JP5231256B2 - Ｃｐａｐ治療中の無呼吸／低呼吸の決定 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、閉塞性気道イベントを解消するために、治療圧を調整する自動用量設定装置を用いた、部分的または完全上気道閉塞に対する持続陽圧呼吸（ＣＰＡＰ）療法の施行に関連する。具体的には、本発明は無呼吸／低呼吸イベントの検出に関連する。

発明の背景

睡眠時無呼吸症候群において、睡眠中に呼吸が停止する。気流が１０秒以上停止することを「無呼吸」と呼ぶ。無呼吸は、血中酸素の低下をもたらし、ひいては睡眠障害を引き起こす。無呼吸は、従来、呼吸努力を伴わない中枢型と、呼吸努力を伴う閉塞型のいずれかに分類される。ある中枢型無呼吸においては、気道は開いているが、対象は呼吸をしようともしない。逆に、他の中枢型無呼吸およびすべての閉塞型無呼吸においては、気道は閉じている。通常、閉塞は舌または軟口蓋のレベルである。気道も不完全に閉塞している（すなわち狭窄または部分的に開存している）可能性がある。これも低換気（低呼吸）、血中酸素低下および睡眠障害を引き起こす。

これらの症候群に対する一般的な治療形態は、持続陽圧呼吸（ＣＰＡＰ）の施行である。ＣＰＡＰ療法を施行するための手技は、技術および特許文献の両方において十分に立証されている。早くは米国特許第４，９４４，３１０号（Ｓｕｌｌｉｖａｎ）に記述が見られる。簡単に言えば、ＣＰＡＰ療法は、通常４〜２０ｃｍ Ｈ_２Ｏの範囲の陽圧をかけることにより、気道に対する空気的な補助としての役割を果たす。空気送達ホースを介して、出口が患者の顔に密着して取り付けた鼻（もしくは鼻および／または口）マスクに通じている、モータ駆動の送風機によって、空気が気道に送られる。排気口はマスクに近接する送達チューブに備えられている。マスクは、鼻および／または顔マスクもしくは鼻プロング、ピローまたはカニューラの形態を採ることが可能である。

閉塞性呼吸を示唆する異常な呼吸パターンを感知および検出するための様々な技術が既知である。例えば、米国特許第５，２４５，９９５号（Ｓｕｌｌｉｖａｎら）は、睡眠中に対象の吸気および呼気圧を測定することにより、いかにして、いびきおよび異常な呼吸パターンを検出することができ、その結果、閉塞前のエピソードまたは他の形態の呼吸障害の早期指摘につながるかを概説している。具体的には、呼吸パラメータのパターンを監視し、所定のパターンが検出された時点でＣＰＡＰ圧を上げ、理想的には、閉塞エピソードまたは他の形態の呼吸障害を発生させないために空気内圧を上昇させる。米国特許第６，５０２，５７２号（Ｂｅｒｔｈｏｎ−Ｊｏｎｅｓら）は、大気圧を上回るように上昇させた治療圧で、患者の気道に接続するマスクに連結された送達チューブから、患者に対して呼吸可能な気体を産生するように動作することができる、制御可能なフロージェネレータ（本明細書において、陽圧デバイスの例として使用される）を有するＣＰＡＰ治療装置について概説している。センサは、コントローラに提供される、患者の呼吸流量を表す信号を生成する。コントローラは、閾値を下回る呼吸気流の減少から、無呼吸の発生を決定するように動作可能であり、無呼吸が発生した場合は、無呼吸の持続時間を決定し、フロージェネレータに治療圧を上昇させるように動作可能である。‘５７２の特許は、無呼吸および低呼吸状態にあることを決定することに関わる様々なアルゴリズムに対する明示的な擬似コードを含んでおり、参照することにより本明細書にそれを含む。

発明の簡単な説明

本発明は、‘５７２の特許によって開示されるようなデバイスの無呼吸／低呼吸検出アルゴリズムを簡略化し、その結果として、そのメモリ需要を減少し、ノイズに対する感度を低下させ、無呼吸／低呼吸状態である際に長期換気量の決定に関する問題を排除するための改良に関連する。

本発明は、
患者の気道に呼吸可能な気体を治療圧で供給するステップと、
呼吸気流の測定量を決定するステップと、
長期換気量と短期換気量に基づく閾値の比較から、無呼吸／低呼吸の発生を決定するステップであって、長期換気量の決定は、無呼吸／低呼吸イベントの間は更新されず、短期換気量の閾値を上回る超過がある場合、無呼吸／低呼吸イベントは終了したと考えられるステップと、
および、無呼吸／低呼吸状態である間は治療圧を上昇させるステップと、
を備えるＣＰＡＰの治療圧を加えるための方法を開示する。
一実施形態において、前記方法は、前記治療圧を、無呼吸／低呼吸状態ではない時に、ある量降下させるステップを含んでもよい。前記量はゼロであってもよい。

本発明は、上記方法を実施するためのＣＰＡＰ治療装置であって、
大気圧を上回るよう上昇させた圧力で呼吸可能な気体を産生するように動作することができる、制御可能なフロージェネレータと、
該フロージェネレータに連結する気体送達チューブと、
該フロージェネレータから該呼吸可能な気体を受け取り、該気体を望ましい治療圧で患者の気道に提供するために該チューブに連結する患者マスクと、
入力信号を受信し、該フロージェネレータの動作、ひいては該治療圧を制御するように動作可能なコントローラと、
患者の呼吸気流を感知し、患者の呼吸気流が決定される該コントローラに対して入力信号を生成するために位置するセンサと、
備え、
該コントローラは、長期換気量と短期換気量に基づく閾値の比較から、無呼吸の発生を決定するように動作可能であり、長期換気量の該決定は、無呼吸／低呼吸イベントの間は更新されず、短期換気量の閾値を上回る超過がある場合、無呼吸／低呼吸イベントは終了したと考えられる、ＣＰＡＰ治療装置をさらに開示する。

無呼吸発生の認識は、短時間間隔で平均呼吸気流を計算すること、長時間間隔で平均呼吸気流を計算すること、および、短時間間隔での平均呼吸気流が、長時間間隔での平均呼吸気流の所定の割合未満であるかどうかを決定することにより開始するが、無呼吸が終了するまで長時間間隔での計算は中断することを条件とする。簡略化を図るため、平均はＩＩＲフィルタを用いて計算してもよい。無呼吸または低呼吸イベントの発生および終了は、短時間間隔の閾値を上回る数から決定される。

好ましい実施形態において、センサはフローセンサ、およびそこから呼吸気流を得るコントローラを備えてもよい。
一実施形態において、前記コントローラは、前記治療圧を、無呼吸／低呼吸状態ではない時に、ある量降下させるように動作可能であってもよい。前記量はゼロであってもよい。

該方法および装置は、気道開存を測定するための「強制振動法」とともに有利に使用することもでき（上記は欧州特許第０ ６５１ ９７１ Ａ１号、米国特許第５，７０４，３４５号として言及され、参照することによりその開示を本明細書に援用する）、ＣＰＡＰ圧は、例えば４Ｈｚで１ｃｍＨ_２Ｏの振幅を用いて調節され、４Ｈｚで誘発した気流を測定し、気道の伝導率は、誘発した気流の振幅を圧力調節振幅で除すことにより計算され、伝導率が閾値より高い場合のみ治療圧が上昇されるように定められるという追加要件がある。

本発明は、いびきまたは吸気流量‐時間曲線における変化など、上気道の不完全閉塞の指標に対応し、独立した圧力上昇と組み合わせることができる。そうすると、上気道の不完全閉塞に対応して圧力を上昇させることで、ほとんどの患者において上気道の先制的な制御を達成することが可能となり、気道閉鎖性無呼吸の発生を予防することができる。この組み合わせは、先制的な制御を達成することができない少数の患者においても、事前にいびきまたは吸気流量−時間曲線における変化が起こることなく、低ＣＰＡＰ圧で発生する気道閉鎖性無呼吸に対応し、ＣＰＡＰ圧を正しく上昇させる。また、この組み合わせは、高圧力によって誘発される気道開放性無呼吸に対応し、ＣＰＡＰ圧を誤って上昇させないようにする。

以下、付属の図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

好ましい実施形態の詳細な説明

図１は、一実施形態によるＣＰＡＰ装置の略図を示す。鼻マスクおよび／または顔マスクのどちらであってもよいマスク３０は、患者の顔に密着して取り付けられる。新鮮な空気、または酸素富化空気の形態である呼吸可能な気体が、空気吸入口３６を備えるモータ駆動タービンまたは送風機３４に接続された柔軟なチューブ３２を経由してマスク３０に進入する。タービンのモータ３８は、ＣＰＡＰ治療としてマスク３０に供給される空気に加圧を開始し、その圧力を上昇または降下させるために、モータサーボユニット４０により制御される。マスク３０は、チューブ３２とマスク３０の分岐点近くにある排気口４２も含む。

マスク３０と排気口４２の間に位置するのは線形フロー抵抗素子４４である。実際には、活用されない空間の体積を最小限に抑えるため、フロー抵抗素子４４を含むマスク３０から排気口４２までの距離は非常に短い。フロー抵抗素子４４のマスク側は、第１の小径管４６を介してマスク圧変換器４８、および差圧変換器５０の入力に接続されている。フロー抵抗素子４４のもう一方の側の圧力は、第２の小径管５２を介して差圧変換器５０のもう一方の入力に伝達される。

マスク圧変換器４８は、マスク圧に比例して電気信号を生成し、その信号は第１の増幅器５３によって増幅され、マルチプレクサ／ＡＤＣユニット５４およびモータサーボユニット４０へと送られる。モータサーボユニット４０に与えられた信号の機能は、実際のマスク静圧が、設定点の圧力に極めて近くなるように制御されることを確実にするための一形態のフィードバックである。

線形フロー抵抗素子４４を横切って感知された差圧は、差圧変換器５０からの電気信号として出力され、第２の増幅器５６によって増幅される。従って、第２の増幅器５６からの出力信号は、マスク内気流の測定量を表す。線形フロー抵抗素子４４は、柔軟な羽根絞りを使用して構築することができる。代わりに、固定開口部を使用することも可能であり、その場合は、線形化回路が第１の増幅器５３に含まれるか、または表検索などの線形化ステップがコントローラ６２の動作に含まれる。

第２の増幅器５６からの出力信号は、非呼吸性ノイズを排除するために、大抵は上限１０Ｈｚのローパスフィルタ５８によりローパスフィルタをかけられる。第２の増幅器５６の出力信号も、いびき信号を得るために、大抵３０〜１００Ｈｚのバンド幅のバンドパスフィルタ６０をかけることで帯域が制限される。ローパスフィルタ５８およびバンドパスフィルタ６０双方からの出力は、デジタイザーまたはＡＤＣユニット５４に提供される。ＡＤＣユニット５４からの、デジタル化された呼吸気流（ＦＬＯＷ）、いびき、およびマスク圧（Ｐ_ｍａｓｋ）信号は、大抵は、プログラムメモリ５およびデータ処理記憶メモリを備えるマイクロプロセッサベースのデバイスから構成されるコントローラ６２に送られる。

コントローラ６２は、圧力要求信号を出力し、該信号は、ＤＡＣユニット６４により電圧に変換され、モータサーボユニット４０に送られる。この信号は、従って、ＣＰＡＰ療法の施行中に、タービンまたは送風機３４によりマスク３０に供給される、設定点の圧力Ｐ_ｓｅｔ（ｔ）を表す。コントローラ６２は、多くの処理機能を実行するようにプログラムされている。

マスク圧変換器４８の代替として、マスクから中の空間へ、またはマスク３０への進入点近くの空気送達チューブ３２にアクセスできるように、直接圧力／電気固相変換器（表示なし）を取り付けることができる。

さらに、フロー変換器または線形フロー抵抗素子４４を、マスク３０もしくはその近くに取り付けること、また、マスクもしくはその近くでマスク圧を測定することは不便である場合もある。フローおよび圧力変換器が空気圧発生器（タービンまたは送風機３４である実施形態において）もしくはその近くに取り付けられた代替配置を図２に示す。

圧力発生器または送風機３４の排気口で発生する圧力ｐ_ｇ（ｔ）は、圧力変換器７０により測定される。チューブ３２を通る流量ｆ_ｇ（ｔ）は、タービンまたは送風機３４の出口に備わるフローセンサ７２で測定される。チューブ３２を通過する際の圧力損失は、チューブを通る流量ｆ_ｇ（ｔ）および、例えば表検索によるチューブの圧力流量特性の情報から、圧力損失計算素子７４において計算される。その後、第１の減算素子７６において、ｆ_ｇ（ｔ）からチューブの圧力損失を引くことにより、マスク内における圧力ｐ_ｍが計算される。

その後、加算素子７８において、マスク内における望ましい設定圧力ｐ_ｓｅｔ（ｔ）に、チューブ３２を通過する際の圧力損失を加算して、圧力発生器の望ましい瞬間圧力を導き出す。好ましくは、加算素子７８からの望ましい圧力がより正確に得られるように、圧力発生器のコントローラは圧力変換器７０からの負のフィードバック入力を有する。排気口４２を通る流量は、例えば表検索により、排気流量計算素子８０において排気の圧力流量特性から、（第１の減算素子７６において計算される）マスク内における圧力を用いて計算される。最後に、第２の減算素子８２において、チューブ３２を通る流量から排気口４２を通る流量を引くことにより、マスク内の流量が計算される。

移動平均換気量の計算
図３に図示するように、瞬間的または短期の換気量は、＜_ＲＡＨｚのローパスフィルタにかけた呼吸気流の絶対値のJ_ｍａ秒移動平均の半分として計算される。瞬間換気量は、低呼吸の検出に必要である。低呼吸は１０秒という短い期間であり得るため、瞬間換気量が計算される時間枠は１０秒未満であるべきである。逆に、１回の呼吸は大抵５秒である。よって、瞬間換気量は少なくとも５秒間に渡って計算されるべきである。従って、J_ｍａに対する好ましい値は８秒である。瞬間換気量は、移動窓法を用いて、常に呼吸サイクルにおける時点に関わらず定義される。流量信号の絶対値の半分をとるということは、吸気および呼気流量の平均をとることに等しい。換気量の測定値に含まれる非呼吸性ノイズ（いびき、心臓から発生する気流）を回避するための好ましい＜_ＲＡの値は１Ｈｚである。

好ましい長期移動平均換気量は次のように計算される。
マスク着脱からマスク装着までの各移行を７．５Ｌ／ｍｉｎに初期化する。
向こう２分間、２０秒の時定数で流量にローパスフィルタをかける。
その後、１００秒の時定数で流量にローパスフィルタをかけるが、無呼吸／低呼吸（後に決定される）の間は長期換気量の更新を中止する。

１００秒の時定数は、通常の無呼吸または低呼吸の持続時間（２０〜４０秒）と比較すると長く選択されているが、換気量における真の変化、例えば睡眠状態（何分間も）と比較すると短い。ゼロではなく、７．５Ｌ／分（通常の正常値）に初期化することで、正常呼吸の場合に、長期平均がより迅速に真の値に到達する。最初の２分間で低い時定数を用いることも、正しい値をより迅速に求めるのに役立つ。

無呼吸の検出
図４は、正常呼吸２４回の期間に続く典型的な１５秒間の１回の無呼吸を示す。本図面において、破線は長期平均換気量を示す。点線は、長期平均流量の２５％に設定した閾値である。実線は、２秒移動平均流量であり、無呼吸中は非常に小さくなり閾値を下回る。

図５に示すように、無呼吸が何回か発生する場合は、長期平均換気量が影響を受ける。従って、本発明において、閾値を下回る短期換気量が検出される場合、すなわち無呼吸が示唆される場合、長期換気量の平均化は中断される。

低呼吸の検出
短期換気量が長期平均毎分換気量（Ｌ／秒）の０．５倍を下回る場合、および換気量が少なくとも１０秒間で５０％減少した場合、低呼吸として判定される。数学的には、この定義は１０秒の矩形枠で呼吸波形を畳み込むことを示し、原則として秒未満まで低呼吸の長さを正確に測定することが不可能になる。従って、図６に示すように、イベントの持続時間に対する１回換気量の低下のグラフ上で、低呼吸として判定される領域、低呼吸として判定されない領域、およびスプレッドシート上のシミュレーションに基づく形を有する「無関係」領域が存在する。

無呼吸／低呼吸の終了
無呼吸／低呼吸の終了を決定するために、短期換気量のいくつのデータポイントが閾値を上回るまたは下回るかの判定が維持される。そして、定期的に判定がチェックされる。閾値を下回るデータポイントの数が、閾値を上回る数よりも多い場合は、無呼吸が続いていると推察される。そうでない場合は、無呼吸／低呼吸イベントは終了したとみなされる。

無呼吸／低呼吸検出のステップ
本発明の新しいアルゴリズムの論理図を図７に図示する。そのステップは次の通りである。
１．流量の絶対値を用いて、ＩＩＲフィルタを使用して短期換気量および長期換気量を計算する。無呼吸が検出される場合、また低呼吸が１０秒以上検出される場合は、長期換気量を更新しない。
２．短期換気量＜長期換気量／４の場合、無呼吸検出を開始、持続時間＝２秒に初期化。
３．短期換気量＜長期換気量／２の場合、低呼吸検出を開始、持続時間＝２秒に初期化。
４．向こう８秒間、無呼吸／低呼吸データが各閾値を上回るまたは下回るかを記録する。
５．８秒後、閾値を下回る数が上回る数より多い場合は、無呼吸および／または低呼吸の状態に入る。
６．その後、４秒間ごとに閾値を上回るまたは下回るか（および増大する無呼吸の持続時間）を記録する。
７．各期間の終わりに、閾値を下回るデータの数が閾値＋１０を上回るデータの数より多いかをチェックする。
８．多い場合は、無呼吸／低呼吸を記録して正常な状態に入り、そうでない場合は続行する。

２段階式ＣＰＡＰ治療またはマスク圧が１回の呼吸内で調節される治療など、より複雑なＣＰＡＰの変形も、本明細書に記載する方法を用いて監視および／または制御することができる。

本発明を具体的に表現する装置の略図を示す。 図１の装置の代替配置を示す。 換気量を計算するために使用される流量関数の絶対値の一部を示す。 典型的な無呼吸とそれに続く正常呼吸、および長期平均と閾値の計算結果を示す。 連続するいくつかの無呼吸に伴う呼吸パターンを示す。 イベントの持続時間に対する１回換気量の低下のグラフを示す。 本発明のアルゴリズムのフローチャートを示す。

Claims (20)

1. 患者に加圧された気体を送達するための装置であって、
   治療圧にて患者の気道に呼吸可能な気体を供給する制御可能な持続陽圧呼吸（ＣＰＡＰ）デバイスと、
   コントローラと
   を備え、
   前記コントローラは、
   呼吸気流の測定値を決定し、
   エアフローセンサからの測定値から長期換気量を計算し、
   前記長期換気量と短期換気量に基づく閾値の比較から、無呼吸／低呼吸の発生を決定し、その場合、前記長期換気量の計算は、無呼吸／低呼吸イベントの間は更新されず、前記短期換気量の閾値を上回る超過がある場合、前記無呼吸／低呼吸イベントは終了したとみなすようにし、
   無呼吸／低呼吸状態の発生中は治療圧を上昇するようにプログラムされている、装置。
2. 前記コントローラは、前記治療圧を、無呼吸／低呼吸状態ではない時に、ある量降下させるようにプログラムされている、請求項１に記載の装置。
3. 前記コントローラは、無呼吸／低呼吸状態ではない時に、前記治療圧を維持するようにプログラムされている、請求項１に記載の装置。
4. 短時間間隔で平均呼吸気流を計算すること、長時間間隔で前記平均呼吸気流を計算すること、および前記短時間間隔での前記平均呼吸気流が、前記長時間間隔での前記平均呼吸気流の所定の割合未満である場合に無呼吸を宣言することにより、無呼吸の発生が決定されるが、前記無呼吸が終了するまで前記長時間間隔での前記計算は中断することを条件とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記所定の割合は約１／４である、請求項４に記載の装置。
6. 前記平均長期換気量もしくは前記平均短期換気量のどちらか、またはその両方が、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタを用いて計算される、請求項４に記載の装置。
7. 短時間間隔で平均呼吸気流を計算すること、長時間間隔で前記平均呼吸気流を計算すること、および前記短時間間隔での前記平均呼吸気流が、前記長時間間隔での前記平均呼吸気流の所定の割合以下である場合に低呼吸を宣言することにより、低呼吸の発生が決定されが、前記低呼吸が終了するまで前記長時間間隔での前記計算は中断することを条件とする、請求項１に記載の装置。
8. 前記所定の割合は約１／２である、請求項６に記載の装置。
9. 前記平均長期換気量もしくは前記平均短期換気量のどちらか、またはその両方が、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタを用いて計算される、請求項７に記載の装置。
10. 呼吸気流の測定値がフローセンサを用いて決定される、請求項１に記載の装置。
11. 持続陽圧呼吸（ＣＰＡＰ）治療装置であって、
    大気圧を上回るよう上昇させた圧力で呼吸可能な気体を産生するように動作することができる、制御可能な気道陽圧デバイスと、
    前記気道陽圧デバイスに連結する気体送達チューブと、
    前記気道陽圧デバイスから前記呼吸可能な気体を受け取り、前記気体を望ましい治療圧で患者の気道に提供するために前記チューブに連結する患者マスクと、
    前記気道陽圧デバイスの動作、ひいては前記治療圧を制御するためのコントローラと、
    を備え、
    前記コントローラは、短時間間隔で平均呼吸気流を計算すること、長時間間隔で前記平均呼吸気流を計算すること、および前記短時間間隔での前記平均呼吸気流が、前記長時間間隔での前記平均呼吸気流の所定の割合未満である場合に無呼吸を宣言することにより、無呼吸の発生を決定するようにさらに動作可能であるが、前記無呼吸が終了するまで前記長時間間隔での前記計算は中断することを条件とする、持続陽圧呼吸治療装置。
12. 前記コントローラは、患者の呼吸気流を感知すべく、かつ、患者の呼吸気流が決定される、前記コントローラに入力される信号を生成すべく配置されたセンサからの入力信号を受信するように動作可能である、請求項１１に記載の持続陽圧呼吸治療装置。
13. 前記コントローラは、長期換気量と短期換気量に基づく閾値の比較から、無呼吸の発生を決定するように動作可能であり、長期換気量の前記決定は無呼吸／低呼吸イベントの間は更新されず、前記短期換気量の閾値を上回る超過がある場合、無呼吸／低呼吸イベントは終了したとみなす、請求項１１または１２に記載の持続陽圧呼吸治療装置。
14. 前記コントローラは、前記治療圧を無呼吸／低呼吸状態の時に、ある量だけ上昇させるように動作可能である、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の持続陽圧呼吸治療装置。
15. 前記コントローラは、前記治療圧を、無呼吸／低呼吸状態ではない時に、ある量降下させるように動作可能である、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の持続陽圧呼吸治療装置。
16. 前記コントローラは、無呼吸／低呼吸状態ではない時に、前記治療圧を維持するように動作可能である、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の持続陽圧呼吸治療装置。
17. 無呼吸状態に関しては、前記所定の割合は約１／４である、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の持続陽圧呼吸治療装置。
18. 低呼吸状態に関しては、前記所定の割合は約１／２である、請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の持続陽圧呼吸治療装置。
19. 前記平均長期換気量もしくは前記平均短期換気量のどちらか、またはその両方が、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタを用いて計算される、請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の持続陽圧呼吸治療装置。
20. 前記装置はフローセンサを含む、請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の持続陽圧呼吸治療装置。

Images