得る。

様々な実施形態では、第２ガスストリームは、第１ガスストリームの軸に対して、約６０度〜約１２０度の範囲の角度、または約７５度〜約１０５度の範囲の角度、または約８０度〜約１００度、または約８５度〜約９５度、または約９０度で、注入され得る。

本発明の一態様は、高濃度ガスを横方向ガスストリームに注入するための注入装置に関する。

１つまたは複数の実施形態では、この装置は、第１ガスストリームに対して垂直に第２ガスストリームを注入する注入ポートを含む。

様々な実施形態では、高濃度ＮＯ含有ガスは、８００ｐｐｍＮＯ超〜約５０００ｐｐｍＮＯもしくは約２０００ｐｐｍＮＯ〜約４８８０ｐｐｍＮＯの範囲、または約４８８０ｐｐｍＮＯであり得る。例示的な下限は、約８００ｐｐｍ、約１，０００ｐｐｍ、約１，２００ｐｐｍ、約１，４００ｐｐｍ、約１，６００ｐｐｍ、約１，８００ｐｐｍ、約２，０００ｐｐｍ、約２，２００ｐｐｍ、約２，４００ｐｐｍ、約２，６００ｐｐｍ、約２，８００ｐｐｍ、約３，０００ｐｐｍ、約３，２００ｐｐｍ、約３，４００ｐｐｍ、約３，６００ｐｐｍ、約３，８００ｐｐｍ、約４，０００ｐｐｍ、約４，２００ｐｐｍ、約４，４００ｐｐｍ、約４，６００ｐｐｍ、および約４，８００ｐｐｍを含む。例示的な上限は、約１０，０００ｐｍ、約９，０００ｐｐｍ、約８，０００ｐｐｍ、約７，０００ｐｐｍ、約６，５００ｐｐｍ、約６，０００ｐｐｍ、約５，５００ｐｐｍ、約５，２００ｐｐｍ、約５，０００ｐｐｍ、および約４，９００ｐｐｍを含む。高濃度ＮＯ含有ガスは、約２００ｐｓｉｇ〜約３０００ｐｓｉｇの範囲、または約２０００ｐｓｉｇ〜約２４００ｐｓｉｇの、もくしは約２２００ｐｓｉｇ〜約２４００ｐｓｉｇの範囲の圧縮ボンベ内に含まれ得る。もちろん高濃度ＮＯの他の供給源も考えられる。

図８Ａ〜図８Ｂでは、上記で開示の技術を使用して高濃度低体積ガス流および高体積ガス流を拡散するための例示的な装置が図示されている。

１つまたは複数の実施形態では、拡散装置１００は、壁部１１５および中空（開放とも呼ばれる）内部領域１１８を有する円筒により形成される環状本体であり得る本体１１０を含む。本体１１０は、人工呼吸器の呼吸回路内のチューブ（例えば、１０、１５、および２２ｍｍ）に接続するような、人工呼吸器チューブに嵌入するような、または人工呼吸器チューブが本体に嵌入するような、構成および寸法を有し得る。様々な実施形態では、この装置の流入端部は、人工呼吸器チューブに接合するような構成および寸法を有するオス型接続部を含み、流出端部は、人工呼吸器チューブまたは加湿器チャンバ流入口に接合するような構成および寸法を有するメス型接続部を含む。非限定的な事例では、この装置の流入端部は２２ｍｍ（外径）オス型接続部を含み、流出端部は２２ｍｍ（内径）メス型接続部を含む。追加的に様々な実施形態では、拡散装置１００は、当該技術分野で周知のように、人工呼吸器の呼吸回路または加湿器チャンバなどの他の構成要素に連結する、インジェクタモジュールの１つの構成要素または部品であり得る。

１つまたは複数の実施形態では、拡散装置１００は、人工呼吸器の呼吸回路内のチューブ（例えば１０、１５、および２２ｍｍ）に接続するような構成および寸法を有する長方形、立方体、または他の幾何学的形状であり得、かつ、中空内部領域を有する、本体１１０を含む。簡便性のために、本体が円筒形壁部を含む実施形態では、本体は、本明細書では環状本体と呼ばれる。

１つまたは複数の実施形態では、環状本体１１０は、流入端部および／または流出端部において外径「Ａ」を有し得る。外径「Ａ」は、約１０ｍｍ（０．３９４インチ）〜約２５ｍｍ（１．０インチ）の範囲、または約２２ｍｍ（０．８６６インチ）であり得る。人工呼吸器チューブは、流入端部外径の外側および流出端部内径の内側の周りに嵌入し得る。様々な実施形態では、人工呼吸器チューブは当該技術分野で周知のように摩擦嵌合接続を利用して拡散装置の流入端部および／または流出端部に接続され得る。様々な実施形態では、流入端部における外径は、流出端部における外径と同一であってもよく、または異なってもよい。

１つまたは複数の実施形態では、環状本体は、流出端部および／または流入端部において内径「Ｂ」を有し得る。内径「Ｂ」は、約１０ｍｍ（０．３９４インチ）〜約２５ｍｍ（１．０インチ）の範囲、または約２２ｍｍ（０．８６６インチ）であり得る。人工呼吸器チューブは流入端部内径の内側に嵌入し得る。様々な実施形態では、人工呼吸器チューブは当該技術分野で周知のように摩擦嵌合接続を利用して拡散装置の流入端部および／または流出端部に接続され得る。様々な実施形態では、流入端部における内径は、流出端部における内径と同一であってもよく、または異なってもよい。

１つまたは複数の実施形態では、ガス（単数または複数）が拡散装置１００の流入端部に進入し、拡散装置の流出端部から流出し得る。なお当該ガス（単数または複数）は呼吸可能なガスの混合物を含み得る。様々な実施形態では、呼吸可能なガスは空気を、または空気および追加的な酸素を、含み得る。

様々な実施形態では、円筒形壁部１１５の壁部厚さ「Ｃ」は、約１ｍｍ（０．０４０インチ）〜約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の範囲、または約１ｍｍ（０．０４０インチ）〜約２ｍｍ（０．０７９インチ）の範囲、または約１．５８８ｍｍ（０．０６２５インチ）〜約２．３８８ｍｍ（０．０９４インチ）の範囲であり得る。

１つまたは複数の実施形態では、拡散装置は、約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）〜約４１．３ｍｍ（１．６２５インチ）の範囲、または約２２．２２５ｍｍ（０．８７５インチ）〜約４１．２７５ｍｍ（１．６２５インチ）の範囲、または約２５．４ｍｍ（１．００インチ）〜約３８．１ｍｍ（１．５０インチ）の範囲の長さ「Ｄ」を有し得る。

１つまたは複数の実施形態では、送達チューブを拡散装置に取り付けるための乳頭状突起１９０が円筒形壁部１１５の外側表面から突起し得る。様々な実施形態では、乳頭状突起は、４．５ｍｍ直径（０．１７７インチ）である直径「Ｍ」を有し、８．７ｍｍ（０．３４インチ）である高さ「Ｎ」を有する円筒形壁部１１５の外側表面から突起し得る。様々な実施形態では、乳頭状突起は送達チューブを固定するためのホース有刺突起を含み得る。

１つまたは複数の実施形態では、この装置は、円筒形壁部１１５の内側表面から延長する突起物１９５をさらに含む。様々な実施形態では、突起物１９５は中空内部領域１１８へと径方向距離「Ｐ」だけ延長し得る。様々な実施形態では突起物１９５は、壁部１１５の内径の半分の距離にある中空内部領域１１８の中心まで、または当該の中心付近まで延長し得る。様々な実施形態では、距離「Ｐ」は内径の半分よりわずかに小さく、そのためにＮＯ含有ガスはノズルオリフィスから中央部に放出される。なおこの中央部では、ＦＧＦガス速度は、円筒形壁部の内側表面におけるよりも、より大きくなっている。したがって様々な実施形態では、「Ｐ」と「Ｂ」／２との間の差は、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜約３ｍｍの範囲である。例示的な実施形態では、「Ｐ」と「Ｂ」／２との間の差は約１．５ｍｍであり、すなわち突起物１９５は中空内部領域１１８の中心から約１．５ｍｍの位置において終端する。「Ｐ」と「Ｂ」／２との間の例示的な差は、約０．１ｍｍ、約０．２ｍｍ、約０．３ｍｍ、約０．４ｍｍ、約０．５ｍｍ、約０．６ｍｍ、約０．７ｍｍ、約０．８ｍｍ、約０．９ｍｍ、約１ｍｍ、約１．１ｍｍ、約１．２ｍｍ、約１．３ｍｍ、および約１．４ｍｍの下限を有し得、例示的な上限は、約５ｍｍ、約４．５ｍｍ、約４ｍｍ、約３．５ｍｍ、約３ｍｍ、約２．５ｍｍ、約２．４ｍｍ、約２．３ｍｍ、約２．２ｍｍ、約２．１ｍｍ、約２ｍｍ、約１．９ｍｍ、約１．８ｍｍ、約１．７ｍｍ、および約１．６ｍｍであり得る。

いくつかの実施形態では、「Ｐ」は、「Ｂ」の特定パーセンテージ（例えば「Ｂ」の約５０％、約４９％、約４８％、約４７％、約４６％、約４５％、約４０％、約４０％、約３５％、約３０％、約２５％、約２０％、約１５％、約１０％、または約５％などとして）として提供される。例示的な実施形態では、「Ｐ」は「Ｂ」の約４０％〜約４５％の範囲内である。

１つまたは複数の実施形態では、「Ｂ」、「Ｐ」、「Ｌ」、その他の寸法は、これらの寸法間の所望の関係が、および／または、特定条件下でのガス特性間の所望の関係が、達成されるよう選択され得る。例えば、「Ｂ」および「Ｌ」は、所与の供給源ガス濃度および所与の所望ＮＯ用量（例えば２０ｐｐｍ）に対して、最も低いＦＧＦにおけるガス速度がＮＯ含有ガスのガス速度とおよそ等しくなるよう、選択され得る。他の例として「Ｂ」および「Ｌ」は、所与の供給源ガス濃度に対して、ＦＧＦのガス速度が、所望のＮＯ用量の範囲（例えば５ｐｐｍ〜８０ｐｐｍ）にわたりＮＯ含有ガスのガス速度と等しくなるよう、選択され得る。他の例として「Ｂ」および「Ｐ」は、ＮＯ含有ガスがノズルオリフィスから、円筒形壁部の内側表面からある距離の位置（例えば中空内部領域１１８の中心位置または係る中心位置の近傍）に、放出されるよう、選択され得る。さらなる例として、「Ｂ」および「Ｐ」は、ＮＯ含有ガスがノズルオリフィスから、ＦＧＦのピーク速度の特定パーセンテージ（例えばＦＧＦのピーク速度の９９％、９８％、９５％、９０％、８５％、８０％、７５％、７０％、６５％、６０％、５５％、５０％、４５％、４０％、３５％、３０％、２５％、２０％、または１０％など）を有するＦＧＦの１部分に放出されるよう、選択され得る。

様々な実施形態では、注入ポート１８５に至る注入流路１８０が乳頭状突起に形成され得る。なお注入流路１８０は「Ｌ」の内径を有する。様々な実施形態では、内径「Ｌ」は、約０．８ｍｍ（０．０３１２５インチ）〜約２．４ｍｍ（０．０９４インチ）の範囲、または約１．６ｍｍ（０．０６２５インチ）であり得る。例示的な下限は、約０．５ｍｍ、約０．６ｍｍ、約０．７ｍｍ、約０．８ｍｍ、約０．９ｍｍ、約１ｍｍ、約１．１ｍｍ、約１．２ｍｍ、約１．３ｍｍ、約１．４ｍｍ、約１．５ｍｍ、および約１．６ｍｍを含む。例示的な上限は、約４．７５ｍｍ、約４．５ｍｍ、約４ｍｍ、約３．５ｍｍ、約３ｍｍ、約２．５ｍｍ、約２．４ｍｍ、約２．２９ｍｍ、約２．２ｍｍ、約２．１ｍｍ、約２ｍｍ、約１．９ｍｍ、約１．８ｍｍ、約１．７ｍｍ、および約１．６ｍｍであり得る。注入流路は、拡散装置１００の中空内部領域１１８にガス（例えばＮＯ）を送達するための流路を提供する。

１つまたは複数の実施形態では、拡散装置１００は、本体１１０から突出する乳頭状突起１９０を含まず、メス型コネクタを有する。このメス型コネクタに送達チューブが差し込まれ得る。なおメス型コネクタは、送達チューブが、注入流路１８０に対して接続および流体連通することを可能にする。様々な実施形態では、送達チューブの内径および注入流路の内径は、同一であり、および／または、均一な断面積を有する。

１つまたは複数の実施形態において、注入ポート１８５は、注入流路１８０を通って流れるガスが、意図された率および／または速度で中空内部領域１１８に進入することを可能にするオリフィスであり得る。様々な実施形態では、注入ポートは、固定された寸法（注入流路の直径と同一であるかまたは異なり得る）の開口部であり得る。この注入ポートは、流量に関連する意図された流速度を提供する。様々な実施形態では、２つ以上の注入ポート１８５が、例えば、突起物１９５の長さに沿って複数の注入ポート１８５を有することにより、および／または、複数の突起物１９５を有し、かつ各突起物１９５が１つまたは複数の注入ポート１８５を有することにより、使用され得る。上述のように注入ポートは、ＮＯ含有ガスが、ゼロ速度または低速度を有するＦＧＦの部分にではなく、高速度を有するＦＧＦに注入されるよう、ＮＯ含有ガスを、縁部境界からある距離にあるＦＧＦの１部分に、注入し得る。いくつかの実施形態では、２つ以上の注入ポート１８５が使用される場合、注入ポート１８５の直径は、ＮＯ含有ガスの速度が低下せず、ＦＧＦ速度に比例した状態に維持されることが確保されるよう、単一の注入ポート１８５に対して使用されるであろう直径よりも小さい直径を有し得る。

複数の注入ポート１８５を利用するいくつかの実施形態では、注入ポート１８５のうちの１つのみまたはいくつかが一度に使用され得る。なおその際の選択はＮＯの設定用量に依存する。例えば複数の注入ポート１８５は、より低い設定用量のＮＯに対してはより小さいオリフィス径が使用され、より高い設定用量のＮＯに対してはより大きいオリフィス径が使用されるよう、様々なオリフィス径を有し得る。かくしてＮＯ含有ガスおよびＦＧＦの速度の比は、たとえ異なる設定用量のＮＯに対してさえも、一定の比に保たれ得る。いくつかの実施形態では、ＮＯ含有ガスおよびＦＧＦの速度を所望の比に調整するために、より多数のポート１８５がより高い設定用量のＮＯにおいて使用され、より小数の注入ポート１８５がより低い設定用量のＮＯにおいて使用され得る。他の実施形態では、複数の注入ポート１８５の全部が並列的に使用され得る。様々な実施形態では、複数の注入ポート１８５は、インジェクタモジュールの部品として複数の比例制御バルブであり得る。

１つまたは複数の実施形態では、バルブ（図示せず）および／または可変オリフィスが、注入ポート１８５と流体連通してもよく、および／または注入ポート１８５に配置されてもよい。比例バルブおよび／または可変オリフィスは、注入流路１８０から中空内部領域１１８に注入されるガスの速度を制御するよう調整され得る。様々な実施形態では、バルブオリフィスおよび／または可変オリフィスのサイズ、および注入ポート１８５を通して注入されるガスの速度は、ＦＧＦ速度に関して調整され得る。なおバルブおよびガス速度はフィードバックループを通して制御され得る。様々な実施形態では、フィードバックループは、呼吸回路内のフレッシュガス流を測定する能力を有する流れセンサを含み得る。なお流れセンサは、バルブおよび／または可変オリフィスを調整することにより、注入流路１８０を通って、およびバルブおよび／または可変オリフィスを通って、拡散モジュール１００に供給されるＮＯの用量を制御する制御モジュールと電気連通し得る。１つまたは複数の実施形態において、拡散器およびフレッシュガス流を測定する能力を有する流れセンサは、単一部品に組み込まれる（例えばインジェクタモジュールに対して一体化される）。

１つまたは複数の実施形態では、拡散モジュール１００は、比例制御バルブと、ＮＯ流れセンサと、呼吸回路内のフレッシュガス流を測定し、所望の設定用量のＮＯが提供されるようＦＧＦに比例するＮＯ含有ガスの流れを送達するためのＦＧＦ流れセンサと、を含む。係る実施形態では、比例制御バルブおよび／または流れセンサは、制御モジュールから除外され得る。係る構成は、制御モジュールと拡散器との間の圧縮ガス体積を排除し得る。なぜなら拡散モジュール１００内の比例バルブが、ＮＯ含有ガスの呼吸回路への流れを加減するための主要バルブとして使用されるためである。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、拡散モジュール１００内の比例バルブおよび制御モジュール内の制御バルブの両方を有することにより、各吸気サイクルの終点において圧縮ガスが注入流路およびＮＯ送達チューブ内に格納され、次にこの圧縮ガスが減圧され、それによりある量のＮＯ含有ガスが呼吸回路に進入し、ＮＯの過剰な供給を生じさせることが可能になると考えられる。この潜在的問題は、送達体積が減少することにより、高濃度ＮＯにより拡大され得る。したがって、制御モジュール内の比例制御バルブに対して拡散モジュール１００内の比例制御バルブを代用することは、この潜在的問題の影響を低減または排除することが可能である。

１つまたは複数の実施形態では、ＮＯ含有ガスは、１つまたは複数の注入ポート１８５からの複数のパルスとしてＦＧＦに注入される。複数のパルスは、ＮＯ含有ガスの流れが一定である場合よりも、より高い速度のＮＯ含有ガスを提供するために使用され得る。パルス（例えばＮＯの流れがＯＦＦ−ＯＮ−ＯＦＦ−ＯＮ）を提供することにより、混合ガスストリームにおいて所望のＮＯ濃度を提供するために必要とされるよりも高い平均体積流量を提供することなく、より高い瞬間ＮＯ体積流量に対して、瞬間ＮＯ速度における対応する増加が提供され得る。例えば、システムが低ＦＧＦバイアス流（例えば０．５ＳＬＰＭ）を検出した場合、ＮＯは、この位相の間の正確な量のＮＯ含有ガス体積を維持するために、複数の高速度パルスとして供給され得る。このようにしてＮＯ送達システムは、（例えば呼気バイアス流の間に）ＦＧＦガス速度に比例する、より高いガス速度のＮＯを維持するために、ＮＯ流のパルス幅変調を利用し得、一方で所望の平均ＮＯ流量または設定用量濃度が維持され得る。

呼気位相の間のみ、拍動性高ピーク流の送達はＮＯ流出速度を増加させる。この位相の間の正確な量のガス体積を維持するために。拍動性流は、設定用量を満足するにあたり要求される平均流量を満足するために、Ｏｆｆ−Ｏｎ−Ｏｆｆ−Ｏｎとなるであろう。ＮＯ流のパルス幅変調。

本発明の態様はまた、中空内部領域を包囲する内側表面を有する本体の中空内部領域を通して長手方向に第１ガスの少なくとも１部分を通過させることと、第２ガスストリームを、注入流路を通して、本体の中空内部領域に突出する注入ポートまで通過させることと、を含み、第２ガスストリームは、本体の中空内部領域に進入し、中空内部領域内で第１ガスストリームと少なくとも部分的に拡散する、高濃度ガスを横方向ガスストリームに拡散する方法にも関する。

図８Ｃ〜図８Ｄでは、上記で開示の技術を使用して高濃度低体積ガス流および高体積ガス流を拡散するための他の例示的な装置が図示されている。もちろん、上記の技術を使用して高濃度低体積ガス流および高体積ガス流を拡散する能力を有する他の構成も考えられる。これらの寸法は、成人用呼吸回路／取り付け具とともに使用するための２２ｍｍ定格拡散器に対して例示的である。寸法および／または構成の非限定的な例が、標準的な成人用呼吸回路に対して意図されたものであることに、および、装置の寸法および比例が、必要以上の実験を実施することなく、標準的な新生児用呼吸回路を、標準的な小児用呼吸回路を、または他の非標準的サイズの呼吸回路を、含む用途に対して調整され得ることに、留意すべきである。

１つまたは複数の実施形態では、拡散装置１００は、壁部および中空内部領域を有する円筒形であり得る環状本体１１０を含む。本体は、人工呼吸器の呼吸回路内のチューブ（１０、１５、および２２ｍｍ）に接続するような、人工呼吸器チューブに嵌入するような、または人工呼吸器チューブが本体に嵌入するような、構成および寸法を有し得る。様々な実施形態では、この装置の流入端部は、人工呼吸器チューブに接合するような構成および寸法を有するオス型接続部を含み、流出端部は、人工呼吸器チューブまたは加湿器チャンバ流入口に接合するような構成および寸法を有するメス型接続部を含む。非限定的な事例では、この装置の流入端部は２２ｍｍ（外径）オス型接続部を含み、流出端部は２２ｍｍ（内径）メス型接続部を含む。追加的に、拡散装置１００は、当該技術分野で周知のように、人工呼吸器の呼吸回路に連結する、インジェクタモジュールの１つの構成要素または部品であり得る。

１つまたは複数の実施形態では、環状本体１１０は、流入端部および／または流出端部において外径「Ａ」を有し得る。外径「Ａ」は、約１０ｍｍ（０．３９４インチ）〜約２５ｍｍ（１．０インチ）の範囲、または約２２ｍｍ（０．８６６インチ）であり得る。人工呼吸器チューブは、流入端部外径の外側および流出端部内径の内側の周りに嵌入し得る。様々な実施形態では、人工呼吸器チューブは当該技術分野で周知のように摩擦嵌合接続を利用して拡散装置の流入端部および／または流出端部に接続され得る。

１つまたは複数の実施形態では、環状本体は、流出端部および／または流入端部において内径「Ｂ」を有し得る。内径「Ｂ」は、約１０ｍｍ（０．３９４インチ）〜約２５ｍｍ（１．０インチ）の範囲、または約２２ｍｍ（０．８６６インチ）であり得る。人工呼吸器チューブは流入端部内径の内側に嵌入し得る。様々な実施形態では、人工呼吸器チューブは当該技術分野で周知のように摩擦嵌合接続を利用して拡散装置の流入端部および／または流出端部に接続され得る。

１つまたは複数の実施形態では、ガス（単数または複数）が拡散装置１００の流入端部に進入し、拡散装置の流出端部から流出し得る。なお当該ガス（単数または複数）は呼吸可能なガスの混合物を含み得る。様々な実施形態では、呼吸可能なガスは空気を、または空気および追加的な酸素を、含み得る。

様々な実施形態では、拡散装置１００の壁部厚さ「Ｃ」は、約１ｍｍ（０．０４０インチ）〜約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の範囲、または約１ｍｍ（０．０４０インチ）〜約２ｍｍ（０．０７９インチ）の範囲、または約０．０６２５〜約０．０９４の範囲であり得る。

１つまたは複数の実施形態では、拡散装置は、約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）〜約４１．３ｍｍ（１．６２５インチ）の範囲、または約２２．２２５ｍｍ（０．８７５インチ）〜約４１．２７５ｍｍ（１．６２５インチ）の範囲、または約２５．４ｍｍ（１．００インチ）〜約３８．１ｍｍ（１．５０インチ）の範囲の長さ「Ｄ」を有し得る。

１つまたは複数の実施形態では、この装置は、円維台、漏斗、またはベルの形状を有し得る、壁部を含むテーパ状区域１５０をさらに含む。なおテーパ状区域１５０は、第１（流入）端部における内径「Ｅ」から、第１端部の反対側の第２（流出）端部における内径「Ｆ」まで、細くなり、第１（流入）端部における開口部は、第２（流出）端部における開口部よりも、直径がより大きい。様々な実施形態では、より大きい直径を有する第１端部は口部１５２であり、より小さい直径を有する第２端部は喉部１５８である。

１つまたは複数の実施形態では、加速器は、テーパ状区域または双方向テーパ状区域を含み得る。

様々な実施形態では、口部１５２における内径「Ｅ」は、約１４ｍｍ（０．５１１インチ）〜約１８ｍｍ（０．７０９インチ）の範囲、または約１６．０３ｍｍ（０．６３１インチ）であり得る。

様々な実施形態では、喉部１５８における内径「Ｆ」は、約３．１７ｍｍ（０．１２５インチ）〜約９．５ｍｍ（０．３７５インチ）の範囲、または約６．３５ｍｍ（０．２５０インチ）であり得る。

１つまたは複数の実施形態では、テーパ状区域１５０は、口部１５２の前縁部から喉部１５８の後縁部まで、長さ「Ｔ」を有し得る。様々な実施形態では、テーパ状区域１５０における長さ「Ｔ」は、約８ｍｍ（０．３１５インチ）〜約１３ｍｍ（０．５１９インチ）の範囲、または約１０．３ｍｍ（０．４０５インチ）であり得る。

１つまたは複数の実施形態では、テーパ状区域の内側表面は、口部１５０の前縁部において鋭利なコーナー部を形成し、それにより、テーパ状区域の軸に対して垂直な平坦な表面は存在しない。様々な実施形態では、テーパ状区域の壁部は、約１ｍｍ〜約２ｍｍの範囲、または約１．５ｍｍの厚さを有し得る。

１つまたは複数の実施形態では、テーパ状区域１５０は、拡散装置１００の本体１１０の内部に配置され得る。様々な実施形態では、テーパ状区域は、支持体１６０により、環状本体１１０の円筒形壁部１１５から懸下され得る。なお支持体１６０は円筒形壁部１１５の内側表面から開放内部領域１１８に延長し得る。様々な実施形態では、環状本体１１０と、テーパ状区域１５０と、テーパ状区域１５０を環状本体に接合する支持体とは単一部品であり得る。なお環状本体１１０、テーパ状区域１５０、および支持体１６０は、これらの構成要素が単一構造を含むよう、単一部品として成型される。様々な実施形態では、テーパ状区域１５０および環状本体１１０は同軸状である。１つまたは複数の実施形態では、突起物１９５は、本体１１０およびテーパ状区域１５０を相互接続することにより、支持体１６０を形成し得る。

１つまたは複数の実施形態では、口部１５２のリムと円筒形壁部１１５の内側表面との間に間隙１５１が存在し得、間隙１５１は、約０．５ｍｍ（０．０２インチ）〜約３ｍｍ（０．１１８インチ）の範囲のサイズ「Ｇ」を有する。それにより、口部１５２のリムの周りに開口部が提供される。様々な実施形態では開口部は、内部領域の周辺部に沿って、および、テーパ状区域１５０の周りを、流れることにより、流入してくるガス（単数または複数）の少なくとも１部分がテーパ状区域１５０を迂回することを可能にする。

１つまたは複数の実施形態では、開口部は、内部領域の断面積の約９．５％〜約１９．０％の範囲の断面積を有する。

１つまたは複数の実施形態では、間隙１５１は、内部領域の断面積の約１５％〜約３５％の範囲の断面積を有し、Ｂ直径として画成される内部領域は２０ｍｍである。

１つまたは複数の実施形態では、テーパ状区域１５０は、環状本体１１０の前縁部から距離「Ｈ」であり得る。様々な実施形態では、環状本体１１０の前縁部からの距離「Ｈ」は３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）〜約１２．７ｍｍ（０．５０インチ）の範囲であり得る。様々な実施形態では、寸法Ｈを小さくすると装置のサイズおよび重量が最小化され得る。

１つまたは複数の実施形態では、テーパ状区域１５０は環状本体１１０の後縁部から距離「Ｊ」であり得る。様々な実施形態では、環状本体１１０の後縁部からの距離「Ｊ」は３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）〜約１２．７ｍｍ（０．５０インチ）の範囲であり得る。様々な実施形態では、寸法Ｊを小さくすることにより、装置のサイズおよび重量が最小化され得る。

１つまたは複数の実施形態では、送達チューブを拡散装置に取り付けるための乳頭状突起１９０が円筒形壁部１１５の外側表面から突起し得る。様々な実施形態では、乳頭状突起は、約４．５ｍｍ直径（０．１７７インチ）の直径「Ｍ」を有し、８．７ｍｍ（０．３４インチ）の高さ「Ｎ」を有する円筒形壁部１１５の外側表面から突起し得る。

様々な実施形態では、注入ポートに至る注入流路１８０が乳頭状突起に形成され得る。なお注入流路１８０は「Ｌ」の内径を有する。様々な実施形態では、内径「Ｌ」は、約０．８ｍｍ（０．０３１２５インチ）〜約２．４ｍｍ（０．０９４インチ）の範囲、または約１．６ｍｍ（０．０６２５インチ）であり得る。

１つまたは複数の実施形態では、注入流路１８０の内部端部における注入ポート１８５を形成する開口部は、フレッシュガス速度が拡散器装置内で最大化される領域の近傍に配置され得る（例えば、テーパ状区域１５０の流出端部から距離「Ｋ」）。様々な実施形態では、距離「Ｋ」は、テーパ状区域１５０の流出端部から約２ｍｍ（０．７８７インチ）〜約５ｍｍ（０．１９７インチ）の範囲、または約３ｍｍ（０．１１８インチ）であり得る。

１つまたは複数の実施形態では、ＮＯ注入ポートは喉部壁部において終端してもよく、または、延長チューブがテーパ状区域の内部表面から喉部へとさらに突出してもよい。様々な実施形態では、延長チューブは喉部の中心へと突出し得る。

１つまたは複数の実施形態では、注入ポートはテーパ状区域の前縁部から６．８１ｍｍであり得る。

１つまたは複数の実施形態では、テーパ状区域は、ハウジングの中空円筒形部分内で懸下され得る。ここでハウジングは人工呼吸器チューブに接続されるよう適応される。様々な実施形態では、ハウジングは、円筒形または環状以外の形状を有し、その一方で、好適な人工呼吸器チューブに接続されるような構成および寸法を有する流入口および流出口を有し得る。例えば、拡散装置の長方形ハウジングは、チューブに接続される内径を有する円筒形の流入口および流出口の開口部を有する。

１つまたは複数の実施形態では拡散装置は、鼻カニューレまたは顔マスクとともに、人工呼吸器回路内で利用され得る。

図９Ａでは、漏斗形状を有するテーパ状区域３００の例示的な実施形態が図示されている。

１つまたは複数の実施形態では、漏斗形状のテーパ状区域３００は凸状の内部表面を有し、口部３２０に進入するガス（単数または複数）を喉部３１０に向かって誘導する。様々な実施形態では、内部表面の凸状輪郭は、一定の曲率または変化する曲率を有し得る。

図９Ｂでは、円錐形状を有するテーパ状区域３４０の例示的な実施形態が図示されている。

１つまたは複数の実施形態では、円錐形状のテーパ状区域３４０は、テーパ状区域３４０の口部３２０から喉部３１０まで直線状である内部表面を有し、口部３２０に進入するガス（単数または複数）を喉部３１０に誘導する。

図９Ｃでは、ベル形状を有するテーパ状区域３７０の例示的な実施形態が図示されている。このベル形状は一定の曲率または変化する曲率を有し得る。

様々な実施形態では、３００、３４０、および３７０において示されるテーパ状区域は、喉部と喉部とを隣接させると、双方向テーパ状区域が提供され、それにより、人工呼吸器回路において、いずれの方向における挿入および使用も可能となる。図１０では、双方向テーパ状区域の例示的な実施形態が図示されている。双方向テーパ状区域７００は、喉部で連結された２つのテーパ状区域１５０を含み得る。注入バルブが、双方向テーパ状区域７００の最も狭い部分において、ガスを注入する。様々な実施形態では、２つのテーパ状区域は、円筒形区域７４０を含む喉部において連結され得る。様々な実施形態では、注入ポートは２つのテーパ状区域が接合する位置に配置され、ＦＧＦ速度は、最も低い期待されるＦＧＦ率において最大化されるであろう。いくつかの実施形態では、テーパ状区域は、ＦＧＦ率が低く（例えば２ＳＬＰＭより低い）なることが期待される環境において利用される。

１つまたは複数の実施形態では、ベル形状のテーパ状区域３７０は、凹状である内部表面を有し、口部３２０に進入するガス（単数または複数）を喉部３１０に向かって誘導する。

図１１ではテーパ状区域４００が図示されており、テーパ状区域壁部４１５の内側表面の輪郭が示されている。

本発明の原則および実施形態は、減少する断面積を含むテーパ状区域４００を含む拡散装置にも関する。テーパ状区域４００の断面積が減少するために、注入ポートを通過して喉部を流出するガス流の速度が増加され、それにより高濃度ガスが人工呼吸器ガスにより迅速に消散および拡散されることとなる。

１つまたは複数の実施形態では、テーパ状区域４００は、可変の断面積を有する軸対称のチューブであり得る。なおこの断面積は、口部の面積から喉部の面積へ減少する。様々な実施形態では、壁部４１５は、直線状、放物線状、双曲線状、懸垂面状、または漏斗状の輪郭を有し得る。

１つまたは複数の実施形態では、断面積が最小である地点、および／または、テーパ状区域の傾斜が０（ゼロ）になる（すなわち水平）地点から長さ「Ｐ」だけ延長する、一定の直径および断面積を有するテーパ状区域４００は、円筒形区域４４０を含み得る。

様々な実施形態ではテーパ状区域は、増加する圧力勾配を作る。それにより、圧力勾配が好適であるために、流れまたは境界の分離が生じ得ない。境界分離の回避は、ガス流のエネルギーを消耗させ流れ抵抗を増加させる逆流領域および渦流も回避する。６０ＳＬＰＭの体積流量に対する圧力低下はおよそ０．６５ｃｍＨ_２Ｏであり、３０ＳＬＰＭにおいては、およそ０．１６ｃｍＨ_２Ｏである。

１つまたは複数の実施形態では、テーパ状区域壁部４３０の輪郭は、半径Ｒ_１を有する一定の曲率を有する。なおＲ_１は７．５ｍｍ（０．２９６インチ）〜約８．３ｍｍ（０．３２８インチ）の範囲、または約７．６ｍｍ（０．２９９インチ）であり得る。

本発明の一態様は高濃度ガスを横方向ガスストリームに拡散する方法に関する。

図１２では、テーパ状区域１５０を通過する第１ガスへと注入流路１８０を通過して進入する第２ガスの例示的な実施形態が図示されている（ガス流は直線状および湾曲した矢印により示される）。

１つまたは複数の実施形態では、第１ガスの少なくとも一部分は拡散装置１００に進入し、厚さ、外側表面、および内側表面を有する壁部１５５と、第１直径を有する流入端部と、流入端部の反対側において第１直径よりも小さい第２直径を有する流出端部とを有するテーパ状区域１５０を通して、第２ガスストリームを、注入流路１８０を通して、テーパ状区域１５０の内側表面内の注入ポート１８５まで通過させる。様々な実施形態では、第２ガスストリームはテーパ状区域１５０に進入し、テーパ状区域１５０内で第１ガスストリームと少なくとも部分的に拡散する。様々な実施形態では、第２ガスが、意図された流量および速度で第１ガスのストリームに注入されることにより、２つのガスストリームが接触または合流する地点において十分な拡散が生じる。様々な実施形態では、第２ガス（１〜８０ｐｐｍ用量のＮＯ）の意図される体積流量は、４８８０ｐｐｍＮＯに対して約０．１ＳＭＬＰＭ〜約３３．３ＳＭＬＰＭの範囲であり、第１ガス流量が約０．５ＳＬＰＭ〜約２．０ＳＬＰＭの範囲の範囲にあるとき、第２ガス（ＮＯ）の体積流量は第１ガス（ＦＧＦ）の体積流量に比例する。

１つまたは複数の実施形態では、第１ガスの少なくとも１部分は、テーパ状区域の外側表面の少なくとも１部分の周囲を通過する。なおテーパ状区域１５０は、外側表面および内側表面と、テーパ状区域の第１直径よりも大きい内径と、を有する環状本体１１０内にある。様々な実施形態では、第１ガスの少なくとも１部分は、口部１５２のリム１５３と、円筒形壁部１１５の内側表面と、の間の間隙１５１を通過する。

１つまたは複数の実施形態では、第１ガスはＮ_２分子およびＯ_２分子を含む呼吸可能なガスであり、第２ガスはＮＯ分子およびＮ_２分子を含む。

１つまたは複数の実施形態では、第１ガスは、毎分約０リットル（ＳＬＰＭ）〜毎分約１２０リットル（ＳＬＰＭ）の範囲の流量において、人工呼吸器により提供される。いくつかの事例では本明細書で記載のように、呼気流れの間、より高いＮＯ２を発生させ得る、０．５ＳＬＰＭ〜２ＳＬＰＭの範囲の流れが存在し得る。したがって少なくともいくつかの事例では、本明細書で開示の技術は、これらの低い流量を対象とし得る。

様々な実施形態では、第２ガス中のＮＯの濃度は、８００ｐｐｍ超〜約５０００ｐｐｍの、もしくは約２０００ｐｐｍ〜約４８８０ｐｐｍの範囲、または約４８００ｐｐｍである。

１つまたは複数の実施形態では、第２ガスの流量は第１ガスの流量に対して線形比例する。

１つまたは複数の実施形態では、第２ガスストリームは、最初、第１ガスストリームの軸に対して、約６０度〜約１２０度の範囲の角度で、または約７５度〜約１０５度の範囲、もしくは約８０度〜約１００度、もしくは約８５度〜約９５度の範囲の角度で、または約９０度で、第１ガスストリームに進入する。様々な実施形態では、第２ガスは第１ガスストリームに対して垂直に注入され得る。ここで、２つの直交するガスストリームは、接触地点における乱流に影響を及ぼすよう作用し、それによりＮＯ_２レベルが、現行の８００ｐｐｍ療法により発生する量に等しいか、または係る量よりも低い値まで、低下する。

理論に制限されることなく、ＦＧＦが交差するＮＯ流により衝突され、ＮＯおよびＦＧＦが人工呼吸器バイアス流において十分な速度を有する場合、十分な拡散が生じると考えられる。加えて、ＮＯ注入地点の直後における短い環状流出口は、テーパ状区域内で一度圧縮されたＦＧＦガスが迅速に発散し（なおこの時点でＮＯと混合され）、突然に流出し、テーパ状区域の周囲のバイパス流と自由に拡散することを可能にし得る。

１つまたは複数の実施形態では、第２ガスは、約毎分０．１ミリリットル（ＳＭＬＰＭ）〜約６．３ＳＬＰＭの、または約毎分０．０５ミリリットル（ＳＭＬＰＭ）〜約２ＳＬＰＭの、または約毎分１．０ミリリットル（ＳＭＬＰＭ）〜約１ＳＬＰＭの範囲の流量で、注入ポート１８５から流出する。２ＳＬＰＭのガス流量は、０．１６ｃｍの内径を有する注入流路および注入ポートを通る、およそ０．４２メートル／秒の速度を有する。この速度を有するガスは、拡散装置の通過時に、この速度（音速の０．２倍より小さい。すなわち、マッハ数＜０．２）において、さほど顕著な圧縮を経験することはないであろう。０．５ＳＬＰＭのガス流量は、０．１６ｃｍの内径を有する注入流路および注入ポートを通る、およそ０．１０メートル／秒の速度を有する。非常に低い人工呼吸器流量（例えば呼気の間のバイアス流≦２ＳＬＰＭ）、高い酸素濃度（ＦｉＯ_２≧６０％）、および、高いＮＯ設定用量（≧２０ｐｐｍ）の期間の間にＮＯ_２変換を管理することが有用であり得る。

１つまたは複数の実施形態では、第１ガスの速度は、テーパ状区域１５０の第２直径において、テーパ状区域１５０の第１直径における第１ガスの速度よりもより大きい。

１つまたは複数の実施形態では、第１ガスの速度は、テーパ状区域の第２直径において、テーパ状区域の第１直径における第１ガスの速度よりも大きい。ここで第２ガスは、より大きい速度の地点において、第１ガスに進入する。様々な実施形態では、テーパ状区域は、環状本体の中央に向かって、より大きいガス速度および圧力勾配を生成する。そのため、最も高いガス速度はテーパ状区域１５０の軸に沿う。例えば、テーパ状区域１５０の内径が口部における１．６ｃｍから喉部における０．６３５ｃｍに減少するため、第１ガス速度は増加することとなるであろう。いくつかの事例では、流入口ガス速度と流出口ガス速度との比は、流入口面積と流出口面積との比に比例する。

図１２で見られ得るように、第２ガスは注入ポート１８５において第１ガスに進入する。注入ポート１８５は、テーパ状区域１５０の喉部に対してより近位にある。この位置における第１ガス流の速度は、テーパ状区域の口部における第１ガス速度と比較して、より大きい。

図１３では、人工呼吸器回路６００に挿入される拡散装置１００の例示的な実施形態が図示されている。様々な実施形態では、人工呼吸器システムは、人工呼吸器を装着する患者に対するＮＯ用量とともに、高い（２１％を越える）間欠吸入酸素（ＦｉＯ_２）濃度を提供し得る。患者の人工呼吸器回路における酸素濃度は医療用空気（２１％Ｏ_２）から医療用酸素（１００％Ｏ_２）の範囲であり得るが、全般的にＩＮＯ療法を受ける患者に対しては、６０％まで上昇され得る。高濃度ＮＯガス供給源６１０内のＮＯは、窒素Ｎ_２で希釈され得る。

１つまたは複数の実施形態では、（例えば、呼吸回路内のフレッシュガス流を測定する能力を有する流れセンサ６１５の下流側にあるインジェクタモジュール６０５、その他の１つの構成要素としての）拡散装置１００は、人工呼吸器６３０から来る人工呼吸器チューブに対して接続および流体連通し得る。人工呼吸器は、フレッシュガス供給源６２０に対して接続および流体連通し得る。拡散モジュール１００は、拡散モジュール１００に供給されるＮＯの用量を制御する制御モジュール６４０に対しても、接続および流体連通し得る。制御モジュール６４０は、ＮＯガス供給源６１０に対して接続および流体連通し得る。様々な実施形態では、フレッシュガス供給源６２０およびＮＯガス供給源６１０は、ボンベからの圧力を制御するための調節器を有し得る。様々な実施形態では、拡散装置は、患者に供給される吸気ガス流に水蒸気成分を加える加湿器６５０に対して接続および流体連通し得る。様々な実施形態では、拡散装置１００から患者までの距離は、およそ１メートルであり得る。様々な実施形態では、加湿器は約２８０ｍｌの圧縮性体積を有し得る。様々な実施形態では、拡散装置１００および流れセンサ６１５は、インジェクタモジュール６０５に一体化される。

１つまたは複数の実施形態では、拡散装置は、人工呼吸器６３０およびフレッシュガス流供給源６２０を通して流入してくるフレッシュガス流を、制御モジュール６４０を通してＮＯガス供給源６１０から流入してくるＮＯ含有ガスで拡散する。患者に送達されるガス流は、加湿器６５０および／または拡散装置１００から下流側に挿入されたサンプリングＴ字管６６０においてサンプリングされ得る。様々な実施形態では、ＮＯ、ＮＯ_２、および／またはＯ_２の濃度は、患者に到達する以前に監視され得る。サンプリングＴ字管６００は、ＮＯ含有ガスおよびＦＧＦがいかに迅速に混合して設定用量の均質なガスストリームが提供されるかに応じて、呼吸回路内の様々な位置に配置され得る。さらに、複数のサンプリング地点（例えばＮＯ注入地点から様々な距離に配置されたサンプリング地点）が使用され得る。１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、またはそれ以上のサンプリング地点が使用され得る。サンプリング地点間の距離は１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、または３０ｃｍであり得る。複数のサンプリング地点が、呼吸回路の下流側の長さの関数として混合ガスストリームを別個に分析するために使用されてもよく、または、２つ以上のサンプリングが、ガスの組成に関する平均を提供するために、組み合わされてもよい。

以下の実施例で説明されるように、温度を上昇させると、普通であれば同様の条件下で発生したであろうＮＯ_２の量を減少させることが驚くべきことに見出された。したがって、本発明の様々な実施形態は、ＮＯ送達システムおよび／または人工呼吸器回路の１つまたは複数の部分を加熱することにより、ＮＯ_２発生を最小化することにも関する。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、ガス温度が上昇すると、ガス分子に関する利用可能な運動エネルギーが増加し得、それにより初期混合が促進され、結果的にＮＯ_２がさらに減少し得るものと考えられる。

例えば、加熱要素は、ＮＯ送達システム、ＮＯ送達システムからインジェクタモジュールまでのチューブ、インジェクタモジュール、および／または、人工呼吸器回路の吸息肢に追加されてもよく、および／または、注入地点の上流側、下流側の任意の他の場所に、または注入地点に配置されてもよい。加熱要素は加熱された加湿器であってもよく、または専用の加熱構成要素であってもよい。例示的な加熱要素は、電熱冷却装置または抵抗性加熱要素を含むが、これらに限定されない。ＮＯ送達システム内の加熱要素は、ＮＯ送達システム内で内部的に発生するＮＯ_２の最小化を支援し得る。同様に、ＮＯをインジェクタモジュールに送達しインジェクタモジュールから患者に送達するチューブ内に配置され、および／または、係るチューブと熱的連通する加熱要素は、これらの地点におけるＮＯ_２発生の最小化を支援し得る。

様々な実施形態では、加熱要素は、ＮＯ供給源ガスを、および／または混合されたＮＯおよびＦＧＦを、所望の温度に加熱し得る。例示的な温度は、約２５℃、約２６℃、約２７℃、約２８℃、約２９℃、約３０℃、約３１℃、約３２℃、約３３℃、約３４℃、約３５℃、約３６℃、約３７℃、約３８℃、約３９℃、約４０℃、約４５℃、または約５０℃を含むが、これらに限定されない。

実施例
本発明は、以下で提示される実施例により、さらに説明される。係る実施例の使用は、単に説明を目的とし、本発明の、または任意の例示的な用語の、範囲および意味をいかなる方法でも制限しない。同様に本発明は、本明細書で記載のいかなる特定の好適な実施形態にも限定されない。実際に、本発明の多数の改変および変形は、本明細書を読むことにより、当業者に明らかとなるであろう。したがって本発明は、添付の請求項の言語と、係る請求項が権利を与えられた等価物の全範囲と、によってのみ限定される。

実施例１−ＮＯ_２発生システム比較
高ＮＯ供給源濃度（例えば４８８０ｐｐｍ）および本明細書で記載の例示的な拡散器（例えば図８Ａ〜図８Ｂに示される拡散器）を利用するＮＯ送達システムが、低ＮＯ供給源濃度（例えば８００ｐｐｍ）および従来のインジェクタモジュールを利用する従来のＮＯ送達システムと比較された。ＦＧＦは、例示的な人工呼吸器パラメータ（例えば、４０の呼吸速度、３０ｍｌの１回換気量、６０％のＦｉＯ_２、０．５ＳＬＰＭバイアス流、その他）を有する新生児用人工呼吸器により提供された。図１４から見られ得るように、拡散器を利用する高ＮＯ供給源濃度システム（システム２）は、ＮＯ供給源濃度が顕著により高いにも関わらず、より低いＮＯ供給源濃度における従来のＮＯ送達システム（システム１）と同等な量のＮＯ_２を生成した。

システム１およびシステム２は、高ＮＯ供給源濃度（例えば４８８０ｐｐｍ）と、本明細書で記載の例示的な加速器（図８Ｃ〜図８Ｄで示された加速器）を有するインジェクタモジュールと、を利用するＮＯ送達システム（システム３として）に対しても比較された。図１５Ａ〜図１５Ｆでは、様々なＮＯ設定用量およびＦＧＦ流量において各システムに対して生成されたＮＯ_２が示されている。図１５Ａ〜図１５Ｆから見られ得るように、システム２およびシステム３の両方が高ＮＯ供給源濃度において、４０ｐｐｍの設定用量において従来のＮＯ送達システムと同等であるかまたはそれよりも低い量のＮＯ_２を、より低いＮＯ供給源濃度において生成した。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、４０ｐｐｍにおけるシステム２およびシステム３に対する比較的低いＮＯ_２値が、同様の速度を有するＦＧＦおよびＮＯ含有ガスの結果であると考えられる。以下の表３から見られ得るように、ＮＯ含有ガスの速度は、システム２およびシステム３として試験された特定の構成に対する４０ｐｐｍにおけるＦＧＦ速度とおよそ同様であった。

実施例２−加熱システムを用いるＮＯ_２発生
次に、実施例１のシステム２において使用されるＮＯ送達システムは、加熱された人工呼吸器の呼吸回路（例えば約３８℃）とともに使用された。図１６から見られ得るように、人工呼吸器の呼吸回路を加熱することにより、試験されたすべての条件下でＮＯ_２レベルが低下した。

本発明について本明細書で特定の実施形態を参照して説明してきたが、これらの実施形態が、本発明の原則および用途を単に説明するものであることが理解されるべきである。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明の装置、システム、および方法に対する様々な改変および変形が可能であることが当業者には明らかとなるであろう。したがって本発明が、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲に含まれる改変および変形を含むことが、意図される。

実施例３−ガス速度比を使用するＮＯ_２最小化
実施例１のシステム２において使用されるＮＯ送達システムは、様々なＮＯ供給源濃度を有するよう、および、ＦＧＦ速度とＮＯ含有ガス速度との様々な比を提供するよう、改変された。複数のガスサンプリング地点が、ＮＯおよびＮＯ_２の濃度測定のために使用された。これらの測定値は、チューブの断面内のガスの任意の不均一な分布を考慮して平均化される。ＮＯ_２濃度は、ＮＯ注入地点から下流側の３つの異なる地点Ｔ０：Ｔ１（ＮＯ注入地点から２０３ｍｍ下流側）、Ｔ２（ＮＯ注入地点から６７３ｍｍ下流側）、およびＴ３（ＮＯ注入地点から２２６８ｍｍ下流側）において測定された。以下で記載の実験に対して、Ｔ０〜Ｔ１の領域は、不均一ガス分布を有すると考えられ、Ｔ２〜Ｔ３の領域は均質ガス分部を有すると考えられた。ＮＯ_２変換率は、測定されたＮＯ_２濃度から、ＮＯ供給ボンベからのＮＯ_２寄与分を減算し、ＮＯ_２濃度における純増加分をサンプリング地点間の滞留時間により除算する（体積流量を区域の体積で徐算する）ことにより判定された。

図１７では、初期Ｔ０〜Ｔ１領域において発生したＮＯ_２が、８００ｐｐｍ〜９７６０ｐｐｍの範囲の様々なＮＯ供給ボンベ濃度とともに、およそ１：１のガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）で示されている。図１７から見られ得るように、およそ１：１のガス速度比を有することにより、ＮＯ_２発生率は、同一の設定用量（２０ｐｐｍ）および同一のＦＧＦ流量（０．５または２ＳＬＰＭ）において様々なボンベ濃度間で同等である。

図１８Ａ〜図１８Ｄでは、様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）および１０ｐｐｍＮＯの設定用量で、８００ｐｐｍ〜９７６０ｐｐｍの範囲の様々なＮＯ供給ボンベ濃度を用いて初期領域Ｔ０〜Ｔ１において発生するＮＯ_２が示されている。図１８Ａ〜図１８Ｄから見られ得るように、ＮＯ供給源濃度、ＦＧＦ流量、およびＮＯ設定用量が同一である場合でさえも、２：１より低いガス速度比は、２：１より大きいガス速度比よりも、より低いＮＯ_２発生比を提供する。

図１９では、様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）で、４８８０ｐｐｍＮＯ供給ボンベ濃度および４０ｐｐｍの設定用量を用いて、初期領域Ｔ０〜Ｔ１において発生するＮＯ_２が示されている。図１９および図１８Ｃを比較することにより見られ得るように、ＮＯ_２発生比とガス速度比との間の関係は、他の設定用量濃度においても見られる。

図２０Ａ〜図２０Ｂでは、様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）および１０ｐｐｍＮＯの設定用量で、８００ｐｐｍ〜９７６０ｐｐｍの範囲の様々なＮＯ供給ボンベ濃度を用いて、初期領域Ｔ０〜Ｔ１において発生するＮＯ_２が示されている。図２０Ａ〜図２０Ｂから見られ得るように、ＮＯ供給源濃度、ＦＧＦ流量、およびＮＯ設定用量が同一である場合でさえも、２：１より低いガス速度比は、２：１より大きいガス速度比よりも、より低いＮＯ_２発生率を提供する。図２０Ａ〜図２０Ｂが、Ｘ軸およびＹ軸の両方に対して、１０を底とする対数の尺度でプロットされているため、瞬間ＮＯ_２発生は非線形である。

図２１では、様々なガス速度比（ＦＧＦ：ＮＯ）で、４８８０ｐｐｍＮＯ供給ボンベ濃度および４０ｐｐｍの設定用量を用いて、初期領域Ｔ０〜Ｔ１において発生するＮＯ_２が示されている。図２１では、Ｔ２〜Ｔ３までの平均ＮＯ_２発生率も示されている。図２１から見られ得るように、Ｔ０〜Ｔ１のＮＯ_２発生率は、Ｔ２〜Ｔ３のＮＯ_２発生率よりも顕著に高い。またＴ２〜Ｔ３のＮＯ_２発生率（三角形で示される）はガス速度比とともに変化せず、一定率のＮＯ_２発生率が、混合ガスストリームがＴ２において均質な位相に到達した後、達成されることが示されている。図２１では、各構成：０．９４２インチ、０．６６９インチ、または０．３３５インチに対するＦＧＦパイプの内径のサイズがさらに示されている。見られ得るように、ＦＧＦパイプ径の減少にともなってＮＯ_２の発生は減少せず、むしろＮＯ_２発生率がより高くなる。これは、ＦＧＦ：ＮＯ速度比がより低い（特に２：１より低い）場合に、ＮＯ_２発生が最小化されるという観察現象と一致する。

実施例４−循環流の間のＮＯ_２発生システム比較
実施例３のＮＯ送達システムは、様々な流量を有する人工呼吸器をシミュレートするよう改変された。０．５ＳＬＰＭの最小流れおよび５ＳＬＰＭの最大流れを有する矩形波流が、吸気から呼気への比（高から低への流れ比）が２：２〜１：３の範囲で変化する状態で、使用された。図２２Ａ〜図２２Ｂでは、発生したＮＯ２がｐｐｍにおいてＮＯの設定用量のパーセンテージとして示されている。図２２Ａ〜図２２Ｂから見られ得るように、大部分のＮＯ_２は、より高い呼気（低流）比で発生した。図２２Ｂから見られ得るように、高パーセンテージのＮＯが低い設定用量においてＮＯ_２に変換された。なお、吸気：呼気比が１：３、ＮＯ設定用量が１ｐｐｍのときに、ほぼ２５％のＮＯがＮＯ_２に変換された。

実施例５：ＮＯ_２発生システム比較
懸下される漏斗を利用するＮＯ送達システム（実施例１のシステム３）および実施例３のＮＯ送達システムのＮＯ_２発生率が、１０ｐｐｍＮＯの設定用量および４８８０ｐｐｍＮＯのボンベ濃度においてＴ０〜Ｔ１まで比較された。この比較結果が以下の表４で示される。

表４から見られ得るように、懸下漏斗の設計は、約２：１のガス速度比を有する拡散器と同等の性能を示した。しかし２：１より低い（１：１または０．５：１）速度比を有する拡散器は、懸下漏斗の設計よりも低いＮＯ_２発生率を提供した。

本明細書を通して使用される「１つの実施形態」、「特定の実施形態」、「１つまたは複数の実施形態」、「または一実施形態」という参照は、当該の実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、物質、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通じて様々な場所での「１つまたは複数の実施形態では」、「特定の実施形態では」、「１つの実施形態では」、または「一実施形態では」という語句の出現は、必ずしも本発明の同一の実施形態を参照するとはものとは限らない。さらに、特定の特徴、構造、物質、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の好適な様式で組み合わされ得る。

Claims (28)

1. 高濃度ガスを横方向ガスストリームに注入するための拡散装置であって、
   厚さ、外側表面、および中空内部領域を包囲する内側表面を有する壁部を含む本体と、
   前記本体の前記内側表面から前記中空内部領域に延長する突起物と、
   前記壁部および前記突起物を通って注入ポートに至る注入流路であって、前記注入ポートは前記高濃度ガスを、前記本体の前記内側表面からある距離において前記横方向ガスストリームに注入する、流入流路と、
   を含む、拡散装置。
2. 前記注入ポートは、前記最も高い速度の横方向ガスストリームの中心中間点から凹陥した流出口を有する、請求項１に記載の拡散装置。
3. 前記中空内部領域はある直径を有し、前記内側表面から前記注入ポート流出口までの前記突起物の長さは、前記中空内部領域の前記直径の約３０％〜約４５％の範囲内である、請求項１または請求項２に記載の拡散装置。
4. 前記注入ポートは約０．７ｍｍ〜約２．４ｍｍの範囲の内径を有する、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の拡散装置。
5. 前記本体は、約１０ｍｍ〜約２５ｍｍの範囲の外径および約１０ｍｍ〜約２５ｍｍの範囲の内径を有する円筒形壁部を含む環状本体であって、前記内径は前記外径よりも前記円筒形壁部の前記厚さだけ小さい環状本体である、請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の拡散装置。
6. 前記円筒形壁部の前記厚さは約１ｍｍ〜約３．１７５ｍｍの範囲であり、前記注入流路は前記中空内部領域の長手方向軸に対して約６０度〜約１２０度の角度を形成する、請求項１〜請求項５のうちのいずれか１項に記載の拡散装置。
7. 呼吸チューブに挿入されるような構成および寸法を有する、請求項１〜請求項６のうちのいずれか１項に記載の拡散装置。
8. 流れセンサを含むインジェクタモジュールに対して一体化されている、請求項１〜請求項７のうちのいずれか１項に記載の拡散装置。
9. 厚さ、外側表面、および内側表面を有する壁部と、第１直径を有する流入端部と、前記流入端部と反対側において第２直径を有する流出端部とを有するテーパ状区域をさらに含み、前記第１直径は約６ｍｍ〜約１８ｍｍの範囲であり、前記第２直径は約３．１７ｍｍ〜約９．５ｍｍの範囲であり、前記第２直径は第１直径よりも小さく、前記テーパ状区域は前記突起物に接続され、前記突起物から懸下されている、請求項１〜請求項８のうちのいずれか１項に記載の拡散装置。
10. 前記テーパ状区域は軸周りに対称であり、前記注入流路は、前記テーパ状区域の前記軸に対して約６０度〜約１２０度の範囲の角度を形成する、請求項１〜請求項９に記載の拡散装置。
11. 前記テーパ状区域は、漏斗形状、円維台形状、またはベル形状である、請求項９に記載の拡散装置。
12. 複数の注入ポートを含む、請求項１〜請求項１１のうちのいずれか１項に記載の拡散装置。
13. 前記注入流路および前記注入ポートのうちの１つまたは複数は比例バルブまたは可変オリフィスを有する、請求項１〜請求項１２のうちのいずれか１項に記載の拡散装置。
14. 高濃度ガスを横方向ガスストリームに拡散する方法であって、
    中空内部領域を包囲する内側表面を有する本体の前記中空内部領域を通して、第１ガスの少なくとも１部分を通過させることと、
    第２ガスストリームを、注入流路を通して、前記本体の前記中空内部領域に突出する注入ポートまで通過させることと、を含み、前記第２ガスストリームは、前記中空内部領域内に進入し、前記中空内部領域内で前記第１ガスストリームと少なくとも部分的に拡散し、
    前記第１ガスストリームは第１速度を有し、第２ガスストリームは第２速度を有し、前記第１速度と前記第２速度との比は２：１よりも小さい、
    方法。
15. 前記第２ガスストリームは最初、約６０度〜約１２０度の範囲の角度で、前記第１ガスストリームに進入する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１ガスはＮ_２分子およびＯ_２分子を含む呼吸可能なガスであり、前記第２ガスはＮＯ分子およびＮ_２分子を含む、請求項１４または請求項１５に記載の方法。
17. 前記第２ガス中のＮＯの濃度は４００ｐｐｍ超〜約１０，０００ｐｐｍの範囲である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第２ガスの流量は前記第１ガスの流量に線形比例する、請求項１４〜請求項１７のうちのいずれか１項に記載の方法。
19. 前記第１速度と前記第２速度との前記比は約１：１よりも小さいかまたは等しい、請求項１４〜請求項１８のうちのいずれか１項に記載の方法。
20. 前記第１ガスストリームが２ＳＬＰＭより小さい体積流量を有するとき、約１：１より小さいかまたは等しい前記比が提供される、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第２ガスストリームは、前記第１ガスストリームの最も高い速度の中心中間点においてまたは前記中心中間点付近で、前記第１ガスストリームに進入する、請求項１４〜請求項２０のうちのいずれか１項に記載の方法。
22. 前記第２ガスストリームは複数のパルスとして前記第１ガスストリームに注入される、請求項１４〜請求項２１のうちのいずれか１項に記載の方法。
23. 高濃度ＮＯ含有ガスを横方向酸素含有ガスストリームに拡散する方法であって、
    ユーザからＮＯの用量を受容することと、
    酸素を含む第１ガスストリームを、中空内部領域を包囲する内側表面を有する本体の前記中空内部領域を通して受容することと、
    前記ＮＯ用量に基づいてオリフィスサイズを選択することと、
    ＮＯを含有する第２ガスストリームを、注入流路を通して、前記本体の前記中空内部領域に突出する注入ポートまで通過させることと、
    を含み、前記第２ガスストリームは、前記中空内部領域内に進入し、前記中空内部領域内で前記第１ガスストリームと少なくとも部分的に拡散し、前記オリフィスは、前記注入流路および注入ポートの流路内に配置され、前記オリフィスサイズは、前記第１ガスの速度と前記第２ガスの速度との事前決定された比を提供する、方法。
24. 前記比は２：１よりも小さい、請求項２３に記載の方法。
25. 前記第１ガスストリームが２ＳＬＰＭよりも小さい体積流量を有するとき２：１よりも小さい前記比が提供される、請求項２４に記載の方法。
26. 前記オリフィスサイズを選択することは、可変サイズオリフィスのオリフィスサイズを選択することを含む、請求項２３〜請求項２５のうちのいずれか１項に記載の方法。
27. 前記オリフィスサイズを選択することは、様々なオリフィス径を有する複数のオリフィスからオリフィスを選択することを含む、請求項２３〜請求項２５のうちのいずれか１項に記載の方法。
28. 前記第２ガスストリームは、前記第１ガスストリームおよび前記第２ガスストリームの混合ガスストリームにおいて前記設定用量のＮＯを提供するために、複数のパルスとして前記第１ガスストリームに注入される、請求項２３〜請求項２７のうちのいずれか１項に記載の方法。

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