JPH07167694A - 流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 携帯可能で周囲の測定環境（温度、湿度、振
動等）に影響されないで、簡単に呼気流量を測定するこ
とのできる医療用の流量計を提供する。 【構成】 測定対象の気流が流れる出口を緩やかに絞っ
てある円筒状管１４と、該管内の前記気流の流れ方向に
垂直に設けられたばね性の圧力弁１５と、該圧力弁の上
流側に配置され、前記気流の圧力を測定し電気的信号を
出力する圧力センサ１６と、該電気的信号を演算処理し
て前記気流の流速を算定する手段１９とが携帯可能なケ
ース２３に収納されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流量計に係り、特に人
体の呼吸器系診断における呼気流量等の測定に好適な医
療用の流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】気管支喘息或いは肺臓等の呼吸気系の病
気の診断に呼気流量を測定する流量計が用いられてい
る。これは、円筒状の導管を口にくわえて、肺より吐き
出した空気の流量を測定するものである。例えば米国特
許（ＵＳＰ）第４０８３２４５号、同第５０３３３１２
号、同第５０３８６２１号等の公報には係る用途の従来
の流量計が開示されている。

【０００３】一般的に係る従来の流量計の構造は、導管
内の呼吸気流を横切って抵抗を作り、抵抗の両側にある
検知ポートを介して抵抗の両側の差圧を検出する。抵抗
は、可変サイズのオリフィスを有する弁体、即ち、導管
内の気流の流れ方向に垂直に設けられたバネ性の圧力弁
によって具現化され、気流によりバネ性の圧力弁が開く
ことにより、気流を層流状態に保ちつつ抵抗を与えてい
る。気流が層流状態であればベルヌーイの定理により抵
抗の両側の圧力差が流量に関係することから差圧を検出
することにより呼気流量を測定することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、係る従
来の流量計は導管内の抵抗の両側の差圧を測定するた
め、例えば液面式の差圧計を用いると、その流量計は静
止した水平の台上に置かなければならず据置型のものと
ならざるを得なかった。このように従来の流量計は、携
帯に不便であり、又、周囲の温度、湿度、振動などの測
定環境に影響され易いという問題点を有していた。

【０００５】ところが、例えば気管支喘息の患者は、一
日３回（朝、昼、夜）決められた時間に、最大呼気流
量、１秒呼気流量等を測定し、日々の変化を見ることに
より病状の変化を観察する必要がある。患者は、病院等
の決められた係る流量計の設置場所に行くか又は流量計
を運び込むかを行わなければ、呼気流量の測定をするこ
とができなかった。

【０００６】本発明は係る従来技術の問題点に鑑み為さ
れたもので、携帯可能で周囲の測定環境（温度、湿度、
振動等）に影響されないで、簡単に呼気流量を測定する
ことのできる医療用の流量計を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の流量計は、測定
対象の気流が流れる出口を緩やかに絞ってある円筒状管
と、該管内の前記気流の流れ方向に垂直に設けられたば
ね性の圧力弁と、該圧力弁の上流側に配置され、前記気
流の圧力を測定し電気的信号を出力する圧力センサとか
らなることを特徴とする。又、該圧力センサ及びその電
気的信号を演算処理して前記気流の流速を算定する手段
とが携帯可能なケースに収納されていることを特徴とす
る。

【０００８】

【作用】出口を緩やかに絞ってある円筒状管に肺から吐
き出した呼気気流を流すと、気流の層流状態を乱すこと
なく円筒状管の上流側の圧力が大気圧に対して高くな
る。そして、円筒状管の気流の流れ方向に垂直に設けら
れたばね性の圧力弁により、特に低流量領域の円筒状管
内の圧力を高くすることができる。従って、円筒状管内
の圧力を半導体センサのような圧力センサで検出し、そ
の電気的出力を演算処理することにより呼気流量を算出
することができる。そして円筒状管、圧力センサ、演算
処理回路等が携帯可能なケースに収納されていることか
ら、小型軽量の患者が片手で把んで使用することのでき
る呼気流量の流量計を実現できる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面を参照し
ながら説明する。

【００１０】図１は、本発明の一実施例の流量計の断面
構造を示し、図２はその外観構造を示す。流量計１０は
測定対象の気流が流れる出口を緩やかに絞ってある樹脂
製の円筒状管１４を備える。即ち、円筒状管１４は入口
１１に対して出口１２が絞り部１３により、緩やかに絞
られている。測定対象の気流の流れる円筒状管１４の太
さは、マウスピースを介して口にくわえるため、人間の
咽喉の太さと同等にすることが好ましく、一様な太さの
入口１１側の内径は２３mm前後に製作されている。

【００１１】円筒状管１４の出口１２は、絞り部１３に
より緩やかに絞られ円筒状管１４の上流側の圧力を上げ
ている。この絞り部１３による圧力の変化は、流速の２
乗に比例するため、流速１２リットル（Ｌ）／分では、
出口円筒管１２の直径のわずかな違いが大きな逆圧力と
して表れる。たとえば、０．２mmの直径の違いでも５０
mmＨ₂ Ｏと大幅な圧力差を生じる。又、円筒状管１４内
に流れる気流が層流状態の時には流量と圧力の間の関係
は直線状態であるが、乱流状態となるとこの関係が崩れ
てくる。このため、絞り部１３は急激に絞るのではな
く、滑らかに緩やかに絞ることが重要である。本実施例
の医療用の流量計では、呼気流量１２Ｌ／分の圧力が１
８０mmＨ₂ Ｏ以下であるという規格値があるため、例え
ば上流側圧力が１５０mmＨ₂ Ｏになるような出口円筒管
１２の直径を採用している。

【００１２】円筒状管１４の絞り部１３の上流側には気
流の流れ方向に対して垂直に設けられたバネ性の圧力弁
１５を備える。圧力弁１５の構造の詳細を図３に示す。
圧力板の構造は、中心部に開口部（穴）２を設け、該開
口部２から放射状のスリット３を多数設けている。圧力
弁１５の材料は、薄い金属板（例えば燐青銅の板厚２０
μｍ〜３０μｍ）或いは高分子材料によるフィルム（例
えばポリエステルフィルムの厚さ２０μｍ〜５０μｍ）
等が適当である。この材料は、バネ性があり繰り返しの
機械的曲げに対して劣化しないことが必要である。

【００１３】本実施例の圧力弁で良好な結果を得たもの
の構造は次の通りである。即ち、厚さ約４０μｍのポリ
エステルフィルムを用いて、直径２３ｍｍの円形の中央
に直径４〜６ｍｍの穴２を明ける。該穴２の円周から放
射状に幅０．２ｍｍ、長さ７．５ｍｍのスリット３を２
４本を正確に切り込む。この圧力弁１５は、図示しない
プラスチックモールドリングにより円筒状管１４の内面
に固定される。

【００１４】圧力弁１５を設けることにより低流量領域
における気流の圧力を大幅に増大させることができる。
図４は圧力板有りの場合と圧力板無しの場合の比較の一
例である。圧力板ありの場合は、図示するように１Ｌ／
分程度の呼気流量測定上特に重要な低流量領域におい
て、逆圧力を格段に増大させることができる。圧力板の
中央部の開口部２の穴径が小さいほど低流量での出力ア
ップにつながり、高流量では余り変化しない。しかしな
がら、開口部２の穴径が小さいと、材料が薄いため分割
した板片同士が絡み誤差の原因となる。更に加工上難し
い等の問題があり穴径４φmm以上が適当な範囲である。
このように、圧力板の材質、中央部の開口部穴径、スリ
ット数、厚み等を適切に選定することにより、流量と圧
力との関係、特に低流量領域で逆圧力を持ち上げること
ができる。

【００１５】圧力弁１５の上流側には円筒状管１４の気
流の圧力を測定し電気的信号を出力する半導体圧力セン
サ１６が取り付けられている。半導体圧力センサ１６
は、圧力をシリコンダイアフラムで受け、シリコンダイ
アフラム上にブリッジ配線された抵抗素子に歪変化を与
え、圧力に比例した電気的出力を取出している。

【００１６】圧力センサ１６の信号は増幅器１７で増幅
され、Ａ／Ｄ変換器１８でデジタル信号に変換され、Ｃ
ＰＵ１９で演算処理される。演算処理された結果は表示
装置２２に表示され、又メモリ２１に記録される。入出
力装置２２は、この流量計１０を操作するためのボタン
等である。又、メモリ２１に記録された患者の呼気流量
のデータは入出力装置２２からケーブル等を介して外部
のコンピュータと接続され、外部のコンピュータにデー
タを移すことができるようになっている。又、図示しな
いがケース２３内には電池が搭載されており、各種電子
回路の電源となっている。

【００１７】円筒状管の絞り部１３と圧力弁１５の作用
により大きな逆圧力が得られ、半導体圧力センサ１６に
は大きな出力が得られる。特に増幅器１７の雑音レベル
に近い低流量領域での測定精度を向上させることができ
る。半導体圧力センサ１６の出力は、図４に示す曲線と
なるので、ＣＰＵ１９で圧力値から流量を算定する演算
処理を行うことにより呼気流量を求め、表示装置２０に
表示させることができる。

【００１８】図５は、円筒状管の絞り部の効果と圧力弁
の効果との関係を示す。なお、本図においては流量及び
圧力は等間隔に目盛られている。 （Ａ）に示すように、出口を緩やかに絞ってある円筒状
管の場合には、呼気気流を流した場合の圧力と流量の関
係は、低流量領域において圧力が低く高流量領域におい
て圧力が急増する下向きに凸状の関係にある。 （Ｂ）に示すように、圧力弁を備えたストレートの円筒
状管の場合には、呼気気流を流した場合の圧力と流量の
関係は低流量領域において圧力が急増し、その後飽和す
る上向きに凸状の関係にある。 （Ｃ）は、出口を緩やかに絞った円筒状管（Ａ）に圧力
弁（Ｂ）を設けた流量計の場合を示す。絞り部を有する
円筒状管の特性（Ａ）と弁を備えたストレートの円筒状
管の特性（Ｂ）とを合成し、両者の凸状の曲線が互いに
相殺されるような関係に設定する。係る設定により、呼
気流量を測定する流量計としては極めて都合のよい低流
量領域から高流量領域の間の図示するような圧力と流量
の等間隔目盛りにおける直線的な関係が得られる。

【００１９】このように絞り部１３及び圧力弁１５を有
する円筒状管１４の構成により、圧力弁の上流側に圧力
センサ１６を１個配置することにより、０．５Ｌ／分〜
１２Ｌ／分の呼気流量を精度よく検出することができ
る。従って、装置の機構部分が簡単になり、又、圧力セ
ンサ１６は円筒状管１４から着脱自在となっているの
で、円筒状管１４の取り外し、洗浄を可能にしている。
これは円筒状管１４の入口１１を口にくわえ息を吐き出
すため、円筒状管１４の内側はつばき、痰等で汚れやす
く、洗浄により清浄化することができる。

【００２０】本実施例の流量計１０は、図２に示すよう
に小型軽量であり、患者が片手で把むことができる。こ
の流量計１０の使用に当たっては、患者はマウスピース
を介して入口１１から出口１２に呼気を一気に吹き込
む。吹き込まれた呼気は円筒状管１４の上流側でその圧
力が検出され中央の液晶表示装置２０に最大呼気流量及
び１秒呼気流量等のデータが表示されメモリ２１に記憶
される。下部のスイッチ群は、電源、項目の選択、調整
等の各種スイッチを含んでいる。右側の波型の外形線は
患者の手がなじむようにデザインされている。患者は、
朝昼晩の決められた時間に呼気流量の測定を行いメモリ
２１に経過を蓄えることができる。メモリに蓄えられた
データは病院に設置された既存の汎用コンピュータに転
送してデータの解析を行い、気管支喘息の治療等に有効
なデータを医師に提供することもできる。

【００２１】なお、本実施例においては圧力センサとし
て半導体圧力センサを用いた例について説明したが、電
気的出力が得られるその他の形式の圧力センサを用いて
も差し支えない。又、圧力板の形状も各種の変形例が考
えられる。更に、出口を緩やかに絞った円筒状管とバネ
性の圧力弁と圧力センサとからなる上述の流量センサの
構造は、必ずしも携帯形の流量計に限らず、据置形の流
量計にも勿論利用可能である。このように、本発明の趣
旨を逸脱することなく各種の変形実施例が可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の流量計
によれば、気管支喘息等の患者が病院等に行かなくとも
自宅で手軽に呼気流量等の測定を行うことが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の流量計の断面説明図。

【図２】本発明の一実施例の流量計の外観構造図。

【図３】本発明の一実施例の圧力板の形状を示す（Ａ）
平面図，（Ｂ）側面図。

【図４】圧力板の有無についての流量と圧力の関係を示
すグラフ。

【図５】絞り部と圧力弁との圧力／流量特性の関係を示
す説明図であり、（Ａ）は絞り部による特性を示し、
（Ｂ）は圧力弁による特性を示し、（Ｃ）は絞り部と圧
力弁との合成された特性を示す。

【符号の説明】

１３ 絞り部 １４ 円筒状管 １５ 圧力弁 １６ 圧力センサ １９ ＣＰＵ ２３ ケース

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象の気流が流れる出口を緩やかに
   絞ってある円筒状管と、該管内の前記気流の流れ方向に
   垂直に設けられたばね性の圧力弁と、該圧力弁の上流側
   に配置され、前記気流の圧力を測定し電気的信号を出力
   する圧力センサとからなることを特徴とする流量計。
2. 【請求項２】 前記圧力弁は、前記円筒状管内の中央部
   に開口部と、該開口部から放射状に切り込まれた多数の
   スリットとを有することを特徴とする請求項１記載の流
   量計。
3. 【請求項３】 測定対象の気流が流れる出口を緩やかに
   絞ってある円筒状管と、該管内の前記気流の流れ方向に
   垂直に設けられたばね性の圧力弁と、該圧力弁の上流側
   に配置され、前記気流の圧力を測定し電気的信号を出力
   する圧力センサと、該電気的信号を演算処理して前記気
   流の流速を算定する手段とが携帯可能なケースに収納さ
   れていることを特徴とする流量計。