JPH0257417B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、呼気と吸気の温度差を検出し、呼吸
の有無、呼吸数、呼吸様相等を検出する呼吸セン
サーに関するものである。

〔従来技術〕

手術後の呼吸管理や新生児の生命維持等におい
て、何らかの手段で呼吸をセンシングしその様相
を監視する事は、異常事態の発生に対する迅速な
対処、ひいては患者の生存という事項に関して最
も重要な役割を果すものである。

この呼吸をセンシングする手段としては、従来
例えば、特開昭55−108343号公報や、特開昭56−
63341号公報のように胸部のインピーダンスを測
定するもの、特公昭58−30047号公報のように胸
帯に付属した電気抵抗体の伸縮による抵抗値変化
を測定するもの、特開昭50−39544号公報や特開
昭59−48106号公報のように呼吸気流の圧力を検
知するもの、特開昭58−112529号公報のように呼
吸音をマイクで検出するもの、特開昭58−183143
号公報のように呼気と吸気の湿度の変化をキヤパ
シタンスの変化でとらえるもの、特開昭51−
124080号公報、特開昭56−31736号公報、特開昭
59−46940号公報、特開昭60−836870号公報等の
ようにサーミスタ等の温度計を用いて呼気と吸気
の温度差を検出するもの、また、特開昭58−
173534号公報のように胸部インピーダンスと温度
の両方を測定するもの等が知られている。

こうした従来の呼吸を検知する手段は、呼吸の
有無、呼吸波形、またある種のものは呼吸流量を
測定する場合には有効であるが、例えば、筋ジス
トロフイー等の神経筋疾患患者や慢性呼吸不全患
者の呼吸補助を行う場合のように、呼吸を補助す
るタイミング、すなわち患者が息を吸いたいと思
つた時に空気または酸素を送り込むトリガーとし
ては、その呼吸が微弱なために感知できないか、
または呼吸に関係ない信号（体動、電磁干渉等）
の影響が大きく、結果として誤動作を起すことが
しばしばあつた。

例えば第４図は、クロメル−アロメル熱電対を
鼻先に設置する従来の方法で、正常な呼吸をした
時の熱起電力を測定した波形図である。第４図か
ら分かるように、呼気の場合には体温で上昇した
空気が感温部に当つて、温度が上昇し、上に凸の
曲線を描く。温度の上昇は息を吐き始める時が最
も大きく、１秒程度でピークに達するが、呼気流
速の減少と外気温による冷却のために呼気時間の
途中でも下降が始まり、呼気に移行する瞬間には
外気の急速な流れによつて冷やされ、呼気が始ま
るまで温度が低下する。したがつて、呼吸が始ま
る瞬間であれば比較的検知しやすいが、吸気の始
まる瞬間はあまり明確ではない。

〔発明の目的〕

本発明は、こうした誤作動を回避し、呼吸の減
弱した患者でもその呼気、吸気を正確に検知する
ことのできる全く新しいタイプの呼吸センサーを
得ることを目的として、種々の感温素子を検討し
た結果、焦電素子を用いることで最も鋭敏、且つ
高出力の呼吸信号を取り出し得ることを見出し、
更に研究を進めて本呼吸センサーを完成するに至
つたものである。

〔発明の構成〕

即ち本発明は、呼吸気流の通路内に焦電素子を
配設し、該焦電素子により該通路内の温度変化を
検出し、該焦電素子を含む電気回路から得られる
該温度変化に対応する電気信号の微分波形によ
り、呼気および吸気の開始時期を知ることを特徴
とする呼吸センサーである。

先にも述べたように、筋ジストロフイー、慢性
呼吸不全等の患者の呼吸を補助する場合は主とし
て吸気を補助する必要があり、自発呼吸の意思が
ある場合には、患者が息を吸いたいと思つた瞬間
に空気を送り込む等の方法で呼吸を補助する、い
わゆる患者の呼吸に同調した呼吸補助法が、かか
る患者の呼吸補助具からの離脱を早めるといわれ
ている。しかし、吸気の始まるタイミングは上述
のごとく不明瞭であり、特に呼吸不全に陥つてい
る患者の場合にはその検知は極めて困難である。
そこで本発明者らは、この呼吸波形の微分値を取
ることによつて、温度の変化率の最も高い呼気、
吸気の始まりをとらえる事とし、感温素子として
呼吸波形の微分波形が得られる焦電素子を用いる
のが適していることを見出し本呼吸センサーを完
成させたものである。

焦電素子は、温度変化を生じると強誘導体であ
る素子の自発分極の値が変化し、素子の表面電荷
が変化する。この時、外部負荷を接続すると電流
（焦電流）が流れ、また元の過不足な電荷のない
表面状態に戻り、再び温度変化が起るまで電流は
流れない。したがつて、焦電素子は温度変化があ
つた時にのみ応答する事になり、呼吸センサーと
して用いた場合には呼吸波形の微分波形が得られ
る。したがつて、この波形は呼気、吸気の開始時
に鋭いピークを生じる形となり、適当な電圧レベ
ルでトリガーをかけることによつて、適確に呼
気、吸気の開始をとらえる事ができる。しかも、
焦電素子はサーミスタや熱電対等の他の感温素子
に比べて非常に高い出力が得られるので、増幅を
必要としないなど後の信号処理を簡素化できる利
点がある。

焦電素子をセンサーとして用いる事の最大の利
点は、その高い感度と高出力性にある。例えば、
第４図に示したクロメル−アロメル熱電対の出力
は0.04mv／℃程度であるのに対して、焦電素子
の場合にはその種類と大きさによつて異なるが例
えば、1.3mv／℃・secという非常に高い出力が
得られ、この事実は後の信号処理を非常に簡素化
させる。また、前述のようにその出力は温度に関
して微分的であり、呼気と吸気の切り替り時期を
とらえるにはたいへん有利である。

本発明の呼吸センサーに使用する焦電素子とし
てはタンタル酸リチウム（L_iT_aO₃）、トリグリシ
ンサルフエート（TGS）等の単結晶、チタン酸
鉛（P_bT_iO₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）等
の焼結体、ポリフツ化ビニリデン（PVDF）等の
高分子強誘電体、あるいはセラミツク焼結体粉末
とプラスチツク材料との複合体等が挙げられる
が、これらに限定されるものではない。しかし、
本発明による呼吸センサーの出力の立上りは焦電
素子の温度の変化速度によつて支配されるため、
その熱容量を低下させる目的で厚みをできるだけ
薄くした方が応答性は良く、吸呼のタイミングを
鋭敏にとらえることができる。このような観点か
ら見ると、単結晶およびセラミツク焼結体では素
子の厚さは80〜100μｍが限界であり、また、こ
のような厚みでは割れやすく、支持台への取り付
け等の作業性も悪いのに対して、高分子強誘電体
材料単体やセラミツク焼結体粉末と高分子材料の
複合体よりなるフイルムないしシート状物が加工
性が良く、厚みが数10μｍ以下の素子も容易に作
製することができ、作業性にも富んでいるので好
適である。

呼吸センサーの感温素子は、鼻カニユラやマス
ク等の内部、即ち鼻孔に近接した位置に設置する
のが一般的であるが、本発明の焦電素子を用いた
呼吸センサーは感度が高いので、呼吸気流が流通
する場所であれば、新生児や患者の全身を覆うフ
ード内や酸素テント内に、患者の身体に直接触れ
ない方法で設置しても十分目的を達することが出
来る。焦電素子は単位面積当りの出力が大きいの
で、鼻カニユーラやマスク等の内部に設置する場
合は３mm×３〜８mm程度の小面積の素子でよく、
フードや酸素テント内の上部に設置する場合で
も、10〜20mm×10〜40mm程度の大きさの素子で十
分な感度を得ることができる。

第１図は、本発明による呼吸センサーの電気回
路の一例を示す回路図である。温度変化によつて
焦電素子１上に生じる電荷は、その素子の静電容
量、抵抗、焦電率等の電気的性質や、大きさ、温
度変化の速度等によつて左右されるが、一般にそ
のインピーダンスは10⁸〜10¹¹Ωと高く、このま
までは検出することはできない。そこで、インピ
ーダンスを変換するバツフアーアンプ回路を内蔵
したレコーダーを使用するか、または、電解効果
型トランジスタ２でインピーダンスを低下させ
る。その出力インピーダンスは出力抵抗４によつ
て決定されるが、通常10³〜10⁵Ω程度とするのが
望ましい。コンデンサ５は、得られた信号の高周
波成分、すなわち変化率の大きい時点における信
号成分を優先的に通過させるためのもので、その
容量の大きさによつて得られる波形が異なる。従
つて、使用するコンデンサの容量は目的に応じて
決定すればよく、また、コンデンサ５を使用しな
い場合もある。

一方、第１図に示したように焦電素子１に電界
効果型トランジスタ２および出力抵抗４を組合せ
て用いる場合、各素子間を結ぶリード線がアンテ
ナの働きをして外部からノイズが入り、正確な温
度変化の検出に支障を来たすことが予想される。
しかし、焦電素子の出力が大きいので、第２図に
示した実施例のように焦電素子６、電解効果型ト
ランジスタ７、および出力抵抗８を１個の部品と
してコンパクトにまとめることによつて、外部か
らのノイズの影響は殆ど無視することができる
が、焦電素子６、電界効果型トランジスタ７およ
び出力抵抗８から成る電気回路系全体を導電体材
料の層で囲んで外部からの電磁波を遮断（電磁波
シールド）すれば、より万全を期することができ
る。一個の部品として形成する場合の、第２図の
外套９の材質としてはプラスチツク、ゴム、金属
等が使用でき、特に限定されるものではなく、金
属等の導電体材料を用いれば電磁波シールド材を
兼ねることもでき有効である。ただ、患者の身体
に直接触れるため金属では冷たさの問題があり、
プラスチツクもしくはゴム等を用いるのが好まし
く、金属を用いる場合はプラスチツクもしくはゴ
ム等で被覆するのが良い。また、導電性のプラス
チツクもしくはゴムを用いれば電磁波シールドを
兼ねることができるのでより効果的である。

第２図の実施例のように１個の部品としてコン
パクトにまとめる方法の他、先に述べたようにフ
ード内や酸素テント内に設置する場合には、夫々
別個の部品として設置してもよい。これらの場合
に使用する電磁波シールドのための導電体材料と
しては、アルミニウム、銅、鉄等の金属板で作つ
た函状もしくは缶状体、金属線から作つた網状
体、金属板を型抜きして作つた金属メツシユ、エ
キスパンドメタル、導電性プラスチツク（成形
品、フイルム、シートなど）、導電性塗料等が使
用でき、特に限定されるものではなく、電磁波シ
ールド部の配置や形状によつて適宜選択すればよ
い。

尚、本発明による呼吸センサーは、呼吸のセン
シングを必要とする広範囲の医療用機器に適用可
能であり、応用例としては、呼吸補助装置、呼吸
モニター、無呼吸監視装置、麻酔器、保育器、酸
素投与システム、ベンチレータ、人工呼吸器、Ｘ
線撮影装置（胸部Ｘ線撮影時のタイミング同調）、
呼吸疾患のリハビリテーシヨン用練習器、生体に
刺激を与える各種治療装置の呼吸との同調等が挙
げられる。焦電素子の材質、形態、大きさ、信号
処理の方法は、その用途によつて様々である。

以下、図面により本発明の呼吸センサーの具体
例について説明する。

第２図は本発明の一実施例となる呼吸センサー
の構造を示す図で、ａは側面の断面図、ｂは下面
図である。本実施例は鼻カニユーラ型の呼吸セン
サーで、酸素供給が必要なほど重篤ではなく、空
気だけで良い場合に、鼻に装置するだけで呼吸監
視、あるいは呼吸補助等のタイミングセンサーと
して使用できるタイプのものである。

本実施例における呼吸センサーは、鼻孔へ挿入
する２つの導管１１とそれに対向する側に外気へ
通じる呼吸気口１２を有し、両側に頭部で支持固
定するための支持具１３を取付けた外套９内に焦
電素子１、電界効果型トランジスタ（以下、
FETと記す）７、出力抵抗８および、シールド
用金属メツシユ１０を配置したもので、FET７
から出ている３本の導線１４は信号出力、FET
の電源およびアース用である。FET７および出
力抵抗８は、呼気中の水分が凝縮して生ずる水滴
から防護するため、呼吸センサーの一端に防滴隔
壁１５によつて隔離された小部屋の中に設置され
ており、３本の導線１４は支持具１３に沿つてあ
るいはその中を通つて導かれ、測定器に接続され
ている。支持具１３は、酸素吸入で使用される鼻
カニユーラのような、軟質塩化ビニル樹脂等で作
られた管を頭部に巻きつけ固定できるような形態
をとるか、眼鏡等のように耳にかけるようにして
も良い。尚、第１図に示した直流電源３およびコ
ンデンサ５は、測定器の中に設けられている。

吸気時には、外套９に開孔している呼吸気口１
２より空気が流入し、シールド用金属メツシユ１
０を通して焦電素子６に当り、呼気によつて暖め
られた焦電素子６を冷却する。この空気は左右に
分かれて鼻孔へ通じる導管１１へ導かれ、体内へ
流入する。逆に呼気時には、これと全く反対の経
過で、体温によつて暖められた呼気が排出され、
焦電素子６を加温する。

測定を始める前に、第１図に示したコンデンサ
５の容量を目的に応じて決定し挿入することによ
り、第３図に示すような呼吸波形が得られた。第
３図ａは、コンデンサ５を挿入しなかつた時の波
形であり、呼気によつて暖められた瞬間マイナス
のピークを生じ、吸気時にプラスに転じる。この
時には周波数の低い成分も入つてくるために、吸
気開始時の検出には不向きである。第３図ｂは、
0.15μFのコンデンサを挿入した時の波形で、吸気
時の低周波数成分は除かれるが呼気時にプラス側
へオーバーシユートする傾向が見られた。

第３図Ｃは、10μFのコンデンサを挿入した時
の波形で、呼気開始時マイナスピークの後、基線
にもどり、吸気開始と同時にプラスのピークが出
現し再び基線にもどるという、理想的な微分波形
が得られた。以上の結果から本実施例の呼吸セン
サーを例えば呼吸補助の目的に使用する場合に
は、約10μFのコンデンサを用いることによつて、
吸気の始まりを正確にとらえ、補助を開始するこ
とができることが分かる。

〔発明の効果〕

本発明による呼吸センサーは、呼気、吸気を非
常に正確、且つ高感度に検出することができ、従
来の呼吸センサーでは難しかつた呼吸不全患者の
ための呼吸補助の同調装置として大いにその効果
を発揮するものであり、さらに、保育器、Ｘ線撮
影、種々の刺激的治療法等にも応用可能である。
また、医学的な応用のみならず、吹奏楽器等他分
野への応用も期待でき、工業上極めて有用なもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による呼吸センサーの電気回路
の一例を示す回路図、第２図は本発明の一実施例
となる呼吸センサーの構造を示す図で、ａは断面
図、ｂは下面図である。第３図は本発明の呼吸セ
ンサーによつて測定された呼吸波形図で、ａはコ
ンデンサを挿入しない場合、ｂは0.15μFのコンデ
ンサを挿入した場合、ｃは10μFのコンデンサを
挿入した場合の波形図である。また、第４図はク
ロメル−アロメル熱電対を使用した従来の呼吸セ
ンサーによる熱起電力の波形図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 呼吸気流の通路内に焦電素子を配設し、該焦
   電素子により該通路内の温度変化を検出し、該焦
   電素子を含む電気回路から得られる該温度変化に
   対応する電気信号の微分波形により、呼気および
   吸気の開始時期を知ることを特徴とする呼吸セン
   サー。 ２ 呼吸気流の通路が、呼吸気流を導くための２
   本の導管と該導管に対向する位置に呼吸気口を有
   する外套よりなり、該外套内の中央部に焦電素子
   を配設し、さらにその近傍の外套内に焦電素子と
   共に電気回路を構成する電界効果型トランジスタ
   および出力抵抗を設置したことを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項記載の呼吸センサー。 ３ 焦電素子と共に電気回路を構成する電界効果
   型トランジスタおよび出力抵抗が、呼吸気流の通
   路内であつて、且つ防滴隔壁によつて呼吸気流か
   ら隔離された小室内に設置されていることを特徴
   とする、特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の呼吸センサー。 ４ 焦電素子、電界効果型トランジスタおよび抵
   抗素子から成る電気回路系全体を、導電体材料の
   層で囲んで外部からの電磁波を遮断したことを特
   徴とする、特許請求の範囲第１項ないし第３項の
   いずれかに記載の呼吸センサー。 ５ 焦電素子が、高分子強誘電体材料、もしくは
   セラミツク焼結体粉末と高分子材料の複合体より
   なるフイルムないしシート状物であることを特徴
   とする、特許請求の範囲第１項ないし第４項のい
   ずれかに記載の呼吸センサー。