JP2022085126A

JP2022085126A - 呼吸数測定装置

Info

Publication number: JP2022085126A
Application number: JP2020196633A
Authority: JP
Inventors: 弥栄子渥美; Yaeko Atsumi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2022-06-08

Abstract

【課題】比較的小規模の医院や個人での使用に適した、安価で提供できる呼吸数測定装置を提供する。【解決手段】被験者１に装着させる医療用マスク２０と、被験者が装着した医療用マスクの内部空間２５にその一端３１が気通すると共にその他端３２が大気に気通するように医療用マスクに連結されるチューブ３０と、チューブを通る被験者の呼気および吸気に応じて回転する回転体４３と、回転体の所定単位時間当たりの回転数を計測する回転数計測手段５０とを備えた呼吸数測定装置１０である。回転数計測手段は、回転体に設けられる特定の部分、たとえば回転体に設けられる複数の羽根４２の間に形成される領域のうちの一つを閉塞する遮蔽板４６の通過／非通過による受光量の変化を検知する透過型フォトマイクロセンサ６０を含むものとすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、被験者に装着させたマスクを用いた簡単な構成で被験者の呼吸数を簡便に測定することができる装置に関する。

呼吸数は、医療や介護などの分野において人の健康状態ないし疾病状態を把握するためのバイタルサインとして、血圧、心拍数、体温などと共に重要なチェック項目であり、目視観察によるほか、下記特許文献１に開示される装置やカプノグラフィと呼ばれる装置などを用いて測定されている。

特開２０１８－１２６５１１号公報

しかしながら、目視観察では正確性および客観性に欠ける。装置を用いた測定は正確性および客観性に優れているが、従来の装置は複雑且つ高価であり、その取扱いにも熟練を要するため、比較的小規模の医院や個人では導入が困難であった。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、比較的小規模の医院や個人での使用に適した、安価に製作可能な呼吸数測定装置を提供することである。

この課題を解決するため、本願の請求項１に係る発明は、被験者に装着させる医療用マスクと、被験者が装着した医療用マスクの内部空間にその一端が気通すると共にその他端が大気に気通するように医療用マスクに連結されるチューブと、チューブを通る被験者の呼気および吸気に応じて回転する回転体と、回転体の所定単位時間当たりの回転数を計測する回転数計測手段と、を備えてなることを特徴とする呼吸数測定装置である。

本願の請求項２に係る発明は、請求項１記載の呼吸数測定装置において、回転数計測手段は、回転体の一方側に設けた発光部からの光が回転体を通過して受光部で受光されるか否かを検知する透過型フォトマイクロセンサ、または、回転体の一方側に設けた発光部からの光が回転体で反射して受光部で受光されるか否かを検知する反射型フォトマイクロセンサを含むことを特徴とする。

本願の請求項３に係る発明は、請求項２記載の呼吸数測定装置において、回転数計測手段は、透過型フォトマイクロセンサまたは反射型フォトマイクロセンサからの検知信号を受けて、回転体の所定単位時間ごとに変化する回転数の増減における極小または極大のピークを把握し、該ピークの出現回数に基づいて呼吸数を演算する演算部を含むことを特徴とする。

本願の請求項４に係る発明は、請求項２または３記載の呼吸数測定装置において、さらに、チューブを通る空気の流れ方向を検知する方向検知手段を有することを特徴とする

本発明に係る呼吸数測定装置は、医療用マスクとチューブと回転体と回転数計測手段とを備えてなる簡単な構成を有し、各部材は安価かつ容易に入手可能であり、また、熟練を要することなく簡単に使用することができるものでありながら、呼吸数および呼吸状態を正確に測定することができる効果がある。しがたって、比較的小規模の医院や個人でも導入が容易であり、病状が悪化した場合などにも迅速に対応することができる効果がある。

さらに、本発明によれば、一定の年齢幅に属する健常者の呼吸状態をビッグデータとして集積して呼吸状態の平均分布をあらかじめ取得しておき、その平均分布と個々の被験者の呼吸状態との格差を把握することも可能になる。

本発明の一実施形態（実施例１）による呼吸数測定装置の構成を示す概略図である。この呼吸数測定装置に用いる医療用マスクを示す斜視図である。この呼吸数測定装置に用いるフローモニターを示す斜視図である。この呼吸数測定装置に用いるフローモニターと透過型フォトマイクロセンサの位置関係を示す断面図である。この呼吸数測定装置を用いた一試験モデル例における単位時間ごとの回転数変化を示すグラフである。横軸は測定開始からの時間経過を示し、縦軸はフローモニターの回転体の回転数を示す。

本発明の一実施形態による呼吸数測定装置について添付図面を参照して詳細に説明する。この実施形態による呼吸数測定装置１０は、図１に概略構成図として示されるように、医療用マスク（以下、単に「マスク」という。）２０と、一端３１でマスク２０に連結されるチューブ３０と、チューブ３０の他端に接続されるフローモニター４０と、回転数計測手段５０とを備える。

図１と共に図２を参照して、マスク２０は、被験者１の呼吸に関わる部分である鼻孔２と口３とを完全に含む領域、たとえば被験者１の顔の鼻の上から顎３にかけての領域を実質的に密閉状態で覆う三次元形状を有するように成形されたマスク本体２１と、マスク本体２１を装着するためのゴム紐２２とを有する。マスク本体２１は、透明または半透明の軟質材料で所定の三次元形状に成形されたものであることが好ましく、たとえばポリカーボネートなどの軟質プラスチック材料を用いることができる。ゴム紐２２は、被験者１に対して過度の締め付けや緩みを生じさせることなくマスク本体１１を安定した状態で装着させるためのものであり、任意に長さ調節手段を設けることができる。

マスク本体２１には、装着時に被験者１の鼻孔２の直下となる位置に下向きの開口２３を有する連結スリーブ２４が形成されており、この連結スリーブ２４にチューブ３０の一端３１が連結される。したがって、チューブ３０の一端３１は、被験者１がマスク２０を装着したときに該装着領域においてマスク本体２１と被験者１の顔との間に実質的な閉塞空間として形成される内部空間２５に気通している。チューブ３０は可撓性を有する軟質プラスチック材料などで形成され、その他端３２にフローモニター４０が接続されている。

図１と共に図３を参照して、フローモニター４０は、回転軸４１を中心として回転する複数枚（図示実施形態では６枚）の羽根４２を有する回転体４３と、回転体４３を収容する円筒状のケース４４と、両端が開口されると共に略中間部において回転体４３の回転領域に部分的に入り込むようにケース４４に連通する気通路４５とを備える。回転体４３において、羽根４２間に形成される６つの領域のうちの一つは遮蔽板４６（明りょう化のために図３ではハッチングを入れて示されている）によって閉塞されており、他の５つの領域は開放されている。このようなフローモニター４０は公知であって一般に市販されており、容易且つ安価に入手可能である。

回転数計測手段５０は、フローモニター４０に隣接して設けられる透過型フォトマイクロセンサ６０と、カウンター７０と、演算部８０と、ディスプレイ９０とを有する。さらに図４を参照して、透過型フォトマイクロセンサ６０は、フローモニター４０の透明ケース４４を両側から包囲するような断面略コ字形に形成され、その一方がＬＥＤなどの発光素子（図示せず）が設けられる発光部６１となり、他方が発光素子から常時出される光を受光可能なフォトトランジスタなどの受光素子（図示せず）が設けられる受光部６２となる。このような透過型フォトマイクロセンサ５０は公知であって一般に市販されており、容易且つ安価に入手可能である。

カウンター７０は、透過型フォトマイクロセンサ６０の受光素子からの信号を受けて、フローモニター４０の回転体４３の所定単位時間当たりの回転数を計測する。演算部８０は、カウンター７０で計測された所定単位時間当たりの回転数に基づいて呼吸数（たとえば呼吸数／分）を演算し、その結果をディスプレイ９０に表示する。公知のように、透過型フォトマイクロセンサ６０の発光部６１の発光素子からの光が受光部６２に入光したときの電流（光電流）と遮光されたときの電流（暗電流）との間には有意差があるので、これを抵抗を介して電圧差として捉えることによって回転体４３の所定単位時間当たりの回転数を計測することができる。

上記のように構成された呼吸数測定装置１０の用法ないし作用について説明する。まず、マスク２０のマスク本体２１をゴム紐２２により被験者１の顔にしっかりフィットした状態に装着させる。これにより、マスク本体２１と被験者１の顔との間には実質的に密閉された（開口２３のみで開口する）内部空間２５が形成される。被験者１が鼻孔２または口３を介して呼吸したときの呼気は連結スリーブ２４の開口２３を介してチューブ３０に送出され、吸気はチューブ３０から開口２３および内部空間２５を経て被験者１の鼻孔２または口３から吸入される。

呼気ＥＸは、チューブ４０を通ってフローモニター４０の気通路４５に入り込んでその先端から大気に向けて排出されるが、気通路４５を通過する間に回転体４３の回転領域に入り込むので、その流量および流速に応じて羽根４２が一方向（図１において時計回り）に回転する。吸気ＩＮは、フローモニター４０の気通路４５の先端から大気を吸入してチューブ４０を通って内部空間２５に送り込まれていくが、同様に、気通路４５を通過する間に回転体４３の回転領域に入り込むので、その流量および流速に応じて羽根４２が反対方向（図１において反時計回り）に回転する。

このように、呼気ＥＸと吸気ＩＮとでは、フローモニター４０の気通路４５を通過するときの流れ方向が反対になるので、羽根４２の回転方向も反対になるが、呼気ＥＸまたは吸気ＩＮが気通路４５を通過すれば羽根４２が回転し、一回転する間に一回だけ遮蔽板によって透過型フォトマイクロセンサ６０の受光素子から暗電流が出力されるので、カウンター７０で所定単位時間当たりの回転数を計測することができる。

このようにして計測した呼吸数計測データの模式的な一例を図５に示す。健常者の場合、一般に、吸気（吸息運動）の際は比較的緩やかな速度で比較的長い時間に亘ってほぼ一定の速度で息を吸い続け、息を吸い終わってから若干の間は息を止めた状態となり、その後の呼気（呼息運動）の際はごく短時間の間に一気に息を吐いた後しばらくの間は比較的緩やかな速度で息を吐き続けた後、若干の間息を止めた状態となり、これを一連の呼吸サイクルとして繰り返すことが多い。

図５は、測定開始からの単位時間（１秒）ごとの回転体４３の回転数を示している。この例では、測定開始から２秒間の間（ｔ＝０～２）に一定の速度（回転数＝６）で息を吸い続けて吸息運動を終え、その後の１秒間（ｔ＝２～３）は息を止めた（回転数＝０）後、その後の１秒間（ｔ＝３～４）で一気に息を吐き出し（回転数＝１１）、さらにその後の１秒間（ｔ＝４～５）で緩やかに息を吐き続けて（回転数＝１）呼息運動を終え、その後の１秒間（ｔ＝５～６）は息を止めた（回転数＝０）後、再び吸息運動を開始している。すなわち、この例では、６秒間で一回の呼吸サイクルを完了し、これを１０回繰り返したときに１分が経過するので、この例による呼吸数は毎分１０回である。なお、上記したように、吸気時と呼気時とでは回転体４３（羽根４２）の回転方向が反対になるが、カウンター７０では回転方向を問わずに遮蔽板４６による遮光状態を検知するので、図５のグラフにおいて回転方向は反映されない。

図５のグラフから明らかなように、吸気時と呼気時とでは単位時間（この例では１秒）当たりの回転数が異なるものの、その切替わりのタイミングでは必ず回転数＝０またはそれに近い極小値のピークが１回の呼吸について２回現れるので、演算部８０は、カウンター７０による計測結果（単位時間ごとに変化する回転数）を示す検知信号に基づいて呼吸数を演算することができる。この例では６秒間に回転数＝０が２回（ｔ＝２～３とｔ＝５～６）現れているので、６秒間に１回呼吸していることになり、呼吸数／分＝１０回となる。この演算結果は、呼吸数測定装置１０の任意の場所、たとえばチューブ３０の先端３２近くの部分からフローモニター４０および回転数計測手段５０を収容するハウジング（図示せず）の外面から視認可能な箇所に設置したディスプレイ９０に表示させることができる。

図５に示した例は模式的・典型的・仮想的なものであり、実際の呼吸測定においては、呼気／吸気の切替わりタイミング（回転数＝０となるとき）が必ずしも一つの単位時間内に現れるとは限らず、複数の単位時間に跨って現れることもあるが、その場合であっても、その前後の単位時間に計測された回転数と比較することによって回転数増減の底（谷）である（＝極小値ピーク）として認識することができるので、演算部８０で呼吸数を演算することが可能である。

演算部８０における回転数測定のアルゴリズムとして、上記では回転数＝０またはそれに近い極小値のピークを把握し、その出現回数に基づいて呼吸数を演算するものとして説明したが、反対に、回転数が極大となるピークを把握してその出現回数に基づいて呼吸数を演算するアルゴリズムを採用しても良い。たとえば、図５の例で言えば、ｔ＝３～４で呼気時の最大の回転数が現れ、それよりは少ないもののｔ＝０～２で吸気時の最大の回転数が現れるので、これら２つの極大値のピークを把握して１回の呼吸が行われたと判定することができる。複数の単位時間に跨って極大値ピークが現れる場合も、上記した極小値ピーク基準の演算アルゴリズムの場合と同様に、その前後の単位時間に計測された回転数と比較することによって回転数増減の山（＝極大値ピーク）を認識することができるので、呼吸数を演算することが可能である。

本発明は、既述および図示した実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において多種多様に変更ないし変形して実施可能である。たとえば、上記実施例では、回転体１３を挟んで発光部６１と受光部６２を対向配置し、発光部６１からの光の通過／非通過を検知する透過型フォトマイクロセンサ６０が用いられているが、これに代えて、回転体１３の同じ側に発光部と受光部を配置して、発光部からの光の反射／通過を検知する反射型フォトマイクロセンサを用いても良い。また、回転体１３の回転数を計測できるものであれば、いかなる種類のセンサも使用可能である。

また、上記実施例では、吸気と呼気とを区別せずに回転数（呼吸数）のみを計測することにしているが、さらに、チューブ３０（気通路４５）を通る空気の流れ方向を検知する方向検知手段を、回転数測定手段５０とは別個に設け、または、回転数測定手段５０に内蔵させても良い。呼気と吸気とではチューブ３０（気通路４５）を通る空気の流れ方向が反対になるので、この方向を検知することにより、呼気と吸気のそれぞれにおける呼吸数を測定することができ、被験者の呼吸状態をより的確に把握することができる。

１被験者
２被験者の鼻孔
３被験者の口
１０回転数計測装置
２０医療用マスク
２１マスク本体
２２ゴム紐
２３開口
２４連結スリーブ
２５内部空間
３０チューブ
３１連結スリーブとの連結端
３２フローモニターとの連結端
４０フローモニター
４１回転軸
４２羽根
４３回転体
４４ケース
４５気通路
４６遮蔽板
５０回転数計測手段
６０フォトマイクロセンサ
６１発光部
６２受光部
７０カウンター
８０演算部
９０ディスプレイ

Claims

被験者に装着させる医療用マスクと、被験者が装着した医療用マスクの内部空間にその一端が気通すると共にその他端が大気に気通するように医療用マスクに連結されるチューブと、チューブを通る被験者の呼気および吸気に応じて回転する回転体と、回転体の所定単位時間当たりの回転数を計測する回転数計測手段と、を備えてなることを特徴とする呼吸数測定装置。
回転数計測手段は、回転体の一方側に設けた発光部からの光が回転体を通過して受光部で受光されるか否かを検知する透過型フォトマイクロセンサ、または、回転体の一方側に設けた発光部からの光が回転体で反射して受光部で受光されるか否かを検知する反射型フォトマイクロセンサを含むことを特徴とする、請求項１記載の呼吸数測定装置。
回転数計測手段は、透過型フォトマイクロセンサまたは反射型フォトマイクロセンサからの検知信号を受けて、回転体の所定単位時間ごとに変化する回転数の増減における極小または極大のピークを把握し、該ピークの出現回数に基づいて呼吸数を演算する演算部を含むことを特徴とする、請求項２記載の呼吸数測定装置。
さらに、チューブを通る空気の流れ方向を検知する方向検知手段を含むことを特徴とする、請求項２または３記載の呼吸数測定装置。