(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
麻酔器又は人工呼吸器の呼吸回路を流れる呼吸ガスである吸気ガスと呼気ガスの双方が通過する部分に設けたガス採取ポートより、呼吸ガスを連続して採取する呼吸ガス採取部と、
その呼吸ガス採取部から導入した呼吸ガスを定流量で流通させながら、投与薬物、代謝物質、及び食物摂取により血液中に存在する物質のうちの少なくとも１つであって、患者の気道に挿入して前記呼吸回路と接続する挿管チューブ、前記挿管チューブの代替となるラリンゲルマスク、呼吸回路、及び呼吸ガス採取部のうちの少なくとも一つの部位の呼吸ガスと接する内壁に吸着及び脱着を繰り返すことにより、測定される濃度変化に一次遅れを生じる物質である特定成分の濃度を測定する特定成分濃度測定部と、
呼吸代謝を特徴付ける呼吸ガス中の物質である参照成分の濃度を、前記呼吸ガス採取部から流路を分岐させて前記特定成分濃度測定部と並列で連続して測定するか、前記特定成分濃度測定部と兼ねて同時に連続して測定するか、及び外部装置からアナログ又はデジタルで前記参照成分の濃度測定値を連続して入力するかのうちの少なくともいずれか一つの手段により取得する参照成分濃度情報取得部と、
前記特定成分濃度測定部で得られた前記特定成分の濃度及び前記参照成分濃度情報取得部で得られた前記参照成分の濃度を基に、前記特定成分の呼気終末濃度を算出する呼気終末濃度演算部と、
その呼気終末濃度演算部で計算された呼気終末濃度の数値、及び時系列推移図のうちの少なくともいずれか一方を表示する呼気終末濃度表示部を備え、
前記呼気終末濃度演算部は、前記参照成分濃度情報取得部で取得された前記参照成分の濃度測定値の時系列データの変化から、麻酔器又は人工呼吸器の呼吸用ガスの供給停止期間であり、すなわち患者の呼気が呼吸用ガスの供給とは逆方向に呼吸回路を流れる期間である呼気相の開始時点を判断する呼気相開始点演算手段と、その呼気相開始点演算手段により決定される、1つ前の呼気相開始の時点から直近の呼気相開始の時点までの直近の呼吸１サイクル分の参照成分の濃度測定値、及びむだ時間補償処理を施して対応する直近の呼吸１サイクル分の前記特定成分の濃度測定値を保管する直近サイクルデータ格納部と、
参照成分濃度モデルを直近の呼吸１サイクル分の前記参照成分の濃度測定値に非線形最小二乗法でフィッティングして呼吸パラメータを得る呼吸パラメータ演算手段と、
その呼吸パラメータ演算手段で得られた呼吸パラメータを基に、直近の呼吸１サイクル分の前記特定成分の濃度測定値が、前記特定成分の元の繰返し波形の重畳した一次遅れ処理を施した結果であるとして扱い、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の直近サイクルの前記特定成分の呼気終末濃度を計算する復調等価処理演算手段と、を具備することを特徴とする呼気終末濃度測定装置。
【請求項２】
前記呼気終末濃度演算部における前記復調等価処理演算手段は、直近の呼吸１サイクル分の前記特定成分の濃度測定値を１サイクル積分した積分値を、前記呼吸パラメータ演算手段により前記呼吸パラメータの１つとして計算される実効呼気時間ステップ数で除することにより、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の直近サイクルの前記特定成分の呼気終末濃度を計算することを特徴とする請求項１に記載の呼気終末濃度測定装置。
【請求項３】
前記実効呼気時間ステップ数は、前記呼吸パラメータの１つとして得られる直近の呼吸１サイクル分の前記参照成分濃度モデルの濃度値を１サイクル積分した積分値、又は直近の呼吸１サイクル分の前記参照成分の濃度測定値を１サイクル積分した積分値のいずれか一方を、前記呼吸パラメータの１つとして得られる前記参照成分の呼気終末濃度、又は呼気時間最終の前記参照成分の濃度測定値のいずれか一方で除して得られる比として計算されることを特徴とする請求項２に記載の呼気終末濃度測定装置。
【請求項４】
前記呼気終末濃度演算部における前記復調等価処理演算手段は、前記呼吸パラメータとして得られる呼気時間ステップ数及び吸気時間ステップ数を固定値とし、前記特定成分の濃度の一次遅れの時定数を変数とし、特定成分濃度モデルに畳み込み一次遅れ処理を施した特定成分濃度一次遅れモデルを、直近の呼吸１サイクル分の前記特定成分の濃度測定値に非線形最小二乗法でフィッティングすることにより、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の直近サイクルの前記特定成分の呼気終末濃度を計算することを特徴とする請求項１に記載の呼気終末濃度測定装置。
【請求項５】
前記一次遅れ処理は、前記特定成分濃度モデルの時系列上の各点に対応する矩形波の集合体であるとし、各矩形波の一次遅れ波形を、過去サイクルに遡って畳み込みすることにより、前記特定成分濃度一次遅れモデルを形成することを特徴とする請求項４に記載の呼気終末濃度測定装置。
【請求項６】
前記特定成分濃度モデルは、呼気上昇相及び呼気平坦相をシグモイド関数と一次関数の一次結合、吸気下降相を逆シグモイド関数で与えることを特徴とする請求項４又は５に記載の呼気終末濃度測定装置。
【請求項７】
前記呼気終末濃度演算部における前記呼気相開始点演算手段は、前記参照成分の濃度の閾値を超えて増加する時間軸上のデータ取得点から、あらかじめ定められた数点遡った時間軸上のデータ点を呼気相開始点と判定し、かつ一つ前の呼気相開始点から直近の呼気相開始点までを、直近の呼吸１サイクルと判定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の呼気終末濃度測定装置。
【請求項８】
前記特定成分濃度測定部における前記特定成分の濃度データ収集の周期は、少なくとも３Ｈｚ以上であり、濃度データは記録時点の瞬時値ではなく前回の記録時点からの積算平均値であり、１回のデータ収集当りに実際に測定を行っている時間を１回のデータ収集時間で除した百分率として与えられる測定の負荷周期が、少なくとも４０％以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の呼気終末濃度測定装置。
【請求項９】
前記特定成分濃度測定部は、その配管、継手及び測定セルの内壁が不活性材料で構成され、又は内壁に不活性化処理を施し、測定セル本体温度及び配管中でのガス温度を温度制御し、測定セルの内容積を流通する呼吸ガス流量で除した平均滞留時間、ならびにその配管、継手及び測定セルの内壁への特定成分の吸着に起因する一次遅れの時定数を、３秒以下に抑えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の呼気終末濃度測定装置。
【請求項１０】
前記参照成分濃度モデルは呼気上昇相及び呼気平坦相をシグモイド関数と一次関数の一次結合、吸気下降相を逆シグモイド関数で与えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の呼気終末濃度測定装置。
【請求項１１】
前記参照成分濃度情報取得部は、呼吸ガス中の前記参照成分の濃度を、一次遅れなくもしくは一次遅れの時定数が０．３秒以下となるように測定することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の呼気終末濃度測定装置。
【請求項１２】
前記参照成分濃度情報取得部は、呼吸回路に接続したカプノメータで得られる二酸化炭素濃度実測値のアナログ信号又はデジタル信号を入力し、前記呼気終末濃度演算部に送信することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の呼気終末濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術中の麻酔器又は集中治療中の人工呼吸器の呼吸回路において用い、呼気終末濃度を求める呼気終末濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人の生体ガス、例えば呼気や皮膚ガスには、血中濃度を反映した様々な代謝物質、あるいは投与もしくは摂取した比較的揮発性のある薬物又はその揮発性代謝物質が含まれることが知られている。皮膚ガスの場合には汗の影響や発生量をどのように評価するかという問題があるため一般的ではないが、呼気は発生が安定しているため、濃度による評価が行いやすいため、呼気ガス分析装置あるいは呼気ガスモニタと呼ばれる装置が実用化されており、医療現場において需要が高まっている非侵襲的検査技術の一種として注目されている。
【０００３】
しかしながら呼気ガス分析装置あるいは呼気ガスモニタの多くは、自発呼吸の1回の呼気を採取して呼気中の注目する物質濃度を測定し、臨床検査の一部として利用する目的の装置である。手術中又は集中治療中にオンラインで測定できる装置は、一般的にカプノメータと称する呼気中の二酸化炭素を測定する装置が代表的な例であるが、呼気中に％程度の高濃度に存在し、吸着があまり問題とならない対象物質に限られる。
【０００４】
特許文献１では、呼気中にｐｐｂ領域すなわち容量比１０億分の１の桁の濃度存在する静脈麻酔薬プロポフォールの手術中の1呼吸毎の濃度を測定し、その血中濃度を決定する装置が静脈麻酔薬血中濃度測定装置として提案されている。濃度測定は分子のイオン化にプロトン移動反応を用いた化学イオン化質量分析法であるプロトン移動反応質量分析計によるものであり、他にも電荷移動反応を用いた化学イオン化質量分析法の事例もある。なお先行の事例はいずれも四重極質量分析計を用いているため、反応に用いる一次イオンと生成物イオンは同時測定でなく、逐次測定であるため比較的速い呼吸サイクルに追従してデータ取得を行うにはやや不十分であったが、現在では質量分析計部分に飛行時間型質量分析計を使用したプロトン移動反応ＴＯＦ質量分析計等により、周術期の１呼吸毎の麻酔薬及び代謝物質のモニタリングが可能であり、手術侵襲等に対する生体反応の比較的速い変化が捉えられるようになりつつある。
【０００５】
質量分析計以外の呼気プロポフォールのモニタとしては、例えば非特許文献１に示すようなマルチキャピラリーカラムイオンモビリティ分光計と称する装置が最近出現している。イオンモビリティ分光法そのものが定量性を得るのが比較的困難な方法であり、信号の非線形性が強く、十分な精度が得られていないが、質量分析計に基づく装置に比べて低価格で、簡便である。当該装置は呼吸回路に接続可能なオンラインモニタであるとされるが、二酸化炭素を別途測定し、その波形から判断される数呼吸分の呼気を２０秒間で８ ｍＬの呼吸ガス採取管に採取し、１分以上掛けて分離分析するものであり、完全な連続モニタリングではない。
【０００６】
人の呼気中には少なくとも数１００種以上の代謝物質等が存在するが、そのほとんど有機物であり、比較的吸着しやすい物質が多く存在する。特に静脈麻酔薬プロポフォールのような呼気中でｐｐｂ領域もしくはそれ以下の濃度の物質は、いずれも呼吸回路及び装置内部配管や継手等へ吸着しやすい。これらのモニタリングを行う場合には、観測される濃度波形は吸着の影響を受けて一次遅れのある歪んだ波形となり、観測された濃度の最大値は元の呼気終末濃度と異なる低い数値となる。しかも呼気中には３７℃で相対湿度１００％の水分が含まれ、呼吸回路手前の能動的な温度制御が困難な挿管チューブあるいはラリンゲルマスクにおいては、手術室の空調の僅かな変化で内壁への水分の凝縮の程度が異なり、それに伴い多くの物質は吸着特性が変化し、濃度波形の時定数も変化することとなる。
【０００７】
呼気終末濃度は肺胞での気液平衡を反映し、血中濃度と相関するため、呼気中物質の呼気終末濃度を高精度に測定することは、相関する血中濃度を非侵襲で測定することとなり、個別の患者に特有の薬物動態あるいは代謝物の挙動を知り、手術中あるいは集中治療中の生体応答に応じた対応を図るうえで重要となる。
【０００８】
しかしながら、静脈麻酔薬プロポフォールのような吸着性物質の呼気中の濃度を測定する静脈麻酔薬血中濃度測定装置もしくはプロトン移動反応質量分析計、電荷移動反応質量分析計、プロトン移動反応ＴＯＦ質量分析計、及びマルチキャピラリーカラムイオンモビリティ分光計を含むいずれの従来装置も、呼気終末濃度と実際に観測される最大濃度との違いが認識されておらず、吸着により濃度波形が歪む影響を受け、呼気終末濃度が決定できないという問題があった。
【０００９】
一方、自発呼吸の１呼気を採取する臨床検査を目的とした呼気ガス分析装置あるいは呼気ガスモニタでは、一般的に出力波形の歪みの問題が認識されており、特許文献２には、呼気から吸気への立下り時の測定対象成分の濃度出力の応答特性から決定した時定数と、測定時刻での出力の変化率との積を加えて濃度出力を演算補正する方法が提案されている。この方法では、呼気終末における測定濃度は正しく呼気終末濃度を表すとの前提に立っており、呼気終末における濃度出力は補正されない。
特許文献３には、並列で測定する個人差の少ない呼気中の酸素又は二酸化炭素の濃度により、対象成分の濃度出力を補正する方法が提案されているが、この方法は死腔の呼気及び外気の混入による呼気試料の希釈を補正する目的のものであって、一次遅れによる濃度出力の補正を行うものではない。一方、麻酔器又は人工呼吸器の換気の場合には、呼吸は完全に制御されているため、死腔の呼気及び外気の混入よる呼気試料の希釈は問題とはならない。
また特許文献４には、短いパルスで校正ガスを供給してむだ時間（文献上では時間遅れと表記）を実測し、呼吸気の流量とガス濃度の測定時間の差を校正する方法が提案されている。一次遅れは認識されているが、それによる濃度出力の補正は考えられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−３０４６号公報
【特許文献２】特開昭６２−１８８９６９号公報
【特許文献３】特開平７−１２０４６３号公報
【特許文献４】特開２０１４−１８６２２号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Felix Maurer, Larissa Walter, Martin Geiger, Joerg Ingo Baumbach, Daniel I. Sessler, Thomas Volk, Sascha Kreuer: Calibration and validation of a MCC/IMS prototype for exhaled propofol online measurement. J. Pharm. Biomed. Anal., 2017, 145, 293-297
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら臨床検査を対象とした装置では、一回の呼気を比較的長い時間を掛けて採取するため、測定した呼気の最終時点の濃度もしくは最大濃度は呼気終末濃度と等しいとして扱っているため、いずれの方法も１サイクルが呼気相と吸気相で構成される周期波である麻酔器又は人工呼吸器の換気における濃度波形の特性に適合しない。比較的短い周期の周期波では、一次遅れの時定数が大きくなると、呼気相と吸気相の濃度差が縮まり、測定される呼気相の最大濃度は次第に元の平衡な呼気終末濃度まで到達しないようになり、しかも過去の呼気の履歴が影響するようになる。
【００１３】
本発明は、呼気ガス成分の吸着による濃度波形の一次遅れ、さらにサンプリング系統への呼気中水分の凝縮及びサンプリング系統の吸着挙動の温度依存性による一次遅れ時定数の変化の影響により、呼気相の最終時点の濃度が呼気終末濃度と乖離する場合にも、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の呼気ガス成分の呼気終末濃度を正確に測定することができる呼気終末濃度測定装置を提供することを目的とする。
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明の呼気終末濃度測定装置は、麻酔器又は人工呼吸器の呼吸回路を流れる呼吸ガスである吸気ガスと呼気ガスの双方が通過する部分に設けたガス採取ポートより、呼吸ガスを連続して採取する呼吸ガス採取部と、その呼吸ガス採取部から導入した呼吸ガスを定流量で流通させながら、投与薬物、代謝物質、及び食物摂取により血液中に存在する物質のうちの少なくとも１つであって、患者の気道に挿入して前記呼吸回路と接続する挿管チューブ、前記挿管チューブの代替となるラリンゲルマスク、呼吸回路、及び呼吸ガス採取部のうちの少なくとも一つの部位の呼吸ガスと接する内壁に吸着及び脱着を繰り返すことにより、測定される濃度変化に一次遅れを生じる物質である特定成分の濃度を測定する特定成分濃度測定部と、呼吸代謝を特徴付ける呼吸ガス中の物質である参照成分の濃度を、前記呼吸ガス採取部から流路を分岐させて前記特定成分濃度測定部と並列で連続して測定するか、前記特定成分濃度測定部と兼ねて同時に連続して測定するか、及び外部装置からアナログ又はデジタルで参照成分の濃度測定値を連続して入力するかのうちの少なくともいずれか一つの手段により取得する参照成分濃度情報取得部と、前記特定成分濃度測定部で得られた前記特定成分の濃度及び参照成分濃度情報取得部で得られた前記参照成分の濃度を基に、前記特定成分の呼気終末濃度を算出する呼気終末濃度演算部と、その呼気終末濃度演算部で計算された呼気終末濃度の数値、及び時系列推移図のうちの少なくともいずれか一方を表示する呼気終末濃度表示部を備え、前記呼気終末濃度演算部は、前期参照成分濃度情報取得部で取得された前記参照成分の濃度測定値の時系列データの変化から、麻酔器又は人工呼吸器の呼吸用ガスの供給停止期間であり、すなわち患者の呼気が呼吸用ガスの供給とは逆方向に呼吸回路を流れる期間である呼気相の開始時点を判断する呼気相開始点演算手段と、その呼気相開始点演算手段により決定される、1つ前の呼気相開始の時点から直近の呼気相開始の時点までの直近の呼吸１サイクル分の前記参照成分の濃度測定値、及びむだ時間補償処理を施して対応する直近の呼吸１サイクル分の前記特定成分の濃度測定値を保管する直近サイクルデータ格納部と、参照成分濃度モデルを直近の呼吸１サイクル分の前記参照成分の濃度測定値に非線形最小二乗法でフィッティングして呼吸パラメータを得る呼吸パラメータ演算手段と、その呼吸パラメータ演算手段で得られた呼吸パラメータを基に、直近の呼吸１サイクル分の前記特定成分の濃度測定値が、前記特定成分の元の繰返し波形の重畳した一次遅れ処理を施した結果であるとして扱い、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の直近サイクルの前記特定成分の呼気終末濃度を計算する復調等価処理演算手段を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
上記のように構成された本発明の呼気終末濃度測定装置によれば、吸着が問題とならない参照物質の直近の過去の呼吸１サイクルの濃度波形から呼吸パラメータの情報を取得し、吸着挙動の変化によらず、すなわち一次遅れの時定数の変化の影響を受けず、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の被測定対象の呼気ガス成分の呼気終末濃度を正確に計算することができる。
【００１６】
また吸着性のある物質でも正確に呼気終末濃度を計算できるため、濃度測定の手段が得られる限り、代謝物質等のモニタリング対象物質の範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る呼気終末濃度測定装置の一例を示す概念的な構成図
【図２】吸着によるちじおくれ一次遅れを受けた特定成分の濃度波形を示す説明図
【図３】周期波のちじおくれ一次遅れ処理による波形の畳み込み積分を示す説明図本発明の構成において
【図４】元の波形の違いと一次遅れ処理波形の関係を示す説明図
【図５】実施形態に係る呼気終末濃度演算部の計算手順の第一の方法例を示すフローチャート
【図６】実施形態において、直近の呼吸１サイクルの積分値から直近の呼気終末濃度を求める方法を説明する概念図
【図７】実施形態に係る呼気終末濃度演算部の計算手順の第二の方法の一つの態様例を示すフローチャート
【図８】実施形態に係る呼気終末濃度演算部の計算手順の第二の方法のもう一つの態様例を示すフローチャート
【図９】実施形態に係るプロポフォール濃度測定における呼気終末濃度計算結果の説明図
【図１０】実施形態に係る亜硝酸濃度測定における呼気終末濃度計算結果の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の特定成分は、呼吸ガスが接する表面で吸着が起こることなどにより、測定信号に一次遅れがある呼吸ガス中の成分ガスを指し、特に限定するものではないが、例えばプロポフォールのような静脈麻酔薬、ギ酸、酢酸、アセト酢酸、３−ヒドロキシ酪酸、乳酸、ピルビン酸、プロパノール、アセトアルデヒド、プロパナール、ヘキサナール、ヘプタナール、オクタナール、ノナナール、２−プロペナール、２−ブテナール、２−ブタノン、２−ペンタノン、シクロヘキサノン、２−メチルフラン、２，５−ジメチルフラン、硫化ジメチル、硫化エチルメチル、硫化アリルメチル、チオフェン、ジメチルスルホン、ジメチルアミン、アンモニア、亜硝酸などの内因性の代謝物質及びリモネン、α−ピネンなどの食物由来の物質が挙げられる。
【００１９】
本発明の参照成分は、呼吸代謝において普遍的に発生するガス成分のうちで、吸着しにくく、かつ呼吸サイクルの挙動を正しく反映するガスで、特に限定するものではないが、例えば二酸化炭素、アセトン及びイソプレンなどが使用できる。
【００２０】
本発明の呼吸ガス採取部は呼吸ガスを採取する部位を指し、呼吸回路の呼吸ガスを連続して採取するようになっている。呼吸ガス採取部はチューブもしくは配管で構成され、呼吸ガス中の水分が凝縮及び吸着抑制の目的で、保温のための覆いあるいは温度制御機構を備えるのが一般的である。チューブもしくは配管は、四フッ化エチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体であるフッ素樹脂（ＰＦＡ）製チューブ、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）製チューブ、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）製チューブなど特に限定なく使用できる。チューブもしくは配管の内径、外径及び長さは、装置の必要とする流速、滞留時間及び取り回しを総合的に判断して決定される。
【００２１】
本発明の特定成分濃度測定部は、呼吸ガス採取部から導入した呼吸ガスを定流量で流通させながら、測定信号に一次遅れがある呼吸ガス中の特定成分の濃度を測定する部位を指し、滞留部が発生しないよう設計され、測定セルと呼称される測定に特化した空間を備えるのが一般的である。
【００２２】
本発明の参照成分濃度情報取得部は、呼吸代謝を特徴付ける呼吸ガス中の参照成分の濃度を、前記呼吸ガス採取部から流路を分岐させて前記特定成分濃度測定部と並列で連続して測定するか、前記特定成分濃度測定部と兼ねて同時に連続して測定するか、及び外部装置からアナログ又はデジタルで参照成分の濃度測定値を連続して入力するかのうちの少なくともいずれか一つの手段により取得する部位を指す。本発明装置内での測定により参照成分の濃度情報を取得する場合には、滞留部が発生しないよう設計され、測定セルと呼称される測定に特化した空間を備えるのが一般的である。
【００２３】
本発明の呼気終末濃度演算部は、特定成分濃度測定部で得られた特定成分の濃度及び参照成分濃度情報取得部で得られた参照成分の濃度を基に、特定成分の呼気終末濃度を算出する概念的な部位であり、一連のソフトウエアプログラムで構成される。演算を実行するハードウエアは、アナログ演算回路、デジタル演算回路、コンピュータボード、コンピュータカード、マイクロプロセッサ、工業用コンピュータ、ラップトップコンピュータ、パーソナルコンピュータ、及びそれらの組合せなど特に限定なく使用できる。また明確な区分ではないが、呼気終末濃度演算部は呼気相開始点演算手段、直近サイクルデータ格納部、呼吸パラメータ演算手段、及び復調等価処理演算手段と呼称する機能ブロックで構成される。
【００２４】
本発明の呼気相開始点演算手段は、参照成分濃度情報取得部で取得された参照成分の濃度測定値の時系列データの変化から、呼気相の開始時点を判断するソフトウエアプログラム上の機能ブロックを指す。
【００２５】
本発明の直近サイクルデータ格納部は、呼気相開始点演算手段により決定される直近の呼吸１サイクル分の参照成分の濃度測定値、及びむだ時間補償処理を施して対応する直近の呼吸１サイクル分の特定成分の濃度測定値を保管するソフトウエアプログラム上の機能ブロックを指す。
【００２６】
本発明の呼吸パラメータ演算手段は、参照成分濃度モデルを直近の呼吸１サイクル分の参照成分の濃度測定値に非線形最小二乗法でフィッティングして呼吸パラメータを得るソフトウエアプログラム上の機能ブロックを指す。
【００２７】
本発明の復調等価処理演算手段は、呼吸パラメータ演算手段で得られた呼吸パラメータを基に、直近の呼吸１サイクル分の前記特定成分の濃度測定値が前記特定成分の元の繰返し波形の重畳した一次遅れ処理を施した結果であるとして扱い、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の直近サイクルの特定成分の呼気終末濃度を計算するソフトウエアプログラム上の機能ブロックを指す。
【００２８】
本発明の呼気終末濃度表示部は、呼気終末濃度演算部で計算された呼気終末濃度の数値、及び時系列推移図のうちの少なくともいずれか一方を表示する部位を指し、呼気終末濃度演算部と同一、又は別途のソフトウエアプログラムプログラムで稼働し、表示を行うハードウエアは、工業用ディスプレイ、工業用コンピュータ、ラップトップコンピュータ、パーソナルコンピュータ用ディスプレイ、タブレットコンピュータ、及びそれらの組合せなど特に限定なく使用できる。
【００２９】
本発明の呼吸パラメータは、呼吸パラメータ演算手段で演算される直近の呼吸１サイクルの参照成分の濃度の挙動を特徴付けるパラメータを指し、その内容は実施形態により異なるが、いずれの場合も呼気時間ステップ数、及び吸気時間ステップ数又は呼吸サイクル時間ステップ数を含む。また実施形態により、参照成分濃度モデルのモデルパラメータを含む場合がある。
【００３０】
本発明の呼気時間ステップ数は、直近の呼吸１サイクルの参照成分の濃度変化から判定される呼気相の時間、すなわち呼気時間に相当する時間ステップ数の整数値を指す。これ以下で時間ステップとは、時間軸上のあるデータ点から次のデータ点までの時間幅を言う。
【００３１】
本発明の吸気時間ステップ数は、直近の呼吸１サイクルの参照成分の濃度変化から判定される吸気相の時間、すなわち吸気時間に相当する時間ステップ数の整数値を指す。
【００３２】
本発明の呼吸サイクル時間ステップ数は、直近の呼吸１サイクル呼吸時間に相当する時間ステップ数の整数値を指し、呼気時間ステップ数と吸気時間ステップ数の和に等しい。
【００３３】
本発明の実効呼気時間ステップ数は、直近の呼吸１サイクル分の参照成分濃度モデルの濃度値を１サイクル積分した積分値、又は直近の呼吸１サイクル分の参照成分の濃度測定値を１サイクル積分した積分値のいずれか一方を、参照成分の呼気終末濃度、又は呼気時間最終の参照成分の濃度測定値のいずれか一方で除して得られる比として計算され、整数値に限らない実数値である。実効呼気時間ステップ数は、横軸を時間軸、縦軸を濃度軸とした参照成分濃度モデル又は参照成分の濃度測定値の曲線、及び時間軸で囲う面積と等積な参照成分の呼気終末濃度を高さとする矩形の時間ステップ数で表した時間幅に相当する。
【００３４】
本発明の参照成分の呼気終末濃度は、呼気終末濃度演算部の呼吸パラメータ演算手段において決定する参照成分濃度モデルにおける呼気時間最終、すなわち呼気平坦相の最終のデータ点、又は呼気時間最終の参照成分の濃度測定値を指す。呼気終末濃度は終末呼気濃度とも呼称されるが、両者の区別はない。
【００３５】
本発明の特定成分の呼気終末濃度は、呼気終末濃度演算部の復調等価処理演算手段において計算する、一次遅れを受ける前の元の特定成分の濃度波形における呼気時間最終の濃度に相当する濃度を指す。
【００３６】
本発明の参照成分濃度モデルは、呼気終末濃度演算部の呼吸パラメータ演算手段において使用する参照成分の濃度波形を表現するモデルを指す。モデルは数式で表されるものであっても、数値で表されるものであってもよい。
【００３７】
本発明の特定成分濃度モデルは、呼気終末濃度演算部の復調等価処理演算手段において、フィッティング演算を行う場合に使用する一次遅れを受ける前の元の特定成分の濃度波形を表現するモデルを指す。モデルは数式で表されるものであっても、数値で表されるものであってもいずれでもよい。
【００３８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の呼気終末濃度測定装置１は、麻酔器又は人工呼吸器２の呼吸回路３の挿管チューブ又はラリンゲルマスク４との途中の吸気ガスと呼気ガスの双方が通過する部分に設けたガス採取ポートより、呼吸ガスを連続して採取する呼吸ガス採取部６、特定成分濃度測定部７、参照成分濃度情報取得部８、呼気終末濃度演算部９、及び呼気終末濃度表示部１０で構成され、特定成分の直近の呼吸１サイクルの濃度測定値から特定成分の呼気終末濃度を演算する呼気終末濃度演算部９は、呼気相開始点演算手段９１と、直近サイクルデータ格納部９２と、呼吸パラメータ演算手段９３と、復調等価処理演算手段９４を備える。この構成により、被測定対象の特定成分が、挿管チューブ又はラリンゲルマスク４、呼吸回路３、ガス採取ポート５、呼吸ガス採取部６、及び特定成分濃度測定部７の呼吸ガスが接する内壁に吸着し、呼吸毎の濃度波形が著しく歪む場合であっても、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の特定成分の呼気終末濃度を正確に求めることができる。
【００３９】
呼吸ガス採取部６は、麻酔器又は人工呼吸器２の呼吸回路３の吸気ガスと呼気ガスの双方が通過する部分に設けたガス採取ポート５に接続する。図１は呼気成分の測定方式がいわゆるサイドストリーム方式であることを示している。なお呼吸回路内の呼吸ガスを直接測定するメインストリーム方式は、回路内流速が呼気と吸気では大きく変化するため、解析が極めて複雑となり不都合である。呼吸ガス採取部６において、吸着は流速が速いほど接触時間が短くなるため少なく、内面の表面積／容量比が小さいほど少ない。呼吸ガス採取部６の構造は特に限定されるものではないが、例えば外径３．１８ ｍｍかつ内径１．５９ ｍｍの四フッ化エチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体であるフッ素樹脂（ＰＦＡ）製チューブを内管として呼吸ガスを流通させ、内管の外側にヒーターが接触するように配置して、内管の外表面温度が少なくとも４０℃以上かつ４５℃以内となるよう温度制御し、さらにその外側を絶縁性の高いチューブで覆う構造とすることができる。これにより実用上問題が発生しない程度に水分の凝縮及び呼気成分の吸着を防止する効果がある。チューブを二重構造とし、内管の外表面温度で４５℃以上の高温としないことで安全性は保たれる。すなわちこのような構造とすることで、実際の医療現場での適用上、安全性を損なうことなく最低限度の吸着抑制性能が得られる。なお温度制御の安全性が十分に確保されるのであれば、内管を通過する呼吸ガス温度は１０５℃以上とすることができる。
【００４０】
特定成分濃度測定部７は、興味ある呼気ガス成分、ここでは特定成分と総じて称する測定信号に一次遅れがある成分の濃度を測定する部位であって、呼吸ガス採取部６から導入した呼吸ガスを呼気及び吸気の圧力の変化に依らず定流量で流通させながら連続して測定する。このことは後述のモデル化のための要件となる。定流量で呼吸ガスを採取するための方式は特に限定されるものではないが、例えば特定成分濃度測定部７への導入をキャピラリ細管とし、その手前で呼吸ガスの一部をバイパスに分岐させ、バイパスの背圧側を圧力コントローラで一定に制御する方式とすることができる。また呼吸ガスが特定成分濃度測定部７を出る後段側かつ気体排出用ポンプ、例えばダイヤフラムポンプの手前に臨界オリフィスを設置する方式とすることもできる。
【００４１】
特定成分濃度測定部７は、特定成分の測定に用いる装置内配管、継手及び測定セルの内壁が不活性材料で構成され、又は内壁に不活性化処理を施し、測定セル本体温度及びガス温度を温度制御し、測定セルの内容積を流通する呼吸ガス流量で除した平均滞留時間並びにその配管、継手及び測定セルの内壁への特定成分の吸着に起因する一次遅れの時定数を、３秒以下に抑えることが好ましい。これは呼吸ガス採取部を含む系の時定数を総合的に小さくするという効果がある。測定セル本体温度及びガス温度は、特定成分が熱分解を起こさない限り高く設定するほど吸着が減少するが、電力消費の観点からは低く抑えたい。測定セル本体温度に関して、例えばプロポフォールの測定の場合、８０℃では一次遅れの時定数が３．９秒と大きく、著しい吸着が認められた。吸着を促進する可能性のある水分の凝縮を防止する観点からは１０５℃以上とするのがよいが、温度制御による電力消費量を削減したい点があり、また９０℃における一次遅れの時定数は同じく２．６秒程度であり、１０５℃の場合と比較して吸着の程度はほとんど変わらなかった。特定成分として３−ヒドロキシ酪酸を測定する場合にも、９０℃を境としてそれより低温では急激に時定数が増大した。また装置内配管中でのガス温度は、測定セル本体温度を９０℃以上に設定した場合には８０℃以上に予熱しておかないと、外乱により温度制御が安定化しなかった。ただし特定成分濃度測定部７の構造及び特定成分の種類によって異なるため、温度の閾値を特に限定するものではない。特定成分濃度測定部７における一次遅れの時定数を３秒以下に抑えるのは、挿管チューブあるいはラリンゲルマスクにおける吸着により、測定系全体としてさらに１ないし２秒以上時定数が増大するため、測定される鋸波状の濃度波形が平坦になって、後段の呼気終末濃度演算部９における演算精度が低下するのを防ぐためである。
【００４２】
後段の呼気終末濃度演算部９では複雑な演算を行うため、特定成分濃度測定部７の測定データをアナログデータとして扱うのは困難である。従って特定成分濃度測定部７で収集した測定データはデジタルデータとなるため時系列上の離散データとなる。このため特定成分濃度測定部７における特定成分の濃度データ収集の周期は、少なくとも３Ｈｚ以上であり、濃度データは記録時点の瞬時値ではなく前回の記録時点からの積算平均値であり、１回のデータ収集当りに実際に測定を行っている時間を１回のデータ収集時間で除した百分率として与えられる測定の負荷周期が、少なくとも４０％以上であることが好ましい。これにより代表性のある濃度波形を正確かつ確実に捉えることができる。一般的な換気回数１２回／分の条件において、濃度データ収集の周期が３Ｈｚで呼吸１サイクルのデータ点は１６点（時間ステップ数としては１５）となり、この条件では非線形最小二乗法を適用してフィッティングを行う場合、初期値を適正に設定すれば計算は必ず収束した。しかしながら濃度データ収集の周期が２Ｈｚでは明らかにデータ点数不足であり、３０〜５０％の確率で計算が発散した。測定の負荷周期は４０％以上が好ましいのは、データの代表性及びＳ／Ｎ比の向上のためである。本来、測定の負荷周期は大きいほど好ましいが、実際の測定では高頻度にゼロ点測定に切換える、あるいは干渉成分の影響の除去のために異なる設定条件に切換えて測定することが多用される。このような場合でも、負荷周期が３３％ではデータ収集周期３Ｈｚの条件における二乗平均偏差は負荷周期４０％の場合に比べ２０％以上大きくなったが、４０％以上では顕著に変わらなかった。
【００４３】
特定成分濃度測定部７における特定成分の濃度測定方法については、特定成分の濃度を選択的に高時間分解能で実時間に測定できる方法であれば、特に限定なく種々の方法が使用できる。例えば量子カスケードレーザー、インターバンドカスケードレーザー、半導体レーザーによる差周波発生光源、又は光コムを光源とする中赤外長光路差分吸収分光法又はカンチレバー増強光音響分光法、半導体レーザーを光源とするキャビティリングダウン分光法、ＬＥＤを光源とするキャビティ減衰位相シフト分光法、半導体レーザー又はＬＥＤを光源とする蛍光分光法、あるいはプロトン移動反応質量分析法又は電荷移動反応質量分析法とすることができる。また固体センサーであっても、膜型表面応力センサーのような数秒程度以内と応答性の速いものであり、かつ干渉成分が数種程度以内と特定成分の選択性が比較的高いものであれば、同様に濃度測定方法とすることができる。
【００４４】
参照成分濃度情報取得部８は、呼吸代謝を特徴付ける参照成分の濃度情報を連続して取得する部位である。情報を取得する参照成分は、呼吸代謝を特徴付ける成分であって、吸着が問題とならず、かつ呼吸以外の要因で大きく変動しない成分であれば、特に限定するものではない。例えば二酸化炭素、アセトン及びイソプレンなどが参照成分として挙げられる。また参照成分濃度情報を取得する目的は、呼気相の開始時点を判断すること及び呼吸パラメータを求めることであるが、呼吸パラメータとして呼気時間ステップ数及び吸気時間ステップ数のみを必要とする場合には、挿管チューブ又はラリンゲルマスクに近い呼吸回路基部で情報を取得することで、湿度あるいはガス温度を参照成分の代用として参照することもできる。図１の代表的な実施形態では、呼吸ガス採取部６から流路を分岐させて特定成分濃度測定部７と並列で連続して測定する方式となっているが、外部装置からアナログ又はデジタルで参照成分の濃度測定値を連続して入力してもよい。この場合は、呼吸回路に接続したカプノメータで得られる二酸化炭素濃度実測値のアナログ信号又はデジタル信号を入力し、呼気終末濃度演算部９に送信するのが好ましい。参照成分の濃度をアナログで入力した場合には、参照成分濃度情報取得部８においてデジタルに変換する必要があり、Ａ/Ｄ変換ボード又はカードを用いて構成される。
【００４５】
図１の構成による参照成分の測定では、二酸化炭素を対象とするのが最も容易であり、例えば赤外光源及び４．３μｍの赤外光を通すバンドパスフィルタ付きの熱起電力型検出素子（サーモパイル）により構成する非分散赤外吸収分光法で実現できる。図１の構成のように参照成分の濃度を測定する場合には、一次遅れなくもしくは一次遅れの時定数が０．３秒以下となるように測定することが好ましい。一次遅れの時定数が０．３秒より大きいと、参照成分測定が一次遅れのない元の波形を再現できない測定となり、呼気終末濃度演算部９での演算処理が極めて複雑で不正確となる。また特定成分と同時に測定できる場合には、特定成分濃度測定部７が参照成分濃度情報取得部８を兼ねてもよい。これは例えば飛行時間型質量分析計を用いたプロトン移動反応質量分析法又は電荷移動反応質量分析法により実現でき、参照成分としてはアセトン又はイソプレンを測定することができる。この場合の利点は、種類数に制限なく複数の特定成分を測定できることである。
【００４６】
呼気終末濃度演算部９は、本発明の中心となる部位であり、特定成分濃度測定部７で得られた特定成分の濃度及び参照成分濃度情報取得部８で得られた参照成分の濃度を基に、特定成分の呼気終末濃度を算出する。呼気終末濃度演算部９は、呼気相開始点演算手段９１、直近サイクルデータ格納部９２、呼吸パラメータ演算手段９３、及び復調等価処理演算手段９４で構成される。各部については後述する。
【００４７】
呼気終末濃度表示部１０は、呼気終末濃度演算部９で計算された呼気終末濃度の数値、及び時系列推移図のうちの少なくともいずれか一方を表示する。数呼吸から十数呼吸分の特定成分の濃度測定値の短期的な時系列推移図上に、直近の呼吸１サイクルの呼気終末濃度の数値を図形的な工夫と合わせて表示し、手術時の使用であれば、計算された呼気終末濃度の手術開始もしくは本発明装置のデータ収集開始からの計算された時系列推移図を別途に表示すると、麻酔科医による患者の全身管理における総合的判断に資することができる。
【００４８】
呼気終末濃度演算部９の各部について順を追って説明する前に、一次遅れを受けた濃度波形の意味と解釈、並びにその取扱い方について解説する。そこで図２には吸着の影響を受けないときの呼吸毎の呼気成分の濃度波形が、吸着の程度によりどのように変化するかをシミュレーションにより示している。モデルの構築の考え方については後述するが、可逆吸着を考え、吸着が総合的な物質収支には影響しないとの前提を置いている。すなわち可逆吸着の程度により系の時定数のみに影響すると仮定する。図２（Ａ）は麻酔器の換気回数１２回／分、吸気時間と呼気時間の比、すなわちＩ：Ｅ比が１：２の典型的な呼吸管理の場合の連続する呼吸１サイクルの濃度波形を示し、台形に近い波形はカプノメータで観測される二酸化炭素の濃度波形と同様、吸着の影響を受けていない元の呼気中の成分濃度を示している。これが装置で測定されるまでの導入系での吸着の程度により、一次遅れの時定数τが変化するに従い、濃度波形は歪みを生じて鋸波を呈すようになり、τが１０秒を超えるとついには呼気相及び吸気相の区別がなく平坦になることが理解される。図２（Ｂ）は時定数τを３秒に固定し、Ｉ：Ｅ比を変えた場合の元の濃度波形及びの一次遅れ波形の変化を示す。図２（Ｃ）はＩ：Ｅ比を１：２、時定数を３秒に固定し、換気回数を変えた場合の元の濃度波形及びの一次遅れ波形の変化を示す。静脈麻酔薬血中濃度測定装置１０１と同様な質量分析計により、麻酔時の静脈麻酔薬プロポフォールの濃度を測定した際の実際の観測波形は、図２に示されるような鋸波の一次遅れ波形である。これらの結果より、吸着による一次遅れを受けると、濃度波形の呼気相の最終時点の濃度は元の呼気終末濃度より低く観測されることがわかる。しかも一次遅れの時定数が大きくなるほど、Ｉ：Ｅ比が大きくなるほど、すなわち呼気相の時間比率が小さくなるほど、また換気回数が大きくなるほど一次遅れ波形の濃度は過小となる。細かく観ると、一次遅れ波形の濃度最小点及び濃度最大点はそれぞれ呼気相の開始時点及び呼気相の最終時点よりも遅れている。このため二酸化炭素濃度を基準として判断した呼気相の最終時点における吸着を受ける呼気成分の観測濃度は、さらに過小となることが理解される。
【００４９】
しかしながら装置側で吸着防止処置を完全に施し、一次遅れを受ける無視しうるほど小さくできるかというと、実際にそのように設計されてもそのようにはならない。人体に接する挿管チューブ又はラリンゲルマスクはシリコン樹脂が多用されるため、プロポフォールのような物質は非常に吸着しやすい。しかしながら現段階では吸着の起こらない素材に変更することは実質的に不可能であり、プロポフォールのような呼気ガス成分を測定する場合には、必然的に吸着の影響を受けることを前提に考えねばならない。また呼気は３７℃程度で相対湿度１００％近い水分を含む。これが挿管チューブや呼吸回路内壁に凝縮すると、さらに吸着を促進する場合がある。
【００５０】
図２から明らかなように、吸着の影響がない元の濃度曲線に対し、一次遅れを受けた濃度波形は鋸波となり、濃度波形は一次遅れ、Ｉ：Ｅ比及び換気回数の関数となっている。そこで先ず一次遅れを受けた濃度波形の導出について述べる。一般的に吸着しやすい所定濃度の微量ガス成分、例えば静脈麻酔薬プロポフォールの有効成分である２，６−ジイソプロピルフェノールを定流量でＰＦＡチューブのような比較的吸着が起こりにくい配管に流通させると、出口濃度の入口濃度に対する百分率として定義される透過率は流通当初は１００％に達しないが、典型的には徐々に増加して数分で概ね１００％に到達して平衡となる。平衡に達するまでの過渡状態では配管内壁の吸着点にガス成分分子が１分子ずつ吸着していく過程であり、平衡では全ての吸着点が埋められている状態と考えられる。このような有機分子の吸着は物理吸着であって、平衡状態は吸着現象が全く起こらない状態であるのではなく、弱く吸着した呼気ガス成分分子の一部が吸着点から脱着し、直ぐに周囲のガス成分分子が吸着することを繰り返している。さらに吸着点を埋めた分子で管壁が一層覆われると、流れる呼気ガス成分分子と弱い相互作用が働くと考えられる。このため１００％透過していても、濃度変化をステップ応答として与えれば、ある時定数を持った一次遅れに近似される時間遅れが現象として観測される。ここで重要な点は、このような吸着の場合、定流量で呼吸ガスを採取している限り、ある程度の時間幅で観れば物質収支は完結しており、濃度に関する式のみで扱えるということである。また一般に流通式の測定セルを有する濃度測定装置は、測定部の流れを押し出し流れモデルで扱えず、完全混合槽モデルとの中間である完全混合槽列モデルとして扱われるが、単純化のためにステップ応答を与えたときの一次遅れの時定数により扱う。実際には濃度測定装置内でも吸着が起こるので、吸着の寄与と流れの寄与を分離するのは困難であり、全体系を一括で一次遅れとして扱っても実用上大きな問題はない。
【００５１】
麻酔器又は人工呼吸器で管理された呼吸現象の特性は周期波、すなわち数学的に取扱いやすい繰返し波形となることである。図３では、実際的な濃度波形を検討するに際して、先ず単純な矩形波の繰返しを考え、実際の濃度波形を再現するための基本的な考え方を示している。図３（Ａ）は１周期のみの時間幅Ｔｅの単位矩形波であり、これは単位区間関数を用いて以下の式（１）で表される。式（１）中のＴｃは１周期の時間幅である。
【００５２】
【数１】
0006846584.tif 000002
【００５３】
式（１）のラプラス変換による表現は式（２）となる。
【００５４】
【数２】
0006846584.tif 000003
ここでラプラス変換の定義は式（３）の通りである。
【００５５】
次に図３（Ｂ）のような周期Ｔｃの周期波ｆ（ｔ）を考え、周期波は単位波ｇ（ｔ）の繰返しと考える。周期波のラプラス変換による表現は以下の式（４）のようになり、整理すると式（５）となる。
【００５６】
【数３】
0006846584.tif 000004
ここでＧ（ｓ）はｇ（ｔ）のラプラス変換である。
【００５７】
単位波が時間幅Ｔｅ、大きさＣｅの矩形波として与えられる場合の周期波のラプラス変換は、式（２）より以下の式（６）となる。
【００５８】
【数４】
0006846584.tif 000005
【００５９】
そこで物質濃度の矩形波ｆ（ｔ）が系に入力され、吸着及び脱着を繰り返して一次遅れを生ずるものとし、可逆吸着であり、立上り及び立下りの時定数は同一のτであるとし、むだ時間Ｌも生じるものとする。出力関数ｙ（ｔ）のラプラス変換をＹ（ｓ）で表すものとすると、システムのブロック線図はむだ時間及び一次遅れの各伝達関数を介して図３（Ｃ）のようになる。Ｙ（ｓ）は式（７）で表される。
【００６０】
【数５】
0006846584.tif 000006
【００６１】
逆ラプラス変換により出力関数ｙ（ｔ）は、線形性、部分分数分解及び推移測を用いて整理すると式（８）となる。
【００６２】
【数６】
0006846584.tif 000007
【００６３】
実際にはむだ時間については時間軸の平行移動のみの問題であるため、観測系は既にむだ時間補償がなされているものとする。一次遅れを受けた観測波形を観測する観測系における直近の呼吸１サイクルの観測濃度波形は、過去の呼吸の影響を受けるので、時間軸を過去に遡って解析を行う。先ず簡単な理解のため、元の呼吸１サイクルの濃度変化が矩形波の単位波で与えられる場合を仮定する。図３（Ｄ）に示すように、呼吸１サイクルの観測濃度波形は、単位矩形波である直近の元の濃度波形が一次遅れを受けた波形のみならず、過去の単位矩形波を一次遅れ処理した波形が重畳している。従って時間軸を過去に遡って式（８）を整理すると、直近の呼吸１サイクルの観測波形は式（９）のように表される。
【００６４】
【数７】
0006846584.tif 000008
ここでＣ０（ｔ）は直近の呼吸１サイクルの観測濃度波形、Ｃｅは元の矩形波で表される濃度、Ｔｅは呼気時間（呼気相の時間幅）、ＴＣは呼吸１サイクルの時間（呼気時間と吸気時間の和）、及びτは一次遅れの時定数であり、時間の単位は秒である。
【００６５】
図３では基本的な概念について記したが、図４では実際のモデル構築について説明する。一方、一次遅れを受ける前の元の実際の単位波は、典型的にはカプノメータで観測される二酸化炭素の、図４（Ａ）に示すような頂稜部がやや右上がりで平坦な台形状の濃度波形である。そこでこの波形が適切な単位時間幅の矩形の集合体で構成されると考えれば、一次遅れ処理を単位時間幅刻みでずらして適用し、大きさを単位波の波形に沿って与えて畳み込みすればよい。このことが呼気終末濃度演算部９における復調等価処理演算手段９４で、特定成分濃度モデル及び特定成分濃度の一次遅れモデルを形成する際の基本的な考え方となっており、また図２及び図４のシミュレーションもこの考え方により導出している。
【００６６】
図４（Ａ）には実際の台形状の単位波で、過去何サイクルまで遡れば繰返し波形の切り出しとして観測される一次遅れの観測波形が再現できるかを示している。この場合、元の単位波の濃度の大きさは変化がないものと仮定している。図４（Ａ）より明らかなように、観測される一次遅れ波形は直近サイクルを含めて３サイクル程度でほぼ再現できる。従ってこの例でも明らかなように、復調等価処理演算手段９４で一次遅れモデルを構築する場合には、一次遅れ処理は、特定成分濃度モデルの時系列上の各点に対応する矩形波の集合体であるとし、各矩形波の一次遅れ波形を、過去サイクルに遡って畳み込みすることにより、特定成分濃度の一次遅れモデルを形成することが好ましい。
【００６７】
さらに元の単位波の大きさが変わるとき、すなわち呼気終末濃度が１サイクル毎に変わる場合を考える。単位波の形状は実際の台形状とし、濃度の大きさのみが変化するものとする。薬物動態で一般的な指数関数で呼気終末濃度が減少する挙動を考える。呼気終末濃度と相関する血中濃度の減少が比較的速いプロポフォールの場合、簡単にはＳｃｈｎｉｄｅｒらのモデルにより、３コンパートメントモデルで考えてよく、次の式（１０）で血中濃度の減少が表現される。成人男性の場合の最も減衰の速い分布相（α相）の２０秒間における減少は、半減期表の区間の平均減少率を採ればＳｃｈｎｉｄｅｒのモデルで６％、プロポフォール注射液の製造業者である丸石製薬株式会社の添付文書によれば１０．６％となる。そこで呼気終末濃度の減少速度は、血中濃度とほとんど同一であると仮定すると、１０．６％の数値を用いても、過去７サイクル遡って畳み込み積分した場合、時定数を５秒の範囲内で変化したとき、濃度変化がないとする場合に比べて最大で＋２．９％の差にしかならない。従って以上の考え方で観測波形を眺めた場合、現時点、すなわち直近の呼吸１サイクルは、現時点を含め過去の呼吸３サイクルの一次遅れの影響の寄与があるに過ぎず、ほぼブレスバイブレスで、言い換えれば一呼吸毎の呼気終末濃度を正確に求められることを示している。
【００６８】
【数８】
0006846584.tif 000009
ここにＣｂ（ｔ）は血中濃度、Ａ及びαはα相、Ｂ及びβはβ相、Ｃ及びγはγ相の減衰パラメータを表す。
【００６９】
また図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）には、元の単位波の形状がそれぞれ矩形及び右上がりの三角形として、過去の３サイクルまで重畳した場合の一次遅れの波形を示している。吸気相における観測波形は殆ど形状が同じであるが、呼気相の観測波形は上に凸又は下に凸の曲線と異なっており、一次遅れの観測波形から元の波形を辿る可能性を示している。なお極めて複雑であるため詳しい説明は省略するが、移流拡散方程式を立て、肺胞での気液分配に関して界面での微視的なヘンリー平衡が成り立つとして、取り込み係数もしくは脱離係数により界面物質移動を速度論的に扱い、さらに液相反応を含め、ヘンリー定数１×１０−４〜１×１０−１ｍｏｌ・ｍ−３・Ｐａ−１と変化させ、二酸化炭素の３．４×１０−４ｍｏｌ・ｍ−３・Ｐａ−１及びその血液中での実効ヘンリー定数５．５×１０−３ｍｏｌ・ｍ−３・Ｐａ−１を含めた殆どの特定成分が対象となるように詳細なシミュレーションを実施すると、呼気平坦相の傾きに与える影響は小さく、図４（Ａ）に示す二酸化炭素の波形と相似であると仮定しても、呼気終末濃度の見積り誤差は高々４％以内であった。プロポフォールの場合、ヘンリー定数は６．１×１０−２ｍｏｌ・ｍ−３・Ｐａ−１と測定されたため、非常に速く平衡に到達する。このため第一義的には元の特定成分の濃度波形は参照成分の濃度波形とほぼ相似であると考えてよい。実際に図４（Ｃ）に示すような一次遅れを受けた観測波形が、呼気相で下に凸の曲線として観測されたことはなく、元の波形が右上がりの三角形に近い状況はなく、この仮定が適正であることがわかる。
【００７０】
呼気終末濃度演算部９で行う演算処理の手順を詳細に記述すると、これに限定するものではないが、図５、図７及び図８のフローチャートで示される手順とするのがよい。図５、図７及び図８は復調等価処理演算手段９４において、呼吸パラメータ演算手段９３で得られた呼吸パラメータを基に、直近の呼吸１サイクル分の前記特定成分の濃度測定値が前記特定成分の元の繰返し波形の重畳した一次遅れ処理を施した結果であるとして扱い、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の直近サイクルの特定成分の呼気終末濃度を計算するための方法として好ましい第一及び第二の2つの方法、並びに第二の方法の2つの態様を実現する手順を示している。図５は、特定成分の濃度測定値の直近の呼吸１サイクルの積分値を実効呼気時間ステップ数で除することにより、直近の呼気終末濃度を求める方法を実現する手順である。図７は、元の波形を表現する特定成分濃度モデルが濃度を規格化すれば参照成分濃度モデルと相似であるとして、フィッティング計算により直近の呼気終末濃度を求める方法を実現する手順である。図８は、特定成分濃度モデルが参照成分濃度モデルと相似でない異なる波形であるとして、フィッティング計算により直近の呼気終末濃度を求める方法を実現する手順である。なお以下において、実際の参照成分の濃度測定値及び特定成分の濃度測定値は、時間軸上の離散点によって成る離散データであるから、モデルは離散モデルであって、演算は離散的な数値計算となる。時間ステップは測定の周期もしくはデータ収集の周期によって決まる時間幅である。
【００７１】
参照成分濃度情報取得部８で取得された参照成分の濃度測定値の時系列データの変化から、呼気相の開始時点を判断する呼気相開始点演算手段９１における演算手順は、いずれの実施形態であっても共通して必要であって、図５ではステップＳ１００及びステップＳ１０１、図７ではステップＳ２００及びステップＳ２０１、図８ではステップＳ１００及びステップＳ１０１の２つのステップが該当する。最初のステップは参照成分の濃度測定値変化により呼気相開始を判断し、二番目のステップで参照成分の濃度測定値変化により次の呼気相開始を判断する。この時点で直近の参照成分濃度の１サイクルの切り出しが可能で、呼吸現象として始点が呼気相の開始であり、終点が吸気相の終了となる。よって呼気相開始点演算手段は、参照成分濃度の閾値を超えて増加する時間軸上のデータ取得点から、あらかじめ定められた数点遡った時間軸上のデータ点を呼気相開始点と判定し、かつ一つ前の呼気相開始点から直近の呼気相開始点までを、直近の呼吸１サイクルと判定するのが好ましい。なお図５の特定成分の濃度測定値の直近の呼吸１サイクルの積分値を実効呼気時間ステップ数で除することにより、直近の呼気終末濃度を求める方法の場合、次のステップＳ１０２で対応する特定成分の濃度のむだ時間補償を施して、直近の呼吸１サイクル分の特定成分の濃度測定値を決定しておく。その他の場合は後のステップでむだ時間を調整するため、暫定的なむだ時間の数値で特定成分の濃度のむだ時間補償を行っておく。
【００７２】
呼気相開始点演算手段９１により直近の呼吸１サイクル分の参照成分の濃度測定値、及びむだ時間補償処理を施して対応する直近の呼吸１サイクル分の特定成分の濃度測定値が得られると、これらを直近サイクルデータ格納部９２に保管する。この操作は図５、図７及び図８ではそれぞれステップＳ１０３、Ｓ２０２及びＳ１０２で示される。
【００７３】
次の呼吸パラメータ演算手段９３では参照成分濃度モデルを直近の呼吸１サイクル分の参照成分の濃度測定値に非線形最小二乗法でフィッティングして呼吸パラメータを得る。先ず参照成分の濃度測定値の変化から、すなわち吸気相に入り急激に濃度が減少する手前が呼気相の最終時点と判断され、呼気時間ステップ数が決まる。呼吸サイクル時間のステップ数はデータ保存の段階で決まっているので、自動的に吸気時間ステップ数が決まる。図５、図７及び図８ではそれぞれステップＳ１０４、Ｓ２０３及びＳ１０３が該当する。呼気相の最終時点の決め方により、通常のＩ：Ｅの設定と照らして異常と判断されれば、前回値を読込み、前回値を用いることもできる。
【００７４】
続いて参照成分濃度モデルを直近の呼吸１サイクル分の参照成分の濃度測定値に非線形最小二乗法でフィッティングするが、これは図５、図７及び図８ではそれぞれステップＳ１０５〜Ｓ１０７、Ｓ２０４〜Ｓ２０６及びＳ３０４〜Ｓ３０６で示される。参照成分濃度情報取得部８で得られる呼気二酸化炭素の波形は、図４（Ａ）に示すような台形状であり、立上りの呼気上昇相の曲線は三次関数で近似できるが、短い区間での三次関数の適用はフィッティング計算での収束性が問題となる。このことから式（１１）で示すように、参照成分濃度モデルは呼気上昇相及び呼気平坦相をシグモイド関数と一次関数の一次結合、吸気下降相を逆シグモイド関数で与えるのが好ましく、このことは一次遅れ処理が同様な指数関数で表現されることから、演算を単純化できる利点がある。
【００７５】
【数９】
0006846584.tif 000010
ここでｉは時間軸上の各点、Ｎｅは呼気時間ステップ数、Ｎｃは呼吸サイクル時間ステップ数、Ｔｓは時間ステップ幅、Ｃｃｍ（ｉ）は各点の参照成分濃度、Ｃｃｅｔｄは参照成分呼気終末濃度、Ｌ１は呼気立上りシグモイド曲線漸近値、Ｓ１は呼気立上りシグモイド曲線傾き、ｘ１は呼気立上りシグモイド曲線シグモイド中間点、ａは一次関数傾き、Ｌ２は呼気立下り逆シグモイド曲線漸近値、Ｓ２呼気立下り逆シグモイド曲線傾き、ｘ２呼気立下り逆シグモイド曲線シグモイド中間点であって、ａは式（１２）で計算される従属変数であり、フィッティングにおける独立変数は七つである。
【００７６】
フィッティング計算は参照成分濃度モデルの初期値読込み、非線形最小二乗法による参照成分濃度モデルのフィッティング、及び計算されたモデルパラメータが正常域かの判断の手順で進行し、モデルパラメータが正常域内であれば採用し、呼吸パラメータを計算する。非線形最小二乗法の方法に制限はないが、点数が比較的少なく、関数形が切換ることから、非負条件付きのＭａｒｑｕａｒｄｔ法又は修正Ｍａｒｑｕａｒｄｔ法を用いることができる。
【００７７】
呼吸パラメータ演算手段９３で最終的に算出する呼吸パラメータは、後段の復調等価処理演算手段９４において、一次遅れを受ける前の元の波形に復調することと実質的に等価な処理の方法により異なる。但し呼気時間ステップ数、及び呼吸サイクル時間ステップ数又は吸気時間ステップ数はいずれの方法でも共通して使用する呼吸パラメータであり、以下では特段の説明を行わない。図５の特定成分の濃度測定値の直近の呼吸１サイクルの積分値を実効呼気時間ステップ数で除することにより、直近の呼気終末濃度を求める方法の場合は、ステップ１１０に示される実効呼気時間ステップ数である。図７の元の波形を表現する特定成分濃度モデルが濃度を規格化すれば参照成分濃度モデルと相似であるとして、フィッティング計算により直近の呼気終末濃度を求める方法の場合は、参照成分濃度モデルのフィッティングで決定されたモデルパラメータのうち、ステップ２０７に示される参照成分呼気終末濃度を除くモデルパラメータである。図８の特定成分濃度モデルが参照成分濃度モデルと相似でない異なる波形であるとして、フィッティング計算により直近の呼気終末濃度を求める方法の場合も、ステップ３０９に示される実効呼気時間ステップ数である。
【００７８】
実効呼気時間ステップ数は、参照成分濃度の波形が囲う面積と等面積な、大きさが参照成分呼気終末濃度の矩形の時間幅として定義される。このため式（１３）に示すように、呼吸パラメータの１つとして得られる直近の呼吸１サイクル分の参照成分濃度モデルの濃度値を１サイクル積分した積分値、又は直近の呼吸１サイクル分の参照成分の濃度測定値を１サイクル積分した積分値のいずれか一方を、呼吸パラメータの１つとして得られる参照成分の呼気終末濃度、又は呼気時間最終の参照成分の濃度測定値のいずれか一方で除して得られる比として計算されるのが好ましい。この手順は図５のステップＳ１０８〜Ｓ１１０に該当する。
【００７９】
【数１０】
0006846584.tif 000011
ここでＮＥＦＦは実効呼気時間ステップ数、Ｎｃは呼吸サイクル時間ステップ数、Ｃｃｍ（ｉ）は直近の呼吸１サイクル分の時間軸上各点の参照成分濃度モデル濃度値、又は参照成分の濃度測定値、Ｃｅｔｄは参照成分呼気終末濃度、又は呼気時間最終の参照成分の濃度測定値である。
【００８０】
復調等価処理演算手段９４は、直近の呼吸１サイクル分の特定成分の濃度測定値が、特定成分の元の繰返し波形の重畳した一次遅れ処理を施した結果であるとして扱い、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の直近サイクルの特定成分の呼気終末濃度を求めるものである。例として第一及び第二の２つの方法、並びに第二の方法の２つの態様を挙げているが、それらに限定されるものではない。第一の方法としては、図５のステップＳ１１１〜Ｓ１１２に示されるように、直近の呼吸１サイクル分の特定成分の濃度測定値を１サイクル積分した積分値を、呼吸パラメータ演算手段９３により呼吸パラメータの１つとして計算される実効呼気時間ステップ数で除することにより、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の直近サイクルの特定成分の呼気終末濃度を計算するのが好ましい。これは参照成分濃度と特定成分で実効呼気時間ステップ数が同一として扱うことを意味し、実用的には計算時間が短い、及び測定値の信号雑音比が小さい場合でも計算できる利点がある。この方法の概要を示したものが図５である。図中の矩形が特定成分の濃度測定値を１サイクル積分した積分値と等面積になっている。すなわちシミュレーション解析で示したように、物質収支が成り立つ限り、すなわち吸着が可逆吸着である限り、時定数、換気回数及びＩ：Ｅ比等とは無関係に呼気終末濃度が計算できる。
【００８１】
復調等価処理演算手段９４の第二の方法は、特定成分濃度モデル及び特定成分濃度一次遅れモデルを使用するものであって、呼吸パラメータとして得られる呼気時間ステップ数及び吸気時間ステップ数を固定値とし、特定成分の濃度の一次遅れの時定数を変数とし、特定成分濃度モデルに畳み込み一次遅れ処理を施した特定成分濃度一次遅れモデルを、直近の呼吸１サイクル分の特定成分の濃度測定値に非線形最小二乗法でフィッティングすることにより、実質的に一次遅れを受ける前の元の波形の直近サイクルの特定成分の呼気終末濃度を計算するのが好ましい。この方法の利点はより詳細に特定成分の濃度の挙動を掌握することができるという点にある。さらにこの方法には二つの態様が存在するが、違いは、濃度を規格化すれば参照成分濃度モデルと相似であるモデルを用いるか特定成分濃度モデルが参照成分濃度モデルと全く異なるモデルを用いるかであって、それぞれ図７の場合のステップＳ２０９〜Ｓ２１７及び図８の場合のステップＳ３１３〜Ｓ３２１に相当する。手順として両者は同一であり、特定成分のむだ時間補償、特定成分濃度モデルのパラメータ初期値読込み、特定成分濃度モデルの設定、畳み込み一次遅れ処理による特定成分濃度一次遅れモデルの構築、非線形最小二乗法による特定成分濃度一次遅れモデルのフィッティング、想定される全てのむだ時間を変えてのフィッティング、フィッティング残差最小のむだ時間の選択、モデルパラメータが正常域内かの判断、及び決定されたモデルパラメータを用い、特定成分濃度モデルに戻しての特定成分呼気終末濃度の決定と九つのステップが続く。なお図８のステップＳ３１１〜Ｓ３１２は第一の方法と同一であり、計算された特定成分呼気終末濃度が、第一の方法で求まる特定成分呼気終末濃度に照らして妥当であるか判定するのに用いる。従ってこのステップはなくてもよい。
【００８２】
復調等価処理演算手段９４の第二の方法における特定成分濃度モデルは、参照物質濃度モデルと同様に、呼気上昇相及び呼気平坦相をシグモイド関数と一次関数の一次結合、吸気下降相を逆シグモイド関数で与えるのが好ましい。これは元の特定成分の濃度波形は参照物質の濃度波形と相似か、もしくは類似であるため、取扱い上の便宜が図られるからである。
【００８３】
特定成分濃度モデルの構築に当り、呼吸回路におけるバイアス濃度はモデルの変数として含めない。これはバイアス濃度が他のモデルパラメータと著しく特性が異なり、Ｍａｒｑｕａｒｄｔ法におけるヤコビ行列の計算に異常が生じて発散が起きやすいからである。バイアス濃度は吸気回路で送気する吸気ガス中に呼気ガス成分が再循環することの寄与であるが、これは呼吸回路特性の定数として事前に測定しておくことができること、並びに実用上で麻酔器の呼気側入口直前及び吸気側出口直後にそれぞれ人工鼻を設置すれば、ほぼ全ての成分が除去されるのでバイアス濃度は実質０となるからである。人工呼吸器の場合にはそもそも内部に活性炭が使用されているため、完全に除去されてバイアス濃度は０である。なおバイアス濃度に対する扱いは、復調等価処理演算手段９４の第一の方法においても同様である。
【００８４】
むだ時間は特定成分濃度モデルそのものには変数として含めない。これはむだ時間が観測系に依存し、時間ステップ幅ずつの離散値しか採りえないためである。従って最初に暫定的に呼気相開始点演算手段９１において設定したむだ時間によるむだ時間補償を施した特定成分の濃度測定値でフィッティングを行った後、さらにむだ時間を変えて特定成分の濃度測定値にむだ時間補償を施してフィッティングを繰り返す。むだ時間を変えるのは、実用上むだ時間は種々の要因により変わることがあり、それがフィッティングの良否に直接影響するからである。
【００８５】
復調等価処理演算手段９４の第二の方法で採用する非線形最小二乗法の方法に制限はないが、点数が比較的少なく、関数形が切換ることから、通常は非負条件付きのＭａｒｑｕａｒｄｔ法又は修正Ｍａｒｑｕａｒｄｔ法を用いることができる。但しこの場合、呼吸パラメータ演算手段９３で行う参照成分濃度モデルに関するフィッティングと異なり、元の特定成分濃度モデルを用いてフィッティングを行うのではなく、特定成分濃度モデルに畳み込み一次遅れ処理を施した特定成分濃度一次遅れモデルに非線形最小二乗法を用いてフィッティングを行う。
【００８６】
復調等価処理演算手段９４の第二の方法における二つの態様、すなわち図７に示す濃度を規格化すれば参照成分濃度モデルと相似であるモデルを用いる場合、及び図８に示す特定成分濃度モデルが参照成分濃度モデルと全く異なるモデルを用いる場合では、特定成分濃度モデルの設定に際しての変数が異なる。前者では独立変数は一つであり、特定成分呼気終末濃度のみである。シグモイド関数で用いる他の六つのパラメータは、参照成分濃度モデルで決定した値と同一のために定数である。後者ではシグモイド関数で用いる七つのパラメータ、すなわち特定成分呼気終末濃度、呼気立上りシグモイド曲線漸近値、呼気立上りシグモイド曲線傾き、呼気立上りシグモイド曲線シグモイド中間点、呼気立下り逆シグモイド曲線漸近値、呼気立下り逆シグモイド曲線傾き、及び呼気立下り逆シグモイド曲線シグモイド中間点は全て独立変数として扱う。特定成分濃度一次遅れモデルでは、さらに両者に共通して一次遅れの時定数が独立変数となる。従ってフィッティングにおける独立変数は前者で二つ、後者で八つである。
【００８７】
特定成分濃度モデルを式で表すと、例えば式（１１）と類似の形式の式（１４）となる。
【００８８】
【数１１】
0006846584.tif 000012
ここでｉは時間軸上の各点、ｊは直近の呼吸１サイクルより過去の呼吸サイクル（直近の呼吸１サイクルはｊ＝０）、Ｎｅは呼気時間ステップ数、Ｎｃは呼吸サイクル時間ステップ数、Ｔｓは時間ステップ幅、Ｃｐｍ（ｉ）は各点の参照成分の濃度、Ｃｐｅｔｄは参照成分呼気終末濃度、ｒｊは現在を1とする呼気終末濃度減少率で通常は全て１と設定するのが最も簡単であるが、薬物動態に相似する減少関数として与えてもよい。また直近の呼吸１サイクルでない過去のサイクルの場合には、Ｃｐｅｔｄ・ｒｊを過去に計算した呼気終末濃度計算結果で置き換えてもよい。Ｌ１は呼気立上りシグモイド曲線漸近値、Ｓ１は呼気立上りシグモイド曲線傾き、ｘ１は呼気立上りシグモイド曲線シグモイド中間点、ａは一次関数傾き、Ｌ２は呼気立下り逆シグモイド曲線漸近値、Ｓ２呼気立下り逆シグモイド曲線傾き、ｘ２呼気立下り逆シグモイド曲線シグモイド中間点であって、ａは式（１５）で計算される従属変数である。ｒｊを除き、図７及び図８の場合のフィッティングにおける独立変数はそれぞれ一つ及び七つである。
【００８９】
特定成分濃度一次遅れモデルを式で表すと、特定成分濃度モデルに一次遅れ処理を施して、例えば式（１６）のようになる。
【００９０】
【数１２】
0006846584.tif 000013
ここでｉは時間軸上の各点、ｊは直近の呼吸１サイクルより過去の呼吸サイクル（直近の呼吸１サイクルはｊ＝０）、ｋは時間軸上の各点でｉより小さい点、ＣＮは直近の呼吸１サイクルを含めず過去何サイクル遡るかの数、Ｎｃは呼吸サイクル時間ステップ数、Ｔｓは時間ステップ幅、Ｃｐｍ（ｉ，ｊ）は特定成分濃度モデルで与えられる元の各点の特定成分の濃度、ＴＣは呼吸１サイクルの時間（呼気時間と吸気時間の和）、及びτは一次遅れの時定数であり、新たに追加される独立変数はτのみである。
【実施例】
【００９１】
以下に実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によってなんら限定されるものではない。
実施例１
麻酔器の設定換気回数が１２回、Ｉ：Ｅ比が１：２のときの測定である。呼吸ガス採取部６はＰＦＡ製チューブを内管とし、ヒーターを配置して外側を絶縁性チューブで覆うことにより、呼吸ガス温度を３８℃に維持して水分の凝縮を抑えている。特定成分濃度測定部７では蛍光法によりプロポフォール濃度を測定し、０．２秒毎にデータ収集している。参照成分濃度情報取得部８は、呼吸ガス採取部６から流路を分岐させて特定成分濃度測定部７と並列で二酸化炭素を測定し、プロポフォールと同期してデータ収集している。呼気終末濃度演算部９では図５、図７及び図８に示した手順を組合せて、呼吸１サイクル毎にプロポフォールの呼気終末濃度を演算し、直近の４０秒のプロポフォール及び二酸化炭素の濃度瞬時値のトレンドグラフ表示、呼気終末濃度の演算値と実効呼気時間ステップ数に相当する矩形のグラフ表示、並びに測定開始からの呼気終末濃度演算値のトレンドグラフ表示を出力している。呼気相開始点演算手段９１では、二酸化炭素の閾値を７．６ｍｍＨｇと設定し、これを超えて増加する時間軸上のデータ取得点から、２点遡った時間軸上のデータ点を呼気相開始点と判定している。呼吸パラメータ演算手段９３の参照成分濃度モデルは、呼気上昇相及び呼気平坦相をシグモイド関数と一次関数の一次結合、吸気下降相を逆シグモイド関数で与え、直近サイクルデータ格納部９２に保管した直近の呼吸１サイクル分の二酸化炭素濃度測定値に、非負条件付きのＭａｒｑｕａｒｄｔ法でフィッティング計算している。復調等価処理演算手段９４では、暫定でプロポフォール濃度測定値のむだ時間補償を行った後、第一の方法により実効呼気時間ステップ数から直近のプロポフォール呼気終末濃度を計算している。引き続き第二の方法の二つの態様で呼気終末濃度を求めている。すなわち元の波形を表現する特定成分濃度モデルが濃度を規格化すれば参照成分濃度モデルと相似であるとして、フィッティング計算により直近のプロポフォール呼気終末濃度を求める方法、及び特定成分濃度モデルが参照成分濃度モデルと相似でない異なる波形であるとして、フィッティング計算により直近のプロポフォール呼気終末濃度を求める方法である。
図９は本発明装置の実施例の結果の一つで、全身静脈麻酔下の手術中における静脈麻酔薬プロポフォールの呼気終末濃度の計算結果を示す。第一の方法はそれだけでも呼気終末濃度を計算することができるが、より詳細な第二の方法の演算結果が妥当であるかを検証することにも用いている。図９では第二の方法のうち、特定成分濃度モデルが参照成分濃度モデルと相似でない異なる波形であるとした態様による計算結果を図示していないが、これは相似であるとする態様による計算結果が、実測値を非常によく説明しており十分であるからである。この結果を見れば第一の方法と第二の方法の一方の態様での計算結果がよく一致しており、正確に呼気終末濃度を計算していることが分かる。フィッティングにより求めた一次遅れの時定数は２．８秒であり、装置そのものの０−６３．２％応答の時定数２．６秒と別途実測されていることと合わせ、サンプリング系統での吸着が少なく好ましい条件での測定であったことを示している。
【００９２】
実施例２
麻酔器の設定換気回数が９回、Ｉ：Ｅ比が１：１の設定の測定である。ただし実際のＩ：Ｅ比は９：１１となっている。特定成分濃度測定部７ではキャビティ減衰位相シフト法により亜硝酸濃度を測定し、０．３３３秒毎にデータ収集している。参照成分濃度情報取得部８は、呼吸ガス採取部６から流路を分岐させて特定成分濃度測定部７と並列で二酸化炭素を測定し、亜硝酸と同期してデータ収集している。その他の実施形態及び手順については実施例１の場合と同様である。
図１０は本発明装置の実施例２で、全身静脈麻酔下の手術中における亜硝酸（ＨＯＮＯ）の呼気終末濃度の計算結果を示す。図１０には復調等価処理演算手段９４における第一の方法により実効呼気時間ステップ数から直近のプロポフォール呼気終末濃度を計算した結果、並びに第二の方法の一方の態様、すなわち特定成分濃度モデルが参照成分濃度モデルと相似でない異なる波形であるとして、フィッティング計算により直近のプロポフォール呼気終末濃度を計算した結果を図示している。本例では測定値のばらつきがやや大きいものの、第一の方法と第二の方法の一方の態様での呼気終末濃度計算結果がよく一致している。
【００９３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００９４】
例えば、本実施形態では、過去の濃度波形が直近の濃度波形と同一であるとして演算しているが、呼気終末濃度は時間的に変動しているので、モデル構築の際に直近の呼吸１サイクルのみ変数とし、過去の呼吸１サイクルについては過去に演算した数値を用いてもよい。
【符号の説明】
【００９５】
１  呼気終末濃度測定装置
２  麻酔器又は人工呼吸器
３  呼吸回路
４  挿管チューブ又はラリンゲルマスク
５  ガス採取ポート
６  呼吸ガス採取部
７  特定成分濃度測定部
８  参照成分濃度情報取得部
９  呼気終末濃度演算部
１０  呼気終末濃度表示部
９１  呼気相開始点演算手段
９２  直近サイクルデータ格納部
９３  呼吸パラメータ演算手段
９４  復調等価処理演算手段
【要約】
【課題】吸着性物質の呼気中の濃度を測定する際に、歪んだ観測波形から元の呼気終末濃度を正確に求めることが課題であった。
【解決手段】麻酔器又は人工呼吸器２の呼吸回路３の挿管チューブ又はラリンゲルマスク４との途中の吸気ガスと呼気ガスの双方が通過する部分に設けたガス採取ポート５より、呼吸ガスを連続して採取する試料ガス採取部６、特定成分濃度測定部７、参照成分濃度情報取得部８、呼気終末濃度演算部９、及び呼気終末濃度表示部１０で構成し、特定成分の直近の呼吸１サイクルの測定値から特定成分の呼気終末濃度を演算する呼気終末濃度演算部９は、呼気相開始点演算手段９１と、直近サイクルデータ格納部９２と、呼吸パラメータ演算手段９３と、復調等価処理演算手段９４を備える。この構成で吸着による一次遅れを受ける前の元の波形に復調することと実質的に等価な処理を行うことにより、正確に呼気終末濃度を求める。
【選択図】図１【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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【図１０】
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