(57)【要約】  人の心臓の心拍出量を決定する方法であって、この方法は、呼気の１回換気量を測定するためのセンサと、呼気の１回換気量から酸素摂取量を測定するためのセンサと、呼気の１回換気量中のＣＯ２分圧を測定するためのセンサとを設けることと、測定されたＣＯ２分圧および酸素摂取量を１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に関連付けるための循環モデルを設けることと、を備える。測定された呼気の１回換気量、酸素摂取量およびＣＯ２分圧は前記循環モデルに入力され、前記循環モデルに整合する１呼吸当たりの心臓の１回拍出量が計算される。
2008518733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼吸の１回換気量を測定するセンサを設けるステップと、
呼吸の１回換気量内のＣＯ２分圧を測定するセンサを設けるステップと、
測定されたＣＯ２分圧、酸素摂取量および呼吸の１回換気量を、１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に関連付けるための循環モデルを設けるステップと、
測定された呼吸の１回換気量、酸素摂取量および測定されたＣＯ２分圧を前記循環モデルに入力し、および前記循環モデルに整合して１呼吸当たりの前記心臓の１回拍出量を出力するプロセッサを設けるステップと、
を含むことを特徴とする人の心臓の心拍出量を決定する方法。
【請求項２】
前記呼吸の１回換気量から前記酸素摂取量を測定するセンサを設けるステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記呼気の１回換気量内の呼気終末のＣＯ２分圧として前記ＣＯ２分圧を測定するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記呼気の１回換気量内の時間積分したＣＯ２分圧として、前記ＣＯ２分圧を測定することをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記循環モデルは肺尖区域および肺底区域の分布を定義し、各区域は所定の換気血流比（Ｖ／Ｑ）を定義し、
ここで、呼吸ｎ当たりの心臓の１回拍出量ＳＶｎは、測定された呼気終末のＣＯ２分圧および肺の酸素摂取量から求められる、各区域内の空気中のＣＯ２の推定割合ｂに一致するように計算される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記循環モデルは、循環される全体血液量および換気される全体空気量を定義し、前記全体血液／空気量内の合計のＣＯ２含有量を決定する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記区域化される循環モデルは、
肺内の循環血液の１呼吸当たりの心臓の１回拍出量ＳＶのＣＯ２含有量に対する区域化された血流の寄与率ｇと、
呼気の１回換気量ＶＴのＣＯ２含有量に対する区域化された換気の寄与率ｈと、
機能残気量ＦＲＣおよび肺の毛細管の血液容量ＶｃａｐのＣＯ２含有量に対する区域化された寄与率ｗとを決定する請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記区域化された血流の寄与率ｇは、仰臥位においては定数であり、立位の姿勢においては肺尖から肺底区域にほぼ直線的に増加すると仮定される請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記区域化された換気の寄与率ｈは、仰臥位においては定数であり、立位の姿勢においては肺尖から肺底区域にほぼ直線的に減少すると仮定される請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記区域化された寄与率ｗは、立位の姿勢においては肺尖から肺底区域にほぼ指数関数的に減少する請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記循環モデルは、静脈コンパートメントにより循環される全体血液量Ｖｖと、動脈コンパートメントＶａと、区域化された肺の毛細管の固定の血液容量Ｖｃａｐと、前記区域全体にわたり分布する１呼吸当たりの可変の心臓の１回拍出量ＳＶｎとを定義し、
前記換気される全体空気量は、固定容積の区域化された機能残気量ＦＲＣと、前記区域全体に分布する可変の呼気の１回換気量ＶＴｎと、解剖学的死腔ＶＤと、を含む請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
各呼吸ｎについて、前記区域化された肺モデルの各区域ｋ内のＣＯ２量は、コンパートメントｋ内の推定されるＣＯ２の分圧ＰｋＣＯ２，ｎの関数として、肺の毛細管Ｖｃａｐ、機能残気量ＦＲＣおよび解剖学的死腔ＶＤ内のＣＯ２の量Ｆと、心臓の１回拍出量ＳＶｎにより静脈コンパートメントから肺に運搬されるＣＯ２の量Ｇとを加算して表され、
ここで、区域内の推定されるＣＯ２の分圧ＰｋＣＯ２，ｎは、各区域ｋ内の空気中のＣＯ２の推定割合ｂに関して表される請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記推定割合ｂは、以下の式で表され、
ｂ＝（ｗ（ｋ）×ＦＲＣ＋ｈ（ｋ）×ＶＴｎ）／
（α（ｗ（ｋ）×Ｖｃａｐ＋ｇ（ｋ）×ＳＶｎ）＋ｗ（ｋ）×ＦＲＣ＋ｈ（ｋ）×ＶＴｎ））
ここで、αは血液および空気中のＣＯ２含有量の割合を定義し、
関数ｗ(ｋ)は、以下の式で表され、１から９のｋに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
ｗ（ｋ）＝０．１００５５（１．３６７０８−ｅｘｐ（−０．３３９３ｋ））
ｈ（ｋ）は、以下の式で表され、１から９のｋに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
ｈ（ｋ）＝１／９        （仰臥位）
＝０．２２６（１．１０２−ｅｘｐ（−０．１０６３ｋ））    （立位）
ｇ（ｋ）は、１から９のｋに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
ｇ（ｋ）＝１／９          （仰臥位）
＝−０．０２０５＋０．０２６３ｋ    （立位）
により表される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記割合αは、以下の式で近似され、
α＝ｆ（ＰＥＴＣＯ２，ｎ−１）／（ｃ×ＰＥＴＣＯ２，ｎ−１）
ここで、関数ｆは、血液のＣＯ２含有量（［ＣＯ２］）を前の呼吸の測定された呼気終末血液のＣＯ２分圧（ＰＥＴＣＯ２，ｎ−１）に関連付ける関数を表し、
ｃはＣＯ２の分圧を空気中のＣＯ２含有量に変換するための変換係数を表す請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
関数ｆは、
ｆ（ｘ）＝０．５３（１．２６６−ｅｘｐ（−０．０２５７ｘ））
として表される請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
量ＦおよびＧは、各区域ｋに対して、以下の各式で表され、
Ｆ＝ｆ（ＰｋＣＯ２，ｎ−１）×ｗ（ｋ）×Ｖｃａｐ
＋ｃ×ＰｋＣＯ２，ｎ−１×ｗ（ｋ）×ＦＲＣ＋ｃ×ＰＥＴＣＯ２，ｎ−１×ｗ（ｋ）×ＶＤ
Ｇ＝[ＣＯ２]ｖ、ｎ−１×ＳＶｎ×ｇ（ｋ）
ここで、
関数ｗ（ｋ）は、以下の式で表され、１から９のｋに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
ｗ（ｋ）＝０．１００５５（１．３６７０８−ｅｘｐ（−０．３３９３ｋ））
ｇ（ｋ）は、以下の式で表され、１から９のｋに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
ｇ（ｋ）＝１／９          （仰臥位）
＝−０．０２０５＋０．０２６３ｋ      （立位）
ここで、
関数ｆは、血液のＣＯ２含有量（［ＣＯ２］）を血液のＣＯ２分圧（ＰＣＯ２）に関連付ける関数を表し、
ＰｋＣＯ２，ｎは区域ｋ内の推定ＣＯ２分圧であり、
ＰＥＴＣＯ２は呼気終末の測定されたＣＯ２分圧であり、
ｃはＣＯ２の分圧を空気中のＣＯ２含有量に変換するための変換係数を表し、
［ＣＯ２］ｖ，ｎは静脈コンパートメント内のＣＯ２含有量である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
各呼吸ｎに対して、前記静脈コンパートメントＶｖ内のＣＯ２の変化は、前記動脈のコンパートメントＶａから到達する量Ａと、基礎代謝により生成されるＣＯ２の量Ｂとを加算し、静脈コンパートメントを出る量Ｃを減算することにより表され、
ここで、基礎代謝により生成されるＣＯ２の総量は１呼吸当たりの酸素摂取量ＶＯ２の関数として表される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
静脈コンパートメントＶｖ内の前記ＣＯ２の変化は、以下の式で表され、
[ＣＯ２]ｖ、ｎ−[ＣＯ２]ｖ、ｎ−１＝（Ａ＋Ｂ−Ｃ）／Ｖｖ
ここで、
Ａ＝[ＣＯ２]ａ、ｎ−１×ＳＶｎ
Ｂ＝ＶＯ２×ＲＱ
Ｃ＝[ＣＯ２]ｖ、ｎ−１×ＳＶｎ
であり、
ここで、
［ＣＯ２］ｖ，ｎは静脈コンパートメント内のＣＯ２の含有量であり、
［ＣＯ２］ａは動脈コンパートメント内のＣＯ２の含有量であり、
ＶＯ２は呼吸ｎ当たりの酸素抽出であり、
ＲＱは０．９に設定された呼吸商である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
各呼吸ｎに対して、前記動脈コンパートメントＶａ内のＣＯ２の変化は、肺から到達するＣＯ２量から動脈コンパートメントＶａを出る量を引いた量として表され、
ここで、
前記肺から到達するＣＯ２の量は各肺区域内の呼気終末のＣＯ２分圧から推定される、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
動脈コンパートメントＶａ内の前記ＣＯ２の変化は、以下の式で表され、
[ＣＯ２]ａ、ｎ−[ＣＯ２]ａ、ｎ−１＝（Ｄ−Ｅ）／Ｖａ
ここで、
［ＣＯ２］ａ，ｎは呼吸ｎに対する動脈コンパートメント内のＣＯ２含有量であり、
Ｄは以下の式で表され、
Ｄ＝Σｋｆ（ＰｋＣＯ２，ｎ−１）×ｇ（ｋ）×ＳＶｎ
ここで、
ｆは血液のＣＯ２含有量を肺区域ｋ内の血液のＣＯ２分圧ＰＣＯ２に関連付ける関数であり、ｇはｋの肺区域全体にわたるＳＶの血流の寄与率を定義し、
Ｅは以下の式、
Ｅ＝[ＣＯ２]ａ、ｎ−１×ＳＶｎ
で表される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
関数ｆは、以下の式で表され、
ｆ（ｘ）＝０．５３（１．２６６−ｅｘｐ（−０．０２５７ｘ））
ｇは、１から９のｋに対して肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
ｇ（ｋ）＝１／９        （仰臥位）
＝−０．０２０５＋０．０２６３ｋ
と表される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
能動的または受動的に肺を換気するための換気ユニットであって、前記ユニットは呼吸マスク部品を備え、さらに、
呼気の１回換気量および呼吸数を測定する呼吸検出器と、
呼気の１回換気量から酸素摂取量を測定する酸素センサと、
呼気の１回換気量中のＣＯ２分圧を測定するＣＯ２センサと、
測定されたＣＯ２分圧、呼気の１回換気量および酸素摂取量を１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に関連付けるために、循環モデルに整合してプログラムされたプロセッサと、
を備え
前記呼吸検出器、酸素センサおよびＣＯ２センサは、測定された呼気の１回換気量、測定された酸素摂取量ＶＯ２および測定されたＣＯ２分圧を入力するための前記プロセッサに結合されるように構成され、前記プロセッサは、前記循環モデルに整合する出力ユニットに１呼吸当たりの心臓の１回拍出量を出力するように構成されている、換気ユニット。
【請求項２３】
前記循環モデルは肺尖区域および肺底区域の分布を定義し、各区域は所定の換気血流比（Ｖ／Ｑ）を定義し、
ここで、呼吸ｎ当たりの心臓の１回拍出量ＳＶｎは、測定された呼気終末のＣＯ２分圧および肺の酸素摂取量から求められる、各区域内の空気中のＣＯ２の推定割合ｂに整合するように計算される、請求項２２に記載の換気ユニット。
【請求項２４】
前記プロセッサは
測定された酸素摂取量に基づく推定ＣＯ２生成量と、
前記測定されたＣＯ２分圧に基づく血液中のＣＯ２濃度と
ＣＯ２生成量を血液中のＣＯ２濃度で割算し、肺の推定毛細管容積を減算して決定される、心臓の１回拍出量と、を提供するように構成された、請求項２２に記載の換気ユニット。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
今日、人の心拍出量のモニタリングに関しては多くの技術が利用可能である。これらは侵襲または無侵襲計測技術に基づいており、連続または非連続的なモニタリングの目的に対して開発されている。１つの連続的なモニタリング方法は米国特許第５４００７９３号明細書の「モデルフロー（Ｍｏｄｅｌｆｌｏｗ）」に開示されている。この方法は大動脈から生じるパルス型血流圧力信号を結合し、大動脈がウインドケッセル・コンプライアンスにより補足される伝送路と考えられる流れを計算する。
【０００２】
例えば、大手術を受けるまたは集中治療される患者の、心拍出量モニタリングは、患者の状態に関する有用な情報を提供する。非連続な方法は高信頼性であるが、多くの場合侵襲性であり、測定の実施には相当の技術を必要とする。このため、連続的な心拍出量モニタリングはますます普及してきている。したがって、連続的で無侵襲性の心拍出量モニタリングの方法および技術は、心拍出量モニタリングの分野における将来的な発展に対して重要である。
【０００３】
無侵襲性の状態については、上述の「モデルフロー」技術は、手術または集中治療ユニットにおいて常に利用可能とは限らない、無侵襲性の血圧信号の有効性を必要とする。さらに、モデルフロー技術は他の複雑な心拍出量モニタリング技術を用いて校正される必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、心拍出量の高信頼性の連続的測定を実現すると同時に、複雑なまたは侵襲性の測定または校正の実施の必要性を除去することを目的とする。本発明は、心拍出量の変化および絶対的な心拍出量の測定の両方に対して、心拍出量の高信頼性モニタを提供することを目的とする。
【発明を解決するための手段】
【０００５】
この目的を達成するために、本発明は請求項１の特徴による方法を提供する。具体的には、１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に対して測定されるＣＯ２分圧および酸素摂取量が心拍出量に関連する、循環モデルを提供することにより、高信頼性測定を実現するために最小限の属性値を必要とするだけになる。別の態様では、本発明は、肺を能動的または受動的に換気し、請求項２２による呼吸マスク部品を備える換気ユニットを提供する。具体的には、本発明は、
呼気の１回換気量および呼吸数を測定するための呼吸検出器と、
呼気の１回換気量から酸素摂取量を測定するための酸素センサと、
呼気の１回換気量中のＣＯ２分圧を測定するためのＣＯ２センサと、
測定されたＣＯ２分圧、呼気性の１回換気量および酸素摂取量を１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に関連付けるために、循環モデル整合するようにプログラムされたプロセッサと、を備えた換気ユニットであって、
呼吸検出器、酸素センサおよびＣＯ２センサは、測定された呼気の１回換気量、測定された酸素摂取量ＶＯ２および測定されたＣＯ２分圧を入力する前記プロセッサに結合されるように構成され、およびプロセッサは、前記循環モデルに整合する出力ユニットに１呼吸当たりの心臓の１回拍出量を出力するように構成されている、換気ユニットを提供する。
【０００６】
本発明者らはＣＯ２分圧の変化は循環システムの数学モデルを用いてモデル化できることを見出した。したがって、本発明により、カプノグラフおよび呼吸毎モデルを用いて、心臓の心拍出量を連続的に、無侵襲的に監視できる。
【０００７】
好ましい実施形態では、前記循環モデルは肺尖および肺底区域の分布を定義し、各区域は所定の換気血流比（Ｖ／Ｑ）を定義する。ただし、ｎ呼吸当たりの心臓の１回拍出量ＳＶｎは、測定された呼気終末のＣＯ２分圧および肺の酸素摂取量から求められる、各区域の空気中のＣＯ２の推定割合ｂに整合するように計算される。モデルが考慮に入れる換気血流比は、監視される被験者内の循環の物理的または病理的な状態を組み込んでいる。
【０００８】
立っている状態では、肺全体の血流分布は、直立姿勢における肺尖から肺底への静水圧の相違差のために変化する。１回換気量の分布もまた、肺コンパートメントの変化する圧力／容積関係のために変化する。結果として、全体の換気／血流比も変化する。結果は、モデルが姿勢の変化中におけるＣＯ２分圧の呼気終末の変化を正確に推定し、実質的に心拍出量の変化とされる、固定された体姿勢におけるＣＯ２分圧（ＰＣＯ２）の自然発生変化を追跡することを示している。なお、このモデルのいくつかの部分は、本発明者の学術論文”１回換気量、心拍出量および機能残気量は、人の起立状態における呼気終末のＣＯ２の過渡特性を決定する”(”Tidal Volume, Cardiac output and functional residual capacity determine end-tidal CO2 transient during standing up in humans”）Janneke Gisolf他、J Physiol.554.2 p579〜590”に開示されている。
【０００９】
さらなる特徴および利点は図面と併せて説明を読むことにより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１の概略図は、例えば、手術の間などにおいて、患者２が能動的または受動的に換気されている、集中治療ユニット１を示す。この目的のために、換気マスク３が口に接続され、呼吸空気が肺を換気するためのダクト４を介して供給される。ダクト４のマウスピース５内または近傍にはセンサ６が設けられ、呼気１回換気量中の呼気終末のＣＯ２分圧を測定する。酸素摂取量センサ７はマウスピースの近傍に示されているが、自動換気マシン８内にかなり離れて設けられてもよい。さらに、検出器９が呼吸数を検出するために設けられる。換気マシン８内には、さらに呼吸の１回換気量、具体的には呼気の１回換気量を測定するために、検出器が設けられる。測定された呼気の１回換気量、酸素摂取量および測定された呼気終末のＣＯ２分圧はプロセッサ１０に送られる。瞬間的呼気終末のＣＯ２分圧に加えて、さらに１呼吸当たりの時間積分ＣＯ２分圧も測定して、プロセッサ１０に送ることができる。
【００１１】
プロセッサ１０は、肺尖および肺底区域の分布を定義する、循環モデルに整合してプログラムされ、各区域は所定の換気血流比（Ｖ／Ｑ）を定義し、呼吸ｎ当たりの心臓の１回拍出量は、測定された呼気終末のＣＯ２分圧および肺の酸素摂取量から求められる、各区域における空気中のＣＯ２の推定割合に整合するように計算される。
【００１２】
モデルが考慮に入れる換気血流比は、監視される被験者における循環の物理的または病理状態を組み込んでいる。モデルはさらに図２に詳細に示されている。心拍出量の測定値を表わす出力値は、プロセッサ１０から、例えば、集中治療モニタリングにおいて作動している表示装置または処理装置などの、モニタリング装置１１に出力される。
【００１３】
図２に示されているとおり、特定の実施形態では、循環モデルは、肺尖および肺底区域１２の分布を定義し、肺尖から肺底区域の各区域は、仰臥位において一定の換気血流比Ｖ／Ｑとなり、または立位において換気血流比Ｖ／Ｑが減少する結果をもたらす。このモデルでは、呼吸ｎ当たりの心臓の１回拍出量ＳＶｎは、測定された呼気終末のＣＯ２分圧、肺の酸素摂取量から求められる、各区域における空気中のＣＯ２の推定割合ｂに整合するように計算され、さらに以下に定義されるモデル等式の式１６で例示される。
【００１４】
図２に示されるとおり、循環モデルは、循環する全体血液量１３および全体換気空気量１４を定義する。心拍出量を評価するために、前記全体血液量／空気量中の合計ＣＯ２含有量が、以下に詳細に説明されるように計算される。図示された実施形態では、モデルは９つの肺区域１２を含む。モデルはさらに、静脈コンパートメントＶｖ、動脈コンパートメントＶａおよび区域化された肺の毛細管の固定血液量Ｖｃａｐ、区域全体に分布した１呼吸当たりの可変の心臓の１回拍出量ＳＶｎを定義し、前記全換気空気量は、固定容積の区域化された機能残気量ＦＲＣ、区域全体に分布した可変の呼気の１回換気量ＶＴｎ、および解剖学的死腔ＶＤを含む。ＦＲＣとＶＴの各区域の構成比はその位置により決定され、肺尖区域は肺底区域より小さい。解剖学的ＶＤと高さとの間の確立された関係（Ｈａｒｔ他、１９６３）を使用することにより、モデルＶＤは、女性のＶＤに比較してより大きな容積（１．４倍）を男性に対して設定でき、例えば、仰臥位における男性では２００ｍｌ、女性では１４０ｍｌのＶＤを設定できる。立位では、これらの値は７０ｍｌずつ増加される。代替方法では、解剖学的死腔は既存の測定技術を利用して測定できる。
【００１５】
通常は０．７と１．０の間である、ＶＯ２に対する二酸化炭素生成物（ＶＣＯ２）の割合として定義される呼吸商（ＲＱ）は、０．９に固定して設定された。あるいは、ＲＱ値の可変値は公知の測定技術を利用してモデルに入力できる。酸素摂取量の変化の結果は、２つの側面がある。
１．酸素摂取量は基礎代謝に関連し、ＣＯ２生成に関連する。静止状態については、仰臥位の測定では、酸素摂取量の変化はほとんどない。
２．血液の酸素化レベルはＣＯ２を運搬する血液の能力（「ホールデン効果」として公知の）を決定する。通常の静止時の測定では、酸素化は最適であり、ＣＯ２摂取量は以下に詳しく説明する式１により定義される。
【００１６】
肺の毛細管容積および細静脈容積は、ガス交換が両方において発生するため、一緒にまとめられる。肺の主要動脈は静脈コンパートメントに含まれ、肺の主要静脈は動脈コンパートメントに含まれる。実際の実施例では、５．５ｌの全体血液量はＶｖ（４．０１）、Ｖａ（１．３１）およびＶｃａｐ（０．２１）に分散する。区域化モデルは、肺内の重力により発生する血液潅流勾配に対する重力の影響を含む。仰臥位では、ＳＶおよびＶＴはすべてのコンパートメント全体にわたり等しく分散される。９つのコンパートメントでは、仰臥位において、各肺コンパートメントは呼吸毎のＳＶおよびＶＴの９分の１を受ける。立位では、肺尖から肺底への血流および換気勾配が存在し、肺底では血流および換気が増加する。血流勾配は換気勾配より急勾配であり、結果として７．９〜０．８の肺尖対肺底のＶ／Ｑ勾配をもたらす。さらに、解剖学的死腔ＶＤの様々な値は、例えば＋５３ｍｌ（解剖学的）から＋８１ｍｌ（生理学的）に変動する範囲で、仰臥位から立位の呼吸姿勢にわたって使用される。
【００１７】
表１は、仰臥位および立位における、肺区域ｋ当たりの、１回拍出量（ＳＶ）、１回換気量（ＶＴ）機能残気量（ＦＲＣ）および肺毛細管の血液容量（Ｖｃａｐ）の分布を定義しており、これらはモデルに含むことができる。立位の姿勢での分布はWest JB”立位の人の肺のガス交換における区域差”(”Regional differences in gas exchange in the lung of erect man”）J Appl Physiol 17,893-898 West(1962)により以前に実行された測定に基づいている。立位のために、ＦＲＣは仰臥位に対して増加している。
【表１】
2008518733.tif 000003
【００１８】
姿勢の変化による短期の呼気終末ＰＣＯ２の変化を追跡するために、データは、立位前１５０秒に開始し、立位後１５０秒で終了するように選択された。平均の動脈圧はFinapres(Model 5；オランダ応用科学研究機構、生物医学計測協会（Netherlands Organization for Applied Scientific Research, Biomedical Instrumentation、TNOBMI)を用いて測定された。カフは、心臓レベルに置かれた、利き腕の中指の中節骨に装着した。ＳＶの拍動毎の変化は動脈圧からの流れのモデル化により推定された（モデルフロー、TNOBMI）。この方法は、大動脈インピーダンスの非直線の３素子モデルを使用して周辺の動脈圧信号から動脈波形を計算する（Jellema他  １９９９；Harms他  １９９９）。
【００１９】
心拍出量はＳＶとＨＲの積であった。モデルフローＱを校正するためのＱの絶対値を得るために、Ｆｉｃｋにより決定されるＱを、仰臥位および立位における、動脈および中心静脈Ｏ２含有量およびＶＯ２から得た。Ｑの絶対値を用いて、仰臥位における１５０秒間および立位における１５０秒間で平均されるモデルフローＱを校正した。呼吸毎のオンラインのガス分析は、医療グラフィックスＣＰＸ／Ｄ代謝カートを使用して実行された。呼吸ガスはマウスピースから連続的にサンプリングされ、ガス分圧はジルコニア酸素分析器（精度±０．０３％Ｏ２）およびＣＯ２の非分散型赤外センサ（精度±０．０５％Ｏ２）から得られ、これらからＶＯ２、ＶＣＯ２およびＰＥＴＣＯ２を求めた。
【００２０】
図３は測定されたサンプルを示しており、循環モデルの有効性を検証するために、個々の被験者に対して呼吸毎の呼気終末のＣＯ２分圧が記録される。図は、仰臥位の１５０秒および立位の１５０秒間の呼吸毎のＰＥＴＣＯ２測定（＊）および同一期間のモデルのシミュレーション（Ｏ）のグラフを含む。矢印は時間ゼロにおける仰臥位から立位への姿勢変化を示している。モデルへの入力はＶＴ、ＳＶ（１呼吸当たりの合計）およびＶＯ２の測定された呼吸毎の値であった。静脈および動脈血液中および様々な肺コンパートメント中のＰＣＯ２の開始値は、各試験被験者に対して、それらの開始する測定されたＰＥＴＣＯ２に対応して設定された。静脈のＣＯ２濃度は５２〜５５％の範囲の開始値に設定された。動脈血および肺のコンパートメント内のＰＣＯ２開始値は４０〜４２ｍｍＨｇの範囲であった。モデルは、立位の間のＰＥＴＣＯ２を追跡し、さらにＰＥＴＣＯ２（ｒ２＝０．４３−０．８６）の姿勢に関連しない変化も追跡し、これらの記録は、ＭＰＥＴＣＯ２とＰＥＴＣＯ２（Ｐ＜０．０１）との最大相関関係をもたらす、測定されたＰＥＴＣＯ２の最大分散を示す。
【００２１】
モデルの等式
モデル等式において使用される様々な量の定義については、次の表２を参照する。
【表２】
2008518733.tif 000004
【００２２】
変換および重み関数
血液のＣＯ２含有量（［ＣＯ２］）を血液のＣＯ２分圧（ＰＣＯ２）に関連付けるＣＯ２平衡曲線は、数式１を用いて［ＣＯ２］＝ｆ（ＰＣＯ２）として表されている。
数式１
ｆ（ｘ）＝０．５３（１．２６６−ｅｘｐ（−０．０２５７ｘ））
【００２３】
血液中の［ＣＯ２］からＰＣＯ２を計算するために、次の逆関数を使用する。
数式２
ｆ−１（ｘ）＝−Ｉｎ（１．２６６−（ｘ／０．５３））０．０２５７
【００２４】
空気中のＰＣＯ２（ｍｍＨｇ）を［ＣＯ２］（％）に変換するために、合計０．１３１６％ｍｍＨｇ−１になる、変換係数ｃを使用する。各肺コンパートメントｋ（ｋ＝１，・・・，９）全体にわたるＳＶおよびＶＴの分布は、関数ｇおよびｈによりそれぞれ表される。これらの関数は、仰臥位および立位では異なり、表２に記載されたＳＶおよびＶＴの部分量を与える、以下の式により与えられる。
数式３
ｇ（ｋ）＝１／９        （仰臥位）
＝−０．０２０５＋０．０２６３ｋ    （立位）
数式４
ｈ（ｋ）＝１／９          （仰臥位）
＝０．２２６（１．１０２−ｅｘｐ（−０．１０６３ｋ））    （立位）
ＦＲＣ、ＶｃａｐおよびＶＤの各肺コンパートメントの構成比は、重み関数により与えられる。
数式５
ｗ（ｋ）＝０．１００５５（１．３６７０８−ｅｘｐ（−０．３３９３ｋ））
これは表２に記載されたＦＲＣおよびＶｃａｐの部分量を与える。
【００２５】
静脈のＣＯ２
各呼吸ｎに対して、前記静脈のコンパートメントＶｖ内のＣＯ２の変化は、動脈のコンパートメントＶａから到達する量Ａと、基礎代謝により生成されるＣＯ２の量Ｂとを加算し、静脈のコンパートメントを出る量Ｃを減算することにより表される。ここで、基礎代謝により生成されるＣＯ２の合計量は１呼吸当たりの酸素摂取量ＶＯ２の関数として表される。各呼吸ｎに対して、静脈のＣＯ２含有量（［ＣＯ２］ｖ，ｎ）は数式６〜数式９に従うそれの前の値［ＣＯ２］ｖ，ｎ−１から計算される。静脈のコンパートメント内のＣＯ２の量は、動脈のコンパートメントから到達する量（Ａ）および基礎代謝から生成される量（Ｂ）により増加し、コンパートメントを出る量（Ｃ）により減少する。このようにして、以下の式が得られる。
数式６
［ＣＯ２］ｖ，ｎ−［ＣＯ２］ｖ，ｎ−１＋（Ａ＋Ｂ−Ｃ）／Ｖｖ
ここで、
数式７
Ｃ＝［ＣＯ２］ｖ，ｎ−１×ＳＶｎ
数式８
Ａ＝［ＣＯ２］ａ，ｎ−１×ＳＶｎ
ここで［ＣＯ２］ａは動脈のＣＯ２含有量を表す。
数式９
Ｂ＝’ＶＯ２、ｎ×ＲＱ（ＴＲＥＳＰｎ／６０）
ここで、’ＶＯ２，ｎは呼吸ｎに対する酸素抽出（ｍｌ・ｍｉｎ−１）であり、ＲＱは呼吸商であり、０．９（ＶＣＯ２’を’ＶＯ２で割算することにより、被験者データからの近似としての平均）に設定される。この項は呼吸時間（ｍｉｎ）により乗算され（ＴＲＥＳＰｎ／６０）、１呼吸当たり生成されるＣＯ２を推定する。
【００２６】
動脈のＣＯ２
各呼吸ｎに対して、前記静脈コンパートメントＶｖ内のＣＯ２の変化は、動脈のコンパートメントＶａから到達する量Ａと基礎代謝により生成されるＣＯ２の量Ｂを加算し、静脈のコンパートメントを出る量Ｃを減算することにより表される。ここで、基礎代謝により生成されるＣＯ２の合計量は１呼吸当たりの酸素摂取量ＶＯ２の関数として表される。
【００２７】
呼吸ｎに対する動脈血中のＣＯ２含有量（［ＣＯ２］ａ，ｎ）は式１０〜１２により、それの前の値［ＣＯ２］ａ，ｎ−１から計算される。動脈のコンパートメント内のＣＯ２の量は、肺から到達するＣＯ２の量（Ｄ）により増加し、動脈のコンパートメントを出るＣＯ２の量（Ｅ）により減少する。
数式１０
［ＣＯ２］ａ，ｎ＝［ＣＯ２］ａ，ｎ−１  ＋（Ｄ−Ｅ）／Ｖａ
【００２８】
量Ｄは式１１によって各肺コンパートメントｋ（ＰｋＣＯ２、ｋ＝１，・・・，９）内の吸気終末のＣＯ２分圧から推定される。
数式１１
Ｄ＝Σｋ＝１９ｆ（ＰｋＣＯ２ｎ−１）×ｇ（ｋ）×ＳＶｎ
ここで、ｆは、血液のＣＯ２含有量を血液のＣＯ２分圧に関連付ける上述の関数であり、ｇは９つの肺コンパートメント全体にわたるＳＶの分布を定義する上述の関数である。量Ｅは以下の式で与えられる。
数式１２
Ｅ＝［ＣＯ２］ａ，ｎ−１×ＳＶｎ
肺のＣＯ２
各呼吸ｎについて、前記区域化された肺モデルの各区域ｋ内のＣＯ２量は、コンパートメントｋ内の推定されるＣＯ２分圧ＰｋＣＯ２，ｎの関数として、肺の毛細管Ｖｃａｐ、機能残気量ＦＲＣおよび解剖学的死腔ＶＤ内のＣＯ２の量Ｆと、心臓の１回拍出量ＳＶｎにより静脈コンパートメントから肺に運搬されるＣＯ２の量Ｇとを加算して表される。ここで、区域内の推定されるＣＯ２の分圧ＰｋＣＯ２，ｎは、各区域ｋ内の空気中のＣＯ２の推定割合ｂに関して表される。
【００２９】
肺から流れ出る血液のＰＣＯ２（ＰｔｃＣＯ２）は、上述の関数ｇおよびｈにより表されるとおり、重力に発生する血流および換気勾配に依存する。各呼吸に対して、各肺区域ｋ内のＰＣＯ２（ＰｋＣＯ２，ｎ）は式１３〜１８により計算される。ＦＲＣでは、肺区域ｋ内のＣＯ２の量（Ｆ）は、肺毛細管内、ＦＲＣおよびＶＤ内のＣＯ２含有量により決定される。
数式１３
Ｆ＝ｆ（ＰｋＣＯ２，ｎ−１）ｗ（ｋ）Ｖｃａｐ＋ｃＰｋＣＯ２，ｎ−１ｗ（ｋ）ＦＲＣ
＋ｃＰＥＴＣＯ２，ｎ−１ｗ（ｋ）ＶＤ
ここで、重み係数ｗおよび変換係数ｃは上述のとおりである。死腔内のＣＯ２の寄与分は（最後の項）は、以前の呼吸からの呼気終末の空気が死腔から肺に戻されることに注意して計算される。静脈コンパートメントから肺に運搬されるＣＯ２の量（Ｇ）は以下の式により与えられる。
数式１４
Ｇ＝［ＣＯ２］ａ，ｎ−１×ＳＶｎ×ｇ（ｋ）
【００３０】
血液中の［ＣＯ２］と空気中の［ＣＯ２］の割合αは、前の呼吸ｎ−１から、以下の式に従って近似される。
数式１５
α＝ｆ（ＰＥＴＣＯ２，ｎ−１）／（ｃＰＥＴＣＯ２，ｎ−１）
【００３１】
空気中のＣＯ２の呼気終末量とＣＯ２の合計量との割合ｂは、以下の式により与えられる。
数式１６
ｂ＝（ｗ（ｋ）ＦＲＣ＋ｈ（ｋ）ＶＴｎ）／（α（ｗ（ｋ）Ｖｃａｐ＋ｇ（ｋ）ＳＶｎ）
＋ｗ（ｋ）ＦＲＣ＋ｈ（ｋ）ＶＴｎ）
【００３２】
各肺コンパートメントｋ内の呼気終末［ＣＯ２］は、割合ｂで空気および血液全体わたり分布するＣＯ２（Ｆ＋Ｇ）の合計量と、コンパートメントｋ内の空気の呼気終末容積とにより決定される。
【００３３】
数式１７
[ＣＯ２]ｋ、ｎ＝ｂ（Ｆ＋Ｇ）／（ｗ（ｋ）ＦＲＣ＋ｈ（ｋ）ＶＴｎ）
上記の定数ｃを使用する単純な変換により、次にＰｋＣＯ２，ｎが得られる。ＰＥＴＣＯ２は、部分ｈ（ｋ），ｋ＝１，・・・，９により与えられる、１回換気量の分布に依存し、仰臥位および立位間で異なり、以下の式で計算される。
数式１８
ＰＥＴＣＯ２，ｎ＝Σｋ＝１９ｈ（ｋ）ＰｋＣＯ２，ｎ
【００３４】
上述のモデルに関連して、直接計算によって、または反復試験によって、または参照テーブルによって、心臓の１回拍出量ＳＶｎは各呼吸に対し、モデルに整合して決定できる。
【００３５】
仰臥位に対するモデルの適用
仰臥位に関しては、呼気内の測定されるＣＯ２分圧は、肺コンパートメント内のＣＯ２分圧に関連付けできる。全体空気圧の比率としてのＣＯ２圧力はＣＯ２濃度（また比率として）に対応する。ＣＯ２平衡曲線に対して、血液中のＣＯ２圧力は、上述の式１の関数に従って計算できる、より大きなＣＯ２濃度（比率）に対応する。仰臥位に関しては、肺内のＣＯ２分圧は、すべての区域に対して等しく、および呼気量内の測定されるＣＯ２分圧にも等しい。したがって、血液中のＣＯ２濃度は直接的に得ることができる。ＣＯ２の生成に係わる血液量は、心拍出量ＳＶと毛細管容積Ｖｃａｐを加えた合計量として表される。溶解したＣＯ２の量は、推定できるＣＯ２生成量により決定される。したがって、心拍出量は、呼気のＣＯ２分圧を測定し、この測定値を数式１を用いて血液中のＣＯ２濃度に関連付け、ＣＯ２生成量を血液中のＣＯ２濃度で割算して心拍出量を算出し、肺の推定される毛細管容積を減算することにより、導き出すことができる。
数式１９
ＳＶ＝（（呼吸毎のＣＯ２排出量）／血液中の[ＣＯ２]−Ｖｃａｐ）
【００３６】
測定された呼吸頻度および心拍動数を使用して、この値は簡単に、心拍動当たりの心拍出量の値に変換できる。当業者には、本発明は図面を参照して説明した例示的な実施形態に限定されず、それら実施形態のすべての種類の変形形態を含むことは明らかであろう。このような変形形態は添付の特許請求の範囲の権利保護の範囲内に含まれると見なされる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による換気ユニットの概略図を示す。
【図２】測定されたＣＯ２分圧および酸素摂取量を１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に関連付ける循環モデルの実施形態の概略図を示す。
【図３】試験状態において横になるおよび起立する間の、個々の呼気終末のＣＯ２分圧（ＰＥＴＣＯ２）の記録およびモデルシミュレーションを示す。
【図１】
2008518733.tif 000005
【図２】
2008518733.tif 000006
【図３】
2008518733.tif 000007
【国際調査報告】
2008518733.tif 000008
2008518733.tif 000009
2008518733.tif 000010