流量センサ
【課題】センサ内を流通する流れの圧力測定時の空気圧縮ノイズを低減するよう構成された流量センサである。
【解決手段】該流量センサは、呼吸器側端部と患者側端部との間に配設されたスロート部を備えた中空管状部材を含んで構成される。前記スロート部には流量制限器が配設され、該流量制限器は、流れの中の差圧を測定するよう構成される。前記呼吸器側端部にはバッフルが配設され、該バッフルは、前記流量制限器の両端部に位置する圧力タップにおける非軸流を最小限とするよう構成される。前記患者側端部は、呼気が前記患者側端部から前記呼吸器側端部へ流れる際に、前記圧力タップを横切る流れの均一化を促進する流動障害物を含む。前記流量センサは、空気圧縮ノイズを０．１ＬＰＭ未満に制限して、正確な流量測定が行われ、吸気及び呼気の相が、０．２ＬＰＭの呼吸流量でトリガされる。
【解決手段】該流量センサは、呼吸器側端部と患者側端部との間に配設されたスロート部を備えた中空管状部材を含んで構成される。前記スロート部には流量制限器が配設され、該流量制限器は、流れの中の差圧を測定するよう構成される。前記呼吸器側端部にはバッフルが配設され、該バッフルは、前記流量制限器の両端部に位置する圧力タップにおける非軸流を最小限とするよう構成される。前記患者側端部は、呼気が前記患者側端部から前記呼吸器側端部へ流れる際に、前記圧力タップを横切る流れの均一化を促進する流動障害物を含む。前記流量センサは、空気圧縮ノイズを０．１ＬＰＭ未満に制限して、正確な流量測定が行われ、吸気及び呼気の相が、０．２ＬＰＭの呼吸流量でトリガされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者の人工呼吸システムに関し、詳細には、患者の呼吸流量の測定精度を改善した２方向流量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械式人工呼吸器は、呼吸サイクルの吸気及び呼気の各相で補助することにより患者の呼吸を手助けするために使用される。ある装置では、機械式人工呼吸器はＹ字状接続器を介して患者に接続することができる。該Ｙ字状接続器はさらに、ペーシェント接続部に接続されたペーシェントチューブを介して、患者の気道に流体的に接続される。Ｙ字状接続器の１本の脚に、呼気バルブを連結して備えていてもよい。
【０００３】
前記呼気バルブは、呼吸サイクルの呼吸の相に応じて開閉が切り換えられる。吸気相では、人工呼吸器から患者へ圧縮されたガスが送られるように、呼気バルブが閉じる。呼気相では、患者が息を大気中へ吐き出せるように、呼気バルブが開く。呼気相で大気圧より上昇した背圧を付与するため、呼吸終末陽圧（ＰＥＥＰ）バルブを、呼気バルブと組み合わせて使用するようにした呼吸器装置もある。
【０００４】
人工呼吸器から患者へ供給される圧縮ガスの流量、及び患者から呼気バルブへ吐き出される呼気ガスの流量を計測するため、流量センサが使用される。ガス流量計測用としてごく一般的な技術の１つに、差圧検出がある。差圧式流量センサは、センサを通るガス流の中に配設された流量制限器を含み、該流量制限器の通過によって生じる圧力降下（差圧）を測定することができる。２方向式流量センサは、流量制限器の両側にある圧力タップの上下流間に測定される差圧の関数として、各方向の流量を測定することができる。測定される差圧は、実際に求められる流量と相関する。
【０００５】
前記ペーシェント接続部が、機械式人工呼吸器から患者へ圧縮ガスを運ぶ気管内チューブとして与えられる場合もある。該気管内チューブは、通常は比較的小径である。小径の気管内チューブを、標準サイズ用の大径の流量センサ接続部に一致させて接続するため、気道アダプタが使用される。流量センサは、できるだけ患者の近くに配置するのが好ましく、先行技術に係る装置には、流量センサをＹ字状接続器と一体化したもの以外に、Ｙ字状接続器と患者の接合部との間に配置できるようにしたものもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
相対的に小径の気管内チューブと大径の流量センサとのサイズの相違により、患者の呼気が、比較的高速高圧な噴流となって気管内チューブから流出し、流量センサに流入する。この気管内チューブからの人為的に高速高圧化された噴流は、流量センサ内で前記流量制限器の圧力タップに衝突する。この人為的な高速高圧噴流により、与えられた流量に対応する差圧の測定値が、実際に求められた流量と差圧との関係から求められる測定値に比較して、人為的に高められることとなる。その結果、流量測定値が人為的に高められる。
【０００７】
前記高圧噴流によって生じる人為的に流速が高められる問題を解決すべく、先行技術に係る人工呼吸システムでは、気管内チューブから流量センサまでの距離を約６インチ（約１５２．４ｍｍ）ほど増加させている。この流量センサと気管内チューブ間の距離の増加により、高圧噴流が流量制限器の圧力タップに衝突する前に、流量センサ内部で、より均等に分散されるようになる。この方法では、流量センサの横断面と交差する流速が比較的一定となるため、圧力測定値がより正確になると考えられる。残念ながら、前記流量センサから気管内チューブまでの距離を増加すると、呼吸量つまり患者の気道のデッドスペースも同時に増大する。この増加したデッドスペースにより、以前に吐き出した呼気を再呼吸（吸入）してしまうことになる。
【０００８】
流量測定に関する別の問題として、吸気相において吸気流に生じる空気圧縮ノイズによって、流量センサでの圧力測定値が不正確となりうることがある。この種の空気圧縮ノイズは、流量センサの呼吸器側端部（患者側端部の反対側）に乱流，振動など非対称な流動状態を含みうる。空気圧縮ノイズを含みうるバイアス流を伴って運転するよう構成された人工呼吸システムがある。例えば、発明者Devriesの米国特許第６，１０２，０３８号に開示されたものと同種の人工呼吸システムは、前記呼気バルブが開かれ又は閉じることによって前記Ｙ字状接続器を介して循環するバイアス流を伴って運転する。
【０００９】
多くの用途で、前記バイアス流の流量は、通常約２〜１０リットル／分（ＬＰＭ）の範囲であり、流量センサに、該センサの精度を低下させる空気圧縮ノイズが発生しうる。バイアス流中の空気圧縮ノイズは、流量センサの入口での非対称な流動状態によって生成されうる。より詳細には、前記Ｙ字状接続器の形状のため、バイアス流は、非軸方向に流量センサに流入して該センサに渦流や軸を横切る軸交差流を生成し、その結果、流量センサの圧力タップにおける圧力測定が不正確となってしまう。
【００１０】
前記流量センサで検出された圧力は、機械式人工呼吸器の呼気バルブを、患者により開始される吸気相及び呼気相に応じてサイクル駆動させるために使用される。特に、新生児患者や小児患者の場合は、バイアス流中の空気圧縮ノイズを最小限に抑制して吸気相及び呼気相開始時の０．２ＬＰＭの流量が空気圧縮ノイズによって乱されないようにすることが望ましい。これに関しては、この種の空気圧縮ノイズが０．１ＬＰＭ以下に維持されるのが望ましい。
【００１１】
以上のように、新生児患者や小児患者への使用に適した流量センサに係る技術が必要とされている。より詳細には、患者により開始される呼吸サイクル毎の吸気相及び呼気相が、適正な流量でトリガされるように減少した空気圧縮ノイズで作動できる流量センサ用の技術が必要とされている。さらには、小径の気管内チューブに付属して使用することができる流量センサに係る技術が必要とされている。
【００１２】
好ましくは、流量センサを、呼気の際、気管内チューブから排出される高圧噴流によって人為的に高められた圧力の測定を排除できるように構成される。さらに、流量センサは、患者がＣＯ２を再呼吸するのを防止するため、デッドスペースを最小限とするように構成されることが望ましい。最終的に、呼吸時の空気流抵抗を最小限としつつ、呼吸器側端部での空気圧縮ノイズの悪影響を解消できる流量センサに係る技術が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した機械式人工呼吸器用流量センサに関する要求は、２方向流量センサを提供する本発明によって、具体的に対処される。流量センサは、呼吸時に患者に送られる圧縮ガスの流量を測定するため、機械式人工呼吸器に付属して使用できるように構成されている。機械式人工呼吸器は、在来のＹ字状接続器を介して患者に接続できる。Ｙ字状接続器は、呼気バルブ及び呼吸終末陽圧（ＰＥＥＰ）バルブの少なくとも一方に流体的に接続することもできる。流量センサは、詳細には、空気圧縮ノイズを約０．１リットル／分（ＬＰＭ）に制限して、患者により開始される呼気及び吸気の各相が、約０．２ＬＰＭの呼吸流量でトリガされるように構成されている。流量センサは、Ｙ字状接続器と一体に形成してもよいが、Ｙ字状接続器とは別部品として設けてもよい。流量センサは、ペーシェントチューブに接続されてもよく、該チューブが気管内チューブなどのペーシェント接続部に接続されてもよい。
【００１４】
最も広義には、流量センサは、差圧測定用の流量制限器を備えた細長い中空管状部材を含んで構成される。流量センサは、前記中空状部材の一方の端部にバッフル、及び他方の端部に流動障害物の少なくとも一方を含んでもよい。バッフルは、詳細には人工呼吸器からのバイアス流に特徴的な非軸流を真っ直ぐに整流できるように構成される。流動障害物は、気管内チューブと同一軸上に配設されるのが好ましく、それにより、患者の呼気の際に該気管内チューブから排出される高圧噴流は分散され、呼気流量が測定される流量制限器に達する前に均一な流速分布となる。
【００１５】
前記管状部材は、機械式人工呼吸器に接続される呼吸器側端部と、患者の気道に接続される患者側端部を含む。該管状部材は、気管内チューブが接続された在来の気道アダプタに接合されてもよく、また、内表面を規定し中心軸を有する孔を備えた円筒状としてよい。前記孔は、呼吸器側端部と患者側端部との間に配設されたスロート部で横断面積を減少させてもよい。前記スロート部は、患者側端部に流入する呼気ガスを、呼気流量が測定される流量制限器に達する前に狭窄している。
【００１６】
前記流量制限器は、スロート部に径方向に配設されて該スロート部を二等分する。ここで、流量制限器は、前記中心軸を横切って取り付けられる。流量制限器は、軸方向両端部に配設された一対の圧力タップを含む。各圧力タップは、好ましくは中心軸に対して対称的に配置されるタップ高さを規定する。各圧力タップは、対応する一対の外側圧力ポートに、分離した流体通路を介して流体的に接続される。
【００１７】
前記圧力ポートは、圧力チューブや接続器を介するなどにより圧力トランスデューサに流体的に接続して、差圧を流量に変換できる。検出した圧力は、吸気流量及び呼気流量の測定に使用される。前記流量制限器は、好ましくは中心軸に合わせて得られるアスペクト比を有する対称的な空気力学的横断面形状を有する。
【００１８】
前記バッフルは、前記孔内の呼吸器側端部に配設され、中心軸から径方向外側に延び、かつ、中心軸に合わせて軸方向に配列された複数のベーンを含んで構成される。バッフルは、前記圧力タップで非軸流を最小限に抑制する大きさ及び形状とするのが好ましい。これに関して、バッフルは、流量センサに流入するバイアス流の角度特性を真直状とするように形成されている。該バイアス流は、流れにおける差圧が測定され、その後、流量に変換される流量制限器に達する前に、前記ベーンによって真直化される。これに関して、バッフルは、圧力測定精度を高めるため、流量制限器での軸交差流を抑制する。
【００１９】
各ベーンは、好ましくは呼吸器側端部と反対側の端部においてバッフルの径方向内側（すなわち中心軸付近）に形成されたノッチを含む。該ベーンのノッチは、全体としてバッフルの共通の圧力リリーフ機構を構成する。該圧力リリーフ機構は、隣接するベーン通路間の差圧（すなわちベーン間の差圧）を最小限に抑えることができるように形成される。この方法において、呼吸器側端部からの流れは、均一な流速分布を有し、流量制限器における圧力測定の精度を確保するのが好ましい。
【００２０】
流量センサの反対側の端部には、前記孔内の患者側端部とスロート部との間に流動障害物が配設される。該流動障害物は、該障害物が前記孔を二等分するように中心軸を横切って取り付けられる（つまり、孔内側に径方向に配置される）のが好ましい。また、軸方向から視て、流動障害物を流量制限器に対して直角乃至垂直に向けるのが好ましい。
【００２１】
さらに、流動障害物は、ダイアモンド形状や涙滴形状などの空気力学的横断面とするのが好ましい。また、圧力タップでの圧力測定の精度を改善するため、流動障害物をスロート部で孔を横切る流速の均一化を助長する形状とするのが好ましい。また、流動障害物は、気管内チューブから排出された高速高圧な噴流が直接圧力タップに衝突して誤った圧力測定が行われるのを防止できる障害物高さを有するのが好ましい。
【００２２】
流量センサは、特に機械式人工呼吸器に付属して使用することができるように構成され、新生児の人口呼吸に要求されるような比較的小流量の０．２ＬＰＭで、患者により開始される呼吸サイクルの吸気相及び呼気相がトリガされるために、好ましくは、空気圧縮ノイズが０．１ＬＰＭ未満に維持されるように構成される。
本明細書に記載した上記及びその他の特徴乃至利点は、以下の説明及び図によって、より明確に理解されるであろう。以下で同様の部分には同様の番号を付してある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る流量センサの分解組立斜視図で、さらに、前記気管内チューブに流体的に接続する気道アダプタを示す。
【図２】前記流量センサを、その患者側端部側から見た斜視図である。
【図３】前記流量センサの縦断面図で、呼吸器側端部に配設されたバッフル、患者側端部に配設された流動障害物及び前記バッフルと流動障害物間に介装された流量制限器を示す。
【図４Ａ】前記流量センサ及びアダプタの縦断面図で、これらの間の内部接続状態を示す。
【図４Ｂ】前記流量センサの側断面図で、呼吸器側端部に形成されたテーパ部、及び前記流動障害物と流量制限器との関係を示す。
【図５】前記流量センサの平断面図で、前記流動障害物の横断面及び前記流量制限器の軸方向の横断面を示す。
【図６】呼吸器側端部における前記流量センサの一方の端面図で、バッフルを構成する等角度間隔に配設された複数のベーンを示す。
【図７】図４Ｂの７−７断面の軸方向断面図で、前記流量制限器の圧力タップを示す。
【図８】図４Ｂの８−８断面の軸方向断面図で、前記患者側端部での外周フランジを示す。
【図９】前記流量センサの縦断面図で、患者側端部の流動障害物の流れを示す。
【図１０】前記流量センサの縦断面図で、前記流れが呼吸器側端部でスパイラル状に流入する状態、及び前記バッフルによる流れの直進化作用を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図面について説明すると、図示されているのは本発明の好ましい実施形態を明らかするためのものであり、同一のものに限定するためのものではない。図１及び図２は、特に、流量センサを通る流れの圧力を検出するのに適した２方向流量センサの斜視図である。該流量センサ１０は、比較的小径（小内径７６）な気管内チューブ１６としてのペーシェントチューブ１４に内部接続することができるようにしたものが示されている。アダプタ７０は、流量センサ１０の一方の端部に形成された環状溝６８に、該アダプタ７０を挿入する等により、流量センサ１０に摩擦で係合される。
【００２５】
前記気管内チューブ１６は、大人用にも使用できるように比較的大径とすることもできる。気管内チューブ以外の代替形状のペーシェントチューブ１４を、流量センサに付属して使用してもよい。ペーシェントチューブ１４は、どのような形状であれ、患者の気道に接続して流量センサ１０に通じることができるように構成される。流量センサ１０は、ペーシェントチューブ１４の形状によらず、センサ通過流量の高精度な測定を容易に行うことができるように構成される。
【００２６】
流量センサ１０は、患者側端部２６に流動障害物６４を含む。流動障害物６４の各端部には、一対の圧力タップ４４ａ，４４ｂがある。前記流動障害物６４は、呼気の際に気管内チューブ１６から排出された高速高圧な噴流と一直線状となる方向に、向きを特定される。この点に関して、流動障害物６４は、前記高圧噴流を分散して、患者側端部２６の圧力タップ４４ｂにおける流量センサ１０の比較的大きな横断面と公差する流速を、略均一となるように、特に適した形状に構成される。この方法では、流動障害物６４によって、呼気流量の高精度な測定を容易に行うことができる。
【００２７】
特に図１を参照して説明すると、流量センサ１０は、一対の接続器５４を含んでよく、該接続器５４は、流量センサ１０の外側に形成された対応する一対の圧力チューブコネクタ５２の開口部と係合する大きさ及び形状に形成される。各圧力チューブコネクタ５２は、流量制限器３８の軸方向両端部に配設された対応する圧力タップ４４ａ、４４ｂに流体的に接続される。以下に詳述するように、差圧は、流量制限器３８の圧力タップ４４ａと４４ｂとの間で測定される。
【００２８】
圧力測定値は、前記接続器５４から延びる一対の圧力チューブを介して、圧力トランスデューサ、又はその他圧力変換装置に供給できる。当技術分野で周知のように、圧力トランスデューサは、参照テーブルの使用等によって流量を測定するのに使用することができる。圧力タップ４４ａ、４４ｂでの圧力測定値を表す電気信号を生成するため、流量情報が使用される。前記電気信号は、患者により開始された吸気と呼気とに応じて、然るべきタイミングで機械式人工呼吸器１２（図示省略）、及び呼気バルブ若しくはＰＥＥＰバルブ（図示省略）をサイクル駆動乃至起動するのに使用できる。
【００２９】
図１〜図１０に示される流量センサ１０は、呼吸器側端部２４と患者側端部２６とを有する。呼吸器側端部２４は、Ｙ字状接続器（図示せず）を介するなどによって、人工呼吸器１２に流体的に接続される。流量センサ１０は、前記Ｙ字状接続器と一体化してもよいが、該センサの患者に近い側の端部などにＹ字状接続器を流体的に接続する別部品として設けることもできる。これについては、流量センサ１０は、発明者DeVries等による米国特許第６，１０２，０３８号に開示された人工呼吸システムに対して使用できるように構成され、その開示された全内容は、参照により本明細書に組み入れられる。流量センサ１０の患者側端部２６は、図１及び図２に示されたアダプタ７０及び気管内チューブ１６を介する等により、患者の気道に流体的に接続される。追加的に、流量センサ１０を前記米国特許第６，１０２，０３８号に開示されたタイプなどのように、Ｙ字状接続器に一体に組み込んでもよい。流量センサ１０及びＹ字状接続器を、例えば、射出成形などにより、一体構造に形成してもよい。
【００３０】
流量センサ１０は、概して、内部を貫通して延びる孔２０を備えた細長い中空管状部材１８に形成される。前記孔２０は、内表面２８を含み、かつ、孔２０を通って延びる縦軸乃至中心軸２２を規定する。孔２０の呼吸器側端部２４に、バッフル５６を配設できる。前記バッフル５６は、概して、呼吸器側端部２４に至る非軸流を最小限に制限し、あるいは整流化することによって空気圧縮ノイズを減少させる大きさ及び形状の複数のベーン５８を含んで構成される。既述したように、人工呼吸器１２は、Ｙ字状接続器内に相当量の戻り流を生成しつつ人工呼吸器１２からＹ字状接続器へ通過するバイアス流を生成するように形成される。
【００３１】
既述したように、前記バイアス流には、非軸流方向において呼吸器側端部２４に流入する渦巻き状又は捩れ状の流れが含まれる。前記バッフル５６が無い場合は、前記非軸バイアス流は、直交流方向に呼吸器側端部２４の圧力タップ４４ａに当たり、その結果、誤った差圧測定が行われてしまう。重要なのは、呼吸器側端部２４で孔２０に流入する傾斜した流れや渦巻き流を減少させ、あるいは最小限に抑えることにより、流量制限器３８に到達する際には軸方向に整流されているように、前記バッフル５６を特定の大きさ又は形状に形成することである。
【００３２】
図３を参照すると、前記流動障害物６４は、孔２０内に流量制限器３８の患者側端部２６と隣接して配設されている。既述したように、前記流動障害物６４は、空気力学的な横断面形状とするのが好ましい。流動障害物６４はまた、図９に最も良く示されているように、気管内チューブ１６から排出される高圧噴流に対して略直線状に並ぶように配設されるのが好ましい。流動障害物６４は、患者の呼気流の圧力測定を高精度に行えるようにするため、患者側端部２６の圧力タップ４４ｂと交差する呼気流が一定速度となるのを助長する。
【００３３】
図４Ａ〜８を参照すると、管状部材１８の孔２０は、呼吸器側端部２４と患者側端部２６との間に、スロート部３６を含んでもよい。該スロート部３６は、図示のように呼吸器側端部２４及び患者側端部２６の少なくとも一方の横断面積より小さな横断面積を有している。ここで、前記管状部材１８は、図示及び説明したが、概して筒状乃至空洞の管状部材１８であること、管状部材１８を、代替しうる様々な形状及び形態としてもよいことに留意すべきである。例えば、孔２０は、横断面形状が長円形、四角形、その他の形状であってもよい。しかし、円形断面にすれば、前記流量センサを通る流量特性が望ましい特性となり、流量制限器３８での圧力測定の精度が高められる。
【００３４】
前記流量制限器３８は、スロート部３６内に径方向に配設され、スロート部３６を二等分する。その際、流量制限器３８は、中心軸２２を横切って取り付けられる。また、流量制限器３８は、該流量制限器３８の下流側で乱流の発生を最小限に抑えるように構成されるのが好ましい。当然であるが、流量制限器３８の上流端部及び下流端部とは、流れの方向によって決まる。例えば、呼吸器側端部２４に流入する流れについては、上流側は呼吸器側端部２４に近い側であるのに対し、流量制限器３８の下流側は患者側端部２６に近い側である。
【００３５】
反対に、前記気管内チューブ１６などから患者側端部２６に流入する流れについては、流量制限器３８の上流端部は、患者側端部２６に隣接して配置されるのに対し、流量制限器３８の下流端部は、呼吸器側端部２４に隣接して配置される。便利なことには、本流量センサ１０は、２つの方向（すなわち、双方向）の流れを測定する機能を有する。流量制限器３８の上流側は高圧であるのに対し、下流側は低圧である。上流端と下流端との間の圧力の差は、流速の二乗と差圧との間の既知の関係に基づく流量に相関して求めてよいが、実験的に求めることもできる。
【００３６】
図４Ａ及び４Ｂを参照すると、前記流量制限器３８は、その両端部に一対の圧力タップ４４ａ，４４ｂを含む。各圧力タップ４４ａ，４４ｂは、流量制限器３８の軸方向両端部に沿って通常のオリフィス乃至溝として形成されている。圧力タップ４４ａ，４４ｂは、対応する一対の流体通路４８を介して、管状部材１８外壁の一対の外側圧力ポート５０に流体的に接続される。図７で明らかなように、前記流体通路４８は、圧力タップ４４ａ，４４ｂから圧力ポート５０まで上方に延び、該圧力ポート５０内で、接続器５４が圧力タップ４４ａ，４４ｂでの圧力を前記圧力トランスデューサに流体的に伝達する。図４Ｂに最も良く示されるように、各圧力タップ４４ａ，４４ｂは、タップ高さ４６を規定する。このタップ高さ４６は、孔２０の中心軸２２に対して対称的に設定されるのが好ましく、かつ、流動障害物６４の障害物高さ６６以下とするのが好ましい。
【００３７】
一旦図５に戻って参照すると、流量制限器３８は、前記流れの乱れを最小限に抑えるため、空気力学的な形状を有するのが好ましい。例えば、流量制限器３８は、ダイアモンド、長円など横長の形状を有し、又は、その他の適切な横断面形状を有し、流動抵抗を増大させると同時に圧力測定精度を減少させる乱流の発生を最小限に抑えることが好ましい。
【００３８】
図２，３，４Ｂ及び６を参照すると、前記バッフル５６は、孔２０内の呼吸器側端部２４に配設されている。図から明らかなように、バッフル５６は、中心軸２２から径方向外側に延びる複数のベーン５８を含んで構成されている。各ベーン５８は、中心軸２２に略軸方向に合わせて配設される。ベーン５８は、中心軸２２から孔２０の内表面まで径方向外側に延びる。バッフル５６は、圧力タップ４４ａ，４４ｂでの非軸流を最小限に抑える大きさ及び形状とするのが好ましい。これに関して、バッフル５６は、流量センサ１０に流入する傾斜した流れや渦巻き流を真っ直ぐに整流する。
【００３９】
バッフル５６は、該バッフル５６無しでは誤った差圧の測定がなされる可能性がある流量制限器３８での軸交差流を最小限に抑制するのに特に適応した形に形成される。８個のベーンが図示されているが、バッフル５６を構成するベーンの数は、何個でもよい。例えば、呼吸器側端部２４の孔２０を二等分する一対のベーン５８を対角線上に配置して、バッフル５６を構成してもよい。代替として、４個のベーンを好ましくは相互に直角（９０度）をなす方向に向けて配設して、バッフル５６を構成してもよい。さらに好ましくは、８個のベーンを、図示のように互いに等しい角度間隔で配設して、バッフル５６を構成してもよい。
【００４０】
図４Ｂを参照すると、孔２０は、バッフル５６に隣接した位置に、呼吸器側端部２４からスロート部分３６に向かう方向に孔２０が径方向内側に傾斜するテーパ部分３０を含むことができる。これに関しては、呼吸器側端部２４に流入する流れが、スロート３６に向かって流れるにしたがって収縮する。前記テーパ部３０は、孔２０の先端部間に１個のテーパ部を配設してもよく、又は、テーパ部３０を、傾斜が漸次急となる第１及び第２のテーパ３２，３４を含んで構成してもよい。
【００４１】
図４Ｂに最も良く示される一実施形態においては、第１テーパ３２は、参照符合θ１で示されるように約２°までの半角度（中心軸に対する角度）を有することができる。第２テーパ３４は、第１テーパ３２から軸方向内方に配設され、好ましくは、参照符合θ２で示される半角度（中心軸に対する角度）を、約１２°と約１６°との間とするのが好ましい。第１及び第２テーパ３２，３４とスロート部３６との間の遷移区間では、ノイズを生成する渦や乱流を発生する流れの乱れを回避するため、滑らかに変化する径を有することが好ましい。
【００４２】
各ベーン５８は、径方向内側で（中心軸に沿って）、かつ、呼吸器側端部２４と反対側に形成されたノッチ６０を含むのが好ましい。該ノッチ６０は、孔２０の第２テーパ３４の領域あたりに形成され、あらゆるベーン５８流路における局部的な高圧は、該ノッチ６０を介してあらゆる差圧（ベーン間の差圧）を放出することによって解除することができる。これに関して、圧力リリーフ機構６２は、圧力タップ４４ａ，４４ｂの領域での空気圧縮ノイズ及び交差流を減少して、圧力測定精度を改善する。
【００４３】
さらに図４Ｂを参照すると、患者側端部２６と流量制限器３８との間に介装された流動障害物６４が示されている。流動障害物６４は、中心軸２２を横切って取り付けられるが、軸方向から視て、流量制限器３８に対して垂直に向けられる。流動障害物６４は、孔２０を二等分し、好ましくは軸方向を空気力学的断面とする。該空気力学的断面形状は、中心軸に合わせて得られるアスペクト比を有することが好ましい。空気力学的断面形状は、図示のようなダイアモンド形状でもよいが、その他の代替形状でもよい。例えば、流動障害物６４は、涙滴形の軸方向断面を有し、その前縁が患者側端部２６に面し、後縁が呼吸器側端部２４に面する。
【００４４】
さらに、軸方向から視て、流動障害物６４を流量制限器３８と一列に配列されることが考えられる。しかし、軸方向から視て、流動障害物６４が流量制限器３８に対して直角乃至垂直である図示のような配置の方がより好ましい。かかる配置では、孔２０の断面を横切る流速が、より均一化されることが明らかである。
【００４５】
特に図４Ｂ及び９を参照すると、流動障害物６４は、障害物高さ６６を規定する。該障害物高さ６６は、圧力タップ４４ａ，４４ｂの各タップ高さ４６と少なくとも同一高さであることが好ましく、図９に示すように気管内チューブ１６から放出された高圧噴流が分散することにより、高圧噴流が圧力タップ４４ａ，４４ｂに直接衝突する場合よりも均一な流速分布が得られる。既述のように、圧力タップ４４ａ，４４ｂに高圧噴流が当たる以上、障害物高さ６６が、圧力タップ４４ａ，４４ｂの各タップ高さ４６以上に設定されなければ、正確な流量測定を行えないであろう。
【００４６】
一旦図８に戻ると、流量センサ１０の患者側端部２６における軸方向断面が示され、患者側端部２６に、標準サイズのアダプタ７０と係合させるための環状溝６８を示す。既述のように、この種のアダプタ７０は、流量センサ１０に繋がる各種サイズのペーシェントチューブ（すなわち、気管内チューブ１６）に取り付けて用いる一般に入手可能な気道アダプタ７０でよい。図４Ｂから明らかなように、アダプタ７０は、環状溝６８に摩擦係合される大きさ及び形状を有した円筒状の延長部材７２を含む。
【００４７】
図１０に最も良く示されているように、人工呼吸器１２の運転中、患者が吸い込む吸気相では、人工呼吸器１２からの流れ（例えば、バイアス流）が呼吸器側端部２４に入る。前記バイアス流は、人工呼吸器からＹ字状接続器までの湾曲した流体通路によって引き起こされる振動，乱流又は非対称流などの空気圧縮ノイズを含みうる。人工呼吸器１２からの流れは、中心軸２２から径方向外側に延びるベーン５８を通り抜ける。
【００４８】
既述したように、前記ベーン５８は、正確な圧力測定を確保するため、圧力タップ４４ａ，４４ｂでの非軸流を真っ直ぐに整流するのに好ましい大きさ及び形状とする。ベーン５８の前記ノッチ６０によって全体が形成された圧力リリーフ機構６２は、ベーン５８間に生じるあらゆる差圧を、吸気流が流量制限器３８に到達する前に、放出即ち均圧化させる特定の大きさ及び形状に形成される。吸気流は、その後、図４Ａに示されたような気管内チューブ１６を経由して患者まで移動する。
【００４９】
図９に示されるように、呼気相において、呼気ガスは気管内チューブ１６から高圧噴流となって放出される。該高圧噴流が、流量センサ１０の患者側端部２６に入ると、流動障害物６４は流れの分散を引き起こす。前記流動障害物６４は、好ましくは、流量制限器３８の各圧力タップ４４ａ，４４ｂのタップ高さ４６と少なくとも同一高さを有し、前記高圧噴流が圧力タップ４４ａ，４４ｂに直接衝突するのを最小限に抑制し、又は排除する。障害物高さ６６とタップ高さ４６との間の幾何学的関係によって、人為的に高めの流量測定値となることが防止される。
【００５０】
代わりに、流動障害物６４は、呼気を患者側端部２６から流入して呼吸器側端部から流出する際に、圧力タップ４４ａ，４４ｂにおいて孔２０を横切る流れの流速分布の均一化を助長する。好都合なことに、流動障害物６４を設けることにより、ペーシェント接続部におけるデッドスペースを減少させる流量センサ１０を形成することが可能となる。過剰なデッドスペースが機械式人工呼吸器にとって望ましくないことは既述したとおりである。
【００５１】
実施形態方法で示された上述の説明は、本発明を限定するものではない。上記説明によれば、当業者は、本明細書に開示された発明の範囲又は趣旨を逸脱することなく、異なる態様を考え出すであろう。さらに、本明細書に開示された実施形態の特徴は、単独又は相互に組み合わせを変えて使用することができ、かつ、本明細書中に記載した特定の組み合わせに限定されるものでもない。
このように、特許請求の範囲は、説明された実施形態に限定されるものではない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者の人工呼吸システムに関し、詳細には、患者の呼吸流量の測定精度を改善した２方向流量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械式人工呼吸器は、呼吸サイクルの吸気及び呼気の各相で補助することにより患者の呼吸を手助けするために使用される。ある装置では、機械式人工呼吸器はＹ字状接続器を介して患者に接続することができる。該Ｙ字状接続器はさらに、ペーシェント接続部に接続されたペーシェントチューブを介して、患者の気道に流体的に接続される。Ｙ字状接続器の１本の脚に、呼気バルブを連結して備えていてもよい。
【０００３】
前記呼気バルブは、呼吸サイクルの呼吸の相に応じて開閉が切り換えられる。吸気相では、人工呼吸器から患者へ圧縮されたガスが送られるように、呼気バルブが閉じる。呼気相では、患者が息を大気中へ吐き出せるように、呼気バルブが開く。呼気相で大気圧より上昇した背圧を付与するため、呼吸終末陽圧（ＰＥＥＰ）バルブを、呼気バルブと組み合わせて使用するようにした呼吸器装置もある。
【０００４】
人工呼吸器から患者へ供給される圧縮ガスの流量、及び患者から呼気バルブへ吐き出される呼気ガスの流量を計測するため、流量センサが使用される。ガス流量計測用としてごく一般的な技術の１つに、差圧検出がある。差圧式流量センサは、センサを通るガス流の中に配設された流量制限器を含み、該流量制限器の通過によって生じる圧力降下（差圧）を測定することができる。２方向式流量センサは、流量制限器の両側にある圧力タップの上下流間に測定される差圧の関数として、各方向の流量を測定することができる。測定される差圧は、実際に求められる流量と相関する。
【０００５】
前記ペーシェント接続部が、機械式人工呼吸器から患者へ圧縮ガスを運ぶ気管内チューブとして与えられる場合もある。該気管内チューブは、通常は比較的小径である。小径の気管内チューブを、標準サイズ用の大径の流量センサ接続部に一致させて接続するため、気道アダプタが使用される。流量センサは、できるだけ患者の近くに配置するのが好ましく、先行技術に係る装置には、流量センサをＹ字状接続器と一体化したもの以外に、Ｙ字状接続器と患者の接合部との間に配置できるようにしたものもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
相対的に小径の気管内チューブと大径の流量センサとのサイズの相違により、患者の呼気が、比較的高速高圧な噴流となって気管内チューブから流出し、流量センサに流入する。この気管内チューブからの人為的に高速高圧化された噴流は、流量センサ内で前記流量制限器の圧力タップに衝突する。この人為的な高速高圧噴流により、与えられた流量に対応する差圧の測定値が、実際に求められた流量と差圧との関係から求められる測定値に比較して、人為的に高められることとなる。その結果、流量測定値が人為的に高められる。
【０００７】
前記高圧噴流によって生じる人為的に流速が高められる問題を解決すべく、先行技術に係る人工呼吸システムでは、気管内チューブから流量センサまでの距離を約６インチ（約１５２．４ｍｍ）ほど増加させている。この流量センサと気管内チューブ間の距離の増加により、高圧噴流が流量制限器の圧力タップに衝突する前に、流量センサ内部で、より均等に分散されるようになる。この方法では、流量センサの横断面と交差する流速が比較的一定となるため、圧力測定値がより正確になると考えられる。残念ながら、前記流量センサから気管内チューブまでの距離を増加すると、呼吸量つまり患者の気道のデッドスペースも同時に増大する。この増加したデッドスペースにより、以前に吐き出した呼気を再呼吸（吸入）してしまうことになる。
【０００８】
流量測定に関する別の問題として、吸気相において吸気流に生じる空気圧縮ノイズによって、流量センサでの圧力測定値が不正確となりうることがある。この種の空気圧縮ノイズは、流量センサの呼吸器側端部（患者側端部の反対側）に乱流，振動など非対称な流動状態を含みうる。空気圧縮ノイズを含みうるバイアス流を伴って運転するよう構成された人工呼吸システムがある。例えば、発明者Devriesの米国特許第６，１０２，０３８号に開示されたものと同種の人工呼吸システムは、前記呼気バルブが開かれ又は閉じることによって前記Ｙ字状接続器を介して循環するバイアス流を伴って運転する。
【０００９】
多くの用途で、前記バイアス流の流量は、通常約２〜１０リットル／分（ＬＰＭ）の範囲であり、流量センサに、該センサの精度を低下させる空気圧縮ノイズが発生しうる。バイアス流中の空気圧縮ノイズは、流量センサの入口での非対称な流動状態によって生成されうる。より詳細には、前記Ｙ字状接続器の形状のため、バイアス流は、非軸方向に流量センサに流入して該センサに渦流や軸を横切る軸交差流を生成し、その結果、流量センサの圧力タップにおける圧力測定が不正確となってしまう。
【００１０】
前記流量センサで検出された圧力は、機械式人工呼吸器の呼気バルブを、患者により開始される吸気相及び呼気相に応じてサイクル駆動させるために使用される。特に、新生児患者や小児患者の場合は、バイアス流中の空気圧縮ノイズを最小限に抑制して吸気相及び呼気相開始時の０．２ＬＰＭの流量が空気圧縮ノイズによって乱されないようにすることが望ましい。これに関しては、この種の空気圧縮ノイズが０．１ＬＰＭ以下に維持されるのが望ましい。
【００１１】
以上のように、新生児患者や小児患者への使用に適した流量センサに係る技術が必要とされている。より詳細には、患者により開始される呼吸サイクル毎の吸気相及び呼気相が、適正な流量でトリガされるように減少した空気圧縮ノイズで作動できる流量センサ用の技術が必要とされている。さらには、小径の気管内チューブに付属して使用することができる流量センサに係る技術が必要とされている。
【００１２】
好ましくは、流量センサを、呼気の際、気管内チューブから排出される高圧噴流によって人為的に高められた圧力の測定を排除できるように構成される。さらに、流量センサは、患者がＣＯ２を再呼吸するのを防止するため、デッドスペースを最小限とするように構成されることが望ましい。最終的に、呼吸時の空気流抵抗を最小限としつつ、呼吸器側端部での空気圧縮ノイズの悪影響を解消できる流量センサに係る技術が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した機械式人工呼吸器用流量センサに関する要求は、２方向流量センサを提供する本発明によって、具体的に対処される。流量センサは、呼吸時に患者に送られる圧縮ガスの流量を測定するため、機械式人工呼吸器に付属して使用できるように構成されている。機械式人工呼吸器は、在来のＹ字状接続器を介して患者に接続できる。Ｙ字状接続器は、呼気バルブ及び呼吸終末陽圧（ＰＥＥＰ）バルブの少なくとも一方に流体的に接続することもできる。流量センサは、詳細には、空気圧縮ノイズを約０．１リットル／分（ＬＰＭ）に制限して、患者により開始される呼気及び吸気の各相が、約０．２ＬＰＭの呼吸流量でトリガされるように構成されている。流量センサは、Ｙ字状接続器と一体に形成してもよいが、Ｙ字状接続器とは別部品として設けてもよい。流量センサは、ペーシェントチューブに接続されてもよく、該チューブが気管内チューブなどのペーシェント接続部に接続されてもよい。
【００１４】
最も広義には、流量センサは、差圧測定用の流量制限器を備えた細長い中空管状部材を含んで構成される。流量センサは、前記中空状部材の一方の端部にバッフル、及び他方の端部に流動障害物の少なくとも一方を含んでもよい。バッフルは、詳細には人工呼吸器からのバイアス流に特徴的な非軸流を真っ直ぐに整流できるように構成される。流動障害物は、気管内チューブと同一軸上に配設されるのが好ましく、それにより、患者の呼気の際に該気管内チューブから排出される高圧噴流は分散され、呼気流量が測定される流量制限器に達する前に均一な流速分布となる。
【００１５】
前記管状部材は、機械式人工呼吸器に接続される呼吸器側端部と、患者の気道に接続される患者側端部を含む。該管状部材は、気管内チューブが接続された在来の気道アダプタに接合されてもよく、また、内表面を規定し中心軸を有する孔を備えた円筒状としてよい。前記孔は、呼吸器側端部と患者側端部との間に配設されたスロート部で横断面積を減少させてもよい。前記スロート部は、患者側端部に流入する呼気ガスを、呼気流量が測定される流量制限器に達する前に狭窄している。
【００１６】
前記流量制限器は、スロート部に径方向に配設されて該スロート部を二等分する。ここで、流量制限器は、前記中心軸を横切って取り付けられる。流量制限器は、軸方向両端部に配設された一対の圧力タップを含む。各圧力タップは、好ましくは中心軸に対して対称的に配置されるタップ高さを規定する。各圧力タップは、対応する一対の外側圧力ポートに、分離した流体通路を介して流体的に接続される。
【００１７】
前記圧力ポートは、圧力チューブや接続器を介するなどにより圧力トランスデューサに流体的に接続して、差圧を流量に変換できる。検出した圧力は、吸気流量及び呼気流量の測定に使用される。前記流量制限器は、好ましくは中心軸に合わせて得られるアスペクト比を有する対称的な空気力学的横断面形状を有する。
【００１８】
前記バッフルは、前記孔内の呼吸器側端部に配設され、中心軸から径方向外側に延び、かつ、中心軸に合わせて軸方向に配列された複数のベーンを含んで構成される。バッフルは、前記圧力タップで非軸流を最小限に抑制する大きさ及び形状とするのが好ましい。これに関して、バッフルは、流量センサに流入するバイアス流の角度特性を真直状とするように形成されている。該バイアス流は、流れにおける差圧が測定され、その後、流量に変換される流量制限器に達する前に、前記ベーンによって真直化される。これに関して、バッフルは、圧力測定精度を高めるため、流量制限器での軸交差流を抑制する。
【００１９】
各ベーンは、好ましくは呼吸器側端部と反対側の端部においてバッフルの径方向内側（すなわち中心軸付近）に形成されたノッチを含む。該ベーンのノッチは、全体としてバッフルの共通の圧力リリーフ機構を構成する。該圧力リリーフ機構は、隣接するベーン通路間の差圧（すなわちベーン間の差圧）を最小限に抑えることができるように形成される。この方法において、呼吸器側端部からの流れは、均一な流速分布を有し、流量制限器における圧力測定の精度を確保するのが好ましい。
【００２０】
流量センサの反対側の端部には、前記孔内の患者側端部とスロート部との間に流動障害物が配設される。該流動障害物は、該障害物が前記孔を二等分するように中心軸を横切って取り付けられる（つまり、孔内側に径方向に配置される）のが好ましい。また、軸方向から視て、流動障害物を流量制限器に対して直角乃至垂直に向けるのが好ましい。
【００２１】
さらに、流動障害物は、ダイアモンド形状や涙滴形状などの空気力学的横断面とするのが好ましい。また、圧力タップでの圧力測定の精度を改善するため、流動障害物をスロート部で孔を横切る流速の均一化を助長する形状とするのが好ましい。また、流動障害物は、気管内チューブから排出された高速高圧な噴流が直接圧力タップに衝突して誤った圧力測定が行われるのを防止できる障害物高さを有するのが好ましい。
【００２２】
流量センサは、特に機械式人工呼吸器に付属して使用することができるように構成され、新生児の人口呼吸に要求されるような比較的小流量の０．２ＬＰＭで、患者により開始される呼吸サイクルの吸気相及び呼気相がトリガされるために、好ましくは、空気圧縮ノイズが０．１ＬＰＭ未満に維持されるように構成される。
本明細書に記載した上記及びその他の特徴乃至利点は、以下の説明及び図によって、より明確に理解されるであろう。以下で同様の部分には同様の番号を付してある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る流量センサの分解組立斜視図で、さらに、前記気管内チューブに流体的に接続する気道アダプタを示す。
【図２】前記流量センサを、その患者側端部側から見た斜視図である。
【図３】前記流量センサの縦断面図で、呼吸器側端部に配設されたバッフル、患者側端部に配設された流動障害物及び前記バッフルと流動障害物間に介装された流量制限器を示す。
【図４Ａ】前記流量センサ及びアダプタの縦断面図で、これらの間の内部接続状態を示す。
【図４Ｂ】前記流量センサの側断面図で、呼吸器側端部に形成されたテーパ部、及び前記流動障害物と流量制限器との関係を示す。
【図５】前記流量センサの平断面図で、前記流動障害物の横断面及び前記流量制限器の軸方向の横断面を示す。
【図６】呼吸器側端部における前記流量センサの一方の端面図で、バッフルを構成する等角度間隔に配設された複数のベーンを示す。
【図７】図４Ｂの７−７断面の軸方向断面図で、前記流量制限器の圧力タップを示す。
【図８】図４Ｂの８−８断面の軸方向断面図で、前記患者側端部での外周フランジを示す。
【図９】前記流量センサの縦断面図で、患者側端部の流動障害物の流れを示す。
【図１０】前記流量センサの縦断面図で、前記流れが呼吸器側端部でスパイラル状に流入する状態、及び前記バッフルによる流れの直進化作用を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図面について説明すると、図示されているのは本発明の好ましい実施形態を明らかするためのものであり、同一のものに限定するためのものではない。図１及び図２は、特に、流量センサを通る流れの圧力を検出するのに適した２方向流量センサの斜視図である。該流量センサ１０は、比較的小径（小内径７６）な気管内チューブ１６としてのペーシェントチューブ１４に内部接続することができるようにしたものが示されている。アダプタ７０は、流量センサ１０の一方の端部に形成された環状溝６８に、該アダプタ７０を挿入する等により、流量センサ１０に摩擦で係合される。
【００２５】
前記気管内チューブ１６は、大人用にも使用できるように比較的大径とすることもできる。気管内チューブ以外の代替形状のペーシェントチューブ１４を、流量センサに付属して使用してもよい。ペーシェントチューブ１４は、どのような形状であれ、患者の気道に接続して流量センサ１０に通じることができるように構成される。流量センサ１０は、ペーシェントチューブ１４の形状によらず、センサ通過流量の高精度な測定を容易に行うことができるように構成される。
【００２６】
流量センサ１０は、患者側端部２６に流動障害物６４を含む。流動障害物６４の各端部には、一対の圧力タップ４４ａ，４４ｂがある。前記流動障害物６４は、呼気の際に気管内チューブ１６から排出された高速高圧な噴流と一直線状となる方向に、向きを特定される。この点に関して、流動障害物６４は、前記高圧噴流を分散して、患者側端部２６の圧力タップ４４ｂにおける流量センサ１０の比較的大きな横断面と公差する流速を、略均一となるように、特に適した形状に構成される。この方法では、流動障害物６４によって、呼気流量の高精度な測定を容易に行うことができる。
【００２７】
特に図１を参照して説明すると、流量センサ１０は、一対の接続器５４を含んでよく、該接続器５４は、流量センサ１０の外側に形成された対応する一対の圧力チューブコネクタ５２の開口部と係合する大きさ及び形状に形成される。各圧力チューブコネクタ５２は、流量制限器３８の軸方向両端部に配設された対応する圧力タップ４４ａ、４４ｂに流体的に接続される。以下に詳述するように、差圧は、流量制限器３８の圧力タップ４４ａと４４ｂとの間で測定される。
【００２８】
圧力測定値は、前記接続器５４から延びる一対の圧力チューブを介して、圧力トランスデューサ、又はその他圧力変換装置に供給できる。当技術分野で周知のように、圧力トランスデューサは、参照テーブルの使用等によって流量を測定するのに使用することができる。圧力タップ４４ａ、４４ｂでの圧力測定値を表す電気信号を生成するため、流量情報が使用される。前記電気信号は、患者により開始された吸気と呼気とに応じて、然るべきタイミングで機械式人工呼吸器１２（図示省略）、及び呼気バルブ若しくはＰＥＥＰバルブ（図示省略）をサイクル駆動乃至起動するのに使用できる。
【００２９】
図１〜図１０に示される流量センサ１０は、呼吸器側端部２４と患者側端部２６とを有する。呼吸器側端部２４は、Ｙ字状接続器（図示せず）を介するなどによって、人工呼吸器１２に流体的に接続される。流量センサ１０は、前記Ｙ字状接続器と一体化してもよいが、該センサの患者に近い側の端部などにＹ字状接続器を流体的に接続する別部品として設けることもできる。これについては、流量センサ１０は、発明者DeVries等による米国特許第６，１０２，０３８号に開示された人工呼吸システムに対して使用できるように構成され、その開示された全内容は、参照により本明細書に組み入れられる。流量センサ１０の患者側端部２６は、図１及び図２に示されたアダプタ７０及び気管内チューブ１６を介する等により、患者の気道に流体的に接続される。追加的に、流量センサ１０を前記米国特許第６，１０２，０３８号に開示されたタイプなどのように、Ｙ字状接続器に一体に組み込んでもよい。流量センサ１０及びＹ字状接続器を、例えば、射出成形などにより、一体構造に形成してもよい。
【００３０】
流量センサ１０は、概して、内部を貫通して延びる孔２０を備えた細長い中空管状部材１８に形成される。前記孔２０は、内表面２８を含み、かつ、孔２０を通って延びる縦軸乃至中心軸２２を規定する。孔２０の呼吸器側端部２４に、バッフル５６を配設できる。前記バッフル５６は、概して、呼吸器側端部２４に至る非軸流を最小限に制限し、あるいは整流化することによって空気圧縮ノイズを減少させる大きさ及び形状の複数のベーン５８を含んで構成される。既述したように、人工呼吸器１２は、Ｙ字状接続器内に相当量の戻り流を生成しつつ人工呼吸器１２からＹ字状接続器へ通過するバイアス流を生成するように形成される。
【００３１】
既述したように、前記バイアス流には、非軸流方向において呼吸器側端部２４に流入する渦巻き状又は捩れ状の流れが含まれる。前記バッフル５６が無い場合は、前記非軸バイアス流は、直交流方向に呼吸器側端部２４の圧力タップ４４ａに当たり、その結果、誤った差圧測定が行われてしまう。重要なのは、呼吸器側端部２４で孔２０に流入する傾斜した流れや渦巻き流を減少させ、あるいは最小限に抑えることにより、流量制限器３８に到達する際には軸方向に整流されているように、前記バッフル５６を特定の大きさ又は形状に形成することである。
【００３２】
図３を参照すると、前記流動障害物６４は、孔２０内に流量制限器３８の患者側端部２６と隣接して配設されている。既述したように、前記流動障害物６４は、空気力学的な横断面形状とするのが好ましい。流動障害物６４はまた、図９に最も良く示されているように、気管内チューブ１６から排出される高圧噴流に対して略直線状に並ぶように配設されるのが好ましい。流動障害物６４は、患者の呼気流の圧力測定を高精度に行えるようにするため、患者側端部２６の圧力タップ４４ｂと交差する呼気流が一定速度となるのを助長する。
【００３３】
図４Ａ〜８を参照すると、管状部材１８の孔２０は、呼吸器側端部２４と患者側端部２６との間に、スロート部３６を含んでもよい。該スロート部３６は、図示のように呼吸器側端部２４及び患者側端部２６の少なくとも一方の横断面積より小さな横断面積を有している。ここで、前記管状部材１８は、図示及び説明したが、概して筒状乃至空洞の管状部材１８であること、管状部材１８を、代替しうる様々な形状及び形態としてもよいことに留意すべきである。例えば、孔２０は、横断面形状が長円形、四角形、その他の形状であってもよい。しかし、円形断面にすれば、前記流量センサを通る流量特性が望ましい特性となり、流量制限器３８での圧力測定の精度が高められる。
【００３４】
前記流量制限器３８は、スロート部３６内に径方向に配設され、スロート部３６を二等分する。その際、流量制限器３８は、中心軸２２を横切って取り付けられる。また、流量制限器３８は、該流量制限器３８の下流側で乱流の発生を最小限に抑えるように構成されるのが好ましい。当然であるが、流量制限器３８の上流端部及び下流端部とは、流れの方向によって決まる。例えば、呼吸器側端部２４に流入する流れについては、上流側は呼吸器側端部２４に近い側であるのに対し、流量制限器３８の下流側は患者側端部２６に近い側である。
【００３５】
反対に、前記気管内チューブ１６などから患者側端部２６に流入する流れについては、流量制限器３８の上流端部は、患者側端部２６に隣接して配置されるのに対し、流量制限器３８の下流端部は、呼吸器側端部２４に隣接して配置される。便利なことには、本流量センサ１０は、２つの方向（すなわち、双方向）の流れを測定する機能を有する。流量制限器３８の上流側は高圧であるのに対し、下流側は低圧である。上流端と下流端との間の圧力の差は、流速の二乗と差圧との間の既知の関係に基づく流量に相関して求めてよいが、実験的に求めることもできる。
【００３６】
図４Ａ及び４Ｂを参照すると、前記流量制限器３８は、その両端部に一対の圧力タップ４４ａ，４４ｂを含む。各圧力タップ４４ａ，４４ｂは、流量制限器３８の軸方向両端部に沿って通常のオリフィス乃至溝として形成されている。圧力タップ４４ａ，４４ｂは、対応する一対の流体通路４８を介して、管状部材１８外壁の一対の外側圧力ポート５０に流体的に接続される。図７で明らかなように、前記流体通路４８は、圧力タップ４４ａ，４４ｂから圧力ポート５０まで上方に延び、該圧力ポート５０内で、接続器５４が圧力タップ４４ａ，４４ｂでの圧力を前記圧力トランスデューサに流体的に伝達する。図４Ｂに最も良く示されるように、各圧力タップ４４ａ，４４ｂは、タップ高さ４６を規定する。このタップ高さ４６は、孔２０の中心軸２２に対して対称的に設定されるのが好ましく、かつ、流動障害物６４の障害物高さ６６以下とするのが好ましい。
【００３７】
一旦図５に戻って参照すると、流量制限器３８は、前記流れの乱れを最小限に抑えるため、空気力学的な形状を有するのが好ましい。例えば、流量制限器３８は、ダイアモンド、長円など横長の形状を有し、又は、その他の適切な横断面形状を有し、流動抵抗を増大させると同時に圧力測定精度を減少させる乱流の発生を最小限に抑えることが好ましい。
【００３８】
図２，３，４Ｂ及び６を参照すると、前記バッフル５６は、孔２０内の呼吸器側端部２４に配設されている。図から明らかなように、バッフル５６は、中心軸２２から径方向外側に延びる複数のベーン５８を含んで構成されている。各ベーン５８は、中心軸２２に略軸方向に合わせて配設される。ベーン５８は、中心軸２２から孔２０の内表面まで径方向外側に延びる。バッフル５６は、圧力タップ４４ａ，４４ｂでの非軸流を最小限に抑える大きさ及び形状とするのが好ましい。これに関して、バッフル５６は、流量センサ１０に流入する傾斜した流れや渦巻き流を真っ直ぐに整流する。
【００３９】
バッフル５６は、該バッフル５６無しでは誤った差圧の測定がなされる可能性がある流量制限器３８での軸交差流を最小限に抑制するのに特に適応した形に形成される。８個のベーンが図示されているが、バッフル５６を構成するベーンの数は、何個でもよい。例えば、呼吸器側端部２４の孔２０を二等分する一対のベーン５８を対角線上に配置して、バッフル５６を構成してもよい。代替として、４個のベーンを好ましくは相互に直角（９０度）をなす方向に向けて配設して、バッフル５６を構成してもよい。さらに好ましくは、８個のベーンを、図示のように互いに等しい角度間隔で配設して、バッフル５６を構成してもよい。
【００４０】
図４Ｂを参照すると、孔２０は、バッフル５６に隣接した位置に、呼吸器側端部２４からスロート部分３６に向かう方向に孔２０が径方向内側に傾斜するテーパ部分３０を含むことができる。これに関しては、呼吸器側端部２４に流入する流れが、スロート３６に向かって流れるにしたがって収縮する。前記テーパ部３０は、孔２０の先端部間に１個のテーパ部を配設してもよく、又は、テーパ部３０を、傾斜が漸次急となる第１及び第２のテーパ３２，３４を含んで構成してもよい。
【００４１】
図４Ｂに最も良く示される一実施形態においては、第１テーパ３２は、参照符合θ１で示されるように約２°までの半角度（中心軸に対する角度）を有することができる。第２テーパ３４は、第１テーパ３２から軸方向内方に配設され、好ましくは、参照符合θ２で示される半角度（中心軸に対する角度）を、約１２°と約１６°との間とするのが好ましい。第１及び第２テーパ３２，３４とスロート部３６との間の遷移区間では、ノイズを生成する渦や乱流を発生する流れの乱れを回避するため、滑らかに変化する径を有することが好ましい。
【００４２】
各ベーン５８は、径方向内側で（中心軸に沿って）、かつ、呼吸器側端部２４と反対側に形成されたノッチ６０を含むのが好ましい。該ノッチ６０は、孔２０の第２テーパ３４の領域あたりに形成され、あらゆるベーン５８流路における局部的な高圧は、該ノッチ６０を介してあらゆる差圧（ベーン間の差圧）を放出することによって解除することができる。これに関して、圧力リリーフ機構６２は、圧力タップ４４ａ，４４ｂの領域での空気圧縮ノイズ及び交差流を減少して、圧力測定精度を改善する。
【００４３】
さらに図４Ｂを参照すると、患者側端部２６と流量制限器３８との間に介装された流動障害物６４が示されている。流動障害物６４は、中心軸２２を横切って取り付けられるが、軸方向から視て、流量制限器３８に対して垂直に向けられる。流動障害物６４は、孔２０を二等分し、好ましくは軸方向を空気力学的断面とする。該空気力学的断面形状は、中心軸に合わせて得られるアスペクト比を有することが好ましい。空気力学的断面形状は、図示のようなダイアモンド形状でもよいが、その他の代替形状でもよい。例えば、流動障害物６４は、涙滴形の軸方向断面を有し、その前縁が患者側端部２６に面し、後縁が呼吸器側端部２４に面する。
【００４４】
さらに、軸方向から視て、流動障害物６４を流量制限器３８と一列に配列されることが考えられる。しかし、軸方向から視て、流動障害物６４が流量制限器３８に対して直角乃至垂直である図示のような配置の方がより好ましい。かかる配置では、孔２０の断面を横切る流速が、より均一化されることが明らかである。
【００４５】
特に図４Ｂ及び９を参照すると、流動障害物６４は、障害物高さ６６を規定する。該障害物高さ６６は、圧力タップ４４ａ，４４ｂの各タップ高さ４６と少なくとも同一高さであることが好ましく、図９に示すように気管内チューブ１６から放出された高圧噴流が分散することにより、高圧噴流が圧力タップ４４ａ，４４ｂに直接衝突する場合よりも均一な流速分布が得られる。既述のように、圧力タップ４４ａ，４４ｂに高圧噴流が当たる以上、障害物高さ６６が、圧力タップ４４ａ，４４ｂの各タップ高さ４６以上に設定されなければ、正確な流量測定を行えないであろう。
【００４６】
一旦図８に戻ると、流量センサ１０の患者側端部２６における軸方向断面が示され、患者側端部２６に、標準サイズのアダプタ７０と係合させるための環状溝６８を示す。既述のように、この種のアダプタ７０は、流量センサ１０に繋がる各種サイズのペーシェントチューブ（すなわち、気管内チューブ１６）に取り付けて用いる一般に入手可能な気道アダプタ７０でよい。図４Ｂから明らかなように、アダプタ７０は、環状溝６８に摩擦係合される大きさ及び形状を有した円筒状の延長部材７２を含む。
【００４７】
図１０に最も良く示されているように、人工呼吸器１２の運転中、患者が吸い込む吸気相では、人工呼吸器１２からの流れ（例えば、バイアス流）が呼吸器側端部２４に入る。前記バイアス流は、人工呼吸器からＹ字状接続器までの湾曲した流体通路によって引き起こされる振動，乱流又は非対称流などの空気圧縮ノイズを含みうる。人工呼吸器１２からの流れは、中心軸２２から径方向外側に延びるベーン５８を通り抜ける。
【００４８】
既述したように、前記ベーン５８は、正確な圧力測定を確保するため、圧力タップ４４ａ，４４ｂでの非軸流を真っ直ぐに整流するのに好ましい大きさ及び形状とする。ベーン５８の前記ノッチ６０によって全体が形成された圧力リリーフ機構６２は、ベーン５８間に生じるあらゆる差圧を、吸気流が流量制限器３８に到達する前に、放出即ち均圧化させる特定の大きさ及び形状に形成される。吸気流は、その後、図４Ａに示されたような気管内チューブ１６を経由して患者まで移動する。
【００４９】
図９に示されるように、呼気相において、呼気ガスは気管内チューブ１６から高圧噴流となって放出される。該高圧噴流が、流量センサ１０の患者側端部２６に入ると、流動障害物６４は流れの分散を引き起こす。前記流動障害物６４は、好ましくは、流量制限器３８の各圧力タップ４４ａ，４４ｂのタップ高さ４６と少なくとも同一高さを有し、前記高圧噴流が圧力タップ４４ａ，４４ｂに直接衝突するのを最小限に抑制し、又は排除する。障害物高さ６６とタップ高さ４６との間の幾何学的関係によって、人為的に高めの流量測定値となることが防止される。
【００５０】
代わりに、流動障害物６４は、呼気を患者側端部２６から流入して呼吸器側端部から流出する際に、圧力タップ４４ａ，４４ｂにおいて孔２０を横切る流れの流速分布の均一化を助長する。好都合なことに、流動障害物６４を設けることにより、ペーシェント接続部におけるデッドスペースを減少させる流量センサ１０を形成することが可能となる。過剰なデッドスペースが機械式人工呼吸器にとって望ましくないことは既述したとおりである。
【００５１】
実施形態方法で示された上述の説明は、本発明を限定するものではない。上記説明によれば、当業者は、本明細書に開示された発明の範囲又は趣旨を逸脱することなく、異なる態様を考え出すであろう。さらに、本明細書に開示された実施形態の特徴は、単独又は相互に組み合わせを変えて使用することができ、かつ、本明細書中に記載した特定の組み合わせに限定されるものでもない。
このように、特許請求の範囲は、説明された実施形態に限定されるものではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を流通する流れの圧力を検出する２方向流量センサであって、
呼吸器側端部と患者側端部を備え、かつ、中心軸で孔を規定し、該孔が前記呼吸器側端部と前記患者側端部との間に配設されたスロート部を含む、中空管状部材と、
前記スロート部を二等分すると共に、各々タップ高さを規定する一対の圧力タップを含む、流量制限器と、
前記患者側端部に配設され、前記圧力タップにおいて前記孔を横切る流速の均一化を助長する形状を有した流動障害物と、
を含んで構成される流量センサ。
【請求項２】
前記流動障害物は、軸方向から視て、前記流量制限器に対して垂直方向に配設される請求項１に記載の流量センサ。
【請求項３】
前記各圧力タップのタップ高さは、前記中心軸に対して対称的である請求項１に記載の流量センサ。
【請求項４】
前記流動障害物は、ダイアモンド形状の軸方向断面を有する請求項１に記載の流量センサ。
【請求項５】
前記流動障害物は、涙滴形状の軸方向断面を有する請求項１に記載の流量センサ。
【請求項６】
前記流量制限器は、横長形状の軸方向断面を有する請求項１に記載の流量センサ。
【請求項７】
前記流量制限器は、ダイアモンド形状の軸方向断面を有する請求項６に記載の流量センサ。
【請求項８】
前記流動障害物は、前記タップ高さ以上の大きさ及び形状を有した障害物高さを規定する請求項１に記載の流量センサ。
【請求項９】
Ｙ字状接続器に一体に形成される請求項１に記載の流量センサ。
【請求項１０】
内部を流通する流れの圧力を検出する２方向流量センサであって、
呼吸器側端部と患者側端部を備え、かつ、中心軸で孔を規定し、該孔が前記呼吸器側端部と前記患者側端部との間に配設されたスロート部を含む、中空管状部材と、
前記スロート部を二等分すると共に、各々タップ高さを規定する一対の圧力タップを含む、流量制限器と、
前記孔内の呼吸器側端部に配設され、前記圧力タップにおける非軸流を最小限とする大きさ及び形状を有したバッフルと、
を含んで構成される流量センサ。
【請求項１１】
径方向に向けてベーンが配設される請求項１０に記載の流量センサ。
【請求項１２】
前記バッフルは、相互に等角度間隔に配設されたベーンを８個まで含んで構成される請求項１１に記載の流量センサ。
【請求項１３】
前記各ベーンが径方向内側にノッチを含み、ノッチ全体で圧力リリーフ機構を構成する請求項１０に記載の流量センサ。
【請求項１４】
前記孔は、前記バッフルに隣接して配設され、前記呼吸器側端部から前記患者側端部に向かう方向に沿って径方向内側に傾斜するテーパ部を含む請求項１０に記載の流量センサ。
【請求項１５】
前記各圧力タップのタップ高さは、中心軸に対して対称的である請求項１０に記載の流量センサ。
【請求項１６】
機械式人工呼吸器に付属して使用され、かつ、空気圧縮ノイズが約毎分０．１リットル（ＬＰＭ）未満に維持される形状を有する請求項１０に記載の流量センサ。
【請求項１７】
Ｙ字状接続器に一体に形成される請求項１０に記載の流量センサ。
【請求項１】
内部を流通する流れの圧力を検出する２方向流量センサであって、
呼吸器側端部と患者側端部を備え、かつ、中心軸で孔を規定し、該孔が前記呼吸器側端部と前記患者側端部との間に配設されたスロート部を含む、中空管状部材と、
前記スロート部を二等分すると共に、各々タップ高さを規定する一対の圧力タップを含む、流量制限器と、
前記患者側端部に配設され、前記圧力タップにおいて前記孔を横切る流速の均一化を助長する形状を有した流動障害物と、
を含んで構成される流量センサ。
【請求項２】
前記流動障害物は、軸方向から視て、前記流量制限器に対して垂直方向に配設される請求項１に記載の流量センサ。
【請求項３】
前記各圧力タップのタップ高さは、前記中心軸に対して対称的である請求項１に記載の流量センサ。
【請求項４】
前記流動障害物は、ダイアモンド形状の軸方向断面を有する請求項１に記載の流量センサ。
【請求項５】
前記流動障害物は、涙滴形状の軸方向断面を有する請求項１に記載の流量センサ。
【請求項６】
前記流量制限器は、横長形状の軸方向断面を有する請求項１に記載の流量センサ。
【請求項７】
前記流量制限器は、ダイアモンド形状の軸方向断面を有する請求項６に記載の流量センサ。
【請求項８】
前記流動障害物は、前記タップ高さ以上の大きさ及び形状を有した障害物高さを規定する請求項１に記載の流量センサ。
【請求項９】
Ｙ字状接続器に一体に形成される請求項１に記載の流量センサ。
【請求項１０】
内部を流通する流れの圧力を検出する２方向流量センサであって、
呼吸器側端部と患者側端部を備え、かつ、中心軸で孔を規定し、該孔が前記呼吸器側端部と前記患者側端部との間に配設されたスロート部を含む、中空管状部材と、
前記スロート部を二等分すると共に、各々タップ高さを規定する一対の圧力タップを含む、流量制限器と、
前記孔内の呼吸器側端部に配設され、前記圧力タップにおける非軸流を最小限とする大きさ及び形状を有したバッフルと、
を含んで構成される流量センサ。
【請求項１１】
径方向に向けてベーンが配設される請求項１０に記載の流量センサ。
【請求項１２】
前記バッフルは、相互に等角度間隔に配設されたベーンを８個まで含んで構成される請求項１１に記載の流量センサ。
【請求項１３】
前記各ベーンが径方向内側にノッチを含み、ノッチ全体で圧力リリーフ機構を構成する請求項１０に記載の流量センサ。
【請求項１４】
前記孔は、前記バッフルに隣接して配設され、前記呼吸器側端部から前記患者側端部に向かう方向に沿って径方向内側に傾斜するテーパ部を含む請求項１０に記載の流量センサ。
【請求項１５】
前記各圧力タップのタップ高さは、中心軸に対して対称的である請求項１０に記載の流量センサ。
【請求項１６】
機械式人工呼吸器に付属して使用され、かつ、空気圧縮ノイズが約毎分０．１リットル（ＬＰＭ）未満に維持される形状を有する請求項１０に記載の流量センサ。
【請求項１７】
Ｙ字状接続器に一体に形成される請求項１０に記載の流量センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２９７４９８（Ｐ２００９−２９７４９８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−８９８５２（Ｐ２００９−８９８５２）
【出願日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【出願人】（５０８３５７２６８）カーディナル ヘルス ２０３、インコーポレーテッド (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８９８５２（Ｐ２００９−８９８５２）
【出願日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【出願人】（５０８３５７２６８）カーディナル ヘルス ２０３、インコーポレーテッド (4)
【Ｆターム（参考）】
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