JP2012518174A - ガス流量制御装置 - Google Patents

Abstract

流量制御装置は、筐体アセンブリ、流入管アセンブリ、およびバイアス機構を備える。筐体アセンブリは、主筐体、弁座本体、排出オリフィスを形成する先端側プレートを備える。流入管アセンブリは、基端部、内腔を形成するチューブ、およびフランジを備えるとともに、主筐体内にスライド可能に配置され、バイアス機構によって開状態へ付勢される。フランジは、筐体アセンブリ内の中間チャンバと定圧チャンバとを分離する。流入管アセンブリが定圧チャンバ内の圧力に応じて閉状態へ移動可能であることにより、排出オリフィスを経由して装置から比較的一定な空気の流れが生じる。

Description

本発明は、一般的に気体の流量を制御する装置に関し、特に、患者の呼吸システムからのガス状サンプルの流量を制御し、最初の体積および圧力とは独立して一定な空気若しくは他のガス状物質が要求される様々な利用に適する装置に関する。

患者の呼気は、そこに含まれる特定の物質の濃度を分析することにより多くの病気を診断するために重要である。例えば、息にエチルアルコール若しくは二酸化炭素などの特定の化合物や特定の微生物などの非化学物質が含まれるか否かを決定する際には、患者の呼気を分析することが望ましい場合が多い。しかしながら、呼気の圧力は患者によって異なり呼吸動作中においても異なるので、所定時間あたりに検出装置を通過する空気の体積は大幅に変動し、一貫性や信頼性のない結果となる。したがって、呼気の圧力とは独立して呼気を検出装置に一定で流すことができる装置が望まれている。

上述のことを考慮すると、患者の呼気サンプリングに用いられる改良された流量制御装置についてニーズがある。

１つの態様によれば、患者の息をサンプリングするための医療装置の一部として用いられるとともに、筐体アセンブリ、流入管アセンブリ、およびバイアス機構とを備える流量制御装置を提供する。筐体アセンブリは、主筐体、弁座本体、先端側プレートを備え、中間チャンバおよび定圧チャンバを形成する。流入管アセンブリは、基端部を形成し、さらに内腔を形成するチューブとフランジとを備える。流入管アセンブリは中間チャンバ内にスライド可能に配置され、バイアス機構は流入管アセンブリを、内腔が定圧チャンバに開放される状態である開状態へ付勢する。このような構造によれば、流入管アセンブリが、閉状態（定圧チャンバ内の圧力が増加してバイアス機構のバイアス定数よりも大きな力が発生することにより、内腔が定圧チャンバから封止される状態）までスライド可能に移動し、さらに定圧チャンバ内の圧力の低下に応じて第１の状態に戻ることにより、先端側プレートの排出オリフィスを経由して定圧チャンバから比較的一定な流れが生じる。

本発明による流量制御装置の断面図 図１の流量制御装置の斜視断面図 図１の流量制御装置の斜視図 図１の流量制御装置の斜視図 本発明による別の流量制御装置が開状態にあるときの断面図 図５の流量制御装置が閉状態にあるときの断面図

本発明のいくつかの態様は、患者からの空気流を制御するための医療システムとして用いられる気体流量制御装置に関する。図１には、本発明による流量制御装置１０の１つの実施形態が示されており、筐体アセンブリ１２と、流入管アセンブリ１４と、バイアス機構１６とを備える。各種部材の詳細については後述する。一方、通常の場合、流入管アセンブリ１４およびバイアス機構１６は筐体アセンブリ１２の中に配置される。さらに、筐体アセンブリ１２の内部には、２つのチャンバ、すなわち定圧チャンバ１８と中間チャンバ２０が形成される。流入管アセンブリ１４は、定圧チャンバ１８内の圧力に応じて閉状態（図示せず）となるように中間チャンバ２０内を選択的にスライド可能でありながら、バイアス機構１６は、流入管アセンブリ１４を図示の開状態に付勢している。

上述のことを考慮しつつ、筐体アセンブリ１２は、主筐体２２と、弁座本体２４と、先端側プレート２６とを備える。図１に示されるように、主筐体２２はおおよそ円筒形であり、内部表面２８および外部表面３０を形成する。図２、３に示されるとおり、主筐体２２は、患者の口や人工気道若しくは他の医療装置に直接接続する流路ポート４６を備える。流路ポート４６は主筐体２２と一体的に形成しても良く、あるいは後で組み合わせても良い。さらに主筐体２２は、弁座本体２４の近位から先端側プレート２６に向かって所定距離延びる内部ガイド５２を備える。主筐体２２は、内部表面２８から外部表面３０に延びる少なくとも１つのブリード穴３２を形成することにより、外気に開放されている。主筐体２２は、あらゆるプラスチック、金属、硬化ゴム、若しくは他の適切な材料で形成しても良い。

さらに図１、２を参照すると、主筐体２２の内部表面２８は、チャネル３４、溝３６、および／又は環状凹部３８を選択的に形成する。チャネル３４および溝３６は、溝３６がチャネル３４の半径方向外側に形成された状態でともに内部表面２８の周囲辺りに延びていても良い。環状凹部３８も内部表面２８の周囲辺りに延びていても良く、環状凹部３８は先端側プレート２６と係合する。先端側プレート２６については、以降でより詳細に説明するが、通常は環状凹部３８にて着脱可能に主筐体２２に取り付けられる。先端側プレート２６は、ねじ込み式であっても良く（図示せず）、あるいは主筐体２２とのシール接続を形成するために環状凹部３８に配置しても良い。さらに別の構造では、先端側プレート２６について、より永久的な固定を行っても良く、また主筐体２２と一体的に形成しても良い。さらに、カップリング、シール、Ｏリングなど所望のシール接続を確立および維持するのに有効な付加的部材を筐体アセンブリ１２に備え付けてもよい。

弁座本体２４および先端側プレート２６は、主筐体２２における対向する端部に位置する。図３をあわせて参照すると、弁座本体２４は気流を通すための貫通穴４４をさらに形成する。以下で説明するように、弁座本体２４は、流入管アセンブリ１４の端部を受けてそれを封止するように大きさが設定されたシート４８を形成する。このように、弁座本体２４（特にシート４８）は、ゴムやゴムに類似する材料といった流体的な封止を形成可能な材料によって形成されている。

図１、２に戻ると、先端側プレート２６は少なくとも１つの拡張部４０を有し、拡張部４０は、主筐体２２に取り付けられたときに主筐体２２に向かって突出する。先端側プレート２６も排出オリフィス４２を形成する。以下で説明するように、定圧チャンバ１８内の空気は、排出オリフィス４２を経由して装置１０から排出されるため、排出オリフィス４２の直径が、排出される空気の流量（あるいは流速）を決定する。別の言い方をすれば、適切な大きさの排出オリフィス４２を有する先端側プレート２６を用いることにより、装置１０から排出される空気について所望の流量を実現することができる。いくつかの実施形態では、本発明による装置１０は、直径の異なる排出オリフィス４２をそれぞれ有する２つ以上の先端側プレート２６を備える。この場合、使用者によって所望の先端側プレート２６が選択され、選択された先端側プレート２６が主筐体２２に取り付けられると、対応する排出オリフィス４２の直径が適切な大きさに設定されていることにより、排出にあたって所望の圧力／流量を生じさせることができる。さらに／あるいは、先端側プレート２６は排出オリフィス４２に関連する１つ以上の調整部材を選択的に備えても良く、調整部材によれば、使用者は排出オリフィス４２の直径を有効なものに変更・選択することができる。先端側プレート２６は、ハブ４３のように、先端側プレート２６の外周付近にて拡張部４０と同じ方向に所定距離延びる１つ以上の付加的特徴を有しても良い。

筐体アセンブリ１２は、流入管アセンブリ１４を受けるように大きさが決められている。流入管アセンブリ１４は、基端部５０を形成し、チューブ５４とフランジ５６とを備える。図１、２に示されるように、チューブ５４は、円筒形状であるとともに内腔５８を形成し、内腔５８は、流入管アセンブリ１４の基端部５０および先端部６０にて開放されている。ある実施形態では、内腔５８の直径は一定である。流入管アセンブリ１４の基端部５０は、弁座本体２４のシート４８に対応しており、これを選択的に封止するように方向付けられている。チューブ５４は、基端部５０で終わる基部領域６２を備える。ある実施形態では、基部領域６２は、以下で説明する柔軟な膜体に取り付けるための尾根部６４を形成する。

流入管アセンブリ１４の先端部６０において、フランジ５６は、放射状壁部６８と、先端側表面７０と、基端側表面７１と、先端側表面７０上に形成される周囲溝７２とを備える。放射状壁部は、基端側表面７１から基端側に延びて、チューブ５４から放射状に間隔が空けられることにより主筐体２２の内部表面２８とスライド可能に係合する。先端側表面７０は、表面が滑らかであっても良く、あるいは変形していても良い。

流入管アセンブリ１４は、同じ材料（プラスチック、金属、硬質ゴムなどの剛体若しくは半剛体）で構成されるとともに単体として一体的であることが好ましい。

バイアス機構１６も筐体アセンブリ１２内に係合するものである。バイアス機構１６は、らせんバネや、力を付与する他の装置であっても良い。バイアス機構１６は、定圧チャンバ１８内の所望の圧力に応じた力（例えば、バネ定数ｋ）を受け、定圧チャンバ１８内の圧力がバネ定数ｋを超えるまでは縮まない。

上述にて示唆したように、チャンバ１８、２０を封止するため、流量制御装置１０に１つ以上のシール部材を提供しても良い。例えば、ある実施形態では、下膜６６および上膜７６を備える。下膜６６および上膜７６は、リング状のように配置される柔軟な膜である。下膜６６および上膜７６は、拡張および／又は収縮が可能である。ある実施形態では、下膜６６および上膜７６は、それぞれが円周方向にオーバーラップ可能となるような幅を有する。下膜６６および上膜７６は、筐体アセンブリ１２の内部表面２８に対して流入管アセンブリ１４を封止するのに適した直径を有する。下膜６６および上膜７６の内周および外周には、接着剤、止め具、クリップや、下膜６６および上膜７６を筐体アセンブリ１２内に取り付けるための他の手段を適用しても良い。

流量制御装置１０は、筐体アセンブリ１２内において定圧チャンバ１８および中間チャンバ２０を形成する。中間チャンバ２０は、主筐体２２内において、筐体アセンブリ１２の弁座本体２４と流入管アセンブリ１４のフランジ５６との間に形成される。中間チャンバ２０は、少なくとも１つのブリード穴３２にて外気に開放されている。なお、図１、２には、中間チャンバ２０が、主筐体２２の内部表面２８内において、下膜６６と上膜７６との間に封止されるということが記載されている。ある実施形態では、下膜６６は、チューブ５４の基部領域６２上における尾根部６４、および主筐体２２の内部表面２８にも接触する。別の実施形態では、下膜６６は、主筐体２２の代わりに流路ポート４６に取り付けられる。これは、流路ポート４６と主筐体２２が別々に作成されて後に組み立てられたときに発生しうる。これにより、中間チャンバ２０の下部における封止が可能となる。

さらに、中間チャンバ２０は、上膜７６にて定圧チャンバ１８に対して封止される。流入管アセンブリ１４のフランジ５６は、上膜７６によって、筐体１２の内部表面２８に対して封止される。上膜７６は、主筐体２２の溝３６およびフランジ５６の溝７２に取り付けられる。上膜７６はさらに、先端側プレート２６のハブ４３によって筐体アセンブリ１２に固定されても良い。加えて、上膜７６は、Ｏリング７８によってフランジ５６に固定されても良い。

定圧チャンバ１８は、先端側プレート２６および流入管アセンブリ１４のフランジ５６によって中間チャンバ２０の反対側に形成される。先端側プレート２６は、環状凹部３８にて主筐体２２と封止可能かつ着脱可能に接触する。定圧チャンバ１８は、流入管アセンブリ１４のフランジ５６と先端側プレート２６との間に配置される。少なくとも１つの拡張部４０は、定圧チャンバ１８に向かって突出し、先端側プレート２６とフランジ５６の先端側表面７０との間が完全に封止されないようにしている。前述のように、上膜７６は、筐体アセンブリ１２内に形成された定圧チャンバ１８と中間チャンバ２０との間の封止部材として機能する。

組み立てたときは、筐体アセンブリ１２は流量制御装置１０の作業部材を収容する。特に、流入管アセンブリ１４は筐体アセンブリ１２の中に配置される。基端部５０が弁座本体２４に近接してフランジ５６が先端側プレート２６に近接するように、筐体アセンブリ１２内における流入管アセンブリ１４の方向が定められる。方向が定まると、フランジ５６の放射状壁部６８は、主筐体２２の内部表面２８に沿ってチャネル３４を越えるように延びて、流入管アセンブリ１４の位置が変わると内部表面２８に沿ってスライド可能に移動する。上膜７６は、周囲溝７２および主筐体２２の溝３６に沿ってフランジ５６に取り付けられると、チャネル３４内で拡大および／又は縮小し、所望の場合には流入管アセンブリ１４の位置を調整する。上膜７６は、フランジ５６および筐体アセンブリ１２の両方を封止する。下膜６６も封止を行い、流入管アセンブリ１４の動きに応じて拡大および／又は縮小する。

さらに、バイアス機構１６は、流量制御装置１０の中間チャンバ２０内に収容される。バイアス機構１６の各端部は、フランジ５６の基端側表面７１および弁座本体２４に隣接しても良い。ある実施形態では、放射状壁部６８および内部ガイド５２によって、筐体アセンブリ１２内におけるバイアス機構１６の各端部位置が維持される。別の実施形態では、内部環壁７４によって、フランジ５６に対するバイアス機構１６の配置が定められる。バイアス機構１６はチューブ５４を取り囲む。

上述の流量制御装置１０は次の方法で機能する。通常の場合、流入管アセンブリ１４は、第１の位置（開状態、図１）と第２の位置（閉状態）との間をスライドする。第１の位置では定圧チャンバ１８への流れが発生し、第２の位置では定圧チャンバ１８への流れが発生しないことにより、排出オリフィス４２からの略定圧の気流が生じる。医学的検査中において、患者の息は、人工気道（図示せず）を用いて若しくは患者の口から直接的に、第１のポート４６にて流量制御装置１０に入り、弁座本体２４の貫通穴４４を経由して内腔５８の基端部５０に向かって進む。不均一に流れる患者の息が、排出オリフィス４２にて流量制御装置１０から出る一定の流れとなるように制御されることにより、（例えば、排出オリフィス４２にて先端側プレート２６に取り付けられた試験チューブ（図示せず）を経由して）分析・検査のためにサンプルを収集することが可能となる。より詳細には、図２で矢印８０として示されるとおり、患者から排出された息は、貫通穴４４を介して流量制御装置１０に入り、その後、基端部５０にて内腔５８に入る。息は流入管アセンブリ１４の先端部６０にて内腔５８を出て、定圧チャンバ１８へと向かって進む。定圧チャンバ１８内の空気の体積（および圧力）が増加したら、流入管アセンブリ１４は筐体アセンブリ１２内でスライドしてその位置を変える。

ある実施形態では、排出オリフィス４２の直径は、流入管アセンブリ１４の内腔５８の直径よりも小さい。この方法によれば、運搬される空気の一部のみが排出オリフィス４２を経由して定圧チャンバ１８から出る。定圧チャンバ１８内の空気の体積の増加割合が排出オリフィス４２から出ることが可能な割合よりも大きくなると、定圧チャンバ１８内の圧力は増加する。定圧チャンバ１８内の圧力は、流入管アセンブリ１４のフランジ５６にかかる力がバイアス機構１６の定数ｋより大きくなるまで増加する。これにより、流入管アセンブリ１４は弁座本体２４に向かって基端方向にスライドする。ブリード穴３２は、流入管アセンブリ１４の動きに反応して中間チャンバ２０内の圧力を開放する。内腔５８の基端部５０がシート４８に対して封止されるときには、流入管アセンブリ１４（および定圧チャンバ１８）へ流れようとする空気は阻止される。

逆に、空気が定圧チャンバ１８から継続的に開放されると、それに応じて圧力（フランジ５６への力）が減少し、一旦ばね定数ｋ以下まで減少すると、バイアス機構１６によって流入管アセンブリ１４が開状態へと戻される。結果的に、排出オリフィス４２から出る空気の流量は一定となり、患者の呼吸などによる変動とは独立する。このような方法によれば、流量制御装置１０を通過する単位時間あたりの空気の量をより一定とすることができる。したがって、貫通穴４４から流量制御装置１０に入ってくる空気による圧力の変動を除き、排出オリフィス４２を通過する空気の量は一定に制御される。

図５、６には別の実施形態に係る流量制御装置１０’が示されており、これは本発明による選択的な態様である。流量制御装置１０（図１）に非常に類似する流量制御装置１０’は筐体アセンブリ１２’を備え、筐体アセンブリ１２’は、開状態若しくは第１の状態（図５）と閉状態若しくは第２の状態（図６）との間において、流入管アセンブリ１４’を定圧チャンバ１８’および中間チャンバ２０’に対してスライド可能に維持する。

第１の状態（開状態）において、流入管アセンブリ１４’によって内腔５８’は定圧チャンバ１８’と接続することが可能となる。流入管アセンブリ１４’のフランジ５６’は、バイアス機構１６’によって開状態に付勢される。前述したフランジ５６（図１）と比較すると、フランジ５６’が備える内部環壁７４は、放射状壁部６８’の半径方向内側に配置され、放射状壁部６８’は、フランジ５６’と調和してバイアス機構１６’に対してガイドおよび／又は安定性を提供する。空気は、排出ポート４５によって形成された排出オリフィス４２’を経由して先端側プレート２６’から排出される。排出ポート４５は、先端側プレート２６’の主要面から延びており、チューブや医療装置（図示せず）への接続を容易にする。

図６の閉状態において、定圧チャンバ１８’内の圧力により、フランジ５６’に対してバイアス機構１６’のばね定数ｋよりも大きな力Ｆが発生する。これにより、バイアス機構１６’は流入管アセンブリ１４’のフランジ５６’によって押圧され、流入管アセンブリ１４’は、弁座本体２４’のシート９８’と封止状態となるまで基端方向にスライドする。このように、内腔５８’が貫通穴（図示しないが、図３の貫通穴４４に近似する）に対して封止されることにより、患者の息は内腔５８’から定圧チャンバ１８’に入れないようになる。

本発明の特定の実施形態をここに記載し図示したが、当業者であれば、本発明の範囲から離れずに、図示および記載した特定の実施形態に代えて様々な変形例や均等な実施が可能であることは明らかである。本出願は、ここに記載した特定の実施形態についてあらゆる適応・変形を含むことを目的とする。したがって、本発明は特許請求の範囲およびそれに均等なものによってのみ制限される。

Claims (20)

1. 患者の息をサンプリングするための医療システムの一部として用いられる流量制御装置であって、
   流入ポートを形成する主筐体、排出オリフィスを形成する先端側プレート、および弁座本体を備える筐体アセンブリと、
   内腔を形成するチューブ、基端部、およびフランジを備え、筐体アセンブリ内にスライド可能に配置された流入管アセンブリと、
   主筐体内に配置され、流入管アセンブリのフランジを支えるバイアス機構と、
   筐体アセンブリ内において、流入管アセンブリの基端部とフランジとの間に形成された中間チャンバと、
   筐体アセンブリ内において、流入管アセンブリのフランジと先端側プレートとの間に形成された定圧チャンバと、を備え、
   流入ポートに流入する空気が内腔を経由して定圧チャンバへ向かう開状態と、内腔が流入ポートと定圧チャンバとの間にて封止される閉状態とを有し、流入ポートに流入する空気の流量の変動とは独立して排出オリフィスから一定な流量の空気が流れる、流量制御装置。
2. 流入管アセンブリのフランジと筐体の内部表面との間に封止可能に接続された上膜をさらに備え、上膜は中間チャンバを定圧チャンバから流体的に分離する、請求項１に記載の装置。
3. 基端部の近位にある流入管アセンブリと筐体の内部表面との間に封止可能に接続された下膜をさらに備え、請求項１に記載の装置。
4. バイアス機構はばねである、請求項１に記載の装置。
5. バイアス機構は中間チャンバ内に配置される、請求項１に記載の装置。
6. 弁座本体は流入チューブシートを備える、請求項１に記載の装置。
7. 筐体は中間チャンバにおいて、外気に開放されたブリード穴を形成する、請求項１に記載の装置。
8. 先端側プレートは定圧チャンバに向かって突出する少なくとも１つの拡張部を備える、請求項１に記載の装置。
9. 流入管アセンブリのフランジは、主筐体の内部表面に対して配置された溝を備える、請求項１に記載の装置。
10. 流量を制御する方法であって、
    筐体アセンブリ、移動可能な流入管アセンブリ、およびバイアス機構を備え、第１および第２のチャンバを形成する流量制御装置を提供する工程と、
    バイアス機構を経由して流入管アセンブリを開状態へ付勢する工程と、
    筐体アセンブリ内に形成された貫通穴にて患者からの空気を受け取る工程と、
    流入管アセンブリを開状態にするとともに、貫通穴からの空気を流入管アセンブリ内の内腔を通じて第２のチャンバへと送る工程と、
    筐体アセンブリの排出オリフィスを通じて第２のチャンバから出る空気を制限する工程と、
    第２のチャンバ内の空気の体積および圧力の増加によって、流入管アセンブリを、内腔が第２のチャンバに対して封止された状態である閉状態へ移行させる工程と、
    第２のチャンバ内の圧力の増加に応じて、第１のチャンバ内のバイアス機構を押圧する工程と、
    バイアス機構の押圧により流入管アセンブリを弁座に向かってスライドさせる工程と、を含む方法。
11. 流量制御装置から出る空気の流量を一定に維持する工程を含む、請求項１０に記載の装置。
12. 第２のチャンバ内に生じるバイアス機構の静止力よりも大きな空気の圧力が、移動可能な流入管アセンブリのフランジに付与される工程を含む、請求項１０に記載の装置。
13. 第２のチャンバ内の圧力がバイアス機構の静止力よりも小さくなるまで、バイアス機構が流入管アセンブリにおいて弁座に対して閉じられた流路を維持する工程を含む、請求項１２に記載の装置。
14. 呼吸用のバルブアセンブリであって、
    先端および基端を有する筐体と、
    オリフィスを形成し、封止可能に筐体に接続される先端側プレートと、
    先端部および基端部を有し、スライド可能に筐体内に配置される流入管アセンブリと、
    筐体内において流入管アセンブリの先端部と基端部との間に形成される第１のチャンバと、
    筐体内において流入管アセンブリの先端部と先端側プレートとの間に形成される第２のチャンバと、
    筐体と流入管アセンブリの先端部とに接続される上側柔軟シール部材と、
    筐体と流入管アセンブリの基端部とに接続される下側柔軟シール部材と、
    第１のチャンバ内に収容され、流入管アセンブリにバイアス力をかけるバイアス機構と、を備える、バルブアセンブリ。
15. 流入管アセンブリは、流入管アセンブリ内の内腔が先端部および基端部の両方にて開放される第１の位置を有する、請求項１４に記載のバルブアセンブリ。
16. 流入管アセンブリは、内腔が筐体の基端に対して閉じられる第２の位置を有する、請求項１５に記載のバルブアセンブリ。
17. 第１の位置は、バイアス機構の所定の力によって維持される、請求項１５に記載のバルブアセンブリ。
18. 筐体の基端は貫通穴を形成する、請求項１４に記載のバルブアセンブリ。
19. 筐体は、第１のチャンバを外気に開放する少なくとも１つの開口を形成する、請求項１４に記載のバルブアセンブリ。
20. バルブアセンブリに入る空気がオリフィスから排出される空気よりも大きくなったときに第２のチャンバにかかる圧力よりも小さなばね定数をばねが有することにより、バルブアセンブリからの空気が一定に維持される、請求項１４に記載の装置。

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