WO2004054648A1 - 酸素供給装置 - Google Patents

Abstract

　連続供給時の流量が設定できる機能を付設しつつ、構成を簡素化することで小型軽量化できる呼吸同調型の酸素供給装置として、酸素発生手段、該酸素を使用者に供給する酸素供給手段、酸素供給経路中に自動開閉弁を備えた酸素供給装置であり、使用者の呼吸を検知する呼吸センサーを備えると共に、連続流での供給または使用者の呼吸に同調した供給の供給方式設定手段及び供給流量の流量設定手段を備え、連続流での供給方式設定信号を受けて該流量設定手段の設定値に対応する該自動開閉弁の開度を制御し、また同調での供給方式設定信号を受けて、該呼吸センターの呼吸信号に基づいて吸気開始点に該自動開閉弁を開放すると共に、該流量設定値に対応する自動開閉弁の開時間を制御する制御手段を備えたことを特徴とする酸素供給装置を提供する。

Description

明 細 書 酸素供給装置 技術分野

本発明は、 使用者の呼吸サイクルに応じて作動する自動開閉弁を備 えた呼吸用気体供給装置に関する。 さらに詳細には、 慢性呼吸器疾患 患者等が酸素吸入療法を行なう際に使用する医療機器であり、 酸素又 は酸素濃縮気体を呼吸用気体として呼吸サイクルに応じて間歇的に 使用者に供給する機能を備えた酸素供給装置に関するものである。 背景技術

近年、 喘息、 肺気腫症、 慢性気管支炎等の呼吸器系疾患に苦しむ患 者が増加する傾向にある。 かかる呼吸器系疾患に対する最も効果的な 治療法の一つとして酸素吸入療法があり、 かかる治療に必要な酸素の 供給源として、 空気中から直接、 酸素濃縮気体を分離する酸素濃縮装 置あるいは酸素ボンベが使用されるようになってきた。 病院や在宅で 酸素吸入療法を行なう場合には、 圧力変動吸着型や膜型、 あるいは酸 素を選択的に透過する固体電解質膜を用いた酸素富化空気供給装置、 あるいは大容量の固定式酸素ボンベが使用されている。

一方、 患者が通院などで外出する場合には、 携帯型の酸素ボンベが 用いられる。 これは呼吸器系疾患患者が持ち運びするボンベであるた め、 小型軽量である必要があり、 長時間の使用に耐えうるように高圧 酸素ガスが充填されている。 携帯型の小型酸素ボンベに減圧弁および 流量調整機能が設けられており、 患者への処方に応じた流量の酸素を 供給することができる。

さらに、 使用できる時間を延長するための方法として、 特公平 3 — 2 2 1 8 5号公報、 特開昭 5 9 — 8 9 7 2号公報等に記載されている ように、 内部に呼吸センサーと自動開閉弁を内蔵し、 患者の吸気時間 だけに酸素を供給し、 呼気時間は供給を停止する呼吸同調酸素供給装 置が提案されている。

またこの呼吸同調酸素供給装置は、 呼気時に無駄に酸素を供給する ことが無く、 経済的にも有効であることから、 特開昭 6 1— 1 3 1 7 5 6号公報等で酸素濃縮装置においても呼吸同調酸素供給装置の使 用が提案されている。 さらに、 バッテリー駆動ができる移動型あるい は携帯型の酸素濃縮装置が提案されており （特開平 7— 1 3 6 2 7 1 号公報、 特開平 7— 1 3 6 2 7 2号公報、 特開 2 0 0 0— 3 2 5 4 8 2号公報、 特開 2 0 0 2— 1 2 1 0 1 0号公報、 特開 2 0 0 2— 4 5 4 2 4号公報を参照） 、 バッテリー容量の制限から使用できる時間を 延長するために呼吸同調酸素供給装置の併設が所望される。

このような呼吸同調酸素供給装置では、 通常使用者の呼吸の検出は 鼻呼吸を力二ユーラを介して圧力センサーで検知している。 そのため 使用者の呼吸が弱い場合や、 逆に呼吸数が異常に高い場合には、 呼吸 同調がなされない場合が生じる。 またセンサーの劣化によっても同様 に呼吸同調がなされない場合がある。

また携帯型酸素濃縮器への併設の場合には、 睡眠時にも酸素濃縮装 置を使用する場合がある。 このときには使用者は口で呼吸する場合が あり、 通常の鼻呼吸を検知するセンサーでは呼吸が検知できない場合 がある。 そのため、 時には使用者の呼吸とは無関係に連続的な酸素供 給が必要となる場合がある。

このような観点から、 特開 2 0 0 2— 1 4 3 3 0 6号公報において は電磁弁を有する第 1 の配管系と複数のオリフィスが形成された設定 部材を有する第 2の配管系を設け、 開閉弁を用いて第 1の配管系を選 択した場合には呼吸同調酸素供給の設定を、 第 2の配管系を選択した 場合には連続的な酸素供給時の酸素流量の設定が行なえる構成が提 案されている。 発明の開示 しかし、 上記特開 2 0 0 2— 1 4 3 3 0 6号公報記載の呼吸同調型 酸素供給装置では、 従来の呼吸同調型酸素供給装置と比べて、 連続流 での供給配管系と呼吸同調流での供給配管系の 2つの配管系を必要 としている。 したがってかかる装置では、 配管構成自体が ί复雑となる 上、 携帯性の観点からは流路切り替え弁ゃ流路開閉弁の追加、 制御系 追加による重量増加や装置の大型化の点で好ましくない。

本発明は、 かかる問題点を解決するものであり、 連続供給時の流量 が設定できる機能を有する小型軽量化できる呼吸同調型気体供給装 置を提供することを目的とする。

かかる課題に対して本願出願人は鋭意検討した結果、 電気信号によ つて開度を自由に調節することの出来る自動開閉弁を気体流量の調 節部分に備えることで上述した課題を解決出来ることを見出し、 以下 の装置を提供する。

すなわち本発明は、 酸素発生手段、 該酸素を使用者に供給する酸素 供給手段、 酸素供給経路中に自動開閉弁を備えた酸素供給装置であり 使用者の呼吸を検知する呼吸センサーを備えると共に、 連続流での供 '給または使用者の呼吸に同調した供給の供給方式設定手段及び供給 流量の流量設定手段を備え、 連続流での供給方式設定信号を受けて該 流量設定手段の設定値に対応する該自動開閉弁の開度を制御し、 また 同調での供給方式設定信号を受けて、 該呼吸センターの呼吸信号に基 づいて吸気開始点に該自動開閉弁を開放すると共に、 該流量設定値に 対応する自動開閉弁の開時間を制御する制御手段を備えたことを特 徴とする酸素供給装置を提供するものである。

また本発明は、 かかる自動開閉弁が、 全閉から全開までの応答速度 が、 0 . 1秒以下であることを特徴とし、 更に該自動開閉弁のオリフ イスの径が Ι πι πι φ以上、 5 ΗΙ Πΐ φ以下であることを特徴とする酸素 供給装置を提供するものである。 さらに本発明は、 かかる酸素発生手 段が、 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を備えた吸着筒、 該 吸着筒に加圧空気を供給するコンプレッサを備えた圧力変動吸着型 酸素濃縮手段であることを特徴とする請求項 1 に記載の酸素供給装 置を提供するものである。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の酸素供給装置の構成図を示す。

図 2は、 本発明の酸素供給装置を使用した呼吸同調時の酸素供給結 果を示す。

図 3は、 本発明の酸素供給装置を使用した連続流供給時の酸素供給 結果を示す。 発明を実施するための最良の形態 .

本発明は、 酸素発生手段、 該酸素を使用者に供給する酸素供給手段、 酸素供給経路中に自動開閉弁を備えた酸素供給装置であり、 電気信号 によって連続的に開度を調節することの出来る機能を備えた自動開 閉弁を気体流量の調節部に備えた酸素供給装置である。

ここで、 酸素発生手段は、 酸素を連続的に供給できる装置のことで あり、 酸素選択透過性膜型、 吸着型、 電解質を用いた電気化学型の酸 素濃縮手段や、 酸素ボンべ、 液化酸素充填容器などがある。

酸素選択透過性膜型の酸素濃縮手段とは、 酸素透過係数が窒素透過 係数よりも大きい高分子膜を用レ ^、圧縮機等により膜一方面に空気を 加圧供給し、 膜他方面から濃縮酸素を取り出すというものである。 こ のような高分子膜としてはポリジメチルシロキサン—ポリカーポネ ート共重合体、 ポリ （4—メチルペンテン一 1 ) 、 ポリフエ二レンォ キサイ ド、 ボルフイ リン錯体含有膜などがある。

吸着型の酸素濃縮手段とは、 窒素を選択的に吸着しうる吸着剤を充 填した吸着床に圧縮機等で圧縮空気を導入して加圧状態で窒素を吸 着させることにより酸素濃縮気体を得る吸着工程と、 吸着床の内圧を 減少させて窒素を脱着させ吸着剤の再生を行なう脱着工程を交互に 行なうことにより酸素を濃縮する加圧型手段、 あるいは常圧空気を導 入し常圧で窒素を吸着する工程と、 真空ポンプなどで気体吸引により 吸着床の内圧を常圧より減圧して窒素を脱着させ吸着剤の再生を行 なう脱着工程を交互に行なうことにより酸素を濃縮する減圧型手段、 またこれら加圧型手段、 減圧型手段をくみあわせたものである。 この ような吸着剤としては窒素に対して選択的吸着性を有する結晶性ゼ ォライ トモレキュラーシ一ブがある。 このようなゼオラィ トにはカチ オンとして金属元素を有するゼォライ 卜が好ましい。 具体的には、 ナ トリウムゼォライ トである 5 A型ゼォライ トゃ 1 3 X型ゼォライ ト、 または、 Si0₂/Al₂0₃比が 2.0〜3.0である X型ゼオライ トであり、 かつ その AI0₄四面体単位の少なくとも 88 %がリチウムカチオンと会合し た結晶性ゼォライ トである L iゼォライ トなどを挙げることが出来る。

また電解質を用いた電気化学型の酸素濃縮手段とは、 酸素イオン伝 導性固体電解質を用い、 該酸素イオン伝導性固体電解質の一方面上に 送風ファン等で空気を供給し、 酸素を酸素イオンに還元し、 酸素.ィォ ンを該酸素イオン伝導性固体電解質の他方面上に輸送し酸素に酸化 することにより酸素を濃縮する手段、 プロ トン伝導性高分子電解質を 用い、 同様に一方面から他方面に酸素を輸送する手段などである。 酸素ボンベとは、 使用する気体を高圧で充填した高圧ボンベであり 通常 1 5 M P aから 2 0 M P aの圧力の内圧で充填されている。 液化酸 素充填容器とは、 室温で気体状態であるものを液体状態となるまで深 冷冷却し、 断熱性の容器に充填したものである。 使用時には容器から の気体取り出し口から液化酸素が外気温で気化するので、 気体として 取り出すことが出来る。

使用者の呼吸を検出する呼吸センサーとしては、 圧力センサ一、 流 量センサー、 ガスセンサーなどが有る。 圧力センサーとは導電性フィ ルムゃシリコンなどで形成されたダイアフラムとそれに正対して置 かれた電極でコンデンサーを形成したもので、 圧力変化に比例してダ ィ 7フラムが変形し、 その変形をコンデンサ一の静電容量の変化とし て検出するものであり、 使用者の呼吸によるセンサー近傍の圧力変化 から呼吸を検出する。 流量センサーとしては熱線式のものがあり、 熱 線が気体の流れによつて奪われる熱量から流量を測定するもので、 セ ンサ一が測定した流量の変化から使用者の呼吸を検出する。 ガスセン サ一には周囲のガス濃度によって抵抗値の変化する半導体などを用 いるものがあり、 抵抗値の変化からセンサー周囲のガス濃度を測定す る。 '使用者の呼吸のガス濃度の変化 （呼気時には酸素濃度が下がる） から呼吸を検出する。

本発明の装置には、 連続流で酸素を使用者に供給するの連続流供給 方式と、 使用者の呼吸に同調して供給する同調供給方式を選択できる 供給方式設定手段を備える。 また処方流量即ち使用者に供給する酸素 流量を設定する流量設定手段を備える。 この 2つの設定手段の設定信 号は、 自動開閉弁の開閉を制御する制御手段に取り込まれ、 自動開閉 弁の開度及び開時間、 タイミングを制御する。 かかる制御手段は上記 設定信号を受け、 これに応じて自動開閉弁の開度及び開時間、 夕イミ ング等を所定回路で演算し制御することが出来る電子回路である。 供給方式設定手段から連続流での供給方式設定信号 ,を受けた場合、 該流量設定手段の設定値に対応する自動開閉弁の開度を制御する。 ま た同調での供給方式設定信号を受けた場合、 呼吸センターの呼吸信号 に基づいて吸気開始点に該自動開閉弁を開放すると共に、 該流量設定 値に対応する自動開閉弁の開時間を制御する。

かかる自動開閉弁は、 スプリングとバルブ機能を有する鉄心、 その 鉄心の周囲に巻かれた電磁コイルにより構成される。 この鉄心は電磁 コイルへの電圧をかけない状態でスプリ ングの力によりバルブが全 開あるいは全閉の状態を維持している。 ところが電磁コイルに任意の 電圧を加えると電磁コイルで誘導された磁場とスプリ ングによる力 のバランスで、 鉄心が全開と全閉の中間の位置に保持される。 これに より自動開閉弁の開度が調整されることで、 弁を通過する気体の流量 を制御することが出来る。

このような自動開閉弁は、 患者に対して出来るだけ早く酸素を供給 する必要性から速い応答速度が求められ、 呼吸同調方式での供給の場 合、 患者の呼吸開始から供給開始、 Λルブ全閉から全開までの応答速 度が 0 . 1秒以下であることが好ましい。 0 . 1秒よ.りも応答速度が 遅い場合、 同調時に吸気開始時の気体供給が顕著に遅れる。 より好ま しくは 0 . 0 2秒以下である。

通常使用者が必要とする気体の流量は 2 5 0 c m ³ノ分から 7 0 0 0 c m ³ /分の範囲である。 気体供給装置として吸着型の酸素濃縮手 段を用いた場合には、 酸素の圧力は高圧ボンベのように高い圧力を与 えることは難しくなり、 通常は高くても相対圧力で 0 . 1 M Pa 程度 である。 そのため、 上記の範囲で流量制御できるようにするために、 開度調節機能を有する自動開閉弁のオリフィスの径は. 0 . 2 m mから 5 m m径が好ましい。 径が 0 . 2 m mより狭くなると、 圧力損失のた め 7 0 0 0 c m ³ Z分までの流量を流すことが困難となる。 一方、 5 m mよりも大きくなる場合には、 連続流時における小流量、 すなわち 2 5 0 c m ³ /分の流量制御精度が低下してしまう。 好ましくはオリ フィス径としては 1〜 5 m mであり、 より好ましくは l〜3 m mであ る。

このような開度調節型のバルブを使う ことで酸素供給の同調時及 び連続時いずれの気体供給制御のいずれも行なう ことが出来るよう になり、 呼吸同調型の酸素供給装置の小型軽量化に効果的となる。 一 つの流路、 一つの自動開閉弁というシンプルな構造とすることができ る為、 流路構成自体も簡便で小型化に適している。

酸素供給方式の設定手段は、 電気的設定あるいは機械的切替え機構 を備えたものなど方式は問わず、 選定の電気信号を制御手段に伝達で きるものであれば良い。

呼吸同調の供給方式を選択した場合、 設定流量に従い、 使用者の吸 気に同調して、 電気信号によって全開状態と全閉状態が繰り返される 全開状態の時間は、 呼吸同調方式、 設定流量及び、 センサ一で検知し た、 使用者の呼吸状態の情報から制御手段で演算される。 呼吸同調方式には大きくは節約比固定方式、 固定パルス方式の 2種 類がある。 節約比固定方式の場合には使用者の単位時間当りの呼吸数 に関係無く、 単位時間に使用者に供給する気体総量が一定となるよう に、 呼吸数が低い場合には、 1回当りの吸気に対する全開状態の時間 は長くするが、 呼吸数が: t えるに比例して全開状態の時間を短くする, この場合、 使用者の呼吸に関わらず、 気体の節約比を一定にすること が出来る。

固定パルス方式においては呼吸数に関係無く、 1回あたりの吸気に 対する全開状態の時間を一定とし、 呼吸数が増加すると共に、 単位時 間に使用者に供給する気体総量が増大するというものである。 この場 合、 使用者の呼吸数が増えるに連れて期待の節約比が低下する。 本発 明の方式ではいずれの呼吸同調方式にも対応できる。

一方、 連続的に気体を供給する方式を選択した場合には、 設定流量 に従い、 電気信号によって自動開閉弁の開度が連続的に調節される。

ところで、 酸素供給装置として吸着型酸素濃縮手段を用いる場合、 供給される酸素の圧力は、 吸着、脱着を繰り返す圧力'変動型の方式か ら、 周期的に変動する。 そのため、 圧力変動を抑える目的で、 酸素供 給手段から自動開閉弁への酸素供給配管の途中に、 製品酸素を一時的 に貯留するタンクを備えることが好ましい。 実施例

以下、 本発明の実施例について、 図 1 を用いて説明する。

酸素供給手段 1 としては、 圧力変動吸着型酸素濃縮手段を用いた。 吸着剤として、 Si0₂/Al₂0₃比が 2. 0〜3. 0である X型ゼォライ トであり . かつその AI0₄四面体単位の少なくとも 88 %がリチウムカチオンと会 合した結晶性ゼォライ 卜を充填した 4つの吸着筒を備え、 ロータリー バルブを用いて順次吸脱着を切り替えて酸素を発生させる 4筒式の VP SA型酸素濃縮装置を使用した。 このとき、 吸着床から発生する酸素 の圧力は 1 0 k P aから 1 0 0 k P aの範囲内で変動した。 そしてそ の圧力変動は、 3 0 0 c m³の容量のタンク 2 に一旦供給することで 緩和され、 開度調節機能を有する自動開閉弁 3に供給される。 この時 のタンク 2の平均圧力は 3 0 k P a、 圧力変動幅は 1 0〜 6 0 k P a 程度になる。

自動開閉弁 3 と しては、 Parker Hannifin 社製の VSO バルブ (PNEUTRONICS— '^Μ Voltage Sensitive Orifice Proportional Solenoid Valve) VSONC シリーズを使用した。 この自動開閉弁の応答速度は、 ' 電気信号を送ってからバルブが開き始めるまでの時間が 0. 0 0 8秒 であった。 そして、 呼吸検知センサ一 4 としては長野計器社製の微差 圧トランスミッタ KL17-111-30DYを用いた。

酸素供給方式設定手段 6 と酸素流量設定手段 5 で設定した情報を、 制御部 7 が読み込むことで自動開閉弁 3 の制御をすることが出来る。 本実施例では呼吸同調方式として節約比固定方式を採用し、 節約比を 2 / 3とした。 そして、 酸素供給方式設定手段 6で呼吸同調を選択し ミシガンインスツルメント社製 T T Lモデル肺で、 呼吸数を毎分 2 0 回、 設定流量として 2 0 0 0 c m³Z分としたときの酸素供給パター ンを流量測定器で測定した。 流量測定器はかかるモデル肺の気道部分 に設置し、 その測定結果を図 2に示す。 これにより、 吸気開始から約 0. 0 8秒で酸素が供給され、 吸気に応じて瞬時に酸素供給されるこ とが判った。

一方、 酸素供給方式設定手段 6 により連続流に設定し、 同調時と同 様の条件で流量測定を行なった。その結果を図 3に示す。 これにより、 連続的に 2 0 0 0 c m³Z分に制御された酸素が連続的に供給される のが判つた。 データは特に示さないが、 2 5 0〜 5 0 0 0 c m ³ /分 で流量'制御が可能である。 発明の効果

本発明により、 連続供給時の流量が設定できる機能を付設しつつ、 構成を簡素化することで小型軽量化できる呼吸同調型気体供給装置 を提供することができる。 .

Claims

請求の範囲

1 . 酸素発生手段、 該酸素を使用者に供給する酸素供給手段、 酸 素供給経路中に自動開閉弁を備えた酸素供給装置であり、 使用 者の呼吸を検知する呼吸センサーを備えると共に、 連続流での 供給または使用者の呼吸に同調した供給の供給方式設定手段及 び供給流量の流量設定手段を備え、 連続流での供給方式設定信 号を受けて該流量設定手段の設定値に対応する該自動開閉弁の 開度を制御し、 また同調での供給方式設定信号を受けて、 該呼 吸センターの呼吸信号に基づいて吸気開始点に該自動開閉弁を 開放すると共に、 該流量設定値に対応する自動開閉弁の開時間 を制御する制御手段を備えたことを特徴とする酸素供給装置。

2 . 該自動開閉弁が、 全閉から全開までの応答速度が、 0 . 1秒 以下であることを特徴とする、 請求項 1に記載の酸素供給装置。

3 . 該自動開閉弁のオリフィスの径が Ι πι ιη φ以上、 5 m m ci)以 下であることを特徴とする請求項 1 、 2記載の酸素供給装置。

4 . 該酸素発生手段が、 酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着 剤を備えた吸着筒、 該吸着筒に加圧空気を供給するコンプレツ サを備えた圧力変動吸着型酸素濃縮手段であることを特徴とす る請求項 1 に記載の酸素供給装置。