JP3860830B1 - Control device for gas supply mechanism for ventilator and control method of gas supply mechanism using control device - Google Patents

Control device for gas supply mechanism for ventilator and control method of gas supply mechanism using control device Download PDF

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Abstract

【課題】 人工呼吸器のガス供給機構の制御における安定度の余裕を大きくすることができる人工呼吸器の制御方法を提供する。
【解決手段】 支援ガスの流量Fを検出するとともに、オブザーバ54によって支援ガスの流量^Fを推定する。次に、検出流量Fと推定流量^Fとの流量偏差ΔFを求め、患者の自発呼吸圧力Pmusに関する情報を取得し、この情報に基づいて、ガス供給機構20を制御するための目標圧力Pinを演算する。前記流量偏差ΔFに基づいて、目標圧力Pinを演算するとともに、調整用伝達関数によってパラメータを適切に選択することによって、全体の系14の安定限界に対する余裕を大きくすることができる。これによって実際の全体の系が変動した場合であっても、ランナウェイを生じにくくすることができる。また従来のPAV方式に比較して、アシストの応答性を改善することができる。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ventilator control method capable of increasing a margin of stability in control of a gas supply mechanism of a ventilator.
The flow rate F of the support gas is detected, and the flow rate F of the support gas is estimated by an observer 54. Next, a flow rate deviation ΔF between the detected flow rate F and the estimated flow rate ^ F is obtained, information on the patient's spontaneous breathing pressure Pmus is obtained, and based on this information, a target pressure Pin for controlling the gas supply mechanism 20 is obtained. Calculate. A margin for the stability limit of the entire system 14 can be increased by calculating the target pressure Pin based on the flow rate deviation ΔF and appropriately selecting parameters by the transfer function for adjustment. As a result, even if the actual entire system fluctuates, it is possible to make it difficult for the runaway to occur. Further, the response of the assist can be improved as compared with the conventional PAV method.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、人工呼吸器に用いられるガス供給機構の制御装置および制御装置を用いたガス供給機構の制御方法に関する。 The present invention relates to a control device for a gas supply mechanism used in a ventilator and a control method for the gas supply mechanism using the control device .

患者が自発呼吸を行う場合における吸気期間の人工呼吸器のガス供給機構の制御方法として、プロポーショナルアシストベンチレーション法(比例支援換気法、Proportional
Assist Ventilation、略称PAV法)がある。
Proportional assist ventilation (proportional assisted ventilation, Proportional as a control method of the ventilator's gas supply mechanism during the inspiratory period when the patient breathes spontaneously
Assist Ventilation (abbreviated as PAV method).

図22は、従来技術の人工呼吸器1と患者2とを含む全体の系5を示すブロック線図である。PAV法を実現する人工呼吸器1は、ガス供給機構3と、ガス供給機構3を制御する制御装置4とを含む。制御装置4は、支援ガスの流量を検出して、その検出した流量に基づいて、ガス供給機構3の吐出圧力を決定する。   FIG. 22 is a block diagram showing the entire system 5 including a prior art ventilator 1 and a patient 2. A ventilator 1 that realizes the PAV method includes a gas supply mechanism 3 and a control device 4 that controls the gas supply mechanism 3. The control device 4 detects the flow rate of the support gas and determines the discharge pressure of the gas supply mechanism 3 based on the detected flow rate.

制御装置4は、流量ゲインKfaを支援ガスの流量Fに乗算した第1演算値(Kfa・F)と、体積ゲインKvaを患者の肺内に供給される支援ガスの体積Vに乗算した第2演算値(Kva・F/s)とを求め、第1演算値(Kfa・F)および第2演算値(Kva・F/s)を加算して目標圧力Pinを演算する。流量ゲインKfaは、推定した気道抵抗^Rにアシスト率αを乗算した値であり、体積ゲインKvgは、推定した肺のエラスタンス^Eにアシスト率αを乗算した値である。ここで、^R=Rであって^E=Eである場合のアシスト率αをAとする。 The control device 4 multiplies the first calculated value (K fa · F) obtained by multiplying the flow rate gain K fa by the flow rate F of the support gas and the volume V of the support gas supplied into the patient's lungs by the volume gain K va. The calculated second calculated value (K va · F / s) is obtained, and the first calculated value (K fa · F) and the second calculated value (K va · F / s) are added to calculate the target pressure Pin. . The flow rate gain K fa is a value obtained by multiplying the estimated airway resistance R by the assist rate α, and the volume gain K vg is a value obtained by multiplying the estimated lung elastance ^ E by the assist rate α. Here, let A be the assist rate α when ^ R = R and ^ E = E.

制御装置4は、演算した目標圧力Pinを表わす信号をガス供給機構3に与える。目標圧力Pinを表わす信号が与えられたガス供給機構3は、目標圧力Pinに基づいて、支援圧力Pventで支援ガスを吐出する。流量ゲインKfaおよび体積ゲインKvaが適切に設定されることによって、ガス供給機構3は、患者の自発呼吸圧力Pmusを比例増幅した支援圧力Pventを与える(たとえば特許文献1参照)。 The control device 4 gives a signal representing the calculated target pressure Pin to the gas supply mechanism 3. The gas supply mechanism 3 to which the signal representing the target pressure Pin is given discharges the support gas at the support pressure Pvent based on the target pressure Pin. By appropriately setting the flow rate gain K fa and the volume gain K va , the gas supply mechanism 3 gives an assist pressure Pvent obtained by proportionally amplifying the patient's spontaneous breathing pressure Pmus (see, for example, Patent Document 1).

図23は、従来技術の全体の系5における自発呼吸時の換気量Vmusとアシスト呼吸時の理想的な換気量Vastとの関係を示すグラフである。支援圧力Pventは、自発呼吸圧力Pmusの時間変化に応じて、自発呼吸圧力Pmusの1/(1−A)倍の増幅率で増幅される。これによって人工呼吸器によるアシスト呼吸時の換気量Vastは、自発呼吸のみによる換気量Vmusの1/(1−A)倍に増幅される。   FIG. 23 is a graph showing the relationship between the ventilation volume Vmus during spontaneous breathing and the ideal ventilation volume Vast during assist breathing in the entire system 5 of the prior art. The support pressure Pvent is amplified with an amplification factor of 1 / (1-A) times the spontaneous breathing pressure Pmus according to the time change of the spontaneous breathing pressure Pmus. As a result, the ventilation amount Vast at the time of assist breathing by the ventilator is amplified to 1 / (1-A) times the ventilation amount Vmus only by spontaneous breathing.

また上述した従来技術では、患者の気道抵抗^Rおよび肺のエラスタンス^Eを精度よく決定したうえで、流量ゲインKfaおよび体積ゲインKfgを決定する必要がある。そこで他の従来の技術として患者の気道抵抗Rおよび肺のエラスタンスEを決定する構成が開示されている(たとえば特許文献2)。 In the above-described prior art, it is necessary to determine the flow rate gain K fa and the volume gain K fg after accurately determining the airway resistance R of the patient and the elastance L of the lung. Therefore, another conventional technique is disclosed that determines the airway resistance R of the patient and the elastance E of the lung (for example, Patent Document 2).

特許公報2714288号明細書Japanese Patent Publication No. 2714288 特表平11−502755号公報Japanese National Patent Publication No. 11-502755

従来技術の全体の系5は、正帰還構成によって、支援圧力Pventと自発呼吸圧力Pmusとを加算した圧力(Pvent+Pmus)で、支援ガスを患者に供給する。正帰還構成では、全体の系が不安定となるおそれがあり、支援圧力Pventが収束することなく増幅してしまう現象、いわゆるランナウェイと称されるオーバーアシストを生じる場合がある。   The entire system 5 of the prior art supplies the support gas to the patient at a pressure (Pvent + Pmus) obtained by adding the support pressure Pvent and the spontaneous breathing pressure Pmus in a positive feedback configuration. In the positive feedback configuration, the entire system may become unstable, and a phenomenon in which the assist pressure Pvent is amplified without converging, that is, an over assist called a so-called runaway may occur.

たとえばランナウェイは、流量ゲインKfaおよび体積ゲインKvaが適切でない場合、目標圧力Pinが入力された時刻からガス供給機構3が動作するまでに過度の遅れがある場合、患者の状態が変動した場合、その他の外乱が与えられた場合などに生じやすい。ランナウェイが生じると、支援ガスの圧力が過剰となってしまい、患者の肺や気道を損傷するおそれがあり、従来技術では強制的にアシストを停止せざるを得ない。 For example, in the runaway, when the flow gain Kfa and the volume gain Kva are not appropriate, the patient's condition fluctuates when there is an excessive delay from the time when the target pressure Pin is input until the gas supply mechanism 3 operates. This is likely to occur when other disturbances are given. When runaway occurs, the pressure of the support gas becomes excessive, which may damage the patient's lungs and airways, and the conventional technique has to forcibly stop the assist.

ランナウェイが生じやすい原因は、従来技術の全体の系5の安定余裕が小さく、過渡応答が不安定となりやすいからである。全体の系5の安定余裕が小さいと、全体の系が少し変動しただけでも、安定限界を超えてしまい、ランナウェイが生じる可能性がある。また全体の系5が不安定にならないように、流量ゲインKfaおよび体積ゲインKvaを設定する必要があり、ゲイン選択の自由度が低く、また適切なゲインを調整するのが困難となるという問題がある。 The reason why runaway is likely to occur is that the stability margin of the entire system 5 of the prior art is small and the transient response tends to become unstable. If the stability margin of the entire system 5 is small, even if the entire system is slightly changed, the stability limit may be exceeded and a runaway may occur. Further, it is necessary to set the flow rate gain K fa and the volume gain K va so that the entire system 5 does not become unstable, and the degree of freedom in gain selection is low, and it is difficult to adjust an appropriate gain. There's a problem.

したがって本発明の目的は、人工呼吸器と患者とを含む全体の系における安定余裕を大きくすることができる人工呼吸器のガス供給機構の制御装置および制御装置を用いたガス供給機構の制御方法を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a control device for a gas supply mechanism of a ventilator that can increase the stability margin in the entire system including the ventilator and a patient, and a control method for the gas supply mechanism using the control device. Is to provide.

求項記載の本発明は、目標圧力Pinを表わす信号に応答して、酸素を含む支援ガスを支援圧力Pventで、吸気管路を介して患者の気道に供給する人工呼吸器用のガス供給機構を制御する制御装置において、
吸気管路を流れる支援ガスの流量Fを検出する流量検出手段と、
目標圧力Pinを入力として、予め定める調整用伝達関数に従った出力を遅れ補償圧力^Pmとして演算する遅れ補償手段と、
遅れ補償手段によって演算された遅れ補償圧力^Pmに応答して、患者の呼吸器官をモデル化した呼吸器官モデルを用いて、遅れ補償圧力^Pmの支援ガスが吸気管路を流れるであろう支援ガスの流量を推定流量^Fとして演算する流量推定手段と、
前記流量検出手段によって検出された流量Fと、前記流量推定手段によって演算された推定流量^Fとの流量偏差ΔFを演算する偏差演算手段と、
前記偏差演算手段によって演算された流量偏差ΔFに応答して、目標圧力Pinを演算し、その目標圧力Pinを表わす信号を、前記ガス供給機構と遅れ補償手段とに与える制御量演算手段とを含み、
前記調整用伝達関数は、一次遅れ要素を含んで構成されるとともに、むだ時間要素を含んで構成され、そのむだ時間要素におけるむだ時間Lmがゼロとして設定され、
前記調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmは、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcよりも大きい値が採用されることを特徴とするガス供給機構の制御装置である。
The present invention Motomeko 1 wherein, in response to a signal representative of the target pressure Pin, in support pressure Pvent support gas containing oxygen, a gas supply ventilator delivered to the patient's airway via the intake channel In the control device that controls the mechanism,
A flow rate detecting means for detecting a flow rate F of the support gas flowing through the intake pipe;
A delay compensation means for calculating the output according to a predetermined adjustment transfer function as a delay compensation pressure ^ Pm with the target pressure Pin as an input;
In response to the delay compensation pressure ^ Pm calculated by the delay compensation means, using the respiratory organ model that models the patient's respiratory organ, the assistance gas with the delay compensation pressure ^ Pm will flow through the inspiratory line A flow rate estimating means for calculating a gas flow rate as an estimated flow rate ^ F;
Deviation calculating means for calculating a flow deviation ΔF between the flow rate F detected by the flow rate detecting means and the estimated flow rate ^ F calculated by the flow rate estimating means;
A control amount calculating means for calculating a target pressure Pin in response to the flow rate deviation ΔF calculated by the deviation calculating means and providing a signal representing the target pressure Pin to the gas supply mechanism and the delay compensating means. ,
The adjustment transfer function includes a first-order lag element and includes a time delay element, and a time delay Lm in the time delay element is set as zero.
The constant Tm when the first-order lag element of the adjusting the transfer function is greater than the time constant Tc approximating the primary delay element included in the transfer function of the gas supply mechanism is employed in the gas supply mechanism, characterized in Rukoto It is a control device.

請求項記載の本発明に従えば、流量検出手段で支援ガスの流量Fを検出するとともに、流量推定手段によって支援ガスの推定流量^Fを演算する。検出した支援ガスの流量Fは、患者の自発呼吸圧力Pmusによって変化するが、支援ガスの推定流量^Fは、患者の自発呼吸圧力Pmusの影響を受けない。したがって検出した支援ガスの流量Fと推定した支援ガスの流量^Fとの流量偏差ΔFを求めることによって、患者の自発呼吸圧力Pmusに関する情報を取得することができる。ここで、自発呼吸圧力Pmusとは、患者が呼吸に費やす力である呼吸努力を圧力に換算した値であって、特別な方法を用いないと正確な値を測定することができない。本発明においては、特別な方法を用いることなく、流量偏差ΔFに応答して、呼吸努力によって発生しているであろう自発呼吸圧力Pmusを仮想的に決定している。 According to the first aspect of the present invention, the flow rate detection means detects the support gas flow rate F, and the flow rate estimation means calculates the support gas estimated flow rate F. The detected flow rate F of the assisting gas varies depending on the patient's spontaneous breathing pressure Pmus, but the estimated assisting gas flow rate F is not affected by the patient's spontaneous breathing pressure Pmus. Therefore, by obtaining a flow rate deviation ΔF between the detected assist gas flow rate F and the estimated assist gas flow rate F, information on the patient's spontaneous breathing pressure Pmus can be acquired. Here, the spontaneous breathing pressure Pmus is a value obtained by converting a respiratory effort, which is a force that a patient spends on breathing, into a pressure, and an accurate value cannot be measured unless a special method is used. In the present invention, the spontaneous breathing pressure Pmus that may be generated by the breathing effort is virtually determined in response to the flow deviation ΔF without using a special method.

制御量演算手段は、この流量偏差ΔFに応答して、ガス供給機構を制御するための目標圧力Pinを演算する。したがって目標圧力Pinもまた、患者の自発呼吸圧力Pmusに対応した圧力となる。このように演算した目標圧力Pinを表わす信号を前記ガス供給機構に与えることによって、逐次変化する自発呼吸圧力Pmusに対応した支援圧力Pventで、支援ガスを患者の気道に供給することができる。   The control amount calculation means calculates a target pressure Pin for controlling the gas supply mechanism in response to the flow rate deviation ΔF. Therefore, the target pressure Pin is also a pressure corresponding to the patient's spontaneous breathing pressure Pmus. By providing the gas supply mechanism with a signal representing the target pressure Pin calculated in this way, the support gas can be supplied to the patient's airway at the support pressure Pvent corresponding to the spontaneous breathing pressure Pmus that changes sequentially.

さらに前記流量偏差ΔFに基づいて、目標圧力Pinを演算することによって、検出した支援ガスの流量Fのみに基づいて目標圧力Pinを演算する従来技術に比べて、患者と人工呼吸器とを含む全体の系を正帰還構成になりにくくすることができ、全体の系の安定限界に対する余裕を大きくすることができる。これによって外乱が生じる場合、ガス供給機構に過度の時間遅れがある場合、患者の呼吸器官モデルを正確に設定できない場合、患者の肺および気道の状態が変化する場合、および患者の呼吸状態が変化する場合などであっても、支援圧力Pventの発散、いわゆるランナウェイを生じにくくすることができる。このように患者の自発呼吸圧力Pmusに比例した支援圧力Pventを与えることで、患者の呼吸タイミングに応じた圧力支援を行うことができ、患者の負担を低減することができる。   Further, by calculating the target pressure Pin based on the flow rate deviation ΔF, the entire system including the patient and the ventilator is compared with the prior art that calculates the target pressure Pin based only on the detected flow rate F of the assisting gas. This system can be made less likely to have a positive feedback configuration, and the margin for the stability limit of the entire system can be increased. If this causes disturbances, there is an excessive time delay in the gas supply mechanism, the patient's respiratory model cannot be set correctly, the patient's lung and airway conditions change, and the patient's respiratory condition changes Even in such a case, divergence of the support pressure Pvent, that is, so-called runaway can be made difficult to occur. Thus, by providing the support pressure Pvent proportional to the patient's spontaneous breathing pressure Pmus, pressure support according to the patient's breathing timing can be performed, and the burden on the patient can be reduced.

また本発明では、遅れ補償手段が、目標圧力Pinを基に、調整用伝達関数に従って遅れ補償圧力^Pmを演算する。流量推定手段は、遅れ補償手段によって演算された遅れ補償圧力^Pmに基づいて推定流量^Fを演算する。この場合、調整用伝達関数を構成するむだ時間要素のむだ時間Lmがゼロに設定される。このようにむだ時間Lmをゼロとした状態で、一次遅れ要素の時定数Tmを適切に設定することで、調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数を変化させた場合に安定可能な領域を増やすことができる。いいかえると安定状態を保って、変化可能な時定数を増やすことができる。これによって支援圧力Pventの応答が振動的および発散しない安定範囲で、時定数を可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性をさらに向上することができる。また実際の呼吸器官に対して呼吸器官モデルが正確でない場合、増幅率が大きい場合であっても、安定範囲で、時定数を可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性をさらに向上することができる。さらにむだ時間要素のむだ時間Lmをゼロとすることで、調整用伝達関数に必要なパラメータを減らすことができ、むだ時間Lmと時定数Tmとの両方を調整する場合に比べて、調整用伝達関数における適切な時定数Tmを容易に求めることができる。
また請求項2記載の本発明は、前記調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmは、パラメータ調整可能に構成されることを特徴とする。
また前記調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmは、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcよりも大きい値が採用される。これによって人工呼吸器と患者とを含む全体の系の伝達関数を周波数領域で表わした場合において、高周波応答部分での微分ゲインは、近似的にTcに比例した形で表わすことができる。したがって調整用伝達関数の時定数Tmが大きくなることは、高周波応答部分での微分ゲインが大きくなることに相当する。高周波応答部分での微分ゲインが大きくなると、患者の吸気開始期間での支援圧力Pventの速応性を向上することができる。また調整用伝達関数の時定数Tmについて、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcよりも大きい値が採用されることで、調整用伝達関数のむだ時間Lmをゼロにしたとしても、速応性を向上することができる。
このように速応性を向上することで、時間経過に伴って変化する自発呼吸圧力Pmusに対して、支援圧力Pventを精度よく比例増幅することができるとともに、人工呼吸器と患者との非同期状態を抑えることができる。ここで、調整用伝達関数の時定数Tmは、支援圧力Pventの過渡応答が振動的となる値よりも低く設定されることが好ましい。これによって人工呼吸器が患者に与える負担をさらに小さくすることができる。
また請求項2記載の本発明は、前記調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmは、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcと、ガス供給機構の伝達関数に含まれるむだ時間要素を近似したむだ時間Lcとを加算した値(Tc+Lc)よりも小さく設定されることを特徴とする。
請求項2記載の本発明に従えば、支援圧力Pventの応答が振動的および発散しない安定範囲で、時定数Tmを可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性を向上することができる。
In the present invention, the delay compensation means calculates the delay compensation pressure ^ Pm according to the adjustment transfer function based on the target pressure Pin. The flow rate estimating means calculates the estimated flow rate ^ F based on the delay compensation pressure ^ Pm calculated by the delay compensating means. In this case, the dead time Lm of the dead time element constituting the adjustment transfer function is set to zero. In this way, by setting the time constant Tm of the first-order lag element appropriately with the dead time Lm being zero, a stable region can be obtained when the time constant of the first-order lag element of the adjustment transfer function is changed. Can be increased. In other words, it can maintain a stable state and increase the variable time constant. As a result, the time constant can be increased as much as possible within a stable range where the response of the support pressure Pvent does not vibrate or diverge, and the speed response of the support pressure Pvent can be further improved. In addition, when the respiratory organ model is not accurate with respect to the actual respiratory organ, even when the amplification factor is large, the time constant can be increased as much as possible within the stable range, and the responsiveness of the support pressure Pvent can be increased. This can be further improved. Furthermore, by setting the dead time Lm of the dead time element to zero, the parameters required for the adjustment transfer function can be reduced, and the adjustment transmission is compared with the case where both the dead time Lm and the time constant Tm are adjusted. An appropriate time constant Tm in the function can be easily obtained.
According to a second aspect of the present invention, the time constant Tm of the first-order lag element of the adjustment transfer function is configured to be adjustable.
The time constant Tm of the first-order lag element of the adjustment transfer function is larger than the time constant Tc approximating the first-order lag element included in the transfer function of the gas supply mechanism. As a result, when the transfer function of the entire system including the ventilator and the patient is expressed in the frequency domain, the differential gain in the high frequency response portion can be expressed in a form approximately proportional to Tc. Therefore, an increase in the time constant Tm of the adjustment transfer function corresponds to an increase in the differential gain in the high frequency response portion. When the differential gain in the high-frequency response portion increases, the rapid response of the support pressure Pvent during the patient's inhalation start period can be improved. Further, the time constant Tm of the adjustment transfer function is set to a value larger than the time constant Tc approximating the first-order lag element included in the transfer function of the gas supply mechanism, so that the dead time Lm of the adjustment transfer function is zero. Even if it makes it, it can improve a quick response.
By improving the speed response in this manner, the support pressure Pvent can be accurately amplified in proportion to the spontaneous breathing pressure Pmus that changes with time, and the asynchronous state between the ventilator and the patient can be increased. Can be suppressed. Here, it is preferable that the time constant Tm of the adjustment transfer function is set to be lower than a value at which the transient response of the support pressure Pvent becomes oscillating. This can further reduce the burden imposed on the patient by the ventilator.
According to the second aspect of the present invention, the time constant Tm of the first-order lag element of the adjustment transfer function is a time constant Tc approximating the first-order lag element included in the transfer function of the gas supply mechanism, and the transmission of the gas supply mechanism. It is characterized by being set smaller than a value (Tc + Lc) obtained by adding a dead time Lc approximating a dead time element included in the function.
According to the second aspect of the present invention, the time constant Tm can be increased as much as possible within a stable range in which the response of the support pressure Pvent is not oscillating or diverging, and the speed response of the support pressure Pvent is improved. Can do.

また請求項記載の本発明は、前記調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmは、自発呼吸圧力Pmusを比例増幅する増幅率に応じて、上限値が設定されることを特徴とする。 The present invention according to claim 3, constant Tm when the first-order lag element of the adjustment transfer function, depending on the amplification factor proportional amplifying spontaneous respiration pressure Pmus, characterized in that the upper limit is set .

請求項記載の本発明に従えば、調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmが、過度に大きくなり、予め定める上限値を超えると、支援圧力Pventの応答が振動的となる。自発呼吸圧力Pmusを比例増幅する増幅率が大きくなるにつれて、前記上限値は、小さくなる。したがって前記増幅率に応じて、時定数Tmの上限値が決定され、上限値以下に時定数Tmが設定されることで、増幅率にかかわらずに、支援圧力Pventの応答が振動的となることを防ぐことができる。 According to the third aspect of the present invention, when the time constant Tm of the first-order lag element of the adjustment transfer function becomes excessively large and exceeds a predetermined upper limit value, the response of the support pressure Pvent becomes oscillating. As the amplification factor for proportionally amplifying the spontaneous breathing pressure Pmus increases, the upper limit value decreases. Accordingly, the upper limit value of the time constant Tm is determined according to the amplification factor, and the time constant Tm is set below the upper limit value, so that the response of the support pressure Pvent becomes oscillatory regardless of the amplification factor. Can be prevented.

また請求項記載の本発明は、目標圧力Pinを表わす信号に応答して、酸素を含む支援ガスを支援圧力Pventで、吸気管路に供給する人工呼吸器用のガス供給機構を、演算処理回路とインターフェースとを含む制御装置を用いて制御する制御方法であって
演算処理回路によって、目標圧力Pinを入力として、遅れを補償するための予め定める調整用伝達関数に従った出力を遅れ補償圧力^Pmとして演算する遅れ補償圧力演算工程と、
演算処理回路によって、遅れ補償圧力演算工程によって、演算した遅れ補償圧力^Pmに応答して、患者の呼吸器官をモデル化した呼吸器官モデルを用いて、遅れ補償圧力^Pmの支援ガスが吸気管路を流れるであろう支援ガスの流量を推定流量^Fとして演算する流量推定工程と、
演算処理回路によって、流量検出手段によって検出された吸気管路を流れる支援ガスの流量Fと、前記流量推定工程によって演算された支援ガスの推定流量^Fとの流量偏差ΔFを演算する偏差演算工程と、
演算処理回路によって、前記偏差演算工程によって演算された流量偏差ΔFに応答して、目標圧力Pinを演算するとともに、その目標圧力Pinを表わす信号をインターフェースを介して、前記ガス供給機構に与える制御量演算工程とを含み、
前記遅れ補償圧力演算工程で用いられる調整用伝達関数は、一次遅れ要素を含んで構成されるとともに、むだ時間要素を含んで構成され、その一次遅れ要素における時定数Tmは、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcよりも大きい値が採用され、そのむだ時間要素におけるむだ時間Lmがゼロとして設定されることを特徴とする制御装置を用いたガス供給機構の制御方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a gas supply mechanism for a ventilator for supplying a support gas containing oxygen to an inspiratory line at a support pressure Pvent in response to a signal representing a target pressure Pin. And a control method for controlling using a control device including an interface,
A delay compensation pressure calculation step of calculating, as a delay compensation pressure ^ Pm, an output in accordance with a predetermined adjustment transfer function for compensating for the delay , with the target pressure Pin as an input by an arithmetic processing circuit ;
In response to the delay compensation pressure ^ Pm calculated by the delay compensation pressure calculation step by the arithmetic processing circuit, the support gas of the delay compensation pressure ^ Pm is supplied to the intake pipe using a respiratory organ model that models the respiratory organ of the patient. A flow rate estimating step of calculating the flow rate of the support gas that will flow through the road as an estimated flow rate ^ F;
A deviation calculating step of calculating a flow rate deviation ΔF between the flow rate F of the assisting gas flowing through the intake pipe detected by the flow rate detecting means and the estimated flow rate of assisting gas ^ F calculated by the flow rate estimating step. When,
By the processing circuit, in response to the flow rate difference ΔF computed by the deviation calculating step, thereby calculating the target pressure Pin, through the interface a signal representing the target pressure Pin, the control amount to be supplied to the gas supply mechanism and the calculation step seen including,
The adjustment transfer function used in the delay compensation pressure calculation step includes a first-order lag element and also includes a dead time element, and the time constant Tm in the first-order lag element is determined by the transmission of the gas supply mechanism. Control of the gas supply mechanism using the control device, wherein a value larger than the time constant Tc approximating the first-order lag element included in the function is adopted, and the dead time Lm in the dead time element is set as zero Is the method.

請求項記載の本発明に従えば、流量検出工程で支援ガスの流量Fを検出するとともに、流量推定工程で支援ガスの推定流量^Fを演算する。検出した支援ガスの流量Fは、患者の自発呼吸圧力Pmusによって変化するが、支援ガスの推定流量^Fは、患者の自発呼吸圧力Pmusの影響を受けない。したがって検出した支援ガスの流量Fと推定した支援ガスの流量^Fとの流量偏差ΔFを求めることによって、患者の自発呼吸圧力Pmusに関する情報を取得することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the flow rate F of the support gas is detected in the flow rate detection step, and the estimated flow rate F of the support gas is calculated in the flow rate estimation step. The detected flow rate F of the assisting gas varies depending on the patient's spontaneous breathing pressure Pmus, but the estimated assisting gas flow rate F is not affected by the patient's spontaneous breathing pressure Pmus. Therefore, by obtaining a flow rate deviation ΔF between the detected assist gas flow rate F and the estimated assist gas flow rate F, information on the patient's spontaneous breathing pressure Pmus can be acquired.

制御量演算工程では、この流量偏差ΔFに基づいて、ガス供給機構を制御するための目標圧力Pinを演算する。したがって目標圧力Pinもまた、患者の自発呼吸圧力Pmusに対応した圧力となる。このように演算した目標圧力Pinを表わす信号を前記ガス供給機構に与えることによって、逐次変化する自発呼吸圧力Pmusに対応した支援圧力Pventで、支援ガスを患者の気道に供給することができる。   In the control amount calculation step, a target pressure Pin for controlling the gas supply mechanism is calculated based on the flow rate deviation ΔF. Therefore, the target pressure Pin is also a pressure corresponding to the patient's spontaneous breathing pressure Pmus. By providing the gas supply mechanism with a signal representing the target pressure Pin calculated in this way, the support gas can be supplied to the patient's airway at the support pressure Pvent corresponding to the spontaneous breathing pressure Pmus that changes sequentially.

さらに前記流量偏差ΔFに応答して、目標圧力Pinを演算することによって、検出した支援ガスの流量Fのみに基づいて目標圧力Pinを演算する従来技術に比べて、患者と人工呼吸器とを含む全体の系を正帰還構成になりにくくすることができ、全体の系の安定限界に対する余裕を大きくすることができる。これによって外乱が生じる場合、ガス供給機構に過度の時間遅れがある場合、患者の呼吸器官モデルを正確に設定できない場合、患者の肺および気道の状態が変化する場合、および患者の呼吸状態が変化する場合などであっても、支援圧力Pventの発散、いわゆるランナウェイを生じにくくすることができる。このように患者の自発呼吸圧力Pmusに比例した支援圧力Pventを与えることで、患者の呼吸タイミングに応じた圧力支援を行うことができ、患者の負担を低減することができる。   Further, by calculating the target pressure Pin in response to the flow rate deviation ΔF, the patient and the ventilator are included as compared with the conventional technique that calculates the target pressure Pin based only on the detected flow rate F of the support gas. It is possible to make the whole system less likely to have a positive feedback configuration, and it is possible to increase a margin for the stability limit of the whole system. If this causes disturbances, there is an excessive time delay in the gas supply mechanism, the patient's respiratory model cannot be set correctly, the patient's lung and airway conditions change, and the patient's respiratory condition changes Even in such a case, divergence of the support pressure Pvent, that is, so-called runaway can be made difficult to occur. Thus, by providing the support pressure Pvent proportional to the patient's spontaneous breathing pressure Pmus, pressure support according to the patient's breathing timing can be performed, and the burden on the patient can be reduced.

また本発明では、遅れ補償圧力演算工程で、目標圧力Pinを基に、調整用伝達関数に従って遅れ補償圧力^Pmを演算する。流量推定工程では、遅れ補償圧力演算工程で演算された遅れ補償圧力^Pmに基づいて推定流量^Fを演算する。この場合、調整用伝達関数を構成するむだ時間要素のむだ時間Lmが、ゼロに設定される。このようにむだ時間要素のむだ時間Lmをゼロとした状態で、遅れ要素の時定数Tmを適切に設定することで、調整用伝達関数の遅れ要素の時定数を変化させた場合に安定可能な領域を増やすことができる。いいかえると安定状態を保って、変化可能な時定数を増やすことができる。これによって支援圧力Pventの応答が振動的および発散しない安定範囲で、時定数を可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性をさらに向上することができる。また実際の呼吸器官に対して呼吸器官モデルが正確でない場合、増幅率が大きい場合であっても、安定範囲で、時定数を可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性をさらに向上することができる。さらにむだ時間要素のむだ時間Lmをゼロとすることで、調整用伝達関数に必要なパラメータを減らすことができ、むだ時間Lmと時定数Tmとの両方を調整する場合に比べて、調整用伝達関数における適切な時定数Tmを容易に求めることができる。
また前記調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmは、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcよりも大きい値が採用される。これによって人工呼吸器と患者とを含む全体の系の伝達関数を周波数領域で表わした場合において、高周波応答部分での微分ゲインは、近似的にTcに比例した形で表わすことができる。したがって調整用伝達関数の時定数Tmが大きくなることは、高周波応答部分での微分ゲインが大きくなることに相当する。高周波応答部分での微分ゲインが大きくなると、患者の吸気開始期間での支援圧力Pventの速応性を向上することができる。またむだ時間Lmをゼロにした分、時定数Tmよりも大きい値が採用されることで、速応性を向上することができる。
このように速応性を向上することで、時間経過に伴って変化する自発呼吸圧力Pmusに対して、支援圧力Pventを精度よく比例増幅することができるとともに、人工呼吸器と患者との非同期状態を抑えることができる。ここで、調整用伝達関数の時定数Tmは、支援圧力Pventの過渡応答が振動的となる値よりも低く設定されることが好ましい。これによって人工呼吸器が患者に与える負担をさらに小さくすることができる。
In the present invention, in the delay compensation pressure calculation step, the delay compensation pressure ^ Pm is calculated according to the adjustment transfer function based on the target pressure Pin. In the flow rate estimation step, the estimated flow rate ^ F is calculated based on the delay compensation pressure ^ Pm calculated in the delay compensation pressure calculation step. In this case, the dead time Lm of the dead time element constituting the adjustment transfer function is set to zero. Thus the dead time Lm of dead time element while zero, by appropriately setting the constant Tm when lag elements, stable in the case of changing the time constant of the lag element of the adjusting the transfer function The possible area can be increased. In other words, it can maintain a stable state and increase the variable time constant. As a result, the time constant can be increased as much as possible within a stable range where the response of the support pressure Pvent does not vibrate or diverge, and the speed response of the support pressure Pvent can be further improved. In addition, when the respiratory organ model is not accurate with respect to the actual respiratory organ, even when the amplification factor is large, the time constant can be increased as much as possible within the stable range, and the responsiveness of the support pressure Pvent can be increased. This can be further improved. Furthermore, by setting the dead time Lm of the dead time element to zero, the parameters required for the adjustment transfer function can be reduced, and the adjustment transmission is compared with the case where both the dead time Lm and the time constant Tm are adjusted. An appropriate time constant Tm in the function can be easily obtained.
The time constant Tm of the first-order lag element of the adjustment transfer function is larger than the time constant Tc approximating the first-order lag element included in the transfer function of the gas supply mechanism. As a result, when the transfer function of the entire system including the ventilator and the patient is expressed in the frequency domain, the differential gain in the high frequency response portion can be expressed in a form approximately proportional to Tc. Therefore, an increase in the time constant Tm of the adjustment transfer function corresponds to an increase in the differential gain in the high frequency response portion. When the differential gain in the high-frequency response portion increases, the rapid response of the support pressure Pvent during the patient's inhalation start period can be improved. Further, by adopting a value larger than the time constant Tm by setting the dead time Lm to zero, the quick response can be improved.
By improving the speed response in this manner, the support pressure Pvent can be accurately amplified in proportion to the spontaneous breathing pressure Pmus that changes with time, and the asynchronous state between the ventilator and the patient can be increased. Can be suppressed. Here, it is preferable that the time constant Tm of the adjustment transfer function is set to be lower than a value at which the transient response of the support pressure Pvent becomes oscillating. This can further reduce the burden imposed on the patient by the ventilator.

請求項記載の本発明によれば、支援圧力Pventの速応性を向上して、支援圧力Pventを精度よく比例増幅することができるとともに、非同期状態を抑えることができる。これによって理想に近い支援圧力を患者に与えることができる。すなわち患者の自発呼吸圧力が小さいときには支援圧力を小さく、自発呼吸圧力が大きい時には支援圧力を大きくすることができ、患者の負担を少なくすることができる。また調整用伝達関数の時定数Tmは、支援圧力Pventの過渡応答が振動的となる値よりも低く設定されることが好ましい。これによって人工呼吸器が患者に与える負担をさらに小さくすることができる。 According to the first aspect of the present invention, the rapid response of the support pressure Pvent can be improved, the support pressure Pvent can be proportionally amplified with high accuracy, and the asynchronous state can be suppressed. As a result, a support pressure close to ideal can be applied to the patient. That is, the assist pressure can be reduced when the patient's spontaneous breathing pressure is small, and the assist pressure can be increased when the spontaneous breathing pressure is large, thereby reducing the burden on the patient. The time constant Tm of the adjustment transfer function is preferably set lower than a value at which the transient response of the support pressure Pvent becomes oscillating. This can further reduce the burden imposed on the patient by the ventilator.

また調整用伝達関数に含まれるむだ時間Lmをゼロとすることで、実際の呼吸器官に対して呼吸器官モデルが正確でない場合、増幅率が大きい場合であっても、安定範囲で、時定数を可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性をさらに向上することができる。これによって人工呼吸器が患者に与える負荷をさらに小さくすることができる。さらにむだ時間要素のむだ時間Lmをゼロとすることで、調整用伝達関数に必要なパラメータを減らすことができ、むだ時間Lmと時定数Tmとの両方を調整する場合に比べて、適切な時定数Tmを容易に求めることができる。
またむだ時間Lmをゼロにした分、時定数Tmよりも大きい値が採用されることで、速応性を向上することができる。
このように速応性を向上することで、時間経過に伴って変化する自発呼吸圧力Pmusに対して、支援圧力Pventを精度よく比例増幅することができるとともに、人工呼吸器と患者との非同期状態を抑えることができる。ここで、調整用伝達関数の時定数Tmは、支援圧力Pventの過渡応答が振動的となる値よりも低く設定されることが好ましい。これによって人工呼吸器が患者に与える負担をさらに小さくすることができる。
請求項2記載の本発明によれば、支援圧力Pventの応答が振動的および発散しない安定範囲で、時定数Tmを可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性を向上することができる。
In addition, by setting the dead time Lm included in the adjustment transfer function to zero, if the respiratory organ model is not accurate with respect to the actual respiratory organ, the time constant can be set within a stable range even when the amplification factor is large. It can be increased as much as possible, and the responsiveness of the support pressure Pvent can be further improved. This can further reduce the load that the ventilator places on the patient. Furthermore, by setting the dead time Lm of the dead time element to zero, it is possible to reduce the parameters required for the transfer function for adjustment, and at an appropriate time compared with the case where both the dead time Lm and the time constant Tm are adjusted. The constant Tm can be easily obtained.
Further, by adopting a value larger than the time constant Tm by setting the dead time Lm to zero, the quick response can be improved.
By improving the speed response in this manner, the support pressure Pvent can be accurately amplified in proportion to the spontaneous breathing pressure Pmus that changes with time, and the asynchronous state between the ventilator and the patient can be increased. Can be suppressed. Here, it is preferable that the time constant Tm of the adjustment transfer function is set to be lower than a value at which the transient response of the support pressure Pvent becomes oscillating. This can further reduce the burden imposed on the patient by the ventilator.
According to the second aspect of the present invention, the time constant Tm can be increased as much as possible within a stable range in which the response of the support pressure Pvent is oscillating and does not diverge, and the speed response of the support pressure Pvent is improved. Can do.

請求項記載の本発明によれば、増幅率を増幅したとしても、時定数を可及的に大きくして、支援圧力Pventの速応性を向上した上で、その応答が振動的となることを防ぐことができる。これによって人工呼吸器が患者に与える負荷をさらに小さくすることができる。 According to the third aspect of the present invention, even when the amplification factor is increased, the time constant is increased as much as possible to improve the responsiveness of the support pressure Pvent, and the response becomes oscillatory. Can be prevented. This can further reduce the load that the ventilator places on the patient.

請求項記載の本発明によれば、調整用伝達関数のパラメータを調整することによって、人工呼吸器と患者とを含む全体の系が負帰還構成となる領域を増やすように調製が可能となる。全体の系を負帰還構成とすることによって、全体の系が正帰還構成である場合に比べて、安定余裕を大きくすることができ、支援圧力Pventが発散することを防ぐことができる。たとえばパラメータを適切に選択することで、支援圧力の過渡応答について、速応性を向上することができるとともに、支援圧力が振動的となることを防ぐことができる。これによって人工呼吸器が患者に与える負荷を少なくすることができる。 According to the present invention described in claim 4 , by adjusting the parameters of the adjustment transfer function, the entire system including the ventilator and the patient can be adjusted so as to increase the area where the negative feedback configuration is provided. . By adopting a negative feedback configuration for the entire system, it is possible to increase the stability margin as compared to the case where the entire system has a positive feedback configuration, and to prevent the support pressure Pvent from diverging. For example, by appropriately selecting the parameters, it is possible to improve the quick response of the transient response of the support pressure, and it is possible to prevent the support pressure from becoming oscillating. This can reduce the load that the ventilator places on the patient.

また調整用伝達関数に含まれるむだ時間Lmをゼロとすることで、実際の呼吸器官に対して呼吸器官モデルが正確でない場合、増幅率が大きい場合であっても、安定範囲で、時定数を可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性をさらに向上することができる。これによって人工呼吸器が患者に与える負荷をさらに小さくすることができる。さらにむだ時間要素のむだ時間Lmをゼロとすることで、調整用伝達関数に必要なパラメータを減らすことができ、むだ時間Lmと時定数Tmとの両方を調整する場合に比べて、適切な時定数Tmを容易に求めることができる。調整用伝達関数の時定数Tmについて、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcよりも大きい値が採用されることで、調整用伝達関数のむだ時間Lmをゼロにしたとしても、速応性を向上することができる。 In addition, by setting the dead time Lm included in the adjustment transfer function to zero, if the respiratory organ model is not accurate with respect to the actual respiratory organ, the time constant can be set within a stable range even when the amplification factor is large. It can be increased as much as possible, and the responsiveness of the support pressure Pvent can be further improved. This can further reduce the load that the ventilator places on the patient. Furthermore, by setting the dead time Lm of the dead time element to zero, it is possible to reduce the parameters required for the transfer function for adjustment, and at an appropriate time compared with the case where both the dead time Lm and the time constant Tm are adjusted. The constant Tm can be easily obtained. As the time constant Tm of the adjustment transfer function, a value larger than the time constant Tc approximating the first-order lag element included in the transfer function of the gas supply mechanism is adopted, so that the dead time Lm of the adjustment transfer function is zero. Even if it does, quick response can be improved.

図1は、人工呼吸器17と患者18とを示すブロック図である。人工呼吸器17は、人工呼吸器のガス供給機構20と、ガス供給機構20を制御する制御装置21とを含む。ガス供給機構20は、酸素を含む支援ガス16を患者の気道15に供給する。支援ガス16はたとえば大気中の空気を加圧したものである。またガス供給機構20は、たとえばポンプなどのガス供給手段であって、吐出する支援ガスの圧力を制御可能である。   FIG. 1 is a block diagram showing a ventilator 17 and a patient 18. The ventilator 17 includes a ventilator gas supply mechanism 20 and a control device 21 that controls the gas supply mechanism 20. The gas supply mechanism 20 supplies a support gas 16 containing oxygen to the patient's airway 15. The support gas 16 is, for example, pressurized air in the atmosphere. The gas supply mechanism 20 is gas supply means such as a pump, for example, and can control the pressure of the assist gas to be discharged.

患者18が自発呼吸を行う場合において、吸気期間のガス供給機構20の制御方法として、プロポーショナルアシストベンチレーション法(比例支援換気法、Proportional
Assist Ventilation、略称PAV法)がある。本実施の形態の制御装置21は、PAV法の本来の目的に従ってガス供給機構20を制御する。ガス供給機構20は、自発呼吸圧力Pmusに比例する支援圧力Pventで、支援ガス16を患者の気道15に供給する。自発呼吸圧力Pmusは、横隔膜などの呼吸筋の動作によって生じる肺の外部から作用する力である呼吸努力を圧力に換算した値である。また本実施の形態において支援圧力Pventは、ガス供給機構20の吐出圧力とほぼ等しいものと近似して扱う。
When the patient 18 performs spontaneous breathing, as a control method of the gas supply mechanism 20 during the inspiration period, a proportional assist ventilation method (proportional assist ventilation, Proportional
Assist Ventilation (abbreviated as PAV method). The control device 21 of the present embodiment controls the gas supply mechanism 20 in accordance with the original purpose of the PAV method. The gas supply mechanism 20 supplies the support gas 16 to the patient's airway 15 at a support pressure Pvent proportional to the spontaneous breathing pressure Pmus. The spontaneous breathing pressure Pmus is a value obtained by converting a respiratory effort, which is a force acting from the outside of the lungs caused by the movement of respiratory muscles such as the diaphragm, into pressure. In the present embodiment, the support pressure Pvent is treated as being approximately equal to the discharge pressure of the gas supply mechanism 20.

PAV法に従って制御されるガス供給機構20は、患者18が支援ガス16を強く吸引すればするほど、より高い圧力で支援ガス16を患者に供給する。また患者18の吸引力が弱くなるにつれて、供給する支援ガス16の圧力を低くし、患者が支援ガスの吸引を終えるとともに支援ガス16の供給を停止する。このようにガス供給機構20を制御することによって、患者18の呼吸努力に応じた圧力で支援ガス16を供給することができ、呼吸動作における患者18の負担を低減することができる。   The gas supply mechanism 20 controlled according to the PAV method supplies the support gas 16 to the patient at a higher pressure as the patient 18 sucks the support gas 16 more strongly. Further, as the suction force of the patient 18 becomes weaker, the pressure of the support gas 16 to be supplied is lowered, and the supply of the support gas 16 is stopped while the patient finishes sucking the support gas. By controlling the gas supply mechanism 20 in this manner, the support gas 16 can be supplied at a pressure corresponding to the respiratory effort of the patient 18, and the burden on the patient 18 in the breathing operation can be reduced.

制御装置21は、患者の自発呼吸圧力Pmusに対応する目標圧力Pinを演算し、目標圧力Pinをガス供給機構20に与える。目標圧力Pinが与えられたガス供給機構20は、患者の自発呼吸圧力Pmusに対応した支援圧力Pventで、支援ガス16を患者の気道15に供給する。本発明の実施の形態において、「(s)」が付される伝達関数は、ラプラス領域における伝達関数であることを示し、「^」が付される値は、実際の値ではなく推測値または演算値であることを示し、「s」は、ラプラス演算子を示す。   The control device 21 calculates a target pressure Pin corresponding to the patient's spontaneous breathing pressure Pmus and gives the target pressure Pin to the gas supply mechanism 20. The gas supply mechanism 20 provided with the target pressure Pin supplies the support gas 16 to the patient's airway 15 at the support pressure Pvent corresponding to the patient's spontaneous breathing pressure Pmus. In the embodiment of the present invention, the transfer function to which “(s)” is attached indicates that it is a transfer function in the Laplace region, and the value to which “^” is attached is not an actual value but an estimated value or “S” indicates a Laplace operator.

制御装置21は、流量検出手段50と、推定手段51と、偏差演算手段52と、制御量演算手段53とを含む。流量検出手段50は、実際に患者の気道15に供給された支援ガス16の流量Fを検出する。以下、流量検出手段50によって検出される流量を検出流量Fと称する。検出流量Fは、ガス供給機構20から吸気管路25を流れる気体の流量であり、患者の気道を流れる気体の流量と等しいと近似する。この検出流量Fは、自発呼吸圧力Pmusの影響によって変動するので、自発呼吸圧力Pmusが加わった状態での呼吸器系の流量となる。   The control device 21 includes a flow rate detection means 50, an estimation means 51, a deviation calculation means 52, and a control amount calculation means 53. The flow rate detection means 50 detects the flow rate F of the support gas 16 actually supplied to the patient's airway 15. Hereinafter, the flow rate detected by the flow rate detection means 50 is referred to as a detected flow rate F. The detected flow rate F is the flow rate of the gas flowing from the gas supply mechanism 20 through the inspiratory conduit 25, and is approximated to be equal to the flow rate of the gas flowing through the patient's airway. Since this detected flow rate F varies due to the influence of the spontaneous breathing pressure Pmus, it becomes the flow rate of the respiratory system in a state where the spontaneous breathing pressure Pmus is applied.

流量検出手段50は、吸気管路25を流れる支援ガス16の流量を測定する。吸気管路25は、ガス供給機構20の圧力源から患者の気道に支援ガス16を導く管路である。たとえば流量検出手段50は、差圧式流量計によって実現される。流量検出手段50は、支援ガスの流量Fを検出すると、その検出流量Fを偏差演算手段52に与える。   The flow rate detection means 50 measures the flow rate of the support gas 16 flowing through the intake pipe line 25. The intake pipe 25 is a pipe that guides the support gas 16 from the pressure source of the gas supply mechanism 20 to the patient's airway. For example, the flow rate detection means 50 is realized by a differential pressure type flow meter. When the flow rate detection unit 50 detects the flow rate F of the support gas, the flow rate detection unit 50 gives the detected flow rate F to the deviation calculation unit 52.

推定手段51は、患者の呼吸器管を模擬してモデル化した呼吸器官モデルを示すオブザーバ54を有する。オブザーバ54は、患者に供給されるであろう支援ガスの流量^Fを演算する流量推定手段となる。具体的には、オブザーバ54は、自発呼吸圧力Pmusが存在しない状態で、予め定める遅れ補償圧力^Pmの支援ガスが吸気管路25に供給された場合に、吸気管路25を流れる支援ガスの流量を推定する。   The estimation means 51 has an observer 54 indicating a respiratory organ model that is modeled by simulating a patient's respiratory tract. The observer 54 serves as a flow rate estimating means for calculating the flow rate {circumflex over (F)} of assisting gas that will be supplied to the patient. Specifically, the observer 54 determines the amount of the support gas flowing through the intake pipe 25 when the support gas having the predetermined delay compensation pressure ^ Pm is supplied to the intake pipe 25 in the absence of the spontaneous breathing pressure Pmus. Estimate the flow rate.

以下、推定手段51によって推定される流量を推定流量^Fと称する。推定流量^Fは、後述する遅れ補償圧力^Pmで、支援ガスが呼吸器系に与えられた場合における呼吸器系の流量となる。推定手段51は、支援ガスの流量^Fを推定すると、その推定流量^Fを表わす信号を偏差演算手段52に与える。   Hereinafter, the flow rate estimated by the estimation means 51 is referred to as an estimated flow rate ^ F. The estimated flow rate {circumflex over (F)} is a delay compensation pressure {circumflex over (P)}, which will be described later, and is the flow rate of the respiratory system when support gas is given to the respiratory system. When the estimation unit 51 estimates the flow rate {circumflex over (F)} of the support gas, the estimation unit 51 gives a signal representing the estimated flow rate {circumflex over (F)} to the deviation calculation unit 52.

偏差演算手段52は、検出流量Fから推定流量^Fを減算した値となる流量偏差ΔFを演算し、演算結果を制御量演算手段53に与える。制御量演算手段53は、前記流量偏差ΔFに、予め設定されるゲイン(KFG+KVG/s)を付与して、支援圧力Pventを発生するための目標圧力Pinを演算する。 The deviation calculation means 52 calculates a flow rate deviation ΔF that is a value obtained by subtracting the estimated flow rate ^ F from the detected flow rate F, and gives the calculation result to the control amount calculation means 53. The control amount calculator 53 gives a preset gain (K FG + K VG / s) to the flow rate deviation ΔF, and calculates a target pressure Pin for generating the support pressure Pvent.

制御量演算手段53は、演算した目標圧力Pinを表わす信号を、推定手段51およびガス供給機構20にそれぞれ与える。ガス供給機構20は、制御量演算手段53から与えられる目標圧力Pinを表わす信号に基づいた吐出圧力、すなわち支援圧力Pventで、支援ガス16を患者の気道15に供給する。また推定手段51は、制御量演算手段53から与えられる目標圧力Pinを表わす信号に基づいて、推定流量^Fを順次演算する。   The control amount calculation means 53 gives a signal representing the calculated target pressure Pin to the estimation means 51 and the gas supply mechanism 20, respectively. The gas supply mechanism 20 supplies the support gas 16 to the patient's airway 15 at the discharge pressure based on the signal representing the target pressure Pin given from the control amount calculation means 53, that is, the support pressure Pvent. Further, the estimating means 51 sequentially calculates the estimated flow rate ^ F based on the signal representing the target pressure Pin given from the control amount calculating means 53.

図2は、本発明の実施の一形態の全体の系14を具体的に示すブロック線図である。推定手段51は、オブザーバ54のほかに、遅れ補償部55をさらに有する。遅れ補償部55は、たとえばガス供給機構20の遅れ要素、空気回路の遅れ要素など、全体の系14を構成する各構成部の一次遅れ要素およびむだ時間要素などの遅れ要素を補償するために設けられる。遅れ補償部55は、目標圧力Pinを入力として、パラメータ調整可能な調整用伝達関数に従った出力を演算する遅れ補償手段となり、人工呼吸器17と患者18とを含む全体の系14の制御特性を改善するために設けられる。   FIG. 2 is a block diagram specifically showing the entire system 14 according to the embodiment of the present invention. The estimation unit 51 further includes a delay compensation unit 55 in addition to the observer 54. The delay compensation unit 55 is provided to compensate for delay elements such as a primary delay element and a dead time element of each component constituting the entire system 14 such as a delay element of the gas supply mechanism 20 and a delay element of the air circuit. It is done. The delay compensation unit 55 is a delay compensation unit that calculates an output in accordance with an adjustment transfer function that can be parameter-adjusted with the target pressure Pin as an input, and the control characteristics of the entire system 14 including the ventilator 17 and the patient 18. Provided to improve.

遅れ補償部55は、目標圧力Pinを入力として、パラメータ調整可能な調整用伝達関数に従った出力を遅れ補償圧力^Pmとして演算する。遅れ補償部55は、演算した遅れ補償圧力^Pmを表わす信号をオブザーバ54に与える。本実施の形態では、調整用伝達関数は、目標圧力Pinを入力とし、支援圧力Pventを出力として実測されるガス供給機構20の伝達関数を近似した制御要素を含み、ガス供給機構の伝達関数とは、制御要素を決定するパラメータが異なる。   The delay compensation unit 55 receives the target pressure Pin as an input, and calculates an output according to an adjustment transfer function capable of parameter adjustment as a delay compensation pressure ^ Pm. The delay compensation unit 55 gives a signal representing the calculated delay compensation pressure ^ Pm to the observer 54. In the present embodiment, the adjustment transfer function includes a control element that approximates the transfer function of the gas supply mechanism 20 that is measured with the target pressure Pin as an input and the support pressure Pvent as an output. Have different parameters for determining the control element.

本実施の形態では、ガス供給機構20の伝達関数は、一次遅れ要素Gc(s)と、むだ時間要素e−Lc・sとの積で表わされる。また調整用伝達関数Gm(s)・e−Lm・sもまた、一次遅れ要素Gm(s)と、むだ時間要素e−Lm・sとの積で表わされる。調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmは、ガス供給機構20の一次遅れ要素の時定数Tcよりも大きく(Tm>Tc)設定される。また調整用伝達関数のむだ時間Lmは、ガス供給機構20のむだ時間Lcとほぼ同じ値(Lm≒LcまたはLm=Lc)に設定される。本発明では、ほぼ同じとは、同じ場合も含む。 In the present embodiment, the transfer function of the gas supply mechanism 20 is represented by the product of the first-order lag element Gc (s) and the dead time element e −Lc · s . The adjustment transfer function Gm (s) · e −Lm · s is also expressed by the product of the first-order lag element Gm (s) and the dead time element e −Lm · s . The time constant Tm of the first-order lag element of the adjustment transfer function is set larger than the time constant Tc of the first-order lag element of the gas supply mechanism 20 (Tm> Tc). The dead time Lm of the transfer function for adjustment is set to substantially the same value as the dead time Lc of the gas supply mechanism 20 (Lm≈Lc or Lm = Lc). In the present invention, “substantially the same” includes the same case.

オブザーバ54は、患者の呼吸器官モデルに基づいて、遅れ補償圧力^Pmで支援ガスを患者18の気道15に供給した場合における、支援ガスの推定流量^Fを推定する。オブザーバ54は、減算器56と、推定流量演算器57と、支援ガス体積演算器58と、肺胞圧力演算器59とを有する。   The observer 54 estimates the estimated flow rate FF of the support gas when the support gas is supplied to the airway 15 of the patient 18 with the delay compensation pressure PPm based on the respiratory organ model of the patient. The observer 54 includes a subtractor 56, an estimated flow rate calculator 57, a support gas volume calculator 58, and an alveolar pressure calculator 59.

減算器56は、遅れ補償部55から遅れ補償圧力^Pmを表わす信号が与えられるとともに肺胞圧力演算部59から演算肺胞圧力^Palvを表わす信号が与えられる。減算器56は、遅れ補償圧力^Pmから演算肺胞圧力^Palvを減算し、その値を表わす信号を推定流量演算器57に与える。演算肺胞圧力^Palvについては、後述する。   The subtractor 56 receives a signal representing the delay compensation pressure ^ Pm from the delay compensation unit 55 and a signal representing the calculated alveolar pressure ^ Palv from the alveolar pressure calculation unit 59. The subtractor 56 subtracts the calculated alveolar pressure ^ Palv from the delay compensation pressure ^ Pm, and gives a signal representing the value to the estimated flow rate calculator 57. The calculated alveolar pressure ^ Palv will be described later.

推定流量演算器57は、減算器56によって減算される減算値を、予め設定される推定気道抵抗^Rで除算して、その除算値を推定流量^Fとして演算する。推定流量演算器57は、演算結果を表わす信号を、後述する偏差演算手段52および支援ガス体積演算器58に与える。   The estimated flow rate calculator 57 divides the subtracted value subtracted by the subtractor 56 by a preset estimated airway resistance ^ R, and calculates the divided value as an estimated flow rate ^ F. The estimated flow rate calculator 57 gives a signal representing the calculation result to a deviation calculation means 52 and a support gas volume calculator 58 described later.

推定気道抵抗^Rは、患者の気道抵抗Rを推定した値であり、たとえば医療関係者によって予め設定される。また推定気道抵抗^Rは、測定機器によって検出される検出値によって予め設定されていてもよい。また本実施の形態の全体の系14では、推測気道抵抗^Rは、実際の患者の気道抵抗Rに対して正確に一致させなくてもよい。   The estimated airway resistance ^ R is a value obtained by estimating the airway resistance R of the patient, and is set in advance by, for example, a medical staff. In addition, the estimated airway resistance R may be set in advance by a detection value detected by the measuring device. Further, in the entire system 14 of the present embodiment, the estimated airway resistance ^ R does not need to be exactly matched to the actual patient's airway resistance R.

支援ガス体積演算器58は、支援ガス供給開始時刻から推定流量演算器57で演算される推定流量^Fを順次積算し、その積算値を支援ガスの体積^Vとして演算する。支援ガス体積演算器58は、いわゆる積分器となる。以下、支援ガス体積演算器58によって演算される支援ガスの体積を演算体積^Vと称し、実際の支援ガスの体積Vと区別する。   The support gas volume calculator 58 sequentially accumulates the estimated flow rate ^ F calculated by the estimated flow rate calculator 57 from the support gas supply start time, and calculates the integrated value as the support gas volume ^ V. The assist gas volume calculator 58 is a so-called integrator. Hereinafter, the volume of the support gas calculated by the support gas volume calculator 58 is referred to as a calculation volume ^ V, and is distinguished from the actual volume V of the support gas.

肺胞圧力演算器59は、前記演算体積^Vに、予め設定される肺の推定エラスタンス^Eを乗算し、その乗算値を前記演算肺胞圧力^Palvとして演算する。肺胞圧力演算器59は、演算した演算肺胞圧力^Palvを減算器56に与える。演算肺胞圧力^Palvは、肺胞内の圧力を推定した値であり、実際の肺胞圧力Palvと区別して称する。   The alveolar pressure calculator 59 multiplies the calculation volume {circumflex over (V)} by a preset lung estimated elastance {circumflex over (E)} E, and calculates the multiplication value as the calculated alveolar pressure ^ Palv. The alveolar pressure calculator 59 gives the calculated calculated alveolar pressure ^ Palv to the subtractor 56. The calculated alveolar pressure ^ Palv is a value obtained by estimating the pressure in the alveoli, and is distinguished from the actual alveolar pressure Palv.

肺の推定エラスタンス^Eは、患者の肺の弾性力を表わすエラスタンスEを推定した値であり、たとえば医療関係者によって予め設定される。また推定する肺のエラスタンス^Eは、換気力学検査装置などの測定機器によって検出される検出値によって予め設定されていてもよい。また本実施の形態の全体の系14では、肺のエラスタンス^Eは、実際の患者の肺のエラスタンスEに対して正確に一致させなくてもよい。   The estimated elastance ^ E of the lung is a value obtained by estimating the elastance E representing the elastic force of the patient's lung, and is preset by, for example, a medical staff. Further, the estimated lung elastance ^ E may be set in advance by a detection value detected by a measuring instrument such as a ventilation mechanics inspection apparatus. Also, in the overall system 14 of the present embodiment, the lung elastance ^ E does not have to be exactly matched to the actual patient's lung elastance E.

支援ガス16が気道15を流れる場合、支援ガス16の流量Fにほぼ比例する圧力損失が生じて、気道圧力Pawよりも肺内の圧力は低くなる。気道抵抗Rは、この支援ガス16の流量Fと圧力損失との関係を表わす。支援ガス16の流量Fに気道抵抗Rを乗算した値(F・R)は、気道15の管路抵抗に起因する損失圧力となる。たとえば一般的な気道抵抗Rは、5〜30(cmH0)/(リットル/秒)、である。ただし気道抵抗Rは、患者の状態によって大きく変動する。 When the support gas 16 flows through the airway 15, a pressure loss approximately proportional to the flow rate F of the support gas 16 occurs, and the pressure in the lung becomes lower than the airway pressure Paw. The airway resistance R represents the relationship between the flow rate F of the support gas 16 and the pressure loss. A value (F · R) obtained by multiplying the flow rate F of the support gas 16 by the airway resistance R is a loss pressure caused by the duct resistance of the airway 15. For example, the general airway resistance R is 5 to 30 (cmH 2 0) / (liter / second). However, the airway resistance R varies greatly depending on the patient's condition.

また支援ガス16が肺内に供給される場合、肺内に供給された支援ガス16の体積Vの増加にほぼ比例して肺胞内圧力Palvが増加する。肺のエラスタンスEは、この支援ガス16の体積Vと肺胞内圧力Palvとの関係を表わす。支援ガス16の体積Vに肺のエラスタンスEを乗算した値(V・E)は、肺胞内圧力Palvとなる。この肺胞内圧力Palvは、支援ガス16の流入に反抗する圧力となる。たとえば一般的な肺のエラスタンスEは、1/20〜1/50(ミリリットル)/(cmHO)である。ただし肺のエラスタンスEは、患者の状態によって大きく変動する。 When the support gas 16 is supplied into the lung, the alveolar pressure Palv increases almost in proportion to the increase in the volume V of the support gas 16 supplied into the lung. The lung elastance E represents the relationship between the volume V of the support gas 16 and the alveolar pressure Palv. A value (V · E) obtained by multiplying the volume V of the support gas 16 by the lung elastance E is the alveolar pressure Palv. The alveolar pressure Palv is a pressure against the inflow of the support gas 16. For example, typical lung elastance E is 1/20 to 1/50 (milliliter) / (cmH 2 O). However, lung elastance E varies greatly depending on the patient's condition.

このような呼吸器管の特性に基づいて、オブザーバ54が有する呼吸器官モデルが設定される。オブザーバ54が有する呼吸器官モデルは、以下の関係に設定される。   Based on such characteristics of the respiratory tract, a respiratory organ model possessed by the observer 54 is set. The respiratory organ model possessed by the observer 54 is set to the following relationship.

Figure 0003860830
Figure 0003860830

すなわちオブザーバ54が有する呼吸器官モデルは、自発呼吸圧力Pmusをゼロとした場合の患者の呼吸器官のモデルである。このモデルでは、遅れ補償圧力^Pmから演算肺胞圧力^Palvを減算した値は、推定流量^Fと推定気道抵抗^Rとを乗算した値と等しい。また推定流量^Fを支援ガス供給開始時刻から積分した値が演算体積^Vと等しい。また演算肺胞圧力^Palvは、肺の推定エラスタンス^Eと演算体積^Vとを乗算した値と等しい。   That is, the respiratory organ model of the observer 54 is a model of the respiratory organ of the patient when the spontaneous respiratory pressure Pmus is zero. In this model, the value obtained by subtracting the calculated alveolar pressure ^ Palv from the delay compensation pressure ^ Pm is equal to the value obtained by multiplying the estimated flow rate ^ F and the estimated airway resistance ^ R. Further, the value obtained by integrating the estimated flow rate ^ F from the support gas supply start time is equal to the calculation volume ^ V. The calculated alveolar pressure ^ Palv is equal to a value obtained by multiplying the estimated lung elastance ^ E and the calculated volume ^ V.

したがって演算気道圧力^Pawを入力値とし、推定流量^Fを出力値とした場合には、オブザーバ54の伝達関数G(s)54は、以下のように示される。
G(s)54=s/(^R・s+^E) …(4)
Therefore, when the calculated airway pressure ^ Paw is an input value and the estimated flow rate ^ F is an output value, the transfer function G (s) 54 of the observer 54 is expressed as follows.
G (s) 54 = s / (^ R · s + ^ E) (4)

ここで、^Rは、推定気道抵抗を示し、^Eは、肺の推定エラスタンスを示す。また他の式についても、上式に示す記号について同様の意味を表わす。このようなオブザーバ54が有する呼吸器官モデルは、実施の一例であって、患者の呼吸器官をモデル化した他のモデルであってもよい。   Here, ^ R represents the estimated airway resistance, and ^ E represents the estimated elastance of the lung. The other expressions have the same meaning with respect to the symbols shown in the above expressions. The respiratory organ model possessed by such an observer 54 is an example of implementation, and may be another model obtained by modeling the respiratory organ of a patient.

制御量演算手段53は、偏差演算手段52によって演算される流量偏差ΔFに予め設定される係数である流量ゲインKFGを乗算した第1演算値(KFG・ΔF)と、支援ガス供給開始時刻から流量偏差ΔFを順次積算した値に予め設定される係数である体積ゲインKVGを乗算した第2演算値(KVG・ΔF/s)とを求め、第1演算値(KFG・ΔF)および第2演算値(KVG・ΔF/s)を加算して支援圧力Pventに関連する目標圧力Pinを演算する。流量偏差ΔFを入力値とし、目標圧力Pinを出力値とした場合には、制御量演算手段53の伝達関数G(s)53を、以下に示す。
G(s)53=KFG+KVG/s …(5)
The control amount calculation means 53 has a first calculation value (K FG · ΔF) obtained by multiplying the flow rate deviation ΔF calculated by the deviation calculation means 52 by a flow rate gain K FG that is a coefficient set in advance, and the support gas supply start time. To obtain a second calculated value (K VG · ΔF / s) obtained by multiplying a value obtained by sequentially integrating the flow rate deviation ΔF by a volume gain K VG that is a coefficient set in advance, and obtain a first calculated value (K FG · ΔF) And the target pressure Pin related to the support pressure Pvent is calculated by adding the second calculation value (K VG · ΔF / s). When the flow rate deviation ΔF is an input value and the target pressure Pin is an output value, the transfer function G (s) 53 of the control amount calculation means 53 is shown below.
G (s) 53 = K FG + K VG / s (5)

ここで、KFGは、流量ゲインを示し、KVGは、体積ゲインを示す。また他の式についても、上式に示す記号について同様の意味を表わす。たとえば流量ゲインKFGは、推定した気道抵抗^Rに予め定める流量増幅ゲインβFGを乗算した値(^R・βFG)に設定され、体積ゲインKVGは、推定した肺のエラスタンス^Eに予め定める体積増幅ゲインβVGを乗算した値(^E・βVG)に設定される。前記流量増幅ゲインβFGと、体積増幅ゲインβVGとを同じ値に設定した場合には、それらを単に増幅ゲインβと称する。さらに^R=Rであって^E=Eである場合の増幅ゲインβをBで表わす。このように流量ゲインKFGを調整することで、自発呼吸圧力Pmusに対する速応性をさらに向上することができ、体積ゲインKVGを調整することで、目標圧力Pinの定常ゲインを調整することができる。流量ゲインKFGおよび体積ゲインKVGを個別に調整可能とすることによって、定常ゲインと合わせて、速応性および減衰性などの制御特性を向上して目標圧力Pinを設定することができる。 Here, K FG represents a flow rate gain, and K VG represents a volume gain. The other expressions have the same meaning with respect to the symbols shown in the above expressions. For example, the flow gain K FG is set to a value (^ R · β FG ) obtained by multiplying the estimated airway resistance ^ R by a predetermined flow amplification gain β FG , and the volume gain K VG is the estimated lung elastance ^ E. Is multiplied by a predetermined volume amplification gain β VG (^ E · β VG ). When the flow rate amplification gain β FG and the volume amplification gain β VG are set to the same value, they are simply referred to as amplification gain β. Further, B represents the amplification gain β when ^ R = R and ^ E = E. By adjusting the flow rate gain K FG in this way, the quick response to the spontaneous breathing pressure Pmus can be further improved, and by adjusting the volume gain K VG , the steady gain of the target pressure Pin can be adjusted. . By making it possible to individually adjust the flow rate gain KFG and the volume gain KVG , it is possible to set the target pressure Pin by improving the control characteristics such as quick response and attenuation in combination with the steady gain.

上述した推定手段51、偏差演算手段52、制御量演算手段53は理解を容易にするために、個別に説明したが、伝達関数が等価変換されて整理されてもよい。また推定手段51、偏差演算手段52および制御量演算手段53は、数値演算可能なコンピュータが、予め定める動作プログラムを実行することによって実現されてもよい。   The estimation unit 51, the deviation calculation unit 52, and the control amount calculation unit 53 described above have been individually described for easy understanding, but the transfer functions may be equivalently converted and arranged. Further, the estimating means 51, the deviation calculating means 52, and the control amount calculating means 53 may be realized by a computer capable of numerical calculation executing a predetermined operation program.

本発明の実施の一形態では、ガス供給機構20の伝達関数は、むだ時間要素を含んでいる。図2には、ガス供給機構20の伝達関数のうち、むだ時間要素を除いた伝達関数Gc(s)と、むだ時間要素の伝達関数e−Lc・sとを個別に図示する。目標圧力Pinを入力値とし、支援圧力Pventを出力値とした場合の、ガス供給機構20の特性を近似した伝達関数G(s)20を以下に示す。
G(s)20=Gc(s)・e−Lc・s …(6)
In one embodiment of the present invention, the transfer function of the gas supply mechanism 20 includes a dead time element. In FIG. 2, the transfer function Gc (s) excluding the time delay element and the transfer function e −Lc · s of the time delay element in the transfer function of the gas supply mechanism 20 are individually illustrated. A transfer function G (s) 20 that approximates the characteristics of the gas supply mechanism 20 when the target pressure Pin is an input value and the support pressure Pvent is an output value is shown below.
G (s) 20 = Gc (s) · e −Lc · s (6)

ここでGc(s)は、むだ時間要素を除いたガス供給機構20の伝達関数を示し、本実施の形態では、一次遅れ要素を意味する。したがってGc(s)は、1/(Tc・s+1)を示し、Tcは、一次遅れ要素の時定数となる。またeは、自然対数の底を示し、Lcは、目標圧力Pinが与えられてからガス供給機構20が支援圧力Pventの調整を開始するまでに要するむだ時間を示す。また他の式についても、上式に示す記号について同様の意味を表わす。   Here, Gc (s) represents a transfer function of the gas supply mechanism 20 excluding the dead time element, and means a first-order lag element in the present embodiment. Therefore, Gc (s) indicates 1 / (Tc · s + 1), and Tc is a time constant of the first-order lag element. E indicates the base of the natural logarithm, and Lc indicates a dead time required for the gas supply mechanism 20 to start adjusting the support pressure Pvent after the target pressure Pin is given. The other expressions have the same meaning with respect to the symbols shown in the above expressions.

また目標圧力Pinを入力値とし、遅れ補償圧力^Pmを出力値とした場合の、遅れ補償部55の調整用伝達関数G(s)55を以下に示す。
G(s)55=Gm(s)・e−Lm・s …(7)
The adjustment transfer function G (s) 55 of the delay compensation unit 55 when the target pressure Pin is an input value and the delay compensation pressure ^ Pm is an output value is shown below.
G (s) 55 = Gm (s) · e −Lm · s (7)

ここでGc(s)は、むだ時間要素を除いた伝達関数を示し、本実施の形態では、一次遅れ要素を意味する。したがってGm(s)は、1/(Tm・s+1)を示し、Tmは、一次遅れ要素の時定数となる。またLmは、調整用伝達関数におけるむだ時間を示す。   Here, Gc (s) represents a transfer function excluding the time delay element, and in the present embodiment, means a first-order lag element. Therefore, Gm (s) indicates 1 / (Tm · s + 1), and Tm is a time constant of the first-order lag element. Lm represents a dead time in the adjustment transfer function.

また実際の患者の呼吸器管においては、支援圧力Pventの他に自発呼吸圧力Pmusが与えられることが、オブザーバ54の呼吸器官モデルと異なる。本発明の実施の形態においては、吸気管路での圧力損失が小さいので、ガス供給機構20の吐出圧力となる支援圧力Pventと、実際の患者の気道圧力Pawとが等しいと近似して扱う。   Further, in the actual patient's respiratory tract, the spontaneous breathing pressure Pmus is given in addition to the support pressure Pvent, which is different from the respiratory organ model of the observer 54. In the embodiment of the present invention, since the pressure loss in the intake pipe is small, the support pressure Pvent that is the discharge pressure of the gas supply mechanism 20 and the actual airway pressure Paw of the patient are approximated and handled.

図3は、本発明の全体の系14における自発呼吸時の換気量Vmusとアシスト呼吸時の理想的な換気量Vastとの関係を示すグラフである。ガス供給機構20と遅れ補償部55との伝達関数が互いに等しいと考えた場合、支援圧力Pventは、自発呼吸圧力Pmusの時間変化に応じて、自発呼吸圧力Pmusの(1+B)倍の増幅率で増幅される。換気量は、支援ガスが肺に流れた体積と等しい。ここで、Bは、上述したように^R=Rでかつ^E=Eである場合の増幅ゲインβを示す。本実施の形態の人工呼吸器17によるアシスト呼吸時の換気量Vastは、自発呼吸時の換気量Vmusの(1+B)倍に増幅される。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the ventilation volume Vmus during spontaneous breathing and the ideal ventilation volume Vast during assist breathing in the entire system 14 of the present invention. When it is considered that the transfer functions of the gas supply mechanism 20 and the delay compensation unit 55 are equal to each other, the support pressure Pvent is an amplification factor of (1 + B) times the spontaneous breathing pressure Pmus according to the time change of the spontaneous breathing pressure Pmus. Amplified. Ventilation is equal to the volume of support gas flowing into the lungs. Here, B indicates the amplification gain β when ^ R = R and ^ E = E as described above. The ventilation volume Vast during assist breathing by the ventilator 17 of the present embodiment is amplified to (1 + B) times the ventilation volume Vmus during spontaneous breathing.

患者の状態が呼気期間から吸気期間に切換ると、患者は横隔膜などの呼吸筋を動作させる。これによって自発呼吸時の換気量Vmusおよび自発呼吸圧力Pmusは、時間経過とともに徐々に増大し、あるピーク値P1に達すると徐々に減少する。そして患者の状態が吸気期間から呼気期間に切換る。   When the patient's condition is switched from the expiration period to the inspiration period, the patient operates respiratory muscles such as the diaphragm. As a result, the ventilation volume Vmus and the spontaneous breathing pressure Pmus during spontaneous breathing gradually increase with time, and gradually decrease when reaching a certain peak value P1. Then, the patient's condition is switched from the inspiration period to the expiration period.

通常、吸気期間において自発呼吸時の患者の換気量Vmusおよび自発呼吸圧力Pmusは、時間に対する波形として、まず穏やかな漸増カーブを描き、次に極大値から呼気期間になると、急速な減少カーブを描く。ただし患者の状態によって、患者の換気量Vmusおよび自発呼吸圧力Pmusは、大幅に変動しそのピーク値P1および吸気期間W1が変動する。   Normally, the patient's ventilation volume Vmus and spontaneous breathing pressure Pmus during spontaneous breathing during the inspiratory period first draws a gently increasing curve as a waveform with respect to time, and then draws a rapid decreasing curve when the peak value is reached from the local maximum. . However, depending on the patient's condition, the patient's ventilation volume Vmus and spontaneous breathing pressure Pmus vary greatly, and the peak value P1 and the inspiration period W1 vary.

制御装置21によって制御されるガス供給機構20は、患者の自発呼吸圧力Pmusに予め定める増幅ゲインに基づいて比例増幅した気道圧力Pawとなるように、支援圧力Pventで支援ガスを吐出する。たとえば、自発呼吸圧力Pmusのピーク値P1が小さく、吸気期間W1が短い場合には、気道圧力Pawのピーク値P2が小さく、支援ガスが供給される期間W2が短くなるように、支援圧力Pventが制御される。同様に、自発呼吸圧力Pmusのピーク値P1が大きく、吸気期間W1が長い場合には、気道圧力Pawのピーク値P2が大きく、支援ガスが供給される期間W2が長くなるように、支援圧力Pventが制御される。   The gas supply mechanism 20 controlled by the control device 21 discharges the support gas at the support pressure Pvent so that the airway pressure Paw is proportionally amplified based on the amplification gain predetermined for the spontaneous breathing pressure Pmus of the patient. For example, when the peak value P1 of the spontaneous breathing pressure Pmus is small and the inhalation period W1 is short, the support pressure Pvent is set so that the peak value P2 of the airway pressure Paw is small and the period W2 in which the support gas is supplied becomes short. Be controlled. Similarly, when the peak value P1 of the spontaneous breathing pressure Pmus is large and the inhalation period W1 is long, the support pressure Pvent is set such that the peak value P2 of the airway pressure Paw is large and the period W2 during which the support gas is supplied becomes long. Is controlled.

以上のように本実施の形態の制御装置21によれば、流量偏差ΔFに基づいて、支援圧力Pventを決定する。検出流量Fは、患者の自発呼吸圧力Pmusによって変化するが、推定流量^Fは、患者の自発呼吸圧力Pmusの影響を受けない。したがって流量偏差ΔFは、自発呼吸圧力Pmusの変化を抽出した値となる。これによって検出が通常困難な自発呼吸圧力Pmusを推測することができ、自発呼吸圧力Pmusを外乱とみなした場合の外乱オブザーバとして構成することができる。このように自発呼吸圧力Pmusに関係する流量偏差ΔFに応じて目標圧力Pinを演算することによって、自発呼吸圧力Pmusにほぼリアルタイムで追従する支援圧力Pventで、支援ガスを患者に供給することができる。   As described above, according to the control device 21 of the present embodiment, the support pressure Pvent is determined based on the flow rate deviation ΔF. The detected flow rate F varies depending on the patient's spontaneous breathing pressure Pmus, but the estimated flow rate ^ F is not affected by the patient's spontaneous breathing pressure Pmus. Accordingly, the flow rate deviation ΔF is a value obtained by extracting a change in the spontaneous breathing pressure Pmus. As a result, the spontaneous breathing pressure Pmus, which is normally difficult to detect, can be estimated, and can be configured as a disturbance observer when the spontaneous breathing pressure Pmus is regarded as a disturbance. Thus, by calculating the target pressure Pin according to the flow rate deviation ΔF related to the spontaneous breathing pressure Pmus, the assisting gas can be supplied to the patient at the assisting pressure Pvent that follows the spontaneous breathing pressure Pmus almost in real time. .

以下、本実施の形態のガス供給機構20の制御方法であって、遅れ補償部55を用いて演算した遅れ補償圧力^Pmを示す信号をオブザーバ54に入力する方法を改良推定型PAV法と称する。これに対して、遅れ補償部55を用いずに、圧力検出手段によって支援圧力Pventを検出し、その検出結果をオブザーバ54に入力した、比較例のガス供給機構20の制御方法を推定型PAV法と称する。また図20に示す伝達関数を用いたガス供給機構20の制御方法を従来型PAV法と称する。   Hereinafter, a method for controlling the gas supply mechanism 20 according to the present embodiment, in which a signal indicating the delay compensation pressure ^ Pm calculated using the delay compensation unit 55 is input to the observer 54 is referred to as an improved estimation type PAV method. . On the other hand, the control method of the gas supply mechanism 20 of the comparative example in which the support pressure Pvent is detected by the pressure detection means without using the delay compensation unit 55 and the detection result is input to the observer 54 is an estimated PAV method. Called. A control method of the gas supply mechanism 20 using the transfer function shown in FIG. 20 is referred to as a conventional PAV method.

図4は、改良推定型PAV法を用いた場合の全体の系14を等価変換して示すブロック線図である。図4は、自発呼吸圧力Pmusを入力とし、支援圧力Pventを出力とする伝達関数を示す。図4に示すように、改良推定型PAV法では、[{Gm(s)・e−Lm・s}/{Gc(s)・e−Lc・s}×{R・s+E}/{^R・s+^E}−1]であるフィードバックゲインが正となる場合には負帰還構成となり、前記フィードバックゲインが負となる場合には正帰還構成となる。 FIG. 4 is a block diagram showing equivalent conversion of the entire system 14 when the improved estimation type PAV method is used. FIG. 4 shows a transfer function having the spontaneous breathing pressure Pmus as an input and the support pressure Pvent as an output. As shown in FIG. 4, in the improved estimation type PAV method, [{Gm (s) · e −Lm · s } / {Gc (s) · e −Lc · s } × {R · s + E} / {^ R When the feedback gain of s + ^ E} -1] is positive, a negative feedback configuration is used, and when the feedback gain is negative, a positive feedback configuration is used.

したがって{R・s+E}/{^R・s+^E}が1未満となる場合でも、{Gm(s)・e−Lm・s}/{Gc(s)・e−Lc・s}×{R・s+E}/{^R・s+^E}が1を超えるように、調整用伝達関数Gm(s)・e−Lm・sを調整することで、負帰還構成を維持することができる。たとえば本実施形態では、患者の状態変化によって気道抵抗Rおよび肺エラスタンスEが大幅に変化して、{R・s+E}/{^R・s+^E}が1未満となっても、正帰還構成となることを防いで、負帰還構成となる領域を広げることができる。 Therefore, even when {R · s + E} / {^ R · s + ^ E} is less than 1, {Gm (s) · e −Lm · s } / {Gc (s) · e −Lc · s } × { The negative feedback configuration can be maintained by adjusting the adjustment transfer function Gm (s) · e −Lm · s so that R · s + E} / {^ R · s + 帰 還 E} exceeds 1. For example, in this embodiment, even if airway resistance R and lung elastance E change significantly due to a change in the patient's condition, and {R · s + E} / {^ R · s + ^ E} is less than 1, positive feedback By preventing the configuration, the area of the negative feedback configuration can be expanded.

また改良推定型PAV法を用いた全体の系14は、自発呼吸圧力Pmusを入力値とし、自発呼吸圧力Pmusと支援圧力Pventとの加算値を出力値とすると、その伝達関数G(s)14は、次式によって表わされる。 Further, the entire system 14 using the improved estimation type PAV method takes the spontaneous breathing pressure Pmus as an input value, and an addition value of the spontaneous breathing pressure Pmus and the support pressure Pvent as an output value, the transfer function G (s) 14 Is represented by the following equation.

Figure 0003860830
ここで、各記号については、上述する記号にそれぞれ対応する。
Figure 0003860830
Here, each symbol corresponds to the symbol described above.

Gc(s)=1、^R=R、^E=E、KFG=^R・B、KVG=^E・Bとすると、改良推定型PAV法を用いた全体の系14では、自発呼吸圧力Pmusと支援圧力Pventとを加算した圧力(Pmus+Pvent)が、自発呼吸圧力Pmusの(1+C)倍に増幅される。ここで、Cは、以下の式によって表わされる。 If Gc (s) = 1, ^ R = R, ^ E = E, KFG = ^ R · B, and KVG = ^ E · B, the entire system 14 using the improved estimation type PAV method is spontaneous. The pressure (Pmus + Pvent) obtained by adding the respiration pressure Pmus and the support pressure Pvent is amplified to (1 + C) times the spontaneous respiration pressure Pmus. Here, C is represented by the following equation.

Figure 0003860830
Figure 0003860830

推定気道抵抗^Rおよび推定エラスタンス^Eを正確に推定可能な場合、すなわち(R・s+E)/(^R・s+E)が1となる場合には、{Gm(s)・e−Lm・s}/{Gc(s)・e−Lc・s}が1より大きい限り、自発呼吸圧力Pmusに対して、支援圧力Pventを必ず負帰還増幅することができる。また{Gm(s)・e−Lm・s}/{Gc(s)・e−Lc・s}が可及的に1に近い値となることによって、予め入力される増幅ゲインBから決定される増幅率(1+B)とほぼ等しい増幅率を得ることができる。 If the estimated airway resistance ^ R and the estimated elastance ^ E can be accurately estimated, that is, if (R · s + E) / (^ R · s + E) is 1, {Gm (s) · e −Lm · As long as s } / {Gc (s) · e− Lc · s } is greater than 1, the assist pressure Pvent can always be negatively fed back with respect to the spontaneous breathing pressure Pmus. Also, {Gm (s) · e− Lm · s } / {Gc (s) · e− Lc · s } is determined from the amplification gain B inputted in advance by being as close to 1 as possible. An amplification factor substantially equal to the amplification factor (1 + B) can be obtained.

また推定気道抵抗^Rおよび推定エラスタンス^Eが正確に推定できない場合であって、(R・s+E)/(^R・s+E)が1未満となる場合であっても、上述したように{Gm(s)・e−Lm・s}/{Gc(s)・e−Lc・s}×{R・s+E}/{^R・s+^E}が1を超えるように、調整用伝達関数の時定数Tmおよびむだ時間Lmを調整することで、負帰還構成を維持して支援圧力Pventを安定して制御することができる。 Further, even when the estimated airway resistance ^ R and the estimated elastance ^ E cannot be accurately estimated and (R · s + E) / (^ R · s + E) is less than 1, as described above, Gm (s) · e −Lm · s } / {Gc (s) · e −Lc · s } × {R · s + E} / {^ R · s + ^ E} is greater than 1. By adjusting the time constant Tm and the dead time Lm, the support pressure Pvent can be stably controlled while maintaining the negative feedback configuration.

図5は、推定型PAV法を用いた場合の全体の系14を等価変換して示すブロック線図である。推定型PAV法では、圧力検出手段によって検出された支援圧力Pventを示す信号がオブザーバ54に入力される。この場合、図2において、ガス供給機構20の伝達関数と、調整用伝達関数とが等しい場合(Gm(s)・e−Lm・s=Gc(s)・e−Lc・s)と等価であるとして近似することができる。 FIG. 5 is a block diagram showing equivalent conversion of the entire system 14 when the estimation type PAV method is used. In the estimated PAV method, a signal indicating the assist pressure Pvent detected by the pressure detection means is input to the observer 54. In this case, in FIG. 2, it is equivalent to the case where the transfer function of the gas supply mechanism 20 is equal to the adjustment transfer function (Gm (s) · e −Lm · s = Gc (s) · e −Lc · s ). It can be approximated as being.

図5は、自発呼吸圧力Pmusを入力とし、支援圧力Pventを出力とする伝達関数を示す。図5に示すように、推定型PAV法では、[{R・s+E}/{^R・s+^E}−1]のフィードバックゲインが正となる場合には負帰還構成となり、前記フィードバックゲインが負となる場合には正帰還構成となる。たとえば患者の状態変化によって気道抵抗Rおよび肺エラスタンスEが大幅に変化して、{R・s+E}/{^R・s+^E}が1未満となると、正帰還構成となってしまい、全体の系14を負帰還構成とすることができない。   FIG. 5 shows a transfer function with the spontaneous breathing pressure Pmus as an input and the support pressure Pvent as an output. As shown in FIG. 5, in the estimation type PAV method, when the feedback gain of [{R · s + E} / {^ R · s + ^ E} −1] is positive, a negative feedback configuration is established, and the feedback gain is If it is negative, a positive feedback configuration is used. For example, if the airway resistance R and lung elastance E change significantly due to changes in the patient's condition, and {R · s + E} / {^ R · s + ^ E} is less than 1, a positive feedback configuration results. The system 14 cannot be configured as a negative feedback configuration.

推定型PAV法を用いた全体の系14は、自発呼吸圧力Pmusを入力値とし、自発呼吸圧力Pmusと支援圧力Pventとの加算値を出力値とすると、その伝達関数G(s)14を以下に示す。 The entire system 14 using the estimation type PAV method takes the spontaneous breathing pressure Pmus as an input value, and if the sum of the spontaneous breathing pressure Pmus and the support pressure Pvent is an output value, the transfer function G (s) 14 is expressed as follows: Shown in

Figure 0003860830
Figure 0003860830

上述したように、推定型PAV法を用いた場合、^R>Rであって^E>Eとなった場合、{R・s+E}/{^R・s+^E}が1未満となり、正帰還構成となって安定性が低下してしまう。これに対して、本実施の形態である改良推定型PAV法を用いた場合には、{R・s+E}/{^R・s+^E}が1未満となった場合であっても、調整用伝達関数のパラメータを調整して、{Gm(s)・e−Lm・s}/{Gc(s)・e−Lc・s}×{R・s+E}/{^R・s+^E}が1を超えるようにすることによって、負帰還構成を維持することができ、安定性を向上することができる。 As described above, when the estimated PAV method is used and {circumflex over (R)} R and {circumflex over (E)} E> {{R · s + E} / {^ R · s + ^ E} is less than 1, positive It becomes a feedback configuration and stability is lowered. On the other hand, when the improved estimation type PAV method according to this embodiment is used, even if {R · s + E} / {^ R · s + ^ E} is less than 1, adjustment is performed. {Gm (s) · e− Lm · s } / {Gc (s) · e− Lc · s } × {R · s + E} / {^ R · s + ^ E} By making the value exceed 1, the negative feedback configuration can be maintained and the stability can be improved.

推定気道抵抗^Rおよび推定エラスタンス^Eが、実際の気道抵抗Rおよび実際のエラスタンスEに対して、全く同一の値にすることは不可能であり、一般的には、これらの値にずれがある場合(^R≠R、^E≠E)が通常である。   It is impossible for the estimated airway resistance ^ R and the estimated elastance ^ E to be exactly the same as the actual airway resistance R and the actual elastance E. When there is a deviation (^ R ≠ R, ^ E ≠ E), it is normal.

改良推定型PAV法を用いた全体の系14では、調整用伝達関数のパラメータである時定数Tmおよびむだ時間Lmを適切に選択することで、推定型PAV法を用いた全体の系5に比べて、負帰還構成となる領域をさらに増やすことができ、正帰還構成となりにくくすることができるので、推定値^R、^Eが正確でなくても、全体の系14として安定となる余裕度が高い。   In the entire system 14 using the improved estimation type PAV method, the time constant Tm and the dead time Lm, which are parameters of the adjustment transfer function, are appropriately selected, and compared with the overall system 5 using the estimation type PAV method. Thus, the area that becomes the negative feedback configuration can be further increased and the positive feedback configuration can be made difficult. Therefore, even if the estimated values ^ R and ^ E are not accurate, the margin of stability as the entire system 14 Is expensive.

このように改良推定型PAV法では、推定型PAV法に比べて、安定となる余裕度を高くすることができるので、患者の状態変化が生じても、推定値^R,^Eの設定誤差があっても、ゲインを大きく設定しても、外乱などが作用しても、ランナウェイをさらに生じにくくすることができる。   As described above, the improved estimation type PAV method can increase the margin of stability compared to the estimation type PAV method, so that even if the patient's state changes, setting errors of the estimated values ^ R and ^ E. Even if there is an error, even if the gain is set large or a disturbance or the like acts, the runaway can be made more difficult to occur.

また本実施の形態では、調整用伝達関数が、ガス供給機構20の伝達関数を近似した制御要素である、一次遅れ要素とむだ時間要素とを有する。したがって支援圧力Pventの時間変化に応じて、遅れ補償圧力^Pmを設定することができる。これによって調整用伝達関数をガス供給機構の伝達関数で除算した値を1に近づけることができ、支援圧力Pmusに対する支援圧力Pventの増幅率について、増幅ゲインとして制御量演算手段で設定される増幅率と、実際の増幅率との差を少なくすることができる。   In this embodiment, the adjustment transfer function has a first-order lag element and a dead time element, which are control elements approximating the transfer function of the gas supply mechanism 20. Therefore, the delay compensation pressure ^ Pm can be set according to the time change of the support pressure Pvent. As a result, the value obtained by dividing the adjustment transfer function by the transfer function of the gas supply mechanism can be made close to 1, and the amplification factor of the support pressure Pvent with respect to the support pressure Pmus is set as an amplification gain by the control amount calculation means. And the difference between the actual amplification factor and the actual amplification factor can be reduced.

図6は、従来型PAV法を用いた場合の全体の系5を等価変換して示すブロック線図である。図6は、自発呼吸圧力Pmusを入力とし、支援圧力Pventを出力とする伝達関数を示す。図6に示すように、従来型PAV法では、常に正帰還構成となり、流量ゲインKfaおよび体積ゲインKVaが適切でないと、支援圧力Pventが発散するおそれがある。 FIG. 6 is a block diagram showing equivalent conversion of the entire system 5 when the conventional PAV method is used. FIG. 6 shows a transfer function with the spontaneous breathing pressure Pmus as an input and the support pressure Pvent as an output. As shown in FIG. 6, in the conventional type PAV method, always a positive feedback configuration, the flow gain K fa and volume gain K Va is not appropriate, there is a possibility that the support pressure Pvent diverges.

従来型PAV法を用いた全体の系5は、自発呼吸圧力Pmusを入力値とし、自発呼吸圧力Pmusと支援圧力Pventとの加算値を出力値とすると、その伝達関数G(s)は、次式によって表わされる。 When the entire system 5 using the conventional PAV method has the spontaneous breathing pressure Pmus as an input value and the sum of the spontaneous breathing pressure Pmus and the support pressure Pvent as an output value, the transfer function G (s) 5 is given by It is expressed by the following formula.

Figure 0003860830
Figure 0003860830

従来型PAV法を用いた全体の系5では、自発呼吸圧力Pmusと支援圧力Pventとを加算した圧力(Pmus+Pvent)が、自発呼吸圧力Pmusの1/(1−A)倍に増幅される。この場合、A<0またはA>1となると、自発呼吸圧力Pmusを増幅することができない。   In the entire system 5 using the conventional PAV method, the pressure (Pmus + Pvent) obtained by adding the spontaneous breathing pressure Pmus and the support pressure Pvent is amplified to 1 / (1-A) times the spontaneous breathing pressure Pmus. In this case, if A <0 or A> 1, the spontaneous breathing pressure Pmus cannot be amplified.

これに対して、改良推定型PAV法では、呼吸器官モデルの推定が少々正確でなくとも調整用伝達関数のパラメータを適切に設定して、ガス供給機構20の伝達関数に対して、調整用伝達関数を異なるように変化させることで、増幅ゲインBが0よりも大きい限り増幅することができる。したがって改良推定型PAV法を用いた全体の系14は、ゲイン選択の自由度を高くすることができる。   On the other hand, in the improved estimation type PAV method, the parameter of the adjustment transfer function is appropriately set even if the estimation of the respiratory organ model is not a little accurate, and the adjustment transfer is made to the transfer function of the gas supply mechanism 20. By changing the function differently, the amplification can be performed as long as the amplification gain B is larger than zero. Therefore, the entire system 14 using the improved estimation type PAV method can increase the degree of freedom in gain selection.

図7は、本実施の形態である改良推定型PAV法を用いた実験結果を示すグラフである。また図8は、比較例である推定型PAV法を用いた実験結果を示すグラフである。図9は、従来型PAV法を用いた実験結果を示すグラフである。図7〜図9に示す実験では、患者の呼吸器官を模擬した模擬装置に人工呼吸器を接続し、模擬装置によって患者の呼吸動作を模擬した呼吸模擬動作を行わせた場合に計測した、自発呼吸圧力Pmusと、支援圧力Pventとの測定結果を示す。図7〜図9では、実線で自発呼吸圧力Pmusを示し、破線で支援圧力Pventを示し、患者の吸気期間および自発呼吸圧力の時間変化と同様の条件で模擬装置を動作させる。   FIG. 7 is a graph showing experimental results using the improved estimation type PAV method according to the present embodiment. FIG. 8 is a graph showing experimental results using the estimated PAV method as a comparative example. FIG. 9 is a graph showing experimental results using the conventional PAV method. In the experiments shown in FIG. 7 to FIG. 9, spontaneous measurement was performed when a respirator was connected to a simulation apparatus that simulated a patient's respiratory organ, and the simulation apparatus performed a respiratory simulation operation that simulated the patient's respiratory action. The measurement result of respiratory pressure Pmus and support pressure Pvent is shown. In FIG. 7 to FIG. 9, the spontaneous breathing pressure Pmus is indicated by a solid line, the support pressure Pvent is indicated by a broken line, and the simulator is operated under the same conditions as the patient's inspiratory period and the temporal change of the spontaneous breathing pressure.

表1は、実験に用いた各種パラメータを示す。表1に示すように、推定気道抵抗^Rおよび推定エラスタンス^Eが、実際の気道抵抗Rおよび実際のエラスタンスEと同じとなるように設定し、調整用伝達関数の時定数Tmが、ガス供給機構20の伝達関数の時定数Tcよりも大きく(Tm>Tc)、調整用伝達関数のむだ時間Lmが、ガス供給機構20の伝達関数のむだ時間Lcと同じ(Lm=Lc)として実験を行った。   Table 1 shows various parameters used in the experiment. As shown in Table 1, the estimated airway resistance ^ R and the estimated elastance ^ E are set to be the same as the actual airway resistance R and the actual elastance E, and the time constant Tm of the adjustment transfer function is The experiment is performed with the time constant Lc of the transfer function of the gas supply mechanism 20 being larger than the time constant Tc of the transfer function (Tm> Tc) and the dead time Lm of the transfer function of the gas supply mechanism 20 being the same as the dead time Lc of the transfer function. Went.

Figure 0003860830
Figure 0003860830

図7〜図9に示すように、改良推定型PAV法を用いた場合には、従来型PAV法および推定型PAV法を用いた場合に比べて、吸気開始時期における速応性を向上することができ、支援圧力Pventを自発呼吸圧力Pmusの変化に好適に追従させることができる。具体的には、自発呼吸圧力^Pmの増加を開始してから立ち上がり時の任意の時間W2が経過した場合において、改良推定型PAV法の支援圧力Pventの増加量X11を、推定型PAV法および従来型PAV法の支援圧力Pventの増加量X12,13よりも大きくすることができる。   As shown in FIGS. 7 to 9, when the improved estimation type PAV method is used, the quick response at the intake start timing can be improved as compared with the case where the conventional type PAV method and the estimation type PAV method are used. The support pressure Pvent can be made to suitably follow the change in the spontaneous breathing pressure Pmus. Specifically, when an arbitrary time W2 at the time of rising has elapsed since the start of the increase in the spontaneous breathing pressure ^ Pm, the increase amount X11 of the support pressure Pvent of the improved estimated PAV method is expressed as the estimated PAV method and The increase amount X12, 13 of the support pressure Pvent of the conventional PAV method can be made larger.

R=^R、E=^Eであって、周波数領域での高周波応答部分、すなわちsが極めて大きいとして、(8)式を変形すると、全体の系の伝達関数G(s)14は、Tm・sと大略的に近似することができる。 When R = ^ R, E = ^ E, and the high frequency response portion in the frequency domain, that is, s is very large, when the equation (8) is modified, the transfer function G (s) 14 of the entire system is expressed as Tm It can be approximated with s.

この場合、時定数Tmが比例積分微分(PID)フィードバック動作の微分動作として作用し、その微分ゲインがTm/Tcに比例することになる。したがって時定数Tmを大きくして、Tm>Tcとすることで、微分ゲインを大きくすることができ、このことに起因して、自発呼吸圧力Pmusの立ち上がり時における速応性を向上することができる。また低周波応答部分では、時定数Tm以外のパラメータの影響が生じることによって微分ゲインが小さくなる。これによって吸気期間終了部分での微分ゲインを小さくすることができ、オーバーシュートなど抑えることができる。   In this case, the time constant Tm acts as a differential operation of a proportional integral differential (PID) feedback operation, and the differential gain is proportional to Tm / Tc. Therefore, by increasing the time constant Tm and satisfying Tm> Tc, the differential gain can be increased, and as a result, the rapid response at the time of rising of the spontaneous breathing pressure Pmus can be improved. In the low frequency response portion, the differential gain is reduced by the influence of parameters other than the time constant Tm. As a result, the differential gain at the end of the intake period can be reduced, and overshoot can be suppressed.

また速応性の向上に起因して、推定型PAV法および改良推定型PAV法を用いた場合の非同期期間W31,W32のほうが、従来型PAV法を用いた場合の非同期期間W33に比べて小さくすることができる。ここで、非同期期間とは、自発呼吸圧力Pmusが下がり始める時刻と、支援圧力Pventが下がり始める時刻との差である。さらに従来型PAV法および推定型PAV法は、自発呼吸圧力Pmusが下がり始めた時刻から、支援圧力Pventが急激に圧力が上昇する(X22,X23)。これに対して、改良推定型PAV法では、自発呼吸圧力Pmusが下がり始めた時刻から、支援圧力Pventの圧力増加が小さい(X21)。   In addition, due to the improvement in speed response, the asynchronous periods W31 and W32 when the estimated PAV method and the improved estimated PAV method are used are made smaller than the asynchronous period W33 when the conventional PAV method is used. be able to. Here, the asynchronous period is the difference between the time when the spontaneous breathing pressure Pmus begins to decrease and the time when the support pressure Pvent begins to decrease. Further, in the conventional PAV method and the estimated PAV method, the support pressure Pvent suddenly increases from the time when the spontaneous breathing pressure Pmus starts to decrease (X22, X23). On the other hand, in the improved estimation type PAV method, the increase in the support pressure Pvent is small from the time when the spontaneous breathing pressure Pmus starts to decrease (X21).

このように改良推定型PAV法では、自発呼吸圧力Pmusの立ち上がり時における速応性を向上でき、非同期期間W3を短くすることができるとともに、吸気後の支援圧力Pventの圧力上昇を少なくすることによって、人工呼吸器が患者へ与える負担を少なくすることができる。   Thus, in the improved estimation type PAV method, the rapid response at the time of rising of the spontaneous breathing pressure Pmus can be improved, the asynchronous period W3 can be shortened, and the increase in the support pressure Pvent after inspiration is reduced, The burden that the ventilator gives to the patient can be reduced.

また調整用伝達関数に含まれるむだ時間Lmと、ガス供給機構の伝達関数に含まれるむだ時間Lcとをほぼ同じ値(Lm≒LcまたはLm=Lc)とすることで、調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数を変化させた場合に安定可能な領域を増やすことができる。いいかえると安定状態を保って、変更可能な時定数の範囲を広げることができる。これによって支援圧力Pventの応答が振動的および発散しない安定範囲で、時定数を可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性をさらに向上することができる。   Further, by setting the dead time Lm included in the transfer function for adjustment and the dead time Lc included in the transfer function of the gas supply mechanism to substantially the same value (Lm≈Lc or Lm = Lc), the first order of the transfer function for adjustment When the time constant of the delay element is changed, the stable region can be increased. In other words, the range of time constants that can be changed can be expanded while maintaining a stable state. As a result, the time constant can be increased as much as possible within a stable range where the response of the support pressure Pvent does not vibrate or diverge, and the speed response of the support pressure Pvent can be further improved.

さらに推定型PAV法では、支援圧力Pventが振動しながら増加するのに対して、改良推定型PAV法では、支援圧力Pventの振動を抑えることができる。これによって人工呼吸器が患者に与える負荷をさらに少なくすることができる。また改良推定PAV法では、圧力検出手段を不必要とすることができ、製造コストを低下させることができるとともに、圧力検出手段の故障に起因する故障をなくすことができ、人工呼吸器の信頼性を向上することができる。   Furthermore, in the estimated PAV method, the support pressure Pvent increases while vibrating, whereas in the improved estimated PAV method, the vibration of the support pressure Pvent can be suppressed. This further reduces the load that the ventilator places on the patient. In the improved estimated PAV method, the pressure detecting means can be made unnecessary, the manufacturing cost can be reduced, the failure due to the failure of the pressure detecting means can be eliminated, and the reliability of the ventilator Can be improved.

図10は、改良推定型PAV法と、従来型PAV法との支援圧力Pvent応答波形を比較した実験結果である。また図11は、改良推定型PAV法と、従来型PAV法との支援ガス流量F応答波形を比較した実験結果である。図10および図11では、改良推定型PAV法に用いた調整用伝達関数のむだ時間Lmを10msecとし、時定数Tmとして、5,10,20を与えた実験結果を示す。またガス供給機構20の時定数Tcおよびむだ時間Lcは、表1に設定される値が用いられる。   FIG. 10 shows experimental results comparing the support pressure Pvent response waveforms of the improved estimated PAV method and the conventional PAV method. FIG. 11 shows experimental results comparing the assist gas flow rate F response waveforms of the improved estimated PAV method and the conventional PAV method. 10 and 11 show experimental results in which the dead time Lm of the adjustment transfer function used in the improved estimation type PAV method is 10 msec and the time constant Tm is 5, 10, and 20. As the time constant Tc and the dead time Lc of the gas supply mechanism 20, the values set in Table 1 are used.

図10から明らかなように、改良推定型PAV法では、従来型PAV法に比べて速応性を向上することができる。また改良推定型PAV法のうち、時定数Tmを大きくすることに比例して、速応性がさらに向上する。また時定数Tmが過剰となると、支援圧力Pventが振動的となる。   As is apparent from FIG. 10, the improved estimation type PAV method can improve the speed response as compared with the conventional PAV method. Further, in the improved estimation type PAV method, the quick response is further improved in proportion to the increase of the time constant Tm. When the time constant Tm is excessive, the support pressure Pvent becomes oscillating.

図11から明らかなように、改良推定型PAV法では、時定数Tmを大きくするとともに、支援ガスの流量Fが振動的となる。支援ガスの流量Fが振動的になることは、患者に与える負荷が大きくなることを意味し、あまり好ましくない。支援ガス流量Fの応答が振動的な場合には、流量ゲインKFGを減少させることによって、支援ガス流量Fが振動的になることを防止することができる。これによって支援ガスの流量が振動的になることなく、増幅率を増加させることができる。 As is apparent from FIG. 11, in the improved estimation type PAV method, the time constant Tm is increased and the flow rate F of the support gas becomes oscillatory. When the flow rate F of the support gas becomes oscillating, it means that the load applied to the patient increases, which is not preferable. When the response of the support gas flow rate F is oscillating, it is possible to prevent the support gas flow rate F from oscillating by decreasing the flow rate gain KFG . As a result, the amplification factor can be increased without causing the flow rate of the support gas to vibrate.

また本実施の形態の全体の系14は、正帰還構成となりにくくすることができ、安定性が向上されているので、パラメータ選択の自由度が大きく、増幅ゲインβを増幅したり、流量ゲインKFGおよび体積ゲインKVGおよびを変更したりしても、ランナウェイが生じにくく、好適に調整することができる。 Further, the entire system 14 according to the present embodiment can be made less likely to be a positive feedback configuration and has improved stability, so that the degree of freedom in parameter selection is great, the amplification gain β is amplified, and the flow rate gain K Even if the FG and the volume gain KVG are changed, the runaway is unlikely to occur and can be suitably adjusted.

図12は、改良推定型PAV法において、自発呼吸圧力Pmusに対する増幅率、調整用伝達関数の時定数Tmを変化させた場合の支援圧力Pventの応答を示すシミュレーション結果である。呼吸器官および呼吸器官モデルを模擬したモデルをプログラムによって構成し、ゲインおよび調整用伝達関数の時定数Tmを変化させる。   FIG. 12 is a simulation result showing the response of the support pressure Pvent when the amplification factor for the spontaneous breathing pressure Pmus and the time constant Tm of the adjustment transfer function are changed in the improved estimation type PAV method. A respiratory model and a model simulating the respiratory organ model are configured by a program, and the gain and the time constant Tm of the adjustment transfer function are changed.

図12に示すシミュレーション結果は、図10に示す実験結果と同様の結果が得られる。具体的には、改良推定型PAV法では、時定数Tmを増加するとともに、速応性を向上させることができ、調整用伝達関数の時定数Tmを過剰とすると、支援圧力Pventが振動的となる。   The simulation result shown in FIG. 12 is the same as the experimental result shown in FIG. Specifically, in the improved estimation type PAV method, the time constant Tm can be increased and the quick response can be improved. When the time constant Tm of the adjustment transfer function is excessive, the support pressure Pvent becomes oscillatory. .

また増幅率が大きい場合には、増幅率が小さい場合に比べて、支援圧力Pventが振動的となる調整用伝達関数の時定数Tmが小さい。たとえば本実施のシミュレーション結果では、増幅率が4倍である場合には、時定数Tmが33msecとなると支援圧力Pventの応答が振動的となり、増幅率が6倍である場合には、調整用伝達関数の時定数Tmが25msecとなると、支援圧力Pventの応答が振動的となる。   In addition, when the amplification factor is large, the time constant Tm of the adjustment transfer function with which the support pressure Pvent is oscillating is smaller than when the amplification factor is small. For example, in the simulation result of this embodiment, when the amplification factor is four times, the response of the support pressure Pvent becomes oscillating when the time constant Tm is 33 msec, and when the amplification factor is six, the adjustment transmission is performed. When the time constant Tm of the function is 25 msec, the response of the support pressure Pvent becomes oscillating.

支援圧力Pventが振動的となる調整用伝達関数の時定数Tmを振動時定数Tm1とすると、振動時定数Tm1は、大略的には以下の関係を有する。
増幅ゲインβ×(Tm1/Tc)>D …(12)
ここで、Dは、予め定める定数であり、本実施の形態では、6となる。支援圧力Pventが振動的とならない調整用伝達関数の時定数Tmを、非振動時定数Tm2とすると、非振動時定数Tm2は、大略的には以下の関係を有する。
Tm2<D×Tc/増幅ゲインβ …(13)
When the time constant Tm of the adjustment transfer function in which the support pressure Pvent is oscillating is defined as the oscillating time constant Tm1, the oscillating time constant Tm1 generally has the following relationship.
Amplification gain β × (Tm1 / Tc)> D (12)
Here, D is a predetermined constant, and is 6 in the present embodiment. When the time constant Tm of the adjustment transfer function that does not make the support pressure Pvent vibrate is the non-vibration time constant Tm2, the non-vibration time constant Tm2 generally has the following relationship.
Tm2 <D × Tc / amplification gain β (13)

本実施の形態では、(13)式を満足するように、調整用伝達関数の時定数Tmが決定される。言換えると、調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmは、自発呼吸圧力Pmusを比例増幅する増幅率に応じて、上限値が設定される。(13)式を満足する上限値の時定数Tmが設定されることで、支援圧力Pventの応答が振動的になることがなく、速応性を可及的に向上することができる。   In the present embodiment, the time constant Tm of the adjustment transfer function is determined so as to satisfy the expression (13). In other words, the upper limit of the time constant Tm of the first-order lag element of the adjustment transfer function is set according to the amplification factor for proportionally amplifying the spontaneous breathing pressure Pmus. By setting the time constant Tm of the upper limit value that satisfies the expression (13), the response of the support pressure Pvent does not vibrate, and the quick response can be improved as much as possible.

たとえば調整用伝達関数の時定数Tmとして採用されるのは、振動時定数Tm1の1/2に設定される。また本実施の形態では、調整用伝達関数の時定数Tmは、ガス供給機構20の時定数Tcの1.5〜2倍に設定される。   For example, the time constant Tm of the adjustment transfer function is set to 1/2 of the vibration time constant Tm1. In this embodiment, the time constant Tm of the adjustment transfer function is set to 1.5 to 2 times the time constant Tc of the gas supply mechanism 20.

また支援圧力Pventを検出する圧力検出手段が設けられる場合、推定手段51は、圧力検出手段から支援圧力Pventを示す信号が与えられ、その信号に基づいて支援圧力Pventが振動的となることを判断すると、調整用伝達関数の時定数Tmを下げるように調整してもよく、振動的でないことを判断すると、調整用伝達関数の時定数Tmを上げるように調整してもよい。これによって支援圧力Pventが振動的となることをより確実に防ぐことができる。   When pressure detecting means for detecting the support pressure Pvent is provided, the estimation means 51 is given a signal indicating the support pressure Pvent from the pressure detection means, and determines that the support pressure Pvent is oscillatory based on the signal. Then, the time constant Tm of the adjustment transfer function may be adjusted to be lowered, and if it is determined that it is not vibrational, the time constant Tm of the adjustment transfer function may be adjusted to be increased. This can more reliably prevent the support pressure Pvent from becoming vibrational.

また吸気開始時と吸気終了時とで、調整用伝達関数の時定数Tmを変更するようにしてもよい。たとえば吸気開始時の時定数Tmを大きくし、吸気終了時の時定数Tmを小さくすることで、吸気開始時における速応性を向上するとともに、吸気終了時の行き過ぎ量を減らすことができる。   The time constant Tm of the adjustment transfer function may be changed at the start of intake and the end of intake. For example, by increasing the time constant Tm at the start of intake and decreasing the time constant Tm at the end of intake, it is possible to improve the quick response at the start of intake and reduce the overshoot amount at the end of intake.

以上のように、本発明の実施の形態である改良推定型PAV法を用いた場合、全体の系14では、患者の呼吸期間の状態を決定するための推定気道抵抗^R、推定エラスタンス^Eと、支援圧力Pventの増幅率のほかに、全体の系の制御特性を調整するためのパラメータが調整可能に設定される。   As described above, when the improved estimation type PAV method according to the embodiment of the present invention is used, in the entire system 14, the estimated airway resistance ^ R and the estimated elastance ^ for determining the state of the patient's respiratory period In addition to E and the amplification factor of the support pressure Pvent, parameters for adjusting the control characteristics of the entire system are set to be adjustable.

制御装置に入力される数値として、推定気道抵抗^Rおよび推定エラスタンス^Eは、患者の状態に応じて決定される値であり、流量ゲインKVGおよび体積ゲインKVGは、患者にどの程度のアシストを行うかを意味し、病態に則して医学的に決定される定数である。本実施の形態では、調整用伝達関数のパラメータをさらに変更可能とすることで、全体の系14の制御特性を改善することができる。 As numerical values input to the control device, the estimated airway resistance ^ R and the estimated elastance ^ E are values determined according to the patient's condition, and the flow rate gain K VG and the volume gain K VG are This is a constant determined medically according to the pathological condition. In the present embodiment, the control characteristics of the entire system 14 can be improved by further changing the parameters of the adjustment transfer function.

具体的には、調整用伝達関数の一次送れ要素の時定数Tmと、むだ時間要素のむだ時間Lmとが設定可能となる。この場合、時定数Tmおよびむだ時間Lmを適切に設定して負帰還構成の領域を増やすことで、安定余裕を向上して、不安定となりにくくすることができる。したがって従来型PAV法および推定型PAV法では、正帰還構成となっていた場合であっても、本実施の形態の改良推定型PAV法では、負帰還構成として、制御系を安定させることができる。これによってランナウェイを防止することができる。これによって患者の負担をさらに低減したガス供給機構の制御方法を実現することができる。   Specifically, the time constant Tm of the primary transfer element of the adjustment transfer function and the dead time Lm of the dead time element can be set. In this case, by appropriately setting the time constant Tm and the dead time Lm and increasing the area of the negative feedback configuration, the stability margin can be improved and the instability can be made difficult. Therefore, even if the conventional PAV method and the estimated PAV method have a positive feedback configuration, the improved estimated PAV method of the present embodiment can stabilize the control system as a negative feedback configuration. . This can prevent runaway. As a result, a control method for the gas supply mechanism that further reduces the burden on the patient can be realized.

また調整用伝達関数のパラメータを適切に選択することによって、支援圧力Pventの速応性を向上することができ、支援圧力Pventを自発呼吸圧力Pmusに対して、精度よく比例増幅することができるとともに、人工呼吸器と患者との非同期状態を抑えることができる。また支援圧力Pventが振動的となることを防ぐことができる。このように支援圧力Pventの速応性とロバスト安定性とを向上させることができ、患者に与える負荷を減らすことができる。   In addition, by appropriately selecting the parameters of the adjustment transfer function, the responsiveness of the support pressure Pvent can be improved, and the support pressure Pvent can be amplified in proportion to the spontaneous breathing pressure Pmus with high accuracy. Asynchronous state between the ventilator and the patient can be suppressed. In addition, the support pressure Pvent can be prevented from becoming vibrational. Thus, the rapid response and robust stability of the support pressure Pvent can be improved, and the load on the patient can be reduced.

たとえば推定気道抵抗^Rおよび推定エラスタンス^Eが、実際の気道抵抗RおよびエラスタンスEに対して少々ずれた場合であっても、上述したように全体の系の安定余裕を大きくすることができるので、全体の系14が不安定となることが防がれ、支援圧力Pventを増幅する増幅ゲインKFG,KVGを大きくすることができる。特に上述したように、^R>R、^E>Eとなった場合でも、負帰還構成とすることができ、安定余裕をより大きく設定することができる。したがって気道抵抗RおよびエラスタンスEを正確に求めなくても、ランナウェイが生じる可能性が小さくなり、ガス供給機構20を制御することができる。また本実施の形態では、調整用伝達関数のパラメータを調整可能に設定される。これによってガス供給機構20ごとに制御特性にバラツキがある場合、経時変化によって制御特性が変化する場合などであっても、適宜、パラメータを調整することで、制御特性を安定させることができる。 For example, even if the estimated airway resistance ^ R and the estimated elastance ^ E are slightly deviated from the actual airway resistance R and elastance E, it is possible to increase the stability margin of the entire system as described above. Therefore, the entire system 14 is prevented from becoming unstable, and the amplification gains K FG and K VG for amplifying the support pressure Pvent can be increased. In particular, as described above, even when {circumflex over (R)} R and {circumflex over (E)} E, it is possible to adopt a negative feedback configuration and set a larger stability margin. Therefore, even if the airway resistance R and the elastance E are not accurately obtained, the possibility of a runaway is reduced, and the gas supply mechanism 20 can be controlled. In the present embodiment, the parameters of the adjustment transfer function are set to be adjustable. As a result, even when the control characteristics vary for each gas supply mechanism 20 or when the control characteristics change due to changes over time, the control characteristics can be stabilized by appropriately adjusting the parameters.

図13は、人工呼吸器17の一例を示すブロック図である。制御装置21は、コンピュータを含む制御装置本体33と、流量検出手段50と、入力手段39と、表示手段40と、増幅回路であるサーボアンプ47,48とを含む。また制御装置21は、気道圧力検出手段61をさらに含んでいてもよい。   FIG. 13 is a block diagram illustrating an example of the ventilator 17. The control device 21 includes a control device main body 33 including a computer, a flow rate detection means 50, an input means 39, a display means 40, and servo amplifiers 47 and 48 which are amplifier circuits. The control device 21 may further include airway pressure detection means 61.

流量検出手段50は、ガス供給機構20の吸気管路25を流れる気体の流量を電気信号に変換し、その電気信号を制御装置本体33に与える。入力手段39は、医師および看護士、またはガス供給機構20を管理する管理者からの推定気道抵抗R^および推定エラスタンス^E、増幅ゲインβ、遅れ補償部55の時定数Tmおよびむだ時間Lmなどが入力される。入力手段39は、入力された情報を示す信号を制御装置本体33に与える。   The flow rate detection means 50 converts the flow rate of the gas flowing through the intake pipe 25 of the gas supply mechanism 20 into an electrical signal, and gives the electrical signal to the control device main body 33. The input means 39 includes an estimated airway resistance R ^ and estimated elastance ^ E, an amplification gain β, a time constant Tm of the delay compensation unit 55, and a dead time Lm from a doctor and a nurse or a manager who manages the gas supply mechanism 20. Etc. are entered. The input means 39 gives a signal indicating the input information to the control device body 33.

表示手段40は、患者の気道圧力を報知する報知手段である。表示手段40は、制御装置本体33から受ける表示指令信号に基づいて、患者の自発呼吸圧力Pmusの時間的変化を示す波形を表示画面に表示する。   The display means 40 is an informing means for informing the patient's airway pressure. Based on the display command signal received from the control device main body 33, the display means 40 displays a waveform indicating a temporal change in the spontaneous breathing pressure Pmus of the patient on the display screen.

増幅回路48は、制御装置本体33が演算した目標圧力Pinを示す信号をポンプ用アクチュエータ31に与える。ポンプ用アクチュエータ31は、目標圧力Pinを示す信号に基づいてポンプを制御し、ガス供給機構20の吐出圧力がフィードバック制御される。   The amplifier circuit 48 gives a signal indicating the target pressure Pin calculated by the control device main body 33 to the pump actuator 31. The pump actuator 31 controls the pump based on a signal indicating the target pressure Pin, and the discharge pressure of the gas supply mechanism 20 is feedback-controlled.

制御装置本体33は、インターフェース101と、演算部102と、一記憶部103と、記憶部104とを含む。インターフェース101は、接続される流量検出手段50からの信号が入力されて、その信号を演算部102に与える。記憶部104は、制御装置本体33が実行すべきプログラムが記憶され、演算部102が記憶部104に記憶されるプログラムを読み出して実行することによって、前記推定手段51、偏差演算手段52、制御量演算手段53を実現することができる。これによって制御装置本体33は、前述するガス供給機構20の制御を行うことができる。また記憶部104は、コンパクトディスクなどのコンピュータ読取可能な記録媒体であってもよい。演算部102は、CPUなどの演算処理回路によって実現され、記憶部104に記憶される動作プログラムに従った動作を実行する。 The control device main body 33 includes an interface 101, a calculation unit 102, a primary storage unit 103, and a storage unit 104. The interface 101 receives a signal from the connected flow rate detection means 50 and gives the signal to the calculation unit 102. The storage unit 104 stores a program to be executed by the control device main body 33, and the calculation unit 102 reads and executes the program stored in the storage unit 104, whereby the estimation unit 51, the deviation calculation unit 52, the control amount The calculation means 53 can be realized. As a result, the control device main body 33 can control the gas supply mechanism 20 described above. The storage unit 104 may be a computer-readable recording medium such as a compact disc. The arithmetic unit 102 is realized by an arithmetic processing circuit such as a CPU, and executes an operation according to an operation program stored in the storage unit 104.

図14は、制御装置本体33の動作を示すフローチャートである。制御装置本体33は、まずステップs0で、制御装置本体33に推定気道抵抗^R、推定エラスタンス^E、ガス供給機構20の伝達関数、流量ゲインKFGおよび体積ゲインKVGなどの各パラメータが入力されて、目標圧力Pinおよび推定流量^Fが演算可能となる演算準備が可能となると、ステップs1に進む。 FIG. 14 is a flowchart showing the operation of the control device main body 33. First, in step s0, the control device main body 33 has parameters such as the estimated airway resistance ^ R, the estimated elastance ^ E, the transfer function of the gas supply mechanism 20, the flow gain KFG, and the volume gain KVG. When the input and the target pressure Pin and the estimated flow rate {circumflex over (F)} are ready for calculation, the process proceeds to step s1.

ステップs1では、制御装置本体33は、偏差演算手段52の動作を実行して、以前に演算した目標圧力Pinから求められる推定流量^Fと、流量検出手段50から与えられる流量Fとの偏差ΔFを演算する。流量偏差ΔFを演算すると、ステップs2に進む。   In step s1, the control device main body 33 executes the operation of the deviation calculating means 52, and the deviation ΔF between the estimated flow rate ^ F obtained from the previously calculated target pressure Pin and the flow rate F given from the flow rate detecting means 50. Is calculated. When the flow rate deviation ΔF is calculated, the process proceeds to step s2.

ステップs2では、制御装置本体33は、制御量演算手段53の動作を実行して、流量偏差ΔFに基づいて、目標圧力Pinを演算する。目標圧力Pinを演算すると、目標圧力Pinを表わす信号をガス供給機構20に与えて、ステップs3に進む。   In step s2, the control device main body 33 executes the operation of the control amount calculation means 53, and calculates the target pressure Pin based on the flow rate deviation ΔF. When the target pressure Pin is calculated, a signal representing the target pressure Pin is given to the gas supply mechanism 20, and the process proceeds to step s3.

ステップs3では、制御装置本体33は、推定手段51の動作を実行して、目標圧力Pinを表わす信号に基づいて、遅れ補償部55およびオブザーバ54に相当する動作を行い、自発呼吸圧力Pmusが存在しない場合において患者に供給されるであろう推定流量^Fを演算し、ステップs4に進む。   In step s3, the control device main body 33 executes the operation of the estimating means 51, performs the operation corresponding to the delay compensation unit 55 and the observer 54 based on the signal representing the target pressure Pin, and the spontaneous breathing pressure Pmus exists. If not, the estimated flow rate {circumflex over (F)} that will be supplied to the patient is calculated, and the process proceeds to step s4.

ステップs4では、制御装置本体33は、予め定める終了条件を満たしているか否かを判断する。たとえば入力手段39によって終了指令が与えられていない場合には、ガス供給機構20の制御を継続することを判断し、ステップs1に戻る。ステップs1では、ステップs3で演算した推定流量^Fと、流量検出手段50から与えられる流量Fとを用いて、再び流量偏差ΔFを演算する。またステップs4において、制御装置本体33は、予め定める終了条件を満たしていることを判断すると、ステップs5に進み、制御動作を終了する。   In step s4, the control device main body 33 determines whether or not a predetermined end condition is satisfied. For example, when the end command is not given by the input means 39, it is determined to continue the control of the gas supply mechanism 20, and the process returns to step s1. In step s1, the flow rate deviation ΔF is calculated again using the estimated flow rate F calculated in step s3 and the flow rate F given from the flow rate detection means 50. In step s4, when determining that the predetermined end condition is satisfied, the control device main body 33 proceeds to step s5 and ends the control operation.

このように上述した遅れ補償手段、流量推定手段、偏差演算手段、制御量演算手段は、コンピュータが予め定めるソフトウェアを実行することによって実現されてもよい。またガス供給機構20は、制御装置21によって、吐出する支援ガスの圧力が制御可能なものであり、患者の気道15に支援ガスを導く吸気管路25が形成されていれば、特に限定されない。たとえばガス供給機構20は、図13に示すようにベローズ型ポンプを有する人工呼吸器であってもよいが、配管を介して支援ガスを供給する人工呼吸器であってもよい。   As described above, the delay compensation unit, the flow rate estimation unit, the deviation calculation unit, and the control amount calculation unit described above may be realized by executing software predetermined by a computer. Further, the gas supply mechanism 20 is not particularly limited as long as the pressure of the assisting gas to be discharged can be controlled by the control device 21 and an inhalation conduit 25 for guiding the assisting gas to the patient's airway 15 is formed. For example, the gas supply mechanism 20 may be a ventilator having a bellows type pump as shown in FIG. 13, but may be a ventilator that supplies support gas via a pipe.

上述した本発明の実施の形態は、本発明の一例示であって、発明の範囲内において、構成を変更することができる。たとえば上述したブロック線図は、本発明の例示に過ぎず、同様の効果を得ることができるならば、等価変換されてもよい。また上述した調整用伝達関数の時定数Tmおよびむだ時間Lmは、一例であってこの値に限定されない。たとえば調整用伝達関数のむだ時間Lmと、ガス供給機構20を近似した伝達関数のむだ時間Lcが異なる値であってもよい。また調整用伝達関数の時定数Tmが、ガス供給機構20を近似した伝達関数の時定数Tcよりも小さくてもよい。   The above-described embodiment of the present invention is an example of the present invention, and the configuration can be changed within the scope of the invention. For example, the above-described block diagram is merely an example of the present invention, and may be equivalently converted if the same effect can be obtained. The time constant Tm and the dead time Lm of the adjustment transfer function described above are merely examples, and are not limited to these values. For example, the dead time Lm of the transfer function for adjustment and the dead time Lc of the transfer function approximating the gas supply mechanism 20 may be different values. Further, the time constant Tm of the adjustment transfer function may be smaller than the time constant Tc of the transfer function approximating the gas supply mechanism 20.

また本実施の形態では、調整用伝達関数におけるパラメータを変更可能としたが、調整用伝達関数のパラメータが固定される場合も、本発明に含まれる。この場合、全体の系が負帰還構成となるように、調整用伝達関数が決定される。これによって上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる。この場合、調整用伝達関数は、ガス供給機構の伝達関数を近似した制御要素を含むことによって、調整用伝達関数をガス供給機構の伝達関数で除算した値を1に近づけることができ、支援圧力Pmusに対する支援圧力Pventの増幅率について、制御量演算手段で設定される増幅率と、実際の増幅率との差を少なくすることができる。   In the present embodiment, the parameters in the adjustment transfer function can be changed, but the case where the parameters of the adjustment transfer function are fixed is also included in the present invention. In this case, the adjustment transfer function is determined so that the entire system has a negative feedback configuration. As a result, the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained. In this case, the adjustment transfer function includes a control element approximating the transfer function of the gas supply mechanism, so that the value obtained by dividing the adjustment transfer function by the transfer function of the gas supply mechanism can be close to 1, and the support pressure Regarding the amplification factor of the support pressure Pvent with respect to Pmus, the difference between the amplification factor set by the control amount calculation means and the actual amplification factor can be reduced.

また調整用伝達関数を構成する一次遅れ要素の時定数Tmが、ガス供給機構に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcよりも大きく(Tm>Tc)設定される。これによって、速応性を向上して非同期状態を抑えることができる。また時間経過に伴って変化する自発呼吸圧力Pmusに対して、支援圧力Pventを精度よく比例増幅することができる。さらに調整用伝達関数に含まれるむだ時間Lmと、ガス供給機構の伝達関数に含まれるむだ時間Lcとをほぼ同じ値(Lm≒LcまたはLm=Lc)とすることで、調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数を変化させた場合に安定可能な領域を増やすことができる。いいかえると安定状態を保って、変化可能な時定数を増やすことができる。これによって支援圧力Pventの応答が振動的および発散しない安定範囲で、時定数を可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性をさらに向上することができる。   Further, the time constant Tm of the first-order lag element constituting the adjustment transfer function is set to be larger than the time constant Tc approximating the first-order lag element included in the gas supply mechanism (Tm> Tc). As a result, the quick response can be improved and the asynchronous state can be suppressed. In addition, the support pressure Pvent can be accurately amplified in proportion to the spontaneous breathing pressure Pmus that changes with the passage of time. Furthermore, by setting the dead time Lm included in the adjustment transfer function and the dead time Lc included in the transfer function of the gas supply mechanism to substantially the same value (Lm≈Lc or Lm = Lc), the first order of the adjustment transfer function When the time constant of the delay element is changed, the stable region can be increased. In other words, it can maintain a stable state and increase the variable time constant. As a result, the time constant can be increased as much as possible within a stable range where the response of the support pressure Pvent does not vibrate or diverge, and the speed response of the support pressure Pvent can be further improved.

また人工呼吸器管理者が決定した支援圧力Pventの増幅率に応じて、支援圧力Pventが発散しないように、(13)式に基づいて、調整用伝達関数の時定数Tmの上限値が決定されることが好ましい。これによって増幅率を変更しても、支援圧力Pventが振動的になることを防いで、速応性を可及的に向上させることができる。   Further, the upper limit value of the time constant Tm of the transfer function for adjustment is determined based on the equation (13) so that the assist pressure Pvent does not diverge according to the amplification factor of the assist pressure Pvent determined by the ventilator manager. It is preferable. As a result, even if the amplification factor is changed, the support pressure Pvent can be prevented from becoming oscillating, and the quick response can be improved as much as possible.

また本実施の形態では、調整用伝達関数が、一次遅れ要素Gm(s)とむだ時間要素e−Lm・sとを含むとしたが、これに限定されない。たとえば調整用伝達関数が、ガス供給機構の伝達関数を有理関数で近似した多次遅れ要素を有してもよい。この場合、調整用伝達関数の多次遅れ要素Gm(s)は、次式によって表わされる。 In the present embodiment, the adjustment transfer function includes the first-order lag element Gm (s) and the dead time element e −Lm · s . However, the present invention is not limited to this. For example, the adjustment transfer function may include a multi-order delay element obtained by approximating the transfer function of the gas supply mechanism with a rational function. In this case, the multi-order delay element Gm (s) of the adjustment transfer function is expressed by the following equation.

Figure 0003860830
Figure 0003860830

また調整用伝達関数は、(14)式に、比例要素kを含んでもよい。この場合、調整用伝達関数は、次式によって表わされる。比例要素を設定することによって、増幅率の設定を調整用伝達関数でも行うことができる。   The adjustment transfer function may include a proportional element k in the equation (14). In this case, the adjustment transfer function is expressed by the following equation. By setting the proportional element, the amplification factor can also be set by the adjustment transfer function.

Figure 0003860830
Figure 0003860830

比例要素kを0.8としてもよい。また調整用伝達関数は、上述した(14)式または(15)式に、むだ時間要素を含んでもよい。   The proportional element k may be 0.8. Further, the adjustment transfer function may include a dead time element in the above-described equation (14) or (15).

図15は、一次遅れ要素の時定数Tmとむだ時間要素のむだ時間Lmとを変化させた場合における、ロバスト安定性と速応性との評価値Fの変化の概念を示すグラフである。評価値Fとして、支援圧力Pventの制御について、トレードオフの関係にあるロバスト安定性と速応性との2つの制御性を評価した値を採用する。ここで、図15は、一次遅れ要素の時定数Tmとむだ時間要素のむだ時間Lmとを変化させた場合における、ロバスト安定性と速応性との評価値Fの変化の理解を容易にするために用いたものであって、実際の変化状態と一致するものではない。   FIG. 15 is a graph showing the concept of changes in the evaluation value F of robust stability and rapid response when the time constant Tm of the first-order lag element and the dead time Lm of the dead time element are changed. As the evaluation value F, for the control of the support pressure Pvent, a value obtained by evaluating the two controllability of the robust stability and the quick response which are in a trade-off relationship is adopted. Here, FIG. 15 is intended to facilitate understanding of changes in the evaluation value F of robust stability and rapid response when the time constant Tm of the first-order lag element and the time delay Lm of the time delay element are changed. It is used for the above, and does not coincide with the actual change state.

図15に示すように、時定数Tm、むだ時間Lmおよび評価値Fを3次元座標軸にそれぞれ設定すると、(2)式に示す本実施の形態の改良型PAV法を用いた全体の系を用いた場合、シミュレーションによる演算結果とでずれが生じるものの、患者の呼吸器官を模擬した模擬装置を用いた実験結果ともに、評価値Fが極大値となる2つの点が存在するであろうと推定された。   As shown in FIG. 15, when the time constant Tm, dead time Lm, and evaluation value F are respectively set on the three-dimensional coordinate axes, the entire system using the improved PAV method of the present embodiment shown in the equation (2) is used. In this case, it is estimated that there will be two points where the evaluation value F becomes the maximum value together with the experimental result using the simulation device simulating the respiratory organ of the patient, although there is a deviation from the calculation result by the simulation. .

したがって第1極大点M1または第2極大点M2を構成する時定数Tmとむだ時間Lmとの組合せを調整用伝達関数のパラメータとして設定することで、ロバスト安定性と速応性とがバランスよく、かつそれぞれ比較的良好とすることができる。   Therefore, by setting the combination of the time constant Tm constituting the first maximum point M1 or the second maximum point M2 and the dead time Lm as a parameter of the adjustment transfer function, the robust stability and the quick response are balanced, and Each can be relatively good.

本実施の形態では、第1極大点M1の近傍では、調整用伝達関数における時定数Tmとむだ時間Lmとを加算した値(Tm+Lm)は、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcと、むだ時間要素を近似したむだ時間Lcとを加算した値(Tc+Lc)よりも小さく設定される。   In the present embodiment, in the vicinity of the first maximum point M1, the value (Tm + Lm) obtained by adding the time constant Tm and the dead time Lm in the adjustment transfer function is the first-order lag element included in the transfer function of the gas supply mechanism. It is set smaller than the value (Tc + Lc) obtained by adding the approximate time constant Tc and the dead time Lc approximating the dead time element.

またガス供給機構の伝達関数に含まれるむだ時間要素を近似したむだ時間Lc、時定数Tcをそれぞれ、Lc=10msecとし、Tc=24msecとする。推定気道抵抗Rを20(cmH0)/(リットル/秒)とし、推定エラスタンスを1/30(ミリリットル)/(cmHO)とし、増幅率を4倍とすると、改善型PAV法を用いた本実施の形態の実験結果では、調整用伝達関数のむだ時間Lmが4msecであり、時定数Tmが10msecとなった。 Further, a dead time Lc and a time constant Tc approximating a dead time element included in the transfer function of the gas supply mechanism are set to Lc = 10 msec and Tc = 24 msec, respectively. When the estimated airway resistance R is 20 (cmH 2 0) / (liter / second), the estimated elastance is 1/30 (milliliter) / (cmH 2 O), and the amplification factor is 4 times, the improved PAV method is In the experimental results of the present embodiment used, the dead time Lm of the adjustment transfer function was 4 msec, and the time constant Tm was 10 msec.

また第2極大点M2の近傍でも同様に、調整用伝達関数における時定数Tmとむだ時間Lmとを加算した値(Tm+Lm)は、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcと、むだ時間要素を近似したむだ時間Lcとを加算した値(Tc+Lc)よりも小さく設定される。また第2極大点M2の近傍は、上述したように、調整用伝達関数に含まれるむだ時間Lmが、ゼロに設定される。また上述したように、ガス供給機構の伝達関数に含まれるむだ時間要素を近似したむだ時間Lc、時定数Tcをそれぞれ、Lc=10msecとし、Tc=24msecとする。推定気道抵抗Rを20(cmH0)/(リットル/秒)とし、推定エラスタンスを1/30(ミリリットル)/(cmHO)とし、増幅率を4倍とすると、改善型PAV法を用いた本実施の形態では、調整用伝達関数のむだ時間Lmが0msecであり、時定数Tmが10msecとなった。また第2極大点M2を構成する時定数Tmは、むだ時間Lmをゼロにした分、第1極大点M1を構成する時定数Tmよりも大きい値が採用される。 Similarly, in the vicinity of the second maximum point M2, the value (Tm + Lm) obtained by adding the time constant Tm and the dead time Lm in the adjustment transfer function approximates the first-order lag element included in the transfer function of the gas supply mechanism. It is set smaller than a value (Tc + Lc) obtained by adding the constant Tc and the dead time Lc approximating the dead time element. In the vicinity of the second maximum point M2, the dead time Lm included in the adjustment transfer function is set to zero as described above. As described above, the dead time Lc and the time constant Tc approximating the dead time element included in the transfer function of the gas supply mechanism are set to Lc = 10 msec and Tc = 24 msec, respectively. When the estimated airway resistance R is 20 (cmH 2 0) / (liter / second), the estimated elastance is 1/30 (milliliter) / (cmH 2 O), and the amplification factor is 4 times, the improved PAV method is In the present embodiment used, the dead time Lm of the adjustment transfer function is 0 msec and the time constant Tm is 10 msec. As the time constant Tm constituting the second maximum point M2, a value larger than the time constant Tm constituting the first maximum point M1 is adopted as much as the dead time Lm is made zero.

ここで第1極大点M1は、患者と人工呼吸器とを含む全体の系のパラメータが変化することによってむだ時間Lmと時定数Tmとの組合せが変動する。これに対して、第2極大点M2は、表1に示すパラメータが変化しても、むだ時間Lmがゼロに保たれた状態で、時定数Tmの値が変動する。   Here, at the first maximum point M1, the combination of the dead time Lm and the time constant Tm varies as the parameters of the entire system including the patient and the ventilator change. On the other hand, even if the parameter shown in Table 1 changes, the value of the time constant Tm varies at the second maximum point M2 while the dead time Lm is kept at zero.

このように調整用伝達関数のパラメータを、第1極大点M1または第2極大点M2を構成する時定数Tmおよびむだ時間Lmとすることで、調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数を変化させた場合に安定可能な領域を増やすことができる。いいかえると安定状態を保って、変化可能な時定数を増やすことができる。これによって支援圧力Pventの応答が振動的および発散しない安定範囲で、時定数を可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性をさらに向上することができる。また実際の呼吸器官に対して呼吸器官モデルが正確でない場合、増幅率が大きい場合であっても、調整用伝達関数に含まれるむだ時間Lmと、ガス供給機構の伝達関数に含まれるむだ時間Lcとが過度に異なる場合に比べて、安定範囲で、時定数を可及的に大きくすることができ、支援圧力Pventの速応性をさらに向上することができる。   Thus, the time constant of the first-order lag element of the adjustment transfer function is changed by setting the parameters of the adjustment transfer function to the time constant Tm and the dead time Lm constituting the first maximum point M1 or the second maximum point M2. In this case, the stable area can be increased. In other words, it can maintain a stable state and increase the variable time constant. As a result, the time constant can be increased as much as possible within a stable range where the response of the support pressure Pvent does not vibrate or diverge, and the speed response of the support pressure Pvent can be further improved. Further, if the respiratory organ model is not accurate with respect to the actual respiratory organ, even if the amplification factor is large, the dead time Lm included in the adjustment transfer function and the dead time Lc included in the transfer function of the gas supply mechanism. As compared with a case where the difference is excessively different, the time constant can be increased as much as possible in the stable range, and the quick response of the support pressure Pvent can be further improved.

さらに第2極大点M2を構成する時定数Tmおよびむだ時間Lmでは、患者と人工呼吸器を含む全体の系の各パラメータの変化に拘わらず、むだ時間要素のむだ時間Lmをゼロとすることができ、調整用伝達関数に必要なパラメータを減らすことができ、むだ時間Lmと時定数Tmとの両方を調整する場合に比べて、適切な時定数Tmを手動またはコンピュータ等による計算によって容易に求めることができる。   Further, with the time constant Tm and the dead time Lm constituting the second maximum point M2, the dead time Lm of the dead time element is set to zero regardless of changes in the parameters of the entire system including the patient and the ventilator. The parameters necessary for the transfer function for adjustment can be reduced, and an appropriate time constant Tm can be easily obtained by manual or computer calculation, as compared with the case where both the dead time Lm and the time constant Tm are adjusted. be able to.

また本実施の形態では、評価値Fは、ロバスト安定性に関するロバスト安定性評価値F1と、速応性に関する速応性評価値F2との線形和(F=F1+F2)に規定した。本実施の形態では、ロバスト安定性に関するロバスト安定性評価値F1は、(16)式によって表わされる。   In this embodiment, the evaluation value F is defined as a linear sum (F = F1 + F2) of the robust stability evaluation value F1 related to robust stability and the rapid response evaluation value F2 related to rapid response. In the present embodiment, the robust stability evaluation value F1 related to the robust stability is expressed by equation (16).

Figure 0003860830
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ここで、F1は、ロバスト安定性評価値である。またAは、ロバスト安定性評価値F1を決定するためのロバスト安定性重み定数である。またロバスト安定性Aと乗算されるもう1つの項|S|は、安定余裕を評価するための値であって、本実施の形態では、モジュラスマージンとして設定される。モジュラスマージンは、人工呼吸器と患者とを含む全体の系における一巡伝達関数がL(jω)で表わされる場合、(17)式によって表わされる。すなわちナイキスト線図において、全体の系における一巡伝達関数のベクトル軌跡と、安定限界とが最も近接する距離で表わされる。また本実施の形態では、このような(16)、(17)式に基づいて、ロバスト安定性に関するロバスト安定性評価値F1を決定したが、他の評価式に基づいて決定してもよい。 Here, F1 is a robust stability evaluation value. The A 1 is a robust stability weight constant to determine the robust stability evaluation value F1. Further, another term | S | multiplied by the robust stability A 1 is a value for evaluating the stability margin, and is set as a modulus margin in the present embodiment. The modulus margin is expressed by the equation (17) when the loop transfer function in the entire system including the ventilator and the patient is expressed by L (jω). That is, in the Nyquist diagram, the vector trajectory of the loop transfer function in the entire system and the stability limit are represented by the closest distance. In the present embodiment, the robust stability evaluation value F1 related to robust stability is determined based on the equations (16) and (17). However, it may be determined based on another evaluation equation.

Figure 0003860830
Figure 0003860830

また本実施の形態では、速応性に関する速応性評価値F2は、(18)式によって表わされる。   In the present embodiment, the quick response evaluation value F2 related to the quick response is expressed by the equation (18).

Figure 0003860830
Figure 0003860830

ここで、F2は、速応性評価値である。またAは、速応性評価値F2を決定するための速応性重み定数である。また速応性重み定数Aと乗算されるもう一つの項(1/Tresp)は、速応性を評価するための値であって、本実施の形態では、ステップ応答を考えた場合に、支援圧力Pventを自発呼吸圧力Pmusで除算(=Pvent/Pmus)した値が、0.632に達するまでの時間Trespの逆数(1/Tresp)で表わされる。また本実施の形態では、このような関係に基づいて、速応性に関する速応性評価値F2を決定したが、他の評価式に基づいて決定してもよい。 Here, F2 is a rapid response evaluation value. A 2 is a rapid response weight constant for determining the rapid response evaluation value F2. Further, another term (1 / Tresp) multiplied by the quick response weight constant A 2 is a value for evaluating the quick response, and in this embodiment, when the step response is considered, the support pressure The value obtained by dividing Pvent by the spontaneous breathing pressure Pmus (= Pvent / Pmus) is represented by the reciprocal of the time Tresp (1 / Tresp) until reaching 0.632. In the present embodiment, the quick response evaluation value F2 related to the quick response is determined based on such a relationship, but may be determined based on another evaluation formula.

上述したようにロバスト安定性と速応性とは、トレードオフの関係にあるので、ロバスト安定性を向上すると、速応性が低下する。たとえばロバスト安定性を弱めて速応性を向上させるような総合的な評価値Fを得たい場合には、上述したロバスト安定性重み定数Aよりも、速応性重み定数Aを大きくすることによって、ロバスト安定性が弱く速応性が高いバランスの取れた総合的な評価値を得ることができる。このように各重み定数A,Aのバランスを適切に配分することによって、ロバスト安定性と速応性とのバランスを考慮した評価値を得ることができる。また本実施の形態では、上述した(16)〜(18)式に基づいて決定したが、この決定は一例であって、他の演算式に従って、ロバスト安定性に関する評価値と、速応性に関する評価値とを合わせた値を用いて総合的な評価値としてもよい。 As described above, since robust stability and rapid response are in a trade-off relationship, when robust stability is improved, rapid response is reduced. For example, when it is desired to obtain a comprehensive evaluation value F that weakens the robust stability and improves the quick response, the quick response weight constant A 2 is made larger than the robust stability weight constant A 1 described above. It is possible to obtain a well-balanced comprehensive evaluation value with low robust stability and high responsiveness. Thus, by appropriately allocating the balance between the weight constants A 1 and A 2 , it is possible to obtain an evaluation value in consideration of the balance between robust stability and rapid response. In the present embodiment, the determination is made based on the above-described equations (16) to (18). However, this determination is an example, and an evaluation value related to robust stability and an evaluation related to rapid response are determined according to other arithmetic expressions. It is good also as a comprehensive evaluation value using the value which united the value.

このようにして求めた第1極大点M1および第2極大点M2を構成する時定数Tmとむだ時間Lmとを用いて改良型PAV法を用いた場合、単純な推定型PAVに比べてロバスト安定性および速応性を改善されることはもちろん、無作為に選択した時定数Tmおよびむだ時間Lmを用いて改良型PAV法を用いた場合に比べて、ロバスト安定性および速応性を向上することができる。   When the improved PAV method is used by using the time constant Tm and the dead time Lm constituting the first maximum point M1 and the second maximum point M2 obtained in this way, it is more stable than the simple estimation type PAV. The stability and speed can be improved compared to the improved PAV method using a time constant Tm and time delay Lm selected at random, as well as improving the stability and speed. it can.

表2は、第1極大点M1と、第2極大点M2とをそれぞれ構成する時定数Tmとむだ時間Lmとを用いた場合の実験比較結果を示す表である。また表2では、ガス供給機構の伝達関数に含まれるむだ時間要素を近似したむだ時間Lc、時定数Tcをそれぞれ、Lc=10msecとし、Tc=24msecとする。また推定気道抵抗Rを20(cmH0)/(リットル/秒)とし、推定エラスタンスを1/30(ミリリットル)/(cmHO)とし、増幅率を4倍とし、模擬装置によって気道抵抗R、肺のエラスタンスEを変化させて実験を行った。この場合、2つの極大点M1,M2はともに、調整用伝達関数における時定数Tmとむだ時間Lmとを加算した値(Tm+Lm)は、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcと、むだ時間要素を近似したむだ時間Lmとを加算した値(Tc+Lc)よりも小さく設定される。 Table 2 is a table showing experimental comparison results when using the time constant Tm and the dead time Lm constituting the first maximum point M1 and the second maximum point M2, respectively. In Table 2, a dead time Lc and a time constant Tc approximating a dead time element included in the transfer function of the gas supply mechanism are set to Lc = 10 msec and Tc = 24 msec, respectively. In addition, the estimated airway resistance R is 20 (cmH 2 0) / (liter / second), the estimated elastance is 1/30 (milliliter) / (cmH 2 O), the amplification factor is quadrupled, and the airway resistance is measured by a simulator. The experiment was conducted by changing R and lung elastance E. In this case, the two local maximum points M1 and M2 are values obtained by adding the time constant Tm and the dead time Lm in the adjustment transfer function (Tm + Lm) to approximate the first-order lag element included in the transfer function of the gas supply mechanism. It is set smaller than a value (Tc + Lc) obtained by adding the time constant Tc and the dead time Lm approximating the dead time element.

Figure 0003860830
Figure 0003860830

表2に示すように、本実施の形態では、第2極大点M2を構成する時定数Tmとむだ時間Lmを用いたほう(Lm=0、Tm=20)が、第1極大点M1を構成する時定数Tmとむだ時間Lmを用いる(Lm=4、Tm=10)よりも、ロバスト安定性および速応性が向上していることがわかる。すなわち本実施の形態では、むだ時間Lmがゼロとした場合のほうが、ロバスト安定性および速応性をさらに向上することができる。   As shown in Table 2, in the present embodiment, the first maximum point M1 is configured by using the time constant Tm and the dead time Lm constituting the second maximum point M2 (Lm = 0, Tm = 20). It can be seen that robust stability and quick response are improved as compared with the case where the time constant Tm and the dead time Lm are used (Lm = 4, Tm = 10). That is, in the present embodiment, robust stability and quick response can be further improved when the dead time Lm is zero.

図16は、第2極大点M2を構成する時定数Tmとむだ時間Lmとを用いて、支援圧力Pawと換気流量Qiとを示すグラフである。図16は、改良型PAV法を用いた場合と、従来型PAV法を用いた場合とを比較する。   FIG. 16 is a graph showing the support pressure Paw and the ventilation flow rate Qi using the time constant Tm and the dead time Lm constituting the second maximum point M2. FIG. 16 compares the case where the improved PAV method is used with the case where the conventional PAV method is used.

図16では、ガス供給機構の伝達関数に含まれるむだ時間要素を近似したむだ時間Lc、時定数Tcをそれぞれ、Lc=10msecとし、Tc=24msecとする。また模擬装置における気道抵抗Rと推定気道抵抗Rとを20(cmH0)/(リットル/秒)とし、模擬装置におけるエラスタンスEと推定エラスタンスとを1/30(ミリリットル)/(cmHO)とし、増幅率を3倍とし、調整用伝達関数の時定数Tmを20msecとし、調整用伝達関数のむだ時間Lmを0msecとした。 In FIG. 16, a dead time Lc and a time constant Tc approximating a dead time element included in the transfer function of the gas supply mechanism are set to Lc = 10 msec and Tc = 24 msec, respectively. The 20 (cm H 2 0) and the estimated airway resistance R and airway resistance R in the simulator / (l / sec), and 1/30 (mL) and elastance E and the estimated elastance of the simulator / (cm H 2 O), the amplification factor was tripled, the time constant Tm of the adjustment transfer function was 20 msec, and the dead time Lm of the adjustment transfer function was 0 msec.

患者が自発吸気を終了した時点T2から、換気流量Qiが、自発吸気を開始する前の時点T1の値Q0に達する前の状態に移行する時点までの時間差である第1設定時間δT1を、呼気非同期の度合いとすると、本実施の形態に従った改良推定型PAV法における前記第1設定時間δTnew1は、従来型PAV法における前記第1設定時間δTorg1に比べて小さくすることができる。これによって呼気非同期の期間を短くすることができ、患者に与える負荷を減らすことができる。 The first set time δT1, which is the time difference from the time T2 when the patient finishes the spontaneous inspiration to the time when the ventilation flow rate Qi shifts to the state before reaching the value Q0 of the time T1 before the start of the spontaneous inspiration, Assuming the degree of asynchrony, the first set time δT new 1 in the improved estimated PAV method according to the present embodiment can be made smaller than the first set time δT org 1 in the conventional PAV method. . As a result, the period of asynchronous breath can be shortened and the load on the patient can be reduced.

また気道圧力Pawを、患者の自発呼吸圧力Pmusを予め定める増幅率である3倍で増幅した波形形状に近づけることができる。具体的には、改良推定型PAV法では、従来型PAV法に比べて患者の自発呼吸圧力Pmusに対して気道圧力Pawの速応性を向上させることができる。また患者が自発吸気を終了した時点T2から、気道圧力Pawが低下を開始する時点までの時間差である第2設定時間δT2を、呼気非同期の度合いとしても、本実施の形態に従った改良推定型PAV法における前記第2設定時間δTnew2は、従来型PAV法における前記第2設定時間δTorg2に比べて小さくすることができる。これによっても呼気非同期の期間を短くすることができ、患者に与える負荷を減らすことができる。 Further, the airway pressure Paw can be approximated to a waveform shape obtained by amplifying the patient's spontaneous breathing pressure Pmus by a predetermined amplification factor of three. Specifically, in the improved estimation type PAV method, the rapid response of the airway pressure Paw to the patient's spontaneous breathing pressure Pmus can be improved as compared with the conventional PAV method. Further, the second set time δT2, which is the time difference from the time T2 when the patient finishes the spontaneous inspiration to the time when the airway pressure Paw starts to decrease, is set as the degree of exhalation asynchronization, and the improved estimation type according to the present embodiment The second set time δT new 2 in the PAV method can be made smaller than the second set time δT org 2 in the conventional PAV method. This also makes it possible to shorten the period of exhaled breath and reduce the load on the patient.

また本実施の形態では、このようにして第1極大点M1および第2極大点M2のいずれかを構成する調整用伝達関数の時定数Tmおよびむだ時間Lmを用いたが、調整用伝達関数のパラメータはこれに限定されない。   In the present embodiment, the time constant Tm and the dead time Lm of the adjustment transfer function that constitutes one of the first maximum point M1 and the second maximum point M2 are used in this way. The parameter is not limited to this.

たとえば上述したように、調整用伝達関数の時定数Tmは、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcよりも大きく(Tm>Tc)としてもよい。また調整用伝達関数のむだ時間Lmは、ガス供給機構の伝達関数に含まれるむだ時間要素を近似したむだ時間Lcとほぼ同じ(Lm≒LcまたはLm=Lc)としてもよい。また上述した決定方法のほか、患者と人工呼吸器とを含む全体の系のパラメータの変動等に応じて、調整用伝達関数の時定数Tmおよびむだ時間Lmを適宜決定してもよい。また調整用伝達関数も、他の形態を用いることが可能である。   For example, as described above, the time constant Tm of the adjustment transfer function may be larger (Tm> Tc) than the time constant Tc that approximates the first-order lag element included in the transfer function of the gas supply mechanism. The dead time Lm of the adjustment transfer function may be substantially the same as the dead time Lc approximating the dead time element included in the transfer function of the gas supply mechanism (Lm≈Lc or Lm = Lc). In addition to the determination method described above, the time constant Tm and the dead time Lm of the adjustment transfer function may be determined as appropriate according to changes in the parameters of the entire system including the patient and the ventilator. Also, other forms of the adjustment transfer function can be used.

図17は、本発明のさらに他の実施の形態の全体の系13を示すブロック線図である。図17に示す全体の系13は、図2に示す全体の系14に対して、推定手段51の構成の一部が異なる以外は、同一の構成を有する。したがって同様の構成については、説明を省略し、図2の全体の系14に対応する符号を付する。   FIG. 17 is a block diagram showing the entire system 13 according to still another embodiment of the present invention. The entire system 13 illustrated in FIG. 17 has the same configuration as the entire system 14 illustrated in FIG. 2 except that a part of the configuration of the estimation unit 51 is different. Therefore, the description of the same configuration is omitted, and the reference numerals corresponding to the entire system 14 in FIG.

推定手段51は、検出遅れ演算器60をさらに有する。検出遅れ演算器60は、流量検出手段50を模擬してモデル化した検出手段モデルを有する。この場合、検出遅れ演算器60は、オブザーバ54から推定流量^Fが与えられると、流量検出手段50の検出遅れに基づいた推定流量^Fを演算し、この演算結果を偏差演算手段52に与える。偏差演算手段52は、検出遅れ演算器60が演算した推定流量^Fから、流量検出手段50によって検出された検出流量を減算して、流量偏差ΔFを演算する。これによって推定手段51は、患者の気道に供給された支援ガスの流量Fを検出してから、流量検出手段50が検出結果を出力するまでの時間特性に基づいて、患者の気道に供給されるべき支援ガスの流量^Fをさらに精度よく演算することができる。したがって非同期状態をさらに確実に防止することができる。   The estimation means 51 further includes a detection delay calculator 60. The detection delay calculator 60 has a detection means model that is modeled by simulating the flow rate detection means 50. In this case, when the estimated flow rate {circumflex over (F)} is given from the observer 54, the detection delay computing unit 60 computes the estimated flow rate {circumflex over (F)} based on the detection delay of the flow rate detection means 50, and gives this computation result to the deviation computation means 52. . The deviation calculator 52 subtracts the detected flow rate detected by the flow rate detector 50 from the estimated flow rate F calculated by the detection delay calculator 60 to calculate a flow rate deviation ΔF. As a result, the estimation means 51 is supplied to the patient's airway based on the time characteristic from when the flow rate F of the support gas supplied to the patient's airway is detected until the flow rate detection means 50 outputs the detection result. The flow rate {circumflex over (F)} of the assist gas to be calculated can be calculated more accurately. Therefore, the asynchronous state can be more reliably prevented.

図18は、本発明のさらに他の実施の形態の全体の系12を示すブロック線図である。図18に示す全体の系12は、図2に示す全体の系14に対して、推定手段51の構成の一部が異なる以外は、同一の構成を有する。したがって同様の構成については、説明を省略し、図2の全体の系14に対応する符号を付する。   FIG. 18 is a block diagram showing the entire system 12 according to still another embodiment of the present invention. The entire system 12 shown in FIG. 18 has the same configuration as the entire system 14 shown in FIG. 2 except that a part of the configuration of the estimation means 51 is different. Therefore, the description of the same configuration is omitted, and the reference numerals corresponding to the entire system 14 in FIG.

遅れ補償部55に代えて、圧力検出手段61を備える。圧力検出手段61は、患者の気道内の圧力である気道圧力Pawを検出する。そして圧力検出手段61は、検出した気道圧力Pawを、予め定める遅れ補償部55に与える。遅れ補償部は、支援圧力Pventの速応性を向上するための調整用伝達関数を有する。遅れ補償部は、気道圧力Pawが入力として与えられると、遅れ補償圧力^Pmを演算し、演算した遅れ補償圧力^Pmをオブザーバ54に与える。ここで遅れ補償圧力^Pmは、上述した記号を用いて、{Gm(s)・e−Lms}/{Gc(s)・e−Lcs}に設定される。このようにしても、上述した効果を達成することができる。 Instead of the delay compensation unit 55, a pressure detection means 61 is provided. The pressure detector 61 detects an airway pressure Paw, which is a pressure in the patient's airway. Then, the pressure detection unit 61 gives the detected airway pressure Paw to the predetermined delay compensation unit 55. The delay compensation unit has an adjustment transfer function for improving the quick response of the support pressure Pvent. When the airway pressure Paw is given as an input, the delay compensation unit calculates the delay compensation pressure ^ Pm and gives the calculated delay compensation pressure ^ Pm to the observer 54. Here, the delay compensation pressure ^ Pm is set to {Gm (s) · e −Lms } / {Gc (s) · e −Lcs } using the above-described symbols. Even if it does in this way, the effect mentioned above can be achieved.

図19は、本発明のさらに他の実施の形態の全体の系10を示すブロック線図である。図19に示す全体の系10は、図2に示す全体の系14に対して、推定手段51に設定される推定気道抵抗^Rおよび推定エラスタンス^Eの設定が異なる以外は、同一の構成を有する。したがって同様の構成については、説明を省略し、図2の全体の系14に対応する符号を付する。   FIG. 19 is a block diagram showing the entire system 10 according to still another embodiment of the present invention. The overall system 10 shown in FIG. 19 is the same as the overall system 14 shown in FIG. 2 except that the estimated airway resistance ^ R and estimated elastance ^ E set in the estimating means 51 are different. Have Therefore, the description of the same configuration is omitted, and the reference numerals corresponding to the entire system 14 in FIG.

図20は、気道抵抗Rを説明するためのグラフである。気道内を流れる支援ガスの流れが層流となる場合には、気道圧力Pawに比例して、その流速が直線的に変化する。しかし実際には、気道は、分岐を繰り返し太さは均一でないので、支援ガスの流れは乱流となる。したがって乱流抵抗を考慮して推定気道抵抗^Rを設定する。   FIG. 20 is a graph for explaining the airway resistance R. When the flow of the assisting gas flowing in the airway becomes a laminar flow, the flow velocity changes linearly in proportion to the airway pressure Paw. However, in reality, the airway repeats branching and the thickness is not uniform, so the flow of the support gas becomes turbulent. Therefore, the estimated airway resistance ^ R is set in consideration of the turbulent resistance.

推定手段51に設定される前記推定気道抵抗^Rは、支援ガスの流量にかかわらず一定に設定される第1抵抗係数^Rと、前記推定流量演算器で演算される支援ガスの流量^Fに依存する第2抵抗係数^Kとを加算した値である。第1抵抗係数^Rおよび第2抵抗係数^Kは、患者の気道抵抗に応じた係数に設定される。また肺のみならず胸郭などを含めた呼吸器官全体の抵抗を、推定気道抵抗^Rとして設定してもよい。他の近似式で表わされる推定気道抵抗^Rによって気道抵抗Rを近似してもよい。 The estimated airway resistance {circumflex over (R)} set in the estimating means 51 includes a first resistance coefficient {circumflex over (R)} T set constant regardless of the flow rate of the support gas, and a flow rate of the support gas calculated by the estimated flow rate calculator. This is a value obtained by adding the second resistance coefficient ^ K T depending on F. The first resistance coefficient {circumflex over (R) } and the second resistance coefficient {circumflex over (K)} T are set to coefficients corresponding to the airway resistance of the patient. Further, the resistance of the entire respiratory organ including not only the lung but also the thorax may be set as the estimated airway resistance ^ R. The airway resistance R may be approximated by an estimated airway resistance ^ R expressed by another approximate expression.

図21は、肺のコンプライアンスを説明するためのグラフである。推定手段51に設定される推定エラスタンス^Eは、前記支援ガス体積演算器で演算される支援ガス体積^Vに基づく値であり、肺のコンプライアンスCの逆数となる。コンプライアンスCは、患者の吸気期間中においては、支援ガスの体積Vの増加とともに非線形的に増加し、飽和特性とヒステリシス特性とを有する。   FIG. 21 is a graph for explaining lung compliance. The estimated elastance ^ E set in the estimating means 51 is a value based on the assist gas volume ^ V calculated by the assist gas volume calculator and is the reciprocal of the lung compliance C. The compliance C increases nonlinearly with the increase in the volume V of the assist gas during the patient's inspiration period, and has a saturation characteristic and a hysteresis characteristic.

肺胞圧力演算器59が、予めコンプライアンスCと支援ガスの体積との関係を示す情報を予め取得することによって、コンプライアンスが非線形である場合を考慮したであっても、正確に肺胞圧力Palvを演算することができる。   The alveolar pressure calculator 59 obtains in advance information indicating the relationship between the compliance C and the volume of the support gas, so that the alveolar pressure Palv can be accurately calculated even when the case where the compliance is nonlinear is taken into consideration. It can be calculated.

このようにより非線形となる呼吸器管のモデルをオブザーバが有することによって、より精度よく推定流量^Fを推定することができる。これによって自発呼吸圧力Pmusを精度よく推定することができるとともに、推定した自発呼吸圧力Pmusに応じて、支援圧力Pventを決定することができる。   Thus, since the observer has a non-linear respiratory tube model, the estimated flow rate {circumflex over (F)} can be estimated more accurately. As a result, the spontaneous breathing pressure Pmus can be accurately estimated, and the support pressure Pvent can be determined according to the estimated spontaneous breathing pressure Pmus.

また推定気道抵抗Rおよび推定エラスタンスEは、医師が適切に設定してもよいが、予め計測器器によって測定した気道抵抗RおよびエラスタンスEを用いてもよい。また特許文献2に開示される推定方法によって求められる気道抵抗^Rおよびエラスタンス^Eを用いてもよい。   The estimated airway resistance R and estimated elastance E may be appropriately set by a doctor, but the airway resistance R and elastance E measured in advance by a measuring instrument may be used. Further, airway resistance ^ R and elastance ^ E obtained by the estimation method disclosed in Patent Document 2 may be used.

人工呼吸器17と患者18とを示すブロック図である。2 is a block diagram showing a ventilator 17 and a patient 18. FIG. 本発明の実施の一形態の全体の系14を具体的に示すブロック線図である。It is a block diagram which shows concretely the whole system | strain 14 of one Embodiment of this invention. 本発明の全体の系14における自発呼吸時の換気量Vmusとアシスト呼吸時の理想的な換気量Vastとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the ventilation volume Vmus at the time of spontaneous respiration in the whole system 14 of this invention, and the ideal ventilation volume Vast at the time of assist breathing. 改良推定型PAV法を用いた場合の全体の系14を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the whole system 14 at the time of using the improved estimation type PAV method. 推定型PAV法を用いた場合の全体の系14を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the whole system | strain 14 at the time of using an estimation type PAV method. 従来型PAV法を用いた場合の全体の系14を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the whole system | strain 14 at the time of using the conventional PAV method. 改良推定型PAV法を用いた実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result using improved estimation type PAV method. 推定型PAV法を用いた実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result using a presumed PAV method. 従来型PAV法を用いた実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result using the conventional PAV method. 改良推定型PAV法と、従来型PAV法との支援圧力Pvent応答波形を比較した実験結果である。It is the experimental result which compared the support pressure Pvent response waveform of the improved estimation type PAV method and the conventional type PAV method. 改良推定型PAV法と、従来型PAV法との流量F応答波形を比較した実験結果である。It is the experimental result which compared the flow volume F response waveform of the improved estimation type PAV method and the conventional type PAV method. 改良推定型PAV法において、自発呼吸圧力Pmusに対する増幅率、調整用伝達関数の時定数Tmを変化させた場合の支援圧力Pventの応答を示すシミュレーション結果である。It is a simulation result which shows the response of the support pressure Pvent when the amplification factor with respect to the spontaneous-respiration pressure Pmus and the time constant Tm of the transfer function for adjustment are changed in the improved estimation type PAV method. 人工呼吸器17の一例を示すブロック図である。2 is a block diagram showing an example of a ventilator 17. FIG. 制御装置本体33の動作を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing the operation of the control device main body 33. 一次遅れ要素の時定数Tmとむだ時間要素のむだ時間Lmとを変化させた場合における、ロバスト安定性と速応性との評価値Fの変化の概念を示すグラフである。It is a graph which shows the concept of the change of the evaluation value F of robust stability and quick response in the case of changing the time constant Tm of the primary delay element and the dead time Lm of the dead time element. 第2極大点M2を構成する時定数Tmとむだ時間Lmとを用いて、支援圧力Pawと換気流量Qiとを示すグラフである。It is a graph which shows assist pressure Paw and ventilation flow Qi using time constant Tm and dead time Lm which constitute the 2nd maximum point M2. 本発明のさらに他の実施の形態の全体の系13を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the whole system | strain 13 of further another embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施の形態の全体の系12を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the whole system | strain 12 of further another embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施の形態の全体の系10を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the whole system | strain 10 of further another embodiment of this invention. 気道抵抗Rを説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating airway resistance R. FIG.

肺のコンプライアンスを説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the compliance of a lung. 従来技術の人工呼吸器1と患者2とを含む全体の系5を示すブロック線図である。1 is a block diagram showing an entire system 5 including a prior art ventilator 1 and a patient 2. FIG. 従来技術の全体の系5における自発呼吸時の換気量Vmusとアシスト呼吸時の理想的な換気量Vastとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the ventilation volume Vmus at the time of spontaneous respiration in the whole system 5 of a prior art, and the ideal ventilation volume Vast at the time of assist breathing.

符号の説明Explanation of symbols

14 全体の系
17 人工呼吸器
20 ガス供給機構
21 制御装置
50 流量検出手段
51 流量推定手段
52 偏差演算手段
53 制御量演算手段
54 オブザーバ
Pmus 自発呼吸圧力
Pin 目標圧力
Pvent 支援圧力
F 実際の支援ガスの流量
^F 推定される支援ガスの流量
ΔF 流量偏差
14 Overall system 17 Ventilator 20 Gas supply mechanism 21 Control device 50 Flow rate detection means 51 Flow rate estimation means 52 Deviation calculation means 53 Control amount calculation means 54 Observer Pmus Spontaneous respiration pressure Pin Target pressure Pvent Support pressure F Actual support gas Flow rate ^ F Estimated support gas flow rate ΔF Flow rate deviation

Claims (4)

目標圧力Pinを表わす信号に応答して、酸素を含む支援ガスを支援圧力Pventで、吸気管路を介して患者の気道に供給する人工呼吸器用のガス供給機構を制御する制御装置において、In a control device for controlling a gas supply mechanism for a ventilator that supplies a support gas containing oxygen at a support pressure Pvent to an airway of a patient via an inspiratory line in response to a signal representing a target pressure Pin.
吸気管路を流れる支援ガスの流量Fを検出する流量検出手段と、A flow rate detecting means for detecting a flow rate F of the support gas flowing through the intake pipe;
目標圧力Pinを入力として、予め定める調整用伝達関数に従った出力を遅れ補償圧力^Pmとして演算する遅れ補償手段と、A delay compensation means for calculating the output according to a predetermined adjustment transfer function as a delay compensation pressure ^ Pm with the target pressure Pin as an input;
遅れ補償手段によって演算された遅れ補償圧力^Pmに応答して、患者の呼吸器官をモデル化した呼吸器官モデルを用いて、遅れ補償圧力^Pmの支援ガスが吸気管路を流れるであろう支援ガスの流量を推定流量^Fとして演算する流量推定手段と、In response to the delay compensation pressure ^ Pm calculated by the delay compensation means, using the respiratory organ model that models the patient's respiratory organ, the assistance gas with the delay compensation pressure ^ Pm will flow through the inspiratory line A flow rate estimating means for calculating a gas flow rate as an estimated flow rate ^ F;
前記流量検出手段によって検出された流量Fと、前記流量推定手段によって演算された推定流量^Fとの流量偏差ΔFを演算する偏差演算手段と、Deviation calculating means for calculating a flow deviation ΔF between the flow rate F detected by the flow rate detecting means and the estimated flow rate ^ F calculated by the flow rate estimating means;
前記偏差演算手段によって演算された流量偏差ΔFに応答して、目標圧力Pinを演算し、その目標圧力Pinを表わす信号を、前記ガス供給機構と遅れ補償手段とに与える制御量演算手段とを含み、A control amount calculating means for calculating a target pressure Pin in response to the flow rate deviation ΔF calculated by the deviation calculating means and providing a signal representing the target pressure Pin to the gas supply mechanism and the delay compensating means. ,
前記調整用伝達関数は、一次遅れ要素を含んで構成されるとともに、むだ時間要素を含んで構成され、そのむだ時間要素におけるむだ時間Lmがゼロとして設定され、The adjustment transfer function includes a first-order lag element and includes a time delay element, and a time delay Lm in the time delay element is set as zero.
前記調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmは、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcよりも大きい値が採用されることを特徴とするガス供給機構の制御装置。The time constant Tm of the first-order lag element of the adjustment transfer function is larger than the time constant Tc approximating the first-order lag element included in the transfer function of the gas supply mechanism. Control device.
前記調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmは、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcと、ガス供給機構の伝達関数に含まれるむだ時間要素を近似したむだ時間Lcとを加算した値(Tc+Lc)よりも小さく設定されることを特徴とする請求項1記載のガス供給機構の制御装置。The time constant Tm of the first-order lag element of the adjustment transfer function approximates the time constant Tc that approximates the first-order lag element included in the transfer function of the gas supply mechanism and the time delay element included in the transfer function of the gas supply mechanism. 2. The control device for a gas supply mechanism according to claim 1, wherein the control device is set to be smaller than a value (Tc + Lc) obtained by adding the dead time Lc. 前記調整用伝達関数の一次遅れ要素の時定数Tmは、自発呼吸圧力Pmusを比例増幅する増幅率に応じて、上限値が設定されることを特徴とする請求項1または2記載のガス供給機構の制御装置。3. The gas supply mechanism according to claim 1, wherein the time constant Tm of the first-order lag element of the adjustment transfer function is set to an upper limit according to an amplification factor for proportionally amplifying the spontaneous breathing pressure Pmus. Control device. 目標圧力Pinを表わす信号に応答して、酸素を含む支援ガスを支援圧力Pventで、吸気管路に供給する人工呼吸器用のガス供給機構を、演算処理回路とインターフェースとを含む制御装置を用いて制御する制御方法であって、In response to a signal representing the target pressure Pin, a gas supply mechanism for a ventilator that supplies a support gas containing oxygen at the support pressure Pvent to the inspiratory line using a control device including an arithmetic processing circuit and an interface A control method for controlling,
演算処理回路によって、目標圧力Pinを入力として、遅れを補償するための予め定める調整用伝達関数に従った出力を遅れ補償圧力^Pmとして演算する遅れ補償圧力演算工程と、A delay compensation pressure calculation step of calculating, as a delay compensation pressure ^ Pm, an output in accordance with a predetermined adjustment transfer function for compensating for the delay, with the target pressure Pin as an input by an arithmetic processing circuit;
演算処理回路によって、遅れ補償圧力演算工程によって、演算した遅れ補償圧力^Pmに応答して、患者の呼吸器官をモデル化した呼吸器官モデルを用いて、遅れ補償圧力^Pmの支援ガスが吸気管路を流れるであろう支援ガスの流量を推定流量^Fとして演算する流量推定工程と、In response to the delay compensation pressure ^ Pm calculated by the delay compensation pressure calculation step by the arithmetic processing circuit, the support gas of the delay compensation pressure ^ Pm is supplied to the intake pipe using a respiratory organ model that models the respiratory organ of the patient. A flow rate estimating step for calculating the flow rate of the support gas that will flow through the road as an estimated flow rate ^ F;
演算処理回路によって、流量検出手段によって検出された吸気管路を流れる支援ガスの流量Fと、前記流量推定工程によって演算された支援ガスの推定流量^Fとの流量偏差ΔFを演算する偏差演算工程と、A deviation calculating step of calculating a flow rate deviation ΔF between the flow rate F of the assisting gas flowing through the intake pipe detected by the flow rate detecting means and the estimated flow rate of assisting gas ^ F calculated by the flow rate estimating step. When,
演算処理回路によって、前記偏差演算工程によって演算された流量偏差ΔFに応答して、目標圧力Pinを演算するとともに、その目標圧力Pinを表わす信号をインターフェースを介して、前記ガス供給機構に与える制御量演算工程とを含み、The control processing circuit calculates a target pressure Pin in response to the flow rate deviation ΔF calculated by the deviation calculating step, and gives a control amount for giving a signal representing the target pressure Pin to the gas supply mechanism via the interface. Calculation process,
前記遅れ補償圧力演算工程で用いられる調整用伝達関数は、一次遅れ要素を含んで構成されるとともに、むだ時間要素を含んで構成され、その一次遅れ要素における時定数Tmは、ガス供給機構の伝達関数に含まれる一次遅れ要素を近似した時定数Tcよりも大きい値が採用され、そのむだ時間要素におけるむだ時間Lmがゼロとして設定されることを特徴とする制御装置を用いたガス供給機構の制御方法。The adjustment transfer function used in the delay compensation pressure calculation step includes a first-order lag element and also includes a dead time element, and the time constant Tm in the first-order lag element is determined by the transmission of the gas supply mechanism. Control of the gas supply mechanism using the control device, wherein a value larger than the time constant Tc approximating the first-order lag element included in the function is adopted, and the dead time Lm in the dead time element is set as zero Method.
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