JP5797326B2 - 機械的吸気／排気による気道浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療装置、より具体的には呼吸および咳の誘発を補助する装置に関する。

機械的吸入器／排出器（ＭＩＥ）を使用する専門家は、ここ何年かで現在の機械には重大な制限があることを実感してきた。この５０年間、ＭＩＥの機能には実際の改善がなされていない。

小児患者の親、および多くの成人患者は、この機械をいたるところに携帯する。サイズおよび重量は一つの問題である。

ＭＩＥは通常１２０ボルトＡＣで作動する。１２ボルトのＤＣシステムを備えた多くの車両で作動させるには、インバーターを設置しなければならないが、これは高価で設置が複雑である。

現在のＭＩＥは呼気相に呼気終末陽圧を組み込んでいないため、医学界の主な懸念は、肺機能が不全で機能残気量が低下した病気の患者へのＭＩＥ使用である。

分泌物の粘度が高い患者では、現在のＭＩＥは、それを移動させて除去するために長い時間と追加的介入が必要である。

多くの小児、高齢、脳卒中患者は、現在のＭＩＥの呼吸パターンと同期化させることが困難である。

本発明のＭＩＥ装置は、速度調節可能な送風機、方向バルブおよび発振器付きバルブ部分組立品、ホースコネクタ、制御装置、電源、およびタッチスクリーンを格納するケースを持つ。

送風機の吸気口は、方向バルブの吸気ポートに接続されており、送風機の排気口は方向バルブの排気ポートに接続されている。方向バルブの共通ポートは、発振器のバルブポートに接続されており、発振器のコネクタポートはマスクホースコネクタに接続されている。送風機とホースコネクタの間の気流経路はチャンネルである。

装置は、吸気および排気の２つの主なモードを持つ。吸気モードでは、方向バルブは送風機の排気口を発振器に接続して、ホースコネクタで陽圧を生じさせる。排気モードでは、方向バルブは送風機の吸気口を発振器に接続して、ホースコネクタで陰圧を生じさせる。咳を誘発するには、装置は吸気モードで開始して肺を満たし、次に素早く排気モードに切り替えて急速に肺を収縮させて咳を促す。

発振器は、チャンバーおよびチャンパー内に３６０°回転ディスクを備えるバタフライバルブである。吸気の間、ディスクは、気流を調節するために、高、中、または低流量の固定位置へと回転する。高流量の位置ではディスクはチャンネルに並行で、低流量では、ディスクはチャンネルに対してほぼ垂直である。

排気中、発振器は、非アクティブ（無効）または「フラッター」モードのいずれかである。非アクティブの場合、ディスクはチャンネルに対して並行で、気流を最大化する。フラッターモードでは、ディスクは連続的に回転し、チャンネルサイズを最大流量から最小流量へ、また最大流量へと急速に変える。

装置は手動モードまたは自動モードで作動できる。手動モードでは、使用者は、治療サイクルをいつどのように行なうかを、タッチスクリーンまたはリモコン上の関連ボタンを押して制御する。自動モードでは、装置は、吸気に続いて排気、休息の順の治療サイクルを反復的に開始する。

手動モードに対しては、吸気圧力、排気圧力、休息圧力、流量、フラッター頻度を設定できる。自動モードに対しては、手動モードパラメータに加えて、吸気時間、排気時間、休息時間、およびサイクル数を設定できる。

手動モードでは、患者は開始／停止ボタンに触れて送風機をオンにする。吸気は、タッチスクリーンまたはリモコン上の吸入ボタンを作動させることで開始され、ボタンを放すまで持続される。排気は、タッチスクリーンまたはリモコン上の呼息ボタンを作動させることで開始され、ボタンを放すまで持続される。治療が完了すると、患者は開始／停止ボタンに触れて送風機をオフにする。

自動モードでは、患者は開始／停止ボタンに触れて送風機をオンにし、治療サイクルを開始する。治療サイクルの設定数に達した時、装置は治療を中止し、送風機をオフにする。

本発明の性質および目的をよりよく理解するために、以下のとおり添付した図面を参照する。

本発明の装置の回路図である。 装置の正面斜視図である。 図２の装置の背面図である。 ケース上部を取り除いた状態の上面図である。 バルブ部分組立品の上面断面図である。 バルブ部分組立品の側面断面図である。 手動モードの表示例である。 自動モードの表示例である。 設定の表示例である。 手動モードでの装置の作動のフロー図である。 自動モードでの装置の作動のフロー図である。

本発明は、咳を手助けするための装置である。本発明の１つの特徴は、気道を振動させる能力である。特定の振動数での気道の振動は、「拡散性の増大」として知られる現象を生じる。このメカニズムは、肺の肺胞毛細血管膜の拡散率を変化させる。肺の拡散係数を変えることによって、より多くの酸素を血流中に運ぶことができ、より多くの二酸化炭素を除去できる。この機能を生じさせる特別なバルブは、回転バタフライ型メカニズムで、特定の呼吸生理機能に一致させるための調節可能な頻度を持つ。

別の特徴は、装置を使用して肺気量を回復させる能力である。装置は、排気の終了時の基本圧力を次第に調節するメカニズムを使用する。これは、肺の内部にある程度の陽圧を生じさせ、これにより、肺活量が肺障害によって減少した時、肺の再膨張を助ける。基本圧力は、障害の程度に応じて、０〜１５ｃｍＨ２Ｏまで調節可能である。

本発明の咳介助装置１０が図１〜９に示されている。ケース１２は、送風機１４、バルブ部分組立品１６、ホースコネクタ１８、制御装置２０、電源２２、およびタッチスクリーン２４を格納している。バルブ部分組立品１６は、方向バルブ２８および発振器３０を含む。

装置１０の全体構成図が図１に示されている。送風機１４は、空気が送風機１４に入る吸気口４０および空気が送風機１４を出る排気口４２を持つ。送風機の吸気口４０は、吸気ダクト４４を介して方向バルブ２８の吸気ポート４８に接続される。送風機の排気口４２は、排気ダクト４６を介して方向バルブ２８の排気ポート５０に接続される。方向バルブ２８の共通ポート５２は、発振器３０のバルブポート６０に接続される。方向バルブ２８の大気ポート５４は、５６で大気に開放されており、オプションのフィルタ５８を持つ。発振器３０のコネクタポート６２は、患者インターフェース（マスク）ホースコネクタ１８に接続される。送風機１４とホースコネクタ１８の間の気流経路は、チャンネル３６と呼ばれる。制御装置２０は、装置１０の動作を制御する。電源２０は、構成要素に電力を提供する。装置１０の各構成要素が、以下に詳述されている。

使用時、ホース３２は装置１０に取り付けられている。ホース３２の１つの端部６６は、ホースコネクタ１８で装置１０に取り付けられる。マスク３４は、ホース３２のもう一方の端部６８に取り付けられる。

装置１０は、吸気および排気、つまり患者に対しては吸息、および呼息を意味する、２つの主なモードを持つ。咳を誘発するには、装置１０は吸気モードで開始して肺を満たす。次に装置１０は、素早く排気モードに移行し、急速に肺を収縮させ、それによって咳を促す。

ケース１２は、装置１０の動作構成要素を格納し、保護する。ケース１２の外側からアクセスできるのは、タッチスクリーン２４、ホースコネクタ１８、リモコンコネクタ９８、電源入力コネクタ７８、および電源スイッチ８２である。随意に、タッチスクリーン２４は、弾力性のある保護カバー８０を持つ。

本構成で使用される送風機１４は、速度が調節可能な標準的な電動式送風機である。これは、吸引のための吸気口４０および送風のための排気口４２を持つ。送風機１４の速度は、制御入力での圧力を変えることによって制御される。送風機１４は、最大１２．４リットル／秒までの流量を提供する能力を持つ。

方向バルブ２８の設定は、ホースコネクタ１８、そして最終的にはマスク３４に対する気流の方向を決定する。吸気モードでは、方向バルブ２８は、送風機の排気口４２を発振器３０に接続し、ホースコネクタ１８に正の流れを生じさせ、送風機１４の空気供給源として送風機の吸気口４０を５６で大気に接続する。排気モードでは、方向バルブ２８は、送風機の吸気口４０を発振器３０に接続し、ホースコネクタ１８で負の流れを生じさせ、圧力除去のために送風機の排気口４２を５６で大気に接続する。制御装置２０は、二位置ステッピングモーター７４で方向バルブ２８を操作する。

発振器３０は、バルブポート６０とコネクタポート６２の間のチャンバー８６およびチャンパー８６内の回転ディスク８８を備えるバタフライバルブである。ディスク８８は３６０°回転し、ステッピングモーター７６を使用して制御装置２０によって制御される。制御装置２０は、ディスク８８をさまざまな位置に回転することによってチャンネル３６の開きを調節する。現在の実施でのステッピングモーター７６は、ステップあたり０．９°の分解能を持つので、ディスク８８は０．９°のきざみ幅で位置づけることができる。チャンネル３６のサイズは、流れの大きさに直接影響するので、発振器３０は所定の手順全体に渡って流れを調節する。一般的に、これは以下のように使用される。

吸気モードの間、発振器３０は気流を調節する。ディスク８８は、高、中、または低流量の固定位置へと回転する。高流量位置では、ディスク８８はチャンネル３６に対して並行なので、チャンネルサイズを最大化する。これは、流れに対する抵抗を最小化し、それによって患者に行く流量を最大化する。低流量では、ディスク８８はチャンネル３６に対してほぼ垂直であり、そのためチャンネルサイズを最小化する。これは流れに対して最大の抵抗を生じさせ、それによって、患者に対する流量を最小化する。この気流設定の調節は、吸入中に患者の肺がどのくらい速く満たされるかを決定する。

排気モード中、発振器３０は、非アクティブまたは「フラッター」モードのいずれかである。発振器３０が非アクティブの場合、気流を最大化するために、ディスク８８はチャンネル３６に並行になるまで回転される。咳の発生度は、排気の流れの程度に直接起因するので、気流は呼息中に最大化される。

フラッターモードでは、発振器３０は、排気中に素早く変化する流れを生じる。これを行なうためには、ディスク８８は連続的に回転し、チャンネルサイズを最大流量から最小流量へ、また最大流量へと急速に変える。最大から最小へのこの気流速度は、単に回転頻度を調節することによって変化する。排気中に流速を「フラッター」させることは、肺気道中の粘液を除去するのを助ける。

上述のように、チャンネル３６のサイズは気流に直接影響する。本実施では、チャンネル３６のサイズは１９．６ｍｍであり、これは発振器３０のコネクタポート６２での内径で測定される。送風機１４は、最大１２．４リットル／秒までの流量を提供する能力を持つ。気流は、送風機と患者の間のチャンネル３６の長さおよび直径、並びに発振器３０のディスク８８の位置によって影響される。本実施のチャンネル３６のパラメータによって、気流は、患者に達する時までに劇的に減少する。本実施では、送風機１４で１２．４リットル／秒の流量は、患者で約９リットル／秒の流量をもたらす。湿性咳を引き起こすための最小の流れは、患者において約６リットル／秒（平均ピーク排出流量）である。

制御装置２０は、付随クロック、メモリ、入力／出力装置などを含むプロセッサ１０２を持つ。プロセッサ１０２は、さまざまな構成要素に制御信号を提供するドライバに信号を送る。さまざまなセンサーは、プロセッサ１０２に装置１０内の状態を通知する。プロセッサ１０２は、動力ドライバ１０８および速度ドライバ１１０を通して送風機１４を制御する。プロセッサ１０２は、方向バルブモータードライバ１０４および方向バルブ位置エンコーダ１２４を通して方向バルブ２８を制御する。プロセッサ１０２は、発振器モータードライバ１０６および発振器位置エンコーダ１２６を通して発振器３０を制御する。その他のセンサーは、送風機温度センサー１１２、チャンネル空気温度センサー１１６およびチャンネル空気圧力センサー１２０を含む。ケース１２の床に取り付けられたスピーカー２６は、スピーカードライバ１２２によって制御され、タッチスクリーン２４はタッチスクリーンドライバ１２８によって制御される。タッチスクリーン２４は、ディスプレイ並びに使用者入力装置である。

電源２２は、電力入力コネクタ７８に接続されたＡＣ電源コードを通して装置１０に電力を提供する。随意に、電源２２は、内部電池９２または、自動車電源出力または外部電池などの外部ＤＣ源から、ＤＣ源コネクタ９４を通して電力を提供する能力を持つ。

随意に、装置１０はリモコン９６を含む。リモコン９６は図２にあるように有線か、または無線としうる。有線リモコンプラグ９９は、リモコンジャック９８を通して装置１０に接続される。リモコン９６は、装置１０の機能のすべてまたはその一部を操作する。図２のシンプルなリモコン９６は、吸入／排気サイクルを制御するために単一ロッカースイッチ９７を持つ。リモコン９６は、手または足で操作できる。

プロセッサ１０２上で実行されているソフトウェアは、装置１０の動作を制御する。ソフトウェアは、治療サイクルを制御し、サイクルは吸気、排気および休息として定義される。治療サイクルは、以下のようにそれと関連した多くの設定可能パラメータを持つ。

手動／自動設定は、装置１０が手動モードまたは自動モードで作動するべきかを決定する。手動モードでは、使用者は、治療サイクルをいつどのように行なうかを、タッチスクリーン２４またはリモコン９６上の関連ボタンを押して制御する。自動モードでは、装置１０は反復的に治療サイクルを開始する。両方のモードに対して、使用者は吸気／排気圧力、流れ、フラッターを設定できる。

図７には、手動モードの表示例１４０を示す。

肺の中に強制的に注入される空気の陽圧である吸気圧力１５０は、増加矢印１５２および減少矢印１５４を使用して０〜５０ｃｍＨ２Ｏの範囲で１ｃｍＨ２Ｏきざみ幅で設定できる。肺から吸引される空気の陰圧である排気圧力１５８は、増加矢印１６０および減少矢印１６２を使用して０〜５０ｃｍＨ２Ｏの範囲で１ｃｍＨ２Ｏきざみ幅で設定できる。

流量は、ボタン１４８で高、中、または低に設定できる。高では、ディスク８８は、チャンネル３６に並行に位置し、患者への流量を最大化する。中では、ディスク８８は、チャンネル３６に対して約４５°に位置する。低では、ディスク８８はチャンネル３６に対してほぼ垂直に位置し、患者への流量を最小化する。流量は、呼息流の設定に対してものである。吸気圧力設定が高の場合、流れは速くなる。吸気圧力設定が高の場合、流れは対応して遅くなる。

図８には、自動モードの表示例１７０を示す。

吸気圧力１８４は、増加矢印１８６および減少矢印１８８を使用して０〜５０ｃｍＨ２Ｏの範囲で１ｃｍＨ２Ｏきざみ幅で設定できる。排気圧力１９２は、増加矢印１９４および減少矢印１９６を使用して０〜５０ｃｍＨ２Ｏの範囲で１ｃｍＨ２Ｏきざみ幅で設定できる。流量は、ボタン１８２で高、中、または低に設定できる。

正の吸気圧力が機能している時間の長さである吸気時間１９８は、０〜３秒の範囲で０．２秒きざみ幅で設定できる。負の排気圧力が機能している時間の長さである排気時間２０２は、０〜３秒の範囲で０．２秒きざみ幅で設定できる。１サイクルの排出と次のサイクルの吸入との間の時間の長さである休息時間２０４は、０〜３秒の範囲で０．２秒きざみ幅で設定できる。サイクル数１７４は、減少矢印１７８および増加矢印１８０を使用して１〜９９の範囲で設定できる。

図９には、設定の表示例２１０が示されている。

吸気も排気も機能していない休息中に設定される正の圧力である休息時の正の圧力２１２は、増加矢印２１４および減少矢印２１６を使用して、０〜１５ｃｍＨ２Ｏの範囲で１ｃｍＨ２Ｏきざみ幅で設定できる。

使用者は、フラッターを有効化または無効化し、増加矢印２２０および減少矢印２２２を使用して０〜２０Ｈｚの範囲で１Ｈｚのきざみ幅でフラッター速度２１８を設定できる。フラッターは、フラッター頻度２１８がゼロの時に無効化される。吸気の間、発振器ディスク８８は、流れの設定に基づいて固定された配向に位置付けられる。排気の間、発振器３０の挙動は、フラッターが有効化されているか無効化されているかに基づく。有効化されている場合、発振器ディスク８８は、設定されたフラッター速度で連続的に回転する。フラッターが無効化されている場合、発振器ディスク８８はチャンネル３６に並行に位置付けられ、それによって流れを最大化する。

使用者はパラメータロックを有効化または無効化できる。ロックボタン２２４を押して有効化した時、すべての設定はロックされ、パスワードを入力せずに変更することはできない。

ソフトウェアは、送風機温度センサー１１２、チャンネル空気温度センサー１１６、およびチャンネル空気圧力センサー１２０など、システムのさまざまなセンサーを監視する。範囲外の温度または圧力などの問題があることをセンサーのいずれかが示す時、システムはすぐに遊休状態に切り替わり、送風機をオフにして、エラーを示すメッセージがディスプレイ２４上に表示される。

ソフトウェアは使用者に対する情報をタッチスクリーン２４上に表示し、使用者はタッチスクリーン２４を使用して、当技術分野で知られている方法で運転パラメータを設定する。例えば、使用者が吸気圧力を設定したい場合、使用者がタッチスクリーン２４上の吸気圧力表示に触ると、表示が変わって上下の矢印を示す。使用者は、圧力を増やすためには上矢印を、圧力を減らすためには下矢印を使用して、望ましい設定に達するまで適切な矢印に繰り返し触れる。すべてのパラメータ設定は同様に作動する。

上述のように、装置１０は手動モードおよび自動モードを持つ。手動モードでは、２４０にあるように、いくつかのパラメータを、作動前に設定しなければならない。これらのパラメータには、吸入圧力１５０、排気圧力１５８、流量１４８、排気中のフラッター２１２を含む。随意に、サイクルカウント表示１４４は、ボタン１４６を使用してゼロにリセットされる。パラメータを設定した後、使用者は２４２にあるようにタッチスクリーン２４の開始／停止ボタン１４２に触れ、２４４にあるように送風機１４をオンにする。

吸気は、２４６にあるように、タッチスクリーン２４の吸息ボタン１６４またはリモコン９６のロッカースイッチ９７の適切な側部のいずれかを作動させて開始する。吸気は、２４８にあるように、ボタン１６４またはロッカースイッチ９７を放すまで維持される。排気は、２５０にあるように、タッチスクリーン２４の呼息ボタン１６６またはリモコン９６のロッカースイッチ９７の適切な側部のいずれかを作動させて開始する。排気は、２５２にあるように、ボタン１６６またはロッカースイッチ９７を放すまで維持される。排気の終了時、サイクルカウント表示１４４は、値を増加させて前回のリセットからのサイクル数を表示する。

治療が完了した時、使用者は、２５４にあるようにタッチスクリーン２４の開始／停止ボタン１４２に触れて、２５６にあるように送風機１４をオフにする。

自動モードでは、２６０にあるように、いくつかのパラメータを作動前に設定しなければならない。これらのパラメータには、吸気圧力１８４、排気圧力１９２、吸気時間１９８、排気時間２０２、休息時間２０４、流量１８２、排気中のフラッター２１２、治療サイクル数１７４が含まれる。随意に、サイクルカウント表示１７４は、ボタン１７６でゼロにリセットされる。

パラメータを設定した後、患者は２６２にあるようにタッチスクリーン２４の開始／停止ボタン１７２に触れ、２６４にあるように送風機１４をオンにして治療サイクルを開始する。上述のように、治療サイクルには、２６６にあるように、設定吸気時間の長さの設定吸気圧力での吸気、２６８にあるように設定排気時間の長さの設定排気圧力での排気、および２７２にあるように設定休息時間の長さの設定休息圧力での休息が含まれる。排気の終了時、サイクルカウント表示１７４は、値を増加させて前回のリセットからのサイクル数を表示する。２７０にあるように、治療サイクルの設定数に達した時、２７４にあるように装置１０は治療を中止し、送風機１４をオフにする。使用者が、最後の治療サイクルに達する前に治療を中止したい場合は、使用者はタッチスクリーン２４の開始／中止ボタン１７２に触れる。

このように、上記に記述された目的を満たす咳を誘発するための装置を示して記述してきた。

本発明の範囲を逸脱することなく、本開示に特定の変更を行いうるので、前述の明細書に記述されおよび添付の図面に示されるすべての事柄は例示的であり制限として解釈されないことが意図される。

Claims (6)

1. 装置であって、
   （ａ）吸気口、排気口、および制御可能な速度を持つ送風機と、
   （ｂ）前記送風機吸気口に動作できるように接続された吸気ポート、前記送風機排気口に動作できるように接続された排気ポート、大気に開放された大気ポート、および共通ポートを持つ方向バルブと、
   （ｃ）コネクタポート、および前記バルブ共通ポートに動作できるように接続されたバルブポートを持つ発振器であって、前記発振器が前記コネクタポートと前記バルブポートの間のチャンバー、および前記チャンバー内に回転可能ディスクを含み、前記ディスクが約３６０°回転される、発振器と、
   （ｄ）前記発振器コネクタポートに動作できるように接続され、患者マスクのホースを受け入れるように適合されているホースコネクタと、
   （ｅ）前記装置の動作を制御する制御装置と、を備え、
   （ｆ）前記装置が、前記排気ポートが前記共通ポートに動作できるように接続され、前記吸気ポートが前記大気ポートに動作できるように接続され、それによって吸気のために前記ホースコネクタにおいて陽圧を提供するように、前記制御装置が前記方向バルブを設定する吸気モードを持ち、
   （ｇ）前記装置が、前記吸気ポートが前記共通ポートに動作できるように接続され、前記排気ポートが前記大気ポートに動作できるように接続され、それによって排気のために前記ホースコネクタにおいて陰圧を提供するように、前記制御装置が前記方向バルブを設定する排気モードを持ち、
   （ｈ）前記装置が、前記排気ポートが前記共通ポートに動作できるように接続され、前記吸気ポートが前記大気ポートに動作できるように接続され、それによって前記ホースコネクタにおいて陽圧を提供するように、前記制御装置が前記方向バルブを設定する休息モードを持ち、
   （ｉ）前記装置が、排気中に前記制御装置が前記発振器ディスクを設定可能な頻度で回転させるオプションのフラッターモードを持つ、装置。
2. 前記制御装置が手動モードを提供し、前記装置が前記吸気モード、前記休息モード、および前記排気モードにある時に使用者からの指示を受け入れるように前記装置が適合されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記装置が使用者からのパラメータ設定を受け入れるように適合されており、前記パラメータが吸気圧力、排気圧力、休息圧力、前記フラッター頻度、および流量を含み、吸気中に前記送風機速度を設定するために前記吸気圧力が前記制御装置によって使用され、排気中に前記送風機速度を設定するために前記排気圧力が前記制御装置によって使用され、吸気と排気の間の休息中の前記送風機速度を設定するために前記休息圧力が前記制御装置によって使用され、吸気中の前記ディスクの位置を設定するために前記流量が前記制御装置によって使用される、請求項２に記載の装置。
4. 前記装置が吸息ボタンおよび呼息ボタンを含み、前記吸息ボタンが作動している間、前記制御装置が前記装置を前記吸気圧力の吸気モードに切り替え、前記呼息ボタンが作動している間、前記制御装置が前記装置を前記排気圧力の排気モードに切り替え、前記吸息ボタンも前記呼息ボタンも作動していない時、前記制御装置が前記装置を前記休息圧力の前記休息モードに切り替える、請求項３に記載の装置。
5. 前記制御装置が、前記装置に所定数のサイクルを生じさせる自動モードを提供し、サイクルが吸気、排気、休息の順序である、請求項１に記載の装置。
6. 前記装置が使用者からのパラメータ設定を受け入れるように適応されており、前記パラメータが、吸気圧力、排気圧力、休息圧力、前記フラッター頻度、流量、吸気時間、排気時間、休息時間、およびサイクルの所定数を含み、吸気中の前記送風機速度を設定するために前記吸気圧力が前記制御装置によって使用され、排気中の前記送風機速度を設定するために前記排気圧力が前記制御装置によって使用され、前記休息中の前記送風機速度を設定するために前記休息圧力が前記制御装置によって使用され、吸気中の前記ディスクの位置を設定するために、前記流量が前記制御装置によって使用される、請求項５に記載の装置。
   

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