JP3722404B2 - High frequency ventilator - Google Patents
High frequency ventilator Download PDFInfo
- Publication number
- JP3722404B2 JP3722404B2 JP28014799A JP28014799A JP3722404B2 JP 3722404 B2 JP3722404 B2 JP 3722404B2 JP 28014799 A JP28014799 A JP 28014799A JP 28014799 A JP28014799 A JP 28014799A JP 3722404 B2 JP3722404 B2 JP 3722404B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure
- patient
- lung
- frequency
- tube
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高頻度人工呼吸器に係り、特に、患者の肺内圧力を観測しつつ酸素供給を行い得る高頻度人工呼吸器に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の高頻度人工呼吸器200は、図18に示すように、酸素供給源201から三方分岐管202を介して患者X側と排気側とに分岐する流体回路系を流れる高濃度酸素を含んだ吸気(通常の流量10〜30[l/min],最大60[l/min])に対して高頻度(3〜15[Hz]程度)の振動空気圧を振動空気圧付勢部203によって付勢して患者Xの肺内に酸素供給を行う。このとき、患者Xの肺へかかる平均圧力は、呼気の排出口に設けられた呼気弁204のゴム弁の閉放面積でコントロールし、通常の平均圧力は、5〜15[cmH2O]を保つように設定する。
【0003】
高頻度人工呼吸器200の酸素供給原理を説明する。まず、患者に供給される吸気に高頻度振動空気圧が付勢されると、当該吸気の圧力振幅により、患者の肺中の二酸化炭素を含んだ吸気(以下、呼気とする)に対して小容量の換気(対流的なガス交換)が起ると共に、吸気の振動による拡散運動の効果で、肺内に吸気が侵入すると共に肺内の呼気が肺の外(患者口元)まで導き出される。後続の吸気は、上述の換気を行うと共に肺から導き出された呼気を排気口側に送り出す作用をも有している。これにより、患者の肺内を常に一定の酸素濃度に維持することを可能としている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
高頻度人工呼吸器では、患者の肺に対し、吸気と排気の双方向について3〜15[Hz]の早い周期で切り替わるガス換気が行なわれるため、このような速い速度で方向性が切り替わるガスの流れ(またはボリューム)を通常の流量センサで測ることは困難であった。従って、患者の肺内の換気量を検出することは困難であった。
【0005】
例えば、応答性の良い流量センサとして熱線式のセンサが挙げられる。この熱線式のセンサの流量検出原理は、通電によりヒートされた熱線が当該熱線を通過する気体流量に比例して冷却されることに着目し、熱線温度をある一定に保つ電流量と気体流量とは比例関係ができるので、かかる電流値から流量の検出を行う、というものである。
【0006】
しかしこの方式は、気体の流れの方向に関係なく、通過した気体流量が多ければ熱線は冷却されてしまうため、通過する気体の総量は計測できるが、気体がどちらの方向に流れているかは計測できない。そのため熱線式のセンサは、吸気・呼気の双方向への気体の流れに対し、センサ位置における瞬間的な分時流量(単位時間当たりの流量)の大きさは計測できても、実際に肺に対してどのくらいの量の吸気が流入してるか或いはどのくらいの量の呼気が排出されているかを知ることはできなかった。
【0007】
また、気体が流れる管内の途中に設けたオリフィスの前後差圧を計測し、ガス量を測定する方法もある。この方法であれば、基準圧をオリフィスの前後のいずれかの圧力に固定すれば、ガスの流れる方向の違いにより、前後差圧ΔPがプラス又はマイナスで求められるので、ガスの流れの方向はわかる。
【0008】
しかし、この方法は管の途中に差圧を発生させるオリフィスが通気抵抗になり、吸気供給又は呼気排出の妨げとなるため、患者のガス交換をする管路中に設置するのは好ましくなかった。また、通気抵抗を抑えるべくオリフィス径を大きく設定すると前後差圧は数[cmH2O]の微圧となり、かかる微圧を高い精度で検出する圧力センサがほとんどないので、結果として正確なΔPが得られないという不都合があった。
【0009】
また、人工呼吸時における患者の肺内の圧力変化を検出することができればガス交換量が算出することも可能である。しかし、上記高頻度人工呼吸器では圧力を検出することができるのはせいぜい患者の口元までが限度であり、患者の肺内圧力は口元圧力と一致しないので、肺の換気量を正確に求めることはできなかった。
【0010】
以上のような理由で、高頻度換気法で患者の肺に一回当たりに送り込まれている(または排出されている)ガス換気量を計測する方法は、従来確立されてはいなかった。
【0011】
このために高頻度換気法を行なう場合、医者は患者の人工呼吸の状態を管理するための指標がなく、正常な換気が行なわれているかどうかは、一回換気量の大きさにより患者の胸の振れ具合が異なるのを目安とする目視観察などにより行われ、その精度は全く低いものであると共に、高頻度人工呼吸器の扱い自体が医師に熟練と経験が要求されるものとなっていた。
【0012】
【発明の目的】
本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、高頻度人工呼吸時における患者の肺内の換気量を検出するべく肺内圧力を検出し得る高頻度人工呼吸器を提供することを、その目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明では、患者への酸素を含んだ吸気を供給する吸気導入部と、吸気に患者の呼吸周期よりも高い周期の振動空気圧を付勢する振動空気圧付勢部と、振動空気圧が付勢された吸気を患者へ案内する患者側経路と、患者から出された二酸化炭素を含んだ呼気を大気中に排出する排出経路とを備えている。
【0014】
そして、患者側経路の患者側端部に、患者の口元から気管の第一分枝近くまで挿入する気管内挿入管を装備している。
【0015】
また、患者側経路から排出経路のいずれかの途中部位から分岐した検出用分岐管と、この検出用分岐管を介していずれかの経路と連通した圧力検出容器と、この圧力検出容器の内部圧力を検出する対応圧力検出センサとを有している。そして、この検出用分岐管の内径及び長さ並びに圧力検出容器の容積を、高頻度人工呼吸時の気管内挿入管の挿入側先端部圧力と圧力検出容器の内部圧力とが一次関数の関係を生ぜしめる値に設定している。
【0016】
その上、一次関数の関係を記憶すると共に対応圧力検出センサからの検出圧力に基づいて気管内挿入管の挿入側先端部の圧力を算出する機能を備えたコントローラを備えている。
【0017】
上記構成では、まず、気管内挿入管を患者の口元から気管の第一分枝まで挿入する。かかる状態で、吸気導入部から一定流量で吸気が供給され、同時に振動空気圧付勢部で一定の振動周期で駆動する。これにより、患者側経路及び気管内挿入管を介して患者に吸気が供給される。かかる吸気には振動空気圧が付勢されているので、振動空気圧の陽圧で吸気が肺に侵入し且つ拡散し、陰圧で呼気が肺から吸い出される。かかる呼気は、気管内挿入管を介して排出経路に至り、後続の吸気と共に大気中に排出される。
【0018】
このとき、対応圧力検出センサでは圧力検出容器内の圧力を検出し、コントローラに出力する。高頻度人工呼吸器では、高頻度人工呼吸時の気管内挿入管の挿入側先端部圧力と圧力検出容器の内部圧力とが一次関数の関係を生ぜしめる検出用分岐管及び圧力検出容器が選択され装備されているので、コントローラではかかる一次関数を用いて対応圧力検出センサの出力から気管内挿入管の先端部の圧力即ち患者の肺内の圧力を算出により求める。
【0019】
請求項2記載の発明では、請求項1記載の発明と同様の構成を備えると共に、コントローラは、一次関数を記憶する記憶部と、この一次関数を参照し気管内挿入管の挿入側先端部圧力の圧力を算出する肺内圧力算出部とを備えるという構成を採っている。請求項2記載の発明では、請求項1記載の発明と同様の動作が行われると共に、気管内挿入管の先端部の圧力(肺内圧力)の算出が肺内圧力算出部にて記憶部を参照しながら行われる。
【0020】
請求項3記載の発明では、請求項1又は2記載の発明と同様の構成を備えると共に、一次関数を外部から記憶部に入力する操作盤を,コントローラに併設しするという構成を採っている。請求項3記載の発明では、請求項1又は2記載の発明と同様の動作が行われると共に、操作盤から予め入力された一次関数に従って気管内挿入管先端部の圧力(肺内圧力)が算出される。
【0021】
請求項4記載の発明では、請求項1,2又は3記載の発明と同様の構成を備えると共に、コントローラが算出した気管内挿入管の挿入側先端部圧力の圧力を外部に表示する表示部を,コントローラに併設するという構成を採っている。かかる構成では上記各構成と同様の動作が行われると共に、算出された気管内挿入管先端部の圧力(肺内圧力)が表示部にて外部に表示される。
【0022】
請求項5記載の発明では、請求項1,2,3又は4記載の発明と同様の構成を備えると共に、コントローラが、算出した気管内挿入管の挿入側先端部圧力の圧力に基づいて患者の肺に対する換気量を算出する換気量算出部を備えるという構成を採っている。この換気量算出部では、算出された肺内圧力から換気量(現在肺にどのくらいの吸気が流れ込んでいるか又は呼気が排出されているか)を求める。
【0023】
本発明は、上述した各構成によって前述した目的を達成しようとするものである。
【0024】
【発明の実施の形態】
(実施の形態の全体構成)
本発明の一実施形態を図1乃至図11に基づいて説明する。図1,2は、それぞれ本実施形態たる高頻度人工呼吸器12の構成を示すブロック図であって、図1は人工呼吸時の状態を示し、図2は人工呼吸を行う前の準備作業段階の状態を示す。
【0025】
この高頻度人工呼吸器12は、患者Xへの酸素を含んだ吸気を供給する吸気導入部62と、吸気に患者Xの呼吸周期よりも高い周期の振動空気圧を付勢する振動空気圧付勢部50と、振動空気圧が付勢された吸気を患者へ案内する患者側経路60と、患者Xから出された二酸化炭素を含んだ呼気を大気中に排出する排出経路70と、上記各部の動作制御を行うコントローラ40とを備えている。
【0026】
以下各部を詳説する。
【0027】
(吸気導入部)
上記吸気導入部62は、外気と予め準備された酸素とを吸入し混合するブレンダ621と、ブレンダ621から送り出される空気を加湿する加湿器622とから構成されている。ブレンダ621は吸気を加湿器622側に流す図示しない複数の出力バルブが設けられている。各種の出力バルブは、それぞれ流量が異なるものであり、任意の流量の出力バルブを選択することにより所定流量の吸気の供給が行われる。なお、各出力バルブはコントローラ40から動作信号により開閉を切り替えるアクチュエータが併設されている。
【0028】
加湿器622には、加湿器622を経た吸気Aiを患者Xへ供給する吸気管623が接続されている。吸気管623は、その途中で分岐して一端側が後述するダイヤフラム機構56の被加圧室563に連通されるとともに、その他端側が後述する三方分岐管170に接続されている。
【0029】
(振動空気圧付勢部)
振動空気圧付勢部50は、陽圧Ap及び陰圧Anの両方の空気圧を同時に発生するブロワ52と、ブロワ52で発生した陽圧Ap又は陰圧Anを交互に選択して所定の振動空気圧Apnに変換するロータリバルブ機構54と、ロータリバルブ機構54からの振動空気圧Apnに付勢されて作動し,吸気導入部62から患者Xに供給される酸素(厳密には空気と混合された酸素)に振動空気圧を付勢するダイヤフラム機構56とを含む構成を採っている。
【0030】
上述のブロワ52は、その内部に空気を取り込みまたその空気を送り出すことにより陽圧と陰圧とを同時に発生させる。その空気取り込み口は、後述するロータリーバルブ機構54の陰圧ポート542に接続され、空気の送り出し口は陽圧ポート541に接続されている。
【0031】
ロータリバルブ機構54は、ブロワ52から陽圧が入力される陽圧ポート541と、ブロワ52から陰圧が付勢される陰圧ポート542と、振動空気圧を出力する出力ポート543と、自らの回転により出力ポート543を陽圧ポート541と陰圧ポート542とに交互に接続するロータリバルブ544と、ロータリバルブ544を回転させる駆動部545とから構成されている。
【0032】
駆動部545は、図示しない電動機及び減速機からなり、ロータリバルブ544を例えば900[rpm]で回転させる。ロータリバルブ544は、一回転するごとに、ポート541とポート543とのみを一回連通させ、続いてポート542とポート543とのみを一回連通させる。これにより、供給される吸気に対して周波数15[Hz]の振動空気圧Apnを付勢する。ポート543には、振動空気圧Apnをダイヤフラム機構56へ伝達する振動空気圧管546が接続されている。
【0033】
ダイヤフラム機構56は、加圧室562及び被加圧室563と、加圧室562と被加圧室563との間を仕切るとともに伸縮自在の膜状部材で形成されたダイヤフラム561とを備えている。加圧室562は振動空気圧管546に接続されている。加圧室562はロータリーバルブ54の出力ポート543に接続されており、被加圧室563は吸気管623に接続されている。かかる構造によりロータリーバルブ54で形成された振動空気圧はダイヤフラム561を介して吸気管623内を流動する吸気に付勢される。
【0034】
(患者側経路)
さらに、高頻度人工呼吸器12は、吸気管623の下流側に三方分岐管170を備え、当該三方分岐管170がさらに下流側を患者X側と排出経路側とに分岐させている。この三方分岐管170は、患者側管路171(患者側端部),酸素供給源側管路172及び呼気排出側管路173の三つの管路を備えており、これらの管路は全て内部で合流している。そして、酸素供給源側管路172が吸気管623と接続され、患者側管路171が患者Xの肺内に至る気管内挿入管81と接続されている。この三方分岐管170と吸気管623とが患者側経路60を構成している。また、患者側管路171には平均気道内圧を検出する患者側圧力センサ93が設けられており、検出圧力はコントローラ40に出力される。
【0035】
(排出経路)
さらに、三方分岐管170の呼気排出側管路173は、排出管604の一端部と接続され、この排出管604の他端部には流量調節バルブ607が接続されている。これら排出管604と流量調節バルブ607とは、患者Xの肺から出された二酸化炭素を含んだ吸気(呼気)の通り道となり、これらが呼気を大気中に排出する排出経路70を構成する。
【0036】
図3は、排出経路70の周囲を一部切り欠いて示した拡大図である。この図に示すように、流量調節バルブ607は、筺体607aと排気ポート607bと流量制御用の移動弁(制御用シリコンシート)607cと、この移動弁607cを一定方向に沿って前後進移動させる往復付勢機構としてのソレノイド607dとを備えている。
【0037】
(モデル肺と気管内挿入管)
ところで、図1と図2とを比較すると分かるように、人工呼吸前の準備作業段階(図2)においては、三方分岐管170の患者側管路171には、患者Xの口元から気管の第一分枝まで挿入可能な気管内挿入管81を介して患者Xの肺にほぼ等しいコンプライアンス値に設定されたモデル肺82が装備されている。
【0038】
上記気管内挿入管81は準備作業段階のみならず人工呼吸時にも使用されるものであって、当該人工呼吸時には患者Xの口部から気管に挿入される。人間の気管は、その深部にて左右の肺にそれぞれ向かう二本の気管支に分岐している。この気管内挿入管81は、チューブ状であって変形性に富み、人工呼吸時において図1の如く、患者Xの口から上述の各気管支に分岐する分岐点(第一分枝)まで挿入される。従って、気管内挿入管81は、患者Xの口から第一分枝まで充分に届く長さに設定されており、また当然のことながら気管内に挿入可能な外径に設定されている。
【0039】
なお、この気管内挿入管81は、ある特定の患者Xのみに応じて各部の寸法設定が成されているものではない。即ち、一般の成人であれば気管の内径や長さに大差はなく、このような平均的な成人を対象とする寸法設定が成されている。即ち、成人男子の場合、口部から第一分枝まで22〜26[cm]程度であり、これに三方分岐管170の患者側管路171から口元までの長さが+3〜5[cm]あるので、気管内挿入管81は合計して25〜31[cm]程の長さであれば良く、本実施形態では30[cm]に設定される。また、通常の成人を対象とした場合、気管内挿入管81の内径は8[mm]程度のチューブが一般的に使用されている。
【0040】
また、気管内挿入管81の各部の寸法は、患者Xの年齢に応じたサイズに設定しても良い。図4は、年齢とそれに応じた気管内挿入管の内径及び挿入長さを示している。挿入長さは口部から挿入される部分の長さを示しているので、各気管内挿入管の実際の長さは、この数値に3〜5[cm]加えたものとなる。
【0041】
さらに、この気管内挿入管81は交換式であり、三方分岐管170の患者側管路171に対して着脱自在となっている。従って、人工呼吸に使用された後には取り外して廃棄又は除菌洗浄されて再利用される。
【0042】
人工呼吸を行う前の準備作業段階において、気管内挿入管81の末端部にはモデル肺82が装備される。このモデル肺82はその内部が中空であって、その外形は寸胴な円柱状に形成されている。そして、その上部には気管内挿入管81との接続口が設けられており、モデル肺82の内部は気管内挿入管81に連通している。このモデル肺82は、患者Xの肺のコンプライアンス値とほぼ等しくなるように設定されている。ここで、コンプライアンスとは、厳密には物体の伸び易さを示す指標を意味する。しかし、ここでは、コンプライアンス(C)とは、一定の圧力変化(ΔP)に対する容器内への気体の流入又は流出量(ΔV)を示すものとする(C=ΔV/ΔP;単位[ml/cmH2O])。
【0043】
人間の肺のコンプライアンスは肺の伸縮性と容積により決まる。一方、モデル肺82は、伸縮性の乏しい硬質の素材にて形成されており、そのコンプライアンスはその容積のみを適宜好適な値に設定することにより、患者Xの肺のコンプライアンスと等しくなるように調節している。というのも、このモデル肺82を肺と同様の伸縮性を有する素材で形成しコンプライアンスの調節を図るのは生産性の面からも困難であり、容積設定のみからコンプライアンスを調節する方が生産が容易となるからである。
【0044】
なお、本実施形態では、正常な成人の一般的なコンプライアンス値に基づいてモデル肺82の容積を40[l]に設定している。また、肺のコンプライアンスは専用の測定装置により測定可能であるため、予め患者ごとにコンプライアンスの測定を行い、かかる測定値に基づいてより厳密にモデル肺82の容積を決定しても良い。
【0045】
さらに、モデル肺82にはその内部の圧力を検出するモデル肺用圧力センサ83が装備されている。このモデル肺用圧力センサ83は、センサ出力を記憶し表示する観測装置Bと接続される。この観測装置Bは高頻度人工呼吸器12とは別体の例えばパーソナルコンピュータとディスプレイとから構成される。
【0046】
また、このモデル肺82は、気管内挿入管81に対して着脱自在であり、後述する人工呼吸前の準備作業を終えると、気管内挿入管81から取り外される。
【0047】
(圧力検出容器と検出用分岐管)
高頻度人工呼吸器12は、さらに、図1,2に表わされているように、吸気管623の三方分岐管170側の端部近傍から分岐した検出用分岐管84と、これに接続され吸気管623と連通した圧力検出容器85とを備えている。この検出用分岐管84は、前述した気管内挿入管81よりも内径を小さく設定し(例えば0.5[mm])、その長さを30[cm]に設定したチューブ状のものが使用される。また、この検出用分岐管84は、吸気管623から着脱自在に装備されている。
【0048】
また、圧力検出容器85は、その内部が中空であって、その外形は寸胴な円柱状に形成されている。そして、その上部には検出用分岐管84との接続口が設けられており、圧力検出容器85の内部は検出用分岐管84を介して吸気管623に連通している。この圧力検出容器85は検出用分岐管84から着脱自在に連結されている。
【0049】
この圧力検出容器85は、モデル肺82のように患者Xの肺のコンプライアンス値と等しくなるような設定はなされていないが、モデル肺82と同様に硬質の素材にて形成されている。また、圧力検出容器85の容積は前述したモデル肺82よりも小さい10[ml]に設定されている。
【0050】
そして、上記検出用分岐管84の内径及び長さ並びに圧力検出容器85の容積の各値は、モデル肺82を接続した状態で高頻度人工呼吸(吸気供給量,振動空気圧の振動周期及び振動空気圧付勢部50の一回換気量(振動空気圧の一周期における換気量)の各値を一定の値とした条件下で)を行った時の気管内挿入管84の挿入側先端部に位置するモデル肺82の内部圧力P1と圧力検出容器85の内部圧力P2とが常に一次関数の関係を生ぜしめる値に設定されている。
【0051】
この一次関数はp1=k・p2+mで表され(k,mは定数)、k,mの値は気管内挿入管81,モデル肺82,検出用分岐管84及び圧力検出容器85の各部の寸法又は容積に応じて決定される。さらに、検出用分岐管84の内径及び長さ並びに圧力検出容器85の容積の各値は、当該各値に変更を加えて、モデル肺82を気管内挿入管81に接続した状態で繰り返し高頻度人工呼吸試験を行い、最も一次関数的な変化を示したものが採用される。ちなみに、上述した各数値は試験により求められた値である。
【0052】
なお、検出用分岐管84の内径が小さいか或いは長さが長いときには圧力検出容器85の容積は小さくなる傾向にある。従って、検出用分岐管84内径及び長さ並びに圧力検出容器85の容積は、特にこの容積に限定するものではない。即ち、気管内挿入管81の内径及び長さ並びにモデル肺82の容積が一定であっても、検出用分岐管84内径及び長さ並びに圧力検出容器85の容積の値の組み合わせは無数に存在し、これらの一つに設定すれば良い。
【0053】
さらに、圧力検出容器85にはその内部の圧力を検出する対応圧力検出センサ86が装備されている。この対応圧力検出センサ86は、高頻度人工呼吸時には後述するコントローラ40の記憶部41に接続され、人工呼吸を行う前の準備作業段階においては前述した観測装置Bに接続される。
【0054】
(コントローラ)
次に、コントローラ40について図1及び図5を参照して説明する。図5は高頻度人工呼吸器12の制御系を示すブロック図である。このコントローラ40は、CPU,ROM,A/D変換器を含む演算装置で構成され、後述する高頻度人工呼吸器12の動作制御を実行するプログラムが入力されている。このコントローラ40は、後述する操作盤43の入力条件に従い吸気導入部62,振動空気圧付勢部50及び流量調節バルブ607の動作制御を行う動作制御部49と、対応圧力検出センサ86の検出圧力を記憶するセンサ出力メモリ41と、前述した一次関数を記憶する記憶部42と、当該記憶部42とセンサ出力メモリ41とを参照し、対応圧力検出センサ86の検出圧力からモデル肺用圧力センサ83で検出されるであろう圧力(演算により求められた患者Xの肺内圧力)を算出する肺内圧力算出部47と、肺内圧力算出部47の出力に基づいて患者Xの肺に対する換気量を算出する換気量算出部48を備えている。
【0055】
また、コントローラ40には、後述する各操作を入力するための操作盤43と患者側圧力特定部87にて特定された圧力を表示する表示部44とが併設されている。
【0056】
上述のコントローラ40の動作制御について詳説する。この高頻度人工呼吸器12では、高頻度人工呼吸時の患者Xの肺内での振動空気圧に基づく吸排気の換気量の観測を可能とするために、当該高頻度人工呼吸時の肺内の圧力の観測を可能とすることを目的とする。
【0057】
かかる目的達成のために、上述した高頻度人工呼吸器12では、人工呼吸を行う前に準備作業を必要とする。この準備作業は、高頻度人工呼吸が供給供給量,振動空気圧の振動周期及び振動空気圧付勢部50における一回換気量が一定の条件下で、モデル肺82と圧力検出容器85とで検出される各圧力が一次関数で表される対応関係を生じるように、検出用分岐管84の内径及び長さ並びに圧力検出容器85の容積を選定するために行われる。
【0058】
これを順を追って説明すると、まず、患者Xの気管内に挿入する予定の気管内挿入管81をモデル肺82と接続し、当該モデル肺82と三方分岐管170の患者側管路171とを連通させる。また、モデル肺用圧力センサ83及び対応圧力検出センサ86は観測装置Bに接続される。
【0059】
そして、操作盤43により、吸気流量,振動空気圧の振動周期及び振動空気圧付勢部の一回換気量を入力設定する。かかる入力があると動作制御部49により、吸気導入部62のブレンダ621に設けられた各出力バルブの中から適宜なものが選択され、同時に振動空気圧付勢部50のロータリーバルブ機構54が入力された振動周期に応じた回転数で駆動し、ブロワ52が入力された一回換気量に応じた出力で駆動する。これにより、モデル肺82及び圧力検出容器85に対して吸気の供給が行われる。このとき、操作盤43から動作制御部49を介して流量調節バルブ607の開度調節を行い、吸気圧力が患者に最適な数値となるようにする。
【0060】
このとき観測されるモデル肺用圧力センサ83と対応圧力検出センサ86の出力に基づく各圧力を比較し、前述した一次関数の対応関係が生じているかを検証する。各検出圧力はいずれも振動空気圧と等しい周期で増減を繰り返しているので、それぞれのセンサ83,86の任意の一周期の検出圧力を選択し、等しい位相での検出圧力を比較する。
【0061】
前述した一次関数の対応関係を生じていない場合には、検出用分岐管84を内径のサイズが異なるものに交換する。或いは容積の異なる圧力検出容器85と交換する。かかる検出により適宜な検出用分岐管84及び圧力検出容器85が特定されると、前述した各センサ83,86から一次関数の定数k,mを算出する。そして、算出された一次関数を操作盤43から入力する。
【0062】
次に、患者Xに高頻度人工呼吸を行う場合について説明する。まず、気管内挿入管81からモデル肺82を外し、当該気管内挿入管81を患者Xの口元から気管の第一分枝まで挿入する。また、対応圧力検出センサ86をコントローラ40に接続する。そして、操作盤43により、患者Xの肺のコンプライアンス値と準備段階のときと同じ吸気流量,振動空気圧の振動周期及び一回換気量を入力する。
【0063】
これにより、吸気導入部62から選択した一定流量で吸気が供給され、同時に振動空気圧付勢部50のロータリーバルブ機構54が入力された振動周期に応じた回転数で駆動し、ブロワ52が入力された一回換気量に応じた出力で駆動する。これにより、準備作業時と等しい周期で振動空気圧の付勢を行い、患者Xの肺及び圧力検出容器85に対して振動空気圧を付勢された吸気の供給が行われる。
【0064】
このとき、コントローラ40の肺内圧力算出部47は、前述した相対関係式p1=k・p2+mに対応圧力検出センサ86から出力される検出圧力p2を代入し、モデル肺82が接続されていたならばモデル肺用圧力センサ83で検出されたであろう圧力を算出する。モデル肺82のコンプライアンスを患者Xの肺のコンプライアンスと等しく設定したので、肺内圧力算出部47で算出したモデル肺用圧力センサ83で検出されたであろう圧力は、患者Xの肺内圧力にほぼ等しくなる。従って、この算出圧力を現在の患者の肺内圧力として表示部44で出力する。
【0065】
さらに、換気量算出部48では、ΔV=k・Δp2・Cの式(ΔV:換気量(大気圧状態の肺に対する気体の流入又は流出量),k:相対関係算出部46で求めた係数,Δp2:圧力変化(大気圧−対応圧力検出センサの検出圧力p2),C:肺のコンプライアンス値)から換気量ΔVを算出し、表示部44にて出力する。
【0066】
以上の構成により、高頻度人工呼吸器12では、高頻度人工呼吸を行いながら同時に当該高頻度人工呼吸時における患者Xの肺内圧力及び換気量を検出することを可能としている。
【0067】
(本実施形態の原理説明)
〔コンプライアンス〕
まず、高頻度人工呼吸(HFO)をしている場合の、「実際の肺」と「モデル肺82」の流体力学的な相関関係について説明する。「実際の肺」は非線型の弾性体であり、通常の人工呼吸のように自発呼吸に近い周期で吸気供給と呼気排出を繰り返す場合には吸気供給時と呼気排出時とによって「内圧−換気量」の曲線が異なり、図6に示すヒステリシスがある。
【0068】
また「実際の肺」は、図7に示す肺の模型の図のように、一本の気管から複数回の枝分かれを繰り返してなる無数の気管支と、最終的に枝分かれした各気管支の末端に存在する無数の小さな肺胞からなる。
【0069】
全部の肺胞にかかる圧力の平均圧力値を患者の肺内圧の代表値Pとし、肺への吸気の流れ込み難さを気道抵抗R(空気抵抗となる代表的なものは気管など)、肺の膨らみやすさをコンプライアンスCと考えた場合、実際のガス換気量Vにともなう肺内圧の圧力変化は、医学的に呼吸のメカニックスを研究した様々な論文から、次式で示されるのが一般的になっている。
【0070】
ΔP=R・(dΔV/dt)+ΔV/C …(1)
(ΔP:患者の肺内圧変化[cmH2O],R:肺胞へ流れ込むまでの気道抵抗[cmH2O/l/sec],C:コンプライアンス[ml/cmH2O],ΔV:換気量変化[ml])
【0071】
ここで、コンプライアンスCの定義については前述したように一定の圧力変化(ΔP)に対する容器内への気体の流入又は流出量(ΔV)を示すものであり、C=ΔV/ΔP(単位は[ml/cmH2O])で表される。また、気道抵抗Rとは気体が気道内を流れるときに気体分子間或いは気体分子と気道壁面との間に生じる摩擦抵抗をいい、一定流量で気体を流すために要する圧力をいう(単位は[cmH2O・s/l])。
【0072】
上述した高頻度人工呼吸器12における人工呼吸時の肺に対する内圧変化の特定の手法は、患者Xの気管と肺とを流動抵抗及びコンプライアンスが等しくなるようにモデル化し、予めかかるモデル(気管内挿入管81とモデル肺82)に対して高頻度人工呼吸を行うことにより、適宜な値の検出用分岐管84の長さ及び内径と圧力検出容器85の容積とを求め、さらに相対関係である一次関数の定数k,mを算出し、コントローラ40の記憶部42に入力する。そして、コントローラ40の肺内圧力算出部47にて上述の相対関係から圧力検出容器85で観測される内圧変化のみから実際の肺の内圧変化を特定する、というものである。また、このように実際の肺の内圧変化を特定することにより、後述する式(16)に従って、人工呼吸時の肺の換気量も特定することが可能となる。
【0073】
ところが、実際の肺は、図6に示したように、吸排気の際にヒステリシスを生じるためコンプライアンスCを特定することが困難であることが予想される。また、気管から肺胞に至るまで無数の分岐を繰り返す構造のため流動抵抗を求めることが困難であることが予想される。従って、実際の肺と気管のモデル化は、困難であると思われる。
【0074】
だが、高頻度人工呼吸の場合、通常の換気方法と異なる次のような特有の換気方法のため、「モデル肺82」を肺の代用モデルとして利用できる。
【0075】
▲1▼肺に常時平均的に圧力をかけるので(5〜15[cmH20])、肺が常時ある程度、膨張したままである。そのため肺の動きが少なくなる。
【0076】
▲2▼通常換気の大きくゆっくりとした換気(一回換気量=500〜700[ml],換気回数=8〜20[回/分])に比較して、一回換気量が非常に小さく(100[ml]以下)、換気回数が非常に速い(180[回/分]以上)。そのため換気による肺の動きが小さい。
【0077】
▲3▼通常換気の場合、「吸気時」は器械が能動的に押し込み、「呼気時」は、器械がガスの吐き出しに関与せず、肺の弾性を利用して自然に吐き出させる流れのため、肺の弾性力の影響を大きく受ける。そのため図6「肺の圧−換気曲線」のようにヒステリシスが出る。しかし、高頻度人工呼吸のガス換気は、「吸気供給時」,「呼気排出時」とも器械が肺の弾性力とは無関係に能動的かつ強制的に定量の一回換気を定時間内に行なう。そのため、肺の動きはヒステリシスが認められなくなっている。
【0078】
▲1▼,▲2▼,▲3▼の理由から、高頻度人工呼吸時は、通常換気時の肺の動きである「肺の膨張(吸気時)−肺の収縮(呼気時)」が小さくなる。つまり、呼吸による非線型の弾性体からなる肺の目立った動きがなくなり、コンプライアンスCは吸気時と排気時の差が微小となる。このため、高頻度人工呼吸時のコンプライアンスCに等しい肺のモデル化は、弾性の少ない密閉された単一容積のタンクである「モデル肺82」で近似的に実現することが可能である。
【0079】
また、ヒトの肺の全体のコンプライアンスは、静的コンプライアンス、動的コンプライアンス、胸隔コンプライアンスなどがある。通常の換気は、大きな呼吸動作(吸気一呼気〉があるので、肺のヒステリシスを考慮した、動的な肺コンプライアンスや胸隔コンプライアンスの影響を考える必要があるが、HFO時では、小さく浅く速い換気法のため、肺内で起るボリューム(換気量)変化が、時間的にも容量的にも小さいので、肺の動的な影響を受ける動的肺のコンプライアンス及び胸隔コンプライアンスの影響は小さく、無視しても問題ない。
【0080】
高頻度人工呼吸法の場合は、肺の静的コンプライアンスを肺の全体のコンプライアンスとして問題ないので、その値を代表値として用いる。医学的に正常肺の静的コンプライアンスCは、約200[ml/cmH20]である。よって、成人の場合、以下の式(2)に基づくコンプライアンスCを持つ「モデル肺82」を用いた回路を基準とすれば良い。
【0081】
ΔP=R・(dΔV/dt)+ΔV/200 …(2)
【0082】
〔気道抵抗〕
また、気道抵抗Rについて考える。図8に「気道の分岐構成」を示す。肺は気管から肺胞まで多数の分枝により構成されている。気管を0次元として、一回の分岐ごとに次数を加算するものとすると、最終的な肺胞までの次元は20次元以上となる。
【0083】
肺の気道の分岐数が多くなるに準じて気道径は細くなる。しかし、気道数は逆に増加する。分岐の次元と各次元ごとの気道断面積の総和との関係を図9に示す。これによれば、気道断面積の総和(同次元の全ての気道の断面積の合計)は第10分岐までほとんど変わらない。しかし、第10分岐以降は、無数に気道が別れ、気道断面積が急激に増加する。
【0084】
分岐が増すほど気道が細くなり、気道抵抗Rはポアズイユ(Poiseui11e)の方程式から気道半径の4乗に反比例して増加するが、逆に気道断面積の総和は急激に増加するため、実質の気道抵抗Rは小さくなる。ポアズイユの方程式を以下に示す。
【0085】
R=8nl/πr4 …(3)
(n:ガスの粘性係数(poises),l:長さ[cm],r:半径[cm])
【0086】
図10に分岐の次元と各次元ごとの気管による気道抵抗の関係を示す。これによれば、気道抵抗Rの大部分は、肺の中等大の気管支(第7分岐)までの気道であり、80%以上の抵抗を生じている。第10分岐まで考えれば95%以上となる。よって、気道抵抗Rは、ほぼ0分岐から第10分岐までの抵抗として考えてもよい。
【0087】
ここで正常呼吸の場合、0分岐は気管である。しかし、高頻度人工呼吸時の患者の場合、患者の0分岐は気管内挿入管81が挿入されるため、0分岐の気道抵抗は、気管内挿入管81の抵抗として考えればよい。つまり0分岐の空気抵抗は、気管内挿入管81の内径をポアズイユの方程式に代入して生じる抵抗とほぼ同一と考えて良い。
【0088】
次に、気管内挿入管81の抵抗Rcと第1分岐抵抗R1+第2分岐抵抗R2+第3分岐抵抗R3+…+第10分岐抵抗R10の大きさを比較する。気管内挿入管81径を8[mm]、チューブ長を30[cm]と仮定すると、気管内挿入管81抵抗Rcは次式(4)で表される。
【0089】
(n:ガスの粘性係数,r:半径,I:長さ)
【0090】
第1分岐抵抗R1+…+第10分岐抵抗R10については、次のように考える。図9に示した線図によれば、第1〜第10分岐までの各分岐の気道累積面積(同次元の全ての気道の断面積の合計)は、ほぼ等しい。患者によって様々であるが、ヒトの第1〜第4分岐までの気道累積面積の代表例を図8の値を参考とする。第1〜第4分岐までの気道累積断面積は、平均で46[cm2]程度とできる。これが第1〜第10分岐まで、ほぼ等しい累積面積でいくとすれば、第1〜第10分岐までは、直径3.8[cm]の一本の管と同等の空気抵抗を持つと仮定してもよい。そして、第1〜第10分岐の長さは約20[cm]程度と仮定すると、肺内の第1分岐〜第10分岐までの気道抵抗の総和は次式(5)で表すことができる。
【0091】
第1分岐抵抗R1+…+第10分岐抵抗R10
=(8×n×l)/πr4=(8×n×20)/(π・1.44)=41.6n/π=13.3n …(5)
【0092】
ガスの粘性係数nは一定であるから、「気管内挿入管81抵抗Rc」は、「第1分岐抵抗R1+…+第10分岐抵抗R10」に対して、2984n/13.3n=約224倍となる。
【0093】
よって、気管内挿入管81抵抗Rc>>第1分岐抵抗R1+…+第10分岐抵抗R10となるので、気道抵抗Rは気管内挿入管81抵抗Rcでほとんど生じ、ほぼ同等と考えてもよい。特に、高頻度人工呼吸のように速くて小さな流動を生じる呼吸方法は、空気の流れが深い分岐まで直接至らないため、実際に空気の流れが起っているのは、主に次数の少ない分枝までである。そのため空気の流れがあるときに考慮すべきRの項は、「気管内挿入管81抵抗Rc>>第1分岐以降の総分岐抵抗」の傾向がさらに強くなる。なお、高頻度人工呼吸法では、直接的な空気の流れにて酸素を行き渡らせるのではなく酸素の拡散により換気を行うので、深い分枝まで直接的な流れが到達しない場合でも、換気は充分に行われる。
【0094】
このように、高頻度人工呼吸法の換気法を採用している上では、気道抵抗Rは、使用する「気管内挿入管81」の空気抵抗によって代表させて問題ない。
【0095】
これらの理由により(1)式のΔP=R・ΔV/dt+ΔV/CのR項を「気管内挿入管81」の空気抵抗である気道抵抗Rcとし、C項を約200[ml/cmH20]の硬質タンクの「モデル肺82」のコンプライアンスCとすることで、単純モデル化できる。
【0096】
これらモデル化したHFO回路を用いて、「モデル肺82」に発生している圧力P1の変化と同等もしくは相似の変化(前述した一時間数に基づく変化)をする「圧力検出容器85」と「検出用分岐管84」とを製作すれば、同じ回路構成のHFO呼吸器を患者に用いた場合、間接的に「実際の肺」の圧力P3の変化が、「圧力検出容器85」の圧力P2の変化を計測することで知ることができる。
【0097】
上述のことを式でまとめると次のようになる。HFO時の患者の肺内圧変化をΔPとし、肺内に出入りしたガスの変化量(流量)をΔVとし、HFO時の肺の気道抵抗をR、肺のコンプライアンスをCとすると前述した式(1)が成立する。
【0098】
このとき、高頻度人工呼吸時では、前述したように、Rの項は患者に使用している「気管内挿入管81」の空気抵抗Rcと近似的に置き換えてもほぼ問題ない。さらに、コンプライアンスCはモデル肺82のコンプライアンス(=200[ml/cmH2O])とすることができるので次式(6)が成立する。
【0099】
ΔP=Rc・(dΔV/dt)+ΔV/200 …(6)
【0100】
〔圧力検出容器と検出用分岐管〕
ここで、Rdの空気抵抗を持つ「検出用分岐管84」とC’のコンプライアンスを持つ「圧力検出容器85」を、図1に示す「モデル肺82と圧力検出容器85の関係」のように同じHFO回路内で使用する。但し、RdはRcと、C’はCと、後述する相対的な関係にあるものとする。「圧力検出容器85」で起るボリューム変化をΔV’とすると次式(7)が成り立つ。
【0101】
ΔP=Rd・(dΔV’/dt)+ΔV’/C’ …(7)
【0102】
「モデル肺82」で起る圧変化P1は、前述した式(6)による圧変化をし、「圧力検出容器85」で起る圧変化P2は上式(7)による圧変化をする。上式(7)の全ての項は前式(6)と相対的な比例関係にあるため、P1とP2の関係は、次式になる。
【0103】
P1=k×P2+m …(8)
(k,mは定数)
【0104】
ここで、HFO時の実際の患者の肺の内圧変化をPalvとすると、HFO特有の換気メカニズムから、実際の肺は「モデル肺82」として単純モデル化できるため、患者の肺の内圧変化Palvは次式(9)で表すことができる。
【0105】
Palv≒P1 …(9)
【0106】
そこで、実際の患者がつながっている高頻度人工呼吸器12が図2の状態(人工呼吸モード)で「圧力検出容器85」の圧力変化P2を求めれば、式(8)、(9)により患者の肺の内圧変化Palvが求められる。
【0107】
Palv≒P1=k×P2+m …(10)
【0108】
上式(10)で患者の肺内圧変化が間接的に計測できる。ここで、圧力検出容器85及び検出用分岐管84の設置位置は、できるだけモデル肺82及び気管内挿入管81と近接することが望ましいが、他の位置でも良い。
【0109】
以上は、正常な肺モデルの静的コンプライアンスC=約200[ml/cmH20]で「モデル肺82」を代表値として考えたが、病的な肺のコンプライアンスは、正常肺の静的コンプライアンスCに係数nをかければ表現できる。病的肺のコンプライアンスをC''とすれば次式(11)で表すことができる。
【0110】
C''=nC …(11)
(nは定数)
【0111】
よって、病的肺の内圧変化は、式(6)を変形して次式(12)となる。
【0112】
ΔP=Rc・(dΔV/dt)+ΔV/200n …(12)
【0113】
式(12)の第2項は、Cの比例倍の関係にある項であるため、(10)式は次のようになる。
【0114】
Palv≒P1=k'×P2+m …(13)
(k'は係数nを考慮したkの比例倍定数)
【0115】
kとk'の関係は、病的肺の静的コンプライアンスC''を持つ「モデル肺82’」と正常な肺のコンプライアンスを持つ「モデル肺82」とを用いて比較すれば、比例関係式が導かれる。よって、実際の臨床においては患者の診療時に、病的肺の静的コンプライアンスC''をあらかじめ計測し、その値と正常肺との関係を(11)式により求めれば、どのk'を使用すればよいかわかる。このk'を用いれば、病的肺においても、P2から患者の肺内圧変化P1が(13)式より求まる。
【0116】
〔一回換気量の算出〕
さらに、次のような計算式から、実際の患者の肺にどれだけの一回換気が出入りしているかが推定できる。
【0117】
基準として、「モデル肺82」に定量のガス100[ml]を瞬間的に押し込んだ時の圧力変化をΔPa(定数)とする(ΔPa=100/C、例えばC=200[ml/cmH2O]であればΔPa=0.5[cmH2O])。高頻度人工呼吸法の換気により「モデル肺82」にΔP1の圧振幅が発生すれば、ボイルの法則を用いて、次式(14)の関係が成立する。
【0118】
ΔPa/100=ΔP1/ΔV=1/C …(14)
【0119】
また、高頻度人工呼吸時の圧力検出容器のP2の圧振幅変化ΔP2はΔP1と(10)式の関係があるので、次式(15)が成立する。
【0120】
ΔPa/100=ΔP1/ΔV=(k・ΔP2+m)/ΔV=1/C …(15)
【0121】
よって、「モデル肺82」のHFO時のボリューム変化であるΔV(換気量)が求まる。
【0122】
ΔV=100×(k・ΔP2+m)/ΔPa=C・(k・ΔP2+m) …(16)
【0123】
「モデル肺82」と「実際の肺」は、流体力学的にほぼ同じであることから、実際の患者の肺の換気量もほぼΔVとすることができる。つまり、準備作業段階の測定で係数k,mを求め、高頻度人工呼吸時に圧変化ΔP2を計測すれば、患者の肺の換気量も式(16)を用いて、ほぼ推定できる。
【0124】
なお、コンプライアンス値Cは前述した▲1▼〜▲3▼の理由により、高頻度人工呼吸時における圧力検出に際しては、気道抵抗Rと比較してモデル肺82及び圧力検出容器85の圧力検出に対する影響は小さく、これらの内部圧力の変化の主な特定要素は、気管内挿入管81及び検出用分岐管84の気道抵抗に左右されているといえる。従って、モデル肺82の容積の設定に際しては、コンプライアンス値Cに基づいて算出した最も好適な容積から若干の誤差(±150[%])があっても検出圧力に大きな誤差は生じない(より精度を高くするためには最も好適な値に設定することが当然望ましい)。但し、式(16)から換気量ΔVを算出するときにはコンプライアンスCは正確でなくてはならない。
【0125】
【第1実施例】
式(8)の関係を、前述した高頻度人工呼吸器12のシステムを利用して測定した結果を説明する(図2参照)。
【0126】
まず、吸気導入部62にて高純度の酸素(約100%)と空気を混合して医者の設定した値の高濃度酸素の混合ガスを作り出す。同時に流量を医者が設定した値(10〜60[l/min])の吸気(フレッシュガス)を患者回路内に定常流で流す。この定常流に振動空気圧付勢部50から振動を加え、空気の振動波を作り出す。流れを伴った空気振動波が、患者Xの肺のガス交換を行なう。
【0127】
また、排出経路70の出口開放面積を流量調節バルブ607で可変制御させることにより、患者の肺に負担をかけないように医者が設定した適切な平均圧力(通常、平均気道内圧という。平均気道内圧Pmean=5〜15[cmH20])を回路内で保ち、患者の肺にも一定の陽圧を付加しながら換気をしている。この準備作業段階での代表的な「モデル肺82」の圧力波形例を図11に示す。
【0128】
さらに、「モデル肺82」のP1と「圧力検出容器85」のP2の圧力変化を比較した実際の実験結果を説明する。実験条件は、成人患者を想定した時の「モデル肺82」及び「気管内挿入管81」を使う。「モデル肺82」及び「気管内挿入管81」と相対的な気道抵抗とコンプライアンスをもつ「圧力検出容器85」及び「検出用分岐管84」を試作する。
【0129】
実験条件は以下の如く設定した。
「モデル肺82」………………40[l]タンク
「気管内挿入管81」…………内径8[mm]のチューブ81,(長さ30[cm])
「圧力検出容器85」…………10[ml]容器
「検出用分岐管84」…………内径0.5[mm]のチューブ81,(長さ30[cm])
上記実験条件のもとに、振動空気圧の周波数を5[Hz]と15[Hz]とに設定して実験を行った。5[Hz]の圧力波形データを図12に示し、実験結果を図13に示す。また、15[Hz]の圧力波形データを図14に示し、実験結果を図15に示す。
【0130】
P1とP2の関係は、いずれの周期の場合でも、相対的な関係で安定しており、前式(8)で示すことが可能である。
【0131】
【第2実施例】
また、医者が、HFO換気を行なっている患者の肺を計測するために、対応した「モデル肺82+気管内挿入管81」をどのように選定するかが問題になる。
【0132】
先に延べたように、患者に対して使用する「気管内挿入管81」は、患者の年齢により気管内挿入管81のサイズ(内径)と挿管深さ(チューブの長さ)が決まる(図4参照)。これは、人工呼吸管理をする際に利用する、医学的な統計データに基づいた指標値として、一般的に扱われている。
【0133】
また、患者の年齢が決まれば、肺のコンプライアンスも医学的な統計データから、ほぼ値が求められている。肺の病状により病的肺のコンプライアンスも医学的な統計データから、ほぼ値が求められている。また、臨床的に計測できる装置もあるので、簡単に求められる。
【0134】
ここで、実験条件を小児患者(3歳程度)を想定した時の「モデル肺82’」及び「気管内挿入管81’」にする。「モデル肺82'」及び「気管内挿入管81’」と相対的な気道抵抗とコンプライアンスをもつ「圧力検出容器85'」及び「検出用分岐管84'」を試作する。
【0135】
実験条件は以下の如く設定した。
「モデル肺82'」……………20[l]タンク
「気管内挿入管81'」………内径4[mm]気管内挿入管81,(長さ19[cm])
「圧力検出容器85'」………12[ml]容器
「検出用分岐管84'」………内径0.5[mm]気管内挿入管81,(長さ120[cm])
上記実験条件のもとに、振動空気圧の周波数を5[Hz]と15[Hz]とに設定して実験を行った。5[Hz]の実験結果を図16に示す。また、15[Hz]の実験結果を図17に示す。
【0136】
P1とP2の関係は、いずれの周期の場合でも、相対的な関係で安定しており、前式(8)と同様の式(8)’で示すことが可能である。
【0137】
P1’=k’×P2’+m’ …(8)’
(k’,m’は定数)
【0138】
以上のように実際の実験結果において、どのような対象患者の肺に対しても、患者の肺とコンプライアンス値の等しいモデル肺とこれと相似関係にある圧力検出容器とから、患者の肺内圧変化を相対的に知ることができる。
【0139】
また、患者の病状に合わせてP2に乗算する係数を考慮すれば正確に肺内圧が計測できることも実験結果よりわかる。
【0140】
よって、「気管内挿入管81」の各部の寸法と「患者の肺コンプライアンス」とは、いずれも患者の年齢で任意に決まるので、これらの値を年齢別に組み合わせたセットのデータとして取り扱っても良い。また、それに相対的に合わせた「検出用分岐管84」の長さ及び内径の寸法と「圧力検出容器85のコンプライアンス(或いは圧力検出容器85の容積)」の値も年齢別に組み合わせたセットのデータとして取り扱っても良い。
【0141】
これにより、医者は、HFOを施す患者に使用する気管内挿入管81を決めさえすれば、その肺内圧を測定する「圧力検出容器85」と「検出用分岐管84」のセットも、医者が迷うことなく同時に決まってしまうため、選定が楽であり、扱いが容易となる。また、患者の年齢に合わせた、「圧力検出容器85」と「検出用分岐管84」があることで、より正確に患者の肺内圧を間接的に、かつ正確に計測できることになる。
【0142】
また、式(8)の係数kがほぼ1に等しくなるように圧力検出容器85及び検出用分岐管84を試作すれば、mの項による単なる圧力値のオフセットしか生じないので、これにより圧波形のカーブ変化がモデル肺用圧力センサ出力と対応圧力検出センサ出力とで同じになるため、医者が観察し易く、肺内圧力及び換気量の計算も容易となる。図12、図14の波形データは、係数kをほぼ1になるように圧力検出容器85及び検出用分岐管84を設計したため、波形データがほぼ同じである。
【0143】
またこの場合の波形の「ピ一クtoピ一ク」は、「モデル肺82」と「圧力検出容器85」で一致するため、前式(16)から、間接的に患者の換気量が簡単に算出でき、高頻度人工呼吸法の人工呼吸の管理指標となり、医者としては患者の治療管理が容易になる。
【0144】
【発明の効果】
本願発明では、検出用分岐管の内径及び長さ並びに圧力検出容器の容積を、高頻度人工呼吸時の気管内挿入管の挿入側先端部圧力と圧力検出容器の内部圧力とが一次関数の関係を生ぜしめる値に設定されている。そして、コントローラでは、患者に高頻度人工呼吸を行っている際に、圧力検出容器の内部の検出圧力から患者の肺内圧力を算出する。
【0145】
従って、本願発明により、従来には不可能であった、高頻度人工呼吸の最中における患者の肺内の圧力変化及び換気量の測定が可能となり、熟練と経験を要することなく換気状態の観測が可能となり、また、従来の如く目視に頼る必要がないので、より正確な状態を把握することが可能となり、常により好適な高頻度人工呼吸の維持が可能となった。
【0146】
また、上述の一次関数を入力する操作盤を設けることにより、選定された検出用分岐管及び圧力検出容器に応じて決定される一次関数を自在に入力することが可能となる。
【0147】
さらに、算出された肺内圧力を表示する表示部を設けることにより、高頻度人工呼吸時における肺内圧力を容易且つ迅速に知ることが可能となる。
【0148】
また同様にして、換気量算出部を備えることにより、外部処理装置を不要とし、本願発明の構成のみにより、換気量の把握が可能となる。
【0149】
本発明は以上のように構成され機能するので、これによると、従来にない優れた高頻度人工呼吸器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態たる高頻度人工呼吸器の構成を示すブロック図であって、人工呼吸時の状態を示す。
【図2】本実施形態たる高頻度人工呼吸器の構成を示すブロック図であって、人工呼吸を行う前の準備作業段階の状態を示す。
【図3】図1,2で開示した流量調節バルブの詳細を示す断面図である。
【図4】年齢に応じた気管内挿入管の寸法例を示す図表である。
【図5】高頻度人工呼吸器の制御系を示すブロック図である。
【図6】吸気供給時と呼気排出時とにおける「内圧−換気量」の関係を示す線図である。
【図7】人間の肺の模型を示す説明図である。
【図8】「気道の分岐構成」を示す説明図である。
【図9】分岐の次元と各次元ごとの気道断面積の総和との関係を示す線図である。
【図10】分岐の次元と各次元ごとの気管による気道抵抗の関係を示す説明図である。
【図11】本実施形態による高頻度人工呼吸を行った際の代表的なモデル肺の内部圧力の波形例を示す線図である。
【図12】図1に示す高頻度人工呼吸器にて振動空気圧を周波数5Hzとしたときの第一及び対応圧力検出センサの検出圧力を示す線図である。
【図13】図1に示す高頻度人工呼吸器にて振動空気圧を周波数5Hzとしたときの試験結果を示す図表である。
【図14】図1に示す高頻度人工呼吸器にて振動空気圧を周波数15Hzとしたときの第一及び対応圧力検出センサの検出圧力を示す線図である。
【図15】図1に示す高頻度人工呼吸器にて振動空気圧を周波数15Hzとしたときの試験結果を示す図表である。
【図16】図1に示す高頻度人工呼吸器の各チューブ及び各密閉容器を小児を対象とする設定とした場合であって、振動空気圧を周波数5Hzとしたときの試験結果を示す図表である。
【図17】図1に示す高頻度人工呼吸器の各チューブ及び各密閉容器を小児を対象とする設定とした場合であって、振動空気圧を周波数15Hzとしたときの試験結果を示す図表である。
【図18】従来の高頻度人工呼吸器の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
12 高頻度人工呼吸器
40 コントローラ
42 記憶部
43 操作盤
44 表示部
47 肺内圧力算出部
48 換気量算出部
50 振動空気圧付勢部
60 患者側経路
62 吸気導入部
70 排出経路
81 気管内挿入管
82 モデル肺
83 モデル肺用圧力センサ
84 検出用分岐管
85 圧力検出容器
86 対応圧力検出センサ
X 患者[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-frequency ventilator, and more particularly to a high-frequency ventilator that can supply oxygen while observing a patient's intrapulmonary pressure.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 18, the conventional high-
[0003]
The oxygen supply principle of the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In a high-frequency ventilator, gas ventilation that switches in a fast cycle of 3 to 15 [Hz] is performed on the patient's lungs in both directions of inspiration and exhaust. It was difficult to measure the flow (or volume) with a normal flow sensor. Therefore, it has been difficult to detect the amount of ventilation in the patient's lungs.
[0005]
For example, a hot wire type sensor can be cited as a flow rate sensor with good responsiveness. Focusing on the fact that the hot wire heated by energization is cooled in proportion to the flow rate of gas passing through the hot wire, the hot wire sensor detects the flow rate. Since there is a proportional relationship, the flow rate is detected from the current value.
[0006]
However, regardless of the direction of gas flow, this method can measure the total amount of gas that passes because the heat ray is cooled if there is a large flow rate of gas that passes, but it can measure which direction the gas is flowing. Can not. For this reason, a hot-wire sensor can measure the instantaneous minute flow rate (flow rate per unit time) at the sensor position for gas flow in both directions of inspiration and exhalation, but it can actually measure in the lungs. On the other hand, it was not possible to know how much inspiration was flowing in or how much exhalation was being exhausted.
[0007]
There is also a method of measuring the gas amount by measuring the differential pressure across the orifice provided in the middle of the pipe through which the gas flows. With this method, if the reference pressure is fixed to any pressure before or after the orifice, the front-rear differential pressure ΔP can be obtained as a plus or minus depending on the difference in the gas flow direction, so that the gas flow direction can be determined. .
[0008]
However, in this method, an orifice that generates a differential pressure in the middle of the pipe becomes a ventilation resistance, which hinders inhalation supply or exhalation. In addition, if the orifice diameter is set to be large in order to suppress the ventilation resistance, the differential pressure before and after becomes a few [cmH2O], and since there are few pressure sensors that detect such a fine pressure with high accuracy, an accurate ΔP can be obtained as a result. There was no inconvenience.
[0009]
Further, if it is possible to detect a change in pressure in the lungs of the patient during artificial respiration, the amount of gas exchange can be calculated. However, with the above-mentioned high-frequency ventilator, the pressure can be detected only at the patient's mouth, and the patient's intrapulmonary pressure does not match the mouth pressure. I couldn't.
[0010]
For the above reasons, a method for measuring the amount of gas ventilation sent (or excreted) into the patient's lung at one time by high-frequency ventilation has not been established.
[0011]
For this reason, when performing high-frequency ventilation, doctors do not have an index for managing the state of ventilation of the patient, and whether normal ventilation is being performed depends on the magnitude of the tidal volume and the chest of the patient. It was performed by visual observation, etc., with the degree of swinging being different as a guideline, and the accuracy was quite low, and the handling of the high frequency ventilator itself required skill and experience from the doctor .
[0012]
OBJECT OF THE INVENTION
The present invention provides a high-frequency ventilator capable of detecting the intrapulmonary pressure in order to detect the ventilation volume in the patient's lung during high-frequency ventilation, which improves the disadvantages of the conventional example. Objective.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, an inhalation introduction unit that supplies inhalation containing oxygen to the patient, an oscillating air pressure urging unit that urges the inspiration to oscillate air pressure having a period higher than the patient's respiratory cycle, and oscillating air pressure. A patient-side path for guiding the inhaled air to the patient, and an exhaust path for discharging exhaled air containing carbon dioxide from the patient to the atmosphere.
[0014]
And it equips with the patient side edge part of a patient side path | route the endotracheal insertion tube inserted from the patient's mouth to near the 1st branch of a trachea.
[0015]
Further, a detection branch pipe branched from any part of the discharge path from the patient side path, a pressure detection container communicating with any of the paths via the detection branch pipe, and an internal pressure of the pressure detection container And a corresponding pressure detection sensor. The inner diameter and length of the detection branch tube and the volume of the pressure detection container are related to the linear function of the pressure on the insertion end of the insertion tube and the internal pressure of the pressure detection container during high-frequency artificial respiration. It is set to a value that generates.
[0016]
In addition, a controller having a function of storing the relationship of the linear function and calculating the pressure at the distal end portion on the insertion side of the endotracheal insertion tube based on the detected pressure from the corresponding pressure detection sensor is provided.
[0017]
In the above configuration, first, the endotracheal tube is inserted from the patient's mouth to the first branch of the trachea. In such a state, intake air is supplied at a constant flow rate from the intake air introduction portion, and at the same time, the vibration air pressure urging portion is driven with a constant vibration cycle. Thereby, inhalation is supplied to a patient via a patient side course and an endotracheal insertion tube. Since the oscillating air pressure is applied to the inhalation, the inhalation air enters and diffuses into the lung by the positive pressure of the oscillating air pressure, and the exhalation is sucked out from the lung by the negative pressure. Such exhaled air reaches the discharge path via the endotracheal tube and is discharged into the atmosphere together with the subsequent inspiration.
[0018]
At this time, the corresponding pressure detection sensor detects the pressure in the pressure detection container and outputs it to the controller. In the high-frequency ventilator, the detection branch pipe and the pressure detection container are selected in which the insertion-side tip pressure of the endotracheal insertion pipe during high-frequency ventilation and the internal pressure of the pressure detection container have a linear function relationship. Since it is equipped, the controller uses the linear function to calculate the pressure at the distal end of the endotracheal tube, that is, the pressure in the patient's lung, from the output of the corresponding pressure detection sensor.
[0019]
In the second aspect of the invention, the controller has the same configuration as that of the first aspect of the invention, and the controller stores a linear function, and the pressure on the insertion-side tip of the endotracheal insertion tube with reference to the linear function. And an intrapulmonary pressure calculator that calculates the pressure of the lung. In the second aspect of the invention, the same operation as that of the first aspect of the invention is performed, and the calculation of the pressure (pulmonary pressure) at the distal end of the endotracheal tube is performed by the intrapulmonary pressure calculation unit. It is done with reference.
[0020]
The invention described in
[0021]
The invention described in
[0022]
The invention according to
[0023]
The present invention intends to achieve the above-described object by the above-described configurations.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Overall configuration of the embodiment)
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 are block diagrams showing the configuration of the high-
[0025]
The high-
[0026]
Each part is described in detail below.
[0027]
(Intake inlet)
The intake
[0028]
The
[0029]
(Vibration air pressure energizing part)
The oscillating air
[0030]
The
[0031]
The
[0032]
The
[0033]
The
[0034]
(Patient route)
Further, the high-
[0035]
(Discharge route)
Further, the exhalation discharge
[0036]
FIG. 3 is an enlarged view in which the periphery of the
[0037]
(Model lung and endotracheal tube)
By the way, as can be seen by comparing FIG. 1 and FIG. 2, in the preparatory work stage before artificial respiration (FIG. 2), the
[0038]
The
[0039]
The
[0040]
The dimensions of each part of the
[0041]
Further, the
[0042]
In the preparatory work stage prior to artificial respiration, a model lung 82 is provided at the end of the
[0043]
Human lung compliance depends on lung elasticity and volume. On the other hand, the model lung 82 is formed of a hard material with poor stretchability, and its compliance is adjusted to be equal to the lung compliance of the patient X by appropriately setting only the volume thereof. are doing. This is because it is difficult to adjust the compliance by forming the model lung 82 with a material having elasticity similar to that of the lung from the viewpoint of productivity, and it is more productive to adjust the compliance only from the volume setting. This is because it becomes easy.
[0044]
In the present embodiment, the volume of the model lung 82 is set to 40 [l] based on the general compliance value of a normal adult. Further, since the compliance of the lung can be measured by a dedicated measurement device, the compliance may be measured for each patient in advance, and the volume of the model lung 82 may be determined more strictly based on the measured value.
[0045]
Further, the model lung 82 is equipped with a model
[0046]
The model lung 82 is detachable from the
[0047]
(Pressure detection container and branch pipe for detection)
As shown in FIGS. 1 and 2, the high-
[0048]
Further, the
[0049]
The
[0050]
The values of the inner diameter and length of the
[0051]
This linear function is expressed by p1 = k · p2 + m (k and m are constants), and the values of k and m are the dimensions of each part of the
[0052]
When the inner diameter of the
[0053]
Further, the
[0054]
(controller)
Next, the
[0055]
Further, the
[0056]
The operation control of the
[0057]
In order to achieve such an object, the above-described high-
[0058]
This will be explained in order. First, the
[0059]
Then, the
[0060]
Each pressure based on the outputs of the model
[0061]
When the correspondence relationship of the linear function described above is not generated, the
[0062]
Next, a case where high-frequency artificial respiration is performed on the patient X will be described. First, the model lung 82 is removed from the
[0063]
As a result, the intake air is supplied at a constant flow rate selected from the intake
[0064]
At this time, the intrapulmonary
[0065]
Further, in the ventilation
[0066]
With the above configuration, the high-
[0067]
(Principle of this embodiment)
〔compliance〕
First, the hydrodynamic correlation between the “real lung” and the “model lung 82” when performing high-frequency ventilation (HFO) will be described. “Actual lung” is a non-linear elastic body. When inhalation supply and exhalation are repeated at a period close to that of spontaneous respiration as in normal artificial respiration, “internal pressure-ventilation” depends on inspiration supply and exhalation. The curve of “amount” is different, and there is hysteresis shown in FIG.
[0068]
In addition, as shown in the lung model shown in FIG. 7, the “actual lung” exists at the end of each of the bronchi and the innumerable bronchi that have been branched multiple times from a single trachea. Consisting of countless small alveoli.
[0069]
The average pressure value of the pressure applied to all alveoli is the representative value P of the patient's intrapulmonary pressure, and the difficulty of inhalation inflow into the lungs is the airway resistance R (typical air resistance is the trachea), When compliance is considered compliance C, the change in intrapulmonary pressure associated with actual gas ventilation V is generally expressed by the following equation from various papers that have studied medical mechanics: It has become.
[0070]
ΔP = R · (dΔV / dt) + ΔV / C (1)
(ΔP: patient's intrapulmonary pressure change [cmH2O], R: airway resistance until flowing into the alveoli [cmH2O / l / sec], C: compliance [ml / cmH2O], ΔV: change in ventilation [ml])
[0071]
Here, the definition of the compliance C indicates the inflow or outflow amount (ΔV) of gas into the container with respect to a constant pressure change (ΔP) as described above, and C = ΔV / ΔP (unit: [ml / cmH2O]). The airway resistance R is a frictional resistance generated between gas molecules or between the gas molecules and the airway wall surface when the gas flows in the airway, and is a pressure required to flow the gas at a constant flow rate (the unit is [ cmH2O · s / l]).
[0072]
The above-described specific method for changing the internal pressure with respect to the lungs during artificial respiration in the high-
[0073]
However, in the actual lung, as shown in FIG. 6, it is expected that it is difficult to specify the compliance C because hysteresis occurs during intake and exhaust. In addition, it is expected that it is difficult to obtain the flow resistance because of the structure that repeats countless branches from the trachea to the alveoli. Therefore, actual lung and trachea modeling may be difficult.
[0074]
However, in the case of high-frequency ventilation, the “model lung 82” can be used as a lung substitute model because of the following unique ventilation method that is different from the normal ventilation method.
[0075]
(1) Since an average pressure is always applied to the lungs (5 to 15 [cmH20]), the lungs are always inflated to some extent. As a result, the lungs move less.
[0076]
(2) Compared to the normal and large and slow ventilation (tidal volume = 500 to 700 [ml], ventilation rate = 8 to 20 [t / min]), the tidal volume is very small ( 100 [ml] or less), ventilation rate is very fast (180 [times / min] or more). Therefore, the movement of the lungs due to ventilation is small.
[0077]
(3) In normal ventilation, the instrument actively pushes in at the time of inhalation, and at the time of exhalation, the instrument does not participate in the exhalation of gas and is a flow that naturally exhales using the elasticity of the lungs. Largely affected by the elasticity of the lungs. Therefore, hysteresis appears as shown in FIG. 6 “pulmonary pressure-ventilation curve”. However, in the case of gas ventilation for high-frequency ventilation, the instrument performs active and forced quantitative single ventilation within a fixed time regardless of the elasticity of the lungs, both at the time of inhalation supply and at the time of exhalation. . As a result, there is no hysteresis in lung motion.
[0078]
For the reasons of (1), (2), and (3), during high-frequency artificial respiration, the movement of the lungs during normal ventilation, “lung expansion (inhalation)-lung contraction (in expiration)” is small. Become. That is, there is no noticeable movement of the lung made of a non-linear elastic body due to breathing, and the difference between the compliance C and the exhaust time becomes small. For this reason, the modeling of the lung equal to the compliance C during high-frequency artificial respiration can be approximately realized by the “model lung 82” which is a sealed single volume tank with low elasticity.
[0079]
The overall compliance of the human lung includes static compliance, dynamic compliance, and thoracic septal compliance. Since normal ventilation has a large respiratory movement (inspiratory-exhalation), it is necessary to consider the effects of dynamic lung compliance and thoracic compliance in consideration of lung hysteresis. Because the change in volume (ventilation volume) occurring in the lung is small in terms of time and volume due to the law, the dynamic lung compliance and the thoracic compliance, which are affected dynamically by the lung, are small, You can ignore it.
[0080]
In the case of high-frequency ventilation, there is no problem with the static compliance of the lung as the overall compliance of the lung, so that value is used as a representative value. The static compliance C of medically normal lung is about 200 [ml / cmH20]. Therefore, in the case of an adult, a circuit using “model lung 82” having compliance C based on the following equation (2) may be used as a reference.
[0081]
ΔP = R · (dΔV / dt) + ΔV / 200 (2)
[0082]
[Airway resistance]
Also consider airway resistance R. FIG. 8 shows an “airway bifurcation configuration”. The lung is composed of many branches from the trachea to the alveoli. Assuming that the trachea is 0-dimensional and the order is added for each branch, the final alveolar dimension is 20 or more.
[0083]
The airway diameter becomes narrower as the number of airway branches increases. However, the number of airways increases conversely. FIG. 9 shows the relationship between the bifurcation dimension and the sum of the airway cross sections for each dimension. According to this, the sum of the airway cross-sectional areas (the sum of the cross-sectional areas of all airways of the same dimension) remains almost unchanged until the tenth branch. However, after the tenth branch, the airway is divided innumerably and the airway cross-sectional area increases rapidly.
[0084]
Airway resistance R increases in inverse proportion to the fourth power of the airway radius from the Poiseui 11e equation, but conversely, the sum of the airway cross-sectional areas increases rapidly. The resistance R becomes small. The Poiseuille equation is shown below.
[0085]
R = 8 nl / πr 4 ... (3)
(N: gas viscosity coefficient (poises), l: length [cm], r: radius [cm])
[0086]
FIG. 10 shows the relationship between the branching dimension and the airway resistance due to the trachea in each dimension. According to this, the majority of the airway resistance R is the airway up to the middle-sized bronchus (seventh branch) of the lung, which produces a resistance of 80% or more. Considering up to the 10th branch, it is over 95%. Therefore, the airway resistance R may be considered as a resistance from approximately the 0th branch to the 10th branch.
[0087]
Here, in normal breathing,
[0088]
Next, the resistance Rc of the
[0089]
(N: viscosity coefficient of gas, r: radius, I: length)
[0090]
The first branch resistor R1 +... + The tenth branch resistor R10 is considered as follows. According to the diagram shown in FIG. 9, the airway cumulative area (the sum of the cross-sectional areas of all airways of the same dimension) of each branch from the first to the tenth branches is substantially equal. Although it varies depending on the patient, a representative example of the accumulated airway area from the first to the fourth branch of the human is referred to the values in FIG. The average cross-sectional area of the airway from the first to the fourth branch is 46 [cm 2 It can be about. If this is almost the same cumulative area from the first to the tenth branch, it is assumed that the first to the tenth branch has an air resistance equivalent to that of a single tube of 3.8 [cm] in diameter. Good. Assuming that the length of the first to tenth branches is about 20 [cm], the total airway resistance from the first branch to the tenth branch in the lung can be expressed by the following equation (5).
[0091]
1st branch resistor R1 + ... + 10th branch resistor R10
= (8 × n × l) / πr Four = (8 × n × 20) / (π · 1.4 Four ) = 41.6n / π = 13.3n (5)
[0092]
Since the viscosity coefficient n of the gas is constant, the “
[0093]
Therefore, since the
[0094]
As described above, when the high-frequency artificial ventilation method is employed, the airway resistance R is represented by the air resistance of the “
[0095]
For these reasons, the R term of ΔP = R · ΔV / dt + ΔV / C in equation (1) is the airway resistance Rc, which is the air resistance of the “
[0096]
Using these modeled HFO circuits, “
[0097]
The above can be summarized as follows. When the change in the lung pressure of the patient at the time of HFO is ΔP, the change amount (flow rate) of the gas entering and leaving the lung is ΔV, the airway resistance of the lung at the time of HFO is R, and the compliance of the lung is C (1) ) Holds.
[0098]
At this time, as described above, during the high-frequency artificial respiration, there is almost no problem even if the term R is approximately replaced with the air resistance Rc of the “
[0099]
ΔP = Rc · (dΔV / dt) + ΔV / 200 (6)
[0100]
[Pressure detection container and branch pipe for detection]
Here, the “
[0101]
ΔP = Rd · (dΔV ′ / dt) + ΔV ′ / C ′ (7)
[0102]
The pressure change P1 occurring in the “model lung 82” changes the pressure according to the above-described equation (6), and the pressure change P2 occurring in the “
[0103]
P1 = k × P2 + m (8)
(K and m are constants)
[0104]
Here, if the change in internal pressure of the patient's lung during HFO is Palv, the actual lung can be simply modeled as “model lung 82” from the ventilation mechanism peculiar to HFO. It can represent with following Formula (9).
[0105]
Palv≈P1 (9)
[0106]
Therefore, if the high-
[0107]
Palv≈P1 = k × P2 + m (10)
[0108]
The patient's intrapulmonary pressure change can be indirectly measured by the above equation (10). Here, the installation positions of the
[0109]
The above has considered that the static compliance C of a normal lung model is about 200 [ml / cmH20], and “model lung 82” is considered as a representative value. It can be expressed by applying a coefficient n. If the compliance of the pathological lung is C ″, it can be expressed by the following equation (11).
[0110]
C ″ = nC (11)
(N is a constant)
[0111]
Therefore, the internal pressure change of the pathological lung is transformed into the following equation (12) by transforming the equation (6).
[0112]
ΔP = Rc · (dΔV / dt) + ΔV / 200n (12)
[0113]
Since the second term of equation (12) is a term that is proportional to C, equation (10) is as follows.
[0114]
Palv≈P1 = k ′ × P2 + m (13)
(K 'is a proportional multiple constant of k considering the coefficient n)
[0115]
The relationship between k and k ′ is proportional to the relationship between the “model lung 82 ′” having the static compliance C ″ of the pathological lung and the “model lung 82” having the normal lung compliance. Is guided. Therefore, in actual clinical practice, when the static compliance C ″ of the pathological lung is measured in advance at the time of medical treatment of the patient and the relationship between the value and the normal lung is obtained by the equation (11), which k ′ is used. I know what to do. If this k ′ is used, the change P1 in the lung pressure of the patient can be obtained from the equation (13) from P2 even in the diseased lung.
[0116]
[Calculation of tidal volume]
Furthermore, it is possible to estimate how much tidal ventilation enters and leaves the actual patient's lung from the following calculation formula.
[0117]
As a reference, a change in pressure when a fixed amount of gas 100 [ml] is momentarily pushed into the “model lung 82” is ΔPa (constant) (ΔPa = 100 / C, for example, C = 200 [ml / cmH 2 O] If there is ΔPa = 0.5 [cmH2O]). If a pressure amplitude of ΔP1 is generated in the “model lung 82” by the ventilation of the high-frequency artificial respiration method, the relationship of the following equation (14) is established using Boyle's law.
[0118]
ΔPa / 100 = ΔP1 / ΔV = 1 / C (14)
[0119]
Further, since the pressure amplitude change ΔP2 of P2 of the pressure detection container at the time of high-frequency artificial respiration has a relationship of ΔP1 and the equation (10), the following equation (15) is established.
[0120]
ΔPa / 100 = ΔP1 / ΔV = (k · ΔP2 + m) / ΔV = 1 / C (15)
[0121]
Therefore, ΔV (ventilation volume) that is a volume change at the time of HFO of “model lung 82” is obtained.
[0122]
ΔV = 100 × (k · ΔP2 + m) / ΔPa = C · (k · ΔP2 + m) (16)
[0123]
Since the “model lung 82” and the “actual lung” are substantially the same in terms of fluid dynamics, the actual patient's lung ventilation can be approximately ΔV. That is, if the coefficients k and m are obtained by the measurement in the preparatory work stage and the pressure change ΔP2 is measured during the high-frequency artificial respiration, the ventilation volume of the patient's lung can be almost estimated using the equation (16).
[0124]
It should be noted that the compliance value C has an influence on the pressure detection of the model lung 82 and the
[0125]
[First embodiment]
The result of measuring the relationship of equation (8) using the above-described system of the high-
[0126]
First, high-purity oxygen (about 100%) and air are mixed in the intake
[0127]
In addition, by appropriately controlling the outlet open area of the
[0128]
Further, actual experimental results comparing the pressure changes of P1 of “model lung 82” and P2 of “
[0129]
Experimental conditions were set as follows.
“Model lung 82” ……………… 40 [l] tank
“
"
“
Under the above experimental conditions, the experiment was performed by setting the frequency of the oscillating air pressure to 5 [Hz] and 15 [Hz]. The pressure waveform data of 5 [Hz] is shown in FIG. 12, and the experimental results are shown in FIG. Further, the pressure waveform data of 15 [Hz] is shown in FIG. 14, and the experimental results are shown in FIG.
[0130]
The relationship between P1 and P2 is stable in a relative relationship in any period, and can be expressed by the previous equation (8).
[0131]
[Second embodiment]
In addition, it becomes a problem how the doctor selects the corresponding “model lung 82 +
[0132]
As described above, the size (inner diameter) and intubation depth (tube length) of the
[0133]
Moreover, if the patient's age is determined, lung compliance is almost calculated from medical statistical data. Depending on the pathological condition of the lung, the compliance of the diseased lung is almost calculated from medical statistical data. In addition, there are devices that can be measured clinically, so they are easily required.
[0134]
Here, the experimental conditions are “model lung 82 ′” and “
[0135]
Experimental conditions were set as follows.
"Model lung 82 '" ……………… 20 [l] tank
“
"Pressure detection container 85 '" ... 12 [ml] container
“Branch tube for
Under the above experimental conditions, the experiment was performed by setting the frequency of the oscillating air pressure to 5 [Hz] and 15 [Hz]. The experimental result of 5 [Hz] is shown in FIG. Moreover, the experimental result of 15 [Hz] is shown in FIG.
[0136]
The relationship between P1 and P2 is stable in a relative relationship in any period, and can be expressed by Expression (8) ′ similar to the previous Expression (8).
[0137]
P1 ′ = k ′ × P2 ′ + m ′ (8) ′
(K 'and m' are constants)
[0138]
As described above, in the actual experimental results, changes in the patient's intrapulmonary pressure from any model patient's lung with the model lung having the same compliance value as the patient's lung and the pressure detection container similar to this model lung. Can be known relatively.
[0139]
The experimental results also show that the intrapulmonary pressure can be measured accurately by taking into account the coefficient multiplied by P2 according to the patient's medical condition.
[0140]
Therefore, since the dimensions of each part of the “
[0141]
As a result, as long as the doctor decides the
[0142]
Further, if the
[0143]
In addition, since the “peak to peak” of the waveform in this case coincides with the “model lung 82” and the “
[0144]
【The invention's effect】
In the present invention, the inner diameter and length of the detection branch tube and the volume of the pressure detection container are related to the linear function of the insertion side tip pressure of the endotracheal insertion tube and the internal pressure of the pressure detection container during high-frequency artificial respiration. Is set to a value that gives rise to The controller calculates the intrapulmonary pressure of the patient from the detected pressure inside the pressure detection container when performing high-frequency artificial respiration on the patient.
[0145]
Therefore, according to the present invention, it is possible to measure the pressure change and the ventilation volume in the lungs of the patient during the high-frequency ventilation, which is impossible in the past, and it is possible to observe the ventilation state without requiring skill and experience. In addition, since it is not necessary to rely on visual observation as in the prior art, it is possible to grasp a more accurate state, and it is possible to always maintain a more favorable high-frequency artificial respiration.
[0146]
Further, by providing the operation panel for inputting the above-described linear function, it is possible to freely input a linear function determined according to the selected detection branch pipe and pressure detection container.
[0147]
Furthermore, by providing a display unit that displays the calculated intrapulmonary pressure, the intrapulmonary pressure during high-frequency artificial respiration can be known easily and quickly.
[0148]
Similarly, by providing the ventilation amount calculation unit, an external processing device is not required, and the ventilation amount can be grasped only by the configuration of the present invention.
[0149]
Since this invention is comprised and functions as mentioned above, according to this, the outstanding high frequency ventilator which is not in the past can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a high-frequency ventilator according to the present embodiment, showing a state during artificial respiration.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a high-frequency ventilator according to the present embodiment, showing a state of a preparatory work stage before performing artificial respiration.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing details of the flow control valve disclosed in FIGS.
FIG. 4 is a chart showing an example of dimensions of an endotracheal tube according to age.
FIG. 5 is a block diagram showing a control system of a high-frequency ventilator.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship of “internal pressure−ventilation amount” at the time of inhalation supply and at the time of exhalation discharge.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a model of a human lung.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an “airway branching configuration”.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the dimension of branching and the sum of airway cross-sectional areas for each dimension.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a relationship between branch dimensions and airway resistance by trachea in each dimension.
FIG. 11 is a diagram showing a waveform example of a typical model lung internal pressure when performing high-frequency artificial respiration according to the present embodiment.
12 is a diagram showing the detected pressures of the first and corresponding pressure detection sensors when the oscillating air pressure is 5 Hz in the high frequency ventilator shown in FIG. 1. FIG.
13 is a chart showing test results when the vibration air pressure is 5 Hz in the high frequency ventilator shown in FIG. 1. FIG.
14 is a diagram showing detected pressures of the first and corresponding pressure detection sensors when the oscillating air pressure is set to a frequency of 15 Hz in the high-frequency ventilator shown in FIG. 1. FIG.
15 is a chart showing test results when the vibration air pressure is set to a frequency of 15 Hz in the high-frequency ventilator shown in FIG. 1. FIG.
16 is a chart showing test results when each tube and each sealed container of the high-frequency ventilator shown in FIG. 1 are set for a child, and the vibration air pressure is 5 Hz. .
FIG. 17 is a chart showing test results when each tube and each sealed container of the high-frequency ventilator shown in FIG. 1 are set for a child and the vibration air pressure is set to a frequency of 15 Hz. .
FIG. 18 is a block diagram showing a configuration of a conventional high-frequency ventilator.
[Explanation of symbols]
12 High frequency ventilator
40 controller
42 Memory unit
43 Control panel
44 display
47 Lung pressure calculator
48 Ventilation volume calculator
50 Vibrating air pressure biasing part
60 Patient route
62 Intake air inlet
70 Discharge route
81 Endotracheal tube
82 model lungs
83 Model lung pressure sensor
84 Branch pipe for detection
85 Pressure detection container
86 Compatible pressure detection sensor
X patient
Claims (5)
前記患者側経路の患者側端部に、前記患者の口元から気管の第一分枝近くまで挿入する気管内挿入管を装備し、
前記患者側経路から前記排出経路のいずれかの途中部位から分岐した検出用分岐管と、この検出用分岐管を介して前記いずれかの経路と連通した圧力検出容器と、この圧力検出容器の内部圧力を検出する対応圧力検出センサとを有し、
前記検出用分岐管の内径及び長さ並びに前記圧力検出容器の容積を、高頻度人工呼吸時の前記気管内挿入管の挿入側先端部圧力と前記圧力検出容器の内部圧力とが一次関数の関係を生ぜしめる値に設定し、
前記一次関数の関係を記憶すると共に前記対応圧力検出センサからの検出圧力に基づいて前記気管内挿入管の挿入側先端部の圧力を算出する機能を備えたコントローラを備えることを特徴とする高頻度人工呼吸器。An inhalation intake section for supplying inhalation containing oxygen to the patient; a vibration air pressure biasing section for biasing the vibration air pressure with a period higher than the breathing cycle of the patient to the inspiration; A high-frequency respirator comprising a patient-side route for guiding the patient to the patient, and an exhaust route for discharging exhaled air containing carbon dioxide from the patient into the atmosphere.
Equipped with an endotracheal insertion tube inserted from the patient's mouth to near the first branch of the trachea at the patient side end of the patient side path;
A branch pipe for detection branched from a midway portion of the discharge path from the patient-side path, a pressure detection container communicating with any of the paths via the branch pipe for detection, and an inside of the pressure detection container A corresponding pressure detection sensor for detecting pressure,
Regarding the inner diameter and length of the detection branch tube and the volume of the pressure detection container, the relationship between the pressure at the insertion end of the insertion tube in the trachea and the internal pressure of the pressure detection container during a high-frequency artificial respiration is a linear function. Is set to a value that produces
And a controller having a function of storing the relationship of the linear function and calculating the pressure at the distal end portion on the insertion side of the endotracheal insertion tube based on the detected pressure from the corresponding pressure detection sensor. Ventilator.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28014799A JP3722404B2 (en) | 1999-09-30 | 1999-09-30 | High frequency ventilator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28014799A JP3722404B2 (en) | 1999-09-30 | 1999-09-30 | High frequency ventilator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001095919A JP2001095919A (en) | 2001-04-10 |
JP3722404B2 true JP3722404B2 (en) | 2005-11-30 |
Family
ID=17620992
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP28014799A Expired - Fee Related JP3722404B2 (en) | 1999-09-30 | 1999-09-30 | High frequency ventilator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3722404B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016109528A1 (en) * | 2016-03-01 | 2017-09-07 | Ventinova Technologies B.V. | Method and device for ventilating a patient |
-
1999
- 1999-09-30 JP JP28014799A patent/JP3722404B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2001095919A (en) | 2001-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3721912B2 (en) | High frequency ventilator | |
US8312879B2 (en) | Method and apparatus for airway compensation control | |
US20130012828A1 (en) | Method and System for Measuring Nasal Resistance to Airflow | |
CA2920624C (en) | Systems and methods for providing ventilation | |
US20110307194A1 (en) | Characterisation of mask systems | |
JPS5892366A (en) | Respiration assisting apparatus and method | |
WO2012001621A1 (en) | System for performing respiratory diagnostics | |
CN105980014A (en) | Dual pressure sensor patient ventilator | |
US8925549B2 (en) | Flow control adapter for performing spirometry and pulmonary function testing | |
CN106267493B (en) | Medical breathing machine and its method of continuous measuring and calculating resistance of respiratory tract and compliance | |
WO2010036479A1 (en) | Systems and methods for conserving oxygen in a breathing assistance device | |
US9750431B2 (en) | Pulmonary compliance and air flow resistance | |
KR20210153061A (en) | Breathing Apparatus Providing Bubble CPAP Therapy | |
US20110166411A1 (en) | Warming therapy device including resuscitation control system | |
JP3722404B2 (en) | High frequency ventilator | |
US20230169888A1 (en) | System for simulating the breathing of a living being | |
JP3775138B2 (en) | High frequency ventilator | |
JP3721908B2 (en) | High frequency ventilator | |
JP2001170178A (en) | High frequency respirator | |
JP3767329B2 (en) | Computer-readable recording medium on which high-frequency ventilator and its operation control program are recorded | |
US20220241545A1 (en) | Apparatus for supplying therapeutic gas to a patient, with control of the pressure at the mask | |
US20220105290A1 (en) | Apparatus and installation for supplying therapeutic gas to a patient with flow control | |
WO2022229911A1 (en) | Methods for providing respiratory support with cuff deflation | |
AU2021221513A1 (en) | Methods for providing respiratory support with cuff deflation | |
US20120053481A1 (en) | Method and system for measuring nasal resistance to airflow |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050819 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20050906 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050909 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080922 Year of fee payment: 3 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080922 Year of fee payment: 3 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080922 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090922 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100922 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110922 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120922 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130922 Year of fee payment: 8 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |