JPS5819234A - 連続代謝測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、連続代謝測定方法に係り、特に酸素の摂取
気量に関し自動的に時々刻々の変化を正確に連続測定す
ることができる測定方法を提供することを目的とするも
のである。

質量、代謝率の測定は、一定時間の呼出ガスをダグラス
パツダにとり、その体積と、吸入、吐出ガス関の濃度差
を測定し、平均の駿素摂堆率、炭酸ガス＃出率を算出し
ていた。

近年、各種物理的ガス分析法、フロー測定法の発達に伴
い、これらの方法を組合せた各種の実時間代謝率測定装
置が提案され、亀床医学体育生瑞学の公費で実用されつ
つある。中でも質量分析針、電子式フローメータの組合
せシステムは最も発展性に富むものとして注目されつつ
ある。

しかしながら、測定法、測定装置において一定の瞬時性
に欠ける勢不十分な点が多く、汎用測定手段として確立
されているとはいい離く、例えば這論負荷時の代謝の長
時間連続一定への応用の鳩舎、自動的に時４＃々の変化
を正確に連続調定することができないという問題点があ
る。

この発明は、連続代謝測定方法として、呼気ガス回路の
みを用い呼気ガス濃度（ＦＮ２Ｅ、ＦＯ２Ｅ）を連続測
定することによって、酸素の摂取気量に関し自動的に時
々刻々の変化をより正確に連続一定し得る連続代謝測定
方法を提供せんとするものである。

すなわち、この発明は、Ｃを温度・湿度・気圧により決
まる補正係数、ｋを定数、ＦＮ耘（りを呼気ガスのｍ素
＃度の瞬時値、Ｆ○２Ｅ　ｉｔ）を呼気ガスの酸素濃度
の瞬時値、；Ｅ（ｔ）を呼気フローの瞬時値、ｔを時間
、ＴＬをサンプリングガスの鴻定系への導入に要する輸
送時開として、酸素摂取量Ｖｏ２を次式 により測定することを特徴とする連続代謝測定方法であ
る。

以下、この発明の実施例を図面と共に説明する。

第１図は、この発明を適用した連続代謝測定システムの
一例を示す。図示の連続代謝測定システムは、後遮り如
く、測定系としての呼気分析用質量分析針と、例えばフ
ライシュ（Ｆｌ＠ｉｓｈ）型のニューモタコメータ（以
下、ニューモタコという）を用いたフローメータ、代謝
測定のためのメタボリズムメータとしての演算回路およ
びこの結果に基づき更に高次の処理を行なうためのコン
ピュータとの組合せによる一定システムである。

上記測定システムにおいては、その設計の主たる目標は
、運動負荷時の代謝の長時間連続測定への応用におかれ
ている。また、その主たる測定項目は、換気速度Ｖ、酸
素摂取速度ＶＯ２／Ｖ、炭酸ガス排出速度ＶＣＯ２／Ｖ
、酸素摂取率ＶＯ２／Ｖ、炭酸ガス排出率ＶＣＯ２／Ｖ
、呼吸商Ｒ、Ｑ、代謝エネルギーＥ、エネルギー代謝率
Ｒ．Ｍ．Ｒ、呼吸数Ｒ．Ｒ、心拍数Ｈ．Ｒなどである。

また、出力は、呼吸当り、単位時間例えば３０秒、１分
、５分等の単位時間当りの換気速度Ｖ等である。

ここで、Ｖは１呼吸当りまたは単位時間当りの換気量で
、単位はｍｌ／時間であり、一般にＢ．Ｔ．Ｐ．Ｓの状
態で表わす。

Ｂ．Ｔ．Ｐ．Ｓとは、体温（３７℃）、大気圧の下での
水蒸気飽和の気量を表わす。また、換気速度Ｖは瞬時値
ではなく、設定したある単位時間当りの換気量である。

また、呼徴商凰、Ｑは、Ｒ、Ｑ＝ＶＣＯ２／ＶＯ２であ
る。すなわち、過渡的な（非定當状層の）肺からの炭酸
ガス排出速度と駿素摂填速度の比であり、栄養素の燃焼
の態様を表わし、体内で脂肪が燃焼（Ｒ，ＱキＱ、７）
しているか、脚本化物が燃焼（Ｒ，Ｑ−１）しているか
、蛋白質が燃焼（Ｒ、Ｑ千０１）しているかによって異
なるものである。

また、上記一定システムにおいては、記録、表示モード
は、アナログ記録、デジタル値紀鍮およびグ５７表示の
３通りである。

上記一定システムにおける一定法は、呼気フローおよび
７０−と呼気成分濃度の積の積分を、呼吸気１１１およ
び一定時間の繰返しで一定、出力、記録する一定法であ
る。これは、実際の応用において、被検者に対する侵襲
の軽減、長時間の安定な調定、高い精度の実時間測定の
点に着目し、この観点から質量分析針・フローメータの
特性、ガス７０−と成分濃度掬定値間の相関を含むガス
同踏の特性、および呼吸、代謝の様態等について一定法
とのかかわりを検討した結果から、次のような測定法お
よびシステムの構成とされている。

第１図において、連続代謝測定システムは、概路次のｍ
部分装置から構成されている。すなわち、（１）被検者
Ｍに装着するマスク１、気量較正装置２つき呼気ガス回
路３（伸縮性の蛇腹−１６）、（２）呼吸分析用質量分
析計４、（３）フローメータ５（例えばフライシュ型の
ニューモタコ使用）、（４）呼吸転換点検出器６、（５
）呼気温度關定器７、（６）信号遅延器８、（７）換気
速度Ｖ、炭酸ガス排出率ＶＣＯ２／Ｖ、酸素摂取率ＶＯ
２／Ｖのアナログ演算装置としてのメタボリズムメータ
９、（８）マイクロコンピュータシステム１０　、（９
）マルチチャンネル（６チャンネル）アナログベンレコ
ーダ１１．（１（ｌデジタルプリンタ１２等である。上
記呼吸転換点検出器６は、例えばフローメータ５の筐体
に内蔵されていても良く、また呼気温度一定器７は例え
ばサーミスタ温度針を用いたものである。信号遅延器８
は、後述の如く、フローメータ５、呼吸転換点検出器６
出力と測定系としての質量分析針４出力の時間差を補償
するもので、図示の例では、メタボリズムメータ９の筐
体に内蔵されている。また、１３は伸縮自在の蛇腹、１
４は質量分析計４へのガス導入系、１５はニューモタコ
である。

上記測定システムにおいては、後述の測定法の説明から
も明らかになるように、呼気ガス回路３（排出ガス回路
）のみで成分ガス＃に１フローな測定する点に主たる特
長がある。また、他の生たる特長は、呼気ガスｉ路３は
、伸縮自在の蛇腹１３を用い、フロー測定のためのニュ
ーモタコ１５は呼気ガス回路３の開放端３１近くにとり
つけられている点である。このような呼気ガス１路３の
構成は、歇しい運動負荷時の一定で被検者Ｍへの侵襲の
軽減を図るためである。このため、上述の呼気ガス回路
３のみを用いたことに併せて、更にガス導管として伸縮
自在の蛇腹１３を用いたことにより、運動負荷時でも被
検者Ｍへの侵襲が最小となるようにすることができ、運
動負荷時でもその運動負荷自体に起因する代謝の測定を
より適確に行なうことができる。

更に、他の主たる特徴は、測定モードは、上述のように
、アナログ、デジタル両様の測定を可能としたが、いず
れの場合も呼吸毎のアナジグ綱定を基本とし、アナログ
・デジタル両様のいずれの場合も呼吸毎の一定はアナロ
グ演算によった点である。すなわち、デジタル画定の場
合、呼吸毎のアナログ測定結果を１呼徴の終末点毎にマ
イクロコンピュータ１０へ転送し、ここでデジタル変換
、スケ−リング、プリントアウト、積算・割算等の演算
等の処理が行なわれる。この方式によって、アナログ演
算刻路、マイクロコンピユータ１０の機能を効率的に利
用でき、最小のシステムにより必要な代謝関連指標の実
時間側定を行なうことができる。

まず、上記測定システムによる測定方法の原理について
述べる。

酸素摂取速度Ｖｏ２、炭酸ガス排出速度ＶＣＯ２は、酸
素、炭酸ガス呼出速度をそれぞれＶＣ１２Ｅ、ＶＣ０２
Ｅとし、酸素、炭酸ガス吸入速度をそれぞれＶＯ２Ｉ、
ＶＣＯ２Ｉとすれば、呼気温度換算で、ＶＯ２＝ＴＥ／
ＴＩＶＯ２Ｉ−ＶＯ２Ｅ・・・・・・（１）ＶＣＯ２＝
ＶＣＯ２Ｅ−ＴＥ／ＴＩＶＣＯ２Ｉ・・・・・・（２）
と表わされる。ここで、ＴＥ、Ｔ■はそれぞれ呼気、吸
気温度（絶対温度）を表わす。また、一般には、ＶＯ２
”？　ＶＣＯ２である。

一方、全吸気速度、呼気速度ｋＶｘｓＶｇで表わせば、 ＶＩ−Ｖｃｏｚｘ　＋ｖ０２Ｉ　＋Ｖａｚ工＋ＶＡＩ＋
ＶＨ２ＯＩ・・・（３）Ｖｇ　＝　ＶｃｏｔＥ＋Ｖ□ｚ
Ｈ＋ＶＮ２Ｅ＋ＶＡＥ＋ＶＨ２０Ｉ・・・（４）であり
、ここで添字Ｉ、Ｅはそれぞれ吸気、呼気を表わす。ま
た、ＶＮ２Ｉ、ＶＮ２ｇはそれぞれ窒素吸入速度、呼出
速度、ｖＨＩＯＩ　、ＶＨ２０Ｂは水蒸気吸入速度、呼
出速度％　ＶＡＩ、ＶＡＥはアルゴン吸入速度、呼出速
度である。

また、前記した質量分析計４において、出力Ｆｃｏ＊、
ＦＯ２、ＦＡ、ＦＮ２は、測定サンプルから仮想的に水
蒸気を除いた部分の炭酸ガス、酸素、アルゴン、窒素の
成分濃度を１００％→１０■で表示したものである。

従って、上記炭酸ガス吸入速度ＶＣ０２１等は、ＶＣＯ
２Ｉ＝ＦＣＯ２Ｉ×（ＶＩ−ＶＨ２ＯＩ）・・・（５）
ＶＡＩ＝ＦＡＩ×（ＶＩ−ＶＨ２ＯＩ）・・・（６）Ｖ
Ｏ２Ｉ＝ＦＯ２Ｉ×（ＶＩ−ＶＨ２ＯＩ）・・・（７）
ＶＮ２＝ＦＮ２Ｉ×（ＶＩ−ＶＨ２ＯＩ）・・・（８）
ＶＣＯ２Ｅ＝ＦＣＯ２Ｅ×（ＶＥ−ＶＨ２ＯＥ）・・・
（９）ＶＡＥ＝ＦＡＥ×（ＶＥ−ＶＨ２ＯＥ）・・・（
１０）ＶＣ２Ｅ＝ＦＯ２Ｅ×（ＶＥ−ＶＨ２ＯＥ）・・
・（１１）ＶＮ２Ｅ＝ＦＮ２Ｅ×（ＶＥ−ＶＨ２ＯＥ）
・・・（１２）と表わされる。なお、ＦＣＯ２Ｉ、ＦＡ
Ｉ、ＦＯ２Ｉ、ＦＮ２Ｉはそれぞれ吸気、すなわち被検
者Ｍが吸入する例えば室内空気の炭酸ガス、アルゴン、
酸素、窒素の成分濃度を示し、ＦＣＯ２Ｅ、ＦＯ２Ｅ、
ＦＡＥ、ＦＮ２Ｅはそれぞれ同様に呼気ガスにおける成
分濃度を示す。

また、上記（９）〜（１２）式の右辺のＶＥ−ＶＨ２Ｏ
Ｅは、１気圧の下で、 である。ここで、ＰＦ２Ｏ（ＴＥ）は、呼気温度での飽
和水蒸気圧である。

ＶＯ２、ＶＣＯ２、Ｖの酸素、炭酸ガス、換気量の気量
測定のため後述の演算式な導くのに当り、この測定シス
テムによる陶定法は、更に、呼吸の定常状態において、
次の（１４）式の関係がほぼ成立するという知見に基づ
いている。

すなわち、上記の諸式により、酸素摂取速度ＶＯ２／Ｖ
、炭酸ガス排出速度ＶＣＯ２／Ｖについて次式の表現を
うる。

ここで、（１６）式は十分な近似をもって次の（１７）
式にかえることができる。

前記のニューモタコ１５部位での呼気温度を改てＴｒ（
Ｋ）（絶対温度）とすれば、３７℃換算で表わした炭酸
ガス排出速度ＶＣＯ２、酸素摂堆速度ＶＯ２および換気
速度Ｖは、ＶＣＯ２、ＶＯ２をＳ．Ｔ．Ｐ．Ｏ、Ｖを前
述のＲ．Ｔ．Ｐ．Ｓで表わせば、 となる。なお、Ｓ．Ｔ．Ｐ．Ｄとは、０℃、１気圧の転
燥空気の気量な表わし、ＰＢは大気圧（Ｔ□ｒｒ表示）
である。

ガス濃度の変化は、実際に変化の起った時点から、質量
分析針４のガス導入系１４においてサンプル輸送に要す
る時間ＴＬだけ遅れて検出される。

これに対し、フロー測定は、変化と同時に検出される。

すなわち、今、フローのｔ　＝　ｉに１５ケる瞬時値を
ζ（１）とすれば、Ｆｃｏ２（ｔ）とｖ（ｔ−ＴＬ）が
対応する。従って、この遅れ時間を考慮し、実際の代謝
測定においては、呼気濃度、フローの瞬時値の測定結果
により、次式の演算式に示す積分ＶＣＯ２、ＶＯ２、■
を一定時間で繰返すことによって行なう測定方法とした
。

ここで、前述でも触れたように、ＦＯ２Ｅ、ＦＣＯ２Ｅ
、ＦＮ２Ｅはそれぞれ呼気ガスの酸素、炭酸ガス、音素
濃度（水蒸気な除く部分について）、ＦＯ２Ｉ、ＦＣＯ
２Ｉ、ＦＮ２Ｉは吸気の成分濃度であり、ｙＨ（ｔ−Ｔ
Ｌ）は呼気７０−ｖ（ｔ）をＴＬ（サンプルガスの質量
分析計４への導入に要する輸送時間）時間だけ遅らせた
ものである。また、ＰＨｚｏ（Ｔｒ）＋末Ｔｒ（Ｋ）で
の飽和水蒸気圧を示す。

これらによって、 Ｖｃｏｘ　＝　ＶｃｏＪ（単位時間）・・・（２４）Ｖ
ｏｗ＝Ｖｏｗ／（単位時間）・・・（至）Ｖ＝Ｖ／（単
位時間）・・・（至） を測定した。

上記のように、（２）式のＶＯＺに対する演算式＆末、
呼歓の定常状１１ＡＫ　＃いて吸気中の窒！ｃｋと吐気
中の窒素量が等しいとして導かれた。

ここで、（Ｆｏｚｘ／ＦＮ２工）Ｆｈｚｇ−Ｆｏｚｇを
（ＦＯ２Ｉ−ＦＱ２Ｅ）に代えることによって、ＲＱ＝
０．８において原理的に測定誤差４％の改善がされた。

の演算は、アナログ回路（メタボリズムメータ９）のＶ
Ｏ２の測定系において、ＦＮ２の入力をｋ倍の減衰器な
通すことによって行なった。

上記減衰率ｋの決定は、空気を導入して、後述の如く、 となるよう減衰器を調整する方法によった（ｋ−ＦＯ２
Ｉ／ＦＮ２Ｉ）。

なお、（２１）式に関しても、（Ｆａｏｕｉ；　−Ｆｅ
Ｏ２Ｉ）演算回路におけるＦＣｏ！Ｉの決定は、１００
２Ｍ　−ＶＣ０２１において擬似炭酸ガス濃度を表わす
電圧値Ｖｃ０２Ｉを設定し、空気導入時において、ＦＣ
Ｏ２−ＦＣＯ２Ｉ→０、すなわちＶＣＯ２＝ＦＣＯ２Ｉ
となるようＶＣＯ２Ｉを決定すればよい。

第３図に、測定に用いた呼気ガスだけのガス回路３にお
ける呼気フローｖ、およびＦＯ２、ＦＣＯ２、ＶＣＯ２
、（呼 吸毎）の即定結果のパターンの一例を示す。呼気フロー
ｖについては、フローメータ５原出力ｖと遅れ時間ＴＬ
（図示の場合は４５０ｍｓ）遅延したｖ（ｔ−ＴＬ）を
同時に示した。第３図によれば、ＦＯ２、ＦＣＯ２のパ
ターンに関しては、双方向性ガス回路で被検者の口元か
ら８サンプリングした場合に比し、平均化されている。

また、気温、献度、気圧の補正は、呼気温度測定器７に
よるニューモタコ１５部位の気温測定値を直接マイクロ
コンピュータ１０に入力し、演算式 によって、後述のように、１８℃から４０℃まで１℃お
きにあらかじめ計算されコンピュータ１０に記憶された
補正係数な乗する方法によって行なった。

従って、上述のは、測定中ほとん ど一定で、また上記補正係数をＣとすれば、前記（２２
）式は、次のように表わされる。

従って、呼気ガス回路３のみを用い、呼気ガス濃度ＦＮ
２Ｅ、ＦＯ２Ｅを連続測定することによって、酸素の摂
堆気量に関し自動的に時々刻々の変化をより正確に連続
測定することができる。

次に、第１図の測定システムの構成について述べる。

前述の呼気分析用質量分析計４は、磁場型呼気分析用質
量分析針を用いた。ガス導入系１４は、２段の差動排気
方式とし、初段は、例えば内径０−３５ｍｍ、長さ４０
０ｍｍの細管１６を経て、２０ｌ／ｍｉｎのロータリー
ポンプヘ排気し、次段は中間流から分子流にわたるリー
ク（毛細管）を経てイオン源にいたる。サンプル導入系
の特性は、サンプル摂取率２０ｍｇ／ｍｉｎ、応答８０
ｍｓ／９０％立上り、サンプル輸送時間（連れ時間）Ｔ
Ｌ４５０ｍｓであった。

質量分析計４の出力ＦＣＯ２、ＦＡ〜ＦＯ２、ＦＮ２は
、信号処理過程でサンプルガスから仮想的に水蒸気をの
ぞく部分の成分濃度を１００％→ＩＯＶで表示されてい
る。この処理は次式の演算による。

ここで、ＦＧｉ、αｉ、Ｐ．Ｈ．Ｇｉ、Ｖｆは、それぞ
れガスＧｉの濃度〔１０Ｖ／１００％〕、感度、イオン
ピーク出力値開、およびＦＧｉの電圧換算単位（ＩＯＶ
／１００％）を表わす。

との処理によって、一定された濃度は水蒸気の影響から
独立となり、また、ガス組成変化に伴う粘性の変化、こ
れに起因するガス流入率の変化、その他イオン源、測定
系において各インオビークに共通に作用する変動因子の
測定濃度に対する影響は消去される。

測定精度に関しては、測定サンプルガスとしてＣＯ２３
％、Ｏ２１８％、Ｎ２７８％を用いたとき、測定値の変
動は、ＦＣＯ２において０．０２％／１ｈ、ＦＯ２、Ｆ
Ｎ２において０．０５％／１ｈ程度であった。また、サ
ンプルガスな呼気ガスから室内空気に切替えた場合の感
度変化に伴う誤差分も同程度（ＦＯ２、ＦＮ２において
）であった。ちなみに後述するようにＦｏ２、ＦＮ２の
０−０３〜０．０４％の誤差（１００％に対し）はｖｏ
２測定値のおよそ１％の誤差につながる。

前述の７０−メータ５は、フライシュ型のニュモタコ１
５、ダイアフラム型差圧検出器を用いた電子式フローメ
ータである。この量の７０−メータ５によるフロー絢定
出力値はＪ［埋的にサンプル気体の粘性に比例して変化
する。ジグの都度、測定サンプルと刈じ組成のガスフロ
ーで較正することによってこの影響な軽減するようにし
た１、また、測定精度は層流条件の乱れに特に敏感に影
響されるから、ガス囲路３０組立てにあたっては、この
点について配膳が必要とされる、。

第４図に較正曲線を示す。ここでは、気流速度そのもの
ではなく、気量すなわち流速の積分値ｆｗｄｔを較正し
た。第４図において、献軸はフローメータ５出力をメタ
ボリズムメータ９の■調定系で測定した値ＶＭ で、横軸は同じ気量なスパイロメータで測定した値Ｖｓ
を示す。■＝０〜２１の範囲の測定で１ＶＭとＶｍの関
係として、ＶＭ＝０．９８６Ｖｓ＋１３（ｍｌ）を得た
。測定結果は、使用したニュー上２３１５０口径、差圧
センサー特性によって一様ではない。

信号遅延装置８は、１２ｂｉｔＡ／Ｄコンバータ、レジ
スタ、１２ｈｉｔＤｌムコンバータ、サンプリング周期
設定用タイマの組合せからなる。遅延時間は、２ｍ−分
解能で最大４９９５１ｍ１．電圧分解能はＩＯＶ／１２
ｂｉｔである。呼吸気フローと呼吸転換点検出信号を同
時に遅延する機能をもつ（第１図参照）。原フローと遅
延させたフローの同時記録は鵠記の第３図に示されてい
る。この信号遅延装置の時間分解能、入出力の直線性は
ともに本測定の目的には十分であった。

この信号遅延装置１８は、既述したようにメタｌリズム
メータ９内にアナログ演算回路と共に組込まれている。

次に、このメタボリズムメータ９のアナログ演算回路の
一例について説明するに、第２図はこのアナログ演算四
路の構成図を示している。

上記アナログ演算回路は、（ａ）ｖ×ＦＧｉのための乗
算器１７．１８．１９、（ｂ）のためのの積分器２０．
２１．２２、（Ｃ）積分値保持のためのサンプルホール
ド回路２３．２４．２５、（ｄ）呼吸毎、３０秒、１分
毎の積分時間単位設定のためのりセットパルスおよびこ
れと連動したデジタル部への割込信号発生装置２６（呼
吸毎のパルスは、呼吸気圧検出器（呼吸転換点検出器７
）出力をヒステリシスつきの比較回路に入力し、負圧か
ら正圧へのゼロクロス出力電圧でトリガパルスを発生す
るよう調節した。また、３０秒、１分、５分毎のパルス
は、水晶発振子タイマによった）、（ｅ）△ＦＣＯ２（
＝ＦＣＯ２Ｅ−Ｆａｏ２Ｉ）演算回路２７、および較正
電圧回路２９よりなる。

また、３０はのための積分器、３１は その積分値保持のためのサンプルホールド回路、３２は
ＮＯＢＭ側、ＳＵＢ側に切換えられる連動切換スイッチ
、３３は測定時はＭ側にまたスフ−リングの場合はＳ側
に切換えられる連動切換スイッチである。

また、出力端子は、アナログ演算値出力用としての （２）（または の各出力端子３４．３５．３６．３７、上記演算結果の
デジタル部への転送のための呼吸毎のホールド値出力端
子３８．３９．４０．４１、およびデジタル演算部への
割込信号端子４２よりなる。

なｇ１４３．４４．４５．４６はそれぞれＦＣｏ　２、
Ｆ０２、ＦＮ２、ｖの入力端子、４７はコンピュータ１
０からのりスタート（ｒｅｓｔａｒｔ）用の入力端子、
４８は伽号遅延器８からのリセットパルスｍの入力端子
、４９はダイオ−ト（１ｄｅａ凰ｄｉｏｒｄ）である。

第５図はメタｌリズムメータ９の機作ハネル（両画パネ
ル→、菖す図は背面パネルを示す。

第５図において、５０は遅れ時間（ＴＬ）設定ダイヤル
５１は上記連動切換スイッチ３２を切換えるための操作
部、５２は上記連動切換スイッチ３３１に切換えるため
の呼吸気濃屓醐定モード切換用の操作部、５３は上記り
演算回路２８すなわちサブ（引算）回路ａ整量ツマミ、
５４は上記の演算−路２７すなわちサブ（引算）回路１
ｉｌｌ用ツマミ、５５．５６および５７．５８はそれぞ
れランプである。なお、５９はリスタート用の操作部、
６０はペースタイムセレクト用の操作部、６１はパワー
スイッチである。） また、第６図において、６２は各積分器のオフセットア
ジャスト、６３はフローメータ５からの入力用コネクタ
、６４は實を分析計４からの入力用コネクタ、６りはア
ナログ演算値出力用コネクタ、６６はコンピユータ１０
への出力用コネクタ、６７−はテスト用のコネクタであ
る。

次に、デジタル演算部について述べるに、これは、１６
ｃｈ１２ｂｉｔＡ／Ｄコンバータからなるインターフェ
イスとマイクロコンピュータシステム（ＲＯＭ２Ｋ、Ｒ
ＡＭ６４Ｋ）よりなる。このシステムは以下の機能を備
えている。

（ａ）呼吸毎の割込信号をうけて、呼吸毎のアナログ演
算結果および呼気温度Ｔｒを入力し、呼吸毎、３０秒毎
、１分毎、５分毎のＶ、ＶＣＯ２、ＶＯ２（または単な
る呼出気量、Ｒ、Ｑおよび呼吸数Ｒ，Ｒを演算、実時間
プリントアウトする。

（ｂ）Ｆｃｏｇｓ、ＦＯ２、ＦＮ２を質量分析針４がら
直接入力しく第１５ｉ３参照）５秒間の平均値なプリン
トアウトする。

（Ｃ）測定値なデジタルプリンタ、絢定後、掬Ｒ，Ｑの
時開変化なプリンタ１２にグラフ表示する。

マタ、アナログ記録針としてのペンレコーダ１１は、ペ
ン遅れ修正つき５ｃｍレコーダ（応答１６００ｍｍ／ｓ
ｅｃ）な使用し、上記デジタルプリンタ１２は９６文字
／行、印字スピード９６文字／ｓｅｃのものを使用した
。

次に、上記構成の測定の手順について説明するに、まず
、アナログ測定の場合、測定に先立ち以下の較正、調整
を行なう。

（１）呼気分析用質量分析計４の感度調節これには、呼
気組成に近い組成なもつ標準ガスを用いる。

（２）ＦＧｉ、一定値の時間ずれ測定およびその修正 呼気成分濃度ＦＧｉの遅れ時間の測定は、第７図（Ａ）
のようにマウスピースにフローメータ６７を接続、その
開放端に呼吸気サンプリンググローブをとわる点の時間
ずれｔ遅れ時間として測定する。この修正は、メタボリ
ズムメータ９のｍｍパネルの遅れ時間設定ダイヤル５ｏ
で行なう。

（３）フロー測定四路、演算回路を含む気量定系の較正 第１図の測定システムにおいて、メタ７にリズムメータ
９の前面パネルの操作部５１ｆ）測定（Ｍ＃ａｓｕｒｅ
　）、較正（ｓｃａｌｉｎｇ）選択ボタンのｍｃ為１＠
を押す。

このときＦｏｉ入力は、較正用電圧ＦＣＯ２→５．００
Ｖ％　Ｆｏｚ　−ｅ　ｓ、ｏｏｖ、　ｌ’Ｎ！→７．５
ＶＫ切替えられる。

ついで、ガス回ｊＩ３な気量較正装置２としての較正用
シリンダー側へ通す。測定モードなメタボリズムメータ
９の操作１１６０により呼吸毎（または３０秒、１分）
に設定して、ピストンを往復させ、正確に２０００ｍｌ
（または３０００ｍｊ）のサンプルガス（バッグにとっ
た呼Ｋ）ｋニュー上タコ１５に通す。メタボリズムメー
タ９の出力を第８図のように記録する。シリンダーの１
往復の増分△ｖ１△Ｖａｇｚ、△Ｖｏ２、△ＶＮ２　は
それぞれ２０００ｍｌ、１００ｍｌ．１００ｍｌ、１５
００ｍｌに相当する。

（４）ΔＦＣＯ２（＝ＦＣＯ２Ｅ−Ｆｏｏｘｘ）、△Ｆ
０２（＝ｋＦＭ２Ｅ−ＦＣＯ２Ｅ）測定回路におけるＦ
ＣＯ２Ｉ、ｋの設定（酸素摂取率、炭酸ガス排出率測定
の場合）呼吸気濃度一定モードをメタボリズムメータ９
の前面パネルの操作部５２によりｎｏｒｓｍ　（Ｆｏｏ
２、Ｆｏｘｓ　ＦＮ２）からｓｕｂモード（△Ｆ００２
　％△’Ｑ２ｓ△ｈ（２）へ切換える。

質量分析計４丈／グリングプｐ−ブで案内空気を導入シ
ツツ△Ｆ　ｃｏｘ　＝Ｆａｏｚ　−Ｖニー＋Ｑとなる整
は、それぞれ前面パネルのサブ（ロ）路ｌ＃整ツマミ５
３．５４で上方のそれぞれ２つのランプ５５と５６．５
７と５８が交互に点滅する状態にＦｊ１４整する。

以上の作業の後、す／グリングゾσ−ブヲ、吐気回路の
第１図に示す位置に挿入し、ガス回路をニュー上タコ１
５方向に通し、マスク１な被検者、３ｕ秒単位の測定給
米な示す。ここでは、ｉ！皮、湿度の補正は行なわれて
いない。

次に、デジタル測定の場合には、アナログ測定の場合の
較正、調節に加えて次のスケーリング操作を行なう。

メタボリズムメータ９で、測定モードなそれぞれ操作部
５１．５２により一ｃａｌ、ｎｏｒｍモードに設定し、
ガス回路をスケーリング用シリンダー、ニューモタコ１
５方向に通じ、ピストンを往復させて２０００ｍｌの気
量を数回往復させる。１往復毎のメタズムメータ９の出
力ｖ−■００２、ＶＯ２なそれぞれ２０００ｍｊ、１０
０ｍｊ、１００ｍｌに相当するものとしてコンピュータ
１０に記憶させる。

スケーリングが正しく行なわれたかどうかは、コンピュ
ータ１０に呼吸毎モード測定コマンドを入力して、スケ
ーリング操作と同様の操作を行い、演算結果を第１衆の
如くプリントアクトさせる。

これは、アナログ測定の場合に述べたと同様のスケーリ
ングな行ない、引き続いて同様の方法でピストン気量２
０００ｍｌの呼数シュミレーションを行なったときのデ
ジタル観定結果で、ここでは、ＶＴ＝２０００ｍｌ％Ｖ
Ｏ２＝ＶＣＣＨ戸１０００１’、ｖＮ２＝１５００ａｊ
、Ｄｏ０２　（ｖＯ！　／ｙ　、　）＝　Ｄ’ａ０２　
（ｖＧｏ”／Ｖ、）＝０．０５００．Ｒ，Ｑ＝　１．０
００’に得たとき測定誤差０を意味する。

この結果は、スケーリングの正否の確認と、同時に測定
システムのフロー回路、演算回路部分り測定精度な検征
するためのものである。

吐出気量、呼出ガス平均ａ測定の場合は、メタボリズム
メータ９のｍ友人カモードなΩ０ｒｔｎｖｃシて測定す
る。

実際の測定は、較正電圧を質量分析計の出力ｒこ、ピス
トン回路をマスク回路に切換えたとき始まる。

更に測定例として、第２表にＶ、ＶＣＯ２、ＶＮ２、Δ
ＦＯ２、△ＦＣＯ２、Ｒ、ＱおよびＮ（呼吸数／単位時
間）、ｔ（時間）の３０秒単位の測定結果を示す。

なお、呼吸毎、３０秒、１分率位の一定な連続して行な
うこともできる。

上記測定は、椅子に腰掛けた状態、軽い足踏み、早い足
踏み、軽い足踏み、再び腰掛けた状態と順次運動負荷を
変えたときの測定結果である。この測定結果は、プリン
ター１２上にグラフ表示することもでき、第１０図は、
上記測定結果をグラフ表示したものである。この測定は
、実時間測定結果をプリントアウトと同時にコンピュー
タ１０に記憶し、測定後にグラフ表示コマンドによって
同じプリンター１２に出力したもので、Ｖ％　ｖｃｏｚ
、＋０！、Ｒ、Ｑがそれぞれ＊、ｂ、ｃ、ｑの文字でプ
ロットされている。

第１１図、第１２図はデジタル測定プログラムのフロー
チャートを示し、第１１図は測定の種類を示し、第１Ｚ
図は一定すべき代謝関連指標の内容を示す。

また、上記測定システムでは、代謝量のエネルギー表示
、エネルギー代謝率Ｒ、Ｍ、Ｈの演算、およびそれらの
グラフ表示プログラムを備える。

次に、調定精度について述べるに、下記の（１）、（２
）の測定によってＶ、ＶＣＯ２、ＶＯ２の測定精度を検
証した。

（１）上記測定システムとスパイロメータによる呼出気
量の同時測定結果の比較。

（２）上記測定システムによるＤＦｏｏ　ｚ　（＝Ｖｃ
Ｏ２／Ｖ）、ＤＦｏｓ（＝ＶＯνα）の一定結果と、質
量分析計によって、ダグラスバッグ収納呼気、および室
内空気成分濃度差を交互に測定した結果から算出したと
の比較。

第３表は、（１）の測定結果を表す。

上表において、Ａは較正シリンダーによって室内空気を
出入りさせた測定、Ｂはマスク１をつけた呼気回路によ
る実際の測定結果である。ここで、ＶＭは上記測定シス
テムによって測定した呼出気量（プリントアウト値）、
ＶＳはスパイロメータによる測定値を温度、湿度に関し
補正した結果を示す。ＲＶは各測定値の相対誤差（スパ
イロメータ測定値基準）ＥＶは平均誤差で、温度、湿度
の補正は、スパイロメータの直読値にを乗ずることによ
っ て行なった。なお、Ｔｓはスパイロメータ内の呼気温度
（絶対温度）を表わす。また、測定は平静呼吸の状態で
行なわれた。

第４表は、（２）の結果を示す。

ここで、ＤＦＯ２Ｍ、ＤＦＣＯ２Ｍは５分単位で測定し
たＶＯ２／Ｖ、ＶＣＯ２／Ｖのプリンター出方値である
。ｔＪｏｘｍ、ｔＶＣＯ２ａはそれぞれ室内空気（吸気
）、ダグラスバッグ収納呼気ガス閏の濃度差により一定
した（Ｖｏν’Ｖ）、（ＴｏｏνＸ）相当の葺を表わす
。ただし、△ＦＯ２ｓ＝（ＦＮ２Ｅ−ＦＯ２Ｅ）によっ
て算出した。

ＶＯ２＝△ＦＯ２×Ｖ、ＶＣＯ２＝△ＦＣＯ２×Ｖであ
るから、上紀關定システムによるＶＯ２、ＶＣＯ２の測
定精度は、（１）、（２）の結果より、ＥＶＣＯｚ＝Ｅ
△ＦＣＯ２＋Ｅｖ”３．０（％）、ＥＶＯ２＝Ｅ△ＦＯ
２＋Ｅｖ−３．５（％）程度である。

上記測定システムの一定精度を支配する要因として、次
のものが考えられる。

測定法による系統的誤差 （１）Ｖｏｗ％　ＶＣＯＲ演算式の系統的誤差Ｖｍｍｇ
＝ＶＮ２Ｉの条件の下で、ＶｏｏｚｓＶｏ＊の演算式と
して、既述のように前記（２１）、（２２）式をえた。

ここで、 としたときのＶＣＯ２、ＶＯ２演算値の相対誤差εＶＣ
Ｏ２、εＶＯ２はそれぞれ εＶＯ２＝ＦＯ２Ｉ×（１−ＲＱ）＝０．０４（４％）
・・・（３１）である。ここで、Ｒ、Ｑ（−ＶＣＯ２／
ＶＯ２）＝０．８、ＦＯ２Ｉ＝０．２１（２１％）、Ｆ
ＣＯ２Ｉ＝０．００１（０．１％）を適用した。

ＶＣＯ２の一定に関しては、十分な近似なもって（２１
）式を用いることができる。ＶＯ２の一定に関しては、
単なる呼気、吸気濃度差とフローの積の積分では、４〜
５％の誤差な生ずることが種層できる。

（動遅れ時間修正の不完全さによる誤差細管中の粘性流
において、サンプルの輸送時開（遅れ時間ＴＬ）は、入
口の圧力ＰＯが出口のそれに比し格段に大きいとき、 と見積られる。ここで、Ｌ、ａはそれぞれ細管の長さと
内径、μは、流れを構成するサンプルの粘性係数な嵌わ
すメ１．実験によれば、（３２）式から見積られる値は
、導入系の初段において、Ｌ＞２ｍ（ａ＝０．３〜０．
４ｍｍ）の範囲でよく一致した。測定された一定の時間
差は、２ｍｓ時間分解能、１２ｂｘ（入山力電圧分解能
の上記の遅延装置８で十分な精度、直線＠＊もって修正
可能であった。

また、（３２）式から明らかなように、ＴＬは定常＊に
おいてさえも、粘性係数（サンプル組成、圧力、温度に
よってきまる）に比例して変化し、更に、実験結果によ
れば、急激な組成変化に際して、導入路中の組成変化の
フロント部の移動は、層流条件から外れ、（３２）式で
見積られる値よりやや大きくなる傾向にある。この観点
からは、一定システムに用いるガス回路は、組成変化が
比較的小さく、上述の演算過程において遅れ時間の影響
が小さいことが望ましく、上記測定システムにおけるガ
ス回路３の構成はこの点で好適なものである。

ここで用いたガス回路３における組成変化の様態は既に
第１図に示したが、第１３図にこの回路におゆるＶＣＯ
２のＴＬ設定値に対する依存の様子を示す。これによれ
ば、ＶＣＯ２への波及誤差はＴＬの１０ｍｓ程度の変動
では無視しうる程度である。

（３）気温、湿度の不完全補正による誤差温度、湿度の
補正に関しては、調定気量は、補によって、１気圧、３
７℃の乾燥ガスの気量として表わした。

実際の一定においては、ニューモタコ１５直後に設置し
たサーミスタ温度計（０，１°分解能）の出力をマイク
ロコンピュータ１０へ入力し、これによってあらかじめ
１８℃から４０℃まで１度お倉に炸製し、コンピュータ
ｌＯに記憶させた次表に示すテーブルを作用させた。

また、時と場所によっては、気圧の７６０Ｔｏｒｒから
のずれに対する補正も必要となる。この補正を加え更に
気量を０℃換算値で表わす場合の補正係数は既述の如く
Ｃとなる。

演算システムによる演算誤差 デジタル演算部の精度は、１２ｂｉｔＡ／Ｄ変換器の変
換指度によって決まり、醐定娯差はフルスケ−ル（１２
ｂｉｔ）に対し、０．０５％程度である。

演算誤差の大きな部分は、アナログ九埋の過１！におい
て現われる。アナログ演算部においても、積分器、テン
プルホールド回路の精度は、フルスケールＩＯＶ出力に
対し、０．０５％以下で、誤差の主要な部分は用いた乗
算器の入力部での直線性の不良によるものであることを
見い出した。従って、上記一定システムにおいては、Ｆ
Ｏ２、ＦＣＯ２、ＦＮＩ、ＶおよびｒｅＪｏ　ｚ、ｔＪ
ｃｏｚを乗算器への入力−に限度一杯に増巾すること、
またニューモタコ１５も一定目的に応じて大小口径のも
のを使用分けることによって乗算器入力のレベルなでき
るだけ＾め、８／Ｎ比の改善に配慮した。

１００２、Ｆ（Ｂ、ＦＨｔ　Ｋ対し、５Ｖ、５Ｖ。

７．５ｖの直流電圧な、■の代わりに発振器の正弦波出
力を用いた擬似気量ｖｏｗ　、ｖａｏ冨、■Ｎ！の一定
誤差は、１〜１０ｖＰ−ＰのＶ入力範囲において１．５
％以内であった。

呼吸気フローに関し、上記一定システムにおいてフロー
測定のために採られた対策は、調定対象とする呼吸様ｍ
に適したニューモタコ口径の選択、コノニューモタコ特
性に適合した感度、直線性をもつ差圧検出器の選択およ
び、ニューモタコ１５部位での水蒸気露結防止などであ
る。

質量分析計４の一定精度に関しては、ＦＮ２−８０％、
Ｆｏ２−２０％、ＦＯＯ２＝３０５の測定において、そ
れぞれの変動は、ＦＮ２、Ｆｏｚに対して０．０５％／
ｈ、ＦＣＯ２に対しては０．０３％／ｈの程度であつた
。上記一定システムにおいてＦＯ２、ＦＣＯ２の０．０
３％の変動は、ＶＯ２、ＶＣＯ２の１％の測定誤差をも
たらし、この変動は、フローメータの小信号部の直線性
と共に誤差要因をなす。質量分析針のガス導入系等に更
に改善を要することは勿論、特に最時間の測定、より高
い精度な要する一定においては、質量分析針の感度を一
定時間毎で自動較正すると共に、前述のｋ・ＦＭ２Ｅ−
ＦＯ２Ｅの演算回路でｋ値を自動調整すればよい。

上記一定システムで用いたガス回路３は（双方向性のガ
ス回路に比較して、（１）被検者Ｍへの侵襲の軽減、（
２）ニューモタコ１６を蛇綴回路の先＠部に固定して設
置しうる、（３）遅れ時間修正に比較的許容度が大きい
、（４１１１度、湿度の補正が比較的容易である、（５
）構造が単純等の利点を有する。

なお、前記（２）式による酸素摂取量の画定方法は、上
起一定システム以外の構成にも適用し待る。

以上のように、この発明は、酸素摂取量なＩｉｉ記（至
）式により一定する連続代謝測定方法であるから、呼気
ガス回路のみを用い、呼気ガス濃度ＦＮ２ＥｓＦＯ２Ｅ
を連続測定することによって、酸素の摂取気量に関し、
自動的に時々刻々の変化をより正確に連続一定すること
ができ、臨床応用、体育生理研究あるいは栄養学への応
用を目的とした基礎代連続測定、運動負荷、薬物（食物
な含む）負荷測定に適用して好適である。

なお、上記連続代謝測定方法は、次の態様で実施し得る
。

（１）蛇腹の如きフレキシブルな呼気管つき呼気回路に
接続した呼吸転換点検出器、温度測定器、フローメータ
の出力を電子回路に入力し、この電子回路に前記（２８
）式の計算を行なわせる連続代謝測定方法。

（２）上記（１）項に記載の方法に分いて、更に前記（
２１）式、（２３）式の計算を行なわせる測定方法。

（３）上記（１）項に記載の方法において、ｋ（４）上
記（１）項に記載の方法にしいて、（一定時間毎または
随時）自動較正する測定方法。

（５）上記（１）項に記載の方法において、サンプリン
グする方法とそれに伴なう信号処理の方法を含む測定方
法。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の連続代謝測定方法を適用した連続
代謝測定システムの一例を示す構成図、第２図は、上記
連続代謝測定システムにおけるメタボリズムメータのア
ナログ演算回路の一例を示す構成図、第３図（Ａ）、（
Ｆ３）は、上記連続代謝測定システムにおいて測定（（
用いた呼気ガスだけのガス回路の概略構成図、並びに呼
吸気フロー、およびＦＯ２、ＦＣＯ２、ＶＣＯ２（呼吸
毎）のパターン、第４図は、較正曲線を示すグラフ、第
５図は、上記メタボリズムメータの操作パネル（前面パ
ネルを示す正面図、第６図は同背面パネルを示す正面図
、第７図（Ａ）、（Ｒ）は、遅れ時間を測定する場合の
概略構成図、並びにその揚台のグラフ、第８図（Ａ）、
（Ｂ）は、気量測定系の較正の場合のメタボリズムメー
タの出力を記載したグラフ、第９図（Ａ）、（Ｂ）は、
Ｖ、ＶＣＯ２、ＶＯ２の測定結果を示すグラフ、第１０
図は第２表の測定結果をグラフ表示した図、第１１図お
よび４１２図はデジタル測定プログラムのフローチャー
ト、第１３図（Ａ）、（Ｂ）は、ガス回路におけるＶＣ
Ｏ２の遅れ時間ＴＬ設定値に対する依存の様子を示すグ
ラフ、並びにその嚇合のガス回路の概略構成図である。 ３・・・呼気ガス回路、４・・・・質量分析計、５・・
・フローメータ、８・・・信号遅延器（装置）、９・・
・メタボリズムメータ、１０・・・マイクロコンピュー
タ、１４・・・ガス導入系。 第８図（Ａ） 墨Ｖ〜 第８図（８） ３０吋ｋＳＥＴ 第１Ｉ図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｃを温度・湿度・気圧により決まる補正係数、ｋを定数
   、ＦＮ２Ｒ（ｔ）を呼気ガスの窒素濃度の瞬時値、ＦＯ
   ２Ｒ（ｔ）を呼気ガスの酸素濃度の瞬時値、ｖＥ（ｔ）
   を呼気フローの瞬時値、ｔを時間、ＴＬをサンプルガス
   の測定系への導入に要する輸送時間として、酸素擾堆量
   ＶＯ２を次式 により測定することを特徴とする連続代謝測定方法。