JPH0334930B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 麻酔中の患者の呼気中の二酸化炭素の濃度を
検出する装置において、 二酸化炭素の吸収波長のピークと一致する第１
の所定の波長帯において吸収される赤外線エネル
ギーを測定し、かつそれに比例した信号を発生す
る装置と、 酸化窒素の吸収波長のピークと一致する第２の
所定の波長帯において吸収される赤外線エネルギ
ーを測定し、かつそれに比例した信号を発生する
装置と、 前記第２の所定の波長帯において吸収された赤
外線エネルギーの測定値にしたがつて前記第１の
所定の波長帯において吸収された赤外線エネルギ
ーの測定値を補正する装置とを含むことを特徴と
する二酸化炭素の濃度を検出する装置。

２ 請求の範囲第１項に記載の装置において、前
記検出装置が患者の呼気を保持しておく採集セル
と、前記採集セルを通して赤外線放射光を通す装
置と、前記赤外線放射が、それぞれ二酸化炭素と
酸化窒素とにより吸収される波長において採集セ
ルを通過している赤外線放射吸収を検出する装置
とを含むことを特徴とする二酸化炭素の濃度を検
出する装置。

３ 請求の範囲第２項に記載の装置において、
4.25μmの称呼波長における二酸化炭素による赤
外線吸収を測定し、3.9μmの称呼波長における酸
化窒素による赤外線吸収を測定するフイルタ装置
を含むことを特徴とする二酸化炭素の濃度を検出
する装置。

４ 請求の範囲第３項に記載の装置において、
3.75μmの基準称呼波長における赤外線吸収を測
定する基準フイルタ装置をさらに含むことを特徴
とする二酸化炭素の濃度を検出する装置。

５ 請求の範囲第４項に記載の装置において、二
酸化炭素と酸化窒素用の前記フイルタ装置の帯域
幅は約0.1以下であつて、基準フイルタ用の帯幅
は0.12以下であることを特徴とする二酸化炭素の
濃度を検出する装置。

６ 請求の範囲第２項に記載の装置において、前
記採集セルの容積は約25μ以下であることを特
徴とする二酸化炭素の濃度を検出する装置。

７ 請求の範囲第４項に記載の装置において、二
酸化炭素濃度の出力信号のスパンを正規化する装
置を含むことを特徴とする二酸化炭素の濃度を検
出する装置。

８ 請求の範囲第７項に記載の装置において、前
記正規化装置が増幅装置と、前記増幅装置の出力
側からその入力側へフイードバツクの形態で接続
され粗調整する第１の可変抵抗装置と、精密調整
のための、前記増幅装置の出力側と直列接続の第
２の可変抵抗装置とを含むことを特徴とする二酸
化炭素の濃度を検出する装置。

肺の二酸化炭素ガス分析器 本発明は一般的には医療用計器に関し、さらに
詳しくは、患者の動脈の血液中の二酸化炭素の分
圧を測る方法と装置に関する。

多くの医療設備の中、摩酔をかけている患者の
動脈の血液中の二酸化炭素をモニターすることが
望まれるようになつた。この目的を達成するため
に、積極的な方法が考案されてきたが、これは動
脈の血液を定期的に採血し、かつ二酸化炭素濃度
を直接モニターしうる内在カテーテルを使用する
ことを含んでいる。それらの技術が問題という事
実は、そのような方法には、感染や血栓症等の危
険の増加を含めた問題が一般に伴わざるを得ない
ということである。

通常の呼吸において肺から吐出された最後のガ
スの二酸化炭素濃度は動脈の血液中のガスの二酸
化炭素の分圧に関係することは周知である。しか
しながら、そのような分圧のモニターを達成する
よう考案された医療計器は希望するほどに正確で
なく、かつ融通性がなかつた。その困難性の一部
は、手術室において、摩酔をかけた患者の呼気に
通常極めて高濃度で存在する亜酸化窒素が二酸化
炭素濃度の測定に著しい誤差を生ぜしめうるとい
う事実である。さらに、体憩中の大人の毎分数十
回の典型的な呼吸速度から、呼吸困難の新生児の
毎分120回の呼吸まで、呼吸速度が患者によつて
著しく変わることである。別の複雑さは、分析の
ために患者の気管から得られるガス容量が、例え
ば毎分300ml程度と極めて少ないことである。

本発明の目的は患者の動脈の血液中の二酸化炭
素の濃度を測定する改良方法と装置を提供するこ
とである。

本発明の別の目的は摩酔をかけている患者の呼
気において、肺の二酸化炭素濃度を測定する方法
と装置を提供することである。

本発明の別の、かつさらに全体的な目的は、亜
酸化窒素が高濃度で介在している呼気において二
酸化炭素の濃度を正確に測定しうる改良ガス分析
器を提供することである。

本発明のその他の目的は、添付図面と関連した
以下の説明から、当該技術分野の専問家には明ら
かとなろう。

第１図は本発明により構成した装置の、部分的
に分解した、概略斜視図、そして 第２図は第１図に示す装置の電子関係部分の概
略ブロツク線図である。

極めて綜括的にいえば、本発明による方法と装
置とは患者の呼気周期の終りにおいて、二酸化炭
素濃度を検出することにより、摩酔中の患者の動
脈の血液中の二酸化炭素の分圧を測定する。ま
た、患者の呼吸における亜酸化窒素の濃度も検出
され、二酸化炭素濃度の検出値は、亜酸化窒素の
検出値にしたがつて補正できる。

本発明による装置は、非拡散赤外線ガス分析器
であつて、赤外線源を利用して赤外線エネルギを
発生させ、採集セルに含まれた未知のガス混合物
を通して赤外線エネルギを導く。前記採集セルを
通過するエネルギが検出され、その検出値を表わ
す電気信号が発生する。これらの信号は、採集セ
ル中の１つ以上ガス成分の濃度を示す出力を発生
させるよう処理される。

前述のガス分析器は、種々のガスは、赤外線放
射スペクトルにおける特定の波長においては著し
く大きい吸収特性を示すという原理を応用してい
る。この形式のガス分析器は、1977年３月22日に
マクラツチ他（Mc Clatchie et al）に発行さ
れ、本発明の出願人に譲渡された米国特許第
4013260号に示され、かつ説明されている。別の
形式の非拡散性赤外線ガス分析器が、1976年４月
27日デイメフ（Dimeff）に対して発行され、ア
メリカ合衆国に譲渡された米国特許第3953734号
に示され、かつ説明されている。

第１図において部分的に分解した概略斜視図は
非拡散赤外線ガス分析器を示す。ガス分析器は図
示していない動力源から出力を受ける適当な構造
の赤外線源１１を含む。該赤外線源１１は円形の
取付けプレート１６によりフイン付きの放熱器１
５と熱接触して取り付けられたブラケツト１３に
支持されている。前記赤外線源１１からの赤外線
エネルギは支持部材１９に装着されたガス採集セ
ル１７を通つて、支持プレート２０に取り付けら
れ、かつ前記支持部材１９の開口２３に位置した
検出器２１へ伝達される。検出器２１は、該検出
器を正確な温度に保持する装置（図示せず）を含
んでいる。採集セル１７は患者の呼気の入口２５
と出口２７と、かつその中を通つて赤外線エネル
ギが伝達される窓２９とを含む。患者の呼気は、
図示していないが適当なマスクとの接続により患
者の気管から前記入口を経て採集セル送られる。

回転フイルタ輪３１が赤外線源と採集セルとの
間で赤外線の軌道内で部分的に位置している。前
記フイルタ輪３１はそれを正確な温度と一定の速
度（回転数）で保持する引込み（ドローワ）制御
装置（図示せず）を含む。フイルタ輪３１は駆動
軸３５を介してモータ３３によつて回転し、ガス
採集セルを通過する赤外線エネルギの軌道へフイ
ルタ３７，３８，３９を定期的に介在させる。フ
イルタ輪３１は「予備」位置と、「暗いレベル」
位置とそれぞれ称せられる別の２位置４０，４１
を含む。ハウジング４３がフイルタ輪３１を密閉
し、かつ回転するよう支持しており、開口４５が
ハウジング４３に設けられ、フイルタ通過後の赤
外線エネルギが採集セルへ送られるようにしてい
る。光路は点線４４で示す。

基準フイルタと称されるフイルタ３７（例え
ば、称呼3690ミクロンの）波長でエネルギを通過
させるよう選択されており、この波長では患者の
呼気に典型的に介在するガスは何ら著しい吸収性
を示さない。したがつて、基準波長であるこの波
長において採集セルを通過する光線は、対象ガス
による吸収以外の要素から発生する赤外線エネル
ギの減衰の測定に使用できる。前記の要素として
は、赤外線源からの赤外線エネルギ出力の変化、
採集セルの窓の曇り、および検出器出力の低下を
含む、基準フイルタ３７の帯域幅は、例えば約
0.112ミクロンのように狭くて、採集セル中に介
在するいずれのガスにも応答しないような通路
（チヤンネル）を確実に提供することが好ましい。
このチヤンネルは赤外線から検出器を介して前置
増幅器までの「一貫した」光路のモニターとして
作用する。

フイルタ輪３１における別のフイルタ３８は二
酸化炭素の吸収波長のエネルギを通すように選択
する。

摩酔中の患者は典型的に、20％の酸素、１〜４
％の摩酔剤（例えば、ハロセイン、エスレイン
（ethrane）およびペンセイン（penthane）、20〜
80％の酸化窒素および残りが窒素よりる特殊な構
成雰囲気を吸気する。したがつて、二酸化炭素濃
度を測定すべき排気は極めて高濃度の酸化窒素を
含む。

このように酸化窒素濃度が高いと二酸化炭素濃
度の測定の２つの誤差源をもたらしうる。これら
の誤差源の最初のもは特殊な干渉として知られて
いるものであつて、酸化窒素の赤外線吸収スペク
トルが二酸化炭素フイルタの吸収帯に極めて近似
の強度の吸収帯を含むという事実から発生する。
第二の誤差源はスペクトル線の拡張として知られ
るものであつて、酸化窒素が介在すると二酸化炭
素吸収スペクトルの幅が広がることによつて、
CO₂とN₂Oからなる典型的なガス混合物に対する
分析器の応答性が増加しうるという事実から生じ
る。

比較的安価な赤外線源と、（例えば鉛セレイド
のような）検出器とを使用して吸収の小さい採集
ガスで二酸化炭素の量を急速に測定するには、放
射線の極めて強力な吸収剤であり、かつ水蒸気に
よる干渉の何らない二酸化炭素の吸収帯が使用さ
れる。4.25μmの帯域がこれらの要件を満足させ
る。

基準フイルタ３７は他のガスから干渉されない
スペクトル領域に位置している。本発明による装
置においては、基準フイルタの吸収帯は、赤外線
源の変動に対する計器の感知性を最小にするよう
二酸化炭素フイルタ３８の吸収帯に対してできる
だけ近接して位置させる。二酸化炭素の波長に対
して前記のように近接させることにより３の係数
によりゼロドリフトに対する赤外線源温度変化の
作用を減少させる。

基準フイルタ３７と二酸化炭素フイルタ３８の
他に、本発明による装置は、採集ガスにおける酸
化窒素濃度を測定するために使用する光路におい
て別のフイルタ３９を含む。したがつて、酸化窒
素濃度を測定する場合、酸化窒素が介在する状態
で二酸化炭素測定におけるスペクトル線拡大の誤
差の作用は適当な補正式において測定した酸化窒
素濃度を使用することにより補正できる。例え
ば、下記の公式は酸化窒素濃度の補正を行う。

C_C＝C_M（１＋KC_N2O） C_C＝補正されたCO₂濃度 C_M＝測定されたCO₂
濃度 C_N2O＝測定されたN₂O濃度 Ｋ＝経験的に決定
しうるスペクトル線拡大常数 酸化窒素フイルタ３９の吸収帯を選定する場
合、酸化窒素には摩酔に典型的に使用れる他のガ
スの干渉を受けず、したがつて摩酔中の患者の呼
気に介在しない４本の吸収帯がある。そのような
帯はそれぞれ、3.6、3.9、4.08および4.55μmに位
置する。4.55μmに位置する帯は摩酔中の患者の
呼気に典型的に介在する酸化窒素の濃度における
放射を全て吸収する。3.6μmと4.07μmの帯は数パ
ーセント以下の放射を吸収する。3.9μmの帯のみ
が、採集ガスの酸化窒素の測定に使用しうるに十
分な放射（パルスの８％）を吸収する。このよう
に、本発明において酸化窒素の測定に使用するフ
イルタ３９は帯域幅が約0.155ミクロンである
3.875ミクロンに位置する。前述の説明にしたが
つて、この波長は、酸化窒素以外のセルにおける
ガスから著しい吸収を行わないよう選定する。

予備の位置４０は別のガスの検出のために設け
られている。暗いレベルの位置４１は絶対放射の
基準として作用するフイルタ輪の空白の部分であ
る。フイルタ輪３１は前記絶対放射の基準レベル
を提供するよう温度制御することが好ましい。

毎分10回から120回にわたる呼吸速度に対応す
るために、本発明による装置においては急速な応
答時間が要求される。さらに、患者の気管から得
られる典型的なガス流量は毎分50mlでしかない。
そのような要素に対応するために、本発明は150
ミリ秒以下の応答時間を利用する。このために、
容量が約25μ以下、好ましくは約20μの極め
て小さいガスサンプル用セルを使用する。毎分50
mlの流量においては、24ミリ秒で20μの採集セ
ルが掃去される。理論的には、2.3回の掃去、即
ち、全体55ミリ秒内で10〜90％の気体応答時間が
発生する。約50ミリ秒の応答時間を備えた電子計
器を設計することにより、十分希望する応答時間
に入つた丁度100ミリ秒以上の全体応答時間が達
成される。

本発明による装置は典型的は内径が1.02ミリ
（0.040インチ）で長さが約0.9〜2.4メートルの管
からなる採集用カテーテルを介して患者の気管に
連結される。本発明による装置に向かつて濃度傾
斜が進行するにつれて、常にカテーテルの入口に
おけるガス濃度の急激な変化による若干の低下が
見られる。これら全てが応答時間に影響して、毎
分50mlの流量において150ミリ秒以下の全体応答
時間をもたらす。

さて第２図を参照する。本発明による信号処理
回路の機能を示する概略ブロツク図が示されてい
る。検出器の出力側からの信号はコンデンサ１０
１を介してAGC増幅器１０５に送られる。増幅
器１０３の出力は抵抗体１０５を介して前置増幅
器１０６の負の入力側へ送られる。正の入力側は
接地され、増幅器１０３の出力側からその負の入
力側へフイードバツク抵抗体１０７が接続されて
いる。前置増幅器の出力はコンデンサ１０９を介
して増幅器１１１の正の入力側に送られる。増幅
器１１１の負の入力側は増幅器の出力側に接続さ
れている。暗いレベル用のスイツチ１１０が増幅
器の正の入力側を、当該技術分野で周知のように
赤外線が遮断されている間接地させる。

増幅器１１１の出力は抵抗体１１２を介して、
別の増幅器１１３にその負の入力側において送ら
れる。フイードバツク抵抗体１１４は増幅器１１
３の出力側をその負の入力側に接続する。

前置増幅器１０３と、自動利得制御増幅器１１
１において増幅された後、検出器２１の出力は、
３個の異つたチヤンネル、即ち基準チヤンネル１
１５、二酸化炭素用チヤンネル１１７および酸化
窒素用チヤンネル１１９へ順次送られる。前記の
順次の送りはナログスイツチ１２３，１２５およ
び１２７を介して適当時に提供され、前記スイツ
チは赤外線エネルギの軌道に位置した特定フイル
タに対応した適当な時に閉鎖するよう制御されて
いる。さらに、スイツチ１１０は、エネルギが遮
断された際閉鎖するよう同様に制御される。

検出器の出力信号を自動同期装置１３１に送る
ことにより調時信号が発生する。自動同期装置１
３１は暗いレベル用、即ちクランプスイツチ１１
０と、基準チヤンネル用スイツチ１２３と、二酸
化炭素チヤンネル用スイツチ１２５と、酸化窒素
チヤンネル用スイツチ１２７とへ出力信号を提供
する。この点について、もし他のガスをモニター
すべき場合、希望に応じ、以下説明する二酸化炭
素および酸化窒素用チヤンネルと同一の別のチヤ
ンネルを設けてよいことを注目すべきである。そ
のような場合、自動同期装置は必要に応じ追加の
同期信号を提供するよう適合できる。自動同期装
置はいづれかの適当な構造のもでよいが、米国特
許第4241309号に示し、かつ説明したものにした
がつて構成されることが好ましい。

前記３個のチヤンネルの各々には、そこを通つ
てアナログスイツチからの信号が送られる増幅器
１５１，１５３および１５５をそれぞれ設けてい
る。コンデンサ１６７，１６９および１７１が、
それぞれ、各チヤンネルにおける増幅器の正の入
力側を接地させる。

増幅器１５１にはフイードバツク抵抗体１７３
を設け、該抵抗体は抵抗体１７５を介して分圧器
配線の可変タツプ１７６に接続されている。分配
器配線は、正の電圧源１８３を接地させている並
列の抵抗体１７７，１７９および１８１を含む。
タツプ１７６が変化することによつてチヤンネル
１１７の合成利得を制御する。該チヤンネルの出
力側は自動利得増幅器１０３に接続されている。
基準信号間隔の間に可変タツプ１７６を適正にセ
ツトすることにより、本系統の利得は、赤外線ガ
ス分析器の分野で周知のように希望する基準レベ
ルにしたがつて調整される。

二酸化炭素用チヤンネル１１７と酸化窒素用チ
ヤンネル１１９とは同じである。したがつて、以
下の詳細説明は二酸化炭素用チヤンネル１１７に
関してのみ行うこととする。チヤンネル１１７に
おけるものと同様の機能を有する酸化窒素用１１
９における要素には同一の参照番号にプライム符
号をつけている。

二酸化炭素用チヤンネル１１７の増幅器１５３
には、増幅器１５３の出力側をそのバイアスをか
けた入力側と接続する抵抗体２０１を含む粗いゼ
ロ化回路を設けている。また、抵抗体２０１は可
変ポツト抵抗２０３と固定抵抗体２０５とを介し
て接地されている。可変ポツト２０３をセツトす
ることにより、正確な作動を行うに望ましいレベ
ルまで増幅器１５３の出力レベルを調整し、製作
中に工場で予めセツトしておけばよい。

増幅器１５３の出力は可変ポツト２０７と固定
抵抗体２０９とを介して増幅器２１１の負の入力
側に送られる。増幅器２１１の正の入力側は接地
され、負の入力側は固定抵抗体２１３を介して負
の電圧源２１５に接続されている。コンデンサ２
１７と抵抗体２１９とを並列で組合せて含む帯域
幅制限フイードバツク配線が増幅器２１１の出力
側からその負の入力側に接続されている。可変ポ
ツト２０７を変動させることによりチヤンネルの
出力を希望する較正レベルまで調整する。

サンプルセルに二酸化炭素が何ら介在しない場
合、通常増幅器２１１の出力は零であつて、増幅
器１５３の出力は例えば５ボルトの称呼レベルに
セツトされる。二酸化炭素が介在しない場合に、
この出力が５ボルトであるならば、採集セルに所
定濃度レベル濃度の二酸化炭素を導入すると、増
幅器１５３の出力電圧を相応の量だけ変える。ガ
ス分析器の電子光学系統に異常があれば増幅器１
５３の出力電圧をある時間変移させる。例えば、
もし、二酸化炭素が介在せず（かつ増幅器２１１
の出力が零にセツトされていて）出力レベルが４
ボルトである点へ増幅器の出力電圧が移動したと
すれば、採集セルにおける所定レベルの二酸化炭
素が介在すると増幅器の出力を変える。諸条件下
での変動率が、称呼出力が５ボルトの場合と同じ
ように確実にするために、回路はスパン誤差を排
除するよう設計される。

増幅器１５３と２１１とに関連する回路と共に
可変ポツト２０７はスパン誤差の可能性を補償す
る。増幅器２１１の称呼出力電圧を零にするよう
可変抵抗体２０７を調整する。採集セルにおける
二酸化炭素の介在から起因する出力の変動率は増
幅器１５３の出力側における実際の電圧とは無関
係に同じである。したがつて、この装置はスパン
が安定している。

増幅器２１１の出力はサーミスタ２２１を介し
て送られ、該サーミスタは周囲温度の変化、特に
ガス吸収変動をもたらしうる採集セル中のガス温
度の変化に対して本装置を補正する。サーミスタ
２２１は増幅器２１１からの出力信号を増幅器２
２３の負の入力側へ送る。増幅器２２３の正の入
力側は接地され、バイアス抵抗体２２５が負の入
力側を接地させる。増幅器２２３の出力側はチヤ
ンネルのスパン特性を粗調整するため可変ポツト
２２７と固定抵抗体２２９とを介して負の入力側
に接続される。採集セル中に適当な較正ガスが介
在する場合の粗いスパン調整は工場において行い
うる。精密な調整は増幅器２２３の出力側に接続
され、図示していない全体装置の制御パネルから
制御可能な直列のポツト２３１により行われる。

可変ポツト２３１は固定抵抗体２２３によつて
増幅器２３５の負の入力側に直列接続されてい
る。増幅器２３５の正の入力側は接地され、フイ
ードバツク抵抗体２３７は増幅器２３５の出力側
からその負の入力側に接続されている。増幅器２
３５は、抵抗体２３９を介して酸化窒素用チヤン
ネル１１９から送られてくる漏話信号の加算を行
う。端子２５２での増幅器２３５の出力はサンプ
ルセルにおける二酸化炭素の濃度を測定する二酸
化炭素信号を表示する。

酸化窒素用チヤンネルの漏話補正をするには、
増幅器２３５の出力はまた、抵抗体２４１を介し
て、ユニツト利得反転増幅器２４３の負の入力側
へ送られる。増幅器２４３の正の入力側は接地さ
れ、フイードバツク抵抗体２４５が増幅器２４３
の出力側を負の入力側へ接続する。増幅器２４３
の出力は、可変タツプ２４９を有するポツト２４
７へ送られる。チヤンネル間の漏話を最小にする
ために希望レベルまで工場で可変タツプ２４９の
調整が行われる。

作動時、図示した装置は端子２５２と２５４と
で、それぞれ各チヤンネル１１７，１１９上の連
続した出力信号を提供する。N₂Oを示す端子２
５４での信号は、患者の呼吸サイクルを通して概
ね一定に留つているが、端子２５２におけるCO₂
の読取りは変化する。典型的には、この値は患者
の吸収の終りにおいてピークに達するので、前述
のように、さらに処理を行うために使用するのは
信号のこの部分である。

したがつて、本発明は摩酔中の患者の動脈血液
中の二酸化炭素の分圧を測定するための改良方法
と装置とを提供することが判る。本発明は患者の
呼気の終りにおける二酸化炭素の濃度を正確、か
つ迅速に測定する、干渉のない方法を構成する。
信号対雑音比を最大にし、本装置の応答時間を極
めて低レベルまで減少する装置が提供される。ま
た、スパンを安定化する改良装置も提供される。

前述の説明や添付図面から本発明の種々の修正
形態は当該技術分野の専問家には明らかとなろ
う。そのような修正形態は特許請求の範囲に入れ
る意図である。