JP7778352B2 - 差圧式呼吸流量計 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 ２０２１年４月１６日、１次ディーラーのバイオリサーチセンター株式会社を通して、東北保健医療専門学校に、差圧式呼吸流量計が組み込まれた呼気ガス分析装置を販売、２０２１年７月１５日、名古屋学院大学に、差圧式呼吸流量計が組み込まれた呼気ガス分析装置を販売

本発明は、差圧式呼吸流量計に関するものである。

呼気ガス分析装置において人の体内に吸い込むべき吸気量及び、体内から吐き出される呼気量のそれぞれに対して、空気容量を計測する必要がある。呼気流量計で用いられる主な方式としては、超音波式、熱線式、差圧式が知られている。

差圧式呼吸流量計は、ニューモタコメータとも称され、抵抗体の前後で測定された空気流の差圧に基づいて流量を取得するものであり、例えば、特許文献１～３に開示されている。差圧式呼吸流量計には、抵抗体の種類に応じて、主として、管束を用いたフライッシュ型流量計、金網を用いたリリー型流量計、オリフィス型流量計が知られている。例えば、特許文献１、２に開示された障壁は金網に類する抵抗体を用いており、特許文献３には、ベンチュリを用いたオリフィス型流量計が開示されている。差圧式呼吸流量計では、抵抗体の種類に応じて、適切な差圧－流量変換式を用いて流量が計測される。

特許文献１～３に開示された差圧式呼吸流量計では、抵抗体の前後の空気流は、それぞれ、空気チューブを介して差圧検知センサと連通している。本発明者は、抵抗体の構成に特徴を持たせることで、空気チューブを使用することなく、差圧検出部に直接センサを配置することを検討した。また、差圧－流量特性は、抵抗体の構成に影響され得るものである点にも留意する必要がある。
特開平7-8472 特開2021-35441 US2019/0110714A1

本発明は、差圧の検出に空気チューブを用いることが無い差圧式呼吸流量計を提供することを目的とするものである。

本発明が採用した技術手段は、
マスクと連通し、呼吸に伴う気流に差圧を生成させる流路部品と、
前記差圧を検出する差圧センサと、
検出された差圧に基づいて呼吸量を算出する演算部と、
からなる差圧式呼吸流量計であって、
前記流路部品は、
複数の流路が形成された本体と、
前記本体と一体形成されたセンサ収容部と、
を備え、
前記複数の流路のうち、センサ収納部に近い流路の第１側と第２側が前記センサ収容部とそれぞれ連通してバイパスを形成しており、
前記センサ収容部には差圧センサが収納されている、
差圧式呼吸流量計、である。

１つの態様では、前記差圧センサは、前記流路部品との関係において、非線形の差圧－流量特性を有しており、
前記演算部は、前記差圧－流量特性を近似する補正式を用いて、流量を算出するものであり、
前記補正式は、差圧－流量の両対数グラフにおいて、所定の差圧値を挟む２つの直線近似式からなる。

１つの態様では、前記マスクと前記流路部品との間には、フィルタが設けてあり、呼気は前記フィルタを通って前記センサ収容部に導入される。

本発明は、上記差圧式呼吸流量計を備えた呼気ガス分析装置として提供され得る。

本発明によれば、差圧の検出に空気チューブを用いることが無い差圧式呼吸流量計を提供することができる。

本実施形態に係る呼吸流量計（演算部を除く）の全体図である。 本実施形態に係る流路部品の組立斜視図である。 本実施形態に係る流路部品の分解斜視図である。 本実施形態に係る流路部品の正面図である。 本実施形態に係る流路部品における気流を示す図である。 本実施形態に係る呼吸流量計のブロック図である。 本実施形態に係る呼吸流量計を用いた呼気ガス分析装置のブロック図である。 サンプルデータに基づく差圧－流量特性カーブを示すグラフである。 図８のグラフに基づいた両対数変換グラフである。

図１～図５に示すように、本実施形態に係る差圧式呼吸流量計は、マスク１と連通する筒状部２に設けられ、呼吸に伴う気流に差圧を生成させる流路部品３を備えている。流路部品３は、マスク側の第１面と、マスクから遠い側の第２面を備えた本体４と、本体４の第１面と第２面の間を貫通する複数の流路４０と、本体４と一体形成されたセンサ収容部５と、を備え、複数の流路４０のうち、センサ収容部５に近い流路４０´の第１側と第２側がセンサ収容部５とそれぞれ連通してバイパスを形成しており、センサ収容部５には、A/D変換器を備えた差圧センサ（センサとAD変換器が一体化されたセンサモジュール）６が収納されている。センサ収容部５に差圧センサ６が収容された状態で蓋体７を被せることで箱状のセンサ収容体８が形成される。

本実施形態では、流路部品３に一体形成されたセンサ収容部５に差圧センサ６を設けることによって、空気チューブを用いることなく、流路部品３にダイレクトにセンサを配置して差圧検出を行う。従来の差圧式呼吸流量計では、差圧発生部と差圧検出部が空気チューブを介して離れているのに対して、本実施形態に係る差圧式呼吸流量計では、流量部品３が差圧発生部と差圧検出部を提供している。こうすることで、空気チューブ長による圧損を考慮することなくダイナミックレンジの高い状態で圧力検出が可能となる。

本実施形態に係る流路部品３の本体４は樹脂削り成形による堅牢な管束構造となっており、構造劣化による性能への影響もない。例えば、従来のメッシュからなる抵抗体を用いて差圧検出を行うタイプのものでは、不用意にメッシュに触ってしまった場合等には、抵抗体の特性が変化したり劣化してしまうおそれがある。なお、流路部品３は、金型等を用いて一体成型したものでもよい。

図３に示すように、筒状部２の周壁を部分的に切り欠いて、流路部品３の本体４の挿入部が形成されており、流路部品３は、所定厚のブロック状の本体４が筒状部２の断面を塞ぐように挿入され、センサ収容部５が筒状部２の外部に位置するようにして、筒状部２に装着される。また、筒状部２の周壁には空気チューブ（図示せず）の一端が接続されており、空気チューブの他端は、呼気ガス分析装置に接続されており、呼気ガスを呼気ガス分析装置（酸素センサ、CO₂センサ２）に供給するようになっている。

図１に示す態様では、筒状部２には、マスク１と流路部品３の間に位置してフィルタ９が設けてある。フィルタ９は、被験者から排出される唾液等の汚染微小滴を除去するために用いられる。呼吸動作を行うと運動動態によって呼気に意図せず唾液が混ざる場合がある。本実施形態に係る差圧式呼吸流量計では、従来の差圧式呼吸流量計で用いられている空気チューブを用いないため、マスク１と差圧検出部との距離が比較的近い。したがって、差圧検出部に直接唾液が付着するおそれがあること、また、付着物によりセンサの性能に影響を与えるおそれがあることから差圧検出部に直接呼気が当たらないようにフィルタを接続して使用するような構造とした。なお、フィルタ７は任意要素である。

差圧センサ６は、検出された差圧に基づいて呼吸量を算出する演算部と電気的に接続されている。差圧センサ６は、流路部品３との関係において、非線形の差圧－流量特性を有している。演算部は、前記差圧－流量特性を近似する補正式を用いて、流量を算出するものであり、前記補正式は、差圧－流量の両対数グラフにおいて、所定の差圧値を挟む２つの直線近似式からなる。

差圧特性カーブに基づく二段階で近似化した変換式の算出手法について、以下に説明する。先ず、図８は、サンプルデータ（差圧と流量の多数の対応データ）をプロットしてグラフ化したものであり、横軸は、差圧（Differential Pressure: DP）[pa]であり、縦軸は、流量[standard liter per minute: slm]である。図８において、差圧－流量特性は、非線形特性（曲線）であることが観察される。

本発明者がこの非線形特性の補正について鋭意検討したところ、図８のグラフを、図９のように両対数グラフに変換したところ、所定の圧力値ｘ_thを境に２つの直線近似が可能であることが観察された。両対数グラフに基づき、差圧（DP）のある点x_thを閾値として、二段階近似により以下の変換式を得る。
変換式におけるα１、β１、α２、β２の値は、サンプルデータの具体的な数値に応じて、差圧（DP）の所定の値x_thを閾値として決定し、閾値を挟んで、２つの一次回帰式を算出することで得ることができる。

図６に示すように、呼吸流量計測計の差圧センサ６で計測された差圧はデジタルデータとして、演算部に送信される。演算部では、先ず、差圧と予め設定された所定値ｘ_thとを比較し、DP≦ｘ_thの場合には、第１差圧－流量変換式が選択されて、差圧が流量に変換され、DP＞ｘ_thの場合には、第２差圧－流量変換式が選択されて、差圧が流量に変換される。

得られた流量に基づいて、換気量、例えば、１回換気量（VT）や分時換気量（VE）が計算される。換気量を算出する際に、適宜補正が行われ得ることが当業者に理解される。例えば、１回換気量を算出するにあたり、呼吸回数（RR）に応じて補正を行ってもよい。

図７は、本実施形態に係る呼吸流量計を用いた呼気ガス分析装置を示す。呼気ガス分析装置は、呼気ガス分析装置本体と、校正器と、解析装置（コンピュータ）と、からなり、本体は、酸素センサ、CO_２センサ２、演算部（CPU）を備えており、演算部は、呼吸流量計測計の演算部を兼用している。校正器は、CO_２センサ１、演算部（CPU）を備えている。呼吸流量計測計の差圧センサ（フローセンサ）で計測された差圧はデジタルデータとして、呼気ガス分析装置の演算部に送信される。呼気ガスは、呼吸流量計から空気チューブを介して呼気ガス分析装置本体に導入される。図７に示す呼気分析装置の詳細な構成や校正方法等については、特開２０２０－１９２１９１を参照することができる。

１ マスク
２ 筒状部
３ 流路部品
４ 本体
４０ 流路
４０´ 流路（バイパス）
５ センサ収容部
６ 差圧センサ

Claims (4)

1. マスクと、前記マスクと連通する筒状部と、を備えた差圧式呼吸流量計は、
   前記筒状部に設けられ、呼吸に伴って前記筒状部を通る気流に差圧を生成させる流路部品と、
   前記差圧を検出する差圧センサと、
   検出された差圧に基づいて呼吸量を算出する演算部と、
   からなり、
   前記流路部品は、樹脂削り成形により一体形成されており、
   マスク側の第１面と、マスクから遠い側の第２面と、を備え、第１面と第２面の間を貫通する複数の流路が形成された本体を備え、
   前記本体には、センサ収容部が一体形成されており、
   前記複数の流路のうち、前記センサ収納部に近い流路において、第１面側の部分と第２面側の部分が前記センサ収容部とそれぞれ連通してバイパスを形成しており、
   前記筒状部の周壁を部分的に切り欠いて、前記流路部品の前記本体の挿入部が形成されており、前記流路部品は、前記本体が前記筒状部の断面を塞ぐように挿入され、前記センサ収容部が前記筒状部の外部に位置するようにして、前記筒状部に装着されており、
   前記センサ収容部には差圧センサが収納されている、
   差圧式呼吸流量計。
2. 前記差圧センサは、前記流路部品との関係において、非線形の差圧－流量特性を有しており、
   前記演算部は、前記差圧－流量特性を近似する補正式を用いて、流量を算出するものであり、
   前記補正式は、差圧－流量の両対数グラフにおいて、所定の差圧値を挟む２つの直線近似式からなる、
   請求項１に記載の差圧式呼吸流量計。
3. 前記マスクと前記流路部品との間には、フィルタが設けてあり、呼気は前記フィルタを通って前記センサ収容部に導入される、
   請求項１、２いずれか１項に記載の差圧式呼吸流量計。
4. 請求項１～３いずれか１項に記載の差圧式呼吸流量計を備えた呼気ガス分析装置。