JP6860160B2

JP6860160B2 - 呼吸機能検査装置

Info

Publication number: JP6860160B2
Application number: JP2017044743A
Authority: JP
Inventors: 浩正小川; 英明保木; 彰義水野
Original assignee: CHEST M.I.,INCORPORATED; Tohoku University NUC
Current assignee: CHEST M.I.,INCORPORATED; Tohoku University NUC
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2037-03-09
Also published as: JP2018143702A

Description

本発明は、呼吸器疾患の診断指標を取得するための呼吸機能検査装置に関する。

呼吸器疾患の１つとして、慢性閉塞性肺疾患（Chronic Obstructive Pulmonary Disease（以下ＣＯＰＤという））が知られている。ＣＯＰＤの診断指標として、努力肺活量（Forced Vital Capacity（以下ＦＶＣという））が用いられていた。しかし、ＦＶＣを用いる場合には被験者の努力が必要となる。これに対して被験者の努力を必要としない手法としてＮＥＰ（Negative Expiratory Pressure）法が非特許文献１及び非特許文献２に記載されている。ＮＥＰ法は、呼気を補助した場合のフローボリューム曲線に基づいて呼気流量制限の有無を判定する手法である。

「Detertion of Expiratory Flow Limitation during Mechanical Ventilation」: P Valta, C Corbeil, A Lavoie,R Campodonico, N Koulouris, M Chasse, J Braidy, J Milic-Emili, American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine, Vol.150, 1994, p.1311-1317 「A simple method to detect expiratory flow limitation during spontaneous breathing」: NG Koulouris, P Valta, A Lavoie, C Corbeil, M Chasse, J Braidy, J Milic-Emili, European Respiratory Journal, Feb 1995, 8(2), p.306-313

ＮＥＰ法を用いた場合、呼気を補助した時に被験者の反射等で呼気が乱れることがあった。呼気が乱れた時のデータは、ＣＯＰＤの評価に用いることができない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、診断指標として用いることのできるデータの取得を容易にする呼吸機能検査装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る呼吸機能検査装置は、被験者の少なくとも口に接続される分岐管と、前記分岐管の内部の空気を排出する第１ブロアと、前記分岐管の内部に空気を供給する第２ブロアと、前記分岐管の中を流れる気体の流量を検出するフローセンサと、前記分岐管の中の圧力を検出する圧力センサと、前記第１ブロア、前記第２ブロア、前記フローセンサ及び前記圧力センサと電気的に接続される制御装置と、を備え、前記制御装置は、吸気期間の少なくとも一部の期間で前記分岐管を加圧すると共に被験者の基準換気量を算出し、前記制御装置は、前記基準換気量を算出した後、吸気期間の少なくとも一部の期間で前記分岐管を加圧し、前記基準換気量に対する呼気量の比が所定値になった時から前記分岐管を減圧する。

これにより、吸気期間に分岐管が加圧されることで被験者の呼吸が安定しやすくなる。その結果、算出される基準換気量の精度が向上する。基準換気量に対する呼気量の比が所定値になった時に分岐管を減圧することで、フローボリューム曲線に二峰性のピークが生じにくくなる。したがって、呼吸機能検査装置は、診断指標として用いることのできるデータの取得を容易にする。

呼吸機能検査装置の望ましい態様として、前記制御装置は、呼気量が前記基準換気量に等しくなった時に前記分岐管の減圧を停止することが望ましい。

これにより、被験者が次の呼吸をしやすいので、呼吸が乱れにくくなる。呼吸機能検査装置は、複数のフローボリューム曲線を得るための連続的な測定を容易にする。

呼吸機能検査装置の望ましい態様として、被験者の少なくとも口に接続される主管、開放された開口部を有し且つ前記主管に繋がる第１補助管、及び前記第１補助管に繋がる第２補助管を備える前記分岐管と、前記第１補助管に設けられる第１弁体と、前記第２補助管に設けられる第２弁体と、前記第２補助管と前記主管との間の流れを遮断する開放位置、及び前記開口部と前記主管との間の流れを遮断する閉鎖位置に前記第１弁体を移動させる第１アクチュエータと、前記第２ブロアと前記第１補助管との間の流れを遮断する減圧時位置、及び前記第１ブロアと前記第１補助管との間の流れを遮断する加圧時位置に前記第２弁体を移動させる第２アクチュエータと、を備え、前記制御装置は、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータと電気的に接続されることが望ましい。

仮に第１弁体及び第２弁体がない場合、分岐管に対する加圧と減圧の切替に時間を要する。このため、分岐管に対する加圧と減圧の切替のタイミングが理想のタイミングより遅れやすくなる。呼気期間に分岐管が加圧される状態又は吸気期間に分岐管が減圧される状態が生じやすいので、呼吸抵抗が増大する。また、第１ブロア及び第２ブロアとの間を短絡する空気量が増大する。このような問題が生じるのに対して本実施形態においては、第１弁体及び第２弁体の位置が制御されることで、分岐管に対する加圧と減圧の切替が速くなる。

また本発明の第２の態様として、呼吸機能検査装置は、被験者の少なくとも口に接続される主管、開放された開口部を有し且つ前記主管に繋がる第１補助管、及び前記第１補助管に繋がる第２補助管を備える分岐管と、前記第２補助管の内部の空気を排出する第１ブロアと、前記第２補助管の内部に空気を供給する第２ブロアと、前記第１補助管に設けられる第１弁体と、前記第２補助管に設けられる第２弁体と、前記第２補助管と前記主管との間の流れを遮断する開放位置、及び前記開口部と前記主管との間の流れを遮断する閉鎖位置に前記第１弁体を移動させる第１アクチュエータと、前記第２ブロアと前記第１補助管との間の流れを遮断する減圧時位置、及び前記第１ブロアと前記第１補助管との間の流れを遮断する加圧時位置に前記第２弁体を移動させる第２アクチュエータと、前記分岐管の中を流れる気体の流量を検出するフローセンサと、前記分岐管の中の圧力を検出する圧力センサと、前記第１ブロア、前記第２ブロア、前記第１アクチュエータ、前記第２アクチュエータ、前記フローセンサ及び前記圧力センサと電気的に接続される制御装置と、を備え、吸気期間の少なくとも一部の期間において、前記第２ブロアが駆動し、前記第１弁体が前記閉鎖位置にあり、前記第２弁体が前記加圧時位置にあり、呼気期間のうち呼気の開始時を含む一部の期間において、前記第１弁体が前記開放位置にあり、呼気期間のうち他の期間において、前記第１ブロアが駆動し、前記第１弁体が前記閉鎖位置にあり、前記第２弁体が前記減圧時位置にある。

これにより、吸気が補助されるので呼吸が安定しやすい。また、呼気の開始時から分岐管が減圧されるまでの間に自然呼吸が行われるので、減圧による呼気の乱れが生じにくい。このため、フローボリューム曲線に二峰性のピークが生じにくくなる。したがって、呼吸機能検査装置は、診断指標として用いることのできるデータの取得を容易にする。

本発明によれば、診断指標として用いることのできるデータの取得を容易にする呼吸機能検査装置を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る呼吸機能検査装置の模式図である。図２は、本実施形態に係る制御装置のブロック図である。図３は、本実施形態に係る制御装置が行う処理を示すフローチャートである。図４は、吸気期間における第１弁体及び第２弁体の配置を示す模式図である。図５は、積算流量及び分岐管に加えられる圧力の推移を示すグラフである。図６は、呼気期間における第１弁体及び第２弁体の配置を示す模式図である。図７は、基準換気量の算出方法を説明するためのグラフである。図８は、吸気量が基準換気量に達した後の第１弁体及び第２弁体の配置を示す模式図である。図９は、基準換気量に対する呼気量の比が所定値以上となった時の第１弁体及び第２弁体の配置を示す模式図である。図１０は、積算流量及び分岐管から減じられる圧力の推移を示すグラフである。図１１は、本実施形態におけるフローボリューム曲線の一例を示すグラフである。図１２は、第１比較例における積算流量及び分岐管に加えられる圧力の推移を示すグラフである。図１３は、第２比較例における積算流量及び分岐管から減じられる圧力の推移を示すグラフである。図１４は、第３比較例におけるフローボリューム曲線の一例を示すグラフである。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、本実施形態に係る呼吸機能検査装置の模式図である。本実施形態に係る呼吸機能検査装置１００は、例えばＣＯＰＤの診断指標を取得するために用いられる。図１に示すように呼吸機能検査装置１００は、分岐管１と、マスク２と、第１ブロア７１と、第２ブロア７２と、第１弁体５１と、第１アクチュエータ６１と、第２弁体５２と、第２アクチュエータ６２と、フローセンサ８１と、圧力センサ８２と、入力装置９５と、出力装置９６と、制御装置９と、を備える。

分岐管１は、被験者の口及び鼻に接続される部材である。分岐管１は、主管１０と、第１補助管１１と、第２補助管１２と、を備える。主管１０がマスク２を介して被験者の口及び鼻に接続される。主管１０の一端にマスク２が取り付けられている。マスク２は被験者の口及び鼻を覆う。主管１０の他端は第１補助管１１に連結されている。

第１補助管１１は、開口部１１０と、閉鎖時ストッパー１１ａと、開放時ストッパー１１ｂと、を備える。開口部１１０は、第１補助管１１の一端に配置され、大気に開放されている。第１補助管１１の他端は第２補助管１２に連結される。主管１０は、第２補助管１２と開口部１１０との間の位置で第１補助管１１に連結されている。閉鎖時ストッパー１１ａ及び開放時ストッパー１１ｂは、第１補助管１１の内周面に設けられた環状の突起である。閉鎖時ストッパー１１ａは、開放時ストッパー１１ｂに対して開口部１１０側に配置される。

第２補助管１２は、第１ブロア７１及び第２ブロア７２に連結される。第１ブロア７１と第２補助管１２との接続部は、第１補助管１１に対して、第２ブロア７２と第２補助管１２との接続部とは反対側に位置する。第２補助管１２は、加圧時ストッパー１２ａと、減圧時ストッパー１２ｂと、を備える。加圧時ストッパー１２ａ及び減圧時ストッパー１２ｂは、第２補助管１２の内周面に設けられた環状の突起である。加圧時ストッパー１２ａは、減圧時ストッパー１２ｂに対して第１ブロア７１側に配置される。

第１ブロア７１は、分岐管１の内部の空気を排出する装置である。第１ブロア７１は、第２補助管１２に接続される。第１ブロア７１は、第２補助管１２の内部の空気を分岐管１の外部に送る。第１ブロア７１は分岐管１を減圧する。

第２ブロア７２は、分岐管１の内部に空気を供給するための装置である。第２ブロア７２は、第２補助管１２に接続される。第２ブロア７２は、分岐管１の外部の空気を第２補助管１２の内部に送る。第２ブロア７２は分岐管１を加圧する。

第１弁体５１は、第１補助管１１の内部に配置される。第１弁体５１は、第１補助管１１の内周面に接するシール部材を含む。シール部材は、例えば合成ゴムで形成されたＶリングである。

第１アクチュエータ６１は、第１弁体５１を移動させるための装置である。第１アクチュエータ６１は、電動モータを備え、電動モータの回転運動を直動運動に変換する。第１アクチュエータ６１は、第１弁体５１を第１補助管１１の軸方向に沿って移動させる。第１アクチュエータ６１は、第１弁体５１を開放位置及び閉鎖位置に移動させる。第１弁体５１が開放位置にある時、第１弁体５１は開放時ストッパー１１ｂに接する。これにより、第１弁体５１が第２補助管１２と主管１０との間の流れを遮断する。第１弁体５１が閉鎖位置にある時、第１弁体５１は閉鎖時ストッパー１１ａに接する。これにより、第１弁体５１が開口部１１０と主管１０との間の流れを遮断する。

第２弁体５２は、第２補助管１２の内部に配置される。第２弁体５２は、第２補助管１２の内周面に接するシール部材を含む。シール部材は、例えば合成ゴムで形成されたＶリングである。

第２アクチュエータ６２は、第２弁体５２を移動させる装置である。第２アクチュエータ６２は、電動モータを備え、電動モータの回転運動を直動運動に変換する。第２アクチュエータ６２は、第２弁体５２を第２補助管１２の軸方向に沿って移動させる。第２アクチュエータ６２は、第２弁体５２を減圧時位置及び加圧時位置に移動させる。第２弁体５２が減圧時位置にある時、第２弁体５２は減圧時ストッパー１２ｂに接する。これにより、第２弁体５２が第２ブロア７２と第１補助管１１との間の流れを遮断する。第２弁体５２が加圧時位置にある時、第２弁体５２は加圧時ストッパー１２ａに接する。これにより、第２弁体５２が第１ブロア７１と第１補助管１１との間の流れを遮断する。

フローセンサ８１は、分岐管１を流れる空気の流量を検出する装置である。フローセンサ８１は、例えば差圧式である。フローセンサ８１は、主管１０の内部に設けられたオリフィス８１１の両側の圧力を取得する。フローセンサ８１は、オリフィス８１１の両側の圧力差に基づいて主管１０を流れる空気の流量を検出する。

圧力センサ８２は、分岐管１の内部の圧力を検出する装置である。圧力センサ８２は、オリフィス８１１よりマスク２側の圧力と、大気圧とを取得する。圧力センサ８２は、大気圧に対する、主管１０の内部の相対的な圧力を検出する。圧力センサ８２は、主管１０の内部の圧力が大気圧より高い時に正（プラス）の値を出力する。圧力センサ８２は、主管１０の内部の圧力が大気圧より低い時に負（マイナス）の値を出力する。

入力装置９５は、制御装置９に情報を入力するための装置である。入力装置９５は、例えばマウス及びキーボード等である。出力装置９６は、制御装置９から受け取った情報が出力される装置である。出力装置９６は、例えば液晶ディスプレイ等の表示装置である。

制御装置９は、コンピュータである。制御装置９は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を備える。ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭが連携することで、制御装置９の各機能が実現する。制御装置９は、第１ブロア７１、第２ブロア７２、第１アクチュエータ６１、第２アクチュエータ６２、フローセンサ８１、圧力センサ８２、入力装置９５、及び出力装置９６と電気的に接続されている。

図２は、本実施形態に係る制御装置のブロック図である。図２に示すように、制御装置９は、第１測定部９１と、第２測定部９２と、を備える。第１測定部９１は、被験者の安静時の基準換気量ＴＶを測定する。第２測定部９２は、呼気量と呼気の流速との関係を測定する。

第１測定部９１は、第１記憶部９１１と、第１制御部９１２と、換気量演算部９１３と、を備える。第１制御部９１２は、フローセンサ８１及び圧力センサ８２が検出した情報を所定時間毎に第１記憶部９１１に記憶させる。また、第１記憶部９１１は、吸気期間設定圧力及び設定加圧時間を記憶している。吸気期間設定圧力は、例えば４（ｃｍＨ_２０）である。設定加圧時間は、例えば０．５（ｓｅｃ）である。吸気期間設定圧力及び設定加圧時間は入力装置９５によって変更することができる。

第１制御部９１２は、第１ブロア７１、第２ブロア７２、第１アクチュエータ６１及び第２アクチュエータ６２を制御する。第１制御部９１２は、フローセンサ８１及び圧力センサ８２が検出した情報から、吸気の開始時及び呼気の開始時を特定する。具体的には、第１制御部９１２は、圧力センサ８２の検出した圧力の符号が正から負に変わった時を吸気の開始時と判定する。第１制御部９１２は、圧力センサ８２の検出した圧力の符号が負から正に変わった時を呼気の開始時と判定する。

換気量演算部９１３は、被験者の基準換気量ＴＶを算出する。換気量演算部９１３は、第１制御部９１２と同様に吸気の開始時及び呼気の開始時を特定する。換気量演算部９１３は、フローセンサ８１から得た流量を積算する。換気量演算部９１３は、吸気の開始時の積算流量を０とする。吸気期間において、換気量演算部９１３は、積算流量にフローセンサ８１から得た流量を加算していく。呼気期間において、換気量演算部９１３は、積算流量からフローセンサ８１から得た流量を減算していく。換気量演算部９１３は、１回の呼吸における吸気の開始時から呼気の開始時までの積算流量を、１回換気量として算出する。換気量演算部９１３は、安静時呼吸が行われている時の複数の１回換気量に基づいて基準換気量ＴＶを算出する。

第２測定部９２は、第２記憶部９２１と、第２制御部９２２と、フローボリューム演算部９２３と、を備える。第２制御部９２２は、フローセンサ８１及び圧力センサ８２が検出した情報を所定時間毎に第２記憶部９２１に記憶させる。また、第２記憶部９２１は、吸気期間設定圧力、設定加圧時間、呼気期間設定圧力、圧力更新値、設定減圧回数及びトリガー値を記憶している。第２記憶部９２１が記憶する吸気期間設定圧力及び設定加圧時間は、第１記憶部９１１が記憶する吸気期間設定圧力及び設定加圧時間に等しい。呼気期間設定圧力は、例えば−３（ｃｍＨ_２０）である。圧力更新値は、例えば−１（ｃｍＨ_２０）である。設定減圧回数は、例えば１０回である。トリガー値は、例えば０．２５である。吸気期間設定圧力、設定加圧時間、呼気期間設定圧力、圧力更新値、設定減圧回数及びトリガー値は、入力装置９５によって変更することができる。また、第２制御部９２２は、換気量演算部９１３が算出した基準換気量ＴＶを取得する。

第２制御部９２２は、第１ブロア７１、第２ブロア７２、第１アクチュエータ６１及び第２アクチュエータ６２を制御する。第２制御部９２２は、第２記憶部９２１が基準換気量ＴＶを取得した後に処理を開始する。第２制御部９２２は、第２記憶部９２１から得た情報から、吸気の開始時及び呼気の開始時を特定する。具体的には、第２制御部９２２は、圧力センサ８２の検出した圧力の符号が正から負に変わった時を吸気の開始時と判定する。第２制御部９２２は、フローセンサ８１から得た流量を積算する。第２制御部９２２は、吸気の開始時における積算流量を０とする。第２制御部９２２は、積算流量が基準換気量ＴＶと等しくなった時を呼気の開始時と判定する。吸気期間において、第２制御部９２２は、積算流量にフローセンサ８１から得た流量を加算していく。呼気期間において、第２制御部９２２は、積算流量からフローセンサ８１から得た流量を減算していく。また、第２制御部９２２は、第２記憶部９２１に記憶された基準換気量ＴＶ及びトリガー値の積を、トリガー呼気量Ｘとして算出する。

フローボリューム演算部９２３は、主管１０を流れる空気の積算流量及び流速を算出する。フローボリューム演算部９２３は、第２制御部９２２と同様に、吸気の開始時及び呼気の開始時を特定し、フローセンサ８１から得た流量を積算する。また、フローボリューム演算部９２３は、フローセンサ８１から得た流量を主管１０の流路面積で除して流速を算出する。フローボリューム演算部９２３は、積算流量と流速との関係を示したグラフであるフローボリューム曲線を出力する。

図３は、本実施形態に係る制御装置が行う処理を示すフローチャートである。図４は、吸気期間における第１弁体及び第２弁体の配置を示す模式図である。図５は、積算流量及び分岐管に加えられる圧力の推移を示すグラフである。図６は、呼気期間における第１弁体及び第２弁体の配置を示す模式図である。図７は、基準換気量の算出方法を説明するためのグラフである。図８は、吸気量が基準換気量に達した後の第１弁体及び第２弁体の配置を示す模式図である。図９は、基準換気量に対する呼気量の比が所定値以上となった時の第１弁体及び第２弁体の配置を示す模式図である。図１０は、積算流量及び分岐管から減じられる圧力の推移を示すグラフである。図１１は、本実施形態におけるフローボリューム曲線の一例を示すグラフである。

制御装置９は、入力装置９５に設けられたスタートボタン等が押されることで処理を開始する。図３に示すように、制御装置９は、まず吸気期間に分岐管１を加圧する（ステップＳ１）。言い換えると、制御装置９は、吸気期間に分岐管１を陽圧にする。

ステップＳ１において、第１制御部９１２は、吸気の開始時に第２ブロア７２を駆動させる。また第１制御部９１２は、吸気の開始時に図４に示すように第１弁体５１を閉鎖位置に移動させ、第２弁体５２を加圧時位置に移動させる。これにより、図５に示すように吸気期間設定圧力が分岐管１に加わる。吸気期間において被験者の口及び鼻に加わる圧力が大気圧より高くなる。このため吸気が補助される。

第１制御部９１２は、吸気の開始時からの経過時間が第１記憶部９１１に記憶された設定加圧時間に達すると第２ブロア７２を停止し、図６に示すように第１弁体５１を開放位置に移動させる。これにより、被験者の口及び鼻に大気圧が加わる。被験者は自然呼吸をする。次の吸気の開始時まで、第２ブロア７２は停止したままであり、第１弁体５１は開放位置のままである。

次に、制御装置９は、被験者の呼吸が安定しない場合（図３のステップＳ２、Ｎｏ）、ステップＳ１を継続する。制御装置９は、被験者の呼吸が安定した場合（図３のステップＳ２、Ｙｅｓ）、基準換気量ＴＶを算出する（図３のステップＳ３）。

ステップＳ２において、換気量演算部９１３は、例えば複数回の呼吸において１回換気量のばらつきが所定値以下になった時点以降の呼吸を安静時呼吸と判定する。なお、換気量演算部９１３は、複数回の呼吸における１回換気量のばらつきに基づいて、第１記憶部９１１が記憶する吸気期間設定圧力を変化させてもよい。

ステップＳ３において、換気量演算部９１３は、所定回数の呼吸についてフローセンサ８１から得た流量を積算する。所定回数は例えば３回である。図７に示すように換気量演算部９１３は、吸気開始時の積算流量ＲＩ１、積算流量ＲＩ２及び積算流量ＲＩ３の平均として、推定安静吸気位ＲＩを算出する。換気量演算部９１３は、呼気開始時の積算流量ＲＥ１、積算流量ＲＥ２及び積算流量ＲＥ３の平均として、推定安静呼気位ＲＥを算出する。換気量演算部９１３は、推定安静吸気位ＲＩと推定安静呼気位ＲＥとの差（推定安静吸気位ＲＩ−推定安静呼気位ＲＥ）を基準換気量ＴＶとして算出する。

次に制御装置９は、吸気期間に分岐管１を加圧する（図３のステップＳ４）。言い換えると、制御装置９は、吸気期間に分岐管１を陽圧にする。

ステップＳ４においては、第２制御部９２２は、吸気の開始時において第１ブロア７１を停止させ、第２ブロア７２を駆動させる。また第２制御部９２２は、吸気の開始時に図４に示すように第１弁体５１を閉鎖位置に移動させ、第２弁体５２を加圧時位置に移動させる。これにより、図５に示すように吸気期間設定圧力が分岐管１に加わる。吸気期間において被験者の口及び鼻に加わる圧力が大気圧より高くなる。このため吸気が補助される。

第２制御部９２２は、吸気の開始時からの経過時間が第２記憶部９２１に記憶された設定加圧時間に達すると第２ブロア７２を停止し、図８に示すように第１弁体５１を開放位置に移動させる。これにより、被験者の口及び鼻に大気圧が加わる。被験者は自然呼吸をする。さらに、第２制御部９２２は、呼気量がトリガー呼気量Ｘに達するまでに、図８に示すように第２弁体５２を減圧時位置に移動させる。呼気量とは、呼気の開始時（積算流量が基準換気量ＴＶに達した時）を０とした場合の積算流量の絶対値である。

次に制御装置９は、基準換気量ＴＶに対する呼気量の比がトリガー値に達した時に分岐管１を減圧する（図３のステップＳ５）。言い換えると、制御装置９は、呼気の開始時から所定時間後に分岐管１を陰圧にする。

ステップＳ５において、第２制御部９２２は、第１ブロア７１を駆動させ、第２ブロア７２を停止させる。また第２制御部９２２は、呼気量がトリガー呼気量Ｘに達した時、図９に示すように第１弁体５１を閉鎖位置に移動させる。これにより、図１０に示すように分岐管１が呼気期間設定圧力だけ減圧される。呼気期間において被験者の口及び鼻に加わる圧力が大気圧より低くなる。このため呼気が補助される。

次に制御装置９は、呼気量が基準換気量ＴＶに達したら分岐管１の減圧を解除する（図３のステップＳ６）。

ステップＳ６において、第２制御部９２２は、第１ブロア７１を停止させ、図８に示すように第１弁体５１を開放位置に移動させる。これにより、被験者の口及び鼻に大気圧が加わる。呼気量が基準換気量ＴＶに達した時とは、被験者の肺の中にある空気の容量が機能的残気量（Functional Residual Capacity（ＦＲＣ））になった時に相当する。

次に制御装置９は、出力装置９６にフローボリューム曲線を表示させる（図３のステップＳ７）。

ステップＳ７において、フローボリューム演算部９２３は、ステップＳ４からステップＳ６までに記憶した積算流量及び流速に基づいてフローボリューム曲線（図１１参照）を作成する。フローボリューム曲線は、積算流量と流速との関係を示したグラフである。図１１において、実線がフローボリューム曲線を示し、下側の一点鎖線が吸気期間の分岐管１の圧力を示し、上側の一点鎖線が呼気期間の分岐管１の圧力を示す。フローボリューム演算部９２３は、フローボリューム曲線を出力装置９６に表示させる。

図１１に示すフローボリューム曲線においては、横軸の左に向かうほど積算流量が大きくなり、横軸の右に向かうほど積算流量が小さくなる。すなわち、横軸の左に向かうほど被験者の肺にある空気量が多くなり、横軸の右に向かうほど被験者の肺にある空気量が少なくなる。縦軸の上に向かうほど呼気の流速及び分岐管１から減じられる圧力が大きくなる。縦軸の下に向かうほど吸気の流速及び分岐管１に加えられる圧力が大きくなる。

次に制御装置９は、分岐管１を減圧した回数が設定減圧回数に達していない場合（図３のステップＳ８、Ｎｏ）、呼気期間設定圧力を更新する（図３のステップＳ９）。制御装置９は、分岐管１を減圧した回数が設定減圧回数に達した場合（図３のステップＳ８、Ｙｅｓ）、処理を終える。

ステップＳ９において、第２記憶部９２１は、呼気期間設定圧力を更新する。第２記憶部９２１は、前回の呼気期間設定圧力に圧力更新値を加えた値を次の呼気期間設定圧力として記憶する。２回目の呼気期間設定圧力は−４（ｃｍＨ_２０）である。設定減圧回数が１０回なので、最終回の呼気期間設定圧力は−１３（ｃｍＨ_２０）である。２回目以降のステップＳ７においては、複数のフローボリューム曲線が重ねて表示される。フローボリューム演算部９２３は、１回の呼吸毎に積算流量をリセットする（０に設定する）。このため、複数のフローボリューム曲線において、始点は、積算流量及び流速が０である点で一定である。医師は、呼気期間のフローボリューム曲線の形状をＣＯＰＤの診断指標として用いる。

図１２は、第１比較例における積算流量及び分岐管に加えられる圧力の推移を示すグラフである。図１３は、第２比較例における積算流量及び分岐管から減じられる圧力の推移を示すグラフである。図１４は、第３比較例におけるフローボリューム曲線の一例を示すグラフである。

第１比較例においては、吸気期間において分岐管１が加圧されない。吸気期間に分岐管１が加圧されない場合、図１２に示すように呼吸が安定しにくい。このため、被験者が再現性の高い呼吸をできるようになるまでに時間を要する。また、仮に呼吸のばらつきが小さくなったとしても基準換気量ＴＶの精度が低くなる。

これに対して、本実施形態においては図５に示したように、吸気期間に分岐管１が加圧される。人の呼吸においては、吸気期間に呼吸筋（主に横隔膜）が緊張し、呼気期間に呼吸筋が弛緩する。呼吸筋が緊張する吸気期間に分岐管１が加圧されると、被験者は楽に吸気できる。肺に向かって流れる空気の流れが速くなるので、吸気に要する時間が短くなる。呼吸にリズムが生じやすくなるので、図５に示すように呼吸が安定しやすい。その結果、本実施形態においては、被験者が再現性の高い呼吸をできるようになるまでの時間を短縮できる。また、基準換気量ＴＶの精度が高くなる。

第２比較例においては、図１３に示すように呼気が終了するまで分岐管１が減圧される。呼気が終了するまで分岐管１が減圧されると、被験者が次の呼吸をしにくくなる。分岐管１を減圧した後の被験者の呼吸が乱れやすくなる。このため、複数のフローボリューム曲線を得るための連続的な測定が難しい。１つのフローボリューム曲線を得る毎に被験者が検査装置から離れる必要がある。

これに対して、本実施形態においては図１０に示したように、呼気量が基準換気量ＴＶと等しくなった時に分岐管１の減圧が終了する。このため、被験者が次の呼吸をしやすいので、呼吸が乱れにくい。このため、複数のフローボリューム曲線を得るための連続的な測定が容易である。

第３比較例においては、図１４に示すように吸気量が基準換気量ＴＶに達すると同時に、分岐管１が減圧される。このように呼気の開始と同時に分岐管１が減圧されると、被験者の反射により呼気が乱れる。例えば、フローボリューム曲線に図１４に示すような二峰性のピークを生じることがある。図１４に示すような二峰性のピークを生じたフローボリューム曲線は、ＣＯＰＤの評価に用いることができない。

これに対して、本実施形態においては図１０に示したように、基準換気量ＴＶに対する呼気量の比がトリガー値に達した時に分岐管１が減圧される。これにより、図１４に示すような二峰性のピークが生じにくくなる。本実施形態に係る呼吸機能検査装置１００によれば、診断指標として用いることのできるデータの取得が容易になる。なお、安定的な呼吸が行われている場合でも、被験者の一回換気量が基準換気量ＴＶに対して、最大で基準換気量ＴＶの２０％程度ずれる可能性がある。このため、トリガー値は、０．２５以上であることが望ましい。これにより、呼気がより乱れにくくなる。

なお、呼吸機能検査装置１００は、必ずしもマスク２を備えていなくてもよい。例えば、呼吸機能検査装置１００は、口及び鼻を覆うマスク２に代えて、口で咥えられる管状のマウスピースであってもよい。ただし、呼吸機能検査装置１００がマスク２を備える方が被験者の負担を軽減できるため好ましい。

以上で説明したように、呼吸機能検査装置１００は、分岐管１と、第１ブロア７１と、第２ブロア７２と、フローセンサ８１と、圧力センサ８２と、制御装置９と、を備える。分岐管１は、被験者の少なくとも口に接続される。第１ブロア７１は、分岐管１の内部の空気を排出する。第２ブロア７２は、分岐管１の内部に空気を供給する。フローセンサ８１は、分岐管１の中を流れる気体の流量を検出する。圧力センサ８２は、分岐管１の中の圧力を検出する。制御装置９は、第１ブロア７１、第２ブロア７２、フローセンサ８１及び圧力センサ８２と電気的に接続される。制御装置９は、吸気期間の少なくとも一部の期間で分岐管１を加圧すると共に被験者の基準換気量ＴＶを算出する。制御装置９は、基準換気量ＴＶを算出した後、吸気期間の少なくとも一部の期間で分岐管１を加圧し、基準換気量ＴＶに対する呼気量の比が所定値（トリガー値）になった時から分岐管１を減圧する。

これにより、吸気期間に分岐管１が加圧されることで被験者の呼吸が安定しやすくなる。その結果、算出される基準換気量ＴＶの精度が向上する。基準換気量ＴＶに対する呼気量の比が所定値になった時に分岐管１を減圧することで、フローボリューム曲線に二峰性のピークが生じにくくなる。したがって、呼吸機能検査装置１００は、診断指標として用いることのできるデータの取得を容易にする。

また呼吸機能検査装置１００において、制御装置９は、呼気量が基準換気量ＴＶに等しくなった時に分岐管１の減圧を停止する。

これにより、被験者が次の呼吸をしやすいので、呼吸が乱れにくくなる。呼吸機能検査装置１００は、複数のフローボリューム曲線を得るための連続的な測定を容易にする。

また呼吸機能検査装置１００は、第１弁体５１と、第２弁体５２と、第１アクチュエータ６１と、第２アクチュエータ６２と、を備える。分岐管１は、被験者の少なくとも口に接続される主管１０、開放された開口部１１０を有し且つ主管１０に繋がる第１補助管１１、及び第１補助管１１に繋がる第２補助管１２を備える。第１弁体５１は、第１補助管１１に設けられる。第２弁体５２は、第２補助管１２に設けられる。第１アクチュエータ６１は、第２補助管１２と主管１０との間の流れを遮断する開放位置、及び開口部１１０と主管１０との間の流れを遮断する閉鎖位置に第１弁体５１を移動させる。第２アクチュエータ６２は、第２ブロア７２と第１補助管１１との間の流れを遮断する減圧時位置、及び第１ブロア７１と第１補助管１１との間の流れを遮断する加圧時位置に第２弁体５２を移動させる。制御装置９は、第１アクチュエータ６１及び第２アクチュエータ６２と電気的に接続される。

仮に第１弁体５１及び第２弁体５２がない場合、分岐管１に対する加圧と減圧の切替に時間を要する。このため、分岐管１に対する加圧と減圧の切替のタイミングが理想のタイミングより遅れやすくなる。呼気期間に分岐管１が加圧される状態又は吸気期間に分岐管１が減圧される状態が生じやすいので、呼吸抵抗が増大する。また、第１ブロア７１及び第２ブロア７２との間を短絡する空気量が増大する。このような問題が生じるのに対して本実施形態においては、第１弁体５１及び第２弁体５２の位置が制御されることで、分岐管１に対する加圧と減圧の切替が速くなる。

また呼吸機能検査装置１００については以下のように言い換えることもできる。すなわち、呼吸機能検査装置１００は、分岐管１と、第１ブロア７１と、第２ブロア７２と、第１弁体５１と、第２弁体５２と、第１アクチュエータ６１と、第２アクチュエータ６２と、フローセンサ８１と、圧力センサ８２と、制御装置９と、を備える。分岐管１は、被験者の少なくとも口に接続される主管１０、開放された開口部１１０を有し且つ主管１０に繋がる第１補助管１１、及び第１補助管１１に繋がる第２補助管１２を備える。第１ブロア７１は、分岐管１の内部の空気を排出する。第２ブロア７２は、分岐管１の内部に空気を供給する。第１弁体５１は、第１補助管１１に設けられる。第２弁体５２は、第２補助管１２に設けられる。第１アクチュエータ６１は、第２補助管１２と主管１０との間の流れを遮断する開放位置、及び開口部１１０と主管１０との間の流れを遮断する閉鎖位置に第１弁体５１を移動させる。第２アクチュエータ６２は、第２ブロア７２と第１補助管１１との間の流れを遮断する減圧時位置、及び第１ブロア７１と第１補助管１１との間の流れを遮断する加圧時位置に第２弁体５２を移動させる。フローセンサ８１は、分岐管１の中を流れる気体の流量を検出する。圧力センサ８２は、分岐管１の中の圧力を検出する。制御装置９は、第１ブロア７１、第２ブロア７２、第１アクチュエータ６１、第２アクチュエータ６２、フローセンサ８１及び圧力センサ８２と電気的に接続される。吸気期間の少なくとも一部の期間において、第２ブロア７２が駆動し、第１弁体５１が閉鎖位置にあり、第２弁体５２が加圧時位置にある。呼気期間のうち呼気の開始時を含む一部の期間において、第１弁体５１が開放位置にある。呼気期間のうち他の期間において、第１ブロア７１が駆動し、第１弁体５１が閉鎖位置にあり、第２弁体５２が減圧時位置にある。

これにより、吸気が補助されるので呼吸が安定しやすい。また、呼気の開始時から分岐管１が減圧されるまでの間に自然呼吸が行われるので、減圧による呼気の乱れが生じにくい。このため、フローボリューム曲線に二峰性のピークが生じにくくなる。したがって、呼吸機能検査装置１００は、診断指標として用いることのできるデータの取得を容易にする。

１分岐管
１０主管
１１第１補助管
１１０開口部
１１ａ閉鎖時ストッパー
１１ｂ開放時ストッパー
１２第２補助管
１２ａ加圧時ストッパー
１２ｂ減圧時ストッパー
１００呼吸機能検査装置
２マスク
５１第１弁体
５２第２弁体
６１第１アクチュエータ
６２第２アクチュエータ
７１第１ブロア
７２第２ブロア
８１フローセンサ
８２圧力センサ
９制御装置
９５入力装置
９６出力装置

Claims

被験者の少なくとも口に接続される分岐管と、
前記分岐管の内部の空気を排出する第１ブロアと、
前記分岐管の内部に空気を供給する第２ブロアと、
前記分岐管の中を流れる気体の流量を検出するフローセンサと、
前記分岐管の中の圧力を検出する圧力センサと、
前記第１ブロア、前記第２ブロア、前記フローセンサ及び前記圧力センサと電気的に接続される制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、吸気期間の少なくとも一部の期間で前記分岐管を加圧すると共に、安静時呼吸が行われている時の複数の１回換気量に基づいて被験者の基準換気量を算出し、
前記制御装置は、前記基準換気量を算出した後、吸気期間の少なくとも一部の期間で前記分岐管を加圧し、前記基準換気量に対する呼気量の比が所定値になった時から前記分岐管を減圧する
呼吸機能検査装置。
前記制御装置は、呼気量が前記基準換気量に等しくなった時に前記分岐管の減圧を停止する
請求項１に記載の呼吸機能検査装置。
被験者の少なくとも口に接続される主管、開放された開口部を有し且つ前記主管に繋がる第１補助管、及び前記第１補助管に繋がる第２補助管を備える前記分岐管と、
前記第１補助管に設けられる第１弁体と、
前記第２補助管に設けられる第２弁体と、
前記第２補助管と前記主管との間の流れを遮断する開放位置、及び前記開口部と前記主管との間の流れを遮断する閉鎖位置に前記第１弁体を移動させる第１アクチュエータと、
前記第２ブロアと前記第１補助管との間の流れを遮断する減圧時位置、及び前記第１ブロアと前記第１補助管との間の流れを遮断する加圧時位置に前記第２弁体を移動させる第２アクチュエータと、
を備え、
前記制御装置は、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータと電気的に接続される
請求項１又は２に記載の呼吸機能検査装置。
吸気期間の少なくとも一部の期間において、前記第２ブロアが駆動し、前記第１弁体が前記閉鎖位置にあり、前記第２弁体が前記加圧時位置にあり、
呼気期間のうち呼気の開始時を含む一部の期間において、前記第１弁体が前記開放位置にあり、
呼気期間のうち他の期間において、前記第１ブロアが駆動し、前記第１弁体が前記閉鎖位置にあり、前記第２弁体が前記減圧時位置にある
請求項３に記載の呼吸機能検査装置。