JPH10196840A - シートと十分なシール性を持った係合ができるバルブ - Google Patents

シートと十分なシール性を持った係合ができるバルブ

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JPH10196840A
JPH10196840A JP9357650A JP35765097A JPH10196840A JP H10196840 A JPH10196840 A JP H10196840A JP 9357650 A JP9357650 A JP 9357650A JP 35765097 A JP35765097 A JP 35765097A JP H10196840 A JPH10196840 A JP H10196840A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 バルブシートとバルブ部材との整列が悪い場
合にも適切なシール性が得られるバルブを提供する。 【解決手段】 バルブは、バルブシートと、バルブシー
トに接合するバルブ部材と、バルブシートに対するバル
ブ部材の位置を変位する手段とを含み、バルブ部材とそ
の位置を変位する手段とは、ワイヤで接続されている。
ワイヤはたわみ性があるため、バルブシートの中とバル
ブ部材の中とが一致しなくても適切にシールされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は一般に医療用ベン
チレータの分野に関するものであり、特に人工呼吸の間
患者（人間はもちろん、人間を除く動物の患者も含む）
に与える気体の流れを制御するバルブに関するものであ
る。
【０００２】医療用ベンチレータは呼吸能力が損なわれ
ている患者に人工呼吸を提供するために開発されてき
た。典型的には、ベンチレータは気体の調圧源から患者
に呼吸を届ける。吸入の間の患者への流れは流れ制御バ
ルブにより統制される。流れ制御バルブが開くと、調圧
気体は患者の肺へ導入される。流れ制御バルブが閉じて
呼吸の吸入段階が終了した後で、患者の呼吸作用による
気体は放出バルブを介して大気中に発散され、このバル
ブは吸入が完了された後で開きさらに次の吸入段階が始
まる前に閉じる。
【０００３】これまでのベンチレータは、ベンチレータ
が患者の自然な呼吸パターンに与える援助の程度が変え
られ得るように、いくつかのモードで動作することが可
能であった。或る極端な例では、呼吸が届けられかつ各
呼吸の間その容積の気体が患者により受取られるときベ
ンチレータが完全な制御をして、ベンチレータは充分に
制御された換気を提供し得る。充分に制御されたモード
では、すべての流れのパラメータは患者の独自に必要に
従ってオペレータにより設定される。予め定められた流
れのパラメータは潮流量、すなわち各呼吸の間患者によ
り吸入される気体の量、１分あたりの呼吸回数である呼
吸速度、吸入の間に患者に届けられる気体の最大の流量
である最高流量、および流量の時間に対するグラフでの
曲線の形をした波形を含む。これらのパラメータのうち
最も重要なものは潮流量であり、その理由は、患者の体
格および年齢に従って潮流量はかなり変わり得るからで
ある。したがって、充分に制御された換気モードはしば
しば「量制御された」換気と呼ばれる。
【０００４】他の極端な例では、ベンチレータは患者に
よる「自然に起こる」呼吸を許容するようにプログラム
され得る。自然に起こる呼吸モードの間、呼吸速度、潮
流量、および他の流れのパラメータは予め定められな
い。各呼吸の吸入および呼息段階は患者による労力に応
答して始められる。「量制御される」モードと「自然に
起こる呼吸」のモードとの間には、様々な程度の、ベン
チレータにより援助された呼吸作用が利用できる。
【０００５】これまでのベンチレータに関連する問題の
１つは、量制御されたモードの間は予め定められた潮流
量がいつ届けられたか、したがって流れの制御バルブが
どの点で閉じられるべきかを決定するために吸入の間の
流れの量を正確に測定することが極めて困難である、と
いうことであった。米国特許番号第４，５２７，５５７
号に記載されたもののようなこれまでのベンチレータ
は、所望の流れのパラメータに関する入力を受信しかつ
流れ制御バルブの開閉を制御するためにこれら予め定め
られたパラメータを実際の流れの状態と比較する、マイ
クロコンピュータ・コントローラを利用している。
【０００６】特に、米国特許番号第４，５２７，５５７
号で開示されているベンチレータでは流量に関するコン
トローラへのフィードバックが流れ制御バルブの下流方
向に位置決めされる流れ変換器により生じられる、「閉
ループ」制御システムが利用されている。流れ変換器に
より測定されるような実際の流量はリアルタイムを基準
としてコントローラにより予め定められた流量と比較さ
れる。これら２個のバルブの間に不一致があるならば、
バルブはそれに従って開かれるかまたは閉じられる。各
呼吸の間、マイクロコンピュータ・コントローラは測定
された流量と増分的な時間間隔の長さの積を増分的に合
計することにより届けられる気体の合計量を計算する。
コントローラにより計算される量が予め定められた潮流
量に等しいとき、流れ制御バルブは閉じられる。
【０００７】このシステムはいくつかの欠点を有する
が、最も著しいのは流れ変換器の信頼性のなさである。
現在入手可能な流れ変換器は流れの状態の狭い範囲にわ
たってのみ正確な流れの測定を提供し得る、高価で壊れ
やすい機械である。さらに、実際の流量の変化と流れの
変化を修正または補償するこのシステムの能力との間に
遅延時間が現われる。その結果として、予め定められた
潮流量と届けられた実際の潮流量との間にかなりの差が
生じ得る。
【０００８】米国特許番号第４，５２７，５５７号に開
示されているもののようなこのシステムの閉ループサー
ボに関する別な問題は、この制御システムが複雑でシス
テムが安定するように設計することが困難である、とい
うことである。不安定なシステムでは、流れの制御バル
ブが開かれて所望の最高流量の点に達すると、バルブが
所望の流量を超えるにつれて流れは途切れ途切れで不規
則となり、さらにバルブが安定することができるまで流
量は変動する。
【０００９】このように、予め定められた潮流量の呼吸
を正確かつ首尾一貫して届け得る廉価なベンチレータの
必要が存在する。
【００１０】発明の概要 この発明は患者に人工呼吸を提供するベンチレータであ
る。吸入中の気体源から患者への気体の流れは流れ制御
バルブにより調整される。バルブの位置またはバルブを
介する実際の流量に関する制御手段へのフィードバック
を必要とせずに、開ループを基準としてバルブを制御す
るための手段がまた提供される。有利には、この開ルー
プ制御システムは流れ変換器の必要を取り除き、したが
ってベンチレータの価格を減じかつその信頼性を増す。
【００１１】好ましくは、流れ制御バルブの位置とバル
ブを介する流量との間に公知の関係が存在する。バルブ
の下流方向での圧力のわずかな変化がバルブを介する流
量に影響を与えないようにバルブを介する「チョークさ
れた」流れの領域を設けることによりこのことは部分的
に達成される。この結果として、呼吸が届けられる前に
制御手段はバルブの所要の位置と患者に所望の潮流量の
気体を届けるためにバルブが開いたままにされていなけ
ればならない時間の長さを決定し得る。
【００１２】好ましい実施例では、このベンチレータは
所望の潮流量を選択するための手段と可変な流量で患者
に呼吸を届けるための手段とを含む。患者に所望の潮流
量を届けるために必要とされる呼吸配達期間の長さを計
算するための手段がまた提供される。この発明の特徴は
呼吸配達期間が、呼吸の配達前に計算され、さらにその
後の呼吸を患者に配達することを制御する際に反復して
利用される、ということである。呼吸配達期間の長さは
リアルタイムを基準としては決定されないので、制御手
段は比較的簡単かつ廉価であり得る。さらに、呼吸配達
期間は後の呼吸に対し反復され、したがって同じ呼吸が
患者に配達されるように潮流量は一貫しかつ正確なまま
である。
【００１３】この発明の別な面は、バルブの閉じた位置
からの流量の最初の、非瞬間的な増加のせいで届けられ
ない気体の量、およびバルブが閉じるときの流量の非瞬
間的な減少のせいで届けられる気体の余分な量を補償す
るために呼吸配達期間の長さが調節される。好ましい実
施例では、流れ制御バルブはステッパモータにより駆動
され、さらに届けられない量の気体と余分な量の気体と
はバルブが開いた位置および閉じた位置へ駆動されると
きのステッパモータの上への傾斜および下への傾斜に起
因する。ステッパモータの傾斜を補償することにより、
届けられる実際の潮流量は予め定められた潮流量に対し
正確に相関関係にされ得る。
【００１４】このベンチレータは呼吸を届ける前に流れ
のプロファイルを発生するための手段をさらに含む。流
れのプロファイルは複数の実質的に同一の後の呼吸が患
者に届けられるパターンとして用いられる。流れのプロ
ファイルは予め定められた最高流量および予め定められ
た潮流量に基づいて発生される。再び、流れのプロファ
イルは反復して用いられるので、ベンチレータは一貫し
た潮流量の呼吸を届ける。
【００１５】好ましい一実施例では、流れのプロファイ
ルは流れ制御バルブを駆動するステッパモータにより実
行されるように一続きの段へと移される。ステッパモー
タの各段と結果として生じる流量の変化との間に公知の
関係が存在する。したがって、流れのプロファイルは、
患者に届けられる潮流量が精確に制御されることを可能
にするバルブにより正確に実行され得る。
【００１６】この流れ制御バルブはいくつかの付加的な
特有の特徴を有する。好ましくは球体であるバルブ部材
は、この球の半径方向の運動がバルブシートに球を適当
に確実に据え付けることを可能にする、撓み性のある直
線ワイヤに固定される。この特徴は各部材の不適当な整
列または摩滅にもかかわらず球とバルブシートとの間の
確実な、封止係合を可能にする。また、バルブを駆動す
るモータの軸は、誤動作の場合にバルブが自動的に閉じ
られるように、ばねにより偏倚される。これは出力の損
失の場合に高圧の空気が連続して患者の肺へ強制される
ことを妨げ、さもなければバルブは無期限に開いた位置
にあるままである。
【００１７】好ましい実施例の詳細な説明 第１図を参照すると、このベンチレータは一般に３０で
示されている。ベンチレータ３０は空気または酸素混合
物のような調圧気体を供給源３２から受取り、人工呼吸
を提供するように患者３４への気体の流れを制御する。
当業者には明らかとなるであろうように、概略図である
第１図は検査バルブ、安全バルブ、圧力計などのような
種々の普通に利用される要素を除去することにより簡略
化されている。
【００１８】第１図に例示されている構成要素およびそ
れらの動作の説明はベンチレータ３０を介する気体の流
れの経路に関する次の説明から理解されるであろう。気
体は最初気体流から液体と固体の双方を取り除くように
供給源３２から合着フィルタ３６を通過する。ろ過され
た後で、気体は調圧気体の一時的貯蔵のための剛性チャ
ンバであるアキュムレータ３８に入る。アキュムレータ
３８は、患者により吸入の間のような、最高需要の期間
中に気体が引出される貯蔵器として働く。空気調整器４
０はアキュムレータ３８の下流方向に位置決めされる。
調整器４０から流れる気体はおよそ２０ｐｓｉｇの一定
の圧力で維持され、それはここでは「システム圧力」と
呼ばれる。
【００１９】システム圧力の気体は、アキュムレータ３
８と同様に剛性の気体貯蔵チャンバである、脈流防止器
４１へ入る。しかしながら、脈流防止器４１の容積はア
キュムレータ３８の容積よりも少なく、脈流防止器４１
の気体はシステム圧力である。脈流防止器４１は調整器
４０の限られた応答時間のためである、調整器４０を介
する流量が迅速に変化している期間の圧力の変動を補償
する。このように、脈流防止器４１はシステム圧力を２
０ｐｓｉｇで一定に維持するように働く。
【００２０】脈流防止器４１は流れ制御バルブ４２へ気
体を送り、その構造は下で最後に検討される。流れ制御
バルブ４２は吸入中に患者３４へ届けられる気体の流量
を調整する。流れ制御バルブ４２は患者３４への気体の
種々の流量を許容するように、複数の位置をとり得る。
流れ制御バルブ４２の位置はマイクロコンピュータ・コ
ントローラ４４により制御される。電子信号４６はコン
トローラ４４により送られ、バルブ４２の開閉を引き起
こす。下でより詳細に検討されるように、コントローラ
４４は、バルブ４２の適当な位置がどこであるべきかを
決定するために、バルブ４２の下流方向の流れの状態に
関するフィードバックを利用しない。このように、バル
ブ４２は「開ループ」を基準にして制御される。
【００２１】示されてはいないが、患者３４は患者の肺
とベンチレータ３０との間に流体の伝達を確立する気管
内チューブが取付けられる。公知のように、気管内チュ
ーブは、患者の気管または喉笛に挿入され、肺へ入りか
つそこから出るすべての気体の流れが、流れ制御バルブ
４２と流体伝達をする気管内チューブを介して行なわれ
るように、気管で封止をする気球に取り囲まれる。
【００２２】放出バルブ４８は患者の肺と大気との間に
流体の伝達を確立するように設けられる。開いていると
き、放出バルブ４８は患者３４が気管内チューブを介し
大気中へ呼吸作用による気体を発散することにより息を
出すことを許容する。放出バルブ４８の開閉は、放出バ
ルブ４８へ電子信号５０を送って放出バルブ４８の位置
の変化をもたらす、コントローラ４４により統制され
る。コントローラ４４は近位圧力変換器５２からのフィ
ードバックに基づいて放出バルブ４８の適当な位置を決
定する。近位圧力変換器５２は、「近位」気体と呼ばれ
る、気管内チューブにより形成される封止のベンチレー
タ側の気体の圧力を測定する。コントローラ４４へのフ
ィードバックは近位圧力変換器５２からの入力信号５４
の形式であり、それは近位圧力の電気的アナログであ
る。
【００２３】ベンチレータ３０が充分に制御されたモー
ドで動作しており、患者３４が流れのパラメータを抑制
していないとき、流れ制御バルブ４２がコントローラ４
４により開くように信号を与えられると吸入が始まる。
流れ制御バルブ４２の開放は気管内チューブを介し気体
が患者の肺に入るようにする。放出バルブ４８は吸入の
間は閉じたままであり、そのため気管内チューブの気体
は大気中へ漏れ出さない。コントローラ４４からの指令
に基づいて流れ制御バルブ４２が閉じると、呼吸の吸入
段階は終結する。
【００２４】呼息段階は放出バルブ４８の開放により始
められ、そのタイミングはコントローラ４４により決定
される。放出バルブ４８が開くと、患者の肺の中の気体
は自動的に大気中に排出される。放出バルブ４８は患者
３４が息を吐き出し終わった後で閉じる。ベンチレータ
３０は、オペレータが近位気体の圧力レベルが各呼吸の
最後でいくらであるべきかを予め設定し得るように、正
の呼息最終圧（ＰＥＥＰ）特性を含む。呼息の間、コン
トローラ４４は実際の近位圧力を予め定められた圧力レ
ベル（ＰＥＥＰ）と比較し、さらに近位圧力が予め定め
られたレベルに達すると、コントローラ４４は信号５０
を送り、バルブ４８が閉じた位置へ近づくようにする。
次いでコントローラは、予め定められた圧力に等しい実
際の近位圧力を維持するように閉ループを基準にしてバ
ルブ４８の位置を「自動制御する」、または制御する。
放出バルブ４８が完全に閉じた後で、流れ制御バルブ４
２は呼息段階を終了しかつ次の吸入段階を開始するため
に開く。このサイクルは連続して反復され、人工呼吸を
確立する。
【００２５】ここで第２図へ移ると、流れ制御バルブ４
２がより詳細に示されている。アキュムレータ３８から
の気体はバブルハウジング５８のインレット流路５６を
介し流れ制御バルブ４２へ入る。気体は流れ制御バルブ
４２を離れ、ハウジング５８のアウトレット流路６０を
介し患者３４へ向かう。バルブシート６２はインレット
５６とアウトレット６０との間に位置決めされる。開口
６４はバルブシート６２を介して延在し、気体がインレ
ット５６からアウトレット６０へ流れることを許容す
る。開口６４はインレット５６の側に収斂する円錐台状
のノズル部分６６と、さらにアウトレット６０の側に末
広がりの円錐台状のノズル部分６８とを有する。
【００２６】球状のバルブ部材または球７２はバルブシ
ート６２の末広がりの部分６８の内に載せられる。バル
ブ４２は閉じた位置にあるように示されており、球７２
の外側の表面は開口６４を介する流れを妨げるようにバ
ルブシート６２と封止係合している。バルブ４２の種々
の位置、およびバルブ４２を介する種々の流量はバルブ
シート６２に関連する球７２の変位により引き起こされ
る。これはそこを介して気体の流れが許容される開口６
４の面積を、したがってバルブ４２を介する流量を変え
る。そこを介して気体が流れる開口面積と球７２の変位
との間には実質的に直線関係が存在する。
【００２７】バルブ４２の位置はステッパモータ７４に
より変えられる。ステッパモータ７４はコントローラ４
４からステッパモータの軸７６の回転を引き起こす電子
信号４６を受信する。軸７６の端部にカム７８が装設さ
れる。カム７８は軸方向に面するカム表面８０を含む。
カムフォロワまたはローラ８２はばね８４により変位さ
れてカム表面８０と係合する。したがって、軸７６とカ
ム７８との回転はローラ８２がカム表面８０の傾斜度に
従うと、ローラ８２の変位を引き起こす。
【００２８】ローラ８２の変位は長手の円筒状の心棒８
６により球７２へ移される。心棒８６は運動の直線軸に
沿ってバルブシート６２へ向かう方向かまたはそれから
離れる方向のいずれかへ摺動可能である。ローラ８２は
心棒８６の一方の端部で回転可能に装設される。心棒８
６の他方の端部で、球７２が長手の撓み性のあるワイヤ
８８により心棒８６に固定され、それは好ましくはステ
ンレス鋼から形成されかつ直径がおよそ１／３５，００
０インチである。
【００２９】ワイヤ８８の縦方向の軸は実質的にワイヤ
８８および心棒８６の運動の直線軸に平行である。ワイ
ヤ８８の撓み性はワイヤ８８が運動の軸から外れること
を許容し、球７２の半径方向の変位をもたらす結果とな
る。バルブ４２の動作の間、球７２およびバルブシート
６２はしばしば不適当な整列状態となり、またはいずれ
かの要素の摩滅のせいで、球７２の半径方向の位置は球
７２とバルブシート６２との間に硬い封止係合をもたら
すために変えられなければならない。有利には、ワイヤ
８８は球７２の半径方向の位置の調節がそのような不適
当な整列または摩滅を補償することを自動的に許容す
る。
【００３０】バルブボディ６２はバルブシート６２と取
巻くハウジング５８との間に封止を形成する１対の弾性
のＯリング９０に囲まれている。心棒８６がバルブ４２
の閉じた位置を越えて行き過ぎた場合に球７２およびシ
ート６２への損傷を妨げるために、Ｏリング９０の圧縮
がバルブシート６２の運動を許容する。
【００３１】薄いメタリック片から形成される巻回状に
されたばね９４がステッパモータの軸７６を取り囲む。
ばね９４はバルブ４２が閉じるようにする方向へ回転す
るように軸７６を偏倚する。正常な動作の間、ばね９４
がバルブ４２の位置に影響を与えないようにするため
に、ステッパモータ７４はばね９４により生じられる偏
倚のトルクを克服する。しかしながら、出力が低下した
場合、ばね９４は自動的にバルブ４２を閉じた位置へ偏
倚する。これはそのような緊急の場合にシステム圧力の
気体の流れが患者の肺へ絶えず強制されることを妨げ
る。図面には示されていないけれども、流れ制御バルブ
４２が偏倚されて閉じた後で患者が周囲の空気を呼吸す
ることが可能になるように、ベンチレータ３０は安全バ
ルブを含んでいる。
【００３２】流れ制御バルブ４２の構造は、バルブ４２
の上流の安定した圧力状態およびバルブシート６２内に
確立される流れ状態のために、球７２の位置とバルブ４
２を介する気体の流量との間に公知の関係が存在する。
ステッパモータ７４の各段は球７２の一定量の変位を引
き起こし、それは順に流量の公知の変化に対し相関関係
にされる。この関係はベンチレータ３０の動作中バルブ
４２のすべての流れの状態に対し存在する。
【００３３】バルブ４２を介する流れがそのように予測
可能である主な理由は、バルブシート６２内に「ソニッ
ク」フローまたは「チョークド」フローの領域が確立さ
れるからである。公知のように、チョークドフローは開
口の上流の絶対圧力り関連するノズルまたは開口の下流
の絶対圧力の比が０．５２８またはそれより小さいとき
に起こる。チョークドフロー状態の重要性は、比率０．
５２８を超えるようにはしない開口の下流の圧力の変動
は開口を介する流量を変えない、ということである。し
たがって、下流または上流の圧力が比率０．５２８また
はそれより低く維持されるならば、開口面積の変化は下
流の流れの状態とは無関係に、流量の結果として生じる
変化に対し正確に相関関係にされ得る。
【００３４】このベンチレータ３０では、開口６４の上
流の圧力は定数２０ｐｓｉｇまたはおよそ３４．７ｐｓ
ｉａで維持される。各呼吸の吸入段階の間、患者３４へ
の流量が供給源３２からアキュムレータ３８への気体の
流量を超え得るように、呼息の間十分な気体がアキュム
レータ３８にストアされる。脈流防止器４１はバルブ４
２の上流の圧力を定数２０ｐｓｉｇに維持するように、
調整器４０と流れ制御バルブ４２との間の緩衝器として
働く。流れ制御バルブ４２は、一定のシステム圧力を維
持するために順に調整器４０が迅速に応答するように強
いる、気体の流量の非常に速い変化を引き起こすことが
できる。これら瞬間的な流れの状態の間、調整器４０の
限られた応答時間のために圧力の変動が起こる。脈流防
止器４１は少量の気体をストアし、これら圧力変動を最
小にする。
【００３５】開口６４の下流で、圧力は患者の通気路を
介する流れに対する抵抗および患者の肺の弾性すなわち
「コンプライアンス」の関数である。肺のコンプライア
ンスが小さいほど、所与の量の気体で充満したときの肺
にそれだけ多くの圧力が発生される。コンプライアンス
の極めて小さい肺を有する成人で、正常な換気の間に肺
の内部で確立するのが望ましい最大の背圧は約２ｐｓｉ
ｇであることがわかっている。したがって、開口６４の
下流の圧力は常におよそ１６．７ｐｓｉａかまたはそれ
よりも小さい。絶対圧力の最大比は１６．７ｐｓｉａ／
３４．７ｐｓｉａすなわち約０．４８であり、それはチ
ョークドフローを維持するのに必要とされる最大比率
０．５２８よりも小さい。
【００３６】動作状態中のバルブ４２の内部でのチョー
クドフローの確立、バルブ４２の上流での公知のかつ一
定の圧力レベル、および球７２の変位と開口６４の面積
との間に存在する直線関係のせいで、バルブ４２のすべ
ての位置に対する流量がわかる。バルブ４２はステッパ
モータ７４によりディスクリートな増分的な段で動かさ
れるので、ステッパモータ７４の各段に対する流量の変
化の間の関係がわかる。下でより詳細に検討されるよう
に、コントローラ４４はバルブ４２の位置を追跡し続け
得るので、バルブの位置と流量の間の公知の関係のせい
で流量はコントローラ４４にわかる。結果として、コン
トローラ４４は開ループを基準としてバルブ４２を制御
し得る。
【００３７】動作 或る動作のモードでは、ベンチレータ３０は患者の呼吸
を完全に制御する。ひどく無能力であるかまたは意識の
ない患者に対し普通用いられるこのモードでは、患者の
呼吸の速度、１呼吸あたりの空気の量（潮流量）、およ
び空気が届けられる流量はすべてベンチレータ３０によ
り制御される。
【００３８】ベンチレータ３０は、オペレータが患者３
４に提供されるこの完全に制御されたベンチレータの所
望の特性を選択することを可能にする、多数のスイッチ
（示されていない）を含む。これらの特性は最高流量、
潮流量、および呼吸の速度を含む。呼吸の速度は１分あ
たりの所望の回数の呼吸である。潮流量は各呼吸の間に
患者に届けられる気体の合計量である。最高流量は各呼
吸が届けられる気体の最大の流量である。
【００３９】オペレータはまた呼吸のプロファイルを選
択し得る。呼吸のプロファイルは時間に対する患者に届
けられる所望流量と規定される。矩形の呼吸プロファイ
ル１０および先錐の呼吸プロファイル１２がそれぞれ第
３Ａ図および第３Ｂ図に例示されている。矩形の呼吸プ
ロファイル１０については、所望の流れは時間ｔi で瞬
間的に零から最高流量へ増加し、時間ｔf で瞬間的に最
高流量から零へ減少する。先錐の呼吸プロファイル１２
に関しては、所望の流れは時間ｔi で瞬間的に最高流量
へ増加し、時間ｔf で直線に沿って最高流量の２分の１
へ徐々に減少し、その時点で流れは瞬間的に零へ減少す
る。
【００４０】ベンチレータは流量を零から最高流量へ、
およびその逆へ瞬間的に変えることができないので、ベ
ンチレータはこれら呼吸のプロファイル１０、１２に厳
密に従って呼吸を届けることができない。しかしなが
ら、ベンチレータは理想化された呼吸プロファイル１
０、１２に近い流れのプロファイルを届ける。流れのプ
ロファイルは時間に対する患者へ届けられる実際の流量
と規定される。第４図、第５図、および第６図は多数の
流れのプロファイル１４、１６、１８を例示している。
第４図および第６図では、例示された流れのプロファイ
ル１４、１８は矩形の呼吸プロファイルを有する呼吸に
対応し、一方で第５図の流れのプロファイル１６は先錐
の呼吸プロファイルを有する呼吸に対応する。流れのプ
ロファイル１４、１６、１８はかなり簡略化されてお
り、ベンチレータの動作の説明を明確にするためにその
ような簡略化された形式で提示されている。
【００４１】換気特性がオペレータにより選択された後
で、しかも患者３４に対し換気を行なう前に、ベンチレ
ータ３０は選択された特性に基づいて複数の呼吸の流れ
のプロファイルがどのようなものであるかを決定し、さ
らに流れのプロファイルを利用して患者３４に対する換
気の配達を制御する。
【００４２】この流れのプロファイルを決定する際に、
コントローラ４４は最初に、オペレータにより選択され
る最高流量に最も近接して対応するディスクリートな流
量を提供するためにステッパモータ７４が変位されなけ
ればならない段の数を決定する。上で検討されたよう
に、ベンチレータの流れ制御バルブ４２は多くのディス
クリートな流量を届けることができる。結果として、オ
ペレータにより選択された流量は流れ制御バルブ４２に
より提供可能なディスクリートな流量のうちの１つに厳
密には等しくなり得ないけれども、流れ制御バルブ４２
が多くのディスクリートな流量を届けることができるの
でいずれの差も僅少となるであろう。
【００４３】選択された最高流量に最も近接して対応す
るディスクリートな流量を提供するために必要とされる
段の数は次の等式に従って決定される。
【００４４】
【数１】
【００４５】ここではＦＬＯＷＲＡＴＥは選択された最
高流量であり、ＶＡＬＶＲＡＴＥは１段あたりのバルブ
４２を介する気体の増分的な流れを表わす定数であり、
ＩＮＴＥＧＥＲはオペランドのいずれかの端数も打切
る、打切り関数であり、ＣＯＮＳＴＡＮＴはバルブの閉
じた位置に近い流れ制御バルブの非直線部分を補償する
のに必要な予め定められた数の段を表わし、さらにＳＴ
ＥＰＳは選択された最高流量に最も近接するディスクリ
ートな流量に対応する段の所要の数である。
【００４６】ＩＮＴＥＧＥＲ関数は、ステッパモータ７
４が整数の段の間のみで転位され得るので、利用され
る。ＩＮＴＥＧＥＲ関数により打切る前にＦＬＯＷＲＡ
ＴＥ／ＶＡＬＶＲＡＴＥの値に付加される０．５は、Ｉ
ＮＴＥＧＥＲ関数が丸める代わりに打切って最も近い整
数にするという事実を補償する。
【００４７】ここで説明される実施例で利用される特定
の流れ制御バルブ４２では、ＶＡＬＶＲＡＴＥは１段あ
たり１分につき１．０００リットルであり、ＣＯＮＳＴ
ＡＮＴは３である。異なる流れ制御バルブが用いられる
と、ＶＡＬＶＲＡＴＥおよびＣＯＮＳＴＡＮＴは異なる
値をとり得る。
【００４８】等式（１）は流れ制御バルブ４２を介する
気体の実際の流れと段の数との間の関係が直線であるこ
とを仮定している。直線流れ制御バルブは等しい、流れ
の付加的な増分を届けるものであり、すなわち、バルブ
の各さらなる増分的な開放が同量の付加的な流れを届け
る。流れ制御バルブが非直線であり得るとしても、その
ようなバルブは各増分的な開放で正確なまたは公知の量
の流れをなお届け得る。そのような非直線バルブはこの
実施例と関連して利用され得る。
【００４９】非直線バルブが用いられるならば、等式
（１）を利用する代わりに、選択された最高流量に最も
近接するディスクリートな流量に対応する段の数を得る
ためにソフトウェアのルックアップ・テーブルが与えら
れる。そのようなソフトウェアのルックアップ・テーブ
ルは、選択された最高流量に最も近接して対応する実際
の流量が段の対応する数とともにそのテーブルから検索
され得るように、流れ制御バルブの各増分的な開放で届
けられる実際の流量を含む。
【００５０】最も近接したディスクリートな流れを提供
するために必要な段の数を決定した後で実際の流量が決
定され、そのため患者３４に届けられる実際の潮流量は
オペレータにより選択された潮流量に等しいようにされ
得る。
【００５１】等式（１）に従って決定された段の数から
実際の流れを計算するために、流れが段の数に関して直
線である次の等式が用いられる。
【００５２】
【数２】
【００５３】ここではＳＴＥＰＳは所望の最高の流れに
最も近い実際のディスクリートな流れを生じるであろ
う、等式（１）で計算された段の数であり、ＣＯＮＳＴ
ＡＮＴは流れ制御バルブの非直線部分を補償するために
用いられる数であり、ＶＡＬＶＲＡＴＥは１段あたりの
バルブ４２を介する増分的な流れを表わす定数であり、
さらにＦＬＯＷは届けられる実際の流れである。
【００５４】流れ制御バルブ４２により提供される流量
が段の数に関して直線でないならば、上で説明されたソ
フトウェアのルックアップ・テーブルは段の数から実際
の流れを与えるために利用され得る。この場合、ディス
クリートな実際の流量の各々と選択された最高流量を比
較して、最も近接した実際の流量に対応する段の数を検
索するだけである代わりに、実際の流量が同様に検索さ
れる。
【００５５】段の数および対応する実際の最高流量が決
定された後で、コントローラ４４は呼吸が患者３４に届
けられる時間の長さを決定する呼吸配達期間を決定す
る。
【００５６】一般に、呼吸配達期間は、一回の呼吸の期
間がどれぐらいの長さであるべきかを決定するために利
用される任意の時間、と大雑把に規定される。呼吸配達
期間が大雑把に規定される一方で、説明された実施例の
ベンチレータ３０の説明を助けるために特定の一規定が
下で明らかにされる。
【００５７】ベンチレータ３０の重要な特徴は実質的に
はオペレータにより予め選択された潮流量に等しい実際
の潮流量を患者３４へ届けることに向けられている。そ
のような正確な実際の潮流量を届けることは呼吸配達期
間の大きさを調節することにより達成される。
【００５８】オペレータにより選択された潮流量を届け
るのに必要な呼吸配達期間を決定する１つの簡単な方法
は、等式（１）に従って決定される実際の最高流量で予
め定められた潮流量を除算することであろう。この簡単
な方法は流量が呼吸の初めで瞬間的に最高流量へ増加さ
れ、呼吸の終りで瞬間的に減少されることを仮定してい
る。しかしながら、流れ制御バルブ４２は瞬間的に開か
れ得ないので、呼吸の最初の部分の間に届けられる実際
の量は理想とされる方法により予期される量よりも幾分
少ない。この容積の差は未配達量と呼ばれ、呼吸の最初
の部分間の流量の増加の間に損失されるものであろう。
また、流れ制御バルブ４２は呼吸の最後で瞬間的に閉じ
られないので、この簡単な方法によっては考慮に入れら
れない、届けられた余分な量が存在する。第４図では、
損失される未配達量は点線により境界を限られる区域２
０に対応し、届けられる余分な量は点線により境界を限
られる区域２２に対応する。流れ制御バルブ４２は同一
速度で開閉され得ないので、損失された未配達量は届け
られた余分の量に等しくなり得ず、そのため届けられた
実際の量は予め選択された潮流量と等しくならないであ
ろう。この容積の誤差を説明するために、コントローラ
４４は、届けられる実際の量が予め選択された潮流量に
実質的に等しくなるように、呼吸配達期間を調節する。
【００５９】次の検討をするために、呼吸配達期間は、
流量が迅速に増加する呼吸の最初の部分と呼吸の最後の
部分の間の流れの迅速な減少のちょうど前の、呼吸の中
間部分とを含むが、呼吸のこの最後の部分は除外する、
と規定される。したがって、第４図および第５図では、
呼吸配達期間は時間ｔi で始まり、時間ｔq で終わる。
呼吸配達期間はベンチレータの動作を説明するためだけ
にこの態様で厳密に規定される。
【００６０】呼吸配達期間は次の等式に従って決定され
る。
【００６１】
【数３】
【００６２】ここではＶX はバルブが開いている間に損
失される未配達の量であり、ＶY はバルブの閉じている
間に届けられる余分の量であり、ＶＯＬＵＭＥは選択さ
れた潮流量であり、ＦＬＯＷは予め選択された流量に最
も近接した実際の流量であり、さらにＢＤＰは呼吸配達
期間である。
【００６３】したがって、等式（３）からわかるよう
に、損失される未配達量ＶX が届けられる余分の量ＶY
よりも多ければ、呼吸配達期間はこの差を説明するため
に増加される。損失される未配達量ＶX が届けられる余
分の量ＶY より少ないならば、呼吸配達期間はこの差を
調節するために短縮される。たまたま、届けられる余分
の量が損失される未配達量に厳密に等しければ、呼吸配
達期間は変えられない。このように、この態様での呼吸
配達期間の調節は、届けられる実際の量が実質的に予め
選択された潮流量に等しくなることを確実にする。
【００６４】ソフトウェアのルックアップ・テーブルに
ストアされる、損失される未配達量および届けられる余
分の量は時間と流れの積の合計と算定され得て、時間と
流れの積は流れ制御バルブの増分的な開放のうちの１つ
で届けられる実際の流れとその増分的な開放に対しバル
ブが開けられる時間の長さとの積と算定される量として
規定される。特に、損失される未配達量は次の等式に従
って決定される。
【００６５】
【数４】
【００６６】ここではＦＬＯＷは実際の最高の流れであ
り、Ａn はそのｎ番目の増分的な位置で流れ制御バルブ
により届けられる実際の流れであり、ｔn は流れ制御バ
ルブがｎ番目の位置にある時間の量であり、さらにＶX
は損失される未配達量である。
【００６７】流れ制御バルブ４２の閉鎖中に届けられる
余分の量は次の等式に従って決定される。
【００６８】
【数５】
【００６９】ここではＡn はそのｎ番目の増分的な位置
で流れ制御バルブにより届けられる実際の流れであり、
ｔn は流れ制御バルブ４２がｎ番目の位置にある時間の
量であり、さらにＶY は呼吸の最後の部分の間で流れ制
御バルブ４２が閉じている間に届けられる余分の量であ
る。
【００７０】複数個の、時間と流れの積の合計として、
届けられる余分の量と損失される未配達量とを計算する
代わりに、これら量はまた容積を直接測定することによ
り実験的に決定され得る。どのようにしてそれらが決定
されるかということと無関係に、これら量は流れ制御バ
ルブの各実際の最高の流れの位置に対する合計の累積的
な、損失される未配達量および届けられる余分の量を提
供する、ソフトウェアのルックアップ・テーブルにスト
アされる。
【００７１】コントローラ４４はまた流れ制御バルブの
ステッパモータに対する従来の上への傾斜のプロファイ
ルおよび下への傾斜のプロファイルを含む。ステッパモ
ータ７４に対する上への傾斜のプロファイルはモータ７
４が加速する速度を決定し、さらに下への傾斜のプロフ
ァイルはモータが減速する速度を決定する。傾斜のプロ
ファイルの各々は、本質的にステッパモータが出力を与
えられる速度を統制する連続する時間の遅延を含む。７
個の異なる組の上への傾斜のプロファイルおよび下への
傾斜のプロファイルが提供される。７個の組のうち１個
が選択されて、（１）流れ制御バルブ４２が動かされて
開閉される方向、および（２）ステッパモータ７４が流
れ制御バルブ４２をその所望の位置へ動かすために変位
されなければならない段の数に依従して、ステッパモー
タ７４を駆動する。異なる傾斜のプロファイルの組は方
向に基づいて与えられるが、その理由は流れ制御バルブ
４２が上で説明されたようにばねにより偏倚されて閉じ
られ、それがステッパモータ７４が加速および減速され
得る速度に影響を及ぼすからである。したがって、バル
ブ４２が開けられているならば、ステッパモータ７４は
ばね８４の力を克服しなければならないので、よりゆっ
くりと加速されねばならず、一方バルブが閉じられてい
るならば、ステッパモータ７４はより迅速に加速され得
る。異なる傾斜のプロファイルの組はステッパモータ７
４の移動時間を最小にするために段の数に基づいて与え
られる。たとえば、所望のバルブの位置が現在のバルブ
の位置から１００段離れているならば、特定の傾斜のプ
ロファイルの組が利用される。所望のバルブの位置がわ
ずか２０段しか離れていなければ、異なる傾斜のプロフ
ァイルの組が利用される。傾斜のプロファイルは従来の
公知の態様で与えられ、上で説明されたような方向およ
び距離に加えて、傾斜のプロファイルに含まれる特定の
時間の遅延が、使用されるステッパモータ７４およびス
テッパモータ７４と流れ制御バルブ４２との間の結合の
質量および摩擦に依存する。全部で合計１４個の傾斜の
プロファイルを含む傾斜のプロファイルの７個の組がＡ
ｐｐｅｎｄｉｘ Ａでリスト化されている。
【００７２】ベンチレータは患者に複数の呼吸の各々を
届けるために、選択された最高流量に最も近接するディ
スクリートな流量を届けるのに必要とされる、ステッパ
モータの傾斜のプロファイル、呼吸配達期間、および段
の数を利用する。各呼吸は同じ予め定められた傾斜のプ
ロファイル、呼吸配達期間、および段の数に基づいてい
るので、各呼吸は実質的に同一の流れのプロファイルを
有する。さらに、各呼吸の潮流量は、呼吸配達期間が調
節されて流量の可変性を保証するので、予め定められた
潮流量に実質的に同一である。
【００７３】ここで第４図を参照すると、矩形のプロフ
ァイルで呼吸を届ける際には、ベンチレータは上への傾
斜のプロファイルと下への傾斜のプロファイルとからな
る特定の傾斜のプロファイルの組を選択する。継いで、
ベンチレータは選択された上への傾斜のプロファイルに
従ってステッパモータ７４を加速し、時間ｔi で流れを
届け始める。ステッパモータ７４は選択された下への傾
斜のプロファイルに従って減速され、遂にはステッパモ
ータ７４は時間ｔp で選択された最高の流れに最も近接
するディスクリートな流れに対応する、等式（１）で予
め定められた段に達する。ステッパモータ７４が傾斜の
プロファイルに従って段きざみされて時間ｔf で流れ制
御バルブが完全に閉じられるまでそれを徐々に閉じてい
く後の時間ｔq まで、流れは実質的に一定のままであ
る。より具体的に言うと、時間ｔqでステッパモータ７
４は選択された上への傾斜のプロファイルに従って加速
され、方向が異なるのでそれは時間ｔi でバルブ４２を
開くために用いられるプロファイルとは異なる。ステッ
パモータ７４は次いで選択された下への傾斜のプロファ
イルに従って減速されるが、これもまたバルブの向きが
変わっているのでバルブ４２が時間ｔf で完全に閉じる
までは異なっている。
【００７４】所望されるときには、ベンチレータ３０は
また先錐の呼吸のプロファイルを有する呼吸を届ける。
ここで第５図を参照すると、このプロファイルを有する
呼吸は、流れを零から最高流量へ迅速に増加し、最高流
量を最高流量の２分の１に徐々に減少し、次に呼吸の最
後の部分の間に流量を零に戻るように迅速に減じること
により届けられる。第５図に示される流れのプロファイ
ル１６は第３Ｂ図の先錐の呼吸のプロファイル１２の区
分的線形近似である。
【００７５】先錐のプロファイルを有する複数の呼吸の
配達は矩形のプロファイルを有する複数の呼吸を届ける
のに必要とされる段以外にいくつかの付加的な予備的な
段を必要とする。第１に呼吸配達期間が先錐のプロファ
イルのために調節されなければならない。特に、ベンチ
レータが上で説明されたような選択された最高の流れに
最も近接するディスクリートな流れおよび呼吸配達期間
を与えるのに必要な段の数を決定した後で、呼吸が先錐
のプロファイルを有するべきならば、コントローラ４４
は呼吸の最初での最高流量を呼吸の最後で最高流量の２
分の１へ徐々に減じるように調節をするために、３分の
１だけ呼吸配達期間を増加する。ここで第３Ｂ図を参照
すると、先錐のプロファイルを有する呼吸で届けられる
潮流量は同じ期間を有する矩形のプロファイルを有する
呼吸の潮流量よりも点線の区域２４に等しい面積だけ少
ない。この点線の区域２４は呼吸のプロファイル１２の
下部の区域２６の３分の１に等しい。したがって、先錐
のプロファイル１２を提供し、しかも同じ潮流量を届け
るために、呼吸配達期間は先錐のプロファイルを有する
呼吸に対し３分の１だけ増加される。呼吸配達期間を増
加するのに加えて、コントローラ４４は先錐のプロファ
イルを有する呼吸を届けるためにいくつかの他の段を実
施する。コントローラ４４は等式（１）で決定されたＳ
ＴＥＰＳの値を２で除算することにより最高流量の２分
の１を届けるのに必要とされる段の数を決定する。
【００７６】呼吸の中間部分の間に流量が最高流量から
最高流量の２分の１へ徐々に減少する間に、コントロー
ラ４４は予め定められた時間間隔が経過するごとに１段
だけ流れ制御バルブ４２を閉じる。したがって、流れを
最高流量から最高流量の２分の１へ徐々に減じるのに必
要とされる時間間隔の数は同じことを達成するのに必要
とされる段の数に等しい。
【００７７】各時間間隔は等しい持続期間を有し、これ
は流れ制御バルブ４２をその最高流量の位置から最高流
量の２分の１の位置へ動かすのに必要とされる段の数で
先錐のプロファイルのための増加された呼吸配達期間を
除算することにより決定される。時間間隔の持続期間が
計算された後で、ベンチレータ３０は先錐のプロファイ
ルを有する呼吸を届け得る。
【００７８】ここで第５図を参照すると、流れのプロフ
ァイル１６は最初の時間ｔi での流量を後の時間ｔp で
の最高流量へ迅速に増加し、呼吸の中間部分の間の流量
を時間ｔq で最高流量の２分の１へ徐々に減じてゆき、
次に時間ｔf で流量を零まで迅速に減じることにより与
えられる。呼吸の中間部分の間に流量を最高流量から最
高流量の２分の１へ徐々に減じることは上で説明された
間隔の各々が経過するときに流れ制御バルブ４２を１段
閉じることにより達成される。特に、時間ｔpで流量が
最高流量に達するとすぐに、ベンチレータは時間ｔp の
後で１段だけ流れ制御バルブを閉じる前に間隔の２分の
１を待つ。その後で各全間隔が経過すると、流れ制御バ
ルブ４２は１段だけ閉じられ、遂に流量は最高流量の２
分の１へ減少し、そのときコントローラ４４は呼吸を終
えるために流れ制御バルブ４２を迅速に閉じる前に間隔
の２分の１を待つ。
【００７９】いずれかのプロファイルの１回の呼吸の配
達を完了すると、ベンチレータ３０は別な呼吸を届ける
前に予め選択された呼吸速度に基づいて予め定められた
時間の間待つ。ベンチレータ３０により届けられる後の
呼吸の各々はまた同じ最高流量、実際の流量、呼吸配達
期間、および最初の呼吸を届けるために利用される傾斜
のプロファイルに基づいており、それらのすべてが呼吸
の配達の前に計算されていた。このように、呼吸の各々
は同じ流れのプロファイルを有し、呼吸は実質的に同一
であり、かつ第６図に示されるように実質的に同一の潮
流量を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に従ったベンチレータの空
気レイアウトの概略図である。
【図２】この発明の一実施例に従った流れ制御バルブの
部分的断面の側部正面図である。
【図３】（Ａ）は矩形の呼吸のプロファイルの例示であ
る。（Ｂ）は先錐の呼吸のプロファイルの例示である。
【図４】矩形のプロファイルを有する呼吸から中間部分
が除去された、簡略化された流れのプロファイルの例示
である。
【図５】先錐のプロファイルを有する呼吸から中間部分
が除去された、簡略化された流れのプロファイルの例示
である。
【図６】３個の簡略化された、実質的に同一の流れのプ
ロファイルの例示である。
【符号の説明】
３０ ベンチレータ ３２ 供給源 ３６ 合着フィルタ ３８ アキュムレータ ４０ 空気調整器 ４１ 脈流防止器 ４２ 流れ制御バルブ ４４ マイクロコンピュータ・コントローラ ４８ 放出バルブ ５２ 近位圧力変換器 ５６ インレット経路 ５８ バルブハウジング ６０ アウトレット流路 ６２ バルブシート ６４ 開口 ７２ 球 ７４ ステッパモータ ７６ ステッパモータの軸 ７８ カム ８０ カム表面 ８２ ローラ ８４ ばね ８６ 信号 ８８ ワイヤ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リンドン・エイ・ベイカー アメリカ合衆国、カリフォルニア州、サン タ・アナ、ウエスト・マッカーサー・ブー ルバード、1040、ナンバー・89

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体が通過する開口を包囲するバルブシ
    ートと、 前記開口を介する流れを妨げるために前記バルブシート
    に係合するバルブ部材と、 前記バルブを介する流体の流量を変えるように前記バル
    ブシートに対して前記バルブ部材を変位するための手段
    と、 一方の端部が前記バルブ部材にかつもう一方の端部が前
    記変位手段に結合される長手の直線ワイヤとを含み、前
    記ワイヤが縦方向の軸を有し、前記変位手段は前記ワイ
    ヤが前記縦方向の軸に実質的に平行に動くようにし、前
    記ワイヤは十分に撓み性があり、前記バルブ部材と前記
    シートとの不適当な整列にもかかわらず前記シートと充
    分なシール性をもった係合ができるバルブ。
  2. 【請求項２】 前記変位手段が 回転可能な軸を有するステッパモータと、 前記軸に装設されるカムと、 カムフォロワとを含み、前記カムフォロワは前記カムフ
    ォロワの変位を引き起こす前記カムの前記カム回転に係
    合し、前記ワイヤが一方の端部で前記カムフォロワに結
    合される、特許請求の範囲第１項に記載のバルブ。
  3. 【請求項３】 前記ワイヤがおよそ１／３５，０００イ
    ンチの直径を有する、特許請求の範囲第１項に記載のバ
    ルブ。
  4. 【請求項４】 前記バルブ部材が球を含む、特許請求の
    範囲第１項に記載のバルブ。
  5. 【請求項５】 人工呼吸が提供される患者に届けるため
    の流体が通過する開口を有するバルブシートと、 前記開口を介する流れを変えるために前記バルブシート
    に関連して可動であるバルブ部材と、 軸を有するモータとを含み、前記軸の運動が前記バルブ
    シートに対して前記バルブ部材の動きを引起こし、 前記軸に係合するばねを含み、前記モータへの出力が低
    下した場合は、加圧された空気が、患者の肺に強制的に
    供給されないよう前記軸は前記ばねにより偏倚されて前
    記バルブが閉じた位置をとるようにされる、バルブ。
  6. 【請求項６】 前記軸の回転が前記バルブ部材の運動を
    引き起こし、さらに前記ばねが前記軸のまわりに巻回さ
    れる、特許請求の範囲第５項に記載のバルブ。
  7. 【請求項７】 前記モータが電気的に駆動されるステッ
    パモータを含む、特許請求の範囲第５項に記載のバル
    ブ。
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