接続式薬物送付用のスマート吸入器の流量測定

執筆者：Andreas Alt（セールスディレクター・メディカルマーケット）
 

吸入器は、喘息や慢性閉塞性肺疾患（COPD）などの呼吸器疾患を治療するために最も一般的に使用されている器具の1つです。吸入器から吸入するたび、器具は指定量の薬剤を肺に送ります。ただし、適切な吸入器の使用に関しては、誤用が広く見られます。

患者が多くのケースで正しい吸入器技術を採用することに問題を抱え、そのために不十分な治療を受けることがあると報告する文書が多数公開されています。この問題は定量吸入器（MDI）とドライパウダー吸入器（DPI）の両方に等しく当てはまり、不十分な疾患管理、緩和薬、予防療法、または救急部門の訪問回数が増加する結果として、低水準の疾病管理と医療費増加につながります。これは喘息とCOPDの両方に共通の問題です。

喘息とCOPDの管理に関連する世界の年間コストは、医療費支払者と社会的観点の両方から見ても多額です。研究結果によると、管理されていない患者の医療費は管理されている患者の2倍以上です。また、研究によると、患者は吸入薬の摂取中に少なくとも1つの間違いを70%～90%の確率で犯し、その結果、薬の7%～40%しか肺に送付されないことが分かっています。MDIを使用する場合の、2つの最大かつ最も深刻なエラーは、どちらも患者の吸入に関連しています。最初のエラーは、吸入と吸入器の用量放出のトリガーとの間の調整に関連します。わずかな遅延が生じるだけでも、薬剤の20%しか肺に送付されない可能性があります。2番目に重大なエラーは、十分に深く呼吸していないことです。これにより、肺に到達する薬剤がさらに10%少なくなる可能性があります。

今日では、吸入器を通る吸入気流を測定することによって上述の一般的なエラーを減らす技術革新の余地があり、薬物送付効率の向上、服薬遵守の改善、医療費削減、そして最終的には患者の転帰（治療成績）の改善を可能にします。

吸入流量プロファイルを測定する理由

上述の通り、吸入器の使用には、患者の吸入に関連する2つの最大かつ最も深刻なエラーが発生します。吸入器を通る吸入気流を測定し、また追加としてMDIに薬剤が投与された時点を登録することで、吸入サイクルの最適なウィンドウ内で薬剤が放出されたかどうかに関する情報を正確に判断できます（図1を参照）。

この用量トリガーのタイミングと流れの相関関係は、薬物運搬の流れが気管支の奥深くに到達し、望ましい量の肺沈着を達成したかどうかを理解するための、1つの重要なパラメーターです（図2を参照）。

2番目に重要なパラメーターは吸入気流プロファイルです。肺活量測定から借用することで、各患者の吸入への洞察が得られる吸入気流プロファイルからいくつかのパラメーターを導き出すことができます：

• 吸入の深さと長さ
• 吸入前の完全な呼気
• 指示通りにゆっくりと吸入する
• 肺機能とその経時的発達

吸入量プロファイルの正確で校正済みのリアルタイム記録は、上記の情報を提供しますが、その情報から、患者が正しく吸入し、吸入中に高い肺沈着を達成したかどうかを判断することができます。完全な吸入気流特性の他にも、図3に示すように、吸気肺活量（IVC）とピーク吸気流量（PIF）などの注目のパラメーターが含まれます。

吸入の最初の1秒間の強制吸気量（FIV1）や気道抵抗（RAW）などのパラメーターのサブセットも、吸入気流プロファイルから決定できます。気道抵抗（RAW）の導出を図4に示します。

気道抵抗（RAW）などのいくつかのパラメーターは、慢性閉塞性肺疾患（COPD）の状態に直接関係している可能性があるため、患者が特別に関心を寄せる場合があります。吸入器は現在、肺活量計のようなデバイスとして利用されているため、すべてのパラメーターは、患者に追加の労力や時間に関連する負担をかけることなく、吸入器の使用時に導き出されます。吸入器を介したすべての吸入の質と吸入器の正しい使用を監視することに加えて、上記のパラメーターは時間の経過とともに監視され、薬の有効性、病気の経過に関するフィードバックを提供し、医療専門家に警告したり、患者を元気づけたり、アドヒアランスを高めたりします。

Cohero Health社は、まさにこの理由、つまり、患者が治療の過程で肺機能を定期的に測定できるようにする目的で、すでに患者に追加の肺活量計を提供しています。直接的な疾患管理を提供し、このデータを医療専門家と共有することの利点は、患者と臨床医が治療の進行状況を評価するのに役立ち、また、用量ごとではなく治療結果ごとの支払いを可能にすることです。これと同じ進展はインスリンまたは睡眠時無呼吸分野にも見られ、近年では、接続デバイスを提供する企業の市場シェアが拡大し、同時に治療費が削減し、患者の転帰（治療成績）を改善しています。最も重要なのは、単一の器具に薬物送付と診断ユニットを組み合わせれば、患者の転帰を改善するための強力なツールになるということです。図6は、PIF、IVC、およびRAWの時間に対する概略的な動作を示しています。治療開始ことのプラスの効果、通常の投与中の安定した治療段階、および治療を中断することのマイナスの効果を視覚化しています。

薬物送付吸入器具に流量を測定する機能を追加することにより、患者のコンプライアンスと吸入器の正しい使用を監視できるだけでなく、肺活量計を利用して薬剤の有効性と病気の経過を肺機能の記録のように経時的に観察することもできます。次世代の吸入器 - 設計に気流測定をネイティブに組み込んでいる - は、患者とその特定の状態に合わせて個別に調整された、最適な時点での自動用量の放出を容易にします。

吸入流量プロファイルを測定する方法

設計により、吸入器に電子機器と接続機能をネイティブに組み込む前に、既存の吸入器と吸入器プラットフォームを必要な電子機器で拡張して、接続性と必要な検知機能の実装が可能になります。これは、Propeller Health社やAdherium社などの企業によってすでに行われています。こうした企業は既存の吸入器用にさまざまなクリップオン（追加機能）を設計し、使用日時などのパラメーターを監視したり、加速度計やGPSなどの追加センサーからの信号を評価したりすることにより接続性を追加します。今までは最小流量を測定できる十分に堅牢でありながら高感度のデバイスがなかったため、吸入器を通る流量を正確に測定することは困難でした。FDAによる吸入器の再検証を回避し、承認を維持するために、すべての吸入器クリップオンの主要な規制要件では、既存の吸入器デバイスの機能に干渉しないように、吸入器の流路に変更を加えてはいけません。

吸入器を通る正確な流量測定が流路に干渉することなくどのように実現できるかを実証するために、センシリオンは機能的な吸入器クリップオンを開発しました。図7は、センシリオン製フローセンサー「SDP3x」、Bluetooth Low Energy通信チップ、およびバッテリー電源を含む3Dプリントされた吸入器クリップオンです。吸入器の筐体が変更されておらず、流量測定の原理が吸入器の入口でのベンチュリ/ベルヌーイの原理のみに依存していることは注目に値します。吸入器の気流は校正され、外部の流量基準との優れた一致を示しており、本記事に示されている流れのプロファイルを取得するために使用されました。

「SDP3x」フローセンサーシリーズで使用されているSensirion MEMS（微小電子機械システム）ベースフローチップソリューションの優れた感度により、変更も妨害もない吸入器の流路設計が可能になります。この技術は、医療用人工呼吸器で数十年にわたって使用されてきたホットワイヤーフローセンサー技術の次世代型であるマイクロサーマルフロースルーの原理に基づいています。既存の吸入器および新しく開発された吸入器のクリップオンにおいて、センシリオンのCMOSens®フローチップ技術の主な利点は以下のように要約できます。 

• 100分の1パスカルまで測定可能な最高感度
• 高い時間精度と圧力/流量精度
• 医療および自動車業界で実績のある器具
• 落下や超音波溶接プロセスステップに対して堅牢
• 2ポート設計により、外乱に対して根本的に堅牢
• ポータブルおよびバッテリー操作用の低消費電力
• 世界最小の市販フローセンサー

こうした長所を持つセンシリオンの「SDP3x」フローセンサーシリーズは、吸入器具の吸入フロープロファイルを正確に測定するための最適なフローセンサーソリューションになります。

概要

患者がすでに精通している薬物送付器具に診断ユニットを追加することで、喘息およびCOPD疾患管理における強力なツールとなります。吸入技術が不適切な場合、肺への薬物の沈着が減少することで有効性が低下し、次に疾患の重症度が増加し、結果として患者の転帰を悪化させ、医療費を増加させます。患者を導き、直接フィードバックを提供し、疾患を制御し、アドヒアランスを高めることで患者をサポートするソリューションは、現在接続されている薬物送付器具によって患者の転帰を改善することがすでに示されています。

したがって、堅牢で正確な流量測定は、より良い疾患管理と患者の転帰に向けた重要な機能であり、今日でもすでに実現可能です。喘息やCOPDおよび呼吸器の誤用に悩む患者は高い割合で存在しており、適切な疾病管理で苦情のない生活が一般的に可能になれば、接続式の薬物送付の革新を推進し続けることになると考えられます。喘息とCOPDを管理し、投薬の有効性を改善するための強化された方法を提供するために、すでに自社製品にデジタル技術を実装する企業が増加しています。業界は、単純な医療ツールとしてだけでなく、治療と病気の経過に関連する洞察を思い出させ、指導し、提供するためのコンパニオンデバイスとして、患者の病気の最適な治療をサポートするという指針を定め前進しています。