JP5631524B2 - 医療用の水素混合ガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療用の水素混合ガス供給装置に関するものである。
本願は、２０１２年８月９日に、日本に出願された特願２０１２−１７７４３３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

一般的に活性酸素種又はフリーラジカルと呼ばれる反応性分子は、老化、がん、アテローム性動脈硬化症、心筋梗塞、発作、ウイルス感染、肺の異常、腸の病気及び神経退行性疾病を含む多くの人間の健康上の異常の原因のひとつとなっており、老化及び健康の悪化につながることが現在では広く認められている。最も一般的なフリーラジカルとしてスーパーオキシドラジカル、ヒドロキシルラジカル、過酸化水素等があげられる。

フリーラジカル分子は、生命有機体に対し、核酸、蛋白質、脂質などのすべての生物分子の構造的損傷の原因となる酸化毒性を持つ。一方で、スーパーオキシドラジカル、過酸化水素等は、侵入した細菌の殺傷作用、免疫機能、癌に対する防御機構、血管の新生、血管の拡張、精子形成、神経伝達などの役割を果たしていることも明らかにされている。したがって、ヒドロキシルラジカル等の反応性が高く、細胞障害性の高いフリーラジカル種等のみを選択的に無力化することが望ましい。

特許文献１には、水素の還元作用を利用し、ヒドロキシルラジカル等の反応性の高いフリーラジカル種を選択的に無力化する除去剤が開示されている。水素は、スーパーオキシドラジカル、過酸化水素等のいわゆる善玉である活性酸素には作用しないという性質を持ち、加えて、水素は細胞透過率が高く、人体に無害である。

ところで、心筋梗塞、脳梗塞等の各種手術で血液の循環が停止した状態から再灌流する際に、体内にヒドロキシラジカルが発生して、細胞や臓器に障害（虚血再灌流障害）を起こすことがある。水素は上述のようにヒドロキシラジカルを無力化する効果を有するため、ヒドロキシラジカルに起因する障害発症を抑える医薬品として幅広い治療において効果が期待されている。

特許文献２には、水素を酸素との混合ガスとして患者に投与する水素投与装置が開示されている。この水素投与装置は、水素ガス及び酸素ガスの供給源と、これらの混合ガスを患者へ投与する混合ガス供給管内を流れる水素ガス濃度を測定する水素濃度計を備えている。この水素投与装置は、水素ガス濃度の測定結果が、例えば０．１〜４．０ｖｏｌ％の範囲内にないときは、警報音を鳴らしたり、混合ガスの供給を停止したりする構成を有する。又、水素ガス濃度が設定した範囲内となるよう各ガスの供給源の開閉バルブの開度を制御し、水素ガス濃度が設定した範囲内に収まるよう、自動的に調整するフィードバック制御を行う構成も開示されている。

国際公開第２００７／０２１０３４号 特開２０１０−２８４３９４号公報

しかしながら、特許文献２に記載の水素投与装置では、水素ガスと酸素ガスとを均一に混合するための具体的な手段及び方法については開示されておらず、水素ガスと酸素ガスとの流量比及び重量比によっては混合ガスの均一化が不十分となる虞があり、混合ガス中の水素ガス濃度の測定値について信頼性に問題があった。

又、患者の症状は単一の症状のみの場合は少なく、複数の症状が合併していることが一般的である。患者の症状に応じて、例えば、再灌流する際には、水素混合ガスの投与が必要となり、又、低酸素症に陥る虞のある場合においては、水素混合ガス中の酸素ガス濃度を高くする必要が生じる。

しかしながら、特許文献２に記載の水素投与装置は、供給経路における濃度測定の対象は水素ガスのみであり、又、その成分比率を患者の容態に合わせて調整することは困難である。医療の現場において、患者の容態に合わせて、適切な医療用ガスを投与するために、水素以外の成分（例えば、酸素）を含めた、きめ細かな成分比に確実に調整できることが求められている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、患者の容態に合わせて、水素ガス濃度及び酸素ガス濃度をそれぞれ正確に調整した混合ガスを投与可能な、水素混合ガス供給装置の提供を目的とする。

請求項１に係る発明は、患者の治療に使用する水素混合ガス供給装置であって、水素の供給源である水素供給手段から供給された水素ガスと酸素の供給源である酸素供給手段から供給された酸素ガスとを混合し、前記水素ガス及び酸素ガスを含む混合ガスを生成する混合手段と、前記混合ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度測定手段と、前記混合ガス中の酸素ガス濃度を測定する酸素ガス濃度測定手段と、
前記測定手段により測定した水素ガス濃度、及び酸素ガス濃度に基づき、前記混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度をそれぞれ任意の値に制御する制御手段と、前記混合手段から患者への供給経路より分岐する排出用配管と、該排出用配管に設けられた混合ガスの排出を制御する排出制御手段を備え、前記制御手段が、患者の身体所見に基づき、前記患者に投与する前記混合ガスの水素ガス濃度、酸素ガス濃度、及び流量を決定し制御するとともに、前記水素ガス濃度測定手段及び前記酸素ガス濃度測定手段で測定した前記混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度が、前記決定した水素ガス濃度及び酸素ガス濃度の範囲外であるときに、混合ガスを排出するように前記排出制御手段を制御し、前記混合手段として、水素を供給する経路と酸素を供給する経路とが合流するタンクを用いることを特徴とする水素混合ガス供給装置である。

請求項２に係る発明は、前記水素供給手段から前記混合手段への経路中、前記酸素供給手段から前記混合手段への経路中、及び前記混合手段から患者への供給経路中の少なくとも１つに圧力測定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の水素混合ガス供給装置である。

請求項３に係る発明は、前記水素混合ガス供給装置であって、前記混合ガスを貯留する混合ガス貯留手段を備え、前記混合ガス貯留手段は、前記水素ガス濃度測定手段及び前記酸素ガス濃度測定手段と、圧力測定手段と、を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素混合ガス供給装置である。

請求項４に係る発明は、前記水素混合ガス供給装置であって、人工呼吸器と、前記混合手段から供給される前記混合ガスと、前記人工呼吸器から送られる酸素ガス濃度が高められた空気とが合流する配管合流点と、前記配管合流点において合流したガスを前記患者へ供給する供給経路と、を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水素混合ガス供給装置。

請求項５に係る発明は、前記制御手段が、ニューラルネットワークによる制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水素混合ガス供給装置である。

本発明の水素混合ガス供給装置は、混合ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度測定手段と、酸素ガス濃度を測定する酸素ガス濃度測定手段と、更に、これらの測定値に基づき混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度をそれぞれ任意の値に制御する制御手段とを有している。したがって、この混合ガスの水素及び酸素の量を適宜変更することが可能となる。即ち、患者の身体的所見に合わせて水素及び酸素を随時、適切に投与することが可能となる。

本発明の水素混合ガス供給装置は、水素及び酸素を含む混合ガスを生成する混合手段と、混合ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度測定手段と、酸素ガス濃度を測定する酸素ガス濃度測定手段とを有している。特に、前記混合手段が、スタティックミキサー、タンク及び混合器である場合においては、混合ガス内の水素及び酸素は、その流量比や重量比に依存せず、均一に分散しており、水素ガス濃度測定手段及び酸素ガス濃度測定手段による各成分の濃度測定を正確に行うことが可能となり、信頼性の高い水素及び酸素の混合ガスを供給することができる。

又、本発明の水素混合ガス供給装置の各経路中に複数の圧力測定手段を備える場合においては、ガス流量制御のために圧力を検知すること、及び各部位での圧力に基づきガスの漏洩を検知することが可能となる。

加えて、本発明の水素混合ガス供給装置の制御手段が、患者の身体的所見に基づき、前記混合ガスの成分比率、及び流量を決定し制御する構成を有する場合においては、患者の容態が急変した際に、即座に患者の容態に合わせて各成分比率、流量を最適な値とすることが可能となる。この制御手段はニューラルネットワークを用いたものであっても良い。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る水素混合ガス供給装置の構成を表す模式図である。 図２は、本発明の第１の実施形態の変形例１に係る水素混合ガス供給装置の構成を表す模式図である。 図３は、本発明の第１の実施形態の変形例２に係る水素混合ガス供給装置の構成を表す模式図である。 図４は、本発明の第１の実施形態の変形例３に係る水素混合ガス供給装置の構成を表す模式図である。 図５は、本発明の第１の実施形態の変形例４に係る水素混合ガス供給装置の構成を表す模式図である。 図６は、本発明の第１の実施形態の変形例５に係る水素混合ガス供給装置の構成を表す模式図である。 図７は、本発明の第２の実施形態に係る水素混合ガス供給装置の構成を表す模式図である。 図８は、本発明の第２の実施形態の変形例１に係る水素混合ガス供給装置の構成を表す模式図である。 図９は、本発明で用いられるニューラルネットワークの構造の一例を示す模式図である。 図１０は、図９に示すニューラルネットワークのニューロンモデルを表した図及び式である。 図１１Ａは、図９に示すニューラルネットワークを用いて、混合ガス中の水素ガス濃度を出力値とした場合の模式図である。 図１１Ｂは、図９に示すニューラルネットワークを用いて、混合ガス中の酸素ガス濃度を出力値とした場合の模式図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である水素混合ガス供給装置について図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態である水素混合ガス供給装置１を表す模式図である。水素混合ガス供給装置１は、患者Ｐの治療に使用される水素及び酸素混合ガスを供給する装置であり、水素ボンベ（水素供給手段）１１と、酸素ボンベ（酸素供給手段）１２と、窒素ボンベ（不活性ガス供給手段）１３と、配管合流点２ｇを含む配管構造（混合手段）と、水素濃度計（水素ガス濃度測定手段）９と、酸素濃度計（酸素ガス濃度測定手段）１０と、制御装置（制御手段）７とを備え概略構成されている。
なお、本実施形態において、水素は水素ガスとして、酸素は酸素ガスとして各ガスの供給手段から供給する。
以下に本実施形態の水素混合ガス供給装置１の各構成要素に関して詳しく説明を行う。

本実施形態の水素混合ガス供給装置１に備えられる水素ボンベ１１は水素供給手段の一例であって、その他の水素供給手段を採用したものであっても良い。例えば、随時、水素ガスを発生する装置であっても良い。その場合は、水電気分解式の水素ガス発生装置、ガス改質による水素ガス発生装置、光触媒による水素ガス発生装置を採用することができる。水素ガス発生装置を使用する場合においては、水素ガス以外の副生成ガスが少ないものを選択することが好ましい。

同様に、酸素ボンベ１２は、酸素供給手段の一例であって、その他の酸素供給手段を採用したものであっても良い。例えば、随時、酸素ガスを発生する装置であっても良く、その場合は液体ガスの気化装置、ＰＳＡ式ガス発生装置等を採用することができる。これらの装置を使用する場合は、酸素以外の副生成ガスが少ないものを選択することが好ましい。空気中の酸素ガス濃度は、約２１％であるため、酸素供給手段として、コンプレッサー等で加圧した空気を使用しても良い。

加えて、本実施形態の水素混合ガス供給装置１は、不活性ガスとして窒素ガスを使用し、その供給手段として窒素ボンベ１３を使用する。窒素ボンベ１３の使用は一例であって、その他に、液体ガスの気化装置、ＰＳＡ式ガス発生装置、分離膜式ガス発生装置等を用いても良い。又、不活性ガスとしては、窒素ガス以外に、二酸化炭素ガス、アルゴン、ヘリウムガス及びキセノンガス等を利用することができる。又、上述のように酸素供給手段として、コンプレッサー等で加圧した空気を用いた場合においては、不活性ガス供給手段を略すことができる。

患者Ｐの搬送や処置を考慮する場合においては、水素混合ガス供給装置１は、軽量でかつ移動可能であることが望ましい。この場合、水素供給手段、酸素供給手段及び不活性ガス供給手段の形態は、ボンベであることが好ましく、これらのボンベは、それぞれ１０Ｌ以下の容器からなるものであることがより好ましい。
又、省スペース化や水素と酸素の反応性を考慮して、２種ガス混合ボンベや３種ガス混合ボンベを使用することもできる。例として本実施形態の変形例５として後述する。

配管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、ガスの気密性が高く、軽量かつ高強度であることが望ましい。配管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに用いることのできる材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレスが挙げられる。

各ガスの供給経路である配管２ａ、２ｂ、２ｃには、減圧弁３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、フィルター３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、自動弁３ａ、３ｂ、３ｃ、及び逆止弁４ａ、４ｂ、４ｃがそれぞれ設けられている。
本実施形態において、自動弁３ａ、３ｂ、３ｃは、開閉及び開度の調整を行うアクチュエーターを備えており、該アクチュエーターは制御装置７と電気的に接続されているため、水素ボンベ１１、酸素ボンベ１２、窒素ボンベ１３から供給される各ガスの供給量を適宜調整することができる。

本実施形態の水素混合ガス供給装置１は、配管合流点２ｇを含む配管構造（混合手段）を備えることを特徴としている。この配管構造は、より具体的には、水素を供給する経路である配管２ａと、酸素を供給する経路である配管２ｂと、窒素を供給する経路である配管２ｃとが、配管合流点２ｇにおいて合流する構成となっている。これにより、水素ボンベ１１、酸素ボンベ１２及び窒素ボンベ１３から供給される各ガスは、それぞれ配管２ａ、２ｂ、２ｃを通り、配管合流点２ｇで合流する。そして、この配管合流点２ｇにおいて上記各ガスが混合されることによって、混合ガスが生成される。
配管合流点２ｇは、混合ガスがより均一となるように、合流する各配管２ａ、２ｂ、２ｃから構成されることが好ましいが、特定の構成に限定されるものではない。

配管合流点２ｇから患者Ｐへの供給経路である配管２ｄには、配管合流点２ｇ側から順に圧力計８、水素濃度計９、酸素濃度計１０、流量計２１、自動弁３ｄが設けられている。又、配管２ｄは患者Ｐへの混合ガス供給手段１５に接続されている。

又、配管２ｄの流量計２１と自動弁３ｄとの間より排出用配管２ｍが分岐し、排出用配管２ｍの途中には自動弁３ｍが設けられている。排出用配管２ｍは、ガスの気密性が高く、軽量かつ高強度であることが望ましい。配管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに用いることのできる材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレスが挙げられる。
自動弁３ｍは、開閉及び開度の調整を行うアクチュエーターを備えており、該アクチュエーターは制御装置７と電気的に接続されている。例えば、水素混合ガス供給装置１の使用開始（すなわち水素ボンベ１１、酸素ボンベ１２、窒素ボンベ１３から各ガスの供給を開始した時点）後、自動弁３ｄを閉、自動弁３ｍを開とすることにより、配管２ｄに残存していたガスを追い出し、また、水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を調整している間の、目標濃度範囲外の混合ガスを排気する。その後、水素濃度計９と酸素濃度計１０とで測定する混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度が目標の濃度範囲に到達したら、自動弁３ｄを開、自動弁３ｍを閉とすることにより、患者Ｐへの混合ガスの投与を開始する。これにより、濃度が安定した後の、正確な水素ガス濃度及び酸素ガス濃度の混合ガスを患者Ｐに対して投与することができる。
排出用配管２ｍからガスを排出する際、自動弁３ｍを閉め、自動弁３ａを開け、配管２ａ、配管２ｄにガスを流し、再び、自動弁３ａを閉める。そして、自動弁３ｍを開け、ガスを排出する。この操作（回分パージ）を２〜３回繰り返し断続的にガスを流すことにより、連続的にガスを流す場合に比べて、配管２ａ、配管２ｄのパージをより早期に完了することができる。同様の操作を、自動弁３ｂ及び自動弁３ｃに対して行うことにより、配管２ｂ、配管２ｄのパージ、及び配管２ｃ、配管２ｄのパージをそれぞれ早期に完了することができる。
なお、排出用配管２ｍの配管２ｄからの分岐位置は、配管合流点２ｇを含む配管構造（混合手段）より後段であれば特に限定されないが、各ガスの濃度を正確に測定できるため水素濃度計９及び酸素濃度計１０の後段が好ましい。また、流量計２１の後段とすることにより、患者Ｐに極力近い箇所まで配管２ｄをパージできるため、患者Ｐにより正確な濃度の混合ガスを投与できる。

患者への混合ガス供給手段１５は、混合ガス供給配管並びに前記混合ガス供給配管の先端に取り付けられた、患者Ｐの口及び鼻を覆うように形成されたマスク又は、患者Ｐの口及び鼻、喉に直接差し込むチューブである。チューブである場合においては、内径５ｍｍ、長さ５ｍ程度のものが好ましい。

本実施形態の水素混合ガス供給装置１において、水素は、水素ガスとして、酸素は、酸素ガスとして供給されているため、上述の水素濃度計９及び酸素濃度計１０は、水素ガス及び酸素ガスを含む混合ガス中のガス濃度を測定する。

水素濃度計９は、水素ガスの濃度を測定できるものであればよく、接触燃焼式並びに半導体式の水素ガス濃度計等を使用することができる。又、酸素濃度計１０は、酸素ガスの濃度を測定できるものであればよく、例として隔膜ガルバニ電池式の酸素ガス濃度計を使用することができる。

又、水素濃度計９と酸素濃度計１０が一体となったものとして、ガス分析器を用いても良い。ガス分析器として、モレキュラーシーブス等の吸着剤を使用した熱電導度検出器型のガスクロマトグラフ（ＧＣ−ＴＣＤ）を用いることができる。

配管合流点２ｇを含む配管構造（混合手段）から患者Ｐへの供給経路である配管２ｄにおいて、上記配管合流点２ｇの後段（二次側）では、混合ガスは均一に混ざっていることが好ましい。具体的には、例えば、混合ガス中の各成分の濃度分布の偏差が５．０％以下となることが好ましく、この場合において、水素濃度計９及び酸素濃度計１０によって測定する水素ガス濃度及び酸素ガス濃度は、正確な値を取ることができる。

自動弁３ｄは、その開度を調整することが可能なアクチュエーターを備えている。又、自動弁３ｄ及び流量計２１は、制御装置７と電気的に接続されており、流量計２１により測定した流量値に応じて、制御装置７によって自動弁３ｄのアクチュエーターを制御し、流れる混合ガスの流量を調整することができる。即ち、患者Ｐに供給する混合ガスの圧力及び流量を、制御することができる。
流量計２１としては、マスフロー等の積算機能を有するものを用いることで患者Ｐへの累積投与量をモニタリングすることが可能となり好ましい。また、気圧計等を利用した大気圧補正機能や温度センサを利用した温度補正機能を有するものを用いることで、混合ガスの流量制御の精度向上を図ることが可能となり好ましい。

流量計２１、自動弁３ｄのみならず、圧力計８、水素濃度計９、酸素濃度計１０も、それぞれ制御装置７に電気的に接続され、各実測値を制御装置７に信号として送り、患者Ｐへ供給する混合ガスの各成分の濃度を調整する構成となる。

患者Ｐに供給する混合ガス中の水素ガス濃度、酸素ガス濃度、混合ガスの流量及び圧力は、制御装置７によって制御する。制御装置７は、患者の身体的所見ＰＶを測定する測定機器（検査機器）と電気的に接続されており、患者の身体的所見ＰＶの測定結果に基づき、患者Ｐの容態に対して最適な混合ガスの水素ガス濃度、酸素ガス濃度、圧力及び流量をそれぞれ決定する。

患者Ｐに投与する混合ガス中の水素ガスの濃度は、水素の爆発下限値である４．０ｖｏｌ％以下になるように制御される。また、下限は特に限定されるものではないが、患者Ｐにおける水素ガス投与効果を得る観点から、０．１ｖｏｌ％以上とすることが好ましい。特に、患者Ｐの容態に合わせて、水素ガスの濃度が１．０ｖｏｌ％〜２．５ｖｏｌ％になるように制御することが好ましい。又、患者Ｐに投与する酸素ガスの濃度は、患者Ｐの容態、特に動脈血中酸素分圧及び飽和度の値に合わせて、２１〜７０ｖｏｌ％付近になるように制御することが好ましい。

制御装置７は、患者Ｐへの供給経路である配管２ｄに備えられた水素濃度計９及び酸素濃度計１０による測定値を基に、自動弁３ａ、３ｂ、３ｃを制御し、水素ガス供給量、酸素ガス供給量及び窒素ガス供給量をそれぞれ調整する。これにより、上述の最適な水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を有する混合ガスを作り出す。
加えて、制御装置７は、流量計２１による混合ガスの流量の測定値を基に、自動弁３ｄの開度を調整し、患者Ｐに最適な流量の混合ガスを供給する。
又、制御装置７は、水素濃度計９及び酸素濃度計１０による測定値を基に、自動弁３ｄ及び自動弁３ｍの開閉を制御し、最適な水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を有する混合ガスが生成された時点で、該混合ガスを患者Ｐへ投与する。

患者の身体的所見ＰＶとしては、動脈血中酸素分圧及び飽和度、動脈血中二酸化炭素分圧及び飽和度、分時換気量、心拍数、心電図、血圧、血糖値、尿量、ｐＨ、体温、生化学検査値等のうちいずれか１種又は２種以上を測定する。測定すべき検査項目は、対象とする患者Ｐの各種臓器障害等の傷病に応じて決めることが望ましい。例えば、患者Ｐに投与する混合ガスとの関係が深い動脈血中酸素分圧及び飽和度、動脈血中二酸化炭素分圧及び飽和度並びに分時換気量を測定しながら、患者Ｐに投与する水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を決定することが望ましい。なお、分時換気量とは、患者Ｐの呼吸による１分間の換気量のことであり、次式が成り立つ。分時換気量＝一回換気量×１分あたりの換気回数
生化学検査値は例えば、心筋梗塞時に検出されるトロポニンＴ値等がある。

制御装置７は、運転制御系として、各駆動部の駆動を行うコントローラと、各コントローラの制御を行う制御部とを備えている。
各コントローラは、例えば、ＰＩＤ制御器等からなり、自動弁３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｍに備えられたアクチュエーター、患者への混合ガス供給手段１５等と電気的に接続されており、各部の起動・停止・調整等を行う。

制御装置７は、上述のように患者の身体的所見ＰＶの測定値及び現状の混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を測定し、これらの結果に基づいて、内部に記録された制御プログラムに従って、患者Ｐに投与する水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を最適化し、各パラメータ（水素ガス流量値、酸素ガス流量値及び窒素ガス流量値）の入力値を変更するための制御信号をコントローラに出力する。

上記各コントローラは、制御部からの制御信号に従って、各駆動部の起動・停止・調整等を行い、患者Ｐに投与する混合ガスの水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を最適化するための運転制御を連続的に行う。

本実施形態の水素混合ガス供給装置１は、混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を測定する水素濃度計９及び酸素濃度計１０と、更に、これらの測定値に基づき混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度をそれぞれ任意の値に制御する制御装置７とを有している。したがって、この混合ガスの水素及び酸素の量を適宜変更することが可能となる。即ち、患者の身体的所見ＰＶに合わせて水素及び酸素を随時、適切に投与することが可能となる。

又、本実施形態の水素混合ガス供給装置１は、配管合流点２ｇを含む配管構造を備える。即ち、各ガスが単に通過するだけで混合ガスを生成することが可能な混合手段を有する。したがって、複雑な構造を有することなく混合ガスを生成することが可能となり、簡易な構造の水素混合ガス供給装置１を構成することができる。

次に本実施形態の水素混合ガス供給装置１の制御方法に関して具体的に説明する。
制御装置７の制御プログラムとして、ニューラルネットワークを用いて各部の制御を行うことができる。以下、ニューラルネットワークによる混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度の制御手段に関して図を基に説明を行う。

ここで、ニューラルネットワークとは、人間の脳などにおける神経細胞と、その結合様式を工学的に真似た神経回路網モデルのことであり、脳の情報処理や知識獲得方法などを真似た学習アルゴリズムとして、最適化問題の解決法に利用されている。

図９は、本実施形態で用いられるニューラルネットワークの構造の一例を示す模式図である。
本実施形態で用いられるニューラルネットワークは、図９に示すように、外部から入力される入力値（パラメータ）ｚ_１、ｚ_２、・・・、ｚ_Ｎと同数のノードＮ_ｓ１、Ｎ_ｓ２、・・・、Ｎ_ｓＮで構成される入力層Ｓと、複数のノードＮ_ａ１、Ｎ_ａ２、・・・、Ｎ_ａＮで構成される隠れ層Ａと、１つのノードＮ_ｒで構成される出力層Ｒとを含む階層型の誤差逆伝播学習アルゴリズム（フィードフォワード予測バックプロパゲーション・ネットワークとも呼ばれる。）を採用している。

このうち、入力層Ｓの各ノードＮ_ｓ１、Ｎ_ｓ２、・・・、Ｎ_ｓＮは、各々の入力値ｚ_１、ｚ_２、・・・、ｚ_Ｎを隠れ層ＡのノードＮ_ａ１、Ｎ_ａ２、・・・、Ｎ_ａＮのそれぞれに出力する。

一方、隠れ層Ａの各ノードＮ_ａ１、Ｎ_ａ２、・・・、Ｎ_ａＮは、入力層Ｓの各ノードＮ_ｓ１、Ｎ_ｓ２、・・・、Ｎ_ｓＮが出力する値を所定の伝達関数に代入し、得られた値を出力層ＲのノードＮ_ｒに出力する。

一方、出力層ＲのノードＮ_ｒは、隠れ層Ａの各ノードＮ_ａ１、Ｎ_ａ２、・・・、Ｎ_ａＮが出力する値を所定の伝達関数に代入し、得られた値を出力ｙとして出力する。

又、出力層ＲのノードＮ_ｒには、「正解値」である教師信号ｄが入力される。そして、このニューラルネットワークでは、内部の学習アルゴリズムに従って、出力層ＲのノードＮ_ｒから出力される出力ｙと、出力層Ｒに与えられた教師信号ｄとの誤差が無くなるように、すなわち、出力ｙと教師信号ｄとが一致するように、各パラメータの値（重み付け）を変更する教師つき学習を行う。

図１０は、このニューラルネットワークのニューロンモデルを表した図及び式である。
この図１０に示すニューロンモデルでは、隠れ層Ａの各ノードＮ_ａ１、Ｎ_ａ２、・・・、Ｎ_ａＮと、出力層ＲのノードＮ_ｒとの間で、教師つき学習に基づくデータ（信号）の入力ｘと出力ｙとを行う。

具体的に、入力ｘは、それぞれの入力値ｚ_１、ｚ_２、・・・、ｚ_Ｎと、これらに対応する結合荷重ｗ_１、ｗ_２、・・・、ｗ_Ｎとの積の総和と、一定の閾値θとの差で表される。
出力ｙは、この入力ｘの伝達関数（例えば、シグモイド関数など。）として表される。そして、この伝達関数では、入力ｘが一定の閾値θを超えたとき「１」を出力する。それ以外は「０」を出力する。

ニューラルネットワークでは、教師つき学習を行うことで、与えられた入力ｘと出力ｙの関数を真似ることができる。又、目的の関数を近似するニューラルネットワークを得るためには、２種類の入出力データを用意する必要がある。一つは教師つき学習に用いる教師信号ｄであり、もう一つはニューラルネットワークが正しく学習したかどうかを確認するための出力ｙである。

教師つき学習では、ある入力ｘが与えられたときの出力ｙと、正解値である教師信号ｄとの２乗誤差Ｅを結合荷重ｗの関数とみなして、この誤差が減少する方向へｗを増減させる。このとき、解を探索する計算機アルゴリズムには、最急降下法を好適に用いることができる。

患者へ投与する混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を制御する際に、上述したニューラルネットワークによる学習アルゴリズムに従って少なくとも、水素ガス供給量、酸素ガス供給量、不活性ガス（本実施形態において窒素ガス）供給量のうちいずれかのパラメータの調整を行う。

本実施形態の様に、水素を水素ガスとして供給する場合において、水素ガス供給量は、水素ガス流量として調整することができる。同様に、酸素ガス供給量は、酸素ガス流量として調整することができる。加えて、不活性ガスとしての窒素ガスの供給量は、窒素ガス流量として調整することができる。

具体的に、上記ニューラルネットワークを用いて混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を制御するにあたって、水素ガス供給量、酸素ガス供給量及び窒素ガス供給量の各パラメータは、本実施形態の水素混合ガス供給装置１が供給する混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度に与える影響が大きい。

そこで、本実施形態では、図１１Ａに示すように、上記入力層Ｓの各ノードＮ_ｓ１、Ｎ_ｓ２、・・・、Ｎ_ｓ４に入力値として、水素ガス供給量ｚ_１、酸素ガス供給量ｚ_２、窒素ガス供給量ｚ_３と、患者の身体的所見の実測値ｚ_４、混合ガス中の水素ガス濃度の実測値ｚ_５及び混合ガス中の酸素ガス濃度の実測値ｚ_６とを与えると共に、出力層ＲのノードＮ_ｒに教師信号ｄとして、混合ガス中の水素ガス濃度の設定値を与えることによって、上述した学習アルゴリズムに従って出力層ＲのノードＮ_ｒから出力される混合ガス中の水素ガス濃度の出力ｙと、教師信号ｄとが一致するように、パラメータの入力値を変更する。

又、本実施形態では、図１１Ｂに示すように、上記入力層Ｓの各ノードＮ_ｓ１、Ｎ_ｓ２、・・・、Ｎ_ｓ４に入力値として、上記各パラメータの入力値ｚ_１、ｚ_２、ｚ_３と、患者の身体的所見の実測値ｚ_４、混合ガス中の水素ガス濃度の実測値ｚ_５及び混合ガス中の酸素ガス濃度ｚ_６とを与えると共に、出力層ＲのノードＮ_ｒに教師信号ｄとして、混合ガス中の酸素ガス濃度の設定値を与えることによって、上述した学習アルゴリズムに従って出力層ＲのノードＮ_ｒから出力される混合ガス中の酸素ガス濃度の出力ｙと、教師信号ｄとが一致するように、パラメータの入力値を変更する。

教師信号ｄについては、臨床試験で得られたデータや患者を治療しながら得られたデータを使用し、患者の容体に合わせた最適な値を決定することが好ましい。

患者の身体的所見の実測値ｚ_４としては、動脈血中酸素分圧及び飽和度、動脈血中二酸化炭素分圧及び飽和度、分時換気量、心拍数、心電図、血圧、血糖値、尿量、ｐＨ、体温、生化学検査値等のうちいずれかを選択することができる。又、患者の身体的所見の実測値として用いる実測値は２種以上であってもよく、その場合は、パラメータの入力値をｚ_７、ｚ_８、ｚ_９…と、適宜増加させる。測定すべき検査項目は、各種臓器障害等の傷病に応じて決めることが望ましい。

本実施形態の水素混合ガス供給装置１では、制御装置７の制御プログラムとして上述したニューラルネットワークを用いて、患者の身体的所見ＰＶを監視し、混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度をリアルタイムに推定しながら、水素ガス供給量、酸素ガス供給量、窒素ガス供給量を調整し、水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を制御する。これにより、患者Ｐが急変した場合にも即座に混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を決定（最適化）し、患者Ｐに対して精度良く水素及び酸素の混合ガスを投与することが可能となる。

ところで、従来の水素混合ガス供給装置では、患者の様々な容態の変化に伴って、混合ガス中の水素ガス濃度、酸素ガス濃度及び混合ガスの供給圧力並びに供給流量の最適値が変化するため、上述した水素ガス供給量、酸素ガス供給量、窒素ガス供給量といった各パラメータについて、運転前に最適な入力値を導き出すことは、困難であった。
又、患者の容態の変化に伴って、即座に各パラメータの入力値を変更することが好ましいが、常に人が患者の容態変化を監視することは、現代の医療現場において実質的に不可能である。

これに対して、本実施形態の水素混合ガス供給装置１によれば、制御装置７の制御プログラムとして上述したニューラルネットワークを用いて、患者の身体的所見ＰＶをリアルタイムに測定しながら、混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を推定し、水素ガス供給量、酸素ガス供給量、窒素ガス供給量といった各パラメータの入力値の変更（調整）を行うことで、患者Ｐの容態の変化に伴って、最適な混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を導き出し、即座に各パラメータの入力値を変更し、最適な混合ガスを作り出しこれを投与することが可能である。

なお、混合ガス中の水素ガス濃度のみを推定する場合は、患者Ｐに最適な成分比率の混合ガスを供給することは、困難である。例えば、低酸素症に陥る虞のある場合においては、酸素ガス濃度を高くする必要が生じる。したがって、混合ガス中の水素ガス濃度と酸素ガス濃度の両方を推定することが好ましい。

又、本実施形態において、ニューラルネットワークの構成は上記構成に必ずしも限定されるものではなく、患者の身体的所見に及ぼす影響を考慮した上で、上記入力層Ｓの各ノードＮ_ｓ１、Ｎ_ｓ２、・・・、Ｎ_ｓＮに入力される入力値（パラメータ）を決定すればよい。

＜第１の実施形態の変形例１＞
図２は、本発明の第１の実施形態の変形例１である水素混合ガス供給装置３０を表す模式図である。なお、上述の第１の実施形態と同一の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
水素混合ガス供給装置３０は、患者Ｐの治療に使用される水素及び酸素混合ガスを供給する装置であり、水素ボンベ（水素供給手段）１１と、酸素ボンベ（酸素供給手段）１２と、窒素ボンベ（不活性ガス供給手段）１３と、混合タンク（混合手段、貯留手段）６と、水素濃度計（水素ガス濃度測定手段）９と、酸素濃度計（酸素ガス濃度測定手段）１０と、制御装置（制御手段）７とを備え概略構成されている。
以下に本実施形態の変形例１の水素混合ガス供給装置３０の各構成要素に関して詳しく説明を行う。

変形例１として示す水素混合ガス供給装置３０において、水素ボンベ１１、酸素ボンベ１２、窒素ボンベ１３から供給される各ガスは、それぞれ配管２ａ、２ｂ、２ｃを介して、混合タンク６に接続されている。又、混合タンク６において、均一に撹拌された混合ガスは、配管２ｄを介して患者Ｐに供給される。

配管２ａ、２ｂ、２ｃによる各ガスの供給経路には、減圧弁３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、フィルター３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、自動弁３ａ、３ｂ、３ｃ、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）５ａ、５ｂ、５ｃ、逆止弁４ａ、４ｂ、４ｃがそれぞれ備えられている。

本実施形態において自動弁３ａ、３ｂ、３ｃは、開閉及び開度の調整を行うアクチュエーターを備えており、該アクチュエーターは制御装置７と電気的に接続されているため、水素ボンベ１１、酸素ボンベ１２、窒素ボンベ１３から供給される各ガスの供給量を適宜調整することができる。又、ＭＦＣ５ａ、５ｂ、５ｃは、流体の流量値を計測する計測部と、ソレノイドやピエゾを用いたアクチュエーターによって開度の調整が可能な自動弁部とを有した流量制御機器であり、各ガスの流量を制御している。自動弁３ａ、３ｂ、３ｃ及びＭＦＣ５ａ、５ｂ、５ｃは、制御装置７と電気的に接続されており、各ガスの圧力及び流量を制御することが可能となっている。
ＭＦＣ５ａ、５ｂ、５ｃとして、気圧計等を利用した大気圧補正機能や温度センサを利用した温度補正機能を有するものを用いることで、混合ガスの流量制御の精度向上を図ることが可能となり好ましい。

逆止弁４ａ、４ｂ、４ｃは、各ガスの逆流を防ぐものであり、混合タンク６の圧力に対して、各ガスの供給手段であるボンベの圧力が負圧となった場合であっても、混合タンク６側から各ガスのボンベに逆流することを防ぐことができる。

混合タンク６は、水素ガス、酸素ガス及び窒素ガスの混合手段であり、その内部に各ガスを均一に混合するための構造又は構造体を有する。該構造又は構造体として、駆動部のないラインミキサーであるスタティックミキサーや、駆動部を有する混合器、又はこれらを組み合わせたものを用いることができる。
又、混合タンク６は、混合ガスを貯留する混合ガス貯留手段としての役割も果たす。混合ガス貯留手段として混合タンク６を用いない場合には、各ガスの貯留手段として、タンク容器などを別途設けても良い。

混合タンク６は、ガスの気密性が高く、軽量かつ高強度であることが望ましい。混合タンク６に用いることのできる材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレスが挙げられる。

混合タンク６のタンク容積は、患者Ｐへのガス供給量及びタンク内のガス濃度の均一化に要する時間等を考慮して決定することができる。複数の患者Ｐに混合タンク６から同時に供給する必要がある場合においては、大容量の混合タンク６が必要となるが、患者Ｐの搬送時などに用いる目的で、装置の軽量化が重要となる場合においては、小容量の混合タンク６を用いても良い。又、２基のタンクを直列に接続し、一方を濃度調整用、他方を貯留用即ち患者Ｐへの供給用としても良い。例として本実施形態の変形例３として、類似の構成を後述する。必要に応じて、タンク数は増加させても良い。

混合タンク６には、圧力計（圧力測定手段）８、水素濃度計（水素ガス濃度測定手段）９及び酸素濃度計（酸素ガス濃度測定手段）１０が備えられている。圧力計８、水素濃度計９、酸素濃度計１０は、それぞれ制御装置７に電気的に接続されており、各実測値を制御装置７に信号として送り、患者Ｐへ供給する混合ガスの各成分の濃度、圧力、流量を調整する構成となっている。

混合タンク６には、上述のように混合ガスを均一に混合する構造又は構造体がその内部に設けられているため、混合タンク６内の混合ガスを均一とすることができる。混合タンク６は、例えば、タンク内の混合ガス中の各成分の濃度分布の偏差が５．０％以下となるように、均一化することができる。
したがって、水素濃度計９及び酸素濃度計１０によって測定する水素ガス濃度及び酸素ガス濃度は、正確な値を取ることができる。

混合タンク６は、配管２ｄを介して患者への混合ガス供給手段１５へ、混合ガスを供給する。配管２ｄによる患者Ｐへの供給経路には、混合タンク６側から順に流量計２１と、自動弁３ｄが備えられている。又、配管２ｄの流量計２１と自動弁３ｄとの間より排出用配管２ｍが分岐し、排出用配管２ｍの途中には自動弁３ｍが設けられている。

自動弁３ｄは、その開度を調整することが可能なアクチュエーターを備えている。又、自動弁３ｄ及び流量計２１は、制御装置７と電気的に接続されており、流量計２１により測定した流量値に応じて、制御装置７によって自動弁３ｄのアクチュエーターを制御し、流れる混合ガスの流量を調整することができる。即ち、混合タンク６から患者Ｐに供給する混合ガスの圧力及び流量を、制御することができる。

患者Ｐに供給する混合ガス中の水素ガス濃度、酸素ガス濃度、混合ガスの流量及び圧力は、制御装置７によって制御される。制御装置７は、患者の身体的所見ＰＶの測定機器（検査機器）と電気的に接続されており、測定結果に基づき、患者Ｐの容態に対して最適な混合ガスの水素ガス濃度、酸素ガス濃度、圧力及び流量をそれぞれ決定する。

制御装置７は、混合タンク６内の混合ガスの水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を水素濃度計９及び酸素濃度計１０による測定値を基に、自動弁３ａ、３ｂ、３ｃ及びＭＦＣ５ａ、５ｂ、５ｃを制御し、水素ガス流量、酸素ガス流量及び窒素ガス流量をそれぞれ調整する。これにより、上述の最適な水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を有する混合ガスを作り出す。
加えて、制御装置７は、流量計２１による混合ガスの流量の測定値を基に、自動弁３ｄの開度を調整し、患者Ｐに最適な流量の混合ガスを供給する。

制御装置７は、上述のように患者の身体的所見ＰＶの測定値及び現状の混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を測定し、これらの結果に基づいて、内部に記録された制御プログラムに従って、患者Ｐに投与する水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を最適化し、各パラメータ（水素ガス流量値、酸素ガス流量値及び窒素ガス流量値）の入力値を変更するための制御信号をコントローラに出力する。

上記各コントローラは、制御部からの制御信号に従って、各駆動部の起動・停止・調整等を行い、患者Ｐに投与する混合ガスの水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を最適化するための運転制御を連続的に行う。

本実施形態の水素混合ガス供給装置３０は、混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を測定する水素濃度計９及び酸素濃度計１０と、更に、これらの測定値に基づき混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度をそれぞれ任意の値に制御する制御装置７とを有している。したがって、この混合ガスの水素及び酸素の量を適宜変更することが可能となる。即ち、患者の身体的所見ＰＶに合わせて水素及び酸素を随時、適切に投与することが可能となる。

又、本実施形態では、混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を測定する水素濃度計９及び酸素濃度計１０が、水素及び酸素を含む混合ガスを均一に内包する混合タンク６に備えられている。これにより、均一な濃度分布とされた混合ガスの濃度を、水素濃度計９及び酸素濃度計１０により測定することができる。即ち、混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度の正確な測定が可能となり、患者Ｐに最適な成分比率の混合ガスを供給することができる。

＜第１の実施形態の変形例２＞
図３は、上述した第１の実施形態の変形例２である水素混合ガス供給装置１００を表す模式図である。
変形例２の水素混合ガス供給装置１００は、変形例１として示した水素混合ガス供給装置３０と類似した構成となっており、同一の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
水素混合ガス供給装置１００は、第１の実施形態の変形例１の水素混合ガス供給装置３０と比較すると、混合手段の構成において異なっている。即ち、水素混合ガス供給装置１００は、図２中に示す混合タンク６に代えて、混合手段として混合器１４を備えている。

水素混合ガス供給装置１００において、水素ボンベ１１、酸素ボンベ１２、窒素ボンベ１３から供給される各ガスは、それぞれ配管２ａ、２ｂ、２ｃを介して、混合器（混合手段）１４に供給される。そして、混合器１４において均一に撹拌された混合ガスは、配管２ｄを介して患者Ｐに供給される。

配管２ａ、２ｂ、２ｃによる各ガスの供給経路には、減圧弁３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、フィルター３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、自動弁３ａ、３ｂ、３ｃ、圧力計８ａ、８ｂ、８ｃ、及び逆止弁４ａ、４ｂ、４ｃがそれぞれ備えられている。

自動弁３ａ、３ｂ、３ｃは、開閉及び開度の調整を行うアクチュエーターを備え、該アクチュエーターは制御装置７と電気的に接続されており、水素ボンベ１１、酸素ボンベ１２、窒素ボンベ１３から混合器１４に供給される各ガスの供給量を調整することができる。

圧力計８ａ、８ｂ、８ｃは、制御装置７と電気的に接続されており、後述するように配管２ｄに設けられている圧力計８ｄ、８ｅと共に、ガス流量制御のための圧力や経路中のガスの漏洩を監視する。

混合器１４は、その内部に、例えば、小型のタンクと該タンク内の混合ガスを均一にするための構造又は構造体を備えおり、例えば、タンク内の混合ガス中の各成分の濃度分布の偏差が２．０％以下となるように、均一化することができる。該構造又は構造体は、駆動部を有していても、駆動部のないラインミキサーであっても良い。混合器１４内部の小型のタンクは、内部の混合ガスを均一に混合することができれば足り、貯留を目的としなくても良い。そのため、内部のタンクの容量は、上記構造体が混合ガスを十分に均一化することができる大きさのものであればよく、例えば１．０Ｌ以下の物を用いることができる。したがって、混合手段として混合器１４を用いることにより、装置を小型化することが可能となる。

混合器１４から配管２ｄによる患者Ｐへの供給経路には、混合器１４側から順に圧力計８ｄ、水素濃度計９、酸素濃度計１０、流量計２１、自動弁３ｄ、圧力計８ｅが備えられている。又、配管２ｄの流量計２１と自動弁３ｄとの間より排出用配管２ｍが分岐し、排出用配管２ｍの途中には自動弁３ｍが設けられている。

圧力計８ｄ、８ｅ、水素濃度計９、酸素濃度計１０、流量計２１、自動弁３ｄ、３ｍは、それぞれ制御装置７に電気的に接続され、各実測値を制御装置７に信号として送り、患者Ｐへ供給する混合ガスの各成分の濃度、圧力、流量を調整する構成となる。

混合器１４から配管２ｄを通り患者Ｐへ供給される混合ガスは、混合器１４によって各成分が均一に混合されたものである。したがって、混合器１４の後段に配置される水素濃度計９及び酸素濃度計１０は、均一に混合された混合ガスの水素及び酸素ガス濃度を測定することとなり、正確な値を測定することができる。

圧力計８ｄ、８ｅは、上述の圧力計８ａ、８ｂ、８ｃと共に、水素ガス、酸素ガス、窒素ガス及び混合ガスを供給する経路に複数設けることにより、ガス流量を制御するための圧力やガスの漏洩を監視することができる。

変形例２として示す水素混合ガス供給装置１００は、混合ガス貯留手段としてのタンクを有さない。したがって、装置を小型化することが可能となり、運搬性が向上する。即ち、患者Ｐの搬送時に水素混合ガス供給装置１００を容易に運搬することが可能となる。又、装置として小型となる事により、例えば、水素混合ガス供給装置１００を必要とする入院中の患者Ｐの病床の脇に備え、該患者Ｐに最適な成分比率の混合ガスを個別に作り出し供給することが可能となる。

＜第１の実施形態の変形例３＞
図４は、上述した第１の実施形態の変形例３である水素混合ガス供給装置１０１を表す模式図である。なお、上述の第１の実施形態、変形例１及び変形例２と同一の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
水素混合ガス供給装置１０１は、第１実施形態の水素混合ガス供給装置１と比較すると、混合手段の構成において異なっている。即ち、水素混合ガス供給装置１０１は、混合手段として混合器１４と混合タンク６とを備えている。

水素混合ガス供給装置１０１において、水素ボンベ１１、酸素ボンベ１２、窒素ボンベ１３から供給される各ガスは、それぞれ配管２ａ、２ｂ、２ｃを介して、混合器（混合手段）１４に供給される。そして、混合器１４において均一に撹拌された混合ガスは、配管２ｅを介して混合タンク（混合手段、貯留手段）６に供給され、混合タンク６から配管２ｄを介して患者Ｐに供給される。又、配管２ｄの流量計２１と自動弁３ｄとの間より排出用配管２ｍが分岐し、排出用配管２ｍの途中には自動弁３ｍが設けられている。

配管２ａ、２ｂ、２ｃによる各ガスの供給経路には、それぞれアクチュエーターによって開度を調整可能な自動弁３ａ、３ｂ、３ｃが備えられており、制御装置７によって、混合器１４に供給される各ガスの供給量を調整することができる。また、配管２ａ、２ｂ、２ｃには、減圧弁３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、フィルター３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、逆止弁４ａ、４ｂ、４ｃも設置されている。

混合器１４は、その内部に、例えば、各ガスを均一に混合するための構造又は構造体を有する。したがって、混合器１４から後段に供給される混合ガスは、均一に混合されている。

混合器１４から混合タンク６への供給経路である配管２ｅには、逆止弁４ｄが設けられている。これにより、混合タンク６の圧力に対して、混合器１４の混合ガス供給圧が負圧となった場合であっても、混合ガスの逆流を防ぐことができる。

水素混合ガス供給装置１０１において、混合タンク６の混合手段としての役割は、補助的なものである。即ち、混合器１４によって混合された混合ガスは、混合タンク６においてさらに混合されることによって、より均一に混合されることとなる。

又、混合タンク６は、混合ガス貯留手段としての役割を果たす。即ち、患者Ｐへの供給量に対して十分な量の混合ガスを混合タンク６に貯留しておくことで、供給圧力及び供給量の急激な変化に対応することができる。

混合タンク６には、圧力計８、水素濃度計９及び酸素濃度計１０が備えられている。圧力計８、水素濃度計９、酸素濃度計１０は、それぞれ制御装置７に電気的に接続されており、各実測値を制御装置７に信号として送り、患者Ｐへ供給する混合ガスの各成分の濃度、圧力、流量を調整する構成となる。

変形例３として示す水素混合ガス供給装置１０１は、混合器１４と混合タンク６が直列に接続されている。
混合器１４によって混合された混合ガスは、混合タンク６において再度混合されることとなる。これにより、均一な濃度分布とされた混合ガスの濃度を、水素濃度計９及び酸素濃度計１０により測定することができる。即ち、混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度の正確な測定が可能となり、患者Ｐに最適な成分比率の混合ガスを供給することができる。

加えて、混合タンク６が混合ガス貯留手段としての役割を果たし、供給圧力及び供給量の急激な変化に対応することが可能となる。又、同時に多数の患者Ｐへの安定した供給が可能となる。

＜第１の実施形態の変形例４＞
図５は、上述した第１の実施形態の変形例４である水素混合ガス供給装置１０２を表す模式図である。なお、上述の第１の実施形態及び変形例１、２、３と同一の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
水素混合ガス供給装置１０２は、第１の実施形態の水素混合ガス供給装置１と比較すると、混合手段の構成において異なっている。即ち、水素混合ガス供給装置１０２は、図２中に示す混合タンク６に代えて、混合手段としスタティックミキサー１６を備えている。

水素混合ガス供給装置１０２において、水素ボンベ１１、酸素ボンベ１２、窒素ボンベ１３から供給される各ガスは、それぞれ配管２ａ、２ｂ、２ｃを通り、配管合流点２ｇにおいて合流する。更に合流した混合ガスがスタティックミキサー１６を通ることによって撹拌され均一に混合され、配管２ｄを経て、患者Ｐに供給される。スタティックミキサー１６を通った混合ガスの成分は例えば、配管２ｄ中の各成分の濃度分布の偏差が５．０％以下となるように、均一化される。

配管２ａ、２ｂ、２ｃによる各ガスの供給経路には、自動弁３ａ、３ｂ、３ｃ、ＭＦＣ５ａ、５ｂ、５ｃ、逆止弁４ａ、４ｂ、４ｃがそれぞれ備えられている。
自動弁３ａ、３ｂ、３ｃ及びＭＦＣ５ａ、５ｂ、５ｃは、制御装置７と電気的に接続されており、各ガスの圧力及び流量を制御することが可能となっている。
また、配管２ａ、２ｂ、２ｃには、減圧弁３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、フィルター３２ａ、３２ｂ、３２ｃがそれぞれ設けられている。

スタティックミキサー１６は、駆動部を有しないラインミキサーであり、中空円筒状をなす管中に混合ガスを駆動部なしで撹拌するミキシングユニットが備えられたものである。前記ミキシングユニットは、エレメントが複数個、長手方向に連接された構成を有する。前記複数のエレメントは長手方向に連接されており、１エレメントは、板状体を長手方向に進むに従って周方向に例えば１８０度捩じったような形状をしている。更に、隣り合うエレメントの捩じれ方向が互いに逆方向になっており、混合ガスが管中を流れる間に、各エレメントによって均一に混合される。

スタティックミキサー１６は、駆動部及び貯留部を有さない混合手段であるため、省スペース性に優れている。又、駆動部を有さないことで、静音性が高い。加えて、混合ガスがスタティックミキサー１６を通ることによって撹拌され均一に混合されるため、均一化するまでの待機時間が必要なく、応答性の高い混合手段である。

混合ガスの供給経路である配管２ｄには、スタティックミキサー１６側から順に、圧力計８、水素濃度計９、酸素濃度計１０、流量計２１、自動弁３ｄが備えられている。又、配管２ｄの流量計２１と自動弁３ｄとの間より排出用配管２ｍが分岐し、排出用配管２ｍの途中には自動弁３ｍが設けられている。
圧力計８、水素濃度計９、酸素濃度計１０、流量計２１、自動弁３ｄ、３ｍは、それぞれ制御装置７に電気的に接続され、各実測値を制御装置７に信号として送り、患者Ｐへ供給する混合ガスの各成分の濃度、圧力、流量を調整する構成となる。

変形例４として示す水素混合ガス供給装置１０２は、混合ガスの混合手段としてスタティックミキサー１６を用いることで装置を小型化することが可能となり、運搬性が向上する。即ち、患者Ｐの搬送時に水素混合ガス供給装置１０２を容易に運搬することが可能となる。又、省スペース性、静音性及び応答性が高い構成となるため、例えば、水素混合ガス供給装置１０２を必要とする入院中の患者Ｐの病床の脇に備え、該患者Ｐに最適な成分比率の混合ガスを個別に作り出し供給することが可能となる。

＜第１の実施形態の変形例５＞
図６は、上述した第１の実施形態の変形例５である水素混合ガス供給装置１０３を表す模式図である。変形例５の水素混合ガス供給装置１０３は、変形例４として示した水素混合ガス供給装置１０２と類似した構成となっており、同一の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
水素混合ガス供給装置１０３は、変形例４の水素混合ガス供給装置１０２と比較すると、水素供給手段の構成において異なっている。即ち、水素混合ガス供給装置１０３は、水素供給手段として窒素ベースの水素ボンベ１７を備えている。水素混合ガスの供給経路である配管２ｆには、減圧弁３１ｈ、フィルター３２ｈ、アクチュエーターを備えた自動弁３ｈ、及び逆止弁４ｈが設けられている。

ところで、水素ガスは、可燃性ガスであるため、高濃度で保管及び使用する場合においては、そのボンベ及び配管は、安全性を考慮した構造となっているものを使用する必要がある。しかしながら、これにより装置は、巨大化し重量も増すため、運搬性が阻害される。

そこで、水素混合ガス供給装置１０３は、２種ガス混合ボンベである窒素ベースの水素ボンベ１７（水素供給手段、不活性ガス供給手段）を備えている。
可燃性ガスの爆発危険性に対する最も効果的な対策は不活性ガスによる希釈である。例えば、不活性ガスである窒素ガスにより水素ガスをあらかじめ希釈した、窒素ベースの水素ボンベ１７を、水素供給手段として用いることにより、水素ガスの濃度を常に爆発下限値以下とすることができる。したがって、水素混合ガス供給装置１０３は、窒素ベースの水素ボンベ１７及び水素ガスの供給経路に特別な構造を採用する必要がなく、装置を小型化することが可能となる。又、各ガスの供給手段たるボンベの数が減ることも、装置の小型化に効果を奏する。

＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の第２の実施形態である水素混合ガス供給装置１０４を表す模式図である。第２の実施形態である水素混合ガス供給装置１０４は、第１実施形態の変形例３として示した水素混合ガス供給装置１０１と類似した構成となっており、同一の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。

第１の実施形態で詳述した水素混合ガス供給装置１、３０、１００、１０１、１０２、１０３は、自発呼吸のある患者Ｐに対して混合ガスを供給するものである。これに対し、第２の実施形態の水素混合ガス供給装置１０４は、自発呼吸のない患者Ｐ又は自発呼吸のある患者Ｐであっても、自発呼吸を補助する必要がある患者Ｐに対して、水素及び酸素の混合ガスを供給するものである。即ち、第２の実施形態である水素混合ガス供給装置１０４は、人工呼吸器（患者への混合ガス供給手段）１８を備えている。

水素混合ガス供給装置１０４において、水素ボンベ１１、酸素ボンベ１２、窒素ボンベ１３から供給される各ガスは、それぞれ配管２ａ、２ｂ、２ｃを介して、混合器（混合手段）１４に供給される。そして、混合器１４において均一に撹拌された混合ガスは、配管２ｅを介して混合タンク（混合手段、貯留手段）６に供給され、更に、混合タンク６から配管２ｄを介して人工呼吸器１８に供給され、患者Ｐに投与される。又、配管２ｄの混合タンク６と人工呼吸器１８との間より排出用配管２ｍが分岐し、排出用配管２ｍの途中には自動弁３ｍが設けられている。

混合タンク６には、圧力計８、水素濃度計９ａ及び酸素濃度計１０が設けられている。又、圧力計８、水素濃度計９ａ及び酸素濃度計１０は、それぞれ制御装置７と電気的に接続されている。これにより、圧力計８、水素濃度計９ａ及び酸素濃度計１０によって測定された各実測値が電気信号として制御装置７に送られる。そして、これらの各実測値に基づいて、制御装置７は、人工呼吸器１８に供給する混合ガス中の各成分の濃度、圧力及び流量を適宜調整することができる。

混合タンク６に貯留される混合ガスは、人工呼吸器１８の仕様に合わせて、圧力及び流量を調整される必要がある。そのため、制御装置７は、人工呼吸器１８の仕様に合わせた混合ガスを、混合タンク６に貯留するように制御する。

人工呼吸器１８には、混合タンク６からの混合ガスの供給経路である配管２ｄと、病院側の設備である酸素ライン２２とが接続されている。これにより、人工呼吸器１８の内部において、配管２ｄからの混合ガスと酸素ライン２２からの酸素とがさらに混合された後、新たな混合ガスが患者Ｐに供給されることとなる。なお、病院設備の酸素ライン２２に代えて、酸素ボンベを接続しても良い。

人工呼吸器１８は、その内部に流量、圧力、酸素ガス濃度を測定するための測定手段を有している。又、人工呼吸器１８は制御装置７に電気的に接続されており、内部に備えられた流量、圧力、酸素ガス濃度を測定するための測定手段からの各種の測定結果を制御装置７に信号として送っている。

人工呼吸器１８から（新たな混合ガスの）患者への給気経路２３には、水素濃度計９ｂが設けられている。又、水素濃度計９ｂは、制御装置７と電気的に接続されている。これにより、水素濃度計９ｂによって測定された患者への給気経路２３中の水素ガス濃度の実測値が電気信号として制御装置７に送られる。そして、人工呼吸器１８における各種測定結果及び水素濃度計９ｂにおける水素ガス濃度の測定結果に基づいて、制御装置７は、患者Ｐに供給する（新たな）混合ガス中の各成分の濃度を適宜調整することができる。

又、人工呼吸器１８に制御装置７との電気的な接続が可能な外部出力がない場合、人工呼吸器１８から患者への給気経路２３に、水素濃度計９ｂの他に、圧力計、酸素濃度計、流量計を設け、それらと制御装置７とを電気的に接続することにより、人工呼吸器１８から患者Ｐに供給する混合ガスの圧力、濃度、及び流量を制御することができる。

人工呼吸器１８は、患者Ｐに供給する混合ガスの供給量を調整することが可能であり、例えば、１０Ｌ／ｍｉｎ以下に調整することが望ましい。
人工呼吸器１８は、患者への給気経路２３の他に、患者からの排気経路２４を有する。すなわち、患者Ｐは、患者への給気経路２３から供給された（新たな）混合ガスを吸気する。一方、患者Ｐからの排気は、排気経路２４へと排出される。なお、排気経路２４は、人工呼吸器１８によって大気に開放されている。

人工呼吸器１８は、種々の動作モードが選択可能である。動作モードとして、例えば、自発呼吸がない患者Ｐに対して一定間隔毎に人工換気を行う間欠的陽圧換気モード、自発呼吸がある患者Ｐの吸気をトリガーとして不定期に人工換気を行う同期的間欠的強制呼吸モード、患者Ｐの吸気努力を呼吸器が感知すると圧力をかけて空気を注入するモード等がある。これらの動作モードを利用して、混合ガスを供給する。

第２の実施形態の水素混合ガス供給装置１０４によれば、人工呼吸器１８を備えることによって、自発呼吸がない患者Ｐ及び自発呼吸がある患者Ｐであっても、それを補助する目的で人工呼吸器１８を必要とする患者Ｐに、最適な水素ガス濃度及び酸素ガス濃度の混合ガスを投与することが可能となる。

＜第２の実施形態の変形例１＞
図８は、上述した第２の実施形態の変形例１である水素混合ガス供給装置１０５を表す模式図である。なお、上述の第２の実施形態の水素混合ガス供給装置１０４と同一の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。

水素混合ガス供給装置１０５は、病院設備の空気ライン１９及び病院設備の酸素ライン２０に接続された人工呼吸器１８と、制御装置７とが電気的に接続された構成となっており、人工呼吸器１８の動作を利用して最適な条件で混合ガスを患者Ｐに投与するものである。空気ライン１９には減圧弁３１ｉ、フィルター３２ｉ及び自動弁３ｉが、酸素ライン２０には減圧弁３１ｊ、フィルター３２ｊ及び自動弁３ｊが、それぞれ設けられている。
なお、空気ライン１９に代えて、人工呼吸器１８が大気から直接空気を取り込む構成としても良い。

水素混合ガス供給装置１０５において、水素ボンベ１１、酸素ボンベ１２、窒素ボンベ１３から供給される各ガスは、それぞれ配管２ａ、２ｂ、２ｃを介して、混合器（混合手段）１４に供給される。混合器１４において均一に混合された混合ガスは、配管２ｄに供給される。

配管２ｄには、圧力計８、水素濃度計９ａ、酸素濃度計１０ａ、流量計２１、自動弁３ｋ、逆止弁４ｋが、混合器１４側から順に備えられている。圧力計８、水素濃度計９ａ、酸素濃度計１０ａ、流量計２１は、それぞれ制御装置７に電気的に接続されており、各実測値を制御装置７に信号として送り、後段に供給する混合ガスの水素ガス濃度及び酸素ガス濃度、圧力、流量を調整する構成となる。又、配管２ｄの流量計２１と自動弁３ｋとの間より排出用配管２ｍが分岐し、排出用配管２ｍの途中には自動弁３ｍが設けられている。

自動弁３ｋは、開閉及び開度の調整を行うアクチュエーターを備え、制御装置７と電気的に接続されている。自動弁３ｋの開閉及び開度の調整は、制御装置７によって、人工呼吸器１８の動作と同期して行うことが望ましい。

人工呼吸器１８は、その内部に流量、圧力、酸素ガス濃度を測定するための測定手段を有している。又、人工呼吸器１８は制御装置７に電気的に接続されており、後段へ供給するガスの流量、圧力、酸素ガス濃度の測定結果を制御装置７に信号として送っている。

混合器１４から配管２ｄを通って供給される混合ガスは、人工呼吸器１８から配管２ｈを通って送られる酸素ガス濃度が高められた空気と、配管合流点２ｇにて合流する。

配管合流点２ｇにおいて合流した混合ガスは、配管２ｋを通って患者Ｐへ供給される。配管合流点２ｇから患者Ｐへの供給経路には、水素濃度計９ｂ、酸素濃度計１０ｂが備えられている。又、配管合流点２ｇの後段に、スタティックミキサー（図示略）を設け、混合ガスをより均一化するとなお良い。水素濃度計９ｂ及び酸素濃度計１０ｂは、患者Ｐに投与する最終的な混合ガスの水素ガス濃度及び酸素ガス濃度を測定し、制御装置７によって、混合前の水素、酸素、窒素の供給量を調整し、濃度を調整する制御を行っている。

配管２ｋは、患者Ｐへの給気経路としての機能を有している。又、人工呼吸器１８は、患者Ｐからの排気経路２４を有する。すなわち、患者Ｐは、配管２ｋから供給された（新たな）混合ガスを吸気する。一方、患者Ｐからの排気は、排気経路２４へと排出される。なお、排気経路２４は、人工呼吸器１８によって大気に開放されている。

第２の実施形態の変形例１として示す水素混合ガス供給装置１０５は、既設の設備である人工呼吸器１８に取り付ける構成を有している。このように、既設の人工呼吸器１８に取り付ける場合であっても、人工呼吸器１８と同期して、人工呼吸器１８を含め一体となった装置として制御し、患者Ｐに適切な混合ガスを供給することができる。また、水素混合ガスが人工呼吸器１８を通過しないため、人工呼吸器１８として水素ガスに対応した特殊な内部構造を要せず、既設の通常の人工呼吸器を利用することができる。

以上、本発明の様々な実施形態を説明したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。又、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。
又、各実施形態及び変形例における制御装置７は、ニューラルネットワークを用いた制御プログラムを有していても良い。この場合、いずれの実施形態及び変形例においても、ニューラルネットワークを用いた混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度の最適化を行うことができる。

本発明の水素混合ガス供給装置は、混合ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度測定手段と、酸素ガス濃度を測定する酸素ガス濃度測定手段と、更に、これらの測定値に基づき混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度をそれぞれ任意の値に制御する制御手段とを有している。したがって、この混合ガスの水素及び酸素の量を適宜変更することが可能となる。即ち、患者の身体的所見に合わせて水素及び酸素を随時、適切に投与することが可能となる。
本発明の水素混合ガス供給装置は、水素及び酸素を含む混合ガスを生成する混合手段と、混合ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度測定手段と、酸素ガス濃度を測定する酸素ガス濃度測定手段とを有している。特に、前記混合手段が、スタティックミキサー、タンク容器及び混合器である場合においては、混合ガス内の水素及び酸素は、その流量比や重量比に依存せず、均一に分散しており、水素ガス濃度測定手段及び酸素ガス濃度測定手段による各成分の濃度測定を正確に行うことが可能となり、信頼性の高い水素及び酸素の混合ガスを供給することができる。
又、本発明の水素混合ガス供給装置の各経路中に複数の圧力測定手段を備える場合においては、ガス流量制御のための圧力検知や各部位での圧力に基づきガスの漏洩を検知することが可能となる。
加えて、本発明の水素混合ガス供給装置の制御手段が、患者の身体的所見に基づき、前記混合ガスの成分比率、及び流量を決定し制御する構成を有する場合においては、患者の容態が急変した際に、即座に患者の容態に合わせて各成分比率、流量を最適な値とすることが可能となる。この制御手段はニューラルネットワークを用いたものであっても良い。
以上のことから、本発明は産業上極めて有用である。

１、３０、１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５…水素混合ガス供給装置、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｈ、２ｉ、２ｊ、２ｋ…配管、２ｇ…配管合流点、２ｍ…排出用配管、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｈ、３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｍ…自動弁、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｈ、４ｋ…逆止弁、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｈ…マスフローコントローラ（ＭＦＣ）、６…混合タンク（混合手段、貯留手段）、７…制御装置（制御手段）、８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ…圧力計（圧力測定手段）、９、９ａ、９ｂ…水素濃度計（水素ガス濃度測定手段）、１０、１０ａ、１０ｂ…酸素濃度計（酸素ガス濃度測定手段）、１１…水素ボンベ（水素供給手段）、１２…酸素ボンベ（酸素供給手段）、１３…窒素ボンベ（不活性ガス供給手段）、１４…混合器（混合手段）、１５…患者への混合ガス供給手段、１６…スタティックミキサー（混合手段）、１７…窒素ベースの水素ボンベ（水素供給手段）、１８…人工呼吸器（患者への混合ガス供給手段）、１９…空気ライン、２０、２２…酸素ライン、２１…流量計、２３…患者への給気経路、２４…患者からの排気経路、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｈ、３１ｉ、３１ｊ…減圧弁、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｈ、３２ｉ、３２ｊ…フィルター、Ｐ…患者、ＰＶ…患者の身体的所見、ｚ_１、ｚ_２、・・・、ｚ_Ｎ…入力値（パラメータ）、Ｓ…入力層、Ａ…隠れ層、Ｒ…出力層、ｄ…教師信号、ｙ…出力

Claims (5)

1. 患者の治療に使用する水素混合ガス供給装置であって、
   水素の供給源である水素供給手段から供給された水素ガスと酸素の供給源である酸素供給手段から供給された酸素ガスとを混合し、前記水素ガス及び酸素ガスを含む混合ガスを生成する混合手段と、
   前記混合ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガス濃度測定手段と、
   前記混合ガス中の酸素ガス濃度を測定する酸素ガス濃度測定手段と、
   前記測定手段により測定した水素ガス濃度、及び酸素ガス濃度に基づき、前記混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度をそれぞれ任意の値に制御する制御手段と、
   前記混合手段から患者への供給経路より分岐する排出用配管と、
   該排出用配管に設けられた混合ガスの排出を制御する排出制御手段を備え、
   前記制御手段が、患者の身体所見に基づき、前記患者に投与する前記混合ガスの水素ガス濃度、酸素ガス濃度、及び流量を決定し制御するとともに、前記水素ガス濃度測定手段及び前記酸素ガス濃度測定手段で測定した前記混合ガス中の水素ガス濃度及び酸素ガス濃度が、前記決定した水素ガス濃度及び酸素ガス濃度の範囲外であるときに、混合ガスを排出するように前記排出制御手段を制御し、
   前記混合手段として、水素を供給する経路と酸素を供給する経路とが合流するタンクを用いることを特徴とする水素混合ガス供給装置。
2. 前記水素供給手段から前記混合手段への経路中、前記酸素供給手段から前記混合手段への経路中、及び前記混合手段から患者への供給経路中の少なくとも１つに圧力測定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の水素混合ガス供給装置。
3. 前記水素混合ガス供給装置であって、前記混合ガスを貯留する混合ガス貯留手段を備え、前記混合ガス貯留手段は、前記水素ガス濃度測定手段及び前記酸素ガス濃度測定手段と、圧力測定手段と、を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素混合ガス供給装置。
4. 前記水素混合ガス供給装置であって、
   人工呼吸器と、
   前記混合手段から供給される前記混合ガスと、前記人工呼吸器から送られる酸素ガス濃度が高められた空気とが合流する配管合流点と、
   前記配管合流点において合流したガスを前記患者へ供給する供給経路と、を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水素混合ガス供給装置。
5. 前記制御手段が、ニューラルネットワークによる制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水素混合ガス供給装置。

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