(57)【要約】【課題】胸腔ドレナージユニット内の空気の流路の内部に直接触れることなく衛生的に、しかもより広い流量帯にわたって定量的な流量計測を行うことができる胸腔ドレナージユニットおよび胸腔ドレナージユニット用光透過式流量計測装置を提供する。【解決手段】胸腔ドレナージユニットの水封部１２に光透過式流量計測装置２６を設ける。光透過式流量計測装置２６は、光３０を照射する発光ダイオード２７と、発光ダイオード２７から照射され、水封部１２を透過する光３０を受光するフォトダイオード２９とを有する。フォトダイオード２９を用いて水封部１２を透過する光３０の透過量を測定することにより水封部１２を通過する空気の流量を求める。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水封部に光を照射する発光素子と、上記発光素子から照射され、上記水封部を透過する光を受光する受光素子とを有する光透過式流量計測装置を有し、
上記受光素子を用いて上記水封部を透過する上記光の透過量を測定することにより上記水封部を通過する空気の流量を求めるようにした胸腔ドレナージユニット。
【請求項２】
上記光の透過量から上記水封部を通過する上記気泡の通過時間を算出することにより上記空気の流量を求める請求項１記載の胸腔ドレナージユニット。
【請求項３】
所定の時間当たりの上記気泡の積算通過時間を算出することにより上記空気の流量を求める請求項１または２記載の胸腔ドレナージユニット。
【請求項４】
上記所定の時間は１分間である請求項３記載の胸腔ドレナージユニット。
【請求項５】
上記発光素子は青色発光の発光素子である請求項１〜４のいずれか一項記載の胸腔ドレナージユニット。
【請求項６】
水封部に光を照射する発光素子と、上記発光素子から照射され、上記水封部を透過する光を受光する受光素子とを有する光透過式流量計測装置を有する胸腔ドレナージユニットを用い、
上記受光素子を用いて上記水封部を透過する上記光の透過量を測定することにより上記水封部を通過する空気の流量を求めるようにした胸腔ドレナージユニットの使用方法。
【請求項７】
胸腔ドレナージユニットに取り付けられて使用される胸腔ドレナージユニット用光透過式流量計測装置であって、
上記胸腔ドレナージユニットの水封部に光を照射する発光素子と、
上記発光素子から照射され、上記水封部を透過する光を受光する受光素子とを有し、
上記受光素子を用いて上記水封部を透過する上記光の透過量を測定することにより上記水封部を通過する空気の流量を求めるようにした胸腔ドレナージユニット用光透過式流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、胸腔ドレナージユニットおよびその使用方法ならびに胸腔ドレナージユニット用光透過式流量計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
胸腔ドレナージユニット（drainage unit)は、胸腔内に空気が漏れ出している気胸の患者に対して使用されるもので、胸腔内に溜まった体液（血液、膿、滲・漏出液など）および空気を体外に排出するための装置である。この胸腔ドレナージユニット内には水封部があり、患者の胸腔から排出される空気は気泡となってこの水封部を通過して外部に排出されるようになっている。
【０００３】
一方、胸腔内に漏れ出した空気の量と肺に開いた穴の大きさや患者の容態などとの間には相関関係があると一般に考えられている。このため、胸腔内に漏れ出した空気の流量を定量的に観測することができれば、臨床的に有用な指標となる。
【０００４】
しかしながら、現状では、医師または看護師が目視で水封部を気泡が通過する様子を観測することにより、胸腔内に漏れ出した空気の流量を定性的にしかも主観的に観測しているに過ぎず、しかも観測している時間もごく短い。また、胸腔ドレナージユニット内の空気の流路に有菌的な流量計を直接接続することは衛生上問題がある。
【０００５】
このため、胸腔ドレナージユニット内の空気の流路の内部に直接触れない流量計測装置の開発が必要とされている。大貫らは、胸腔ドレナージユニットの水封部に人体に無害な発泡剤を少量入れ、泡の成長・移動から定量的な流量計測を試みているが、発泡剤の経時劣化などにより安定した測定を実現できていない（非特許文献１参照。）。
【０００６】
本発明者らは、胸腔ドレナージユニット内の空気の流路の内部に直接触れずに、定量的な流量計測を行うことを目的として、水と空気との比誘電率の違いに着目し水封部の静電容量の変化によって気泡の通過流量を測定する方法を提案した（非特許文献２参照。）。この方法では、水封部を挟むように一対の極板を付け、片側の極板に交流電圧を印加し、反対側の極板に発生する電圧を計測することにより、水封部を気泡が通過する際の水封部の静電容量の変化を求めるようにしている。
【０００７】
【非特許文献１】大貫添正・松本卓子、Ｗｅｂカメラを用いた肺空気漏れ量の定量的解析の試み、第１８回ＭＥ学会秋季大会、Ｎ１−０３０２、２００４
【非特許文献２】大川  聖、榊原  潤、２００７、医療用ドレナージユニットの流量計測装置の開発、日本機械学会２００７年度年次大会講演論文集、ｖｏｌ．５、ｐ．１９３−１９４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献２で提案された技術では、空気の流量が少し大きくなると流量計測にばらつきが出てしまうという欠点があった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、胸腔ドレナージユニット内の空気の流路の内部に直接触れることなく衛生的に、しかもより広い流量帯にわたって定量的な流量計測を行うことができる胸腔ドレナージユニットおよびその使用方法ならびに胸腔ドレナージユニット用光透過式流量計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明は、
水封部に光を照射する発光素子と、上記発光素子から照射され、上記水封部を透過する光を受光する受光素子とを有する光透過式流量計測装置を有し、
上記受光素子を用いて上記水封部を透過する上記光の透過量を測定することにより上記水封部を通過する空気の流量を求めるようにした胸腔ドレナージユニットである。
【００１０】
第２の発明は、
水封部に光を照射する発光素子と、上記発光素子から照射され、上記水封部を透過する光を受光する受光素子とを有する光透過式流量計測装置を有する胸腔ドレナージユニットを用い、
上記受光素子を用いて上記水封部を透過する上記光の透過量を測定することにより上記水封部を通過する空気の流量を求めるようにした胸腔ドレナージユニットの使用方法である。
【００１１】
第１および第２の発明においては、受光素子を用いて測定された光の透過量から水封部を通過する気泡の通過時間を算出することにより空気の流量を求めることができる。典型的には、所定の時間当たりの気泡の積算通過時間を算出することにより空気の流量を求める。この所定の時間は例えば１分間であるが、これに限定されるものではなく、他の時間であってもよい。発光素子としては、例えば、発光波長が可視域のものが用いられ、具体的には例えば青色発光の発光素子が用いられるが、これに限定されるものではない。発光素子は、典型的には、発光ダイオードや半導体レーザである。受光素子としては、使用する発光素子の発光波長に対して十分な受光感度を有するものが用いられる。受光素子は、典型的には、フォトダイオードである。水封部に光を照射する発光素子と、この発光素子から照射され、水封部を透過する光を受光する受光素子とを有する光透過式流量計測装置は、胸腔ドレナージユニットに着脱可能に構成してもよいし、胸腔ドレナージユニットに一体的に設けてもよい。
【００１２】
第３の発明は、
胸腔ドレナージユニットに取り付けられて使用される胸腔ドレナージユニット用光透過式流量計測装置であって、
上記胸腔ドレナージユニットの水封部に光を照射する発光素子と、
上記発光素子から照射され、上記水封部を透過する光を受光する受光素子とを有し、
上記受光素子を用いて上記水封部を透過する上記光の透過量を測定することにより上記水封部を通過する空気の流量を求めるようにしたものである。
第３の発明においては、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、水封部を透過する光の透過量を測定することにより水封部を通過する空気の流量を求めるようにしているので、胸腔ドレナージユニット内の空気の流路の内部に直接触れることがなく衛生的であり、また、定量的な流量計測を行うことができる。しかも、より広い流量帯にわたって空気の流量を求めることができる。さらに、光透過式流量計測装置を胸腔ドレナージユニットの外部に取り付けることができるように構成することにより、胸腔ドレナージユニットを加工することなく、光透過式流量計測装置を取り付けることができるため、光透過式流量計測装置はある程度高価になったとしても、光透過式流量計測装置を取り外してから胸腔ドレナージユニットを使い捨てることができるので、経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の一実施形態による胸腔ドレナージユニットについて図面を参照しながら説明する。
図１はこの胸腔ドレナージユニット１０の全体構成を示す。
図１に示すように、この胸腔ドレナージユニット１０は、排液部１１、水封部１２および吸引部（吸引圧制御部）１３から成っている。排液部１１の入口には胸腔ドレーン接続チューブ１４が接続されている。この胸腔ドレーン接続チューブ１４の先端には胸腔ドレーン接続コネクター（図示せず）が取り付けられている。この胸腔ドレーン接続コネクターに胸腔ドレーン（図示せず）が接続され、この胸腔ドレーンの先端が気胸の患者の胸腔内に挿入される。そして、患者の胸腔内に溜まった体液および空気は、胸腔ドレーンおよび胸腔ドレーン接続チューブ１４を通って排液部１１に入るようになっている。
【００１５】
排液部１１は、胸腔ドレナージユニット１０の底面から垂直上方に設けられた隔壁１５ａ、１５ｂ、１５ｃによって第１室１１ａ、第２室１１ｂおよび第３室１１ｃの３室に仕切られている。胸腔ドレナージユニット１０の上面と隔壁１５ａ、１５ｂ、１５ｃの上端との間には隙間が設けられている。排液部１１に入った体液は、これらの第１室１１ａ、第２室１１ｂおよび第３室１１ｃに貯留されるようになっている。
【００１６】
隔壁１５ｃと対向するように、胸腔ドレナージユニット１０の上面から垂直下方に垂下隔壁１６が設けられている。この垂下隔壁１６の下部は胸腔ドレナージユニット１０の底面に平行に屈曲し、さらに垂直下方に屈曲した形状を有する。胸腔ドレナージユニット１０の底面と垂下隔壁１６の下端との間には隙間が設けられている。また、垂下隔壁１６と対向するように胸腔ドレナージユニット１０の底面に隔壁１７が設けられている。この隔壁１７は胸腔ドレナージユニット１０の底面から垂直上方に延び、胸腔ドレナージユニット１０の底面に平行に屈曲し、さらに垂直上方に延びた形状を有する。胸腔ドレナージユニット１０の上面と隔壁１７の上端との間には隙間が設けられている。
【００１７】
水封部１２は、垂下隔壁１６の下端より高い高さまで注入された滅菌蒸留水からなる。排液部１１に入った空気は、図１中矢印で示すように、胸腔ドレナージユニット１０の上面と隔壁１５ａ、１５ｂ、１５ｃの上端との間の隙間を通り、さらに隔壁１５ｃと垂下隔壁１６との間の小室１８内を下降し、水封部１２に進入するようになっている。こうして水封部１２に進入した空気は、気泡となって水封部１２を通過し、垂下隔壁１６と隔壁１７との間の小室２０内を上昇し、吸引部１３の出口に接続された吸引装置接続チューブ２１から吸引装置（図示せず）により外部に吸引排出される。吸引部１３においては、隔壁１７と対向するように、胸腔ドレナージユニット１０の上面から垂直下方に垂下隔壁２２が設けられている。この垂下隔壁２２と胸腔ドレナージユニット１０の側面との間には隙間がある。この垂下隔壁２２の下端は胸腔ドレナージユニット１０の底面より高い位置にある。吸引部１３には、この垂下隔壁２２の下端より高い高さまで滅菌蒸留水２３が注入されている。垂下隔壁２２と胸腔ドレナージユニット１０の側面との間の隙間を通って外部から取り入れられた空気は、吸引部１３の滅菌蒸留水２３を通り、隔壁１７と垂下隔壁２２との間の小室２４内を上昇し、吸引装置接続チューブ２１から外部に吸引排出される。こうすることで、患者の胸腔内圧を一定の陰圧に保つことができる。
【００１８】
図２ＡおよびＢに、水封部１２に進入した空気が気泡となって水封部１２を通過する様子を模式的に示す。図２Ａに示すように、水封部１２に供給される空気の圧力により小室１８内の水封部１２の液面が押し下げられ、水封部１２の大部分は小室２０の下部に移動する。その後、図２Ｂに示すように、水封部１２内に気泡２５が発生する。この気泡２５は水封部１２内を通過した後に消滅し、空気となって小室２０内に入る。
少なくとも水封部１２、一般的には水封部１２を含む胸腔ドレナージユニット１０の大部分は透明材料、典型的には透明プラスチックなどにより構成されており、外部から内部を観察することができるようになっている。
【００１９】
図１に示すように、この胸腔ドレナージユニット１０においては、水封部１２に、この水封部１２を通る空気の流量を計測するための光透過式流量計測装置２６が取り付けられている。この光透過式流量計測装置２６は胸腔ドレナージユニット１０に着脱可能に構成してもよいし、胸腔ドレナージユニット１０に一体的に設けてもよい。図３にこの光透過式流量計測装置２６の構成を示す。図３に示すように、この光透過式流量計測装置２６は、水封部１２の背面１２ａ側に配置された発光ダイオード２７、水封部１２の正面１２ｂ側に配置された凸レンズからなる集光レンズ２８および逆バイアスされたフォトダイオード２９を有する。そして、発光ダイオード２７から発生する光３０を水封部１２に照射し、水封部１２を透過した光３０を集光レンズ２８により集光した後、フォトダイオード２９に入射させて検出することができるようになっている。発光ダイオード２７の駆動回路は直流電源３１および抵抗３２を含む。また、フォトダイオード２９はアノード側が接地され、カソード側に抵抗３３を介して正の電圧Ｖccが印加されている。光３０の入射によりフォトダイオード２９の両端子間に発生する電圧は増幅回路により増幅されるようになっている。例えば、発光ダイオード２７としては青色発光のものを用い、フォトダイオード２９としてはこの発光ダイオード２７の発光波長に対して十分な受光感度が得られるものが用いられる。青色発光の発光ダイオード２７としては具体的には例えばＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。
【００２０】
上述のように構成された光透過式流量計測装置２６においては、流量計測中は、発光ダイオード２７から発生する光３０を水封部１２に照射する。光３０が気泡２５に当たらずに水封部１２内を透過すると、透過光は光３０とほぼ同じ強度となり、この透過光がフォトダイオード２９で受光されるとその光量に応じた光電流が発生する。これに対して、図４に示すように、光３０が気泡２５の表面に当たるとこの表面で反射される結果、水封部１２内を透過する透過光の光量は減少する。このことから、水封部１２からの光透過量が少ないときには、水封部１２内を気泡２５が通過中であると言うことができる。このとき、光透過量と気泡２５の通過時間との間の関係は図５に示すようになる。図５に示すように、気泡２５の先端が光３０の経路に差しかかると光透過量は急激に減少し、気泡２５の中央部が光３０の経路中に入ったときに光透過量は最小値を取り、気泡２５の後端が光３０の経路から離れるときに光透過量は急激に増加し、光３０が気泡２５に当たらないときの光透過量に回復する。気泡２５の通過時間は気泡２５の大きさが大きいほど長くなる。
【００２１】
図６は、気泡２５が光３０の経路を次々と横断するときにフォトダイオード２９により検出される光透過量の時間変化を示す。各気泡２５の通過時間をｔ1 、ｔ2 、…、ｔn とする。ただし、ここでは、各通過時間の算出に際しては、光３０が気泡２５に当たらないときの光透過量よりも低い閾値を設定し、光透過量がこの閾値に等しくなる時刻の差を通過時間とする。今、単位時間、例えば１分間当たりの気泡２５の積算通過時間をＴ＝ｔ1 ＋ｔ2 ＋…＋ｔn ＝Σｔk （ｋ＝１〜ｎ）と定義する。この積算通過時間Ｔは、単位時間当たりに水封部１２を通過する全ての気泡２５の体積の総量、言い換えると水封部１２を通過する空気の流量と相関関係がある。従って、あらかじめこの相関関係を求めておけば、積算通過時間Ｔを求めることにより、水封部１２を通過する空気の流量を求めることができる。
【００２２】
上記の演算や処理は、光透過式流量計測装置２６に内蔵または接続された演算装置（コンピュータなど）により行うことができる。そして、必要に応じて、その結果をこの演算装置に接続されたディスプレイに表示することができ、さらにこの演算装置に接続されたプリンタによりプリントすることができる。これらの演算装置、ディスプレイ、プリンタなどは、必要に応じて、患者の病室から離れた所にある医師の居室やナースステーションなどに設置することができる。
【００２３】
光透過式流量計測装置２６による空気の流量計測の評価を行うために実験を行った。その結果について説明する。図７にこの実験に用いたシステムの構成を示す。図７に示すように、光透過式流量計測装置２６を有する胸腔ドレナージユニット１０の排液部１１の入口とエアーコンプレッサ３４とをチューブ３５により接続する。チューブ３５の途中にはガスメータ３６およびレギュレータ３７を設ける。エアーコンプレッサ３４によりチューブ３５内に空気が供給され、その流量がガスメータ３６により測定される。レギュレータ３７により空気の流量が調整される。光透過式流量計測装置２６から出力されるアナログ電気信号は、アナログ−ディジタル変換器３８によりディジタル信号に変換される。このディジタル信号をパーソナルコンピュータ３９により処理する。胸腔ドレナージユニット１０の高さは３２０ｍｍ、幅は２３０ｍｍである。
【００２４】
胸腔ドレナージユニット１０の排液部１１に供給される空気（定常流）の流量（定常流量）を０．００Ｌ／ｍｉｎから１．００Ｌ／ｍｉｎの範囲で変え、気泡２５の積算通過時間Ｔを測定した結果を図８に示す。図８には積算通過時間Ｔの測定値を用いて最小自乗法により求めた直線を示した。空気の流量をＦとすると、この直線は近似式Ｔ＝３６．５Ｆで表される。積算通過時間Ｔの測定値はこの直線に良く乗っていることが分かる。このときの残差はＲ2 ＝０．９９１７である。
【００２５】
上記の近似式の妥当性を検証するために、胸腔ドレナージユニット１０の排液部１１に非定常流の空気を供給し、ガスメータ３６により測定される瞬時流量（１秒毎に更新）および光透過式流量計測装置２６により上記の近似式を用いて求められる瞬時流量の時間変化を測定した。その結果を図９に示す。図９より、瞬時流量が０．００Ｌ／ｍｉｎから１．００Ｌ／ｍｉｎの範囲で光透過式流量計測装置２６により上記の近似式を用いて求められる瞬時流量は、ガスメータ３６により測定される瞬時流量と良く一致していることが分かる。このことから、胸腔ドレナージユニット１０の排液部１１に供給される空気が非定常流でも、光透過式流量計測装置２６により流量を精度良く計測可能であることが分かる。
【００２６】
次に、この胸腔ドレナージユニット１０を動物に適用した実験結果について説明する。対象動物としては気胸を模擬した羊を用いた。具体的には、羊に麻酔をかけ、手術を行うことにより肺に３０ｍｍ四方の傷を付け、気胸の状態とした。実験を行ったときの羊は麻酔から覚醒した状態にあり、自発呼吸を行っていた。胸腔ドレーンの先端をこの羊の胸腔内に挿入し、この胸腔ドレーンの他端を胸腔ドレーン接続チューブに接続した。胸腔ドレーン接続チューブは胸腔ドレナージユニット１０の排液部１１の入口に接続されている。図７と同様に、光透過式流量計測装置２６から出力されるアナログ電気信号を、アナログ−ディジタル変換器３８によりディジタル信号に変換し、このディジタル信号をパーソナルコンピュータ３９により処理し、空気の流量を測定する。こうして、実験初日の１４時４０分から翌日の１０時５９分まで約２０時間にわたって、光透過式流量計測装置２６により空気の流量を計測した。その結果を図１０に示す。図１０の縦軸は１分平均の推定流量である。図１０より、羊の行動の変化に対応した流量変化を観測することができる。
【００２７】
以上のように、この一実施形態による胸腔ドレナージユニット１０によれば、水封部１２に設けられた光透過式流量計測装置２６により水封部１２を通過する空気の流量、言い換えればこの胸腔ドレナージユニット１０が接続されている気胸の患者の胸腔から排出され、胸腔ドレナージユニット１０の排液部１１に供給された空気の流量を少なくとも１．００Ｌ／ｍｉｎの流量まで定量的に測定することができる。この光透過式流量計測装置２６では胸腔ドレナージユニット１０内の空気の流路の内部に直接触れないで空気の流量を測定することができるため、衛生的である。また、医師や看護師の目視に頼らないで客観的な測定を行うことができるため、簡便であり、測定精度も高い。さらに、長時間にわたって継続的に空気の流量を測定することができるため、術後の患者の変化を正確に把握することができ、必要に応じて迅速な対処を行うことができる。さらにまた、光透過式流量計測装置２６を胸腔ドレナージユニット１０の外部に取り付けることができるように構成することにより、胸腔ドレナージユニット１０を加工することなく、光透過式流量計測装置２６を取り付けることができるため、光透過式流量計測装置２６はある程度高価になったとしても、光透過式流量計測装置２６を取り外してから胸腔ドレナージユニット１０を使い捨てることができるので、経済的である。
【００２８】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構成、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構成、配置などを用いてもよい。
例えば、胸腔ドレナージユニット１０の構成は一例に過ぎず、他の構成の胸腔ドレナージユニット１０を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の一実施形態による胸腔ドレナージユニットの全体構成を示す断面図である。
【図２】この発明の一実施形態による胸腔ドレナージユニットの水封部の近傍の構成を示す断面図である。
【図３】この発明の一実施形態による胸腔ドレナージユニットの光透過式流量計測装置の構成を示す略線図である。
【図４】この発明の一実施形態による胸腔ドレナージユニットの光透過式流量計測装置の測定原理を説明するための略線図である。
【図５】この発明の一実施形態による胸腔ドレナージユニットの光透過式流量計測装置の測定原理を説明するための略線図である。
【図６】この発明の一実施形態による胸腔ドレナージユニットの光透過式流量計測装置の測定原理を説明するための略線図である。
【図７】この発明の一実施形態による胸腔ドレナージユニットの評価に用いた光透過式流量計測システムの構成を示す略線図である。
【図８】図７に示す光透過式流量計測システムを用いて測定された定常流の空気の流量と気泡の積算通過時間との相関関係を示す略線図である。
【図９】図７に示す光透過式流量計測システムを用いて測定されたガスメータによる測定結果および光透過式流量計測装置を用いて測定された測定結果を対比して示す略線図である。
【図１０】この発明の一実施形態による胸腔ドレナージユニットを動物に適用した実験の結果を示す略線図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０…胸腔ドレナージユニット、１１…排液部、１２…水封部、１３…吸引部、１４…胸腔ドレーン接続チューブ、２５…気泡、２６…光透過式流量計測装置、２７…発光ダイオード、２８…集光レンズ、２９…フォトダイオード、３０…光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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