JP5286483B2 - 呼吸補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、呼吸補助装置に関する。

医療現場において、人工呼吸器などの呼吸補助装置が用いられている。一般的な呼吸補助装置は、酸素ボンベなどの酸素の供給源と、この供給源に接続された吸気管と、この吸気管の先端に取り付けられたマスクと、吸気管から分岐した呼気管と、この呼気管の先端に固定された呼気弁などを備えている（例えば、特許文献１〜４参照）。

このような呼吸補助装置には、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）方式と、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、酸素ボンベから送り出される酸素は、吸気管を経由して吸気として肺に供給される。肺に供給された酸素は、その後、肺の弾力によって呼気として自然に吐き出される。吐き出された呼気は、呼気管を経由して呼気弁から外部に排出される。

特開平０２−１３１７６５号公報 特開平０２−１３１７７３号公報 特開平０２−１３１７７４号公報 特開平０５−２４５２０４号公報

酸素ボンベから送り出される酸素は、その３割程度が呼気弁から漏出して肺に供給されない。確かに、呼気弁としてダイヤフラムを採用することで、呼気弁から漏出する酸素の量を軽減できる。しかしながら、ダイヤフラムの構造上、呼気弁から放出される呼気の流量が急激に変化して、マスク内の気圧が急激に変化することとなり、患者に掛かる負担が増加する。このような問題は、酸素ボンベから酸素が送り出される場合に限られず、その他の供給源からその他の気体を送り出す場合に共通して存在する。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、患者に掛かる負担が増加することを防止すると共に、供給源から送り出される気体が漏出して肺に供給される気体の量が低減することを防止する呼吸補助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。

（１）本発明は、吸気となる気体を送り出す供給源に基端が接続された吸気管の先端に取り付けられたマスクと、前記マスクに形成された通気孔を覆うように該マスクの内側に設けられた呼気弁と、を備え、前記呼気弁は、電圧の印加量に応じて変位するピエゾ素子を有してなり、該ピエゾ素子が前記マスクに対して離隔し又は近接して当接するように該マスクの内側で変位することで、該ピエゾ素子自体が前記通気孔を開閉することを特徴とする、呼吸補助装置である。

（２）本発明はまた、前記呼気弁は、前記ピエゾ素子に対する電圧の印加時に閉鎖し、該電圧の印加の解除時に開放することを特徴とする、上記（１）に記載の呼吸補助装置である。

（３）本発明はまた、前記呼気弁の周囲に、前記マスクの外側に突出するように設けられた部材であって、前記呼気弁を被覆するように物品が当接した場合に該物品と前記呼気弁との間に隙間を形成して、前記呼気弁の機能を保つ***材を備えることを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載の呼吸補助装置である。

（４）本発明はまた、前記呼気弁を複数備えると共に、前記呼気弁の開放数により換気量を制御する制御装置を備えることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の呼吸補助装置である。

（５）本発明はまた、前記供給源と前記吸気管とを備えることを特徴とする、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の呼吸補助装置である。

本発明の上記（１）〜（５）に記載の呼吸補助装置によれば、患者に掛かる負担が増加することを防止できると共に、供給源から送り出される気体が漏出して肺に供給される気体の量が低減することを防止できるという優れた効果を奏し得る。

本発明の第１実施形態に係る呼吸補助装置の構成を示す概略図である。 マスクの構成を示す概略図であり、（Ａ）は呼気弁の開放時を示し、（Ｂ）は呼気弁の閉鎖時を示す。 ***材を説明するマスクの部分拡大図である。 制御ユニットのハード構成を示すブロック図である。 制御ユニットの機能構成を示すブロック図である。 呼吸補助装置の制御例を示す概略図であり、（Ａ）は患者が呼気する場合を示し、（Ｂ）は患者が吸気する場合を示す。 本発明の第２実施形態に係る呼吸補助装置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。 複数の呼気弁を備える形態に変形した呼吸補助装置における呼気弁の拡大図である。

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、本発明の第１実施形態に係る医療用の呼吸補助装置１０の構成が例示されている。この呼吸補助装置１０は、吸気となる気体を送り出す供給源１１と、この供給源１１に基端が接続される吸気管１２と、この吸気管１２の先端に取り付けられたマスク１３と、このマスク１３内の気圧を計測する気圧計１４と、マスク１３に設けられた呼気弁１５と、この呼気弁１５の周囲に、呼気経路の外側に突出するように設けられた複数の***材１６と、装置全体を統括的に制御する制御ユニット１７と、を備えている。吸気管１２およびマスク１３は、吸気経路として機能する。また、マスク１３は、口および鼻を覆う装着具であり、呼気経路としても機能する。

供給源１１は、空気や酸素などの気体を圧縮した状態で貯留したガスタンク１９と、このガスタンク１９から送り出される気体の流量を調整する調整弁２０と、この調整弁２０で調整された気体の流量を計測する流量計２１と、を備えている。調整弁２０は、気圧計１４および流量計２１のそれぞれのセンシングデータ（測定結果、センシング信号）に基づいて制御される。この調整弁２０は、特に種類が限定されることはないが、電動弁や、応答速度が速い電磁弁などを採用できる。流量計２１は、センシングデータを制御ユニット１７に出力する。

吸気管１２は、樹脂製の蛇腹チューブからなり、患者に装着されたマスク１３と一体となって一つの空間を構成し、供給源１１から送り出された気体の経路となる。この吸気管１２内の気圧は、定常状態において、患者に装着されたマスク１３内の気圧と一致する。気圧計１４は、センシングデータを制御ユニット１７に出力する。

呼気弁１５は、呼気を大気に放出し、その逆流を防止する逆止弁として機能する。この呼気弁１５は、電圧の印加量に応じて変位するピエゾ素子（圧電素子）２２を金属板２３に積層したモノモルフ（ユニモルフ）構造であって、かつ、片持ち梁（カンチレバー）構造の弁である。このため、呼気弁１５は、ピエゾ素子２２が反ったり延びたりするように変位することで開閉する。具体的に、呼気弁１５は、図２（Ａ）に示されるように、ピエゾ素子２２に電圧が印加されていない初期状態の時に呼気経路の内側に向けて反った形状になり、マスク１３に形成された通気孔１３ａを開放する。そして、呼気弁１５は、図２（Ｂ）に示されるように、ピエゾ素子２２に電圧が印加された時に延びた形状になり、マスク１３に形成された通気孔１３ａを閉鎖する。なお、呼気弁１５は、例えばネジ（図示省略）などによって適宜固定されている。

ここでは、呼気弁１５としてモノモルフ構造を紹介しているが、勿論、２枚のピエゾ素子を貼り合わせたバイモルフ構造を採用することもできる。なお、呼気弁１５の片持ち長さは、３０ｍｍ以上４０ｍｍ以下程度であることが好ましい。また、呼気弁１５が変位するストロークは、２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。

図３に示されるように、***材１６は、呼気弁１５を被覆するように布などの何らかの物品ＸＡ１が接触した場合に当該物品ＸＡ１と呼気弁１５との間に隙間ＧＡＰを形成して、呼気弁１５の機能を保つ。

図４に示されるように、制御ユニット１７は、ＣＰＵ２４と、第１記憶媒体２５と、第２記憶媒体２６と、第３記憶媒体２７と、入力装置２８と、表示装置２９と、入出力インタフェース３０と、バス３１と、を備えている。

ＣＰＵ２４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１７の各種機能を実現する。第１記憶媒体２５は、いわゆるＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）であり、ＣＰＵ２４の作業領域として使用される。第２記憶媒体２６は、いわゆるＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）であり、ＣＰＵ２４で実行される基本ＯＳを記憶する。第３記憶媒体２７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、およ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、ＣＰＵ２４で実行される各種プログラムなどが保存される。

入力装置２８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２９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３０は、呼気弁１５を動作させる電源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３０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する。バス３１は、ＣＰＵ２４、第１記憶媒体２５、第２記憶媒体２６、第３記憶媒体２７、入力装置２８、表示装置２９、入出力インタフェース３０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１７に保存される制御プログラムがＣＰＵ２４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１７は、機能構成として、センシング部３４と、呼気弁制御部３５と、調整弁制御部３６と、を備えている。センシング部３４は、気圧計１４のセンシングデータを常に取得して呼気弁制御部３５に伝達する。更に、このセンシング部３４は、気圧計１４および流量計２１のセンシングデータを常に取得して調整弁制御部３６に伝達する。呼気弁制御部３５は、センシング部３４のセンシングデータを参照して、呼気弁１５への制御信号を、目標となる開放量に近づくように制御する。調整弁制御部３６は、センシング部３４のセンシングデータを参照して、調整弁２０への制御信号を、目標となる流量値に近づくように制御する。

次に、図６（Ａ）および図６（Ｂ）を用いて、呼吸補助装置１０の制御例について説明する。

呼気する場合、マスク１３内が昇圧する。マスク１３内が昇圧すると、その昇圧した値が気圧計１４によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１７に出力される。制御ユニット１７は、センシングデータに基づいて、呼気弁１５を制御する。すなわち、制御ユニット１７は、図６（Ａ）に示されるように、呼気弁１５を動作させ、通気孔１３ａを開放する。呼気は、通気孔１３ａから放出される。

呼気の放出により、マスク１３内が減圧する。マスク１３内が減圧すると、その減圧した値が気圧計１４によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１７に出力される。制御ユニット１７は、センシングデータに基づいて、呼気弁１５を制御する。すなわち、制御ユニット１７は、呼気弁１５を動作させ、通気孔１３ａを閉鎖する。これにより、マスク１３内に閉空間が形成され、吸気動作が可能になる。

続いて、患者が吸気する場合、マスク１３内が減圧する。マスク１３内が減圧すると、その減圧した値が気圧計１４によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１７に出力される。制御ユニット１７は、センシングデータに基づいて、供給源１１を制御する。すなわち、制御ユニット１７は、図６（Ｂ）に示されるように、調整弁２０を開き、ガスタンク１９から気体を吸気として送り出す。その後、マスク１３内が昇圧する。マスク１３内が昇圧すると、その昇圧した値が気圧計１４によってセンシングされる。センシングデータは、制御ユニット１７に出力される。制御ユニット１７は、センシングデータに基づいて、供給源１１を制御する。すなわち、制御ユニット１７は、調整弁２０を閉じ、ガスタンク１９から吸気として気体が送り出されることを停止する。以後同様に、呼気動作と吸気動作とを繰り返す。

以上説明したように、呼吸補助装置１０によれば、呼気弁１５がピエゾ素子２２を有してなり、その開放量を微調整できるので、当該呼気弁１５から放出される呼気の流量が急激に変化することを防止できる。すなわち、マスク１３内の気圧が急激に変化することを防止することとなり、患者に掛かる負担が増加することを防止できる。そして、吸気時にマスク１３内が気密となるように呼気弁１５を閉じることができるので、当該呼気弁１５から漏出する気体の量を軽減できる。また、呼気弁１５がピエゾ素子２２を有してなるので、応答性が速く、患者への負担が小さい。具体的に、呼気弁として電磁弁を採用する場合には、８ｍｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ程度の時間で開閉するが、本発明のように、ピエゾ素子２２を有してなる呼気弁１５の場合には、１００μｓｅｃ程度の短い時間で開閉できる。さらに、呼気弁１５がピエゾ素子２２を有してなるので、呼気弁として電磁弁を採用する場合と比較して耐久期間が長く、壊れにくい。次いで、呼気弁１５がピエゾ素子２２を有してなるので、呼気弁として電磁弁を採用する場合などと比較して、呼吸補助装置１０を小型化したり軽量化したりできる。このため、本発明を適用することで、睡眠時無呼吸症候群などの患者が在宅人工呼吸器として使用できる。

また、呼気弁１５は、ピエゾ素子２２に対する電圧の印加が解除されている時に開放するので、故障などによって呼気弁１５が機能しなくなった場合であっても、当該呼気弁１５が開放することとなり、呼気および吸気の気道を確保できる。

さらに、呼気弁１５が呼気経路の内側に向けて開放するので、開閉時の呼気弁１５が何らかの物品と干渉することが防止できる。

次いで、呼気弁１５の周囲に***材１６を備えているので、呼気弁１５を被覆するように布などの何らかの物品ＸＡ１が接触した場合であっても、当該物品ＸＡ１と呼気弁１５との間に隙間ＧＡＰを形成して、呼気弁１５の機能を保てる。

そして、呼気弁１５がマスク１３に設けられているので、呼気動作に対する呼気弁１５の応答性が速く、患者への負担が少ない。

図７には、第２実施形態に係る呼吸補助装置７０の構成が例示されている。呼吸補助装置７０は、供給源１１としてマイクロポンプ１００を備え、また、吸気経路としてマスク１３のみを備えている。すなわち、マイクロポンプ１００は、マスク１３に直接接続されている。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、図８（Ａ）に示されるように、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８（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。

尚、本発明の呼吸補助装置は、上記した各実施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、上記各実施形態において、各構成の位置、大きさ、形状、数量は適宜変更できる。例えば、呼気弁１５の数量が挙げられ、呼気弁１５を２個以上備えるようにしてもよい。

具体的に、第１実施形態を変形した場合を例に説明する。図９に示すように、マスク１３には、複数（例えば、８個）の通気孔１３ａが形成されている。複数の通気孔１３ａには、一つずつ呼気弁１５が設けられている。複数の呼気弁１５は、互いに独立して制御されて開閉する。開放する呼気弁１５の数を変更することで、呼気の流量を調節できる。このため、ピエゾ素子２２への電圧の印加量を制御せずに、各ピエゾ素子２２に対する当該電圧のオンオフを制御して、開放する呼気弁１５の数を変更するだけで、呼気の流量を段階的に調節できる。すなわち、簡単な制御で呼気の流量を調節できる。また、ピエゾ素子２２への電圧の印加量を制御することで、更に滑らかに呼気の流量を調節できる。

あるいは、上記第１実施形態において、供給源１１として、ガスタンク１９などに代えてマイクロポンプ１００を備えるようにしてもよい。そして、上記第１および第２実施形態において、マイクロポンプ１００を複数備え、それらを直列もしくは並列に配置したり、あるいはマトリクス状に配置したりするようにしてもよい。

本発明の呼吸補助装置は、様々な生物の呼吸補助目的で利用できる。

１０，７０ 呼吸補助装置
１１ 供給源
１２ 吸気管
１３ マスク
１５ 呼気弁
１６ ***材
２２ ピエゾ素子
１００ マイクロポンプ
ＸＡ１ 物品
ＧＡＰ 隙間

Claims (5)

1. 吸気となる気体を送り出す供給源に基端が接続された吸気管の先端に取り付けられたマスクと、
   前記マスクに形成された通気孔を覆うように該マスクの内側に設けられた呼気弁と、を備え、
   前記呼気弁は、電圧の印加量に応じて変位するピエゾ素子を有してなり、該ピエゾ素子が前記マスクに対して離隔し又は近接して当接するように該マスクの内側で変位することで、該ピエゾ素子自体が前記通気孔を開閉することを特徴とする、
   呼吸補助装置。
2. 前記呼気弁は、前記ピエゾ素子に対する電圧の印加時に閉鎖し、該電圧の印加の解除時に開放することを特徴とする、
   請求項１に記載の呼吸補助装置。
3. 前記呼気弁の周囲に、前記マスクの外側に突出するように設けられた部材であって、前記呼気弁を被覆するように物品が接触した場合に該物品と前記呼気弁との間に隙間を形成して、前記呼気弁の機能を保つ***材を備えることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の呼吸補助装置。
4. 前記呼気弁を複数備えると共に、
   前記呼気弁の開放数により換気量を制御する制御装置を備えることを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれかに記載の呼吸補助装置。
5. 前記供給源と前記吸気管とを備えることを特徴とする、
   請求項１〜４のいずれかに記載の呼吸補助装置。

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