JP5403996B2 - 呼吸システム加熱器のための冗長電力制御 - Google Patents

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Description

本発明は、呼吸システム加熱器(Respiratory system heaters)の電力制御に関する。
呼吸システムは、患者による呼吸を補助または促進するために、酸素、麻酔ガス、および/または空気など、呼吸可能な気体を、患者の口、鼻、または気道に直接提供する。呼吸可能な気体を、呼吸回路の吸息肢ホース(inspiratory limb hose)または導管を通して患者へと押し進めるために、換気装置を呼吸システムの一部として使用することができる。呼吸回路はまた、吐き出された空気および他の(1種類または複数種の)気体を患者から換気装置または大気へと戻して運搬するための、呼息肢ホース(expiratory limb hose)または導管(conduit)も備えることができる。
通常、呼吸可能な気体を患者に提供する前に、呼吸可能な気体を温め、それに湿度を与えることが望ましい。そのために、多くの呼吸システムは、加湿システム(humidification system)を備え、加湿システムは、加熱器ユニットと、加熱器ユニットによって加熱されるようになされた使い捨て可能な水チャンバとを有する。加熱器ユニットは、1つまたは複数の加熱要素および熱板を画成する金属板で構成することができる、熱板加熱器などの加熱器を支持する。チャンバの底面などチャンバの壁部は、熱伝導性である。チャンバは、チャンバ内の水を加熱するように底面を加熱器ユニットの熱板と熱接触させて、加熱器ユニット上で取り外し可能に支持される。チャンバは、手作業で充填可能とすることができ、または、チャンバが空になると、それを選択的に充填するための水源があってもよい。呼吸可能な気体は、チャンバに結合され、加熱および加湿されるようにチャンバを通過させられる。加熱器ユニット、チャンバ、および通気された水供給部の例が、米国特許第6,988,497号および同第5,943,473号、ならびに、いずれも2006年8月31日に出願された、同時係属中の米国特許出願第11/469,086号および同第11/469,113号に示されている。
吸息肢は、加熱および加湿された気体を、患者および存在する場合は呼息肢へと運搬し、呼息および場合によっては他の気体を、患者から運搬する。吸息肢および呼息肢のホースまたは導管はそれぞれ、肢部を通過する気体に熱を加えるため、および肢部を通過する(1種類または複数種の)気体からの潜在的に危険または有害な凝縮のレインアウトの発生を回避するために、加熱器回路と呼ばれる加熱器を備えることができる。加熱器回路は、1つまたは複数の、細長い、場合によってはコイル状の加熱器ワイヤの形とすることができ、加熱器ワイヤは、肢部の内部を通るなど、肢部に沿って延びる。加熱される肢部を有する呼吸回路の一例が、米国特許第6,078,730号に示されている。加熱器ユニットは通常、熱板の温度、ならびに呼吸回路の吸息肢および/または呼息肢の加熱回路の温度を調節するために必要な、電気および電子構成要素を収容する。
米国特許第6,988,497号 米国特許第5,943,473号 米国特許出願第11/469,086号 米国特許出願第11/469,113号 米国特許第6,078,730号
これらの加熱器の温度調節は、呼吸システムの正しい動作にとって必要不可欠となる可能性がある。例として、加熱器ユニット内の電子構成要素のハードウェアまたはソフトウェア内など、加熱器用の制御パス内の単一点障害は、熱板、または呼吸回路内の加熱器回路のうちの一方の、望ましくない過熱を生じるおそれがある。過熱のレベルによっては、その結果が非常に重大なものとなり得る。ヒューズまたは熱ブレーカなどの形の安全遮断を用いることにより、あるレベルの保護が得られるが、単一点障害による過熱の危険性を低減するためには、制御レベルを追加することが望ましい。
本発明は、単一点障害による過熱の危険性を低減する特徴を有する、電子制御パスを提供する。そのために、また本発明の原理に従って、二重中央処理装置(dual CPU)冗長、二重制御パス、ハードウェアCPU監視オーバーライド、またはそれらの組合せが、加熱器を制御するために設けられる。
本発明のいくつかの原理によれば、加湿システムは、CPUからの2つの別個の制御パスを有する、加熱制御部を備えることができる。パスは、たとえばリレー、ゲート制御トライアックもしくはその他の固体スイッチデバイス、またはその他のタイプのスイッチデバイスなど、同じまたは異なるタイプのデバイスを備えることができる。
本発明の図示の一実施形態によれば、複数の加熱器のそれぞれの制御部は、トライアックを備え、トライアックは、それぞれの加熱器への電力量の独立制御を提供し、ならびにその電力を遮断し、制御部はさらに、それぞれのトライアックを通る電力を中断するための、別個の安全遮断リレーを備える。
さらに、本発明の原理によれば、各加熱要素は、導電状態にある少なくとも2つの複数のスイッチデバイスによって通電され、その導電状態は、少なくとも2つのプロセッサまたはCPUによって制御される。
本発明の一実施形態によれば、加湿システムは、たとえば主CPUおよび補助CPUなど、複数のCPUを備えることができ、複数のCPUはそれぞれ、任意の複数の加熱要素を動作不能にすることができる。本発明のいくつかの実施形態によれば、各CPUは、1つまたは複数の加熱要素を監視することができ、かつ1つまたは複数の他のCPUを監視することができる。本発明の別の実施形態によれば、ハードウェアウォッチドッグが提供され、ハードウェアウォッチドッグは、たとえば主CPUなどCPUを監視するように、たとえば補助CPUなどCPUによってゲートオフされるように、または任意の加熱要素を動作不能にするように、または全ての加熱要素を動作不能にするように、またはこれらの機能の任意の組合せを実行するように、構成することができる。
本発明は、加熱された加湿器システムを主に対象とするが、当業者にはその他の用途および応用例が明らかになるであろう。
本発明のこれらおよびその他の目的および利点が、以下の図面の詳細な説明からより容易に明らかになるであろう。
本明細書に組み込まれ本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の一実施形態を示しており、上記の本発明の全体的な説明および下記の実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明する。
図1は、呼吸可能な気体を患者12に供給するための、例示的な呼吸システム10である。図示の実施形態では、呼吸システム10は、換気装置14と、加熱器ユニット18および使い捨てチャンバ20など水用の加熱可能な容器を有する、加湿システム16と、呼吸回路21とを備え、呼吸回路21は、吸息肢22を画成する第1の細長いホースまたは導管、および呼息肢24を画成する第2の細長いホースまたは導管を有する。換気装置14は、酸素、麻酔ガス、および/または空気など、呼吸可能な気体を、気体導管26を通してチャンバ20の空気入口内へと押し進める。水27は、バッグまたはボトルなど給水部28から手動または自動のいずれかで注入されることにより、チャンバ20内で受けられ、かつ、通気することができる。チャンバ20は、加熱器ユニット18によって加熱されて、その中で水27を加熱する。加熱された加熱された水蒸気29もまた、チャンバ20内で、その中の水27の水面の上方で生成することができる。導管26からの気体は、加熱および加湿された気体としてチャンバ20を出る前に、加熱された水27上もしくは加熱された水27内、および/または加熱された水蒸気29内を通過して、加熱および加湿される。
加熱および加湿された気体は、吸息肢22を通過することにより、チャンバ20から患者12へと流れる。吸息肢22の第1の端部は、連結部材または接合部30によってチャンバ20に結合され、吸息肢22の第2の端部は、そこを通過する気体の送達を促進する呼吸用アタッチメント32によって、患者12に結合される。呼吸用アタッチメント32は、気体送達を増進する、気管内チューブなど侵襲的な装置、またはマスクなど非侵襲的な装置(いずれも図示しない)に、結合することができる。気体は、吸息肢22を通り呼吸用アタッチメント32へと進む間に、吸息肢22に連結された加熱器回路と呼ばれる加熱器34により、さらに加熱することができる。呼息肢24は、呼息および吐き出された他の気体が患者12から換気装置14に戻ることを可能にする。同様に加熱器回路と呼ばれる別の加熱器36が、吐き出された気体を加熱するために呼息肢24に連結されている。加熱器回路34および36は、それぞれ肢部22および24を通りまたはそれに沿って延びる1つまたは複数の細長いコイル状の加熱器ワイヤで構成することができるが、別のタイプの加熱器回路またはワイヤ構成を用いることもできる。
呼吸システム10はまた、患者温度ケーブル(PTC)38も備え、患者温度ケーブル(PTC)38は、以下で説明する目的のために温度示度の形の熱的フィードバックを加熱器ユニット18に提供するための、サーミスタ内蔵プローブ40、41など1つまたは複数の温度応答デバイスを有する。温度ケーブル38は、第1の通信ケーブル42および第2の通信ケーブル44を備える。温度プローブ41は、吸息肢22の入口にある接合部30に結合されており、チャンバ20から出る加熱および加湿された気体の実際に測定された温度(「出力温度」)を指示する温度示度を、第1の通信ケーブル42を通じて提供する。温度プローブ40は、吸息肢22の出口にある呼吸用アタッチメント32に結合されており、患者に提供される加湿された気体の、実際に測定された温度(「患者温度」)を指示する温度示度を、第2の通信ケーブル44を通じて提供する。第1の通信ケーブル42は、出力温度を加熱器ユニット18に通信するための、加熱器ユニット18に電気的に結合された端部48を有する。同様に、第2の通信ケーブル44は、患者温度を加熱器ユニット18に通信するための、加熱器ユニット18に電気的に結合された端部50を有する。第1および第2のケーブル42、44を、加熱器ユニット18上の対合するソケット(図示せず)に結合することを容易にするために、端部48および50を、有利には、コネクタ52によって互いに固定することができる。適当なケーブル38およびプローブ40または41のさらなる詳細は、本出願と同時に出願した「Dual Potting Temperature Probe」という名称の、米国特許出願第11/927,020号(代理人整理番号MDXCP-24US)、および、本発明と同時に出願した「Environmentally Protected Thermistor for Respiratory System」という名称の、米国特許出願第11/927,077号(代理人整理番号MDXCP-33US)において提示されている。いずれの開示も、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
加熱器ユニット18は、制御装置54、および熱板加熱器の形の加熱器56を備える。1つの適当な加熱器56の一例が、本出願と同時に出願した「Hot Plate Heater for a Respiratory System」という名称の、米国特許出願第11/926,982号(代理人整理番号MDXCP-27US)に記載されている。この開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。サーミスタ58など温度応答デバイスが、加熱器56に熱的に結合されており、加熱器56の熱板(図示せず)の測定された温度の示度(「入力温度」)を制御装置54に提供する。入力温度は、チャンバ20への熱入力を表し、59にて制御装置54に結合される。患者温度および出力温度示度もまた、それぞれ60および61にて制御装置54に結合される。たとえば、62における加熱器56用の電力信号、ならびに63および64における加熱器回路34、36の電力信号などをそれぞれ用いて、加熱器56および加熱器回路34、36の温度を調節することを含めた、加熱器ユニット18の機能を制御するために、様々な温度示度が制御装置54によって利用される。
図2により詳細に見られるように、制御装置54は、プロセッサ68を備え、プロセッサ68は、プローブ40および41、温度応答デバイス58、加熱器56、ならびに加熱器回路34および36に、動作可能に連結される。温度応答デバイス58からの入力温度示度は、59にてA/D変換器70を介してプロセッサ68に通信される。プローブ40からの患者温度示度は、60にてA/D変換器71を介してプロセッサ68に通信される。プローブ41からの出力温度示度は、61にてA/D変換器72を介してプロセッサ68に伝送される。制御装置54はまた、調整可能なオフセットと、オフセットを決定するようになされたプロセッサ68とを有する、増幅器を備えることができ、かつ、本出願と同時に出願した「Thermistor Circuit Calibration」という名称の米国特許出願第11/927,000号(代理人整理番号MDXCP-21US)に記載されるように、調整可能なスケーリング係数を有することができる。この開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。プロセッサ68は、加熱器制御信号を出力して、74にて、電力回路76を加熱器56に選択的に通電するように制御し、62にて、チャンバ20内の水27の加熱を制御するように加熱器の温度を調節する。加熱された呼吸回路21が存在する場合、プロセッサ68はまた、加熱器回路34および36の加熱を制御するようになされる。そのために、プロセッサ68は、吸息制御信号を出力して、77にて、加熱回路34に選択的に通電するように電力回路78を制御し、63にて、吸息肢22を通る気体への熱入力を調節し、かつ/またはプロセッサ68は、呼息制御信号を出力して、79にて、加熱回路36を選択的に通電するように電力回路80を制御し、また64にて、呼息肢24を通過する(1種類または複数種の)気体への熱入力を調節する。プロセッサ68は、メモリ82内に記憶されたプログラムまたはアルゴリズムに従って、ユーザ入力84を介したデータ入力に応答して動作する。加熱された呼吸回路21が存在することは、ユーザ入力84によって指示することができ、または、本出願と同時に出願した「Heated Breathing Circuit Detection」という名称の、米国特許出願第11/927,004号(代理人整理番号MDXC
P-22US)に記載されるように、自動的に検出することができる。この開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。プロセッサ68は有利には、本出願と同時に出願した「PID Coefficient Adjustment for Respiratory Heater Closed Loop Control」という名称の、米国特許出願第11/927,013号(代理人整理番号MDXCP-23US)、に記載されるように、加熱器、吸息、および呼息制御信号を発生するためにPIDフィードバック制御を利用する。この開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
各電力制御回路は、パルス幅変調器(「PWM」)回路86など制御回路、およびゲート制御トライアックなど電力スイッチ88を備えており、それにより、変圧器90の1つまたは複数のタップAC1およびAC2などからの電力制御回路を通って結合される交流電力の量を、制御信号(74、77、または79)に関して調節して、それぞれ加熱器56、加熱器回路34、または加熱器回路36に選択的に通電する。PWM回路86は、電力スイッチ88をオンまたはオフにすることにより、またはそのコンダクタンスを所望されるように変えることにより電力スイッチ88を変調し、それにより、チャンバ20ならびに/または肢部22、および24を通過する気体を所望どおりに加熱および加湿することが意図されたやり方で、所望の選択的な通電をもたらすことができる。信号74、77、および79はそれぞれ、プロセッサ68によって独立して発生させることができ、かつ、本出願と同時に出願した上述の「PID Coefficient Adjustment for Respiratory Heater Closed Loop Control」という名称の、米国特許出願第11/927,013号(代理人整理番号MDXCP-23US)、および本出願と同時に出願した「Rainout Reduction in a Breathing Circuit」という名称の、米国特許出願第11/926,990号(代理人整理番号MDXCP-20US)に記載されるように、個別の電力回路76、78、および80を管理するように動作可能である。これらの開示もまた、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。加熱器ユニット18は、制御装置54の様々な態様への電力供給に使用するための1つまたは複数の調節された直流電圧レベルを提供するために、変圧器90に結合された電源(PS)を備えることができる。加熱器ユニット18はまた、1つまたは複数の表示装置と、ボタンおよびダイヤルなど入力制御部(その一例はユーザ入力84である)と、警報指示器(全て図示されない)とを備えることができ、かつ、AC電力源ならびに加熱器回路34、36、およびPTCケーブル38などに結合するための、様々なインタフェース入力および出力をさらに有することができる。プロセッサ68に別々に結合される、制御装置54の様々なデバイスを示すが、それらを1つまたは複数の共通のバス上で接続することができることが、理解されるであろう。また、1つまたは複数の電力スイッチ88を、制御装置54の回路系の残りの部分とは別に、ヒートシンク上など(図示せず)に取り付けることができる。変圧器90のタップAC1を通る、加熱器56のための電力を示すが、変圧器90に電力供給するために使用されるAC電源によって、加熱器56に電力を供給することができることが理解されるであろう。
本発明の図示の実施形態の、加熱器ユニット18の制御のアーキテクチャは主に、危険となり得る、あるいは望ましくない状態下で熱板加熱器56および加熱器回路34、36に電力を送達する、単一点障害からの保護を行う。単一点障害の危険性を低減するために、本発明の原理に従って、たとえばスイッチ88を制御するためのAC電力のための、制御パスの冗長が設けられる。
例として、また特に図3を参照すると、常開のリレーとすることができるリレー140が、加熱器56への電力を通常中断または遮断するように、交流電力タップAC1(または交流電源)と加熱器56用の電力回路76との間に直列で電気的に結合されている。リレー140は、142にてプロセッサ68からの電力信号に応答し、それによりリレー140を閉じ、すなわち加熱器56に電力を供給する。リレー140を通過させられる電圧または電流は、電力回路76によってゲート制御される。電力信号142の終了により、リレー140は再び開いて、加熱器56への電力を遮断する。したがって、プロセッサ68は、電力回路76によって加熱器56の選択的な通電を制御するだけでなく、電力回路76の電力スイッチ88への電力の結合をさらに制御し、それにより、望まれる場合または必要な場合に加熱器56への電力を遮断するための、冗長レベルの制御を提供する。結果として、加熱器56は、リレー140および電力回路76の電力スイッチ88の、両方が閉じられる時間以外は電力を受け取らず、したがって加熱することができない。すなわち、リレー140および電力回路76の電力スイッチ88の、両方が導電状態でなければならない。あるいはリレー140は、電力回路76に通常電力を供給するように、常閉のリレーとすることができ、142にてプロセッサ68からの電力信号に応答して、電力を遮断するように開く。
変圧器90からの、加熱されるワイヤの電力出力AC2は、たとえば交流22Vの低電圧交流出力であり、吸息加熱器回路34、および設けられる場合は呼息加熱器回路36に、電力を供給する。各電力回路78および80を用いてそれぞれの加熱器回路34、36に直列で接続される、リレー144を通してこの電力を送達することにより、単一点障害保護はさらに、部分的に明らかにされる。リレー144を通過させられる電圧または電流は、電力回路78、80によってゲート制御される。加熱器回路34および36に電力を通常供給するように、常閉のリレーとすることができるリレー144は、146におけるプロセッサ68からの電力信号に応答して、開くことができる。電力信号146の終了により、リレー144は再び閉じて、加熱器回路34および36に電力を再び供給する。したがって、プロセッサ68は、電力回路78および80による加熱器回路34および36の選択的な通電をそれぞれ制御するだけでなく、加熱器回路34および36の電力スイッチ88への電力の結合をさらに制御し、それにより、望まれる場合または必要とされる場合に加熱器回路34および36への電力を遮断するための、冗長レベルの制御を提供する。結果として、加熱器回路34および36は、リレー144ならびに電力回路78および/または80の電力スイッチ88の両方が閉じられる時間以外は電力を受け取らなくなり、したがって加熱することができず、すなわち、リレー144ならびに電力回路78および/または80の電力スイッチ88の両方が、導電状態でなければならない。あるいは、リレー144は、常開のリレーとすることができ、リレー144を閉じて加熱器回路34、36に電力を供給するための、プロセッサ68からの146における電力信号に応答する。制御信号および電力信号の両方が加熱器に通電することを要求することにより、加熱器用の電力制御通路内の単一点障害が回避される。
プロセッサ68は、単一のマイクロプロセッサ、あるいは、他のコンピュータまたはプログラム可能な論理デバイスとすることができる。ただし有利には、単一点障害の結果を回避するように、加熱器への電力のさらなる制御、すなわち制御パス内のより多くの点の制御を提供するために、プロセッサ68を冗長CPUによって定義することができる。そのために、プロセッサ68は、主CPU150および補助CPU152を備えることができ、それらは、CPUシリアル周辺インタフェース154、ならびに相互処理タイミング信号156および158によって通信する。
主CPU150は、ユーザインタフェースタスク、温度測定、通信およびデバッギング能力、上記のような加熱器56の制御、ならびに警報の初期化を、処理するように構成される。主CPUはまた、上述の「Thermistor Calibration Circuit」という名称の米国特許出願第11/927,000号(代理人整理番号MDXCP-21US)に記載されるように、温度測定回路系の較正を処理することができる。補助CPU152は、「Heated Breathing Circuit Detection」という名称の米国特許出願第11/927,004号(代理人整理番号MDXCP-22US)に記載されるように、加熱されるホース用適当なワイヤが使用されていることを確認するなどの、責任を担うようになされる。
主CPU150は、チャンバ20内の水27を加熱するように加熱器56の温度を調節するための、制御信号74を発生する。主CPU150はまた、呼吸回路21の肢部22および24内の加熱器回路34および36の温度を調節するための、制御信号77および79を発生する。主CPUはまた、リレー140を制御するための、電力信号142を提供するようになされる。
主CPU150は、温度示度およびその他の信号など、システムからのフィードバックを監視する。たとえば、主CPU150は、プローブ40および/またはプローブ41からの温度示度により、すなわち、それぞれ60および/または61にて、加熱器56の適切な制御を監視する。さらに、加熱器回路34、36の適切な制御の監視が、主CPU150によって実行される。主CPU150はまた、たとえば2秒の窓など、特定の時間窓の間に電力をオンおよびオフにすることにより、加熱器回路34、36への電力を制御する。主CPU150はまた、たとえば加熱器56が過剰な温度で動作することを防止するために、59においてサーミスタ58からの温度示度を監視して、さらなる加熱器性能データを提供する。警報状態は、高いおよび低い患者気道温度、ならびに高いおよび低い水チャンバ温度により生じる。
あるいは、補助CPU152もまた、温度示度を監視して、加熱器56および加熱器回路34、36の性能の冗長監視を提供することができる。たとえば、補助CPU152は、主CPU150からの制御信号を監視することにより、主CPU150から独立して、吸息加熱器回路34の正しい制御を監視することができる。主CPU150が、吸息加熱器回路34への通電または通電停止の命令を出すが、その動作が達成されない場合、最優先警報が発生される。同様に、電力回路78(または電力回路80)が常に論理オン状態にある、すなわち吸息加熱器回路34(または呼息加熱器回路36)が常に通電されるなど、主CPU150の動作におけるその他の異常な状態が検出された場合、補助CPU152は、最優先警報を発生することができる。最後に、補助CPU152は、リレー144に電力信号146を提供するようになされる。言い換えると、リレー144は、補助CPU152からの出力146によって直接制御される。
各CPU150、152は、直接制御により、またはハードウェアウォッチドッグモジュール100を制御することにより、または通信パス154を通じてもう一方のCPUと通信することにより、加熱器56または加熱器回路34、36を動作不能にすることができる。さらに、各CPU150、152は、タイムベースの一致を確認するために、もう一方のCPU152、150からのタイミング信号を監視する。各CPU150、152が互いに通信するためには、各CPU150、152が論理プログラム実行中でなければならず、もう一方のCPUとの通信が失われると、各CPUは応答して、ゲート制御機能すなわち個別論理回路を用いて、たとえば加熱器ユニット18の熱板加熱器56および呼吸回路21の加熱器回路34、36を含めた全ての加熱要素を動作不能にし、またはそれらへの通電を停止する。
ハードウェアウォッチドッグモジュール100、ならびにCPU150および152は、ソフトウェアウォッチドッグ機能、マイクロコントローラ間ウォッチドッグ機能、および加熱器ウォッチドッグ機能を含めた、多数のウォッチドッグ機能を提供する。ソフトウェアウォッチドッグ機能は、主CPU150および補助CPU152内に実装される。ソフトウェアウォッチドッグ機能の目的は、主CPU150または補助CPU152のタイマが期限切れになる前に、主ループ内の全ての状態フラグを確実に受信することである。指定された時間内のCPU150、152の主ループ内のコード実行に失敗すると、最優先警報状態が生じる。すなわちソフトウェアウォッチドッグは、CPU150、152のいずれかによる、誤ったタイミング命令の実行または逸脱を検出する。
CPU150、152内で行われるソフトウェアウォッチドッグ機能は、タイマ割り込みの停止を、たとえば100ミリ秒ごとなど定期的な間隔で実行し、論理全体を実行して、CPU150、152のプログラムループの全ての実時間タスクが実行されていることを保証する。このソフトウェアウォッチドッグ機能は、それぞれのコードが実行される毎に毎回、実時間タスクおよびメインプログラムループによって消去される、共有メモリに記憶されたフラグを使用する。フラグは、ソフトウェアウォッチドッグによってリセットされる。ソフトウェアウォッチドッグによって実行される各期間は、その間に全てのタスクおよびCPU150、152のプログラムループが、それらのそれぞれのフラグを消去しなければならない期間である。この時間窓が期限切れとなった後に、ソフトウェアウォッチドッグは、フラグを点検して、ソフトウェアが依然期待通りに実行しているどうかを決定する。そうである場合、ソフトウェアウォッチドッグは、リセットする。そうでなければ、ソフトウェアウォッチドッグを各CPU150、152内で、加熱器56および加熱器回路34、36を遮断するようにセットすることができる。主CPU150は、電力スイッチ88を開くことによって、すなわち(1つまたは複数の)トライアックをオンにする信号を提供しないこと、および/または電力スイッチを開く信号を提供することによって、加熱器56および加熱器回路34、36への通電を停止し、かつ/または、ウォッチドッグ100へのタイミングパルスを停止し、それにより同様に電力スイッチ88を開き、または電力スイッチ88に通電しないことによって、加熱器56および加熱器回路34、36への通電を停止する。主CPU150はまた、リレー140を非活動化すること、すなわち開くことによって、加熱要素56への通電を停止する。補助CPU152は、ウォッチドッグモジュール100に信号を送信することによって、加熱器56および加熱器回路34、36への通電を停止することができる。したがってソフトウェアウォッチドッグは、CPU150、152を、正しく動作するように監視する。
図4を参照すると、ウォッチドッグモジュール100は、ゲート制御機能、すなわち論理回路を備えることができ、論理回路は、信号176を補助CPU152から受信すると電力スイッチ88を開き(電力が全ての加熱器に到達することを妨げ)、かつ、リレー140を非活動化して電力が電力回路76に到達することを妨げる。より具体的には、CPU152は、信号176を、ウォッチドッグモジュール100の補助ゲート制御部184に送信する。次いで補助ゲート制御部184は、「OFF」加熱器イネーブル信号186を、加熱器ゲート制御部188に送信する。次いで加熱器ゲート制御部188は、信号74、77、79を遮断して、電力スイッチ88の通電を停止させるか、代替信号を74、77、79にて導入して、電力スイッチ88をオフにする。それらはいずれも、電力が電力回路76、78、80に到達することを妨げ、加熱器56、34および36を動作不能にする。加熱器ゲート制御部188はまた、電力信号142を終了してリレー140を開き、電力回路76への通電を停止して、加熱器56を冗長的に動作不能にする。補助CPU152はまた、リレー144を作動させて、電力が電力回路78、80に到達することを妨げることができる。
マイクロコントローラ間ウォッチドッグ機能の目的は、各CPU150、152の相対的なタイムベースをテストすることである。これは、他方のプロセッサからのタイミング信号156、158を監視する、各プロセッサによって達成される。例として、各CPUは、一連のパルスを他方のCPUに送信し、それらが時間窓内で計数される。必須のパルス数が受信されない場合、最優先警報状態が生じる。
動作に際しては、補助CPU152は、タイミング信号158をたとえば速度2Hzで出力し、それを主CPU150が監視する。主CPU150は、このタイミング信号158を、たとえば1.5秒の時間間隔にわたり監視することができ、かつ、2個から4個のパルスがその時間窓内に存在することを、テストすることができる。主CPU150は、この期待されたパルス数を検出しない場合、電力スイッチ88を開く命令を出し、電力が電力回路76、78、80に到達することを妨げることによって、加熱器56および加熱器回路34、36をオフにすることができる。さらに、主CPU150は、142における電力信号を終了してリレー140を開き、電力が電力回路76に到達することを同様に妨げることができる。主CPU150はまた、電力信号を146にて送信してリレー144を開くように、補助CPU152にメッセージを送信して、電力が電力回路78、80に到達することを同様に妨げることができる。
同様に、主CPU150は、タイミング信号156をたとえば速度5Hzで出力することができ、それを補助CPU152が、たとえば4秒の時間窓にわたり監視することができ、補助CPU152は、その時間窓内に19個から21個のパルスが存在することをテストすることができる。この期待されるパルス数が時間窓内で計数されない場合、補助CPU152は、146にて電力信号を送信してリレー144を開き、電力が電力回路78、80に到達することを同様に妨げることができる。補助CPU152はまた、142における電力信号を終了してリレー140を開くよう、信号をウォッチドッグモジュール100に送信して、電力回路76への通電を停止することができる。最後に、補助CPU152は、電力スイッチ88(図2参照)を開くよう、ウォッチドッグモジュール100に信号を送信して、すべての電力回路76、78、80への通電を停止することができる。補助CPU152はまた、表示されるべきエラーコードを送信し、エラー状態レジスタ内の周波数エラーコードをアップデートすることができ、それにより主CPU150は、動作可能である場合にエラーを読み取ることができる。
加熱器ウォッチドッグはまた、主CPU150のタイミング信号178を監視し、主CPU150からのタイミング信号178が必須の時間窓内に存在しない場合、加熱器56および加熱器回路34、36を動作不能にし、またはそれらをオフにするように機能する。例としてこれは、コンデンサへのチャージにより論理レベルを維持することによって、またはデジタルタイマ機能によって、達成することができる。動作に際しては、主CPU150が、タイミング信号178を出力し、それをウォッチドッグモジュール100内のハードウェアウォッチドッグタイマ180(図4)が、タイミングの完全性に関して監視する。信号178が存在しない、または大幅に低速化される場合、加熱器ウォッチドッグ機能はタイムアウトとなり、加熱器56および加熱器回路34、36を動作不能にする。たとえば、信号178がある長過ぎる期間にわたり、高いまたは低いままとなる場合、ウォッチドッグタイマ180は、加熱器イネーブル信号182を出力し、または低い論理電圧レベル、すなわち「OFF」レベルに維持する。次いで補助ゲート制御部184は、「OFF」加熱器イネーブル信号186を、加熱器ゲート制御部188に送信して、電力回路76、78、80への電力を遮断し、かつ、電力信号142を終了してリレー140を開き、電力回路76への通電を停止して、加熱器56、34、および36を、上記で説明したように動作不能にする。
加熱器ウォッチドッグ機能はまた、主CPU150からの信号178が不在ではなく、または大幅に低速化されていない場合でも、補助CPU152が加熱器56および加熱器回路34、36を、動作不能またはオフにすることを可能にする。すなわち、補助CPU152が主CPU150から正しいタイミング信号156を受信しないなど、補助CPU152がシステム内の異常を検出した場合、または、CPUシリアル周辺インタフェース154を介した主CPU150との通信におけるエラーを検出した場合、補助CPU152は、論理信号176をウォッチドッグモジュール100に出力する。CPU150が最優先警報状態を検出した場合、CPU150はまた、ウォッチドッグモジュール100内の補助ゲート制御部184への論理ゼロまたは「OFF」信号176を同様に出力するよう、補助CPU152に命令を発生することができる。さらに、補助CPU152内のソフトウェアウォッチドッグ機能がエラー状態を検出した場合、補助CPU152は、論理「OFF」信号176を、ウォッチドッグモジュール100内の補助ゲート制御部184に出力する。次いで補助ゲート制御部184は、「OFF」加熱器イネーブル信号186を加熱器ゲート制御部188に送信して、加熱器56、34、および36を上記で説明したように動作不能にする。
本発明を、その1つまたは複数の実施形態の説明によって示し、実施形態をかなり詳細に説明してきたが、それらは決して、添付の特許請求の範囲の範囲をそのような詳細に制限または限定することを意図するものではない。さらなる利点および修正が、当業者には容易に明らかになるであろう。したがって、本発明はそのより広い態様において、図示および説明した具体的な詳細、代表的な装置および方法、ならびに例示的な例に限定されない。したがって、出願人全体的な発明の概念の範囲または精神から逸脱せずに、そのような詳細からの逸脱を行うことができる。
本発明の原理に従って構築された特徴を有するように構成された加熱器ユニットを有する、呼吸システムを示す図である。 上記特徴を組み込む制御装置を有する、図1の加熱器ユニットを示す概略図である。 本発明の原理を説明するための、図1のシステムの加熱器に結合された図2の制御装置を示すブロック図である。 図3の制御装置のウォッチドッグモジュールを示すブロック図である。
符号の説明
10 呼吸システム
12 患者
14 換気装置
16 加湿システム
18 加熱器ユニット
20 チャンバ
21 呼吸回路
22 吸息肢
24 呼息肢
26 導管
27 水
28 給水部
29 水蒸気
30 接合部
32 呼吸用アタッチメント
34 加熱器
36 加熱器
38 患者温度ケーブル(PTC)
40 サーミスタ内蔵プローブ
41 温度プローブ
42 第1の通信ケーブル
44 第2の通信ケーブル
48 端部
50 端部
52 コネクタ
54 制御装置
56 加熱器
58 サーミスタ
68 プロセッサ
70 A/D変換器
71 A/D変換器
72 A/D変換器
76 電力回路
77 制御信号
78 電力回路
80 電力回路
82 メモリ
84 ユーザ入力
86 パルス幅変調器(「PWM」)回路
88 電力スイッチ
90 変圧器
100 ハードウェアウォッチドッグモジュール
140 リレー
142 電力信号
144 リレー
146 電力信号
150 主CPU
152 補助CPU
154 CPUシリアル周辺インタフェース
156 タイミング信号
158 タイミング信号
176 信号
178 タイミング信号
180 ハードウェアウォッチドッグタイマ
182 加熱器イネーブル信号
184 補助ゲート制御部
186 「OFF」加熱器イネーブル信号
188 加熱器ゲート制御部

Claims (10)

  1. 加湿器システムであって、
    加熱要素と、
    第1の制御信号に応答してオンまたはオフになる第1の電力スイッチと、
    第2の制御信号に応答してオンまたはオフになる第2の電力スイッチと、
    を備え、
    前記第1および第2の電力スイッチは、電力源と前記加熱要素の間に電気的に直列であるとともに、両者は、前記加熱要素の作動のためにオンになるように要求され、
    前記加湿器システムは、
    第1および第2のプロセッサを備え、
    前記第1のプロセッサは、第1の制御パスに沿って前記第1の電力スイッチに前記第1の制御信号を提供し、
    前記プロセッサのうちの１つは、第2の制御パスに沿って前記第2の電力スイッチに前記第2の制御信号を提供し、
    前記加湿器システムは、
    前記第1のプロセッサと前記第1の電力スイッチの間に電気的に直列に前記第1の制御パス内にウォッチドッグを備え、
    前記ウォッチドッグは、前記第1のプロセッサから前記第1の電力スイッチへの前記第1の制御信号を通常ゲート制御するように、および前記プロセッサの少なくとも一方を監視するように動作可能であり、
    前記ウォッチドッグは、前記少なくとも１つのプロセッサの前記監視に応答して、前記加熱要素を動作不能にするために、前記第1のプロセッサからの前記第1の電力スイッチへの前記第1の制御信号を遮断するようにさらに動作可能である
    ことを特徴とする加湿器システム。
  2. 前記第1のプロセッサは、前記第2の制御パスに沿って、前記第2の電力スイッチに前記第2の制御信号を提供することを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  3. 第2のプロセッサは、前記第2の制御パスに沿って、前記第2の電力スイッチに前記第2の制御信号を提供することを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  4. 前記第2のプロセッサは、前記加熱要素を動作不能にするために、前記ウォッチドッグを作動させるように構成されることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のシステム。
  5. 前記第1の電力スイッチはリレーを備え、前記第2の電力スイッチは、トライアックまたはその他の固体スイッチ素子を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のシステム。
  6. 加湿器システムであって、
    第1および第2の加熱要素と、
    第1の制御信号に応答してオンまたはオフになる第1の電力スイッチと、
    第2の制御信号に応答してオンまたはオフになる第2の電力スイッチと、
    第3の制御信号に応答してオンまたはオフになる第3の電力スイッチと、
    を備え、
    前記第1および第3の電力スイッチは、電力源と前記第1の加熱要素の間に電気的に直列であり、両者は、前記第1の加熱要素の作動のためにオンになるように要求され、
    前記第2および第3の電力スイッチは、電力源と前記第2の加熱要素の間に電気的に直列であり、両者は、前記第2の加熱要素の作動のためにオンになるように要求され、
    前記加湿器システムは、
    第1および第2のプロセッサを備え、
    前記第1のプロセッサは、第1の制御パスおよび第2の制御パスに沿って、それぞれ前記第1および第2の電力スイッチに前記第1および第2の制御信号を提供し、
    前記プロセッサの１つは、第3の制御パスに沿って、前記第3の電力スイッチに前記第3の制御信号を提供し、
    前記加湿器システムは、
    前記第1のプロセッサと前記第1および第2の電力スイッチの間に電気的に直列である前記第1および第2の制御パス内にあるウォッチドッグを備え
    前記ウォッチドッグは、前記第1のプロセッサからの前記第1および第2の電力スイッチへの前記第1および第2の制御信号を通常ゲート制御するように、および前記プロセッサの少なくとも一方を監視するように動作可能であり、
    前記ウォッチドッグは、前記少なくとも１つのプロセッサの前記監視に応答して、前記第1および第2の加熱要素を動作不能にするために、前記第1のプロセッサからの前記第1および第2の電力スイッチへの前記第1の制御信号を遮断するようにさらに動作可能である
    ことを特徴とする加湿器システム。
  7. 前記第2のプロセッサは、前記第3の制御パスに沿って、前記第3の電力スイッチに前記第3の制御信号を提供することを特徴とする請求項6に記載のシステム。
  8. 前記第2のプロセッサは、前記第1および第2の加熱要素を動作不能にするために、前記ウォッチドッグを作動させるように構成されることを特徴とする請求項6または7に記載のシステム。
  9. 前記第1および第2の電力スイッチの各々は、トライアックまたはその他の固体スイッチ素子を備え、前記第3の電力スイッチはリレーを備えることを特徴とする請求項6から8のいずれか1項に記載のシステム。
  10. 前記第1のプロセッサは、主プロセッサであり、前記第2のプロセッサは、補助プロセッサであることを特徴とする請求項6から9のいずれか1項に記載のシステム。
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