JPH08229148A

JPH08229148A - 呼吸モニタリング装置

Info

Publication number: JPH08229148A
Application number: JP7042202A
Authority: JP
Inventors: Mineo Okamoto; 峰雄岡本; Takanori Takayanagi; 隆則高柳; Yoshikazu Shirane; 義和白根
Original assignee: Japan Marine Sci & Technol Cen; Japan Atomic Energy Research Institute; Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Current assignee: Japan Marine Sci & Technol Cen; Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1995-03-01
Filing date: 1995-03-01
Publication date: 1996-09-10

Abstract

(57)【要約】【目的】特殊圧力環境下における人体の作業管理技術
や呼吸器の開発、運動学的、生理学的な調査・研究など
に寄与することができる呼吸モニタリング装置を提供す
る。【構成】呼吸器２に環境圧より高い正の差圧を有する
呼吸ガスが導入された耐圧性の吸気供給器５が接続さ
れ、これに差圧式流量計４と差圧センサ１４とが設けら
れ、また呼吸器２に呼気排出器７が接続され、これに差
圧式流量計６が設けられ、かつガスモニタＧＭが接続さ
れ、更に呼吸器２内の呼吸抵抗を測定する差圧センサ２
０が設けられ、これによって経時的な吸気換気量変化、
呼気換気量変化、酸素消費量変化、二酸化炭素排出量変
化、呼吸数変化および呼吸仕事量を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高圧または低圧など環
境圧力が変化したとき、この環境圧力がヒトの呼吸負荷
にもたらす影響を、静的または動的条件で呼吸流量や呼
吸抵抗などを測定することによって運動学的、生理学的
見地から解析し、また特殊な圧力環境下で作業するヒト
の生体情報をリアルタイムに監視することで作業内容に
よる負荷の状況を知り、安全性の確保や人工呼吸器の評
価などに資する情報を得るために用いる呼吸モニタリン
グ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば潜水作業に用いる潜水呼吸器は、
特に大深度用となるに従い、換気量、呼吸抵抗、大き
さ、重量、操作性などの面でダイバーに大きな負担がか
かる。飽和潜水または大深度の短時間潜水で水中のダイ
バーが疲労する原因は、この潜水呼吸器の性能に起因す
る場合が多い。従って、ダイバーにとって、より呼吸し
易く操作性のよい潜水呼吸器の開発が常に望まれてい
る。このためには潜水作業など現場状況の下で潜水呼吸
器による負荷を無人・有人状態で正確に計測し、解析ま
たは制御のための有用な情報を提供し得る呼吸モニタリ
ング装置が求められる。このような呼吸負荷に関するモ
ニタリング装置は、潜水呼吸器ばかりでなく、広く運動
や環境と呼吸との関係を調査解析する場合にも必要とな
るものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、潜水作業など
の現場状況では、環境圧力、呼吸ガス送気圧、呼吸抵抗
（呼吸に伴い鼻口部に発生する差圧）の３要素が複雑に
作用し合って、直接に高精度の呼吸流量を測定すること
がきわめて困難である。そこで従来はやむを得ず、潜水
時の環境圧を大気圧に減圧した上で呼吸流量などの測定
を行っていた。潜水時に限らず、一般に人工呼吸器を用
いる際の呼吸流量などの測定は大気圧の環境下に行われ
ていて、特殊環境下にあるヒトの呼吸に関する情報を直
接、リアルタイムで計測することはできなかった。

【０００４】ドライまたはウエットの高圧または低圧環
境などの特殊環境下で、呼吸流量などの呼吸情報をリア
ルタイムに計測しようとすれば、呼吸ガス流通系のガス
流量や環境圧との差圧などのデータが、安静時はいうま
でもなく運動時にもその運動を妨げずに、環境条件下で
直接に測定できる機器の開発が必要になる。潜水の例を
挙げれば、環境圧力はほぼ潜水深度（ｍ）×０．１ｋｇ
ｆ／ｃｍ²Ｇ（ゲージ圧）であるから、１５０ｍの水深
においては約１５ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇの高圧環境となる。
そこで、例えばダイバー用の人工呼吸器などの開発に際
しても、このような環境下で作業するダイバーの呼吸情
報をシミュレーションによりリアルタイムで得ることが
できる呼吸モニタリング装置の開発が強く望まれてい
た。

【０００５】本発明は上記の問題を解決するためになさ
れたものであり、従ってその目的は、環境圧力下のヒト
の呼吸状態を監視し、また、呼吸情報の計測後に詳細な
データ解析を行うことで、環境条件と作業内容がヒトに
与える影響を調べ、また対象となる呼吸器などの実用性
評価をシミュレーションにより行うことができる呼吸モ
ニタリング装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、被検者が
着用する呼吸器に、被検者の吸引時にのみ呼吸ガスを呼
吸器に供給する差圧調整弁を介して、環境圧より正の差
圧を有する呼吸ガスが導入された耐圧性の吸気供給器が
接続され、この吸気供給器に吸気流量計測手段と吸気差
圧計測手段とが設けられた呼吸モニタリング装置を提供
することによって解決できる。この吸気流量計測手段は
差圧式流量計であることが好ましい。

【０００７】上記の呼吸モニタリング装置は、呼吸器の
排気系に呼気排出器が接続され、この呼気排出器に排気
流量計測手段が設けられていることが好ましい。この排
気流量計測手段は差圧式流量計であることが好ましい。
この呼気排出器には呼気中の酸素濃度および二酸化炭素
濃度を計測する手段が接続されていることが好ましい。

【０００８】上記の呼吸器には呼吸抵抗を計測する手段
が接続されていることが好ましい。上記の呼吸モニタリ
ング装置は、被検者の心拍数計測手段および体表温度計
測手段を備えていることが好ましい。本発明はまた、上
記の呼吸モニタリング装置を用い、経時的な吸気換気量
変化、呼気換気量変化、酸素消費量変化、二酸化炭素排
出量変化、呼吸数変化および呼吸仕事量を計測演算処理
して表示する手段を有する呼吸モニタリング装置を提供
する。

【０００９】

【作用】吸気供給器に吸気流量計測手段と吸気差圧計測
手段とが設けられて、この吸気供給器が呼吸器に接続さ
れているので、環境圧力下でリアルタイムに吸気換気量
変化を計測することができる。呼気排出器に排気流量計
測手段が設けられていれば呼気換気量変化も計測でき
る。吸気流量計測手段と排気流量計測手段が差圧式流量
計であれば、計測に際して流通抵抗がないので差圧調整
弁や呼吸器の固有の抵抗値の測定を妨げない。呼吸抵抗
計測手段が設けられていれば、この呼吸抵抗値と吸気ま
たは呼気流量値とからそれぞれ吸気仕事量、呼気仕事量
を求めることができる。

【００１０】

【実施例】次に実施例によって本発明をさらに詳しく説
明する。図１は、呼吸器を装着した被検者を対象に、潜
水シミュレータ室内における基本的な生体情報をリアル
タイムに測定するための本発明装置の一実施例、および
その使用態様を示している。

【００１１】（装置の構成）図１において、加圧された
潜水シミュレータ室（以下、「昇圧室」という）１内に
呼吸器（以下、「ヘルメット」という）２および潜水ス
ーツ３を着用した被検者が収容される。このヘルメット
２の一方の側面に、耐圧性の吸気供給器５が接続され、
この中には昇圧室１の環境圧Ｐより正の差圧Δｐを有す
る呼吸ガスが導入されている。この呼吸ガスは、吸気供
給器５の吸気導入口５ａから引き出された導管１２を介
して昇圧室１の外に設置された呼吸ガス供給用のコンプ
レッサや呼吸ガスを充填したボンベなどの呼吸ガス供給
源Ｃから導入され、また、導出口５ｂから被検者の吸引
時にのみ呼吸ガスを呼吸器に供給する差圧調整弁（以
下、「デマンドレギュレータ」という）１５を介して、
ヘルメット２の被検者の鼻口部を覆うマスク部１６に供
給されるようになっている。

【００１２】この吸気供給器５の内部に、吸気流量Ｌ_in
を測定するための差圧式吸気流量計（以下、「吸気計」
という）４が配設されている。この吸気計４は、ガスが
通過する２点間の差圧を導管８でサンプリングし、差圧
センサ１０で検出して圧力トランスジューサ２３の１ｃ
ｈで流量Ｌ_inに換算する方式のものである。また吸気供
給器５の側面から導管１３が引き出され、吸気差圧Δｐ
を計測するための差圧センサ１４に連結されている。差
圧センサ１４は吸気供給器５内の呼吸ガス圧Ｐ_inと昇圧
室１の環境圧Ｐとの差圧Δｐを検出してそのデータを圧
力トランスジューサ２３の４ｃｈに送る。

【００１３】ヘルメット２の他方の側面には呼気を昇圧
室１内に排出するための呼気排出器７が接続されてい
る。この呼気排出器７の内部に、呼吸による排気流量Ｌ
_outを測定するための差圧式排気流量計（以下、「排気
計」という）６が配設されている。この排気計６は吸気
計４と同様のものであって、排気ガスの通過差圧を導管
９でサンプリングし、センサ１１で検出して圧力トラン
スジューサ２３の２ｃｈで流量Ｌ_outに換算する。ま
た、この呼気排出器７の側面から導管２１が引き出さ
れ、昇圧室１の外に設置されたガスモニタＧＭに連結さ
れ、ここで呼気ガス中のＯ₂濃度とＣＯ₂濃度とが測定さ
れるようになっている。

【００１４】ヘルメット２のマスク部１６から圧力サン
プリング用の導管１９が引き出され、被検者の口腔内圧
の変動、すなわち呼吸抵抗を測定するための呼吸抵抗セ
ンサ２０に連結されている。この呼吸抵抗センサ２０
は、マスク１６内の圧力Ｐ_respと環境圧Ｐとを比較して
その差圧を検出し、呼吸抵抗Ｒとしてデータを圧力トラ
ンスジューサ２３の３ｃｈに送る。

【００１５】吸気供給器５、呼気排出器７の側面にはそ
れぞれ温度センサ１７、２２が装着され、吸気および呼
気の温度がそれぞれ温度測定用トランスジューサ１８の
１ｃｈおよび２ｃｈに送られる。

【００１６】また、潜水スーツ３の内部には、所要箇所
に複数の心拍センサ２４および複数の体表温度センサ２
５が装着され、各心拍センサ２４からの信号は昇圧室１
の外に設置された心拍計ＣＰに送られ、また各体表温度
センサ２５からの信号はそれぞれ温度測定用トランスジ
ューサ１８の３ｃｈないし６ｃｈに送られるようになっ
ている。

【００１７】以上説明した温度測定用トランスジューサ
１８および圧力トランスジューサ２３の各チャネルから
の信号はそれぞれ、ガスモニタＧＭ、心拍計ＣＰからの
情報、および図示しないが昇圧室１内の温度・湿度情報
などと共に昇圧室１の外に設置された図示しない監視・
解析用コンピュータに送られ、ここで総合的に情報処理
される。

【００１８】吸気供給器５と呼気排出器７の外観をそれ
ぞれ図２（ａ）、図２（ｂ）に示す。これらはいずれも
基本的にはパイプ継手の構成をなすものであって、中間
部にそれぞれ吸気計４、排気計６が同軸的に装着されて
いる。

【００１９】図２（ａ）において、吸気供給器５は吸気
導入口５ａと吸気導出口５ｂとを有する。吸気導入口５
ａは、呼吸ガス供給源Ｃから送られてくる呼吸ガスを導
入する。この呼吸ガスは環境圧Ｐより差圧Δｐだけ昇圧
されている。その差圧Δｐはサンプリング口１３ａから
差圧センサ１４に伝えられる。吸気計４の側面にはサン
プリング口４ａ、４ｂが形成されていて、それぞれの圧
力がここから導管セット８を経由して差圧センサ１０に
伝えられ、吸気流量Ｌ_inが求められる。また、吸気導出
口５ｂの近辺に温度センサ１７が設けられ、吸気温度を
検出する。

【００２０】この吸気供給器５は、その吸気導出口５ｂ
で直接ヘルメット２に接続されている。吸気供給器５中
の呼吸ガスは、被検者の吸引に応じてヘルメット内の導
管を通ってデマンドレギュレータ１５で環境圧Ｐ近辺ま
で降圧された上でマスク部１６に供給される。この実施
例では、吸気供給器５内の呼吸ガスの圧力Ｐ_inは環境圧
Ｐより約７ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇ（Δｐ）だけ高く設定され
ている。

【００２１】図２（ｂ）において、呼気排出器７のヘル
メット側端部７ａはヘルメット２の排気系に直接接続さ
れている。この端部７ａの近辺には温度センサ２２が装
着され、排気温度を検出する。また排気計６の側面には
サンプリング口６ａ、６ｂが形成されていて、それぞれ
の圧力がここから導管セット９を経由して差圧センサ１
１に伝えられ、排気流量Ｌ_outが求められる。排気放出
口７ｂの近辺にはガスモニタＧＭ用のサンプリング口２
１ａが形成されている。

【００２２】（操作）次に、実施例の呼吸モニタリング
装置を用いた観測・計測操作について説明する。使用条
件に対応して調整されたヘルメット２と潜水スーツ３を
着用した被検者を常圧の昇圧室１に収容し、各種付属機
器のセッティング・調整を行う。吸気計４および排気計
６からそれぞれ導出された導管８、９中の弁Ｖ₁、Ｖ₂お
よび弁Ｖ₃、Ｖ₄を開き、それぞれ均圧弁Ｖ₉、Ｖ₁₀によ
って吸気流量センサ１０、排気流量センサ１１のゼロ調
整を行った上でこれらの均圧弁Ｖ₉、Ｖ₁₀を閉じる。こ
れによって吸気流量Ｌ_inと呼気流量Ｌ_outが測定できる
ようになる。

【００２３】吸気供給器５内の呼吸ガス圧Ｐ_inと環境圧
Ｐとの差圧Δｐは吸気圧センサ１４によって検出する。
この吸気供給器５内の差圧Δｐは、この実施例では、環
境圧Ｐの変化に係わらず常に約＋７ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇを
保つように調整する。呼吸抵抗Ｒは、導管１９中の弁Ｖ
₅と環境圧導入弁Ｖ₆を開き、均圧弁Ｖ₁₁によりマスク部
１６内を環境圧Ｐに対してゼロ調整した上でこの均圧弁
Ｖ₁₁を閉じることによって測定できるようになる。コン
ピュータのモニター用および解析用プログラムを立ち上
げ、また各種機器の始動、ゼロ調整およびスパン調整な
どを行う。

【００２４】上記のセッティングを終了した後、呼吸ガ
ス供給源Ｃから呼吸ガスを供給する。この実施例で呼吸
ガスはヘリウムと酸素との混合ガスを用いた。次いで昇
圧室１の圧力Ｐを０ないし１５ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇまで昇
圧する。この間、吸気供給器５内の圧力は、環境圧に対
して常に約＋７ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇとなるように調節され
ているので、従って環境圧が１５ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇとさ
れた時点で、吸気供給器５の内圧は約２２ｋｇｆ／ｃｍ
²Ｇになっている。呼吸関連情報およびそれ以外の身体
情報、例えば心拍数や体表温度の計測を開始する。

【００２５】この呼吸モニタリング装置は、図３にデー
タ処理フローの概要を示すように、上記の各種センサを
用いることによって、昇圧室１内で吸気流量Ｌ_in、吸気
温度Ｔ_in、吸気差圧Δｐ、排気流量Ｌ_out、排気温度Ｔ
_out、排気Ｏ₂濃度、排気ＣＯ₂濃度および呼吸抵抗Ｒの
データなどをサンプリングし、得られたデータを昇圧室
１外の監視・解析用コンピュータ（図示せず）で処理し
てグラフ化して観察すると共に、作業環境下の被検者の
呼吸情報として、吸気１回当り換気量、吸気分時換気
量、呼気１回当り換気量、呼気分時換気量、呼吸１回当
りＯ₂消費量、分時Ｏ₂消費量、呼吸１回当りＣＯ₂排出
量、分時ＣＯ₂排出量、呼吸抵抗Ｒ−吸気流量Ｌ_inカー
ブが描く面積として求められる吸気呼吸仕事量、呼吸抵
抗Ｒ−排気流量Ｌ_outカーブが描く面積として求められ
る呼気呼吸仕事量および平均呼吸数などの諸解析値を計
算し表示し記録する。

【００２６】上記の各種データのサンプリングは１０回
／秒で行い、約２分間のデータを１組としてデジタル保
存する。またサンプリングデータを解析するに際して
は、各データ間のサンプリング時差（タイムラグ）の補
正、校正係数特に吸気流量Ｌ_ｉｎと排気流量Ｌ_ｏｕｔと
の比較に基づく校正係数の決定、詳細に解析すべきデー
タ範囲の選定などを行い、その上で上記の解析値を算出
している。この他、例えば心拍数や体表温度の計測値が
身体情報として表示・記録される。

【００２７】（測定例）上記の装置と上記の操作によっ
て、１５ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇの高圧環境下で、安静態にあ
る被検者を対象に１３日間測定を続けた。得られた測定
グラフの一部を図４ないし図６に示す。図４は呼吸に伴
う排気中の（ａ）Ｏ₂濃度および（ｂ）ＣＯ₂濃度を時間
軸に対して記録したグラフであり、呼吸に伴ってＯ₂濃
度とＣＯ₂濃度とが交替して増減する状況が記録されて
いる。

【００２８】図５は（ａ）吸気流量Ｌ_in、（ｂ）排気流
量Ｌ_outおよび（ｃ）呼吸抵抗Ｒを時間軸に対して記録
したグラフであり、これらの推移状況が目視できる。図
６は呼吸に伴う吸気または排気の容積Ｌの変化と呼吸抵
抗Ｒの関係を記録したグラフの一例であって、この環状
部分の面積が吸気仕事量または呼気仕事量として計算さ
れる。

【００２９】図７は上記の約２分間の計測結果が呼気デ
ータおよび吸気データとしてリアルタイムにディスプレ
イ上に表示された例である。これによってその時間帯に
おける呼吸状態を把握することができる。またこれらの
データを経時的に解析することによって試験期間中の被
検者の呼吸に関する情報を精密に分析することができ
る。従って、この測定例は、呼吸器の開発評価にも応用
することができる。この他に心拍数データや体表温度デ
ータも得られているので、これらと呼吸関連データを組
み合わせることによって、環境圧が人体に与える影響を
更に広範囲な観点から解析しまたは制御することができ
る。

【００３０】上記の測定方法は、ドライ高圧環境、潜水
などのウェット高圧環境のシミュレーションに適用でき
るばかりでなく、宇宙空間など低圧環境のシミュレーシ
ョンにも有利に適用することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の呼吸モニタリング装置は、呼吸
器に環境圧より正の差圧を有する呼吸ガスを含む耐圧性
の吸気供給器が接続され、この吸気供給器に吸気流量計
と吸気差圧計とが設けられてなるものであるので、環境
圧力下でリアルタイムに吸気換気量変化を計測すること
ができる。呼吸器に呼気排出器が接続され、これに排気
流量計が設けられていれば環境圧力下でリアルタイムに
呼気換気量変化が計測できる。吸気流量計と排気流量計
が差圧式流量計であれば、計測に際して流通抵抗がない
ので呼吸器などの内部抵抗の測定を妨げない。呼気排出
器に酸素濃度および二酸化炭素濃度モニタが接続されて
いれば、環境圧力下でリアルタイムに被検者の呼吸代謝
が計測できる。呼吸器に呼吸抵抗計測手段が設けられて
いれば、この呼吸抵抗値と吸気または呼気流量値とから
それぞれ吸気仕事量、呼気仕事量を求めることができ
る。これらの諸情報がシミュレーションにより得られる
ことによって、特殊圧力環境下における作業管理技術や
呼吸器の開発、運動学的、生理学的な調査・研究などに
寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における呼吸モニタリング
装置の構成と使用態様を示す概略図。

【図２】上記の呼吸モニタリング装置に用いる（ａ）
吸気供給器と（ｂ）呼気排出器を示す側面図。

【図３】上記の呼吸モニタリング装置における呼吸関
連情報のデータ処理の流れを示すダイヤグラム。

【図４】排気中の酸素濃度と二酸化炭素濃度の変動を
示すグラフ。

【図５】吸気流量、排気流量および呼吸抵抗の変動を
示すグラフ。

【図６】呼吸仕事量の一例を示すグラフ。

【図７】ディスプレイ上のデータ表示を示す表示図。

【符号の説明】

２……呼吸器４，６……差圧式流量計５……吸気供給器７……呼気排出器１４，２０……差圧センサ１５……デマンドレギュレータ１７，２２，２５……温度センサＣ……呼吸ガス供給源ＧＭ……ガスモニタＣＰ……心拍数計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者白根義和東京都港区西新橋１丁目16番７号日本酸素株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検者が着用する呼吸器に、被検者の吸
引時にのみ呼吸ガスを呼吸器に供給する差圧調整弁を介
して、環境圧より高い正の差圧を有する呼吸ガスが導入
された耐圧性の吸気供給器が接続され、この吸気供給器
に吸気流量計測手段と吸気差圧計測手段とが設けられた
呼吸モニタリング装置。
【請求項２】吸気流量計測手段が差圧式流量計である
請求項１に記載の呼吸モニタリング装置。
【請求項３】呼吸器の排気系に呼気排出器が接続さ
れ、この呼気排出器に排気流量計測手段が設けられた請
求項１または請求項２に記載の呼吸モニタリング装置。
【請求項４】排気流量計測手段が差圧式流量計である
請求項３に記載の呼吸モニタリング装置。
【請求項５】呼気排出器に呼気中の酸素濃度および二
酸化炭素濃度を計測する手段が接続された請求項３また
は請求項４に記載の呼吸モニタリング装置。
【請求項６】呼吸器に呼吸抵抗を計測する手段が接続
された請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の
呼吸モニタリング装置。
【請求項７】被検者の心拍数計測手段および体表温度
計測手段を備えた請求項１ないし請求項６のいずれか１
項に記載の呼吸モニタリング装置。
【請求項８】上記請求項１ないし請求項７のいずれか
１項に記載の呼吸モニタリング装置を用い、経時的な吸
気換気量変化、呼気換気量変化、酸素消費量変化、二酸
化炭素排出量変化、呼吸数変化および呼吸仕事量の少な
くとも１以上を計測演算処理して表示する手段を有する
呼吸モニタリング装置。