(57)【要約】  自己駆動シリンダーは、電磁力を生成する電磁力生成手段を有するシリンダーハウジングと、そのシリンダー内にあるピストンとを備え、その電磁力がシリンダー内のピストンを変位するようにピストンに直接に作用する。自己駆動シリンダーは、空気流、入力インピーダンスを決定する振動スパイロメーターあるいは強制振動肺機構として使用することができる。
2008546492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁力を生成する電磁力生成手段を備えるシリンダーハウジングと、
該シリンダーハウジング内にあるピストンと、を備え、
前記電磁力が、前記ピストンを前記シリンダーハウジング内で変位させるように、該ピストンに直接に作用することを特徴とする自己駆動シリンダー。
【請求項２】
前記シリンダーハウジングに対する前記ピストンの位置を測定するための位置検出装置をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の自己駆動シリンダー。
【請求項３】
前記ピストンの対向する側部に接する、前記シリンダーハウジング内のフロント空気室とリア空気室と、
前記フロント空気室と前記リア空気室との間の空気流を可能とする流路と、
前記フロント空気室を覆い、該フロント空気室と呼吸器系との間の空気の交換を可能とするフロントポートを有するフロントカバープレートと、
前記リア空気室を覆い、該リア空気室と外部環境との間の空気の交換を可能とするインターフェイスを有するリアカバープレートと、
前記流路を横断する圧力低下を測定する圧力検出器と、を備え、
前記ピストンが前方位置に保持されるとき、検査ポートからの空気流を決定するためにこの圧力測定が用いられ、前記ピストンが所定の波形に従って振動するとき、前記フロントポートに取り付けられた前記呼吸器系の入力インピーダンスを決定するために圧力測定と位置測定がなされることを特徴とする請求項２記載の自己駆動シリンダー。
【請求項４】
前記インターフェイスが穴を備え、前記外部環境が周囲環境であることを特徴とする請求項３記載の自己駆動シリンダー。
【請求項５】
前記インターフェイスがリアポートを備え、前記外部環境が人工呼吸器回路であることを特徴とする請求項３記載の自己駆動シリンダー。
【請求項６】
前記フロント空気室と大気との間の圧力差を測定する第２の圧力検出器をさらに備えることを特徴とする請求項３から５のいずれか記載の自己駆動シリンダー。
【請求項７】
前記ピストンがその背面上に反射面を備え、前記位置検出装置が、該反射面上にレーザービームを投射するオフセンターレーザーダイオードと、反射された該レーザービームを受信する光学位置センサーと、を備えることを特徴とする請求項２から６のいずれか記載の自己駆動シリンダー。
【請求項８】
前記位置検出装置の読み取りに基づいて、前記電磁力生成手段を駆動して、前記ピストンの位置をサーボ制御する電子回路をさらに備えることを特徴とする請求項７記載の自己駆動シリンダー。
【請求項９】
前記フロントポートに細菌フィルターが嵌合されることを特徴とする請求項３から８のいずれか記載の自己駆動シリンダー。
【請求項１０】
外部構造物に前記シリンダーを取り付けるための取付手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか記載の自己駆動シリンダー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肺活量測定と強制振動肺機構のための一体型装置を含むいろいろな種類の機器に使用される自己駆動シリンダーに関する。
【背景技術】
【０００２】
サーボ制御ピストン/シリンダーポンプには、一般に関心が高い。たとえば、 SCIREQ社の主力製品flexiVent（商標）は 、本質的には、機械人工呼吸器および準臨床研究のための肺機構の測定装置として使用するためにカスタマイズされた、コンピュータ制御のピストンポンプである。
【０００３】
サーボ制御ピストンポンプは、典型的には、i）アクチュエータ、ii）ピストン・シリンダー組立体、iii ）位置・変位計測装置、および、iv）ギア、ロッドあるいは一つの部品から他の部品に力を伝達するため他の部品と一体に接続する他の手段とから成る。いくつかの場合では、アクチュエータと位置測定はある程度一体化されている、例えば、ステッパモータが使用されているとき、どんなことがあってもロッドあるいはギアの接続を必要としない方法で、アクチュエータとシリンダーを１つの装置に組み合わせる公知の解決策が、共有知識にはない。
【０００４】
上記の構成は、多くのデメリットを有する。第一に、接続するロッドのために空間を提供しなければならないので、サイズを最小化することは容易にできない。たとえば、ＤＣリニアアクチュエータに基づく設定は、実際のストローク長さの４倍以上の全体の長さをたぶん必要とする。さらに、接続されたギアあるいはロッドが問題を持ち出し、および・あるいは、重さ、不十分な剛性、まずい調整、ジョイント部内のあそび、摩擦や動的特性により性能を低下させる。最終的には、多くの部品が全体的なシステムコストに追加される。
【０００５】
したがって、i）いかなる接続ロッドあるいはギアを必要とせず、ii）同等のストローク体積を有する従来のアクチュエータ・シリンダー組立体より小さい容積に収まるよう、１つの装置に、リニアアクチュエータと、気体や液体を変位させるシリンダーと、位置を測定する手段とを一体化する内蔵型のリニアアクチュエータ・シリンダの開発の必要性がある。
【０００６】
さらに、肺活量測定と強制振動肺機構のための改善された一体型装置の必要性がある。肺診療において、患者の呼吸パターンは、患者の口および・または鼻での空気の流れを記録し、１回呼吸量や呼吸頻度のような多くのパラメータを導くことにより、しばしば定量的に評価される。多くの場合、１秒間の強制吐出体積（FEV1）と強制肺活量（FVC）を測定するために、強い吐出が続く深い膨張のような特定の動作を実行するよう、患者は要請される。この工程が、一般に肺活量と呼ばれる。
【０００７】
近年、強制振動法（FOT）として知られる方法は、肺活量に代わり得るものとして浮上している。簡潔に言うと、FOTは、被験者の気道の開口に小さい振幅の波形を課することにより、典型的には可聴域外周波数から約５０Hzの周波数帯域での呼吸器系の入力インピーダンスを測定する。その結果の流れと圧力変動が測定され、入力インピーダンスの実数部と虚数部を計算するのに使用される。人間におけるFOT測定を得るための装置は、典型的には、長いチューブを介し被験者の気道の開口に接続されている大きなスピーカーを基にしている。較正された抵抗および・あるいはバイアス流れを有する側部ポートは、患者が吐出した空気を再度呼吸しないことを確実にする。その結果生じる気流は、呼吸流量計を使用して見積もり、または測定される。
【０００８】
そのFOTは、詳細な情報を提供するのに患者の協力をさほど必要とせず、測定するパラメータが直接に肺の物理的性質に関係する。しかし、現在のFOT装置は、その大きなサイズ、良くない低周波特性、患者とその装置間の良くないカップリングのため、制限されている。
【０００９】
その結果、i）スパイロメーターとして、FOT測定がされるよう作動し、ii）コンパクトで、可搬性があり手持ち操作が可能な軽さで、iii）患者と装置の間の良い結合が可能なように、気道の開口にきわめて接近してFOT波形発生装置を配置し、iv ）超低周波数に落ちるまで優れた性能を発揮し、v）機械的人工呼吸器回路に一体化することが可能であるような振動スパイロメーター （ＯＳ）に対する必要性が依然としてある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上記の少なくとも１つの要求を満足する自己駆動シリンダーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、その一つの目標は、電磁アクチュエータの力が直接にピストンヘッドに作用するように、リニア電磁アクチュエータと、シリンダーと、位置検出装置と、を１つのコンパクトな内蔵型の装置に一体化した自己駆動シリンダーにより達成できる。
【００１２】
さらに、この発明によると、電磁力を生成する電磁力生成手段を有するシリンダーハウジングと、そのシリンダーハウジング内にあるピストンとを備え、その電磁力がシリンダーハウジング内のピストンを変位させるようにそのピストンに直接作用する自己駆動シリンダーが提供される。
【００１３】
自己駆動シリンダーが、シリンダーハウジングに対するピストンの位置を測定するための位置検出装置をさらに備えることは、好ましい。
【００１４】
本発明の好ましい特徴によると、上記の自己駆動シリンダーを使用する振動スパイロメーターが提供される。この好適な自己駆動シリンダーの実施形態において、自己駆動シリンダーは、ピストンの対向する側面に接する、シリンダーハウジング内のフロント空気室とリア空気室と、 そのフロント空気室とリア空気室との間の空気流を可能とする流路と、フロント空気室を覆い、フロント空気室と呼吸器系との間の空気の交換を可能とするフロントポートを有するフロントカバープレートと、リア空気室を覆い、リア空気室と外部環境との間の空気の交換を可能とするインターフェイスを有するリアカバープレートと、流路を横断する圧力低下を測定する圧力検出器と、を備え、ピストンが前方位置に保持されるとき、ポートからの空気流を決定するためにこの圧力測定が用いられ、ピストンが所定の波形に従って振動するとき、フロントポートに取り付けられた呼吸器系の入力インピーダンスを決定するために圧力測定と位置測定がなされる。
【実施例１】
【００１５】
図１−３に示すように、本発明は、電磁力を生成する電磁力生成手段を有するシリンダーハウジング１２と、シリンダーハウジング１２内にあるピストン１４とを備え、その電磁力が、シリンダーハウジング１２内のピストン１４を変位するように、そのピストン１４に直接作用する自己駆動シリンダー１０を提供する。
【００１６】
自己駆動シリンダー（SAC）の基本的な概念は、電磁アクチュエータによって生成された力がピストンに直接に作用することである。言い換えれば、１つの部品あるいは組立体がアクチュエータの可動部として、および、ピストンとして作用する。第２の部品あるいは組立体が、アクチュエータの固定側部として、および、シリンダーとして作用する。好ましくは、この力の伝達が可動磁石型電磁リニアアクチュエータの原理に基づく。本発明の代替の実施例として、可動コイルの設計が使用されてもよい。
【００１７】
本発明の好ましい実施例について、SACの原理的な配置を図１に示された断面で図示する。固定側組立体は、外側強磁性ハウジングであるシリンダーハウジング１２と、逆方向に巻かれたあるいは励磁された（例えば、巻線は同じ方向に巻かれ、逆方向の電流を有する）二つの銅巻線を有するモータコイル１６と、そのモータコイルを機械的に支持し、封止および・または摩擦低減のための内部塗装を有する非鉄ボビン１８と、特定の用途で必要とされる孔あるいはポートと嵌合するフロントカバープレート２０と、特定の用途で必要とされる孔あるいはポートを有するリアカバープレート２２と、アクチュエータの可動部に正確に限定されたレーザービームを投射する偏心レーザーダイオード２４と、可動部からのレーザーの反射を読み取る光学位置検出デバイス２６と、を備える。アクチュエータの可動部は、軸方向に分極されたリング状永久磁石２８と、鋭い角部あるいは磁場の狭窄のなしに、半径方への９０度の磁界の方向変更が可能な形状と寸法の磁石のいずれかの端部に取り付けられた二つの強磁性磁極円板３０と、その磁石の周りに嵌合し、磁極円板により軸方向に保持され、封止および・または摩擦低減のための、その外表面上の材料で成形されあるいは被覆された薄いスリーブ３２と、可動部分の一方の側から他方の側への空気の交換を防止する面と支持構造を有するピストン１４と、光学位置検出装置２６の異なる部分に、レーザーダイオード２４により放射された光を反射するのに適したピストン面のリア表面に取り付けられ、あるいは、一体化され、固定側部内にある可動部の位置により決定されるミラーあるいはその他の反射面３４と、を備える。固定側部と可動部は、ネジと、Ｏリングおよび・または装置の機械的な一体性を維持するための接着接続とを備え、しかし、接着接続は、その正確な場所やデザインが、装置の原理的な操作に対しては重要でないときなされる。同様に、現在の寸法のいくつかの部品のアスペクト比と相対寸法を、装置の動作に影響を与えずに変化させることができる。
【００１８】
この装置が正常に動作するために、次の設計上の制約が満たされねばならない、i）材料および・またはコーティング剤の選択と同様に、スリーブ３２の外径とボビン１８の内径は、いかなる特別の用途に対し、シールと摩擦特性の適切な組み合わせを保証する嵌合を提供するために選択されること、ii）磁極円板３０の外径は、スリーブ３２の外径よりも小さいこと、iii）リング状磁石２８と磁極円板３０の内径は、レーザーダイオード２４とリアカバープレート２２上の光学位置検出装置２６の位置決めと同様に、レーザービームが固定側部内にある可動部の可能な位置の範囲に亘って障害物がなく、光学位置検出装置２６に最終的には届くように、レーザービームがミラー３４に届き、反射される必要があること（図２、３に示すように）。
【００１９】
本発明の他の実施形態において、光学位置検出装置２６からの読みに基づいて、モータコイル１６を適切に駆動することにより、可動部の位置をサーボ制御する電子回路をSACの本体に直接一体化することが可能となっている。SACの金属部品は、アクチュエータに動力を供給するのに適切な、一体化されたパワーアンプのための適切なヒートシンクとして作用することができる。小型の信号処理チップは、サーボ制御タスクを実行することができ、ユニット間の小さな変動を補正し、再現可能な性能を保証する個々のコントローラのパラメータを用いプログラムすることができる。
【００２０】
図４と５に示すように、本発明の好ましい実施形態において、上記の自己駆動シリンダー１０を使用する振動スパイロメーター（ＯＳ）４０が提供されている。自己駆動シリンダー１０のこの好ましい実施形態において、このシリンダー１０は、ピストン１４の対向する側で、シリンダーハウジング内にフロント空気室４２とリア空気室４４とを更に備える。このシリンダー１０は、フロント空気室４２とリア空気室４４の間の空気流を可能とする流路４６を更に備える。このシリンダー１０は、フロント空気室４２を覆い、フロント空気室４２と被験者との間の空気交換を可能とするポートを有するフロントカバープレート４８をさらに備える。このポートは、標準検査ポート、またはマウスピース、他のものであり、細菌フィルターが嵌合し、使い捨てでもよい。さらに、シリンダー１０は、リア空気室４４を覆い、リア空気室４４と周囲環境との間の空気交換を可能とする孔５２を有するリアカバープレート５０をさらに備える。また、シリンダー１０は、ハンドル５４を備える。このハンドル５４は、シリンダー１０を様々な構造に接続するために、他の取り付け部品あるいは取付手段と置き換えることができる。シリンダー１０は、流路４６を横断する圧力降下を測定するための圧力検出器５６をさらに備える。この圧力測定は、ピストンが前方位置に保持されたときの検査ポートからの空気の流れを決定するために行われ、ピストンが所定の波形で振動するとき検査ポートからの空気流の入力インピーダンスを決定するために行われる。
【００２１】
ＯＳ４０のデザインは、上記のSAC技術に基づいている。前述のように、SACは、リニアアクチュエータとシリンダーと位置検出装置とを、電磁アクチュエータの力を直接にピストンヘッドに作用するよう、一体のコンパクトな内蔵型の装置に統合する。
【００２２】
ＯＳのために、SACのデザインは、図４に示すように改造され、以下のとおりである。Ａ）流路４６は、可動部の二つの側の間の空気流が可能となるように付加される。この流路４６は、瞬間流量がこの流路４６を横切る圧力降下から算出できる、静的で数学的に可逆な十分に線形な流れに抵抗を提供しなければならない。現在のデザインにおいて、この流路は、ピストンの面板内の精密な孔により実現されている。しかし、この流路は原則的には他の場所においても実現可能であり、例えば、可動部の外側の表面に精密な縦溝を介することである。Ｂ）フロントカバープレート４８は、抗細菌フィルターを保持し、標準検査ポートを提供するように変更される。Ｃ）リアカバープレート５０は、アクチュエータの後部の空気が拡散により周囲の空気と容易に交換されるのに十分な大きさの孔を有するように変更される。Ｄ）代替のデザインとして、リアカバープレート５０は、人工呼吸器回路に統合するための標準検査ポートを備えるように変更される。Ｅ）電子回路の空間を有するハンドル５４が追加される。Ｆ）差圧検出器５６を電子回路に設け、この差圧検出器のポートをアクチュエータの可動部の二つの側部と連通し、それにより流路４６を横切る圧力降下を測定できる。Ｇ）大気に対するピストンのフロント側の圧力を測定するための第２の圧力検出器が追加される。この検出器は、冗長であり、リア空気室４４が大気圧の場合では、圧力検出器５６が、第２の圧力検出器の機能を有効に果たすので、第２の圧力検出器が省略できる。
【００２３】
肺活量測定のために、この装置は、被験者がポートに取り付けられたマウスピースを介しフロントカバープレート４８に呼吸する間、可動部が前方位置に保持されたとき、標準流量計として作用する。この流れは、圧力検出器５６を使用し測定された差圧と工場較正操作から得られた流路４６の抵抗とから算出される。
【００２４】
FOT計測のために、ＯＳ４０の可動部は、所定の波形に従って振動している。所望する測定の正確な性質に応じて、被験者は、自発的に呼吸してもいいし、あるいは、声門を開いて受動的にしてもいい。第１の場合は、測定は、自発呼吸のパワースペクトルで強く表現されない周波数で、容易に得られる。
【００２５】
振動中に、ピストンの位置、したがって、ピストンにより押しのけられた体積は、絶えず測定される。ピストンが被験者に向かってある体積ΔV0を押しのけるとき、この体積は３つの部分に分割される。このΔV0の一つの部分は、患者の気道に入り（ΔVp）、第２の部分は、ピストン面と患者の気道開口との間の体積（ΔVc）のガスを第２の圧力検出器（または、この場合、第１の圧力検出器５６）により捕らえられた気道開口圧力（Paw）に圧縮し、このΔV0の第３の部分は、流路４６を介し流れ、大気に逃げる（ΔVL）。したがって、その患者に入る体積は、ΔVp = ΔV0 − ΔVc − ΔVL（式１）で表すことができる。
【００２６】
肺活量について、ΔVLは圧力検出器５６により測定された圧力と流路４６の抵抗特性とから計算できる。また、PawとΔVcとの関係が機器の形状だけに依拠しており、したがって、解析的あるいは実験的に決定され、そのΔVcの瞬時値を計算するのに使われる。したがって、式１の右辺のすべての数量がわかるので、左辺が計算できる。Pawも測定されているので、被験者の呼吸器系の入力インピーダンスは、ＯＳ４０により収集されたデータから、関心のある任意の周波数におけるPawとV'pの比として、計算することができ、このV'pは、Vpの時間についての導関数であり、通常、流れを示す。
【００２７】
本発明は好ましい実施例により上記のように説明されているが、当然のことながら、本発明はこれらの正確な実施例に限定されず、この発明の範囲あるいは意図から逸脱することなく、様々な変更や修正が可能であることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による自己駆動シリンダーの側面の断面図である。
【図２】ピストンが前方位置いっぱいにある図１に示す自己駆動シリンダーの側面の断面図である。
【図３】ピストンが後方位置いっぱいにある図１に示す自己駆動シリンダーの側面の断面図である。
【図４】本発明の好ましい実施例による振動スパイロメーターの側面の断面図である。
【図５】図４に示す振動スパイロメーターの背面図である。
【図１】
2008546492.tif 000003
【図２】
2008546492.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008546492.tif 000006
【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年4月27日(2007.4.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁力を生成する電磁力生成手段を備えるシリンダーハウジングと、
該シリンダーハウジング内にあるピストンと、
前記シリンダーハウジングに対する前記ピストンの位置を測定するための位置検出装置と、
前記ピストンの対向する側部に接する、前記シリンダーハウジング内のフロント空気室とリア空気室と、
前記フロント空気室と前記リア空気室との間の空気流を可能とする流路と、
前記フロント空気室を覆い、該フロント空気室と呼吸器系との間の空気の交換を可能とするフロントポートを有するフロントカバープレートと、
前記リア空気室を覆い、該リア空気室と外部環境との間の空気の交換を可能とするインターフェイスを有するリアカバープレートと、
前記流路を横断する圧力低下を測定する圧力検出器と、を備え、
前記電磁力が、前記ピストンを前記シリンダーハウジング内で変位させるように、該ピストンに直接に作用し、
前記ピストンが前方位置に保持されるとき、検査ポートからの空気流を決定するためにこの圧力測定が用いられ、前記ピストンが所定の波形に従って振動するとき、前記フロントポートに取り付けられた前記呼吸器系の入力インピーダンスを決定するために圧力測定と位置測定がなされる
ことを特徴とする自己駆動シリンダー。
【請求項２】
前記インターフェイスが穴を備え、前記外部環境が周囲環境であることを特徴とする請求項１記載の自己駆動シリンダー。
【請求項３】
前記インターフェイスがリアポートを備え、前記外部環境が人工呼吸器回路であることを特徴とする請求項１記載の自己駆動シリンダー。
【請求項４】
前記フロント空気室と大気との間の圧力差を測定する第２の圧力検出器をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の自己駆動シリンダー。
【請求項５】
前記ピストンがその背面上に反射面を備え、前記位置検出装置が、該反射面上にレーザービームを投射するオフセンターレーザーダイオードと、反射された該レーザービームを受信する光学位置センサーと、を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の自己駆動シリンダー。
【請求項６】
前記位置検出装置の読み取りに基づいて、前記電磁力生成手段を駆動して、前記ピストンの位置をサーボ制御する電子回路をさらに備えることを特徴とする請求項５記載の自己駆動シリンダー。
【請求項７】
前記フロントポートに細菌フィルターが嵌合されることを特徴とする請求項１から６のいずれか記載の自己駆動シリンダー。
【請求項８】
外部構造物に前記シリンダーを取り付けるための取付手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか記載の自己駆動シリンダー。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
さらに、この発明によると、電磁力を生成する電磁力生成手段を有するシリンダーハウジングと、そのシリンダーハウジング内にあるピストンと、シリンダーハウジングに対するピストンの位置を測定するための位置検出装置と、ピストンの対向する側面に接する、シリンダーハウジング内のフロント空気室とリア空気室と、 そのフロント空気室とリア空気室との間の空気流を可能とする流路と、フロント空気室を覆い、フロント空気室と呼吸器系との間の空気の交換を可能とするフロントポートを有するフロントカバープレートと、リア空気室を覆い、リア空気室と外部環境との間の空気の交換を可能とするインターフェイスを有するリアカバープレートと、流路を横断する圧力低下を測定する圧力検出器と、を備え、その電磁力がシリンダーハウジング内のピストンを変位させるようにそのピストンに直接に作用し、ピストンが前方位置に保持されるとき、ポートからの空気流を決定するためにこの圧力測定が用いられ、ピストンが所定の波形に従って振動するとき、フロントポートに取り付けられた呼吸器系の入力インピーダンスを決定するために圧力測定と位置測定がなされる自己駆動シリンダーが提供される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2008546492.tif 000008
2008546492.tif 000009