JP3276536B2 - ガス供給装置における同調制御装置及び呼吸センサ - Google Patents
ガス供給装置における同調制御装置及び呼吸センサInfo
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Description
ガス(酸素ガス)を供給するように制御するガス供給装
置に於ける呼吸同調制御装置に関するものである。
る場合や酸素吸入を行なう場合、常に酸素ガスを供給す
るのでは、患者の呼気時に供給された酸素ガスの圧力に
よる抵抗が生じて好ましくはなく、且つ患者に吸引され
ない酸素ガスの無駄が生じる。このため、患者の呼吸タ
イミングを検出して吸気時にのみ酸素ガスを供給し得る
技術が開発されている。
れた技術は、患者の鼻に装着される鼻カニューラ部に焦
電素子を含む呼吸センサーを配設し、該センサーからの
信号により酸素ガスの供給を制御するように構成したも
のである。この技術は、患者の呼吸に伴う鼻カニューラ
内の温度変化を焦電素子によって検出して電気信号を発
生し、この電気信号が予め設定された吸気のトリガレベ
ルを越えたとき、電磁弁を開放して鼻カニューラに酸素
ガスを供給し、また呼気のトリガレベルを越えたとき電
磁弁を遮断して酸素ガスの供給を停止するようにしてい
る。
技術は上記技術を発展させたものであり、鼻カニューラ
部に少なくとも1個の電磁弁を設けて呼吸センサーから
の信号により該弁の開閉を行なって酸素ガスの供給を制
御し得るように構成したものである。この技術では、呼
吸に対する酸素ガスの供給の応答性にすぐれ、且つ酸素
ガスの濃度を安定して保持することが出来る。
ヤフラム式の高感度圧力センサーを用い、該圧力センサ
ー,鼻カニューラ及び酸素供給源を三方弁を介して接続
し、圧力センサーが鼻カニューラを介して伝達された吸
気を検出したとき発生した電気によって三方弁を制御す
ることで、酸素ガスを一定時間鼻カニューラを介して供
給し得るように構成したものもある。
基板上に支持し、該基板を圧電素子と対向する位置に通
気孔を設けた容器に収容して構成した空気圧変化検出器
が提案されている(特開平4−208827号公報)。この空
気圧変化検出器では、外気は通気孔を介して容器内に導
入される。そして外気に圧力変化が生じると、この圧力
変化が容器内の空気に伝播され、圧電素子が容器内の空
気の振動に応じて振動して電気信号を発生することで、
空気圧の変化を検出することが出来る。特に、圧電素子
が片持ち状に支持されるため、極めて微弱で且つ低周波
の空気振動にも反応して振動することが出来る。このた
め、微弱な空気圧の変化を検出することが出来る。
号,同63−143082号公報に開示された技術では、鼻カニ
ューラ部に焦電素子からなる呼吸センサーが配設され、
該センサーは呼吸に伴う温度変化を正確に検出するため
に呼気に曝されている。然し、焦電素子は湿度に弱く、
長時間の連続使用の際に所要の性能を失う虞がある。ま
た一般に鼻カニューラは消耗品として扱われるが、呼吸
センサーや信号線を配設した専用の鼻カニューラでは、
消耗品として扱うには高価になり過ぎるという問題や、
使用頻度の増加に伴って信号線が断線する虞が生じると
いう問題がある。
いた場合、該センサーによって極めて微弱な圧力変化
(例えば、0.04Pa程度)を検出し得る反面、耐破壊圧も
極めて小さく、鼻カニューラを口にくわえてしまう、と
いう日常頻繁に生じる虞のある誤使用時に発生する圧力
変化によってセンサーが破壊するという問題がある。
収容した空気圧変化検出器を用い、容器の圧電素子と対
向する位置に設けた通気孔に鼻カニューラを接続した場
合、圧電素子に湿度を作用させることなく呼吸に伴う圧
力変化を検出することが出来る。然し、呼気及び吸気に
伴う空気の振動が圧電素子に対し同様に作用するため圧
電素子が略同様に振動し、発生した電気信号から呼気と
吸気を判別することが困難であり、単に発生した電気信
号によって酸素ガスの供給を制御することは出来ないと
いう問題がある。
スを供給することが出来、且つ日常頻繁に生じる虞のあ
る誤使用時にも破壊することのないガス供給装置に於け
る呼吸同調制御装置を提供することにある。
に本発明に係るガス供給装置に於ける呼吸同調制御装置
は、ガス供給源から流出するガスを呼吸に同調させて供
給するように制御するガス供給装置に於ける呼吸同調制
御装置であって、一端又は両端が基板に支持された板状
の圧電素子を該圧電素子の面と対向する位置に形成され
た外気通気孔及び前記面と平行な位置に形成された呼吸
通気孔を有する容器に収容して構成され前記各通気孔を
介して導入される空気の圧力変化を検出して電気信号を
発生する呼吸検出器と、前記呼吸検出器の容器に形成さ
れた呼吸通気孔と接続され呼気及び吸気が作用し且つ吸
気時にガスを流通させる流通路と、前記流通路に配設さ
れ常時閉鎖口にガス供給源を接続した電磁弁と、前記呼
吸検出器から発生した電気信号によって吸気状態を検出
したとき前記電磁弁を操作して一定時間ガス供給源と流
通路を接続すると同時に呼吸検出器と流通路の接続を遮
断するように制御する制御部とを有して構成されるもの
である。
置(以下、単に『同調制御装置』という)では、一端又
は両端が基板に支持された板状の圧電素子を該圧電素子
の面と対向する位置に外気通気孔を形成すると共に圧電
素子の面と平行な位置に呼吸通気孔を形成した容器に収
容して構成された呼吸検出器(以下『検出器』という)
を用い、この検出器の呼吸通気孔に呼気及び吸気が作用
し且つ吸気時にガスを流通させる流通路を接続したの
で、該流通路に呼気が作用すると、容器内の空気は圧電
素子の面と略平行に流動して外気通気孔から外気に放出
される。このため、圧電素子は小さい振幅で振動し発生
する電気信号も小さい。
空気の流通路側への流動に伴って外気通気孔から外気が
流入して圧電素子の面に略垂直に作用する。このため、
圧電素子は大きな振幅で振動し発生する電気信号も大き
い。即ち、発生した電気信号から呼気と吸気を判別する
ことが出来る。
電気信号から呼気と吸気を判別し、吸気に対応する電気
信号に応じて流通路とガス供給源を接続した電磁弁を一
定時間操作して流通路とガス供給源を接続すると同時に
流通路と検出器の接続を遮断するように制御すること
で、呼吸に同調させて一定時間ガスを供給することが出
来る。
たガス供給装置について図により説明する。図1は本発
明に係る同調制御装置を適用したガス供給装置の構成を
示すブロック図、図2は検出器の構成を説明する図、図
3は検出器によって検出された電気信号を示す図、図4
は制御回路の構成を説明するブロック図、図5は制御回
路の動作を示すタイミング図、図6はガス供給装置を擬
似呼吸器に適用したときのガスの供給状態を示す図であ
る。
患者に酸素を吸入させるガス供給装置として構成されて
おり、患者の鼻に装着される鼻カニューラ1と、ガス供
給源2とを有し、ガス供給源2から流通するガスを本発
明に係る同調制御装置Aによって吸気と同調させて供給
し得るように構成されている。即ち、流通路となる鼻カ
ニューラ1に作用する患者の呼気及び吸気に応じた圧力
変化を同調制御装置Aに設けた検出器3によって検出
し、吸気時に対応させて電磁弁4を作動させてガス供給
源2と鼻カニューラ1を接続することで、患者の呼吸と
同調させてガスを供給し得るように構成されている。
つ吸気時にガス流通させる流通路を構成する部品として
鼻カニューラ1を用いた場合について説明する。然し、
流通路を構成する部品としては必ずしも鼻カニューラで
ある必要はなく、例えば、顔面を覆うマスク或いは口に
くわえるマウスピースであっても良い。
患者の呼吸を検出するためのセンサーを配設することは
ない。このため、鼻カニューラ1としては通常市販され
ているものを用い、消耗品として取り扱うことが可能で
ある。
に医療用酸素を用いている。このため、ガス供給源2
は、酸素ボンベ2aと、該ボンベ2aに着脱可能に装着
された圧力調整器又は流量調整器等からなる調整器2b
とによって構成されている。従って、ガス供給源2から
一定の圧力を持った酸素、或いは一定流量の酸素を供給
することが可能である。
は必ずしも酸素である必要はなく、例えば同調制御装置
Aを潜水具に適用した場合、ガスとして空気を用いるこ
ともある。この場合であっても、ガス供給源2がボンベ
2aと調整器2bによって構成されることは上記と同様
である。
検出器3から発生した電気信号を増幅する増幅回路5,
増幅回路5によって増幅された電気信号を受けて電磁弁
4を操作する制御部6とによって構成されている。同調
制御装置Aはケーシング7を有しており、前記各部品3
〜6は夫々ケーシング7の所定位置に取り付けられてい
る。
する場合、呼吸センサーは0.04Pa程度の圧力変化を検出
し得ることが必要である。このため、検出器3は、図2
に示すように、薄い板状に成形された圧電素子3aの一
端部を基板3bに支持すると共に該基板3bを容器3c
に収容して構成されている。容器3cには圧電素子3a
の面と対向する位置に外気通気孔3dが形成され、且つ
圧電素子3aの面と平行な位置に呼吸通気孔3eが形成
されている。また呼吸通気孔3eには電磁弁4を介して
鼻カニューラ1と導通するチューブ8が接続されてい
る。
素子3aが基板3bに一端部で支持されるため、容器3
cの内部に生じる極めて微弱で且つ低周波の空気振動に
応じて振動し、該振動に応じた電気信号を発生すること
が可能であり、0.01Pa程度の圧力変化を検出することが
可能である。尚、圧電素子3aを基板3bに支持する場
合、支持位置は必ずしも該素子3aの一端部である必要
はなく、両端部で支持しても良い。
したとき、容器3c内の空気の流れは同図(b)に一点
鎖線で示すように、圧電素子3aの面と平行になり、外
気通気孔3dから外気に放出される。このため、圧電素
子3aは大きな振幅で振動することがなく、発生する電
気信号も小さい。
故が生じ、鼻カニューラ1に作用する比較的大きい圧力
が容器3cに導入された場合、この圧力変動に伴う空気
流は直接圧電素子3aの面に作用することなく、且つ圧
力変動に伴う空気流は速やかに外気通気孔3dから外気
に放出される。即ち、容器3c内の圧力が衝撃的に上昇
して保持されることがなく、検出器3が破壊に至ること
がない。
したとき、容器3c内の空気は同図(b)に実線で示す
ように、チューブ8に吸引されて外気通気孔3dから外
気が流入して圧電素子3aの面と直交する方向に作用す
る。このため、圧電素子3aは大きい振幅で振動して発
生する電気信号も大きくなる。
の電磁弁4のINポート(常時開放口,ノルマルオープン
ポート)4aに鼻カニューラ1が接続され、 OUTポート
(常時開放口,ノルマルオープンポート)4bに検出器
3の呼吸通気孔3eに接続されたチューブ8が接続さ
れ、EXポート(常時閉鎖口,ノルマルクローズポート)
4cにガス供給源2が接続されている。
ポート4aと OUTポート4bが導通し、鼻カニューラ1
に作用する呼気,吸気に伴う圧力変化が検出器3に導入
される。また電磁弁4が作動状態のとき、INポート4a
と OUTポート4bが遮断されると共にINポート4aとEX
ポート4cが導通し、ガス供給源2から鼻カニューラ1
に酸素が供給される。
り、増幅回路5によって増幅されて制御部6に伝達され
る。この増幅回路5は増幅率70dBに設定されている。ま
た検出器3を構成する圧電素子3aの出力が外部温度の
変化に影響を受けるため、ローカットフィルターを用い
ることが好ましく、且つ高周波ノイズの影響を排除する
ことを目的としてハイカットフィルターを用いることが
好ましい。そして 0.1Hz〜 100Hz程度の信号成分を増幅
し得るようにバンドパスフィルターを用いることが望ま
しい。
力された電気信号は鋭いピークを有している。そして本
実施例では、増幅回路5によって検出器3から出力され
た電気信号を電気信号を中心周波数30Hz,下限周波数7
Hz,上限周波数 100Hzで増幅して制御部6に伝達してい
る。
3の電気信号を示すものである。同図からも明らかなよ
うに、吸気時に発生した電気信号のピーク値は呼気時に
発生したピーク値の約4倍の値を示しており、この電気
信号から呼気と吸気を判別することは容易である。
信号から、患者の吸気に対応する信号を判別して電磁弁
4を一定時間作動させるように制御する機能を有するも
のであり、図4に示すように、比較器6aと、出力回路
6bと、マスク信号発生回路6cと、論理回路6dとに
よって構成されている。そして電磁弁4の作動に伴って
ガス供給源2から流出する酸素を鼻カニューラ1を介し
て患者に供給することが可能である。
Aを適用したガス供給装置の動作について図5のタイミ
ング図と共に説明する。
ある間、鼻カニューラ1は検出器3と導通し、該検出器
3によって鼻カニューラ1に作用する呼気,吸気に伴う
圧力変化が検出される。このとき発生した電気信号は増
幅回路5によって増幅され、制御部6に伝達される。
比較器6aによって予め設定された所定の電圧レベル10
に達しているか否かが比較される。電気信号9が所定の
電圧レベルの達している場合、周囲の状況に関わらず比
較器6aから信号11が発生する。この信号11は論理回路
6dに入力され、該回路6dからトリガー信号12が発生
して出力回路6bに入力される。
と、該回路6bから予め設定された一定時間にわたる操
作信号13が発生して電磁弁4に伝達され、電磁弁4のポ
ートを切り替えてINポート4aとEXポート4cを導通す
ることで、ガス供給源2から鼻カニューラ1に酸素が供
給される。同時にINポート4aと OUTポート4bが遮断
されるため、供給された酸素の圧力が検出器3に導入さ
れることがない。
電磁弁4が初期状態に復帰してINポート4aとEXポート
4cが遮断されて鼻カニューラ1に対する酸素の供給が
遮断され、同時にINポート4aと OUTポート4bが導通
して鼻カニューラ1と検出器3が導通する。
ニューラ1内に残留した酸素の圧力が検出器3に導入さ
れるため、この圧力が検出器3によって検出され、恰も
吸気と同様の電気信号を発生することがある。このた
め、操作信号13のローレベルへの移行をトリガーとして
マスク信号発生回路6cから約 0.5秒のマスク信号14を
発生させて論理回路6dに入力し、該マスク信号14が発
生している間に比較器6aから信号11が発生した場合で
あっても、トリガー信号12が出力しないように構成して
いる。
擬似呼吸発生装置に適用して性能を評価したものであ
る。この擬似呼吸発生装置は、鼻カニューラ1に対し0.
16ccのガスの呼気,吸気として吸入,排出するものであ
る。これは一般の人の呼吸に比較して小さい空気圧の変
化が生じるといえる。
制御装置Aでは、擬似呼吸発生装置の吸気タイミングに
合わせて、一定量のガス(酸素)を供給することが可能
である。
8側から瞬時に1000kPa程度の圧力変化を与えて耐久性
を確認したところ、前記圧力変化では破壊には至らなか
った。この圧力変化は、患者が鼻カニューラ1を口にく
わえるという誤使用時に発生する際の値よりも充分に大
きいものである。従って、日常発生する虞のある誤使用
時に発生する瞬間的な圧力変化に対し充分な耐久性を有
する。
4,チューブ8を介して検出器3に伝達される。然し、
通常の使用時には前記各部品の内部は乾燥した酸素が充
満しており、呼気に伴う圧力変化は酸素を介して伝播さ
れる。このため、圧電素子3aが直接患者の呼気に曝さ
れることがない。従って、圧電素子3aが加湿される虞
がなく、且つ使用中に性能を損なうことがない。
を供給するガス供給装置に適用した場合について説明し
たが、この例に限定されるものではなく、例えば、潜水
作業用のガス供給装置や高空作業用のガス供給装置の呼
吸同調制御装置として用いることも可能である。
同調制御装置では、検出器を構成する圧電素子の面に対
し平行な方向から呼気,吸気を導入すると共に、圧電素
子の面に対向する方向から外気を導入することによっ
て、呼気と吸気を明確に判別することが出来る。このた
め、検出器から発生した電気信号に於ける吸気を判別し
て電磁弁を作動させることで、吸気時にのみガスを供給
することが出来る。
大きな圧力変化が生じた場合であっても、この変化に伴
う空気流は圧電素子の面に沿って流動し、該面に対し直
交する方向から作用することがない。このため、耐久性
の高い同調制御装置とすることが出来る。
品を利用することが可能であり、価格の低い医療器具と
することが出来る等の特徴を有するものである。
装置の構成を示すブロック図である。
ある。
スの供給状態を示す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】人体に呼吸と同調させてガスを供給する同
調制御装置であって、板状の圧電素子と、該圧電素子を
収納し、外気と連通し、該圧電素子の面と対向する位置
に開口した外気通気孔と、前記人体に接続され、前記圧
電素子の面と対向しない位置に開口した呼吸通気孔とが
形成される容器と、を有する呼吸センサと、該呼吸セン
サが、前記外気通気孔から流入した空気の圧力によって
前記圧電素子が変形し、吸気を感知した際、ガス供給源
の弁を開放する制御装置と、を有するガス供給装置にお
ける同調制御装置。 - 【請求項2】人体の呼吸のうち、吸気を感知する呼吸セ
ンサであって、板状の圧電素子と、該圧電素子を収納
し、外気と連通し、該圧電素子の面と対向する外気通気
孔及び前記圧電素子の面と対向しない呼吸通気孔を形成
した容器と、を有する呼吸センサ。
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