JP6431033B2 - デュアル圧力センサ患者用換気装置 - Google Patents

Description

本開示は、概して患者用換気システムに関し、より詳細には、供給源及び換気マスクにてデュアル圧力センサを使用して呼吸可能なガスの加圧流を患者に供給する非侵襲的換気を行うための方法及びシステムに関する。

人体の呼吸作用は、必要とされる、酸素摂取機能、酸素／二酸化炭素交換機能及二酸化炭素排出機能を提供し、それらのいずれも肺が関与している。その際、肺はガス−交換器官として機能し、吸入酸素は血液を通過し、回収された二酸化炭素は血液から空気中へと送られる。更に、肺は、酸素に富んだ空気を肺へと移送し、かつ二酸化炭素に富んだ空気を肺の外側に移送する呼吸ポンプとしても機能する。脳内の呼吸中枢、中枢神経及び末梢神経、骨性胸郭及び呼吸筋肉組織並びにフリーの安定した呼吸経路は、呼吸ポンプを正確に機能させるために必要である。

ある種の疾病又は他の重篤な医学的状態にある患者の場合、呼吸ポンプに常に過負荷がかかるか、或いは呼吸ポンプが極度に消耗している。典型的な症候群は、収縮する能力を失った平らな横隔膜の状態を伴う肺気腫であり、呼吸経路は通常、極端に緩んだ状態となり、つぶれる傾向にある。その結果、患者は十分に深く呼吸して、必要な酸素を人体に供給すると同時に不必要な二酸化炭素を排出することが困難となる。

機械的な換気装置は、患者に人工呼吸を行うか、或いは呼吸を補助する医療装置を含む。例えば、「人工肺」のような初期の換気装置は、患者の胸部の周囲に陰圧を作出し、患者の鼻及び／又は口を介して肺への外気の流れを引き起こすものである。しかしながら、現代の換気装置の大部分は、それに代わって、陽圧を使用して、換気装置と患者との間の患者の回路を介して気体を患者の肺へと送達する。患者の回路は、典型的には一つ又は二つの大きなボアを有するチューブ（例えば、成人用の場合、２２ｍｍの内径、小児用の場合１５ｍｍの内径）からなり、同チューブの一方の端部は換気装置に、他方の端部は患者のマスクに連結される。

現在の換気装置は、「ベント型（ｖｅｎｔｅｄ）」若しくは「リーク型（ｌｅａｋ）」回路、或いは「非ベント型」若しくは「非リーク型」回路のいずれかを支持するように設計されている。ベント型回路を使用する換気装置は、それほど急性の臨床状態ではない場合、例えば閉塞性睡眠時無呼吸又は呼吸不全のような場合において最も典型的に使用されている。一方、患者インターフェース部に換気開口部が存在していない非ベント型回路は、典型的には救命救急用途において使用される。

非ベント型若しくは非リーク型の換気装置は、一肢患者回路又は二肢患者回路のいずれかを使用するかもしれない。その命名が示唆しているように、一肢患者回路は換気装置から患者及び患者のマスクへの単一の管路にわたるガスの流れを含む。一肢患者回路は典型的には、閉塞性睡眠時無呼吸又は呼吸不全のようなそれほど急性の臨床状態ではない場合に使用される。二肢患者回路は換気装置から患者インターフェースまで流れるガスを運ぶ一つの導管と、患者の肺から換気装置へと戻る呼気ガスを運ぶ別の導管とを含む。

換気装置は陽圧を適用し、患者の気道を開いて、同気道が潰れることを回避する。基本的な実施において、吸入及び吐出周期の速度及び容量は、患者の自発的な呼吸周期とは関係なく換気装置によって設定される。しかしながら、患者が自発的な呼吸のできる範囲において、それに反して、換気装置によって適用される任意の陽圧又は陰圧は患者に不快感を与えるかもしれない。吸気時における気道の適切なスプリント（ｓｐｌｉｎｔ）を確保しつつそのような外部からの圧力の増強を最小限にする換気の流速を指示する臨床医の最善の努力にも関わらず、患者は、呼吸周期全体にわたり必要とされる圧力よりも更に高い圧力にさらされているかもしれない。

従って、呼気弁を制御するべく、供給源及び換気マスクにてデュアル圧力センサを含む換気のための改善されたシステムが当該技術分野において必要とされる。

本開示の種々の実施形態に従って、換気装置が検討される。同装置は、加圧された酸素に富むガスを含む酸素源に連結される入口ポートを含んでいてもよい。加えて、ガス送達導管によって患者インターフェースに接続される出口ポートを含んでいてもよい。患者インターフェースは、患者の呼吸経路に装備されるように構成されていてもよい。同装置は、更に、入口及び出口を備えた弁を含み、同入口は入口ポートと空気連通可能（ｉｎ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ）であってもよく、同出口は、出口ポートと空気連通可能であってもよい。患者インターフェースの圧力を測定する第１の圧力センサを含んでいてもよい。患者インターフェースは、圧力センサラインを通じて第１の圧力センサと連結可能であってもよい。同装置はまた、弁出口の圧力を測定する第２の圧力センサを含んでいてもよい。第１の圧力センサ、第２の圧力センサ及びフローセンサと通信できるコントローラを含んでいてもよい。患者の吸気相及び患者の呼気相は、圧縮された酸素に富むガスを患者インターフェースに選択的に送達するために弁を調整すべく、第１の圧力センサ及び第２の圧力センサの測定値の組み合わせに基づいてコントローラによって検出可能であってもよい。本開示は、添付された図面と関連して読み取られる場合、以下の詳細な説明を参照して最良に理解できるであろう。

本明細書に開示されている種々の実施形態のこれらの特徴及び他の特徴並びに利点は、以下の詳細な説明及び図面に関して最良に理解できるであろう。同図面において、同様の符号は、図面全体を通して同様の部分を参照する。

本開示の種々の実施形態に従う換気装置の種々の構成部品を示すブロック図であり、同装置は、換気ユニット、患者の換気用インターフェース、ガス通過導管及び酸素源を含む。 換気ユニットの電気部品を示すブロック図である。 吸気相及び呼気相を含む典型的な呼吸シーケンス（ｓｅｑｕｅｎｃｅ）にわたって、酸素源弁及び患者換気インターフェースにおける圧力周期をグラフにて示す圧力線図である。 呼吸シーケンスにわたって、酸素源弁及び患者換気インターフェースにおける圧力周期の差（ΔＰ）をグラフにて示す圧力線図である。 リークが一定であることを示す、酸素源弁及び患者換気インターフェースにおける圧力周期の差（ΔＰ）をグラフにて示す圧力線図である。 制御装置に対する入力として酸素源弁及び患者換気インターフェースに対する圧力センサ変数を示す制御ループブロック図である。 患者の換気インターフェース圧力制御を示す、制御ループブロック図である。 制御装置に対する入力として酸素源弁及び患者換気インターフェースに対するフローセンサ変数及び圧力センサ変数を示す制御ループブロック図である。 図６に示される制御ループの処理ステップを示すフローチャートである。 換気ユニットの相互に関連のある要素を示すブロック流れ図である。

図面及び発明の詳細の全体にわたり、同一の要素を示すべく、共通した符号が使用される。
添付された図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、連続的な患者の換気のためのシステムの現在考慮されている複数の実施形態を記載するものとして意図されている。同システムは、呼吸を支援するために患者に呼吸ガスを送達し、かつ呼吸周期を通して選択的な圧力増強のための種々の方法を実行する。この記載は、開示された発明が明らかになる、又は使用される形態のみを示すことを意図していない。記載は、例示された実施形態に関連して機能及び特徴を説明している。しかしながら、同一の或いは同等の機能が異なる実施形態によって実施できることが理解されるべきであり、同異なる実施形態もまた本開示の範囲内に包含されるべきものであることが意図されている。第１の及び第２のような関係語の使用は、実際のいかなる関係又はそのような実在物間の順序を必ずしも要求する又は意味することなく、一方の実在物を別の実在物と区別するためのみに使用されることもまた理解される。

図１のブロック図を参照すると、本開示の一実施形態は、患者換気インターフェース１２と換気ユニット１４とから一般的に構成される換気システム１０を考慮する。患者換気インターフェース１２は、患者の上気道、即ち、鼻腔及び口腔に直接ガス流を連通させるように配置され得る、フルフェイスマスク又は鼻マスクのようなデバイスを含み得る。換気システム１０の一実施形態は鼻マスクを使用してもよい。患者の呼吸系を換気ユニット１４と連結させるようなその他の装置が、以下に明記されるある種の特徴を組み込むことができる限りにおいて、本開示の範囲を逸脱することなく、代用することができる。

一般に、換気ユニット１４は、患者換気インターフェース１２を介して患者に送達される呼吸ガスの流れを生成する。呼吸ガスは、酸素を強化した周囲空気の組み合わせ、或いは患者を治療するのに適切なガスの任意の他の混合物であり得る。換気ユニット１４は第１の入口ポート１６を含み、同入口ポート１６を介して酸素を強化したガスが酸素源１８によって供給される。第１の型の酸素源はタンク１８ａであり、同タンク１８ａには、圧縮された酸素を強化したガスが貯蔵される。代替的には、酸素濃縮装置２０から構成される第２の型のものであってもよく、同酸素濃縮装置２０は周囲空気を取り込んで、より低圧の酸素強化ガスを酸素圧縮器２２に出力する。一実施形態によれば、酸素圧縮器２２は、おおよそ３〜４ｐｓｉ（２０．７ｋＰａ〜２７．６ｋＰａ）の出力圧を生成する。更なる詳細において、酸素圧縮器２２は、アキュムレータ２４に貯蔵するために酸素濃縮装置２０から放出される（ｐｏｒｔｅｄ ｆｒｏｍ）ガス流の圧力を増大させるブロア装置（ｂｌｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅ）２４を含む。アキュムレータ２４から出力されたものは、おおよそ４０〜８０ｐｓｉ（２７５．８〜５５１．６ｋＰａ）の比較的高い圧力に調整される。換気ユニット１４の第１の入口ポート１６は入口フィルタ１８と連通しており、同入口フィルタ１８は、最終的に患者に送達される呼吸ガスから粒子状物質及び他の不純物を除去する。

酸素源１８ａ及び１８ｂのいずれか一方から生ずる高圧は、弁２６によって調整される。入口フィルタ１８とガス流体連通している弁入口ポート２６ａと、換気ユニット１４の出口ポート２８とガス流体連通している弁出口ポート２６ｂと、が含まれる。以下により詳細に記載されるように、弁２６の位置は、所望の体積／圧力のガスを酸素源１８から患者１３まで輸送するために選択的に調節される。本開示に従って患者を換気するためにガスの流れ及び圧力を調整することができる任意の適切な弁２６が使用できることは認識されるであろう。弁２６は、電気的、空気圧によって、或いは任意の他の適切な様式にて駆動され得る。弁２６の作動は、以下に更なる詳細が記載されるように、本開示によって企図される患者の換気のための種々の方法を実行するプログラム可能なコントローラ３０によって管理される。

弁２６を介して輸送される呼吸ガスの流れは、出口ポート２８を通ってガス送達導管３０へと流れ、同ガス送達導管３０は上述のマスク或いは患者換気インターフェース１２に連結されている。ガス送達導管３０は、例えば２２ｍｍ以下といった所定の内径を有するプラスチックチューブであることが理解されるが、とはいえ、適切な材料及び構造の任意のその他の導管を使用してもよい。患者１３の呼吸の状態に応じて、患者換気インターフェース１２と、弁２６の出口、即ち弁出口２６ａとの間には圧力差が生じている。

そのような圧力差を確認するために、本発明にて企図された換気システム１０は、弁圧センサ３４と患者インターフェース圧センサ３６とを含むデュアル圧力センサを含む。弁圧センサ３４は換気ユニット１４内に配置され、弁出口ポート２６ｂにおける圧力を監視する。患者インターフェース圧センサ３６も、物理的には換気ユニット１４内に配置されているが、センサ入口ポート４０に連結される圧力センサライン３８を通って患者換気インターフェース１２と直接的なガス流連通可能である。換気ユニット１４が動作している際には、圧力センサライン３８及びガス導管３２内のガス圧は、圧力センサライン３８を清浄にするべくパージ流を送達するために連結されていてもよい。これは、両者に連結されているパージソレノイド４２にて行われる。パージは、患者の呼吸相に従って、或いは、弁圧と患者インターフェース圧との圧力差に従って、連続的であっても、間欠的であってもよい。

ガス送達導管３０の低減された直径を備えることにより、特に弁を介するガス流の通路のより直径の大きな領域と関連して、患者換気インターフェース１２にてより低い圧力にて増大された流速が存在することとなる。当業者によって認識されるように、ベンチュリ効果が示される。

患者換気インターフェース１２と弁出口２６ｂとの圧力差を測定することに加えて、弁１２から実際に出力する呼吸ガスの流れの測定値が使用される。このために、換気ユニット１４は、弁１２及び出口ポート２８とインライン（ｉｎ−ｌｉｎｅ）にて配置されるフローセンサ４３を含む。

図２のブロック図は、換気ユニット１４の一つの典型的な実施形態の種々の電気部品を示す。換気ユニット１４の電源は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚにて、１２０Ｖ又は２２０Ｖの交流電流（ＡＣ）の従来の家庭用電力供給源から供給される。ブロック図では、この供給を電源４４にて示している。電力供給部４６は電源４４に接続され、当業者によって認識されるように、電源信号は、さまざまに、整流され、フィルタされ、直流（ＤＣ）電圧に降圧される。本開示の一実施形態に従って、ＤＣ電源は２４Ｖである。換気ユニット１４の幾らかの部品は、制御論理デバイスよりも高いＤＣ電圧を使用してもよく、そのために、電力供給部４６は電源ロジック（ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｇｉｃ）４８に接続されている。電源ロジック４８の第１の出力部５０はＤＣ電圧を５Ｖのロジックデバイスレベルに降圧する集積回路電圧レギュレータ５２に接続されている。電源ロジック４８の第２の出力部５４は電力供給部４６からの直接の既存の高ＤＣ電圧であり、弁制御回路５６に接続されている。

酸素強化呼吸ガスの連続的供給源は、既に記載した酸素源１８によって提供され、患者換気インターフェース１２への出力、そして最終的には患者１３への出力は、弁２６によって調整される。呼吸ガスの定められた体積及び圧力に対して必要とされる弁２６の特定の位置は、弁制御回路５６によって設定され、当業者は、企図されている用途に適した弁アクチュエータの実施を認識するであろう。弁２６を開くと、呼吸ガスがフローセンサ４３とインラインにて配置されている内管５７を通って流れる。内管５７は上記した換気ユニット１４の出口ポート２４に連結されており、次に、ガス導管３２に連結される。既に記載したように、弁圧センサ３４及び患者インターフェース圧センサ３６は、弁２６と患者１３との間の空気圧回路に連結されている。

コントローラ３０及びその機能は、マイクロコントローラ又は制御プロセッサ５８のようなプログラム可能な集積回路デバイスを用いて実行される。概説すると、制御プロセッサ５８はある種の入力値を受信し、これらの入力値に基づいて、ある種の出力値を生成する。入力において実施される特定の動作は、制御プロセッサ５８によって実行される命令としてプログラム化されてもよい。この点に関し、制御プロセッサ５８は、算術論理演算ユニット（ＡＬＵ）、種々のレジスタ及び入出力ポートを含んでいてもよい。ＥＥＰＲＯＭ（電気的消去・プログラム可能型読取専用メモリ）６０のような外部メモリが、永久保存及びプログラム命令の検索のために制御プロセッサ５８に接続されていてもよいが、内蔵するランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）であってもよい。一実施形態は、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）８０８１インストラクション・セット・アーキテクシャの使用が企図されているが、任意の他の適切な命令セット又はプロセッサアーキテクチャを代用してもよい。既に述べたように、制御プロセッサ５８は、電圧レギュレータ５２からの低電圧ＤＣ供給源を電力源とする。

換気ユニット１４の動作パラメータを設定し、かつある種の機能を開始或いは終了するために、グラフィカル・ユーザー・インターフェースが提供される。そのようなグラフィカル・ユーザー・インターフェースは、液晶（ＬＣＤ）タイプ６４であってもよい出力装置６２上で生成され得る。任意の図形が出力デバイス上にて示されてもよく、とはいえ、より特定のインジケータに対しては、簡単な発光ダイオード（ＬＥＤ）装置６６を使用してもよい。アラーム状態、電源表示盤等をＬＥＤ装置６６にて表示され得ることは認識されるであろう。音声出力（ａｕｄｉｂｌｅ ｏｕｔｐｕｔｓ）は、音声トランスデューサ６８を用いて生成されてもよく、同音声トランスデューサ６８も同様に制御プロセッサ５８に接続される。音声トランスデューサ６８にて生成され得る企図される出力には、単純なビープ音及びアラーム並びに情報及び命令を提供する複雑な音声プロンプトが含まれる。

操作者は、ＬＣＤスクリーン６４に重ね合わせられるタッチスクリーンインターフェース７０のような異なる入力装置６９を介してグラフィカル・ユーザー・インターフェースと交信して（ｉｎｔｅｒａｃｔ）もよい。種々の図形要素が基本的なスクリーン６４上に生成され、それらの図形要素の位置に相当するタッチ入力／相互作用は、当該図形要素の選択或いは起動として求められることが認識されるであろう。種々のタッチスクリーンインターフェース（それらのうちの幾らかはスクリーン６４に直接集積されている）は当該技術分野において周知である。タッチスクリーン入力の他に、ユーザの入力を同様に受信するために、ボタン７２が制御プロセッサ５８に接続されている。音声トランスデューサ６８もまた音の入力を音声命令の形態にて受承できること、実施されるその音声命令の処理は、制御プロセッサ５８にて実行され得ることが理解される。

汎用コンピュータのような他のデータ処理装置と接続され、かつ通信するための複数のモダリティもまた企図される。従って、制御プロセッサ５８は、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）コントローラ７４に接続されていてもよい。より基本的な通信では、シリアルＲＳ−２３２トランシーバ７６であってもよい。これらのデータ通信モダリティを介して、換気ユニット１４の設定オプションが設定され、動作プロファイルがダウンロードされるなど。特定のＵＳＢ及びＲＳ−２３２通信モダリティが参照されているにもかかわらず、無線システムを含む任意のその他の通信モダリティを、本開示から逸脱することがなければ代用してもよい。

換気ユニット１４の機能は適切な同期（ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）に依存し、従って、制御プロセッサ５８は、共通のクロック周期を維持するリアルタイムクロック７８に接続される。リアルタイムクロック７８の主たる特徴は、プロセッサのサイクルレベルにて同調性を維持することであるが、より長い期間の時間データもまた維持される。そのような時間データを保持するために、リアルタイムクロック７８は主たる電力供給部４６とは独立して電力を供給されてもよく、従ってバッテリバックアップ８０が含まれる。重い処理負荷量或いは予想外のプログラム状態の下では、制御プロセッサ５８はリアルタイムにて重要なプログラムされたステップを実行することができないかもしれない。従って、制御プロセッサ５８は、そのような状況を検出する上で、プログラム実行中止を呼び出すプロセッサスーパーバイザ８２を含むことができる。典型的には、これは、メモリ変数（ｍｅｍｏｒｙ ｖａｒｉａｂｌｅ）を周期的にクリアにするステップとして実行され、命令の実行がフリーズしているか、そうでなければ遅延していることによりステップが実施できない場合には、プロセッサスーパーバイザ８２が所定のルーチンを実施させ得る。

既に述べたように、弁２６は弁制御回路５６によって駆動され、弁制御回路５６は、制御プロセッサ５８から受信される信号に基づいて異なる出力を生成する。弁２６を駆動する信号は、弁位置コマンドライン８４にて生成される。弁２６の位置が実際に命令されていた位置にあることを確認するために、弁制御回路５６は、弁位置フィードバックライン８６を介してフィードバックを提供する。更に、以下に詳細に記載されるように、患者１３における圧力の読取値は、制御の決定に至るように使用され、従って、患者インターフェース圧センサ３６が制御プロセッサ７０に接続される。弁制御回路５６は、イネーブルライン８８を介して、始動又は終了される。

本明細書にて参照されているように、患者換気インターフェース１２及び患者マスクなる用語は、区別しないで使用される。患者マスクは特定の種類の患者換気インターフェースであり、既に簡単に説明したように、他の種類の換気インターフェースが使用できることは認識されるであろう。同様に、マスク圧、弁圧のような用語を参照して、任意の他の用語を修飾するためにマスク又は弁といった用語を使用することは、簡便にする目的のみのためであり、本発明を制限することを目的としてはいない。例えば、マスク圧は、患者換気インターフェース１２における圧力を参照する一方で、弁圧は、弁２６の出口部における圧力を参照するものとして理解される。

次に、図３の圧力図を参照すると、呼吸周期の異なる地点での、弁２６と患者換気インターフェース１２とにおける典型的な動作圧力が示されている。より具体的には、第１のプロット９０は弁圧センサ３４にて測定された弁２６における圧力周期を示し、吸気領域９２と呼気領域９４とによって特徴付けられる。理解されるように、弁２６における圧力は吸気時に増大し、呼気時に減少する。以降において、第１のプロット９０及びそれによって示される測定値を、「ＰＶａｌｖｅ」と称し、任意の特定の時間ｔにおける圧力値は、「ＰＶａｌｖｅ（ｔ）」として参照される。この圧力は、本明細書にて記載される他の圧力測定値と同様に、ｃｍＨ２Ｏを単位として付与される。

第２のプロット９６は、圧力センサ３６によって測定されるものとして、患者換気インターフェース１２における動作圧力周期を示す。第２のプロット及びそれによって示される測定値を、「ＰＭａｓｋ」と称し、任意の特定の時間ｔにおける圧力値は、「ＰＭａｓｋ（ｔ）」として参照される。第２のプロット９６にて示されるように、ＰＭａｓｋは、吸気領域９２にわたって増大し、呼気領域にわたって減少する。更に、弁２６における圧力ＰＶａｌｖｅは、患者換気インターフェース１２における圧力ＰＭａｓｋよりもかなり高い。

患者のリーク表示（ｌｅａｋ ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）も本明細書にて開示された換気システム１０において企図されている。図４のグラフにて示されるように、第１のプロット９８は、一定期間にわたってある瞬間（ｇｉｖｅｎ ｉｎｓｔａｎｔ）のＰＶａｌｖｅとＰＭａｓｋの差を示しており、ΔＰとして参照されている。第１のプロット９８はまた、吸気領域９２と呼気領域９４とによって特徴づけることができる。圧力差ΔＰの平均は、リーク定数（ｌｅａｋ ｃｏｎｓｔａｎｔ）１０４として示されている。リーク定数５４の値が大きいほど、リークが大きいことが認識されるであろう。

次に図５のグラフを参照して、患者のトリガ（ｔｒｉｇｇｅｒ）及び周期状態の決定について以下に考慮される。周期及びトリガの状態は、患者の呼吸周期に基づくことは理解され、従って、本発明の開示は、吸気相と呼気相とによって確認され得るモダリティを企図している。プロット１９２は、一定期間にわたるマスクの圧力ＰＭａｓｋと弁の圧力ＰＶａｌｖｅとの間の圧力差ΔＰを示している。代替的に、プロット１９２はまた、フローセンサ４３によって測定される流速Ｑを示す。

一実施形態に従って、トリガリミット１０２が設定されるか、そうでなければ、ΔＰ及び／又はＱの平均として計算される。より詳細には、時間（ｔ）におけるトリガリミット１０２は、平均ΔＰ又は時間（ｔ）における流れに所定のトリガ定数を加算したものであり得、それは、医師又は患者によって設定され得る。仮に、（ｔ）における圧力差ΔＰ及び／又は流れＱが、同じ時間（ｔ）におけるトリガリミットよりも大きい場合、患者は吸気相の状態にあると考えられる。

周期リミット１０４もまた設定され、ΔＰ及び／又はＱのピーク値の関数として理解される。更なる詳細において、時間（ｔ）における周期リミットは、周期定数を乗じた時間（ｔ）における最大ΔＰ及び／又はＱである。周期定数（ｃｙｃｌｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）はまた、医師若しくは患者によって設定され得るか、そうでなければΔＰ（ｔ）の関数として計算される。仮に測定されたΔＰが設定した周期リミットよりも小さい場合、患者は呼気相にあるものとして決定される。

弁２６によって調整されるものとして酸素源１８から患者１３に送達されるべきである特定の圧力は、プログラム可能な圧力コントローラ２６によって設定され、図６、図７及び図８は、異なる変数の適用を示すその制御ループブロック図を示す。本明細書に開示されている換気システム１０の複数の実施は、バイレベル気道陽圧（ｂｉ−ｌｅｖｅｌ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ａｉｒｗａｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）療法に関する。第１の気道陽圧が吸気相の間にトリガリミットに基づいて検出された場合に患者１３に送達され、第２の、より低い気道陽圧が、上述の周期リミットに従って検出された場合に呼気相の間に送達される。

図６の制御ループブロック図を特に参照して、弁２６の制御関数に関連する更なる詳細と、特に、弁２６と患者換気インターフェース１２との間の圧力差を利用する閉ループ制御回路１０６について以下に考察する。

概して、閉ループ制御回路１０６は、第１のＰＩＤコントローラ１０８と第２のＰＩＤコントローラ１１０とを含み、両コントローラは患者の循環内における圧力の変化をもたらすために弁２６に作用する。弁圧１１４を調節するために第１のＰＩＤコントローラ１０８によって駆動される第１の或いは内側の制御ループ１１２並びに第２の或いは外側の制御ループ１１６が設けられている。第１のＰＩＤコントローラ１０８と第２のＰＩＤコントローラ１１０の両方を用いてマスク圧１１８が調節される。内側の制御ループ１１２と外側の制御ループ１１６とは、相互に関連しており、両者はともに閉ループ制御回路１０６を定義する。

閉ループ制御回路１０６の一つの目的は、患者の吸気圧及び呼気圧の要求並びに換気システム１４の圧力損失に適合するのに十分な所定の圧力を達成するのに必要な程度にまで弁２６を動作することにある。医師によって入力される予め設定されたバイレベル気道陽圧である所望の圧力は入力値１２０よって示されて、それは第１の加算点（ｓｕｍｍｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）１２２に提供される。患者のマスクにおける圧力、即ちマスク圧１１７は、既に述べたように圧力センサ３６によって測定され、また第１の加算点１２２に入力される。入力値１２０及びマスク圧１１８を合計した圧力に対応する出力信号１２４が第２のＰＩＤコントローラ１１０に送られる。出力信号１２４は第２のＰＩＤコントローラ１１０によって処理され、この処理された信号は、弁制御回路５６に出力されて、それに応じて弁２６を部分的に調整する。

第２のＰＩＤコントローラ１１０からの出力は、第２の加算点１２６に入力され、同第２の加算点１２６では、弁における圧力値、即ち弁圧１１４が加えられる。これらの加算された圧力に対応する別の出力信号１２８が第１のＰＩＤコントローラ１０８に送られ、再び処理され、弁制御回路５６に出力されて弁２６を調整する。引き続く弁圧１１４の測定が、再び第２の加算点１２６にフィードバックされ、その地点にて、内側ループが継続する。

従って、第１のＰＩＤコントローラ１０８は弁圧センサ３４を通る（ｏｖｅｒ）閉ループ制御の一部であり、その出力値は弁２６に対する現在の設定点となる。更に、第２のＰＩＤコントローラ１１０は、マスク圧とバイレベル設定レベル１２０との間の誤差（ｅｒｒｏｒ）を最小限にする。第２のＰＩＤコントローラ１１０の出力値は第１のＰＩＤコントローラ１０８に対する設定圧である。第１のＰＩＤコントローラ１０８及び第２のＰＩＤコントローラ１１０のそれぞれの増加（ｇａｉｎ）が、患者の呼吸相及び／又はバイレベル設定点１２０に従って予定されてもよい。呼気時、コントローラ３０は、弁２６の位置、弁圧、流れを、単独で、或いは異なる設定目標に対して制御するように再設定される。吸気相の検出においては、バイレベル設定点１２０は、呼気時とは異なる値に設定され得る。

図７は、マスク圧１１８をＰＩＤコントローラ１３２にて調整するより一般的な閉ループ制御回路１３０を示す。測定されたマスク圧１１８が加算点１３４に提供され、バイレベル設定点１２０と合わせられる。

図８の制御ループブロック図は、同様に、フローセンサ４３によって測定された弁２６を流れる流れの測定値を使用して、閉ループ制御回路１３４にて実施される弁２６の制御機能を示す。制御システムに基づく上記した圧力差と同様に、第１のＰＩＤコントローラ１０８と第２のＰＩＤコントローラ１１０が存在しており、両コントローラは患者の循環内における圧力の変化をもたらすために弁２６に作用する。流れ１３５を調節するために第１のＰＩＤコントローラ１０８によって駆動される第１の或いは内側の制御ループ１３６並びに第２の或いは外側の制御ループ１３８が設けられている。第１のＰＩＤコントローラ１０８と第２のＰＩＤコントローラ１１０の両方を用いてマスク圧１１８が調節される。内側の制御ループ１３６と外側の制御ループ１３８とは、相互に関連しており、両者はともに閉ループ制御回路１３４を定義する。

ここでも、閉ループ制御回路１３４は、患者の吸気圧及び呼気圧の要求並びに換気システム１４の圧力損失に適合するのに十分な所定の圧力を達成するのに必要な程度にまで弁２６を動作することにある。医師によって入力される予め設定されたバイレベル気道陽圧である所望の圧力は入力値１２０よって示されて、それは第１の加算点１２２に提供される。マスク圧１１８もまた、第１の加算点１２２に入力される。入力値１２０及びマスク圧１１８を合計した圧力に対応する出力信号１２４が第２のＰＩＤコントローラ１１０に送られる。処理された出力信号１２４は、弁制御回路５６に出力されて、それに応じて弁２６を部分的に調整する。

第２のＰＩＤコントローラ１１０からの出力は、第２の加算点１２６に入力され、同第２の加算点１２６では、流れ１３５が加えられる。これらの加算された値に対応する別の出力信号１２８が第１のＰＩＤコントローラ１０８に送られ、再び処理され、弁制御回路５６に出力されて弁２６を調整する。引き続く流れの測定が、再び第２の加算点１２６にフィードバックされ、その地点にて、内側ループ１３６が継続する。

第１のＰＩＤコントローラ１０８はフローセンサ４３を通る閉ループ制御の一部であり、その出力値は弁２６に対する現在の設定点となる。更に、第２のＰＩＤコントローラ１１０は、マスク圧とバイレベル設定レベル１２０との間の誤差を最小限にする。第２のＰＩＤコントローラ１１０の出力値は第１のＰＩＤコントローラ１０８に対する設定圧である。第１のＰＩＤコントローラ１０８及び第２のＰＩＤコントローラ１１０のそれぞれの増加が、患者の呼吸相及び／又はバイレベル設定点１２０に従って予定されてもよい。呼気時、コントローラ３０は、弁２６の位置、弁圧、流れを、単独で、或いは異なる設定目標に対して制御するように再設定される。吸気相を検出においては、バイレベル設定点１２０は、呼気時とは異なる値に設定され得る。

図９のフローチャートを参照して、制御ループ回路１０６及び１３４に関するステップを以下に説明する。ステップ２００において、バイレベル設定点１２０が設定される。次に、ステップ２０２においてマスク圧１１８が読み取られ、設定されたバイレベル設定点の圧力１２０とマスク圧１１８との誤差が、第２の加算点１２２に関して上記したように、ステップ２０４にて計算される。ステップ２０６において、計算された誤差が第２のＰＩＤコントローラ１１０に送られる。ステップ２０８において、バイレベル設定点１２０とマスク圧１１８との誤差を最小限にするために、弁２６が第２のＰＩＤコントローラ１１０によって調節される。この時点において、弁圧の設定点が生成される。内側制御ループ１１２につき、弁圧１１４がステップ２１０において受承され、その値と、第２のＰＩＤコントローラ１１０からの設定された弁圧設定点との間の誤差がステップ２１２において計算される。次に誤差の量は、ステップ２１４に従って第１のＰＩＤコントローラ１０８に提供される。誤差は、ステップ２１６において弁２６を更に調節することによって最小限にされ、それにより現在の設定点が形成される。

次に、図１０の略図を参照し、換気システムの操作順序について記載する。既に述べたように、弁２６は弁制御回路５６によって作動される。具体的には、弁２６の位置は、必要とされる流速及び圧力を達成するために定義された位置まで、電気的に、又は空気圧によって移動させられる。これが起こる特定の手順及び様式は、コントローラ５６によって実行される閉ループ制御回路１０２、１３０及び１３４によって管理される。閉ループ制御回路１５６への入力値の一つは圧力コマンド１４０であるか、或いは医師によって設定される治療用圧力である。

弁２６を作動すると、弁圧センサブロック１４２にて感知されるように、弁２５における圧力が変化する。更に、圧力の読取は、患者換気インターフェース１２或いはマスク圧センサプロック１４４においてもなされる。フローセンサブロック１４５が任意選択にて含まれる。これらの読取値は閉ループ制御回路５６に入力される。付随的に、弁圧センサブロック４２、マスク圧センサブロック１４４及びフローセンサブロック１４５からのこれらの読取値が、呼吸周期状態検出器ブロック１４６にて利用される。既に述べたように、圧力差（ Ｐ）を使用して、患者１３が呼気相（呼気）又は吸気（吸気相）にあるかを決定する。従って、呼吸周期状態検出器１４６は、圧力の測定値を使用して、呼吸周期状態出力１４８を生成する。

異なるアラーム状態を、弁圧センサブロック１４２、マスク圧センサブロック１４４、及び任意選択的にフローセンサブロック１４５からの測定値の間の圧力差に部分的に基づいて求めてもよい。これらの値は、アラーム１５２をトリガするアラーム検出ロジックブロック１５０に送られる。

本明細書において示された詳細は、例としてのものであり、本開示の実施形態の例示的な考察の目的のみのためのものであり、最も有用であると考えられるもの並びに原理及び概念的な態様の容易に理解できる記載を提供するために示されている。この点に関し、必要であること以外の更なる詳細な事項を伴って本発明の詳細を示そうとはしておらず、図面を伴う詳細な説明は、本発明の複数の形態が実際にはどのような具現化され得るものであるのかは当業者には明らかであろう。

Claims (16)

1. 換気装置であって、前記換気装置は、
   圧縮された酸素強化ガスを備えた酸素源に連結される入口ポートと、
   患者の呼吸経路に装備されるように構成された患者インターフェースにガス送達導管を介して連結される出口ポートと、
   前記入口ポートに空気連通可能である入口と、前記出口ポートに空気連通可能である出口とを有する弁と、
   患者インターフェースの圧力を測定する第１の圧力センサであって、前記患者インターフェースは圧力センサラインを介して同第１の圧力センサに連結されている、第１の圧力センサと、
   弁出口圧を測定する第２の圧力センサと、
   前記第１の圧力センサ及び前記第２の圧力センサと連通しているコントローラであって、前記第１の圧力センサの測定値と前記第２の圧力センサの測定値との圧力差に基づいて、患者の吸気相及び患者の呼気相を検出するコントローラと、
   を含み、前記圧縮された酸素強化ガスは、検出された患者の吸気相の間に前記患者インターフェースに送達され、かつ検出された患者の呼気相の間に排出され、
   前記コントローラはトリガリミットを決定することによって前記患者の吸気相を検出し、前記トリガリミットは、所定のトリガ定数に前記圧力差の平均を加算したものによって定義され、前記患者の吸気相は圧力差が前記トリガリミットより大きいときに検出され、
   前記コントローラは、周期定数を乗じた最大圧力差によって定義される周期リミットを決定することによって前記患者の呼気相を検出し、前記患者の呼気相は圧力差が前記周期リミットよりも小さいときに検出される、換気装置。
2. 前記弁の完全に開いた位置の直径は、ガス送達導管の直径よりも大きい、請求項１に記載の換気装置。
3. 請求項１に記載の換気装置は、ガスの流速を測定するフローセンサであって、前記弁の出口及び前記出口ポートとインラインにて接続されているフローセンサを更に含み、
   前記コントローラは、前記フローセンサの測定値にさらに基づいて、前記患者の吸気相及び前記患者の呼気相を検出する、換気装置。
4. 一つ以上の患者呼吸周期にわたるガスの流速の平均は、リーク定数を定義する、請求項３に記載の換気装置。
5. 前記コントローラは前記弁を開いて前記圧縮された酸素強化ガスの前記患者インターフェースへの流れを誘導し、前記流れを低減するために前記弁を閉じる、請求項３に記載の換気装置。
6. 前記コントローラは、第１の比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラと、第２のＰＩＤコントローラとを含み、前記第１のＰＩＤコントローラは、ガスの流速にわたり第１の制御ループの一部であり、前記第２のＰＩＤコントローラは、前記第１の制御ループとともに、前記患者インターフェースの圧力と設定圧力との間の誤差を最小にするための第２の制御ループの一部である、請求項３に記載の換気装置。
7. 前記コントローラは前記弁を開いて患者換気インターフェースにおける圧力差を誘導し、弁を閉じて前記圧力差を低減する、請求項１に記載の換気装置。
8. 一つ以上の患者呼吸周期にわたる平均圧力差は、リーク定数を定義する、請求項１に記載の換気装置。
9. 前記コントローラは、第１の比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラと、第２のＰＩＤコントローラとを含み、前記第１のＰＩＤコントローラは、弁出口圧にわたり第１の制御ループの一部であり、前記第２のＰＩＤコントローラは、前記第１の制御ループとともに、前記患者インターフェースの圧力と設定圧力との間の誤差を最小にするための第２の制御ループの一部である、請求項１に記載の換気装置。
10. 前記ガス送達導管及び前記圧力センサラインは一体的に形成されている、請求項１に記載の換気装置。
11. 前記ガス送達導管及び前記圧力センサラインは分離している、請求項１に記載の換気装置。
12. 前記酸素源は、前記圧縮された酸素強化ガスを含有するタンクである、請求項１に記載の換気装置。
13. 前記酸素源は、圧縮器と空気連通可能な酸素濃縮装置である、請求項１に記載の換気装置。
14. 前記酸素濃縮装置は、酸素強化ガスを第１の圧力レベルにて前記圧縮器に出力し、
    前記圧縮器は、前記酸素濃縮装置に空気圧式に連結される入口と、アキュムレータに空気圧式に連結される出口とを有するポンプを含み、同出口は、前記圧縮された酸素強化ガスを、前記第１の圧力レベルとは異なる第２の圧力レベルにて出力する、請求項１３に記載の換気装置。
15. 前記所定のトリガ定数は医師によって入力される値である、請求項１に記載の換気装置。
16. 前記所定のトリガ定数は患者によって入力される値である、請求項１に記載の換気装置。