JP2014180304A - 呼気弁及び呼吸補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】呼気弁を精度良く制御する。
【解決手段】呼気弁１５は、呼気を大気に導く呼気流路１３の出口を開閉するダイヤフラム２２と、このダイヤフラム２２における呼気流路１３の反対側に設けられて、当該ダイヤフラム２２と共に空間を形成するバックチャンバ２３と、このバックチャンバ２３の周囲に固定され、バックチャンバ２３内に対する送排気を行って当該バックチャンバ２３内の気圧を調節するポンプユニット２５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤフラムを用いた呼気弁、及びこの呼気弁を用いた呼吸補助装置に関する。

医療現場では人工呼吸器などの呼吸補助装置が用いられる。この呼吸補助装置には、自発呼吸のない患者（全身麻酔、心肺蘇生中、重篤な患者）に用いる調節換気（Controlled Ventilation）方式、患者の自発呼吸に合わせて気道に陽圧（正圧）を作り出す補助換気（Assisted Ventilation）方式、補助換気と調節換気を組み合わせた部分的補助換気（Assist/Control）方式、気道の供給する気体を５〜４０Ｈｚの頻度で振動させて、１〜２ｍｌ／ｋｇの非常に少ない１回換気量を実現する高頻度振動換気（high frequency oscillation）方式など、種々の方式が採用される。

いずれの呼吸補助装置においても、気道に陽圧を作り出すポンプユニットと、気道を陽圧に保ちつつ呼気を大気に放出する呼気弁と、が必要となる。

ポンプユニットは、動力源として、ファンを回転させて気体を搬送するブロアや、ピストンを往復運動させて気体を搬送するシリンダポンプなど、比較的大きな機器を使用する。このため、従来の呼吸補助装置では、ポンプユニットを収容した箱状の筐体が使用者の脇に設置されて用いられる。

呼気弁には、ダイヤフラムを利用して、構造を簡単にしたものがある（例えば、特許文献１参照）。ダイヤフラムは、呼気を導く管路の出口を塞ぐように配置され、出口から遠退く方向に撓むことで管路を開放する。ダイヤフラムにおける管路の反対側には、ポンプユニットによって送排気されるバックチャンバが配置されている。すなわち、ダイヤフラムは、管路内の空間とバックチャンバ内の空間とを仕切るように配置され、これらの空間の気圧差によって機能する。

具体的に、管路内の気圧がバックチャンバ内の気圧より低い場合に、ダイヤフラムが管路の出口に吸い付いてシールする。一方、管路内の気圧がバックチャンバ内の気圧より高い場合に、ダイヤフラムがバックチャンバ側に撓んで管路を開放し、呼気が大気に放出される。この呼気弁によれば、患者が咳やくしゃみをした場合であっても、ダイヤフラムが瞬時に応答して呼気が大気に放出されるので、管路内の気圧が上昇し過ぎることはなく、ひいては、患者に負担が掛かることを防止できる。

特開平０５−２４５２０４号公報（段落［００１４］及び図１参照）

使用者の脇に設置されたポンプユニットからは、バックチャンバまでに経路を有する。このため、ポンプユニットからの動力がバックチャンバに作用するまでにある程度の応答時間を要するが、人命にかかわる医療現場では、その応答時間を短くして、呼気弁を精度良く制御できることが望まれている。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、精度良く制御できる呼気弁及びこの呼気弁を備える呼吸補助装置を提供することを目的とする。

本発明者の鋭意研究により、上記目的は以下の手段によって達成される。

即ち、上記目的を達成する本手段は、呼気を大気に導く呼気流路の出口を開閉するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムにおける前記呼気流路の反対側に設けられて、該ダイヤフラムと共に空間を形成するバックチャンバと、前記バックチャンバの周囲に設けられ、該バックチャンバに対する送排気を行って該バックチャンバ内の気圧を調節するマイクロポンプと、前記マイクロポンプの動作を制御する制御ユニットと、を備えることを特徴とする、呼気弁である。

上記発明において、上記目的を達成する呼気弁は、前記呼気流路内の気圧によって該呼気流路側から前記ダイヤフラムに作用する開放力を、呼吸動作に連動して算出する開放力算出手段と、前記バックチャンバ内の気圧を測定し、その測定結果を信号にして前記制御ユニットに出力するバックチャンバ側気圧計と、を備え、前記制御ユニットは、前記バックチャンバ側気圧計による前記測定結果を用いて、前記バックチャンバ内の気圧によって該バックチャンバ側から前記ダイヤフラムに作用する閉鎖力を算出すると共に、該閉鎖力が前記開放力に略一致するように前記マイクロポンプを制御することを特徴とすることが好ましい。

上記発明において、上記目的を達成する呼気弁は、呼気の流れを測定し、その測定結果を信号にして前記制御ユニットに出力する呼気測定計を備え、前記制御ユニットは、前記呼気測定計の測定結果が、予め設定されている流量又は流速を超える呼気を示す場合に、前記閉鎖力が前記開放力に略一致するように前記マイクロポンプを制御するのではなく、前記閉鎖力を弱めて該閉鎖力が前記開放力を下回るように前記マイクロポンプを制御することを特徴とすることが好ましい。

上記発明において、上記目的を達成する呼気弁は、前記マイクロポンプとして、前記バックチャンバに対する送気を行う送気用マイクロポンプと、前記バックチャンバに対する排気を行う排気用マイクロポンプと、を備えることを特徴とすることが好ましい。

上記発明において、上記目的を達成する呼気弁の前記送気用マイクロポンプは、気体を前記バックチャンバ外から吸入する送気用吸入口と、前記バックチャンバに直結されて前記送気用吸入口から吸入した気体を該バックチャンバ内に吐出する送気用吐出口と、を備え、前記排気用マイクロポンプは、前記バックチャンバに直結されて該バックチャンバ内から気体を直接吸入する排気用吸入口と、前記排気用吸入口から吸入した気体を前記バックチャンバ外に吐出する排気用吐出口と、を備えることを特徴とすることが好ましい。

上記発明において、上記目的を達成する呼気弁の前記制御ユニットは、前記送気用マイクロポンプ及び前記排気用マイクロポンプの双方を同時に動作させておき、前記送気用マイクロポンプ及び前記排気用マイクロポンプの一方の動作を停止させることで、前記バックチャンバ内の気圧を制御することを特徴とすることが好ましい。

上記発明において、上記目的を達成する呼気弁の前記マイクロポンプは、気体を吸入する吸入口、及び該吸入口から吸入した気体を吐出する吐出口、を有してなり、該吸入口及び該吐出口の一方が選択的に前記バックチャンバに接続されるものであり、前記吸入口及び前記吐出口の前記バックチャンバとの接続関係を切り替えて、該バックチャンバに対する送排気を選択的に行わせる切替え機構と共に、ポンプユニットを構成することを特徴とすることが好ましい。

上記発明において、上記目的を達成する呼気弁の前記切替え機構は、前記マイクロポンプの姿勢を、前記吸入口を前記バックチャンバに直結させて該マイクロポンプが該バックチャンバに対する排気を行う排気姿勢と、前記吐出口を前記バックチャンバに直結させて該マイクロポンプが該バックチャンバに対する送気を行う送気姿勢と、で切り替えることを特徴とすることが好ましい。

上記発明において、上記目的を達成する本手段は、呼気となる気体を供給源から生物に導く吸気流路と、前記生物の呼気を大気に導く呼気流路と、前記呼気流路内の気体を大気に放出して該呼気流路内の気圧を調節する上記発明のいずれかに記載の呼気弁と、を備えることを特徴とする、呼吸補助装置である。

本発明によれば、呼気弁を精度良く制御できるという優れた効果を奏し得る。

本発明の第１実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す概略図である。 呼気弁の制御例を示す断面図であり、（Ａ）は通常の呼吸気時に呼気流路の出口を閉鎖又は開放した状態を示し、（Ｂ）は咳やくしゃみによる呼気時に呼気流路の出口を強制的に開放した状態を示す。 （Ａ）はポンプユニットで用いられるマイクロポンプの構成例を示す断面図であり、（Ｂ）は同マイクロポンプの圧力−流量線を示すグラフである。 同ポンプユニットで用いられる制御装置のハード構成を示すブロック図である。 同ポンプユニットで用いられる制御装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す概略図である。 ポンプユニットの制御例を示す概略図であり、（Ａ）はマイクロポンプの姿勢がバックチャンバに対する送気を行う送気姿勢となる状態を示し、（Ｂ）はマイクロポンプの姿勢がバックチャンバに対する排気を行う排気姿勢となる状態を示す。 同ポンプユニットで用いられる制御装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す概略図である。 ポンプユニットの制御例を示す概略図であり、（Ａ）はマイクロポンプがバックチャンバに対する送気を行う状態を示し、（Ｂ）はマイクロポンプがバックチャンバに対する排気を行う状態を示す。 別の実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の例について詳細に説明する。

図１には、本発明の第１実施形態に係る医療用の呼吸補助装置１０の構成が例示されている。この呼吸補助装置１０は、呼気となる気体の供給源１１と、この供給源１１から気体を使用者に導く吸気流路１２と、この吸気流路１２から分岐して使用者の呼気を大気に導く呼気流路１３と、この呼気流路１３内の気圧を計測する気圧計１４と、使用者による呼吸気の流れ（流量・流速、及び流向）を検出する流量計（呼気流量計）１７と、呼気流路１３内の気体を大気に放出して当該呼気流路１３内の気圧を調節する呼気弁１５と、装置全体を統括的に制御する制御ユニット１６と、を備えている。

供給源１１は、空気や酸素などの気体を圧縮した状態で貯留したガスタンク１８と、このガスタンク１８からの気体の流れを開閉する開閉弁２１と、ガスタンク１８から供給される気体の流量を調整する流量調整弁１９と、この流量調整弁１９で調整された気体の流量を計測する流量計２０と、を備えている。開閉弁２１及び流量調整弁１９は、気圧計１４及び流量計１７，２０のそれぞれのセンシングデータ（検出・測定結果、センシング信号）に基づいて制御される。開閉弁２１は、特に種類が限定されることはないが、電動弁や、応答速度が速い電磁弁などを採用できる。流量調整弁１９は、特に種類が限定されることはないが、ニードル弁などを採用できる。流量計２０は、センシングデータを制御ユニット１６に出力する。

吸気流路１２及び呼気流路１３はそれぞれ、樹脂製の蛇腹チューブからなり、一体となって一つの空間を構成する。この吸気流路１２内の気圧は、定常状態において、呼気流路１３内の気圧と一致する。吸気流路１２から分岐した呼気流路１３の出口には、呼気弁１５が設けられている。気圧計１４は、センシングデータを制御ユニット１６に出力する。流量計１７は、センシングデータを制御ユニット１６に出力する。

呼気弁１５は、呼気を大気に放出する一方で、大気の逆流を防止する逆止弁として機能する。この呼気弁１５は、呼気流路１３の出口を開閉するダイヤフラム２２と、このダイヤフラム２２における呼気流路１３の反対側に設けられて、当該ダイヤフラム２２と共に空間を形成するバックチャンバ２３と、このバックチャンバ２３内の気圧を計測する気圧計２４と、バックチャンバ２３の周囲に直接固定され、当該バックチャンバ２３に対する送排気を行って当該バックチャンバ２３内の気圧を調整するポンプユニット２５と、を備えている。

ダイヤフラム２２は、呼気流路１３の出口よりも一回り大きい薄板であり、当該出口を塞ぐように配置されている。すなわち、ダイヤフラム２２は、呼気流路１３内の空間とバックチャンバ２３内の空間とを仕切るように配置されている。このダイヤフラム２２は、通常の呼吸気時において、呼気流路１３内の気圧Ｐ１によって作用する開放力Ｆ１（＝Ｐ１×Ｓ１、Ｓ１；呼気流路１３の出口における開口面積）と、バックチャンバ２３内の気圧Ｐ２によって作用する閉鎖力Ｆ２（＝Ｐ２×Ｓ２、Ｓ２；ダイヤフラム２２の面積）とが略一致するように制御され、呼気流路１３の出口を容易に開閉可能な状態となっている（図２（Ａ）参照）。このため、ダイヤフラム２２は、出口から遠退く方向に撓むことで呼気流路１３を開放して呼気を放出する。また、ダイヤフラム２２は、咳やくしゃみによる呼気時において、閉鎖力Ｆ２を弱めて当該閉鎖力Ｆ２が開閉力Ｆ１を下回るように制御され、出口から遠退く方向に積極的に撓み、呼気流路１３を強制的に開放して呼気を放出する（図２（Ｂ）参照）。

気圧計２４は、センシングデータを制御ユニット１６に出力する。ポンプユニット２５は、バックチャンバ２３に対する送気を行う送気用マイクロポンプ２７と、バックチャンバ２３に対する排気を行う排気用マイクロポンプ２８と、を備えている。なお、本実施形態では、ポンプユニット２５がバックチャンバ２３の周囲に直接固定されている場合を例に説明するが、本発明のポンプユニットは、バックチャンバの周囲に設けられていれば良い。ここでいう「バックチャンバの周囲」とは、バックチャンバとの間に何らかの部品を介在させて距離を有していても良い。ただし、応答性の観点からは、バックチャンバの周囲に直接固定されていることが好ましい。

送気用マイクロポンプ２７は、気体をバックチャンバ２３外から吸入する送気用吸入口２９と、バックチャンバ２３に直結されて送気用吸入口２９から吸入した気体を当該バックチャンバ２３に吐出する送気用吐出口３０と、などを備えている。この送気用マイクロポンプ２７は、気圧計１４及び２４並びに流量計１７のそれぞれのセンシングデータに基づいて制御ユニット１６に制御される。

排気用マイクロポンプ２８は、バックチャンバ２３に直結されて当該バックチャンバ２３内から気体を直接吸入する排気用吸入口３１と、この排気用吸入口３１から吸入した気体をバックチャンバ２３外に吐出する排気用吐出口３２と、などを備えている。この排気用マイクロポンプ２８は、気圧計１４及び２４並びに流量計１７のそれぞれのセンシングデータに基づいて制御ユニット１６に制御される。

制御ユニット１６は、気圧計１４及び２４並びに流量計１７のセンシングデータに基づいて、ポンプユニット２５を制御する。また、制御ユニット１６は、気圧計１４及び流量計２０のセンシングデータに基づいて、供給源１１を制御する。なお、制御ユニット１６による制御の詳細な説明については後述する。

送気用マイクロポンプ２７及び排気用マイクロポンプ２８にはそれぞれ、図３（Ａ）に示されるマイクロポンプ１００が採用される。このマイクロポンプ１００は、特許文献ＷＯ２００８／０６９２６６で提案されているものであり、一次ブロア室１０１と、この一次ブロア室１０１の外側に形成された二次ブロア室１０２と、を備えている。

一次ブロア室１０１は、振動源となる圧電素子１０３と、この圧電素子１０３が固定されたダイヤフラム１０４と、このダイヤフラム１０４と共に空間を形成する振動枠１０５と、を備えている。振動枠１０５は、一次ブロア室１０１の内外で流体を移動させる開口１０６を有している。二次ブロア室１０２は、ダイヤフラム１０４側に吸入口１０７を有すると共に、開口１０６に対向するように吐出口１０８を有している。

以上のマイクロポンプ１００では、圧電素子１０３によってダイヤフラム１０４が共振すると、一次ブロア室１０１と二次ブロア室１０２との間で流体が移動し、これによる流体抵抗によって振動枠１０５が共振する。このダイヤフラム１０４と振動枠１０５との共振によって、吸入口１０７から流体が吸い込まれて、吐出口１０８から流体が放出される。

このマイクロポンプ１００は、気体を搬送するブロア用途に適しており、逆止弁を用いることなく搬送できる。マイクロポンプ１００は、外径が２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ程度の箱形状であって極めて小さいものの、入力正弦波を１５Ｖｐｐ（Volt peak to peak）で２６ｋＨｚとした場合で、最大約１Ｌ／分（静圧０Ｐａ時）の空気を搬送でき、また最大約２ｋＰａ（流量０Ｌ／分）の静圧を得ることができる。

一方、マイクロポンプ１００は、圧電素子１０３によるダイヤフラム１０４の振動で流体を搬送するから、搬送可能な流体の体積に自ずと限界があり、この静圧／流量特性も図３（Ｂ）に示されるような直線を示す。すなわち、例えば約１ｋＰａの静圧を得る場合、流量は０．５Ｌ／分となる。

なお、入力正弦波のＶｐｐを１０や２０に変化させた場合、圧電素子１０３の振幅が変化するので、流量及び圧力を変化させることができる。すなわち、入力正弦波のＶｐｐを滑らかに変化させた場合には、流量及び圧力を滑らかに変化させることができる。あるいは、入力正弦波の周波数を変化させた場合、流量及び圧力を変化させることができる。すなわち、入力正弦波の周波数を滑らかに変化させた場合には、流量及び圧力を滑らかに変化させることができる。ただし、流量及び圧力には、圧電素子１０３の能力や部材の強度や耐久性によって上限がある。通常は定格のＶｐｐ及び周波数で使用される。

なお、ここでは１つの圧電素子１０３をダイヤフラム１０４に貼り付けたモノモルフ（ユニモルフ）構造を紹介しているが、勿論、２つの圧電素子を貼り合わせて振動量を増やすバイモルフ構造を採用することもできる。なお、マイクロポンプ１００の構造は、液体の搬送に適した構造など、他にも様々に存在する。従って、本発明では、その目的に応じて最適な構造を採用すれば良い。すなわち、ここで説明したマイクロポンプ１００は、逆止弁を用いることなく気体を搬送できるが、このマイクロポンプ１００に代えて、吸入口及び吐出口に逆止弁を備えるマイクロポンプを適用しても良い。

図４に示されるように、制御ユニット１６は、ハード構成として、ＣＰＵ３４と、第１記憶媒体３５と、第２記憶媒体３６と、第３記憶媒体３７と、入力装置３８と、表示装置３９と、入出力インタフェース４０と、バス４１と、を備えている。

ＣＰＵ３４は、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて本制御ユニット１６の各種機能を実現する。第１記憶媒体３５は、いわゆるＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）であり、ＣＰＵ３４の作業領域として使用される。第２記憶媒体３６は、いわゆるＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）であり、ＣＰＵ３４で実行される基本ＯＳを記憶する。第３記憶媒体３７は、磁気ディスクを内蔵したハードディスク装置、ＣＤやＤＶＤやＢＤを収容するディスク装置、及び不揮発性の半導体フラッシュメモリ装置などで構成されており、ＣＰＵ３４で実行される各種プログラム、気圧計１４，２４及び流量計２０のセンシングデータなどが保存される。

入力装置３８は、入力キーやキーボード、マウスであり、各種情報を入力する。表示装置３９は、ディスプレイであり、各種動作状態を表示する。入出力インタフェース４０は、気圧計１４，２４及び流量計２０のセンシングデータ、送気用マイクロポンプ２７及び排気用マイクロポンプ２８を動作させる電源（正弦波の波形）及び制御信号が入出力される。更に、この入出力インタフェース４０は、外部のパーソナルコンピュータからプログラムなどのデータを取得したり、同パーソナルコンピュータに対してセンシングデータを出力したりする。バス４１は、ＣＰＵ３４、第１記憶媒体３５、第２記憶媒体３６、第３記憶媒体３７、入力装置３８、表示装置３９、入出力インタフェース４０などを一体的に接続して通信を行う配線となる。

図５には、この制御ユニット１６に保存される制御プログラムがＣＰＵ３４で実行されることで得られる機能構成が示されている。制御ユニット１６は、機能構成として、センシング部４３と、ポンプ制御部４４と、弁制御部４５と、を備える。

センシング部４３は、気圧計１４，２４及び流量計１７のセンシングデータを常に取得してポンプ制御部４４に伝達する。更に、このセンシング部４３は、気圧計１４及び流量計１７，２０のセンシングデータを常に取得して弁制御部４５に伝達する。

ポンプ制御部４４は、センシング部４３のセンシングデータを参照して、送気用マイクロポンプ２７及び排気用マイクロポンプ２８への入力正弦波のＶｐｐ及び周波数を、目標となる流量値及び圧力値に近づくように制御する。具体的に、ポンプ制御部４４は、気圧計１４による検出結果を用いて、呼気流路１３内の気圧Ｐ１によって当該呼気流路１３側からダイヤフラム２２に作用する開放力Ｆ１（＝Ｐ１×Ｓ１、Ｓ１；呼気流路１３の出口における開口面積）を算出すると共に、気圧計２４による検出結果を用いて、バックチャンバ２３内の気圧Ｐ２によって当該バックチャンバ２３側からダイヤフラム２２に作用する閉鎖力Ｆ２（＝Ｐ２×Ｓ２、Ｓ２；ダイヤフラム２２の面積）を算出する。このため、ポンプ制御部４４は、呼吸動作に連動して開放力Ｆ１を算出する開放力算出手段として機能するといえる。

そして、ポンプ制御部４４は、閉鎖力Ｆ２が開放力Ｆ１に略一致するようにポンプユニット２５を制御する。

ただし、ポンプ制御部４４は、流量計１７の検出結果が、予め設定されている流量・流速（閾値）を超える呼気（咳やくしゃみによる呼気）を示す場合に、閉鎖力Ｆ２が開放力Ｆ１に略一致するようにポンプユニット２５を制御するのではなく、閉鎖力Ｆ２を弱めて当該閉鎖力Ｆ２が開放力Ｆ１を下回るようにポンプユニット２５を制御する。なお、上記閾値は、咳やくしゃみによる呼気の流量が、通常の呼吸による呼気の流量と比較して、オーダーが異なる程多いことを考慮して適宜設定しておけばよい。

弁制御部４５は、センシング部４３のセンシングデータを参照して、開閉弁２１及び流量調整弁１９への制御信号を、目標となる流量値に近づくように制御する。

次に、呼吸補助装置１０の制御例について説明する。

使用者が通常の呼吸で呼気する場合、呼気流路１３内が昇圧する。呼気流路１３内が昇圧すると、気圧計１４によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１６に出力される。制御ユニット１６は、センシングデータに基づいて、供給源１１及びポンプユニット２５を制御する。すなわち、開閉弁２１を閉じてガスタンク１８からの気体の供給を停止する。また、開閉弁２１の動作にあわせて、送気用マイクロポンプ２７及び排気用マイクロポンプ２８を動作させ、バックチャンバ２３に対する送排気を行って、バックチャンバ２３内の気圧を目標値に向かって調整する。これにより、閉鎖力Ｆ１を開放力Ｆ２に略一致することを保つ。呼気は、ダイヤフラム２２が出口から遠退く方向に撓んで呼気流路１３を開放することで、呼気流路１３の出口から放出される。

続いて、使用者が吸気する場合、呼気流路１３内が減圧する。呼気流路１３内が減圧すると、気圧計１４によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１６に出力される。制御ユニット１６は、センシングデータに基づいて、供給源１１及びポンプユニット２５を制御する。すなわち、開閉弁２１を開いてガスタンク１８から気体を供給すると共に、流量調整弁１９によってガスタンク１８から供給される気体の量を、目標値に向かって調整する。また、開閉弁２１及び流量調整弁１９の動作にあわせて、送気用マイクロポンプ２７及び排気用マイクロポンプ２８を動作させ、バックチャンバ２３に対する送排気を行って、バックチャンバ２３内の気圧を目標値に向かって調整する。これにより、閉鎖力Ｆ１を開放力Ｆ２に略一致することを保つ。呼気流路１３の開口は、ダイヤフラム２２によってシールされる。

続いて、使用者が吸気中に咳やくしゃみによる呼気をすると、その呼気は、流量計１７によってセンシングされる。また、呼気流路１３内の気圧とバックチャンバ２３内の気圧は、気圧計１４，２４によってセンシングされる。各センシングデータは、制御ユニット１６に出力される。制御ユニット１６は、センシングデータに基づいて、ポンプユニット２５及び供給源１１を制御する。すなわち、排気用マイクロポンプ２８を動作させ、バックチャンバ２３に対する排気を行って、バックチャンバ２３内を目標値に向かって減圧する。これにより、閉鎖力Ｆ２が弱まり、当該閉鎖力Ｆ２が開放力Ｆ１を下回ることとなり、ダイヤフラム２２が出口から遠退く方向に撓んで呼気流路１３を強制的に開放する。咳やくしゃみによる呼気は、呼気流路１３の出口から放出される。また、排気用マイクロポンプ２８の動作にあわせて、開閉弁２１が閉じられ、ガスタンク１８からの気体の供給が停止する。

以上の呼吸補助装置１０によれば、ポンプユニット２５がバックチャンバ２３の周囲に固定されているから、ポンプユニット２５からの動力がバックチャンバ２３に作用するまでに応答時間を要さず、呼気弁を精度良く制御できる。これにより、人命にかかわる医療現場において支障をきたすことがない。また、バックチャンバ２３とポンプユニット２５とが一体化されるので、使用者の体の動作に連動してバックチャンバ２３が動いても、このバックチャンバ２３とポンプユニット２５とが一緒に動くので、バックチャンバ２３とポンプユニット２５との接続が途切れないで済む。従って、呼吸補助動作の安定性が増すと同時に、使用者も体を動かしやすくなる。

そして、ポンプユニット２５が送気用マイクロポンプ２７及び排気用マイクロポンプ２８をそれぞれ備えているから、バックチャンバ２３に対する送排気の切替え制御を精度良く行える。また、各マイクロポンプ２５は小さいので、これを複数配置しても、従来のブロア等のポンプユニットと比較して小さく且つ軽量に構成できる。更に、小型化されたポンプユニット２５がバックチャンバ２３に直接固定されるので、呼吸補助装置１０を極めてコンパクトに構成できる。

図６には、第２実施形態に係る医療用の呼吸補助装置５０の構成が例示されている。なお、第１実施形態と第２実施形態は、同一又は類似する部分が多いので、これらの説明は省略すると共に、ここでは第１実施形態と異なる点を中心に説明する。後述する第３実施形態及び別の実施形態についても、他の実施形態と共通する説明は省略すると共に、他の実施形態と異なる点を中心に説明する。

呼吸補助装置５０は、二つのマイクロポンプ２７，２８を採用するポンプユニット２５に代えて、一つのマイクロポンプ５２を採用するポンプユニット５１を備えている。ポンプユニット５１は、バックチャンバ２３に対する送排気を選択的に行うマイクロポンプ５２と、このマイクロポンプ５２の姿勢を切り替えてバックチャンバ２３に対する送排気を選択的に行わせる切替え機構５３と、を備えている。

マイクロポンプ５２は、気体を吸入する吸入口５４と、この吸入口５４から吸入した気体を吐出する吐出口５５と、などを備えている。このマイクロポンプ５２には、図３（Ａ）に示されるマイクロポンプ１００が採用される。

マイクロポンプ５２は、切替え機構５３により、姿勢が切り替えられて、吸入口５４及び吐出口５５のバックチャンバ２３との接続関係が切り替えられ、吸入口５４及び吐出口５５の一方が選択的にバックチャンバ２３に接続される。具体的に、マイクロポンプ５２の姿勢は、図７（Ａ）に示される送気姿勢と、図７（Ｂ）に示される排気姿勢と、の間で切り替えられる。送気姿勢では、吐出口５５がバックチャンバ２３に直結されて、マイクロポンプ５２がバックチャンバ２３に対する送気を行う。排気姿勢では、吸入口５４がバックチャンバ２３に直結されて、マイクロポンプ５２がバックチャンバ２３に対する排気を行う。

図８には、制御ユニット１６に保存される制御プログラムがＣＰＵ３４で実行されることで得られる機能構成が示されている。制御ユニット１６は、機能構成として、切替え制御部５７などを備える。センシング部４３は、流量計１７のセンシングデータを常に取得して切替え制御部５７に伝達する。切替え制御部５７は、センシング部４３のセンシングデータを参照して、切替え機構５３への制御信号を、目標となるマイクロポンプ５２の姿勢となるように制御する。

次に、呼吸補助装置５０の制御例について説明する。

使用者が呼気すると、その呼気は、流量計１７によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１６に出力される。制御ユニット１６は、センシングデータに基づいて、ポンプユニット５１等を制御する。すなわち、切替え機構５３を動作させ、マイクロポンプ５２の姿勢を適宜切り替えると共に、マイクロポンプ５２を動作させ、バックチャンバ２３に対する送排気を行って、バックチャンバ２３内を目標値に向かって調整する。

続いて、使用者が吸気すると、その吸気は、流量計１７によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１６に出力される。制御ユニット１６は、センシングデータに基づいて、ポンプユニット５１等を制御する。すなわち、切替え機構５３を動作させ、マイクロポンプ５２の姿勢を適宜切り替えると共に、マイクロポンプ５２を動作させ、バックチャンバ２３に対する送排気を行って、バックチャンバ２３内を目標値に向かって調整する。

以上の呼吸補助装置５０によれば、マイクロポンプ５２を一つ備えるだけで、バックチャンバ２３への送排気を行える。これにより、第１実施形態の呼吸補助装置１０と比較して更に小さく且つ軽量に構成できる。

図９には、第３実施形態に係る医療用の呼吸補助装置６０の構成が例示されている。呼吸補助装置６０は、マイクロポンプ５２の姿勢を変更して接続関係を切り替えるポンプユニット５１に代えて、マイクロポンプ６２の姿勢を変更せずに接続関係を切り替えるポンプユニット６１を備えている。ポンプユニット６１は、バックチャンバ２３に対する送排気を選択的に行うマイクロポンプ６２と、このマイクロポンプ６２の吸入口が接続された吸入管６３と、マイクロポンプの吐出口が接続された吐出管６４と、吸入管６３及び吐出管６４のバックチャンバ２３への接続関係を切り替える切替え弁６５と、を備えている。

マイクロポンプ６２は、吸入口及び吐出口（いずれも符号省略）などを備えている。このマイクロポンプ６２には、図３（Ａ）に示されるマイクロポンプ１００が採用される。

マイクロポンプ６２は、切替え弁６５により、吸入口及び吐出口のバックチャンバ２３への接続関係が切り替えられ、吸入口及び吐出口の一方が選択的にバックチャンバ２３に接続される。具体的に、図１０（Ａ）に示される送気を行う状態と、図１０（Ｂ）に示される排気を行う状態と、の間で切り替えられる。送気を行う状態では、吐出管６４がバックチャンバ２３に直結されて、マイクロポンプ６２がバックチャンバ２３に対する送気を行う。排気を行う状態では、吸入管６３がバックチャンバ２３に直結されて、マイクロポンプ６２がバックチャンバ２３に対する排気を行う。

尚、本発明のポンプユニット及び呼吸補助装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、上記した実施の形態の構成要件を、可能な範囲で他の実施の形態に適用してもよい。

すなわち、第１実施形態に係る呼吸補助装置１０では、送気用マイクロポンプ２７と排気用マイクロポンプ２８とを一つずつ備えているが、それぞれについて、複数備えるようにしてもよい。この場合、直列または並列に接続したり、行と列との関係となる格子状（直列且つ並列）に接続したりしてもよい。これらの場合、個々のマイクロポンプが故障しても、他のマイクロポンプで補えるので、安全性を高めることも可能となる。

また、第１実施形態に係る呼吸補助装置１０では、制御ユニット１６は、送気用マイクロポンプ２７及び排気用マイクロポンプ２８の一方を動作させているが、この制御態様に限定されるものではない。すなわち、制御ユニット１６は、送気用マイクロポンプ２７及び排気用マイクロポンプ２８の双方を動作させておき、送気用マイクロポンプ２７及び排気用マイクロポンプ２８の一方の動作を停止させることで、バックチャンバ２３内の気圧を制御するようにしてもよい。これにより、立ち上がりの遅れによるタイムラグをなくすことができ、呼気弁１５を更に精度良く制御できる。

また、第２実施形態に係る呼吸補助装置５０では、切替え機構５３がマイクロポンプ５２の姿勢を切り替えることで、バックチャンバ２３に対する送排気を切り替えるようにしたが、マイクロポンプ５２の姿勢は固定したままで、電磁弁などによってマイクロポンプ５２の経路を切り替えることで、バックチャンバ２３に対する送排気を切り替えるようにしてもよい。

また、上記各実施形態において、気圧計１４の測定結果に基づいて開放力Ｆ１を算出する開放力算出手段の場合を例に説明したが、本発明における開放力算出手段は、これに限定されず、流量調整弁１９の動作を制御する弁制御部４５の信号（ガスタンク１８から供給される気体の量を制御する信号）に基づいて開放力Ｆ１を算出するようにしてもよい。

次に、別の実施形態に係る医療用の呼吸補助装置７０について説明する。図１１には、呼吸補助装置７０の構成が例示されている。呼吸補助装置７０は、マイクロポンプ２７，２８を採用するポンプユニット２５に代えて、マイクロポンプ以外のポンプを採用するポンプユニット７１を備えている。

ポンプユニット７１は、バックチャンバ２３に対する送気を行う送気用ポンプ７２と、バックチャンバ２３に対する排気を行う排気用ポンプ７３と、を備えている。送気用ポンプ７２は、特に種類は限定されないが、羽根車を備えた回転ポンプなどが採用される。排気用ポンプ７３は、特に種類は限定されないが、特に種類は限定されないが、羽根車を備えた回転ポンプなどが採用できる。また、排気用ポンプ７３とバックチャンバ２３との間には、真空引き可能なチャンバ７３ａを設けるようにしてもよい。真空引き可能なチャンバ７３ａを設けることで、バックチャンバ２３からの排気を瞬時に行うことができ、応答性を高めることができる。なお、ポンプユニット７１の基本的な制御は、ポンプユニット２５の制御と同様である。

本発明の呼吸補助装置は、様々な生物の呼吸補助目的で利用できる。

１０，５０，６０ 呼吸補助装置
１１ 供給源
１２ 吸気流路
１３ 呼気流路
１４ 気圧計
１５ 呼気弁
１６ 制御ユニット
１７ 流量計（呼気測定計）
２２ ダイヤフラム
２３ バックチャンバ
２４ 気圧計（バックチャンバ側気圧計）
２５，５１，６１ ポンプユニット
２７ 送気用マイクロポンプ
２８ 排気用マイクロポンプ
２９ 送気用吸入口
３０ 送気用吐出口
３１ 排気用吸入口
３２ 排気用吐出口
４４ ポンプ制御部（開放力算出手段）
５２，６２，１００ マイクロポンプ
５３ 切替え機構
５４，１０７ 吸入口
５５，１０８ 吐出口

Claims (9)

1. 呼気を大気に導く呼気流路の出口を開閉するダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムにおける前記呼気流路の反対側に設けられて、該ダイヤフラムと共に空間を形成するバックチャンバと、
   前記バックチャンバの周囲に設けられ、該バックチャンバに対する送排気を行って該バックチャンバ内の気圧を調節するマイクロポンプと、
   前記マイクロポンプの動作を制御する制御ユニットと、を備えることを特徴とする、
   呼気弁。
2. 前記呼気流路内の気圧によって該呼気流路側から前記ダイヤフラムに作用する開放力を、呼吸動作に連動して算出する開放力算出手段と、
   前記バックチャンバ内の気圧を測定し、その測定結果を信号にして前記制御ユニットに出力するバックチャンバ側気圧計と、を備え、
   前記制御ユニットは、
   前記バックチャンバ側気圧計による前記測定結果を用いて、前記バックチャンバ内の気圧によって該バックチャンバ側から前記ダイヤフラムに作用する閉鎖力を算出すると共に、該閉鎖力が前記開放力に略一致するように前記マイクロポンプを制御することを特徴とする、
   請求項１に記載の呼気弁。
3. 呼気の流れを測定し、その測定結果を信号にして前記制御ユニットに出力する呼気測定計を備え、
   前記制御ユニットは、
   前記呼気測定計の測定結果が、予め設定されている流量又は流速を超える呼気を示す場合に、前記閉鎖力が前記開放力に略一致するように前記マイクロポンプを制御するのではなく、前記閉鎖力を弱めて該閉鎖力が前記開放力を下回るように前記マイクロポンプを制御することを特徴とする、
   請求項２に記載の呼気弁。
4. 前記マイクロポンプとして、
   前記バックチャンバに対する送気を行う送気用マイクロポンプと、
   前記バックチャンバに対する排気を行う排気用マイクロポンプと、を備えることを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれかに記載の呼気弁。
5. 前記送気用マイクロポンプは、気体を前記バックチャンバ外から吸入する送気用吸入口と、前記バックチャンバに直結されて前記送気用吸入口から吸入した気体を該バックチャンバ内に吐出する送気用吐出口と、を備え、
   前記排気用マイクロポンプは、前記バックチャンバに直結されて該バックチャンバ内から気体を直接吸入する排気用吸入口と、前記排気用吸入口から吸入した気体を前記バックチャンバ外に吐出する排気用吐出口と、を備えることを特徴とする、
   請求項４に記載の呼気弁。
6. 前記制御ユニットは、前記送気用マイクロポンプ及び前記排気用マイクロポンプの双方を同時に動作させておき、前記送気用マイクロポンプ及び前記排気用マイクロポンプの一方の動作を停止させることで、前記バックチャンバ内の気圧を制御することを特徴とする、
   請求項４又は５に記載の呼気弁。
7. 前記マイクロポンプは、
   気体を吸入する吸入口、及び該吸入口から吸入した気体を吐出する吐出口、を有してなり、該吸入口及び該吐出口の一方が選択的に前記バックチャンバに接続されるものであり、
   前記吸入口及び前記吐出口の前記バックチャンバとの接続関係を切り替えて、該バックチャンバに対する送排気を選択的に行わせる切替え機構と共に、ポンプユニットを構成することを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれかに記載の呼気弁。
8. 前記切替え機構は、前記マイクロポンプの姿勢を、前記吸入口を前記バックチャンバに直結させて該マイクロポンプが該バックチャンバに対する排気を行う排気姿勢と、前記吐出口を前記バックチャンバに直結させて該マイクロポンプが該バックチャンバに対する送気を行う送気姿勢と、で切り替えることを特徴とする、
   請求項７に記載の呼気弁。
9. 吸気となる気体を供給源から生物に導く吸気流路と、
   前記生物の呼気を大気に導く呼気流路と、
   前記呼気流路内の気体を大気に放出して該呼気流路内の気圧を調節する請求項１〜８のいずれかに記載の呼気弁と、を備えることを特徴とする、
   呼吸補助装置。

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