JP7368015B2 - 酸素療法モニタリング装置及び酸素療法モニタリング方法 - Google Patents

酸素療法モニタリング装置及び酸素療法モニタリング方法 Download PDF

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Description

本発明の一態様は酸素療法モニタリング装置に関する。酸素療法モニタリング装置は、例えば、長期酸素療法や携帯型酸素療法に使用されることができる。本発明の他の態様は、酸素療法モニタリングシステム、およびひとに適用される酸素療法をモニタリングする非治療的方法に関する。
雑誌「Thorax」、2015年6月、第70巻、補遺1には、成人の在宅酸素使用のためのBTSガイドラインが提示されており、BTSとは「British Thoracic Society」の頭字語である。長期酸素療法(Long-term oxygen therapy、LTOT)は、慢性低酸素血症の患者において、酸素が1日当たり少なくとも15時間使用されるとして定義することができる。LTOTは1日当たり最低限15時間が指示されるべきであることが推奨されており、1日24時間まででさらに有益なものになり得る。
LTOTの流量について記載する。安静時における単一尺度の酸素投与に基づく流量は、酸素要求量が変動し得る日々の活動時における適切な酸素投与を必ずしも保証するわけではない。運動、休息および睡眠時の患者の要求に合わせるために流量を個別に調整することにより、酸素流量中央値を2.5L/分から1.2L/分に減少させることができる一方で、SpO2が目標範囲内にある時間の割合は24.8%から52.8%に増加した(p=0.001)。
米国特許出願第2006/0100537A1号明細書として公開される特許出願は、特に呼吸性の患者の呼気に関連する流体流測定のためのスパイロメータを記載している。スパイロメータは流体発振器を有し、流体が流体発振器のチャンバ内で振動する。チャンバ内の流体流の発振周波数は、流量に相関する。チャンバ内の発振流周波数を表すデータなどのインプットデータを、スパイロメータを通過する流量に対して処理するために、コンピュータが用いられる。
ひとに適用される酸素療法のモニタリングを可能にする非治療的技術が必要とされている。
この必要性によりよく対応するために、本発明の一態様において、明細書に添付される請求項1に規定される酸素療法モニタリング装置が提供される。この酸素療法モニタリング装置は、比較的低い消費電力で、比較的精密な流量測定を可能にするものである。さらに、該装置は、比較的小型、軽量であり得、したがって携帯可能である。
本発明の別の態様は、請求項1に規定される酸素療法モニタリング装置と、酸素療法モニタリング装置からの測定データを収集するように構成されたステーションとを含む酸素療法モニタリングシステムに関する。本発明のさらに別の態様は、ひとに適用される酸素療法をモニタリングする非治療的方法に関し、該非治療的方法は、請求項1に規定される酸素療法モニタリング装置から測定データを収集するステップを含む。
本発明のさらに別の態様は、ソースからひと用呼吸インターフェイスへのガス流の流量と、呼吸インターフェイスにおけるガス流の過圧力と、を測定する非治療的方法に関し、過圧力をガス流の流量で除算して抵抗値を取得し、取得された連続する抵抗値のシーケンスに基づいて呼吸特性を決定する。この非治療的方法は、請求項1に記載の酸素療法モニタリング装置を必ずしも必要としないことが言及される必要がある。
本発明のさらに別の態様は、命令(instruction)一式を含むコンピュータプログラムプロダクトに関し、該命令一式により、命令一式を実行することができるプロセッサが上記段落で規定された非治療的方法を行うことが可能になる。
本発明の実施形態は、明細書に添付された独立請求項において規定される1つ以上のさらなる特徴を含むとよい。
例示のために、本発明の一部の実施形態の詳細な説明は、添付の図面に関して記載される。
図1は、酸素療法モニタリングシステムのブロック図である。 図2は、酸素療法モニタリングシステムの一部を構成する酸素療法モニタリング装置の概略斜視図である。 図3は、酸素療法モニタリング装置の一部を構成するガス流路モジュールの概略斜視図である。 図4は、ガス流路モジュールの別の概略斜視図であり、上部壁部が省かれて内部構造が示される。 図5は、ガス流路モジュールの概略側面図であり、(長手方向の)切断線A-Aが示される。 図6は、図5に示される切断線A-Aに沿ったガス流路モジュールの概略切断(断面)図である。 図7は、図5に示される切断線A-Aに沿ったガス流路モジュールの概略斜視切断図である。 図8は、ガス流路モジュールの概略上面図であり、(長手方向の)切断線B-Bと(横断方向の)切断線C-Cとが示される。 図9は、図8に示される切断線B-Bに沿ったガス流路モジュールの概略切断図である。 図10は、図8に示される切断線B-Bに沿ったガス流路モジュールの概略斜視切断図である。 図11は、図8に示される切断線C-Cに沿ったガス流路モジュールの概略切断図である。 図12は、図11の概略切断図の部分の拡大図であり、該部分は、ガス流路モジュールの導管を含む。 図13は、酸素療法モニタリング装置の一部を構成する測定装置のブロック図である。 図14は、ひとに適用される酸素療法をモニタリングする非治療的方法(1400)のフローチャート図である。 図15は、代替の酸素療法モニタリング装置の概略分解斜視図である。
図1は、ひと101に適用される酸素療法をモニタリングするためのシステムを概略的に示す。システム100はブロック図で表される。システム100は、例えば、図1にも示されているひと101に適用される酸素療法または携帯型酸素療法において使用されることができる。
システム100は、ガス源102、種々の管103、104、酸素療法モニタリング装置105、およびシステム100を通して呼吸可能なガスを受け取ることが可能なひと101のための呼吸インターフェイス106を含む。ガス源102は、例えばガスシリンダーまたは酸素濃縮器の形態であってもよい。呼吸インターフェイス106は、例えば呼吸マスクまたは鼻カニューレの形態であってもよい。呼吸インターフェイス106は、簡便性および簡潔性のために、以下において「マスク106」として言及される。
システム100は、酸素療法モニタリング装置105からデータを収集するため、またはこのデータを遠隔データ収集部に転送するため、またはその両方のための、インサイチュステーション107をさらに含むとよい。酸素療法モニタリング装置105とインサイチュステーション107とはそれぞれ無線通信インターフェイスを含むとよく、これらの構成要素の間で無線データ通信が行われることができる。このように、酸素療法モニタリング装置105からのデータは、インサイチュでローカルに保存されるか、または遠隔データ収集部に送信されるか、またはその両方であるとよい。
システム100は、基本的に以下のように動作する。ガス源102は、比較的酸素が豊富であり得る呼吸可能なガスの流れを提供する。ガス流は、管103、酸素療法モニタリング装置105、および別の管104を通過して、マスク106に達する。ひと101は、マスク106を介してガス流を受け取り、ガス源102に由来する呼吸可能なガスを吸うことができる。ガス流は、例えば0.5リットル/分(Lpm)~10Lpmの間の範囲の流量を有するとよい。これは酸素療法の典型的な流量範囲である。
ガス源102は、医師によって指示され得る特定の目標流量でガス流を提供するように設定されてもよい。しかしながら、実際には、ガス流は、特定の目標流量からある程度逸脱する流量を有し得る。この逸脱は、静的または動的であるか、またはその両方であり得る。例えば、逸脱は、少なくとも部分的に、ガス源102に関連するまたはガス源102に含まれる流量制御ループによってもたらされる振動の形態であり得る。
酸素療法モニタリング装置105は、ひと101に付加されるガス流の圧力を測定する。さらに、酸素療法モニタリング装置105は、上述で説明されたように特定の目標流量
から逸脱し得るガス流の流量を測定する。これらガス流、圧力および流量の測定された物理量は、例えば、指示された処置がシステム100によって効果的かつ正確に行われているかどうかをモニタリングするために使用することができる。さらに、測定された物理量は、ひと101の呼吸特性を決定するために使用されてもよい。したがって、システム100は、少なくとも部分的に、システム100を介して呼吸するひと101に関する健康状態情報を提供することができる。
図2は、酸素療法モニタリング装置105を概略的に示す。図2には、酸素療法モニタリング装置105の概略斜視図が示される。酸素療法モニタリング装置105は、図2に示されるように、ガス流路モジュール201と、プリント回路基板203において実行され得る測定装置202とを含む。ガス流路モジュール201の上部壁部とプリント回路基板203との間に、音響的透明膜204が配置されることができる。
酸素療法モニタリング装置105は、筐体と電池とをさらに含むとよい。電池は、酸素療法モニタリング装置105の他の前述の部品とともに筐体に含まれるとよい。筐体と電池とは、簡便性および簡潔性のため、図2に示されていない。酸素療法モニタリング装置105は、携帯可能、および低電力であり得、動作のために外部電気エネルギー源への接続を必要としない。
測定装置202は、プリント回路基板203に実装された一対の音響変換器205、206と、圧力センサ207とを含む。簡便性および明瞭性のため、一方の音響変換器205は、以下において第1音響変換器205として言及され、他方の音響変換器206は、第2音響変換器206として言及される。
第1音響変換器205は、MEMSマイクロフォンの形態であってもよく、これは比較的消費電力が小さく、特に感度及び速度に関して好ましい変換器特性を有するものである。例えば、MEMSマイクロフォンは、比較的高い感度で50Hz~20kHzの間に含まれる周波数範囲の音響信号を変換しながら、3.0Vの供給電圧で動作し、10~20μAのみ消費するものであり得る。第2音響変換器もまた、MEMSマイクロフォンの形態であってよい。圧力センサ207はまた、デジタル出力を提供するとともに、I2Cプロトコルを使用してマイクロプロセッサと通信することができるMEMSタイプのセンサであってもよい。
ガス流路モジュール201は、本体210の対向する側において入口コネクタ208と出コネクタ209とを含む。これらのコネクタ208、209は、約6mmの直径を有し得る、酸素療法に用いられる標準管に係合するように好ましくは構成される。図1を参照すると、入口コネクタ208は、酸素療法モニタリング装置105をガス源102に接続する管103に係合する。出口コネクタ209は、酸素療法モニタリング装置105をマスク106に接続する別の管104に係合する。したがって、ガス流路モジュール201は、ガス源102から、図1に示されるひと101によって着用されるマスク106にガス流を通す、ガス流通路を規定する。
入口コネクタ208は、好ましくは、比較的容易に管に密封して接続され、そして偶発的な分離を防ぐために十分強固に管を保持するように配置される。このため、入口コネクタ208は、一連の円錐形部分によって形成されたリブ付き外面を有する前端部を含んでもよく、そうした部分は、ガス流路モジュール201の本体210に向かう方向に拡径する外径を有する。入口コネクタ208は、コネクタと係合する管の端位置を規定するストッパ要素をさらに含んでもよい。出口コネクタ209は、対称的に同様に配置されてもよい。入口コネクタ208および出口コネクタ209の上記の詳細は、簡便性および簡潔性ため、図2に示されていない。
図3および図4は、ガス流路モジュール201を概略的に示す。図3は、ガス流路モジュール201の概略斜視図を提示する。図3において、ガス流路モジュール201の上部壁部が示され、参照符号301によって表される。図4は、ガス流路モジュール201の別の概略斜視図を提示しており、上部壁部が省かれて内部構造が示される。
図4は、ガス流路モジュール201が入口コネクタ208から出口コネクタ209まで種々の連続的な部分を含むことを示す。これらの部分は、流れ調整器401、ノズル402、および振動チャンバ403を含む。振動チャンバ403は、渦誘導部404と出力部405とを有する。振動チャンバ403は、1000mm未満の容積を有するとよい。振動チャンバ403の容積は、流量の測定に関連する。これはより詳細に以下に記載される。
図3は、ガス流路モジュール201の上部壁部301が種々の孔302、303、304を含むことを示す。これらの孔302、303、304は、圧力タップとして見なすことができ、簡便性および例示性のため、以下において圧力タップとして言及される。第1圧力タップ302は、上部壁部301の外部側から、振動チャンバ403の渦誘導部404の第1の位置に延びる。第2圧力タップ303は、外部側から振動チャンバ403の渦誘導部404の第2の位置に延びる。さらなる第3圧力タップ304は、外部側から振動チャンバ403の出力部405内に延びる。第3圧力タップ304は、ガス流路モジュール201の長手方向の対称軸上において中心に配置されるとよい。第1圧力タップ302と第2圧力タップ303とは、この長手方向の対称軸に対して対称的に配置されるとよい。
また、プリント回路基板203は、ガス流路モジュール201の圧力タップ302、303、304にアライメントされた種々の孔も含む。これらの孔は、図面では示されないが、以下に記載される。プリント回路基板203の第1孔は、図2に示される第1音響変換器205の下に配置される。この孔は、図3に示される第1圧力タップ302にアライメントされる。したがって、第1孔は、振動チャンバ403の渦誘導部404の第1の位置と第1音響変換器205とを圧力連通させるものである。プリント回路基板203の第2孔は、図2に示される第2音響変換器206の下に配置される。この孔は、図3に示される第2圧力タップ303にアライメントされる。したがって、第2孔は、振動チャンバ403の渦誘導部404の第2の位置と第2音響変換器206とを圧力連通させるものである。プリント回路基板203の第3孔は、図2に示される圧力センサ207の下に配置される。この孔は、図3に示される第3圧力タップ304にアライメントされる。したがって、第3孔は、振動チャンバ403の渦誘導部404の第3の位置と圧力センサ207とを圧力連通させるものである。
また、図5、図6および図7は、ガス流路モジュール201を概略的に示す。図5は、ガス流路モジュール201の概略側面図を提示する。図5において、(長手方向の)切断線A-Aが示される。図6は、図5に示される切断線A-Aに沿った概略切断(断面)図を提示する。図7は、図5に示される切断線A-Aに沿った概略斜視切断図を提示する。
流れ調整器401は、三角形状空洞602内の三角形状要素601を含む。図6の切断図において、三角形状要素601は鈍角2等辺三角形をなす。この三角形の最長側部は入口コネクタ208に面する。三角形状空洞602は、2つの丸みのついた鋭角を有する。これらの角度は、例えば1mm~2mmの間に含まれる曲率半径をそれぞれ有するとよく、1.5mmが適切な値である。また、図6および図7は、簡便性および簡潔性のために鋭い鋭角を示すが、三角形状要素601も、2つの丸みのついた鋭角を有してもよい。三角形状要素601の2つの丸みのついた鋭角は、例えば0.1mm~0.3mmの間に含
まれる曲率半径をそれぞれ有するとよく、0.2mmが適切な値である。三角形状空洞602の丸みのついた鋭角の曲率半径は、三角形状空洞602の丸みのついた鋭角に面する三角形状要素601の丸みのついた鋭角の曲率半径の原点(origin)にアライメントされた原点を有するとよい。このように、前述の丸みのついた鋭角は、一定の通路部分を規定する。
ノズル402は、わずかに先細りした形状を有するとよい。収束の角度は、例えば1°~2°の間に含まれるとよく、1.45°が適切な値である。ノズル402は、振動チャンバ403で途切れるスロット形状先端部を有するとよい。この先端部の入口端部は、例えば0.6mm~1.2mmの間に含まれる幅を有するとよく、0.9mmが適切な値である。振動チャンバ403におけるこの先端部の出口端部は、例えば0.4mm~1.0mmの間に含まれる幅を有するとよく、0.7mmが適切な値である。先端部は、例えば38°~45°の間に含まれる収束の角度を有するとよく、41.5°が適切な値である。
振動チャンバ403はガス流障害要素603を含む。この要素は、ガス流が振動チャンバ403に進入するノズル402に面する空洞を規定する。ガス流障害要素603は、半円形状、すなわち半分の円の形態を有する。ガス流障害要素603は、例えば1.0mm~2.2mmの間に含まれる曲率半径を有する半円形の内側を有するとよく、1.6mmが適切な値である。半円形外側は、例えば2.4mm~4.0mmの間に含まれる曲率半径を有することができ、3.2mmが適切な値である。
振動チャンバ403の渦誘導部404は、例えば図6および図7に示されるように腎臓の形状であるとよい。すなわち、振動チャンバ403は、ガス流障害要素603が存在する腎臓の形状の空洞を含むことができる。この空洞の少なくとも一部は湾曲壁部によって区切られ、該湾曲壁部は、例えば2mm~3.5mmの間に含まれる曲率半径を有するとよく、2.75mmが適切な値である。振動チャンバ403の出力部405は、例えば図6および図7に示されるように、先細りするファンネル様形状を有することができる。出力部405は、例えば20°~30°の間に含まれる収束の角度を有することができ、25°が適切な値である。
振動チャンバ403は、閉鎖型構成を有すると見なすことができる。開放型構成を有する振動チャンバは、図6および図7に示されるガス流障害要素603に対応する要素を通常含まない。
また、図8~図11は、ガス流路モジュール201を概略的に示す。図8は、ガス流路モジュール201の概略上面図を提示する。図8には、(長手方向の)切断線B-Bおよび(横断方向の)切断線C-Cが示される。切断線B-Bは、前述した長手方向の対称軸に相当する。第3圧力タップ304は、この軸上に配置される。第1圧力タップ302および第2圧力タップ303は、切断線B-Bに対して対称に切断線C-C上に配置される。切断線C-Cは、切断線B-Bに対して垂直であってもよい。
図9は、図8に示される切断線B-Bに沿ったガス流路モジュール201の概略切断図を提示する。図10は、図8に示される切断線B-Bに沿ったガス流路モジュール201の概略斜視切断図を提示する。図11は、図8に示される切断線C-Cに沿ったガス流路モジュール201の概略切断図を提示する。図11において、円は、導管を含むガス流路モジュール201の部分を示す。図12は、図11に示されるこの部分を拡大したものである。
図11および図12は、第1圧力タップ302と第2圧力タップ303とをより詳細に
示す。第1圧力タップ302は、基本的に、円錐形部分1103と一定直径部分1104との2つの部分を含む。円錐形部分1103は、ガス流路モジュール201の上部壁部301の内側から一定直径部分1104に延びる。一定直径部分1104は、円錐形部分1103からガス流路モジュール201の上部壁部301の外側に延びる。第2圧力タップ303は、第1圧力タップ302と類似する。第2圧力タップ303も、円錐形部分1101と一定直径部分1102とを含む。
図13は測定装置202を概略的に示し、これはブロック図で表される。測定装置202は、図2に既に示されて前述された音響変換器205、206および圧力センサ207に加えて、種々の要素を含む。これらの要素には、周囲圧力センサ1301、差動回路1302、信号調整回路1303、周波数測定回路1304、プロセッサ1305、メモリ回路1306、および通信インターフェイス1307が含まれる。本明細書に前述したように、これらの要素は、それらの動作に必要な電力を、酸素療法モニタリング装置105に含まれ得るバッテリから受け取ることができる。
図3~図12に示されるガス流路モジュール201を含む、図2に示される酸素療法モニタリング装置105は、基本的に以下のように動作する。図1を参照すると、ガス流路モジュール201はガス源102からガス流を受け取る。図3~図5を参照すると、ガス流は、入口コネクタ208を通って流れ調整器401に進入する。流れ調整器401は、実質的な圧力損失をもたらすことなく、比較的安定的な気流特性を生成する。入口コネクタ208を通って進入するガス流は、通常、不均一の速度特性を有する。速度特性は通常放物線形状であり、これは流れの不安定性をもたらすものである。流れ調整器401はこの速度の差異を低減し、ガス流を安定化させる。実際に、ガス流は、図6および図7に明瞭に示される三角形状要素601の最長側部にぶつかり、そして2つの同量の流れに分かれ、そのため各流れが一定に加速される。2つの流れは三角形状要素601の鈍角で合流する。この時点で、ガス流は、実質的に均一で、本質的に平坦な速度特性を有し、これがガス流を安定的にする。
ノズル402は流れ調整器401を出たガス流を加速させる。このガス流の加速されたものは、実質的にいずれの渦もない噴流をなす。ノズル402は、この噴流を振動チャンバ403に注入する。
振動チャンバ403は、噴流として振動チャンバ403に進入するガス流に振動を誘発する。この振動は、一般的にコアンダ効果として言及される物理的現象によって誘発される。振動チャンバ403に進入する噴流の一方側に一方の渦、噴流の別の側に他方の渦で、2つの渦が形成される。2つの渦は互いに逆に回転し、一方は時計回りに回転し、他方の渦は反時計回りに回転する。各渦は交互に強弱があり、そのため、渦は互いに対して位相対立である。これらの位相が不一致の変動渦は噴流と相互作用し、これが噴流を振動させる。振動には、ガス流の流量の関数として変動する周波数または周期がある。
本明細書において前述された振動チャンバ403において、2つの渦は、流量とは関係がなく、一定のサイズである。これは、流量と噴流が振動する周波数との間の実質的にリニアな関係を可能にする有利な特徴である。こうしたリニアな関係は、測定装置202における処理を容易にするとともに、呼吸特性測定において、そして図1に示されるようにひと101に適用される酸素療法のモニタリングにおいて、精密性、信頼性に寄与するものである。
振動チャンバ403において噴流であるガス流の振動は、振動チャンバ403内で局所圧力変動をもたらす。したがって、これらの局所圧力変動は、ガス流における振動を表すものとなる。例えば、局所圧力変動は噴流が振動するのと同じ周波数を有する。
したがって、第1圧力タップ302が延びる振動チャンバ403の渦誘導部404の第1の位置で、局所圧力変動が発生することになる。また、第2圧力タップ303が延びる第2の位置でも、局所圧力変動が発生することになる。これらの各圧力変動は位相対立である。これは、少なくとも部分的に、長手方向の対称軸に対して対称に配置された第1圧力タップ302および第2圧力タップ303に起因するものである。
さらに、第1圧力タップ302および第2圧力タップ303は、好ましくは、2つの渦が経時的に規則的なパターンをたどるように配置される。CFDシミュレーションによって、第1圧力タップ302および第2圧力タップ303の適切な位置の決定を支援することができ、それにより振動チャンバ403の渦誘導部404における第1の位置および第2の位置を決定する。CFDは「Computational Fluid Dynamics(計算流体力学)」の頭字語である。
ガス流は、出力部405を通って振動チャンバ403を出る。ガス流は、その後、ガス流路モジュール201の出口コネクタ209を通過する。
測定装置202は、前述の局所圧力変動に反映されるガス流において誘発される振動に基づいて流量を判定することが可能である。基本的に、振動周期は、振動チャンバ403を通るガス量の通過に伴う。この通過するガス量は以下において「デジタル量」として示される。デジタル量は振動チャンバ403の容積に関連し、両者は同規模である。流量は、デジタル量を振動周期で除算することで決定されることができる。振動周期は、所定の時間間隔にわたる周波数測定によって決定されてもよい。振動周期は測定された周波数の逆数である。
さらに詳細には、測定装置202の第1音響変換器205は、振動チャンバ403の第1の位置において発生する局所圧力変動を測定する。これは、第1圧力タップ302とプリント回路基板203の第1孔とが、この局所圧力変動を第1音響変換器205に伝達する導管をともになすためである。この導管において、第1圧力タップ302の円錐形部分は、音響インピーダンス変換を行う。この音響インピーダンス変換は、第1の位置で発生する局所圧力変動の測定における感度と精密性とに寄与することができる。
同様に、第2音響変換器206は、振動チャンバ403の第2の位置において発生する局所圧力変動を測定する。第2圧力タップ303とプリント回路基板203の第2孔とが、これらの局所圧力変動を第2音響変換器206に伝達するさらなる導管をともになす。この導管において、第2圧力タップ303の円錐形部分は、前述されたような感度と精密性とに寄与することができる音響インピーダンス変換を行う。
したがって、第1音響変換器205および第2音響変換器206は、振動チャンバ403における第1の位置および第2の位置のそれぞれにおける各圧力変動を表す各出力信号を提供する。これらの各圧力変動は位相対立であるので、第1音響変換器205および第2音響変換器206の各出力信号もまた位相対立である。
第1音響変換器205および第2音響変換器206は、比較的感度が高いので、第1の位置および第2の位置のそれぞれにおける圧力変動がこれらのセンサ内で飽和を起こし得る。すなわち、圧力変動により、第1音響変換器205および第2音響変換器206の各出力信号が、最大値および最小値に達する。この場合、これらのセンサの各出力信号はデジタル特性を有し、その処理を容易にすることができる。圧力変動を測定するために、従来の圧力センサではなく音響センサを使用することは、比較的高いサンプルレートかつ比較的高い精密性での流量判定を可能にする、ということが言及される必要がある。
差動回路1302は、第1音響変換器205と第2音響変換器206との各出力信号同士間の差を表す出力信号を提供する。したがって、差動回路1302の出力信号は、振動チャンバ403における第1の位置および第2の位置で発生する各圧力変動同士間の差を表す。このような差分測定により、コモンモードノイズを抑制することができ、これが測定感度と信頼性とに寄与する。またこの測定スキームは比較的強いものであり、2つの渦のうちの1つが欠落し、ゆえに2つの位置のうちの1つのみに圧力変動が発生する場合でも流量を判定することが可能である。
信号調整回路1303は、差動回路1302の出力にローパスフィルタ、およびハイパスフィルタを適用することができる。ローパスフィルタは、例えば圧力ドリフトによる低周波数ノイズを抑制することができる。ハイパスフィルタは、例えば圧力の乱れや外部音響ノイズによる高周波数ノイズを抑制することができる。さらに信号調整回路1303は、差動回路1302の出力信号、またはそのフィルタをかけたものを増幅することができる。信号調整回路1303は、差動回路1302の出力信号の処理されたものを提供する。この出力信号は、ガス流が振動する周波数に一致する周波数で発生するパルスを含む。実際に、パルスはガス流の振動周期に一致する。
周波数測定回路1304は、信号調整回路1303の出力信号におけるパルスの周波数を測定する。つまり、周波数測定回路1304はガス流が振動する周波数を測定する。そのため、周波数測定回路1304は、測定時間間隔に発生するパルス数をカウントすることができる。カウントされたパルス数は、ガス流が所定の測定時間間隔に振動する平均周波数を示すものである。なお、実際に測定される平均周波数は、測定時間間隔において特に配された瞬時に適用される瞬時周波数として見なされる。これは簡便性及び簡潔性の理由によるものである。
周波数測定回路1304は、以下においてサンプリングレートとして言及されるレートで、前述されたような瞬時周波数測定を繰り返して行うことができる。したがって、周波数測定回路1304は、サンプリングレートにおける連続周波数カウント値を提供することができる。シーケンス番号n(nは整数である)を有する周波数カウント値は、所定の測定時間間隔に含まれる瞬時tにおいてガス流が振動する瞬時周波数を表す。
プロセッサ1305は、周波数カウント値を流量測定値に変換することができる。そのために、プロセッサ1305は、周波数カウント値に換算係数を乗算することができる。換算係数は、デジタル量と測定時間間隔の長さから決定可能である。カウント値における単位は、デジタル量に一致するガス量を表す。したがって、周波数カウント値がN(Nは整数である)であるとき、これは、N倍のデジタル量が測定時間間隔にガス流路モジュールを流通したことを意味する。したがって、換算係数は、測定時間間隔で除算したデジタル量として計算されるとよい。換算係数はまた、較正によって決定されることもできる。例えば、ガス流は、様々な異なる既知の所定流量でガス流路モジュールを通過することができる。これにより、それぞれ異なる周波数カウント値が生成され、そこから変換係数が決定される。
したがって、プロセッサ1305は、周波数測定回路1304が提供する連続周波数カウント値から連続瞬時流量を計算する。シーケンス番号nの瞬時流量は、同じシーケンス番号の周波数カウント値から計算される。この瞬時流量は、この周波数カウントが得られた測定時間間隔に含まれる瞬時tに適用される。
圧力センサ207は、振動チャンバ403の出力部405におけるガス流の圧力を測定することができる。圧力センサ207は、前述のサンプリングレートでこの圧力測定を繰
り返して行うことができる。したがって、圧力センサ207は、該サンプリングレートでの連続瞬時圧力値を提供することができる。プロセッサ1305は、これらの連続瞬時圧力値を受信することができる。瞬時圧力値は、所定の圧力測定が行われた瞬時の振動チャンバ403の出力部405におけるガス流の圧力を示す。
周囲圧力センサ1301は、図1に示されるシステム100が動作する空間の周囲圧力を測定することができる。同様に、周囲圧力センサ1301は、前述のサンプリングレートでこの周囲圧力測定を繰り返して行うことができる。したがって、周囲圧力センサ1301は、該サンプリングレートでの連続瞬時周囲圧力値を提供することができる。プロセッサ1305は、この連続瞬時圧力値を受信することができる。瞬時周囲圧力値は、所定の周囲圧力測定が行われた瞬時における、システム100が動作する空間の周囲空気の圧力を示す。
プロセッサ1305は、測定された連続瞬時流量から、ならびに連続瞬時圧力値および連続瞬時周囲圧力値から、情報を得ることができる。これはより詳細に以下に記載される。前述の測定データは、少なくとも一時的に、図13に示される測定装置202のメモリ回路1306に保存されることができる。この保存は、後の分析または記録保管またはその両方のためのものであるとよい。測定データは、図13に示される測定装置202の通信インターフェイス1307を介して、図1に示されるインサイチュステーション107に伝達されることができる。これは、以下に記載されるように、測定データを処理してプロセッサ1305が得ることができるデータに同様に適用される。
以下の考察は、図1に示されるシステム100内の酸素療法モニタリング装置105のいくつかの特定の特徴の基礎をなすものである。サンプリングレートは、ガス流の流量における比較的短期間の変動の検出が所望されることから、比較的高いとよい。例えば、比較的速い呼吸パターンは、毎分30呼吸を含み得、これは0.5Hzの周波数に相当する。この呼吸パターンは、例えばサンプリングレートが5である場合に十分に測定可能であり、これは毎秒5回の瞬時周波数測定が行われることを意味する。さらにこれは、連続測定時間間隔がそれぞれ0.2秒(200ms)を超えない長さである必要があるということを意味する。
ガス流の流量の比較的小さな変動を検出するために、ガス流は、比較的高い周波数で振動する必要がある。これは、周波数測定回路1304が行うパルスカウントに丸め誤差があるためである。測定時間間隔にカウントされるパルス数が多いほど、丸め誤差は小さくなる。例えば、瞬時周波数測定で10パルスをカウントした場合、丸め誤差は5%に達し得る。これはまた、このパルスカウントに基づいて測定される瞬時流量の不精密性でもある。ガス流が振動する周波数が高いほど、測定時間間隔にカウントされるパルス数が多くなり、その結果、測定される瞬時流量における不精密性が低くなる。
以下は、図2に示されるシステム100の酸素療法モニタリング装置105に適用され得る数値例である。前述したように、サンプリングレートは5であるので、パルスカウントは最大で0.2秒の時間間隔にわたる。瞬時流量は、少なくとも5%の精度で測定される必要があり、これは5%の不精密性と同等である。これは、0.2秒の時間間隔における少なくとも10パルスのカウントを意味する。パルスは振動チャンバ403におけるガス流の振動周期に一致するので、これはつまりガス流が少なくとも50Hzの周波数で振動する必要があることを意味する。この数値例は、測定装置202の音響センサが機能的にはマイクロフォンとして見なされ得ることを示す。
振動チャンバ403の容積は比較的小さいので、ガス流は対象流量範囲内で十分に高い周波数で振動する。図1に示されるこのシステム100において、対象流量範囲は、毎分
0.5L~毎分10Lの間に含まれるとよい。ガス流は、この例では毎分0.5Lである流量範囲の下限において最も低い周波数で振動する。前述の数値例に基づいて、ガス流は、この下限流量において少なくとも50Hzの周波数で振動する必要がある。前述したように、一振動周期は、振動チャンバ403を通過するガスの量、振動チャンバ403の容積に関連するデジタル量に関与する。毎分0.5Lの流量で少なくとも50Hzの周波数は、少なくともデジタル量の3000倍が0.5Lを超えるべきではないことを意味する。結果として、デジタル量が振動チャンバ403の容積に正確に等しいことを考慮すると、0.5Lを3000で除算した値を超えるべきではなく、その除算とは166立方ミリメートル(mm)である。
そのような比較的小さな振動チャンバ403は、比較的大きな圧力損失をもたらし得る。例えば、約100~200mmの容積を有する振動チャンバ403は、毎分10リットルの流量で1000Paにもなる圧力損失をもたらし得る。例えば、マスク106内においてガス流が有する必要がある圧力に関して要件が比較的軽減されている場合には、この比較的高い圧力損失は、図1に示されるシステム100において許容可能であり得る。
図14は、ひとに適用される酸素療法をモニタリングする非治療的方法1400を概略的に示す。方法1400はフローチャートで示されている。方法1400は、測定装置202のプロセッサ1305が他の要素ととともに行うことができる一連のステップを含む。このフローチャートは、プロセッサ1305またはプロセッサ1305に関連する他の回路にインストールされたソフトウェアプログラムを表すと見なされることができる。
過圧力計算ステップ1401において、プロセッサ1305は、圧力センサ207と周囲圧力センサ1301とがそれぞれ提供した瞬時圧力値と瞬時周囲圧力値との差から瞬時過圧力値を計算する。上述の値は同じ瞬時に適用され、したがって同じシーケンス番号を有する。瞬時過圧力値は、マスク106に適用されるガス流と、図1に示されたシステム100が動作する空間の周囲圧力との間の所定の瞬時の過圧力を表す。
変動平均流量計算ステップ1402において、プロセッサ1305は、ガス流の流量の瞬時平均を計算する。流量の瞬時平均は、瞬時過圧力値が適用されるものと同じ瞬時に適用される。流量の瞬時平均は、その瞬時の瞬時流量、先行するk個の瞬時流量、および後続の同じk個の瞬時流量の(kは整数)の重み付き平均によって得られる。この重み付き平均の計算は、測定された2k+1の瞬時流量に対するゼロ遅延フィルタ操作と見なされることができる。さらに、このフィルタ操作は、瞬時流量測定に影響し得るノイズを抑制する。
抵抗計算ステップ1403において、プロセッサ1305は、瞬時過圧力値をガス流の流量の瞬時平均で除算する。したがって、これらの値は同じ瞬時に関係する。この除算により、図1に示されるマスク106のレベルにおける「抵抗」を表すと見なされ得る特性値が生成される。マスク106に達するガス流が比較的高い過圧力を有する場合、流量が比較的小さくても、マスク106のレベルでは比較的抵抗が高い。反対に、マスク106に達するガス流が比較的低い過圧力を有する場合、流量が比較的大きくても、マスク106のレベルでは比較的抵抗が低い。このステップで除算により生成される特性値は、簡便性および明瞭性のため、抵抗値として以下において言及される。抵抗値の興味深い面は、ガス源102の特性がこの値に実質的に影響しないことである。ガス源102の特性に対するこの無関係性は、使用性と信頼性とに寄与するものである。
プロセッサ1305は、前述された図14に示される一連のステップを繰り返して行うことができる。その際、プロセッサ1305は、連続する抵抗値のシーケンスを生成して、それにより抵抗値は特定の瞬時に関連するものとなる。そしてプロセッサ1305は、
連続する抵抗値のシーケンスに基づいて呼吸特性を決定することができる。例えば、プロセッサ1305は、呼吸周波数および呼吸周波数の変動を判定することができる。一般に、プロセッサ1305は、連続する抵抗値のシーケンスから有用な情報を、特に図1に示されるシステム100におけるひと101の呼吸の情報を抽出することができる。さらに、プロセッサ1305は、連続する抵抗値のシーケンスに基づいて、このシステム100の異常を検出することができる。
図15は、代替の酸素療法モニタリング装置1500を概略的に示す。図15は、代替の酸素療法モニタリング装置1500の概略分解斜視図を提示する。代替の酸素療法モニタリング装置1500は、図15に示されるように、代替のガス流路モジュール1501と、代替の音響透明膜1502と、代替のプリント回路基板1504に実装され得る代替の測定装置1503とを含む。代替の酸素療法モニタリング装置1500は、上述で詳細に記載された図3に示される酸素療法モニタリング装置105に代えて、図1に示されたシステム100において使用されてもよい。代替の酸素療法モニタリング装置1500はまた、図3に示される酸素療法モニタリング装置105が動作するのと類似して動作してもよい。違いは主に構造的特性にある。
代替のガス流路モジュール1501は開放上面部を有する一方で、図2に示されるガス流路モジュール201は上部壁部301を含む。代替のプリント回路基板1504は、上部壁部301を機能的に置き換えるものである。すなわち、代替のプリント回路基板1504と代替のガス流路モジュール1501との間に配置される代替の音響的透明膜1502とともに、代替のプリント回路基板1504は、代替のガス流路モジュール1501を封止する。代替のガス流路モジュール1501は、上述で詳細に記載された図3に示されるガス流路モジュール201のものと類似する内側構造を有してもよい。したがって、代替のガス流路モジュール1501は、渦誘導部1506および出力部1507を有する振動チャンバ1505を含んでもよい。
代替の測定装置1503は、図2に示される酸素療法モニタリング装置105のように上面部ではなく、代替のプリント回路基板1504の底面部に実装される圧力センサ1508を含む。代替の音響的透明膜1502は、圧力センサ1508のための開口部1509を含む。したがって、圧力センサ1508は、振動チャンバ1505の出力部1507に少なくとも部分的に延び得る。代替の測定装置1503は、一対の音響変換器1510、1511をさらに含み、これらは代替のプリント回路基板1504の上面部に実装され得る。この実装は、図2に示される酸素療法モニタリング装置105のプリント回路基板203上の一対の音響変換器205、206のものと類似していてもよい。
代替のプリント回路基板1504は、一対の音響変換器1510、1511に関連する2つの孔1512、1513を含む。一方の孔1512は、一方の音響変換器1510と振動チャンバ1505、より正確には振動チャンバ1505の第1の位置との間で、圧力連通させるものである。他方の孔1513は、他方の音響変換器1511と振動チャンバ1505、より正確には振動チャンバ1505の第2の位置との間で圧力連通させるものである。これについて、図2に示される酸素療法モニタリング装置105のプリント回路基板203と、図15に示される代替の酸素療法モニタリング装置1500における代替のプリント回路基板1504とは類似していてもよい。
備考
図面に関する上述の詳細な説明は、特許請求の範囲に規定される本発明およびさらなる特徴の単なる例示である。本発明は、多くの異なる方法で実施可能である。これを示すために、いくつかの代替形が簡潔に示される。
本発明は、測定または生体の呼吸の測定に関連する多くのタイプの物または方法に適用され得る。例えば、本発明は、原則的に、呼吸可能なガスが生体に適用される任意のタイプの方法に適用され得る。「呼吸特性の測定」という表現は、広い意味で理解される必要がある。この表現は、生体の呼吸に関連するデータを得ることを目的とする任意の操作を包含することができる。
本発明は、多くの方法で実施され得る。例えば、代替の実施形態において、差動音響センサによって、図2および図13に示される一対の音響センサが置き換えられ得る。そうした代替の実施形態において、図13に示される差動回路1302は省略され得る。
用語「振動チャンバ」は広い意味で理解される必要がある。該用語は、振動チャンバを通過する空気流の圧力変動を誘発するように配置された内部形状を有する任意の構築空間を包含することができ、これらの圧力変動は、振動チャンバを通過する空気流流量の単調関数である周波数を示す。
振動チャンバは多くの異なる方法でなされ得る。代替の実施形態において、振動チャンバは、図5に示される実施形態のものと異なるガス流妨害要素を含むことができる。振動チャンバはまた、ガス流妨害要素なしで開放型構成を有し得る。流れ調整器は多くの異なる方法でなされ得る。代替の実施形態において、流れ調整器は、例えば格子またはブレードを含み得、ハニカム構造または他の構造を有し得る。
図14に示される方法は、ガス流において誘発される振動に基づいて流量を測定する、上述されるような酸素療法モニタリング装置を必ずしも必要としないということを言及する必要がある。原則的に、該方法は、呼吸インターフェイスを介して生体に呼吸可能なガスが適用される任意のシステムで使用可能である。重要な点は、呼吸インターフェイスにおけるガス流の過圧力を測定、または推定することと、ガス流の流量で過圧力を除算することで抵抗値を計算することである。これについて、流量の実際の測定方法は重要ではない。
概して、本発明を実施するための多くの異なる方法があり、異なる実施形態は異なるトポロジーを有し得る。任意の所与のトポロジーにおいて、単一のモジュールがいくつかの機能を実行してもよく、またはいくつかのモジュールがともに単一の機能を実行してもよい。これについて、図面は非常に図式的である。ハードウェアまたはソフトウェア、またはその両方の組み合わせによって実行され得る多くの機能が存在する。ソフトウェアベースの実行についての説明は、ハードウェアベースの実行を排除するものではなく、逆も同様である。1つ以上の専用回路ならびに1つ以上の複数の適切にプログラムされたプロセッサを含むハイブリッドの実行も可能である。例えば、図面に関して上述された様々な機能は、特定の回路トポロジーが特定の機能を規定する1つ以上の専用回路によって実行されてもよい。
ひとに適用される酸素療法をモニタリング可能にする一連の命令、すなわちソフトウエアを保存し配布する多くの方法が存在する。例として、ソフトウエアは、例えば、メモリ回路、磁気ディスク、または光ディスクなどの適切なデバイス読み取り可能な媒体に保存されてもよい。ソフトウエアが保存されているデバイス読み取り可能な媒体は、ソフトウエアを実行し得る、個々の製品として、または別の製品とともに提供されてもよい。そのような媒体は、ソフトウエアの実行を可能にする製品の一部であってもよい。ソフトウエアは、有線、無線、またはハイブリッドの通信ネットワークを介して配布することもできる。例えば、ソフトウエアはインターネットを介して配布することができる。ソフトウエアは、サーバーを使用してダウンロード可能にすることができる。ダウンロードは支払いの対象となり得る。
上述の記載は、図面に関する詳細な説明が、限定ではなく本発明の例示であることを示す。本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある多くの代替の方法で実施することができる。特許請求の範囲の同等物の意義および範囲内に該当するすべての変更は、その範囲内に包含される。請求項の任意の参照符号も、その請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「含む(comprising)」という用語は、請求項に列挙されたもの以外の要素またはステップの存在を排除するものではない。要素またはステップに先行する「a」または「an」という用語は、複数のそのような要素またはステップの存在を排除するものではない。それぞれの従属請求項がそれぞれの追加の特徴を規定するという単なる事実は、請求項に反映されるもの以外の追加の特徴の組合せを除外しない。

Claims (14)

  1. 酸素療法を受けている人の呼吸特性を決定するように構成された、酸素療法モニタリング装置であって、
    ソース(102)からひと(101)用呼吸インターフェイス(106)にガス流を通過させるように構成され、入口コネクタ(208)から出口コネクタ(209)まで種々の連続的な部分を有するガス流通路(201)を含み、
    前記ガス流通路(201)の前記部分は、
    ガス流内の速度の差異を低減する流れ調整器(401)と、
    前記流れ調整器を出たガス流を加速させるノズル(402)と、
    ノズルによって振動チャンバに進入する前記ガス流の振動を誘発するように構成された振動チャンバ(403)とを含み、前記振動は前記ガス流の毎分0.5Lの流量で少なくとも50Hzの周波数を有し、前記周波数は前記ガス流の流量の関数として変動し、さらに
    流量測定に基づいて人の前記呼吸特性を判定するように構成された測定装置(202)であって、前記流量測定は、前記ガス流において誘発された前記振動の周波数を測定することによっておよび周波数が流量に応じて変化する関数を適用することによって行われる測定装置を含む、酸素療法モニタリング装置(105)。
  2. 前記測定装置(202)は、前記振動によってもたらされた前記振動チャンバ(403)の圧力変動を測定して、測定された前記圧力変動に基づいて前記流量を判定するように構成される、請求項1に記載の酸素療法モニタリング装置。
  3. 前記測定装置(202)は、前記振動チャンバ(403)の前記圧力変動を測定するように構成された少なくとも1つの音響変換器(205)を含む、請求項2に記載の酸素療法モニタリング装置。
  4. 前記測定装置(202)は、前記振動チャンバ(403)の一方の位置で発生した圧力変動と、前記振動チャンバの他方の位置で発生した圧力変動とを受け取るように連結され、これらの各圧力変動の間の差に基づいて前記流量を判定するように構成される、請求項2~3のいずれかに記載の酸素療法モニタリング装置。
  5. 前記測定装置(202)は前記振動チャンバ(403)に連結され、前記測定装置が受け取る一方の位置および他方の位置の前記各圧力変動は位相対立である、請求項4に記載の酸素療法モニタリング装置。
  6. 前記装置は、前記振動チャンバ(403)内の位置で発生した圧力変動を前記測定装置(202)に伝達するように構成された少なくとも1つの導管(302)を含み、前記導管は音響インピーダンス変換を行うように構成される、請求項3~5のいずれかに記載の酸素療法モニタリング装置。
  7. 前記振動チャンバ(403)は、前記ガス流が前記振動チャンバに進入する入口部(402)に面する空洞を規定するガス流障害要素(603)を含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の酸素療法モニタリング装置。
  8. 前記装置は、前記ガス流の圧力を測定するように構成された圧力センサ(207)を含む、請求項1~7のいずれか1項に記載の酸素療法モニタリング装置。
  9. 前記測定装置(202)は、
    回路基板(203)と、
    前記回路基板に実装されるとともに、圧力変動に反応する変換器(205)と、
    前記変換器と前記振動チャンバ(403)との間で圧力連通させるように配置された前記回路基板の孔とを含む、請求項1~8のいずれかに記載の酸素療法モニタリング装置。
  10. 前記装置は、前記振動チャンバ(403)と前記回路基板(203)との間に配置された音響的透明膜(204)を含む、請求項9に記載の酸素療法モニタリング装置。
  11. 請求項1~10のいずれかに記載の酸素療法モニタリング装置と、前記酸素療法モニタリング装置から測定データを収集するように構成されたステーション(107)とを含む、酸素療法モニタリングシステム(100)。
  12. 請求項11に記載の酸素療法モニタリングシステムの制御方法であって、
    前記ステーションが酸素療法モニタリング装置(105)から測定データを収集するステップを含む酸素療法モニタリングシステムの制御方法。
  13. 前記装置(105)は、
    前記装置が前記呼吸インターフェイスにおける前記ガス流の過圧力を測定する過圧力測定ステップ(1401)と、
    前記装置が前記過圧力を前記ガス流の前記流量で除算して抵抗値を取得する抵抗計算ステップ(1403)との一連のステップに加え、
    前記装置が取得された連続する抵抗値のシーケンスに基づいて呼吸特性を決定する処理ステップとである一連のステップを繰り返して行う、請求項12に記載の酸素療法モニタリングシステムの制御方法。
  14. 命令(instruction)一式を含むコンピュータプログラムであって、前記命令一式により、該命令一式を実行することができるプロセッサが請求項13に記載の方法の前記一連のステップを行うことが可能になる、コンピュータプログラム。
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