JP2002522104A - 吐息ガス質量の測定を用いた呼吸ガス分析方法および装置 - Google Patents

吐息ガス質量の測定を用いた呼吸ガス分析方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 試験器本体（１８）および計算ユニット（２４）を備えた間接熱量計を開示する。使用に際し、吸息流量および呼息流量と、呼息流れ密度とを測定して、酸素消費量を呼息質量の関数として計算することにより呼吸ガス流中の酸素消費量を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、呼吸ガス分析を用いた間接熱量測定を行う方法および装置に関し、
より詳しくは、ガスに通される超音波パルスの走行時間（transit time）により
測定された、吐息ガスおよび吸息ガスのそれぞれの質量および体積の測定値を用
いて吐息ガスの酸素含有量および／または二酸化炭素含有量を測定する方法およ
びシステムに関する。
【０００２】 （背景技術） 本件出願人は、呼吸熱量測定に関する多くの特許を取得している。概していえ
ば、これらの装置は、吸息流れ体積から、吐息ＣＯ2を除く吐息流れ体積を減じ
ることにより、使用者の酸素消費量を計算する。これらの幾つかは、一定時間に
亘って多数回の吸息および吐息流れ体積を総和することにより、および、ＣＯ2
をスクラビング（洗浄）し、次に吸息流れ体積からＣＯ2を除く吐息流れ体積を
減じて、総和吐息体積から吐息中のＣＯ2体積を減じることにより、この時間中
の酸素消費量を決定する。本件出願人はまた、吸息体積および吐息体積の両方お
よびＯ2またはＣＯ2含有量を測定して酸素消費量を決定する技術に関する係属中
の特許出願を保有している。二酸化炭素スクラバーは嵩張るものでありかつ多数
回の使用後に補充を必要とする。二酸化炭素または酸素の分析はまた、比較的費
用が嵩むものである。
【０００３】 従来、流れ軸線に沿う一成分をもつ方向のガスに通される超音波パルスの走行
時間を決定することによりガスの流量を決定し、付加的にガスの密度を決定する
ことにより、導管を通って流れるガスの質量を決定することが提案されている。
米国特許第2,911,825号には、ガスの音響インピーダンスを測定して密度を決定
するシステムが開示されている。同様に、米国特許第5,214,966号も、超音波パ
ルスの走行時間を用いて流量を決定し、かつガスを通る音の速度を測定して流れ
るガスの密度を決定する技術を開示している。米国特許第5,645,071号に開示の
技術は、超音波パルスの走行時間を使用して流量を決定し、かつ付加的に温度測
定を行うものであり、この技術は、流量を用いて、流れるガスの質量を決定でき
る。この特許はまた、この装置を使用して肺機能診断を行うことを示唆しており
、かつ流れるガスの二酸化炭素および／または酸素含有量をオンライン・リアル
タイムベースで決定する付加的なガス分析センサを開示している。
【０００４】 Ｏ2およびＣＯ2分析器等のいかなるガス分析器も使用する必要なくして、酸素
消費量、二酸化炭素生成、および関連および派生呼吸ファクタの測定を可能にす
る分析方法を提供することが望まれている。これにより、広範囲の健康管理用途
に適した低コストで高精度の機器を作ることができる。
【０００５】 （発明の開示） 従って、本発明は、吐息ガスの酸素またはＣＯ2濃度の直接測定を行う必要な
く、吸息ガスのを測定により吐息ガスの質量および流れ体積を測定することによ
り、間接熱量測定目的のための酸素消費量並びにＣＯ2生成および関連呼吸ファ
クタを決定すべく呼吸ガスを分析する方法および装置に関する。患者が大気を呼
吸する場合のように、吸息ガスの成分が充分な精度で判明している最も簡単な形
態では、吐息ガスのＯ2含有量およびＣＯ2含有量は、吸息ガスおよび吐息ガスの
質量および体積の測定値から決定できる。吸息ガスおよび吐息ガスの温度および
／または湿度は、測定され、仮定されまたは調節される。他の実施形態では、吸
息ガスの質量が評価される。測定は、測定時間中に総和される吸息および吐息の
測定により、本発明の装置を使用して患者の呼吸により行うのが好ましい。
【０００６】 本発明の方法および該方法を実施するシステムを理解するため、患者は、７９
％の窒素、２１％の酸素および０．０３％の二酸化炭素の組成をもつ大気を呼吸
するものと仮定する。試験時間中に吸息流れ体積およびガス密度を測定すること
により、吸息質量を決定できる。２つのみの未知量を除き吸息および吐息の窒素
含有量は同じであるから、吐息の総和質量および流れ体積の測定値から吐息のＣ
Ｏ2含有量およびＯ2含有量を決定できる。吐息ガスの質量はそのＣＯ2含有量お
よびＯ2含有量の関数として線形的に変化する。ＣＯ2はＯ2より密度がかなり小
さく、従って吸息ガス中のＯ2を吐息ガス中のＣＯ2に置換するとガス質量が変化
するので、吐息体積のＯ2含有量およびＣＯ2含有量の測定が可能である。吐息酸
素の体積が計算されたならば、吸息酸素の体積からこれを減じれば酸素消費量が
決定される。
【０００７】 本発明のシステムは、既知の超音波パルス走行時間を用いて吸息体積および吐
息体積の流量測定を行いかつ音響インピーダンス、音速または温度等の測定を行
ってガス密度を決定するのが好ましい。同じ装置で、吸息ガスおよび吐息ガスの
質量および流れ体積を測定できる。
【０００８】 （発明を実施するための最良の形態） 以下、添付図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。
【０００９】 図１に示すように、本発明の好ましい実施形態は、全体を参照番号１０で示す
熱量計を有し、該熱量計１０の一端には、使用者１４の鼻および口を覆うように
使用者１４の顔面と係合できるマスク１２が設けられている。マスク１２は、導
管１６を介して、流れチューブ２０が組み込まれた試験器本体１８に連結されて
いる。流れチューブ２０の一端は大気に連通している。２〜１０分間続く呼吸試
験中に使用者１４が吸息すると、大気が吸引され、該大気は流れチューブ２０お
よびマスク１２を通って使用者１４に吸引される。使用者が吐息すると、空気は
、マスク１２から、導管１６および流れチューブ２０を通って大気へと移動する
。本発明の他の実施形態では、強制呼吸装置に使用されているような呼吸ガス源
およびシンクを用いて空気のコンディショニングを行うことができる。
【００１０】 試験器本体１８にはケーブル２２が接続されており、該ケーブル２２は、試験
器本体１８と計算ユニット２４との間で電気信号を搬送する。計算ユニット２４
には、種々の試験結果および「試験開始」および「試験終了」等の情報を使用者
に表示すべく切り換えられるディスプレイ２６を設けるのが好ましい。流れチュ
ーブ２０およびマスク１２は、衛生上の目的から使用者間で交換できるように、
使い捨てユニットとして形成するのが好ましい。試験器本体１８および計算ユニ
ット２４を含むシステムの残部は再使用できることが好ましい。試験に供する息
は、システムの使い捨て可能部分のみを通るに過ぎない。
【００１１】 図２は、使い捨て可能な流れチューブ１８を断面で示すものである。流れチュ
ーブ１８およびその関連部品は米国特許第2,911,825号に開示された形式のもの
であり、流れるガスの音響インピーダンスを測定することにより、チューブ１８
を通る吸息および吐息ガスの流量を計算しかつガスの密度を計算するように作動
する。図２に示すように、流れチューブ１８の左側端部は大気に連通しており、
使用者が吸息すると大気が流れチューブ内に吸引され、かつ吐息は大気に戻され
る。流れチューブ１８の右側端部はマスク１２に連結される。かくして、吸息は
チューブ１８の右側に向かって流れ、吐息はチューブ１８の左側に向かって流れ
る。
【００１２】 流れチューブ１８の両側には１対の圧電結晶体３０、３２が取り付けられてお
り、これらの圧電結晶体は、互いに対面しかつ超音波パルスが結晶体３０から結
晶体３２へと矢印３４の方向に送られるように、流れチューブ１８の中心軸線に
対して或る角度をなして配置されている。同様に、１対の結晶体３６、３８がチ
ューブの両側に支持されており、これらの結晶体は、矢印４０の方向に互いに対
面するように、チューブの中心軸線に対して或る角度をなして配置されている。
各結晶体からは、電子制御／計算回路４２（該回路は、ほぼ、米国特許第2,911,
825号の図１に示された形式のもので構成できる）への電気的接続がなされてい
る。
【００１３】 更に、流れチューブ１８の壁には、チューブを通って流れるガスと接触するよ
うに、他の圧電結晶体変換器５２が取り付けられている。該変換器３０からの信
号も計算／制御ユニット４２に入力される。本質的に、制御ユニット４２は、超
音波パルスが結晶体３２、３８に伝達されるように、それぞれ結晶体３０、３６
を制御する。ユニット４２内には、パルスを発生させかつ検出パルスを受ける回
路が収容されている。送信結晶体と受信結晶体との間のこれらのパルスの走行時
間は、両結晶体の分離距離およびチューブを通るガスの流量の関数で定まるもの
であるため、流量は、２組の結晶体間のパルスの走行時間の差の関数として計算
できる。
【００１４】 変換器５２は、ユニット４２内の発振器により制御される共振回路の一部を形
成する。発振器の周波数は、変換器３０が直列共振に同調されかつ変換器５２を
通る電圧降下がユニット４２内の回路により測定されるまで調節される。この電
圧は、流体の音響インピーダンスの測定により求められる。流体の密度は、米国
特許第2,869,357号において完全に説明されているように、音響インピーダンス
を、流体を通る波伝播速度で除した値に等しい。かくして、計算ユニット４２は
、流れチューブを通るガスの流量およびこれらのガスの密度に比例する信号を受
けて、質量を計算できる。流れチューブ１８の内径は既知であるので、流れ体積
も計算できる。
【００１５】 かくして計算ユニット４２は、吸息流れ体積、吐息流れ体積および吐息体積の
質量を決定できる。
【００１６】 ユニットには、吸息および吐息の両方を通し、吐息からの水分を蓄積し、かつ
吸息および吐息の温度および湿度をほぼ等しくする慣用の人工鼻６０を組み込む
ことができる。或いは、これらの温度および湿度を測定し、サーミスタおよび加
湿器等の能動要素を用いてコンディショニングすることもできる。
【００１７】 吸息および吐息の温度および湿度が等しいと仮定すると、吐息のＯ2およびＣ
Ｏ2組成は容易に計算できる。吐息質量は、吸息および吐息の流れ体積に基いて
最初に等しくされる。吸息中の窒素の質量は計算により求められ、該質量は吐息
ガスの質量から減じられる。残余の質量はＯ2およびＣＯ2からなり、この質量は
、これらの組成比率に基いて線形的に変化するため、ルックアップテーブルから
計算すなわち決定できる。残余の質量は、吐息中のＣＯ2およびＯ2の割合に線形
的に関連している。
【００１８】 図２は、流れチューブを通る呼吸ガスの流れ速度および音速を決定するための
米国特許第5,214,966号に開示された方法および装置を使用する、本発明の第２
実施形態による流れチューブおよびこの関連回路を示すものである。流れガスの
質量は、上記米国特許に開示の方法で、流れ速度および音速を用いて計算できる
。本発明のこの第２実施形態の流れチューブ８０は２つの脚８２、８４を備えた
Ｕ形であり、両脚８２、８４は、互いに平行でかつ中央の連結セクション８６に
対して直角に延びている。脚８２は、中央セクション８６を、呼吸ガス（大気が
好ましい）のための源およびシンクに連結する。脚８４は、セクション８６の他
端部を、図１に示したマスク１２またはマウスピースのような他の呼吸コネクタ
に連結する。
【００１９】 連結セクション８６の一端でチューブ８０の壁には第１超音波変換器８８が配
置されている。また、これとは正反対側に第２超音波変換器９０が配置されてお
り、両超音波変換器８８、９０は互いに対面するようにして両端部に配置されて
いる。各変換器８８、９０は圧電結晶体により形成されており、両変換器とも超
音波パルスの送信器および受信器として機能する。図４に詳細に示すように、変
換器９０は、流れチューブ８０を通って流れるガスの密度を設計するように特別
に設計されている。図２に示すように、変換器９０は、圧電変換器９２と、音響
インピーダンスＺ0および長さＸ0をもつ材料からなる第１ブロック９４と、音響
インピーダンスＺ1および長さＸ1をもつ第２ブロック９６とを有している。両ブ
ロック９４、９６は、結晶体９２から伝達される超音波パルスがガスに到達する
前に両ブロック９４、９６を横切るように配置されている。第１ブロック９４は
、結晶体９２と第２ブロック９６との間でこれらに接触するように配置され、第
２ブロック９６は、第１ブロック９４とチューブ８０を通って流れるガスとの間
でこれらに接触するように配置される。両変換器８８、９０は、制御電子部品お
よび計算電子部品を収容している計算／制御ユニット１００に接続されている。
ユニット１００は、良く知られた形式のシング・アラウンド電子回路(sing-arou
nd electronic circuitry)と、流れチューブ８０のセクション８６を通るガスの
流速を計算するマイクロプロセッサとを有している。
【００２０】 同時に、結晶体９０からの信号は、結晶体９４、９６間のインターフェース、
結晶体９６と流れるガスとの間のインターフェース、およびこれらの反射の大き
さから、変換器９２により発生されるパルスの反射に基いて、セクション８６を
通って流れるガスの密度を決定するのに使用される。これは、米国特許第5,214,
966号に開示された方法で全てが行われ、反復されることはない。この場合も、
吐息質量は、流れ体積密度の総和測定値から計算される。質量の読みを分析する
ため、吸息流れ体積も、吐息体積と一緒に計算しかつ使用することができる。正
規化された質量は、その補完Ｏ2およびＣＯ2成分（complementary O2 and CO2 c
onstituents）の関数となるであろう。
【００２１】 他の実施形態では、吐息の質量および体積のみが測定される。吐息のＯ2濃度[
O2]eおよび吐息のＣＯ2濃度[CO2]eは吐息の質量および体積から計算され、吸息
のＯ2濃度[O2]iは既知であるから、Vo2は次の公式から計算される。
【００２２】
【数１】
【００２３】 ここで、ｋは、ファンデルワールス方程式から決定できる、ガスの非理想性質を
補償するための非断熱補正定数である。
【００２４】 吐息体積V eは、吐息体積を形成する各成分ガスの部分体積の合計である。吸
息酸素濃度は、知られているか、本発明とは無関係に決定できるため、吐息中の
酸素の体積は吸息ガスに対する酸素および二酸化炭素のモル濃度に関係する吐息
質量変化に関連している。ＣＯ2体積は次式から決定される。
【００２５】
【数２】
【００２６】 ここで、V eは、全吐息体積である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 患者の呼吸パラメータを決定すべく患者により使用されているところを示す、
本発明の好ましい実施形態の斜視図である。
【図２】 本発明の好ましい実施形態の一部を形成する流れチューブの断面図であり、関
連電子機器をブロック形態で示すものである。
【図３】 本発明の他の実施形態を示す概略図である。
【図４】 流れるガスの音響インピーダンスを測定できる超音波変換器を示す図面である
。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 25/20 Ｇ０１Ｎ 25/20 Ｊ ４Ｃ３０１ Ｚ 33/497 33/497 Ａ // Ｇ０１Ｈ 15/00 Ｇ０１Ｈ 15/00 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2F035 AA06 DA04 DA08 DA16 DA20 DA22 2G040 AA02 CA11 CA14 CA16 2G045 AA25 CB22 DB01 DB30 FA31 FA33 GC06 GC07 GC08 JA01 2G064 AA11 AB05 AB13 AB23 BD18 4C038 SS00 ST00 ST04 SU18 SU19 SX01 4C301 AA06 DD30 EE11 EE17 GA01 GA03 JB18 JB19

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 患者の多呼吸試験中に患者の酸素消費量に関するファクタを
    決定する方法において、 試験中に、吸息流量および吐息流量および吐息流れ密度に関するファクタの瞬
    間値を測定および総和して、吸息流れ体積と吐息流れ体積との差により等価化さ
    れた吐息質量の関数として酸素消費量を計算することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 吸息ガスおよび吐息ガスを通る超音波パルスの走行時間を使
    用して流量を決定することを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 吸息ガス中の窒素の質量を計算しかつ吐息ガスの質量から減
    じることにより、吐息ガス中の酸素および二酸化炭素の質量を決定することを特
    徴とする請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 吐息ガス中の二酸化炭素および酸素の合計質量に基いて、こ
    れらの成分の比率を計算することを特徴とする請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 吸息ガスの成分は既知であることを特徴とする請求項１記載
    の方法。
  6. 【請求項６】 吸息ガスの成分は未知であり、吸息ガスの質量は吸息ガスの
    流量および密度の測定値から決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 吸息ガスおよび吐息ガスの温度と湿度とを等しくすることを
    特徴とする請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 吸息ガスおよび吐息ガスの温度および湿度を測定しまたは仮
    定する段階を更に有することを特徴とする請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 多呼吸試験中に患者の吸息および吐息を流れチューブに通す
    形式の間接熱量計において、 チューブを通る吸息ガスおよび吐息ガスの両方に、チューブを通る流れの方向
    に平行な成分をもつ方向に超音波パルスを通す手段と、 パルスの走行時間を測定する手段と、 走行時間から吸息ガスおよび吐息ガスの流量を計算する手段と、 吐息ガスの密度を計算する手段と、 吐息質量および吸息流れ体積および吐息流れ体積に基いて酸素消費量を決定す
    る計算ユニットとを有することを特徴とする間接熱量計。
  10. 【請求項１０】 流れる吐息ガスと接触する表面を備えた、ガスの音響イン
    ピーダンスを測定するための変換器と、流量および音響インピーダンスに比例す
    る信号を受けるべく作動する、吐息ガスの質量を計算するための計算回路とを更
    に有することを特徴とする請求項９記載の間接熱量計。
  11. 【請求項１１】 吐息ガスの温度を検出するための温度プローブと、該温度
    プローブの出力を受けるべく作動する計算手段と、吐息ガスの手段を計算するた
    めの、パルスの走行時間を測定する手段とを更に有することを特徴とする請求項
    ９記載の間接熱量計。
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