JP7625739B2 - 加湿呼吸装置制御 - Google Patents

Description

本発明は、所望の湿度および温度の加湿空気を患者に提供するための加湿呼吸装置およびその制御に関する。

加湿を提供する呼吸装置では、その意図は、所望の患者の快適性および／または治療を達成するため、所望の湿度および／または温度の加湿空気を患者に提供することである。所望の湿度および／または温度を提供するには、患者において（すなわち、患者の口および／または鼻付近で）加湿空気の湿度および／または温度を達成して維持することが必要とされるが、その理由は、この湿度および温度が患者に最終的に伝わる空気の湿度および温度であるためである（注：「～付近で」は「～においてまたは～の近くで」または「～の最も近くで」と呼ぶこともできる）。理論上、このことは、患者の最も近くで所望の湿度および／または温度が達成され維持されるまで、流れ生成器から患者まで（例えば、導管および患者インターフェースを介して）、呼吸装置の流路を通過する空気を加熱および／または加湿することを伴う。

しかし、患者の最も近くでの湿度および／または温度の制御は可能であるが、それは技術的および経済的に難しい。例えば、患者の最も近くの加湿空気の湿度および／または温度を検出するためのセンサの使用は、高価であり、技術上および健康上の困難を有する。したがって、従来制御されるものは、患者の最も近くの加湿空気の湿度および／または温度ではなく、むしろ、監視しやすいポイントである流路の他の何らかのポイントにおける加湿空気の湿度および／または温度である。目標温度および／または湿度は、特定のポイント（加湿器出口または導管／ホースの終端部）に対して決定され、それが、制御される温度および／または湿度である。この手法における困難は、流路のそのポイントにおける目標温度および／または湿度の達成および維持により、患者の最も近くで所望の湿度および／または温度が達成され、患者に伝達されることが保証されるわけではないことである。加湿空気の湿度および／または温度は、患者に届く頃には変化している可能性がある。例えば、導管の終端部の空気の温度および／または湿度が目標で維持される場合、患者インターフェースで提供される湿度および温度の変動は、患者インターフェースを介して患者に伝達される実際の温度および／または湿度がホースの終端部のものとは未知の形で異なることを意味する。これにより、患者における空気の実際の温度／湿度を知ることが難しくなり、加湿空気の所望の温度および／または湿度を患者に伝達することが難しくなる。

本発明の目的は、所望の湿度および／または温度で加湿空気を患者に伝達する能力を改善する形で、流路における加湿空気の湿度および／または温度を制御する加湿呼吸装置および／または操作方法を提供することである。

一態様では、本発明は、患者の最も近くで所望の湿度の加湿空気を生成して患者に伝達するための加湿呼吸装置であって、空気流路と、加湿呼吸装置の操作を制御するためのコントローラとを備え、コントローラは、患者の呼気湿度および流量に基づいて患者の最も近くで所望の伝達湿度を達成するため、流路のポイントにおいて湿度を制御するように加湿呼吸装置を操作するよう構成される、装置にあると言われている。

好ましくは、装置は、流路の一部を形成する患者インターフェースと結合された導管をさらに備える。

好ましくは、コントローラが湿度を制御するよう構成される流路のポイントは、導管の終端部の患者インターフェースまたはその近くである。

好ましくは、患者インターフェースはマスクであり、コントローラは、患者の呼気湿度および流量から計算される目標湿度を達成するため、流路のポイントにおいて湿度を制御し、目標湿度、患者の呼気湿度および流量間の関係は、マスクへの水蒸気の質量流量とマスクからの水蒸気の質量流量とのバランスに基づく。

好ましくは、水蒸気の質量流量は、
であり、式中、
１回の呼吸サイクルで平均化された水蒸気の質量流出量
は、マスクで混合された空気中に存在し、排出／バイアス孔を通じて流れ出た水蒸気の量に等しく、
１回の呼吸サイクルで平均化された患者からの水蒸気の質量流入量
は、ＣＰＡＰ伝達湿度、患者の呼気湿度および患者のピーク流量の関数であり、
１回の呼吸サイクルで平均化されたＣＰＡＰ装置からの水蒸気の質量流入量
は、ＣＰＡＰ伝達湿度ならびに平均／バイアス流量およびピーク流量の関数である。

好ましくは、関係は、
ＥＯＨ＿ＡＨ ＝ｆ（Ａ，Ｊ_B，Ｍ_h，ｈ_P） （５）
によって定義され、式中、
ｈ_Pは、患者（呼気）によってマスクに提供された湿度であり、
Ａは、患者のピーク流量であり、
Ｊ_Bは、平均流量（バイアス流量＋漏れ流量）であり、
Ｍ_hは、マスク湿度であり、
ＥＯＨ＿ＡＨは、ホースの終端部の（絶対）湿度である。

好ましくは、関係は、
ＥＯＨ＿ＡＨ＝（Ｍａｓｋ＿ＡＨ－（Ａ／（Ｊ_B ^*ｐｉ））^*Ｐａｔｉｅｎｔ＿ＡＨ）／（１－Ａ／（Ｊ_B ^*ｐｉ）） （６）
によって定義され、式中、
Ａは、患者のピーク流量であり、
Ｊは、平均流量であり、
Ｐａｔｉｅｎｔ＿ＴおよびＰａｔｉｅｎｔ＿ＡＨは、患者によって吐き出された空気の温度および湿度である。

好ましくは、コントローラが湿度を制御するよう構成される流路のポイントは、加湿器出口またはその近くである。

好ましくは、装置は、流量を検知するための流量センサを備える。

好ましくは、流量は、
平均流速、
ピーク流速、
１回換気量
のうちの１つまたは複数である、流量の１つまたは複数の特性を含む。

好ましくは、患者の呼気湿度は、
既定値、
センサを使用して検知された値、
ＢＭＩ、身長、体重、人体容積もしくは他の任意の適切な患者の生理的特性のうちの１つもしくは複数から計算された値
のうちの１つまたは複数である。

好ましくは、コントローラは、ヒータプレート温度を制御することによって、例えば、ヒータプレートに供給される電力のデューティサイクルを制御することによって、湿度を制御するように加湿器を操作するよう構成される。

好ましくは、コントローラは、マスク情報、例えば、マスクの内部容積に基づいて湿度を制御するように加湿呼吸装置を操作するようさらに構成される。

別の態様では、本発明は、患者の最も近くで所望の湿度の加湿空気を生成して患者に伝達する方法であって、患者の呼気湿度および流量に基づいて患者の最も近くで所望の伝達湿度を達成するため、流路のポイントにおいて湿度を制御するように加湿呼吸装置を操作するステップを含む、方法にあると言われている。

好ましくは、流路のポイントにおいて湿度を制御するステップは、患者の呼気湿度および流量から計算される目標湿度を達成するためであり、目標湿度、患者の呼気湿度および流量間の関係は、マスクへの水蒸気の質量流量とマスクからの水蒸気の質量流量とのバランスに基づく。

別の態様では、本発明は、患者の最も近くで所望の湿度の加湿空気を生成して患者に伝達するための加湿呼吸装置であって、空気流路と、加湿呼吸装置の操作を制御するためのコントローラとを備え、コントローラは、患者の呼気湿度および流量に基づいて患者の最も近くで所望の伝達湿度を達成するため、流路のポイントにおいて湿度を制御するように加湿呼吸装置を操作するよう構成され、コントローラは、患者の呼気温度および流量に基づいて患者の最も近くで所望の伝達温度を達成するため、流路のポイントにおいて温度を制御するように加湿呼吸装置を操作するよう構成される、装置にあると言われている。

別の態様では、本発明は、患者の最も近くで所望の湿度の加湿空気を生成して患者に伝達する方法であって、患者の呼気湿度および流量に基づいて患者の最も近くで所望の伝達湿度を達成するため、流路のポイントにおいて湿度を制御するように加湿呼吸装置を操作するステップと、患者の呼気温度および流量に基づいて患者の最も近くで所望の伝達温度を達成するため、流路のポイントにおいて温度を制御するように加湿呼吸装置を操作するステップとを含む、方法にあると言われている。

別の態様では、本発明は、患者の最も近くで所望の温度の加湿空気を生成して患者に伝達するための加湿呼吸装置であって、空気流路と、加湿呼吸装置の操作を制御するためのコントローラとを備え、コントローラは、患者の呼気温度および流量に基づいて患者の最も近くで所望の伝達温度を達成するため、流路のポイントにおいて温度を制御するように加湿呼吸装置を操作するよう構成される、装置にあると言われている。

好ましくは、装置は、流路の一部を形成する患者インターフェースと結合された導管をさらに備える。

好ましくは、コントローラが温度を制御するよう構成される流路のポイントは、導管の終端部の患者インターフェースまたはその近くである。

好ましくは、患者インターフェースはマスクであり、加湿器は、患者の呼気温度および流量から計算される目標温度を達成するため、流路のポイントにおいて温度を制御し、目標温度、患者の呼気温度および流量間の関係は、マスクへの熱流量とマスクからの熱流量とのバランスに基づく。

好ましくは、熱流量は、
であり、式中、
熱流出量は、バイアス孔を通じて流出した空気Ｊ_Bによって運ばれる熱エネルギー（マスク温度および平均流量の関数）と、マスク表面を通じて大気中に失われた熱（マスク温度、周囲温度およびマスクを通じる熱損失係数の関数）とを含み、
熱流入量は、ＣＰＡＰ流量によって運ばれる熱エネルギー（平均流量、ピーク流量およびＣＰＡＰ伝達温度の関数）と、患者によって運ばれ、マスクに流入する熱エネルギー（患者の呼気温度、ＣＰＡＰ伝達温度および患者のピーク流量の関数）とを含む。

好ましくは、関係は、
ＥＯＨ＿Ｔ ＝ｆ（Ａ，Ｊ_B，Ｍ_t，Ｔ_P，Ｔ_A） （１１）
によって定義され、式中、
Ｔ_Pは、患者（呼気）によってマスクに提供された温度であり、
Ａは、患者のピーク流量であり、
Ｊ_Bは、平均流量（バイアス流量＋漏れ流量）であり、
Ｔ_Aは、例えば、センサによって測定された周囲温度であり、
Ｍ_tは、マスク温度であり、
ＥＯＨ＿Ｔは、ホースの終端部の温度である。

好ましくは、関係は、
によって定義され、式中、
であり、
ｋ_effは、マスクを通じる有効熱伝導係数であり、
Ｓは、マスクの表面積であり、
Ｃ_pおよびρは、一定（平均）処理圧力での空気比熱および（平均）密度を指し、
Ａは、患者のピーク流量であり、
Ｊは、平均流量であり、
Ｐａｔｉｅｎｔ＿ＴおよびＰａｔｉｅｎｔ＿ＡＨは、患者によって吐き出された空気の温度および湿度である。

好ましくは、コントローラが温度を制御するよう構成される流路のポイントは、加湿器出口またはその近くである。

好ましくは、装置は、流量を検知するための流量センサを備える。

好ましくは、流量は、
平均流速、
ピーク流速、
１回換気量
のうちの１つまたは複数である、流量の１つまたは複数の特性を含む。

好ましくは、患者の呼気温度は、
既定値、
センサを使用して検知された値、
ＢＭＩ、身長、体重、人体容積もしくは他の任意の適切な患者の生理的特性のうちの１つもしくは複数から計算された値
のうちの１つまたは複数である。

好ましくは、コントローラは、伝達される加湿空気を加熱するため、導管のヒータへの通電を制御することによって、またはその代替として、ヒータプレート装置に通電することによって、温度を制御するように加湿器を操作するよう構成される。

好ましくは、コントローラは、入力空気温度に基づいて温度を制御するように加湿器を操作するようさらに構成され、任意選択により、入力空気温度は、大気温度または既定値である。

好ましくは、コントローラは、マスク情報に基づいて湿度を制御するように加湿呼吸装置を操作するようさらに構成され、任意選択により、マスク情報は、
マスクの内部容積、
マスクの表面積、
マスクの材料
のうちの１つまたは複数である。

別の態様では、本発明は、患者の最も近くで所望の温度の加湿空気を生成して患者に伝達する方法であって、患者の呼気温度および流量に基づいて患者の最も近くで所望の伝達温度を達成するため、流路のポイントにおいて温度を制御するように加湿呼吸装置を操作するステップを含む、方法にあると言われている。

好ましくは、流路のポイントにおける温度は、患者の呼気温度および流量から計算される目標温度を達成するためであり、目標温度、患者の呼気温度および流量間の関係は、マスクへの熱流量とマスクからの熱流量とのバランスに基づく。

別の態様では、本発明は、患者の最も近くで所望の湿度の加湿空気を患者に伝達するための流路を備える加湿呼吸装置であって、加湿器は、湿度に対して患者が行った貢献に基づいて患者の最も近くで所望の伝達湿度を達成するため、流路のポイントにおいて湿度を制御するよう構成されたコントローラを備える、装置にあると言われている。

別の態様では、本発明は、所望の湿度を患者に伝達するように加湿呼吸装置を制御する方法であって、患者の呼気湿度および流量に関する入力を受信するステップと、患者の呼気湿度および流量に基づいて出力湿度を提供するように加湿呼吸装置を操作するステップとを含む、方法にあると言われている。

別の態様では、本発明は、患者の最も近くで所望の温度の加湿空気を患者に伝達するための流路を備える加湿呼吸装置であって、加湿器は、温度に対して患者が行った貢献に基づいて患者の最も近くで所望の伝達温度を達成するため、流路のポイントにおいて温度を制御するよう構成されたコントローラを備える、装置にあると言われている。

別の態様では、本発明は、所望の温度を患者に伝達するように加湿呼吸装置を制御する方法であって、患者の呼気温度および流量に関する入力を受信するステップと、患者の呼気温度および流量に基づいて出力温度を提供するように加湿呼吸装置を操作するステップとを含む、方法にあると言われている。

この明細書では、特許明細書、他の外部の文書または他の情報源が参照されている場合、これは、一般に、本開示の特徴を論じるための文脈を提供することを目的とする。特に記述がない限り、そのような外部の文書への参照は、そのような文書またはそのような情報源が、いかなる権限においても、先行技術であること、あるいは、当技術分野における共通の一般知識の一部を形成することを認めるものと解釈してはならない。

用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、この明細書で使用される場合、「少なくとも部分的に～からなる」を意味する。用語「備える」を含むこの明細書の各記述を解釈する際、その用語によって前置きされた１つまたは複数のもの以外の特徴も存在し得る。「備える（「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」および「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」）」などの関連用語も同じように解釈されたい。

本発明が関係する当業者であれば、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、構造における多くの変更や、本発明の大幅に異なる実施形態および応用が連想されよう。本開示および本明細書の記述は、単なる例示であり、いかなる意味においても制限することを意図しない。

この発明が関係する当技術分野における公知の均等物を有する特定の整数について本明細書で言及する場合、そのような公知の均等物は、まるで個別に記載されるかのように本明細書に組み込まれると考えられる。

ここでは、以下の図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

加湿空気の湿度および／または温度を変更する下流貢献を有する流路に沿って加湿空気を患者に提供する加湿呼吸装置の概略図である。 一般的な加湿呼吸装置制御を示す概略図である。 加圧された加湿空気を患者に提供する加湿器を備えるＣＰＡＰ装置の詳細な概略図である。 一実施形態による、加湿空気を患者に提供する加湿呼吸装置（図２に示されるものなど）の高レベルの概略的な一般化である。 加湿呼吸装置制御の概略図である。 図４に示される制御において使用される目標温度および湿度モデルの概略図である。 加湿呼吸装置のマスクにおける流量バランスを示す概略図である。 加湿呼吸装置のマスクにおける流量バランスを示す概略図である。 呼吸流量の正弦波近似を示す。 図５のモデルの一部を形成し得る目標湿度モデルの概略図である。 図５のモデルの一部を形成し得る目標温度モデルの概略図である。 総合的な加湿呼吸装置制御の概略的なプロセスフロー図である。 加湿呼吸装置のマスクにおける流量バランスを示す概略図である。 加湿呼吸装置のマスクにおける流量バランスを示す概略図である。

本発明は、加湿空気を患者に供給するための加湿呼吸装置およびその操作方法に関する。優先権出願の米国特許出願第６１／７０７６２９号明細書は、その全体が参照によりこの明細書に組み込まれる。加湿呼吸装置は、それ自体が単独で加湿器であることも、ＣＰＡＰ（持続陽圧呼吸）装置、自動滴定装置、バイレベル装置、または、他のＰＡＰ装置（３～２０ｃｍＨ₂Ｏもしくは同程度で動作する）もしくは加湿器を備える高流量呼吸装置など、追加の呼吸支援を提供するための他のハードウェアと組み合わされた加湿器であることもあり得る。加湿呼吸装置およびその操作方法は、所望の湿度および／または温度の（「またはそれに近い」を意味することも考えられる）加湿空気を生成して患者に伝達する。加湿呼吸装置およびその操作方法は、実際に患者に伝達される加湿空気の所望の湿度および／または温度を達成することを目的とする。すなわち、加湿呼吸装置およびその操作方法は、患者の最も近く／近位の（すなわち、患者におけるまたは患者の近くの）加湿空気が所望の湿度および／または温度であるように、空気流路の加湿空気の湿度および／または温度を制御する。

図１Ａを参照すると、加湿呼吸装置は、空気加湿能力（ボックス１０）を有し、ＣＰＡＰまたは同様のものなどの他の能力のためのハードウェアと共に、加湿用の加湿器１０ａと、流れ生成器１０ｂと、コントローラ１０ｃとを備える。流路１１は、加湿空気１３を患者１２に伝達する。流路は、呼吸装置ボックス１０とは別々に示されているが、呼吸装置の一部と見なすことができ、流路は、加湿器内の内部ダクトおよび空気経路などのハードウェア自体の部品を含み得る。患者インターフェースもまた、一般に、流路および加湿呼吸装置の一部と見なすことができる。一般論として、加湿空気１３の温度および／または湿度は、加湿呼吸装置流路の何らかのポイント（目標ポイント）１４で制御される。流路の残りの部分のさらに下流（患者で終端）でコンポーネントおよび入力（例えば、患者入力）によって提供される湿度および／または温度への下流貢献１５のモデルが決定され、目標温度／湿度モデルが考案され、コントローラ１０ｃに実装される。

目標ポイントにおける目標温度および／または湿度は、モデルから決定される。この目標温度および／または湿度は、目標温度および／または湿度に達した場合に下流の影響からの湿度および温度への残りの貢献１５により患者の最も近くの実際の温度および／または湿度が所望の値に（または所望の値の近くに）なるように、モデルを使用して決定される。加湿呼吸装置度および／または任意の周辺コンポーネント（ファン、加熱管、マスクおよび同様のものなど）は、目標ポイントにおける目標温度および／または湿度が達成されて維持されるように、加湿呼吸装置流路を通過する加湿空気の湿度および／または温度を制御するように操作される。

流路における空気の目標温度および／または湿度は、例えば、クローズドループフィードバックを使用して（センサまたは同様のものを使用）、または、モデルもしくは他の予測メカニズムを使用してなど、加湿呼吸装置に対する通常の制御方法のいずれかを使用して達成することができる。

図１Ｂを参照すると、患者における必要な所望の温度および湿度を達成するため、加湿呼吸装置制御１８が提供される。制御は、患者における所望の温度および湿度を伝達するために達成しなければならないパラメータの関連値を決定するための（パラメータ）モデル１６と、それらのパラメータ値を達成するように加湿装置を操作するための制御機能性（例えば、モデル／方程式の形態）１７とを含む。モデルは、患者貢献／目標パラメータモデル１６、ならびに、例えば、装置ヒータプレート温度および呼吸管ヒータ電力を制御するための加湿呼吸装置制御モデルを含む。加湿呼吸装置制御１８は、中でも特に、周囲温度１９ａ、ユーザ設定１９ｂ、周囲湿度１９ｃおよび患者フィードバック（患者の流量１９ｆ、患者の温度１９ｄ、患者の湿度１９ｅを含む）を使用する。制御出力パラメータ２０、信号または他の制御メカニズムは、ヒータプレート温度２０ａおよび加熱された呼吸管の電力２０ｂなどの出力であり、患者における所望の温度および湿度を達成するように制御加湿呼吸装置の操作を制御するために使用される。

目標温度／湿度を計算する際、関連モデルは、実際には、加湿空気の湿度および温度への患者の貢献を考慮する。貢献は、例えば、患者の呼吸の温度および／または湿度、ならびに、呼吸流量特性（「流量」、「患者の流量」または「流量特性」とも呼ばれる）によるものであり得る。任意選択により、マスクタイプ自体に関連するものを含む他のパラメータを使用することもできる。例えば、パラメータは、マスクの内部容積、マスクの表面積および／またはマスクの材料を含み得る。患者の貢献を使用することで、コントローラ１０９（図３を参照）は、達成された場合に患者における／患者に伝達される加湿空気の所望のパラメータを達成する空気流路の他の何らかのポイントにおける空気の必要な目標温度および／または湿度を計算することができる。

１ 本発明の第１の実施形態
１．１ 概要
図２～４の概要では、加湿呼吸装置の可能な非限定的な実施形態が示される。この場合、その実施形態は、図２に示される組み込まれた加湿器を備えるＣＰＡＰ装置１である。加湿機能を有する流量治療装置または加湿器単独でさえも含む、加湿を提供する呼吸装置のいかなる種類も使用できることが理解されよう。

図２は、呼吸ガスの供給を伝達するためのＰＡＰ装置１００と、ヒータを備える呼吸導管１０１と、患者インターフェース１０２とを備える加湿呼吸装置１の一実施形態を示すブロック図を示す。

呼吸導管１０１（「ホース」または「管」とも呼ばれる）は、ＰＡＰ装置１００の出口から患者インターフェース１０２まで延在する。患者インターフェースは、吸気と呼気の両方の段階の間、マスクにおいて一定の圧力を維持することによって一定に維持されるバイアス流速のバイアス流動孔を備える適切ないかなる密閉患者インターフェース（顔全体マスク、鼻マスク、直接鼻マスク、口頭マスクまたは同様のものなど）でもあり得る。

ＰＡＰ装置は、送風機１０３を備える。好ましくは、送風機は、電動モータによって駆動されるファンを備える。空気は、ファンによって、入口１０４を通じてＰＡＰ装置に引き込まれる。加圧された空気は、患者への供給のためにファンを出る。あるいは、制御可能な流れ生成器は、高圧ガス源を誘導し、高圧源からのガスの流量を規制することができる。

ＰＡＰ装置は、加湿器１１５を備える。代替の実施形態では、加湿器１１５は、ＰＡＰ装置およびＰＡＰ装置の一部から分離することができる。示される加湿器１１５は、加湿器を通過する空気が貯水槽１０７から大量の水蒸気を吸い上げるパスオーバー型加湿器である。貯水槽は、ヒータ１０８によって加熱される。加湿器は、好ましくは、ＰＡＰ装置のハウジングに組み込まれる。あるいは、加湿器は、ＰＡＰ装置のハウジング内の別々のコンポーネントでも、ＰＡＰ装置と加湿器との間に導管を接続した状態でＰＡＰ装置から分離してもよい。パスオーバー型以外の他のタイプの加湿器も使用することができる。いくつかの形態では、複数の加湿器を使用することができる。加湿空気は、加熱された呼吸管１０１の終端部（後に、ホースの終端部ＥＯＨと呼ばれる）を出て、患者の呼気と混合され、次いで、鼻、顔全体または口頭マスク１０２上のバイアス孔から流出する。いくつかの実施形態では、代わりに、加熱されない呼吸管を使用することができる。

ＰＡＰ装置は、コントローラ１０９を備える。コントローラ１０９は、ＰＡＰ装置、管ヒータ１０１ａおよび他の周辺機器を含む加湿呼吸装置を制御するために使用される。また、コントローラ１０９は、本発明のモデルも操作する。コントローラは、ユーザインターフェース（ＵＩ）１１３およびセンサから入力を受信する。ユーザインターフェースは、ノブ、多数のボタン、画面またはそれらの任意の組合せなどの適切ないかなるユーザインターフェースの形態でもあり得る。ユーザインターフェースは、ＰＡＰ装置がユーザに情報を表示できるようにし、ユーザがＰＡＰ装置に（より具体的には、コントローラに）情報を入力できるようにもする。また、コントローラにも、外部のデータ源に接続するためのインターフェース１１４を提供することができる。

コントローラは、１つまたは複数のセンサから入力を受信するための入力部（示されるように、１１２、１１０、２０１、１１１、１１７、１１９など）を備え、入力部は、ファンの上流もしくは下流または装置の外側の温度、流量、湿度および／または圧力センサを備え得る。示されるように、流量センサは、患者またはユーザに供給されるガスの流量特性（容積、速度または位相など）を決定する。流量センサは、ファンの上流１１０または下流１１１、１１２に配置することができる。また、周囲温度および湿度センサ２０１、１１０も使用することができ、同センサは、送風機入口、加湿器入口または他の任意の適切な場所に位置し得る。任意選択により、ホースの終端部１１２および／またはマスク１１７の温度および／または湿度センサを必要に応じて使用することができる。任意選択により、ヒータプレート温度センサ１１９が使用される。示されるセンサは、使用できるセンサの一構成である。他の任意の構成のセンサおよび他の任意のタイプのセンサも使用することができる。示されるものより少数のまたは多くのセンサが存在し得る。センサは、流量、湿度、温度および／または圧力、患者の同様のもの（例えば、マスクまたは他の任意の適切なポイントで測定される患者の呼気流量）、あるいは、流路の任意のポイント、周囲環境または装置もしくは周辺コンポーネントの他の任意のポイントにおける加湿または無加湿流量のいずれかを検知するため、適切ないかなる場所にも提供することができる。装置は、電源によって給電される。

加湿呼吸装置は、空気１３流量が移動するいかなる部分も備え得る空気流路３０を備える。加湿呼吸装置は、送風機入口、送風機１０３、加湿器へのダクト１１８、水室を通じる流路１１５、水室からの排出管、導管１０１および患者インターフェース１０２を備え得る。この実施形態では、所望の温度および湿度は、患者の鼻／口の近くのマスクのものであり、これは、患者に伝達される温度および湿度である。目標ポイントは、空気流路の適切なポイントであり、この実施形態では、導管の終端部（「ホースの終端部」３１と呼ばれる、図３を参照）であるが、その理由は、導管の終端部が、湿度および／または温度を目標値に制御できる流路のポイントであるためである。患者インターフェースは、顔全体、鼻または口頭マスクである。マスク１０２自体および患者は、導管の終端部の湿度および／または温度が患者の最も近くの（すなわち、マスクのおよび口／鼻の近くの）ものとは異なるように、貢献を提供する。例えば、ホースの終端部からマスクへの熱損失に起因して、また、患者の呼気からマスク空間への湿度および熱の追加に起因して、マスクにおける空気の相対湿度は、ホースの終端部よりはるかに高いものであり得る。これにより、相対湿度が１００％を超えた場合、マスクにおける凝縮を引き起こす可能性がある。

図３を参照すると、図２の加湿装置は、空気流路３０を備え、空気流の湿度および温度に影響を及ぼす下流患者／マスク貢献を有する装置としてモデル化されている。患者貢献（および／または、任意選択により、マスク貢献）は、所望のマスク温度および湿度をもたらす導管の終端部の目標温度および／または湿度を決定する（入力に基づいて）モデルを導出するために使用される。図１Ｂに示される一般事例の実施形態である図４を参照すると、コントローラは、目標ポイント３１における目標温度および／または湿度（マスクにおける所望の温度および湿度を達成する）を決定し、ヒータプレート１０８および呼吸管電力１０１ａを制御して、目標ポイント３１における目標温度および／または湿度を達成／維持するため、総合的な加湿器制御プログラム４１の一部としてモデル４０（いくつかある機能性の中で特に）を実装している。所望の温度および湿度（すなわち、マスク湿度および温度）は、モデルへの入力４２ｄ、４２ｅ（所望のマスク温度および湿度）として取り入れられる。また、周囲温度１９ａ、周囲湿度１９ｃ、平均流量４２ａ、患者のピーク流量または１回換気量４２ｂ、ならびに任意選択により、マスクタイプ４２ｃ、患者の温度１９ｄ、患者の湿度１９ｅおよび同様のもののうちの１つまたは複数も入力として取り入れることができる。

流路の空気の目標温度および／または湿度は、例えば、クローズドループフィードバックを使用して（センサまたは同様のものを使用）、または、モデルもしくは他の予測メカニズムを使用してなど、加湿呼吸装置に対する通常の制御方法のいずれかを使用して達成することができる。目標温度および／または湿度は、この実施形態では、ヒータプレート温度設定および加熱された呼吸管の電力設定を使用して達成される。これらについては、後に、図１０を参照して説明する。

この実施形態では、コントローラは、目標温度と目標湿度の両方を決定するよう構成され、目標ポイントでそれらの両方を達成／維持するよう構成される。しかし、代替の実施形態では、コントローラは、それらの両方の代わりに、目標温度のみを決定して達成するか、または、目標湿度のみを決定して達成するようにプログラムされる場合がある。目標温度と目標湿度の両方が必要とされる場合、コントローラは、それらの両方を決定して制御するための単一のモデル、または、それらの各々を別々に決定して制御するための別々のモデル（本実施形態の場合のような）で構成することができる。目標温度または目標湿度のうちの１つしか必要とされない場合は、別々のモデルが使用される。

１．２ 第１の実施形態の詳細な説明
ここでは、図５～１０を参照して、実施形態についてより詳細に説明する。

１．２．１ 目標温度および湿度モデルの一般的な説明
本実施形態は、別々のモデルを使用して、目標温度および湿度を決定し、その結果、これらのパラメータは、別々の実装形態で決定および制御することができる。しかし、最初に、概説目的で、また、どのようにモデルが導出されるかについての論考をサポートするため、図５、６Ａ、６Ｂを参照して、組み合わされた目標温度および湿度モデルの簡単な説明について説明する（図５は、総合的な制御の一部として図４に示されるモデルの簡易バージョンである）。それに続いて、目標温度および湿度を決定するための別々のモデルの詳細な説明を提供する。しかし、この説明は、単なる例示を目的として提供され、制限するものと見なすべきではない。

以前に述べられるように、この実施形態では、所望の温度は、マスクにおける温度であり、「マスク温度（Ｍ_t）または（Ｍａｓｋ＿Ｔ）」と呼ばれる。所望の湿度は、マスクにおける湿度であり、「マスク（絶対）湿度（Ｍ_h）または（ｍａｓｋ＿ＡＨ）」と呼ばれる。これらは、患者／医師設定によって指定されるか、測定パラメータを使用して決定されるか、または、両方の組合せを使用して決定される。これらのパラメータの決定については、後に説明する。図５を参照すると、決定された時点で、Ｍ_h、Ｍ_tは、導管（ホース）の終端部の（目標）湿度（ＥＯＨ＿ＡＨ）４４ｂおよび温度（ＥＯＨ＿Ｔ）４４ａを生成するための他の入力と共に、湿度および温度に対する（「逆」）患者貢献モデルに基づく目標湿度および温度モデル５０への入力４２ｄ、４２ｅである既知のパラメータとなる。また、モデル５０への入力は、任意選択により、患者によって吐き出された空気の温度および湿度である、患者の温度１９ｄおよび患者の絶対湿度（ＡＨ）１９ｅを含む。直接入力よりむしろ、これらは、モデルに本質的に含めることができるが（図５の場合のように）、依然としてモデル入力と見なすことができる。例として、文献から得られた平均値（例えば、３４℃、８５％、３２ｍｇ／Ｌ）を使用することができる。また、マスクタイプまたはマスクパラメータもモデルへの入力であり得、マスクタイプは、ＣＰＡＰによって検出されるか、または、ユーザによって入力される。しかし、代替の実装形態では、モデルを簡素化するため、平均的なマスクタイプが使用される。あるいは、値は、身長、体重、年齢、ＢＭＩ、吸気温度または湿度、１回換気量、鼻または口呼吸、肺病（例えば、ＣＯＰＤ）、鼻炎／風邪、気管支血液流量、水分補給レベルなどの生理的な患者特性／パラメータを使用して計算することができる。

モデル５０は、以下に基づく。バランスの取れたシステムの場合、ＣＰＡＰ呼吸装置によって提供された流量は、患者の流量と平均／バイアス流量の負の合計に等しい。これは、図６Ａ、６Ｂに示されている。定速でマスクへ流入するＣＰＡＰ流量およびバイアス孔から流出する流量が存在する。図６Ａ、６Ｂは、マスクを制御ボリュームと見なす吸気および呼気プロセスにおける空気流を示す。患者の流量は、モデルを目的とする正弦曲線によって近似することができる。ＣＰＡＰ流量波形は、図７に示されている。平均流量は、一定であると想定することができる。

質量保存によれば、密度は同じ状態のままであると想定すると、システムの容積流量は、以下の方程式で表すことができる。
Ｖ_CPAP＋Ｖ_patient＋Ｖ_bias＝０ （１６）

これは、以下の方程式１３と同等である。

ＣＰＡＰ流量は、大抵の場合、システムへの流入量を表す正の符号を有するが、バイアス流量は、常に、システムからの流出量を表す負の符号を有するべきである。患者の流量は、呼気の間は正の符号を有し、吸気の間は負の符号を有する。しかし、特に大量の呼気では、ＣＰＡＰ流量は、その方向が逆になり、装置に逆流し、負の流量をもたらし得る。

ＥＯＨ空気温度および湿度レベルは、この特定の分析における既知の入力パラメータと見なすことができる。また、コントローラから利用可能なリアルタイムのＣＰＡＰ流速およびバイアス流速のセンサ測定値は、入力パラメータ（流量特性）として取り入れることもできる。別の入力要素は、分析に対して一定であると想定される周囲の室内条件である。平均的な患者の呼気組成は、対象患者に主に依存し、個人によってかなり異なる。これまで行われた研究の大部分は、呼気における摂氏３４～３５度の温度および７５～９５％の湿度レベルが一般に許容可能な値であることを示唆している。患者の平均的な呼吸パターンを想定するよりむしろ、検出されたＣＰＡＰおよびバイアス流速に基づいて、平均流量および振幅（またはピーク流量）を計算し、正弦／余弦のような適切な関数を使用して呼吸パターンをモデル化する。モデル入力のいくつかは、ＣＰＡＰ流量波形を使用することから決定することができる。例えば、平均流量は、７４９以上のサンプル（１０ミリ秒のセンササンプリングで１５秒）にわたる動的流れの移動平均を計算することによって得ることができる。各呼吸に対するピーク流量は、各呼吸に対する最大流量と平均流量との差を計算することによって得ることができる。平均ピーク流量を得るため、１５回の呼吸においてまたは設定された時間において、このピーク流量の移動平均を計算することができる。また、ピーク流量は、先に言及したものなどの生理的パラメータから計算することもできる。

上記の組み合わされた目標温度および湿度モデルは、概要として提供された。ここでは、この実施形態のモデルについて、別々のモデルとして以下で詳細に説明する。

１．２．２ 目標湿度モデル
図８を参照すると、決定された時点で、Ｍ_hは、導管（ホース）の終端部の（目標）湿度（ＥＯＨ＿ＡＨ）４４ｂを生成するための他の入力と共に、湿度に対する（「逆」）患者貢献モデルに基づく目標湿度モデルへの入力である既知のパラメータとなる。

湿度に対する患者貢献モデルは、一般に、以下の関数として定義することができ、
Ｍ_h＝ｆ（ｆｌｏｗ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｈ_C，ｈ_P） （１）
式中、
ｈ_Cは、ＣＰＡＰ装置によってマスクに提供された湿度（この場合、ホースの終端部の湿度（ＥＯＨ＿ＡＨでもある））であり、
ｈ_Pは、患者（呼気）によってマスクに提供された湿度であり、
流量特性は、患者の１つまたは複数の呼吸流量特性を表す。

患者貢献モデルは、目標湿度モデル５０を定義する以下の関数に再構成される。
ＥＯＨ＿ＡＨ＝ｆ（ｆｌｏｗ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，Ｍ_h，ｈ_P,） （２）

一実施形態では、実際の流量特性を指定する患者貢献モデルの関数上の定義は、以下の通りであり、
Ｍ_h＝ｆ（Ａ，Ｊ_B，ｈ_C，ｈ_P） （３）
式中、
Ａは、患者のピーク流量であり、
Ｊ_Bは、平均流量（バイアス流量＋漏れ流量）である。

それに加えて、マスクタイプも入力として使用することができるが、これは必須ではなく、代わりにマスクに対する平均を使用することができ、関数に本質的に含めることができる。

この関数の一例は、水蒸気質量バランスに基づくように、
ＡＨ_maskＶ_mask＋ＡＨ_CPAPＶ_CPAP＋ＡＨ_patientＶ_patient＝ＡＨ_mixtureＶ_total (４ａ)である。

マスクの容積は、絶えず流入空気で勢いよく流されるため、残りの項（ＡＨ_maskＶ_mask）＝０である。したがって、方程式は、以下のようになる。
ＡＨ_CPAPＶ_CPAP＋ＡＨ_patientＶ_patient＝ＡＨ_mixtureＶ_total （４ｂ）

ホースの終端部の（絶対）湿度を求めるため、実際の流量特性を指定する患者貢献モデルの関数上の定義（３）は、
ＥＯＨ＿ＡＨ＝ｆ（Ａ，Ｊ_B，Ｍ_h，ｈ_p） （５）
に再構成することができる（図８に示されるように）。

方程式（５）の関数の特定の例は、以下の方程式によって実装することができ、
ＥＯＨ＿ＡＨ＝（Ｍａｓｋ＿ＡＨ－（Ａ／（Ｊ_B ^*ｐｉ））^*Ｐａｔｉｅｎｔ＿ＡＨ）／（ｌ－Ａ／（Ｊ_B ^*ｐｉ）） （６）
式中、
Ａは、患者のピーク流量であり、
Ｊ_Bは、平均流量であり、
Ｐａｔｉｅｎｔ＿ＴおよびＰａｔｉｅｎｔ＿ＡＨは、患者によって吐き出された空気の温度および湿度である。

したがって、方程式（６）は、ホースの終端部の目標ポイントにおける目標湿度を決定するための目標湿度モデルの一実装形態である。

１．２．３ 目標温度モデル
図９を参照すると、決定された時点で、Ｍ_tは、導管（ホース）の終端部の（目標）温度（ＥＯＨ＿Ｔ）４４ａを生成するための他の入力と共に、温度に対する（「逆」）患者貢献モデルに基づく目標温度モデルへの入力である既知のパラメータとなる。

温度に対する患者貢献モデルは、一般に、以下通り定義することができ、
Ｍ_t＝ｆ（ｆｌｏｗ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，Ｔ_C，Ｔ_P） （７）
式中、
Ｔ_Cは、ＣＰＡＰ装置によってマスクに提供された温度（この場合、ホースの終端部の温度（ＥＯＨ＿Ｔ）４４ａ）であり、
Ｔ_Pは、患者（呼気）によってマスクに提供された温度であり、
流量特性は、患者の１つまたは複数の呼吸流量特性を表す。

患者貢献モデルは、目標温度モデル５０を定義する以下の関数に再構成される。
ＥＯＨ＿Ｔ＝ｆ（ｆｌｏｗ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，Ｍ_t，Ｔ_P） （８）

一実施形態では、実際の流量特性を指定する患者貢献モデルの関数上の定義は、以下の通りであり、
Ｍ_t＝ｆ（Ａ，Ｊ_B，Ｔ_C，Ｔ_P，Ｔ_A） （９）
式中、
Ａは、患者のピーク流量であり、
Ｊ_Bは、平均流量（バイアス流量＋漏れ流量）であり、
Ｔ_Aは、例えば、センサによって測定される周囲温度である。

それに加えて、マスクタイプも入力として使用することができるが、これは必須ではなく、代わりにマスクに対する平均を使用することができ、関数に本質的に含めることができる。

エネルギーバランス方程式に基づくこの関数の一例は、以下の通りである。
（マスクにおける空気のエネルギー変化＝ＣＰＡＰから流入する空気のエネルギー＋患者から流入する空気のエネルギー－バイアス孔を通じて流出する空気のエネルギー－大気中に失われた熱）

定常状態では、マスクにおける空気のエネルギー変化Δ（ｍ_maskＣ_pＴ_mask）は０になる。したがって、方程式は以下の通りになる。

ホースの終端部の温度を求めるため、実際の流量特性を指定する患者貢献モデルの関数上の定義（９）は、
ＥＯＨ＿Ｔ＝ｆ（Ａ，Ｊ_B，Ｍ_t，Ｔ_P，Ｔ_A） （１１）
に再構成することができる。

この関数の特定の例は、以下の方程式によって実装することができ、
式中、
であり、
ｋ_effは、マスクを通じる有効熱伝導係数であり、
Ｓは、マスクの表面積であり、
Ｃ_pおよびρは、一定（平均）処理圧力での空気比熱および（平均）密度を指し、
Ａは、患者のピーク流量であり、
Ｊ_Bは、平均流量であり、
Ｐａｔｉｅｎｔ＿ＴおよびＰａｔｉｅｎｔ＿ＡＨは、患者によって吐き出された空気の温度および湿度である。

したがって、方程式（１２）は、ホースの終端部の目標ポイントにおける目標湿度を決定するための目標温度モデルの一実装形態である。

したがって、方程式（６）は目標湿度を決定するために、そして、方程式（１２）は目標温度を決定するために、それぞれ使用することができ、次いで、それらの目標湿度および温度は、コントローラにプログラムされた制御方法を使用して達成することができる。あるいは、ニューラルネットワークを使用して、上記で説明される入力を用いて目標湿度および温度を決定することもできる。

１．２．４ 目標湿度および温度モデルの導出
ここでは、患者貢献、目標温度および目標湿度モデルの導出について説明する。

１．２．４．１ 背景定義
以下の略語が使用される。
インデックス：「Ｃ」－「ＣＰＡＰ」、「Ｐ」－「患者」、「Ｂ」－「バイアス（流量）」、「Ｍ」－マスクにおけるもの（混合）、「Ａ」－「周囲の」、
Ｊ_X,X=C,P,B－容積流量、ｈ_X,X=C,P,M－絶対湿度（ｍｇＨ₂ＯＬ^-1空気中）、Ｔ_X,X=C,P,M－温度（℃）、
Ｖ_LUNGは、１回の呼吸当たりの換気量であり、ｂｒ＿ｐｅｒｉｏｄは、呼吸時間であり、ＲＦは、呼吸数である。

図６Ａ、６Ｂを参照すると、質量保存の法則によれば、密度は同じ状態のままであると想定すると、示されるシステムは、以下のように記載することができる。
Ｊ_C（ｔ）＋Ｊ_P（ｔ）－Ｊ_B＝０ （１３）

排気圧が一定の場合（大気の）、Ｊ_Bもまた一定である。例示目的のため、分かり易いように、患者の流量に対する肺への／肺からの流量の正弦的時間依存性Ｊ_P＝Ａｓｉｎ（ωｔ）が想定され、式中、Ａは、振幅または患者のピーク流量である。

図１１ａを参照して、マスク９０をオープンシステムまたは制御ボリュームと見なすと、関与する熱力学的相互作用は、主に、異なる流体の混合である。呼気段階の間は、マスク内部の残りの空気９１（すなわち、最後の呼吸サイクルからの混合物）は、流入ＣＰＡＰ空気９２および患者の呼気９３と混合されるが、吸気段階の間は、マスク内部の残りの空気は、大量の流入ＣＰＡＰ空気によって大部分が勢いよく流し出される。これは、図１１ａに示される物質対流および拡散プロセスである。

大部分のＣＰＡＰ装置操作環境では、室内は、マスク内部の空気より低い温度を有し、システム内から外への熱交換をもたらす。呼吸サイクルは、熱力学的な循環プロセスと見なすことができ、各呼気は比較的同様のものであり、マスクの残りの空気は吸気の間に流入ＣＰＡＰ空気によって勢いよく流し出され、マスク状態を初期状態に戻すことが想定される。したがって、吸気および呼気プロセスの各サイクルで平均化されたマスク内部の平均空気温度は、ほぼ一定に維持されるはずである。この理由で、対流９５ａ、９５ｂおよび伝導９４を伴う定常状態熱伝達プロセスは、図１１ｂに示されるように考えられている。

上記で言及される密閉マスクにおける熱力学的プロセスは、狭い空間における速度の急速な変動の性質による乱流混合である可能性が高い。流動は、拡散プロセスを促進する大きな界面表面積を生じさせるため、乱流は、分子混合プロセスにおいて効果的な支援である。

乱流混合は、通常、３つのレベル、すなわち、（１）密度一致流体の混合などの受動混合、（２）加速場における異なる密度の流体の場合のレイリーテイラー不安定性流動などの力学とつながりのある混合、および、（３）圧力上昇など、流体を変化させる混合に分類される。マスク内部の空気混合は、関与する流体（すなわち、空気）が同様の密度のものであるため、第１のカテゴリに収まる。そのような混合プロセスに対し、流動力学を説明するための混合分析は不要である。したがって、混合プロセスに起因する各呼吸サイクルの間の流れパターンの変化を考慮する必要はない。

１．２．４．２ 目標湿度モデルの導出
１回の呼吸サイクルで平均化された水蒸気質量（ｍ）率バランスは、
であり、式中、
１回の呼吸サイクルで平均化された水蒸気の質量流出量
は、マスクで混合された空気中に存在し、排出／バイアス孔を通じて流れ出た水蒸気の量に等しく、
１回の呼吸サイクルで平均化された患者からの水蒸気の質量流入量
は、ＣＰＡＰ伝達湿度、患者の呼気湿度および患者のピーク流量の関数であり、
１回の呼吸サイクルで平均化されたＣＰＡＰ装置からの水蒸気の質量流入量
は、ＣＰＡＰ伝達湿度および流量特性（平均／バイアス流量および／またはピーク流量など）の関数である。

形態の複雑性により、簡素化を行うことができる。呼吸サイクルの間、何らかの離散ポイントにおける水蒸気の質量のスカラー保存が適用される。これは、流入ＣＰＡＰ空気がバイアス孔を介して出る前にマスク内部の呼気および残りの空気とよく混合されることを想定する。数学的表現は、以下の通りである（マスクへの水蒸気の質量流入量は、水蒸気の質量流出量に等しい）。
ＡＨ_maskＶ_mask＋ＡＨ_CPAPＶ_CPAP＋ＡＨ_patientＶ_patient＝ＡＨ_mixtureＶ_total (４ａ)

マスクの容積は、絶えず流入空気で勢いよく流されるため、残りの項（ＡＨ_maskＶ_mask）＝０である。したがって、方程式は、以下のようになる。
ＡＨ_CPAPＶ_CPAP＋ＡＨ_patientＶ_patient＝ＡＨ_mixtureＶ_total （４ｂ）

上記の方程式から、マスクにおける空気の平均湿度は、
マスク湿度＝ｆｕｎｃｔｉｏｎ（Ａ，Ｊ_B，ｈ_C，ｈ_P） （３）
と記載することができる。

上記の方程式を目標湿度について解くと、
ＥＯＨ＿ＡＨ＝ｆ（Ａ，Ｊ_B，Ｍ_h，ｈ_p） （５）
が得られ、以前に述べられるように、
ＥＯＨ＿ＡＨ＝（Ｍａｓｋ＿ＡＨ－（Ａ／（Ｊ_B ^*ｐｉ））^*Ｐａｔｉｅｎｔ＿ＡＨ）／（ｌ－Ａ／（Ｊ_B ^*ｐｉ）） （６）
である。

１．２．４．３ 目標温度モデルの導出
温度に対して同じ手法を使用すると、マスクシステムに対する熱エネルギーバランス方程式は、以下のように記載することができ、
式中、
熱流出量は、バイアス孔を通じて流出した空気Ｊ_Bによって運ばれる熱エネルギー（マスク温度および平均流量の関数）と、マスク表面を通じて大気中に失われた熱（マスク温度、周囲温度およびマスクを通じる熱損失係数の関数）とを含み、
熱流入量は、ＣＰＡＰ流量によって運ばれる熱エネルギー（平均流量、ピーク流量およびＣＰＡＰ伝達温度の関数）と、患者によって運ばれ、マスクに流入する熱エネルギー（患者の呼気温度、ＣＰＡＰ伝達温度および患者のピーク流量の関数）とを含む。

空気混合プロセスは、吸気と呼気の両方の間に空気がバイアス孔を介してシステムを出る前に完了することが想定される。呼気段階は、混合空気がさらなる熱および湿度を得る際のプロセスである。

１．前回のステップから得られたマスク温度は、現在のステップでマスク温度を計算するために使用され、したがって、以下の方程式によって表される反復モデルが得られる。

２．モデル出力は、各呼吸サイクルの間、時間の関数としてのマスク空気温度を与え、平均値が計算され、実験測定値と比較される。しかし、結果は、大部分が一方向におけるエラーを示した。

熱力学第二法則から、熱は、温度の高い物体から温度の低い物体に流れることが知られている。ＣＰＡＰ操作環境の大部分において、マスク内部の空気は、周囲の室温より高い温度を有する可能性が高く、マスク内部から大気中に失われる熱が存在することになる。

熱損失を含むエネルギーバランス方程式は、以下の通りである。
（マスクにおける空気のエネルギー変化＝ＣＰＡＰから流入する空気のエネルギー＋患者から流入する空気のエネルギー－バイアス孔を通じて流出する空気のエネルギー－大気中に失われた熱）

定常状態では、マスクにおける空気のエネルギー変化Δ（ｍ_maskＣ_pＴ_mask）は０になる。したがって、方程式は以下の通りになる。

熱抵抗の概念を使用すると、
である。

マスクの複雑な形態により、これらの熱抵抗を理論的に計算することは非常に難しい。したがって、実験測定値を使用して、熱抵抗に対する統計的関係を得るため、実験的手法が取り入れられた。

上記の方程式をマスク温度について解くと、マスクにおける空気の平均温度は、
マスク温度＝ｆ（Ａ，Ｊ_B，Ｔ_C，Ｔ_P，Ｔ_A） （９）
と記載することができる。

上記の方程式を目標温度について解くと、
ＥＯＨ＿Ｔ＝ｆ（Ａ，Ｊ_B，Ｍ_t，Ｔ_P，Ｔ_A） （１１）
が得られ、以前に述べられるように、
である。
ｋ_effおよびＳ_maskは、この特定の実装形態に対して名目上のマスクタイプに対して実験的に測定された。代替の変形形態では、マスクタイプは、モデルへの入力として含めることができ、マスクタイプは、ＣＰＡＰによって検出されるか、または、Ｔ_Pおよびｈ_Pは、患者によって吐き出された空気の温度および絶対空気湿度である。一実装形態に対し、例えば、文献から得られた平均値（すなわち、３４℃、８５％、３２ｍｇ／Ｌ）を使用することができる。

１．２．５ 加湿呼吸装置制御
コントローラは、ホースの終端部における目標温度および湿度を決定するため、方程式（６）、（１２）を使用して上記のモデルを実装するよう構成される。それらの目標が決定された時点で、コントローラは、目標ポイント（ホースの終端部）においてそれらの目標を達成するように加湿呼吸装置を操作するようにも構成される。このことは、図４の概要で示され、この実施形態に対する総合的な装置制御（コントローラによって実装される）の詳細な例は、図１０に示される。

それらの図を参照すると、ユーザまたは医師は、ユーザ入力制御インターフェース１１４を介して加湿呼吸装置に好ましい温度および／または湿度設定を入力する。周囲温度１９ａもまた、例えば、呼吸装置の外側に位置する温度センサから、コントローラへの入力として受信される。コントローラ１０９は、所望のマスク湿度４２ｅおよび温度４２ｄを決定するために周囲温度１９ａおよびユーザ設定１９ｂを使用するルックアップテーブルまたは同様の実装形態を含む。例えば、マスク相対湿度（Ｍａｓｋ＿ＲＨ）、マスク温度（Ｍａｓｋ＿Ｔ）４２ｄおよびマスク絶対湿度（Ｍａｓｋ＿ＡＨ）４２ｅは、５℃～３５℃の周囲温度の各快適性設定に対して事前に決定され、これらは、コントローラのルックアップテーブルにプログラムされる。これらの値は、患者トライアルまたは他の実験的な方法からのフィードバックに基づいて定義される。所望のＭａｓｋ＿Ｔ ４２ｄおよびＭａｓｋ＿ＡＨ ４２ｅは、各ユーザ設定および異なる周囲温度に対してユニットメモリの２つのルックアップテーブルを使用して決定することができる。

次に、コントローラ１０９は、目標温度および湿度モデル５０を実装する方程式（６）、（１２）への入力として、所望のマスク湿度４２ｅおよび温度４２ｄを使用する。また、コントローラ１０９は、適切なセンサ／入力から受信した際に、それらの方程式への入力として、平均流量４２ａ、ピーク流量４２ｂおよび周囲温度１９ａも使用する。次いで、目標温度および目標湿度モデル５０は、以前に説明されるように、目標のホースの終端部の湿度（ＥＯＨ＿ＡＨ）４４ｂおよび温度（ＥＯＨ＿Ｔ）４４ａを出力する。

次いで、コントローラ１０９は、目標湿度および温度を達成して維持するように加湿呼吸装置を操作する。この実施形態では、コントローラは、目標湿度を制御するようにヒータプレート（ＨＰ）１０８を制御することによって、および、目標温度を制御するように呼吸管のヒータ（ＨＢＴ）１０１ａを制御することによって、この操作を行う。目標湿度を達成するようにヒータプレート１０８を制御するため、コントローラ１０９は、目標のホースの終端部の湿度４４ｂを達成する目標ヒータプレート温度４３ａを出力するニューラルネットワークモデルまたは方程式１２０への入力として、周囲温度１９ａ、周囲湿度１９ｃ（センサによって測定されるか、または、モデルを通じて決定される）および平均流量４２ａと共に、目標湿度（ホースの終端部の温度４４ａ）を使用する。また、コントローラ１０９は、任意選択により、モデル１２０への入力をフィードバックとして読み取るホースの終端部の湿度センサ１２２も使用する。同様に、目標温度（ホースの終端部の温度４４ａ）を達成するように加熱された呼吸管を制御するため、コントローラ１０９は、目標のホースの終端部の温度４４ａを達成するため、加熱された呼吸管１０１に対する目標電力４３ｂを出力するニューラルネットワークモデルまたは方程式１２１への入力として、周囲温度１９ａ、平均流量４２ａおよびヒータプレート温度４３ａと共に、目標温度を使用する。また、コントローラ１０９は、任意選択により、または、代替として、モデル１２１への入力をフィードバックとして読み取るホースの終端部の温度センサ１２３も使用する。ヒータプレート目標温度４３ａおよびＨＢＴ目標電力４３ｂに基づいて、コントローラ１０９は、制御電圧を生成して、ヒータプレート１０８および呼吸管ヒータ１０１ａにそれぞれ伝え、それらを制御して、目標ヒータプレート温度４３ａおよび呼吸管電力４３ｂを達成して維持し、ホースの終端部における目標温度／湿度４４ａ、４４ｂを達成する。

上記の実施形態は、出力湿度および温度を測定するためのセンサが存在しないオープンループシステムとして起動することができる。しかし、任意選択により、マスクまたはホースの終端部の湿度および／または温度を測定するためのセンサが存在し得る。センサが存在する場合は、以下のことが起こる。

センサ１１７がマスク１０２の温度を測定するために実装された場合、フィードバック制御ループに従って、ＨＢＴ電力４３ｂは、目標マスク温度４２ｄを維持するように調整される。この場合、目標温度モデル（Ｔ）５０およびニューラルネットワークモデル（ＨＢＴ）１２１を迂回させる。この場合、ヒータプレート１０８用の目標湿度モデル５０およびニューラルネットワークモデル１２０のみが使用されることになる。

同様に、センサ１１７がマスク１０２の湿度（ＡＨまたはＲＨ）を測定するために実装された場合、フィードバック制御ループに従って、ＨＰ温度／電力４３ａは、目標マスク湿度４２ｅを維持するように調整される。この場合、目標湿度モデル（ＡＨ）５０およびニューラルネットワークモデル（ＨＰ）１２０を迂回させる。この場合、呼吸管ヒータ用の目標温度モデル５０およびニューラルネットワークモデル１２１のみが使用されることになる。

センサ１２３がホースの終端部の温度を測定するために実装された場合、フィードバック制御ループに従って、ＨＢＴ電力４３ｂは、目標ＥＯＨ Ｔ ４４ａを維持するように調整される。この場合、ニューラルネットワークモデル（ＨＢＴ）１２１を迂回させる。
しかし、患者貢献モデル（Ｔ）５０は、マスク温度目標４２ａからＥＯＨ Ｔ ４４ａを計算するために依然として使用されることになる。

センサ１２２がホースの終端部の湿度を測定するために実装された場合、フィードバック制御ループに従って、ＨＰ温度／電力４３ａは、目標ＥＯＨ湿度４４ｂを維持するように調整される。この場合、ニューラルネットワークモデル（ＨＰ）１２０を迂回させる。
しかし、患者貢献モデル（ＡＨ）５０は、マスクＡＨ目標４２ｅからＥＯＨ ＡＨ ４４ｂを計算するために依然として使用されることになる。

示される湿度制御モデル１２０は、ニューラルネットワークモデルまたは一連の方程式などの機械学習アルゴリズムであり得る。ニューラルネットワークモデルは、ＥＯＨ目標（ＡＨおよびＴ）４４ｂ、４４ａを達成するため、異なる条件の下でＨＰ ４３ａおよびＨＢＴ設定４３ｂを予測するようにコントローラに実装することができる。モデル１２０は、物理システムの関係を模倣するため、実験データからの既知の入力および出力パラメータを使用して訓練される。次いで、モデル１２０は、異なるセットの入力を使用して出力された必要な設定を予測するようにコントローラに実装される。好ましくは、ＨＰモデル１２０を最初に起動する。このモデルは、異なる条件（周囲Ｔ、周囲ＡＨおよび流量）の下で目標ＥＯＨ ＡＨ ４４ｂを維持するため、ＨＰ温度４３ａを決定する。ＨＢＴモデル１２１は、入力としてＨＰ設定４３ａを取り入れ、ＨＢＴ電力４３ｂを制御し、異なる条件（周囲Ｔおよび流量）の下で残りのＥＯＨ＿Ｔ ４４ａ要件を補償する。

モデルは、任意選択により、別の効果を考慮に入れるための追加の機能性を備え得る。
水室の形態が原因で夜の間に水室内の水位が減少すると、吸湿能力ひいては伝達される湿度レベルも減少する。水位の減少を補償することにより、夜の間中、一定のレベルの湿度を維持することができる。

上記は、以下のステップを使用して行われる。

ステップ１－水位推定値の計算
水位推定値は、以下の通り、入力、すなわち、周囲の絶対湿度（Ａｍｂ＿ＡＨ）、目標のホースの終端部の出力湿度（ＥＯＨ＿ＡＨ）、平均流量（Ｌ／ｍｉｎ）および夜のＣＰＡＰランタイムを使用して計算される。
－ 初期のＷＬ（治療開始時の水位）は、全水室容積であると想定することができる。
－ ユニットＡＨ＝ＥＯＨ＿ＡＨ－Ａｍｂ＿ＡＨ ［ＣＰＡＰによって追加されたＡＨ（ｍｇ／Ｌ）］
－ 蒸発率＝ユニットＡＨ^*平均流量 ［蒸発率（ｍｇ／ｍｉｎ）］
－ 蒸発した水（ｍｇ）＝蒸発率^*ランタイム（時間）^*６０
－ 水位（ｍｇまたはｍｌ）＝初期のＷＬ－蒸発した水

ステップ２－ＨＰ設定の計算
数学的モデルについては、上記で、ヒータプレート温度、周囲温度、入力湿度および流速の関数として出力湿度（または吸湿）を関係付ける図１０を参照して説明した。水位は、モデルへの入力としても追加される。この方程式を再構成することにより、ヒータプレート温度設定を得ることができる。あるいは、水位は、ニューラルネットワークモデルへの入力として追加することができる。

１．２．６ 湿度および温度制御モデル
ここでは、数学的なＨＰ １２０およびＨＢＴ １２１モデルの例についてさらに詳細に説明する。モデルは、２つのサブシステム、すなわち、湿度モデル（主に加湿器室）１２０と温度モデル１２１（主に加熱された呼吸管）に分割される。以下で説明するモデルは、特定の加湿呼吸装置構成に関連する。構成が変更された場合、方程式が変更される。
図２に戻ると、呼吸装置構成は、水室内の水を蒸発させるためのヒータプレートの上部にある約４００ｍｌの水を保持する水室を有する。供給電力を変化させることによって一定の温度を維持するためにＰＩＤフィードバックループに供給されるヒータプレートの温度（Ｔ_HPL）１１９を測定するためのセンサが存在する。流入空気は、水面上を流れ、湿度を吸い上げる。この湿度は、ホース１０１を通じて運ばれ、ホース１０１は、温度降下に起因するレインアウトを防ぐため、ＨＢＴ（呼吸管のヒータ）１０１ａを使用して、その表面全体が加熱される。管内の電力（Ｐ_HBT）は、以前に説明されるように、ホースの終端部において所望の温度４４ａを得るように制御される。

１．３ 代替の実施形態
上記は、一実施形態である。当業者であれば、他の多くの実施形態が考察されよう。異なるヒータプレート１２０および加熱された呼吸管１２１制御モデルおよび実装形態と共に、目標温度および湿度モデル５０の異なる実装形態（目標温度および湿度モデル５０を定義する異なる方程式）を考察することができる。その上、上記の実施形態は、目標ポイントとしてホースの終端部を使用し、使用されるモデルは、マスク貢献の湿度および温度に影響を及ぼす患者貢献に関連する。呼吸装置の流路の他の目標ポイントを使用することができ、呼吸装置の下流部分によって行われる湿度および温度への貢献を補償するための適切なモデルが使用される。例えば、目標ポイントとして加湿器出口を使用することができ、モデルは、患者および呼吸管貢献を考慮に入れることになる。

代替の一実施形態では、加熱されない呼吸管（すなわち、加熱なしの呼吸管）が存在し、唯一の制御パラメータは、ヒータプレート温度１１９である。これは、マスクにおけるＡＨ ４２ｅおよび温度４２ｄを独立して制御できないことを意味するが、その理由は、両方ともヒータプレート設定によって決定されるためである。方程式は、特定の周囲温度、周囲湿度、平均流量、および、所望のｍａｓｋ＿ＲＨまたはＥＯＨ＿ＲＨに対するＨＰ設定を決定するために使用することができる。

本明細書に記載される実施形態は、マスク湿度およびマスク温度を患者の最も近くの所望の温度／湿度と呼ぶが、これは、制限するものと見なしてはならない。モデルは、流路の他のポイントにおける所望の温度／湿度を達成するために作成することができる。

さらなる実施形態では、患者についてのさらなる情報（身長、体重、肺容量、年齢、性別、ＢＭＩなど）もしくは環境（周囲温度、吸気温度など）、または、患者が鼻呼吸であるかもしくは口呼吸であるかに基づいて、パラメータ（患者の呼気湿度および温度ならびに１回換気量）を推定することが可能である。

患者の呼吸を正弦波状のものと想定できない際のマスクにおける平均湿度および温度を表す別の方法は、
マスク湿度＝ｆｕｎｃｔｉｏｎ（Ｖ_LUNG，ＲＦ，Ｊ_B，ｈ_C，ｈ_P）
マスク温度＝ｆｕｎｃｔｉｏｎ（Ｖ_LUNG，ＲＦ，Ｊ_B，Ｔ_C，Ｔ_P，Ｔ_A）
であり、式中、ＲＦ＝呼吸数である。

体表面積（ＢＳＡ）、体重（Ｗ）および身長（Ｈ）を通じる１回換気量に対する実験的関係を考案することができるため、上記の関数のＶ_LUNGの代わりにこれらを置き換えることができる。

また、上記の関数のＲＦは、ｂｒ＿ｐｅｒｉｏｄと置き換えることができる。

パラメータのリスト
この明細書全体を通じて、様々なパラメータが使用される。いくつかの事例では、異なる方程式の異なるシンボルまたは頭字語によって同じパラメータが表されている。明確にするため、方程式で使用される一連のパラメータおよびそのシンボルを以下に記載する。
マスクにおける所望の絶対湿度は、Ｍａｓｋ＿ＡＨ、Ｍ_h、ｈ_M、マスク湿度、ＡＨ_mixture、ＡＨ_maskと呼ばれる。
マスクにおける所望の相対湿度は、Ｍａｓｋ＿ＲＨと呼ばれる。
マスクにおける所望の温度は、Ｍａｓｋ＿Ｔ、Ｍ_t、Ｔ_M、マスク温度、Ｔ_maskと呼ばれる。
患者の呼吸管の終端部における空気の絶対湿度は、ＥＯＨ＿ＡＨ、ｈ_C、ＡＨ_CPAPと呼ばれる。
患者の呼吸管の終端部における空気の相対気湿度は、ＥＯＨ＿ＲＨと呼ばれる。
患者の呼吸管の終端部における空気の温度はＥＯＨ＿Ｔ、Ｔ_C、Ｔ_CPAPと呼ばれる。
患者の呼気の絶対湿度は、Ｐａｔｉｅｎｔ＿ＡＨ、ｈ_P、患者湿度、ＡＨ_Patientと呼ばれる。
患者の呼気の温度は、Ｐａｔｉｅｎｔ＿Ｔ、Ｔ_P、患者の温度、Ｔ_Patientと呼ばれる。 マスクのバイアス孔を出る（およびマスクを通じて漏れ出す）一般に一定の流速は、平均流量、Ａｖｇ Ｆｌｏｗ、Ｊ_B、ａｖ．Ｆｌｏｗと呼ばれる。
想定された正弦波状の患者の流速の振幅は、ピーク流量、Ａと呼ばれる。
周囲温度は、Ａｍｂ＿Ｔ、Ｔ_A、Ａｍｂ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、周囲温度、Ｔ_ambと呼ばれる。
周囲湿度は、Ａｍｂ＿ＡＨ、周囲湿度と呼ばれる。
一定（平均）処理圧力での空気の比熱および（平均）密度はそれぞれ、Ｃ_pおよびρと呼ばれる。
マスクを通じる有効熱伝導係数は、ｋ_effと呼ばれる。
マスクの表面積は、Ｓと呼ばれる。
ヒータプレートは、ＨＰと呼ばれる。
呼吸管のヒータは、ＨＢＴと呼ばれる。
ヒータプレートの温度は、Ｔ_HPLと呼ばれる。
加熱管の電力は、Ｐ_HBTと呼ばれる。
ニューラルネットワークは、ＮＮと呼ばれる。
１回の呼吸当たりの換気量は、Ｖ_LUNGと呼ばれる。
呼吸時間は、ｂｒ＿ｐｅｒｉｏｄと呼ばれる。
呼吸数は、ＲＦと呼ばれる。
ＣＰＡＰの容積の流速は、Ｖ_CPAP，Ｊ_Cと呼ばれる。
患者の呼吸の容積の流速は、Ｖ_patient，Ｊ_Pと呼ばれる。
バイアス孔を通じて出る容積の流速は、Ｖ_bias，Ｊ_B，Ｖ_totalと呼ばれる。
マスクの容積は、Ｖ_maskと呼ばれる。
マスクにおける空気の絶対湿度は、ＡＨ_maskと呼ばれる。
マスクを通じて大気中に失われた熱は、Ｑ_lostと呼ばれる。
マスク内部の強制対流抵抗は、Ｒ_inと呼ばれる。
マスクを通じる伝導抵抗は、Ｒ_condと呼ばれる。
マスクから周囲への自然対流抵抗は、Ｒ_outと呼ばれる。
マスクの内部表面の温度は、Ｔ_inWallと呼ばれる。
マスクの外部表面の温度は、Ｔ_outWallと呼ばれる。

Claims (5)

1. 加湿空気を生成して患者に伝達するための加湿呼吸装置であって、
   空気伝達導管及び患者インターフェースと共に使用される加湿器を備え、使用時に前記加湿器と空気伝達導管と患者インターフェースは空気流路を形成し、前記加湿器は、ヒータプレートを有し、
   前記加湿呼吸装置は、該加湿呼吸装置の操作を制御するコントローラを備え、
   前記コントローラには、前記患者インターフェースへの水蒸気の質量と前記患者インターフェースからの水蒸気の質量のバランスを定める、前記患者インターフェース用の水蒸気の質量流量の方程式によるモデルが設定され、
   前記モデルで、前記患者インターフェースへの水蒸気の質量は、前記空気伝達導管から前記患者インターフェースに運ばれる水蒸気の質量と、前記患者の呼吸によって前記患者インターフェースに流入する水蒸気の質量とを含み、前記水蒸気の質量流量の方程式において、前記空気伝達導管から前記患者インターフェースに運ばれる水蒸気の質量は、目標絶対湿度及び伝達される流量に基づいて計算され、前記患者の呼吸によって前記患者インターフェースに流入する水蒸気の質量は、前記目標絶対湿度と、前記患者の呼吸の流量及び絶対湿度を用いて計算され、
   前記患者インターフェースからの水蒸気の質量は、前記患者インターフェースのバイアス孔を通じて流出した空気によって運ばれる水蒸気の質量を含み、前記水蒸気の質量流量の方程式において、前記患者インターフェースの前記バイアス孔を通じて流出した空気によって運ばれる水蒸気の質量は、前記バイアス孔を通じて流出した空気の流量及び絶対湿度を用いて計算され、
   前記水蒸気の質量流量の方程式において、定常状態を反映するように、前記患者インターフェースへの水蒸気の質量と、前記患者インターフェースからの水蒸気の質量は等しく、
   前記コントローラは、以下のパラメータ、
   （ｉ）ユーザによって前記加湿呼吸装置に入力された前記患者インターフェースにおける所望の絶対湿度と、
   （ｉｉ）前記患者についての情報に基づいて推定された前記患者の呼吸の流量及び絶対湿度と、
   （ｉｉｉ）流量センサ及び前記所望の絶対湿度によって決定された前記患者インターフェースの前記バイアス孔を通じて流出した空気の流量及び絶対湿度と、
   を用いて、前記水蒸気の質量流量の方程式による前記モデルで、前記ヒータプレートの下流であって前記空気伝達導管の終端部の前記目標絶対湿度を決定するように構成され、前記パラメータによって決定された前記目標絶対湿度は、前記水蒸気の質量流量の方程式において前記定常状態を維持するための前記目標絶対湿度であり、
   前記コントローラは、前記目標絶対湿度を達成して維持するように前記空気流路内に水蒸気の質量を供給するため、水を蒸発させるように前記ヒータプレートを制御するように構成されている、加湿呼吸装置。
2. 前記コントローラは、ニューラルネットワークを用いて、前記目標絶対湿度を達成して維持するように前記ヒータプレートを制御するように構成されている、請求項１に記載の加湿呼吸装置。
3. 前記ニューラルネットワークは、目標絶対湿度、周囲温度、周囲絶対湿度、及び前記バイアス孔を通じて流出した空気の平均流量を入力として用い、前記ニューラルネットワークは、前記目標絶対湿度を達成する目標ヒータプレート温度を出力する、請求項２に記載の加湿呼吸装置。
4. 前記ニューラルネットワークは、入力としてホースの終端部の絶対湿度センサ読み取り値を使用する、請求項３に記載の加湿呼吸装置。
5. 前記コントローラは、フィードバック制御ループを使用し、入力としてホースの終端部の絶対湿度センサを使用して、前記目標絶対湿度を達成して維持するように前記ヒータプレートを制御するように構成されている、請求項１に記載の加湿呼吸装置。