換気安定化技術
【課題】中枢性睡眠時無呼吸症（ＣＳＡ）を減少させるシステムを提供する。
【解決手段】睡眠サイクルの期間中での患者の再呼吸を増加させるある方法が使用されている。過呼吸の期間での再呼吸を増加させることで、一般的には過呼吸期間から生じる過酸化を減少させ、よって補償する減呼吸期間を減少させ、中枢性睡眠時無呼吸症に関連するループゲインを有効に減少させることが可能である。鼻の閉塞及び漏れ耐性を有する口腔インターフェース２４は患者のインターフェースからの気体の漏れを制御する。
【解決手段】睡眠サイクルの期間中での患者の再呼吸を増加させるある方法が使用されている。過呼吸の期間での再呼吸を増加させることで、一般的には過呼吸期間から生じる過酸化を減少させ、よって補償する減呼吸期間を減少させ、中枢性睡眠時無呼吸症に関連するループゲインを有効に減少させることが可能である。鼻の閉塞及び漏れ耐性を有する口腔インターフェース２４は患者のインターフェースからの気体の漏れを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、呼吸障害を処置する装置及び、呼吸障害の処置方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中枢性睡眠時無呼吸症は、規則的かつリズムを有する神経活動のバーストを生成する睡眠時の脳がうまく機能しないことを特徴とする睡眠呼吸障害の一種である。その結果として生じるリズムを有する呼吸の中断、それは無呼吸と呼ばれる、は呼吸の速さ及び深さ、つまり肺呼吸全体、を規制する呼吸器制御系の障害を意味する。中枢性睡眠時無呼吸症は閉塞性睡眠時無呼吸症候群と対比されるべきである。閉塞性睡眠時無呼吸症候群において、無呼吸のおおよその原因は、継続して呼吸器系の筋肉へリズムを有する神経出力が発生しているにも関わらず、咽頭気道が障害を有するからである。中枢性睡眠時無呼吸症と閉塞性睡眠時無呼吸症候群との差異は明確に規定され、２つは同時に存在しうる。中枢性睡眠時無呼吸症は多くの薬が使用される状況で生じうるが、最も一般的に観察されるのは、心臓麻痺（心不全）又は脳血管不全に関連している場合である。中枢性睡眠時無呼吸症の一例にはチェーン・ストークス呼吸がある。
【０００３】
呼吸器制御系は、二酸化炭素、酸素及びｐＨをセンシングする呼吸器系の化学受容器が適切に刺激されるときに中枢性パターン発生装置が活動のリズムあるバーストを発生させることを特徴とする負のフィードバックシステムを有する。呼吸器系筋肉への脳幹の中枢性パターン発生装置の神経出力は、基本的に中枢性パターン発生装置によって発生される神経リズムから導かれる一方で、動脈血ＰＣＯ２及びＰＯ２に関連するフィードバック信号が十分に強いとはいえない場合では、発生装置は沈黙する。換言すると、呼吸器系のリズムは、動脈血ＰＣＯ２及びＰＯ２をセンシングする末梢性化学受容器及び脳のＰＣＯ２／ｐＨをセンシングする中枢性化学受容器を起源とする適切な入力刺激を必要とする、条件的中枢性パターン発生装置によって発生される。さらに、呼吸器系中枢性パターン発生装置によって発生する神経活動の強度は直接的に動脈血ＰＣＯ２に依存し、動脈血ＰＯ２に反比例する。よって、中枢性及び末梢性の化学反射ループは動脈血ＰＣＯ２及び動脈血ＰＯ２を調節する負のフィードバックシステムを形成し、これらの値を狭い限界の範囲内で一定に保持する（図１）。
【０００４】
動脈血液気体のこの通常の調節は、呼吸器系の中枢性パターン発生装置の安定した換気出力によって実現される。それとは対照的に、中枢性睡眠時無呼吸症は呼吸器制御系の不安定さを意味する。その不安定さは２つの機構のうちの１つから生じうる。（１）呼吸器系の化学受容器によって適切に活性化されているにもかかわらず呼吸器系の中枢性パターン発生装置が基本的に機能しないこと、又は（２）呼吸器系の化学受容器による適切に活性化しきれていないこと、である。前者は“内在的不安定性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）”、後者は“化学反射不安定性（ｃｈｅｍｏｒｅｆｌｅｘ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）”と呼ばれる。理論的には、２つの機構は同時に存在しうる。中枢性睡眠時無呼吸症の一般的な形態は化学反射不安定性の機構に起因すると考えられる。
【０００５】
呼吸の化学反射制御は不安定性を示すだろう。その理由は、負のフィードバック信号の遅延が過度に長いため、又は、システムのゲインが過度に大きいためである。現時点での証拠が示唆していることは、後者が、心臓麻痺（心不全）による中枢性睡眠時無呼吸症での主要なかく乱の主な要因であるということである。特に、動脈血ＰＣＯ２の変化に対する制御系の全体的な応答については、中枢性睡眠時無呼吸症を有する心臓麻痺（心不全）の患者では、睡眠障害に伴う呼吸を有していない患者の３倍にもなる。この増加したゲインは中枢性化学反射ループに属しているものと思われるが、末梢性化学反射ループの大きなゲインであることも排除できない。従って、中枢性睡眠時無呼吸症の基本的機構は、制御系が大きなループゲインを取ることで、睡眠中でのフィードバック不安定性を引き起こすことである。
【特許文献１】米国特許公開第５６４５０５３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
中枢性睡眠時無呼吸症は繰り返しの覚醒及び酸素ヘモグロビンの不飽和化を引き起こす。たとえ中枢性睡眠時無呼吸症と疾患率及び死亡率とを結びつける確かな証拠が不足しているとしても、様々な証拠資料によって、中枢性睡眠時無呼吸症が心臓不整脈、発作又は心筋梗塞を促進する恐れがあるということが推測される。夜間での覚醒が繰り返されることは、日中の認識機能及び生活の質に悪影響を及ぼしがちである。中枢性睡眠時無呼吸症に対する有効な処置はまだ確立されていない。テオフィリンのような薬を勧めるのは有用だろうし、カーボニックアンヒドラーゼ抑制剤は中枢性睡眠時無呼吸症をかなりの程度で正常睡眠に和らげることが可能だろう。経鼻的持続陽圧呼吸療法は直接的又は間接的に換気安定性を改善することが可能である。吸い込まれた気体中の酸素分比（Ｆ）が増加しても一般的には中枢性睡眠時無呼吸症は排除されないが、吸い込まれたＦＣＯ２（ＦＣＯ２＝０．０１〜０．０３）が増加すると即座に中枢性睡眠時無呼吸症は排除される。しかし、高ＦＣＯ２環境に長時間おくのは長期の治療として望ましくないだろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、中枢性睡眠時無呼吸症の呼吸器サイクルのある期間での制御された再呼吸量を使用して肺の気体交換の効率を変化させることで、肺及び動脈血中の二酸化炭素及び酸素レベルでの過渡的に過度となった換気効果に対抗する。実際には、この計画はフィードバック変数における振動を最小化することで呼吸を安定化させるという試みである。そのような用途での再呼吸装置を有効に使用するために、漏れ耐性を有する患者インターフェースを使用する。このインターフェースは鼻及び口の通路のうちの１つを遮断し、口腔器具及び経鼻閉塞装置を含むのが好ましい。
【０００８】
本発明は、呼吸器制御系のループゲインを減少させることで中枢性睡眠時無呼吸症による周期的呼吸に対抗する。過呼吸直前又は過呼吸期間の最中において、二酸化炭素の吸入量を増加させ、酸素の吸入量を減少させるのに再呼吸を使用することが可能である。１つの実施例では、中枢性睡眠時無呼吸症呼吸の換気サイクルが検出され、再度吸い込まれた吐出気体の量を変化させることで適切に吸入した二酸化炭素及び酸素濃度を調節できるように、患者の換気は連続的に監視され、リアルタイムで分析される。再呼吸装置は経鼻的持続陽圧呼吸療法（ＣＰＡＰ）システムの一部であって良い。
【０００９】
中枢性睡眠時無呼吸症の呼吸器サイクルの一部の最中において制御された再呼吸を可能にするように、従来のＣＰＡＰシステムは本発明の１つの実施例では修正されている。この実施例では、バルブは再呼吸量の制御に使用される。バルブが閉じられているときには再呼吸が起こり、バルブが開いているときには再呼吸は起こらない。流量計に接続されているコンピュータは中枢性睡眠時無呼吸症の呼吸器サイクルの期間を検出するのに使用することが可能である。コンピュータは制御してバルブを開閉することが可能である。口腔器具と組み合わせられた経鼻閉塞は制御された再呼吸を得るのに使用可能である。本発明をさらにまとめたものについては以下の詳細な説明及び請求項を参照することで得ることが可能である。
【実施例】
【００１０】
図２は本発明の再呼吸器の１つの実施例を図示している。この実施例では、送風機２０、管２２及び患者とのインターフェース２４を含む経鼻的持続陽圧呼吸療法用装置が使用されている。口腔インターフェース及び経鼻閉塞装置を有する患者とのインターフェース２４は、経鼻的持続陽圧呼吸療法処置で使用するのに気密性の堅いシールを顔に形成する。経鼻的持続陽圧呼吸療法及び好適な経鼻的持続陽圧呼吸療法用装置に関する議論は特許文献１で説明されている。従来のＣＰＡＰでは、送風機はマスク内で比較的高い一定圧力を保持する、かつ、送風機から新鮮な空気のバイアス流をマスクの外へ送り出すのに使用される。
【００１１】
本発明の１つの実施例では、管２６は患者インターフェースの排出部分３１と接続し、気体を可変レジスタ２８へ送り込む。あるいはその代わりに、バルブは患者インターフェースの排出部分上に設けて良い。管２２は中枢性睡眠時無呼吸症呼吸のあるサイクルの最中で再呼吸するためのデッドスペースとして使用される。バルブ２８が開いているとき、再呼吸は起こらない。その理由は、すべての排出気体は吸入が起こる前にバイアス流によって管２６を通って、バルブ２８を介して排出されるからである。バルブ２８が閉じられているときにはバイアス流は消え、管２６を介して空気が吸い込まれないからである。この場合、部分的な再呼吸が生じる。その理由は、吸い込まれた空気が管２２を逆行して送風機へ向かうからである。管２６中の気体は室内の空気よりも高い二酸化炭素濃度及び室内の空気よりも低い酸素濃度を有する。患者が吸入するとき、気体は送風機から患者へ送られ、それまでに吸い込まれた気体は患者によって排出される。
【００１２】
通常、送風機から患者インターフェースを介して排出ポート３０へ送り出される気体のバイアス流は、患者によって吐き出された気体は系内には残らないように、呼吸サイクルの呼気段階で系を完全に浄化するのに適している。よって、患者によって吸い込まれる気体は室内の空気の組成（Ｏ２濃度２１％；ＣＯ２濃度約０％）を有する。反対に、バルブ２８によってポート３０が完全に閉塞されることでバイアス流が０に減少する場合、患者によって排出される気体は患者インターフェースと送風機とを接続する管２２を満たす。そのような吐き出された気体は典型的には５％の二酸化炭素濃度及び１６％の酸素濃度を有する。吸入では、患者は最初に管を満たす高二酸化炭素、低酸素混合気体を吸入し、それに続いて送風機からの室内空気を吸入する。管の長さに依存して、この混合物は１回の換気量の２０％〜６０％の再呼吸に匹敵する。排出ポートの流出抵抗を変化させることで、これらの限界間の再呼吸の程度は変化させることが可能であり、吸入される二酸化炭素濃度及び酸素濃度は操作可能である。１つの実施例では、コンピュータ３４に接続する流量計３２は送風機２０から送られてくる気体の流れ及び送風機２０へ送られる気体の流れを検出するのに使用される。コンピュータ３４は中枢性睡眠時無呼吸症の呼吸によって引き起こされる肺の換気の周期性を特定すること、及び、中枢性睡眠時無呼吸症サイクルのある期間中での再呼吸を引き起こすバルブ２８を制御するのに使用される。
【００１３】
送風機からの気体流はバイアス流（患者インターフェースの排出流＋漏れ流）に加えて呼吸器の空気流を有する。コンピュータはこの流れを監視し、バイアス流、漏れ流、逆流（ｒｅｔｒｏｇｒａｄｅ ｆｌｏｗ）、逆排出容積（ｒｅｔｒｏｇｒａｄｅ ｅｘｐｉｒｅｄ ｖｏｌｕｍｅ）及び洗浄容積（ｗａｓｈ ｖｏｌｕｍｅ）を計算する。
【００１４】
コンピュータ３４は中枢性睡眠時無呼吸症サイクルの振幅を検出し、それに従ってバルブの抵抗を調節することが可能である。たとえば、中枢性睡眠時無呼吸症サイクル最中に肺換気の大きな変化がある場合、バルブ２８は過呼吸の期間では完全に閉じることが可能である。中枢性睡眠時無呼吸症サイクル最中に肺換気の変化が小さい場合、過呼吸期間ではバルブ２８は部分的に開いた状態であって良い。よって、中枢性睡眠時無呼吸症サイクルでの肺換気の変化が大きいときに起こる再呼吸は、中枢性睡眠時無呼吸症サイクルでの肺換気の変化が小さいときに起こる再呼吸よりもより高レベルである。
【００１５】
ＣＰＡＰ送風機２０のインピーダンスが低いため、流出ラインでの抵抗変化はほとんど患者インターフェース圧力に変化を生じさせない。従って所望のＣＰＡＰ患者インターフェース圧力に大きな変化を設けることなく、流出抵抗を十分な範囲で変化させることが可能である。
【００１６】
流量計３２及びコンピュータ３４は肺換気のレベルを定量することが可能である。たとえば、呼吸容積と呼吸期間との比から瞬間的な肺換気のレベルがどの程度であるかが分かる。平均吸入流速度の平均又はピークのような他の指標を使用することも可能である。
【００１７】
図３は、中枢性睡眠時無呼吸症呼吸中の過呼吸及び減呼吸のサイクルを理想化した図である。この図は、換気の平均移動時間と比較した過呼吸領域５０ａ及び減呼吸領域５０ｂを図示している。コンピュータシステムは中枢性睡眠時無呼吸症呼吸のサイクルを決定することが可能である。典型的には、中枢性睡眠時無呼吸症での過呼吸及び減呼吸には約５０秒−６０秒のサイクルがある。
【００１８】
中枢性睡眠時無呼吸症を排除するため、バルブ２８を使用して再呼吸の程度及びタイミングを制御する多数の方法が使用されている。中枢性睡眠時無呼吸症呼吸を減少させるために再呼吸を制御する１つの方法は、中枢性睡眠時無呼吸症呼吸でのそれぞれ異なるサイクルを予測することである。たとえば図３を見ると、時間Ａでは、システムは過呼吸サイクルを予測し、よって図２で図示されているようにバルブ２８を閉じることで再呼吸を開始する。再呼吸部５０ａが発生するまでには、ある程度のレベルの再呼吸が存在する。このため、過呼吸サイクル中での肺の気体交換は非効率的で、それによって生じる肺の酸素上昇及び肺の二酸化炭素減少は小さい。その結果、血液中の酸素レベルは高くなりすぎず、二酸化炭素レベルは低くなりすぎない。これにより、動脈血中の酸素分圧及び二酸化炭素分圧は安定し、引き続き生じる減呼吸の振幅又は無呼吸の長さは減少する。時間Ｂでは、システムはバルブ２８を開くことで事前に減呼吸サイクルを見越し、再呼吸はこれ以上起こらない。本発明の装置は中枢性睡眠時無呼吸症（線５０）を図３の破線６０で図示しているような低レベルへ減少させることが可能である。再呼吸の開始時間及び終了時間である時間Ａ及び時間Ｂは図２で図示されているコンピュータ３４によって決定することが可能である。
【００１９】
図４Ａは本発明で使用される受動的ループゲイン変調システムを図示している。図４Ａは、入力管６２及び患者インターフェース６４に接続する空気送風機６０のような気体供給手段を使用したシステムを図示している。このシステムは患者インターフェース用の単一の固定された出力ポートを使用する。閉塞性睡眠時無呼吸症候群で通常使用されるものよりも大きな管容積を本発明で使用して良い。たとえば、６フィートの管よりはむしろ１０フィートの管を使用して良い。送風機６０は非常に低いインピーダンスを有することが好ましい。つまり、空気流の変化は送風機によって供給される空圧を大きく変化させない。これにより、たとえ管の流れが逆流になっても、比較的安定した患者インターフェースの圧力を保持することが可能となる。
【００２０】
加えて、１つの実施例では、空気送風機は、４ｃｍより下になる（２ｃｍ以下になるのが好ましい）水圧を供給するように調節することが可能である。そのような小さな圧力を供給する能力により、前述の逆流が可能となる。患者インターフェースは患者の通気口について適合している。通常呼吸の間、送風機６０から供給され、管６２を通って患者インターフェース６４に供給される空気は再呼吸を生じさせない。その理由は、次の吸い込み期間前に如何なる吐出空気も除去（ｆｌｕｓｈ）されるからである。激しい呼吸の最中、十分な排出空気流が管へ逆流するように所定の気体流圧力は設定される、その際、次の吸入期間中にある程度の吐出気体が再呼吸される。この実施例では、過呼吸は中枢性睡眠時無呼吸症に関連する睡眠サイクルのある期間で起こる。中枢性睡眠時無呼吸症の期間中での再呼吸は、血中酸素レベルでのスパイクを減少させる傾向にある。よって、中枢性睡眠時無呼吸症において過呼吸に続いて生じる減呼吸の期間もまた減少する。
【００２１】
交互の減呼吸及び過呼吸期間は、過呼吸期間中に起こる再呼吸によって減少する。再呼吸は動脈血酸素スパイク及び過呼吸によって引き起こされる動脈血ＰＣＯ２の減少を減衰させる。よって、血液が化学受容器に到達するときに低換気状態が存在する。よって、周期的呼吸の振幅は減少する。
【００２２】
図４Ａの実施例は、従来のＣＰＡＰを使用したときよりも所定の気体流圧力が低い、かつ／又は、従来のＣＰＡＰを使用したときよりも患者インターフェースの排出孔が小さい、という点で、従来のＣＰＡＰとは異なる。典型的なＣＰＡＰ気体流圧力からの気体流圧力を減少させることで、かつ／又は、患者インターフェースの排出孔を減少させることで、過呼吸期間中の逆流は生成される。
【００２３】
図４Ａのシステムは、送風機圧力の能動的制御を必要としないという利点を有する。睡眠の中心状態で患者をチェックすることが可能であり、適切な送風機圧力及び患者インターフェース排出孔サイズが設定される。その後、システムは、高価な制御装置に基づくシステムを必要とせずに毎晩患者の通気口に設けることが可能である。所定の送風機圧力は、排出孔６４、通常の排出圧力及び過呼吸排出圧力によって引き起こされる空気流抵抗に依存する。気体供給圧力システムが空気送風機６０である場合、空気送風機の１分あたりの回転数を調節することで所定の気体流圧力を設定することが可能である。
【００２４】
中枢性睡眠時無呼吸症であるが閉塞性睡眠時無呼吸症候群ではない患者の空気供給圧力は４ｃｍより下の水圧のような比較的低いレベルでの設定が可能である。通常の患者インターフェースの排出孔はこれらの圧力で所望の効果を生じさせる。呼気終末のＦＣＯ２及び吸入されたＦＣＯ２を、患者インターフェースと接続する吸引線を有するＣＯ２流量計によって監視することが可能である。重要なこととしては、排出気体を管６２へ送り出すために、漏れ耐性を有する患者インターフェースを使用することですべての口腔漏れは排除されなくてはならないことである。これは、あごひもを使用する、又は、上の歯及び下の歯、若しくは両方の歯に使用される口蓋弓の歯科器具のような口腔器具２５を使用することで実現される。困難な鼻の漏れに対する代替的アプローチは、口だけでなく鼻をも覆う全面マスクを使用することである。これは、鼻又は口から排出される気体は管６２患者インターフェースと患者との間の漏れを最小化することは重要だが、患者の排出空気をできる限り保存し、再呼吸に利用できるようにすることもまた重要である。従って、患者インターフェースが鼻と接続する場合には、口の通路は遮断されなくてはならず、患者インターフェースが口と接続する場合には、鼻の通路が遮断されなくてはならない。いずれの場合でも、使用していない通路の漏れは最小限にしなくてはならない。
【００２５】
口腔器具２５の例については図２Ｂ及び図２Ｃで詳細に図示されている。図２Ｂでは、口腔器具２５は歯科器具である。図２Ｂでは、口腔器具２５は歯の内部で適合するように設計されており、唇と患者の歯との間で適合する上部トレイ２５Ａ及び、歯科器具を唇に固定させる面を提供する下部トレイ２５Ｂを有する。図２Ｂの口腔器具２５中心部の開口部２５ＣはＣＰＡＰ圧力を伝達するためにＣＰＡＰホースコネクタとやり取りをする。図２Ｃの口腔器具２５は、歯を使用することなく、唇の上で直接患者の口と適合する。図２Ｃの口腔器具は、患者の通路で適合するマスク２７によって患者上で保持され、紐及びパッド２９Ａを使用して患者頭部の後方で固着される。遮断された通常のバイアスポート２９Ｃ及び低流バイアス流ポート２９Ｄを有する管２９ＢはＣＰＡＰ接続２９Ｅを介してＣＰＡＰ装置と接続する。管２９Ｂの長さは再呼吸量の制御を可能にする。
【００２６】
本願書類で説明されている技術行為のモードにおける特徴は過換気期間でのシステムの振る舞いに関する。そのような過換気状態（ｐｈａｓｅ）が発生するとき、患者は大きな１回換気量及び短い期間での排出を生じさせる。それと共に、これらは排出気体の再呼吸を誘起する。その気体は、ＣＰＡＰ送風機を口腔器具のような患者インターフェースに接続するＣＰＡＰパイプ２９Ｂへ逆に流れる。自宅内で夜間に低流ＣＰＡＰを使用する、中枢性睡眠時無呼吸症患者は、過換気中では、吐出気体の再呼吸が無意味になるほどの鼻の漏れが生じうるということが分かるだろう。そのような患者については、歯科器具２５を使用するのが好ましい。歯科器具はＣＰＡＰ圧力を、経鼻閉塞している患者の口に与える、鼻からの漏れを排除するため。歯科器具及び経鼻閉塞を使用した患者に関する研究データは、治療は中枢性睡眠時無呼吸症の解決には有効であること、及び、深呼吸状態（ｐｈａｓｅ）では、吐出気体が発生しないということが分かるだろう。低流ＣＰＡＰを有効に応用するには、口腔器具２５のような口腔界面は経鼻閉塞と組み合わせて使用されるべきである。経鼻閉塞は、鼻孔中又は水泳選手が使用するのと同様な、外部Ｕ字クランプ２９Ｆ中に挿入されたプラグを介して得ることが可能である。
【００２７】
患者が閉塞性睡眠時無呼吸症候群の要素を有する場合、患者インターフェース圧力は、上部通路の障害物を示唆する証拠がすべて除去されるまで徐々に増加する。患者が心臓麻痺（心不全）処置として経鼻ＣＰＡＰを受ける場合には、患者インターフェース圧力波所望のレベル（典型的には８ｃｍ〜１０ｃｍの水圧）に設定される。バイアス流は、中枢性睡眠時無呼吸症がデッドスペースを加えることなく排除されるまで減少させて良い。
【００２８】
心臓の病気を抱える患者にとっては、患者インターフェース圧力は文献で示唆されている値（典型的には１０ｃｍの水圧）に設定して良い。そこでバイアス流は調節される。
【００２９】
管６２を介した流は送風機圧力（つまり送風機流出時の圧力）と患者インターフェース圧力との圧力差に依存する。送風機圧力は送風機の１分あたりの回転数（ＲＰＭ）で設定され、送風機の内部インピーダンスは非常に小さいので近似的に一定である。呼吸器の空気流が生じないとき（つまり排出終了時）、患者インターフェース圧力は送風機圧力よりもある量だけ小さくなる。ある量とは、接続管の流耐性特性及びバイアス流速度に支配される。これは典型的には、バイアス流が０．５Ｌ／ｓｅｃ〜１．５Ｌ／ｓｅｃでの１ｃｍ〜２ｃｍの水圧差である。患者インターフェースが患者に適用され、患者が呼吸するとき、患者インターフェース圧力は呼吸サイクル中に変化する。患者インターフェース圧力は接続管の流耐性特性及び患者が発生させる空気流に依存する。吸入中、患者インターフェース圧力は落ち込み、典型的には水１ｃｍ〜２ｃｍ、吐出圧力は過渡的にインターフェース圧力の落ち込みと同程度に上昇するだろう。穏やかに呼吸している最中では、患者インターフェース圧力のピーク間での変動は激しい呼吸又は過呼吸最中での値よりも小さい。
【００３０】
よって穏やかな呼吸中では、患者インターフェース圧力は吐出中に上昇し、これにより送風機と患者インターフェースとの間の駆動圧力差が減少し、それによって管内の流が減少する。排出される１回換気量が増加する場合、しかし排出流ピークは増加し、これが患者インターフェース圧力のさらなる増加に結びつく。患者インターフェース圧力が送風機圧力に等しくなるまで増加する場合、管内の流は停止する。患者インターフェース圧力が送風機圧力を超えるとき、管内の流は逆方向となる、つまり患者インターフェースから送風機へとなる。そのような逆向きの空気流は最初吐出初期で生じ、接続管へ移動する空気容積は吐出時に後で浄化され（ｗａｓｈ ｏｕｔ）、患者インターフェース圧力は減少し、送風機から患者インターフェースへの流れは増加する。しかし、バイアス流が小さく、かつ１回換気量が大きい場合、多量の逆流が発生し、多量の吐出気体が管内へ移動する。バイアス流は小さいため、管を洗浄する押し出し流は小さい。そのような場合、すべての逆流容積が次の吸入前に押し出されるわけではない。その結果として、全吸入気体の酸素濃度はある程度減少し、二酸化炭素濃度はある程度上昇する。
【００３１】
図１５から図１７は送風機と患者インターフェースとの間の管内の流れを図示している。図１５は、従来のＣＰＡＰシステムの管内での空気流呼吸を図示している。吐出部中では、送風機から患者インターフェースへの流は常に、管内で逆流が生じないように、吐出圧力を上回る。これは典型的には、空気送風機圧力及び吐出ポート抵抗を、患者インターフェース外へのバイアス流は相対的に大きく、逆流の可能性は回避されるように設定することで行われる。この正常流は中枢性睡眠時無呼吸症に関連する過呼吸においてさえも生じる。
【００３２】
図１６及び図１７は、本発明のシステム内での呼吸の効果を図示している。ここで、送風機圧力及び患者インターフェースの吐出孔から外へ出るバイアス流は、中枢性睡眠時無呼吸症に関連する過呼吸期間中に逆流が生じるように設定される。
【００３３】
図１６は正常呼吸が行われている状況を図示している。正常呼吸の場合でさえも、ある程度の逆流が周期２０２で存在する。吐出期間後半では、逆容積は、期間２０４で生じる正常流によって管から押し出される。よって、正常呼吸期間中に再呼吸は生じない。本発明のシステムは正常呼吸期間中にデッドスペースを付加しない。これは、デッドスペースを加えることで血流に供給される二酸化炭素濃度が上昇するので重要である。増加する二酸化炭素レベルが複数日持続する場合、人体は望ましくない方法による内部フィードバックによって再調節するものと推定されている。
【００３４】
図１７は本発明の装置とともに過呼吸を示す実施例を図示している。図１７の実施例では、過呼吸は、逆流する吐出気体が存在するようなものである。逆流する吐出気体は次の吸入時には管内に残る。これは、結果として高濃度の二酸化炭素濃度を有する吐出気体を再吸入することを意味する。図１７では、初期の吐出気体領域２０６は吐出気体領域２０８よりも大きいことに留意すべきである。
【００３５】
本発明の１つの実施例では、通常呼吸の逆流容積及び洗浄容積は本発明の動作設定に使用することが可能である。１つの実施例では、逆容積領域２０２は通常呼吸での洗浄流領域２０４のサイズの１／２でなくてはならない。肺換気と患者インターフェースとの比較、及び／又は、洗浄時間と吐出期間との比較のような他のわかりやすい（ｔｈｕｍｂ）規則もまた、本発明のシステム動作の設定に使用することが可能である。
【００３６】
図４Ｂは、図４Ａの装置にコンピュータ６７及び流量計６９を付け加えたものを図示している。流量計６９は、管６２内で所望の空気流を検出するのに使用される。過呼吸期間で逆流が存在し、それ以外の期間では逆流が存在しないように送風機を調節することが可能である。図４Ｂの装置は、各患者用の図４Ａの装置の校正に使用することが可能である。
【００３７】
図１８Ａ及び図１８Ｂは、患者インターフェース吐出口サイズが夜になるとゆっくりと変化することを特徴とする実施例を図示している。この実施例では、送風機２１０は選択された圧力で空気流を供給する。流量計２１２は管２１４と接続する。管２１４は、管２１４内の流が、肺容積、バイアス流及びそれに類するものを含むシステムの付加的パラメータに従って決定されることを可能にする。プロセッサ２１６は、可変空気抵抗装置２１８を使用することで排出孔サイズをゆっくりと変化させる。図２のシステムとは違い、可変出力抵抗装置２１８は夜間にゆっくりと調節される。
【００３８】
図１８Ｂを見ると、患者が閉塞性睡眠時無呼吸症候群及び中枢性睡眠時無呼吸症を有する場合、夜になったばかりのときには、出力バルブは比較的大きく設定することが可能であり、患者インターフェースの外へ出るバイアス流を増大させ、管２１４への如何なる逆流の効果をも減少させる。一旦、閉塞性睡眠時無呼吸症候群が減少すると、バルブ径はゆっくりと減少し、中枢性睡眠時無呼吸症における過呼吸期間に管２１４への逆流を増加させることで、中枢性睡眠時無呼吸症を減少させる再呼吸を引き起こすことが可能となる。患者インターフェースのバルブ開口部の付加的調節は、プロセッサ２１６による計算に基づいて行うことが可能である。
【００３９】
図５は送風機７０が動的に制御されていることを特徴とする本発明の実施例である。流量計７２は管７４中の送風機７０と患者インターフェース７６との間に設けられている。流量計はまた、患者の顔の近くに設けられても良い。図５のシステムでは、コンピュータ制御によって睡眠サイクルのある期間での送風機圧力を減少させることが可能である。よって、激しい呼吸期間中では、送風機圧力を減少させることが可能で、それによって逆流及び再呼吸は促進される。この実施例は、患者インターフェース圧力変化による混合効果のため、利点があるとは言えない。送風機７０によって供給される気体供給圧力を調節することで、管７４への逆流は、所望通りに増加及び減少させることが可能である。
【００４０】
図６は本発明の別な実施例である。この実施例では、患者インターフェース８２は、コンピュータ制御の２つのバルブ８６及び８８によってデッドスペース８４と接続している。睡眠サイクルのある期間での再呼吸量は、バルブ８６及びバルブ８８を開閉してバイアス流を変化させることで調節可能であり、それによって中枢性睡眠時無呼吸症は減少する。
【００４１】
図７は再循環器９０を使用した実施例である。睡眠サイクルのある期間では、再循環器９０は吐出空気を引き出し、再循環させて患者インターフェース９２でユーザーに供給する。このようにして、中枢性睡眠時無呼吸症は、睡眠サイクルの選択された期間において再呼吸を増大させることで減少させることが可能である。
【００４２】
本発明の１つの実施例は、経鼻的持続陽圧呼吸（ＣＰＡＰ）療法に適用される。負のフィードバック呼吸器制御系のループゲインは主として外部デッドスペース（ＶＥＤ）、すなわち吸入及び吐出中に気体が通る（ｃｏｎｄｕｃｔ）共通の気道、の増加によって減少する。外部デッドスペースは肺の気道を有する内部デッドスペース（ＶＩＤ）及び上部気道を拡張する。全デッドスペース（ＶＤ）は内部デッドスペースと外部デッドスペースとの和に等しい。
ＶＤ＝ＶＥＤ＋ＶＩＤ （式１）
この容積は制御系に必然的に発生する非効率さを表す。その非効率さとは、肺内部の気体交換に関わる１回換気量を減少させることである。詳細には、１回換気量は２つの成分の和で表される。
ＶＴ＝ＶＤ＋ＶＡ （式２）
ここでＶＡは１回換気量における“肺胞”による換気、すなわち呼吸器の気体交換にかかわる容積、を表す。また、ＶＥ、ＶＡ及びＶＤを積ｆ・ＶＴ、ｆ・ＶＡ及びｆ・ＶＤ（ｆは呼吸器の周波数を表す）とすると、ＶＥ＝ＶＡ＋ＶＤとなる。呼吸器制御システムの負のフィードバックループ（図１）では、ＶＥは呼吸器の中枢パターン発生装置の出力を表し、ＶＡは動脈血気体圧力に影響を与える変数である。ＶＥとＶＡとの関連は当然のことではあるが、ループゲインの動的制御を操作する基本変数ＶＤである。
【００４３】
患者がＣＰＡＰ用装置を介して呼吸するときに、再呼吸容積の動的制御は実現される。従来のＣＰＡＰ装置を使用するとき、鼻は、ある長さの管によって圧力発生源と接続するマスクで覆われている。鼻を覆うマスクには連続的に気体が流れる。気体は圧力発生源から流入し、マスクの排出ポートから流出する。これはバイアス流（ＶＢ）と呼ばれる。従来の用途、すなわちＯＳＡの処置にＣＰＡＰを使用するときには、鼻からマスクへ流入する擬似的にすべての吐出気体がマスクへ流入し、排出ポートから流出するように、排出流速度は比較的大きくなる。ＶＢが比較的大きいため、次の吸入が起こる前にマスクは完全に洗浄される。よってマスクから吸入される気体は送風機から流入する気体と同一の組成を有する（典型的には室内の空気で、Ｆ｜Ｏ２＝０．２９３；Ｆ｜ＣＯ２＝０．０００３）。このような状況、典型的なＯＳＡ処置の状況だが、鼻を覆うマスクは外部のデッドスペースを必要としない。本発明は、小さなＶＢの値を使用することでＶＥＤを動的に増加させ、これにより、続いて動的にＶＡ（式２）を減少させる。よって、気体交換に有効な肺の換気の成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）、すなわち肺胞の換気（ＶＡ）は経時変化する。ＶＡがフィードバック変数、動脈血ＰＯ２及び動脈血ＰＣＯ２の値を決定するので、ＶＤは直接的にループゲイン（図１）に影響する。よって、システムのループゲインは以下のように操作することが可能である。
↓ＶＢ→↑ＶＥＤ→↓ＶＡ→↓Ｌ．Ｇ． （式３）
ここで重要なのは後述するように、ＶＥＤの増加は大きく呼吸する期間でのみ生じるということである。よって、通常呼吸では、システムにデッドスペースを加える必要はない。
【００４４】
第２の計画として、本発明はＣＰＡＰ圧力の変化を利用して肺の容積を変化させ、それによって呼吸器制御システムのループゲインに影響を与える。特に、肺胞の換気が動的に変化するときに、フィードバック変数（動脈血ＰＣＯ２及び動脈血ＰＯ２）の動的変化が減少することで、肺容積の増加でループゲインが減少する。同様に、そのような肺容積の増加は呼吸器筋肉の吐出終端部の長さを減少させる。それにより、吸入中での力の発生を減少させる。それと共に、ＣＰＡＰの両方の効果はループゲインを減少させる。ＣＰＡＰ圧力が周期的な呼吸サイクルと同期して動的に変化するとき、両方の効果はループゲインを変調させる。しかし経験上、１ｃｍ〜１０ｃｍ水圧のＣＰＡＰ圧力範囲で、これらはＶＤを変化させるときよりもループゲインを小さく減少させる。加えて、ＶＤの動的変化はＣＰＡＰ圧力の変化よりも眠っている人を妨害しにくい。従って、ＣＰＡＰ圧力を増加させることで肺容積を減少させ、それによってループゲインを減少させるのは本発明の補助的計画を表す。
【００４５】
中枢性睡眠時無呼吸症を患っている又は中枢性及び閉塞性睡眠時無呼吸症を併発している患者は、顔に密閉されたＣＰＡＰ患者インターフェース（図２、図４Ａ、図４Ｂ、図５、図６及び図７）を使用して眠る。口からの漏れ、もし存在するのであれば、たとえば経鼻閉塞と組み合わせた口腔器具で排除される。これが適切ではない場合には、患者インターフェースを、口及び鼻の通路のうちの１つを遮断する全面マスクに置き換える。患者インターフェースは管によって低インピーダンスの送風機の陽圧の排出口と接続している。１つの実施例では、典型的には管は２ｃｍ〜３ｃｍの直径で、１．５ｍの長さを有する。バイアス流は、固定されていてサイズ選択可能な開口部（図４Ａ、図４Ｂ、図５、図６及び図７）を通って、又は、コンピュータ制御の可変レジスタ（図２）と接続する、１つの実施例（２ｃｍ〜３ｃｍの直径で、１．５ｍの長さを有する）での管を通って患者インターフェースから流出する。そのようなシステムでは、患者インターフェース圧力は送風機ＲＰＭによって決定され、バイアス流ＶＢの速度は患者インターフェース圧力及び患者インターフェース排出口抵抗の結果として得られる。図２及び図４Ｂで図示された装置は送風機からの流を測定する呼吸流量図を含む。この装置は初期滴定又は夜間治療に適している。また、ＣＯ２メーターには患者インターフェースと接続するサンプリングカテーテルを付加して良い。これにより、呼気終末（ｅｎｄ−ｔｉｄａｌ）及び吸入されたＦＣＯ２の監視が可能となる。図４Ａに図示された装置は図４Ｂで図示された装置の単純なバージョンであって、夜間の使用に適している。
【００４６】
動的に可変なバイアス流装置（図２）は、患者インターフェースの圧力をほとんど変化させずにバイアス流の経時調節を行うことが可能である。排出レジスタは、睡眠ポリグラフ調査中の独立した観測者によって制御されて良く、又は、コンピュータアルゴリズムによって自動制御されても良い。外的デッドスペース容積（ＶＥＤ）の制御は、排出レジスタを一定にして受動的に、又は、排出レジスタを時間変化させることで能動的に調節される。受動的調節の実装では、固定された排出開口部が使用されるため、バイアス流は時間的に一定である。能動的調節では、バイアス流レジスタの抵抗が変化するため、バイアス流は時間変化する。
【００４７】
図８は、送風機と患者インターフェースとを接続する管に記録された空気流を図示している。正の値は送風機から患者インターフェースへの空気流を表し、負の値は患者インターフェースから送風機への空気流を表す。前者は、患者インターフェースからの吐出気体を排除するため、“洗浄”空気流と呼ばれ、後者は、ＣＰＡＰ管理中に通常生じる空気流の流れとは反対であるため、“逆”空気流と呼ばれる。図８Ａ（上側）で図示されているように、管中の空気流は２つの空気流、ＶＢと呼吸器空気流、の和に等しい。前者は一定で、後者は呼吸器サイクルに対して変化する。吸入空気流はＶの上側歪みを生成し、吐出空気流はＶの下側歪みを生成する。吐出終了時（図８Ａの上側矢印）では、呼吸器空気流はゼロに等しくなり、管の空気流はバイアス空気流に等しくなる。この例では、バイアス空気流は１．０Ｌ／ｓｅｃに選択されている。ピークの吐出空気流は吐出初期（図８Ａの下向き矢印）に生じ、この例では１．０Ｌ／ｓｅｃに等しい。このとき、ピークの排出空気流はＶＢに等しくなるため、管の空気流はゼロとなる。
【００４８】
図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄ、図８Ｅ及び図８Ｆは、ＶＢが１．０Ｌ／ｓｅｃ（図８Ａ）から０．１５Ｌ／ｓｅｃ（図８Ｆ）まで徐々に減少するために生じる管の空気流変化を図示している。呼吸器空気流は全体を通して一定に保持されている。ＶＢが１．０Ｌ／ｓｅｃから０．５，０．３５，０．２５，０．２及び０．１５Ｌ／ｓｅｃまで減少するので（図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄ、図８Ｅ及び図８Ｆ）、逆空気流は吐出中に現れ、徐々に大きくなる。吐出時、逆に移動する空気の容積（Ｖｒｅｔ、斜線領域）はＶＢが減少するに従って徐々に増加する。逆に吐出時、送風機から患者インターフェースへ移動する空気の容積（Ｖｗａｓｈ、小さな斑点で覆われた領域）は、ＶＢが減少するに従って減少する。
【００４９】
患者インターフェース内及び吐出終了時（図８Ａの下向き矢印）での管内に存在する空気容積は残留容積（ＶＲ）と呼ばれる。ＶＲはＶｒｅｔとＶｗａｓｈとの差と推定して良い。
ＶＲ＝Ｖｒｅｔ−Ｖｗａｓｈ （式４）
図８で図示されている最初の５例では、ＶＲは負の値又はゼロに等しい（図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄ及び図８Ｅ）。それは、このような呼吸器パターンでは、付加されるデッドスペースが存在しないことを意味する。しかし、肺換気が増加すると仮定すると、Ｖｒｅｔは増加し、ＶＲは正の値になる。同様に、吐出期間（Ｔｅ）が減少すると、Ｖｗａｓｈは減少し、ＶＲは正の値になる。動脈血ＰＣＯ２の増加及び動脈血ＰＯ２の減少によって呼吸が促進されるとき、１階換気量は増加し、Ｔｅは減少する。従って、ＶＢが比較的小さい場合（この例では０．３５及び０．２５）、化学的刺激は、より高レベルの肺換気がより大きなＶＲの値と連携するようにＶＲが正の値を取るようにする。
【００５０】
ＶＲが正の値を取るということは、ＶＥＤが有限の値であることを意味する（図８Ｆ）。しかし、ＶＲはＶＥＤとは等しくない。吸入中、患者インターフェース内及び管内に存在する気体は特に２つの場所のうち１つの場所へ流れる。それは排出ポートへの流出、又は呼吸器管への流入である。後者のみがＶＥＤを構成する。従って、ＶＲの一部が吸入される。ＶＲの比は吸入流速度に対するＶＢの値に依存する。大きな値のＶＢを使用することでＶＥＤを最小化させる。よって、呼吸の化学的刺激は呼吸器パターンに３つの変化をもたらす。１つ目は吐出空気流速度の増加、２つ目はＴｅの減少、そして３つ目は吸入空気流速度の増加である。各変化は引数ＶＥＤに対して独立して振る舞う。それと共に、ＶＢが比較的小さい場合にＶＥが化学的刺激によって増加するとき、３つの変化はＶＥＤの急上昇を引き起こす。図８Ｂは、管及び患者インターフェースが新鮮な室内空気によって洗浄（ｆｌｕｓｈ）されるときの吐出時間を図示している。この時間はＴｅの比として表され、ＴＦＲＡＣと呼ばれている。ＴＦＲＡＣはＶＢの減少に伴って徐々に増加する。ＴＦＲＡＣが１００％に等しいとき、ＶＢの臨界値に到達し、さらなるＶＢの減少によって有限のＶＥＤの値を発生させる。
【００５１】
ＶＥＤを計算するため、以下の関係を使用する。
ＶＥＤ＝ＶＲ−（ＶＢ）（ｔ） （式５）
ここでｔは図９で図示されているように、ＶＲが患者インターフェース及び気体が通る管から排除されるのに必要な時間と定義される。ＶＥＤは吸入時間をゼロから徐々に増加させ、吸入容積ＶＳＵＭ及び吐出ポート容積を計算することで計算可能である。つまり、以下の式を使用するということである。
【００５２】
【数１】
ここで、ＶＩは吸入流速度、つまり全流から吸入時のバイアス流を引いた速度である。増加手段は、ＶＳＵＭがＶＲに等しくなるまで続けられる。
【００５３】
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ及び図９Ｄは、肺換気が動脈血ＰＣＯ２の増加によって刺激されるときに生じるＶｒｅｔ及びＶＥＤの変化を図示している。ＶＢはすべての場合で０．２５Ｌ／ｓｅｃに等しいと推定され、とどまる場合のＶＡ（５．７Ｌ／ｍｉｎ）の約２倍である。図９Ｄは刺激を受けない状態、すなわちとどまる条件（ＶＥ＝８．０Ｌ／ｓｅｃ）での呼吸器パターンを図示している。換気が緩やかに刺激されるとき（ＶＥ＝１５．０Ｌ／ｓｅｃ、図９Ａ）、ＶＥＤが０．２６Ｌに等しくなるように、Ｖｒｅｔは増加し、ＶＥＤは減少する。呼吸をさらに刺激することで（図９Ｂ）、ＶＥが１９．５Ｌ／ｓｅｃに等しいときにＶＥＤは０．４７Ｌに等しくなり、ＶＥが２５．７Ｌ／ｓｅｃに等しいときにＶＥＤは０．７９Ｌに等しくなり（図９Ｃ）、かつＶＥが３６．７Ｌ／ｓｅｃに等しいときにＶＥＤは１．１９Ｌに等しくなる（図９Ｄ）。ＴＦＲＡＣは、ＶＢ一定でＶＥが増加するのに伴って徐々に増加する。
【００５４】
Ｖｒｅｔ、ＶＥＤ及びＴＦＲＡＣのＶＥに対する依存性は図１０、図１１及び図１２にそれぞれ図示されている。これらの図では、ＶＥの４つの値全てが示されている。各プロットはＶＢの等値線の一群を示している。Ｖｒｅｔ、ＶＤ及びＴＦＲＡＣは、ＶＥの増加に対してほぼ直線的に増加する（図１０、図１１、図１２及び図１３）。
【００５５】
図１３はＶＢの５つのレベルにおけるＶＡとＶＥとの関係を図示している。１．０Ｌ／ｓｅｃ以上の値では、全ての点は単調増加曲線上に乗る。しかし、ＶＢより小さな値では、２つの関係は下方へシフトする。このことは、化学的刺激の増加によって引き起こされるＶＥの増加は、ＶＡの増加を小さくさせるということを意味する。このことは、ループゲインの減少を意味する。ループゲインの減少は２つの関係の傾き変化として定量が可能である。ＶＢの値が０．３５Ｌ／ｓｅｃ以下の領域では、ＶＥが１５Ｌ／ｓｅｃより大きな値で、ＶＡは一定となることを明記しておく。換言すると、本発明はＶＡをある最大値で一定にする。
【００５６】
図１４は、比ｌｏｇＶＥ／ＶＡに対するループゲインの全体的な依存性を図示している。静止（ｒｅｓｔｉｎｇ）呼吸用に計算されたこの比は患者に対するＶＥの規格化指数を与える。ｌｏｇＶＥ／ＶＡが０から１までの範囲、つまり、とどまる条件でＶＥＤがゼロ未満でＶＥが変化する範囲でその関係をプロットした。とどまるＶｒｅｔ／Ｖｗａｓｈが０．５から０に減少するとき、ループゲインは急激に減少することを明記しておく。この理由により、中枢性睡眠時無呼吸症の処置での通常の用途では比を０．３に選択する。この状況では、ＶＢはＶＡの約２倍であり、ＴＦＲＡＣは８０％に等しい。とどまる条件にて、装置からの吐出気体の適切な洗浄より多くを供給する一方で、この値はループゲインの５０％減少という結果をもたらす。従って、ループゲインはある値に減少する。その値は、患者が通常通りに呼吸し、かつ中枢性睡眠時無呼吸症でないときに外部デッドスペースを付加するリスクなく、多くの中枢性睡眠時無呼吸症患者の呼吸を安定化させる。
【００５７】
受動的デッドスペース法の目的は、とどまる条件において、ＶＥＤ＝０の状態を実現するのに十分な値のＶＢを有するＣＰＡＰを利用することである。しかし、ループゲインを減少させ、呼吸を安定化させるのに十分なだけＶＥを増加させることで、ＶＥＤは増加する。特に、呼吸低下又は通常呼吸中では、装置は呼吸での気体交換非効率を生じさせない。しかし、過呼吸では、ＶＥが通常の値を超えて上昇することでＶＥＤは徐々に増加する。正味の効果は、ＶＡの周期的変動が減衰するように、ＶＥの変化と一致させてＶＤを動的に調節する。これは、システムのループゲインが減少するように、動脈血ＰＯ２及び動脈血ＰＣＯ２の変動が減少することを意味する。この効果は呼吸を安定化させる役割を果たす。
【００５８】
デッドスペースを受動的に調節する利点は、能動的アルゴリズム、ＶＢの動的調節を必要としない比較的単純な装置でループゲインを減少させることが可能なことである。一旦実効的なＶＢが決定されると、患者インターフェースの吐出口の抵抗を永続的に調節することで受動的調節は実現可能となる。それによって、吐出管レジスタ及びコンピュータ制御の吐出レジスタが不要となる。しかし、患者の呼吸器制御システムのループゲインが非常に大きい場合、受動的装置は呼吸を安定化させるほど十分にループゲインを減少させることはできない。その場合には、動的にＶＥＤを調節す装置を使用する。動的にＶＢを調節する実施例では、インジケータ変数（Ｖｒｅｔ、Ｖｗａｓｈ、ＴＦＲＡＣ及びＶＢ／ＶＡ）はオンラインで計算される。周期的呼吸は無呼吸の再発又は、自己回帰分析によって検出される。ＶＢは、中枢性睡眠時無呼吸症の証拠が排除される、又はインジケータ変数が限界値（Ｖｒｅｔ＝０．８、Ｖｗａｓｈ＝０．８、ＴＦＲＡＣ＝８０％、ＶＢ／ＶＡ＝２）に到達するまで徐々に減少する。
【００５９】
図１９は本発明の別な実施例を図示している。中枢性睡眠時無呼吸症患者は全面マスク２２０を装着している。全面マスク２２０は、経鼻閉塞して口腔インターフェースを使用するような方法によって漏れ耐性でなくてはならない。マスク２２０は高インピーダンス送風機２２２からのバイアス流によって浄化される。送風機は一定速度の空気流をマスクへ供給する。バイアス流は選択可能で、制御コンピュータ２２４によって即座に調節可能である。バイアス流は低抵抗熱浴管２２６を介して大気へ流出する。呼吸器空気流（吸入及び吐出共に）はこの熱浴管を介して生じる。管が低抵抗なため、マスク圧力は大気圧に近い値を維持する。熱浴管内の呼吸気流計（流量計２２８）は、バイアス流及び呼吸器空気流の監視並びに吐出中の洗浄容積及び吐出された１回換気量の計算を可能にする。
【００６０】
とどまる条件、又は中枢性睡眠時無呼吸症呼吸が検出されないときには、洗浄容積が管へ吐出される気体の容積を超えるように、バイアス流は比較的大きな値で保持される。従って、吸入が開始されるとき、熱浴管はバイアス流によって完全に洗浄され、患者は室内の空気を吸入する。よって、患者が通常呼吸をし、コンピュータによって換気サイクルが検出さればいときには、外部デッドスペースは付加されない。コンピュータ２２２が換気サイクルを検出するとき、バイアス流は周期性に同期して変化する。瞬時の換気が移動平均より大きいときに、洗浄容積が吐出された１回換気量未満になるように、バイアス流は減少する。これによって再呼吸が起こり、システムのループゲインは減少する。減呼吸期間中では、再呼吸が生じないように、バイアス流は高い値に維持されている。吐出終端部で熱浴管２２６内に存在する気体容積はオンラインで計算され、瞬時の換気と移動平均換気との差に比例して調節される。よって、デッドスペースは、過呼吸が発生することで徐々に増加し、それによって動脈血気体の過剰な換気の効果を最小化する。これは順に、無呼吸期間又は過呼吸に続く呼吸低下の程度を最小化し、換気を安定化する。
【００６１】
本発明が、その精神又は中心的特徴から離れることなく他の特定形式で実装することが可能なことは当業者には明白である。従って現在開示されている実施例は全ての点において例示であって、限定ではない。本発明の技術的範囲は前述の説明よりはむしろ添付の請求項によって示唆され、請求項で示唆される発明と均等な意味及び範囲内のすべての変化は本発明に含まれる。従って、上述の説明は本発明を限定するものではない。本発明は特許請求の範囲における請求項によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】中枢性睡眠時無呼吸症を示す図である。
【図２】本発明の再呼吸器の１つの実施例を図示している。
【図２Ａ】歯科器具と共に使用される図２の実施例を図示している。
【図２Ｂ】図２Ａの口腔器具の実施例を図示している。
【図２Ｃ】図２Ａの口腔器具の実施例を図示している。
【図３】中枢性睡眠時無呼吸症の呼吸を図示している。
【図４Ａ】送風機からの単一所定の気体流を使用した通気安定化のパッシブループゲインを使用した本発明の１つの実施例を図示している。
【図４Ｂ】流量計及びコンピュータを使用した図４Ａのシステムの別な実施例を図示している。
【図５】送風機の圧力をコンピュータ制御して、睡眠サイクルにおけるある期間での送風機からの通気圧力を調節する、本発明の１つの実施例を図示している。
【図６】バルブに取り付けられているデッドスペースをコンピュータ制御して、睡眠サイクルにおけるある期間で再呼吸を起こす、本発明の１つの実施例を図示している。
【図７】再循環器を使用して、睡眠サイクルにおけるある期間で再呼吸を増加させる、本発明の１つの実施例を図示している。
【図８Ａ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図８Ｂ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図８Ｃ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図８Ｄ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図８Ｅ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図８Ｆ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図９Ａ】肺の換気が動脈血ＰＣＯ２の増加によって促進されるときに生じるＶｒｅｔ及びＶｗａｓｈの変化を図示している。
【図９Ｂ】肺の換気が動脈血ＰＣＯ２の増加によって促進されるときに生じるＶｒｅｔ及びＶｗａｓｈの変化を図示している。
【図９Ｃ】肺の換気が動脈血ＰＣＯ２の増加によって促進されるときに生じるＶｒｅｔ及びＶｗａｓｈの変化を図示している。
【図９Ｄ】肺の換気が動脈血ＰＣＯ２の増加によって促進されるときに生じるＶｒｅｔ及びＶｗａｓｈの変化を図示している。
【図１０】ＶＥに対するＶＡの依存性を図示している。
【図１１】ＶＥに対するＶＥＤの依存性を図示している。
【図１２】ＶＥに対するＴＦＲＡＣの依存性を図示している。
【図１３】４つのレベルのＶＢにおけるＶＡとＶＥとの関係を図示している。
【図１４】比ｌｏｇＶＥ／ＶＡに対するループゲインの一般的依存性を図示している。
【図１５】従来のＣＰＡＰシステムにおける管内での呼吸空気流を図示している。
【図１６】図４Ａの実施例における管内での通常の呼吸空気流を図示している。
【図１７】図４Ａの実施例における管内での過呼吸空気流を図示している。
【図１８Ａ】患者のインターフェースにおける出口となる管のサイズが患者の睡眠サイクルでゆっくりと変化する、本発明の実施例を図示している。
【図１８Ｂ】図１８Ａの装置における夜間での出口穴サイズの変化の一例を図示するグラフである。
【図１９】送風機出力を患者による再呼吸のレベルを調節するアクティブコントロール装置として使用する別な実施例を図示している。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、呼吸障害を処置する装置及び、呼吸障害の処置方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中枢性睡眠時無呼吸症は、規則的かつリズムを有する神経活動のバーストを生成する睡眠時の脳がうまく機能しないことを特徴とする睡眠呼吸障害の一種である。その結果として生じるリズムを有する呼吸の中断、それは無呼吸と呼ばれる、は呼吸の速さ及び深さ、つまり肺呼吸全体、を規制する呼吸器制御系の障害を意味する。中枢性睡眠時無呼吸症は閉塞性睡眠時無呼吸症候群と対比されるべきである。閉塞性睡眠時無呼吸症候群において、無呼吸のおおよその原因は、継続して呼吸器系の筋肉へリズムを有する神経出力が発生しているにも関わらず、咽頭気道が障害を有するからである。中枢性睡眠時無呼吸症と閉塞性睡眠時無呼吸症候群との差異は明確に規定され、２つは同時に存在しうる。中枢性睡眠時無呼吸症は多くの薬が使用される状況で生じうるが、最も一般的に観察されるのは、心臓麻痺（心不全）又は脳血管不全に関連している場合である。中枢性睡眠時無呼吸症の一例にはチェーン・ストークス呼吸がある。
【０００３】
呼吸器制御系は、二酸化炭素、酸素及びｐＨをセンシングする呼吸器系の化学受容器が適切に刺激されるときに中枢性パターン発生装置が活動のリズムあるバーストを発生させることを特徴とする負のフィードバックシステムを有する。呼吸器系筋肉への脳幹の中枢性パターン発生装置の神経出力は、基本的に中枢性パターン発生装置によって発生される神経リズムから導かれる一方で、動脈血ＰＣＯ２及びＰＯ２に関連するフィードバック信号が十分に強いとはいえない場合では、発生装置は沈黙する。換言すると、呼吸器系のリズムは、動脈血ＰＣＯ２及びＰＯ２をセンシングする末梢性化学受容器及び脳のＰＣＯ２／ｐＨをセンシングする中枢性化学受容器を起源とする適切な入力刺激を必要とする、条件的中枢性パターン発生装置によって発生される。さらに、呼吸器系中枢性パターン発生装置によって発生する神経活動の強度は直接的に動脈血ＰＣＯ２に依存し、動脈血ＰＯ２に反比例する。よって、中枢性及び末梢性の化学反射ループは動脈血ＰＣＯ２及び動脈血ＰＯ２を調節する負のフィードバックシステムを形成し、これらの値を狭い限界の範囲内で一定に保持する（図１）。
【０００４】
動脈血液気体のこの通常の調節は、呼吸器系の中枢性パターン発生装置の安定した換気出力によって実現される。それとは対照的に、中枢性睡眠時無呼吸症は呼吸器制御系の不安定さを意味する。その不安定さは２つの機構のうちの１つから生じうる。（１）呼吸器系の化学受容器によって適切に活性化されているにもかかわらず呼吸器系の中枢性パターン発生装置が基本的に機能しないこと、又は（２）呼吸器系の化学受容器による適切に活性化しきれていないこと、である。前者は“内在的不安定性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）”、後者は“化学反射不安定性（ｃｈｅｍｏｒｅｆｌｅｘ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）”と呼ばれる。理論的には、２つの機構は同時に存在しうる。中枢性睡眠時無呼吸症の一般的な形態は化学反射不安定性の機構に起因すると考えられる。
【０００５】
呼吸の化学反射制御は不安定性を示すだろう。その理由は、負のフィードバック信号の遅延が過度に長いため、又は、システムのゲインが過度に大きいためである。現時点での証拠が示唆していることは、後者が、心臓麻痺（心不全）による中枢性睡眠時無呼吸症での主要なかく乱の主な要因であるということである。特に、動脈血ＰＣＯ２の変化に対する制御系の全体的な応答については、中枢性睡眠時無呼吸症を有する心臓麻痺（心不全）の患者では、睡眠障害に伴う呼吸を有していない患者の３倍にもなる。この増加したゲインは中枢性化学反射ループに属しているものと思われるが、末梢性化学反射ループの大きなゲインであることも排除できない。従って、中枢性睡眠時無呼吸症の基本的機構は、制御系が大きなループゲインを取ることで、睡眠中でのフィードバック不安定性を引き起こすことである。
【特許文献１】米国特許公開第５６４５０５３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
中枢性睡眠時無呼吸症は繰り返しの覚醒及び酸素ヘモグロビンの不飽和化を引き起こす。たとえ中枢性睡眠時無呼吸症と疾患率及び死亡率とを結びつける確かな証拠が不足しているとしても、様々な証拠資料によって、中枢性睡眠時無呼吸症が心臓不整脈、発作又は心筋梗塞を促進する恐れがあるということが推測される。夜間での覚醒が繰り返されることは、日中の認識機能及び生活の質に悪影響を及ぼしがちである。中枢性睡眠時無呼吸症に対する有効な処置はまだ確立されていない。テオフィリンのような薬を勧めるのは有用だろうし、カーボニックアンヒドラーゼ抑制剤は中枢性睡眠時無呼吸症をかなりの程度で正常睡眠に和らげることが可能だろう。経鼻的持続陽圧呼吸療法は直接的又は間接的に換気安定性を改善することが可能である。吸い込まれた気体中の酸素分比（Ｆ）が増加しても一般的には中枢性睡眠時無呼吸症は排除されないが、吸い込まれたＦＣＯ２（ＦＣＯ２＝０．０１〜０．０３）が増加すると即座に中枢性睡眠時無呼吸症は排除される。しかし、高ＦＣＯ２環境に長時間おくのは長期の治療として望ましくないだろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、中枢性睡眠時無呼吸症の呼吸器サイクルのある期間での制御された再呼吸量を使用して肺の気体交換の効率を変化させることで、肺及び動脈血中の二酸化炭素及び酸素レベルでの過渡的に過度となった換気効果に対抗する。実際には、この計画はフィードバック変数における振動を最小化することで呼吸を安定化させるという試みである。そのような用途での再呼吸装置を有効に使用するために、漏れ耐性を有する患者インターフェースを使用する。このインターフェースは鼻及び口の通路のうちの１つを遮断し、口腔器具及び経鼻閉塞装置を含むのが好ましい。
【０００８】
本発明は、呼吸器制御系のループゲインを減少させることで中枢性睡眠時無呼吸症による周期的呼吸に対抗する。過呼吸直前又は過呼吸期間の最中において、二酸化炭素の吸入量を増加させ、酸素の吸入量を減少させるのに再呼吸を使用することが可能である。１つの実施例では、中枢性睡眠時無呼吸症呼吸の換気サイクルが検出され、再度吸い込まれた吐出気体の量を変化させることで適切に吸入した二酸化炭素及び酸素濃度を調節できるように、患者の換気は連続的に監視され、リアルタイムで分析される。再呼吸装置は経鼻的持続陽圧呼吸療法（ＣＰＡＰ）システムの一部であって良い。
【０００９】
中枢性睡眠時無呼吸症の呼吸器サイクルの一部の最中において制御された再呼吸を可能にするように、従来のＣＰＡＰシステムは本発明の１つの実施例では修正されている。この実施例では、バルブは再呼吸量の制御に使用される。バルブが閉じられているときには再呼吸が起こり、バルブが開いているときには再呼吸は起こらない。流量計に接続されているコンピュータは中枢性睡眠時無呼吸症の呼吸器サイクルの期間を検出するのに使用することが可能である。コンピュータは制御してバルブを開閉することが可能である。口腔器具と組み合わせられた経鼻閉塞は制御された再呼吸を得るのに使用可能である。本発明をさらにまとめたものについては以下の詳細な説明及び請求項を参照することで得ることが可能である。
【実施例】
【００１０】
図２は本発明の再呼吸器の１つの実施例を図示している。この実施例では、送風機２０、管２２及び患者とのインターフェース２４を含む経鼻的持続陽圧呼吸療法用装置が使用されている。口腔インターフェース及び経鼻閉塞装置を有する患者とのインターフェース２４は、経鼻的持続陽圧呼吸療法処置で使用するのに気密性の堅いシールを顔に形成する。経鼻的持続陽圧呼吸療法及び好適な経鼻的持続陽圧呼吸療法用装置に関する議論は特許文献１で説明されている。従来のＣＰＡＰでは、送風機はマスク内で比較的高い一定圧力を保持する、かつ、送風機から新鮮な空気のバイアス流をマスクの外へ送り出すのに使用される。
【００１１】
本発明の１つの実施例では、管２６は患者インターフェースの排出部分３１と接続し、気体を可変レジスタ２８へ送り込む。あるいはその代わりに、バルブは患者インターフェースの排出部分上に設けて良い。管２２は中枢性睡眠時無呼吸症呼吸のあるサイクルの最中で再呼吸するためのデッドスペースとして使用される。バルブ２８が開いているとき、再呼吸は起こらない。その理由は、すべての排出気体は吸入が起こる前にバイアス流によって管２６を通って、バルブ２８を介して排出されるからである。バルブ２８が閉じられているときにはバイアス流は消え、管２６を介して空気が吸い込まれないからである。この場合、部分的な再呼吸が生じる。その理由は、吸い込まれた空気が管２２を逆行して送風機へ向かうからである。管２６中の気体は室内の空気よりも高い二酸化炭素濃度及び室内の空気よりも低い酸素濃度を有する。患者が吸入するとき、気体は送風機から患者へ送られ、それまでに吸い込まれた気体は患者によって排出される。
【００１２】
通常、送風機から患者インターフェースを介して排出ポート３０へ送り出される気体のバイアス流は、患者によって吐き出された気体は系内には残らないように、呼吸サイクルの呼気段階で系を完全に浄化するのに適している。よって、患者によって吸い込まれる気体は室内の空気の組成（Ｏ２濃度２１％；ＣＯ２濃度約０％）を有する。反対に、バルブ２８によってポート３０が完全に閉塞されることでバイアス流が０に減少する場合、患者によって排出される気体は患者インターフェースと送風機とを接続する管２２を満たす。そのような吐き出された気体は典型的には５％の二酸化炭素濃度及び１６％の酸素濃度を有する。吸入では、患者は最初に管を満たす高二酸化炭素、低酸素混合気体を吸入し、それに続いて送風機からの室内空気を吸入する。管の長さに依存して、この混合物は１回の換気量の２０％〜６０％の再呼吸に匹敵する。排出ポートの流出抵抗を変化させることで、これらの限界間の再呼吸の程度は変化させることが可能であり、吸入される二酸化炭素濃度及び酸素濃度は操作可能である。１つの実施例では、コンピュータ３４に接続する流量計３２は送風機２０から送られてくる気体の流れ及び送風機２０へ送られる気体の流れを検出するのに使用される。コンピュータ３４は中枢性睡眠時無呼吸症の呼吸によって引き起こされる肺の換気の周期性を特定すること、及び、中枢性睡眠時無呼吸症サイクルのある期間中での再呼吸を引き起こすバルブ２８を制御するのに使用される。
【００１３】
送風機からの気体流はバイアス流（患者インターフェースの排出流＋漏れ流）に加えて呼吸器の空気流を有する。コンピュータはこの流れを監視し、バイアス流、漏れ流、逆流（ｒｅｔｒｏｇｒａｄｅ ｆｌｏｗ）、逆排出容積（ｒｅｔｒｏｇｒａｄｅ ｅｘｐｉｒｅｄ ｖｏｌｕｍｅ）及び洗浄容積（ｗａｓｈ ｖｏｌｕｍｅ）を計算する。
【００１４】
コンピュータ３４は中枢性睡眠時無呼吸症サイクルの振幅を検出し、それに従ってバルブの抵抗を調節することが可能である。たとえば、中枢性睡眠時無呼吸症サイクル最中に肺換気の大きな変化がある場合、バルブ２８は過呼吸の期間では完全に閉じることが可能である。中枢性睡眠時無呼吸症サイクル最中に肺換気の変化が小さい場合、過呼吸期間ではバルブ２８は部分的に開いた状態であって良い。よって、中枢性睡眠時無呼吸症サイクルでの肺換気の変化が大きいときに起こる再呼吸は、中枢性睡眠時無呼吸症サイクルでの肺換気の変化が小さいときに起こる再呼吸よりもより高レベルである。
【００１５】
ＣＰＡＰ送風機２０のインピーダンスが低いため、流出ラインでの抵抗変化はほとんど患者インターフェース圧力に変化を生じさせない。従って所望のＣＰＡＰ患者インターフェース圧力に大きな変化を設けることなく、流出抵抗を十分な範囲で変化させることが可能である。
【００１６】
流量計３２及びコンピュータ３４は肺換気のレベルを定量することが可能である。たとえば、呼吸容積と呼吸期間との比から瞬間的な肺換気のレベルがどの程度であるかが分かる。平均吸入流速度の平均又はピークのような他の指標を使用することも可能である。
【００１７】
図３は、中枢性睡眠時無呼吸症呼吸中の過呼吸及び減呼吸のサイクルを理想化した図である。この図は、換気の平均移動時間と比較した過呼吸領域５０ａ及び減呼吸領域５０ｂを図示している。コンピュータシステムは中枢性睡眠時無呼吸症呼吸のサイクルを決定することが可能である。典型的には、中枢性睡眠時無呼吸症での過呼吸及び減呼吸には約５０秒−６０秒のサイクルがある。
【００１８】
中枢性睡眠時無呼吸症を排除するため、バルブ２８を使用して再呼吸の程度及びタイミングを制御する多数の方法が使用されている。中枢性睡眠時無呼吸症呼吸を減少させるために再呼吸を制御する１つの方法は、中枢性睡眠時無呼吸症呼吸でのそれぞれ異なるサイクルを予測することである。たとえば図３を見ると、時間Ａでは、システムは過呼吸サイクルを予測し、よって図２で図示されているようにバルブ２８を閉じることで再呼吸を開始する。再呼吸部５０ａが発生するまでには、ある程度のレベルの再呼吸が存在する。このため、過呼吸サイクル中での肺の気体交換は非効率的で、それによって生じる肺の酸素上昇及び肺の二酸化炭素減少は小さい。その結果、血液中の酸素レベルは高くなりすぎず、二酸化炭素レベルは低くなりすぎない。これにより、動脈血中の酸素分圧及び二酸化炭素分圧は安定し、引き続き生じる減呼吸の振幅又は無呼吸の長さは減少する。時間Ｂでは、システムはバルブ２８を開くことで事前に減呼吸サイクルを見越し、再呼吸はこれ以上起こらない。本発明の装置は中枢性睡眠時無呼吸症（線５０）を図３の破線６０で図示しているような低レベルへ減少させることが可能である。再呼吸の開始時間及び終了時間である時間Ａ及び時間Ｂは図２で図示されているコンピュータ３４によって決定することが可能である。
【００１９】
図４Ａは本発明で使用される受動的ループゲイン変調システムを図示している。図４Ａは、入力管６２及び患者インターフェース６４に接続する空気送風機６０のような気体供給手段を使用したシステムを図示している。このシステムは患者インターフェース用の単一の固定された出力ポートを使用する。閉塞性睡眠時無呼吸症候群で通常使用されるものよりも大きな管容積を本発明で使用して良い。たとえば、６フィートの管よりはむしろ１０フィートの管を使用して良い。送風機６０は非常に低いインピーダンスを有することが好ましい。つまり、空気流の変化は送風機によって供給される空圧を大きく変化させない。これにより、たとえ管の流れが逆流になっても、比較的安定した患者インターフェースの圧力を保持することが可能となる。
【００２０】
加えて、１つの実施例では、空気送風機は、４ｃｍより下になる（２ｃｍ以下になるのが好ましい）水圧を供給するように調節することが可能である。そのような小さな圧力を供給する能力により、前述の逆流が可能となる。患者インターフェースは患者の通気口について適合している。通常呼吸の間、送風機６０から供給され、管６２を通って患者インターフェース６４に供給される空気は再呼吸を生じさせない。その理由は、次の吸い込み期間前に如何なる吐出空気も除去（ｆｌｕｓｈ）されるからである。激しい呼吸の最中、十分な排出空気流が管へ逆流するように所定の気体流圧力は設定される、その際、次の吸入期間中にある程度の吐出気体が再呼吸される。この実施例では、過呼吸は中枢性睡眠時無呼吸症に関連する睡眠サイクルのある期間で起こる。中枢性睡眠時無呼吸症の期間中での再呼吸は、血中酸素レベルでのスパイクを減少させる傾向にある。よって、中枢性睡眠時無呼吸症において過呼吸に続いて生じる減呼吸の期間もまた減少する。
【００２１】
交互の減呼吸及び過呼吸期間は、過呼吸期間中に起こる再呼吸によって減少する。再呼吸は動脈血酸素スパイク及び過呼吸によって引き起こされる動脈血ＰＣＯ２の減少を減衰させる。よって、血液が化学受容器に到達するときに低換気状態が存在する。よって、周期的呼吸の振幅は減少する。
【００２２】
図４Ａの実施例は、従来のＣＰＡＰを使用したときよりも所定の気体流圧力が低い、かつ／又は、従来のＣＰＡＰを使用したときよりも患者インターフェースの排出孔が小さい、という点で、従来のＣＰＡＰとは異なる。典型的なＣＰＡＰ気体流圧力からの気体流圧力を減少させることで、かつ／又は、患者インターフェースの排出孔を減少させることで、過呼吸期間中の逆流は生成される。
【００２３】
図４Ａのシステムは、送風機圧力の能動的制御を必要としないという利点を有する。睡眠の中心状態で患者をチェックすることが可能であり、適切な送風機圧力及び患者インターフェース排出孔サイズが設定される。その後、システムは、高価な制御装置に基づくシステムを必要とせずに毎晩患者の通気口に設けることが可能である。所定の送風機圧力は、排出孔６４、通常の排出圧力及び過呼吸排出圧力によって引き起こされる空気流抵抗に依存する。気体供給圧力システムが空気送風機６０である場合、空気送風機の１分あたりの回転数を調節することで所定の気体流圧力を設定することが可能である。
【００２４】
中枢性睡眠時無呼吸症であるが閉塞性睡眠時無呼吸症候群ではない患者の空気供給圧力は４ｃｍより下の水圧のような比較的低いレベルでの設定が可能である。通常の患者インターフェースの排出孔はこれらの圧力で所望の効果を生じさせる。呼気終末のＦＣＯ２及び吸入されたＦＣＯ２を、患者インターフェースと接続する吸引線を有するＣＯ２流量計によって監視することが可能である。重要なこととしては、排出気体を管６２へ送り出すために、漏れ耐性を有する患者インターフェースを使用することですべての口腔漏れは排除されなくてはならないことである。これは、あごひもを使用する、又は、上の歯及び下の歯、若しくは両方の歯に使用される口蓋弓の歯科器具のような口腔器具２５を使用することで実現される。困難な鼻の漏れに対する代替的アプローチは、口だけでなく鼻をも覆う全面マスクを使用することである。これは、鼻又は口から排出される気体は管６２患者インターフェースと患者との間の漏れを最小化することは重要だが、患者の排出空気をできる限り保存し、再呼吸に利用できるようにすることもまた重要である。従って、患者インターフェースが鼻と接続する場合には、口の通路は遮断されなくてはならず、患者インターフェースが口と接続する場合には、鼻の通路が遮断されなくてはならない。いずれの場合でも、使用していない通路の漏れは最小限にしなくてはならない。
【００２５】
口腔器具２５の例については図２Ｂ及び図２Ｃで詳細に図示されている。図２Ｂでは、口腔器具２５は歯科器具である。図２Ｂでは、口腔器具２５は歯の内部で適合するように設計されており、唇と患者の歯との間で適合する上部トレイ２５Ａ及び、歯科器具を唇に固定させる面を提供する下部トレイ２５Ｂを有する。図２Ｂの口腔器具２５中心部の開口部２５ＣはＣＰＡＰ圧力を伝達するためにＣＰＡＰホースコネクタとやり取りをする。図２Ｃの口腔器具２５は、歯を使用することなく、唇の上で直接患者の口と適合する。図２Ｃの口腔器具は、患者の通路で適合するマスク２７によって患者上で保持され、紐及びパッド２９Ａを使用して患者頭部の後方で固着される。遮断された通常のバイアスポート２９Ｃ及び低流バイアス流ポート２９Ｄを有する管２９ＢはＣＰＡＰ接続２９Ｅを介してＣＰＡＰ装置と接続する。管２９Ｂの長さは再呼吸量の制御を可能にする。
【００２６】
本願書類で説明されている技術行為のモードにおける特徴は過換気期間でのシステムの振る舞いに関する。そのような過換気状態（ｐｈａｓｅ）が発生するとき、患者は大きな１回換気量及び短い期間での排出を生じさせる。それと共に、これらは排出気体の再呼吸を誘起する。その気体は、ＣＰＡＰ送風機を口腔器具のような患者インターフェースに接続するＣＰＡＰパイプ２９Ｂへ逆に流れる。自宅内で夜間に低流ＣＰＡＰを使用する、中枢性睡眠時無呼吸症患者は、過換気中では、吐出気体の再呼吸が無意味になるほどの鼻の漏れが生じうるということが分かるだろう。そのような患者については、歯科器具２５を使用するのが好ましい。歯科器具はＣＰＡＰ圧力を、経鼻閉塞している患者の口に与える、鼻からの漏れを排除するため。歯科器具及び経鼻閉塞を使用した患者に関する研究データは、治療は中枢性睡眠時無呼吸症の解決には有効であること、及び、深呼吸状態（ｐｈａｓｅ）では、吐出気体が発生しないということが分かるだろう。低流ＣＰＡＰを有効に応用するには、口腔器具２５のような口腔界面は経鼻閉塞と組み合わせて使用されるべきである。経鼻閉塞は、鼻孔中又は水泳選手が使用するのと同様な、外部Ｕ字クランプ２９Ｆ中に挿入されたプラグを介して得ることが可能である。
【００２７】
患者が閉塞性睡眠時無呼吸症候群の要素を有する場合、患者インターフェース圧力は、上部通路の障害物を示唆する証拠がすべて除去されるまで徐々に増加する。患者が心臓麻痺（心不全）処置として経鼻ＣＰＡＰを受ける場合には、患者インターフェース圧力波所望のレベル（典型的には８ｃｍ〜１０ｃｍの水圧）に設定される。バイアス流は、中枢性睡眠時無呼吸症がデッドスペースを加えることなく排除されるまで減少させて良い。
【００２８】
心臓の病気を抱える患者にとっては、患者インターフェース圧力は文献で示唆されている値（典型的には１０ｃｍの水圧）に設定して良い。そこでバイアス流は調節される。
【００２９】
管６２を介した流は送風機圧力（つまり送風機流出時の圧力）と患者インターフェース圧力との圧力差に依存する。送風機圧力は送風機の１分あたりの回転数（ＲＰＭ）で設定され、送風機の内部インピーダンスは非常に小さいので近似的に一定である。呼吸器の空気流が生じないとき（つまり排出終了時）、患者インターフェース圧力は送風機圧力よりもある量だけ小さくなる。ある量とは、接続管の流耐性特性及びバイアス流速度に支配される。これは典型的には、バイアス流が０．５Ｌ／ｓｅｃ〜１．５Ｌ／ｓｅｃでの１ｃｍ〜２ｃｍの水圧差である。患者インターフェースが患者に適用され、患者が呼吸するとき、患者インターフェース圧力は呼吸サイクル中に変化する。患者インターフェース圧力は接続管の流耐性特性及び患者が発生させる空気流に依存する。吸入中、患者インターフェース圧力は落ち込み、典型的には水１ｃｍ〜２ｃｍ、吐出圧力は過渡的にインターフェース圧力の落ち込みと同程度に上昇するだろう。穏やかに呼吸している最中では、患者インターフェース圧力のピーク間での変動は激しい呼吸又は過呼吸最中での値よりも小さい。
【００３０】
よって穏やかな呼吸中では、患者インターフェース圧力は吐出中に上昇し、これにより送風機と患者インターフェースとの間の駆動圧力差が減少し、それによって管内の流が減少する。排出される１回換気量が増加する場合、しかし排出流ピークは増加し、これが患者インターフェース圧力のさらなる増加に結びつく。患者インターフェース圧力が送風機圧力に等しくなるまで増加する場合、管内の流は停止する。患者インターフェース圧力が送風機圧力を超えるとき、管内の流は逆方向となる、つまり患者インターフェースから送風機へとなる。そのような逆向きの空気流は最初吐出初期で生じ、接続管へ移動する空気容積は吐出時に後で浄化され（ｗａｓｈ ｏｕｔ）、患者インターフェース圧力は減少し、送風機から患者インターフェースへの流れは増加する。しかし、バイアス流が小さく、かつ１回換気量が大きい場合、多量の逆流が発生し、多量の吐出気体が管内へ移動する。バイアス流は小さいため、管を洗浄する押し出し流は小さい。そのような場合、すべての逆流容積が次の吸入前に押し出されるわけではない。その結果として、全吸入気体の酸素濃度はある程度減少し、二酸化炭素濃度はある程度上昇する。
【００３１】
図１５から図１７は送風機と患者インターフェースとの間の管内の流れを図示している。図１５は、従来のＣＰＡＰシステムの管内での空気流呼吸を図示している。吐出部中では、送風機から患者インターフェースへの流は常に、管内で逆流が生じないように、吐出圧力を上回る。これは典型的には、空気送風機圧力及び吐出ポート抵抗を、患者インターフェース外へのバイアス流は相対的に大きく、逆流の可能性は回避されるように設定することで行われる。この正常流は中枢性睡眠時無呼吸症に関連する過呼吸においてさえも生じる。
【００３２】
図１６及び図１７は、本発明のシステム内での呼吸の効果を図示している。ここで、送風機圧力及び患者インターフェースの吐出孔から外へ出るバイアス流は、中枢性睡眠時無呼吸症に関連する過呼吸期間中に逆流が生じるように設定される。
【００３３】
図１６は正常呼吸が行われている状況を図示している。正常呼吸の場合でさえも、ある程度の逆流が周期２０２で存在する。吐出期間後半では、逆容積は、期間２０４で生じる正常流によって管から押し出される。よって、正常呼吸期間中に再呼吸は生じない。本発明のシステムは正常呼吸期間中にデッドスペースを付加しない。これは、デッドスペースを加えることで血流に供給される二酸化炭素濃度が上昇するので重要である。増加する二酸化炭素レベルが複数日持続する場合、人体は望ましくない方法による内部フィードバックによって再調節するものと推定されている。
【００３４】
図１７は本発明の装置とともに過呼吸を示す実施例を図示している。図１７の実施例では、過呼吸は、逆流する吐出気体が存在するようなものである。逆流する吐出気体は次の吸入時には管内に残る。これは、結果として高濃度の二酸化炭素濃度を有する吐出気体を再吸入することを意味する。図１７では、初期の吐出気体領域２０６は吐出気体領域２０８よりも大きいことに留意すべきである。
【００３５】
本発明の１つの実施例では、通常呼吸の逆流容積及び洗浄容積は本発明の動作設定に使用することが可能である。１つの実施例では、逆容積領域２０２は通常呼吸での洗浄流領域２０４のサイズの１／２でなくてはならない。肺換気と患者インターフェースとの比較、及び／又は、洗浄時間と吐出期間との比較のような他のわかりやすい（ｔｈｕｍｂ）規則もまた、本発明のシステム動作の設定に使用することが可能である。
【００３６】
図４Ｂは、図４Ａの装置にコンピュータ６７及び流量計６９を付け加えたものを図示している。流量計６９は、管６２内で所望の空気流を検出するのに使用される。過呼吸期間で逆流が存在し、それ以外の期間では逆流が存在しないように送風機を調節することが可能である。図４Ｂの装置は、各患者用の図４Ａの装置の校正に使用することが可能である。
【００３７】
図１８Ａ及び図１８Ｂは、患者インターフェース吐出口サイズが夜になるとゆっくりと変化することを特徴とする実施例を図示している。この実施例では、送風機２１０は選択された圧力で空気流を供給する。流量計２１２は管２１４と接続する。管２１４は、管２１４内の流が、肺容積、バイアス流及びそれに類するものを含むシステムの付加的パラメータに従って決定されることを可能にする。プロセッサ２１６は、可変空気抵抗装置２１８を使用することで排出孔サイズをゆっくりと変化させる。図２のシステムとは違い、可変出力抵抗装置２１８は夜間にゆっくりと調節される。
【００３８】
図１８Ｂを見ると、患者が閉塞性睡眠時無呼吸症候群及び中枢性睡眠時無呼吸症を有する場合、夜になったばかりのときには、出力バルブは比較的大きく設定することが可能であり、患者インターフェースの外へ出るバイアス流を増大させ、管２１４への如何なる逆流の効果をも減少させる。一旦、閉塞性睡眠時無呼吸症候群が減少すると、バルブ径はゆっくりと減少し、中枢性睡眠時無呼吸症における過呼吸期間に管２１４への逆流を増加させることで、中枢性睡眠時無呼吸症を減少させる再呼吸を引き起こすことが可能となる。患者インターフェースのバルブ開口部の付加的調節は、プロセッサ２１６による計算に基づいて行うことが可能である。
【００３９】
図５は送風機７０が動的に制御されていることを特徴とする本発明の実施例である。流量計７２は管７４中の送風機７０と患者インターフェース７６との間に設けられている。流量計はまた、患者の顔の近くに設けられても良い。図５のシステムでは、コンピュータ制御によって睡眠サイクルのある期間での送風機圧力を減少させることが可能である。よって、激しい呼吸期間中では、送風機圧力を減少させることが可能で、それによって逆流及び再呼吸は促進される。この実施例は、患者インターフェース圧力変化による混合効果のため、利点があるとは言えない。送風機７０によって供給される気体供給圧力を調節することで、管７４への逆流は、所望通りに増加及び減少させることが可能である。
【００４０】
図６は本発明の別な実施例である。この実施例では、患者インターフェース８２は、コンピュータ制御の２つのバルブ８６及び８８によってデッドスペース８４と接続している。睡眠サイクルのある期間での再呼吸量は、バルブ８６及びバルブ８８を開閉してバイアス流を変化させることで調節可能であり、それによって中枢性睡眠時無呼吸症は減少する。
【００４１】
図７は再循環器９０を使用した実施例である。睡眠サイクルのある期間では、再循環器９０は吐出空気を引き出し、再循環させて患者インターフェース９２でユーザーに供給する。このようにして、中枢性睡眠時無呼吸症は、睡眠サイクルの選択された期間において再呼吸を増大させることで減少させることが可能である。
【００４２】
本発明の１つの実施例は、経鼻的持続陽圧呼吸（ＣＰＡＰ）療法に適用される。負のフィードバック呼吸器制御系のループゲインは主として外部デッドスペース（ＶＥＤ）、すなわち吸入及び吐出中に気体が通る（ｃｏｎｄｕｃｔ）共通の気道、の増加によって減少する。外部デッドスペースは肺の気道を有する内部デッドスペース（ＶＩＤ）及び上部気道を拡張する。全デッドスペース（ＶＤ）は内部デッドスペースと外部デッドスペースとの和に等しい。
ＶＤ＝ＶＥＤ＋ＶＩＤ （式１）
この容積は制御系に必然的に発生する非効率さを表す。その非効率さとは、肺内部の気体交換に関わる１回換気量を減少させることである。詳細には、１回換気量は２つの成分の和で表される。
ＶＴ＝ＶＤ＋ＶＡ （式２）
ここでＶＡは１回換気量における“肺胞”による換気、すなわち呼吸器の気体交換にかかわる容積、を表す。また、ＶＥ、ＶＡ及びＶＤを積ｆ・ＶＴ、ｆ・ＶＡ及びｆ・ＶＤ（ｆは呼吸器の周波数を表す）とすると、ＶＥ＝ＶＡ＋ＶＤとなる。呼吸器制御システムの負のフィードバックループ（図１）では、ＶＥは呼吸器の中枢パターン発生装置の出力を表し、ＶＡは動脈血気体圧力に影響を与える変数である。ＶＥとＶＡとの関連は当然のことではあるが、ループゲインの動的制御を操作する基本変数ＶＤである。
【００４３】
患者がＣＰＡＰ用装置を介して呼吸するときに、再呼吸容積の動的制御は実現される。従来のＣＰＡＰ装置を使用するとき、鼻は、ある長さの管によって圧力発生源と接続するマスクで覆われている。鼻を覆うマスクには連続的に気体が流れる。気体は圧力発生源から流入し、マスクの排出ポートから流出する。これはバイアス流（ＶＢ）と呼ばれる。従来の用途、すなわちＯＳＡの処置にＣＰＡＰを使用するときには、鼻からマスクへ流入する擬似的にすべての吐出気体がマスクへ流入し、排出ポートから流出するように、排出流速度は比較的大きくなる。ＶＢが比較的大きいため、次の吸入が起こる前にマスクは完全に洗浄される。よってマスクから吸入される気体は送風機から流入する気体と同一の組成を有する（典型的には室内の空気で、Ｆ｜Ｏ２＝０．２９３；Ｆ｜ＣＯ２＝０．０００３）。このような状況、典型的なＯＳＡ処置の状況だが、鼻を覆うマスクは外部のデッドスペースを必要としない。本発明は、小さなＶＢの値を使用することでＶＥＤを動的に増加させ、これにより、続いて動的にＶＡ（式２）を減少させる。よって、気体交換に有効な肺の換気の成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）、すなわち肺胞の換気（ＶＡ）は経時変化する。ＶＡがフィードバック変数、動脈血ＰＯ２及び動脈血ＰＣＯ２の値を決定するので、ＶＤは直接的にループゲイン（図１）に影響する。よって、システムのループゲインは以下のように操作することが可能である。
↓ＶＢ→↑ＶＥＤ→↓ＶＡ→↓Ｌ．Ｇ． （式３）
ここで重要なのは後述するように、ＶＥＤの増加は大きく呼吸する期間でのみ生じるということである。よって、通常呼吸では、システムにデッドスペースを加える必要はない。
【００４４】
第２の計画として、本発明はＣＰＡＰ圧力の変化を利用して肺の容積を変化させ、それによって呼吸器制御システムのループゲインに影響を与える。特に、肺胞の換気が動的に変化するときに、フィードバック変数（動脈血ＰＣＯ２及び動脈血ＰＯ２）の動的変化が減少することで、肺容積の増加でループゲインが減少する。同様に、そのような肺容積の増加は呼吸器筋肉の吐出終端部の長さを減少させる。それにより、吸入中での力の発生を減少させる。それと共に、ＣＰＡＰの両方の効果はループゲインを減少させる。ＣＰＡＰ圧力が周期的な呼吸サイクルと同期して動的に変化するとき、両方の効果はループゲインを変調させる。しかし経験上、１ｃｍ〜１０ｃｍ水圧のＣＰＡＰ圧力範囲で、これらはＶＤを変化させるときよりもループゲインを小さく減少させる。加えて、ＶＤの動的変化はＣＰＡＰ圧力の変化よりも眠っている人を妨害しにくい。従って、ＣＰＡＰ圧力を増加させることで肺容積を減少させ、それによってループゲインを減少させるのは本発明の補助的計画を表す。
【００４５】
中枢性睡眠時無呼吸症を患っている又は中枢性及び閉塞性睡眠時無呼吸症を併発している患者は、顔に密閉されたＣＰＡＰ患者インターフェース（図２、図４Ａ、図４Ｂ、図５、図６及び図７）を使用して眠る。口からの漏れ、もし存在するのであれば、たとえば経鼻閉塞と組み合わせた口腔器具で排除される。これが適切ではない場合には、患者インターフェースを、口及び鼻の通路のうちの１つを遮断する全面マスクに置き換える。患者インターフェースは管によって低インピーダンスの送風機の陽圧の排出口と接続している。１つの実施例では、典型的には管は２ｃｍ〜３ｃｍの直径で、１．５ｍの長さを有する。バイアス流は、固定されていてサイズ選択可能な開口部（図４Ａ、図４Ｂ、図５、図６及び図７）を通って、又は、コンピュータ制御の可変レジスタ（図２）と接続する、１つの実施例（２ｃｍ〜３ｃｍの直径で、１．５ｍの長さを有する）での管を通って患者インターフェースから流出する。そのようなシステムでは、患者インターフェース圧力は送風機ＲＰＭによって決定され、バイアス流ＶＢの速度は患者インターフェース圧力及び患者インターフェース排出口抵抗の結果として得られる。図２及び図４Ｂで図示された装置は送風機からの流を測定する呼吸流量図を含む。この装置は初期滴定又は夜間治療に適している。また、ＣＯ２メーターには患者インターフェースと接続するサンプリングカテーテルを付加して良い。これにより、呼気終末（ｅｎｄ−ｔｉｄａｌ）及び吸入されたＦＣＯ２の監視が可能となる。図４Ａに図示された装置は図４Ｂで図示された装置の単純なバージョンであって、夜間の使用に適している。
【００４６】
動的に可変なバイアス流装置（図２）は、患者インターフェースの圧力をほとんど変化させずにバイアス流の経時調節を行うことが可能である。排出レジスタは、睡眠ポリグラフ調査中の独立した観測者によって制御されて良く、又は、コンピュータアルゴリズムによって自動制御されても良い。外的デッドスペース容積（ＶＥＤ）の制御は、排出レジスタを一定にして受動的に、又は、排出レジスタを時間変化させることで能動的に調節される。受動的調節の実装では、固定された排出開口部が使用されるため、バイアス流は時間的に一定である。能動的調節では、バイアス流レジスタの抵抗が変化するため、バイアス流は時間変化する。
【００４７】
図８は、送風機と患者インターフェースとを接続する管に記録された空気流を図示している。正の値は送風機から患者インターフェースへの空気流を表し、負の値は患者インターフェースから送風機への空気流を表す。前者は、患者インターフェースからの吐出気体を排除するため、“洗浄”空気流と呼ばれ、後者は、ＣＰＡＰ管理中に通常生じる空気流の流れとは反対であるため、“逆”空気流と呼ばれる。図８Ａ（上側）で図示されているように、管中の空気流は２つの空気流、ＶＢと呼吸器空気流、の和に等しい。前者は一定で、後者は呼吸器サイクルに対して変化する。吸入空気流はＶの上側歪みを生成し、吐出空気流はＶの下側歪みを生成する。吐出終了時（図８Ａの上側矢印）では、呼吸器空気流はゼロに等しくなり、管の空気流はバイアス空気流に等しくなる。この例では、バイアス空気流は１．０Ｌ／ｓｅｃに選択されている。ピークの吐出空気流は吐出初期（図８Ａの下向き矢印）に生じ、この例では１．０Ｌ／ｓｅｃに等しい。このとき、ピークの排出空気流はＶＢに等しくなるため、管の空気流はゼロとなる。
【００４８】
図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄ、図８Ｅ及び図８Ｆは、ＶＢが１．０Ｌ／ｓｅｃ（図８Ａ）から０．１５Ｌ／ｓｅｃ（図８Ｆ）まで徐々に減少するために生じる管の空気流変化を図示している。呼吸器空気流は全体を通して一定に保持されている。ＶＢが１．０Ｌ／ｓｅｃから０．５，０．３５，０．２５，０．２及び０．１５Ｌ／ｓｅｃまで減少するので（図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄ、図８Ｅ及び図８Ｆ）、逆空気流は吐出中に現れ、徐々に大きくなる。吐出時、逆に移動する空気の容積（Ｖｒｅｔ、斜線領域）はＶＢが減少するに従って徐々に増加する。逆に吐出時、送風機から患者インターフェースへ移動する空気の容積（Ｖｗａｓｈ、小さな斑点で覆われた領域）は、ＶＢが減少するに従って減少する。
【００４９】
患者インターフェース内及び吐出終了時（図８Ａの下向き矢印）での管内に存在する空気容積は残留容積（ＶＲ）と呼ばれる。ＶＲはＶｒｅｔとＶｗａｓｈとの差と推定して良い。
ＶＲ＝Ｖｒｅｔ−Ｖｗａｓｈ （式４）
図８で図示されている最初の５例では、ＶＲは負の値又はゼロに等しい（図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄ及び図８Ｅ）。それは、このような呼吸器パターンでは、付加されるデッドスペースが存在しないことを意味する。しかし、肺換気が増加すると仮定すると、Ｖｒｅｔは増加し、ＶＲは正の値になる。同様に、吐出期間（Ｔｅ）が減少すると、Ｖｗａｓｈは減少し、ＶＲは正の値になる。動脈血ＰＣＯ２の増加及び動脈血ＰＯ２の減少によって呼吸が促進されるとき、１階換気量は増加し、Ｔｅは減少する。従って、ＶＢが比較的小さい場合（この例では０．３５及び０．２５）、化学的刺激は、より高レベルの肺換気がより大きなＶＲの値と連携するようにＶＲが正の値を取るようにする。
【００５０】
ＶＲが正の値を取るということは、ＶＥＤが有限の値であることを意味する（図８Ｆ）。しかし、ＶＲはＶＥＤとは等しくない。吸入中、患者インターフェース内及び管内に存在する気体は特に２つの場所のうち１つの場所へ流れる。それは排出ポートへの流出、又は呼吸器管への流入である。後者のみがＶＥＤを構成する。従って、ＶＲの一部が吸入される。ＶＲの比は吸入流速度に対するＶＢの値に依存する。大きな値のＶＢを使用することでＶＥＤを最小化させる。よって、呼吸の化学的刺激は呼吸器パターンに３つの変化をもたらす。１つ目は吐出空気流速度の増加、２つ目はＴｅの減少、そして３つ目は吸入空気流速度の増加である。各変化は引数ＶＥＤに対して独立して振る舞う。それと共に、ＶＢが比較的小さい場合にＶＥが化学的刺激によって増加するとき、３つの変化はＶＥＤの急上昇を引き起こす。図８Ｂは、管及び患者インターフェースが新鮮な室内空気によって洗浄（ｆｌｕｓｈ）されるときの吐出時間を図示している。この時間はＴｅの比として表され、ＴＦＲＡＣと呼ばれている。ＴＦＲＡＣはＶＢの減少に伴って徐々に増加する。ＴＦＲＡＣが１００％に等しいとき、ＶＢの臨界値に到達し、さらなるＶＢの減少によって有限のＶＥＤの値を発生させる。
【００５１】
ＶＥＤを計算するため、以下の関係を使用する。
ＶＥＤ＝ＶＲ−（ＶＢ）（ｔ） （式５）
ここでｔは図９で図示されているように、ＶＲが患者インターフェース及び気体が通る管から排除されるのに必要な時間と定義される。ＶＥＤは吸入時間をゼロから徐々に増加させ、吸入容積ＶＳＵＭ及び吐出ポート容積を計算することで計算可能である。つまり、以下の式を使用するということである。
【００５２】
【数１】
ここで、ＶＩは吸入流速度、つまり全流から吸入時のバイアス流を引いた速度である。増加手段は、ＶＳＵＭがＶＲに等しくなるまで続けられる。
【００５３】
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ及び図９Ｄは、肺換気が動脈血ＰＣＯ２の増加によって刺激されるときに生じるＶｒｅｔ及びＶＥＤの変化を図示している。ＶＢはすべての場合で０．２５Ｌ／ｓｅｃに等しいと推定され、とどまる場合のＶＡ（５．７Ｌ／ｍｉｎ）の約２倍である。図９Ｄは刺激を受けない状態、すなわちとどまる条件（ＶＥ＝８．０Ｌ／ｓｅｃ）での呼吸器パターンを図示している。換気が緩やかに刺激されるとき（ＶＥ＝１５．０Ｌ／ｓｅｃ、図９Ａ）、ＶＥＤが０．２６Ｌに等しくなるように、Ｖｒｅｔは増加し、ＶＥＤは減少する。呼吸をさらに刺激することで（図９Ｂ）、ＶＥが１９．５Ｌ／ｓｅｃに等しいときにＶＥＤは０．４７Ｌに等しくなり、ＶＥが２５．７Ｌ／ｓｅｃに等しいときにＶＥＤは０．７９Ｌに等しくなり（図９Ｃ）、かつＶＥが３６．７Ｌ／ｓｅｃに等しいときにＶＥＤは１．１９Ｌに等しくなる（図９Ｄ）。ＴＦＲＡＣは、ＶＢ一定でＶＥが増加するのに伴って徐々に増加する。
【００５４】
Ｖｒｅｔ、ＶＥＤ及びＴＦＲＡＣのＶＥに対する依存性は図１０、図１１及び図１２にそれぞれ図示されている。これらの図では、ＶＥの４つの値全てが示されている。各プロットはＶＢの等値線の一群を示している。Ｖｒｅｔ、ＶＤ及びＴＦＲＡＣは、ＶＥの増加に対してほぼ直線的に増加する（図１０、図１１、図１２及び図１３）。
【００５５】
図１３はＶＢの５つのレベルにおけるＶＡとＶＥとの関係を図示している。１．０Ｌ／ｓｅｃ以上の値では、全ての点は単調増加曲線上に乗る。しかし、ＶＢより小さな値では、２つの関係は下方へシフトする。このことは、化学的刺激の増加によって引き起こされるＶＥの増加は、ＶＡの増加を小さくさせるということを意味する。このことは、ループゲインの減少を意味する。ループゲインの減少は２つの関係の傾き変化として定量が可能である。ＶＢの値が０．３５Ｌ／ｓｅｃ以下の領域では、ＶＥが１５Ｌ／ｓｅｃより大きな値で、ＶＡは一定となることを明記しておく。換言すると、本発明はＶＡをある最大値で一定にする。
【００５６】
図１４は、比ｌｏｇＶＥ／ＶＡに対するループゲインの全体的な依存性を図示している。静止（ｒｅｓｔｉｎｇ）呼吸用に計算されたこの比は患者に対するＶＥの規格化指数を与える。ｌｏｇＶＥ／ＶＡが０から１までの範囲、つまり、とどまる条件でＶＥＤがゼロ未満でＶＥが変化する範囲でその関係をプロットした。とどまるＶｒｅｔ／Ｖｗａｓｈが０．５から０に減少するとき、ループゲインは急激に減少することを明記しておく。この理由により、中枢性睡眠時無呼吸症の処置での通常の用途では比を０．３に選択する。この状況では、ＶＢはＶＡの約２倍であり、ＴＦＲＡＣは８０％に等しい。とどまる条件にて、装置からの吐出気体の適切な洗浄より多くを供給する一方で、この値はループゲインの５０％減少という結果をもたらす。従って、ループゲインはある値に減少する。その値は、患者が通常通りに呼吸し、かつ中枢性睡眠時無呼吸症でないときに外部デッドスペースを付加するリスクなく、多くの中枢性睡眠時無呼吸症患者の呼吸を安定化させる。
【００５７】
受動的デッドスペース法の目的は、とどまる条件において、ＶＥＤ＝０の状態を実現するのに十分な値のＶＢを有するＣＰＡＰを利用することである。しかし、ループゲインを減少させ、呼吸を安定化させるのに十分なだけＶＥを増加させることで、ＶＥＤは増加する。特に、呼吸低下又は通常呼吸中では、装置は呼吸での気体交換非効率を生じさせない。しかし、過呼吸では、ＶＥが通常の値を超えて上昇することでＶＥＤは徐々に増加する。正味の効果は、ＶＡの周期的変動が減衰するように、ＶＥの変化と一致させてＶＤを動的に調節する。これは、システムのループゲインが減少するように、動脈血ＰＯ２及び動脈血ＰＣＯ２の変動が減少することを意味する。この効果は呼吸を安定化させる役割を果たす。
【００５８】
デッドスペースを受動的に調節する利点は、能動的アルゴリズム、ＶＢの動的調節を必要としない比較的単純な装置でループゲインを減少させることが可能なことである。一旦実効的なＶＢが決定されると、患者インターフェースの吐出口の抵抗を永続的に調節することで受動的調節は実現可能となる。それによって、吐出管レジスタ及びコンピュータ制御の吐出レジスタが不要となる。しかし、患者の呼吸器制御システムのループゲインが非常に大きい場合、受動的装置は呼吸を安定化させるほど十分にループゲインを減少させることはできない。その場合には、動的にＶＥＤを調節す装置を使用する。動的にＶＢを調節する実施例では、インジケータ変数（Ｖｒｅｔ、Ｖｗａｓｈ、ＴＦＲＡＣ及びＶＢ／ＶＡ）はオンラインで計算される。周期的呼吸は無呼吸の再発又は、自己回帰分析によって検出される。ＶＢは、中枢性睡眠時無呼吸症の証拠が排除される、又はインジケータ変数が限界値（Ｖｒｅｔ＝０．８、Ｖｗａｓｈ＝０．８、ＴＦＲＡＣ＝８０％、ＶＢ／ＶＡ＝２）に到達するまで徐々に減少する。
【００５９】
図１９は本発明の別な実施例を図示している。中枢性睡眠時無呼吸症患者は全面マスク２２０を装着している。全面マスク２２０は、経鼻閉塞して口腔インターフェースを使用するような方法によって漏れ耐性でなくてはならない。マスク２２０は高インピーダンス送風機２２２からのバイアス流によって浄化される。送風機は一定速度の空気流をマスクへ供給する。バイアス流は選択可能で、制御コンピュータ２２４によって即座に調節可能である。バイアス流は低抵抗熱浴管２２６を介して大気へ流出する。呼吸器空気流（吸入及び吐出共に）はこの熱浴管を介して生じる。管が低抵抗なため、マスク圧力は大気圧に近い値を維持する。熱浴管内の呼吸気流計（流量計２２８）は、バイアス流及び呼吸器空気流の監視並びに吐出中の洗浄容積及び吐出された１回換気量の計算を可能にする。
【００６０】
とどまる条件、又は中枢性睡眠時無呼吸症呼吸が検出されないときには、洗浄容積が管へ吐出される気体の容積を超えるように、バイアス流は比較的大きな値で保持される。従って、吸入が開始されるとき、熱浴管はバイアス流によって完全に洗浄され、患者は室内の空気を吸入する。よって、患者が通常呼吸をし、コンピュータによって換気サイクルが検出さればいときには、外部デッドスペースは付加されない。コンピュータ２２２が換気サイクルを検出するとき、バイアス流は周期性に同期して変化する。瞬時の換気が移動平均より大きいときに、洗浄容積が吐出された１回換気量未満になるように、バイアス流は減少する。これによって再呼吸が起こり、システムのループゲインは減少する。減呼吸期間中では、再呼吸が生じないように、バイアス流は高い値に維持されている。吐出終端部で熱浴管２２６内に存在する気体容積はオンラインで計算され、瞬時の換気と移動平均換気との差に比例して調節される。よって、デッドスペースは、過呼吸が発生することで徐々に増加し、それによって動脈血気体の過剰な換気の効果を最小化する。これは順に、無呼吸期間又は過呼吸に続く呼吸低下の程度を最小化し、換気を安定化する。
【００６１】
本発明が、その精神又は中心的特徴から離れることなく他の特定形式で実装することが可能なことは当業者には明白である。従って現在開示されている実施例は全ての点において例示であって、限定ではない。本発明の技術的範囲は前述の説明よりはむしろ添付の請求項によって示唆され、請求項で示唆される発明と均等な意味及び範囲内のすべての変化は本発明に含まれる。従って、上述の説明は本発明を限定するものではない。本発明は特許請求の範囲における請求項によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】中枢性睡眠時無呼吸症を示す図である。
【図２】本発明の再呼吸器の１つの実施例を図示している。
【図２Ａ】歯科器具と共に使用される図２の実施例を図示している。
【図２Ｂ】図２Ａの口腔器具の実施例を図示している。
【図２Ｃ】図２Ａの口腔器具の実施例を図示している。
【図３】中枢性睡眠時無呼吸症の呼吸を図示している。
【図４Ａ】送風機からの単一所定の気体流を使用した通気安定化のパッシブループゲインを使用した本発明の１つの実施例を図示している。
【図４Ｂ】流量計及びコンピュータを使用した図４Ａのシステムの別な実施例を図示している。
【図５】送風機の圧力をコンピュータ制御して、睡眠サイクルにおけるある期間での送風機からの通気圧力を調節する、本発明の１つの実施例を図示している。
【図６】バルブに取り付けられているデッドスペースをコンピュータ制御して、睡眠サイクルにおけるある期間で再呼吸を起こす、本発明の１つの実施例を図示している。
【図７】再循環器を使用して、睡眠サイクルにおけるある期間で再呼吸を増加させる、本発明の１つの実施例を図示している。
【図８Ａ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図８Ｂ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図８Ｃ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図８Ｄ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図８Ｅ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図８Ｆ】送風機と患者のインターフェースとを接続する管に空気が流れる様子を図示している。
【図９Ａ】肺の換気が動脈血ＰＣＯ２の増加によって促進されるときに生じるＶｒｅｔ及びＶｗａｓｈの変化を図示している。
【図９Ｂ】肺の換気が動脈血ＰＣＯ２の増加によって促進されるときに生じるＶｒｅｔ及びＶｗａｓｈの変化を図示している。
【図９Ｃ】肺の換気が動脈血ＰＣＯ２の増加によって促進されるときに生じるＶｒｅｔ及びＶｗａｓｈの変化を図示している。
【図９Ｄ】肺の換気が動脈血ＰＣＯ２の増加によって促進されるときに生じるＶｒｅｔ及びＶｗａｓｈの変化を図示している。
【図１０】ＶＥに対するＶＡの依存性を図示している。
【図１１】ＶＥに対するＶＥＤの依存性を図示している。
【図１２】ＶＥに対するＴＦＲＡＣの依存性を図示している。
【図１３】４つのレベルのＶＢにおけるＶＡとＶＥとの関係を図示している。
【図１４】比ｌｏｇＶＥ／ＶＡに対するループゲインの一般的依存性を図示している。
【図１５】従来のＣＰＡＰシステムにおける管内での呼吸空気流を図示している。
【図１６】図４Ａの実施例における管内での通常の呼吸空気流を図示している。
【図１７】図４Ａの実施例における管内での過呼吸空気流を図示している。
【図１８Ａ】患者のインターフェースにおける出口となる管のサイズが患者の睡眠サイクルでゆっくりと変化する、本発明の実施例を図示している。
【図１８Ｂ】図１８Ａの装置における夜間での出口穴サイズの変化の一例を図示するグラフである。
【図１９】送風機出力を患者による再呼吸のレベルを調節するアクティブコントロール装置として使用する別な実施例を図示している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼吸障害の処置装置であって：
気体供給手段；
患者の気道に適合する、漏れ耐性を有する患者インターフェース；及び、
前記装置の能動的制御素子を調節することで、前記患者の睡眠障害を制御する再呼吸レベルを調節するプロセッサ；
を有し、
前記漏れ耐性患者インターフェースは、前記患者の鼻と口の開口部を覆う全面マスクを有し、かつ前記患者の口腔気道及び経鼻気道のうちの１つを閉塞する手段を組み込み、
前記漏れ耐性患者インターフェースは管を使用することで、前記気体供給手段と操作可能な状態で接続する、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記漏れ耐性患者インターフェースは口腔漏れを減少させる歯科器具及び、経鼻漏れを排除する経鼻閉塞装置を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記漏れ耐性患者インターフェースは出口を有し、
前記の漏れ耐性患者インターフェース出口と操作可能な状態で接続する可変空気抵抗手段をさらに有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御装置は、発生する再呼吸レベルを調節する前記可変空気抵抗手段と操作可能な状態で接続することを特徴とする、請求項１、２又は３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
前記制御装置は、漏れ耐性患者インターフェースの圧力を大きく変化させることなく、前記管内の暫定的可変空気流を保持することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記制御装置は、
前記呼吸障害に関連して呼吸が増加する期間では、前記患者からの吐出気体は前記管へ入り込んで前記気体供給手段へ逆流し、前記出口から排出され、かつ、
前記呼吸障害に関連して呼吸が増加する期間における初期吐出期間に、前記患者からの吐出気体は前記管へ入り込んで前記気体供給手段へ逆流し、前記出口から排出され、次の吸入期間中に十分な量の再呼吸が生じることで呼吸障害を制御できるように前記管の外へ流れることで洗浄する、
ことを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
通常呼吸期間中にはほとんど再呼吸が生じないことを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
通常呼吸期間中には逆流が生じるが、次の吸入期間前に、洗浄流は十分吐出空気を除去することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記呼吸障害に関連して呼吸が増加する期間中に、前記患者からの吐出気体は前記管へ入り込んで前記気体供給手段へ逆流し、前記出口から排出されるように備えられ、
前記気体供給手段からの気体圧力は、前記患者の呼吸器サイクルとは独立に４ｃｍの水圧未満の制御されたレベルに設定される、
ことを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項１０】
前記制御装置は前記可変空気抵抗手段を調節することで、睡眠サイクルのある期間においてデッドスペースを提供することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
呼吸障害の処置方法であって：
漏れ耐性患者インターフェースを患者の気道に適合させる手順；
前記患者の口腔気道及び経鼻気道のうちの１つを遮断する手順；及び、
前記漏れ耐性患者インターフェースと操作可能な状態で接続する再呼吸装置で前記患者を処置する手順；
を有する方法。
【請求項１２】
前記漏れ耐性患者インターフェースは口腔器具及び経鼻閉塞装置を有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
呼吸障害を処置する装置であって：
ＣＰＡＰ再呼吸装置；及び、
前記ＣＰＡＰ再呼吸装置と操作可能な状態で接続し、口腔器具及び経鼻閉塞装置を有する漏れ耐性患者インターフェース；
を有する装置。
【請求項１】
呼吸障害の処置装置であって：
気体供給手段；
患者の気道に適合する、漏れ耐性を有する患者インターフェース；及び、
前記装置の能動的制御素子を調節することで、前記患者の睡眠障害を制御する再呼吸レベルを調節するプロセッサ；
を有し、
前記漏れ耐性患者インターフェースは、前記患者の鼻と口の開口部を覆う全面マスクを有し、かつ前記患者の口腔気道及び経鼻気道のうちの１つを閉塞する手段を組み込み、
前記漏れ耐性患者インターフェースは管を使用することで、前記気体供給手段と操作可能な状態で接続する、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記漏れ耐性患者インターフェースは口腔漏れを減少させる歯科器具及び、経鼻漏れを排除する経鼻閉塞装置を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記漏れ耐性患者インターフェースは出口を有し、
前記の漏れ耐性患者インターフェース出口と操作可能な状態で接続する可変空気抵抗手段をさらに有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御装置は、発生する再呼吸レベルを調節する前記可変空気抵抗手段と操作可能な状態で接続することを特徴とする、請求項１、２又は３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
前記制御装置は、漏れ耐性患者インターフェースの圧力を大きく変化させることなく、前記管内の暫定的可変空気流を保持することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記制御装置は、
前記呼吸障害に関連して呼吸が増加する期間では、前記患者からの吐出気体は前記管へ入り込んで前記気体供給手段へ逆流し、前記出口から排出され、かつ、
前記呼吸障害に関連して呼吸が増加する期間における初期吐出期間に、前記患者からの吐出気体は前記管へ入り込んで前記気体供給手段へ逆流し、前記出口から排出され、次の吸入期間中に十分な量の再呼吸が生じることで呼吸障害を制御できるように前記管の外へ流れることで洗浄する、
ことを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
通常呼吸期間中にはほとんど再呼吸が生じないことを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
通常呼吸期間中には逆流が生じるが、次の吸入期間前に、洗浄流は十分吐出空気を除去することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記呼吸障害に関連して呼吸が増加する期間中に、前記患者からの吐出気体は前記管へ入り込んで前記気体供給手段へ逆流し、前記出口から排出されるように備えられ、
前記気体供給手段からの気体圧力は、前記患者の呼吸器サイクルとは独立に４ｃｍの水圧未満の制御されたレベルに設定される、
ことを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項１０】
前記制御装置は前記可変空気抵抗手段を調節することで、睡眠サイクルのある期間においてデッドスペースを提供することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
呼吸障害の処置方法であって：
漏れ耐性患者インターフェースを患者の気道に適合させる手順；
前記患者の口腔気道及び経鼻気道のうちの１つを遮断する手順；及び、
前記漏れ耐性患者インターフェースと操作可能な状態で接続する再呼吸装置で前記患者を処置する手順；
を有する方法。
【請求項１２】
前記漏れ耐性患者インターフェースは口腔器具及び経鼻閉塞装置を有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
呼吸障害を処置する装置であって：
ＣＰＡＰ再呼吸装置；及び、
前記ＣＰＡＰ再呼吸装置と操作可能な状態で接続し、口腔器具及び経鼻閉塞装置を有する漏れ耐性患者インターフェース；
を有する装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図８Ｆ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図８Ｆ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１９】
【公開番号】特開２０１１−２３５１２３（Ｐ２０１１−２３５１２３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５１４７８（Ｐ２０１１−１５１４７８）
【出願日】平成２３年７月８日（２０１１．７．８）
【分割の表示】特願２００６−５４９８０８（Ｐ２００６−５４９８０８）の分割
【原出願日】平成１７年１月２１日（２００５．１．２１）
【出願人】（５０５４３２７２８）ユーティアイ・リミテッド・パートナーシップ (2)
【氏名又は名称原語表記】ＵＴＩ ＬＩＭＩＴＥＤ ＰＡＲＴＮＥＲＳＨＩＰ
【住所又は居所原語表記】３３５３−３１ｓｔ Ｓｔｒｅｅｔ， ＮＷ， Ｃａｌｇａｒｙ， Ａｌｂｅｒｔａ， Ｃａｎａｄａ Ｔ２Ｌ ２Ｋ７
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月８日（２０１１．７．８）
【分割の表示】特願２００６−５４９８０８（Ｐ２００６−５４９８０８）の分割
【原出願日】平成１７年１月２１日（２００５．１．２１）
【出願人】（５０５４３２７２８）ユーティアイ・リミテッド・パートナーシップ (2)
【氏名又は名称原語表記】ＵＴＩ ＬＩＭＩＴＥＤ ＰＡＲＴＮＥＲＳＨＩＰ
【住所又は居所原語表記】３３５３−３１ｓｔ Ｓｔｒｅｅｔ， ＮＷ， Ｃａｌｇａｒｙ， Ａｌｂｅｒｔａ， Ｃａｎａｄａ Ｔ２Ｌ ２Ｋ７
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