JP4854910B2 - Ａｃ同期モータを有する２段階流れ生成器を用いて呼吸ガスを提供するための装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
【発明の分野】
この発明は、睡眠時無呼吸等の呼吸症状に対する治療として、ユーザに対して交互に異なるレベルの圧力で呼吸ガスを送出するための装置および方法に関する。
【０００２】
【背景技術の説明】
睡眠時無呼吸症候群は、総人口の約１％から５％に影響を及ぼし、睡眠中の上気道の閉塞によって生じる。睡眠時無呼吸の直接の結果として、睡眠の分断化、換気の一時停止、およびオキシヘモグロビンの脱飽和が生じる。次いで、これらは、日中の傾眠、心不整脈、鬱血性心不全、および健康上だけでなく認識できるさまざまな他の機能障害をも引き起こすに至る。これらのすべては、患者の疾病率を上昇させるだけでなく、患者が注意力を要する活動（自動車の運転等）に従事している場合に予想される死亡率も上昇させ得る、二次的な社会的かつ行動上の影響を有する。
【０００３】
上気道閉塞の原因はさまざまであるが、経路の狭窄、筋緊張の消失、および／または構造の重量の増大に至る、解剖学上の変化を含み得る。加齢および肥満が危険因子であることが分かっており、頸部の過剰な軟組織が気道の疎通を損なうほどの圧力を内部構造にもたらし得ることを示唆している。
【０００４】
治療には、口蓋垂口蓋咽頭形成術、肥満に対する胃の外科手術、顎顔面の復元、または気管開口術をも含む、さまざまな外科的介入を含む。これらの処置のすべては、著しい疾病率という危険性を有する。より無害であるが、何らかの行動上の調整を要する治療が、経鼻持続的気道陽圧法（ｎＣＰＡＰまたは単にＣＰＡＰ）の治療である。その最も単純な形態において、この治療は、気流生成器を用いて気道に陽圧を与え、通路を開いた状態に保つことを含む。睡眠中に一貫して用いると、睡眠時無呼吸の症状をうまく緩和することができる。
【０００５】
しかしながら、ＣＰＡＰ治療の継続的な特性のために、この治療に反応を示さないか、またはそれに従わない患者もある。このことは、特に、ＣＰＡＰの処方圧力が比較的高い場合に当てはまる。これらの個人に対し、２段階の治療法がより合理的な代替例となる。圧力は、吸入中の高レベル（ＩＰＡＰ）から、呼息を容易にするための低レベル（ＥＰＡＰ）へと循環し、それと同時に、何らかの名目的な圧力サポートをもたらし続ける。これはまた、継続した圧力が問題となるおそれのある、疾病または脊髄損傷による横隔膜筋の脆弱性等の何らかの形で、呼吸が損なわれた個人にとっても有用である。
【０００６】
ＩＰＡＰからＥＰＡＰへの切換を達成するにあたり、先行技術によっていくつかの技術が用いられてきた。いくつかの例には、重り付きベローズ、空気圧源に結合された減圧弁、弁に結合された定速ブロワー、インジェクタ駆動装置、線形駆動ピストン、非線形駆動ピストン、およびばねが搭載されたベローズの使用が含まれる。ほとんどのシステムは、弁に結合された定速ブロワーを用い、最小限のエネルギを必要として、速やかに圧力を変化させてきた。典型的に、ブロワーは、ソレノイド制御排気弁を用いて、より高いＩＰＡＰ圧力をもたらし、かつ、その圧力を下方調整するのに十分な速度まで回転する。弁の位置は、流量の需要の増大を補償するためには少し変更され、患者から空気を逸らして圧力をＥＰＡＰレベルに下げるためには大きく変更される。
【０００７】
これまで、可変速式ブロワーは、いくつかの理由により、２段階流れ生成器には一般的に用いられなかった。第１に、ブロワーのモータアセンブリの質量が、その速やかな加速および減速を妨げ、その結果、呼吸作用に関して最適な性能を生じるには及ばない（すなわち、所与の患者の吸入および呼息がリアルタイムでサポートされない）。第２に、規格のモータコントローラは、概して、高速であるブロワーの性能に適切ではなく、典型的に外付けの検知装置（ホール効果センサ等）を必要とし、コストをさらに増大させる。第３に、可変速式モータは、従来、大量の熱を放散する直流（ＤＣ）モータであり、それによって熱を放散させる手段が必要となり、装置の小型化が一層難しくなる。
【０００８】
この発明は、低慣性遠心回転翼に結合されかつ低ワット数の一定電圧スイッチング電源によって給電される、マイクロプロセッサ制御の交流（ＡＣ）永久磁石同期モータを用いることにより、２段階流れ生成器において、可変速式ブロワーを使用できるようにする。この装置は、マイクロプロセッサ内のタイマ回路の割込み率に応じて、変更され得る磁界の回転周波数で回転翼を回転させる。センサを用いることなく周波数を次々と速やかに変化させながら、システムの適切な動作を維持する方法もまた、この開示の主題である。磁界電流をシステム変数（すなわち流量）に関連させることのできる方法もまた開示される。
【０００９】
【発明の概要】
この発明の第１の局面は、一般に、交流（ＡＣ）モータとＡＣモータによって回転されて呼吸ガスをユーザに送出するための回転翼とを有するブロワーと、可変の周波数および振幅の制御信号をＡＣモータに与えるブロワー制御システムとを含む、呼吸ガスをユーザに送出するための装置を特徴とする。制御信号の周波数および振幅は、ブロワー制御システムによって周期的に調整されて、ＡＣモータの作動に、吸入気道陽圧を生成する第１の速度で回転翼を回転させる吸入モードと、呼息気道陽圧を生成する第２の速度で回転翼を回転させる呼息モードとを交互に繰り返させる。ブロワー制御システムは、好ましくは、正弦波状に重み付けされたデューティーサイクルを有するパルス幅変調信号としての複数の制御信号を生成するマイクロコントローラを含む。また、マイクロコントローラは、好ましくは、タイマおよび複数の比較レジスタを有する比較ユニットを含み、正弦波状に重み付けされたパルス幅変調信号が、タイマ値と、メモリ装置から取出された比較レジスタ値との比較に基づいて生成され得るようにする。比較タイマは、好ましくは、パルス幅変調信号の周波数を規定する、可変割込み率を有する。パルス幅変調信号の振幅および周波数は、好ましくは、ブレセンハム（Bresenham）のアルゴリズムを用いてマイクロコントローラによって調整される。
【００１０】
この発明の第２の局面は、一般的に、交流（ＡＣ）モータによって給電されるブロワーを有するガス流生成器を用いて、呼吸の治療のために２段階の気道陽圧を生成する方法を特徴とする。この方法は、ブロワーの速度を生成するために振幅および周波数を有するモータ制御信号をモータに与えるステップと、速度の変更がブロワーに必要とされているかどうかを判断するステップと、目標速度に対応する目標振幅および目標周波数を決定するステップと、これらのステップにおいて、モータ制御信号の振幅および周波数を、振幅および周波数が目標振幅および目標周波数と対応するまで調整するステップとを含む。たとえば、ブレセンハムのアルゴリズムを用いることにより、振幅および周波数の一方は、第１のステップの期間にて増大され、他方は、第１のステップの期間の倍数である第２のステップの期間にて増大される。好ましくは、この方法はまた、モータ制御信号を調整する前に過剰の振幅を加えるステップと、目標周波数が達成された後に過剰の振幅を除去して同期を維持するステップとを含む。
【００１１】
好ましい実施例において、この発明は、さまざまな周波数および振幅からなる正弦波に類似するパルス幅変調（ＰＷＭ）パルスによって給電される、低慣性永久磁石三相同期ＡＣモータを用いる。加速および減速のプロセスは、好ましくは、いわゆるブレセンハムのアルゴリズムを用いて、最適な線形の態様で周波数Ａおよび振幅Ａから周波数Ｂおよび振幅Ｂへと変化させるステップを含む。これは、好ましくは、最小の電流値を用いて加速を生じる加速プロセス中に、調整された振幅の増加に結合される。減速中に、このプロセスは、電源電圧の変化を防ぐために、特別の分流回路に結合された、調整された振幅の減少を用いる、逆の態様で達成され得る。振幅のこれらの変化は、振幅を変化させることによってモータの同期の失敗を防ぐために用いられている現行のフィードバックメカニズムを上書きする。速度の変化もまた、好ましくは、非同期を防ぐためにタイミングがとられる。
【００１２】
この発明の、上述のおよび他の特徴および利点は、同じ番号が同じ部分を指す添付の図面とともに読まれると、この発明の好ましい実施例の以下の説明から、さらに理解されるであろう。
【００１３】
【好ましい実施例の詳細な説明】
この発明の好ましい実施例に従った装置１０が、図１において概略的に示される。装置１０は、睡眠時無呼吸等の呼吸症状に対する治療として、空気等の呼吸ガスを患者に対して交互に異なるレベルの圧力で送出するための、この発明の別の局面であるプロセスに従って作動することができる。
【００１４】
装置１０は、源から呼吸ガスを受けて、そのガスをホース等の送出導管１６を介して呼吸器具１４に対して交互に異なるレベルの陽圧で送出するガス流生成器１２を含む。たとえば外気、または呼吸ガスを含む加圧ビンを含む任意の好適な源によって、呼吸ガスを供給することができる。呼吸器具は、鼻マスク、顔面マスク、鼻カニューレ、気管開口管、または呼吸ガス源と患者の呼吸器系との間のインターフェイスとなる任意の他の好適な器具であってもよい。排気口（図示せず）が一般的に、呼吸器具または送出導管の一部として設けられ、呼息中に呼吸ガスを除去する。たとえば、従来の弁の設計および開口を含む、任意の好適な排気口を用いることができる。
【００１５】
ガス流生成器１２は一般に、呼吸ガス入口１８と、呼吸ガス出口２０と、入口から呼吸ガスを受け、さらに、可変速式モータによって駆動されてガスを陽圧で出口に送出する回転翼を有する、ブロワー２２と、モータの速度を調整することによって送出導管内の呼吸ガスの圧力を制御するブロワー制御システム２４とを含む。ガス流生成器は、また、好ましくは、内部または外部の源からブロワーおよびブロワー制御システムに配電するための電源２６と、好ましくはブロワーの下流に置かれてブロワーからの呼吸ガス流を示す流量信号を生成するための、流量計２８とを含む。流量計２８からの流量信号は、ブロワー制御システムに与えられ、さらに、この流量信号を公知の態様で用いてトリガ信号をブロワー制御システムに与えてモータの速度の変更を開始する、従来のトリガまたは決定回路３０に与えられる。ガス流生成器１２は、また、マスク１４からライン４８においてガス圧を検知して、さらにマスク圧を示す信号をブロワー制御システム２４に与える近接圧力センサ４６と、大気圧を示す信号をブロワー制御システムに与える大気圧センサ５０とを有して示される。
【００１６】
ブロワーモータは、好ましくは、永久磁石を備えた回転子／回転翼と、３本の巻線を備えた固定子とを有する三相同期交流（ＡＣ）モータである。三相の交流を巻線に与えることにより、回転子と固定子との間の空気間隙中に回転する磁界を生じる。次に、回転子は、この回転磁界の速度と同期して回転する。
【００１７】
モータの速度を制御するために、ブロワー制御システム２４は、好ましくは、位相から１２０度ずつずれてＡＣモータのそれぞれの巻線に与えられると回転磁界を生じるよう３つの正弦波状に重み付けされたパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成するようプログラムされた、マイクロコントローラ３２を含む。ＡＣモータは典型的に、一定速で動作されるが、この発明のマイクロコントローラは、モータへの加速および減速を交互に行なうことによって、呼吸ガスの圧力を出口において交互に異なる態様で変化させるようにプログラムされる。マイクロコントローラ３２は、比較ユニット３４およびプログラムメモリ３６を備えた従来の設計である。マイクロコントローラと通信する、クロック３８および外部データ記憶４０もまた示される。加速および減速のプロセスは、好ましくは、いわゆるブレセンハムのアルゴリズムを用い、最適な線形の態様で周波数Ａおよび振幅Ａから周波数Ｂおよび振幅Ｂに移動することによってＰＷＭ信号を変調することが含まれる。これは、好ましくは、最小の電源電流値を用いて加速を生じる加速のプロセス中に、ＰＷＭ信号振幅の調整された増大に結合される。減速中に、このプロセスは、電源電圧の変化を防ぐために、特別な分流回路に結合された振幅の調整された減少を用いて逆の態様で達成され得る。振幅のこれらの変化は、振幅を変化させることによってモータの同期の失敗を防ぐように用いられる現在のフィードバックメカニズムを上書きする。この発明に従った装置および方法を、低慣性（５×１０^-6ｋｇ−ｍ²等）の回転子／回転翼アセンブリを用いて実施すると、特別な弁またはセンサを用いることなく、２段階の気道陽圧治療に適切な、速やかな圧力の変化を達成することができる。好ましい実施例において、この発明は、３０％ガラス充填ノリル（Noryl）プラスチック等のプラスチック材料で形成される回転翼を備えたブロワーを有するシステムにおいて実現される。
【００１８】
同期ＡＣモータは、単に磁界の励磁を変化させることにより、広範囲にわたってその力率を変化させ得るという望ましい特性を有する。弱い磁界では、モータは、遅れ電流をとる。図２を参照すると、負荷を一定に保って励磁を増大させると、電流は減少して、電圧と電流との間の位相差は、電流が電圧と同じ位相になり、力率が１になるまで小さくなる。そのとき、電流はその最小値となる。磁界の電流をさらに増大させると、固定子の電流が進み、力率は低下する。したがって、不十分な励磁によって電流は遅れ、過剰な励起によって電流は進む。
【００１９】
これらの過剰な励磁および不十分な励磁は、マイクロコントローラによって生成されるＰＷＭ信号を用いることによって得られる。この発明に従ったマイクロコントローラによって生成されるタイプのＰＷＭ信号は、図５の左側に示される。図５を参照すると、（所望の正弦波の周波数と比較して）極めて高い一定周波数と正弦波状に重み付けされたデューティーサイクルとを有する信号により、三相正弦波電圧が生成されることが分かる。正弦波ＰＷＭのこの方法を、ＳＷＰＷＭと呼ぶことができる。ＳＷＰＷＭは、正弦波状に重み付けされた値をマイクロコントローラ比較ユニット３４（図１）の３つの比較レジスタ内に置くことによって、マイクロコントローラで実現することができる。比較ユニットは、可変デューティーサイクルＰＷＭ信号を生成するように構成された、いくつかの比較レジスタおよびタイマを含む。タイマ値が比較レジスタ値と同じであると、出力ピンがハイまたはローのいずれかに引かれる。そのため、出力信号のデューティーサイクルは、比較値に線形の態様で従う。ユニットの中には、３つの比較レジスタと、０から任意の特定の１６ビットの「周期」値（period value）までカウントすることのできる１つのタイマとを有するものがある。タイマが周期値に到達すると、それは方向を反転して０までカウントダウンする。このことは、図６に示されるように、中心にアライメントされたＰＷＭ信号を生成するのに有用である。したがって、比較値に到達すると、ＰＷＭ信号は示される通り、オンおよびオフに切換わる。これらのパルスがモータの巻線によってフィルタリングされると、図５の右側に示されるように、連続した正弦波が見られる。
【００２０】
ＳＷＰＷＭは、（適切な値を有するルックアップテーブルを用いると仮定して）計算をほとんど必要としないという利点を有する。三相の各々は、位相から１２０度ずれた正弦波を生成するように作られ得る。正弦波位相電圧は、均衡して星形に接続された負荷に接続されると、正弦波ライン・ツー・ライン電圧値および正弦波ライン・ツー・ニュートラル電圧値を生成する。すべての電圧値が正弦波状であるために、代数学的関係を用いて生じた電圧値を測定することができ、それにより、長い乗算命令が避けられる。
【００２１】
比較ユニットによって生成された正弦波は、特定の周波数（本質的には比較タイマの割込み率である）に加え、「振幅」を有する。この場合の振幅は、ベース周波数の総周期に対する割合である。たとえば、１００％の振幅を有する正弦波は、ＰＷＭ信号を０に近い幅から最大幅まで正弦波状に変化させる。５０％の振幅を有する正弦波は、ＰＷＭ信号を０に近い幅から可能な幅の約５０％まで正弦波状に変化させる。
【００２２】
同期ＡＣモータは、電源および結果として生じる磁界が十分に強ければ、困難なく、どのような速度においても加速および減速を行なうことができる。しかしながら、実際に、電源は、サイズおよび熱の問題によって強度が常に制限され、磁界は、使用する回転子の磁石のタイプによって制限される。このような場合、モータに応じて加速および減速の程度を制限するか、または調整することが望ましい。この発明は、加速／減速を調整および制御する最適な方法を含む。
【００２３】
一般に、ブロワー（またはファン）を作動状態に保つのに必要とされるエネルギは、空気に伝達されるエネルギと、ベアリングの摩擦抵抗によって浪費されるエネルギと、熱に奪われるエネルギ（電流損失）との総和である。第４項のＥ_Syncもまた、図２において上で見たように、磁界が同期しないときに必要とされる追加のエネルギ（電流）を示すように、加えられる。
【００２４】
【数１】

【００２５】
回転翼自体は、以下から分かるように、運動エネルギを蓄える。
【００２６】
【数２】

【００２７】
式中、Ｉは回転翼の慣性モーメントであり、ωは循環する回転周波数である。空気に伝達されるエネルギの量もまた、回転翼の速度の関数である。
【００２８】
【数３】

【００２９】
式中、ωはここでもまた回転周波数である。加速中に、エネルギがシステムに加えられ、所与の期間にわたってブロワーの運動エネルギを増大させる。したがって、周波数１から周波数２へと一定の割合で加速するのに必要とされる電力量を以下のように計算することができる：
【００３０】
【数４】

【００３１】
式中、Ｌは電源によって与えられる制限であり、Ｅ_1,2＝Ｅ_air＋Ｅ_impellerである。当然ながら、この電力は損失を含まず、固定子および回転子の正しいフェージングを仮定するものとする。システムが、摩擦および熱の損失を最小限にするように設計される場合は、モータの同期が最も重要な唯一の「損失」要因である。ブロワーが不十分にまたは過剰に駆動されると、モータによって生じる磁界は、駆動する磁界と位相がずれて動作するおそれがあり、結果的に、電流およびそれによるエネルギの損失がより大きくなる。一般に、ブロワーが図３に示される所与の周波数で駆動される場合、最小の電流を生じる駆動正弦波の振幅が存在する。
【００３２】
したがって、図８に示されるように、周波数と、それらの関連する最小の振幅値との表を作成することができる。これは、典型的に放物曲線に合致し、すなわち、振幅は周波数の二乗の関数となる。したがって、周波数−振幅の関数が線形でないことは明らかである。
【００３３】
これとは別に、図９に示されるように、周波数が圧力を増大させるものであることに注目すべきである。これもまた、一般に、線形関数ではないが、ブロワーの非効率性により、より高い圧力を得るために追加の周波数が必要とされ、その結果、４５ＬＰＭの一定流量を用いて生成された、図９に示されるものと同様の非線形曲線を生じる。したがって、圧力、周波数、および最適の振幅が相関関係にあることが認識される。電流およびエネルギは、振幅と直接関連する。
【００３４】
加速または減速のプロセスは、図１０に示されるように、第１の振幅−周波数の組合せから第２の周波数−振幅の組合せに移動するステップを含む。この発明の一局面によると、このことは、３段階のプロセスを用いることによって達成される。まず、過剰の振幅がモータに加えられて非同期の可能性を減じ（ｘｘ位相）、次に、周波数が目標に到達するまで振幅および周波数を増大し（ｙｙ位相）、最後に過剰の振幅を除去する（ｚｚ位相）。
【００３５】
振幅および周波数を調整するプロセスを連続したプロセスとして示してきたが、典型的に、周波数および振幅は、最新のマイクロコントローラによって生成されると有限整数値を有する。したがって、振幅および周波数の両方は、一連の「ステップ」においてマイクロコントローラによって調整される。したがって、或る振幅および周波数の対から別の振幅および周波数の対に、どのように最適に移動するかという問題が生じる。
【００３６】
この発明の好ましい実施例によると、この問題は、マイクロコントローラにブレセンハムのアルゴリズムを用いるようにプログラムすることによって解決される。簡潔に述べると、離散の程度が最も高い変数は、各ループの繰返しで、まとまった増分で調整される。第２の変数は、２点間の傾きに基づいて、規則的な間隔で、まとまった増分で調整される。
【００３７】
今の文脈では、「ｘ」を周波数として、「ｙ」を振幅として考えることができる。ｘ１とｘ２との間を（すなわち、［圧力１および２に対応する］周波数１から周波数２に）移動して、それに応じて、振幅「ｙ」を線形のまたは最適な態様で、ｙ１からｙ２に変化させたい。
【００３８】
このアルゴリズムに対する擬似コードを以下に示す。太字部分は、好ましくは、新規の圧力を設定するためのルーチン内に含まれる。斜字体の部分は、好ましくは、規則的な間隔（１／４０００ｓｅｃ毎等）で周波数および振幅を調整するタイマ割込みルーチン内に含まれる。
【００３９】
【表１】

【００４０】
このアルゴリズムが、ｘ２がｘ１よりも大きく、ｙ２がｙ１よりも大きいと仮定することに注目されたい。このことは、加速に当てはまる。減速については、ｙ１はｙ２よりも大きく、ｘ１はｘ２よりも大きい。ｄｘおよびｄｙに対する式は、ｘ１−ｘ２およびｙ１−ｙ２として再公式化されて、正の数を生じる。
【００４１】
ライン番号を参照して、上述の擬似コードを以下により詳細に説明する。
ライン１は、開始周波数ｘ１、終了周波数ｘ２、開始振幅ｙ１、および終了振幅ｙ２に移動する関数ステートメントである。このアルゴリズムは、ｘおよびｙがともに０よりも大きい、象限１に我々がいるものと仮定する。さらに、引くべき直線の傾きが１未満であると仮定する。この特定の場合において、このことは、振幅の（ｙの）範囲が、対応する周波数の（ｘの）範囲よりも小さい限り、当てはまる。この傾きは、ｙの増分／ｘの増分（ｄｙ／ｄｘ）であるために、このアルゴリズムを書かれたとおりに用いるための基準が満たされる。変換により、他の八分空間でこのアルゴリズムを用いることもできる。たとえば、傾きが１よりも大きい（すなわち、周波数値よりも振幅値が大きい）場合、ｘおよびｙを交換する。
【００４２】
ライン４において、振幅（暗に周波数）をまとまった単位で増大させる。ライン４の「ｉｆ」ステートメントは、減速を説明する。
【００４３】
ライン５は、このステップで包含する周波数の範囲を計算する。これは、我々が加速（すなわち、ｘ２＞ｘ１）しているものと仮定する。減速する場合、ｄｘはｘ１−ｘ２でなければならない。ｄｘおよびｄｙの差は常に正である。
【００４４】
ライン６は振幅の範囲を計算する。
ライン７は、いわゆる誤差変数を計算する。これは、ルーピング中に振幅を直ちに増大させるために、「２^*ｄｙ−ｄｘ」よりも「２^*ｄｙ」に設定されてもよい。
【００４５】
ライン８およびライン９は、誤差変数の増分である。
ライン１０およびライン１１は、ループ（ライン１３〜ライン２０）のための初期設定である。
【００４６】
ライン１３〜ライン２０は、アルゴリズムの本質を含む。その変数の範囲は最大であるため、各ステップにおいて、周波数（ｘ）の増分がある。しかしながら、周期的に、設定された間隔で、振幅（ｙ）の増分がある。このことは、誤差変数「ｄ」に基づく。ｄの値が正であると、ｙを増大させてａｉｎｃｒをｄに加え、そうでなければ、単にｘを増大させてｂｉｎｃｒをｄに加える。
【００４７】
ｄｙが常に正であり、ｄｘが常に正であるが、ｄｙが常にｄｘよりも小さく、したがって、ａｉｎｃｒが負であり、ｂｉｎｃｒが正であることに注目されたい。一例として、傾きが、ｄｙ／ｄｘ＝１／３であると仮定する。このような場合、ａｉｎｃｒ＝−２^*ｂｉｎｃｒ．＝−４ｄｙである。誤差変数は３回ごとに正となり、ｙを３つのｘの増分ごとに一度、増大させる。
【００４８】
ｙの値の範囲がｘの値の範囲よりも小さい場合、一般に、ｙを１つだけ進める（プラスまたはマイナスに）。一実施例では、４ｃｍＨ₂Ｏの出口ガス圧が、約１４８Ｈｚのブロワー周波数に対応する。３０ｃｍＨ₂Ｏに加速することは、ブロワー周波数を約３８０Ｈｚに変化させることを含み、したがって、約２３０Ｈｚの範囲を有することになる。対応する振幅（ｙの値）が５または６から約８０になり、したがって、３Ｈｚごとに、１つの振幅単位だけ進む。ｘおよびｙの値の相関的な範囲を考慮すると、ブレセンハムアルゴリズムの真の目的は、最後の文の結論に至り得る。すなわち、ｎ個の周波数（ｘ）のステップごとに、１つの振幅（ｙ）単位だけ進まなければならない。上に述べたものの変形として、振幅（ｙ）もまた一度に等しい数の単位だけ変化する限り、一度に２つ以上の周波数単位だけ進み得ることに注目されたい。加速ほどエネルギを必要としない減速中には、より速やかに速度を下げて呼吸動作を改善することが望ましい。好ましい実施例において、このことは、所与の間隔ごとに２つの周波数単位だけ進むことによって達成される。このことは、現時点で、約０．７５ｍｓ／Ｈｚの速度の達成を可能にする。それとは反対に、同じ電力供給で加速している間には、約１ｍｓ／Ｈｚの速度が現時点で達成される。
【００４９】
このアルゴリズム自体は、振幅と周波数との間の関係が仮に線形であるとすれば最適である。残念なことに、この関係は線形ではないが、最適な周波数−振幅のテーブルを較正しかつ記憶することができる。したがって、この情報を用いることにより、図１１に示される一連の線の区分によって周波数−振幅の曲線に近似する一実施例において、準線形または増大する態様で進むことができる。このアプローチの利点は、Ｅ_syncが最小値となり、それによって所与の電源のサイズに対して非同期の可能性を減じることである。
【００５０】
続行する第２の方法は、マイクロコントローラをプログラムして、未処理の振幅（本質的に、図６に示される比較値）が、その値として０（モータの動作が生じない値）および１００（固定子に最大限に通電される値）を有する線形量である、素数Ａ（Ａ′）にマッピングされるよう、座標変換を用いることである。それにより、図１１の振幅―周波数の関係は直線となり、低圧力から高圧力に１つのステップで進むことが可能となる。以下の基本的なプログラムでは、８ビットの周期値が用いられる（未処理の振幅である）。カウンタは図６に示されるように、０から６４およびその逆にカウントして、時間通りに対称型のパルスを生じる。比較値が比較レジスタ内にロードされて、ｎ個の部分（ここでは１２と仮定される）からなる正弦波に近似する。正弦波の最大変換された振幅（Ａ′）が以下に示される「ｊ」ループによって生成され、これはｊ％^*stepamp♯＋offset♯に相当する。総周期（未処理の振幅）の５％に相当するオフセットが、その周期から減算される。なぜなら、固定子のほぼ最小限の通電なく回転子の作動が生じ得ないと経験的に判断されているためである。この割合は、モータの設計、回転子の重量等に依存して変化する。したがって、好ましい実施例において、Ａ′は、そのすべてが回転子の動作と関連する比較値を含む。
【００５１】
【表２】

【００５２】
この変換が行なわれると、所与のどのような周波数に対しても、簡単な関係から最適な振幅を決定することができる。
【００５３】
Ａ′＝振幅係数′／周波数−オフセット
振幅係数は、図４に示される一定の負荷（すなわち、一定の流量）のもとで、一定周波数（３２０Ｈｚ等）における最小の電流値を見つけることによって決定される。これは、エネルギ消失の平均が、密度が下がるにつれて低下しても流量が一定に保たれる限り、最大９０００フィートのすべての標高（すなわち空気密度）において一定である。流量が増大するにつれ、最適な振幅係数もまたわずかに増大する。結果的に、流量は、装置の作動に典型的な、振幅係数の較正のために選択されるべきてある。好ましい実施例では、これは、４５〜６０リットル／分（ＬＰＭ）であり、これは、４ｍｍ名目ブリード穴漏れ率をわずかに超え（顔マスクは、排気口またはブリード穴を有して設計されるために、常に何らかの流量がある）、したがって、患者の安静時の呼吸によって生じるものとほぼ等しい。流量は流量計を用いてモニタされるために、振幅係数もまた、流量の関数として変化し得るが、これは、一般に必要とされない。なぜなら、負荷による振幅係数の変化が小さいためである。
【００５４】
Ａ′と周波数との関係が分かると、ブレセンハムのアプローチを用いて、便利にかつ最適に、対応する値Ａ₁′およびＡ₂′の対応する値を備えた第１の周波数から第２の周波数に変化することができ、電源のサイズを最適に決定することができる。残る問題は、どのようにして過剰の振幅（ｘｘ）を決定するかである。過剰の振幅が小さすぎると、回転子が加速中に同期を失うことが分かっている。このことはまた、過剰な振幅が大きすぎる場合にも生じ得る。必要とされる振幅の大きさを決定するために、モータの電流値の分析が必要となる。
【００５５】
同期Ａ／Ｃモータに対する等価回路が図７に示される。この回路に対する電流値の等式の解は以下のとおりである。
【００５６】
【数５】

【００５７】
ここで、時定数は、同期インダクタンスとコイル抵抗との比（Ｌ_s／Ｒ₁）として与えられる。したがって、最初の加速が「遅い」場合、第２項を本質的に無視することができ、一過性の作用を無視することができる。加速が急である場合、時定数が大きいか、または十分な時間が経って一過性の現象がもはや重要ではないと、第２項を無視することができる。時定数を大きくすることは、希土類の磁石を用いることによって回転子の磁力を増大させて、第２に固定子の電界の強さを増大させることによって、達成され得る。電界は、振幅の適切な増分（Ａ′）によって増大され得る。
【００５８】
図１２は、加速のプロセスの結果として、電流の典型的な「リンギング」を示す。リンギングは電気機械的現象であり、これは、加速中に、システムの混乱によって磁界が瞬間的に回転子の回転を進め、その後、回転子の回転を遅らせる際に生じる。先行および遅延が交互に生じることは、回転子が磁界の回転と再び完全に同期するまで続く。所与のモータの設計では、このことは特有の周期を有する。「ｘｘ」の値は、加速の終了時に始まるリンギングの振幅を最小化し、さらに、加速中の総電流を最小化するように、経験的に選択される。図１３は、左側に、正しく調整された曲線を示し、中央では、過剰の振幅による影響を示す。過剰の振幅が少なすぎると、システムは単に作動しない。過剰の振幅の量は、加速および周波数の割合に比例する。したがって、極めて多数の定数が、以下のように規定される。
【００５９】
追加のＡ′（「ｘｘ」）＝周波数／加速定数
加速度の大きな場合（１ｍｓ／Ｈｚ等）、典型的な加速度定数は１２である。加速度がより小さい場合（１．２５〜２．５０ｍｓ／Ｈｚ等）、典型的な加速度定数は１５である。加速度が最も小さい場合（４ｍｓ／Ｈｚ等）、典型的な加速度定数は３８である。このように調整された加速度定数は、加速度で表示されるテーブルに記憶される。このテーブルは、以下に述べるとおり、加速プロセスの一部としてアクセスされる。
【００６０】
図１２のリンギングが、電流値のフィードバック制御によっても最小化できることに注目されたい。３本の巻線からの平均電流値は、１つのＡ／Ｄ電流単位が２つの振幅単位に相当するか、または、別の方法をとって、１単位の振幅の増大が結果的に電流単位のほぼ半分となるように、フィルタリングされて調整される。このことは、振幅を用いて電流値を最小にするフィードバック制御回路において、５０％の比例利得を意味する。したがって、図１７に示されるように、電流値のフィードバック方式は、加速、圧力制御および／または減速のプロセス中にリンギングの量を減らすために、最高位の割込み優先権により優先的に用いられる。図１７の１０２を参照すると、示されたルーチンは、１２個の部分からなる正弦波を生成するために、モータの周波数の１２倍の速度で呼出されるが、周波数の他の倍数を用いることもできる。呼出しが奇数であるか、または偶数であるかの決定が１０４で行なわれる。偶数の呼出しの各々の間に、１０６で示されるように、振幅および計算されたオフセット振幅を再ロードし、１０８に示されるように、１２個の部分からなる正弦波の次の成分で比較レジスタを更新する。奇数の呼出しの各々の間には、１１０に示されるように、電流Ａ／Ｄチャネルが読出され、１１２において、電流が特定の期間だけ、特定の制限を超えているかどうかのチェックが行なわれる。もしそうであれば、１１４に示されるように、モータおよび周辺装置をオフにし、１１６において呼出しルーチンに戻る。そうでなければ、１１８において、比較レジスタは、１２個の部分からなる正弦波の次の成分で更新されて、１２０において、新規のオフセット振幅が、現在の電流値と前の電流値との間の差として計算される。このオフセット振幅は、１２２において、選択された値まで制限される。次に、１２４において、前の電流値が今の電流値に設定され、１１６に示されるように、復帰する。
【００６１】
図１２に示されるリンギングはこの他に、電流の乱れを収めるためには、ほぼ最小の量だけ速度調整に間隔を保たせることが好ましいことを示す。一般に、速度の変化は、呼吸（吸入または呼息）の検出および／または圧力値フィードバック調整のいずれかによって生じる。呼吸の検出は、最大の加速度および減速度（約１ｍｓ／Ｈｚ等）で、頻繁にではないが速度の変化を生じ、圧力値フィードバック調整は、より頻繁であるにもかかわらず、中等度（約４ｍｓ／Ｈｚ）で速度を変化させる。高速で加速する際に、追加の振幅（Ａ′）が加えられて、ブロワーに速度の変化をたどらせる。したがって、約２０〜４０ｍｓの間隔が適当である。圧力値フィードバック調整は、より少ない振幅を加え、より少ない量だけ周波数を変化させる。したがって、追加のＡ′が加えられる。したがって、約６０〜１００ｍｓの間隔が適当である。
【００６２】
図１３はまた、減速プロセスに帰する、電流−時間の比例曲線を示す。ハードウェアの変更は有用であり、ソフトウェアの変更は、減速に対処するために必要とされる。ハードウェアに関して、スイッチング電源２６（図１）の代用例は、好ましくは、２つの電圧タップを有する。その一方が、プロセッサおよびアナログ回路を作動させるのに必要とされる１２ボルトを供給する。他方は、ブロワーモータを駆動するのに必要とされる２７．５ボルトを供給する。電源は、２７．５Ｖの供給のみを調整する。１２ボルトの供給は、２７．５Ｖの供給の連続した動作に依存する。２７．５Ｖの供給が止まると、１２Ｖの供給も止まる。減速中に、モータは発電機として働き、２７．５Ｖの供給を増大しようとする。通常、このことによってスイッチングレギュレータが停止し、結果的に１２Ｖの供給が損なわれる。このことを防ぐために、モータの電圧値を検出して過剰分を接地に分流するクランプ回路２００（図１４）を加えることができる。この変更により、減速方式は、複数の出力スイッチング電源によって作動することができる。作動中に、電圧は、ヒューズ２０２およびダイオード２０４を介してモータ回路に供給される。減速期間中に、モータは過剰な電圧をダイオード２０４の陽極に生じ、それに逆バイアスをかける。逆バイアスが約３ボルトに達すると、トランジスタ２０６は抵抗器のアレイ２０８を介して電流を伝え始める。抵抗器のアレイ２０８は加熱され、それにより、モータを減速することによって生じるエネルギを放散させる。
【００６３】
ソフトウェアに関し、振幅は、減速の開始時に名目上の振幅から減算される（遮断パラメータ）。名目上の振幅が復元されると、正しく調整された値は、減速の終了時に結果的に矩形様の電流曲線を生じる（図１３の最も左の曲線）。振幅が十分に除去されない場合、電流は減速の終了時にオーバーシュートを生じる（図１３の最も右の曲線）。このオーバーシュートが十分に大きい場合、モータを非同期させるおそれがある。ここでもまた、除去する必要のある振幅の大きさは速度に依存する。減速度が最大であると（３／４ｍｓ／Ｈｚ等）、２７のＡ′単位を除去しなければならない。加速度がより低い場合（４ｍｓ／Ｈｚ等）、６のＡ′単位のみを除去するだけでよい。減速度で示された、これらの調整された遮断パラメータのテーブルは、速度変更のプロセス中にマイクロプロセッサによって記憶されて、アクセスされ得る。
【００６４】
加速または減速のプロセス中に、回転子が磁界の回転速度と非同期となる可能性は限られる。これは、回転子の抵抗および／または回転を妨げる機械的な支障を著しく増大させる空気の突然の破裂（くしゃみ等）によって生じ得る。好ましい実施例においては、このような状態を検出し、モータを停止させて再始動を試みることが望ましい。このことを達成するために、モータの電流値および電源の電圧値の両方がデジタル化される。非同期が生じると、モータの電流は著しく増大する。それが、設定可能な変換数を超える数に対して設定可能な最大レベルを超えたままであると（図１７の１１２参照）、モータ、冷却ファンおよびＬＣＤバックライトのすべてがオフにされる（図１７の１１４参照）。同様に、電源の電圧値が設定可能なレベルよりも下がると、モータおよび付属装置もまたオフにされる。最後に、検出された電流値が測定可能な期間だけ振幅よりも大きくなると（５０％の利得システムの場合、このことは、電流が通常の電流の２倍であることを意味する）、そのユニットもオフにされる。この最後の規定は、電流値が設定可能な最大値を超えないかもしれないが、非同期の際に電流値が依然として高いままであって、モータがオフにされないと結果的に固定子に損傷を与え得る、より低い周波数に対して有用である。
【００６５】
図１５および図１６は、この発明が実現され得る、ステップごとのプロセスを図で示す。速度の変更が３０２で要請されると、３０４において、その要請が加速または減速のいずれを含んでいるかについての決定が行なわれる。加速が選択されると、３０６において、以前に開示したタイプの加速度定数が、加速度で示されるテーブルから選択される。この定数を用いて、３０８および３１０においてそれぞれ、電流速度および目標速度（すなわち周波数）に基づいてpreAmplitudeおよびtargetAmplitudeが計算される。それに加え、３１２において、安定した状態（すなわち、加速が完了した後）での目標速度に基づいて、最終振幅が計算される。電流値および目標速度ならびにpreAmplitudeおよびtargetAmplitudeから、３１４に示されるように、ブレセンハムの係数ａＩｎｃｒ、ｂＩｎｃｒ、および「ｄ」が計算され得る。この時点で、３１６において、高速タイマ割込みのうちの１つに読出されるフラグを設定することによって速度の変更が開始される。同様に、減速が選択されると、３１８に示されるように、適切な遮断パラメータが、減速度で示されるテーブルから読出される。次に、この遮断パラメータを用いて、preAmplitudeおよびtargetAmplitudeを計算することができる。次に、上述のとおり、最終振幅およびブレセンハムの係数を計算することができる。
【００６６】
次に、図１６を参照すると、速度変更を示すフラグが設定されると、３２４で示されるように、メインタイマ割込みが、速度および振幅を同時に調整し始める。３２６で速度を変更する決定が行なわれると、３２８において、ｄ（本質的に、ｘ方向の調整の各々に対して行なわれるｙ方向の調整の数）が０よりも大きいかどうかについての決定が行なわれる。もし大きければ、３３０においてａＩｎｃｒがｄに加えられ、次に、３３６において加速または減速のいずれが呼出されたかに依存して、３３２または３３４において振幅が調整される。ｄが０よりも大きくない場合は、それが０よりも大きくなるまで、３３８においてｂＩｎｃｒがｄに加えられる。各繰返しにおいて、周波数は、加速または減速のいずれか生じているかに依存して、ｄｙ単位だけ上下させることによって調整される。３４０において、ＳＷＰＷＭ正弦波の生成を制御するタイマの割込み率が調整される。この時点で、３４２に示されるとおり、割込みは戻る。速度変更が呼出されない場合は、３４４において、振幅が最終振幅に等しいかどうか尋ねる。等しくなければ、振幅は、３４６において、最終振幅に等しくなるまで減じられる。これは、図１０に示される加速プロセスの最終区間である。
【００６７】
この発明の好ましい実施例を上で詳細に開示してきたが、この発明は、開示された実施例に限定されることを意図しない。当業者は、この発明の概念から逸脱することなく、ここに記載された特定の実施例の多くの使途および変更例ならびに発展例を形成することができる。たとえば、この発明を睡眠時無呼吸の治療と関連させて説明してきたが、この発明を任意のタイプの呼吸の治療法と関連させて用い得ることを認識されるであろう。ここで、「呼吸の治療法」とは、ユーザに呼吸ガスを送出することが望ましい任意の適用を意味する。ブロワーおよびブロワー制御回路は、好ましくは、１つのガス流生成ユニット内に含まれるが、それらが外部接続を介して通信する個別のユニット内に含まれ得ることも認識されるであろう。また、ガス入口および／またはガス出口において、またはガス流生成器もしくは患者の回路内の任意の他の場所に、さまざまなフィルタを位置付けられることが認識されるであろう。マイクロコントローラは、モータ制御に加え、圧力分析、漏れの補償、および呼吸ガスをユーザに送出することに関連する他の機能に対して用いることができる。好ましくは、ガス流生成器は、オペレータが、たとえば出口圧、過剰な漏れ、１回換気量（tidal volume）、およびピーク流量を含む装置の設定および状態をモニタすることのできる、ディスプレイ４２および制御装置４４を含む。所望であれば、ガス流生成器は、外部のコンピュータをガス流生成器の遠隔表示および／または制御のためのシステムにリンクさせることのできる通信ポートを含むことができる。用語「マイクロコントローラ」は一般に、この明細書において、信号を出入力して、この明細書に述べられたタイプのモータ制御機能を果たすことのできる任意の適切なマイクロプロセッサ、集積回路、コンピュータ、または回路を指すように用いられる。用語「プログラムメモリ」、「メモリ」、および「データ記憶」は、この明細書において一般に、たとえば読出専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラマブル読出専用メモリ（ＰＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気記憶装置、および光学記憶装置を含む任意のタイプの電子データ記憶装置を指すように用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に従った、マイクロコンピュータ制御のＡＣモータを有するガス流生成器を含む装置の概略図である。
【図２】 同期ＡＣモータの固定子電流に対する磁界電流を示す図である。
【図３】 実際のブロワー／モータの、平均巻線電流に対する未処理の振幅を示す図である。
【図４】 最適な振幅係数が、標高に依存することを示す、２つの異なった標高における電流に対する振幅係数を示す図である。
【図５】 モータにおいて、２つの正弦波状に重み付けされたＰＷＭパルスがどのように電流正弦波を生じ得るかを示す図である。
【図６】 マイクロプロセッサの捕捉／比較ユニットにおいて、異なる比較値を用いてどのようにＰＷＭパルスが生成されるかを示す図である。
【図７】 ＡＣモータに対する等価回路の図である。
【図８】 周波数の関数としての未処理の振幅を示す図である。未処理の振幅は、０と、この場合１２０である最大周期値との間の値を取り得る比較レジスタ内にロードされた、１つの比較値である。
【図９】 典型的な遠心ブロワーに対する、周波数の関数としての圧力を示す図である。
【図１０】 この発明による、３段階の加速のプロセスを示す図である。
【図１１】 未処理の振幅および周波数値からなる記憶されたルックアップテーブルを用いて、準線形の態様で、大きな範囲の周波数にわたり、どのようにして加速が達成され得るかを示す図である。
【図１２】 加速のプロセスから生じる電流値と、特に、速度の変更によってどのように電流が「リンギング」するかを示す図である。
【図１３】 加速および減速中に電流値−時間の波形を調べることにより、加速度定数および遮断パラメータがどのように視覚的に調整され得るかを示す図である。
【図１４】 複数の範囲のスイッチング電源の設計と、減速中に電圧がどのようにして再び電源に分流され得るかとを示す図である。
【図１５】 この発明に従って、加速および減速がどのようにして段階ごとのプロセスで実現され得るかを示す図である。
【図１６】 この発明に従って、加速および減速がどのようにして段階ごとのプロセスで実現され得るかを示す図である。
【図１７】 この発明に従い、電流の「リンギング」を最小化するために、平均電流値のフィードバックを用いる方法を示す図である。

Claims (10)

1. 呼吸ガスをユーザに送出するための装置であって、
   交流（ＡＣ）モータ、および前記ＡＣモータによって回転されて呼吸ガスをユーザに送出するための回転翼を有するブロワーと、
   可変の周波数および振幅のモータ制御信号を前記ＡＣモータに与えるブロワー制御システムとを含み、前記モータ制御信号の周波数および振幅は、前記ブロワー制御システムによって周期的に調整されて、前記ＡＣモータの作動に、吸入気道陽圧を生成する第１の速度で前記回転翼を回転させる吸入モードと、呼息気道陽圧を生成する第２の速度で前記回転翼を回転させる呼息モードとを交互に繰り返させる、装置。
2. 前記ブロワー制御システムは、マイクロコントローラを含み、前記モータ制御信号は、前記マイクロコントローラによって生成されるパルス幅変調信号である、請求項１に記載の装置。
3. 前記パルス幅変調信号は、正弦波状に重み付けされたデューティーサイクルを有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記マイクロコントローラは、タイマおよび複数の比較レジスタを有する比較ユニットを含み、前記正弦波状に重み付けされたパルス幅変調信号は、タイマ値と比較レジスタ値との比較に基づいて生成される、請求項３に記載の装置。
5. 前記タイマは、前記パルス幅変調信号の周波数を規定する可変割込み率を有する、請求項４に記載の装置。
6. ユーザによる吸入および呼息に応答して変化する流量信号を生成する流量センサと、前記流量信号に応答してトリガ信号を前記マイクロコントローラに与えるトリガ回路とをさらに含み、前記マイクロコントローラは、前記モータ制御信号の周波数および振幅を調整して、前記トリガ信号に応答して前記吸入モードと前記呼息モードとの間で切換わる、請求項２に記載の装置。
7. 前記マイクロコントローラは、特定のガス圧に対応する１組の周波数に対して最小の振幅値を保持するためにプログラムされたメモリを含み、前記マイクロコントローラは、或る周波数から別の周波数に切換わる際に、メモリから記憶された振幅値を取出す、請求項２に記載の装置。
8. 前記ブロワー制御システムは、周波数に対する振幅の傾きに基づいてまとまった増分で周波数および振幅を調整することにより、前記モータ制御信号の周波数および振幅を変更する、請求項２に記載の装置。
9. 前記モータ制御信号の第１の周波数および振幅により、前記回転翼は前記第１の速度で作動し、前記モータ制御信号の第２の周波数および振幅により、前記回転翼は第２の速度で作動し、前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きく、前記ブロワー制御システムは、過剰の振幅を前記モータ制御信号に加え、前記第１の周波数および振幅と前記第２の周波数および振幅との間の差に基づいて信号の周波数および振幅を増大させ、前記過剰の振幅を除去することにより、前記回転翼の速度を前記第１の速度から前記第２の速度に増大させる、請求項１に記載の装置。
10. 前記過剰の振幅は、前記第２の周波数と加速定数との比に等しい、請求項９に記載の装置。

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