JPS5927568B2 - 呼吸ガス測定装置 - Google Patents

呼吸ガス測定装置

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JPS5927568B2
JPS5927568B2 JP55181595A JP18159580A JPS5927568B2 JP S5927568 B2 JPS5927568 B2 JP S5927568B2 JP 55181595 A JP55181595 A JP 55181595A JP 18159580 A JP18159580 A JP 18159580A JP S5927568 B2 JPS5927568 B2 JP S5927568B2
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JP
Japan
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gas
ultrasonic
breathing gas
time
flow
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JP55181595A
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JPS57107139A (en
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阿耶雄 伊藤
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
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  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波を利用して呼吸ガスの流量と炭酸ガス濃
度とを効果的に測定することのできる簡易で実用性の高
い呼吸ガス測定装置に関する。
近時、人工呼吸器の進歩に伴い、呼吸管理方法が高度化
されて各種の医療医学に貢献している。これに伴い、呼
吸機能に関する情報収集の要求が高まり、その役割が重
要視されている。しかして従来、呼吸ガスの流量をニユ
ーモタコグラフを用いて圧力的に検出し、また炭酸ガス
濃度をガス分析計を求いて計測する等している。熟年ら
、ガス分析計は真空系を必要として大掛りな構成となる
上、高価で取扱い煩雑であると云う問題を有している。
しかも上記流量計とガス分析計とが併用されるので、患
者周辺に多くの医療測定機器を配置することになり、操
作が煩しい等の不都合があつた。この為、簡易に取扱う
ことができる炭酸ガス濃度計および呼吸量計の開発が望
まれていた。本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的とするところは、超音波を利用して
呼吸ガスの流量と、それに含まれる炭酸ガスの濃度を簡
易にして効果的に測定することのできる実用性の高い呼
吸ガス測定装置を提供することにある。
以下、図面を参照して本発明の一実施例につき説明する
人間が呼吸するガスに着目すると、呼吸ガスの温度は3
5〜41℃程度と略体温に等しく、特に呼気ガスの組成
は約80%の窒素、残り20%の酸素と炭酸ガス等の混
合気体からなる。
次表は呼気ガスに含まれる窒素、酸素、炭酸ガスの超音
波吸収度合を示したものである。ガスの超音波吸収の度
合は、その組成の割合と、各組成の吸収度により略決定
され、一般に各組成の割合と吸収度の積の和によく近似
される。
しかして呼気ガスの超音波吸収を比例近似して求めてみ
ればN2:O2:C02の比率が80%:10%:10
%なるときその吸収係数は約4.212となる。また同
比率が80%:15%:5%なるときの吸収係数は2.
982となり、炭酸ガス(CO2)の濃度が超音波の吸
収に著しく影響を及ぼす。また酸素や窒素の超音波吸収
の温度に対する依存性は高高0.004℃−1、0.0
02℃−1程度であり、体温の変動幅を考慮すれば実質
的に無視することができる。従つて呼気ガス中を伝搬し
た超音波の振幅からその減衰量、つまり呼気ガスの超音
波吸収量を求めれば、逆に吸気ガス中に含まれる炭酸ガ
スの濃度を測定することが可能となる。一方、超音波は
呼気ガス中を一定の速度で伝播するが、上記呼気ガスが
流動している場合、そのガス流動速度が加味されて伝播
する。
例えば一定間距離を時間Tを要して超音波が伝播するも
のとすると、呼吸ガスの流動によつて伝播時間が(T士
Δt)と変化する。即ち、ガスの流動方向に超音波が伝
播すると、その伝播時間が短くなり、逆に上記流動方向
に逆らつて超音波が伝播する場合には伝播時間が長くな
る。この伝播時間の増減量はガスの流速に密接な関係が
あり、従つて上記時間の増減量を観測すれば伝播媒体で
あるガス流の速度、ひいてはその流量を求めることが可
能となる。本発明は上記測定原理に基づいてなされたも
ので、第1図は一実施例装置の概略構成図、第2図はそ
の動作を示す信号波形図である。
図中1は超音波プローブで、プローブ管2の内壁に相互
に対向配置して第1および第2の超音波振動子3,4が
設けられている。
プローブ管2は2の内部に患者等の生体の呼吸系より導
入された呼吸ガスを通流するものであり、前記超音波振
動子3,4は上記呼吸ガスの通流方向に対して斜めに横
切る超音波送受波路を形成するべく配置されている。し
かして各超音波振動子3,4は、発振回路5の例えば第
2図aに示す如き繰返し周期10msecのバーストパ
ルス信号出力を受けて作動する駆動回路6,7によつて
駆動される。これによつて各超音波振動子3,4からは
第2図bに示す如き一定振幅の超音波信号がそれぞれ放
射され、これらの超音波信号は互いに逆向きに伝播する
。この際、プローブ管2内を通流する呼吸ガスの吸収を
受けながら超音波信号が伝播し、対向す)れ示すように
受波される。
この超音波信号の伝播時間は呼吸ガスの通流の速度の影
響を受けて多少変化しており、上記呼吸ガスの通流速度
の情報を含むものとなつている。しかして各超音波振動
子4,3にて受波された信号は電気信号変換され、受信
回路8,9にそれぞれ導かれて、所定レベルへの増幅処
理がなされている。
そして、各受信回路8,9を経た受波信号は、前記発振
回路5の出力を遅延してタイミング調整する遅延回路1
0によりスイツチング制御されるスイツチ11,12を
各別に介したのち、波形整形回路13,14にそれぞれ
入力される。これらの波形整形回路13,14にて前記
受波信号が包絡線検波弁別処理によつて波形整形される
。尚、前記スイツチ11,12のオンタイミングは第2
図fに示される。このスイツチ11,12のオン制御信
号は、前記超音波信号の振動子3,4間の最小伝播時間
より短い時間だけ遅延したタイミングを開始点とし、且
つ受波信号を十分含む期間に定められる。しかして波形
整形回路13の波形整形出力はTカウンタ15、Δtカ
ウンタ16および吸呼気弁別回路17に供給され、また
波形整形回路14の波形整形出力は前記Δtカウンタ1
6と吸呼気弁別回路17に供給される。
両カウンタ15,16はクロツク発生器18が発生する
基準クロツクを計数して時間を計測するものである。即
ち、Tカウンタ15は前記発振回路5の出力を受けてイ
ンシヤライズされ、このインシヤライズ時点から波形整
形回路13の受波信号波形が得られる迄の時間、つまり
超音波信号の伝播遅延時間Tを計測している。尚、実際
には、このTカウンタ15により計測される時間は、呼
吸ガスが流動しないときの伝播時間をT。としたとき、
(TO士Δt)として示される。但し、Δtは呼吸ガス
の流速によつて生じる伝搬時間を示している。一方、Δ
tカウンタ16は、波形整形回路13,14が受波信号
を検出するタイミングによつて動作し、上記タイミング
差に相当した時間ΔTを計測している。この時間ΔTは
、実際にはしてカウンタ15,16に2計測された時間
情報T,ΔTはそれぞれI/Oインターフエース19,
20を介してバスライン21に送出され、CPU22に
取込まれる。
このCPU22は、前記遅延回路10の出力を受けて割
込みコントローラ23が発する割込み要求信号を受けて
上記時間情報を入力するものである。そしてメモリ24
に格納された変換テーブルや処理プログラムに従つて、
時間情報T,ΔTより、呼吸ガスの流速に関連する時間
Δtを求め、且つこの時間Δtより呼吸ガスの流量を求
めている。一方、前記吸呼気弁別回路17は、前記波形
整形回路13,14の出力から、プローブ管2内を通流
する呼吸ガスが呼気ガスであるか、あるいは吸気ガスで
あるかを弁別している。
例えば今、吸気ガスが図中右側から左側に通流するもの
とすると、振動子3から振動子4に伝搬する超音波信号
の伝播時間が短くなり、振動子4から振動子3に伝搬す
る超音波信号伝搬時間が短くなる。そして呼気ガスが通
流する場合、上記伝播時間関係が逆になる。しかして、
この時間関係を吸呼気弁別回路17は、波形整形回路1
3,14が出力する受波信号波形のタイミングから検出
して第2図eに示すように吸気と呼気とを弁別している
。この弁別結果によつてゲート回路25,26が択一的
に開成され、これによつて遅延回路10がタイミング制
御して出力するイネーブル信号が振幅検出回路27,2
8に与えられる。振幅検出回路27,28は前記スイツ
チ12を介した受信回路9の受波信号を入力しており、
その受波信号の振幅レベルを検出している。この振幅レ
ベル検出は超音波の繰返し送受波毎に行われ、振幅検出
回路27には吸気時の振幅データが、また振幅検出回路
28には呼気時の振幅データがそれぞれ格納される。そ
して、これらの振幅データはA/D変換器29を介して
デイジタル化され、バスライン21を介してCPU22
に取込まれる。しかしてCPU22では、吸呼ガス検出
の超音波送受波毎に、前記した伝播時間の情報T,ΔT
をTl,T2・・・・・・・・・Tn,ΔTl,ΔT2
・・・・・・・・・ΔTnとして検出し、またそのとき
の振幅データを吸気時Al,A2・・・・・・・・・A
k呼気時Bk+1,Bk+2 ・・・・・・・・・Bn
として検出入力する。
そしてこれらのデータを平均処理する等して、呼吸ガス
、特に呼気時のガス流量を求めると共にその時の呼気ガ
ス中に含まれる炭酸ガス濃度を求めている。この炭酸ガ
ス濃度は、例えば吸気時の平均振幅データAと、呼気時
の平均振幅データBとの振幅レベル比B/Aを求め、こ
れに対応した炭酸ガス濃度値をメモリ24上のテーブル
から検索することによつて行われる。この振幅レベル比
B/Aを求めることによつて、吸気時の炭酸ガヌを含ま
ないときのデータにより測定値の正規化が行われ、従つ
て振動子3,4面に付着した水滴やその他の外乱要因に
よる悪影響が取除かれて、常に安定した測定が行われる
ことになる。そして、このようにして求められた測定デ
ータ(炭酸ガス濃度と呼吸量)は、バスライン21から
D/A変換器30を介してデータ出力される。以上のよ
うに本装置によれば、相対向する超音波振動子間を伝搬
する超音波の伝搬特性(伝搬時間と減衰量)を計測する
ことにより、超音波送受波路を通流する呼吸ガスの流量
と、その炭酸ガス濃度を簡易に且つ正確に測定すること
ができる。
しかも、同一の計測データから両者を極めて効果的に求
めることができる。その上、計測精度も超音波特性によ
つて安定に、且つ十分高めることができ信頼性の向上を
図り得る。また本装置は上述したように極めて簡単な構
成であり、簡易に且つ安価に実現することができる。特
に従来のガス分析器の如き真空計が全く不要であり、し
かも別個の呼吸量計を併用する必要もないので、装置の
大幅なコンパクト化を図り得、取扱いの簡略化も図り得
る。従つて医療従事者や患者周辺の煩雑性を解消するこ
ともでき、実用上極めて好ましい等の絶大なる効果を奏
する。尚、本発明は上記実施例に限定されるものではな
い。
例えば上記実施例では1組の超音波振動子を用いて超音
波の双方向伝搬を行わしめたが、2組の振動子を用いて
これを各別に行わしめてもよく、振幅検出用に別の振動
子を用けるようにしてもよい。またカウンタ15,16
による時間計測を更に簡略化して行うようにしてもよい
。例えば2つの受波信号時間差を求め、これを2分して
直接的にΔtを求めてもよい。また実施例ではCPU2
2にて演算処理を行つたが、専用の処理回路をハードウ
エア構成してもよいことは云うまでもない。要するに本
発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第2図a
−fは同実施例の動作を示す信号波形図である。 1・・・・・・超音波プローブ、3,4・・・・・・超
音波振動子、5・・・・・・発振回路、6,7・・・・
・・駆動回路、8,9・・・・・・受信回路、13,1
4・・・・・・波形整形回路、15・・・・・・Tカウ
ンタ、16・・・・・・ΔTカウンタ、17・・・・・
・吸呼気弁別回路、18・・・・・・クロツク発生器、
22・・・・・・CPU、23・・・・・・割込みコン
トローラ、24・・・・・・メモリ、27,28・・・
・・・振幅検出回路。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 呼吸ガスが導かれるプローブ管と、このプローブ管
    に相互に対向して配置され上記呼吸ガスの流れの向きお
    よび上記流れと逆向きに超音波を送受波する第1および
    第2の超音波振動子と、前記呼吸ガスの流れの向きに送
    受波された超音波の伝播時間と前記流れと逆向に送受波
    された超音波の伝播時間との時間差を求めて前記呼吸ガ
    スの流量を求める手段と、前記送受波される超音波の受
    波振幅レベルを検出して前記呼吸ガス中に含まれる炭酸
    ガス濃度を求める手段とを具備してなる呼吸ガス測定装
    置。
JP55181595A 1980-12-22 1980-12-22 呼吸ガス測定装置 Expired JPS5927568B2 (ja)

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JPS57107139A JPS57107139A (en) 1982-07-03
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Families Citing this family (3)

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JPS60108032A (ja) * 1983-11-17 1985-06-13 日本光電工業株式会社 クロージングボリューム測定装置
FR2634557A1 (fr) * 1988-07-22 1990-01-26 Pluss Stauffer Ag Dispositif et procede de mesure simultanee dans un conduit, de la densite, concentration, vitesse d'ecoulement, debit et temperature d'un fluide liquide ou pateux par transmission ultrasonore
JP2009058444A (ja) * 2007-08-31 2009-03-19 Institute Of National Colleges Of Technology Japan 人工呼吸器用流量計

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