(57)【要約】  主流気体モニタリングシステム30、並びに、主流気道アダプタ32、及びそのアダプタ中の気体流動の検体を測定するために主流気道アダプタに結合される気体センシングアセンブリ34を使用することを含む方法が開示される。気体センシング部36は、主流気道アダプタ中の気体流動中の検体を示す信号を出力する。処理部38は、気体センシング部から信号を受け取って、気体センシング部からの信号に基づいて気体流動中の検体の量を決定する。処理部はまた、そのようなシステム及び方法を用いて行われる測定の精度を最大化するために、吸息の間の気体流動と呼息の間の気体流動との間の体積測定差を補償する。
2010511874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a) 主流気道アダプタ、並びに
(b) 前記主流気道アダプタに結合され、
(1) 前記主流気道アダプタに結合され、前記主流気道アダプタ中の気体流動中の検体を示す信号を出力する気体センシング部、及び
(2) 前記気体センシング部からの前記信号を受け取り、前記気体センシング部からの前記信号に基づいて前記気体流動中の前記検体の量を決定するようにプログラムされ、吸息の間の気体流動と呼息の間の気体流動との間の体積差を補償するようにプログラムされた処理部、
を有する気体センシングアセンブリ、
を有する主流気体モニタリングシステム。
【請求項２】
前記処理部が、気体流動中の検体の量を決定するために、気管デッドスペースの気体をモニタリングして、モニタリングされた気管デッドスペースの気体を用いることによって体積差を補償する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記気体センシング部が前記主流気道アダプタに選択的に取り付け可能であるように、前記気体センシング部及び前記主流気道アダプタが構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
発光材料が前記主流気道アダプタに結合される請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記気体センシング部が、放射エネルギーを発するエミッタ、及びエネルギーを検出するための検出器を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記気体センシング部を含み、前記主流気道アダプタに結合される第１ハウジング、
前記処理部を含む第２ハウジング、
前記気体センシング部と前記処理部との間の通信を提供する通信リンク、
をさらに有し、
第１ハウジングと第２ハウジングは互いから分離される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記気体センシング部及び前記処理部が、前記主流気道アダプタに結合される共通のハウジング中に含まれる、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
人が知覚できる形式で前記処理部の出力を提供する出力装置をさらに有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記検体が酸素であり、前記処理部が酸素消費量（VO2）を決定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
流速決定システムをさらに有し、前記気体センシング部が、(a) 酸素濃度モニタリングシステム、及び(b) 二酸化炭素モニタリングシステムを含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記処理部が、VEを呼気の気体体積、FiO2_DSを気管デッドスペースの酸素濃度、
2010511874.tif 000021
を呼気の二酸化炭素濃度、
2010511874.tif 000022
を呼気の酸素濃度、そしてFiCO2を吸気の二酸化炭素濃度として、VO2を
2010511874.tif 000023
として決定する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
流速決定システムをさらに有し、前記気体センシング部が酸素濃度モニタリングシステムを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記処理部が、Viを吸気の気体体積、FiO2_DSを気管デッドスペースの酸素濃度、VEを呼気の気体体積、そして
2010511874.tif 000024
を呼気の酸素濃度として、VO2を
2010511874.tif 000025
として決定する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
気体流動中の検体をモニタリングする方法であって、
その中を気体流動が通る主流気道アダプタを提供し、
前記気体流動中の検体を示す信号を生成し、
気体センシング部からの前記信号に基づいて前記気体流動中の前記検体の量を決定し、
吸息の間の気体流動と呼息の間の気体流動との間の体積差を補償し、
人が知覚できる形式で検体の量を示す信号を提供する方法。
【請求項１５】
体積差の補償が、気管デッドスペースの気体をモニタリングすること、及び気体流動中の前記検体の量を決定するためにモニタリングされた気管デッドスペースの気体を使用することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記検体が酸素であり、前記検体の量に基づいて酸素消費量（VO2）を決定することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
気体流動の流速を決定することをさらに含み、前記検体の量の決定が、前記気体流動中の酸素濃度を決定すること、及び前記気体流動中の二酸化炭素を決定することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
VEを呼気の気体体積、FiO2_DSを気管デッドスペースの酸素濃度、
2010511874.tif 000026
を呼気の二酸化炭素濃度、
2010511874.tif 000027
を呼気の酸素濃度、そしてFiCO2を吸気の二酸化炭素濃度として、酸素消費量（VO2）を
2010511874.tif 000028
として決定することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
気体センシング部からの信号に基づく気体流動中の前記検体の量の決定は、励起エネルギーにより発光材料を励起すること、及びルミネセンスの消光をモニタリングすることを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記気体流動の流速を決定することをさらに含み、前記検体の量を決定することが、前記気体流動中の酸素濃度を決定することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
Viを吸気の気体体積、FiO2_DSを気管デッドスペースの酸素濃度、VEを呼気の気体体積、そして
2010511874.tif 000029
を呼気の酸素濃度として、酸素消費量（VO2）を
2010511874.tif 000030
として決定する、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主流（mainstream）気体モニタリングシステムを用いるときに、(a)酸素消費量測定値の精度を最大化するため、及び(b)モニタリングされた気体の臨床的により重要な波形を提供するために、吸息と呼息との間に主流気体モニタリングシステムにおいて発生する可能性がある体積変化を補償するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
気道酸素モニタリング又はoxygraphyは、患者への酸素供給及び患者による酸素利用（すなわち酸素消費量）の指標を提供するために、麻酔及び救命救急診療状況において用いられる。吸気の酸素割合と呼気終期の酸素割合との間の差は、例えば、心臓及び肺機能（例えば潅流及び代謝の妥当性）並びに患者の全体的な生理的状態の測度として用いられる酸素抽出の量を決定するために有用である。酸素消費量は、個人又はアスリートの健康即ち生理学的状態をモニタリングするために一般に用いられる。フレーズ「酸素アップデート」及び「酸素消費量」は、同義的に用いられ、共に表示
2010511874.tif 000003
又は単に"VO2"として表される。酸素消費量は、体が所与の期間（例えば１分）の間に用いる酸素の量の測度である。それは、１分間に体重１キログラムあたりで用いられる酸素のミリリットルとして(ml/kg/min)、単に１分間に用いられる酸素のミリリットルで、一般的に表現される。
【０００３】
伝統的に、oxygraphyは、副流気体サンプリングシステムを用いて達成される。副流モニタリングシステムにおいて、気体サンプルは、モニタリングのためにサンプルサイトから若干の距離の場所に設置されるセンシングメカニズム又は試料セルへと、気体サンプリングラインを通して経鼻カニューレ又は患者回路を介してサンプルサイト（例えば患者の気道）から取得される。試料セルに入る気体の副流流動が比較的乾燥しているように、乾燥システムがカニューレ、試料セル又はサンプリングライン中に一般的に含まれる。乾燥システムがNafion管の区間から成る場合、気体サンプルは周囲湿度まで乾燥する。同様に、サンプリングラインを通して気体を輸送することで、センサによる分析の前に、サンプルの温度が周囲の温度に釣り合う。これらの理由で、吸気及び呼気の両方の気体は、副流モニタリングシステムにおいて、その気体が周囲の温度及び湿度であるように分析される。
【０００４】
oxygraphyが気道上の酸素センサ（すなわち、患者へと供給される若しくは患者から受け取られる全ての又は大部分の気体が、サンプルサイトを通過する主流気体センサ）を用いて実行される場合、分析されている気体は、温度及び湿度の両方においておそらく変化する。呼気はほぼ常に100%飽和していて（相対湿度= 100%）、体温か又は体温より僅かに低い。一方、吸気は、ベーパライザを用いて能動的に加熱されて湿気を与えられている場合があり、熱-湿度交換体を用いて受動的に湿気を与えられている場合があり、又は環境条件の状態である場合がある。いずれの場合にも、気道内部の温度及び湿度データを、酸素検出装置が利用できる見込みはない。
【０００５】
気体が湿気を与えられ、水蒸気が気体に追加されるので、気体中の酸素は希釈されて、気体中の酸素の濃度は減少する。吸気が乾燥し、呼気が湿気を与えられている場合、気道上の（主流）酸素センサで測定されるoxygraphは、ちょうど加温及び/又は加湿に起因する酸素濃度の変化に基づく吸気酸素と呼気酸素との差を示す。その酸素濃度測定値は物理的に正しいが、臨床的にまぎらわしい。吸気の及び呼気の酸素割合に実際の差が存在するにもかかわらず、この差は、単なる気体加温及び加湿ではなく患者の潅流及び代謝の指標として誤解される場合がある。
【０００６】
VO2は従来、吸気酸素体積と呼気酸素体積との間の差として計算される。VO2の標準的な又は直接的な計算は、以下の式によって与えられている。
2010511874.tif 000004
"VO2"は酸素消費量、"Vi"は吸気の体積、"FiO2"は吸気の酸素濃度、"Ve"は呼気の体積、そして
2010511874.tif 000005
は混合呼気酸素濃度である。呼気が肺によって加熱されて湿らされて、そして吸気が呼気より冷たく及び/又は乾燥している場合、この計算において誤差が発生する。加熱及び/又は加湿の効果により、呼気の体積（Ve）は吸気の体積（Vi）より大きくなり、測定される呼気の酸素割合
2010511874.tif 000006
は実際の酸素割合より低くなり、結果として誤った大きなVO2の決定につながる。理想的には、既知の温度及び湿度条件の下で吸気の酸素割合（FiO2）及び吸気の体積（Vi）を測定することがもし可能であるならば、吸気と呼気との間の温度及び湿度の差にもかかわらず、直接的なVO2計算は正確である。
【０００７】
この式(1)に記述される酸素消費量の直接的な計算は、単純かつ有効であるが、気体体積測定値（すなわちVi, Ve又は両方の測定値）にわずかな誤差がある状況において、算出されるVO2の誤差につながる可能性がある。気体の温度及び湿度の差は、これらの吸気と呼気の体積差の主要な原因である。この問題は、高い酸素濃度において悪化する。
【０００８】
他のVO2を算出する方法は、呼息体積（Ve）だけを用いる。このシナリオにおいて、吸息体積Viは、平均すると窒素体積は吸気及び呼気の両方に対して同じであるとの仮定に基づいて（窒素は身体によって消費又は生成されないので、この仮定は通常正しい）、（測定されるのではなく）算出される。これは窒素バランスと呼ばれる。Viの（測定ではなく）計算はまた、温度及び湿度の影響が吸気及び呼気の両方の体積に対して同じであることを仮定する。
【０００９】
上で言及された窒素バランスに基づくViの計算を用いる式(1)のこの修正は、ホールデーン変換として知られる。この技術によれば、Viは以下のように算出される。
2010511874.tif 000007
ここで、
2010511874.tif 000008
は混合呼気窒素の濃度、そして"FiN2"は混合吸気窒素の濃度である。窒素濃度は、気道中の気体が酸素、二酸化炭素及び窒素だけであると仮定して、バランス気体（すなわち、共に直接的に測定される酸素でもCO2でもない気体）として算出されることができる。これに基づいて、ホールデーン変換は、
2010511874.tif 000009
となり、そして酸素消費量計算は、
2010511874.tif 000010
となる。ここで、
2010511874.tif 000011
は混合呼気の二酸化炭素濃度であり、そしてFiCO2は混合吸気の二酸化炭素濃度である。
【００１０】
ホールデーン変換を用いたVO2の算出は、呼気の体積測定値だけが用いられるので、"コモンモード"ではない体積測定の誤差の影響が除去されるという利点を持つ。コモンモード誤差とは、ViとVeの両方の測定値に影響を及ぼす誤差（例えば流動センサの較正誤差）である。もちろん、同じセンサがVe及びViを測定するために用いられることを仮定する。
【００１１】
上記したように、吐き出される気体は肺によって暖められ、湿気を与えられるので、呼気の体積は多くの場合、吸気の体積より大きい。ホールデーン変換が用いられる場合、温度及び湿度に起因して追加された体積は、FiO2が乾燥気体で測定される場合にViの正しくない推定の原因となり、Vi及びVO2が誤って高く算出されることにつながる。
【００１２】
従来の副流気体サンプリングシステムがFiO2、
2010511874.tif 000012
、FiCO2及び
2010511874.tif 000013
を測定するために用いられる場合、従来の副流気体サンプリングシステムが一般的に上記したように気体乾燥システムを含むので、これは一般的に問題でない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、主流モニタリングシステムがFiO2、
2010511874.tif 000014
、FiCO2及び
2010511874.tif 000015
を測定するために用いられる場合、吸気-呼気間の温度及び湿度の差の使用は結果として誤差をもたらす場合がある。主流モニタリングシステムにおいて、サンプリングサイトは、患者の気道に結合される患者回路又は管路中にin-situで配置される。結果として、患者の呼気は、通常は水蒸気で飽和して、約35℃の温度を持つ。吸気が呼気より冷たく及び/又は乾燥している場合、直接的な式又はホールデーン変換式のいずれかを用いたVO2計算に誤差が生じる。直接的な計算方法を用いる場合、正しい計算を行うために、吸気酸素割合（FiO2）及び吸気の体積（Vi）の両方を呼気温度及び湿度条件に対して修正することが必要である。ホールデーン変換を用いる場合、計算を有効にするために、呼気中に見られるような同じ暖かく湿った状態に対して吸気の酸素割合だけが修正されなければならない。
【００１４】
本発明の発明者は、吸気及び呼気のデータが、共に同じ温度及び湿度条件であるかのように表示されるように信号が修正されることができると、気道上のセンサから取得されるoxygraphyデータは臨床的により有用であることを認識した。この目的のために、彼らは、気道内部の温度及び湿度を測定することなく酸素の体積測定値を補償することによって、波形の吸気及び呼気部分が共に同じ条件であるかのように表示されるようにoxygraphy波形を修正するための手段を開発した。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
したがって、従来の気体モニタリングシステムの欠点を克服し、主流気体モニタとして用いられることができる気体モニタリングシステムを提供することが本発明の目的である。この目的は、主流気道アダプタ及びこの主流気道アダプタに結合される気体センシングアセンブリを含む主流気体モニタリングシステムを提供することによって、本発明の一つの実施の形態によって達成される。気体センシングアセンブリは、主流気道アダプタに結合される気体センシング部及び処理部を含む。気体センシング部は、主流気道アダプタ中の気体流動中の検体を示す信号を出力するように構成されて調整される。処理部は、気体センシング部から信号を受けて、気体センシング部からの信号に基づいて気体流動中の検体の量を決定する。処理部は、さらに吸息の間の気体流動と呼息の間の気体流動との間の体積測定差を補償する。
【００１６】
従来の検体モニタリング技術に関連した不利な点を被らない主流気体モニタリングシステムを用いて気体流動中の検体をモニタリングする方法を提供することが、本発明のさらに別の目的である。この目的は、
(1) その中を気体流動が通る主流気道アダプタを提供し、
(2) 前記気体流動中の検体を示す信号を生成し、
(3) 気体センシング部からの信号に基づいて前記気体流動中の前記検体の量を決定し、
(4) 吸息の間の気体流動と呼息の間の気体流動との間の体積測定差を補正し、及び
(5) 人の知覚できる形式で検体の量を示す信号を提供することを含む方法を提供することによって達成される。
【００１７】
本発明のこれらの及び他の目的、特徴及び特性は、操作方法、構造の関連素子の機能、パーツの組み合わせ及び製造の経済と同様に、その全てがこの明細書の一部を形成する添付の図面を参照して、以下の説明及び添付の特許請求の範囲の考察により明らかになる。様々な図面において、同様の参照番号は対応する部分を指す。しかしながら、図面は図解及び説明のみを目的とするものであり、本発明の限定を定義するものとして意図されていないことが、明確に理解されるべきである。明細書及び請求の範囲において、単数形の名詞は、文脈において別途明確に述べられない限り、その名詞が指すものが複数含まれることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の原理による気体検出器の第１の実施の形態の斜視図。
【図２】図1の気体センシングシステム中の気道アダプタ及び気体センサの斜視図。
【図３】図1の気体センシングシステムのコンポーネントの模式図。
【図４】本発明の原理による気体センシングシステムの第２の実施の形態のコンポーネントの模式図。
【図５】本発明の第３の実施の形態による気道アダプタ及び気体センサの斜視図。
【図６】本発明のなお更なる実施の形態による気道アダプタ及び気体センサの斜視図。
【図７】呼気の間のCO2とO2の分圧間の関係を示すグラフ。
【図８】酸素濃度測定値がどのように気体加熱及び/又は加湿に起因して変化するかを表す、一回の呼吸の間の例示的な酸素割合波形及び例示的な流動波形を示すグラフ。
【図９】機械的に乾燥大気で検査肺を換気し、検査肺から出る気体に湿気を追加することによって生成される２つの例示的な酸素割合波形を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図1は、本発明の原理による主流気体モニタリングシステム30の例示的な実施の形態を概略的に示す。気体モニタリングシステム30は、気道アダプタ32及び一般的に34で示される気体センシングアセンブリを含む。気道アダプタ32は、呼吸回路40中に配置され、気体の流動を患者に給送するために用いられる。例えば、呼吸回路40の第１端部42は、患者の気道と連通するように構成される患者インタフェース器具を含む。呼吸回路40での使用に適している患者インタフェース器具の例は、気管内チューブ、経鼻カニューレ、気管切開チューブ、マスク又は気体の流動をユーザの気道に給送する任意の他の装置若しくは器具を含む（但しこれらに限られない）。
【００２０】
呼吸回路40の第２端部44は、気体供給源と連通するように構成される。例えば気体供給源は、雰囲気、加圧気体の供給、圧力サポート装置、ベンチレータ又は他の気体源を含むことができる。図示された実施の形態において、（ベンチレータ回路において一般的に見られる）Yコネクタ46は、気道アダプタの第２端部に接続されて示される。Yコネクタの一方のレッグ (leg) は、ベンチレータ（図示せず）から患者へと気体を供給する吸気リム (limb) に対応し、Yコネクタのもう一方のレッグは、患者からの気体を運ぶ呼気リムに対応する。一般的に、気体は、この実施の形態における気体供給源であるベンチレータへと呼気リムによって逆送される。単一リムシステムにおいて、一つの管路が、患者と（多くの場合、CPAP圧力サポート装置、二相性圧力サポート装置又は自動滴定圧力サポート装置のような圧力サポートシステムである）気体供給源との間で気体の流動を給送する。
【００２１】
多分最もよく図2及び3に示されるように、気道アダプタ32は、患者への及び患者からの気体がその中を通過する呼吸回路40に直列の流動経路50を提供する。気道アダプタはさらに、一般的に52で示される気体モニタリング部又はサンプルサイトを提供し、そこで気道アダプタを通過する気体の成分はモニタリング又は測定される。本発明での使用に適した気道アダプタの例は、米国特許番号5,789,660 ('660特許)及び6,312,389 ('389特許)、並びに米国特許出願番号09/841451（公開番号2002/0029003）（'451出願）に記載されている（これらの文献の各々の内容は参照として本明細書に組み込まれる）。
【００２２】
図1-3に図示される実施の形態において、気体センシングアセンブリ34は、気体センシング部36及び処理部38を含む。この図示された例示的な実施の形態において、気体センシング部36は、矢印Aによって示されるように気道アダプタ32に着脱自在に結合されて、モニタリングされる気体成分（検体とも呼ばれる）を検出するために用いられるコンポーネントを含む。気体センシング部36を気道アダプタ32に着脱自在に結合させるために、様々な機構が実現されることができることが理解されるべきである。図2に図示された例示的な実施例において、気体センサ部36のハウジング37を確実に受け入れるように適応される台座領域33が、気道アダプタ32の外側の面に設けられる。ハウジング37は一般的に、気道アダプタの台座領域の一般的なマッチング形状を受け入れるチャネル35によって台座領域33へはまるように"Ｕ"形にされる。フランジ39は、ハウジングを気道アダプタに位置合わせして取り付けるために、気道アダプタに提供されることができる。米国特許第6,616,896号（'896特許）及び6,632,402号（'402特許）は、気道アダプタ32に気体センシング部36を結合させるための技術を記載し、それらの特許の各々の内容は参照として本明細書に組み込まれる。本発明はさらに、各々のコンポーネントの機能が共通の素子に有効に組み合わせられるように、気体センシング部36を気道アダプタ32に取り外せないように接続することを意図する。
【００２３】
通信リンク48は、データ、電力及び任意の他の信号（コマンド）などが、気体センシング部36と処理部38との間で伝達されることを可能にする。有線通信リンク48が図1-3に示されるが、本発明は、通信リンクが任意の形式の無線通信又は通信プロトコルを用いた無線リンクであることができることを意図することが理解されるべきである。もちろん、無線リンクが提供される場合、電源（例えばバッテリー）が気体センシング部36に含まれなければならず、又は電力は何らかの他の方法で気体センシング部に供給されなければならない。
【００２４】
気体センシングアセンブリ34は、試料セルを通る気体の流動中の一つ以上の気体（検体）の濃度を検出する。図1-3に図示される例示的な実施の形態において、気体センシングアセンブリ34は、気道アダプタ32中を流れる酸素若しくは他の気体の分圧又は量を測定するためにルミネセンス消光技術を使用するように構成される。この酸素測定値は、例えば、吸気及び混合呼気の酸素の割合の値（FiO2及び
2010511874.tif 000016
）を決定するために、（流動に関連して）用いられる。
【００２５】
ルミネセンス消光は、気体中の酸素濃度を測定するために用いられる技術である。酸素濃度を測定するためにルミネセンス消光を用いる際、発光材料60は、（矢印Bによって示されるように）励起エネルギーを発光材料に供給することによって、ルミネセンスに励起される。ルミネセンスに励起されると、矢印Cによって示されるように、発光材料はエネルギーを放射する。しかしながら、ルミネセンス材料が酸素を含む気体混合物にさらされると、ルミネセンスは消光し、そして発光材料は、発光材料がさらされる酸素の量（すなわち濃度又は割合）、つまり気体混合物中の酸素の量に応じてより少ないエネルギーを（矢印Cによって示されるように）放射する。したがって、発光材料のルミネセンスの量の減少率又はルミネセンスの消光（すなわち発光材料によって放射される光の量）は、気体混合物中の酸素の量に対応する。したがって、発光材料によって放射されるエネルギーは、気道アダプタを通過する気体の濃度を決定するために用いられることができる。米国特許番号6,325,978、6,632,402、6,616,896及び6,815,211（これらの各々の内容は参照として本明細書に組み込まれる）は全て、試料セルの中を流れる気体中の気体（例えば酸素）の濃度を決定するためにルミネセンス消光を用いる酸素センサの例を開示する。
【００２６】
図1-3に示されるように、発光材料60の量は、それが気道アダプタ32中の流動経路50を流れる気体にさらされるような量である。本発明はさらに、気道アダプタの中を流れる気体と連通する発光物質の組み合わせを提供することを意図する。ポルフィリンは、発光材料60として用いられることができる材料の例である。ポルフィリンは、多くの場合、金属原子を含む安定した有機環状構造である。金属原子がプラチナ又はパラジウムである場合、リン光減衰時間は約10μsから約1,000μsの範囲に及ぶ。ポルフィリンはさらに、酸素分子を感知できる。ポルフィリンが発光材料60として用いられる場合、ポルフィリンが、繰り返し使用しても、それらの全ての光励起可能性を実質的に保持することが好ましい。換言すると、ポルフィリンが「光安定性である」ことが好ましい。蛍光ポルフィリン（例えばメソテトラフェニルポルフィン）は、特に光安定性である。酸素検出を容易にするために発光材料232として用いられることができる様々な種類のポルフィリンは、制限されずに、プラチナメソテトラ（ペンタフルオロ）フェニルポルフィン、プラチナメソテトラフェニルポルフィン、パラジウムメソテトラ（ペンタフルオロ）フェニルポルフィン及びパラジウムメソテトラフェニルポルフィンを含む。もちろん、酸素、二酸化炭素又は他の分析される物質（例えば、気体、液体又は蒸気）にさらされると消光することが知られている他の種類の発光物質も、本発明の教示を組み込む気道アダプタにおいて用いられることができる。
【００２７】
図示される実施の形態において、発光材料60が気道アダプタ32に提供され、励起エネルギーBが発光材料に送られることを可能にするために、ウィンドウ62が気道アダプタ本体の開口部64に提供される。ウィンドウ62は、好ましくは、発光材料から放射される放射線Cの波長に対してと同様に、発光材料60を励起する励起放射の波長に対して高い透過率を持つ。例えば、ウィンドウ62は、サファイヤ、一つ以上のポリマー（例えばpolyethelyneなど）、ガラス及び/又は他の実質的に透明な物質で形成されることができる。
【００２８】
例示的な実施の形態において、発光材料60は、気体流動経路を定める気道アダプタ50の表面若しくは壁上に配置されるか又はその一体的部分を構成する膜若しくはマトリクスによって運ばれる。本発明はさらに、発光材料及び関連するコンポーネント（例えば膜）が気道アダプタに直接結合される必要はなく、気道アダプタ全体を除去又は置換することを必要とせずに発光材料が交換されることができるように、選択的に結合されることができることを意図する。
【００２９】
エミッタ66は、発光材料60へ励起エネルギーBを放射するために、気体センシング部36中に提供される。本発明の例示的な実施の形態において、エミッタ66によって放射されるエネルギーは、発光媒体60の発光を引き起こす波長の電磁放射線を含む。エミッタ66は、一つ以上の有機発光ダイオード（"OLED"）、レーザ（例えばダイオードレーザ若しくは他のレーザソース）、発光ダイオード（"LED"）、熱陰極蛍光ランプ（"HCFL"）、冷陰極蛍光ランプ（"CCFL"）、白熱電球、ハロゲンランプ、受け取った周辺光及び/又は他の電磁放射源を含むことができる。
【００３０】
一つの例示的な実施態様において、エミッタ66は、一つ以上の緑色及び/又は青色LEDを含む。これらのLEDは一般的に、発光媒体60の発光組成物の吸収領域において高い強度を持ち、他の波長（例えば赤色及び/又は赤外）においてわずかな量の放射を出力する。これは、センサの迷走干渉光及び光崩壊を最小化する。本発明はLEDの使用に決して制限されないが、エミッタ30としてLEDを実装する他の利点は、それらの軽い重量、小ささ、低消費電力、低電圧要求、小さい熱発生量、信頼性、丈夫さ、比較的低い費用、及び安定性を含む。さらにそれは、非常にすばやく、確実に、そして再現的に、オンとオフを切り替えられることができる。
【００３１】
放射Cを検出するために、検出器68が気体センシング部36中に提供される。気体センシング部3及び気道アダプタ32が結合されたときに、検出器68が発光媒体60からのルミネセンス電磁放射Cの少なくとも一部を受け取るように、検出器68は気体センシング部36の中に配置される。受け取られた放射に基づいて、検出器60は、受け取られた放射の一つ以上の特性に関連した一つ以上の出力信号を生成する。例えば、この一つ以上の出力信号は、放射の量、放射の強度、放射の変調及び/又は放射の他の特性に関連していることができる。一実施例において、検出器68はPINダイオードを含む。他の実施の形態において、他の感光性の装置が検出器68として使用される。例えば、検出器68は、ダイオードアレイ、CCDチップ、CMOSチップ、光電子増倍管及び/又は他の感光性の装置の形式を取ることができる。
【００３２】
エミッタ66からの放射Bに応じて、発光媒体60は、エミッタによって供給される電磁放射の波長と異なる波長で、実質的に無指向で電磁放射Cを放射する。このルミネセンス電磁放射の強度又は持続性は、気体流動経路50の中の気体の本体中に含まれる一つ以上の検体（例えば酸素）の相対的な量に従って増減する。一実施例において、酸素は、ルミネセンス反応を抑えることによって、ルミネセンス放射Bの強度及び/又は持続性の変容を引き起こす。酸素の濃度が増加するにつれて、ルミネセンス放射Bの強度及び/又は持続性の変容は減少する。一実施例において、発光媒体60は、発光フィルムとして形成される。例えば、組み込まれた'896及び'402特許の両方は、発光媒体60として使用されることができるフィルムを開示する。
【００３３】
気体センシング部36からの出力信号に基づいて、処理部38は、流動経路50中の気体に含まれる一つ以上の検体又は成分の一つ以上の特性に関連した情報を決定する。図示された例示的な実施の形態において、処理部38は、エミッタ66を制御して、検出器68から信号を受け取るプロセッサ70を含む。以下に詳細に論じられるように、プロセッサ70は、酸素濃度を決定するために検出器68からの信号を用いる。示されないが、プロセッサ70及び/又は処理部38は、気体成分をモニタリングするために一般的に用いられる他のコンポーネント（例えばメモリ(RAM, ROM)）を含むことができる。
【００３４】
図3に示すように、本発明は、処理部38が入出力装置72、すなわち人の知覚できる形式でプロセッサ70の出力を提供する装置を含むことを意図する。例示的な実施の形態において、入出力装置72は、視覚的にユーザに酸素濃度を示すモニタ又はディスプレイである。本発明はさらに、入出力装置72が、プロセッサ70の出力を遠隔位置に伝達するための通信要素、例えば端末、トランシーバ、モデムなどを含むことを意図する。これは、無線で、結線による通信システムを介して、又はそれらの任意の組み合わせを用いて実行されることができる。
【００３５】
図1-3の実施の形態において、気体センシング部36及び処理部38は、それらのそれぞれのコンポーネントを含む別構造である。本発明はさらに、図4及び図5に概略的に示されるように、これらの２つの部分が、共通のセンシング/処理部90として組み合わせられることができることを意図する。つまり、気体濃度（例えばVO2）に関連している情報を検出して、モニタリングして、決定して、表示して、伝達するために必要なコンポーネントの全ては、気道アダプタ32に付随するセンサヘッド90中に提供されることができる。そのような機能を有するセンサヘッド95の例は、図5に示されて、例えば米国特許出願番号11/368,832（公開番号US-2006-014078-A1）（本明細書にその内容が参照として組み込まれる）中に開示される。
【００３６】
本発明は、更なるコンポーネントが気体センシング部36に用いられることができることを意図する。例えば、一つ以上のフィルタ素子が、気体センシング部の中に（例えば発光媒体60と検出器68との間に）配置されることができる。そのようなフィルタ素子42は一般的に、発光媒体によって放射されない電磁放射が検出器に入射することを防止するように設計されている。例えば、一実施例において、フィルタ素子は波長特有であり、ルミネセンス放射Cがそれを通過して検出器68に入射することを可能にするが、他の波長の放射を実質的に遮断する。
【００３７】
気体センシング部36において用いられることができる他のコンポーネントは、参照検出器及び検出器68の方へ伝播する放射の一部を参照検出器へと導くビームスプリッティング素子を含む。参照検出器によって生成される一つ以上の出力信号は、プロセッサ70に供給されることができ、検出器68によって生成される信号中のシステムノイズ（例えば、エミッタ66の強度ゆらぎなど）を説明し、補正するための参照として用いられる。
【００３８】
いくつかの実施態様において、気体センシング部36は、エミッタ66によって放射される又は検出器68に供給される放射を導き、フォーカスし及び/又は処理することができる一つ以上の光学素子（図示せず）を含むことができる。例えば、一つ以上のレンズは、選択された方向に放射をコリメートすることができる。更に特別な例として、組み込まれた'896及び'402特許の両方は、エミッタ66と同様のエミッタによって放射される放射を処理する光学素子の使用を開示する。
【００３９】
本発明はさらに、発光媒体の温度の変動に起因する気体測定システム30の不正確さを低減又は除去するために実質的に一定の動作温度に発光媒体60を維持するための熱容量を用いることを意図する。例えば熱容量は、この機能を達成する任意の装置（例えば温度センサの出力に基づくフィードバックで制御されたヒーター、ヒートシンクなど）である。加熱素子の形の適切な熱容量の例は、米国特許番号6,888,101及び米国特許出願番号11/069114（公開番号US-2005-0145796-A1）に開示される（これらのそれぞれの内容は参照として本明細書に組み込まれる）。
【００４０】
図1-4に図示される実施の形態において、一つのウィンドウ62が気道アダプタに設けられている。本発明は、さらに気道アダプタにウィンドウ62と同様の２つのウィンドウを設けることを意図する。'402特許に示されて記載されているように、電磁放射がアダプタを通過することを可能にするために、２つのウィンドウが互いに対向して気道アダプタ32に配置されていることができる。この実施例において、センサの場合、検出器32は、気道アダプタのエミッタ66とは反対側に配置されることができる。
【００４１】
本発明はさらに、気道アダプタ32が他の一つ以上の更なる気体測定及び/又はセンシングコンポーネントを含むことができることを意図する。これらの他のセンシングコンポーネントは、図3に80として概略的に図示される。そのようなセンサの例は、温度、光、音、湿度、圧力、流動及び気体濃度検出器を含む。そのようなセンサは、気体の流動、気体センシング部36又はその両方をモニタリングするために用いられることができる。例えば、温度センサは、ハウジング中の過熱を検出するために、ハウジング37中に提供されることができる。温度センサはさらに、気道アダプタ中に流れる気体の温度を検出するために提供されることができる。
【００４２】
図5は、二酸化炭素（CO2）濃度検出機能及び酸素（O2）濃度検出機能の両方を含む気体モニタリングシステムを図示する。酸素濃度検出システムは、上述のルミネセンス消光技術に対応し、気道アダプタ132のウィンドウ62に配置される発光材料を含む。CO2モニタリングシステムは、ハウジング120の一つのレッグ（例えばレッグ122）に配置されるエミッタ（図示せず）からエネルギーが送られる吸収型気体（検体）検出システムである。ウィンドウ123はレッグ122の内面に示され、エネルギーはそこからハウジング120を出る。エネルギーは、気道アダプタ中に定められる第１ウィンドウ（図示せず）へと提供される。それは気体サンプル（気体流動経路50の中を流れている気体）中を通過して、一般に第１ウィンドウの反対側で気道アダプタ中に同様に定められる第２ウィンドウ134に出る。第２ウィンドウ134を介してサンプルサイトを出たエネルギーは、第２レッグ124中に提供される検出器（図示せず）で測定される。
【００４３】
従来技術において周知であるように、検出器からの信号は気体（検体）濃度を決定するために用いられる。例えば、混合呼気のCO2の量（
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）及び吸気のCO2の量（FiCO2）を決定するために用いられる気道アダプタを通過する気体中のCO2の量を検出するために、この種の吸収システムの出力を用いることが知られている。検出器からの信号は、ハウジング37中に提供されるプロセッサによって処理されることができ、又は、無線で若しくは結線48を介して別の処理部へと送信されることができる。この図示された実施の形態において、処理部はハウジング120の中に組み込まれ、結果の検体測定値はディスプレイ72に示される。
【００４４】
同様に、本発明はさらに、気道アダプタが、気道アダプタを通過する気体の流動又は流速を測定するための流動センシングシステムを含むように構成されることができることを意図する。流速は、所与の期間にわたって又は呼吸サイクル若しくはそのフェーズの間に気道アダプタを通過する検体の量を決定するために用いられる。
【００４５】
本発明のこの実施の形態の使用に適した流動センシングシステムの一つの形式は、pneumotach型の流動センサである。そのような流動センサは、気体流動経路に沿って気体の流れの中で圧力降下を発生させるように気体流動経路中に配置される流動素子（図示せず）を含む。流動素子によって発生する圧力降下が測定されて、流速を決定するために用いられる。
【００４６】
図6は、そのような流動センシング機能を持つ気道アダプタ232を図示する。気道アダプタがさらに、上述の技術を用いたO2及びCO2センシング機能を持つことが留意されるべきである。気道アダプタ232は、気道アダプタ内に含まれる流動素子の各々の側に提供される一組のポート234a及び234bを含む。気道アダプタを通る気体の流動が定量的に測定されることができるように、これらの圧力センシング素子は、流動素子を横切る圧力降下が測定されることを可能にする。例えば、一組のチューブ又は気体ホース236a及び236bは、ポート234a及び234b並びに処理部38（図1を参照）中の圧力センサに結合されることができる。圧力センサは圧力降下を測定し、この出力は気道アダプタ中の流動を決定するために用いられる。
【００４７】
図6に図示される実施の形態において、更なる流動センシング機能はハウジング37中に含まれず、それはさらに検体センシングシステムの少なくともいくつかのコンポーネントを含む。しかしながら、本発明は、流動センシング素子（例えば圧力センサ及びプロセッサ）が、ハウジング37中に含まれることができることも意図する。その場合、ポート234a及び234bはハウジングに直接結合される。図6に図示される実施の形態において、流動素子は気体測定サイトの片側に設けられる。本発明はさらに、圧力降下を発生させるために気体測定サイトを用いることを意図する。その場合、ポート234a及び234bは、気体測定サイトのいずれかの側に設けられている。そのような構成は、例えば、'660特許、'389特許及び'451出願において教示される。
【００４８】
主流酸素センシングシステムが一次的気体流動、すなわち気体流動経路50中の気体の流動における酸素で測定するので、そのようなシステムは任意の有効な気体乾燥又は除湿コンポーネントを含まない。結果として、温度及び湿度が吸気及び呼気に及ぼす効果、すなわち吐き出された気体の体積の増加は、ホールデーン変換を用いて正確な酸素消費量測定値を取得するために考慮されなければならない。
【００４９】
任意の有効な気体乾燥又は除湿コンポーネントの欠如を補償するために、本発明は、呼気中の温度及び加湿の増加に起因して気体の体積がどのくらい増加したのかを決定し、VO2を算出する際にこれを考慮する。要するに、本発明は、主流センサを用いて測定される吸気の酸素割合を、呼気と同じ温度及び湿度条件に対して修正することによって誤差を修正する。
【００５０】
増加した温度及び加湿に起因する体積の割合増加は、吸気の酸素割合（FiO2）と比較して、気管のデッドスペースから吐き出された酸素割合（FiO2_DS）を分析することによって推定される。気管のデッドスペースの気体は基本的に、気管中で暖められて加湿されたが肺胞ガス交換には関与しなかった吸気である。吸気において測定される酸素濃度の代わりに、気管のデッドスペースの気体で測定される酸素濃度を用いることにより、本発明は、有効に両方の気体を同じ状態に対して修正する。気管デッドスペース酸素濃度FiO2_DSは、以下のようにホールデーン変換及びVO2計算の中へ代入される。
2010511874.tif 000018
酸素消費量計算は、
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となる。
【００５１】
吸気の酸素濃度が吸息の間安定していない又は一定でない場合には、FiO2に対するFiO2_DSの比が、吸息全体にわたるFiO2信号に利用されることができる。あるいは、FiO2_DSとFiO2との間の差が、吸息全体にわたるFiO2信号に加算（又は減算）されることができる。比又は差を算出する際に用いられるFiO2信号は、吸息終了時に気管のデッドスペースに残った吸息終了時の気体に対応しなければならない。
【００５２】
吸気が呼気と同じ程度に加熱されて湿気を与えられる場合、吸気のFiO2に対するデッドスペースFO2の比は1.0である。吸気が完全に乾燥していて室温である場合、呼気は37℃で十分に湿気を与えられ、比は0.902である。
【００５３】
正しく比較を行うために、分析されるFiO2は、気管デッドスペースからの分析される気体と同じ気体でなければならない。これは、FiO2が肺に入る最後の気体を用いて算出されなければならず、例えばFowlers法を用いて測定される気管のデッドスペースの体積に対応しなければならないことを意味する。
【００５４】
図7は、呼息のみの間の酸素分圧に対してプロットされるCO2分圧を示すグラフである。一般に100で示される呼息の初めにおいて、CO2分圧は一定のままであるが、酸素分圧は減少する。これは、気管気体の加熱及び加湿の影響である。したがって、100での酸素分圧はFiO2_DSに対応する。このプロットは、乾燥室温吸入気体及び室温での吐き出された気体に対応する。
【００５５】
例示的なFiO2_DS値を検出する方法は、CO2が閾値（すなわち0.5% CO2）を越える場合のデータだけを用いたCO2対O2プロットの対応する分圧値の直線回帰を用いてラインを引くことである。図7中のライン110を参照。吸息の終わりに気管デッドスペース中に残った気体の平均O2濃度（ライン112）とライン110が交差する点が、気管デッドスペース中の気体の酸素割合（FiO2_DS）である。図7に示されるプロットによって図示される呼吸では、この交差は点116で発生し、FiO2_DSは約126mmHgである。
【００５６】
（114で示される）呼息の開始時のFiO2が約131mmHgであることも、図7を検討することから分かる。これは、図7に示されるCO2対O2プロットの酸素濃度ピークに対応する。吸息の開始の直後に、気管デッドスペース気体は排出され、そして肺で交換された気体が患者を出始める。したがって酸素分圧は低下する。CO2が増加し始める点では、吐き出された気体はもはや気管デッドスペースの気体ではない。図7に示される例において、吸気FiO2に対するデッドスペースFO2の比（FiO2_DS/FiO2）は約126/131 = 0.962である。上記したように、この比が"1"である場合、気体の加熱/加湿に起因する誤差は実質的に無い。
【００５７】
図8は、一回の呼吸にわたる例示的な酸素濃度波形140及び例示的な気体流動波形142のグラフである。この図は、患者の近くに配置される主流気体モニタリングシステムによって測定される酸素気体濃度が、典型的な呼吸サイクルの間にどのように変化するかを示す。流速が「ゼロ」点を横切るときに発生する吸息から呼息への遷移は破線144によって示される。呼息開始直後の期間150の間、患者によって排出されている気体が、肺で交換される気体に関与せずに肺で交換された気体と僅かに混じり合っただけの口腔からの気体であるので、酸素濃度は僅かに減少する。この気体はそれほど加熱/加湿されていない。期間152の間、加熱/加湿されている気管デッドスペース気体からの気体が患者から排出される。この加熱/加湿された気体によって、関連する体積測定誤差が、この期間の間の酸素濃度測定値のシフトを生じさせる。この点における酸素濃度がFiO2_DS値である。
【００５８】
本発明の例示的な実施の形態において、O2及びCO2信号は、可能な限りほとんど同時に測定されて、呼吸回路中の概して同じポイント又は位置においてサンプリングされる。本発明はさらに、流動信号が時間的にCO2及びO2信号と並べられることを意図する。気管デッドスペース中に残った気体を選択することは、気管デッドスペースの体積についての知識を必要とする。この体積は、Fowlers法を用いて決定されることができる。最初は窒素に対してファウラーによって説明されたFowlers法(Fowler, W.S. (1948), "Lung function studies II: the respiratory dead-space", Am. J. Physiol., 154: 405-410)は、フレッチャー他の研究者によって二酸化炭素に適用された(Fletcher, R., Jonson, B., Cumming, G. & Brew, J. (1981), "The Concept of Deadspace With Special Reference to the Single Breath Test for Carbon Dioxide," Br. J. Anaesth., 53: 77-88)。一例として、Fowlers法は、RESPIRONICS社(Murrysville, PA）によって販売されるNICO2モニタリング装置において実現される。
【００５９】
本発明はさらに、吸気の加熱及び/又は加湿が適切でないことを示す警報を起動させるために本明細書において開示される技術を用いることを意図する。ICUにおける臨床的医療の標準は、吸気を加熱して湿気を与えることである。気体が適切に加熱されて湿気を与えられる場合には、FiO2_DSとFiO2との間にほとんど差がない。FiO2_DSとFiO2との間の有意な差の存在は、吸気の加熱及び加湿に関する問題を示す警報又はメッセージを起動させるために用いられることができる。
【００６０】
この同じ原理は、その気体が吸気中に有意な量で存在し、分析されて流動信号と並べられることができる限り、任意の気体を用いて利用されることができる。例えば、吸気と気管デッドスペースとの窒素、亜酸化窒素、ヘリウム等の濃度差の分析は、吸気と呼気との間の加熱及び加湿の差を検出するために用いられることができる。CO2は、それがCO2再呼吸法のように吸気中に存在するならば、用いられることができる。
【００６１】
他の実施例において、補正は、FiO2_DSをFiO2に代入することによってVO2の直接的な計算（式(1)）に適用されることができる。この補正は最適ではないかもしれないが、気体の温度及び湿度差に関連した誤差の大部分を修正する。式(1)においてこの代入を行うと、
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となる。
【００６２】
本発明はさらに、oxygram波形を修正するために本明細書に開示される技術を用いることを意図する。吸気/呼気の酸素信号の補償は、気管デッドスペースの気体についての知識を用いて適用されることができる。この目的のため、呼気は実質的に体温であり、100%の相対湿度であると仮定される。呼吸毎に口腔において吐き出される最初の気体は、気管中に残って気体交換に関与しなかった気体である。この「気管気体」は基本的に、気管によって体温まで加熱されて十分に加湿されたが、肺によって酸素が除去されなかった吸気である。吸気の酸素割合と気管気体の酸素割合との間の差は、吸気を呼気温度及び湿度条件に補正するために適用されなければならない補償の量に対応する。
【００６３】
一例として、oxygramの吸気部分は以下によって呼気の状態に補正されることができる。
1. 吸気の酸素濃度と気管気体の酸素濃度との間の差の測定。
2. 次の、又は現在表示される酸素波形値からのステップ1において測定される差の減算。同様に、吸気の酸素パラメータ（FiO2）からの測定された差の減算。差を減算する代わりに、乾燥した（吸気の）酸素濃度に対する湿性の（気管）酸素濃度の比が、補正されてない波形の乗数として用いられることができることがさらに意図される。
3. 測定された呼気のデータ及び補償された吸気のデータによって酸素波形を表示する。流動信号が吸気流動と呼気流動との間の正確な遷移時刻を決定するために用いられることができることが意図される。
【００６４】
図9は、機械的に乾燥大気によって検査肺を換気して、検査肺を出る気体に加湿することによって作成された、補正されたものと補正されていないものの２つの例示的なoxygram（酸素パーセント波形）を示すグラフである。oxygram 160は、乾燥空気の吸息及び湿った空気の呼息が、加湿に起因する吸気と呼気との間の差に対して補正されていない波形を表す。oxygram 160が本発明の原理に従ってこの差に対して補正されると、oxygram 162となる。この例示的な図において、適用された補正が、パーセント酸素の明らかな変動を約1%から約0.1%へと低減することが観測されることができる。
【００６５】
本発明はまた、補償された吸気の酸素パラメータ及び測定された呼気の酸素パラメータの両方（及びoxygram波形）が、環境条件に調整されることができることを意図する。呼気が実質的に既知の温度及び湿度状態にあるので、表示の前に環境条件に数値的に調整されることができる。上で説明された補償を吸気のデータに適用した後に、呼気の波形及びパラメータに適用されたのと同じ数値的調整が、吸気の酸素データに適用されることができる。結果として生じる波形及びパラメータは、臨床医が見慣れているside-sampled波形の状態を映す。
【００６６】
本発明が、現在最も実用的で好ましい実施の形態であると考えられるものに基づいて説明を目的として詳細に記載されたが、そのような詳細は単にその目的のためのものであり、本発明は開示された実施の形態に限定されず、それどころか、添付の請求の範囲の精神及び範囲内である修正及び均等なアレンジメントを包含することを意図することが理解されるべきである。例えば、本発明が、可能な限り、任意の実施の形態の一つ以上の特徴が任意の他の実施の形態の一つ以上の特徴と組み合わせられることができることを意図することが理解されるべきである。
【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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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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