JP2005230509A

JP2005230509A - 小動物用人工呼吸器

Info

Publication number: JP2005230509A
Application number: JP2004079203A
Authority: JP
Inventors: Yuzuru Kurabayashi; 譲倉林; Masaaki Inoue; 政昭井上
Original assignee: SKY NET KK
Current assignee: SKY NET KK
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2005-09-02
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: JP4505656B2

Abstract

【課題】動物の肺に新鮮呼吸ガスを送り込み、老廃ガスと交換させるための人工呼吸器に関するものであり、マウス等の小動物の通常の呼吸生理に合わせて、長時間にわたって安全に使用できる小動物用人工呼吸器を提供する。
【解決手段】設定された流量のガスが流れる呼吸回路２と、呼吸回路の最下流に取り付けられた呼気弁３と、回路内の圧力を測定する圧力センサ４と、回路内が設定された圧力に達するか設定された吸気時間が終了すると呼気弁が開き小動物の呼気は一定流量のガスとともに大気に排気され、設定された呼気時間が終了すると呼気弁が閉じ再び吸気が小動物に送気される手段と、さらに一定ガス流量値と吸気時間を積算して小動物に送気される１回換気量を計算し表示する手段とを備え、圧力規制方式と容量規制方式のどちらにでも変換できる小動物用人工呼吸器を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、動物の肺に新鮮呼吸ガスを送り込み、老廃ガスと交換させるための人工呼吸器に関するものであり、更に詳細には、マウス等の小さな動物に対して長時間にわたって安全に使用できる小動物用人工呼吸器に関するものである。

従来、小動物用の人工呼吸器としては、２種類のものが使用されている。一つは、モータの回転運動をクランク機構によって往復運動に変換し、ピストンを往復作動させることにより一定の容量のガスを小動物の肺に送り込む、いわゆる容量規定方式のものである（非特許文献１参照）。もう一つは、気道内圧を測定して、その圧力があらかじめ設定された圧力に維持されるようにガスの流れをコントロールする、いわゆる圧力規定方式である（非特許文献２参照）。どちらの場合も、マウス等の小動物の通常の呼吸生理に合わせて、呼吸回数は５〜４００回／分の範囲で使用できるようになっている。
株式会社シナノ製作所カタログＣＷＥＩｎｃ．カタログ

しかしながら、容量規定方式の人工呼吸器は、通常は吸気時間対呼気時間比（Ｉ／Ｅ比）が１：１に固定されてしまう。また、Ｉ／Ｅ比を変更できるように工夫された人工呼吸器もあるが、構造が複雑になってしまい、コストアップするばかりでなく、Ｉ／Ｅ比をほぼ連続的に変化させることは困難であった。また、決められた容量のガスを強制的に肺に送り込むので、肺に過剰な圧力がかかってしまう危険性があった。さらに、小動物用人工呼吸器においては、４００回／分という呼吸回数で作動させることもあり、通常１０〜２０回／分という呼吸回数で使用される人間成人用の人工呼吸器とは異なり、ピストンの磨耗が早く、耐久性に問題があった。

一方、圧力規定方式の人工呼吸器は、肺に過剰な圧力がかかる危険がないので安全性の面では優れているが、１回換気量がわからないという問題があり、肺が硬くなった場合（肺コンプライアンスが小さくなった場合）に、１回換気量が減ってしまい、換気不足になることがあった。

又、従来の人工呼吸器は、吸入麻酔を施行しながらそのまま使用することはできず、麻酔ガスと人工呼吸器とを分離するためにベローインチャンバー機構を設けることが必要となり、装置が極めて複雑になるという問題点があった。

本発明は、前述の課題に鑑み、鋭意研鑽の結果得られたものである。すなわち、本発明は、設定された一定の流量のガスが流れる呼吸回路と、該呼吸回路の最下流に取り付けられた呼気弁と、該呼吸回路内の圧力を測定する圧力センサと、該呼吸回路より分岐して小動物の気管に接続し該呼気弁が閉じているときには一定の流量のガスが小動物に吸気として送気される手段、該呼吸回路内の圧力が設定された圧力に達するかあるいは設定された吸気時間が終了すると該呼気弁が開き小動物の呼気は一定流量のガスとともに大気に排気される手段、設定された呼気時間が終了すると該呼気弁が閉じ再び吸気が小動物に送気される手段、および電気信号に変換された前記の一定ガス流量値と吸気時間を積算することにより小動物に送気される１回換気量を計算し表示する手段とを備え、かつ使用条件により圧力規制方式と容量規制方式のどちらにでも自在に変換できることを特徴とする小動物用人工呼吸器に関する。

また本発明は、上記の小動物用人工呼吸器において、一定の流量の空気を供給するために、さらに空気ポンプとマスフローコントローラとを備えたものである。

また本発明は、上記の小動物用人工呼吸器において、麻酔を施行しながら人工呼吸を行うために、さらに麻酔薬用の気化器ユニットを備えたものである。

本発明の小動物用人工呼吸器は、呼吸回数が多くて１回換気量が少ないマウス等の小動物用人工呼吸器として、安全性が高く、呼吸回数、吸気時間対呼気時間比、および最大吸気圧力を設定すれば、呼吸ガス流量を調整するだけで、容量規定方式あるいは圧力規定方式のどちらとしても使用できるものであり、両方式の長所を生かしながらどちらにも自在に変換することを可能にする。そして空気ポンプとマスフローコントローラとを追加することにより、単独で人工呼吸を行うことができる。更に気化器ユニットを追加することにより、吸入麻酔を施行しながらそのまま人工呼吸を行うことができる。この様に本発明の小動物用人工呼吸器は、極めて有意義な効果を奏し、実用性の高いものである。

以下、本発明の小動物用人工呼吸器の実施の形態を、図面によって具体的に説明する。

図１は、本発明の小動物用人工呼吸器の実施の形態を説明するための配管系統図であり、図２は、空気ポンプとマスフローコントローラと気化器ユニットを内蔵した場合の配管系統図であり、図３は、気化器ユニットの構成を示すものであり、図４は、呼気回路内圧力と各電磁弁の作動タイミングを示すものである。

図１において、１は供給ガス接続口であり、２は呼吸回路であり、３は呼気弁として機能する電磁弁であり、４は圧力センサであり、５は圧力センサのゼロ校正を行うための電磁弁であり、６は過剰圧を逃がすための電磁弁であり、７は小動物に接続する気管接続チューブであり、気管チューブあるいは気管切開チューブ（図示せず）を介して小動物の気管に接続される。

次に、本発明による小動物用人工呼吸器の作動方法について説明する。一定の流量の呼吸ガスを流すことができるガス供給源を供給ガス接続口１に接続すると、呼吸ガスは呼吸回路２を経由して呼気弁３へ流れる。呼気弁３は、非作動時には開状態であるところの３方電磁弁が使用され、作動時間が速くて耐久性に優れたものが好ましい。

呼気弁３が作動して閉状態になると、呼吸ガスは小動物の気管の方に流れ、呼吸回路内圧が上昇する。

呼吸回路２は呼気弁３の手前で分岐して、ゼロ校正用電磁弁５を通って圧力センサ４に接続しており、圧力センサ４により呼吸回路内圧力が常時測定されている。ゼロ校正用電磁弁５は、非作動時は開状態になっており呼吸回路２と圧力センサ４は連通しているが、作動状態になると呼吸回路２は閉状態になるとともに圧力センサ４が大気と連通することになり、ゼロ校正が行われる。通常は、電源投入時と、それ以後は４時間に１回ゼロ校正が自動的に行われる。

呼吸回路２は供給ガス接続口に近いところで分岐して、過剰圧逃し弁６に接続している。過剰圧逃し弁６は非作動時は閉状態にあるところの２方電磁弁であり、呼吸回路内が過剰圧となったときに開状態となり、圧力を逃す安全弁としての役目をしている。

本人工呼吸器においては、呼吸回数とＩ／Ｅ比を設定するようになっており、この両者から吸気時間および呼気時間が計算される。また本人工呼吸器においては最大吸気圧力を設定するようになっており、吸気時には、呼気弁３が閉じ、呼吸ガスは、呼吸回路２、気管接続チューブ７を経由して、小動物の気管に送られるとともに、呼吸回路内の圧力が設定された最大吸気圧力に達するかあるいは設定された吸気時間が終了すると呼気弁３が開いて、呼気ガスは呼吸回路２を流れるガスとともに、大気に排出される。

最大吸気圧力を設定すると、例えば設定値＋２ｃｍＨ_２Ｏに上限警報値、設定値一２ｃｍＨ_２Ｏに下限警報値が設定される。呼吸回路内圧が上限警報値以上になると、高圧警報が作動し、過剰圧逃し弁６が開く。また呼吸回路内圧が下限警報値以下になると、低圧警報が作動する。上下限警報設定値は、状況に合わせて±２ｃｍＨ_２Ｏ以上にも設定できるようにした方がよい。

一定流量で供給されるガス供給源より得られる電気信号に変換された流量値と吸気時間を積算することにより、小動物に送気される１回換気量を計算し表示する。呼吸回路内の圧力が設定された最大吸気圧力に達することにより吸気が終了する場合は、呼吸回数とＩ／Ｅ比の設定値より計算された吸気時間には係わらずに、実際の吸気時間を計算に使用する。

人工呼吸器は、大別して、吸気量を規定する容量規定方式と、気道にかかる圧力を規定する圧力規定方式とがあり、下表のように、それぞれ一長一短がある。

本発明による小動物用人工呼吸器は、最大吸気圧力を設定し、呼吸回路内圧が設定された最大吸気圧力に達すると吸気が終了して呼気に切換わるので、基本的には圧力規定方式をとっているが、定常流量値に吸気時間を積算することにより、１回換気量が計算され表示されており、設定された吸気時間中に呼吸回路内圧が最大吸気圧力に達しない場合は、１回換気量が一定に保たれることになり、容量規定方式となる。

また、通常の圧力規定方式においては、一般に呼吸回路内圧が設定された最大吸気圧力に達するとそのままその圧力を維持させておき、設定された吸気時間が終了すると呼気に切換わるようにさせている。そのためには呼気弁として単なる開閉動作を行う電磁弁ではなく、連続的に開度を調節できる電空弁を使用する必要があり、また電空弁は非常に高価なものである。また圧力を維持させるためにはフィードバック自動制御手段が必要である。しかしながら、本発明による人工呼吸器は小動物用に限定しており、呼吸回数が通常６０〜２００回／分の範囲で使用されるので、吸気時間は０．５秒以下になっており、実質的には最大吸気圧力に維持する意味がない。この事情を鑑み、呼吸回路内圧が設定された最大吸気圧力に達すると直ちに吸気が終了して呼気に切換わるようにしたことにより、安価な電磁弁を使用することができるとともに、定常流量値に吸気時間を積算することにより１回換気量が計算できるというメリットを得ることができた。従来の圧力規定方式では、呼吸回路内圧を最大吸気圧力に維持するために呼吸ガスの１部を呼気弁からリークさせるので、定常流量値に吸気時間を掛けても正確な１回換気量を示すことができない。

実際の使用にあたっては、次のような手順で設定を行うことになる。
（１）気管接続チューブ７の先端を閉鎖する。
（２）呼吸回数およびＩ／Ｅ比を設定する。
（３）最大吸気圧力を設定する。
（４）高圧警報が作動する場合は、定常流量を減らす。また、低圧警報が作動する場合は、定常流量を増やす。
（５）呼吸回路内圧が、最大吸気圧力±２ｃｍＨ_２Ｏ以内に入っていることを確認するとともに、１回換気量表示の値が適正であることを確認する。
（６）気管接続チューブ７を、気管チューブ等を介して小動物に接続する。
（７）高圧警報が作動する場合は、定常流量を減らす。また、低圧警報が作動する場合は、定常流量を増やす。
（８）呼吸回路内圧が最大吸気圧力±２ｃｍＨ_２Ｏ以内に入っていることを確認するとともに、１回換気量表示の値が適正であることを確認する。
（９）圧力規制方式で作動しているときに容量規制方式に変更したい場合は、定常流量を減らすか、あるいは最大吸気圧力の設定を高くする。
（１０）容量規制方式で作動しているときに圧力規制方式に変更したい場合は、定常流量を増やすか、あるいは最大吸気圧力の設定を低くする。

呼吸回路内圧が設定した最大吸気圧力に達しない場合は、肺コンプライアンスが変化しない限り一定の１回換気量が送気されるので容量規定方式である。また呼吸回路内圧が設定した最大吸気圧力に達して吸気から呼気に切換わる場合は、圧力規定方式となるが、その場合でも１回換気量の計算値は表示される。容量規定方式で作動していても、小動物の肺の状態が変化してコンプライアンスが小さくなると、呼吸回路内圧は設定された最大吸気圧に達するようになり、圧力規定方式に変換する。このとき最大吸気圧の設定を高くするかあるいは定常流量を減らすことにより、再び容量規定方式に戻すことができる。

図２は、図１にガス供給手段および気化器ユニットを取り付けた場合の配管系等図である。図１と共通な部分は、同一の番号が付されている。８は空気ポンプであり、９はマスフローコントローラであり、１０は気化器ユニットである。

空気ポンプ８は、小動物に清浄な空気を供給するためのものであり、運転音が静かであり、オイルレスのダイアフラム式ポンプが好ましい。マスフローコントローラ９は、小動物に送気する定常空気流量を調整するものであり、これより出力される流量値に吸気時間を積算することにより、１回換気量が計算される。

気化器ユニット１０は、マスフローコントローラ９の下流に位置し、セボフルラン等の揮発性麻酔薬を気化させガス状にして、呼吸ガスと一緒に小動物に送気することにより、麻酔を施行しながら人工呼吸を行うことができる。呼気相においても麻酔ガスが流れており、大気に捨てられることになるが、小動物用人工呼吸器の場合は分時換気量が極めて少ないので、問題とはならない。

図３は気化器ユニットの一例を示したものであり、１０ａは麻酔薬ボトルであり、１０ｂは麻酔薬注入ポンプであり、１０ｃは気化室であり、１０ｄは麻酔ガス濃度モニタであり、１０ｅは気化器ユニット入り口であり、１０ｆは気化器ユニット出口である。

セボフルラン等の揮発性麻酔薬の濃度を設定すると、マスフローコントローラ９によりコントロールされたガス流量に対してどのくらいの量の揮発性麻酔薬を注入すればよいかは計算で求められるので、麻酔薬注入ポンプ１０ｂは、その計算された量を麻酔薬ボトル１０ａより吸込んで、気化室１０ｃに注入する。気化室１０ｃにおいて気化が行われるので、気化熱により温度が下がり気化効率が低下するのを防ぐために、熱伝導のよい金属材料で作られることが必要であり、更にヒーターで加温することが望ましい。麻酔ガス濃度モニタ１０ｄにより麻酔薬濃度が正しく維持されているかどうかを確認することができるが、必ずしも必要なものではない。

図４は、電磁弁の開閉状態と、呼吸回路内圧の関係を示したものである。横軸は時間を示しており、Ｔｉは吸気時間、Ｔｅは呼気時間を示し、Ｔｉ＋Ｔｅは１回の呼吸時間であり、呼吸回数をＲＲ（回／分）とすると、６０／ＲＲで示される。縦軸は呼吸回路内圧を示し、また最大吸気圧の線は、設定された最大吸気圧力を示す。

図４において、一番左の圧力波形は、呼吸回路内圧力が吸気時間中に設定された最大吸気圧力に達しない場合であり、人工呼吸器は容量規定方式で作動している。次の圧力波形は、呼吸回路内圧力が吸気時間中に設定された最大吸気圧力に達して呼気弁が開いた場合であり、人工呼吸器は圧力規定方式で作動している。その次の圧力波形は、呼吸回路内圧力が吸気時間中に設定された最大吸気圧力以上になり、さらに上限警報値である設定最大吸気圧力＋２ｃｍＨ２Ｏに達して安全弁が開いた場合を示している。このときは高圧アラームが作動する。また一番右の圧力波形は、呼吸回路内圧力が吸気時間中に下限警報値である設定最大吸気圧力−２ｃｍＨ２Ｏに達しない場合であり、このときは低圧アラームが作動する。

本発明の小動物用人工呼吸器は、マウス等の小さな動物に対して安全に長時間にわたって人工呼吸できるものであり、更には吸入麻酔を施工しながら、種々の実験を行う際の人工呼吸器として好適に利用できるものである。

本発明の小動物用人工呼吸器の実施の形態を説明するための配管系統図である。空気ポンプとマスフローコントローラと気化器ユニットを内蔵した場合の配管系統図である。気化器ユニットの構成を示すものである。呼気回路内圧力と各電磁弁の作動タイミングを示すものである。

符号の説明

１供給ガス接続口
２呼吸回路
３呼気弁
４圧力センサ
５ゼロ校正用電磁弁
６過剰圧逃し弁
７気管接続チューブ
８空気ポンプ
９マスフローコントローラ
１０気化ユニット
１０ａ麻酔薬ボトル
１０ｂ麻酔薬注入ポンプ
１０ｃ気化室
１０ｄ麻酔ガス濃度モニタ
１０ｅ気化器ユニット入口
１０ｆ気化器ユニット出口

Claims

設定された一定の流量のガスが流れる呼吸回路と、該呼吸回路の最下流に取り付けられた呼気弁と、該呼吸回路内の圧力を測定する圧力センサと、該呼吸回路より分岐して小動物の気管に接続し該呼気弁が閉じているときには一定の流量のガスが小動物に吸気として送気される手段、該呼吸回路内の圧力が設定された圧力に達するかあるいは設定された吸気時間が終了すると該呼気弁が開き小動物の呼気は一定流量のガスとともに大気に排気される手段、設定された呼気時間が終了すると該呼気弁が閉じ再び吸気が小動物に送気される手段、および電気信号に変換された前記の一定ガス流量値と吸気時間を掛け算することにより小動物に送気される１回換気量を計算し表示する手段とを備え、かつ使用条件により圧力規制方式と容量規制方式のどちらにでも自在に変換できることを特徴とする小動物用人工呼吸器。
一定の流量の空気を供給するために、さらに空気ポンプとマスフローコントローラとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の小動物用人工呼吸器。
麻酔を施行しながら人工呼吸を行うために、さらに麻酔薬用の気化器ユニットを備えたことを特徴とする請求項１に記載の小動物用人工呼吸器。