(57)【要約】【課題】呼吸周期の呼気段階が進行するとき、患者始動トリガーに対する人工呼吸器の感度を増大し、周期動作動作を最適化する。【解決手段】患者流量と患者圧力との交差相関から決定される患者動作に基づき始動し、周期動作を行い又はこれらの両方を行う医療用人工呼吸装置及び人工呼吸法。また、医療用人工呼吸装置を制御して、呼吸周期の呼気段階が進行するときに、患者始動トリガーに対する感度を増加させる。また、本発明は、周期化動作を最適化する周期化基準を適用可能に調整する。【選択図】図１
2008194504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御信号に応答して気体流を患者に供給する圧力発生装置と、
圧力発生装置に連結される第１の端部を有しかつ患者の気道に気体流を連絡する患者管路と、
患者管路内の気体の流量を測定して、測定した流量を示す第１の流量信号を出力する流量センサと、
患者管路内の気体流の圧力を測定して、測定した圧力を示す第１の圧力信号を出力する圧力センサと、
患者管路内から周辺大気に気体を連絡する排出アセンブリと、
第１の流量信号及び第１の圧力信号を受信して、圧力発生装置により患者管路に供給される気体の流量を制御し、これにより患者の気道への気体流量を制御する制御信号を出力するコントローラとを備え、コントローラは、第１の流量信号から決定される流量関連媒介変数と、第１の圧力信号から決定される圧力関連媒介変数とにより決定される患者の吸気動作に基づき、患者の呼吸周期の吸気段階の開始を検出して、気体の吸気流を始動することを特徴とする患者に気体流を供給する気体流供給装置。
【請求項２】
圧力発生装置は、
呼吸用気体供給源から供給される気体を受けて、気体流を発生する送風機と、
送風機に連絡され、かつ制御信号に応答して気体流の速度を制御する流量コントローラとを備える請求項１に記載の気体流供給装置。
【請求項３】
流量コントローラは、送風機の下流で患者管路に設けられ、制御信号に応答して患者管路内の気体の流量を制限することにより気体流の速度を制御する流量制御弁である請求項２に記載の気体流供給装置。
【請求項４】
流量センサは、患者管路の第１の端部に配置される請求項１に記載の気体流供給装置。
【請求項５】
患者管路は、圧力発生装置に作動接続される第１の端部と第２の端部とを有する第１のアームと、排出アセンブリに作動接続される第１の端部と第２の端部とを有する第２のアームとを備える２アーム管路であり、第１のアーム及び第２のアームの各第２の端部は、気体流供給装置を使用する間に患者の気道の近位に配置される請求項１に記載の気体流供給装置。
【請求項６】
排出アセンブリは、コントローラにより供給される排出流量制御信号に応答して、患者管路からの排出気体流の速度を制御する流量コントローラを含む請求項５に記載の気体流供給装置。
【請求項７】
患者管路に第２の気体流を供給する第２の気体流供給装置を備え、
第２の気体流供給装置は、
第２の気体流の供給源から患者管路に第２の気体流を連絡する導管と、
導管内の第２の気体流の流量を測定して、測定した流量を示す第２の流量信号を出力する第２の流量センサとを備える請求項１に記載の気体流供給装置。
【請求項８】
コントローラは、第１の流量信号及び第１の圧力信号の少なくとも１つに基づき、気体の吸気流の始動を防止する呼吸周期の各呼気段階の時間間隔であるトリガーロックアウト間隔を確定する請求項１に記載の気体流供給装置。
【請求項９】
Qpatientを第１の流量信号からの現在の患者流量とし、Qrefを気体吸気流の始動が許容される間の時間間隔であるトリガー時間幅の開始時に第１の流量信号から決定される基準患者流量とし、Ppatientを第１の圧力信号からの現在の患者圧力とし、Prefをトリガー時間幅の開始時に第１の圧力信号から決定される基準患者圧力とすると、コントローラは、
流量関連媒介変数として患者流量差(Qpatient−Qref)を決定し、
圧力関連媒介変数として患者圧力差(Pref−Ppatient)を決定し、
患者流量差と患者圧力差との積として患者吸気動作を決定し、
閾値を超える患者の吸気動作に応答して気体の吸気流を始動する請求項１に記載の気体流供給装置。
【請求項１０】
Qpatientを第１の流量信号からの現在の患者流量とし、Qrefを気体吸気流の始動が許容される間の時間間隔であるトリガー時間幅の開始時に第１の流量信号から決定される基準患者流量とし、第１の圧力信号からの現在の患者圧力をPpatientとし、Prefをトリガー時間幅の開始時に第１の圧力信号から決定される基準患者圧力とすると、コントローラは、流量関連媒介変数として患者流量差(Qpatient−Qref)を決定し、
圧力関連媒介変数として患者圧力差(Pref−Ppatient)を決定し、
患者流量差と患者圧力差との積として患者吸気動作を決定し、
時間間隔にわたって蓄積された患者の吸気動作を合計し、
閾値を超える時間間隔にわたって患者の吸気動作の合計に応答して気体の吸気流を始動する請求項１に記載の気体流供給装置。
【請求項１１】
時間間隔は固定された持続時間を有する請求項１０に記載の気体流供給装置。
【請求項１２】
第１の圧力信号からの現在の患者圧力をPpatientとし、Prefをトリガー時間幅の開始時に第１の圧力信号から決定される基準患者圧力とすると、コントローラは、圧力関連媒介変数として患者圧力差(Pref−Ppatient)を決定し、
適時の患者圧力差を遅延させて、遅延患者圧力差を決定し、
流量関連媒介変数として第１の流量信号から現在の患者流量を決定し、
現在の患者流量と患者吸気動作としての遅延患者圧力差との積を決定し、
時間間隔にわたって蓄積された患者の吸気動作を合計し、
閾値を超える患者の吸気動作の合計に応答して気体の吸気流を始動する請求項１に記載の気体流供給装置。
【請求項１３】
コントローラは、患者の呼吸周期の呼気段階の開始を検出して、気体の吸気流を供給することから、第１の流量信号及び第１の圧力信号の両方により決定される患者の呼気動作に基づき、排出アセンブリによる気体の呼気流を流通させることまでの周期動作を行う請求項１に記載の気体流供給装置。
【請求項１４】
Qpatientを第１の流量信号からの現在の患者流量とし、Qrefを患者管路からの気体の呼気流が許容される間の時間間隔である周期動作時間幅の開始時に第１の流量信号から決定される基準患者流量とし、Ppatientを第１の圧力信号からの現在の患者圧力とし、Prefを周期動作時間幅の開始時に第１の圧力信号から決定される基準患者圧力とすると、コントローラは、
患者流量差(Qref−Qpatient)を決定し、
患者圧力差(Ppatient−Pref)を決定し、
患者流量差と患者圧力差との積として、患者吸気動作を決定し、
気体の吸気流を供給することから、閾値を超える患者の呼気動作に応答して排出アセンブリによる気体の呼気流を流通させることまでの周期動作を行う請求項１３に記載の気体流供給装置。
【請求項１５】
Ppatientを第１の圧力信号からの現在の患者圧力とし、Prefを患者管路からの気体の呼気流が許容される間の時間間隔である周期動作時間幅の開始時に第１の圧力信号から決定される基準患者圧力とすると、コントローラは、患者圧力差(Ppatient−Pref)を決定し、
第１の流量信号から患者流量を遅延させて、遅延患者流量を決定し、
患者圧力差と患者呼気動作としての遅延患者流量との積を決定し、
時間間隔にわたって蓄積された患者の吸気動作を合計し、
気体の吸気流を供給することから、閾値を超える患者の呼気動作の合計に応答して排出アセンブリによる気体の呼気流を流通させることまでの周期動作を行う請求項１３に記載の気体流供給装置。
【請求項１６】
Qpatientを第１の流量信号からの現在の患者流量とし、Qrefを患者管路からの気体の呼気流が許容される間の時間間隔である周期動作時間幅の開始時に第１の流量信号から決定される基準患者流量とし、Ppatientを第１の圧力信号からの現在の患者圧力とし、Prefを周期動作時間幅の開始時に第１の圧力信号から決定される基準患者圧力とすると、コントローラは、
患者流量差(Qref−Qpatient)を決定し、
患者圧力差(Ppatient−Pref)を決定し、
患者流量差と患者圧力差との積として、患者呼気動作を決定し、
時間間隔にわたって蓄積された患者の呼気動作を合計し、
気体の吸気流を供給することから、閾値を超える時間間隔にわたって患者の呼気動作の合計に応答して排出アセンブリによる気体の呼気流を流通させることまでの周期動作を行う請求項１３に記載の気体流供給装置。
【請求項１７】
時間間隔は固定された持続時間を有する請求項１６に記載の気体流供給装置。
【請求項１８】
コントローラは、気体の吸気流の供給することから、周期閾値流量以下に低下する患者流量に応答して、第１の流量信号から決定される患者流量と周期閾値流量及び複数の周期とを比較することにより、排出アセンブリによる気体の呼気流を流通させることまでの周期動作を行う請求項１に記載の気体流供給装置。
【請求項１９】
コントローラは、
吸気段階の終端部で第１の圧力信号により患者圧力を監視し、呼気段階の開始部で第１の流量信号により患者流量を監視して、気体流供給装置の循環が早過ぎるか又は遅過ぎるかを決定し、
気体流供給装置の循環が早過ぎるか又は遅過ぎるかの決定に応答して、次の呼吸周期に対して周期閾値流量を調整する請求項１８に記載の気体流供給装置。
【請求項２０】
制御信号に応答して気体流を患者に供給する圧力発生装置と、
圧力発生装置に連結されかつ患者の気道に気体流を連絡する患者管路と、
患者管路内の気体の流量を測定して、測定した流量を示す第１の流量信号を出力する流量センサと、
患者管路内の気体流の圧力を測定して、測定した圧力を示す第１の圧力信号を出力する圧力センサと、
患者管路内から周辺大気に気体を連絡する排出アセンブリと、
第１の流量信号及び第１の圧力信号を受信して、圧力発生器により患者管路に供給される気体の流量を制御し、これにより患者の気道への気体流量を制御する制御信号を出力するコントローラとを備え、コントローラは、呼吸周期の呼気段階にわたって複数のトリガー機構を作動状態にして、呼吸周期の呼気段階が進行するとき、患者の初期トリガーに対する感度を増加させることを特徴とする患者に気体流を供給する気体流供給装置。
【請求項２１】
制御信号に対応して気体流を患者に供給する圧力発生装置と、
圧力発生装置に接続されかつ気体流を患者の気道に連絡する患者管路と、
患者管路内の気体流の流量を測定し、流量を表す第１の流量信号を出力する流量センサと、
患者管路内の気体流の圧力を測定し、圧力を表す第１の圧力信号を出力する圧力センサと、
患者管路内の気体を周辺大気に連絡する排出アセンブリと、
第１の流量信号及び第１の圧力信号を受信して、圧力発生器により患者管路に供給される気体流の流量を制御しかつ患者の気道での気体の流量を制御する制御信号を発生するコントローラとを備え、コントローラは、患者の呼吸周期の呼気段階の開始を検出して、第１の流量信号及び第１の圧力信号の両方に基づいて決定される患者呼気動作に基づいて気体の呼気流を循環させることを特徴とする患者に気体流を供給する気体流供給装置。
【請求項２２】
Qpatientを第１の流量信号から得られる現在の患者流量とし、Qrefを患者管路からの気体の呼気流が許容される間の時間間隔である周期動作時間幅の開始時の第１の流量信号から決定される基準患者流量とし、Ppatientを第１の圧力信号から得られる現在の患者圧力とし、Prefを周期動作時間幅の開始時に第１の圧力信号から決定される基準患者圧力とすると、コントローラは、
患者流量差(Qref−Qpatient)を決定し、
患者圧力差(Ppatient−Pref)を決定し、
患者流量差と患者圧力差との積として患者呼気動作を決定し、
気体の吸気流量を供給することから閾値を超える患者の呼気動作に応答して排出アセンブリから気体の呼気流を流通させることまでの周期動作を行う請求項２１に記載の気体流供給装置。
【請求項２３】
Ppatientを第１の圧力信号から得られる現在の患者圧力とし、Prefを周期動作時間幅の開始時に第１の圧力信号から決定される基準患者圧力とすると、コントローラは、患者圧力差(Ppatient−Pref)を決定し、
第１の流量信号からの患者流量を遅延させて、遅延された患者流量を決定し、
患者圧力差と遅延患者流量との積を患者の吸気動作として決定し、
時間間隔にわたり蓄積された患者呼気動作を合計し、かつ
気体の吸気流量を供給することから閾値を超える患者の呼気動作の合計に応答して排出アセンブリから気体の呼気流を流通させることまでの周期動作を行う請求項２１に記載の気体流供給装置。
【請求項２４】
Qpatientを第１の流量信号から得られる現在の患者流量とし、Qrefを患者管路からの気体の呼気流が許容される間の時間間隔である周期動作時間幅の開始時の第１の流量信号から決定される基準患者流量とすると、コントローラは、患者流量差(Qref−Qpatient)を決定し、
Ppatientを第１の圧力信号から得られる現在の患者圧力とし、Prefを周期動作時間幅の開始時に第１の圧力信号から決定される基準患者圧力とすると、患者圧力差(Ppatient−Pref)を決定し、
患者流量差と患者圧力差の積として患者呼気動作を決定し、
時間間隔にわたり蓄積される患者呼気動作を合計し、
気体の吸気流量を供給することから時間間隔にわたり閾値を超える患者の呼気動作の合計に応答して排出アセンブリから気体の呼気流を流通させることまでの周期動作を行う請求項２１に記載の気体流供給装置。
【請求項２５】
時間間隔は固定された持続時間である請求項２４に記載の気体流供給装置。
【請求項２６】
制御信号に応答して気体流を患者に供給する圧力発生装置と、
圧力発生装置に接続されかつ気体流を患者の気道に連絡する患者管路と、
患者管路内の気体流の流量を測定し、流量を表す第１の流量信号を出力する流量センサと、
患者管路内の気体流の圧力を測定し、圧力を表す第１の圧力信号を出力する圧力センサと、
患者管路内の気体を周辺大気に連絡する排出アセンブリと、
第１の流量信号及び第１の圧力信号を受信して、患者の呼吸周期の呼気段階の開始を検出するコントローラとを備え、
コントローラは、気体の吸気流を供給することから周期閾値流量以下に該当する第１の流量信号から決定される患者流量に応答して、排出アセンブリから気体の呼気流を流通させて、コントローラは、吸気段階の終端部で第１の圧力信号を経て患者圧力を監視し、発生した周期動作が遅過ぎるか否かを決定すると共に、呼気段階の始端で第１の流量信号を経て患者流量を監視し、発生した周期動作が早過ぎるか否かを決定し、コントローラは、発生した周期動作が早過ぎるか又は遅過ぎるかの決定に応答して、次の呼吸周期に対して周期閾値流量を調整することを特徴とする患者に気体を供給する気体流供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１.発明の属する分野
本発明は、改良された自発的な始動及び周期動作を行う医学的人工呼吸器並びにこの種の人工呼吸器を始動しかつ周期的動作を行う改良された方法に関連する。特に、本発明は以下の特徴のうちの1つ以上を有する人工呼吸器に関連する：(1)呼吸周期の呼気段階が進行するとき、患者始動トリガーに対する感度の増大、(2)周期動作動作を最適化する周期動作基準の適応調整、及び(3)交差相関のある多数の患者媒介変数から決定される患者の運動に基づく始動、周期動作又は両方。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術の説明
例えば酸素、空気又は他の酸素若しくは呼吸用気体混合物等の気体を患者の気道に送出する従来の人工呼吸器又は圧力支援装置を利用して、患者自身の換気運動を増加し又は代理することは公知である。また、様々な動作モードで従来の人工呼吸器を作動させて、人工呼吸器の下記の基本的4動作を制御することも公知である：1）換気周期の呼気段階から吸気段階に移行する開始時点;2）人工呼吸器が呼吸気体流を送出する吸気段階;3）吸気段階から呼気段階に移行する周期時点;及び4）呼気段階。人工呼吸器が前記4動作の1つ又はそれ以上をどのように実行するかを制御するために代表的に監視しかつ使用する4つの主要な変数又は媒介変数がある。前記変数は、患者に対して進退する気体の体積、圧力、流量及び時間である。
【０００３】
患者による自発的な呼吸動作が実質的に存在しない典型的な生命支援状況では、人工呼吸機能が制御されたモードで実行され、人工呼吸器は、患者の肺換気に対する全責任を負う。この換気モードでは、人工呼吸器の開始時点及び周期時点は、時間に基づき決定される。ある程度の自発的な呼吸動作を患者が示す他の状況では、典型的に換気援助モード又は換気支援モードが設けられる。前記換気援助モードと換気支援モードの両方により、人工呼吸器は、患者自身の呼吸動作を増大し又は援助する。援助モードでは、人工呼吸器トリガー時点は、患者の動作に基づき決定され、周期時点は、時間に基づき決定される。換気支援モードでは、開始時点及び周期時点は、患者に基づき、時間には基づかない。換気援助/制御モードと称される前記2つの組合せモードを使用することも公知である。この換気援助/制御モードでは、患者が一定期間の間だけ呼吸動作を行わない場合にのみ、人工呼吸器は吸気流を起動する。このように、特定の期間以内に患者の活動がない場合、起動時点は、患者活動か閉路時間に基づく。
【０００４】
換気援助モード、換気支援モード及び換気援助/制御モードでは、患者が吸気運動を開始する時点又はその付近で、人工呼吸器が、呼吸用気体の吸気流を起動させ、適当な時点、好ましくは患者が、呼吸周期の呼気段階を開始するときに、呼吸周期の呼気段階に回帰するように、人工呼吸器の動作を患者の自発的な呼吸運動に同期させることが重要である。換気援助モード、換気支援モード又は換気援助/制御モードで動作する従来の人工呼吸器は、例えば圧力、流量又は体積の何れか単一の患者媒介変数のみを代表的に監視し、吸気流の送出を自然発生的に起動すべきときを決定する際に、監視された単一の媒介変数を単一の変数として使用する。一般的に、監視された媒介変数は、閾値と比較され、媒介変数が閾値を超える場合に、呼気から吸気（開始）まで又は吸気から呼気（循環）まで移行が始められる。他の圧力支援装置では、監視される媒介変数の現在値は同一の媒介変数の前回値と比較され、この比較結果に基づき、人工呼吸器は、開始し又は循環する。ズドロコウスキーその他名義の米国特許第第5,632,269号明細書は、「波形始動」としてこの技術を教示する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
圧力、流量又は体積の何れか１つを開始閾値と比較する一次元  変数、即ち単一の媒介変数は、媒介変数が、監視された媒介変数内に含まれる無作為な変動に影響され易くかつ錯誤の開始又は循環を招来する可能性が生ずる欠点がある。この場合に、オペレータが介入して、開始閾値及び／若しくは循環閾値又は人工呼吸器感度を低減しなければならない。しかしながら、人工呼吸器に接続される患者の呼吸系は、当初衰弱している場合が多いので、人工呼吸器の感度を低減することは、自発的な患者の吸気又は呼気を検出する前に患者がより大きい量で運動することが必要となる点においても不都合である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従って、本発明の目的は、従来の人工呼吸器の欠点を克服して、改善された始動能力及び／又は循環能力を有する医療用の人工呼吸器装置を提供することにある。呼吸用気体流を発生する気体流発生器と、制御信号に応答して患者に供給される呼吸用気体の流量を制御する気体流量制御装置と、患者の気道に呼吸用気体流を供給する患者管路と、患者管路内の呼吸用気体の流量を測定し、測定値を表す第１の流量信号を出力するのに適している流量センサと、患者管路内の呼吸用気体流の圧力を測定し、測定値を表す第１の圧力信号を出力する圧力センサと、周囲空気に患者管路内からの気体を周辺大気に連絡する排気アセンブリとを有する人工呼吸器を設けることにより、本発明の一実施の形態に従って前記目的を達成できる。この人工呼吸器に設けられる制御装置は、第１の流量信号及び第１の圧力信号を受信して、圧力発生器により患者管路に送出される呼吸用気体の流量を制御し、これにより患者の気道での呼吸用気体の流量を制御する制御信号を出力する。一実施の形態では、制御装置は、患者の呼吸周期の吸気段階の開始を感知して、第１の流量信号及び第１の圧力信号に基づき決定されるこの種の患者の吸気運動に基づき、呼吸用気体の吸気流を開始する。
【０００７】
本発明の更なる実施の形態では、制御装置は、呼吸周期の呼気段階を通じて複数の始動装置（トリガー）を作動させて、呼吸周期の呼気段階が進行するとき、患者始動トリガーに対して人工呼吸器装置の感度を増加する。
【０００８】
なお更なる実施の形態では、制御装置は、第１の流量信号及び第１の圧力信号に基づき決定される呼気段階の開始を検出して、この患者の呼気動作に基づき人工呼吸器を循環する。本発明では、上記の始動機能と協力し又は単独でこの循環機能を行うことができる。
【０００９】
本発明の他の実施の形態では、制御装置は、呼吸ベースにより呼吸上の循環閾値基準を機能的に調整するので、人工呼吸器は、患者の呼気動作に密接に同期して循環する。この実施の形態では、人工呼吸器システムは、呼気段階の初期での患者流量Qpatientの変化の他に、患者圧力Ppatient、特に吸気段階の末期での患者圧力の変化率を監視して、患者が呼気を開始する前又は後に、その呼吸に対する人工呼吸器循環が発生したか否かを決定すると共に、前回の呼吸内での循環同期エラーの原因である循環閾値基準値を次の呼吸で機能的に調整する。
【００１０】
更に、本発明の他の目的は、従来の始動及び循環技術に付随する欠点のない医療用人工呼吸器を開始又は循環する方法を提供することにある。この目的は、下記の過程を含む方法により達成される：(1)呼吸用気体流を発生する過程と、(2)患者管路を経て患者に呼吸用気体流を供給する過程と、(3)制御信号に応答する患者に送出される呼吸用気体の流量を制御する過程と、(4)患者管路内の呼吸流量を測定し、測定した流量を表す第１の流量信号を出力する過程と、(5)患者管路の呼吸用気体流の圧力を測定し、測定した圧力を表す第１の圧力信号を出力する過程と、(6)患者管路内から周囲大気に気体を連絡する過程と、(7)患者呼吸周期の吸気段階の開始を検出して、第１の流量信号及び第１の圧力信号に基づき決定される患者の吸気運動に基づき、呼吸用気体の吸気流を開始する過程と、(8)第１の流量信号及び第１の圧力信号の両方に基づき決定される患者の呼気運動に基づき、周期動作目的のため患者の呼気段階の開始を検出する過程。始動及び循環を独立に実施でき又は呼吸周期の適当な段階の間に始動及び循環の両方を実施できる点に注意を要する。
【００１１】
本発明の更なる実施の形態では、患者呼吸周期の呼気段階の異なる段階の間に複数の始動メカニズムを作動させて、呼吸周期の呼気段階が進行するとき、患者始動トリガーに人工呼吸器システム感度を増加できる。
【００１２】
更に他の実施の形態では、本発明は、患者流量と周期閾値基準値とを比較することによって、呼吸用気体の吸気流を供給する過程から呼気流を与える過程までを循環させる医療用人工呼吸器システムを提供する。このシステムは、患者が呼気を開始する前又は後に、その呼吸に対する人工呼吸器循環発生したか否かを表す吸気段階の末期部分での患者圧力Ppatientの変化と、呼気段階の初期部分での患者流量Qpatientの変化とに基づく呼吸ベースによって、更に機能的に呼吸上の循環閾値基準を調整できる。この実施の形態では、前回の呼吸内の循環同期エラーの原因である循環閾値基準値を次の呼吸内で機能的に調整できる。
【００１３】
異なる図面中で対応部品には同様の参照数字で示す全て本明細書の一部を構成する添付図面に関する下記の説明及び特許請求の範囲を考察すれば、構造体を構成する関連部品及び組み合わせ部品の操作法と機能並びに製法の経済性の他に、本発明の前記目的及び他の目的、特徴及び特性は、明らかとなろう。しかしながら、図面は図示及び説明の目的に過ぎず、本発明の限界を定義するものとは意図されない点を明瞭に理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の原則による人工呼吸器システム30の典型的な実施の形態を示すブロック図である。人工呼吸器システム30は、代表的に患者に挿管する侵襲モード又は患者に挿管しない無侵襲モードで作動される。人工呼吸器30の基本的構成要素は、例えば、アメリカ合衆国ペンシルベニア州ピッツバーグに所在ののレスピロニクス社製のEsprit（登録商標）人工呼吸器等の従来の人工呼吸器に見られるものに一致するが、開始目的、循環目的又はこれらの両方の目的に対して従来の人工呼吸器の単一信号パターンとは対照的に、例えば生理的ベースに付随するマルチ信号パターンの認識及び量子化を利用して、人工呼吸器を使用して開始及び／又は循環する技術である本発明の新規な実施の態様を含む。
【００１５】
Ａ．人工呼吸器システムハードウエア
人工呼吸器システム30は、圧力発生器34、圧力/流量制御要素36及び流量センサ38を備えかつ全体を32で示す主気体流送出システムを含む。圧力発生器34は、矢印Aで示すように、呼吸用気体供給源（図示せず）からの任意の消音器40又は他の雑音抑制装置を通じて、例えば空気、酸素又は酸素混合気体等の呼吸用気体流を受け取る。圧力発生器34は、受け取る呼吸用気体の圧力を上昇して、矢印Bで示すように、患者44の気道42に供給される呼吸用気体流を発生する。
【００１６】
本発明の好適な実施の形態では、圧力発生器は、モータにより回転される回転翼を使用して、周辺大気圧に対し高い圧力で呼吸用気体流を発生する送風機である。しかしながら、本発明は、例えばピストン、ベローズ及び螺旋型圧縮機又は吸引型圧縮機等の呼吸用気体流を昇圧又は発生する他の装置及び方法の使用も企図することを理解すべきである。更に、本発明は、圧力発生器は、加圧タンク、圧縮機又は最新の病院内に典型的に設けられる壁放出口から供給される例えば空気、酸素または混合気体等の加圧気体源でよいことを企図する。加圧気体源が壁放出口からの場合、消音器40及び圧力発生器34を省略し、圧力調整器を取り付けることもできよう。
【００１７】
圧力発生器34の下流に設けることが好ましい圧力/流量制御要素36は、患者に送出される呼吸用気体の圧力又は流量を制御する。本発明の好適な実施の形態では、圧力/流量制御要素36は、プロセッサ46の制御の下で作動する弁である。本発明は、主気体流配送システム32によって、患者44の気道42に送出される呼吸用気体の流量を制御する他の方法、例えば圧力発生器に送出される気体の流量を調整する方法、圧力発生器の動作速度を調整する方法又はこれらの方法の組み合わせも企図することを理解すべきである。
【００１８】
流量センサ38は、そこを流れる流体の量を量的に測定しかつその流量信号Qprimaryを出力することが可能な何等かの適切な流量検出装置である。図示の典型的な実施の形態では、流量センサ38は、圧力/流量制御装置36の下流に設けられる。しかしながら、本発明は、主気体流配送システム32によって、患者に送出される呼吸用気体の流量を測定する他の場所及び方法、例えば、圧力/流量制御装置36の動作又は圧力発生器34に供給されるエネルギに基づき、呼吸用気体の流量を測定することも企図する。
【００１９】
図示の例示的な実施の形態では、流量センサ38によって、流量を測定した後の呼吸用気体流は、吸息マニホルド48に供給されかつ患者管路50を経て患者44に送出される。本発明の好適な実施の形態では、患者管路50は、矢印Cで示すように、患者に気体を供給する吸気アーム52と、矢印Dで示すように、全体を56で示す排気アセンブリに患者からの気体を搬送する呼気アーム54とを有する２アーム管路である。患者界面装置58は、患者管路を患者の気道に連絡する。患者界面装置58は、患者管路から患者の気道まで呼吸用気体流を連絡するのに適する侵襲性又は無侵襲性の何等かの装置である。適切な患者界面装置の例は、鼻マスク、鼻/口マスク（図１に示す）、全面型面体、気管チューブ、気管内チューブ及び鼻支持体を含む。
【００２０】
排気アセンブリ56は、矢印Eで示すように、呼気アーム54から大気中への排出流体の排出を監視しかつ／又は制御すると共に、圧力センサ60、排出流量センサ62及び排出流量制御要素64を備えている。圧力センサ60は、排出孔に最も近い場所で呼気アーム54内の圧力Pproxを測定する。このために、圧力Pproxは、患者での圧力Ppatientと一致すとみなす。圧力信号Pproxは、プロセッサ46に付与される。勿論、例えば、患者界面装置に設けられる圧力口を経て、患者での圧力Ppatientを直接測定できる。
【００２１】
流量センサ38と同様に、排出流量センサ62は、そこを通じて流れる流量を量的に測定しかつその流量を表示する流量信号Qexhaustを出力できる何等かの適切な流量測定装置である。
【００２２】
排出流量制御要素64は、プロセッサ46の制御の下で大気中に排出気体の排出を調整するのに選択的に作動できる能動的排出バルブであることが好ましい。特に、排出流量制御要素64は、加圧流体が患者44に供給される吸気段階の間に、大気中への流体の排出を防止すると共に、患者44に対する加圧流体の供給が終了し又は減少する呼気段階の間に、制御された速度（率）で大気中に気体を漏出させることが好ましい。作動中の排出アセンブリは、大気中への排出気体の流量を制御して、患者内の呼気端陽圧（「PEEP」）を制御することが好ましい。
【００２３】
図１の人工呼吸器システム30は、全体を66で示す任意の酸素配送システム又は第２の気体配送システムを含み、第２の気体配送システムは、矢印Fで示すように、主気体流Bに付随して、補足的な又は第２の気体流を送出する。矢印Gで示す酸素流又は他の第２の気体流は、第２のガス流量制御要素68に接続される酸素タンク又は通常弁である病院の壁面出口等の気体源（図示せず）から送出される。第２の気体流Fの圧力及び／又は流量は、プロセッサ46の制御の下で第２の気体流量制御要素68により調整される。第2の気体流は、吸息マニホルド48に供給され、主気体流内に導入され又はこれと混合されて、共に患者に送出される呼吸用気体流（矢印C）を形成する。吸息マニホルドに供給される第２の気体の流量Qsecondaryを測定する第２の流量センサ70が設けられる。
【００２４】
第２の気体配送システム66は任意のもので省略できることに注意を要する。しかしながら、多くの実際的な人工呼吸器を実施する際に、周辺大気から入手できるより高い酸素含有量を有する気体流を患者に供給することが望ましい。また、第２の気体配送システム66によって、酸素以外の医療用気体を送出できる。
【００２５】
図１に示す人工呼吸器システムのブロック図は、人工呼吸器システムの完全かつ徹底的な説明であることを意図しないが、特に、本発明の新規な始動及び循環法の実行に必要なものである人工呼吸器の重要な構成要素を記載することを意図する点に注意すべきである。例えば、当業者は、少し例を挙げれば、例えば給湿器、バクテリア・フィルタ、吸引カテーテル及び、気管気体吸入カテーテル等の患者管路に接続される補助的な要素の他に、システムの実施媒介変数を設定する入出力装置、患者又は人工呼吸器の状態を表す信号を操作者に送出する警報（聴覚的又は可視的）等の特徴を医療用の人工呼吸器システムに設けてもよい。
【００２６】
B.  人工呼吸器システムの動作  図３及び図４及び図１について人工呼吸器システム30の動作を以下説明する。しかしながら、動作を詳細に説明する前に、換気される患者に関するいくらかの基本的用語を明確にすることが有用である。この目的で、図２は、自然発生的に呼吸する正常な患者の2つの呼吸周期に対する患者流量Qpatientを表す例示的な波形72を示す。各呼吸周期Tbreathを下記4部分に分割できる：(1)呼気から吸気に移行する開始時点74、(2)吸息段階または吸気段階（Tinsp）、(3)吸息から呼気に移行する循環時点76、及び(4)呼息段階又は呼気段階Texp。
【００２７】
本発明の始動及び循環法は、人工呼吸器システムは、別々に吸気から呼気に開始しかつ呼気から吸気に循環する方法を制御して、自然発生的に呼吸する患者の呼吸周期に前記イベントを同期させる。設定された期間後、警報後及び他の通気後又は圧力支援モード後に、患者吸気流の開始に失敗した場合、互いに独立してかつ従来の人工呼吸器に存在する例えば時限式バックアップ呼吸等の他の機能と連動して始動及び循環法を使用できることを理解できる。例えば、通気の圧力支援モード又は圧力援助モードでは、本明細書に記載される始動法と循環法との一方又は両方が使用される。通気の体積制御モードでは、循環は時限式で自発的でないので、本発明の始動法のみが利用される。
【００２８】
例えば、下記の他の通気モード又は他の圧力支援モードで本発明の始動法と循環法を個別に又は並行して使用できる：(1)例えば、本明細書の一部として引用する何れもヨウンズ名義の米国特許第5,044,362号及び第5,107,830号明細書に教示された比例援助通気（PAV）モード;(2)例えば、本明細書の一部として引用するエステスその他名義の米国特許第5,535,738号、第5,794,615号及び第6,105,575号明細書に教示された比例気道陽圧（PPAP）支援;及び(3)例えば、本明細書の一部として引用するサンダーズその他名義の米国特許第5,148,802号、ズドロコウスキーその他名義の米国特許第第5,313,9379号明細書、サンダーズその他名義の米国特許第5,433,193号、ズドロコウスキーその他名義の米国特許第5,632,269号明細書、ズドロコウスキーその他名義の米国特許第5,803,065号及びズドロコウスキーその他名義の米国特許第6,029,664号明細書に教示された２レベル圧力支援。
【００２９】
下記では更に詳述するように、本発明の人工呼吸器始動法及び循環法は、測定基準として定常状態から患者流量Qpatient偏差及び患者圧力Ppatient偏差の交差相関パターンを使用して、自発的な、即ち患者始動される呼吸段階移行を決定できる。圧力及び流量の使用により、従来の始動法又は循環法によって、可能な開始または循環として、患者の呼吸動作をより正確に示す表示が得られると考えられる。また、本発明の始動法及び循環法は、誤って解釈するノイズ又はイベント等の他のシステム異常を発生せずに、患者始動トリガーイベント及び循環イベントを能率的に検出できる。
【００３０】
患者流量Qpatient78及び患者圧力Ppatient80を示す図３を参照すると、基礎流の存在の下で、肺内への流れを後続的に増加させる制御された圧力レベル84、代表的にPEEPレベルから患者圧力を減少することにより時点82で開始する患者の吸気動作を表示することに本発明の発明者は注目する。この圧力減少86を図３に示し、緊密に並列する流量増加を88で示す。患者圧力低下の開始と患者流量の上昇との間には僅かな遅延が存在することに注意しなければならない。患者に対応して、遅延の長さを変化させることができる。例えば、慢性閉塞性肺疾患を患う患者では、遅延は他の患者の長い。その直後の時点90で、換気装置が開始され、患者への流量及び圧力は増加する。一実施の形態では、この圧力−流量パターンは、患者が吸気運動を開始したことを示すので、本発明はこの観測できる圧力低下及び流量増加を使用して、換気装置を開始する。
【００３１】
本発明は、呼吸周期の吸気の段階の周期に発生する同様のパターンと正反対のパターンを使用して、吸気段階から呼気段階まで換気装置システムを循環させることを企図する。より具体的には、本発明の発明者は、排気バルブによって、呼気流量を制御する換気される患者では、時点92で開始する患者の呼気運動が患者流量の減少によって、94で表示され、96で示す患者圧力の増加が続く点に注目した。周期現象を表すこの圧力−流量パターンを使用して、位置98で換気装置を循環させ、呼気が開始するときに、患者流量及び圧力を減少させることができる。
【００３２】
本発明の他の実施の形態では、吸気の終期に患者流量及び圧力変化に基づいて換気装置の循環を達成できる。本実施の形態では、下記に詳細に説明するように、呼吸ベースで呼吸時に循環閾値を動的に変更して、患者と機械との同期性を保持する上、患者の快適性を最大にする。
【００３３】
本発明の人工呼吸器システムは、患者の呼気周期が進行する間に異なる段階で、活性化され、即ち開始イベントを捜索し始める他の起動装置も提供する。前記他の起動装置は、本発明の圧力−流量起動法と同時に作動して、開始イベントの一つが生じたときはいつでも人工呼吸器が自然発生的に開始することが好ましい。呼気段階の種々の段階で発生する状況のために活性化する多数の起動メカニズムのこの使用により、起動目的で患者が開始する吸気運動に対する人工呼吸器システムの感度を呼吸周期の呼気段階の開始時に低くしかつ患者が呼気段階を通じて進行するとき効果的に増加させることができる。その結果、患者の吸気運動に対するシステムの応答性を最大化しながら、誤動作による開始を最小化できる。
【００３４】
1. 患者流量、患者圧力及び漏洩
本発明の目的に対し、患者圧力Ppatientは、圧力センサ60により測定される近位の圧力Pproxに一致するとみなし、即ち、Ppatient＝Pprox。勿論、何らかの従来の技術を使用して患者で直接患者圧力Ppatientを測定できる。図１に示す人工呼吸器システム30では、患者の気道開口部に流量計を配置することは実際的でないので、患者圧力と同一の方法で直接患者流量Qpatientを測定されない。従って、本発明のこの実施の形態では、流量センサ38、62及び70で測定される流量から実際の患者流量Qpatientが決定される。しかしながら、人工呼吸器システム30を修正して、患者の近くに流量センサを設けることができることも理解されよう。その場合には、患者流量Qpatientは、直接測定される。
【００３５】
即ち、図１の人工呼吸器システム30のように、実質的に零か少なくとも最小値で、無視できる漏洩量の閉鎖システムでは、瞬間的な患者流量Qpatientは、下式で表される：
Qpatient＝Qprimary＋Qsecondary−Qexhaust. 
(1)
【００３６】
この場合、システム漏洩を考慮せずに、患者流量を直接決定される。この種のシステムでは、適切に設定したとき、漏洩を特に最小化に意図されるので、典型的侵襲性の通気システムにこの方法をほぼ適用できる。
【００３７】
しかしながら、本発明は、漏洩による損失を式(1)に含めて、意図的な漏洩と、非意図的な漏洩とを考慮することによって、実際の患者流量をより正確に決定することを企図する。意図的な漏洩は、患者から空気まで孔排気ガスに患者管路及び／又は患者界面体に特別に設けられた排出口を通じてポートによる漏洩を含むことができる。単一のアーム、無侵襲人工呼吸器又は圧力支援装置にこの種の排出口を設けて、患者の呼気気体を大気中に放出できる。例えば、マスク密封部と患者の皮膚との間に形成される患者界面体接触部及び患者管路の継手等に非意図的な漏洩が発生し得る。漏洩を考慮に入れると、式(1)は、下式のように書き換えられる：
Qpatient＝Qprimary＋Qsecondary−Qexhaust−Qleak
(2)
ここで、Qleakは、意図的な漏洩及び非意図的な漏洩を含む瞬間的な漏洩流量である。
【００３８】
本明細書の一部として内容を引用するサンダーズその他名義の米国特許第5,148,802号、ズドロコウスキーその他名義の米国特許第5,313,937号、サンダーズその他名義の米国特許第5,433,193号、ズドロコウスキーその他名義の米国特許第5,632,269号、ズドロコウスキーその他名義の米国特許5,803,065号、ズドロコウスキーその他名義の米国特許6,029,664号及びフランクその他名義の米国特許出願第09/586054号明細書に開示されるように、漏洩流量Qleakを算出することのいかなる従来の技術も、本発明は使用することを企図する。漏洩量を検出しかつ推定すると共に、漏洩の存在下で、患者への呼吸用気体の送出を管理する技術の記述について１つ又はそれ以上の前記従来技術を参照できるが、念のため、この過程を下記に簡単に説明する。
【００３９】
一漏洩推定法では、式(2)で表されるある瞬間での漏洩量Qleakは、下式で表される：
【数１】
2008194504.tif 000003
ここで、LFは、各呼吸に対し好適に算出される漏洩係数：
【数２】
2008194504.tif 000004
【００４０】
呼吸周期Tbreathの間に、プロセッサ46は、流量センサ38、62及び70からの流量信号Qprimary、Qsecondary及びQexhaustを監視すると共に、圧力センサ60からの圧力信号Pproxを監視する。全呼吸周期を通じて捕集したこの情報を使用して、プロセッサ46は、式(4)のそれぞれ分子及び分母の条件である値:
【数３】
2008194504.tif 000005
【数４】
2008194504.tif 000006
を決定する。
【００４１】
呼吸周期での所与の瞬間での流量値Qleakを決定するため、プロセッサ46は、前回の呼吸周期から算出された式(4)からの漏洩係数LFに対する既知の値、その瞬間に測定された流量と圧力を利用して、式(3)を解く。本発明の例示的な実施の形態では、プロセッサ46は、各呼吸周期毎又は各処理周期毎に、流量センサ38、62及び70並びに圧力センサ60によって、発生する複数回、例えば100サンプルの信号をサンプリングするが、サンプリングを5ミリ秒（ms）毎に行って、本質的に連続的に式(2)から患者流量を計算する。
【００４２】
また、本発明は、直前の呼吸周期内に決定される漏洩係数よりむしろ漏洩係数LFの平均値を使用することも企図する。例えば、最後（最新）のn回呼吸（nは整数で、単数又は複数）の各々に対する漏洩係数を算出することができ、n回の呼吸（単数又は複数）を通じた平均の漏洩係数を式(3)に使用して、漏洩量を決定できる。また、本発明は、最後のn回呼吸の間に決定される前記値の平均から式(4)中の分子、分母又はこれらの両方を決定できることも企図する。また、漏洩流量の突然の変化により本発明で使用する漏洩係数又は平均漏洩速度が急激に変化し又は急転しないように、漏洩係数を段階的に変化させることができる。
【００４３】
瞬間的な患者流量Qpatientを算出する前記方法は、効果的であるが、正確に患者流量を決定するために、漏洩係数LFを反復再演算しかつ各呼吸周期に対する漏洩流量Qleakを決定することを必要とする。しかしながら、本発明は、漏洩流量の算出を必要としない特定の状況の下で、患者流量Q1pateintを算出する他の方法を企図する。即ち、患者圧力が一定のままの場合に発生する一定漏洩状態で通気システム30が稼動される場合、患者流量Q1patientは、下式で決定される。最初に、正味流量NetFlow(n)は、下式で決定される：
NetFlow(n)＝Qtotal−Qexhaust 
(5)
ここで、Qtotal＝Qprimary＋Qsecondary、であり、Qtotalは、人工呼吸装置の制御の下にある全出力流量である。
【００４４】
100ミリ秒の経過時間幅（ウインドウ）を通じて、体積（Volume(n)）を次のように算出する：
【数５】
2008194504.tif 000007
ここで、ｎは5ミリ秒の処理周期である。連続的体積差（Volume Differentials(n)）は、それから50msの経過時間幅を通じて算出される：
Volume Differential(n)＝Volume(n)−Volume(n-10)              (7)
【００４５】
この患者流量測定値技術では、患者に対する正味流量（式(6)）は、離間するが互いに接近する2つの異なる経過時間幅からの漏洩を含んでも含まなくてもよく、互いに比較される（式(7)）。これを行う際に、各経過時間幅内で一定かつ同一となる漏洩は相殺されるので、得られる体積差Volume Differentialは、患者に供給され又は患者から受け取る流体の体積を表す。患者流量Q1patientは、連続ベースで下記のように決定される：
Q1patient＝Volume Differential(n)/0.050＋Q1patient(prior)     (8)
ここで、患者流量Q1patient(prior)は、前回の処理時間幅内で決定される患者流量である。
【００４６】
体積Volumeを算出する時間幅は、1秒につきリットルで表されるQ1patientに対し50msの時間幅であるから、分母の数は、0.050を選択する。前記の通り、患者流量を算出するこの方法は、漏洩流量を効果的に無視しながら、患者流量を算出できる点で有利である。しかしながら、この患者流量算出法を使用するために、圧力は安定でなければならない。
【００４７】
本発明では、例えば、漏洩量又はバイアス流量を含む患者流量Qpatientを決定したり、漏洩量又はバイアス流量を計算に入れて患者流量Q1patientを決定するように、患者流量を決定する方法を使用できることを当業者は理解できよう。患者流量Q1patientはいかなる漏洩量又はバイアス流量の評価を使用しないが、患者流量Qpatientはこれらを使用することを除き、交互に付与される安定した複数の漏洩状況で、一般に、「推定患者流量」と称する患者流量Qpatient若しくはQ1patient又はそれらの両方を使用できる。後述のように、この違いを考慮しなければならない少なくとも一つの例がある。始動装置（トリガー）６の対応する周期動作技術を参照されたい。
【００４８】
また、人工呼吸器システム30は、患者にバイアス流を供給するように、下記のように種々の目的で平均漏洩流量Qleak(average)を使用して、システムの漏洩を補償できる。呼吸周期の間に漏洩体積Vlossを最初に算出することによって、呼吸周期Tbreathに対する１分毎のリットルの漏洩量で表される平均漏洩流量Qleak(average)を決定する。漏洩体積は、下記のように決定される：
【数６】
2008194504.tif 000008
ここで、Tsはサンプリング期間、i＝0は呼吸周期の第1のサンプル例で、nは呼吸周期の最終サンプル例である。平均漏洩流量Qleak(average)は、Qleak(average)＝（Vloss/Tbreath)*0.06.として決定される。本発明の例示的な実施の形態の漏洩体積Vlossを、ミリリットルで決定し、呼吸周期Tbreathを、秒で決定し、平均漏洩流量Qleak(average)を、リットル／分で表すために選択された転換率で乗数0.06が表される。使用する単位に依存して、他の転換率を使用し又は転換率を使用しなくてもよいことも当業者には理解できよう。上記の例では、平均漏洩流量は、各呼吸に対し決定される。しかしながら、複数の呼吸周期に対し平均漏洩流量を算出できる。
【００４９】
2. バイアス流量
本発明の好適で例示的な実施の形態では、本発明の人工呼吸器システムは、患者にバイアス流量を供給して、患者管路を通じて一定流量の気体が通過している。バイアス流量の大きさは、患者の肺容量及び平均漏洩流量Qleak(average)等の換気される患者の特性に依存する。特に、成人患者に対するバイアス流量は、1分当たりの平均漏洩流量（リットル）に一定の基礎流量、好ましくは、1分当たり５リットルを加算したものとして決定される。小児患者に対するバイアス流量は、平均流量に1分毎に一定の3リットルを加算したものとして決定される。要約すると、
成人：  バイアス流量＝Qleak(average)＋5(リットル／分)
小児：  バイアス流量＝Qleak(average)＋3(リットル／分)
【００５０】
本発明の好適な実施の形態では、各呼吸周期に対しバイアス流量値を再計算し、新規なバイアス流量値を使用して、次の呼吸周期のバイアス流量を供給できる。また、安全目的のため、平均漏洩流量を60リットル／分の最大値に制限して、実際の平均漏洩流量に関係なく、成人に供給できる最大バイアス流量は65リットル／分であり、小児患者への最大バイアス流量は63リットル／分である。
【００５１】
当業者は、平均漏洩流量に加えられる一定の基礎流量を、成人に対し特に5リットル／分に制限する必要はなく、小児に対し3リットル／分に制限する必要はない。これに対し、例えば、患者の大きさ又は患者の状態等の他の参酌事項に基づいて、一定の基礎流量に対する他の値を選択できる。また、一定の漏洩流量を無視して、成人及び小児に加え又はその代わりに、他の選択を人工呼吸器オペレータに付与し、患者の必要条件を一定の基礎流量の適当な値により正確に整合させることができる。また、最大平均のバイアス流量を特に60リットル／分に設定する必要はなく、むしろ本発明では、この一般的な範囲の他の最大値が企図される。更に、呼吸周期毎にバイアス流量を再演算する必要はないが、人工呼吸器システムの有効性に障害が生じない限り、更に頻繁に又は低頻度で演算することもできる。
【００５２】
３．始動
本発明の始動方法を図３及び図４について以下説明する。図３に示すように、本発明の始動方法は、呼気段階Texpを下記の4部分に効果的に分割する：1）制限された区域100、2）能動的呼気区域102、3）非能動的呼気区域104、及び4）静かな呼気区域106。患者の呼吸周期の呼気周期内で前記区域を確立して、呼気段階の各区域で発生する状況に基づいて各処理周期の間に一つ又はそれ以上の始動メカニズムを起動する。図４は、人工呼吸器システムにより実施される例示的な始動過程を一般的に示すフローチャートである。本発明の好適な実施の形態では、承認される全始動メカニズムTrigger 1〜Trigger 7を作動状態にして、各処理周期の間に、起動に対して始動メカニズムを試験することができ、一旦始動され又は始動可能に付勢されると、始動メカニズムをイネーブル状態又は作動状態にするのに必要な状態を満足するままである限り、作動状態を保持しかつその処理周期及び呼気段階の残部に対する作動を待機する。
【００５３】
呼気段階の異なる段階の間に異なる始動メカニズムを作動させることにより、患者が呼吸周期の呼気段階に入るとき、人工呼吸器システムの始動メカニズムの効果的感度を更に増加する。例えば、呼気段階への移行直後に、患者が吸気を試みることはありそうもない。従って、自然発生的な吸気に対する人工呼吸器システムの感度は、その時あまり高い必要はない。他方、患者が呼気段階の終期に近づくときに、その患者は、自然発生的な吸気運動を直ちに試みていることは極めて可能性がある。従って、吸気運動を検出する人工呼吸器システムの感度を呼気の段階の終期に最大化して、人工呼吸器を始動するのに患者に要求される運動を最小化しながら、確実に吸気の運動を検出しなければならない。図３は、呼気周期の種々の段階の間に種々の始動を効果的に活性化する時点を示す。呼気段階Texpの各区域の動作を以下順次明確に説明する。
【００５４】
本発明では、圧力始動、流量始動、体積始動及び運動始動の4種類の基本始動メカニズムがある。始動装置（トリガー）1は、比較的高い感度レベルで閾値圧力に対して患者圧力を試験する圧力始動である。始動装置（トリガー）2は、閾値流量に対して患者流量を試験する流量始動である。始動装置（トリガー）3及び始動装置（トリガー）4は、閾値体積に対して体積を試験する体積始動である。より具体的には、始動装置（トリガー）3は、閾値体積に対して増加する患者流量パターンの経過を通じて推定される患者吸入体積を試験し、始動装置（トリガー）4は、閾値体積に対して50msにわたり吸入される患者吸気体積を試験する。このように、始動装置（トリガー）3は、より長期間患者の傾向を見る一層の長期始動であり、始動装置（トリガー）4は、患者のより即時の体積を見る一層の短期始動である。運動始動は、人工呼吸器を始動すべきか否かを決定する閾値運動レベルと比較される患者圧力と患者流量との交差相関に基づいて、患者の吸気運動の決定に関連する。始動装置（トリガー）5、始動装置（トリガー）6及び始動装置（トリガー）7は、運動ベース始動で、始動装置（トリガー）5及び始動装置（トリガー）7は、始動装置（トリガー）6より長い期間にわたる患者運動を見ながらより長期始を有し、始動装置（トリガー）6は、患者が短期間にわたり行う吸気運動量を注目する短期運動始動である。
【００５５】
本発明の始動アルゴリズムを実施する際に使用される下記の媒介変数は、下記の意味を有する。
CompFlow：−1リットル／分又は平均漏洩流量Qleak(average)の−5%、代数で何れか小さいもの。
MinFloT2：平均漏洩流量Qleak(average)が30リットル／分未満であれば、−4lリットル／分、別法として、0リットル／分。
Beta(ベータ)：呼気時間£吸気時間の場合、0.1ミリリットル、別法として、
バイアス流量が15リットル／分に満たない場合、
Beta(ベータ)＝0.2ミリリットル又は
バイアス流量が15リットル／分以上で30リットル／分に満たない場合、
Beta(ベータ)＝0.5ミリリットル又はバイアス流量が30リットル／分以上の場合、
Beta(ベータ)＝1ミリリットル
MinStTime：漏洩流量Qleakが30リットル／分に満たない場合、100ミリ秒、漏洩流量Qleakが30リットル／分以上の場合、200ミリ秒
MinTimeT3：漏洩流量Qleakが30リットル／分に満たない場合、150ミリ秒、漏洩流量Qleakが30リットル／分以上の場合、250ミリ秒
MinVolT3：漏洩流量Qleakが60リットル／分に満たない場合、3ミリリットル、漏洩流量Qleakが60リットル／分以上の場合、4ミリリットル
Sigma(シグマ)：小児：Sigma＝1cmH2O*lpm.
成人：漏洩流量Qleakが30リットル／分に満たない場合：Sigma＝1cmH2O*lpm
漏洩流量Qleakが30リットル／分以上の場合：
Sigma＝3cmH2O*lpm。
【００５６】
前記媒介変数の値は、人工呼吸器システム30に使用される部材の物理的な特性に依存することを理解しなければならない。患者管路に使用される排出弁及び／又は管である排出流量制御要素の形態は、前記媒介変数の特定値に影響を及ぼす。このように、本発明は前記媒介変数の特定値に限定することを意図せず、発明の原則に従って人工呼吸器システムが機能する限り、一定範囲の値を包含できる。また、本発明は、前記媒介変数の値を適応可能に変更して、人工呼吸器の動作を最大にするか又は前記媒介変数を手動で制御可能として、人工呼吸器オペレータが人工呼吸器を設定する際に十分な柔軟性を付与して、あらゆる所与の患者の要求に適合させることを企図する。
【００５７】
図３及び図４に示すように、制限された区域100は、能動的呼気区域102の間で周期時点98で開始する呼気段階初期の短期間である。制限された区域100では、呼気から吸気への始動は許可されない。本発明の好適な実施の形態では、制限された区域は、200msに設定される。しかしながら、この一般的な時間枠を含み、一定範囲を通じて制限された区域の継続期間を変更できることに注意すべきである。呼気周期の開始後に殆どの場合、人間は物理的に短い時間枠内では吸気周期に戻れないから、本発明では、200msの時間枠を選択する。
【００５８】
ステップ108で、呼気を開始し、ステップ110では、プロセッサ46は、呼気の開始以降、200msの時間が経過したか否かを決定する。経過していなければ、呼気流量は、依然として制限された区域の範囲内にあり、帰還ループ112で示すように、制限された区域の継続期間が経過するまで、ステップ110が反復される。呼気の開始時点から200msの時間が経過すれば、プロセッサ46は、ステップ114、116、118及び120に続く。
【００５９】
200msの遅延後、即ち、制限された区域100の終了後、患者は、能動的呼気区域102の無制限部分に入る。制限された区域の終期に続く能動的呼気区域102は、中間間隔として形成され、その中間間隔の間に排出流量制御要素64を通過する流量Qexhaustは、5リットル／分以上だけ全供給流量Qtotalを上回る。これは、患者が肺から気体を積極的に排出している呼気段階の時間間隔である。注意深く判断しても、患者が能動的呼気区域にあるか否かを決定する際に、漏洩流量Qleakは考慮されない。
【００６０】
能動的呼気区域102では、ステップ114に示すように、適当な状況が起こる場合、支援圧力始動である始動装置（トリガー）1は、作動状態にされ、即ち、起動の準備が行われる。始動装置（トリガー）1は、3cmH2Oの感度を有する従来の圧力始動であるから、患者圧力Ppatientが、3cmH2O又はそれ以上だけ設定呼気終末陽圧呼吸レベルに満たない場合、人工呼吸器が始動する。患者圧力を3cmH2Oに減少して、誤始動を防止するため、始動装置（トリガー）1は、比較的大きい量の患者運動を必要とする。能動的呼気区域は、患者流量が比較的不安定であり比較的短期間にわたり流量が大きく異なることがある呼気段階の一部を表すので、人工呼吸器の始動が敏感に高過ぎる場合、この種の誤始動が発生する可能性がある。
【００６１】
ステップ116では、プロセッサ46は、呼気終末陽圧が零に設定すべきか否かを決定する。設定すべきと決定した場合、2リットル／分の従来の流量支援始動である始動装置（トリガー）2は、ステップ122で作動状態に切り換えられる。始動装置（トリガー）2では、患者流量Qpatientが正でかつ患者流量が2リットル／分を超える場合、人工呼吸器は、始動されよう。能動的呼気区域の間に、患者流量は正ではないので、能動的呼気区域102の間に、始動装置（トリガー）2を最初に点検しても、患者が非能動的呼気区域104になるまで、始動装置（トリガー）2を使用して、人工呼吸器を始動することができない。本発明の開示内容を実施するのに使用される人工呼吸器の動作特徴に依存してこのトリガーが選択されることは当業者に理解されよう。
【００６２】
本発明では、Qpatientな患者流量が、前記のように、−1リットル／分又は平均漏洩流量Qleak(average)の−5%、代数で何れか小さいほうの特定の最小閾値CompFlowを越えるとき、患者は、非能動的呼気区域104にある。(1)排出流量Qexhaustは、供給された流量Qtotal＋5リットル／分未満であり、かつ(2)少なくとも一定の時間中に100msの体積差（Volume Differential(n)）（式(7)）が安定されたとき、また、患者は、非能動的呼気区域104にあると判断さる。前記のように、漏洩流量Qleakが30リットル／分未満の場合に100ミリ秒であり、漏洩流量Qleakが30lリットル／分以上の場合に200ミリ秒である一定時間MinStTimeの間に、Volume Differential(n)の連続的絶対値が例えば、0.1ミリリットル未満の場合、Volume Differential(n)は、安定であると判断される。
【００６３】
ステップ118では、人工呼吸システムは、患者流量Qpatientが正か否か決定する。正の場合、始動装置（トリガー）３は、ステップ124で付勢される。正でない場合、システムは、帰還ループ119で示すように、処理周期毎に再チェックを行う。始動装置（トリガー）３では、患者流量が上昇を開始すれば、初期値は参照流量Qrefとして保存される。その後、現在の流量Qpatient(current)と基準流量Qrefとの間の差異が、例示的な実施の形態では5msである各処理周期ｎ間に蓄積される。
【００６４】
1)患者流量Qpatientが基準流量Qrefより大きい場合、2)体積差異が零より大きい場合、及び3)現在の患者流量が前の患者流量を越える量が、流量増加の傾斜が少なくとも一定値である一定量より大きい場合の３つの状態の全てに適合する限り、継続する処理周期で前記差異は、連続して蓄積される。本発明の好適な実施の形態では、(1)時間遅延患者流量Qpatient(delayed)(n)及び(2)0.5ミリ秒、即ち、Qpatient(n)＞Qpatient(delayed)(n)＋5リットル／分（ｎは5ミリ秒の一処理周期である）のような一定の流量と現在の流量とを比較することにより、前記第３の状態が決定される。この実施の形態では、Qpatient(delayed)(n)＝0.2Qpatient(n)＋0.8Qpatient(delayed)(n-1)これらの状態の何れか１つが合致しない場合、始動装置（トリガー）３はリセットされ、基準流量Qrefをリセットして、蓄積された値を零にリセットする。
【００６５】
5ミリ秒毎、即ち各処理周期毎に差異(Qpatient(current)−Qref)を決定するので、差異(Qpatient(current)−Qref)の蓄積された値は、患者体積に相当する。体積を得るために、一処理周期に対し、5ミリ秒のような時間を差異に乗ずる。患者体積の現在合計（ランニングサム）が本発明の好適な実施の形態では、ある時間長さにわたり7ミリリットルのような閾値体積を超える場合、始動が宣言される。前記のように、前記３つの状態の何れかに反する場合に、患者現在体積合計はリセットされる。
【００６６】
ステップ120では、体積差Volume
Differential(n)を監視して、一定期間MinTimeT3の間に体積差が安定のままであったか否か決定するが、前記のように、一定期間MinTimeT3は、漏洩流量Qleakが30リットル／分に満たない場合に150ミリ秒であり、漏洩流量Qleakが30リットル／分以上の場合に250ミリ秒である。例えば、時間量MinTimeT3の間に体積差Volume Differential(n)の連続する絶対値が0.1ミリリットルに満たない場合、体積差Volume Differential(n)は安定と判断される。安定の場合、始動装置（トリガー）４はステップ126で付勢される。安定でない場合、システムは、帰還ループ121により示すように、処理周期毎に再チェックを行う。始動装置（トリガー）４では、50ミリ秒の体積差Volume Differential(n)がMinVolT3を超える場合、MinVolT3は前記の通り、漏洩流量Qleakが60リットル／分に満たないとき、3ミリリットルであり、漏洩流量Qleakが60リットル／分以上の場合に4ミリリットルであり、始動装置（トリガー）は宣言される。
【００６７】
患者が前記の基準により決定される非能動的呼気区域104になお存在する場合、即ち、患者流量が安定状態を満足するレベルにある場合、始動過程か否かの探索をステップ128で行う。これは、有効な始動過程が検出されたものとして表示されない場合、即ち始動過程フラッグが誤っている場合にのみ行われる。始動過程は、患者流量が増加しており、近位の圧力が減少している状態に相当する。
【００６８】
本発明の例示的な実施の形態では、有効な始動過程を検出することは、現在の処理周期ｎの間に下記の全ての３状態を満足することを要する：
1) Qpatient(n-10)＞CompFlow;
2) Ppatient(n-10) £ 1.2 * 設定呼気終端陽圧又は0.5H2O(何れか大きい方);
及び3) Qpatient(n)＞Qpatient(n-10),及び[Ppatient(n-10)−Ppatient(n)]＞0.3cmH2O又は
Ppatient(n)＜0.8設定呼気終端陽圧
第1の状態は、現在の患者流量の前に患者流量50ミリ秒がCompFlowより大きいことを要する。第2の状態は、現在の患者圧力の前に患者圧力50ミリ秒が、設定呼気終端陽圧又は0.5H2Oの何れか大きい方の120%以下であることを必要とする。第３の状態は、患者流量が増加しているべきで、即ち、Qpatient(n)＞Qpatient(n-10)であり、かつ患者圧力が減少しているべきで、即ち、Ppatient(n-10)−Ppatient(n)又は設定呼気終端陽圧の80%未満であることを必要とする。前記の３状態が満足されれば、始動過程が宣言され、即ち、始動過程フラッグは、真にセットされる。何れの場合でも、始動過程の開始時の患者流量Qpatient(n-10)は、基準流量Qrefとして設定され、始動過程の開始時の患者圧力Ppatient(n-10)は、基準圧力Prefとして設定される。前記３つの状態が満足されなければ、始動過程は宣言されず、即ち、始動過程フラッグは、偽に設定され、帰還ループ130で示すように、システムは、処理周期毎に始動過程に対し再チェックする。
【００６９】
現在の処理周期がステップ128に達したとき、既に検出されたものとして有効な始動過程が表示される場合、即ち、始動フラッグが真の場合に、次に、現在の処理周期では、現在の患者流量Qpatient(n)を基準流量Qrefと比較し、現在の患者圧力Ppatient(n)を基準圧力Prefと比較する。このとき、Qpatient(n) 3 QrefかつPpatient(n)
£ Prefであれば、始動装置（トリガー）5、6及び7の始動検査を行うことができる。
【００７０】
始動過程が真のままである限り、到達するステップ132では、動作ベースの始動装置（トリガー）5が作動開始される。始動装置（トリガー）5では、患者の流量差(Qpatient−Qref)と圧力差(Pref−Ppatient)との積を演算して、漏洩ベース閾値と比較し、有効なトリガーを決定する。好適な実施の形態では、この閾値は、1.0cmH2O*ミリリットル／秒である。その場合、積(Qpatient−Qref)*(Pref−Ppatient)が1.0cmH2O*ミリリットル／秒より大きい場合、トリガーは宣言される。
【００７１】
このトリガーを検査するため、下記の状態に合致しなければならない。
1) Qpatient 3 CompFlow;
2) Ppatient＜0.3cmH2O又は1.2*設定呼気終端陽圧（設定呼気終端陽圧の120%）の何れか大きい方;
及び3a) Qpatient＞MinFloT2,又は
3b) 患者が非能動呼気区域にあることを確立する体積ベース安定性状態に合致した場合。
【００７２】
ステップ134では、人工呼吸システムは、下記の状態を検査することにより患者が静寂な呼気領域106にあるか否かを決定する：
1) Qexhaust＜Qtotal＋5 lpm;
2) Qpatient＞CompFlow;
3) 少なくとも、MinStTimeに対し、体積差Volume Differentialが安定したままである;
及び4) 50ミリ秒にわたる体積差Volume
Differentialsの絶対値の合計は、ベータBetaより小さい。
【００７３】
これらの状態に適合しない場合、システムは、帰還ループ136で示すように、処理周期毎に静寂な区域を再検査する。しかしながら、これらの状態の全てに合致する場合、患者は、静寂な呼気領域106にあると判断され、システムはステップ138に移行する。
【００７４】
前記のように既に作動開始された選択トリガーに加えて、ステップ138では、他の２つの動作ベーストリガーオプションの始動装置（トリガー）6と7とが始動開始される。これらの２つの動作ベーストリガーアルゴリズムは、２つの異なる患者流量推定法と時間尺度（タイムスケール）とを使用する推定された患者動作の測定法の比較に基づくので、ステップ138では、短期動作トリガー（始動装置6）及び長期趨勢変化ベース動作トリガー（始動装置7）が設けられる。特に、ステップ138では、100ミリ秒にわたる異なる患者動作が漏洩ベース閾値（短期動作始動装置6）を超える場合に、トリガーは宣言される。また、ステップ138では、基準からの患者流量偏差と、基準（長期動作始動装置7）からの患者圧力偏差との積の時間積分値である蓄積された患者動作が漏洩バース動作閾値を超える場合、トリガーは宣言される。
【００７５】
始動装置（トリガー）6では、静寂な呼気が確立され（ステップ134）かつ始動過程が真を保持していれば、100ミリ秒の時間領域にわたる推定患者動作（EPE）を一定の閾値（シグマ）と比較する。推定患者動作がシグマに等しいか又はこれを超える場合、トリガーは宣言される。本発明の一実施の形態では、100ミリ秒の時間間隔にわたる患者流量差ΔQpatientと、フィルタを通過した、即ち遅延した圧力差FΔPpatientとの積の合計として推定患者動作が決定される。
【００７６】
フィルタを通過させる目的は、前記のように、吸気開始時に圧力降下の開始と患者流量の増加との間に若干の遅延があるため、圧力差機能に使用される患者圧力を遅延させることにある。この遅延により、現在の患者流量に相当する患者圧力を使用して決定される患者圧力差を現在の患者流量に乗ずることができる。トリガー時間領域（ステップ128）の開始時の圧力基準Prefと、現在の患者圧力Ppatientとの間で圧力差が測定される。
【００７７】
各処理周期、即ち5ミリ秒毎に推定患者動作が決定される。制御周期ｎでは、
【数７】
2008194504.tif 000009
ここで、
ΔPpatient(n)＝Pref−Ppatient(n)                               (11)
FΔPpatient(n)＝0.33ΔPpatient(n)＋0.67FΔPpatient(n-1),及び  (12)
ΔQpatient(n)＝Qpatient(n)−Qref.                            (13)
Qpatient(n)は、現在の患者流量、Qrefはトリガー時間領域（ステップ128）の開始時の患者流量である。式(12)は、推定患者動作演算の患者圧力成分内に遅延を導入するのに前記のように供給される圧力差ΔP(n)のデジタルフィルタを表す。始動装置（トリガー）6のため、(a) Qpatient＜0又は(b)Qpatient＜3 ml/s及びFΔPpatient＜0.2cmH2Oの場合に、患者流量Qpatientは、零に設定される。
【００７８】
式(8)に関して前記のように患者流量を決定する場合、即ち、推定された患者流量Q1patientは、あらゆる安定なバイアス流量又は漏洩流量を考慮し、又は例えば、漏洩流量又はバイアス流量がない場合、即ち、患者流量を患者で直接計測する場合、その後、式(12)の基準流量Qrefは、効果的に零である。即ち、トリガー時間幅の開始時に基準流量を零でありかつシステムはこの基線又は零値からの増加のみを探索する必要があると仮定する。この場合、推定患者動作が下式で決定される。
【数８】
2008194504.tif 000010
ここで、式(8)からの前回の処理時間幅内で決定される患者流量Q1patient(prior)は、開始時間幅の開始時に零に等しく設定される。前記のように、式(10)又は式(14)の何れかを使用して決定されたEPE(n)がシグマより大きいと、トリガーが宣言される。
【００７９】
始動装置（トリガー）7では、静寂な呼気状態の下で、開始過程が真として確立されるとき、トリガー過程が真のままである限り、（Qpatient−Qref)*(Pref−Ppatient）の積は、各処理周期から蓄積される。稼動合計が1.5cmH2O*ミリリットル／秒に等しいかこれを越える場合、トリガーが宣言される。このように、比較的長期の患者運動動向は、始動現象に対し監視される。
【００８０】
4. 循環
本発明では、下記の2つの循環法の一つを使用して、呼吸周期の吸気段階から呼気段階への移行を企図する：1）患者流量と患者圧力との組合せに基づく運動ベース技術、及び2）現在の患者流量を閾値流量と比較することにより循環を決定する適応可能な流量ベース技術。本質的に、循環イベント機能は、人工呼吸器により患者流量を肺から排出すべきものである。例えば、患者が呼気運動を開始する時点で、排出流量制御要素64の開放度を拡張又は増大することにより、人工呼吸器システム30内でこれが達成される。
【００８１】
圧力の増加が続く流量の代数減少によって、周期イベントを示すことを除き、前記のように略記した動作ベース循環は本質的に始動装置（トリガー）5、6及び7と同一である。このように、特定の時間枠にわたり患者流量と患者圧力差との積を決定しかつ閾値呼気動作レベルと比較する前に、患者流量は、小時間係数だけ遅延する。
【００８２】
特に、前記始動装置（トリガー）5と同様の方法での循環過程は、患者流量差（Qref−Qpatient）と患者圧力差（Ppatient−Pref）とを決定する過程を含む。これらの差（Qref−Qpatient)*(Ppatient−Pref）の積を決定し、閾値と比較して、有効な周期を決定する。臨床治験に基づいて経験的に閾値値を決定しかつ適用可能に作成して、患者の変更状態に一致させることが好ましい。
【００８３】
前記始動装置（トリガー）6と同様の方法の周期動作は、式(11)と同様に、患者圧力差（Ppatient−Pref）を決定する過程を含み、ここで、Ppatientは、現在の患者圧力、Prefは、周期動作時間幅の開始時に決定される基準患者圧力である。また、式(13)でなされるのと同様の患者流量差（Qref−Qpatient）が決定されるが、ここで、Qpatientは、現在の患者流量、Qrefは、周期動作時間幅の開始時に決定される基準患者流量である。勿論、患者流量の決定に既に自動的にいかなるバイアス流量も無視しない場合又は補償すべき漏洩流量又はバイアス流量がある場合に、Qrefのみが使用される。
【００８４】
周期動作目的のために、システムは、周期動作時間幅の開始時に設定される基準圧力から圧力増加を探索することに注意しなければならない。従って、式(11)でなされるように、PrefからPpatientを差し引くのではなく、PpatientからPrefを差し引いて、この患者圧力差を圧力増加を確実に表示できる。また、システムは、周期動作時間幅の開始時に設定される基準流量からの流量減少、即ち患者からの呼気流量の増加を探索する。従って、式(13)でなされるように、QpatientからQrefを差し引くのではなく、QrefからQpatientを差し引く。
【００８５】
前記のように、周期動作/呼気運動決定目的のために、本発明では、患者流量を遅延させ、現在の患者圧力差と患者呼気運動としての遅延患者流量との積を決定する。例えば、100ミリ秒の非常に短い時間間隔を通じて、5ミリ秒の処理周期毎に決定することが好ましい呼気運動が合計される。この短い時間間隔を通じて患者呼気運動の合計が、閾値を越える場合に、吸気流量の形成から排出組立体から呼吸用気体の呼気流量を形成するまでの循環が開始される。経験的にこの閾値を決定でき、かつ適応可能に作成して、患者の変更状態に合致させることができる。
【００８６】
より長期間呼気運動趨勢を探索をみる前記のように、始動装置（トリガー）7と同様の方法の周期動作は、患者流量差（Qref−Qpatient）を決定する過程を含み、ここで、Qpatientは、現在の患者流量、Qrefは、周期動作時間幅の開始時に決定される基準患者流量である。循環目的のため、システムは、流量減少、即ち、周期動作時間幅の開始時に設定される基準流量から患者からの呼気流量の増加を探索することに注意を要する。従って、QpatientからQrefを差し引くのではなく、QrefからQpatientを差し引いて、この患者流量差が呼気流量を増加することを確実に表示する。
【００８７】
更に、システムは、患者圧力差（Ppatient−Pref）を決定するが、ここで、Ppatient第1の圧力信号からの現在の患者圧力、Prefは、周期動作時間幅の開始時に決定される基準患者圧力であり、システムは、再び周期動作時間幅の開始時に決定される基準値より高い患者圧力の増加を探索する。患者の呼気運動は、患者流量差と患者圧力差との積として決定される。その時間間隔にわたる患者の呼気運動の合計が閾値を越える場合、始動装置（トリガー）7でなされるのと同様に、システムは、その時間間隔にわたる前記患者呼気運動を合計し続けて、周期を開始する。また、経験的に決定されるこの閾値を適応可能に作成できる。
【００８８】
適応可能な流量ベース技術の下では、周期閾値流量（CTF）は、その呼吸に対するピーク流量の百分率として設定される。本発明の好適な実施の形態では、周期閾値流量は、ピーク吸気流量の35%に初めに設定される。吸気段階の間の患者流量を監視して、この流量が一旦周期閾値流量より下に低下すれば、人工呼吸器が周期動作する。本発明の発明者は、その呼吸に対しその流量がピーク流量の35%に低下しても患者が常に呼気を開始する可能性がないので、周期閾値流量レベルをこのレベルに固定できないことを認識した。従って、本発明の発明者は、周期閾値流量を動的に調整する方法を開発した。
【００８９】
周期閾値流量を適応させて、患者呼気運動に一層緊密に同期して、人工呼吸器を周期動作させるため、本発明では、呼気段階の終端での患者圧力Ppatientと、吸気段階の始端での患者流量Qpatientを監視する。患者流量が周期閾値流量に到達する前に、患者圧力の増加が開始する場合に、これは、患者が呼気を開始しかつ排出流量制御要素は、患者が自由に呼気できるようにまだ開放されなかったことを示す。換言すれば、人工呼吸器の周期動作は、患者が呼気を開始した後で遅すぎた。他方、人工呼吸器が周期動作し、患者からの患者流量が実質的にない場合、排出流量制御要素が開放した場合でも、これは、患者がまだ呼気を開始しなかったことを示す。換言すれば、人工呼吸器は、患者が呼気を開始する前に周期動作を早く始め過ぎた。本発明では、患者圧力及び流量を監視して、同期の前記エラーのどちらが発生したかを決定すると共に、次の呼吸の周期閾値流量を調整して、前の呼吸内の周期動作同期エラーを説明する。
【００９０】
人工呼吸器が遅過ぎて周期動作したか否かを決定するため、吸気段階の端部(Ppatient(insp end)(k-100I)の前に、吸気段階の端部での患者圧力Ppatient(insp end)(k）と、例えば100ミリ秒の時間での患者圧力とが得られる。Ppatient(insp end)(k)＞Ppatient(insp
end)(k-100)＋0.5cmH2Oの場合、人工呼吸器の周期動作は遅過ぎた。本発明の好適な実施の形態では、これが発生するときに、周期閾値流量は、所定の量、例えば、20%増加されるので、人工呼吸器は、次の呼吸周期内で直ちに周期動作を行う。
【００９１】
人工呼吸装置の周期動作が速過ぎたか否かを決定するため、呼気段階での初期部分の間の患者からの気体体積Vexp(k)を、先行する吸気段階での類似する期間の間に患者が吸入する気体の体積Vinspthの例えば25％のような百分率と比較する。人口呼吸装置の周期動作が速過ぎた場合に、呼気段階の初期部分の間での患者からの気体体積は先行する吸気段階での類似する期間の間に患者が吸入した気体体積より少ない。
【００９２】
本発明の好適な実施の形態では、呼気段階の最初の300ミリ秒の間に患者が排出する気体の体積は下式で決定される：
【数９】
2008194504.tif 000011
吸気段階での300ミリ秒の間に比例配分される患者の吸気体積推定量の25％は下記のように決定される：
【数１０】
2008194504.tif 000012
ここで、Ppatient(insp end)は、吸気段階の期間を通じて平均患者圧力に相当すると思われる端部吸気圧力である。しかしながら、吸気段階の期間を通じて平均患者圧力を直接決定でき、概算値を使用する必要がないことを理解すべきである。本発明の好適な実施の形態では、値は下記のように決定される：
成人：  40 ml≦Vinspth≦200 ml
小児：  10 ml≦Vinspth≦40 ml
【００９３】
人工呼吸装置の周期動作が遅過ぎない場合、Vexp(k)は、Vinspthと比較される。Vexp(k)は、排出される体積を表し、Vinspthは吸入される体積を表すので、Vexp(k)とVinspthは反対の符号を有する。Vexp(k)の絶対値がVinspthの絶対値より小さければ、患者は、呼気動作を試みておらず、人口呼吸装置の周期動作は早過ぎる。この場合、周期閾値流量が予め決められた量、例えば10％減少され、人工呼吸装置は、次の呼吸周期内で後に周期動作を行う。人工呼吸装置の周期動作が遅過ぎずかつVexp(k)の絶対値がVinspthの絶対値より小さくなければ、周期閾値流量は不変である。
【００９４】
周期動作同期エラーに対する修正を人工呼吸装置が積極的にどのように試行するかに依存して、周期閾値流量が増加しかつ減少する量及び比率を変更することができる。しかしながら、例えば、その呼吸に対し、ピーク流量の3％と60％との間で周期閾値流量を限定することが好ましい。呼気を試みている患者は、呼気の最初の300ミリ秒内に測定可能な結果を生ずる可能性があるので、患者の流量／体積を監視する間に呼気段階の初期に300ミリ秒の時間を使用し選択できる。
【００９５】
従来の周期動作技術を使用して周期動作を達成できることを理解すべきである。しかしながら、本発明の周期動作の選択の下で、患者への最大快適性に対し、前の呼吸から得られる状態に基づいて、周期動作基準を適用可能に変更することができる。
【００９６】
特定の閾値レベル及びタイミング等の前記始動動作媒介変数及び周期動作媒介変数を選択して、各患者のタイプ（成人、小児）、固有の変数及び不確定な測定値（ノイズ等）に対し、全て可能な肺媒介変数（レジスタンス（抵抗）、コンプライアンス）を通じてエスプリ人工呼吸装置に実施するときに、始動動作技術及び周期動作技術を有効に実施することができる。しかしながら、本発明は、所定の単数又は複数の目的を達成するため、好ましい最終目的及び最適化計画の推定に基づき、呼吸周期の間に本発明のアルゴリズム媒介変数を適用可能に変更することを企図することを理解すべきである。一方で呼吸動作を始動するのに要求される呼吸活動を最小化することに基づき及び他方で人工呼吸装置の自動周期動作（不正確な始動動作）を最小化することに基づいて、例えば、閾値等の始動動作性能を動的に最適化することができる。このように、この例に対し、自動周期動作を推定し又は監視しながら、動的プログラミング、神経網、ファジー論理等の従来の技術を使用して、呼吸毎に始動動作基準を調整することができる。自動周期動作の測定値が最小閾値に接近し又はこれを超えるとき、始動動作基準の調整により、方向又は重点を変更することもできる。
【００９７】
例えば、可能な範囲の肺機能、圧力測定値及び流量測定値の変化比率及び変化速度、供給される周期的体積に対する呼気体積の分析に基づき、自動周期動作を検出することができる。実行可能な一方法は、類似の呼吸設定値に対する周期的な体積の変化率を観測することにある。例えば、圧力制御された呼吸気体を供給しながら、人工呼吸装置の自動的な周期動作を早く行うほど、患者が呼気を行うのに十分な時間が得られず、より小さな吸気体積で同一の圧力レベルに達するので、連続的な呼吸に対し供給される周期的体積は小さくなる。
【００９８】
５．漏洩流量エラー補正及び表示
本発明の人工呼吸装置では、漏洩流量を正確に決定できない場合も発生することがある。これらの偶発性を説明するため、本発明では、現在の呼吸周期の間に及び／又は処理周期の間に決定される漏洩流量が有効か否かを検査し、処理周期の間の漏洩流量が有効でない場合でも、人工呼吸装置を確実に適正に操作する過程を実行する。特に、下記の論理アルゴリズムを実行して、処理周期の間に実際の漏洩流量が未決定のとき、漏洩係数LF及び周期閾値流量(CTF)をリセット又は制御する。
【００９９】
この過程では、各処理周期の間に、その周期に対し決定される漏洩流量が有効か否かの検査が行われる。人工呼吸装置の一定バイアス流量で、排出流量Qexhaustがバイアス流量より明確に少なければ、漏洩流量は無効と認められる。例えば、患者界面材がはずれて排出アセンブリ56を通じて僅かな流量しか排出されていない場合にこれが発生する。本発明の好適な実施の形態では、(1)呼吸周期の呼気段階の間に排出流量Qexhaustが1リットル／分より少ない場合又は(2)最悪でも推定される準拠性係数が極限閾値を越える場合に、現在の漏洩流量Qleak(n)も無効と判断される。本発明の好適な実施の形態では、呼気段階の第１の200ミリ秒制限区域の間に第1の状態は検査されない。
【０１００】
最悪の場合の推定される準拠性係数(Cwc)は下記のように演算される。各吸気段階の間に患者に供給される最悪時全気体体積(WCTV)は、小児に対し80リットル／分で成人に対し100リットル／分の限界漏洩流量(Qleak, max)を仮定して演算される。この第1は、各処理周期(n)の間に患者に供給される気体流量Qdeliveredを限界漏洩流量Qleak, maxと比較して、その間の差ΔQ(n)を決定する過程を含む。換言すれば、各処理周期(n)の間のΔQ(n)は下式により決定される。
【数１１】
2008194504.tif 000013
ここで、Q(n)deliveredは、患者に供給される気体の全流量の合計に相当し、即ち、Q(n)delivered＝Qprimary＋Qsecondaryである。供給される流量QdeliveredがQleak, maxより少なければ、ΔQ(n)は零に設定される。その後、吸気期間にわたり各処理周期の間に決定されるQdeliveredとQleak, maxとの再を合計することにより、最悪時全気体体積WCTVを吸気周期にわたり決定する。即ち、WCTVは、下式により決定される：
【数１２】
2008194504.tif 000014
ここで、nは処理周期、即ち、5ミリ秒時間間隔、Nは、呼吸周期の吸気期間内の処理周期の全数である。
【０１０１】
最悪時推定準拠性係数Cwcは下式により決定される：
Cwc＝WCTV/PIP                                            (19)
ここで、PIPは吸気ピーク圧力である。各吸気毎の終端で、最悪時推定準拠性係数Cwcが小児で150ミリリットル/cmH2Oより大きく、成人で300ミリリットル/cmH2Oより大きければ、漏洩推定流量は無効と判断される。最悪時推定準拠性係数Cwcを比較する閾値は、小児に対し150ミリリットル/cmH2O以外の値、成人に対し300ミリリットル/cmH2O以外の値を使用でき、本発明はこれらの特定値に限定されないことは理解されよう。
【０１０２】
第1のフラッグ（漏洩フラッグ１）及び第２のフラッグ（漏洩フラッグ２）を最初に真に設定する。その後、これらのフラッグの値を下記のように変更して、これらのフラッグの値に依存して、漏洩係数LF及び周期閾値流量(CTF)を制御することができる。処理周期の間に無効漏洩流量に対する前記状態に適合する場合に、プロセッサは現在の漏洩流量の決定値を使用すべきでかいことを意味する漏洩フラッグ１＝偽及び漏洩フラッグ２＝偽として２つのフラッグの両方を偽に設定する。一方、無効漏洩に対する前記の状態に適合せず、漏洩流量が有効であれば、漏洩フラッグ１は真に設定される。この時点では、漏洩フラッグ２を必ずしも真に設定する必要がない点に注意すべきである。
【０１０３】
その後、人工呼吸装置は、患者が呼気段階にあるか否かを決定する。呼気段階にありかつ第2のフラッグ（漏洩フラッグ２）が偽で、第1のフラッグ（漏洩フラッグ１）が真の場合、患者は、トリガー目的に対し非能動的な呼気区域にあると判断され、漏洩係数は零に設定される。これにより、全呼吸周期の間に漏洩流量が有効でなかったとしても人工呼吸装置は適正にトリガーする。患者が呼気段階にありかつ第2のフラッグ（漏洩フラッグ２）が真の場合、漏洩流量エラー過程が継続し、第2のフラッグ（漏洩フラッグ２）はこの時点でリセットされない。
【０１０４】
患者が吸気段階にありかつ第1のフラッグ及び第２のフラッグが偽の場合に、周期閾値流量CTFは、ピーク流量の45％に設定され、漏洩係数は、零に設定される。また、漏洩流量が無効と判断された場合に、バイアス流量基準は、成人に対し20リットル／分に設定され、小児に対し10リットル／分に設定される。無効漏洩に対する前記の状態に適合せず、漏洩流量が無効の場合に、第1のフラッグ（漏洩フラッグ１）は真に設定され、第２のフラッグも真に設定される。呼吸周期の吸気段階の間に第2のフラッグのみが真にリセットされるので、人工呼吸装置を有効にかつ強制的に作動して、人工呼吸装置がその漏洩流量データを使用する前に、有効な漏洩流量データに値する一つの全呼吸周期に補正する。
【０１０５】
本発明の例示的で好適な実施の形態では、推定される漏洩流量Qleakは各呼吸毎に表示される。推定される漏洩流量が警報閾値を越える場合、高い漏洩警報が発生する。操作者が選択的にこの高い漏洩警報を設定できることが好ましい。
【０１０６】
ある動作速度で稼動するデジタル式プロセッサで実施する例として本発明を前記のようき説明しが。この動作速度を変更できることは理解されよう。この場合に、前記の演算に使用される特定の定数を必要に応じて変更できる。また、本発明は、デジタル式プロセッサの実施されることを要しないことを理解すべきである。これに対し、全システム又はシステムの構成部品を前記デジタル式（ディスクリート式）でなく、アナログ（連続的な）方式で実施することも可能である。勿論、アナログシステムでシステムの全部品又は一部の部品を実施するには前記技術を適当に修正する必要がある。
【０１０７】
最も実施に適しかつ好適な実施の形態であると現在認められるものに基づき図示の目的で本発明を詳細に説明したが、詳細な説明は、単に説明の目的に過ぎず、本発明は開示した実施の形態に限定されないのみならず、発明の精神及び特許請求の範囲に包含される修正及び均等の構成を含むものと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の始動及び循環技術を実装するのに適する人工呼吸器システムのブロック図
【図２】正常で自発的な2つの呼吸周期の典型的な患者流量を示す波形図
【図３】本発明の原則に従い、図１の人工呼吸器システムにより実行される典型的始動過程の間に発生する患者流量及び患者圧力を示す波形
【図４】図１の人工呼吸器システムにより実行される始動過程のフローチャート
【符号の説明】
【０１０９】
(30)・・患者呼吸用気体流供給システム、  (32)・・気体流発生装置、  (36)・・流量コントローラ（流量制御弁）、  (46)・・コントローラ、  (38)・・流量センサ、  (50)・・患者管路、  (52)・・第１のアーム、  (54)・・第２のアーム、  (56)・・排出アセンブリ、  (60)・・圧力センサ、  （64）・・流量コントローラ、  （66）・・第２の気体流量システム、  (70)・・流量センサ、
【図１】
2008194504.tif 000015
【図２】
2008194504.tif 000016
【図３】
2008194504.tif 000017
【図４】
2008194504.tif 000018