JPH0819613A - 気道陽圧式の呼吸補助装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 患者の自発呼吸の呼吸意欲を予測して、制御
遅れによる供給圧力の誤差を少なくした改善された呼吸
同調型の気道陽圧式呼吸補助装置を提供する。 【構成】 ガス流を発生するガス流発生手段と、ガス流
を気道に導く導管手段と、ガス流を導管手段へ供給し気
道に可変圧力で供給する圧力制御手段と、気道に供給す
るガス流の圧力目標値を発生する供給圧力目標値発生手
段と、導管内のガス流量を検出する流量検出手段と、導
管内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、検出した流
量値、圧力値から患者の呼吸意欲を予測し呼吸意欲の予
測値を算出する第一の演算手段と、気道に供給される圧
力が前記供給圧力目標値に漸近するような前記圧力制御
手段の操作量を前記供給圧力目標値と前記呼吸意欲予測
値から算出する第二の演算手段と、を備えたことを特徴
とする気道陽圧式の人工呼吸装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空気あるいは高濃度酸素
ガス等の圧力ガスを出力気道に供給する呼吸同調型の気
道陽圧式呼吸補助装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自発呼吸可能な患者に適用される呼吸補
助装置においては、十分な換気能力を有しかつ患者に不
快感やダメージを与えないことが求められる。この観点
から、患者の自発呼吸に同調して呼吸補助を行うことが
望ましい。吸気相における補助パターンとしては、従来
からの二相性陽圧(例えば特開平3-222963)に対して、比
例支援式人工呼吸方法(特願平3-297733)等が、患者の不
快感やダメージ低減の観点から提案されている。

【０００３】このように患者へ供給するガス流の圧力あ
るいは流量を、患者の吸気期間中にきめ細かく変化させ
る技術が必要とされている。これらを実現する方法とし
て、負フィードバック制御による方法(例えば特開平4-2
63867)が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法に
は次のような課題があった。すなわち一般的に、ガス流
発生手段、導管手段および圧力制御手段等を備えた人工
呼吸器は、圧力制御の観点からは遅れ系となる。比例支
援式人工呼吸方法を用いる場合には患者の呼吸困難感の
低減の観点からは約100msec以下の間隔で供給圧力を変
化させることが望ましいが、そのような速い制御は通常
の負フィードバック制御による方法では、実現が困難で
ある。

【０００５】そこでオープンループによる制御が考えら
れる。すなわち、印加したい圧力と圧力制御手段の関係
を、患者の呼吸状態に応じて定量的に把握しておき、速
い制御を実現する方法が考えられる。例えばTmsec後に
圧力Pを供給したい場合を考える。現在の患者の呼吸状
態にもとずいて圧力制御手段の操作量を決定すると、こ
の間の患者の呼吸進行に伴い呼吸状態が変化するので、
結果として圧力制御手段の操作量に過不足が生じる。従
って、Tmsec後に供給される圧力は誤差を含みP+△Pとな
る。

【０００６】これを、患者側から見れば、もっと吸気し
たいのに供給量が少ない、あるいは、もうそれほど吸気
したくないのに供給量が多すぎる、等患者に不快感やダ
メージを与えることになる。本発明は上記課題を解決す
ることにより、自発呼吸可能な患者に適用される呼吸補
助装置において、患者の呼吸意欲を予測して制御遅れに
起因する供給圧力の誤差の極めて少ない圧力補助を行う
ことにより、患者の不快感やダメージを低減して、高い
治療効果の得られる呼吸補助装置を得ることを目的とし
ている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、気道陽圧式の
人工呼吸装置において、呼吸用のガス流を発生するガス
流発生手段と、ガス流を気道に導く導管手段と、ガス流
を導管手段へ供給し気道に可変圧力で供給する圧力制御
手段と、気道に供給するガス流の圧力目標値を発生する
供給圧力目標値発生手段と、導管内のガス流量を連続的
に検出する流量検出手段と、導管内のガス圧力を連続的
に検出する圧力検出手段と、検出した流量値、圧力値か
ら患者の呼吸意欲、すなわち吸気意欲または／および呼
気意欲を予測し呼吸意欲の予測値を算出する第一の演算
手段と、気道に供給される圧力が前記供給圧力目標値に
漸近するような前記圧力制御手段の操作量を前記供給圧
力目標値と前記呼吸意欲予測値から算出する第二の演算
手段と、を備えたことを特徴としている。

【０００８】患者に供給されるガス流の流量、圧力は各
々流量検出手段、圧力検出手段により検出される。それ
らの検出の態様としては、例えば連続的すなわち、中断
されることがないものがあげられるが、患者の一呼吸サ
イクル中に十分なサンプル数で離散的に測定されたデー
タの列でもよい。

【０００９】第一の演算手段は、検出した流量値、圧力
値から患者の呼吸意欲を予測し呼吸意欲の予測値を算出
する。例えば、ある時刻での圧力値の平方根を流量値で
徐算した値を、その時刻における呼吸意欲値として定義
できる。この場合、その値が大きい程患者の呼気意欲が
大きく、その値が小さい程患者の吸気意欲が大きいと考
えられる。

【００１０】呼吸意欲値、または圧力値および流量値、
の過去の変動推移から未来のある時刻における呼吸意欲
値を予測することが可能である。最も単純には、過去の
変動推移を線形近似して得られる直線の外挿値として予
測値を定義できる。当然、より高次の関数を用いた非線
形近似の結果得られる曲線の外挿値として予測値を定義
することがより望ましい。

【００１１】第一の演算手段は例えば電子回路(アナロ
グ／デジタルを問わず)により容易に実現可能である。
また測定した流量値および圧力値を例えばA/Dコンバー
タを介して少なくともCPUとメモリを備えたコンピュー
タに入力し、予測値の算出やデータストレージを行えば
ソフトウエア的にも実現可能である。

【００１２】第二の演算手段は、気道に供給される圧力
が供給圧力目標値に漸近するような圧力制御手段の操作
量を供給圧力目標値と呼吸意欲予測値から算出する。こ
れは一例としては、次のようにして実現可能である。予
め、供給圧力と圧力制御手段の操作量の定量的な関係
を、呼吸意欲値をパラメータとして測定しておく。その
結果を適当な形のデータ群として記憶しておく。これに
よって、供給圧力目標値と呼吸意欲予測値から圧力制御
手段の操作量を算出できる。

【００１３】

【作用】Tmsec後に圧力Pを供給する場合、前記第一の演
算手段を用いてTmsec後の患者の呼吸状態を予測する。
その呼吸意欲値の予測値にもとずいて、圧力Pを印加す
るための圧力制御手段の操作量を前記第二の演算手段を
用いて算出する。これにより圧力制御手段の操作量の過
不足を少なくし、Tmsec後に供給される圧力の誤差を極
めて小さくすることができる。

【００１４】

【実施例】本発明の装置において、以下に具体的態様例
をあげてさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限
定されるものではない。図１は、本発明の一実施例によ
る呼吸補助装置の構成図である。また、図２は、本発明
の一実施例による呼吸補助装置の操作量と供給圧力値の
関係である。

【００１５】図中、1はガス流発生ユニットである可変
回転速度のファンであり回転速度は数千〜1万数千rpmの
間で所望のファン出力圧に調整される。2は導管手段で
ある内径約20mmの人工呼吸器用チューブ、3は電子回路
で構成された供給圧力目標値を電圧信号で出力する供給
圧力目標値発生ユニット、4は操作量を電圧信号で受け
て供給圧力を制御するステッピングモータとバタフライ
弁で構成された圧力制御ユニット、5は導管内のガス流
量を連続的に検出する流量検出手段である熱線流量計、
6は導管内のガス圧力を連続的に検出する圧力検出手段
である半導体圧力センサ、7はA/DコンバータとCPUとメ
モリを備えたコンピュータで構成され呼吸意欲の予測値
を電圧信号で出力する呼吸意欲予測値算出ユニット、8
は供給圧力とバタフライ弁の開度の関係を呼吸意欲値を
パラメータとして測定した結果のデータ群をメモリに記
憶し供給圧力目標値と呼吸意欲予測値からバタフライ弁
開度を算出し電圧信号で出力する操作量算出ユニット、
とで構成されている。

【００１６】ガス流発生ユニット1により発生させたガ
ス流は、導管手段2により、熱線流量計5、半導体圧力セ
ンサ6を経て、患者に供給される。前記ガス流の、流量Q
および圧力Pは各々熱線流量計5、半導体圧力センサ6に
よって測定される。呼吸意欲予測値算出ユニット7は、A
/Dコンバータを介して実測圧力値信号Cおよび実測流量
値信号Bを時間間隔Ts(例えば5msec)で離散的なデータ列
に変換し、圧力値の平方根を流量値で徐算して得られる
呼吸意欲値を離散的なデータ列としてストレージし、現
在値を含む過去の呼吸意欲値の変動推移を線形近似して
得られる直線を求め、その外挿値として指定時間:D秒
(例えば100msec)後の呼吸意欲の予測値信号Eを出力す
る。

【００１７】供給圧力目標値発生ユニット3は供給目標
圧力値信号Aを出力する。目標圧力値Ptは例えばK1、K
2、Cを定数として次のような式で与えられる。 Pt = K1・∫Q・dt + K2・Q (患者の吸気時) Pt = C (患者の呼気時)

【００１８】操作量算出ユニット8は、図2に示したバタ
フライ弁の開度である操作量と供給圧力値の関係を用い
て供給される圧力値を目標値に漸近させるための操作量
を算出する。すなわち、操作量算出ユニット8は、呼吸
意欲の予測値信号E(図2参照)および供給目標圧力値信号
Aを受け、それらの信号値をインデックスとしてメモリ
内容をテーブル参照することでバタフライ弁の開度であ
る操作量信号Fを出力する。具体的には次のようにして
操作量を決定する。図2において現在はバタフライ弁の
開度θ1でP=P1とする(現在の呼吸意欲値はE1であること
が判る)。100msec後にP=P2にしたい場合を考える。100m
sec後の患者の呼吸意欲の予測値をE2とすると、その呼
吸意欲値E2においてP=P2とするにはθ=θ2である必要が
あることが判る。

【００１９】操作量信号Fをステッピングモータ4bおよ
びコントローラに入力し、指定されたバルブ開度になる
ようにステッピングモータを回転させる操作を行い、バ
タフライ弁4aの回転位置を変化させ、圧力制御ユニット
4は患者への供給圧力を制御する。

【００２０】

【発明の効果】本発明は以上詳述したとおり、患者の呼
吸意欲を予測して制御遅れに起因する供給圧力の誤差の
極めて少ない圧力補助を行うことにより、患者の不快感
やダメージを低減して、高い治療効果の得られる人工呼
吸装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の呼吸補助装置の実施態様の模式的例
示。

【図２】本発明の呼吸補助装置の実施態様例における操
作量と供給圧力値の関係の例示

【符号の説明】

1 ガス流発生ユニット 2 導管 3 供給圧力目標値発生ユニット 4 圧力制御ユニット 4a バタフライ弁 4b ステッピングモータとコントローラ 5 流量検出ユニット 6 圧力検出ユニット 7 呼吸意欲予測値算出ユニット 8 操作量算出ユニット A 供給目標圧力値信号 B 実測流量値信号 C 実測圧力値信号 D 予測時間指定信号 E 呼吸意欲の予測値信号 F 操作量信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若生 治友 大阪府茨木市耳原３丁目４番１号 帝人株 式会社大阪研究センター内 (72)発明者 越久 仁敬 兵庫県西宮市霞町３番12号

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気道陽圧式の呼吸補助装置において、呼
   吸用のガス流を発生するガス流発生手段と、ガス流を気
   道に導く導管手段と、ガス流を導管手段へ供給し気道に
   可変圧力で供給する圧力制御手段と、気道に供給するガ
   ス流の圧力目標値を発生する供給圧力目標値発生手段
   と、導管内のガス流量を検出する流量検出手段と、導管
   内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、検出した流量
   値、圧力値から患者の呼吸意欲を予測し呼吸意欲の予測
   値を算出する第一の演算手段と、気道に供給される圧力
   が前記供給圧力目標値に漸近するような前記圧力制御手
   段の操作量を前記供給圧力目標値と前記呼吸意欲予測値
   から算出する第二の演算手段と、を備えたことを特徴と
   する気道陽圧式の呼吸補助装置。
2. 【請求項２】 前記第一の演算手段が、ある時刻におけ
   る呼吸意欲予測値として、その時刻に検出された圧力値
   の平方根を検出された流量値で徐算した値を用いるもの
   である請求項１記載の呼吸補助装置。
3. 【請求項３】 前記第一の演算手段が、呼吸意欲予測値
   の過去の変動推移を線形近似して得られる直線の外挿値
   として呼吸意欲予測値を算出するものである請求項１記
   載の呼吸補助装置。
4. 【請求項４】 前記第一の演算手段が、呼吸意欲値の過
   去の変動推移を、少なくとも2次以上の高次の関数を用
   いた非線形近似の結果得られる曲線の外挿値として予測
   値を算出するものである請求項１記載の呼吸補助装置。