JPH0257417B2 - - Google Patents

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JPH0257417B2
JPH0257417B2 JP61175496A JP17549686A JPH0257417B2 JP H0257417 B2 JPH0257417 B2 JP H0257417B2 JP 61175496 A JP61175496 A JP 61175496A JP 17549686 A JP17549686 A JP 17549686A JP H0257417 B2 JPH0257417 B2 JP H0257417B2
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JP
Japan
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pyroelectric element
respiratory
breathing
sensor according
mantle
Prior art date
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Application number
JP61175496A
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Japanese (ja)
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JPS6311133A (en
Inventor
Kazuhiko Yagata
Hiroshi Tokuda
Yasuo Noguchi
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Sumitomo Bakelite Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Bakelite Co Ltd
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Publication date
Application filed by Sumitomo Bakelite Co Ltd filed Critical Sumitomo Bakelite Co Ltd
Publication of JPS6311133A publication Critical patent/JPS6311133A/en
Publication of JPH0257417B2 publication Critical patent/JPH0257417B2/ja
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、呼気と吸気の温度差を検出し、呼吸
の有無、呼吸数、呼吸様相等を検出する呼吸セン
サーに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a respiration sensor that detects the temperature difference between exhaled and inhaled air, and detects the presence or absence of respiration, the rate of respiration, the manner of respiration, etc.

〔従来技術〕[Prior art]

手術後の呼吸管理や新生児の生命維持等におい
て、何らかの手段で呼吸をセンシングしその様相
を監視する事は、異常事態の発生に対する迅速な
対処、ひいては患者の生存という事項に関して最
も重要な役割を果すものである。
In post-surgical respiratory management, neonatal life support, etc., sensing breathing and monitoring its state by some means plays the most important role in quickly responding to abnormal situations and ultimately ensuring patient survival. It is something.

この呼吸をセンシングする手段としては、従来
例えば、特開昭55−108343号公報や、特開昭56−
63341号公報のように胸部のインピーダンスを測
定するもの、特公昭58−30047号公報のように胸
帯に付属した電気抵抗体の伸縮による抵抗値変化
を測定するもの、特開昭50−39544号公報や特開
昭59−48106号公報のように呼吸気流の圧力を検
知するもの、特開昭58−112529号公報のように呼
吸音をマイクで検出するもの、特開昭58−183143
号公報のように呼気と吸気の湿度の変化をキヤパ
シタンスの変化でとらえるもの、特開昭51−
124080号公報、特開昭56−31736号公報、特開昭
59−46940号公報、特開昭60−836870号公報等の
ようにサーミスタ等の温度計を用いて呼気と吸気
の温度差を検出するもの、また、特開昭58−
173534号公報のように胸部インピーダンスと温度
の両方を測定するもの等が知られている。
As a means for sensing this respiration, conventional methods such as those disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. 108343/1983 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-1983
Those that measure the impedance of the chest as in Japanese Patent Publication No. 63341, those that measure changes in resistance due to expansion and contraction of electrical resistors attached to the chest strap as in Japanese Patent Publication No. 58-30047, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 50-39544. Those that detect the pressure of respiratory airflow as in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-48106, those that detect breathing sounds with a microphone as in Japanese Patent Application Laid-Open No. 112529-1982, and those that detect breathing sounds with a microphone as in Japanese Patent Application Laid-Open No. 183-143.
JP-A No. 1989-1973, which captures changes in humidity between exhaled and inhaled air by changes in capacitance.
Publication No. 124080, Japanese Patent Application Publication No. 1983-31736, Japanese Patent Application Publication No. 1987-31736
59-46940, JP 60-836870, etc., which use a thermometer such as a thermistor to detect the temperature difference between expiration and intake air;
There are known devices that measure both chest impedance and temperature, as disclosed in Japanese Patent No. 173534.

こうした従来の呼吸を検知する手段は、呼吸の
有無、呼吸波形、またある種のものは呼吸流量を
測定する場合には有効であるが、例えば、筋ジス
トロフイー等の神経筋疾患患者や慢性呼吸不全患
者の呼吸補助を行う場合のように、呼吸を補助す
るタイミング、すなわち患者が息を吸いたいと思
つた時に空気または酸素を送り込むトリガーとし
ては、その呼吸が微弱なために感知できないか、
または呼吸に関係ない信号(体動、電磁干渉等)
の影響が大きく、結果として誤動作を起すことが
しばしばあつた。
These conventional means of detecting breathing are effective in measuring the presence or absence of breathing, respiratory waveforms, and in some cases, respiratory flow rate, but they are useful in patients with neuromuscular diseases such as muscular dystrophy, chronic respiratory failure, etc. When assisting a patient with breathing, the timing of assisting breathing, that is, the trigger for delivering air or oxygen when the patient wants to breathe, may be because the breathing is so weak that it cannot be detected.
or signals unrelated to breathing (body movement, electromagnetic interference, etc.)
This had a large influence, often resulting in malfunctions.

例えば第4図は、クロメル−アロメル熱電対を
鼻先に設置する従来の方法で、正常な呼吸をした
時の熱起電力を測定した波形図である。第4図か
ら分かるように、呼気の場合には体温で上昇した
空気が感温部に当つて、温度が上昇し、上に凸の
曲線を描く。温度の上昇は息を吐き始める時が最
も大きく、1秒程度でピークに達するが、呼気流
速の減少と外気温による冷却のために呼気時間の
途中でも下降が始まり、呼気に移行する瞬間には
外気の急速な流れによつて冷やされ、呼気が始ま
るまで温度が低下する。したがつて、呼吸が始ま
る瞬間であれば比較的検知しやすいが、吸気の始
まる瞬間はあまり明確ではない。
For example, FIG. 4 is a waveform diagram of thermoelectromotive force measured during normal breathing using the conventional method of placing a chromel-allomel thermocouple at the tip of the nose. As can be seen from Figure 4, in the case of exhalation, the air that has risen due to body temperature hits the temperature sensing part, the temperature rises, and an upwardly convex curve is drawn. The temperature increase is greatest at the beginning of exhalation, reaching its peak in about 1 second, but due to the decrease in exhalation flow rate and cooling due to the outside temperature, the temperature begins to decrease even during the exhalation period, and at the moment of expiration, the temperature rises. Cooled by the rapid flow of outside air, the temperature drops until exhalation begins. Therefore, it is relatively easy to detect at the moment when breathing begins, but it is not so clear at the moment when inspiration begins.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、こうした誤作動を回避し、呼吸の減
弱した患者でもその呼気、吸気を正確に検知する
ことのできる全く新しいタイプの呼吸センサーを
得ることを目的として、種々の感温素子を検討し
た結果、焦電素子を用いることで最も鋭敏、且つ
高出力の呼吸信号を取り出し得ることを見出し、
更に研究を進めて本呼吸センサーを完成するに至
つたものである。
The present invention aims to avoid such malfunctions and to obtain a completely new type of respiratory sensor that can accurately detect exhalation and inspiration even in patients with weakened breathing, by examining various temperature-sensitive elements. As a result, they discovered that the most sensitive and high-output respiratory signals could be extracted by using a pyroelectric element.
Further research led to the completion of this respiration sensor.

〔発明の構成〕[Structure of the invention]

即ち本発明は、呼吸気流の通路内に焦電素子を
配設し、該焦電素子により該通路内の温度変化を
検出し、該焦電素子を含む電気回路から得られる
該温度変化に対応する電気信号の微分波形によ
り、呼気および吸気の開始時期を知ることを特徴
とする呼吸センサーである。
That is, in the present invention, a pyroelectric element is disposed in a respiratory airflow passage, the pyroelectric element detects a temperature change in the passage, and the temperature change obtained from an electric circuit including the pyroelectric element is responded to. This breathing sensor is characterized by knowing when to start exhaling and inhaling based on the differential waveform of the electrical signal.

先にも述べたように、筋ジストロフイー、慢性
呼吸不全等の患者の呼吸を補助する場合は主とし
て吸気を補助する必要があり、自発呼吸の意思が
ある場合には、患者が息を吸いたいと思つた瞬間
に空気を送り込む等の方法で呼吸を補助する、い
わゆる患者の呼吸に同調した呼吸補助法が、かか
る患者の呼吸補助具からの離脱を早めるといわれ
ている。しかし、吸気の始まるタイミングは上述
のごとく不明瞭であり、特に呼吸不全に陥つてい
る患者の場合にはその検知は極めて困難である。
そこで本発明者らは、この呼吸波形の微分値を取
ることによつて、温度の変化率の最も高い呼気、
吸気の始まりをとらえる事とし、感温素子として
呼吸波形の微分波形が得られる焦電素子を用いる
のが適していることを見出し本呼吸センサーを完
成させたものである。
As mentioned earlier, when assisting the breathing of patients with muscular dystrophy, chronic respiratory failure, etc., it is necessary to mainly assist with inhalation, and if the patient has the intention of spontaneous breathing, it is necessary to assist the patient with breathing. It is said that a breathing assistance method that synchronizes with the patient's breathing, which assists breathing by blowing air at the moment of thought, will speed up the weaning of such patients from breathing aids. However, the timing at which inspiration begins is unclear as described above, and detection is extremely difficult, especially in patients suffering from respiratory failure.
Therefore, by taking the differential value of this respiratory waveform, the present inventors determined that the exhaled breath has the highest rate of change in temperature,
We decided to detect the beginning of inspiration, and found that it was suitable to use a pyroelectric element as a temperature sensing element, which can obtain a differential waveform of the respiratory waveform, and completed this respiratory sensor.

焦電素子は、温度変化を生じると強誘導体であ
る素子の自発分極の値が変化し、素子の表面電荷
が変化する。この時、外部負荷を接続すると電流
(焦電流)が流れ、また元の過不足な電荷のない
表面状態に戻り、再び温度変化が起るまで電流は
流れない。したがつて、焦電素子は温度変化があ
つた時にのみ応答する事になり、呼吸センサーと
して用いた場合には呼吸波形の微分波形が得られ
る。したがつて、この波形は呼気、吸気の開始時
に鋭いピークを生じる形となり、適当な電圧レベ
ルでトリガーをかけることによつて、適確に呼
気、吸気の開始をとらえる事ができる。しかも、
焦電素子はサーミスタや熱電対等の他の感温素子
に比べて非常に高い出力が得られるので、増幅を
必要としないなど後の信号処理を簡素化できる利
点がある。
In a pyroelectric element, when a temperature change occurs, the spontaneous polarization value of the element, which is a ferroelectric substance, changes, and the surface charge of the element changes. At this time, when an external load is connected, a current (pyrocurrent) flows, and the surface returns to its original state with neither excess nor deficiency, and no current flows until the temperature changes again. Therefore, the pyroelectric element responds only when there is a temperature change, and when used as a respiration sensor, a differential waveform of the respiration waveform can be obtained. Therefore, this waveform has a sharp peak at the beginning of exhalation and inspiration, and by applying a trigger at an appropriate voltage level, it is possible to accurately detect the beginning of exhalation and inspiration. Moreover,
Pyroelectric elements can provide much higher output than other temperature-sensitive elements such as thermistors and thermocouples, so they have the advantage of not requiring amplification and can simplify subsequent signal processing.

焦電素子をセンサーとして用いる事の最大の利
点は、その高い感度と高出力性にある。例えば、
第4図に示したクロメル−アロメル熱電対の出力
は0.04mv/℃程度であるのに対して、焦電素子
の場合にはその種類と大きさによつて異なるが例
えば、1.3mv/℃・secという非常に高い出力が
得られ、この事実は後の信号処理を非常に簡素化
させる。また、前述のようにその出力は温度に関
して微分的であり、呼気と吸気の切り替り時期を
とらえるにはたいへん有利である。
The greatest advantage of using a pyroelectric element as a sensor is its high sensitivity and high output. for example,
The output of the chromel-allomel thermocouple shown in Fig. 4 is about 0.04 mv/°C, while the output of a pyroelectric element varies depending on the type and size, but for example, it is 1.3 mv/°C. A very high output of sec is obtained, and this fact greatly simplifies subsequent signal processing. Furthermore, as mentioned above, the output is differential with respect to temperature, which is very advantageous in detecting the timing of switching between expiration and inspiration.

本発明の呼吸センサーに使用する焦電素子とし
てはタンタル酸リチウム(LiTaO3)、トリグリシ
ンサルフエート(TGS)等の単結晶、チタン酸
鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等
の焼結体、ポリフツ化ビニリデン(PVDF)等の
高分子強誘電体、あるいはセラミツク焼結体粉末
とプラスチツク材料との複合体等が挙げられる
が、これらに限定されるものではない。しかし、
本発明による呼吸センサーの出力の立上りは焦電
素子の温度の変化速度によつて支配されるため、
その熱容量を低下させる目的で厚みをできるだけ
薄くした方が応答性は良く、吸呼のタイミングを
鋭敏にとらえることができる。このような観点か
ら見ると、単結晶およびセラミツク焼結体では素
子の厚さは80〜100μmが限界であり、また、こ
のような厚みでは割れやすく、支持台への取り付
け等の作業性も悪いのに対して、高分子強誘電体
材料単体やセラミツク焼結体粉末と高分子材料の
複合体よりなるフイルムないしシート状物が加工
性が良く、厚みが数10μm以下の素子も容易に作
製することができ、作業性にも富んでいるので好
適である。
The pyroelectric elements used in the respiratory sensor of the present invention include single crystals such as lithium tantalate (L i T a O 3 ), triglycine sulfate (TGS), lead titanate (P b T i O 3 ), and titanium. Examples include, but are not limited to, sintered bodies such as lead zirconate (PZT), polymeric ferroelectric materials such as polyvinylidene fluoride (PVDF), and composites of ceramic sintered body powder and plastic materials. It's not something you can do. but,
Since the rise in the output of the respiration sensor according to the present invention is controlled by the rate of change in the temperature of the pyroelectric element,
If the thickness is made as thin as possible in order to reduce the heat capacity, the responsiveness will be better and the timing of breathing can be more sensitively determined. From this point of view, the maximum thickness of a single crystal or ceramic sintered body is 80 to 100 μm, and such a thickness makes it easy to break and makes work such as mounting it on a support stand difficult. In contrast, films or sheets made of single polymer ferroelectric materials or composites of ceramic sintered powder and polymer materials have good processability, and devices with a thickness of several tens of micrometers or less can be easily produced. This method is suitable because it is easy to use and has good workability.

呼吸センサーの感温素子は、鼻カニユラやマス
ク等の内部、即ち鼻孔に近接した位置に設置する
のが一般的であるが、本発明の焦電素子を用いた
呼吸センサーは感度が高いので、呼吸気流が流通
する場所であれば、新生児や患者の全身を覆うフ
ード内や酸素テント内に、患者の身体に直接触れ
ない方法で設置しても十分目的を達することが出
来る。焦電素子は単位面積当りの出力が大きいの
で、鼻カニユーラやマスク等の内部に設置する場
合は3mm×3〜8mm程度の小面積の素子でよく、
フードや酸素テント内の上部に設置する場合で
も、10〜20mm×10〜40mm程度の大きさの素子で十
分な感度を得ることができる。
The temperature-sensitive element of a breathing sensor is generally installed inside a nasal cannula or mask, that is, in a position close to the nostrils, but the breathing sensor using the pyroelectric element of the present invention has high sensitivity. As long as respiratory airflow flows through the device, it can be installed in a hood that covers the entire body of a newborn or patient, or in an oxygen tent, in a way that does not come into direct contact with the patient's body. Pyroelectric elements have a large output per unit area, so when installed inside a nasal cannula or mask, an element with a small area of about 3 mm x 3 to 8 mm is sufficient.
Even when installed at the top of a hood or oxygen tent, sufficient sensitivity can be obtained with an element approximately 10 to 20 mm x 10 to 40 mm in size.

第1図は、本発明による呼吸センサーの電気回
路の一例を示す回路図である。温度変化によつて
焦電素子1上に生じる電荷は、その素子の静電容
量、抵抗、焦電率等の電気的性質や、大きさ、温
度変化の速度等によつて左右されるが、一般にそ
のインピーダンスは108〜1011Ωと高く、このま
までは検出することはできない。そこで、インピ
ーダンスを変換するバツフアーアンプ回路を内蔵
したレコーダーを使用するか、または、電解効果
型トランジスタ2でインピーダンスを低下させ
る。その出力インピーダンスは出力抵抗4によつ
て決定されるが、通常103〜105Ω程度とするのが
望ましい。コンデンサ5は、得られた信号の高周
波成分、すなわち変化率の大きい時点における信
号成分を優先的に通過させるためのもので、その
容量の大きさによつて得られる波形が異なる。従
つて、使用するコンデンサの容量は目的に応じて
決定すればよく、また、コンデンサ5を使用しな
い場合もある。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of an electrical circuit of a respiratory sensor according to the present invention. The charge generated on the pyroelectric element 1 due to temperature change depends on the electric properties of the element such as capacitance, resistance, pyroelectricity, size, speed of temperature change, etc. Generally, its impedance is as high as 10 8 to 10 11 Ω, and it cannot be detected as it is. Therefore, a recorder with a built-in buffer amplifier circuit for converting impedance is used, or a field effect transistor 2 is used to lower the impedance. The output impedance is determined by the output resistor 4, but it is usually desirable to set it to about 10 3 to 10 5 Ω. The capacitor 5 is used to preferentially pass the high frequency component of the obtained signal, that is, the signal component at a time point when the rate of change is large, and the obtained waveform differs depending on the size of its capacitance. Therefore, the capacitance of the capacitor to be used may be determined depending on the purpose, and the capacitor 5 may not be used in some cases.

一方、第1図に示したように焦電素子1に電界
効果型トランジスタ2および出力抵抗4を組合せ
て用いる場合、各素子間を結ぶリード線がアンテ
ナの働きをして外部からノイズが入り、正確な温
度変化の検出に支障を来たすことが予想される。
しかし、焦電素子の出力が大きいので、第2図に
示した実施例のように焦電素子6、電解効果型ト
ランジスタ7、および出力抵抗8を1個の部品と
してコンパクトにまとめることによつて、外部か
らのノイズの影響は殆ど無視することができる
が、焦電素子6、電界効果型トランジスタ7およ
び出力抵抗8から成る電気回路系全体を導電体材
料の層で囲んで外部からの電磁波を遮断(電磁波
シールド)すれば、より万全を期することができ
る。一個の部品として形成する場合の、第2図の
外套9の材質としてはプラスチツク、ゴム、金属
等が使用でき、特に限定されるものではなく、金
属等の導電体材料を用いれば電磁波シールド材を
兼ねることもでき有効である。ただ、患者の身体
に直接触れるため金属では冷たさの問題があり、
プラスチツクもしくはゴム等を用いるのが好まし
く、金属を用いる場合はプラスチツクもしくはゴ
ム等で被覆するのが良い。また、導電性のプラス
チツクもしくはゴムを用いれば電磁波シールドを
兼ねることができるのでより効果的である。
On the other hand, when a pyroelectric element 1 is used in combination with a field effect transistor 2 and an output resistor 4 as shown in FIG. 1, the lead wire connecting each element acts as an antenna and noise enters from the outside. It is expected that this will interfere with accurate detection of temperature changes.
However, since the output of the pyroelectric element is large, it is possible to compactly combine the pyroelectric element 6, field effect transistor 7, and output resistor 8 into one component as in the embodiment shown in FIG. Although the influence of external noise can be almost ignored, the entire electric circuit system consisting of the pyroelectric element 6, field effect transistor 7, and output resistor 8 is surrounded by a layer of conductive material to block external electromagnetic waves. If you block it (electromagnetic wave shield), you can be even more careful. When formed as a single component, the material of the mantle 9 shown in FIG. 2 can be plastic, rubber, metal, etc., and is not particularly limited. If a conductive material such as metal is used, it can be used as an electromagnetic shielding material. It can also be used effectively. However, metal has the problem of coldness because it comes into direct contact with the patient's body.
It is preferable to use plastic or rubber, and when metal is used, it is preferably covered with plastic or rubber. Further, it is more effective to use conductive plastic or rubber because it can also serve as an electromagnetic shield.

第2図の実施例のように1個の部品としてコン
パクトにまとめる方法の他、先に述べたようにフ
ード内や酸素テント内に設置する場合には、夫々
別個の部品として設置してもよい。これらの場合
に使用する電磁波シールドのための導電体材料と
しては、アルミニウム、銅、鉄等の金属板で作つ
た函状もしくは缶状体、金属線から作つた網状
体、金属板を型抜きして作つた金属メツシユ、エ
キスパンドメタル、導電性プラスチツク(成形
品、フイルム、シートなど)、導電性塗料等が使
用でき、特に限定されるものではなく、電磁波シ
ールド部の配置や形状によつて適宜選択すればよ
い。
In addition to being compactly assembled as a single component as shown in the embodiment shown in Figure 2, it is also possible to install each component as separate components when installed inside a hood or oxygen tent as described above. . Conductive materials for electromagnetic shielding used in these cases include box-shaped or can-shaped bodies made of metal plates such as aluminum, copper, and iron, mesh bodies made from metal wire, and die-cut metal plates. metal mesh, expanded metal, conductive plastic (molded product, film, sheet, etc.), conductive paint, etc. can be used, and there are no particular limitations, and they can be selected as appropriate depending on the arrangement and shape of the electromagnetic shielding part. do it.

尚、本発明による呼吸センサーは、呼吸のセン
シングを必要とする広範囲の医療用機器に適用可
能であり、応用例としては、呼吸補助装置、呼吸
モニター、無呼吸監視装置、麻酔器、保育器、酸
素投与システム、ベンチレータ、人工呼吸器、X
線撮影装置(胸部X線撮影時のタイミング同調)、
呼吸疾患のリハビリテーシヨン用練習器、生体に
刺激を与える各種治療装置の呼吸との同調等が挙
げられる。焦電素子の材質、形態、大きさ、信号
処理の方法は、その用途によつて様々である。
The respiration sensor according to the present invention can be applied to a wide range of medical devices that require sensing of respiration, and examples of its application include respiration assist devices, respiration monitors, apnea monitors, anesthesia machines, incubators, oxygen administration system, ventilator, respirator, X
Radiography equipment (timing synchronization during chest X-ray photography),
Examples include rehabilitation exercise equipment for respiratory diseases, and synchronization of various treatment devices that stimulate the living body with breathing. The material, shape, size, and signal processing method of the pyroelectric element vary depending on its use.

以下、図面により本発明の呼吸センサーの具体
例について説明する。
Hereinafter, specific examples of the respiratory sensor of the present invention will be explained with reference to the drawings.

第2図は本発明の一実施例となる呼吸センサー
の構造を示す図で、aは側面の断面図、bは下面
図である。本実施例は鼻カニユーラ型の呼吸セン
サーで、酸素供給が必要なほど重篤ではなく、空
気だけで良い場合に、鼻に装置するだけで呼吸監
視、あるいは呼吸補助等のタイミングセンサーと
して使用できるタイプのものである。
FIG. 2 is a diagram showing the structure of a respiration sensor according to an embodiment of the present invention, in which a is a side sectional view and b is a bottom view. This example is a nasal cannula-type breathing sensor, which can be used as a timing sensor for breathing monitoring or breathing assistance by simply attaching it to the nose in cases where the patient's condition is not so serious that oxygen supply is required and only air is required. belongs to.

本実施例における呼吸センサーは、鼻孔へ挿入
する2つの導管11とそれに対向する側に外気へ
通じる呼吸気口12を有し、両側に頭部で支持固
定するための支持具13を取付けた外套9内に焦
電素子1、電界効果型トランジスタ(以下、
FETと記す)7、出力抵抗8および、シールド
用金属メツシユ10を配置したもので、FET7
から出ている3本の導線14は信号出力、FET
の電源およびアース用である。FET7および出
力抵抗8は、呼気中の水分が凝縮して生ずる水滴
から防護するため、呼吸センサーの一端に防滴隔
壁15によつて隔離された小部屋の中に設置され
ており、3本の導線14は支持具13に沿つてあ
るいはその中を通つて導かれ、測定器に接続され
ている。支持具13は、酸素吸入で使用される鼻
カニユーラのような、軟質塩化ビニル樹脂等で作
られた管を頭部に巻きつけ固定できるような形態
をとるか、眼鏡等のように耳にかけるようにして
も良い。尚、第1図に示した直流電源3およびコ
ンデンサ5は、測定器の中に設けられている。
The breathing sensor in this embodiment has two conduits 11 inserted into the nostrils, a breathing vent 12 communicating with the outside air on the opposite side, and a mantle with supports 13 attached on both sides for supporting and fixing the head. 9 includes a pyroelectric element 1 and a field effect transistor (hereinafter referred to as
FET 7), an output resistor 8, and a shielding metal mesh 10 are arranged.
The three conductors 14 coming out from are signal output, FET
For power supply and grounding. The FET 7 and the output resistor 8 are installed in a small room separated by a drip-proof partition 15 at one end of the breathing sensor to protect them from water droplets that are generated when moisture in exhaled air condenses. A conductor 14 is led along or through the support 13 and is connected to a measuring device. The support device 13 may be in the form of a tube made of soft vinyl chloride resin, such as a nasal cannula used for oxygen inhalation, that can be wrapped around the head and fixed, or it can be worn around the ear like glasses, etc. You can do it like this. Note that the DC power supply 3 and capacitor 5 shown in FIG. 1 are provided in the measuring instrument.

吸気時には、外套9に開孔している呼吸気口1
2より空気が流入し、シールド用金属メツシユ1
0を通して焦電素子6に当り、呼気によつて暖め
られた焦電素子6を冷却する。この空気は左右に
分かれて鼻孔へ通じる導管11へ導かれ、体内へ
流入する。逆に呼気時には、これと全く反対の経
過で、体温によつて暖められた呼気が排出され、
焦電素子6を加温する。
At the time of inhalation, the breathing air hole 1 opened in the mantle 9
Air flows in from 2, and the shielding metal mesh 1
0 to the pyroelectric element 6, which cools the pyroelectric element 6 warmed by the exhaled air. This air is divided into left and right parts, guided to a conduit 11 leading to the nostrils, and flows into the body. On the other hand, when exhaling, the process is completely opposite, and the exhaled air is warmed by body temperature and is expelled.
The pyroelectric element 6 is heated.

測定を始める前に、第1図に示したコンデンサ
5の容量を目的に応じて決定し挿入することによ
り、第3図に示すような呼吸波形が得られた。第
3図aは、コンデンサ5を挿入しなかつた時の波
形であり、呼気によつて暖められた瞬間マイナス
のピークを生じ、吸気時にプラスに転じる。この
時には周波数の低い成分も入つてくるために、吸
気開始時の検出には不向きである。第3図bは、
0.15μFのコンデンサを挿入した時の波形で、吸気
時の低周波数成分は除かれるが呼気時にプラス側
へオーバーシユートする傾向が見られた。
Before starting the measurement, the capacitance of the capacitor 5 shown in FIG. 1 was determined according to the purpose and inserted, thereby obtaining a respiratory waveform as shown in FIG. 3. FIG. 3a shows the waveform when the capacitor 5 is not inserted, and a negative peak occurs at the moment of warming by exhalation, and turns positive at the time of inspiration. At this time, low frequency components also enter, making it unsuitable for detecting the start of inspiration. Figure 3b is
The waveform when a 0.15 μF capacitor was inserted removed the low frequency components during inspiration, but there was a tendency to overshoot to the positive side during expiration.

第3図Cは、10μFのコンデンサを挿入した時
の波形で、呼気開始時マイナスピークの後、基線
にもどり、吸気開始と同時にプラスのピークが出
現し再び基線にもどるという、理想的な微分波形
が得られた。以上の結果から本実施例の呼吸セン
サーを例えば呼吸補助の目的に使用する場合に
は、約10μFのコンデンサを用いることによつて、
吸気の始まりを正確にとらえ、補助を開始するこ
とができることが分かる。
Figure 3C shows the waveform when a 10 μF capacitor is inserted, and is an ideal differential waveform in which after a negative peak at the start of expiration, it returns to the baseline, and at the same time as the start of inspiration, a positive peak appears and returns to the baseline again. was gotten. From the above results, when using the respiratory sensor of this example for the purpose of respiratory assistance, for example, by using a capacitor of about 10 μF,
It can be seen that it is possible to accurately detect the beginning of inspiration and begin assistance.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明による呼吸センサーは、呼気、吸気を非
常に正確、且つ高感度に検出することができ、従
来の呼吸センサーでは難しかつた呼吸不全患者の
ための呼吸補助の同調装置として大いにその効果
を発揮するものであり、さらに、保育器、X線撮
影、種々の刺激的治療法等にも応用可能である。
また、医学的な応用のみならず、吹奏楽器等他分
野への応用も期待でき、工業上極めて有用なもの
である。
The respiratory sensor according to the present invention can detect expiration and inspiration with high accuracy and high sensitivity, and is highly effective as a synchronization device for respiratory support for patients with respiratory failure, which is difficult to do with conventional respiratory sensors. It can also be applied to incubators, X-ray photography, various stimulating treatments, etc.
Moreover, it is expected to be applied not only to medical applications but also to other fields such as wind instruments, and is extremely useful industrially.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による呼吸センサーの電気回路
の一例を示す回路図、第2図は本発明の一実施例
となる呼吸センサーの構造を示す図で、aは断面
図、bは下面図である。第3図は本発明の呼吸セ
ンサーによつて測定された呼吸波形図で、aはコ
ンデンサを挿入しない場合、bは0.15μFのコンデ
ンサを挿入した場合、cは10μFのコンデンサを
挿入した場合の波形図である。また、第4図はク
ロメル−アロメル熱電対を使用した従来の呼吸セ
ンサーによる熱起電力の波形図である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of the electrical circuit of a respiratory sensor according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing the structure of a respiratory sensor according to an embodiment of the present invention, in which a is a cross-sectional view and b is a bottom view. be. Figure 3 shows the respiratory waveforms measured by the respiratory sensor of the present invention, where a is the waveform when no capacitor is inserted, b is the waveform when a 0.15 μF capacitor is inserted, and c is the waveform when a 10 μF capacitor is inserted. It is a diagram. Further, FIG. 4 is a waveform diagram of thermoelectromotive force generated by a conventional respiratory sensor using a chromel-allomel thermocouple.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 呼吸気流の通路内に焦電素子を配設し、該焦
電素子により該通路内の温度変化を検出し、該焦
電素子を含む電気回路から得られる該温度変化に
対応する電気信号の微分波形により、呼気および
吸気の開始時期を知ることを特徴とする呼吸セン
サー。 2 呼吸気流の通路が、呼吸気流を導くための2
本の導管と該導管に対向する位置に呼吸気口を有
する外套よりなり、該外套内の中央部に焦電素子
を配設し、さらにその近傍の外套内に焦電素子と
共に電気回路を構成する電界効果型トランジスタ
および出力抵抗を設置したことを特徴とする、特
許請求の範囲第1項記載の呼吸センサー。 3 焦電素子と共に電気回路を構成する電界効果
型トランジスタおよび出力抵抗が、呼吸気流の通
路内であつて、且つ防滴隔壁によつて呼吸気流か
ら隔離された小室内に設置されていることを特徴
とする、特許請求の範囲第1項または第2項記載
の呼吸センサー。 4 焦電素子、電界効果型トランジスタおよび抵
抗素子から成る電気回路系全体を、導電体材料の
層で囲んで外部からの電磁波を遮断したことを特
徴とする、特許請求の範囲第1項ないし第3項の
いずれかに記載の呼吸センサー。 5 焦電素子が、高分子強誘電体材料、もしくは
セラミツク焼結体粉末と高分子材料の複合体より
なるフイルムないしシート状物であることを特徴
とする、特許請求の範囲第1項ないし第4項のい
ずれかに記載の呼吸センサー。
[Claims] 1. A pyroelectric element is disposed in a respiratory airflow passage, the pyroelectric element detects a temperature change in the passage, and the temperature change is obtained from an electric circuit including the pyroelectric element. A breathing sensor that determines when to start exhaling and inhaling based on the differential waveform of an electrical signal corresponding to the 2 The respiratory airflow passage is for guiding the respiratory airflow.
It consists of a main conduit and a mantle having a breathing hole opposite the conduit, a pyroelectric element is placed in the center of the mantle, and an electric circuit is constructed with the pyroelectric element in the mantle near the mantle. 2. The respiratory sensor according to claim 1, further comprising a field effect transistor and an output resistor. 3. The field-effect transistor and output resistor that constitute the electric circuit together with the pyroelectric element are installed in a small chamber that is within the path of the respiratory airflow and is isolated from the respiratory airflow by a drip-proof partition. A respiratory sensor according to claim 1 or 2, characterized in that: 4. Claims 1 to 4, characterized in that the entire electric circuit system consisting of a pyroelectric element, a field effect transistor, and a resistance element is surrounded by a layer of a conductive material to block external electromagnetic waves. The respiratory sensor according to any one of Item 3. 5. Claims 1 to 5, characterized in that the pyroelectric element is a film or sheet-like material made of a polymeric ferroelectric material or a composite of ceramic sintered powder and a polymeric material. 4. The respiratory sensor according to any one of Item 4.
JP61175496A 1986-03-15 1986-07-28 Breathing sensor Granted JPS6311133A (en)

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JPS6311133A JPS6311133A (en) 1988-01-18
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US5069222A (en) * 1990-08-31 1991-12-03 Mcdonald Jr Lewis D Respiration sensor set
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