(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者への酸素を含んだ吸気を供給する吸気導入部と、この吸気導入部から前記吸気を前記患者へ案内する患者側経路と、この患者側経路を流れる吸気に前記患者の呼吸周期よりも短い周期の振動空気圧を付勢する振動空気圧付勢部と、前記患者から出された二酸化炭素を含んだ呼気を大気中に排出する排出経路と、前記振動空気圧付勢部の動作制御を行うコントローラとを備える高頻度人工呼吸器において、
前記振動空気圧付勢部は、前記振動空気圧の一振動周期あたりの換気量及び振動周波数が調節自在であり、
前記コントローラは、前記振動周波数の入力を受け付ける受付部と、前記振動空気圧付勢部に対してその出力振動空気圧を前記入力された振動周波数に設定調節する動作制御を行う動作制御部とを備え、
この動作制御部が、前記入力により振動周波数を変更する設定調節を行う際に，患者の肺に対する一振動周期あたりの換気量をＶＴ，振動周波数をｆとした場合、ＶＴ２・ｆが一定値となる状態を維持しつつ、前記振動空気圧の一振動周期あたりの換気量及び振動周波数を設定調節させる換気状態維持機能を備えることを特徴とする高頻度人工呼吸器。
【請求項２】
前記受付部は前記患者の肺に対する一回換気量の入力をも受け付け、
前記動作制御部は、前記振動空気圧付勢部に対して前記入力された換気量に設定調節する動作制御を行うことを特徴とする請求項１記載の高頻度人工呼吸器。
【請求項３】
前記患者側経路の平均気道内圧を調節する内圧調節部を備えると共に、
前記受付部は平均気道内圧の入力を受け付け、
前記動作制御部は入力された気道内圧に従って前記内圧調節部の動作制御を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の高頻度人工呼吸器。
【請求項４】
前記受付部は患者の肺の解剖学的死腔量及び定数の入力を受け付け、
前記コントローラは、前記入力された解剖学的死腔量をＶＤ，定数をＫとした場合に、式ＶＡ＝Ｋ・ＶＴ２・ｆ／ＶＤで定義される肺胞換気量ＶＡを算出する算出部を備え、
前記コントローラに、前記算出された肺胞換気量ＶＡを表示する表示部を併設したことを特徴とする請求項１，２又は３記載の高頻度人工呼吸器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工呼吸器に係り、特に、高頻度人工呼吸器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高頻度人工呼吸器２００は、図１１に示すように、酸素供給源２０１から三方分岐管２０２を介して患者Ｘ側と排気側とに分岐する流体回路系を流れる高濃度酸素を含んだ吸気（通常の流量10〜30[l/min]，最大60[l/min]）に対して高頻度の振動空気圧を振動空気圧付勢部２０３によって付勢して患者Ｘの肺内に酸素供給を行う。このとき、患者Ｘの肺へかかる平均圧力は、呼気の排出口に設けられた呼気弁２０４のゴム弁の開放面積でコントロールする。
【０００３】
この高頻度人工呼吸器２００の酸素供給原理を説明する。まず、患者に供給される吸気に高頻度振動空気圧が付勢されると、当該吸気の圧力振幅により、患者の肺中の二酸化炭素を含んだ吸気（以下、呼気とする）に対して小容量の換気（対流的なガス交換）が起ると共に、吸気の振動による拡散運動の効果で、気管内チューブ２０７を介して肺内に吸気が侵入すると共に肺内の呼気が肺の外（患者口元）まで導き出される。後続の吸気は、上述の換気を行うと共に肺から導き出された呼気を排気口側に送り出す作用をも有している。これにより、患者の肺内を常に一定の酸素濃度に維持することを可能としている。
【０００４】
上記高頻度人工呼吸器２００では、医者が患者の様態に合わせて任意に設定できる基本的なパラメータは、主に、▲１▼酸素供給源から患者Ｘまでの回路系の内部圧力（5〜15[cmH2O]（490〜1470[Pa]））、▲２▼患者の肺に対する振動空気圧の一振動周期当たりの換気量（以下、「患者の肺に対する一回換気量」とする。具体的には患者の体重に合わせて数〜数百[ml]）、▲３▼振動空気圧の換気周波数（3〜15[Hz]程度）の三つである。他に付随的なパラメータとして患者に送る吸気供給量、吸気の酸素濃度がある。患者の様態に合わせて、上記基本的なパラメータを以下のようにコントロールして呼吸管理をする。
【０００５】
(1)酸素化をしたい場合は、患者回路の平均気道内圧を上げる。ここで酸素化とは患者Ｘの動脈血中酸素分圧（PaO2）を上げることをいう。
【０００６】
(2)二酸化炭素の掃けを良くしたい場合は、患者の肺に対する一回換気量を増やす。二酸化炭素の掃けを良くするとは、動脈血中二酸化炭素分圧（PaCO2）を下げることをいう。
【０００７】
(3)各患者Ｘは高頻度人工呼吸の換気効率が高くなる固有の周波数が固体別に決まっており、また、この固有の周波数は患者の様態に応じて変化もする。換気周波数は、患者Ｘの様態を観察しつつかかる固有の周波数に近づくように調節が行われる。
【０００８】
換気周波数は、初期の段階では患者Ｘの体重に合わせて決められ、患者Ｘの体と共振してガス（酸素）の拡散効果を上げ、ガス交換（酸素と二酸化炭素との交換）が効率良く行われる周波数に調節される。一般に、換気周波数に関しては、新生児には、15[Hz]前後，小児から成人は、3〜10[Hz]が多く用いられている。
【０００９】
この換気周波数は、人工呼吸時には、急な患者Ｘの様態変化が生じなければ固定されていることが多く、あまり頻繁に変化させるものではない。よって、通常であれば、患者Ｘの様態に合わせて希望する人工呼吸を行なうためには、▲１▼と▲２▼のいずれかのパラメータのみにより呼吸状態が調節される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、患者の様態が変化すると、PaO2が下がり過ぎたり、PaCO2が上がり過ぎたりする場合がある。この場合は、既に患者Ｘの固有周波数に変化が生じているため、もはや▲１▼と▲２▼のみでは調節が追いつかず、換気周波数を変えなければならない。
【００１１】
しかし、換気周波数を変えると気管内チューブを流れる振動流の状態が著しく変わるため、患者のガス交換の効果が変化し、患者の様態にさらなる変化を生ぜしめる恐れがあった。特に小児から成人に用いられる換気周波数3〜10[Hz]の間では、1[Hz]変化させると、ガスの運搬メカニズムが著しく変化し易く、医者は換気周波数を変える時に細心の注意を払う必要があった。
【００１２】
上記の如く、従来の高頻度人工呼吸器では、「一回換気量」と「換気周波数」とが動脈血中二酸化炭素分圧に影響するパラメータとなっている。このような、1つの治療指標の因子に対して2因子の設定パラメータが影響する場合、高頻度人工呼吸器の操作は慎重さが要求されるため、医者にとって「換気周波数の設定変更」は非常に煩雑な作業となっていた。
【００１３】
そこで、医者からは、患者の動脈血中二酸化炭素分圧の急変を生じないで、換気周波数を調節することが可能である高頻度人工呼吸器が望まれていた。
【００１４】
【発明の目的】
本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、上述した各パラメータが互いに影響しなうことなく調節可能な高頻度人工呼吸器を提供することを、その目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、患者への酸素を含んだ吸気を供給する吸気導入部と、この吸気導入部から吸気を患者へ案内する患者側経路と、この患者側経路を流れる吸気に患者の呼吸周期よりも短い周期の振動空気圧を付勢する振動空気圧付勢部と、患者から出された二酸化炭素を含んだ呼気を大気中に排出する排出経路と、振動空気圧付勢部の動作制御を行うコントローラとを備えている。
【００１６】
そして、振動空気圧付勢部は、振動空気圧の一振動周期あたりの換気量及び振動周波数がコントローラの動作信号により調節自在である。また、上述したコントローラは、振動周波数の入力を受け付ける受付部と、振動空気圧付勢部に対してその出力振動空気圧を入力された振動周波数に設定調節する動作制御を行う動作制御部とを備えている。
【００１７】
そして、この動作制御部が、入力により振動周波数を変更する設定調節を行う際に，患者の肺に対する一振動周期あたりの換気量をＶＴ，振動周波数をｆとした場合、ＶＴ２・ｆが一定値となる状態を維持しつつ、振動空気圧の一振動周期あたりの換気量及び振動周波数を設定調節させる換気状態維持機能を備える、という構成を採っている。
【００１８】
上記構成では、呼気導入部から吸気が発せられ、当該吸気は患者側経路内を通過して患者まで送られる。さらに、かかる患者側経路を流動する吸気には振動空気圧付勢部により振動空気圧が付勢される。そして、吸気は分岐管にて患者側と排気経路側との双方に流動する。患者側に流動した吸気は、振動空気圧の陽圧により気管内挿入管を通じて患者の肺内に到達し、肺内に酸素を供給する。また、その一方で肺から生じた二酸化炭素を含んだ呼気は、振動空気圧の陰圧の作用により気管内挿入管を通じて分岐管側に流動し、後続の吸気と共に排気経路に押し流され、大気中に排出される。
【００１９】
そして、患者の換気効率が低いことが測定により判明し振動周波数の設定が不適と判断された場合、或いは患者の様態が変化したときのように必要が生じた場合には、例えば受付部に接続された外部入力手段により当該受付部に対して新たな振動周波数の入力が行われる。
【００２０】
これにより、動作制御部では振動空気圧付勢部から出力される振動空気圧の振動周波数を変更する動作制御を開始する。即ち、振動空気圧付勢部に対して、入力前の振動周波数から入力された振動周波数に変更する動作制御が行われるが、その変更の際には、振動周波数の変更に伴って一振動周期当たりの換気量も変更される。即ち、患者の肺に対する一回換気量ＶＴと変更後の振動周波数ｆとがＶＴ２・ｆ＝一定値となる条件を満たすように振動周波数ｆと一振動周期当たりの換気量とが変更される動作制御が行われる。
【００２１】
なお、上述した「一振動周期当たりの換気量」は振動空気圧付勢部から直接出力された振動空気圧の一振動周期当たりの振幅量を示し、「患者の肺に対する一回換気量」は患者の肺に到達した振動空気圧によりその一振動周期当たりで実際に換気される換気量を示す。
【００２２】
「一振動周期当たりの換気量」と「患者の肺に対する一回換気量」とは一致するとは限らないが、「一振動周期当たりの換気量」と「患者の肺に対する一回換気量」とは一定の相関関係を持って変化する。このため、目標となる「患者の肺に対する一回換気量」が予め分かれば、対応する「一振動周期当たりの換気量」の特定は可能であり、当該目標となる「一振動周期当たりの換気量」となるように振動空気圧付勢部の動作制御が行われる。
【００２３】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明と同様の構成を備えると共に、受付部は患者の肺に対する一回換気量の入力をも受け付け、動作制御部は、振動空気圧付勢部に対して入力された換気量に設定調節する動作制御を行うという構成を採っている。
【００２４】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明と同様の動作が行われると共に、人工呼吸の開始前の初期設定を行う場合や、人工呼吸の最中において患者の血中二酸化炭素分圧に変化が生じているときに、例えば受付部に接続された外部入力手段により当該受付部に対して患者の肺に対する一回換気量の入力が行われる。
【００２５】
請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の発明と同様の構成を備えると共に、患者側経路の平均気道内圧を調節する内圧調節部を備えると共に、受付部は気道内圧の入力を受け付け、動作制御部は入力された気道内圧に従って内圧調節部の動作制御を行うという構成を採っている。
【００２６】
ここで、平均気道内圧とは、振動空気圧付勢部により振動周期で増減する患者側経路内の圧力を平均化した値をいう。
【００２７】
請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の発明と同様の動作が行われると共に、人工呼吸の開始前の初期設定を行う場合や、人工呼吸の最中において患者の血中酸素分圧に変化が生じているときに、例えば受付部に接続された外部入力手段により当該受付部に対して気道内圧の入力が行われる。
【００２８】
請求項４記載の発明では、請求項１，２又は３記載の発明と同様の構成を備えると共に、受付部は患者の肺の解剖学的死腔量及び定数の入力を受け付け、コントローラは、入力された解剖学的死腔量をＶＤ，定数をＫとした場合に、式ＶＡ＝Ｋ・ＶＴ２・ｆ／ＶＤで定義される肺胞換気量ＶＡを算出する算出部を備え、コントローラに、算出された肺胞換気量ＶＡを表示する表示部を併設するという構成を採っている。
【００２９】
ここで、上述の肺胞換気量ＶＡとは、振動空気圧の一周期又は呼吸の一周期における患者の肺の酸素と二酸化炭素の換気状態を定量的な目安として表す数値である。また、解剖学的死腔量ＶＤとは、気管と肺の総容量の内で全肺胞の容積を除いた容積を示し、係数Ｋは、個々の呼吸回路によって左右される修正用の数値であり、約0.13〜0.19の範囲の数値である。
【００３０】
請求項４記載の発明では、請求項１，２又は３記載の発明と同様の動作が行われると共に、例えば受付部に接続された外部入力手段により当該受付部に対して解剖学的死腔量ＶＤ，定数Ｋの入力が行われると、算出部では式ＶＡ＝Ｋ・ＶＴ２・ｆ／ＶＤから肺胞換気量ＶＡを算出し、その算出結果を表示部にて表示する。
【００３１】
また、同時に、一振動周期あたりの換気量ＶＴ又は振動周波数ｆの変更があった場合にも、式ＶＡ＝Ｋ・ＶＴ２・ｆ／ＶＤから肺胞換気量ＶＡが算出され、その算出結果が表示部にて表示される。
【００３２】
本発明は、上述した各構成によって前述した目的を達成しようとするものである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
（実施の形態の全体構成）
本発明の第１の実施形態を図１乃至図１０に基づいて説明する。図１は、本実施形態たる高頻度人工呼吸器１２の構成を示すブロック図である。
【００３４】
このこの高頻度人工呼吸器１２は、患者Ｘへの酸素を含んだ吸気を供給する吸気導入部６２と、この吸気導入部６２から吸気を患者Ｘへ案内する患者側経路６０と、この患者側経路６０を流れる吸気に患者Ｘの呼吸周期よりも短い周期の振動空気圧を付勢する振動空気圧付勢部５０と、患者Ｘから出された二酸化炭素を含んだ呼気を大気中に排出する排出経路７０と、人工呼吸器１２の各部の動作制御を行うコントローラ４０とを備えている。
【００３５】
以下各部を詳説する。
【００３６】
（吸気導入部）
上記吸気導入部６２は、酸素及び空気の供給源６２１ａ，６２１ｂと接続され、これらを混合する第一の調節手段としてのブレンダ６２１と、ブレンダ６２１から送り出される空気を加湿する加湿器６２２とから構成されている。
【００３７】
酸素及び空気の供給源６２１ａ，６２１ｂは、それらをそれぞれ封入したボンベや病院施設に備え付けられたこれらの供給バルブから構成される。これらの供給源６２１ａ，６２１ｂは、常に一定圧力でブレンダ側に酸素及び空気を供給している。
【００３８】
ブレンダ６２１は、各供給源６２１ａ，６２１ｂとの接続部に図示しない流量調節自在の弁を有し、これらを調節して吸気の酸素濃度を自在に設定することができる。また、ブレンダ６２１は、吸気を加湿器６２２側に流す図示しない複数の出力バルブを備えている。の出力バルブは、それぞれ流量が異なるものであり、任意の流量の出力バルブを選択することにより所定流量の吸気の供給が行われる。なお、上記吸気の酸素濃度設定や流量設定は、コントローラ４０からの動作信号を受けて自在に行われるようになっている。
【００３９】
加湿器６２２には、加湿された吸気を患者Ｘへ供給する吸気管６２３が接続されている。吸気管６２３は、その途中で分岐して一端側が後述するダイヤフラム機構５６の被加圧室５６３に連通されるとともに、その他端側が後述する三方分岐管１７０に接続されている。
【００４０】
（振動空気圧付勢部）
振動空気圧付勢部５０は、陽圧及び陰圧の両方の空気圧を同時に発生するブロワ５２と、ブロワ５２で発生した陽圧又は陰圧を交互に選択して所定の振動空気圧に変換するロータリバルブ機構５４と、ロータリバルブ機構５４からの振動空気圧に付勢されて作動し，吸気導入部６２から患者Ｘに供給される吸気に振動空気圧を付勢するダイヤフラム機構５６とを含む構成を採っている。
【００４１】
上述のブロワ５２は、その内部に空気を取り込みまたその空気を送り出すことにより陽圧と陰圧とを同時に発生させる。ブロワ５２の空気取り込み口は、後述するロータリーバルブ機構５４の陰圧ポート５４２に接続され、空気の送り出し口は陽圧ポート５４１に接続されている。
【００４２】
このブロワ５２は、ファンとこれを回転駆動させるモータとを有している。このモータはインバータを備え、その回転数をコントローラ４０にて制御することにより空気の送り出し量を設定している。この空気の送り出し量と後述する一振動周期当たりの換気量とは比例関係により、空気の送り出し量を増減させることで一振動周期当たりの換気量の設定が行われる。
【００４３】
ロータリバルブ機構５４は、ブロワ５２から陽圧が入力される陽圧ポート５４１と、ブロワ５２から陰圧が付勢される陰圧ポート５４２と、振動空気圧を出力する出力ポート５４３と、自らの回転により出力ポート５４３を陽圧ポート５４１と陰圧ポート５４２とに交互に接続するロータリバルブ５４４と、ロータリバルブ５４４を回転させる駆動部５４５とから構成されている。
【００４４】
駆動部５４５は、図示しないモータ及び減速機からなり、ロータリバルブ５４４をコントローラ４０にて指定された回転数で回転させる。ロータリバルブ５４４は、一回転するごとに、ポート５４１とポート５４３とのみを一回連通させ、続いてポート５４２とポート５４３とのみを一回連通させる。従って、供給される吸気に対して駆動部５４５の回転数に比例した振動周波数の振動空気圧Ａpnを付勢する。コントローラ４０は、かかる駆動部５４５の回転数の制御を行うことにより振動空気圧Ａpnの振動周波数の制御を行っている。
【００４５】
なお、ポート５４３には、振動空気圧Ａpnをダイヤフラム機構５６へ伝達する振動空気圧管５４６が接続されている。
【００４６】
ダイヤフラム機構５６は、加圧室５６２及び被加圧室５６３と、加圧室５６２と被加圧室５６３との間を仕切るとともに伸縮自在の膜状部材で形成されたダイヤフラム５６１とを備えている。加圧室５６２は振動空気圧管５４６に接続されている。加圧室５６２はロータリーバルブ５４の出力ポート５４３に接続されており、被加圧室５６３は吸気管６２３に接続されている。かかる構造によりロータリーバルブ５４で形成された振動空気圧はダイヤフラム５６１を介して吸気管６２３内を流動する吸気に付勢される。
【００４７】
（患者側経路）
さらに、高頻度人工呼吸器１２は、吸気管６２３の下流側に三方分岐管１７０を備え、当該三方分岐管１７０がさらに下流側を患者Ｘ側と排出経路側とに分岐させている。この三方分岐管１７０は、患者側管路１７１（患者側端部），酸素供給源側管路１７２及び呼気排出側管路１７３の三つの管路を備えており、これらの管路は全て内部で連通している。そして、酸素供給源側管路１７２が吸気管６２３と接続され、患者側管路１７１が患者Ｘの肺内に至る気管内挿入管８１と接続されている。これらの三方分岐管１７０と吸気管６２３と気管内挿入管８１とが患者側経路６０を構成している。また、患者側管路１７１には平均気道内圧を検出する患者側圧力センサ９３が設けられており、検出圧力はコントローラ４０に出力される。
【００４８】
気管内挿入管８１は、患者Ｘの口から気管内に挿入され、だいたい気管が左右の気管支に分岐する分岐点（第一分枝）まで挿入される。従って、気管内挿入管８１は、患者Ｘの口から第一分枝まで充分に届く長さに設定されており、また当然のことながら気管内に挿入可能な外径に設定されている。
【００４９】
例えば、成人男子の場合、口部から第一分枝まで22〜26[cm]程度であり、これに三方分岐管１７０の患者側管路１７１から口元までの長さが＋3〜5[cm]あるので、気管内挿入管８１は合計して25〜31[cm]程の長さであれば良く、本実施形態では30[cm]に設定される。また、気管内挿入管８１は、内側の直径が3[mm],5[mm],6[mm],8[mm]の四種が用意されており、患者の気管の内径に応じたものが選択されて使用される。一般に通常の成人を対象とした場合、気管内挿入管８１の内径は8[mm]程度のものが使用される。
【００５０】
さらに、この気管内挿入管８１は交換式であり、三方分岐管１７０の患者側管路１７１に対して着脱自在となっている。従って、人工呼吸に使用された後には取り外して廃棄又は除菌洗浄されて再利用される。
【００５１】
（排出経路）
さらに、三方分岐管１７０の呼気排出側管路１７３は、排出管６０４の一端部と接続され、この排出管６０４の他端部には内圧調節部としての流量調節バルブ６０７が接続されている。これら排出管６０４と流量調節バルブ６０７とは、患者Ｘの肺から出された二酸化炭素を含んだ吸気（呼気）の通り道となり、これらが呼気を大気中に排出する排出経路７０を構成する。
【００５２】
図２は、排出経路７０の周囲を一部切り欠いて示した拡大図である。この図に示すように、流量調節バルブ６０７は、筺体６０７ａと排気ポート６０７ｂと流量制御用の移動弁（制御用シリコンシート）６０７ｃと、この移動弁６０７ｃを一定方向に沿って前後進移動させる往復付勢機構としてのソレノイド６０７ｄとを備えている。
【００５３】
このソレノイド６０７ｄはコントローラ４０からの制御信号に応じた移動量で移動弁６０７ｃを移動させ、これにより、流量調節バルブ６０７の呼気排出量の調節が自在に行われる。患者側経路６０は排気経路７０と連通しているので、かかる呼気排出量の調節により、排気経路７０のみならず患者側経路６０の気道内圧をも調節することを可能としている。
【００５４】
（コントローラ）
次に、コントローラ４０について図１及び図３を参照して説明する。図３は高頻度人工呼吸器１２の制御系を示すブロック図である。このコントローラ４０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，Ａ／Ｄ変換器を含む演算装置で構成され、後述する高頻度人工呼吸器１２の動作制御を実行するプログラムが入力されている。
【００５５】
このコントローラ４０は、医者（高頻度人工呼吸器１２のオペレータ）が高頻度人工呼吸器１２の各部の操作条件を入力するための操作盤４３と後述する肺胞換気量ＶＡ及び一回換気量ＶＴを表示する表示部４４とが併設されている。
【００５６】
さらに、このコントローラ４０は、操作盤４３から各種の操作条件の入力を受け付ける受付部４１と、操作盤４３で入力された操作条件に従いブレンダ６２１，振動空気圧付勢部５０及び流量調節バルブ６０７の動作制御を行う動作制御部４９とを備えている。
【００５７】
さらに、このコントローラ４０は、操作盤４３から操作条件の設定入力を受け付ける受付部４１と、この受付部４１に入力された各入力値に基づいて振動空気圧付勢部５０と吸気導入部６２と流量調節バルブ６０７とに対する動作制御を行う動作制御部４９と、後述する５次元マップを記憶したマップメモリ４６と、肺胞換気量ＶＡを算出する算出部４５とを備えている。
【００５８】
上述の操作盤４３は、高頻度人工呼吸器１２のオペレータたる医者が、患者Ｘの肺に対する一回換気量ＶＴ，振動空気圧の振動周波数ｆ（以下、「換気周波数とする」），吸気の供給量，患者側経路内の平均気道内圧，選択した気管内挿入管８１の径，患者Ｘの肺の解剖学的死腔量ＶＤ，肺胞換気量を求めるための定数Ｋ及び吸気の酸素濃度を入力する例えばキーボードからなる入力手段である。
【００５９】
操作盤４３から入力されたこれらの操作条件は全て、受付部４１にて記憶される。この受付部４１は一時的に記憶を行うメモリであり、上記各々の操作条件が新たに入力されると、それまで記憶されていた操作条件を上書きして更新する。
【００６０】
また、表示部４４は例えば液晶パネルからなる表示部であり、動作制御部４９の制御により受付部４１に入力された上記操作条件は全てこの表示部４４にて表示される。
【００６１】
次に、マップメモリ４６について説明する。このマップメモリ４６は、患者Ｘの肺に対する所望の一回換気量，換気周波数，吸気の供給量，患者側経路６０内の平均気道内圧及び選択した気管内挿入管８１の径を五つの変数としてこれらを指定することにより、患者Ｘの肺に対する所望の一回換気量を実現する振動空気圧付勢部５０の出力（正確にはブロワ５２の駆動モータの出力）を特定する５次元マップを記憶している。
【００６２】
この５次元マップは、振動空気圧付勢部５０の出力と振動空気圧の振動周波数と吸気の供給量と平均気道内圧と選択された気管内挿入管の径とをそれぞれ変化させて気管内挿入管８１の先端部で一回換気量の計測を行う試験の試験データに基づいて構築されている。
【００６３】
換言すると、この５次元マップは、吸気の供給量と患者側経路６０の平均気道内圧と換気周波数とをそれぞれ複数の段階に分けて変化させた状態で、径の異なる四種類の気管内挿入管８１ごとにブロワ５２の駆動モータの出力と各気管内挿入管８１の挿入側先端部で観測される振動空気圧による一周期当たりの換気量との相関関係について測定した無数の試験データにより構築されている。
【００６４】
従って、吸気の供給量と患者側経路６０の平均気道内圧と換気周波数と気管内挿入管の径をそれぞれ指定すると、ブロワ５２の駆動モータの出力と気管内挿入管８１の挿入側先端部で観測される振動空気圧による一周期当たりの換気量との相関関係についての試験データを一つ特定することができる。
【００６５】
本実施形態では、気管内挿入管８１の挿入側先端部に圧力センサを備えるモデル肺を装備して観測された振動空気圧による一周期当たりの換気量を「患者の肺に対する一回換気量」と見なし、これを試験データとしている。これは、高頻度人工呼吸では、患者の肺に対する一回換気量は、当該肺の容積やコンプライアンス等の特性の影響は少なく、吸気供給量，平均気道内圧，換気周波数，振動空気圧の振幅量及び気管内挿入管の内径による影響を受けてのみ変動することが試験により確認されているためである。
【００６６】
そして、特定部４５にて、上記特定された一つの試験データからなる特性曲線から所望の一回換気量に対応するブロワ５２の出力を特定し、かかる特定された出力でブロワ５２の駆動モータを駆動することにより、患者Ｘの肺に対してオペレータが所望する一回換気量で高頻度人工呼吸を行うことを可能としている。
【００６７】
かかる５次元マップの構成について、図４乃至図７に基づいて説明する。これらの図面は５次元マップの概念を説明する説明図である。まず、５次元マップは、吸気供給量を指定することにより次段階のマップＭiを特定する第一段階のマップＭ（図４）を有している。第一段階のマップＭでは五段階で吸気供給量の指定が可能であり、例えば吸気供給量が30[l/min]であれば第二段階のマップはＭ5に特定される。
【００６８】
第二段階のマップＭiは、患者側経路６０の平均気道内圧を指定することにより次段階のマップＭijを特定することができる（図５：一例としてＭ5のマップを表している）。第二段階のマップＭiでは十一段階で平均気道内圧の指定が可能であり、例えば、第二段階のマップＭ5において平均気道内圧が10[cmH2O](980[Pa])であれば第三段階のマップはＭ56に特定される。
【００６９】
第三段階のマップＭijは、患者側経路６０の換気周波数を指定することにより次段階のマップＭijkを特定することができる（図６：一例としてＭ56のマップを表している）。第三段階のマップＭijでは五段階で換気周波数の指定が可能であり、例えば、第三段階のマップＭ56において換気周波数が15[Hz]であれば最終段階のマップはＭ565に特定される。
【００７０】
最終段階のマップＭijkは、各々指定された吸気の供給量，平均気道内圧及び換気周波数の条件下で径の異なる四種類の気管内挿入管について測定試験により求められたブロワ５２の出力と患者Ｘの肺に対する一回換気量との相関関係についての試験データである。図７は、最終段階のマップＭ565を線図により概念的に表したものである。これによれば、患者側経路６０の被装着部１７１ａに装着した気管内挿入管８１の径が8[mm]であって患者Ｘの肺に対する一回換気量を78[ml]として高頻度人工呼吸を行いたい場合には、ブロワ５２の駆動モータの出力は80[％]に設定すれば良いことが分かる。
【００７１】
５次元マップは、以上のように構成されており、これにより、吸気の供給量，平均気道内圧，換気周波数，気管内挿入管の径及び所望の一回換気量を指定することにより、当該所望の一回換気量で高頻度人工呼吸を行うブロワ５２の駆動モータの出力を特定することができる。なお、上述の説明では、各パラメータの指定を一定幅の段階的に行っているが、予めより多くの試験データを取得することにより、指定可能な段階幅をより狭めても良い。これにより、より細密に患者Ｘの肺に対する一回換気量の設定を行うことが可能である。
【００７２】
次に動作制御部４９について説明する。この動作制御部４９は、受付部４１に記憶された吸気の酸素濃度を参照し、吸気導入部６２のブレンダ６２１の各供給源６２１ａ，６２１ｂ側のバルブを所定の割合の開度で開く動作制御を行う。また同時に、受付部４１の吸気供給量を参照し、吸気導入部６２のブレンダ６２１の出力バルブを所定の開度で開く動作制御を行う。
【００７３】
また、動作制御部４９は、受付部４１に記憶された平均気道内圧を参照し、患者側圧力センサ９３の検出圧力が記憶された値となるように流量調節バルブ６０７の開度を調節する動作制御を行う。
【００７４】
さらに、動作制御部４９は、受付部４１に対して新たに振動周波数ｆの入力が行われると、振動空気圧付勢部５０に対して操作盤４３から入力された換気周波数ｆに変更する動作制御を行う。そして、動作制御部４９は、患者の肺に対する一回換気量ＶＴの二乗の値と振動周波数ｆとの積が常に一定の値となるように、換気量ＶＴの値を換気周波数ｆの値と共に変化させながら目標の換気周波数ｆに設定する換気状態維持機能４２を備えている（ＶＴ２・ｆが常に一定値）。
【００７５】
即ち、換気周波数の変更前の換気周波数をｆ０，患者の肺に対する一回換気量をＶＴ０とし、受付部４１に新たに入力された変更後の換気周波数をｆ１，変更後の一回換気量をＶＴ１とすると、ｆ０・ＶＴ０＝ｆ１・ＶＴ１が成立する。
【００７６】
従って、動作制御部４９では、換気周波数ｆ１の設定のためにロータリーバルブ５４の駆動部５４５の回転数を制御し、患者の肺に対する一回換気量ＶＴ１の設定のためにブロワ５２の出力を制御する。なお、ブロワ５２の出力は前述したマップメモリ４６の５次元マップを参照して特定される。
【００７７】
また、動作制御部４９は、受付部４１に対して患者Ｘの肺に対する一回換気量ＶＴのみを単独で入力されると、振動空気圧付勢部５０に対してその出力振動空気圧Ａpnを一回換気量ＶＴに設定調節する動作制御を行う。このときも動作制御部４９では、前述した５次元マップを参照しつつブロワ５２の出力を特定し、一回換気量ＶＴの設定を行う。同時に動作制御部４９では設定された一回換気量ＶＴの表示を行う。かかる一回換気量ＶＴの表示は、新たに一回換気量ＶＴが入力された場合や換気周波数ｆの変更により変わってしまった場合に更新される。
【００７８】
次に算出部４５について説明する。この算出部４５は、受付部４１に対して解剖学的死腔量ＶＤ，定数Ｋの入力が行われると、式ＶＡ＝Ｋ・ＶＴ２・ｆ／ＶＤに従って肺胞換気量ＶＡを算出する。また、受付部４１から解剖学的死腔量ＶＤ，定数Ｋの入力が行われなかったときには、式ＶＡ’＝ＶＴ２・ｆに従って簡略化して求められた肺胞換気量ＶＡ’を算出する。このとき、一回換気量ＶＴ又は振動周波数ｆの値が変化するごとに肺胞換気量ＶＡ又はＶＡ’も新たに更新して算出される。そして算出された肺胞換気量ＶＡ又はＶＡ’は常に表示部４４にて表示される。
【００７９】
（原理説明）
以下、上述したコントローラ４０の動作制御の原理説明を行う。現在、呼吸に基づいた換気による肺内外のガスの運搬状態を定量的に表す目安として、肺胞換気量ＶＡが用いられている。この肺胞換気量ＶＡは、患者によって個人差のある数値である。通常、肺胞換気量ＶＡは、肺内のCO2に着目して次のように定義される。
【００８０】
ＶＡ＝ＶＣＯ２／ＦＡＣＯ２      …（1）  ［ＶＣＯ２：CO2の呼出量，ＦＡＣＯ２：肺胞のCO2濃度］
【００８１】
上式(1)は、肺の最小単位レベルである肺胞において、換気によって肺胞から排出されたCO2の量と排出後の肺胞に留まっている血中CO2濃度（血中二酸化炭素分圧）との比を意味するものである。つまり、肺胞換気量ＶＡが同じならぱ、患者の動脈血中二酸化炭素濃度（PaCO2）が変わらず、患者の様態も同じである。
【００８２】
ここで、高頻度ではない通常の人工呼吸器や自発呼吸による換気の場合、吸い込んだ一回換気量ＶＴのうち、実際に血液とガス交換するのは、解剖学的死腔量ＶＤを越え、肺胞まで実際に到達したガス量であると考えられている。よって、肺胞換気量ＶＡは次のように求められる。
【００８３】
ＶＡ＝（ＶＴ−ＶＤ）×ｆ      …（2）
［ＶＴ：一回換気量，ＶＤ：解剖学的死腔量，f：換気周波数］
【００８４】
よって、高頻度ではない人工呼吸では、治療初期の換気の状態を（2）式によって、肺胞換気量ＶＡを求め、その値を変えない様に、高頻度人工呼吸器の操作パラメータである、「換気周波数f」と「一回換気量ＶＴ」を変えていけば、患者のガス交換の状態もしくは、患者の動脈血中炭酸ガス濃度の状態を常に同等に保つことができる。
【００８５】
高頻度人工呼吸（HFO）の換気に関しては、通常換気とガスの運搬メカニズムは異なるため、上式(2)をそのまま適用することができないが、HFOでは学会の研究により、次式(3)の関係があることが明確になってきた。
【００８６】
ＶＡ∝ＶＴ２・ｆ            …（3）
【００８７】
これは、肺胞換気量ＶＡは、「一回換気量ＶＴの2乗」×「換気周波数f」に比例することを意味する。さらに詳細な式として次のようにまとめられている。
【００８８】
ＶＡ＝Ｋ・ＶＴ２・ｆ／ＶＤ  …（4）
［Ｋ：定数（0.13〜0.19），ＶＤ：解剖学的死腔量，f：換気周波数］
【００８９】
上式（4）に従って、最初の状態の肺胞換気量ＶＡを変化させない様に、人工呼吸器の操作パラメータである「一回換気量ＶＴ」、「換気周波数ｆ」を変化させれば、ガス運搬の定量的値は変わらないため、これは肺胞レベルのガス交換も同じであること意味するので、実質患者の動脈血中炭酸ガス濃度の状態を常に同じ状態に保つことができる。
【００９０】
また、定数Ｋ及び解剖学的死腔量ＶＤの入力が、医者にとって困難である場合を考慮して、上式（4）を単純化しても良い。肺胞換気量は式（3）の関係から考えると、次式(5)のように単純化できる。
【００９１】
ＶＡ’＝ＶＴ２・ｆ          …（5）
【００９２】
上記コントローラ４０の動作制御の説明をかねて高頻度人工呼吸器１２全体の動作について図１乃至図３及び図８，９に基づいて説明する。図８は高頻度人工呼吸器１２の動作を示すフローチャートであり、図９は図８の動作に続く動作のフローチャートである。
【００９３】
まず、医者は、患者Ｘの年齢，体重，様態に応じて振動空気圧Ａpnの換気周波数ｆ，一回換気量ＶＴ，患者側経路６０の平均気道内圧，使用する気管内挿入管の内径，吸気の供給流量及び吸気の酸素濃度の基本パラメータを操作盤４３から入力する。
【００９４】
また、事前の検査により患者Ｘの肺の解剖学的死腔量ＶＤ及び肺胞換気量ＶＡを求めるための定数Ｋが分かっている場合には、これらの値も操作盤４３から入力を行う。
【００９５】
高頻度人工呼吸器１２のコントローラ４０では、上記入力された各基本パラメータ及び入力された場合には患者Ｘの肺の解剖学的死腔量ＶＤ及び肺胞換気量ＶＡを求めるための定数Ｋが受付部４１に記憶される。
【００９６】
そして、コントローラ４０では、上記各基本パラメータが入力されたことが確認されると（ステップＳ１）、さらに、解剖学的死腔量ＶＤ及び定数Ｋの入力が確認される（ステップＳ２）。
【００９７】
解剖学的死腔量ＶＤ及び定数Ｋの入力が成されなかった場合には、算出部４５では前述した式(5)により肺胞換気量ＶＡ’が算出され、これが表示部４４にて表示される（ステップＳ３）。また、解剖学的死腔量ＶＤ及び定数Ｋの入力が成された場合には、算出部４５では前述した式(4)により肺胞換気量ＶＡが算出され、これが表示部４４にて表示される（ステップＳ４）。
【００９８】
そして、動作制御部４９は受付部４１を参照して入力された各基本パラメータに従って各部の動作制御を行う（ステップＳ５）。即ち、吸気導入部６２に対して、入力された吸気の酸素濃度となるように供給源６２１ａ，６２１ｂの弁開度を調節し、入力された吸気の供給流量となる出力バルブが選択されて開かれる動作制御が行われる。
【００９９】
また、動作制御部４９は、ロータリーバルブ５４に対して入力された換気周波数ｆとなるように、駆動部５４５のモータの回転数を制御する。さらに、動作制御部４９は、ブロワ５２に対して入力された一回換気量ＶＴとなるようにブロワ５２の駆動モータの回転数を制御する。また、動作制御部４９は、流量調節バルブ６０７に対して、患者側圧力センサ９３での検出圧力が入力された平均気道内圧となるように流量調節バルブ６０７の開度を調節する。
【０１００】
さらに、動作制御部４９は上述の動作制御を行うと共に入力された一回換気量ＶＴを表示部４４にて表示する。
【０１０１】
上述の動作制御により高頻度人工呼吸器１２は立ち上げられ、これにより、呼気導入部６２から吸気が発せられ、当該吸気は患者側経路６０内を通過して患者Ｘまで送られる。さらに、かかる患者側経路６０を流動する吸気には振動空気圧付勢部５０により振動空気圧Ａpnが付勢される。そして、吸気は分岐管１７０にて患者Ｘ側と排気経路７０側との双方に流動する。患者Ｘ側に流動した吸気は、振動空気圧Ａpnの陽圧により気管内挿入管８１を通じて患者Ｘの肺内に到達し、肺内に酸素を供給する。また、その一方で肺から生じた二酸化炭素を含んだ呼気は、振動空気圧Ａpnの陰圧の作用により気管内挿入管８１を通じて分岐管１７０側に流動し、後続の吸気と共に排気経路７０に押し流され、大気中に排出される。
【０１０２】
上述の如く高頻度人工呼吸器１２による高頻度人工呼吸を開始した後には、医者は患者Ｘの様態により、HFOのパラメータである一回換気量ＶＴ，換気周波数ｆ，平均気道内圧，吸気供給量，吸気の酸素濃度の値を変更するべく新たな値を入力する。
【０１０３】
これら新たな入力の内、平均気道内圧，吸気供給量，吸気の酸素濃度のいずれかの入力があったときには（ステップＳ６）、動作制御部４９は前述と同様の動作制御を行い、新たな動作条件に設定する（ステップＳ７）。
【０１０４】
また、新たな一回換気量ＶＴの入力があったときには（ステップＳ８）、動作制御部４９は前述と同様の動作制御をブロワ５２に対して行い、新たな一回換気量ＶＴに設定する（ステップＳ９）。このように、換気周波数ｆを変えることなく一回換気量ＶＴのみを変更した場合には、肺胞換気量ＶＡ’（又はＶＡ）も変化するので、算出部４５では、式(5)により（解剖学的死腔量ＶＤ及び定数Ｋの入力が成されているときには式(4)により）新たに肺胞換気量ＶＡ’（又はＶＡ）を算出して（ステップＳ１０）、表示部４５にて表示する（ステップＳ１１）。
【０１０５】
また、新たな換気周波数ｆの入力があったときには（ステップＳ１２）、動作制御部４９は、換気状態維持機能４２により、換気周波数ｆの移行に伴い一回換気量ＶＴも変化させる。即ち、ＶＴ２・ｆが一定値となるようにブロワ出力とロータリーバルブ回転数とを同時に変化させる動作制御が行われる（ステップＳ１３）。
【０１０６】
上記、動作制御部を具体的に数値の一例に基づいて説明する。変更前の状態が、一回換気量100[ml]、換気周波数15[Hz]で式（5）により算出する場合は、次式(6)の如く肺胞換気量ＶＡ’が算出部４５にて算出される。
【０１０７】
ＶＡ’＝ＶＴ２・ｆ＝1002×15＝150000    …（6）
【０１０８】
上記状態から換気周波数ｆを9[Hz]に変更したい場合、肺胞換気量ＶＡ’を維持する一回換気量ＶＴは次式(7)から算出される。
【０１０９】
ＶＴ＝（ＶＡ’/ｆ）1/2＝(150000/9)1/2＝129．1≒130      …(7)
【０１１０】
従って、換気周波数ｆを15[Hz]から9[Hz]に移行する際に、これと同時に一回換気量ＶＴは100[ml]から130[ml]に移行する動作制御が行われる。ここで、一例として、換気周波数ｆを変化させたときに、肺胞換気量ＶＡ’＝150000を維持する一回換気量ＶＴの変化を図１０に示す。
【０１１１】
上述の動作制御が動作制御部４９にて行われると共に、当該動作制御により変更された一回換気量ＶＴが算出部４５により算出され（ステップＳ１４）、表示部４４にてこの新たな一回換気量ＶＴが表示される（ステップＳ１５）。
【０１１２】
このようにして、高頻度人工呼吸器１２では、変化する患者Ｘの様態に対応して各種パラメータが随時入力され、これに対応する動作制御を行いつつ、継続的に高頻度人工呼吸が行われる。
【０１１３】
以上のように本実施形態は、動作制御部４９が換気状態維持機能４２を備えているので、換気周波数ｆの変更の際に、同時に一回換気量ＶＴが、ＶＴ２・ｆが一定値となる状態を維持しつつ変更される。従って、換気周波数ｆの設定変更の際に、肺胞換気量ＶＡを一定値に維持することができ、これに伴い血中二酸化炭素濃度の急激な変化の発生を回避することが可能となる。
【０１１４】
このため、血中二酸化炭素分圧を決定する二つのパラメータ間の相互の影響を低減し、換気周波数ｆの設定変更の際に、患者の換気状態変化の発生の可能性が回避され、かかる換気周波数ｆの設定変更時の煩雑性を解消することが可能となった。
【０１１５】
また、コントローラ４０に、算出部４５にて算出された肺胞換気量ＶＡを表示する表示部４４を併設する構成とした場合、患者Ｘの換気状態を認識する目安となる肺胞換気量ＶＡを観察しながら高頻度人工呼吸を行うことが可能となり、高頻度人工呼吸器１２の操作を行う医者は、より的確な換気条件に設定することが可能となる。
【０１１６】
ここで、上述した高頻度人工呼吸器１２では、換気周波数を変更する際には式(3)の条件に従い、常に一回換気量も同時に変化させる動作制御を行っているが、特にこれに限定するものではない。例えば、換気周波数の変更を、当該換気周波数のみ単独で変更する制御と、一回換気量と連動させる制御との選択を操作盤４３から入力可能とし、動作制御部４９ではこの選択に従って二つの動作制御の内の選択された方を実行する機能を備える構成としても良い。
【０１１７】
また、換気周波数の変更に伴い新たに設定される一回換気量の算出は、算出部４５にて行い、その算出結果を動作制御部４９に出力する構成としても良い。
【０１１８】
さらにその場合、変更前の換気周波数と変更後の換気周波数の差と、変更前の一回換気量と変更後の一回換気量との差とを、それぞれ表示部４４にて表示させる動作制御を行っても良い。
【０１１９】
【発明の効果】
本願発明は、動作制御部が換気状態維持機能を備えているので、振動周波数ｆの変更の際に、同時に一振動周期当たりの換気量ＶＴが、ＶＴ２・ｆが一定値となる状態を維持しつつ変更される。従って、振動周波数ｆの設定変更の際に、肺胞換気量ＶＡを一定値に維持することができ、これに伴い血中二酸化炭素濃度の急激な変化の発生を回避することが可能となる。
【０１２０】
このため、血中二酸化炭素分圧を決定する二つのパラメータ間の相互の影響を低減し、振動周波数の設定変更の際に、患者の換気状態変化の発生の可能性が回避され、かかる振動周波数の設定変更時の煩雑性を解消することが可能となった。
【０１２１】
また、コントローラに、算出部にて算出された肺胞換気量ＶＡを表示する表示部を併設する構成とした場合、患者の換気状態を認識する目安となる肺胞換気量を観察しながら高頻度人工呼吸を行うことが可能となり、高頻度人工呼吸器の操作を行うオペレータは、より的確な換気条件に設定することが可能となる。
【０１２２】
本発明は以上のように構成され機能するので、これによると、従来にない優れた高頻度人工呼吸器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態たる高頻度人工呼吸器の構成を示すブロック図である。
【図２】図１で開示した流量調節バルブの詳細を示す断面図である。
【図３】図１で開示した高頻度人工呼吸器の制御構成を示すブロック図である。
【図４】５次元マップの第一段階のマップの概念を説明する説明図である。
【図５】５次元マップの第二段階のマップの概念を説明する説明図である。
【図６】５次元マップの第三段階のマップの概念を説明する説明図である。
【図７】５次元マップの最終段階のマップの概念を説明する説明図である。
【図８】図４は高頻度人工呼吸器の動作を示すフローチャートである。
【図９】図５は図４の動作に続く動作のフローチャートである。
【図１０】換気周波数ｆを変化させたときに、肺胞換気量ＶＡ’＝150000を維持する一回換気量ＶＴの変化を示す線図である。
【図１１】従来例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１２  高頻度人工呼吸器
４０  コントローラ
４１  受付部
４２  換気状態維持機能
４４  表示部
４５  算出部
４９  動作制御部
５０  振動空気圧付勢部
６０  患者側経路
６２  吸気導入部
７０  排出経路
６０７  流量調節バルブ（内圧調節部）
ｆ  換気周波数（換気周波数）
Ｋ  定数
ＶＡ  肺胞換気量
ＶＤ  解剖学的死腔量
ＶＴ  一回換気量（一振動周期当たりの換気量）
Ｘ  患者
【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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【図１１】
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