JP4316138B2 - ピストン換気装置酸素混合 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、閉ループ圧力サポート換気システムを通じ、使用者に対して一定で正確な補給酸素の供給ができるピストン式換気装置における酸素混合方法及び装置に関する。特に、呼吸に不自由する患者の換気のために使用され、患者回路及びピストンシリンダへ供給される酸素の量を調節して、患者によって吸気される回路内の空気にわたって十分な酸素含有量を与えるピストン換気装置に関する。
【０００２】
２．従来技術の説明
換気（ventilation）システムは、呼吸を補助するため、大気圧よりも高い圧力で空気を供給するように設計され、吸気ガスを濃厚化（enritch）するために空気と混合される補給酸素を与えるシステムを含み得る。このようなシステムは、典型的に、慢性の呼吸疾患をもつ患者に用いられ、この酸素濃厚化空気は、呼吸ごとに制御して、補給酸素と、ボトル入り空気又は大気圧空気と混合して与えられる。
【０００３】
所定の割合で、換気システムで酸素と空気又は他のガスとを混合するための他のシステムは、それぞれ第1及び第２の圧力までの圧力容器内への別々のインレットを使用する（米国特許第４０２２２３４号及び第５０２３５８７号）。このシステムは、引込みと混合のサイクルを交互に行う。吸気サーボユニットによる患者に対する呼吸ガスの流量及び圧力のフィードバック制御が米国特許第３７４１２０８号に記載される。米国特許第５３８３４４９号は、汚染容器におけるモル比及び圧力を計算することによって、及び所望の圧力値に酸素及び他のガスを続けて注入することによって、呼吸可能ガスにおける酸素濃度を制御する。これらはバッチ混合換気装置と呼ばれ、患者換気として代表的な一つのシステムである。
【０００４】
このようなシステムは、病院や他の療養施設で非常に有用なものであるが、加圧空気への接続を要しない、より小型のデバイスが自宅療養に、より適しているときがある。ピストン・ベローズ型の換気装置は、患者により行われる呼吸同さ開始に応答して所望の圧力で所定の体積の呼吸ガスを送ることができる。ピストン式換気装置は、典型的に、ベローズ式換気装置よりも小型に作ることができるが、ピストン換気装置は、典型的に、加圧した空気と酸素とを高圧混合器で混合する。この混合気は、次に、混合気の圧力を低下させるバルブを通じてピストンにより押出される。このようなシステムでは、典型的に、室内の空気と加圧した酸素との使用が許されず、一つの呼吸可能ガス成分の高圧混合器への導入を制御する高圧ガス圧力供給バルブの故障による圧力過剰のリスクがある。
【０００５】
換気装置で酸素を混合するための他のシステムが、国際公開番号ＷＯ９６／２４４０２（１９９６年８月１５日公開）に示される。このシステムは、酸素及び空気のようなガスを周囲の大気圧に近似する圧力で混合することのために設計される。混合装置は、ポンプチャンバ内に配置したピストンを含む。流量制限インレットが、空気との混合に用いられる酸素の導入を制御し、酸素の圧力は、受け入れることのできる最大の圧力に制限され、酸素バルブが故障したとしても、呼吸可能ガスが過剰の圧力で与えられることはない。変形的に、混合前に供給される酸素の圧力を減少させるためのデマンドバルブが設けられ、このデマンドバルブの下流に圧力センサが設けられる。この圧力センサは、デマンドバルブの故障を感知し、圧力過剰を防止するために酸素の供給を遮断する。
【０００６】
しかし、酸素をガス又は空気と混合でき、患者の吸気及び呼気プロフィールに極近似したサイクルでピストンによって患者へ空気を与えることができる、酸素ピストン換気装置を提供することが望まれる。換気の流れを発生させるためにシリンダ内で一定のレートでピストンを移動させることの不利点は、この流れがガス密度及び海抜高度の変化に影響されることであり、気圧計をモニターする必要があり、またピストン移動レートを制御するための入力を必要とする。引き続き、患者によって呼吸されるガスの流量をモニターし、そして、高価でないバルブ制御を許すために、ピストンシリンダ内のガスの流れ及び体積に基づいたフィードバック制御及び流れに基づいた酸素混合を与えることが望ましい。また、患者による呼気後にピストンシステムの下流の換気装置内に残る空気のための酸素濃厚化を与えることのできる上記のようなピストンシステムでの酸素混合を提供することが望ましい。
【０００７】
発明の概要
これら及び他の目的は、本発明の酸素混合システムによって明らかにされる。本発明の酸素混合システムは、ピストン換気装置を使用する。このピストン換気装置は、家庭で使用できる程度に十分に小型であり、ピストンの作動を制御して、患者に対する不定流量の呼吸ガスに酸素を混合し、ピストンの引き込み中に、換気装置回路の患者側、つまりピストンの下流側に濃厚化酸素を与えて、使用者によって吸気される空気の全ての酸素含有量を最適化する。
【０００８】
本発明のピストン換気装置は、酸素混合モジュール、呼吸可能ガスの正圧流を患者に与えるための一次ピストン駆動増圧組立体、二次補給ガスモジュール、制御装置、呼気制御システム、及び吸気のため、患者へ空気を送り、呼気される空気を排気するための患者回路、を含む。酸素混合モジュールは、加圧酸素ソースへの接続、ピストンへの酸素の流れを制限するための第一の調節バルブ、及びピストンへの酸素の流れをモニターするための流量センサ、を含む。付加的に、酸素混合モジュールは、患者回路へ送られる酸素の量を制限するための第二の調節バルブを含み、ピストンの引込みストローク中に、患者回路に残っているガスを濃厚化する。これらバルブは、好適にマイクロプロセッサーを含む、制御装置からの信号に応答する電流感知オリフィスバルブである。流量センサは、制御装置に作動的に接続され、酸素の流れに対応する信号を一次ピストン駆動増圧システムへ与える。
【０００９】
一次ピストン駆動増圧システムは、酸素混合モジュールからの酸素及び空気又は他の呼吸可能ガスを受け、モータ、ギヤー駆動及びカムアームによって作動され、混合ガスの流れを与える。一次システムは、その引込み吸気ストロークの開始時に低い容積の混合ガスの流れを受け、その引込みストロークの中間部分で混合ガスの流れの容積を最大にし、引伸ばしストロークの開始前の引込みストロークの終了時に低い容積の空気の流れに低下させる。比較的大きい容積の混合ガスが、シリンダ内のピストンの引伸ばし中に送られると、一次システムは、引伸ばしストロークの開始時に低い容積の流れを送り、引伸ばしストロークの中間部分で混合ガスの流れの容積を最大にし、引伸ばしストロークの終了時に低い容積のガスの流れに低下させる。変形的に、モータの制御、すなわちピストンの移動を制御して、より一定に混合ガスを排出し、持続的に実質的に一定圧力の患者へ流れを与えてもよい。
【００１０】
シリンダのピストン上の体積の増加が非線形（吸気及び混合中は正弦曲線的）であることから、シリンダ内への酸素の流れは、同様に非線形である。ピストンを駆動するモーターは、好適に、ピストンの位置に対応して仮想的連続更新信号を制御装置へ与え、これは、引込みストローク中のシリンダ内のガスの体積と、流量センサを通過し、シリンダ内に存在する、付加したガスの体積とを積分することによりマイクロプロセッサに計算させることを許す。シリンダ内の計算酸素量と引込みストローク中にシリンダ内に贈られる実際の酸素量との比較を連続的に更新することによって、制御装置は、第一の調節バルブへ信号を実質的に連続的に送り、所望の濃厚酸素量をシリンダへ与えるようにバルブの開閉ができる。好適に、モーターは、二方向移動可能のモーターであり、調節可能移動端（adjustable end-of-travel）センサが、制御装置でモーターの位置を初期化し、その後、引伸ばしと引込みとの間の方向を逆にするように制御装置がモーターに信号を送って安全振幅制限器として作動し、これにより、異なった肺活量の使用者に適合させることができる。
【００１１】
二次補給ガスモジュールは、低圧過給機を使用し、補給空気又は他の呼吸可能ガスをシステムへ与え、漏れ（特に、患者の気管又は口内に挿入される気管用の管の周囲からの漏れ）を補償する。制御装置は、速度制御信号を過給機へ与え、患者回路からの流出量に基づいて、患者回路の圧力を適量に維持する。制御装置は、患者回路からの流出量を感知し、引き続き、酸素バルブを作動して、患者回路における十分な酸素濃厚化ガスを維持する。制御装置に特定された全酸素量と一緒に、速度制御信号は、第二の酸素調節バルブを作動させ、より大きい又はより小さい酸素の流れを換気装置の患者側へ流し、吸気の準備となるシリンダ内のピストンの引込み中に患者回路における十分な酸素濃厚化を維持するための患者回路に流す。一次流量センサは、患者回路での混合ガス漏れ体積（Ｖ_T）に対応する信号を与える。導入される酸素（Ｏ₂）の体積は、特定の時間間隔の間に既知のオリフィスサイズの既知の圧力の上流のＯ₂ガスを導入することによって知られ、酸素体積（Ｖ_O2）が得られる。
【００１２】
次に、補給ガスにおける酸素濃度は、次式によって知られる。
【式１】

ここで、Ｖ_Tは、一次流量センサによる計測値により得られ、Ｖ_O2は、オリフィスサイズ、上流圧力、及びどれだけ長く一次酸素調節バルブが開いていたかによって知られる。
【００１３】
呼気制御システムは、患者回路への接続のため、換気装置の患者側に位置され、換気装置に接続され、このシステムは、患者への呼吸可能ガスの流れをモニターするための流量センサ、吸気及び呼気中の患者回路における圧力を検出するための圧力センサ、及びポジティブエンド呼吸圧力制御バルブを含む。患者回路は、呼気制御システムへの接続のため、換気装置へ取り付けられ、空気圧制御式の呼気バルブを含む。ポジティブエンド呼息圧力（ＰＥＥＰ）調節バルブは、呼気バルブのダイアフラグム（好適に、膨張式風船ダイアフラグム）へ送られるガスの量を制限する。この制限は、患者回路へ送る前に、呼気制御システムでダイアフラグムからのガスを通気することによって行われる。このような通気によって、患者回路の圧力に対してダイアフラグム上の圧力が増加し、患者回路からのガスの流れに対する呼気バルブの抵抗が増加すると、空気圧信号が、信号コンジットを通じて与えられる。ダイアフラグムからの過剰ガスは、ＰＥＥＰ調節バルブを通じて大気へ排出される。ダイアフラグム上の圧力の増加が、これにより、ＰＥＥＰの量（つまり、呼気後の患者の空気路に残る圧力）を増加させ、引き続き、患者の肺の破壊を妨ぎ、患者の次の呼吸の吸気を効果的に開始する迅速性を向上する。
【００１４】
その結果、所望の酸素濃厚化量が患者の呼吸を支援するために与えられるとともに、ピストンの移動は、換気装置に空気圧接続される患者の吸気及び呼気に直接的に対応する。シリンダに加えられる酸素の量が一定にモニターされ、閉ループシステムで制御されるため、この濃厚化は、ピストンシリンダ組立体への呼吸可能ガスの吸気流れ特性が線形か又は正弦曲線的であるかにかかわらず与えられる。さらに、患者に与えられる補給空気又は他のガスは酸素濃厚化され、ポジティブエンド呼気圧力制御に関連して与えられて、患者の次の呼吸の吸気を効果的に開始する迅速性が向上される。これら及び他の利点は、以下の説明及び図面を参照して当業者には明らかであろう。
【００１５】
好適実施例の説明
図面を参照して、治療患者における呼吸を補助するのに役立つ換気装置システム１０が図１に示され、酸素混合モジュール１２、一次ピストン駆動増圧システム１４、二次補給ガスモジュール１６、制御装置１８、患者回路２０、及びポジティブエンド呼息圧力（ＰＥＥＰ）調節バルブを有する呼気制御システム２１を含む。患者回路は、呼気制御システム１０に着脱可能に取り付けられ、よって、エンクロージャ外側に、患者２６に密接して配置される。患者回路２０は、呼気調節バルブ２４を含む。換気装置システム１０は、不完全な呼吸能力の治療患者２６へ患者補助モードにあるエンハンスド酸素含有量の空気を送る際に特に役立つ。ただし、換気装置システム１０が他の呼吸可能ガス（例えば、情況に応じて、酸素と混合され得るヘリウム又は窒素）を利用し得ることが理解され得る。
【００１６】
酸素混合モジュール１２は、ボトル入り酸素のような加圧酸素のソース２８に接続されるか、又は酸素継ぎ手３０により中央酸素ソースに接続される。ソース２８から受けた酸素は、チェックバルブ３２及びフィルタ３４（例えば、４０ミクロンメッシュフィルタ）を通過し、第一及び第二の経路３６及び３８に分けられる。第一の経路３６は、一次圧力システム１４へ通じ、第二の経路３８は、呼気制御システム２１へ通じる。
【００１７】
第一の経路３６によって与えられる酸素は、実質的に一定の所望の圧力にある供給酸素を与えるための圧力レギュレータから酸素調節バルブ４２へ流れる。好適に、レギュレータ４０は、レギュレータの下流の酸素の圧力を５５ｐｓｉ（これよりも低く設定できる）に制限し、出力を最大にする。利点的に、単一のバルブのように図１に略示される一次酸素調節バルブステーション４２は、二つの並列電流制御式電圧感知オリフィス（ＶＳＯ）バルブのように与えられる。電圧ではなく電流が、ＶＳＯバルブを制御するために使用される。これは、温度に起因した変化が少ないからである。一次酸素制御バルブステーション４２は、制御信号を受け、バルブ位置情報を送るための制御装置１８に電気的に接続される。ガス流量センサが、バルブ４２の下流に設けられ、これを通過する酸素の流れをモニターする。ガス流量センサ４４は、好適に、流量誘導抵抗器と並列して低流量のガスセンサのように設けられ、単数の低流量ガスセンサよりも大きいフルスケールの流量容量を与える。ガス流量センサ４４は、それに信号を与えるための制御装置１８に電気的に接続される。
【００１８】
一次ピストン駆動換気システム１４は、シリンダ４６及び往復移動ピストン４８を含み、チャンバ５０が、シリンダ４６とピストン４８との間にある。ピストン４８は、ストロークの中間で最も大きい速度でシリンダ４６の内部を垂直にピストン４８が移動し、ストロークの開始時及び終了時に最も小さい速度でピストン４８が移動するように、カムのように機能するアーム５２に連結される。よって、引込み中のピストン４８の速度は、図１に示すように、アームと水平面との間の角度の余弦に対応する正弦曲線である。アーム５２は、二方向モーター５６によって駆動されるギヤーボックス５４に連結される。つまり、モーターは、時計周り及び反時計回りの移動が可能であり、アーム５２は、引伸ばしと引込みストロークの間の移り変わりの間にその方向を逆にするのではなく、フルに回転する。移動センサ５８の端部が、ピストン４８との作動的な係合のため、引込みストロークの底部に調節可能に取り付けられ、制御装置１８に電気的に接続され、制御装置１８が、連続した作動の間、安全デバイスのように、開始時に、モータ５６すなわちピストン４８の位置を初期化するために信号を送る。モータ５６の位置を初期化することによって、制御装置１８は、モータ５６の作動を制御して、その回転方向を変化させ、これにより、モータの位置に基づいた適当な位置のシリンダ４６内のピストン４８のストロークの長さ及び予め選択した全体積設定がオペレータによって制御装置１８に与えられる。このように調節することにより、患者２６に供給される濃厚化酸素化空気又は他のガスの量を、患者の肺活量に基づいて変えることができる。モータ５６は、好適に、ブラシレス（brushless）の直流モータであり、制御装置１８に電気的に接続され、モータ駆動すなわちアーム５２の回転数及び位置に対応する連続的な信号を与える。空気又は他の呼吸可能ガスが、フィルタ６０（例えば、３ミクロンフィルタ）を通過し、チェックバルブ６２を通過する周囲空気のインレット５９から一次ピストン駆動換気システム１４へ供給される。この空気は、チャンバ５０において、酸素混合モジュール１２から供給された酸素と混合され、次に、呼気制御システム２１に接続する５０ｘ２５０メッシュフィルタのような他のフィルタ６６を通過する前にチェックバルブ６４を通じて放出される。
【００１９】
二次補給ガスモジュール１６は、フィルタ６６の下流の患者回路２０へ空気をチェックバルブ７０を通じて送り込む低圧／低体積過給機６８を主に含み、チャックバルブ７１によるチャンバ５０への逆流を防ぐ。過給機６８は、典型的に、周囲空気から得られる空気のような呼吸可能ガスの流れを供給ように一定的に作動し、より高速で、２０ｃｍＨ₂Ｏピーク圧力程度で生成して、患者回路（例えば、気管につづく管などの周り）において、１０リットル毎分までの空気漏れによって失われた空気を補給する。過給機６８の作動速度は、圧力センサ９８によって感知されるような制御装置に与えられる呼気制御システム２１における圧力に対応する信号に応答して制御装置１８によって制御される。よって、過給機６８は、システムの漏れを補償するだけでなく、ＰＥＥＰレベルを維持し、患者が呼吸をトリガーするために呼吸を初期化するときに、流れを与える。
【００２０】
制御装置１８は、作動指令をプログラムしたマイクロプロセッサ７２を含む。図２に示すように、制御装置１８は、流量センサ信号コンディショナ７４も含み、これは、流量センサ４４からの入力を受ける。この信号は、アナログ・デジタルコンバータ７６を介してマイクロプロセッサ７４へ送られる。同様に、マイクロプロセッサ７２は、混合機バルブ駆動７８へ信号を送る。混合機バルブ駆動７８は、十分な電流を与え、デジタル・アナログコンバータ８０を通じて、一次酸素制御バルブステーション４２のＶＳＯバルブを作動する。また、図２に示すように、マイクロプロセッサ７２は、モータ５６に作動的に連結したモータ位置モニター８２から信号を受け、モータ位置モニター８２は、引き続き、モータ５６つまりアーム５２及びピストン４８の回転数及び位置を感知し、引き続き、ピストン４８の引伸ばし又は引込みのためにモータ５６へ信号を送る。図３に示すように、制御装置１８は、ＰＥＥＰを感知し、それに応答してＰＥＥＰバルブ２２を作動することに関連する機能を行うために、他の構成成分を含む。制御装置はまた、圧力センサ信号コンディショナ１１２を含み、これは、第一の圧力センサ９８からの入力を受ける。この信号は、アナログ・デジタルコンバータ１１４を介してマイクロプロセッサ７２へ送られる。同様に、マイクロプロセッサ７２は、ＰＥＥＰバルブ２２に取り付けたＰＥＥＰバルブ制御装置１１６へデジタル・アナログコンバータ１１８を通じて信号を与える。次に、ＰＥＥＰバルブ２２は、引き続き、図１に示すような信号コンジット９１によって呼気バルブ２４へ接続され、空気圧信号を与えることによってＰＥＥＰに基づいた抵抗を与え、これにより、患者の呼吸の呼気の終了時にＰＥＥＰを制御する。
【００２１】
呼気制御システム２１は、フィルタ６６からの混合空気及びチェックバルブ７０を通じて過給機６８からの補給空気を受ける。過剰の圧力が、手動圧力リリーフバルブ８４を作動させることによって除去され得る。第二の経路３８は、利点的にレギュレータ４０に接続され得るコンジットのように設けられ、典型的に８０ｐｓｉにあるサプライ２８から直接的に得る代わりに５５ｐｓｉにある酸素を得る。レギュレータ４０からの第二の経路３８のルーチング（routing）は、５５ｐｓｉから約１５ｐｓｉへ段階的に圧力を下げる圧力レギュレータ８６の使用を許す。酸素は、圧力レギュレータ８６を通じる第二の経路３８を通じて与えられ、次に、患者回路２０へ送るための呼気制御システム２１へ流量リストリクタ１２８を通じて送るためのメイクアップ酸素調節バルブ８８へ与えられる。メイクアップ酸素調節バルブ８８は、回路制御圧力感知オリフィスバルブ又は変形的に過給機６８のように制御装置１８へ電気的に接続されるデジタルバルブであり得る。第二の経路３８から酸素を入れるのに許されるメイクアップ酸素調節バルブ８８の開き量は、一次流量センサを通じて流れる空気の体積によって決定され、よって、患者に送られるべき酸素の所望の全量に基づいて制御装置１８によって制御されるように過給機６８によって送られる空気又は他の呼吸加工ガスの流量に比例する。意図とされることは、レギュレータ８６を通じて供給される酸素の圧力が、過給機６８によって生成される圧力を超えることであり、患者回路２０へ送られる酸素が適当に酸素濃厚化されることを確実にする。
【００２２】
呼気制御システム２１は、ＰＥＥＰ調節バルブ２２、信号コンジット９１、流量リストリクタ９４、流量センサ９６、第一の圧力センサ９８、第二の圧力センサ１０２、及びフィルタ１０４、を含む。ＰＥＥＰ調節バルブ２２は、過剰の空気をベント９０を通じて大気へ通気する働きをし、呼気調節バルブ２４のダイアフラグム側の圧力を規制し、次に、オペレータによってエンターされたＰＥＥＰ設定に患者回路２０の圧力を規制する。ＰＥＥＰバルブ２２は、制御装置１８に電気的に接続され、ベント９０を通じて通気を許される空気の量を規制する。ＰＥＥＰバルブが完全にバイパス又は開かれているとき、患者回路の呼気調節バルブ２４の膨張ダイアフラグムが、約０ｃｍ Ｈ₂Ｏ ＰＥＥＰを与えて、完全にガス抜きされる。ＰＥＥＰバルブ２２が完全に閉じられると、呼気バルブ２４が閉じられ、エキゾースト９２へ通じる呼気バルブ２４を通過するガスを防止し、よって、吸気中にガスが逃れることがない。これら条件のもと、患者回路２０及び呼気制御システム２１の圧力は、圧力リリーフバルブ８４が作動されるまで、適当な体積に含まれるガスの量に従って任意に大きくなる。同様に、ＰＥＥＰ調節バルブ２２が、呼気調節バルブ２４へ空気接続されており、ＰＥＥＰ圧力が所定の値異常に上昇すると、患者回路２０の圧力が低下する。他方、ＰＥＥＰ圧力が所定の値以下に降下すると、制御装置１８が過給機６８へ信号を送り、そのスピードを低下させ、これにより、患者回路の圧力を増加させる。安全対策として、ＰＥＥＰバルブ２２が、通常、膨張ダイアフラグムを膨張させるようにに開かれており、故障が起きた際に、患者に呼吸させることができるようになっている。ＰＥＥＰ調節バルブ２２が、呼気調節バルブ２４へ空気接続され、エンクロージャを画成する本体を含み、このエンクロージャ内に、膨張ダイアフラグムが配置される。患者２６はリストリクタを通じてエキゾースト９２へ送られた空気を大気へ吐き出さなければならず、この絞り穴は、エンクロージャによって規制される。使用可能の一つのエキゾーストバルブ２４が、ネルコー・ピューリタン・ベネット社（カリフォルニア州プレザントン）から入手可能の患者回路モデル番号６４６２又は６４６１のいずれかの部品番号６３５０のように商業的に入手可能である。
【００２３】
酸素濃厚化空気は、流量リストリクタ９４を通じてＰＥＥＰバルブ２２へ送られ、主な空気の流量が、患者へ送られる空気をモニターする流量センサ９６を通じて一次ピストン駆動換気装置によって送られる。第一の圧力センサ９８によって決定されるような患者回路２０の圧力及びＰＥＥＰバルブ２２の開口サイズは、ＰＥＥＰバルブ２２からのガスの流量を決定する。ＰＥＥＰバルブ２２とリストリクタ９４が直列であることから、ＰＥＥＰバルブ２２からのガスの流量もリストリクタ９４を通じる流量であり、信号コンジットを通じるダイアフラグムへ流れるガス又はダイアフラグムから流出するガスのいかなる最小の量と同様である。リストリクタ９４を通じるガスの流量は、リストリクタ９４の長さにわたる圧力降下を含む。これは、ダイアフラグムの患者側（つまり、前側）の圧力よりも小さいダイアフラグムの裏側又は信号コンジット側に圧力を生じさせる。この圧力差は、呼気バルブ２４の抵抗を低減し、患者回路２２のガスを呼気バルブ２４から逃がし、結果、患者回路２０の圧力を低下させる。リストリクタ９４を通じるガスの流量を制御することによって、患者回路２０及びＰＥＥＰの圧力も制御できる。
【００２４】
呼気の間、ピストン４８は引き込まれ、よって、患者２６の呼気から、空気又は呼吸可能ガスが、過給器６８からのメイクアップ空気と、患者回路の酸素調節バルブ８８を通じて供給される酸素とを組み合わせることによって、ＰＥＥＰバルブ２２及び呼気調節バルブ２４の両方へ供給される。第一の圧力センサ９８が、患者２６へ酸素濃厚化空気を送るコンジットで患者２６に隣接し、制御装置１８に電気的に接続し、どれだけの量の空気がエキゾースト９２を通じて大気へ排気するか、及び患者によって吐き出されたメイクアップ空気がどれだけの量だけ呼気調節バルブの膨張ダイアフラグムへ送られるかについての信号をＰＥＥＰバルブ２２に送る。第一の圧力センサ９８は、制御装置１８に電気的に接続され、よって、吸気中に患者２６へ与えられるガスの圧力に一致した信号が制御装置１８に与えられ、呼気の終わりでＰＥＥＰが与えられる。第二の圧力センサ１０２が制御装置１８に電気的に接続され、呼気制御システム２１の圧力をモニターし、制御装置へ第二の圧力信号を与えることにより、第一の圧力センサ９８の有効なバックアップを与える。
【００２５】
ＰＥＥＰバルブ２２は、通常は開状態にあり、呼吸回路から大気へのガスの流れに対して呼気バルブ２４の抵抗を間接的に制御する。この抵抗を増減することによって、呼気バルブ２４が患者回路のガス量を減少又は維持させることができ、これにより、患者回路２０の圧力が減少又は維持される。ＰＥＥＰバルブ２２は、患者回路２０からエキゾースト９２へ送られる空気の量を制御することによって呼気バルブ２４に適用される圧力を規制する。ＰＥＥＰバルブ２２によってベント９０へ送られるガスを増加すればするほど、呼気調節バルブ２４の呼気開口１００を覆う呼気バルブ２４のダイアフラグムの圧力が低下する。ＰＥＥＰバルブ２２の絞って、ベント９０へ送られるガスを少なくすればするほど、呼気調節バルブ２４のダイアフラグムの圧力が増加し、エンクロージャ内のダイアフラグムの膨張が増加し、これにより、絞りのサイズが低下し、患者２６による呼気中に与えられる抵抗が増加する。呼気に対する抵抗の量は、ダイアフラグムに適用されるガスの圧力に比例し、よって、ＰＥＥＰバルブ２２の開き量に比例する。ＰＥＥＰバルブ２２を開閉するために制御装置１８によって適用される信号は、第一の圧力センサ９８によって決定される。
【００２６】
一次流量センサ９６は、患者回路での混合ガス漏れの体積（Ｖ_T）に対応する信号を与える。導入される酸素の体積は、特定の時間の間に、既知のオリフィスサイズの上流の既知の圧力のＯ２ガスを導入することによって知られる。変形的に、電圧感知オリフィス（ＶＳＯ）バルブが、固定オリフィス及びデジタルバルブに代えて使用され得る。次に、メイクアップガスの酸素濃度が、以下の式から知られる。
【式２】

【００２７】
次に、制御装置１８が、作動信号を過給器６８及び患者回路調節バルブ８８へ送る。フィルタ１０４（例えば、４０メッシュフィルタ）が、患者へ送られる前に、濃厚化酸素を有する空気の最終的なろ過を行う。
【００２８】
患者回路２０は、ホースコネクタ１２６へ至る可撓性のコンジット１２０、１２２、１２４によって呼気制御システム２１に接続される。ホースコネクタ１２６は、それぞれ、第一の圧力センサ９８、患者に吸気されるべき呼吸可能ガスを送るためのフィルタ１０４、及びＰＥＥＰバルブ２２へ至る信号コンジット９１へ作動的に接続される。
【００２９】
使用について、換気装置システム１０は、患者２６による呼吸を補助し、患者２６の呼吸レートがチャンバ５０内のピストンの往復移動レートに直接的に対応する。よって、シリンダ４６内のピストン４８の各々の押出し移動の際に患者が吸気し、シリンダ４６内のピストン４８の各々の引込みストロークの際に患者は呼気する。換気装置システムの作動前に、オペレータは、所望の酸素濃厚化レベル（例えば、患者の受ける全酸素１００％に対して２１％以内）を選択し、制御装置１８を設定し、付加的に、０ｃｍＨ₂Ｏ（患者の呼吸の呼気セグメント中に呼気バルブに抵抗がない）から２０ｃｍＨ₂Ｏ（呼気バルブ２４に最大の抵抗を与える）の間の典型的な範囲内にＰＥＥＰの目標圧力を選択する。
【００３０】
ピストン４８の各引込みストローク中、モータ位置モニター８２は、シリンダ４６内のピストン４８の位置の信号を与え、制御装置１８にチャンバ５０の体積を計算することを許す。酸素濃厚化の任意の所望の量のため、これは、チャンバ内にあるべき付加した酸素の量の対応する計算を与える。体積の計算すなわちチャンバ５０内の付加した酸素の量は、ピストン４８の引込みストローク中、連続的に更新される。ピストン４８の引込み速度が線形でない（むしろ、正弦曲線形）ことから、チャンバ５０の体積は、正弦曲線的に変化する。
【００３１】
よって、流量センサ４４は、連続的に、チャンバ５０へ送られる酸素の流量を決定する。その信号は、制御装置１８で受信され、流量は、チャンバ５０へ実際に送られる酸素の量を得るために、積分される。チャンバへ送られる蓄積した酸素が不充分であることを制御装置１８が決定した場合、一次酸素調節バルブステーション４２へ信号を送ってそれを開き、付加的な酸素を流量センサ４４を通過して流される。これが、積分値により決定されるような引込みストロークの終わり前の目標量を超過した酸素を発生させる場合、制御装置は、一次酸素調節バルブへ閉じるように信号を送り、これにより、流量センサ４４を通過し、チャンバ５０へ送られる酸素の流量が低下される。
【００３２】
ぷ氏トンの引込みストローク中、患者は呼気をする。患者による呼気は、主に、呼気調節バルブ２４を通じてエキゾースト９２へ送られる。呼気調節バルブ２４内のダイアフラグムの膨張は、呼気開口１００を通じる呼気空気の流量を制限し、患者は、膨張可能ダイアフラグムに適用されるガス圧力に従ってこの制限を克服する努力をしなければならない。この制限量は、制御装置１８によってＰＥＥＰバルブ２２へ印加される信号によって制御され、そこから換気可能の空気量を決定する。気管開口術における気管周囲の漏れ又はコンジット接続を通じる漏れのため、呼気調節バルブ２４へ供給される空気の大半は、過給機６８によって送られる。ピストン４８を引伸ばすと、吸気制御システム２１に残る空気の一部が吸気されることから、患者２６によって吸気される空気が正しく血液に酸素を供給することを確実にすることが望ましい。これを達成するため、補給酸素が、メイクアップ酸素調節バルブ８８を開閉し、これを通じて患者回路２０へ送られ、過給機６８によって送られるガスの速度及び流量が、第一の圧力センサ９８によって与えられる信号に基づいて制御装置１８によって決定される。ゼロというＰＥＥＰ設定が制御装置１８に与えられる場合、過給機６８は遮断され、メイクアップ酸素調節バルブ８８が閉じられる。漏れ（１０リットル／分まで）及びＰＥＥＰ（２０ｃｍＨ₂Ｏまで）がある場合、過給機６８は、メイクアップ空気を与えるために、制御ロジックによって電圧が加えられ、漏れに対して必要な処置を実行する。これを行っている間、ＰＥＥＰ圧力は一定に維持される。過給機６８によって与えられる空気は、無Ｏ₂濃厚化空気である。Ｏ₂レベルが一定に維持される場合、補給酸素が上述したように第二の経路３８を通じて与えられる。
【００３３】
一旦、ピストンが、モータ位置モニターによって感知され、患者へ送られる所望のプレセット（preset）全体積及びモータ位置及び速度に基づいて制御装置１８によって決定されるようなその引込みストロークの終わりに到達すると、制御装置１８がモータ５６へ信号を送り、その方向を逆方向に変え、シリンダ４６内でピストン４８の引伸ばしを行う。ピストンが引伸ばされると、酸素濃厚化空気は、患者回路２０へ送り、フィルタを通過した後に患者２６によって最終的に吐き出させるために、チェックバルブ２６を通じてチャンバ５０から排出される。よって、ピストン４８の引伸ばしは、患者の肺を膨らますための加圧空気の供給に起因する患者の吸気動作に対応する。
【００３４】
本発明の好適な形態について述べたが、これは単なる図説にすぎず、本発明の範囲をこれに限定するものではない。例示したものの変更物が、本発明の精神を逸脱せずに当業者によって明らかになされ得る。
【００３５】
ここに、発明者は、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲内から逸脱しない全ての装置を含むような本発明の範囲を適切かつ適正に決定する同等物を意図として述べる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、酸素混合モジュールを含む換気装置システムの略図であり、圧縮空気の接続を実線で示し、電気的な接続を点線で示す。
【図２】 図２は、換気装置システムの被制御構成成分と作動関係にある、図１に示す制御装置の構成成分のブロック図である。
【図３】 図３は、呼気制御システムの被制御構成成分と作動関係にある、図１に示す制御装置の他の構成成分のブロック図である。
【符号の説明】
１０・・・換気装置システム
１２・・・酸素混合モジュール
１４・・・一次ピストン駆動増圧システム
１６・・・二次補給ガスモジュール
１８・・・制御装置
２０・・・患者回路
２１・・・呼気制御システム
２６・・・患者
２８・・・ソース
３０・・・酸素継ぎ手
３２・・・チェックバルブ
３４・・・フィルタ
３６・・・第一の経路
３８・・・第二の経路
４０・・・レギュレータ
４２・・・酸素調節バルブ
４４・・・ガス流量センサ

Claims (12)

1. シリンダと、前記シリンダ内で収縮してガスを吸気する吸気ストロークと、伸長してガスを排気する排気ストロークとの間で往復移動するように受設されたピストンを含むピストンシリンダ組立体と、
   患者の吸気中に、前記ピストンシリンダ組立体から患者へ呼吸可能ガスを送るための患者回路と、
   前記ピストンの動きを検知し、吸気ストローク中のシリンダ内部でのピストンの位置に対応する信号を生成するための検知手段と、
   前記検知手段から信号を受信するべく、前記ピストンシリンダ組立体に接続された制御装置と、
   前記ピストンシリンダ組立体の内部で前記呼吸可能ガスと混合するべく、酸素ソースから前記ピストンシリンダ組立体への酸素の量を制御するための酸素混合モジュールであって、前記制御装置に作動的に接続した第一の酸素調節バルブ、及び前記第一の酸素調節バルブから流れる酸素の量を表す信号を前記制御装置へ与えるための流量センサを含む酸素混合モジュールと、
   から成り、
   前記制御装置は、前記吸気ストローク中の前記ピストンの位置に基づいた前記ピストンシリンダ組立体内の酸素の量の目標量を計算し、前記目標量と前記流量センサによって与えられた信号に基づいて計算した前記流量センサを通過した実際の酸素の量との差を計算し、その計算した差に基づいて前記第一の酸素調節バルブを開閉するための制御信号を送信する、
   ことを特徴とする患者用換気装置。
2. 前記酸素混合モジュールは、前記第一の酸素調節バルブへ酸素を送るための第一の経路と、前記ピストンシリンダ組立体から前記患者回路へ下流に向かって酸素を送るための第二の経路とを含む、
   ことを特徴とする請求項１記載の患者用換気装置。
3. 前記第二の経路は、前記第二の経路から前記患者回路へ送られる酸素の量を制御するべく、前記制御装置に作動的に連通する第二の酸素調節バルブを含む、
   ことを特徴とする請求項２記載の患者用換気装置。
4. 前記患者回路に連通する加圧された呼吸可能ガスから成る二次ソースをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項３記載の患者用換気装置。
5. 前記二次ソースは、前記第二の経路から受け取った酸素に加えて、一定流量のガスを与えるための過給機を含む、
   ことを特徴とする請求項４記載の患者用換気装置。
6. 前記第二の酸素調節バルブは、前記制御装置から受信した信号に応答して開閉するよう前記制御装置に作動的に接続されている、
   ことを特徴する請求項５記載の患者用換気装置。
7. 前記過給機は前記制御装置に作動的に接続され、前記過給機により前記患者回路へ供給されるガスの流量が前記制御装置によって制御される、
   ことを特徴とする請求項６記載の患者用換気装置。
8. 前記患者回路からのガス漏れを示す信号を前記制御装置へ与えるための一次圧力センサを含み、前記過給機が前記ガス漏れを示す信号に応答して前記制御装置によって作動的に制御される、
   ことを特徴とする請求項７記載の患者用換気装置。
9. 前記流量センサによって与えられる前記信号は、前記ピストンの吸気ストローク中に連続的に更新される、
   ことを特徴とする請求項１記載の患者用換気装置。
10. 前記第一の酸素調節バルブは、前記制御信号に応答して吸気ストローク中に連続的に調節可能である、
    ことを特徴とする請求項９記載の患者用換気装置。
11. 前記患者回路は、空気信号に応答して、この空気信号に対応する開位置、閉位置及び複数の中間位置との間を移動するための移動可能エレメントを有する呼気バルブを含み、前記患者用換気装置は、さらに、前記空気信号として前記呼気バルブへガスを送るための信号コンジットと、前記制御装置に作動的に連通し、前記空気信号を選択的に変えるべくガスを選択的に換気するための前記信号ラインに接続した換気バルブと、ＰＥＥＰ圧力として内部の圧力を感知し、それを表すＰＥＥＰ圧力信号を生成するための、前記制御装置に接続されかつ患者回路内部に配置された圧力センサと、前記換気バルブの上流に配置され、前記信号コンジット内のガス圧力と前記圧力センサでのガス圧力との圧力差を作り出すための手段を含み、前記制御装置は、ＰＥＥＰ圧力信号と予め選択した目標ＰＥＥＰ圧力との間の比較に基づいて前記換気バルブを動作する、
    ことを特徴とする請求項１記載の患者用換気装置。
12. 加圧された酸素ソースと、シリンダ、及び該シリンダ内で収縮してガスを吸気する吸気ストロークと、伸長してガスを排気する排気ストロークとの間で、シリンダ内を往復移動するピストンを有するピストンシリンダ組立体と、流量センサ及び第一の酸素調節バルブを有し、前記酸素ソースを前記ピストンシリンダ組立体へ接続するための第一の経路と、前記ピストンシリンダ組立体、前記流量センサ及び前記第一の酸素調節バルブへ接続される制御装置とを含む、酸素と呼吸可能ガスとを混合する患者用換気装置の制御方法であって、
    前記制御装置の制御にしたがって、前記ピストンシリンダ組立体内で収縮する前記ピストンにより吸気可能ガスを吸気する工程と、
    前記ピストンシリンダ組立体内における前記ピストンの位置を表す信号を前記制御装置で受信する工程と、
    前記酸素ソースから送られ、前記第一の経路の中を通過する酸素の流量を表す、前記流量センサにより形成された信号を前記制御装置で受信する工程と、
    前記制御装置が、前記受信されたピストンの位置を表す信号に基づいて、前記第一の経路を通じて前記ピストンシリンダ組立体に送られた酸素の量を計算する工程と、
    前記制御装置が、前記計算された酸素の量と、前記ピストン位置を表す信号に基づいて前記ピストンシリンダ組立体に送られるべき酸素の目標値に対応する予め選択された値との比較に基づいて、前記計算された酸素の量と前記予め選択された値との間の差を計算する工程と、
    前記制御装置が、前前記第一の酸素調節バルブを通過する酸素の流量を調節すべく、前記第一の酸素調節バルブへ送信する前記計算された差に対応する制御信号を生成する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。

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