JP5818214B2

JP5818214B2 - 人工呼吸器

Info

Publication number: JP5818214B2
Application number: JP2012538993A
Authority: JP
Inventors: キャラハン，マシュー，ジョン; ビショップ，ウィリアム; ミラー，ローレンス，エドワード; フリークマン，ピーター; ブライク，フランソワ
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: US20130087146A1; WO2011060204A2; JP2013510677A; US9707371B2; WO2011060204A3; EP2498849B1; EP2498849A2; AU2010319481A1; EP2498849A4

Description

本発明は、一般に、人間およびその他の動物のための人工呼吸器、人工呼吸システムおよび方法に関する。より詳細には、本発明は、最小限のリソースで作ることができ、それにより低価格の大量生産を可能にする人工呼吸器に関するものである。

［関連出願データ］
本願は、２００９年１１月１１日に出願された米国仮出願第６１／２６０，２９６号の利益を主張する。この仮出願の開示内容はすべて、引用により本明細書に明確に援用されるものである。

インフルエンザ・パンデミック中のサージキャパシティ（surge capacity）人工呼吸器は、陽圧換気（“ＰＰＶ”）および呼吸終末陽圧（“ＰＥＥＰ”）の伝達が可能なデバイスを必要とする。罹患期間は、数日から数週間続くこともあり、一週間以上人工呼吸が必要とされることもある。重度のインフルエンザ伝染病の最も危険な結果のうちの１つは、急性呼吸窮迫症候群（“ＡＲＤＳ”）である。ＡＲＤＳは、最も頻繁に発生するインフルエンザの重度の合併症であり、肺の広汎性炎症を特徴とし、ガス交換障害をもたらす。

現在販売されている人工呼吸器は、高価な高機能のマシンから、簡素で低価格の携帯型デバイスまで多岐にわたる。ＡＲＤＳの患者は、炎症により増加する肺胞虚脱を克服するために、ＰＰＶおよびＰＥＥＰが可能な高性能の人工呼吸器を必要とする。現在販売されているフル装備のマシンは、非常に高価で、壊れ易く、非熟練者が使用するには非常に複雑である。また、携帯性および耐久性は限られており、一定の電力供給が必要とされる。これらのことから、フル装備のマシンは、現場環境、田舎において、あるいはパンデミックのような大規模な緊急事態において、使用するのには適していない。

現在販売されている携帯型人工呼吸器は、患者がフル装備の人工呼吸器に、またはフル装備の人工呼吸器から移る間に、一時的な橋渡しとして使用されるように設計されている。それらはフル装備の人工呼吸器よりも持ち運びやすいが、携帯型の人工呼吸器は、パンデミック中にＡＲＤＳの患者に使用するのには適していない。それらは、ＰＥＥＰを提供せず、自発呼吸支援モードを有しておらず、また、集中治療の使用には認められていない。また、圧縮空気および電気の非効率的な使用も、低資源環境および開発途上国には不適当である。

現在では、廉価な人工蘇生器が２００ドル未満で市販されている。それらデバイスは、緊急時における最後の手段として設計され、常に直接的な監視を必要とする。それらは、臨床的に意義のある期間ＡＲＤＳの患者を支援するために、一般に使用されることはない。

地球規模で考えた場合、裕福な国と貧しい国との間のパンデミックに対する資源の格差は、憂慮すべきことである。世界のワクチン供給の大部分が裕福な国により既に購入されていることを考えると、開発途上国のカバレッジは不十分である可能性がある。多くの国々が、パンデミックが無い状態においても、人工呼吸器の極端な不足に既に直面している。例えば、米国では、３億の人口に対して、約２０５，０００の人工呼吸器がある。インドでは、人口が１１億を超えるが、３５，０００の集中治療用の人工呼吸器しか入手できない。この不均衡を解消するのに必要とされるのは、リソースに乏しい環境、田舎の環境および緊急環境における急性呼吸促迫患者の要求を満足するように特に適合した非常に低価格の人工呼吸器である。

本発明は、一般に、人間およびその他の動物用の人工呼吸器および人工呼吸（換気）システムおよび方法を対象にしている。例えば、本明細書に記載の人工呼吸器は、最小限のリソースで作ることができ、それにより、例えば、低価格の大量生産を可能にする。

例示的な実施形態によれば、加圧ガスの供給源と、患者容器（patient vessel）と、患者容器に接続され、患者容器内の換気ガスの圧力を検出する第１圧力センサと、バルブアセンブリであって、例えば、ソースライン（source line）を介してガスの供給源に連通するとともに、患者容器に連通し、かつ換気ガスを患者に送るための吸気ライン（inhalation line）に連通する１またはそれ以上のバルブを含むバルブアセンブリとを含む人工呼吸システムが提供される。コントローラは、バルブアセンブリと接続され、このバルブアセンブリを、換気ガスがガスの供給源から貯留容器内に送られる貯留態様（storage configuration）と、換気ガスが貯留容器から吸気ラインを介して患者に送られる供給態様（delivery configuration）との間で、選択的に切り換えることができる。また、コントローラは、第１圧力センサに接続され、バルブアセンブリが供給態様とされているときに貯留容器内の第１の圧力を検出して、その後に、換気ガスが貯留容器から吸気ラインを介して患者に送られている間に後の圧力を検出することができる。コントローラは、第１の圧力と後の圧力との間の差に少なくとも部分的に基づいて、患者に送られる換気ガスの量を決定する。

別の実施形態によれば、加圧ガスの供給源と、プレフィル容器（pre-fill vessel）と、患者容器と、ソースラインを介してガスの供給源に連通するとともに、プレフィル容器および患者容器に連通し、かつ換気ガスを患者に送るための吸気ラインに連通するバルブアセンブリと、バルブアセンブリと接続され、このバルブアセンブリを、換気ガスが患者容器から吸気ラインを介して患者に送られるとともに加圧ガスがガスの供給源からプレフィル容器に送られる供給態様と、加圧ガスがガスの供給源およびプレフィル容器から貯留容器内に送られて加圧ガスが貯留容器に貯留される貯留態様との間で選択的に切り換えるコントローラとを含む人工呼吸器が提供される。

さらに別の実施形態によれば、患者の気道を人工呼吸器の吸気ラインと連通状態とするステップを含む患者の人工呼吸を行う方法が提供される。人工呼吸器は、内部にある貯留容器と加圧ガスの供給源とを備える。貯留段階においては、換気ガスがガスの供給源から貯留容器に送られ、供給段階においては、換気ガスが貯留容器から吸気ラインを介して患者に送られる。供給段階では、貯留容器内における圧力の変化が測定されて、例えば、貯留容器から患者に送られる加圧ガスの量が決定されるものであってもよい。人工呼吸器は、吸気段階の継続時間とは関係無く、貯留容器内の圧力の変化に少なくとも部分的に基づいて、かつ／または、患者に送られる換気ガスの流量を測定することなく、貯留容器内の圧力の変化に少なくとも部分的に基づいて、作動されるものであってもよい。

さらに別の実施形態によれば、以下のステップ、すなわち、ａ）貯留容器を人工呼吸器のガスの供給源から分離させた状態で、換気ガスを人工呼吸器内の貯留容器から吸気ラインを介して患者に送るステップと、ｂ）換気ガスが貯留容器から患者に送られる間に貯留容器内における圧力の変化を測定するステップと、ｃ）圧力の変化に少なくとも部分的に基づいて、患者に送られる換気ガスの量を決定するステップと、ｄ）貯留容器から患者への換気ガスの供給を中止するステップと、ｅ）ガスの供給源から貯留容器に換気ガスを送って貯留容器を加圧ガスで補充するステップとを、１またはそれ以上の回数連続的に実行することを含む患者の人工呼吸を行う方法が提供される。

一実施形態においては、圧力の変化を測定するステップが、貯留容器から患者に換気ガスを送り始める前に、またはその直後に、貯留容器内の第１の圧力を測定するステップと、その後に、換気ガスが患者に送られている間に、予め設定された時間間隔で貯留容器内の圧力を測定するステップとを含み、患者に送られる換気ガスの量が、第１の圧力と後の圧力との間の差に少なくとも部分的に基づいて決定される。例えば、各時間間隔中に送られる換気ガスの累積量が、予め設定された最大量と比較され、推定累積量が予め設定された最大量に到達または超過したときに、貯留容器から患者への換気ガスの供給が中止されるものであってもよい。別の実施形態においては、貯留容器から患者に換気ガスが送られる間に貯留容器内の圧力が監視されて、圧力の時間微分値が、予め設定された閾値まで低下してゼロに近付くまで導き出され、当該微分値が閾値に低下するとすぐに、供給が中止されるものであってもよい。

さらに別の実施形態によれば、ハウジングと、加圧された換気ガスの供給源と、吸気ラインを介して患者に送られる換気ガスの流れを制御するハウジング内のバルブと、コンプレッサから患者に送られる換気ガスの流量を制限する流量制限器とを備え、流量制限器が、吸気ライン内でバルブの後に配置されている人工呼吸器が提供される。流量制限器は、吸気ラインを介して患者に供給可能な最大流量を変更するために手動で調節可能であり、かつ／または、バルブを制御するコントローラから分離されるものであってもよい。

さらに別の実施形態によれば、ハウジングと、加圧された換気ガスの供給源と、換気ガスを患者に送るために、ガスの供給源および吸気ラインと連通するハウジング内の１またはそれ以上のバルブとを備え、１またはそれ以上のバルブが、患者への換気ガスの流れを制御するために、完全に開いた状態と完全に閉じた状態の何れかのみで動作可能である人工呼吸器が提供される。

さらに別の実施形態によれば、患者の気道を人工呼吸器の吸気ラインと連通状態とするステップと、人工呼吸器内に加圧ガスの実質的に連続的な流れを生じさせるために人工呼吸器内のコンプレッサを実質的に連続的に作動させるステップと、人工呼吸器から患者に加圧ガスを間欠的に送るステップと、人工呼吸器内のコンプレッサからの加圧ガスの流れの少なくとも一部を貯留するステップとを備える患者の人工呼吸を行う方法が提供される。

一実施形態においては、加圧ガスの流れの少なくとも一部が、人工呼吸器の患者容器内に貯留され、患者に間欠的に送られる加圧ガスが、患者容器から送られるものであってもよい。例えば、人工呼吸器は、加圧ガスが患者容器から患者に送られるときに、加圧ガスの流れの一部をプレフィル容器に迂回させるようにしてもよい。加圧ガスの流れの少なくとも一部が患者容器内に貯留されているときに、プレフィル容器に迂回される加圧ガスの流れの少なくとも一部が、患者容器に送られて、患者容器内に貯留されている加圧ガスの量および／または圧力が増加するものであってもよい。

例えば、コンプレッサは、毎分約８リットルから１２リットル（８−１２ｌｐｍ）の間の流量で加圧ガスの実質的に連続的な流れを生成するものであってもよい。別の実施例では、患者容器内に貯留される加圧ガスの流れの一部が、少なくとも３５０ｃｃＨ_２Ｏ（５ｐｓｉ）、少なくとも７００ｃｃＨ_２Ｏ（１０ｐｓｉ）、または少なくとも１１００ｃｃＨ_２Ｏ（１５ｐｓｉ）のピーク内部圧力を患者容器内に生成するものであってもよい。さらに別の実施例では、患者への換気ガスの供給中における吸気ライン内の最大圧力が７０ｃｃＨ_２Ｏ（１ｐｓｉ）であってもよい。追加的または代替的には、患者容器内のピーク内部圧力と、吸気ライン内の最大圧力との比率が、少なくとも２または５であってもよい。

さらに別の実施形態によれば、圧力源と、第１バルブ（例えば、ソレノイドバルブアセンブリ）と、第１バルブを作動させるように構成された第１アクチュエータと、管路とを備える人工呼吸システムが提供される。第１バルブは、電子装置であり、通常動作中に約１．２Ｗ乃至約４．８Ｗを使用するものであってもよい。コントローラは、バルブが開放している間に、バルブにより大きな電圧を初期に適用して、例えば、その開放を速めることができ、その後に、電圧を低下させてバルブを開放した状態で保持し、それにより、例えば、バルブの電力消費を低減することができる。人工呼吸システムは、圧力源に取り付けるように構成されるものであってもよい。例えば、圧力源は、人工呼吸システムを接続可能な中央空気圧供給ライン（例えば、医療施設の壁を通過するもの）、ほぼ一定容量の圧力容器（例えば、加圧空気タンク）、および／または人工呼吸システムを接続可能な内部または外部コンプレッサであってもよい。

人工呼吸システムは、１またはそれ以上のソレノイドアセンブリを含むことができる。例えば、ソレノイドアセンブリは、第１ソレノイドを有する第１アクチュエータを備えることができる。また、人工呼吸システムは、第２バルブ（例えば、吐出バルブ）を備えることもできる。第１アクチュエータは、第１バルブおよび／または第２バルブを作動させるように構成することができる。ソレノイドアセンブリは、第２バルブを作動させる第２ソレノイドを備えることができる。異なる設定では、ソレノイドバルブアセンブリが、圧力源から１またはそれ以上の圧力容器に空気を送り（すなわち、圧力容器を再充填し）、かつ／または、圧力容器から吸気ラインを介して患者に空気を送るようにしてもよい。

ソレノイドバルブアセンブリは、例えば、約３ワット未満、あるいは約１．６Ｗ以下の低電力を必要とする、例えば、小型の電磁弁により、大量の空気の流れを制御することができる。

このシステムは、必要に応じて、１またはそれ以上の異なるモードで作動させることができ、例えば、制御モード換気（すなわち、“ＣＭＶ”）、アシスト・制御（“Ａ−Ｃ”）、持続的気道陽圧（“ＣＰＡＰ”）および／または二相性気道陽圧（“ＢｉＰＡＰ”）モードの間で制御することができる。

別の実施形態によれば、圧力源と、第１圧力容器と、第２圧力容器と、患者に通ずるように構成された管路とを含む、患者に人工呼吸を行うための人工呼吸システムが提供される。このデバイスは、第１バルブを備え、圧力源を、第１バルブを介して圧力管路に連通させることができる。また、圧力源を管路に連通させることもできる。

さらに別の実施形態によれば、患者の気道を、圧力容器を有する人工呼吸器と連通させるステップを含むことができる、患者の人工呼吸を行う方法が提供される。この方法は、圧力容器内の圧力の変化を測定するステップを含むことができる。この方法は、圧力容器内の圧力の変化に少なくとも部分的に基づいて、人工呼吸器を作動させるステップを含むことができる。例えば、人工呼吸器は、流量を測定することなく、様々な動作段階、例えば、供給または吸気段階および／または貯留または呼気段階の期間に、動作させることができる。

この方法は、患者容器から患者の気道にガスを送るステップを含むことができる。圧力容器は、ガスタンクのような硬質で一定容積の構造であってもよい。圧力容器内の圧力は、患者の気道へのガスの供給中に減少するものであってもよい。この方法は、圧力容器内の圧力の変化を測定して、圧力容器から排出されるガスの量を決定するステップを含むことができる。この方法は、圧力容器から排出されるガスの量を出力デバイス、例えば、ディスプレイまたはその他のユーザインターフェースに表示するステップを含むことができる。

さらに別の実施形態によれば、患者の気道を人工呼吸器と連通させるステップを含む、患者の人工呼吸を行う方法が提供される。人工呼吸器は、圧力容器を含むことができ、この方法は、圧力容器内の圧力の変化を測定するステップを含むことができる。この方法は、圧力容器内の圧力の変化に少なくとも部分的に基づいて、人工呼吸器を作動させるステップを含むことができる。

本明細書に提示されるシステムおよび方法は、最新のＩＣＵまたは携帯型マシンの臨床的機能性を、その他のシステムよりも一桁小さい価格で提供することができる。さらに、本明細書中のシステムおよび方法は、最小限の電力で、かつ／または外部酸素または圧縮酸素を必要とせずに、操作することができる。

以上の概要は、本発明の各実施形態またはすべての実施を説明することを目的とするものではない。むしろ、本発明のより完全な理解が、添付図面を考慮して以下の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することにより、明らかとなり、把握されるであろう。

なお、図面に示す例示的なシステムおよび方法は必ずしも同じ縮尺で描かれてはおらず、その代わりに、図示の実施形態の様々な態様および特徴を示すことに重点が置かれている。以下の図面は、例示的な実施形態を示している。
図１は、人工呼吸器の例示的な実施形態の概要図で、人工呼吸器の構成要素間の空気とデータの流れを示している。図２は、図１の人工呼吸器の詳細図で、人工呼吸器のガスフローおよび制御要素の例示的な配置を示している。図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、図１および図２の人工呼吸器のような人工呼吸システムを作動させる例示的な方法の実行中における、患者気道の圧力循環および圧力容器の圧力循環の時間同期されたグラフである。図４は、図１および図２の人工呼吸器のような人工呼吸器を作動させる例示的なアルゴリズムを示すフローチャートである。図５Ａは、図１および図２の人工呼吸器のような人工呼吸器のハウジング上に設けることができる例示的なユーザインターフェースパネルの正面図である。図５Ｂは、人工呼吸器ハウジングと、水平および垂直の両方向において判読可能なディスプレイとを含む人工呼吸器システムの例示的な実施形態を示している。

図面を参照すると、図１は、人工呼吸器システム１０の例示的な実施形態、例えば、システム１０の様々な構成要素を保持する比較的軽量のハウジング１２を含む携帯型人工呼吸器を示している。一般に、システム１０は、後でさらに述べるように、圧縮ガスの１またはそれ以上の供給源２０からガスを受け入れる１またはそれ以上のソースライン２２と、ソースライン２２を介してガス供給源２０に接続され、かつ／または、例えば、患者にガスを送るために吸気ライン２４に接続される１またはそれ以上の貯蔵容器および／またはバルブを含むアレイ４０とを備える。例えば、図２に示すように、アレイ４０は、１またはそれ以上の貯蔵容器４２と接続された１またはそれ以上のバルブを含むバルブアセンブリ４６を含むことができる。また、システム１０は、１またはそれ以上のコントローラ６０も含むことができ、当該コントローラが、例えば、アレイ４０の１またはそれ以上のバルブを操作するために、アレイ４０に接続され、１またはそれ以上のセンサ、例えば、システム１０の１またはそれ以上の構成要素から圧力データを与える圧力センサ７０に接続され、かつ／またはシステム１０のその他の構成要素に接続される。

任意には、システム１０は、後でさらに述べるように、ハウジング１２に保持される１またはそれ以上の追加の構成要素、例えば、１またはそれ以上のユーザインタフェース６２、電源６４、流量制限器７２、バルブ７６，７８およびフィルタなどを含むこともできる。追加的または代替的には、システム１０は、１またはそれ以上の外部構成要素、例えば、圧縮ガスおよび／または液体の供給源、電源、管、バルブなど（図示省略）を含むことができ、ハウジング１２は、そのような構成要素をシステム１０に接続するための様々なコネクタ、例えば、空気圧式または電気的コネクタ（これも図示省略）を含むことができる。

一般に、人工呼吸システム１０は、吸気ライン２４および当該吸気ライン２４に接続された外部管および／またはその他の構成要素を介して患者にガスを制御可能に伝えることができる。人工呼吸システム１０は、後でさらに述べるように、患者に供給されるガスの流速および／または量を制御することができ、かつ／または、例えば、患者からの呼気に対する抵抗を制御することができる。なお、含まれる特定の流体が、正のゲージ圧（“加圧された”）または実質的にゼロのゲージ圧（“周囲の”）の何れの条件下であるかどうかに関わらず、空気、酸素などである場合であっても、かつ／または、含まれる特定の流体が、麻酔薬、亜酸化窒素、二酸化炭素などのようなその他の流体を含む場合であっても、“ガス”または“空気”という用語が本明細書中に一般的に使用されることがあることに留意されたい。

さらに図２を参照すると、加圧ガス２０の供給源の例示的な構成が示されており、この供給源は、エアコンプレッサ２６、１またはそれ以上のステップダウンオリフィスまたはその他の制限器２８、任意のプレフィル容器４４、システム１０内への外部加圧ガスの供給を制御するための任意の酸素制御バルブ２９を含む。ガス供給源２０の構成要素および／またはガス流路に沿って接続されるその他の構成要素は、必要に応じて、例えば、管またはその他の管路、マニホールドなど（図示省略）を含む１またはそれ以上の流路に接続されるものであってもよい。

コンプレッサ２６は、周囲空気またはその他のガスをシステム１０内に引き込んで、そのガスを、ソースライン２２に送るために、１またはそれ以上の所望圧力に圧縮することができる如何なるデバイスであってもよい。コンプレッサ２６は、一般に、１またはそれ以上の注入口、例えば、コンプレッサ２６内にガスを引き込むために制御バルブ２９と連通する注入口２６ａと、加圧ガスをソースライン２２に与えるための吐出口２６ｂとを含む。代替的には、コンプレッサ２６は、複数の注入口（図示省略）、例えば、周囲空気をコンプレッサ内に引き込むための注入口と、酸素制御バルブ２９またはその他の外部供給源からガスを受け入れるための注入口とを含むことができる。コンプレッサ２６がハウジング１２の外部の領域から周囲空気を引き込む場合には、粉塵またはその他のデブリを取り除くために、必要に応じて、１またはそれ以上のフィルタ（図示省略）をコンプレッサの注入口２６ａの上流側に設けるようにしてもよい。例示的な実施形態では、コンプレッサ２６が、約７００ｃｍＨ_２Ｏ（水柱センチメートル）（１０ｐｓｉ）以上の圧力、または約３５０ｃｍＨ_２Ｏ（５ｐｓｉ）以上の圧力を伝える能力を有するものであってもよい。

酸素制御バルブ２９は、一定容積の供給源、例えば、シリンダまたはタンク、実質的に連続的な供給源、例えば、病院またはその他の医療施設からの空気または酸素供給ライン、濃縮器、外部ポンプまたはコンプレッサなど（図示省略）のような、１またはそれ以上のガスの外部供給源に接続することができる。任意には、酸素制御バルブ２９は、バイパスバルブまたは位置を含むことができる。また、必要に応じて、外部供給源からソースライン２２に直接的にガスを伝える代わりに、コンプレッサ２０をバイパスするライン（図示省略）を設けることができる。

図示のように、酸素制御バルブ２９は、異なる外部ガス供給源に接続することができる２つの注入口２９ａ，２９ｂを含むことができる。例えば、注入口２９ａは、空気、例えば、周囲空気および／または圧縮空気の１またはそれ以上の外部供給源に接続することができ、一方、注入口２９ｂは、純酸素、例えば、低流量酸素および／または圧縮酸素の１またはそれ以上の外部供給源に接続することができる。酸素制御バルブ２９の注入口２９ａ，２９ｂと連通する各ラインは、例えば、外部供給源が圧縮ガスを含む場合には、最大所定圧力を超えないように、ステップダウンレギュレータ２８ａ，２８ｂを含むことができる。ハウジング１２は、酸素制御バルブ２９およびコンプレッサ２６内に伝達するために、外部供給源をシステム１０に接続するコネクタ（図示省略）を含むことができる。

酸素制御バルブ２９は、コンプレッサ２６に伝えられる、注入口２９ａ，２９ｂと連通する外部供給源からのガスの比率または混合を制御することができる。例えば、酸素制御バルブ２９は、多重位置デバイス、例えば、２位置、３位置または４位置のレギュレータまたは制御バルブであってもよく、それは、ユーザにより手動で作動されるものであっても、あるいはコントローラ６０によって電子的に作動されるものであってもよい。例えば、酸素制御バルブ２９は、約２１％（すなわち、追加の酸素無し）、約５０％または約１００％の酸素を外部供給源（図示省略）からコンプレッサの注入口２６ａに（またはソースライン２２に直接的に）伝える離散的な設定を有することができる。酸素制御バルブ２９の約１００％の設定では、患者に伝達される唯一のガスが実質的に外部酸素供給からのものとなる。このため、酸素制御バルブ２９は、放出される酸素の比率を制御するように（例えば、酸素量と空気量の比率として計算されるように）調節されるものであってもよい。代替的には、制御バルブ２９は省略することができ、任意の外部ガス供給源が、単にハウジング１２のコネクタを介してコンプレッサ２６および／またはソースライン２２に接続されるものであってもよい。

任意には、ステップダウン制限器（図示省略）はソースライン２２内に設けるようにしてもよい。例えば、制限器は、供給源に関係なく、すなわち、ガスがコンプレッサ２６からのものであるか、あるは制御バルブ２９を介した外部供給源からのものであるのかに関わらず、例えば、最大圧力を超えないように、バルブアセンブリ４６に流入するガスを調節するオリフィスまたはその他のデバイスであってもよい。例えば、そのような圧力ステップダウン制限器は、ソースライン２２から、すなわち、コンプレッサ２６および／または制御バルブ２９から、バルブアセンブリ４６に伝達される圧力を、例えば、約７００ｃｍＨ_２Ｏ（１０ｐｓｉ）以下に制限することができる。

必要に応じて、ガス供給源２０は、コンプレッサ２６および／または外部供給源から供給されるガスを一時的に貯留するための１またはそれ以上の容器またはタンクを含むことができる。後でさらに述べるように、例えば、バルブアセンブリ４６および／または患者容器４２に伝達されるガスを補うために、コンプレッサ２６からの加圧ガスがプレフィル容器４４内に送られるように、かつ／またはプレフィル容器４４内に貯留されたガスがソースライン２２内に供給されるように、例えば、図２に示すように、ソースライン２２と連通するプレフィル容器４４を設けることができる。

コンプレッサ２６および／またはその他の構成要素は、１またはそれ以上の電源、例えば、１またはそれ以上のバッテリにより、駆動することができる。例えば、充電式バッテリ６４の単一アレイは、ハウジング１２（図１に示される）内に設けることができ、電力を必要とするシステム１０の構成要素のすべてに接続することができる。代替的には、必要に応じて、コンプレッサ２６、コントローラ６０および／またはアレイ４０のバルブに、個別の電源（図示省略）を設けることも可能である。

追加的または代替的には、電源は、システム１０を、発電機、１またはそれ以上の動力電池、バッテリ、建物の壁コンセントなど（図示省略）のような外部電源に接続するためのコネクタ（図示省略）を含むことができる。外部電源が交流源である場合には、システム１０は、当該システム１０の構成要素により使用される電力を変換する直流アダプタ（図示省略）を、例えば、ハウジング１２の内部または外部に含むことができる。任意には、外部電源がシステム１０に接続されるときには、システム１０が１またはそれ以上のバッテリを選択的にまたは自動的に充電するようにしてもよい。

任意には、人工呼吸システム１０は、バルブアセンブリ４６を迂回して、ソースライン２２と吸気ライン２４間の選択的な流路を提供することができるＣＰＡＰまたはＢｉＰＡＰの回路（図示省略）を含むことができる。例えば、ユーザおよび／またはコントローラ６０により制御される手動または自動スイッチ（図示省略）は、ＢｉＰＡＰ回路を開放して、ガスがバルブアセンブリ４６に流入するのを防止する。ＣＰＡＰ回路は、加圧空気またはその他のガスの実質的に連続的な流れを所定圧力で患者に伝えるために、ソースライン２２から吸気ライン２４に直接繋げるラインを含むことができる。代替的には、ＢｉＰＡＰ回路は、２または可変圧力で、加圧ガスの実質的に連続的な流れを伝えることができる。ＣＰＡＰまたはＢｉＰＡＰ回路は、加圧ガスの実質的に連続的な流れを１またはそれ以上の所定圧力で患者に伝えるための固定または可変流量制限器を含むことができる。コントローラ６０は、回路中のＢｉＰＡＰまたはＣＰＡＰスイッチ（図示省略）に接続することができ、ＢｉＰＡＰまたはＣＰＡＰモードで運転するときに、コントローラ６０は、加圧ガスをガス供給源２０からＢｉＰＡＰまたはＣＰＡＰ回路を介して送って、バルブアセンブリ４０を迂回させるために、ＢｉＰＡＰまたはＣＰＡＰスイッチを調節することができる。

特に図２を参照すると、システム１０は、概して、加圧ガスを蓄えるための１またはそれ以上の貯留容器またはタンク、例えば、患者貯留容器４２を含み、バルブアセンブリ４６は、患者容器４２、供給ライン２２および／または吸気ライン２４間の加圧ガスの流れを誘導するための１またはそれ以上のバルブを含む。図示の例示的な実施形態では、バルブアセンブリ４６は、電気機械ソレノイドバルブアセンブリ、油圧バルブアセンブリ、空気バルブアセンブリなどのような単一のバルブ、例えば、３ポート２位置ソレノイドバルブを含むことができる。

例えば、図示のように、ソレノイドバルブアセンブリ４６は、ソースライン２２に接続された流入ポート４６ａと、１またはそれ以上の貯留容器４２と接続するためのソレノイドバルブアセンブリ４６からのポート４６ｂと、吸気ライン２４への流出ポート４６ｃとを備えることができる。このため、ソレノイドバルブアセンブリ４６は、後でさらに述べるように、ガス供給源２０およびソースライン２２から患者容器４２に、また患者容器４２から吸気ライン２４にそれぞれガスの流れを制御することができる。

代替的には、バルブアセンブリ４６は、２またはそれ以上のバルブを含むことができ、それらバルブは、後述するように、人工呼吸器１０を通る選択された流路、例えば、ソースライン２２と患者容器４２間の第１流路と、患者容器４２と吸気ライン２４間の第２流路とを開放または閉鎖することができる。このため、何れかの実施形態では、バルブアセンブリ４６は、後でさらに述べるように、２またはそれ以上の態様の間、例えば、貯留態様と供給態様間で切り換えられる。後でさらに述べるように、供給態様では、例えば、換気ガスを患者容器４２から患者に送るために、患者容器４２と吸気ライン２４間で第１流路を開放することができ、貯留態様では、例えば、加圧ガスを患者容易器４２に送って患者容器４２を再注入または補充するために、ガス供給源２０と患者容器４２間に流路を形成することができる。

一般に、患者容器４２は、予測される最大容器圧力で、予測される一回の最大換気量、すなわち、一回の吸入中に患者に投与される単回ボーラスのガスに近付くようにサイズ設定される。例えば、患者容器４２は、患者において約４０ｃｍＨ_２Ｏで８００ｃｃの一回の呼吸分を送るために、容器内に約５６ｃｍＨ_２Ｏで約２，０００立方センチメートル（２，０００ｃｃ）のガスまで収容することができ、あるいは患者において２０ｃｍＨ_２Ｏで８００ｃｃの一回の呼吸分を送るために、容器内に約６０ｃｍＨ_２Ｏで約４００立方センチメートル（４００ｃｃ）のガスまで収容することができる。また、容器の容積および最大圧力は、人工呼吸器または患者回路内のガスフローに対する抵抗に基づいて変化するものであってもよい。一例として、比較的高圧または大きい容器は、患者へのガスの流れを増加させるために望まれることがある。このため、患者容器４２は、約４００乃至２，０００立方メートル（４００−２，０００ｃｃ）の容積を有する実質的に硬いシリンダまたはその他の閉じた容器とすることができる。

代替的には、システム１０は、２の圧力容器、例えば、仮出願第６１／２６０，２９６号に記載されているように、大きい患者圧力容器および小さい患者圧力容器（図示省略）を含む。システム１０が多数の圧力容器を含む場合、圧力容器は、寸法および／または形状において構造的に同一であっても、あるいは異なる寸法および形状を有するものであってもよい。この選択肢では、バルブアセンブリ４０は、例えば、容器および／またはシステム１０のその他のラインの間のフローを制御するために、コントローラ６０とデータ通信を行う、かつ／またはコントローラ６０の制御下にある１またはそれ以上の圧力容器スイッチ（図示省略）を含むことができる。例えば、コントローラ６０により作動されるとき、圧力容器スイッチは、出願第６１／２６０，２９６号に記載のように、患者容器からバルブアセンブリ４６に、あるいはその反対に、かつ／または患者容器から圧力容器の一方または両方に、あるいはその反対に、ガスフローを送ることができる。

患者容器４２は、患者容器圧力センサ７０ａのような１またはそれ以上の圧力センサを含むことができる。任意には、システム１０が小児用（またはその他の追加的な）貯留容器（図示省略）を含む場合には、小児用貯留容器は、小児用貯留容器圧力センサ（これも図示省略）のような１またはそれ以上の圧力センサも含むことができる。貯留容器圧力センサ７０ａは、患者容器４２の内部ボリューム内に配置することができ、あるいは、患者容器４２の内部ボリュームに接続する必要はあるが、これに隣接して配置することもできる。圧力センサ７０ａは、後でさらに述べるように、例えば、患者容器４２の圧力データをコントローラ６０に与えるために、コントローラ６０に接続することができる。

任意には、システム１０は、１またはそれ以上の追加の圧力センサを含むことができ、それらは、システム１０の運転中にコントローラ６０により使用され得る圧力データを与えるためにコントローラ６０に接続することができる。例えば、システム１０は、周囲圧力センサ７０ｂを含むことができ、このセンサは、コントローラ６０に周囲圧力データを与えるために、外部の周囲圧力に曝される。

また、患者気道センサ７０ｃは、後でさらに述べるように、例えば、吸気ライン２４が患者の気道と連通する位置における吸気ライン２４内の圧力を検出するために、吸気ライン２４内に設けることができる。

また、人工呼吸システム１０は、例えば、システム１０の吸気ライン２４および／または呼気ライン７４において、１またはそれ以上のレギュレータおよび／またはバルブを含むことができる。例えば、流量制限器７２は、例えば、患者９０とバルブアセンブリ４６の間で、吸気ライン２４内に設けることができる。流量制限器７２は、患者に伝達される吸気圧を、例えば、約６０ｃｍＨ_２Ｏ（０．９ｐｓｉ）の最大値に制限するように構成することができる。任意には、流量制限器７２は、吸気中に患者に伝達される換気ガスの流量を制御するために、調節することができる。例えば、流量制限器７２は、例えば、当該流量制限器７２がコントローラ６０から切り離されるように、吸気ライン２４を介して患者９０に供給可能な最大流量を変化させるために手動で調節可能である。例えば、流量制限器７２は、ハウジング１２のノブまたはその他の制御部（図示省略）を介して、または流量制限器７２に直接アクセスすることにより、調節することができる。代替的には、必要に応じて、流量制限器７２は、例えば、コントローラ６０が流量制限器７２を作動させてユーザ入力および／またはシステム１０の運転パラメータに基づいて最大流量を調節することができるように、コントローラ６０に接続することができる。

任意には、人工呼吸システム１０は、例えば、流量制限器７２および患者９０の下流の吸気ライン２４においても、圧力逃しバルブ（図示省略）を含むことができる。圧力逃しバルブは、例えば、吸気圧を約６０ｃｍＨ_２Ｏ（０．９ｐｓｉ）以下の圧力に制限するために、吸気ライン２４に生じ得る過剰圧力を自動的に開放および解放するように構成することができる。

患者気道センサ７０ｃは、流量制限器７２の下流側および／または、例えば、ハウジング１２の外側の患者回路への接続点に隣接する圧力逃しバルブの下流側において、吸気ライン２４内に設けることができる。コントローラ６０は、患者が曝される吸気圧力を検出するために、患者気道センサ７０ｃに接続することができる。例えば、コントローラ６０は、患者気道センサ７０ｃからのデータを使用して、気道のピーク圧力、気道の静圧および／または動圧、および／またはその他のパラメータを判定することができる。

別個の圧力センサ７０ｂは、周囲圧力を測定するために使用される。周囲圧力センサ７０ｂは、気道圧力センサ７０ｃからのデータと併用して、患者の呼吸トリガ（−２乃至−５ｃｍＨ_２Ｏの変化）を判定するために使用されるデータをコントローラ６０に返す。後でさらに述べるように、新規の患者の各々について、較正ルーチンを行うことができる。較正プロセス中、患者回路は接続されて蓋で覆われ、コントローラ６０は、回路を介して換気ガス空気を循環させて、その量を記録し、これは、生理学的な一回の呼吸量のより近い推定値を与えるために、表示される一回の呼吸量から差し引かれる。

さらに、人工呼吸システム１０は、例えば、ハウジング１２の外部に、呼気ブロック（expiratory block）を備えることができ、この呼気ブロックを介して、患者は息を吐き出すことができる。例えば、図２に示すように、呼気ブロックは、吐出バルブ７６およびＰＥＥＰ（“呼吸終末陽圧”）バルブ７８を含むことができ、それらは、吸気ライン２４と連通する外部の管に接続することができる。これらのバルブ７６および７８の一方または両方は、着脱可能、使い捨て可能および／または再使用のために洗浄可能とすることができ、あるいはシステム１０の管、ハウジングまたはその他の構成要素に恒久的に取り付けられるものであってもよい。

吐出バルブ７６は、呼気中に大気に開放されて、吸気中に閉鎖されるように構成することができる。吐出ガスライン７７は、例えば、バルブアセンブリ４６から吐出バルブ７６に伝えることができ、任意には、バルブ、例えば、２ポートソレノイドバルブ（図示省略）を、吐出バルブガスライン７７内への空気フローを制御するために、吐出バルブガスライン７７に設けるようにしてもよい。吐出バルブ７６は、患者９０から、ＰＥＥＰバルブ７８と任意の放出バルブ、例えば、実質的にゼロ抵抗の放出ソレノイドバルブ（図示省略）との間に呼気を送ることができる。放出バルブは、コントローラ６０および／または電源（図示省略）に接続され、選択的に開閉される。例えば、放出バルブが開かれると、吐出バルブ７６は、開放された放出バルブの外に呼気ガスを送ることができる。放出バルブが閉められると、吐出バルブ７６はＰＥＥＰバルブ７８に呼気ガスを送ることができる。放出バルブは、吐出バルブ７６と一体であっても、あるいは吐出バルブ７６とは別個に取り付けられた構成要素であってもよい。

ＰＥＥＰバルブ７８は、所望のＰＥＥＰ圧力を設定するために自動的および／または手動で調節可能であり、かつ／またはバネ荷重バルブであってもよい。例えば、ＰＥＥＰバルブ７８は、コントローラ６０に接続することができ、コントローラは、ＰＥＥＰ圧力を調節するために、ＰＥＥＰバルブ７８内のモータまたはソレノイド（図示省略）を作動させることができる。ＰＥＥＰ圧力は、例えば、約０Ｈ_２Ｏ（０ｐｓｉ）と約３０ｃｍＨ_２Ｏとの間とすることができる。

上述したように、コントローラ６０は、例えば、データを受け取るために、かつ／またはシステム１０の様々な構成要素の動作を制御するために、システム１０の様々な構成要素に接続することができる。コントローラ６０は、１またはそれ以上のハードウェア構成要素、例えば、１またはそれ以上のプロセッサ、メモリ、記憶デバイスなど（図示省略）、および／または装置１０の動作の１またはそれ以上の態様を制御するソフトウェアモジュールを含むことができる。コントローラ６０は、１またはそれ以上のディスプレイ、入力デバイスなどを含むユーザインターフェース６２に接続することができ、それにより、システム１０に関する動作パラメータおよび／またはその他の情報を表示し、かつ／またはユーザがパラメータを設定することを可能とし、あるいはシステム１０の動作への入力を与えることができる。

例えば、コントローラ６０は、患者容器圧力センサ７０ａ、周囲圧力センサ７０ｂ、患者気道センサ７０ｃおよび／または人工呼吸システム１０のその他の圧力センサ（図示省略）から圧力データを受信し、かつ、１またはそれ以上のパラメータを表示し、かつ／または取得した圧力データに少なくとも部分的に基づいてシステム１０を操作するために、接続することができる。コントローラ６０は、バルブアセンブリ４６、ＢｉＰＡＰスイッチ、放出ソレノイドバルブおよび／またはシステム１０のその他の操作可能な構成要素に対して制御データを送信し、かつ／またはそれらから制御データを受信することができる。

患者容器圧力センサ７０ａからのデータを使用して、コントローラ６０は、吸入の始めからの圧力降下に少なくとも部分的に基づいて、一回換気量および分時換気量を判定することができる。例えば、コントローラ６０は、患者気道センサ７０ｃからの圧力データに基づいて、予め設定された圧力の変化、例えば、０．０１秒乃至０．５秒、より範囲を狭めると、０．１秒乃至０．３秒、例えば、約０．２秒以内に、約−２ｃｍＨ_２Ｏ（０．０３ｐｓｉ）の変化が検出されたときに、患者の呼吸の始まりを検知することができる。

ユーザは、ユーザインタフェース６０を介してコントローラ６０に、人工呼吸システム１０の性能特性を設定することができる。例えば、ユーザは、吸気圧、酸素濃度、吸気と呼気の比率、ＰＥＥＰ圧力またはそれらの組合せを設定することができる。

コントローラ６０は、例えば、バルブアセンブリ４６、ＢｉＰＡＰスイッチおよび／またはシステム１０のその他の構成要素を制御することにより、換気のモードを制御することができる。例えば、コントローラ６０は、本明細書中の他の部分で述べるように、制御モード換気（“ＣＭＶ”）、アシスト制御（“Ａ−Ｃ”または“Ａ／Ｃ”）モード換気、またはＢｉＰＡＰまたはＣＰＡＰモード換気のような、１またはそれ以上のモードで動作するように、人工呼吸システム１０を設定するために使用することができる。

制御モード換気では、人工呼吸システム１０は、ほぼ一定の割合で患者に、個別の離散した加圧ボリュームの空気（“人工呼吸器の呼吸”）を送ることができる。吸気と呼気の比率は、例えば、２：１、１：１、１：２、１：３または１：４とすることができる。吸気流速は、例えば、１分当たり、約０と６０の間（０−６０）の呼吸数とすることができる。人工呼吸システム１０は、１分当たり１回の呼吸数の増加で、１分当たりの呼吸数を調整するように制御可能とすることができる。

アシスト制御モード換気では、患者は、（例えば、患者の吸気が、患者圧力センサにより検知される−２ｃｍＨ_２Ｏ（０．０３ｐｓｉ）の圧力の変化を生じさせたときに）吸気を開始することができる。その後、コントローラ６０は、バルブアセンブリ４６を制御して、患者容器４２からの換気ガスを、吸気ライン２４および／または流量制限器７２内に流入させるべく送ることができる。患者の吸気が所与の時間、すなわち、約２秒乃至約８秒、例えば、約６秒以内に検出されない場合には、コントローラは、人工呼吸器の呼吸を引き起こすことができる。ユーザは、コントローラ６０が人工呼吸器の呼吸を引き起こす前にその時間を設定するために、例えば、ユーザインターフェース６２を介して、人工呼吸タイマーを調節することができる。

ＢｉＰＡＰまたはＣＰＡＰモードでは、コントローラ６０は、患者にほぼ連続的なガス圧力を供給するために、バルブアセンブリ４６を迂回して、ソースライン２２からの加圧ガスをＢｉＰＡＰ（あるいはＣＰＡＰ）回路を介して送るために、ＢｉＰＡＰ（あるいはＣＰＡＰ）スイッチを調節することができる。

また、システム１０は、同期的間欠的強制換気（“ＳＩＭＶ”）モードおよび圧支持ＳＩＭＶ（“ＰＳ−ＳＩＭＶ”）モードで運転するように構成されている。患者が呼吸困難から回復したら、患者は人工呼吸器から外されて自発呼吸に戻ることができる。人工呼吸器からの離脱は、換気の患者起動の同期モード、例えば、同期的間欠的強制換気（ＳＩＭＶ）モードまたはアシスト制御モードを使用して、遂行することができる。

ＳＩＭＶは、患者の自然および自助努力と同期する予め設定された数の人工呼吸を提供する。ＰＳ−ＳＩＭＶモードでは、患者が開始した呼吸の各々が、オペレータにより選択された予め設定された圧力量で補助される。

ＳＩＭＶモードでは、人工呼吸システム１０は、自発的な吸気を検知するために、Ａ／Ｃモードで使用された同じ吸気誘発アルゴリズムを使用することができる。しかしながら、この呼吸は、システム１０からの陽圧により補助されることはない。その代わりに、ＳＩＭＶモードが選ばれるときに吐出バルブ７６が開放され、患者が、ＰＥＥＰを加えて周囲空気を吸入して、呼吸仕事量すべてを自身で行う。吐出バルブ７６は、人工呼吸器の吸気サイクル中以外は、ＳＩＭＶモードの間、開状態に保つことができる。

一般に、図２をさらに参照すると、運転中のシステム１０を通る空気の流れは、以下に説明するようになる。加圧ガスは、上述したように、例えば、コンプレッサ２２および／または１またはそれ以上の外部供給源（図示省略）から供給されて、ソースライン１２に与えられる。ソースライン２２からの加圧ガスは、バルブアセンブリ４６に伝えられ、バルブアセンブリが、患者容器４２および／または吸気ライン２４へのフローを制御する。例えば、貯留フェーズ中は、バルブアセンブリ４６は、ソースライン２２から患者容器４２への流路を開放する貯留態様に向けられる。このため、加圧ガスが患者容器４２内に送られて、患者容器４２が再注入または補充される。供給フェーズ中は、バルブアセンブリ４６は、患者容器４２から吸気ライン２４への流路を開放する供給態様に向けられる。このため、患者容器４２からの換気ガスは、吸気ライン２４を介して患者に供給され、患者容器４２および吸気ライン２４はソースライン２２から分離される。

システム１０がプレフィル容器４４を含む場合には、プレフィル容器４４は、ソースライン２２との接続を常に維持することができる。例えば、供給フェーズ中は、プレフィル容器４４は、コンプレッサ２６または外部供給源から加圧ガスを受け入れる一方、貯留フェーズ中は、プレフィル容器４４は、患者容器４２に送られる加圧ガスを補うことができる。

患者容器４２に接続された圧力センサ７０ａは、コントローラ６０に圧力データを提供し、コントローラは、そのデータを使用して、吸気の始まりから終わりまでの圧力降下に少なくとも部分的にまたはそれのみに基づいて、一回換気量および／または分時換気量を判定する。

流量制限器７２は、吸気中、吸気ライン２４を介して患者に送られる換気ガスの流量を制限または制御する。流量制限器７２の下流において、換気ガスは、例えば、約６０ｃｍＨ_２Ｏで開放するように設定された圧力逃しバルブと、例えば、外部患者回路への接続点に配置される患者気道センサ７０ｃとを通る。患者気道センサ７０ｃは、コントローラ６０にデータを返し、コントローラは、そのデータを使用して、ピーク気道圧力を判定する。これは、ユーザインターフェース６２のコントロールパネル上に表示されるものであってもよい。患者により吐き出された空気は、吐出バルブ７６を通って戻り、吐出バルブは、呼気中は大気に開放される一方、吸気中は、閉じた状態に保たれる。吐出ガスラインバルブ（図示省略）は、システム１０のその他の構成要素と同じまたは異なる電源により駆動されるが、吐出バルブガスライン７７に流入する空気の流れを制御する。吐出された空気は、デバイスから出る前に、呼吸終末陽圧（ＰＥＥＰ）バルブ７８を通過する。

周囲圧力センサ７０ｂは、周囲圧力を測定するために使用される。コントローラ６０は、患者気道センサ７０ｃからのデータとともに、例えば、患者の呼吸の始動（−２乃至−５ｃｍＨ_２Ｏの変化）を判定するときに、センサ７０ｂからのデータを使用する。

システム１０の使用前に、新規の患者の各々に対して較正ルーチンを実行するようにしてもよい。較正プロセス中、外部患者回路は、吸気ライン２４に接続されて、蓋で覆われる。その後、システム１０は、回路を介して換気ガスを循環させるように運転され、コントローラ６０は測定量を記録し、その測定量は、表示される一回呼吸量から差し引かれて、生理学的な一回呼吸量のより厳密な推定値が与えられる。

図３Ａおよび図３Ｂは、アシスト／制御モード換気で運転されているときのシステム１０の圧力パラメータを示している。図３Ａに示すように（図２をさらに参照すると）、Ａ点における患者の吸気の試みは、圧力の所定の降下が患者気道センサ７０ｃで検出されたときに、システム１０からの空気供給を引き起こしている。選択されたモードに応じて、特定の圧力、吸気時間または量の限界の何れかが、コントローラ６０に合図して、吸気ライン２４を介した患者への空気流を停止するようにバルブアセンブリ４６を調節させる。例えば、予め設定されたピーク圧力で供給を中止するようにコントローラ６０が設定されている場合には、圧力限度が患者気道センサ７０により検出され、一方、予め設定された量の限度で供給を中止するようにコントローラが設定されている場合には、一回呼吸量が患者容器圧力センサ７０ａにより検出される。任意には、コントローラ６０は、吸気および呼気の時間および周囲圧力を追跡するようにしてもよい。

誤った始動（自動循環）を抑制するために、コントローラ６０は、呼気圧力を分析する前に、予め設定された最小吐出時間、待機するようにしてもよい。例えば、図３Ａに示すように、Ｄ点で最小吐出時間過ぎた後、コントローラ６０は、圧力の経時的な変化を分析し、ｄｐ／ｄｔを測定し、ｄｐ／ｄｔが、例えば、０．１秒当たり約−２ｃｍＨ_２Ｏを超えたときに、呼気の始動を判定することができる。その時に、圧力循環を再び開始する。

図３Ｂは、患者気道と患者容器との間の圧力の経時的な変化を比べている。図３Ａに関して上述したように、Ａ点では、患者が吸入することを試み、これは、コントローラ６０がＢ点でバルブアセンブリ４６を供給態様とするきっかけとなる。図示のように、Ｂ点では、患者容器４２内の圧力が最大化され、その直後に、バルブアセンブリ４６が供給態様とされて、患者容器４２と吸気ラインとの間の流路が開放される。吸入中、Ｂ点の後に、患者気道内の圧力が上昇し、患者容器４２内の圧力が低下する。

Ｃ点では、コントローラ６０は、バルブアセンブリ４６を貯留態様として、患者容器４２と吸気ライン２４との間の流路を閉鎖するとともに、患者容器４２とソースライン２２との間の流路を開放し、それにより、患者への換気ガスの供給を中止する。このため、患者の気道内の圧力が減少し始める。患者ソース容器４２が、ソースライン２２を介して、ガス供給源２０、例えば、コンプレッサ２６、外部供給源、および／またはプレフィル容器４４に連通することにより、図示のように、患者容器４２内の圧力がＣ点とＥ点の間で上昇する。

図４は、システムの運転中にコントローラ６０が実行する例示的なアルゴリズムまたは命令を示しており、それには、例えば、システム１０に置かれた患者の呼気の始めから開始される吸気始動アルゴリズムが含まれる。上述したように、コントローラ６０は、１またはそれ以上のプロセッサ、メモリおよびその他のハードウェア構成要素、および／またはコントローラ６０の各種機能を行う１またはそれ以上のソフトウェアモジュールを含むことができる。例えば、一実施形態では、コントローラ６０は、システム１０を操作する複数の電気部品が設けられた単一の電気回路基板を含むことができる。代替的には、コントローラ６０は、システム１０の様々な態様の動作を制御する複数のサブコントローラとして提供することもできる。

ステップ１１０では、例えば、“オン”スイッチまたはその他の入力がユーザインターフェース６２から起動されてシステム１０がオン状態に切り換えられたときに、システム１０が初期化される。そのときにコントローラ６０の任意のレジスタが初期化され、かつ／またはシステム１０の任意のハードウェア構成要素が検査および／または起動される。例えば、コントローラ６０は、メモリ（図示省略）内に、１またはそれ以上のパラメータ、例えば、コントローラ６０の呼気中の患者気道における圧力の時間微分についての“最低傾斜”値、および／または次の運転のための、一定のまたは運転中に変化するＰＥＥＰについての値を記憶することができる。例示的な実施形態では、アルゴリズムが始まるときに、コントローラ６０は、当該コントローラメモリ中のＰＥＥＰの値をゼロ（０）にリセットすることができる。

ステップ１１２では、コントローラ６０は、例えば、ユーザがシステム１０を較正するようにコントローラ６０に指示したかどうかを判定するために、ユーザインタフェース６２の入力デバイスをポーリングすることができる。例えば、ユーザインタフェース６２は、決められた較正ボタン６２ａ（図５Ａを参照）を含むものであってもよく、あるいは、例えば、タッチスクリーンまたはその他の入力デバイス上の一組のメニューから較正が選択されるものであってもよい。較正を行うべきであるとコントローラ６０が判定した場合には、コントローラ６０は、ステップ１１４で較正を実行することができる。

１回の吸気中に人工呼吸器により送られる空気の全容積は、２つの要素、すなわち、“一回呼吸量”、患者の肺を実際に満たす空気と、死腔とから構成される。死腔は、気管および主気管支を含む“生理学的死腔”と呼ばれる口から肺までの患者の気道と、“患者回路”、すなわち、患者と人工呼吸器とを接続する流路の容積とを含むことができる。較正処理は、所与の吸気圧における患者回路中の空気量を判定することを伴うことができる。この量は、吸気中に患者容器４２から送られる全容積から後で差し引かれて、一回呼吸量として表示される。死腔を除いたより正確な一回呼吸量を得るためのシステム１０の較正は、すべての患者に対して、例えば、一回呼吸量が患者回路量と同じかそれ未満である小児または小さい患者に対しても、使用することができる。

システム１０は、較正中に、オペレータにより設定された吸気圧で、１回の呼吸、または設定回数の呼吸、例えば、５回の呼吸を供給する。較正処理を実行するために選択された吸気圧は、患者の使用中に加えられる吸気圧と同一またはほぼ同一とすべきである。患者回路は、較正処理中、システム１０に装着されるが、その端部は、例えば、プラスチックキャップまたはオペレータの親指で覆われる。患者容器４２から送られる量は、較正処理中に送られる呼吸の各々について記録される。較正処理が終了するとすぐに、それら量の平均が導き出されてコントローラ６０のメモリに記憶される。記憶された患者回路量の平均は、換気ガスのその後の供給中にすべての一回呼吸量から差し引かれ、その差がユーザインターフェース６２上に表示され、かつ／またはコントローラ６０のメモリ内に記憶される。患者回路量の平均は、較正処理が繰り返されるか、システム１０がオフに切り換えられるまで、メモリ中に保持され、かつ／またはコントローラ６０により使用される。患者回路が患者から分離された場合には、較正処理をいつでも繰り返すことができる。

次に、ステップ１２０では、コントローラ６０が、ユーザインターフェース６２をポーリングして、ユーザにより換気の特定のモードが選択されたかどうかを判定することができる。例えば、図５Ａに示すように、ユーザインタフェース６２は、ユーザが選択できるモードのメニュー６２ｃを含むようにしてもよい。図４に戻ると、自動またはアシストモードの例示的な選択が示されている。ここで、コントローラ６０およびシステム１０は、他の部分で説明したように、それら２つのモードよりも多いその他のモードで運転できることに留意されたい。

例えば、ステップ１３０で自動モードが選択された場合（またはその他のモードが選択されず、かつ自動モードがデフォルトである場合）には、システム１０は、吸引を開始し、すなわち、バルブアセンブリ４６を供給態様として、換気ガスを患者容器４２から吸気ライン２４を介して患者に供給する。換気ガスが患者容器４２から患者に送られている間、患者容器４２内の圧力は、例えば、患者容器圧力センサ７０ａを使用して、ステップ１３２で、コントローラ６０により周期的に監視されるものであってもよい。ステップ１３４では、コントローラ６０は、吸気タイマーが切れたかどうかを問い合わせる。切れていない場合には、コントローラ６０はステップ１３２に戻り、換気ガスがさらに供給されるときに、患者容器４２内の圧力を監視し続ける。吸気タイマーが切れたことをコントローラ６０が判定した場合には、コントローラ６０は、バルブアセンブリ４６を貯留態様として、患者への換気ガスの供給を中止する。

その後、ステップ１３６では、コントローラ６０は、患者に供給された換気ガスの一回呼吸量を判定する。コントローラ６０は、患者容器４２内の圧力の変化に少なくとも部分的に基づいて一回呼吸量を判定することができる。例えば、一回呼吸量は、例えば、ガス供給の継続時間および／または流量を必要とすることなく、吸気サイクル中に圧力容器における圧力の変化を単に測定することにより求めることができる。室温では、空気と酸素は理想気体であり、圧力容器の容積は不変である。このため、コントローラ６０は、理想気体の法則（ｐＶ＝ｎＲＴ）を使用して、吸気中に圧力容器により与えられるガスのモルを導き出すことができる。その後、コントローラ６０は、患者気道圧力下で、一回呼吸量と等しい、ガスの量を求めることができる。

コントローラ６０は、１分毎に、過去の分時（past minute）の間に吸入された一回呼吸量の合計を１分毎に分けることにより、分時換気量を求めることができる。

ステップ１３８では、システム１０は、吐き出しを開始し、ステップ１４０では、例えば、患者気道センサ７０ｃを使用して、患者圧力を監視するようにしてもよい。ステップ１４２では、コントローラ６０は、最小の呼気時間が経過したかどうかを周期的に確認するようにしてもよい。最小の呼気時間が経過していない場合には、コントローラ６０は、ステップ１４０に戻り、患者圧力を監視し続けるようにしてもよい。

任意には、最小の呼気時間が経過すると、コントローラ６０は、人工呼吸が必要であるかどうか（すなわち、患者の最後の吸気からあまりにも長い時間が経過していないかどうか）を確認するようにしてもよい。人工呼吸が必要かどうかは、人工呼吸タイマーが経過しているかどうかを確認することにより判定される。人工呼吸タイマーが経過した場合、コントローラ６０は吸入を開始するようにしてもよい。人工呼吸が必要ではない場合には、コントローラ６０は、患者気道センサ７０ｃがコントローラのメモリ内のＰＥＥＰ値未満の圧力を検出するかどうかを判定するようにしてもよい。その後、コントローラ６０は吸入を開始するようにしてもよい。

患者気道センサ７０ｃにより測定された患者気道圧力がコントローラのメモリに記憶されたＰＥＥＰ値よりも依然として高い場合には、コントローラ６０は、患者気道センサ７０ｃから予め設定された数の直前の測定値、例えば約５のサンプルを抽出して、圧力の経時的な変化が、吸気誘発限度、例えば、０．１秒当たり約−２ｃｍＨ_２Ｏ未満であるかどうかを確認する。

圧力の経時的な変化が、（ゼロ以下である）吸気誘発限度以上である場合には、コントローラ６０は、人工呼吸タイマーが経過したかどうかを確認するアルゴリズムのステップに戻るようにしてもよい。

圧力の経時的な変化が、（ゼロ以下である）吸気誘発限度よりも大きい場合には、コントローラ６０は、最近の圧力の経時的な変化が、所与の呼気について記録されたゼロに最も近い圧力の経時的な変化であるかどうか（すなわち、傾斜がフラットであるかどうか）を確認するようにしてもよい。圧力の経時的な変化が吸気誘発限度よりも小さい場合には、コントローラ６０は、最近の圧力の経時的な変化が、予め設定された最小傾斜値よりも大きいかどうかを確認する。最近の圧力の経時的な変化が最小傾斜値よりも大きく、かつ最も最近記録された圧力の経時的な変化が所与の呼気についてゼロに最も近い場合には、コントローラ６０は、当該コントローラのメモリに、以前のＰＥＥＰ値と置き換えて、新しいＰＥＥＰ値として現在の圧力を設定する準備がなされるようにしてもよい。その後、コントローラ６０は、当該コントローラのメモリに、最も最近の圧力の経時的な変化を、現在の“最もフラットな”圧力の経時的変化として記憶するようにしてもよい。

最近の圧力の経時的な変化が最小傾斜値未満であるか、あるいは最近の圧力の経時的な変化が所与の呼気についてゼロに最も近くはない場合には、アルゴリズムは、人工呼吸タイマーがゼロ未満であるかどうかを確認するステップに戻るようにしてもよい。

図４に戻ると、アシストモードがシステム１０の運転中に選択される場合には、ステップ１５０−１６２を行うようにしてもよい。例えば、ステップ１５０では、患者圧力がステップ１５２で吸引閾値未満に降下するまで、患者圧力が定期的に監視されるようにしてもよい。これが生じると、ステップ１５４において、システムが吸引を開始、すなわち、コントローラ６０がバルブアセンブリ４６を供給態様にして患者容器４２から吸気ライン２４を介して患者に換気ガスを供給することを開始するようにしてもよい。ステップ１５６では、患者圧力がガス供給中に定期的にモニタリングされ、ステップ１５８では、患者圧力が吐出閾値に達したかどうか、あるいはそれを超過したかどうかが判定される。患者圧力が吐出閾値に到達または超過したときは、ステップ１６０において、ガス供給が中止されて、上述した方法と同様に、一回呼吸量が導き出されるようにしてもよい。ステップ１６２では、吐出が開始され、上述したように、患者容器４２がガス供給源２０から再注入されて、アルゴリズムがリセットされる。

図５Ａは、本明細書の他の部分に記載されているような、システムのハウジング上に設けられる直観的なユーザインタフェースパネル６２の一例を示している。入力制御は優先度に基づいてグループ化されている。最も重要な機能（呼吸速度、モード、圧力および量の目標）は、ユーザの左側、例えば、表示画面６２ｂに隣接する位置６２ｄに設けられている。デフォルト設定ボタンは、ソフトウェアアルゴリズムを実行して、量制御モードにおいて、平均的な成人の一回呼吸量または速度、例えば、５００ｃｃおよび１２ｂｐｍ、または平均的な小児の一回呼吸量または速度、例えば、２００ｃｃおよび１４ｂｐｍの何れかに、デバイスを予め設定する。アラーム設定および患者の吸気始動のための補助的制御は、例えば、ユーザの右側の位置６２ｅに、表示画面からさらに離れて配置されている。図示の実施形態では、垂直および水平の両方向から読み易いように、制御パネル６２上の文字列が４５°の角度で記載されている。図５Ｂに示すように、人工呼吸システム１０が垂直または水平の向きにあるときに、直立に見えるように、ジャイロスコープ制御により表示画面６２上の文字列が再び向きを変えるようにしてもよい。

また、図５Ｂは、上述したような人工呼吸システム１０のためのハウジング１２の例示的な実施形態も示している。図示のように、ハウジング１２は、丸みを帯びたプリズム形状、例えば、細長い正三角形状を有することができる。ハウジング１２の３つの側面は、実質的に滑らかであり、それは、格納を容易にし、かつ／またはシステム１０の構成要素に損傷を与える危険性を低減することができる。任意には、ハウジング１２の一端は、凹部を含むことができ、その内部には、外部構成要素、例えば、ガス供給源、電源、患者回路など（図示省略）を接続するためのすべてのコネクタ１３が配置される。このため、凹部は、コネクタ１３が損傷することから保護し、かつ／または、コネクタ１３との干渉を最小限にしながらも、複数のハウジング１２を一つずつ積み重ねるのを容易にすることができる。

追加的または代替的には、必要に応じて、ハウジング１２の端部が、例えば、ハウジング１２の落下または衝撃による内部構成要素に対する損傷の危険性を低減するために、例えば、当該端部の外周の周りに延びる、ゴムまたはその他の吸収性緩衝器を含むことができる。追加的または代替的には、ハウジング１２の両端部は、雄・雌形状を有し、例えば、それにより、一のハウジング１２の雄端部が別のハウジング１２の雌端部内に入れ子になることを可能にして、例えば、多重システム１０の積重ねまたは格納を容易にするようにしてもよい。

当業者にとって明らかなように、本発明の趣旨および範囲を逸脱せずに、本開示および採用される均等物に様々な変更および修正を加えることが可能である。任意のバリエーションで示される要素は、特定のバリエーションについての例示であり、本開示内のその他のバリエーションにおいても使用することができる。本明細書に単数として記載される任意の要素は、複数にすることが可能である（すなわち、“１”として記載されるものは何れも１よりも大きいものとすることができる）。属要素の任意の種要素は、その族のその他の種要素の特性または要素を有することが可能である。本発明を実行するための上述した構成、要素または完成したアセンブリおよび方法およびそれらの要素、本発明の態様のバリエーションは、組み合わせることができ、任意の組合せで互いに修正することができる。

本発明の例示的な実施形態は、上に記載されている。当業者は、多くの実施形態が本発明の範囲内で可能であることを認識するであろう。その他の変更、修正、本明細書に記載の様々な構成要素および方法の組合せは、確かになし得るものであり、それも本発明の範囲内に含まれるものである。例えば、本明細書に記載の処理デバイスはいずれも、同様に本明細書に記載の供給システムおよび方法のいずれかと組み合わせるようにしてもよい。したがって、本発明は、以下に示す特許請求の範囲およびそれに対する均等物によってのみ限定されるものである。

Claims

人工呼吸器であって、
外部ガスを前記人工呼吸器内に引き込んでそのガスを１またはそれ以上の所望圧力に圧縮して換気ガスを提供するコンプレッサと、
患者容器と、
前記患者容器に接続され、前記患者容器内の換気ガスの圧力を検出する第１圧力センサと、
前記コンプレッサにソースラインを介して連通するとともに、前記患者容器に連通し、かつ換気ガスを患者に送るための吸気ラインに連通する１またはそれ以上のバルブと、
前記１またはそれ以上のバルブと接続され、前記１またはそれ以上のバルブを、換気ガスが前記コンプレッサから前記患者容器内に送られる貯留態様と、換気ガスが前記患者容器から前記吸気ラインを介して患者に送られる供給態様との間で選択的に切り換えるコントローラとを備え、前記供給態様においては、前記吸気ラインが前記患者容器内の換気ガスのみに曝されて前記コンプレッサから分離されるように、前記１またはそれ以上のバルブが構成されており、
前記コントローラは、前記第１圧力センサに接続されて、前記１またはそれ以上のバルブが前記供給態様とされているときに前記患者容器内の第１の圧力を検出して、その後に、換気ガスが前記患者容器から前記吸気ラインを介して患者に送られている間に後の圧力を検出し、
前記コントローラは、第１の圧力と後の圧力との間の差に少なくとも部分的に基づいて、患者に送る換気ガスの量を決定することを特徴とする人工呼吸器。
請求項１に記載の人工呼吸器において、
プレフィル容器をさらに備え、
前記供給態様において、前記コンプレッサが、加圧ガスを前記プレフィル容器内に送るために前記プレフィル容器と連通する一方で、前記貯留態様において、前記患者容器が、前記コンプレッサおよび前記プレフィル容器の両方から加圧ガスを受け入れるために前記コンプレッサおよび前記プレフィル容器に連通するように、前記１またはそれ以上のバルブが、前記コンプレッサおよび前記プレフィル容器に接続されていることを特徴とする人工呼吸器。
人工呼吸器であって、
外部ガスを前記人工呼吸器内に引き込んでそのガスを１またはそれ以上の所望圧力に圧縮して換気ガスを提供するコンプレッサと、
プレフィル容器と、
患者容器と、
ソースラインを介して前記コンプレッサに連通するとともに、前記プレフィル容器および患者容器に連通し、かつ換気ガスを患者に送るための吸気ラインに連通する１またはそれ以上のバルブと、
前記１またはそれ以上のバルブと接続され、前記１またはそれ以上のバルブを、換気ガスが前記患者容器から前記吸気ラインを介して患者に送られるとともに加圧ガスが前記コンプレッサから前記プレフィル容器に送られる供給態様と、加圧ガスが前記コンプレッサおよび前記プレフィル容器から前記患者容器内に送られて加圧ガスが前記患者容器内に貯留される貯留態様との間で選択的に切り換えるコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記第１圧力センサに接続されて、前記１またはそれ以上のバルブが前記供給態様とされているときに前記患者容器内の第１の圧力を検出して、その後に、換気ガスが前記患者容器から前記吸気ラインを介して患者に送られている間に後の圧力を検出し、
前記コントローラは、第１の圧力と後の圧力との間の差に少なくとも部分的に基づいて、患者に送る換気ガスの量を決定することを特徴とする人工呼吸器。
請求項１または３に記載の人工呼吸器において、
前記コントローラが、前記１またはそれ以上のバルブを前記供給態様とした後に予め設定された時間間隔で前記患者容器内の後の圧力を検出するように構成され、
前記コントローラが、第１の圧力と後の圧力との間の差に少なくとも部分的に基づいて、患者に送る換気ガスの量を決定することを特徴とする人工呼吸器。
請求項４に記載の人工呼吸器において、
前記コントローラが、各時間間隔中に送られる換気ガスの推定累積量と、予め設定された最大量とを比較するとともに、前記推定累積量が予め設定された最大量に到達または超過したときに前記吸気ラインを閉じるように前記１またはそれ以上のバルブを切り換えることを特徴とする人工呼吸器。
請求項１または３に記載の人工呼吸器において、
前記コントローラが、前記患者容器からの換気ガスの流量に関する情報を必要とせずに、患者に送る換気ガスの量を決定するように構成されていることを特徴とする人工呼吸器。
請求項１または３に記載の人工呼吸器において、
前記コントローラが、前記１またはそれ以上のバルブが前記供給態様にある期間に関する情報無しで、患者に送る換気ガスの量を決定するように構成されていることを特徴とする人工呼吸器。
請求項１または３に記載の人工呼吸器において、
前記コントローラが、換気ガスが前記患者容器から患者に送られている間に前記患者容器内の圧力を時間とともに監視して、圧力の時間微分値を、当該微分値が予め設定されたゼロに近い閾値まで低下するまで求めるように構成され、閾値に低下するとすぐに、前記コントローラが、前記吸気ラインを閉じて、前記患者容器から患者への換気ガスの供給を中止するように、前記１またはそれ以上のバルブを作動させることを特徴とする人工呼吸器。
請求項３に記載の人工呼吸器において、
前記供給態様において、前記吸気ラインが前記患者容器内の換気ガスのみに曝されて前記コンプレッサから分離されるように、前記１またはそれ以上のバルブが構成されていることを特徴とする人工呼吸器。
請求項１または３に記載の人工呼吸器において、
前記１またはそれ以上のバルブが、前記ソースラインを開閉するために前記ソースラインに接続された第１バルブと、前記吸気ラインを開閉するために前記吸気ラインに接続された第２バルブとを含むことを特徴とする人工呼吸器。
請求項１または３に記載の人工呼吸器において、
加圧換気ガスの供給源が、実質的に連続的に作動するコンプレッサを含むことを特徴とする人工呼吸器。
請求項１または３に記載の人工呼吸器において、
加圧換気ガスの供給源が、純酸素および加圧空気の１またはそれ以上の供給源を含むことを特徴とする人工呼吸器。
請求項１または３に記載の人工呼吸器において、
前記患者容器から患者に送られる換気ガスの流量を制限する制限器を前記吸気ライン内にさらに備えることを特徴とする人工呼吸器。
請求項１３に記載の人工呼吸器において、
前記制限器が、患者への前記吸気ライン内の最大流量を変更するために調節可能であることを特徴とする人工呼吸器。
請求項１または３に記載の人工呼吸器において、
前記ソースラインから前記１またはそれ以上のバルブに送られる換気ガスの圧力を制限するために、前記コンプレッサの吐出口と前記１またはそれ以上のバルブとの間の前記ソースライン内に制限器をさらに備えることを特徴とする人工呼吸器。
請求項１または３に記載の人工呼吸器において、
前記吸気ライン内の圧力を検出するために前記吸気ラインに接続された第２患者圧力センサをさらに備え、
前記コントローラが、前記患者圧力センサに接続され、前記吸気ライン内の圧力を監視して、患者が吸気を開始するときを判定し、その判定後すぐに、前記コントローラが、前記１またはそれ以上のバルブを前記供給態様に切り換えることを特徴とする人工呼吸器。
請求項３に記載の人工呼吸器において、
前記１またはそれ以上のバルブが、前記貯留態様において、前記コンプレッサおよび前記プレフィル容器から前記患者容器内に加圧ガスを送るために前記患者容器と前記コンプレッサおよびプレフィル容器との間を連通する第１流路を規定するとともに、前記供給態様において、第２流路および第３流路を規定し、前記第２流路が、前記患者容器内の換気ガスを前記患者ラインを介して患者に送るために前記患者容器と吸気ラインとの間を連通させ、前記第３流路が、加圧ガスを前記プレフィル容器内に送るために前記コンプレッサと前記プレフィル容器との間を連通させることを特徴とする人工呼吸器。
請求項３に記載の人工呼吸器において、
加圧換気ガスの供給源が、前記１またはそれ以上のバルブが前記貯留態様と前記供給態様との間で切り換えられている間に、実質的に連続的に作動するコンプレッサを含むことを特徴とする人工呼吸器。
請求項３に記載の人工呼吸器において、
前記患者容器に接続され、前記患者容器内の換気ガスの圧力を検出する容器圧力センサをさらに備え、
前記コントローラが、前記容器圧力センサに接続されて、前記１またはそれ以上のバルブが前記供給態様とされているときに前記患者容器内の第１の圧力を検出して、その後に、１またはそれ以上の時間間隔で前記患者容器内の後の圧力を検出し、
前記コントローラが、第１の圧力と後の圧力との間の差に少なくとも部分的に基づいて、患者に送る換気ガスの量を決定することを特徴とする人工呼吸器。
請求項１９に記載の人工呼吸器において、
前記コントローラが、各時間間隔中に送られる換気ガスの測定累積量と、予め設定された最大量とを比較するとともに、前記測定累積量が最大量に到達または超過したときに前記供給態様から前記貯留態様に前記１またはそれ以上のバルブを切り換えることを特徴とする人工呼吸器。
請求項１乃至２０の何れか一項に記載の人工呼吸器において、
任意の容器およびバルブの内部容積を含む、前記ソースラインから前記吸気ラインへの流路の内部容積が、少なくとも９００ｃｃであることを特徴とする人工呼吸器。