JPS6323778B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、呼吸代謝測定装置に係わる。

生体が生命を維持し、活動を行うためには、酸
素O₂を体内にとり入れ炭酸ガスCO₂を排出する作
用、すなわち呼吸は必要欠くべからざるものであ
る。

呼吸により肺からとり込まれた酸素は、血液循
環により、体の各組織に運搬され、エネルギー生
成のために消費される。そしててエネルギー生成
の際に生じた炭酸ガスは血液循環により肺に集め
られ、呼吸によつて体外に排出される。

今、例えば空気（O₂が20.9％、CO₂が0.03％、
N₂が79％含有）を吸入したとき呼出される呼気
が、O₂16％、CO₂4％、N₂79％であるとすると、
生体内におけるO₂消費によるO₂濃度の変化は、
20.9％−16％＝4.9％であり、CO₂生成によるCO₂
濃度の変化は、４％−0.03％＝3.97％となる。し
たがつて、今、吸入気量をV_Iとし、呼出気量を
V_Eとすれば、O₂消費量は、V_I×0.16、CO₂排出量
はV_E×0.0397となる。

このような酸素消費量及びCO₂排出量は、呼吸
代謝量と呼ばれるものであるがこの呼吸代謝量
は、生体の生理状態や、活動状態、すなわちエネ
ルギー消費状態によつて異つてくる。

したがつて、この呼吸代謝量を測定することが
できれば、逆に生体の生理状態や、活動状態、す
なわちエネルギーの消費状態を知ることができる
ことになる。

したがつてこの呼吸代謝量の測定は、生体の生
理機能等を判知する上で、重要なことであり、こ
の測定が正確に行われることが強く要求される。

この呼吸代謝量、すなわちO₂消費量、CO₂排出
量の求め方を一般的に説明するに、今、O₂消費
量をVO₂とし、CO₂排出量をVCO₂とすると、 VO₂＝V_IO₂−V_EO₂ V_IO₂＝V_I×F_IO₂ V_EO₂＝V_E×F_EO₂ VCO₂＝V_ECO₂−V_ICO₂ V_ECO₂＝V_E×F_ECO₂ V_ICO₂＝V_I×F_ICO₂ となる。但し、ここに、 V_IO₂は吸入O₂量 V_EO₂は呼出O₂量 V_ECO₂は呼出CO₂量 V_ICO₂は吸入CO₂量 V_Iは吸入気量 V_Eは呼出気量 F_IO₂は吸入気中のO₂濃度 F_EO₂は呼出気中のO₂濃度 F_ICO₂は吸入気中のCO₂濃度 F_ECO₂は呼出気中のCO₂濃度 である。すなわち、 VO₂＝V_I×F_IO₂−V_E×F_ECO₂ …(1) VCO₂＝V_E×F_ECO₂−V_I×F_ICO₂ …(2) として表わされるものであるが、ここに、吸入気
量V_Iと呼出気量V_Eはほぼ等しいので、上記(1)式
及び(2)式は、 VO₂＝V_E×（F_IO₂−F_EO₂） ……(3) VCO₂＝V_E×（F_ECO₂−F_ICO₂） ……(4) として表わすことができる。

このようにして、上記(3)式及び(4)式によつて
O₂消費量VO₂と、CO₂排出量VCO₂とが与えられ
るが、更にこれらの比VCO₂／VO₂、すなわち呼吸商 RQは、生体のエネルギー消費状態の総合指数と
して重要である。すなわち、呼吸代謝量は、O₂
消費量VO₂〔c.c.／分〕と、CO₂排出量VCO₂〔c.c.／
分〕と、呼吸商RQとの３つの値として測定され
ることが望まれる。

ところが、上記(3)式及び(4)式からわかるよう
に、これらO₂消費量VO₂と、CO₂排出量VCO₂を
求めるには、吸入気中のO₂濃度F_IO₂と、呼出気
中のO₂濃度F_EO₂と、呼出気中のCO₂濃度F_ECO₂
及び吸入気中のCO₂濃度F_ICO₂と、吸入気量V_Eと
の４つの量の生体信号を測定する必要がある。こ
のような４つの生体信号を同時に、しかも高い精
度をもつて測定することは、かなり難しい。ま
た、技術的には可能であつても、これら生体信号
を得るための多くの変換器を用いることは、装置
の複雑化、取り扱いの煩雑化、更にコスト高を招
来する。

これがため、従来、この種の呼吸代謝量の測定
は、空気を吸入する場合についてのみ行われ、空
気中のO₂濃度は20.9％でありCO₂濃度は0.03％で
略０％とみなせるので、すなわち式(3)、(4)におい
てF_IO₂＝0.209及びF_ICO₂＝０の定数として扱い、
このF_IO₂及びF_ICO₂の測定を回避し、他の３つの
量、すなわち呼出気量V_Eと、呼出気中のO₂濃度
及びCO₂濃度を夫々測定する方法が採られてい
る。

ところが、このような測定方法では、吸入気が
空気以外の場合、例えば手術中の患者の呼吸代謝
量を求める場合のように患者の吸入気のO₂濃度
F_IO₂が空気中のそれと異つて、30％〜90％に及
ぶ場合あるいは、吸入気のCO₂濃度を０％とみな
すことが出来ない場合には、呼吸代謝量の測定は
不能となる。

本発明は、吸入気中のO₂又はCO₂濃度を逐次検
出しこのO₂濃度の変化に逐次追従して正確に呼
吸代謝量の測定を行うことができるようにし、例
えば手術中の患者と雖も呼吸代謝量の測定を可能
にし、しかも多くの変換器の使用を回避し、構成
の簡潔化と、取扱いの簡便化をはかるものであ
る。

第１図を参照して本発明による呼吸代謝測定装
置の一例を詳細に説明する。図中１は、生体、す
なわち被検者の口腔に当てられるマウスピース
で、このマウスピース１は、一方向制御弁２を具
備し、これによつて生体の呼出気が矢印Ａで示す
一方向に流れるようにされ、吸入気が矢印Ｂのよ
うに他方向からとり入れられるようになされてい
る。このマウスピース１の呼出気側通路には呼出
気量測定変換器３が連結されると共に、呼出気が
導入されることによつてこれの流れを平滑化する
呼出気平滑チエンバー４が設けられる。

一方、O₂とCO₂とを夫々検出し、その濃度に応
じた例えば電圧としてとり出されたO₂濃度電気
信号とCO₂濃度電気信号とを得る１組のガス検出
装置５が設けられる。そして、このガス検出装置
５に対し、マウスピース１への吸入気と、平滑チ
エンバー４によつて平滑化された平滑呼出気とを
送り込む吸入気―呼出気切換手段６が設けられ
る。この切換手段６は、例えば回転弁によつて構
成され、吸入気が導入される通路７と、平滑チエ
ンバー４からの平滑呼出気が導入される通路８と
を、ガス検出装置５に通ずる通路９に対して切換
え連通するようになされている。

また、一方、ガス検出装置５から得られた吸入
気O₂又はCO₂濃度電気信号を記憶し且つ記憶の更
新を行うことのできる記憶装置１０が設けられる
と共に、ガス検出装置５から得られた呼出気O₂
濃度及びCO₂濃度各電気信号と、呼出気量測定変
換器３からの呼気量測定信号とが入力され、更に
記憶装置１０からの記憶信号が導入されて、前記
(3)式及び(2)式に基く演算と、更に呼吸商RQを求
める演算等がなされるデータ処理装置１１が設け
られる。

１２は、このデータ処理装置１１によつて得ら
れた呼吸の代謝に関連するデータ、すなわち、
O₂消費量VO₂、CO₂排出量VCO₂、呼吸商RQ等
の値が表示される表示装置である。

また、１３は、記憶装置１０の制御回路で、例
えば切換手段６に関連されて、この切換手段６
が、ガス検出装置５に対し、通路７を連通させて
装置５に吸入気を導入した状態では、すなわち装
置５から吸入気中のO₂あるいは濃度による吸入
気O₂あるいはCO₂濃度電気信号がとり出される状
態では、この信号を記憶装置１０に記憶させ、切
換手段６がガス検出装置５に対し通路８を連通さ
せて装置５に呼出気を導入して装置５から呼出気
中のO₂、CO₂各濃度による呼出気O₂濃度及びCO₂
濃度電気信号がとり出される状態では、記憶装置
１０に記憶された信号が読み出されてデータ処理
装置１１に導入されるようになす。

そして、特に本発明においては、呼気休止検出
手段１４が設けられ、これに呼出気量測定変換器
３の出力が導入されて、呼出量の流速変化から呼
気の休止時期を検出した検出信号を得るようにな
されている。一方、この検出信号を計数する計数
回路１５が設けられ、この計数回路１５によつて
Ｎ個の休止信号を計数して１個の制御信号を得、
これによつて制御回路１３を作動させ、この制御
回路１３によつて、ガス検出装置５からのO₂、
又はCO₂濃度電気信号を記憶装置に記憶させる動
作をなさしめると同時に、一方制御回路１３によ
つて切換手段６を、吸入気通路７をガス検出装置
５に連結する側に切換える動作をなさしめる。

上述の本発明による呼吸代謝測定装置によつて
呼吸代謝量の測定を行うには、マウスピース１を
生体の口腔に当て、所要のO₂濃度を有する気体
を吸入気として生体に送り込むと同時に同様のマ
ウスピース１から呼出気をとり出す。この時、呼
気休止検出手段１４によつて呼気の休止時期が検
出され、この休止時期が計数回路１５によつてＮ
個計数される毎に制御回路１３が動作する。これ
について第２図を参照して説明する。マウスピー
ス１からは、生体の呼吸に応じて所要の間隔をも
つて呼出気がとり出され、これが呼出気量測定変
換装置３に送り込まれることによつて、この装置
３から生体の呼吸周期に応じた周期の出力が第２
図Ａに示すようにとり出され、これが呼気検出手
段１４に入力される。この手段１４は、その入力
を例えば第２図Ｂに示すように方形波に変換し、
この方形波を微分して第２図Ｃに示すような微分
パルスを得、更に、第２図Ｄに示すように、第２
図Ｃの負のパルスに同期したすなわち呼気休止に
応じた出力パルスをとり出すようになされる。そ
してこの手段１４よりとり出されたパルス出力
は、計数回路１５に入力され、ここでその呼気休
止回数に相当するパルスの数を所定の個数Ｎ個、
例えば第２図Ｅに示すように４個計数する毎に１
個のパルスがとり出されるようになされていて、
この出力パルスによつて制御回路１３が動作し、
これにより第２図Ｆに示す制御信号がとり出さ
れ、これによつて第２図Ｇに示すように、切換手
段６を区間△ｔとの間、吸入気の通路７をガス検
出装置５に連結させる第１の切換状態（第１図で
示される状態）とし、他の区間で、呼出気の通路
８をガス検出装置５に連結させる第２の状態（第
１図で示される状態から時計方向に90゜回転させ
た状態）に切換えると共に、時点T₁での記憶装
置１０の記憶更新を行う。つまり、時点T₁から
△ｔ区間、切換手段６は、第１の切換状態にある
ことから検出装置５からは、吸入気中のO₂濃度
と、CO₂濃度の検出信号が得られこれが記憶装置
１０に記憶される。すなわち前記(3)式及び(4)式の
F_IO₂とF_ICO₂とが求められる。そして、時点T₁
から区間△ｔだけ経過すると、切換手段６が第２
の状態に切換えられることから、このときガス検
出装置５からは、呼出気中のO₂濃度とCO₂濃度が
検出され、これら検出信号は、データ処理装置１
１に送られる。すなわち前記(3)式及び(4)式のF_E
O₂とF_ECO₂が求められたことになる。このとき、
同時に呼出気量測定変換器３から得た電気信号が
データ処理装置１１に入力される。つまり、(3)式
及び(4)式におけるV_Eが与えられる。更にまた、
このときデータ処理装置１１には、記憶装置１０
からのF_IO₂及びF_ICO₂の信号が読み出されてこれ
らが入力されて、(3)式及び(4)式の演算が行われ、
これらO₂消費量VO₂とCO₂排出量VCO₂とを得る
こと、更に呼吸商QRを得ることができるもので
あり、これら呼吸代謝に関連するデータが表示装
置１２によつて表示される。そして、この動作
は、呼気休止のＮ回上述の例では４回毎の各時点
T₂、T₃…で繰返し行うことができる。この場合、
第２図Ｇで示した切換手段６の切換区間、すなわ
ち第２図Ｆで示した制御回路１３からの制御パル
ス間隔△ｔは、Ｎ回の呼気休止区間、つまり、時
点T₁、T₂、T₃…の各間隔より充分小に選定され
る。

以上、吸入気のO₂濃度が変化する場合を例に
とつて説明したが吸入気のCO₂濃度が変わる場
合、あるいは吸入気のO₂、CO₂両方の濃度が変わ
る場合も同様に説明される。

このように、本発明装置によれば、呼吸休止時
期を検出し、この期間において吸入気中のO₂又
はCO₂濃度を所定の間隔をもつて逐次検出してこ
れに基く吸入気中O₂又はCO₂濃度電気信号を記憶
装置１０に更新記憶し、この期間以外においてこ
の更新されたO₂又はCO₂濃度電気信号を読み出
し、一方切換手段６を呼気中のO₂、CO₂検出状態
に切換え、これらの電気信号を得ると共に記憶装
置から読み出された吸入気O₂又はCO₂濃度信号に
基いた演算によつて呼吸代謝量を得るようにした
ので、吸入気中のO₂あるいはCO₂濃度が予め設定
される必要がなく、生体に必要な、或いは呼吸代
謝測定に必要なO₂又はCO₂濃度の吸入気を逐次用
いることができ、しかもその測定は逐次吸入気中
のO₂又はCO₂濃度変化に応じて更新される吸入気
O₂又はCO₂濃度電気信号に基いてなされるので正
確な測定を行うことができる。また、手術中の患
者に対してもその呼吸代謝測定を正確に行うこと
ができるので、手術中の生理状態を正しく把握す
ることができ、臨床上の利益は大なるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による呼吸代謝測定装置の一例
のブロツク図、第２図はその説明に供するタイム
チヤートである。 １はマウスピース、２はその一方向制御弁、３
は呼出気量測定変換器、４は呼出気平滑チエンバ
ー、５はガス検出装置、６は吸入気―呼出気切換
手段、１０は記憶装置、１３はその制御回路、１
１はデータ処理装置、１２は吸収代謝に関連する
データの表示装置、１４は呼気休止検出手段、１
５は計数回路である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 吸入気と呼出気とに含まれるO₂とCO₂とを
   夫々検出して得たO₂濃度電気信号とCO₂濃度電気
   信号とに基づき呼吸の代謝に関連するデータを表
   示する呼吸代謝測定装置において、前記呼出気の
   流速変化から呼気休止期間を検出し呼気休止期間
   のほゞ始発時点毎に呼気休止電気信号を送出する
   呼気休止検出手段と、前記呼気休止電気信号をＮ
   個入力する毎に１つの制御信号を出力する計数手
   段と、前記呼出気を導入しその流れを平滑化して
   平滑呼出気を導出するための呼出気平滑チエンバ
   ーと、一方から前記平滑呼出気を導入し、他方か
   ら前記吸入気を導入し、これら吸入気と呼出気の
   通路を切換えることによつてこれら吸入気又は呼
   出気のいずれか一方のみを導出するための吸入気
   ―呼出気切換手段と、該切換手段によつて切換え
   られた吸入気又は呼出気を導入し、前記O₂濃度
   電気信号とCO₂濃度電気信号とを夫々得るための
   １組のガス検出装置と、前記制御信号を入力する
   毎に、前記切換手段に前記吸入気を導入する側に
   切換る作動信号を出力する制御回路と、前記切換
   手段が吸入気側に切換えられた際得られる吸入気
   O₂濃度電気信号又は吸入気CO₂濃度電気信号を更
   新記憶させる記憶装置と、前記切換手段が呼出気
   側に切換えられた際得られる呼出気O₂濃度電気
   信号又は呼出気CO₂濃度電気信号と、前記記憶装
   置に記憶された吸入気O₂濃度電気信号と吸入気
   CO₂濃度電気信号とからO₂消費量、CO₂排出量、
   呼吸商等の呼吸代謝に関する諸量を求めるデータ
   処理装置とを有し、該データ処理装置により得ら
   れるデータを表示することを特徴とする呼吸代謝
   測定装置。