JP6570846B2 - 定量ポンプの駆動方法、定量ポンプの駆動装置、気化器および麻酔装置 - Google Patents

定量ポンプの駆動方法、定量ポンプの駆動装置、気化器および麻酔装置 Download PDF

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Description

この発明は、定量ポンプの駆動方法、定量ポンプの駆動装置、気化器および麻酔装置に関し、特に、定量ポンプの脈動を低減し、装置のコスト低減および小型化が可能な定量ポンプの駆動方法、定量ポンプの駆動装置、気化器および麻酔装置に関する。

従来使用されている麻酔装置(非特許文献1参照)の構成を図5(a)に示す。図5(a)において、麻酔装置は、操作部51、制御部52、麻酔薬ボトル53、モータドライバ54、ステッピングモータ55、定量ポンプ56、気化室59、麻酔薬識別センサ61、麻酔薬検知センサ62およびフレッシュガス流量センサ63を備えた構成である。なお、麻酔薬ボトル53の麻酔薬は麻酔薬流路71を通って定量ポンプ56の吸入口側に送られ、酸素、亜酸化窒素および空気の混合であるフレッシュガスはガス管路75を介して気化室59に供給されている。

制御部52では、操作部51を介して麻酔ガス濃度が設定されると、該麻酔ガス濃度設定値と、フレッシュガス流量センサ63により検出されたフレッシュガス流量とに基づき、必要麻酔ガス(気体)量を求め、アボガドロの法則に基づき麻酔ガス(気体)量を麻酔薬(液体)量に換算して、算出された麻酔薬量が定量ポンプ56から吐出されるようモータドライバ54を介してモータ55の回転速度を調整する。こうして麻酔ガス濃度設定値に応じた定量の麻酔薬が定量ポンプ56から流路72を通して気化室59に送液され、気化室59において麻酔薬がフレッシュガスと混合される。この動作を連続的に行うことにより、麻酔ガス濃度設定値またはフレッシュガス流量が変化した場合にも、リアルタイムで定量ポンプ56からの送液量を変化させて追従する構成である。

このような従来の麻酔装置において使用されている定量ポンプ56は、ミクロン単位の微少流量を高精度に所定量だけ送液する必要性から、ステッピングモータ55で駆動され、該ステッピングモータ55の回転運動をプランジャの往復運動に変える偏芯機構を備え、プランジャの往復運動によるシリンダ内の容積変化によって液体の吸入および吐出による定量送液を行う定量ポンプ(例えば、図1(a)〜図1(d)参照)が用いられている。

ところで、ステッピングモータ55の回転速度を一定として定速回転させた場合、プランジャの軸方向の往復運動は、ほぼ正弦往復運動となることから、定量ポンプの吸入量および吐出量の時間変化は、図5(b)に示すように正弦波形の推移を辿ることになる。このように、吐出期間には、吐出量が時間に対して正弦波形状で変化する麻酔薬が送液されることになり、定量ポンプの吐出量に脈動が生じる。なお、図5(c)に示すように、気化室59においては、麻酔薬が徐々に気化するので麻酔ガス濃度の時間変化は平滑化されるものの、脈動の影響は残る。

また、図6(a)には、麻酔ガス濃度設定値を1.0[%]として、フレッシュガス流量を期間Y0〜Y1で0.5[L/min]に、期間Y1〜Y2で1.0[L/min]に、期間Y2〜Y3で6.0[L/min]に、それぞれ変化させたときのガス濃度測定結果を示す。フレッシュガス流量が相対的に低い期間Y0〜Y1では脈動が顕著に現れており、フレッシュガス流量を倍に増やした期間Y1〜Y2では脈動の振幅が小さくなり、さらにフレッシュガス流量を増やした期間Y2〜Y3では脈動が殆ど目立たなくなっている。つまり、フレッシュガス流量が低く、定量ポンプ56(ステッピングモータ55)の回転速度が相対的に遅いときに脈動の影響が顕著に現れることが分かる。

このような、定量ポンプにおける脈動の問題は、麻酔装置に限らず種々の分野で対策がなされており、例えば、特許文献1および特許文献2では、複数のプランジャポンプを連結して全体的な吐出量が一定になるよう調整する技法が開示されている。

特開2012−32187号公報 特開2001−263253号公報

沖田一成;「電子式麻酔ガスデリバリー装置を搭載した使いやすい麻酔装置」,医器学Vol.69,No.8(1999)

しかしながら、特許文献1および特許文献2での複数のプランジャポンプを連結して全体的な吐出量が一定になるよう調整する技法は、装置コストの増大を招くといった問題や、制御が複雑になるといった課題がある。

また、麻酔装置の分野では、ステッピングモータ55(15)の回転速度が相対的に遅いとき、即ち、麻酔ガス濃度設定値が低いとき、或いはフレッシュガス流量が低いときの脈動を抑制する技法として、図5(a)に示すように、麻酔薬をフレッシュガスと混合させる箇所に気化室59を設け、徐々に麻酔薬を気化させることで脈動を平滑化させている。しかしながら、気化室59は相対的に大きな容積を必要とすることから、装置小型化の妨げになるという事情があった。

さらに、気化室59を備えた構成とすることにより、次のような課題も生じていた。すなわち、第1に、麻酔ガス濃度設定値を変更する際に、気化室59内には前の麻酔ガス濃度設定値で生成された麻酔ガスが残っているために、気化室59内のキャリアガス流量と気化速度が平衡するまでの間に、麻酔ガス濃度が安定するに至るまでのタイムラグが生じる。図6(b)の例示では、麻酔ガス濃度設定値をより低い値に変更したときにTtbのタイムラグが生じ、麻酔ガス濃度設定値をより高い値に変更したときにTbtのタイムラグが生じている。

第2に、フレッシュガス流量を急激に変化させたときに、図6(c)に示すように、麻酔ガス濃度にオーバーシュートやアンダーシュートが生じる。すなわち、図6(c)において時間Y5でフレッシュガス流量を急激に下げた場合には、気化室59に残留した麻酔薬が気化するまでの間に、麻酔ガス濃度が一時的に設定値より高くなるオーバーシュートが発生している。また、図6(c)において時間Y6でフレッシュガス流量を急激に上げた場合には、気化室59に麻酔薬が一定量溜まるまでの間に、麻酔ガス濃度が一時的に設定値より低くなるアンダーシュートが発生している。

なお、タイムラグ、オーバーシュートまたはアンダーシュートの問題は、何れも麻酔装置の運用に重大な支障を与えるものではないが、麻酔の調整に時間を要することになる、などの課題が残る。

そこでこの発明は、装置容積の増大を招くことなく定量ポンプの脈動を低減して、装置のコスト低減および小型化を図り得る定量ポンプの駆動方法、定量ポンプの駆動装置、気化器および麻酔装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項1の発明は、軸がモータの回転軸に対して角度を付けて取り付けられ、前記モータの回転運動が軸周りの回転運動及び軸方向の往復運動に変換されるプランジャを備え、前記プランジャの一端部が切り欠かれて吸入口及び吐出口を開閉して、前記回転運動及び往復運動によって麻酔薬の吸入及び吐出を行う麻酔用の定量ポンプの駆動方法であって、当該定量ポンプの吐出期間が吸入期間より長く設定され、該吐出期間における前記プランジャの移動速度が、前記モータの回転速度の制御により一定に保たれる可変相比モードを有し、前記モータが所定の回転数以下のときに前記可変相比モードとし、前記モータが所定の回転数より速いときには、前記定量ポンプの吸入期間と吐出期間とを同じにするとともに、前記吸入期間と吐出期間において前記モータを定速回転運動させる定回転モードとする、ことを特徴とする。

請求項の発明は、モータと、前記モータの回転を制御する制御部と、前記モータに連結され、軸がモータの回転軸に対して角度を付けて取り付けられ、前記モータの回転運動が軸周りの回転運動及び軸方向の往復運動に変換されるプランジャを有し、前記プランジャの一端部が切り欠かれて吸入口及び吐出口を開閉して、前記回転運動及び往復運動によって麻酔薬の吸入及び吐出を行う麻酔用の定量ポンプと、を備えた定量ポンプの駆動装置であって、前記制御部は、当該定量ポンプの吐出期間が吸入期間より長く設定され、該吐出期間における前記プランジャの移動速度が、前記モータの回転速度の制御により一定に保たれる可変相比モードを有し、前記制御部は、前記モータが所定の回転数以下のときに前記可変相比モードとし、前記モータが所定の回転数より速いときには、前記定量ポンプの吸入期間と吐出期間とを同じにするとともに、前記吸入期間と吐出期間において前記モータを定速回転運動させる定回転モードとする、ことを特徴とする。

請求項の発明は、請求項に記載の定量ポンプの駆動装置において、前記モータは、前記定量ポンプの吐出期間に0からπまでの回転角の範囲をNp個の駆動パルスで制御されるステッピングモータであり、前記制御部は、前記定量ポンプの吐出期間に、前記定量ポンプのプランジャの移動速度をVpとするとき、k番目(k=1〜Np)の駆動パルスを、前記吐出期間において次式で規定されるタイミングtk
で供給すること特徴とする。

請求項の発明は、モータと、前記モータの回転を制御する制御部と、前記モータに連結され、軸がモータの回転軸に対して角度を付けて取り付けられ、前記モータの回転運動が軸周りの回転運動及び軸方向の往復運動に変換されるプランジャを有し、前記プランジャの一端部が切り欠かれて吸入口及び吐出口を開閉して、前記回転運動及び往復運動によって麻酔薬の吸入及び吐出を行う麻酔用の定量ポンプと、フレッシュガスを移送するガス管路と、前記ガス管路と接続され、前記定量ポンプから吐出された液体を送液すると共に気化せしめて前記ガス管路に供給する流路と、を備えて前記フレッシュガスと気化された液体ガスとの混合ガスを導出する気化器であって、前記制御部は、当該定量ポンプの吐出期間が吸入期間より長く設定され、該吐出期間における前記プランジャの移動速度が、前記モータの回転速度の制御により一定に保たれる可変相比モードを有し、前記制御部は、前記モータが所定の回転数以下のときに前記可変相比モードとし、前記モータが所定の回転数より速いときには、前記定量ポンプの吸入期間と吐出期間とを同じにするとともに、前記吸入期間と吐出期間において前記モータを定速回転運動させる定回転モードとする、ことを特徴とする。

請求項の発明は、請求項4に記載の気化器において、前記モータは、前記定量ポンプの吐出期間に0からπまでの回転角の範囲をNp個の駆動パルスで制御されるステッピングモータであり、前記制御部は、前記定量ポンプの吐出期間に、前記定量ポンプのプランジャの移動速度をVpとするとき、k番目(k=1〜Np)の駆動パルスを、前記吐出期間において次式で規定されるタイミングtk
で供給すること特徴とする。

請求項の発明は、請求項4または請求項5に記載の気化器において、前記ガス管路のフレッシュガス移送方向において前記流路との接続箇所よりも手前に配置され、前記フレッシュガスの流量を検出する流量検出手段を有し、前記制御部は、設定された前記混合ガスの濃度および前記流量検出手段により検出されたフレッシュガス流量に基づき前記定量ポンプの吸入および吐出の周期を算出することを特徴とする。

請求項の発明は、請求項4〜6の何れか1項に記載の気化器を備え、少なくとも酸素を含むフレッシュガスと気化された麻酔薬ガスとの混合ガスを麻酔ガスとして出力することを特徴とする。

請求項1、請求項の発明によれば、定量ポンプの吐出期間を吸入期間より長く設定したので、吐出の無い吸入期間を極力短くして、定量ポンプからの吐出量の低下を抑制することができる。また、モータの回転速度の制御により、該吐出期間におけるプランジャの移動速度が一定に保たれるようにしたので、定量ポンプからの吐出量をほぼ一定に保ち脈動を低減することができるとともに、定量ポンプの吐出期間に、モータの所定角度刻み毎の回転速度を正弦波状に変化させてモータを正弦回転運動させるので、プランジャの移動速度を一定に保って定量ポンプからの吐出量を一定に保つことができ、結果として定量ポンプの吐出量の脈動を低減することができる。

さらに、当該定量ポンプの駆動方法または定量ポンプの駆動装置を気化器および麻酔装置に適用したときに、従来の脈動対策として必要であった気化室が不要となり、装置容積の増大を招くことなく定量ポンプの脈動を低減して、装置のコスト低減および小型化を図ることができる。

請求項、請求項の発明によれば、制御部により、設定された混合ガス濃度およびフレッシュガス流量に基づき定量ポンプの吸入および吐出の周期を算出し、該周期における吐出期間を吸入期間より長く設定したので、吐出の無い吸入期間を極力短くして、混合ガス濃度の低下を抑制することができる。また、モータの回転速度の制御により、該吐出期間におけるプランジャの移動速度が一定に保たれるようにしたので、定量ポンプからの吐出量をほぼ一定に保ち脈動を低減することができる。結果として、従来の脈動対策として必要であった気化室が不要となり、装置容積の増大を招くことなく定量ポンプの脈動を低減して、装置のコスト低減および小型化を図ることができる。なお、気化室が不要な構成であるので、混合ガス濃度の設定変更時のタイムラグを無くすことができ、また、フレッシュガス流量を急激に変化させたときに、混合ガス濃度にオーバーシュートやアンダーシュートが発生することもない。

請求項、請求項の発明によれば、定量ポンプの吐出期間に、モータの所定角度刻み毎の回転速度を正弦波状に変化させてモータを正弦回転運動させるので、プランジャの移動速度を一定に保って定量ポンプからの吐出量を一定に保つことができ、結果として定量ポンプの吐出量の脈動を低減することができる。

請求項の発明によれば、制御部により、設定された麻酔ガス濃度およびフレッシュガス流量に基づき定量ポンプの吸入および吐出の周期を算出し、該周期における吐出期間を吸入期間より長く設定したので、吐出の無い吸入期間を極力短くして、混合ガス濃度の低下を抑制することができる。また、モータの回転速度の制御により、該吐出期間におけるプランジャの移動速度が一定に保たれるので、定量ポンプからの吐出量をほぼ一定に保ち脈動を低減することができる。結果として、従来の脈動対策として必要であった気化室が不要となり、装置容積の増大を招くことなく定量ポンプの脈動を低減して、装置のコスト低減および小型化を図ることができる。なお、気化室が不要な構成であるので、麻酔ガス濃度の設定変更時のタイムラグを無くすことができ、また、フレッシュガス流量を急激に変化させたときに、麻酔ガス濃度にオーバーシュートやアンダーシュートが発生することもない。

この発明の実施の形態に係る定量ポンプの駆動装置の動作説明図である。 この発明の実施の形態に係る定量ポンプの駆動装置、気化器および麻酔装置の構成図である。 この発明の実施の形態に係る定量ポンプの駆動方法および駆動装置における駆動制御を説明するタイムチャートである。 この発明の実施の形態に係る定量ポンプの駆動方法を説明するフローチャートである。 従来の麻酔装置の説明図であり、図5(a)は麻酔装置の構成図、図5(b)および(c)は脈動を説明する説明図である。 従来の麻酔装置における(a)脈動、(b)タイムラグ、(c)オーバーシュートおよびアンダーシュートをそれぞれ例示する説明図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。先ず、この発明の実施の形態に係る定量ポンプ16の駆動装置および駆動方法について、図1を参照して説明する。

図1は、この発明の実施の形態に係る定量ポンプ16の駆動装置の動作説明図である。図1(a)〜図1(d)は定量ポンプ16のプランジャ16Aの軸方向に沿った断面と、プランジャ16Aの軸に垂直な方向に沿った断面と、を模式的に示した構造図である。また、図1(e)は定量ポンプ16の吸入期間および吐出期間を示すタイムチャートであり、図1(f)はモータドライバ14から出力されるステッピングモータ15の駆動パルスのタイムチャートである。

この実施の形態においても、従来と同様に、麻酔装置に使用する定量ポンプとして、ステッピングモータ15で駆動され、該ステッピングモータ15の回転運動をプランジャ16Aの往復運動に変える偏芯機構を備え、プランジャ16Aの往復運動によるシリンダ内の容積変化によって液体の吸入および吐出による定量送液を行う定量ポンプ16を用いる。より具体的には、定量ポンプとして、図1(a)〜図1(d)に示される構造を備えたバルブレスのプランジャポンプを用いる。

図1(a)〜図1(d)において、ステッピングモータ15の回転軸に円筒形状のクランク17が取り付けられ、プランジャ16Aに取り付けられたピン16Cが、軸受け17Aを介してクランク17と接続されている。ここで、プランジャ16Aの軸は、ステッピングモータ15(クランク17)の回転軸に対して角度を付けて取り付けられており、ステッピングモータ15の駆動によりクランク17が回転すると、ピン16Cの位置が移動し、プランジャ16Aは回転すると同時にシリンダ16D内を往復運動することになる。プランジャ16Aの軸方向での移動可能範囲は回転軸に対する角度に応じて変わり、定量ポンプの吐出量をこの角度の調整により可変設定可能である。

また、プランジャ16Aの(クランク17とは反対側の)端部に切り欠き部16Bが設けられており、プランジャ16A自身が吸込口16Eおよび吐出口16Fを開閉する構造で、バルブが不要な構造となっている。

図1(a)は、定量ポンプ16の吸入期間において、吸入期間の開始時点からステッピングモータ15がπ/2だけ回転した時点の状態を示しており、プランジャ16Aの切り欠き部16Bが吸入口16E側を向くと同時に、プランジャ16Aが軸方向でクランク17側に移動して麻酔薬(液体)を吸入する。

また、図1(b)は、定量ポンプ16の吸入期間が終了(吸入期間の開始時点からステッピングモータ15がπだけ回転)した時点の状態を示しており、プランジャの切り欠き部16Bが図に対して手前側を向き、吸入口16Eが閉じられる。なお、図1(b)の状態は定量ポンプ16の吐出期間の開始時点の状態でもある。

また、図1(c)は、定量ポンプ16の吐出期間において、吐出期間の開始時点からステッピングモータ15がπ/2だけ回転した時点の状態を示しており、プランジャ16Aの切り欠き部16Bが吐出口16F側を向くと同時に、プランジャ16Aが軸方向でクランク17の反対側に移動して麻酔薬(液体)を吐出する。

さらに、図1(d)は、定量ポンプ16の吐出期間が終了(吐出期間の開始時点からステッピングモータ15がπだけ回転)した時点の状態を示しており、プランジャの切り欠き部16Bが図に対して奥側を向き、吐出口16Fが閉じられる。なお、図1(d)の状態は定量ポンプ16の吸入期間の開始時点の状態でもある。

この実施の形態の定量ポンプ16の駆動装置では、図1(e)に示すように、定量ポンプ16の吐出期間が吸入期間より長く設定されている。なお、図1(e)には、図1(a)の状態となるタイミングをTaで、図1(b)の状態となるタイミングをTbで、図1(c)の状態となるタイミングをTcで、図1(d)の状態となるタイミングをTdで、それぞれ示す。

また、図1(f)に示すように、定量ポンプ16の吸入期間ではステッピングモータ15を定速回転させ、吐出期間ではプランジャ16Aの軸方向の移動速度が一定に保たれるようにステッピングモータ15を変速回転させている。

具体的には、ステッピングモータ15では、1パルス当たりの回転角度Δθ、即ちステップ角度が決まっており、定量ポンプ16の吸入期間T1または吐出期間T2において、ステッピングモータ15の回転量はπであるので、吸入期間T1または吐出期間T2において必要なパルス数Npは「Np=π/Δθ」となる。

したがって、ステッピングモータ15を定速回転させる吸入期間T1では、「T1/Np」のパルス間隔で駆動パルスを与えれば良い。

次に、プランジャ16Aの軸方向の移動速度を一定に保つ吐出期間T2の場合には、駆動パルスのパルス間隔は変則的になる。ここでは、吐出期間T2内での駆動パルスの供給タイミングを考える。

上述したように、「ステッピングモータ15を定速回転させた場合にはプランジャ16Aは軸方向に正弦往復運動をする」という性質がある。ステッピングモータ15の回転角度および回転速度をそれぞれθおよびVθとし、プランジャ16Aの軸方向の移動速度をVpとすると、プランジャ16Aの軸方向の移動速度Vは次式で表される。

Vp=Vθsinθ
よって、プランジャ16Aの軸方向の移動速度Vを一定に保つためには、ステッピングモータ15の回転速度Vθは次式のようにする必要がある。

θ=Vp/sinθ
一方で、上述したように、回転角度πに必要なパルス数をNpとするとき、ステッピングモータ15の1パルス当たりの回転角度Δθは「Δθ=π/Np」となるから、吐出期間T2内での任意のパルス間隔をAとすると、モータ回転速度VΔθは次式で表される。

Δθ=π/A・Np …(1)
したがって、式(1)で表されたモータ回転速度VΔθを上記モータ回転速度Vθと等しくするために、パルス間隔Aは次式のようにする必要がある。

A=πsinθ/Np・Vp …(2)
すなわち、吐出期間T2において、駆動パルスの供給タイミングをtとすれば(0<t≦T2)、1番目の駆動パルスの供給タイミングtは、次式の通り表される。

同様に、2番目の駆動パルスの供給タイミングtは、次式の通り表される。

したがって、一般式として、k番目の駆動パルスの供給タイミングtは、次式の通りとなる。

…(3)
つまり、吐出期間T2内でのk番目の駆動パルスの供給タイミングは式(3)で与えられ、吐出期間T2では、式(3)で規定されるタイミングでステッピングモータ15にk番目の駆動パルスが供給される。なお、式(3)における移動速度Vpは、別途、(吐出期間T2にシリンダ内でプランジャ16Aが移動可能する距離)/T2で求められる定数である。

このように、定量ポンプ16の吐出期間T2に、ステッピングモータ15のステップ角度(所定角度刻み)毎の回転速度を正弦波状に変化させてステッピングモータ15を正弦回転運動させるので、プランジャ16Aの軸方向の移動速度を一定に保って定量ポンプ16からの吐出量を一定に保つことができる。

この実施の形態の定量ポンプ16の駆動装置および駆動方法では、定量ポンプ16の吐出期間T2を吸入期間T1より長く設定したので、吐出の無い吸入期間を極力短くして、定量ポンプからの吐出量の低下を抑制することができる。また、吐出期間において、プランジャ16Aの軸方向の移動速度が一定に保たれるようにステッピングモータ15を変速回転させるので、定量ポンプ16からの吐出量を一定に保つことができ、結果として定量ポンプ16の吐出量の脈動を低減することができる。そして、当該定量ポンプ16の駆動装置を気化器および麻酔装置に適用したときに、従来の脈動対策として必要であった気化室が不要となり、装置容積の増大を招くことなく定量ポンプの脈動を低減して、装置のコスト低減および小型化を図ることができる。

次に、定量ポンプ16の駆動装置が適用される気化器2、並びに該気化器2が適用される麻酔装置1について説明する。図2は、この発明の実施の形態に係る定量ポンプの駆動装置、気化器および麻酔装置の構成図である。

図2において、この実施の形態の気化器2は、制御部12、麻酔薬ボトル13、モータドライバ14、ステッピングモータ15、定量ポンプ16、ヒータ18、麻酔薬識別センサ21および麻酔薬流量センサ22を備えた構成である。

また、この実施の形態の麻酔装置1は、気化器2に、操作部11およびフレッシュガス流量センサ23を加えた構成となっている。なお、麻酔装置の構成の内、酸素、亜酸化窒素または空気の混合であるフレッシュガスを生成する部分の構成については、従前の構成と同等であるので省略している。

なお、麻酔薬ボトル13の麻酔薬は麻酔薬流路31を通って定量ポンプ16の吸入口16E側に送られる。また、フレッシュガスは、ガス管路33を通して供給される。また、定量ポンプから吐出された麻酔薬は流路32を通ってフレッシュガスを移送するガス管路33との接続点34に送られる。この流路32の周囲にはヒータ18が設置されており、流路32では、吐出された麻酔薬を送液すると共に、ヒータ18によって気化されてガス管路33に供給されることになる。

この実施の形態の気化器2は気化室を備えていない点がこの発明の一つの特徴であり、従来の気化室の代替的役割を担うのが流路32、ヒータ18およびガス管路33である。すなわち、麻酔薬は流路32を移送中にヒータ18によってほぼ完全に気化されてガス管路33に供給され、該ガス管路33内でフレッシュガスと混合されて、麻酔ガスとして出力されることとなる。

操作部11は、例えば表示パネル等で具現され、麻酔ガス濃度やフレッシュガス流量の初期設定および変更を行うためのユーザインタフェースである。また、表示画面には、呼吸波形、各設定値、各実測値、酸素濃度などの必要な情報が表示され、確認可能な構成となっている。

また、麻酔薬ボトル13には、麻酔薬(ハロセン、エトレン、イソフルレン、セボフルレン等)を特定するカラー(リング)がはめられており、該カラーに合うボトルアダプタを取り付けて麻酔装置本体に装着される。アダプタは麻酔薬毎にコード化されており、麻酔薬識別センサ21によって該コードが読み取られ、制御部12に送信される。また、麻酔薬検知センサ22は、麻酔薬ボトル13から麻酔薬流路21を通って定量ポンプ16の吸入口16E側に送られる配管内の麻酔薬の有無を監視するためのものである。

次に、制御部12は、CPU等のプロセッサで実現され、制御部12の各機能は、マクロ機能プログラムとして制御部12内のメモリに保持され、該プロセッサ上で実行されるものである。

制御部12では、麻酔薬識別センサ21からの識別情報を受信して、麻酔薬の種別を判断する。また、操作部11を介して麻酔ガス濃度が設定されると、該麻酔ガス濃度設定値と、フレッシュガス流量センサ23により検出されたフレッシュガス流量とに基づき、必要麻酔ガス(気体)量を求め、アボガドロの法則に基づき麻酔ガス(気体)量を麻酔薬(液体)量に換算して、定量ポンプ16の単位時間当たりの送液量を求める。

具体的には、単位時間当たりの送液量は次の式(4)で算出される。

送液量[mL/min]
=必要麻酔ガス流量[L/min]/麻酔薬1mLが気化した時の体積[L]…(4)
ここで、式(4)の分子、分母は、それぞれ式(5)、式(6)で算出される。

必要麻酔ガス流量[L/min]
=麻酔ガス濃度設定値×フレッシュガス流量[L/min]/(1−麻酔ガス濃度設定値)…(5)
麻酔薬1mLが気化した時の体積[L]
=22.4×(273+20)/273/分子量×比重 …(6)

次に、こうして算出された単位時間当たりの送液量(麻酔薬量)が定量ポンプ16から吐出されるように、定量ポンプ16の吸入および吐出の周期T[sec]を算出する。すなわち、「単位時間当たりの送液量」を「定量ポンプ16の1ストローク当たりの吐出量」で除することにより毎分当たりの定量ポンプ16の回転数[rpm]を算出し、60[sec]/定量ポンプ16の回転数[rpm]により定量ポンプ16の吸入および吐出の周期T[sec]が算出される。

そして、算出された定量ポンプ16の周期T[sec]に基づき、定量ポンプ16(ステッピングモータ15)の回転速度が相対的に遅いか否か(定量ポンプ16の脈動の影響が麻酔ガス濃度に顕著に現れるか否か)を判断する。

具体的には、ステッピングモータ15の仕様によって定められる周期の閾値TMINと比較して、算出された周期Tが周期の閾値TMIN以上であれば定量ポンプ16(ステッピングモータ15)の回転速度が相対的に遅いと判断する。この場合、周期Tにおける吐出期間T2を吸入期間T1より長く設定し、該吐出期間T2においてステッピングモータ15の正弦回転によりプランジャ16Aの移動速度が一定に保たれる(以下では、可変相比モードと称する。)ようにして、定量ポンプ16からの吐出量をほぼ一定に保って脈動を低減する。

また、算出された周期Tが周期の閾値TMIN未満であれば定量ポンプ16(ステッピングモータ15)の回転速度が相対的に早く、定量ポンプ16の脈動による影響は軽微であると判断する。この場合、従来と同様に、周期Tにおける吸入期間T1および吐出期間T2をそれぞれT/2に設定し、ステッピングモータ15の定速回転によりプランジャ16Aを正弦往復運動(以下では、定回転モードと称する。)させる。

なお、周期の閾値TMINは、ステッピングモータ15の最大自起動周波数fs[rpm]に基づく設定最大速度Fs[pps]に基づき設定される。可変相比モードのように、ステッピングモータ15が半回転する間に駆動パルスの間隔を可変設定する制御は、自起動運転(加速・減速時間を設けることなく瞬時に起動停止させる運転;矩形駆動)で行う必要があり、自起動運転は最大自起動周波数Fs[pps]よりも低速側の領域(自起動領域)でのみ可能である。なお、自起動領域を超える高速域では、加減速運転(加速・減速時間を設け、パルス速度を徐々に上げる(下げる)運転;台形駆動)が行われ、可変相比モードの設定はできない。

次に、図3を参照して、この実施の形態の麻酔装置1または気化器2における定量ポンプ16の駆動制御について説明する。図3は可変相比モード時のタイムチャートであり、図3(a)は定量ポンプ16の吸入期間および吐出期間を、図3(b)はステッピングモータ15の回転速度を、図3(c)はモータドライバ14からステッピングモータ15に供給される駆動パルスを、図3(d)は定量ポンプ16の送液速度(単位時間当たりの送液量)を、図3(e)は麻酔ガス濃度を、それぞれ示す。

先ず、図3(a)に示すように、可変相比モード時には、定量ポンプ16の周期T[sec]における吐出期間T2は吸入期間T1より長く設定される。具体的には、吸入期間T1には設定最大速度Fs[pps]でステッピングモータ15の定速回転制御が行われ、吸入期間T1に必要なパルス数Npは「Np=π/ステップ角度」であるので、吸入期間T1[sec]はT1=Np/Fsで求められる。また、吐出期間T2[sec]はT2=T−T1で求められる。

また、可変相比モードでは、図3(b)に示すように、吸入期間T1においてステッピングモータ15の定速回転制御が行われ、吐出期間T2においてステッピングモータ15の正弦回転による変速回転制御が行われる。

すなわち、図3(c)に示すように、モータドライバ14からは、吸入期間T1においてパルス間隔「T1/Np」で駆動パルスが供給され、吐出期間T2において式(2)および式(3)を用いて算出されるパルス間隔で駆動パルスが供給される。

このように、吸入期間T1においては、ステッピングモータ15を正弦回転させるので、プランジャ16Aの移動速度が一定に保たれ、図3(d)に示すように、定量ポンプ16の送液速度(単位時間当たりの吐出量)が一定に保たれて脈動が低減することになる。

つまり、図3(d)に示すように、麻酔ガス濃度は、定量ポンプ16の送液が停止する吸入期間T1に幾分低下するものの、吸入期間は極力短く設定されており、また、流路32、ヒータ18およびガス管路33による麻酔ガス濃度の時間変化の平滑化と相俟って、麻酔ガス濃度の時間変化における脈動の影響は非常に軽微なものとなっている。

次に、図4を参照して、この実施の形態の麻酔装置1または気化器2における定量ポンプ16の駆動方法について説明する。

まず、ステップS1では、制御部12は、麻酔薬識別センサ21からの識別情報を受信して、麻酔薬の種別を判断する。また、操作部11を介して麻酔ガス濃度が設定され、フレッシュガス流量センサ23から検出されたフレッシュガス流量の情報を受信すると、麻酔ガス濃度設定値およびフレッシュガス流量をそれぞれ設定する。

そして、ステップS2では、制御部12は、これら麻酔ガス濃度設定値およびフレッシュガス流量に基づき、式(5)により必要麻酔ガス(気体)量を求め、式(6)によりアボガドロの法則に基づき麻酔ガス(気体)量を麻酔薬(液体)量に換算して、式(4)により定量ポンプ16の単位時間当たりの送液量を求める。

ここで、具体的数値を例示して説明する。定量ポンプ16は、従来と同様に、5[μL/stroke]に調整したFMI社製の定量吐出ポンプSTH型;回転速度の設定範囲=0〜600[rpm](3[mL/min])を使用する。また、ステッピングモータ15は、PKシリーズ:PK244−02Bを使用する。なお、ステップ角度は1.8[°/pulse]であり、吸入期間T1または吐出期間T2に必要なパルス数NpはNp=π/ステップ角度=100[pulse]となる。

さらに、麻酔薬にはセボフルレンを使用し、麻酔ガス濃度設定値を1.0[%]とする。また、フレッシュガス流量を0.5[L/min]とする。式(5)、(6)および(4)に基づき、セボフルレンの分子量=200.1および比重=1.52を代入して算出すると、単位時間当たりの送液量は0.0275[mL/min]となる。

また、ステップS3では、制御部12は、算出された単位時間当たりの送液量(麻酔薬量)が定量ポンプ16から吐出されるように、定量ポンプ16の吸入および吐出の周期T[sec]を算出する。

具体例では、「単位時間当たりの送液量=0.0275[mL/min]」を「定量ポンプ16の1ストローク当たりの吐出量=5[μL/stroke]」で除すると、毎分当たりの定量ポンプ16の回転数は5.5[rpm]となり、定量ポンプ16の吸入および吐出の周期T[sec]はT=60[sec]/5.5[rpm]=10.9[sec]となる。

次に、ステップS4では、制御部12は、定量ポンプ16の周期T[sec]が周期の閾値TMIN以上であるか否かを判断する。

可変相比モードの場合、制御部12は、定量ポンプ16の周期T[sec]における吐出期間T2を吸入期間T1より長く設定する。吸入期間は自起動周波数で決定される最短で設定し、吐出期間の1/4乃至1/3以下となるのが望ましい。具体例では、ステッピングモータ15の最大自起動周波数Fsを500[pps]に設定し、吸入期間T1はT1=Np/Fs=100/500=0.2[sec]となり、吐出期間をその3倍である0.6[sec]として、計0.8[sec]を可変相比モードの周期の閾値TMINとする。具体例では、定量ポンプ16の周期T[sec]が周期の閾値TMIN以上であるとして、ステップS5に進んで可変相比モードに移行することになる。

すなわち、ステップS5(可変相比モード)において、具体例では、吸入期間T1は、上述したようにT1=0.2[sec]となり、吐出期間T2[sec]はT2=T−T1=10.9−0.2=10.7[sec]となる。そして、制御部12は、吸入期間T1におけるパルス間隔を2[msec]とし、また、吐出期間T2における駆動パルスの供給タイミングを式(3)に基づき算出する。

ステップS6(可変相比モード)では、制御部12は、吸入期間T1においてはパルス間隔2[msec]で駆動パルスを供給してステッピングモータ15を定速回転させ、また、吐出期間T2においては式(3)を用いて算出される供給タイミングで駆動パルスを供給して、ステッピングモータ15を変速回転(正弦回転)させる。

このように可変相比モードでは、吐出期間T2においてステッピングモータ15を正弦回転させるので、プランジャ16Aの移動速度が一定に保たれ、定量ポンプ16の送液速度(単位時間当たりの吐出量)が一定に保たれて脈動が低減することになる。

また、ステップS4の判断で、定量ポンプ16の周期T[sec]が周期の閾値TMIN未満であった場合には、ステップS7に進んで従来と同様の定回転モードに移行する。例えば周期Tが0.4[sec]のとき、吸入期間T1および吐出期間T2をそれぞれT/2=0.2[sec]に設定し(ステップS7)、吸入期間T1および吐出期間T2共にパルス間隔2[msec]で駆動パルスを供給してステッピングモータ15を定速回転させる。なお、定量ポンプ16(ステッピングモータ15)の回転速度が相対的に速いので、脈動の影響は軽微なものとなっている。

以上説明したように、この実施の形態の定量ポンプの駆動方法、定量ポンプの駆動装置、気化器2および麻酔装置1では、制御部12により、設定された麻酔ガス濃度およびフレッシュガス流量に基づき定量ポンプ16の吸入および吐出の周期Tを算出し、該周期Tにおける吐出期間T2を吸入期間T1より長く設定したので、吐出の無い吸入期間T1を極力短くして、混合ガス濃度の低下を抑制することができる。また、ステッピングモータ15の回転速度の制御により、吐出期間T2におけるプランジャ16Aの移動速度が一定に保たれるので、定量ポンプ16からの吐出量をほぼ一定に保ち脈動を低減することができる。結果として、従来の脈動対策として必要であった気化室が不要となり、装置容積の増大を招くことなく定量ポンプ16の脈動を低減して、装置のコスト低減および小型化を図ることができる。なお、気化室が不要な構成であるので、麻酔ガス濃度の設定変更時のタイムラグを無くすことができ、また、フレッシュガス流量を急激に変化させたときに、麻酔ガス濃度にオーバーシュートやアンダーシュートが発生することもない。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。

例えば、具体例として、定量ポンプ16に、5[μL/stroke]に調整したFMI社製の定量吐出ポンプSTH型を使用したが、この発明によれば低回転時の脈動が低減されるので、1ストローク当たりのボリュームを大きくすることが可能である。例えば、20[μL/stroke]のものを使用すれば、同じ回転数で送液速度が4倍に向上させることができる。

このように、より大きいボリュームの定量ポンプ16とすることによる他の効果として、第1に、始動準備および終了準備の時間短縮が可能となる。また第2に、実用設定範囲が拡大し、高流量・高濃度の設定が可能となる。また第3に、同じ送液量でも回転数が少なくできるので、定量ポンプ16のポンプ寿命を向上させることができる。さらに第4に、耐圧(定量性を維持できる背圧の値)の向上(現行では0.3[Mpa]のものが0.7[MPa]となる。)により、加圧容器への送液が可能となる。

また、上記実施の形態では、吐出期間T2における駆動パルスの供給タイミングを式(3)に基づき算出して、駆動パルスをステッピングモータ15に供給するようにしたが、算出されるパルス間隔毎に駆動パルスを供給するようにしても良い。この場合、式(3)より、k−1番目の駆動パルスとk番目の駆動パルスとのパルス間隔は、「πsin(kπ/Np)/Np・V」で与えられるので、k−1番目の駆動パルスを供給してパルス間隔「πsin(kπ/Np)/Np・V」経過後に、k番目の駆動パルスを供給するようにすれば良い。

1 麻酔装置
2 気化器
11 操作部
12 制御部
13 麻酔薬ボトル
14 モータドライバ
15 ステッピングモータ(モータ)
16 定量ポンプ
16A プランジャ
16B 切り欠き部
16C ピン
16D シリンダ
17 クランク
17A 軸受け
18 ヒータ
21 麻酔薬識別センサ
22 麻酔薬流量センサ
23 フレッシュガス流量センサ
31 麻酔薬流路
32 流路
33 ガス管路

Claims (7)

  1. 軸がモータの回転軸に対して角度を付けて取り付けられ、前記モータの回転運動が軸周りの回転運動及び軸方向の往復運動に変換されるプランジャを備え、前記プランジャの一端部が切り欠かれて吸入口及び吐出口を開閉して、前記回転運動及び往復運動によって麻酔薬の吸入及び吐出を行う麻酔用の定量ポンプの駆動方法であって、
    当該定量ポンプの吐出期間が吸入期間より長く設定され、該吐出期間における前記プランジャの移動速度が、前記モータの回転速度の制御により一定に保たれる可変相比モードを有し、
    前記モータが所定の回転数以下のときに前記可変相比モードとし、前記モータが所定の回転数より速いときには、前記定量ポンプの吸入期間と吐出期間とを同じにするとともに、前記吸入期間と吐出期間において前記モータを定速回転運動させる定回転モードとする、
    ことを特徴とする定量ポンプの駆動方法。
  2. モータと、
    前記モータの回転を制御する制御部と、
    前記モータに連結され、軸がモータの回転軸に対して角度を付けて取り付けられ、前記モータの回転運動が軸周りの回転運動及び軸方向の往復運動に変換されるプランジャを有し、前記プランジャの一端部が切り欠かれて吸入口及び吐出口を開閉して、前記回転運動及び往復運動によって麻酔薬の吸入及び吐出を行う麻酔用の定量ポンプと、を備えた定量ポンプの駆動装置であって、
    前記制御部は、当該定量ポンプの吐出期間が吸入期間より長く設定され、該吐出期間における前記プランジャの移動速度が、前記モータの回転速度の制御により一定に保たれる可変相比モードを有し、
    前記制御部は、前記モータが所定の回転数以下のときに前記可変相比モードとし、前記モータが所定の回転数より速いときには、前記定量ポンプの吸入期間と吐出期間とを同じにするとともに、前記吸入期間と吐出期間において前記モータを定速回転運動させる定回転モードとする、
    ことを特徴とする定量ポンプの駆動装置。
  3. 前記モータは、前記定量ポンプの吐出期間に0からπまでの回転角の範囲をNp個の駆動パルスで制御されるステッピングモータであり、
    前記制御部は、前記定量ポンプの吐出期間に、前記定量ポンプのプランジャの移動速度をVpとするとき、k番目(k=1〜Np)の駆動パルスを、前記吐出期間において次式で規定されるタイミングtk
    で供給する
    ことを特徴とする請求項2に記載の定量ポンプの駆動装置。
  4. モータと、
    前記モータの回転を制御する制御部と、
    前記モータに連結され、軸がモータの回転軸に対して角度を付けて取り付けられ、前記モータの回転運動が軸周りの回転運動及び軸方向の往復運動に変換されるプランジャを有し、前記プランジャの一端部が切り欠かれて吸入口及び吐出口を開閉して、前記回転運動及び往復運動によって麻酔薬の吸入及び吐出を行う麻酔用の定量ポンプと、
    フレッシュガスを移送するガス管路と、
    前記ガス管路と接続され、前記定量ポンプから吐出された液体を送液すると共に気化せしめて前記ガス管路に供給する流路と、を備えて前記フレッシュガスと気化された液体ガスとの混合ガスを導出する気化器であって、
    前記制御部は、当該定量ポンプの吐出期間が吸入期間より長く設定され、該吐出期間における前記プランジャの移動速度が、前記モータの回転速度の制御により一定に保たれる可変相比モードを有し、
    前記制御部は、前記モータが所定の回転数以下のときに前記可変相比モードとし、前記モータが所定の回転数より速いときには、前記定量ポンプの吸入期間と吐出期間とを同じにするとともに、前記吸入期間と吐出期間において前記モータを定速回転運動させる定回転モードとする、
    ことを特徴とする気化器。
  5. 前記モータは、前記定量ポンプの吐出期間に0からπまでの回転角の範囲をNp個の駆動パルスで制御されるステッピングモータであり、
    前記制御部は、前記定量ポンプの吐出期間に、前記定量ポンプのプランジャの移動速度をVpとするとき、k番目(k=1〜Np)の駆動パルスを、前記吐出期間において次式で規定されるタイミングtk
    で供給する
    ことを特徴とする請求項4に記載の気化器。
  6. 前記ガス管路のフレッシュガス移送方向において前記流路との接続箇所よりも手前に配置され、前記フレッシュガスの流量を検出する流量検出手段を有し、
    前記制御部は、設定された前記混合ガスの濃度および前記流量検出手段により検出されたフレッシュガス流量に基づき前記定量ポンプの吸入および吐出の周期を算出する、
    ことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の気化器。
  7. 請求項4〜6の何れか1項に記載の気化器を備え、少なくとも酸素を含むフレッシュガスと気化された麻酔薬ガスとの混合ガスを麻酔ガスとして出力する
    ことを特徴とする麻酔装置。
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