JP6706744B2 - 人工呼吸器 - Google Patents
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Description
本発明は、自発呼吸が困難な場合に用いる人工呼吸器に関する。
図９は気道内圧と気流速の変化を説明するためのグラフである。
従来、吸気・呼気時間比（I：E比）は１：２と呼気時間を長く設定するのが一般的であった。呼気時間が長い場合、呼気フローは基線まで戻り、気道内圧および肺胞内圧もほぼ基線まで低下する（図９：ポイントＡ）。ポイントＡでは肺胞内圧が基線まで低下しているため、肺が虚脱することが懸念される。そこで、肺の虚脱を防ぐ目的で呼気相に一定の圧力をかけて呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ）（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｎｄ ｅｘｈａｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を設定する。これが気道内圧基線ＢＡＰ（ｂａｓｅｌｉｎｅ ａｉｒｗａｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）である。すなわち、必要以上に長い呼気時間の肺胞虚脱防止手段としてＢＡＰを高く設定していた。しかし肺胞圧がある程度存在している呼気初期においては、ＢＡＰは必ずしも必要ではない。
さて、気道内圧と肺胞内圧は必ずしも一致しない。特に閉塞性疾患など、一秒率が障害された症例では、気道内圧と肺胞内圧の格差が生じる。自発呼吸のない患者の場合は、呼気終末休止法（呼吸が終わった直後に呼吸器回路を閉鎖）によりｄＰＥＥＰ（ｄｙｎａｍｉｃ ＰＥＥＰ）（呼気終末肺胞内圧−気道内圧格差）を測定できる。しかし、呼気終末休止法は換気を一旦停止させなければならず、また呼気終末のポイントを変えればｄＰＥＥＰは変化する。
なお、呼吸ガスが呼吸系に搬送されるときに呼吸ガスの圧力と流量を測定し、吸気時間と呼気時間の比を変化させるものがある（特許文献１）。
従来、吸気・呼気時間比（I：E比）は１：２と呼気時間を長く設定するのが一般的であった。呼気時間が長い場合、呼気フローは基線まで戻り、気道内圧および肺胞内圧もほぼ基線まで低下する（図９：ポイントＡ）。ポイントＡでは肺胞内圧が基線まで低下しているため、肺が虚脱することが懸念される。そこで、肺の虚脱を防ぐ目的で呼気相に一定の圧力をかけて呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ）（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｎｄ ｅｘｈａｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を設定する。これが気道内圧基線ＢＡＰ（ｂａｓｅｌｉｎｅ ａｉｒｗａｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）である。すなわち、必要以上に長い呼気時間の肺胞虚脱防止手段としてＢＡＰを高く設定していた。しかし肺胞圧がある程度存在している呼気初期においては、ＢＡＰは必ずしも必要ではない。
さて、気道内圧と肺胞内圧は必ずしも一致しない。特に閉塞性疾患など、一秒率が障害された症例では、気道内圧と肺胞内圧の格差が生じる。自発呼吸のない患者の場合は、呼気終末休止法（呼吸が終わった直後に呼吸器回路を閉鎖）によりｄＰＥＥＰ（ｄｙｎａｍｉｃ ＰＥＥＰ）（呼気終末肺胞内圧−気道内圧格差）を測定できる。しかし、呼気終末休止法は換気を一旦停止させなければならず、また呼気終末のポイントを変えればｄＰＥＥＰは変化する。
なお、呼吸ガスが呼吸系に搬送されるときに呼吸ガスの圧力と流量を測定し、吸気時間と呼気時間の比を変化させるものがある（特許文献１）。
ｄＰＥＥＰの絶対値は測定できないが、呼気フロー波形からｄＰＥＥＰおよび全呼気終末肺胞内圧（ｔＰＥＥＰ）（ｔｏｔａｌ ＰＥＥＰ）の推移は予測できる。呼気フローが存在する時点ではｄＰＥＥＰが存在する（図９：ポイントＢ）。ポイントＢで吸気を開始させれば、ＢＡＰは最小限あるいは０ｍｍＨｇでも肺胞は虚脱せずに呼気時間を短縮できる。さらに肺胞虚脱予防効果を必要とする場合、より呼気フローが多いポイント（図９：ポイントＣ）で吸気を開始させる。この場合、肺のエアトラップによる気胸、呼吸不全の危険性は増す。
肺胞の虚脱を防ぎかつ換気効率の向上を得るには、呼気時間を最小に、十分な吸気プラトー時間が必要であると考えた。そのためには、１）呼吸モードを従圧式呼吸（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ）とする。２）呼気フローを妨げない目的でＢＡＰ（ＰＥＥＰ設定値）を最低限とする。３）たとえＢＡＰが０ｍｍＨｇでも呼気フローが存在している時点では呼気肺胞内圧が存在し（ｄｙｎａｍｉｃ ＰＥＥＰ）、肺胞は虚脱していない。すなわち、呼気フローを指標としながら基線にもどる以前のポイント（エアトラップを起こさずに肺胞は虚脱していないポイント）で吸気を開始させる。これによりＢＡＰがなくとも無期肺は予防され、呼気時間が最小限となり、吸気プラトー時間を最大とすることができる。
ところで、特許文献１は、コンプライアンス（呼吸系の容積導関数と圧力導関数の比）を制御パラメータとし、各患者の肺の状況に応じて圧力レベル、ＰＥＥＰ、吸気時間と呼気時間の比、および呼吸率の少なくとも１つを変化させるものである。
肺胞の虚脱を防ぎかつ換気効率の向上を得るには、呼気時間を最小に、十分な吸気プラトー時間が必要であると考えた。そのためには、１）呼吸モードを従圧式呼吸（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ）とする。２）呼気フローを妨げない目的でＢＡＰ（ＰＥＥＰ設定値）を最低限とする。３）たとえＢＡＰが０ｍｍＨｇでも呼気フローが存在している時点では呼気肺胞内圧が存在し（ｄｙｎａｍｉｃ ＰＥＥＰ）、肺胞は虚脱していない。すなわち、呼気フローを指標としながら基線にもどる以前のポイント（エアトラップを起こさずに肺胞は虚脱していないポイント）で吸気を開始させる。これによりＢＡＰがなくとも無期肺は予防され、呼気時間が最小限となり、吸気プラトー時間を最大とすることができる。
ところで、特許文献１は、コンプライアンス（呼吸系の容積導関数と圧力導関数の比）を制御パラメータとし、各患者の肺の状況に応じて圧力レベル、ＰＥＥＰ、吸気時間と呼気時間の比、および呼吸率の少なくとも１つを変化させるものである。
本発明は、呼気フロー波形からｄＰＥＥＰを推定し、意図的にｄＰＥＥＰが存在するポイントで吸気を開始することで、肺胞の虚脱を防ぎかつ換気効率を向上できる人工呼吸器を提供することを目的とする。
請求項１記載の本発明の人工呼吸器は、使用者に装着するインターフェースと、前記インターフェースに酸素を供給する吸気経路と、前記インターフェースから二酸化炭素を排出する呼気経路と、前記呼気経路に設けた呼気弁と、前記呼気弁を開閉制御する呼気弁駆動部と、前記吸気経路からの気流速および前記呼気経路への気流速を検出する気流速検出センサと、前記吸気経路および前記呼気経路の少なくともいずれかの圧力を検出する気道内圧検出センサと、前記気流速検出センサの気流速検出値および前記気道内圧検出センサの気道内圧検出値を入力し、前記呼気弁駆動部に対して弁開閉指示を出力する制御部とを備えた人工呼吸器であって、前記制御部は、呼気終末肺胞内圧−気道内圧格差が正の値となるように呼気一回換気量を決定するための呼気一回換気量設定比率を記憶する設定比率記憶手段と、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値と前記設定比率記憶手段に記憶された前記呼気一回換気量設定比率とから一回の呼吸ごとに前記呼気一回換気量を決定する呼気一回換気量決定手段と、前記呼気一回換気量決定手段で決定された前記呼気一回換気量となるタイミングを吸気開始ポイントと判断する吸気開始ポイント判断手段と、前記吸気開始ポイント判断手段で判断された前記吸気開始ポイントのタイミングで前記弁開閉指示を出力する弁開閉指示手段とを有し、前記吸気開始ポイントを、一回の前記呼吸ごとに前記呼気一回換気量決定手段で決定された前記呼気一回換気量によって判断して前記呼気弁を駆動することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の人工呼吸器において、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、一回の前記呼吸ごとに呼気量を計測する呼気量計測手段と、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、一回の前記呼吸ごとに吸気一回換気量Ｙを算出する吸気一回換気量算出手段とを有し、前記設定比率記憶手段では、前記吸気一回換気量算出手段で算出される前記吸気一回換気量Ｙを想定呼気一回換気量Ｘａと見なして、前記想定呼気一回換気量Ｘａに対する残気量Ｚａを前記呼気一回換気量設定比率として記憶し、前記呼気一回換気量決定手段では、一回の前記呼吸ごとに算出される前記吸気一回換気量Ｙと前記呼気一回換気量設定比率とから呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）を決定し、前記吸気開始ポイント判断手段では、前記呼気量計測手段で計測される前記呼気量が、前記呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）となるタイミングを前記吸気開始ポイントと判断することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、一回の前記呼吸ごとに最大呼気値Ｘｂを検出する最大呼気値検出手段を有し、前記設定比率記憶手段では、前記最大呼気値検出手段で検出される前記最大呼気値Ｘｂに対する残気呼気値Ｚｂを前記呼気一回換気量設定比率として記憶し、前記呼気一回換気量決定手段では、一回の前記呼吸ごとに算出される前記最大呼気値Ｘｂと前記呼気一回換気量設定比率とから前記残気呼気値Ｚｂを前記呼気一回換気量として決定し、前記吸気開始ポイント判断手段では、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値が前記残気呼気値Ｚｂとなるタイミングを前記吸気開始ポイントと判断することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、設定手段によってあらかじめ設定し気道内圧を記憶する気道内圧記憶手段と、前記気道内圧検出センサで検出される前記気道内圧検出値が、前記気道内圧記憶手段に記憶された前記気道内圧を越えることを監視する全呼気終末肺胞内圧監視手段と、前記弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段とを有し、前記全呼気終末肺胞内圧監視手段で前記気道内圧検出値が前記気道内圧を越えることを検出すると、前記呼気時間延長手段から前記弁開閉指示手段に対して前記呼気時間の延長を指示することを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、前記気流速検出センサで検出される前記気流速の乱れから異常を検出する気流速異常検出手段および前記気道内圧検出センサで検出される前記圧力の乱れから異常を検出する気道内圧異常検出手段の少なくともいずれかと、前記弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段とを有し、前記気流速異常検出手段および前記気道内圧異常検出手段の少なくともいずれかが前記異常を検出すると、前記呼気時間延長手段から前記弁開閉指示手段に対して前記呼気時間の延長を指示することを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、吸気一回換気量を算出する吸気一回換気量算出手段と、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、前記呼気一回換気量を算出する呼気一回換気量算出手段と、前記吸気一回換気量算出手段で算出される前記吸気一回換気量、および前記呼気一回換気量算出手段で算出される前記呼気一回換気量の少なくともいずれかが設定値を下回ると異常を検出する換気量異常検出手段と、前記弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段とを有し、前記換気量異常検出手段が前記異常を検出すると、前記呼気時間延長手段から前記弁開閉指示手段に対して前記呼気時間の延長を指示することを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、設定手段により設定された呼吸回数を記憶する設定値記憶手段と、前記弁開閉指示手段で指示する吸気タイミングと呼気タイミングとから吸気・呼気時間比を算出する吸気・呼気時間比算出手段と、前記設定値記憶手段に記憶された前記呼吸回数と、前記吸気・呼気時間比算出手段で算出された前記吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで前記弁開閉指示手段に指示を出力する持続強制換気指示手段とを有することを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、設定手段により設定された吸気時間を記憶する設定値記憶手段と、前記弁開閉指示手段で指示する吸気タイミングと呼気タイミングとから吸気・呼気時間比を算出する吸気・呼気時間比算出手段と、前記設定値記憶手段に記憶された前記吸気時間と、前記吸気・呼気時間比算出手段で算出された前記吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで前記弁開閉指示手段に指示を出力する持続強制換気指示手段とを有することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の人工呼吸器において、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、一回の前記呼吸ごとに呼気量を計測する呼気量計測手段と、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、一回の前記呼吸ごとに吸気一回換気量Ｙを算出する吸気一回換気量算出手段とを有し、前記設定比率記憶手段では、前記吸気一回換気量算出手段で算出される前記吸気一回換気量Ｙを想定呼気一回換気量Ｘａと見なして、前記想定呼気一回換気量Ｘａに対する残気量Ｚａを前記呼気一回換気量設定比率として記憶し、前記呼気一回換気量決定手段では、一回の前記呼吸ごとに算出される前記吸気一回換気量Ｙと前記呼気一回換気量設定比率とから呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）を決定し、前記吸気開始ポイント判断手段では、前記呼気量計測手段で計測される前記呼気量が、前記呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）となるタイミングを前記吸気開始ポイントと判断することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、一回の前記呼吸ごとに最大呼気値Ｘｂを検出する最大呼気値検出手段を有し、前記設定比率記憶手段では、前記最大呼気値検出手段で検出される前記最大呼気値Ｘｂに対する残気呼気値Ｚｂを前記呼気一回換気量設定比率として記憶し、前記呼気一回換気量決定手段では、一回の前記呼吸ごとに算出される前記最大呼気値Ｘｂと前記呼気一回換気量設定比率とから前記残気呼気値Ｚｂを前記呼気一回換気量として決定し、前記吸気開始ポイント判断手段では、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値が前記残気呼気値Ｚｂとなるタイミングを前記吸気開始ポイントと判断することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、設定手段によってあらかじめ設定し気道内圧を記憶する気道内圧記憶手段と、前記気道内圧検出センサで検出される前記気道内圧検出値が、前記気道内圧記憶手段に記憶された前記気道内圧を越えることを監視する全呼気終末肺胞内圧監視手段と、前記弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段とを有し、前記全呼気終末肺胞内圧監視手段で前記気道内圧検出値が前記気道内圧を越えることを検出すると、前記呼気時間延長手段から前記弁開閉指示手段に対して前記呼気時間の延長を指示することを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、前記気流速検出センサで検出される前記気流速の乱れから異常を検出する気流速異常検出手段および前記気道内圧検出センサで検出される前記圧力の乱れから異常を検出する気道内圧異常検出手段の少なくともいずれかと、前記弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段とを有し、前記気流速異常検出手段および前記気道内圧異常検出手段の少なくともいずれかが前記異常を検出すると、前記呼気時間延長手段から前記弁開閉指示手段に対して前記呼気時間の延長を指示することを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、吸気一回換気量を算出する吸気一回換気量算出手段と、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、前記呼気一回換気量を算出する呼気一回換気量算出手段と、前記吸気一回換気量算出手段で算出される前記吸気一回換気量、および前記呼気一回換気量算出手段で算出される前記呼気一回換気量の少なくともいずれかが設定値を下回ると異常を検出する換気量異常検出手段と、前記弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段とを有し、前記換気量異常検出手段が前記異常を検出すると、前記呼気時間延長手段から前記弁開閉指示手段に対して前記呼気時間の延長を指示することを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、設定手段により設定された呼吸回数を記憶する設定値記憶手段と、前記弁開閉指示手段で指示する吸気タイミングと呼気タイミングとから吸気・呼気時間比を算出する吸気・呼気時間比算出手段と、前記設定値記憶手段に記憶された前記呼吸回数と、前記吸気・呼気時間比算出手段で算出された前記吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで前記弁開閉指示手段に指示を出力する持続強制換気指示手段とを有することを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の人工呼吸器において、前記制御部は、設定手段により設定された吸気時間を記憶する設定値記憶手段と、前記弁開閉指示手段で指示する吸気タイミングと呼気タイミングとから吸気・呼気時間比を算出する吸気・呼気時間比算出手段と、前記設定値記憶手段に記憶された前記吸気時間と、前記吸気・呼気時間比算出手段で算出された前記吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで前記弁開閉指示手段に指示を出力する持続強制換気指示手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、一回の呼吸ごとにｄＰＥＥＰを推定し、意図的にｄＰＥＥＰが存在するポイントで吸気を開始することで、肺胞の虚脱を防ぎかつ換気効率を向上できる。
本発明の第１の実施の形態による人工呼吸器は、制御部が、呼気終末肺胞内圧−気道内圧格差が正の値となるように呼気一回換気量を決定するための呼気一回換気量設定比率を記憶する設定比率記憶手段と、気流速検出センサで検出される気流速検出値と設定比率記憶手段に記憶された呼気一回換気量設定比率とから一回の呼吸ごとに呼気一回換気量を決定する呼気一回換気量決定手段と、呼気一回換気量決定手段で決定された呼気一回換気量となるタイミングを吸気開始ポイントと判断する吸気開始ポイント判断手段と、吸気開始ポイント判断手段で判断された吸気開始ポイントのタイミングで弁開閉指示を出力する弁開閉指示手段とを有し、吸気開始ポイントを、一回の呼吸ごとに呼気一回換気量決定手段で決定された呼気一回換気量によって判断して呼気弁を駆動するものである。本実施の形態によれば、一回の呼吸ごとにｄＰＥＥＰを推定し、意図的にｄＰＥＥＰが存在するポイントで吸気を開始することで、肺胞の虚脱を防ぎかつ換気効率を向上できる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による人工呼吸器において、制御部が、気流速検出センサで検出される気流速検出値から、一回の呼吸ごとに呼気量を計測する呼気量計測手段と、気流速検出センサで検出される気流速検出値から、一回の呼吸ごとに吸気一回換気量Ｙを算出する吸気一回換気量算出手段とを有し、設定比率記憶手段では、吸気一回換気量算出手段で算出される吸気一回換気量Ｙを想定呼気一回換気量Ｘａと見なして、想定呼気一回換気量Ｘａに対する残気量Ｚａを呼気一回換気量設定比率として記憶し、
呼気一回換気量決定手段では、一回の呼吸ごとに算出される吸気一回換気量Ｙと呼気一回換気量設定比率とから呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）を決定し、吸気開始ポイント判断手段では、呼気量計測手段で計測される呼気量が、呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）となるタイミングを吸気開始ポイントと判断するものである。本実施の形態によれば、一回の呼吸ごとの吸気一回換気量Ｙから、吸気開始ポイントを一回の呼吸ごとに算出して吸気を実行するため、面積Ｚａにあたる換気量が残気量として残存するため、肺胞の虚脱を防ぎかつ換気効率を向上できる。
呼気一回換気量決定手段では、一回の呼吸ごとに算出される吸気一回換気量Ｙと呼気一回換気量設定比率とから呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）を決定し、吸気開始ポイント判断手段では、呼気量計測手段で計測される呼気量が、呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）となるタイミングを吸気開始ポイントと判断するものである。本実施の形態によれば、一回の呼吸ごとの吸気一回換気量Ｙから、吸気開始ポイントを一回の呼吸ごとに算出して吸気を実行するため、面積Ｚａにあたる換気量が残気量として残存するため、肺胞の虚脱を防ぎかつ換気効率を向上できる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による人工呼吸器において、制御部が、気流速検出センサで検出される気流速検出値から、一回の呼吸ごとに最大呼気値Ｘｂを検出する最大呼気値検出手段を有し、設定比率記憶手段では、最大呼気値検出手段で検出される最大呼気値Ｘｂに対する残気呼気値Ｚｂを呼気一回換気量設定比率として記憶し、呼気一回換気量決定手段では、一回の呼吸ごとに算出される最大呼気値Ｘｂと呼気一回換気量設定比率とから残気呼気値Ｚｂを呼気一回換気量として決定し、吸気開始ポイント判断手段では、気流速検出センサで検出される気流速検出値が残気呼気値Ｚｂとなるタイミングを吸気開始ポイントと判断するものである。本実施の形態によれば、一回の呼吸ごとの最大呼気値Ｘｂから吸気開始ポイントを一回の呼吸ごとに算出して吸気を実行するため、残気呼気値Ｚｂに対応する残気量が残存するため肺胞の虚脱を防ぎかつ換気効率を向上できる。
本発明の第４の実施の形態は、第１から第３のいずれかの実施の形態による人工呼吸器において、制御部が、設定手段によってあらかじめ設定した気道内圧を記憶する気道内圧記憶手段と、気道内圧検出センサで検出される気道内圧検出値が、気道内圧記憶手段に記憶された気道内圧を越えることを監視する全呼気終末肺胞内圧監視手段と、弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段とを有し、全呼気終末肺胞内圧監視手段で気道内圧検出値が気道内圧を越えることを検出すると、呼気時間延長手段から弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示するものである。呼気時間を短くすると呼気が十分吐ききれずに、肺にエアトラップを来たして呼吸不全の増悪や気胸の原因となることが懸念されるが、本実施の形態によれば、ｔＰＥＥＰが著しく増加している場合には、呼気時間を延長することで安全性を確保することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１から第３のいずれかの実施の形態による人工呼吸器において、制御部が、気流速検出センサで検出される気流速の乱れから異常を検出する気流速異常検出手段および気道内圧検出センサで検出される圧力の乱れから異常を検出する気道内圧異常検出手段の少なくともいずれかと、弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段とを有し、気流速異常検出手段および気道内圧異常検出手段の少なくともいずれかが異常を検出すると、呼気時間延長手段から弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示するものである。体動、術操作、咳などの影響で気流速の検出が困難となることがあるが、本実施の形態によれば、呼気時間を延長することで安全性を確保することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１の実施の形態による人工呼吸器において、制御部が、気流速検出センサで検出される気流速検出値から、吸気一回換気量を算出する吸気一回換気量算出手段と、気流速検出センサで検出される気流速検出値から、呼気一回換気量を算出する呼気一回換気量算出手段と、吸気一回換気量算出手段で算出される吸気一回換気量、および呼気一回換気量算出手段で算出される呼気一回換気量の少なくともいずれかが設定値を下回ると異常を検出する換気量異常検出手段と、弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段とを有し、換気量異常検出手段が異常を検出すると、呼気時間延長手段から弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示するものである。肺にエアトラップを来たした場合、吸気一回換気量および呼気一回換気量が著しく低下するが、本実施の形態によれば、呼気時間を延長することで安全性を確保することができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１から第６のいずれかの実施の形態による人工呼吸器において、制御部が、設定手段により設定された呼吸回数を記憶する設定値記憶手段と、弁開閉指示手段で指示する吸気タイミングと呼気タイミングとから吸気・呼気時間比を算出する吸気・呼気時間比算出手段と、設定値記憶手段に記憶された呼吸回数と、吸気・呼気時間比算出手段で算出された吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで弁開閉指示手段に指示を出力する持続強制換気指示手段とを有するものである。本実施の形態によれば、呼吸回数を固定設定した持続強制換気モードにも適用することができる。
本発明の第８の実施の形態は、第１から第６のいずれかの実施の形態による人工呼吸器において、制御部が、設定手段により設定された吸気時間を記憶する設定値記憶手段と、弁開閉指示手段で指示する吸気タイミングと呼気タイミングとから吸気・呼気時間比を算出する吸気・呼気時間比算出手段と、設定値記憶手段に記憶された吸気時間と、吸気・呼気時間比算出手段で算出された吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで弁開閉指示手段に指示を出力する持続強制換気指示手段とを有するものである。本実施の形態によれば、吸気時間を固定設定した持続強制換気モードにも適用することができる。
以下に本発明の一実施例について説明する。
図１は本発明の一実施例による人工呼吸器を機能実現手段で現したブロック図である。
図１に示すように、本実施例による人工呼吸器は、使用者に装着するインターフェース１と、インターフェース１に酸素を供給する吸気経路２と、インターフェース１から二酸化炭素を排出する呼気経路３と、吸気経路２に設けた吸気弁４と、呼気経路３に設けた呼気弁５と、吸気弁４を開閉制御する吸気弁駆動部４ａと、呼気弁５を開閉制御する呼気弁駆動部５ａとを備えている。
インターフェース１としては、フェースマスク、鼻マスク、気管チューブ、又は気管カニューレが用いられる。
吸気経路２には、圧縮空気供給源２ａから供給される圧縮空気と、圧縮酸素供給源２ｂから供給される圧縮酸素とが混合器２ｃで混合されて供給される。
吸気弁４を設けず、呼気弁５の開度調整によって、吸気ガスの吸気流量、吸気圧、吸気時間、呼気ガスの呼気流量、呼気圧、および呼気時間を制御することができるが、さらに吸気弁４を設けることで、呼気の期間中に、吸気経路２からの吸気ガスの無駄な排出を防止できる。
図１は本発明の一実施例による人工呼吸器を機能実現手段で現したブロック図である。
図１に示すように、本実施例による人工呼吸器は、使用者に装着するインターフェース１と、インターフェース１に酸素を供給する吸気経路２と、インターフェース１から二酸化炭素を排出する呼気経路３と、吸気経路２に設けた吸気弁４と、呼気経路３に設けた呼気弁５と、吸気弁４を開閉制御する吸気弁駆動部４ａと、呼気弁５を開閉制御する呼気弁駆動部５ａとを備えている。
インターフェース１としては、フェースマスク、鼻マスク、気管チューブ、又は気管カニューレが用いられる。
吸気経路２には、圧縮空気供給源２ａから供給される圧縮空気と、圧縮酸素供給源２ｂから供給される圧縮酸素とが混合器２ｃで混合されて供給される。
吸気弁４を設けず、呼気弁５の開度調整によって、吸気ガスの吸気流量、吸気圧、吸気時間、呼気ガスの呼気流量、呼気圧、および呼気時間を制御することができるが、さらに吸気弁４を設けることで、呼気の期間中に、吸気経路２からの吸気ガスの無駄な排出を防止できる。
本実施例による人工呼吸器は、気流速検出センサ６と、気道内圧検出センサ７と、設定手段８と、制御部１０とを備えている。
気流速検出センサ６は、吸気経路２からの気流速および呼気経路３への気流速を検出する。従って、気流速検出センサ６を吸気経路２と呼気経路３との合流点からインターフェース１までの間に設ける場合には、一つの気流速検出センサ６によって吸気経路２からの気流速および呼気経路３への気流速を検出できるが、吸気経路２と呼気経路３とにそれぞれ気流速センサ６を設けて各気流速を検出してもよい。
気道内圧検出センサ７は、吸気経路２および呼気経路３の少なくともいずれかの圧力を検出する。設定手段８は、入力装置で構成されて各種の設定値を設定する。制御部１０は、気流速検出センサ６の気流速検出値および気道内圧検出センサ７の気道内圧検出値を入力し、吸気弁駆動部４ａおよび呼気弁駆動部５ａに対して弁開閉指示を出力する。
気流速検出センサ６は、吸気経路２からの気流速および呼気経路３への気流速を検出する。従って、気流速検出センサ６を吸気経路２と呼気経路３との合流点からインターフェース１までの間に設ける場合には、一つの気流速検出センサ６によって吸気経路２からの気流速および呼気経路３への気流速を検出できるが、吸気経路２と呼気経路３とにそれぞれ気流速センサ６を設けて各気流速を検出してもよい。
気道内圧検出センサ７は、吸気経路２および呼気経路３の少なくともいずれかの圧力を検出する。設定手段８は、入力装置で構成されて各種の設定値を設定する。制御部１０は、気流速検出センサ６の気流速検出値および気道内圧検出センサ７の気道内圧検出値を入力し、吸気弁駆動部４ａおよび呼気弁駆動部５ａに対して弁開閉指示を出力する。
制御部１０は、呼気量計測手段１１と、吸気一回換気量算出手段１２と、呼気一回換気量算出手段１３とを有している。
呼気量計測手段１１は、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値から、一回の呼吸ごとに呼気量を計測する。吸気一回換気量算出手段１２は、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値から、一回の呼吸ごとに吸気一回換気量を算出する。呼気一回換気量算出手段１３は、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値から、一回の呼吸ごとに呼気一回換気量を算出する。
呼気量計測手段１１は、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値から、一回の呼吸ごとに呼気量を計測する。吸気一回換気量算出手段１２は、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値から、一回の呼吸ごとに吸気一回換気量を算出する。呼気一回換気量算出手段１３は、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値から、一回の呼吸ごとに呼気一回換気量を算出する。
制御部１０は、設定比率記憶手段１４と、呼気一回換気量決定手段１５と、吸気開始ポイント判断手段１６と、弁開閉指示手段１７とを有している。
設定比率記憶手段１４は、呼気一回換気量を決定するための呼気一回換気量設定比率を記憶する。設定比率記憶手段１４に記憶される呼気一回換気量設定比率は、設定手段８によって入力される。呼気一回換気量設定比率は、呼気終末肺胞内圧−気道内圧格差が正の値となるように設定される。さらに具体的には、設定比率記憶手段１４では、吸気一回換気量算出手段１２で算出される吸気一回換気量を想定呼気一回換気量と見なして、想定呼気一回換気量に対する残気量を呼気一回換気量設定比率として記憶する。
呼気一回換気量決定手段１５は、吸気一回換気量算出手段１２で算出される一回の呼吸ごとの吸気一回換気量と、設定比率記憶手段１４に記憶された呼気一回換気量設定比率とから一回の呼吸ごとに呼気一回換気量を決定する。
吸気開始ポイント判断手段１６は、呼気量計測手段１１で計測される呼気量が、呼気一回換気量決定手段１５で決定された呼気一回換気量となるタイミングを吸気開始ポイントと判断する。
弁開閉指示手段１７は、吸気開始ポイント判断手段１６で判断された吸気開始ポイントのタイミングで弁開閉指示を吸気弁駆動部４ａおよび呼気弁駆動部５ａに出力する。
設定比率記憶手段１４は、呼気一回換気量を決定するための呼気一回換気量設定比率を記憶する。設定比率記憶手段１４に記憶される呼気一回換気量設定比率は、設定手段８によって入力される。呼気一回換気量設定比率は、呼気終末肺胞内圧−気道内圧格差が正の値となるように設定される。さらに具体的には、設定比率記憶手段１４では、吸気一回換気量算出手段１２で算出される吸気一回換気量を想定呼気一回換気量と見なして、想定呼気一回換気量に対する残気量を呼気一回換気量設定比率として記憶する。
呼気一回換気量決定手段１５は、吸気一回換気量算出手段１２で算出される一回の呼吸ごとの吸気一回換気量と、設定比率記憶手段１４に記憶された呼気一回換気量設定比率とから一回の呼吸ごとに呼気一回換気量を決定する。
吸気開始ポイント判断手段１６は、呼気量計測手段１１で計測される呼気量が、呼気一回換気量決定手段１５で決定された呼気一回換気量となるタイミングを吸気開始ポイントと判断する。
弁開閉指示手段１７は、吸気開始ポイント判断手段１６で判断された吸気開始ポイントのタイミングで弁開閉指示を吸気弁駆動部４ａおよび呼気弁駆動部５ａに出力する。
制御部１０は、気道内圧記憶手段１８と、気道内圧上限記憶手段１９と、吸気終了ポイント判断手段２０とを有する。
気道内圧記憶手段１８は、設定手段８によってあらかじめ設定した気道内圧を記憶する。気道内圧上限記憶手段１９は、設定手段８によってあらかじめ設定した気道内圧上限値か、または設定された気道内圧から決定される気道内圧上限値を記憶する。吸気終了ポイント判断手段２０は、気道内圧検出センサ７で検出される気道内圧が気道内圧上限記憶手段１９に記憶されている気道内圧上限値に達したタイミングを吸気終了ポイントとして判断するか、または気道内圧検出センサ７で検出される気道内圧が気道内圧上限値に達した後に設定された吸気時間が経過した後のタイミングを吸気終了ポイントとして判断する。弁開閉指示手段１７は、吸気終了ポイント判断手段２０で判断された吸気終了ポイントのタイミングで弁開閉指示を吸気弁駆動部４ａおよび呼気弁駆動部５ａに出力する。
すなわち、本実施例は、吸気上限を気道内圧で制御する従圧式調整換気ＰＣＶ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ）モードである。
気道内圧記憶手段１８は、設定手段８によってあらかじめ設定した気道内圧を記憶する。気道内圧上限記憶手段１９は、設定手段８によってあらかじめ設定した気道内圧上限値か、または設定された気道内圧から決定される気道内圧上限値を記憶する。吸気終了ポイント判断手段２０は、気道内圧検出センサ７で検出される気道内圧が気道内圧上限記憶手段１９に記憶されている気道内圧上限値に達したタイミングを吸気終了ポイントとして判断するか、または気道内圧検出センサ７で検出される気道内圧が気道内圧上限値に達した後に設定された吸気時間が経過した後のタイミングを吸気終了ポイントとして判断する。弁開閉指示手段１７は、吸気終了ポイント判断手段２０で判断された吸気終了ポイントのタイミングで弁開閉指示を吸気弁駆動部４ａおよび呼気弁駆動部５ａに出力する。
すなわち、本実施例は、吸気上限を気道内圧で制御する従圧式調整換気ＰＣＶ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ）モードである。
制御部１０は、全呼気終末肺胞内圧（ｔＰＥＥＰ）監視手段２１と、呼気時間延長手段２２とを有している。
全呼気終末肺胞内圧監視手段２１は、気道内圧検出センサ７で検出される気道内圧検出値が、気道内圧記憶手段１８に記憶された気道内圧を越えることを監視する。呼気時間延長手段２２は、弁開閉指示手段１７に対して呼気時間の延長を指示する。
そして、全呼気終末肺胞内圧監視手段２１で気道内圧検出値が気道内圧を越えることを検出すると、警報手段（図示せず）からアラームを発するとともに呼気時間延長手段２２から弁開閉指示手段１７に対して呼気時間の延長を指示する。従って、本実施例によれば、ｔＰＥＥＰが著しく増加している場合には、呼気時間を延長することで安全性を確保でき、肺にエアトラップを来たして呼吸不全の増悪や気胸の原因となることがない。
全呼気終末肺胞内圧監視手段２１は、気道内圧検出センサ７で検出される気道内圧検出値が、気道内圧記憶手段１８に記憶された気道内圧を越えることを監視する。呼気時間延長手段２２は、弁開閉指示手段１７に対して呼気時間の延長を指示する。
そして、全呼気終末肺胞内圧監視手段２１で気道内圧検出値が気道内圧を越えることを検出すると、警報手段（図示せず）からアラームを発するとともに呼気時間延長手段２２から弁開閉指示手段１７に対して呼気時間の延長を指示する。従って、本実施例によれば、ｔＰＥＥＰが著しく増加している場合には、呼気時間を延長することで安全性を確保でき、肺にエアトラップを来たして呼吸不全の増悪や気胸の原因となることがない。
制御部１０は、気流速検出センサ６で検出される気流速の乱れから異常を検出する気流速異常検出手段２３と、気道内圧検出センサ７で検出される圧力の乱れから異常を検出する気道内圧異常検出手段２４の少なくともいずれかを有する。
そして、気流速異常検出手段２３および気道内圧異常検出手段２４の少なくともいずれかが異常を検出すると、警報手段（図示せず）からアラームを発するとともに呼気時間延長手段２２から弁開閉指示手段１７に対して呼気時間の延長を指示する。従って、本実施例によれば、体動、術操作、咳などの影響で気流速の検出が困難となる場合には、呼気時間を延長することで安全性を確保できる。
そして、気流速異常検出手段２３および気道内圧異常検出手段２４の少なくともいずれかが異常を検出すると、警報手段（図示せず）からアラームを発するとともに呼気時間延長手段２２から弁開閉指示手段１７に対して呼気時間の延長を指示する。従って、本実施例によれば、体動、術操作、咳などの影響で気流速の検出が困難となる場合には、呼気時間を延長することで安全性を確保できる。
制御部１０は、吸気一回換気量算出手段１２で算出される吸気一回換気量、または呼気一回換気量算出手段１３で算出される呼気一回換気量の少なくともいずれかが設定値を下回ると異常を検出する換気量異常検出手段２５を有している。
そして、換気量異常検出手段２５が異常を検出すると、警報手段（図示せず）からアラームを発するとともに呼気時間延長手段２２から弁開閉指示手段１７に対して呼気時間の延長を指示する。従って、本実施例によれば、肺にエアトラップを来たした場合に、呼気時間を延長することで吸気一回換気量および呼気一回換気量の低下を防止して、安全性を確保することができる。
そして、換気量異常検出手段２５が異常を検出すると、警報手段（図示せず）からアラームを発するとともに呼気時間延長手段２２から弁開閉指示手段１７に対して呼気時間の延長を指示する。従って、本実施例によれば、肺にエアトラップを来たした場合に、呼気時間を延長することで吸気一回換気量および呼気一回換気量の低下を防止して、安全性を確保することができる。
制御部１０は、設定値記憶手段３１と、吸気・呼気時間比算出手段３２と、持続強制換気（ＣＭＶ）（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍａｎｄａｔｏｒｙ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ）指示手段３３とを有する。
設定値記憶手段３１は、設定手段８により設定された呼吸回数または吸気時間を記憶する。吸気・呼気時間比算出手段３２は、弁開閉指示手段１７で指示する吸気タイミングと呼気タイミングとから吸気・呼気時間比を算出する。
持続強制換気指示手段３３は、呼吸回数を固定設定した持続強制換気モードでは、設定値記憶手段３１に記憶された呼吸回数と、吸気・呼気時間比算出手段３２で算出された吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで弁開閉指示手段１７に指示を出力する。
持続強制換気指示手段３３は、吸気時間を固定設定した持続強制換気モードでは、設定値記憶手段３１に記憶された吸気時間と、吸気・呼気時間比算出手段３２で算出された吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで弁開閉指示手段１７に指示を出力する。
なお、持続強制換気指示手段３３による持続強制換気モードは、あらかじめ吸気開始ポイント判断手段１６による換気モードを行った後に行う他、持続強制換気指示手段３３による持続強制換気モードと吸気開始ポイント判断手段１６による換気モードとを適宜切り替えて行うこともできる。
設定値記憶手段３１は、設定手段８により設定された呼吸回数または吸気時間を記憶する。吸気・呼気時間比算出手段３２は、弁開閉指示手段１７で指示する吸気タイミングと呼気タイミングとから吸気・呼気時間比を算出する。
持続強制換気指示手段３３は、呼吸回数を固定設定した持続強制換気モードでは、設定値記憶手段３１に記憶された呼吸回数と、吸気・呼気時間比算出手段３２で算出された吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで弁開閉指示手段１７に指示を出力する。
持続強制換気指示手段３３は、吸気時間を固定設定した持続強制換気モードでは、設定値記憶手段３１に記憶された吸気時間と、吸気・呼気時間比算出手段３２で算出された吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで弁開閉指示手段１７に指示を出力する。
なお、持続強制換気指示手段３３による持続強制換気モードは、あらかじめ吸気開始ポイント判断手段１６による換気モードを行った後に行う他、持続強制換気指示手段３３による持続強制換気モードと吸気開始ポイント判断手段１６による換気モードとを適宜切り替えて行うこともできる。
図２は気道内圧と気流速の変化を示すグラフ、図３は本実施例による人工呼吸器での気道内圧と気流速の変化を示すグラフである。
図２においてＢＡＰ ０ｍｍＨｇで十分呼気時間を与えた場合、呼気フローは基線まで戻り、呼気フローの積分すなわち面積Ｘが呼気一回換気量となる。また、吸気フローの積分すなわち面積Ｙが吸気一回換気量となる。呼吸器回路からのリーク、患者への吸収などの影響も受けるがおおよそＸ＝Ｙとなる。このような換気では肺胞虚脱が懸念される。
図３に示すように、本実施例では肺胞虚脱を防ぐ目的で、吸気開始をポイントＥとする。吸気開始をポイントＥとすることで、面積Ｚａにあたる換気量が残気量として増加する。吸気一回換気量算出手段１２にて一回の呼吸ごとに吸気一回換気量Ｙを算出し、吸気一回換気量算出手段１２で算出される吸気一回換気量Ｙを想定呼気一回換気量Ｘａと見なす。また、設定比率記憶手段１４では、想定呼気一回換気量Ｘａに対する残気量Ｚａを呼気一回換気量設定比率として記憶している。
そして、呼気一回換気量決定手段１５では、一回の呼吸ごとに算出される吸気一回換気量Ｙと呼気一回換気量設定比率（例えば５％Ｘａ、１０％Ｘａ）とから呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）を決定し、吸気開始ポイント判断手段１６では、呼気量計測手段１１で計測される呼気量が、呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）となるタイミングを吸気開始ポイントと判断する。従って、残気量Ｚａは想定呼気一回換気量Ｘａに対する比率で設定する。呼気フローの波形から瞬時に波形形状を予測して吸気開始のポイントＥを呼吸ごとに算出して吸気を実行する。
図２においてＢＡＰ ０ｍｍＨｇで十分呼気時間を与えた場合、呼気フローは基線まで戻り、呼気フローの積分すなわち面積Ｘが呼気一回換気量となる。また、吸気フローの積分すなわち面積Ｙが吸気一回換気量となる。呼吸器回路からのリーク、患者への吸収などの影響も受けるがおおよそＸ＝Ｙとなる。このような換気では肺胞虚脱が懸念される。
図３に示すように、本実施例では肺胞虚脱を防ぐ目的で、吸気開始をポイントＥとする。吸気開始をポイントＥとすることで、面積Ｚａにあたる換気量が残気量として増加する。吸気一回換気量算出手段１２にて一回の呼吸ごとに吸気一回換気量Ｙを算出し、吸気一回換気量算出手段１２で算出される吸気一回換気量Ｙを想定呼気一回換気量Ｘａと見なす。また、設定比率記憶手段１４では、想定呼気一回換気量Ｘａに対する残気量Ｚａを呼気一回換気量設定比率として記憶している。
そして、呼気一回換気量決定手段１５では、一回の呼吸ごとに算出される吸気一回換気量Ｙと呼気一回換気量設定比率（例えば５％Ｘａ、１０％Ｘａ）とから呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）を決定し、吸気開始ポイント判断手段１６では、呼気量計測手段１１で計測される呼気量が、呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）となるタイミングを吸気開始ポイントと判断する。従って、残気量Ｚａは想定呼気一回換気量Ｘａに対する比率で設定する。呼気フローの波形から瞬時に波形形状を予測して吸気開始のポイントＥを呼吸ごとに算出して吸気を実行する。
図４は、本実施例による人工呼吸器を持続強制換気モードに用いる場合での気道内圧と気流速の変化を示すグラフである。
呼気時間を最小に、十分な吸気プラトー時間とするために、持続強制換気モードでは吸気制御方式を基本的には従圧式吸気制御（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ：ＰＣ）とする。従量式吸気制御（ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ：ＶＣあるいは、ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ：ＦＣ）では十分な吸気プラトー時間を得るのには不利である。図４では、ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰを意図した吸気開始機構を用いた従圧式吸気制御・持続強制換気（ｉｎｔｅｎｄｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰ・ＰＣ・ＣＭＶ）を示す。
呼気と同様、吸気においても気道内圧と肺胞圧が解離する。健常肺胞の肺胞圧（A）は短時間で吸気気道プラトー圧に達する。しかし虚脱肺胞あるいは障害肺胞の肺胞圧（B）は吸気気道プラトー圧に達するまでにより多くの時間を要する。
ｉｎｔｅｎｄｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰ・ＰＣ・ＣＭＶでは、１）呼吸回数を固定設定、吸気：呼吸時間比（I：E比）をｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰを意図した吸気開始機構により自動的に随時調節する。あるいは、２）吸気時間を固定設定、呼吸回数をｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰを意図した吸気開始機構により自動的に随時調節する。なお、ＢＡＰは最低限あるいは必要ない。
本実施例による呼吸モードは、吸気・呼気逆比呼吸（ｉｎｖｅｒｓｅｄ ｒａｔｉｏ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ：ＩＲＶ）と、呼気時間短縮・吸気時間延長という点で類似する。しかしＩＲＶは患者状況に応じて呼気時間を安全に調節するものではない。したがって、ＩＲＶではエアトラップを来たして呼吸不全の増悪や気胸を来たす危険性がある。
本実施例では、ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰを意図した吸気開始機構を用いることにより、安全に呼気時間を最小限にできる。
呼気時間を最小に、十分な吸気プラトー時間とするために、持続強制換気モードでは吸気制御方式を基本的には従圧式吸気制御（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ：ＰＣ）とする。従量式吸気制御（ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ：ＶＣあるいは、ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ：ＦＣ）では十分な吸気プラトー時間を得るのには不利である。図４では、ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰを意図した吸気開始機構を用いた従圧式吸気制御・持続強制換気（ｉｎｔｅｎｄｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰ・ＰＣ・ＣＭＶ）を示す。
呼気と同様、吸気においても気道内圧と肺胞圧が解離する。健常肺胞の肺胞圧（A）は短時間で吸気気道プラトー圧に達する。しかし虚脱肺胞あるいは障害肺胞の肺胞圧（B）は吸気気道プラトー圧に達するまでにより多くの時間を要する。
ｉｎｔｅｎｄｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰ・ＰＣ・ＣＭＶでは、１）呼吸回数を固定設定、吸気：呼吸時間比（I：E比）をｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰを意図した吸気開始機構により自動的に随時調節する。あるいは、２）吸気時間を固定設定、呼吸回数をｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰを意図した吸気開始機構により自動的に随時調節する。なお、ＢＡＰは最低限あるいは必要ない。
本実施例による呼吸モードは、吸気・呼気逆比呼吸（ｉｎｖｅｒｓｅｄ ｒａｔｉｏ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ：ＩＲＶ）と、呼気時間短縮・吸気時間延長という点で類似する。しかしＩＲＶは患者状況に応じて呼気時間を安全に調節するものではない。したがって、ＩＲＶではエアトラップを来たして呼吸不全の増悪や気胸を来たす危険性がある。
本実施例では、ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰを意図した吸気開始機構を用いることにより、安全に呼気時間を最小限にできる。
自発呼吸を補助する場合、吸気制御方式を、患者の吸気・呼気を妨げない従圧式吸気制御（ｅｎｈａｎｃｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｃｏｎｔｒｏｌ：ｅＰＣ）で行ってもよい。図５では、ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰを意図した吸気開始機構を用いた、患者の吸気・呼気を妨げない従圧式吸気制御・持続強制換気（ｉｎｔｅｎｄｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰ・ｅＰＣ・ＣＭＶ）を示す。
この換気方式は気道圧開放換気（ａｉｒｗａｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｅａｓｅ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ：ＡＰＲＶ）に類似する。ただし、ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰを意図した吸気開始機構を用いて、安全に呼気時間を最小限にできる。
なお、上記に加えてさらに自発呼吸をプレッシャーサポート（ＰＳ）によって補助してもよい。
この換気方式は気道圧開放換気（ａｉｒｗａｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｅａｓｅ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ：ＡＰＲＶ）に類似する。ただし、ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰを意図した吸気開始機構を用いて、安全に呼気時間を最小限にできる。
なお、上記に加えてさらに自発呼吸をプレッシャーサポート（ＰＳ）によって補助してもよい。
図６は本発明の他の実施例による人工呼吸器を機能実現手段で現したブロック図である。上記実施例と同じ手段には同一符号を付して説明を省略する。
本実施例における制御部１０は、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値から、一回の呼吸ごとに最大呼気値を検出する最大呼気値検出手段２６を有している。
本実施例においても設定比率記憶手段１４は、呼気一回換気量を決定するための呼気一回換気量設定比率を記憶する。設定比率記憶手段１４に記憶される呼気一回換気量設定比率は、設定手段８によって入力される。呼気一回換気量設定比率は、呼気終末肺胞内圧と気道内圧との格差（呼気終末肺胞内圧−気道内圧）が正の値となるように設定される。しかし具体的には、設定比率記憶手段１４では、最大呼気値検出手段２６で検出される最大呼気値に対する残気呼気値を呼気一回換気量設定比率として記憶し、呼気一回換気量決定手段１５では、一回の呼吸ごとに算出される最大呼気値と呼気一回換気量設定比率とから残気呼気値を呼気一回換気量として決定する。
そして、吸気開始ポイント判断手段１６では、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値が残気呼気値となるタイミングを吸気開始ポイントと判断する。
本実施例における制御部１０は、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値から、一回の呼吸ごとに最大呼気値を検出する最大呼気値検出手段２６を有している。
本実施例においても設定比率記憶手段１４は、呼気一回換気量を決定するための呼気一回換気量設定比率を記憶する。設定比率記憶手段１４に記憶される呼気一回換気量設定比率は、設定手段８によって入力される。呼気一回換気量設定比率は、呼気終末肺胞内圧と気道内圧との格差（呼気終末肺胞内圧−気道内圧）が正の値となるように設定される。しかし具体的には、設定比率記憶手段１４では、最大呼気値検出手段２６で検出される最大呼気値に対する残気呼気値を呼気一回換気量設定比率として記憶し、呼気一回換気量決定手段１５では、一回の呼吸ごとに算出される最大呼気値と呼気一回換気量設定比率とから残気呼気値を呼気一回換気量として決定する。
そして、吸気開始ポイント判断手段１６では、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値が残気呼気値となるタイミングを吸気開始ポイントと判断する。
図７は本実施例による人工呼吸器での気道内圧と気流速の変化を示すグラフである。
図７に示すように、最大呼気値Ｘｂに対する設定比率（％）となる残気呼気値Ｚｂを吸気開始のポイントＦとする。
吸気開始をポイントＦとすることで、残気呼気値Ｚｂに対応する残気量が残存するため肺胞の虚脱を防ぎかつ換気効率を向上できる。最大呼気値検出手段２６にて一回の呼吸ごとに最大呼気値Ｘｂを検出する。また、設定比率記憶手段１４では、最大呼気値検出手段２６で検出される最大呼気値Ｘｂに対する残気呼気値Ｚｂを呼気一回換気量設定比率として記憶している。
そして、呼気一回換気量決定手段１５では、一回の呼吸ごとに算出される最大呼気値Ｘｂと呼気一回換気量設定比率とから残気呼気値Ｚｂを呼気一回換気量として決定し、吸気開始ポイント判断手段１６では、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値が残気呼気値Ｚｂとなるタイミングを吸気開始のポイントＦと判断する。従って、呼気フローの波形から瞬時に波形形状を予測して吸気開始のポイントＦを呼吸ごとに算出して吸気を実行する。
図７に示すように、最大呼気値Ｘｂに対する設定比率（％）となる残気呼気値Ｚｂを吸気開始のポイントＦとする。
吸気開始をポイントＦとすることで、残気呼気値Ｚｂに対応する残気量が残存するため肺胞の虚脱を防ぎかつ換気効率を向上できる。最大呼気値検出手段２６にて一回の呼吸ごとに最大呼気値Ｘｂを検出する。また、設定比率記憶手段１４では、最大呼気値検出手段２６で検出される最大呼気値Ｘｂに対する残気呼気値Ｚｂを呼気一回換気量設定比率として記憶している。
そして、呼気一回換気量決定手段１５では、一回の呼吸ごとに算出される最大呼気値Ｘｂと呼気一回換気量設定比率とから残気呼気値Ｚｂを呼気一回換気量として決定し、吸気開始ポイント判断手段１６では、気流速検出センサ６で検出される気流速検出値が残気呼気値Ｚｂとなるタイミングを吸気開始のポイントＦと判断する。従って、呼気フローの波形から瞬時に波形形状を予測して吸気開始のポイントＦを呼吸ごとに算出して吸気を実行する。
ボリュームカプノメトリを用いて換気効率を評価した結果を図８に示す。
腹腔鏡手術・同一症例において、比較例１（ＰＣV−ＶＧモード換気量設定４５０ｍｌ、I：E比１：２、呼吸回数１０回、ＢＡＰ ４ｃｍＨ２Ｏ）、比較例２（低１回換気量高ＢＡＰ）（ＰＣV−ＶＧモード換気量設定４００ｍｌ、I：E比１：２、呼吸回数１０回、ＢＡＰ １０ｃｍＨ２Ｏ）、比較例３（ｉｎｔｅｎｄｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰ）（ＰＣV−ＶＧモード換気量設定４５０ｍｌ、I：E比１．５：１、呼吸回数１０回、ＢＡＰ ４ｃｍＨ２Ｏ）について、それぞれ肺リクルートメントを行った後、ボリュームカプノメトリを３０分ずつ行った。なお、ｉｎｔｅｎｄｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎを装備した呼吸器を想定して比較例３では、呼気フローモニターを参考に随時手動でI：E比を１．５：１に設定した。
比較例１および比較例２に比べて比較例３では、換気量および気道内圧は差が認められなかった。しかし、二酸化炭素排出量が１７ｍｌから２０ｍｌに若干増加した。肺胞換気率が０．６２から０．６６に若干改善した。以上から、本実施例によれば換気効率を高めると思われる。また、吸気プラトー時間延長による肺リクルートメント様効果を期待するが、比較例３における症例は換気条件が良く、動脈血酸素濃度に大きな差を認めなかった。換気条件が良い症例では比較例３の効果は目立たない。ＡＲＤＳ、肥満症例、腹腔鏡手術など、低肺コンプライアンス症例では本実施例による高換気効率および肺虚脱予防効果が大きいと期待される。
腹腔鏡手術・同一症例において、比較例１（ＰＣV−ＶＧモード換気量設定４５０ｍｌ、I：E比１：２、呼吸回数１０回、ＢＡＰ ４ｃｍＨ２Ｏ）、比較例２（低１回換気量高ＢＡＰ）（ＰＣV−ＶＧモード換気量設定４００ｍｌ、I：E比１：２、呼吸回数１０回、ＢＡＰ １０ｃｍＨ２Ｏ）、比較例３（ｉｎｔｅｎｄｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰ）（ＰＣV−ＶＧモード換気量設定４５０ｍｌ、I：E比１．５：１、呼吸回数１０回、ＢＡＰ ４ｃｍＨ２Ｏ）について、それぞれ肺リクルートメントを行った後、ボリュームカプノメトリを３０分ずつ行った。なお、ｉｎｔｅｎｄｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ−ＰＥＥＰ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎを装備した呼吸器を想定して比較例３では、呼気フローモニターを参考に随時手動でI：E比を１．５：１に設定した。
比較例１および比較例２に比べて比較例３では、換気量および気道内圧は差が認められなかった。しかし、二酸化炭素排出量が１７ｍｌから２０ｍｌに若干増加した。肺胞換気率が０．６２から０．６６に若干改善した。以上から、本実施例によれば換気効率を高めると思われる。また、吸気プラトー時間延長による肺リクルートメント様効果を期待するが、比較例３における症例は換気条件が良く、動脈血酸素濃度に大きな差を認めなかった。換気条件が良い症例では比較例３の効果は目立たない。ＡＲＤＳ、肥満症例、腹腔鏡手術など、低肺コンプライアンス症例では本実施例による高換気効率および肺虚脱予防効果が大きいと期待される。
一方、現在、肺保護戦略として推奨される低１回換気量高ＢＡＰは、著しく換気効率を悪化させることがボリュームカプノメトリからわかる。肺虚脱予防を優先として換気効率を犠牲とした換気手段で、ＡＲＤＳなどの低肺コンプライアンス症例において推奨されている。高ＢＡＰを行うに当たり高気道内圧となり、肺を保護するためにも低換気にならざるをえず、高二酸化炭素血症に陥ることが問題である。
比較例３は低１回換気量高ＢＡＰよりも気道内圧が低く、さらに換気量を増加できる余力を持つ。比較例３は低い気道内圧で換気効率が高いことからより肺保護的であることが予想される。従って、肺虚脱を防ぎつつ換気効率を高める換気手段として、今後の肺保護戦略として推奨される新しい換気手段となりうる。
比較例３は低１回換気量高ＢＡＰよりも気道内圧が低く、さらに換気量を増加できる余力を持つ。比較例３は低い気道内圧で換気効率が高いことからより肺保護的であることが予想される。従って、肺虚脱を防ぎつつ換気効率を高める換気手段として、今後の肺保護戦略として推奨される新しい換気手段となりうる。
上記実施例では、一回の呼吸ごとに呼気一回換気量決定手段１５によって呼気一回換気量を決定し、一回の呼吸ごとに吸気開始ポイント判断手段１６によって吸気開始ポイントを判断する方法を示したが、必ずしも全ての呼吸ごとに行わなくてもよい。すなわち、例えば呼気一回換気量決定手段１５での複数回による呼気一回換気量の平均値を算出し、所定回数又は所定期間この平均値を用いて、吸気開始ポイントを判断してもよい。また、呼気一回換気量決定手段１５での複数回による呼気一回換気量の平均値を用いて、吸気・呼気時間比算出手段３２において吸気・呼気時間比を算出し、算出した吸気・呼気時間比を用いて弁開閉指示手段１７から弁開閉指示を吸気弁駆動部４ａおよび呼気弁駆動部５ａに出力してもよい。
本発明による人工呼吸器は、肺胞の虚脱を防ぎかつ換気効率を向上できる。
１０ 制御部
１１ 呼気量計測手段
１２ 吸気一回換気量算出手段
１３ 呼気一回換気量算出手段
１４ 設定比率記憶手段
１５ 呼気一回換気量決定手段
１６ 吸気開始ポイント判断手段
１７ 弁開閉指示手段
１８ 気道内圧記憶手段
１９ 気道内圧上限記憶手段
２０ 吸気終了ポイント判断手段
２１ 全呼気終末肺胞内圧監視手段
２２ 呼気時間延長手段
２３ 気流速異常検出手段
２４ 気道内圧異常検出手段
２５ 換気量異常検出手段
２６ 最大呼気値検出手段
３１ 設定値記憶手段
３２ 吸気・呼気時間比算出手段
３３ 持続強制換気指示手段
１１ 呼気量計測手段
１２ 吸気一回換気量算出手段
１３ 呼気一回換気量算出手段
１４ 設定比率記憶手段
１５ 呼気一回換気量決定手段
１６ 吸気開始ポイント判断手段
１７ 弁開閉指示手段
１８ 気道内圧記憶手段
１９ 気道内圧上限記憶手段
２０ 吸気終了ポイント判断手段
２１ 全呼気終末肺胞内圧監視手段
２２ 呼気時間延長手段
２３ 気流速異常検出手段
２４ 気道内圧異常検出手段
２５ 換気量異常検出手段
２６ 最大呼気値検出手段
３１ 設定値記憶手段
３２ 吸気・呼気時間比算出手段
３３ 持続強制換気指示手段
Claims (8)
- 使用者に装着するインターフェースと、
前記インターフェースに酸素を供給する吸気経路と、
前記インターフェースから二酸化炭素を排出する呼気経路と、
前記呼気経路に設けた呼気弁と、
前記呼気弁を開閉制御する呼気弁駆動部と、
前記吸気経路からの気流速および前記呼気経路への気流速を検出する気流速検出センサと、
前記吸気経路および前記呼気経路の少なくともいずれかの圧力を検出する気道内圧検出センサと、
前記気流速検出センサの気流速検出値および前記気道内圧検出センサの気道内圧検出値を入力し、前記呼気弁駆動部に対して弁開閉指示を出力する制御部と
を備えた人工呼吸器であって、
前記制御部は、
呼気終末肺胞内圧−気道内圧格差が正の値となるように呼気一回換気量を決定するための呼気一回換気量設定比率を記憶する設定比率記憶手段と、
前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値と前記設定比率記憶手段に記憶された前記呼気一回換気量設定比率とから一回の呼吸ごとに前記呼気一回換気量を決定する呼気一回換気量決定手段と、
前記呼気一回換気量決定手段で決定された前記呼気一回換気量となるタイミングを吸気開始ポイントと判断する吸気開始ポイント判断手段と、
前記吸気開始ポイント判断手段で判断された前記吸気開始ポイントのタイミングで前記弁開閉指示を出力する弁開閉指示手段と
を有し、
前記吸気開始ポイントを、一回の前記呼吸ごとに前記呼気一回換気量決定手段で決定された前記呼気一回換気量によって判断して前記呼気弁を駆動することを特徴とする人工呼吸器。 - 前記制御部は、
前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、一回の前記呼吸ごとに呼気量を計測する呼気量計測手段と、
前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、一回の前記呼吸ごとに吸気一回換気量Ｙを算出する吸気一回換気量算出手段と
を有し、
前記設定比率記憶手段では、前記吸気一回換気量算出手段で算出される前記吸気一回換気量Ｙを想定呼気一回換気量Ｘａと見なして、前記想定呼気一回換気量Ｘａに対する残気量Ｚａを前記呼気一回換気量設定比率として記憶し、
前記呼気一回換気量決定手段では、一回の前記呼吸ごとに算出される前記吸気一回換気量Ｙと前記呼気一回換気量設定比率とから呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）を決定し、
前記吸気開始ポイント判断手段では、前記呼気量計測手段で計測される前記呼気量が、前記呼気一回換気量（Ｘａ−Ｚａ）となるタイミングを前記吸気開始ポイントと判断することを特徴とする請求項１に記載の人工呼吸器。 - 前記制御部は、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、一回の前記呼吸ごとに最大呼気値Ｘｂを検出する最大呼気値検出手段を有し、
前記設定比率記憶手段では、前記最大呼気値検出手段で検出される前記最大呼気値Ｘｂに対する残気呼気値Ｚｂを前記呼気一回換気量設定比率として記憶し、
前記呼気一回換気量決定手段では、一回の前記呼吸ごとに算出される前記最大呼気値Ｘｂと前記呼気一回換気量設定比率とから前記残気呼気値Ｚｂを前記呼気一回換気量として決定し、
前記吸気開始ポイント判断手段では、前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値が前記残気呼気値Ｚｂとなるタイミングを前記吸気開始ポイントと判断することを特徴とする請求項１に記載の人工呼吸器。 - 前記制御部は、
設定手段によってあらかじめ設定した気道内圧を記憶する気道内圧記憶手段と、
前記気道内圧検出センサで検出される前記気道内圧検出値が、前記気道内圧記憶手段に記憶された前記気道内圧を越えることを監視する全呼気終末肺胞内圧監視手段と、
前記弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段と
を有し、
前記全呼気終末肺胞内圧監視手段で前記気道内圧検出値が前記気道内圧を越えることを検出すると、前記呼気時間延長手段から前記弁開閉指示手段に対して前記呼気時間の延長を指示することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の人工呼吸器。 - 前記制御部は、
前記気流速検出センサで検出される前記気流速の乱れから異常を検出する気流速異常検出手段および前記気道内圧検出センサで検出される前記圧力の乱れから異常を検出する気道内圧異常検出手段の少なくともいずれかと、
前記弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段と
を有し、
前記気流速異常検出手段および前記気道内圧異常検出手段の少なくともいずれかが前記異常を検出すると、前記呼気時間延長手段から前記弁開閉指示手段に対して前記呼気時間の延長を指示することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の人工呼吸器。 - 前記制御部は、
前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、吸気一回換気量を算出する吸気一回換気量算出手段と、
前記気流速検出センサで検出される前記気流速検出値から、前記呼気一回換気量を算出する呼気一回換気量算出手段と、
前記吸気一回換気量算出手段で算出される前記吸気一回換気量、および前記呼気一回換気量算出手段で算出される前記呼気一回換気量の少なくともいずれかが設定値を下回ると異常を検出する換気量異常検出手段と、
前記弁開閉指示手段に対して呼気時間の延長を指示する呼気時間延長手段と
を有し、
前記換気量異常検出手段が前記異常を検出すると、前記呼気時間延長手段から前記弁開閉指示手段に対して前記呼気時間の延長を指示することを特徴とする請求項１に記載の人工呼吸器。 - 前記制御部は、
設定手段により設定された呼吸回数を記憶する設定値記憶手段と、
前記弁開閉指示手段で指示する吸気タイミングと呼気タイミングとから吸気・呼気時間比を算出する吸気・呼気時間比算出手段と、
前記設定値記憶手段に記憶された前記呼吸回数と、前記吸気・呼気時間比算出手段で算出された前記吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで前記弁開閉指示手段に指示を出力する持続強制換気指示手段と
を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の人工呼吸器。 - 前記制御部は、
設定手段により設定された吸気時間を記憶する設定値記憶手段と、
前記弁開閉指示手段で指示する吸気タイミングと呼気タイミングとから吸気・呼気時間比を算出する吸気・呼気時間比算出手段と、
前記設定値記憶手段に記憶された前記吸気時間と、前記吸気・呼気時間比算出手段で算出された前記吸気・呼気時間比とで決定したタイミングで前記弁開閉指示手段に指示を出力する持続強制換気指示手段と
を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の人工呼吸器。
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