JP2021098068A - 呼吸装置用の加湿機及び呼吸用ガスの加湿フローを患者に送達する呼吸装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2008年3月6日出願の米国出願第61/034,318号、2008年4月3日出願の同第61/042,112号、及び2008年7月29日出願の同第61/084,366号に対する優先権を主張し、これらそれぞれの全内容を参照により本明細書に組み込む。
湿度は、空気中に存在する水蒸気の量を指す。湿度は、一般に、絶対湿度(AH:absolute humidity)及び相対湿度(RH:relative humidity)という2つの形で測定される。絶対湿度は、単位体積当たりの重量に関して記録された水の実際の含量である。絶対湿度は、通常、1立方メートル当たりのグラム数(g/cm3)または1リットル当たりのミリグラム数(mg/L)で測定される。
ISO8185は、医療用加湿機が、最低で10mg/L AH、患者の上気道を回避する場合は最低で33mg/Lを供給できることを求めている。これらの最低要件は乾燥空気の入力を用いて計算される。また、これらの最低要件は短期の使用にのみ適している。これらの最低要件は、鼻及び上気道の乾燥の徴候を最小限に押えるのには不十分な場合が多い。通常の動作条件下では、患者または臨床医が、患者インターフェースに送達される空気の温度を周囲温度から約37℃までに設定することが可能であるべきである。警報システムまたはインジケータが呼吸装置に提供されていない場合、ISO8185、セクション51.61〜51.8によれば、通常の単一故障状態では、患者インターフェースに送達される空気の温度は約41℃を超過するべきではない。
図1を参照すると、呼吸装置1は、互いに接続可能に構成されたフロージェネレータ2及び加湿機4を備えてもよい。そのようなフロージェネレータと加湿機との組合せは、例えば、その全内容を参照により本明細書に組み込む特許文献2に開示されている。加湿機はまた、例えば、その全内容を参照により本明細書に組み込む特許文献3に開示されているような加湿機であってもよい。
図4を参照すると、空気送達導管またはホース30は、呼吸用ガスの加湿フローを加湿機出口から患者に送達するため、患者インターフェース32、例えばマスクに接続される。患者インターフェース32は、鼻用マスク、フルフェースマスク、鼻用カニューレ、ピロー若しくはプロング、または患者の口を取り囲むように構成されたクッションと鼻用ピロー若しくはプロングとの組合せであってもよい。
図6を参照すると、本発明の実例的一実施形態による呼吸システムは、フロージェネレータ2、加湿機4、及び空気送達ホース30を備えてもよい。患者インターフェース32は空気送達ホース30に接続されてもよい。
図7を参照すると、周囲空気の飽和の絶対湿度は、水蒸気の湿度特性(psychrometric properties)から計算することができる。例えば、非特許文献3を参照のこと。また、例えば、非特許文献4を参照のこと。図7に示されるように、条件が周囲温度及び標準(海水面)圧力、すなわちATPSである場合、絶対湿度は、mg/L単位で、すなわち空気の単位体積当たりの水蒸気質量で表現される。周囲空気の絶対湿度AHaは、水蒸気の湿度特性に対応するあらゆる方程式またはルックアップテーブルによって定義されてもよい。例えば、次の二次方程式である。
AHa = RHa・(K1−K2・Ta+K3・Ta2)・・・式(1)
式中、RHaは周囲空気の相対湿度、Taは周囲空気の温度、K1、K2、及びK3は係数である。例えば、係数K1、K2、及びK3は、利用可能なデータに対する曲線適合等によって経験的に決定されてもよい。例えば、K1は7.264に等しくてもよく、K2は0.09276に等しくてもよく、K3は0.02931に等しくてもよい。
AHm=RHm・(K1−K2・Tm+K3・Tm2)・・・式(2)
式中、例えば、K1=7.264、K2=0.09276、及びK3=0.02931である。
E(g/hr)=ΔAH(mg/L)・F(L/min)・(60min/hr)・0.001g/mg・・・式(3)
[実施例]
この実施例では、図6のシステムを、30℃でマスクに飽和空気を送達するように設定する。温度は、フロージェネレータ2の制御ボタン14及び/または加湿機4の制御ノブ10を使用することによって、患者または臨床医によって設定されてもよい。周囲空気の絶対湿度は10mg/Lであり、これは、例えば、患者の寝室内で患者の睡眠中に周囲空気の温度が変化しても変化しない。表1に示されるように、加湿機槽内の水の温度は、患者インターフェースにおいて100%RHの空気が得られるように調整される。
マスク温度の制御を伴わない周囲温度の変化に対する調整
この比較例では、患者インターフェースに送達される空気の温度はフィードバック制御ループの下にない。代わりに、システムは、表2及び図9に示されるように、加湿機槽内の水の温度が周囲温度を追跡するように制御されるようにして制御される。
表3及び図10を参照すると、この実施例では、図6のシステムは飽和空気を送達するように制御され、患者インターフェースにおける温度が変更される。
図6のシステムはまた、周囲湿度の変化に合わせて調整するように構成されてもよい。例えば、センサ50及び52からの信号がコントローラ40及び/または44に提供されて、周囲空気の絶対湿度が周期的または継続的に計算されてもよい。表4及び図11に示されるように、周囲空気の温度は比較的一定に、例えば22.5℃で維持されるが、絶対湿度は患者の睡眠周期全体を通して変化する。
表5及び図12を参照すると、周囲温度及び相対湿度と患者インターフェースに送達される空気の温度とは一定である。
加湿機4は、マスク32における所定の含水量の自動送達をもたらすユーザ選択可能な設定を提供してもよい。送達空気の含水量に対する例示値は、管30内の望ましくない凝結につながる条件を考慮に入れて決定される。正常な上気道を有するユーザの場合、所望の生理学的結果は、鼻における正常な吸気条件に近似するように空気を調節することである。例えば、周囲空気は20℃及び25%RH(4mg/L AH)であってもよい。空気は、80%RH(14mg/L AH)で約20℃に等しい条件まで加熱され加湿されてもよい。従って、20℃及び80%RHにおける絶対湿度に対応する14mg/Lの含水量が例示値として選択されてもよい。加湿機は、出力を14mg/Lに保つように設定される。10mg/Lの差が加湿機によって加えられる。この値は例示値として選択されてもよく、加湿機は、この値を自動的に提供するユーザ設定を含むように構成されてもよいが、例示値は臨床上の助言に基づいて決定または改訂されてもよく、加湿機は、臨床的に決定された含水量を自動的に提供するユーザ設定を含むように構成または再構成されてもよいことを理解されたい。例えば、患者または臨床医は、約10mg/L〜25mg/L、例えば、約27〜28℃の温度における70%〜80%の相対湿度にほぼ対応する20mg/Lの絶対湿度を選択してもよい。
図15を参照すると、呼吸装置の制御システム及びプロセスが示される。S1では、マスクに送達されるフローの温度Tmが決定される。S2では、マスクに送達されるフローの相対湿度RHmが決定される。ユーザは、例えばフロージェネレータ2上のボタン14を使用することによって、温度Tm及び相対湿度RHmを設定してもよいことを理解されたい。あるいは、ユーザは、加湿機の制御ノブ10を調整することによって、マスクに送達されるフローの含水量、すなわち絶対湿度を選択してもよい。例えば、ユーザは、設定インジケータ10aをデフォルト設定目印11aに見当合わせしてもよい。デフォルト含水量は、公称含水量、例えば14mg/L、または臨床的に決定された含水量であってもよい。ユーザはまた、設定インジケータ10aを目印11の別のものと見当合わせすることによって、デフォルト以外の含水量を選択してもよい。加湿機がフロージェネレータに一体的に接続される場合、呼吸装置は、ユーザが、フロージェネレータ2のボタン14または加湿機4の制御ノブ10のどちらかを使用して、含水量を選択することができるように構成されてもよい。ユーザが含水量を選択する場合、マスクに送達される温度Tm及び相対湿度RHmは、選択された含水量設定に対応する。
図16を参照すると、別の実例的実施形態による呼吸装置の制御システム及びプロセスが示される。呼吸器の使用中、流量は、例えばAUTOSET(登録商標)制御アルゴリズムの動作によって変化してもよく、そのアルゴリズムは、流量の比較的遅い変化を提供してもよく、または、マスククッション周り若しくは鼻マスクの使用による口元の漏れのどちらかの漏れが発生することによって、流量の比較的速い変化を提供してもよい。流量が急速に変化する場合、加熱管若しくはホース及び/または加湿機の制御は、管内の凝結を防ぐのに十分に急速に応答しなくてもよいが、それは、加湿機が給水の温度を変化させるのに比較的長い時間がかかるため、応答が比較的遅いことによる。
図17を参照すると、別の実例的実施形態による呼吸装置の制御システム及びプロセスが示される。図17の実例的実施形態のシステム及びプロセスは、図15の実例的実施形態の上述のS1〜S8及びS11と同様に動作する。
加湿機の加熱素子46のデューティ比の制御に加えて、コントローラ40及び/または44もまた、空気送達ホースまたは管30の加熱素子のデューティ比を制御するように構成されてもよい。これにより、加湿機がその電源の総容量を低減することが可能になる。加湿機の加熱素子及び加熱管は、加湿機の加熱素子または加熱管のどちらかが、その全電流、例えば24Vで2.5Aを瞬間的に引き出すことができる間、それらが決して同時に活動状態にはならないように、電力負荷を共有してもよい。コントローラ40及び/または44は、組み合わされたデューティサイクルが100%を超えないように、加湿機及び加熱管のそれぞれに割り当てるデューティ比を計算する。コントローラ40及び/または44はまた、加湿機及び加熱管の加熱サイクルが重複しないように、それらを同期させる。コントローラ40及び/または44は、1つのデバイスのみが一度にオンとなるように、フロージェネレータによって提供されるデューティ比によるタイミングで、各加熱素子のオンオフを切り替えるように構成されてもよい。そのような電力の管理は、例えば、その全内容を参照により本明細書に組み込む2008年9月10日出願の米国出願第61/095,714号に開示されている。
1. 温度差Td=この温度の示度−前回の示度Toldを計算する。
2. 測定された温度がセットポイントに近い場合(|Td|が1/Pf未満)の場合。
a. Tdに積分係数Ifを掛け、その結果を、温度差の累積和sumTdに加える。
b. その他の場合はsumTdをゼロにリセットする。
3. デューティ比=Pf*Td+If*sumTdを計算する。
4. デューティ比を0と1の間になるようにトリミングする。
別の実例的実施形態によれば、コントローラ40及び/または44は、次のものを含む入力を使用して、加湿機の加熱素子及び加熱管を制御するように構成されてもよい。1)例えば1分間にわたって平均化された、フロージェネレータによって感知された空気流量、2)例えば加湿機によって決定または感知されるような周囲相対湿度、3)加湿機によって感知されるような周囲温度、4)加熱管が接続されている場合、加熱管によって感知された、例えば℃単位の温度、5)例えば℃単位の、ユーザインターフェースからの加熱管設定または自動設定、6)ユーザインターフェースからの加湿機設定、例えば自動設定、または標準自動設定よりも「湿度が高い」若しくは「湿度が低い」設定7)タイムスタンプ。
1. 次式に従って、周囲相対湿度及び温度から周囲絶対湿度を計算する。一定の係数a=7.264、b=0.0928、c=0.0293を所与として、絶対湿度=相対湿度(1の割合として)×(a+b×温度+c×温度×温度)。
2. 加熱管によって感知された温度から、目標絶対湿度を計算する。加熱管が利用可能ではない場合、周囲温度が代わりに適用されてもよい。関数はステップ1で使用したのと同じ二次式であるが、ここでは、相対湿度はユーザインターフェースによって設定される。
3. 目標から周囲絶対湿度を引くことによって、加湿機によって加えられる絶対湿度を計算する。
4. 加えられる絶対湿度、流量、及び温度から、加湿機に対する温度セットポイントを計算する。計算は表6の三線内挿である。
1. デフォルト温度セットポイントは、ユーザインターフェース上の設定に対応する。
2. 流量に突然の降下があった場合、温度セットポイントは、限定された持続時間(例えば、15分間)に対するセットポイントをわずかに(例えば、数℃)上回るように調整される。
加湿機がフロージェネレータに適合されるか、またはフロージェネレータから取り外されたとき、フロージェネレータのユーザインターフェースは、例えば1秒以内で加湿機の検出または除去を示してもよい。加熱管が加湿機に適合されるか、または加湿機から分離されたとき、フロージェネレータのユーザインターフェースは、例えば1秒以内で加熱管の検出または除去を示してもよい。
加熱管及び加湿機の両方を加熱することを指令されたとき、コントローラ40及び/または44は、両方の単位体が同じ瞬間に電力を引き出さないように電力が分配されることを確保してもよい。これを達成するため、加熱管及び加湿機は同じコントローラによって制御されてもよい。
加湿機は、要求に応じて、1) a)加熱管の存在または不在、b)加熱管の直径(15mm若しくは19mm)の直径、及びc)okまたはエラーを含む、加熱管状態、2)加熱管内の温度、及び、3)加湿機加熱のデューティ比の情報をフロージェネレータに送信してもよい。
コントローラ40及び/または44は、ルックアップテーブルを使用して、サーミスタの両端間で測定された電位を、例えば℃単位の温度に変換してもよい。次の3つのテーブルが必要である。1)及び2)各タイプの加熱管(例えば、15mm及び19mm)に対する温度変換テーブル(0.1℃の分解能で5〜40℃の範囲であり、2つのテーブルそれぞれに約360のデータポイントを有する)、並びに、3)加湿機に対する温度変換テーブル(0.1℃の分解能で5〜95℃の範囲であり、約960のデータポイントを有する)。それぞれ、サーミスタ電位の軸上で均等に間隔を空けることによって索引付けされたルックアップテーブルであってもよい。
加湿機は、定数としてテーブルを、例えば表6を有し、環境制御が始まる前にそれをフロージェネレータに転送してもよい。これによって、フロージェネレータのソフトウェアをアップグレードする必要なしに、加湿機のアップグレードが加湿機内で実行されてもよい。
フロージェネレータからのコマンドによって、例えばシリアル通信リンクを通してコマンドを使用して、加湿機は、1つが青色で1つが黄色のLEDを直接制御してもよい。加湿機は、フロージェネレータから受信したコマンドに従って表示灯を制御してもよく、各コマンドは、1)色(青色または黄色)、2)明るさ(明るい、暗い、または消灯)、及び、3)フェージング(ありまたはなし)の情報を含んでもよい。
加湿機が管内の飽和を下回る湿度を送達するように設定された状態で眠っている患者は、管内の凝結によって、次の3つの状況を被ることがある。1)温度の低下、従って管内の空気がその露点を下回る温度まで冷える、2)周囲湿度の上昇、従って加湿機を出る空気の湿度が上昇し、次に管内でその露点を下回る温度まで冷える、並びに、3)自動設定が治療圧力を下回るとき等の流量の低下、従って加湿機が空気に湿度を更に加え、次に空気が管内でその露点を下回る温度まで冷える。
2 フロージェネレータ
4 加湿機
6 オンオフスイッチ
8 表示装置
10 制御ノブ
12 出口
14 ボタン
16 頂部ケース
18 底部ケース
20 噛合面
22 スロット
24 電機接続部
26 出口
28 ヒンジ蓋
Claims (16)
- 呼吸用ガスの加湿フローを患者に送達する呼吸装置用の加湿機であって、該加湿機は、
第1の加熱素子と、
呼吸用ガスのフローを加湿するための給水を格納するべく構成された槽であって、使用時に前記給水を加熱するために前記第1の加熱素子と熱的に係合するように構成された熱伝導性の基部を含む、槽と、
前記第1の加熱素子と関連した温度を検出するように構成された少なくとも1つの温度センサと、
前記少なくとも1つの温度センサから信号を受け取り、前記第1の加熱素子と関連した温度に基づく第1の加熱素子のデューティ比によって、前記第1の加熱素子を制御するように構成されたコントローラとを備え、
前記コントローラが、
− 前記第1の加熱素子と関連した温度が第1の閾値を下回る場合には、前記第1の加熱素子のデューティ比を第1の値とし、
− 前記第1の加熱素子と関連した温度が前記第1の閾値を上回り、且つ第2の閾値を下回る場合には、前記第1の加熱素子のデューティ比を目標蒸発率に基づいて決定し、
− 前記第1の加熱素子と関連した温度が前記第2の閾値を上回る場合には、前記第1の加熱素子のデューティ比を0%とする、
ように前記第1の加熱素子のデューティ比を調節するように構成された、加湿機。 - 前記コントローラが、前記第1の加熱素子のデューティ比を前記第1の値に設定することによって、前記槽内の水を所定の増加率で初期的に加熱するように構成された、請求項1に記載の加湿機。
- 前記第1の加熱素子と関連した温度が前記第1の閾値を上回り、且つ第2の閾値を下回る場合には、前記第1の値は、前記デューティ比のいかなる値よりも高い、請求項1または2に記載の加湿機。
- 前記第1の値が100%である、請求項1から3のいずれか一項に記載の加湿機。
- 前記目標蒸発率は、呼吸用ガスのフローに目標絶対湿度、目標温度、及び/または目標相対湿度を提供するために必要な蒸発率である、請求項1から4のいずれか一項に記載の加湿機。
- 異なる材料から作製された熱伝導性の基部プレートを有する一連の槽を受容するように適合された、請求項1から5のいずれか一項に記載の加湿機。
- 前記一連の槽は、使い捨ての槽及び再使用可能な槽を含む、請求項6に記載の加湿機。
- 呼吸用ガスのフローを生成するフロージェネレータと、
前記呼吸用ガスのフローを加湿するように構成された、請求項1から7のいずれか一項に記載の加湿機と、
患者の気道と連通するように構成された患者インターフェースと、
該患者インターフェースに加湿された呼吸用ガスを供給するように構成された空気送達ホースと、
を備えている、呼吸用ガスの加湿フローを患者に送達する呼吸装置。 - 前記空気送達ホースが、前記加湿機の出口に接続されるように構成された第1の端部と、前記患者インターフェースに接続されるように構成された第2の端部と、前記空気送達ホース内の加湿フローを加熱するように構成された第2の加熱素子と、を備えている、請求項8に記載の呼吸装置。
- 前記空気送達ホースの前記第2の端部における前記加湿フローの温度を検出し、前記加湿フローの検出された温度を示す信号を生成するように構成された、前記空気送達ホースの前記第2の端部に設けられる加湿フローの温度センサを更に備えている、請求項9に記載の呼吸装置。
- 前記コントローラが、前記加湿フローの温度センサからの信号に応答して前記第2の加熱素子を制御し、所定の温度及び所定の相対湿度で前記空気送達ホースの前記第2の端部における前記加湿フローを提供するように構成された、請求項10に記載の呼吸装置。
- 前記コントローラが、第2の加熱素子のデューティ比に基づいて、前記第2の加熱素子を制御するように構成された、請求項8から11のいずれか一項に記載の呼吸装置。
- 前記第1の加熱素子のデューティ比及び前記第2の加熱素子のデューティ比の合計を結合デューティ比とし、前記コントローラは、前記結合デューティ比が100%を超えないことを保証するように構成された、請求項12に記載の呼吸装置。
- 前記コントローラは、前記第2の加熱素子のデューティ比及び前記第1の加熱素子のデューティ比のタイミングを同期させ、前記第2の加熱素子のデューティ比と前記第1の加熱素子のデューティ比とが重複しないことを保証している、請求項13に記載の呼吸装置。
- 前記第1の加熱素子のデューティ比及び前記第2の加熱素子のデューティ比は、
Pf*Td+If*sumTd ここで、
Pf:比例係数
Td:現在感知された温度と前回感知された温度との差
If:積分係数
sumTd:計算されたTdの累積和
により計算される、請求項14に記載の呼吸装置。 - 前記コントローラは、前記第1の加熱素子のデューティ比及び前記第2の加熱素子のデューティ比の合計が1.0を超える場合、前記第1の加熱素子のデューティ比及び前記第2の加熱素子のデューティ比の一方または双方を低減するように構成されている、請求項15に記載の呼吸装置。
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