JP2798256B2 - 人工呼吸器における呼吸振動発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高周波の呼吸振動を与えるための人工呼吸
器における呼吸振動発生装置に関するものである。

（従来技術） 人工呼吸器においては、その呼吸サイクルが、健康人
と同じような周期すなわち毎分15〜20回程度とされるの
が一般的である。

一方、最近では、臨床学的に、呼吸サイクルを、10〜
30HZすなわち毎秒10〜30回程度というように極めて早く
行なうことが、ある種の肺疾患に極めて効果的であるこ
とが実証されるようになった。

このような早い呼吸サイクルを得るため、人工呼吸器
における呼吸振動発生装置というものが開発され、本出
願人により既に実用化されている。このものは、モータ
によりピストンを往復動させて、このピストンの往復動
により生じる圧力振動を、人工呼吸器の呼吸系路に与え
るものとなっている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来のピストンを利用したものにあっ
ては、往復動による慣性が極めて大きくなるため、十分
な呼吸容量を得ることができなかった。この点を詳述す
ると、呼吸容量が大きくなるということは、これを振動
させるのに必要な仕事量が大きくなることである。この
仕事量を大きくするには、ピストンが１往復するときの
容積変化量を大きくする必要が有り、これにはピストン
の断面積あるいはストロークを大きくする必要がある。
しかしながら、ピストンの断面積あるいはストローク
を、大人用として要求される呼吸容量に見合った分だけ
大きくすることは、ピストンの慣性が極めて大きくなっ
て、不可能である。

このため、現状では、肺の容量が小さい幼児あるいは
子供用として用いられているのみであり、肺の容量が大
きくなる大人に対しても適用し得るものの実用化が強く
望まれている。

したがって、本発明の目的は、呼吸容量の大小に対応
し得るようにした人工呼吸器における呼吸振動発生装置
を提供することにある。

（問題点を解決するための手段、作用） 前述の目的を達成するため、本発明にあっては、次の
ような構成としてある。すなわち、 人工呼吸器の呼吸系路に接続され、高周波の呼吸振動
を与えるための人工呼吸器における呼吸振動発生装置に
おいて、 圧力発生源としてのブロアと、 前記ブロアと前記呼吸系路との間に接続され、該呼吸
系路を該ブロアの吐出口と吸込口とに対して交互に連通
させるロータリ式の切換バルブと、 前記切換バルブと前記呼吸系路との間に接続された開
度調整バルブと、 を備えた構成としてある。

上述のように構成された本発明にあっては、基本的
に、圧力発生源としてブロアすなわち回転により圧力を
発生する圧力発生機械を用いてあるため、往復動に伴う
慣性による制約を受けることなく、十分な容量すなわち
呼吸系路に対する大きな仕事量を確保し得ることにな
る。勿論、ブロアとしては、遠心式、軸流式等適宜の形
式のものを採択し得る。

また、このブロアの運転により生じる吐出口での陽圧
と吸込口での陰圧とが、切換バルブによって呼吸系路に
交互に与えられ、この陽圧と陰圧との交互の作用が呼吸
振動となる。そして、切換バルブをロータリ式としてあ
るため、10〜30HZというような高周波の呼吸振動を生じ
させるような高回転の運転においても、長期の使用に十
分耐え得るものとなる。すなわち、切換バルブの１回転
当りに陽圧供給と陰圧供給とが１回だけ切換えられる場
合を考えてみると、30HZの呼吸振動を得るには切換バル
ブは毎秒30回（毎分1800回）回転すればよく、この程度
の回転数はロータリバルブの場合は通常の許容回転数の
範囲に十分入るものである。

ちなみに、電磁式のオン、オフバルブによって切換え
を行なう場合は、少なくとも現状では、耐久性の点にお
いて事実上使用不可能である。

更に、上記構成によれば、切換バルブと呼吸系路との
間に接続された開度調整バルブの弁開度を調整すること
により、呼吸系路に与えられる呼吸振動数の振幅の大き
さを調整することができるので、呼吸容量を容易に可変
することができる。したがって、大きな呼吸容量を必要
とする大人等から小さな呼吸容量の子供等まで広範囲に
適用可能な呼吸振動発生装置とすることができる。

（実施例） 以下本発明の実施例を添付した図面に基づいて説明す
る。

第１図において、人工呼吸器の呼吸系路Ａは、共通回
路１と吸気回路２と呼気回路３とを含む。共通回路１の
一端は患者の口元に気密に接続され、この共通回路１の
他端側に対して吸気回路２と呼気回路３とが連なる。吸
気回路２は、患者へ供給する清浄エアを貯留したエアタ
ンク４に連なり、その途中には既知のエアフローメータ
５および加湿器６が接続されている。呼気回路３は大気
に解放されており、その解放度合が、電磁式の開度調整
バルブ７によって調整される。

上記呼吸系路Ａには、高周波呼吸振動発生装置Ｂが接
続されている。高周波呼吸振動発生装置Ｂは、基本的
に、圧力発生源としてのブロア11と、ロータリ式の切換
バルブ12と、を備えている。そして、ブロア11の吐出口
11aで発生される陽圧と吸込口11bで発生される陰圧と
が、切換バルブ12によって振動回路13に交互に与えられ
る。この振動回路13は、前記各回路１、２、３の各接続
部分付近において呼吸系路Ａに接続されており、これに
より呼吸系路Ａすなわち患者の肺Ｈは、振動回路13での
振動数に応じた呼吸数で、強制的に呼吸される。なお、
第１図中14はブロア11駆動用のモータ、15は切換バルブ
12駆動用のモータである。

切換バルブ12は、例えば第２図〜第４図に示すように
構成される。先ず、切換バルブ12のケース21が、両端が
解放された円筒状の連通空間Ｘを有する本体ケース部21
Aと、上記本体ケース部21Aの各端部を閉塞する左右一対
のフランジケース部21B、21Cと、本体ケース部21A上に
位置する上ケース21Dとによって構成され、これ等各ケ
ース部はねじ22によって一体化されている。このような
ケース21には、それぞれ本体ケース部21A内の連通空間
Ｘに開口するように、陽圧ポートP1、陰圧ポートP2、与
圧ポートP3および大気解放ポートP4が形成されている。
陽圧ポートP1はブロア11の吐出口11aに連なり、陰圧ポ
ートP2はブロア11の吸込口11bに連なり、与圧ポートP3
は振動回路13に連なるものである。

各ポートの配置関係は、陽圧ポートP1と陰圧ポートP2
とが切換バルブ12（後述する回転軸23）の軸心方向各端
部に位置され、与圧ポートP3と大気解放ポートP4とがポ
ートP1およびP2の間に位置されている。また、陽圧ポー
トP1と陰圧ポートP2と大気解放ポートP4とはそれぞれケ
ース21の上壁に形成される一方、与圧ポートP3のみがケ
ース21の底壁に形成されている。

上記左右一対のフランジケース部21Bと21Cとには、回
転軸23が回転自在に支持され、この回転軸23にはこれと
一体回転するように、ピン24によって回転子25が固定さ
れている。この回転子25は、陽圧ポートP1と陰圧ポート
P2とを画成するように断面円形とされた隔壁部25aを有
する。より具体的には、ケース21内の連通空間Ｘが、陰
圧ポートP2が常時連通した左側の第１分割空間X1と、陽
圧ポートP1が常時連通した右側の第２分割空間X2とに画
成される。

回転子25は、また、それぞれ上記隔壁部25aの外周縁
部より延設されて、回転軸23の軸方向に互いに離間する
ように伸びる左右一対の弁体部25b、25cを有する。この
一対の弁体部は、第３図、第４図に示すように、それぞ
れ回転軸23の周方向に略180度伸びる円弧状として形成
され、互いの位相関係は180度づれた関係となってい
る。すなわち一対の弁体部25bと25cとは、回転軸23の中
心を中心として対称形状となるように設定されている。

上述のように構成された切換バルブ12は、回転軸23す
なわち回転子25の回転に応じて、陽圧ポートP1が与圧ポ
ートP3と大気解放ポートP4とに対して交互に連通される
一方、陰圧ポートP2も与圧ポートP3と大気解放ポートP4
とに対して交互に連通される。すなわち、陽圧ポートP1
は、第２図に示すように弁体部25cによって与圧ポートP
3が閉じられたときに大気解放ポートP4に連通され、逆
に弁体部25cによって大気解放ポートP4が閉じられたと
きに与圧ポートP3と連通される。同様に、陰圧ポートP2
は、弁体部25bによって与圧ポートP3が閉じられたとき
に大気解放ポートP4と連通され、逆に第２図に示すよう
に弁体部25bによって大気解放ポートP4が閉じられたと
きに与圧ポートP3と連通される。そして、両弁体部25b
と25cとの上述した位相関係の設定により、与圧ポートP
3（大気解放ポートP4）は、陽圧ポートP1と陰圧ポートP
2とに対して交互に連通されることになる。したがっ
て、与圧ポートP3に生じる圧力変化の様子は、第６図に
示すように振動を生じたものとなり、その振動数は５〜
40HZ程度の範囲、好ましくは10〜30HZとされる。

前記振動回路13には、切換バルブ12側より順次、電動
式若しくは電磁式の開度調整バルブ31、規制手段32が接
続されている。

開度調整バルブ31は、切換バルブ12の与圧ポートP3か
ら規制手段32を経て呼吸系路Ａに与えられる呼吸振動
（圧力振動）の振動の大きさを調整するためのものであ
る。開度調整バルブ31としては、圧力伝達経路の弁開度
を調整可能なものであればよいので、既知の各種形式の
バルブを用いることができる。この開度調整バルブ31の
弁開度調整により、呼吸系路に与えられる呼吸振動の振
動数や平均圧力値を変動させることなく振幅の大きさの
みを調整することができる。したがって、この開度調整
バルブ31の調整によって呼吸容量のみを大小可変とする
ことができる。

規制手段32は、第５図に示すように、所定容量のケー
ス33と、該ケース33内に配置されて気密性を十分に有す
る可動隔膜34とから構成されてる。ケース33の容量は、
所定容量以上の陽圧あるいは陰圧が呼吸系路Ａに作用す
るのを防止すると共に、可動隔膜34の必要以上の膨張を
防止するためのものである。また、可動隔膜34は、呼吸
系路Ａ内の空気と高周波振動発生装置Ｂからの空気との
直接の接触を避けるためのもので、極力薄く（軽く）な
るように袋状にケース33内に伸びるように配置されてい
る。より具体的には、ケース33を、本体ケース部33Aと
蓋ケース部33Bとの分割構成として、両ケース部33Aと33
Bとの間に可動隔膜34の開口端縁部を挟んだ状態で、該
両者33Aと33Bとをねじ35によって固定してある。そし
て、このような規制手段32は、患者毎に使い捨て用とす
るため、振動回路13に対して着脱自在とされ、このため
ケース33の各端部には、着脱用のねじ溝33aが形成され
ている。

再び第１図において、Ｕはマイクロコンピュータを利
用して構成された制御ユニットである。この制御ユニッ
トＵには、各センサ41、42、43からの信号およびスイッ
チ44、45、46からの信号が入力される。センサ41は、共
通回路１に接続されて患者の実際の呼吸量を計測する流
量センサである。センサ42、43は、ブロア11駆動用のモ
ータ14あるいは切換バルブ12駆動用のモータ15の回転状
態を検出する回転センサである。スイッチ44は、呼吸系
路Ａに与える呼吸数（10〜30HZ）をセットするものであ
る。スイッチ45は、呼吸系路Ａに与える高周波振動の平
均圧力の大きさ（大気圧から大気圧より若干大きい範囲
で無段階に設定）をセットするものである。スイッチ46
は、患者への呼吸容量をセットするものである。また制
御ユニットＵからは、上記モータ14、15（の駆動回路）
に対して出力される他、前記電磁式のバルブ７、可変絞
り31およびランプ、ブザー等からなる警報器47へ出力さ
れる。

次に、上記制御ユニットＵの制御内容について、第７
図に示すフローチャートを参照しつつ説明する。なお、
以下の説明でＳはステップを示す。

先ず、図示を略す起動スイッチのオンと共にスタート
されて、S1においてシステム全体のイニシャライズがな
される。次いで、S2において切換バルブ12（用のモータ
15）が起動され、引続きS3においてブロア11（用のモー
タ14）の起動が行なわれる。このように、切換バルブ12
の起動をブロア11の起動に先立って行なうことにより、
一時的に陽圧あるいは陰圧のみが呼吸系路Ａに作用する
ことが防止される。したがって、このような事態をより
確実に防止するため、S2の処理後所定時間（例えば２
秒）経過した後S3の処理を開始させるようにしてもよ
い。

S3の後はS4において、各センサあるいはスイッチから
の信号が読込まれる。この後、センサ42、43の出力状態
より、ブロア11および切換バルブ12が間違いなく回転さ
れていることを確認した後（S4およびS5での判別が共に
YES）、スイッチ44〜46のセット状態に応じた値となる
ように、S7〜S9での各制御が行なわれる。すなわち、S7
での切換バルブ12の回転数制御（スイッチ44に対応で、
呼吸数の制御）と、S8でのバルブ７の開度制御（スイッ
チ45に対応で平均圧力の制御）と、S9での開度調整バル
ブ31の制御（スイッチ46に対応で、呼吸容量の制御−第
６図の振幅の大きさの制御）とがなされる。

S9の後、S10において、図示を略す停止スイッチがオ
ンされたか否かが判別され、この判別でNOのときはS4以
降の処理が繰返し行なわれる。このS10の判別でYESのと
きは、S11において先ずブロア11が停止された後、引続
きS12で切換バルブ12が停止される。

前記S5あるいはS6の判別でNOのときは、異常時である
として、S13で警報器47を作動させた後、S11以降の処理
が行なわれる。

第８図は、本発明の他の実施例を示すものであり、前
記実施例と同一構成要素には同一符号を付してその重複
した説明は省略する。

本実施例では、先ず、ブロア11′として、第１ブロア
11−Ａと第２ブロア11−Ｂとの２台用いるようにしてあ
る。そして、第１ブロア11−Ａは、陽圧供給専用とし
（吸込口11bは常時大気に解放）、また第２ブロア11−
Ｂは陰圧供給専用としてある（吐出口11aは常時大気に
解放）。

また、切換バルブ12′としては、そのケース21′およ
び回転軸23′を共通するも、回転子が、第１回転子25−
Ａと第２回転子25−Ｂとの２つの回転子を有するものを
用いるようにしてある。この第１回転子25−Ａは陽圧の
供給制御専用とされ、また第２回転子25−Ｂは陰圧供給
制御専用とされている。すなわち、回転子25−Ａ（25−
Ｂ）は、有底円筒状とされて、その解放口が陽圧ポート
P1（陰圧ポートP2）に常時連なる。そして、その回転子
25−Ａ（25−Ｂ）の側壁に周方向に略180度伸びる連通
口51−Ａ（51−Ｂ）を形成して、回転子25−Ａ（25−
Ｂ）の回転に伴って当該連通口51−Ａ（51−Ｂ）が、ケ
ース21′に形成した大気解放ポートP4−Ａ（P4−Ｂ）と
与圧ポートP3−Ａ（P3−Ｂ）とに交互に連通される。

勿論、両与圧ポートP3−ＡとP3−Ｂとは、最終的に振
動回路13に連なり、また両連通口51−Ａと51−Ｂとは回
転軸23′の周方向に180度づれて形成されている。

本実施例のようにしてブロアを２台用いる利点は、陽
圧、陰圧共に、少なくとも振動回路13に対するその供給
開始の直前には十分に大きくなっている、という点にあ
る。このことは、呼吸振動の立上りおよび立下りを極め
て素早く行なえるということにつながる。特に、大気解
放ポートP4−Ａ、P4−Ｂを無くしたときにこの傾向が顕
著になる。

ここで、上記各回転子25−Ａと25−Ｂとの回転軸23′
を互いに別途独立して設けて、それぞれ別のモータによ
り駆動することも可能である。もっとも、第１、第２の
各回転子25−Ａと25−Ｂとの回転軸23′を共通、結果と
してその駆動用モータ（第７図では図示略）を共通とす
ることにより、回転子25−Ａと25−Ｂとの位相のづれ発
生というものを確実に防止することができる。同様の観
点から、第１と第２の各ブロア11−Ａと11−Ｂとの駆動
軸52を共通、結果としてその駆動用モータ14を共通とす
ることにより、陽圧のみあるいは陰圧のみが振動回路13
に印加されてしまうような事態を確実に防止できる。

第９図は本発明のさらに他の実施例を示すものであ
る。本実施例では、ブロア11の吐出口11aと吸込口11bと
の大気に対する開放度合を変更することにより、平均圧
（第６図参照）の調整を行なうようにしてある。

先ず、第９図において、ブロア11に対して、調整弁71
が設けられる。この調整弁71は、ケーシング72と、該ケ
ーシング72に形成された第１通路53および第２通路54を
備えている。

上記第１通路53は第１〜第３の３つのポート53a、53
b、53cを有し、第１ポート53aが、連通路61を介してブ
ロア11の吸込口11bに接続されている。また、第２ポー
ト53bは、大気に開放されると共に、後述する弁体55に
よりその開度が調整される。さらに、第３ポート53c
は、絞り56を介して大気に開放されている。

前記第２通路54は、第１および第２の２つのポート54
a、54bを有する。第１ポート54aは、連通路62を介し
て、ブロア11の吐出口11aに接続されている。また、第
２ポート54bは、大気に開放されると共に、弁体55によ
りその開度が調整される。

前記弁体55は、円板状とされて、該弁体55に一体化さ
れた弁棒55aがケーシング52に螺合されている。これに
より、弁棒55aに形成した操作部55bを手動操作してこれ
を回転させることにより、弁体55が図中上下方向に変位
される。そして、前記第１通路53の第２ポート53bが弁
体55の上面に臨み、また前記第２通路の第２ポート54b
が弁体55の下面に臨んでいる。

以上のような構成において、弁体55が図中上方へ変位
するのに伴って、ポート53bの開度が小さくなる一方、
ポート54bの開度が大きくなる。逆に、弁体55が図中下
方へ変位されると、ポート53bの開度が大きくなる一
方、ポート54bの開度が小さくなる。

ポート53bの開度が小さくなるのにつれて、ブロア11
による切換バルブ12の陰圧ポートP2に対する吸引作用が
大きくなる。このことは、第６図に示す平均圧を下げる
ことになる（脈動の谷を下げる）。ポート53bの開度が
小さくなるということは、この分ポート54bの開度が大
きくなる。このポート54bの開度が大きくなると、ブロ
ア11による切換バルブ12の陽圧ポートP1への空気押込み
作用が弱くなり、前記平均圧を下げることになる（脈動
の山を下げる）。

上述のように、弁体55を図中上方へ変位させることに
より、平均圧が低下されることになる。勿論、今迄での
説明から既に明らかなように、弁体55を図中下方へ変位
させると、上述の場合とは逆に、平均圧を上昇させるこ
とになる。なお、絞り56の作用により、ブロア11の吸引
口11bからは少なくとも最小限の大気が吸引されること
になり、これにより平均圧の最小値は大気圧よりも若干
大きい値とされる。

ここで、第９図に示すような構成とした場合、第１図
に示すバルブ７を廃止することも可能である。しかしな
がら、このバルブ７をも設けておいて、可動画膜34（第
５図参照）の上流側と下流側との各平均圧の差を小さく
するように、弁体55に対してバルブ７とを連動させるの
が好ましい。

なお、第８図及び第９図に示す実施例においても、開
度調整バルブ31を振動回路13（切換バルブ12と規制手段
32との間）に接続することにより、呼吸振動の振幅、す
なわち、呼吸容量を可変とすることができる。

また、可変絞り31は、回路13のうち規制手段32の下流
側（呼吸回路２、３側）に設けるようにしてもよい。こ
の場合は、使用毎に当該可変絞り31を消毒する手間が省
けると共に、ブロア11のパワーを呼吸回路２、３に伝達
する効率の向上の点でも好ましいものとなる。

さらに、ブロア11の吸込口11bと切換バルブ12のポー
トP2との間の系路を、可変絞りを介して大気と連通させ
るようにすることもできる。この場合は、上記可変絞り
の開度調整（０〜100％）によって、切換バルブ12のポ
ートP4の平均圧力（ポートP4の圧力変動の様子は第６図
と同じような脈動となる）の大きさを、大気圧からこれ
よりも大きい正圧の範囲で任意に調整することができ
る。

（発明の効果） 本発明は以上述べたことから明らかなように、呼吸容
量が大きくなる大人用としても使用することができ、高
周波呼吸振動を利用した治療を行なえる者の範囲を飛躍
的に高めることができる。

また、耐久性の点においても優れたものとなり、長期
の使用に十分耐え得るものとなる。

しかも、呼吸系路に与えられる呼吸振動の振幅の大き
さを開度調整バルブの弁開度調整によって容易に調整す
ることができるので、呼吸容量の調整が可能となり、呼
吸容量の大きな大人から呼吸容量の小さな子供まで広範
囲に使用できることとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体系統図。 第２図はロータリ式の切換バルブの一例を示す側面断面
図。 第３図は第２図のX3−X3線断面図。 第４図は第２図のX4−X4線断面図。 第５図は振動回路に接続された規制手段の詳細を示す側
面断面図。 第６図は本発明を適用した場合の呼吸振動の様子を示す
グラフ。 第７図は本発明の制御例を示すフローチャート。 第８図、第９図はそれぞれは本発明の他の実施例を示す
要部系統図。 A:呼吸系路 B:高周波振動発生装置 H:肺 X:連通空間 X1:第１分割空間 X2:第２分割空間 P1:陽圧ポート P2:陰圧ポート P3:与圧ポート P4:大気解放ポート U:制御ユニット 1:共通回路 2:吸気回路 3:呼気回路 11:ブロア 12:切換バルブ 13:振動回路 14:モータ（ブロア用） 15:モータ（切換バルブ用） 21:ケース 23:回転軸 25:回転子 25a:隔壁部 25b:弁体部 25c:弁体部 12′：切換バルブ 21′：ケース 23′：回転軸 25′：回転子 25−A:第１回転子 25−B:第２回転子 31:開度調整バルブ 51−A:連通口 51−B:連通口

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】人工呼吸器の呼吸系路に接続され、高周波
   の呼吸振動を与えるための人工呼吸器における呼吸振動
   発生装置において、 圧力発生源としてのブロアと、 前記ブロアと前記呼吸系路との間に接続され、該呼吸系
   路を該ブロアの吐出口と吸込口とに対して交互に連通さ
   せるロータリ式の切換バルブと、 前記切換バルブと前記呼吸系路との間に接続された開度
   調整バルブと、 を備えていることを特徴とする人工呼吸器における呼吸
   振動発生装置。