KR100874111B1

KR100874111B1 - 호흡분석과 동맥혈 측정을 통한 비침습적 호흡특성치예측방법 및 표시장치

Info

Publication number: KR100874111B1
Application number: KR1020070021264A
Authority: KR
Inventors: 장근식; 배황
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-12-15
Also published as: US20080221460A1; KR20080081388A; JP2008212686A; EP1967138A1

Abstract

본 발명은 호흡가스 및 혈액가스 데이터에 의한 허파-폐순환계의 호흡특성치 예측방법 및 표시장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스교환이 이루어지는 허파-폐순환계에서 국소적인 산소 및 이산화탄소의 분압정보를 이용하여, 나머지 주요 부분의 산소분압 및 이산화탄소분압, 허파의 션트율 및 생리학적 사강률, 그리고 심장에서 토출되는 단위시간당 심박출량 등의 의료정보를 제공하는, 호흡가스 및 혈액가스 데이터에 의한 허파-폐순환계의 호흡특성치 예측방법 및 표시장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 호흡에서 일어나는 가스교환의 문제가 서로 관련이 있는 제1 호흡모형 및 제2호흡모형으로 나뉘고, 이들 각각의 모형에 대한 수학적 해답이 다시 제1유형 및 제2유형의 변형된 컴퓨터 해석방법을 통하여 결정됨으로써, 의료정보로서 가치가 있는 상기의 호흡특성치가 빠르고 정확하게 예측되는 특징에 관한 것이다.

상기 발명을 더 자세하게 설명하면, 본 발명에서 사용하는 기체의 입력변수로는; 흡기(inspiration air: I)의 유량 VI; 흡기 중의 산소와 이산화탄소의 분압쌍 I* (지면을 절약하기 위하여 이 두 분압을 합쳐서 산탄분압 혹은 분압쌍이라고 부른다); 호기말 가스(end-tidal gas: ET)의 산탄분압쌍 ET*이 있다. 혈액의 입력변수로는; 혼합정맥혈(mixed venous blood: V)의 산소 및 이산화탄소 분압쌍 V* (이를 줄여서 산탄농도 또는 농도쌍이라고 부른다. 혈액중의 가스농도는 기체해리 곡선에 의해 이에 상응하는 가스분압으로 환산될 수 있으므로 이를 산탄분압과 같은 의미로 혼용한다); 동맥혈(arterial blood: a)의 산탄분압 a*가 있다. 본 발명에서 예측하고자 하는 허파-폐순환계의 호흡특성치에는; 가스교환특성치로서 말단모세혈(end-capillary blood: C)의 산탄분압 C*와 폐포가스(alveolar gas; A)의 산탄분압 A*가 있으며; 허파구조특성치로서 허파의 비기능성 구조의 지표가 되는 생리적 사강률(physiological dead- space ratio) X와 션트율(shunt ratio) Y가 있으며; 심장기능특성치로서 심박출량(cardiac output) Qtotal이 있다. 본 발명은 출력변수의 복잡도에 따라 서로 관련이 있는 두 가지 호흡모형문제로 분류하는 한편; 상기의 두 호흡모형문제에 대한 해를 구하기 위하여 산소와 이산화탄소의 질량평형방정식(mass balance equations)과 Fick 방정식 등의 수식을 사용한 컴퓨터 해석방법을 수립하고; 또한 상기의 컴퓨터 해석에 관련된 입출력 변수들을 그래픽의 형태로 단말장치에 현시(display)함으로써; 본 발명의 목적인 의료관련 정보들이 빠르고 정확하게 산출되는 수단과 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

질량평형방정식, Fick 방정식, 호흡율, 션트율, 사강률, 혼합정맥, 폐포, 말단모세혈관, 환기가스, 호기말 가스, 심박출량, 환기-관류비, 산소분압, 이산화탄소분압

Description

호흡분석과 동맥혈 측정을 통한 비침습적 호흡특성치 예측방법 및 표시장치 {Methodology and display instrument to noninvasively determine the pulmonary characteristics through breath analysis and arterial blood measurement}

도 1은 인체의 심장과 폐에서의 혈액의 순환 순서를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2는 산소와 이산화탄소의 확산과 교환이 일어나는 폐포모델을 보여주는 설명도이다.

도 3은 종래의 열희석법에 의해 심박출량을 평가하는 폐동맥 카테터의 모습을 보여준다.

도 4는 종래의 우심 카테터법에 의한 카테터의 설치 예를 나타낸 설명도이다.

도 5는 전극을 설치하여 심박출량과 심전도를 표시하는 종래 장치의 구성도이다.

도 6은 본 발명에 따라서 폐포가스나 말단모세혈관 끝단에서 가스특성을 평가하는 장치를 설명하는 개념도이다.

도 7은 본 발명의 방법과 장치를 따라서 결정된 환기-관류비 곡선, 입력데이 터, 계산된 예측결과를 도시한 그래프이다.

<<주요부분에 대한 부호의 설명>>

1 : 흡호기 가스 도관

2 : 흡호기 가스 노즐

3 : 산소 센서

4 : 이산화탄소 센서

5 : 환기량 센서

6 : 초기값 입력부

7 : 허파 호흡특성치의 계산을 수행하기 마이크로 프로세서

8 : 유선 또는 무선의 표시 모니터(display monitor)와 프린터

본 발명은 호흡에서 흡기량V_I(VI라고도 표기)와 흡기의 산탄분압 I*, 그리고 호기말 가스의 산탄분압 ET*를 측정하고; 동맥혈의 산탄가스 분압 a*를 측정하며; 상기의 측정변수들을 컴퓨터에 입력하여 혼합정맥의 산탄분압 V*, 폐포의 산탄분압 A*, 그리고 말단모세혈의 산탄분압 C*, 폐포의 환기량 VA*, 말단모세혈관의 관류량 Q, 심박출량 Qtotal, 허파의 션트율 Y, 사강률 X 등의 허파-폐순환계의 호흡특성치를 예측하는 방법과 장치를 제공하고; 입력변수로서 기체와 혈액의 상기 기초측정변수 및 출력변수로서 호흡기의 여러 특성치들을 컴퓨터 단말기, 프린터, PDA, 휴대폰 등에 유선이나 무선의 방식으로 현시(display)하여 의료보건정보로 삼는 장치에 관한 것이다.

성인 심장의 무게는 350~400g, 길이는 12~15cm, 폭은 약 9cm이다. 안정 시의 분당 심장 박동수는 60~70회로 하루 평균 약 10만 번, 평생(70세 기준) 26억 번을 뛴다. 우리 몸 안의 혈액은 약 5L 정도이고, 1회 심박출량은 약 60~70cc, 분당 심박출량은 약 3.5~5.0L로서, 심장을 떠난 피가 몸 안을 한 바퀴 순환하는데 약 40~50초 걸린다. 심장의 시간당 기계적 에너지생산량은 약 6,000 cal로서, 70년 동안 생산되는 일을 계산하면 30톤 짜리 바위를 에베레스트산 정상까지 밀어 올릴 수 있는 양에 비견된다. 심장에는 두개의 펌프가 있어 심장 수축시에 미세한 시간 간격을 두고 박동하는데 우심실은 허파순환으로, 좌심실은 체순환으로 혈액을 토출한다. 심장에는 대동맥, 페동맥, 관상동맥, 동맥, 세동맥, 모세혈관, 세정맥, 정맥, 폐정맥, 하대정맥, 상대정맥 등 많은 혈관이 있으며, 이들의 총 연장길이는 약 96,000 km로 적도 둘레를 두 바퀴 반이나 도는 거리에 해당한다. 외부에서 전원공급이 없는데도 저절로 심장이 뛰는 것은 우심방의 근육 속에 있는 동방결절이라는 세포 덩어리가 있어서 완만한 이온채널 및 급속한 이온채널을 통하여 약 0.8초 간격으로 전기를 모았다가 방전하고, 퍼킨예 섬유소가 전기를 심장 주변의 근육으로 배분함에 따라 근육이 통제된 방법으로 흥분ㆍ수축하고 이완하기 때문이다.

인체의 심장과 폐에서의 혈액의 순환 순서는 도 1에서 보는 바와 같이 우심실(270) → (폐동맥판) 폐동맥(240) → 폐모세혈관(250) → 폐정맥(230) → 좌심방(280) → (승모판) 좌심실(290) → (대동맥판) 대동맥(210) → 동맥 → 전신 모세혈관(300) → 정맥 → 대정맥(220) → 우심방(260) → (삼첨판) 우심실(270) 의 경로를 반복한다. 상기 순환경로 중에서 특히 폐순환은 소순환(小循環)이라고도 하며, 도 2에서 보는 바와 같이 우심실(270)에서 나온 혈액은 폐동맥(240)을 통해 좌우의 폐(200)에 도달하여, 폐포(120) 둘레에 직경이 수 마이크로미터 크기인 모세혈관으로 분화되어 퍼지고 , 여기에서 얇은 폐포막을 통하여 호흡공기와 혈액간에 매우 급속한 산소와 이산화탄소의 교환을 이룬 후에, 폐정맥(230)을 통하여 다시 좌심방(280)으로 돌아오는 순환을 말한다. 따라서 폐동맥(240)에는 세포대사로 인하여 이산화탄소가 많은 정맥혈이 흐르고, 폐정맥에는 가스교환에 의해 산소가 풍부한 동맥혈이 흐른다.

상기와 같은 호흡기에서의 가스교환과정은 혈액에서 노폐물인 이산화탄소를 제거하고 대사에 필요한 산소를 섭취하여 생명을 유지하는 기능으로서 혈액 중에 산소의 예비적 저축이 적어 호흡이 정지되면 수 분 안에 죽음을 맞는다. 호흡기의 가스교환 특성 정보는 임상의에게 의학적으로 호흡기환자 특히 중환자의 호흡기능, 대사기능, 심박기능, 회복정도 등을 판단하게 해주는 귀중한 정보원이 될 수 있다. 이외에도 지하철이나 기차, 버스, 잠수함 그리고 승강기 등 밀폐된 공간에 군집된 승객이 장시간 탑승할 때에 이산화탄소 증가로 인해 일어나는 호흡곤란증후군 및 환기 문제; 고산 등반가나 고산지대 주민들이 겪는 희박 공기 혹은 낮은 대기압으로 인한 고산호흡증후군; 스포츠 의학에서 운동선수의 경기력 향상을 위하여 호흡생리와 관련된 변수측정 및 기록 분석; 화재 등의 사고로 연기에 질식되어 기도나 허파세포를 손상당한 환자의 심폐기능 평가; 장기간의 직접 혹은 간접흡연과 관련하여 피험자의 심폐기관의 가스교환 특성의 변화 측정; 건강달리기나 헬스센터 운동 등 생활스포츠에 관련하여 이용자의 심폐능력의 변화측정 등의 수단으로도 유용하게 쓰일 수 있다. 그러나 이들 필요한 정보를 전문가가 환자의 몸에서 침습적인 방법으로 직접 측정하는 것은 환자에게 고통과 위험을 가하는 일이거니와 시간과 경비가 필요하며, 어떤 측정은 아예 가능하지도 않다. 그래서 비침습적으로 실시간으로 예측할 수 있도록 호흡환기의 분석과 동맥혈의 기초정보를 바탕으로 임상의와 환자 자신에게 필요한 호흡특성치들의 변수를 실시간으로 수학적 생리모델로 예측하여 제공할 수 있다면 매우 바람직한 일이 될 것이다.

심장에서 폐로 공급되는 혈액의 총량(심박출량)을 예측하는 첫 번째 방법으로는 먼저 한국 공개특허 특1987-0002027(심박출량 측정용 카테테르 및 혈액유속 측정용 카테테르)의 대표도 도 3에 도시된 바의 카테터(catheter)를 이용한 직접적인 측정법이 있다. 상기 카테터(500)는 열희석법에 의하여 심박출량을 측정하기 위하여 액체의 토출을 행하는 개구부(510); 상기 개구부(510)로부터 소정거리 떨어진 곳에 배설된 온도 검출소자 더어미스터(520)를 포함하여 상기 액체에 희석된 혈액온도를 검출하는 온도 검출수단(530); 및 상기 더어미스터(520) 근방에 혈류속도에 관련한 신호를 검출하는 혈류속도 신호 검출수단(540);을 포함한 복잡한 요소들로 구성되며; 또한, 상기 혈액 유속신호 검출수단(540)은 자기 발열형 더어미스터를 포함하고, 상기 혈류속도에 관련한 신호는 이 더어미스터가 검출한 열평형온도임을 특징으로 한다.

상기 카테터를 이용한 방법은 도 4에 보인 것처럼 폐동맥 카테터를 경정맥, 대퇴정맥 또는 주대정맥 등에서 도관하여 상대정맥 또는 하대정맥, 우심방(260), 우심실(270)을 거쳐 폐동맥까지 삽입하고, 혈액보다 고온 또는 저온의 액체를 우심방(260)에 주입한 후 우심방(260)과 우심실(270)에서 확산 희석된 액체의 온도를 폐동맥 중에 위치한 더어미스터(thermistor)에 의해 검지함으로써 심박출량을 산출하는 바, 이는 열희석법(thermodilution technique)이라고 분류되는 침습적인 방법이다.

두 번째 방법으로는 도 5에 도시된 한국 공개특허 제10-1999-0000417(심박출량과 심전도를 모니터링하기 위한 전극 설치 방법 및 이를 이용한 장치)와 같이 손(혹은 발) 또는 팔(혹은 다리)에 다수의 전극을 설치하고 이들로부터 수집된 전기 신호를 분석하여 심박출량을 평가하는 전극신호분석법이 있다. 도 5를 참조로 하여 이 방법을 더 자세히 부연하면; 인체의 오른쪽 손(또는 팔)과 발(또는 다리)에 설치되는 전류전극(32a, 32b); 인체의 왼쪽 손(또는 팔)과 발(또는 다리)에 설치되는 전압전극(34a, 34b); 제어신호에 따라 상기 전극(32a, 32b, 34a, 34b)들을 심박출량 측정부(400a)나 심전도 측정부(400b) 중 하나로 연결하기 위한 스위칭수단(400c); 상기 스위칭수단(400c)을 통해 연결된 전류전극(32a, 32b)들에 고주파 전류를 인가하고, 상기 전압전극(34a,34b)들로부터 전압을 측정하여 심박출량을 측 정하는 심박출량 측정수단; 상기 스위칭수단(400c)을 통해 연결된 전압전극(34a,34b)들로부터 차동신호를 입력받아 심전도(ECG)를 측정하는 심전도 측정수단; 사용자의 요구에 따라 상기 스위칭수단(400c)에 상기 제어신호를 제공하고, 상기 심박출량 측정수단 및 상기 심전도 (ECG) 측정수단의 측정값을 입력받아 표시부에 표시하도록 제어하는 제어수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

세 번째 방법은 호기가스를 측정하여 비침습적으로 심박출량을 평가하는, NICO(Non Invasive Cardiac Output)라고 불리는 방법인데, 대표적인 것으로 Novametrix Medical Systems사에서 개발한 "부분적 이산화탄소 재호흡법(Partial CO₂ rebreathing method)"이 있다. 이 방법은 호기 가스 중에서 이산화탄소의 분압을 측정하고, 이를 사용하여 이산화탄소에 관한 Fick 방정식의 해를 구하여 심박출량을 평가하는 방법이다. 이 방법은 산소의 확산에 관한 정보를 사용하지 않음으로서 입력변수가 간결하나 예측의 정확도가 저하되는 단점이 있다.

네 번째 방법은 공개특허 특1999-22493에 제시된 바와 같이 측정된 심박출량, 산소흡입량 및 동맥혈의 산소분압 등의 과중한 입력변수를 사용하고, 산소에 관한 Fick 방정식을 풀어서 혼합정맥혈의 산소분압을 구하는 방법이 있다.

그런데 상기 첫 번째 방법은 정확하기는 하지만 심각한 침습적 방법으로서 시술을 받는 환자에게 시술상의 고통, 합병증이나 감염의 위험을 초래할 수 있으며, 두 번째 방법에서는 인체의 특정 부위에 전극을 정확하게 설치해야 하는 실행상의 번거로움이 있고, 세 번째 방법에서는 이산화탄소 분압의 측정치만을 Fick 방 정식에 사용함으로 인하여 해법과정이 간단하다는 장점이 있으나 방정식의 숫자가 적고 혈액 중의 적혈구 세포에 결합되는 산소의 정보를 누락시킴으로 인해서 예측되는 정보의 양이 적고 정확성도 떨어져 심박출량이 6 liter/min 정도가 아니면 신뢰성이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 네 번째 방법 또한 산소에 관한 Fick 방정식이라는 제한된 수식만을 이용한다는 점에서, 그리고 동맥파를 탐지하는 트랜스듀서(압전센서)를 설치하여 여기에서 나오는 심박출량의 정보를 이용하므로 사용이 불편하며 정확성이 떨어지고, 또한 혼합정맥혈의 탄산가스 분압의 예측 없이 산소분압만을 예측한다는 점에서 정보가 제한적인데 비하여; 본 발명은 산소와 이산화탄소에 관한 질량을 모두 보존시키는 질량평형방정식, 션트율 방정식, 호흡률 방정식, 환기-관류비 방정식 등의 증가한 숫자의 수식을 사용하고, 심박출량과 혼합정맥의 산탄분압의 정보는 물론 허파의 션트율, 사강률, 말단모세혈관의 산탄분압 정보 등을 호흡모델의 분류와 해석방법에 따라 빠르게 계산하며, 그 결과로 유용하고 정확한 의학정보를 비침습적이고 실시간으로 제공하는 본 발명의 기술사상과는 많은 차이가 있다.

인체의 허파에는 건강한 사람이라도 대소간에 션트와 생리학적인 사강이 있으며 호흡기환자의 경우는 특히 이것이 심각하여 호흡기능이 상당히 저하된다. 따라서 션트와 생리학적인 사강을 고려하지 않은 방법으로 예측된 호흡특성치는 이상적인 허파에 대한 결과일 뿐이며, 실제 환자들의 임상 측정치와는 그만큼 오류가 있다고 보아도 틀림이 없다. 그리고 션트와 사강을 고려하여 호흡문제를 설정하고 해석하더라도, 호흡관련방정식의 수식화 방법과 그 해법의 정밀도에 따라서 다시 무시할 수 없는 오류가 발생할 수 있다. 본 특허는 산소의 질량평형방정식, 이산화탄소의 질량평형방정식, 산소의 션트율방정식, 이산화탄소의 션트율 방정식, 환기의 호흡률방정식, 혈액의 호흡률 방정식, 산소의 환기-관류비 방정식, 이산화탄소의 환기-관류비 방정식 등의 증가된 숫자의 수식을 사용하여, 션트와 생리학적 사강을 결정되는 동시에 폐포의 가스분압, 폐포환기량, 관류, 심박출량, 호흡율 등의 호흡 변수들이 체계적으로 구해지는 독특한 방법을 제공하고 있다.

허파의 가스교환과정은 혈액이 확산을 통해 이산화탄소를 버리고 동시에 산소를 받아들이는 과정이므로 반드시 두 성분 가스의 분압의 증감이 반대방향으로 일어나는 연결고리를 갖고 있다. 일반적으로 호기 말에 폐포가스의 산탄분압 A*와 말단모세혈의 산탄분압 C*는 평형을 통하여 A* = C* 가 된다. 만일 허파에 생리학적 사강이 있으면 가스교환을 하지 못한 비기능성 공기가 혼합되어, 폐포에서 가스교환을 마친 기능성 공기에 비하여 호기말 가스는 이산화탄소 분압이 낮으며 산소분압은 높다. 또한 션트가 있으면 가스교환을 하지 못한 비기능성 혈액이 혼합되어, 말단모세혈관에서 가스교환을 마친 기능성혈액에 비하여 동맥혈에서는 산소분압은 낮으며 이산화탄소의 분압은 높다. 따라서 호기말 가스나 동맥혈의 가스 분압 측정은 바로 허파내부의 폐포가스나 말단모세혈의 가스분압 예측으로 이어지지 못하며, 폐포가스나 말단모세혈의 채취 자체도 매우 어렵기 때문에 직접적인 측정을 통하여 말단모세혈이나 폐포가스의 산탄가스 분압을 알아내는 일은 거의 불가능하다. 이 때문에 션트나 생리학적 사강을 고려해서 인체의 심폐기관에 관련된 제반 생리 특성치를 예측하는 일은 대단히 중요하며, 종래의 방법에 비해서 비침습적이 면서도 체계적이며 빠른 예측 수단과 장치를 제공하는 것을 특징으로 하는 현재의 발명은 진일보한 사상과 방법을 소유하는 것이다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술에서 시술상의 위험, 부작용, 부정확, 지연성을 보완하고자 안출된 것으로 본 발명의 목적은; 호흡의 환기가스에서 흡기나 호기의 유량 그리고 그의 산탄분압을 측정하고; 동맥혈의 산탄분압을 측정하여 입력변수로 삼으며; 이들을 사용하여 산소와 이산화탄소에 관한 질량평형방정식 등의 수식 시스템을 컴퓨터로 해석하는 방법을 제공하며; 상기 결과의 해로서 호흡기관에서 혼합정맥혈의 산탄분압, 말단모세혈의 산탄분압, 폐포가스의 산탄분압, 심박출량, 션트율 그리고 생리적 사강률 등을 정확하게 예측하는 방법과 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 환기가스를 통과시키는 노즐의 단계; 노즐에 부착된 가스센서를 통하여 흡기의 유량 V_I(혹은 VI라고 표기), 이의 산탄분압 I* 와 호기말 가스의 산탄분압 ET* 등을 측정하여 호흡기체의 기초변수로 삼는 단계; 동맥혈의 산탄분압 a* 를 측정하는 단계; 상기 측정변수들을 입력하고 산소와 이산화탄소에 관한 질량평형방정식(mass balance equations) 등의 수식 시스템을 풀어서 호흡기관의 여러 중요한 생리특성치를 획득하는 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기의 생리특성치는 출력변수로서 혼합정맥혈과 말단모세혈(혹은 공히 폐포가스)의 산탄분압과 같은 호흡기능특성치, 심박출량과 같은 심박기능특성치, 션트율 및 생리학적 사강률과 같은 허파구조특성치로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한 적혈구의 헤모글로빈 등과 결합/분리되어, 혈액과 호흡공기 중에 확산되는 산소 및 이산화탄소의 분압과 농도는 폐포와 말단 모세혈관에서 서로 평형에 도달하여, 해당 기체의 해리곡선을 통하여 상호 변환 가능한 것임을 특징으로 한다.

상기에서 입력 데이터로 들어오는 기초측정변수는 숫자가 적은데 비하여 구해야할 호흡특성치는 그 숫자가 대단히 많으므로, 본 발명에서는 산소의 질량평형방정식, 이산화탄소의 질량평형방정식, 산소의 션트율방정식, 이산화탄소의 션트율 방정식, 환기의 호흡률방정식, 혈액의 호흡률 방정식, 산소의 환기-관류비 방정식, 이산화탄소의 환기-관류비 방정식 등 기존의 방법에 비하여 더 많은 숫자의 수식으로 시스템을 구성하고 해석하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 많은 숫자의 수식으로 구성된 수식 시스템은 여러 방정식을 모은 방정식군의 형태를 갖는다.

본 발명에서는 상기의 복잡한 식 시스템을 풀기위한 방법으로서 호흡 문제를 입력변수가 적은 <제1호흡모형>과 입력변수가 많은 <호흡제2모형>으로 분류하며, <제1호흡모형>에서 도출된 해석 방법과 결과를 더 복잡한 문제인 <제2호흡모형>의 해법에 사용하는 계통적인 방법을 채택한다.

먼저 <제1호흡모형>은 션트나 생리학적 사강이 없는 허파에 대한 것으로서 혈액경계치로 혼합정맥의 산탄분압 V*가, 기체경계치로 흡기의 산탄분압 I*가 주어지는 이상적인 경우이고, <제2호흡모형>은 허파에 션트나 생리학적 사강이 있는 경우로서, 혈액경계치로 혼합정맥혈의 정보 V*가 그리고 혈액보조정보치로 동맥혈의 산탄분압 a*가 주어지며, 아울러 기체경계치로 흡기가스 정보 I*가 그리고 기체보조정보치로 호기말가스의 산탄분압 ET*가 주어지는 경우이다. 또한, 상기 호흡모형들은 수치해법상 어떤 변수의 값을 우선적으로 취급하는지에 따라 두 가지의 유형을 갖는데, 본 발명에서는 편의를 위해 <제1호흡모형 : 제1유형>, <제1호흡모형 : 제2유형>과 <제2호흡모형 : 제1유형>, <제2호흡모형 : 제2유형>으로 분류하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 호흡특성치 예측방법인 <제1호흡모형 : 제1유형>은 (a) 혼합정맥 산탄분압과 흡기가스 산탄분압이 각각 혈액 및 기체의 경계치로서 자동연산장치에 입력되는 단계; (b) 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계; (c) 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)의 추측치가 설정되어 상기 자동연산장치에 입력되는 단계; (d) 상기 경계치, 설정치 및 추측치가 상기 자동연산장치에 내장된 연산루틴에 적용되는 단계; (e) 상기 연산루틴에서 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로, 폐포가스 분압의 갱신된 추측치 (A1*, A2*)가 구해지는 단계; (f) 상기 폐포가스 분압의 갱신된 추측치 (A1*, A2*)를 고려하여, 호흡기체에 관련된 식으로부터 환기-관류비의 추측치 (VA/Q*)가 구해지는 단계; (g) 상기 환기-관류비의 추측치 (VA/Q*)가 환기-관류비 요건을 만족하는지 판정되는 단계; 및 (h) 상기 환기-관류비 (VA/Q*)에 대응되는 상기 폐포가스의 산탄분압 (A1*, A2*)가 해로서 확정되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (a)단계에서 상기 혼합정맥의 산탄분압 V*와 상기 흡기가스의 산탄분압 I*는 직접 측정되어진 값이거나 또는 제3자의 소스로부터 차용되어진 값인 것을 특징으로 한다. 여기서 '제3자의 소스'란 직접 측정하지 않고 타인에게서 제공받은 환자의 호흡정보를 의미하는 바, 달리 표현하자면 제3자로부터 획득된 호흡정보를 의미한다.

상기 (e)단계에서 상기 호흡기체에 관한 방정식군은 산소, 이산화탄소, 및 질소의 질량평형방정식 및 기체분압의 합공식인 <식(3)~식(6)>와 환기-관류비식 <식(11)~(12)>인 것을 특징으로 하고, 더욱 구체적으로는 상기 (b)단계의 설정치 (VA/Q)를 산소의 질량평형방정식<식(3)> 또는 산소의 환기-관류비식<식(11)>에 대입하여 구해지는 폐포가스의 산소분압 A1*, 혹은 상기의 설정치 (VA/Q)를 이산화탄소의 질량평형방정식<식(4)> 또는 이산화탄소의 환기-관류비식<식(12)>에 대입하여 구해지는 폐포가스의 이산화탄소분압 A2*를 구하는 식인 것을 특징으로 한다.

상기 (g)단계에서 상기 환기-관류비 요건은 직접적으로, 상기 (b)단계에서 계산된 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)와 상기 (f)단계에서 구해진 상기 변수의 추측치 (VA/Q*)의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단하는 것을 특징으로 하고, 만약 상기 환기-관류비 요건이 만족되지 아니하면 상기 (c)단계로 돌아가 새로이 설정된 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)에 대하여 상기 (d) 내지 (g)단계가 반복되어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (g)단계에서 상기 환기-관류비 요건은 간접적으로 상기 (c)단계에서 입력된 상기 폐포가스의 산탄분압 설정치 (A1, A2)와, 상기 (e)단계에서 구해 진 상기 폐포가스의 산탄분압 추측치 (A1*, A2*)의 차이가 각각 일정범위 안에 있는지 대비 판단되는 단계이기도 하다.

상기 (c)단계에서 새로이 설정되는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 일정 규칙에 의해 갱신되는 이산화탄소분압 A2와, 이와 연계되어 환기-관류비식에서 구해진 산소분압의 추측치 A1* 을 취하여 이루어진 쌍인 것을 특징으로 하고, 상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)는 상기 (c)단계에서 구해진 산소분압의 추측치 A1*와, 이를 고려하여 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 이산화탄소분압 A2*의 쌍으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (c)단계에서 새로이 설정되는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 일정규칙에 의해 갱신 설정된 산소분압 A1과, 이 값이 고려되어 환기-관류비식에서 구해지는 이산화탄소분압 A2*을 취하여 이루어진 쌍인 것을 특징으로 하고, 상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)는 상기 (c)단계에서 구해진 이산화탄소분압의 추측치 A2*와, 이를 고려하여 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 산소분압 A1*의 쌍으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (h)단계의 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)는 상기 (b)단계에서 주어진 환기-관류비의 설정치 (VA/Q) 내지 (VA/Q*)를 고려하여, 상기 (c) 내지 (e)단계에서 구해진 해 (A1*, A2*)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 호흡특성치 예측방법은 상기 (h)단계에서 상기 (b)단계의 환기-관류비 설정치 (VA/Q)에 대응되는 폐포가스의 산탄분압의 해 A*를 얻은 후에, 상기 (b)단계로 돌아가 상기 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)가 갱신 설정되어 상기 (c) 내지 (h)단계가 반복되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 호흡특성치 예측방법은, 상기 (a) 내지 (h)단계가 반복되어 원하는 모든 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)에 대응되는 폐포가스의 산탄분압 A*의 분포가 얻어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (h) 단계에서 상기 환기-관류비 요건이란 산소의 Fick 방정식<식(1)>에서 유도된 환기-관류비 방정식<식(9)>, 또는 산소의 질량평형방정식<식(3)>에서 유도된 환기-관류비 방정식<식(11)>에 의한 환기-관류비와, 이산화탄소의 Fick 방정식<식(2)>에서 유도된 환기-관류비 방정식<식(10)>, 또는 이산화탄소의 질량평형방정식<식(4)>에서 유도된 환기-관류비 방정식<식(12)>에 의한 환기-관류비가 일정 범위 내의 값을 가지게 되는 요건을 뜻하며, 상기 환기-관류비 요건이 만족되면 호흡특성치가 결정되는 특징을 갖는다.

즉, 본 발명의 호흡특성치 예측방법 <제1호흡모형>의 해법은 환기-관류비 곡선 혹은 Kelman의 곡선과 관련된 것으로서, <제1호흡모형: 제1유형>의 방법 및 이의 해석을 위한 연산루틴을 부연하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 연산루틴은 본 발명자들에 의하여 작성된 컴퓨터 프로그램에 의해 컴퓨터 내에서 작동되며 상기 예측방법의 해석을 위한 주요 구성은 이하의 루프 또는 단계를 포함한다. 외부 do-loop을 만들어 환기-관류비 (VA/Q)의 초기치를 주고; 내부 do-loop을 만들어 여기에서 폐포가스의 산소분압정보 A1을 초기치로 주고(이를 A1*라고 표기한다) 이산화탄소분압 A2*를 질량평형방정식을 풀어 산출하며, 이 값의 쌍 (A1*, A2*)를 사용하여 환기-관류비 (VA/Q*)를 계산한다. 환기관류비 요건인 (VA/Q) = (VA/Q*)가 만족되면 (A1*, A2*)를 해로 취하고 내부 do-loop을 벗어난다; 외부 do-loop에서 (VA/Q)의 초기치를 갱신하는데, 상기의 계산과정을 반복하면, 일정한 규칙으로 변하는 (VA/Q)의 값에 대응하는 폐포가스의 산탄분압 A*의 집합인 Kelman의 곡선을 얻게 되며, 상기 곡선을 환기-관류비 곡선 혹은 O2-CO2 Diagram 이라고도 부른다. 상기 <제1호흡모델>은 션트나 생리적 사강이 없는 경우이므로, 구해진 폐포의 산탄분압 A* 는 말단모세혈의 정보 C*, 호기말 가스의 정보 ET*, 동맥혈의 산탄분압 a* 중의 어느 하나와 동일한 값이 되는 것을 특징으로 한다

다음으로, 본 발명의 호흡특성치 예측방법인 <제1호흡모형 : 제2유형>은 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)의 설정치를 이용하는 방법으로서, (a) 혼합정맥 산탄분압과 흡기가스 산탄분압이 각각 혈액과 기체의 경계치로서 자동연산장치에 입력되는 단계; (b) 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)의 설정치가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계; (c) 상기 폐포가스의 분압쌍 (A1, A2) 및 환기-관류비식으로부터 얻어지는 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계; (d) 상기 경계치 및 설정치들이 상기 자동연산장치에 내장된 연산루틴에 적용되는 단계; (e) 상기 연산루틴에서 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 새로운 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)이 구해지는 단계; (f) 상기 구해진 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)가 사용되어, 환기-관류비의 식으로부터 환기-관류비의 추측치 (VA/Q*)가 구해지는 단계; (g) 환기-관류비 요건에 의해 상기 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)가 적정한지 판정되는 단계; 및 (h) 상기 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)에 대응되는 폐포가스의 산탄분압이 결정되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (a)단계에서 상기 혼합정맥의 산탄분압 V*와 상기 흡기가스의 산탄분압 I*는 직접 측정되어진 값이거나 또는 제3자의 소스로부터 차용되어진 값인 것을 특징으로 하고, 상기 (e)단계에서 상기 호흡기체에 관한 방정식군은 산소, 이산화탄소, 및 질소의 질량평형방정식과 기체분압의 합공식을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (g)단계에서 상기 환기-관류비 요건은 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)와 상기 (f)단계에서 구해지는 환기-관류비의 추측치 (VA/Q*) 의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되어지는 것을 특징으로 하고, 만약 상기 환기-관류비 요건이 만족되지 아니하면 상기 (b)단계로 돌아가 새롭게 설정된 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)에 대하여 상기 (c) 내지 (g)단계가 반복되어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (b)단계에서 새롭게 설정되는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 초기치로 설정된 이산화탄소분압 A2와, 상기 이산화탄소분압을 고려하여 산소의 질량평형방정식을 풀어서 구해지는 산소분압 A1의 쌍으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)은 상기 (b)단계의 이산화탄소분압 초기치 A2(이를 A2*라고 갱신하여 표기한다)와, 이를 고려하여 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 산소분압 A1*의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (b)단계에서 새롭게 설정되는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 초기 치로 설정된 산소분압 A1과, 상기 산소분압을 고려하여 이산화탄소의 질량평형방정식을 풀어서 구해지는 이산화탄소분압 A2의 쌍으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)는 상기 (b)단계의 산소분압 초기치 A1(이를 A1*라고 갱신하여 표기한다)과, 이를 고려하여 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 이산화탄소분압 A2*의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (h)단계에서 상기 환기-관류비 요건은 직접적으로, 상기 (c)단계에서 계산된 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)와 상기 (f)단계에서 구해진 상기 변수의 추측치 (VA/Q*)의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단하는 것을 특징으로 하고, 만약 상기 환기-관류비 요건이 만족되지 아니하면 상기 (b)단계로 돌아가 새로이 설정된 폐포가스의 분압쌍 (A1, A2)에 대하여 상기 (c) 내지 (h)단계가 반복되어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 (h)단계에서 상기 환기-관류비 요건은 간접적으로 상기 (b)단계에서 입력된 상기 폐포가스의 산탄분압 설정치 (A1, A2)와, 상기 (e)단계에서 구해진 상기 폐포가스의 산탄분압 추측치 (A1*, A2*)의 차이가 각각 일정범위 안에 있는지 대비 판단되는 단계이다.

상기 호흡특성치 예측방법은, 상기 폐포가스의 산탄분압 설정치 (A1, A2) 또는 이에 대응되는 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)에 대하여, 폐포가스의 산탄분압의 최종해(A1*, A2*)가 얻어지면, 상기 (b)단계로 돌아가 상기 폐포가스의 산소분압 A1이 갱신되고 연이어 상기 (c) 내지 (h)단계가 반복되는 것을 특징으로 한다.

상기 호흡특성치 예측방법은, 상기 폐포가스의 산탄분압 설정치 (A1, A2) 또는 이에 대응되는 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)에 대하여, 폐포가스의 산탄분압의 해(A1*, A2*)가 얻어지면, 상기 (b)단계로 돌아가 상기 폐포가스의 이산화탄소분압 A2가 갱신되고 연이어 상기 (c) 내지 (h)단계가 반복되는 것을 특징으로 한다.

그러나 실제적인 호흡특성치 예측방법에 있어서는 션트나 생리학적 사강을 고려하지 않을 수 없으므로 본 발명은 확장된 호흡특성치 예측방법으로서 <제2호흡모형>을 제시한다. 이 중에서 <제2호흡모형: 제1유형>은 생리적 사강률 X가 초기치로 주어지는 경우이며, <제2호흡모형 : 제2유형>은 션트율 Y가 초기치로 주어지는 경우인데 이하 더욱 자세히 설명한다.

본 발명의 <제2호흡모형 : 제1유형>은 (a) 혈액경계치, 기체경계치, 혈액 보조정보치, 기체 보조정보치 및 흡기유량이 자동연산장치에 입력되는 단계; (b) 생리적 사강률 X의 초기치가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계; (c) 상기 생리적 사강률 X의 초기치를 고려하여, 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)의 설정치가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계; (d) 상기 경계치, 초기치, 및 설정치들이 상기 자동연산장치에 내장된 연산루틴에 적용되는 단계; (e) 상기 연산루틴에서 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 폐포가스 산탄분압의 추측치 (A1*, A2*)가 구해지는 단계; (f) 상기 폐포가스 산탄분압의 추측치가 산탄분압요건을 만족하면 산소 션트율 Y1 과 이산화탄소 션트율 Y2가 얻어지는 단계; (g) 션트율 요건이 만족되면 호흡특성치가 결정되는 단계; (h) 심박출량이 결정되는 단계; 를 포함하는 것을 특 징으로 한다.

상기 (a)단계에서 상기 혈액경계치는 혼합정맥혈의 산탄분압 V*로서 주어지거나 또는 산소분압만으로 주어지는 것을 특징으로 하고, 상기 (a)단계에서 상기 기체경계치는 흡기의 산탄분압 I*로서 산탄분압이 모두 주어지거나 또는 산소분압만으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 (a)단계에서 상기 혈액 보조정보치는 동맥혈의 산탄분압 a*로서 산탄분압이 모두 주어지거나 또는 산소분압만으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (a)단계에서 상기 기체 보조정보치는 호기말가스의 산탄분압 ET*로서 산탄분압이 모두 주어지거나 또는 이산화탄소분압만으로 주어지는 것을 특징으로 하고, 상기 (a)단계에서 상기 흡기유량 VI는 외부로부터 허파에 들어오는 공기유량이며, 평상호흡의 경우 허파에서 외부로 나가는 호기유량 VE와 동일하게 책정될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 (e)단계에서 상기 호흡기체의 해석방정식은 산소, 이산화탄소, 및 질소의 질량평형방정식과 기체분압의 합공식인 것을 특징으로 한다.

상기 호흡특성치 예측방법은, 상기 (f)단계의 산탄분압요건이 만족되지 아니하면 상기 (c)단계로 돌아가 갱신 설정되는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)에 대하여 상기 (d) 내지 (e)단계가 반복되는 것을 특징으로 한다.

상기 (c)단계에서 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은, 반복에 따라 갱신 설정되는 산소분압 A1과, 사강률의 초기치 X를 고려하여 구해지는 이산화탄소분압 A2(이를 A2*라고도 표기한다)로 이루어진 분압쌍(A1, A2*)임을 특징으로 한다.

상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스 산탄분압의 추측치 (A1*, A2*)는 상기 (c)단계에서 구해진 폐포가스의 이산화탄소분압 A2*와, 상기 (c)단계에서 결정된 산탄분압 (A1, A2*)를 고려하여 산소, 이산화탄소, 질소에 관한 질량평형방정식 및 기체분압의 합공식으로 이루어진 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 얻어지는 산소분압의 갱신 추측치 A1*의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (f)단계에서의 산탄분압요건은 상기 (c)단계에서 갱신 설정된 산소분압 A1과 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 산소분압 A1* 의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 한다.

상기 (c)단계에서 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은, 반복에 따라 갱신 설정되는 이산화탄소분압 A2와, 사강률의 초기치 X를 고려하여 구해지는 산소분압 A1(이를 A1*라고도 표기한다)로 이루어진 분압쌍(A1*, A2)임을 특징으로 한다.

상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스 산탄분압의 추측치 (A1*, A2*)는 상기 (c)단계에서 구해진 폐포가스의 산소분압 A1*와, 상기 (c)단계에서 결정된 산탄분압 (A1*, A2)를 고려하여 산소, 이산화탄소, 질소에 관한 질량평형방정식 및 기체분압의 합공식으로 이루어진 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 얻어지는 이산화탄소분압의 갱신 추측치 A2*의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (f)단계에서의 산탄분압요건은 상기 (c)단계에서 갱신 설정된 이산화탄소분압 A2와, 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 이산화탄소분압 A2*의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 한다.

상기 (g)단계의 션트율 요건은 산소의 션트율 Y1과 이산화탄소의 션트율 Y2의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 하고, 만일 상기 션트율 요건을 만족하지 않으면 상기 (b)단계로 돌아가 생리적 사강률 X를 갱신하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 <제2호흡모델 : 제1유형>은 산소 분압 A1에 동맥혈의 산소 분압 a1 보다 큰 임의의 값이 초기치로 설정되고, 사강률의 초기치 X와 이를 고려하여 계산된 이산화탄소분압의 초기치 A2가 자동연산장치에 입력된다. 상기 초기치들이 이산화탄소의 질량평형방정식<식(4)> 또는 <식(12)>에 대입되어 환기-관류비의 대응치 (VA/Q)가 구해지고, 상기 초기치들과 (VA/Q) 값이 산소의 질량평형방정식<식(3)> 또는 <식(11)>에 대입되어 폐포가스 산소분압의 추측치 A1*이 구해진다. 산소 션트율 Y1과 이산화탄소 션트율 Y2의 차이가 일정범위 내에 있지 않다면 상기 (b) 단계로 돌아가서 새로운 사강율 X를 설정하여 이로부터 새로운 이산화탄소분압 예측치 A2*의 값이 구해지고, 상기와 동일한 계산을 반복하면 새로운 폐포가스 산소분압 A1**이 구해진다. 이로부터 다시 산소 션트율 Y1*과 이산화탄소 션트율 Y2*를 구하여, 상기 두 값의 차이가 일정범위 이내일 때까지 계산을 반복하여 폐포 산탄 분압을 구한다.

상기 (g)단계에서 결정되는 호흡특성치는 상기 반복과정에서 가장 최근에 저장된 폐포가스의 산탄분압 (A1*, A2*), 말단모세혈의 산탄분압 C*, 션트율 Y1* 혹은 Y2*, 생리학적 사강률 X*인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 (h)단계에서 결정되는 심박출량은 측정된 흡기공기량 VI 또는 호기 공기량 VE, 관류량 Q, 션트율 Y*, 그리고 생리적 사강률 X* 등을 이용하여 심박출량의 식<식(15)~(16)>에서 얻어지는 것을 특징으로 한다.

다시 말하면 <제2호흡모델 : 제1유형>은 혈액입력변수로 혼합정맥의 정보 V* 와 동맥혈의 정보 a*가, 그리고 기체입력변수로는 흡입가스 정보 I*와 호기말가스의 정보 ET* 가 주어지는 경우이다. 본 모델문제의 해석방법 및 이의 해석을 위한 연산루틴을 부연하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 연산루틴은 본 발명자들에 의하여 작성된 컴퓨터 프로그램에 의해 컴퓨터 내에서 작동되며 상기 예측방법의 해석을 위한 주요 구성은 이하의 루프 또는 단계를 포함한다. 외부 do-loop을 설치하여 사강률 X의 초기치를 설정하는 단계; 내부 do-loop에서 폐포가스의 산소분압 A1의 초기치를 주고, 질량평형방정식 시스템을 해석한 결과로 폐포가스의 이산화탄소분압 A2를 구하는 단계; 또는 내부 do-loop에서 폐포가스의 이산화탄소분압 A2의 초기치를 주고, 질량평형방정식 시스템을 풀은 결과로 폐포가스의 산소분압 A2를 구하는 단계; 상기의 폐포가스의 산탄분압 설정데이터 (A1, A2)를 사용하여 산소의 션트율 Y1을 식(7)에서 구하고 션트율 Y2를 식(8)에서 구하여, 션트율 요건으로서 이 두 값이 같은지 시험하는 단계; 션트율 요건을 만족하지 않으면, 외부 do-loop의 초기로 돌아가 사강률 X의 초기치를 갱신하고 상기의 계산을 반복하는 단계; 션트율 요건을 만족하면 내부와 외부 do-loop을 모두 벗어나며, 이 때 기억소자에 마지막으로 저장된 값들로부터 폐포가스의 산탄분압 A*, 션트율 Y*, 생리학적 사강률 X* 등을 취해서 문제의 해답으로 삼는 단계; 그 다음으로 입력된 흡입공기량 VI(혹 은V_I라고도 표기한다), 계산된 관류량 Q, 사강률 X*와 션트율 Y*의 값들을 사용하여, 심박출량 방정식<식(15)> 혹은 식<(16)>를 따라서 심박출량 Qtotal을 결정한다.

한편, 본 발명의 다른 호흡특정치 예측방법인 <제2호흡모형 : 제2유형>은 (a) 혈액경계치, 기체경계치, 혈액 보조정보치, 기체 보조정보치 및 흡기유량이 자동연산장치에 입력되는 단계; (b) 션트율 Y의 초기치가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계; (c) 상기 션트율 Y의 초기치에 의한 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)의 설정치가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계; (d) 상기 경계치, 초기치, 및 설정치들이 상기 자동연산장치에 내장된 연산루틴에 적용되는 단계; (e) 상기 연산루틴에서 호흡기체에 관한 방정식의 해석결과로 새로운 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)이 구해지는 단계; (f) 상기 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)이 산탄분압요건을 만족하면 산소 사강률 X1 과 이산화탄소 사강률 X2가 얻어지는 단계; (g) 사강률 요건이 만족되면 호흡특성치가 결정되는 단계; (h) 심박출량이 결정되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (a)단계에서 상기 기체경계치는 흡기의 산탄분압 I*로서 산탄분압이 모두 주어지거나 또는 산소분압만으로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 상기 (a)단계에서 상기 혈액 보조정보치는 동맥혈의 산탄분압 a*로서 산탄분압이 모두 주어지거나 또는 산소분압만으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 (c)단계에서 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은, 반복에 따라 갱신 설정되는 산소분압 A1과, 션트율의 초기치 Y를 고려하여 구해지는 이산화탄소분압 A2(이를 A2*라고도 표기한다)로 이루어진 분압쌍(A1, A2*)임을 특징으로 한다.

상기 (f)단계에서의 산탄분압요건은 상기 (c)단계에서 갱신 설정된 산소분압 A1과 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 산소분압 A1* 의 차이가 일 정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 한다.

상기 (c)단계에서 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은, 반복에 따라 갱신 설정되는 이산화탄소분압 A2와, 션트율의 초기치 Y를 고려하여 구해지는 산소분압 A1(이를 A1*라고도 표기한다)으로 이루어진 분압쌍(A1*, A2)임을 특징으로 한다.

상기 (g)단계의 션트율 요건은 산소의 사강률 X1과 이산화탄소의 사강률 X2의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 하고, 만일 상기 사강률 요건을 만족하지 않으면 상기 (b)단계로 돌아가 생리적 션트율 Y를 갱신하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 <제2호흡모델 : 제2유형>은 산소 분압 A1에 동맥혈의 산소 분압 a1 보다 큰 임의의 값이 초기치로 설정되고, 션트율의 초기치 Y와 이를 고려하여 계산된 이산화탄소분압의 초기치 A2가 자동연산장치에 입력된다. 상기 초기치들이 이산화탄소의 질량평형방정식<식(4)> 또는 <식(12)>에 대입되어 환기-관류비의 대응치 (VA/Q)가 구해지고, 상기 초기치들과 상기 (VA/Q) 값이 산소의 질량평형방정식<식(3)> 또는 <식(11)>에 대입되어 폐포가스 산소분압의 추측치 A1*이 구해진다. 산소 사강률 X1과 이산화탄소 사강률 X2의 차이가 일정범위 내에 있지 않다면 상기 (b) 단계로 돌아가서 새로운 션트율 Y를 설정하여 이로부터 새로운 이산화탄소분압 예측치 A2*의 값이 구해지고, 상기와 동일한 계산을 반복하면 새로운 폐포가스 산소분압 A1**이 구해진다. 이로부터 다시 산소 사강률 X1*과 이산화탄소 사강률 X2*를 구하여, 상기 두 값의 차이가 일정범위 이내일 때까지 계산을 반복하여 폐포 산탄 분압을 구한다.

상기 (g)단계에서 결정되는 호흡특성치는 상기 반복과정에서 가장 최근에 저장된 폐포가스의 산탄분압 (A1*, A2*), 말단모세혈의 산탄분압 C*, 생리학적 사강률 X1* 혹은 X2*, 션트율 Y*인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 (h)단계에서 결정되는 심박출량은 측정된 흡기공기량 VI 또는 호기공기량 VE, 관류량 Q, 션트율 Y*, 그리고 생리적 사강률 X* 등을 이용하여 심박출량의 식<식(15)~(16)>에서 얻어지는 것을 특징으로 한다.

다시 말하면 <제2호흡모델 : 제2유형>은 혈액입력변수로 혼합정맥의 정보 V* 와 동맥혈의 정보 a*가, 그리고 기체입력변수로는 흡입가스 정보 I*와 호기말가스의 정보 ET* 가 주어지는 경우이다. 본 모델문제의 해석방법 및 이의 해석을 위한 연산루틴을 부연하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 연산루틴은 본 발명자들에 의하여 작성된 컴퓨터 프로그램에 의해 컴퓨터 내에서 작동되며 상기 예측방법의 해석 을 위한 주요 구성은 이하의 루프 또는 단계를 포함한다. 외부 do-loop을 설치하여 션트율 Y의 초기치를 설정하는 단계; 내부 do-loop에서 폐포가스의 산소분압 A1의 초기치를 주고, 질량평형방정식 시스템을 해석한 결과로 폐포가스의 이산화탄소분압 A2를 구하는 단계; 또는 내부 do-loop에서 폐포가스의 이산화탄소분압 A2의 초기치를 주고, 질량평형방정식 시스템을 풀은 결과로 폐포가스의 산소분압 A2를 구하는 단계; 상기의 폐포가스의 산탄분압 설정데이터 (A1, A2)를 사용하여 산소의 사강률 X1을 식(17)에서 구하고 사강률 X2를 식(18)에서 구하여, 사강률 요건으로서 이 두 값이 같은지 시험하는 단계; 사강률 요건을 만족하지 않으면, 외부 do-loop의 초기로 돌아가 션트율 Y의 초기치를 갱신하고 상기의 계산을 반복하는 단계; 사강율 요건을 만족하면 내부와 외부 do-loop을 모두 벗어나며, 이 때 기억소자에 마지막으로 저장된 값들로부터 폐포가스의 산탄분압 A*, 션트율 Y*, 생리학적 사강률 X* 등을 취해서 문제의 해답으로 삼는 단계; 그 다음으로 입력된 흡입공기량 VI(혹은V_I라고도 표기한다), 계산된 관류량 Q, 사강률 X*와 션트율 Y*의 값들을 사용하여, 심박출량 방정식<식(15)> 혹은 식<(16)>를 따라서 심박출량 Qtotal을 결정한다.

아울러, 본 발명의 호흡특성치 표시장치는 상술한 바와 같은 호흡특성치 예측방법에 의해 예측된 호흡특성치가 상기 자동연산장치에 연결되어 시각적으로 표시되는 정보단말기를 포함하여 사용자가 용이하게 확인할 수 있도록 하는 것이 바 람직하며 상기 자동연산장치는 컴퓨터 프로세서 또는 내장칩(embedded chip)을 사용할 수 있다.

또한, 상기 호흡특성치 표시장치는 상기 정보단말기가 상기 자동연산장치에 유선 또는 무선으로 연결되어 휴대가 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기한 바와 같이 심폐기관의 생리특성치로서; 혼합정맥혈과 말단모세혈(혹은 폐포가스)의 산탄분압과 같은 혈액호흡특성치; 심박출량과 같은 심박기능특성치; 션트율이나 생리학적 사강률과 같은 허파기능특성치; 를 동시에 예측하는 시스템으로서, 환기가스를 통과시키는 노즐(1); 상기 환기가스 노즐에 부착된 가스센서를 통하여 환기의 기초변수를 측정하는 수단(3, 4, 5); 동맥혈의 산탄분압을 측정하는 수단; 산소와 이산화탄소의 질량평형방정식 등의 수식 시스템을 컴퓨터로 해석하여 혈액호흡특성치, 심박기능특성치 그리고 허파구조특성치들을 도출하는 수단(7); 상기의 각종 입력 및 출력변수들을 시각적으로 보여주는 디스플레이수단(8); 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 심폐기관의 생리특성치의 예측시스템을 제공한다.

도 6은 본 발명에서 제공하는 바의, 허파-폐순환계 호흡특성치를 예측하기 위한 장치에 관한 시스템도이다. 장치는 환기가스를 통과시키는 마스크와 노즐 수단(1, 2); 상기 노즐에 부착된 센서로부터 환기가스의 기초호흡변수를 측정하는 센서측정수단(3, 4, 5); 상기 기초호흡변수들을 사용하여 허파-폐순환계의 각종 호흡특성치를 산출하는 호흡모형문제들에 대한 해석과정을 프로그램으로 탑재한 마이크로프로세서나 컴퓨터 수단(7); 상기의 기초호흡변수와 예측된 호흡특성치들을 유선 이나 무선통신을 통하여 액정화면, 컴퓨터 단말기, 프린터, 휴대폰, PDA 등에 시각적으로 현시(디스플레이)하는 수단(8); 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 기초측정변수를 사용하여 허파-폐순환계의 생리특성치를 구하는 본 발명에서 사용되는 수식은 호흡에 관련된 제변수 간의 생리적인 관계를 수학적으로 기술하는 것으로서 다음의 변수와 방정식들이 관련되어 있다. 입력 및 출력변수로서; 혼합정맥의 산탄 정보 V*, 말단모세혈관의 산탄정보 C*, 동맥혈의 산탄정보 a*, 흡입공기의 산탄정보 I*, 폐포가스 산탄정보 A*, 호기말 가스의 산탄 정보 ET*, 폐포를 통한 환기량 VA, 흡기 환기량 VI, 관류량(perfusion) Q, 심박출량 Qtotal, 션트율 Y, 생리학적 사강률 X 등이 있고, 방정식으로는; 산소, 이산화탄소, 질소의 질량평형방정식 (3)-(5), Fick 방정식 (1)과 (2), 션트율 방정식 (7)과(8), 호흡률 방정식 (13)와 (14), 환기-관류비 방정식 (9)-(12), 심박출량의 식 (15)과 (16), 사강률 방정식 (17)과 (18)등이 있다. 본 발명은 비침습적으로 측정이 용이한 다음의 기초측정변수, 즉 흡입공기량, 환기 증의 산소와 이산화탄소의 분압, 또한 동맥혈에서 측정된 산소나 이산화탄소의 농도를 이용하여, 측정이 어렵거나 불가능한 허파와 폐순환계의 혈액호흡특성치, 심박기능특성치, 허파기능특성치 등의 중요한 정보를, 아래의 여러 방정식과 변수들을 사용하여 산출하는 것을 특징으로 한다.

■ Fick 방정식:

■질량 평형 방정식(mass balance equations):

■션트율 방정식(shunt ratio equations):

■환기-관류비 방정식(ventilation-perfusion ratio equations)

■호흡률 방정식(respiration quotient ratio equations):

■심박출량 방정식(Cardiac output equations):

■사강률 방정식(dead space ratio equations):

이상의 식에서 사용된 기호의 설명은 다음과 같다.

상기 방법과 그 결과를 검증하기 위하여 충남대학교 의과대학병원의 호흡기 내과에서 5명의 서로 다른 중환자실 환자들로부터 측정한 임상호흡 데이터 세트 M을 확보하였다. 표1의 왼편 두 열에, 충남대학에서 제공받은 호흡 데이터 세트 M중의 혼합정맥의 산탄분압 V*를 제시하였다. 이와 함께 충남대학의 측정된 데이터 중에서 동맥혈 데이터 a*, 흡기 데이터 I*, 호기말 데이터 ET*를 사용하였다.

Patient No.	Measured
Patient No.	Mixed venous data A* (PvO2, PvCO2) [mmHg]
1	(42, 53)
2	(37, 63)
3	(36, 67)
4	(39, 42)
5	(53, 50)

표 1. 혼합정맥혈의 산소 및 이산화탄소 농도

상기의 표와는 별도로 본 발명에 의해 예측된 허파순환계의 산탄분압을, 입력변수로 사용한 충남대의 임상측정 데이터 세트 중의 해당값들과 함께 도7에 나타내었다. 도7의 곡선 (1), (2), (3), (4), (5)는 다섯 환자들에 대한 <제1호흡모형>의 문제를 해석한 결과로서의 환기-관류비 곡선이다. 각 곡선의 왼쪽 끝의 큰 마름모 표시(V1, V2, ..., V5)는 임상데이터 세트 M 중의 혼합정맥 산탄분압의 측정치 V*를 보여준다. 이 부근에 있는 검은 동그라미(a1, a2, ... , a5)는 임상측정치인 동맥혈의 산탄분압 a* 의 값을 표시한다. 각 곡선의 중앙부에 있는 큰 삼각형(A1, A2, ... , A5)은 임상 데이터 세트 M 중의 V*, a*, I*, ET*의 값과 본 발명에서 제공하는 <제2호흡모형>의 해석방법을 사용하여 확정한 폐포가스 분압 A*이며; 속빈 사각형(E1, E2, ... , E5)은 임상 데이터 세트 M에 들어 있는 호기말가스의 탄산가스분압을 <제1호흡모형>에서 구한 환기-관류비 곡선 상에 표시한 것이며, 그 부근의 작고 검은 사각형들은 <제2호흡모형>의 해석결과로부터 산출된 호기말가스의 산소분압값을 추가하여 호기말가스의 산탄분압점 ET*을 정확히 표시한 것이다. 상기 도 7 및 상기 표에 나타난 바와 같이 상기의 계산치와 임상치를 비교해보면, 본 특허의 체계적인 호흡해석방법이 심폐기관의 각종 생리특성치들을 정확히 예측하여 주고 있다는 사실을 알 수 있다.

본 발명은 환기가스와 동맥혈의 산소와 이산화탄소의 분압을 비침습적으로 결정하는 측정장치; 심폐기관의 혈액호흡특성, 심박기능특성, 허파기능특성 등의 생리특성을 평가하기 위해 복잡한 문제를 순차적으로 해석할 수 있게 해주는 두 가지 호흡모델의 분류; 상기의 각각의 호흡모델에 대한 컴퓨터 해석방법과 이에 대응하는 연산장치로 구성되는 특징을 가지며, 본 발명의 방법은 허파에 션트나 생리적 사강이 없는 경우를 포함하여, 그것이 있는 경우에도 정확하고 유용한 방법이라는 장점이 있다. 이는 종래의 폐동맥 카테터를 우심방, 우심실을 거쳐 폐동맥에까지 삽입하는 열희석법과는 달리 측정 대상자로 하여금 고통을 느끼게 하거나 이로 인해 발생할 수 있는 감염과 합병증의 우려가 없으며; 손과 발에 전극을 정확히 설치하여야 전기적인 생체신호를 받아낼 수 있는 전극부착법과 같은 번거로움도 없고; 호흡으로 생긴 이산화탄소 데이터만을 사용하는 Novametrics 사의 CO2-재호흡법과는 달리, 폐포 모세혈관에서 이산화탄소는 물론 산소 확산에 의한 평형도 고려하므로, 특정한 좁은 심박출량의 범위에서만 유효한 CO2-재호흡법과는 달리 넓은 심박출량의 범위에 대하여 허파-폐순환계의 각종 호흡특성치를 예측하는 것이 가능하다.

Claims

(a) 혼합정맥 산탄분압과 흡기가스 산탄분압이 각각 혈액 및 기체의 경계치로서 자동연산장치에 입력되는 단계;

(b) 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계;

(c) 환기-관류비식을 만족하는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)의 추측치가 설정되어 상기 자동연산장치에 입력되는 단계;

(d) 상기 경계치, 설정치 및 추측치가 산소, 이산화탄소 및 질소의 질량평형방정식(mass balance equations)과 Fick 방정식을 포함하는 호흡기체에 관한 방정식군을 해석하는데 사용되기 위하여 상기 자동연산장치에 내장된 연산루틴에 입력되는 단계;

(e) 상기 연산루틴에서 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로, 폐포가스 분압의 갱신된 추측치 (A1*, A2*)가 구해지는 단계;

(f) 상기 폐포가스 분압의 갱신된 추측치 (A1*, A2*)를 입력 변수로 하여, 호흡기체에 관련된 방정식군으로부터 환기-관류비의 추측치(VA/Q*)가 구해지는 단계;

(g) 상기 환기-관류비의 추측치 (VA/Q*)가 환기-관류비 요건을 만족하는지 판정되는 단계; 및

(h) 상기 환기-관류비의 추측치 (VA/Q*)에 대응되는 상기 폐포가스의 산탄분압 (A1*, A2*)가 해로서 확정되는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제1항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 혼합정맥의 산탄분압 V*와 상기 흡기가스의 산탄분압 I*는 직접 측정되어진 값이거나 또는 제3자로부터 획득된 값인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제1항에 있어서,

상기 (e)단계에서 상기 호흡기체에 관한 방정식군은 각각 산소, 이산화탄소 및 질소의 질량평형방정식인 아래의 식 (3), (4) 및 (5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제3항에 있어서,

상기 (g)단계에서 상기 환기-관류비 요건은 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)와, 상기 (f)단계에서 구해진 추측치 (VA/Q*) 의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제4항에 있어서,

상기 호흡특성치 예측방법은 상기 환기-관류비 요건이 만족되지 아니하면 상기 (c)단계로 돌아가 새로이 설정된 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)에 대하여 상 기 (d) 내지 (g)단계가 반복되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제5항에 있어서,

상기 (c)단계에서 새로이 설정되는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 일정규칙에 의하여 갱신되는 이산화탄소 분압 A2와, 상기 이산화탄소 분압 A2와 연계되어 환기-관류비식에서 구해진 산소분압의 추측치 A1*를 조합하여 만들어진 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제6항에 있어서,

상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)은 상기 (c)단계에서 구해진 산소분압의 추측치 A1*와, 상기 산소분압의 추측치 A1*를 입력 변수로 하여 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 이산화탄소분압 A2*를 조합하여 만들어진 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제5항에 있어서,

상기 (c)단계에서 새로이 설정되는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 일정규칙에 의해 갱신 설정된 산소분압 A1과, 상기 산소분압 A1을 입력 변수로 하여 환기-관류비식에서 구해지는 이산화탄소분압 A2*를 조합하여 만들어진 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제8항에 있어서,

상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)는 상기 (c)단계에서 구해진 이산화탄소분압의 추측치 A2*와, 상기 이산화탄소분압의 추측치 A2*를 입력 변수로 하여 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 산소분압 A1*를 조합하여 만들어진 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제6항 내지 제9항 중 선택되는 어느 하나의 항에 있어서,

상기 (h)단계의 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)는 상기 (b)단계에서 주어진 환기-관류비의 설정치 (VA/Q) 내지 (VA/Q*)를 입력 변수로 하여, 상기 (c) 내지 (e)단계에서 구해진 해 (A1*, A2*)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제10항에 있어서,

상기 호흡특성치 예측방법은, 상기 (h)단계에서 상기 (b)단계의 환기-관류비 설정치 (VA/Q)에 대응되는 폐포가스의 산탄분압의 해 A*를 얻은 후에, 상기 (b)단계로 돌아가 상기 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)가 갱신 설정되어 상기 (c) 내지 (h)단계가 반복되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제11항에 있어서,

상기 호흡특성치 예측방법은, 상기 (a) 내지 (h)단계가 반복되어 미리 입력된 복수의 환기-관류비의 설정치 (VA/Q)에 대응되는 폐포가스의 산탄분압 A*의 분포가 얻어지는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
(a) 혼합정맥 산탄분압과 흡기가스 산탄분압이 각각 혈액과 기체의 경계치로서 자동연산장치에 입력되는 단계;

(b) 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)의 설정치가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계;

(c) 상기 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2) 및 환기-관류비식으로부터 얻어지는 (VA/Q)가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계;

(d) 상기 경계치 및 설정치들이 산소, 이산화탄소 및 질소의 질량평형방정식(mass balance equations)과 Fick 방정식을 포함하는 호흡기체에 관한 방정식군을 해석하는데 사용되기 위하여 상기 자동연산장치에 내장된 연산루틴에 입력되는 단계;

(e) 상기 연산루틴에서 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 새로운 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)이 구해지는 단계;

(f) 상기 구해진 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)가 사용되어, 환기-관류비의 식으로부터 환기-관류비의 추측치 (VA/Q*)가 구해지는 단계;

(g) 상기 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)이 환기-관류비 요건을 만족하는지 판정되는 단계; 및

(h) 상기 (VA/Q)에 대응되는 폐포가스의 산탄분압이 결정되는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제13항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 혼합정맥의 산탄분압 V*와 상기 흡기가스의 산탄분압 I*는 직접 측정되어진 값이거나 또는 제3자로부터 획득된 값인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제13항에 있어서,

상기 (e)단계에서 상기 호흡기체에 관한 방정식군은 각각 산소, 이산화탄소 및 질소의 질량평형방정식인 아래의 식 (3), (4) 및 (5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제15항에 있어서,

상기 (g)단계에서 상기 환기-관류비 요건은 (VA/Q)와 상기 (f)단계에서 구해지는 추측치 (VA/Q*) 의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제16항에 있어서,

상기 호흡특성치 예측방법은 상기 환기-관류비 요건이 만족되지 아니하면 상기 (b)단계로 돌아가 새롭게 설정된 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)에 대하여 상기 (c) 내지 (g)단계가 반복되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제17항에 있어서,

상기 (b)단계에서 새롭게 설정되는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 초기치로 설정된 이산화탄소 분압 A2와, 상기 이산화탄소분압을 입력 변수로 하여 산소의 질량평형방정식인 아래의 식 (3)을 풀어서 구해지는 산소분압 A1을 조합하여 이루어지는 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제18항에 있어서,

상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)은 상기 (b)단계의 이산화탄소분압 초기치 A2와, 상기 이산화탄소분압 초기치 A2를 입력 변수로 하여 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 산소분압 A1*를 조합하여 이루어지는 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제17항에 있어서,

상기 (b)단계에서 새롭게 설정되는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 초기치로 설정된 산소 분압 A1과, 상기 산소분압을 입력 변수로 하여 이산화탄소의 질량평형방정식인 아래의 식 (4)를 풀어서 구해지는 이산화탄소분압 A2를 조합하여 이루어지는 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제20항에 있어서,

상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)은 상기 (b)단계의 산소분압 초기치 A1과, 상기 산소분압 초기치 A1를 입력 변수로 하여 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 이산화탄소분압 A2*를 조합하여 이루어지는 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제18항 내지 제21항 중 선택되는 어느 하나의 항에 있어서,

상기 (h)단계에서 상기 환기-관류비 요건을 만족시키는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 환기-관류비의 설정치(VA/Q)에 대하여 산소, 이산화탄소 및 질소의 질량평형방정식(mass balance equations)과 Fick 방정식을 포함하는 상기 호흡기체에 관한 방정식군을 만족하는 해(A1*, A2*)가 되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제22항에 있어서,

상기 호흡특성치 예측방법은, 상기 폐포가스의 산탄분압 설정치 (A1, A2) 또는 상기 설정치 (A1, A2)에 대응되는 (VA/Q)에 대하여, 폐포가스의 산탄분압의 최종해(A1*, A2*)가 얻어지면, 상기 (b)단계로 돌아가 상기 폐포가스의 산소분압 A1이 갱신되고 연이어 상기 (c) 내지 (h)단계가 반복되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제22항에 있어서,

상기 호흡특성치 예측방법은, 상기 폐포가스의 산탄분압 설정치 (A1, A2) 또는 상기 설정치 (A1, A2)에 대응되는 (VA/Q)에 대하여, 폐포가스의 산탄분압의 해(A1*, A2*)가 얻어지면, 상기 (b)단계로 돌아가 상기 폐포가스의 이산화탄소분압 A2가 갱신되고 연이어 상기 (c) 내지 (h)단계가 반복되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
(a) 혈액경계치, 기체경계치, 혈액 보조정보치, 기체 보조정보치 및 흡기유량이 자동연산장치에 입력되는 단계;

(b) 생리적 사강률 X의 초기치가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계;

(c) 상기 생리적 사강률 X의 초기치를 입력변수로 하여 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)의 설정치가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계;

(d) 상기 경계치, 초기치 및 설정치들이 산소, 이산화탄소 및 질소의 질량평형방정식(mass balance equations)과 Fick 방정식을 포함하는 호흡기체에 관한 방정식군을 해석는데 사용되기 위하여 상기 자동연산장치에 내장된 연산루틴에 입력되는 단계;

(e) 상기 연산루틴에서 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 새로운 폐포가스 산탄분압의 추측치 (A1*, A2*)가 구해지는 단계;

(f) 상기 폐포가스의 산탄분압의 추측치가 산탄분압요건을 만족하면 산소 션트율 Y1 과 이산화탄소 션트율 Y2가 얻어지는 단계;

(g) 션트율 요건이 만족되면 호흡특성치가 결정되는 단계;

(h) 심박출량이 결정되는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제25항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 혈액경계치는 혼합정맥혈의 산탄분압 V*로서 주어지거나 또는 제3자로부터 획득된 값인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제25항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 기체경계치는 흡기의 산탄분압 I*로서 산탄분압이 모두 주어지거나 또는 산소분압만으로 주어지는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제25항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 혈액 보조정보치는 동맥혈의 산탄분압 a*로서 산탄분압이 모두 주어지거나 또는 산소분압만으로 주어지는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제25항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 기체 보조정보치는 호기말가스의 산탄분압 ET*로서 산탄분압이 모두 주어지거나 또는 이산화탄소분압만으로 주어지는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제25항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 흡기유량 VI는 외부에서 허파로 들어오는 공기유량이며, 평상호흡의 경우 허파에서 외부로 나가는 호기유량 VE와 동일하게 책정될 수도 있는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제25항에 있어서,

상기 (e)단계에서 상기 호흡기체의 해석방정식은 각각 산소, 이산화탄소 및 질소의 질량평형방정식인 아래의 식 (3), (4) 및 (5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제25항에 있어서,

상기 호흡특성치 예측방법은 상기 산탄분압요건이 만족되지 아니하면 상기 (c)단계로 돌아가 갱신 설정되는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)에 대하여 상기 (d) 내지 (e)단계가 반복되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제32항에 있어서,

상기 (c)단계에서 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 반복에 따라 갱신 설정된 산소분압 A1과, 사강률 X를 입력변수로 하여 구해지는 이산화탄소분압 A2*를 조합하여 이루어지는 분압쌍(A1, A2*)인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제33항에 있어서,

상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)은 상기 (c)단계에서 구해진 폐포가스의 이산화탄소분압 A2*와, 상기 (c)단계에서 결정된 산탄분압 (A1, A2*)를 입력변수로 하여 각각 산소, 이산화탄소, 질소에 관한 질량평형방정식 및 기체분압의 합공식인 아래의 식 (3), (4), (5) 및 (6)식으로 이루어진 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 얻어지는 산소분압의 갱신 추측치 A1*을 조합하여 이루어진 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제34항에 있어서,

상기 (f)단계에서의 산탄분압요건은 상기 (c)단계에서 갱신 설정된 산소분압 A1과 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 산소분압 A1* 의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제32항에 있어서,

상기 (c)단계에서 새로운 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 반복에 따라 갱신 설정되는 이산화탄소분압 A2와, 생리적 사강률 X의 초기치를 입력변수로 하여 구해지는 산소분압 A1*를 조합하여 이루어지는 분압쌍(A1*, A2)임을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제36항에 있어서,

상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)은 상기 (c)단계에서 구해진 폐포가스의 산소분압 A1*와, 상기 (c)단계에서 결정된 산탄분압 (A1*, A2)를 입력변수로 하여 각각 산소, 이산화탄소, 질소에 관한 질량평형방정식 및 기체분압의 합공식인 아래의 식 (3), (4), (5) 및 (6)식으로 이루어진 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 얻어지는 이산화탄소분압의 갱신 추측치 A2*를 조합하여 이루어지는 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제37항에 있어서,

상기 (f)단계에서의 산탄분압요건은 상기 (c)단계에서 갱신 설정된 이산화탄소분압 A2와, 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 이산화탄소분압 A2*의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제25항에 있어서,

상기 (g)단계의 션트율 요건은 산소의 션트율 Y1과 이산화탄소의 션트율 Y2의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제25항에 있어서,

상기 호흡특성치 예측방법은 상기 (g)단계의 션트율 요건을 만족하지 않으면 상기 (b)단계로 돌아가 생리적 사강률 X를 갱신하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제25항에 있어서,

상기 (g)단계에서 결정되는 호흡특성치는 폐포가스의 산탄분압 A*, 말단모세혈의 산탄분압 C*, 션트율 Y*, 또는 생리학적 사강률 X* 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제25항에 있어서,

상기 (h)단계에서 결정되는 심박출량은 측정된 흡기공기량 VI 또는 호기공기량 VE, 그리고 생리적 사강률 X* 를 이용하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
(a) 혈액경계치, 기체경계치, 혈액 보조정보치, 기체 보조정보치 및 흡기유량이 자동연산장치에 입력되는 단계;

(b) 션트율 Y의 초기치가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계;

(c) 상기 션트율 Y의 초기치에 의한 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)의 설정치가 상기 자동연산장치에 입력되는 단계;

(d) 상기 (a)단계의 경계치, 상기 (b)단계의 초기치 및 상기 (c)단계의 설정치들이 산소, 이산화탄소 및 질소의 질량평형방정식(mass balance equations)과 Fick 방정식을 포함하는 호흡기체에 관한 방정식군을 해석하는데 사용되기 위하여 상기 자동연산장치에 내장된 연산루틴에 입력되는 단계;

(e) 상기 연산루틴에서 호흡기체에 관한 방정식의 해석결과로 새로운 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)이 구해지는 단계;

(f) 상기 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1*, A2*)이 산탄분압요건을 만족하면 산소 사강률 X1 과 이산화탄소 사강률 X2가 얻어지는 단계;

(g) 사강률 요건이 만족되면 호흡특성치가 결정되는 단계;

(h) 심박출량이 결정되는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제43항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 혈액경계치는 혼합정맥혈의 산탄분압 V*로서 주어지거나 또는 제3자로부터 획득된 값인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제43항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 기체경계치는 흡기의 산탄분압 I*로서 산탄분압이 모두 주어지거나 또는 산소분압만으로 주어지는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제43항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 혈액 보조정보치는 동맥혈의 산탄분압 a*로서 산탄분압이 모두 주어지거나 또는 산소분압만으로 주어지는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제43항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 기체 보조정보치는 호기말가스의 산탄분압 ET*로서 산탄분압이 모두 주어지거나 또는 이산화탄소분압만으로 주어지는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제43항에 있어서,

상기 (a)단계에서 상기 흡기유량 VI는 외부에서 허파로 들어오는 공기유량이며, 허파에서 외부로 나가는 호기유량 VE와 동일하게 책정될 수 있는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제43항에 있어서,

상기 (e)단계에서 상기 호흡기체의 해석방정식은 각각 산소, 이산화탄소 및 질소의 질량평형방정식인 아래의 식 (3), (4) 및 (5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제43항에 있어서,

상기 호흡특성치 예측방법은 상기 (f)단계의 산탄분압요건이 만족되지 아니하면 상기 (c)단계로 돌아가 갱신 설정되는 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)에 대하여 상기 (d) 내지 (e)단계가 반복되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제50항에 있어서,

상기 (c)단계에서 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은 반복에 따라 갱신 설정되는 산소분압 A1과, 션트율 Y의 초기치를 입력변수로 하여 구해지는 이산화탄소분압 A2*를 조합하여 이루어지는 분압쌍(A1, A2*)임을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제50항에 있어서,

상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스 산탄분압의 추측치 (A1*, A2*)는 상기 (c)단계에서 구해진 폐포가스의 이산화탄소분압 A2*와, 상기 (c)단계에서 결정된 산탄분압 (A1, A2*)를 입력변수로 하여 각각 산소, 이산화탄소, 질소에 관한 질량평형방정식 및 기체분압의 합공식인 아래의 식 (3), (4), (5) 및 (6)식으로 이루어진 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 얻어지는 산소분압의 갱신 추측치 A1*을 조합하여 이루어지는 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제52항에 있어서,

상기 (f)단계에서의 산탄분압요건은 상기 산소분압 A1과 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 얻어지는 산소분압 A1* 의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제50항에 있어서,

상기 (c)단계에서 폐포가스의 산탄분압쌍 (A1, A2)은, 반복에 따라 갱신 설정되는 이산화탄소분압 A2와, 션트율 Y의 초기치를 입력변수로 하여 구해지는 산소분압 A1*를 조합하여 이루어지는 분압쌍(A1*, A2)임을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제54항에 있어서,

상기 (e)단계에서 구해지는 폐포가스 산탄분압의 추측치 (A1*, A2*)는 상기 (c)단계에서 구해진 폐포가스의 산소분압 A1*와, 상기 (c)단계에서 결정된 산탄분압 (A1*, A2)를 입력변수로 하여 각각 산소, 이산화탄소, 질소에 관한 질량평형방정식 및 기체분압의 합공식인 아래의 식 (3), (4), (5) 및 (6)식으로 이루어진 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 얻어지는 이산화탄소분압의 갱신 추측치 A2*을 조합하여 이루어지는 쌍인 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제55항에 있어서,

상기 (f)단계에서의 산탄분압요건은 상기 (c)단계에서 갱신 설정된 이산화탄소분압 A2와, 호흡기체에 관한 방정식군의 해석결과로 구해지는 이산화탄소분압 A2*의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제43항에 있어서,

상기 (g)단계의 션트율 요건은 산소의 사강률 X1과 이산화탄소의 사강률 X2의 차이가 일정범위 내에 있는지 대비 판단되는 것을 특징으로 하고, 만일 상기 사강률 요건을 만족하지 않으면 상기 (b)단계로 돌아가 생리적 션트율 Y를 갱신하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제43항에 있어서,

상기 호흡특성치 예측방법은 상기 (g)단계의 사강률 요건을 만족하지 않으면 상기 (b)단계로 돌아가 생리적 션트율 Y를 갱신하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제43항에 있어서,

상기 (g)단계에서 결정되는 호흡특성치는 폐포가스의 산탄분압 A*, 말단모세혈의 산탄분압 C*, 션트율 Y*, 또는 생리학적 사강률 X* 중의 어느 하나인 것을 특 징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제43항에 있어서,

상기 (h)단계에서 결정되는 심박출량은 측정된 흡기공기량 VI 또는 호기공기량 VE, 그리고 생리적 사강률 X* 를 이용하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 예측방법.
제1항, 제13항, 제25항, 또는 제43항 중 어느 하나의 항의 호흡특성치 예측방법에 의해 예측된 호흡특성치가 상기 자동연산장치에 연결되어 시각적으로 표시되는 정보단말기를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 표시장치.
제61항에 있어서,

상기 호흡특성치 표시장치는 상기 정보단말기가 상기 자동연산장치에 유선 또는 무선으로 연결되어 휴대가 가능한 것을 특징으로 하는 호흡특성치 표시장치.
제62항에 있어서,

상기 자동연산장치는 컴퓨터 프로세서 또는 내장칩(embedded chip)을 사용하는 것을 특징으로 하는 호흡특성치 표시장치.