JPS6311133A - 呼吸センサ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、呼気と吸気の温度差を検出し、呼吸の有無、
呼吸数、呼吸様相等を検出する呼吸センサーに関するも
のである。

〔従来技術〕

手術後の呼吸管理や新生児の生命維持等において、何ら
かの手段で呼吸をセンシングしその様相を監視する事は
、異常事態の発生に対する迅速な対処、ひいては患者の
生存という事項に関して最も重要な役割を果すものであ
る。

この呼吸をセンシングする手段としては、従来例えば、
特開昭５５−１０８３４３号公報や、特開昭５６−６３
３４１号公報のように胸部のインピーダンスを測定する
もの、特公昭５８−３００４７号公報のように胴帯に付
属した電気抵抗体の伸縮による抵抗値変化を測定するも
の、特開昭５０−３９５４４号公報や特開昭５９−４８
１０６号公報のように呼吸気流の圧力を検知するもの、
特開昭５８−１１２５２９号公報のように呼吸音をマイ
クで検出するもの、特開昭５８−１８３１４３号公報の
ように呼気と吸気の湿度の変化をキャパシタンスの変化
でとらえるもの、特開昭５１−１２４０８０号公報、特
開昭５６−３１７３６号公報、特開昭５９−４６９４０
号公報、特開昭６０−８３６８７０号公報等のようにサ
ーミスタ等の温度計を用いて呼気と吸気の温度差を検出
するもの、また、特開昭５８−１７３５３４号公報のよ
うに胸部インピーダンスと温度の両方を測定するもの等
が知られている。

こうした従来の呼吸を検知する手段は、呼吸の有無、呼
吸波形、またある種のものは呼吸流量を測定する場合に
は有効であるが、例えば、筋ジストロフィー等の神経筋
疾患患者や慢性呼吸不全患者の呼吸補助を行う場合のよ
うに、呼吸を補助するタイミング、すなわち患者が息を
吸いたいと思った時に空気または酸素を送り込むトリガ
ーとしては、その呼吸が微弱なために感知できないか、
または呼吸に関係ない信号（体動、電磁干渉等）の影響
が大きく、結果として誤動作を起すことがしばしばあっ
た。

例えば第４図は、クロメルーアロメル熱電対を鼻先に設
置する従来の方法で、正常な呼吸をした時の熱起電力を
測定した波形図である。第４図から分かるように、呼気
の場合には体温で上昇した空気が感温部に当って、温度
が上昇し、上に凸の曲線を描く。温度の上昇は息を吐き
始める時が最も大きく、１秒程度でピークに達するが、
呼気流速の減少と外気温による冷却のために呼気時間の
途中でも下降が始まり、呼気に移行する瞬間には外気の
急速な流れによって冷やされ、呼気が始まるまで温度が
低下する。したがって、呼気が始まる瞬間であれば比較
的検知しやすいが、吸気の始まる瞬間はあまり明確では
ない。

〔発明の目的〕

本発明は、こうした誤作動を回避し、呼吸の減弱した患
者でもその呼気、吸気を正確に検知することのできる全
く新しいタイプの呼吸センサーを得ることを目的として
、種々の感温素子を検討した結果、焦電素子を用いるこ
とで最も鋭敏、且つ高出力の呼吸信号を取り出し得るこ
とを見出し、更に研究を進めて本呼吸センサーを完成す
るに至ったものである。

〔発明の溝成〕

即ち本発明は、呼吸気流の通路内に焦電素子を配設し、
該焦電索子により該通路内の温度変化を検出し、該焦電
素子を含む電気回路から得られる該温度変化に対応する
電気信号の微分波形により、呼気および吸気の開始時期
を知ることを特徴とする呼吸センサーである。

先にも述べたように、筋ジストロフィー、慢性呼吸不全
等の患者の呼吸を補助する場合は主として吸気を補助す
る必要があり、自発呼吸の意思がある場合には、患者が
息を吸いたいと思った瞬間に空気を送り込む等の方法で
呼吸を補助する、いわゆる患者の呼吸に同調した呼吸補
助法が、かかる患者の呼吸補助具からの離脱を早めると
いわれている。しかし、吸気の始まるタイミングは上述
のごとく不明瞭であり、特に呼吸不全に陥っている患者
の場合にはその検知は極めて困難である。

そこで本発明者らは、この呼吸波形の微分値を取ること
によって、温度の変化率の最も高い呼気、吸気の始まり
をとらえる事とし、感温素子として呼吸波形の微分波形
が得られる焦電素子を用いるのが適していることを見出
し本呼吸センサーを完成させたものである。

焦電素子は、温度変化を生じると強誘電体である素子の
自発分極の値が変化し、素子の表面電荷が変化する。こ
の時、外部負荷を接続すると電流（焦電流）が流れ、ま
た元の過不足な電荷のない表面状態に戻り、再び温度変
化が起るまで電流は流れない。したがって、焦電素子は
温度変化があった時にのみ応答する事になり、呼吸セン
サーとして用いた場合には呼吸波形の微分波形が得られ
る。したがって、この波形は呼気、吸気の開始時に鋭い
ピークを生じる形となり、適当な電圧レベルでトリガー
をかけることによって、適確に呼気、吸気の開始をとら
える事ができる。しかも、焦電素子はサーミスタや熱電
対等の他の感温素子に比べて非常に高い出力が得られる
ので、増幅を必要としないなど後の信号処理を簡素化で
きる利点がある。

焦電素子をセンサーとして用いる事の最大の利点は、そ
の高い感度と高出力性に市る。例えば、第４図に示した
クロメルーアロメル熱電対の出力は０．０４　　／’Ｃ
程度であるのに対して、焦電素子の場合にはその種類と
大きさによって異なるが例えば、１．３ｍｖ／℃・ｓｅ
ｃという非常に高い出力が得られ、この事実は後の信号
処理を非常に簡素化させる。また、前述のようにその出
力は温度に関して微分的であり、呼気と吸気の切り替り
時期をとらえるにはたいへん有利である。

本発明の呼吸センサーに使用する焦電素子としてはタン
タル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、トリグリシンサルフ
ェート（ＴＧＳ＞等の単結晶、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ
３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の焼結体、ポ
リフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高分子強誘電体、
あるいはセラミック焼結体粉末とプラスチック材料との
複合体等が挙げられるが、これらに限定されるものでは
ない。しかし、本発明による呼吸センサーの出力の立上
りは焦電素子の温度の変化速度によって支配されるため
、その熱容量を低下させる目的で厚みをできるだけ薄ク
シた方が応答性は良く、吸呼のタイミングを鋭敏にとら
えることができる。このような観点から見ると、単結晶
およびセラミック焼結体では素子の厚さは８０〜１００
μ瓦が限界であり、また、このような厚みでは割れやす
く、支持台への取り付は等の作業性も悪いのに対して、
高分子強誘電体材料単体やセラミック焼結体粉末と高分
子材料の複合体よりなるフィルムないしシート状物が加
工性が良く、厚みが数１０μｍ以下の素子も容易に作製
することができ、作業性にも富んでいるので好適である
。

呼吸センサーの感温素子は、鼻カニユーラやマスク等の
内部、即ち鼻孔に近接した位置に設置するのが一般的で
あるが、本発明の焦電素子を用いた呼吸センサーは感度
が高いので、呼吸気流が流通する場所であれば、新生児
や患者の全身を覆うフード内や酸素テント内に、患者の
身体に直接触れない方法で設置しても十分目的を達する
ことが出来る。焦電素子は単位面積当りの出力が大きい
ので、鼻カニユーラやマスク等の内部に設置する場合は
３＃Ｘ３〜８ｍ程度の小面積の素子でよく、フードや酸
素テント内の上部に設置する場合でも、１０〜２０ｇｘ
１０〜４０ｍｍ程度の大きさの素子で十分な感度を得る
ことができる。

第１図は、本発明による呼吸センサーの電気回路の一例
を示す回路図である。温度変化によって焦電素子（１）
上に生じる電荷は、その素子の静電容量、抵抗、焦電率
等の電気的性質や、大きさ、温度変化の速度等によって
左右されるが、一般にそのインピーダンスは１０８〜１
０１１Ωと高く、このままでは検出することはできない
。そこで、インピーダンスを変換するバッファーアンプ
回路を内蔵したレコ７ダーを使用するか、または、電解
効果型トランジスタ（２）でインピーダンスを低下させ
る。その出力インピーダンスは出力抵抗（４）によって
決定されるが、通常１０３〜１０”Ω程度とするのが望
ましい。コンデンサ（５）は、得られた信号の高周波成
分、すなわち変化率の大ぎい時点にあける信号成分を優
先的に通過させるためのもので、その容量の大きざによ
って得られる波形が異なる。従って、使用するコンデン
サの容量は目的に応じて決定すればよく、また、コンデ
ンサ（５）を使用しない場合もある。

一方、第１図に示したように焦電素子（１）に電界効果
型トランジスタ（２）および出力抵抗（４）を組合せて
用いる場合、各素子間を結・！；リード線がアンテナの
働きをして外部からのノイズが入り、正確な温度変化の
検出に支障を来たすことが予想される。しかし、焦電素
子の出力が大きいので、第２図に示した実施例のように
焦電素子（６）、電解効果型トランジスタ（７）、およ
び出力抵抗（８）を１個の部品としてコンパクトにまと
めることによって、外部からのノイズの影響は殆ど無視
することができるが、焦電素子（６）、電界効果型トラ
ンジスタ（７）および出力抵抗（８）から成る電気回路
系全体を導電体材料の層で囲んで外部からの電磁波を遮
断（電磁波シールド）すれば、より万全を期することが
できる。−個の部品として形成する場合の、第２図の外
套（９）の材質としてはプラスチック、ゴム、金属等が
使用でき、特に限定されるものではなく、金属等の導電
体材料を用いれば電磁波シールド材を兼ねることもでき
有効である。

ただ、患者の身体に直接触れるため金属では冷たさの問
題があり、プラスチックもしくはゴム等を用いるのが好
ましく、金属を用いる場合はプラスチックもしくはゴム
等で被覆するのが良い。また、導電性のプラスチックも
しくはゴムを用いれば電磁波シールドを兼ねることがで
きるのでより効果　　。

的である。

第２図の実施例のように１個の部品としてコンパクトに
まとめる方法の伯、先に述べたようにフード内や酸素テ
ント内に設置する場合には、夫々別個の部品として設置
してもよい。これらの場合に使用する電磁波シールドの
ための導電体材料としては、アルミニウム、銅、鉄等の
金属板で作った画状もしくは缶状体、金属線から作った
網状体、金属板を型抜きして作った金属メツシュ、エキ
スバンドメタル、導電性プラスチック（成形品、フィル
ム、シートなど）、導電性塗料等が使用でき、特に限定
されるものではなく、電磁波シールド部の配置や形状に
よって適宜選択すればよい。

尚、本発明による呼吸センサーは、呼吸のセンシングを
必要とする広範囲の医療用機器に適用可能であり、応用
例としては、呼吸補助装置、呼吸モニター、無呼吸監視
装置、麻酔器、保育器、酸素投与システム、ベンチレー
タ、人工呼吸器、Ｘ線躍影装置（胸部Ｘ線躍彰時のタイ
ミング同調）、呼吸疾患のリハビリテーション用練習器
、生体に刺激を与える各種治療装置の呼吸との同調等が
挙げられる。焦電素子の材質、形態、大きざ、信号処理
の方法は、その用途によって様々である。

以下、図面により本発明の呼吸センサーの具体例につい
て説明する。

第２図は本発明の一実施例となる呼吸センサーの構造を
示す図で、（ａ）は側面の断面図、（ｂ）は下面図であ
る。本実施例は鼻カニユーラ型の呼吸センサーで、酸素
供給が必要なほど重篤ではなく、空気だけで良い場合に
、鼻に装置するだけで呼吸監視、あるいは呼吸補助等の
タイミングセンサーとして使用できるタイプのものであ
る。

本実施例における呼吸センサーは、鼻孔へ挿入する２つ
の導管（１１）とそれに対向する側に外気へ通じる呼吸
気口（１２）を有し、両側に頭部で支持固定するための
支持具（１３）を取付けた外套（９）内に焦電素子（１
）、電界効果型トランジスタ（以下、ＦＥＴと記す）（
旬、出力抵抗（８）および、シールド用金属メツシュ（
１０）を配置したもので、ＦＥＴ（７）から出ている３
本の導線（１４）は信号出力、ＦＥＴの電源およびアー
ス用である。Ｆ　Ｅ　Ｔ　（７）および出力抵抗（８）
は、呼気中の水分が凝縮して生ずる水滴から防護するた
め、呼吸センサーの一端に防滴隔壁（１５）によって隔
離された小部屋の中に設置されており、３本の導線（１
４）は支持具（１３）に沿っであるいはその中を通って
導かれ、測定器に接続されている。支持具（１３）は、
酸素吸入で使用される鼻カニユーラのような、軟質塩化
ビニル樹脂等で作られた管を頭部に巻きつけ固定できる
ような形態をとるか、眼鏡等のように耳にかけるように
しても良い。尚、第１図に示した直流電源（３）および
コンデンサ（５）は、測定器の中に設けられている。

吸気時には、外套（９）に開孔している呼吸気口（１２
）より空気が流入し、シールド用金属メツシュ（１０）
を通して焦電素子（６）に当り、呼気によって暖められ
た焦電素子（６）を冷却する。この空気は左右に分かれ
て鼻孔へ通じる導管（１１）へ導かれ、体内へ流入する
。逆に呼気時には、これと全く反対の経過で、体温によ
って暖められた呼気が排出され、焦電素子（６）を加温
する。

測定を始める前に、第１図に示したコンデンサ（５）の
容量を目的に応じて決定し挿入することにより、第３図
に示すような呼吸波形が得られた。

第３図（ａ）は、コンデンサ（５）を挿入しなかった時
の波形であり、呼気によって暖められた瞬間マイナスの
ピークを生じ、吸気時にプラスに転じる。

この時には周波数の低い成分も入ってくるために、吸気
開始時の検出には不向きである。第３図（ｂ）は、０．
１５μＦのコンデンサを挿入した時の波形で、吸気時の
低周波数成分は除かれるが呼気時にプラス側へオーバー
シュートする傾向が見られた。

第３図（Ｃ）は、１０μＦのコンデンサを挿入した時の
波形で、呼気開始時マイナスピークの後、基線にもどり
、吸気開始と同時にプラスのピークが出炭し再び基線に
もどるという、理想的な微分波形が（ｑられた。以上の
結果から本実施例の呼吸センサーを例えば呼吸補助の目
的に使用する場合には、約１０μＦのコンデンサを用い
ることによって、吸気の始まりを正確にとらえ、補助を
開始することができることが分かる。

〔発明の効果〕

本発明による呼吸センサーは、呼気、吸気を非常に正確
、且つ高感度に検出することができ、従来の呼吸センサ
ーでは難しかった呼吸不全患者のための呼・吸補助の同
調装置として大いにその効果を発揮するものであり、さ
らに、保育器、Ｘ線躍影、種々の刺激的治療法等にも応
用可能である。

また、医学的な応用のみならず、吹奏楽器等他分野への
応用も期待でき、工業上極めて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による呼吸センサーの電気回路の一例を
示す回路図、第２図は本発明の一実施例となる呼吸セン
サーの構造を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は下面
図で必る。第３図は本発明の呼吸センサーによって測定
された呼吸波形図で、（ａ）はコンデンサを挿入しない
場合、（ｂ）は０．１５μＦのコンデンサを挿入した場
合、（Ｃ）は１０μＦのコンデンサを挿入した場合の波
形図である。また、第４図はクロメルーアロメル熱電対
を使用した従来の呼吸センサーによる熱起電力の波形図
である。 特許出願人　　　住友ベークライト株式会社第１図 第　２　図 （ｂ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）呼吸気流の通路内に焦電素子を配設し、該焦電素
   子により該通路内の温度変化を検出し、該焦電素子を含
   む電気回路から得られる該温度変化に対応する電気信号
   の微分波形により、呼気および吸気の開始時期を知るこ
   とを特徴とする呼吸センサー。
2. （２）呼吸気流の通路が、呼吸気流を導くための２本の
   導管と該導管に対向する位置に呼吸気口を有する外套よ
   りなり、該外套内の中央部に焦電素子を配設し、さらに
   その近傍の外套内に焦電素子と共に電気回路を構成する
   電界効果型トランジスタおよび出力抵抗を設置したこと
   を特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の呼吸センサ
   ー。
3. （３）焦電素子と共に電気回路を構成する電界効果型ト
   ランジスタおよび出力抵抗が、呼吸気流の通路内であっ
   て、且つ防滴隔壁によって呼吸気流から隔離された小室
   内に設置されていることを特徴とする、特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の呼吸センサー。
4. （４）焦電素子、電界効果型トランジスタおよび抵抗素
   子から成る電気回路系全体を、導電体材料の層で囲んで
   外部からの電磁波を遮断したことを特徴とする、特許請
   求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の呼吸セ
   ンサー。
5. （５）焦電素子が、高分子強誘電体材料、もしくはセラ
   ミック焼結体粉末と高分子材料の複合体よりなるフィル
   ムないしシート状物であることを特徴とする、特許請求
   の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の呼吸セン
   サー。