JPH0810331A - 人工呼吸器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 初期吸気流量の遅れをなくして患者の呼吸仕
事量を軽減し、酸素消費量が少なく、軽便な酸素濃縮器
で酸素が付加できる、小形で簡素化された、定常流式の
人工呼吸器を提供する。 【構成】 スクロール圧縮機１を備え、この圧縮機１の
吐出口１ａに接続して患者にガスを供給する吸気流路２
０に、患者の気道内圧を一定に保持するための圧力リリ
ーフ弁７と、呼吸時に患者の吸入しない余分な吸気ガス
を圧縮機へ戻すためのバイパス弁９とを設け、前記圧力
リリーフ弁７と前記バイパス弁９との下流側流路を合流
して放出流路２２を形成し、この放出流路２２と圧縮機
１の吸込口１ｂと外気取入口１５とが連通する圧縮機吸
込流路２３を構成するとともに、前記外気取入口１５
に、酸素混合器１７を装備した可変容量リザーバー１６
を接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、呼吸維持、呼吸補助に
使用される人工呼吸器に係り、特に、集中治療室で治療
を必要とする重症な呼吸障害患者を除き、中または軽度
の呼吸障害患者を対象とする小形、軽量、３電源（蓄電
池、自動車電源、家庭電源）駆動式の人工呼吸器に関す
るもので、病室、在宅、救急車内等で利用される。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種簡易型の人工呼吸器には、
患者に呼吸維持、呼吸補助のガスを供給するガス圧縮送
風手段としてピストン式ポンプが使用されていた。図４
は、従来のガス供給ポンプの構成を示す説明図、図５
は、横軸に時間（ｓｅｃ）、縦軸に患者の気道内圧（Ｐ
ａｗ）をとり、吸気時の患者の気道内圧の変化を示す線
図である。

【０００３】図４において、３０は、伸縮自在のゴムベ
ローズ、３１は吸入弁、３２は吐出弁、３３はピスト
ン、３４は送りねじ、３５はモータ、３６はロータリエ
ンコーダ、３７は、ゴムベローズ３０の伸縮位置を制御
するためのセンサー手段を示す。すなわち、従来の人工
呼吸器のガス供給ポンプは、モータ３５の回転をピスト
ン３３の直線往復運動に変えて、ゴムベローズ３０の伸
縮によりガスの吸入、吐出を行うピストン式のポンプが
用いられていた。

【０００４】このガス供給ポンプ方式では、患者の吸気
開始により、呼吸回路内の圧力が低下するのを圧力セン
サー（図示せず）で検知して、モータ３５に作動開始信
号を送るものである。しかし、モータ３５が回転を始め
て実際に患者に吸気が到達するまでの時間の遅れが大き
く、この間、患者の気道内圧は、図４のＭに示すように
陰圧になってしまう。このことは、患者にとって呼吸仕
事の負荷となり、呼吸仕事量を軽減する人工呼吸器の本
来の目的に反しているという問題があった。

【０００５】そこで、この解決策として定常流式の人工
呼吸器が知られている。図６は、従来の定常流式人工呼
吸器の構成を示す系統図である。図６に示す人工呼吸器
では、圧縮機１Ａから吐出され空気圧力調節器４０を経
た空気と、別置きの酸素供給源（図示せず）から供給さ
れ酸素圧力調節器４１を経た酸素とを酸素ブレンダ４２
で酸素濃度を調整し、吸気流量調節器４３で流量を調整
された定常流が、患者に吸気される。自然呼吸の場合、
患者からの呼気は呼気弁１０から排気される。吸気回路
には圧力計１３、吸気安全弁１４を設け、患者の気道に
及ぼす吸気圧の安全性を確保している。

【０００６】なお、呼気弁１０の開閉のため、吸気回路
から分岐した流路が設けられており、三方電磁弁１１
Ａ、ＰＥＥＰ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｅｘｐｒｉｒａｔｏ
ｒｙＥｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ：呼気終末陽圧）弁１２
Ａ、ＰＥＥＰ圧力調節弁４４が装備されている。

【０００７】この定常流式人工呼吸器では、呼気弁１０
を開放して患者が必要とする呼気流量を常時供給し、患
者に自由に呼吸させる。強制的に患者の肺を加圧する必
要のあるときには、その時間だけ呼気弁１０を閉鎖する
ものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、図４に
示したガス供給ポンプ方式では、装置の応答性が悪く、
吸気開始時、患者の気道内圧は陰圧になり、患者にとっ
て呼吸仕事の負荷となるという問題があった。一方、図
６に示す定常流式人工呼吸器では、酸素を付加する必要
のあるときに、例えば吸気流量３０ｌ（リットル）／ｍ
ｉｎ（分）、酸素濃度１００％のときには、常時３０ｌ
／ｍｉｎの酸素流量を必要とし、酸素の消費量が大きく
て、在宅等で使用する酸素濃縮器の５〜６ｌ／ｍｉｎの
酸素流量では使用できないという問題があった。

【０００９】また、図６に示したように、空気圧力調節
器４０、酸素圧力調節器４１、酸素ブレンダ４２、吸気
流量調節器４３等を必要として、小形、軽量、簡易型人
工呼吸器のニーズに反するという問題があった。

【００１０】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るために為されたもので、本発明の第一の目的は、初期
吸気流量の遅れをなくして患者の呼吸仕事量を軽減し、
酸素消費量が少なく、軽便な酸素濃縮器で酸素が付加で
きる定常流式の人工呼吸器を提供することにある。

【００１１】また、本発明の第二の目的は、従来のこの
種装置の如き複雑な機器構成を必要としない、小形で簡
素化された、三電源駆動可能の人工呼吸器を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記第一の目的を達成す
るために、本発明に係る人工呼吸器のもっとも基本的な
構成は、酸素と空気を取り入れ患者の吸気に空気酸素混
合ガスを供給する人工呼吸器において、圧縮機を備え、
この圧縮機に接続して患者に吸気ガスを供給する主流路
に、当該主流路から分岐し前記圧縮機の吸込側に至る分
岐流路を設け、患者の吸入しない余分な吸気ガスを前記
分岐流路へ放出させる制御手段を設けたものである。

【００１３】また、上記第一の目的を達成するために、
本発明に係る人工呼吸器のより具体的な構成は、酸素と
空気を取り入れ患者の吸気に空気酸素混合ガスを供給す
る吸気回路と、少なくとも呼気弁とを備えた人工呼吸器
において、圧縮機を備え、この圧縮機の吐出口に接続し
て患者にガスを供給する流路に、患者の気道内圧を一定
に保持するための圧力リリーフ弁と、呼吸時に患者の吸
入しない余分な吸気ガスを圧縮機へ戻すためのバイパス
弁とを設け、前記圧力リリーフ弁と前記バイパス弁との
下流側流路を合流して放出流路を形成し、この放出流路
と前記圧縮機の吸込口と外気取入口とが連通する流路を
構成するとともに、前記外気取入口に、酸素混合器を装
備した可変容量リザーバーを接続したものである。

【００１４】また、上記第二の目的を達成するために、
本発明に係る人工呼吸器の構成は、上記の人工呼吸器の
構成に加えて、圧縮機をスクロール圧縮機とし、モータ
の回転速度を変化させて所定の吸気ガス流量の定常流を
供給するように制御回路を構成したものである。

【００１５】

【作用】上記技術的手段による働きは次のとおりであ
る。一般に、患者が消費する酸素量は最大５〜６ｌ／ｍ
ｉｎなので、患者が吸気しないときに、従来呼気弁を通
過して外部に放出されていたガス流量を、新たに設けた
バイパス流路（放出流路）を介して圧縮機の吸込口に回
収して再循環するとともに、圧縮機吸込側に可変容量リ
ザーバーを設け、リザーバー内に酸素混合器から必要と
する濃度の混合ガスを備蓄して、患者の吸気したガス相
当量を供給する。これによって、酸素消費量を低減する
ことができる。

【００１６】また、上記新しい酸素供給方法とともに、
圧縮機（スクロール圧縮機）のモータの回転速度を変化
することにより、患者に供給する吸気流量を制御できる
ので、従来技術の空気圧力調節器、酸素圧力調節器、吸
気流量調節器を廃止し、酸素ブレンダーも極めて簡略な
ものと置き換えることができ、装置全体を簡略化するこ
とができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図３を
参照して説明する。図１は、本発明の一実施例に係る人
工呼吸器の系統図、図２は、本発明に適用するスクロー
ル圧縮機の縦断面図、図３は、図１の人工呼吸器におけ
る強制呼吸時のガス流れを示す系統図である。図１にお
いて、図６と同一符号のものは同等部分を示す。また、
図１，図３は、同一機器を同一符号で示している。

【００１８】まず、図１に示す人工呼吸器の機器構成を
説明する。図１において、１は、空気と酸素の混合ガス
を圧縮送風する機能を有する圧縮機で、本発明では、図
２により後述するオイルレスのスクロール圧縮機を適用
している。圧縮機１には、モータ制御基板２、ドライブ
基板３、マイクロコンピュータ等のＣＰＵ基板４、入力
処理基板５、設定入力スイッチ基板６を接続して制御回
路が構成されている。７は、患者の気道内圧を一定に保
持するための圧力リリーフ弁、８は、前記圧力リリーフ
弁７を作動させるパルスアクチュエータ、９は、自然呼
吸時に患者の吸入しない余分な吸気ガスを圧縮機へ戻す
ためのバイパス弁、１０は呼気弁、１１は三方電磁弁、
１２はＰＥＥＰ弁、１３は圧力計、１４は吸気安全弁で
ある。

【００１９】また、１５は、圧縮機１の吸込口側に設け
た外気取入口、１６は、必要とする濃度の混合ガスを備
蓄して、患者の吸気したガス相当量を供給するための可
変容量リザーバー（以下単にリザーバーという）、１７
は酸素混合器、１８は、別置きの酸素濃縮器または酸素
供給源（図示せず）から前記酸素混合器１７へ酸素を供
給する管路に備えた酸素流量計を示す。

【００２０】さらに、図１において、２０は、圧縮機１
の吐出口１ａから患者の気道へ至る吸気流路、２１は、
患者の気道から呼気弁１０へ至る呼気流路、２２は、前
記圧力リリーフ弁７と前記バイパス弁９との下流側流路
を合流した放出流路（分岐流路）で、この放出流路２２
は、外気取入口１５とともに圧縮機吸込流路２３に合流
する。２３は、圧縮機１の吸込口１ｂに接続する圧縮機
吸込流路、２４は、バイパス弁９および呼気弁１０の開
閉のための分岐流路で、この分岐流路２４は、吸気流路
２０から分岐し、三方電磁弁１１、ＰＥＥＰ弁１２、バ
イパス弁９および呼気弁１０に連通している。

【００２１】次に、本実施例に採用したスクロール圧縮
機の概要を図２を参照して説明する。近年、スクロール
圧縮機は、冷凍空調機器等の冷凍サイクルにおける冷媒
ガスの圧縮にひろく使用されている。しかし、人工呼吸
器における空気酸素混合ガス供給のごとく、気道内圧が
低く（Ｍａｘ．０．１ｋｇ／ｃｍ²程度）て流量の比較
的大きい（２０〜１００ｌ／ｍｉｎ程度）条件で、スク
ロール圧縮機を適用した例はない。本発明では、簡易型
の定常流式人工呼吸器のガス圧縮送風手段として、図２
に示す４０ｗ程度の小形軽量で、かつ無注油式のスクロ
ール圧縮機とその制御回路を採用した。

【００２２】図２に示すスクロール圧縮機は、モータ１
０１とポンプ部（圧縮機構部）１１０とが一体に結合さ
れているもので、モータ側のハウジング１０４と固定ス
クロール１１３とがねじ１１８で締結されている。図２
において、１１１は旋回スクロール、１１２は、旋回ス
クロールの端板（鏡板に相当）面に直立する渦巻状ラッ
プ、１１３は固定スクロール、１１４は、固定スクロー
ルの天板（鏡板に相当）面に直立する渦巻状ラップであ
る。これらラップ１１２，１１４はインボリュート曲線
で構成され、互いにラップ部が噛み合うよう組み合わせ
られている。１１５は、各ラップの先端部に設けたガス
漏れ防止用のパッキンである。

【００２３】１０２は、モータ１０１の駆動力を伝える
回転軸、１０２ａは、その偏心部（以下単に偏心軸とい
う）である。旋回スクロール１１１のボス部が前記偏心
軸１０２ａにベアリング１０３を介して回動可能に取付
けられている。１１６は中空円板状のスライドプレイ
ト、１１７は、スライドプレイト１１６の旋回スクロー
ル１１１側に一対設けたｘ軸スライドベアリングで、こ
れらは、図示しないｙ軸スライドベアリング（スライド
プレイト１１６のモータ１０１側に一対設けてある）と
ともに、偏心軸１０２ａの回転時に旋回スクロール１１
１の自転を抑制し、偏心寸法を半径とする円軌道上を公
転させ、固定スクロール１１３に対し旋回スクロール１
１１を旋回運動させる手段を構成するものである。

【００２４】上記構成のスクロール圧縮機は、モータ１
０１の駆動によって、固定スクロール１１３の一部に設
けた吸込口１ｂからガスがポンプ内部に吸入され、互い
に噛み合う旋回スクロールラップ１１２、固定スクロー
ルラップ１１４が形成する圧縮室１１９で順次圧縮され
て、固定スクロール１１３の天板中央部に開口した吐出
口１ａに導かれ、図１に示す吸気流路２０に送出され
る。

【００２５】次に、本実施例の人工呼吸器の作用を説明
する。酸素混合器１７に必要酸素濃度％を設定して、別
置きの、例えば在宅治療用の酸素濃縮器から前記酸素混
合器１７へ酸素を供給すると、前記酸素混合器１７はベ
ンチュリー効果により必要な外気を取り入れてリザーバ
ー１６が膨らみ、酸素と空気の混合ガスが前記リザーバ
ー１６に備蓄される。リザーバー１６が満杯になったと
き余分なガスは放出弁１９から外気に放出される。

【００２６】患者に必要な吸気流量、吸気圧力等を設定
入力スイッチ基板６に設定する。患者に必要な吸気流量
は、入力処理基板５を経てＣＰＵ基板４に入力され、Ｃ
ＰＵ基板４から指令電圧がドライブ基板３を経てモータ
制御基板２に伝送される。そこで、スクロール圧縮機１
（以下単に圧縮機という）は、設定された流量圧送に見
合う回転速度で運転を始め、上述のようにポンプ部１１
０内で圧縮されたガスは吸気ガス流として吸気流路２０
に送出される。このとき、モータ１０１に内蔵されたホ
ール素子（図示せず）の回転速度に応じたパルス信号を
モータ制御基板２にフィードバックして設定された吸気
流量相当の回転速度を保持し、吸気ガスの定常流を患者
に供給する。

【００２７】自然呼吸のときは、図１に示すように、分
岐流路２４にある三方電磁弁１１はＯＦＦであり、バイ
パス弁９および呼気弁１０は外気に開放されて開の状態
となる。すなわち、バイパス弁９および呼気弁１０の弁
体に係るバルーンが平らに萎んでいる。

【００２８】圧縮機１の吐出口１ａを出た吸気ガス流
は、バイパス弁９を通過して、バイパス弁９と圧力リリ
ーフ弁７との下流側流路を合流して形成される放出流路
２２を経て、圧縮機吸込流路２３から圧縮機１の吸込口
１ｂに吸入され循環する。患者が吸入すれば、抵抗なく
患者に吸気ガスが供給され、余分なガスは、バイパス弁
９を通過して圧縮機１に循環する。また、患者が吸入し
たガス相当量は、前記リザーバー１６から外気取入口１
５を経て補給される。

【００２９】強制呼吸のときには、設定された毎分の呼
吸回数の周期で設定された吸気時間、三方電磁弁１１は
ＯＮになる。例えば、呼吸回数が１５回／分とすると、
４秒間隔で三方電磁弁１１はＯＮ，ＯＦＦを繰り返すこ
とになる。また、吸気時間は、一般に、吸っている時間
を１とすると吐き出す時間は２の割合と言われるが、患
者によって決められるものである。

【００３０】さて、強制呼吸になったときの吸気ガスの
流れを図３に示す。三方電磁弁１１がＯＮになると、吸
気流路２０のガスの一部は分岐流路２４を経て呼気弁１
０およびバイパス弁９に至り、弁体に係るバルーンが膨
らみ呼気弁１０およびバイパス弁９を閉じる。圧力リリ
ーフ弁７は、設定された吸気圧力にばねで押される。圧
縮機１を出た吸気ガスは吸気流路２０を経て患者に達
し、患者の肺を膨らませて加圧する。気道内圧が上昇し
て設定圧力に到達すれば、圧力リリーフ弁７から余分な
ガスが該弁下流に放出され、放出流路２２を経て圧縮機
１の吸込口１ｂに循環するとともに、患者に流れたガス
相当量が外気取込口１５を経てリザーバー１６から補充
される。

【００３１】設定された吸気時間が終わり三方電磁弁１
１がＯＦＦになると、呼気弁１０およびバイパス弁９の
バルーンのガスをＰＥＥＰ弁１２から抜き、呼気弁１０
およびバイパス弁９が開放される。そこで、患者肺内の
ガスは肺の弾性により呼気弁１０から外部に排出され
る。圧縮機１を出たガスは図１に示すようにバイパス弁
９を通過し、放出流路２２を経て圧縮機１の吸込口１ｂ
に循環する。以下、上記吸気、排気を設定周期で繰り返
す。吸気流路２０には、圧力計１３、吸気安全弁１４が
具備されており、患者の気道に及ぼす吸気圧の安全性を
確保していることは言うまでもない。

【００３２】本実施例によれば、初期吸気流量の遅れを
なくして患者の呼吸仕事量を軽減し、酸素消費量が少な
く、在宅治療用等の軽便な酸素濃縮器で酸素が付加でき
る定常流式の人工呼吸器を提供することができる。ま
た、本実施例によれば、従来のこの種装置における空気
圧力調節器、酸素圧力調節器、酸素ブレンダ、吸気流量
調節器等の複雑な機器構成を必要としない、小形で簡素
化された、三電源（蓄電池、自動車電源、家庭電源）駆
動可能の人工呼吸器を提供することができる。

【００３３】なお、上記の動作は、気道内圧が設定圧力
で制限される従圧換気式を説明したが、本発明は上記に
限らず、、圧力に関係なく、肺に入れるガス容量を制限
する従量換気式の動作も可能である。また、特に図示し
ないが、上記実施例のバイパス弁９、圧力リリーフ弁
７、ＰＥＥＰ弁１２を圧力リリーフ弁に集約して、タイ
ムスケジュールに従って各動作をすることも可能であ
る。

【００３４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、初期吸気流量の遅れをなくして患者の呼吸仕事量
を軽減し、酸素消費量が少なく、軽便な酸素濃縮器で酸
素が付加できる定常流式の人工呼吸器を提供することが
できる。また、本発明によれば、従来のこの種装置の如
き複雑な機器構成を必要としない、小形で簡素化され
た、三電源駆動可能の人工呼吸器を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る人工呼吸器の系統図で
ある。

【図２】本発明に適用するスクロール圧縮機の縦断面図
である。

【図３】図１の人工呼吸器における強制呼吸時のガス流
れを示す系統図である。

【図４】従来のガス供給ポンプの構成を示す説明図であ
る。

【図５】吸気時の患者の気道内圧の変化を示す線図であ
る。

【図６】従来の定常流式人工呼吸器の構成を示す系統図
である。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…モータ制御基板、３…ドライブ基板、
４…ＣＰＵ基板、５…入力処理基板、６…設定入力スイ
ッチ基板、７…圧力リリーフ弁、９…バイパス弁、１０
…呼気弁、１１…三方電磁弁、１２…ＰＥＥＰ弁、１５
…外気取入口、１６…リザーバー、１７…酸素混合器、
１８…酸素流量計、２０…吸気流路、２２…放出流路。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年８月１０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】このガス供給ポンプ方式では、患者の吸気
開始により、呼吸回路内の圧力が低下するのを圧力セン
サー（図示せず）で検知して、モータ３５に作動開始信
号を送るものである。しかし、モータ３５が回転を始め
て実際に患者に吸気が到達するまでの時間の遅れが大き
く、この間、患者の気道内圧は、図５のＭに示すように
陰圧になってしまう。このことは、患者にとって呼吸仕
事の負荷となり、呼吸仕事量を軽減する人工呼吸器の本
来の目的に反しているという問題があった。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素と空気を取り入れ患者の吸気に空気
   酸素混合ガスを供給する人工呼吸器において、 圧縮機を備え、この圧縮機に接続して患者に吸気ガスを
   供給する主流路に、当該主流路から分岐し前記圧縮機の
   吸込側に至る分岐流路を設け、患者の吸入しない余分な
   吸気ガスを前記分岐流路へ放出させる制御手段を設けた
   ことを特徴とする人工呼吸器。
2. 【請求項２】 酸素と空気を取り入れ患者の吸気に空気
   酸素混合ガスを供給する吸気回路と、少なくとも呼気弁
   とを備えた人工呼吸器において、 圧縮機を備え、この圧縮機の吐出口に接続して患者にガ
   スを供給する流路に、患者の気道内圧を一定に保持する
   ための圧力リリーフ弁と、呼吸時に患者の吸入しない余
   分な吸気ガスを圧縮機へ戻すためのバイパス弁とを設
   け、 前記圧力リリーフ弁と前記バイパス弁との下流側流路を
   合流して放出流路を形成し、この放出流路と前記圧縮機
   の吸込口と外気取入口とが連通する流路を構成するとと
   もに、 前記外気取入口に、酸素混合器を装備した可変容量リザ
   ーバーを接続したことを特徴とする人工呼吸器。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のいずれかの人工
   呼吸器において、 前記圧縮機をスクロール圧縮機とし、モータの回転速度
   を変化させて所定の吸気ガス流量の定常流を供給するよ
   うに制御回路を構成したことを特徴とする人工呼吸器。