JP7431768B2 - 加湿呼吸装置制御 - Google Patents
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Description
1回の呼吸サイクルで平均化された水蒸気の質量流出量
1回の呼吸サイクルで平均化された患者からの水蒸気の質量流入量
1回の呼吸サイクルで平均化されたCPAP装置からの水蒸気の質量流入量
EOH_AH =f(A,JB,Mh,hP) (5)
によって定義され、式中、
hPは、患者(呼気)によってマスクに提供された湿度であり、
Aは、患者のピーク流量であり、
JBは、平均流量(バイアス流量+漏れ流量)であり、
Mhは、マスク湿度であり、
EOH_AHは、ホースの終端部の(絶対)湿度である。
EOH_AH=(Mask_AH-(A/(JB *pi))*Patient_AH)/(1-A/(JB *pi)) (6)
によって定義され、式中、
Aは、患者のピーク流量であり、
Jは、平均流量であり、
Patient_TおよびPatient_AHは、患者によって吐き出された空気の温度および湿度である。
平均流速、
ピーク流速、
1回換気量
のうちの1つまたは複数である、流量の1つまたは複数の特性を含む。
既定値、
センサを使用して検知された値、
BMI、身長、体重、人体容積もしくは他の任意の適切な患者の生理的特性のうちの1つもしくは複数から計算された値
のうちの1つまたは複数である。
熱流出量は、バイアス孔を通じて流出した空気JBによって運ばれる熱エネルギー(マスク温度および平均流量の関数)と、マスク表面を通じて大気中に失われた熱(マスク温度、周囲温度およびマスクを通じる熱損失係数の関数)とを含み、
熱流入量は、CPAP流量によって運ばれる熱エネルギー(平均流量、ピーク流量およびCPAP伝達温度の関数)と、患者によって運ばれ、マスクに流入する熱エネルギー(患者の呼気温度、CPAP伝達温度および患者のピーク流量の関数)とを含む。
EOH_T =f(A,JB,Mt,TP,TA) (11)
によって定義され、式中、
TPは、患者(呼気)によってマスクに提供された温度であり、
Aは、患者のピーク流量であり、
JBは、平均流量(バイアス流量+漏れ流量)であり、
TAは、例えば、センサによって測定された周囲温度であり、
Mtは、マスク温度であり、
EOH_Tは、ホースの終端部の温度である。
keffは、マスクを通じる有効熱伝導係数であり、
Sは、マスクの表面積であり、
Cpおよびρは、一定(平均)処理圧力での空気比熱および(平均)密度を指し、
Aは、患者のピーク流量であり、
Jは、平均流量であり、
Patient_TおよびPatient_AHは、患者によって吐き出された空気の温度および湿度である。
平均流速、
ピーク流速、
1回換気量
のうちの1つまたは複数である、流量の1つまたは複数の特性を含む。
既定値、
センサを使用して検知された値、
BMI、身長、体重、人体容積もしくは他の任意の適切な患者の生理的特性のうちの1つもしくは複数から計算された値
のうちの1つまたは複数である。
マスクの内部容積、
マスクの表面積、
マスクの材料
のうちの1つまたは複数である。
1.1 概要
図2~4の概要では、加湿呼吸装置の可能な非限定的な実施形態が示される。この場合、その実施形態は、図2に示される組み込まれた加湿器を備えるCPAP装置1である。加湿機能を有する流量治療装置または加湿器単独でさえも含む、加湿を提供する呼吸装置のいかなる種類も使用できることが理解されよう。
ここでは、図5~10を参照して、実施形態についてより詳細に説明する。
本実施形態は、別々のモデルを使用して、目標温度および湿度を決定し、その結果、これらのパラメータは、別々の実装形態で決定および制御することができる。しかし、最初に、概説目的で、また、どのようにモデルが導出されるかについての論考をサポートするため、図5、6A、6Bを参照して、組み合わされた目標温度および湿度モデルの簡単な説明について説明する(図5は、総合的な制御の一部として図4に示されるモデルの簡易バージョンである)。それに続いて、目標温度および湿度を決定するための別々のモデルの詳細な説明を提供する。しかし、この説明は、単なる例示を目的として提供され、制限するものと見なすべきではない。
VCPAP+Vpatient+Vbias=0 (16)
図8を参照すると、決定された時点で、Mhは、導管(ホース)の終端部の(目標)湿度(EOH_AH)44bを生成するための他の入力と共に、湿度に対する(「逆」)患者貢献モデルに基づく目標湿度モデルへの入力である既知のパラメータとなる。
Mh=f(flow characteristic,hC,hP) (1)
式中、
hCは、CPAP装置によってマスクに提供された湿度(この場合、ホースの終端部の湿度(EOH_AHでもある))であり、
hPは、患者(呼気)によってマスクに提供された湿度であり、
流量特性は、患者の1つまたは複数の呼吸流量特性を表す。
EOH_AH=f(flow characteristic,Mh,hP,) (2)
Mh=f(A,JB,hC,hP) (3)
式中、
Aは、患者のピーク流量であり、
JBは、平均流量(バイアス流量+漏れ流量)である。
AHmaskVmask+AHCPAPVCPAP+AHpatientVpatient=AHmixtureVtotal (4a)である。
AHCPAPVCPAP+AHpatientVpatient=AHmixtureVtotal (4b)
EOH_AH=f(A,JB,Mh,hp) (5)
に再構成することができる(図8に示されるように)。
EOH_AH=(Mask_AH-(A/(JB *pi))*Patient_AH)/(l-A/(JB *pi)) (6)
式中、
Aは、患者のピーク流量であり、
JBは、平均流量であり、
Patient_TおよびPatient_AHは、患者によって吐き出された空気の温度および湿度である。
図9を参照すると、決定された時点で、Mtは、導管(ホース)の終端部の(目標)温度(EOH_T)44aを生成するための他の入力と共に、温度に対する(「逆」)患者貢献モデルに基づく目標温度モデルへの入力である既知のパラメータとなる。
Mt=f(flow characteristic,TC,TP) (7)
式中、
TCは、CPAP装置によってマスクに提供された温度(この場合、ホースの終端部の温度(EOH_T)44a)であり、
TPは、患者(呼気)によってマスクに提供された温度であり、
流量特性は、患者の1つまたは複数の呼吸流量特性を表す。
EOH_T=f(flow characteristic,Mt,TP) (8)
Mt=f(A,JB,TC,TP,TA) (9)
式中、
Aは、患者のピーク流量であり、
JBは、平均流量(バイアス流量+漏れ流量)であり、
TAは、例えば、センサによって測定される周囲温度である。
EOH_T=f(A,JB,Mt,TP,TA) (11)
に再構成することができる。
keffは、マスクを通じる有効熱伝導係数であり、
Sは、マスクの表面積であり、
Cpおよびρは、一定(平均)処理圧力での空気比熱および(平均)密度を指し、
Aは、患者のピーク流量であり、
JBは、平均流量であり、
Patient_TおよびPatient_AHは、患者によって吐き出された空気の温度および湿度である。
ここでは、患者貢献、目標温度および目標湿度モデルの導出について説明する。
以下の略語が使用される。
インデックス:「C」-「CPAP」、「P」-「患者」、「B」-「バイアス(流量)」、「M」-マスクにおけるもの(混合)、「A」-「周囲の」、
JX,X=C,P,B-容積流量、hX,X=C,P,M-絶対湿度(mgH2OL-1空気中)、TX,X=C,P,M-温度(℃)、
VLUNGは、1回の呼吸当たりの換気量であり、br_periodは、呼吸時間であり、RFは、呼吸数である。
JC(t)+JP(t)-JB=0 (13)
1回の呼吸サイクルで平均化された水蒸気質量(m)率バランスは、
1回の呼吸サイクルで平均化された水蒸気の質量流出量
1回の呼吸サイクルで平均化された患者からの水蒸気の質量流入量
1回の呼吸サイクルで平均化されたCPAP装置からの水蒸気の質量流入量
AHmaskVmask+AHCPAPVCPAP+AHpatientVpatient=AHmixtureVtotal (4a)
AHCPAPVCPAP+AHpatientVpatient=AHmixtureVtotal (4b)
マスク湿度=function(A,JB,hC,hP) (3)
と記載することができる。
EOH_AH=f(A,JB,Mh,hp) (5)
が得られ、以前に述べられるように、
EOH_AH=(Mask_AH-(A/(JB *pi))*Patient_AH)/(l-A/(JB *pi)) (6)
である。
温度に対して同じ手法を使用すると、マスクシステムに対する熱エネルギーバランス方程式は、以下のように記載することができ、
熱流出量は、バイアス孔を通じて流出した空気JBによって運ばれる熱エネルギー(マスク温度および平均流量の関数)と、マスク表面を通じて大気中に失われた熱(マスク温度、周囲温度およびマスクを通じる熱損失係数の関数)とを含み、
熱流入量は、CPAP流量によって運ばれる熱エネルギー(平均流量、ピーク流量およびCPAP伝達温度の関数)と、患者によって運ばれ、マスクに流入する熱エネルギー(患者の呼気温度、CPAP伝達温度および患者のピーク流量の関数)とを含む。
マスク温度=f(A,JB,TC,TP,TA) (9)
と記載することができる。
EOH_T=f(A,JB,Mt,TP,TA) (11)
が得られ、以前に述べられるように、
keffおよびSmaskは、この特定の実装形態に対して名目上のマスクタイプに対して実験的に測定された。代替の変形形態では、マスクタイプは、モデルへの入力として含めることができ、マスクタイプは、CPAPによって検出されるか、または、TPおよびhPは、患者によって吐き出された空気の温度および絶対空気湿度である。一実装形態に対し、例えば、文献から得られた平均値(すなわち、34℃、85%、32mg/L)を使用することができる。
コントローラは、ホースの終端部における目標温度および湿度を決定するため、方程式(6)、(12)を使用して上記のモデルを実装するよう構成される。それらの目標が決定された時点で、コントローラは、目標ポイント(ホースの終端部)においてそれらの目標を達成するように加湿呼吸装置を操作するようにも構成される。このことは、図4の概要で示され、この実施形態に対する総合的な装置制御(コントローラによって実装される)の詳細な例は、図10に示される。
しかし、患者貢献モデル(T)50は、マスク温度目標42aからEOH T 44aを計算するために依然として使用されることになる。
しかし、患者貢献モデル(AH)50は、マスクAH目標42eからEOH AH 44bを計算するために依然として使用されることになる。
水室の形態が原因で夜の間に水室内の水位が減少すると、吸湿能力ひいては伝達される湿度レベルも減少する。水位の減少を補償することにより、夜の間中、一定のレベルの湿度を維持することができる。
水位推定値は、以下の通り、入力、すなわち、周囲の絶対湿度(Amb_AH)、目標のホースの終端部の出力湿度(EOH_AH)、平均流量(L/min)および夜のCPAPランタイムを使用して計算される。
- 初期のWL(治療開始時の水位)は、全水室容積であると想定することができる。
- ユニットAH=EOH_AH-Amb_AH [CPAPによって追加されたAH(mg/L)]
- 蒸発率=ユニットAH*平均流量 [蒸発率(mg/min)]
- 蒸発した水(mg)=蒸発率*ランタイム(時間)*60
- 水位(mgまたはml)=初期のWL-蒸発した水
数学的モデルについては、上記で、ヒータプレート温度、周囲温度、入力湿度および流速の関数として出力湿度(または吸湿)を関係付ける図10を参照して説明した。水位は、モデルへの入力としても追加される。この方程式を再構成することにより、ヒータプレート温度設定を得ることができる。あるいは、水位は、ニューラルネットワークモデルへの入力として追加することができる。
ここでは、数学的なHP 120およびHBT 121モデルの例についてさらに詳細に説明する。モデルは、2つのサブシステム、すなわち、湿度モデル(主に加湿器室)120と温度モデル121(主に加熱された呼吸管)に分割される。以下で説明するモデルは、特定の加湿呼吸装置構成に関連する。構成が変更された場合、方程式が変更される。
図2に戻ると、呼吸装置構成は、水室内の水を蒸発させるためのヒータプレートの上部にある約400mlの水を保持する水室を有する。供給電力を変化させることによって一定の温度を維持するためにPIDフィードバックループに供給されるヒータプレートの温度(THPL)119を測定するためのセンサが存在する。流入空気は、水面上を流れ、湿度を吸い上げる。この湿度は、ホース101を通じて運ばれ、ホース101は、温度降下に起因するレインアウトを防ぐため、HBT(呼吸管のヒータ)101aを使用して、その表面全体が加熱される。管内の電力(PHBT)は、以前に説明されるように、ホースの終端部において所望の温度44aを得るように制御される。
上記は、一実施形態である。当業者であれば、他の多くの実施形態が考察されよう。異なるヒータプレート120および加熱された呼吸管121制御モデルおよび実装形態と共に、目標温度および湿度モデル50の異なる実装形態(目標温度および湿度モデル50を定義する異なる方程式)を考察することができる。その上、上記の実施形態は、目標ポイントとしてホースの終端部を使用し、使用されるモデルは、マスク貢献の湿度および温度に影響を及ぼす患者貢献に関連する。呼吸装置の流路の他の目標ポイントを使用することができ、呼吸装置の下流部分によって行われる湿度および温度への貢献を補償するための適切なモデルが使用される。例えば、目標ポイントとして加湿器出口を使用することができ、モデルは、患者および呼吸管貢献を考慮に入れることになる。
マスク湿度=function(VLUNG,RF,JB,hC,hP)
マスク温度=function(VLUNG,RF,JB,TC,TP,TA)
であり、式中、RF=呼吸数である。
この明細書全体を通じて、様々なパラメータが使用される。いくつかの事例では、異なる方程式の異なるシンボルまたは頭字語によって同じパラメータが表されている。明確にするため、方程式で使用される一連のパラメータおよびそのシンボルを以下に記載する。
マスクにおける所望の絶対湿度は、Mask_AH、Mh、hM、マスク湿度、AHmixture、AHmaskと呼ばれる。
マスクにおける所望の相対湿度は、Mask_RHと呼ばれる。
マスクにおける所望の温度は、Mask_T、Mt、TM、マスク温度、Tmaskと呼ばれる。
患者の呼吸管の終端部における空気の絶対湿度は、EOH_AH、hC、AHCPAPと呼ばれる。
患者の呼吸管の終端部における空気の相対気湿度は、EOH_RHと呼ばれる。
患者の呼吸管の終端部における空気の温度はEOH_T、TC、TCPAPと呼ばれる。
患者の呼気の絶対湿度は、Patient_AH、hP、患者湿度、AHPatientと呼ばれる。
患者の呼気の温度は、Patient_T、TP、患者の温度、TPatientと呼ばれる。 マスクのバイアス孔を出る(およびマスクを通じて漏れ出す)一般に一定の流速は、平均流量、Avg Flow、JB、av.Flowと呼ばれる。
想定された正弦波状の患者の流速の振幅は、ピーク流量、Aと呼ばれる。
周囲温度は、Amb_T、TA、Amb.Temperature、周囲温度、Tambと呼ばれる。
周囲湿度は、Amb_AH、周囲湿度と呼ばれる。
一定(平均)処理圧力での空気の比熱および(平均)密度はそれぞれ、Cpおよびρと呼ばれる。
マスクを通じる有効熱伝導係数は、keffと呼ばれる。
マスクの表面積は、Sと呼ばれる。
ヒータプレートは、HPと呼ばれる。
呼吸管のヒータは、HBTと呼ばれる。
ヒータプレートの温度は、THPLと呼ばれる。
加熱管の電力は、PHBTと呼ばれる。
ニューラルネットワークは、NNと呼ばれる。
1回の呼吸当たりの換気量は、VLUNGと呼ばれる。
呼吸時間は、br_periodと呼ばれる。
呼吸数は、RFと呼ばれる。
CPAPの容積の流速は、VCPAP,JCと呼ばれる。
患者の呼吸の容積の流速は、Vpatient,JPと呼ばれる。
バイアス孔を通じて出る容積の流速は、Vbias,JB,Vtotalと呼ばれる。
マスクの容積は、Vmaskと呼ばれる。
マスクにおける空気の絶対湿度は、AHmaskと呼ばれる。
マスクを通じて大気中に失われた熱は、Qlostと呼ばれる。
マスク内部の強制対流抵抗は、Rinと呼ばれる。
マスクを通じる伝導抵抗は、Rcondと呼ばれる。
マスクから周囲への自然対流抵抗は、Routと呼ばれる。
マスクの内部表面の温度は、TinWallと呼ばれる。
マスクの外部表面の温度は、ToutWallと呼ばれる。
Claims (1)
- 加湿空気を生成して患者に伝達するための加湿呼吸装置であって、
空気伝達導管及び患者インターフェースと共に使用される加湿器を備え、使用時に前記加湿器と空気伝達導管と患者インターフェースは空気流路を形成し、前記空気流路は、1又は2以上の加熱可能コンポーネントを有し、
前記加湿呼吸装置は、該加湿呼吸装置の操作を制御するコントローラを備え、
前記コントローラには、前記患者インターフェースへの熱エネルギーと前記患者インターフェースからの熱エネルギーのバランスを定める、前記患者インターフェース用の熱エネルギーのバランス方程式によるモデルが設定され、
前記モデルで、前記患者インターフェースへの熱エネルギーは、前記空気伝達導管から前記患者インターフェースに運ばれる熱エネルギーと、前記患者の呼気によって前記患者インターフェースに流入する熱エネルギーとを含み、前記熱エネルギーのバランス方程式において、前記空気伝達導管から前記患者インターフェースに運ばれる熱エネルギーは、前記患者インターフェースにおける前記空気伝達導管の終端部の目標温度に基づいて計算され、前記患者の呼気によって前記患者インターフェースに流入する熱エネルギーは、前記患者の呼気の流量及び温度を用いて計算され、
前記モデルで、前記患者インターフェースからの熱エネルギーは、前記患者インターフェースのバイアス孔を通じて流出した空気によって運ばれる熱エネルギーと、前記患者インターフェースの表面を通じて大気中に失われた熱エネルギーとを含み、前記熱エネルギーのバランス方程式において、前記患者インターフェースのバイアス孔を通じて流出した空気によって運ばれる熱エネルギーは、前記バイアス孔を通じて流出した空気の流量及び温度を用いて計算され、前記患者インターフェースの表面を通じて大気中に失われた熱エネルギーは、周囲温度を用いて計算され、
前記熱エネルギーのバランス方程式で、定常状態を反映するように、前記患者インターフェースへの熱エネルギーと、前記患者インターフェースからの熱エネルギーは等しく、
前記コントローラは、
前記熱エネルギーのバランス方程式による前記モデルで、パラメータとして、ユーザによって前記加湿呼吸装置に入力された前記患者インターフェースにおける所望の温度、前記患者についての情報に基づいて推定された前記患者の呼気の流量及び温度、前記患者インターフェースの前記バイアス孔を通じて流出した空気の流量センサによって測定された流量及び前記患者インターフェースにおける所望の温度、並びに温度センサによって測定された前記周囲温度、を用いて、前記1又は2以上の加熱可能コンポーネントの下流であって前記空気伝達導管の終端部の前記目標温度を決定し、前記パラメータによって決定された前記目標温度は、前記熱エネルギーのバランス方程式において前記定常状態を維持するための前記目標温度であり、
前記目標温度を達成して維持するように前記空気流路内に熱エネルギーを供給するため、前記1又は2以上の加熱可能コンポーネントを制御するように構成されている、加湿呼吸装置。
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