JP2798257B2 - 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、呼吸容量が大きい場合
にも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、 圧力発生源としてのブロアと呼吸系路との間に接続さ
れるロータリ式の切換バルブによって該呼吸系路をブロ
ア吐出口とブロア吸込口とに対して交互に連通させるこ
とにより、該呼吸系路に高周波の呼吸振動を与える人工
呼吸器における呼吸振動発生装置であって、 前記切換バルブが、前記ブロア吐出口に連通される陽
圧ポート、前記ブロア吸込口に連通される陰圧ポート、
前記呼吸系路に連通される与圧ポート、及び、大気に解
放される大気解放ポートを有するケースと、前記ケース
内に設けられて回転駆動される回転子とを備え、 前記回転子には、該回転子の回転に応じて前記与圧ポ
ートと前記大気解放ポートとを選択的に前記陽圧ポート
に連通させる第一連通路と、該回転子の回転に応じて前
記与圧ポートと前記大気解放ポートとを選択的に前記陰
圧ポートに連通させる第２連通路とが形成され、前記陽
圧ポートと前記陰圧ポートとが交互に前記与圧ポートに
連通されるように前記第１及び第２連通路が配置され
る、 ような構成とされている。

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。

特に、本発明にあっては、ブロアの吐出口に連通した
陽圧ポートが回転子の回転に応じて与圧ポートに連通さ
れるときに、ブロアの吸込口に連通した陰圧ポートが大
気解放ポートに連通され、また、陰圧ポートが与圧ポー
トに連通されるときには陽圧ポートが大気解放ポートに
連通されるので、切換バルブの回転子の回転に応じて陽
圧ポートと陰圧ポートとが確実に交互に与圧ポートに連
通されると共に、係る交互連通のタイミングに同期して
ブロア吸込口及びブロア吐出口が交互に大気に解放され
ることとなる。したがって、ブロアによって生成される
陽圧と陰圧とを切換バルブにより確実に切り換えて呼吸
系路に供給することができると共に、ブロアに無理な背
圧や負圧が加わることを防止して、ブロア吐出口側の陽
圧とブロア吸込口側の吸込圧とを安定化させることがで
きることとなり、安全性及び信頼性の高い呼吸振動発生
装置とすることができる。

また、切換バルブの回転子をケース内で回転駆動させ
るだけの簡素な構成によって、上述した４種類のポート
間の所定の切換え動作を行うことができるので、切換バ
ルブの小型簡素化及びその駆動制御系の簡素化を達成で
きることとなる。

（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。

回転子25は一方の弁体部25bによって規定された第１
連通路25dと他方の弁体部25cによって規定された第２連
通路25eとを有している。

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とに対し回転子25の第１連通
路25dを介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とに対し回転子25の第
２連通路25eを介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P3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P3（大気解放ポートP4）は、陽圧ポートP1と陰
圧ポートP2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、電磁
式の可変絞り31、規制手段32が接続されている。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33B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での可変絞り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。

上記実施例においては、切換バルブ12の回転数を調整
することにより、呼吸系路Ａに与えられる呼吸振動の周
波数を調整することができる。一方、上記実施例におい
ては、与圧ポートP3及び大気解放ポートP4は回転子25の
回転方向に所定の開口幅を有しており、また、周方向に
半周（180゜）分の長さを有する一対の弁体部25b、25c
が互いに180゜だけ位相をずらした関係で回転子25に形
成されているので、短時間ではあるが一時的に、陽圧ポ
ートP1と陰圧ポートP2とが同時に与圧ポートP3及び大気
解放ポートP4に連通する状態が生じる。したがって、第
６図に示すような正弦波形の呼吸振動が得られることと
なるが、与圧ポートP3及び大気解放ポートP4の開口幅に
合わせて一対の弁体部25b、25cの周方向長さを適宜に調
整することにより、呼吸振動波の波形を調整することが
できる。例えば、与圧ポートP3及び大気解放ポートP4の
開口幅に合わせて一対の弁体部25b、25cの周方向長さを
半周分の長さよりも長くすれば、陽圧ポートP1と陰圧ポ
ートP2とが同時に与圧ポートP3及び大気解放ポートP4に
連通する時間を短くし、或は、なくすることができるの
で、短形波に近い呼吸振動波を得ることができる。

なお、上記実施例においては、１台のブロア11を用い
て、その吐出口11aと吸込口11bとを切換バルブ12の陽圧
ポートP1と陰圧ポートP2とにそれぞれ接続しているの
で、構成が簡素となり、ブロア11に対する駆動制御系の
構成の簡素化となっているが、２台のブロアを用いて、
一方のブロアの吐出口を切換バルブの陽圧ポートに接続
し、他方のブロアの吸込口を切換バルブの陰圧ポートに
接続するようにしてもよい。

第８図は本発明の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８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、5
3b、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８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、可動隔膜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。

以上実施例について説明したが、ブロアの吐出圧力
（吐出容量）を可変式としてもよい（例えばモータ14を
インバータにより制御）。

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。

特に、本発明にあっては、ブロアによって生成される
陽圧と陰圧とを切換バルブにより確実に切り換えて呼吸
系路に供給することができると共に、ブロアに無理な背
圧や負圧が加わることを防止して、ブロア吐出口側の陽
圧とブロア吸込口側の吸込圧とを安定化させることがで
きることとなり、安全性及び信頼性の高い呼吸振動発生
装置とすることができる。

また、切換バルブの小型簡素化及びその制御系の簡素
化を達成できることとなる。

【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 25d:第１連通路 25e:第２連通路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力発生源としてのブロアと呼吸系路との
   間に接続されるロータリ式の切換バルブによって該呼吸
   系路をブロア吐出口とブロア吸込口とに対して交互に連
   通させることにより、該呼吸系路に高周波の呼吸振動を
   与える人工呼吸器における呼吸振動発生装置であって、 前記切換バルブが、前記ブロア吐出口に連通される陽圧
   ポート、前記ブロア吸込口に連通される陰圧ポート、前
   記呼吸系路に連通される与圧ポート、及び、大気に解放
   される大気解放ポートを有するケースと、前記ケース内
   に設けられて回転駆動される回転子とを備え、 前記回転子には、該回転子の回転に応じて前記与圧ポー
   トと前記大気解放ポートとを選択的に前記陽圧ポートに
   連通させる第一連通路と、該回転子の回転に応じて前記
   与圧ポートと前記大気解放ポートとを選択的に前記陰圧
   ポートに連通させる第２連通路とが形成され、前記陽圧
   ポートと前記陰圧ポートとが交互に前記与圧ポートに連
   通されるように前記第１及び第２連通路が配置されてい
   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。