(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の一回換気量(VT)を決定するための方法であって：
第１の向きにおける被験者の胸郭の第１直線変位を示す第１解剖学的特徴を決定する工程；
第１の向きにおける被験者の腹部の第１直線変位を示す第２解剖学的特徴を決定する工程；
第１の向きにおける被験者の胸壁の第１軸方向変位を示す第３解剖学的特徴を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１胸郭容積−動き係数を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１腹部容積−動き係数を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１胸壁容積−動き係数を決定する工程；
第１、第２および第３解剖学的特徴、第１胸郭容積−動き係数、第１腹部容積−動き係数並びに第１胸壁容積−動き係数の関数として被験者のVTを決定するように適合された第１数学的関係を提供する工程；および
第１数学的関係、第１、第２および第３解剖学的特徴、第１胸郭容積−動き係数、第１腹部容積−動き係数並びに第１胸壁容積−動き係数を用いて被験者のVTを決定する工程であって、それにより、決定されたVTが第１の向きにおける被験者のVTを示す、工程
を含み、
前記第１数学的関係が以下の等式を含み：
VT = α(ΔRC) + (βu + εXi) x (ΔAb) + γ(ΔXi)
ここで、ΔRCは胸郭の直線変位を示し、ΔAbは腹部の直線変位を示し、ΔXiは直立位置からの剣状突起とへその間の距離の変化を示し、αは胸郭容積−動き係数を示し、βは腹部容積−動き係数を示し、βuは直立位置における腹部容積−動き係数(β)の値を示し、εは剣状突起とへその間の距離Xiの関数としてのβの関係の直線傾斜(linear slope)を示し、(βu + εXi)は補正された腹部容積−動き係数を示し、γは剣状突起とへその間の容積−動き係数を示す、方法。
【請求項２】
前記第１解剖学的特徴が、被験者の第１の動き中の胸郭の第２直線変位を示し、前記第２解剖学的特徴が、被験者の第１の動き中の腹部の第２直線変位を示し、前記第３解剖学的特徴が、被験者の第１の動き中の胸壁の第２軸方向変位を示し、前記第１胸郭容積−動き係数が、被験者の第１の動きを示し、前記第１腹部容積−動き係数が、被験者の第１の動きを示し、前記第１胸壁容積−動き係数が、被験者の第１の動きを示し、ここで、決定されたVTが、第１の動き中の被験者のVTを示す、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の向きが直立位置を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
被験者の一回換気量(VT)を決定するための方法であって：
被験者の腹部の直線変位を測定するように適合された第１センサシステムを提供する工程であって、該第１センサシステムは、第１電磁場を伝達するように適合された第１伝達コイルおよび該第１電磁場を受信するように適合された第１受信コイルを含み、該第１受信コイルは、該第１電磁場における変化に反応性を有し、該第１電磁場における第１変化を示す第１シグナルを伝達するように更に適合された、工程；
被験者の胸郭の直線変位を測定するように適合された第２センサシステムを提供する工程であって、該第２センサシステムは、第２電磁場を伝達するように適合された第２伝達コイルおよび該第２電磁場を受信するように適合された第２受信コイルを含み、該第２受信コイルは、該第１および第２電磁場における変化に反応性を有し、該第２電磁場における第１変化を示す第２シグナルおよび該第１電磁場における第２変化を示す第３シグナルを伝達するように更に適合された、工程；
第１シグナルの関数として第１の向きにおける被験者の腹部の第１直線変位を決定する工程；
第２シグナルの関数として第１の向きにおける被験者の胸郭の第１直線変位を決定する工程；
第３シグナルの関数として胸壁の第１軸方向変位を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１胸郭容積−動き係数を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１腹部容積−動き係数を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１胸壁容積−動き係数を決定する工程；
被験者の胸郭の第１直線変位、被験者の腹部の第１直線変位、胸壁の第１軸方向変位、第１胸郭容積−動き係数、第１腹部容積−動き係数および第１胸壁容積−動き係数の関数として被験者のVTを決定するように適合された第１数学的関係を提供する工程；および
第１数学的関係、被験者の胸郭の第１直線変位、被験者の腹部の第１直線変位、胸壁の第１軸方向変位、第１胸郭容積−動き係数、第１腹部容積−動き係数および第１胸壁容積−動き係数を用いて被験者のVTを決定する工程であって、それにより、決定されたVTが第１の向きにおける被験者のVTを示す、工程
を含み
前記第１数学的関係が以下の等式を含み：
VT = α(ΔRC) + (βu + εXi) x (ΔAb) + γ(ΔXi)
ここで、ΔRCは胸郭の直線変位を示し、ΔAbは腹部の直線変位を示し、ΔXiは直立位置からの剣状突起とへその間の距離の変化を示し、αは胸郭容積−動き係数を示し、βは腹部容積−動き係数を示し、βuは直立位置における腹部容積−動き係数(β)の値を示し、εは剣状突起とへその間の距離Xiの関数としてのβの関係の直線傾斜(linear slope)を示し、(βu + εXi)は補正された腹部容積−動き係数を示し、γは剣状突起とへその間の容積−動き係数を示す、方法。
【請求項５】
前記第１センサシステムを用いて、被験者の第１の動き中の胸郭の第２直線変位を決定する工程；前記第２センサシステムを用いて、被験者の第１の動き中の被験者の腹部の第２直線変位を決定する工程；第１の動き中の胸壁の第２軸方向変位を決定する工程；被験者の第１の動きを示す第２胸郭容積−動き係数を決定する工程；被験者の第１の動きを示す第２腹部容積−動き係数を決定する工程；被験者の第１の動きを示す第２胸壁容積−動き係数を決定する工程；および、第１数学的関係、被験者の胸郭の第２直線変位、被験者の腹部の第２直線変位、胸壁の第２軸方向変位、第２胸郭容積−動き係数、第２腹部容積−動き係数および第２胸壁容積−動き係数を用いて被験者のVTを決定する工程であって、それにより、決定されたVTが第１の動き中の被験者のVTを示す、工程を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第１伝達コイルは、被験者の体の第１側面上の第１位置に配置され、第１受信コイルは、被験者の体の第２側面（反対側面）上の第２位置に配置され、第２伝達コイルは、被験者の体の第１側面上の第３位置に配置され、第２受信コイルは、被験者の体の第２側面上の第４位置に配置され、第１、第２、第３および第４のコイル位置は、複数の幾何学的形状を定義する、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
第１および第２受信コイルの各々が、第１および第２電磁場を受信するように適合される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
被験者の胸壁の第１軸方向変位が、少なくとも第１および第２シグナルのうちの一つ並びに複数の幾何学的形状のうちの一つの関数として決定される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
被験者の呼吸をモニタリングするための方法であって：
被験者の複数の向きおよび動きを示す複数の胸郭容積−動き係数を決定する工程；
被験者の複数の向きおよび動きを示す複数の腹部容積−動き係数を決定する工程；
被験者の複数の向きおよび動きを示す複数の胸壁容積−動き係数を決定する工程；
複数の容積−動き係数データセットを集める工程であって、該複数の容積−動き係数データセットは、被験者の複数の向きを示す第１複数の容積−動き係数データセットおよび被験者の複数の動きを示す第２複数の容積−動き係数データセットを含み、該第１複数の容積−動き係数データセットの各々は、複数の向きのうちの一つを示す胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数のそれぞれ一つを含み、該第２複数の容積−動き係数データセットの各々は、複数の動きのうちの一つを示す胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数のそれぞれ一つを含む、工程；
被験者の胸郭の第１直線変位を示す第１解剖学的特徴、被験者の腹部の第１直線変位を示す第２解剖学的特徴、被験者の胸壁の第１軸方向変位を示す第３解剖学的特徴、および複数の容積−動き係数データセットのうちのそれぞれ一つの関数として被験者の一回換気量(VT)を決定するように適合された第１数学的関係を提供する工程；
第１、第２および第３解剖学的特徴を実質的に継続して決定する工程；
被験者の向きをモニタリングする工程；
被験者が何時複数の向きのうちの選択された一つにあるかを決定する工程；および
第１数学的関係を用い、また、被験者が複数の向きのうちのそれぞれ一つにある時に決定された第１、第２および第３解剖学的特徴、並びに複数の向きのうちの該選択された一つを示す、第１複数の容積−動き係数データセットのうちの一つの容積−動き係数データセットを用いて、第１期間にわたって、被験者のVTを実質的に継続して決定する工程
を含み、
前記第１数学的関係が以下の等式を含み：
VT = α(ΔRC) + (βu + εXi) x (ΔAb) + γ(ΔXi)
ここで、ΔRCは胸郭の直線変位を示し、ΔAbは腹部の直線変位を示し、ΔXiは直立位置からの剣状突起とへその間の距離の変化を示し、αは胸郭容積−動き係数を示し、βは腹部容積−動き係数を示し、βuは直立位置における腹部容積−動き係数(β)の値を示し、εは剣状突起とへその間の距離Xiの関数としてのβの関係の直線傾斜(linear slope)を示し、(βu + εXi)は補正された腹部容積−動き係数を示し、γは剣状突起とへその間の容積−動き係数を示す、方法。
【請求項１０】
被験者の動きをモニタリングする工程；複数の動きのうちの選択された一つを被験者が何時行っているかを決定する工程；第１数学的関係を用い、また、被験者が複数の動きのうちのそれぞれ一つを行っている時に決定された第１、第２および第３解剖学的特徴、並びに複数の動きのうちの該選択された一つを示す、第２複数の容積−動き係数データセットのうちの一つの容積−動き係数データセットを用いて被験者のVTを決定する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ヒトの呼吸する空気の量の測定に関する。より具体的には、本発明は、肺換気量を定量的に測定するための非侵襲的方法および同方法を用いた換気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
被験者の医療診断および治療においては、１つまたはそれ以上の生理学的特性、特に、呼吸特性を評価することがしばしば必要になる。重要な呼吸特性は、呼吸する空気の量（respiratory air volume）（または一回換気量（tidal volume））である。
【０００３】
一回換気量を測定（または決定）するために、様々な従来の方法およびシステムが用いられてきている。ある方法においては、流速計測装置に接続されたマウスピースに向かって、患者または被験者に息を吹き込んでもらうことが含まれる。流速は次に積分されて空気量の変化を提供する。
【０００４】
当技術分野において周知のとおり、マウスピースの使用に関してはいくつかの欠点および不利な点がある。マウスピースおよびノーズクリップに関連した重大な欠点のひとつは、上述のアイテムが、モニターされる被験者の呼吸パターン（すなわち、速度および量）における変化を引き起こすことである。このように、マウスピースおよびノーズクリップに基づいた一回換気量の測定は、しばしば不正確である。
【０００５】
マウスピースはまた、被験者の長期のモニタリング、特に、病気の、睡眠中の、または麻酔された被験者において使用するのが困難である。更に、被験者にとっては不快であり、呼吸が制限されがちであり、そして一般的に、医師や技術者が使用するのに不便である。
【０００６】
一回換気量を決定するための別の従来手段には、呼吸モニターが含まれる。例としては、米国特許第3,831,586号明細書および米国特許第4,033,332号明細書に開示されたシステムがある。
【０００７】
上述のシステムは、マウスピースに関連した不利な点のほとんどを排除するが、一般的に、これらのシステムは、一回換気量の正確な測定値を提供しない。また、これらのシステムは概して、被験者の呼吸活動が急激に変化したり停止した場合に、付添人にシグナルを送るためにのみ使用される。
【０００８】
一回換気量を決定するための更なる手段は、胸郭および腹部におけるサイズの変化（または変位）を測定するものである。なぜならば、肺容量は、これら２つのパラメータの関数であることが周知であるからである。胸郭および腹部のサイズ（すなわちΔ外周）の変化を測定するために、多数のシステムおよび装置が使用されてきており、例えば、ゴム製歪みゲージ中の水銀、ニューモベルト(pneumobelts)、呼吸誘導的プレチスモグラフ(respiratory inductive plethysmograph (RIP))ベルト、磁力計等がある。以下の文献を参照されたい：D.L. Wade, “Movements of the Thoracic Cage and Diaphragm in Respiration（呼吸における胸郭および横隔膜の動き）”, J. Physiol., pp. 124-193 (1954)；Mead, et al., “Pulmonary Ventilation Measured from Body Surface Movements（体の表面の動きから測定した肺換気量）”, Science, pp. 196, 1383-1384 (1967)。
【０００９】
RIPベルトは、現在のところ、胸郭および腹部の断面積における変化を測定するために使用される主要な手段である。RIPベルトは、ぐるぐる巻かれて弾性ベルトに縫いこまれた、導電性のワイヤーのループを含む。RIPベルトの出力電圧は、一般的に、ベルトが伸びる長さの変化、ひいては取り囲まれた断面積の変化に直線的に関連する。
【００１０】
実際、胸郭および腹部の断面積の変化を測定するためには、典型的ケースでは、１つめのベルトが胸部の中間の周囲に固定され、２つめのベルトが腹部の中間の周囲に配置される。
【００１１】
胸郭および腹部の変位を測定するために、最近、種々の磁力計システムも開発されている。呼吸磁力計は、同調させた複数対の電磁石コイルから成る。片方のコイルは、特異的な高周波交流電磁場を伝達するように適合され、他方のコイルは、該電磁場を受信するように適合されている。
【００１２】
典型的な磁力計システムは、２対の電磁石コイルを含む。胸郭の前後径の変化（または変位）を測定するために、第１コイルは、典型的には胸骨の第４肋間の高さの上に配置され、（対の）第２コイルは、脊椎の同じ高さの上に配置される。腹部の前後径の変化を測定するために、第３コイルは、典型的には腹部のへその高さの上に配置され、（対の）第４コイルは、脊椎の同じ高さの上に配置される。
【００１３】
操作可能な距離の範囲にわたって、１対のコイルの軸が互いに実質的に平行を保持していれば、出力電圧は、その１対のコイル間の距離に直線的に関連する。軸の回転は電圧を変え得るので、コイルは、典型的には、平行になるように被験者の肌に固定され、下部の軟組織の動きによる回転を最小限にとどめる。
【００１４】
大きな金属構造物や電気モーターを含有する環境においては、このようなコイルや磁力計を使用するに当たり、潜在的な制限が存在する。このような装置は、外部電磁場を生み出すことにより、磁力計の電圧の出力に影響を与える。
【００１５】
一回換気量およびその他の呼吸特性を決定するために、前述のシステムと共に、様々な方法、アルゴリズムおよび数学的モデルが採用されている。実際、RIPベルト由来の胸郭および腹部の変位から一回換気量を決定するために、「２自由度」モデルが典型的に採用される。
【００１６】
「２自由度」モデルは、胸腔と、胸郭の前壁および側壁（lateral walls）と、腹部との間の相互に関連した動きを前提にしている。すなわち、第１肋骨および隣接する首の構造は比較的固定しているので、胸腔の動作可能な構成部分は、胸郭の側壁および後壁、ならびに腹部であると考えられる。そして、胸腔の容積の変化は、胸郭および腹部の変位によって反映されることになる。
【００１７】
当技術分野において周知のとおり、胸郭の変位（すなわち動き）は、RIPベルトを用いて直接評価できる。しかし、横隔膜の変位は直接測定できない。しかし、腹腔内容物は本質的に圧縮できないので、骨盤に対する横隔膜の尾側に向かう動き（caudal motion）およびそれが変位させる容積は、前外側の腹壁の外側への動きによって反映される。
【００１８】
当分野のほとんどのケースで採用されている「２自由度」モデルでは、呼吸器系の容積の変位、すなわち一回換気量(VT)は、胸郭および腹部の容積の変位の合計に等しい。すなわち：
VT = αRC + βAb                        等式１
ここで、RCおよびAbはそれぞれ、胸郭および腹部の直線変位を示し、αおよびβは、容積−動き係数を示す。
【００１９】
上述の「２自由度」モデルの使用により、被験者の姿勢が一つに限定される条件下では、口において測定された換気量の１０％以内の精度であるVTの推定値が提供され得ることが確立されている。
【００２０】
必要な胸郭および腹部の容積−動き係数を決定するために主に使用される２つの異なるアプローチは、等容性を用いた手法（isovolume technique）および多重線形回帰を用いた手法である。等容性を用いた手法においては、被験者は始めに、等容性の行動（isovolume maneuver）を行い、声門が閉じたままの状態において、容量を胸郭および腹部の区画の間を行ったり来たりシフトさせ、それによって系の正味容積は変化しない。VTは０に等しいので、等式１は以下のように修正できる：
RC = (-β/α)Ab                         等式２
【００２１】
胸郭および腹部のシグナルのグラフにおいて、等容線（isovolume line）の傾斜は、-β/αの割合に等しい。
【００２２】
実際、胸郭および腹部のシグナルの利得（gains）はしばしば調節され、それによって等容線の傾斜は１に等しくなる。よって、胸郭および腹部の変位は、任意の容積の変化において等しい。よって、２つのシグナルを直接合計して容積を算出することができる。
【００２３】
等容性方法は、胸郭および腹部の表面の変位が、測定された位置において典型的にサンプルされ、等容性の作業（isovolume efforts）および自発呼吸の間中同様であるとの仮定に基づく。容積−動き係数は姿勢とともに変化するので、等容性較正（isovolume calibration）は、各姿勢において繰り返さなければならない。
【００２４】
多重線形回帰等のコンピュータを使った回帰法は、胸壁の寸法や肺容量における変化に係る複数の連立方程式のマトリックスを解くことによって容積−動き係数を決定するために使用される。これら手法の利点は、容積−動き係数を生成するのに、特別な較正の行動（calibration maneuver）を必要としないことである。
【００２５】
しかし、換気量を評価するために胸壁の動きを使用するどのようなアプローチにも制限があり、それは、測定される胸壁の容積の変化全体には、肺容量の変化のみならず、胸腹腔に出たり入ったりする血液量のシフトも含まれることである。これは、呼吸器系が圧力の大きな変化にさらされた場合、または姿勢が変化した場合（例えば仰臥位と立位の間の変化）に起こり得る。
【００２６】
別の制限は、胸郭または腹部内で起こり得るゆがみに関連する（例えば上部胸郭と下部胸郭の間、または下部横胸郭と前後胸郭の間（between the lower transverse and AP rib cage））。
【００２７】
当技術分野において周知のとおり、「２自由度」モデル、そして、胸郭および腹部の容積−動き係数を決定するための該モデルを採用した方法の精度は、姿勢の変化を伴い得る脊椎の屈曲の変化によって更に制限される。実際、脊椎の曲げ伸ばしによって、VTは、肺活量の５０％に当たる量だけ多く、または少なく見積もられ得ることがわかっている。以下の文献を参照されたい：McCool, et al., “Estimates of Ventilation From Body Surface Measurements in Unrestrained Subjects（拘束されない被検者における体表面の測定に基づく換気の見積もり）”, J. Appl. Physiol., vol. 61, pp. 1114-1119 (1986)；およびPaek, et al., “Postural Effects on Measurements of Tidal Volume From Body Surface Displacements（体表面の変位に基づく一回換気量の測定に対する姿勢の効果）”, J. Appl. Physiol., vol. 68, pp. 2482-2487 (1990)。
【００２８】
上記の「２自由度」モデルにおける誤差や制限には、２つの主要な原因がある。誤差を生む原因の一つ目は、合計された胸郭および腹部のシグナルの実質的な変位によるもので、等容の脊椎の曲げ伸ばしまたは骨盤回転とともに起こる。図１にこれを図示する。
【００２９】
これらのシフトは、容積の保持によって引き起こされる。胸腹部の境界の一つが押し込まれるにつれ、別の境界が押し出されることになる。
【００３０】
誤差を生む原因の二つ目は、容積−動き係数の、姿勢に誘導された変化によるものである。等容の脊椎（spinal）の屈曲により、胸郭が骨盤に対して下がり、前腹壁の軸方向寸法が小さくなる。従って、前腹壁によって、より小さな腹腔の境界線が形成される。
【００３１】
変位する前腹壁表面がより小さいと、腹部の区画における所定の容積変位には、より大きな前腹壁の外側への変位が伴うことになる。よって、腹部の容積−動き係数は減少することになる。
【００３２】
しかし、胸壁の軸方向運動、すなわち、剣状突起(xiphoid)と恥骨結合の間の距離の変化(Xi)、の測定を追加することにより、３自由度が提供されることが知られており、これは、VTの決定のために採用すると、「２自由度」モデルに関連した姿勢に関係した誤差を、肺活量測定を採用した際の誤差の１５％以内まで減少することができる。以下の文献を参照されたい：Paek, et al., “Postural Effects on Measurements of Tidal Volume From Body Surface Displacements（体表面の変位に基づく一回換気量の測定に対する姿勢の効果）”, J. Appl. Physiol., vol. 68, pp. 2482-2487 (1990);およびSmith, et al., “Three Degree of Freedom Description of Movement of the Human Chest Wall（ヒトの胸壁の３自由度の動き）”, J. Appl. Physiol., Vol. 60, pp. 928-934 (1986)。
【００３３】
Smith, et al.は、一回換気量を決定するためのものとして、以下の「３自由度」モデルを提案した。すなわち：
VT = αRC + βAb + γXi                 等式３
ここで、
RCおよびAbはそれぞれ、胸郭および腹部の直線変位を示し、
Xiは剣状突起と恥骨結合の間のΔ距離を示し、そして
α、βおよびγは、RC、AbおよびXiの容積−動き係数を示す。
【００３４】
図２は、様々な姿勢の動きや行動（maneuver）の間に１自由度、２自由度および３自由度モデル（すなわちｘ軸）を用いて決定した推定VTの％誤差を図示したものである。第３の独立変数、すなわち剣状突起と恥骨結合の間のΔ距離（Xi）を組み込んだ「３自由度」モデルを使用することにより精度が高まり、それにより、脊椎の姿勢における変化を組み込んだそれらの行動（maneuver）における体表面の動きから、容積が推定されることがわかる。
【００３５】
しかし、同様に、「３自由度」モデルに関連した欠点および不利な点がいくつか存在する。主要な欠点は、個体が自由に動いて姿勢の変わるタスク、例えばかがむ、座る、立つ等を行う場合、脊椎の屈曲により、上記等式３に反映された「３自由度」モデルの精度において、やはり実際の換気量の約１５％に制限されてしまうことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
よって、肺換気量の決定に用いられる従来の方法およびシステムに関連した欠点や不利な点を実質的に低減するまたは無くする、一回換気量（または肺換気量）を決定するための改善された方法および関連するシステムの提供が望まれる。
【００３７】
従って、本発明の目的は、肺換気量を決定するための従来の方法およびシステムに関連した欠点や不利な点を実質的に低減するまたは無くする、肺換気量を決定するための非侵襲的方法および関連するシステムを提供することである。
【００３８】
本発明の別の目的は、従来の２自由度および３自由度の一回換気量モデルに関連した誤差を実質的に低減する、肺換気量を決定するための非侵襲的方法および関連するシステムを提供することである。
【００３９】
本発明の別の目的は、目が覚めている時および睡眠中に様々な異なる姿勢において肺換気量を測定するために容易に用いることができる、肺換気量を決定するための非侵襲的方法および関連するシステムを提供することである。
【００４０】
本発明の別の目的は、呼吸異常を正確に検出するために容易に用いることができる、肺換気量を決定するための非侵襲的方法および関連するシステムを提供することである。
【００４１】
本発明の更に別の目的は、睡眠中の無呼吸および呼吸低下等の呼吸事象を正確に検出するために容易に用いることができる、肺換気量を決定するための非侵襲的方法および関連するシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００４２】
（発明の要旨）
上記の目的、および以下に述べ、明らかになるであろう目的に従い、本発明の一つの実施形態に従って、被験者の肺換気量を測定する、すなわち、一回換気量(VT)を決定するための非侵襲的方法は、一般的に以下の工程を含む：
(1)第１の向きにおける被験者の胸郭の第１直線変位を示す第１解剖学的特徴を決定する工程；
(2)第１の向きにおける被験者の腹部の第１直線変位を示す第２解剖学的特徴を決定する工程；
(3)第１の向きにおける被験者の胸壁の第１軸方向変位を示す第３解剖学的特徴を決定する工程；
(4)被験者の第１の向きを示す第１胸郭容積−動き係数を決定する工程；
(5)被験者の第１の向きを示す第１腹部容積−動き係数を決定する工程；
(6)被験者の第１の向きを示す第１胸壁容積−動き係数を決定する工程；
(7)第１、第２および第３解剖学的特徴、第１胸郭容積−動き係数、第１腹部容積−動き係数並びに第１胸壁容積−動き係数の関数として被験者のVTを決定するように適合された第１数学的関係を提供する工程；および
(8)第１数学的関係、第１、第２および第３解剖学的特徴、第１腹部（abdomen）容積−動き係数、第１腹部容積−動き係数並びに第１胸壁容積−動き係数を用いて被験者のVTを決定する工程であって、それにより、決定されたVTが第１の向きにおける被験者のVTを示す、工程。
【００４３】
一つの実施形態において、第１の向きは直立位置を含む。
【００４４】
一つの実施形態において、第１数学的関係は以下の等式を含み：
VT = αΔRC + (Bu + εXi)ΔAb + γΔXi
ここで、VTは一回換気量を示し、ΔRCは第１解剖学的特徴を示し、ΔAbは第２解剖学的特徴を示し、ΔXiは第３解剖学的特徴を示し、Buは直立位置における腹部容積−動き係数(B)の値を示し、αは第１胸郭容積−動き係数を示し、(Bu+ εXi)は腹部容積−動き係数を示し、εはXiの関数としてのBの関係の直線傾斜(linear slope)を示し、γは第１胸壁容積−動き係数を示す。
【００４５】
一つの実施形態において、第１数学的関係は以下の等式を含み：
VT = α(ΔRC) + β(ΔAb) + γ(ΔXi)
ここで、VTは一回換気量を示し、ΔRCは第１解剖学的特徴を示し、ΔAbは第２解剖学的特徴を示し、ΔXiは第３解剖学的特徴を示し、αは第１胸郭容積−動き係数を示し、βは第１腹部容積−動き係数を示し、γは第１胸壁容積−動き係数を示す。
【００４６】
本発明の別の実施形態によれば、被験者の呼吸をモニタリングするための方法が提供され、該方法は以下の工程を含む：
(1)被験者の複数の向きおよび動きを示す複数の胸郭容積−動き係数を決定する工程；
(2)被験者の複数の向きおよび動きを示す複数の腹部容積−動き係数を決定する工程；
(3)被験者の複数の向きおよび動きを示す複数の胸壁容積−動き係数を決定する工程；
(4)複数の容積−動き係数データセットを集める（compiling）工程であって、該複数の容積−動き係数データセットは、被験者の複数の向きを示す第１複数の容積−動き係数データセットおよび被験者の複数の動きを示す第２複数の容積−動き係数データセットを含み、該第１複数の容積−動き係数データセットの各々は、複数の向きのうちの一つを示す胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数のそれぞれ一つを含み、該第２複数の容積−動き係数データセットの各々は、複数の動きのうちの一つを示す胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数のそれぞれ一つを含む、工程；
(5)被験者の胸郭の第１直線変位を示す第１解剖学的特徴、被験者の腹部の第１直線変位を示す第２解剖学的特徴、被験者の胸壁の第１軸方向変位を示す第３解剖学的特徴、および複数の容積−動き係数データセットのうちの一つの関数として被験者の一回換気量(VT)を決定するように適合された第１数学的関係を提供する工程；
(6)第１期間にわたって、第１、第２および第３解剖学的特徴を実質的に継続して決定する工程；
(7)被験者の向きをモニタリングする工程；
(8)被験者がいつ複数の向きのうちの選択された一つにあるかを決定する工程；および
(9)第１数学的関係を用い、また、被験者が複数の向きのうちの一つにある時に決定された第１、第２および第３解剖学的特徴、並びに複数の向きのうちの該選択された一つを示す、第１複数の容積−動き係数データセットのうちの一つの容積−動き係数データセットを用いて、第１期間にわたって、被験者のVTを実質的に継続して決定する工程。
【００４７】
一つの実施形態において、該方法は、被験者の動きをモニタリングする工程；複数の動きのうちの選択された一つを被験者がいつ行っているかを決定する工程；第１数学的関係、および、被験者が複数の動きのうちの選択された一つを行っている時に決定された第１、第２および第３解剖学的特徴、並びに複数の動きのうちの該選択された一つを示す、第２複数の容積−動き係数データセットのうちの一つの容積−動き係数データセットを用いて被験者のVTを決定する工程を含む。
【００４８】
本発明の別の実施形態によれば、被験者の呼吸をモニタリングするための肺換気システムが提供され、該システムは以下の手段を含む：
(1)第１の向きにおける被験者の胸郭の第１直線変位を示す第１解剖学的特徴を実質的に継続して決定するための手段；
(2)第１の向きにおける被験者の腹部の第１直線変位を示す第２解剖学的特徴を実質的に継続して決定するための手段；
(3)被験者の胸壁の第１軸方向変位を示す第３解剖学的特徴を実質的に継続して決定するための手段；
(4)少なくとも１つの胸郭容積−動き係数、腹部容積−動き係数および胸壁容積−動き係数を決定するように適合された第１経験的関係と、第１、第２および第３解剖学的特徴並びに胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数の関数として換気特性を決定するように適合された第２経験的関係と、を保存するように適合された保存手段；および
(5)第２経験的関係を用いて換気パラメータを決定するための処理手段。
【００４９】
本発明の一つの実施形態において、該システムは、少なくとも１つの基準（base-line）換気特性と、獲得された基準換気特性を、第２経験的関係を用いて決定された換気パラメータに関連付けるように適合された第３経験的関係と、を獲得するための手段を含む。
【００５０】
一つの実施形態において、第１経験的関係は、複数の胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数を決定するように適合され、該複数の胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数は、複数の体の向きおよび動きを示す。
【００５１】
一つの実施形態において、保存手段は、複数の容積−動き係数データセットを含み、該複数の容積−動き係数データセットは、複数の向きを示す第１複数の容積−動き係数データセットおよび複数の動きを示す第２複数の容積−動き係数データセットを含み、該第１複数の容積−動き係数データセットの各々は、複数の向きのうちの一つを示す胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数のそれぞれ一つを含み、該第２複数の容積−動き係数データセットの各々は、複数の動きのうちの一つを示す胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数のそれぞれ一つを含む。
【００５２】
一つの実施形態において、該システムは、被験者がいつ、複数の向きのうちの一つにあるか、または複数の動きのうちの一つを行っているかを検出するための手段を含む。
【００５３】
本発明の一つの実施形態において、第３経験的関係は、検出された被験者の向きまたは動きに対応する複数の向きまたは動きのうちの一つを示す、第１および第２複数の容積−動き係数データセットのうちの選択された一つを、第１経験的関係に適用するように適合され、それにより、処理手段は、該検出された被験者の向きまたは動きに関連する第１換気パラメータを決定する。
【００５４】
添付の図面にも例示されるように、更なる特徴および利点が、以下の本発明の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかとなろう。また、図中の同じ参照番号は、一般的に全図面を通して同じ部分または要素を指す。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、ある範囲の脊椎の曲げ伸ばしまたは骨盤回転における等容線の図解である。
【図２】図２は、１、２および３自由度モデルを使用して推定したスパイロメトリーによる容積および５人の被験者の容積の推定値を比較したものである。
【図３】図３は、本発明の肺換気システムの１つの実施形態の図解である。
【図４】図４は、本発明による肺換気システムデータ獲得回路の１つの実施形態の図解である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の１つの実施形態に従った図４に示すデータ獲得回路の位置決めを示す被験者の側面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の１つの実施形態に従った、伝達および受信コイルの取り付け位置により定義される幾何学的配置の図解である。
【図６】図６は、本発明に従った、図４に示すデータ獲得回路の更なる図解である。
【図７】図７は、本発明に従った、肺換気システムの別の実施形態の図解である。
【図８】図８Ａは、本発明による、眠っている時の３つの異なる位置、すなわち仰臥位、右側臥位および左側臥位における非肥満の被験者についての磁力計由来の容積と肺活量計由来の容積の比較を示す図である。図８Ｂは、本発明による、仰臥位、右側臥位および左側臥位における非肥満の被験者についての磁力計由来の吸気時間と肺活量計由来の吸気時間の比較を示す図である。図８Ｃは、本発明による、仰臥位、右側臥位および左側臥位における非肥満の被験者についての磁力計由来の呼気時間と肺活量計由来の呼気時間の比較を示す図である。
【図９】図９Ａは、本発明による、仰臥位、右側臥位および左側臥位における目が覚めている肥満の被験者についての磁力計由来の容積と肺活量計由来の容積の比較を示す図である。図９Ｂは、本発明による、仰臥位、右側臥位および左側臥位における目が覚めている肥満の被験者についての磁力計由来の吸気時間と肺活量計由来の吸気時間の比較を示す図である。図９Ｃは、本発明による、仰臥位、右側臥位および左側臥位における目が覚めている肥満の被験者についての磁力計由来の呼気時間と肺活量計由来の呼気時間の比較を示す図である。
【図１０】図１０Ａは、本発明による、昼寝中の仰臥位、右側臥位および左側臥位における肥満の被験者についての磁力計由来の容積と呼吸気流計由来の容積の比較を示す図である。図１０Ｂは、本発明による、昼寝中の仰臥位、右側臥位および左側臥位における肥満の被験者についての磁力計由来の吸気時間と呼吸気流計由来の吸気時間の比較を示す図である。図１０Ｃは、本発明による、昼寝中の仰臥位、右側臥位および左側臥位における肥満の被験者についての磁力計由来の呼気時間と呼吸気流計由来の呼気時間の比較を示す図である。
【図１１】図１１Ａは、本発明による、目が覚めている非肥満の被験者についての磁力計および肺活量計由来の容積と磁力計および肺活量計由来の容積の平均との比較を示す図である。図１１Ｂは、本発明による、目が覚めている肥満の被験者についての磁力計および肺活量計由来の容積と磁力計および肺活量計由来の容積の平均との比較を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明による、昼寝中の肥満の被験者についての磁力計および肺活量計由来の容積と磁力計および肺活量計由来の容積の平均との比較を示す図である。
【図１３】図１３は、被験者についての磁力計シグナルおよび関連する由来一回換気量の記録例である。
【図１４】図１４は、被験者についての磁力計シグナルおよび関連する由来一回換気量の記録例である。
【図１５】図１５は、被験者についての磁力計シグナルおよび関連する由来一回換気量の記録例である。
【図１６】図１６は、被験者についての磁力計シグナルおよび関連する由来一回換気量の記録例である。
【図１７】図１７は、本発明による、複数のモニタリングされた被験者の無呼吸および呼吸低下指数を示した図である。
【図１８】図１８は、本発明による、複数のモニタリングされた被験者の無呼吸指数を示した図である。
【図１９】図１９は、本発明による、複数のモニタリングされた被験者の呼吸低下指数を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
（発明の詳細な説明）
本発明の詳細な説明の前に、本発明は、特別に例示された方法、システムまたは回路に限定されず、これらはもちろん異なってもよいことが理解されるべきである。従って、本明細書に記載されたものに類似の、または相当する多数の方法およびシステムが、本発明の実施において使用可能であるが、好ましい材料および方法が本明細書に記載されている。
【００５７】
また、本明細書に使用される専門用語は、本発明の特別の実施形態を説明することのみを目的としており、限定する意図はないものと理解されるべきである。
【００５８】
他に定義されていなければ、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本発明に関連する分野における当業者に一般に理解されるものと同様の意味を有する。
【００５９】
また、本明細書において引用されたすべての刊行物、特許および特許出願は、前出、後出を問わず、その全体が引用により本明細書の一部をなす。
【００６０】
最後に、本明細書および添付の請求項において使用されるように、明らかに異なる内容の記載がなければ、単数形の「a」、「an」および「the」には、複数の指示物が含まれる。従って、例えば、「無呼吸事象（an apnea event）」という場合、２つ以上のそのような事象が含まれ、「換気シグナル（a ventilation signal）」という場合、２つ以上のそのようなシグナルが含まれる。
【００６１】
定義
本明細書において使用される用語「換気パラメータ」および「換気特性」は、呼吸器系およびその機能に関連した特性を意味する、および含む。それらには、総肺換気量、吸気量(VI)、呼気量(VE)、呼吸頻度、吸気時間、および呼気時間が含まれるが、これらに限定されない。
【００６２】
本明細書において使用される用語「無呼吸」は、呼吸の一時的な停止または呼吸速度の低下を意味する、および含む。
【００６３】
本明細書において使用される用語「呼吸低下」は、異常に浅い呼吸またはゆっくりとした呼吸速度を意味する、および含む。
【００６４】
本明細書において使用される用語「呼吸器系障害」、「呼吸器障害」および「呼吸有害事象」は、正常な呼吸または換気プロセスを妨げる呼吸器系のあらゆる機能不全を意味する、および含み、無呼吸および／または呼吸低下を含むが、これらに限定されない。
【００６５】
本明細書において使用される用語「患者」および「被験者」は、ヒトおよび動物を意味する、および含む。
【００６６】
当業者には理解できるであろうが、本発明は、肺換気量を決定するための従来の方法およびシステムに関連する欠点および不利な点を実質的に低減するまたは無くする、肺換気量を決定するための非侵襲的方法および関連するシステムに関する。本明細書において詳細に述べる通り、本発明の主な利点の一つは、この肺換気量を決定するための非侵襲的方法および関連するシステムが、従来の２自由度、３自由度の一回換気量モデルに関連する誤差を実質的に低減することである。
【００６７】
本発明の更なる主な利点は、この肺換気量を決定するための非侵襲的方法および関連するシステムが、目が覚めている時および睡眠中の異なる姿勢における呼吸をモニタリングするために容易に用いることができ、睡眠時の無呼吸および呼吸低下等の呼吸事象を正確に検出することである。
【００６８】
当技術分野において知られるように、睡眠時無呼吸は、一般的に、睡眠中の呼吸の一時的な停止と定義される。閉塞性睡眠時無呼吸は、睡眠中に呼吸器系の上気道が繰り返し閉塞するものである。中枢性睡眠時無呼吸は、脳が、睡眠中の呼吸を開始するために適切なシグナルを呼吸筋に送ることができない時に起こる。睡眠時無呼吸を患っている者は、睡眠断片化および重症化する恐れのある酸素ヘモグロビンの不飽和化を伴う睡眠中の呼吸（または換気）の完全な停止を経験する。
【００６９】
睡眠時の呼吸低下は、一般的に、異常に浅い呼吸またはゆっくりとした呼吸速度と定義される。呼吸低下は、まだいくらかの空気の流れがあるという点で無呼吸とは異なる。
【００７０】
睡眠中の呼吸のモニタリングは、様々な睡眠障害を診断および管理する上での土台となる。呼吸誘導的プレチスモグラフ(respiratory inductive plythysmograph (RIP))は、睡眠障害の診断において最も広く使用される技術である。示されるように、RIPは、胸郭および腹部の外周（すなわち断面積）における変化から一回換気量(VT)を導き出すために「２自由度」モデルを使用する。
【００７１】
しかし、睡眠中に呼吸気流計により測定したVTとRIPにより測定したVTとの間の相関性は乏しい。RIP由来のVTにおける不正確さの原因は、RIP較正を変え得る要因であるRIPベルトのずれ、および睡眠中の姿勢の変化であるとされている。例えば以下の文献を参照されたい：Whyte, et al., “Accuracy of Respiratory Inductive Plythysmograph in Measuring Tidal Volume During Sleep (睡眠中の一回換気量測定における呼吸誘導的プレチスモグラフの精度)”, J. Appl. Physiol., vol. 71, pp. 1866-1871 (1991)。
【００７２】
また、被験者が前かがみになると、腹部の中の物が横隔膜を頭側に変位させ、それにより胸郭が広がる。こうした「変位の誤差」による容積の過大な推定は、肺活量の４０〜５０％にもなり得ることがわかっている。以下の文献を参照されたい：Paek, et al., “Postural Effects on Measurements of Tidal Volume From Body Surface Displacements（体表面の変位に基づく一回換気量の測定に対する姿勢の効果）”, J. Appl. Physiol., vol. 68, pp. 2482-2487 (1990)。RIPにおける似たような不正確性が、夜間の気管支けいれんおよび奇異な胸壁の動きを伴うぜんそくの被験者が睡眠中にみられている。以下の文献を参照されたい：Ballard, et al., "Estimates of Ventilation from Inductive Plythysmography in Sleeping Asthmatic Patients（睡眠中のぜんそく患者における誘導的プレチスモグラフィーによる換気量の推定値）", Chest, vol. 89, pp. 840-845 (1986)。
【００７３】
先に詳細を述べた通り、「２自由度」モデルの精度は、姿勢の変化を伴い得る脊椎の屈曲の変化によっても制限される。実際、脊椎の曲げ伸ばしによって、VTは、肺活量の５０％に当たる量だけ多く、または少なく見積もられ得ることがわかっている。
【００７４】
しかし、胸壁の軸方向の動き、例えば、剣状突起と恥骨結合の間のΔ距離(Xi)の測定を追加することにより、３自由度が提供されることがわかっており、これを、VTの決定のために採用すると、「２自由度」モデルに関連した誤差を減少することができる。
【００７５】
「３自由度」モデルは「２自由度」モデルに関連した誤差を低減できるが、自由に動いて姿勢の変わるタスク、例えばかがむ、持ち上げる、座る、立つ等を行っている個体においては、脊椎の屈曲のため、「３自由度」モデルの精度はなお実際の換気量の約１５％までに制限される。
【００７６】
先に示した通り、脊椎の屈曲は、腹部容積−動き係数（β）に対して最も顕著に影響する。かがむと、剣状突起とへその間の距離が縮まり、βの値が下がる。
【００７７】
従って、上記の依存関係を組み込むために、等式３が以下の通り修正され：
VT = α(ΔRC) + (βu + εXi) x (ΔAb) + γ(ΔXi)             等式４
ここで：
ΔRCは胸郭の直線変位を示し；
ΔAbは腹部の直線変位を示し；
ΔXiは直立位置からの剣状突起とへその間の距離の変化を示し；
αは胸郭容積−動き係数を示し；
βは腹部容積−動き係数を示し；
βuは直立位置における腹部容積−動き係数(β)の値を示し；
εは剣状突起とへその間の距離Xiの関数としてのβの関係の直線傾斜(linear slope)を示し；
(βu+ εXi)は補正された腹部容積−動き係数を示し；そして
γは剣状突起とへその間の容積−動き係数を示す。
【００７８】
等式４は「３自由度」モデルを示し、これは、剣状突起とへその間の距離に対するβの依存関係を反映する。
【００７９】
本発明によれば、一回換気量(VT)は、胸郭および腹部の前後径の変化および胸壁の軸方向変位の関数としても決定することができ、すなわち：
VT = α(ΔRC) + β(ΔAb) + γ(ΔXi)       等式５
ここで、
ΔRCは胸郭の直線変位を示し；
ΔAbは腹部の直線変位を示し；
ΔXiは胸壁の軸方向変位を示し；
αは胸郭容積−動き係数を示し；
βは腹部容積−動き係数を示し；そして
γは胸壁容積−動き係数を示す。
【００８０】
本発明によれば、胸壁の軸方向変位は、様々な基準点から決定できる。これは、本発明特有の選択的コイルの多機能性およびその配置によって促進される（後で詳細を述べる）。
【００８１】
従って、本発明の１つの実施形態においては、剣状突起とへその間の距離を測定してΔXiを決定する。よって、γは、剣状突起とへその間の容積−動き係数を示すことになる。
【００８２】
本発明の好ましい実施形態においては、胸骨とへその間の距離を測定してΔXiを決定する。よって、γは、胸骨とへその間の容積−動き係数を示すことになる。
【００８３】
本発明の１つの実施形態において、容積−動き係数の値α、βおよびγは、多重線形回帰によって、３つの位置または向き、すなわち仰臥位、右側臥位および左側臥位に関して決定される。これは、以下の文献に記載されている：Stagg, et al., “Computer-aided Measurement of Breath Volume and Time Components Using Magnetometers（磁力計を使用する呼吸の量および時間成分のコンピュータを使った測定）”, J. Appl. Physiol., vol. 44, pp. 623-633 (1978)。この文献は、引用することにより本明細書の一部をなす。そして、同じ体の位置において得られたシグナルに対して上記容積−動き係数を適用後、VTが計算される。
【００８４】
本発明の１つの実施形態において、係数の値α、βおよびγは、多重線形回帰によって、複数の動きまたは活動を行っている間に決定される。
【００８５】
よって、本明細書において使用される用語「容積−動き係数」は、被験者の体の位置または向きおよび動きを示す係数を意味する。
【００８６】
当業者には容易に理解できるであろうが、本発明の「３自由度」モデルは、姿勢の変化により生じる従来の２自由度および３自由度モデルに関連したVT測定の誤差を実質的に低減する。実際、後で述べるように、VT、吸気量(VI)および呼気量(VE)は、本発明の「３自由度」モデルを使用して、目が覚めている間および睡眠中の様々な姿勢において正確に測定できる。
【００８７】
後で詳しく述べるが、本発明の「３自由度」モデルは、無呼吸や呼吸低下といった有害な呼吸または換気事象を検出するために容易に用いることもできる。
【００８８】
以下、本発明の肺換気システムのいくつかの実施形態について詳しく述べる。しかし、本発明は、本明細書に記載されたシステムの実施形態に限定されないことが理解される。実際、当業者には理解できるであろうが、記載されたシステムに類似または同等のシステムおよび関連する回路も、本発明の範囲内において採用可能である。
【００８９】
一般的に、本発明の換気システムは、複数の解剖学的測定値および容積−動き係数の関数として少なくとも１つの換気パラメータを決定するように設計および適合された経験的関係を保存する手段；解剖学的測定値を得る手段；複数の動き係数を決定する手段；および獲得した解剖学的測定値および決定した複数の容積−動き係数に基づいて換気パラメータを決定する処理手段を含む。好ましい実施形態において、換気システムは、基準換気特性を得る手段；および基準換気特性を、経験的関係を用いて決定した換気パラメータに関連付ける手段を更に含む。
【００９０】
本発明の換気システムはまた、好ましくは、例えば保持用ベストに取り付けたりモニターされる個体が保持することが容易であるコンパクトで軽量の形態において実行される。
【００９１】
図３は、本発明の肺換気システムの一つの実施形態２０Ａを示す。図３に示すように、システム20Aは、好ましくはデータ獲得回路21およびデータ処理回路22を含む。
【００９２】
システム20Aはまた、電池等の電源50を含む。本発明の１つの実施形態において、システム20Aは、+/- 8.0Vから+/- 12.-Vの電源50からの100mA電流によって動作可能である。
【００９３】
本発明によれば、データ獲得回路21は、データ獲得手段、すなわち胸郭および腹部の前後径並びに胸壁の軸方向変位の変化を測定（または感知）する手段を含む。図４に示し、後で詳細を述べる本発明の１つの実施形態において、データ獲得手段は、対の電磁石コイル（または磁力計）60〜63を含む。
【００９４】
しかし、本発明は、胸郭および腹部の前後径並びに胸壁の軸方向変位の変化を測定するために電磁石コイルを使用することに限定されないことが理解される。実際、上記解剖学的パラメータを測定するように容易に適合され得る様々な更なる手段および装置が、本発明の範囲内において採用可能である。このような手段および装置には、ホール効果センサおよび電子コンパスセンサが含まれるが、これらに限定されない。
【００９５】
図３に戻ると、図示された実施形態において、データ処理回路22はデータ入力インターフェース回路24を含み、これは、データ獲得回路21からのデータを受信するように適合される。本発明によれば、データ入力インターフェース回路24は、データ獲得回路21およびデータ処理回路22による、およびその間のデータ通信を促進する。
【００９６】
図示された実施形態において、データ入力回路24はシステムバス23、26と連通（in communication with）し（すなわち動作可能に接続され）、それらへシグナルを伝達する（または向ける）。中央処理装置(CPU)28もまた、好ましくは、バス23、26に動作可能に接続される。
【００９７】
図３に更に図示される通り、バス26は記憶手段（または媒体）30と連通し、これは、少なくとも１つの、より好ましくは複数の実行可能プログラムを含む。本発明の１つの実施形態において、該プログラムは、較正プログラム（またはルーチン）32、シグナル処理または要素分析プログラム36、換気パラメータプログラム38および出力プログラム40を含む。
【００９８】
本発明によれば、中央処理装置28は、記憶手段30に保存された選択的プログラムを実行する。プログラムにより提供されたデータ、例えば蓄積された肺換気量データ42および派生する容積−動き係数もまた、好ましくは記憶手段40に保存される。
【００９９】
本発明のいくつかの実施形態において、較正プログラム32は、選択的な体の位置および／または動きにおける容積−動き係数を決定し、データ獲得回路21を較正するルーチンを含む。好ましい実施形態において、データ獲得回路21の較正は単一の工程で行われる。
【０１００】
本発明のいくつかの実施形態において、較正プログラム32はまた、被験者または患者が特定の体の位置にあるか活動を行っている時に、その体の位置（または姿勢）あるいは活動を反映する派生の容積−動き係数、すなわち容積−動き係数データセットを「自動的に」選択してデータ獲得回路21を較正するように適合される。
【０１０１】
要素分析プログラム36は、獲得されたシグナル（獲得されたデータを示す）に関して要素分析を行い、シグナルにおける任意の外部ノイズを低減するように設計および適合される。本発明の１つの実施形態において、要素分析は少なくとも１つのフーリエ解析を含む。フーリエ解析は、ソフトウェアにおいてバンドパスフィルタリングと組み合わせると、歩行活動におけるシステム20Aの使用を促進する。
【０１０２】
好ましい実施形態において、換気パラメータプログラム38は、本発明の「３自由度」モデルの少なくとも１つを用い、少なくとも１つの換気パラメータ、例えば総肺換気量を決定する。
【０１０３】
出力プログラム40は、獲得されたデータの視覚的表示を促進するように設計および適合され、データは、出力装置46、例えば液晶表示装置、または後で述べるような外部出力装置に表示できる。図３に示す通り、上記実施形態において、出力装置46はデータ出力インターフェース回路44を通じてCPU28と連通し、よって、相互作用する。
【０１０４】
本発明によれば、データ出力インターフェース回路44は、外部出力装置、例えばパーソナルコンピュータ、プリンタ、モニター等と相互作用するように適合され得る。データ出力インターフェース回路44および外部装置による、およびそれらの間の通信は、それらの間の有線接続および／または無線伝送を通じて得ることができる。
【０１０５】
図３に示す通り、記憶手段30は、好ましくは、少なくとも１つ、好ましくは複数のデジタルバンドパスフィルタ34を含む。本発明によれば、デジタルバンドパスフィルタ34は、軟組織の動きにより生じる外部ノイズまたはアーティファクト（artifacts）を取り除くように設計され、用いられる。
【０１０６】
図４は、本発明のデータ獲得回路21の１つの実施形態を示す。図４に示すように、データ獲得回路21は、好ましくは第１伝達コイル60、第２伝達コイル62、第１受信コイル61および第２受信コイル63を含む。
【０１０７】
本発明の好ましい実施形態において、２つの受信コイル61、63のうちの少なくとも１つは、伝達コイル60、62のそれぞれ、すなわち二重機能コイルからの伝達（または電磁場）を受信するように適合される。
【０１０８】
従って、本発明の１つの実施形態において、第１伝達コイル60は第１周波数（例えば8.97kHz）伝達コイルを含み、第２伝達コイル62は第２周波数（例えば7kHz）伝達コイルを含み、第１受信コイル61は第１周波数受信コイルを含み、第２受信コイル63は第１／第２周波数（上記第１および第２周波数の例に基づき7/8.97kHz）受信コイルを含む。
【０１０９】
当業者には理解できるであろうが、第２受信コイル63の二重機能性によって受信コイルの数が減り、それによって、患者に取り付ける器具の数が減ってシステム設計が簡素化され、所要電力が減る。
【０１１０】
本発明のいくつかの実施形態において、受信コイル61、63のそれぞれは、伝達コイル60、62それぞれからの伝達を受信するように適合される。後で詳しく述べるが、受信コイル61、63の両方が二重機能を有すると、コイル60〜63による、およびその間の伝達から決定される解剖学的測定値の精度が高まる。
【０１１１】
図５Ａは、本発明の１つの実施形態に従った、被験者または患者51におけるコイル60〜63およびデータ処理回路22の位置決めを示す。図５Ａに示す通り、第１伝達コイル60は、被験者51の前面上に、へそに近接して配置され、第１受信コイル61は、好ましくは同じ軸位置に、ただし被験者51の背面上に配置される。第２受信コイル63は、被験者51の前面上に、胸骨の基部に近接して配置され、第２伝達コイル62は、同じ軸位置に、ただし被験者51の背面上に配置される。
【０１１２】
図示された実施形態において、データ処理回路22は、ベルト52によって被験者51に取り付けられる。
【０１１３】
本発明によれば、伝達コイル60、62および受信コイル61、63の位置決めは反対にすることができる。すなわち、伝達コイル60および受信コイル63を被験者51の背面上に配置し、伝達コイル62および受信コイル61を被験者の前面上に配置することができる。
【０１１４】
後で詳細を述べるが、伝達コイル60、62の両方を被験者の前面上または背面上に配置し、受信コイル61、63をその反対側に配置することもできる。
【０１１５】
先に述べたように、本発明の１つの実施形態において、第２受信コイル63は、第１および第２伝達コイル60、62の両方から伝達された電磁場を受信するように適合され、それにより、VTの決定（本発明の「３自由度」モデルを使用）に必要なコイルの数が６つから４つに減る。これにより、被験者に取り付けられる器具が簡素化され、システム20Aの所要電力が減る。
【０１１６】
本発明によれば、コイル60〜63は、様々な好適な手段により被験者に取り付けることができる。本発明の１つの実施形態において、コイル60〜63は、医療テープによって被験者51に取り付ける。
【０１１７】
図５Ａに戻ると、矢印64は、Xi、またはこの場合、剣状突起とへその間の距離を示す。矢印65は、胸郭の前後方向（RC-AP）の距離を示し、一方で矢印66は、腹部の前後方向（Ab-AP）の距離を示す。
【０１１８】
このように、図５は、本発明に従って測定される３自由度の動き（RC-AP、Ab-AP、Xi）を示す。本発明によれば、被験者または患者が呼吸すると、コイル60、61とコイル62、63の各対の間の距離（矢印65および66が示す）の変化が、それら対のコイル60、61とコイル62、63の間の電磁場の変化を示す、測定された電圧の変化から決定される。
【０１１９】
被験者が呼吸する時に、胸壁の軸方向変位（矢印64が示す）、例えば剣状突起とへその間の距離(Xi)もまた測定される。本発明の１つの実施形態において、コイル63が二重機能コイルを含む場合、胸壁の軸方向変位は、伝達コイル60と受信コイル63の間の電磁場の変化を示す測定された電圧の変化から直接決定される。
【０１２０】
本発明の１つの実施形態において、受信コイル61および63が二重機能コイルを含む場合、胸壁の軸方向変位は同様に、伝達コイル60と受信コイル63の間の電磁場の変化を示す測定された電圧の変化から決定される。しかし、この場合、伝達コイル62と受信コイル61の間の電磁場の変化を示す測定された電圧の変化、従ってコイル62および61の取り付け位置の間の距離（示された長さ67）は、伝達コイル60と受信コイル63の間の電磁場の変化を示す測定された電圧の変化と相関性があり得る。
【０１２１】
本発明の１つの実施形態において、受信コイル61および63は同様に二重機能コイルを含む。しかし、この実施形態においては、受信コイル61、63の両方が被験者の体の同じ側に配置され、伝達コイル60、62がその反対側に配置される。
【０１２２】
コイル60〜63の配置および受信コイル61、63の二重機能により、コイル60〜63の取り付け位置および測定されたそれらの間の長さ（図５Ｂ参照）により定義される幾何学的形状に基づいて胸壁の軸方向変位を決定するために多様な公知の経験的（例えば三角法の）関係を用いることができる。例えば、コイル60、61および63、すなわちそれらの取り付け位置により定義される三角形が直角三角形と見なされ、長さの距離66および69がそれぞれxおよびyに等しい場合、長さの距離64における変化、すなわち胸壁の変位(ΔXi)は以下のように決定される：
ΔXi = Xi - ((L69)2) - (L66)2))         等式６
ここで、
Xiは、２つの選択的位置の間で測定された元の軸方向の胸壁の距離、例えば剣状突起とへその間の距離を示し；
L69は６９の長さを示し；そして
L66は６６の長さを示す。
【０１２３】
L69、L66および角度φがわかる場合、長さ64およびその変化、すなわち胸壁の変位（ΔXi）を決定するために余弦定理（law of cosines）を用いることができる。
【０１２４】
やはり当業者には容易に理解できるであろうが、２つの二重機能を有する受信コイル、例えば受信コイル61、63を用い、それらを被験者の片側に配置することにより、受信コイル61、63が軸方向に配置されるにも関わらず（受信コイル61、63が実質的に軸方向に並んだままであるという条件下で）、胸壁の軸方向変位の簡素で正確な決定が促進される。
【０１２５】
２つの二重機能を有する受信コイル、例えば受信コイル61、63を用い、それらを被験者の片側に配置することにより、測定された胸郭の変位が被験者の本当の換気量を実際に反映しているかどうかを正確に決定するようにも促進される。
【０１２６】
本発明によれば（後で詳しく述べるが）、上記測定された距離を示す獲得されたデータが、本発明の換気パラメータプログラム38によって用いられ、１つ以上の換気パラメータまたは特性が決定される。
【０１２７】
図４に戻ると、図示された実施形態において、第１伝達シグナルプリプロセッサ70は、第１伝達コイル60にシグナルを伝達する。同様に、第２伝達シグナルプリプロセッサ72は、第２伝達コイル62にシグナルを伝達する。
【０１２８】
受信されたシグナルは次に、第１検出回路チャネル80、第２検出回路チャネル82および第３検出回路チャネル84を含む３つのチャネルにより処理される。個々のチャネルの出力は、記憶手段30に保存された実行可能なプログラムに従ってCPU28により引き続き処理および保存されるように、好ましくはデータ入力インターフェース回路24に伝達される。
【０１２９】
データ獲得回路21はまた、流量計86を含み、その出力は、好ましくはデータ入力インターフェース回路24に伝達される前にローパスフィルタ88により処理される。後で述べるように、流量計86が提供するデータは、較正工程中に用いられる。
【０１３０】
図６は、本発明の１つの実施形態に従った、データ獲得回路21の選択された構成要素のより詳しい図である。図６に示すように、データ獲得回路21は、第１発振器94を有する第１伝達シグナルプリプロセッサ70を含む。１つの実施形態において、第１発振器94は8.97kHzに設定される。
【０１３１】
本発明によれば、発振器シグナルは、第１伝達チャネル可変利得回路92に伝達され、これが、最適な利得値の設定を可能にする。利得が調節されたシグナルは、次に差分シグナルドライバ90に伝達され、次に第１伝達コイル60に伝達される。
【０１３２】
図６に示すように、差分シグナルドライバ90からの出力はまた、第１チャネル検出回路80および第２チャネル検出回路82にも伝達される。これについては後で更に述べる。
【０１３３】
第２伝達シグナルプロセッサ72も同様に動作する。本発明によれば、第２発振器100は、所定の周波数、例えば7kHzで振動する。発振器シグナルは、第２伝達チャネル可変利得回路98に伝達され、最適な利得値に単独で設定される。利得が調節されたシグナルは、次に差分シグナルドライバ96に伝達され、次に第２伝達コイル62に伝達される。差分シグナルドライバ96からの出力はまた、第３チャネル検出回路84にも伝達される。これについては後で更に述べる。
【０１３４】
１つの実施形態において、第１伝達コイル60と第１受信コイル61との間の電磁場の変化を示す測定された電圧（およびその変化）、すなわち第１受信コイルシグナルが、第１受信シグナルプリプロセッサ74に伝達される。図６に示すように、第１シグナルプリプロセッサ74は、入力段102、第１受信チャネル可変利得104、およびバンドパスフィルタ106と共に実行（implemented）され得る。
【０１３５】
本発明によれば、可変利得104は、シグナルとノイズの割合を最適化するために、データ入力インターフェース回路24を経由して設定できる。好ましくは、バンドパスフィルタ106は、8.97KHzより上および下のノイズを低減するように設定される。
【０１３６】
第２受信シグナルプリプロセッサ76も同様に動作する。しかし、上に示すように、第２受信コイル63は、好ましくは２つの電磁場の変化に反応し、それらを示す２つのコイルシグナルを伝達するように適合される。第２受信シグナルプリプロセッサ76は従って２つのシグナルを処理する。
【０１３７】
図６に示すように、単一の入力段108が２つのシグナルを処理し、入力段108に連通する２つのチャネルに出力を伝達する。各チャネルは、可変利得回路110/116およびバンドパスフィルタ112/118を含む。
【０１３８】
本発明によれば、それぞれの利得管理装置92、98、104、110および116は、好ましくはシグナルとノイズの比率を高めるように最適化される。伝達されたシグナル向けの利得管理装置92、98はまた、所要電力を最小化するように最適化され得る。
【０１３９】
伝達されたシグナル向けの利得は、受信チャネルの利得から独立して変更できるので、患者の皮膚表面における磁場暴露を最小限にしつつ、シグナルとノイズの比率を高めることができる。
【０１４０】
本発明によれば、バンドパスフィルタ106、112および118は、外部磁場およびノイズ源からの干渉を最小限にするように適合される。図６に示すように、第１受信シグナルプリプロセッサ74からの出力は、第１チャネル検出回路80に伝達される。回路80は、好ましくは第１検出器120を含み、これは、第１発振器94により確定された周波数に設定される。第１検出器120の出力は、ローパスフィルタ122および絶対値回路124に伝達される。次にシグナルは、CPU28により処理されるように、データ入力インターフェース回路24に伝達される。
【０１４１】
第２チャネル検出回路82も同様に動作する。第２検出器128は、第１発振器94により確定された周波数に設定され、第２受信チャネルバンドパスフィルタ112からのシグナルを処理する。第２チャネル検出回路82は、ローパスフィルタ130および絶対値回路132を含み、記憶手段30に保存された実行可能なプログラムに従い、データシグナルを生成し、このシグナルも、処理されるようにCPU28に伝達される。
【０１４２】
第３チャネル検出回路84は、第２発振器100により確定された周波数に設定され、第３受信チャネルバンドパスフィルタ118からのシグナルを処理する。第３受信チャネル検出回路84はまた、ローパスフィルタ138および絶対値回路140を含む。
【０１４３】
以下、記憶手段30に保存された実行可能なプログラムに関連する処理について詳しく説明する。
【０１４４】
本発明によれば、較正プログラムまたはルーチン32は、様々な体の位置および活動にわたる較正係数、すなわち容積−動き係数を決定する。そして較正係数は、特定の活動または体の姿勢に由来する、すなわち較正係数のセットである。これら較正係数の異なるセットは、獲得されたデータセットの選択された領域に適用される。
【０１４５】
このように較正ルーチン32は、データセットの異なるセグメント（例えば座る、立つ、歩く等）からの容積−動き係数をユーザが用いることを可能にする。そしてこれらの係数は、経時的な容積に関する呼吸曲線（spirogram）を作成するために、データセットに適用することができる。
【０１４６】
本発明のいくつかの実施形態において、較正プログラム32はまた、被験者または患者がある特定の体の位置（または姿勢）にあるまたは活動を行っている時に、その体の位置または行っている活動を示す、由来の容積−動き係数、すなわち容積−動き係数データセットを「自動的に」選択するように適合される。上記実施形態において、較正プログラム32は、伝達された体の姿勢−動きシグナルに応じて容積−動き係数データセットを自動的に選択するであろう。
【０１４７】
当業者には理解できるであろうが、体の姿勢−動きシグナルを感知および伝達するために、本発明の範囲内において様々なセンサを用いることができる（例えば３軸加速度計）。本発明の１つの実施形態において、較正プログラム32は、胸壁の軸方向変位、例えば胸骨または剣状突起とへその間の距離の変化を示すシグナルに反応する。
【０１４８】
実施例において詳しく述べるが、較正ルーチン32は、吸い込まれる、および吐き出される空気の容積の正確な決定を促進する。容積、すなわちVTは、３つのシグナル（胸郭(RC)および腹部(Ab)の前後径の軸方向の寸法における変化、並びに前胸壁の軸方向の寸法における変化）の合計から決定される。
【０１４９】
本発明の１つの実施形態によれば、較正の行動（maneuver）には、様々な一回換気量および体の位置において、１〜２分間、流量計、例えば流量計86を通して被験者に呼吸させることが含まれる。
【０１５０】
本発明のいくつかの実施形態において、較正プログラム32はまた、最適なシグナルレベルのために可変利得素子92、98、104、110および116を調節するために使用される。
【０１５１】
先に示したように、１つの実施形態において、要素分析プログラム36は、獲得されたシグナル（獲得されたデータを示す）の要素分析を行ってシグナルにおけるあらゆる外部ノイズを低減するように適合される。本発明の１つの実施形態において、要素分析は、少なくとも１つのフーリエ解析を含み、フーリエ解析は、ソフトウェアにおいてバンドパスフィルタリングと組み合わせると、歩行活動におけるシステム20Aの使用を促進する。
【０１５２】
本発明の１つの実施形態において、換気パラメータプログラム38は、「３自由度」データを流量計のデータと関連付ける。次にパラメータプログラム38は、データを用い、呼気終末肺気（end-expiratory）、肺容量、呼吸頻度、総肺換気量、吸気時間、呼気時間および総呼吸時間を含む換気パラメータまたは特性を決定するための相関パラメータを作り出す。次にこれらのパラメータは、一体化した視覚的出力装置に表示するか、または外部の受信および／または表示機器に無線で伝達することができる。
【０１５３】
図７は、本発明の肺換気システムの別の実施形態20Bを示す。図７に示すように、システム20Bはシステム20Aに類似する。しかし、この実施形態においては、電源50がデータ処理回路22の外部にある。更に、肺換気システム20Bは着脱式メモリ160（例えばフラッシュメモリカード）を含み、これは、蓄積データ42を保存するために用いられる。次に蓄積データは、受信ステーション、例えばパーソナルコンピュータ162に伝達され得る。
【０１５４】
図示された実施形態において、パーソナルコンピュータ162は中央処理装置164および入力／出力装置のセット166を含み、バス168を通じて通信する。システム20Bはまた記憶媒体170を含み、これはバス168と連通する。図７に示すように、記憶媒体162は、要素分析プログラム、換気パラメータプログラムおよびデジタルバンドパスフィルタ34を含む。
【０１５５】
当業者には容易に理解できるであろうが、システム20Bは、離れた機器を用いた蓄積データ42の処理を促進する。
【実施例】
【０１５６】
以下の実施例は、当業者が本発明をより明確に理解し、実施できるようにするためのものである。これらは、本発明の範囲を限定するものとみなしてはならず、単に代表的なものを例示するものである。
【０１５７】
［実施例１］
被験者
本発明の「３自由度」モデルの精度を評価するために、３０人の被験者が選択された。表１に反映されるように、１０人の睡眠呼吸障害の既知の病歴がない健康な被験者および１０人の肥満の被験者について、仰臥位、右側臥位および左側臥位で目が覚めている間を調べた。１０人の閉塞性睡眠時無呼吸である肥満の被験者（肥満の睡眠障害被験者）について、昼寝中無拘束(unrestrained)の間を調べた。
【表１】
0005645824.tif 000002
【０１５８】
非肥満の目が覚めている被験者は、７人の男性および３人の女性から成り、年齢は２８〜４９歳（平均年齢３０．２歳）であった。肥満の目が覚めている被験者は、６人の男性および４人の女性から成り、年齢は２４〜６４歳（平均年齢４４．４歳）であった。昼寝中の肥満の被験者は、５人の男性および５人の女性から成り、年齢は２８〜６０歳（平均年齢４２．２歳）であった。
【０１５９】
装置および測定
軽量で携帯型の本発明の肺換気システム（本明細書では磁力計システムまたは装置とも言う）を使用し、上記等式５に示した「３自由度」モデルを用いて、胸郭および腹部の前後方向の変位並びに胸壁の軸方向変位（すなわちXi）を測定した。20Hzでシグナルのサンプリングを行い、コンパクトフラッシュ（登録商標）メモリに保存した。
【０１６０】
仰臥位、右側臥位および左側臥位の被験者について、Paek, et al., “Postural Effects on Measurements of Tidal Volume From Body Surface Displacements（体表面の変位に基づく一回換気量の測定に対する姿勢の効果）”, J. Appl. Physiol., vol. 68, pp. 2482-2487 (1990)に記載される通りに較正を行った、そしてこの文献は引用することにより本明細書の一部をなす。
【０１６１】
プロトコル
非肥満、および肥満の目が覚めている被験者について、仰臥位、右側臥位および左側臥位（以下「テスト位置」と言う）にある間を調べた。較正後、各被験者は、肺活量計（PK Morgan社）に接続されたマウスピースを通じて呼吸を行った。被験者は、0.5〜2.5Lの範囲で呼吸するよう指示を受けた。各位置にある各被験者から、様々な容積の少なくとも１５回の呼吸（平均２５．６回の呼吸）が得られた。本発明の換気または磁力計システム、例えば上記システム20B等を用いて、データを同時に収集した。
【０１６２】
鼻および口を覆うように適用される、呼吸気流計を備えたぴったりフィットするフェイスマスクを用いて、昼寝中について調べた。被験者が静かな部屋で眠っている間、観察を行った。各被験者を継続的にモニタリングし、位置の変化を記録した。磁力計システムを用いてデータを同時に収集した。
【０１６３】
統計分析
線形相関モデルを用い、肺活量計または呼吸気流計および磁力計の同時のシグナル由来のVT、TIおよびTEについて、決定係数(R2)の計算を行った。この分析は、各位置にある個々の被験者、および全ての被験者の全ての位置についてのプールされたデータについて行った。肺活量計または呼吸気流計および磁力計由来の測定値（VT、TIおよびTE）の間の平均パーセント差（％差）の計算も行った。
【０１６４】
絶対差および数学的差の両方を計算し、相関関係および一致を評価するために用いた（下記参照）。昼寝の調査について、各調査からランダムに選択した６５の呼吸を用いてTIとTEの相関関係を計算した。
【０１６５】
Bland, et al., “Statistical Methods for Assessing Agreement Between the Two Methods of Clinical Measurement（臨床的測定の２つの方法の間の一致を評価するための統計的方法）”, Lancet, vol. 1, pp. 307-310 (1986)は、引用することにより本明細書の一部をなすが、この文献に記載された方法を用いて、肺活量計および磁力計または呼吸気流計および磁力計から得られた測定値の間の一致の評価を行った。
【０１６６】
結果
後で詳細を述べるが、非肥満、および肥満の被験者が目が覚めている間は、VT、TIおよびTEの肺活量計および磁力計による測定値の間に有意な相関関係があった。非肥満の目が覚めている被験者(n=10)について、各テスト位置における各被験者のVT、TIおよびTEについてのR2値を決定した（下記表２、３Ａおよび３Ｂ参照）。
【表２】
0005645824.tif 000003
【表３】
0005645824.tif 000004
【０１６７】
全ての被験者の全てのテスト位置についてのプールされたデータについて、全部で６４５の呼吸の分析を行った。VT、TIおよびTEのR2値はそれぞれ、0.94、0.88および0.91であった（図８Ａ、８Ｂおよび８Ｃ参照）。
【０１６８】
各テスト位置における各被験者のVT、TIおよびTEの絶対平均％差（absolute mean % differences）も表２、３Ａおよび３Ｂに示す。表２、３Ａおよび３Ｂに反映されるように、プールされたデータからのVT、TIおよびTEの絶対平均％差は、それぞれ10.6±9%、9.7±9%および8.6±8%(平均±SD)であった。
【０１６９】
肥満の目が覚めている被験者（n=10）について、同様の結果が得られた。VT、TIおよびTEのR2値が同様に決定され、これらは表２および３に記載されている。
【０１７０】
全ての被験者の全ての位置についてのプールされたデータについて、全部で８９２の呼吸の分析を行った。VT、TIおよびTEのR2値はそれぞれ、0.95、0.96および0.97であった（図９Ａ、９Ｂおよび９Ｃ参照）。
【０１７１】
各テスト位置における各被験者のVT、TIおよびTEの絶対平均％差も、同様に表２および３に示す。表２、３Ａおよび３Ｂに同様に反映されるように、プールされたデータからのVT、TIおよびTEの絶対平均％差は、それぞれ9.0±7%、7.5±7%および6.4±6%(平均±SD)であった。
【０１７２】
肥満の被験者について、昼寝中の呼吸気流計および磁力計による測定値の間にも有意な相関関係があった。肥満の睡眠中の被験者の各々について、VT、TIおよびTEのR2値を決定した（下記表４参照）。
【表４】
0005645824.tif 000005
【０１７３】
VTに関し、全部で３８６１の呼吸の分析を行った。TIおよびTEに関し、各被験者からランダムに選択した６５の呼吸の分析を行った(n=650呼吸)。VT、TIおよびTEのR2値はそれぞれ、0.94、0.95および0.95であった（図１０Ａ、１０Ｂおよび１０Ｃ参照）。
【０１７４】
個々の被験者のVT、TIおよびTEの絶対平均％差も、表４に示す。表４に反映されるように、プールされたデータからのVT、TIおよびTEの絶対平均％差は、それぞれ9.1±8%、8.9±8%および6.6±5%であった。
【０１７５】
Bland, et al.に記載の方法を用い、上記異なるグループにおける被験者のVT(VT MagおよびVT SpiroまたはVT Pn)、TI(TI MagおよびTI SpiroまたはTI Pn)並びにTE(TE MagおよびTE SpiroまたはTE Pn)についての磁力計および肺活量計または呼吸気流計による値の一致について評価した。目が覚めている非肥満および肥満の被験者についての、VT SpiroとVT Magの間の数学的平均差(d)および95％信頼区間（バイアスを反映）を図１１Ａおよび１１Ｂに示す。
【０１７６】
VT MagおよびVT Pnのデータを用いた肥満の睡眠中の被験者についての類似の図を図１２に示す。
【０１７７】
全ての位置における非肥満の目が覚めている被験者の数学的平均差は26.4mlで、その標準誤差(SE)は6.8mlであった。このデータセットのVT SpiroおよびVT Magの平均値は、それぞれ1177.3mlおよび1150.9mlであった。
【０１７８】
肥満の目が覚めている被験者については、数学的平均差は-13.5mlで、そのSEは4.0mlであった。このデータセットのVT SpiroおよびVT Magの平均値は、それぞれ868.0mlおよび881.5mlであった。
【０１７９】
肥満の睡眠中の被験者のVT PnとVT Magの間の数学的平均差は-17.7mlで、そのSEは1.0mlであった。このグループのVT PnおよびVT Magのそれぞれの平均値は460.7mlおよび478.4mlであった。
【０１８０】
許容範囲（limits of agreement）（平均±95％信頼区間）を以下の表５に示す。
【表５】
0005645824.tif 000006
【０１８１】
目が覚めている間および睡眠中のTIおよびTEの許容範囲も表５にまとめた。VTの許容範囲は臨床的に許容可能である（例えばVTの±20〜30%）であることがわかる。図１１Ａ、１１Ｂおよび１２により証明されるように、データのほとんどはゼロの周囲に集まり、小さい割合で、周辺に散らばっている。このようにVTのより広い範囲にわたってデータが散らばることにより許容範囲が増す。
【０１８２】
この周辺への散らばりは、主に３つの要因によるものである。１つめは、被験者が時折深呼吸をするように指示を受けていたので、目が覚めている間の調査されたVTの範囲が広かったことである（例えばグループ１では、VTの範囲は250〜4100mlであった）。この容積の範囲における不正確さは、睡眠中のVTの範囲がより狭いことが要因である可能性がある。
【０１８３】
２つめは、周辺に散らばる測定値のうちのいくつかは、肺活量計または呼吸気流計由来の測定値における偶然の手動エラーを示している可能性があることである。３つめは、VTに対するフェイスマスクの影響が、睡眠中の被験者におけるVTを増加させた可能性があることである。
【０１８４】
それでもなお、当業者には理解できるであろうが、一致およびバイアスは、臨床的に関連するには十分に正確である。
【０１８５】
［実施例２］
被験者
睡眠中の無呼吸および呼吸低下を検出するための本発明の「３自由度」モデルおよび該モデルを用いた肺換気または磁力計システムの精度を評価するために、以下の調査を行った。
【０１８６】
表６に反映されるように、閉塞性睡眠時無呼吸(OSA)について様々な程度の臨床上の疑いを有する１５人の被験者（１０人の男性および５人の女性）が、この調査の対象に選択された。グループの平均年齢は45.47±12.5歳（平均±SD）であった。グループの平均肥満度指数は35.00±5.7kg/m2であった。
【表６】
0005645824.tif 000007
【０１８７】
装置および測定
軽量で携帯型の本発明の肺換気システム（本明細書では磁力計システムまたは装置とも言う）を使用し、上記等式５に示した「３自由度」モデルを用いて、胸郭および腹部の前後方向の変位並びに胸壁の軸方向変位（すなわちXi）を同様に測定した。
【０１８８】
二対の電磁石コイル（各々の直径が約1/2”（インチ））を用いて胸壁の３自由度の動きを測定した。コイルは図３に示すように取り付けた。
【０１８９】
20Hzでシグナルのサンプリングを行い、コンパクトフラッシュ（登録商標）メモリに保存した。較正のため、磁力計システムに呼吸気流計も取り付けた。
【０１９０】
仰臥位、右側臥位および左側臥位における被験者について較正を行った。各被験者は、１分を超える間、呼吸気流計を通じて様々な深さで呼吸をするように指示を受けた。較正処理の間、上肢および下肢を自由に動かすようにも促された（すなわち、腰、膝、肘および肩の関節の曲げ伸ばし）。
【０１９１】
呼吸気流計から積分された（integrated）対応する一回換気量を伴う、各胸壁の寸法の変化の多重線形回帰を行い、等式５の容積−動き係数を得た。
【０１９２】
プロトコル
仰臥位、右側臥位および左側臥位（以下「テスト位置」と言う）における較正後、１２誘導睡眠ポリグラフ計(PSG)を通じて磁力計シグナルの継続的な記録が行われた。
【０１９３】
磁力計シグナルおよび関連する由来一回換気量の記録例を図１３〜１６に示す。図１３は、無呼吸および呼吸低下の無い睡眠中の被験者の安静呼吸を反映し、図１４は、被験者が睡眠開始（一般的に「200」と示す）に続いて呼吸低下（一般的に「202」と示す）および無呼吸（一般的に「204」と示す）を起こしたものを反映し、図１５は、反復する呼吸低下（一般的に「206」と示す）を反映し、図１６は、反復する無呼吸（一般的に「208」と示す）を反映する。
【０１９４】
３０秒間隔で磁力計データのスコア付けを行った。スコア付けの過程において、酸素飽和またはEEGによる覚醒は採用されなかった。
【０１９５】
スコア付けは、睡眠ポリグラフ計(PSG)のスコアおよび磁力計システムのシグナル（またはスコア）を含んでいた。無呼吸および呼吸低下指数(AHI)、無呼吸指数(AI)および呼吸低下指数(HI)も記録された。
【０１９６】
呼吸事象（すなわち無呼吸または呼吸低下）または発生は、VTの≧50%低下および≧10秒の間持続する傾向と定義された。無呼吸は、容積の出力記録がほとんど平らである時に識別された（小さな振幅は無視した）。呼吸低下は、容積が測定可能であった時（すなわち＞120cc）に識別された。
【０１９７】
統計分析
標準t-テストを用い、無呼吸および呼吸低下の平均総数および指数を比較した。平均±標準偏差(平均±SD）も決定した。
【０１９８】
結果
無呼吸および呼吸低下指数(AHI)、無呼吸指数(AI)および呼吸低下指数(HI)に関し、PSGスコアとMTGスコアの間に有意な差は見られなかった。表７に反映されるように、PSGおよびMTGデータにおけるAHIの平均±SDはそれぞれ、38.9±30.5および42.5±27.9であった。
【表７】
0005645824.tif 000008
【０１９９】
図１７は、１５人の被験者全員の無呼吸および呼吸低下指数(AHI)を示す図である。図９における破線は睡眠時無呼吸の重症度の境界線を示す。すなわち、AHIが5〜15では軽度の睡眠時無呼吸、＞15〜30では中等度の睡眠時無呼吸、＞30では重度の睡眠時無呼吸と見なす。
【０２００】
図１７に示すように、PSGスコアとMTGスコアの間には、重症度における有意な一致があった。
【０２０１】
表８に反映されるように、PSGおよびMTGデータにおけるAIの平均±SDはそれぞれ、13.6±13.3および13.8±10.0であった。
【表８】
0005645824.tif 000009
【０２０２】
図１８に示すように、MTGスコアとPSGスコアの間には、平均無呼吸指数(AI)における統計的に有意な差は無かった。
【０２０３】
表９のとおり、PSGおよびMTGデータにおけるHIの平均±SDはそれぞれ、25.6±20.3および28.8±19.5であった。
【表９】
0005645824.tif 000010
【０２０４】
図１９に示すように、同様に、MTGスコアとPSGスコアの間には、平均呼吸低下指数(HI)における統計的に有意な差は無かった。
【０２０５】
また、MTGスコアとPSGスコアの間には、睡眠時無呼吸の重症度における有意な一致があった（すなわち、AHIが5〜15では軽度、＞15〜30では中等度、＞30では重度と見なす）。図１３に反映されるように、２人の被験者のみAHIの変化があった。すなわち、被験者＃１３（括弧内に示す）は軽度（すなわち5.4/hr）から中等度（すなわち17.7/hr）、被験者＃６は中等度（すなわち28.7/hr）から重度（41.3/hr）にそれぞれ変化した。
【０２０６】
よって、この調査は、本発明の「３自由度」モデルおよび該モデルを用いた磁力計システムが、睡眠中の無呼吸および呼吸低下を正確および容易に検出できることを実証するものである。このシステムはまた、睡眠時無呼吸の重症度を容易に確定することができる。
【０２０７】
当業者には理解できるであろうが、本発明の「３自由度」モデルおよび該モデルを用いた換気（または磁力計）システムは、総肺換気量、呼吸頻度、吸気時間、呼気時間および総呼吸時間を含む換気パラメータまたは特性を正確に決定するために容易に用いることができる。上記換気パラメータは、姿勢の変化や汚染物質への暴露を伴う安静時（目が覚めている間および睡眠中）および活動中の正常な呼吸パターンを識別するため、または、呼吸運動障害、切迫呼吸不全、肺気腫（emphysema）の増悪、喘息およびその他の型の肺病と共に現れるような異常な呼吸パターンまたは呼吸事象を識別するために用いることができる。
【０２０８】
また、換気パラメータは、睡眠中の大人および幼児における閉塞性および中枢性無呼吸の症状の出現の検出および特徴づけ、運動中および睡眠中の流量ループの計算、診断されていない呼吸困難の要因を有する個体における呼吸パターンの特徴づけ、並びに肺および心臓血管の健康への空気中の毒素の影響の決定を行うために容易に用いることができる。
【０２０９】
本発明の精神および範囲を逸脱しない範囲において、当業者は、本発明に種々の変更および改善を加えて、種々の使用法および条件に適合するようにすることができる。よって、これらの変更および改善は、適切かつ公平に、添付の請求項に相当する全範囲内であるように意図される。
本発明は、たとえば、以下の発明を含む。
［１］
被験者の一回換気量(VT)を決定するための方法であって：
第１の向きにおける被験者の胸郭の第１直線変位を示す第１解剖学的特徴を決定する工程；
第１の向きにおける被験者の腹部の第１直線変位を示す第２解剖学的特徴を決定する工程；
第１の向きにおける被験者の胸壁の第１軸方向変位を示す第３解剖学的特徴を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１胸郭容積−動き係数を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１腹部容積−動き係数を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１胸壁容積−動き係数を決定する工程；
第１、第２および第３解剖学的特徴、第１胸郭容積−動き係数、第１腹部容積−動き係数並びに第１胸壁容積−動き係数の関数として被験者のVTを決定するように適合された第１数学的関係を提供する工程；および
第１数学的関係、第１、第２および第３解剖学的特徴、第１腹部容積−動き係数、第１腹部容積−動き係数並びに第１胸壁容積−動き係数を用いて被験者のVTを決定する工程であって、それにより、決定されたVTが第１の向きにおける被験者のVTを示す、工程
を含む、方法。
［２］
被験者の胸壁の前記第１軸方向変位が剣状突起とへその間の距離から決定される、［１］に記載の方法。
［３］
被験者の胸壁の前記第１軸方向変位が胸骨とへその間の距離から決定される、［１］に記載の方法。
［４］
前記第１解剖学的特徴が、被験者の第１の動き中の胸郭の第２直線変位を示し、前記第２解剖学的特徴が、被験者の第１の動き中の腹部の第２直線変位を示し、前記第３解剖学的特徴が、被験者の第１の動き中の胸壁の第２軸方向変位を示し、前記第１胸郭容積−動き係数が、被験者の第１の動きを示し、前記第１腹部容積−動き係数が、被験者の第１の動きを示し、前記第１胸壁容積−動き係数が、被験者の第１の動きを示し、ここで、決定されたVTが、第１の動き中の被験者のVTを示す、［１］に記載の方法。
［５］
前記第１の向きが直立位置を含む、［１］に記載の方法。
［６］
前記第１数学的関係が以下の等式を含み：
VT = α(ΔRC) + (βu + εXi) x (ΔAb) + γ(ΔXi)
ここで、ΔRCは胸郭の直線変位を示し、ΔAbは腹部の直線変位を示し、ΔXiは直立位置からの剣状突起とへその間の距離の変化を示し、αは胸郭容積−動き係数を示し、βは腹部容積−動き係数を示し、βuは直立位置における腹部容積−動き係数(β)の値を示し、εは剣状突起とへその間の距離Xiの関数としてのβの関係の直線傾斜(linear slope)を示し、(βu + εXi)は補正された腹部容積−動き係数を示し、γは剣状突起とへその間の容積−動き係数を示す、［５］に記載の方法。
［７］
前記第１数学的関係が以下の等式を含み：
VT = α(ΔRC) + β(ΔAb) + γ(ΔXi)
ここで、VTは一回換気量を示し、ΔRCは第１解剖学的特徴を示し、ΔAbは第２解剖学的特徴を示し、ΔXiは第３解剖学的特徴を示し、αは第１胸郭容積−動き係数を示し、βは第１腹部容積−動き係数を示し、γは第１胸壁容積−動き係数を示す、［１］に記載の方法。
［８］
容積−動き係数が多重線形回帰によって決定される、［７］に記載の方法。
［９］
被験者の一回換気量(VT)を決定するための方法であって：
被験者の腹部の直線変位を測定するように適合された第１センサシステムを提供する工程であって、該第１センサシステムは、第１電磁場を伝達するように適合された第１伝達コイルおよび該第１電磁場を受信するように適合された第２受信コイルを含み、該第１受信コイルは、該第１電磁場における変化に反応性を有し、該第１電磁場における第１変化を示す第１シグナルを伝達するように更に適合された、工程；
被験者の胸郭の直線変位を測定するように適合された第２センサシステムを提供する工程であって、該第２センサシステムは、第２電磁場を伝達するように適合された第２伝達コイルおよび該第２電磁場を受信するように適合された第２受信コイルを含み、該第２受信コイルは、該第１および第２電磁場における変化に反応性を有し、該第２電磁場における第１変化を示す第２シグナルおよび該第１電磁場における第２変化を示す第３シグナルを伝達するように更に適合された、工程；
第１シグナルの関数として第１の向きにおける被験者の腹部の第１直線変位を決定する工程；
第２シグナルの関数として第１の向きにおける被験者の胸郭の第１直線変位を決定する工程；
第３シグナルの関数として胸壁の第１軸方向変位を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１胸郭容積−動き係数を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１腹部容積−動き係数を決定する工程；
被験者の第１の向きを示す第１胸壁容積−動き係数を決定する工程；
被験者の胸郭の第１直線変位、被験者の腹部の第１直線変位、胸壁の第１軸方向変位、第１胸郭容積−動き係数、第１腹部容積−動き係数および第１胸壁容積−動き係数の関数として被験者のVTを決定するように適合された第１数学的関係を提供する工程；および
第１数学的関係、被験者の胸郭の第１直線変位、被験者の腹部の第１直線変位、胸壁の第１軸方向変位、第１胸郭容積−動き係数、第１腹部容積−動き係数および第１胸壁容積−動き係数を用いて被験者のVTを決定する工程であって、それにより、決定されたVTが第１の向きにおける被験者のVTを示す、工程
を含む、方法。
［１０］
前記第１センサシステムを用いて、被験者の第１の動き中の胸郭の第２直線変位を決定する工程；前記第２センサシステムを用いて、被験者の第１の動き中の被験者の腹部の第２直線変位を決定する工程；第１の動き中の胸壁の第２軸方向変位を決定する工程；被験者の第１の動きを示す第２胸郭容積−動き係数を決定する工程；被験者の第１の動きを示す第２腹部容積−動き係数を決定する工程；被験者の第１の動きを示す第２胸壁容積−動き係数を決定する工程；および、第１数学的関係、被験者の胸郭の第２直線変位、被験者の腹部の第２直線変位、胸壁の第２軸方向変位、第２胸郭容積−動き係数、第２腹部容積−動き係数および第２胸壁容積−動き係数を用いて被験者のVTを決定する工程であって、それにより、決定されたVTが第１の動き中の被験者のVTを示す、工程を含む、［９］に記載の方法。
［１１］
第１伝達コイルは、被験者の体の第１側面上の第１位置に配置され、第１受信コイルは、被験者の体の第２側面（反対側面）上の第２位置に配置され、第２伝達コイルは、被験者の体の第１側面上の第３位置に配置され、第２受信コイルは、被験者の体の第２側面上の第４位置に配置され、第１、第２、第３および第４のコイル位置は、複数の幾何学的形状を定義する、［９］に記載の方法。
［１２］
第１および第２受信コイルの各々が、第１および第２電磁場を受信するように適合される、［１１］に記載の方法。
［１３］
被験者の胸壁の第１軸方向変位が、少なくとも第１および第２シグナルのうちの一つ並びに複数の幾何学的形状のうちの一つの関数として決定される、［１２］に記載の方法。
［１４］
前記第１数学的関係が以下の等式を含み：
VT = α(ΔRC) + β(ΔAb) + γ(ΔXi)
ここで、VTは一回換気量を示し、ΔRCは被験者の胸郭の第１直線変位を示し、ΔAbは被験者の腹部の第１直線変位を示し、ΔXiは被験者の胸壁の第１軸方向変位を示し、αは第１胸郭容積−動き係数を示し、βは腹部容積−動き係数を示し、γは第１胸壁容積−動き係数を示す、［９］に記載の方法。
［１５］
被験者の呼吸をモニタリングするための方法であって：
被験者の複数の向きおよび動きを示す複数の胸郭容積−動き係数を決定する工程；
被験者の複数の向きおよび動きを示す複数の腹部容積−動き係数を決定する工程；
被験者の複数の向きおよび動きを示す複数の胸壁容積−動き係数を決定する工程；
複数の容積−動き係数データセットを集める工程であって、該複数の容積−動き係数データセットは、被験者の複数の向きを示す第１複数の容積−動き係数データセットおよび被験者の複数の動きを示す第２複数の容積−動き係数データセットを含み、該第１複数の容積−動き係数データセットの各々は、複数の向きのうちの一つを示す胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数のそれぞれ一つを含み、該第２複数の容積−動き係数データセットの各々は、複数の動きのうちの一つを示す胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数のそれぞれ一つを含む、工程；
被験者の胸郭の第１直線変位を示す第１解剖学的特徴、被験者の腹部の第１直線変位を示す第２解剖学的特徴、被験者の胸壁の第１軸方向変位を示す第３解剖学的特徴、および複数の容積−動き係数データセットのうちの一つの関数として被験者の一回換気量(VT)を決定するように適合された第１数学的関係を提供する工程；
第１、第２および第３解剖学的特徴を実質的に継続して決定する工程；
被験者の向きをモニタリングする工程；
被験者が何時複数の向きのうちの選択された一つにあるかを決定する工程；および
第１数学的関係を用い、また、被験者が複数の向きのうちの一つにある時に決定された第１、第２および第３解剖学的特徴、並びに複数の向きのうちの該選択された一つを示す、第１複数の容積−動き係数データセットのうちの一つの容積−動き係数データセットを用いて、第１期間にわたって、被験者のVTを実質的に継続して決定する工程
を含む、方法。
［１６］
被験者の動きをモニタリングする工程；複数の動きのうちの選択された一つを被験者が何時行っているかを決定する工程；第１数学的関係を用い、また、被験者が複数の動きのうちの選択された一つを行っている時に決定された第１、第２および第３解剖学的特徴、並びに複数の動きのうちの該選択された一つを示す、第２複数の容積−動き係数データセットのうちの一つの容積−動き係数データセットを用いて被験者のVTを決定する工程を含む、［１５］に記載の方法。
［１７］
前記第１数学的関係が以下の等式を含み：
VT = α(ΔRC) + β(ΔAb) + γ(ΔXi)
ここで、VTは一回換気量を示し、ΔRCは第１解剖学的特徴を示し、ΔAbは第２解剖学的特徴を示し、ΔXiは第３解剖学的特徴を示し、αは第１胸郭容積−動き係数を示し、βは第１腹部容積−動き係数を示し、γは第１胸壁容積−動き係数を示す、［１３］に記載の方法。
［１８］
被験者の呼吸をモニタリングするための換気システムであって：
第１の向きにおける被験者の胸郭の第１直線変位を示す第１解剖学的特徴を実質的に継続して決定するための手段；
第１の向きにおける被験者の腹部の第１直線変位を示す第２解剖学的特徴を実質的に継続して決定するための手段；
被験者の胸壁の第１軸方向変位を示す第３解剖学的特徴を実質的に継続して決定するための手段；
少なくとも１つの胸郭容積−動き係数、腹部容積−動き係数および胸壁容積−動き係数を決定するように適合された第１経験的関係と、第１、第２および第３解剖学的特徴並びに胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数の関数として換気特性を決定するように適合された第２経験的関係と、を保存するように適合された保存手段；および
第２経験的関係を用いて換気パラメータを決定するための処理手段
を含む、システム。
［１９］
少なくとも１つの基準換気特性と、獲得された基準換気特性を、第２経験的関係を用いて決定された換気パラメータに関連付けるように適合された第３経験的関係と、を獲得するための手段を含む、［１８］に記載のシステム。
［２０］
前記第３経験的関係が前記保存手段に保存される、［１９］に記載のシステム。
［２１］
前記第１経験的関係が、複数の胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数を決定するように適合され、該複数の胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数が複数の体の向きおよび動きを示す、［１９］に記載のシステム。
［２２］
前記保存手段が複数の容積−動き係数データセットを含み、該複数の容積−動き係数データセットは、複数の向きを示す第１複数の容積−動き係数データセットおよび複数の動きを示す第２複数の容積−動き係数データセットを含み、該第１複数の容積−動き係数データセットの各々は、複数の向きのうちの一つを示す胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数のそれぞれ一つを含み、該第２複数の容積−動き係数データセットの各々は、複数の動きのうちの一つを示す胸郭、腹部および胸壁容積−動き係数のそれぞれ一つを含む、［２１］に記載のシステム。
［２３］
被験者がいつ、複数の向きのうちの一つにあるか、または複数の動きのうちの一つを行っているかを検出するための手段を含む、［２２］に記載のシステム。
［２４］
前記第３経験的関係が、検出された被験者の向きまたは動きに対応する複数の向きまたは動きのうちの一つを示す、第１および第２複数の容積−動き係数データセットのうちの選択された一つを、前記第１経験的関係に適用するように適合され、それにより、前記処理手段が、該検出された被験者の向きまたは動きに関連する第１換気パラメータを決定する、［２３］に記載のシステム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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