JPH05309134A - 呼吸同調式ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 酸素等のガスを被供給者の呼吸に同調して間
歇気流とする呼吸同調式ガス供給装置において、該ガス
を供給するためのカニューラを、一般の用に供する汎用
品が使用でき、かつ、同調動作の遅れの少ない吹送装置
を提供する。 【構成】 該カニューラの鼻孔部で収集する呼吸に伴う
音が、呼気相と吸気相で異なることにもとづいてこれを
複数の帯域フィルターを通して、デジタル化して記憶
し、この記憶した信号と呼吸に伴う音の信号を比較して
呼気相，吸気相を弁別して呼吸信号を得るので、呼吸転
換時の時間遅れもほとんど無視できる程度に少なくでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸素や空気等（以下単
に酸素等という）を被供給者へ供給する場合に、そのガ
ス流を被供給者の呼吸に同調して吸気の期間又はその一
部分のみ供給するいわゆる呼吸同調式ガス供給装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、酸素等のガスを被供給者である
患者等（疾病患者及び健康者を含む。以下単に患者とい
う）に吸入させる装置あるいは方法には、大別して密閉
型と開放型がある。

【０００３】密閉型は、いわゆる密閉式酸素マスクや気
管内チューブを使用して、患者の呼吸器系と吹送装置と
からなる呼吸回路を外気に対して密閉した状態で酸素等
のガスを供給するものである。

【０００４】この密閉型は、高い吸入効果が得られる反
面、患者の口と鼻とを密覆したり、あるいは患者の気管
に直接気管内チューブ等を挿入することによる刺激や不
快感を伴うという不利な点があるので、主として意識の
ない重症患者や麻酔中の疾患患者に使用される。

【０００５】一方、慢性呼吸不全患者に対する長期間の
酸素療法の有効性が注目され、在宅酸素療法を含めてこ
の酸素療法が広く行われるようになってきた。通常、軽
症患者に対する酸素吸入は、カニューラや開放型酸素マ
スクを用いる開放型のガス供給方法が主に使用されてい
るが、これ等は従来、患者の呼吸動作とは無関係に常時
酸素等のガスを連続して供給していた。

【０００６】これは、息をはいている呼気相の間にもそ
の呼気に逆らって酸素等のガスが供給されているので、
患者に呼気抵抗感を与え、そのために不快感をおこさせ
るとともに、呼気相の期間に供給された酸素等のガス
は、ほとんど利用されることなく、無駄に大気中に放出
されていた。

【０００７】これらの欠点を補うために、患者の呼吸に
同調して、吸気相の期間あるいはその一部分のみに酸素
等のガスを供給するいわゆる呼吸同調式ガス供給装置が
発明された。

【０００８】その発明においては、呼吸相の検出手段と
して次のようなものがある。その一つは、開放型とは言
え、ガスを吹送している患者の呼吸回路に、呼気、吸気
で僅かの圧力の変化が生ずる。

【０００９】この僅かの圧力変化を圧力センサーで検出
して呼吸信号を得る方法が特開平１−２２１１７に開示
されている。

【００１０】また、別の方法では体内の肺で温められた
呼気と、外気が混入して入る吸気との温度差を利用し
て、これらを弁別する方法として、特開昭５９−７７８
６４にサーミスターをカニューラの鼻孔部に付設して呼
吸信号を検出する方法が開示されている。

【００１１】さらに別の方法として特公平２−１２１１
４には、呼気と吸気の温度差を検出する手段として熱電
対を用いる方法が開示されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】呼吸相の検出手段とし
て、呼気、吸気の温度差を利用する方法は、カニューラ
の鼻孔部近くに温度センサーを付設して、この温度セン
サーで得られた信号を信号用電線により、電気回路のあ
る吹送装置へ引いて来なければならない。

【００１３】呼吸動作とは無関係に常時酸素等のガスを
連続して供給する方法では、この酸素等のガスを吸入す
るためにはガス供給管であるカニューラ１本のみでよか
ったが、前記の温度センサーによって呼吸信号を検出す
る方式では、このカニューラの他に呼吸信号用の電線も
必要になってくるので、その取扱いが不便である。

【００１４】この呼吸信号用の電線をカニューラのガス
供給管の中に通して、見かけ上カニューラ１本にするこ
とにより取扱い性を良くする方法もあるが、この方法
は、細いカニューラのガス供給管に電線を通した特殊な
カニューラを作る必要があり、その価格をいっそう高価
にするという問題があった。カニューラは、１〜２ヶ月
間使用すると、患者の脂肪などの影響で、その鼻孔部が
固くなって使用中に鼻孔が痛くなり、交換する必要があ
るので、消耗品として取り扱う必要があるが、このカニ
ューラの価額が高価であれば、患者の経済的負担がいっ
そう大きくなるという問題があった。

【００１５】また、前記の呼気、吸気の圧力変化を検出
する方法は、開放構造の呼吸回路であるため、呼気相と
吸気相の圧力差は大変小さい微小圧力の変化であるが、

【００１６】この圧力差の検出部は酸素等の供給源近
く、すなわち吹送装置の中に微小圧力を検出できる圧力
センサーを付設することができるので、カニューラは、
何も特別な設備を必要としないという利点がある。

【００１７】その反面、鼻孔部で生ずる呼気相と、吸気
相で発生する圧力変化が、ガスの流れているカニューラ
のガス供給管（約２ｍ）を伝わって吹送装置の圧力セン
サーに到達するまでには、僅か（数百ミリセカンド）で
あるが時間がかかるという問題があった。

【００１８】この時間は、僅かではあるが、例えば人が
１分間に呼吸する回数は、平常時、健康人の平均は約１
５回で、疾病患者や、健康人でも運動等をすると呼吸数
が約２０〜３０回と多くなる。

【００１９】このために呼吸は早いときには、１秒〜２
秒に１回であるために数百ミリセカンド（百ミリセカン
ド＝０．１秒）のガス供給時間の遅れは、患者に違和感
を与えるとともに、吸気に対する酸素等の供給が遅れる
ために肺の深部の肺胞に達する酸素等の量が少なくな
り、酸素等の吸入効率も低下するという問題があった。

【００２０】このような問題点を解決するために、本発
明者は、呼吸同調の制御信号を得る手段として、酸素等
のガスを被供給者の鼻孔へ供給するカニューラの鼻孔部
の開口端で発生する音の音質が、呼気相と吸気相でそれ
ぞれ異なることにもとづき、この音の電気信号の信号パ
ターンが呼気相かあるいは吸気相かを弁別すると言う発
明を行ない特許出願を行なった。（特願平４−７９１４
１号参照）

【００２１】この発明について、その後も継続して鋭意
研究を行なった結果、この発明を実施するだけでは、次
のような若干の問題があり、よりよい方法である本願発
明をするに至ったものである。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】患者の呼吸パターン
は、各自各様に異なるし、同じく酸素等のガスを患者の
鼻孔へ供給するカニューラの鼻孔部の開口端で呼気相、
吸気相に伴って収集する音の周波数成分やその大きさ
も、このカニューラを使用する個人個人により異なる。

【００２３】また、疾病患者の病状、例えば肺結核後遺
症，慢性気管支炎，肺線維症などにより、あるいは、そ
の病状の度合により、この疾病患者自身で発生する独特
の呼吸音があり、これは個人によっても多少異なる。

【００２４】これらの問題点が重なり合うので、一律に
呼気相、吸気相に伴って発生する音の信号パターンの弁
別基準を決めることによっただけでは、個々の特性によ
り差が大きすぎるために、呼気相、吸気相の弁別をする
ことが困難な場合もあった。また、呼吸に伴って前記の
開口端で収集する音以外の周囲の雑音も混入するという
問題があった。

【００２５】前記の音の信号パターンの周波数成分を記
憶した例を次に示す。図２は、Ａ者の呼気相の音の周波
数成分の図で、図３は、別のＢ者の呼気相の音の周波数
成分の図である。

【００２６】図４は、同じくＡ者の吸気相の音の周波数
成分の図で、図５は、同じくＢ者の吸気相の周波数成分
の図である。このように、Ａ者とＢ者とでは、その呼吸
に伴う音の信号パターンがかなり相違していることが解
る。

【００２７】

【課題を解決するための手段】前記の如く、患者の呼吸
の信号パターンは、各々の個人差に加えて、疾病患者の
病状の度合により、呼吸に伴って発生する音の大きさが
異なるものと、呼気、吸気でその音の音質にかなり差が
ある事が解った。図６は、ある肺炎回復期の肺浮腫患者
の呼気相の周波数成分の図である。図７は、同じくこの
患者の吸気相の周波数成分の図である。図８は、別の、
ある気管支喘息患者の呼気相の周波数成分の図である。
図９は、同じくこの患者の吸気相の周波数成分の図であ
る。本発明は、これらの音質の相違を活用するものであ
り、この音をカニューラのガス供給管によって吹送装置
に付設したマイクロフォンに導いて音を収集するように
構成した。

【００２８】前記の呼吸に伴う信号パターンの周波数成
分が呼気相と吸気相でかなり明確に異なるので、これを
マイクロフォンで電気信号に変換した後、呼気相と吸気
相の信号パターンを別々に記憶しておいて、これと呼吸
に伴って収集する音の信号パターンとを比較することに
より、呼気相、吸気相を弁別するものである。従って、
前記のように、患者の呼吸に伴う信号パターンが、各々
の個人差に加えて、疾病患者の病名や病状の度合により
独特のものであっても、その個々の患者の該信号パター
ンを記憶して、呼気相、吸気相を弁別する基準とするの
で、その弁別作用をいっそう正確なものとすることがで
きる。

【００２９】その具体的方法は、複数の特定な周波数帯
域のみ通過する帯域フィルターを付設してこの帯域フィ
ルターを通過する信号の大きさを注目していると、呼気
相において多く含まれる信号と、吸気相において多く含
まれる信号とが異なる。

【００３０】これを各々Ａ／Ｄ変換して、デジタル信号
の形で記憶素子に記憶しておき、呼気相、吸気相に伴う
音の信号を該記憶素子に記憶している信号と比較するこ
とにより、呼気相、吸気相を弁別して、呼吸同調の制御
信号を得るようにするものである。

【００３１】

【実施例】次に、本願発明の実施例を図にもとづいて説
明するが、これは、説明用の一例であって、本願発明
は、この実施例に限定されるものではない。

【００３２】図１は、本発明の構成を示す系統図で、こ
の図において、１２は、ガス供給管で、いわゆるカニュ
ーラである。１０，１０´は、このカニューラの鼻孔部
で、このカニューラを、１６の吹送装置に接続し、この
吹送装置のガス供給口１４に酸素等のガスを供給し、カ
ニューラを患者が鼻孔に装着して実用に供するように構
成したものである。

【００３３】この図において、１６の吹送装置は、次の
ように構成した。ガス供給口１４に供給された酸素等の
ガスは、制御弁２２を経て分岐管２６を通してガス供給
管１２に供給される。

【００３４】これを、分岐管２６で分岐した分岐管２７
の端にマイクロフォン２４を取付け、カニューラの鼻孔
部の開口端で収集する呼吸に伴う音や疾病患者の疾患に
伴う独特の音を、カニューラのガス供給管１２を通じて
マイクロフォン２４で検出して電気信号に変換するよう
に構成したものである。

【００３５】この電気信号を、増幅器１８で増幅して約
７０ｍＶＰＰの信号とし、帯域フィルター２０に供給す
る。この帯域フィルターは、それぞれ異なる通過帯域を
有する１２箇の帯域フィルターで構成し、この帯域フィ
ルターのそれぞれの出力信号を、デジタルスイッチで構
成した切替スイッチ２８でマイクロコンピューターのＣ
ＰＵ３０からの切替信号４２で順次切替えをして、その
信号をＡ／Ｄ変換器３２でデジタル信号に変換してＣＰ
Ｕ３０に呼吸信号として入力する。

【００３６】ここで、呼気相、吸気相の弁別基準となる
信号パターンを記憶素子４０に記憶するための記憶モー
ドについて説明する。操作スイッチ３４は、本願発明に
かかる装置のＣＰＵ３０の状態を記憶モードと使用モー
ドに選択できるものである。

【００３７】まず、装置の電源スイッチ（図示せず）を
入れて、この操作スイッチ３４を記憶モードにする。患
者は、カニューラを鼻孔部に装着して通常の呼吸動作を
行なう。そのとき呼気相と吸気相を区別するために、呼
吸選択スイッチ３８を操作する。この呼吸選択スイッチ
３８は、呼気相、吸気相に対応して操作し易い方が好ま
しく、本実施例では押釦スイッチとし、呼気相の場合の
みこの押釦スイッチを押すように構成したが、この実施
例の他に吸気相の場合のみ押すようにしてもよい。

【００３８】この操作により、記憶素子４０が記憶する
信号が、呼気相のものか、吸気相のものかを区別するこ
とが可能である。この記憶モードでは、呼気相の音をマ
イクロフォン２４で電気信号に変換して取込み、これを
増幅器１８で所望の電圧に増幅して周波数別にその音の
大きさをＡ／Ｄ変換器３２でデジタル信号のデータに変
換した後にＣＰＵ３０を介して記憶素子４０にこのデー
タを呼気相の間、一定時間毎（例えば１０ｍＳごと）に
記憶する。

【００３９】つづいて前記の呼吸選択スイッチ３８の押
釦スイッチを放して、呼気相の場合と同様に、吸気相の
周波数別にその音の大きさを記憶する。この記憶モード
で呼吸音のデータを記憶しているときの周囲の雰囲気
は、できるかぎり静粛である方が望ましい。

【００４０】この記憶したデータを使用モードで入って
くる音のデータと比較して、呼気相、吸気相の弁別の基
準として使用するものである。ここで、１回だけの呼気
相、吸気相の信号を基準としてこれと比較するよりも、
数回の呼気相、吸気相をデータとして取込み、これらの
データを内部のコンピュータで平均値を出し、それを基
準として記憶素子４０に記憶して、呼気相、吸気相の弁
別の基準として用いる。

【００４１】本実施例では、この平均化のためのデータ
は、最新の３回分の信号を用いた。例えば、第１回目か
ら第３回目では、この第１〜第３回目の信号を用いる
が、第１回目から第５回目では、第３回〜第５回目の信
号を用いるようにした。従って前記の押釦スイッチの操
作も呼気、吸気に対してそれぞれ３回以上とすることが
好ましい。

【００４２】この記憶素子４０は、記憶しているデータ
が電源スイッチを切っても、その記憶内容が保持できる
ようなバックアップ機能を有するものを使用した。

【００４３】次に操作スイッチ３４を使用モードにす
る。カニューラのガス供給管を通して入ってくる呼吸に
伴う音を吹送装置内のマイクロフォン２４により電気信
号に変え増幅器１８で所望の電圧に増幅したあと、各周
波数帯域別にその音の大きさをＡ／Ｄ変換器３２でデジ
タル信号に変換したデータとし、前記の記憶素子４０に
記憶しているデータと比較検討して、呼気相、吸気相を
弁別する。

【００４４】なお、人の呼吸は正常時、自然な状態で
は、呼気と吸気は交互にくるものであるから、これも呼
吸相の弁別のアリゴリズム中に、ある一定のウエイトを
もって呼吸相の弁別の判定に参考とされるようにした。

【００４５】時間とともに、呼吸音の周波数要素毎の信
号の大きさが変り、呼気から吸気に、また呼気に変って
ゆく。この間、吸気の間中、またはその一部の期間に酸
素等のガスを患者に送るように吹送装置１６の制御弁２
２を開にする。

【００４６】本実施例では、呼気相および／または吸気
相を検出して弁別する手段として、酸素等のガスを被供
給者の鼻孔へ供給するガス供給管の鼻孔部の開口端で収
集する音の音質が、呼気相と吸気相でそれぞれ異なるこ
とにもとづき、この音の電気信号を、複数の周波数帯域
の帯域フィルターを通して、その出力信号をデジタル化
して記憶モードで記憶できる構成としたが、この実施例
以外にも別の実施例である次のような弁別手段であって
もよい。

【００４７】すなわち、前記の音の電気信号を、Ａ／Ｄ
変換器３２、デジタルシグナルプロセッサ４８を設け
て、該電気信号をスペクトル分解する手段として、この
デジタルシグナルプロセッサ４８で高速フーリエ変換演
算を行ない、該電気信号の各周波数成分より、その電気
信号の特徴を抽出して、その出力信号を記憶モードで記
憶できる構成としても良い。

【００４８】図１０は、この別な実施例の構成を示すカ
ニューラの図示を省略した系統図である。

【００４９】前記のカニューラの鼻孔部の開口端に、発
音手段３６，３６´を設けて、該発音手段が呼吸に伴っ
て発生する音の音質が呼気相と吸気相でそれぞれ異なる
ことにもとづき、呼気相および／または吸気相を弁別す
ることも可能で、こうすることにより、この音の検出が
いっそう容易になる。図１１は、この発音手段の一例を
示すカニューラの鼻孔部の斜視図である。

【００５０】

【発明の効果】本発明を実施することにより、開放型の
呼吸同調式ガス供給装置において、ガス供給管であるカ
ニューラが特別な装置がない一般の用に供されるもので
あっても良好に呼吸同調による酸素等のガスの制御をす
ることが可能である。また、その呼吸相に対応して制御
する時間の遅れも極めて少ないという効果がある。

【００５１】さらに、前記の記憶モードで呼吸相の音を
記憶しているときのみ周囲の雰囲気を静粛に保てば、使
用モードで使用するときには多少の雑音が混入しても、
呼気相、吸気相を弁別することができるという作用効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示す系統図である。

【図２】Ａ者の呼気相の音の周波数成分の図である。

【図３】Ｂ者の呼気相の音の周波数成分の図である。

【図４】Ａ者の吸気相の周波数成分の図である。

【図５】Ｂ者の吸気相の周波数成分の図である。

【図６】ある肺炎回復期の肺浮腫患者の呼気相の周波数
成分の図である。

【図７】同じくこの患者の吸気相の周波数成分の図であ
る。

【図８】別の、ある気管支喘息患者の呼気相の周波数成
分の図である。

【図９】同じくこの患者の吸気相の周波数成分の図であ
る。

【図１０】別な実施例の構成を示すカニューラの図示を
省略した系統図である。

【図１１】カニューラの鼻孔部に付設した発音手段の一
例を示すカニューラの鼻孔部の斜視図である。

【符号の説明】

１０ 鼻孔部 １０´鼻孔部 １２ ガス供給管 １４ ガス供給口 １６ 吹送装置 １８ 増幅器 ２０ 帯域フィルター ２２ 制御弁 ２４ マイクロフォン ２６ 分岐管 ２７ 分岐管 ２８ 切替スイッチ ３０ ＣＰＵ ３２ Ａ／Ｄ変換器 ３４ 操作スイッチ ３６ 発音手段 ３６´発音手段 ３８ 呼吸選択スイッチ ４０ 記憶素子 ４２ 切替信号 ４４ 制御器 ４６ 駆動部 ４８ デジタルシグナルプロセッサー（高速フーリエ変
換器） ５０ Ｉ／Ｏポート

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素等のガスを被供給者へ供給する場合
   に、該被供給者の呼気および／または吸気に同調して断
   続的な間歇流とする呼吸同調式ガス供給装置において、
   呼気相および／または吸気相を検出する手段が、該ガス
   を被供給者の鼻孔へ供給するガス供給管の鼻孔部の開口
   端で収集する音の音質が、呼気相と吸気相でそれぞれ異
   なることにもとづき、前記の音の電気信号を、複数の周
   波数帯域のフィルターを通して、その出力信号をデジタ
   ル化して記憶できる構成とし、呼気相および／または吸
   気相の信号パターンを記憶する記憶モードを設けて該信
   号パターンを記憶し、呼吸同調式として使用モードで使
   用する場合には、前記の記憶モードで記憶した信号パタ
   ーンと呼吸に伴って前記の開口端で収集する音の電気信
   号の信号パターンとを比較して、呼気相および／または
   吸気相の区別を弁別して呼吸同調の制御信号を得ること
   を特徴とする呼吸同調式ガス供給装置。
2. 【請求項２】 呼吸同調式ガス供給装置において、呼気
   相および／または吸気相を検出する手段が、前記の音の
   電気信号をＡ／Ｄ変換器、デジタルシグナルプロセッサ
   を設けて、該電気信号をスペクトル分解する手段として
   高速フーリエ変換演算を行ない、該電気信号の各周波数
   成分より、その電気信号の特徴を抽出して、その出力信
   号を記憶モードで記憶できる構成とし、呼吸同調式とし
   て使用モードで使用する場合には、前記の記憶モードで
   記憶した信号パターンと呼吸に伴って前記の開口端で収
   集する音の電気信号の信号パターンとを比較して、呼気
   相および／または吸気相の区別を弁別して呼吸同調の制
   御信号を得ることを特徴とする請求項１記載の呼吸同調
   式ガス供給装置。
3. 【請求項３】 呼吸同調式ガス供給装置において、酸素
   等のガスを被供給者の鼻孔へ供給するガス供給管の鼻孔
   部の開口端に、発音手段を付設して、該発音手段が呼吸
   に伴って発生する音の音質が呼気相と吸気相でそれぞれ
   異なることにもとづき、呼気相および／または吸気相の
   区別を弁別して呼吸同調の制御信号を得ることを特徴と
   する請求項１，または請求項２記載の呼吸同調式ガス供
   給装置。