JP3795527B2 - 断続的ガス吸入装置 - Google Patents

Description

本発明は、連続している各呼吸周期内に呼吸している患者の呼吸器系の入口に、ある量のガス状流体を吸入するための断続的なガス吸入装置及び方法に関する。特に本発明は、即時呼吸周期の吸入時間及び／又は吐出時間に呼吸状態が変化している患者が必要とするガス状流体量を決め、即時呼吸周期の吐出時間から次の呼吸周期の吸入時間に所定量のガス状流体を吸入するための断続的なガス吸入装置及び方法に関する。本発明は特に医療産業に適しており、呼吸を酸素で補う必要のある救急患者に効果的に且つコスト的に有利に吸引することによって、身体の活動状態が変化している場合に血液において酸素濃度の十分なレベルを維持することができる。
発明の背景
患者によっては、通常、気管支炎、気腫及び肺繊維症のような慢性呼吸疾患の結果、肺機能が低下する。肺機能の低下が生じた場合、患者は低酸素血症となる。低酸素血症を治療し、これに関する症状を和らげるために、おそらく医療関係者は患者に補足酸素を処方し、患者が大気とともに補足酸素を吸い込むことにより血液の流れに十分な酸素濃度レベルを維持できるようにするであろう。
従来の補足酸素供給システムには鼻カニューレ構造と流体接続している酸素タンクのような酸素源が含まれていた。酸素は、低く固定された流量率ではあるが連続流出ベースで全呼吸周期にわたって、酸素源と鼻カニューレ構造とを接続しているチューブにより患者の鼻に供給された。非救急患者において有効に酸素濃度レベルが維持されるが、高価な酸素が大気に失われることになった。これは、全呼吸周期において、即ち患者が吸い込むか吐き出すかに関係なく患者の鼻に酸素を連続的に流入するためである。明らかに、このような連続流入の補足酸素供給システムを使用した場合、患者の鼻に供給される酸素の多くが浪費された。さらに、この従来の補足酸素供給システムでは、患者の活動レベルが変化した場合、変化する患者の酸素需要量に応じて可変量の酸素を供給することができなかった。医療のコストが上昇し、低酸素血症患者に酸素をより有効に供給する手段が必要とされたので、その他のより有効な酸素供給システムが開発された。
これらの従来技術による操作時酸素を一定量に保つ補足酸素供給システム及び装置の欠点をより理解するためには、従来技術を説明する前に患者の呼吸周期を理解することが有益であろう。時間を関数として患者の呼吸圧を座標で示した場合、一呼吸周期は通常、変化した正弦波として現れる。大気圧に対して、正弦波の呼吸正圧は上昇後低下し、呼吸周期の吐出時間を示し、これに対応して正弦波の呼吸負圧は吐出周期の終了後、低下し続けた後、大気圧に対して上昇し呼吸周期の吸入時間を示す。しかしながら、実際は呼吸周期の正弦波がひずむことにより、ひずんだ正弦波の吐出時間は平均で呼吸周期の約３分の２となる一方、ひずんだ正弦波の吸入時間は平均で呼吸周期の３分の１となる。
さらに患者の呼吸器系における肺への経路は、鼻孔、鼻腔及び気管を備え、これらによって空気を患者の肺へ供給する導管が形成されている。この経路は吐出後、吐き出された空気により満たされる解剖学上の死腔であり、この空気は次の吸入時間に第一吸入空気量となる。例証にすぎないが、平均して解剖学上の死腔は次に吸入される空気量の最初の約３分の１（１／３）を保持する。呼吸に必要な空気量の残り３分の２（２／３）は次の吸入時間に新鮮な空気により提供される。新鮮な空気の２分の１（１／２）しか気体交換のために肺に届かない。即ち、必要な空気の２番目の３分の１（１／３）（又は新鮮な空気の最初の半分（１／２））が肺に運ばれ、必要な空気の最後の３分の１（１／３）（又は新鮮な空気の２番目の半分（１／２））が解剖学上の死腔にとどまる。従って、平均して呼吸周期の１６％から１７％のみが新鮮な空気、または吸入気体とともに新鮮な空気を肺に運び、これは呼吸周期の吸入時間の最初の半分（１／２）でのみ生じる。
全呼吸周期において連続して酸素流を提供する従来技術による補足酸素供給システムに関する酸素浪費に対応して、患者に補足酸素を供給し酸素保持を特徴として含む多くの他の従来技術によるシステム及び装置が開発及び実施されている。これらの装置には患者に「要求次第」または「絶えず」酸素を提供することができるものもある。通常、「要求次第」はこれらのシステムにおいて呼吸周期の吸入開始後まで酸素が患者に供給されないこと及び呼吸周期の吐出時間には完全に酸素が患者に供給されないことを意味している。全呼吸周期の３分の２を占める吐出時間に酸素が患者に供給されなかったので、かなりの量の酸素が保存された。以下、二つの型の「要求次第」補足酸素供給システムを説明する。
ダーカン等による米国特許４、４６２、３９８及び４、５１９、３８７は、患者の吸入時に呼吸ガスを保存するように設計された呼吸ガス供給方法及び装置を開示している。センサーが最初の吸息段階を示す負圧を感知すると、センサーに呼応して制御回路はバルブを操作し、呼吸ガスのパルスが単一の鼻カニューレから患者の呼吸器系に供給される。呼吸器系に供給されるガスのパルスは予め選択されたパルス形状を有することができる。この方法により時間単位当たり固定量の補足呼吸ガスが供給される。補足呼吸ガスの容積測定上の流量率が予め設定され、補足呼吸ガスの各供給時間が予め選択されることにより、吸入開始後、固定量の呼吸ガスが供給される。また、この方法によって呼吸ガスの連続供給における遅延は最小となり、遅延時間も予め決められる。これは呼吸ガス流の間隔が吸息時間よりも短い時間に予め設定されているからである。
さらに、吸入時間にのみ「要求次第」酸素を供給することにより呼吸ガスを保存するように設計された従来技術による補足酸素供給システムがティープ等による米国特許４、６１２、９２８に記載されている。これはガスを身体に供給するための方法及び装置の両方を開示している。装置及び方法は個人の血液において特定の酸素濃度レベルを維持するために必要な酸素量を最小にするために使用される。装置は変換器その他の回路部品を含み、個人の呼吸速度に応じた最初の一連のパルスまたは信号を得る。分割器又は計数器によって最初の一連の信号またはパルスが処理され、第一連の定期的なパルスまたは信号に応じて第二連のパルスまたは信号が生成される。第二連のパルスまたは信号は定期的にバルブを開けて、個人の定期的な呼吸周期における吸入のほぼ開始時、酸素を個人に供給するために使用される。
米国特許４、４５７、３０３及び４、４８４、５７８においてダーカンは呼吸周期における吸入終了時に供給された酸素は浪費されていることを認識している。これら二つの特許には人工呼吸装置及びこの方法が記載されている。要するに、流体により操作する人工呼吸器は無呼吸イベント回路及び需要ガス回路を備える。無呼吸イベント回路は可変静電容量装置と吸入が生じた場合回路から流体を急速に排出させる排気手段とを備える。人工呼吸器の需要ガス回路は吸入開始時、吸入時間の一部分に、呼吸ガスを患者に供給する。このように、これらの特許も吸入開始時の通気により呼吸ガスが患者に効果的に供給されるという推論に従っている。
ある従来技術による補足酸素供給システムは吐出の後のほうの段階及び呼吸周期における吸入の進んだ段階で安定した流れの酸素を供給し始め、吸入開始時、この安定した酸素流に酸素パルス流のピークを重畳する。これは佐藤等による米国特許４、６８６、９７４に記載されている。これは呼吸と同期したガス吸入装置を開示している。この装置はガス源、バルブ、吸入装置、センサー及び操作制御装置を含む。バルブはガス源に接続され、ガス源からのガスの流速及び時間を調節している。吸入装置はバルブに接続され、バルブから人体の呼吸器系の方へガスが吸入される。センサーは人体の呼吸を感知し、呼吸周期における吸入時間と吐出時間とを識別して示す電気信号を生成する。操作制御装置はセンサーから電気信号を受け、バルブに制御信号を送るので、ガス吸入は吸入開始前に開始し、吸入終了前に終了するとともに、吸息時間の初期段階において大量のガスによる短いパルス状のピークが生じる。すなわち、各吸入開始前にガスが安定して吸入され始め、吸入開始後の短時間、ガスのパルス状ピーク流吸入が安定した吸入に重畳される。平均吐出時間に基づく任意の間隔及び平均吸入時間が選択され、呼吸周期において吸入が誘発及び終了される。
上述した従来技術による装置は実際、酸素を保存したが、患者の異なる活動レベルにより変化する呼吸の要求度に関する問題を解決することはできなかった。補足酸素を必要としている患者が休息状態にある場合、血液において適切なレベルの酸素濃度を維持するために必要な酸素は比較的少量であり、それにより「不飽和」と呼ばれる状態が防がれる。患者の身体活動レベルが増加するにつれて、血液に適切なレベルの酸素濃度を維持するために必要な酸素の量は患者が休息状態にある場合に比べて多くなる。
米国特許４、７０６、６６４においてスヌーク等は、酸素が削減できるとともに処方された酸素の連続法と生理学上等価なものを患者に与えることができるパルス流補足酸素装置を開示している。装置には電子制御回路によりパルスモードで操作される需要酸素バルブが含まれる。適切なセンサーにより、電子制御回路は患者の呼吸活動をモニターし、酸素の可変時限パルスを発生し、呼吸周期または呼吸の各吸入時間におけるごく初期段階において患者に供給される量を増加させる。パルス量は、患者の先行する複数の呼吸周期を表す測定パラメータに基づいて可変する。患者の先行する三つの呼吸周期の経過時間を測定することにより、呼吸周期速度が効果的に測定される。これらの呼吸を表すパラメータ、及び適合させるべき処方された連続酸素流を表すデータにより装置は所望の供給量を変化させることができる。
ブラムによる米国特許４、５８４、９９６は慢性的な肺の機能障害を有する患者に補足酸素を断続的に投与するための方法及び装置を開示している。この装置は患者の特有の酸素要求量を供与するためにプログラム可能であり、患者の活動が増すと生じるこれらの酸素要求量の変化に対応する。吸入時、患者に酸素が供給されている間に患者の動脈血液酸素レベルを測定することによって、最初の高い動脈血液酸素レベルに達するために必要な呼吸周期の数が決められ、補足酸素がない状態で再び測定することによって、動脈血液酸素レベルを第二のより低いレベルに低減するために必要な呼吸周期数が決められる。これら二つの周期数は、呼吸周期センサー、計数器及び制御バルブを有する装置のプログラムとして適用される演算法に使用される。制御バルブは、所定数の「オン」呼吸周期の間、鼻カニューレへの補足酸素の流れを調節し、所定数の「オフ」呼吸周期の間、連続的及び繰り返して流れを遮断し、それにより酸素を保存するとともに患者の血液酸素レベルを医療的に監視する。この装置の酸素保存特徴は、「オン」呼吸周期における各々の呼吸周期の吐出時間に酸素の流れを遮断することによりさらに向上する。患者の呼吸率は患者が活動すると増加するので、「オン」及び「オフ」時間もこれに応じて変化する。
米国特許４、６８６、９７５においてナイモン等は、電子部品を使用して需要に応じて呼吸ガスのユーザーへの流れを断続的に調整する補足呼吸装置を教示している。相対的な気道圧における小さな変化をモニターすることにより、この呼吸装置は吸入が検出された場合にのみガスを供給する。またこの呼吸装置において、ガス供給時間は可変なので、ユーザーの呼吸率における変化を補正することができ、それにより活動に基づく患者の呼吸に対する要求度の変化に従って調節しようとしている。
現在、多くの製造業者が、携帯用酸素タンク、酸素濃縮器又はしばしば病院の壁に取り付けられている供給源のようなあらゆる型の酸素源を使用している通常の補足酸素供給システムに取り付けられるように作られている酸素保存装置を販売している。これらの酸素保存装置は酸素源と従来の鼻カニューレ構造との間に接続するようになっている。ニューヨーク州クラレンスのメディソニックユー．エス．エー．インコーポレイテッドはメディスＯ₂ニックコンサーバーという酸素保存装置を製造している。これは患者の呼吸周期の吐出時間に酸素源から患者への酸素の流れを遮ることによって酸素を保存している。カリフォルニア州チャツワースのチャドセラピューティクスインコーポレイテッドは登録商標オキシマティック^Rエレクトロニックオキシゲンコンサーバーを有する酸素保存装置を製造している。チャドの酸素保存装置によると呼吸周期の吐出時間及び吸入時間の後のほうの部分の両方において酸素が浪費されない。メリーランド州コロンビアのトリテックインコーポレイテッドは吸入の負圧にも反応する携帯用酸素システムのための需要酸素カニューレを製造した。カナダのブリティッシュコロンビア州サレイもスミス−ペリーコーポレーションは患者の息を全て感知し患者の吸入時にのみ測定した投与量の酸素を供給するＶＩＣ（ヴォヤジャーインターミッテントコントローラ）ブレスセーバーを製造している。フロリダ州フォートピアスのパルセアインコーポレイテッドは吸入開始時「要求次第」患者に酸素を供給する酸素管理システムを製造している。ニューヨーク州ロングアイランドシティのザヘンリージー．ディーツカンパニインコーポレイテッドは吸入が行われる時を感知することにより酸素を保存し吸入時にのみ酸素を供給するハラタス１という酸素保存装置を製造している。
これらの酸素保存装置はいずれも吐出のいかなる段階においても患者に酸素を提供しない。
補足酸素供給システムの使用時に酸素を保存するために多くの改良が行われたが、産業においては依然として、より効率よく有効に十分な濃度の酸素を身体活動状態が変化している患者に供給すると同時に酸素を保存する必要がある。即時呼吸周期の吐出時間から次の呼吸周期の吸入時間に患者に適量の酸素を供給することができる断続的ガス吸入装置を提供する必要がある。適切な量及び濃度の酸素を即時呼吸周期の吐出時間に供給開始することが好ましいであろう。また、この断続的ガス吸入装置によって適切な量及び濃度の酸素を即時呼吸周期の吐出時間から次の呼吸周期の吸入時間に供給できれば好ましいであろう。また即時呼吸周期に適切な流速曲線を決めることのできる断続的ガス吸入装置が必要である。この流速曲線を設計することによって適切な量及び濃度の酸素が即時呼吸周期の吐出時間から次の呼吸周期に患者に供給されるであろう。好ましくは、断続的ガス吸入装置によって即時呼吸周期の吐出時間、公称流速で適量の酸素の一部を患者に供給することにより前回の呼吸周期から鼻腔にみられる残余空気の一部を鼻腔から放出し、次の呼吸周期の吸入時間に備えて残余空気の残りの部分の酸素濃度を高くすることであろう。また、次の呼吸周期の吸入時間に酸素吸入を終了する断続的ガス吸入装置が必要である。断続的ガス吸入装置によって、次の呼吸周期の吸入時間に、即時呼吸周期において決められている負ピーク圧値に達する前に適量の酸素供給を終了すれば好ましいであろう。本発明はこれらの必要を満たし、このような利点を提供する。
目的及び発明の要約
本発明の目的は即時呼吸周期に患者に供給するべき適切量の酸素を決める新規で有用な断続的ガス吸入装置を提供することである。
本発明の他の目的は即時呼吸周期の吐出時間から次の呼吸周期の吸入時間に適量の酸素を供給する断続的ガス吸入装置を提供することである。
さらに本発明の他の目的は即時呼吸周期に適切な流速曲線を決めることができる断続的ガス吸入装置を提供することである。
また本発明の他の目的は即時呼吸周期の吐出時間から次の呼吸周期の吸入時間に適切な流速曲線で適量の酸素を供給する断続的ガス吸入装置を提供することである。
さらに本発明の他の目的は次の呼吸周期の吸入時間のほぼ開始段階に最大流速で適量の酸素の一部を患者に供給する断続的ガス吸入装置を提供することである。
また本発明の他の目的は即時呼吸周期の吐出時間に適量の酸素を供給開始し、前回の呼吸周期から鼻腔にみられる残余空気の一部を鼻腔から放出し、次の吸入時間に備えて残余空気の残りの部分の酸素濃度を高くする断続的ガス吸入装置を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、次の呼吸周期の吸入時間に、好ましくは次の呼吸周期において即時呼吸周期に発生する負ピーク圧値に達する前に酸素吸入を終了する断続的ガス吸入装置を提供することである。
従来技術による装置に関して上記のように考察した結果、本発明の主要な目的は前回の発明により提供された酸素供給方法を改良すると同時に酸素の使用効率を増加することであるが、効率を増加しても必要な酸素レベルに達することができる。これらの目的を達成するために、感知及びガス供給能力の両方を備えた鼻カニューレが患者に取り付けられる。吸入ガスは鼻カニューレのガス供給能力によりガス源から患者に供給される。本発明においてガス供給は患者が吐出し終える前に予め選択された流速で供給するように制御され、その後患者の呼吸周期における吸入時間の予め選択された部分で、好ましくは患者の吸入周期の最初の３分の１において患者の吸入努力により吸入のピークに達する前により高い所定の流速に増加する。吸入時間に供給される吸入ガスの所定流速は固定流速でも可変流速でもよいが、いずれの場合も吸入のピーク前に所定量の吸入ガスを供給することにより、患者の生理学上の必要に応じて、患者の身体活動及び診断状態のいずれかにより必要とされる所望の血液酸素濃度を維持することができる。
患者の呼吸周期の適切な部分で適量の吸入ガスを得るために所望の吸入ガス供給を行うための装置及び方法を以下により詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
図１は、呼吸している患者と加圧ガス状流体源との間に操作可能に接続されている本発明の第一実施例による断続的ガス吸入装置の概略図である。
図２は、即時呼吸周期の吸入時間及び吐出時間から次の呼吸周期の吸入時間に重畳された、患者に供給されているガス状流体の流速曲線を表すグラフである。
図３は、本発明の断続的ガス吸入装置に組み入れられている電源の電気概略図である。
図４は、本発明の断続的ガス吸入装置に組み入れられているセンサー、基準電圧発生装置、マイクロプロセッサーの形状を有する制御装置、及び第一ソレノイドバルブ並びに第二ソレノイドバルブを含むバルブアセンブリの概略図である。
図５Ａ及び５Ｂは本発明の断続的ガス吸入装置の制御装置を操作するソフトウェアプログラムのフローチャートである。
実施例の詳細な説明
本発明の断続的ガス吸入装置は酸素のような加圧ガス状流体源と呼吸している患者との間に流体接続されている。断続的ガス吸入装置は、即時呼吸周期の吸入後の吐出時間から患者の次の呼吸周期における吸入時間に、ある量のガス状流体即ち酸素を患者の呼吸器系の入口に吸入するように操作される。本発明の断続的ガス吸入装置を説明する目的で、本発明の実施例の記載に使用するいくつかの用語を説明することにより本発明の操作及び部品の理解が容易となるであろう。以下の記載において各用語を最初に使用する場合、明示するために引用符号を使う。
「呼吸周期」は患者が最初に吸入しその後吐出する場合に生じる。呼吸周期は患者が吸入し始めた時に始まり、患者が吐出し終えた時に終了する。結果として、一呼吸周期は一つの「吸入時間」と吸入時に続く一つの「吐出時間」とからなる。本発明の実施例を説明する場合だけの取り決めとして、吸入時間は大気に対して、患者が吸入した時に生じる「負圧値」を検出することにより感知され、吐出時間は大気に対して、患者が吐出した時に生じる「正圧値」を検出することにより感知される。本発明による継続的ガス吸入装置の第一実施例に特に有用であるとして説明するが、「負ピーク圧値」は即時呼吸周期の吸入時に検出される最小圧力として生じ、「正ピーク圧値」は即時呼吸周期の吐出時に検出される最大圧力として生じる。これらの負及び正ピーク圧値は、本発明による断続的ガス吸入装置の第一実施例を操作する場合に使用される。さらに、「即時呼吸周期」及び「次の呼吸周期」は本発明の操作を説明する場合にのみ取り決めとして使用する。用語自体が暗示しているが、即時呼吸周期は患者が現在呼吸している呼吸周期であり、次の呼吸周期は即時呼吸周期に続く。実際、一旦「即時呼吸周期」が終了すると「次の呼吸周期」は即時呼吸周期となり、終了した即時呼吸周期は先行する呼吸周期となる。患者が即時呼吸周期にのみ呼吸をすることは当業者であれば理解するであろう。さらに「呼吸圧の変化」は呼吸圧における実際の変化及び呼吸圧の速度の変化のいずれかとして解釈することができる。
本発明による断続的ガス吸入装置１０の第一実施例はその概略が図１及び２に示されている。断続的ガス吸入装置１０は加圧されたガス状の流体源１２と呼吸している患者１４との間に流体接続されている。ガス状流体は好ましくは酸素であるが、空気、亜酸化窒素、エーテル及びその他の人間及び動物に通常投与されるガスから選択することもできるであろう。断続的ガス吸入装置１０はある量のガス状流体を患者１４の呼吸器系の入口１６に吸入するように操作される。通常、入口１６は患者１４の鼻または口であるが、入口１６が患者１４の鼻及び口の両方の場合もある。図２において、ある量のガス状流体（実線）は吸入時間１８（基準線２０の下の点線）の後から即時呼吸周期２４の吐出時間２２（基準線２０の上の点線）に連続的に吸入される。上述した通り、即時呼吸周期２４は吸入時間１８と吐出時間２２の合計である。ガス状流体の吸入は患者１４の次の呼吸周期２８における次の吸入時間２６に継続する。
再び図１を参照すると、断続的ガス吸入装置１０はバルブアセンブリ３０、センサー３２、制御装置３４及びバルブアセンブリ３０、センサー３２並びに制御装置３４を作動させる電源３５を含む。バルブアセンブリ３０はガス状流体源１２と患者１４の呼吸器系への入口１６との間に流体接続している。バルブアセンブリ３０は閉じた状態と開いた状態との間で作動する。閉じた状態では、流体の流れは遮られ、ガス状流体がガス状流体源１２から患者１４の呼吸器系への入口１６へ流れることを妨げられる。開いた状態では、流体接続は確立され、ガス状流体がガス状流体源１２から患者１４の呼吸器系への入口１６へ流れる。
センサー３２は圧力変換器の形状を有し、患者１４の呼吸器系の入口１６と流体接続し、患者１４が呼吸している場合の、大気圧に対する、呼吸している患者１４の呼吸圧（図２にシヌソイド破線で示される）における変化を検出する。これに限定されないが、好ましくは本発明の第一実施例において呼吸圧において検出された変化は呼吸圧における実際の変化である。すなわち、センサー３２は患者１４の即時呼吸周期２４における吸入及び吐出時間１８、２０の呼吸圧変化を検出する。さらにセンサー３２は即時呼吸周期２４の呼吸圧変化を表すセンサー信号を発生する。これらの呼吸圧変化は、時間の関数（基準線２０）として図２にシヌソイド破線により示されている。
マイクロプロセッサの形状を有する制御装置３４はセンサー３２とバルブアセンブリ３０との間に接続され（図１）、センサー信号を受けて処理し、即時呼吸周期２４の吸入時間１８に生じる負ピーク圧値３６及び即時呼吸周期２４の吐出時間２２に生じる正ピーク圧値３８を決める（図２）。後に詳細に説明する正ピーク圧値３８の第一所定パーセントが得られた場合、即時呼吸周期２４の吐出時間２２内に制御装置３４が応答する。正ピーク圧値３８の第一所定パーセントが達成されると、バルブアセンブリ３０は作動し開いた状態になるので、即時呼吸周期２４の吐出時間２２から次の呼吸周期２８の吸入時間１８にガス状流体はガス状流体源１２から患者１４の呼吸器系への入口１６へ流れる。さらに、負ピーク圧値３６の第二所定パーセントが得られ、バルブアセンブリ３０が閉じた状態に作動され、ガス状流体がガス状流体源１２から患者１４の呼吸器系への入口１６へ流れることを妨げられた場合、制御装置３４は次の呼吸周期２８の吸入時間２６内に応答する。
さらに、負ピーク圧値３６の第三所定パーセントが得られ、バルブアセンブリ３０が開いた状態にさらに作動された場合、制御装置３４は次の呼吸周期２８の吸入時間２６内に応答する。一層開いた状態において、追加量のガス状流体は、即時呼吸周期２４の吐出時間２２後で次の呼吸周期２８の吸入時間２６の残りの部分の前まで、ガス状流体源１２から患者１４の呼吸器系への入口１６に流れる。また、バルブアセンブリ３０は必要な場合、即時呼吸周期２４の吐出時間２２に一層開いた状態に作動してもよいであろう。
第一、第二及び第三所定パーセントは患者毎に臨床医が臨床的に決める。好ましくは少なくとも第一及び第二所定パーセントは各患者の呼吸に対する要求度に適合させるが、第三所定パーセントを各患者の呼吸に対する要求度に適合させてもよい。
従って、本発明による断続的ガス吸入装置は患者の補足酸素に対する特定の要求度に適合する。臨床医が考慮するであろう要因は、体重、身長、身体状態、肺の機能障害の程度などである。第一及び第二所定パーセントは１０％〜８０％の範囲から選択される。第一及び第二所定パーセントは互いに異なるが、同じであってもよい。第一及び第二所定パーセントは１０％から８０％までを含む範囲から選択される。好ましくは、第一所定パーセントは２５％、第二所定パーセントは３３．３％である。第三所定パーセントは、第二所定パーセントよりも低い範囲で、１％から２５％までを含む範囲から選択される。好ましくは、第三所定パーセントは１２．５％である。
本発明による断続的ガス吸入装置１０の第一実施例において、バルブアセンブリ３０は第一ソレノイドバルブＶ１及び第二ソレノイドバルブＶ２を含む。第一ソレノイドバルブＶ１は第一閉状態と第一開状態との間で作動し、第二ソレノイドバルブＶ２は第二閉状態と第二開状態との間で作動する。第一及び第二ソレノイドバルブＶ１、Ｖ２は各々独立して、加圧ガス源１２と患者１４の呼吸器系への入口１６との間で流体接続している。ガス供給チューブ４０により第一及び第二ソレノイドバルブＶ１、Ｖ２は加圧ガス状流体源１２に接続されている。バルブチューブ４４及び４６の各々により第一及び第二ソレノイドバルブＶ１、Ｖ２はマニホールド４８に接続されている。マニホールド４８はさらに単一のガス供給チューブ５２により鼻カニューレ５０に接続されている。第一及び第二ソレノイドバルブＶ１，Ｖ２は個々にライン５４及び５６を介して制御装置３４に電気接続され、ライン５８及び６０を介して電源３５に接続されている。第一及び第二ソレノイドバルブＶ１、Ｖ２のバルブ駆動装置６２は各ライン５４及び５６に設けられ、各バルブ駆動装置６２は各々、各ライン６４及び６６を介して電源３５に電気接続されている。各バルブ駆動装置６２は、ライン６７及び６９を介して制御装置３４に電気接続されている。
鼻カニューレ５０、ガス供給チューブ５２及びセンサーチューブ５３は周知である従来のカニューレ構造の部品である。要するに、鼻カニューレ５０は呼吸をしている患者１４の呼吸器系への入口に受容され、その近傍に固定される大きさに調整されている。鼻カニューレ５０は、鼻カニューレ５０を互いに流体連絡から絶縁されたガス供給導管及びセンサー導管に分割するための（図示しない）隔壁を有する。ガス供給導管はガス供給チューブ５２を介してバルブアセンブリ３０と流体接続し、センサー導管はセンサーチューブ５３を介してセンサー３２に流体接続している。このように、鼻カニューレ５０は分割カニューレと称されることもあるが、呼吸圧の変化を検出すると同時に酸素を患者に供給する。
再度、図２を参照すると、第一ソレノイドバルブＶ１は、即時呼吸周期２４の吐出時間２２に第一閉状態から第一開状態に作動し、次の呼吸周期２８の吸入時間２６の後の方の段階「ＬＳ」に第一開状態から第一閉状態に作動するよう操作される。従って、ガス状流体は、即時呼吸周期における吐出時間の衰退段階「ＷＳ」に始まる即時呼吸周期２４の吐出時間２２に図示するように（実線）流れる。衰退段階「ＷＳ」は正ピーク圧値３８を乗じた第一所定パーセントを表す。第一開状態において、ガス状流体の流れは、流動跡７０の平坦な実線部分６８により示されているように安定状態となる。一方、第二ソレノイドバルブＶ２は、次の呼吸周期２８の吸入時間２６のほぼ開始段階「ＢＳ」に第二閉状態から第二開状態に作動するよう操作され、それによりバルブアセンブリ３０は一層開状態となる。開始段階「ＢＳ」は、次の吸入時間に使用される即時呼吸周期のピーク負圧値を乗じた第三所定パーセントを表す。第二ソレノイドバルブＶ２の第二開状態において、追加のガス状流体は、流動跡７０のスパイク波形の実線で表される高流量率パルスとして流れる。第二ソレノイドバルブＶ２は、次の呼吸周期２８の吸入時間２６の後のほうの段階「ＬＳ」で第二開状態から第二閉状態に作動するよう操作される。後のほうの段階「ＬＳ」は、即時呼吸周期の負ピーク圧値を乗じた第二所定パーセントを表す。このように、これに限定されないが、第一ソレノイドバルブＶ１及び第二ソレノイドバルブＶ２は同時に各閉状態になるように作動する。好ましくは、後のほうの段階「ＬＳ」は次の吸入時間の負ピーク圧値の前に生じる。さらに、負ピーク圧値３６の第二所定パーセントが達成されると、第一ソレノイドバルブＶ１及び第二ソレノイドバルブＶ２は各々、第一閉状態及び第二閉状態になるように作動する。いずれの場合も、ガス状流体は、１分当たり０．５リットル及び１分当たり１２リットルを含むこれらの流速範囲から選択される流速で流れる。
当業者であれば、本発明による断続的ガス吸入装置は、以下に「吸入操作周期」として述べるそれ自身の操作周期内で操作されることがわかるであろう。吸入操作周期は即時呼吸周期の吸入時間の負ピーク圧値で始まり、次の呼吸周期における吐出時間に続き、次の呼吸周期の吸入時間の負ピーク圧値の前に終了する。当業者であれば、本発明による吸入操作周期はその位相が患者の通常呼吸周期に対して９０度進むと考えられていることを理解するであろう。さらに、当業者であれば、本発明を即時呼吸周期に作動させるために、これらの負及び正ピーク圧値を発生させ、次の呼吸周期に停止させるように即時呼吸周期から基準圧を使用することがわかるであろう。さらに、本発明による断続的ガス吸入装置１０は圧力変化を検出し、ガス状流体の供給にこれらの検出した変化を使用し、その後、患者の即時呼吸周期内に患者にガス状流体の供給を始めるが、このことが従来技術によるいずれのガス吸入装置にも達成されなかったことは明らかである。
本発明の断続的ガス吸入装置１０の第一実施例によると、吸入時間１８の後、即時呼吸周期２４における吐出時間２２から次の呼吸周期２８の吸入時間２６に、加圧ガス状流体源１２から呼吸している患者１４の呼吸器系への入口１６にガス状流体を断続的に吸入する方法が使用可能である。本方法の最初のステップは即時呼吸周期２４の吸入時間１８に生じる負ピーク圧値を決めることである。次のステップは即時呼吸周期２４の吐出時間２２に生じる正ピーク圧値を決めることである。次のステップは、正ピーク圧値３８の第一所定パーセントが達成された場合、即時呼吸周期２４の吐出時間２２に患者１４の呼吸器系への入口１６にガス状流体を供給開始することを含む。次のステップは、次の呼吸周期２８の吸入時間２６に呼吸器系への入口１６にガス状流体を供給し続けることを含む。最終ステップは、負ピーク圧値３６の第二所定パーセントが達成された場合、次の呼吸周期２８の吸入時間２６に呼吸器系へのガス状流体の供給を終了することを含む。さらに、負ピーク圧値３６の第三所定パーセントが達成された場合、次の呼吸周期２８の吸入時間２６に患者１４の呼吸器系への入口１６に追加ガス状流体を供給開始するステップは、次の呼吸周期２８の吸入時間２６に呼吸器系への入口１６にガス状流体を供給し続けた後に追加することができる。
断続的ガス吸入装置の第二実施例は、従来の先細針状チューブのような可変オリフィスバルブを使用する。この第二実施例による断続的ガス吸入装置は、第一実施例による断続的ガス吸入装置１０とほぼ同じ操作原理を使用するが、第一第二ソレノイドバルブの代わりに異なる型のバルブを使用する。また、第二実施例による断続的ガス吸入装置は制御装置３４を制御するソフトウェアプログラムを変更する必要がある。ソフトウェアプログラムを変更することにより、制御装置３４は即時呼吸周期２４にセンサー３２が発生したセンサー信号を受け処理するように操作され、どの位の量のガス状流体が患者１４の呼吸努力に必要なのか計算する。本発明の第二実施例において、好ましくはセンサー３２は患者の呼吸圧の変化速度を検出する。制御装置３４はセンサー信号に応答し、バルブアセンブリ３０を開状態に作動するので、即時呼吸周期２４の吐出時間２２から次の呼吸周期２８の吸入時間２６に計算された量のガス状流体がガス状流体源１２から患者１４の呼吸器系への入口１６に流れる。さらに制御装置３４は、計算された量のガス状流体が患者１４の呼吸器系への入口１６に供給された場合、次の呼吸周期２８の吸入時間２６に、応答してバルブアセンブリ３０を閉状態に作動する。好ましくは、次の呼吸周期における吸入時間の負ピーク圧値が達成される前にバルブアセンブリ３０は閉状態に作動する。
患者に供給すべき計算された量のガス状流体は即時呼吸周期に基づく。従って、患者の呼吸に対する要求度が変化すると、例えば身体活動が増した結果、ガス状流体の計算量も増加する。従って、患者の身体活動が低下すると呼吸圧の変化が検出され、ガス状流体の計算量も減少する。
圧力変化速度は、二つの検出された圧力値の違いを圧力値が検出された各時間の違いで割ることにより計算可能である。これは図２に角度７１により示されている。当業者であれば、これは流動跡７０の「傾斜」の計算であることがわかるであろう。圧力変化速度が即時呼吸周期の吸入時間、即時呼吸周期の吐出時間または次の呼吸周期の吸入時間に計算可能であることに言及する。
さらに、制御装置３４は、即時呼吸周期２４の吐出時間２２及び次の呼吸周期２８の吸入時間２６に呼吸する患者の呼吸器系への入口１６に連続流入するガス状流体の計算量の流速曲線を決めるように応答する。例であってこれに限定されないが、流速曲線は図２に実線の流動跡７０により示されている。ソフトウェアプログラムを変更することにより所望の流速曲線の形状を決めることができるので、流速曲線は、流動跡７０の平坦な実線部分６８により示されている一定流速曲線、流動跡７０のスパイク波形の実線部分６８により示されている可変流速曲線、又は図２に示されている固定並びに可変流速曲線の組み合わせから選択される。ガス状流体が患者の呼吸器系への入口に流れている場合、次の呼吸周期の吸入時間内に圧力変化速度を検出することができるので、流れているガス状流体の流速曲線を即座に変化させることによって、必要に応じて、計算量のガス状流体を容易且つ完全に適宜、患者に供給することができる。本発明のこの特徴はいかなる従来技術にも含まれていない。明らかに、ガス状流体が供給されている間、即ち即時呼吸周期の吐出時間及び次の呼吸周期の吸入時間に必要に応じて、流速曲線を即座に変更することができるであろう。
例にすぎないが、即時呼吸周期２４の吐出時間２２に呼吸する患者の呼吸器系への入口１６に流れる計算量のガス状流体の最大流速「ＭＦＲ」は、次の呼吸周期における吸入時間１８の開始段階「ＢＳ」直後に生じる。好ましくはガス状流体の流速曲線は、１分当たり０．５リットルの最小流速及び１分当たり１２．０リットルの最大流速を有する流速範囲を含む。
本発明による断続的ガス吸入装置の第二実施例によると、吸入時間の後及び即時呼吸周期の吐出時間から次の呼吸周期の吸入時間に、加圧ガス状流体源から呼吸している患者の呼吸器系への入口にガス状流体を断続的に吸入する方法が使用される。最初のステップは、即時呼吸周期２４の吸入時間１８及び吐出時間２２の一方において患者１４の呼吸器系への入口１６に供給する必要のあるガス状流体の量を計算することである。次のステップは即時呼吸周期２４の吐出時間２２に患者１４の入口１６に計算した量のガス状流体を供給開始することである。次のステップは、次の呼吸周期２８の吸入時間２６に患者１４の呼吸器系への入口１６に計算量のガス状流体を供給し続けることを含む。次のステップは、次の呼吸周期２８の吸入時間２６に供給が完了する場合、患者１４の呼吸器系に計算量のガス状流体を供給することを終了することである。好ましくは、ガス状流体を供給するための所望の流速曲線を決めるステップは、即時呼吸周期２４の吸入時間１８及び吐出時間２２の一方において患者１４の呼吸器系への入口１６に供給する必要があるガス状流体の量を計算するステップと同時に行われる。また好ましくは所望の流速曲線の最大流速で供給するステップは、次の呼吸周期２８において吸入時間２６の開始段階「ＢＳ」の直後に行われる。もちろん、各一連の連続している即時及び次の呼吸周期において本方法のステップを繰り返すステップを含むことが好ましい。
本発明による断続的ガス吸入装置の第三実施例は、形状記憶合金フィルム駆動バルブ（通常マイクロフローバルブと呼ぶ）を含むバルブアセンブリ３０を備えている。本発明による断続的ガス吸入装置の第三実施例は上述した実施例と同じ操作原理を使用しているが、制御装置３４を制御するソフトウェアプログラムは若干、変更しなければならない。従来の形状記憶合金フィルム駆動バルブと同様、このバルブの駆動を制御することにより、ガス状流体が源から患者に流れる場合、ソフトウェアプログラムに指令されるように開状態を可変させる。このように、ガス状流体が患者に供給される間はいつでもガス状流体の流速を正確に制御することができる。
本発明による三実施例を上述したが、当業者であれば技術における改良を認識するであろう。特に、本発明による断続的ガス吸入装置は、センサーとバルブアセンブリとの間に接続され、即時呼吸周期の吸入時間、即時呼吸周期の吐出時間及び即時呼吸周期の吸入並びに吐出時間のいずれかにおいて発生したセンサー信号を受け処理するように操作される制御装置を含む。これに限らないが、バルブアセンブリは即時呼吸周期の吐出時間における衰退段階「ＷＳ」で開状態に駆動し、次の呼吸周期の吸入時間における後の方の段階「ＬＳ」で閉状態に駆動する。さらに、本発明による断続的ガス吸入装置は、加圧ガス状流体源から呼吸している患者の呼吸器系への入口にガス状流体を断続的に吸入する方法を使用する。最初のステップは、即時呼吸周期の吸入時間、即時呼吸周期の吐出時間及び即時呼吸周期の吸入並びに吐出時間のいずれかにおいてセンサー信号を発生することを含む。次のステップは、即時呼吸周期の吸入時間、即時呼吸周期の吐出時間及び即時呼吸周期の吸入並びに吐出時間のいずれかにおいてセンサー信号を処理し、患者の呼吸器系への入口に供給するべきガス状流体の量を決めることである。次のステップは、即時呼吸周期の吐出時間に患者の呼吸器系への入口に所定量のガス状流体を供給開始することである。次のステップは、次の呼吸周期の吸入時間に患者の呼吸器系への入口に所定量のガス状流体を供給し続けることである。次のステップは、次の呼吸周期の吸入時間に患者の呼吸器系に所定量のガス状流体を供給することを終了することである。
当業者であれば、従来型その他のいかなる型のバルブもバルブアセンブリに使用することができることを了解するであろう。患者の要求により、バルブアセンブリは単一のソレノイドバルブ、単一の段付きソレノイドバルブ、単一の比例バルブまたは単一の形状記憶合金フィルム駆動バルブを使用することができるであろう。また、上述したいずれの実施例においても、本発明によりソレノイドバルブの配列、形状記憶合金フィルム駆動バルブの配列及びこれらの型のバルブの組み合わせの配列を組み入れることができるであろう。さらに、本発明は通常開状態の又は通常閉状態の一以上のバルブで作動可能であろう。通常開状態のバルブによりバルブアセンブリは「安全側に誤動作する」特徴を有するが、これにより例えば電源故障の場合、バルブアセンブリの一以上のバルブは自動的に開状態に作動するであろう。このように、電源がなくても、患者は、不足流速で、好ましくは１分当たり２リットルの酸素を受け続けるであろう。
さらに、本発明による断続的ガス吸入装置は血液−酸素濃度装置とともに使用することによって、患者の血液の流れにおいて適切な血液−酸素濃度を維持することができるであろう。例えば、患者の耳に操作接続されている酸素濃度計で、ソフトウェアプログラムを再び変更することにより、患者の供給するべき酸素量は酸素濃度計からのフィードバックに基づくことができるであろう。このように、補足酸素供給システムから補足酸素を受ける患者に少なくともしきい量の血液−酸素濃度を維持する方法が使用される。最初のステップは患者の血液−酸素濃度の量をモニターすることを含む。次のステップは患者の血液−酸素濃度の量が血液−酸素濃度のしきい量よりも下であることを決めることである。次のステップは血液−酸素濃度の量が少なくとも患者の血液−酸素濃度のしきい量になるまで補足酸素供給システムを作動することである。
操作
図１を再び参照すると、吸入ガス、この場合酸素が源１２から供給される。酸素はガス供給チューブ４０を介して第一及び第二ソレノイドバルブＶ１、Ｖ２の各々に送られる。ライン４４及び４６を介して、ガスはマニホールド４８で第一及び第二ソレノイドバルブＶ１、Ｖ２から流れる。マニホールド４８から、ガスはガス供給チューブ５２を介して鼻カニューレ５０に送られる。少なくとも一つのセンサーチューブ５３もカニューレ５０に接続され、好ましくは患者のガス供給チューブ５２に流れる酸素から隔離される。センサーチューブ５３は、カリフォルニア州パロアルトのセンシムインコーポレイテッドによる圧力変換器３２であるセンサー３２に接続される。ＡＣ／ＤＣ変換器８０により５ＶＤＣに変換された１１０ＶＡＣか又は機能を後述する電池低センサー８４に直線に電気接続されている電池８２からの直流を供給する電線７８を使用する電源３５によって、圧力変換器３２は電気供給される。電源３５から追加供給される電源出力はＰＳで示されている。ＰＳ電源出力により図１に示されているように、電気はライン５８及び６０を介して第一ソレノイドバルブＶ１及び第二ソレノイドバルブＶ２に供給される。また電源３５により電気はライン７９を介してマイクロプロセッサー３４に供給される。圧力変換器の出力ライン８６も、マイクロプロセッサー３４の入力側に接続されるが、マイクロプロセッサーは図４にもＵ１として示されている。
操作時、鼻カニューレが通常の呼吸をする患者に取り付けられている場合、センサーチューブ５３は患者の吐出時、正圧を受け、患者の吸入時、負圧を受ける。図２を参照すると、上部の水平シヌソイド線が患者の呼吸周期をたどる場合、水平な直線の上の曲線は吐出時のセンサーチューブ５３における正圧（基準線２０）（図１）を示し、線の下の曲線は吸入時のセンサーチューブ５３における負圧を示す。患者の呼吸周期における圧力の違いは、センサーチューブ５３におけるガス圧力に直接、接続している圧力変換器により感知される。通常、圧力変換器は図２のグラフで示されているように患者の吐出及び吸入の正及び負圧変数を表す正及び負電圧値を有する比例アナログ信号を提供する。この信号は出力ライン８６を介してマイクロプロセッサ３４即ちＵ１に送られる。
マイクロプロセッサ３４即ちＵ１において、信号の流れ及び波形を含む正及び負電圧はデジタル形式に変換され、マイクロプロセッサＵ１のランダムアクセスメモリの連続的に記憶される。第一及び第二ソレノイドバルブＶ１、Ｖ２の操作を生じさせる様々な予め選択された状態が生じたことを判断するために装置を操作している間、記憶されたデジタル信号は連続的にアクセスされる。即時呼吸周期の吐出時間（図２参照）、最大正圧は正ピーク圧値３８に示される。マイクロプロセッサＵ１におけるソフトウェアにより最大値に達したことが確証された場合、その信号値の所定部分はマイクロプロセッサにより作成され、デジタル化され、記憶された波形信号が調べられ、作成値と比較される。その値に達した場合、マイクロプロセッサにイネーブル信号が作成され、バルブ駆動装置６２が駆動され、駆動装置により第一ソレノイドバルブＶ１が駆動され、チューブ４０を介して酸素源１２に対して開き、第一及び第二ソレノイドバルブＶ１，Ｖ２の各々のバルブチューブ４４及び４６、さらにガス供給チューブ５２を介して鼻カニューレ５０に接続される。酸素の流速はバルブ固有のオリフィス（図示しない）の大きさにより調整され、第一ソレノイドバルブＶ１に対して通常１分あたり約２リットルである。
さらに、最大負吸入圧の予め選択された部分が感知される。この値は身体活動における変化を配慮するように呼吸器の臨床医または患者により選択することができ、各患者の設定点は選択された活動時の血液ガスをモニターすることにより予め決められる。供給酸素量の調節可能限度内で、このように固定された流体装置に、これまで配慮されなかった患者の要求度を組み入れることができる。
同様に、第二ソレノイドバルブＶ２は、本発明の長所及び利点を完全に利用するために、予測最大負圧前の吸入時間に所定量の酸素吸入ガスを供給するようプログラムすることができる可変オリフィス（図示しない）または可変流量バルブ（図示しない）に取り替えてもよい。
この酸素はトリガー点「ＬＳ」に達した場合、呼吸周期における点まで患者に流れ続ける。圧力変換器の出力値が即時呼吸周期における吸入時間のピーク値の予め選択された分数値に達すると、マイクロプロセッサＵ１によりトリガー点が生じ、この分数値は即時呼吸周期における吸入時間のピークで予めマイクロプロセッサにより決められ記憶されている。同時に、第二イネーブル信号がバルブ駆動装置６２に送られ、駆動装置が作動することにより酸素はガス供給チューブ４０からバルブチューブ４６及びガス供給チューブ５２を経て患者に流れる。酸素の流速は第二ソレノイドバルブＶ２の弁座（図示しない）でのオリフィス制限装置のサイズにより決められる。この酸素の流れは、次の吸入時間に、即時呼吸周期における吸入時間のピーク負圧値の３３％に達するまで続く。同時に、マイクロプロセッサＵ１は現在の吸入時間を測定することにより、トリガ点の値、即ち即時吸入時間の負ピーク圧値の３３％を計算記憶し、次の呼吸周期において必要なトリガ点を発生させる。
実施例において上述した工程は、各呼吸周期で繰り返される。例えば活動または運動により患者の酸素要求度が増加すると、適切にプログラムされた本発明は、各呼吸周期の各吐出／吸入時間に対して所定量の酸素を供給することにより自動的に、増加した要求度に対応する。本発明は次のようなスイッチ、ライト及び警報器によりさらに操作が容易になる。これらは図１に示されている。
（ａ）「テスト」スイッチＴＳ−１はマルチポジションデジタルスイッチであり、オペレーターが使用することにより装置に対する一連のテストを行い、装置を患者に使用する前にその操作をチェックする。これらのテストは装置が故障した場合の診断具としても使用可能である。
（ｂ）「ＬＯ ＢＰＭ」はライトＬ−１に貼付されるラベルであり、「１分当たりの呼吸数が低い」ことを示す。このライトは、患者の呼吸率が安全でないレベルまで減少した場合にマイクロプロセッサＵ１からの信号で点灯する。
（ｃ）「警報器」Ａ−１は、上記（ｂ）に記載されているように呼吸率が低くなりすぎた場合はいつでも、又は電池の電圧が装置を正確に操作するために予め設定されたレベルより下に減少した場合、マイクロプロセッサＵ１からの信号で音を出す。本発明には警報器が鳴った場合、患者が手動で不足流量率に切り替えることができるスイッチを設けてもよい。
（ｄ）「バルブオン」ライトＬ２は緑のライトで、ソレノイドバルブのいずれか一方または両方に接続されているので、バルブが作動した場合はいつでも点灯し、それにより各呼吸に対するバルブの周期を示す信号を送る。
（ｅ）「ＬＯ ＢＡＴ」Ｌ−３は低電池ライトである。この赤いライトは警報器が鳴ると同時にマイクロプロセッサＵ１からの信号により点灯する。さらに、警報が鳴っていることを知らせるものである。さらに警報器が鳴ったのは電池の電圧が低いからであり、患者が呼吸困難におちいっているのではないことを知らせる。また、低電池ライトが点灯した場合は患者がスイッチを不足流速に切り替えてもよい。
回路の詳細な説明
電源
図３を参照して、本発明は通常、ＡＣ／ＤＣ変換器８０により９ＶＤＣに変換される１１０ＶＡＣの電源を使用している。９ＶＤＣの細流充電が充電抵抗Ｒ１７により電池８２即ちＢ１に対して行われる。Ｒ１７の値は電池が損傷しないように選択される。ＡＣ／ＤＣ変換器がシステムから取り外された場合、電池Ｂ１によりシステムにバックアップ電源が供給される。ダイオードＤ２は充電抵抗Ｒ１７をバイパスするので、適正なシステム電源をバックアップモードにすることができる。コンデンサーＣ１０は十分、充電しているので、ソレノイドバルブを駆動する場合の大きな電力需要を補足する。スイッチＳＷ１がＯＮ位置にある場合、電子回路に⁺５ＶＤＣ制御電力を提供するステップダウンＤＣ−ＤＣ変換器回路に９ＶＤＣが加えられる。９ＶＤＣはソレノイドバルブＶ１、Ｖ２にも加えられる。変換器ＤＣはステップダウン変換器として形成されている。抵抗Ｒ１９は最大出力電流を⁺５ＶＤＣに制限するように選択される。ダイオードＤ３、インダクターＬ４及びコンデンサーＣ１１を備えるフィルター回路は出力の脈動を許容レベルまで平滑にする。出力信号をＤＣ−ＤＣ変換器の感知入力ピン８にフィードバックさせることにより制御が行われる。低電池信号はＤＣ−ＤＣ変換器に発生する。トリップ点は、抵抗Ｒ１８の値及び抵抗Ｒ２０、Ｒ２１及びＲ２２の回路網により決められる。低電池信号ＡＯはＤＣ−ＤＣ変換器のピン６で発生し、図４に示されているように、マイクロプロセッサ入力ピン３４に送られる。
バルブ駆動装置／電力節約器
図４において、マイクロプロセッサＵ１は作動信号によりソレノイドバルブＶ１及びＶ２を作動する。バルブは、作動信号がある間は作動したままである。ソレノイドバルブＶ１の駆動回路はソレノイドバルブＶ１を作動するＭＯＳ−ＦＥＴ半導体Ｑ１と抵抗Ｒ１５′を有し低減電力でバルブを作動位置に保持するためのＭＯＳ−ＦＥＴＱ３とを備える。ソレノイドバルブの作動直後に作動信号をＱ１からＱ３に切り替えることにより電力節約機能が働く。ソレノイドバルブの作動状態の維持に必要な電力は作動に必要な電力よりも少なく、Ｒ１５の値を選択することにより設定される。ダイオードＤ１は電圧をソレノイドバルブの電圧を固定し、弧光発生及びオーバーシュートを防ぐ。同様に、ソレノイドバルブＶ２の駆動回路はＭＯＳ−ＦＥＴＱ２並びにＱ４及び抵抗Ｒ１６を備える。発光ダイオードＬ２及びその電流制限抵抗Ｒ６はソレノイドバルブＶ２に設けられ、バルブが作動したことを示す。各作動信号により、信号の期間、発光ダイオードが点灯する。
警報器
図１及び４において、警報器は圧電装置であり、マイクロプロセッサに駆動されると可聴音を発する。警報を出す条件の組み合わせがマイクロプロセッサにプログラムされている。いずれかの所定条件が感知されると警報が音を出す。
診断出力
データ記録及び故障検査を助ける信号を得ることができる。これらの信号は、オシロスコープ、図表記録器等のような補助装置を使用することによりアクセス及び表示可能である。
デジタルスイッチ
図１及び４においてデジタルスイッチＴＳ−１は、出力が４桁２進化１０進数（ＢＣＤ）であるマルチポジション回転スイッチである。ＢＣＤスイッチの出力はマイクロプロセッサのピン３５、３６、３７及び３８に入力される。較正、システム準備及び診断操作を行う予めプログラムされた診断ルーチンが選択されたコードによりアドレス指定される。
基準電圧発生器
図４において基準電圧発生器は、基準電圧並びに操作増幅器Ｃを備える。抵抗Ｒ１は増幅器Ｃのフィードバックを行う。抵抗Ｒ２、Ｒ３及びＰＯＴ Ｒ４は入力抵抗を有する。ＰＯＴ Ｒ４は基準電圧出力を調節可能にする。
高精度の基準電圧をマイクロ制御装置であるＡ／Ｄ（アナログ・ディジタル）変換器に、その基準電圧として使用する。また、基準電圧により高精度で安定した電圧が圧力変換器の橋絡回路に与えられる。
圧力変換器回路が使用するオフセットバイアス電圧はＰＯＴＲ５の中心タップに生じる。電圧は０ボルトと基準電圧との間で調節可能である。
圧力変換器回路
また図４において、圧力変換器回路は標準差動圧力変換器３２及び差動増幅器Ａ並びにＢを備える。圧力変換器は通常、可変抵抗橋絡回路である。変換器３２の出力は出力ピン５及び３を介して作動増幅器Ａ及びＢに各々、入力される。ピン２は基準電圧ラインであり、ピン４は復帰入力である（接地）。
作動増幅器Ａ及びＢは各々、高ゲインを有する差動増幅器として形成されている。オフセットバイアス電圧によりＢのピン７にＡｓｉｇとして示されているオフセット出力電圧が生じる。出力Ａｓｉｇは大気圧で1/2基準電圧に調節される。オフセット電圧により、正及び負圧測定の出力手段が形成される。
マイクロ制御装置
マイクロプロセッサはＵ１または３４マイクロ制御装置として周知であるが、標準インテル部品ＭＣ８０Ｃ５１ＧＢである。基本的な特徴は次の通りである。
８ビットコンピュータ構造
２５６ランダムアクセスメモリ
４Ｋプログラム可能メモリ
Ａ／Ｄ変換の８チャンネル
ピン５２及び５３に取り付けられた水晶（ＸＴＡＬ）によりマイクロ制御装置の操作周波数が制御される。基準電圧発生器はマイクロプロセッサへのリセット信号

に電力を与える。信号は最初に電源が作動すると低電圧に設定される。マイクロプロセッサは、信号が論理的に高いレベルになるまで非作動状態に保持される。この時、マイクロプロセッサは記憶されたプログラム指示を実行開始する。工程の流れは後に説明する。マイクロプロセッサへの入力信号はアナログ圧力変換器信号Ａｓｉｇ及びデジタル信号Ｂａｔｔｅｒｙ Ｌｏ（ピン３４−Ｐ３．３）である。Ａｓｉｇは、デジタル変換の最初の四つのアナログチャンネルＡＣＨ０−ピン４９、ＡＣＨ１−ピン４８、ＡＣＨ２−ピン４８、ＡＣＨ３−ピン４６に入力される。
マイクロプロセッサからの出力は次のようなデジタル信号である。Ｐ１．０−ピン２２及びＰ１．１−ピン２３。Ｐ１．０はバルブ駆動回路Ｖ２に指令し、Ｐ１．１はバルブ駆動回路Ｖ１に指令する。
Ｐ１．７−ピン２９の出力は可聴警報ブザーに送られる。マイクロプロセッサは様々な可聴周波数を発し異なる警報を示す。出力Ｐ１．６−ピン２８及びＰ１．５−ピン２７は各々、発光ダイオード（ＬＥＤ）により低呼吸率及び低電池電圧を示す。
次の表は図３並びに４及び上述した回路に使用する部品の材料リストの一部である。

プログラムの流れ
以下に、マイクロプロセッサにコード化される工程の流れを説明する。図５は吐出及び吸入圧をリアルタイムでモニターし、この情報を処理することによりＯ₂バルブの作動開始及び終了を決める工程の流れを示す。
電源リセットが完了すると、記憶されたプログラムによりマイクロプロセッサが初期化される。初期化（１０１）はマイクロプロセッサの１０ｍｓ割込タイマー、ボー率タイマー、直列ポート、Ａ／Ｄ変換器及び入力／出力ポートを準備することからなる。一旦、初期化が完了すると、プログラムはメインプログラム（１０２）に進む。メインプログラムは電池低信号Ｐ３．３（１０３）のチェックで始まる。電池電圧レベルが低いことが検出されると、プロセッサは警報ルーチンに進む（１０４）。プロセッサは低電池発光ダイオードインジケータを作動し、可聴警報器の低周波ビープ音を出す。一旦完了すると、プログラムは引き続き、待機モード（１０５）に入る。
１０ｍｓ割込信号を受け取ると、プログラムは割込ルーチン（１０６）を行う。これはＡ／Ｄ変換器を始動し、割込タイマーをリセットすることを含む。次のステップは、Ａ／Ｄ変換開始から固定遅延時間後、四つのアナログ変換された電圧を読み込むことである（１０７）。このことにより変換の完了が確認される。四バルブは平均され、現在値が明示される。現在値は、１６バイトの後入れ先出し（ＬＩＦＯ）メモリの最後のバイトに記憶される（１０８）。傾斜は、値及び指標（正又は負）のいずれかとして計算される（１０９）。傾斜は、最初と最後との間、最後と最後から３番めとの間、最後と最後から５番めとの間、最後から３番めまで、最後から５番めまで計算される。工程は続いて、最後の最高値で現在値がモニターされる（１１０）。現在値が最後の最高値よりも大きいと、ピーク値は現在値で更新される。現在値がピーク値よりも小さいと、ピーク値は変化しない。ピークが検出されたか否かを判断するためには、次の条件を確認しなければならない。
１）長い傾斜は負でなければならない（最初から最後の傾斜）
２）短い傾斜は負でなければならない（最後から５番め及び最後の傾斜）
３）周期の吐出時間において。
ピーク検出が可能になると、次のステップはピーク値を検索し（１１１）、４で分割してピーク値の２５％を得る。これがその後、パージの開始値となる。
最小値の検出（１１２）は以下の違いがあるがピーク検出工程と非常に似ている。最小検出規準は次の通りである。
１）長い傾斜は正でなければならない
２）短い傾斜は正でなければならない
３）周期の吸入時間において。
最小検出が行われると、最小値が検索され（１１３、１１４）１２．５％及び３３1/3％の値が計算及び記憶される。これらの値は次の吸入周期で各々、主要Ｏ₂の噴出開始及びＯ₂の遮断に使用される。ピーク検出が生じる周期の間、ピークの２５％の値が記憶され、現在圧力値（１１５）と比較される。現在値がピークの２５％以下の場合、マイクロプロセッサはバルブ駆動装置Ｖ１に駆動の指令を出す（１１６）。Ｖ１バルブは開き２Ｌ／Ｍの流れでＯ₂ラインを追放する。
同じ周期の間及び吸入期間、プロセッサは現在圧力値と前周期の１２．５％最小値とを比較する（１１７）。現在圧力値が１２．５最小値以下の場合、マイクロプロセッサは流量率の高いバルブＶ２を駆動する（１１８）。
現在圧力値が前周期の最小値の３３1/3以上の場合、バルブの作動を停止される（１１９、２２０）。メインプログラムの流れの最後において（１２１）、ＬＩＦＯメモリを１バイト移動し、次の１０ｍｓ測定の準備が行われる。
また、ウォッチドッグタイマーがリセットされる。何らかの理由でプログラムがウォッチドッグタイマーをリセットしない場合、ウォッチドッグタイマーによりマイクロプロセッサが再度初期化される。
工程は続き、吸入周期がモニターされる。吸入が検出されない場合、マイクロプロセッサは可聴警報器及びＬＥＤインジケーターを作動する。また、低流量率バルブＶ１により低Ｏ₂の流れを継続することができる。
プログラムは続いて、メインプログラムの開始に戻り１０ｍｓ割込を待つ。
本発明による断続的ガス吸入装置は従来技術からかなり進歩し利点を有する。本発明の断続的ガス吸入装置は、即時呼吸周期の間、患者に供給するべき酸素の適量を決め、ほぼ患者の身体活動に合わせた酸素量を供給できるように調節する。
断続的ガス吸入装置は、即時呼吸周期の吐出時間から次の呼吸周期における吸入時間まで連続して適量の酸素を供給する。この結果、前回の呼吸で鼻の経路に残る空気の部分を追放し、残りの部分の濃度を高くする。さらに、最適である次の呼吸周期における吸入時間のほぼ開始時、高パルス率の酸素が供給される。断続的ガス吸入装置は、即時呼吸周期の吐出時間及び次の呼吸周期の吸入時間に酸素を供給するための適切な流量率曲線を決めることができ、必要な場合は、酸素が患者の送られている間でも流速曲線を変更することができる。断続的ガス吸入装置は、次の呼吸周期における吸入時間に、好ましくは次の呼吸周期において、即時呼吸周期で発生した負ピーク圧値に達する前に、酸素供給を終了することができる。この特徴により、特に、患者が最も利用するであろう場合に酸素が供給されるので、高価な酸素の浪費が削減される。
以上、本発明を、特に本発明の実施例について説明した。しかしながら、本発明によると、従来技術に照らし合わせて解釈される請求の範囲において、本発明の進歩性のある概念を逸脱することなく本発明の実施例を修正もしくは変更可能であることは明らかである。

Claims (15)

1. ガス状流体源と、
   前記ガス状流体源と呼吸している患者の呼吸器系への入口との間に流体接続され、前記ガス状流体源から患者の呼吸器系への入口へのガス状流体の流れを妨げる閉状態と、前記ガス状流体源から患者の呼吸器系への入口へのガス状流体の供給を可能にする開状態との間で作動するバルブアセンブリと、
   呼吸している患者の呼吸器系への入口と流体接続し、患者の即時呼吸周期における吸入及び吐出時間に、大気圧に対する呼吸している患者の呼吸圧変化を検出し、即時呼吸周期の呼吸圧変化を表すセンサー信号を発生するセンサーと、
   前記センサーと前記バルブアセンブリとの間に接続され、センサー信号を受信して処理すると共に、センサー信号に従ってバルブアセンブリを制御するマイクロプロセッサ制御装置とを備え、
   該制御装置は、即時呼吸周期に生じるセンサー信号を処理して、
   即時呼吸周期の吸入時間に生じる負ピーク圧値と、
   即時呼吸周期の吐出時間に生じる正ピーク圧値とを決定し、
   正ピーク圧値の第一所定パーセントが得られた場合、即時呼吸周期の吐出時間内に、前記バルブアセンブリを開状態にして、即時呼吸周期の吐出時間及び次の呼吸周期の吸入時間にガス状流体が前記ガス状流体源から患者の呼吸器系への入口に流れるようにし、
   負ピーク圧値の第三所定パーセントが得られた場合、次の呼吸周期の吸入時間内に、前記バルブアセンブリを一層開の状態にして、追加量のガス状流体が、即時呼吸周期の吐出時間後及び次の呼吸周期の吸入時間の残りの部分の前に、前記ガス状流体源から患者の呼吸器系への入口に流れるようにし、
   さらに、負ピーク圧値の第二所定パーセントが得られた場合、次の呼吸周期の吸入時間内に、前記バルブアセンブリを閉状態にして、ガス状流体が前記ガス状流体源から患者の呼吸器系への入口へ流れることを妨げるようにすることを特徴とする断続的ガス吸入装置。
2. 前記センサー、前記制御装置及び前記バルブアセンブリを作動させる電源を含むことを特徴とする請求項１に記載の断続的ガス吸入装置。
3. 前記第三所定パーセントは、１％から２５％の範囲から選択され、前記第二所定パーセントよりも低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の断続的ガス吸入装置。
4. 前記バルブアセンブリが、第一閉状態と第一開状態との間で作動する第一ソレノイドバルブと第二閉状態と第二開状態との間で作動する第二ソレノイドバルブとを含み、前記第一及び第二ソレノイドバルブが、各々独立して前記ガス状流体源と患者の呼吸器系への入口との間で流体接続し、独立して前記制御装置に電気接続していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の断続的ガス吸入装置。
5. 前記第一ソレノイドバルブが、即時呼吸周期の吐出時間に第一閉状態から第一開状態に、また次の呼吸周期の吸入時間の後の方の段階に第一開状態から第一閉状態に作動する一方、前記第二ソレノイドバルブが、次の呼吸周期の吸入時間のほぼ開始段階に第二閉状態から第二開状態に作動し、それにより前記バルブアセンブリの一層開の状態が生じ、また次の呼吸周期の吸入時間の後のほうの段階で第二開状態から第二閉状態に作動することを特徴とする請求項４に記載の断続的ガス吸入装置。
6. 負ピーク圧値の前記第二所定パーセントが達成されると、前記第一ソレノイドバルブ及び前記第二ソレノイドバルブが各々、第一閉状態及び第二閉状態になるように作動することを特徴とする請求項５に記載の断続的ガス吸入装置。
7. 前記第一ソレノイドバルブが第一開状態にある場合、ガス状流体は安定状態の流れにおいて流れ、前記第二ソレノイドバルブが第二開状態にある場合、ガス状流体は高い流速パルスにおいて流れることを特徴とする請求項５に記載の断続的ガス吸入装置。
8. 前記第一及び第二所定パーセントが、互いに異なるか又は同じであることを特徴とする請求項１に記載の断続的ガス吸入装置。
9. 前記第一及び第二所定パーセントが、１０％から８０％の範囲から選択されることを特徴とする請求項８に記載の断続的ガス吸入装置。
10. 前記ガス状流体が、１分当たり０．５リットルから１２リットルの間の流速で流れることを特徴とする請求項１に記載の断続的ガス吸入装置。
11. 前記断続的ガス吸入装置がさらに、鼻カニューレと、ガス供給チューブと、センサーチューブとを含み、該鼻カニューレは、呼吸をしている患者の呼吸器系への入口に受容されると共にその最も近くに固定されるような大きさに構成されていて、該鼻カニューレは、該鼻カニューレを互いの流体接続から分離されたガス供給導管とセンサー導管とに分割するための隔壁を有しており、該ガス供給導管は前記バルブアセンブリと流体接続し、前記センサー導管は前記センサーに流体接続していることを特徴とする請求項１に記載の断続的ガス吸入装置。
12. 前記バルブアセンブリが、ソレノイドバルブ、段付きソレノイドバルブ、比例バルブ、形状記憶合金フィルム駆動バルブ、ソレノイドバルブの配列、段付きソレノイドバルブ配列、比例バルブ配列、形状記憶合金フィルム駆動バルブ配列からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の断続的ガス吸入装置。
13. 前記第一及び第二所定パーセントが、各患者の呼吸要求度に合わせて調整されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の断続的ガス吸入装置。
14. 前記第三所定パーセントは、各患者の呼吸要求度に合わせて調整されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の断続的ガス吸入装置。
15. ガス状流体が、酸素、空気、亜酸化窒素およびエーテルからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の断続的ガス吸入装置。

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