JP2004167252A - 肺ストレスを評価するための方法及び呼吸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は肺ストレスを評価するための代替的な方法を提供することである。
【解決手段】上記課題は、肺ストレスを評価する方法において、圧力制御された呼吸ガスの気流を発生させ、後続の流量を測定し、圧力と流量とに基づいて抵抗とコンプライアンスを求め、圧力、流量、抵抗、及びコンプライアンスに基づいてストレス指数値を求めるようにすることにより解決される。
【選択図】図３

Description

本発明は肺ストレスを評価する方法に関する。

本発明はまた呼吸装置にも関する。

機械換気は多くの状況において救命処置として使用されている。しかし、機械的呼吸気供給の力学及び生理学を考慮しないと、既存の病気を悪化させたり、肺の損傷を引き起こす可能性さえある。肺は虚脱する固有の傾向を有している。通常の呼吸の間は、この傾向は胸壁と表面活性物質と呼ばれる自然物質とにより抑制されている。

病気のときには、虚脱傾向がより顕著になり、呼息／呼気の間の早期に虚脱し、吸息／吸気の間の後期に拡張する領域（肺胞単位）が生じる。気道のこの周期的な開閉は、肺の損傷を大規模な空気漏れ、広汎な肺胞の損傷、肺水腫及び肺の炎症として顕在化させかねない。なお、これらの肺損傷はすべて人工呼吸器誘発肺損傷（ＶＩＬＩ）と呼ばれている。肺胞単位のこの周期的な開閉は正しく設定された呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ）を管理することにより抑制することが可能である。

ＶＩＬＩの想定される第２のメカニズムは、供給される１回換気量（量外傷を引き起こす可能性有り）が大きいこと、又は吸気終末気道圧（圧外傷を引き起こす可能性有り）が高いことである。両方とも肺の組織を過伸展させ、液の貯留、炎症、及び肺の硬直の増大をもたらす可能性がある。圧／量外傷は適正な１回換気量又はピーク圧力を設定することで防ぐことができる。

人工呼吸器の設定が最適化されていない場合、ＶＩＬＩが顕在化する前の期間はストレスが増大する期間と見なすことができる。したがって、特定の人工呼吸器設定から導かれる肺ストレスの度合いの測定値は肺ストレス指数（ＰＳＩ）と見なすことができる。

特許文献１には、これらの問題を解決する方法及び装置が開示されている。特許文献１に記載された方法は、定流量の吸気期間に為されるＰ−ｔ測定に基づいている。
ＥＰ−１ １０８ ３９１

本発明の課題は肺ストレスを評価するための代替的な方法を提供することである。

上記課題は、肺ストレスを評価する方法において、圧力制御された呼吸ガスの気流を発生させ、後続の流量を測定し、圧力と流量とに基づいて抵抗とコンプライアンスを求め、圧力、流量、抵抗、及びコンプライアンスに基づいてストレス指数値を求めるようにすることにより解決される。

上記方法の有利な改善形態は請求項１に従属する請求項において開示されている。

上記方法は、ガス圧の制御された吸気の最中に測定値を得ることを含んでいる。特許文献１に開示されている方法とは対照的に、測定された値から直に得ることのできるＰ−ｔ曲線は存在しない（圧力が制御されているため）。代わりに、数学的な式を用いて推定が行われる。

１つの有利な分析は肺の１区画モデルを採用することにより得られる。図１は、抵抗２とコンプライアンス４（コンプライアンスは容積に従属する変数であってよい）とが直列に接続された電気回路と同じシンボルを用いてこのモデルを示している。これにより次の式が得られる。

コンプライアンスＣは以下の式に従って容積に従属していてもよい。

ここで、ｂはストレス指数を表す。
つぎに、式（１）及び（２）を組合せ、新たな式を得ることができる。

さらに、容積の微分は流量に等しいと仮定することができる。流量が一定であると仮定すると、以下の関係が導かれる。

ここで、Ｑは流量である。
数式（３）において（４）を使用すると、

が得られる。
特許文献１では、肺ストレス評価の方法は、定流量の吸気期間に為されるＰ−ｔ測定に基づいている。特許文献１に開示されている方法の１つの実施形態では、吸気流量が一定であると仮定してつぎの関係式が用いられている。

ここで、Ｐは気道圧を表しており、ｔは時間、ａ及びｃは定数、ｂはストレス指数である。ｂの値は、Ｐ（ｔ）が一定か、凹か、凸かを決定する。これら３つの基本的形状は図２に示されている。図２では、曲線６Ａが直線であり、曲線６Ｂが凸であり、曲線６Ｃが凹である。ｂが呼吸の間変化する場合には、Ｐ（ｔ）がＳ字状の関係を有することもありうる。Ｐ（ｔ）の凸性又は凹性はストレス（例えば、肺の過拡張又は肺区画の周期的な開閉）の指標である。

数式５と６との比較により以下の式が得られる。

パラメータＲ、ｂ及び１／Ｃは、測定された流量と圧力に基づいて式５から求めることができる。算出方法の例としては最小２乗法及び反復適応法がある。これにより一般の場合のｂの値が得られる。これは式６における特別な場合のｂの値に対応している。

ｂが１よりも小さい場合には、吸気の間コンプライアンスは上昇する（式２から明らか）。これは肺胞単位の周期的な開閉に関連した危険を含意する。１よりも大きなｂの値は吸気の最中に低下するコンプライアンスに相応する。これは肺の過拡張が進行する危険性に関連している。

分析は呼吸ごとに実行してもよいし、複数の呼吸にわたる平均値に基づいて実行してもよい。

もちろん、出発点として他の方法を使用して、同様にストレス指数値ｂに達することも可能である。例えば、２区画肺モデルを使用することも可能である。

気道の抵抗は有利には

が成り立つモデルに従って計算することができる。ここで、Ｒ_ｌｉｎは定数寄与分であり、Ｒ_ｑｕａｄは流量に依存した寄与分である。

本発明の課題を解決する呼吸装置は、本明細書の冒頭で述べた装置を請求項５に記載された特徴に従って構成することにより得られる。

有利な改善及び実施形態は請求項５に従属する請求項から明らかである。

基本的に、この装置は呼吸ガスの圧力を調整する（またストレス指数値の算出のために圧力の値を供給する）ためのガス調整器と、患者へのガス流量を測定するための流量計と、ガス調整器を制御するための制御ユニットとを有している。制御ユニットはさらに上記方法を実行するように構成されている。

より詳細には、制御ユニットは上記数式５に関連したＲ、Ｃ及びｂの算出を実行するように構成又は工夫されている。

１つの有利な実施形態においては、制御ユニットはストレス指数値ｂをインターバルと比較するように構成される。インターバルは有利には０．５〜０．９５の下限と１．０５〜１．５の上限を有する。ストレス指数値ｂがこのインターバル内にある間は、肺ストレスは存在しない。ストレス指数値ｂがこのインターバルの外にある場合には、肺ストレスが存在する。このように、ストレス指数値ｂは、肺ストレスの存在と肺ストレスの大きさの両方の指標を提供する。それゆえ、ストレス指数値ｂは肺ストレス指数ＰＳＩの値として使用することができる。

同様の結果は他の数学的表現を使用しても得られる。

別の実施形態では、装置は表示ユニットと警報ユニットも有する。制御ユニットはさらに、例えばストレス指数値ｂの値（肺ストレス指数）に応じて複数の動作のうちの少なくとも１つを実行するように構成されている。装置は、ストレス指数が過度に高い又は過度に低いときには、傷害を与える可能性のある治療が被検者に対して為されていることを示す警報を発生させることができる。装置はストレス指数を表示ユニットに表示することができる。装置は肺ストレスを低減させるために制御パラメータにおける適切な変更を計算し、これらをオペレータに対してオプションとして表示ユニットに表示することができる。装置は制御パラメータにおける適切な変更の計算に従って制御パラメータを自動的に再設定することができる。装置は漸増措置を為すべきか決定することができ、したがって、漸増措置を勧告／自動的に実行する等ができる。

本発明による装置は有利にはＰＥＥＰ、１回換気量、気道圧、Ｉ：Ｅ比、又は他の人工呼吸器制御パラメータの自動再設定に使用することができる。

以下では、本発明の実施例を図面とともにより詳細に開示する。

特許文献１では、図２の圧力−時間グラフＰ−ｔに示されている３つの異なる曲線６Ａ，６Ｂ及び６Ｃが検討されている。曲線６Ａ−Ｃは定流量の吸気期間に圧力を測定することにより得られる。第１の曲線６Ａは実質的に直線であり、第２の曲線６Ｂは凸であり、第３の曲線６Ｃは凹である。

本発明及び出願では、同じ結果が定圧力の吸気期間に流量を測定することにより得られる。圧力は制御自体を通して得ることができるが、装置の他の部分又は患者の肺の中の正確な圧力値を得るために別個の圧力計を用いてもよい。

したがって、本発明はガスが一定の圧力で又は予め決められた圧力変化（上昇、低下、三角形状、正弦波状など）をもって供給されるすべての状況において適用可能である。圧力計を使用する場合は、不完全に得られた圧力変化も算出に利用してよい。ガスの供給は、呼吸装置が供給を完全に制御している制御モードにおいて為される。

本発明の方法によれば、Ｐ−ｔ吸気曲線の凸性又は凹性から得られる有益な情報は実質的に特許文献１に記載のものと同じである。本明細書ではさらなる詳細のため前記特許文献１を参考とする。

ストレス指数値ｂを得る１つの方法は肺の１区画モデルに測定を取り入れることである。このモデルは図１に示されている。肺はこのモデルによればコンプライアンス４に直列に接続された抵抗２として振る舞う。コンプライアンス４は容積に依存していてもよい。

ｂの値が流量、圧力、計算された抵抗、及びコンプライアンスから得られるような関係に到達するために使用される数式は上に示されており、ここで繰り返す必要はない。１区画モデルに代わって２区画モデル又は別の肺モデルを使用する場合には、他の数式を使用することができる。しかし、結果は実質的に同じである。

上記のような数学的モデルの代わりに、人工神経網（ＡＮＮ）、パターン認識システムなどのような他の数学的ツールを用いてストレス指数値を分析することもできる。

上記の分析に戻ると、ｂ値は３つの曲線又はグラフのうちの１つを表している。

凸グラフは１回換気量の増大とともにコンプライアンスが低下することを示す。吸気の間のこのような低下は過拡張の進行と相関している。このことは基本的に、換気される肺胞単位が拡張の物理的限界に達していることを意味する。このレベルでの治療は肺組織に物理的外傷を引き起こす可能性があるだけでなく、肺の血液循環に有害作用を及ぼす可能性がある。

凹グラフは肺容積の増大とともにコンプライアンスが上昇することを示す。このような上昇は肺内の肺胞単位の開大と相関している。治療の際に呼吸ごとに（又は複数の呼吸にわたる平均値として）この種のグラフが表示されるならば、それは肺胞単位の周期的な開閉の徴候である。このような治療は理想的でなく、肺に損傷を与える可能性がある。

言い換えれば、直線グラフが支配的であるような治療に達することが患者にとって有益である。これは定数ｂが１に近いか又は等しいという状況を意味する。

これに基づいて、定数ｂは肺ストレスの指標として使用される。肺ストレス指数（ＰＳＩ）としてｂを用いれば、ストレス指数の値はオペレータに肺ストレスを知らせるために使用することができる。実世界には常に変動があるので、通常の又は最小のストレス指は所定のインターバル内で変動することが許される。インターバルは例えば０．９〜１．１とすることができる。インターバルはオペレータが治療開始前に設定してもよい。

図３を参照すると、本発明による呼吸装置が示されている。呼吸装置は全体として数字８で表されている。装置８は、被検者又は患者１０に接続することができる。実質的に、肺に依存した呼吸を行うどんな動物も患者と見なしうる。

ガスは第１のガスインレット１２Ａと第２のガスインレット１２Ｂを介して装置８に入る。ガスはつぎに第１のガス調整器１４において選択された呼吸ガスと混合される。呼吸ガスが装置８外で混合される場合には、１つのガスインレットで十分である。呼吸ガスが２種以上のガスから構成される場合には、複数のガスインレットを使用することができる。この実施例では、空気と酸素がガスとして使用される。

ガス調整器１４は呼吸ガスの圧力及び流量も調整する。ガス調整器１４は通常、高圧ガスを下方調整するための１つ又は複数のバルブを有しているが、携帯呼吸装置の場合、調整器はファン、コンプレッサ又はガス流を発生させる同様の装置から構成されていてもよい。

ガス調整器１４を通過した後、呼吸ガスは第１の圧力計１６と第１の流量計１８を通過する。それから呼吸ガスは吸気ライン２０を通って、患者ライン２２へ、そして患者１０へと達する。

呼吸ガスは、患者ライン２２を戻って患者１０から呼気ライン２４へ流れ、また第２の流量計２６、第２の圧力計２８、及び第２のガス調整器３０を介して呼吸ガスアウトレット３２へと流れる。第２のガス調整器３０は通常、設定された終圧（呼気終末陽圧ＰＥＥＰ）を維持する目的で、呼気の間呼吸ガス流を制御するために使用される。

圧力計１６，２８、及び流量計１８，２６は、図示のように配置されなくてもよい。それらは例えばガス調整器１４，３０内に組み込んでもよい。また、それらは装置のガス流路内のどこか他の場所（例えば吸気ライン２０及び／又は患者ライン２２及び／又は呼気ライン２４）に配置してもよい。特に、圧力計は、肺又は気道の圧力を測定するために患者１０の体内に配置することも可能である。しかし、図示のような圧力計１６，２８と流量計１８，２６による測定に基づけば、例えば気道圧の相応する値を公知の方法で計算することができる。

第１のガス調整器１４及び第２のガス調整器３０の動作は制御ユニット３４により制御される。制御ユニット３４はまた、圧力計１６，２８と流量計１８，２６から情報を受け取る。測定情報に基づいて、制御ユニット３４は、とりわけ、上で明らかにしたストレス指数を求める。制御ユニット３４は公知の制御要素の任意の組合せから成っていてもよい。例えば、１つ又は複数のプロセッサとメモリを有するマイクロプロセッサベースのシステムであってよい。機能の実施のためにソフトウェアプログラミングを用いてもよい。また、制御ユニット３４はＥＰＲＯＭなどのようなハードワイヤ要素を有する、又は構成要素としてもよい。制御ユニット３４が実施することのできる他の機能及びタスクについては以下で論じる。

オペレータインタフェース３６により、装置８のオペレータは第１の通信リンク３８を介して主に制御ユニット３４と通信することができる。ディスプレイ４０は、プログラムされたパラメータ、選択可能な機能及びパラメータ、ならびに、ダイアグラム、推奨されるパラメータ、パラメータの波形、ストレス指数及び考えられる任意の情報を表示することができる。ディスプレイ４０はＣＲＴスクリーン、タッチセンサ付き又は無しのフラットスクリーン、プラズマスクリーン、又は画像表示のための任意の適当なスクリーンから成っていてよい。ディスプレイ４０はオペレータインタフェース３６に組み込まれていなくてもよく、１つの装置８に複数のディスプレイを使用してもよい。

付加的な装備（例えば、さらなるディスプレイ、ＰＣ、データベース又は遠隔監視ステーションへのイントラネットリンク、インターネットリンクなど）は全体として参照番号３８で示されており、通信のために装置８と接続することができる。この付加的な装備は第２の通信リンク４４を介して制御ユニット３４に、及び／又は第３の通信リンク４６を介してオペレータインタフェース３６に接続することができる。外部接続されたＰＣは、計算実行のために制御ユニット３４の一体化された構成部分としてもよい。

圧力制御された吸気に関連したストレス指数は、圧力制御された装置８の任意の圧力動作モード時に求めることができる。圧力は制御それ自体を通して得ることもできるし、又は圧力計１６，２８を用いて測定することもできる。なお、圧力計１６，２８は、上記のように、図示とは異なる位置に配置してもよい。

つぎに、患者１０に対して装置８をどのように使用するかの１例を示す。

肺が部分的に又は完全に虚脱した患者１０が装置８に接続されていると仮定する。患者１０を生かしておくことが第１の目的であるが、それは肺にさらなる損傷を与える危険を最小限に抑えて行われなければならない。それゆえ、制御ユニット３４は多数の動作を実行するようにプログラム／構成されている。これらの動作は、自動的に又はオペレータの先導にしたがって実行しうる複数の段階に分割することができる。

第１の段階は実質的に生命維持措置から成る。制御ユニット３４は第１のガス調整器１４と第２のガス調整器３０を制御して、呼吸サイクルを定める。この呼吸サイクルは、初期１回換気量、初期呼吸速度、呼吸サイクル時間に対する初期吸気時間、初期吸入酸素濃度（ＦｉＯ_２）及び初期ＰＥＥＰ値を有している。

初期値は制御ユニット３４にプリプログラムしてもよいが、有利にはオペレータインタフェース３６を介してオペレータにより入力されるか、又は年齢、体重、診断もしくは患者に関する他の利用可能な情報に基づいて制御ユニット３４により計算される。ＦｉＯ_２は例えば初期的には１００％に設定してもよい。

呼吸サイクルの間、制御ユニット３４は定期的にストレス指数値を求め、ストレス指数値を上述した所定のインターバルと比較する。インターバルは、約０．６〜０．９５の下限及び約１．０５〜１．４の上限、又は患者１０の初期条件の観点からして妥当な他のいずれかのインターバルを有することができる。この肺が虚脱した患者１０の例では、ストレス指数値はおそらく所定のインターバルを下回ることになる。

第２の段階は基本的に肺の開大を開始させるためのものである。制御ユニット３４は（主に）第２のガス調整器３０を制御して、ＰＥＥＰを漸進的に上昇させる。この上昇は、ストレス指数値が下限を超えるまで、すなわち、所定のインターバル内に入るまで続く。ＰＥＥＰを上昇させる際の増分はプリプログラムしてもよいし、制御ユニット３４により計算しても又はオペレータが入力してもよい。

第３の段階では、肺の開大そのものが目的である。この目的のために、１つ又は複数の漸増措置が装置８により実行される。漸増措置は実質的に、初期設定より高い圧力での吸気の延長（より正確には膨張）から成る。吸気はおよそ１分まで持続させ、圧力は４０〜６０ｃｍＨ_２Ｏまで上げてよい。また、値はその時点での特定の状況に応じて高く又は低くなることがある。漸増措置の制御パラメータはプリプログラムしてもよいし、制御ユニット３４により計算しても又はオペレータが入力してもよい。また、他の漸増措置も使用してよい。

漸増措置の後、ストレス指数値が再び求められ、所定のインターバルと比較される。ストレス指数値がインターバルよりも低い又はインターバル内にある（しかし最適ではない）ときでも、制御ユニット３４は第２のガス調整器３０を制御して、再びＰＥＥＰを上げる。

つぎに、ストレス指数値の新たな算出に続いて、別の１つ又は複数の漸増措置が与えられる。

この漸増措置とＰＥＥＰ値の上昇の手続は、ストレス指数値が所定のインターバルの上限を超えるか、又はＰＥＥＰレベルが予め定められた限界を超えるまで続く。このことは、肺が十分に漸増し、完全に開大したと見なすことができることを意味する。

第４の段階はＰＥＥＰの適正な設定に達することが目的である。したがって、制御ユニット３４は、ストレス指数値を求める一方で、装置８を制御してＰＥＥＰを下げる。ストレス指数値がインターバル内に入れば、ＰＥＥＰに関する設定は実質的に最適化される。

肺は開大しているので、ＦｉＯ_２を下げることができる。ＦｉＯ_２の適切な低下は酸素飽和度が１〜２％低下したときに到達される。飽和度を測る計器、及び、必要ならば、他の患者データは、図中では参照番号４８で示されている。上記低下はオペレータ又は制御ユニット３４により実施することができる（飽和度測定へのアクセスが必要）。

オペレータが別の換気モードを選択することを望むときには、制御ユニット３４が、オペレータへの提案として、決められた無ストレス設定をディスプレイ４０に表示するようにしてもよい。

上でははっきりと言及しなかったが、呼吸装置は、もちろん、当業者に周知の任意の機能を実施又は実現するように構成又は適合させることができる。

肺の１区画モデルを示す。

ストレス指数を図解する３つの圧力−時間曲線を示す。

本発明による装置の実施例を示す。

Claims (9)

1. 肺ストレスを評価する方法において、
   圧力制御された呼吸ガスの気流を発生させ、後続の流量を測定し、圧力と流量とに基づいて抵抗とコンプライアンスを求め、圧力、流量、抵抗、及びコンプライアンスに基づいてストレス指数値を求めることを特徴とする肺ストレスを評価する方法。
2. ストレス指数値を下記の一般的な関係式
   

   

   に基づいて求める、請求項１記載の方法。
3. ストレス指数値を呼吸ごとに求める、請求項１または２記載の方法。
4. ストレス指数値を複数の呼吸にわたる平均値に基づいて求める、請求項１または２記載の方法。
5. 呼吸ガス圧を調整するための少なくとも１つのガス調整器（１４，３２）と、少なくとも１つの流量計（１８，２６）と、前記ガス調整器（１４，３２）を所定の制御パラメータに基づいて制御するための制御ユニット（３４）とを備えた呼吸装置において、
   前記制御ユニット（３４）は請求項１から４のいずれか１項記載の方法に従ってストレス指数値を求めるように構成されている、ことを特徴とする呼吸装置。
6. 前記制御ユニット（３４）はさらに、求められたストレス指数値（ｂ）を所定のインターバルと比較し、求められたストレス指数値（ｂ）が前記所定のインターバル内にある場合には、被検者の肺に最小の肺ストレスが存在することを示し、求められたストレス指数値（ｂ）が前記所定のインターバルを下回る場合には、肺胞の開閉に起因する肺ストレスが存在することを示し、求められたストレス指数値（ｂ）が前記所定のインターバルを上回る場合には、肺胞の過拡張が存在することを示す、請求項５記載の呼吸装置。
7. 求められたストレス指数値ｂに対する前記所定のインターバルは、０．５〜０．９５の下限と１．０５〜１．５の上限とから成る、請求項６記載の呼吸装置。
8. 前記呼吸装置はさらに、該装置の動作に関する情報をオペレータに対して表示する表示ユニット（４０）と警報ユニットとを有し、
   前記制御ユニット（３４）は、ストレス指数値（ｂ）に基づいて、
   前記警報ユニットにおいて警報を発する動作；
   肺ストレスの存在を知らせる警告を前記表示ユニット（４０）に表示する動作；
   少なくとも１つの制御パラメータの変更を決定する動作；
   決定された変更を前記表示ユニット（４０）に表示する動作；
   決定された変更に従って自動的に制御パラメータを再設定する動作；
   漸増措置の勧告を前記表示ユニットに表示する動作；
   自動的に漸増措置を実行する動作のうちの少なくとも１つの動作を実行するように構成されている、請求項５から７のいずれか１項記載の呼吸装置。
9. 前記制御パラメータは、呼気終末陽圧（ＰＥＥＰ）、吸入酸素濃度（ＦｉＯ_２）、及び１回換気量（Ｖ_Ｔ）のうちの１つに関係する、請求項８記載の呼吸装置。

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