JP2008518733A - 人の心臓の心拍出量を決定する方法およびユニット - Google Patents
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Abstract
Description
呼気の1回換気量および呼吸数を測定するための呼吸検出器と、
呼気の1回換気量から酸素摂取量を測定するための酸素センサと、
呼気の1回換気量中のCO2分圧を測定するためのCO2センサと、
測定されたCO2分圧、呼気性の1回換気量および酸素摂取量を1呼吸当たりの心臓の1回拍出量に関連付けるために、循環モデル整合するようにプログラムされたプロセッサと、を備えた換気ユニットであって、
呼吸検出器、酸素センサおよびCO2センサは、測定された呼気の1回換気量、測定された酸素摂取量VO2および測定されたCO2分圧を入力する前記プロセッサに結合されるように構成され、およびプロセッサは、前記循環モデルに整合する出力ユニットに1呼吸当たりの心臓の1回拍出量を出力するように構成されている、換気ユニットを提供する。
1.酸素摂取量は基礎代謝に関連し、CO2生成に関連する。静止状態については、仰臥位の測定では、酸素摂取量の変化はほとんどない。
2.血液の酸素化レベルはCO2を運搬する血液の能力(「ホールデン効果」として公知の)を決定する。通常の静止時の測定では、酸素化は最適であり、CO2摂取量は以下に詳しく説明する式1により定義される。
血液のCO2含有量([CO2])を血液のCO2分圧(PCO2)に関連付けるCO2平衡曲線は、数式1を用いて[CO2]=f(PCO2)として表されている。
数式1
f(x)=0.53(1.266−exp(−0.0257x))
数式2
f−1(x)=−In(1.266−(x/0.53))0.0257
数式3
g(k)=1/9 (仰臥位)
=−0.0205+0.0263k (立位)
数式4
h(k)=1/9 (仰臥位)
=0.226(1.102−exp(−0.1063k)) (立位)
FRC、VcapおよびVDの各肺コンパートメントの構成比は、重み関数により与えられる。
数式5
w(k)=0.10055(1.36708−exp(−0.3393k))
これは表2に記載されたFRCおよびVcapの部分量を与える。
各呼吸nに対して、前記静脈のコンパートメントVv内のCO2の変化は、動脈のコンパートメントVaから到達する量Aと、基礎代謝により生成されるCO2の量Bとを加算し、静脈のコンパートメントを出る量Cを減算することにより表される。ここで、基礎代謝により生成されるCO2の合計量は1呼吸当たりの酸素摂取量VO2の関数として表される。各呼吸nに対して、静脈のCO2含有量([CO2]v,n)は数式6〜数式9に従うそれの前の値[CO2]v,n−1から計算される。静脈のコンパートメント内のCO2の量は、動脈のコンパートメントから到達する量(A)および基礎代謝から生成される量(B)により増加し、コンパートメントを出る量(C)により減少する。このようにして、以下の式が得られる。
数式6
[CO2]v,n−[CO2]v,n−1+(A+B−C)/Vv
ここで、
数式7
C=[CO2]v,n−1×SVn
数式8
A=[CO2]a,n−1×SVn
ここで[CO2]aは動脈のCO2含有量を表す。
数式9
B=’VO2、n×RQ(TRESPn/60)
ここで、’VO2,nは呼吸nに対する酸素抽出(ml・min−1)であり、RQは呼吸商であり、0.9(VCO2’を’VO2で割算することにより、被験者データからの近似としての平均)に設定される。この項は呼吸時間(min)により乗算され(TRESPn/60)、1呼吸当たり生成されるCO2を推定する。
各呼吸nに対して、前記静脈コンパートメントVv内のCO2の変化は、動脈のコンパートメントVaから到達する量Aと基礎代謝により生成されるCO2の量Bを加算し、静脈のコンパートメントを出る量Cを減算することにより表される。ここで、基礎代謝により生成されるCO2の合計量は1呼吸当たりの酸素摂取量VO2の関数として表される。
数式10
[CO2]a,n=[CO2]a,n−1 +(D−E)/Va
数式11
D=Σk=1 9f(PkCO2n−1)×g(k)×SVn
ここで、fは、血液のCO2含有量を血液のCO2分圧に関連付ける上述の関数であり、gは9つの肺コンパートメント全体にわたるSVの分布を定義する上述の関数である。量Eは以下の式で与えられる。
数式12
E=[CO2]a,n−1×SVn
肺のCO 2
各呼吸nについて、前記区域化された肺モデルの各区域k内のCO2量は、コンパートメントk内の推定されるCO2分圧PkCO2,nの関数として、肺の毛細管Vcap、機能残気量FRCおよび解剖学的死腔VD内のCO2の量Fと、心臓の1回拍出量SVnにより静脈コンパートメントから肺に運搬されるCO2の量Gとを加算して表される。ここで、区域内の推定されるCO2の分圧PkCO2,nは、各区域k内の空気中のCO2の推定割合bに関して表される。
数式13
F=f(PkCO2,n−1)w(k)Vcap+cPkCO2,n−1w(k)FRC
+cPETCO2,n−1w(k)VD
ここで、重み係数wおよび変換係数cは上述のとおりである。死腔内のCO2の寄与分は(最後の項)は、以前の呼吸からの呼気終末の空気が死腔から肺に戻されることに注意して計算される。静脈コンパートメントから肺に運搬されるCO2の量(G)は以下の式により与えられる。
数式14
G=[CO2]a,n−1×SVn×g(k)
数式15
α=f(PETCO2,n−1)/(cPETCO2,n−1)
数式16
b=(w(k)FRC+h(k)VTn)/(α(w(k)Vcap+g(k)SVn)
+w(k)FRC+h(k)VTn)
[CO2]k、n=b(F+G)/(w(k)FRC+h(k)VTn)
上記の定数cを使用する単純な変換により、次にPkCO2,nが得られる。PETCO2は、部分h(k),k=1,・・・,9により与えられる、1回換気量の分布に依存し、仰臥位および立位間で異なり、以下の式で計算される。
数式18
PETCO2,n=Σk=1 9h(k)PkCO2,n
仰臥位に関しては、呼気内の測定されるCO2分圧は、肺コンパートメント内のCO2分圧に関連付けできる。全体空気圧の比率としてのCO2圧力はCO2濃度(また比率として)に対応する。CO2平衡曲線に対して、血液中のCO2圧力は、上述の式1の関数に従って計算できる、より大きなCO2濃度(比率)に対応する。仰臥位に関しては、肺内のCO2分圧は、すべての区域に対して等しく、および呼気量内の測定されるCO2分圧にも等しい。したがって、血液中のCO2濃度は直接的に得ることができる。CO2の生成に係わる血液量は、心拍出量SVと毛細管容積Vcapを加えた合計量として表される。溶解したCO2の量は、推定できるCO2生成量により決定される。したがって、心拍出量は、呼気のCO2分圧を測定し、この測定値を数式1を用いて血液中のCO2濃度に関連付け、CO2生成量を血液中のCO2濃度で割算して心拍出量を算出し、肺の推定される毛細管容積を減算することにより、導き出すことができる。
数式19
SV=((呼吸毎のCO2排出量)/血液中の[CO2]−Vcap)
Claims (24)
- 呼吸の1回換気量を測定するセンサを設けるステップと、
呼吸の1回換気量内のCO2分圧を測定するセンサを設けるステップと、
測定されたCO2分圧、酸素摂取量および呼吸の1回換気量を、1呼吸当たりの心臓の1回拍出量に関連付けるための循環モデルを設けるステップと、
測定された呼吸の1回換気量、酸素摂取量および測定されたCO2分圧を前記循環モデルに入力し、および前記循環モデルに整合して1呼吸当たりの前記心臓の1回拍出量を出力するプロセッサを設けるステップと、
を含むことを特徴とする人の心臓の心拍出量を決定する方法。 - 前記呼吸の1回換気量から前記酸素摂取量を測定するセンサを設けるステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記呼気の1回換気量内の呼気終末のCO2分圧として前記CO2分圧を測定するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記呼気の1回換気量内の時間積分したCO2分圧として、前記CO2分圧を測定することをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記循環モデルは肺尖区域および肺底区域の分布を定義し、各区域は所定の換気血流比(V/Q)を定義し、
ここで、呼吸n当たりの心臓の1回拍出量SVnは、測定された呼気終末のCO2分圧および肺の酸素摂取量から求められる、各区域内の空気中のCO2の推定割合bに一致するように計算される請求項1に記載の方法。 - 前記循環モデルは、循環される全体血液量および換気される全体空気量を定義し、前記全体血液/空気量内の合計のCO2含有量を決定する請求項1に記載の方法。
- 前記区域化される循環モデルは、
肺内の循環血液の1呼吸当たりの心臓の1回拍出量SVのCO2含有量に対する区域化された血流の寄与率gと、
呼気の1回換気量VTのCO2含有量に対する区域化された換気の寄与率hと、
機能残気量FRCおよび肺の毛細管の血液容量VcapのCO2含有量に対する区域化された寄与率wとを決定する請求項2に記載の方法。 - 前記区域化された血流の寄与率gは、仰臥位においては定数であり、立位の姿勢においては肺尖から肺底区域にほぼ直線的に増加すると仮定される請求項7に記載の方法。
- 前記区域化された換気の寄与率hは、仰臥位においては定数であり、立位の姿勢においては肺尖から肺底区域にほぼ直線的に減少すると仮定される請求項7に記載の方法。
- 前記区域化された寄与率wは、立位の姿勢においては肺尖から肺底区域にほぼ指数関数的に減少する請求項7に記載の方法。
- 前記循環モデルは、静脈コンパートメントにより循環される全体血液量Vvと、動脈コンパートメントVaと、区域化された肺の毛細管の固定の血液容量Vcapと、前記区域全体にわたり分布する1呼吸当たりの可変の心臓の1回拍出量SVnとを定義し、
前記換気される全体空気量は、固定容積の区域化された機能残気量FRCと、前記区域全体に分布する可変の呼気の1回換気量VTnと、解剖学的死腔VDと、を含む請求項2に記載の方法。 - 各呼吸nについて、前記区域化された肺モデルの各区域k内のCO2量は、コンパートメントk内の推定されるCO2の分圧PkCO2,nの関数として、肺の毛細管Vcap、機能残気量FRCおよび解剖学的死腔VD内のCO2の量Fと、心臓の1回拍出量SVnにより静脈コンパートメントから肺に運搬されるCO2の量Gとを加算して表され、
ここで、区域内の推定されるCO2の分圧PkCO2,nは、各区域k内の空気中のCO2の推定割合bに関して表される請求項11に記載の方法。 - 前記推定割合bは、以下の式で表され、
b=(w(k)×FRC+h(k)×VTn)/
(α(w(k)×Vcap+g(k)×SVn)+w(k)×FRC+h(k)×VTn))
ここで、αは血液および空気中のCO2含有量の割合を定義し、
関数w(k)は、以下の式で表され、1から9のkに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
w(k)=0.10055(1.36708−exp(−0.3393k))
h(k)は、以下の式で表され、1から9のkに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
h(k)=1/9 (仰臥位)
=0.226(1.102−exp(−0.1063k)) (立位)
g(k)は、1から9のkに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
g(k)=1/9 (仰臥位)
=−0.0205+0.0263k (立位)
により表される請求項12に記載の方法。 - 前記割合αは、以下の式で近似され、
α=f(PETCO2,n−1)/(c×PETCO2,n−1)
ここで、関数fは、血液のCO2含有量([CO2])を前の呼吸の測定された呼気終末血液のCO2分圧(PETCO2,n−1)に関連付ける関数を表し、
cはCO2の分圧を空気中のCO2含有量に変換するための変換係数を表す請求項13に記載の方法。 - 関数fは、
f(x)=0.53(1.266−exp(−0.0257x))
として表される請求項14に記載の方法。 - 量FおよびGは、各区域kに対して、以下の各式で表され、
F=f(PkCO2,n−1)×w(k)×Vcap
+c×PkCO2,n−1×w(k)×FRC+c×PETCO2,n−1×w(k)×VD
G=[CO2]v、n−1×SVn×g(k)
ここで、
関数w(k)は、以下の式で表され、1から9のkに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
w(k)=0.10055(1.36708−exp(−0.3393k))
g(k)は、以下の式で表され、1から9のkに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
g(k)=1/9 (仰臥位)
=−0.0205+0.0263k (立位)
ここで、
関数fは、血液のCO2含有量([CO2])を血液のCO2分圧(PCO2)に関連付ける関数を表し、
PkCO2,nは区域k内の推定CO2分圧であり、
PETCO2は呼気終末の測定されたCO2分圧であり、
cはCO2の分圧を空気中のCO2含有量に変換するための変換係数を表し、
[CO2]v,nは静脈コンパートメント内のCO2含有量である、請求項12に記載の方法。 - 各呼吸nに対して、前記静脈コンパートメントVv内のCO2の変化は、前記動脈のコンパートメントVaから到達する量Aと、基礎代謝により生成されるCO2の量Bとを加算し、静脈コンパートメントを出る量Cを減算することにより表され、
ここで、基礎代謝により生成されるCO2の総量は1呼吸当たりの酸素摂取量VO2の関数として表される、請求項11に記載の方法。 - 静脈コンパートメントVv内の前記CO2の変化は、以下の式で表され、
[CO2]v、n−[CO2]v、n−1=(A+B−C)/Vv
ここで、
A=[CO2]a、n−1×SVn
B=VO2×RQ
C=[CO2]v、n−1×SVn
であり、
ここで、
[CO2]v,nは静脈コンパートメント内のCO2の含有量であり、
[CO2]aは動脈コンパートメント内のCO2の含有量であり、
VO2は呼吸n当たりの酸素抽出であり、
RQは0.9に設定された呼吸商である、請求項17に記載の方法。 - 各呼吸nに対して、前記動脈コンパートメントVa内のCO2の変化は、肺から到達するCO2量から動脈コンパートメントVaを出る量を引いた量として表され、
ここで、
前記肺から到達するCO2の量は各肺区域内の呼気終末のCO2分圧から推定される、請求項11に記載の方法。 - 動脈コンパートメントVa内の前記CO2の変化は、以下の式で表され、
[CO2]a、n−[CO2]a、n−1=(D−E)/Va
ここで、
[CO2]a,nは呼吸nに対する動脈コンパートメント内のCO2含有量であり、
Dは以下の式で表され、
D=Σkf(PkCO2,n−1)×g(k)×SVn
ここで、
fは血液のCO2含有量を肺区域k内の血液のCO2分圧PCO2に関連付ける関数であり、gはkの肺区域全体にわたるSVの血流の寄与率を定義し、
Eは以下の式、
E=[CO2]a、n−1×SVn
で表される、請求項19に記載の方法。 - 関数fは、以下の式で表され、
f(x)=0.53(1.266−exp(−0.0257x))
gは、1から9のkに対して肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
g(k)=1/9 (仰臥位)
=−0.0205+0.0263k
と表される、請求項20に記載の方法。 - 能動的または受動的に肺を換気するための換気ユニットであって、前記ユニットは呼吸マスク部品を備え、さらに、
呼気の1回換気量および呼吸数を測定する呼吸検出器と、
呼気の1回換気量から酸素摂取量を測定する酸素センサと、
呼気の1回換気量中のCO2分圧を測定するCO2センサと、
測定されたCO2分圧、呼気の1回換気量および酸素摂取量を1呼吸当たりの心臓の1回拍出量に関連付けるために、循環モデルに整合してプログラムされたプロセッサと、
を備え
前記呼吸検出器、酸素センサおよびCO2センサは、測定された呼気の1回換気量、測定された酸素摂取量VO2および測定されたCO2分圧を入力するための前記プロセッサに結合されるように構成され、前記プロセッサは、前記循環モデルに整合する出力ユニットに1呼吸当たりの心臓の1回拍出量を出力するように構成されている、換気ユニット。 - 前記循環モデルは肺尖区域および肺底区域の分布を定義し、各区域は所定の換気血流比(V/Q)を定義し、
ここで、呼吸n当たりの心臓の1回拍出量SVnは、測定された呼気終末のCO2分圧および肺の酸素摂取量から求められる、各区域内の空気中のCO2の推定割合bに整合するように計算される、請求項22に記載の換気ユニット。 - 前記プロセッサは
測定された酸素摂取量に基づく推定CO2生成量と、
前記測定されたCO2分圧に基づく血液中のCO2濃度と
CO2生成量を血液中のCO2濃度で割算し、肺の推定毛細管容積を減算して決定される、心臓の1回拍出量と、を提供するように構成された、請求項22に記載の換気ユニット。
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