(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間が形成される弁室に、患者の呼気を導入するための呼気導入口と、予め定める移動軸線に沿う軸線方向一方に形成される開口と、開口に対して軸線方向他方に形成されて患者の呼気を弁箱外方に排出するための弁孔とがそれぞれ形成される弁箱と、
弁孔に対して弁室外に配置される着座部分を有し、前記移動軸線に沿って弁室を貫通して延び、前記軸線方向に往復変位可能に設けられる弁手段と、
弁手段の着座部分が着座することで弁孔が閉じられ、弁手段が離間することで弁孔が開く弁座と、
磁力によって弁手段に吸着される可動部を有し、可動部を前記移動方向に往復駆動する駆動手段と、
弁手段に連結されて、弁室に形成される開口を封止し、弁室と弁室外の圧力差に応じて前記軸線方向に変形するベローズとを含み、
前記弁手段と可動部とは、それぞれ永久磁石片を有して、互いに接続されることを特徴とする人工呼吸器用呼気弁装置。
【請求項２】
前記駆動手段は、
前記弁手段を前記移動方向に往復運動することを特徴とする請求項１記載の人工呼吸器用呼気弁装置。
【請求項３】
前記駆動手段は、
フォースモータであることを特徴とする請求項１または２記載の人工呼吸器用呼気弁装置。
【請求項４】
前記ベローズは、
前記移動軸線に垂直な平面に対する投影面積が可変に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の人工呼吸器用呼気弁装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の人工呼吸器用呼気弁装置と、
患者に吸気を吐出逆止弁を介して供給する空気ポンプと、
患者の口または鼻の少なくとも一方に装着される装着部材と、
空気ポンプの吐出逆止弁と装着部材とを接続し、患者に空気ポンプからの吸気を導くための吸気管路と、
吸気管路の途中位置から分岐し、先端部に人工呼吸器用呼気弁装置を設け、人工呼吸器用呼気弁装置に患者の呼気を導くための呼気管路と、
吸気期間中は人工呼吸器用呼気弁装置の弁孔を閉じるように制御する制御手段とを含むことを特徴とする人工呼吸器。
【請求項６】
制御手段は、人工呼吸器用呼気弁装置の吸気管路または呼気管路の空気が予め定める異常圧力以上になると、弁手段を弁座から離間させることを特徴とする請求項５記載の人工呼吸器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工呼吸器に好適に適用することのできる人工呼吸器用呼気弁装置および人工呼吸器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工呼吸器を装着した患者の呼気期間に呼気の圧力（以後、呼気圧と呼ぶ）を大気圧よりも高い圧力に調整する場合がある。この圧力は、呼気終末陽圧Positive End-Expiratory Pressure（以後、ＰＥＥＰ圧と呼ぶ）と呼ばれる。このように呼気圧をＰＥＥＰ圧に保つことは、人工呼吸管理中の肺胞の虚脱防止などに有用である。このＰＥＥＰ圧は患者毎に、または患者の状態によって異なる値に調整される。呼気圧をＰＥＥＰ圧に保つためには、人工呼吸器の呼気管路に呼気圧がＰＥＥＰ圧未満では大気への通路を閉じ、ＰＥＥＰ圧以上では大気への通路を開く呼気弁装置を設けることが必要である。
【０００３】
典型的な呼気弁装置としては、逆止弁に類似した構成が知られており、先行技術がＭｃＧｒａｗ  Ｈｉｌｌ（１９９４），“Principles and Practice of Mechanical Ventilation”，ｐ９６〜９７に開示されている。
【０００４】
第１の先行技術では、弁体がばね力によって弁座に押付けられ、ばね力は、ばねの基端部に設けられるばね力調整具を調整することによってＰＥＥＰ圧に応じて手動で調整される。
【０００５】
第２の先行技術では、強磁性片または永久磁石片を備える弁体と、先端に永久磁石片を装着したボルトとを含んで構成される。弁体は、強磁性片とボルトの永久磁石片との間の磁気吸引力によって弁座に押付けられ、磁気吸引力はボルトを伸縮することによってＰＥＥＰ圧に応じて手動で調整される。
【０００６】
第３の先行技術では、弁体に代わって空気によって膨張および収縮の可能なダイアフラムが設けられる。ダイアフラムは、弁箱との間に空気チャンバを構成し、空気チャンバに送風機などから送給される空気によって膨張し弁座を閉じる。空気チャンバに送給される空気の圧力は、圧力制御弁などによってＰＥＥＰ圧に応じて制御される。
【０００７】
第４の先行技術では、第３の先行技術と同様にダイアフラムが用いられ、ダイアフラムは、電磁力を利用したフォースモータによって駆動されて弁座を閉じる。フォースモータによるダイアフラムの弁座に対する押付け力は、フォースモータに流される電流値の調整によってＰＥＥＰ圧に応じて制御される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述した先行技術には、以下の問題点がある。第１および第２の先行技術では、ＰＥＥＰ圧に応じてばね力調整具またはボルトを手動で調整しなければならないので、呼気弁装置のＰＥＥＰ圧の設定を遠隔操作によって行うことができないという問題がある。またばね力の調整によって呼気弁装置の開放圧力を設定するとき、ばねは付与される力の大きさに応じて反力が変化するので、開放圧力を超える圧力（以後、オーバライド圧力と呼ぶ）を付与しなければ、開放圧力に対応して呼気弁装置に予め定められた設定流量を得ることができないという問題がある。
【０００９】
第３の先行技術では、空気チャンバに送給される空気の圧力制御によって呼気弁装置の開放圧力を設定するので、ばね力の調整による場合と同様にオーバライド圧力の問題がある。また空気チャンバに送給される空気の圧力制御によって、呼気弁装置のＰＥＥＰ圧を遠隔操作できるけれども、遠隔操作のための電気信号を発信する装置、電気信号に応答し機械駆動して空気圧に変換する装置が必要となり、装置の構成が複雑かつ大型化し装置のコストが増大するという問題がある。
【００１０】
第４の先行技術では、ダイアフラムの駆動に電磁力を利用したフォースモータを用いるので、ＰＥＥＰ圧を遠隔操作する問題およびオーバライド圧力の問題を解決することができる。しかしながら、呼気弁装置にフォースモータを用いるとき、フォースモータの出力軸とダイアフラムの駆動軸との接続における軸心合わせおよび機械的接合が困難であるという問題があるけれども、その解決技術は開示されていない。また呼気弁寸法の増大にともない、呼気弁に対応するダイアフラムの寸法も増大するので、ダイアフラムを駆動するフォースモータの容量を増大しなければならず不所望に呼気弁装置が大型化するという問題があるけれども、その解決技術は開示されていない。
【００１１】
本発明の目的は、簡単な構成で小型化を図ることができ、遠隔操作可能で応答性良く患者の呼気圧等の空気の排出圧力を調整することができる人工呼吸器用呼気弁装置および人工呼吸器を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部空間が形成される弁室に、患者の呼気を導入するための呼気導入口と、予め定める移動軸線に沿う軸線方向一方に形成される開口と、開口に対して軸線方向他方に形成されて患者の呼気を弁箱外方に排出するための弁孔とがそれぞれ形成される弁箱と、
弁孔に対して弁室外に配置される着座部分を有し、前記移動軸線に沿って弁室を貫通して延び、前記軸線方向に往復変位可能に設けられる弁手段と、
弁手段の着座部分が着座することで弁孔が閉じられ、弁手段が離間することで弁孔が開く弁座と、
磁力によって弁手段に吸着される可動部を有し、可動部を前記移動方向に往復駆動する駆動手段と、
弁手段に連結されて、弁室に形成される開口を封止し、弁室と弁室外の圧力差に応じて前記軸線方向に変形するベローズとを含み、
前記弁手段と可動部とは、それぞれ永久磁石片を有して、互いに接続されることを特徴とする人工呼吸器用呼気弁装置である。
【００１３】
本発明に従えば、弁箱内に設けられる弁手段と、弁手段に連結されて開口を封止するベローズとを有する。患者の肺の換気機能を支援するためにＰＥＥＰ圧に設定されると、呼気期間において、弁室外よりも弁室内の空気の圧力が高く設定される。弁体は、呼気の圧力を受けて、着座部分が弁座から離反する方向、すなわち軸線方向他方に力を受ける。またベローズは、呼気の圧力を受けて、弁室に対して膨らむ方向、すなわち軸線方向一方に力を受ける。弁手段は、ベローズに連結されるので、ベローズによって軸線方向一方の力が与えられる。このことによって、弁体に付与される力の一部がベローズに付与される力の大きさだけ相殺されるので、小さい容量の駆動手段によって弁手段を軸線方向一方に駆動することができる。したがって、大きな容量の駆動手段を設ける必要がなくなり、装置の小型化を図ることができる。
【００１４】
また弁手段と可動部とは、磁力によって吸着されて互いに接続される。これによって接続の信頼性が向上するとともに装置の組立作業が簡易化される。たとえば弁手段と可動体とのに強磁性体からなる第１接続部材および第２接続部材を設けることで、各接続部材の形状を単純化し、部材寸法精度の許容値も大きくとることができるので、部材製作上の工数削減が可能になる。
また、弁手段と可動体とが永久磁石片を有する。このように安価な永久磁石片によって、駆動手段と弁手段との確実な接続を実現することができるので、コスト低減が可能になる。
また本発明は、前記駆動手段は、
前記弁手段を前記移動方向に往復運動することを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記駆動手段は、フォースモータであることを特徴とする。
本発明に従えば、駆動手段はフォースモータである。フォースモータの駆動力である電磁力は、フォースモータに供給される電流によって制御されるので、ＰＥＥＰ圧設定の応答性が良くかつ遠隔操作が可能になる。またフォースモータは、付与される空気の圧力に対応する反力を生じることがないので、オーバライド圧力をほぼ零にすることができる。また呼気弁を空気式で開閉する装置のように送風機などを設ける必要がないので、装置の小型化およびコスト低減が可能になる。
【００１６】
また本発明は、前記ベローズは、前記移動軸線に垂直な平面に対する投影面積が可変に設けられることを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、ベローズは、移動軸線に垂直な平面に対する投影面積が可変に設けられるので、フォースモータの容量に応じてベローズの前記投影面積を設定することができる。このことによって、装置の設計上におけるフォースモータ選択の許容範囲が広くなる。
【００２０】
また本発明は、前記いずれかの人工呼吸器用呼気弁装置と、
患者に吸気を吐出逆止弁を介して供給する空気ポンプと、
患者の口または鼻の少なくとも一方に装着される装着部材と、
空気ポンプの吐出逆止弁と装着部材とを接続し、患者に空気ポンプからの吸気を導くための吸気管路と、
吸気管路の途中位置から分岐し、先端部に人工呼吸器用呼気弁装置を設け、人工呼吸器用呼気弁装置に患者の呼気を導くための呼気管路と、
吸気期間中は人工呼吸器用呼気弁装置の弁孔を閉じるように制御する制御手段とを含むことを特徴とする人工呼吸器である。
【００２１】
本発明に従えば、後述の図２に示すように吸気管路は空気ポンプと患者の装着部材とを接続し、呼気管路は吸気管路の途中から分岐し、呼気管路の先端部には人工呼吸器用呼気弁装置が設けられる。吸気期間中、制御手段によって人工呼吸器用呼気弁装置の弁孔が閉じるように、すなわち人工呼吸器用呼気弁装置の開放圧力が吸気圧以上になるように制御されるので、吸気の人工呼吸器用呼気弁装置からの排出が防止される。このことによって、患者に充分に吸気を供給することができる。
また本発明は、制御手段は、人工呼吸器用呼気弁装置の吸気管路または呼気管路の空気が予め定める異常圧力以上になると、弁手段を弁座から離間させることを特徴とする。
本発明に従えば、人工呼吸器用呼気弁装置が異常圧力防止用の開閉弁を兼ねることができ、吸気管路または呼気管路に異常圧力防止用の開閉弁を別途設ける必要がなくなり、装置の構成を簡素化することが可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態である人工呼吸器用呼気弁装置１の構成を簡略化して示す概略断面図である。この人工呼吸器用呼気弁装置１（以後、呼気弁装置と略称する）は、人工呼吸期間中、患者の呼気圧を大気圧よりも高いＰＥＥＰ圧に調整する。ＰＥＥＰ圧は、患者毎または患者の状態によって異なる予め定める値に設定される。
【００２３】
呼気弁装置１は、内方に弁室３が形成される弁箱４と、弁箱４内で予め定める移動方向に延びる移動軸線５方向に往復変位可能に設けられる弁体６と、弁体６に連なって設けられ移動軸線５方向に延びる弁軸７と、弁孔８が形成され弁体６が着座および離間する弁座９であって、弁孔８には弁軸７の設けられる側から呼気が導かれる弁座９と、弁軸７の弁体６とは反対側に位置する端部である遊端部１０に設けられる強磁性材料から成る第１接続部材１１と、前記移動軸線５の延長線上に軸線を有し軸線付近の中央部１２が弁軸７に装着され外縁部１３が弁箱４の一端部１４に装着されるベローズ１５であって、弁孔８に対向して弁箱４の一端部１４に形成される開口部１６を封止するように設けられるベローズ１５と、移動軸線５の延長線上に軸線１９を有し弁体６および弁軸７を移動軸線５方向に往復駆動する駆動手段１７と、駆動手段１７の軸線上かつ弁軸７の遊端部１０を臨む位置に設けられ前記第１接続部材１１を磁力によって吸着する第２接続部材１８とを含む。
【００２４】
弁箱４は、合成樹脂から成り、略有底円筒状の形状を有する。弁箱４内には、弁室３が移動軸線５と同軸に形成される。弁室３の軸線方向の一端部には、前記弁箱４の一端部１４に形成される開口部１６が存在し、他端部には弁体６が着座および離間する弁座９が設けられる。弁座９には、直径ｄ１を有する弁孔８が移動軸線５の延長線上に軸線を有するように形成される。また弁箱４の底部２４には、底部２４に連なり弁箱４の内方に向って垂直に突出して弁体案内部２５が形成される。弁体案内部２５は、移動軸線５の延長線上に軸線を有する。
【００２５】
患者の呼気を呼気弁装置１に導入する呼気導入口２０は、移動軸線５と垂直な方向の軸線を有し弁室３に連通するように弁箱４の側面に形成される。また患者の呼気を呼気弁装置１から排出する呼気排出口２１は、移動軸線５と垂直な方向の軸線を有し、弁体６に関して弁座９の反対側かつ弁箱４の他端部２２付近の側面に形成される。弁箱４には、弁孔８に関して弁室３とは反対側に出口空間２３が形成される。これによって、呼気導入口２０は弁箱４の外部と弁室３とを連通し、弁孔８は弁室３と出口空間２３とを連通し、呼気排出口２２は出口空間２３と外部とを連通する。
【００２６】
弁体６は、合成樹脂製であり、有底筒状を呈する円筒部２６と円筒部２６の他端部から半径方向外方に突出するフランジ部２７とから成る。弁体６の円筒部２６に形成される凹所２８に前記弁体案内部２５が挿入され、弁体６は、弁体案内部２５に案内されて移動軸線５に沿って往復変位し、弁座９に着座および離間する。弁体６および弁軸７を含んで弁手段となり、フランジ部２７は、弁手段における着座部分となる。
【００２７】
弁体６の円筒部２６に連なり弁体６に関して弁体案内部２５と反対側に移動軸線５方向に延びる弁軸７は、本実施の形態では弁体６と一体に形成される。弁軸７の遊端部１０には、第１接続部材１１が設けられ、第１接続部材１１の弁体６寄りの位置には接続案内部材２９が設けられる。第１接続部材１１は、強磁性材料である永久磁石から成る部材であり、以後第１接続部材１１を第１永久磁石片１１と呼ぶ。接続案内部材２９は、合成樹脂製の断面形状が略Ｃ字を有する部材である。接続案内部材２９および第１永久磁石片１１は、弁軸７の遊端部１０に螺合によって装着されてもよく、また接着剤によって接着固定されてもよい。
【００２８】
ベローズ１５は、たとえばゴムなどの弾発性を有する材料から成り、前述のように移動軸線５の延長線上に軸線を有し、その軸線方向に伸縮することができる。弁軸７には、一対の第１装着部材３１ａ，３１ｂが遊端部１０付近において接続案内部材２９の弁体６寄りに設けられる。第１装着部材３１ａ，３１ｂは、たとえばアルミニウム合金からなる薄い環状の部材であり、ベローズ１５の中央部１２を挟圧して弁軸７に装着する。また弁箱４の一端部１４の内周に形成される切欠き部３３には、一対の第２装着部材３２ａ，３２ｂが着脱可能に設けられる。第２装着部材３２ａ，３２ｂは、たとえばアルミニウム合金から成り、内径ｄ２を有する薄い環状の部材であり、ベローズ１５の外縁部１３を挟圧して弁箱４の一端部１４に装着する。
【００２９】
このようにベローズ１５は、中央部１２が第１装着部材３１ａ，３１ｂに挟圧されて弁軸７に装着され、外縁部１３が第２装着部材３２ａ，３２ｂによって挟圧されて弁箱４の一端部１４に装着され、弁箱４の一端部１４に形成される開口部１６を封止する。種々の内径ｄ２の第２装着部材３２ａ，３２ｂを準備し、適宜選択して使用することによって、ベローズ１５の軸線に垂直な断面に対する投影面積を可変に設けることができる。また第２装着部材３２ａ，３２ｂの内径ｄ２は、ベローズ１５を軸線に垂直な平面に投影した円の直径に同一であるので、以後ｄ２をベローズ１５の直径と略称する。
【００３０】
駆動手段１７は、フォースモータであり、移動軸線５の延長線上に軸線１９を有し、弁箱４の一端部１４に臨んで設けられる。フォースモータ１７は、軸線１９まわりに導線が巻きまわされたコイル３６と、駆動用永久磁石片３７と、出力軸３８とを含む。軸線１９と同一軸線を有し直円筒状に形成されたコイル３６は、他端部がコイル保持部材３９によって保持される。コイル保持部材３９は、金属製の薄い円板状部材であり、軸線１９と同軸に設けられる。出力軸３８は、金属製の円柱状部材であり、コイル保持部材３９に軸線１９と同軸に設けられる。なおコイル３６には、導線４０が連なり、導線４０は後述する駆動アンプ５７に接続される。
【００３１】
駆動用永久磁石片３７は、一方の磁極（たとえばＮ極）を有する磁石部材４１と、他方の磁極（たとえばＳ極）を有するもう１つの磁石部材４２と、これらの磁石部材４１，４２の軸線１９方向の一端部で連結する連結片４３とを含む。磁石部材４１，４２は直円筒状であり、磁石部材４１がもう１つの磁石部材４２の半径方向外方に間隔をあけて同心円状に配置される。これらの磁石部材４１，４２の間の空間４４には、半径方向に磁界が形成され、前記コイル３６はこの磁界内に存在する。
【００３２】
駆動用永久磁石片３７は、磁石部材４１の他端部において、連結部材４５を介して弁箱４に装着される。連結部材４５は、他端部において半径方向外方に突出したフランジ部を有する略円筒状の金属製部材である。また連結部材４５は、弁箱４の一端部１４に形成される切欠き部３３に設けられる第２装着部材３２ａ，３２ｂを弁箱４との間で挟圧し、第２装着部材３２ａ，３２ｂおよび第２装着部材３２ａ，３２ｂに外縁部１３が挟圧されているベローズ１５の弁箱４への装着を確実にする。
【００３３】
出力軸３８の弁軸７を臨む他端部には、第２接続部材１８が設けられる。第２接続部材１８は、永久磁石片から成る部材であり、以後第２接続部材１８を第２永久磁石片と呼ぶ。第１永久磁石片１１と第２永久磁石片１８とは、その極性が互いに吸引する向きになるように、たとえば第１永久磁石片１１のＮ極に対向して、第２永久磁石片１８のＳ極が位置するようにそれぞれ設けられるので、第２永久磁石片１８は、前記接続案内部材２９に案内されて第１永久磁石片１１を磁力によって吸着し、第１および第２永久磁石片１１，１８が接続される。このことによって、第１および第２永久磁石片１１，１８がそれぞれ設けられる出力軸３８と弁軸７とが連結されるので、フォースモータ１７の駆動力を弁軸７および弁体６に伝達することができる。
【００３４】
このように、フォースモータ１７と弁軸７および弁体６とは、第１および第２永久磁石片１１，１８が磁力で互いに吸着することによって確実に接続されるので、接続の信頼性が向上するとともに装置の組立作業が簡易化される。また第１および第２接続部材１１，１８の形状が単純化され、部材寸法精度の許容値も大きくとることができるので、部材製作上の工数削減が可能になる。さらに第１および第２接続部材１１，１８は、ともに安価な永久磁石片によって実現されるので、コスト低減が可能になる。
【００３５】
前記コイル３６に駆動アンプ５７から直流電流が供給されることによって、コイル３６には軸線１９方向の電磁力が、フレミングの左手の法則に従って発生し、フォースモータ１７の出力軸３８に前述のようにして連結される弁軸７および弁体６が、弁体案内部２５に案内されて移動軸線５方向に往復変位される。このことによって、弁体６が、弁座９に着座または離間する。
【００３６】
このとき弁軸７に中央部１２が装着されたベローズ１５は、弁軸７および弁体６の往復変位にともなって移動軸線５方向に伸縮する。さらにベローズ１５は、呼気導入口２０から弁室３内に導入された呼気の圧力に応じて伸縮することができる。
【００３７】
前述したようにＰＥＥＰ圧は、大気圧よりも高い圧力に調整されるので、弁室３内は大気圧よりも圧力が高い。すなわち、弁体６は弁室３内の呼気圧によって、移動軸線５方向に弁箱４の底部２４に向う方向（以後、便宜上この方向を下方と呼ぶ）に力を受ける状態にある。したがって、フォースモータ１７は、この弁体６が呼気圧によって受ける下方に向う力に抗して、弁軸７および弁体６を移動軸線５に沿ってベローズ１５に向う方向（以後、便宜上この方向を上方と呼ぶ）に変位させなければならない。本実施の形態では、前述のように弁箱４の一端部１４に形成される開口部１６にベローズ１５が装着される。ベローズ１５は、弁室３内の呼気圧によって上方に向う力を受けて伸長することができるので、ベローズ１５が装着される弁軸７さらに弁軸７に連なる弁体６を上方に変位させる働きをする。すなわち、弁箱４の開口部１６にベローズ１５を設けることによって、弁室３内の呼気圧に起因し、弁体６が下方に向って受ける力の一部を、ベローズ１５が上方に向って受ける力で相殺することができる。
【００３８】
本実施の形態の呼気弁装置１において、重力を無視するという仮定のもとに、弁体６を弁座９に着座、すなわち弁体６を移動軸線５方向の上方に向って変位させ弁孔８を閉じるために必要なフォースモータ１７の力Ｆ１を求める。呼気導入口２０から弁室３内に導入された呼気圧をＰｅとすると、前記力Ｆ１は式（１）によって与えられる。
Ｆ１＝Ｐｅ・π（ｄ１2−ｄ２2）／４                      …（１）
ここで、ｄ１：弁孔８の直径
ｄ２：ベローズ１５の直径
【００３９】
一方弁箱の一端部にベローズが設けられていない場合、弁孔を閉じるために必要なフォースモータの力Ｆ２は式（２）によって与えられる。
Ｆ２＝Ｐｅ・πｄ１2／４                                …（２）
【００４０】
すなわち呼気圧によって弁体６に付与される力の一部が、ベローズ１５に付与される力（＝Ｐｅ・πｄ２2／４）の大きさだけ相殺される。このことによって、同一寸法の弁体６が使用される場合、ベローズ１５を設けることによって、小さい容量のフォースモータ１７によって弁体６を移動軸線５方向に駆動することが可能となり、装置の小型化を図ることができる。またベローズ１５は、移動軸線５に垂直な平面に対する投影面積が可変に設けられるので、準備されるフォースモータ１７の容量に応じてベローズ１５の前記投影面積を設定することができる。このことによって、装置の設計上におけるフォースモータ１７選択の許容範囲が広くなる。
【００４１】
図２は図１に示す呼気弁装置１を備える人工呼吸器２の全体構成を示す系統図である。人工呼吸器２は、呼気弁装置１と、患者に吸気を吐出逆止弁５１を介して供給する空気ポンプ５２と、患者の口または鼻の少なくとも一方に装着される装着部材５３と、空気ポンプ５２の吐出逆止弁５１と装着部材５３とを接続し、患者に空気ポンプ５２からの吸気を導く吸気管路５４と、吸気管路５４の途中位置から分岐し、先端部に呼気弁装置１を設け、呼気弁装置１に患者の呼気を導く呼気管路５５と、吸気期間中は呼気弁装置１の弁孔８を閉じるように制御する制御手段５６と、制御手段５６の出力に応答しフォースモータ１７に駆動電力を供給する駆動アンプ５７とを含む。
【００４２】
空気ポンプ５２は、ほぼ直円筒状のポンプベローズ５８を備える。ポンプベローズ５８は、たとえばゴムなどの材料からなり、可撓性を有し軸線５９方向に伸縮可能である。ポンプベローズ５８の軸線方向一端部には、剛性の取付部材６０が固定され、軸線方向他端部には基体６１が連結される。取付部材６０は、円板状の形状を有しており、軸線５９方向に移動可能である。基体６１は取付部材６０に対向し、図示しない基台上に設けられる軌道部材６２の固定位置に設けられる。これによって、ポンプベローズ５８と取付部材６０と基体６１とによって囲まれる第１空間６３が形成される。基体６１の第１空間６３を臨む位置には、給気逆止弁６４と前記吐出逆止弁５１とがそれぞれ設けられる。
【００４３】
ポンプベローズ５８を伸縮駆動するためにポンプ駆動手段６５が設けられる。ポンプ駆動手段６５はねじ機構を備え、ねじ機構はボールねじ６６から成る。ボールねじ６６は、ポンプベローズ５８の外方に設けられ前記軸線５９方向に延びるねじ部材６７と、ボールナット６８とを備える。ねじ部材６７とボールナット６８とは、ボールねじ溝に装着されたボールを介して螺合する。ねじ部材６７の他端部は、軌道部材６２の他端部に備わる第１端板６９に取付けられた軸受によって回転自在に支持される。ねじ部材６７の一端部は、軌道部材６２の一端部に備わる第２端板７０に取付けられた軸受によって回転自在に支持される。ねじ部材６７の一端部は、第２端板７０を貫通して突出し、突出部にはプーリ７１が取付けられる。ボールナット６８は、支持部材７２を介して取付部材６０と連結されている。前記基台上には、駆動源である電動機７３が設けられる。電動機７３の機軸にはプーリ７４が取付けられており、ねじ部材６７のプーリ７１と機軸のプーリ７４との間には、伝動手段である伝動ベルト７５が張架されている。
【００４４】
次に空気ポンプ５２の動作を説明する。電動機７３を駆動すると、その回転運動は伝動ベルト７４を介してねじ部材６７に伝えられ、ねじ部材６７を回転駆動する。ねじ部材６７の回転運動はボールナット６８の直線運動に変換され、ボールナット６８を回転方向に応じてねじ部材６７の一端部側または他端部側に移動させる。ボールナット６８を移動させると、ボールナット６８に支持部材７２を介して連結されている取付部材６０が移動する。取付部材６０が移動することによって、ポンプベローズ５８がねじ部材６７の回転運動に対応する方向に移動して伸縮する。
【００４５】
ポンプベローズ５８が伸長すると、第１空間６３内の圧力が低下するので、給気逆止弁６４が開き吐出逆止弁５１が閉じ、空気入口フィルタ７６を通過し給気口７９を経て空気導入口７７から第１空間６３内に空気が吸入される。ポンプベローズ５８が縮退すると、第１空間６３内の圧力が増大するので、給気逆止弁６４が閉じ吐出逆止弁５１が開き、空気排出口７８から吸気管路５４へ空気が供給される。なお空気排出口７８と前記吐出逆止弁５１との間には、吐出される空気の圧力検出口であるポンプ圧検出口８０が設けられる。
【００４６】
吸気管路５４は、空気ポンプ５２の吐出逆止弁５１と装着部材５３とを接続する管路であり、外部の空気を第１空間６３を介して患者に導く。吸気管路５４には、吸気側流量計８４、第１流量差圧検出口８１ａ，８１ｂおよび吸気フィルタ８２が設けられている。なお、吸気側流量計８４は省略される構成であってもよい。呼気管路５５は、装着部材５３と呼気弁装置１とを接続する管路であり、患者の呼気を呼気弁装置１に導く。呼気管路５５には、呼気フィルタ８３が設けられている。呼気弁装置１の呼気の流れ方向下流側には、呼気弁装置１と人工呼吸器２の外部への開口部である排気口８７とを接続する排気管路８８が設けられる。排気管路８８には、呼気側流量計８９および第２差圧流量検出口９０ａ，９０ｂが設けられる。なお第２差圧流量検出口９０ａ，９０ｂは省略される構成であってもよい。
【００４７】
吸気管路５４の途中位置から呼気管路５５への分岐は、分岐部材８５によって実現され、吸気管路５４は呼気管路５５と装着部材５３とに連通される。分岐部材８５と装着部材５３との間には、患者の気道圧検出センサ８６が設けられ、気道圧検出センサ８６の検出出力は、制御手段５６に入力される。なお気道圧検出センサ８６は、吸気管路５４の吐出逆止弁５１と分岐部材８５との間の適切な位置に設けられる構成であってもよい。
【００４８】
図３は、人工呼吸器２に備わる呼気弁装置１の設定圧力を説明するチャートである。人工呼吸器には、吸気管路５４または呼気管路５５のいずれかにおいて、患者の吸気期間に患者の肺に異常圧力が付与されることを防止するために、異常圧力防止弁、いわゆる安全弁であるリリーフ弁が設けられる。本実施の形態の呼気弁装置１にはリリーフ弁の機能が備えられ、吸気期間において患者の肺に異常圧力が付与されることを防止するために、呼気弁装置１の弁孔８を開くべく設定される圧力（以後、リリーフ設定圧力Ｐｒと呼ぶ）が、患者毎にまたは患者の状態により異なって定められる。
【００４９】
図３に示す患者の吸気期間である時刻ｔ１〜ｔ２では、ポンプベローズ５８が縮退する方向にあり、第１空間６３内の圧力が高くなるので、給気逆止弁６４が閉じ吐出逆止弁５１が開かれる。このことによって、外部の空気が、吸気管路５４および装着部材５３を介して患者に吸気として供給される。吸気期間では、気道圧検出センサ８６によって検出される患者の気道圧力Ｐａｗは、増加する傾向にあり、また増加後は一定値の状態にある。吸気期間では、この気道圧検出センサ８６の検出出力に応答し、制御回路５６が駆動アンプ５７の出力値を制御し、呼気弁装置１の弁孔８を開く設定圧力が、増加後の一定値を示す状態の気道圧力Ｐａｗよりも圧力ΔＰ１だけ高いリリーフ設定圧力Ｐｒに設定される。
【００５０】
呼気期間である時刻ｔ２〜ｔ３では、ポンプベローズ５８が伸長する方向にあり、第１空間６３内の圧力が低くなるので、吐出逆止弁５１が閉じ給気逆止弁６４が開かれる。このことによって、外部の空気が、給気逆止弁６４および空気導入口７７を通って第１空間６３に導入される。また患者の呼気が、呼気管路５５を介して呼気弁装置１の弁室３内に導入される。呼気期間では、患者の気道圧力Ｐａｗが減少に転じ、また減少後は大気圧Ｐａよりも高いＰＥＥＰ圧Ｐｐに等しい状態にある。呼気期間では、この気道圧検出センサ８６の検出出力に応答し、制御回路５６が駆動アンプ５７の出力値を制御し、呼気弁装置１の弁孔８を開く設定圧力が、ＰＥＥＰ圧Ｐｐに設定される。したがって、呼気期間のうち気道圧力ＰａｗがＰＥＥＰ圧力Ｐｐ以上である時刻ｔ２〜ｔ５の期間では、呼気弁装置１の弁孔８が開かれて、患者の呼気は、人工呼吸器２の排気管路８８を介して排気口８７から排出される。患者の気道圧力がＰＥＥＰ圧Ｐｐと等しい時刻ｔ５〜ｔ３の期間では、呼気弁装置１の弁孔８は閉じられ、患者の呼気圧がＰＥＥＰ圧Ｐｐに保たれる。時刻ｔ３〜ｔ４の吸気期間および時刻ｔ４以降は、前述の時刻ｔ１〜ｔ２の吸気期間および時刻ｔ２〜ｔ３の呼気期間の設定および動作が繰返される。
【００５１】
このように、呼気弁装置１のリリーフ設定圧力Ｐｒが、吸気期間における患者の気道圧力Ｐａｗ以上になるように制御されるので、吸気が呼気弁装置１から排出されることを防止でき、患者に充分に吸気を供給することができる。また患者の気道圧力Ｐａｗがリリーフ設定圧力Ｐｒ以上になるとき、呼気弁装置１の弁孔８が開かれ、吸気の一部が弁孔８を通じて排気されるので、吸気管路５４または呼気管路５５に患者の肺に対する異常圧力負荷防止用の開閉弁を別途設ける必要がなくなり、装置の構成を簡素化することが可能になる。
【００５２】
また呼気弁装置１の弁体６および弁軸７の駆動に使用されるフォースモータ１７は、付与される空気の圧力に対応する反力を生じることがないので、オーバライド圧力をほぼ零にすることができる。図４はフォースモータ１７使用時におけるリリーフ設定圧力Ｐｒ１と定格流量Ｑ１との関係を示す図であり、図５はばね部材使用時におけるリリーフ設定圧力Ｐｒ２と定格流量Ｑ２との関係を示す図である。
【００５３】
ばね部材を弁体の駆動手段として使用する呼気弁装置では、弁体がばね力によって弁座に押付けられて着座し、弁体に付与される空気圧によって弁体が弁座から離間し弁孔が開く。図５に示す第５ライン９１が、弁孔を開くリリーフ圧力Ｐと空気のリリーフ流量Ｑとの関係を表す。ＰＥＥＰ圧設定手段がばね部材であるとき、弁室内の空気圧がリリーフ設定圧力Ｐｒ２に達すると弁孔が開くけれども、弁孔の開度が充分ではなく弁孔を流過する空気の流量は定格流量Ｑ２に達しない。ばね部材は、付与される空気の圧力に対して反力を生じるので、定格流量を流過させるに足る弁孔開度に達するためには、リリーフ設定圧力Ｐｒ２を超える空気圧力を付与しなければならない、すなわちオーバライド圧力ΔＰ２が必要とされる。
【００５４】
フォースモータ１７を弁体６の駆動手段として使用する呼気弁装置１では、弁体６はフォースモータ１７の電磁力によって弁座９に着座し、弁体６に付与される空気圧によって弁体６が弁座９から離間し弁孔８が開く。図４に示す第２〜第５ライン９２，９３，９４，９５は、弁孔８を開放するリリーフ圧力Ｐとリリーフ流量Ｑとの関係を４通りのリリーフ設定圧力の場合について表す。フォースモータ１７は、付与される空気の圧力に対して反力を生じることがないので、第１〜第４ライン９２，９３，９４，９５いずれのリリーフ設定圧力Ｐｒ１の場合においても、リリーフ設定圧力Ｐｒ１に対応する空気圧が弁体６に付与されることによって、弁孔８の開度が定格流量Ｑ１を流過させることのできる予め定められた状態に達する。すなわちオーバライド圧力をほぼ零にすることができる。さらにフォースモータ１７の駆動力である電磁力は、フォースモータ１７に備わるコイル３６に供給される電流によって制御されるので、ＰＥＥＰ圧設定およびリリーフ圧設定を応答性良く遠隔操作することが可能になり、患者毎また患者の状態に応じて行うＰＥＥＰ圧Ｐｐおよびリリーフ圧Ｐｒの設定が容易になる。
【００５５】
以上に述べたように、本実施の形態では、駆動手段１７はフォースモータであるけれども、これに限定されることなく、駆動手段１７は付与される空気圧に対して反力を生じることがなく電流または電圧によって駆動力の制御が可能なものであればよい。また弁体６は、合成樹脂製であるけれども、これに限定されることなく、アルミニウムおよび砲金などの非磁性体金属、またプラスチックなどであってもよい。また第１および第２接続部材１１，１８は、永久磁石片であるけれども、これに限定されることなく、たとえば第１接続部材１１が鉄またはニッケルなどの強磁性材料からなり、第２接続部材１８のみが永久磁石片からなる構成であってもよい。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、弁箱内に設けられる弁手段と、弁手段に連結されて開口を封止するベローズとを有する。患者の肺の換気機能を支援するためにＰＥＥＰ圧に設定されると、呼気期間において、弁室外よりも弁室内の空気の圧力が高く設定される。弁体は、呼気の圧力を受けて、着座部分が弁座から離反する方向、すなわち軸線方向他方に力を受ける。またベローズは、呼気の圧力を受けて、弁室に対して膨らむ方向、すなわち軸線方向一方に力を受ける。弁手段は、ベローズに連結されるので、ベローズによって軸線方向一方の力が与えられる。このことによって、弁体に付与される力の一部がベローズに付与される力の大きさだけ相殺されるので、小さい容量の駆動手段によって弁手段を軸線方向一方に駆動することができる。したがって、大きな容量の駆動手段を設ける必要がなくなり、装置の小型化を図ることができる。
また弁手段と可動部とは、磁力によって吸着されて互いに接続される。これによって接続の信頼性が向上するとともに装置の組立作業が簡易化される。たとえば弁手段と可動体とのに強磁性体からなる第１接続部材および第２接続部材を設けることで、各接続部材の形状を単純化し、部材寸法精度の許容値も大きくとることができるので、部材製作上の工数削減が可能になる。
また、弁手段と可動体とが永久磁石片を有する。このように安価な永久磁石片によって、駆動手段と弁手段との確実な接続を実現することができるので、コスト低減が可能になる。
【００５８】
また本発明によれば、ベローズによって軸線方向一方の力が与えられるので、弁体に付与される力の一部がベローズに付与される力の大きさだけ相殺され、小さい容量の駆動手段によって弁手段を軸線方向一方に駆動する。したがって、大きな容量の駆動手段を設ける必要がなくなり、装置の小型化を図ることができる。
【００５９】
また本発明によれば、駆動手段はフォースモータである。フォースモータの駆動力である電磁力は、フォースモータに供給される電流によって制御されるので、ＰＥＥＰ圧設定の応答性が良くかつ遠隔操作が可能になる。またフォースモータは、付与される空気の圧力に対応する反力を生じることがないので、オーバライド圧力をほぼ零にすることができる。また呼気弁を空気式で開閉する装置のように送風機などを設ける必要がないので、装置の小型化およびコスト低減が可能になる。
【００６０】
また本発明によれば、ベローズは、移動軸線に垂直な平面に対する投影面積が可変に設けられるので、フォースモータの容量に応じてベローズの前記投影面積を設定することができる。このことによって、装置の設計上におけるフォースモータ選択の許容範囲が広くなる。
【００６１】
また本発明によれば、後述の図２に示すように吸気管路は空気ポンプと患者の装着部材とを接続し、呼気管路は吸気管路の途中から分岐し、呼気管路の先端部には人工呼吸器用呼気弁装置が設けられる。吸気期間中、制御手段によって人工呼吸器用呼気弁装置の弁孔が閉じるように、すなわち人工呼吸器用呼気弁装置の開放圧力が吸気圧以上になるように制御されるので、吸気の人工呼吸器用呼気弁装置からの排出が防止される。このことによって、患者に充分に吸気を供給することができる。
また本発明によれば、人工呼吸器用呼気弁装置が異常圧力防止用の開閉弁を兼ねることができ、吸気管路または呼気管路に異常圧力防止用の開閉弁を別途設ける必要がなくなり、装置の構成を簡素化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である人工呼吸器用呼気弁装置１の構成を簡略化して示す概略断面図である。
【図２】図１に示す呼気弁装置１を備える人工呼吸器２の全体構成を示す系統図である。
【図３】人工呼吸器２に備わる呼気弁装置１の設定圧力を説明するチャートである。
【図４】フォースモータ１７使用時におけるリリーフ設定圧力Ｐｒ１と定格流量Ｑ１との関係を示す図である。
【図５】ばね部材使用時におけるリリーフ設定圧力Ｐｒ２と定格流量Ｑ２との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  人工呼吸器用呼気弁装置
２  人工呼吸器
３  弁室
４  弁箱
５  移動軸線
６  弁体
７  弁軸
８  弁孔
９  弁座
１１  第１接続部材
１５  ベローズ
１６  開口部
１７  駆動手段
１８  第２接続部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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