JP3521915B2 - 心拍出量を非侵襲的に測定する装置及び方法 - Google Patents

心拍出量を非侵襲的に測定する装置及び方法

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Description

【発明の詳細な説明】 背景 発明の分野 本発明は患者の心拍出量を決定するための
非侵襲的手段に関し、特に、患者の心拍出量を決定する
ための部分的再呼吸システム及び方法に関する。
従来技術 患者の心拍出量を決定又は監視することは、
多くの医療処置において重要である。カテーテルを特定
の動脈の位置に挿入して（例えば大腿動脈、頚静脈な
ど）、患者の心拍出量を決定するため血液の温度及び血
圧を監視するという、カテーテルを用いた技術が当該技
術分野において一般に知られ、利用されている。このよ
うな技術によって道理に適った正確な結果を得ることが
できるが、この手法は侵襲的な性質をしているため、病
気や死につながる可能性が高い。
心拍出量のアドルフ・フィック（Adolph Fickの測定
法は、1870年に初めて提唱されたが、その日以来、心拍
出量を決定する他の全ての手段を評価する基準としての
役割を果たし続けている。CO2について書かれた周知の
フィックの方程式は、 である。ここでＱは心拍出量、VCO2は肺によって排出さ
れたCO2量、CaCO2、CvCO2はそれぞれ、静脈及び静脈のC
O2濃度である。動脈及び静脈のCO2濃度を決定するには
動脈血及び混合静脈血を試料として採取しなければなら
ないため、特にフィックの方程式は心拍出量を計算する
侵襲的な方法（すなわちカテーテル法）を仮定してい
る。
しかしながら、フィックの方程式に具体化された原理
をなお利用しながら心拍出量を決定するために、非侵襲
的手段が利用できることがこれまで示されてきた。つま
り、動脈CO2濃度を推定するのに呼気（吐き出された）C
O2（「pCO2」）のレベルを監視することができ、pCO2の
観察される変化を評価して心拍出量を推定するために、
様々な形式のフィックの方程式を適用することができ
る。非侵襲的手法で心拍出量を決定するためにフィック
の方程式を利用する方法の一つでは、フィックの方程式
の「標準の」換気イベント（event）を、呼気CO2値の変
化及び排出されたCO2量の変化を引き起こす急な換気の
変化と比較する必要がある。有効な換気に急な変化を与
えるために一般に実行される手段は、換気された患者
に、特定量の、予め吐き出した空気（呼気）を再呼吸さ
せることである。この手法は一般に、「再呼吸」と呼ば
れている。
従来の再呼吸法では、動脈CO2を概算するために呼吸
終期のCO2の分圧が利用されており、同時に肺は静脈CO2
を測定する圧力計の役割を果たす。このような再呼吸法
は、心拍出量を測定するための満足のいく手段であると
は証明されていなかった。なぜなら、患者は必要な結果
を得るために、閉じた体積へまたは閉じた体積から直接
息をする必要があるからである。しかしながら、鎮静さ
せた又は意識のない患者を、バッグの中に息を吸い込ん
だり吐き出したりするよう能動的に参加させるのは、普
通不可能である。PVCO2は摂動（perturbation）の期間
中変化しないと仮定することにより、フィックの方程式
を、静脈PCO2（PVCO2）を直接計算しなくても済むよう
に更に修正できることが何人かの研究者の研究によって
明らかとなった。その仮定は部分的再呼吸方法を使用す
ることによって形成された［チャペック等（Capek et a
l.）、“Noninvasive Measurement of Cardiac Output
Using Partial CO2 Rebreathing",IEEE Transactions O
n Biomedical Engineering、第35巻、第９号、1988年９
月、653−661ページ参照］。
公知の部分的再呼吸法は、１）非侵襲的である、２）
一般に容認されたフィックの原理を計算に利用する、
３）容易に自動化できる、４）患者の協力を必要としな
い、５）一般に監視される臨床上のシグナルから心拍出
量を算出できる、という理由から侵襲的測定法よりも有
利である。しかしながら、公知の部分的再呼吸方法には
重大な不利益もある。特に、公知の方法は、１）挿管し
ていない患者や自発的に呼吸できる患者に関する精度が
低い、２）断続的な測定しかできない（通常、約40分
毎）、３）動脈CO2レベルの増加はわずかに観察される
が一般に言って臨床上取るに足らない増加である、４）
短絡された血流（つまり、ガス交換に関与しない血液）
の測定は許容されない。さらに、部分的再呼吸法に使用
される公知の装置は、標準的な構成をしており、患者の
大きさまたは患者の容量の違いが補正されない。また、
多くの装置には、使い捨ての構成要素として使用するに
は装置が高価になりすぎる三方向弁のような高価な要素
が使用される。
したがって、１）従来のシステムの課題を克服し、
２）より良好かつ連続的に測定でき、３）一回使用の、
すなわち使い捨ての製品として製造するのに適した装置
を作ることができるよう高価な装置を必要としない部分
的再呼吸法を利用した、心拍出量を測定する手段を与え
ることは有益であろう。患者の様々な大きさ及び容量を
補正するために即座に調節できる部分的再呼吸装置を与
えても、有益であろう。更に、当該技術分野において現
在使用されているような呼吸終期のCO2よりも肺胞のCO2
排出量に基づく新しい心拍出量の計算法を与えることも
有益であろう。
発明の概要 本発明によれば、修正されたフィック方程式を用いて
心拍出量を測定する装置及び方法が提供され、この装置
及び方法において、患者によって再呼吸されるべき呼気
の量を増減するために、該装置に設けられた死腔の量を
調節することができ、それによって気道の圧力を変えず
に換気を減小させることができる。本発明の装置及び方
法は装置を患者のいかなる大きさ又は容量にも合うよう
に該装置を調節できる調節要素も提供する。また、本発
明の装置は、大いに費用が少なくて済む構成要素を使用
し、それによって装置を使い捨てにすることができる。
本発明の装置及び方法では、pCO2流量の変化及び濃度
の変化を計算して心拍出量を計算するために、修正され
たフィック方程式を適用する。CO2について書かれた伝
統的なフィックの方程式は、 である。ここでＱは心拍出量（肺毛細管血流量すなわち
「PCBF」に関する再呼吸法を利用して計算された場
合）、VCO2は肺からのCO2の排出量、CaCO2、CvCO2はそ
れぞれ、静脈及び静脈のCO2濃度である。別の人の先行
する研究において、心拍出量は、呼吸終期CO2によって
推定できるように、換気を急に変化させる結果として起
こるpCO2の変化を計算することにより、算出できるとい
うことが示されている。これは、以下のようなフィック
の方程式の微分形式を適用することによって遂行するこ
とができる。
ここでCaは動脈のCO2濃度、Cvは静脈のCO2濃度を示
し、下付文字１及び２はそれぞれ、換気の変化前の測定
値及び換気の変化中の測定値に対する参照符号である。
それゆえ、このフィックの方程式の微分形式は以下のよ
うに書き直すことができる。
ここでΔVCO2は換気の変化に応じたCO2生成量の変
化、ΔCaCO2は換気の変化に応じた動脈CO2濃度の変化、
ΔetCO2は呼吸終期CO2濃度の変化、ｓはCO2解離曲線の
傾きである。前述の微分方程式は、チャペック等（Cape
k,etal.）によって彼らの前述の研究において示された
ように、再呼吸（episode）の間、測定できるほどの静
脈CO2濃度の変化は起こらないことを想定している。ま
た、当該技術分野においてよく知られるように、解離曲
線は、分圧の測定に基づいてCO2濃度を決定するために
使用される。
以前の部分的再呼吸法では、有効な肺胞の換気を減小
させるために、一般に追加的な50−250ml容量の空気の
通り道を備えた死腔が、換気回路に配設されていた。本
発明では、異なる大きさの患者の必要に合うCO2生成量
及び呼吸終期CO2の正確な変化を決定するのに必要な換
気の変化を与えるための調節可能な死腔が、換気装置に
設けられる。換気装置の一実施形態において、選択的に
調節可能な死腔が与えられ、患者は該死腔を通じて呼吸
する。したがって、装置の調節可能な死腔によって、死
腔を容易に調節し、小さい成人から大きい成人まで患者
の任意の大きさ又は容積にも適応させることができる。
結果として、気道の圧力を変化させずに有効な換気量を
減小させることができる、患者の大きさに合わせた再呼
吸可能なガス体積が患者に与えられる。気道の圧力及び
胸部内圧は本発明の再呼吸法に影響されないので、心拍
出量は再呼吸によって有意に影響されることはない。別
の方法において、呼気ガスを選択的に換気システムから
大気へ、又は吸息の間に閉じられた容器手段へと漏出さ
せることによって、死腔を有効に減小させることができ
る。
本発明の換気装置は、患者に接触して配置される管状
部分と、吸息管路及び呼息管路とを有する。一般的な形
態において、吸息管路及び呼息管路は、換気装置ユニッ
トと患者との間に連結され得る。しかしながら、代わり
に、換気装置ユニット（すなわち患者の呼吸を援助する
ために機械的に操作される搬送可能なガス供給源）を換
気装置に備えて使用しなくてもよく、吸い込まれる及び
吐き出される息は単に大気から取られるか、大気へと排
出される。例えば呼吸マスクのような、換気装置ユニッ
トに関して又は患者の換気において一般的に使用される
他の従来の装置を本発明の換気装置と共に使用してもよ
い。
ガス流量を測定する電気呼吸流量計及びCO2濃度を測
定するカプノグラフが換気装置の吸息部分及び呼息部分
と、患者の肺との間の管状部分に近接して配置される。
呼吸流量計及びカプノグラムはガス濃度の変化及びガス
流量の変化を検出するための検出装置の役割を果たし、
該検出装置によって得られた測定値を実時間で記憶及び
算出するように設計されたソフトウェアを有するコンピ
ュータと電気的に連通されている。他の形式の検出装置
を使用してもよい。調節可能な死腔手段が換気装置の呼
息部分と接続された状態に配置されるが、換気装置の吸
息部分と連結されてもよい。一実施形態において、調節
可能な死腔手段は手で調節することができる。代わり
に、患者の大きさ又は容量に応じて及び換気の変化に応
じて死腔の体積を自動的に調節するために、電気機械的
手段をコンピュータと調節可能な死腔手段との間に、連
結してもよい。
別の実施形態において、微分フィック方程式を用いて
肺のCO2変化を計算するのに必要な換気の変化を与える
ために、気管ガス吸入装置が使用される。気管ガス吸入
（「TGI」）は一般に、肺の肺胞空間の死腔にガスを送
り（flush）、吸入手段を通じて注入された新鮮なガス
で死腔を置き換えるために使用される。つまり、新鮮な
ガスは、肺胞の換気を改善するために及び／又は換気圧
力の必要量を最小にするために、中央の気道に導入され
る。TGI装置は換気装置システムと連結され、呼吸チュ
ーブが患者の肺に入った時に新鮮なガスを呼吸チューブ
へと導入する手段を有する。このTGI装置は、TGIの間に
基準のVCO2及びetCO2の測定値を決定するために、本発
明の方法に使用することができる。TGIシステムが停止
されると、患者の気管及びTGI装置の気管内チューブに
よって死腔が形成され、本発明にしたがって算出される
CO2の変化を測定することができる。更に、TGI装置のカ
テーテルは、死腔の体積を更に調節するために患者の気
管内で可変に配置することができる。
本発明の装置において設けられた死腔によって、VCO2
は急降下するが、このVCO2はその後、肺のガスの機能的
残気量が肺胞CO2レベルの増加と平衡になるにつれて、
わずかにゆっくりと増加する。死腔を追加した後で、肺
胞死腔及び心拍出量に依存してetCO2の変化がよりゆっ
くり起こるが、その後新しいレベルに安定する。死腔を
導入（すなわち再呼吸）する直前に「標準の」又は基準
の呼吸エピソードが選択された期間の間行われ、VCO2及
びetCO2の値が「標準の」呼吸イベントの間になされた
測定値に基づいて決定される。これらの値は、微分フィ
ック方程式においてVCO21及びCaCO21に代用される。VCO
2及びetCO2の値は、部分的再呼吸の間に死腔を導入した
後に約30秒間取られた測定値からも決定することがで
き、この値は微分フィック方程式の第２の値（下付文字
２の値）を与える。部分的再呼吸が起こる期間及び標準
の呼吸が起こる期間は患者の個別の大きさ及び肺容量に
よって決定され得る。その上、再呼吸と次の通常の呼吸
エピソードとの間の期間を、特定の患者の大きさ及び呼
吸容量に依存して患者間で変化させることができる。し
たがって、呼吸エピソードのための30秒間の期間は単に
平均時間であり、長くも短くもすることができる。
本発明では、心拍出量を決定するのに、従来技術にお
いて実施されていたように呼吸終期のCO2濃度に基づく
よりも、むしろ肺胞CO2濃度を算出する。CO2の測定値か
ら得られる分圧の値は、当該技術分野において公知の解
離方程式を用いて血液中のガス含量の値に変換される。
したがって、心拍出量をより正確に決定することができ
る。加えて、心拍出量の正確さは、呼息の最後に肺に残
るガスの体積として定義される肺の機能的残気量に入る
CO2の流れを計上（account for）するためにVCO2の値を
補正することによって増大する。経験的データに基づく
数値決定が、心拍出量を決定するソフトウェアプログラ
ムによって処理される。
本発明の換気装置では、当該技術分野において今まで
使われていたシステムと比較して、費用はかからないが
正確な監視システムを使用する。本発明の方法によっ
て、異なる大きさの患者に適応させるために装置を自動
調節することができ、又、適度な回復期間と首尾一貫し
た監視が提供される。更に、本発明の装置及び方法は挿
管しておらず反応のある患者と同様、無反応で挿管され
た患者にも等しく使用することができる。
図面の簡単な説明 図面には、発明を実施するためのベストモードと現時
点で考えられるものを示す。
図１は、患者の呼吸を援助するのに使用される従来の
換気システムの略図である。
図２は、従来技術の再呼吸システムの略図である。
図３は、調節可能に拡張できる死腔を示す本発明の換
気装置の第１実施形態の略図である。
図４は、再呼吸回路が漏出弁を備えるように構成され
た本発明の別の実施形態の略図である。
図５（ａ）−（ｃ）は、換気回路の吸息部及び呼息部
が連結され且つ閉鎖可能な二方向弁を備えた、本発明の
さらに別の実施形態の略図である。
図６は、図５に示した実施形態と同様ではあるが吸息
部及び呼息部を調節可能に拡張できる、別の実施形態の
略図である。
図７は、一連の弁が吸息部及び呼息部の長さに沿って
配設され、患者の大きさ及び／又は容量に応じて選択可
能な体積の死腔を与えることができる、本発明の別の実
施形態の略図である。
図８（ａ）及び（ｂ）は、大気への通気孔及び類似の
伸展性を有する容器への孔の両方に漏出弁が配設され
た、本発明の別の実施形態の略図である。
図９は、必要な換気の変化に死腔を与えるために使用
することができる本発明の気管ガス注入装置の略図であ
る。
図10は、患者の肺の並行死腔、肺胞死腔、及び連続的
死腔の概念を示すヒトの肺の略図である。
図11は、通常の呼吸の測定値及び部分的再呼吸の測定
値から心拍出量を算出するためにソフトウェアプログラ
ムで行われる計算について簡単に述べた流れ図である。
図示例の詳細な説明 比較のため、図１には、疾患の間、外科的処置の間、
又は外科的処置からの回復の間、呼吸に援助が必要な患
者に関して一般に使用される、従来の換気システムを概
略的に示す。従来の換気システム10は挿管法によって気
管に挿入される管状部分12を有する。管状部分12の末端
部14はＹ字部分16に嵌合され、Ｙ字部分16は吸息ホース
18及び呼息ホース20に連結される。吸息ホース18及び呼
息ホース20はどちらも、空気を吸息ホースに搬送する換
気装置（図示しない）に接続される。一方向弁22が吸息
ホースに設けられ、吐き出されたガス（呼気ガス）が弁
22を超えて吸息ホース18に入ってくるのを防止する。呼
息ホース20にある同様な一方向弁24は、吸い込んだガス
が呼息ホース20の中へ移動するのを制限する。呼気は受
動的に呼息ホース20の中に入る。
図２に示されるように、一般に知られている再呼吸換
気回路30では、管状部分32が挿管法によって患者の気管
に挿入され、ガスが換気装置（図示しない）から吸息ホ
ース34を経て供給される。該吸息ホース34はＹ字部分36
によって、呼息ホース38と連結される。ホース40の追加
的長さ部分が、管状部分32とＹ字部分36との間に設けら
れ、呼気ガスを受け取る死腔としての機能を果たす。Ｙ
字部分36とホース40の追加的長さ部分へ通じる開口部と
の間に一般に配置される三方向弁42は、ガスの流れを選
択的に方向づけるため、間欠的に作動するよう形成され
る。つまり、第１の配置において、弁42は吸い込んだガ
スが管状部分32に入るのを許容すると同時に、該ガスが
ホース40の追加的長さ部分へと移動するのを防止する。
第２の配置において、弁42は吐き出されたガスが呼息ホ
ース38へ入るのを許容すると同時に、該ガスがホース40
の追加的長さ部分へと移動するのを防止する。第３の配
置において、三方向弁42は、吐き出された空気をホース
40の追加的長さ部分に入るように振り向け、患者が次の
息でその吐き出された空気を再呼吸できるようにし、そ
れによって効果的な換気の変化を起こすことができる。
図２の従来技術のシステムでは、この換気の変化によ
って引き起こされたVCO2及び呼吸終期CO2の変化を、心
拍出量を算出するために使用することができる。ホース
40の追加的長さ部分と管状部分32との間において、検出
装置及び／又は監視装置を再呼吸換気回路30に取り付け
てもよい。検出装置及び／又は監視装置には、例えばCO
2濃度を検出する手段44や、吸息及び呼息の間の流量パ
ラメーターを検出する手段46が含まれ得る。このような
検出装置及び／又は監視装置は一般に、データ記録及び
表示装置（図示しない）に接続される。従来技術のシス
テムを使用する際に遭遇する問題の一つに、ホース40の
追加的長さ部分によって与えられる死腔が固定されてお
り、調節できないことがある。結果として、小さい成人
が再呼吸するために回路に与えられる死腔の量は、大き
い成人が再呼吸するのに利用できる死腔の量と同じであ
り、死腔が固定されたシステムから得られる、大きさの
異なる患者に関するCO2値の変化では、心拍出量の評価
が不十分になる可能性がある。さらに、このシステムの
三方向弁40は高価であり、換気装置にかかる費用が大幅
に増大する。
図３は心拍出量を検出又は監視するために使用される
公知の換気装置に改良を加えた、本発明の換気装置を示
す。本発明の換気装置50は、患者の肺と連通するように
配置された管状のエアウェイ52（通気器具）を有する。
本発明の換気装置50は、従来技術においてなされるのと
同様、挿管法によって気管と連通するように配置するこ
とができるが、本発明の換気装置50は患者の気管に直接
挿入する必要がない。また、患者の鼻又は口に装着する
呼吸マスクを使用してもよい。このように、本発明は、
換気の補助を必要とする意識のない患者や非協力的な患
者に使用することができ、意識のある患者と同等な効力
で使用することができる。当該換気装置50は吸息ホース
54及び呼息ホース56も有し、これらは各々大気へと通気
されてもよいし、又は吸息ホース54を通じて患者に送ら
れるガスを提供する換気装置（図示しない）と接続され
てもよい。吸息ガス54と呼息ホース56とはＹ字部分58に
よって接合される。
Ｙ字部分58は、患者から吐き出されたガスを受け取る
死腔を提供する、管又はホース60の追加的長さ部分とつ
ながる。しかしながら、ホースの追加的長さ60は選択的
に拡張できるように形成され、患者の大きさ又は肺容
量、若しくは呼吸量の増減や呼吸数の変化のような他の
換気のパラメーターに合うように、死腔の体積を容易に
調節することができるようになっている。図３の略図に
よって示唆されるように、死腔の選択的拡張は、例えば
ホース60の追加的長さ部分に、単に長軸64に沿って拡張
可能部分62を引いたり押したりするだけで長くしたり短
くしたりすることができる波形を付けた一本のホースか
ら形成された拡張可能部分62を備えるように構成するこ
とによって達成され得る。波形を付けたホースは再び調
節されるまで、配置された長さを保つ。死腔の体積を調
節可能に拡張する他の適切な手段を利用することがで
き、ホース60の長さを伸ばすことは、手段の一つにすぎ
ない。息を吸い込んだ時に吸息ガスを強制的に死腔70に
入れるようにするために、三方向弁68をホース60の追加
的長さ部分に接続することができる。三方向弁68は、通
常の呼吸を行っている間に呼気ガスが死腔70に進入する
のを選択的に防止するよう構成することもできるし、あ
るいは、呼気ガスを再呼吸の間に死腔70の方向へ向け
て、患者が呼気ガスを死腔70から再呼吸するせざるを得
ないように構成することもできる。
流量計72、すなわち呼吸流量計は、管状エアウェイ52
及びホース60の追加的長さ部分の間において、換気装置
50に取り付けられる。流量計72は換気装置50の中を通る
ガス流量を検出する。CO2センサ74、すなわちカプノグ
ラフも又、エアウェイ52とホースの追加的長さ60との間
において、換気装置50に取り付けられる。CO2センサ74
は換気の変化によって生じるCO2の変化を検出し、そこ
から得られるデータが心拍出量の算出に使用される。CO
2センサ74は「エアウェイ上の」センサ、わきを流れる
試料を試験のために回収するタイプの試料標本抽出セン
サ、又はどのような他の適切なセンサであってもよい。
流量計72及びCO2センサ74は両方とも、流量計72及びCO2
センサ74から得られたデータを記憶及び解析し、該デー
タから患者の心拍出量の推定値を計算するようにプログ
ラムされたコンピュータ76に接続される。
本明細書において上述したように、心拍出量を概算す
るために、フィックの微分方程式では、患者に起こる肺
でのガス濃度の変化と、排出量の変化とを必要とする。
患者によって予め吐き出された再呼吸のガスでは、患者
によって吸い込まれるCO2量が増加するので、通常の換
気の間の標準的なCO2レベルと比較して、有効な換気の
変化の間に増加したCO2レベルを評価することができ
る。本発明の換気装置によって、再呼吸の際に必要な死
腔を、選択的に調節する能力が提供され、前もって吐き
出された呼気から患者によって再呼吸されるガス（C
O2）量を増加させることができる。本発明の換気装置で
は、患者の大きさや容量に従って、及び換気パラメータ
ーに応答して、自動的に換気回路を調節することもでき
る。つまり、etCO2の検出された変化が3mmHgよりも小さ
かったり、又はVCO2の変化がVCO2の0.2倍よりも小さい
場合、死腔の体積は20パーセント増加されるべきであ
る。
図４に示されるように、本発明の装置50の別の実施形
態において、費用のかからない二方向弁78を備えるよう
にホース60の追加的長さ部分を構成し、死腔70の入口82
と出口84との間に流量絞り弁80を配設することによっ
て、三方向弁を使用する費用を削除することができる。
したがって、二方向弁78が閉じられた場合、換気装置へ
のガス及び換気装置からのガスは流量絞り弁80を通って
患者へ向けられるだろう。再呼吸の間、吐き出された空
気が流量絞り弁80に遭遇して死腔70を通ってより抵抗の
小さい進路を辿るよう、二方向弁78は開放される。した
がって、心拍出量の変化を算出するのに必要な死腔を提
供するため、拡張可能部分62において死腔70を調節する
ことができる。
図５（ａ）−（ｃ）に示すような、本発明の換気装置
50のまた別の実施形態では、短絡線84が吸息ホース54と
呼息ホース56との間に配設され、回路に選択的な大きさ
に形成される死腔70が提供される。図５（ａ）−（ｃ）
に示した実施形態の構造によって、吸息ホース54及び呼
息ホース56は死腔の一部としても機能する。短絡線84上
に配置された二方向短絡弁86は、短絡弁86が開放されて
いるか閉鎖されているか依存して、吸い込まれた及び吐
き出されたガスの流れを選択的に方向づける。したがっ
て、換気装置50が通常のすなわち基準の呼吸用に形成さ
れる場合、図５（ａ）に示されるように、呼気（斜線で
示す）は呼息ホースへ入る。通常の呼吸の間、短絡弁86
は閉鎖される。換気装置50が再呼吸のエピソード用に形
成される場合、図５（ｂ）に示されるように、短絡弁86
は開放され、呼気ガスは吸息ホース54の一部、並びに呼
息ホース56及び短絡線84の全部を充填し、これらはすべ
て死腔70の役割を果たす。
図５（ａ）−（ｃ）に示された実施形態の死腔70は、
図６に示されるように、短絡線84とＹ字部分58との間に
拡張可能部分90を配置した吸息ホース54を構成し、かつ
短絡線84とＹ字部分58との間に拡張可能部分92を配置し
た呼息ホース56を構成することによって、調節可能に拡
張できるようにすることができる。このように、死腔70
は患者の大きさ及び容量に従って、又は操作条件に応じ
て、Ｙ字部分58から延びる吸息ホース54及び呼息ホース
56の拡張可能部分を増加させることによって、選択的に
調節することができる。調節可能に拡張することができ
る適当な手段であれば、いかなる手段を使用してもよ
い。とはいえ、図６によって示唆されるように、拡張可
能部分90、92は、全長を容易に拡張又は収縮することが
できる波形を付けたプラスチック材料から形成すること
ができ、該プラスチック材料は位置を変化させるまで調
節された長さを保つ。図６の実施形態では、使い勝手が
良く使い捨て可能であるが故に特に好適な実施形態とさ
れる、特に簡単で費用のかからない構造が提供される。
本発明の換気装置50のさらに別の実施形態において、
図７に示されるように、複数の短絡線84、94、96を吸息
ホース54と呼息ホース56との間に配設し、短絡線84、9
4、96の各々が二方向弁86、98、100を備えるように構成
することによって、利用できる死腔70の量を選択的に調
節することができる。操作の際、患者の大きさ又は容量
によって決定される死腔70の必要量は、呼気ガスの換気
装置50の中での移動を可能にする任意の適切な数の短絡
線84、94、96を使用することによって、選択的に設ける
ことができる。例えば、平均的な大きさ又は平均的な肺
容量の患者を仮定すると、潜在的な死腔70として第１の
短絡線84と第２の短絡線94とを使用することが適切であ
ろう。したがって、この患者が再呼吸において息を吐き
出すと、第１の短絡線84及び第２の短絡線94に付随する
短絡弁86、98は開かれ、呼気ガス及び再呼吸可能なガス
によって、呼息ホース56、第２の短絡線94とＹ字部分58
との間における吸息ホース54、並びに第１短絡線84及び
第２の短絡線94が充填される。身体が大きいか又は肺容
量が大きい患者に関しては、再呼吸のために十分な死腔
70を設ける際に、第３の短絡線96を更に使用する必要が
あり得る。特に、短絡弁86、98、100の各々は、コンピ
ュータ76（図７には図示していない）と電気機械的に連
通してもよく、この場合、コンピュータは、肺流量計か
ら判断して、例えば、追加の死腔70が必要であることを
決定し、十分な追加の死腔70を提供するために短絡弁8
6、98、100のうちの一つ以上を開放させることができ
る。別の実施形態において、図７に示される換気装置50
は、図６に示されるように選択的に拡張可能な部分90を
加えることによって変形してもよい。
先に図で例示して説明した本発明のいくつかの代替の
実施形態において、死腔の量すなわち体積は、例えば長
さを拡張する手段を与えるなど死腔の体積を調節する手
段を与えることによって、選択的に調節することができ
た。しかしながら、フリックの微分方程式に必要とされ
るように、呼吸のうちの吸息期の間、吐き出されたガス
のうちの一部をシステムから漏出させることによって、
換気を変化させることも同様に適切である。したがっ
て、図８（ａ）に示されるように、本発明の換気装置50
は、換気装置50の呼息ホース56に接続された排気線106
を備えるように構成することができる。排気線106は、
該排気線106に接続された簡易弁108のようなガス放出構
造を備えるように構成してもよい。簡易弁108が開く
と、呼気ガスは排気線106を通って移動することができ
る。排気線106の端部に配置されたオリフィス110によっ
て、呼気ガスの一部を大気へ放出することができる。
再呼吸の間に、いつ、どれくらいの量の吐き出された
ガスを換気装置50から漏出させるべきかは、流れの状
態、CO2の状態、及び／又は患者のサイズや肺容量に応
じて、コンピュータ（図８には図示していない）によっ
て決定することができる。弁108は、コンピュータと電
気機械的に連通されるが、換気又は患者の諸条件にした
がって選択的に作動させることができる。患者に麻酔が
かけられていたり、そうでなければ大気へ排出するには
望ましくないガスを患者が吐き出したりしている所で
は、図８（ｂ）に示される拡張可能なバッグのような伸
展性を有する容器112を、排気線106に取り付けて、換気
回路から漏出する呼気ガスを受け取るようにしてもよ
い。
図９は、患者の心拍出量を決定する際に必要な死腔を
提供する、気管ガス注入（TGI）装置120の使用法を示す
略図である。TGI装置は一般に、肺胞の換気を改善する
ために中央の気道に新鮮なガスを注入する必要のある病
気の患者を換気するのに使用される。TGI装置は、連続
的又は位相性の（例えば吸入の間だけの）ガス注入を行
うように形成することができる。TGI装置はガス、又は
酸素／ガスの混合気を、呼吸毎に肺に供給する。図９に
示されるように、TGI装置は、挿管法によって患者の気
管124に挿入された気管内チューブ122を備える。カテー
テル126は気管内チューブ122を通って患者の肺へちょう
ど竜骨の上まで延びる。ガス又は酸素／ガス混合気は、
ガス供給源128から供給され、ガス管130を通ってカテー
テル126内へと向けられる。流量計132は肺に導入すべき
ガスの最適量を決定するのを援助することができる。
アダプター継手134は、先に述べた種類の換気回路136
をTGI装置120に接続するために使用することができる。
つまり、吸息ホース54及び呼息ホース56がそこから延び
るＹ字部分58を備えた換気回路136は、流量計（図示し
ない）に取付可能な流量計線72と、再呼吸イベントの間
に得られるデータを収集するCO2センサ74とを備えるよ
うに構成される。例示したTGI装置120において、気管内
チューブ122は、上述した換気回路136に加えて、再呼吸
に必要な死腔70を提供する。しかしながら、死腔として
の機能を果たすには、TGI装置（すなわちガス供給源128
及び流量計132）は停止させるか、減力させるか、又は
動作不能にしなければならない。それによって呼気は気
管内チューブ122を充填し、Ｙ字部分58に進入すること
ができるようになる。TGI装置120が停止されている時、
気管内チューブ122及び換気回路136は死腔の役割をす
る。TGI装置の形態によって提供される死腔の体積は、
カテーテル126を患者の気管内に配置する深さを変化さ
せることによって、必要に応じて更に増減させることが
できる。
流量計72及びCO2センサ74が接続されたコンピュータ
は、流量計72及びCO2センサ74によって収集されたデー
タを受け取り、そのデータを解析して心拍出量の推定値
を計算するようにプログラムされている。データを解析
し、心拍出量を推定するためにソフトウェアプログラム
によって必要とされるパラメータについては以下に述べ
る。
任意の患者に関する心拍出量の計算は、本発明の換気
装置に取り付けられたCO2センサ及び流量計から得られ
た収集データに基づく。流量モニター及びCO2センサか
ら出された生の流量信号及びCO2信号は、アーチファク
トを除外するためにフィルター処理され、その流量信
号、CO2信号、及び圧力信号が、ソフトウェアプログラ
ムのバッファー内に記憶される。流量信号が所定の閾値
（例えば15リットル／分）を交差すると、バッファーは
最新の零交差を見つけるために検索される。この零交差
は、新しい呼吸の開始部分とみなされる。最終の零交差
及び所定の閾値の交差（すなわち新しい零交差）以後に
バッファーに記憶されたデータ全体が、一呼吸周期とし
て確認される。呼吸周期毎に、その呼吸期のパラメータ
が以下のように算出される。
１） etCO2:呼息期の体積の最後の５％の間の平均CO2
濃度を呼吸終期CO2（etCO2）とする。
２） VCO2:流量（ミリリットル）に全呼吸にわたるCO2
濃度を掛けた全体がVCO2である。
３） 吸息CO2:これは吸い込まれたCO2の濃度である。C
O2の濃度に息を吸い込む間の空気流の体積（すなわち負
の流量）を掛けた全体である。
４） 気道死腔:CO2濃度が例えばetCO2の0.5倍に選択さ
れた閾値の設定を交差した時の吐き出された体積（ミリ
リットル）として決定される。
VCO2及びetCO2の初期値は、三点中央値フィルターを
用いてフィルター処理される。etCO2及びVCO2のシグナ
ルは0.5Hzにおいて補間され、繰り返し標本を採取して
作成した直線である。
肺胞の死腔を計上するためにVCO2値は補正される。つ
まり、VCO2の補正によって、肺の機能的残気量（FR
C）、言い換えれば、呼吸の最後に肺に残るガス体積、
のような肺に備えられている部分へのCO2の流れが補正
される。肺胞の死腔は図10により明瞭に示される。図10
は、患者の肺150の略図を示す。肺150は一般に、気管15
2、気管支154、及び肺胞156を備える。気管152及び気管
支154は一般に、解剖学的死腔又は連続的死腔として知
られる死腔を備え、該死腔は矢印ＡとＢとの間に示され
る部位に存在する。肺150の中には、血液で潅流される
肺胞156と（すなわち血液に酸素を送り込むために血流
と接触している）、潅流されない肺胞とが存在する。潅
流される肺胞及び潅流されない肺胞156はどちらも、換
気はなされ得る。
潅流される肺胞160及び潅流されない肺胞162が図10に
示される。潅流される肺胞160は、肺胞160を囲む微細な
毛細血管164を通って流れる血液、肺胞160に向って流れ
る静脈血166、及び肺胞160から矢印170の方向に流れ去
る動脈血168と接触する。肺胞160、180において、機能
的残気量（FRC）172として知られているガスの体積が、
呼息後肺胞に残る。呼息するとガスが排出される（すな
わち換気される）肺胞160の一部172は、肺胞CO2（P
ACO2）を代表している。潅流されない肺胞162では、FRC
176は呼吸の間に排出されないガスを含み、肺胞162の換
気部分178は、換気はされるが潅流されないガス又はCO2
を含む空間を形成する。潅流されない肺胞162に存在す
る換気部分178は並行死腔（PDS）を有する。並行死腔
（PDS）は潅流される肺胞と並行に換気されるためその
ように呼ばれる。
本発明において、ソフトウェアプログラムは、患者の
肺の機能的残気量及び存在する死腔を補正するか又は計
上する。この補正は、FRC×呼吸終期の濃度の変化に等
しいか、又は、 VCO2＝VCO2＋FRC×ΔetCO2/Pbar で表される。ここで「Pbar」は気圧である。FRCは次の
方程式を用いて死腔の体積によって推定されるように、
体重の関数として概算される。
FRC＝FRC係数×エアウェイ死腔＋オフセット値 （FRC＝FRC−factor×airway deadspace＋an off−se
t value） ここで、FRC係数は、実験的に決定された値又は当該
技術分野において公知のデータに基づいた値であり、オ
フセット値は呼吸マスクの分を補正するために加えられ
たか、又は死腔に回路を加えることによってFRCと死腔
との関係を容認できないほどにゆがめた他の装置の分を
補正するために加えられた一定の定数である。気道死腔
は、CO2が選択された閾値を超える（例えば0.5etCO2）
時の体積である。すべての方程式において、乾燥したガ
スが想定されている。
並行死腔（図10を参照）に対しても補正がなされる。
並行死腔のCO2濃度は、混合吸息CO2＋気道死腔×前回の
呼吸終期のCO2濃度の低域通過フィルター処理形式とし
て算出される。平均CO2PDSは、etCO2×エアウェイ死腔
＋吸息CO2/一回換気量（呼吸量）である。ゆえに、並行
死腔すなわち潅流されない空間における、呼吸毎の濃度
の推定値は、 となる。ここで、Vtは一回換気量（呼吸量）、PDSは並
行死腔（すなわち、換気はされるが血流によって潅流さ
れない肺の空間）、etCO2は吐き出された息の最後にお
ける、すなわち「呼吸終期の」CO2濃度、「死腔」は空
気が肺胞へ到達するために通過しなければならない気管
及び気管支の体積であって、ガス交換が起こらない体積
（「連続的死腔」としても定義される。図10を参照され
たい）、及び、（ｎ−１）は前回の呼吸を示す。
肺胞のCO2分圧（「PACO2」）は、呼吸終期CO2及び並
行死腔のCO2から算出される。したがって、もし ならば、 である。
ここで、ｒは、潅流された肺胞換気量を全肺胞換気量で
割った割合、すなわち（VA−VPDS）/VAより計算される
潅流比である。この潅流比ｒは約0.92と推定される。潅
流比は、動脈血を直接解析することによっても推定する
ことができる。
次に、PACO2シグナルは以下の方程式を用いてCO2含量
に変換される。
ここで、CCO2はCO2濃度、Hbはヘモグロビン濃度であ
る。いくつかの例では、ヘモグロビン数は容易に得ら
れ、上の方程式に使用される。ヘモグロビン（Hb）濃度
が利用できない場合、11.0という値がソフトウェアプロ
グラムに使用される。
本明細書において、「開始前CO2及び開始前VCO2（bef
ore CO2 and before VCO2）」とも呼ばれる、etCO2及び
VCO2の基準値は、通常の呼吸の間存在する値であり、再
呼吸の開始前27秒から０秒の間の全試料の平均として算
出される。一旦再呼吸が始まると、本明細書において同
様に「最中VCO2（during VCO2）」とも呼ばれる、再呼
吸の最中のVCO2値が、再呼吸の25秒から30秒の間の平均
VCO2として算出される。再呼吸中のCCO2の計算値は、安
定な肺胞CO2濃度（CCO2）を予測する回帰線を使用する
ことによって決定される。信号が安定する（すなわち不
変となる）CCO2を予測するために、CCO2を呼吸毎の濃度
変化に対してプロットする。この線は回帰推定され、C
CO2と零ΔCCO2との交差が予測された安定点となる。
次に心拍出量は以下のように計算される。
CO2＝［beforeVCO2−duringVCO2］／［duringCCO2−beforeCCO2］ ソフトウェアプログラムの演算論理を図11の流れ図に
簡単に示す。コンピュータは、呼息の終わりを検出する
ようプログラムされる（200）。この呼息の終結点にお
いてコンピュータはCO2センサ及び流量計からデータを
収集し、CO2、VCO2、吸息CO2、及び気道死腔値を計算す
る（202）。次にプログラムは先に示した方程式にした
がって、204において、FRCを計算する。また、プログラ
ムは先に述べた方程式にしたがって、206において、VCO
2値を補正する。210において、30秒間隔（30秒は単に平
均時間であって、患者の大きさに合わせて高く又は低く
調節してもよい）で、CO2値及びVCO2値は計算し直さ
れ、呼息が終わり得る可変な時間ではなく、一定時間に
基づくそれらの平均値が与えられる。
次に、プログラムは上述の方程式を用いて、並行死腔
における推定pCO2を計算し（212）、肺胞の推定pCO2を
計算する（214）。この時点で、再呼吸が開始され（21
6）、死腔が導入される。再び、コンピュータは当該装
置のCO2センサ及び流量モニターからデータを収集し、
死腔の導入によって引き起こされたVCO2の変化及び肺胞
CO2の変化を計算する（218）。算出されたVCO2の変化が
基準VCO2の20パーセント（20％）よりも小さい場合や肺
胞CO2の分圧の変化が3mmHgよりも小さい場合（220）、
オペレーターは、当該装置の調節可能な死腔の拡張可能
な体積を増大させることにより部分的再呼吸による死腔
を増加させるよう通知される（222）。基準値は取り消
され（224）、矢印226で示したように、計算し直され
る。しかしながら、再呼吸の間のVCO2の変化が基準値の
80％よりも大きい場合には、オペレーターは、調節可能
な死腔の体積を減小させることにより当該装置の調節可
能な死腔を減小するよう通知される（230）。基準値は
取り消され（232）、矢印234で示したように計算し直さ
れる。特に、コンピュータは、オペレーターに、調整可
能な死腔に必要な変化を行うよう通知することができ、
又、別の実施形態では、コンピューターは調節可能な死
腔に接続された機械的手段に信号を送って調節可能な死
腔の体積を自動的に増減することができる。
調節可能な死腔を適切に調節し、基準CO2、VCO2、吸
息CO2、及び気道死腔の値を計算し直すと、肺胞の分圧
（etCO2）がソフトウェアプログラムによってCO2含量に
変換され、再呼吸における死腔の導入によって引き起こ
されたCO2含量の変化が計算される（236）。これらの値
から、先に述べた方程式にしたがって、心拍出量が算出
される（238）。
データ収集の時間に関する参照箇所は、再呼吸が30秒
であることを想定している。しかしながら、再呼吸期間
の実際の長さは患者の大きさ、肺容量、及び前回の呼吸
周期から決定される心拍出量に依存する。プログラム
は、再呼吸装置内の弁の短絡弁の操作も制御する。この
ような弁は患者の大きさ、容量、及び／又は心拍出量に
よって決定されるタイマー弁に基づいて開放される。
本発明の換気装置は、患者の心拍出量を決定するため
の新しくより正確な手段を提供する。しかしながら、本
発明に関する構造及び電子的な能力は特定の用途の要求
に見合うように修正することができる。したがって、例
示した実施形態の特定の詳細に関する本明細書における
参照は、例として用いており、本発明を制限することは
意図していない。以下の請求の範囲によって定義される
本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の
例示した実施形態に対して、多くの追加、削除、及び修
正を行えることが当業者には明らかである。
フロントページの続き (72)発明者 コフォード、スコット エイ. アメリカ合衆国 84102 ユタ州 ソル トレイクシティー サウス ワンサウザ ンドトゥーハンドレッド イースト 743 (72)発明者 ウエステンスコー、ドウェイン アメリカ合衆国 84121 ユタ州 ソル トレイクシティー イースト ワインサ ップ ロード 3439 (72)発明者 ヤッファ、マイケル ビー. アメリカ合衆国 06410 コネチカット 州 チェシャー マウンテン ロード 410 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) A61B 5/08 A61B 5/026

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】患者の気道と接触するエアウェイ管路と、 前記エアウェイ管路と連結される吸息管路と、 前記エアウェイ管路と連結される呼息管路と、 前記呼息管路と流体の移動が可能であるように配置され
    る体積の調節が可能な死腔と、 前記患者から得られるガス濃度の変化及びガス流量の変
    化を検出するために前記エアウェイ管路に近接して配置
    される検出装置と を備えた心拍出量を非侵襲的に決定するための装置。
  2. 【請求項２】前記体積調節可能な死腔が前記呼息管路と
    前記吸息管路との間に延びる少なくとも一つの短絡線を
    有し、前記短絡線が、前記短絡線を介して呼気ガスを前
    記吸息管路と前記呼息管路との間で移動させるために選
    択的に作動される短絡弁を備える請求項１に記載の装
    置。
  3. 【請求項３】ガスを患者に供給するための前記エアウェ
    イ管路と連通する換気源を更に備える請求項２に記載の
    装置。
  4. 【請求項４】前記呼息管路と前記吸息管路との間に延び
    る複数の短絡線を更に備え、前記短絡線の各々が、呼気
    ガスを前記吸息管路と前記呼息管路との間で移動させる
    ために選択的に作動される短絡弁を有する請求項２に記
    載の装置。
  5. 【請求項５】前記呼息管路が体積拡張可能な部分を有
    し、前記吸息管路が体積拡張可能な部分を有し、前記拡
    張可能な部分の各々が前記体積調節可能な死腔を選択的
    に拡張する請求項２に記載の装置。
  6. 【請求項６】患者にガスを供給するための、前記エアウ
    ェイ管路と連通する換気源を更に備える請求項５に記載
    の装置。
  7. 【請求項７】前記呼息管路と前記吸息管路との間に延び
    る複数の短絡線を更に備え、前記短絡線の各々が、呼気
    ガスを前記吸息管路と前記呼息管路との間で移動させる
    ために選択的に作動される短絡弁を有する請求項５に記
    載の装置。
  8. 【請求項８】前記体積調節可能な死腔が前記エアウェイ
    管路と前記呼息管路との間に配置された管路の長さ部分
    である請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】前記管路の長さ部分が、体積拡張可能な部
    分を備える請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】ガスを選択的に前記管路の長さ部分の中
    を通るように振り向ける三方向弁を更に備える請求項９
    に記載の装置。
  11. 【請求項１１】患者にガスを供給するための、前記エア
    ウェイ管路と連通する換気源を更に備える請求項８に記
    載の装置。
  12. 【請求項１２】前記管路の長さ部分が更に入口、出口、
    及びガス流が前記体積調節可能な死腔に入るのを選択的
    に防止する、入口と出口との間に配置された絞り弁を更
    に備え、前記体積調節可能な死腔と前記呼息管路とに近
    接して配置される、前記体積調節可能な死腔の中にガス
    を選択的に振り向ける二方向弁を更に備える請求項９に
    記載の装置。
  13. 【請求項１３】患者にガスを供給するための、前記エア
    ウェイ管路と連通する換気源を更に備える請求項12に記
    載の装置。
  14. 【請求項１４】前記調節可能な死腔は、前記エアウェイ
    管路と前記呼息管路との間に配置された選択的に長さ拡
    張可能な部分及び前記エアウェイ管路と前記吸息管路と
    の間に配置された選択的に長さ拡張可能な部分である請
    求項１に記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記調節可能な死腔は前記エアウェイ管
    路と換気ガス供給源との間に配置された管路の拡張可能
    な部分である請求項１に記載の装置。
  16. 【請求項１６】前記体積調節可能な死腔は前記呼息管路
    に接続された排気線を有し、前記排気線はガスを前記排
    気線から排出して前記死腔の体積を減小させるためのガ
    ス放出構造を有する請求項１に記載の装置。
  17. 【請求項１７】排気線に排出された呼気ガスを受け取
    る、前記排気線に取り付けられた伸展性を有する容器を
    更に備える請求項16に記載の装置。
  18. 【請求項１８】前記体積調節可能な死腔が気管ガス吸入
    装置によって与えられる請求項１に記載の装置。
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