JP4938185B2

JP4938185B2 - 患者呼吸回路の有効流れ抵抗を評価するための方法及び装置

Info

Publication number: JP4938185B2
Application number: JP2001199497A
Authority: JP
Inventors: ライディンゲラン; ストレームクリスター; ベナルステンヨハン
Original assignee: Maquet Critical Care AB
Current assignee: Maquet Critical Care AB
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: EP1166813A2; EP1166813A3; SE0002449D0; US20020020410A1; JP2002143309A; US6510851B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械的呼吸補助時に患者呼吸回路の有効流れ抵抗を評価するための方法と、この方法を実施するための装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
患者に機械的呼吸補助を提供することは、よく知られた医療行為であり、外科的及び重大ケア状況において最も頻繁に使用される。通常、気管内チューブ又は気管切開チューブ等の呼吸チューブは、患者の気管に挿入され、この場合、チューブの遠位端部は患者の気道内に配置され、近位端部は患者の外部においてアクセス可能である。近位端部は、呼吸補助装置と結合した呼吸回路を形成するために、通常Ｙピースによってガスチューブシステムに結合している。ベンチレータ、レスピレータ又は麻酔剤供給システム等の呼吸補助装置は、患者の気道への又は患者の気道からの呼吸回路を通るガス流を制御し、ひいては患者の呼吸サイクルを調節する。
【０００３】
呼吸チューブを介して患者に提供される呼吸ガスの過剰圧力は、バロトラウマを生じる虞があるため、呼吸回路内のガス圧は、通常監視され、補助装置を制御するために使用される。呼吸チューブの近位端部におけるガス圧を監視するために、通常補助装置自体内に又はＹピースに圧力センサが設けられている。しかしながら、呼吸チューブは呼吸回路の他の部分に比べ比較的狭幅なボアを有しているので、呼吸チューブは、ガス流に対して大きな抵抗を与える。このことは、センサによって示される圧力と、肺内における残留する圧力との間の不正確を引き起こし、これにより、呼吸ガスの高すぎる供給圧力によりバロトラウマが依然として生じる。別の場合には、呼吸ガスの供給圧力が低すぎるレベルにまで調節され、これにより、肺の有効な開放がもはや生じない。
【０００４】
呼吸回路（主として供給チューブ）の流れ抵抗が補助装置の安全かつ有効な動作に対して与える影響を低減するために、装置が、検出された供給圧力を呼吸チューブ抵抗に基づいて補償し、この補償された圧力値を、呼吸ガスの供給を制御するために使用することが知られている。公知の装置においては、これは、呼吸補助が開始される前に、ユーザが、呼吸チューブの抵抗に関する情報を入力することによって行われる。この情報は、チューブの長さ及び内径であってよく、これらの情報から理論的な抵抗を計算することができるか、又は、使用前に決定された実際の計算された又は測定された抵抗値であることができる。
【０００５】
これに関する１つの問題は、ユーザが誤って情報を入力する虞があることである。別の問題は、公知の形式で提供される抵抗が、チューブの真実の抵抗でない場合があることである。なぜならば、これは、装置の動作の間に、又は、患者の気管内におけるチューブの初期配置の結果、変化するからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、方法及びこの方法を実施するための装置を提供することであり、これらの方法及び装置を使用することにより、公知の呼吸補助装置に関連した問題のうちの少なくとも１つを軽減することができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１態様によれば、本願の請求項１に記載されかつこの請求項により特徴付けられたような、機械的呼吸補助時に呼吸回路の有効流れ抵抗を評価するための方法が提供される。
【０００８】
閉鎖の開始における所定の圧力降下は、呼吸回路内に設けられた患者呼吸チューブの抵抗から実質的に生じると仮定される。なぜならば、チューブの直径が、回路の他のあらゆるチューブコンポーネントの直径よりも著しく小さいからである。チューブ抵抗の表示は、圧力降下と流量との関係から決定されてよく、この表示は、第１の近似に対し、単に、所定の圧力降下を、閉鎖の導入直前の流量によって除したものであってよい。
【０００９】
同様の方法が米国特許第５８７６３５２号明細書に説明されており、この明細書には、圧力降下が実質的に患者の肺の抵抗に依存し、前記方法の精度を改善するために、呼吸回路のコンプライアンス（抵抗^- ^１）が補償されるべきであることが開示されている。
【００１０】
決定された圧力降下は患者チューブ抵抗から実質的に生じるので、以下の式に従って、与えられたガス流Ｆに関して、決定された圧力降下ΔＰと、長さＬで直径Ｄの呼吸チューブの抵抗Ｒとのリンクを提供するために公知のブラジウスの方程式が使用されてよい。
【００１１】
【数１】

【００１２】
ここで、μ及びρはそれぞれガス粘度及びガス密度である。
【００１３】
方程式（１）は以下のように書き換えられる。
【００１４】
【数２】

【００１５】
これは、
【００１６】
【数３】

【００１７】
を与える。
【００１８】
したがって、流量値Ｆにおいて得られた圧力降下ΔＰを決定することによって、呼吸チューブの有効抵抗の表示を、ユーザが情報を入力する必要なく、呼吸補助時に自動的に得ることができる。特に、有利には、方程式（３）から、チューブ抵抗の表示を提供するために、既知の流量におけるΔＰ／Ｆ^１．７５の計算、又は、Ｆ^１．７５を用いたΔＰの線形変化率の値の計算、すなわちｄΔＰ／ｄＦ^１．７５が使用されてよい。
【００１９】
さらに、抵抗は実際の抵抗であり、この実際の抵抗は、ひいては、使用時の呼吸回路の現実を反映する。これは、方法が、漏洩（低下する抵抗）又は閉塞（上昇する抵抗）を示す抵抗変化のために、機械的な呼吸補助時に呼吸回路を監視するために使用されても、呼吸回路に設けられたセンサによって行われる圧力測定を補償するために使用される、実際の呼吸回路の抵抗値を提供するために使用されてよいという利点を有する。
【００２０】
有利には、患者への呼吸ガス供給への評価方法の効果を低減し、ひいては、患者が受けるあらゆる不快感を低減するために、閉塞は、患者呼吸サイクルの呼気相中に導入される。
【００２１】
方法が、多数の種々異なるガス流のために、例えば、圧力降下の変化の流れ依存率、すなわちｄΔＰ／ｄＦ^１．７５又はｄΔＰ／ｄＦ、を計算する場合に使用したいならば、患者呼吸サイクルの１回又は２回以上の呼気相の間の種々異なる時期に閉塞を導入することによって、種々異なるガス流量が得られてよい。呼気相中の流量は時間と共に変化するので、このことは、呼気相中の時間の経過に伴う流れの自然な変化が、さらに不都合な影響を低減するために利用されてよいという利点を有する。本発明の方法の使用は、機械的呼吸補助の提供を有する。
【００２２】
有利には、評価は、１回の呼気相中の種々異なる時期に行われてよいので、圧力降下の変化の流量依存率の計算は、１回の呼吸サイクルにおいて行われてよい。択一的に、計算を、１回の呼吸サイクルの吸気相中に行いたいならば、傾斜したガス流量が提供されてよく、閉鎖は、同様にその相を通じて導入される。
【００２３】
本発明の第２態様によれば、本発明の第１態様による方法を実施するための装置が提供される。
【００２４】
本発明による装置及び装置の操作方法の典型的な実施例を、以下に図面につきさらに詳しく説明する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
ここで図１を考慮すると、患者の補助換気時に呼吸回路４内の有効流れ抵抗を評価するために、患者ベンチレータ２が、呼吸回路４及び計算ユニット６に相互接続されて示されている。
【００２６】
患者ベンチレータ２は、ガス流制御ユニット８を有しており、このガス流制御ユニット８は、それぞれベンチレータ２内の吸気弁１４及び呼気弁１６を介して、呼吸回路４の吸気ライン１０及び呼気ライン１２に接続している。ベンチレータ２内の弁アクチュエータ１８，２０は、吸気弁１４及び呼気弁１６のそれぞれ１つに作用的に接続されており、関連した弁１４，１６を開閉させるための制御信号を受け取ることにより作動する。流れ制御ユニット８は、アクチュエータ１８，２０に接続されており、これらのアクチュエータに制御信号を提供し、これにより、呼気及び吸気の流れを公知の形式で調整し、ベンチレータ２の作動の１つ又は２つ以上の公知の制御モードの間、制御可能な吸気相及び呼気相を有する機械的な呼吸サイクルを提供する。
【００２７】
患者呼吸回路４はＹピース２２を有しており、Ｙピースの別個の分岐部は、吸気ライン１０及び呼気ライン１２に接続されており、Ｙピースの共通通路は、気管内チューブ２４の小さなボア（通常５ｍｍ〜８ｍｍ）に接続されている。気管内チューブ２４は、開放端部２６を有しており、この開放端部２６は、呼吸補助がベンチレータ２によって提供されている場合に、患者の近位気道に挿入される。
【００２８】
計算ユニット６は、機能上、制御ユニット２８と、作用的に接続されたプロセッサユニット３０とを有しており、プロセッサユニット３０は、このプロセッサユニットに関連したメモリユニット３２を有している。これらのユニット２８，３０，３２の作動についての以下の説明から分かるように、これらのユニットは適切にプログラムされたマイクロコンピュータによって形成されていてよい。制御ユニット２８は計算ユニット６の外側においてセンサユニット３４と、ガス流制御ユニット８と、弁アクチュエータ１８，２０と、アラームユニット３６とに接続されている。
【００２９】
センサユニット３４は、圧力及び流量センサエレメントを有しており、有利には、呼吸回路４内の吸気及び呼気の圧力及び流量を監視することができるように、Ｙピース２２の共通の通路内に配置されていてよい。したがって、センサユニット３４は、制御ユニット２８（選択的にガス流制御ユニット８）に、必要に応じて吸気及び呼気に関する圧力及びガス流量の測定値を提供することができる。
【００３０】
制御ユニット２８は、付加的に、制御信号を弁アクチュエータ１８，２０に提供するように作動可能であり、これにより、関連した弁１４，１６を開閉させ、ひいては、呼吸回路４内のガス流に一時的な閉鎖を導入する。このことは、直接に又は流れ制御ユニット８を介して達成されてよく、この流れ制御ユニット８は、通常は、これらのアクチュエータ１８，２０を制御するために作動し、これにより、ベンチレータ２の通常作動時に患者呼吸サイクルを提供する。制御ユニット２８は、ベンチレータ２のガス流制御ユニット８からのタイミング信号に応じてこれらの制御信号を提供してよく、タイミング信号は、ベンチレータ２によって提供されている呼吸サイクルの吸気相及び呼気相と同期されている。
【００３１】
この形式では、患者呼吸サイクル中に吸気流量及び呼気流量を制御するために、患者ベンチレータ２に典型的に既設の弁コンポーネント１４，１８；２０，１６が本発明において使用されてよい。択一的に、ガス流に対し閉鎖を導入するために特定の弁配列（図示せず）が使用されてよく、この弁配列は、余分なコンポーネントの数を減じるためにＹピース２２に配置されてよい。
【００３２】
機械的呼吸補助時には、呼吸回路４の有効流れ抵抗は、以下のように、図２を参照して評価されてよい。
【００３３】
ベンチレータ２のガス流制御ユニット８は、動作のボリュームコントロールモードにおいて、吸気相Ｉの間において患者に一定のガス流Ｆを提供するように配置されている。この相の間、ユニットの制御の下で、吸気弁１４は開放しており、呼気弁１６は閉鎖されている。吸気相の終了時に、ユニット８は、吸気弁１４をも閉鎖し、時間Ｔ０において、通常１ｍｓ〜２００ｍｓの継続時間の“呼吸保持”を開始するように制御ユニット２８によって命令される。所定の時間の後、制御ユニット８は、呼気弁１６を開放させるように動作するように命令され、呼気相Ｅが開始する。呼吸保持Ｂの直前にセンサユニット３４によって測定された圧力Ｐ１は、制御ユニット２８を介してプロセッサユニット３０へ伝送され、プロセッサユニットにおいて圧力は、センサユニット２３によって測定された、関連したガス流量値と共にメモリ３６に記憶される。圧力測定は、呼吸保持の間を通じて反復され、複数の“中間”圧力値が、関連する時間と共にメモリ３２に記憶される。最終的な圧力Ｐ２が時間Ｔ２において、呼吸保持の終了時に記録され、両値が再びメモリ３２に記憶される。次いで、記憶された圧力及び時間が、プロセッサユニット３０によってアクセスされ、プロセッサユニット３０は、時間Ｔ０における呼吸保持の導入直後の呼吸回路４内の圧力Ｐ０を計算する。このことは、中間の圧力及び時間値を使用することによって、勾配値を求め、この勾配値を用いて、Ｔ２における最終的な圧力を時間Ｔ０へ外挿（back-extrapolate）することによって行われてよい。呼吸保持の直前における圧力（Ｐ１）と直後における圧力（Ｐ０）との差は、呼吸回路抵抗より生じる圧力降下ΔＰであると受け取られ、この圧力降下は、主として気管内チューブ２４の抵抗に起因する。値ΔＰ及びＦはメモリ３２内に記憶され、プロセスは、吸気流量Ｆの別の値を提供するために作動する流れ制御ユニット８を用いて少なくとももう一度繰り返されてよい。次いで、プロセッサユニット３０は、記憶されたΔＰ及びＦの値を呼び出し、これらの呼び出された値を使用して有効流れ抵抗を評価するために作動する。プロセッサユニット３０は、（得られた流量値）^１．７５を用いて、決定された圧力降下の線形の変化率の値を計算することによって、圧力降下ΔＰと（得られた流量値Ｆ）^１．７５との関係を決定するようにプログラムされていてよい。前記方程式（３）から分かるように、この値は、呼吸回路４の有効抵抗の測定を提供する。
【００３４】
呼吸保持の技術は、ベンチレータ２の別の動作モードにおいて適用されてよい。この例は、圧支持動作モードのために提供され、図３に示されており、図３においては、図２と共通の特徴は同じ符号で示されている。圧支持モードの間、ベンチレータ２は、患者が呼吸しようとしていることを表す、センサユニット３４におけるセンサからのトリガ信号を受け取ることに基づき、呼吸ガスを供給することによって患者の呼吸努力を支持するために、公知の形式で作動される。図３ａは、圧支持時における１回の呼吸の間の典型的な流量特性を示しており、吸気Ｉ中の変化する流量を示している。呼吸保持Ｂは、前の、通常３回の呼吸の平均に基づいて開始される。ユニット８は、吸気時間、吸気流量、供給容量又は吸気圧力等の、現在の呼吸における測定可能な量が、前記平均的な呼吸に基づくしきい値に達したときに、時間Ｔ０において流れ弁１４，１６を閉鎖させるように作動する。このような、呼吸保持を開始するための判断基準は、供給された容量が、３回の以前の呼吸の平均に基づき予測された供給される容量全体の９０％に達したときであってよい。次いで、計算ユニット６は、図２のボリュームコントロールモードに関して前述したように、時間Ｔ２において呼吸保持の終了時に最終圧力Ｐ２を測定し、時間Ｔ０における圧力Ｐ０を決定するために外挿（extraplate back）するように作動する。Ｐ１−Ｐ０である圧力降下ΔＰが計算され、チューブ抵抗Ｒが前記方程式（３）から決定されてよい。実際には、チューブ抵抗の表示のみが必要とされるならば、例えば測定された抵抗における変化を監視するならば、ΔＰ／Ｆの関係のみが決定されればよい。
【００３５】
前記呼吸保持測定から決定された、計算された圧力降下ΔＰに対する呼吸チューブ内径の効果が、種々異なる吸気流Ｆに関して図４に示されている。関係は、図４に、Ｆ^１．７５を用いたΔＰのプロットとして示されている。
【００３６】
付加的に又は択一的に、呼吸回路４の有効流れ抵抗は、機械的呼吸補助の１回又は２回以上の呼気相の間に、例えば、図５に示したように１回の呼気相の間に評価されてよい。
【００３７】
ベンチレータ２のガス流制御ユニット８は、呼吸回路４を通るガス流を制御するために配置されており、これにより、患者に、患者の要求に応じて呼吸保持を行う又は行わない、吸気相Ｉと呼気相Ｅとから成る呼吸サイクルを提供する。吸気相Ｉの後、制御ユニット８は、呼気相Ｅを提供するために吸気弁１４を閉鎖しかつ呼気弁１６を開放するように作動する。これと同時に、呼気相Ｅの開始を示すために、トリガ信号がガス流制御ユニット８から計算ユニット６の制御ユニット２８へ伝送される。所定の時間（又はセンサユニット３４によって測定された流量）の後、制御ユニット２８は、呼気弁１６を閉鎖するように信号をアクチュエータに供給するように作動し、呼吸回路４を通るガス流に対する閉鎖Ｏを開始する。センサユニット３４によって測定された圧力Ｐ１は、制御ユニット２８を介してプロセッサユニット３０へ伝送され、プロセッサユニット３０において、センサユニット３４によって測定された、関連したガス流量値Ｆ１と共にメモリ３６に記憶されてよい。僅かな時間（１ｍｓ〜２００ｍｓ）の後、制御ユニット２８はアクチュエータ２０を制御し、呼気弁１６を開放させ、閉鎖を除去する。この時点において、センサユニット３４によって測定された第２の圧力Ｐ１′が、制御ユニット２８を介してプロセッサユニット３０へ伝送され、次いでプロセッサユニット３０は、圧力降下の値ΔＰ１（Ｐ１−Ｐ１′）を計算することができ、この値は、流量値Ｆ１と共にメモリ３２に記憶される。これらのステップは、呼気相Ｅの間に少なくとも１回繰り返されてよく、圧力降下ΔＰ２，ΔＰ３が計算され、関連した流量値Ｆ２，Ｆ３と共にメモリ３２に記憶される。択一的に、関係を確立するために２回以上の圧力降下ΔＰを使用したいならば、少なくとも１回の別の呼気相Ｅが、少なくとも１回の別の呼吸において用いられてよい。次いで、閉鎖Ｏが、種々異なる所定の時間又は測定された流量において導入される。
【００３８】
プロセッサユニット３０は、呼吸保持プロセスに関連して上述したように、記憶されたΔＰ及びＦの値を呼び出し、これらの呼び出された値を使用して有効流れ抵抗を評価してよい。付加的に又は択一的に、プロセッサユニット３０は、図６に示された圧力降下（ΔＰ）／流量（Ｆ）のデジタル表示を構成することによって、圧力降下の値と流量値との関係を有効流れ抵抗の評価として確立することができる。プロセッサユニット３０は、既知の内径を有する呼吸チューブに関する前もって記憶された曲線を使用して、又は方程式（３）を使用された計算されて、このように決定された曲線に対する適合度（best fit ）を確立するようにプログラムすることができる。適合度を与えられた呼吸チューブ直径の値は、呼吸補助の提供時にベンチレータ２のガス流制御ユニット８によって、測定された圧力に呼吸チューブ抵抗の効果を補償するために使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】機械的呼吸補助装置に作用的に接続された、本発明による装置を示す概略図である。
【図２】ａ）呼吸保持として閉鎖が導入された、ボリュームコントロールモード呼吸サイクル中のガス流特性と、ｂ）対応するガス圧特性とを示す図である。
【図３】ａ）呼吸補助として閉鎖が導入された、圧支持モード呼吸サイクル中のガス流量特性と、ｂ）対応するガス圧特性とを示す図である。
【図４】図２の呼吸保持技術により評価された呼吸チューブの有効抵抗に対するチューブ直径の効果を示す図である。
【図５】ａ）一時的な閉鎖が呼気相を通じて導入された、呼吸サイクル中のガス流量特性と、ｂ）対応するガス圧特性とを示している。
【図６】図５に示した呼気閉鎖技術により評価された、圧力降下ΔＰとガス流量Ｆとの確立された関係を示す図である。
【符号の説明】
２患者ベンチレータ、４呼吸回路、６計算ユニット、８ガス流制御ユニット、１０吸気ライン、１２呼気ライン、１４吸気弁、１６呼気弁、１８，２０弁アクチュエータ、２２Ｙピース、２４気管内チューブ、２６開放端部、２８制御ユニット、３０プロセッサユニット、３２メモリユニット、３４センサユニット、３６アラームユニット

Claims

機械的呼吸補助装置（２）に接続された呼吸回路（４）の有効流れ抵抗（Ｒ）を評価するための装置であって、
呼吸補助装置（２）によって提供される呼吸サイクルの吸気相（Ｉ）の終了後のある時点で呼吸回路（４）内のガス流（Ｆ）に閉鎖（Ｂ；Ｏ）を一時的に導入するように動作可能な流れ制御装置（８，２８）と、
呼吸回路（４）内のガス流を測定するための流量センサ（３４）と、
呼吸回路（４９）内のガス圧を測定するための圧力センサ（３４）と、が設けられている形式のものにおいて、
センサ（３４）から測定値を受け取り、測定されたガス流量（Ｆ）に関して、閉鎖（Ｂ；Ｏ）の導入により生じる呼吸回路内の圧力降下（ΔＰ）を決定し、計算された圧力降下（ΔＰ）と測定されたガス流量（Ｆ）との関係を確立するための、評価ユニット（６）とが設けられており、実際の呼吸回路（４）の流れ抵抗を示すフィードバック値を提供するようになっていることを特徴とする、呼吸回路の有効流れ抵抗を評価するための装置。