JP6223188B2 - 放射ヒータ装置、及びヒータ表面温度センサを備える乳幼児保温器 - Google Patents

Description

[01] 開示され且つ請求項に記載された概念は、概して、乳幼児保温アセンブリに関し、更に詳細には、ヒータ自身に供給される電力を指令するために少なくとも部分的に使用することが可能なヒータ表面温度センサを備えた放射ヒータを使用する乳幼児保温アセンブリに関する。

[02] 乳幼児保温器（infant warmer）は当業技術において一般に知られている。乳幼児保温器は、典型的には病院又は他の医療施設において使用され、対流及び輻射を介して生まれたばかりの体（new born）から失われる熱を補償するために乳幼児を温める。新生児が自身の体温を維持及び調整する能力は、生存及び成長のために非常に重要である。未熟で若しくは出産時低体重で生まれた、又は裸のままでいることを必要として医療処置を要する乳幼児は、体温を維持するのに苦労し得る。体温を維持するために消費されるカロリーは、乳幼児の体重の増加を助けるために利用することはできず、これは望ましくない。このように、中波赤外線スペクトルの放射を主に介して乳幼児に熱を供給する乳幼児保温器を設けることが知られている。

[03] 既知の乳幼児保温器は、典型的に、ヒータ電力を操作するために指令皮膚温度と測定された皮膚温度との間の差を用いている。このようなアーキテクチャは、意図する目的のためには概ね効果的であるが、放射ヒータへの供給電圧の変化、サンプル間及び経年によるヒータ特性の変化、周囲条件の変化、並びに入力電力の変化に対するヒータの遅い応答による制約を伴うものである。

よって、改善された性能をもたらす改善された乳幼児保温アセンブリを提供することが望ましい。

[04] 従って、改善された乳幼児保温アセンブリは、ヒータエレメントの表面温度を測定するヒータ表面温度センサを備えたヒータアセンブリを制御する放射ヒータ制御装置を含む。該放射ヒータ制御装置は、更に、皮膚温度センサと、指令皮膚温度値を入力するために使用することが可能なユーザインターフェースとを含む。該皮膚温度センサ及び指令皮膚温度値は、制御ループの温度構成部を制御するために使用される。該ヒータ表面温度センサは、該制御ループの電力構成部を制御する際に使用され、該電力構成部は、該ヒータ表面温度センサ及び該温度構成部からの制御信号に少なくとも部分的に基づいてヒータを給電する。

[05] 従って、開示され且つ請求項に記載される本概念の一態様は、改善された乳幼児保温アセンブリを提供するものである。

[06] 開示され且つ請求項に記載された概念の他の態様は、乳幼児保温アセンブリの改善された放射ヒータ制御装置を提供するものである。

[07] 開示され且つ請求項に記載される本概念の他の態様は、制御ループを有する改善された放射ヒータ制御装置を提供するものであり、該制御ループは温度構成部及び電力構成部を含み、該電力構成部はヒータ表面温度センサと、皮膚温度センサ及び指令皮膚温度値に少なくとも部分的に基づく該温度構成部からの制御信号とにより少なくとも部分的に駆動される。

開示され且つ請求項に記載される概念のこれらの及び他の態様は、乳幼児保温アセンブリに使用するように構成された、改善された放射ヒータ装置により提供される。該放射ヒータ装置の概略的性質は、放射ヒータ及び放射ヒータ制御装置を含むものと言うことができる。該放射ヒータは、ヒータエレメントと、該ヒータエレメント上に配置されたヒータ表面温度センサとを有し、該ヒータ表面温度センサは現在のヒータ表面温度を感知するように構成される。該放射ヒータ制御装置は、プロセッサ装置と、制御ループとを有する。該プロセッサ装置は、該プロセッサ装置上で実行される複数のルーチンを有し、該ルーチンは指令皮膚温度値の設定を可能にするユーザインターフェースルーチンを含む。該制御ループは、温度構成部と、電力構成部とを有する。該温度構成部は、皮膚温度センサと、ベッド温度コントローラと、ヒータ表面温度ルックアップ部とを有する。該皮膚温度センサは、現在の皮膚温度を感知するように構成され、該ベッド温度コントローラは、該指令皮膚温度及び現在の皮膚温度に少なくとも部分的に基づいてベッド温度制御信号を発生するように構成され、該ヒータ表面温度ルックアップ部は、指令ヒータ表面温度値を該指令皮膚温度値に少なくとも部分的に基づいて発生するよう構成され、該温度構成部は、ヒータ表面温度制御信号を該ベッド温度制御信号及び指令ヒータ表面温度値に少なくとも部分的に基づいて発生するように構成される。該電力構成部は、ヒータ電力コントローラとヒータ電力ルックアップ部とを有する。該ヒータ電力コントローラは、該ヒータ表面温度制御信号及び現在のヒータ表面温度に少なくとも部分的に基づいたヒータ電力制御信号を発生するように構成され、該ヒータ電力ルックアップ部は、該指令皮膚温度値に少なくとも部分的に基づいた指令ヒータ電力値を発生するように構成される。該放射ヒータは、該ヒータ電力制御信号及び指令ヒータ電力値に少なくとも部分的に基づいて給電されるように構成される。

[08] 開示され且つ請求項に記載された本概念の更なる理解は、添付図面に関連して精読された場合に下記の実施態様の詳細な説明から得ることができる。

[09] 図１は、開示され且つ請求項に記載された概念による改善された乳幼児保温アセンブリの概要図である。 [10] 図２は、図１の乳幼児保温アセンブリの他の概略図である。 [11] 図３は、図１の乳幼児保温アセンブリにおける放射ヒータ制御装置の概要図である。 [12] 図４は、図３の放射ヒータ制御装置の流れ図である。 [13] 図５は、図４の放射ヒータ制御装置の概略図である。

[14] 以下の説明において、同様の符号は、本明細書を通して同様な部分を示している。

[15] ここで使用されるように、単数形の表現は、文脈がそうでないと明確に示さない限り、複数を含む。ここで使用されるように、２以上の部分又は部品が「結合される」なる文言は、これら部分が直接的に若しくは間接的に、即ち連結が生じる限りにおいて１以上の中間部分又は部品を介して、接続され又は一緒に動作することを意味する。ここで使用されるように、「直接的に結合される」とは、２つのエレメントが互いに直接的に接触することを意味する。ここで使用されるように、「固定的に結合される」又は「固定される」とは、２つの部品が、互いに対して一定の向きを維持しながら、１つのものとして運動するように結合されていることを意味する。

[16] ここで使用されるように、「一体の」なる文言は、部品が単一の要素又はユニットとして作製されることを意味する。即ち、別個に作製され、次いでユニットとして一緒に結合された複数の要素を含む部品は「一体の」部品又は物体ではない。ここで使用されるように、２以上の部品が互いに「係合する」なる記述は、これら部分が互いに対して直接的に又は１以上の中間部分又は部品を介して力を及ぼすことを意味する。ここで使用されるように、「数」なる用語は、１又は１より大きな整数（即ち、複数）を意味する。

[17] 例えば、限定するものではないが、上部、底部、左、右、下部、前、後及びこれらの派生語等の方向の語句は、図に示されるエレメントの向きに関係するものであり、明示的に記載されない限り請求項を限定するものではない。

[18] 開示され、請求項に記載された概念の一実施態様による改善された乳幼児保温アセンブリ４が、図１に概略的に図示されている。図１では乳幼児保温アセンブリ４は、壁８に取り付けられるように図示されているが、他の実施態様では、乳幼児保温アセンブリ４は自立型（free-standing）であるように構成することができるか、又は本概念から逸脱することなく別の態様で配設することもできると理解される。乳幼児保温アセンブリ４は、放射ヒータ装置１２及びベッド１６を含むものとして図示されており、これら両者は壁８に取り付けられているが、上述したように、本概念から逸脱することなく別の態様で配設することもできる。

[19] 図１から更に分かるように、放射ヒータ装置１２の例示的実施態様は、壁８に接続されたフレーム２０を含むと共に、該フレーム２０に配置されたヒータアセンブリ２４及び反射器２８を更に含んでいる。ヒータアセンブリ２４は、放射ヒータ３２と放射ヒータ制御装置３６とを含み、反射器２８は、放射ヒータ３２により発生された放射をベッド１６に向かって反射するために設けられている。

[20] 放射ヒータ３２は、ヒータエレメント４０とヒータ表面温度センサ４４とを含むものと言うことができ、ヒータ表面温度センサ４４は、ヒータエレメント４０の表面温度を感知するように構成される。ここに示される例示的実施態様において、ヒータエレメント４０は、電気抵抗ワイヤの周囲にその場でセラミック材料が硬化した当該電気抵抗ワイヤを有するセラミック加熱エレメントである。更に詳細には、該セラミック材料は、電気抵抗ワイヤ及びヒータ表面温度センサ４４（図示した実施態様では、熱電対である）の両方の周囲に注ぐことができる。本概念から逸脱することなしに他のタイプの放射ヒータエレメントを採用することもできるが、セラミック加熱エレメントは、ヒータ表面温度センサ４４の追加に良く適している。何故なら、上記のようなセラミック材料は、例えば該抵抗ワイヤ及びヒータ表面温度センサ４４を埋め込むための鋳型に容易に注ぎ込むことができるからである。

[21] 放射ヒータ制御装置３６は、図２に、プロセッサ装置４８、制御ループ５２及びユーザインターフェース５６を含むものとして概略的に図示されており、上記ユーザインターフェース５６により看護師、技術者又は他の個人等のユーザが指令皮膚温度値６０を入力することができる。後に詳述するように、ユーザインターフェース５６は、プロセッサ装置４８上で実行することが可能なルーチンの形態のものであり、例示として、プロセッサ装置４８に接続された視覚表示スクリーン等の出力装置、並びにキーパッド及び／又は接触感知表示器の接触感知コンポーネント等の入力装置を含むことができる。本明細書の他の箇所で述べるように、放射ヒータ装置１２上の他の機能を実行するためにプロセッサ装置４８上では他のルーチンも実行可能である。

[22] 図２及び３から理解することができるように、制御ループ５２は、温度構成部（temperature component）６４及び電力構成部（power component）６８を含んでいる。一般的に言えば、温度構成部６４は、入力として、指令皮膚温度値６０と、患者の皮膚に接続された皮膚温度センサ７２からの信号とを使用する。ここに図示された例示的実施態様において、皮膚温度センサ７２はサーミスタである。温度構成部６４からの出力は電力構成部６８に供給され、電力構成部６８は、更にヒータ表面温度センサ４４からの信号を入力として使用する。ここでも一般的に言うと、電力構成部６８は、放射ヒータ３２に対する電力を、ヒータ表面温度センサ４４により発生されるヒータエレメント４０の表面温度に基づいて、且つ、指令皮膚温度値６０と皮膚温度センサ７２により発生される現在の皮膚温度信号７２Ａとの間の差に少なくとも部分的に基づく温度構成部６４からの信号により、制御する電力制御ループの性質を有している。

[23] 更に詳細には、図４から理解することができるように、温度構成部６４は、皮膚温度センサ７２及びベッド温度コントローラ７４を含むものと言うことができる。ここに図示された例示的実施態様において、ベッド温度コントローラ７４は比例／積分／微分（ＰＩＤ）コントローラであり、従って、ベッド温度コントローラ７４は、ここでは、ベッドＰＩＤとも称することができる。指令皮膚温度値６０と皮膚温度センサ７２からの現在の皮膚温度信号７２Ａとの間の差が、ベッド温度コントローラ７４に対する入力である。この場合、ベッド温度コントローラ７４は、指令皮膚温度値６０及び現在の皮膚温度信号７２Ａに少なくとも部分的に基づいたベッド温度制御信号７６を発生する。

[24] 温度構成部６４は、更に、ヒータ表面温度ルックアップ部８０を含むものと言うことができ、該ルックアップ部は、患者において指令皮膚温度値６０を達成するために公称的に必要とされるヒータ表面温度を導出し又は発生するための１以上のテーブル及び／又は１以上のアルゴリズムを使用する。ここで説明する例示的実施態様では、ヒータ表面温度と皮膚温度との間の関係は、実験を介して得られたデータから導出される。更に詳細には、一連のヒータ表面温度値及び結果としての皮膚温度値がコンピュータプログラムに入力され、該コンピュータプログラムは、該データを、多項式を用いる非線形曲線に適合させる。該曲線は、指令皮膚表面温度６０等の入力に応答して、対応するヒータ表面温度値を出力する数学関数の形態とすることができる。既知の物理的寸法（dimensions）を有し、且つ、患者から既知の距離に位置するヒータ４０に対して該数学関数が一旦導出されると、指令皮膚温度値６０を用いてヒータ表面温度値を発生するために、該関数をヒータ表面温度ルックアップ部８０のロジックに使用することができる。

[25] このようなヒータ表面温度値は、指令ヒータ表面温度信号８２として通知され、この信号はベッド温度信号７６と組み合わされて、電力構成部６８に入力されるヒータ表面温度制御信号８４を形成する。この点に関して、公称指令ヒータ表面温度は例えば２５０℃の程度であり得る一方、指令皮膚温度値６０と現在の皮膚温度値７２Ａとの間の差は２桁小さく、１℃又はその端数以下であり得ることに注意されたい。ベッド温度制御信号７６が指令ヒータ表面温度信号８２と有意義に組み合わされるように、ベッド温度コントローラ７４は出力を例えば全１桁拡大する。もっとも、当該系の必要性に応じて、より大きな又は小さな拡大を行うことができる。また、ベッド温度制御信号７６と指令ヒータ表面温度信号８２とを、ベッド温度制御信号７２が指令ヒータ表面温度信号８２と有意に組み合わされることを可能にする態様で、組み合わせるために他の方法を用いることもできると理解される。

[26] 図４から更に理解することができるように、電力構成部６８は、ヒータ電力コントローラ８６及びヒータ電力ルックアップ部９０を含むものと言うことができる。ヒータ電力コントローラ８６は、ＰＩＤコントローラという例示的な形態であり、従って、ヒータ電力コントローラ８６は、ここでは、ヒータＰＩＤ８６と称することができる。

[27] ヒータ表面温度制御信号８４と、ヒータ表面温度センサ４４からの現在のヒータ表面温度信号８８とが組み合わされ、ヒータ電力コントローラ８６に入力される。このように、ヒータ電力コントローラ８６は、ヒータ表面温度制御信号８４及び現在のヒータ表面温度信号８８に少なくとも部分的に基づくヒータ電力制御信号９２を発生する。この点に関して言うと、ヒータ電力コントローラ８６は、該温度ベースの入力（即ち、ヒータ表面温度制御信号８４及び現在のヒータ表面温度信号８８）を電力ベースの出力（即ち、ヒータ電力制御信号９２）に変換するための何らかの変換ロジック又はスケーリングを使用することができる。

[28] ヒータ電力ルックアップ部９０は、指令皮膚温度値６０に少なくとも部分的に基づくと共に、患者が指令皮膚温度値６０を持つようになるために必要とされる公称ヒータ電力として概ね特徴付けられ得るヒータ電力ルックアップ信号９０Ａを導出又は発生するための１以上のルックアップテーブル及び／又は１以上のアルゴリズムを含む。ヒータ電力ルックアップ信号９０Ａ及びヒータ電力制御信号９２は、指令ヒータ電力値９４へと組み合わされ、指令ヒータ電力値９４はヒータエレメント４０のアクチュエータを制御するために使用される。このように、ヒータエレメント４０は、ベッド１６に放射熱を供給するために指令ヒータ電力値９４に従って動作される。尚、図４では、ベッド１６の概念的な存在を示すが、ベッド１６自身は放射ヒータ制御装置３６の構成部品ではないことを示すために、点線で示されていることに注意されたい。

[29] 従って、電力構成部６８は、ヒータ電力をヒータエレメント４０の現在の表面温度に基づいて直接的に制御する別個の制御ループであることが分かる。ヒータ電力を、単に現在の皮膚温度信号７２Ａ及び／又は指令皮膚温度値６０にというより、むしろ、ヒータエレメント４０の表面温度に基づかせることにより、ヒータ電力は一層正確に制御することができ、状況に対して一層迅速に応答することができる。例えば、ヒータエレメント４０は、指令皮膚温度値６０を達成するために典型的に定常状態で必要とされるものよりも多い電力を供給することにより過渡的に過剰駆動することができる。何故なら、電力構成部６８は、ヒータエレメント４０に対する電力を、所望の皮膚表面温度というよりはヒータエレメント４０の所望の表面温度に基づいて制御しているからである。このような制御アーキテクチャは、入力電圧に依存せず、且つ、ヒータのサンプル間の変動とは無関係であると共にヒータエレメント４０の経年に伴って変化しない一層迅速な応答を提供する。

[30] 即ち、ヒータ４０の表面温度は、電力構成部６８により監視され、制御されるので、ヒータ４０を駆動する電力入力の実際の電圧は、該電圧がヒータ４０を指令ヒータ電力値９４に従って動作するよう駆動するのに十分である限り、大体は無関係であることが分かる。更に、ヒータ４０の性能はサンプル毎に変化し得ると共に、経年で劣化し得る。このようなサンプル間の変動は、ヒータ４０の表面温度が監視され且つ制御されるので、大体は無関係となる。更に、ヒータ４０の性能の経年による劣化も、同様に大体は無関係となる。何故なら、ヒータ４０の結果としての表面温度の監視及び制御が、該ヒータを、上述した制御パラメータに従って所望の皮膚温度を達成するために必要とされるどの様なデューティサイクルでも動作されるようにするからである。加えて、ヒータ４０が寿命の最後に類似の置換ヒータ４０により交換された場合でも、この置換ヒータ４０の制御は、該置換ヒータの表面温度が上述したように監視及び制御されるので、ソフトウェアの修正又は再校正の必要性無しに即座に実現することができる。

[31] 図５から理解することができるように、プロセッサ装置４８は、メモリ９８と通信するマイクロコントローラ９６を含む。マイクロコントローラ９６は、制限無しに、マイクロプロセッサ及びマイクロコントローラ等の多様なプロセッサのうちの如何なるものとすることもできる。メモリ９８は、マイクロコントローラ９６とインターフェース接続された電子記憶部として機能し、制限無しにＲＡＭ、ＲＯＭ及びフラッシュ等の如何なる１以上の形態でもあり得る。普通に理解されるように、マイクロコントローラ９６上で実行されるルーチンは、典型的には、読み出し及びマイクロコントローラ９６上での実行のために少なくとも部分的にメモリ９８に記憶される。この点に関しては、前記ユーザインターフェース５６が、マイクロコントローラ９６上で実行されるルーチンの形態であることに再度言及する。図５から理解することができるように、上述した他の機能も同様に、マイクロコントローラ９６上で実行されるルーチンの形態である。例えば、ヒータ表面温度ルックアップ部８０、ヒータ電力ルックアップ部９０、ベッド温度コントローラ７４及びヒータ電力コントローラ８６は、全て、マイクロコントローラ９６及び／又はメモリ９８に全体として又は部分的に埋め込まれたソフトウェアとして実施化される。しかしながら、このようなルーチンは、本概念から逸脱することなしに、分散配置された別個のプロセッサ上で実施化することもできると理解される。

[32] 放射ヒータ制御装置３６は、更に、一連のアナログ／デジタル変換電子装置１００を有すると言うことができ、該アナログ／デジタル変換電子装置は１以上のデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）及びアナログ-デジタル変換器（ＡＤＣ）並びに本概念から逸脱することなく他の斯様な電子装置を含むことができる。尚、アナログ／デジタル変換電子装置１００は、全体として又は部分的にマイクロコントローラ９６上に実装することができると理解される。

[33] 更に図５から理解することができるように、放射ヒータ制御装置３６は、オプションとして、必要に応じて皮膚温度センサ信号の調整及び／又はヒータ表面温度センサ信号の調整を実行する電子装置を含むことができる。もっとも、このような信号調整は、可能性として、皮膚温度センサ７２及びヒータ表面温度センサ４４が各々設けられた電子装置において実施することができるか、又はそれ以外では放射ヒータ制御装置３６において実施することができる。同様に、指令ヒータ電力値９４をヒータエレメント４０のアクチュエータのための電力入力に変換するために、典型的には、パルス幅変調（ＰＷＭ）が使用される。特に、ヒータエレメント４０は典型的にはオン／オフの性質のものであり、該ヒータエレメント４０をオン状態とオフ状態との間で高速で切り換えるためにパルス幅変調を供給することができ、ここで、当該パルスの「幅」は時間を示す。このようなヒータエレメント４０のデューティサイクルの高速切換は、典型的には、ヒータ４０の所望の表面温度を正確に維持するために必要とされる高速スイッチングを実現するためにNIDAQカードにより駆動される光結合サイリスタスイッチによりもたらされる。ヒータ４０の表面温度が上昇されねばならない場合におけるように、指令ヒータ電力値９４が「増加」される場合、上記パルスのオン部分の「幅」を増加させることができるか、又は該パルスのオフ部分を減少させることができるか、又はこれら両方である。そのようであるから、ヒータ４０の実際の物理的性能は大体において無関係である。何故なら、指令ヒータ電力値９４は、ヒータの所望の表面温度及び患者の結果としての所望の皮膚温度が達成されるまで、上述したように操作されるからである。

[34] 尚、請求項において括弧内に記載される符号は当該請求項を限定するものと見なしてはならない。また、「備える」又は「含む」なる用語は、請求項に記載されたもの以外の構成要素又はステップの存在を排除するものではない。また、幾つかの手段を列挙した装置の請求項において、これら手段の幾つかは全く同一の品目のハードウェアにより具現化することができる。また、単数形の構成要素は、複数の斯様な構成要素の存在を排除するものではない。また、特定の構成要素が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら構成要素が組み合わせで使用することができないということを示す
ものではない。

[35] 本発明を解説目的で現在最も実用的且つ好ましい実施態様であると考えられるものに基づいて詳細に説明したが、このような詳細はかかる目的のためだけのものであり、本発明は開示された実施態様に限定されるものではなく、逆に、添付請求項の趣旨及び範囲内である等価な装置及び修正を含むことを意図するものであると理解されたい。例えば、本発明は、可能な限りにおいて、任意の実施態様の１以上のフィーチャが他の任意の実施態様の１以上と組み合わせることができることを想定していると理解されたい。

Claims (2)

1. ベッドを含む乳幼児保温器に使用するための放射ヒータ装置であって、
   ヒータエレメント及び該ヒータエレメント上に配置されたヒータ表面温度センサを備え、該ヒータ表面温度センサが現在のヒータ表面温度を感知し、前記ベッドに向けて放射熱を供給する放射ヒータと、
   プロセッサ装置及び制御ループを備える放射ヒータ制御装置と、
   を備え、
   前記プロセッサ装置は、該プロセッサ装置上で実行される複数のルーチンを有し、該ルーチンは、指令皮膚温度値の設定を可能にするユーザインターフェースルーチンを備え、
   前記制御ループは温度構成部及び電力構成部を備え、
   前記温度構成部は、皮膚温度センサと、ベッド温度コントローラと、ヒータ表面温度ルックアップ部とを備え、前記皮膚温度センサは、現在の皮膚温度を感知し、前記ベッド温度コントローラは、前記指令皮膚温度値及び前記現在の皮膚温度に少なくとも基づいてベッド温度制御信号を発生し、前記ヒータ表面温度ルックアップ部は、ルックアップテーブル及び／又はアルゴリズムを使用して、前記指令皮膚温度値に少なくとも基づいて指令ヒータ表面温度値を発生し、当該温度構成部は、前記ベッド温度制御信号及び前記指令ヒータ表面温度値に少なくとも基づいてヒータ表面温度制御信号を発生し、
   前記電力構成部は、ヒータ電力コントローラとヒータ電力ルックアップ部とを備え、前記ヒータ電力コントローラは、前記ヒータ表面温度制御信号及び前記現在のヒータ表面温度に少なくとも基づいたヒータ電力制御信号を発生し、前記ヒータ電力ルックアップ部は、ルックアップテーブル及び／又はアルゴリズムを使用して、前記指令皮膚温度値に少なくとも基づいた指令ヒータ電力値を発生し、
   前記放射ヒータは、前記放射ヒータの所望の表面温度が達成されるように、前記ヒータ電力制御信号及び前記指令ヒータ電力値に少なくとも基づいて給電される、
   放射ヒータ装置。
2. 請求項１に記載の放射ヒータ装置を用いた乳幼児保温器。