(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも空気中の窒素ガスを優先的に吸着する吸着剤を収容した吸着筒を有し、吸着筒内の加圧と減圧を周期的に繰り返すことで空気中の酸素を濃縮する圧力変動吸着方式を用いる酸素生成部と、前記酸素生成部により濃縮された酸素濃縮ガスを使用者である患者に供給する酸素供給部とを有する酸素濃縮装置に用いられる前記患者の呼吸情報を取得する呼吸情報取得装置に於いて、
前記酸素供給部は、少なくとも前記酸素濃縮ガスを前記患者へ伝達する配管を有し、
前記呼吸情報取得装置は、前記配管内の圧力を検知する圧力検知部及び／又は前記配管内の気体流量を検知する流量検知部と、検知された圧力データ及び／又は流量データから酸素呼吸情報を抽出する演算部を有し、
前記演算部は、前記酸素濃縮装置の運転状態に関する情報として前記吸着筒内の加圧と減圧を切り替える切替タイミングに関する切替タイミング情報を前記酸素濃縮装置から取得し、前記患者の呼吸によらない変動成分を、前記検知された圧力データ及び／又は流量データ及び前記切替タイミング情報に基づいて推定し、前記検知された圧力データ及び／又は流量データから前記推定された変動成分を除去することにより呼吸情報を抽出するものであることを特徴とする、呼吸情報取得装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記検知された圧力データ及び／又は流量データに含まれる、前記切替タイミングと同一の周期で発生する圧力及び／又は気体流量の変動成分を、前記吸着筒内の加圧及び／又は減圧に伴う圧力及び／又は気体流量の変動値であると推定するものであることを特徴とする請求項１に記載の呼吸情報取得装置。
【請求項３】
前記酸素生成部は、少なくとも総運転時間の一部の期間は一定の周期Ｔで前記吸着筒の加圧と減圧を切り替えるものであり、前記演算部は、前記検知された圧力データ及び／又は流量データの内、ある時間ｔに於ける前記配管内の圧力又は気体流量値Ｙ（ｔ）及びｔからＴの整数倍の時間だけ遡った時間に於ける値Ｙ（ｔ−Ｔ）、Ｙ（ｔ−２Ｔ）・・・の内、少なくとも一部の値を用いて平均化処理した値Ｘ（ｔ）を前記変動値として算出し、Ｙ（ｔ）とＸ（ｔ）との差を計算することにより前記呼吸情報を抽出するものであることを特徴とする請求項２に記載の呼吸情報取得装置。
【請求項４】
Ｘ（ｔ）の値が、任意の実数であるai、任意の自然数であるnに対し、
【数１】
0006952909.tif 000004
で表される数式により計算されることを特徴とする請求項３に記載の呼吸情報取得装置。
【請求項５】
前記平均化処理として、指数平滑平均、移動平均、または加重移動平均を行うことを特徴とする、請求項３または４に記載の呼吸情報取得装置。
【請求項６】
前記Ｙ（ｔ）として、ｔに於ける前記配管内の圧力及び／又は気体流量の実測値と、ｔに於ける前記配管内の圧力及び／又は前記配管内の流量の、呼吸周期同等以上の時間に亘る時間平均値との差を用いることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載の呼吸情報取得装置。
【請求項７】
前記圧力検知部は差圧センサであり、圧力平滑化部をさらに有し、Ｙ（ｔ）として、ｔに於ける前記配管内の圧力と、前記配管から分岐して圧力平滑化部を通った圧力との差圧を測定するものであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の呼吸情報取得装置。
【請求項８】
前記圧力平滑化部が、前記差圧センサに接続される容積部と、前記配管と前記容積部の間を接続するオリフィスから構成されることを特徴とする請求項７に記載の呼吸情報取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ＰＳＡ式酸素濃縮装置に用いられる呼吸情報取得装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、喘息、閉塞性慢性肺疾患等の呼吸器疾患患者に対するひとつとして酸素療法が行われている。これは、酸素ガスや酸素濃縮ガスを患者に吸入させる療法である。近年では、患者ＱＯＬ向上を目的に自宅や施設等で酸素吸入をする在宅酸素療法（ＨＯＴ：Ｈｏｍｅ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｔｈｅｒａｐｙ）が主流になってきており、酸素供給源としては酸素濃縮装置が主に使用されている。【０００３】
酸素濃縮装置とは、空気中に存在する約２１％の酸素を濃縮して排出する装置である。酸素濃縮装置の多くは圧力変動吸着式（以下、ＰＳＡ式：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）が一般的に用いられる（以下、ＰＳＡ式酸素濃縮装置を単純に酸素濃縮装置と記す）。
ＰＳＡ式酸素濃縮装置では、窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填された吸着筒に空気を取り込み、吸着筒内を加圧し窒素ガスを吸着剤に吸着させる吸着工程と、吸着筒内を減圧し吸着された窒素ガスを系外に排出する脱着工程が繰り返えされる。吸着工程と脱着工程が繰り返されることにより濃縮酸素ガスが生成され、酸素濃縮装置は患者に連続的に高濃度酸素ガスを提供することができる。尚、脱着工程に於いて吸着筒内を大気圧以下まで減圧する方法は、ＰＳＡではなくＶＰＳＡやＶＳＡ等と呼称されることがあるが、基本的な原理はＰＳＡと同一であり、ここではＰＳＡの呼称で統一する。【０００４】
在宅酸素療法を受ける患者の主疾患は慢性閉塞性肺疾患（以下、ＣＯＰＤ：Ｃｈｒｏｎｉｃ  Ｏｂｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｐｕｌｍｏｎａｒｙ  Ｄｉｓｅａｓｅ）である。ＣＯＰＤとは気管支の狭窄や肺胞壁の破壊により、咳・痰や労作時呼吸困難の症状を呈する不可逆性疾患である。【０００５】
ＣＯＰＤの症状が悪化すると息切れや呼吸数の増加が見られ、ＣＯＰＤの急性増悪と呼ばれる「安定期の治療の変更あるいは追加が必要な状態」まで症状が悪化することもある。ＣＯＰＤの急性増悪が起こると、患者は入院するケースが多く、呼吸不全に陥ることや生命の危機に直面することもある。また、患者が退院できたとしても入院以前より安定期の症状が悪化し、入退院を繰り返すことも珍しくない。【０００６】
ＣＯＰＤに於いては、患者の急性増悪の予兆又は初期症状がなるべく早い段階で察知され、症状が入院する程度まで悪化する前に、患者に早期治療を施すことが非常に重要である。在宅酸素療法において患者の呼吸情報は患者の病態を把握するうえで非常に有益な情報源となる。【０００７】
一方、患者は医師が診断した処方流量に従って濃縮酸素ガスの吸入することが非常に重要である。しかし、睡眠時にカニューラがずれたり、作業中にチューブが外れたりすることで正しく酸素吸入できていないことはしばしば起こり、酸素濃縮装置が運転中であっても患者自身がなにかしらの理由で意図的にカニューラを外すこともある。いずれにしても、酸素濃縮装置が運転していても患者が酸素吸入できていない状況は患者の病態悪化を招く危険性がある。【０００８】
従って、酸素濃縮装置が、運転中に酸素濃縮装置内部で患者の呼吸情報を取得できれば、酸素濃縮装置は、従来の一般的な酸素濃縮装置と比較して使用感が変わらないままで患者の呼吸情報を取得できる。更に、患者の呼吸情報を取得可能な酸素濃縮装置は、酸素濃縮装置と患者が酸素供給チューブで繋がれていること及び患者の使用実態を確認できるため、非常に有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−１９００４５号公報
【特許文献２】特開２００１−２８６５６６号公報
【特許文献３】特開平７−９６０３５号公報
【特許文献４】特開２０１５−８５１９１号公報
【特許文献５】特表２０１１−５１８０１６号公報
【発明の概要】
【００１０】
酸素濃縮装置運転中に患者の呼吸情報を取得する方法として、特許文献１、特許文献２に示されているように酸素濃縮装置と患者が装着しているカニューラまでの間に呼吸計測用の微差圧センサを取り付け酸素吸入中の患者呼吸圧を計測する方法がある。しかし、本願発明者らが鋭意検討を行った結果、差圧測定系に付加される圧力変動には濃縮酸素ガス生成時の加減圧に伴う圧力変動が含まれることが明らかとなった。酸素濃縮装置は先に述べたようにＰＳＡ式動作方法となっており、吸着筒から取り出される酸素濃縮ガスの圧力は、吸着筒の加減圧によって生じる圧力変動の影響を受け、大きく変動するのが普通である。多くの酸素濃縮装置は、吸着筒の酸素出口側にバッファタンクを設け、圧力変動を抑制すると共に、バッファタンクの出口側に調圧弁を設け、患者に供給される濃縮酸素ガスの圧力を略一定に維持している。実際は濃縮酸素ガスの圧力には僅かな変動が残っており、呼吸情報の取得に際しては、その僅かな変動が障害となる。即ち、単純に微差圧センサにて患者呼吸圧を計測する環境では、ＰＳＡ動作の影響を受けた圧力変動をベースに患者呼吸圧が検出されることになり、患者の呼吸情報を精度よく取得することができない。特に、延長チューブを追加した際や３．０Ｌ／分以上の流量範囲では、患者呼吸情報の取得が不可能になる。
【００１１】
また、特許文献３、特許文献４においては、微差圧センサにて酸素吸入中の患者呼吸圧を計測した後、得られた呼吸圧データをソフト処理して患者呼吸情報を求める方法がある。しかし、これらの従来技術においては患者呼吸圧に重畳されているＰＳＡ動作に伴う圧変動を考慮していないため、患者の呼吸情報は精度よく取得することができない。
【００１２】
一方、特許文献５においては得られた呼吸圧データを周波数解析して呼吸情報を取得する方法が記されている。しかしながら、周波数解析では呼吸成分とＰＳＡ動作に伴う圧変動成分の切り分けが難しく、精度が悪いという欠点がある。
【００１３】
以上のことから、酸素濃縮装置運転中に患者の呼吸情報を取得するためには、患者呼圧を計測したデータから患者呼吸成分とＰＳＡ動作に伴う圧変動成分とを切り分ける必要がある。
【００１４】
呼吸情報取得装置は、酸素濃縮装置運転中に患者呼吸成分とＰＳＡ動作に伴う圧変動成分とを切り分けて患者の呼吸情報を取得することを目的とする。
【００１５】
実施形態の一側面に係る呼吸情報取得装置は、少なくとも空気中の窒素ガスを優先的に吸着する吸着剤を収容した吸着筒を有し、吸着筒内の加圧と減圧を周期的に繰り返すことで空気中の酸素を濃縮する圧力変動吸着方式を用いる酸素生成部と、前記酸素生成部により濃縮された酸素濃縮ガスを使用者である患者に供給する酸素供給部とを有する酸素濃縮装置に用いられる前記患者の呼吸情報を取得する呼吸情報取得装置に於いて、前記酸素供給部は、少なくとも前記酸素濃縮ガスを患者へ伝達する配管を有し、前記呼吸情報取得装置は、前記配管内の圧力を検知する圧力検知部及び／又は前記配管内の気体流量を検知する流量検知部と、検知された圧力データ及び／又は流量データから酸素呼吸情報を抽出する演算部を有し、前記演算部は、患者の呼吸によらない変動成分を、検知された圧力データ及び／又は流量データと前記酸素濃縮装置から得られた前記酸素濃縮装置の運転状態に関する情報と、に基づいて推定し、前記検知された圧力データ及び／又は流量データから前記推定された変動成分を除去することにより呼吸情報を抽出するものであることを特徴とする、呼吸情報取得装置である。
【００１６】
実施形態の一側面に係る呼吸情報取得装置は、前記演算部が、前記検知された圧力データ及び／又は流量データの内、前記酸素生成部の動作により発生する変動値を前記変動成分として推定することを特徴とする。
【００１７】
実施形態の一側面に係る呼吸情報取得装置は、前記演算部が、前記変動値として、前記吸着筒内の加圧及び／又は減圧に伴う前記配管内の圧力及び／又は気体流量の変動値を用いるものであることを特徴とする。
【００１８】
実施形態の一側面に係る呼吸情報取得装置は、前記演算部が、前記酸素濃縮装置の運転状態に関する情報として前記吸着筒内の加圧と減圧を切り替える切替タイミングに関する切替タイミング情報を前記酸素濃縮装置から取得し、前記検知された圧力データ及び／又は流量データ及び前記切替タイミング情報に基づいて、前記変動値を推定するものであることを特徴とする。
【００１９】
実施形態の一側面に係る呼吸情報取得装置は、前記演算部が、前記検知された圧力データ及び／又は流量データに含まれる、前記切替タイミングと同一の周期で発生する圧力及び／又は気体流量の変動成分を、前記吸着筒内の加圧及び／又は減圧に伴う圧力及び／又は気体流量の変動値であると推定するものであることを特徴とする。
【００２０】
実施形態の一側面に係る呼吸情報取得装置は、前記酸素生成部が、少なくとも総運転時間の一部の期間は一定の周期Ｔで前記吸着筒の加圧と減圧を切り替えるものであり、前記演算部は、前記検知された圧力データ及び／又は流量データの内、ある時間ｔに於ける前記配管内の圧力又は気体流量値Ｙ（ｔ）及びｔからＴの整数倍の時間だけ遡った時間に於ける値Ｙ（ｔ−Ｔ）、Ｙ（ｔ−２Ｔ）・・・の内、少なくとも一部の値を用いて平均化処理した値Ｘ（ｔ）を前記変動値として算出し、Ｙ（ｔ）とＸ（ｔ）との差を計算することにより前記呼吸情報を抽出するものであることを特徴とする。
【００２１】
実施形態の一側面に係る呼吸情報取得装置は、Ｘ（ｔ）の値が、任意の実数であるai、任意の自然数であるnに対し、
【数１】
0006952909.tif 000002
で表される数式により計算されることを特徴とする。
【００２２】
実施形態の一側面に係る呼吸情報取得装置は、前記平均化処理として、指数平滑平均、移動平均、または加重移動平均を行うことを特徴とする。
【００２３】
実施形態の一側面に係る呼吸情報取得装置は、前記Ｙ（ｔ）として、ｔに於ける前記配管内の圧力及び／又は気体流量の実測値と、ｔに於ける前記配管内の圧力及び／又は前記配管内の流量の、呼吸周期同等以上の時間に亘る時間平均値との差を用いることを特徴とする。
【００２４】
実施形態の一側面に係る呼吸情報取得装置は、前記圧力検知部が差圧センサであり、圧力平滑化部をさらに有し、Ｙ（ｔ）として、ｔに於ける前記配管内の圧力と、前記配管から分岐して圧力平滑化部を通った圧力との差圧を測定するものであることを特徴とする。
【００２５】
実施形態の一側面に係る呼吸情報取得装置は、前記圧力平滑化部が、前記差圧センサに接続される容積部と、前記配管部と前記容積部の間を接続するオリフィスから構成されることを特徴とする。
【００２６】
本実施態様によれば、呼吸情報取得装置は、酸素濃縮装置運転中に患者呼吸成分とＰＳＡ動作に伴う圧変動成分とを切り分けて患者の呼吸情報を取得することが可能となる。
【００２７】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１に係る酸素濃縮装置の構成の一例を示す図である。
【図２】実施形態１に係る呼吸情報取得装置の構成の一例を示す図である。
【図３】連続流１ＬＰＭ・延長チューブを１０ｍ追加した条件における、患者呼吸情報を含んだ圧データを示す図である。
【図４】連続流１ＬＰＭ・延長チューブを１０ｍ追加した条件における、演算部により抽出したＰＳＡ圧データを示す図である。
【図５】連続流１ＬＰＭ・延長チューブを１０ｍ追加した条件における、差分処理後の患者呼吸情報を示す図である。
【図６】連続流３ＬＰＭ・延長チューブを１０ｍ追加した条件における、患者呼吸情報を含んだ圧データを示す図である。
【図７】連続流３ＬＰＭ・延長チューブを１０ｍ追加した条件における、演算部により抽出したＰＳＡ圧データを示す図である。
【図８】連続流３ＬＰＭ・延長チューブを１０ｍ追加した条件における、差分処理後の患者呼吸情報を示す図である。
【図９】患者呼吸による圧力変動とＰＳＡ圧を含んだ圧力データから、患者呼吸情報とＰＳＡ圧を分離する原理を示した概念図である。
【図１０】実施形態１に係る処理の一例を示したフローチャートである。
【図１１】実施形態２に係る処理の一例を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本開示の一側面に係る呼吸情報取得装置について図を参照しつつ説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３１】
［実施形態に於けるハードウェア構成］
図１を用いて本実施形態に関わるＰＳＡ式酸素濃縮装置の構成を説明する。
ＰＳＡ式酸素濃縮装置１は、ＰＳＡ式酸素濃縮装置１の外部から空気を取り込んで濃縮酸素ガスを生成する酸素生成部１１を備える。
【００３２】
酸素装置外部から酸素生成部１１に取り込まれた空気は、コンプレッサ１１１で圧縮され、第１切替弁１１２を介して吸着筒１１３に送られる。第１切替弁１１２は、複数の吸着筒１１３のいずれかとコンプレッサ１１１を連通することで吸着筒１１３に圧縮空気を送り込むとともに、その他の吸着筒を大気に開放する。吸着筒１１３には窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤が充填されている。吸着筒１１３を通過した圧縮空気は窒素ガス濃度が低下し、濃縮酸素ガスとなる。濃縮酸素ガスは第２切替弁１１４を介して濃縮酸素バッファタンク１１５に貯蔵される。第２切替弁１１４は複数の吸着筒１１３のいずれかと濃縮酸素バッファタンク１１５とを連通または遮断する。
【００３３】
酸素生成部１１は、第１切替弁１１２によりコンプレッサ１１１と複数の吸着筒１１３のいずれかを連通させるとともに、第２切替弁１１４により該コンプレッサ１１１と連通した吸着筒１１３と濃縮酸素バッファタンク１１５を連通させる。したがって、コンプレッサ１１１と複数の吸着筒１１３のいずれかと濃縮酸素バッファタンク１１５が連通され、生成された濃縮酸素ガスが濃縮酸素バッファタンク１１５に供給される。他方、コンプレッサ１１１と連通しない吸着筒１１３は、第２切替弁１１４により濃縮酸素バッファタンク１１５からと遮断された状態で、第１切替弁１１２を介して大気開放される。これにより、吸着筒１１３内が減圧し、吸着剤に吸着された窒素ガスを酸素濃縮装置外部に放出する。
【００３４】
第１切替弁１１２及び第２切替弁１１４の開閉は、例えば、不図示の呼吸情報取得装置内の演算部により制御される。従って、演算部は吸着筒１１３内の加圧と減圧を切換えるタイミングを取得することが可能である。尚、呼吸情報取得装置は、酸素濃縮装置１の内部に設置されていてもよく、酸素濃縮装置１とは別体に酸素濃縮装置１の外部に設置されていてもよい。
【００３５】
又、別の例として、酸素濃縮装置１は、第１及び第２切替弁の開閉処理を含む酸素濃縮処理を制御する酸素濃縮制御部を有してもよい。演算部は酸素濃縮制御部から吸着筒１１３内の加圧と減圧を切換えるタイミングを取得することができる。
【００３６】
本実施形態が圧力変動吸着による酸素濃縮の基本構成であるが、別の例として複数の吸着筒１１３のいずれか２つ以上の吸着筒を接続し、それぞれの吸着筒の圧力を均一化する均圧工程や、生成された酸素濃縮ガスの一部を、複数の吸着筒１１３の内いずれかに還流するパージ工程などの付加的な工程を有していてもよい。
【００３７】
通常、吸着筒１１３に圧縮空気が送られた後は、第１切替弁１１２によって該コンプレッサ１１１と遮断された状態になり大気解放される。反対に、大気解放されていた吸着筒１１３は、第１切替弁１１２によって該コンプレッサ１１１に連結され、酸素圧縮の過程に移行する。このように、第１切替弁１１２によって複数の吸着筒１１３が交互に圧縮と大気解放を繰り返すことで、連続的に濃縮酸素ガスを供給することができる。
【００３８】
濃縮酸素生成に伴う吸着筒１１３内部の圧力変化は非常に大きいため、吸着筒１１３の切り替えに伴って、吸着筒１１３下流の酸素ガス流路中の圧力には周期的な圧力変動が生じる。濃縮酸素バッファタンク１１５に貯蔵された濃縮酸素ガスは調圧弁１１６により該圧力変動が減衰されるように調整される。
【００３９】
酸素生成部１１で圧力調整された濃縮酸素ガスは、コントロールバルブ１２１と流量計１２２から成る酸素流量調整部１２で酸素流量が制御され、加湿器１０１を介して酸素供給口１３より酸素濃縮装置外に供給される。なお、酸素流量調整部１２においてコントロールバルブ１２１と流量計１２２はどちらが流路の上流に備えられていてもよく、また酸素流量調整部１２にはその他の構成が含まれていても構わない。また、流量計１２２とコントロールバルブ１２１の代わりに、切換え式の固定オリフィスによって流量を切り替える方式や、流量計１２２としてロータメータなどの目視可能な流量計を用いるとともにコントロールバルブ１２１の代わりに手動式の流量調整弁を用いて手動操作により流量を調整する方式を用いてもよく、またその他の流量調整方法でもよい。また、酸素濃縮装置１は加湿器１０１を備えない構成とすることも可能である。
【００４０】
図２は本発明の実施形態の一例を模式的に示したものであり、患者の呼吸情報を取得する形態の一例である。
【００４１】
酸素濃縮装置１で生成された酸素は、酸素供給部を経由して患者に供給される。酸素供給部は、酸素供給経路となるものであり、延長チューブ２、鼻カニューラ３、加湿器１０１（酸素濃縮装置１が加湿器１０１を備えない場合は酸素流量調整部１２）と鼻カニューラ３の間の配管等が含まれる。一方、患者は酸素吸入中も常時呼吸をしており、患者の呼吸によって生じる圧変化が鼻カニューラ３や延長チューブ２、配管、酸素濃縮装置１の方へ伝搬される。
【００４２】
本実施形態においては、患者の呼吸圧を取得すべく、酸素供給経路となる配管内に呼吸情報取得装置４を接続する。図２では、一例として呼吸情報取得装置４が延長チューブに接続される場合を示す。尚、配管は加湿器１０１（酸素濃縮装置１が加湿器１０１を備えない場合は酸素流量調整部１２）と鼻カニューラ３の間の配管を全て含んだものを指しており、呼吸情報取得装置４は配管のどの位置に接続されていてもよい。従って、呼吸情報取得装置４は、酸素濃縮装置１の内部に設置されていてもよく、酸素濃縮装置１とは別体に酸素濃縮装置１の外部に設置されていてもよい。
【００４３】
本願発明者らが鋭意検討を行った結果、調圧弁１１６によって圧力変動を減衰した後であっても、呼吸情報取得装置４に付加される圧力変動には濃縮酸素ガス生成時の加減圧に伴う圧力変動が含まれることが明らかとなった。濃縮酸素ガス生成時に生じる圧力変動の振幅は呼吸圧力の振幅に比べて大きく、且つ、呼吸圧力の振幅も酸素流路を通ることによる圧損で低下するため、呼吸情報取得装置４で計測される圧力から直接患者の呼吸圧力波形を計測することは困難である。
【００４４】
本実施形態においては、呼吸情報取得装置４は、配管内の圧力を検知する圧力検知部として、例えば、圧力センサ、好ましくは差圧センサ６と、圧力検知部に電気的に接続される演算部７を有する。呼吸情報取得装置４は、差圧センサ６に接続される容積部と、配管と容積部の間を接続するオリフィス５から構成される圧力平滑化部を有してもよい。圧力平滑化部を設ける理由は以下の通りである。
【００４５】
患者の呼吸圧は通常±１０〜１００Ｐａ程度であるため、呼吸情報取得装置４にて呼吸圧を取得するためには差圧センサ６はレンジ±１００Ｐａ程度のセンサを用いるのが好ましい。酸素濃縮装置から酸素が供給されている状況では、酸素供給による供給圧が常に生じており、例えば、酸素供給による供給圧は、１ＬＰＭ（ｌｉｔｔｅｒ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ：リットル／分）でも３００Ｐａ程度存在する。差圧センサ６の他端を大気解放した状態で、差圧センサ６の一端を酸素供給経路に接続すると、差圧センサ６の測定レンジをオーバーしてしまう。オリフィス５経由後の圧を差圧センサ６の他端に印加すると、患者の呼吸情報を含んだ圧を差圧センサ６の測定レンジ範囲内で取得することができ、より好ましい。
【００４６】
なお、上述のように差圧センサ６の他端には差圧センサ６の測定レンジをオーバーしない程度の圧力が印加されていればよく、その方法は本実施形態の例に限定されない。差圧センサの測定レンジが酸素供給による供給圧よりも大きく、かつ患者の呼吸に伴う圧力変動を検出できるレベルの分解能があれば、差圧センサ６の他端は大気解放でもよく、また差圧センサの代わりにゲージ圧や絶対圧を測定する圧力センサを用いてもよい。また呼吸に伴う圧力変化は、配管に流れる酸素濃縮ガスの微小な流量変動としても現れるため、圧力センサの代わりに配管内の気体流量を検知する流量検知部として、例えば流量センサを用いてもよい。
【００４７】
差圧センサ６には演算部７が接続されている。演算部７は入出力インタフェースとメモリとＣＰＵ（中央演算装置）を備える。演算部７は差圧センサ６で検出された患者の呼吸情報を含んだ圧を受け取って記録し、後述の処理を実行することで患者の呼吸情報を取得する。
【００４８】
更に、演算部７は、酸素濃縮装置１の第１切替弁１１２及び第２切替弁１１４の開閉を制御してもよい。この場合、演算部は吸着筒１１３内の加圧と減圧を切換えるタイミングを取得することが可能である。
【００４９】
［実施形態で行われる処理の原理］
図３〜９を用いて本実施形態で行われる処理の原理について説明する。図２に示す構成を用いて鼻カニューラ３から患者呼吸モデルの呼吸圧（呼気圧：３０Ｐａ、吸気圧：−５０Ｐａ、ＢＰＭ２０回）を印加したときの、呼吸情報取得装置４が取得したデータを例として、処理の原理が説明される。
【００５０】
連続流１ＬＰＭ、呼吸情報取得装置４の下流側に延長チューブ２を１０ｍ接続した時に、呼吸情報取得装置４が取得したデータ群を図３、図４、図５に示す。連続流とは、濃縮酸素ガス供給方式のひとつで、連続的に一定流量の濃縮酸素ガスを供給する方式である。
【００５１】
図３は患者の呼吸情報と酸素濃縮装置のＰＳＡ圧データとを含んだ圧データを示している。計測開始から０〜約１５秒の期間は、患者呼吸圧を印加せずに酸素濃縮装置のＰＳＡ圧のみを計測する時間帯のデータとなっている。
【００５２】
図４は予め取得して記憶媒体に記録しておいた酸素濃縮装置のＰＳＡ圧データを示している。酸素濃縮装置によるＰＳＡ圧とは、上述したＰＳＡ式酸素濃縮装置により酸素を生成する際に発生するＰＳＡ式酸素濃縮装置の吸着筒周期に伴う周期的な圧変化である。したがって、ＰＳＡ圧の波形の周期は酸素濃縮装置の吸着筒切替周期Ｔ１と一致している。
【００５３】
図４に示すように、ＰＳＡ圧の振幅は２０Ｐａ程度となっており、周期Ｔ１でほぼ同一の変動を繰り返している。図３においては、ＰＳＡ圧に対して患者呼吸圧が重畳されているが、患者呼吸モデルの呼吸圧よりもＰＳＡ圧の方が相対的に大きいため、患者呼吸モデルの呼吸圧はＰＳＡ圧にかき消されてしまい観察することができない。そこで本願発明者らは鋭意検討を重ね、患者呼吸モデルの呼吸圧を得るために図３の成分から図４の成分をソフトウェア上で差し引くことによりＰＳＡ圧成分のみを除去する方法を考案した。
【００５４】
図５は、図３の成分から図４の成分をソフトウェアにて差分処理をした結果を示す。なお差分処理とは、任意時刻における両データの差を計算する処理である。差分処理において、０〜約１５秒までの時間は患者呼吸モデルの呼吸圧を印加しておらず、酸素濃縮装置が運転している状態であるため、特徴的な波形は見られない。一方、約１５秒以降には振幅約２０Ｐａの周期的な圧変動が観測できる。すなわち、患者呼吸モデルの呼吸圧を検出することができている。ソフト差分処理を実施することで、酸素濃縮装置から鼻カニューラと延長チューブ１０ｍを介して酸素を連続的に１ＬＰＭ吸入している状況下においても患者の呼吸情報が取得可能である。
【００５５】
連続流３ＬＰＭ、呼吸情報取得装置の下流側に延長チューブ１０ｍを接続した時に取得したデータ群を図６、図７、図８に示す。
【００５６】
図６は図３と同様に患者の呼吸情報と酸素濃縮装置のＰＳＡ圧データとを含んだ圧データを示しており、そのうち計測開始から０〜約１０秒の期間は患者呼吸圧を印加せずに酸素濃縮装置のＰＳＡ圧のみを計測する時間帯のデータとなっている。
【００５７】
図７は予め取得して記憶媒体に記録しておいた酸素濃縮装置のＰＳＡ圧データを示している。図７と図４と比較して波形の形が変化しているのは、濃縮酸素を生成する際の吸着材にて窒素を吸脱着する駆動サイクルが、生成する酸素供給流量ごとで異なるためである。しかし、ＰＳＡ圧の変動周期が吸着筒切替周期と一致していることは図４と同様である。
【００５８】
図３と同様、図６においても、ＰＳＡ圧に対して患者呼吸モデルの呼吸圧が重畳されているが、該条件でも患者呼吸モデルの呼吸圧よりもＰＳＡ圧の方が相対的に大きいため、患者呼吸モデルの呼吸圧はＰＳＡ圧にかき消されてしまい観察することができない。図５と同様に、両データの位相を合わせた状態で差分処理した結果が図８に示されている。図５と同様に、呼吸圧が印加されている測定開始約１０秒以降から周期的にみられている振幅２０Ｐａ程度の圧変動が観測できる。すなわち、患者呼吸モデルの呼吸圧を検出することができている。呼吸圧とＰＳＡ圧の位相を合わせた状態で差分処理する方法によれば、延長チューブを１０ｍ追加したり、供給酸素流量を３ＬＰＭにしたりした条件においても精度よく患者の呼吸情報を取得できることがわかる。
【００５９】
酸素濃縮装置のＰＳＡ圧が分かれば、差分処理により呼吸情報を取得することが可能である。但し、差分処理に用いるＰＳＡ圧の取得方法として、予めＰＳＡ圧を記憶媒体に記録しておく方法では、さまざまな運転条件に於けるＰＳＡ圧を事前に記録しておくことが必要であり、多くの記憶容量を必要とする。また、周囲環境の変化や経時変化により、ＰＳＡ圧が変化した場合に対応できない。発明者は、鋭意検討の結果、ＰＳＡ圧は、吸着筒切替周期に対して一定のパターンが繰り返されることに着目し、配管内の圧力及び／又は流量の変動履歴を取得し、そこからＰＳＡ動作の切替周期と同一の周期で現れる変動を抽出することでＰＳＡ圧を推定することが出来ることを見出した。
【００６０】
具体的には、発明者は、配管内の圧力（又は流量）の変動履歴を、ＰＳＡ動作の切替周期毎に区切り、複数周期の変動波形の平均値をとることで、ＰＳＡ動作の切替周期に同期した成分以外の変動を減衰させ、精度よくＰＳＡ圧を推定できることを見出した。ＰＳＡ圧の推定値を上記差分処理に利用することで患者の呼吸情報を抽出することが可能である。
【００６１】
図９は、上記演算処理の概念図である。（１）、（２）はそれぞれ呼吸波形、ＰＳＡ波形のモデル波形である。ＴはＰＳＡ波形の周期であり、これは吸着筒の切替周期に一致する既知の量である。（３）は（１）と（２）を加算した波形であり、配管で実際に測定される圧力に相当する。（４）は、（３）を周期Ｔごとに分割し重ね合わせたものである。呼吸の周期とＰＳＡの周期が完全に一致しない限り、Ｔで切り取った波形に於いては、呼吸波形はランダムに表れる。（５）は（４）で重ね合わせた波形を平均化処理した物である。本例では、Ｔを１周期として５周期分の単純移動平均を取っている。図９に示すように平均化処理をすることで、ＰＳＡ周期と一致していない呼吸波形成分は大きく減衰し、元のＰＳＡ波形が精度よく再現できていることが分かる。（６）は（３）の波形の最後のＴ部分から（５）を差し引いた波形である。平均化処理により、元の呼吸波形（１）を精度よく再現することができる。
【００６２】
なお、周期Ｔの選び方は、複数の吸着筒の内１つの吸着筒がコンプレッサと連通している状態が始まってから、別の吸着筒がコンプレッサと連通する状態に切り替わるまでの時間をＴとしてもよい。また、周期Ｔの選び方は、１つの吸着筒がコンプレッサと連通する状態が始まってから、他の吸着筒がコンプレッサと連通する状態を経て、再び最初の吸着筒がコンプレッサに連通する状態に切り替わるまでをＴとしてもよい。さらには、それぞれの時間の整数倍をＴとしてもよい。
【００６３】
また、（５）の平均化処理を計算をするに当たって、上記では５周期分の移動平均を取っているが、平均の仕方は別の方法を用いることもできる。一般的には、（５）のステップに於いて計算する平均値Ｘ（ｔ）は以下の数式で表される。なお、iは任意の正の整数を示すものであるとする。
【００６４】
【数２】
0006952909.tif 000003
【００６５】
ここで、Ｘ（ｔ）は時間ｔに於ける平均化処理後の値であり、Ｙ（ｔ）は時間ｔに於ける圧力の実測値である。また、ａiは加重平均に於ける重み付けの係数であり任意の実数を選択することができる。ｎは平均を取るＹの個数を示す。例えばn＝４とし、ａ0〜ａ4を１とすれば、図９の計算と同じになる。また、ai＝e-bi（ｂは任意の正の実数）とし、n=∞とすれば指数平滑平均とすることができる。実際の計算では無限大を扱うことは難しいため、Ｘ（ｔ）＝（１−eーb）Ｙ（ｔ）＋eーbＸ（ｔ−Ｔ）等のように逐次計算により漸近値を得る。さらに、ｎ及びａiを適切に選ぶことによって、ＦＩＲフィルタのような、より収束が早い平均化処理も可能である。
【００６６】
式（１）は一見、単にＹ（ｔ）の時間平均を数値計算的に求める式に見えるが、ここで重要なのは、通常の時間平均ではＴとしてＹ（ｔ）の変動周期に対して十分小さい値を選択するのに対し、本実施形態ではＴとしてＰＳＡプロセスの吸脱着周期を基本に選択することにある。式（１）は、単純に測定値Ｙ（ｔ）を時間的に平均化処理するのではなく、周期Ｔに亘るＹ（ｔ）の波形を一つの単位として、Ｔの整数倍の時間だけ遡った値と平均値をとる事を意味する。Ｔの間隔で周期的に表れる特性をもつＰＳＡ圧を精度よく推定することが可能となる。
【００６７】
呼吸情報取得装置として、圧力を測定する方法を示したが、実際には圧力の変動に伴い、配管を流れる気体の流量も変化するため、圧力の代わりに気体流量を測定する方法も用いることができる。また、装置の運転条件や環境条件によって圧力値と気体流量値を組み合わせて、あるいは切り替えて測定する方法も用いることが出来る。
【００６８】
例えば、呼吸情報取得装置４は、流量測定結果に対応する設定流量を推測し、例えばメモリに予め記憶された設定流量ごとの吸着筒切替周期Ｔのどれを使用するかを決定することができる。呼吸情報取得装置４が酸素濃縮装置１と切り離されて外付けされている場合に有用である。
【００６９】
［実施形態１で行われる演算処理］
図１０は、呼吸情報取得装置４を用いて、患者の呼吸情報を取得する具体的な処理方法の一例を示したフローチャートである。この処理は、演算部７で実行される。
【００７０】
まず、ステップＳ１１、Ｓ１２において、演算部７は、酸素濃縮装置を起動し、酸素供給が開始される。その後、ステップＳ１３において、演算部７は、初期設定としてＰＳＡ周期Ｔ内の配管内圧力の測定回数ｍと、移動平均の平均回数ｎを設定し、ステップＳ１４において測定間隔を決めるためのタイマＡをリセットし、タイマＡのカウントを開始する。ｍは例えば吸着筒切替周期Ｔと配管内圧力の測定間隔ｔ０との比Ｔ／ｔ０であり、ｔ０はＴ及び呼吸周期より十分小さい値を選んで設定される。測定回数ｍは整数である必要があるので、ｔ０はＴの整数分の１である必要がある。例えばｔ０を１００ｍｓとし、Ｔを１００ｍｓの整数倍となるように設定すればよい。例えば、吸着筒切替周期Ｔが１００ｍｓ単位で調整可能であるときは、ｔ０＝１００ｍｓとすれば、測定回数ｍは、任意の吸着筒切替周期Ｔに対応可能である。なお、測定回数ｍと移動平均の平均回数ｎはメモリ内に初期値として設定されているが、初期値は変更してもよい。
【００７１】
ステップＳ１５以降がメインループとなり、以降の処理はｔ０の間隔で実行される。
【００７２】
ステップＳ１５において、演算部７は、カウンタｊに０をセットし、ステップＳ１６においてｊに１を加算する。カウンタｊは移動平均の平均回数をカウントするためのカウンタである。ｊがステップＳ１３でセットされた回数ｎを超えるまで、ステップＳ１６からステップＳ１１６の処理が繰り返される（ステップＳ１１６）。
【００７３】
ステップＳ１７において、演算部７は、カウンタｉに０をセットし、ステップＳ１８においてｉに１を加算する。カウンタｉは既知のＰＳＡ周期Ｔ内の配管内圧力の測定回数をカウントするためのカウンタである。ｉがステップＳ１３でセットされた回数ｍを超えるまで、ステップＳ１８からステップＳ１１５の処理が繰り返される（ステップＳ１１５）。
【００７４】
ステップＳ１９で、演算部７は、入力インタフェースを通じて呼吸情報取得装置４が取得した圧力信号データを受け取り、ステップＳ１１０にて受け取った圧力信号データをｚ（ｉ）としてメモリに格納する。
【００７５】
ステップＳ１１０において、演算部７は、ｚ（ｉ）のデータをメモリに格納した後、ステップＳ１１１にてＺ（ｉ）を別のメモリ領域にコピーし、これをｙ（ｊ，ｉ）とする。
【００７６】
ステップＳ１１２において、演算部７は、ｙ（１，ｉ），ｙ（２，ｉ）・・・ｙ（ｎ，ｉ）のデータを平均化処理し、平均値ｘ（ｉ）を得る。平均化処理の仕方は、加算平均として｛ｙ（１，ｉ）＋ｙ（２，ｉ）＋・・・＋ｙ（ｎ，ｉ）｝÷ｎとしてもよいし、適当な加重平均を行ってもよい。十分大きなｎで平均を行うことで吸着筒切替周期Ｔと同期して変動する圧力成分以外は減衰し、ＰＳＡ圧を精度よく推定することが出来る。ステップＳ１１３において、演算部７は、圧力測定値と平均値ｘ（ｉ）との差分ｚ（ｉ）−ｘ（ｉ）を呼吸情報として出力する。
【００７７】
ステップＳ１１４で、演算部７は、タイマＡの値を確認し、タイマＡの値がｔ０の倍数になるまで待機する。その後、演算部７は、タイマＡの値がｔ０の倍数となったときにステップＳ１１５に進む。データ収集及びデータ処理の間隔が、ｔ０に調整される。
【００７８】
ステップＳ１１５にてｉがｍ以上であった場合はステップＳ１１６へ進み、ｉがｍ未満であった場合はステップＳ１８へ戻る。ｍ＝Ｔ／ｔ０とした場合、ｉ＝ｍのとき周期Ｔの間にｔ０間隔でｍ回の圧力信号データを取得することになる。本実施形態においては、演算部７は、ｉ＝ｍとなるまでステップＳ１８〜ステップＳ１１５を繰り返すことによって、周期Ｔに亘ってｍ個のデータを収集し、メモリに格納する。これにより、１回の周期Ｔの期間分のデータを収集する。
【００７９】
平均化処理を行うためには、周期Ｔの期間分のデータを複数取得する必要がある。ステップＳ１１５においてｉがｍ以上となった場合、ＰＳＡ周期１回分の時間Ｔが経過し、次の周期Ｔの呼吸信号データを取得している状態となっている。したがって、ステップｊ＝ｎとなるまで、ステップＳ１６〜ステップＳ１１６を繰り返すことによって、演算部７は、ｎ回の周期Ｔにわたり、１回の周期Ｔあたりｍ回の圧力信号データを取得することができる。すなわちステップＳ１１６でｊがｎ未満であると判断され、ステップＳ１６に戻ったのち、新たな圧力信号データによりｔ０の時間間隔でステップＳ１１０において、演算部７は、ｚ（ｉ）の値を更新していき、それらのデータはステップＳ１６にて更新されたｊの値に対するｙ（ｊ，ｉ）のメモリ領域にコピーされる（ステップＳ１１１）。これをｎ回繰り返し、合計ｍ×ｎ個のデータを取得する。
【００８０】
ステップＳ１６〜ステップＳ１１６により、ｍ×ｎのデータ処理が完了したとき、すなわちＳ１１６でｊがｎ以上となった場合は、ステップＳ１５に戻り、ｊに０をセットする。演算部７は、再び継続してｚ（ｉ）のデータを更新していくが、データのコピー先はｙ（１，ｉ）に戻る。即ち、演算部７は、ｙ（２，ｉ）〜ｙ（ｎ，ｉ）までの値は維持したままで、ｙ（１，ｉ）のデータを新たな測定データで更新する。ここで、演算部７は、再度平均化処理を行いｘ（ｉ）を更新することで移動平均値を得、そこからｚ（ｉ）−ｘ（ｉ）の値を計算することで、呼吸情報を連続的に得ることが出来る。
【００８１】
本実施形態によれば、酸素濃縮装置運転中に患者呼吸圧を計測したデータから患者呼吸成分とＰＳＡに伴う圧変動成分とを切り分けて患者の呼吸情報を取得することができる。
【００８２】
［実施形態２で行われる演算処理］
図１１は、呼吸情報取得装置４を用いて、患者の呼吸情報を取得する処理方法の別の一例を示したフローチャートである。この処理は、実施形態１と同じく演算部７で実行される。ステップＳ２１，Ｓ２２の動作は実施形態１のステップＳ１１、Ｓ１２と同じである。ステップＳ２３では、演算部７は、実施形態１のＳ１３と同様にＰＳＡ周期Ｔ内の配管内圧力の測定回数ｍの値を設定するとともに、実施形態１における移動平均の平均回数ｎにかえて平滑係数ａの値を設定する。ステップＳ２４において、演算部７は、タイマＡをリセットし、タイマＡのカウントを開始する。
【００８３】
ステップＳ２５以降がメインループとなり、以降の処理はｔ０の間隔で実行される。次にＳ２５において、演算部７は、実施形態１と同様に既知のＰＳＡ周期Ｔ内の配管内圧力の測定回数をカウントするためのカウンタｉに０をセットし、ステップＳ２６においてｉに１を加算する。
【００８４】
演算部７は、まず呼吸情報取得装置４からの圧力信号を周期ｔ０にて収集する（ステップＳ２７）ことは実施形態１と同じである。収集されたデータはｙに保存され（ステップＳ２８）、ｘ（ｉ）は、ｘ（ｉ）←（１−ａ）ｘ（ｉ）＋ａｙ（ａは平滑係数であり、１未満の正の実数）の式により更新される（ステップＳ２９）。更新されたｘ（ｉ）がＰＳＡ圧の推定値である。ｙ−ｘ（ｉ）が患者の呼吸情報となる（ステップＳ２１０）。ｉの値は、１から始まり、ｔ０毎に上記の圧力信号の収集から呼吸情報の抽出までの処理を実施したあと１ずつ加算され（ステップＳ２６〜ステップＳ２１２）、ｍ＝Ｔ／ｔ０回の処理後、再び１に戻る（ステップＳ２５）。
【００８５】
本実施形態の利点は、実施形態１よりも必要なメモリ数や演算数が少なくて済み、ＣＰＵやメモリのコストが節約できる点である。一方で、短所は、カニューラ折れなどによって大きな偶発的な圧力変動が発生した場合には、その影響が長時間残り、ＰＳＡ圧の推定が正しくできない状況が長時間続くことである。
【００８６】
いずれの手段でも、定常状態においてはＰＳＡ圧の推定が精度よくできることは変わらず、用途や許容されるコストにより、実施形態を選ぶことができる。尚、本発明は、配管内の圧力変動波形を吸着筒の切替周期１周期毎に分割し、それを複数周期に亘って平均化する事でＰＳＡ圧を推定する事が重要であり、データ取得の方法、平均化の方法やメモリの使用方法は実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８７】
１  酸素濃縮装置
１１  酸素生成部
１２  酸素流量調整部
１３  酸素供給口
１１１  コンプレッサ
１１２  切替弁
１１３  吸着筒
１１４  切替弁
１１５  濃縮酸素バッファタンク
１１６  調圧弁
１２１  コントロールバルブ
１２２  流量計
１０１  加湿器
２  延長チューブ
３  鼻カニューラ
４  呼吸情報取得装置
５  オリフィス
６  差圧センサ
７  演算部
【図１】
0006952909.tif 000005
【図２】
0006952909.tif 000006
【図３】
0006952909.tif 000007
【図４】
0006952909.tif 000008
【図５】
0006952909.tif 000009
【図６】
0006952909.tif 000010
【図７】
0006952909.tif 000011
【図８】
0006952909.tif 000012
【図９】
0006952909.tif 000013
【図１０】
0006952909.tif 000014
【図１１】
0006952909.tif 000015