JP5124570B2

JP5124570B2 - 患者呼吸用湿熱交換器

Info

Publication number: JP5124570B2
Application number: JP2009515652A
Authority: JP
Inventors: 昭人大村; 邦久江口; 哲也宮地; 勝由後藤
Original assignee: Furrex Co Ltd
Current assignee: Furrex Co Ltd
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2027-10-10
Also published as: WO2008044792A1; JP2010505455A

Description

本発明は、麻酔器・人工呼吸器等への医療用途に用いられる、患者が吸引する乾燥した吸気を加湿・加温するための湿熱交換器（ＨＭＥ）に関する。

従来、麻酔器・人工呼吸器等の使用時には通常、乾燥した吸気を加湿・加温するための二種類のデバイスが採用されている。
一つは、受動型の湿熱交換器（ＨＭＥ、通称：「人工鼻」）、もう一つは、熱源を用いた能動型の加温加湿器である。
前者の受動的なＨＭＥはさらに、親水性材料に吸湿材を含浸させたタイプ、疎水性材料に吸湿材を含浸させたタイプ、疎水性膜と親水性膜を合わせたタイプ、の三種類に分類できる。
例えば、特許文献１は第三の種類のＨＭＥを開示する。また、非特許文献１には複数のＨＭＥが詳述されている。
どのタイプも、呼気中の水蒸気の一部がＨＭＥの素子内部の微細な空間中で露点にて凝縮し、その凝縮した水分が、吸気によって蒸発して加湿が行われると考えられている。また、吸気を加温する場合は、局所的な熱の蓄積現象が繰り返されると予測されている。

現在では、これら受動型のデバイスは、小型・軽量・安価であるのと同時に、熱源使用の問題や給水ミスによる空焚きにおける加湿不足といった医療事故につながる問題が少ないことが利点であり、広く利用されている。ただし、これら受動型のものは能動型のものに比べ加温・加湿の効果は劣ることも事実である。

特開平６−６３１４１号公報

日本呼吸療法医学会機関誌「人工呼吸」２１巻１号、第１〜７頁

しかし、上記の従来のＨＭＥには次のような問題点がある。一つは、加温加湿機能の不足により、気道内が乾燥しがちであり、分泌物の固形化から気体流路の閉塞につながり、重大な合併症を起こしかねない問題である。もう一つは、ＨＭＥに蓄積した結露水による目詰まりの問題である。

上記の問題を解決するには、より多くの呼気中の水分を蓄積して、吸気中に放出することが必要となる。ＨＭＥに蓄積する水分量は体温37℃における飽和水蒸気量44 mg/lであることが望ましい。重要なことは、吸気の温度を患者の体温に近づけるとともに、絶対湿度の回収を高く維持する必要があるということである。この水分量を蓄積・放出するためには、必要な温度を維持するためにＨＭＥの蓄熱機能を向上させることが必要である。

過去において、同様の目的で金属等による蓄熱材を使用したＨＭＥが提案されていたが、大きく重いこと、また分泌物が付着するたびに洗浄が必要であることなどの問題があった。このため小型・軽量・安価な使い捨てのＨＭＥが用いられるようになった。

一方、ＨＭＥの備える蓄熱効果はどの程度に設定してもよいわけではない。例えば手術室で、水分を含んだ37℃の呼気が患者からＨＭＥを経由し麻酔回路に流入すると、呼気と通常の室内環境（23℃）との間の大きな温度差のせいで、回路に結露が発生しやすくなる。

さらに死腔及び／または流路抵抗が大きくなれば、呼吸時の患者の負担が増大するなどの危険がある。

麻酔や人工呼吸を行う際、患者には、体温である37℃における相対湿度100％に相当する絶対湿度44 mg/lの吸気が必要である。この絶対湿度を得るためには、吸気の温度を体温に近づけなければならない。吸気の温度が体温より低ければ、いくら湿度を向上させても44 mg/lの絶対湿度は得られない。

また、ＨＭＥにおいては、好ましくは、使い捨てが可能であるような使用素材・製造コストであって、麻酔回路または呼吸回路側における呼気の温度が23℃程度になるような熱抵抗を有しており、且つ、大きさ・重量・死腔・流路抵抗等を大きく増加させること無く、上記温度23℃に近づけるための蓄熱効果を持っているようにしなければならない。

上記の課題、およびその他の課題を解決するための本発明の一態様は、患者の呼吸器系と麻酔器に接続された麻酔回路または人工呼吸器に接続された呼吸回路との間に配されるよう構成された、麻酔下または人工呼吸下の患者に必要な吸気の温度及び湿度を維持するための湿熱交換器であって、蓄熱部と、蓄熱部に添加された湿熱再生材料とを含む。蓄熱部の密度、蓄熱部のセル数、及び蓄熱部への湿熱再生材料の添加量のうちの少なくとも一つは、蓄熱部を流れる呼気の流向に沿って患者側から麻酔器または人工呼吸器側に向かって減少している。

前記蓄熱部は、ポリウレタン及び／またはセルロースを含んでもよい。

前記蓄熱部の密度は、20〜80kg/m³の範囲であってもよい。前記蓄熱部のセル数は、１インチ（２．５４ｃｍ）当たり５〜８０セルの範囲であってもよい。

前記蓄熱部は、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、及び硫酸カルシウムのうち少なくとも一つを含んでもよい。

上記の湿熱交換器にあっては、蓄熱部の密度、蓄熱部のセル数、及び蓄熱部への湿熱再生材料の添加量のうちの少なくとも一つがより多い部分、すなわち患者に近い側では、蓄熱容量をより大きくすることができる。一方、蓄熱部の密度、蓄熱部のセル数、及び蓄熱部への湿熱再生材料の添加量のうちの少なくとも一つがより少ない部分、すなわち、麻酔回路または呼吸回路に近い側では、流路抵抗を低減させ、気体温度を緩やかに低下させることで、麻酔回路または呼吸回路内への結露を防ぐことができる。

図１は、本発明の一実施態様による、３層型のＨＭＥの断面図を示している。図２は、従来の単層型のＨＭＥの模式的断面を示している。図３は、ＨＭＥを評価するための実験装置構成の模式図である。図４は、試験したＨＭＥの吸気温度の違いを比較している。図５は、試験したＨＭＥの吸気中の絶対湿度の違いを表すグラフである。図６は、本発明の一実施態様の、３層型の蓄熱素子の模式図である。図７は、本発明のもう一つの実施態様の、１層型で勾配構造を有する蓄熱素子の模式図を示している。図８は、本発明のさらに別の実施態様の、２層型の蓄熱素子の模式図を示している。図９は、本発明のさらに別の実施態様の、密度勾配を有する蓄熱素子の模式図を示している。

本発明について、本発明の実施態様に従って以下に詳細に記載する。

図１と図６に示すように、３層型のＨＭＥ１０は、蓄熱部１４と、蓄熱部を収めるハウジング１２とを含む。蓄熱部１４はさらに、各々異なる密度のポリウレタンでできた３つの蓄熱素子１４ａ〜１４ｃを含む。各々の素子１４ａ〜１４ｃはセルロースを含むかまたはセルロースから成っていてもよい。素子１４ａ〜１４ｃは、気体の流向に沿って患者側から密度が減少していくように順次配置されており、これにより本発明の一実施態様による３層型のＨＭＥ１０がもたらされる。各々の素子１４ａ〜１４ｃの密度は大きい方から順に80, 57, 30 kg/m³となっている。このＨＭＥの有効性を実証するため、テストサンプルとして、図２に示す、密度差のない蓄熱部１４を有する従来の単層型ＨＭＥ１０を評価して性能の比較を行う。テストサンプルの蓄熱部１４の密度は、上記の本実施例の３つの素子１４ａ〜１４ｃの密度の平均である57 kg/m³とする。さらに、図には示していないが、市販型の人工鼻も比較のため試験する。本実施例とテストサンプルの両方の蓄熱素子（単数または複数）を収めるために、同一サイズの同型のハウジングを用いる。蓄熱部１４は、４つかそれ以上の蓄熱素子を組み合わせて、気体の流向に沿って密度の異なる素子が互いに重なり合うような構成にしてもよい。

図３は、本発明の実験用回路３０の模式図である。室温20〜30℃の範囲、相対湿度40〜60％において測定が行われる。実験用回路３０において、本実施例のＨＭＥ１０とテストサンプルが、患者（実際には被験者）の口３２と人工呼吸器３８との間に呼吸気分離回路３４を介して配置される。本実験では、人工呼吸器（Newport Medical Instruments社製 e500型）を使用して、呼吸回数を15回／分、呼気と吸気の時間比を２として、一回当たり呼吸量600 mlを被験者に供給する。温度・相対湿度記録用センサー系３６（S.K.I.Net社製のモイスコープ（登録商標））を用いて呼吸気分離回路３４中の吸気の温度と湿度を測定する。測定の結果は図４と図５に示されている。

図４を参照すると、本実施例のＨＭＥでは、測定開始から10分後に、符号Ｃで表される約4.0 Kの温度上昇（ΔＴ）が示されている一方、密度差のない単層型テストサンプルでは、符号Ｂで表される約1.9 Kの上昇しか認められない。それと同時に、温度上昇の効果は、符号Ａで表される従来の市販製品と比べても改善していることが示されている。また、図５に示すように、符号Ｃで表される絶対湿度が従来の製品より増加していることが分かる。

蓄熱部の密度のほかに、蓄熱部のセル数、及び／または蓄熱部への湿熱再生材料の添加量の変化も、加温・加湿性能の向上に寄与する。ここで、「セル数」とは、ポリウレタン等の材料の断面上において長さ１インチ（２．５４ｃｍ）当たりに観察されるセルの数として定義される。さらに、図７に示すように、蓄熱部１４の密度、蓄熱部１４のセル数、及び、単一の蓄熱部１４への湿熱再生材料の添加量、という物理的特性のうちの少なくとも一つに勾配を設けること、すなわち単一の蓄熱部に設けられる勾配構造によって、加温・加湿特性を向上させることができる。このような構成においては、患者に近い側の物理的特性が大きくなるようにする。

図８と図９に示すように、ＨＭＥにおいて、蓄熱部１４の密度、蓄熱部１４のセル数、及び、蓄熱部１４内部の湿熱再生材料の添加量、という物理的特性のうちの少なくとも一つが異なる二つの蓄熱素子１４ａ，１４ｃを設けることによっても、加温・加湿特性の向上がもたらされる。このような構成においては、患者に近い側の物理的特性が大きくなるようにする。

以下に、物理的特性の好ましい数値範囲について検討する。密度に関しては、最大値が80kg/m³を超えると、ＨＭＥの流路抵抗が増大して患者の呼吸が困難になる。最小値が20kg/m³を下回ると、熱容量が不足して蓄熱効果が減少するので、サイズを大きくすることが必要になり好ましくない。従って、密度は20〜80kg/m³の範囲であることが好ましい。同様の理由から、セル数は、１インチ（２．５４ｃｍ）当たり5〜80セルであることが好ましい。

さらに、蓄熱部の密度の、患者側から麻酔回路／呼吸回路側に向かっての変化に関しては、蓄熱効果と流路抵抗との間の最適なバランスを得るためには、患者側の密度と麻酔回路／呼吸回路側の密度の比率が１／２から２／３であることが好ましい。

本発明は、麻酔器、人工呼吸器等に接続された呼吸回路に好適に用いることができる。

Claims

患者の呼吸器系と麻酔器に接続された麻酔回路または人工呼吸器に接続された呼吸回路との間に配されるよう構成された、麻酔下または人工呼吸下の患者に必要な吸気の温度及び湿度を維持するための湿熱交換器であって、
蓄熱部と、
前記蓄熱部に添加された湿熱再生材料とを含み、
前記蓄熱部の密度、前記蓄熱部のセル数、及び前記蓄熱部への前記湿熱再生材料の添加量のうちの少なくとも一つが、前記蓄熱部を流れる呼気の流向に沿って患者側から麻酔器または人工呼吸器側に向かって減少している、湿熱交換器。
前記蓄熱部がポリウレタン及び／またはセルロースを含む、請求項１に記載の湿熱交換器。
前記蓄熱部の密度が20〜80kg/m³である、請求項２に記載の湿熱交換器。
前記蓄熱部の麻酔器または人工呼吸器側の密度が、患者側の密度の１／２から２／３になるように調節された、請求項３に記載の湿熱交換器。
前記蓄熱部のセル数が１インチ（２．５４ｃｍ）当たり５〜８０セルの範囲である、請求項２に記載の湿熱交換器。
前記蓄熱部が、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、及び硫酸カルシウムのうちの少なくとも一つを含む、請求項２に記載の湿熱交換器。