JPH0131897B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、電流により加熱された抵抗線を使
用して被測定呼気の流量を測定する呼気測定装置
に関するものである。

呼気及び吸気の単位時間当りの流量の測定は、
被検者の肺疾患の診断や呼吸機能障害の回復度の
臨床検査、更には環境医学、産業医学或はスポー
ツ医学の分野において広く必要とされている。

被測定呼気の流管の上流側において、被測定呼
気を熱パルスにより加熱し、この加熱された被測
定呼気をその加熱位置から所定距離隔つた流管の
下流側において感温素子により検出し、加熱時か
ら検出時までの時間を測定することにより、被測
定呼気の流速を測定し、それに基づいて被測定呼
気の流量を測定することが行なわれている。以下
この明細書で使用する呼気とは、呼吸によつて生
ずる呼気及び吸気を含めた流体の状態を指すもの
とする。

この場合、被測定呼気の流量をＬml／secとし、
測定用の流管の断面積をＳcm²とすると、被測定呼
気の平均流速ｖは次式で与えられる。

ｖ＝Ｌ／Ｓ（cm／sec） (1) 流管内の上流側に設けられた被測定呼気の加熱
部と、流管の下流側に設けられた感温部間の距離
をｄ（cm）とし、加熱部における被測定呼気への
加熱時から、感温部における加熱された被測定呼
気の検出迄に要する時間をＴとすると、次式が成
立する。

Ｔ＝１／ＬＳ・ｄ（sec） (2) この場合加熱部の発熱体として、直径Ｄ、長さ
ｌのＷ線を使用し、Ｗ線の密度をＰ（ｇ／cm³）そ
の熱伝導率をCp、（cal／ｇ〓）抵抗値をＲ、印
加電圧をＶ、その通電時間をｔとすると、被測定
呼気に与えられる熱量△Ｔは、次式で与えられ
る。

△Ｔ＝V₂／Ｒ・ｔ・１／4.2×πD²／４ｌ・Ｐ・Cp(
3) (2)式で明らかなように、被測定呼気の流量Ｌが
増加して行くと、これに反比例して時間Ｔが減少
して行く。このため、特にその被測定流体の流量
が大幅に変化するような測定系においては、加熱
部においての被測定流体の加熱時間周期の設定が
困難となる。即ちこの加熱時間周期を余り大きく
設定するとその流量が時間に対して急激に且つ広
範囲で変化する被測定呼気に対して正しい加熱を
行なうことができず呼気の流量の変化に正確に追
従した測定ができなくなる。一方、加熱時間周期
を余り短かくすると単位時間ごとに流管の下流側
で検出される呼気に対して次の時間周期における
加熱の影響が与えられ、且つ感温素子の前回の感
温の影響が残存したまゝ次回の検出が行なわれる
ので、その検出が不正確になる。

この発明は従来の装置における上述の諸難点を
解決し、時間に対してその流量が急激且つ大幅に
変化する呼気に対して高精度で且つ効率よく加熱
を行なわせることを可能にし、呼気流量の急激且
つ大幅な変化に対応して常に精度のよい流量測定
を実現し得る呼気測定装置を提供するものであ
る。

この発明によると、被測定呼気が流入される流
管内に、この被測定呼気を瞬時的に加熱する加熱
手段が設けられ、この加熱手段によつて加熱され
た被測定呼気の通過位置に感温素子が設けられて
この感温素子の出力によつて駆動手段が駆動され
て加熱手段が加熱され、この加熱手段の駆動周期
に基づいて被測定呼気の流量が測定される。

この発明においては、この種の呼吸測定装置に
おいて、流管内に設けられた検出手段により、流
管内に被測定呼気がないことが検出されるとその
検出期間においては予備加熱手段によつて加熱手
段が駆動されて予備加熱が行なわれ、時間に対し
て流量の変化が急激であり、且つ大幅に流量が変
化する呼気に対しても常に精度のよい呼吸測定が
行なわれる。

以下、この発明の呼吸測定装置をその実施例に
基づき図面を使用して詳細に説明する。

第１図はこの発明の構成を示す図で、流管１１
内に図示していないマウスピースから被検者の被
測定呼気Ｆが導入され、この流管１１の上流側に
おいて、流管１１の内周面に被測定呼気Ｆの流れ
方向に直角に乱流発生体１２が設けられる。この
乱流発生体１２は、例えば被測定呼気Ｆの流れに
直角な面上に、金属線でメツシユ状体が形成され
た構成を有する。

流管１１に導入される被測定呼気Ｆは一般には
層流で流れに直角な面内で、或る速度分布を有す
る。この導入された層流状の被測定呼気Ｆは、こ
の乱流発生体により乱流となり、流れに直角な面
内で一様な平均速度を有する状態になる。

流管１１内においてこの乱流発生体１２の下流
側に発熱体１３が、流管１１の直径方向に張りわ
たされる。この発熱体１３は、例えば直径5μの
Ｗ線で形成され、この発熱体１３から被測定呼気
を加熱する熱パルスが被測定呼気に与えられる。
即ち、発熱回路部１４が設けられ、この発熱回路
部１４では定温度型抵抗線ヒータからなる加熱回
路１８に対して加熱パルス幅設定回路１０から発
生した所定パルス幅の加熱パルスS_Hが与えられ、
この加熱パルスS_Hによつて加熱回路１８が励起さ
れ、励起された加熱回路１８に接続された発熱体
１３が発熱して被測定呼気がこの加熱パルスによ
つて加熱される。

流管１１に対して発熱体１３を含む発熱回路部
１４の下流側には感温回路部１５が設けられる。
感温回路部１５には感温素子１９が設けられ、こ
の感温素子１９の出力端子間に感温回路２０が接
続され、この感温回路２０の出力端には増幅整形
回路２１が接続されて、この増幅整形回路２１の
出力端にフイルター９が接続される。増幅整形回
路２１の出力段には図示していない比較回路が接
続され、この比較回路に与えられている基準信号
設定器からの基準信号と検出パルスS_Sが比較さ
れ、これが基準値を越えると、シユミツト回路７
からは、作動信号S_Dが発せられる。即ち感温素子
１９で検出される加熱された被測定呼気に対応し
たパルスが増幅整形され、フイルター９により直
流分が阻止され、フイルター９の出力信号はミニ
マムホールド回路８を経て、シユミツト回路７に
与えられ、シユミツト回路７の出力端から作動信
号S_Dが得られる。この作動信号S_Dによつて時間設
定回路１６が駆動され、所定時間後に時間設定回
路１６から時間設定信号S_Tが発せられる。

呼気の測定に際しては、呼気に対してその呼気
を発する人体から与えられる熱量が、被検者につ
いてそれぞれ異なるので、この補正をすることが
必要である。このために第１図の実施例では感温
素子１９は第１、第２の感温素子１９―１，１９
―２からなり、それぞれが互にその位置をずらし
て配設されている。呼気の測定を行なう場合に、
第１の感温素子１９―１に対してずらして配設さ
れた第２の感温素子１９―２が呼気に対して人体
から与えられる熱量を分離検出するので、感温回
路２０で被測定流体に対して人体から与えられる
熱量の影響を除去した測定を行なうことができ
る。

流管１１内に呼気が流入された測定状態におい
て、加熱パルス幅設定回路１０から加熱パルスS_H
が発せられ、この加熱パルスS_Hによつて加熱回路
１８に接続した発熱体１３が加熱されると、その
加熱時に発熱体１３部分を流れる被測定流体が加
熱される。

この加熱された被測定流体が感温素子１９部分
を通過すると、感温素子１９が加熱されて、その
抵抗値が上昇する。第２図に示すようにこの感温
素子１９を一辺とするブリツジ３４が構成され、
そのブリツジ３４の検出端子間に増幅器３５が接
続される。被測定流体に温度変化が生じてブリツ
ジ３４が不平衡状態になると、増幅器３５から検
出信号S_Cが発せられる。

この検出信号Scが抵抗３７とコンデンサ３８
よりなる積分回路３６に与えられ、積分回路３６
の出力は、コンデンサ３９に与えられて、検出信
号Sc中の直流分が阻止される。直流分が阻止さ
れた検出信号Scが増幅器４０，４１により増幅
整形されて、増幅器４１の出力端に整形された検
出パルスS_Sが得られる。この検出パルスS_Cが感温
回路部１５の比較増幅器４２の非反転入力端子に
与えられる。

一方、増幅器４１の出力端子は、比較増幅器４
３の非反転入力端子に接続され、比較増幅器４３
の出力端子には、ダイオード４４の陰極側が接続
される。ダイオード４４の陽極側はコンデンサ４
５の一端に接続され、このコンデンサ４５の他端
は接地される。ダイオード４４の陽極側は、比較
増幅器４６の非反転端子に接続され、比較増幅器
４３と４６との非反転端子が互に接続される。比
較増幅器４６の出力端は抵抗４７及び４８を介し
て可変抵抗器４９の可変端子に接続される。抵抗
４７と４８の接続点は比較増幅器４２の反転入力
端に接続される。

ダイオード４４の陽極側にはダイオード５０の
陰極側が接続され、このダイオード５０陽極側は
スイツチ素子５１の出力端に接続される。比較増
幅器４２の出力端には、反転回路５２が接続され
ている。

比較増幅器４１の出力端に得られる検出パルス
S_Sが予め設定した所定値より小さな波高値である
と、比較増幅器４３の出力信号は所定値より小さ
く、ダイオード４４は導通状態にある。ダイオー
ド４４の導通状態では、コンデンサ４５の電荷が
放電し、比較増幅器４６の出力端には負電圧が現
われて、反転回路５２の出力端には作動信号S_Dが
発生しない。

しかし、検出パルスS_Cの波高値が所定の設定値
を越えると、ダイオード４４が遮断状態となり、
比較増幅器４２の反転端子に所定の基準電圧が設
定され、反転回路５２の出力端子に作動信号S_Dが
発生する。スイツチ素子５１の励起端子t₁にリセ
ツト信号を与えると、コンデンサ４５に正パルス
が印加されて、リセツト操作を行なうことができ
る。

作動信号S_Dは、第３図に示すように、NOR回
路６０の入力端子に与えられ、NOR回路６０の
出力端子はNOR回路６１の一つの入力端子に接
続される。NOR回路６１の出力端子はNOR回路
６０の他の入力端子に接続される。NOR回路６
１の出力端子はNOR回路６２の一つの入力端子
に接続される。NOR回路６２の出力端子はNOR
回路６３の一つの入力端子に接続され、この
NOR回路６３の出力端子はNOR回路６２の他の
入力端子に接続される。NOR回路６３の他の入
力端子には、NAND回路６４の出力端子が接続
され、このNAND回路６４の一つの入力端子に
コンデンサ６５の一端が接続され、コンデンサ６
５の他端は接地される。

NAND回路６４のコンデンサ６５が接続され
る端子には、抵抗６６を介して所定の電源が印加
される。コンデンサ６５の両極板間にはスタート
スイツチ６７が接続されている。NOR回路６２
の出力端には反転回路６８の入力端子が接続さ
れ、この反転回路６８の出力端子はNAND回路
６９の一つの入力端子に接続される。NAND回
路６９の他の入力端子には発振器２５から20KHz
の基準信号が与えられている。反転回路６８の出
力端子が他の反転回路７０を介してNAND回路
７１の一つの入力端子に接続される。この
NAND回路７１の他の入力端子には発振器２５
から20KHzの基準信号が与えられる。

NAND回路６９及び７１のそれぞれの出力端
子は、NOR回路７２のそれぞれの入力端子に接
続される。このNOR回路７２の出力端子は、直
列に接続されたアツプダウンカウンタ７３，７４
及び７５のクロツク端子にそれぞれ接続される。
又カウンタ７３，７４及び７５のそれぞれの制御
端子tcには、反転回路６８の出力端子が接続され
ている。アツプダウンカウンタ７３，７４及び７
５の各リセツト端子t_Rにはゲート回路１０―Ｇの
出力端子がそれぞれ接続される。

カウンタ７３，７４及び７５の各出力端子t₀₁，
t₀₂，t₀₃及び各制御端子が一括された端子が、
NOR回路７６の入力端子にそれぞれ接続される。
このNOR回路７６の出力端子はNOR回路７７を
介してNAND回路６４の入力端子の一つに接続
されている。

始動時においては、スイツチ６７が投入され、
同時にトランジスタ３０のベースに対してスイツ
チ回路６の出力信号Smが与えられてパルス幅設
定回路１０から加熱パルスS_Hが発せられる。パル
ス幅設定回路１０の出力端にパルスカウンタ演算
回路３が接続され、パルスカウン演算回路３の出
力端に表示器２が接続されて、加熱パルスS_Hによ
る被測定流体の加熱状態が演算表示されるような
構成となつている。この加熱パルスS_Hがゲート回
路１０―Ｇを通じてアツプダウンカウンタ７３，
７４，７５をリセツトし、同時にS_HがNOR回路
６１の入力端子T₁に与えられるので、NOR回路
６２の出力端子の信号の論理値が“１”となる。
反転回路６２を介して、各カウンタ７３，７４，
７５の制御端子tcの信号の論理値は“０”に設定
され、各カウンタ７３，７４，７５はクロツク端
子C_Kに与えられる発振器２５の20KHzの信号を計
数して行く。

被測定流体に与えられた熱パルスが検出体１９
で検出されて、反転回路５２から作動信号S_Dが発
せられると、この作動信号S_Dは、NOR回路６０
の入力端子T₂に与えられる。然る時には、NOR
回路６２の出力端子の信号の理論値は“０”とな
り、反転回路６８を介して、各カウンタ７３，７
４，７５の制御端子tcの信号の論理値が“１”と
なつて各カウンタはダウンカウント動作に制御さ
れクロツク端子に与えられる信号で、すでに計数
されている計数値をダウンカウントして行く。

すでに計数されている計数値が計数され尽して
出力端子t₀₁，t₀₂，t₀₃の信号がすべて論理値“０”
となると、この時すでに制御端子tcの信号の論理
値は“０”となつているので、これがNOR回路
７６で検知され、NOR回路７６の出力端に時間
設定信号S_Tが現われる。

流管１１内に被測定呼気が存在しない状態にお
いては、感温回路部１５から作動信号S_Dが発生せ
ず、従つて一致回路２６からは時間設定信号S_Tが
供給されない。よつてこの時間設定信号S_Tの有無
により流管１１内の被測定呼気の有無を判定する
ことができる。

即ち、一致回路２６の出力端子がタイマー４の
入力端子に接続され、このタイマー４の出力端子
がスイツチ回路６のゲート端子に接続される。タ
イマー４は所望の周期が時間設定可能に構成さ
れ、流管１１内の呼気の最抵流量に対応した周
期、即ち最低流量における発熱体１３と感温素子
１９間の呼気の通過所要時間が設定されている。

このタイマー４で設定された最低周期に対応す
る時間の間一致回路２６からは時間設定信号S_Tが
発せられないと流管１１内に被測定呼気が存在し
ないものとされる。

この発明においては、この検出手段によつて被
測定呼気が存在しないことが検出されている期間
中は、予備加熱手段が駆動して加熱手段を作動さ
せて予備加熱が行なわれる。

即ち、タイマー４に予め設定された最小流量に
対応する最低周期の間に一致回路２６から時間設
定信号S_Tが与えられると、タイマー４はゲート信
号Sgを発し、このゲート信号Sgがスイツチ回路
６のゲート端子に与えられる。ゲート端子にゲー
ト信号Sgが与えられるスイツチ回路６は遮断さ
れ、スイツチ回路６からの出力信号Smの加熱パ
ルス幅設定回路１０への入力が阻止される。

この状態では加熱パルス幅設定回路１０は、一
致回路２６から供給される時間設定信号S_Tによつ
て駆動され、パルス幅設定回路１０からは所定パ
ルス幅の加熱パルスS_Hが発せられ、加熱回路１８
に与えられる。

一方、タイマー４において予め設定された最小
流量に対応する最低周期の間に、一致回路２６か
ら時間設定信号S_Tが与えられないと、タイマー４
はゲート信号Sgを発しない。この状態において
はスイツチ回路６はパルス発生器５からの例えば
10Hzのパルス信号によつて駆動されて出力信号
Smを発する。この出力信号Smによつてパルス幅
設定回路１０から予備加熱パルスS_Hが発せられ
る。

又予備加熱時においては、例えば第１図に示す
ようにパルス幅設定回路１０とアツプダウンカウ
ンタ２４間にゲート回路１０―Ｇを接続すること
により、パルス幅設定回路１０からの加熱パルス
S_Hのアツプダウンカウンタ２４への入力が阻止さ
れるような構成となつている。以上の動作を要約
して第６図を参照して説明すると、加熱パルスS_H
が時刻t₁に発生するとS_Hがゲート回路１０―Ｇよ
り送出されアツプダウンカウンタ２４はリセツト
され、アツプダウンカウンタ２４はアツプカウン
トを開始し、加熱パルスS_Hにより被測定呼気が加
熱され、その加熱された呼気がその流速に応じた
時間の後に感温回路部１５を通過し、その時刻t₂
に感温回路部１５から出力S_Cが得られ、これにも
とづいて作動信号S_Dが得られ、その作動信号S_Dに
よりアツプダウンカウンタ２４はダウンカウント
状態とされる。アツプダウンカウンタ２４の計数
値がゼロになるとその時刻t₃に時間設定信号S_Tが
発生し、これにより加熱パルスS_Hが再び発生され
る、これと共にタイマ４がリセツトされ、その出
力Sgが高レベルとなつており、従つてパルス発
生器５の出力パルス（例えば10Hz）はスイツチ回
路６から出力されない。

このようにして時間設定信号S_Tの周期は被測定
呼気の流速が速いと短かく、流速が遅いと長くな
る。被測定呼気の流速が所定値以下に遅くなる
と、例えばゼロになると第６図において最後に発
生した時刻t₄の時間設定信号S_Tによりタイマ４が
リセツトされ、これより最小流量に対応する最低
周期の間にそのタイマ時間が経過すると、その時
刻t₅にタイマ４の出力Sgが低レベルになり、パル
ス発生器５の出力がスイツチ回路６の出力Smと
して出力される。従つてこの各信号Smごとに予
備加熱パルスS_Hが発生し、かつ第１図に示すよう
にゲート回路１０―Ｇによりこの加熱パルスS_Hは
アツプダウンカウンタ２４へ入力されて、加熱パ
ルスS_Hごとにアツプダウンカウンタ２４はリセツ
トされる。従つてアツプダウンカウンタ２４は被
測定呼気が流入すると直ちに測定が開始されるこ
とになる。

このように実施例においては、呼気の測定時に
は発熱体１３から被測定呼気に対して加熱パルス
が発せられて、感温回路部１５でこの加熱された
被測定呼気が検出されるまでの時間の２倍の間隔
で時間設定信号S_Tに基づく加熱パルスが逐次発せ
られるような構成となつている。この加熱パルス
の発生間隔は実施例のように検出までの時間の２
倍に限らず、呼気の測定条件に応じて最適な値に
設定することが可能である。更に被検者の呼吸に
おいてその呼気及び吸気を分離して完全に測定す
ることが必要な場合には、第５図に示すように発
熱体１３を狭んで両側に二組の感温素子１９，１
９′を配設すればよい。この場合に使用される回
路はすでに第１図に示す実施例において説明した
ものと構成及び動作が同一なので、その重複説明
は省略する。

被測定呼気は特にその呼吸の開始時点において
は時間に対してその流量が急激に変化し、又その
流量変化範囲も極めて広い。予備加熱手段が存在
しないと流管１１に対して被測定呼気が存在しな
い状態から、流管１１内に呼気がマウスピースを
介して流入されて、被測定呼気の急激な流量の増
大が生じた場合に、被測定呼気に対する発熱体１
３による加熱が効果的に行なわれず、感温素子１
９による検出が精度よく行なわれないことがあ
る。

しかし、この発明においては、その実施例で説
明したような予備加熱手段を具備させることによ
り、急激且つ広範囲にその流量が変化する被測定
呼気に対しても、効果的に加熱が行なわれ、感温
素子１９による高感度、高精度の流量測定が実現
可能となる。特に努力性肺活量或は最大換気量に
対応する呼気の測定に際しては、この予備加熱手
段は欠くことができないものである。

第４図はこの発明の呼吸測定装置で得られた呼
気量ｌと加熱時から検出時までの時間との関係を
示すもので、広い流量について直線性が極めて良
好であることが示されている。

以上詳細に説明したように、この発明によると
呼気の流量測定に際して、例えば努力性肺活量や
最大換気量に対応する呼気のように、時間に対し
て急激に流量が変化し、その変化量が広範囲にわ
たる呼気測定においても、被測定呼気に対する加
熱が効果的に行なわれ、感温素子による検出も高
感度且つ高精度で行なわれ得る呼吸測定装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の呼吸測定装置の実施例の構
成を示すブロツク図、第２図及び第３図はこの発
明の呼吸測定装置の実施例の構成を示す具体的な
回路図、第４図はこの発明の呼吸測定装置の実施
例で得られた測定特性図、第５図はこの発明の呼
吸測定装置の他の実施例の主要部の構成を示す
図、第６図はこの発明の動作を説明するためのタ
イムチヤートである。 ４：タイマー、１１：流管、１３：発熱体、１
４：発熱回路部、１５：感温回路部、１６：時間
設定回路、１７：加熱パルス発生回路部、１８：
加熱回路、１９：感温素子、２６：一致回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流管内の被測定呼気を瞬時的に加熱する加熱
   手段と、この加熱手段により加熱された前記被測
   定呼気の通過位置に設けられる感温素子と、この
   感温素子の検出出力により前記加熱手段を駆動す
   る駆動手段と、この感温素子の検出出力による加
   熱手段の駆動周期に基づいて前記被測定呼気の流
   量を測定する呼吸測定装置において、前記感温素
   子の検出出力が所定期間ないことを検出する検出
   手段と、この検出手段により被測定呼気が上記流
   管内にないことが検出されている期間中は前記加
   熱手段を駆動し予備加熱を行なう予備加熱手段と
   を有することを特徴とする呼吸測定装置。