JP7471768B2

JP7471768B2 - 人工呼吸用のガスモニタリング装置およびガスモニタリングシステム

Info

Publication number: JP7471768B2
Application number: JP2018113459A
Authority: JP
Inventors: 利樹青木
Original assignee: Nihon Kohden Corp
Current assignee: Nihon Kohden Corp
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2024-04-22
Anticipated expiration: 2038-06-14
Also published as: JP2019005568A

Description

本発明は、人工呼吸器の呼吸回路における呼吸ガスの濃度に応じた信号を生成するセンサと通信可能な人工呼吸用のガスモニタリング装置に関する。また、本発明は、当該センサと通信可能な表示装置を含む人工呼吸用のガスモニタリングシステムに関する。

人工呼吸法として、低頻度換気法と高頻度振動換気法が知られている。低頻度換気法は、通常の呼吸頻度（毎分１０～２０回程度）で通常の呼吸排気量分の酸素を強制的に患者の肺へ供給する手法である。高頻度振動換気法は、陽圧と陰圧が高頻度で繰り返される振動空気圧を発生させ、解剖学的死腔よりも少ない換気量（駆出量）の酸素を患者の肺に供給する手法である。「高頻度振動」とは、通常の呼吸頻度よりも高い頻度の振動を意味し、例えば１０～１５Ｈｚの振動である。このような高頻度振動換気法を採用している人工呼吸器は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２０００－０４２１０９号公報

高頻度振動換気法は、強制的な肺への酸素供給を伴わないので、圧力変動に起因する肺損傷を抑制可能な方法として知られている。他方、低頻度換気法で得られる呼気／吸気という呼吸様相が得られない。そのため、呼気終末の二酸化炭素濃度が得られず、当該濃度に基づいて患者の換気状態（肺の状態）を連続的にモニタリングできない。

したがって、高頻度振動換気法の実施時においては、血液ガス測定や経皮センサによる測定を通じて二酸化炭素濃度の取得が行なわれる。しかしながら、血液ガス測定は侵襲的な採血を必要とし、経皮センサによる測定は皮膚損傷や低温火傷のリスクを伴う。

本発明の目的は、患者への負担を抑制しつつ、高頻度振動換気法の実施時における当該患者の換気状態を連続的にモニタリングすることである。

上記の目的を達成するための第一態様は、人工呼吸用のガスモニタリングシステムであって、
人工呼吸器の呼吸回路内の吸気ガスと呼気ガスの双方が通過する部分における所定のガスの濃度に応じた信号を生成するセンサと、
前記センサと通信可能な表示装置と、
プロセッサと、
前記プロセッサが読み取り可能な命令を記憶するメモリと、
を備えており、
前記人工呼吸器により高頻度振動換気が行なわれる際に前記命令が前記プロセッサにより実行されると、
前記信号に基づいて前記濃度の測定値を算出し、
前記表示装置に前記信号に対応する波形および前記測定値を表示させる。

上記の目的を達成するための第二態様は、人工呼吸器の呼吸回路内の吸気ガスと呼気ガスの双方が通過する部分における所定のガスの濃度に応じた信号を生成するセンサと通信可能な人工呼吸用のガスモニタリング装置であって、
表示部と、
プロセッサと、
前記プロセッサが読み取り可能な命令を記憶するメモリと、
を備えており、
前記人工呼吸器により高頻度振動換気が行なわれる際に前記命令が前記プロセッサにより実行されると、
前記信号に基づいて前記濃度の測定値を算出し、
前記表示部に前記信号に対応する波形および前記測定値を表示させる。

呼吸回路における吸気ガスと呼気ガスの双方が通過する部分は、患者の肺により近い場所に位置している。表示装置あるいは表示部には、当該部分で得られた信号に基づいて波形が表示されている。したがって、患者の換気状態をより正確かつ視覚的に把握できる。例えば、高頻度振動換気法の実施中に患者の自発呼吸強度が高まった場合、表示装置あるいは表示部に表示される波形が変化する。医療従事者は、このような変化の視覚的認識を通じて適切な対応をとることができる。例えば、医療従事者は、自発呼吸の程度に応じて高頻度振動換気法から低頻度換気法への切り替えを検討できる。センサは、呼吸回路における吸気ガスと呼気ガスの双方が通過する部分に配置されているため、低頻度換気法にも適用可能である。換言すると、高頻度振動換気法と低頻度換気法の切り替えに際して、センサの配置を変更する必要がない。また、高頻度振動換気法の実施に際して血液ガス測定や経皮センサによる測定に頼る必要もない。したがって、患者への負担を抑制しつつ、高頻度振動換気法の実施時における患者の換気状態を連続的にモニタリングできる。

一実施形態に係る人工呼吸用のガスモニタリングシステムを示している。図１のガスモニタリングシステムの動作例を示している。図１のガスモニタリングシステムの動作例を示している。図１のガスモニタリングシステムの動作例を示している。

添付の図面を参照しつつ、実施形態の例について以下詳細に説明する。図１は、一実施形態に係るガスモニタリングシステム１の構成を示している。図１においては、各要素を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

ガスモニタリングシステム１は、人工呼吸器２と連携して動作可能である。人工呼吸器２は、少なくとも高頻度振動換気を実行可能に構成されている。高頻度振動換気を実行可能な構成それ自体は周知であるため、詳細な説明は省略する。

人工呼吸器２は、呼吸回路２１を備えている。呼吸回路２１は、共通回路部２１１、吸気回路部２１２、および呼気回路部２１３を含んでいる。

共通回路部２１１の一端は、患者３の口に気密固定されることにより、患者３の肺３１と接続される。吸気回路部２１２と呼気回路部２１３は、共通回路部２１１の他端から分岐している。吸気回路部２１２は、人工呼吸用の吸気ガスを共通回路部２１１へ向けて送るための部分である。呼気回路部２１３は、患者３からの呼気ガスを大気へ向けて排出するための部分である。すなわち、共通回路部２１１は、吸気ガスと呼気ガスの双方が通過する部分である。

ガスモニタリングシステム１は、センサ１１を備えている。センサ１１は、人工呼吸器２の共通回路部２１１に配置される。センサ１１は、共通回路部２１１における二酸化炭素の濃度に応じた信号Ｓ１を生成するように構成されている。二酸化炭素は、所定のガスの一例である。

具体的には、センサ１１は、発光素子１１１と受光素子１１２を備えている。発光素子１１１は、共通回路部２１１へ向けて一定光度の赤外光を出射するように構成されている。受光素子１１２は、共通回路部２１１を通過した赤外光を受けることができるように配置されている。赤外光は二酸化炭素によって吸収されるため、共通回路部２１１における二酸化炭素の濃度に応じて受光素子１１２における受光強度が変化する。受光素子１１２は、受光強度に応じた信号Ｓ１を生成するように構成されている。信号Ｓ１は、直流信号である。

本実施形態においては、受光素子１１２の応答時間は、５５ミリ秒以下である。応答時間は、ステップ状の基準波形を有するガスの入力によって生成される出力信号が立ち上がり、その振幅最大値の１０％に対応する値が得られた時点から９０％に対応する値が得られた時点までの時間として定義される。

ガスモニタリングシステム１は、ガスモニタリング装置１２を備えている。ガスモニタリング装置１２は、センサ１１と通信可能である。本明細書において「通信可能」という表現は、信号やデータの送信と受信の少なくとも一方が可能である状態を意味する。この場合、通信に関与する主体同士が有線接続されていてもよいし、無線接続されていてもよい。

ガスモニタリング装置１２は、プロセッサ１２１とメモリ１２２を備えている。メモリ１２２は、プロセッサ１２１により実行可能な命令を記憶している。プロセッサ１２１の例としては、ＣＰＵやＭＰＵが挙げられる。メモリ１２２の例としては、ＲＯＭやＲＡＭが挙げられる。

ガスモニタリング装置１２は、表示部１２３を備えている。すなわち、ガスモニタリング装置１２は、表示装置としても機能する。

人工呼吸器２により高頻度振動換気が行なわれる際にメモリ１２２に記憶された命令がプロセッサ１２１によって実行されると、図２に示される処理が、ガスモニタリング装置１２によって実行される。

まず、センサ１１の受光素子１１２により生成された信号Ｓ１が取得される（ステップＳ１１）。次に、信号Ｓ１に基づいて、共通回路部２１１における二酸化炭素濃度の測定値が算出される（ステップＳ１２）。

図３の（Ｂ）に例示されるように、信号Ｓ１に対応する波形１２３ａ、および算出された二酸化炭素濃度の測定値１２３ｂは、表示部１２３に表示される（ステップＳ１３）。本例において測定値１２３ｂは、２７ｍｍＨｇを示している。

図３の（Ａ）は、比較例としての表示例を示している。波形ＷＦは、低頻度換気法が行なわれた場合の共通回路部２１１における二酸化炭素濃度の経時変化を示している。呼気により数値が上がり、吸気により数値が下がるという呼吸様相が明確に現れている。数値ＮＶ１は、二酸化炭素濃度を示している。例えば波形ＷＦの最大値に対応する二酸化炭素の濃度値が、数値ＮＶ１として表示される。数値ＮＶ２は、１分間あたりの呼吸数を示している。数値ＮＶ２は、波形ＷＦの周期に基づいて特定される。

他方、高頻度振動換気法により得られる波形１２３ａは、共通回路部２１１における振動空気圧による二酸化炭素濃度の経時変化を反映している。そのため、明確な呼吸様相を呈していない。そのため、二酸化炭素濃度の測定値１２３ｂは、所定の期間に含まれる信号Ｓ１の複数のピーク値の移動平均値を取得することにより算出される。あるいは、二酸化炭素濃度の測定値１２３ｂは、所定の期間に含まれる信号Ｓ１の複数のピーク値の最大値を特定することによって算出されてもよい。

本願発明者は、上記のような仕様を有するセンサ１１を共通回路部２１１に配置すれば、移動平均や最大値取得のような比較的単純な演算処理で患者３の実情に沿う二酸化炭素濃度の測定値が得られることを見出した。高頻度振動換気法の波形は、自発呼吸がなくとも揺らぐことが多い。移動平均に基づく算出の場合、ノイズの影響を軽減できる。最大値取得に基づく算出の場合、肺胞気の二酸化炭素分圧により近い値が取得されうる。

このような構成によれば、高頻度振動換気法の実施時においても、血液ガス測定や経皮センサによる測定に頼ることなく患者３の換気状態を連続的にモニタリングできる。換言すると、患者３への負担を抑制しつつ、高頻度振動換気法の実施時において患者３の換気状態を連続的にモニタリングできる。

また、患者３の肺３１により近い共通回路部２１１で得られた信号Ｓ１に基づいて波形１２３ａが表示されている。したがって、患者３の換気状態をより正確かつ視覚的に把握できる。例えば、図３の（Ｃ）は、高頻度振動換気法の実施中に患者３の自発呼吸強度が高まった場合の波形１２３ａの一例を示している。医療従事者は、このような波形の変化の視覚的認識を通じて適切な対応をとることができる。例えば、医療従事者は、自発呼吸の程度に応じて高頻度振動換気法から低頻度換気法への切り替えを検討できる。センサ１１は、共通回路部２１１に配置されているため、低頻度換気法にも適用可能である。換言すると、高頻度振動換気法と低頻度換気法の切り替えに際して、センサ１１の配置を変更する必要がない。この事実は、患者３と医療従事者の双方にとって負担の軽減に繋がる。

上記の説明によれば、二酸化炭素濃度の測定値１２３ｂは、所定期間内に含まれる波形１２３ａの複数のピーク値の移動平均値を取得することによって算出される。しかしながら、所定期間内に含まれる複数のピーク値の最大値を特定することにより測定値１２３ｂを算出してもよい、また、ローパスフィルタにより高周波成分を除去した波形から測定値１２３ｂを算出してもよい。

図１に破線で示されるように、ガスモニタリング装置１２は、報知部１２４を備えうる。プロセッサ１２１は、二酸化炭素濃度の測定値１２３ｂが上限閾値と下限閾値により定められる範囲外の値をとると、報知部１２４に報知動作を行なわせるように構成されうる。この場合、当該報知動作は、視覚的報知、聴覚的報知、および触覚的報知の少なくとも一つを通じて行なわれる。なお、報知に係る数値範囲は、必ずしも上限閾値と下限閾値により定められることを要しない。上限閾値と下限閾値のいずれか一方のみが設定されてもよい。

図２に破線で示されるように、人工呼吸器２により高頻度振動換気が行なわれる際にメモリ１２２に記憶された命令がプロセッサ１２１によって実行されると、ガスモニタリング装置１２は、ステップＳ１１において取得された信号Ｓ１から高周波成分を抽出する処理を実行しうる（ステップＳ１４）。

具体的には、所定値よりも高い周波数を有する高周波成分が、信号Ｓ１から抽出される。当該所定値は、高頻度振動換気の振動周波数に基づいて適宜に決定される。抽出処理は、当該所定値を閾値周波数とするハイパスフィルタ回路を通過させることによって行なわれてもよいし、当該ハイパスフィルタを通過させることに相当する信号処理を信号Ｓ１に対して施すことにより行なわれてもよい。

この場合、図３の（Ｂ）に示されるように、抽出された高周波成分の周期に対応する周波数値１２３ｃが表示部１２３に表示されうる。本例においては、周波数値１２３ｃは、１５Ｈｚを示している。

このような構成によれば、表示された周波数値１２３ｃに基づいて、高頻度振動換気が正常に行なわれているかを目視で判断できる。例えば呼吸回路２１の一部にリークが存在すると、高頻度振動換気による振動が共通回路部２１１に十分に作用せず、所望の波形１２３ａが得られない場合がある。具体的には、当該振動に対応する高周波成分が十分な大きさを伴って波形１２３ａに含まれない場合がある。周波数値１２３ｃの目視を通じて、このような事態を把握できる。

上記に加えてあるいは代えて、ステップＳ１４で抽出された信号Ｓ１の高周波成分に基づいて、高頻度振動換気が正常に行なわれているかの判断がガスモニタリング装置１２によって自動的になされうる（ステップＳ１５）。

ステップＳ１５において高頻度振動換気が正常に行なわれていないとの判断がなされた場合、その旨が報知部１２４を通じて報知されうる。

これに加えてあるいは代えて、図２に破線で示されるように、人工呼吸器２により高頻度振動換気が行なわれる際にメモリ１２２に記憶された命令がプロセッサ１２１によって実行されると、ガスモニタリング装置１２は、ステップＳ１１において取得された信号Ｓ１から低周波成分を抽出する処理を実行しうる（ステップＳ１６）。

具体的には、所定値よりも低い周波数を有する低周波成分が、信号Ｓ１から抽出される。当該所定値は、患者３の呼吸頻度に基づいて適宜に決定される。抽出処理は、当該所定値を閾値周波数とするローパスフィルタ回路を通過させることによって行なわれてもよいし、当該ローパスフィルタを通過させることに相当する信号処理を信号Ｓ１に対して施すことにより行なわれてもよい。

次に、ステップＳ１６で抽出された信号Ｓ１の低周波成分に基づいて、患者３の自発呼吸の検出がなされる（ステップＳ１７）。患者３の自発呼吸が存在すると、信号Ｓ１には低周波成分が重畳する。当該成分の大きさが所定の閾値を上回る場合に、患者３の自発呼吸が存在すると判断されうる。このように周波数解析を介することにより、自発呼吸の検出を自動化できる。

図３の（Ｃ）を参照して説明したように、患者３の自発呼吸が存在すると、表示部１２３に表示される波形１２３ａにも低周波成分が重畳する。しかしながら、重畳により生じる波形の変化は、必ずしも図示の例のように顕著であるとは限らない。上記のように周波数解析を用いることにより、波形１２３ａの目視に頼ることなく患者３の自発呼吸を自動的に検出できる。

ステップＳ１７において患者３の自発呼吸が検出された場合、その旨が報知部１２４を通じて報知されうる。これに加えてあるいは代えて、図３の（Ｃ）に示されるように、抽出された低周波成分の周期に基づいて、患者３の１分間あたりの呼吸数１２３ｄが表示部１２３に表示されうる。本例においては、呼吸数１２３ｄは、毎分１６回を示している。

図１に破線で示されるように、ガスモニタリング装置１２と人工呼吸器２は、通信可能とされうる。この場合、図２のステップＳ１７において患者３の自発呼吸が検出されると、ガスモニタリング装置１２は、人工呼吸器２に低頻度換気法に基づく動作を行なわせるための信号Ｓ２を生成しうる（図２のステップＳ１８）。信号Ｓ２が人工呼吸器２に入力されると、人工呼吸器２は、高頻度振動換気法に基づく動作を中止して低頻度換気法に基づく動作を開始する。表示部１２３には、図３の（Ａ）に例示したような態様で表示がなされる。

このような構成によれば、患者３の自発呼吸の程度に応じた高頻度振動換気法から低頻度換気法への切り替えを自動化できる。

なお、図２に示されるＳ１６からＳ１８の処理のみを実行するのであれば、必ずしもセンサ１１が前述の仕様を有することを要しない。

高頻度振動換気の実施中に持続的肺拡張（ＳＩ：Sustained Inflation）が行なわれる場合がある。持続的肺拡張は、空気圧の振動を一時的に停止し、気道内圧を強制的に上げて肺を膨らませる処置である。持続的肺拡張の終了直後には、肺の奥から二酸化炭素濃度が比較的高い呼気ガスが排出される。この濃度値は、患者の換気状態を表す一つの指標になりうる特徴値である。

図４の（Ａ）は、上記の持続的肺拡張が行なわれた場合におけるガスモニタリング装置１２の動作例を示している。表示部１２３において、区間１２３ｅは、持続的肺拡張が行なわれている期間を表わしている。持続的肺拡張が行なわれたことの判断は、その旨を示す情報を人工呼吸器２から取得することにより行なわれてもよいし、波形１２３ａの振幅がゼロである状態が所定時間以上継続した事実に基づいて行なわれてもよい。

波形１２３ｆから明らかなように、持続的肺拡張の終了直後に二酸化炭素濃度が急上昇する。この波形１２３ｆに基づき、特徴値１２３ｇが表示される。本例においては、特徴値１２３ｇは、４７ｍｍＨｇを示している。特徴値１２３ｇは、所定期間内に含まれる波形１２３ｆの複数のピーク値の移動平均値を取得することによって算出されてもよいし、所定期間内に含まれる波形１２３ｆの複数のピーク値の最大値を特定することによって算出されてもよい。

本例においては、特徴値１２３ｇは、測定値１２３ｂとは個別に表示されている。すなわち、測定値１２３ｂと特徴値１２３ｇは、同時に表示されうる。このような構成によれば、リアルタイムに変化する測定値１２３ｂをモニタリングしつつ、患者の換気状態の一つの指標になりうる特徴値１２３ｇの把握を容易化できる。

また、測定値１２３ｂと特徴値１２３ｇを同時に表示して両者の差を認識可能にすることにより、患者の換気状態をより正確に把握できる。特徴値１２３ｇは、肺胞内の二酸化炭素濃度をより正確に反映していると考えられる。したがって、例えば測定値１２３ｂと特徴値１２３ｆの差が大きい場合、挿管チューブのリーク量が増加したと推測されうる。また、測定値１２３ｂと特徴値１２３ｇの差を把握しておくことにより、測定値１２３ｂの変化から肺胞内の二酸化炭素濃度を推測できる。

特徴値１２３ｆの把握を容易化するという目的に鑑みれば、必ずしも特徴値１２３ｆを測定値１２３ｂと個別に表示することを要しない。例えば図４の（Ｂ）に示されるように、測定値１２３ｂの表示中に持続的肺拡張が行なわれた場合は、上記のように特定された特徴値１２３ｆを所定時間継続的に表示させるように構成してもよい。

上記の実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであって、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更・改良され得る。また、本発明にはその等価物が含まれることは明らかである。

上記の実施形態においては、呼吸回路２１の共通回路部２１１における二酸化炭素の濃度が測定対象とされている。しかしながら、センサ１１の発光素子１１１より出射される光の波長を適宜に設定することにより、呼吸ガスに含まれる他の気体成分を検出できる。そのような気体の例としては、酸素や窒素が挙げられる。

上記の実施形態においては、ガスモニタリング装置１２がプロセッサ１２１とメモリ１２２を備えている。しかしながら、図２を参照して説明した各処理を行なうためのプロセッサとメモリは、センサ１１に設けられてもよい。この場合、ガスモニタリング装置１２は、波形１２３ａと測定値１２３ｂを表示するために、少なくとも表示部１２３を備えていればよい。

上記の実施形態においては、ガスモニタリング装置１２は、人工呼吸器２から独立した装置である。しかしながら、ガスモニタリング装置１２の機能の少なくとも一部は、人工呼吸器２において実現されうる。

上記の実施形態においては、受光素子１１２により生成された信号Ｓ１に対応する波形１２３ａと算出された二酸化炭素濃度の測定値１２３ｂの双方が、表示部１２３に表示される。しかしながら、表示部１２３は、波形１２３ａと測定値１２３ｂのいずれかのみを表示する構成とされうる。

１：ガスモニタリングシステム、１１：センサ、１２：ガスモニタリング装置、１２１：プロセッサ、１２２：メモリ、１２３：表示部、１２３ａ：波形、１２３ｂ：測定値、１２３ｇ：特徴値、２：人工呼吸器、２１：呼吸回路、２１１：共通回路部、３：患者

Claims

人工呼吸器の呼吸回路内の吸気ガスと呼気ガスの双方が通過する部分における所定のガスの濃度に応じた信号を生成するセンサと通信可能な人工呼吸用のガスモニタリング装置であって、
表示部と、
プロセッサと、
前記プロセッサが読み取り可能な命令を記憶するメモリと、
を備えており、
前記人工呼吸器により高頻度振動換気が行なわれる際に前記命令が前記プロセッサにより実行されると、
前記信号に基づいて前記濃度の測定値を算出し、
前記信号に対応する波形および前記測定値の少なくとも一方を前記表示部に表示し、
所定値よりも低い周波数を有する低周波成分を前記信号から抽出し、
前記低周波成分に基づいて前記人工呼吸器が接続された患者の自発呼吸を検出する、ガスモニタリング装置。
前記低周波成分が所定の条件を満足する場合に、前記人工呼吸器に低頻度換気を実行させるための信号を生成する、
請求項１に記載のガスモニタリング装置。
前記人工呼吸器により高頻度振動換気が行なわれる際に前記命令が前記プロセッサにより実行されると、
持続的肺拡張の終了後に得られた前記濃度の測定値を特徴値として表示する、
請求項１または２に記載のガスモニタリング装置。
前記人工呼吸器により高頻度振動換気が行なわれる際に前記命令が前記プロセッサにより実行されると、
前記濃度の測定値とは個別に前記特徴値を表示する、
請求項３に記載のガスモニタリング装置。