JPH0417050B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、血液中の気体濃度（または分圧）を
測定ないし監視する装置に関するものである。さ
らに詳しく言えば、生体内監視用途において特別
の有用性を示す血管内に挿入可能な血液中の気体
濃度監視装置に関するものである。

（従来の技術） 血液中の気体成分、とくに酸素と炭酸ガスの濃
度を知ることは生体の呼吸および代謝材能の良否
を知るために臨床上きわめて重要である。とくに
手術中患者、ICU収容患者、あるいはCCU収容
患者で人工呼吸下に置かれている患者においては
血液中の酸素や炭酸ガス濃度を連続的に監視する
ことが麻酔や人工呼吸のコントロールのために強
く望まれる。かゝる血液中の気体濃度の連続的監
視装置として最近、たとえば特開昭58−73342号
に開示されたような酸素センサ、あるいは特開昭
58−68661号に開示されたような炭酸ガスセンサ
が実用化されてきた。

さて一方において、最近血液を体外回路に取り
出し、該回路中に設けられた中空糸状気体交換膜
の外側に血液を接触せしめ、内側にモニタガスを
流し、モニタガス中の酸素濃度を測定することに
よつて血液中の酸素濃度を測定できる装置が発表
された（田村俊世、新医療、10巻、No.10、83頁
（1983））。

（発明が解決しようとする問題点） これらのセンサの開発によつて一応血液中の気
体濃度の連続測定が可能となつてきたが、前者の
気体濃度監視装置には以下に列挙するような問題
点がある。

(1) センサ自身を血管内に挿入するためにセンサ
を減菌することが必要であり、かつセンサを使
い捨てとする必要があつた。これはきわめて不
経済と言わざるを得ない。

(2) センサをひとたび血管内に留置すると、標準
溶液でセンサの校正をおこなうことが不可能で
ある。しかし通常いかなるセンサも零点や感度
が経時変化（ドリフト）するために、長時間の
連続測定が不可能であつた。

(3) センサを直接血管内に留置する場合、生体の
侵襲度をできる限り小さくするためにセンサ自
身を細径化することが不可欠である。現在酸素
センサ、炭酸ガスセンサそれぞれは細径化に成
功しているが、この両者を複合化した場合細径
化がきわめて困難である。

一方後者の方式はセンサが血液と直接接触する
ことがないので上記の第１の問題点は解決され
る。またセンサは体外に設置されるので必要に応
じて校正を行なうことも可能であるので第２の問
題点も解消する。さらに酸素と炭酸ガスの両者を
同時に測定することも可能と思われる。しかし、
この方法には無視し得ない重大な欠点が存在す
る。それは気体濃度測定のためにわざわざ血液を
体外の回路に取り出さねばならないことである。
したがつて、この方法は人工心肺とか人工透析の
体外循環回路の血液ガスの監視には使用できるか
も知れないが、体外循環回路を必要としない大多
数の通常の重症患者の血液ガスの監視に使用する
には余りにも患者への負担が大きすぎる。

以上のごとく、血液中の気体濃度の連続監視を
目的とする公知の装置はそれぞれ問題点を有し、
広く臨床に用いられるに到つていないように思わ
れる。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは従来の血液ガス監視装置の問題点
を解消し、実用性の高い方式について鋭意研究の
結果本発明に到つた。本発明では、気体透過能の
低い材質から成る第１の管体と、一端が閉塞され
気体透過能の高い材質から成り前記一端から所定
長さ分が外部に表われる状態で前記第１の管体に
挿通された第２の管体と、この第２の管体に挿通
され一端が前記第２の管体の前記一端の近傍に至
つた状態とされた第３の管体と、この第３の管体
の他端から一定濃度の特定気体成分を含有するキ
ヤリヤ溶液を供給する注液装置と、前記第２の管
体の他端において前記第２の管体と前記第３の管
体との間から排出されるキヤリヤ溶液が導かれる
測定室と、この測定室内に設けられキヤリヤ溶液
中の特定気体の濃度に応じて変化する化学種に対
するセンサとを具備する構成となつている。

（作用） 第１〜第３の管から成るカテーテルが血管内に
挿入され、注液装置から第３の管体に一定の濃度
の特定気体成分を含有するキヤリヤ溶液が供給さ
れると、このキヤリヤ溶液は第３の管体の一端か
ら第２の管体の閉塞された一端の内側に向かつて
放出される。次にこのキヤリヤ溶液は第２の管体
と第３の管体の間を通つて第２の管体の他端側に
至る。このキヤリヤ溶液は、第２の管体の前記一
端から前記他端側に向かう途中において、第２の
管体が外部に表われている箇所で血液とガスの交
換を行なう。この第２の管体と第３の管体から成
る通路において第１の管体に覆われている箇所は
この第１の管体によつて第２の管体の伸張が制限
され、通路断面は一定に保たれる。また、第１の
管体は第２の管体を保護しているので、このカテ
ーテルが血管に挿抜される際、第２の管体が血管
の壁部との摩擦でまくれたり、縮れたりして気体
透過可能部の面積が変化するのを防ぐことができ
る。第２の管体の他端から排出されたガス交換後
のキヤリヤ溶液は体外に設置された測定室に導か
れ、キヤリヤ溶液中の気体濃度もしくはそれと相
関関係を有する化学成分が測定され、それによつ
て間接的に血液中の気体濃度の測定がなされると
いうものである。このようなガス交換カテーテル
を用いることにより、患者の血液を体外の回路に
取り出すことなく、血液ガスの連続監視が可能と
なる。

（実施例） 次に本発明装置の基本構成を図面にて説明す
る。第１図に示されているように本発明装置はま
ずガス交換カテーテル１、キヤリヤ溶液の注液装
置８、測定室９、センサ１０、導管６と７、およ
び必要に応じてコツク１５と１６を主たる構成要
素とする。まずガス交換カテーテル１は内管２
（第３の管体）とガス交換膜から成る外管３（第
２の管体）、ガス交換能のない管体４（第１の管
体）、および該カテーテル留置針等に接続するた
めに使われるストツパー５より成る。ガス交換能
のない管体４は、ガス交換可能部（この場合はカ
テーテル先端部）の膜面積を一定とするために設
けられる。注液装置８はキヤリヤ溶液１７を一定
流速でガス交換カテーテル中に送入する。測定室
９にはセンサ１０が設置される。１１はコネク
タ、１３はリード線、１４はコネクタのピンで、
これがモニタに接続される。１５と１６はキヤリ
ヤ溶液の流路を変更するためのコツクである。通
常の測定の場合コツク１５は開、１６は閉とさ
れ、キヤリヤ溶液は注入装置からコツク１５、導
管６を経てガス交換カテーテルの内管２の内側へ
送入され、内管２の外側で血液とガス交換を行な
つた後導管７を経て測定室９に送入され、廃液口
により廃棄される。一方センサの校正をする時に
はコツク１５を閉、１６を開としキヤリヤ溶液を
注入装置８から直接測定室９に送入する。

次に本発明装置の詳細について各構成要素ごと
に説明する。まずガス交換カテーテルについて説
明する。ガス交換カテーテルの形としてはいくつ
かの形が考えられるが、第１図に示した二重管構
造が最も実用的であると考えられる。ガス交換カ
テーテルの外径（第１図ではガス不透過性膜４の
部分の外径）は1.0mm以下、好ましくは0.6mm以下
であることが望ましい。これ以上太くなると血管
内へ留置する時の患者の苦痛が大きくなりすぎ
る。ガス交換カテーテルの最も重要な部分は気体
透過性膜３である。まず該膜は当然のことながら
気体透過能の高い素材より成るものでなければな
らない。最も好ましい素材はシリコーンゴム均質
膜であるが、多孔性のポリプロピレン、多孔性テ
フロン等の疎水性多孔性膜でもかまわない。膜の
厚みとしては10μｍから100μｍ程度が望ましい。
膜厚がこの範囲以上になると気体透過能が低下す
るし、カテーテル全体の外径が太くなるので好ま
しくない。厚みが10μｍ以下になると、膜の機械
的強度が不十分となり、またピンホールが生成し
やすくなるので好ましくない。気体透過性膜管体
部分３の長さとしては臨床的には短いほど好まし
いが、あまり短かすぎるとガス交換に有効な膜面
積が不十分となるので実用的には１cmから５cm程
度が好ましい。ガス交換カテーテルの内管２はキ
ヤリヤ溶液をカテーテルの先端部まで送入する管
体としての働きと同時に、カテーテルの形状を保
持するための芯管としての働きも有しているの
で、ある程度の剛直性を有していることが必要で
ある。たとえばステンレス、ポリプロピレン、テ
フロン、ポリカーボネート、ポリエチレン等の管
体が用いられる。内管２の肉厚は上記の剛直性を
失わない範囲で薄ければ薄いほど好ましい。この
肉厚が薄いほどキヤリヤ溶液の流路の体積を大き
くすることができ、それだけキヤリヤ溶液のカテ
ーテル内滞留時間、したがつて気体透過膜との接
触時間を長くすることができ、それによつてより
平衡に近いガス交換を行なうことが可能である。
実用的には内管の肉厚としては10μｍから100μｍ
が好ましい。気体不透過性管体４は可能な限り肉
薄で、かつ気体透過能の低いものであることが必
要である。材質としてはポリエチレン、ポリプロ
ピレン、テフロン、ポリ塩化ビニル、ナイロン、
ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコ
ール共重合体、酢酸セルロース等の高分子材料
（非多孔性）、あるいはアルミニウムの蒸着膜等の
金属薄膜が用いられる。

次に注液装置については第１図の８に示したよ
うな注射器が一つの例である。この場合には当然
のことながら注射器のピストンを自動的に一定速
度で挿入する装置を必要とする。また注射器の代
りにローラポンプを用いることも可能である。注
液速度はガス交換カテーテルの太さや長さによつ
て変るが大体0.1〜５ml／hrと微量である。しか
も注液速度の時間的変動は測定値に誤差をもたら
すので、±10％以内におさめることが必要である。

キヤリヤ溶液の導管６と７は次の条件を満足す
ることが必要である。まず第１に気体透過能が低
いこと、第２に可能な限り内容積が小さいことで
ある。キヤリヤ溶液と外部雰囲気とのガス交換は
カテーテルのガス交換膜３の部分のみで行われ、
その他の流路途中で行われてはならない。またキ
ヤリヤ溶液の導管の内容積は小さいほどすみやか
な応答が得られる。したがつて、導管の材質とし
てはポリエチレン、ポリプロピレン、テフロン、
ポリ塩化ビニル、ナイロン、ポリビニルアルコー
ル、エチレン−ビニルアルコール共重合体、酢酸
セルロース等の気体透過能の低いものが用いら
れ、その内径としては0.5mm以下が望ましい。

同様の条件は測定室９についても要求される。
すなわち測定室もガス透過能の低い材質で作ら
れ、かつキヤリヤ溶液の流路容積が小さくなるよ
うな形であることが必要である。測定室９は必要
に応じて恒温ボツクス中に収納される。センサ１
０としては測定対象気体の種類に応じて各種のも
のが用いられる。例えば酸素に対してはポーラロ
方式の酸素電極（分離電極タイプおよびClark電
極タイプ）、質量分析装置、光フアイバ方式酸素
センサ等が、炭酸ガスセンサに対しては
Severinghaus型Pco₂センサ、赤外線方式炭酸ガ
スセンサ、質量分析装置、光フアイバ方式炭酸ガ
スセンサ、あるいは後述のPHセンサ（重炭酸イオ
ン含有キヤリヤ溶液と組み合わせる）等が、アン
モニアに対してはアンモニアガス電極、PHセンサ
（アンモニウムイオン含有キヤリヤ溶液と組み合
わせ）等が用いられる。

臨床医学の分野で最もモニタリングの必要性の
高い血液ガスは酸素と炭酸ガスである。そこでこ
れらの血液ガスのモニタリングについてより詳細
な説明をする。まず血液中の炭酸ガスをモニタリ
ングする方法としては大別して２つの方法が挙げ
られる。第１の方法は、キヤリヤ溶液として例え
ば一定の炭酸ガスを溶存する生理食塩水を用い、
センサとして例えばSeveringhaus型炭酸ガスセ
ンサを用いる方法である。第２の方法はキヤリヤ
溶液として一定濃度の重炭酸イオンと塩素イオ
ン、および炭酸ガスを含有する溶液を用い、セン
サとしてPHセンサを用いる方法である。このうち
第２の方法はキヤリヤ溶液のPHが下式によつて示
されるごとく、液中の炭酸ガス濃度に応じて変化
することを利用するも CO₂＋H₂OHCO₃ ^-＋H⁺ のである。すなわちキヤリヤ溶液中に炭酸ガスが
増加するとPHが低下するので、逆にキヤリヤ溶液
のPHを測定することによつて炭酸ガス濃度を計測
することができる。これはSeveringhaus型炭酸
ガスセンサと同一の原理に基づく方法と言える。
すなわち、この場合重炭酸イオンは炭酸ガス濃度
の変化によるPHの変化を大きくするために用いら
れ、また塩素イオンはPHセンサの比較電極（例え
ば液絡式Ag／AgCl電極）の電位を一室に保つた
めに用いられる。一般にSeveringhaus型炭酸ガ
スセンサの応答はPHセンサの応答に比べておそい
ので、早い応答を得るためには第２の方法を用い
ることが望ましい。次に酸素の測定について述べ
る。酸素の測定のために用いるキヤリヤ溶液は一
定濃度の酸素を含有する溶液であればよい。セン
サとしては上に述べた分離電極タイプおよび
Clark電極タイプの酸素電極が実用的であるが、
一般的に前者の方が応答が早いので、早い応答が
要求される場合には分離電極タイプの酸素電極を
用いることが望ましい。

１つのガス交換カテーテルを用いて酸素と炭酸
ガスの両者を同時に測定することも可能である。
その場合にもいくつかの方式が考えられるが、早
い応答が要求される場合には次の方法を用いるこ
とが望ましい。まずキヤリヤ溶液としては重炭酸
イオン、塩素イオン、炭酸ガス、および酸素を含
有する水溶液を用いるセンサとしてはPHセンサお
よび分離電極タイプの酸素電極を用いる。キヤリ
ヤ溶液中の重炭酸イオンの濃度は通常0.01Mから
0.5M、塩素イオンの濃度としては0.01Mから3M
が望ましい。またキヤリヤ溶液中の炭酸ガス分圧
としては10から100mmHg好ましくは30から60mm
Hgが望ましい。キヤリヤ溶液中の酸素分圧とし
ては10から300mmHg、好ましくは100から200mm
Hgが望ましい。センサ１０としてはできる限り
小型のPH−酸素複合電極を用いることが必要であ
る。そのために、PHセンサとして電界効果トラン
ジスタ型PHセンサを、PHセンサ用の比較電極とし
てAg／AgCl型液絡式比較電極もしくはAg／
AgCl線そのものを、また酸素電極として分離電
極タイプのものを用い、これらの電極を可能な限
り小型に複合化することが望ましい。上記の電極
のうちPHセンサ用の比較電極と酸素電極の陽極は
必ずしも測定室９の中に収納されている必要はな
く、キヤリヤ溶液によつて電極本体と液絡されて
いる他の場所、たとえば廃液口１２の下流側に設
置されていてもかまわない。PHセンサ本体と酸素
電極の陰極は測定室９内の互いにできる限り接近
した位置に設置されることが望ましい。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなごとく、本発明は従来技
術のごとく血液を体外に取り出すのではなく、キ
ヤリヤ溶液を逆に体内に送入して生体情報を取り
出そうというものである。本発明の装置は次に述
べるような数多くの利点を有し、実用的見地から
みて極めてユニークで、かつ優れたものである。

(1) ガス交換カテーテルは容易に減菌でき、かつ
極めて安価であるので、センサを直接血管に入
れる方式に比して血液ガスの連続監視を安価に
行なうことができる。

(2) 血液を体外に取り出さないので大規模な体外
循環回路を必要としない。そのために経済的で
あるのはもちろんのこと貴重な血液をロスする
ことが多く、血栓防止のために投与されるヘパ
リンの量も微量でよいか、場合によつては投与
する必要もない。

(3) センサは体外に設置されるので使い捨てでは
ない。また校正も可能で、さらにサイズの制約
もゆるいので複合化が容易である。

(4) 本発明におけるガス交換カテーテルはキヤリ
ヤ溶液を導く通路部分の断面を一定に保つこと
ができるので正確な測定を行なうことができ
る。

(5) 本発明におけるガス交換カテーテルはガス透
過可能部の断面積が常に一定であるのでこれに
よつても正確な測定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の構成を例示する断面図
である。 １……ガス交換カテーテル、２……内管、３…
…ガス交換膜、４……ガス不透過性膜、５……栓
体、６，７……キヤリヤ溶液導管、８……キヤリ
ヤ溶液注入装置、９……測定室、１０……セン
サ、１１……コネクタ、１２……廃液口、１３…
…リード線、１４……コネクタピン、１５，１６
……コツク、１７……キヤリヤ溶液、１８……血
管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 気体透過能の低い材質から成る第１の管体
   と、一端が閉塞され気体透過能の高い材質から成
   り前記一端から所定長さ分が外部に表われる状態
   で前記第１の管体に挿通された第２の管体と、こ
   の第２の管体に挿通され一端が前記第２の管体の
   前記一端の近傍に至つた状態とされた第３の管体
   と、この第３の管体の他端から一定濃度の特定気
   体成分を含有するキヤリヤ溶液を供給する注液装
   置と、前記第２の管体の他端において前記第２の
   管体と前記第３の管体との間から排出されるキヤ
   リヤ溶液が導かれる測定室と、この測定室内に設
   けられキヤリヤ溶液中の特定気体の濃度に応じて
   変化する化学種に対するセンサとを具備する血液
   中の気体濃度監視装置。