JP5897359B2 - 人工鼻 - Google Patents

Description

本発明は、人工呼吸器などを患者に使用するにあたって、吸気の温度および湿度を好適な状態に維持するための人工鼻に関する。

従来より、麻酔器や人工呼吸器などの使用時に、これらの機器から供給される乾燥した吸気を加湿するためのデバイスとして、患者の呼気に含まれる水蒸気を捕捉しつつ、その水蒸気によって吸気を加湿する湿熱交換材を備えた人工鼻が知られている。このような受動的なデバイスは、加湿器や熱源を備えた能動的なデバイスと比較して小型、軽量かつ安価であり、しかも、加湿器や熱源の操作ミスに起因する加湿不足などの医療事故につながる問題が少ないことから、医療現場で広く利用されている。

人工鼻においては、患者の負担軽減という観点から、吸気に十分な湿分を与えて吸気の湿度を維持すること、および圧力損失が小さく均一であることが要求される。また、外部から湿分を供給する仕組みを持たないため、呼気に含まれる湿分を捕捉する湿分保持性能も重要となる。例えば、特許文献１には、呼気に含まれる湿分を確実に捕捉すべく、コルゲート紙片からなる補助湿熱蓄積体が患者側開口部側に配設された呼吸ガス用温湿度交換器であって、グリコール類や塩化カルシウムなどの吸湿性物質が補助湿熱蓄積体に含有されてなるものが開示されている。

特開２００６−１３６４６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された呼吸ガス用温湿度交換器においては、補助湿熱蓄積体を設けることにより従来品と比べて圧力損失が増大するおそれがあり、湿分保持性能は向上しているものの、通気性の確保という点からは必ずしも十分とはいえなかった。また、補助湿熱蓄積体をハウジングに収容する工程や吸湿性物質を補助湿熱蓄積体に含有させる工程が必要となるため、製造コストの上昇を抑えることが難しかった。

そこで本発明の課題は、比較的単純な構造にて圧力損失の低減および湿分保持性能の向上を実現することにより、患者の負担が低減された人工鼻を低コストで提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る人工鼻は、長手方向に並ぶ複数のスリットが形成された帯状の多孔質体を、前記スリットを径方向外側に向けた渦巻状に巻回してなる湿熱交換材と、該多孔質フィルターを収容するハウジングとからなることを特徴とするものからなる。

このような本発明に係る人工鼻によれば、複数のスリットが形成された帯状の多孔質体を巻回して湿熱交換材とすることにより、当該スリットが呼気および吸気の流路としてはたらくこととなり、圧力損失が低く抑えられるとともに、多孔質体による優れた湿分保持性能および加湿性能を発揮することが可能となる。また、湿熱交換材の圧力損失の大きさおよび湿分保持性能を、スリットの形状によってコントロールすることができるので、用途に応じた湿熱交換材の設計および製造が容易となり、様々な性能要求に柔軟に対応することが可能となる。さらに、本発明の人工鼻は、実質的に湿熱交換材をハウジングに収容するだけの単純な構造にて構成されているので、組立工程を簡素化でき、製造コストを低く抑えることができる。なお、人工鼻のハウジング内には湿熱交換材以外の部材が収容されていてもよく、例えば、バクテリアフィルターをハウジング内の人工呼吸器側に配置し、吸気の汚染を防止することも可能である。

上記スリットは、上記多孔質体の表面にスリット深さ率４０％〜９５％で形成されていることが好ましい。ここで、スリット深さ率とは、多孔質体の厚さをＴとし、スリットの深さをＤとするとき、厚さＴに対する深さＤの比率Ｄ／Ｔ（％）のことである。スリット深さ率が４０％未満の場合、呼気および吸気の流路が細くなるため、圧力損失が増大しやすくなり、通気性の確保が難しくなる。また、スリット深さ率が９５％を超える場合、多孔質体の強度の確保が困難となり、多孔質体が破損しやすくなるおそれがある。スリット深さ率を上述の範囲内とすることにより、多孔質体の強度を維持しつつ十分な通気性を確保することが可能となる。

上記スリットは帯状の多孔質体の長手方向と交差する形状に形成されていることが好ましく、スリットと多孔質体の長手方向との交差角度（鋭角または直角）が５０〜７０°の範囲であることがより好ましい。スリットが帯状の多孔質体の長手方向と交差する形状に形成されている場合、この多孔質体を巻回してなる湿熱交換材において、スリットが湿熱交換材の軸方向両端を連通する流路となるため、交差角度が５０°未満である場合、圧力損失が増大し通気性が低下するおそれがある。また、交差角度が７０°を超える場合、湿分保持性能が低下するおそれがある。交差角度を５０〜７０°の範囲とすることで、圧力損失の増大を最小限に抑えつつ、優れた湿分保持性能を発揮することが可能となる。

上記スリットは、屈曲部または湾曲部を有するジグザグ形状に形成されていることが好ましく、複数の屈曲部または湾曲部を有する形状にジグザグ形成されていることがより好ましい。このようにスリットに屈曲部または湾曲部を設けることにより、直線状のスリットが形成された湿熱交換材を複数積層した場合とほぼ同等の効果を単一の湿熱交換材にて実現することができ、組立工程の複雑化や通気性の低下を最小限に抑えつつ、加湿性能および湿分保持性能の向上を図ることができる。なお、通気性の確保の観点から、上記屈曲部または湾曲部の角度は鈍角であることが好ましく、屈曲部または湾曲部によって区切られた各区間においては、当該区間と多孔質体の長手方向との交差角度は５０〜７０°であることが好ましい。

上記多孔質体の吸水倍率は５００％以上であることが好ましく、１０００％以上であることがより好ましい。ここで、吸水倍率とは、多孔質体を水に浸漬させ吸水させた際の重量の増加率のことを指し、乾燥時の重量Ｗ_０に対する浸漬後の重量Ｗの比率Ｗ／Ｗ_０（％）で表す。湿熱交換体を構成する多孔質体の吸水倍率が５００％以上である場合、従来品よりも小型の湿熱交換体にて従来と同等かまたはそれ以上の湿分保持性能を発揮することができるため、湿熱交換体、ひいては人工鼻全体のコンパクト化を図ることができる。また、人工鼻の小型化により、取扱いの容易さが向上し、患者の負担の低減が図られる。さらに、多孔質体単体で十分な湿分保持性能を発揮することができるため、吸湿性材料（例えば、塩化カルシウム、グリコール類、アクリル酸化合物など）の量を削減したり、吸湿性材料の使用自体を廃止することができ、製造コストの低減を図ることができる。

上記多孔質体はセルローススポンジからなることが好ましい。セルローススポンジは他の樹脂（例えば、ウレタン樹脂など）と比較して耐熱性が高く、一般的な有機溶剤に対して安定であり、吸水性に優れているので、湿分保持性能が高く耐久性に優れた人工鼻を提供することができる。また、植物性繊維からなるセルローススポンジは生分解性を有しており、燃焼時に有毒ガスを放出することもないため、環境保護の観点からも好ましい。

本発明に係る人工鼻は、とくに、優れた加湿性能および高い通気性が要求される人工呼吸器に接続されて用いられる人工鼻として好適なものである。

本発明に係る人工鼻の構造によれば、多孔質体に形成されたスリットが呼気および吸気の流路としてはたらくので、圧力損失が少なく通気性の高い人工鼻を提供することができる。また、圧力損失の大きさ、湿分保持性能および加湿性能をスリットの形状によってコントロールすることができるため、様々な性能要求に柔軟に対応することが可能となる。とくに、スリットの形状をコントロールすることにより、高い通気性を維持しつつ優れた加湿性能を発揮することが可能となり、患者の負担を軽減することができる。さらに、このような人工鼻は構造が比較的簡単であるため低コストで製造することができ、生産性に優れている。

また、吸水倍率が５００％以上である多孔質体やセルローススポンジからなる多孔質体を用いることにより、吸湿性材料なしでも優れた湿分保持性能を発揮する人工鼻を提供することが可能となり、さらなる製造コストの低減および人工鼻の小型化を図ることができる。とくに、セルローススポンジからなる多孔質体を用いることにより、低コストで耐久性に優れ、しかも環境負荷の小さい人工鼻を提供することができる。

本発明に係る人工鼻に用いられる多孔質体を示す図であり、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は部分拡大斜視図、（Ｃ）は部分拡大平面図である。 図１の多孔質体を用いてなる湿熱交換材を示す概略斜視図である。 図２の湿熱交換材を用いてなる人工鼻の例を示す概略図であり、（Ａ）は人工鼻の構造を示す模式図、（Ｂ）は概略斜視図、（Ｃ）は概略縦断面図である。 図２の湿熱交換材を用いてなる人工鼻の他の例を示す概略図であり、（Ａ）は人工鼻の構造を示す模式図、（Ｂ）は概略斜視図、（Ｃ）は概略縦断面図である。 人工鼻の性能試験に用いられる回路を示す概略回路図である。 人工鼻の性能試験の結果を示すグラフであり、（Ａ）は人工呼吸器側における絶対湿度の測定結果、（Ｂ）は患者側における絶対湿度の測定結果を示している。 スリットの形状の例を示す部分拡大平面図である。 人工鼻の性能試験の結果を示す別のグラフである。 人工鼻の製造工程の一例を示す概略図である。

以下に、発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る人工鼻を示している。図１の（Ａ）〜（Ｃ）はいずれも帯状の多孔質体１を示しており、（Ａ）は多孔質体１の概略斜視図、（Ｂ）は多孔質体１の部分拡大斜視図、（Ｃ）は多孔質体１の部分拡大平面図である。また、図１の（Ａ）〜（Ｃ）に示す座標軸において、ｘ軸は多孔質体１の長手方向を、ｙ軸は幅方向を、ｚ軸は厚さ方向を、それぞれ示している。図１（Ｂ）に示すように、厚さがＴである帯状の多孔質体１の一方の表面には、深さがＤであるスリット２が複数形成されており、各スリット２は、複数の直線状部３が屈曲部４を介して連なるジグザグ形状に形成されている。スリット２を構成する各直線状部３は、いずれも多孔質体１の長手方向に対し交差角度α＝６０°にて交差しており、各屈曲部４の角度βはいずれも１２０°である。

図２は、帯状の多孔質体１を渦巻状に巻回してなる湿熱交換材５を示している。図２に示すように、湿熱交換材５において、多孔質体１は、スリット２が形成されている側が径方向外側となるように巻回されている。

図３は、蓋部材６および筐体部材７からなるハウジング８に湿熱交換材５が収容されてなる人工鼻９を示しており、図３（Ａ）は人工鼻９の構造を示す模式図、図３（Ｂ）は人工鼻９の概略斜視図である。図３（Ａ）、（Ｂ）に示す通り、筐体部材７に湿熱交換材５を収容した後、蓋部材６を筐体部材７に固定することにより、人工鼻９が製造される。なお、蓋部材６を筐体部材７に固定する方法はとくに限定されるものではなく、例えば、両部材の接合部を超音波溶着法などにより熱溶着する方法や、両部材を接着する方法、ねじなどの固定部材を用いて固定する方法、一の部材に係合爪を、他の部材に係合溝を設け、係合爪を係合溝に係合させる方法、一の部材に雌ねじ部を、他の部材に雄ねじ部をそれぞれ設け、雌ねじ部を雄ねじ部に螺合する方法などを挙げることができる。これらの方法の中でも、密閉性の確保および取扱いの容易さの観点から、熱溶着または接着により両部材を固定する方法が好ましい。

図３（Ｃ）は、人工鼻９の模式縦断面図である。図３（Ｃ）に示すとおり、人工鼻９においては、湿熱交換材５に形成されたスリット２が呼気および吸気の流路としてはたらくため、圧力損失が最小限に抑えられて通気性が確保される。また、スリット２には屈曲部が設けられているので、呼気がスリット２の屈曲部を通過する際に、呼気に含まれる水蒸気の一部が湿熱交換材５に吸収されることとなり、湿熱交換材５は優れた湿分保持性能を発揮する。

図４は、蓋部材６および筐体部材７からなるハウジング８に湿熱交換材５が収容されてなる人工鼻９の他の例を示しており、図４（Ａ）は人工鼻９の構造を示す模式図、図４（Ｂ）は人工鼻９の概略斜視図、図４（Ｃ）は人工鼻９の模式縦断面図である。なお、図３に示す態様と同一の部分については、図３と同一の符号を付すことにより説明を省略する。図４に示す態様は図３に示したものとほぼ同様であるが、図４の例では、湿熱交換材５の他に、バクテリアフィルター１０がハウジング８内の蓋部材６側（人工呼吸器側）に配置されており、吸気の清浄度の維持が図られている。

図５は、本発明の性能試験用回路１８を示す概略回路図である。図５の回路１８において、人工鼻９の一方の開口部は圧力計を備えた人工呼吸器１１に連通されている。また、人工鼻９の他方の開口部はテスト肺１４に連通されており、テスト肺からの排気は加湿チャンバー１６を有する加温加湿器１５を通して人工鼻９へ戻される。人工鼻９とテスト肺１４との間、および加温加湿器１５と人工鼻９との間には一方弁１３が設けられ、気流の逆流が防止されている。また、加温加湿器１５の出口側流路にはヒートワイヤ１７が設けられ、気流温度の維持が図られている。さらに、回路１８において、人工鼻９の人工呼吸器１１側開口部には温度湿度計１２ａが、患者側（テスト肺１４側）には温度湿度計１２ｂが、それぞれ設置されている。なお、図５における矢印は、回路１８内において気流の流れる方向を示している。

図５の性能試験用回路１８を用いて行った人工鼻９の性能試験の結果を、図６および表１に示す。図６（Ａ）は人工呼吸器１１側に備えられた温度湿度計１２ａによる絶対湿度の時間変化についての測定結果を示すグラフであり、図６（Ｂ）は患者側（テスト肺１４側）に備えられた温度湿度計１２ｂによる絶対湿度の時間変化についての測定結果を示すグラフである。試験例１の人工鼻９に用いられる多孔質体の材料としては、吸水倍率が２５５４％であるセルローススポンジを使用し、比較例１としては、吸水倍率１６０％のコルゲート紙片を巻回してなる湿熱交換材を備えた、市販品の人工鼻を使用している。図６（Ａ）を参照すると、人工呼吸器側では比較例１よりも試験例１の方が絶対湿度が低くなっており、人工鼻９が従来品と比較して優れた湿分保持性能を有していることが示されている。また、図６（Ｂ）および表１より、患者側の湿度および気道内圧力についても比較例１と同等の性能が得られており、筐体の容積において２４％以上の小型化を達成しつつ、従来品と同等またはそれ以上の性能が実現されていることが読み取れる。

図７は、スリット２の形状のバリエーションを例示している。図７の（Ａ）〜（Ｅ）は、いずれも多孔質体１の部分拡大平面図であり、（Ａ）〜（Ｃ）は屈曲部４を有するジグザグ形状に形成されたスリット２を、（Ｄ）は湾曲部４ａを有するジグザグ形状に形成されたスリット２を、（Ｅ）は直線状に形成されたスリット２を、それぞれ示している。なお、図７に示す座標軸においては、図１（Ｃ）と同様、ｘ軸は多孔質体１の長手方向を、ｙ軸は幅方向を、それぞれ示している。このように、スリット２の形状はとくに限定されるものではなく、用途および要求される性能に応じた形状を適宜採用することができる。

図７の（Ａ）〜（Ｃ）に示す多孔質体を用いてなる人工鼻について、性能試験を行った結果を表２に示す。表２によれば、スリット２に設けられた屈曲部４の数が２つ以上である場合（スリット２の段数が３段以上である場合）に、排気内絶対湿度（人工呼吸器側の絶対湿度）が低下しており、屈曲部４の数が増加することにより湿熱交換材の湿分保持性能が向上することが示されている。

図８は、直線状のスリットが形成された湿熱交換材を用いてなる人工鼻について、スリットの角度を様々に変更した場合の性能試験の結果を示している。図８の試験例５〜８において、多孔質体の構成は長さ５４０ｍｍ、幅７ｍｍ、厚さ４．５ｍｍとし、交差角度が３０°、４５°、６０°、９０°の場合について、患者側回路の湿度を測定した。また、比較例２としては、コルゲート紙片を巻回してなる湿熱交換材を備えた、市販品の人工鼻を使用した。図８より、多孔質体の長手方向とスリットとの交差角度が６０°である場合、すなわち交差角度が５０〜７０°の範囲内である場合が、患者側の絶対湿度が最も高く、加湿性能に優れていることが分かる。

図９は、本発明に係る人工鼻に用いられる湿熱交換材の製造方法の一例を示す概略図である。図９（Ａ）は多孔質体であるセルローススポンジの原反２０を示しており、この原反２０をスライスするスライス工程により、図９（Ｂ）に示すように、厚さがＴ_１であるセルローススポンジのシート２１が形成される。次に、このセルローススポンジのシート２１を乾燥し熱圧縮する熱圧縮工程により、図９（Ｃ）に示すように、厚さがＴ_２である熱圧縮されたシート２２が形成される。続いて、厚さがＴ_２である熱圧縮されたシート２２の表面にスリットを形成するスリット形成工程により、図９（Ｄ）に示すように、熱圧縮されたシート２２の表面にスリット２が形成される。なお、加工の容易さの観点から、シート２２の圧縮率Ｔ_２／Ｔ_１（％）は５％〜３０％であることが好ましい。

スリット形成後、熱圧縮されたシート２２を裁断する裁断工程により、図９（Ｅ）に示すように、熱圧縮された多孔質体２３が形成される。その後、熱圧縮された多孔質体２３を加湿膨張させる加湿工程により、図９（Ｆ）に示すように、厚さがＴ_３であり表面に深さＤのスリットが形成された多孔質体１が形成される。そして、この多孔質体１をスリット２が径方向外側となるように巻回する巻回工程により、図９（Ｇ）に示す湿熱交換材５が得られる。なお、シート２１の厚さＴ_１に対する多孔質体１の厚さＴ_３の復元率Ｔ_３／Ｔ_１（％）は、５０％〜１００％であることが好ましい。

図９に示す製造方法によれば、スリット形成工程における熱圧縮されたシート２２は乾燥され圧縮されているので、表面の加工が容易であり、均一なスリットを精度良く形成することができる。その結果、圧力損失の変動が小さく患者の負担が少ない人工鼻を提供することが可能となる。例えば、上述の図６および表１で示された試験例１にて用いられているセルローススポンジからなる湿熱交換材５（多孔質体１）は、図９に示す製造方法を用いて製造されている。具体的な製造条件としては、シート２１の厚さＴ_１が７．０ｍｍ、熱圧縮されたシート２２の厚さＴ_２が１．０ｍｍ、加湿工程後の多孔質体１の厚さが５．０ｍｍであり、シート２２の圧縮率Ｔ_２／Ｔ_１は１４．３％、多孔質体１の復元率Ｔ_３／Ｔ_１は７１．４％であった。

本発明に係る人工鼻の構造は、あらゆる種類の人工鼻に適用可能であり、とくに、優れた加湿性能および高い通気性が要求される人工呼吸器に接続される人工鼻に好適に適用可能なものである。

１ 多孔質体
２ スリット
３ 直線状部
４ 屈曲部
４ａ 湾曲部
５ 湿熱交換材
６ 蓋部材
７ 筐体部材
８ ハウジング
９ 人工鼻
１０ バクテリアフィルター
１１ 人工呼吸器
１２ａ、１２ｂ 温度湿度計
１３ 一方弁
１４ テスト肺
１５ 加温加湿器
１６ 加湿チャンバー
１７ ヒートワイヤ
１８ 回路
２０ 原反
２１ シート
２２ 熱圧縮されたシート
２３ 熱圧縮された多孔質体

Claims (7)

1. 長手方向に並ぶ複数のスリットが形成された帯状の多孔質体を、前記スリットを径方向外側に向けた渦巻状に巻回してなる湿熱交換材と、該湿熱交換材を収容するハウジングとからなる人工鼻であって、
   前記ハウジングが、前記湿熱交換材の軸方向一端側に一の開口部を、前記軸方向他端側に他の開口部をそれぞれ有し、
   前記スリットが前記長手方向と交差する形状に形成されていることを特徴とする人工鼻。
2. 前記スリットが、前記多孔質体の表面にスリット深さ率４０％〜９５％で形成されている、請求項１に記載の人工鼻。
3. 前記スリットが、前記長手方向と交差角度５０〜７０°をなして交差する形状に形成されている、請求項１または２に記載の人工鼻。
4. 前記スリットがジグザグ形状に形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の人工鼻。
5. 前記多孔質体の吸水倍率が５００％以上である、請求項１〜４のいずれかに記載の人工鼻。
6. 前記多孔質体がセルローススポンジからなる、請求項１〜５のいずれかに記載の人工鼻。
7. 人工呼吸器に接続可能な、請求項１〜６のいずれかに記載の人工鼻。

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