JPH05115554A - Method and device for ratio aid type artificial respiration - Google Patents

Method and device for ratio aid type artificial respiration

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JPH05115554A
JPH05115554A JP3297733A JP29773391A JPH05115554A JP H05115554 A JPH05115554 A JP H05115554A JP 3297733 A JP3297733 A JP 3297733A JP 29773391 A JP29773391 A JP 29773391A JP H05115554 A JPH05115554 A JP H05115554A
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Abstract

PURPOSE: To allow a user to completely control his own respiration in all respects by detecting the flow and capacity of gas supplied in response to a pressure gradient generated by respiration effort, amplifying their signals separately, and providing pressure support for the gas in proportion to their sum. CONSTITUTION: A chamber 202 accepts gas via a check valve 203, and the gas moves to a patient 208 via a check valve 204 during inhalation. The coil of a linear drive motor 205 pushes and pulls a piston 201 in proportion to driving potential applied via a cable 207. The flow of gas from the chamber 202 to the patient 208 is measured by the flow system 209 of an intake pipe 210 and is adjusted by an external adjustable gain controller 212. A flow signal produces a signal corresponding to an instantaneous intake 214 via an integrator 213, the signal being adjusted by an external adjustable gain controller 215. Flow and capacity signals 216, 217 produce a composite output signal through the use of an addition amplifier 218.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は患者の努力に比例して患
者の肺の換気を支援する方法及び装置に関する。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates to methods and apparatus for assisting ventilation of a patient's lungs in proportion to patient effort.

【0002】[0002]

【従来の技術】人工呼吸器は何らかの理由により自分の
努力だけでは適切な呼吸を維持することが不可能な患者
の肺へ、通常空気もしくは酸素富化空気である、ガスを
強制的に送り込むのに使用される装置である。圧力源は
ピストン装置、組込みブロアーもしくは高圧ラインであ
る。市販されている人工呼吸器は患者に加えられる圧力
を調整するためのさまざまな機構を利用している。いず
れの場合も、呼吸が始められて一連の操作が開始され、
その間、圧力が加えられて目標容量もしくは圧力に達す
ると圧力サイクルが終止する。一旦サイクルが始められ
ると、装置のコントロール盤上のダイアルを調整して設
定される所定の方法で人工呼吸手順が進行する。後記す
るように現在入手可能な人工呼吸器及び呼吸方法では、
患者が自分の努力で人工呼吸の出力を調整する能力は限
られているかもしくは存在しない。肺の換気の支援装置
に対する主要な指摘の一つは患者の努力とその結果得ら
れる換気との間に好ましくない関係(図1)が存在する
ことである。これはある圧力を発生するためにより大き
な努力を必要とする神経筋虚弱や、ある肺換気を行うの
により大きな出力圧が要求される異常な呼吸機構、もし
くはこれら両者による。この異常関係により最適なCO
2 の除去、そして/または、酸素の供給を保証するよう
に肺換気と呼吸のパターンをコントロールする患者の能
力が損なわれる。さらに激しい呼吸努力により苦痛が生
じ、充分激しい努力である場合には終局的に疲労(呼吸
筋疲労)を生じる。
Ventilators force a gas, usually air or oxygen-enriched air, into the lungs of a patient who, for some reason, is unable to maintain proper breathing by their own efforts. Is a device used for. The pressure source is a piston device, a built-in blower or a high pressure line. Commercially available ventilators utilize a variety of mechanisms to regulate the pressure exerted on the patient. In each case, breathing is started and a series of operations is started,
Meanwhile, the pressure cycle ends when pressure is applied to reach the target volume or pressure. Once the cycle is initiated, the artificial respiration procedure proceeds in a predetermined manner set by adjusting the dial on the control panel of the device. With the currently available ventilators and breathing methods, as described below,
Patients have limited or no ability to adjust the output of mechanical ventilation with their own efforts. One of the main indications for lung ventilation assist devices is the existence of an unfavorable relationship between patient effort and the resulting ventilation (FIG. 1). This may be due to neuromuscular weakness, which requires more effort to generate some pressure, or an abnormal respiratory mechanism, which requires greater output pressure to perform some lung ventilation, or both. Optimal CO due to this abnormal relationship
The removal of 2 and / or the patient's ability to control lung ventilation and breathing patterns to ensure oxygen delivery is impaired. Further, intense breathing effort causes pain, and fatigue (respiratory muscle fatigue) is finally produced when the effort is sufficiently intense.

【0003】吸気中に気道へ正圧を加えれば、現在の全
ての肺換気の支援法(容積、圧力、もしくは時間サイク
ル法)により呼吸筋の荷重は減り患者の努力と達成され
る肺換気との間の関係は全体的に改善される。ある吸息
努力に対して、患者は支援される呼吸により支援されて
いないときに比べて大量の空気を受け入ることになる。
しかし、この支援法では、患者の換気及び呼吸パターン
コントロールに種々のロスが生じる。その効果を図2〜
図4に示す。容積サイクル換気(図2)では、人工呼吸
器支援呼吸中、所定のフローパターンと周期的な容量を
生ぜしめるに必要な量と周期で圧力を発生する。患者で
はなく人工呼吸器のオペレータ(すなわち、医師、すな
わち、臨床医)が送出流量及び容量を決定する。患者が
吸息中に吸息努力を行うと、人工呼吸器は送出流量及び
容量が決定された値となるように単に供給圧を低下させ
るだけである。患者が一層努力をすると、人工呼吸器か
ら送出される圧力はその分低下する(図2、左から
右)。逆に、患者が決定された容量もしくは流量の受け
入れを望まず努力を止めると、人工呼吸器は大きな圧力
を発生して患者の努力の埋合せを行う。従って、患者と
人工呼吸器の間には相反する関係が生じる。
If positive pressure is applied to the airway during inspiration, all current methods of assisting lung ventilation (volume, pressure, or time cycle methods) reduce the load on the respiratory muscles and the patient's effort and the achieved lung ventilation. The relationship between is improved overall. For some inspiratory efforts, the patient will receive a greater amount of air than if not supported by assisted breathing.
However, this support method results in various losses in patient ventilation and respiratory pattern control. The effect is shown in Figure 2
As shown in FIG. In volume cycle ventilation (FIG. 2), pressure is generated during ventilator assisted breathing in the amount and cycle necessary to produce a given flow pattern and cyclic volume. The ventilator operator (i.e., doctor, or clinician), rather than the patient, determines the delivery flow rate and volume. If the patient makes an inspiratory effort during inspiration, the ventilator will simply reduce the delivery pressure so that the delivery flow and volume are at the determined values. As the patient makes more effort, the pressure delivered by the ventilator is correspondingly reduced (FIG. 2, left to right). Conversely, when the patient does not want to accept the determined volume or flow and ceases to work, the ventilator creates a large amount of pressure to compensate for the patient's work. Therefore, there is a conflicting relationship between the patient and the ventilator.

【0004】この容積サイクル法の換気では、患者が自
分自身の呼吸をコントロールできなくなる度合いは、使
用する換気の種類に依存する。連続強制換気(CMV)
の場合、患者は各支援呼吸において流量及び容量を変え
ることが出来ないだけでなく、周期に影響を及ぼすこと
もできないため、患者のコントロールは完全に失われ
る。支援コントロールモード(A/C)では、患者は強
制呼吸の頻度を変えることはできるが、各呼吸において
患者の努力と送出圧との間に上述と同じ相反する関係が
起こる。新しい同期化された間欠強制換気(SIMV)
では、強制呼吸の間で自然呼吸を行うことができる。こ
れらの呼吸中に、患者は呼吸の早さと深さをコントロー
ルする。しかし、換気支援を行う第1の理由である努力
と換気出力間の異常関係(図1)は継続的に起こる。事
実、装置及び気管内の管により患者にさらに負荷がかか
るため、事態は悪化する。従って、患者は努力しても全
く換気成果のない呼吸(強制呼吸)と努力による換気成
果の異常に低い呼吸を繰り返すことになる。
In this volume cycle ventilation, the degree to which the patient loses control of his or her breath depends on the type of ventilation used. Continuous forced ventilation (CMV)
In that case, the patient is completely out of control because he cannot change the flow and volume on each assisted breath, nor can he influence the cycle. In assisted control mode (A / C), the patient can change the frequency of forced breaths, but at each breath the same reciprocal relationship between patient effort and delivery pressure occurs. New synchronized intermittent forced ventilation (SIMV)
Then, natural breathing can be performed between forced breaths. During these breaths, the patient controls the rate and depth of breathing. However, the primary reason for ventilatory support, the anomalous relationship between effort and ventilatory output (FIG. 1), persists. In fact, the situation is exacerbated because the device and the endotracheal tube put more stress on the patient. Therefore, the patient repeats breathing (forced breathing) that has no ventilation result even if he or she makes an effort and abnormally low breathing result of effort.

【0005】支援換気の圧力支援法では、送出圧は時間
の所定関数であり、通常、吸息開始時に開始し流量が特
定量まで低下する時に終止する方形波圧とされる。従っ
て、送出圧は患者が吸息中にどれだけ吸息努力をするか
ということと無関係である(図3)。呼吸中に患者がど
のように吸息努力を行っても大きな流量と容量が得られ
る(図3、A〜C)。しかし、送出圧が努力と無関係で
あるため、患者の努力による換気成果はやはり努力と図
1の病気によって示される肺の拡張との間の異常関係に
支配される。努力と換気間の全体関係は改善されるが、
ニーズの変化に応答して換気を変える患者の能力は損わ
れる。さらに、患者の努力は吸息中に傾斜的に増大し、
一方人工呼吸器の送出圧はほぼ一定であるため、人工呼
吸器は吸息初期において過剰支援を行い吸息の進行につ
れて支援は低下する。吸息が長引くと患者は負荷の増大
を感知し、それにより患者に短い吸息呼吸をさせるので
1回の換気量が少なくなる。
In the pressure assisted method of assisted ventilation, the delivery pressure is a predetermined function of time and is usually a square wave pressure that begins at the beginning of inspiration and ends when the flow rate drops to a certain volume. Therefore, delivery pressure is independent of how much the patient makes an inspiratory effort during inspiration (FIG. 3). Great flow and volume are obtained no matter how the patient makes inspiratory effort during breathing (FIG. 3, AC). However, since the delivery pressure is independent of effort, the patient's effort ventilation results are still dominated by the abnormal relationship between effort and lung dilation shown by the disease of FIG. Although the overall relationship between effort and ventilation is improved,
The patient's ability to change ventilation in response to changing needs is impaired. In addition, patient effort ramps up during inspiration,
On the other hand, since the delivery pressure of the ventilator is almost constant, the ventilator over-supports in the early stage of inspiration, and the support decreases as the inspiration progresses. With prolonged inspiration, the patient perceives an increase in load, which causes the patient to take a short inspiratory breath, thus reducing tidal volume.

【0006】気道圧緩和換気(APRV)では、気道圧
は患者の努力とは無関係な時間シーケンスで高低レベル
間を変化する(図4)。圧力の周期的サイクルにより最
小換気が保証される。患者はプログラムされたサイクル
とは無関係に自然呼吸を得ることもできる。この間、患
者は支援されることがない(SIMVと同様)。これら
の呼吸中に努力と換気成果間の関係は、病気(図1)に
より示されるように、不十分なものであり、ニーズの変
化に応答して流量及び換気を変える患者の能力が制限さ
れる。事実、APRVでは、活動する肺容積が増大し努
力と換気成果間の関係はニューロメカニカル結合(すな
わち、所与の筋肉活動に対する圧力発生)に対する肺の
容量の増大による逆効果のためにさらに悪くなる。
In airway pressure relief ventilation (APRV), airway pressure changes between high and low levels in a time sequence independent of patient effort (FIG. 4). A periodic cycle of pressure ensures minimum ventilation. The patient can also obtain spontaneous breathing independently of the programmed cycle. During this time, the patient is not assisted (similar to SIMV). The relationship between effort and ventilatory performance during these breaths was poor, as demonstrated by illness (Figure 1), limiting the patient's ability to change flow and ventilation in response to changing needs. It In fact, in APRV the volume of active lung increases and the relationship between effort and ventilatory outcomes becomes worse due to the adverse effect of increased lung volume on neuromechanical coupling (ie pressure generation for a given muscle activity). ..

【0007】J.Appl.Physiol.41:2
52〜255,1976年のレマー等の論文“正圧換気
器により構成されるサーボ人工呼吸器”に記載されてい
るように、市販の圧力駆動人工呼吸器に修正を加えて呼
吸神経から記録される電気的アクティビティと共に変動
する圧力を生じる従来技術が知られている。本発明が目
的とするように、吸気神経における活動が努力を反映す
る度合いでは、これらの修正により人工呼吸器が努力に
比例した圧力を送出することができるであろう。吸気神
経にアクセス可能であってそこから記録を取ることがで
きる動物を用いて開発されたこれらの修正では、換気支
援を必要とする人間では行われない吸気筋もしくは神経
の活動を直接測定することが必要とされる。これに対し
て、本発明では活動の直接記録を行う必要なしに流量及
び容量等の容易に測定可能な変数から努力の程度を推論
できるアルゴリズムを使用して、患者の努力に比例した
圧力を送出することができる。IEEE Trans.
Biomed.Eng.33:361〜365.198
6のプーン等の論文“機械的呼吸緩和装置”には市販の
容量式人工呼吸器に修正を加えて吸気流に比例した圧力
を送出する人工呼吸器が記載されている。この装置は元
々人間の運動に関する実験的研究中に呼吸抵抗を低減す
るためのヘリウムの効果をシミュレートし増幅するのに
開発されたものであるが、理論的には患者の部分換気支
援を行うために使用することができる。こうして、この
装置は吸息初期において最も高く後に低下する吸息流に
似た時間パターンで圧力を発生する。このパターンは吸
息中に連続的に高まる患者の吸息努力とはあまり相関し
ていない(むしろ否定的)ので、この支援パターンは後
記するように吸息全体にわたって圧力を吸息努力の関数
とする本発明の方法とは全く異なっている。本発明の方
法(抵抗緩和対努力に比例した支援)は完全にこれと異
なるだけでなく、ここに記載された本願の装置は、圧力
ではなく流量を調整するように設計された従来の容量式
人工呼吸器装置を修正するものに比べて、遥かに本願の
方法(比例支援換気、PAV)に適している。本発明の
設計により制限のない流量が可能となり、吸息努力の開
始と人工呼吸器から患者へのフロー開始との間に遅延は
生じない。本発明のシステムはまた気道における正圧も
しくは身体表面における負圧により比例支援を行うこと
ができるが、修正された正圧、ガス作動人工呼吸器は前
者の機能しか果さない。
J. Appl. Physiol. 41 : 2
52-255, recorded from respiratory nerves with modifications to commercially available pressure-driven ventilators, as described in Remer et al., "Servo Ventilators Consisting of Positive Pressure Ventilators", 52-255. Prior art is known to produce pressure that fluctuates with the electrical activity of the device. To the extent that activity in the inspiratory nerves reflects effort, for the purposes of this invention, these modifications would allow the ventilator to deliver pressure proportional to effort. Developed with animals that have access to and can take a record of inspiratory nerves, these modifications provide direct measurement of inspiratory muscle or nerve activity that is not performed in humans requiring ventilatory support. Is required. In contrast, the present invention uses an algorithm that can infer the extent of effort from easily measurable variables such as flow rate and volume without the need for direct recording of activity to deliver pressure proportional to patient effort. can do. IEEE Trans.
Biomed. Eng. 33 : 361-365.198.
6, Poon et al., "Mechanical Breathing Apparatus," describes a commercially available volume ventilator with modifications to deliver a pressure proportional to inspiratory flow. This device was originally developed during an experimental study of human movement to simulate and amplify the effect of helium to reduce respiratory resistance, but theoretically provides partial ventilation support for the patient. Can be used for Thus, the device produces pressure in a time pattern similar to the inspiratory flow, which is highest during inspiration and then decreases. Since this pattern does not correlate (rather negatively) with the patient's continuous inspiratory effort during inspiration (rather negative), this support pattern, as described below, makes pressure a function of inspiratory effort throughout inspiration. Is completely different from the method of the present invention. Not only is the method of the present invention (drafting vs. effort proportional to effort) completely different, but the device of the present application described herein does not rely on conventional volumetric systems designed to regulate flow rate rather than pressure. It is far more suitable for the method of the present application (Proportional Assisted Ventilation, PAV) than the modified ventilator device. The design of the present invention allows for unrestricted flow and there is no delay between the start of inspiratory effort and the start of flow from the ventilator to the patient. The system of the present invention can also provide proportional assistance by positive pressure in the airways or negative pressure at the body surface, but a modified positive pressure, gas-operated ventilator performs only the former function.

【0008】従来技術の特許にはさまざまな呼吸装置が
記載されている。米国特許第3,985,124号に
は、呼気流量及び容量を測定して、そのグラフの記録を
作成する肺活量計が記載されている。この装置は呼気に
比例して膨張するピストン型膨張室を有している。米国
特許第3,669,097号には肺の容量及び強度を高
める装置が記載されている。膨張可能なベロース室がマ
ウスピースを有する管につながれている。選択的に調節
可能の弁が管に設けられていてマウスピースからベロー
ズ室入口への流路を収縮し、ベローズを膨張させるには
肺から出される正規の圧力を越える力を必要とするよう
になっている。米国特許第4,301,810号には、
レザーバーとマウスピースを具備し、呼気中はレザーバ
ーから古い空気を排気し、吸息中はレザーバーへ新鮮な
空気を導入する換気筋訓練装置が記載されている。マウ
スピースを通る空気流を監視して装置が所期の方法で使
用されることを保証する。米国特許4,462,410
号には、患者の呼吸に応答して移動する可動押板及び患
者の呼気量を時間の関数として記録できる記録媒体を使
用して呼吸テストを行う記録肺活量計が記載されてい
る。米国特許第4,487,207号には、患者が吸息
を行うマウスピースを有する肺訓練装置が記載されてい
る。管が空気入口に接続され、弁が管に配置されて常時
閉鎖位置に偏倚されている。息を吸うと弁が開いて吸気
量が監視される。
Various breathing apparatus are described in the prior art patents. U.S. Pat. No. 3,985,124 describes a spirometer that measures expiratory flow and volume and produces a graphical record thereof. This device has a piston type expansion chamber that expands in proportion to the exhaled air. U.S. Pat. No. 3,669,097 describes a device for increasing lung volume and strength. An inflatable bellows chamber is connected to a tube with a mouthpiece. A selectively adjustable valve is provided on the tube to constrict the flow path from the mouthpiece to the inlet of the bellows chamber so that expansion of the bellows requires more than the normal pressure exerted by the lungs. Is becoming U.S. Pat. No. 4,301,810 includes
A ventilator training device is described which comprises a leather bar and a mouthpiece and which expels old air from the leather bar during exhalation and introduces fresh air into the leather bar during inspiration. The airflow through the mouthpiece is monitored to ensure that the device is used in its intended way. US Patent 4,462,410
The publication describes a recording spirometer that performs a respiratory test using a movable push plate that moves in response to the patient's breathing and a recording medium that can record the patient's expiratory volume as a function of time. U.S. Pat. No. 4,487,207 describes a lung training device having a mouthpiece in which a patient inhales. A tube is connected to the air inlet and a valve is located on the tube and biased to a normally closed position. When you inhale, the valve opens and the inspiratory volume is monitored.

【0009】フライの米国特許4,459,982号に
は呼吸ガスを患者へ給送するチェンバを具備する肺換気
装置が記載されている。この特許の一実施例には、自然
呼吸の元での患者の瞬間要求により直接コントロールさ
れる流量を与え、従って、本発明に関連すると思われる
ことが記載されている。しかし、この装置の作動及び制
御を行うのにチェンバ内でピストンを移動させて患者の
気道における圧力をオペレータが決定する基準圧に等し
い一定値に維持する必要がある。この装置は吸息中は気
道圧を一定に維持するように作動するので、本発明の方
法(PAV)のように、吸息中に変動する患者の努力に
比例して圧力の給送をするものではないことが明らかで
ある。
Fry's US Pat. No. 4,459,982 describes a lung ventilation system having a chamber for delivering respiratory gas to a patient. One embodiment of this patent describes providing a flow rate that is directly controlled by the patient's instantaneous demand under spontaneous breathing and is therefore considered relevant to the present invention. However, in order to operate and control the device, it is necessary to move the piston within the chamber to maintain the pressure in the patient's airway at a constant value equal to the operator-determined reference pressure. Since the device operates to maintain a constant airway pressure during inspiration, it delivers pressure proportionally to fluctuating patient effort during inspiration, as in the method of the invention (PAV). Obviously not.

【0010】英国特許第1,541,852号には、モ
ータに加わる電力に従ってピストンの内圧を変化させる
モータ駆動ピストンが記載されている。このシステム
は、圧力サイクル人工呼吸器のように所定の圧力一時間
プロファイルに従って圧力を給送するか、もしくは容積
サイクル法のように患者へ所与量のガスを強制送出する
ようになっている。本発明の方法では、圧力も流量及び
容量も予め定められてはいない。むしろ、患者は自分の
努力によって自分のフローパターン及び換気量を決定
し、患者が行う努力に並行して人工呼吸器が圧力を給送
するもので、これは明らかに予め定められていない。所
定の圧力対時間もしくは容量対時間パターンを与えるモ
ータ駆動ピストンを使用した公知の他の技術としてヒル
マンの米国特許第4,036,221号、チューの米国
特許第4,617,637号及びアプルの米国特許第
4,726,366号がある。
British Patent No. 1,541,852 describes a motor driven piston which changes the internal pressure of the piston according to the electric power applied to the motor. This system is designed to deliver pressure according to a predetermined pressure one hour profile, such as a pressure cycle ventilator, or to force a given amount of gas to a patient, such as a volume cycle method. In the method of the present invention, neither pressure nor flow rate and volume are predetermined. Rather, the patient determines his flow pattern and ventilation by his own effort, with the ventilator delivering pressure in parallel with the patient's efforts, which is clearly not predetermined. Other known techniques using motor driven pistons that provide a predetermined pressure versus time or volume versus time pattern include Hillman U.S. Pat. No. 4,036,221, Chu's U.S. Pat. No. 4,617,637 and Apple's U.S. Pat. There is US Pat. No. 4,726,366.

【0011】米国特許第4,448,192号、英国特
許第2,121,292号でストウィクはモータ駆動ピ
ストン及び極端に複雑な制御器を有するシステムについ
て記載しており、その目的は患者と人工呼吸器間の不調
和を緩和することである。患者が努力の度合いを変えら
れるようにしながら医師が指定する量(周期的換気量)
及び流量で人工呼吸器がガスを給送できるように設計さ
れた理想的な圧力−容量曲線をコントロールシステムが
連続的に計算する。このシステムにより患者は吸息中す
なわち短期間医師の指定する給送パターンを無視するこ
とができるが、コントロールシステムは公式内の項を再
調整して終局的に医師が決定する基準に合致するように
する。従って、患者の努力増加は機械支援の低下と合致
され人工呼吸器出力を医師が規定する値へ戻す点におい
て、コントロール原理は容積サイクル法に類似してい
る。他の容積サイクル法との主要な相違点は医師の規定
を患者が過渡的に無視する自由があることである。この
動作原理は本発明の方法で実行されるものとは正反対で
ある。従って、ストウィクのシステムでは、医師が目標
容量、流量及びタイミングを設定し、機械が医師の要求
に合致するようにコントロールシステム公式のさまざま
なパラメータを変える。これとは対照的に、本発明で
は、一方では圧力間他方では容量及び流量間の比例性が
所定のパラメータであり、患者は各呼吸の容量、流量及
びフローパターン、及びタイミングを全く自由に選定す
ることができる。
In US Pat. No. 4,448,192 and British Pat. No. 2,121,292 Stwick describes a system having a motor driven piston and an extremely complex controller, the purpose of which is patient and artificial. To alleviate incongruity between respiratory organs. Physician-specified amount (periodic ventilation) that allows the patient to vary in effort
And the control system continuously calculates an ideal pressure-volume curve designed to allow the ventilator to deliver gas at flow rates. While this system allows the patient to ignore inhalation or short-term physician-specified delivery patterns, the control system should readjust the terms in the formula to ultimately meet physician-determined criteria. To Therefore, the control principle is similar to the volume cycle method in that the increased patient effort is matched with the decreased mechanical assistance and returns the ventilator output to the physician-defined value. The major difference from other volume cycle methods is the patient's freedom to transiently ignore physician prescriptions. This principle of operation is the exact opposite of what is carried out by the method of the invention. Thus, in Stwick's system, the physician sets the target volume, flow rate and timing, and the machine alters various parameters of the control system formula to meet the physician's requirements. In contrast, in the present invention, the proportionality between pressure on the one hand and volume and flow on the other hand is a given parameter, and the patient is completely free to choose the volume, flow and flow pattern and timing of each breath. can do.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】この検討から従来技術
の患者換気システムは患者ではなく主として医師が決定
するパラメータに従って患者の換気支援を行うことが判
る。一般的に、従来技術には何らかの目標流量、目標
圧、目標容量、及び/または目標周期あるいは吸気もし
くは呼気時間が必要である。このような条件により前記
したさまざまな問題が生じる。
This study shows that prior art patient ventilation systems provide ventilation assistance to the patient primarily according to parameters determined by the physician rather than by the patient. Generally, the prior art requires some target flow rate, target pressure, target volume, and / or target period or inspiratory or expiratory time. Such conditions cause the various problems described above.

【0013】本発明は前記従来技術とは全く異なる換気
支援法を目ざすものである。本発明では、人工呼吸器の
給送圧は患者の努力に直接比例して増大し、比例性は各
吸息毎に、かつ、呼吸中連続的に適用される。実際上、
患者の努力は増幅され、これにより努力と換気間の関係
が正常化され、患者はあらゆる面において自分の呼吸を
完全にコントロールすることができる。本発明では、人
工呼吸器から患者へ給送される圧力は、患者の努力の時
間パターンだけでなく振幅も反映する(図5参照)。従
来技術にあるような目標流量、目標圧、目標容量、及び
目標周期もしくは吸息または呼気時間はない。これらの
パラメータは患者努力のパターンのみによって決定さ
れ、人工呼吸器は単に人工呼吸器の成果を増幅するだけ
である。この方法の正味の効果は、努力と換気成果間の
異常な関係が正常に回復され、呼吸感覚の最適化も含め
て、患者が自分の変化するニーズにより換気及びフロー
パターンを変える能力が取り戻されることである。本発
明の換気手順は比例支援換気(PAV)と呼ぶことがで
きる。
The present invention aims at a ventilation support method which is completely different from the above-mentioned prior art. In the present invention, the ventilator delivery pressure increases in direct proportion to the effort of the patient and the proportionality is applied for each inspiration and continuously during breathing. In fact,
The patient's effort is amplified, which normalizes the relationship between effort and ventilation, giving the patient complete control of his breath in all respects. In the present invention, the pressure delivered to the patient from the ventilator reflects not only the temporal pattern of patient effort, but amplitude as well (see Figure 5). There is no target flow rate, target pressure, target volume, and target cycle or inspiration or expiration time as in the prior art. These parameters are determined only by the pattern of patient effort, and the ventilator simply amplifies the ventilator performance. The net effect of this method is to restore the abnormal relationship between effort and ventilation outcomes to normal, and to regain the ability of the patient to change ventilation and flow patterns according to their changing needs, including optimization of respiratory sensation. That is. The ventilation procedure of the present invention can be referred to as proportional assisted ventilation (PAV).

【0014】図6の左側グラフは患者の努力と人工呼吸
器から給送される圧力間の関係の概要を種々の換気方法
について示し、右側のグラフは、患者の努力と換気成果
間の関係を示す。SIMV,PS,APRVでは努力が
なされない場合に最小換気となる。患者が自分の呼吸に
及ぼすあらゆる影響が病気による制約を受ける(SIM
V,PS及びAPRVの線勾配は病気の線勾配と同様で
ある)。これに対して、PAVでは努力と換気成果間の
関係は異なる努力レベルにおいて正常化される。
The left graph of FIG. 6 outlines the relationship between patient effort and pressure delivered by the ventilator for various ventilation methods, and the right graph shows the relationship between patient effort and ventilation performance. Show. SIMV, PS, APRV results in minimal ventilation when no effort is made. All effects of patients on their breathing are constrained by illness (SIM
The linear slopes of V, PS and APRV are similar to that of disease). In PAV, on the other hand, the relationship between effort and ventilation performance is normalized at different effort levels.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の一つの特徴に従
って、比較的簡単な電気駆動操作によりPAVを行う新
型肺換気装置が提供される。本発明では、任意所望のコ
マンド入力に関連してチェンバ内を往復するピストンに
作用する電動機の作用により患者の気道のガス圧が決定
される。電動機は印加電力の大きさに比例する力でピス
トンを移動させる。チェンバから患者へ移動するガスの
流量(F)及び容量(V)は2つの各信号の利得及び振
幅を独立して調整できる電子回路により監視される。電
子回路は適切に増幅されたV及びF信号の和に比例する
電力をモータへ供給する。後記するように、この手順に
より装置は患者の努力に比例する圧力を供給することが
できる。
SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with one aspect of the present invention, there is provided a novel lung ventilation system for PAV with relatively simple electric drive operation. In the present invention, the gas pressure in the patient's airway is determined by the action of the electric motor acting on the piston that reciprocates in the chamber in connection with any desired command input. The electric motor moves the piston with a force proportional to the magnitude of the applied power. The flow rate (F) and volume (V) of gas traveling from the chamber to the patient is monitored by electronic circuitry that can independently adjust the gain and amplitude of each of the two signals. The electronic circuit supplies power to the motor that is proportional to the sum of the appropriately amplified V and F signals. As will be described below, this procedure allows the device to deliver pressure proportional to patient effort.

【0016】比例支援換気と他の方法との違いは、患者
が自分の呼吸パターンを完全にコントロールすることで
ある。この方法では、装置は正のフィードバック原理で
作動する、すなわち患者が取り込む容量及び流量が増大
するとそれだけ装置の供給圧が増大する。調整可能のパ
ラメータは目標圧や目標容量ではなく、患者の呼吸パタ
ーンに対する支援の度合い(すなわち比例性)である。
従って、患者の呼吸系スチフネス(エラスタンス)が1
〓の拡張当り40cmH2 Oを要するような場合には、
特定量の圧/単位吸息を与えるように装置が調整され
る。この場合、比例性が20cmH2 O/Lに設定され
ると、弾性作用の半分を患者が行い残りの半分を装置が
行うようになる。患者がある容量を取り入れたりある圧
力に到達する必要はない。患者が努力を低下させるとす
ぐに、空気の流入は停止し装置は吸入を停止する。従っ
て、本発明の一つの特徴として、患者の進行中の吸息努
力に比例して呼吸支援を行う方法が提供され、それは患
者の吸息努力により発生する圧力勾配に応答して給気シ
ステムから患者へ自由ガス流を形成し、患者へのガス流
の流量及び容量を決定し、決定された流量及び容量に相
当する信号を独立に増幅し、決定され、増幅された流量
及び容量の和に比例してガス圧支援を行うことからなっ
ている。
The difference between proportional support ventilation and other methods is that the patient has complete control over his breathing pattern. In this way, the device operates on the positive feedback principle, that is, as the volume and flow taken by the patient increases, so does the supply pressure of the device. The adjustable parameter is not the target pressure or target volume, but the degree of support (ie, proportionality) to the patient's breathing pattern.
Therefore, the patient's respiratory stiffness (elastance) is 1
If you need 40 cmH 2 O for expansion of 〓,
The device is adjusted to give a specific amount of pressure / unit inspiration. In this case, if the proportionality is set to 20 cm H 2 O / L, the patient will do half of the elastic action and the device will do the other half. The patient does not have to take up a volume or reach a pressure. As soon as the patient reduces his effort, the inflow of air is stopped and the device stops inhaling. Accordingly, as a feature of the present invention, there is provided a method of providing breath support in proportion to a patient's ongoing inspiratory effort, which is provided by an air supply system in response to a pressure gradient generated by the patient's inspiratory effort. Forming a free gas flow to the patient, determining the flow rate and volume of the gas flow to the patient, independently amplifying the signals corresponding to the determined flow rate and volume, and determining the sum of the amplified flow rate and volume. It consists of providing gas pressure support in proportion.

【0017】本発明はまた、患者に対して比例支援換気
を行う装置も提供し、この装置は、患者の吸息努力に応
答して患者と自由ガス流を給送する手段と、動作上ガス
給送手段に接続され、電気コマンド信号に応答して自由
ガス流に圧力を発生する手段と、患者へのガス流の瞬間
容量及び流量を検出して各検出値の大きさに相当する別
々の電気信号を発生する検出手段と、各電気信号を選択
的に増幅する手段と、瞬間流量及び容量の大きさに相当
する増幅された電気信号の和に比例して電気コマンド信
号を圧力発生手段へ発信する手段を具備している。
The present invention also provides an apparatus for providing proportionally assisted ventilation to a patient, the apparatus including means for delivering a free gas flow to the patient in response to the patient's inspiratory effort, and an operative gas. Means for producing pressure in the free gas stream in response to the electrical command signal and a separate means for detecting the instantaneous volume and flow rate of the gas stream to the patient and corresponding to the magnitude of each detected value. An electric command signal to the pressure generation means in proportion to the sum of the detection means for generating an electric signal, the means for selectively amplifying each electric signal, and the amplified electric signal corresponding to the instantaneous flow rate and the magnitude of the capacity. It is equipped with a means for transmitting.

【0018】従来技術の人工呼吸器及び呼吸法に関連し
て、この種の人工呼吸器にはいくつかの利点がある。第
1の利点は、装置と患者間の関係が単に同期的であるだ
けでなく完全に調和的であるための快適さである。患者
と装置との間で衝突はなく、事実、人工呼吸器は患者自
身の筋肉の延長となる。PAVでは患者の努力が存在す
る場合のみ圧力が送られ、しかも圧力は吸息中は患者の
努力に比例するため、患者は胸の拡張に使用される圧力
の一部に寄与しなければならない。この人工呼吸器は、
他の装置に較べて、所与の換気量に対してより少ない圧
力を送ればよい。他の形式の人工呼吸器では、患者の寄
与はあてにはできず、反対に対抗することも多い。この
ような装置では所要のピーク気道圧は本発明よりも高く
なる。本発明の換気手段による予備的研究により、同じ
換気レベルにおけるピーク気道圧はPAVの場合はSI
MVの1/3〜1/2となることが判った。本発明では
所要のピーク圧が低いため、ノーズもしくはフェイスマ
スクにより患者の人工呼吸を行って挿管を止めることが
できる。挿管は、直接的もしくは間接的に、人工呼吸患
者の罹病率もしくは死亡率の主因の一つである。正常体
と同様に、吸息中は胸内圧は負となり人工呼吸の血行上
の合併症が少なくなる。快適さが増し、衝突がなく、か
つ挿管が回避されるため、患者の防御を損う鎮静や麻痺
の必要性が著しく少くなる。
There are several advantages to this type of ventilator in relation to prior art ventilators and methods. The first advantage is the comfort because the relationship between the device and the patient is not only synchronous but perfectly harmonious. There is no collision between the patient and the device, in fact the ventilator is an extension of the patient's own muscles. In PAVs, pressure is delivered only in the presence of patient effort, and since pressure is proportional to patient effort during inspiration, the patient must contribute a portion of the pressure used to expand the chest. This ventilator
Less pressure needs to be delivered for a given ventilation compared to other devices. Other forms of ventilator cannot rely on patient contribution and often oppose the opposite. The peak airway pressure required in such devices is higher than in the present invention. Preliminary studies with the ventilator of the present invention show that peak airway pressure at the same ventilation level is SI for PAV.
It was found to be 1/3 to 1/2 of MV. In the present invention, since the required peak pressure is low, it is possible to stop the intubation by performing artificial respiration of the patient with the nose or face mask. Intubation, either directly or indirectly, is one of the leading causes of morbidity or mortality in mechanical ventilation patients. As in the normal body, the intrathoracic pressure becomes negative during inspiration, which reduces the blood circulation complications of artificial respiration. The increased comfort, collision-free, and avoidance of intubation significantly reduce the need for sedation and paralysis that impairs patient protection.

【0019】PAVでは、人工呼吸器は単なる患者自身
の筋肉の延長であり、従って、変動するニーズに対して
換気を調整しさまざまな損傷に対して保護するあらゆる
本質的コントロール機構の影響を受ける。このようなコ
ントロール機構は潜在的に非常に有益である。例えば、
呼吸系は強力な反射作用を有し、肺の過剰拡張を防止す
る。過剰拡張は吸息努力の抑止と呼気努力の漸増を反射
的に生ぜしめる。吸息努力が終止すると人工呼吸器の圧
力が中断されるため、過剰拡張により人工呼吸器は反射
的に循環を止める。圧力障害の危険性も低下する。さら
に患者の代謝要求は運動、震えもしくは温度変化により
時おり著しく変化する。通常、呼吸コントロールにより
吸息努力が変化して換気が代謝要求と一致するようにさ
れる。PAVでは、吸息努力のこのような調整は機械支
援の調和的変化により行われる。この効果により動脈血
ガス圧は狭い限界内でコントロールされる傾向がある。
さらに、患者は過支援期間から不足支援期間へ変動しな
いため、代謝要求が変化すると苦痛を感じる。
In PAVs, the ventilator is simply an extension of the patient's own muscles, and is therefore subject to any essential control mechanism that regulates ventilation for varying needs and protects against various insults. Such a control mechanism is potentially very beneficial. For example,
The respiratory system has a strong reflex and prevents overexpansion of the lungs. Overexpansion reflexively results in the inhibition of inspiratory effort and the gradual increase in expiratory effort. Overexpansion causes the ventilator to reflexively stop circulation because the ventilator pressure is interrupted when the inspiratory effort ends. The risk of pressure disturbance is also reduced. Furthermore, a patient's metabolic demands sometimes change significantly due to exercise, tremors or changes in temperature. Respiratory control usually changes inspiratory effort to bring ventilation into line with metabolic demand. In PAVs, such adjustment of inspiratory effort is made by machine-assisted harmonic changes. This effect tends to control arterial blood gas pressure within narrow limits.
Furthermore, patients do not fluctuate from over-supported periods to under-supported periods, which makes them feel distressed as their metabolic demands change.

【0020】本発明により、PAV方法では吸息筋活動
レベルは最小限必要とされるため、吸息筋が使われなく
なる可能性は少い。病気中PAVを使用しても、中央コ
ントロール機構が作動しない(呼吸不足)期間は生じな
い。他の換気支援の方法においては、中央呼吸機能不全
は離脱期間中にはよく起ることであり、これは、呼吸不
足を促す装置により起こる呼吸中枢の長びいた不作動に
部分的によるものであろう。中枢及び末梢筋の機能不全
の可能性が少いので離脱が容易になる。
In accordance with the present invention, the PAV method requires a minimum level of inspiratory muscle activity, so that it is less likely that the inspiratory muscles will be depleted. The use of PAV during illness does not result in periods of central control inactivity (lack of breathing). In other ventilatory support methods, central respiratory insufficiency is common during withdrawal, partly due to the prolonged inactivity of the respiratory center caused by devices that promote respiratory insufficiency. Let's see Withdrawal is facilitated because there is less chance of central and peripheral muscle dysfunction.

【0021】負圧換気の効率が向上する。胸内圧を低減
する負圧装置の能力が制限され、例えば慢性肺閉塞症
(COPD)もしくは肺線維症等の重大な器管異常のあ
る患者にとっては極めて影響が低下する。さらに、ポン
プ圧と上気道拡大筋活動との調和が失われて気道崩壊が
促進される。人体表面に加わる負圧が患者自身の吸息努
力と調和されると、上気道狭窄が少くなりポンプ圧と患
者の発生圧を結合したものが換気に適したものとなる。
これら2つの要因により重肺病患者を睡眠中に本発明を
使用して人工呼吸させることができる。現在、これらの
患者(COPD)に対する胸板換気は目覚めている時し
か実行できない。
The efficiency of negative pressure ventilation is improved. The ability of the negative pressure device to reduce intrathoracic pressure is limited and is greatly reduced for patients with significant organ abnormalities such as chronic pulmonary obstruction (COPD) or pulmonary fibrosis. In addition, pump pressure and upper airway dilator muscle activity are compromised, promoting airway collapse. When the negative pressure applied to the human body surface is coordinated with the patient's own inspiratory effort, the upper airway stenosis is reduced and the combined pump pressure and patient generated pressure is suitable for ventilation.
These two factors allow heavy lung disease patients to be ventilated during sleep using the present invention. Currently, chest ventilation for these patients (COPD) can only be performed when awake.

【0022】本発明の手順の本質的且つ顕著な特徴は、
人工呼吸器の発生圧が、従来装置のように装置から患者
へのガスの交換を案内もしくは開始させるのではなく、
それに従うことである。人工呼吸器がその出力圧を変え
る前にまず最初に流量及び容量を変えなければならな
い。本発明の人工呼吸器は特にこの比例支援モードを生
じるように設計されているが、この目的を達成するため
に使用される設計原理は、電子装置を僅かに付加するだ
けで、任意所望の入力に比例する圧力を機械から給送す
るようにすることができる。この万能性により僅かな修
正で将来のニーズに応えることができる。
The essential and salient features of the procedure of the invention are:
Rather than the generated pressure of the ventilator guiding or initiating the exchange of gas from the device to the patient as in conventional devices,
It is to obey it. The flow rate and volume must first be changed before the ventilator changes its output pressure. Although the ventilator of the present invention is specifically designed to produce this proportional support mode, the design principle used to achieve this goal is that the design of any desired input can be accomplished with only a few additional electronics. The machine can deliver a pressure proportional to This versatility allows us to meet future needs with minor modifications.

【0023】[0023]

【実施例】本発明においては、患者の吸息時の努力が検
出され応答される。吸息努力は最大可能活動化度(E
max )に対する吸息筋活動化度(Ei )として定義する
ことができる。吸息活動の結果発生する吸息圧
(Pmus i)は次式で表わされる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In the present invention, a patient's inspiratory effort is detected and responded to. The inspiratory effort is the maximum possible activation (E
It can be defined as the inspiratory muscle activation degree (E i ) with respect to max . The inspiratory pressure (P mus i ) generated as a result of inspiratory activity is expressed by the following equation.

【0024】[Emax ]Pmus i=fEi/Emax ここで、fは活動の圧力への変換を支配する関数であ
る。この関数は主として筋力、肺の容積(V)及び換気
流(F)に影響される(ここに参照として示すI.Th
eory,J.Appl.Physiol.51:96
3〜978,1981年ユーネス(Younes)等の
呼吸神経と機械的出力間の関係モデルを参照された
い)。最大吸気圧は安静時の周期的容積範囲に影響され
ず、かつ、安静時の流量は可能最大速度に対する非常に
低い筋短縮速度に関係するので(前記ユーネス等)、努
力とPmus 間の関係を支配する関数は主として安静時の
肺換気レベルにおける筋力により支配される。主として
神経筋症、第2に栄養もしくは代謝障害、もしくは重症
のぜん息もしくはクロム障害肺病患者(CORD)の場
合における過剰拡張の結果肺換気支援を必要とする患者
にとって、これは非常に頻繁に異常なことである。この
ような状況では、所与の努力による圧力は正規圧以下と
なり従って拡張も少なくなる。
[E max ] P mus i = fE i / E max where f is the function governing the conversion of activity into pressure. This function is mainly affected by muscle strength, lung volume (V) and ventilation flow (F) (see I. Th, which is shown here for reference).
eory, J .; Appl. Physiol. 51:96
3-978, 1981, Younes et al., Model of Relationship between Respiratory Nerve and Mechanical Output). Since the maximum inspiratory pressure is not affected by the resting periodic volume range, and the resting flow rate is associated with a very low muscle shortening speed relative to the maximum possible speed (the aforementioned Younes et al.), The relationship between effort and P mus. The function that governs is primarily governed by muscle strength at resting ventilation levels. This is very often abnormal for patients who require pulmonary ventilation support, primarily as a result of overexpansion in the case of neuromyopathy, secondarily nutritional or metabolic disorders, or severe asthma or chromium disordered lung disease patients (CORD). That is. In such a situation, the pressure from a given effort will be subnormal and therefore less dilated.

【0025】呼吸中はいかなる瞬間においても、呼吸系
へ加わる圧力(Pappl)は、安静換気レベルの慣性損失
が無視できるので、呼吸系の弾性及び抵抗要素に対して
放散される。従って、Pappl=Pel+Pres となり、P
elは呼吸系の圧力−容積関係により示される受動機能的
残気量(FRC)(Pel=fV)以上の肺の容量の関数
であり、Pres は呼吸系の圧力−流量関係により示され
る流量関数である。両関数共複雑で非線型であるが、便
宜上ここでは線型関数を使用する。従って、Pappl
V.Ers+F.Rrsとなり、ここでVはERC以上の容
量、Ersは線型範囲内の呼吸系の復元力を示すエラスタ
ンス(cmH2 O/l)、Fは流量、Ersは、人工呼吸
器を含む、呼吸系の抵抗(cmH2 O/L/秒)であ
る。自然発生の呼吸中は、呼吸筋が発生する圧力(P
mus )がPapplの唯一の源である。人工呼吸器を取りつ
けた患者に印加される圧力は患者の発生圧と機械の発生
圧(Pve nt)の和となる。後者は気道における正圧もし
くは人体表面における(胸もしくは胸板による)負圧の
形をとる。支援換気中は、対抗する力間の関係はPmus
+Pvent=V.Ers+F.Rrs(1)すなわちPmus
V.Ers+F.Rrs−Pve nt(2)となる。V,F及び
ventは連続的に測定することができ、Ers及びRrs
測定もしくは推定できるため、Pmus は任意簡便な計算
装置により測定値に基いて連続的に計算することがで
き、人工呼吸器は瞬間のPmus に比例して圧力を変える
ようにされる。すなわち、Pvent=A.Pmus ここに、
AはPventとPmus の間の比例係数(cmH2 O/cm
2 O)である。より簡単で応用できる方法は次式に従
って圧力を発生するように人工呼吸器を設計することで
ある。すなわち、Pvent=K1 V+K2 F(3)ここ
で、K1 は容量信号に加わる利得率(cmH2 O/
L)、K2 は流量に加わる利得率(cmH2 O/L/
秒)である。本分析では定数を使用するが、適用可能な
らば非線型関数を使用することもできる。AがPmus
所望の比例係数でありPmus が(2)式で与えられる場
合には、Pvent=A.V.Ers+A.F.Rrs=A.P
ventとなり、従って、Pvent(1+A)=A.Ers・V
+A.Rrs・Fすなわち、Pvent=[A/(1+A)]
rs・V+[A/(1+A)]Rrs・Fとなる。最後の
式は前記(3)式と同形となり、ここでK1 はエラスタ
ンスの分数(すなわちA/(1+A))であり、K2
呼吸抵抗の同じく分数である。従って、(2)式に従っ
て実際にPmusを計算することなくPventをPmus に比
例させることができる。従って、Pmus(A=3)の3
倍のPventを発生させたい場合には、K1 を0.75E
rsとしK2 を0.75Rrs とする。Pventをコントロ
ールするのには(2)式もしくは(3)式を使用するこ
とができる。しかしながら、次の理由により(3)式が
有利である。(2)式の場合、Pventを使用して圧力発
生機構へのコマンド信号を引き出すが、それ自体が被制
御変数である。特にコマンド信号とPvent間の遅延が避
けられないため、これにより振動が生じそれを濾波する
のがむつかしい。(3)式の場合、個別に調整可能の利
得率を流量および容量に対して使用すれば抵抗及び弾性
特性の緩和を異ならせることができ、特定の臨床状況に
おいて有利になる。さらに、多くの場合Ers及びRrs
測定は困難もしくは信頼性が低いが、(3)式を使用す
ればV及びFの利得率を患者を快適にするように別々に
調整することができ、Ers及びRrsを知る必要がなくな
る。この原理に従って作動するシステムの例について以
下説明を行う。
At any instant during breathing, the pressure applied to the respiratory system (P appl ) is dissipated to the elastic and resistive elements of the respiratory system because the inertial loss of resting ventilation levels is negligible. Therefore, P appl = P el + P res , and P
el is a function of lung volume above the passive functional residual capacity (FRC) (P el = fV) indicated by the pressure-volume relationship of the respiratory system, and P res is indicated by the pressure-flow relationship of the respiratory system. It is a flow rate function. Both functions are complex and non-linear, but for convenience, a linear function is used here. Therefore, P appl =
V. E rs + F. R rs , where V is the capacity above ERC, E rs is the elastance (cmH 2 O / l) that indicates the resilience of the respiratory system within the linear range, F is the flow rate, and E rs is the ventilator. , Respiratory system resistance (cmH 2 O / L / sec). During spontaneous breathing, the pressure (P
mus ) is the only source of P appl . Pressure applied to a patient fitted with a ventilator is the sum of the generated pressure and machine generated pressure of the patient (P ve nt). The latter takes the form of positive pressure in the respiratory tract or negative pressure (on the chest or chest) on the human surface. During assisted ventilation, the relationship between opposing forces is P mus
+ P vent = V. E rs + F. R rs (1) or P mus =
V. E rs + F. R rs −P ve nt (2). Since V, F and P vent can be continuously measured and E rs and R rs can be measured or estimated, P mus can be continuously calculated based on the measured values by an arbitrary and simple calculator. , The ventilator is made to change the pressure in proportion to the instantaneous P mus . That is, P vent = A. P mus here,
A is a proportional coefficient between P vent and P mus (cmH 2 O / cm
H 2 O). A simpler and applicable method is to design the ventilator to generate pressure according to the following equation: That is, P vent = K 1 V + K 2 F (3), where K 1 is the gain factor (cmH 2 O /
L) and K 2 are gain factors (cmH 2 O / L /
Seconds). Although constants are used in this analysis, non-linear functions can be used if applicable. If A is given by the desired proportionality factor P mus of P mus (2) equation, P vent = A. V. E rs + A. F. R rs = A. P
vent , and thus P vent (1 + A) = A. Ers・ V
+ A. R rs · F, that is, P vent = [A / (1 + A)]
E rs · V + [A / (1 + A)] R rs · F. The last equation has the same form as equation (3) above, where K 1 is the fraction of elastance (ie A / (1 + A)) and K 2 is the same fraction of respiratory resistance. Therefore, P vent can be made proportional to P mus without actually calculating P mus according to the equation (2). Therefore, 3 of P mus (A = 3)
To generate double P vent , set K 1 to 0.75E
rs and K 2 is 0.75R rs . Equation (2) or equation (3) can be used to control P vent . However, the expression (3) is advantageous for the following reasons. In the case of the expression (2), P vent is used to derive a command signal to the pressure generating mechanism, which itself is a controlled variable. In particular, the delay between the command signal and P vent is unavoidable, which causes vibrations and is difficult to filter. In the case of equation (3), the use of individually adjustable gain factors for flow rate and volume allows different relaxation of resistance and elastic properties, which is advantageous in certain clinical situations. Furthermore, although E rs and R rs are often difficult or unreliable to measure, the gain factors of V and F can be adjusted separately to make the patient comfortable using equation (3). , E rs and R rs need not be known. An example of a system that operates according to this principle is described below.

【0026】本発明による比例式支援換気(PAV)の
本質的且つ明確な特徴は人工呼吸器の発生圧が機械から
患者へのガス流に、追従して生じることであり、ガス流
に先立って生じるものでないことである。人工呼吸器が
その出力圧を変える前にまず最初に流量及び容量を変え
なければならない。従って、患者へPAVを行ういかな
る装置も患者の圧力変化と応答して装置から患者へ自由
な空気流を通さなければならず、この条件は容易に動か
せるベローズによる呼吸によって容易に例証できる。任
意の時点において、弾性及び抵抗圧損失((1)式の右
側)はPmus とPventの和により平衡されるので、P
mus の任意の増大により総印加圧が変化してこれに相当
する流量及び容量が変化する。次に装置はその圧力を変
えて応答し、流量及び容量が大きく変化する。
An essential and distinctive feature of proportional assisted ventilation (PAV) according to the present invention is that the ventilator generated pressure follows the gas flow from the machine to the patient, prior to the gas flow. It does not happen. The flow rate and volume must first be changed before the ventilator changes its output pressure. Therefore, any device that delivers a PAV to the patient must pass a free air stream from the device to the patient in response to changes in the patient's pressure, a condition that can be easily illustrated by breathing with an easily movable bellows. At any given time, elasticity and resistance pressure loss (right side of equation (1)) are balanced by the sum of P mus and P vent , so P
Any increase in mus changes the total applied pressure and changes the corresponding flow rate and volume. The device then responds by varying its pressure, causing large changes in flow rate and volume.

【0027】このシーケンスに従って作動するシステム
は正のフィードバックを示す。空気が幾分システムから
出て行くと圧力が発生して空気がさらに出て行き、さら
に圧力が発生する状態となるためこのようなシステムは
本来それ自体では不安定であり“暴走”する傾向があ
る。しかし、患者に取りつけられると人工呼吸器に固有
の正のフィードバックは、患者の機械的特性、すなわ
ち、エラスタンスと抵抗による負のフィードバックによ
る反作用を受ける。PAVシステムと患者間の相互作用
によって、“暴走”の可能性が解消されシステムが患者
の努力による換気成果を単に増幅するだけとなることを
図7に略示する。PAV給気システムの基準を満す簡単
な説明を図7の上部に示す。患者には自由に動くピスト
ンが連結される。ピストンから患者への空気の動きは流
量計により感知され流量及び容量信号が発生する。この
信号は、流量及び容量信号に比例する力をピストン背面
に加えるモータを制御するのに使用される。別々の利得
制御により一方では流量と容量間の比例性が決定され、
他方では印加力すなわち圧力が決定される。このような
利得容量は(3)式のK1 及びK2 項に類似している。
Systems operating according to this sequence exhibit positive feedback. Such a system is inherently unstable in itself and is prone to "runaway" as some air is forced out of the system to create pressure, which in turn causes more air to be released. is there. However, the positive feedback inherent in a ventilator when attached to a patient is counteracted by the patient's mechanical properties, ie, negative feedback due to elastance and resistance. It is schematically shown in Figure 7 that the interaction between the PAV system and the patient eliminates the possibility of "runaway" and the system simply amplifies the ventilatory outcome of the patient's effort. A brief description of meeting the criteria for a PAV air supply system is given at the top of FIG. A freely moving piston is connected to the patient. The movement of air from the piston to the patient is sensed by the flow meter to generate flow and volume signals. This signal is used to control a motor that exerts a force on the back of the piston that is proportional to the flow and volume signals. Separate gain controls, on the one hand, determine the proportionality between flow and capacity,
On the other hand, the applied force or pressure is determined. Such gain capacitance is similar to the K 1 and K 2 terms of equation (3).

【0028】患者とPAVシステム間の相互作用の説明
を容易にするためと、図7の下の3つのグラフが示すよ
うに全ての変化(Pmus 及びPvent)が個別のシーケン
スステップで生じ、かつ全ての発生圧が呼吸系のエラス
タンスへ加えられる(すなわち抵抗が0)場合について
考える。患者のエラスタンスは任意の単位で表わされ、
1の値を割りつける(すなわち、1単位圧/単位容
量)。吸息を開始する前、すなわちPmus =0のとき気
道と容量は安定しており、正の呼気圧値(図では0)を
示す。患者が4単位のPmus をステップ的に変化するも
のとする。患者のエラスタンスに従って、4単位の容量
が人工呼吸器から患者へ移動する。第1の対の垂直線間
の間隔から判るように、気道圧はまだ0である。しかし
ながら、ガス(容量もしくは流量)の移動が感知され、
そして容量信号及び選定された利得率に従ってシステム
内の圧力(すなわちPaw)が増大する。利得率を0.5
圧力単位/単位容量)に設定すると人工呼吸器は最初の
4単位容量に応答してPawを2圧力単位だけ増大させ総
圧力(Pappl=Pmus +Paw)が6単位へ増大しさらに
2容量単位が移送されることになる。次に、この容量増
加が感知され、利得率に従ってPventがさらに1単位高
まり、これによりさらに1容積単位が移送されるという
ように続く。
To facilitate the explanation of the interaction between the patient and the PAV system, all changes (P mus and P vent ) occur in separate sequence steps, as shown in the bottom three graphs of FIG. And consider the case where all the generated pressure is added to the elastance of the respiratory system (ie, resistance is zero). Patient elastance is expressed in arbitrary units,
Assign a value of 1 (ie 1 unit pressure / unit capacity). Before inspiration starts, that is, when P mus = 0, the airway and volume are stable and show a positive expiratory pressure value (0 in the figure). The patient shall change 4 units of P mus in steps. A volume of 4 units is transferred from the ventilator to the patient according to the patient's elastance. As can be seen from the spacing between the first pair of vertical lines, the airway pressure is still zero. However, the movement of gas (volume or flow rate) is detected,
The pressure in the system (ie, P aw ) then increases according to the capacitive signal and the selected gain factor. Gain rate of 0.5
When set to pressure units / unit volume, the ventilator will increase P aw by 2 pressure units in response to the first 4 unit volumes and increase the total pressure (P appl = P mus + P aw ) to 6 units and 2 more. Volume units will be transferred. This increase in capacity is then sensed, and P vent is increased by one more unit according to the gain factor, and so on, causing one more volume unit to be transferred, and so on.

【0029】利得率は患者のエラスタンスよりも小さい
ため、ステップの大きさが漸減して“暴走”する傾向と
はならない。事実、Pmus が一定であれば、容量は漸近
線へ近ずく。この効果を図7に示し、容量漸近線は支援
を行わない患者が発生する値の2倍である。例えば図7
の第2ステップのように、Pmus の大きなステップ変化
により、患者自身の力により交換される容量は大きくな
り人工呼吸器の応答も大きくなるが、やはり暴走の傾向
はなく、この第2ステップで交換される容量はPmus
対して小さい最初のステップと同じ比例性を有する。任
意の時点における弾性反動は患者と人工呼吸器により一
緒に支えられるので、図7に矢符で示すように患者の寄
与が低下すると、呼吸系に加わる圧力、すなわちPmus
+Pvent、はもはやシステムの弾性反動を維持するのに
充分ではなくなる。自然呼吸の場合のように、吸息の終
りにPmus が低下すると、肺胞から気道へ正の勾配が生
じて呼気が開始される。Pmus の弾性成分の増幅度は患
者自身のエラスタンス(Ers)に対する人工呼吸器容量
信号(K1 )の利得の関数である。総弾性圧(V.
rs)は一部Pmus の弾性成分(Pmus (el))によ
りまた一部は人工呼吸器の弾性支援(V.K1 )により
平衡されるため、次のようになる。
Since the gain factor is smaller than the patient's elastance, there is no tendency for the step size to taper and "runaway". In fact, if P mus is constant, the capacity approaches the asymptote. This effect is shown in Figure 7, where the volume asymptote is twice the value generated by unassisted patients. For example, in FIG.
Like the second step of P mus , due to the large step change of P mus , the volume exchanged by the patient's own force increases and the response of the ventilator also increases, but again there is no tendency to runaway, so in this second step The exchanged capacity has the same proportionality to P mus as the small first step. Since the elastic recoil at any point in time is supported together by the patient and the ventilator, when the contribution of the patient as indicated by the arrow in FIG. 7 decreases, the pressure applied to the respiratory system, namely P mus
+ P vent is no longer sufficient to maintain the elastic recoil of the system. A decrease in P mus at the end of inspiration, as in spontaneous breathing, initiates exhalation with a positive gradient from the alveoli to the airways. The amplification of the elastic component of P mus is a function of the gain of the ventilator volume signal (K 1 ) with respect to the patient's own elastance (E rs ). Total elastic pressure (V.
E rs) Since some also by the elastic component of the part P mus (P mus (el) ) is balanced by the elastic support of the ventilator (V.K 1), as it follows.

【0030】 Pmus (el)=V.Ers−Pvent(el)=V.Ers−V.K1 =V(Ers−K1 ) 従って、総弾性印加圧、V.Ers、と弾性増幅率(F
(el))である患者の発生圧(Pmus (el))との
比は次式で与えられる。F(el)=V.Ers/V[E
rs−K1 ]=Ers/[Ers−K1 ]従って、図7の例の
ように、K1 が1/2Ersであれば増幅率は2となる。
1=0.75Ersに対しては増幅率は4となり、以下
同様となる。K1 がErsに等しいかそれ以上であれば、
増幅は無限大となり、暴走状態が生じる。しかし、Ers
は肺容積の増大と共に漸増するため、たまたま機能的残
気量に近いErsよりも大きい利得率により生じる暴走状
態は肺容積が増大してErsが増大すると間もなく止ま
る。
P mus (el) = V. Ers- P vent (el) = V. Ers- V. K 1 = V (E rs −K 1 ) Therefore, the total elastic applied pressure, V. Ers , and elastic amplification factor (F
(El)) the patient's developed pressure (P mus (el)) is given by the following equation. F (el) = V. E rs / V [E
rs -K 1] = E rs / [E rs -K 1] Thus, as in the example of FIG. 7, the amplification factor if K 1 is 1 / 2E rs becomes 2.
For K 1 = 0.75E rs , the amplification factor is 4, and so on. If K 1 is greater than or equal to Ers , then
The amplification becomes infinite and a runaway condition occurs. But Ers
Since it gradually increases with increasing lung volume, the runaway condition caused by a gain factor that happens to be greater than E rs, which is close to functional residual capacity, will soon cease as lung volume increases and E rs increases.

【0031】図7の例は本発明に伴う原理を説明するた
めに極めて単純化されたものである。例えば、抵抗は0
にはならず、Pmus の一部は(患者プラス装置)システ
ムの抵抗要素に対して費やされる。しかし、Pmusの抵
抗成分、すなわちPmus (res)についても同様に分
析及び考慮することができる。任意の時点において、流
量関連圧勾配を相殺するのに使用される全体の圧力は
F.Rで与えられ、ここでRは人工呼吸器から胸壁への
空気流の総抵抗であり装置の抵抗も含まれる。この圧力
は一部は人工呼吸器(F.K2 )によりまた一部はP
mus の抵抗分(Pmu s (res))により提供される。
弾性抵抗に対するのと同様な分析により、Pmus の抵抗
成分(F(res))の増幅は次の関係に従って、総抵
抗(R)に対する人工呼吸器の流量利得(K2 )の関数
となる。すなわち、F(res)=R/[R−K2 ].
吸息中に容量は漸増するが、流量は早期にピークに達し
吸息後期には低減するため、Pmus の弾性及び抵抗成分
間の配分は吸息時間と共に著しく変動する。Pmus (r
es)は吸息所期においてPmus の大部分に寄与し、こ
の部分は吸息終期にはほぼ0まで低下する。瞬間的流量
すなわちPmus (res)と瞬間的努力すなわち総P
mus 間の相関は極めて低く、事実吸息後期には負とな
る。従って、流量のみに関連する支援は努力が小さい吸
息初期においては努力を増幅し、努力が最大となる吸息
後期には筋肉を本質的に無支援のままとする。同様に、
mus (el)は吸息の異なる時間に総Pmus の異なる
部分を構成するため、容器は努力と完全には相関しない
が、吸息中はPmus も容量も共に増大するため、相関は
流量の場合よりも良くなる。しかしながら、容量のみに
比例する支援ではPmus の増幅は主として吸息後期に行
われ、吸息早期には本質的に支援されないままとされ
る。この場合、吸息早期における努力と換気成果の関係
は正常であって支援を要しないため、抵抗が正常であれ
ば特に不利なことはない。しかし、少なくとも気管内抵
抗及び装置の抵抗によりRはあらゆる人工呼吸患者と対
して異常であるため、吸息早期においてPmus の増幅に
失敗すると患者は負荷を感じ呼吸困難へとつながる。吸
気道抵抗の増大は重症閉塞の場合でもあまり大きくなく
主要負荷は主として動的過剰拡張により示される弾性で
あるため、患者自身の抵抗も高くなる。
The example of FIG. 7 is highly simplified to illustrate the principles associated with the present invention. For example, the resistance is 0
However, a portion of P mus is spent on the resistive element of the (patient plus device) system. However, it is possible to similarly analyzed and taken into consideration also the resistance component of P mus, i.e. P mus (res). At any given time, the total pressure used to offset the flow-related pressure gradient is F.S. It is given by R, where R is the total resistance of the airflow from the ventilator to the chest wall and also includes the resistance of the device. This pressure is partly due to the ventilator (FK 2 ) and partly to P
It is provided by the resistance component of mus (P mu s (res)).
By the same analysis as for elastic resistance, the amplification of the resistance component of P mus (F (res)) is a function of the ventilator's flow gain (K 2 ) with respect to total resistance (R) according to the following relationship: That is, F (res) = R / [R−K 2 ].
Capacity during inhalation is gradually increased, but the flow rate is to reduce the inspiratory late peaked early distribution between the elastic and resistive components of P mus significantly vary with inspiration time. P mus (r
es) contributes to the majority of P mus in the inspiratory phase, which falls to almost zero at the end of inspiration. Instantaneous flow or P mus (res) and instantaneous effort or total P
The correlation between mus is extremely low, and in fact becomes negative in the latter part of inspiration. Thus, support related only to flow amplifies the effort during the early inspiration periods when less effort is exerted and leaves the muscle essentially unassisted during the late inspiration periods when maximum effort is exerted. Similarly,
Since P mus (el) constitutes different parts of the total P mus at different times of inspiration, the container is not completely correlated with effort, but during inspiration both P mus and volume increase, so the correlation is Better than with flow. However, with volume-only support, P mus amplification occurs predominantly in late inspiration and remains essentially unsupported during early inspiration. In this case, since the relationship between the effort in the early inspiration and the ventilation result is normal and support is not required, there is no particular disadvantage if the resistance is normal. However, since R is abnormal for all artificial respiration patients due to at least endotracheal resistance and device resistance, failure to amplify P mus during early inspiration causes the patient to feel stress and lead to dyspnea. The increase in inspiratory resistance is not so great even in severe obstruction, and the patient's own resistance is also high because the main load is mainly the elasticity exhibited by dynamic overdilation.

【0032】流量もしくは容量のみに比例する支援を行
うことに関して考慮すべきもう一つのことは、Pmus
一要素、すなわちPmus (el)もしくはPmus (re
s)を増幅すると他方の支援されない要素への寄与が不
可避的に増大することである。従って、流量比例支援で
は最初に流量を増大させる。肺気量、従ってPmus の弾
性成分は高速で上昇する。その結果、Pmus (res)
の寄与に従って支援は結果的に続いて低下する。この検
討から、努力とその換気成果間の関係を正常化するに
は、(3)式に従って流量及び容量を共に支援しなけれ
ばならないことになる。このようにして、Pmus は弾性
及び抵抗成分間でどのように配分されようとも増幅され
る。図7の例は、コントロールがシーケンシャルに行わ
れるものと解釈してはならない。アナログコントロール
回路も同様に機能する。アナログ、デジタルいずれの場
合にも、圧力発生器へのコマンド信号は、流量及び容量
の変化の前ではなくその後に続いて変化し、人工呼吸器
は患者に対して役立つものとなる。圧力が流量制御によ
ってのみ変えられるガス駆動の人工呼吸器とは逆に、コ
マンド信号と出力圧間の関係があり直接的であるため、
PAVにとって、モータ駆動ベローズは好ましい基本設
計でなる。流量とシステム圧間の関係は極端に複雑であ
る。微妙なサーボコントロールが重要であり、厳しい濾
波を行わない限りこれによってPAV方法において振動
を起し易くなり前記したように応答が著しく低下する。
The flow rate or volume only Another consideration with respect to providing support in proportion to the one element of P mus, i.e. P mus (el) or P mus (re
Amplifying s) will inevitably increase the contribution to the other unsupported element. Therefore, the flow rate proportional support first increases the flow rate. The lung volume, and thus the elastic component of P mus , rises rapidly. As a result, P mus (res)
As a result, the support subsequently declines. From this examination, it is necessary to support both the flow rate and the volume according to the equation (3) in order to normalize the relationship between the effort and the ventilation result. In this way, P mus is amplified no matter how it is distributed between the elastic and resistive components. The example of FIG. 7 should not be construed as the control being performed sequentially. The analog control circuit functions similarly. Whether analog or digital, the command signal to the pressure generator changes following, but not after, changes in flow and volume, making the ventilator useful to the patient. Contrary to a gas driven ventilator where the pressure is changed only by flow control, there is a direct and direct relationship between the command signal and the output pressure,
For PAVs, motor driven bellows are the preferred basic design. The relationship between flow rate and system pressure is extremely complex. Subtle servo control is important, and unless severe filtering is done, it is prone to oscillations in the PAV method and significantly reduces the response as described above.

【0033】モータ駆動ベローズを使用する図8の実施
例は、換気に必要な範囲内でモータに加わる電力とベロ
ーズ内圧力間の関係が線型である場合に適している。こ
れはピストンもしくはベローズの運動中に慣性及び抵抗
損失を最小限とする機械的設計を行い、ピストンもしく
はベローズの臨床学的に有用な全容量範囲にわたってモ
ータが線形範囲(すなわち、電力供給と出力が一定関係
にある)で作動するよう保証することにより達成され
る。このような機械的設計を行えば圧力フィードバック
及びエラー信号を使用してモータをコントロールする必
要がなくなる。前記したように、PAV方法に圧力フィ
ードバックを使用すると装置が不安定となる(所望圧自
体は一定の基準や関数ではなく変わり易くシステムの影
響を受けるためである)。従って、コマンド信号から圧
力フィードバックを除けば、より安定なシステムとな
る。装置の応答が良くなるので濾波は最小限にできる。
このような装置の動作は本質的にエラーレスである。
The embodiment of FIG. 8 using a motor driven bellows is suitable when the relationship between the power applied to the motor and the pressure within the bellows is linear within the range required for ventilation. It has a mechanical design that minimizes inertial and resistive losses during piston or bellows movements, ensuring that the motor has a linear range (i.e. power and output power) over the entire clinically useful range of piston or bellows capacity. This is achieved by ensuring that they operate in a fixed relationship). This mechanical design eliminates the need to control the motor using pressure feedback and error signals. As mentioned above, the use of pressure feedback in the PAV method results in device instability (because the desired pressure itself is variable rather than a constant criterion or function and is subject to system influence). Therefore, if the pressure feedback is removed from the command signal, the system becomes more stable. Filtering can be minimized as the device is more responsive.
The operation of such a device is error-free in nature.

【0034】図8に本発明(PAV)を実施するのに現
在最善のモードを示す。低慣性、低抵抗ローリングシー
ルピストン201がチェンバ202内を自由に移動す
る。チェンバ202は呼気相中に適切な開口圧値を有す
る逆止弁203を介してガスを受容し、吸気中はガスは
もう1個の逆止弁204を介してチェンバ202から患
者208へ移動する。ピストン201はリニア駆動モー
タ205のコイルに接続され、それ自体が固定磁石20
6内を自由に移動する。コイル205はケーブル207
を介してコイル205に加わる駆動電位の大きさに比例
してピストン201を押引する。明らかに、患者が発生
する圧力勾配の下で患者への自由なガス流が流れるとい
う条件を満せば、任意他種のベローズとモータの組合せ
も適切である。この条件は従来技術のベローズとモータ
の組合せに固有の機械的特性(すなわち、低慣性、低抵
抗)もしくはベローズ位置の適切なサーボ制御により満
される。チェンバ202から患者208へのガス流量は
吸気管210に載置された流量計209により測定され
る。または、ガス流量は、ピストンの運動速度を監視す
る速度トランスジューサ(不図示)を使用して測定する
ことができる。ピストン(201)の位置もポテンシオ
メータ211もしくは他の適切な装置を使用して監視さ
れる。
FIG. 8 shows the currently best mode for implementing the invention (PAV). A low inertia, low resistance rolling seal piston 201 is free to move within chamber 202. The chamber 202 receives gas during the exhalation phase via a check valve 203 having an appropriate opening pressure value, and during inspiration gas travels from the chamber 202 to the patient 208 via another check valve 204. .. The piston 201 is connected to the coil of the linear drive motor 205, and is itself fixed magnet 20.
Move freely within 6. Coil 205 is cable 207
The piston 201 is pushed and pulled in proportion to the magnitude of the driving potential applied to the coil 205 via the. Obviously, any other type of bellows and motor combination is also suitable, provided that the free gas flow to the patient flows under the pressure gradient generated by the patient. This condition is met by the mechanical properties (ie, low inertia, low resistance) inherent in prior art bellows and motor combinations or proper servo control of the bellows position. The gas flow rate from the chamber 202 to the patient 208 is measured by the flow meter 209 mounted on the intake pipe 210. Alternatively, the gas flow rate can be measured using a velocity transducer (not shown) that monitors the velocity of movement of the piston. The position of piston (201) is also monitored using potentiometer 211 or other suitable device.

【0035】流量信号は外部可調整利得制御器212に
より調整される。これは(3)式のK2 に等しい。増幅
は患者そして/または外部管路の圧力−流量関係の非線
形挙動を考慮して一定もしくは可変とすることができ
る。流量信号は積分器213を介して積分されて瞬間吸
気量214に相当する信号を生じる。後者も外部可調整
利得制御器215により調整される。これは(3)式の
1 と同等であり利得は呼吸系の非線形弾性特性を考慮
して一定もしくは可変とすることができる。流量及び容
量信号216,217は加算増幅器218を使用して加
算されて合成出力信号を発生する。加算増幅器は装置を
非比例支援モードで作動させるため他の入力219を受
信することもできる。吸息相及び呼気相の後期中に、ス
イッチ機構220が加算増幅器218の出力をモータ2
05へ送る。呼気早期中に、このスイッチ220は一定
の負電圧221を送ってピストン210をポテンシオメ
ータ信号211が判断するプリセット位置へ戻す。いず
れの場合にも、コマンド信号222は最初に電力増幅器
及び電源224を使用して適切に増幅される。呼気管2
25及び呼気弁226により呼気相中に患者から大気へ
のガス流が保証される。市販されているさまざまな呼気
弁のいずれでも使用することができる。呼気弁226は
その弁制御機構228により開閉される。
The flow signal is adjusted by an external adjustable gain controller 212. This is equal to K 2 in equation (3). The amplification can be constant or variable, taking into account the non-linear behavior of the pressure-flow relationship of the patient and / or the external conduit. The flow rate signal is integrated via integrator 213 to produce a signal corresponding to the instantaneous inspiratory volume 214. The latter is also adjusted by the external adjustable gain controller 215. This is equivalent to K 1 in equation (3), and the gain can be made constant or variable in consideration of the nonlinear elastic characteristic of the respiratory system. The flow and capacity signals 216 and 217 are summed using summing amplifier 218 to produce a combined output signal. The summing amplifier may also receive another input 219 to operate the device in a non-proportional support mode. During the latter part of the inspiratory phase and expiratory phase, the switch mechanism 220 outputs the output of the summing amplifier 218 to the motor 2.
Send to 05. During early exhalation, this switch 220 sends a constant negative voltage 221 to return the piston 210 to a preset position as determined by potentiometer signal 211. In either case, the command signal 222 is first properly amplified using the power amplifier and power supply 224. Exhalation tube 2
25 and the exhalation valve 226 ensure the gas flow from the patient to the atmosphere during the exhalation phase. Any of the various exhalation valves commercially available can be used. The exhalation valve 226 is opened and closed by its valve control mechanism 228.

【0036】差圧トランスジューサ227が吸気ライン
210へ流れを向ける逆止弁204の上流及び下流点間
の圧力勾配を測定する。下流点はなるべく患者に近くし
てトランスジューサ227の流量感度を高め、上流点は
便宜上チェンバ202に定めることができる。吸息相は
上流圧が患者近くの点における圧力よりも高い任意の時
間として定義することができる。呼気相は弁204の患
者側圧がチェンバ202内よりも高い時である。差圧ト
ランスジューサ227の出力は呼気弁制御機構228及
びモータドライブ205のスイッチング機構220へ通
される。トランスジューサ227の出力により決められ
る吸息から呼気への遷移時に、積分器213がリセット
されて容量信号214を0へ戻し、次サイクルの準備を
行う。加算増幅器218への他の入力219はさまざま
な機能のいずれかを含むことができる。好ましい2つの
機能は、所望により連続正気道圧(CPAP)を与える
定電圧、及び吸気管抵抗の効果を打消すように設計され
た入力である。後者の場合、差圧トランスジューサ22
7の出力は適切な増幅及び整流(チェンバから患者のみ
への正勾配)の後で加算増幅器218へ通される。この
ようにして、ピストンはチェンバと患者間の圧力勾配に
等しい正の圧力成分を発生し、あらゆる流量において管
の抵抗効果が本質的に解消される。
A differential pressure transducer 227 measures the pressure gradient between the upstream and downstream points of the check valve 204, which directs flow into the intake line 210. The downstream point may be as close as possible to the patient to increase the flow sensitivity of the transducer 227 and the upstream point may be conveniently located in the chamber 202. The inspiratory phase can be defined as any time when the upstream pressure is higher than the pressure at a point near the patient. The expiratory phase is when the patient side pressure of valve 204 is higher than in chamber 202. The output of the differential pressure transducer 227 is passed to the exhalation-valve control mechanism 228 and the switching mechanism 220 of the motor drive 205. At the transition from inspiration to expiration determined by the output of transducer 227, integrator 213 is reset to return capacitive signal 214 to 0 and prepare for the next cycle. The other input 219 to the summing amplifier 218 can include any of a variety of functions. Two preferred functions are a constant voltage, which optionally provides continuous positive airway pressure (CPAP), and an input designed to counteract the effects of inspiratory resistance. In the latter case, the differential pressure transducer 22
The output of 7 is passed to summing amplifier 218 after proper amplification and rectification (positive slope from chamber to patient only). In this way, the piston produces a positive pressure component equal to the pressure gradient between the chamber and the patient, essentially eliminating the tube resistance effect at all flow rates.

【0037】他の入力219は、例えば、無呼吸の場合
に換気を保証する繰り返し勾配もしくは方形波電圧対時
間関数等のバックアップ関数を含む。または、これら他
の入力を用いて、製造者はPAVを行う機械に多種の従
来の換気法を付加して、例えば気道圧緩和換気(APR
D)もしくは同期間欠強制換気(SIMV)もしくは圧
力支援(PS)等の、これらの付加方法をPADと一緒
もしくは選択的に使用できるようにすることができる。
呼気相開始時に、ピストン201は負電圧221の影響
で引っ込み、所定値に達するまで逆止弁203を介して
所望組成の新鮮ガスを得る。次に、スイッチング機構2
20が負電圧を切り離し加算増幅器218の出力をモー
タ205へ通す。この点において、調整された流量信号
216は0であり積分器213のリセットにより調整さ
れた容量信号217も0である。唯一の駆動は他の入力
219による。この他の入力219を介して定電圧が加
わると、モータ205はピストン201を一定レベルへ
加圧して次の吸息の準備を行う。一定圧力レベルは代表
的に所望の正の端呼気圧(PEEP)のすぐ下のレベル
に設定され、それは呼気弁制御器もしくは他の適切なP
EEP装置により定まる。このようにして、気道圧がP
EEPレベルよりも低くなるとすぐにチェンバから患者
への流れが生じる。流れが開始すると、加算増幅器の出
力は調整された流量216及び容量217信号及び、存
在する場合の、他の入力219を介した定電圧の和に従
って変化する。これにより、チェンバ202内の圧力が
高まる。前記したように、流量212及び容量215の
利得率が抵抗及び患者のエラスタンス値よりも低い限
り、チェンバ圧だけでは弾性反動及び抵抗圧損失を完全
に支援するのに不充分であり、従って患者が全圧に寄与
し、流量及び容量は患者の努力に応答し続ける。患者が
自分の呼吸努力を終止すると、呼吸系の弾性反動を維持
するのに不充分な圧力となる。気道圧はチェンバ圧を越
え、それは差圧トランスジューサ227を介して呼気弁
226を開き、積分器223従ってチェンバ圧損失をリ
セットしサイクルが繰り返される。要約すれば、本発明
により、患者の進行中の吸息努力に比例して患者へ空気
を給送できる新規の人工呼吸装置及び人工呼吸方法(比
例支援人工呼吸,PAV)が提供される。発明の範囲内
での修正が可能である。
Other inputs 219 include a back-up function such as, for example, a repetitive slope or square wave voltage versus time function that ensures ventilation in the case of apnea. Alternatively, using these other inputs, the manufacturer may add various conventional ventilation methods to the machine performing the PAV, such as airway pressure relief ventilation (APR).
These additional methods, such as D) or Synchronous Intermittent Active Ventilation (SIMV) or Pressure Assistance (PS) can be made available for use with or selectively with PAD.
At the start of the expiratory phase, the piston 201 retracts under the influence of the negative voltage 221 and obtains fresh gas of the desired composition via the check valve 203 until it reaches a predetermined value. Next, the switching mechanism 2
20 disconnects the negative voltage and passes the output of summing amplifier 218 to motor 205. At this point, the adjusted flow signal 216 is zero and the capacitive signal 217 adjusted by resetting the integrator 213 is also zero. The only drive is from the other input 219. When a constant voltage is applied via the other input 219, the motor 205 pressurizes the piston 201 to a constant level to prepare for the next inspiration. The constant pressure level is typically set to a level just below the desired positive end expiratory pressure (PEEP), which is an exhalation valve controller or other suitable P
Determined by EEP device. In this way, the airway pressure is P
Flow from the chamber to the patient occurs immediately below the EEP level. As the flow begins, the output of the summing amplifier changes according to the regulated flow 216 and capacitance 217 signals and the sum of the constant voltage, if any, through the other input 219. This increases the pressure inside the chamber 202. As mentioned above, as long as the gain factors of flow rate 212 and volume 215 are lower than the resistance and patient elastance values, chamber pressure alone is not sufficient to fully support elastic recoil and resistance pressure loss, and thus patient Contribute to the total pressure and flow and volume continue to respond to patient effort. When the patient terminates his or her respiratory effort, there is insufficient pressure to maintain the elastic recoil of the respiratory system. The airway pressure exceeds the chamber pressure, which opens the expiratory valve 226 via the differential pressure transducer 227, resets the integrator 223 and thus the chamber pressure loss and the cycle repeats. In summary, the present invention provides a new ventilator device and method (Proportional Assisted Ventilation, PAV) that can deliver air to the patient in proportion to the patient's ongoing inspiratory effort. Modifications are possible within the scope of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】患者の努力と呼吸流量及び容量のグラフ図。1 is a graphical representation of patient effort and respiratory flow and volume.

【図2】従来技術の手順に従った容積循環換気(VC
V)のグラフ図。
FIG. 2 Volumetric circulation ventilation (VC) according to prior art procedures.
The graph figure of V).

【図3】もう一つの従来技術の方法に従った、圧力支援
換気(PSV)のグラフ図。
FIG. 3 is a graphical representation of pressure assisted ventilation (PSV) according to another prior art method.

【図4】さらにもう一つの従来技術の方法に従った気道
圧緩和換気(APRV)のグラフ図。
FIG. 4 is a graphical representation of airway pressure relief ventilation (APRV) according to yet another prior art method.

【図5】本発明に従った比例支援換気(PAV)のグラ
フ図。
FIG. 5 is a graphical representation of proportional assisted ventilation (PAV) according to the present invention.

【図6】本発明による比例支援換気(PAV)と従来技
術の方法との比較を示すグラフ図。
FIG. 6 is a graph showing a comparison of proportional assisted ventilation (PAV) according to the present invention and prior art methods.

【図7】比例支援人工呼吸器の構成図及び人工呼吸器の
利得と患者のエラスタンスのグラフ図。
FIG. 7 is a block diagram of a proportional assist ventilator and a graphical representation of ventilator gain and patient elastance.

【図8】本発明のもう一つの実施例に従って比例支援人
工呼吸を行う人工呼吸器の略図。
FIG. 8 is a schematic diagram of a ventilator providing proportional assisted ventilation according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

201 ピストン(ベローズ手段) 202 チェンバ(ガス給送手段) 203,204 逆止弁 205 リニア駆動モータ(圧力発生手段) 206 固定磁石(電気駆動モータ) 207 電気信号(電気コマンド信号) 209 流量計(検出手段) 210 吸気管(管) 211 ポテンシオメータ 212,215 制御器(増幅手段) 213 積分器(電気回路手段) 214 瞬間吸気量 216 流量信号 217 容量信号 218 加算増幅器(加算手段) 220 スイッチ機構 221 負電圧 222 コマンド信号 223 電力増幅器 227 差圧トランスジューサ 228 呼気弁制御機構 201 piston (bellows means) 202 chamber (gas feeding means) 203, 204 check valve 205 linear drive motor (pressure generation means) 206 fixed magnet (electric drive motor) 207 electric signal (electric command signal) 209 flow meter (detection) 210) Intake pipe (tube) 211 Potentiometer 212, 215 Controller (amplifying means) 213 Integrator (electric circuit means) 214 Instantaneous intake amount 216 Flow rate signal 217 Capacity signal 218 Summing amplifier (adding means) 220 Switch mechanism 221 Negative Voltage 222 Command signal 223 Power amplifier 227 Differential pressure transducer 228 Exhalation valve control mechanism

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 患者の吸息努力に比例して呼吸支援を行
う比例支援式人工呼吸方法であって、患者の吸息努力に
より発生された圧力勾配に応答してガス給送システムか
ら患者へ自由ガス流を供給する工程と、前記患者への前
記ガス流の流量及び容量を検出する工程と、検出された
ガス流の流量及び容量に相当する信号を別々に増幅する
工程と、前記検出され増幅されたガス流の流量及び容量
の和に比例して前記ガスに圧力支援を行う工程とからな
ることを特徴とする比例支援式人工呼吸方法。
1. A proportional assist ventilation method for providing breathing assistance in proportion to a patient's inspiratory effort, the gas delivery system to the patient in response to a pressure gradient generated by the patient's inspiratory effort. Providing a free gas stream, detecting the flow rate and volume of the gas stream to the patient, separately amplifying the signals corresponding to the detected flow rate and volume of the gas stream, and A proportionally assisted artificial respiration method comprising the step of pressure-supporting the gas in proportion to the sum of the flow rate and the volume of the amplified gas flow.
【請求項2】 圧力支援が式、Pvent=K2 V+K2
(式中、Pventは圧力支援の大きさ、K1 は連続的に変
化する容量信号Vに適用される利得率、K2は連続的に
変化する流量信号Fに適用される利得率)により決定さ
れる請求項1記載の比例支援式人工呼吸方法。
2. The pressure support is of the formula: P vent = K 2 V + K 2 F
( Where P vent is the magnitude of pressure support, K 1 is the gain factor applied to the continuously varying volume signal V, and K 2 is the gain factor applied to the continuously varying flow signal F). The proportionally assisted ventilation method of claim 1 determined.
【請求項3】 K1 及びK2 の替りに非線形関数が用い
られる、請求項2記載の比例支援式人工呼吸方法。
3. The proportional assist ventilation method of claim 2, wherein a non-linear function is used instead of K 1 and K 2 .
【請求項4】 圧力支援が式、Pvent=A.Pmus (式
中、Pventは圧力支援の大きさ、Aは圧力支援と患者
発生圧間の比例性を決める独立係数、Pmusは式、Pmus
=V.Ers+F.Rrs−Pventにより決まる患者発生
圧の瞬間評価値であり、式中、Vは進行中の可変の容量
信号の大きさ、Fは連続的に変化する流量信号の大き
さ、Ersは患者の呼吸系のエラスタンス、Rrsは患者の
呼吸系に対する抵抗である)により決まる請求項1記載
の比例支援式人工呼吸方法。
4. The pressure support is of the formula: P vent = A. P mus (where P vent is the magnitude of pressure support, A is an independent coefficient that determines the proportionality between pressure support and patient-generated pressure, P mus is an expression, P mus
= V. E rs + F. It is an instantaneous evaluation value of the patient-generated pressure determined by R rs −P vent , where V is the magnitude of the variable capacitance signal in progress, F is the magnitude of the continuously changing flow signal, and E rs is the patient. Respiratory system elastance, R rs is the resistance to the patient's respiratory system).
【請求項5】 ガスの流量及び容量が患者へのガスの流
動を連続的に感知することにより求められ、感知された
ガスの各流量及び容量大きさに対応する電気信号を発生
し、圧力支援を行うために必要な程度に各信号を連続的
に別々に増幅し、これら増幅された信号の各々の和の信
号を求め、前記和の信号を連続的にガス給送システムへ
印加して圧力支援を行う請求項1〜4のいずれか1項に
記載の比例支援式人工呼吸方法。
5. The flow rate and volume of gas is determined by continuously sensing the flow of gas to a patient, generating an electrical signal corresponding to each sensed flow rate and volume of gas to provide pressure support. To continuously amplify each signal separately to the extent necessary to perform, calculate the sum signal of each of these amplified signals, and apply the sum signal continuously to the gas delivery system to generate pressure. The proportional support type artificial respiration method according to any one of claims 1 to 4, which performs support.
【請求項6】 ガスの流動を感知してガス給送システム
を患者へ連結する管を通るガスの流量に対応する電気信
号を発生し、前記電気信号を積分して前記管を通るガス
の流れの容量に対応する電気信号を発生する請求項5記
載の比例支援式人工呼吸方法。
6. The flow of gas is sensed to generate an electrical signal corresponding to the flow rate of the gas through the tube connecting the gas delivery system to the patient, and the electrical signal is integrated to flow the gas through the tube. 6. The proportional assist ventilation method of claim 5, wherein the electrical signal corresponding to the volume of
【請求項7】 ガス給送システムがベローズ手段と、動
作上前記ベローズ手段に接続されモータに印加される和
の信号の大きさに対応する大きさの圧力を発生するモー
タとからなる請求項1〜6のいずれか1項に記載の比例
支援式人工呼吸方法。
7. The gas delivery system comprises bellows means and a motor operatively connected to the bellows means for producing a pressure of a magnitude corresponding to the magnitude of the sum signal applied to the motor. 7. The proportional support artificial respiration method according to any one of items 6 to 6.
【請求項8】 ガス給送システムが患者の身体表面に負
圧を加えることにより患者の呼吸を支援するための負圧
を発生する請求項1〜7のいずれか1項に記載の比例支
援式人工呼吸方法。
8. The proportional assist system according to claim 1, wherein the gas delivery system generates a negative pressure for supporting the breathing of the patient by applying a negative pressure to the body surface of the patient. Artificial respiration method.
【請求項9】 圧力、流量及び/または容量対時間の所
定関係を用いる換気支援法と一緒に用いられ、連続正気
道圧(CPAP)、間欠強制換気(IMV)、圧力支援
換気(PSV)、及び気道圧緩和換気(APRV)を含
む請求項1〜8のいずれか1項に記載の比例支援式人工
呼吸方法。
9. Used in conjunction with ventilatory assistance using a predetermined relationship of pressure, flow and / or volume versus time, such as continuous positive airway pressure (CPAP), intermittent mandatory ventilation (IMV), pressure assisted ventilation (PSV), And a proportional assisted artificial respiration method according to any one of claims 1 to 8, which further comprises airway pressure relief ventilation (APRV).
【請求項10】 患者の比例支援換気を行う装置であっ
て、患者の吸息努力に応答して患者へ自由ガス流を給送
するガス給送手段(202)と、動作上前記ガス給送手
段(202)に接続され電気コマンド信号(207)に
応答して前記自由ガス流に圧力を発生する圧力発生手段
(205)と、患者への瞬間ガス容量及び流量を検出
し、前記各検出値の大きさに対応する大きさの別々の電
気信号を発生する検出手段(209)と、前記各電気信
号を選択的に増幅する増幅手段(212,215)と、
前記瞬間流量及び容量の大きさに対応する前記増幅され
た電気信号の和に比例して、前記電気コマンド信号(2
07)を前記圧力発生手段(205)へ発生する加算手
段(218)とからなることを特徴とする比例支援式人
工呼吸装置。
10. A device for proportionally assisted ventilation of a patient, said gas delivery means (202) operatively delivering a free gas flow to the patient in response to the patient's inspiratory effort. A pressure generating means (205) connected to the means (202) for generating a pressure in the free gas flow in response to an electric command signal (207), and detecting the instantaneous gas volume and flow rate to the patient, the detected values Detecting means (209) for generating separate electric signals of a magnitude corresponding to the magnitude of, and amplifying means (212, 215) for selectively amplifying the electric signals.
In proportion to the sum of the amplified electrical signals corresponding to the instantaneous flow rate and volume magnitude, the electrical command signal (2
07) and an addition means (218) for generating the pressure generation means (205) to the pressure generation means (205).
【請求項11】 ガス給送手段(202)がベローズ手
段(201)を具備し、圧力発生手段(205)が動作
上前記ベローズ手段(201)に接続される電気駆動モ
ータ(206)を具備する請求項10記載の比例支援式
人工呼吸装置。
11. Gas feed means (202) comprises bellows means (201) and pressure generating means (205) comprises an electric drive motor (206) operatively connected to said bellows means (201). The proportional support type artificial respiration device according to claim 10.
【請求項12】 ベローズ手段(201)がローリング
シールピストンを具備する請求項11記載の比例支援式
人工呼吸装置。
12. The proportional assist ventilation apparatus of claim 11, wherein the bellows means (201) comprises a rolling seal piston.
【請求項13】 検出手段(209)が、動作上ガス給
送手段(202)を患者に接続する管(210)に接続
され、前記管(210)を通るガス流量を示す電気信号
を発生する検出手段(209)と、容量の検出値として
ガス流量を示す前記電気信号から前記管(210)を通
る流れの容量を示す電気信号を発生する電気回路手段
(213)とを具備する請求項10〜12のいずれか1
項に記載の比例支援式人工呼吸装置。
13. A detection means (209) is operatively connected to a tube (210) connecting the gas delivery means (202) to a patient and produces an electrical signal indicative of the gas flow rate through said tube (210). A detection means (209), and an electric circuit means (213) for generating an electric signal indicating the capacity of the flow through the pipe (210) from the electric signal indicating the gas flow rate as the detected value of the capacity. 1 to 12
A proportional support type artificial respiration device according to the paragraph.
【請求項14】 電気コマンド信号発生手段が容量及び
ガス流量の増幅された電気信号を加算する加算手段(2
18)を具備し、且つ、前記コマンド信号を電気モータ
手段へ印加する手段(223)を有し、和の信号の大き
さに対応して患者の換気支援を行う請求項13記載の比
例支援式人工呼吸装置。
14. An adding means (2) for adding an electric signal whose capacity and gas flow rate are amplified by an electric command signal generating means.
18. The proportional assist system according to claim 13, further comprising: 18), and having means (223) for applying the command signal to the electric motor means, for supporting ventilation of the patient in accordance with the magnitude of the sum signal. Artificial respiration equipment.
【請求項15】 人体表面に負圧を加えることにより換
気支援を行う請求項10〜14のいずれか1項に記載の
比例支援式人工呼吸装置。
15. The proportional support type artificial respiration device according to claim 10, wherein the ventilation support is performed by applying a negative pressure to a human body surface.
【請求項16】 電気コマンド信号を発生する手段を無
視して、連続正気道圧(CPAP)、間欠強制換気(I
MV)、圧力支援換気(PSV)及び気道圧緩和換気
(APRV)を含めてオペレータが予め定める圧力、流
量及び/または容量対時間の関係に対応する、代りのコ
マンド信号を与える電気回路手段を有する請求項10〜
15のいずれか1項に記載の比例支援式人工呼吸装置。
16. Ignoring the means for generating electrical command signals, continuous positive airway pressure (CPAP), intermittent mandatory ventilation (I).
MV), pressure assisted ventilation (PSV) and airway pressure relief ventilation (APRV) including electrical circuit means for providing alternate command signals corresponding to operator predetermined pressure, flow and / or volume versus time relationships. Claim 10
15. The proportional support type artificial respiration device according to any one of 15.
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