JPWO2019124235A1

JPWO2019124235A1 - Ｃｐａｐ装置

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Publication number: JPWO2019124235A1
Application number: JP2019561031A
Authority: JP
Inventors: 滋辻; 毅至林; 寛昭和田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-10-22
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: JP7151860B2; JP6988917B2; US20240082520A1; WO2019124235A1; JP2022019899A; US20200316329A1; US11857724B2

Abstract

本発明のＣＰＡＰ装置（１０）は、筐体（１４）と、一端が接続部（１３）に連通するホース（２０）と、吸気ポート（１８）から流入した空気をホース（２０）の他端より送り出すファン（１６）と、ファン（１６）を回転駆動するモータ（１７）およびモータ駆動部（１９３）と、モータ駆動部（１９３）を制御する制御部（５０）と、流量センサ（２３）とを備えている。制御部（５０）は、ホース（２０）の他端より送り出す圧力が目標圧力となるファン（１６）の回転数の指令値を生成する指令生成部（５１）と、指令値を、流量センサ（２３）により得られた流量値に基づいて補正する指令補正部（５３）とを含む。

Description

本発明は、ＣＰＡＰ装置に関する。

睡眠中に呼吸が止まってしまう睡眠時無呼吸症候群は、空気の通り道である上気道が物理的に狭くなり、呼吸が止まってしまうことが原因とされている。睡眠時無呼吸症候群に有効な治療方法として、ＣＰＡＰ（Continuous Positive Airway Pressure）装置を用いる治療方法がある。ＣＰＡＰ装置は、寝ている間に無呼吸となるのを防ぐため、気道に空気を送り続けて気道を開かせておく装置である。

ＣＰＡＰ装置は、エアチューブを伝って鼻または口に装着したマスクに空気を送り込むことで、マスクをした患者の気道へ空気を送り続けて気道を開かせている。そのため、ＣＰＡＰ装置では、患者の気道へ空気を送り続けて気道を開かせるために、マスクに送り込む空気の制御を行っている。具体的な制御については、例えば、特許文献１に開示されている。

特表２０１５−５３４４９６号公報

特許文献１に記載の装置では、マスクに送り込む空気を制御するためにプロセッシングモジュールを設け、当該プロセッシングモジュールが、継続的に加圧された空気の出力部と送出点との間での圧力の低下を推定している。さらに、特許文献１に記載の装置は、推定した結果に基づき加圧された空気が目標圧力となるように低下した圧力を補償する制御を行っている。

しかし、従来のＣＰＡＰ装置では、目標圧力となるように空気を加圧する制御を行っても、患者の吸気または呼気の流量など外乱が大きい場合には、十分に目標圧力を補償できない虞があった。

そこで、本発明の目的は、外乱に関わらず、送り出す空気の圧力が目標圧力となるように制御することが可能なＣＰＡＰ装置を提供する。

本発明の一形態に係るＣＰＡＰ装置は、吸気口と排気口を有する筐体と、一端が排気口に連通する通気部材と、吸気口から流入した空気を通気部材の他端より送り出すファンと、ファンを回転駆動する駆動部と、駆動部を制御する制御部と、ファンと通気部材の他端との間の空気の流量を測定する流量測定部とを備え、制御部は、排気口より送り出す空気の圧力が目標圧力となるファンの回転数の指令値を生成する指令生成部と、指令値を、流量測定部により得られた流量値に基づいて補正する指令補正部とを含む。

本発明によれば、指令値を、流量測定部により得られた流量値に基づいて補正するので、外乱に関わらず、送り出す空気の圧力が目標圧力となるように制御することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置の使用時の構成を説明するための概略図である。本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置の構成を説明するための断面図である。本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置の制御基板の構成を説明するためのブロック図である。本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置の制御部の機能を説明するためのブロック図である。送風ユニットのＰ−Ｑ曲線の一例を示すグラフである。本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置の制御を説明するためのフローチャートである。圧力センサにより得られた圧力値のみに基づくＣＰＡＰ装置の制御結果を示す図である。本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置の制御結果を示す図である。変形例に係るＣＰＡＰ装置の制御部を説明するためのブロック図である。指令生成部および呼吸外乱補償部での演算を説明するためのブロック図である。指令生成部と呼吸外乱補償部とを一つにまとめた処理部での演算を説明するためのブロック図である。指令生成部と呼吸外乱補償部とを一つにまとめた処理部と、回転数補償部との演算を説明するためのブロック図である。指令生成部と回転数補償部と呼吸外乱補償部とを一つにまとめた処理部での演算を説明するためのブロック図である。

以下に、本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

（装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０の使用時の構成を説明するための概略図である。また、図２は、本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０の構成を説明するための断面図である。図１では、患者にＣＰＡＰ装置１０を使用したときの概要が示されている。患者にＣＰＡＰ装置１０を使用する場合、患者に装着されるマスク３０と、ＣＰＡＰ装置１０からマスク３０に空気を送り込むためのホース２０とが必要となる。

なお、ホース２０およびマスク３０は、ＣＰＡＰ装置１０に対して着脱自在である。マスク３０は、図１に示すように、患者の鼻を覆うように宛がわれ固定される。なお、マスク３０は、様々な種類の中から患者にあった形状や構造を選択することが可能であり、図１に示した形状や構造は一例である。

ＣＰＡＰ装置１０には、装置の状態や操作方法などを表示する表示部１１、複数の操作ボタン１２、およびホース２０を接続するための接続部１３が設けられている。接続部１３が排気口を、ホース２０が一端を排気口に連通する通気部材をそれぞれ構成している。表示部１１は、例えばＬＣＤで構成されるが、７セグメントＬＥＤや有機ＥＬディスプレイなどであってもよい。また、操作ボタン１２は、図示したように物理的な形状を有するスイッチである必要はなく、ＬＣＤの表示面に設けられたタッチパネルなどであってもよい。

さらに、ＣＰＡＰ装置１０には、空気をマスク３０に送り込むため構造を有している。なお、図２では、説明を簡単にするために、構造を単純化して表示部１１および操作ボタン１２の右側に空気を送り込むため構造を図示している。そのため、ＣＰＡＰ装置１０における表示部１１、操作ボタン１２および空気を送り込むため構造の配置は、図２の配置に限定されない。

ＣＰＡＰ装置１０の筐体１４内部には、接続部１３からホース２０へと空気を送り込むため送風ユニット１５が設けられている。送風ユニット１５には、ファン１６が設けられ、モータ１７によりファン１６が駆動される。送風ユニット１５は、ファン１６を駆動することで、図２の矢印に示すように筐体１４内の空気が送風ユニット１５の下部から取り込まれ、接続部１３からホース２０へと送り出されている。なお、筐体１４には、吸気口である吸気ポート１８が設けられており、当該吸気ポート１８を介して外部から筐体１４内に空気を取り込んでいる。

なお、ＣＰＡＰ装置１０は、図示していないが送風ユニット１５にサイレンサを設けてもよい。サイレンサは、送風ユニット１５の空気流出口付近に装着して、送風ユニット１５から流出し空気流出口を通過する空気の流出音を低減する役割を担っている。さらに、サイレンサは、吸気ポート１８からファン１６の入口に入るまでの空間を利用することが可能となり、消音効果を発揮することができる。

さらに、ＣＰＡＰ装置１０は、表示部１１の表示制御、操作ボタン１２の操作の受付、ファン１６を回転させるモータ１７の制御などを行うための回路が実装された制御基板１９を備えている。図３は、本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０の制御基板１９の構成を説明するためのブロック図である。制御基板１９は、主たる構成要素として、プログラムを実行するＣＰＵ１９１と、ＲＯＭ／ＲＡＭ１９２と、モータ駆動部１９３とを含む。ＲＯＭ／ＲＡＭ１９２には、データを不揮発的に格納するＲＯＭと、ＣＰＵ１９１によるプログラムの実行により生成されたデータ、又は操作ボタン１２を介して入力されたデータを揮発的に格納するＲＡＭとを含む。制御基板１９の各構成要素は、相互にデータバスによって接続されている。

ＣＰＵ１９１における処理は、各ハードウェアおよびＣＰＵ１９１により実行されるソフトウェアによって実現される。このようなソフトウェアは、ＲＯＭ／ＲＡＭ１９２に予め記憶されている。表示部１１の表示制御、操作ボタン１２の操作の受付、ファン１６を回転させるモータ１７の制御なども、ソフトウェアによって実現される。

制御基板１９には、電力を供給するためのＡＣアダプタ２１が接続されるとともに、圧力センサ２２および流量センサ２３が接続されている。圧力センサ２２は、送風ユニット１５が送り出す空気の圧力を測定するためのセンサである。なお、圧力センサ２２は、ＣＰＡＰ装置１０と排気口（吸気ポート１８）に連通する通気部材（ホース２０）とを含む空気流通経路（通気路）における圧力を測定するため、患者の呼吸により変化する空気の圧力を測定することができる。

流量センサ２３は、ＣＰＡＰ装置１０と通気部材（ホース２０）の他端との間における空気の流量を測定するためのセンサである。なお、流量センサ２３は、ＣＰＡＰ装置１０と排気口（吸気ポート１８）に連通する通気部材（ホース２０）とを含む閉じられた空気流通経路（ホース２０の他端にあるマスク３０を装着した患者を含む）における流量を測定するため、患者の呼吸により変化する空気の流量を測定することができる。本実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０では、圧力センサ２２および流量センサ２３のうち少なくとも一方の測定値を用いて、送風ユニット１５が送り出す空気の圧力を目標圧力とするためファン１６の回転数を制御する指令値を補正している。

ファン１６の回転数は、ファン１６を駆動するモータ１７のロータ位置をホールセンサ２４で検知することで得ることができる。具体的に、ＣＰＵ１９１は、モータ駆動部１９３を介して得られるホールセンサ２４からの検知信号に基づいてファン１６の回転数を測定している。

（装置の制御）
次に、送風ユニット１５が送り出す空気の圧力を目標圧力とするためのＣＰＡＰ装置１０が行うファン１６の回転数の制御について説明する。ファン１６の回転数の制御は、制御基板１９に設けた回路によって実現され、以下に説明する制御部によって行われる。図４は、本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０の制御部５０を説明するためのブロック図である。制御部５０は、指令生成部５１、記憶部５２、指令補正部５３、回転数補償部５４、および呼吸外乱補償部５５を含んでいる。

指令生成部５１は、操作ボタン１２の操作を受付け、送風ユニット１５が送り出す空気の圧力が目標圧力となるようにファン１６の回転数の指令値を生成する。送風ユニット１５が送り出す空気の圧力は、ＣＰＡＰ装置１０と通気部材（ホース２０）の他端との間における空気の流量との間で相関特性を有しており、筐体部の内部形状と送風ユニット１５固有の性能とファン１６の回転数（回転速度）により決定されるＰ−Ｑ曲線（静圧−流量曲線）に従っている。

ここで、Ｐ−Ｑ曲線は、ファン１６により生じる空気の圧力と流量との関係を示す相関特性である。図５は、送風ユニット１５のＰ−Ｑ曲線の一例を示すグラフである。図５の横軸に流量Ｑ、縦軸に静圧Ｐがそれぞれ設定されている。なお、静圧Ｐは、ＣＰＡＰ装置１０からマスク３０を経て患者の気道および肺に至る空気流通経路の圧力損失であり、患者の呼吸により変動する。例えば、患者が息を吸う（吸気）の場合、肺が膨張し体積が増大して静圧Ｐは低下し、患者が息を吐く（呼気）の場合、肺が収縮し体積が減少して静圧Ｐは増大する。

送風ユニット１５のＰ−Ｑ曲線は、同じ送風ユニット１５を用いるのであれば、ファン１６の回転数により異なる。例えば、図５に示すＰ−Ｑ曲線では、ファン１６の回転数が異なる場合の３つの曲線が図示されている。具体的に、曲線Ａ、曲線Ｂ、曲線Ｃの順で、ファン１６の回転数が小さくなる。つまり、送風ユニット１５は、同じ静圧Ｐであればファン１６の回転数が大きいほど流量Ｑも多くなる。

Ｐ−Ｑ曲線の情報は、記憶部５２に記憶されている。図４（ａ）に示す記憶部５２は、指令生成部５１にＰ−Ｑ曲線の情報を入力し、指令生成部５１から呼吸外乱補償部５５にＰ−Ｑ曲線の情報を提供する構成が図示されている。一方、図４（ｂ）に示す記憶部５２は、呼吸外乱補償部５５にＰ−Ｑ曲線の情報を直接入力する構成が図示されている。もちろん、記憶部５２は、指令生成部５１および呼吸外乱補償部５５にＰ−Ｑ曲線の情報を入力してもよい。なお、記憶部５２は、図３に示すＲＯＭ／ＲＡＭ１９２が対応する構成となるが、ＲＯＭ／ＲＡＭ１９２とは別にＣＰＵ１９１に接続される外部の記憶装置（例えば、ＳＳＤやＨＤＤなど）であってもよい。記憶部５２には、ファン１６の回転数が異なるごとにＰ−Ｑ曲線の情報を記憶しされているものとして以下説明するが、主なファン１６の回転数に限ってＰ−Ｑ曲線の情報を記憶したり、ファン１６の回転数によらない一般化したＰ−Ｑ曲線の情報を記憶したりしてもよい。

記憶部５２に主なファン１６の回転数に限ってＰ−Ｑ曲線の情報を記憶させた場合、ＣＰＵ１９１は、記憶している情報に対して公知の補間演算を行い必要なファン１６の回転数に対応するＰ−Ｑ曲線の情報を算出する。また、記憶部５２にファン１６の回転数によらない一般化したＰ−Ｑ曲線の情報を記憶させた場合、ＣＰＵ１９１は、一般化したＰ−Ｑ曲線の情報に基づいて、必要とするファン１６の回転数を算出する。

指令補正部５３は、指令生成部５１で生成した指令値を、圧力センサ２２や流量センサ２３で測定した値に基づいて補正を行う。圧力センサ２２は、送風ユニット１５が送り出す空気の圧力を測定し、測定した値を回転数補償部５４に出力している。回転数補償部５４では、圧力センサ２２により得られた圧力値と目標圧力との圧力差を算出し、当該圧力差に応じて指令値を補正する補正値を算出している。

つまり、回転数補償部５４では、圧力センサ２２により得られた圧力値と目標圧力との圧力差が０（ゼロ）となるようにフィードバック制御を行っている。しかし、回転数補償部５４では、患者の呼吸に伴う圧力変動を後追いで補正することになるため、目標圧力への復帰に遅れが生じることになる。

一方、流量センサ２３では、送風ユニット１５が送り出す空気の流量を測定し、測定した値を呼吸外乱補償部５５に出力している。呼吸外乱補償部５５は、流量値を流量センサ２３から得て、患者に送り込む空気の圧力が目標圧力となるように指令値を補正する補正値を算出している。具体的に、呼吸外乱補償部５５は、例えば患者が息を吸う（吸気）場合または患者が息を吐く（呼気）場合、流量センサ２３により得られた流量値と目標圧力から一般化したＰ−Ｑ曲線を参照して必要な補正値（回転数）を導出する。

つまり、呼吸外乱補償部５５では、流量センサ２３により得られた流量値により、目標圧力となるようにフィードフォワード制御を行っている。そのため、呼吸外乱補償部５５では、患者の呼吸に伴う圧力変動を素早く補正することができ、回転数補償部５４の様に補正に遅延が生じることなく目標圧力を維持する制御を行うことができる。

回転数補償部５４で算出した補正値、および呼吸外乱補償部５５で算出した補正値は、指令補正部５３に出力される。指令補正部５３は、指令生成部５１で生成した指令値に対し、回転数補償部５４および呼吸外乱補償部５５で算出した補正値を考慮してモータ駆動部１９３へ出力する指令値を決定する。

なお、指令補正部５３は、指令生成部５１で生成した指令値に対して補正値の考慮する割合を変更できるようにしてもよい。例えば、指令生成部５１が生成した指令値と呼吸外乱補償部５５の補正値により８０％、回転数補償部５４の補正値を２０％の割合を組み合わせてモータ駆動部１９３へ出力する指令値を決定する。また、指令生成部５１で生成した指令値に対して呼吸外乱補償部５５の補正値を強く考慮する場合、指令補正部５３は、生成した指令値を７０％、回転数補償部５４の補正値を１０％、呼吸外乱補償部５５の補正値を２０％の割合を組み合わせてモータ駆動部１９３へ出力する指令値を決定する。

モータ駆動部１９３は、指令補正部５３から出力された指令値に基づくファン１６の回転数となるように、モータ１７に直流電圧を供給する。モータ１７は、モータ駆動部１９３から供給された直流電圧に従いファン１６を回転させる。ファン１６から送り出された空気は、ホース２０を経てマスク３０に供給され患者の気道および肺へと至る。

（制御フローチャート）
図４に示した制御部５０における送風ユニット１５の制御を、フローチャートを用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０の制御を説明するためのフローチャートである。ＣＰＡＰ装置１０の制御部５０は、患者が操作ボタン１２を押下することで、ホース２０の他端より送り出す空気の圧力が目標圧力となるような制御が開始される。

まず、制御部５０は、目標圧力に対応する指令値を生成する（ステップＳ１１）。具体的に、図４に示した指令生成部５１は、予め入力された圧力設定値に基づいて、目標圧力に対応する指令値を生成する。

次に、制御部５０は、流量センサ２３で測定した流量値を取得する（ステップＳ１２）。制御部５０は、取得した流量値に基づき補正値を算出する（ステップＳ１３）。具体的に、図４に示した呼吸外乱補償部５５が、流量センサ２３により得られた流量値とＰ−Ｑ曲線とに基づいて、患者に送り込む空気の圧力が目標圧力となるように指令値を補正する補正値を算出する。

次に、制御部５０は、ステップＳ１１で生成した指令値およびステップＳ１３で算出した補正値に基づき出力する指令値を生成する（ステップＳ１４）。つまり、制御部５０では、ステップＳ１３で算出した補正値を考慮した指令値を生成している。制御部５０は、ステップＳ１４で生成した指令値をモータ駆動部１９３に出力し、指令値で指令したファン１６の回転数となるようにモータ１７を駆動する（ステップＳ１５）。

次に、制御部５０は、圧力センサ２２で測定した圧力値を取得する（ステップＳ１６）。制御部５０は、取得した圧力値が目標圧力か否かを判断する（ステップＳ１７）。圧力値が目標圧力でない場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、制御部５０は、フィードバック制御として取得した圧力値に基づき補正値を算出する（ステップＳ１８）。具体的に、図４に示した回転数補償部５４が、圧力センサ２２により得られた圧力値と目標圧力との圧力差を算出し、当該圧力差に応じて指令値を補正する補正値を算出する。ステップＳ１８の処理後、ステップＳ１２に戻るため、制御部５０は、ステップＳ１３で算出した補正値、およびステップＳ１８で算出した補正値を考慮して出力する指令値を生成する。

一方、圧力値が目標圧力である場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、制御部５０は、処理をステップＳ１２に戻す。以降、制御部５０は、患者が操作ボタン１２を押下して操作終了を受付ける、または設定したタイマの時間が経過するまで、ステップＳ１１〜ステップＳ１８の処理を繰返す。

（制御結果）
次に、圧力センサ２２により得られた圧力値のみに基づいて送風ユニット１５の制御を行った場合と、本実施の形態のように、圧力センサ２２により得られた圧力値および流量センサ２３により得られた流量値に基づいて送風ユニット１５の制御を行った場合との制御結果を比較して説明する。図７は、圧力センサ２２により得られた圧力値のみに基づくＣＰＡＰ装置の制御結果を示す図である。図８は、本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０の制御結果を示す図である。なお、図７に示す制御結果では、目標圧力を１０Ｐａに設定されており、図８に示す制御結果では、目標圧力を２０Ｐａに設定されているものとする。なお、図７および図８において、時間の単位を秒として［ｓ］で表記し、流量の単位をリットル／分として［ＬＰＭ］で表記し、圧力の単位をパスカルとして［Ｐａ］で表記している。

図７に示す制御結果では、時間が１０．５秒の辺りで患者が息を吸い始めたことで流量が急激に大きくなると同時に圧力も急激に低下している。そのため、ＣＰＡＰ装置１０の制御部５０は、圧力センサ２２により得られた圧力値に基づいてフィードバック制御を行い、圧力を目標圧力に戻すためファンの回転数を増加させている。しかし、制御部５０がフィードバック制御のみで送風ユニット１５の制御を行う場合、圧力センサ２２で測定した圧力値に基づいて後追いでファンの回転数を増加させるため、目標圧力に戻す制御に遅れが生じる。具体的に、図７に示す制御結果では、時間が１１秒の辺りで圧力が上昇に転じている。このような制御を行った場合、患者は息を吸っているにも関わらず、圧力が目標圧力に達していないため、ＣＰＡＰ装置１０が患者の気道を十分に開かせることができない虞がある。

また、図７に示す制御結果では、時間が１３．２秒の辺りで患者が息を吐き始めたことで流量が急激に小さくなっているにも関わらず、制御部５０の制御の遅れから、時間が１３．４秒の辺りまで圧力が上昇し続けている。このような制御を行った場合、患者は息を吐いているにも関わらず、圧力が目標圧力より高くなっているために息を吐き辛くなる。

一方、本実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０では、圧力センサ２２により得られた圧力値に基づいてフィードバック制御だけでなく、流量センサ２３により得られた流量値に基づいてフィードフォワード制御を行っている。図８に示す制御結果では、時間が１３．５秒の辺りで患者が息を吸い始めたことで流量が急激に大きくなっているが、流量センサ２３により得られた流量値に基づいてフィードフォワード制御を行い素早くファン１６の回転数を増加させている。そのため、制御部５０は、患者の吸気に関わらず圧力をほぼ目標圧力に維持している。このような制御を行った場合、患者は息を吸っていても、目標圧力に圧力が維持されているので、ＣＰＡＰ装置１０が患者の気道を開かせ気道および肺に空気を送り込むことができる。

また、図８に示す制御結果では、時間が１６．８秒の辺りで患者が息を吐き始めたことで流量が急激に小さくなっているが、制御部５０のフィードフォワード制御により素早くファン１６の回転数を減少させている。そのため、制御部５０は、患者の呼気に関わらず圧力をほぼ目標圧力に維持している。このような制御を行った場合、患者は息を吐いていても、目標圧力に圧力が維持されているので、息を吐き易い。

以上のように、本実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０は、吸気ポート１８と接続部１３を有する筐体１４と、一端が接続部１３に連通するホース２０と、吸気ポート１８から流入した空気をホース２０の他端より送り出すファン１６と、ファン１６を回転駆動するモータ１７およびモータ駆動部１９３と、モータ駆動部１９３を制御する制御部５０と、流量センサ２３とを備えている。制御部５０は、ホース２０の他端より送り出す圧力が目標圧力となるファン１６の回転数の指令値を生成する指令生成部５１と、指令値を、流量センサ２３により得られた流量値に基づいて補正する指令補正部５３とを含む。なお、指令生成部５１は、ファン１６の回転駆動により生じる空気の圧力により指令値を生成する。また、指令値は、制御部５０より出力されてモータ駆動部１９３に入力され、ファン１６の回転数を所定の値とする信号である。

そのため、ＣＰＡＰ装置１０では、流量センサ２３により得られた流量値に基づいて補正するので、患者の吸気または呼気の流量に関わらず、送り出す空気の圧力が目標圧力となるように制御することが可能となる。

指令補正部５３および呼吸外乱補償部５５は、流量センサ２３により得られた流量値の変化からホース２０の他端に送り込む空気の圧力の変化を算出し、ホース２０の他端に送り込む空気の圧力が目標圧力となるように指令値を補正する。具体的に、呼吸外乱補償部５５は、流量値を流量センサ２３から得て、患者に送り込む空気の圧力が目標圧力となるように指令値を補正する補正値を算出している。指令補正部５３は、呼吸外乱補償部５５で算出した補正値を考慮して指令値を補正する。

具体的に、指令補正部５３は、流量センサ２３により得られた流量値と対応する目標圧力を一般化したＰ−Ｑ曲線を参照して必要な補正値（回転数）を導出する。指令補正部５３は、例えば吸気時には、流量値を測定時におけるファン１６の回転数が、流量センサ２３により得られた流量値と目標圧力とに対応するＰ−Ｑ曲線に示す所定のファン１６の回転数より小さくなるため、ファン１６の回転数が増加するように指令値に補正する。また、指令補正部５３は、例えば呼気時に、流量値を測定時におけるファン１６の回転数が、流量センサ２３により得られた流量値と目標圧力とに対応するＰ−Ｑ曲線に示す所定のファン１６の回転数より大きくなるため、ファン１６の回転数が減少するように指令値に補正する。

本実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０では、図３で示したように圧力センサ２２をさらに備えている。そのため、指令補正部５３および回転数補償部５４は、圧力センサ２２により得られた圧力値に基づいて指令生成部５１で生成した指令値を補正する。そのため、ＣＰＡＰ装置１０は、流量センサのみを設けたＣＰＡＰ装置に比べて、送り出す空気の圧力が目標圧力となるようにより精度よく制御することが可能となる。

指令補正部５３および回転数補償部５４は、圧力センサ２２により得られた圧力値と目標圧力との圧力差を算出し、当該圧力差に応じて指令値を補正する。具体的に、指令補正部５３は、圧力センサ２２により得られた圧力値が目標圧力より小さい場合、ファン１６の回転数を増加するように指令値に補正する。また、指令補正部５３は、圧力センサ２２により得られた圧力値が目標圧力より大きい場合、ファン１６の回転数を減少するように指令値に補正する。

（変形例）
（１）本実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０では、流量センサ２３により得られた流量値に基づいてフィードフォワード制御を行う構成だけでなく、圧力センサ２２により得られた圧力値に基づいてフィードバック制御を行う構成も含んでいる。しかし、これに限られず、ＣＰＡＰ装置は、流量センサ２３により得られた流量値に基づいてフィードフォワード制御を行う構成だけでもよい。また、ＣＰＡＰ装置は、流量センサ２３により得られた流量値に基づいてフィードフォワード制御を行う構成以外に、別のフィードフォワード制御を行う構成やフィードバック制御を行う構成を含んでもよい。

（２）本実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０では、ファン１６により生じる空気の圧力と流量との関係であるＰ−Ｑ曲線の情報（相関特性の情報）を記憶部５２に記憶している。しかし、記憶部５２は、主なファン１６の回転数に限ってＰ−Ｑ曲線の情報を記憶させても、ファン１６の回転数によらない一般化したＰ−Ｑ曲線の情報を記憶させてもよい。これにより、記憶部５２の記憶容量を低減することができる。

（３）本実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０では、目標圧力が、患者の呼気・吸気に依らず一定の値であると説明した。しかし、これに限られず、ＣＰＡＰ装置は、患者の呼気・吸気により目標圧力が変動するように設定してもよい。

（４）本実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０では、圧力センサ２２および流量センサ２３を送風ユニット１５の空気流出口付近に設けている。しかし、これに限られず、ＣＰＡＰ装置は、より患者に近いホース２０やマスク３０に圧力センサや流量センサを設けてもよい。また、ＣＰＡＰ装置は、圧力センサおよび流量センサをそれぞれ１個ずつ設ける構成に限定されず、圧力センサおよび流量センサを複数設けてもよい。

（５）本実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０では、図４で示したように呼吸外乱補償部５５からの信号が指令補正部５３に直接入力される構成について説明した。しかし、呼吸外乱補償部５５からの信号を指令補正部５３に直接入力した場合、発振する虞があるため、呼吸外乱補償部５５からの信号を、フィルタを介して指令補正部５３に入力してもよい。図９は、変形例に係るＣＰＡＰ装置の制御部５０Ａを説明するためのブロック図である。制御部５０Ａは、指令生成部５１、記憶部５２、指令補正部５３、回転数補償部５４、呼吸外乱補償部５５、および補償フィルタ５６を含んでいる。なお、図９に示す構成のうち、図４で示した構成と同じ構成については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

補償フィルタ５６は、呼吸外乱補償部５５からの信号の波形を鈍らせるフィルタ回路であり、例えば、ローパスフィルタ回路である。なお、補償フィルタ５６は、波形を鈍らせる信号に応じてバンドパスフィルタ回路やハイパスフィルタ回路などを用いてもよい。指令補正部５３は、呼吸外乱補償部５５からの信号の波形を補償フィルタ５６で鈍らせて入力させることで、発振が発生することを抑えている。

（６）本実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０では、図４で示したように指令生成部５１と呼吸外乱補償部５５とそれぞれ設け、別々で行った演算結果に基づいて指令補正部５３で指令値を補正してモータ駆動部１９３へ出力する構成について説明した。しかし、指令生成部５１と呼吸外乱補償部５５とを一つにまとめて演算量を低減したＣＰＡＰ装置を構成してもよい。以下、図を用いて指令生成部５１と呼吸外乱補償部５５とを一つにまとめた構成について説明する。

図１０は、指令生成部５１および呼吸外乱補償部５５での演算を説明するためのブロック図である。指令生成部５１では、目標圧力を指令する圧力指令に基づき、流量ゼロ時に目標圧力とするために必要なファン１６の回転数を算出する第１回転数導出部５１ａを含んでいる。さらに、指令生成部５１では、第１回転数導出部５１ａで算出した値にフィードフォワード制御のＦＦ（feed-forward）係数を乗じるＦＦ係数部５１ｂを含んでいる。指令生成部５１では、ＦＦ係数部５１ｂでＦＦ係数を乗じた値を回転数指令として出力している。

呼吸外乱補償部５５では、目標圧力を指令する圧力指令と流量センサ２３で測定した流量とに基づいて、測定した流量時に目標圧力とするために必要なファン１６の回転数を算出する第２回転数導出部５５ａを含んでいる。さらに、呼吸外乱補償部５５では、目標圧力を指令する圧力指令に基づき、流量ゼロ時に目標圧力とするために必要なファン１６の回転数を算出する第１回転数導出部５５ｂを含んでいる。呼吸外乱補償部５５では、差分導出部５５ｃで第２回転数導出部５５ａおよび第１回転数導出部５５ｂから出力された値の差分を導出し、回転数指令として出力している。

指令補正部５３では、呼吸外乱補償部５５から出力された回転数指令と、指令生成部５１から出力された回転数指令とを用いて、ファン１６に回転数指令を出力する。

図１０から分かるように、指令生成部５１の第１回転数導出部５１ａと、呼吸外乱補償部５５の第１回転数導出部５５ｂとは同じ演算を行っており、演算処理が重複している。そこで、指令生成部５１と呼吸外乱補償部５５とを一つにまとめることで、重複している演算処理を減らすことができる。

図１１は、指令生成部５１と呼吸外乱補償部５５とを一つにまとめた処理部５００での演算を説明するためのブロック図である。処理部５００では、第１回転数導出部５１ａでの演算と第１回転数導出部５５ｂでの演算とを相殺して、第２回転数導出部５５ａとＦＦ係数部５１ｂとを含む構成のみとしている。そのため、処理部５００では、指令生成部５１と呼吸外乱補償部５５とを一つにしない場合に比べて、演算処理を低減することができる。

（７）さらに、指令生成部５１と回転数補償部５４と呼吸外乱補償部５５とを一つにまとめて演算量を低減したＣＰＡＰ装置を構成してもよい。以下、図を用いて指令生成部５１と回転数補償部５４と呼吸外乱補償部５５とを一つにまとめた構成について説明する。

図１２は、指令生成部５１と呼吸外乱補償部５５とを一つにまとめた処理部５００と、回転数補償部５４との演算を説明するためのブロック図である。処理部５００は、第２回転数導出部５５ａとＦＦ係数部５１ｂとを含む構成である。つまり、処理部５００では、フィードフォワード制御を行っている。

回転数補償部５４では、目標圧力を指令する圧力指令と圧力センサ２２で測定した圧力応答との差分を導出する圧力差分導出部５４ａと、圧力差分導出部５４ａで導出した圧力差分の値から流量補正の値を算出するフィードバック制御部５４ｂとを含んでいる。さらに、回転数補償部５４では、目標圧力を指令する圧力指令とフィードバック制御部５４ｂで算出した流量補正の値とに基づいて、現在の流量時において目標圧力とするために必要なファン１６の回転数を算出する第２回転数導出部５４ｃを含んでいる。つまり、回転数補償部５４は、フィードバック制御を行っている。

指令補正部５３では、回転数補償部５４から出力された回転数指令と、処理部５００から出力された回転数指令とを用いて、ファン１６に回転数指令を出力する。

図１２から分かるように、回転数補償部５４の第２回転数導出部５４ｃと処理部５００の第２回転数導出部５５ａとは同じ演算を行っており、演算処理が重複している。そこで、指令生成部５１と回転数補償部５４と呼吸外乱補償部５５とを一つにまとめることで、重複している演算処理を減らすことができる。

図１３は、指令生成部５１と回転数補償部５４と呼吸外乱補償部５５とを一つにまとめた処理部５１０での演算を説明するためのブロック図である。処理部５１０では、流量から回転数指令を演算する過程において、回転数補償部５４のフィードフォワード制御の処理と処理部５００のフィードバック制御の処理とを一つにまとめることで、演算処理が重複している第２回転数導出部５４ｃと第２回転数導出部５５ａとを一つにまとめている。演算処理が重複している第２回転数導出部５４ｃと第２回転数導出部５５ａとを一つにまとめることで、処理部５１０の演算処理を低減することができる。

なお、第２回転数導出部５５ａは、フィードバック制御部５４ｂにおいて圧力差分から導出した流量補正の値と、ＦＦ係数部５１ｂにおいて流量センサ２３で測定した流量に対してＦＦ係数を乗じた値とを入力する流量と捉えている。つまり、第２回転数導出部５５ａに入力する流量は、フィードフォワード制御の処理とフィードバック制御の処理とが既に実行された流量となっている。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ＣＰＡＰ装置、１１表示部、１２操作ボタン、１３接続部、１４筐体、１５送風ユニット、１６ファン、１７モータ、１８吸気ポート、１９制御基板、２０ホース、２１ＡＣアダプタ、２２圧力センサ、２３流量センサ、２４ホールセンサ、３０マスク、５０制御部、５１指令生成部、５２記憶部、５３指令補正部、５４回転数補償部、５５呼吸外乱補償部、１９２ＲＯＭ／ＲＡＭ、１９３モータ駆動部。

本発明の一形態に係るＣＰＡＰ装置は、吸気口と排気口を有する筐体と、一端が排気口に連通する通気部材と、吸気口から流入した空気を通気部材の他端より送り出すファンと、ファンを回転駆動する駆動部と、駆動部を制御する制御部と、ファンと通気部材の他端との間の空気の流量を測定する流量測定部とを備え、制御部は、排気口より送り出す空気の圧力が目標圧力となるファンの回転数の指令値を生成する指令生成部と、流量測定部により得られた流量値に基づいて、指令値のファンの回転数を補正する指令補正部とを含む。

なお、ホース２０は、ＣＰＡＰ装置１０に対して着脱自在である。マスク３０は、図１に示すように、患者の鼻を覆うように宛がわれ固定される。なお、マスク３０は、様々な種類の中から患者にあった形状や構造を選択することが可能であり、図１に示した形状や構造は一例である。

制御基板１９には、電力を供給するためのＡＣアダプタ２１が接続されるとともに、圧力センサ２２および流量センサ２３が接続されている。圧力センサ２２は、送風ユニット１５が送り出す空気の圧力を測定するためのセンサである。なお、圧力センサ２２は、ＣＰＡＰ装置１０と排気口（接続部１３）に連通する通気部材（ホース２０）とを含む空気流通経路（通気路）における圧力を測定するため、患者の呼吸により変化する空気の圧力を測定することができる。

流量センサ２３は、ＣＰＡＰ装置１０と通気部材（ホース２０）の他端との間における空気の流量を測定するためのセンサである。なお、流量センサ２３は、ＣＰＡＰ装置１０と排気口（接続部１３）に連通する通気部材（ホース２０）とを含む閉じられた空気流通経路（ホース２０の他端にあるマスク３０を装着した患者を含む）における流量を測定するため、患者の呼吸により変化する空気の流量を測定することができる。本実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０では、圧力センサ２２および流量センサ２３のうち少なくとも一方の測定値を用いて、送風ユニット１５が送り出す空気の圧力を目標圧力とするためファン１６の回転数を制御する指令値を補正している。

指令生成部５１は、操作ボタン１２の操作を受付け、送風ユニット１５が送り出す空気の圧力が目標圧力となるようにファン１６の回転数の指令値を生成する。送風ユニット１５が送り出す空気の圧力は、ＣＰＡＰ装置１０と通気部材（ホース２０）の他端との間における空気の流量との間で相関特性を有しており、筐体１４の内部形状と送風ユニット１５固有の性能とファン１６の回転数（回転速度）により決定されるＰ−Ｑ曲線（静圧−流量曲線）に従っている。

Ｐ−Ｑ曲線の情報は、記憶部５２に記憶されている。図４（ａ）に示す記憶部５２は、指令生成部５１にＰ−Ｑ曲線の情報を入力し、指令生成部５１から指令補正部５３にＰ−Ｑ曲線の情報を提供する構成が図示されている。一方、図４（ｂ）に示す記憶部５２は、呼吸外乱補償部５５にＰ−Ｑ曲線の情報を直接入力する構成が図示されている。もちろん、記憶部５２は、指令生成部５１および呼吸外乱補償部５５にＰ−Ｑ曲線の情報を入力してもよい。なお、記憶部５２は、図３に示すＲＯＭ／ＲＡＭ１９２が対応する構成となるが、ＲＯＭ／ＲＡＭ１９２とは別にＣＰＵ１９１に接続される外部の記憶装置（例えば、ＳＳＤやＨＤＤなど）であってもよい。記憶部５２には、ファン１６の回転数が異なるごとにＰ−Ｑ曲線の情報を記憶しされているものとして以下説明するが、主なファン１６の回転数に限ってＰ−Ｑ曲線の情報を記憶したり、ファン１６の回転数によらない一般化したＰ−Ｑ曲線の情報を記憶したりしてもよい。

一方、圧力値が目標圧力である場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、制御部５０は、処理をステップＳ１２に戻す。以降、制御部５０は、患者が操作ボタン１２を押下して操作終了を受付ける、または設定したタイマの時間が経過するまで、ステップＳ１２〜ステップＳ１８の処理を繰返す。

（制御結果）
次に、圧力センサ２２により得られた圧力値のみに基づいて送風ユニット１５の制御を行った場合と、本実施の形態のように、圧力センサ２２により得られた圧力値および流量センサ２３により得られた流量値に基づいて送風ユニット１５の制御を行った場合との制御結果を比較して説明する。図７は、圧力センサ２２により得られた圧力値のみに基づくＣＰＡＰ装置の制御結果を示す図である。図８は、本発明の実施の形態に係るＣＰＡＰ装置１０の制御結果を示す図である。なお、図７に示す制御結果では、目標圧力を４００Ｐａに設定されており、図８に示す制御結果では、目標圧力を４００Ｐａに設定されているものとする。なお、図７および図８において、時間の単位を秒として［ｓ］で表記し、流量の単位をリットル／分として［ＬＰＭ］で表記し、圧力の単位をパスカルとして［Ｐａ］で表記している。

指令補正部５３では、呼吸外乱補償部５５から出力された回転数指令と、指令生成部５１から出力された回転数指令とを用いて、モータ駆動部１９３に回転数指令を出力する。

指令補正部５３では、回転数補償部５４から出力された回転数指令と、処理部５００から出力された回転数指令とを用いて、モータ駆動部１９３に回転数指令を出力する。

図１３は、指令生成部５１と回転数補償部５４と呼吸外乱補償部５５とを一つにまとめた処理部５１０での演算を説明するためのブロック図である。処理部５１０では、流量から回転数指令を演算する過程において、回転数補償部５４のフィードバック制御の処理と処理部５００のフィードフォワード制御の処理とを一つにまとめることで、演算処理が重複している第２回転数導出部５４ｃと第２回転数導出部５５ａとを一つにまとめている。演算処理が重複している第２回転数導出部５４ｃと第２回転数導出部５５ａとを一つにまとめることで、処理部５１０の演算処理を低減することができる。

Claims

ＣＰＡＰ装置であって、
吸気口と排気口を有する筐体と、
一端が前記排気口に連通する通気部材と、
前記吸気口から流入した空気を前記通気部材の他端より送り出すファンと、
前記ファンを回転駆動する駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
前記ファンと前記通気部材の他端との間の空気の流量を測定する流量測定部とを備え、
前記制御部は、
前記排気口より送り出す空気の圧力が目標圧力となる前記ファンの回転数の指令値を生成する指令生成部と、
前記指令値を、前記流量測定部により得られた流量値に基づいて補正する指令補正部とを含む、ＣＰＡＰ装置。
前記指令生成部は、前記ファンの回転駆動により生じる空気の圧力により前記指令値を生成する、
請求項１に記載のＣＰＡＰ装置。
前記指令値は、前記制御部より出力されて前記駆動部に入力され、前記ファンの回転数を所定の値とする信号である、
請求項１または２に記載のＣＰＡＰ装置。
前記ファンと前記通気部材の他端との間の空気の圧力を測定する圧力測定部をさらに備え、
前記指令補正部は、前記指令値を、前記圧力測定部により得られた圧力値に基づいて補正する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＣＰＡＰ装置。
前記指令補正部は、前記流量測定部により得られた流量値の変化から前記通気部材に送り込む空気の圧力の変化を算出し、前記通気部材に送り込む空気の圧力が前記目標圧力となるように前記指令値を補正する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＣＰＡＰ装置。
前記指令補正部は、前記圧力測定部により得られた圧力値と前記目標圧力との圧力差を算出し、当該圧力差に応じて前記指令値を補正する、請求項４または請求項５に記載のＣＰＡＰ装置。
前記ファンにより生じる空気の圧力と流量との関係を相関特性として記憶する記憶部をさらに備える、請求項５または請求項６に記載のＣＰＡＰ装置。
前記指令補正部は、
前記流量測定部により得られた流量値の測定時における前記ファンの回転数が、前記測定時の流量値と前記目標圧力とに対応する前記相関特性に示す前記ファンの回転数より小さい場合、前記ファンの回転数が増加するように前記指令値に補正し、
前記流量測定部により得られた流量値の測定時における前記ファンの回転数が、前記測定時の流量値と前記目標圧力とに対応する前記相関特性に示す前記ファンの回転数より大きい場合、前記ファンの回転数が減少するように前記指令値に補正する、請求項７に記載のＣＰＡＰ装置。
前記指令補正部は、
前記圧力測定部により得られた圧力値が前記目標圧力より小さい場合、前記ファンの回転数を増加するように前記指令値に補正し、
前記圧力測定部により得られた圧力値が前記目標圧力より大きい場合、前記ファンの回転数を減少するように前記指令値に補正する、請求項６に記載のＣＰＡＰ装置。
前記目標圧力は、患者の呼気・吸気に依らず一定の値である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のＣＰＡＰ装置。