JP2019107042A - 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】酸素濃縮装置の使用時において、酸素の供給開始条件となる吸気圧の閾値を適切な値に随時設定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、閾値判定手段、供給制御手段、吸気パラメータ検知手段及び閾値設定手段を備える。閾値判定手段は、使用者の呼吸における吸気圧が、酸素の供給開始条件となる閾値に到達したか否かを判定する。供給制御手段は、吸気圧が閾値に到達したと判定された場合に、使用者の呼吸に同期させて酸素を供給する制御を行う。吸気パラメータ検知手段は、使用者の吸気状態を示す吸気パラメータを過去の複数回の呼吸について検知する。閾値設定手段は、検知された複数回分の吸気パラメータに基づいて、次回以降の呼吸における閾値を設定する。【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。

従来、医療用途で用いられる酸素濃縮装置として、使用者（患者）の呼吸における吸気圧が酸素の供給開始条件となる閾値に到達したことを契機として、患者の呼吸に同期させて酸素の供給を行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この種の酸素濃縮装置は、例えば、酸素供給源（酸素タンク等）、酸素供給管、酸素供給弁等を備えている。酸素供給管は、酸素供給源から送り出された酸素を患者側に供給するためのものである。酸素供給弁は、酸素供給管において酸素供給源の下流側に配置されており、酸素供給管を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。そして、吸気圧が閾値に到達したことを契機として酸素供給管を開状態に切り替えれば、患者に酸素が供給されるようになる。

特開２００４−１０５２３０号公報（［００３５］，［００３６］、図１等）

ところで、呼吸における吸気圧は、患者の症状や肺活量等により、患者ごとに大きなバラツキを有するものと考えられる。また、同一の患者であっても、酸素濃縮装置の使用時（運転時）の体調、ストレス等の心理的要因、患者の年齢や癖などにより、呼吸が浅くなったり深くなったりするため、吸気圧が変動する可能性が高い。しかしながら、上述した吸気圧の閾値は、酸素濃縮装置の製造時にメーカーが設定したり、患者が酸素濃縮装置を使用する前の段階で医師やプロバイダが設定したりするものである。このため、酸素濃縮装置の使用時において、患者の日々の体調や心理的要因による吸気圧の変動を考慮しながら、閾値を随時変更することは不可能である。

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、酸素濃縮装置の使用時において、酸素の供給開始条件となる吸気圧の閾値を適切な値に随時設定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、使用者の呼吸における吸気圧が、酸素の供給開始条件となる閾値に到達したか否かを判定する閾値判定手段と、前記閾値判定手段によって吸気圧が前記閾値に到達したと判定された場合に、使用者の呼吸に同期させて前記酸素を供給する制御を行う供給制御手段とを備える酸素濃縮装置であって、使用者の吸気状態を示す吸気パラメータを過去の複数回の呼吸について検知する吸気パラメータ検知手段と、前記吸気パラメータ検知手段によって検知された複数回分の前記吸気パラメータに基づいて、次回以降の呼吸において前記酸素の供給開始条件となる前記閾値を設定する閾値設定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、吸気パラメータ検知手段が、使用者の吸気状態を示す吸気パラメータを過去の複数回の呼吸について検知し、閾値設定手段が、次回以降の呼吸において酸素の供給開始条件となる閾値を、検知された複数回分の吸気パラメータに基づいて設定している。即ち、上記手段１では、酸素濃縮装置の使用時において、使用者の日々の体調や心理的要因などによる吸気状態の変動を考慮しながら、吸気圧の閾値を適切な値に設定することができる。ゆえに、酸素濃縮装置のメーカーや、医師及びプロバイダが、使用者の吸気状態に合わせて吸気圧の閾値を事前に設定しなくても済む。

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、使用者の呼吸における吸気圧が閾値に到達したときにはじめて酸素を供給しているため、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、使用者の呼吸における吸気圧が、酸素の供給開始条件となる閾値に到達したか否かを判定する閾値判定手段と、閾値判定手段によって吸気圧が閾値に到達したと判定された場合に、使用者の呼吸に同期させて酸素を供給する制御を行う供給制御手段とを備える。ここで、酸素を供給する酸素供給管を開状態または閉状態に切り替える酸素供給弁を備える場合、供給制御手段は、閾値判定手段によって吸気圧が閾値に到達したと判定された場合に、酸素供給管を所定時間のあいだ開状態に切り替えることにより、酸素を供給する制御を行うことが好ましい。このようにすれば、吸気圧が閾値に到達したことを契機として酸素供給弁を作動させることにより、酸素を確実に供給することができる。

さらに、上記酸素濃縮装置は、使用者の吸気状態を示す吸気パラメータを過去の複数回の呼吸について検知する吸気パラメータ検知手段を備える。ここで、吸気パラメータ検知手段による吸気パラメータの検知態様は特に限定されないが、例えば、連続した過去の複数回の呼吸について吸気パラメータを検知することや、連続した過去の複数回の呼吸の中から間欠的（具体的にはｎ回おき）に選択した呼吸について吸気パラメータを検知することや、連続した過去の複数回の呼吸の中からランダムに選択した呼吸について吸気パラメータを検知することなどが挙げられる。

また、吸気パラメータ検知手段によって吸気パラメータを検知する呼吸の回数は特に限定される訳ではないが、例えば、３回以上１０回以下であることが好ましい。仮に、吸気パラメータを検知する呼吸の回数が３回未満になると、検知された複数の吸気パラメータの値の中に１つでも突出したものがある場合に、閾値設定手段によって設定される閾値が、使用者の吸気状態からかけ離れたものになる虞がある。一方、吸気パラメータを検知する呼吸の回数が１０回よりも大きくなると、閾値設定手段によって設定される閾値が、現在の呼吸よりもかなり前の呼吸も反映したものとなるため、現在の使用者の吸気状態に合った閾値を設定できない可能性がある。

なお、吸気パラメータ検知手段は、吸気圧、吸気量及び吸気速度のうち、少なくとも１つを吸気パラメータとして検知することが好ましい。このようにすれば、吸気圧、吸気量及び吸気速度のうち少なくとも１つに基づくことにより、使用者の吸気状態に合った閾値を設定することができる。

また、上記酸素濃縮装置は、吸気パラメータ検知手段によって検知された複数回分の吸気パラメータに基づいて、次回以降の呼吸において酸素の供給開始条件となる閾値を設定する閾値設定手段を備える。ここで、閾値を設定するための具体的な手法は、特に限定される訳ではないが、例えば、閾値設定手段は、過去の複数回分の呼吸における吸気パラメータの平均値に基づいて、閾値を設定することが好ましい。このようにすれば、閾値の設定に用いられる吸気パラメータの値が過去の複数回分の呼吸の傾向を示す値となるため、使用者の吸気状態により適合した閾値を得ることができる。さらに、閾値設定手段は、過去の複数回分の呼吸における吸気圧のピーク値に基づいて、平均値を算出することが好ましい。このようにすれば、平均値の算出に用いられる吸気圧（吸気パラメータ）の値を吸気パラメータ検知手段によって検知しやすくなる。

また、閾値設定手段は、平均値に対して定数を乗じることによって得られる値を閾値として設定することが好ましい。このようにすれば、閾値を、吸気パラメータのピーク値に対して比較的低く設定できるため、使用者の呼吸における吸気圧を閾値に素早く到達させることができ、ひいては、酸素供給を素早く開始させることができる。

そして、吸気パラメータ検知手段は、１回の呼吸ごとに吸気パラメータを検知し、閾値設定手段は、１回の呼吸ごとに閾値を設定することが好ましい。このようにすれば、１回の呼吸ごとに閾値を更新することができるため、使用者の吸気状態が変動したとしても、設定される閾値が実際の吸気状態から乖離しにくくなる。

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示す吸気パラメータを過去の複数回の呼吸について検知する第１のステップと、検知された複数回分の前記吸気パラメータに基づいて、次回以降の呼吸において酸素の供給開始条件となる吸気圧の閾値を設定する第２のステップと、吸気圧が前記閾値に到達したか否かを判定する第３のステップと、吸気圧が前記閾値に到達したと判定された場合に、使用者の呼吸に同期させて前記酸素を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、第１のステップにおいて、使用者の吸気状態を示す吸気パラメータを過去の複数回の呼吸について検知し、第２のステップにおいて、次回以降の呼吸において酸素の供給開始条件となる閾値を、検知された複数回分の吸気パラメータに基づいて設定している。即ち、上記手段２では、酸素濃縮装置の使用時において、使用者の日々の体調や心理的要因などによる吸気状態の変動を考慮しながら、吸気圧の閾値を適切な値に設定することができる。ゆえに、酸素濃縮装置のメーカーや、医師及びプロバイダが、使用者の吸気状態に合わせて吸気圧の閾値を事前に設定しなくても済む。

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示す吸気パラメータを過去の複数回の呼吸について検知する第１のステップと、検知された複数回分の前記吸気パラメータに基づいて、次回以降の呼吸において酸素の供給開始条件となる吸気圧の閾値を設定する第２のステップと、吸気圧が前記閾値に到達したか否かを判定する第３のステップと、吸気圧が前記閾値に到達したと判定された場合に、使用者の呼吸に同期させて前記酸素を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、第１のステップにおいて、使用者の吸気状態を示す吸気パラメータを過去の複数回の呼吸について検知し、第２のステップにおいて、次回以降の呼吸において酸素の供給開始条件となる閾値を、検知された複数回分の吸気パラメータに基づいて設定している。即ち、上記手段３では、酸素濃縮装置の使用時において、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、使用者の日々の体調や心理的要因などによる吸気状態の変動を考慮しながら、吸気圧の閾値を適切な値に設定することができる。ゆえに、酸素濃縮装置のメーカーや、医師及びプロバイダが、使用者の吸気状態に合わせて吸気圧の閾値を事前に設定しなくても済む。

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。 使用者の呼吸パターンを示す線図。 １回の呼吸における呼吸パターン及び酸素濃縮空気の供給パターンを示す線図。 閾値が高すぎる場合の問題点を示す線図。

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、吸着剤に殆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、第１管３１及び第２管３２は合流し、酸素を供給する酸素供給管５０となる。酸素供給管５０の終端は、上述したカニューラ接続部１３に接続されている。

そして、図１に示されるように、酸素供給管５０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及び呼吸圧センサ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、酸素供給管５０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、酸素供給管５０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に示される呼吸圧センサ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。呼吸圧センサ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、酸素供給管５０内が負圧になった際に、酸素供給管５０内の圧力（吸気圧）を検知して、吸気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、呼吸圧センサ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窒素は、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の吸気状態を示す吸気パラメータとして、使用者１０の呼吸における吸気圧を検知する。また、図４に示されるように、ＣＰＵ６２は、連続した過去の５回の呼吸、具体的に言うと、Ｐ１（現在から５回前の呼吸）〜Ｐ５（現在から１回前の呼吸）について、吸気圧を検知する。即ち、ＣＰＵ６２は、『吸気パラメータ検知手段』としての機能を有している。具体的に言うと、ＣＰＵ６２は、呼吸圧センサ５５の出力をモニタする。詳述すると、呼吸圧センサ５５は、使用者１０が酸素濃縮空気を吸う吸気期間Ｔ１（図５参照）のみにおいて吸気圧検知信号を出力するため、ＣＰＵ６２には、１回の呼吸ごとに吸気圧検知信号が入力される。そして、ＣＰＵ６２は、吸気圧検知信号が入力される度に、吸気圧検知信号が示す吸気圧のピーク値、本実施形態では、過去の５回分の呼吸における吸気圧のピーク値（図４に示すＰ１_ｍａｘ〜Ｐ５_ｍａｘを参照）をメモリ６３に記憶する。その結果、１回の呼吸ごとに吸気圧が検知されるようになる。

続く第２のステップにおいて、ＣＰＵ６２は、検知された５回分の吸気圧に基づいて、次回の呼吸において酸素の供給開始条件となる吸気圧の閾値を設定する（図４参照）。即ち、ＣＰＵ６２は、『閾値設定手段』としての機能を有している。具体的に言うと、ＣＰＵ６２は、メモリ６３に記憶されている過去の５回分の呼吸における吸気圧のピーク値（Ｐ１_ｍａｘ〜Ｐ５_ｍａｘ）に基づいて、平均値を導出する。そして、ＣＰＵ６２は、導出した平均値に対して定数を乗じることによって得られる値を、閾値として設定（メモリ６３に記憶）する。なお、定数は、例えば０．１以上０．２以下（本実施形態では０．２）に設定される。

また、ＣＰＵ６２は、呼吸が１回終了する度に、連続した過去の５回の呼吸（具体的には、「その呼吸が終了した時点から５回前の呼吸」〜「その呼吸が終了した時点から１回前の呼吸」）について、吸気圧を検知する。そして、ＣＰＵ６２は、検知した過去の５回分の呼吸における吸気圧のピーク値に基づいて平均値を導出し、導出した平均値に対して定数を乗じることによって得られる値を閾値として設定する。

続く第３のステップにおいて、ＣＰＵ６２は、次回の呼吸（図４参照）において、使用者１０の呼吸における吸気圧が閾値に到達したか否かを判定する。即ち、ＣＰＵ６２は、『閾値判定手段』としての機能を有している。具体的に言うと、ＣＰＵ６２は、入力された吸気圧検知信号が示す吸気圧がメモリ６３に記憶されている閾値に達したか否かを判定する。

続く第４のステップにおいて、ＣＰＵ６２は、吸気圧が閾値に到達したと判定された場合に、使用者１０の呼吸に同期させて酸素濃縮空気を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。

ところで、図５に示されるように、使用者１０の１回の呼吸における呼吸期間Ｔ０は、吸気期間Ｔ１と呼気期間Ｔ２とからなる。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、吸気期間Ｔ１は呼吸期間Ｔ０の３分の１を占めており、呼気期間Ｔ２は呼吸期間Ｔ０の３分の２を占めている。よって、呼気期間Ｔ２の長さは吸気期間Ｔ１の長さの２倍の大きさとなる。なお、本実施形態では、呼吸期間Ｔ０が３ｓ（秒）、吸気期間Ｔ１が１ｓ、呼気期間Ｔ２が２ｓとなっている。

さらに、吸気期間Ｔ１は、前半期間ｔ１と後半期間ｔ２とからなる。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は、吸気期間Ｔ１の６０％（呼吸期間Ｔ０の２０％）を占めており、後半期間ｔ２は、吸気期間Ｔ１の４０％（呼吸期間Ｔ０の約１３％）を占めている。よって、本実施形態では、前半期間ｔ１が０．６ｓ（＝６００ｍｓ）、後半期間ｔ２が０．４ｓ（＝４００ｍｓ）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に吸気圧の最高点Ｐ０（即ち、ピーク値（Ｐ１_ｍａｘ〜Ｐ５_ｍａｘ）となる点）が位置している。

以上のことから、第４のステップでは、吸気圧が閾値に到達したと判定された場合に、有効期間である前半期間ｔ１中において、使用者１０に酸素濃縮空気を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出力し、酸素供給管５０を所定時間のあいだ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。なお、本実施形態では、酸素濃縮空気が、所定時間と同じ長さである酸素供給期間ｃ（本実施形態では０．５ｓ程度（＝５００ｍｓ程度））において、常に同じ圧力（本実施形態では７５ｋＰａ）で供給される。

なお、図５に示されるように、酸素濃縮空気は、未到達期間ａ（本実施形態では０．０７ｓ（＝７０ｍｓ））とディレイ期間ｂ（本実施形態では０．０３ｓ（＝３０ｍｓ））とが経過した後、酸素供給期間ｃにおいて供給される。未到達期間ａは、吸気圧が閾値に到達するまでの期間である。ディレイ期間ｂは、ソフトウェアや機械的要因によるディレイの期間であって、吸気圧が閾値に到達してから酸素供給管５０の開状態への切り替えが完了するまでの期間である。本実施形態では、未到達期間ａ、ディレイ期間ｂ及び酸素供給期間ｃの時間の総和が、有効期間である前半期間ｔ１の長さ（６００ｍｓ）以下となっているため、有効な酸素吸入が行われていると言うことができる。

また、吸気期間Ｔ１における圧力曲線８１は、下記の近似式で示すことができる。
近似式 Ｙ＝Ａｓｉｎπｔ
（式中、Ｙ：吸気圧。Ａ：吸気圧のピーク値。ｔ：時間。）
上述したように、吸気圧が閾値に到達するまでの期間である未到達期間ａの長さは０．０７ｓであるため、閾値に到達するときの吸気圧は、Ａｓｉｎ０．０７π≒０．２１８Ａとなる。即ち、閾値に到達するときの吸気圧は、ピーク値の約０．２１８倍となるため、本実施形態では、閾値の算出時においてピーク値の平均値に乗じる定数を、０．２１８以下（具体的には０．２）に設定している。

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が、使用者１０の呼吸における吸気圧を過去の５回の呼吸について検知し、検知された５回分の吸気圧に基づいて、次回の呼吸において酸素の供給開始条件となる閾値を設定している。即ち、本実施形態では、酸素濃縮装置１１の使用時において、使用者１０の日々の体調や心理的要因などによる吸気圧の変動を考慮しながら、吸気圧の閾値を適切な値に設定することができる。ゆえに、酸素濃縮装置１１のメーカーや、医師及びプロバイダが、使用者の吸気状態に合わせて吸気圧の閾値を事前に設定しなくても済む。

（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、使用者１０の呼吸における吸気圧が閾値に到達したときにはじめて酸素濃縮空気を供給するため、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。

（３）例えば、図６に示されるように、吸気圧の閾値が吸気圧のピーク値（最高点Ｐ０での値）に対して比較的高く設定されると、未到達期間ａが長くなってしまう。その結果、未到達期間ａ（例えば１００ｍｓ）、ディレイ期間ｂ（３０ｍｓ）及び酸素供給期間ｃ（５００ｍｓ程度）の時間の総和が前半期間ｔ１の長さ（６００ｍｓ）を上回るため、酸素供給期間ｃ内に、酸素供給が無効となる無効酸素供給期間ｄが生じてしまう。そこで、本実施形態では、５回分の呼吸における吸気圧のピーク値の平均値に対して定数（具体的には０．２）を乗じることによって得られる値を、閾値として設定している。その結果、閾値が、吸気圧のピーク値に対して比較的低く設定されるため、酸素供給を素早く開始させて前半期間ｔ１内に終了させることができ、酸素濃縮空気の無駄をなくすことができる。

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態のＣＰＵ６２は、吸気圧を過去の５回の呼吸について検知していた。しかし、ＣＰＵ６２は、吸気圧を過去の複数回の呼吸について検知するのであれば、過去の６回以上の呼吸について検知してもよいし、過去の４回以下の呼吸について検知してもよい。

・上記実施形態のＣＰＵ６２は、連続した過去の複数回（５回）の呼吸、具体的に言うと、Ｐ１〜Ｐ５の呼吸（図４参照）について、吸気圧を検知していた。しかし、ＣＰＵ６２は、連続した過去の複数回の呼吸の中から間欠的に選択した呼吸、例えば、Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５の呼吸（図４参照）について、吸気圧を検知してもよい。また、ＣＰＵ６２は、連続した過去の複数回の呼吸の中からランダムに選択した呼吸、例えば、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ５の呼吸（図４参照）について、吸気圧を検知してもよい。

・上記実施形態では、ＣＰＵ６２が、使用者１０の呼吸における吸気圧を、閾値の設定に用いられる吸気パラメータとして検知していた。しかし、ＣＰＵ６２は、使用者１０の呼吸における吸気量を吸気パラメータとして検知してもよいし、使用者１０の呼吸における吸気速度を吸気パラメータとして検知してもよい。また、ＣＰＵ６２は、吸気圧及び吸気量の両方を吸気パラメータとして検知してもよいし、吸気量及び吸気速度の両方を吸気パラメータとして検知してもよいし、吸気速度及び吸気圧の両方を吸気パラメータとして検知してもよい。さらに、ＣＰＵ６２は、吸気圧、吸気量及び吸気速度の全てを吸気パラメータとして検知してもよい。なお、吸気量は、吸気期間Ｔ１において圧力曲線８１と線図（図５参照）の時間軸Ｌ１（横軸）とによって囲まれる領域の面積に対し、係数を乗じることにより、得ることができる。また、吸気速度は、前半期間ｔ１における圧力曲線８１（右上がりの線）の傾きを算出することにより、得ることができる。

・上記実施形態では、ＣＰＵ６２が、吸気圧センサ５５から出力される吸気圧検知信号をモニタし、吸気圧検知信号が示す吸気圧のピーク値を検出してメモリ６３に記憶するようになっていた。しかし、ＣＰＵ６２とは別にデジタルフィルタを設け、吸気圧検知信号をデジタルフィルタで処理することにより、吸気圧検知信号が示す吸気圧のピーク値を抽出するようにしてもよい。

・上記実施形態のＣＰＵ６２は、次回のみの呼吸において酸素の供給開始条件となる吸気圧の閾値を設定していたが、次回以降の呼吸において酸素の供給開始条件となる吸気圧の閾値を設定してもよい。具体的に言うと、ＣＰＵ６２は、次回の呼吸から所定回の呼吸までの間に用いられる閾値を設定してもよいし、次回以降の全ての呼吸に用いられる閾値を設定してもよい。

・上記実施形態のＣＰＵ６２は、過去の複数回分（５回分）の呼吸における吸気パラメータ（吸気圧）の平均値に基づいて、閾値を設定していた。しかし、ＣＰＵ６２は、過去の複数回分の呼吸における吸気パラメータの最大値や最小値に基づいて、閾値を設定してもよい。さらに、最大値や最小値に基づいて閾値を設定する場合、ＣＰＵ６２は、複数の吸気パラメータの中から突出したものを省く処理（例えば、吸気パラメータの値が所定値以上または所定値以下になるものを無視する処理など）を行ってもよい。

・上記実施形態のＣＰＵ６２は、過去の複数回分（５回分）の呼吸における呼吸圧のピーク値に基づいて平均値を導出していたが、ピーク値とは別の値に基づいて平均値を導出してもよい。例えば、吸気期間Ｔ１が開始されてから所定時間が経過した時点での吸気圧の値に基づいて、平均値を導出してもよい。

・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であったが、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、前記閾値設定手段は、過去の複数回分の呼吸における前記吸気パラメータの平均値に対して定数を乗じることによって得られる値を、前記閾値として設定するものであり、前記定数は０．１以上０．２以下であ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、１回の呼吸における吸気期間は、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からなり、前記供給制御手段は、前記前半期間中において前記酸素を供給する制御を行うことを特徴とする酸素濃縮装置。

（３）技術的思想（２）において、前記前半期間は、前記吸気期間の６０％を占めることを特徴とする酸素濃縮装置。

（４）技術的思想（２）または（３）において、前記前半期間は、１回の呼吸における呼吸期間の２０％を占め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
５０…酸素供給管
５２…酸素供給弁
６１…コンピュータ
６２…閾値判定手段、供給制御手段、吸気パラメータ検知手段及び閾値設定手段としてのＣＰＵ

Claims (10)

1. 使用者の呼吸における吸気圧が、酸素の供給開始条件となる閾値に到達したか否かを判定する閾値判定手段と、前記閾値判定手段によって吸気圧が前記閾値に到達したと判定された場合に、使用者の呼吸に同期させて前記酸素を供給する制御を行う供給制御手段とを備える酸素濃縮装置であって、
   使用者の吸気状態を示す吸気パラメータを過去の複数回の呼吸について検知する吸気パラメータ検知手段と、
   前記吸気パラメータ検知手段によって検知された複数回分の前記吸気パラメータに基づいて、次回以降の呼吸において前記酸素の供給開始条件となる前記閾値を設定する閾値設定手段と
   を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。
2. 前記吸気パラメータ検知手段は、吸気圧、吸気量及び吸気速度のうち、少なくとも１つを前記吸気パラメータ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. 前記閾値設定手段は、過去の複数回分の呼吸における前記吸気パラメータの平均値に基づいて、前記閾値を設定す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. 前記閾値設定手段は、過去の複数回分の呼吸における吸気圧のピーク値に基づいて、前記平均値を導出することを特徴とする請求項３に記載の酸素濃縮装置。
5. 前記閾値設定手段は、前記平均値に対して定数を乗じることによって得られる値を前記閾値として設定する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. 前記吸気パラメータ検知手段は、１回の呼吸ごとに前記吸気パラメータを検知し、前記閾値設定手段は、１回の呼吸ごとに前記閾値を設定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
7. 前記酸素を供給する酸素供給管を開状態または閉状態に切り替える酸素供給弁を備え、
   前記供給制御手段は、前記閾値判定手段によって吸気圧が前記閾値に到達したと判定された場合に、前記酸素供給管を所定時間のあいだ前記開状態に切り替えることにより、前記酸素を供給する制御を行う
   ことを特徴とする請求項１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示す吸気パラメータを過去の複数回の呼吸について検知する第１のステップと、
   検知された複数回分の前記吸気パラメータに基づいて、次回以降の呼吸において酸素の供給開始条件となる吸気圧の閾値を設定する第２のステップと、
   吸気圧が前記閾値に到達したか否かを判定する第３のステップと、
   吸気圧が前記閾値に到達したと判定された場合に、使用者の呼吸に同期させて前記酸素を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示す吸気パラメータを過去の複数回の呼吸について検知する第１のステップと、
    検知された複数回分の前記吸気パラメータに基づいて、次回以降の呼吸において酸素の供給開始条件となる吸気圧の閾値を設定する第２のステップと、
    吸気圧が前記閾値に到達したか否かを判定する第３のステップと、
    吸気圧が前記閾値に到達したと判定された場合に、使用者の呼吸に同期させて前記酸素を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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