JP5320604B2

JP5320604B2 - 気体供給ユニットおよび気体混合装置

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Publication number: JP5320604B2
Application number: JP2011198259A
Authority: JP
Inventors: 一福新田
Original assignee: Metran Co Ltd
Current assignee: Metran Co Ltd
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2031-09-12
Also published as: JP2013059383A

Description

本発明は、呼吸補助装置などに用いられる気体供給ユニットおよび気体混合装置に関する。

医療現場では人工呼吸器などの呼吸補助装置が用いられる。この呼吸補助装置には、自発呼吸のない患者（全身麻酔、心肺蘇生中、重篤な患者）に用いる調節換気（Controlled Ventilation）方式、患者の自発呼吸に合わせて気道に陽圧（正圧）を作り出す補助換気（Assisted Ventilation）方式、補助換気と調節換気を組み合わせた部分的補助換気（Assist/Control）方式、気道の供給する気体を５〜４０Ｈｚの頻度で振動させて、１〜２ｍｌ／ｋｇの非常に少ない１回換気量を実現する高頻度振動換気（high frequency oscillation）方式など、種々の方式が採用される。

いずれの方式の呼吸補助装置においても、酸素ボンベなどを利用して、気道に酸素を供給する。呼吸補助装置の機種によっては、酸素ボンベの酸素を大気中の空気と混合する混合ユニットを備えているものがある（例えば、特許文献１参照）。この混合ユニットは、酸素ボンベから放出される酸素の流量を調整することによって酸素と空気の混合比率を変更する。

特開２００４−２９８５５４号公報

しかしながら、上記の呼吸補助装置では、酸素の流量を調整する場合、それに伴って気道内の圧力も変動するので、気道内を所望の圧力に設定することが難しい。すなわち、酸素の流量を増加させた場合、それに伴って気道内の圧力も増加するので、患者への負担が大きくなる。このような問題は、酸素と空気を混合する場合に限らず、その他の気体を混合する場合に共通して生じる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、所望の流量に変更しつつ、同時に気道内を所望の圧力に設定できる気体供給ユニットおよび気体混合装置を提供することを目的とする。

本発明者の鋭意研究により、上記目的は以下の手段によって達成される。

即ち、上記目的を達成する本手段は、医療用の呼吸補助装置の一部を構成する気体供給ユニットであって、かつ、第１の気体を含む複数の気体を混合して混合気体を生成する気体混合ユニットに対し、前記第１の気体を供給する気体供給ユニットにおいて、前記第１の気体の供給源から放出される前記第１の気体の流量を調整する流量調整弁と、前記流量調整弁から前記気体混合ユニットまでの経路の途中に、または該経路から分岐した箇所に配置されて前記第１の気体が導入され、且つ大気に向けて開口する大気口を有してなるガスチャンバと、前記大気口における流量を検知して、検知した前記流量を信号として出力する流量センサと、前記流量センサから出力された前記信号を受け、該信号に基づいて前記流量調整弁を制御する制御部と、を備えることを特徴とする、気体供給ユニットである。

あるいは、上記目的を達成する本手段は、医療用の呼吸補助装置の一部を構成する気体混合装置であって、第１の気体を含む複数の気体を混合して混合気体を生成する気体混合ユニットと、前記気体混合ユニットに対し、前記第１の気体を供給する気体供給ユニットと、を備え、前記気体供給ユニットは、前記第１の気体の供給源から放出される前記第１の気体の流量を調整する流量調整弁と、前記流量調整弁から前記気体混合ユニットまでの経路の途中に、または該経路から分岐した箇所に配置されて前記第１の気体が導入され、且つ大気に向けて開口する大気口を有してなるガスチャンバと、前記大気口における流量を検知して、検知した前記流量を信号として出力する流量センサと、前記流量センサから出力された前記信号を受け、該信号に基づいて前記流量調整弁を制御する制御部と、を備えることを特徴とする、気体混合装置である。

上記発明において、上記目的を達成する気体混合ユニットは、互いに並列に配置され、各々が前記複数の気体の供給を受けて該気体を通過させる複数の合流弁と、前記複数の合流弁の各々の下流に一つずつ配置され、前記合流弁を通過した気体を送り出す複数のマイクロポンプと、前記複数のマイクロポンプの下流において、該複数のマイクロポンプの各々から送り出された気体を合流させる合流部と、を備えることを特徴とすることが好ましい。

上記発明において、上記目的を達成する複数の合流弁の各々は、前記複数の気体の流量の割合を調整することを特徴とすることが好ましい。

あるいは、上記発明において、上記目的を達成する複数の合流弁の各々は、通過させる気体の種類を切り替えることを特徴とすることが好ましい。

本発明によれば、第１の気体を所望の流量に変更しつつ、同時に気道内を所望の圧力、例えば大気圧程度の圧力に設定できるという優れた効果を奏し得る。

本発明に係る気体混合装置の構成を示す概略図である。（Ａ）気体混合ユニットの構成を示す概略図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は合流弁の構成を示す概略図である。（Ａ）はマイクロポンプの構成例を示す断面図であり、（Ｂ）は同マイクロポンプの圧力−流量線を示すグラフである。同気体混合装置で用いられる制御装置のハード構成を示すブロック図である。同気体混合装置で用いられる制御装置の機能構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の例について詳細に説明する。

図１には、本発明に係る気体混合装置１０の構成が例示されている。この気体混合装置１０は、第１の気体と第２の気体を混合する装置であり、医療用の呼吸補助装置（図示省略）の一部を構成する。本実施形態では、第１の気体となる酸素と、第２の気体となる空気と、を混合する気体混合装置１０を例に説明する。

気体混合装置１０は、酸素を供給する酸素供給ユニット１１と、空気を供給する空気供給ユニット１２と、酸素と空気を混合して混合気体を生成する気体混合ユニット１３と、装置全体を統括的に制御する制御ユニット１４と、を備えている。

ただし、気体混合装置１０は、制御ユニット１４に代えて、酸素供給ユニット１１、空気供給ユニット１２、および気体混合ユニット１３の各々を個別に制御する複数の制御部を備えるようにしてもよい。この場合、複数の制御部は、互いに連携して一体となって装置全体を統括的に制御する。

酸素供給ユニット１１は、酸素ボンベ１５と共に用いられ、その酸素ボンベ１５に圧縮して閉じ込められている酸素を気体混合ユニット１３に供給する。具体的に、酸素供給ユニット１１は、酸素ボンベ１５から放出される酸素の流量を調整する流量調整弁１６と、この流量調整弁１６から気体混合ユニット１３までの経路の途中に配置されて酸素が導入され、且つ大気に向けて開口する大気口１７ａを有してなるガスチャンバ１７と、大気口１７ａにおける流量、すなわち、ガスチャンバ１７内から大気に放出される流量を検知して、検知した流量をセンシング信号として出力する流量センサ１８と、を備えている。

流量調整弁１６は、流量センサ１８のセンシング信号などに基づいて、ガスチャンバ１７内が大気圧程度の圧力となるように制御される。この流量調整弁１６は、特に種類が限定されることはなく、電動弁や、応答速度が速い電磁弁などを採用できる。

ガスチャンバ１７は、所定の広がりを有する空間であり、酸素ボンベ１５から酸素が放出された場合に、流量調整弁１６から気体混合ユニット１３までの経路内の気圧が急激に変動することを防止する緩衝空間として機能する。なお、本実施形態では、ガスチャンバ１７を、流量調整弁１６から気体混合ユニット１３までの経路の途中に配置したが、当該経路から分岐した箇所に配置してもよい。

このガスチャンバ１７内の圧力は、酸素ボンベ１５から酸素が導入されることによって増加する。一方、このガスチャンバ１７内の圧力は、当該ガスチャンバ１７内の酸素を大気口１７ａから大気に放出することや、気体混合ユニット１３へ放出することによって減少する。すなわち、ガスチャンバ１７内の圧力は、酸素ボンベ１５から導入される酸素の流量と、大気口１７ａから大気に放出される酸素の流量と、気体混合ユニット１３へ放出される酸素の流量と、の割合によって増加したり減少したりする。

本実施形態では、流量調整弁１６を制御して、酸素ボンベ１５から導入される酸素の流量を調整し、ガスチャンバ１７内の圧力が大気圧程度で一定となるように保つ。なお、大気口１７ａから大気に放出される酸素の流量は、ガスチャンバ１７内の圧力の影響を受けるものであり、ガスチャンバ１７内の圧力増加に伴って増加する。すなわち、本実施形態では、ガスチャンバ１７内の圧力が大気圧程度で一定となるように、大気口１７ａから大気に放出される酸素の流量を一定に保つ。

酸素ボンベ１５から導入される酸素の流量は、流量調整弁１６によって調整される。大気口１７ａから大気に放出される酸素の流量は、ガスチャンバ１７内の圧力の影響を受けるものであり、直接調整することはできないが、ガスチャンバ１７内の圧力が低下する場合に減少する。気体混合ユニット１３へ放出される酸素の流量は、気体混合ユニット１３で混合気体を生成する際に用いる酸素の量の影響を受けるものであり、直接調整することはできないが、気体混合ユニット１３で混合気体を生成する際に用いる酸素の量を制御することで、気体混合ユニット１３へ放出される酸素の流量を間接的に調整できる。

流量センサ１８は、特に種類が限定されることはなく、電気式（電磁式）、機械式（羽根車式、浮き子式、カルマン式、コリオリ式）、超音波式、熱式など、様々なタイプのものを採用できる。

空気供給ユニット１２は、大気中の空気を気体混合ユニット１３に供給する。具体的に、空気供給ユニット１２は、大気中の空気を送り出すポンプ１９と、このポンプ１９から気体混合ユニット１３までの経路の途中に配置された逆止弁２０と、を備えている。

ポンプ１９は、特に種類が限定されることはなく、ファンを回転させて気体を送り出すブロアや、ピストンを往復運動させて気体を送り出すシリンダポンプなどを採用できる。逆止弁２０は、気体混合ユニット１３からポンプ１９への逆流を防止する。

なお、本実施形態では、大気口１７ａの大きさは一定としたが、大気口１７ａの大きさを広狭させる絞り弁（図示省略）を備えるようにしてもよい。この絞り弁は、流量センサ１８のセンシング信号などに基づいて、流量調整弁１６と共に制御される。これにより、例えば、大気口１７ａを広げることで、大気に放出される酸素の流量が増加するので、酸素ボンベ１５から放出される酸素の流量が増加した場合であっても、ガスチャンバ１７内の圧力が増加することが防止される。また、大気口１７ａを狭めることで、大気に放出される酸素の流量が減少するので、酸素ボンベ１５から放出される酸素の流量が減少した場合であっても、気体混合ユニット１３へ放出される酸素の流量が減少することが防止される。

図２（Ａ）に示されるように、気体混合ユニット１３は、酸素供給ユニット１１からの経路を複数（本実施形態では５つ）に分岐する酸素経路分岐部２１と、空気供給ユニット１２からの経路を複数（本実施形態では５つ）に分岐する空気経路分岐部２２と、酸素経路分岐部２１および空気経路分岐部２２の下流において、酸素と空気のそれぞれの供給を受けてこれらの混合気体を通過させる複数（本実施形態では５つ）の合流弁２３と、これら複数の合流弁２３の各々の下流に一つずつ配置され、合流弁２３を通過した混合気体を送り出す複数（本実施形態では５つ）のマイクロポンプ２４と、これら複数のマイクロポンプ２４の下流において、当該複数のマイクロポンプ２４の各々から送り出された混合気体を合流させる合流部２５と、を備えている。

合流弁２３は、特に種類が限定されることはないが、酸素と空気の流量の割合を調整する弁として、ロータリー式のものを採用できる。具体的に、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示されるように、合流弁２３は、回転体２３ａを備えている。この合流弁２３は、当該回転体２３ａを回転させることで、酸素の経路幅Ｗｏと空気の経路幅Ｗａを変更する。

複数のマイクロポンプ２４は、互いに並列に配置されているので、複数のマイクロポンプ２４から送り出される混合気体のトータルとしての流量は、駆動させるマイクロポンプ２４の数に比例する。

これら複数のマイクロポンプ２４にはそれぞれ、図３（Ａ）に示されるマイクロポンプ１００が採用される。このマイクロポンプ１００は、特許文献ＷＯ２００８／０６９２６６で提案されているものであり、一次ブロア室１０１と、この一次ブロア室１０１の外側に形成された二次ブロア室１０２と、を備えている。

一次ブロア室１０１は、振動源となる圧電素子１０３と、この圧電素子１０３が固定されたダイヤフラム１０４と、このダイヤフラム１０４と共に空間を形成する振動枠１０５と、を備えている。振動枠１０５は、一次ブロア室１０１の内外で流体を移動させる開口１０６を有している。二次ブロア室１０２は、ダイヤフラム１０４側に吸入口１０７を有すると共に、開口１０６に対向するように吐出口１０８を有している。

以上のマイクロポンプ１００では、圧電素子１０３によってダイヤフラム１０４が共振すると、一次ブロア室１０１と二次ブロア室１０２との間で流体が移動し、これによる流体抵抗によって振動枠１０５が共振する。このダイヤフラム１０４と振動枠１０５との共振によって、吸入口１０７から流体が吸い込まれて、吐出口１０８から流体が放出される。

このマイクロポンプ１００は、気体を搬送するブロア用途に適しており、逆止弁を用いることなく搬送できる。マイクロポンプ１００は、外径が２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ程度の箱形状であって極めて小さいものの、入力正弦波を１５Ｖｐｐ（Volt peak to peak）で２６ｋＨｚとした場合で、最大約１Ｌ／分（静圧０Ｐａ時）の空気を搬送でき、また最大約２ｋＰａ（流量０Ｌ／分）の静圧を得ることができる。

一方、マイクロポンプ１００は、圧電素子１０３によるダイヤフラム１０４の振動で流体を搬送するから、搬送可能な流体の体積に自ずと限界があり、この静圧／流量特性も図３（Ｂ）に示されるような直線を示す。すなわち、例えば約１ｋＰａの静圧を得る場合、流量は０．５Ｌ／分となる。

なお、入力正弦波のＶｐｐを１０や２０に変化させた場合、圧電素子１０３の振幅が変化するので、流量及び圧力を変化させることができる。すなわち、入力正弦波のＶｐｐを滑らかに変化させた場合には、流量及び圧力を滑らかに変化させることができる。あるいは、入力正弦波の周波数を変化させた場合、流量及び圧力を変化させることができる。すなわち、入力正弦波の周波数を滑らかに変化させた場合には、流量及び圧力を滑らかに変化させることができる。ただし、流量及び圧力には、圧電素子１０３の能力や部材の強度や耐久性によって上限がある。通常は定格のＶｐｐ及び周波数で使用される。

なお、ここでは１つの圧電素子１０３をダイヤフラム１０４に貼り付けたモノモルフ（ユニモルフ）構造を紹介しているが、勿論、２つの圧電素子を貼り合わせて振動量を増やすバイモルフ構造を採用することもできる。なお、マイクロポンプ１００の構造は、液体の搬送に適した構造など、他にも様々に存在する。従って、本発明では、その目的に応じて最適な構造を採用すれば良い。すなわち、ここで説明したマイクロポンプ１００は、逆止弁を用いることなく気体を搬送できるが、このマイクロポンプ１００に代えて、吸入口及び吐出口に逆止弁を備えるマイクロポンプを適用しても良い。

図４に示されるように、制御ユニット１４は、ハード構成として、ＣＰＵ２８と、第１記憶媒体２９と、第２記憶媒体３０と、第３記憶媒体３１と、入力装置３２と、表示装置３３と、入出力インタフェース３４と、バス３５と、を備えている。

ＣＰＵ２８は、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて本制御ユニット１４の各種機能を実現する。第１記憶媒体２９は、いわゆるＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）であり、ＣＰＵ２８の作業領域として使用される。第２記憶媒体３０は、いわゆるＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）であり、ＣＰＵ２８で実行される基本ＯＳを記憶する。第３記憶媒体３１は、磁気ディスクを内蔵したハードディスク装置、ＣＤやＤＶＤやＢＤを収容するディスク装置、及び不揮発性の半導体フラッシュメモリ装置などで構成されており、ＣＰＵ２８で実行される各種プログラム、流量センサ１８のセンシング信号に基づくセンシングデータなどが保存される。

入力装置３２は、入力キーやキーボード、マウスであり、各種情報を入力する。表示装置３３は、ディスプレイであり、各種動作状態を表示する。入出力インタフェース３４は、流量センサ１８のセンシング信号、マイクロポンプ２４を動作させる電源（正弦波の波形）および制御信号が入出力される。更に、この入出力インタフェース３４は、外部のパーソナルコンピュータからプログラムなどのデータを取得したり、同パーソナルコンピュータに対してセンシング信号を出力したりする。バス３５は、ＣＰＵ２８、第１記憶媒体２９、第２記憶媒体３０、第３記憶媒体３１、入力装置３２、表示装置３３、入出力インタフェース３４などを一体的に接続して通信を行う配線となる。

図５には、この制御ユニット１４に保存される制御プログラムがＣＰＵ２８で実行されることで得られる機能構成が示されている。制御ユニット１４は、機能構成として、センシング部３８と、ポンプ制御部３９と、弁制御部４０と、を備える。センシング部３８は、流量センサ１８のセンシング信号を常に取得して弁制御部４０に伝達する。ポンプ制御部３９は、マイクロポンプ２４への入力正弦波のＶｐｐおよび周波数を、目標となる所望の流量値および圧力値に近づくように制御する。更に、このポンプ制御部３９は、ポンプ１９を、目標となる所望の流量値に近づくように制御する。弁制御部４０は、センシング部３８のセンシング信号を参照して、流量調整弁１６への制御信号を、目標となる所望の流量値に近づくように制御する。更に、この弁制御部４０は、合流弁２３を、酸素と空気の割合が目標となる所望の値に近づくように制御する。

次に、酸素供給ユニット１１の制御例について説明する。

制御ユニット１４には、ガスチャンバ１７内の気圧が大気圧程度の場合における大気口１７ａでの流量が予め記憶されている。制御ユニット１４は、このデータを基準として、流量センサ１８のセンシング信号に基づいて、大気口１７ａでの流量が、ガスチャンバ１７内の気圧が大気圧程度の場合より多いか否か、すなわち、基準より多いか否かを判断する。基準より多いと判断する場合には、制御ユニット１４は、流量調整弁１６を制御して、酸素ボンベ１５から放出される酸素の流量を減少させる。この制御を常に行うことで、ガスチャンバ１７内の気圧を大気圧程度の圧力に保つことができる。

次に、気体混合ユニット１３の制御例について説明する。

上述のように、ガスチャンバ１７内の圧力を大気圧程度で一定にするために、制御ユニット１４は、流量調整弁１６を制御して酸素ボンベ１５から放出される酸素の流量を増減させるので、流量調整弁１６の制御に対応して合流弁２３を制御することで、酸素と空気の流量の割合を調整する。具体的には、酸素ボンベ１５から放出される酸素の流量を増加させた場合、図２（Ｃ）に示されるように、酸素の経路幅Ｗｏを空気の経路幅Ｗａより小さくする。一方、酸素ボンベ１５から放出される酸素の流量を減少させた場合、図２（Ｂ）に示されるように、酸素の経路幅Ｗｏを空気の経路幅Ｗａより大きくする。

また、気体混合ユニット１３で生成される混合気体の流量を増減させる場合には、制御ユニット１４は、駆動させるマイクロポンプ２４の数を変更するように制御する。

以上説明したように、気体混合装置１０によれば、酸素を所望の流量を変更しつつ、同時に気道内を大気圧程度の圧力に設定できる。

尚、本発明の気体供給ユニットおよび気体混合装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、上記した実施の形態の構成要件を、可能な範囲で他の実施の形態に適用してもよい。

すなわち、上記実施形態において、気体混合装置１０は、二種類の気体を混合する装置であるが、三種類以上の気体を混合するようにしてもよい。

あるいは、上記実施形態において、合流弁２３の各々は、酸素と空気の流量の割合を調整する弁であるが、通過させる気体の種類を切り替える弁、すなわち、酸素を通過させるか空気を通過させるかを切り替える弁であってもよい。この場合、酸素を通過させる弁の数と、空気を通過させる弁の数と、を変更することによって、トータルとしての酸素と空気の流量の割合を調整する。

あるいは、上記実施形態では、気道内を大気圧程度の圧力に設定できる場合を例に説明したが、これに限定されず、気道内を所望の圧力に設定できるようにしてもよい。この場合、制御ユニット１４に、ガスチャンバ１７内の気圧が所望の圧力となる場合における大気口１７ａでの流量を予め記憶しておけばよい。そして、制御ユニット１４は、そのデータを基準として制御するようにすればよい。

あるいは、上記実施形態において、気体混合ユニット１３は、複数のマイクロポンプ２４を備えているが、これら複数のマイクロポンプ２４を備えないようにしてもよい。この場合、酸素供給ユニット１１からの酸素の流れと、空気供給ユニット１２からの空気の流れによって、混合気体が送り出される。

あるいは、上記実施形態において、第１の気体の供給源として酸素ボンベ１５を利用したが、当該供給源は、第１の気体を送り出すことができればよく、ポンプなどを利用してもよい。

１０気体混合装置
１１酸素供給ユニット（気体供給ユニット）
１３気体混合ユニット
１４制御ユニット（制御部）
１５酸素ボンベ（供給源）
１６流量調整弁
１７ガスチャンバ
１７ａ大気口
１８流量センサ
２３合流弁
２４，１００マイクロポンプ
２５合流部

Claims

医療用の呼吸補助装置の一部を構成する気体供給ユニットであって、かつ、第１の気体を含む複数の気体を混合して混合気体を生成する気体混合ユニットに対し、前記第１の気体を供給する気体供給ユニットにおいて、
前記第１の気体の供給源から放出される前記第１の気体の流量を調整する流量調整弁と、
前記流量調整弁から前記気体混合ユニットまでの経路の途中に、または該経路から分岐した箇所に配置されて前記第１の気体が導入され、且つ大気に向けて開口する大気口を有してなるガスチャンバと、
前記大気口における流量を検知して、検知した前記流量を信号として出力する流量センサと、
前記流量センサから出力された前記信号を受け、該信号に基づいて前記流量調整弁を制御する制御部と、を備えることを特徴とする、
気体供給ユニット。
医療用の呼吸補助装置の一部を構成する気体混合装置であって、
第１の気体を含む複数の気体を混合して混合気体を生成する気体混合ユニットと、
前記気体混合ユニットに対し、前記第１の気体を供給する気体供給ユニットと、を備え、
前記気体供給ユニットは、
前記第１の気体の供給源から放出される前記第１の気体の流量を調整する流量調整弁と、
前記流量調整弁から前記気体混合ユニットまでの経路の途中に、または該経路から分岐した箇所に配置されて前記第１の気体が導入され、且つ大気に向けて開口する大気口を有してなるガスチャンバと、
前記大気口における流量を検知して、検知した前記流量を信号として出力する流量センサと、
前記流量センサから出力された前記信号を受け、該信号に基づいて前記流量調整弁を制御する制御部と、を備えることを特徴とする、
気体混合装置。
前記気体混合ユニットは、
互いに並列に配置され、各々が前記複数の気体の供給を受けて該気体を通過させる複数の合流弁と、
前記複数の合流弁の各々の下流に一つずつ配置され、前記合流弁を通過した気体を送り出す複数のマイクロポンプと、
前記複数のマイクロポンプの下流において、該複数のマイクロポンプの各々から送り出された気体を合流させる合流部と、を備えることを特徴とする、
請求項２に記載の気体混合装置。
前記複数の合流弁の各々は、前記複数の気体の流量の割合を調整することを特徴とする、
請求項３に記載の気体混合装置。
前記複数の合流弁の各々は、通過させる気体の種類を切り替えることを特徴とする、
請求項３に記載の気体混合装置。