JP3615238B2 - 患者用人工呼吸器の呼吸回路の気道圧力を呼吸の吸息サイクル中に制御するシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、呼吸通気装置に関し、更に詳細には、所望の圧力レベルを得るため流れ制御弁及び逃がし弁を組み合わせて制御することによって、患者の気道内圧力を呼吸の吸息サイクル中に制御するためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療用通気装置は、患者が何らかの理由で適切な呼吸を自力でできない場合に患者の呼吸を補助するように設計されている。幾つかの形態の通気装置システムでは、患者が吸息の努力を始めた後に、圧力の補助の形態で患者が通気又は換気される。このようなシステムでは、介護者が入力した目標圧力に至るため、呼吸の開始後直ちに圧力を高めるのが望ましい。このように圧力を高めることによって、患者の肺に呼吸ガスを供給する流れを患者の気道内に生ぜしめる。従来の圧力制御式通気装置システムは、圧力制御装置、流れ制御装置、及び気道の入口側に設けられた目標圧力に到ったときに流れを遮断するフローバルブ、流れ制御弁即ち流量弁を使用することによって、患者へのガスの流れを制御する。
しかしながら、このような制御方法は、圧力が患者の生理学的状態及び気道の構造に応じて目標圧力を多かれ少なかれオーバーシュートするために患者を過圧してしまうことがよくある。大抵の場合、オーバーシュートした状態が続き、かくして、患者の肺は呼吸の全吸息サイクルに亘って過圧される。これが起こった場合には、所望の圧力よりも高い圧力によって患者の肺に損傷が加わる可能性がある。例えば、患者が胸郭又は腹部に外科手術を最近受けた場合、このような過圧により縫合部又は外科手術で最近修復された血管が破裂する可能性があり得る。同様に、喘息や肺気腫の患者のような非常に虚弱な又は衰弱した患者は、呼吸圧力が所望の圧力以上である場合に被害を受け易い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
こうした理由のため、オーバーシュートを無くすため又は患者の気道が長期間に亘って過圧されることのないようにするため、圧力制御式通気装置での呼吸の送出を制御できるのが望ましい。基本的な形体を大きく変化させることなく及び現存の構成要素を使用してこのようなオーバーシュートの制御を行うことができるのが特に有利である。本発明はこのような目的を達成する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
簡潔に一般的な言葉で述べると、本発明は、流れ制御弁及び逃がし弁の両方を制御することによって呼吸の吸息サイクル中に患者通気装置気道圧力を制御するためのシステム及び方法を提供する。流れ制御弁及び逃がし弁は、両方とも患者の気道と連通している。流れ制御弁は、所望の気道圧力レベルを達成するのに必要な流量で呼吸ガスの通気流れを供給するように制御され、逃がし弁は所望の気道圧力に基づく逃がし弁圧力制御装置からの信号、及び所望の逃がし弁流量及び計測された呼息流量に基づく逃がし弁流れ制御装置からの信号に応じて開放される。本発明を使用することによって、患者の気道内の圧力の制御が改善され、特に、オーバーシュートの制御及び吸息サイクル中過圧状態のままであることに関し改善がなされる。
人工呼吸器の吸息サイクル中に遭遇する現在の問題点は、圧力制御式通気についての吸息サイクル中の患者の気道圧力のオーバーシュートの制御である。サイクルが主に標準圧力及び流れ制御装置によって制御される場合には、制御装置が流れ制御弁に、開放して吸息の最初の相中に患者に呼吸ガスを迅速に供給するように指令したとき、患者には気道圧力のオーバーシュートが加わり易い。このような過圧は、患者の気道を迅速に充填する必要があり、流れ制御弁しか制御できないような場合には、大抵、不可避である。かくして、呼吸サイクルの吸息サイクル中に患者の気道圧力を更に正確に制御するのが非常に望ましい。これは、患者の肺の過圧が数多くの望ましからぬ作用をもたらすためである。
【０００５】
本発明は、従来の圧力制御装置及び流れ制御装置、並びに流れ制御弁及び患者管システムを介して患者への呼吸ガスの供給を制御するための通気装置呼吸ガス供給システムと組み合わせた能動的に制御される逃がし弁を使用する。患者の気道内の圧力を更に正確に制御するため、制御入力に応じて呼吸ガスを通気する逃がし弁が設けられている。逃がし弁への制御入力は、所望の気道圧力を表す信号及び逃がし流れの所望のレベルと実際の逃がし弁流れとの間の差を表す信号から得られる。本発明の方法及び装置を使用すると、吸息サイクルの第１の段階中に肺を迅速に充填するために非常に強い初期流量を使用した場合でも、患者の気道内の圧力を制御してオーバーシュートをなくすことができる。
本発明の現在の好ましい実施例では、患者の所望の気道圧力を患者の計測された気道圧力に加算し、圧力制御装置への入力として使用されるエラー信号をつくりだす。圧力制御装置は、所望の圧力を得るための所望の流れを表す流れ制御信号を出力する。流れ制御信号は、流れ制御弁の出力に加算され、流れ制御弁制御装置を駆動するのに使用されるエラー信号を提供する。好ましくは調節自在の能動的に制御される弁である逃がし弁は、患者の気道に連結され、所望の圧力を表す信号及び逃がし流れエラー信号から得られたコマンド信号によって駆動される。逃がしエラー信号は、計測された逃がし弁流れとシステム及び医療上のパラメータと関係した多くの要因に基づいて確立された所望の逃がし弁流れとの間の差に基づいている。例えば、患者は、ネブライザ等による投薬を受けることがよくあるが、こうした場合、呼息した呼吸ガス中に未吸収の薬剤が含まれる。このような場合には、他人が患者の薬にさらされることを制限するため、逃がし弁の流れを毎分１リットル（ Liter/minute ）といった比較的低レベルに制限するのが望ましい。一般的には、逃がし弁の流れを制限して呼吸器によるガスの使用を制限するのが望ましい。本発明の好ましい実施例では、逃がし弁は、有利には、当該技術分野で周知の力平衡式呼息弁である。このような弁は、電気的な入力、空気圧の入力、又は機械的な入力によって制御される。
【０００６】
以上のことから、本発明は、通気装置による患者の呼吸の吸息サイクル中に、流れ制御弁及び呼息弁であるのがよい逃がし弁の両方を能動的に制御し、これによって圧力及び流れの迅速な立ち上がり時間及び所望の目標圧力を越えた気道圧力のオーバーシュートの減少の両方を提供することによって、患者の気道圧力を制御するための改善された方法及び装置を提供するということがわかる。本発明の他の特徴及び利点は以下の詳細な説明及び本発明の特徴を例として示す添付図面から明らかになるであろう。
【０００７】
【実施例】
圧力制御式通気システムは、患者の呼吸の開始を通気装置が検出した後、加圧された呼吸ガスの流れを患者に提供する。しかしながら、ガスの流れが精密に制御されていない場合には、圧力が目標レベルよりも高くなることによって患者の気道、及びかくして患者の肺を過圧することがあり得る。こうした場合には、患者は不快感を覚え、或いは高い圧力の作用により呼吸器系に損傷を受けることすらあり得る。
図１に示す従来技術の圧力制御式通気装置制御システムは、所望の圧力をエラー加算手段２に入力する手段を有し、エラー加算手段２は、患者の気道システム（呼吸ガス回路）６内の患者圧力を計測する圧力センサ４からの入力も受入れる。計測した圧力と所望の圧力との差がエラー信号であり、このエラー信号は、所望の流量を表示する信号を発生する圧力制御装置８への入力として使用される。所望の流量を加算手段１０で流れセンサ又は流量センサ１６からの信号に加算し、流れ制御弁制御装置又は流量弁制御装置１２への入力として使用される流れエラー信号をつくりだす。流れ制御弁制御装置１２は、流れ制御弁（流量弁）１４を駆動する流れ制御弁コマンド又は流量弁コマンドを発生する。流れ制御弁１４は、患者の気道及び管システム（呼吸ガス回路）６への流れを制御する。
【０００８】
このようなシステムを使用し、患者の気道及び患者の肺が構成するリザーバを呼吸の開始後に加圧することによって迅速に満たす。理想的には、目標圧力に至ると直ちにガス流を遮断しなければならないが、従来技術の制御装置及びガス送出システムの動的応答は、圧力をオーバーシュートさせ、その結果、患者を過圧することがしばしばある。
本発明は、介護者が設定した目標値を越えて圧力が大幅にオーバーシュートしたままにならないようにするため、吸息の流れ及び圧力、及び患者回路システムの逃がし弁の両方を能動的に制御するためのシステム及び方法を提供する。図２に示すように、本発明は、図１に例示した種類の圧力制御式通気システムを使用するとともに、呼息弁であるのがよい逃がし弁を能動的に制御し、気道圧力を制御する。更に詳細には、加算器２はエラー信号を出力し、この信号は、入力された所望の圧力及び圧力センサ４からの計測された気道圧力に基づいて、圧力制御装置８への入力として使用される。圧力制御装置８は所望の流量を出力し、この流量は、加算手段１０によって流れセンサ１６が計測した流量に加えられる。加算手段１０の出力は、流れ制御弁制御装置１２及びかくして流れ制御弁１４を駆動し、所定の流量を患者の気道（呼吸ガス回路）６を通して患者に提供するのに使用される。更に、本発明は、所望の圧力を呼息弁制御装置２０に入力し、呼息弁制御装置２０の出力を加算手段２２で加算し、呼息弁１８を駆動するための呼息弁コマンドをつくりだす。加算手段２２への他の入力は、呼息弁の流れ又は流量制御装置２４の出力であり、呼息弁流れ制御装置２４は、加算手段２６の出力によって駆動される。加算手段２６は、所望の逃がし流れ及び呼息弁逃がし流れセンサ２８が計測した呼息弁逃がし流れから得られた逃がし流れエラー信号を出力し、これを呼息弁流れ制御装置に入力する。
【０００９】
本発明を使用することによって、患者の気道の圧力のオーバーシュートは、呼息弁によって、検出された流れ及び所望の圧力に基づいて能動的に制御される。
本発明の別の利点は、所望の圧力曲線を入力し、本発明の閉ループシステムを使用してこの曲線を正確に辿ることができるということである。かくして、本発明は、単に固定レベルの目標圧力に適合できるというのではなく、種々の呼吸方法に適合できる。
本発明では種々の逃がし弁を使用できるけれども、呼息弁として使用される一つの特定の形態の力平衡弁が有利であることがわかっている。図３及び図４は、このような呼息弁のうちの二つの種類を示し、これらの弁はバルーン型又はダイヤフラム型である。図３に示すバルーン型弁は、パイロット圧力入口３２からの圧力によって膨らませたバルーン３０を有し、呼息流が弁に及ぼす力がパイロット圧力でつくりだされた力を越えたとき、呼息流が弁を開く。
同様に、図４のダイヤフラム弁には、弁の外側本体、弁ポペット、及びダイヤフラム３４の後側の領域によって形成されたキャビティに作用し、かくして呼息流を図３のバルーン弁と同様に制御するパイロット圧力入口３２が設けられている。本発明の逃がし弁の目的についてこのような弁が有用であることがわかっているが、本発明の逃がし弁について、電気的に、機械的に、又は空気圧で駆動される他の弁、又はこれらの駆動機構の組み合わせを有利に使用できる。
【００１０】
以上から、本発明は、患者に呼吸ガスを所望の流量及び圧力レベルで提供するための通気システム用の改善された空気圧駆動式電子制御圧力制御システムを提供するということが明らかである。更に詳細には、本発明は、更に精巧な通気方法の目標圧力流れ曲線を組み込むことによって、患者の気道圧力が介護者によって設定された目標圧力より高くオーバーシュートしないようにすることができる。
本発明を従来技術の通気装置と組み合わせて使用すると、性能が大幅に改善される。図５及び図６は、従来技術の制御装置を使用した通気装置の吸息相についての圧力と流れ時間の変化を示す。更に詳細には、図５は、指令された望ましい３０cmH₂O の圧力についての患者のワイ(wye) での患者圧力をH₂O （水柱）のcmで示す。従来技術の制御装置が発生するこの圧力曲線からわかるように、患者の気道圧力は、吸息開始後の呼吸の大部分に亘って所望の圧力よりも７cmH₂O 程度高い状態のままである。使用する最初の吸息速度を更に緩慢にすればこのオーバーシュートを或る程度緩和できるが、このような方法では呼息中の肺の充填が緩慢になり、及びかくして通気が悪くなる。図６に示すように、図５と比較すると、患者は、呼吸の送出を完了した後、過圧されたままである。これは、従来技術の制御装置を使用したことによる望ましからぬ結果である。
【００１１】
図７及び図８は、本発明の制御システムを使用したシステムの改善された性能を示す。図７を参照すると、呼吸をひとたび開始したとき患者の肺を迅速に充填するために、図５に示すような迅速な立ち上がり時間が用いられている。しかしながら、従来技術の制御装置とは異なり、本発明は、肺の充填後に圧力のオーバーシュートを減少させることができ、気道圧力を３０cmH₂O の所望の圧力に維持できる。図８を参照すると、患者への流れの流量の経時変化が、逃がし弁からの流れとともに示してある。圧力の最初のピーク近くでの逃がし弁からの比較的穏やかな流量により、患者の気道圧力を所望のレベルに迅速に戻すことができるということがわかる。更に、１．２秒のしるしのところでグラフに示すように、呼息サイクルを開始するために気道内の圧力を迅速に減少させるのに逃がし弁を使用できる。かくして、本発明を使用することによって、患者は、従来技術の制御装置と比較して、過圧された状態のままであることがほとんどなくなる。
本発明を個々の別々の圧力制御装置、流れ制御装置、及び呼息制御装置を提供するものとして説明したが、これらの機能を、設けられた流れセンサ及び圧力センサからの適切な入力部及び供給流れ弁及び圧力調整機構への出力部を持つ一つ又はそれ以上のマイクロプロセッサで実行することもできるということは理解されるべきである。
【００１２】
本発明の特定の形態を示し且つ説明したけれども、以上から、種々の変更を本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行うことができるということが明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲もよってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の通気装置の圧力制御式吸息制御システムの概略図である。
【図２】本発明の通気装置の圧力制御式吸息制御システムの概略図である。
【図３】バルーン型力平衡弁の概略断面図である。
【図４】ダイヤフラム型力平衡弁の概略断面図である。
【図５】従来技術の制御装置を使用した、圧力が制御された吸息相中の患者圧力のグラフである。
【図６】従来技術の制御装置を使用した、圧力が制御された吸息相中の患者への流れのグラフである。
【図７】本発明の制御システムを使用した、圧力が制御された吸息相中の患者圧力のグラフである。
【図８】本発明の制御システムを使用した、圧力が制御された吸息相中の患者への流れのグラフである。
【符号の説明】
２ エラー加算手段
４ 圧力センサ
６ 気道システム（呼吸ガス回路）
８ 圧力制御装置
１０ 加算手段
１２ 流量弁制御装置
１４ 流れ制御弁（流量弁）
１６ 流量センサ
１８ 呼息弁
２０ 呼息弁制御装置
２２ 加算手段
２４ 呼息弁流量制御装置
２６ 加算手段
２８ 呼息弁逃がし流れセンサ
３０ バルーン
３２ パイロット圧力入口
３４ ダイヤフラム

Claims (4)

1. 患者用人工呼吸器の呼吸ガス回路（６）内の気道圧力を、呼吸の吸気サイクル中に制御するシステムであって、前記呼吸ガス回路（６）が、呼吸ガス源と、前記患者の呼吸アタッチメントに呼吸ガスを供給できるように該呼吸アタッチメントと流体連通している気道流路とを備えているシステムであって、前記気道流路に設けられ前記呼吸ガス源から前記呼吸アタッチメントに呼吸ガスの供給流を、所望の気道圧力と実際の気道圧力とに基づく所望の供給流量で送出する流れ制御弁手段（１４）と、前記吸気サイクル中に、前記呼吸アタッチメントから大気に呼吸ガスを排出する逃がし弁（１８）手段とを備えたシステムにおいて、
   所望の流出流量を決定する手段と、
   前記逃がし弁手段（１８）を通る実際の流出流量を計測する手段（２８）と、
   前記実際の流出流量を前記所望の流出流量と比較して流出流量エラーを決定する手段（２６）と、
   前記所望の気道圧力を示す信号と前記流出流量エラーを示す信号とから導かれる逃がし弁コマンド信号を生成し、該逃がし弁コマンド信号に基づいて、吸気サイクル中に呼吸アタッチメントから前記逃がし弁手段（１８）を通して呼吸ガスを排出して所望の気道圧力を達成するように、前記逃がし弁手段（１８）の作動を制御する手段（２０、２２、２４）と、を備えている、
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記流れ制御弁手段（１４）から前記呼吸アタッチメントへの実際の供給流量を計測する手段（１６）と、
   前記実際の供給流量を前記所望の供給流量と比較し供給流量エラーを決定する手段（１０）と、
   前記供給流量エラーに基づいて供給弁コマンド信号を生成して、前記呼吸ガスを所望の供給流量で送るように前記流れ制御弁手段（１４）の作動を制御する手段（１２）と、をさらに備えている、
   請求項１に記載のシステム。
3. 実際の気道圧力を計測する手段（４）と、
   該実際の気道圧力を所望の気道圧力と比較して、気道圧力エラーを決定する手段（２）と、
   前記所望の流出流量を前記気道圧力エラーに基づいて変更する手段（８）と、を更に備えている、
   請求項１に記載のシステム。
4. 患者の人工呼吸器の気道圧力を制御する装置であって、
   所望の目標気道圧力を設定する手段と、
   圧力コントローラ（８）と、
   流れ制御弁コントローラ（１２）と、
   流れ制御弁（１４）と、
   該流れ制御弁（１４）からの呼吸ガス流出量を計測するセンサ（１６）と、
   前記流れ制御弁（１４）と患者呼吸システムと流体連通する呼吸ガス回路（６）と、
   前記呼吸ガス回路（６）と流体連通する圧力センサ（４）と、
   前記所望の目標気道圧力と前記圧力センサ（４）からの信号との間でエラー信号を生成する第１の加算手段（２）とを備え、該エラー信号は前記圧力コントローラ（８）を駆動する信号を提供するものであり、前記装置は、更に、
   前記圧力コントローラ（８）からの出力信号と前記患者気道流れセンサ（１６）からの出力信号との間でエラー信号を決定する第２加算手段を備え、該エラー信号は前記流れ制御弁コントローラ（１２）への入力を提供するものであり、更に、
   前記呼吸ガス回路（６）と流体連通した逃がし弁（１８）を備えている前記装置において、更に、
   前記逃がし弁（１８）の流出流と流体連通した逃がし弁流れセンサ（２８）と、
   所望の目標気道圧力に基づくコマンド信号を出力する逃がし弁圧力コントローラ（２０）と、
   所望の逃し流れと前記逃がし弁流れセンサ（２８）によって計測された逃がし弁流れとの間の差に基づくエラー信号を出力する第３の加算手段（２６）と、
   前記第３の加算手段（２６）からのエラー信号に基づいて逃がし弁コマンド信号を出力する逃がし弁流れコントローラ（２４）と、
   前記逃がし弁（１８）に逃がし弁コマンド信号を出力し、呼吸の吸気サイクル中に、前記所望の目標気道圧力を達成できるように前記逃がし弁（１８）を制御するために前記逃がし弁圧力コントローラ（２０）と前記逃がし弁流れコントローラ（２４）の出力信号の合計に基づいて、流れを排出する第４の加算手段（２２）と、
   を備えていることを特徴とする装置。

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