(57)【要約】【課題】呼吸ガス及び血液ガスのデータによる肺臓−肺循環系の呼吸特性値の予測方法及び表示装置を提供する。【解決手段】呼吸特性値の予測方法が、換気ガスを通過させるノズル手段と、前記ノズルに付着されたガスセンサーを通じて吸気の流量ＶＩ、この酸・炭分圧Ｉ＊と呼気終末ガスの酸・炭分圧ＥＴ＊などを測定して呼吸気体の基礎変数とする段階と、動脈血の酸・炭分圧ａ＊を測定する段階と、前記測定変数らを入力して酸素と二酸化炭素に関する質量平衡方程式などの数式群をコンピューターによって解析して呼吸器官の重要な生理特性値を獲得する段階とを包含してなる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）混合静脈の酸素と二酸化炭素の分圧（以下、酸・炭分圧と略記する）と吸気ガスの酸・炭分圧が、それぞれ血液及び気体の境界値として自動演算装置に入力される段階と、
（ｂ）換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑが前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｃ）換気−かん流比式を満足する肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）の推測値が設定されて前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｄ）前記境界値、設定値及び推測値らが前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに適用される段階と、
（ｅ）前記演算ルーチンにおいて呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって、肺胞ガス分圧の更新された推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られる段階と、
（ｆ）前記肺胞ガス分圧の更新された推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）を考慮して、呼吸気体に関連された式から換気−かん流比の推測値ＶＡ／Ｑ＊が得られる段階と、
（ｇ）前記換気−かん流比の推測値ＶＡ／Ｑ＊が換気−かん流比の要件を満足するかを判定する段階と、
（ｈ）前記換気−かん流比のＶＡ／Ｑ＊に対応する前記肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ１＊、Ａ２＊）が解として確定される段階と、
を包含してなることを特徴とする呼吸特性値の予測方法。
【請求項２】
前記（ａ）段階において、前記混合静脈の酸・炭分圧Ｖ＊と、前記吸気ガスの酸・炭分圧Ｉ＊は直接測定された値であるか、または、第３のソースから借用された値であることを特徴とする請求項１に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項３】
前記（ｅ）段階において、前記呼吸気体に関する方程式群は、酸素、二酸化炭素、及び窒素の質量平衡方程式を包含することを特徴とする請求項１に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項４】
前記（ｇ）段階において、前記換気−かん流比の要件は、換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑと、前記（ｆ）段階で得られた推測値ＶＡ／Ｑ＊の差が一定の範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とする請求項１に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項５】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記換気−かん流比の要件が満足されなければ、前記（ｃ）段階に戻って、改めて設定された肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）に対して前記（ｄ）乃至（ｇ）の段階を反復することを特徴とする請求項４に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項６】
前記（ｃ）段階において、改めて設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、一定の規則によって更新される二酸化炭素の分圧Ａ２と、これに連係される換気−かん流比式から得られた酸素分圧の推測値Ａ１＊を取ってなる対であることを特徴とする請求項５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項７】
前記（ｅ）段階から得られる肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階から得られた酸素分圧の推測値Ａ１＊と、これを考慮して呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊の対でなることを特徴とする請求項６に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項８】
前記（ｃ）段階において、改めて設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、一定の規則によって更新設定された酸素分圧Ａ１と、この値が考慮されて換気−かん流比式から得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊を取ってなる対であることを特徴とする請求項５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項９】
前記（ｅ）段階から得られる肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階から得られた二酸化炭素分圧の推測値Ａ２＊と、これを考慮して呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧Ａ１＊の対でなることを特徴とする請求項８に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１０】
前記（ｈ）段階における肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｂ）段階で与えられた換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑ乃至ＶＡ／Ｑ＊を考慮して、前記（ｃ）乃至（ｅ）段階で得られた解（Ａ１＊、Ａ２＊）でなることを特徴とする請求項６乃至請求項９の中いずれかに記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１１】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記（ｈ）段階において、前記（ｂ）段階の換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑに対応する肺胞ガスの酸・炭分圧の解Ａ＊を得た後、前記（ｂ）段階に戻って前記換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑが更新設定されて、前記（ｃ）乃至（ｈ）段階を反復することを特徴とする請求項１０に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１２】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記（ａ）乃至（ｈ）段階を反復して望む全ての換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑに対応する肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊の分布が得られることを特徴とする請求項１１に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１３】
（ａ）混合静脈の酸・炭分圧と、吸気ガスの酸・炭分圧が、それぞれ血液と気体の境界値として自動演算装置に入力される段階と、
（ｂ）肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）の設定値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｃ）前記肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）及び換気−かん流比式から得られる換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑが前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｄ）前記境界値、設定値らが前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに適用される段階と、
（ｅ）前記演算ルーチンにおいて呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって、新しい肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られる段階と、
（ｆ）前記得られた肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）が使用され、換気−かん流比の式から換気−かん流比の推測値ＶＡ／Ｑ＊が得られる段階と、
（ｇ）前記換気−かん流比の要件によって前記肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）が適正であるか判定する段階と、
（ｈ）前記換気−かん流比のＶＡ／Ｑに対応する肺胞ガスの酸・炭分圧が決定される段階と、
を包含することを特徴とする呼吸特性値の予測方法。
【請求項１４】
前記（ａ）段階において、前記混合静脈の酸・炭分圧Ｖ＊と前記吸気ガスの酸・炭分圧Ｉ＊は直接測定された値であるか、または、第３のソースから借用された値であることを特徴とする請求項１３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１５】
前記（ｅ）段階において、前記呼吸気体に関する方程式群は、酸素、二酸化炭素、及び窒素の質量平衡方程式を包含することを特徴とする請求項１３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１６】
前記（ｇ）段階において、前記換気−かん流比の要件は、換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑと、前記（ｆ）段階から得られる推測値ＶＡ／Ｑ＊の差が一定の範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とする請求項１３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１７】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記換気−かん流比の要件が満足されなければ前記（ｂ）段階に戻って、改めて設定された肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）に対して前記（ｃ）乃至（ｇ）段階を反復することを特徴とする請求項１６に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１８】
前記（ｂ）段階において、改めて設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、初期値に設定された二酸化炭素の分圧Ａ２と、前記二酸化炭素の分圧を考慮して酸素の質量平衡方程式を解いて得られる酸素分圧Ａ１の対でなることを特徴とする請求項１７に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１９】
前記（ｅ）段階から得られる肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｂ）段階の二酸化炭素分圧の初期値Ａ２と、これを考慮して呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧Ａ１＊の組合せでなることを特徴とする請求項１８に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項２０】
前記（ｂ）段階において、改めて設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、初期値に設定された酸素分圧Ａ１と、前記酸素分圧を考慮して二酸化炭素の質量平衡方程式を解いて得られる二酸化炭素分圧Ａ２の対でなることを特徴とする請求項１７に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項２１】
前記（ｅ）段階から得られる肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｂ）段階における酸素分圧の初期値Ａ１と、これを考慮して呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊の組合せでなることを特徴とする請求項２０に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項２２】
前記（ｈ）段階において、前記換気−かん流比の要件を満足させる肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、設定された換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑに対して、前記呼吸気体に関する方程式を満足する解（Ａ１＊、Ａ２＊）でなることを特徴とする請求項１８乃至請求項２１の中いずれかに記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項２３】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記肺胞ガスの酸・炭分圧の設定値（Ａ１、Ａ２）または、これに対応する換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑに対して、肺胞ガスの酸・炭分圧の最終解（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られると、前記（ｂ）段階に戻って前記肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ１が更新され、続いて（ｃ）乃至（ｈ）段階が反復されることを特徴とする請求項２２に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項２４】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記肺胞ガスの酸・炭分圧の設定値（Ａ１、Ａ２）、または、これに対応する換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑに対して、肺胞ガスの酸・炭分圧の解（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られると、前記（ｂ）段階に戻って前記肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２が更新され、続いて前記（ｃ）乃至（ｈ）の段階が反復されることを特徴とする請求項２２に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項２５】
（ａ）血液境界値、気体境界値、血液補助情報値、気体補助情報値及び吸気流量が自動演算装置に入力される段階と、
（ｂ）生理的死腔率Ｘの初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｃ）前記生理的死腔率Ｘの初期値を考慮して、肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）の設定値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｄ）前記境界値、初期値、及び設定値らが前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに適用される段階と、
（ｅ）前記演算ルーチンからの呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって新しい肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られる段階と、
（ｆ）前記肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値が、酸・炭分圧の要件を満足すると、酸素シャント率Ｙ１と二酸化炭素シャント率Ｙ２が得られる段階と、
（ｇ）シャント率の要件が満足されると呼吸特性値が決定される段階と、
（ｈ）心拍出量が決定される段階と、
を包含してなることを特徴とする呼吸特性値の予測方法。
【請求項２６】
前記（ａ）段階において、前記血液境界値は、混合静脈血の酸・炭分圧Ｖ＊として与えられるか、または、第３のソースから借用されることを特徴とする請求項２５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項２７】
前記（ａ）段階において、前記気体境界値は、吸気の酸・炭分圧Ｉ＊として酸・炭分圧が全て与えられるか、または、酸素分圧だけが与えられることを特徴とする請求項２５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項２８】
前記（ａ）段階において、前記血液補助情報値は、動脈血の酸・炭分圧ａ＊として、酸・炭分圧が全て与えられるか、または、酸・炭分圧だけが与えられることを特徴とする請求項２５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項２９】
前記（ａ）段階において、前記気体補助情報値は呼気終末ガスの酸・炭分圧ＥＴ＊として、酸・炭分圧が全て与えられるか、または、二酸化炭素分圧だけが与えられることを特徴とする請求項２５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項３０】
前記（ａ）段階において、前記吸気流量ＶＩは、外部から肺臓に入る空気流量であり、平常呼吸の場合、肺臓から外部に出る呼吸流量ＶＥと同一に策定されることもできることを特徴とする請求項２５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項３１】
前記（ｅ）段階において、前記呼吸気体の解析方程式は、酸素、二酸化炭素、及び窒素の質量平衡方程式を包含することを特徴とする請求項２５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項３２】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記酸・炭分圧の要件が満足されなければ、前記（ｃ）段階に戻って、更新設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）に対して前記（ｄ）乃至（ｅ）段階を反復することを特徴とする請求項２５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項３３】
前記（ｃ）段階において、肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は反復によって更新設定された酸・炭分圧Ａ１と、死腔率Ｘを考慮して得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊でなる分圧対（Ａ１、Ａ２＊）であることを特徴とする請求項３２に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項３４】
前記（ｅ）段階で得られる肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階で得られる肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２＊と、前記（ｃ）段階で決定された酸・炭分圧（Ａ１、Ａ２＊）を考慮して、酸素、二酸化炭素、窒素に関する質量平衡方程式及び気体分圧の和公式でなる呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧の更新推測値Ａ１＊の組合せでなることを特徴とする請求項３３に記載された呼吸特性値の予測方法。
【請求項３５】
前記（ｆ）段階における酸・炭分圧の要件は、前記（ｃ）段階で更新設定された酸素分圧Ａ１と、呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧Ａ１＊の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とする請求項３４に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項３６】
前記（ｃ）段階において、新しい肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、反復によって更新設定される二酸化炭素分圧Ａ２と、死腔率の初期値Ｘを考慮して得られる酸素分圧Ａ１＊でなる分圧対（Ａ１＊、Ａ２）であることを特徴とする請求項３２に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項３７】
前記（ｅ）段階で得られる肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階で得られた肺胞ガスの酸素分圧Ａ１＊と、前記（ｃ）段階で決定された酸・炭分圧（Ａ１＊、Ａ２）を考慮して、酸素、二酸化炭素、窒素に関する質量平衡方程式及び気体分圧の和公式でなる呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧の更新推測値Ａ２＊の組合せでなることを特徴とする請求項３６に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項３８】
前記（ｆ）段階における酸・炭分圧の要件は、前記（ｃ）段階で更新設定された二酸化炭素分圧Ａ２と、呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とする請求項３７に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項３９】
前記（ｇ）段階のシャント率の要件は、酸素のシャント率Ｙ１と、二酸化炭素のシャント率Ｙ２との差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とする請求項２５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項４０】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記（ｇ）段階のシャント率の要件を満足しなければ、前記（ｂ）段階に戻って、生理的死腔率Ｘを更新することを特徴とする請求項２５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項４１】
前記（ｇ）段階で決定される呼吸特性値は、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊、末端毛細管血の酸・炭分圧Ｃ＊、シャント率Ｙ＊、または、生理学的死腔率Ｘ＊の中いずれか１つであることを特徴とする請求項２５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項４２】
前記（ｈ）段階で決定される心拍出量は、測定された吸気空気量ＶＩまたは呼気空気量ＶＥ、及び生理的死腔率Ｘ＊を利用して得られることを特徴とする請求項２５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項４３】
（ａ）血液境界値、気体境界値、血液補助情報値、気体補助情報値及び吸気流量が自動演算装置に入力される段階と、
（ｂ）シャント率Ｙの初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｃ）前記シャント率Ｙの初期値による肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）の設定値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｄ）前記境界値、初期値、及び設定値などが前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに適用される段階と、
（ｅ）前記演算ルーチンからの呼吸気体に関する方程式の解析結果によって新しい肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られる段階と、
（ｆ）前記肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）が酸・炭分圧の要件を満足すると、酸素の死腔率Ｘ１と二酸化炭素の死腔率Ｘ２が得られる段階と、
（ｇ）死腔率の要件が満足されると呼吸特性値が決定される段階と、
（ｈ）心拍出量が決定される段階と、
を包含してなることを特徴とする呼吸特性値の予測方法。
【請求項４４】
前記（ａ）段階において、前記血液境界値は混合静脈血の酸・炭分圧Ｖ＊として与えられるか、または、第３のソースから借用されることを特徴とする請求項４３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項４５】
前記（ａ）段階において、前記気体境界値は、吸気の酸・炭分圧Ｉ＊として酸・炭分圧が全て与えられるか、または、酸素分圧だけが与えられることを特徴とする請求項４３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項４６】
前記（ａ）段階において、前記血液補助情報値は、動脈血の酸・炭分圧ａ＊として酸・炭分圧が全て与えられるか、または、酸素分圧だけが得られることを特徴とする請求項４３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項４７】
前記（ａ）段階において、前記気体補助情報値は、呼気終末ガスの酸・炭分圧ＥＴ＊として酸・炭分圧が全て与えられるか、または、二酸化炭素分圧だけが与えられることを特徴とする請求項４３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項４８】
前記（ａ）段階において、前記吸気流量ＶＩは、外部から肺臓に入る空気流量であり、肺臓から外部に出る呼気流量ＶＥと同一に策定されることを特徴とする請求項４３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項４９】
前記（ｅ）段階において、前記呼吸気体の解析方程式は、酸素、二酸化炭素、及び窒素の質量平衡方程式を包含することを特徴とする請求項４３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項５０】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記（ｆ）段階の酸・炭分圧の要件を満足しなければ、前記（ｃ）段階に戻って、更新設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）に対して前記（ｄ）乃至（ｅ）段階を反復することを特徴とする請求項４３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項５１】
前記（ｃ）段階において、肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、繰り返しによって更新設定される酸素分圧Ａ１と、シャント率の初期値Ｙを考慮して得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊でなる分圧対（Ａ１、Ａ２＊）であることを特徴とする請求項５０に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項５２】
前記（ｅ）段階で得られる肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階で得られた肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２＊と、前記（ｃ）段階で決定された酸・炭分圧（Ａ１、Ａ２＊）を考慮して、酸素、二酸化炭素、窒素に関する質量平衡方程式及び気体分圧の和公式でなる呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧の更新推測値Ａ１＊の組合せでなることを特徴とする請求項５０に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項５３】
前記（ｆ）段階における酸・炭分圧の要件は、前記酸素分圧Ａ１と、呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧Ａ１＊の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とする請求項５２に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項５４】
前記（ｃ）段階において、肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、繰り返しによって更新設定される二酸化炭素分圧Ａ２と、シャント率の初期値Ｙを考慮して得られる酸素分圧Ａ１＊でなる分圧対（Ａ１＊、Ａ２）であることを特徴とする請求項５０に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項５５】
前記（ｅ）段階で得られる肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階で得られた肺胞ガスの酸素分圧Ａ１＊と、前記（ｃ）段階で決定された酸・炭分圧（Ａ１＊、Ａ２）を考慮して、酸素、二酸化炭素、窒素に関する質量平衡方程式及び気体分圧の和公式でなる呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧の更新推測値Ａ２＊の組合せでなることを特徴とする請求項５４に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項５６】
前記（ｆ）段階における酸・炭分圧の要件は、前記（ｃ）段階において更新設定された二酸化炭素分圧Ａ２と、呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とする請求項５５に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項５７】
前記（ｇ）段階のシャント率の要件は、酸素の死腔率Ｘ１と、二酸化炭素の死腔率Ｘ２の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とし、もし前記死腔率の要件を満足しなければ、前記（ｂ）段階に戻って生理的シャント率Ｙを更新することを特徴とする請求項４３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項５８】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記（ｇ）段階の死腔率の要件を満足しなければ、前記（ｂ）段階に戻って生理的シャント率Ｙを更新することを特徴とする請求項４３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項５９】
前記（ｇ）段階で決定される呼吸特性値は、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊、末端毛細管血の酸・炭分圧Ｃ＊、シャント率Ｙ＊、または生理学的死腔率Ｘ＊中のいずれか１つであることを特徴とする請求項４３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項６０】
前記（ｈ）段階で決定される心拍出量は、測定された吸気空気量ＶＩ、または呼気空気量ＶＥ、及び生理的死腔率Ｘ＊を利用して得られることを特徴とする請求項４３に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項６１】
請求項１、請求項１３、請求項２５、または請求項４３の中いずれか１項の呼吸特性値の予測方法によって予測された呼吸特性値が、前記自動演算装置に連結されて視覚的に表示される情報端末機を包含することを特徴とする呼吸特性値の表示装置。
【請求項６２】
前記呼吸特性値の表示装置は、前記情報端末機が前記自動演算装置に有線または無線で連結され携帯を可能にすることができることを特徴とする請求項６１に記載の呼吸特性値の表示装置。
【請求項６３】
前記自動演算装置は、コンピュータープロセッサーまたは内蔵チップ（ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｃｈｉｐ）を使用することを特徴とする請求項６２に記載の呼吸特性値の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、呼吸において吸気量ＶＩ（ＶＩと表記することもある）と吸気の酸素と二酸化炭素の分圧（以下、酸・炭分圧と略記する）Ｉ＊、また、呼気終末ガスの酸・炭分圧ＥＴ＊を測定し、動脈血の酸・炭ガス分圧ａ＊を測定し、前記測定における変数等をコンピューターに入力して混合静脈の酸・炭分圧Ｖ＊、肺胞の酸・炭分圧Ａ＊、また、末端毛細管血の酸・炭分圧Ｃ＊、肺胞の換気量ＶＡ＊、末端毛細血管のかん流量Ｑ、心拍出量Ｑｔｏｔａｌ、肺臓のシャント率Ｙ、死腔率Ｘなどの肺−肺循環系の呼吸特性値を予測する方法と装置を提供し、入力変数として気体と血液の前記基礎測定変数及び出力変数として呼吸器のいろいろな特性値をコンピューターの端末機、プリンター、ＰＤＡ、携帯電話などに有線や無線の方式でディスプレイして臨床医療・保健の情報とする装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
成人の心臓の重さは３５０〜４００ｇ、長さは１２〜１５ｃｍ、幅は略９ｃｍである。安静時の１分当りの心臓の拍動数は６０〜７０回で一日平均略１０万回、一生（７０歳基準）２６億回の拍動をする。体中にある血液は略５Ｌであり、１回の心拍出量は、略６０〜７０ｃｃ、１分当りの心拍出量は略３．５〜５．０Ｌで、心臓から出た血液が体の中を一回循環するごとに略４０〜５０秒かかる。心臓の時間当たり機械的エネルギーの生産量は、略６，０００ｃａｌで、７０年間の生産量を計算するとき、３０トンの岩石をエベレスト山の頂上まで引き上げる量に比肩される。心臓には２つのポンプがあり、心臓の収縮時に微細な時間間隔をおいて拍動するが、右心室は肺循環に、左心室は体循環に血液を吐出する。心臓には大動脈、肺動脈、冠状動脈、動脈、細動脈、毛細血管、細静脈、静脈、肺静脈、下大静脈、上大静脈など多くの血管があり、これらの総延長の長さは略９６，０００kmで地球赤道の周りを２回半も回る距離に相当する。また、外部からの電源供給がなくても自ら心臓が拍動するのは、右心房の筋肉の中にある洞房結節という細胞の塊りがあるため、緩慢なイオンチャンネル及び急速なイオンチャンネルを通じて略０．８秒の間隔で電気を集めた後に放電し、プルキンエ繊維素が電気を心臓周辺の筋肉に配分させることによって筋肉が統制された方法で興奮・収縮して弛緩するためである。
【０００３】
人体の心臓と肺における血液の循環手順は、図１で示すように右心室２７０→（肺動脈弁）肺動脈２４０→肺毛細血管２５０→肺静脈２３０→左心房２８０→（僧帽弁）左心室２９０→（大動脈弁）大動脈２１０→動脈→全身毛細血管３００→静脈→大静脈２２０→右心房２６０→（三尖弁）右心室２７０の経路を繰り返す。前記循環経路のうち、特に肺循環は小循環ともいい、図２で示すように右心室２７０から出た血液は、肺動脈２４０を通じて左右の肺２００に到達し、肺胞１２０の周りに直径が数μｍの大きさである毛細血管に分布されて広がり、ここで、薄い肺胞膜を通じて呼吸空気と血液間に非常に急速な酸素と二酸化炭素の交換をなした後、肺静脈２３０を通じて再び左心房２８０に戻る循環である。したがって、肺動脈２４０には、細胞の代謝によって二酸化炭素の多い静脈血が流れ、肺静脈にはガス交換によって酸素が豊富な動脈血が流れる。
【０００４】
前記のような呼吸器におけるガス交換過程は、血液から老廃物である二酸化炭素を除去し、代謝に必要な酸素を摂取して生命を維持する機能であって、人体は、その血液中に酸素の予備的貯蓄が少ないため呼吸が停止すれば数分内に死亡することになる。また、呼吸器のガス交換特性に係る情報は、臨床医にとっては、医学的に呼吸器患者、殊に重態患者の呼吸機能、代謝機能、心拍機能、回復程度などを判断するにおいて重要な情報源となる。この他にも、地下鉄、汽車、バス、潜水艦、昇降機など密閉された空間に群集した乗り込み人が長時間搭乗する時に二酸化炭素の増加によって起る呼吸困難症候群及び換気の問題や、高山登攀者や高山地帯の住民が経験する希薄空気または低い大気圧による高山呼吸症候群や、スポーツ医学における運動選手の競技力向上のための呼吸生理と関連された変数測定及び記録分析、火災などの事故による煙に窒息されて気道や肺細胞が損傷された患者の心肺機能評価、長期間の直接または間接喫煙に関連する被害者の心肺器官のガス交換特性の変化測定や、健康走りやヘルスセンター運動など生活スポーツに係る利用者の心肺能力の変化測定などの手段としても有用な情報となる。しかし、これらの必要な情報を専門家が患者や被検者の体に対して侵襲的な方法によって直接測定することは患者に苦痛と危険を加えるだけでなく、時間と経費を必要するとともに、ある種の測定は初めから不可能なこともある。したがって、非侵襲的かつリアルタイムで予測することのできるように、呼吸換気の分析と動脈血の基礎情報に基づいて臨床医と患者自身に、必要とする呼吸特性値などの変数を実時間で数学的生理モデルによって予測して提供することができれば非常に望ましいことであろう。
【０００５】
心臓から肺に供給される血液の総量（心拍出量）を予測する第１の方法としては、特許文献１（心拍出量測定用カテーテル及び血液流速測定用カテーテル）の代表図、本願図３に図示する従来のカテーテルを利用した直接的な測定法がある。前記カテーテル５００は、熱希釈法によって心拍出量を測定するために液体の吐出を行う開口部５１０と、前記開口部５１０から所定距離をおいて配設された温度検出素子サーミスター（ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）５２０を包含し、前記液体によって希釈された血液温度を検出する温度検出手段５３０と、前記サーミスター５２０のあたりに血流速度に対する信号を検出する血液流速信号の検出手段５４０とを包含する複雑な要素によって構成され、また、前記血液流速信号の検出手段５４０は、自己発熱型サーミスターを包含し、前記血流速度に対する信号は前記サーミスターが検出した熱平衡温度であることを特徴としている。
【０００６】
前記カテーテルを利用する測定方法は、図４に示すように肺動脈用のカテーテルを頸静脈、大腿静脈、または主大静脈などに導管して、上大静脈または下大静脈、右心房２６０、右心室２７０を経て肺動脈までに挿入し、血液より高温または低温の液体を右心房２６０に注入した後、右心房２６０と右心室２７０で拡散希釈された液体の温度を肺動脈の中に位置しているサーミスターにより検知することによって心拍出量を算出する方法である。これは熱希釈法（ｔｈｅｒｍｏｄｉｌｕｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）として分類される侵襲的な方法である。
【０００７】
第２の方法としては、図５に図示した特許文献２（心拍出量と心電図をモニタリングするための電極設置方法及びこれを利用した装置）のように、手（または足）または腕（または脚）に多数の電極を設置してこれらから収集された電気信号を分析して心拍出量を評価する電極信号分析法がある。図５を参照してこの方法をより詳細に説明する。人体の右手（または腕）と右足（または脚）に設置される電流電極３２ａ、３２ｂと、人体の左手（または腕）と左足（または脚）に設置される電圧電極３４ａ、３４ｂと、制御信号に従って前記電極３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂを心拍出量測定部４００ａまたは心電図測定部４００ｂの中、１つに連結するスイッチング手段４００ｃと、前記スイッチング手段４００ｃを通じて連結された電流電極３２ａ、３２ｂに高周波電流を印加して、前記電圧電極３４ａ、３４ｂから電圧を測定して心拍出量を測定する心拍出量測定手段と、前記スイッチング手段４００ｃを通じて連結された電圧電極３４ａ、３４ｂから差動信号の入力を受けて心電図（ＥＣＧ）を測定する心電図測定手段と、使用者の要求によって前記スイッチング手段４００ｃに前記制御信号を提供して、前記心拍出量の測定手段及び前記ＥＣＧ測定手段の測定値を入力して表示部に表示するように制御する制御手段とを包含して構成されることを特徴としている。
【０００８】
第３の方法は、呼気ガスを測定して非侵襲的に心拍出量を評価するＮＩＣＯ（Ｎｏｎ  Ｉｎｖａｓｉｖｅ  Ｃａｒｄｉａｃ  Ｏｕｔｐｕｔ）と称する方法がある。代表的なものとしてＮｏｖａｍｅｔｒｉｘ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社で開発した“部分的二酸化炭素の再呼吸法（Ｐａｒｔｉａｌ  ＣＯ２  ｒｅｂｒｅａｔｈｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）”がある。この方法は、呼気ガスの中から二酸化炭素の分圧を測定し、これを使用して二酸化炭素に関するＦｉｃｋ方程式の解を得て心拍出量を評価する方法である。しかし、この方法は、酸素の拡散に関する情報が使用されないことによって入力変数は簡潔であるが予測の正確度が低いという問題がある。
【０００９】
第４の方法は、特許文献３に開示されているように、測定された心拍出量、酸素吸入量及び動脈血の酸素分圧などの過重な入力変数を使用し、酸素に関するＦｉｃｋ方程式を解いて混合静脈血の酸素分圧を得る方法である。
【００１０】
以上のように従来の測定法を検討した結果、前記第１の方法は、正確ではあるが深刻な侵襲的方法のために施術を受ける患者には施術上の苦痛とともに、合併症または感染の危険を冒すことがあり、第２の方法は、人体の特定部位に電極を正確に装着しなければならない実行上の煩わしさがあり、第３の方法は、二酸化炭素分圧の測定値のみをＦｉｃｋ方程式に使用することによって、解法過程が簡単というメリットはあるが、方程式の数が少なく、血液中の赤血球細胞に結合される酸素の情報が漏落されることによって予測される情報の量が少なく、正確性も低くなるので心拍出量が６Ｌ／ｍｉｎ程度でなければ、信頼性が劣ると知られている。第４の方法も、酸素に関するＦｉｃｋ方程式という制限された数式のみを利用するという点で、また、動脈波を探知するトランスジューサ（圧電センサー）を設置してここから出る心拍出量の情報を利用するので、使用の不便と正確性が低く、また、混合静脈血の炭酸ガス分圧の予測なしに酸素分圧のみを予測するという点で情報が制限的である。以上の先行技術と本願発明を概略的に対比するとき、本願発明は、酸素と二酸化炭素に関する質量を全て保存させる質量平衡方程式、シャント率方程式、呼吸率方程式、換気−かん流比方程式など増加した数の数式を利用し、心拍出量と混合静脈の酸・炭分圧の情報はもちろん、肺のシャント率、死腔率、末端毛細血管の酸・炭分圧の情報などを呼吸モデルの分類と解析方法によって素早く計算し、その結果によって有用かつ正確な医学情報を非侵襲の方法でリアルタイムに提供することを特徴としているので、本発明の技術思想と先行技術とは大きな差異がある。
【００１１】
人体の肺臓には、健康な人でも大・小の差はあるがシャントと生理学的な死腔があり、呼吸器患者の場合は、特にこれが深刻な程度になるため呼吸機能に相当な障害を起す。したがって、シャントと生理学的な死腔を考慮しない方法によって予測された呼吸特性値は、理想的な肺臓に対する結果のみであるため、実際の患者に対する臨床的測定値とはその分誤謬があると見ても間違いない。また、たとえシャントと死腔を考慮して呼吸問題を設定して解析するとしても、呼吸関連方程式の数式化の方法と、その解法の精密度によってはなお、無視することのできない誤謬が発生することもある。ここで、本発明は酸素の質量平衡方程式、二酸化炭素の質量平衡方程式、酸素のシャント率方程式、二酸化炭素のシャント率方程式、換気の呼吸率方程式、血液の呼吸率方程式、酸素の換気−かん流比方程式、二酸化炭素の換気−かん流比方程式など増加した数の数式を利用して、シャントと生理学的死腔を決定するとともに肺胞のガス分圧、肺胞換気量、かん流、心拍出量、呼吸率などの呼吸変数らが体系的に得られる独特な方法を提供している。
【００１２】
肺臓のガス交換過程は、血液が拡散を通じて二酸化炭素を捨てるとともに酸素を取り込む過程であるため、必ず２つの成分ガスの分圧の増・減が反対方向に起る連結環を有している。一般的に呼気末に肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と末端毛細血管の酸・炭分圧Ｃ＊は平衡を通じてＡ＊＝Ｃ＊になる。もし、肺臓に生理学的死腔がある場合、ガス交換ができなかった非機能性空気が混合され、肺胞でガス交換を終えた機能性空気に比べて呼気終末のガスは二酸化炭素分圧が低く、酸素分圧は高い。また、シャントがある場合、ガス交換ができなかった非機能性血液が混合され、末端毛細血管でガス交換を終えた機能性血液に比べて動脈血においては酸素分圧が低く、二酸化炭素の分圧は高い。したがって、呼気終末ガスや動脈血のガス分圧に対する測定が、そのまま、肺臓内部の肺胞ガスや末端毛細管血のガス分圧の予測に連結されなく、肺胞ガスや末端毛細管血の採取自体も非常に難しいので、直接的な測定を通じて末端毛細管血や肺胞ガスの酸・炭ガス分圧を検査することはほとんど不可能である。したがって、シャントや生理学的死腔を考慮して人体の心肺器官に関連されたいろいろな生理特性値を予測することは非常に重要であり、従来方法と比べて非侵襲的かつ体系的にリアルタイムで素早い予測手段と装置を提供する本発明は、進一歩の思想と測定方法と言える。
【特許文献１】韓国公開特許特１９８７−０００２０２７号明細書
【特許文献２】韓国公開特許第１０−１９９９−００００４１７号明細書
【特許文献３】韓国公開特許特１９９９−２２４９３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、前記背景技術で説明したように、従来技術における施術上の患者の苦痛や感染などの危険性、副作用、不正確、遅延性などの問題を解決するべく案出された新規の発明であって、本発明の目的は、呼吸の換気ガスにおいて吸気や呼気の流量と、その酸・炭分圧を測定し、動脈血の酸・炭分圧を測定して入力変数とし、これらを用いて酸素と二酸化炭素に関する質量平衡方程式などの数式群をコンピューターによって解析する方法を提供する。前記結果の解析によって呼吸器官における混合静脈血の酸・炭分圧、末端毛細管血の酸・炭分圧、肺胞ガスの酸・炭分圧、心拍出量、シャント率、さらに生理的死腔率などを正確に予測する方法と装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するために、本発明は、換気ガスを通過させるノズル手段と、前記ノズルに付着されたガスセンサーを通じて吸気の流量ＶＩ（ＶＩと略記する）、この酸・炭分圧Ｉ＊と呼気終末ガスの酸・炭分圧ＥＴ＊などを測定して呼吸気体の基礎変数とする段階と、動脈血の酸・炭分圧ａ＊を測定する段階と、前記測定変数らを入力して酸素と二酸化炭素に関する質量平衡方程式（ｍａｓｓ  ｂａｌａｎｃｅ  ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）などの数式群をコンピューターによって解析して呼吸器官のいろいろ重要な生理特性値を獲得する段階とを包含してなることを特徴とする。前記の生理特性値は、出力変数として混合静脈血と末端毛細管血（または共に肺胞ガス）の酸・炭分圧のような呼吸機能特性値、心拍出量のような心拍機能特性値、シャント率及び生理学的死腔率のような肺臓構造の特性値からなることを特徴とする。また、赤血球のヘモグロビンなどと結合／分離され、血液と呼吸空気の中に拡散される酸素及び二酸化炭素の分圧と濃度は、肺胞と末端毛細血管で互いに平衡に到達して、該当する気体の解離曲線を通じて相互変換可能であることを特徴とする。
【００１５】
前記において、入力データとして取り込む基礎測定変数は、その数が少ないことと比べて得ようとする呼吸特性値は、その数が非常に多いので、本発明においては、酸素の質量平衡方程式、二酸化炭素の質量平衡方程式、酸素のシャント率方程式、二酸化炭素のシャント率方程式、換気の呼吸率方程式、血液の呼吸率方程式、酸素の換気−かん流比方程式、二酸化炭素の換気−かん流比方程式などと既存の方法に比べてより多い数の数式に基づいてシステムを構築して解析することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、換気ガスと動脈血の酸素と二酸化炭素との分圧を非侵襲的に決定する測定装置と、心肺器官の血液呼吸特性、心拍機能特性、肺臓機能特性などの生理特性を評価するために数多いデータを順次的に解析することができるように二つの呼吸モデルに分類することと、前記のそれぞれの呼吸モデルに対するコンピューターの解析方法と、これに対応できる演算装置とによって構成されることを特徴とし、本発明の方法は、肺臓にシャントや生理的死腔のない場合を含めて、それのある場合にも正確かつ有効な方法としてのメリットがある。これは従来の肺動脈用カテーテルを右心房、右心室を経由して肺動脈にまで挿入する熱希釈法とは異なり、測定対象者に苦痛を与えるとともに、これによって起る感染と合併症のおそれがなく、また、手と足に電極を正確に装着しなければ正確な電気的生態信号を受けられない電極付着法のような煩わしさがなく、呼吸によって発生する二酸化炭素データだけを使用するＮｏｖａｍｅｔｒｉｃｓ社のＣＯ２−再呼吸法のように、特定の狭い心拍出量の範囲においてのみ有効なＣＯ２−再呼吸法とは異なり、肺胞毛細血管において二酸化炭素はもちろん、酸素拡散による平衡も考慮するため、広い範囲における心拍出量に対して肺臓−肺循環系の各種呼吸特性値を正確に予測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明においては、前記のように多い数の数式群を解析するための方法として、呼吸問題を入力変数の少ない＜第１呼吸モデル＞と、入力変数の多い＜第２呼吸モデル＞に分類し、＜第１呼吸モデル＞で導出された解析方法と結果を、より複雑なデータである＜第２呼吸モデル＞の解法として使用する系統的な方法を採択する。
【００１８】
先ず、＜第１呼吸モデル＞はシャントや生理学的死腔のない肺臓に対するものであって、血液境界値として混合静脈の酸・炭分圧Ｖ＊が、気体境界値として吸気の酸・炭分圧Ｉ＊が与えられる理想的な場合であり、＜第２呼吸モデル＞は肺臓にシャントや生理学的死腔のある場合であって、血液境界値として混合静脈血の情報Ｖ＊が、また、血液補助情報値として動脈血の酸・炭分圧ａ＊が与えられ、あわせて気体境界値として吸気ガス情報Ｉ＊が、また気体補助情報値として呼気終末ガスの酸・炭分圧ＥＴ＊が与えられる場合である。また、前記の呼吸モデルらは、数値を解析する上で、どんな変数の値を優先的に取り扱うことかに従って二つの類型を有する。本発明においては便宜のため＜第１呼吸モデル：第１類型＞、＜第１呼吸モデル：第２類型＞と＜第２呼吸モデル：第１類型＞、＜第２呼吸モデル：第２類型＞に分類して説明する。
【００１９】
先ず、本発明の呼吸特性値の予測方法である＜第１呼吸モデル：第１類型＞は、（ａ）混合静脈の酸・炭分圧と吸気ガスの酸・炭分圧がそれぞれ血液及び気体の境界値として自動演算装置に入力される段階と、（ｂ）換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑが前記自動演算装置に入力される段階と、（ｃ）肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）の推測値が設定されて前記自動演算装置に入力される段階と、（ｄ）前記境界値、設定値及び推測値が前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに適用される段階と、（ｅ）前記演算ルーチンにおいて呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって、肺胞ガス分圧の更新された推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られる段階と、（ｆ）前記肺胞ガス分圧の更新された推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）を考慮して、呼吸気体に関連された式から換気−かん流比の推測値ＶＡ／Ｑ＊が得られる段階と、（ｇ）前記換気−かん流比の推測値ＶＡ／Ｑ＊が換気−かん流比の要件を満足するかが判定される段階と、（ｈ）前記換気−かん流比ＶＡ／Ｑ＊に対応する前記肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ１＊、Ａ２＊）が解として確定される段階とを包含してなることを特徴とする。
【００２０】
前記（ａ）段階において、前記混合静脈の酸・炭分圧Ｖ＊と前記吸気ガスの酸・炭分圧Ｉ＊は直接測定された値であるか、または、第３のソースから借用された値であることを特徴とする。
【００２１】
前記（ｅ）段階において、前記呼吸気体に関する方程式群は、酸素、二酸化炭素、及び窒素の質量平衡方程式及び気体分圧のダルトンの和公式（Ｄａｌｔｏｎ  Ｒｅｓｓｕｍａｔｉｏｎ  Ｆｏｒｍｕｌａ）である＜式（３）〜式（６）＞と換気−かん流比式＜式（１１）〜（１２）＞であることを特徴とし、さらに具体的には、前記（ｂ）段階の設定値ＶＡ／Ｑを酸素の質量平衡方程式＜式（３）＞または酸素の換気−かん流比式＜式（１１）＞に代入して得られる肺胞ガスの酸素分圧Ａ１＊、または、前記の設定値ＶＡ／Ｑを二酸化炭素の質量平衡方程式＜式（４）＞または二酸化炭素の換気−かん流比式＜式（１２）＞に代入して得られる肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２＊を得る式であることを特徴とする。
【００２２】
前記（ｇ）段階において、前記換気−かん流比の要件は、直接的に前記（ｂ）段階で計算された換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑと、前記（ｆ）段階で得られた前記変数の推測値ＶＡ／Ｑ＊の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とし、もし前記換気−かん流比の要件が満足されなければ、前記（ｃ）段階に戻って改めて設定された肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）に対して前記（ｄ）乃至（ｇ）段階を反復することを特徴とする。
【００２３】
また、前記（ｇ）段階において、前記換気−かん流比の要件は、間接的に前記（ｃ）段階で入力された前記肺胞ガスの酸・炭分圧の設定値（Ａ１、Ａ２）と、前記（ｅ）段階で得られた前記肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）の差がそれぞれ一定範囲内にあるかを対比して判断する段階でもある。
【００２４】
前記（ｃ）段階において、改めて設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、一定の規則によって更新される二酸化炭素分圧Ａ２と、これに連係される換気−かん流比式から得られた酸素分圧の推測値Ａ１＊を取ってなる対であることを特徴とし、前記（ｅ）段階から得られる肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階から得られた酸素分圧の推測値Ａ１＊と、これを考慮して呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊の対でなることを特徴とする。
【００２５】
前記（ｃ）段階において、改めて設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は一定の規則によって更新設定された酸素分圧Ａ１と、この値が考慮されて換気−かん流比式から得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊を取ってなる対であることを特徴とし、前記（ｅ）段階から得られる肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階から得られた二酸化炭素分圧の推測値Ａ２＊と、これを考慮して呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧Ａ１＊の対でなることを特徴とする。
【００２６】
前記（ｈ）段階における肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｂ）段階で与えられた換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑ乃至ＶＡ／Ｑ＊を考慮して、前記（ｃ）乃至（ｅ）段階で得られた解（Ａ１＊、Ａ２＊）でなることを特徴とする。
【００２７】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記（ｈ）段階において、前記（ｂ）段階の換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑに対応する肺胞ガスの酸・炭分圧の解Ａ＊を得た後に、前記（ｂ）段階に戻って前記換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑが更新設定されて、前記（ｃ）乃至（ｈ）段階を反復することを特徴とする。
【００２８】
また、前記呼吸特性値の予測方法は、前記（ａ）乃至（ｈ）段階を反復して望む全ての換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑに対応する肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊の分布が得られることを特徴とする。
【００２９】
前記（ｈ）段階において、前記換気−かん流比の要件とは、酸素のＦｉｃｋ方程式＜式（１）＞から誘導された換気−かん流比の方程式＜式（９）＞、または、酸素の質量平衡方程式＜式（３）＞から誘導された換気−かん流比の方程式＜式（１１）＞による換気−かん流比と、二酸化炭素のＦｉｃｋ方程式＜式（２）＞から誘導された換気−かん流比の方程式＜式（１０）＞、または二酸化炭素の質量平衡方程式＜式（４）＞から誘導された換気−かん流比の方程式＜式（１２）＞による換気−かん流比が一定範囲内の値を有することになる要件を意味し、前記換気−かん流比の要件が満足されると、呼吸特性値が決定される特徴を有する。
【００３０】
すなわち、本発明における呼吸特性値の予測方法＜第１呼吸モデル＞の解法は、換気−かん流比の曲線またはＫｅｌｍａｎの曲線と関連されたものであって、＜第１呼吸モデル：第１類型＞の方法及びこの解析のための演算ルーチンを付加して説明する。先ず、演算ルーチンは、本発明者らによって作製されたコンピュータープログラムによって、コンピューター内で作動され、前記予測方法を解析するための主要構成は、以下のループまたは段階を包含する。外部ｄｏ−ｌｏｏｐを設けて換気−かん流比ＶＡ／Ｑの初期値を与え、内部ｄｏ−ｌｏｏｐを設けてここで肺胞ガスの酸素分圧情報Ａ１を初期値として与え（これをＡ１＊と表記する）、二酸化炭素分圧Ａ２＊を質量平衡方程式を解いて算出し、この値の対（Ａ１＊、Ａ２＊）を使用して換気−かん流比ＶＡ／Ｑ＊を計算する。換気−かん流比の要件であるＶＡ／Ｑ＝ＶＡ／Ｑ＊が満足されると（Ａ１＊、Ａ２＊）を解として取り、内部ｄｏ−ｌｏｏｐを外す。外部ｄｏ−ｌｏｏｐにおいて、ＶＡ／Ｑの初期値を更新することになるが、前記の計算過程を反復することによって、一定の規則で変化するＶＡ／Ｑの値に対応する肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊の集合であるＫｅｌｍａｎの曲線を得ることになり、前記曲線を換気−かん流比の曲線またはＣＯ２−ＣＯ２  Ｄｉａｇｒａｍとも称する。前記＜第１呼吸モデル＞はシャントや生理的死腔がない場合であるため、得られた肺胞の酸・炭分圧Ａ＊は末端毛細管血の情報Ｃ＊、呼気終末ガスの情報ＥＴ＊、動脈血の酸・炭分圧ａ＊の中のいずれか１つと同一の値になることを特徴とする。
【００３１】
次いで、本発明における呼吸特性値の予測方法である＜第１呼吸モデル：第２類型＞は、肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）の設定値を利用する方法であって、（ａ）混合静脈の酸・炭分圧と吸気ガスの酸・炭分圧がそれぞれ血液と気体の境界値として自動演算装置に入力される段階と、（ｂ）肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）の設定値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｃ）前記肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）及び換気−かん流比式から得られる換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑが前記自動演算装置に入力される段階と、（ｄ）前記境界値ら及び設定値が前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに適用される段階と、（ｅ）前記演算ルーチンにおいて呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって新しい肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られる段階と、（ｆ）前記得られた肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）が使用され、換気−かん流比の式から換気−かん流比の推測値ＶＡ／Ｑ＊が得られる段階と、（ｇ）換気−かん流比の要件によって前記肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）が適正であるかが判定される段階と、（ｈ）前記換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑに対応する肺胞ガスの酸・炭分圧が決定される段階とを包含してなることを特徴とする。
【００３２】
前記（ａ）段階において、前記混合静脈の酸・炭分圧Ｖ＊と前記吸気ガスの酸・炭分圧Ｉ＊は直接測定された値であるか、または、第３のソースから借用された値であることを特徴とし、前記（ｅ）段階において、前記呼吸気体に関する方程式群は、酸素、二酸化炭素、及び窒素の質量平衡方程式と気体分圧の和公式を包含することを特徴とする。
【００３３】
また、前記（ｇ）段階において、前記換気−かん流比の要件は、換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑと、前記（ｆ）段階から得られる換気−かん流比の推測値ＶＡ／Ｑ＊の差異が一定の範囲内にあるかを対比する判断されることを特徴とし、もし前記換気−かん流比の要件が満足されなければ、前記（ｂ）段階に戻って、改めて設定された肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）に対して前記（ｃ）乃至（ｇ）段階を反復することを特徴とする。
【００３４】
前記（ｂ）段階において、改めて設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、初期値に設定された二酸化炭素分圧Ａ２と、前記二酸化炭素分圧を考慮して酸素の質量平衡方程式を解いて得られる酸素分圧Ａ１の対でなることを特徴とし、前記（ｅ）段階から得られる肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｂ）段階の二酸化炭素分圧の初期値Ａ２（これをＡ２＊と更新して表記する）と、これを考慮して呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧Ａ１＊の組合せでなることを特徴とする。
【００３５】
前記（ｂ）段階において、改めて設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、初期値に設定された酸素分圧Ａ１と、前記酸素分圧を考慮して二酸化炭素の質量平衡方程式を解いて得られる二酸化炭素分圧Ａ２の対でなることを特徴とし、前記（ｅ）段階から得られる肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｂ）段階の酸素分圧の初期値Ａ１（これをＡ１＊と更新して表記する）と、これを考慮して呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊の組合せでなることを特徴とする。
【００３６】
前記（ｈ）段階において、前記換気−かん流比の要件は、直接的に、前記（ｃ）段階で計算された換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑと、前記（ｆ）段階で得られた前記変数の推測値ＶＡ／Ｑ＊の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とし、もし前記換気−かん流比の要件が満足されなければ、前記（ｂ）段階に戻って改めて設定された肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）に対して前記（ｃ）乃至（ｈ）の段階を反復することを特徴とする。
【００３７】
また、前記（ｈ）段階において、前記換気−かん流比の要件は、間接的に、前記（ｂ）段階で入力された前記肺胞ガスの酸・炭分圧の設定値（Ａ１、Ａ２）と、前記（ｅ）段階で得られた前記肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）の差がそれぞれ一定の範囲内にあるかを対比して判断する段階である。
【００３８】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記肺胞ガスの酸・炭分圧の設定値（Ａ１、Ａ２）、または、これに対応する換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑに対して、肺胞ガスの酸・炭分圧の最終解（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られると、前記（ｂ）段階に戻って前記肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ１が更新され、続いて前記（ｃ）〜（ｈ）段階を反復することを特徴とする。
【００３９】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記肺胞ガスの酸・炭分圧の設定値（Ａ１、Ａ２）、または、これに対応する換気−かん流比の設定値ＶＡ／Ｑに対して、肺胞ガスの酸・炭分圧の解（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られると、前記（ｂ）段階に戻って前記肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２が更新され、続いて前記（ｃ）〜（ｈ）の段階を反復することを特徴とする。
【００４０】
しかし、実際的な呼吸特性値の予測方法においては、シャントや生理学的死腔を考慮せざるを得ないので、本発明は、拡張された呼吸特性値の予測方法として＜第２呼吸モデル＞を提示する。このうちの、＜第２呼吸モデル：第１類型＞は、生理学的死腔率Ｘが初期値として与えられる場合であり、また＜第２呼吸モデル：第２類型＞は、シャント率Ｙが初期値として与えられる場合であり、それに対して以下詳細に説明する。
【００４１】
本発明の＜第２呼吸モデル：第１類型＞は、（ａ）血液境界値、気体境界値、血液補助情報値、気体補助情報値及び吸気流量が自動演算装置に入力される段階と、（ｂ）生理的死腔率Ｘの初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｃ）前記生理的死腔率Ｘの初期値を考慮して、肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）の設定値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｄ）前記境界値、初期値、及び設定値らが前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに適用される段階と、（ｅ）前記演算ルーチンからの呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって新しい肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られる段階と、（ｆ）前記肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値が、酸・炭分圧の要件を満足すると、酸素のシャント率Ｙ１と二酸化炭素のシャント率Ｙ２が得られる段階と、（ｇ）シャント率の要件が満足されると呼吸特性値が決定される段階と、（ｈ）心拍出量が決定される段階とを包含してなることを特徴とする。
【００４２】
前記（ａ）段階において、前記血液境界値は、混合静脈血の酸・炭分圧Ｖ＊として与えられるか、または、酸素分圧だけが与えられることを特徴とし、前記（ａ）段階において、前記気体境界値は、吸気の酸・炭分圧Ｉ＊として酸・炭分圧が全て与えられるか、または、酸素分圧だけでなることを特徴とし、前記（ａ）段階において、前記血液の補助情報値は、動脈血の酸・炭分圧ａ＊として酸・炭分圧が全て与えられるか、または、酸素分圧だけでなることを特徴とする。
【００４３】
前記（ａ）段階において、前記気体の補助情報値は、呼気終末ガスの酸・炭分圧ＥＴ＊として酸・炭分圧が全て与えられるか、または、二酸化炭素分圧だけが与えられることを特徴とし、前記（ａ）段階において、前記吸気流量ＶＩは、外部から肺臓に入る空気流量であり、平常呼吸の場合、肺臓から外部に出る呼吸流量ＶＥと同一に策定されることを特徴とする。
【００４４】
前記（ｅ）段階において、前記呼吸気体の解析方程式は、酸素、二酸化炭素、及び窒素の質量平衡方程式と気体分圧の和公式であることを特徴とする。
【００４５】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記（ｆ）段階の酸・炭分圧の要件が満足されなければ、前記（ｃ）段階に戻って、更新設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）に対して前記（ｄ）乃至（ｅ）段階を反復することを特徴とする。
【００４６】
前記（ｃ）段階において、肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、反復によって更新設定される酸素分圧Ａ１と、死腔率の初期値Ｘを考慮して得られる二酸化炭素分圧Ａ２（これをＡ２＊とも表記する）でなる分圧対（Ａ１、Ａ２＊）であることを特徴とする。
【００４７】
前記（ｅ）段階で得られる肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階で得られた肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２＊と、前記（ｃ）段階で決定された酸・炭分圧（Ａ１、Ａ２＊）を考慮して、酸素、二酸化炭素、窒素に関する質量平衡方程式及び気体分圧の和公式でなる呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧の更新推測値Ａ１＊の組合せでなることを特徴とする。
【００４８】
前記（ｆ）段階における酸・炭分圧の要件は、前記（ｃ）段階で更新設定された酸素分圧Ａ１と、呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧Ａ１＊の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とする。
【００４９】
前記（ｃ）段階において、新しい肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、反復によって更新設定される二酸化炭素分圧Ａ２と、死腔率の初期値Ｘを考慮して得られる酸素分圧Ａ１（これをＡ１＊とも表記する）でなる分圧対（Ａ１＊、Ａ２）であることを特徴とする。
【００５０】
前記（ｅ）段階で得られる肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階から得られた肺胞ガスの酸素分圧Ａ１＊と、前記（ｃ）段階で決定された酸・炭分圧（Ａ１＊、Ａ２）を考慮して酸素、二酸化炭素、窒素に関する質量平衡方程式及び気体分圧の和公式でなる呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧の更新推測値Ａ２＊の組合せでなることを特徴とする。
【００５１】
前記（ｆ）段階における酸・炭分圧の要件は、前記（ｃ）段階で更新設定された二酸化炭素分圧Ａ２と、呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とする。
【００５２】
前記（ｇ）段階のシャント率の要件は、酸素のシャント率Ｙ１と、二酸化炭素のシャント率Ｙ２との差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とし、もし前記シャント率の要件を満足しなければ、前記（ｂ）段階に戻って、生理的死腔率Ｘを更新することを特徴とする。
【００５３】
すなわち、前記＜第２呼吸モデル：第１類型＞は、酸素分圧Ａ１に動脈血の酸素分圧ａ１より大きい任意の値が初期値として設定され、死腔率の初期値Ｘとこれを考慮して計算された二酸化炭素分圧の初期値Ａ２が自動演算装置に入力される。前記初期値らが二酸化炭素の質量平衡方程式＜式（４）＞または＜式（１２）＞に代入されて換気−かん流比の対応値ＶＡ／Ｑが得られ、前記初期値らとＶＡ／Ｑ値が酸素の質量平衡方程式＜式（３）＞または＜式（１１）＞に代入されて肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１＊が得られる。酸素シャント率Ｙ１と二酸化炭素シャント率Ｙ２の差が一定範囲内にいなければ、前記（ｂ）段階に戻って改めて死腔率Ｘを設定し、これから新しい二酸化炭素分圧の予測値Ａ２＊の値が得られ、前記と同一の計算を反復することによって、新しい肺胞ガスの酸素分圧Ａ１＊＊が得られる。これからさらに酸素シャント率Ｙ１＊と二酸化炭素シャント率Ｙ２＊を得て、前記２つの値の差が一定範囲内になるまで計算を反復して肺胞の酸・炭分圧を得る。
【００５４】
前記（ｇ）段階で決定される呼吸特性値は、前記反復過程において、最も最近に貯蔵された肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ１＊、Ａ２＊）、末端毛細管血の酸・炭分圧Ｃ＊、シャント率Ｙ１＊またはＹ２＊、生理学的死腔率Ｘ＊であることを特徴とする。
【００５５】
また、前記（ｈ）段階で決定される心拍出量は、測定された吸気空気量ＶＩまたは呼気空気量ＶＥ、かん流量Ｑ、シャント率Ｙ＊、そして、生理的死腔率Ｘ＊などを利用して心拍出量の式＜式（１５）〜式（１６）＞から得られることを特徴とする。
【００５６】
すなわち、＜第２呼吸モデル：第１類型＞は、血液入力変数としては混合静脈の情報Ｖ＊と、動脈血の情報ａ＊とが、また、気体入力変数としては吸入ガスの情報Ｉ＊と呼気終末ガスの情報ＥＴ＊とが与えられる場合である。本モデルにおける問題の解析方法及びこの解析のための演算ルーチンをさらに敷衍して説明する。先ず、演算ルーチンは、本発明者によって作製されたコンピュータープログラムによりコンピューター内で作動され、前記予測方法を解析するための主要構成は、以下のループまたは段階を包含する。外部ｄｏ−ｌｏｏｐを設置して死腔率Ｘの初期値を設定する段階と、内部ｄｏ−ｌｏｏｐで肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値を与え、質量平衡方程式の数式群を解析した結果によって、肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２を得る段階と、または内部ｄｏ−ｌｏｏｐで肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値を与え、質量平衡方程式の数式群を解いた結果によって肺胞ガスの酸素分圧Ａ２を得る段階と、前記の肺胞ガスの酸・炭分圧の設定データ（Ａ１、Ａ２）を使用して酸素のシャント率Ｙ１を、式（７）から得るとともに、シャント率Ｙ２を式（８）から得ることにより、シャント率の要件としてこの二つの値が同一であるかを試験する段階と、シャント率の要件を満足しなければ、外部ｄｏ−ｌｏｏｐの初期に戻って死腔率Ｘの初期値を更新して前記の計算を繰り返す反復段階と、シャント率の要件を満足する場合、内部と外部のｄｏ−ｌｏｏｐを全て外す。このとき、記憶素子に最後に貯蔵された値から肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊、シャント率Ｙ＊、生理学的死腔率Ｘ＊などを取り入れて問題の解答とする段階と、その次に入力された吸入空気量ＶＩ（またはＶＩとも表記する）、計算されたかん流量Ｑ、死腔率Ｘ＊とシャント率Ｙ＊の値を用いて、心拍出量の方程式＜式（１５）＞または＜式（１６）＞に従って心拍出量Ｑｔｏｔａｌを決定する。
【００５７】
一方、本発明の他の呼吸特定値の予測方法である＜第２呼吸モデル：第２類型＞は、（ａ）血液境界値、気体境界値、血液の補助情報値、気体の補助情報値及び吸気流量が自動演算装置に入力される段階と、（ｂ）シャント率Ｙの初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｃ）前記シャント率Ｙの初期値による肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）の設定値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｄ）前記境界値、初期値、及び設定値などが前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに適用される段階と、（ｅ）前記演算ルーチンにおいて呼吸気体に関する方程式の解析結果によって新しい肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）が得られる段階と、（ｆ）前記肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１＊、Ａ２＊）が酸・炭分圧の要件を満足すると酸素の死腔率Ｘ１と二酸化炭素の死腔率Ｘ２が得られる段階と、（ｇ）死腔率の要件が満足されると呼吸特性値が決定される段階と、（ｈ）心拍出量が決定される段階とを包含してなることを特徴とする。
【００５８】
前記（ａ）段階において、前記気体境界値は、吸気の酸・炭分圧Ｉ＊として、酸・炭分圧が全て与えられるか、または、酸素分圧だけでなることを特徴とし、前記（ａ）段階において、前記血液情報値は、動脈血の酸・炭分圧ａ＊として酸・炭分圧が全て与えられるか、または、酸素分圧だけでなることを特徴とする。
【００５９】
前記（ａ）段階において、前記気体の補助情報値は、呼気終末ガスの酸・炭分圧ＥＴ＊として酸・炭分圧が全て与えられるか、または、二酸化炭素分圧だけでなることを特徴とし、前記（ａ）段階において、前記吸気流量ＶＩは、外部から肺臓に入る空気流量であり、平常呼吸の場合、肺臓から外部に出る呼気流量ＶＥと同一に策定されることを特徴とする。
【００６０】
前記（ｅ）段階において、前記呼吸気体の解析方程式は、酸素、二酸化炭素、及び窒素の質量平衡方程式と気体分圧の和公式であることを特徴とする。
【００６１】
前記呼吸特性値の予測方法は、前記（ｆ）段階の酸・炭分圧の要件を満足しなければ、前記（ｃ）段階に戻って、更新設定される肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）に対して前記（ｄ）乃至（ｅ）段階を反復することを特徴とする。
【００６２】
前記（ｃ）段階において、肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、繰り返しによって更新設定される酸素分圧Ａ１と、シャント率の初期値Ｙを考慮して得られる二酸化炭素分圧Ａ２（これをＡ２＊とも表記する）でなる分圧対（Ａ１、Ａ２＊）であることを特徴とする。
【００６３】
前記（ｅ）段階で得られる肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階で得られた肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２＊と、前記（ｃ）段階で決定された酸・炭分圧（Ａ１、Ａ２＊）を考慮して、酸素、二酸化炭素、窒素に関する質量平衡方程式及び気体分圧の和公式でなる呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧の更新推測値Ａ１＊の組合せでなることを特徴とする。
【００６４】
前記（ｆ）段階における酸・炭分圧の要件は、前記（ｃ）段階において更新設定された酸素分圧Ａ１と、呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる酸素分圧Ａ１＊の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とする。
【００６５】
前記（ｃ）段階において、肺胞ガスの酸・炭分圧対（Ａ１、Ａ２）は、繰り返しによって更新設定される二酸化炭素分圧Ａ２と、シャント率の初期値Ｙを考慮して得られる酸素分圧Ａ１（これをＡ１＊とも表記する）でなる分圧対（Ａ１＊、Ａ２）であることを特徴とする。
【００６６】
前記（ｅ）段階で得られる肺胞ガスの酸・炭分圧の推測値（Ａ１＊、Ａ２＊）は、前記（ｃ）段階で得られた肺胞ガスの酸素分圧Ａ１＊と、前記（ｃ）段階で決定された酸・炭分圧（Ａ１＊、Ａ２）を考慮して、酸素、二酸化炭素、窒素に関する質量平衡方程式及び気体分圧の和公式でなる呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧の更新推測値Ａ２＊の組合せでなることを特徴とする。
【００６７】
前記（ｆ）段階における酸・炭分圧の要件は、前記（ｃ）段階において更新設定された二酸化炭素分圧Ａ２と、呼吸気体に関する方程式群の解析結果によって得られる二酸化炭素分圧Ａ２＊の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とする。
【００６８】
前記（ｇ）段階のシャント率の要件は、酸素の死腔率Ｘ１と二酸化炭素の死腔率Ｘ２の差が一定範囲内にあるかを対比して判断することを特徴とし、もし前記死腔率の要件を満足しなければ、前記（ｂ）段階に戻って生理的シャント率Ｙを更新することを特徴とする。
【００６９】
すなわち、前記＜第２呼吸モデル：第２類型＞は、酸素分圧Ａ１に動脈血の酸素分圧ａ１より大きい任意の値が初期値として設定され、シャント率の初期値Ｙとこれを考慮して計算された二酸化炭素分圧の初期値Ａ２が自動演算装置に入力される。前記初期値らが二酸化炭素の質量平衡方程式＜式（４）＞または＜式（１２）＞に代入されて換気−かん流比の対応値ＶＡ／Ｑが得られ、前記初期値と前記ＶＡ／Ｑ値が酸素の質量平衡方程式＜式（３）＞または＜式（１１）＞に代入されて肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１＊が得られる。酸素の死腔率Ｘ１と二酸化炭素の死腔率Ｘ２の差が一定範囲内にいなければ、前記（ｂ）段階に戻って新しいシャント率Ｙを設定して、これによって新しい二酸化炭素分圧の予測値Ａ２＊の値が得られ、前記と同一の計算を反復することによって新しい肺胞ガスの酸素分圧Ａ１＊＊が得られる。これからさらに酸素の死腔率Ｘ１＊と二酸化炭素の死腔率Ｘ２＊を得て、前記二つの値の差が一定の範囲内になるまで計算を反復して肺胞の酸・炭分圧を得る。
【００７０】
前記（ｇ）段階で決定される呼吸特性値は、前記反復過程において、最も最近に貯蔵された肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ１＊、Ａ２＊）、末端毛細管血の酸・炭分圧Ｃ＊、生理学的死腔率Ｘ１＊またはＸ２＊、シャント率Ｙ＊であることを特徴とする。
【００７１】
また、前記（ｈ）段階で決定される心拍出量は、測定された吸気空気量ＶＩ、または、呼気空気量ＶＥ、かん流量Ｑ、シャント率Ｙ＊、そして、生理的死腔率Ｘ＊などを利用して心拍出量の式＜式（１５）〜式（１６）＞から得られることを特徴とする。
【００７２】
すなわち、＜第２呼吸モデル：第２類型＞は、血液入力変数としては混合静脈の情報Ｖ＊と動脈血の情報ａ＊とが、また、気体入力変数としては吸入ガスの情報Ｉ＊と呼気終末ガスの情報ＥＴ＊とが与えられる場合である。本モデルにおける問題の解析方法及びこの解析のための演算ルーチンをさらに付加して説明する。先ず、演算ルーチンは、本発明者によって作成されたコンピュータープログラムによりコンピューター内で作動され、前記予測方法を解析するための主要構成は、以下のループまたは段階を包含する。外部ｄｏ−ｌｏｏｐを設置してシャント率Ｙの初期値を設定する段階と、内部ｄｏ−ｌｏｏｐで肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値を設定し、質量平衡方程式の数式群を解析した結果によって肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２を得る段階と、または、内部ｄｏ−ｌｏｏｐで肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値を与え、質量平衡方程式の数式群を解いた結果によって肺胞ガスの酸素分圧Ａ２を得る段階と、前記の肺胞ガスの酸・炭分圧の設定データ（Ａ１、Ａ２）を使用して酸素の死腔率Ｘ１を式（１７）から得るとともに死腔率Ｘ２を式（１８）から得ることにより、死腔率の要件としてこの二つの値が同一であるかを試験する段階と、死腔率の要件を満足しなければ、外部ｄｏ−ｌｏｏｐの初期に戻ってシャント率Ｙの初期値を更新して、前記の計算を繰り返す反復段階と、死腔率の要件を満足する場合、内部と外部のｄｏ−ｌｏｏｐを全て外す。このとき、記憶素子に最後に貯蔵された値から肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊、シャント率Ｙ＊、生理学的死腔率Ｘ＊などを取り入れて問題の解答とする段階と、その次に入力された吸入空気量ＶＩ（またはＶＩと表記する）、計算されたかん流量Ｑ、死腔率Ｘ＊とシャント率Ｙ＊の値を用いて、心拍出量の方程式＜式（１５）＞または＜式（１６）＞に従って心拍出量Ｑｔｏｔａｌを決定する。
【００７３】
さらに、本発明の呼吸特性値の表示装置は、上述のような呼吸特性値の予測方法によって予測された呼吸特性値が、前記自動演算装置に連結されて視覚的に表示される情報端末機を包含して使用者が容易に確認することができるようにすることが好ましく、前記自動演算装置は、コンピュータープロセッサーまたは内蔵チップを使用することができる。
【００７４】
また、前記呼吸特性値の表示装置は、前記情報端末機が前記自動演算装置に有線または無線で連結され携帯を可能にすることを特徴とする。
【００７５】
本発明は、前記のように心肺器官の生理特性値として、混合静脈血と末端毛細管血（または肺胞ガス）の酸・炭分圧のような血液呼吸特性値と、心拍出量のような心拍機能特性値と、シャント率や生理学的死腔率のような肺臓機能特性値とを同時に予測するシステムであって、図６にそのシステムの要部を示す。すなわち、換気ガスを通過させるマスクとノズル１、２、前記換気ガスノズル２に付着されたガスセンサー３、４、５を通じて換気の基礎変数を測定する手段と、動脈血の酸・炭分圧を測定する手段と、酸素と二酸化炭素の質量平衡方程式などの数式群をコンピューターによって解析して血液の呼吸特性値、心拍機能特性値、また、肺臓の構造特性値らを導出する手段７と、前記の各種入力及び出力変数らを視覚的に表すディスプレイ手段８とを包含して構成されることを特徴とする心肺器官の生理特性値の予測システムを提供する。
【００７６】
図６は、本発明において提供する肺臓−肺循環系の呼吸特性値を予測するための装置に関するシステムの概念図である。装置は換気ガスを通過させるマスクとノズル手段１、２と、前記ノズルに付着されたセンサーから換気ガスの基礎呼吸変数を測定するセンサー測定手段３、４、５と、前記基礎呼吸変数らを使用して肺臓−肺循環系の各種呼吸特性値を算出する呼吸モデル問題に対する解析過程をプログラムにして搭載したマイクロプロセッサーやコンピューター手段７と、前記の基礎呼吸変数と、予測された呼吸特性値を有線や無線通信を通じて液晶画面、コンピューター端末機、プリンタ、携帯電話、ＰＤＡなどによって視覚的に表す（ディスプレイ）手段８とを包含して構成されることを特徴とする。
【００７７】
前記のように、基礎測定変数を用いて肺臓−肺循環系の生理特性値を得る、本発明に使用される数式は、呼吸に関連されたいろいろな変数間の生理的な関係を数学的に記述することであって、次の変数と方程式らが関連されている。入力及び出力変数として、混合静脈の酸・炭情報Ｖ＊、末端毛細血管の酸・炭情報Ｃ＊、動脈血の酸・炭情報ａ＊、吸入空気の酸・炭情報Ｉ＊、肺胞ガスの酸・炭情報Ａ＊、呼気終末ガスの酸・炭情報ＥＴ＊、肺胞を通じた換気量ＶＡ、吸気換気量ＶＩ、かん流量（ｐｅｒｆｕｓｉｏｎ）Ｑ、心拍出量Ｑｔｏｔａｌ、シャント率Ｙ、生理学的死腔率Ｘなどがあり、方程式としては、酸素、二酸化炭素、窒素の質量方程式（３）〜（５）、Ｆｉｃｋ方程式（１）と（２）、シャント率方程式（７）と（８）、呼吸率方程式（１３）と（１４）、換気−かん流比の方程式（９）〜（１２）、心拍出量の式（１５）と（１６）、死腔率の方程式（１７）と（１８）などがある。本発明は、非侵襲的で測定の容易な下記の基礎測定変数、すなわち、吸入空気量、換気中の酸素と二酸化炭素の分圧、また、動脈血から測定された酸素や二酸化炭素の濃度を利用して、測定が難しいか不可能な肺臓と肺循環系の血液呼吸特性値、心拍機能特性値、肺機能特性値などの重要な情報を、下記の様々な方程式と変数等を使用して算出することを特徴としている。
【００７８】
〔Ｆｉｃｋ方程式〕
【００７９】
【数１】
2008212686.tif 000003
【００８０】
〔質量平衡方程式（ｍａｓｓ  ｂａｌａｎｃｅ  ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）〕
【００８１】
【数２】
2008212686.tif 000004
【００８２】
〔シャント率方程式（ｓｈｕｎｔ  ｒａｔｉｏ  ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）〕
【００８３】
【数３】
2008212686.tif 000005
【００８４】
〔換気−かん流比方程式（ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ−ｐｅｒｆｕｓｉｏｎ  ｒａｔｉｏ  ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）〕
【００８５】
【数４】
2008212686.tif 000006
【００８６】
〔呼吸率方程式（ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ  ｑｕｏｔｉｅｎｔ  ｒａｔｉｏ  ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）〕
【００８７】
【数５】
2008212686.tif 000007
【００８８】
〔心拍出量方程式（ｃａｒｄｉａｃ  ｏｕｔｐｕｔ  ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）〕
【００８９】
【数６】
2008212686.tif 000008
【００９０】
〔死腔率方程式（ｄｅａｄ  ｓｐａｃｅ  ｒａｔｉｏ  ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）〕
【００９１】
【数７】
2008212686.tif 000009
【００９２】
以上の式において使用された記号の説明は下記の通りである。
【００９３】
【数８】
2008212686.tif 000010
【００９４】
【数９】
2008212686.tif 000011
【００９５】
【数１０】
2008212686.tif 000012
【００９６】
【数１１】
2008212686.tif 000013
【００９７】
【数１２】
2008212686.tif 000014
【００９８】
【数１３】
2008212686.tif 000015
【００９９】
Ｘ：死腔率
Ｙ：シャント率
ｋ：呼吸係数
λ：血液と空気に関する係数
ＦｉＣＯ２：大気中の二酸化炭素の分圧比
ＦｉＮ２：大気中の窒素ガスの分圧比
Ｒ：呼吸率
【０１００】
前記方法とその結果を検証するために韓国の忠南大学校の医科大学病院の呼吸器内科で５名の互に異なる重患者室の患者から測定した臨床呼吸データセットＭを確保した。表１の左側の２つの列に、忠南大学から提供された呼吸データセットＭ中の混合静脈の酸・炭分圧Ｖ＊を提示した。これとともに忠南大学で測定されたデータのうち、動脈血データａ＊、吸気データＩ＊、呼気終末データＥＴ＊を使用した。
【０１０１】
【表１】
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【０１０２】
前記の表とは別途に、本発明によって予測された肺循環系の酸・炭分圧を、入力変数として使用した忠南大学の臨床測定データセットの中、該当値とともに図７に示した。図７の曲線（１）、（２）、（３）、（４）、（５）は、５名の患者に対する＜第１呼吸モデル＞の問題を解析した結果としての換気−かん流比の曲線である。各曲線の左側の末端にある大きな菱形表示Ｖ１、Ｖ２、…、Ｖ５は、臨床データセットＭの中の混合静脈の測定値Ｖ＊を示す。この周りにある黒い丸ａ１、ａ２、…、ａ５は、臨床測定値である動脈血の酸・炭分圧ａ＊の値を表示する。各曲線の中央部にある大きな三角形Ａ１、Ａ２、…、Ａ５は、臨床データセットＭの中のＶ＊、ａ＊、Ｉ＊、ＥＴ＊の値と、本発明で提供する＜第２呼吸モデル＞の解析方法を使用して確定した肺胞ガスの分圧Ａ＊であり、中空の４角形Ｅ１、Ｅ２、…、Ｅ５は、臨床データセットＭに入っている呼気終末ガスの炭酸ガス分圧を＜第１呼吸モデル＞から得た換気−かん流比の曲線上に表示したものであり、その周りの小さな黒い４角形らは、＜第２呼吸モデル＞の解析結果によって算出された呼気終末ガスの酸素分圧値を追加して、呼気終末ガスの酸・炭分圧点ＥＴ＊を正確に表示したものである。前記図７及び前記表に表示したように前記の計算値と臨床値とを比較するとき、本発明の体系的な呼吸解析法が心肺器官の各種生理特性値らを正確に予測している事実が分る。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】人体の心臓と肺における血液の循環順序を説明するための概念図である。
【図２】酸素と二酸化炭素の拡散と交換を行う肺胞モデルを示す説明図である。
【図３】従来の熱希釈法によって心拍出量を評価する肺動脈のカテーテルの模様を示す図面である。
【図４】従来の右心カテーテル法によるカテーテルの設置例を示した説明図である。
【図５】電極を設置して心拍出量と心電図を表示する従来装置の構成図である。
【図６】本発明によって肺胞ガスや末端毛細血管の末端でガス特性を評価する装置を説明する概念図である。
【図７】本発明の方法と装置に従って決定された換気−かん流比曲線、入力データ、計算された予測結果を図示したグラフである。
【符号の説明】
【０１０４】
１  吸呼気ガス導管
２  吸呼気ガスノズル
３  酸素センサー
４  二酸化炭素センサー
５  換気量センサー
６  初期値の入力部
７  肺臓の呼吸特性値の計算を行うためのマイクロプロセッサー
８  有線または無線の表示モニタ（Ｄｉｓｐｌａｙ  ｍｏｎｉｔｏｒ）とプリンター
【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５】
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【図６】
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【図７】
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