JPS63161938A - 呼吸同調用センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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であって、中
でも呼吸の吐きはじめ、吸いはじめの時点が精度よく検
出される医療用の呼吸同調用センサに関するものである
。

〔従来技術〕

呼吸様相の監視は、健康状態の管理、呼吸補助装置の活
用等医療活動の中で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５６−６３３
４１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号公報のように胸部に付属
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５９−４８１
０６＠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ャ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６０−　ａ３ｓｇ７
ｏ＠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５８−１
７３５３４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ィー等の神経筋疾患
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
たいと思った時に空気または酸素を送り込むトリが−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こすことがしばしばあった
。

また、特開昭５９−４６９４号公報によれば、呼吸気流
を導く部材の中に２つのサーミスタを自己発熱させて、
かつ熱的に結合させてこれに呼吸気流を当てる方法が知
られている。気流に当たった側の素子が脱熱作用が大き
いので抵抗値の変化が太きく、画素子の抵抗値の差を検
出することによって、どちらの素子の側から気流があっ
たかを判定できるとするものである。即ち、両サーミス
タは無気流状態にあっては等温的に保たれておらねばな
らず、必然的に片方のサーミスタに生じる温度差は他方
のサーミスタに即時伝達され、きわめて微弱な温度差し
か与えられない。そのため呼吸に関係ない電磁信号の影
響が大きく、結果として誤動作の原因となる欠点がめっ
た。

こうした誤動作を回避し、鋭敏、かつ高出力の信号を取
出しうる呼吸センサ用感温素子として、焦電素子がきわ
めて有効である。焦電素子とインピーダンスバッファ回
路（ＦＥＴ即ち電界効果型トランジスタ、と抵抗体とか
らなる）を組合せたもので信号出力用導線にコンデンサ
を結合してもよい。しかし、これの感度を高めすぎると
出力ピークから０レベルに復帰するとき逆方向にオーバ
ーシュートで誤報を出す傾尚がある。

〔発明の目的〕

本発明は、従来使用され、試みられてきたセンサの誤動
作を回避し、呼吸の減衰した患者でも、強弱の乱れの大
きい患者でも広範囲の対象について、その呼気、吸気を
正確に検知することのできるセンサを得んとして研究し
た結果、呼吸センサ用感温素子として焦電素子とインピ
ーダンスバッファ回路とを組合せたものが高感度かつ鋭
敏でかつ誤動作がなくなるとの知見を得、更に研究を進
めて本発明を完成するに至ったものである。

〔発明の構成〕

本発明は呼吸の通路となる管内に呼吸流通可能な隙間を
有する障壁をもち、該障壁に対して呼吸流入側と呼吸流
入側とに電ｖｉ１″ａ蔽された焦電素子を少なくとも１
片づつ配置してなる感温部と、該素子台々に接続された
バッファ回路とさらにこれらの各々に接続され、かつ各
々個別に閾値の設定できる１対の比較回路とこれらの１
対の回路の出力を信号源とするプリップフロップ回路と
からなる呼吸同調用センサに関するものである。

本発明における呼吸同調用センサは呼吸気流中に設置さ
れる感温部とこれから結線された検出回路部とからなる
。

本発明における感温部の構造は本発明の最も重要な要件
であって以下図面を用いて説明する。

第１図（１）は本発明における感温部の例で構造の内部
を示す切欠き部をもった斜視図であり、第１図（２）　
、（３）　、（４）は同構造の台部分の断面図である。

第１図（２）　、（３）はＡＡ’、８　Ｂ’のたて割り
、第１図（４）はＣＣ゛の横割りで内部の構造を示す。

呼吸の通路となる管１１は鼻孔程度又はそれ以下の直径
を有し、管の内部は障壁２２で呼吸流通側３と吸気流入
側４との２室に分離される。障壁２２には呼吸流通の可
能な隙間５があり、各室３．４には少なくとも１片ずつ
の、焦電素子３３．４４が配置される。この素子にはア
ース電極と出力信＠電極を備え、それぞれリード線７で
管１１の外部にある検出回路に接続される。電極および
リード線との接続部並びにリード線は防水、防湿コート
を使用し、リード線はシールド用金網被覆線を使用する
ことにより防湿、防水による特性劣化を防ぎ、一般電気
雑音を防御することが好ましい。

また、管内に設ける障壁は管の軸方向に対してよい。こ
の隙間のある障壁は呼吸気流との熱交換を促進する働き
をさせるために設置するものでおるので、通気性のある
発泡体であってもよく熱交換が効率よくできればその形
状は問わない。本発明における焦電素子の配置は呼気、
吸気の流入側のく３及び４）の焦電素子が温度差の大き
い状態で気流に接触させるために重要であるが、障壁を
へだでてその両側にあれば管壁に固定されても障壁に固
定されても有効である。

焦電素子の電磁遮蔽のためには感温部全体を導電性シー
ルド材でカバーするのもよいし、管の内壁を金属化する
のもよいし、また、焦電素子の層をシールド層と積層す
る方法は有効であり、小スペース化に有利である点で望
ましい。各焦電素子の両面の電極から片側は接地され、
他の片側は信号ラインで、第２図の回路図に示すような
１対のインピーダンスバッファ回路に接続されている。

第２図において３１．３２は呼気流入側の素子の信号と
アース端子、３３出力端子、３４ＦＥＴ、３５ゲート抵
抗、３６出力抵抗である。同様に４１から４６までは吸
気流入側の素子に対応するものである。Ｐは電源、Ｇは
接地を示す。ＦＥＴとしては例えばＮＦ−５３０１−３
（ナショナルセミｈンダクター社）などがよい。ゲート
抵抗は高抵抗すぎると出力が不安定になるが低抵抗すぎ
ると出力が小ざく立上りも遅い傾向が生じる。２００Ｍ
Ωから１，２００ＭΩの範囲で選択することが好適であ
る。出力よう設計したとき強い呼・吸気流による立上り
の市とで発生するＯレベル復帰時のオーバーシュートは
あってもよい。本発明の感温部においては呼気流入側の
焦電素子は呼気による強い気流を受けるので出力は立上
りのあとでオーバーシュートが生じうる。しかし、吸気
による気流からは構造上弱い出力ピークとなりオーバー
シュートは生じない。

同様に吸気流入側の焦眉素子は吸気によるオーバーシュ
ートを生じうるが呼気に対してはオーバーシュートは生
じない。

ざらに本発明においてはインピーダンスバッフ７回路か
らの出力信号を入力する２つの比較回路第３図３７．４
７とざらに比較回路から信号を受けてスイッチ部を開閉
するフリップフロップ回路（ＦＦ）とからなる。ここで
比較回路の働きは、比較すべき電圧値の下限又は上限を
設定し、入力信号電圧が設定範囲にあれば出力し、設定
範囲外であれば出力しないことである。呼気流入側のイ
ンピーダンスバッファ回路からの出力■３は３７に吸気
流入側の出力Ｖ４は４７に入力される。呼気流入時ｖ３
、Ｖ４の変化が共に増大で吸気流入時に減少であるとす
ると、比較回路３７においてＯレベル以上の下限値■０
３を設定し、４７においてＯレベル以下の上限値■０４
を設定し、この設定範囲内の入力信号電圧があれば各比
較回路からそれぞれ正又は負の信号が即時発せられる。

これをフリップフロップ回路で正入力後は正出力を持続
、負入力後は、負出力を持続する。本発明におけるこれ
らの信号変化の関係を第４図で模式的に説明する。

いずれも横軸は時間である。

Ａは呼吸による鼻孔付近での温度変化の様子を示す。ａ
は呼気流の期間で立上りは正方向に対してｂは吸気流の
期間で立上りは負の方向に向く。

ＢＳＤは本発明による感温部の呼気側、吸気側の焦電素
子が受ける場合の強度を示す。管内に設けられた障壁の
効果によって呼気側の素子にはａの強度は大、ｂの強度
は絶対値が小、吸気側の焦電−ダンスバッ７１回路から
の出力である。強弱に拘らず刺激を受けて出力の立上り
が現れるが、強度の絶対値が大きい場合、即ちＣａ、Ｅ
ｂではＯレベルに復帰するときオーバーシュートする傾
向がある。次に比較回路においてＣについては下限ｄ（
鎖線）、Ｅについては上限ｆ（鎖線）値を設定するとオ
ーバーシュートに関係なく呼気の立上り点ｅ、吸気の立
上り点Ｑを捉らえることができる。この信号をフリップ
フロップ回路にて出力させたものがＦである。Ａの呼吸
刺激に対応してざわめて精度よく呼気期間、吸気期間を
相応するレベル信号に変換することができる比較のため
、感温部に焦電素子１個を配置してインピーダンスバッ
ファ回路と組合わせ、呼気、吸気両気流をそのまま接触
させて検知させた場合を第５図に示す。

第５図中Ａは呼吸気流の温度変化を表わす。呼吸気流の
強度が適正な場合のバッファ回路出力をＢに示す。ｄは
呼気開始時を見出すための比較回路点を切る９点をとら
えることができる。したがって、これらをフリップフロ
ップ回路に入力すれば第５図Ｃのような比較的良好な呼
吸センサとなる。

しかるに呼吸の刺激が強すぎるときはＤのように立上り
は呼気、吸気共にするどいが、戻りでオーバーシュート
する傾向を示す。この場合には比較回路にて同じシキイ
値ｄ、ｆに対し、呼吸開始点としてｈ以外にｉ、ｊなど
を拾うためフリップフロップ回路ではＥに示すように八
とはズレの大きい出力信号となる。即ち、呼吸の強度が
大きく変動する場合にはオーバーシュートの発生する機
会が増し、信頼性が低下することになる。

本発明によれば、このオーバーシュートによる障害が除
かれ、きわめて精度のよい信頼性の高い呼吸センサを得
ることができる。なお、本発明に使用する焦電素子とし
てはタンタル酸リチウム（Ｌ！　Ｔａ　ｏ３　）、トリ
グリシンサルフェート（ＴＧＳ＞等の単結晶、チタン酸
鉛（Ｐｂ　ＴｉＦ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ
）等の又７はこれらの変成品等の焼結体、ポリフッチビ
ニリデン（ＰＶＤＦ）等の高分子強誘電体、おるいはセ
ラミック焼結体粉末とプラスチッ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。中で
も高分子強誘電体フィルムや強誘電体セラミック複合高
分子フィルムは加工性がよく厚みが数１０μｍの素子も
容易に作成することができる点で好ましい材料である。

〔発明の効果〕

本発明による呼吸センサは、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、従来の呼吸センサで
は難しかった呼吸不全患者のための呼吸補助の同調装置
や、保育器などに大いにその効果を発揮するものである
。ざらに酸素補給装置にこれを組合わせると吸気のとき
のみ酸素を放出させ、経済的な使用法を実現することが
できる。また医学的な応用のみならず吹奏楽器等信の分
野への応用も期待でき、工業上極めて有用なも

【図面の簡単な説明】

第１図（１）は本発明における感温部の内部を示す切欠
き部を有する斜視図、第１図（２）　、（３）、（４）
は第１図（１）のＡ−Ａ’、８−８°　はたて断面図、
ｃ−ｃ’は横断面図、第２図はインピーダンスバッファ
回路図、第３図は比較回路とフリップフロップ回路の組
合せを示すブロックダイヤグラム、第４図は本発明セン
サへの呼吸による刺激値と出力との対応を示す図、第５
図は比較例としてのセンサの出力を示す図でおる。 特許出願人　　　住友ベークライト株式会社第２図 第３図 ｏ４ 第４図 時＆’１ 第５図 晴間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 呼吸の通路となる管内に呼吸流通可能な隙間を有する障
   壁をもち、該障壁に対して呼気流入側と吸気流入側とに
   電磁遮蔽された焦電素子を少なくとも１片づつ配置して
   なる感温部と、該素子各々に接続されたバッファ回路と
   、さらにこれらの各々に接続され、かつ各々個別に閾値
   の設定できる１対の比較回路とこれらの１対の回路の出
   力を信号源とするプリップフロップ回路とからなること
   を特徴とする呼吸同調用センサ。