(57)【要約】  人工呼吸器（１００）が、空気流の圧力及びガス混合を制御するように構成される。人工呼吸器は、ガス供給源（２２０）と；ガス供給源からのガス流量を制御するように構成された比例弁（２１０）と；比例弁と通信する混合制御装置（１７０）であって、ブロワを通るガス流を監視するように構成され、さらに、出力流中の酸素の割合を制御するように構成された混合制御装置（１７０）と；ブロワモータ１６０と；電流フィードバックループ、ブロワ速度フィードバックループ、流れフィードバックループ、及び圧力フィードバックループを用いて、ブロワモータの速度を制御するように構成されたブロワモータ制御装置（１６２）と；を含む。人工呼吸器は、例えば、擬似微分フィードバック補償器、補完フィルタ、及び／又は速度制御装置を含むこともできる。
2018528027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気流の圧力及びガス混合を制御するように構成された人工呼吸器であって、当該人工呼吸器は、
ガス供給源と、
該ガス供給源からのガス流量を制御するように構成された比例弁と、
該比例弁と通信する混合制御装置であって、ブロワを通るガス流を監視するように構成され、且つ出力流中の酸素の割合を制御するようにさらに構成される混合制御装置と、
ブロワモータと、
ブロワ速度フィードバックループ、流れフィードバックループ、及び圧力フィードバックループを用いて、前記ブロワモータの速度を制御するように構成されたブロワモータ制御装置と、有する、
人工呼吸器。
【請求項２】
前記混合制御装置及びブロワ制御装置は、前記出力流を協調的に制御するように構成される、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項３】
前記ブロワ速度フィードバックループは、前記ブロワモータの速度制御を線形化し、且つ速度制限を維持するように構成される、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項４】
前記流れフィードバックループは、前記人工呼吸器内の空気流の圧力の乱れを最小限にするように構成される、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項５】
前記圧力フィードバックループは、加えられた圧力軌跡を追跡するように構成される、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項６】
前記ブロワモータ制御装置は、機械圧力信号及び近位圧力信号を、ブロア圧力制御装置への単一のフィードバック信号にブレンドするように構成された補完フィルタを有する、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項７】
前記ブロワモータの速度を監視するように構成された速度制御装置をさらに有する、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項８】
人工呼吸器であって、当該人工呼吸器は、
電流フィードバックループ、ブロワ速度フィードバックループ、流れフィードバックループ、及び圧力フィードバックループを用いて、ブロワモータの速度を制御するように構成されたブロワモータ制御装置であって、機械圧力信号及び近位圧力信号を、前記ブロワモータ制御装置への単一のフィードバック信号にブレンドするように構成された補完フィルタをさらに有する、ブロワモータ制御装置と、
ブロワを通るガス流を監視するように構成され、出力流中の酸素の割合を制御するようにさらに構成された混合制御装置と、
前記ブロワモータの速度を制御するように構成された速度制御装置と、を有する、
人工呼吸器。
【請求項９】
擬似微分フィードバック補償器をさらに有する、請求項８に記載の人工呼吸器。
【請求項１０】
前記ブロワ速度フィードバックループは、前記ブロワモータの速度制御を線形化し、速度制限を維持するように構成される、請求項８に記載の人工呼吸器。
【請求項１１】
前記流れフィードバックループは、所望の流れ軌跡に対して前記人工呼吸器内のブロワガス流圧力の乱れを最小限にするように構成される、請求項８に記載の人工呼吸器。
【請求項１２】
前記圧力フィードバックループは、加えられた圧力軌跡を追跡するように構成される、請求項８に記載の人工呼吸器。
【請求項１３】
空気流の圧力及びガス混合を制御する方法であって、当該方法は、
人工呼吸器を提供するステップであって、前記人工呼吸器は、ガス供給源と、該ガス供給源からのガス流量を制御するように構成された比例弁と、該比例弁及びブロワ流量センサと通信する混合制御装置と、ブロワモータと、流量制御装置及び速度制御装置を含む圧力制御装置とを有する、提供するステップと、
前記ブロワモータを作動させ、前記比例弁を開けて人工呼吸器内で流れ圧力及び混合を生成するステップと、
ブロワ速度フィードバックループ、流れフィードバックループ、及び圧力フィードバックループを用いて、ブロワモータ制御装置によって、前記ブロワモータの速度を制御するステップと、
前記混合制御装置によって、ブロワを通る流れを監視するステップと、
前記混合制御装置を用いて、比例弁の流れを調整して混合制御を与えるステップと、を含む、
方法。
【請求項１４】
速度制御装置を用いて、前記ブロワモータの速度を監視するステップと、
前記速度制御装置を用いて、前記ブロワモータの速度を調整するステップと、を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記人工呼吸器は、補完フィルタをさらに有しており、該補完フィルタは、機械圧力信号及び近位圧力信号を、前記圧力制御装置への単一のフィードバック信号にブレンドするように構成される、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、人工呼吸システムにおける圧力及びガス混合を精密に制御するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
救命救急の人工呼吸を提供する最も一般的な手段は、気管内チューブを患者に挿管することを必要とし、この気管内チューブは、膨張可能なカフ（cuff）を用いて気管内でシールされる。この挿管は、気道を臨床的に管理し、肺の膨張を維持する最良の手段を提供するが、患者の組織擦過傷、感染、及び極度の不快感による鎮静状態を含む重大なリスクを招く。従って、挿管は、適切には侵襲的な換気と呼ばれ、挿管を行う臨床医の決定は、慎重に検討しなければならない。呼吸補助を必要とする特定のグループ（a  select  group）の入院患者にとって、挿管の有害な副作用につながるリスクは、その利点を上回る可能性がある。
【０００３】
侵襲的な換気の重大なリスクを考慮して、気道を介した支持を与える利点を提供するが、患者の口や鼻の上のマスクによる接続部、又は気管切開チューブを使用する代替のアプローチが、在宅医療の人工呼吸から展開されている。このアプローチは、非侵襲的な陽圧換気、又は単に非侵襲的な換気（NIV）と呼ばれる。非侵襲的な換気の場合に、単肢（single  limb）回路によって、非侵襲的な人工呼吸システムにおいて人工呼吸器がマスクに接続されるので、患者が再呼吸するであろう呼吸終期のＣＯ２を減少させるために、いくらかの漏れが、要求され、大抵の場合、意図的に導入される。これと比較して、侵襲的な換気は、呼気ガスを別々に運ぶ双肢（double  limb）接続回路を使用する。これにより、侵襲的な換気においてＣＯ２の再呼吸が防止され、従って漏れを必要としない。
【０００４】
救命救急患者の非侵襲的な換気は、典型的には、呼吸送達中の圧力及びガス混合（すなわち、酸素濃度の割合）を制御するために、周囲空気の供給源としてのブロワ（blower）と圧縮酸素の供給源としての比例弁との組合せを使用する。いくつかの設計では、比例弁は、ブロワの流れ制御によって呼吸送達の圧力が完全に生成されるように、純粋な酸素をブロワの低圧側又は入口側に導くが、他の設計では、比例弁は、ガスをブロワの高圧側、つまり出口側に導く。後者の他の設計の場合に、ブロワと比例弁との両方が圧力を発生させる。しかしながら、ブロワ制御装置及び比例弁制御装置を調整して精密且つ正確な圧力及び混合を達成するためには、複数の問題が存在する。例えば、ブロワの慣性は加速するのに時間がかかるので、ブロワの流れ応答時間は、典型的には、弁の応答時間よりもはるかに遅い。ブロワ自体の応答が遅いことは、一般に圧力応答時間に影響を与えるが、ブロワと弁との間の流れの動的な不一致が、圧力及び混合制御を困難な問題にしている。さらに、近位圧力感知ラインが非侵襲的な人工呼吸器に設けられるが、制御のためのソース（source）としてその圧力を使用することは、フィードバックループにかなりの遅延をもたらす。患者の気道により正確な定常状態の圧力を与えながら、測定される近位圧力の間のループを直接的に閉鎖することによって、速度が制限され、その制限された速度で、安定性に起因する圧力変化が生じ得る。ブロワの速度ループが応答を改善するのに役立ち得るが、低流量では低速であり、ホール感知回転速度計の測定値は低下する。エンコーダで制御された速度を使用できるが、ブロワシステムの信頼性が低下し、コストが増大する。
【０００５】
現行のシステムはまた、外乱の影響に対処することが困難であり、この外乱の影響は、外乱にもかかわらず、制御装置が所望の目標圧力に追従し、制御装置が外乱を増幅させるのではなく減衰させるのを確実にするために、設計の一部として考慮しなければならない。非侵襲的な換気の外乱の原因には、例えば、とりわけ（ａ）患者からの流れ外乱、（ｂ）患者接続部における摂動（例えば、漏れ及び部分的な閉塞）、（ｃ）ブロワモータ軸受及び空気力学的圧力負荷からのトルク外乱等が含まれる。同様に、患者から吐き出されたガスは、ブロワを通って周囲に流れ、供給源が酸素富化ガスでブロワ経路を前負荷することができる。その後のガスの再呼吸によって、所望の設定点を超えて追加の酸素が導入され、混合制御をさらに困難な問題にする。
【０００６】
さらに、人工呼吸器の制御は、大抵の場合、比例積分微分（PID）補償器を適用して過渡応答を安定化し、整形する。ＰＩＤ補償器を用いている間は、患者の圧力−流量動力学の変動によってオーバーシュートが発生する可能性があるが、ＰＩＤアーキテクチャ自体は、設計内に２つの実数又は複素数のゼロのペアを適用し、これは閉ループ応答に影響を及ぼすため、オーバーシュートを生じさせ得る。
【０００７】
従って、現行の非侵襲的な換気設計が直面する多くの問題を回避しつつ、圧力及びガス混合を安定した方法でより精密に制御する非侵襲的な人工呼吸システムが必要とされている。
【発明の概要】
【０００８】
本開示は、非侵襲的な人工呼吸システムにおいて圧力及びガス混合を制御するための創作性を有する方法及びシステムに関する。本明細書の様々な実施形態及び実装形態は、多段階カスケードフィードバックアーキテクチャを用いてブロワ圧力を制御する非侵襲的な人工呼吸システムに関する。補完フィルタがフィードバックアーキテクチャに使用され、このフィルタは、機械圧力信号及び近位圧力信号を単一の信号にブレンドしてフィードバックする。非侵襲的な人工呼吸システムは、混合推定器を使用し、且つ酸素比例弁流量サーボの流量軌跡を別個に決定し、ブロワ圧力制御システムの外乱として作用しないような高速且つ正確な混合制御を与える混合制御装置も含む。非侵襲的な人工呼吸システムは、モデルベースのモータ速度観測器を利用して低速での回転速度計の速度読取り値を補う速度制御装置をさらに含む。
【０００９】
概して、一態様では、空気流の圧力及びガス混合を制御するための人工呼吸器が提供される。人工呼吸器は、（ｉ）ガス供給源と、（ｉｉ）ガス供給源からのガス流量を制御するように構成された比例弁と、（ｉｉｉ）比例弁と通信する混合制御装置であって、比例弁を通るガス流を監視するように構成され、且つ空気流中の酸素の割合を制御するようにさらに構成された混合制御装置と、（ｉｖ）ブロワモータと、（ｖ）ブロワ速度フィードバックループ、流れフィードバックループ、及び圧力フィードバックループを用いて、ブロワモータの速度を制御するように構成されたブロワモータ制御装置と、を含む。
【００１０】
一実施形態によれば、混合制御装置及びブロワ制御装置は、出力流を協調的に制御するように構成される。
【００１１】
一実施形態によれば、ブロワ速度フィードバックループは、ブロワモータの速度制御を線形化し、オーバーシュート又はワインドアップ（windup）することなしにハードブロワ速度制限を与えるように構成される。
【００１２】
一実施形態によれば、流れフィードバックループは、圧力制御装置によって命令された目標流量に対して人工呼吸器内のガス流の乱れを最小化するように構成される。
【００１３】
一実施形態によれば、圧力フィードバックループは、加えられた圧力軌跡を追跡するように構成される。
【００１４】
一実施形態によれば、人工呼吸器は、所望の軌跡のオーバーシュートを誘発する補償器を排除するための擬似微分補償器をさらに含む。
【００１５】
一実施形態によれば、圧力制御装置は、機械圧力信号及び近位圧力信号を制御装置への単一の信号にブレンドするように構成された補完フィルタを有する。
【００１６】
一実施形態によれば、人工呼吸器は、ブロワモータの速度を制御するように構成された速度制御装置をさらに含む。
【００１７】
概して、一態様では、人工呼吸器が提供される。この人工呼吸器は、（ｉ）電流フィードバックループ、ブロワ速度フィードバックループ、流れフィードバックループ、及び圧力フィードバックループを用いて、ブロワモータへの入力電流を制御するように構成されたブロワモータ制御装置であって、機械圧力信号及び近位圧力信号を圧力制御装置のための単一のフィードバック信号にブレンドするように構成された補完フィルタをさらに有するブロワモータ制御装置と、（ｉｉ）比例弁を通るガス流を監視するように構成され、患者への空気流中の酸素の割合を制御するようにさらに構成された混合制御装置と、（ｉｉｉ）空気流量を制御するように構成された速度制御装置と、含む。
【００１８】
概して、一態様では、ガス流出の圧力及びガス混合を制御する方法であって、この方法は、（ｉ）人工呼吸器を提供するステップであって、この人工呼吸器は、ガス供給源と、ガス供給源からのガス流量を制御するように構成された比例弁と、比例弁、ブロワ流量センサ、ブロワモータ、及び圧力制御装置と通信する混合制御装置とを有し、圧力制御装置は流量制御装置及び速度制御装置を有する、提供するステップと、（ｉｉ）ブロワモータを作動させ、比例弁を開けて人工呼吸器内に流れ及び圧力を生成するステップと、（ｉｉｉ）圧力制御装置によって、ブロワ速度フィードバックループ、流れフィードバックループ、及び圧力フィードバックループを用いて、ブロワモータの速度を制御するステップと、（ｉｖ）混合制御装置を用いて、人工呼吸器を通る流れを監視するステップと、（ｖ）混合制御装置を用いて、比例弁の流れを調整して混合制御を与えるステップと、を含む。
【００１９】
一実施形態によれば、この方法は、ブロワモータ制御装置によって、測定された速度のフィードバックに基づいて、ブロワモータの速度を調整するステップをさらに含む。
【００２０】
一実施形態によれば、この方法は、速度制御装置を用いて、ブロワの速度を監視するステップと、速度制御装置を用いて、ブロワの速度を調整するステップとを含む。
【００２１】
一実施形態によれば、人工呼吸器は、機械圧力信号及び近位圧力信号を、圧力制御装置への単一の信号に混合するように構成された補完フィルタをさらに有する。
【００２２】
前述した概念及び以下により詳細に議論する追加の概念の全ての組合せ（そのような概念が互いに矛盾しないことを条件とする）は、本明細書に開示される本発明の主題の一部であると考えられることを理解されたい。特に、本開示の最後に示される特許請求の範囲に記載される主題の全ての組合せは、本明細書に開示される本発明の主題の一部であると考えられる。
【００２３】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して説明され、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一実施形態による非侵襲的な人工呼吸システムの概略図である。
【図２】一実施形態による比例流量弁システムの概略図である。
【図３】一実施形態による非侵襲的な人工呼吸システムの概略図である。
【図４】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸システムにおける圧力及びガス混合を制御する方法のフローチャートである。
【図５】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸システムのブロワ圧力制御システムの概略図である。
【図６】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸器のブロワ圧力制御ループ補償器のモデルの概略図である。
【図７】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸器の流量ループ補償器のモデルの概略図である。
【図８】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸器のブロワ速度ループ補償器のモデルの概略図である。
【図９】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸器の混合制御装置の概略図である。
【図１０】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸器の混合制御装置の混合推定器の概略図である。
【図１１】一実施形態による再呼吸シーケンシャル論理の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面において、同様の参照符号は、通常、異なる図を通して同じ部分を指す。また、図面は必ずしも縮尺通りではなく、その代わりに本発明の原理を例示する際に強調が通常なされる。
【００２６】
本開示は、人工呼吸システム及び方法の様々な実施形態について記載する。より一般的には、出願人は、圧力及びガス混合を正確に測定し、調整し、且つ制御する非侵襲的な人工呼吸システムを提供することが有益であることを認識し理解した。例えば、非侵襲的な人工呼吸システム及び方法は、ブロワ圧力を制御するために多段階カスケードフィードバック制御を利用する。フィードバックアーキテクチャに、補完フィルタが使用され、このフィルタは、機械圧力信号及び近位圧力信号を単一の信号にブレンドしてフィードバックする。このシステムは、混合推定器を有する混合制御装置も含み、この混合制御装置は、酸素比例弁の流量サーボの流量軌跡を個別に判定し、高速且つ正確な混合制御を与える。このシステムは、モデルベースのモータ速度観測器を利用して低速での回転速度計の速度読取り値を補完する速度制御装置も含む。この方法及びシステムは、非侵襲的な人工呼吸器における圧力とガス混合との両方のより正確な制御をもたらす。
【００２７】
以下に説明する方法及びシステムは、非侵襲的な換気に適用されるが、この方法及びシステムは、比例流量弁を使用するあらゆる流量制御システムに同様に利用され得、特に、弁の絞り速度が、流量制御の所望の閉ループ帯域幅よりも著しく早い場合に利用され得る。
【００２８】
図１を参照すると、一実施形態では、この図は、例示的な非侵襲的な人工呼吸システム１００を表している。この実施形態では、比例弁は、ブロワの高圧側、つまり出口側にガスを導入し、それによってブロワと比例弁との両方が圧力を発生させる。また、一実施形態によれば、システムは、患者接続部の近くに有意な漏れ流れがあり、呼気中に患者が吐き出したガスがブロワを介して逆方向に移動する可能性を有するような単肢（single  limb）人工呼吸器である。
【００２９】
システム１００は、とりわけ、大気及び酸素を含むがこれに限定されない、呼吸に利用される任意のガスであり得るガス供給源２２０（図２参照）を含む。ガス供給源は、人工呼吸器から所定の圧力で放出される。システムは、他のタイプの制御装置の中でも、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ASIC）、システムオンチップ（SOC）、及び／又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）である制御装置１２０も含む。制御装置は、プロセッサを使用して又は使用せずに実装することができ、及びいくつかの機能を実行するための専用ハードウェアと、他の機能を実行するためのプロセッサ（例えば、１つ又は複数のプログラムされたマイクロプロセッサ及び関連回路）との組合せとして実装してもよい。
【００３０】
制御装置１２０は、本明細書に記載されるか、又は他に想起される実施形態によるシステムの動作に必要な任意の必要なメモリ、電源、Ｉ／Ｏ装置、制御回路、及び／又は他の装置と結合することができ、又は他にこれらの装置と通信ことができる。例えば、様々な実装形態において、プロセッサ又は制御装置を、１つ又は複数の記憶媒体に関連付けてもよい。いくつかの実装形態では、記憶媒体は、１つ又は複数のプログラムで符号化してもよく、プログラムは、１つ又は複数のプロセッサ及び／又は制御装置上で実行されたときに、本明細書に記載される機能の少なくとも一部を実行する。様々な記憶媒体は、プロセッサ又は制御装置内に固定してもよく、又は持ち運び可能であり、その記憶媒体に記憶された１つ又は複数のプログラムをプロセッサ又は制御装置にロードして、本明細書に記載される本発明の様々な態様を実施させてもよい。「プログラム」又は「コンピュータプログラム」という用語は、本明細書では、任意のタイプのコンピュータコード（例えば、ソフトウェア又はマイクロコード）を意味するために一般的な意味で使用され、コンピュータコードは、１つ又は複数のプロセッサ又は制御装置をプログラムするために使用される。
【００３１】
一実施形態によれば、システムは、遠隔の人工呼吸器の構成要素１４０からユーザインターフェイス１５０にガスを送達するチューブ又は配管１３０を含む。ユーザインターフェイス１５０は、例えば、ユーザの口及び／又は鼻の全部又は一部を覆う顔面マスクとすることができる。異なるサイズの患者又は個人に適合するために、多くの異なるサイズのマスクが存在してもよく、及び／又はマスクは調節可能であってもよい。別の代替案として、ユーザインターフェイス１５０は、気管切開チューブ内又は上で嵌合し、又は他に気管切開チューブと相互作用することができる。従って、ユーザインターフェイス１５０は、様々な形状及びサイズの気管切開部に適合するための様々なサイズであってもよい。ユーザインターフェイスは、患者の気道の少なくとも一部に適合するように構成される。
【００３２】
システム１００はまた、比例弁システム２００（図２に示される）と共にシステムの流れ及び圧力を生成する、モータを有するブロワ１６０を含む。ブロワモータは、例えばモータの速度を制御できるブロワモータ制御装置１６２によって制御される。一実施形態によれば、ブロワモータは、ブロワの構成要素であり、羽根車、ハウジング、及びモータを含むことができる。システムの流れ及び圧力は、ブロワモータの速度によって部分的に決定され、次にブロワモータ制御装置１６２によって制御される。ブロワモータ制御装置１６２は、制御装置１２０と同じ制御装置であってもよく、又は好ましくは制御装置１２０と通信する別個の制御装置であってもよい。制御装置は、任意のプロセッサとすることができ、本明細書に記載されるか、又は他に想起される実施形態によるシステムの動作に必要なメモリ、電源、Ｉ／Ｏ装置、制御回路、及び／又は他の装置と結合することができ、又は他にこれらの装置と通信ことができる。
【００３３】
一実施形態によれば、システム１００は、周囲空気と高圧酸素との両方を使用する。周囲空気は、入口フィルタを通って入り、酸素は、比例弁システム２００によって制御される高圧入口を通って入る。従って、人工呼吸器内のガスの流れ及び圧力を制御するために、システム１００は、ブロワモータの速度と比例弁システムの動作との両方を精密に制御する。図２を参照すると、一実施形態では、この図は、比例弁システム２００である。比例弁システムは、比例弁２１０を含み、比例弁２１０は、当該技術分野において既知の任意の比例弁であり得る。ねじ式比例弁、電磁式比例弁、及び他の多くのタイプの比例弁を含む多くの異なるタイプの比例弁が存在する。これらの弁のいずれもシステム２００に利用することができる。比例弁システムは、高圧ガス供給源２２０も含む。ガス供給源は、周囲環境空気、酸素タンク、窒素タンク、これらの混合物等を利用するガス供給源、だけでなく非常に広範な種類の他のガス供給源とすることができる。ガスが人によって呼吸可能である必要はなく、従ってガス供給源は有毒ガス又は他のガスであり得る。比例弁２１０が少なくとも部分的に開いている場合に、ガス供給源２２０からのガスは２３０を介してガス供給源から出て出口２４０を通って抜け出る。比例弁２１０は、ガス供給源を出るガスの量、及び一定量のガスがガス供給源から出る速度を制御する。
【００３４】
比例弁システムは、制御装置１２０と同じ制御装置とし得る制御装置２５０を含む、又は好ましくは制御装置１２０と通信する別個の制御装置とすることができる。制御装置は、任意のプロセッサであってもよく、本明細書に記載されるか、又は他に想起される実施形態によるシステムの動作に必要なメモリ、電源、Ｉ／Ｏ装置、制御回路、及び／又は他の装置と結合することができ、又は他にこれらの装置と通信ことができる。制御装置２５０が図２の比例弁２１０とは別個のものとして示されているが、他の実施形態によれば、制御装置は、弁の外部に取り付けてもよく、弁の一体型要素であってもよく、弁から完全に切り離してもよく、弁と他の物理的な関係にあってもよい。制御装置が弁から切り離されている場合には、制御装置と弁との間で無線通信を行うことができる。
【００３５】
制御装置２５０は、比例弁２１０を制御し、こうして、ガス供給源から出るガスの量、及び一定量のガスがガス供給源から出る速度を制御する。制御装置は、ユーザ等の外部ソースによって指示され、及び／又はプログラミングによって指示され得る。例えば、ユーザは、ボタンを押したり、流量を増大しなければならないことを示す他の入力を与えたりすることができ、制御装置は、その信号を受け取り、比例弁に信号を与えて流量を増大させる。あるいはまた、制御装置又は関連するプロセッサは、特定の時間、応答、又は他の入力に従って流量を減少又は増大させるようにプログラム又は構成される。システム２００は、流量センサ２６０も含む。流量センサは、比例弁２１０を出た後のガス流量を検出する。一実施形態によれば、比例弁システム２００は、図２に示されるように、人工呼吸器１００の構成要素である。従って、出力２４０は、患者に通じる配管１３０であるか、又は配管１３０に接続され得る。
【００３６】
図３を参照すると、一の実施形態では、この図は、ブロワ１６０及び比例弁システム２００を含む例示的な非侵襲的な人工呼吸システム１００を表し、比例弁システム２００は、システムへの高圧ガス流を設定及び調整するように制御される比例弁を含む。この実施形態では、比例弁は、酸素等の高圧ガスをシステム内に導入する。ブロワ１６０の動作によって、周囲空気がシステム内に引き込まれ、ブロワで加圧され、比例弁システムからの酸素と混合され、次に患者に送達される。人工呼吸システムは、高圧ガス流を検出するためのガス流量センサ２７０も含むことができる。ガス流量センサ２７０からの情報を使用して、例えば、ガス流量を正確に送達するように比例弁２１０を解析及び／又は調整することができる。人工呼吸システム１００は、例えば、ブロワ１６０内の周囲空気の流れを検出する空気流量センサ１９０も含むことができる。空気流量センサ１９０からの情報を使用してブロワ１６０を解析及び／又は調整し、正確な空気流が送達されるのを確実にすることができる。あるいはまた、ガス流量センサ２７０及び空気流量センサ１９０のいずれかを使用して、ガス又は空気の供給における誤差をそれぞれ検出することができる。周囲空気及び高圧ガスは、これら２つのガスが混合されるマニホールドに到達する。混合ガスは次に患者に送られる。混合ガスは、患者１００に送達される前に、ブロワ１６０と比例弁２１０との両方によって加圧される。特定の構成のシステムが図３に示されているが、この構成に対する多くの変形が可能である。
【００３７】
図４を参照すると、一実施形態では、この図は、非侵襲的な人工呼吸システムにおける圧力及びガス混合を制御する方法４００のフローチャートを示す。ステップ４１０において、非侵襲的な人工呼吸システム１００が提供される。システムは、本明細書に記載されるか又は他に想起される非侵襲的な人工呼吸システムのいずれかであり、例えば、他の構成要素の中でも制御装置１２０、ブロワ１６０、ブロワモータ制御装置１６２、比例弁２１０、比例弁制御装置２５０、ガス供給源２２０、及び流量センサ２６０を含むことができる。他の実施形態も可能である。
【００３８】
この方法のステップ４２０において、人工呼吸システム１００が起動され、制御装置１２０は、同じ制御装置とし得るブロワモータ制御装置１６２に指示してブロアモータを起動させて、周囲空気をシステム内に吹き込む。制御装置１２０はまた、同じ制御装置とし得る比例弁制御装置２５０に指示して比例弁２１０を開き、高圧ガスがシステムに入ることを可能にする。起動されたブロワ１６０及び開放された比例弁２１０が一緒になって、流れ及び圧力を生成し、及びそれらの流量比によって、システム内に特定のガス混合物を生成する。
【００３９】
この方法のステップ４３０において、ブロワモータ制御装置１６２は、多段階フィードバック機構５００を用いて、ブロワモータの速度を制御及び調整する。図５を参照すると、一実施形態では、この図は、多段階フィードバック機構の概略図を示す。一実施形態によれば、システム１００は、正確な圧力追跡及び維持のために、広範囲の速度及び負荷動特性（load  dynamics）に適応しなければならない。システムは、他の制御要件の中でも、圧力軌跡を調整しながら流れの乱れを許容する必要があり得る。これらの要件を満たすために、システム１００は、４つのネスト型フィードバック制御ループ（すなわち、（１）電流フィードバックループ、（２）ブロワ速度フィードバックループ、（３）流れフィードバックループ、（４）圧力フィードバックループ）を有するカスケード制御アーキテクチャを利用する。このアーキテクチャは、内部ループの剛性（stiffness）を最大にし、各サブレベルで外乱の除去を管理し、最も高いレベルの圧力制御によって高性能を達成できるようにする。一実施形態によれば、電流フィードバックループは、逆起電力（back-emf）の影響を最小限に抑え、モータの固有の電気的時定数を克服する。ブロワ速度フィードバックループは、速度制御を線形化し、モータ負荷の外乱を除去し、高い精度で最高速度の制約にハード制限（hard-limit）をかけることができる。流れフィードバックループは、患者の必要流量、咳、及び部分的な回路閉塞によって引き起こされる圧力障害の影響を除去するのに役立つ。圧力フィードバックループは、最高レベルで、適用された圧力軌跡を正確に追跡する。このシステムには、ＰＩＤゼロによって引き起こされるオーバーシュートを排除するが、ＰＩＤの特性安定性を保持する圧力制御用の擬似微分（PDF）補償器も含むことができる。流れループ補償器もＰＤＦであり、速度ループはＰＩＤである。
【００４０】
一実施形態によれば、補完フィルタが、ブロワモータ制御装置１６２に設けられ、フィードバック用に使用される。フィルタは、機械圧力信号及び近位圧力信号を単一の信号にブレンドしてフィードバックする。一実施形態によれば、ブレンドは、低周波数の近位センサと高周波数の機械センサとの相補的な周波数帯域に亘って行われる。遅延の少ない機械信号は、安定しているが、ブロワ応答が高速になると、（近位患者接続部での圧力測定値である）プロックス（prox）信号、定常状態での正確な近位圧力を提供する。
【００４１】
この方法のステップ４４０において、混合制御装置１７０は、回路及びブロワを通る流れのサイズ及び方向を監視し、酸素比例弁の流量を調整して混合制御を与える。一実施形態によれば、混合制御装置は、高速且つ正確な混合制御を与える酸素比例弁流量サーボの流れ軌跡を別々に決定する。例えば、現在の混合に誤差が検出された場合に、混合制御装置は混合を修正することができる。一実施形態によれば、混合補正は、制御装置のフィードフォワード部分と共に働くＰＩＤ補償器を含むフィードバック制御装置から構成される。一実施形態によれば、混合制御装置はまた、内部マニホールドを通る流れ供給源のサイズ及び方向を厳密に追跡し続けることによって、再呼吸の問題を補償する。これは、再呼吸によってブロワ経路内のガスがどの位富化されるかを決定し、混合制御装置はこれを補償するために酸素流量を減少させる。フィードフォワード経路は、設定された混合に対する高速応答のために使用され、定常状態において高精度のためにより遅いフィードバックを使用する。
【００４２】
一実施形態によれば、混合制御装置は、混合制御装置によるＯ２補正のためのフィードバック推定値を提供し、且つ回路及びブロアを通る流れのサイズ及び方向を厳密に監視する混合推定器を利用する。図１０を参照すると、一実施形態では、この図は、混合推定器１０００の概略図を示す。
【００４３】
ステップ４５０において、速度制御装置が、速度を監視し、低速度での回転速度計の速度の読取り値を補うので、非常に低速度でのブロワ速度を制御することができる。一実施形態によれば、速度制御装置は、流量制御装置及び電流制御装置をブリッジし、粘性摩擦及びトルクに関連する外乱を除去する。速度制御装置は、低速での回転速度計の速度の読取り値を補うためにモデルベースのモータ速度観測器に依存している。これにより、ブロワによる呼気中の圧力過渡を制御する能力が大幅に向上する。
【００４４】
ステップ４６０において、圧力及び／又は流量の変化が生じ、システムは、例えば、混合の増減、比例弁システムによる圧力の増減、及び／又はブロワモータの速度の増減によって適合される。圧力及び／又は流量の変化は、人工呼吸器の設定の変更等の変更要求であり得る。この変更は、システム内のリークの結果や人工呼吸器ユーザの状態、位置、又は他の変更の変化であり得る。システム１００は、変化を検出及び判定し、本明細書に記載の制御装置（複数可）及び方法を用いて、システムを調整し、圧力及び／又は流量を適切な設定に戻す。
【００４５】
非侵襲的な換気圧力制御
【００４６】
図５を参照すると、一実施形態では、この図は、速度ループ、流れループ、及び圧力ループを有するカスケード圧力制御装置５００の概略図を示す。非侵襲的な換気圧力制御は、ブロワ及び酸素弁からのガス供給源を利用して、漏れが予想される単肢回路を介して患者に混合ガス支持を与える。システム内の制限された動的な差異を克服するために、「スレーブ」と呼ばれる別の混合アプローチが使用される。スレーブでは、酸素流量サーボループは、測定された総流量の一部によって決定される流れ軌跡に従うように行われる。スレーブアルゴリズムの詳細について以下に述べるが、最初に、非侵襲的な換気圧制御混合、すなわちブロワ経路内の患者呼気ガスの再呼吸に影響を及ぼす問題も考慮する必要がある。単肢回路システム並びに特定の設定及び患者負荷について、呼気中のガスはブロワ経路を通る方向を逆転させることができ、その後の呼吸のためにその経路を酸素で富化する。混合の正確さを満たすためには、混合制御で再呼吸を考慮する必要がある。
【００４７】
一実施形態によれば、システムはまた、正確な圧力追跡のために広範囲の負荷動特性に適応する必要がある。また、システムは、圧力軌跡を調整しながら流れの乱れを許容する必要がある。そのような能力を満たし、厳格な速度制限能力を提供するために、カスケード制御アーキテクチャを利用することができる。一実施形態によれば、カスケードアーキテクチャは、３つのネスト型フィードバック制御ループ、すなわち、（ｉ）速度ループ、（ｉｉ）流れループ、（ｉｉｉ）圧力ループを含む。
【００４８】
一実施形態によれば、最も内側のループは、その出力としてブロワ電流コマンドを提供し、その入力として流れループから次の上位レベルの速度軌跡、ブロワ速度、電流及び電圧測定値を受け取ってブロワ速度を推定し、フィードバックする。速度ループは、内部アンチワインドアップ（anti-windup）制御を維持するだけでなく、圧力制御装置にフィードバックする出力信号を提供して、速度ループが飽和限界に達した場合に圧力制御装置の積分器を徐々に終了させる（wind-down）ようにする。流れループは、圧力ループ、カスケード内の最も外側のループからの流量軌跡をその入力として、及びブロワ流量の測定値をフィードバックとして受け取る。圧力ループは、特定の換気モード（ＰＣ、ＰＰＶ等）からの圧力軌跡、フィードバック用の補完フィルタによってブレンドされた近位圧力測定値及び機械圧力測定値、及び速度ループからの飽和速度信号を入力として受け取る。制御に対するカスケードアプローチは、主要な制御目標を満たす際にプロセスが複数の関連する測定値を提供できる場合に活用することができる。中間のフィードバック信号を考慮することにより、追跡及び外乱の除去を改善するためのプロセスを設計することができる。圧力制御では、圧力、流量、及び速度の測定値がカスケード制御のために考慮される。
【００４９】
一実施形態によれば、内側の速度ループは、局所的に通信して外側圧力ループに戻り、最大速度又は最小速度での飽和からの即時回復を提供するアンチワインドアップ機構を有する。この非線形制御規定によって、オーバーシュートや制御の喪失なしに電流制限が可能になるのと同じくらい迅速にブロワを加速することが可能になる。一実施形態によれば、速度ループフィードバック信号は、高速用のＸ６ホール回転速度計信号と低速用のモデルベースの推定器との組合せによって提供され、０までずっとエイリアシングされた位相リップルのない１ｋＨｚのサンプルレートを提供することができる。中間ループ流れフィードバック制御装置は、圧力制御ループの流れの外乱を除去するのに役立ち、圧力ループ制御のための追加の減衰作用を提供するのに役立つ。
【００５０】
一実施形態によれば、圧力及びスレーブ混合制御の動力学は、それら動力学が扱う負荷の観点から緊密に絡み合っており、必要な安定性及び性能を達成するには機能的に一緒に検討しなければならないが、２つの制御装置は、互いに形態的に別個であり、別々に記述することができる。なお、図５及び図６は、制御装置の構成要素の一般的な構造及びそれら構成要素同士の間の接続を示す。しかしながら、カスケード制御、圧力、流量、及び速度補償器の各構成要素について以下でさらに詳細に説明する。
【００５１】
非侵襲的な換気圧力補償器
【００５２】
図６を参照すると、一実施形態では、この図は、ブロワ圧力制御ループ補償器６００の概略図を示す。機械圧力は、制御の安定性に関して最良の圧力測定値を与えるが、制御のために意図した基準フレームは、遠隔のより近位側の患者接続部である。しかし、近位患者接続部（“ｐｒｏｘ”又は“Ｐｐｒｏｘ”）での流れ動作と圧力測定との距離が大きく離れると、フィードバックループに著しい輸送遅延が生じる。この遅延は、典型的には、安定した動作を達成するためにより低いループゲインを必要とするため、性能（立ち上がり時間、オーバーシュート等）の低下が予想される。近位圧力基準フレームでの操作は必須条件となり、安定性と性能との両方を回復するには、２つの圧力を一緒にブレンドして１つの圧力測定値とする補完フィルタを使用することができる。圧力軌跡と近位圧力との間の追跡誤差は、定常状態で（及びある程度低い周波数まで）最も重要であり、安定性に余裕を持たせた交差周波数は、通常、より高い周波数範囲で生じる。従って、近位圧力及び機械圧力は、それぞれ、別々の周波数帯域に亘って情報を分離するフィルタによって処理できるが、フィードバック制御についていずれかを独立して行うよりも、組み合わせた方がより効果的なフルバンドを提供することができる。
【００５３】
一実施形態によれば、補完フィルタは、汎用フィルタの構成を用いて実現され、フィードバック圧力のＰｐｒｏｘ（近位圧力）成分（Ｐｆｄｂｋ）用の低域通過フィルタ及びＰｍａｃｈ成分用の帯域通過フィルタとして機能する。補完フィルタの指定には、低域通過フィルタ及び帯域通過フィルタの振幅周波数応答が交差する交差周波数ωｘを定義する必要がある。
【数１】
2018528027.tif 000003
【００５４】
近位ライン切断又は閉塞は、切断及び閉塞アルゴリズム（本開示では説明しない）によって判定することができる。ＦＬＰ（ｎ）について、以下の設定で汎用フィルタを使用することができる：ａ＝０；ｂ＝ωｘ＝６．２８ラジアン（ｒａｄ）／秒（１Ｈｚ）；ｃ＝１；ｄ＝ωｘ；ΔＴ＝０．００１秒；ｘ（ｎ）＝Ｐｐｒｏｘ（ｎ）における汎用フィルタ入力；ｙ（ｎ）＝ＦＬＰ（ｎ）における汎用フィルタ出力である。ＦＢＰ（ｎ）について、以下の設定で帯域通過フィルタを使用することができる：ωｌｏｗ＝ωｘ；ωｈｉｇｈ＝２５１３．３ｒａｄ／秒（４００Ｈｚ）；ΔＴ＝０．００１秒；帯域通過フィルタ入力ｕ（ｎ）＝Ｐｍａｃｈ（ｎ）を設定する；帯域通過フィルタ出力ｖ（ｎ）＝ＦＢＰ（ｎ）を設定することである。一実施形態によれば、圧力制御装置のサーボ誤差εｐ（ｎ）は、圧力軌跡Ｐｔｒａｊ（ｎ）と測定された（生の）圧力Ｐｆｄｂｋ（ｎ）との差である。
εｐ（ｎ）＝Ｐｔｒａｊ（ｎ）−Ｐｆｄｂｋ（ｎ）（式２）
【００５５】
圧力ループＰＤＦ補償器
【００５６】
一実施形態によれば、圧力ループ補償器の基本構造は、擬似微分フィードバックアーキテクチャを使用する。この構造は、ＰＩＤ補償器が使用される場合と同じ閉ループ動力学を達成するが、ＰＤＦ構造はＰＩＤに導入されたゼロを除去し、結果的に制御装置自体によってもたらされるオーバーシュートを排除する。図６は、積分器への入力Ｑｉ＿ｉｎ（ｎ）が、速度及び圧力制御装置からのアンチワインドアップフィードバック成分と、積分ゲインＫｉＰ及び圧力サーボ誤差εｐ（ｋ）の積とを合計することによって計算されることを示す。
Ｑｉ＿ｉｎ（ｎ）＝ＫａＰＩＩｂ＿ｓａｔ（ｎ）＋ＫａＰＱｂ＿ｓａｔ（ｎ）＋ＫｉＰεｐ（ｎ）（式３）
【００５７】
一実施形態によれば、以下のゲインを用いることができる：ＫｉＰ＝３００ｌｐｍ／ｃｍＨ２Ｏ；ＫａＰ＝１０秒−１；及びＫａＰＩ＝１０秒−１である。積分は離散時間で前進差分（forward  difference）によって近似される。積分器の出力Ｑｉ＿ｏｕｔ（ｎ）は次のように計算される。
Ｑｉ＿ｏｕｔ（ｎ）＝ΔＴＱｉ＿ｉｎ（ｎ−１）＋Ｑｉ＿ｏｕｔ（ｎ−１）（式４）
及び初期条件Ｑｉ＿ｉｎ（０）＝０である。積分器は始動後に決してリセットされない。
【００５８】
圧力のフィードバック成分は、フィルタ処理された機械圧力ＱＰ（ｎ）及び圧力変化の時間変化率Ｑｄ（ｎ）のスケール値を含み、後者の時間変化率Ｑｄ（ｎ）は機械圧力のフィルタ後の微分によって推定される。一実施形態によれば、本明細書に記載される方法は、以下の割当て変数及びパラメータを代入することによって、これらの成分を計算するために利用され得る。フィードバック圧力Ｐｆｄｂｋ＿ｆ（ｎ）の導関数については、以下の導関数が利用される。
【数２】
2018528027.tif 000004
【００５９】
次に、生の（raw）流れ制御コマンドＱｓｕｍ（ｎ）が、積分器の出力成分及びフィードバック成分の和及び差として計算される。
【数３】
2018528027.tif 000005
ここで、ＫｄＰ＝０．１５  ｌｐｍ−秒／ｃｍＨ２Ｏ；ＫｐＰ＝１２  ｌｐｍ／ｃｍＨ２Ｏである。圧力補償器の出力であるブロワ流れ軌跡Ｑｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）は、流れ限界によって制約される。
Ｑｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）＝ｍｉｎ｛Ｑｂ＿ｔｒａｊＭａｘ，ｍａｘ｛Ｑｂ＿ｔｒａｊＭｉｎ，Ｑｓｕｍ（ｎ）｝｝（式７）
ここで、Ｑｂ＿ｔｒａｊＭａｘ＝２５０  ｌｐｍであり、
【数４】
2018528027.tif 000006
である。
【００６０】
最後に、飽和差が計算され、流れ限界に起因する圧力のアンチワインドアップのループを完了する。
Ｑｂ＿ｓａｔ（ｎ）＝Ｑｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）−Ｑｓｕｍ（ｎ）（式８）
【００６１】
非侵襲的な換気ブロワ流量補償器
【００６２】
一実施形態によれば、流量制御装置は、圧力及びブロワ速度制御ループを結合し、流れが応答する方法に基づいて圧力制御にいくつかの調整（条件付け）を与えるように設計される。この調整（条件付け）は、圧力制御の減衰を与え、また流れの乱れから圧力制御を大幅に隔離させる。図７を参照すると、一実施形態では、この図は、ＰＤＦ構造に基づく流れループ補償器７００の概略図を示す。
【００６３】
流量サーボ誤差を計算するためにフィードバックを使用する前に、生のブロワ流量測定値Ｑｂ（ｎ）が、まず、２次低域通過フィルタを用いて高周波ノイズを低減するようにフィルタ処理され得る。フィルタ処理されたブロワ流量測定値Ｑｂｆ（ｎ）を得るために、以下の信号代入及びパラメータ設定を利用することができる：ｘ（ｎ）＝Ｑｂ（ｎ）；ｙ（ｎ）＝Ｑｂｆ（ｎ）；ω０＝３０００ｒａｄ／秒；ζ＝０．７０７；ΔＴ＝０．００１秒である。図７に示されるように、流量制御装置のサーボ誤差εＱ（ｋ）は、ブロワ流量軌跡Ｑｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）と、スケーリングされフィルタ処理されたブロワ流量測定値Ｑｂｆ（ｎ）との間の差として計算することができる。
εＱ（ｎ）＝Ｑｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）−Ｑｂｆ（ｎ）（式９）
【００６４】
図７は、積分器への入力ωｉ＿ｉｎ（ｎ）が、アンチワインドアップフィードバックと、積分ゲインＫｉＱ及び流量サーボ誤差εＱ（ｎ）の積とを合計することにより計算されることを示す。
ωｉ＿ｉｎ（ｎ）＝ＫａＱωｂ＿ｓａｔ（ｎ）＋ＫｉＱεＱ（ｎ）（式１０）
ここで、以下のゲインが使用される：ＫａＱ＝１０秒−１；ＫｉＱ＝２０００ｒｐｍ／ｌｐｍ−秒である。積分は、離散時間で前進差分によって近似される。積分器の出力ωｉ＿ｏｕｔは、以下のように計算される。
ωｉ＿ｏｕｔ（ｎ）＝ΔＴ＊ωｉ＿ｉｎ（ｎ−１）＋ωｉ＿ｏｕｔ（ｎ−１）（式１１）
初期条件は、ωｉ＿ｉｎ（０）＝０及びωｉ＿ｏｕｔ（０）＝２０００である。一実施形態によれば、積分器は始動後リセットされない。
【００６５】
流れのフィードバック成分は、図７に示されるように、フィルタ処理されたブロワ流れのスケール値Ｑｂ＿ｆ（ｎ）及びフィルタ処理された流れの導関数
【数５】
2018528027.tif 000007
を含む。以下の代入変数及びパラメータを使用できる。フィルタ処理されたブロワ流量Ｑｂ＿ｆ（ｎ）について、ｘ（ｎ）＝Ｑｂ（ｎ）；ｙ（ｎ）＝Ｑｂ＿ｆ（ｎ）；ω０＝１５００ｒａｄ／秒；ζ＝０．７０７；ΔΤ＝０．００１秒である。フィルタ処理されたブロワ流量の導関数
【数６】
2018528027.tif 000008
について、ｘ（ｎ）＝Ｑｂ（ｎ）；
【数７】
2018528027.tif 000009
；ω０＝１５００ｒａｄ／秒；ζ＝０．７０７；ΔΤ＝０．００１秒である。生の速度制御コマンドωｓｕｍ（ｎ）は、積分器の出力及びフィードバック成分の和及び差、及び圧力誤差フィードフォワードの和として計算できる。
【数８】
2018528027.tif 000010
ここで、ＫｄＱ＝０．１５０ｒｐｍ−秒／ｌｐｍ；ＫｐＱ＝０．０ｒｐｍ／ｌｐｍである。ブロワ流量補償器の出力であるブロワ速度軌跡ωｔｒａｊ（ｎ）は、速度限界によって制約される。
ωｔｒａｊ（ｎ）＝ｍｉｎ｛ωｔｒａｊＭａｘ，ｍａｘ｛ωｔｒａｊＭｉｎ，ωｓｕｍ（ｎ）｝｝（式１３）
ここで、ωｔｒａｊＭａｘ＝５０，０００ｒｐｍ；ωｔｒａｊＭｉｎ＝２０００ｒｐｍである。速度制御装置は２０００ｒｐｍ以下で制御することができるが、一実施形態によれば、この下限は、飽和後の回復に対して最良の応答を与えるように選択されたことに留意されたい。最後に、飽和差が計算されて、速度限界に起因する流れのアンチワインドアップのループを完了する。
ωｂ＿ｓａｔ（ｎ）＝ωｔｒａｊ（ｎ）−ωｓｕｍ（ｎ）（式１４）
【００６６】
ブロワ速度制御装置
【００６７】
一実施形態によれば、ブロワ速度制御は、難流動性絞り弁のブロワ速度の制御を与えるが、超過速度状態によるモータの電流増幅器のシャットダウンの機会を減少させるのにも役立つ。これは、例えば、速度軌跡に緊密に追従することによって達成され、オーバーシュートをゼロにし、迅速な飽和回復を与えることができる。速度制御装置は、例えば、改良されたＸ６回転速度計の読み取りが高速で使用される場合と、モデルベースの推定器が低速で使用される場合とのブロワ速度測定のハイブリッド方法を使用することができる。ハイブリッド方式は、低いノイズ速度信号を与える。この信号は、１ｋＨｚの更新で全範囲に亘って応答し、ゼロ付近の速度まで動作する正確な速度推定を含む。回転速度計を単独で使用した場合に、６つのホール移行部のサンプルレートは約２００Ｈｚまでになるように算定される。電流及び電圧から推定される速度を利用することにより、モータ速度の１ｋＨｚサンプリングがゼロ付近の速度まで維持される。電流及び電圧によって推定される速度が１００００ｒｐｍを超える速度を使用しないことにより、むしろ回転速度計の信号のみを使用することにより、フィードバック信号は、エイリアシングされたモータ高調波、特にトルク脈動とも呼ばれるモータコギングから保護される。より低い範囲の速度制御は、呼気気道陽圧（EPAP）への圧力過渡期の改善した制御を与える。
【００６８】
一実施形態によれば、制御装置は、速度軌跡の追跡精度を上げるために補償器の一部として積分器と、速度制御装置の局所積分器と圧力制御装置の積分器との両方に通信する積極的なアンチワインドアップ制御とを含むことができる。アンチワインドアップ設計により、ブロワの加速中に制御装置を飽和状態で動作させて立ち上がり時間を最小限に抑え、リニア制御下で即座に回復して速度軌跡を正確に追跡することができる。一実施形態によれば、制御装置が軌跡を追跡できない唯一の時間は、急減速中だけである。急減速の場合に、モータの２象限電流制御装置は、キャパシタに蓄積された限られた電力源を用いてモータにブレーキをかけるか、又は減速させる。しかし、電流制御装置がブレーキ状態から回復すると、速度制御装置及びその頑強なアンチワインドアップ機構が速度軌跡にロックする最良の機会を与える。
【００６９】
ブロワ速度補償器
【００７０】
図８を参照すると、一実施形態によれば、この図は、ブロワ速度補償器８００のブロック図である。一実施形態によれば、速度誤差εω（ｎ）は、速度軌跡ωｔｒａｊ（ｎ）とフィルタ処理された速度推定値
【数９】
2018528027.tif 000011
との間の差として計算される。
【数１０】
2018528027.tif 000012
フィルタ処理された速度推定値は、２次低域通過フィルタ計算を用いて、生の速度推定値
【数１１】
2018528027.tif 000013
をフィルタ処理し、及び以下の信号代入及びパラメータ値を使用することによって得ることができる：
【数１２】
2018528027.tif 000014
；ω０＝１８００ｒａｄ／秒；ζ＝０．７０７；ΔＴ＝０．００１である。生の速度推定値がどの様に決定されるかを説明する前に、まずブロワ速度補償器の計算について説明する。
【００７１】
一実施形態によれば、ブロワ速度補償器８００は、基本的に、固定ゲイン及びアンチワインドアップ補償を伴う比例積分制御であるが、他の機構も可能である。通常、積分ゲインは制御の速度（別名、剛性）を決定し、比例ゲインは減衰を追加し、オーバーシュートを減らすのに役立つ。ブロワ（開ループ）の線形周波数の帯域幅の応答は比較的遅く、従って、１秒の数分の１で流量／圧力軌跡を高圧にするのは、ブロワの速度を飽和できるかに大きく依存する。また、これは、速度制御によってブロワをその最大速度で飽和させることが重要であり、サーボ誤差が符号を変えた直後に飽和から急速に回復することも含む。速度制御装置で検出された飽和差Ｉｂ＿ｓａｔ（ｎ）は、制御装置のカスケード内の外圧ループに送り返され、圧力制御装置の積分器がブロワ飽和時の減衰誤差をアシストする。
【００７２】
積分器の入力Ｉｉ＿ｉｎ（ｎ）は、スケーリングされた速度誤差εω（ｎ）とスケーリングされた飽和差との和として計算される。
Ｉｉ＿ｉｎ（ｎ）=Κｉωεω（ｎ）＋ΚａωＩｂ＿ｓａｔ（ｎ）（式１６）
Ｉｂ＿ｓａｔ（ｎ）＝Ｉｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）−Ｉｓｕｍ（ｎ）（式１７）
【００７３】
電流制御装の比例成分Ｉｐ（ｎ）は、速度補償器の比例ゲインＫｐωと、速度制御のサーボ誤差との積として計算することができる。
Ｉｐ（ｎ）=Ｋｐωεω（ｎ）（式１８）
【００７４】
積分は、離散時間で前進差分によって近似される。積分器の出力Ｉｉ＿ｏｕｔ（ｎ）は、以下のように計算することができる。
Ｉｉ＿ｏｕｔ（ｎ）＝ΔＴＩｉ＿ｉｎ（ｎ−１）＋Ｉｉ＿ｏｕｔ（ｎ−１）（式１９）
ここで、初期条件が、Ｉｉ＿ｉｎ（０）＝０及びＩｉ＿ｏｕｔ（０）＝８１９２である。無制限制御Ｉｓｕｍ（ｎ）は、積分制御成分と比例制御成分の単なる和である。
Ｉｓｕｍ（ｎ）＝Ｉｉ＿ｏｕｔ（ｎ）＋Ｉｐ（ｎ）（式２０）
【００７５】
速度制御の出力であるブロワのモータ電流軌跡Ｉｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）は、電流限界によって制約される制御として計算することができる。
Ｉｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）＝ｍｉｎ｛Ｉｂ＿ｔａｒｇＭａｘ，ｍａｘ｛Ｉｂ＿ｔａｒｇＭｉｎＦｉｌｔ（ｎ），Ｉｓｕｍ（ｎ）｝｝（式２１）
ここで
【数１３】
2018528027.tif 000015
である。
【００７６】
一実施形態によれば、
【数１４】
2018528027.tif 000016
はゼロに初期化され、
【数１５】
2018528027.tif 000017
は、相が呼気相であり、
【数１６】
2018528027.tif 000018
であれば、１にラッチされ、
【数１７】
2018528027.tif 000019
は、吸気の開始時にゼロにリセットされる。一実施形態によれば、Ｉｂ＿ｔａｒｇＭｉｎＦｉｌｔ（ｎ）は、一次遅れ（lag）として構成される汎用フィルタを用い、以下の代入を用いて計算される：ｘ（ｎ）＝Ｉｂ＿ｔａｒｇＭｉｎ（ｎ），ｙ（ｎ）＝Ｉｂ＿ｔａｒｇＭｉｎＦｉｌｔ（ｎ），ａ＝０，ｂ＝１，ｃ＝τＳｐｅｅｄＳｗｉｔｃｈ＝０．０２秒，ｄ＝１，ΔＴ＝０．００１，ｙ（０）＝２０００カウント、及びΚｐω＝２．８２３９カウント／ｒｐｍ，Κｉω＝４８．２カウント／ｒｐｍ−秒，及びΚａω＝１０００／秒である。
【００７７】
一実施形態によれば、低電流境界のフィルタ処理後のスイッチングによって、呼気の第１の部分の間に速度がより低い値に近づくことを可能にし、こうして呼吸の抵抗及び仕事を低下させる。
【００７８】
ブロワ速度推定器
【００７９】
モデリングの観点から、三相ブラシレスモータは、電流とトルクとの間だけでなく、電圧と回転数との間に線形関係を示すＤＣモータと同様に見える。従って、ＤＣモータのモデルは、速度の正確な推定値として役立つ。従って、速度推定値
【数１８】
2018528027.tif 000020
を計算する離散時間推定器は、スケール係数３０／πを含むことによって、ｒｐｍ単位で導き出すことができる。
【数１９】
2018528027.tif 000021
ここで、計算定数は、Ｒ＝０．２１オーム；Ｌ＝０．００００４５ヘンリー；ＫＴ＝０．００６５Ｎ−ｍ／Ａであり；Ｉｍ（０）はゼロとして初期化される。
【００８０】
非侵襲的な換気Ｏ２混合制御装置
【００８１】
侵襲的な換気のために、送達されるガスの酸素濃度（混合）の制御は、典型的には、全流量目標の単純なレシオメトリック（ratiometric）区分によって管理される。これは、容量循環型換気又は圧力循環型換気のいずれにも当てはまる。また、Ｏ２弁及び空気弁は、通常、一致している、又は静的感度及び動的応答の点で十分に近いので、通常、指定された精度を満たすために混合の補正を行う必要はない。流量制御の精度をさらに向上させる空気＆Ｏ２についての流量フィードバック制御の使用は、この仮定を補強する。しかし、いくつかの非侵襲的な換気の混合制御では、ブロワとＯ２弁流量応答との間に動的な不一致が存在することがある。ブロワ流路に戻ってくる排出された混合ガスは言うまでもなく、不一致は、実現不可能ではないにしろレシオメトリックアプローチを困難にし、圧力制御の不安定性と大きな混合エラーを引き起こす。混合制御を管理するには、Ｏ２流量サーボが全流量応答に従う場合に別のアプローチを使用できる。上述したように、これは「スレーブ」又は「スレーブ制御」と呼ばれる。このアーキテクチャでは、正のフィードバックループがＯ２流量測定に関して発生する。安定性は、（混合制御を含む）全体的な圧力制御システムの場合に、負圧フィードバックループが支配的な状態である限り可能である。スレーブ方式は、設定範囲全体及び予想される患者の負荷に対して、かなり一貫した圧力応答及び適切な混合精度を与える。図９は、この方式の制御装置の構成要素の一般的な構造９００と、それら構成要素同士の間の接続のみを示す。この方式のより完全な詳細について以下に示す。
【００８２】
混合制御のために、いくつかの計算が規則的な制御間隔ΔＴに亘って進行し、これらの計算は、変数ｎ＝１，２，３…によってインデックス付けされる。他の計算は、吸入開始又は呼気開始のいずれかで呼吸サイクル毎に１回だけ更新される。これらの計算は、（設定された呼吸数（breath  rate）又はトリガ間隔に応じて）可変の時間間隔を有し、変数ｋ＝１，２，３…によってインデックス付けされる。
【００８３】
呼吸同士の間の（breath  to  breath）混合制御は、設定された呼吸数又は患者が呼吸をトリガする場合には、最後の呼吸間隔に従って変化する測定された呼吸数のいずれかによって固定された固有のサンプリング速度を設定する。Shannonのサンプリング定理によれば、サンプリングが制御のために予想される最高周波数の半分よりも遅い場合に、情報を回復して利用することは期待できない。呼吸数が変化すると、一貫した過渡応答で安定した閉ループ制御を維持するために制御装置の構造も同様に変化しなければならない。これは、フィードバックのみのためにシステムが設定値の変化に応答できる時間に問題を生じさせるため、混合制御が正しい方向に直ちに動くように、ゲイン＜１．０のフィードフォワード成分も必要である。その後、閉ループ制御の応答が遅くなる。
【００８４】
一実施形態によれば、閉ループ混合制御は、ポール（pole）配置の方法、所望の閉ループシステムダイナミクスをその閉ループポールの観点から設計目標とする直接的な合成の方法によって導出される。この設計アプローチでは、連続時間（混合）システムは、１０秒の時定数を有する一次応答と仮定される。ゼロ次ホールドが仮定され、これらの２つの要素の組合せは、等価離散時間システムに変換される。次に、離散時間プラント及び所望の閉ループシステムを用いて、制御装置の構造及びゲインを計算する。
【００８５】
混合補正
【００８６】
混合補正は、例えば、酸素濃度の直接的な測定の手段ではなく、混合推定器に基づくフィードバック制御を用いて実行することができる。この推定は、ブロワ測定値及び流量測定値並びに流路の仮定を使用する。補正は、呼吸毎の基準（breath  by  breath  basis）に基づいて更新され、酸素流量成分を減少させる係数として適用される。再呼吸の問題を管理するには、一般的に混合補正が必要であるが、混合補正は、ブロワと圧縮酸素弁のガス送達との間の動的な差異も補正することができる。混合補正制御装置は、全ての呼吸の開始時に混合補正係数を計算する。再呼吸される酸素の影響が大きくなるほど、係数は小さくなる。１に近い係数は、再呼吸が殆ど又は全くないことを示す。
【００８７】
混合補正は、まず、呼吸毎に、混合軌跡の差Ｍｔｒａｊ（ｋ）と推定混合割合
【数２０】
2018528027.tif 000022
とによって決定される混合誤差εＭ（ｋ）を計算することにより開始することができる。
【数２１】
2018528027.tif 000023
【００８８】
一実施形態によれば、UserMixSetting（ｎ）は、ユーザにより設定された混合値であり、ΔＴ秒で更新される。
【数２２】
2018528027.tif 000024
【数２３】
2018528027.tif 000025
【００８９】
一実施形態によれば、フィルタを利用して、ブロワ流量追従フィルタへの入力に対するスムーズな軌跡を生成することができる。ＭＳＥＴｆｉｌｔ（ｎ）は、以下の値を代入することによって計算することができる：ｘ（ｎ）＝ＭＳＥＴｆｉｌｔ（ｎ），ａ＝０，ｂ＝１，ｃ＝０．１秒，ｄ＝１，ΔＴ＝０．００１秒，ｙ（０）＝２１．０である。
【００９０】
混合補償器の積分器の入力Ｍｉ＿ｉｎ（ｋ）は、以下のように計算される。
Ｍｉ＿ｉｎ（ｋ）＝βｍｉｘ（ｋ）［εＭ（ｋ）−αｍｉｘ（ｋ）εＭ（ｋ−１）］（式２６）
ここで、εＭ（０）＝０．０である。呼吸数の設定とは無関係に、一貫したサンプル応答を維持するために、ポールとゼロ点が指数関数形式で表されるため、合成から直接得られた呼吸同士の間の基準に基づいてα，β及びゲインが計算される。
【数２４】
2018528027.tif 000026
βｍｉｘ（ｋ）＝２０．０τｍｉｘ（１−αｍｉｘ（ｋ））（式２８）
ここで、ＴＢ（ｋ）は呼吸間隔（秒）であり、ＴＢ（０）＝１．０，τｍｉｘ＝２秒である。
【００９１】
一実施形態によれば、積分出力は単純な後進差分によって計算されるが、最小及び最大補正係数によって、以下のように固定される。
【数２５】
2018528027.tif 000027
ここで初期条件は、Ｍｉ＿ｏｕｔ（０）＝０．５である。
【００９２】
ブロワ流量追従フィルタのアンチワインドアップの場合に、混合差Ｍｓａｔ（ｎ）は次のように計算される。
Ｍｓａｔ（ｎ）＝ＱＯ２ｔｒａｊ（ｎ）−Ｍｉ＿ｏｕｔ（ｎ）ＱＯ２ｒｅｆ（ｎ）（式３０）
【００９３】
一実施形態によれば、制御装置は、以下の２つの条件下でリセットされる：（１）設定された混合が２１％である（この場合に、制御装置は、設定された混合が２１％である限り、全ての呼吸に対してリセット状態に保持される）、又は（２）混合の軌跡に変化がある（この場合に、制御装置はその１回の呼吸のリセット値にだけリセットされる）。
Ｍｒｅｓｅｔ（ｎ）＝｛Ｍｔｒａｊ（ｋ）≠Ｍｔｒａｊ（ｋ−１）｝又は｛Ｍｓａｔ（ｎ）＝２１％｝（式３１）
ここで、Ｍｔｒａｊ（０）＝２１である。
【００９４】
ユーザ混合設定変更に関するシーケンシャル論理、即座に影響するもの、及び特定の変更が呼吸状態又はイベントによってどの様に制約されるかは、本明細書の論理ステートメントによって正しく指定される。混合の即時の変化は、呼気中にのみ起こり、ＢＦＦ及びＣＰＣフィルタ成分によって作用される。しかし、閉ループ混合制御装置の動作はより遅延し、呼吸の開始時にのみ起こり、リセット条件によってさらに制約される。
【００９５】
酸素基準流量が計算された後に、補正された混合係数を適用して、標準制御速度（１ｍｓ毎）におけるフィルタ処理後の全流量から酸素流量のサーボ軌跡を計算することができる。
ＱＯ２＿ｔｒａｊ（ｎ）＝ｍｉｎ｛ＱＯ２ｍａｘ，ｍａｘ｛０，Ｍｉ＿ｏｕｔ（ｋ）＊ＱＯ２ｒｅｆ（ｎ）｝｝（式３２）
【００９６】
ＱＯ２ｒｅｆ（ｎ）は、２つの成分、フィルタ処理後のブロワ流量追従成分ＱＯ２ｒｅｆＢ（ｎ）及びフィルタ処理後の相補的な圧力誤差成分ＱＯ２ｒｅｆＰ（ｎ）から構成される。
ＱＯ２ｒｅｆ（ｎ）＝ＱＯ２ｒｅｆＢ（ｎ）＋ＫＰＱｍｉｘＱＯ２ｒｅｆＰ（ｎ）（式３３）
ここで、ＫＰＱｍｉｘ＝４．０である。
【００９７】
フィルタ処理された各成分について、各時間ステップにおいて、スケールファクタＫｆ（ｎ）、及びフィルタポールαｆ（ｎ）が計算される。
αｆ（ｎ）＝（１００−ＭＳＥＴｆｉｌｔ（ｎ））／７９τＰＱ（式３４）
Ｋｆ（ｎ）＝（ＭＳＥＴｆｉｌｔ（ｎ）−２１）／７９τＰＱ（式３５）
ここで、τＰＱ＝０．０２である。一実施形態によれば、τＰＱは、高い混合設定について、ブロワ流量と酸素流量との間の追跡剛性及びノイズ結合をトレードオフする調整係数である。小さなτＰＱは、ノイズの多い酸素の流れを伴うが、剛性追跡を提供する。
【００９８】
一実施形態によれば、フィルタ処理後のブロワ流量成分は、混合補正されたブロワ流量測定値に作用する低域通過フィルタを用いて計算される。
ＱＯ２ｒｅｆＰ（ｎ）＝Ｋｆ（ｎ）ｙ（ｎ）（式３６）
ｙ（ｎ）＝ΔＴ［ＫａｆＭｓａｔ（ｎ−１）＋ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ−１）］＋（１−ΔＴαｆ（ｎ−１）ｙ（ｎ−１）（式３７）
ここで、Ｋａｆ＝１．０，Ｍｓａｔ（０）＝０．０，αｆ（０）＝０．０，ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（０）＝０．０、及びｙ（０）＝０．０である。
【００９９】
一実施形態によれば、フィルタ処理後の相補的な圧力誤差成分は、圧力誤差に作用する低域通過フィルタ（正味効果：帯域通過）と直列の高域通過フィルタとして計算される。
ＱＯ２ｒｅｆＰ（ｎ）＝［１−ΔＴαｆ（ｎ−１）］ＱＯ２ｒｅｆＰ（ｎ−１）＋ΔＴαｆ（ｎ−１）ｙ（ｎ−１）（式３８）
ｙ（ｎ）＝（Ｋｆ（ｎ）／αｆ（ｎ））［εＰ（ｎ）−αｆ（ｎ）ｚ（ｎ）］（式３９）
ｚ（ｎ）＝ΔＴεＰ（ｎ−１）＋［１−ΔＴαｆ（ｎ−１）］ｚ（ｎ−１）（式４０）
ここで、εＰ（０）＝０．０，ｙ（０）＝０．０，ｚ（ｎ）＝０．０，ＱＯ２ｒｅｆＰ（０）＝０．０である。
【０１００】
混合推定器
【０１０１】
一実施形態によれば、混合推定器を用いて、混合制御装置のＯ２補正部分にフィードバック推定値を提供することができる。混合推定器設計の背後にある目標は、例えば、（１）複数の呼吸に亘って送達される混合物の平均推定値を提供すること、（２）逆流挙動をモデル化し、呼吸の開始時にＯ２富化空気の推定値を補正することである。最も単純な形態の瞬時酸素濃度（混合）（逆代謝生成物又は以前の呼吸からの混合ガスはないと仮定する）は、総ガス流量に対する酸素流量分の比によって決定することができる。
【０１０２】
図１０を参照すると、一実施形態では、この図は、混合制御装置の混合推定器１０００の概略図である。ブロア混合係数Ｋｂ＿Ｏ２（ｎ）は、再呼吸ウィンドウＷＲ（ｎ）の状態に応じて選択することができる。
【数２６】
2018528027.tif 000028
ここで、
【数２７】
2018528027.tif 000029
は、サンプリングされた瞬時推定混合率（ｅ（ｎ）の立ち下がりエッジでサンプリングされる）である。ＷＲ（ｎ）は、真を示す場合に、富化空気がブロワ経路内に含まれるウィンドウである。ＷＲ（ｎ）は、制御サイクルで更新され、以下の状態図によってさらに定義される「再呼吸ウィンドウ」とも呼ばれる。ＷＲ（ｎ）が真である場合に、これは、以前の呼気からのＯ２富化空気がブロワ経路内に残存しており、最後にサンプリングされた瞬時推定混合率を用いてブロワ供給ガスの酸素率を決定すべきことを示す。ＷＲ（ｎ）がクリアされた場合に、ブロワ供給ガスは２１％と仮定される。
【０１０３】
図１０は、例えば、連続的に維持することができる３つの別個の平均があることを示している：（ｉ）平均総ブロワ流量
【数２８】
2018528027.tif 000030
（ｉｉ）Ｏ２弁からの平均有効酸素流量
【数２９】
2018528027.tif 000031
（ｉｉｉ）純粋なＯ２であるブロワ流量の平均率
【数３０】
2018528027.tif 000032
である。
【０１０４】
一実施形態によれば、ブロワ流量センサは常に空気を測定するように設定されているので、Ｑｂ（ｎ）は、ユーザ設定混合に従って予想されるガス組成について補正され、ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）及びＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）としてのＭＳＥＴ（ｎ）は正の流れに制限される。というのは、正の流れは推定器に関係するからである。また、Ｋｂ＿Ｏ２（ｎ）は瞬時混合推定値
【数３１】
2018528027.tif 000033
から、ｅ（ｎ）の立ち下がりエッジでラッチされることにも留意されたい。これらの特定の信号及びタイミングは、再呼吸の影響が顕著になる、高呼吸数、中容量から高容量、高混合設定状態について正確な混合推定値を提供するために重要である。
【０１０５】
平均を推定するために、混合推定器は、ブロワ状態に従ってラッチ能力を提供する特別な１次ラグ（フィルタ）を使用することができる。一実施形態によれば、変数及びパラメータの次の置換が適用され、３つのフィルタのそれぞれの有効論理がマニホールド内の流れ方向によって決定される場合に、３つのインスタンスが必要とされる。混合は、患者に向けて流れる流れについてのみ推定される。負の流れは、フィルタｅ（ｎ）＝（Ｑｂｌｏｗｅｒ（ｎ）＞０）には入らない。
【０１０６】
まず、ブロワ流量及び酸素流量を補正する。ブロワ流量は、ブロワ流量センサの現在の混合に対して補正される。
【数３２】
2018528027.tif 000034
【０１０７】
そして、酸素流量をゼロにクリッピングする。
ＱＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＝ｍａｘ｛０，ＱＯ２（ｎ）｝（式４３）
【０１０８】
正味の流量は、ブロワ流量と酸素流量との和である。ブロワ流と圧縮ガス流の物理的な違いは、ブロワが流れを吸入するだけでなく流れを供給できることである。圧縮された酸素ガスは、流れのみを供給することができる。呼吸送達の間に、患者に行くガス流の組成及びサイズＱｎｅｔは、ブロワの流れＱｂの方向及び酸素の流れＱＯ２のサイズに対するその流れのサイズによって影響を受ける。これらの条件は、より正確な混合を推定するための基礎として使用できる明確な流れ状態を規定する。例えば、第１及び第２の流れ状態は、患者に向かう正味の流れを規定することができる。第３の流れ状態は、呼気を規定することができる。流れ状態１では、ブロワガスと酸素ガスとの両方が患者に向けて流れる。流れ状態２では、ブロワの流れが逆転するが、ブロワ流量が酸素流量未満であるので、正味の流れに差があり、純粋な酸素から構成される。流れ状態４は、ブロワ流量が酸素流量と等しく、向きが反対の場合を説明する。酸素ガスは全てブロワから流出し、患者への正味の流れはゼロである。互いに排他的なマニホールド状態のセットは、以下の通りである。
ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）≧０の場合に、流れ状態（ｎ）＝１
ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＜０及びＱＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＞−ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）の場合に、流れ状態（ｎ）＝２
ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＜０及びＱＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＜−ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）の場合に、流れ状態（ｎ）＝３
ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＜０及びＱＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＝＝−ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）の場合に、流れ状態（ｎ）＝４（式４４）
【０１０９】
推定器フィルタイネーブルｅ（ｎ）は次のようになる。
ｅ（ｎ）＝（｛流れ状態（ｎ）＝＝１｝又は｛流れ状態＝＝２｝）（式４５）
ここで、以下は、混合推定器内の３つのフィルタの他の入力及び出力を規定する：α＝０．００４，τＭ＝（ΔＴ＊（１−α））／αである。
【０１１０】
（１）
【数３３】
2018528027.tif 000035
について、ブロワ流の酸素成分：ｘ（ｎ）＝Ｋｂ＿Ｏ２（ｎ）・ｍａｘ｛０，ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）}；
【数３４】
2018528027.tif 000036
；τ＝τＭ；ΔＴ＝０．００１秒；ｙ０＝０．２１である（空気が最初に回路内にあると仮定する）。
【０１１１】
（２）
【数３５】
2018528027.tif 000037
について、総ブロワ流量：ｘ（ｎ）＝ｍａｘ{０，ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）}；
【数３６】
2018528027.tif 000038
；τ＝τＭ；ΔＴ＝０．００１秒；ｙ０＝１．０である（このフィルタの初期条件は、開始時にゼロで除算することを回避する）。
【０１１２】
（３）
【数３７】
2018528027.tif 000039
について、圧縮酸素ガス弁からの流れ：
【数３８】
2018528027.tif 000040
ここで、τ＝τＭ；ΔＴ＝０．００１秒；ｙ０＝０．０である。
【０１１３】
各制御ステップnにおいて、瞬時混合率推定値
【数３９】
2018528027.tif 000041
は、次のように計算することができる。
【数４０】
2018528027.tif 000042
【０１１４】
各吸気の開始時に、最後の呼吸に関する
【数４１】
2018528027.tif 000043
の平均値を提供する呼吸平均混合率の推定値
【数４２】
2018528027.tif 000044
をサンプリングすることができる。
【数４３】
2018528027.tif 000045
混合制御装置で使用するために割合混合推定値
【数４４】
2018528027.tif 000046
が、次のように計算される。
【数４５】
2018528027.tif 000047
【０１１５】
混合推定器を完了させるために、前回送達された呼吸からの推定混合率
【数４６】
2018528027.tif 000048
が、正味の流れが負になるときにサンプリングされ得る。
【数４７】
2018528027.tif 000049
【０１１６】
再呼吸ウィンドウ状態論理
【０１１７】
図１１を参照すると、一実施形態では、この図は、再呼吸シーケンシャル論理を示すブロック図である。再呼吸論理は、真のときに、以前の呼吸からの酸素富化ガスのある部分が呼気中にマニホールドのブロワ肢に入ったことを示す再呼吸ウィンドウＷＲ（ｎ）の状態を判定する。このようにして、呼気中のバイアス流の回復中又は次の呼吸時の吸入開始時にブロア入口ガスのＯ２濃度を富化するための指示信号を混合推定器に供給する。論理は、この富化されたガスの容量を検出して計算し、そのような（想定されるデッドスペース制限まで）信号をアクティブにする。
【０１１８】
再呼吸ウィンドウのタイミングは、ＩＥ信号とは無関係であり、ブロワ流れのゼロ交差にのみ依存することに留意されたい。これは、高い呼吸数では、ＩＥ信号とＱｂ信号との間に有意な位相シフトがあるので、必須の設計特徴である。
【数４８】
2018528027.tif 000050
【０１１９】
ＳＲ＿ＦｌｉｐＦｌｏｐ機能は、デジタル・セットリセット・フリップフロップ又はラッチと同じ方法で動作する。
【数４９】
2018528027.tif 000051
は、「セット（set）」入力であり、
【数５０】
2018528027.tif 000052
は、ｎのインクリメントと一致するクロックの（立ち上がり）エッジを表すテーブルのＣによるリセット入力である。フリップフロップ入力は、次のように規定される。
【数５１】
2018528027.tif 000053
ここで、Ｖε＝１ｍＬ，Ｑε＝１  ｌｐｍである。
【数５２】
2018528027.tif 000054
【０１２０】
ＱｂＯ２ｃｏｒｒについて、先に規定したように、これは、ｌｐｍで混合補正後に測定されたブロワセンサ流量である。正の流れが、ブロワから安全弁及び患者ポートに向けて移動する。ＶＤは有効デッドスペース量である。
【０１２１】
本明細書において定義され、使用される全ての定義は、辞書定義、参照により組み込まれる文献内の定義、及び／又は定義された用語の通常の意味を支配すると理解すべきである。
【０１２２】
本明細書の詳細な説明及び特許請求の範囲で使用される不定冠詞「１つの（a,  an）」は、明確に反対の指示がない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解すべきである。
【０１２３】
本明細書の詳細な説明及び特許請求の範囲で使用される「及び／又は」という語句は、そのように結合された要素、すなわち、ある場合には結合的に存在し、他の場合に分離的に存在する要素の「どちらか又は両方」を意味すると理解すべきである。「及び／又は」と共に列挙された複数の要素は、同じように、すなわちそのように結合された要素の「１つ又は複数」と解釈すべきである。具体的に特定された要素と関連するかどうかにかかわらず、「及び／又は」節によって具体的に特定される要素以外の他の要素がオプションで存在してもよい。
【０１２４】
本明細書の詳細な説明及び特許請求の範囲において使用される際に、「又は」は、上で定義した「及び／又は」と同じ意味を有すると理解すべきである。例えば、リスト中の項目を分離する場合に、「又は」又は「及び／又は」は包括的であると解釈すべきであり、すなわち、多数の要素又はリストの要素の少なくとも１つを含むが、複数も含み、必要に応じてリストにない追加の項目を含む。「〜のうちの１つだけ」又は「〜のうちの正に１つだけ」、或いは特許請求の範囲において使用される場合に、「〜から構成される」等の明確にそれとは反対に示される用語だけが、多数の要素又はリストの要素の正に１つの要素を含むことを意味する。一般的に、本明細書で使用される用語「又は」のみは、「どちらか」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つだけ」、「〜のうちの正に１つ」等の排他的な用語によって先行される場合に、排他的な２者択一（すなわち、一方又は他方であり、両方ではない）を示すように解釈すべきである。
【０１２５】
本明細書の詳細な説明及び特許請求の範囲で使用される際に、１つ又は複数の要素のリストを参照しての「少なくとも１つの」という句は、要素のリスト内の１つ又は複数の要素から選択される少なくとも１つの要素を意味すると理解すべきであり、必ずしも要素のリスト内に特に列挙されている各要素及び全ての要素の少なくとも１つを含み、要素のリスト内の要素の任意の組合せを除外するものではない。この定義はまた、具体的に特定されたこれらの要素に関するかどうかにかかわらず、「少なくとも１つの」という節が指し示す要素のリスト内で具体的に特定される要素以外に、要素がオプションで存在することを可能にする。
【０１２６】
それとは逆に明確に示されていない限り、複数のステップ又は動作を含む本明細書の特許請求の範囲に記載される任意の方法において、この方法のステップ又は動作の順序は、必ずしもこの方法のステップ又は動作が記載される順番に限定されないことも理解すべきである。
【０１２７】
特許請求の範囲及び上記詳細な説明において、「備える、有する、含む（comprising）」、「含む、有する（including）」、「運ぶ（carrying）」、「有する、含む（having）」、「含む（containing）」、「関与する（involving）」、「保持する（holding）」、「構成する（composed  of）」等の全ての移行句は、オープンエンドとして理解すべきであり、すなわち目的語を含むがこの目的語に限定されないことを意味する。「〜から構成される（consisting  of）」及び「本質的に〜から構成される（consisting  essentially  of）」という移行句だけが、米国特許商標庁の特許審査基準第２１１１．０３項に記載されるように、それぞれクローズド又はセミクローズド移行句とされる。
【０１２８】
いくつかの本発明の実施形態について本明細書に記載し説明してきたが、当業者は、機能を実行し、及び／又は結果を得るための様々な他の手段及び／又は構造、及び／又は本明細書に記載された１つ又は複数の利点を容易に想起するだろう。そのような変形及び／又は修正の各々は、本明細書に記載された本発明の実施形態の範囲内にあるとみなされる。より一般的には、当業者は、本明細書に記載される全てのパラメータ、寸法、材料、及び構成が例示であることを意味し、実際のパラメータ、寸法、材料及び／又は構成は、本発明の教示が使用される特定の用途に依存することを容易に理解するだろう。当業者は、本明細書に記載の特定の本発明の実施形態に対する多くの均等物を認識するか、又は単に日常の実験を用いて確認することができる。従って、前述の実施形態は単なる例示として提示され、添付の特許請求の範囲及びこの均等の範囲内で、本発明の実施形態は、具体的に記載され特許請求の範囲に請求される以外の方法で実施し得ることを理解すべきである。本開示の本発明の実施形態は、本明細書に記載される個々の特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法を対象とする。さらに、そのような特徴、システム、物品、キット、及び／又は方法が互いに矛盾しない場合に、そのような特徴、システム、物品、キット及び／又は方法の２つ以上の任意の組合せが、本開示の本発明の範囲内に含まれる。
【図１】
2018528027.tif 000055
【図２】
2018528027.tif 000056
【図３】
2018528027.tif 000057
【図４】
2018528027.tif 000058
【図５】
2018528027.tif 000059
【図６】
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【図７】
2018528027.tif 000061
【図８】
2018528027.tif 000062
【図９】
2018528027.tif 000063
【図１０】
2018528027.tif 000064
【図１１】
2018528027.tif 000065
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月30日(2018.3.30)
【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】
空気流の圧力及びガス混合を制御するように構成された人工呼吸器であって、当該人工呼吸器は、
ガス供給源と、
該ガス供給源からのガス流量を制御するように構成された比例弁と、
該比例弁と通信する混合制御装置であって、ブロワを通るガス流を監視するように構成され、且つ出力流中の酸素の割合を制御するようにさらに構成される混合制御装置と、
ブロワモータと、
速度出力信号を発生されるように構成されたブロワ速度フィードバックループ、流れフィードバックループ、及び圧力フィードバックループを用いて、前記ブロワモータの速度を制御するように構成されたブロワモータ制御装置であって、該ブロワモータ制御装置は、機械圧力信号及び近位圧力信号を単一のフィードバック信号にブレンドするように構成された補完フィルタを有しており、前記圧力フィードバックループは、入力として（ｉ）圧力軌跡、（ｉｉ）前記補完フィルタからの前記単一のフィードバック信号、及び（ｉｉｉ）前記ブロワ速度フィードバックループからの前記速度出力信号を受け取るように構成される、ブロワモータ制御装置と、有する、
人工呼吸器。
【請求項２】
前記混合制御装置及びブロワ制御装置は、前記出力流を協調的に制御するように構成される、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項３】
前記ブロワ速度フィードバックループは、前記ブロワモータの速度制御を線形化し、且つ速度制限を維持するように構成される、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項４】
前記流れフィードバックループは、前記人工呼吸器内の空気流の圧力の乱れを最小限にするように構成される、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項５】
前記圧力フィードバックループは、加えられた圧力軌跡を追跡するように構成される、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項６】
前記ブロワモータの速度を監視するように構成された速度制御装置をさらに有する、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項７】
擬似微分フィードバック補償器をさらに有する、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項８】
前記流れフィードバックループは、所望の流れ軌跡に対して前記人工呼吸器内のブロワガス流圧力の乱れを最小限にするように構成される、請求項１に記載の人工呼吸器。
【請求項９】
人工呼吸器の空気流の圧力及びガス混合を制御する方法であって、当該方法は、
人工呼吸器を提供するステップであって、前記人工呼吸器は、ガス供給源と、該ガス供給源からのガス流量を制御するように構成された比例弁と、該比例弁及びブロワ流量センサと通信する混合制御装置と、ブロワモータと、機械圧力信号及び近位圧力信号を単一のフィードバック信号にブレンドするように構成された補完フィルタを有するブロワモータ制御装置と、流量制御装置及び速度制御装置を含む圧力制御装置とを有する、提供するステップと、
前記ブロワモータを作動させ、前記比例弁を開けて人工呼吸器内で流れ圧力及び混合を生成するステップと、
速度出力信号を発生されるように構成されたブロワ速度フィードバックループ、流れフィードバックループ、及び圧力フィードバックループを用いて、ブロワモータ制御装置によって、前記ブロワモータの速度を制御するステップであって、前記圧力フィードバックループは、入力として（ｉ）圧力軌跡、（ｉｉ）前記補完フィルタからの前記単一のフィードバック信号、及び（ｉｉｉ）前記ブロワ速度フィードバックループからの前記速度出力信号を受け取るように構成される、制御するステップと、
前記混合制御装置によって、ブロワを通る流れを監視するステップと、
前記混合制御装置を用いて、比例弁の流れを調整して混合制御を与えるステップと、を含む、
方法。
【請求項１０】
速度制御装置を用いて、前記ブロワモータの速度を監視するステップと、
前記速度制御装置を用いて、前記ブロワモータの速度を調整するステップと、を含む、請求項９に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、人工呼吸システムにおける圧力及びガス混合を精密に制御するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
救命救急の人工呼吸を提供する最も一般的な手段は、気管内チューブを患者に挿管することを必要とし、この気管内チューブは、膨張可能なカフ（cuff）を用いて気管内でシールされる。この挿管は、気道を臨床的に管理し、肺の膨張を維持する最良の手段を提供するが、患者の組織擦過傷、感染、及び極度の不快感による鎮静状態を含む重大なリスクを招く。従って、挿管は、適切には侵襲的な換気と呼ばれ、挿管を行う臨床医の決定は、慎重に検討しなければならない。呼吸補助を必要とする特定のグループ（a  select  group）の入院患者にとって、挿管の有害な副作用につながるリスクは、その利点を上回る可能性がある。
【０００３】
侵襲的な換気の重大なリスクを考慮して、気道を介した支持を与える利点を提供するが、患者の口や鼻の上のマスクによる接続部、又は気管切開チューブを使用する代替のアプローチが、在宅医療の人工呼吸から展開されている。このアプローチは、非侵襲的な陽圧換気、又は単に非侵襲的な換気（NIV）と呼ばれる。非侵襲的な換気の場合に、単肢（single  limb）回路によって、非侵襲的な人工呼吸システムにおいて人工呼吸器がマスクに接続されるので、患者が再呼吸するであろう呼吸終期のＣＯ２を減少させるために、いくらかの漏れが、要求され、大抵の場合、意図的に導入される。これと比較して、侵襲的な換気は、呼気ガスを別々に運ぶ双肢（double  limb）接続回路を使用する。これにより、侵襲的な換気においてＣＯ２の再呼吸が防止され、従って漏れを必要としない。
【０００４】
救命救急患者の非侵襲的な換気は、典型的には、呼吸送達中の圧力及びガス混合（すなわち、酸素濃度の割合）を制御するために、周囲空気の供給源としてのブロワ（blower）と圧縮酸素の供給源としての比例弁との組合せを使用する。いくつかの設計では、比例弁は、ブロワの流れ制御によって呼吸送達の圧力が完全に生成されるように、純粋な酸素をブロワの低圧側又は入口側に導くが、他の設計では、比例弁は、ガスをブロワの高圧側、つまり出口側に導く。後者の他の設計の場合に、ブロワと比例弁との両方が圧力を発生させる。しかしながら、ブロワ制御装置及び比例弁制御装置を調整して精密且つ正確な圧力及び混合を達成するためには、複数の問題が存在する。例えば、ブロワの慣性は加速するのに時間がかかるので、ブロワの流れ応答時間は、典型的には、弁の応答時間よりもはるかに遅い。ブロワ自体の応答が遅いことは、一般に圧力応答時間に影響を与えるが、ブロワと弁との間の流れの動的な不一致が、圧力及び混合制御を困難な問題にしている。さらに、近位圧力感知ラインが非侵襲的な人工呼吸器に設けられるが、制御のためのソース（source）としてその圧力を使用することは、フィードバックループにかなりの遅延をもたらす。患者の気道により正確な定常状態の圧力を与えながら、測定される近位圧力の間のループを直接的に閉鎖することによって、速度が制限され、その制限された速度で、安定性に起因する圧力変化が生じ得る。ブロワの速度ループが応答を改善するのに役立ち得るが、低流量では低速であり、ホール感知回転速度計の測定値は低下する。エンコーダで制御された速度を使用できるが、ブロワシステムの信頼性が低下し、コストが増大する。
【０００５】
現行のシステムはまた、外乱の影響に対処することが困難であり、この外乱の影響は、外乱にもかかわらず、制御装置が所望の目標圧力に追従し、制御装置が外乱を増幅させるのではなく減衰させるのを確実にするために、設計の一部として考慮しなければならない。非侵襲的な換気の外乱の原因には、例えば、とりわけ（ａ）患者からの流れ外乱、（ｂ）患者接続部における摂動（例えば、漏れ及び部分的な閉塞）、（ｃ）ブロワモータ軸受及び空気力学的圧力負荷からのトルク外乱等が含まれる。同様に、患者から吐き出されたガスは、ブロワを通って周囲に流れ、供給源が酸素富化ガスでブロワ経路を前負荷することができる。その後のガスの再呼吸によって、所望の設定点を超えて追加の酸素が導入され、混合制御をさらに困難な問題にする。
【０００６】
さらに、人工呼吸器の制御は、大抵の場合、比例積分微分（PID）補償器を適用して過渡応答を安定化し、整形する。ＰＩＤ補償器を用いている間は、患者の圧力−流量動力学の変動によってオーバーシュートが発生する可能性があるが、ＰＩＤアーキテクチャ自体は、設計内に２つの実数又は複素数のゼロのペアを適用し、これは閉ループ応答に影響を及ぼすため、オーバーシュートを生じさせ得る。
【０００７】
従って、現行の非侵襲的な換気設計が直面する多くの問題を回避しつつ、圧力及びガス混合を安定した方法でより精密に制御する非侵襲的な人工呼吸システムが必要とされている。
【発明の概要】
【０００８】
本開示は、非侵襲的な人工呼吸システムにおいて圧力及びガス混合を制御するための創作性を有する方法及びシステムに関する。本明細書の様々な実施形態及び実装形態は、多段階カスケードフィードバックアーキテクチャを用いてブロワ圧力を制御する非侵襲的な人工呼吸システムに関する。補完フィルタがフィードバックアーキテクチャに使用され、このフィルタは、機械圧力信号及び近位圧力信号を単一の信号にブレンドしてフィードバックする。非侵襲的な人工呼吸システムは、混合推定器を使用し、且つ酸素比例弁流量サーボの流量軌跡を別個に決定し、ブロワ圧力制御システムの外乱として作用しないような高速且つ正確な混合制御を与える混合制御装置も含む。非侵襲的な人工呼吸システムは、モデルベースのモータ速度観測器を利用して低速での回転速度計の速度読取り値を補う速度制御装置をさらに含む。
【０００９】
概して、一態様では、空気流の圧力及びガス混合を制御するための人工呼吸器が提供される。人工呼吸器は、（ｉ）ガス供給源と、（ｉｉ）ガス供給源からのガス流量を制御するように構成された比例弁と、（ｉｉｉ）比例弁と通信する混合制御装置であって、ブロワを通るガス流を監視するように構成され、且つ空気流中の酸素の割合を制御するようにさらに構成された混合制御装置と、（ｉｖ）ブロワモータと、（ｖ）速度出力信号を発生されるように構成されたブロワ速度フィードバックループ、流れフィードバックループ、及び圧力フィードバックループを用いて、ブロワモータの速度を制御するように構成されたブロワモータ制御装置であって、ブロワモータ制御装置は、機械圧力信号及び近位圧力信号を単一のフィードバック信号にブレンドするように構成された補完フィルタを有しており、圧力フィードバックループは、入力として（ｉ）圧力軌跡、（ｉｉ）補完フィルタからの単一のフィードバック信号、及び（ｉｉｉ）ブロワ速度フィードバックループからの速度出力信号を受け取るように構成される、ブロワモータ制御装置と、を含む。
【００１０】
一実施形態によれば、混合制御装置及びブロワ制御装置は、出力流を協調的に制御するように構成される。
【００１１】
一実施形態によれば、ブロワ速度フィードバックループは、ブロワモータの速度制御を線形化し、速度制限を維持するように構成される。
【００１２】
一実施形態によれば、流れフィードバックループは、人工呼吸器内の空気流の圧力の乱れを最小化するように構成される。
【００１３】
一実施形態によれば、圧力フィードバックループは、加えられた圧力軌跡を追跡するように構成される。
【００１４】
一実施形態によれば、人工呼吸器は、擬似微分補償器をさらに含む。
【００１５】
一実施形態によれば、人工呼吸器は、ブロワモータの速度を監視するように構成された速度制御装置をさらに含む。
【００１６】
一実施形態によれば、流れフィードバックループは、所望の流れ軌跡に対して人工呼吸器内のブロワガス流の圧力の乱れを最小限にするように構成される。
【００１７】
概して、一態様では、人工呼吸器の空気流の圧力及びガス混合を制御する方法であって、この方法は、（ｉ）人工呼吸器を提供するステップであって、この人工呼吸器は、ガス供給源と、ガス供給源からのガス流量を制御するように構成された比例弁と、比例弁、ブロワ流量センサ、ブロワモータ、機械圧力信号及び近位圧力信号を単一のフィードバック信号にブレンドするように構成された補完フィルタを有するブロワモータ制御装置、及び圧力制御装置と通信する混合制御装置を有し、圧力制御装置は流量制御装置及び速度制御装置を有する、提供するステップと、（ｉｉ）ブロワモータを作動させ、比例弁を開けて人工呼吸器内に流れ圧力及び混合を生成するステップと、（ｉｉｉ）ブロワモータ制御装置によって、速度出力信号を発生されるように構成されたブロワ速度フィードバックループ、流れフィードバックループ、及び圧力フィードバックループを用いて、ブロワモータの速度を制御するステップであって、圧力フィードバックループは、入力として（ｉ）圧力軌跡、（ｉｉ）補完フィルタからの単一のフィードバック信号、及び（ｉｉｉ）ブロワ速度フィードバックループからの速度出力信号を受け取るように構成される、制御するステップと、（ｉｖ）混合制御装置を用いて、ブロワを通る流れを監視するステップと、（ｖ）混合制御装置を用いて、比例弁の流れを調整して混合制御を与えるステップと、を含む。
【００１８】
一実施形態によれば、この方法は、速度制御装置を用いて、ブロワモータの速度を監視するステップと、速度制御装置を用いて、ブロワモータの速度を調整するステップとを含む。
【００１９】
前述した概念及び以下により詳細に議論する追加の概念の全ての組合せ（そのような概念が互いに矛盾しないことを条件とする）は、本明細書に開示される本発明の主題の一部であると考えられることを理解されたい。特に、本開示の最後に示される特許請求の範囲に記載される主題の全ての組合せは、本明細書に開示される本発明の主題の一部であると考えられる。
【００２０】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して説明され、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】一実施形態による非侵襲的な人工呼吸システムの概略図である。
【図２】一実施形態による比例流量弁システムの概略図である。
【図３】一実施形態による非侵襲的な人工呼吸システムの概略図である。
【図４】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸システムにおける圧力及びガス混合を制御する方法のフローチャートである。
【図５】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸システムのブロワ圧力制御システムの概略図である。
【図６】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸器のブロワ圧力制御ループ補償器のモデルの概略図である。
【図７】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸器の流量ループ補償器のモデルの概略図である。
【図８】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸器のブロワ速度ループ補償器のモデルの概略図である。
【図９】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸器の混合制御装置の概略図である。
【図１０】一実施形態による、非侵襲的な人工呼吸器の混合制御装置の混合推定器の概略図である。
【図１１】一実施形態による再呼吸シーケンシャル論理の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図面において、同様の参照符号は、通常、異なる図を通して同じ部分を指す。また、図面は必ずしも縮尺通りではなく、その代わりに本発明の原理を例示する際に強調が通常なされる。
【００２３】
本開示は、人工呼吸システム及び方法の様々な実施形態について記載する。より一般的には、出願人は、圧力及びガス混合を正確に測定し、調整し、且つ制御する非侵襲的な人工呼吸システムを提供することが有益であることを認識し理解した。例えば、非侵襲的な人工呼吸システム及び方法は、ブロワ圧力を制御するために多段階カスケードフィードバック制御を利用する。フィードバックアーキテクチャに、補完フィルタが使用され、このフィルタは、機械圧力信号及び近位圧力信号を単一の信号にブレンドしてフィードバックする。このシステムは、混合推定器を有する混合制御装置も含み、この混合制御装置は、酸素比例弁の流量サーボの流量軌跡を個別に判定し、高速且つ正確な混合制御を与える。このシステムは、モデルベースのモータ速度観測器を利用して低速での回転速度計の速度読取り値を補完する速度制御装置も含む。この方法及びシステムは、非侵襲的な人工呼吸器における圧力とガス混合との両方のより正確な制御をもたらす。
【００２４】
以下に説明する方法及びシステムは、非侵襲的な換気に適用されるが、この方法及びシステムは、比例流量弁を使用するあらゆる流量制御システムに同様に利用され得、特に、弁の絞り速度が、流量制御の所望の閉ループ帯域幅よりも著しく早い場合に利用され得る。
【００２５】
図１を参照すると、一実施形態では、この図は、例示的な非侵襲的な人工呼吸システム１００を表している。この実施形態では、比例弁は、ブロワの高圧側、つまり出口側にガスを導入し、それによってブロワと比例弁との両方が圧力を発生させる。また、一実施形態によれば、システムは、患者接続部の近くに有意な漏れ流れがあり、呼気中に患者が吐き出したガスがブロワを介して逆方向に移動する可能性を有するような単肢（single  limb）人工呼吸器である。
【００２６】
システム１００は、とりわけ、大気及び酸素を含むがこれに限定されない、呼吸に利用される任意のガスであり得るガス供給源２２０（図２参照）を含む。ガス供給源は、人工呼吸器から所定の圧力で放出される。システムは、他のタイプの制御装置の中でも、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ASIC）、システムオンチップ（SOC）、及び／又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）である制御装置１２０も含む。制御装置は、プロセッサを使用して又は使用せずに実装することができ、及びいくつかの機能を実行するための専用ハードウェアと、他の機能を実行するためのプロセッサ（例えば、１つ又は複数のプログラムされたマイクロプロセッサ及び関連回路）との組合せとして実装してもよい。
【００２７】
制御装置１２０は、本明細書に記載されるか、又は他に想起される実施形態によるシステムの動作に必要な任意の必要なメモリ、電源、Ｉ／Ｏ装置、制御回路、及び／又は他の装置と結合することができ、又は他にこれらの装置と通信ことができる。例えば、様々な実装形態において、プロセッサ又は制御装置を、１つ又は複数の記憶媒体に関連付けてもよい。いくつかの実装形態では、記憶媒体は、１つ又は複数のプログラムで符号化してもよく、プログラムは、１つ又は複数のプロセッサ及び／又は制御装置上で実行されたときに、本明細書に記載される機能の少なくとも一部を実行する。様々な記憶媒体は、プロセッサ又は制御装置内に固定してもよく、又は持ち運び可能であり、その記憶媒体に記憶された１つ又は複数のプログラムをプロセッサ又は制御装置にロードして、本明細書に記載される本発明の様々な態様を実施させてもよい。「プログラム」又は「コンピュータプログラム」という用語は、本明細書では、任意のタイプのコンピュータコード（例えば、ソフトウェア又はマイクロコード）を意味するために一般的な意味で使用され、コンピュータコードは、１つ又は複数のプロセッサ又は制御装置をプログラムするために使用される。
【００２８】
一実施形態によれば、システムは、遠隔の人工呼吸器の構成要素１４０からユーザインターフェイス１５０にガスを送達するチューブ又は配管１３０を含む。ユーザインターフェイス１５０は、例えば、ユーザの口及び／又は鼻の全部又は一部を覆う顔面マスクとすることができる。異なるサイズの患者又は個人に適合するために、多くの異なるサイズのマスクが存在してもよく、及び／又はマスクは調節可能であってもよい。別の代替案として、ユーザインターフェイス１５０は、気管切開チューブ内又は上で嵌合し、又は他に気管切開チューブと相互作用することができる。従って、ユーザインターフェイス１５０は、様々な形状及びサイズの気管切開部に適合するための様々なサイズであってもよい。ユーザインターフェイスは、患者の気道の少なくとも一部に適合するように構成される。
【００２９】
システム１００はまた、比例弁システム２００（図２に示される）と共にシステムの流れ及び圧力を生成する、モータを有するブロワ１６０を含む。ブロワモータは、例えばモータの速度を制御できるブロワモータ制御装置１６２によって制御される。一実施形態によれば、ブロワモータは、ブロワの構成要素であり、羽根車、ハウジング、及びモータを含むことができる。システムの流れ及び圧力は、ブロワモータの速度によって部分的に決定され、次にブロワモータ制御装置１６２によって制御される。ブロワモータ制御装置１６２は、制御装置１２０と同じ制御装置であってもよく、又は好ましくは制御装置１２０と通信する別個の制御装置であってもよい。制御装置は、任意のプロセッサとすることができ、本明細書に記載されるか、又は他に想起される実施形態によるシステムの動作に必要なメモリ、電源、Ｉ／Ｏ装置、制御回路、及び／又は他の装置と結合することができ、又は他にこれらの装置と通信ことができる。
【００３０】
一実施形態によれば、システム１００は、周囲空気と高圧酸素との両方を使用する。周囲空気は、入口フィルタを通って入り、酸素は、比例弁システム２００によって制御される高圧入口を通って入る。従って、人工呼吸器内のガスの流れ及び圧力を制御するために、システム１００は、ブロワモータの速度と比例弁システムの動作との両方を精密に制御する。図２を参照すると、一実施形態では、この図は、比例弁システム２００である。比例弁システムは、比例弁２１０を含み、比例弁２１０は、当該技術分野において既知の任意の比例弁であり得る。ねじ式比例弁、電磁式比例弁、及び他の多くのタイプの比例弁を含む多くの異なるタイプの比例弁が存在する。これらの弁のいずれもシステム２００に利用することができる。比例弁システムは、高圧ガス供給源２２０も含む。ガス供給源は、周囲環境空気、酸素タンク、窒素タンク、これらの混合物等を利用するガス供給源、だけでなく非常に広範な種類の他のガス供給源とすることができる。ガスが人によって呼吸可能である必要はなく、従ってガス供給源は有毒ガス又は他のガスであり得る。比例弁２１０が少なくとも部分的に開いている場合に、ガス供給源２２０からのガスは２３０を介してガス供給源から出て出口２４０を通って抜け出る。比例弁２１０は、ガス供給源を出るガスの量、及び一定量のガスがガス供給源から出る速度を制御する。
【００３１】
比例弁システムは、制御装置１２０と同じ制御装置とし得る制御装置２５０を含む、又は好ましくは制御装置１２０と通信する別個の制御装置とすることができる。制御装置は、任意のプロセッサであってもよく、本明細書に記載されるか、又は他に想起される実施形態によるシステムの動作に必要なメモリ、電源、Ｉ／Ｏ装置、制御回路、及び／又は他の装置と結合することができ、又は他にこれらの装置と通信ことができる。制御装置２５０が図２の比例弁２１０とは別個のものとして示されているが、他の実施形態によれば、制御装置は、弁の外部に取り付けてもよく、弁の一体型要素であってもよく、弁から完全に切り離してもよく、弁と他の物理的な関係にあってもよい。制御装置が弁から切り離されている場合には、制御装置と弁との間で無線通信を行うことができる。
【００３２】
制御装置２５０は、比例弁２１０を制御し、こうして、ガス供給源から出るガスの量、及び一定量のガスがガス供給源から出る速度を制御する。制御装置は、ユーザ等の外部ソースによって指示され、及び／又はプログラミングによって指示され得る。例えば、ユーザは、ボタンを押したり、流量を増大しなければならないことを示す他の入力を与えたりすることができ、制御装置は、その信号を受け取り、比例弁に信号を与えて流量を増大させる。あるいはまた、制御装置又は関連するプロセッサは、特定の時間、応答、又は他の入力に従って流量を減少又は増大させるようにプログラム又は構成される。システム２００は、流量センサ２６０も含む。流量センサは、比例弁２１０を出た後のガス流量を検出する。一実施形態によれば、比例弁システム２００は、図２に示されるように、人工呼吸器１００の構成要素である。従って、出力２４０は、患者に通じる配管１３０であるか、又は配管１３０に接続され得る。
【００３３】
図３を参照すると、一の実施形態では、この図は、ブロワ１６０及び比例弁システム２００を含む例示的な非侵襲的な人工呼吸システム１００を表し、比例弁システム２００は、システムへの高圧ガス流を設定及び調整するように制御される比例弁を含む。この実施形態では、比例弁は、酸素等の高圧ガスをシステム内に導入する。ブロワ１６０の動作によって、周囲空気がシステム内に引き込まれ、ブロワで加圧され、比例弁システムからの酸素と混合され、次に患者に送達される。人工呼吸システムは、高圧ガス流を検出するためのガス流量センサ２７０も含むことができる。ガス流量センサ２７０からの情報を使用して、例えば、ガス流量を正確に送達するように比例弁２１０を解析及び／又は調整することができる。人工呼吸システム１００は、例えば、ブロワ１６０内の周囲空気の流れを検出する空気流量センサ１９０も含むことができる。空気流量センサ１９０からの情報を使用してブロワ１６０を解析及び／又は調整し、正確な空気流が送達されるのを確実にすることができる。あるいはまた、ガス流量センサ２７０及び空気流量センサ１９０のいずれかを使用して、ガス又は空気の供給における誤差をそれぞれ検出することができる。周囲空気及び高圧ガスは、これら２つのガスが混合されるマニホールドに到達する。混合ガスは次に患者に送られる。混合ガスは、患者１００に送達される前に、ブロワ１６０と比例弁２１０との両方によって加圧される。特定の構成のシステムが図３に示されているが、この構成に対する多くの変形が可能である。
【００３４】
図４を参照すると、一実施形態では、この図は、非侵襲的な人工呼吸システムにおける圧力及びガス混合を制御する方法４００のフローチャートを示す。ステップ４１０において、非侵襲的な人工呼吸システム１００が提供される。システムは、本明細書に記載されるか又は他に想起される非侵襲的な人工呼吸システムのいずれかであり、例えば、他の構成要素の中でも制御装置１２０、ブロワ１６０、ブロワモータ制御装置１６２、比例弁２１０、比例弁制御装置２５０、ガス供給源２２０、及び流量センサ２６０を含むことができる。他の実施形態も可能である。
【００３５】
この方法のステップ４２０において、人工呼吸システム１００が起動され、制御装置１２０は、同じ制御装置とし得るブロワモータ制御装置１６２に指示してブロアモータを起動させて、周囲空気をシステム内に吹き込む。制御装置１２０はまた、同じ制御装置とし得る比例弁制御装置２５０に指示して比例弁２１０を開き、高圧ガスがシステムに入ることを可能にする。起動されたブロワ１６０及び開放された比例弁２１０が一緒になって、流れ及び圧力を生成し、及びそれらの流量比によって、システム内に特定のガス混合物を生成する。
【００３６】
この方法のステップ４３０において、ブロワモータ制御装置１６２は、多段階フィードバック機構５００を用いて、ブロワモータの速度を制御及び調整する。図５を参照すると、一実施形態では、この図は、多段階フィードバック機構の概略図を示す。一実施形態によれば、システム１００は、正確な圧力追跡及び維持のために、広範囲の速度及び負荷動特性（load  dynamics）に適応しなければならない。システムは、他の制御要件の中でも、圧力軌跡を調整しながら流れの乱れを許容する必要があり得る。これらの要件を満たすために、システム１００は、４つのネスト型フィードバック制御ループ（すなわち、（１）電流フィードバックループ、（２）ブロワ速度フィードバックループ、（３）流れフィードバックループ、（４）圧力フィードバックループ）を有するカスケード制御アーキテクチャを利用する。このアーキテクチャは、内部ループの剛性（stiffness）を最大にし、各サブレベルで外乱の除去を管理し、最も高いレベルの圧力制御によって高性能を達成できるようにする。一実施形態によれば、電流フィードバックループは、逆起電力（back-emf）の影響を最小限に抑え、モータの固有の電気的時定数を克服する。ブロワ速度フィードバックループは、速度制御を線形化し、モータ負荷の外乱を除去し、高い精度で最高速度の制約にハード制限（hard-limit）をかけることができる。流れフィードバックループは、患者の必要流量、咳、及び部分的な回路閉塞によって引き起こされる圧力障害の影響を除去するのに役立つ。圧力フィードバックループは、最高レベルで、適用された圧力軌跡を正確に追跡する。このシステムには、ＰＩＤゼロによって引き起こされるオーバーシュートを排除するが、ＰＩＤの特性安定性を保持する圧力制御用の擬似微分（PDF）補償器も含むことができる。流れループ補償器もＰＤＦであり、速度ループはＰＩＤである。
【００３７】
一実施形態によれば、補完フィルタが、ブロワモータ制御装置１６２に設けられ、フィードバック用に使用される。フィルタは、機械圧力信号及び近位圧力信号を単一の信号にブレンドしてフィードバックする。一実施形態によれば、ブレンドは、低周波数の近位センサと高周波数の機械センサとの相補的な周波数帯域に亘って行われる。遅延の少ない機械信号は、安定しているが、ブロワ応答が高速になると、（近位患者接続部での圧力測定値である）プロックス（prox）信号、定常状態での正確な近位圧力を提供する。
【００３８】
この方法のステップ４４０において、混合制御装置１７０は、回路及びブロワを通る流れのサイズ及び方向を監視し、酸素比例弁の流量を調整して混合制御を与える。一実施形態によれば、混合制御装置は、高速且つ正確な混合制御を与える酸素比例弁流量サーボの流れ軌跡を別々に決定する。例えば、現在の混合に誤差が検出された場合に、混合制御装置は混合を修正することができる。一実施形態によれば、混合補正は、制御装置のフィードフォワード部分と共に働くＰＩＤ補償器を含むフィードバック制御装置から構成される。一実施形態によれば、混合制御装置はまた、内部マニホールドを通る流れ供給源のサイズ及び方向を厳密に追跡し続けることによって、再呼吸の問題を補償する。これは、再呼吸によってブロワ経路内のガスがどの位富化されるかを決定し、混合制御装置はこれを補償するために酸素流量を減少させる。フィードフォワード経路は、設定された混合に対する高速応答のために使用され、定常状態において高精度のためにより遅いフィードバックを使用する。
【００３９】
一実施形態によれば、混合制御装置は、混合制御装置によるＯ２補正のためのフィードバック推定値を提供し、且つ回路及びブロアを通る流れのサイズ及び方向を厳密に監視する混合推定器を利用する。図１０を参照すると、一実施形態では、この図は、混合推定器１０００の概略図を示す。
【００４０】
ステップ４５０において、速度制御装置が、速度を監視し、低速度での回転速度計の速度の読取り値を補うので、非常に低速度でのブロワ速度を制御することができる。一実施形態によれば、速度制御装置は、流量制御装置及び電流制御装置をブリッジし、粘性摩擦及びトルクに関連する外乱を除去する。速度制御装置は、低速での回転速度計の速度の読取り値を補うためにモデルベースのモータ速度観測器に依存している。これにより、ブロワによる呼気中の圧力過渡を制御する能力が大幅に向上する。
【００４１】
ステップ４６０において、圧力及び／又は流量の変化が生じ、システムは、例えば、混合の増減、比例弁システムによる圧力の増減、及び／又はブロワモータの速度の増減によって適合される。圧力及び／又は流量の変化は、人工呼吸器の設定の変更等の変更要求であり得る。この変更は、システム内のリークの結果や人工呼吸器ユーザの状態、位置、又は他の変更の変化であり得る。システム１００は、変化を検出及び判定し、本明細書に記載の制御装置（複数可）及び方法を用いて、システムを調整し、圧力及び／又は流量を適切な設定に戻す。
【００４２】
非侵襲的な換気圧力制御
【００４３】
図５を参照すると、一実施形態では、この図は、速度ループ、流れループ、及び圧力ループを有するカスケード圧力制御装置５００の概略図を示す。非侵襲的な換気圧力制御は、ブロワ及び酸素弁からのガス供給源を利用して、漏れが予想される単肢回路を介して患者に混合ガス支持を与える。システム内の制限された動的な差異を克服するために、「スレーブ」と呼ばれる別の混合アプローチが使用される。スレーブでは、酸素流量サーボループは、測定された総流量の一部によって決定される流れ軌跡に従うように行われる。スレーブアルゴリズムの詳細について以下に述べるが、最初に、非侵襲的な換気圧制御混合、すなわちブロワ経路内の患者呼気ガスの再呼吸に影響を及ぼす問題も考慮する必要がある。単肢回路システム並びに特定の設定及び患者負荷について、呼気中のガスはブロワ経路を通る方向を逆転させることができ、その後の呼吸のためにその経路を酸素で富化する。混合の正確さを満たすためには、混合制御で再呼吸を考慮する必要がある。
【００４４】
一実施形態によれば、システムはまた、正確な圧力追跡のために広範囲の負荷動特性に適応する必要がある。また、システムは、圧力軌跡を調整しながら流れの乱れを許容する必要がある。そのような能力を満たし、厳格な速度制限能力を提供するために、カスケード制御アーキテクチャを利用することができる。一実施形態によれば、カスケードアーキテクチャは、３つのネスト型フィードバック制御ループ、すなわち、（ｉ）速度ループ、（ｉｉ）流れループ、（ｉｉｉ）圧力ループを含む。
【００４５】
一実施形態によれば、最も内側のループは、その出力としてブロワ電流コマンドを提供し、その入力として流れループから次の上位レベルの速度軌跡、ブロワ速度、電流及び電圧測定値を受け取ってブロワ速度を推定し、フィードバックする。速度ループは、内部アンチワインドアップ（anti-windup）制御を維持するだけでなく、圧力制御装置にフィードバックする出力信号を提供して、速度ループが飽和限界に達した場合に圧力制御装置の積分器を徐々に終了させる（wind-down）ようにする。流れループは、圧力ループ、カスケード内の最も外側のループからの流量軌跡をその入力として、及びブロワ流量の測定値をフィードバックとして受け取る。圧力ループは、特定の換気モード（ＰＣ、ＰＰＶ等）からの圧力軌跡、フィードバック用の補完フィルタによってブレンドされた近位圧力測定値及び機械圧力測定値、及び速度ループからの飽和速度信号を入力として受け取る。制御に対するカスケードアプローチは、主要な制御目標を満たす際にプロセスが複数の関連する測定値を提供できる場合に活用することができる。中間のフィードバック信号を考慮することにより、追跡及び外乱の除去を改善するためのプロセスを設計することができる。圧力制御では、圧力、流量、及び速度の測定値がカスケード制御のために考慮される。
【００４６】
一実施形態によれば、内側の速度ループは、局所的に通信して外側圧力ループに戻り、最大速度又は最小速度での飽和からの即時回復を提供するアンチワインドアップ機構を有する。この非線形制御規定によって、オーバーシュートや制御の喪失なしに電流制限が可能になるのと同じくらい迅速にブロワを加速することが可能になる。一実施形態によれば、速度ループフィードバック信号は、高速用のＸ６ホール回転速度計信号と低速用のモデルベースの推定器との組合せによって提供され、０までずっとエイリアシングされた位相リップルのない１ｋＨｚのサンプルレートを提供することができる。中間ループ流れフィードバック制御装置は、圧力制御ループの流れの外乱を除去するのに役立ち、圧力ループ制御のための追加の減衰作用を提供するのに役立つ。
【００４７】
一実施形態によれば、圧力及びスレーブ混合制御の動力学は、それら動力学が扱う負荷の観点から緊密に絡み合っており、必要な安定性及び性能を達成するには機能的に一緒に検討しなければならないが、２つの制御装置は、互いに形態的に別個であり、別々に記述することができる。なお、図５及び図６は、制御装置の構成要素の一般的な構造及びそれら構成要素同士の間の接続を示す。しかしながら、カスケード制御、圧力、流量、及び速度補償器の各構成要素について以下でさらに詳細に説明する。
【００４８】
非侵襲的な換気圧力補償器
【００４９】
図６を参照すると、一実施形態では、この図は、ブロワ圧力制御ループ補償器６００の概略図を示す。機械圧力は、制御の安定性に関して最良の圧力測定値を与えるが、制御のために意図した基準フレームは、遠隔のより近位側の患者接続部である。しかし、近位患者接続部（“ｐｒｏｘ”又は“Ｐｐｒｏｘ”）での流れ動作と圧力測定との距離が大きく離れると、フィードバックループに著しい輸送遅延が生じる。この遅延は、典型的には、安定した動作を達成するためにより低いループゲインを必要とするため、性能（立ち上がり時間、オーバーシュート等）の低下が予想される。近位圧力基準フレームでの操作は必須条件となり、安定性と性能との両方を回復するには、２つの圧力を一緒にブレンドして１つの圧力測定値とする補完フィルタを使用することができる。圧力軌跡と近位圧力との間の追跡誤差は、定常状態で（及びある程度低い周波数まで）最も重要であり、安定性に余裕を持たせた交差周波数は、通常、より高い周波数範囲で生じる。従って、近位圧力及び機械圧力は、それぞれ、別々の周波数帯域に亘って情報を分離するフィルタによって処理できるが、フィードバック制御についていずれかを独立して行うよりも、組み合わせた方がより効果的なフルバンドを提供することができる。
【００５０】
一実施形態によれば、補完フィルタは、汎用フィルタの構成を用いて実現され、フィードバック圧力のＰｐｒｏｘ（近位圧力）成分（Ｐｆｄｂｋ）用の低域通過フィルタ及びＰｍａｃｈ成分用の帯域通過フィルタとして機能する。補完フィルタの指定には、低域通過フィルタ及び帯域通過フィルタの振幅周波数応答が交差する交差周波数ωｘを定義する必要がある。
【数１】
2018528027.tif 000066
【００５１】
近位ライン切断又は閉塞は、切断及び閉塞アルゴリズム（本開示では説明しない）によって判定することができる。ＦＬＰ（ｎ）について、以下の設定で汎用フィルタを使用することができる：ａ＝０；ｂ＝ωｘ＝６．２８ラジアン（ｒａｄ）／秒（１Ｈｚ）；ｃ＝１；ｄ＝ωｘ；ΔＴ＝０．００１秒；ｘ（ｎ）＝Ｐｐｒｏｘ（ｎ）における汎用フィルタ入力；ｙ（ｎ）＝ＦＬＰ（ｎ）における汎用フィルタ出力である。ＦＢＰ（ｎ）について、以下の設定で帯域通過フィルタを使用することができる：ωｌｏｗ＝ωｘ；ωｈｉｇｈ＝２５１３．３ｒａｄ／秒（４００Ｈｚ）；ΔＴ＝０．００１秒；帯域通過フィルタ入力ｕ（ｎ）＝Ｐｍａｃｈ（ｎ）を設定する；帯域通過フィルタ出力ｖ（ｎ）＝ＦＢＰ（ｎ）を設定することである。一実施形態によれば、圧力制御装置のサーボ誤差εｐ（ｎ）は、圧力軌跡Ｐｔｒａｊ（ｎ）と測定された（生の）圧力Ｐｆｄｂｋ（ｎ）との差である。
εｐ（ｎ）＝Ｐｔｒａｊ（ｎ）−Ｐｆｄｂｋ（ｎ）（式２）
【００５２】
圧力ループＰＤＦ補償器
【００５３】
一実施形態によれば、圧力ループ補償器の基本構造は、擬似微分フィードバックアーキテクチャを使用する。この構造は、ＰＩＤ補償器が使用される場合と同じ閉ループ動力学を達成するが、ＰＤＦ構造はＰＩＤに導入されたゼロを除去し、結果的に制御装置自体によってもたらされるオーバーシュートを排除する。図６は、積分器への入力Ｑｉ＿ｉｎ（ｎ）が、速度及び圧力制御装置からのアンチワインドアップフィードバック成分と、積分ゲインＫｉＰ及び圧力サーボ誤差εｐ（ｋ）の積とを合計することによって計算されることを示す。
Ｑｉ＿ｉｎ（ｎ）＝ＫａＰＩＩｂ＿ｓａｔ（ｎ）＋ＫａＰＱｂ＿ｓａｔ（ｎ）＋ＫｉＰεｐ（ｎ）（式３）
【００５４】
一実施形態によれば、以下のゲインを用いることができる：ＫｉＰ＝３００ｌｐｍ／ｃｍＨ２Ｏ；ＫａＰ＝１０秒−１；及びＫａＰＩ＝１０秒−１である。積分は離散時間で前進差分（forward  difference）によって近似される。積分器の出力Ｑｉ＿ｏｕｔ（ｎ）は次のように計算される。
Ｑｉ＿ｏｕｔ（ｎ）＝ΔＴＱｉ＿ｉｎ（ｎ−１）＋Ｑｉ＿ｏｕｔ（ｎ−１）（式４）
及び初期条件Ｑｉ＿ｉｎ（０）＝０である。積分器は始動後に決してリセットされない。
【００５５】
圧力のフィードバック成分は、フィルタ処理された機械圧力ＱＰ（ｎ）及び圧力変化の時間変化率Ｑｄ（ｎ）のスケール値を含み、後者の時間変化率Ｑｄ（ｎ）は機械圧力のフィルタ後の微分によって推定される。一実施形態によれば、本明細書に記載される方法は、以下の割当て変数及びパラメータを代入することによって、これらの成分を計算するために利用され得る。フィードバック圧力Ｐｆｄｂｋ＿ｆ（ｎ）の導関数については、以下の導関数が利用される。
【数２】
2018528027.tif 000067
【００５６】
次に、生の（raw）流れ制御コマンドＱｓｕｍ（ｎ）が、積分器の出力成分及びフィードバック成分の和及び差として計算される。
【数３】
2018528027.tif 000068
ここで、ＫｄＰ＝０．１５  ｌｐｍ−秒／ｃｍＨ２Ｏ；ＫｐＰ＝１２  ｌｐｍ／ｃｍＨ２Ｏである。圧力補償器の出力であるブロワ流れ軌跡Ｑｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）は、流れ限界によって制約される。
Ｑｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）＝ｍｉｎ｛Ｑｂ＿ｔｒａｊＭａｘ，ｍａｘ｛Ｑｂ＿ｔｒａｊＭｉｎ，Ｑｓｕｍ（ｎ）｝｝（式７）
ここで、Ｑｂ＿ｔｒａｊＭａｘ＝２５０  ｌｐｍであり、
【数４】
2018528027.tif 000069
である。
【００５７】
最後に、飽和差が計算され、流れ限界に起因する圧力のアンチワインドアップのループを完了する。
Ｑｂ＿ｓａｔ（ｎ）＝Ｑｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）−Ｑｓｕｍ（ｎ）（式８）
【００５８】
非侵襲的な換気ブロワ流量補償器
【００５９】
一実施形態によれば、流量制御装置は、圧力及びブロワ速度制御ループを結合し、流れが応答する方法に基づいて圧力制御にいくつかの調整（条件付け）を与えるように設計される。この調整（条件付け）は、圧力制御の減衰を与え、また流れの乱れから圧力制御を大幅に隔離させる。図７を参照すると、一実施形態では、この図は、ＰＤＦ構造に基づく流れループ補償器７００の概略図を示す。
【００６０】
流量サーボ誤差を計算するためにフィードバックを使用する前に、生のブロワ流量測定値Ｑｂ（ｎ）が、まず、２次低域通過フィルタを用いて高周波ノイズを低減するようにフィルタ処理され得る。フィルタ処理されたブロワ流量測定値Ｑｂｆ（ｎ）を得るために、以下の信号代入及びパラメータ設定を利用することができる：ｘ（ｎ）＝Ｑｂ（ｎ）；ｙ（ｎ）＝Ｑｂｆ（ｎ）；ω０＝３０００ｒａｄ／秒；ζ＝０．７０７；ΔＴ＝０．００１秒である。図７に示されるように、流量制御装置のサーボ誤差εＱ（ｋ）は、ブロワ流量軌跡Ｑｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）と、スケーリングされフィルタ処理されたブロワ流量測定値Ｑｂｆ（ｎ）との間の差として計算することができる。
εＱ（ｎ）＝Ｑｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）−Ｑｂｆ（ｎ）（式９）
【００６１】
図７は、積分器への入力ωｉ＿ｉｎ（ｎ）が、アンチワインドアップフィードバックと、積分ゲインＫｉＱ及び流量サーボ誤差εＱ（ｎ）の積とを合計することにより計算されることを示す。
ωｉ＿ｉｎ（ｎ）＝ＫａＱωｂ＿ｓａｔ（ｎ）＋ＫｉＱεＱ（ｎ）（式１０）
ここで、以下のゲインが使用される：ＫａＱ＝１０秒−１；ＫｉＱ＝２０００ｒｐｍ／ｌｐｍ−秒である。積分は、離散時間で前進差分によって近似される。積分器の出力ωｉ＿ｏｕｔは、以下のように計算される。
ωｉ＿ｏｕｔ（ｎ）＝ΔＴ＊ωｉ＿ｉｎ（ｎ−１）＋ωｉ＿ｏｕｔ（ｎ−１）（式１１）
初期条件は、ωｉ＿ｉｎ（０）＝０及びωｉ＿ｏｕｔ（０）＝２０００である。一実施形態によれば、積分器は始動後リセットされない。
【００６２】
流れのフィードバック成分は、図７に示されるように、フィルタ処理されたブロワ流れのスケール値Ｑｂ＿ｆ（ｎ）及びフィルタ処理された流れの導関数
【数５】
2018528027.tif 000070
を含む。以下の代入変数及びパラメータを使用できる。フィルタ処理されたブロワ流量Ｑｂ＿ｆ（ｎ）について、ｘ（ｎ）＝Ｑｂ（ｎ）；ｙ（ｎ）＝Ｑｂ＿ｆ（ｎ）；ω０＝１５００ｒａｄ／秒；ζ＝０．７０７；ΔΤ＝０．００１秒である。フィルタ処理されたブロワ流量の導関数
【数６】
2018528027.tif 000071
について、ｘ（ｎ）＝Ｑｂ（ｎ）；
【数７】
2018528027.tif 000072
；ω０＝１５００ｒａｄ／秒；ζ＝０．７０７；ΔΤ＝０．００１秒である。生の速度制御コマンドωｓｕｍ（ｎ）は、積分器の出力及びフィードバック成分の和及び差、及び圧力誤差フィードフォワードの和として計算できる。
【数８】
2018528027.tif 000073
ここで、ＫｄＱ＝０．１５０ｒｐｍ−秒／ｌｐｍ；ＫｐＱ＝０．０ｒｐｍ／ｌｐｍである。ブロワ流量補償器の出力であるブロワ速度軌跡ωｔｒａｊ（ｎ）は、速度限界によって制約される。
ωｔｒａｊ（ｎ）＝ｍｉｎ｛ωｔｒａｊＭａｘ，ｍａｘ｛ωｔｒａｊＭｉｎ，ωｓｕｍ（ｎ）｝｝（式１３）
ここで、ωｔｒａｊＭａｘ＝５０，０００ｒｐｍ；ωｔｒａｊＭｉｎ＝２０００ｒｐｍである。速度制御装置は２０００ｒｐｍ以下で制御することができるが、一実施形態によれば、この下限は、飽和後の回復に対して最良の応答を与えるように選択されたことに留意されたい。最後に、飽和差が計算されて、速度限界に起因する流れのアンチワインドアップのループを完了する。
ωｂ＿ｓａｔ（ｎ）＝ωｔｒａｊ（ｎ）−ωｓｕｍ（ｎ）（式１４）
【００６３】
ブロワ速度制御装置
【００６４】
一実施形態によれば、ブロワ速度制御は、難流動性絞り弁のブロワ速度の制御を与えるが、超過速度状態によるモータの電流増幅器のシャットダウンの機会を減少させるのにも役立つ。これは、例えば、速度軌跡に緊密に追従することによって達成され、オーバーシュートをゼロにし、迅速な飽和回復を与えることができる。速度制御装置は、例えば、改良されたＸ６回転速度計の読み取りが高速で使用される場合と、モデルベースの推定器が低速で使用される場合とのブロワ速度測定のハイブリッド方法を使用することができる。ハイブリッド方式は、低いノイズ速度信号を与える。この信号は、１ｋＨｚの更新で全範囲に亘って応答し、ゼロ付近の速度まで動作する正確な速度推定を含む。回転速度計を単独で使用した場合に、６つのホール移行部のサンプルレートは約２００Ｈｚまでになるように算定される。電流及び電圧から推定される速度を利用することにより、モータ速度の１ｋＨｚサンプリングがゼロ付近の速度まで維持される。電流及び電圧によって推定される速度が１００００ｒｐｍを超える速度を使用しないことにより、むしろ回転速度計の信号のみを使用することにより、フィードバック信号は、エイリアシングされたモータ高調波、特にトルク脈動とも呼ばれるモータコギングから保護される。より低い範囲の速度制御は、呼気気道陽圧（EPAP）への圧力過渡期の改善した制御を与える。
【００６５】
一実施形態によれば、制御装置は、速度軌跡の追跡精度を上げるために補償器の一部として積分器と、速度制御装置の局所積分器と圧力制御装置の積分器との両方に通信する積極的なアンチワインドアップ制御とを含むことができる。アンチワインドアップ設計により、ブロワの加速中に制御装置を飽和状態で動作させて立ち上がり時間を最小限に抑え、リニア制御下で即座に回復して速度軌跡を正確に追跡することができる。一実施形態によれば、制御装置が軌跡を追跡できない唯一の時間は、急減速中だけである。急減速の場合に、モータの２象限電流制御装置は、キャパシタに蓄積された限られた電力源を用いてモータにブレーキをかけるか、又は減速させる。しかし、電流制御装置がブレーキ状態から回復すると、速度制御装置及びその頑強なアンチワインドアップ機構が速度軌跡にロックする最良の機会を与える。
【００６６】
ブロワ速度補償器
【００６７】
図８を参照すると、一実施形態によれば、この図は、ブロワ速度補償器８００のブロック図である。一実施形態によれば、速度誤差εω（ｎ）は、速度軌跡ωｔｒａｊ（ｎ）とフィルタ処理された速度推定値
【数９】
2018528027.tif 000074
との間の差として計算される。
【数１０】
2018528027.tif 000075
フィルタ処理された速度推定値は、２次低域通過フィルタ計算を用いて、生の速度推定値
【数１１】
2018528027.tif 000076
をフィルタ処理し、及び以下の信号代入及びパラメータ値を使用することによって得ることができる：
【数１２】
2018528027.tif 000077
；ω０＝１８００ｒａｄ／秒；ζ＝０．７０７；ΔＴ＝０．００１である。生の速度推定値がどの様に決定されるかを説明する前に、まずブロワ速度補償器の計算について説明する。
【００６８】
一実施形態によれば、ブロワ速度補償器８００は、基本的に、固定ゲイン及びアンチワインドアップ補償を伴う比例積分制御であるが、他の機構も可能である。通常、積分ゲインは制御の速度（別名、剛性）を決定し、比例ゲインは減衰を追加し、オーバーシュートを減らすのに役立つ。ブロワ（開ループ）の線形周波数の帯域幅の応答は比較的遅く、従って、１秒の数分の１で流量／圧力軌跡を高圧にするのは、ブロワの速度を飽和できるかに大きく依存する。また、これは、速度制御によってブロワをその最大速度で飽和させることが重要であり、サーボ誤差が符号を変えた直後に飽和から急速に回復することも含む。速度制御装置で検出された飽和差Ｉｂ＿ｓａｔ（ｎ）は、制御装置のカスケード内の外圧ループに送り返され、圧力制御装置の積分器がブロワ飽和時の減衰誤差をアシストする。
【００６９】
積分器の入力Ｉｉ＿ｉｎ（ｎ）は、スケーリングされた速度誤差εω（ｎ）とスケーリングされた飽和差との和として計算される。
Ｉｉ＿ｉｎ（ｎ）=Κｉωεω（ｎ）＋ΚａωＩｂ＿ｓａｔ（ｎ）（式１６）
Ｉｂ＿ｓａｔ（ｎ）＝Ｉｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）−Ｉｓｕｍ（ｎ）（式１７）
【００７０】
電流制御装の比例成分Ｉｐ（ｎ）は、速度補償器の比例ゲインＫｐωと、速度制御のサーボ誤差との積として計算することができる。
Ｉｐ（ｎ）=Ｋｐωεω（ｎ）（式１８）
【００７１】
積分は、離散時間で前進差分によって近似される。積分器の出力Ｉｉ＿ｏｕｔ（ｎ）は、以下のように計算することができる。
Ｉｉ＿ｏｕｔ（ｎ）＝ΔＴＩｉ＿ｉｎ（ｎ−１）＋Ｉｉ＿ｏｕｔ（ｎ−１）（式１９）
ここで、初期条件が、Ｉｉ＿ｉｎ（０）＝０及びＩｉ＿ｏｕｔ（０）＝８１９２である。無制限制御Ｉｓｕｍ（ｎ）は、積分制御成分と比例制御成分の単なる和である。
Ｉｓｕｍ（ｎ）＝Ｉｉ＿ｏｕｔ（ｎ）＋Ｉｐ（ｎ）（式２０）
【００７２】
速度制御の出力であるブロワのモータ電流軌跡Ｉｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）は、電流限界によって制約される制御として計算することができる。
Ｉｂ＿ｔｒａｊ（ｎ）＝ｍｉｎ｛Ｉｂ＿ｔａｒｇＭａｘ，ｍａｘ｛Ｉｂ＿ｔａｒｇＭｉｎＦｉｌｔ（ｎ），Ｉｓｕｍ（ｎ）｝｝（式２１）
ここで
【数１３】
2018528027.tif 000078
である。
【００７３】
一実施形態によれば、
【数１４】
2018528027.tif 000079
はゼロに初期化され、
【数１５】
2018528027.tif 000080
は、相が呼気相であり、
【数１６】
2018528027.tif 000081
であれば、１にラッチされ、
【数１７】
2018528027.tif 000082
は、吸気の開始時にゼロにリセットされる。一実施形態によれば、Ｉｂ＿ｔａｒｇＭｉｎＦｉｌｔ（ｎ）は、一次遅れ（lag）として構成される汎用フィルタを用い、以下の代入を用いて計算される：ｘ（ｎ）＝Ｉｂ＿ｔａｒｇＭｉｎ（ｎ），ｙ（ｎ）＝Ｉｂ＿ｔａｒｇＭｉｎＦｉｌｔ（ｎ），ａ＝０，ｂ＝１，ｃ＝τＳｐｅｅｄＳｗｉｔｃｈ＝０．０２秒，ｄ＝１，ΔＴ＝０．００１，ｙ（０）＝２０００カウント、及びΚｐω＝２．８２３９カウント／ｒｐｍ，Κｉω＝４８．２カウント／ｒｐｍ−秒，及びΚａω＝１０００／秒である。
【００７４】
一実施形態によれば、低電流境界のフィルタ処理後のスイッチングによって、呼気の第１の部分の間に速度がより低い値に近づくことを可能にし、こうして呼吸の抵抗及び仕事を低下させる。
【００７５】
ブロワ速度推定器
【００７６】
モデリングの観点から、三相ブラシレスモータは、電流とトルクとの間だけでなく、電圧と回転数との間に線形関係を示すＤＣモータと同様に見える。従って、ＤＣモータのモデルは、速度の正確な推定値として役立つ。従って、速度推定値
【数１８】
2018528027.tif 000083
を計算する離散時間推定器は、スケール係数３０／πを含むことによって、ｒｐｍ単位で導き出すことができる。
【数１９】
2018528027.tif 000084
ここで、計算定数は、Ｒ＝０．２１オーム；Ｌ＝０．００００４５ヘンリー；ＫＴ＝０．００６５Ｎ−ｍ／Ａであり；Ｉｍ（０）はゼロとして初期化される。
【００７７】
非侵襲的な換気Ｏ２混合制御装置
【００７８】
侵襲的な換気のために、送達されるガスの酸素濃度（混合）の制御は、典型的には、全流量目標の単純なレシオメトリック（ratiometric）区分によって管理される。これは、容量循環型換気又は圧力循環型換気のいずれにも当てはまる。また、Ｏ２弁及び空気弁は、通常、一致している、又は静的感度及び動的応答の点で十分に近いので、通常、指定された精度を満たすために混合の補正を行う必要はない。流量制御の精度をさらに向上させる空気＆Ｏ２についての流量フィードバック制御の使用は、この仮定を補強する。しかし、いくつかの非侵襲的な換気の混合制御では、ブロワとＯ２弁流量応答との間に動的な不一致が存在することがある。ブロワ流路に戻ってくる排出された混合ガスは言うまでもなく、不一致は、実現不可能ではないにしろレシオメトリックアプローチを困難にし、圧力制御の不安定性と大きな混合エラーを引き起こす。混合制御を管理するには、Ｏ２流量サーボが全流量応答に従う場合に別のアプローチを使用できる。上述したように、これは「スレーブ」又は「スレーブ制御」と呼ばれる。このアーキテクチャでは、正のフィードバックループがＯ２流量測定に関して発生する。安定性は、（混合制御を含む）全体的な圧力制御システムの場合に、負圧フィードバックループが支配的な状態である限り可能である。スレーブ方式は、設定範囲全体及び予想される患者の負荷に対して、かなり一貫した圧力応答及び適切な混合精度を与える。図９は、この方式の制御装置の構成要素の一般的な構造９００と、それら構成要素同士の間の接続のみを示す。この方式のより完全な詳細について以下に示す。
【００７９】
混合制御のために、いくつかの計算が規則的な制御間隔ΔＴに亘って進行し、これらの計算は、変数ｎ＝１，２，３…によってインデックス付けされる。他の計算は、吸入開始又は呼気開始のいずれかで呼吸サイクル毎に１回だけ更新される。これらの計算は、（設定された呼吸数（breath  rate）又はトリガ間隔に応じて）可変の時間間隔を有し、変数ｋ＝１，２，３…によってインデックス付けされる。
【００８０】
呼吸同士の間の（breath  to  breath）混合制御は、設定された呼吸数又は患者が呼吸をトリガする場合には、最後の呼吸間隔に従って変化する測定された呼吸数のいずれかによって固定された固有のサンプリング速度を設定する。Shannonのサンプリング定理によれば、サンプリングが制御のために予想される最高周波数の半分よりも遅い場合に、情報を回復して利用することは期待できない。呼吸数が変化すると、一貫した過渡応答で安定した閉ループ制御を維持するために制御装置の構造も同様に変化しなければならない。これは、フィードバックのみのためにシステムが設定値の変化に応答できる時間に問題を生じさせるため、混合制御が正しい方向に直ちに動くように、ゲイン＜１．０のフィードフォワード成分も必要である。その後、閉ループ制御の応答が遅くなる。
【００８１】
一実施形態によれば、閉ループ混合制御は、ポール（pole）配置の方法、所望の閉ループシステムダイナミクスをその閉ループポールの観点から設計目標とする直接的な合成の方法によって導出される。この設計アプローチでは、連続時間（混合）システムは、１０秒の時定数を有する一次応答と仮定される。ゼロ次ホールドが仮定され、これらの２つの要素の組合せは、等価離散時間システムに変換される。次に、離散時間プラント及び所望の閉ループシステムを用いて、制御装置の構造及びゲインを計算する。
【００８２】
混合補正
【００８３】
混合補正は、例えば、酸素濃度の直接的な測定の手段ではなく、混合推定器に基づくフィードバック制御を用いて実行することができる。この推定は、ブロワ測定値及び流量測定値並びに流路の仮定を使用する。補正は、呼吸毎の基準（breath  by  breath  basis）に基づいて更新され、酸素流量成分を減少させる係数として適用される。再呼吸の問題を管理するには、一般的に混合補正が必要であるが、混合補正は、ブロワと圧縮酸素弁のガス送達との間の動的な差異も補正することができる。混合補正制御装置は、全ての呼吸の開始時に混合補正係数を計算する。再呼吸される酸素の影響が大きくなるほど、係数は小さくなる。１に近い係数は、再呼吸が殆ど又は全くないことを示す。
【００８４】
混合補正は、まず、呼吸毎に、混合軌跡の差Ｍｔｒａｊ（ｋ）と推定混合割合
【数２０】
2018528027.tif 000085
とによって決定される混合誤差εＭ（ｋ）を計算することにより開始することができる。
【数２１】
2018528027.tif 000086
【００８５】
一実施形態によれば、UserMixSetting（ｎ）は、ユーザにより設定された混合値であり、ΔＴ秒で更新される。
【数２２】
2018528027.tif 000087
【数２３】
2018528027.tif 000088
【００８６】
一実施形態によれば、フィルタを利用して、ブロワ流量追従フィルタへの入力に対するスムーズな軌跡を生成することができる。ＭＳＥＴｆｉｌｔ（ｎ）は、以下の値を代入することによって計算することができる：ｘ（ｎ）＝ＭＳＥＴｆｉｌｔ（ｎ），ａ＝０，ｂ＝１，ｃ＝０．１秒，ｄ＝１，ΔＴ＝０．００１秒，ｙ（０）＝２１．０である。
【００８７】
混合補償器の積分器の入力Ｍｉ＿ｉｎ（ｋ）は、以下のように計算される。
Ｍｉ＿ｉｎ（ｋ）＝βｍｉｘ（ｋ）［εＭ（ｋ）−αｍｉｘ（ｋ）εＭ（ｋ−１）］（式２６）
ここで、εＭ（０）＝０．０である。呼吸数の設定とは無関係に、一貫したサンプル応答を維持するために、ポールとゼロ点が指数関数形式で表されるため、合成から直接得られた呼吸同士の間の基準に基づいてα，β及びゲインが計算される。
【数２４】
2018528027.tif 000089
βｍｉｘ（ｋ）＝２０．０τｍｉｘ（１−αｍｉｘ（ｋ））（式２８）
ここで、ＴＢ（ｋ）は呼吸間隔（秒）であり、ＴＢ（０）＝１．０，τｍｉｘ＝２秒である。
【００８８】
一実施形態によれば、積分出力は単純な後進差分によって計算されるが、最小及び最大補正係数によって、以下のように固定される。
【数２５】
2018528027.tif 000090
ここで初期条件は、Ｍｉ＿ｏｕｔ（０）＝０．５である。
【００８９】
ブロワ流量追従フィルタのアンチワインドアップの場合に、混合差Ｍｓａｔ（ｎ）は次のように計算される。
Ｍｓａｔ（ｎ）＝ＱＯ２ｔｒａｊ（ｎ）−Ｍｉ＿ｏｕｔ（ｎ）ＱＯ２ｒｅｆ（ｎ）（式３０）
【００９０】
一実施形態によれば、制御装置は、以下の２つの条件下でリセットされる：（１）設定された混合が２１％である（この場合に、制御装置は、設定された混合が２１％である限り、全ての呼吸に対してリセット状態に保持される）、又は（２）混合の軌跡に変化がある（この場合に、制御装置はその１回の呼吸のリセット値にだけリセットされる）。
Ｍｒｅｓｅｔ（ｎ）＝｛Ｍｔｒａｊ（ｋ）≠Ｍｔｒａｊ（ｋ−１）｝又は｛Ｍｓａｔ（ｎ）＝２１％｝（式３１）
ここで、Ｍｔｒａｊ（０）＝２１である。
【００９１】
ユーザ混合設定変更に関するシーケンシャル論理、即座に影響するもの、及び特定の変更が呼吸状態又はイベントによってどの様に制約されるかは、本明細書の論理ステートメントによって正しく指定される。混合の即時の変化は、呼気中にのみ起こり、ＢＦＦ及びＣＰＣフィルタ成分によって作用される。しかし、閉ループ混合制御装置の動作はより遅延し、呼吸の開始時にのみ起こり、リセット条件によってさらに制約される。
【００９２】
酸素基準流量が計算された後に、補正された混合係数を適用して、標準制御速度（１ｍｓ毎）におけるフィルタ処理後の全流量から酸素流量のサーボ軌跡を計算することができる。
ＱＯ２＿ｔｒａｊ（ｎ）＝ｍｉｎ｛ＱＯ２ｍａｘ，ｍａｘ｛０，Ｍｉ＿ｏｕｔ（ｋ）＊ＱＯ２ｒｅｆ（ｎ）｝｝（式３２）
【００９３】
ＱＯ２ｒｅｆ（ｎ）は、２つの成分、フィルタ処理後のブロワ流量追従成分ＱＯ２ｒｅｆＢ（ｎ）及びフィルタ処理後の相補的な圧力誤差成分ＱＯ２ｒｅｆＰ（ｎ）から構成される。
ＱＯ２ｒｅｆ（ｎ）＝ＱＯ２ｒｅｆＢ（ｎ）＋ＫＰＱｍｉｘＱＯ２ｒｅｆＰ（ｎ）（式３３）
ここで、ＫＰＱｍｉｘ＝４．０である。
【００９４】
フィルタ処理された各成分について、各時間ステップにおいて、スケールファクタＫｆ（ｎ）、及びフィルタポールαｆ（ｎ）が計算される。
αｆ（ｎ）＝（１００−ＭＳＥＴｆｉｌｔ（ｎ））／７９τＰＱ（式３４）
Ｋｆ（ｎ）＝（ＭＳＥＴｆｉｌｔ（ｎ）−２１）／７９τＰＱ（式３５）
ここで、τＰＱ＝０．０２である。一実施形態によれば、τＰＱは、高い混合設定について、ブロワ流量と酸素流量との間の追跡剛性及びノイズ結合をトレードオフする調整係数である。小さなτＰＱは、ノイズの多い酸素の流れを伴うが、剛性追跡を提供する。
【００９５】
一実施形態によれば、フィルタ処理後のブロワ流量成分は、混合補正されたブロワ流量測定値に作用する低域通過フィルタを用いて計算される。
ＱＯ２ｒｅｆＰ（ｎ）＝Ｋｆ（ｎ）ｙ（ｎ）（式３６）
ｙ（ｎ）＝ΔＴ［ＫａｆＭｓａｔ（ｎ−１）＋ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ−１）］＋（１−ΔＴαｆ（ｎ−１）ｙ（ｎ−１）（式３７）
ここで、Ｋａｆ＝１．０，Ｍｓａｔ（０）＝０．０，αｆ（０）＝０．０，ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（０）＝０．０、及びｙ（０）＝０．０である。
【００９６】
一実施形態によれば、フィルタ処理後の相補的な圧力誤差成分は、圧力誤差に作用する低域通過フィルタ（正味効果：帯域通過）と直列の高域通過フィルタとして計算される。
ＱＯ２ｒｅｆＰ（ｎ）＝［１−ΔＴαｆ（ｎ−１）］ＱＯ２ｒｅｆＰ（ｎ−１）＋ΔＴαｆ（ｎ−１）ｙ（ｎ−１）（式３８）
ｙ（ｎ）＝（Ｋｆ（ｎ）／αｆ（ｎ））［εＰ（ｎ）−αｆ（ｎ）ｚ（ｎ）］（式３９）
ｚ（ｎ）＝ΔＴεＰ（ｎ−１）＋［１−ΔＴαｆ（ｎ−１）］ｚ（ｎ−１）（式４０）
ここで、εＰ（０）＝０．０，ｙ（０）＝０．０，ｚ（ｎ）＝０．０，ＱＯ２ｒｅｆＰ（０）＝０．０である。
【００９７】
混合推定器
【００９８】
一実施形態によれば、混合推定器を用いて、混合制御装置のＯ２補正部分にフィードバック推定値を提供することができる。混合推定器設計の背後にある目標は、例えば、（１）複数の呼吸に亘って送達される混合物の平均推定値を提供すること、（２）逆流挙動をモデル化し、呼吸の開始時にＯ２富化空気の推定値を補正することである。最も単純な形態の瞬時酸素濃度（混合）（逆代謝生成物又は以前の呼吸からの混合ガスはないと仮定する）は、総ガス流量に対する酸素流量分の比によって決定することができる。
【００９９】
図１０を参照すると、一実施形態では、この図は、混合制御装置の混合推定器１０００の概略図である。ブロア混合係数Ｋｂ＿Ｏ２（ｎ）は、再呼吸ウィンドウＷＲ（ｎ）の状態に応じて選択することができる。
【数２６】
2018528027.tif 000091
ここで、
【数２７】
2018528027.tif 000092
は、サンプリングされた瞬時推定混合率（ｅ（ｎ）の立ち下がりエッジでサンプリングされる）である。ＷＲ（ｎ）は、真を示す場合に、富化空気がブロワ経路内に含まれるウィンドウである。ＷＲ（ｎ）は、制御サイクルで更新され、以下の状態図によってさらに定義される「再呼吸ウィンドウ」とも呼ばれる。ＷＲ（ｎ）が真である場合に、これは、以前の呼気からのＯ２富化空気がブロワ経路内に残存しており、最後にサンプリングされた瞬時推定混合率を用いてブロワ供給ガスの酸素率を決定すべきことを示す。ＷＲ（ｎ）がクリアされた場合に、ブロワ供給ガスは２１％と仮定される。
【０１００】
図１０は、例えば、連続的に維持することができる３つの別個の平均があることを示している：（ｉ）平均総ブロワ流量
【数２８】
2018528027.tif 000093
（ｉｉ）Ｏ２弁からの平均有効酸素流量
【数２９】
2018528027.tif 000094
（ｉｉｉ）純粋なＯ２であるブロワ流量の平均率
【数３０】
2018528027.tif 000095
である。
【０１０１】
一実施形態によれば、ブロワ流量センサは常に空気を測定するように設定されているので、Ｑｂ（ｎ）は、ユーザ設定混合に従って予想されるガス組成について補正され、ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）及びＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）としてのＭＳＥＴ（ｎ）は正の流れに制限される。というのは、正の流れは推定器に関係するからである。また、Ｋｂ＿Ｏ２（ｎ）は瞬時混合推定値
【数３１】
2018528027.tif 000096
から、ｅ（ｎ）の立ち下がりエッジでラッチされることにも留意されたい。これらの特定の信号及びタイミングは、再呼吸の影響が顕著になる、高呼吸数、中容量から高容量、高混合設定状態について正確な混合推定値を提供するために重要である。
【０１０２】
平均を推定するために、混合推定器は、ブロワ状態に従ってラッチ能力を提供する特別な１次ラグ（フィルタ）を使用することができる。一実施形態によれば、変数及びパラメータの次の置換が適用され、３つのフィルタのそれぞれの有効論理がマニホールド内の流れ方向によって決定される場合に、３つのインスタンスが必要とされる。混合は、患者に向けて流れる流れについてのみ推定される。負の流れは、フィルタｅ（ｎ）＝（Ｑｂｌｏｗｅｒ（ｎ）＞０）には入らない。
【０１０３】
まず、ブロワ流量及び酸素流量を補正する。ブロワ流量は、ブロワ流量センサの現在の混合に対して補正される。
【数３２】
2018528027.tif 000097
【０１０４】
そして、酸素流量をゼロにクリッピングする。
ＱＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＝ｍａｘ｛０，ＱＯ２（ｎ）｝（式４３）
【０１０５】
正味の流量は、ブロワ流量と酸素流量との和である。ブロワ流と圧縮ガス流の物理的な違いは、ブロワが流れを吸入するだけでなく流れを供給できることである。圧縮された酸素ガスは、流れのみを供給することができる。呼吸送達の間に、患者に行くガス流の組成及びサイズＱｎｅｔは、ブロワの流れＱｂの方向及び酸素の流れＱＯ２のサイズに対するその流れのサイズによって影響を受ける。これらの条件は、より正確な混合を推定するための基礎として使用できる明確な流れ状態を規定する。例えば、第１及び第２の流れ状態は、患者に向かう正味の流れを規定することができる。第３の流れ状態は、呼気を規定することができる。流れ状態１では、ブロワガスと酸素ガスとの両方が患者に向けて流れる。流れ状態２では、ブロワの流れが逆転するが、ブロワ流量が酸素流量未満であるので、正味の流れに差があり、純粋な酸素から構成される。流れ状態４は、ブロワ流量が酸素流量と等しく、向きが反対の場合を説明する。酸素ガスは全てブロワから流出し、患者への正味の流れはゼロである。互いに排他的なマニホールド状態のセットは、以下の通りである。
ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）≧０の場合に、流れ状態（ｎ）＝１
ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＜０及びＱＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＞−ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）の場合に、流れ状態（ｎ）＝２
ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＜０及びＱＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＜−ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）の場合に、流れ状態（ｎ）＝３
ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＜０及びＱＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）＝＝−ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）の場合に、流れ状態（ｎ）＝４（式４４）
【０１０６】
推定器フィルタイネーブルｅ（ｎ）は次のようになる。
ｅ（ｎ）＝（｛流れ状態（ｎ）＝＝１｝又は｛流れ状態＝＝２｝）（式４５）
ここで、以下は、混合推定器内の３つのフィルタの他の入力及び出力を規定する：α＝０．００４，τＭ＝（ΔＴ＊（１−α））／αである。
【０１０７】
（１）
【数３３】
2018528027.tif 000098
について、ブロワ流の酸素成分：ｘ（ｎ）＝Ｋｂ＿Ｏ２（ｎ）・ｍａｘ｛０，ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）}；
【数３４】
2018528027.tif 000099
；τ＝τＭ；ΔＴ＝０．００１秒；ｙ０＝０．２１である（空気が最初に回路内にあると仮定する）。
【０１０８】
（２）
【数３５】
2018528027.tif 000100
について、総ブロワ流量：ｘ（ｎ）＝ｍａｘ{０，ＱｂＯ２ｃｏｒｒ（ｎ）}；
【数３６】
2018528027.tif 000101
；τ＝τＭ；ΔＴ＝０．００１秒；ｙ０＝１．０である（このフィルタの初期条件は、開始時にゼロで除算することを回避する）。
【０１０９】
（３）
【数３７】
2018528027.tif 000102
について、圧縮酸素ガス弁からの流れ：
【数３８】
2018528027.tif 000103
ここで、τ＝τＭ；ΔＴ＝０．００１秒；ｙ０＝０．０である。
【０１１０】
各制御ステップnにおいて、瞬時混合率推定値
【数３９】
2018528027.tif 000104
は、次のように計算することができる。
【数４０】
2018528027.tif 000105
【０１１１】
各吸気の開始時に、最後の呼吸に関する
【数４１】
2018528027.tif 000106
の平均値を提供する呼吸平均混合率の推定値
【数４２】
2018528027.tif 000107
をサンプリングすることができる。
【数４３】
2018528027.tif 000108
混合制御装置で使用するために割合混合推定値
【数４４】
2018528027.tif 000109
が、次のように計算される。
【数４５】
2018528027.tif 000110
【０１１２】
混合推定器を完了させるために、前回送達された呼吸からの推定混合率
【数４６】
2018528027.tif 000111
が、正味の流れが負になるときにサンプリングされ得る。
【数４７】
2018528027.tif 000112
【０１１３】
再呼吸ウィンドウ状態論理
【０１１４】
図１１を参照すると、一実施形態では、この図は、再呼吸シーケンシャル論理を示すブロック図である。再呼吸論理は、真のときに、以前の呼吸からの酸素富化ガスのある部分が呼気中にマニホールドのブロワ肢に入ったことを示す再呼吸ウィンドウＷＲ（ｎ）の状態を判定する。このようにして、呼気中のバイアス流の回復中又は次の呼吸時の吸入開始時にブロア入口ガスのＯ２濃度を富化するための指示信号を混合推定器に供給する。論理は、この富化されたガスの容量を検出して計算し、そのような（想定されるデッドスペース制限まで）信号をアクティブにする。
【０１１５】
再呼吸ウィンドウのタイミングは、ＩＥ信号とは無関係であり、ブロワ流れのゼロ交差にのみ依存することに留意されたい。これは、高い呼吸数では、ＩＥ信号とＱｂ信号との間に有意な位相シフトがあるので、必須の設計特徴である。
【数４８】
2018528027.tif 000113
【０１１６】
ＳＲ＿ＦｌｉｐＦｌｏｐ機能は、デジタル・セットリセット・フリップフロップ又はラッチと同じ方法で動作する。
【数４９】
2018528027.tif 000114
は、「セット（set）」入力であり、
【数５０】
2018528027.tif 000115
は、ｎのインクリメントと一致するクロックの（立ち上がり）エッジを表すテーブルのＣによるリセット入力である。フリップフロップ入力は、次のように規定される。
【数５１】
2018528027.tif 000116
ここで、Ｖε＝１ｍＬ，Ｑε＝１  ｌｐｍである。
【数５２】
2018528027.tif 000117
【０１１７】
ＱｂＯ２ｃｏｒｒについて、先に規定したように、これは、ｌｐｍで混合補正後に測定されたブロワセンサ流量である。正の流れが、ブロワから安全弁及び患者ポートに向けて移動する。ＶＤは有効デッドスペース量である。
【０１１８】
本明細書において定義され、使用される全ての定義は、辞書定義、参照により組み込まれる文献内の定義、及び／又は定義された用語の通常の意味を支配すると理解すべきである。
【０１１９】
本明細書の詳細な説明及び特許請求の範囲で使用される不定冠詞「１つの（a,  an）」は、明確に反対の指示がない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解すべきである。
【０１２０】
本明細書の詳細な説明及び特許請求の範囲で使用される「及び／又は」という語句は、そのように結合された要素、すなわち、ある場合には結合的に存在し、他の場合に分離的に存在する要素の「どちらか又は両方」を意味すると理解すべきである。「及び／又は」と共に列挙された複数の要素は、同じように、すなわちそのように結合された要素の「１つ又は複数」と解釈すべきである。具体的に特定された要素と関連するかどうかにかかわらず、「及び／又は」節によって具体的に特定される要素以外の他の要素がオプションで存在してもよい。
【０１２１】
本明細書の詳細な説明及び特許請求の範囲において使用される際に、「又は」は、上で定義した「及び／又は」と同じ意味を有すると理解すべきである。例えば、リスト中の項目を分離する場合に、「又は」又は「及び／又は」は包括的であると解釈すべきであり、すなわち、多数の要素又はリストの要素の少なくとも１つを含むが、複数も含み、必要に応じてリストにない追加の項目を含む。「〜のうちの１つだけ」又は「〜のうちの正に１つだけ」、或いは特許請求の範囲において使用される場合に、「〜から構成される」等の明確にそれとは反対に示される用語だけが、多数の要素又はリストの要素の正に１つの要素を含むことを意味する。一般的に、本明細書で使用される用語「又は」のみは、「どちらか」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つだけ」、「〜のうちの正に１つ」等の排他的な用語によって先行される場合に、排他的な２者択一（すなわち、一方又は他方であり、両方ではない）を示すように解釈すべきである。
【０１２２】
本明細書の詳細な説明及び特許請求の範囲で使用される際に、１つ又は複数の要素のリストを参照しての「少なくとも１つの」という句は、要素のリスト内の１つ又は複数の要素から選択される少なくとも１つの要素を意味すると理解すべきであり、必ずしも要素のリスト内に特に列挙されている各要素及び全ての要素の少なくとも１つを含み、要素のリスト内の要素の任意の組合せを除外するものではない。この定義はまた、具体的に特定されたこれらの要素に関するかどうかにかかわらず、「少なくとも１つの」という節が指し示す要素のリスト内で具体的に特定される要素以外に、要素がオプションで存在することを可能にする。
【０１２３】
それとは逆に明確に示されていない限り、複数のステップ又は動作を含む本明細書の特許請求の範囲に記載される任意の方法において、この方法のステップ又は動作の順序は、必ずしもこの方法のステップ又は動作が記載される順番に限定されないことも理解すべきである。
【０１２４】
特許請求の範囲及び上記詳細な説明において、「備える、有する、含む（comprising）」、「含む、有する（including）」、「運ぶ（carrying）」、「有する、含む（having）」、「含む（containing）」、「関与する（involving）」、「保持する（holding）」、「構成する（composed  of）」等の全ての移行句は、オープンエンドとして理解すべきであり、すなわち目的語を含むがこの目的語に限定されないことを意味する。「〜から構成される（consisting  of）」及び「本質的に〜から構成される（consisting  essentially  of）」という移行句だけが、米国特許商標庁の特許審査基準第２１１１．０３項に記載されるように、それぞれクローズド又はセミクローズド移行句とされる。
【０１２５】
いくつかの本発明の実施形態について本明細書に記載し説明してきたが、当業者は、機能を実行し、及び／又は結果を得るための様々な他の手段及び／又は構造、及び／又は本明細書に記載された１つ又は複数の利点を容易に想起するだろう。そのような変形及び／又は修正の各々は、本明細書に記載された本発明の実施形態の範囲内にあるとみなされる。より一般的には、当業者は、本明細書に記載される全てのパラメータ、寸法、材料、及び構成が例示であることを意味し、実際のパラメータ、寸法、材料及び／又は構成は、本発明の教示が使用される特定の用途に依存することを容易に理解するだろう。当業者は、本明細書に記載の特定の本発明の実施形態に対する多くの均等物を認識するか、又は単に日常の実験を用いて確認することができる。従って、前述の実施形態は単なる例示として提示され、添付の特許請求の範囲及びこの均等の範囲内で、本発明の実施形態は、具体的に記載され特許請求の範囲に請求される以外の方法で実施し得ることを理解すべきである。本開示の本発明の実施形態は、本明細書に記載される個々の特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法を対象とする。さらに、そのような特徴、システム、物品、キット、及び／又は方法が互いに矛盾しない場合に、そのような特徴、システム、物品、キット及び／又は方法の２つ以上の任意の組合せが、本開示の本発明の範囲内に含まれる。
【国際調査報告】
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