JP5008362B2 - 主流超音波フローセンサと副流ガスアナライザとの間の時間遅延を決定する装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波主流フローセンサと副流ガスアナライザ（副流ガスセンサ）との間の時間遅延を決定する医療用の装置に関するものである。

肺機能診断ならびに肺機能モニタリングにおいて、患者の肺に対して流入および流出するガスの量を測定しなければならない。この測定は普通、特定のガスアナライザと組み合わせたガス流量計（いわゆる呼吸記録器）を使用して行われる。例としては、運動中に被検者の呼吸を測定する運動肺気量測定法がある。この場合は、酸素摂取量、すなわち体が消費した酸素量を測定しなければいけない。酸素摂取量は、フロー速度（流速）Ｆおよび酸素濃度ｆ_Ｏ２を測定することにより算定される。酸素濃度で掛け合わせた流速を積分することにより、吸気及び呼気の酸素量を決定することができる。吸気の酸素量から呼気の酸素量を減算することにより、最終的に酸素摂取量が算定される。

ほとんどの肺機能測定では、フロー及びガス濃度を、約１００Ｈｚ〜２００Ｈｚ（サンプリング時間は１０ｍｓ〜５ｍｓ）の頻度でサンプリングする。上述の酸素濃度を掛け合わせた流速の積分を適正に行うためには、二つの信号間における時間遅延がサンプリングレートを上回ってならない。

現在のシステムにおいては、主流フローセンサと副流ガスセンサとの間における遅延は、通常、以下の方法のうちいずれか一つの方法により測定される。すなわち、
１． 副流の流速、および、主流センサと副流センサとの間におけるデッドスペース容積から計算される固定した時間遅延を仮定とする。この方法によって計算された遅延は、副流における一定速度および一定のデッドスペースを仮定している。副流チューブ内の水蒸気の凝結やガス粘性などの複数の要因により、双方の仮定が成立することは、多くの事例に当てはまらない。
２． 正確に規定したマーカーをガス流に導入し、このマーカーが副流ガスセンサにより検出されるのに要する時間を測定する。

上記のいずれの方法も、他のハードウェアを付加的に導入することを必要とし、または、これらの方法は日常使用ではあまり信頼できるものではない。

特許文献１には、肺活量計、特に、超音波肺活量計が記載されている。特許文献２には、ガスまたはガス混合気のモル質量を決定する方法および装置が記載されている。非特許文献１には、パルス超音波の空気流量計が記載されている。
欧州特許第５９７０６０号明細書 欧州特許第６５３９１９号明細書 Ch.Buess, P.Pietsch, W.Guggenbuhl, E.A.Koller, Design and construction of a pulsed ultrasonic air flowmeter, IEEE Trans. Biomed. Eng., 33(8); 768-774, August 1986.

肺機能診断及び肺機能モニタリングにおいては、患者の肺に対して流入および流出するガスの流速Ｆとガス濃度ｆｘとを、時間的に同期させて測定しなければならない、言い換えればＦとｆｘとの測定の間に時間遅延があってはならない。しかし多くの場合、ガス濃度は副流ガスセンサを用いて測定されるため、気体が主流フローセンサから副流ガスセンサに移動する時間、および副流ガスセンサ自身の反応時間により時間遅延が発生してしまう。この主流フローセンサと副流ガスセンサとの間における時間遅延は、データ分析のために補正されねばならない。
本発明の課題は、データ分析での主流フローセンサと副流ガスセンサとの時間遅延を補償するため、この時間遅延の決定を信頼性高く行うことができる方法および装置を得るにある。

この課題を解決するため、本発明は、マウスピースを有する可換式または固定式のフローチューブ、及び前記フローチューブを通過する主流ガスフローを感知するための超音波変換器を有する超音波主流フローセンサと、
前記超音波主流フローセンサからの信号を処理して前記主流ガスフローの主流フロー信号およびモル質量信号を出力する信号処理ユニットと、
前記主流ガスフローから取り出して主流ガスフローのごく少量のみが流れる副流ガスフローに配置して副流ガス信号を出力する１個または複数個の副流ガスセンサと、
伝達時間法または飛行時間法に基づいて、前記副流ガスセンサの前記副流ガス信号と前記信号処理ユニットからの主流フロー信号との間における時間遅延を、前記信号処理ユニットからのモル質量信号と副流ガスセンサからの前記副流ガス信号との相関関係の関連付けにより決定する処理ユニットと
を備え、超音波主流フローセンサと副流ガスセンサとの間の時間遅延を決定することを特徴とする。

つぎに、図面につき本発明の好適な実施例を説明する。
本発明によれば、主流フローセンサと、１個または複数個の副流ガスセンサとの間における時間遅延を、信頼性高く自動的に測定できる。図１は、酸素摂取量を測定するのに使用できる装置のブロック図である。この装置は、超音波主流フローセンサと副流ガスセンサとにより構成する。超音波主流フローセンサの操作については多くの刊行物に記載されている（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１を参照）。この超音波主流フローセンサは、主流ガスフロー７の両側に取り付けた２個の超音波変換器４ａ，４ｂと、適切な容器５と、付属のマウスピース２を有する交換可能なフローチューブ（呼吸チューブ）１とにより構成する。流速は、主流ガスフローの上流方向及び下流方向に伝達される超音波パルス列６の伝達時間（飛行時間:time-of-flight）を用いて信号処理ユニット８で測定される。パルス列は、伝達されて超音波変換器により受け取られる。このパルス列は、フローチューブ１の超音波が透過できる部分３（例えばメッシュ、フィルタなど）を経て音伝達経路に沿って伝達する。流速は以下の方程式を用いて測定する。

式中、Ｆは主流ガスフローの速度、ｔ_１及びｔ_２は上流方向及び下流方向における伝達時間を表し、そしてｋは超音波主流フローセンサの機械的寸法に依存する定数である。

フローチューブ（１）の端部で、主流ガスフロー７の僅かな部分を副流システムに供給する。ガスポンプ１２を使うことにより、この副流ガスフロー９は１個または数個のガスアナライザ、すなわち副流ガスセンサ１１を通過する。フローチューブ１と副流ガスセンサ９との間における配管（１０）は、普通のプラスチック管、または水蒸気と平衡する特殊な管により構成する。副流ガスセンサの例としては、運動肺活量測定データ分析に使用できる酸素センサもしくは二酸化炭素センサ、または機能的残気量（ＦＲＣ）もしくは肺拡散能力（ＤＬＣＯ）の測定に使用できるヘリウムセンサもしくはＣＨ４センサがある。

図２は他の実施例における構成を示し、この場合、副流ガスフローを、音伝達経路の正確な中心でサンプリングする。この構成は、流速と流れの方向とにより生じる時間遅延の差異を回避する。

図３はさらに他の実施例における構成を示し、副流ガスフローを超音波主流フローセンサの側方チャンバを経てサンプリングする。この方法の利点は以下のとおりである。すなわち、：１）副流ガスフローが側方チャンバにおけるフィルタ又はメッシュを通過するので、副流ガスフローの汚れが少ない点、２）主流ガスフローのフローチューブ内に突入する部分がない点である。

超音波主流フローセンサの信号処理ユニット８（図１参照）は、主流ガスフローの速度に加え、超音波主流フローセンサ内におけるガスのモル質量も測定できる。モル質量は、通常、以下の方程式を用いて測定できる：

式中、Ｍはモル質量、Ｔは音伝達経路に沿った平均温度、Ｒはガス定数、κは比熱（Ｃ_Ｐ／Ｃ_Ｖ）の係数、ｋは超音波主流フローセンサの機械的寸法に依存する定数、ｔ_１ 及びｔ_２ は伝達時間を表わす（特許文献２参照）。温度Ｔは、音伝達経路に沿って１個または数個の測定値によって決定するか、または温度測定と数学的モデルとの組み合わせによって決定するか、または一定の値とすることができる。

フロー（流れ）およびガスの組成（個々のガス濃度）測定を用いる他の方法とは異なり、超音波伝達時間測定は、特定のガス濃度ではなく、ガス混合気の全体的モル質量を決定する。しかしフロー信号およびモル質量信号は、時間的に常に同期しており、フロー信号とモル質量信号との間には時間遅延がない。

本発明において、副流ガス濃度を示す副流ガス信号ｆｘと主流ガスフローの速度を示す主流フロー信号Ｆとの間における時間遅延は、モル質量信号に含まれる情報を用いることにより決定する。呼吸ガス分析に使用する多くのガスにおいて、モル質量信号の波形は、副流ガスセンサで測定される特定ガスの波形に類似している。主流フロー信号と副流ガスセンサからの副流ガス信号との間における時間遅延は、幾つかの方法で決定できる：
・ モル質量信号と副流ガス濃度測定との間における数学的２数列相関。
・ 例えば、吸気から呼気にいたる間の、もしくは呼気から吸気にいたる間のガス濃度の変化曲線における明確に規定したポイントでの自動検知。

これらの方法を用いることにより、主流ガスフローのモル質量信号と副流ガス信号との間における時間遅延を、図１に示す処理ユニット１３によって決定できる。図４は、主流ガスフローのモル質量信号（ＭＭ）および副流ガス信号（ＳＧ）の、時間軸における波形と、上述の方法により決定した時間遅延（Δｔ）とを示す。主流ガスフローの主流ガスフロー速度を示す主流フロー信号とモル質量信号とは同期しているので、時間遅延は、主流ガスフローと副流ガス濃度測定との間における時間遅延に対応する。

上述の方法は、スタンドアローンの装置、例えば携帯システムにおいて実施でき、または、集中治療室において用いられる装置、例えば呼吸ガス測定を含む人工呼吸器に使用でき、または、超音波フローおよびモル質量センサと、１個または複数個の副流ガスセンサを、データ分析及びデータ表示に使用するコンピュータ対して入出力をするコンピュータ支援装置として実施できる。

時間遅延は、呼吸に基づく１回呼吸で計算でき、または代案として、一連の呼吸に対して１回、もしくは全体のデータ収集につき一回決定できる。

本発明による主流フローセンサと副流ガスセンサとの間における時間遅延を測定する装置の第１実施例を示すブロック図である。 本発明による時間遅延測定装置の第２実施例を示す部分的説明図である。 本発明による時間遅延測定装置第３実施例を示す部分的説明図である。 本発明方法により決定される時間遅延（Δｔ）を示す主流ガスフローのモル質量信号（ＭＭ）および副流ガス信号（ＳＧ）の、時間軸における波形図である。

符号の説明

１ フローチューブ（呼吸チューブ）
２ マウスピース
３ メッシュ又はフィルタ
４ａ 超音波変換器
４ｂ 超音波変換器
５ 容器
６ 超音波パルス列
７ 主流ガスフロー
８ 信号処理ユニット
９ 副流ガスフロー
１１ ガスアナライザ
１２ ガスポンプ
１３ 処理ユニット

Claims (9)

1. マウスピースを有する可換式または固定式のフローチューブ（１）、及び前記フローチューブ（１）を通過する主流ガスフロー（７）を感知するための超音波変換器（４ａ，４ｂ）を有する超音波主流フローセンサと、
   前記超音波主流フローセンサからの信号を処理して前記主流ガスフロー（７）の主流フロー信号（Ｆ）およびモル質量信号（Ｍ）を出力する信号処理ユニット（８）と、
   前記主流ガスフロー（７）から取り出して主流ガスフローのごく少量のみが流れる副流ガスフロー（９）に配置して副流ガス信号（ｆｘ）を出力する１個または複数個の副流ガスセンサ（１１）と、
   伝達時間法または飛行時間法に基づいて、前記副流ガスセンサ（１１）の前記副流ガス信号と前記信号処理ユニット（８）からの主流フロー信号（Ｆ）との間における時間遅延を、前記信号処理ユニット（８）からのモル質量信号（Ｍ）と副流ガスセンサからの前記副流ガス信号との相関関係の関連付けにより決定する処理ユニット（１３）と
   を備え、超音波主流フローセンサと副流ガスセンサとの間の時間遅延を決定することを特徴とする医療用の装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記時間遅延を、前記主流ガスフロー（７）のモル質量信号（Ｍ）と、副流ガスセンサ（１１）の副流ガス信号（ｆｘ）との数学的２数列相関により決定する装置。
3. 請求項２に記載の装置において、前記時間遅延を、前記副流ガス信号における吸気の開始点又は呼気の開始点に対応する適切なポイントと、前記主流ガスフロー（７）のモル質量信号における明確に規定したポイントとの相関関係の関連付けにより決定する装置。
4. 請求項３に記載の装置において、前記モル質量信号（Ｍ）からのモル質量算定に使用する温度（Ｔ）は、一定温度を使用するか、または前記超音波変換器（４ａ，４ｂ）の音伝達経路に沿う１個ないし複数個の温度測定によって決定するか、または温度測定と数学的モデルとの組み合わせによって決定するかのいずれか一つとする装置。
5. 請求項４に記載の装置において、運動試験又は肺機能試験の分析に使用する装置。
6. 請求項５に記載の装置において、機能的残気量（ＦＲＣ）、または肺胞換気量（Ｖ_Ａ）又は肺拡散能（ＤＬ_ＣＯ）の分析のために使用する装置。
7. 請求項６に記載の装置において、集中治療、または麻酔時における患者モニタリングに使用する装置。
8. 請求項１〜７に記載の装置において、前記副流ガスフロー（９）のガスサンプルを、前記超音波変換器（４ａ，４ｂ）の音伝達経路の中心点で採取し、したがって、前記主流ガスフロー（７）の流速、又は前記主流ガスフロー（７）のフロー方向、又は前記主流ガスフロー（７）の流速及びフロー方向の双方によって付加的に生ずる時間遅延のいかなる差をも回避するようにした装置。
9. 請求項１〜７に記載の装置において、前記副流ガスフロー（９）のガスサンプルを、前記超音波主流フローセンサにおける超音波変換器を取り付ける側方チャンバを覆うフィルタまたはネットまたはメッシュを経て採取し、したがって、副流ガスセンサ内の汚れを減少させるもしくは回避する装置。

Images