JP3288903B2 - 呼吸同調酸素供給装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、使用するものの呼吸サ
イクルに応じて作動し得る自動開閉治具を備えた呼吸用
気体供給装置に関する。さらに詳細には、酸素又は酸素
濃縮気体を呼吸用気体として呼吸サイクルに応じて間歇
的に使用者に供給するための装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、酸素ボンベから得られた酸素、又
は酸素濃縮器により得られた酸素濃縮気体を呼吸器疾患
患者に供給する場合には、通常ボンベ又は濃縮器から延
長されたチューブの先端に設けられた鼻カニューラから
連続的に患者の鼻孔内に導入される方式が採用されてい
る。

【０００３】さらに、改良された供給方式としては、患
者の呼吸サイクルに対応して、吸入時においてのみ酸素
濃縮気体を供給することができるようにすることによっ
て、無駄な酸素濃縮気体の放出を防止して効率を高める
方法が開発され実用に供されている。

【０００４】無駄な酸素（濃縮気体）の放出を更に少く
する手段として、呼吸サイクルの吸入時の初期の短時間
例えば約０．２５秒のみ供給することにより、前記方法
と同程度の血中酸素濃度を実現する手段も提案されてい
る（特表昭５８―５００００５号公報参照）。

【０００５】これらの方法により無駄な酸素放出の低減
は達成されたと思われるが、具体的な装置の患者の利便
性という点では未だ改良されるべき諸点が存在する。

【０００６】即ち従来の装置においては、装置の最大酸
素供給能力は必ずしも個々の患者への酸素供給量例えば
処方流量とは一致していないため、患者はそれぞれ自己
の処方流量に適した供給量に装置の酸素発生元で調整す
る必要があり、面倒であると同時に誤操作の発生源とも
なっていた。

【０００７】また上記特表昭５８―５００００５号公報
に記載された発明においては、酸素供給時間が装置構造
によって定められる一定値のみであるために、患者の呼
吸状態に対応して酸素供給量を制御できなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の如き従
来技術の不都合を解消することを目指したものであり、
利用者即ち患者の調整箇所を減らし、且つ患者の呼吸状
態に対応した酸素供給を行いつつ、更に酸素の無駄な放
出を減らすことを目的とするものである。

【０００９】更に本発明の好ましい態様によれば、かか
る無駄を減らした酸素供給を行うときに付随する患者の
違和感を減少させることもできる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かくして本発明の課題
は、酸素発生源から供給された加圧酸素を大気圧近傍の
圧力に調整した後、流量設定器で流量を設定し、しかる
のちデマンドレギュレーターの自動流路開閉手段を経由
して患者のカニューラに酸素を供給する呼吸同調酸素供
給装置において；該流量設定器が該装置の最大酸素供給
量の一定値に設定することができるものであり；且つ該
設定最大流量の下で装置特性に対応して予め定められた
カニューラ出口流量と該自動流路開閉手段の開時間との
関係に従い、吸気直前の１回を含む複数回の呼吸サイク
ル又は呼吸周期から算出された当該吸気に係る呼吸サイ
クル又は呼吸周期及び設定された酸素節減比率及び処方
流量から定まる１パルス当りの流量に対応して設定され
る開時間の間、該デマンドレギュレーターが患者へ酸素
を供給するための該自動流路開閉手段を「開」状態にす
るものであることを特徴とする、呼吸同調酸素供給装置
が達成される。

【００１１】かかる本発明は、端的に言えば例えば呼吸
用気体の発生手段と、一端が該発生手段に連通し他端に
該呼吸用気体の開放型供給手段を有し途中に自動流路開
閉手段を有した導管手段と、該自動流路開閉手段の開時
間を制御することにより呼吸用気体の供給量を制御する
デマンド・レギュレーター手段とから基本的になるもの
である。

【００１２】本発明の呼吸用気体の発生手段は、呼吸用
気体の発生源及び該発生源からの気体を所定圧力即ち大
気圧近傍の圧力に調節する圧力調節手段及び要すれば流
量設定手段からなる。該発生源は酸素ボンベ等のボンベ
形式のものであることができる。これらの発生源からの
気体は通常相当高い圧力で供給されるので、それを圧力
調節手段例えば減圧弁を用いて大気圧近傍の圧力、例え
ば０．２ＫＧ〜３ＫＧ、好ましくは１．０ＫＧ〜２．０
ＫＧに圧力を低下させる。この際圧力調節手段そのもの
により、或はそれに付属した流量設定手段で本発明の装
置の最大酸素供給量が設定される。

【００１３】本発明において特に好ましい態様は、圧力
調節手段は圧力を設定する機能を本質的に達成し、別に
最大流量設定手段である流量設定器を付属せしめたもの
である。この最大流量設定手段は最大流量のみでなく、
それ以下の流量を設定できるものであることができ、そ
れによりデマンドレギュレーター機能が不調におちいっ
た異常発生時に、適切な流量の定常流を供給することが
できるものとなる。本発明における最大流量は特に制限
されるものではないが、例えば４Ｌ／ｍｉｎ〜１０Ｌ／
ｍｉｎの適当な値を選ぶことができる。

【００１４】本発明においては、導管手段を介して上記
呼吸用気体の発生手段から気体利用者即ち患者迄気体が
送られる。

【００１５】この導管手段は上記気体発生手段に接続さ
れた細いプラスチックチューブを用いるのが普通であ
り、他端が患者の体内に供給気体が送入され易いような
治具、例えば鼻カニューラとなっているものである。こ
の導管手段は途中に後述するデマンドレギュレーターに
おける自動流路開閉手段を経由しているものであり、更
には同じくデマンドレギュレーターの呼吸位相検知手段
と連結していることもある。

【００１６】また、この導管手段は自動流路開閉手段の
上流側又は下流側に、１分当りの最大流量（容積）の
０．１〜５ｖｏｌ％の気体貯留空間部を有することがで
き、これにより供給される気体のパルス形状をなだらか
にして利用者の異和感を軽減することができる。上記気
体貯留空間部は上流及び下流の両方に設けることもでき
（図３―ａ）、この場合その容積は１分当りの最大流量
（容積）の０．１〜５ｖｏｌ％が好ましい。

【００１７】上記貯留部を上流のみに設けた場合（図３
―ｂ）は、パルス形状の改善が図られるが、初期流量は
やや高い状態に留り、短時間供給を達成する点からは好
ましい。上記貯留部を下流のみに設けた場合（図３―
ｃ）、パルス形状はかなり変化し初期流量が低下するの
で異和感低減上好ましいが、短時間供給を達成する点か
らは逆効化となる。一方、上流下流両方に貯留部を設け
その容積を調節することにより、パルス形状も適当に変
化して初期流量が適度に低下して異和感が低減すると共
に、短時間供給を達成する上でも初期流量上問題ない状
態を実現することができる。

【００１８】本発明におけるデマンド・レギュレーター
は、上記導管手段の途中に、設けられている自動流路開
閉手段を特定の制御条件で開閉することにより、患者へ
の気体供給量を制御するものである。該デマンド・レギ
ュレーターは呼吸における少くとも一部の所定位相を検
知し得る機能を有した呼吸位相検知手段と、該自動流路
開閉手段の開閉を制御するための制御手段と、該自動流
路開閉手段とから基本的に構成される。

【００１９】該呼吸位相検知手段としては従来より （イ）吸気・呼気の温度差を検知する方式； （ロ）胸部に巻き付けたバンド（帯）内に、その伸縮を
検知し電気信号に変換するセンサーを設けて、胸部の動
きを検知する方式（レスピーグラフ）； （ハ）吸気・呼気により、気体の流れや圧力の変化を検
知する、流量検知方式；のものが知られており、いずれ
も使用可能である。簡便には上記導管端部のカニューラ
部分における気体の圧力を検出することにより達成でき
る。

【００２０】該自動流路開閉手段は、制御手段からの信
号により導管内の気体流を停止したり、流通させたりで
きるものであればいかなるものでもよい。例えば、空気
圧によりバルブを開閉するエアーバルブ式及び電気エネ
ルギーによりバルブを開閉する電磁弁が例示できるが、
簡便には電磁弁を用いることができる。

【００２１】該制御手段は、呼吸位相検知手段から送ら
れてきた信号を基礎として呼吸周期又は呼吸サイクル数
を得る手段、カニューラ出口流量ｖｓ開時間の関係記憶
手段、酸素節減率入力及び／又は記憶手段、処方流量入
力及び／又は記憶手段、自動流路開閉手段の開時間設定
手段並びに開閉調節手段から基本的に構成される。

【００２２】該呼吸周期又は呼吸サイクル数を得る手段
は、呼吸位相検知手段から送られてきた呼吸信号の変化
パターンから同じパターンが繰返される状態を認識し、
その変化パターンの周期（１パターンの時間）又は一定
時間内の回数（例えば、１分間当りの回数＝６０秒／周
期（秒））を得る方式であることができる。また周期
は、ある吸気の開始時間から次の吸気の開始までの時
間、あるいは呼気信号のピークから次の呼気信号のピー
クまでの時間として求めても良い。

【００２３】また周期は、複数回の周期を平均して求め
ることが好ましく、簡便には２回の平均を求めるもので
も良い。

【００２４】これらの動作は、コンピューターソフトに
より実現するのが、最も一般的で最良手段と考える。ま
た電子回路で実現する方法や、流体論理回路による方式
でも良い。

【００２５】本発明におけるカニューラ出口流量ｖｓ開
時間の関係記憶手段、酸素節減率入力及び／又は記憶手
段の内の記憶手段、処方流量入力及び／又は記憶手段の
内の記憶手段は、いずれもコンピュータ及びその周辺部
品として使用される記憶用電子部品（ＲＯＭ、バッテリ
ーバックアップしたＲＡＭ、又は不揮発性ＲＡＭ等装置
の電源を切っても記性可能な記憶手段）により実現でき
る。

【００２６】本発明における酸素節減率入力及び／又は
記憶手段における入力手段、並びに処方流量入力及び／
又は記憶手段における入力手段は、大別して次の２方式
が考えられる。

【００２７】その１つは、本発明の呼吸同調酸素供給装
置の一部に切り替えスイッチ、選抜スイッチ、ｅｔｃ．
を設けて、操作し入力する方式であり、もう１つは、該
装置内のコンピュータと別途入力用コンピュータを準備
し、必要時通信ケーブルで接続して入力する方式であ
り、いずれの方式でも良い。

【００２８】本発明における自動流路開閉手段の開時間
の制御は、吸気直前の１回を含む複数回の呼吸サイクル
又は呼吸周期から当該吸気に係る呼吸周期又は呼吸サイ
クル数を設定し、該呼吸周期又は呼吸サイクル数、予め
設定された酸素節減比率及び処方流量から１パルス当り
の流量を算出し、前記設定最大流量の下で装置特性に対
応して定められたカニューラ出口流量と開時間との関係
から、当該１パルス当りの流量に相当するカニューラ出
口流量に対応する開時間を設置することにより実施され
る。

【００２９】例えば呼吸サイクル数を用いる場合、前記
呼吸位相検知手段により常時検知されている位相を基
に、吸気直前の１回を含む複数回例えば２回の呼吸サイ
クル数が別個に記憶又は積算的に記憶される。これらの
記憶をもとに当該吸気時の呼吸サイクル数予測値が算出
される。この算出方式は特に限定はないが簡便には、平
均値又は外挿値として求めることができる。

【００３０】別途、予め酸素節減比率を設定する。これ
は呼吸サイクルの全期間に処方流量を供給する場合の容
積（Ｖ₀ ）に比べて、どれだけの容積（Ｖ₁ ）の気体を
供給するかを設定する値であり、Ｖ₁ ／Ｖ₀ として例え
ば１／４〜１／７の値を設定することができる。これは
呼吸サイクルを基準にした値であるが、例えば吸気時間
のみに処方流量を供給する場合を基準にして設定すると
すれば１／２〜１／３と設定することもできる。いずれ
の場合も実供給量Ｖ₁ は同じである。

【００３１】処方流量は医者により定められる患者の必
要とする流量である。本発明の酸素供給装置は、患者の
呼吸を補助するためのものであり、また本装置から供給
された気体がすべて患者の気道内に入るものでもないの
で、当該処方流量は患者の体が必要とする絶対量と同一
ではない。本装置のような治療手段における処方流量と
して医者が定める値である。この値は、安静時と労作時
とで区別して定められる場合が普通であり、それぞれの
処方流量を入力する方式が取られている。

【００３２】本発明においては、かかる値をもとにし
て、１パルス当りの流量が下記式

【００３３】

【数１】流量／パルス（ｃｃ／−）＝処方流量（ｃｃ／
分）×酸素節減比率（−）／呼吸サイクル数（−／分） で算出される。

【００３４】一方、装置特性に対応して設定最大流量の
下でのカニューラ出口流量と開時間との関係は、別途実
験して求められたものを記憶することができる。ここに
おいて装置特性とは、基本的には前記導管手段の流動抵
抗に相当するものである。従って上記関係は、簡便には
実際の装置を用いて最大流量を設定した上で、自動流路
開閉手段の開時間を種々変化させて、それぞれに対応す
るカニューラ出口での流出量を測定すれば良い。もちろ
んこの関係は、流体力学的に理論的に求められる場合も
あろう。

【００３５】かくして求められたカニューラ出口流量と
開時間との関係に従い、上記式に従って求められた流
量、即ちパルス当りの流量を与えるような時間だけ開時
間を設定し、自動流路開閉手段を開ける。

【００３６】本発明においては、開時間は吸気時直前の
データに基づいて設定されるので、具体的「開」タイミ
ングは自由に設定できる。好ましくは吸気サイクルの極
く初期に実施されるが、必ずしもこれに限定されるわけ
ではない。

【００３７】尚、前記のカニューラ出口流量と開時間と
の関係は、場合によっては導管手段の流動抵抗のみでな
く、呼吸用気体の発生手段から供給される気体の圧力に
も影響される。このような場合には、当該圧力により補
正される必要があり、圧力検知手段も必要となる場合も
ある。しかしながら、当該圧力は最大流量によりほぼ固
定できる場合があり、この場合必ずしも圧力検出手段は
必要ではない。前記の実験により求めた開時間とカニュ
ーラ出口流量との関係の中に、圧力の影響も自動的に包
含されていることとなる。

【００３８】図１は、本発明の呼吸用気体供給装置の好
ましい実施態様の１例を示したものである。即ち、呼吸
用気体の発生手段である酸素ボンベ１から出た酸素は、
減圧弁１０１、圧力調節弁１０２を経て、流量設定器
２、自動流路開閉（弁）手段３を備えた導管手段５を通
って、開放型供給手段である鼻カニューラ７から放出さ
れる。尚、流量設定器２としては、通常のローターメー
タの如き流量計であってもよく、異なる大きさの開口部
を有する複数のオリフィス等の流路絞り機能部を有して
その流路絞り機能部を切り換えることにより流量を設定
する流量設定手段を用いてもよい。これらで最大流量を
設定する。

【００３９】導管手段５からの分岐に設けられたダイヤ
フラム式の微圧変動センサーを備えた呼吸位相検知手段
９により呼吸における圧力変動が静電容量の変動に変換
され、制御手段１０における変換回路１２により静電容
量の変動が電気パルスの信号の変動に変換され、さらに
カウント回路１４により電気パルス信号が単位時間（例
えば１０ｍｓｅｃ）当りのパルス数の信号となる。

【００４０】カウント回路１４から出てくるパルス数信
号は、好ましくは平滑化回路１５で平滑化されて雑音
（ｎｏｉｓｅ）を低減させる。これは簡便には、現デー
タと過去数回例えば３回のＤａｔａを積算して、４個の
データの平均を求めるという、移動平均操作により達成
される。

【００４１】この様にして得られたデジタル信号を用い
て、マイクロコンピューター等のＣＰＵ１１における吸
気開始点検知手段１６において、そのデジタル信号の時
間に対する変動量、即ち微分値が算出されてその値が所
定値より大きい場合に吸気開始点として検知される。尚
かかる所定値は、吸気検出感度設定記憶手段１８により
設定されるものであり、外部からの入力により設定し得
るものが好ましい。

【００４２】かかる吸気開始時点とその直前の呼吸サイ
クルにおける吸気開始時点の間の時間を測定して記憶し
Ｎ回の呼吸サイクルについての平均呼吸周期を、演算手
段２０によりｔ₁ として算出する。尚、Ｎの値として
は、１であってもよいが、平均値を用いる場合には２〜
１０の範囲で適宜選択される。

【００４３】またあらかじめ、その装置に間して求めて
おいた処方流量（Ｖ）と呼吸周期（ｔ₁ ）と自動開閉弁
の回時間（ｔ₀ ）の関係パターンを、入力手段２２から
入力し、記憶手段２３に記憶しておく。

【００４４】さらに処方流量（Ｖ）を入力手段２４から
入力し記憶手段２５により記憶しておく。

【００４５】かくして、該設定最大流量の下で、装置特
性に対応して予め定められたカニューラ出口流量と該自
動流路開閉手段の開時間との関係に従い、吸気直前の１
回を含む複数回の呼吸サイクル又は呼吸周期から算出さ
れた当該吸気に係る呼吸サイクル又は呼吸周期及び設定
された酸素節減比率及び処方流量から定まる１パルス当
りの流量に対応して設定される開時間の間、患者へ酸素
を供給するためにデマンドレギュレーターが該自動流路
開閉手段３を開にする。

【００４６】即ちタイマー手段２７から出される開時間
に対応した信号に従い、開閉調節手段３０により出され
る駆動力により、該自動流路開閉手段３を「開」状態に
する。

【００４７】その際、吸気開始を検出して「開」信号を
発生した後、所定時間（マスキング時間ｔｍ）の間、流
路開閉手段３の「開」作動の発生を停止させる。この開
作動の発生停止は、呼吸位相検知手段９から開閉調節手
段３０までのいずれかの段階で、その機能又は作動を時
間Ｔｍの間停止させることにより達成することができ
る。簡便な方法としては、マイクロコンピューター１１
の内部の吸気開始検知機能を停止させる（プログラムに
待ち時間として設定する）方法が挙げられる。

【００４８】このマスキング時間ｔｍは、呼吸周期ｔ₁
の１／３〜１／２の間で選定するのが好ましい。かかる
マスキング処理により、酸素供給直後に生じる圧力変動
を吸気開始と誤って認識することを防止することができ
る。

【００４９】尚、流量設定器２における設定流量は、装
置の最大気体流量に等しくする。また例えば自動開閉弁
３の前及び／又は後にクッションタンク（５１、５２）
を設けて、より積極的に非定常状態における過剰供給量
を大きくして、患者への供給を行うようにしてもよい。

【００５０】

【発明の効果】本発明の呼吸用気体供給装置は、処方流
量（Ｖ）や呼吸周期（ｔ₁ ）等に対応して、装置をその
最大気体供給量のみに設定したまま効率的に運転するこ
とを可能にしたものであるが、装置最大気体流量に対応
して制御されるので、使用者が操作する部分が少くな
り、利用しやすいものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の呼吸用気体供給装置の好ましい実施態
様の１例を模式的に示したものである。

【図２】１パルス当りの流量に対応して、設定される流
路開閉手段の開時間特性の１例を示したものである。本
発明においては装置最大流量に対応した関係が用いられ
る。

【図３】自動流路開閉手段３の上流側及び／又は下流側
に気体貯留空間部を有する場合の構成とパルス形状を示
す。パルス形状を示す図において、横軸は経過時間、縦
軸は流量を表わす。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 呼吸用酸素の酸素発生手段、該酸素発生
   手段から供給された加圧酸素を大気圧近傍の圧力に調整
   する圧力調整手段、使用者へ供給する酸素流量を設定す
   る流量設定器、呼吸位相検知手段、自動流路開閉手段を
   有し患者の呼吸に同調して患者のカニューラに酸素を供
   給するデマンドレギュレーターを備えた呼吸同調酸素供
   給装置において、該流量設定器が該装置の最大酸素供給
   量の一定値に設定するものであり、且つ該設定最大流量
   の下での装置特性に対応して予め定められたカニューラ
   出口流量と該自動流路開閉手段の開時間との関係を記憶
   する最大流量特性記憶手段、該呼吸位相検知手段で検知
   される吸気直前の１回を含む複数回の呼吸サイクル又は
   呼吸周期を算出する呼吸周期演算手段、酸素節減比率の
   入力及び／又は記憶する酸素節減比率入力手段、及び処
   方流量の入力及び／又は記憶する処方流量入力手段を備
   え、呼吸周期、酸素節減比率、及び処方流量から定まる
   １パルス当りの流量に対応した時間、該自動流路開閉手
   段を「開」状態にする制御手段を備えることを特徴とす
   る、呼吸同調酸素供給装置。
2. 【請求項２】 上記複数回の呼吸サイクルが、吸気直前
   の２回の呼吸サイクルを含むものである、請求項１の呼
   吸同調酸素供給装置。
3. 【請求項３】 上記酸素節減比率が、連続供給を基準に
   して１／４〜１／７である、請求項１又は２記載の呼吸
   同調酸素供給装置。
4. 【請求項４】 上記酸素供給弁の前又は後に、１分当り
   の最大流量の０．１〜５ｖｏｌ％の酸素貯留空間部を有
   する、請求項１〜３記載のいずれかの呼吸同調酸素供給
   装置。
5. 【請求項５】 上記酸素供給弁の前及び後にそれぞれ、
   １分当りの最大流量の０．１〜５ｖｏｌ％の酸素貯留空
   間部を有する、請求項１〜３記載のいずれかの呼吸同調
   酸素供給装置。
6. 【請求項６】 該デマンドレギュレーターの「開」作動
   が、「開」作動発生後呼吸周期の１／３〜１／２の時間
   の間マスキングされる、請求項１〜５記載のいずれかの
   呼吸同調酸素供給装置。