JP4217345B2 - 人工呼吸器の呼気バルブの制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１のインターバルに対して呼気バルブが実質的に全開される方法ステップを含む、呼気中の人工呼吸器の呼気バルブの制御のための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常の呼吸管理においては、来るべき上昇終末呼気陽圧（ＰＥＥＰ）に対処すべく患者にできる限り普通の呼気ができるようにしている。チューブ（詳細には気管内チューブ）とデバイス（例えば脱湿器、細菌フィルタ、人工呼吸器の呼気バルブなど）が呼気ガスの流れの経路において呼気作用に対する抵抗を来す。患者にとってこの不自然な抵抗を克服することが強いられるが、これは患者を疲労させるものである。
【０００３】
そのような抵抗を低減するための１つの方法として、特定の時間周期毎に呼気バルブを最大まで開放することが挙げられる。ＤＤ ２９３ ２６８ 明細書にはそのような人工呼吸器の制御方法の１つが開示されている。ここでは、呼気バルブが２つだけのポジション、すなわち全開/全閉ポジションを伴ったオンオフバルブからなっている。
【０００４】
公知の呼気バルブの制御は、呼気作用のワンセットにおいて呼気バルブの開放を生じさせる。その際には特定の時間周期毎に開放ないし閉鎖状態が維持される。バルブ側（患者側の）の圧力（終末圧）は、患者の肺圧に相応する。次に続く呼吸周期に対してバルブが開放維持される時間周期は、所定の終末呼気圧（目下の値）とＰＥＥＰに対するプリセット値（基準値）の間の差分に従って設定される。バルブを開き続きける時間は、測定された値が基準値を上回る場合には増加される。測定された値が基準値を下回る場合にはバルブを開き続ける時間は減少する。このようにして基準値方向への移行状態が得られる。
【０００５】
このような公知の制御システムの欠点は、患者が次のようなリスクにさらされることである。すなわち初期治療位相の間に終末呼気圧がＰＥＥＰよりも低くなるリスクにさらされることである（ＰＥＥＰのメンテナンスが肺胞気の急激な低下防止の上で重要な場合）。
【０００６】
その他の、公知制御システムにおける欠点は、患者が少なくとも治療の調整フェーズの間終末呼気圧の変化にさらされることである。なぜならターゲットＰＥＥＰよりも大きな終末呼気圧が生じる可能性があるからである。
【０００７】
公知制御システムの付加的な欠点は、患者の肺と管系が静的なシステムからなっていないことである。患者の物理的な位置における幾つかの変化は、肺/気管系のガス交換機構に対するパラメータに、制御システムでは補償できないような変化を生じさせる。最悪のシナリオの場合には、これが終末呼気において基準値よりも大幅に低い（または高い）結果に陥る。
【０００８】
さらに別の欠点は、バイアス流が使用できない事実である。なぜなら公知のバルブはオンオフバルブだからである。バイアス流は患者にとって流れのきっかけを作る可能性としての利点を有する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭にのべたような形式の人工呼吸器の呼気バルブの制御方法において、前述したような公知システムの欠点に鑑みこれを解消すべき改善を行うことである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、第２のインターバル中に、
人工呼吸器の呼気セクションにおける圧力を測定し、
所定の終末呼気圧が呼気セクションにおいて達成されるように呼気バルブを制御し、
呼気バルブの制御に直接または間接的に関係している少なくとも１つのパラメータを検出し、
前記パラメータから、次の呼気に対する次の第１のインターバルの持続時間が最初のインターバルの持続時間よりも長くすべきか、短くすべきか、あるいは同じであるべきかどうかを決定するようにして解決される。
【００１１】
本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載されている。
【００１２】
調整式呼気バルブの使用によってバルブは、第１のインターバルの期間中、全開のまま維持することができ、さらに呼気作用が大幅に落ち込んでいる場合には、第２のインターバル期間中に基準値（ＰＥＥＰ）方向に調整される。呼気バルブの制御に何らかの形で係わるパラメータが検出され、次の呼気作用に対する第１のインターバルの際に使用される。呼気バルブを通る流量は、そのようなパラメータのうちの１つである。特定の終末呼気圧（ＰＥＥＰ）を達成するために呼気バルブに要求される調整力や調整電流も当てはまる。圧力もそのようなパラメータの１つである。
【００１３】
ここにおいて強調しておきたいことは、オンオフバルブとは異なって、本発明におけるバルブで用いられる全開状態の真の意味は、ＰＥＥＰ制御の時のバルブに起因するガス流抵抗を避けるのに対して十分に開いている状態ということである。この場合バルブに本当の意味での全開が求められるかあるいは所定の度合い（例えば５０％、７０％など）での開度が求められるかは、（本発明に係わる）制御作用以上にバルブの物理的特性（領域通過流量など）に依存している。
【００１４】
不安定なシステムの増長を防ぐために、公知のインテグレーションタイプの制御手法では、複数の呼吸周期に亘って使用が可能である。特定の数の先行する呼気作用は、次の第１のインターバルを延長するか短縮するかの判断に対して基準として役立つ。
【００１５】
第２のインターバルの開始時点において第１のインターバルが長すぎ終末呼気圧も低すぎる場合には、正しい終末呼気圧が呼吸ガスの既存のバイアス流の結果として呼気中に達成し得る。そのようなバイアス流は、周知であり例えば“Siemens-Elema AB,Sweden”社のサーボベンチレータ３００における通流トリガリング機能のために用いられている。バイアス流が何も使用されないかまたは所期の終末呼気圧生成のために不十分である場合には、呼吸ガスの補充流が供給されてもよい。
【００１６】
第１のインターバルの持続時間は有利には、例えば０.５秒まで増やしてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。
【００１８】
図１には呼吸補助を行うための患者４に接続された人工呼吸器２が示されている。呼吸ガスは吸気作用中は吸気ライン６によって患者４に供給され、呼気作用中は呼気ライン８を介して人工呼吸器２に戻される。
【００１９】
呼吸ガスは、第１のガス接続部１０Ａと第２のガス接続部１０Ｂを通って人工呼吸器２に供給されたガスから混合されたものである。混合ユニット１２は、各ガスを圧力と流量に関して調整し、最終的な混合呼吸ガスは医者によって設定された圧力と流量を有する。混合ユニット１２（これはバルブを含む）は、人工呼吸器２の制御ユニット１４によって制御される。混合ユニット１２は、呼気作用中に吸気ガス流に加えて呼吸ガスの絶え間ないバイアス流を供給するために調整される。
【００２０】
吐き出された呼吸ガスは、呼気バルブ２０を通って大気中に放出される前に、流量センサ１６と圧力センサ１８を通って人工呼吸器２の呼気セクションへ通流される。測定信号は、呼気バルブ２０を制御する制御ユニット１４に送信される。
【００２１】
制御ユニット１４は、呼気抵抗を最小化するために呼気バルブ２０を次のように制御する。すなわち呼気バルブ２０が呼気作用中の第１のインターバルに対して十分に開くように制御する。その後第２のインターバルが開始され、その間呼気バルブ２０が制御されてシステムは最終呼気時点で、プリセットされた最終呼気圧（ＰＥＥＰ）に達する。この最終呼気圧は大気に対して超過した圧力であり、０cmH₂O から変化し得る。
【００２２】
第２のインターバルへの遷移中または第２のインターバルの間、呼気バルブ２０の制御に直接もしくは間接的に係わるパラメータが検出される。これらは圧力センサ１８によって測定された圧力やフローセンサ１６によって測定された流量などである。その他のパラメータとしては、呼気バルブ２０への調整力ないしは呼気バルブ２０への調整電流などである。この調整電流は呼気バルブ２０に対してのみ適用でき調整力との間で比較的簡素な相関性を示す。
【００２３】
制御ユニット１４は、次の呼気作用において呼気バルブ２０を全開状態にする時間周期の長さをより短くするかより長くするかまたは同じ長さにするべきかを検出するために確立されたパラメータを利用する。この検出は１つまたは複数の呼吸周期からなっていてもよい。複数の呼吸周期（これは総合制御モードと組み合わされる）はシステムを安定させ保護する。
【００２４】
図２、図３、図４には、次の呼気作用に対する第１のインターバルを検出するのに用いることのできる３つの異なるパラメータがダイヤグラムで示されている。
【００２５】
図２には流量が呼気中の時間の関数で示されている。この流量は、ここでは負の特性で示されている。なぜなら学術的には通常患者に対する流量は正の特性で表されるからである。第１の特性曲線２２と、第２の特性曲線２４と、第３の特性曲線２６は、本発明による方法に関係する呼気作用中に生じ得る３つの流量シーケンスを示している。垂直ライン２８は第１のインターバルｔ１の終了と第２のインターバルｔ２のスタートを表している。前記第１のインターバルｔ１の間は呼気バルブが十分に開放され、第２のインターバルｔ２の間は呼気バルブが、プリセットされた終末呼気圧に達するように制御される。しかしながら第２のインターバルｔ２の間は主に、プリセットされた呼気期間と期間ｔ１との間の差分によって制御される。全て正常のコンディションでは、これが正確な終末呼気圧達成のための十分な時間を残す。第２のインターバルｔ２の期間は、システムが特定の状況において正確な終末呼気圧を達成するのに要する時間によって調整される。水平ライン３０は、呼気作用中にいつも現われるバイアス流のレベルを表している（これは均等に０、つまり流れが無くてもよい）。
【００２６】
第１の特性曲線２２は、第１のインターバルｔ１が過度に長い状況を表している。つまり呼気バルブが過度に長く開いたままである。第１のインターバルｔ１の終了時（垂直ライン２８）の流量は、バイアス流３０のレベル以下に低下している。圧力は、プリセットされた終末呼気圧よりも少ない。このような状況では、呼気バルブが全閉され、バイアス流は圧力を、プリセットされた終末呼気圧の方向に上昇せしめる。バルブが全閉していない場合には、圧力上昇のために比較的長い時間が要される。
【００２７】
本発明の方法によれば、次の呼気作用における次の第１のインターバルがより短くされるべきことが検出されると、制御の点でこれは特別なステップにおける低減（例えば第１のインターバルｔ１が持つべき持続時間に対する低減（第１の特性曲線２２とバイアス流３０の交点に対する引き上げ）、複数の先行呼吸周期の平均持続時間に対する低減）によって達成されてもよい。この場合は公知の従来方式の制御手法がここで用いられてもよい。
【００２８】
第１のインターバルｔ１のいくつかの部分において、プリセットされた終末呼気圧以下への大幅な低下から圧力を維持するために、所定のセーフティ機能を制御システムに組込むことも可能である。
【００２９】
そのようなセーフティー機能の１つとして、第１のインターバルｔ１の最長持続時間の制限が挙げられる（例えば最大でも０.５秒までに）。それにより呼吸ガスの余分な量が、患者外部へ流出するための時間を与えない。
【００３０】
その他のセーフティー機能は、全呼気作用中の流量の測定と、流量がバイアス流３０のレベルよりも落ちた場合の第１のインターバルｔ１の早期終了である。セーフティマージンを取り入れることも可能である。例えば第１のインターバルｔ１を測定流量が所定レベルに落ち込んだときに終了させたり、バイアス流３０のレベルを２０％超えた場合に終了させることもできる。
【００３１】
２つのセーフティ機能を組み合わせることも全く可能である。
【００３２】
第２の特性曲線２４は、第１のインターバルｔ１が正確な持続時間に制御されている状況を表したものである。基本的に流量は、第１のインターバルｔ１が経過したのと同じ時間でバイアス流３０のレベルに達する。呼気バルブは主にバイアス流のみで制御され、終末呼気圧（患者の肺圧）は基本的に先に設定された終末呼気圧からなる。これは制御手法が達成しようとしている状況であり、これは比較的安定した呼吸周期のなかで高い精度を保つ。
【００３３】
最後に、第３の特性曲線２６は、第１のインターバルｔ１が過度に短い場合の状況を表している。この第３の特性曲線の流量はまだバイアス流３０のレベルに低下してなく、また患者の肺圧は、プリセットされた終末呼気圧よりも高い。呼気バルブは、より多くの呼吸ガスの放出のために、バイアス流３０の制御に求められるのよりも長く開かれ続けられる。それにより、プリセットされた終末呼気圧の維持が可能である。
【００３４】
前述したような相応の手段において、次の呼気作用に対する次の第１のインターバルは延長される。この延長の程度は、通常の自動制御理論に従ってプリセットされるかまたは１つないし複数の呼吸周期から計算されてもよい。
【００３５】
不必要な高まりから呼気抵抗を維持するために、複数の付加的な機能を取り入れてもよい（すなわち呼気バルブの制御が過度に早くスタートする）。そのような機能の１つは、第１のインターバルｔ１が経過する時間の延長（または必要に応じて短縮）の制御の無効化を実行することである。この制御は測定された流量に基づいていてもよい。例えば、第１のインターバルｔ１の終端における流量がバイアス流の２００％を越えた場合には、この第１のインターバルｔ１が、プリセットされた増加によって延長される。
【００３６】
第１のインターバルｔ１を処理するために選択的に、呼気バルブは、第２のインターバルｔ２に対する残りの全開のために制御されてもよい。それによりできるだけ長く流量が十分なレベルでバイアス流３０を越えるようになる。
【００３７】
流量は、第１のインターバルｔ１が長すぎるのか短すぎるのかあるいはちょうどよいのかを表すだけのパラメータではない。圧力は、呼気バルブスタートの制御直後に測定されてもよい。その値は第１のインターバルｔ１における変更の必要性の有無を表示する。所期の終末呼気圧への制御は、測定圧力を用いて行われる。第１のインターバルｔ１における流量は、測定可能であり、前述した補足的機能のために用いることができる。
【００３８】
付加的なパラメータは図３のダイヤグラムに示されている。この場合第１の特性曲線３２と、第２の特性曲線３４と、第３の特性曲線３６が、第２のインターバルｔ２への制御の遷移における呼気バルブに対し求められる調整力に対する３つの典型的な状況を表している。水平ライン３８は、呼気バルブを通過する呼吸ガスのバイアス流を維持するのに求められる調整力を表している。垂直ライン４０は、第１のインターバルｔ１と第２のインターバルｔ２の間の遷移部分を表している。
【００３９】
第１の特性曲線３２は、第１のインターバルが過度に短い場合の状況を表している。呼気バルブによって求められる調整力における緩慢な変化は、プリセットされた終末呼気圧を越える圧力と、システムからの放出に必要な所定量の呼吸ガスを表している。
【００４０】
第２の特性曲線３４は、第１のインターバルが過度に長い場合の状況を表している。調整力は比較的急峻に但し行き過ぎることなく増加する。
【００４１】
第３の特性曲線は、第１のインターバルが過度に長かった場合の状況を表している。要求された調整力における大幅な行き過ぎは、圧力が、プリセットされた終末呼気圧以下に低下していることと、バイアス流によって形成される圧力が必要なことを示している。
【００４２】
次の呼気作用に対する次の第１のインターバルの検出は、図２の説明において前述した特徴と同じように行ってもよい。ここでは流量に基づくセーフティ機能の導入が可能である。
【００４３】
図４のダイヤグラムは別のパラメータ、すなわち所要電流である。前述した実施例とは異なって、この実施例では、例えばトラクションマグネットなどを用いた電気的に作動される呼気バルブの使用が要求される。所要の電流は、図３に示されている所要調整力とほぼ比例している。それ故に図３の特性曲線３２，３４，３６は、種々の状況における電流に相応しているともいえる。信号処理は、次のようにして行ってもよい。すなわち種々の状況の発生が、例えば所要電流から引き出される兆候の最初の変化における信号レベルと、ｔ２の時間経過において要求される電流レベルとの比較によって明らかにするようにして行ってもよい。
【００４４】
図４にはさらに、形態的に算出される選択的な特性曲線、すなわち第４の特性曲線４２と第５の特性曲線４４が示されている。これらは第１の呼気インターバルｔ１がそれぞれ過度に短い場合と過度に長い場合に相応する。これらの形態的特性曲線は、主に早い呼吸レートのもとで検出される。第１の垂直ライン４６は、第１のインターバルｔ１から第２のインターバルｔ２への遷移を表している。第２の垂直ライン４８は、第２のインターバルの終端を表している。
【００４５】
第４の特性曲線４２は、第１のインターバルｔ１が過度に短い場合の状況を表している。この特性曲線の形態が図３による何らかの特性曲線の記録なしで記録され、第１のインターバルｔ１の持続時間が最大許容持続時間よりも短いならば、この持続時間は増加し得る。第４の特性曲線４２の最終的な派生結果は増加の検出に用いることができる。選択的に、測定された圧力と終末呼気圧の間の変化も検出可能であり、増加の検出に用いることもできる。
【００４６】
同じ様に、第５の特性曲線４４は第１のインターバルｔ１が過度に長い場合の状況を表している。ここでも最終的な派生結果と第１インターバルｔ１に対する最大許容持続時間が減少の検出に用いることができる。選択的に、測定された圧力と終末呼気圧の間の変化も検出可能であり、減少の検出に用いることもできる。
【００４７】
電流がパラメータとして用いられる状況においても、前記セーフティ機能と制御機能は第１のインターバルと第２のインターバルの両方において用いることができる。例えば複数の基準とパラメータが次の第１のインターバルの持続時間検出において共に検討される、種々の実施例の組合わせも可能である。
【００４８】
パラメータは、制御システムにおける他の信号からなっていてもよい（例えばそれらが調整力や電流に反映される限り）。制御信号に反映される所要電流は、所要電流自体によって考えられるパラメータの１つである。
【００４９】
図１に示されている人工呼吸器は本発明による方法が適用できる人工呼吸器の１つのタイプ例である。しかしながら“人工呼吸器”としては、呼吸ガスを供給するその他のデバイス、例えばレスピレータ、麻酔器も当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法を実行することの可能な人工呼吸器の概略図である。
【図２】本発明による方法におけるパラメータとしての流量の使用を表すダイヤグラムである。
【図３】本発明による方法のパラメータとしての調整力の使用を表したダイヤグラムである。
【図４】本発明による方法のパラメータとしての調整電流の使用を表したダイヤグラムである。
【符号の説明】
２ 人工呼吸器
４ 患者
６ 吸気ライン
８ 呼気ライン
１２ 混合ユニット
１４ 制御ユニット
１６ 流量センサ
１８ 圧力センサ
２０ 呼吸バルブ

Claims (6)

1. 第１のインターバル（ｔ１）に対して呼気バルブが実質的に全開される方法ステップを含む、呼気（Ｅ）中の人工呼吸器の呼気バルブの制御のための方法において、
   第２のインターバル（ｔ２）中に、
   圧力センサ（１８）が、人工呼吸器の呼気セクションにおける圧力を測定し、
   制御ユニット（１４）が、所定の終末呼気圧（ＰＥＥＰ）が呼気セクションにおいて達成されるように呼気バルブを制御し、
   流量センサ（１６）が、呼気バルブを通る流量を少なくとも１つのパラメータとして検出し、
   前記パラメータから、制御ユニット（１４）が、次の呼気（Ｅ′）に対する次の第１のインターバル（ｔ１′）の持続時間が最初のインターバル（ｔ１）の持続時間よりも長くすべきか、短くすべきか、あるいは同じであるべきかどうかを決定するようにしたことを特徴とする方法。
2. 人工呼吸器（２）の呼気セクション内の圧力がパラメータの１つとして測定される、請求項１記載の方法。
3. 前記パラメータは、第２のインターバル（ｔ２）のワンセットにおいて測定された圧力からなる、請求項２記載の方法。
4. 次の第１のインターバル（ｔ１′）における何らかの変化が、先行する複数の第１のインターバルと、先行する複数の呼気に対する複数の先行パラメータ値とから検出可能である、請求項１〜３いずれか１項記載の方法。
5. 第１のインターバル（ｔ１）の持続時間は０.５秒に制限される、請求項１〜４いずれか１項記載の方法。
6. 呼気バルブは、呼気中の所定のバイアス流の開放のために制御される、請求項１〜５いずれか１項記載の方法。

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