(57)【要約】      （修正有）【課題】呼吸ガス及び血液ガスの測定による非侵襲的呼吸特性値の予測方法。【解決手段】ａ呼吸入力変数が演算装置に入力される段階と、ｂ混合静脈の酸・炭濃度Ｖの初期値が演算装置に入力される段階と、ｃ死腔率Ｘの初期値が演算装置に入力される段階と、ｄ肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値が自動演算装置に入力される段階と、ｅ演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される段階と、ｆ肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２が得られる段階と、ｇ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、ｈ肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定される段階と、ｉ複数の混合静脈の酸・炭分圧Ｖ＊ｎを初期値にしてｂ乃至ｈの段階が反復されて、複数の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊ｎ及び呼吸特性値が決定される段階と、ｊ呼吸特性値が決定される段階と、ｋ心拍出量が算出される段階とを包含する呼吸特性値の予測方法。【選択図】図９
2009207874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力される段階と、
（ｂ）混合静脈の酸素と二酸化炭素の濃度Ｖ（以下、酸・炭濃度と略記する）の初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｃ）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、
（ｄ）前記死腔率Ｘの初期値を入力変数にして肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式（ｍａｓｓ  ｂａｌａｎｃｅ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）とＦｉｃｋ方程式を包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用するべく、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される段階と、
（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２が得られる段階と、
（ｇ）前記肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値と、肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２とによる酸素のシャント率Ｙ１と二酸化炭素のシャント率Ｙ２とが得られる段階と、
（ｈ）シャント率要件が満足された場合、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定される段階と、
（ｉ）一定間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎを初期値にして前記（ｂ）乃至（ｈ）の段階が反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定される段階と、
（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中、呼吸率要件が満足される特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると、これによる呼吸特性値が決定される段階と、及び
（ｋ）心拍出量が算出される段階と、
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２】
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＊として与えられるか、または、測定された酸素分圧として与えられ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（ａ）段階において、前記気体境界値は、吸気の酸・炭分圧Ｉ＊として与えられるか、または、測定された酸素分圧として与えられ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（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・炭濃度ＥＴ＊として、特に、二酸化炭素の分圧が測定され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（ａ）段階において、前記吸気流量
2009207874.tif 000093
は、外部から肺臓に入る外部空気の総流量であり、肺臓から外部に出る総流量である呼気流量ＶＥと同一に策定することができ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６】
前記（ｈ）段階において、前記シャント率の要件は、前記酸素のシャント率Ｙ１と前記二酸化炭素のシャント率Ｙ２との差異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１に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項７】
前記（ｆ）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に関する質量平衡方程式である下記の式（１）、（２）及び（３）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。
2009207874.tif 000094
2009207874.tif 000095
2009207874.tif 000096
「式中、
2009207874.tif 000097
は、末端毛細血管内の二酸化炭素濃度［％］、
2009207874.tif 000098
は、末端毛細血管内の酸素濃度［％］、
2009207874.tif 000099
は、混合静脈内の二酸化炭素濃度［％］、
2009207874.tif 000100
は、混合静脈内の酸素濃度［％］、
2009207874.tif 000101
は、肺胞内の二酸化炭素分圧［ｍｍＨｇ］、
2009207874.tif 000102
は、肺胞内の窒素分圧［ｍｍＨｇ］、
2009207874.tif 000103
は、肺胞内の酸素分圧［ｍｍＨｇ］、
2009207874.tif 000104
は、末端毛細管血の窒素分圧［ｍｍＨｇ］、
2009207874.tif 000105
は、大気中の空気の窒素分圧［ｍｍＨｇ］、
2009207874.tif 000106
は、大気中の空気の酸素分圧［ｍｍＨｇ］、
2009207874.tif 000107
は、混合静脈血の窒素分圧［ｍｍＨｇ］を意味する。
2009207874.tif 000108
は、毛細血管のかん流量［ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ］、
2009207874.tif 000109
は、肺胞でガス交換する空気の流量［ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ］、
2009207874.tif 000110
は、吸入空気の流量［ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ］、
2009207874.tif 000111
は、呼吸係数、
2009207874.tif 000112
は、血液と空気に関する係数を意味する。」
【請求項８】
前記（ｉ）段階において、前記複数の混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎは、複数個に分割された“混合静脈格子”の格子点に対応され、それぞれ血液境界値に設定されて前記自動演算装置に入力され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９】
前記“混合静脈格子”に分割された格子点は、格子間隔が均一でなく、大きいサイズと小さいサイズとが混合されたマルチグリッド（ｍｕｌｔｉ  ｇｒｉｄ）で構成され、初めの大きな格子が後で小さな格子に再分割されることもでき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】
（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力される段階と、
（ｂ）混合静脈の酸・炭濃度Ｖの初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｃ）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、
（ｄ）前記シャント率Ｙの初期値を入力変数にして肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式と、Ｆｉｃｋ方程式とを包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用するべく、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される段階と、
（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２が得られる段階と、  
（ｇ）前記肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値と、肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２とによる酸素の死腔率Ｘ１と、二酸化炭素の死腔率Ｘ２とが得られる段階と、
（ｈ）前記死腔率要件が満足された場合、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定される段階と、
（ｉ）一定間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎを初期値にして前記（ｂ）乃至（ｈ）の段階が反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定される段階と、
（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中、呼吸率要件が満足される特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると、これによる呼吸特性値が決定される段階と、及び
（ｋ）心拍出量が算出される段階と、
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１１】
前記（ｈ）段階において、死腔率の要件は、前記酸素の死腔率Ｘ１と前記二酸化炭素の死腔率Ｘ２との差異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１０に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１２】
（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力される段階と、
（ｂ）混合静脈の酸・炭濃度Ｖの初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｃ）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、
（ｄ）前記死腔率Ｘの初期値を入力変数にして肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式とＦｉｃｋ方程式を包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用されるべく、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される段階と、
（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１が得られる段階と、
（ｇ）前記肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値と、肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１とによる酸素のシャント率Ｙ１と、二酸化炭素のシャント率Ｙ２とが得られる段階と、
（ｈ）シャント率の要件が満足された場合、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定される段階と、
（ｉ）一定間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎを初期値にして前記（ｂ）乃至（ｈ）の段階が反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定される段階と、
（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中、呼吸率要件が満足される特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると、これによる呼吸特性値が決定される段階と、及び
（ｋ）心拍出量が算出される段階と、
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１３】
前記（ｈ）段階において、シャント率の要件は、前記酸素のシャント率Ｙ１と前記二酸化炭素のシャント率Ｙ２との差異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１２に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１４】
（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力される段階と、
（ｂ）混合静脈の酸・炭濃度Ｖの初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｃ）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、
（ｄ）前記シャント率Ｙの初期値を入力変数にして肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、
（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式とＦｉｃｋ方程式を包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用されるべく、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される段階と、
（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１が得られる段階と、
（ｇ）前記肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値と肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１とによる酸素の死腔率Ｘ１と、二酸化炭素の死腔率Ｘ２とが得られる段階と、
（ｈ）死腔率要件が満足された場合、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定される段階と、
（ｉ）一定間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎを初期値にして前記（ｂ）乃至（ｈ）の段階が反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定される段階と、
（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中、呼吸率要件が満足される特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると、これによる呼吸特性値が決定される段階と、及び
（ｋ）心拍出量が算出される段階と、
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１５】
前記（ｈ）段階の死腔率要件は、前記酸素の死腔率Ｘ１と前記二酸化炭素の死腔率Ｘ２との差異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１４に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１６】
前記（ｊ）段階において、前記呼吸率要件は、計算された値から得られる呼吸率と、測定された吸気ガスと呼気終末ガスの酸・炭分圧との差異から得られる呼吸率の差異が、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１、１０、１２、または１４の中いずれか１項に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１７】
前記（ｊ）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＊＊、換気−かん流比（
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）＊＊、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１６に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１８】
前記（ｋ）段階において、心拍出量は、測定された吸気空気量
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または呼気空気量ＶＥ、また、生理学的死腔率Ｘ＊＊を利用して得られることを特徴とする請求項１６に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項１９】
前記（ａ）段階における血液補助情報値は、動脈血における酸素の酸・炭分圧ａ１＊だけが使用され、前記（ａ）乃至（ｋ）の段階が反復されて動脈血における二酸化炭素の酸・炭分圧ａ２＊が決定されることを特徴とする請求項１、１０、１２、または１４の中いずれか１項に記載の呼吸特性値の予測方法。
【請求項２０】
請求項１、１０、１２、または１４の中いずれか１項に記載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してなることを特徴とする呼吸特性値の表示装置。
【請求項２１】
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て携帯可能にすることを特徴とする請求項２０に記載の呼吸特性値の表示装置。
【請求項２２】
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２１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、呼吸ガス及び血液ガスの測定による非侵襲的呼吸特性値の予測方法及び表示装置に関する。より詳細には、本発明は、呼吸の換気ガス及び血液から得た基礎測定変数を使用して心肺器官の呼吸機能の特性、心拍機能の特性、肺臓構造の特性などの主要生理特性値等を予測することのできる非侵襲的呼吸特性値の予測方法及び表示装置に関する。
【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。
【０００３】
人体の心臓には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。また、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、これらの総延べ長さは略９６，０００ｋｍで地球赤道の周りを２回半を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を行うのは、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。
【０００４】
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。
【０００５】
前記のような循環経路のうち、特に肺循環は、小循環ともいい、図２で示すのように右心室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の間で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るとともに、肺静脈２３０には、ガス交換によって酸素が豊富になった動脈血が流れる。
【０００６】
前記のような肺循環によって排出される呼吸空気と血液は、老廃物である二酸化炭素を除去し、代謝に必要な酸素を流入させる生命維持の機能を果す一方、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、呼吸器におけるガス交換特性に係る情報は、臨床医にとっては、医学的にも呼吸器患者、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ため極めて重要である。
【０００７】
この他にも、手術後の患者の回復過程、殊に地下鉄や潜水艦や昇降機などのように密閉された空間に群集した乗り込み人が長い時間搭乗するときに二酸化炭素の増加によって起る呼吸生理及び換気の問題や、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など呼吸生理に関連するスポーツ医学、または、火災などの事故による煙に窒息して気道や肺細胞が損傷された患者の心肺機能の評価、マラソン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測定などによる心肺能力の詳細な情報が健康指数や疾患の予測情報の手段として有用な情報になって活用される。
【０００８】
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場合もある。したがって、体外におい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、呼吸気体の酸・炭分圧及び流量情報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数学的生理モデルによって予測してリアルタイムで提供することができれば非常に望ましいことと期待されるのである。
【０００９】
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、即ち、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から所定の間隔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の近傍に血流速度に関連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５２０を包含し、前記血流速度に関連する信号は前記サーミスター５２０が検出した熱平衡温度であることを特徴としている。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
しかし、以上のような従来の測定法を検討した結果、前記第１の方法は、正確ではあるものの深刻な侵襲的方法であるため施術を受ける患者にとっては施術上の苦痛とともに、合併症または感染の危険をもたらすことがあり、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、解法の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、かつ正確性も劣るので心拍出量が６ｌｉｔｅｒ／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その情報が制限的である。
【００１６】
ここで、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と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、肺臓のシャント率、死腔率、末端毛細血管における酸・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的な方法でリアルタイムで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。
【００１７】
人体の肺臓には、健常人の場合でも大・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、肺臓に対する理想的な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差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の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、やはり無視することのできない誤差が発生することもある。このような事情を鑑みて、本願発明は、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と増加した数の数式を利用して、肺臓のシャントと生理学的死腔とを考慮するとともに混合静脈血のガス分圧などの境界値が知られていない呼吸問題を、３つの呼吸モデル分類を通じて体系的に求められる独特な方法を提供している。
【００１８】
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排出す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。一般的に呼気終末に肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と末端毛細管血の酸・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どんど不可能である。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、進一歩した思想による測定方法と言える。
【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】
【００１９】
本発明は、前記のように、従来技術における施術上の困難性、危険性、副作用、不正確性、時間的遅延、及びいろいろな制約を補完するべく案出された発明であって、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システムをコンピューターによって解析する方法を提供する。また、前記結果の解析によって心肺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、なおかつ生理学的死腔率などを正確に予測する混合静脈暫定データ領域の設定を通じて非侵襲的呼吸特性値の予測方法及び表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記目的を達成するために、本発明は、（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力される段階と、（ｂ）混合静脈の酸素と二酸化炭素の濃度Ｖ（以下、酸・炭濃度と略記する）の初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｃ）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、（ｄ）前記死腔率Ｘの初期値を入力変数にして肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式（ｍａｓｓ  ｂａｌａｎｃｅ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）とＦｉｃｋ方程式を包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用するために、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される段階と、（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２が得られる段階と、（ｇ）前記肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値と、肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２とによる酸素のシャント率Ｙ１と二酸化炭素のシャント率Ｙ２とが得られる段階と、（ｈ）シャント率要件が満足された場合、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定される段階と、（ｉ）一定間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎを初期値にして前記（ｂ）乃至（ｈ）の段階が反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定される段階と、（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中、呼吸率要件が満足される特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると、これによる呼吸特性値が決定される段階と、及び（ｋ）心拍出量が算出される段階と、を包含することを特徴とする呼吸特性値の予測方法を提供する。
【００２１】
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＊として与えられるか、または、測定された酸素分圧として与えられ、前記気体境界値は、吸気の酸・炭分圧Ｉ＊として与えれるか、または、測定された酸素分圧として与えられ、前記気体補助情報値は、呼気終末ガスの酸・炭濃度ＥＴ＊として、特に、二酸化炭素の分圧が測定され、前記吸気流量
2009207874.tif 000003
【００２２】
は、外部から肺臓に入る外部空気の総流量であり、肺臓から外部に出る総流量である呼気流量ＶＥと同一に策定することができることを特徴とする。
【００２３】
前記（ｈ）段階において、前記シャント率の要件は、前記酸素のシャント率Ｙ１と前記二酸化炭素のシャント率Ｙ２との差異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。前記（ｆ）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に関する質量平衡方程式であることを特徴とする。
【００２４】
前記（ｉ）段階において、前記複数の混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎは、複数個に分割された“混合静脈格子”の格子点に対応され、それぞれ血液境界値に設定されて前記自動演算装置に入力されることができ、前記“混合静脈格子”に分割された格子点は、格子間隔が均一でなく、大きいサイズと小さいサイズとが混合されたマルチグリッド（ｍｕｌｔｉ  ｇｒｉｄ）で構成され、初めの大きな格子が後で小さな格子に再分割されることもできることを特徴とする。
【００２５】
また、前記目的を達成するために、本発明は、（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力される段階と、（ｂ）混合静脈の酸・炭濃度Ｖの初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｃ）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、（ｄ）前記シャント率Ｙの初期値を入力変数にして肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式と、Ｆｉｃｋ方程式とを包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用するべく、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される段階と、（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２が得られる段階と、（ｇ）前記肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値と、肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２とによる酸素の死腔率Ｘ１と、二酸化炭素の死腔率Ｘ２とが得られる段階と、（ｈ）前記死腔率の要件が満足された場合、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定される段階と、（ｉ）一定間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎを初期値にして前記（ｂ）乃至（ｈ）の段階が反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定される段階と、（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中、呼吸率要件が満足される特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると、これによる呼吸特性値が決定される段階と、及び（ｋ）心拍出量が算出される段階と、を包含することを特徴とする呼吸特性値の予測方法を提供する。
【００２６】
前記（ｈ）段階において、死腔率の要件は、前記酸素の死腔率Ｘ１と前記二酸化炭素の死腔率Ｘ２との差異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。
【００２７】
また、前記目的を達成するために、本発明は、（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力される段階と、（ｂ）混合静脈の酸・炭濃度Ｖの初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｃ）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、（ｄ）前記死腔率Ｘの初期値を入力変数にして肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式とＦｉｃｋ方程式を包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用されるべく、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される段階と、（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１が得られる段階と、（ｇ）前記肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値と、肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１とによる酸素のシャント率Ｙ１と、二酸化炭素のシャント率Ｙ２とが得られる段階と、（ｈ）シャント率の要件が満足された場合、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定される段階と、（ｉ）一定間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎを初期値にして前記（ｂ）乃至（ｈ）の段階が反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定される段階と、（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中、呼吸率要件が満足される特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると、これによる呼吸特性値が決定される段階と、及び（ｋ）心拍出量が算出される段階と、を包含することを特徴とする呼吸特性値の予測方法を提供する。
【００２８】
前記（ｈ）段階において、シャント率の要件は、前記酸素のシャント率Ｙ１と前記二酸化炭素のシャント率Ｙ２との差異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。
【００２９】
また、前記目的を達成するために、本発明は、（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力される段階と、（ｂ）混合静脈の酸・炭濃度Ｖ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の初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｄ）前記シャント率Ｙの初期値を入力変数にして肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値が前記自動演算装置に入力される段階と、（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式とＦｉｃｋ方程式を包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用されるべく、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される段階と、（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１とが得られる段階と、（ｇ）前記肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値と、肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１とによる酸素の死腔率Ｘ１と、二酸化炭素の死腔率Ｘ２が得られる段階と、（ｈ）死腔率要件が満足された場合、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定される段階と、（ｉ）一定間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎを初期値にして前記（ｂ）乃至（ｈ）の段階が反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定される段階と、（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中、呼吸率要件が満足される特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると、これによる呼吸特性値が決定される段階と、及び（ｋ）心拍出量が算出される段階と、を包含することを特徴とする呼吸特性値の予測方法を提供する。
【００３０】
前記（ｈ）段階において、死腔率の要件は、前記酸素の死腔率Ｘ１と前記二酸化炭素の死腔率Ｘ２との差異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。
【００３１】
前記各呼吸特性値の予測方法の（ｊ）段階において、前記呼吸率要件は、計算された値から得られる呼吸率と、測定された吸気ガスと呼気終末ガスの酸・炭分圧との差異から得られる呼吸率の差異が、一定範囲内にあるかを対比して判断し、前記（ｊ）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＊＊、換気−かん流比（
2009207874.tif 000004
）＊＊、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。
【００３２】
また、前記各呼吸特性値の予測方法の（ｋ）段階において、心拍出量は、測定された吸気空気量
2009207874.tif 000005
または呼気空気量ＶＥ、また、生理学的死腔率Ｘ＊＊を利用して得られることを特徴とする。
【００３３】
前記各呼吸特性値の予測方法の前記（ａ）段階において、血液補助情報値は、動脈血における酸素の酸・炭分圧ａ１＊だけが使用され、前記（ａ）乃至（ｋ）の段階が反復されて動脈血における二酸化炭素の酸・炭分圧ａ２＊が決定されることを特徴とする。
【００３４】
また、前記目的を達成するために、本発明は、前記呼吸特性値の予測方法の中、いずれか１項に記載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を提供する。
【００３５】
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て携帯可能であり、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）を使用することもできる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明は、非侵襲的に呼吸特性値の予測を可能にする測定装置と、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、複雑な問題を順次的に解析することのできる３つの呼吸モデルの分類と、前記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、これに対応する演算装置によって構成される特徴を有し、さらに本発明は、肺臓にシャントや生理学的死腔のない場合を含めて、シャントや死腔がある場合にも正確かつ有効な予測方法であるメリットがある。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、これによって発生するおそれのある感染と合併症を避けることができるとともに、手や足に電極を正確に装着しなければ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−再呼吸法のような、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】
【００３７】
本発明の好ましい実施形態において使用する用語は、できる限り現在広く使用されている一般的な用語を選択しているが、特定の場合は、出願人が任意に選定した用語もあり、この場合は、該当する発明の詳細な説明の部分でその意味を記載しているので、単純な用語としての名称ではなくその用語の有する意味によって本発明の内容を把握して欲しい。
【００３８】
以下、本発明の好適な実施形態を添付の図面を参照して説明する。ただ、以下の実施形態によって本発明が制限されたり、限定されるものではなく、多様に変形されることができるとともに、本発明の技術的思想を包含する実施形態は、全て本発明の範囲に包含されるといえる。
【００３９】
図１のように、人体における血液の循環は、大別して２つに分かれる。即ち、体の各器官を形成している細胞単位の組織に酸素を供給してこれらから二酸化炭素を回収する体循環（ｓｙｓｔｅｍ  ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）と、回収された二酸化炭素を体外へ排出して酸素の供給を受ける肺循環（ｐｕｌｍｏｎａｒｙ  ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）である。体循環を終えた血液は、右心室から肺動脈（ｐｕｌｍｏｎａｒｙ  ａｒｔｅｒｙ）に供給されるとともに肺循環を始める。脱酸素化された混合静脈血液（ｍｉｘｅｄ  ｖｅｎｏｕｓ  ｂｌｏｏｄ）は、肺臓の末端器官である肺胞で呼吸器官を通じて供給された新鮮な空気とガス交換して酸素化された動脈血液（ａｒｔｅｒｉａｌ  ｂｌｏｏｄ）となって肺静脈（ｐｕｌｍｏｎａｒｙ  ｖｅｉｎ）を通じてさらに左心室に供給される。
【００４０】
しかし、肺臓には、肺胞に供給された空気の中、肺毛細管血（ｐｕｌｍｏｎａｒｙ  ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｂｌｏｏｄ）とガス交換できなくする死腔（ｄｅａｄ  ｓｐａｃｅ）が存在し、また、血液の中、肺胞空気とガス交換できなくするシャント（ｓｈｕｎｔ）が存在する。このとき体外へ排出される空気には、結局、死腔内の空気が混合されているため、ガス交換をなした肺胞内の空気とは酸素−二酸化炭素の組成が異なることがあり、同じ理由によって、肺循環を終えた動脈血液（ａｒｔｅｒｉａｌ  ｂｌｏｏｄ）には、シャントによる混合静脈血液が混合されるため、完全に酸素化された肺末端毛細管血（ｐｕｌｍｏｎａｒｙ  ｅｎｄ−ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｂｌｏｏｄ）とは、酸素−二酸化炭素の組成が異なることがある。
【００４１】
図６は、人体の肺胞で起るガス交換過程の模式図である。肺胞におけるガス交換過程は、基本的に１）肺胞と肺毛細血管、２）シャント、３）死腔、からなる３−区画の肺モデル（ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ  ｌｕｎｇ  ｍｏｄｅｌ）で構成される。（場合によっては、肺胞と肺毛細血管とのガス交換を換気−かん流比（
2009207874.tif 000006
：ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ−ｐｅｒｆｕｓｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）の値が高い場合と正常の場合と低い場合とに区分して、５−区画の肺モデルとして定義することもある。）
以下、本願発明を詳細に説明するために数学式を使用する。また、この数学式などで使用される記号は下記のように定義される。
【００４２】
2009207874.tif 000007
：動脈血管内の二酸化炭素濃度［％］
2009207874.tif 000008
：動脈血管内の酸素濃度［％］
2009207874.tif 000009
：末端毛細血管内の二酸化炭素濃度［％］
2009207874.tif 000010
：末端毛細血管内の酸素濃度［％］
2009207874.tif 000011
：混合静脈内の二酸化炭素濃度［％］
2009207874.tif 000012
：混合静脈内の酸素濃度［％］
2009207874.tif 000013
：大気中の二酸化炭素の分圧比
2009207874.tif 000014
：大気中の窒素価ｔｍの分圧比
2009207874.tif 000015
：肺胞内の二酸化炭素分圧［ｍｍＨｇ］
2009207874.tif 000016
：肺胞内の水蒸気圧［ｍｍＨｇ］
2009207874.tif 000017
：肺胞内の窒素分圧［ｍｍＨｇ］
2009207874.tif 000018
：肺胞内の酸素分圧［ｍｍＨｇ］
2009207874.tif 000019
：大気圧［ｍｍＨｇ］
2009207874.tif 000020
：末端毛細管血の窒素分圧［ｍｍＨｇ］
2009207874.tif 000021
：大気中の空気の窒素分圧［ｍｍＨｇ］
2009207874.tif 000022
：大気中の空気の酸素分圧［ｍｍＨｇ］
2009207874.tif 000023
：混合静脈血の窒素分圧［ｍｍＨｇ］
2009207874.tif 000024
：毛細血管のかん流量［ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ］
2009207874.tif 000025
：シャント率における毛細血管のかん流量［ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ］
2009207874.tif 000026
：心拍出量［ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ］
2009207874.tif 000027
：肺胞でガス交換する空気の流量［ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ］
2009207874.tif 000028
：死腔空気の流量［ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ］
2009207874.tif 000029
：吸入または呼気される空気の総流量［ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ］
2009207874.tif 000030
：吸入空気の流量［ｌｉｔｅｒｓ／ｍｉｎ］
2009207874.tif 000031
：肺胞に出る二酸化炭素の流出量（ｃａｒｂｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ  ｏｕｔｐｕｔ）［ｍｌ／ｍｉｎ］
2009207874.tif 000032
：毛細血流に入る酸素流入量（ｏｘｙｇｅｎ  ｕｐｔａｋｅ）［ｍｌ／ｍｉｎ］
2009207874.tif 000033
：呼吸率
2009207874.tif 000034
：死腔率
2009207874.tif 000035
：シャント率
2009207874.tif 000036
：呼吸係数
2009207874.tif 000037
：血液と空気に関する係数
【００４３】
空気の吸入を通じて肺胞に供給された各成分気体（Ｏ２、ＣＯ２、Ｎ２）と、右心室から肺毛細血管に供給された混合静脈血液の各成分気体の間のガス交換は、肺胞膜（ａｌｖｅｏｌａｒ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）を通じて相互間の質量が保存されながらなされるが、これらの関係を数式化したものが下記の数学式１乃至数学式４で表現される質量平衡方程式である。
【００４４】
（数学式１）
2009207874.tif 000038
（数学式２）
2009207874.tif 000039
（数学式３）
2009207874.tif 000040
（数学式４）
2009207874.tif 000041
【００４５】
図７は、人体の肺胞における酸素−二酸化炭素のダイアグラムである。混合静脈血液と吸入空気の酸素−二酸化炭素の分圧を入力値で代入して前記質量平衡方程式を解くと、肺胞内の酸素−二酸化炭素の分圧の質量保存は、図７のように、この２つの入力値を両端末点とする１つの曲線からなるＯ２−ＣＯ２ダイアグラムに具体化される。
【００４６】
前記曲線上の任意の１つの点は、前記質量平衡方程式を満足する肺胞ガスの酸素−二酸化炭素の分圧のみならず、この点に該当する換気−かん流比（
2009207874.tif 000042
【００４７】
）まで意味する。一般的にＯ２−ＣＯ２ダイアグラム上で換気−かん流比は、０〜無限大の分布を有する。左側の端末点である混合静脈血液の酸素−二酸化炭素の分圧点は、換気、
2009207874.tif 000043
である点でシャント血液の分圧と同一であり、右側の端末点である吸入空気の酸素−二酸化炭素の分圧点は、かん流、
2009207874.tif 000044
である点で死腔空気の分圧と同一である。
【００４８】
健常人の場合でも、７％未満のシャント率と２５％程度の死腔を有していると知られており、肺の上部に比べて下部において換気とかん流がすべて増加するが、換気に比べてかん流の増加量が大きいため、換気−かん流比は、肺の最上部で最も大きく、肺の下部になるほど漸次減少すると知られている。このように、肺胞膜を通じてガス交換することにより完全酸素化（ｆｕｌｌ  ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ）された肺末端毛細管血液は、シャント、換気−かん流比不均衡（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ）などによって完全に酸素化されていない血液と肺静脈（ｐｕｌｍｏｎａｒｙ  ｖｅｉｎ）で合流した後、左心房に戻る動脈血液は、完全酸素化された血液とは酸素濃度において差がある場合がある。
【００４９】
同様な理由によって、肺胞で血液とガス交換した肺胞ガスは、呼気の間、吸入空気と酸素−二酸化炭素の分圧が同じ死腔空気と混合されて体外に排出されるため、肺胞ガスは、呼気ガスと酸素−二酸化炭素の分圧が異なる場合がある。したがって、肺胞ガスの酸素−二酸化炭素の分圧は、肺の呼吸作用と心臓の血液循環によって発生する要素などを考慮して予測しなければならない。
【００５０】
混合静脈血液（
2009207874.tif 000045
）と動脈血液（
2009207874.tif 000046
）間の酸素−二酸化炭素の濃度差異は、代謝的観点でなる組織における酸素消費（
2009207874.tif 000047
：ｏｘｙｇｅｎ  ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）と二酸化炭素の生産（
2009207874.tif 000048
：ｃａｒｂｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）と直接的な関係があり、これは下記の数学式５及び数学式６で表現されるフィックの原理（Ｆｉｃｋ’ｓ  ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）によって数式化される。
【００５１】
（数学式５）
2009207874.tif 000049
（数学式６）
2009207874.tif 000050
【００５２】
呼吸が安定された状態と云える正常状態において、代謝的観点である二酸化炭素の生産に対する酸素消費量の比で定義される呼吸率（ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ  ｑｕｏｔｉｅｎｔ、
2009207874.tif 000051
）は、質量平衡方程式から誘導されて肺胞と肺毛細管血液との間で起る二酸化炭素の除去と酸素の摂取との比を示す因子である呼吸交換率（Ｒ：ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｒａｔｉｏ）と同一である。もし、呼吸によって呼吸量の増減が発生すると、肺胞における呼吸交換率は、代謝作用による呼吸率より速く変われたので、この２つの因子が常に同一ではない。肺胞での呼吸交換率は、下記の数学式７及び数学式８のように示すことができる。
【００５３】
（数学式７）
2009207874.tif 000052
（数学式８）
2009207874.tif 000053
【００５４】
しかし、正常状態においては、この２つの因子から呼吸ガス／血液に関するいろいろな情報を得ることができる。まず、
2009207874.tif 000054
と
2009207874.tif 000055
から混合静脈血液と動脈血液、また、肺末端毛細管血液の酸素−二酸化炭素の濃度が１つの関係式によって定義されることができ、これを満足する３つの点の酸素−二酸化炭素の濃度の分布は、１つの線分上に存在する。
2009207874.tif 000056
は、吸入空気と肺胞ガスの酸素と二酸化炭素分圧の関係式である。もし、肺胞ガスと肺末端毛細管血液の酸素−二酸化炭素の分圧が同一である場合、
2009207874.tif 000057
と
2009207874.tif 000058
の式から肺胞ガスの酸素−二酸化炭素の分圧を求めることができる。臨床において肺胞酸素分圧（
2009207874.tif 000059
）は酸素と二酸化炭素に関する肺胞換気方程式（ａｌｖｅｏｌａｒ  ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）である下記の数学式９及び数学式１０から誘導した数学式１１から求めることができる。ただ、数学式１１から誘導された値は、数学式８から誘導された下記の数学式１２で求めた値より不正確である。また、数学式９と数学式１０は基本的にＲｉｌｅｙが提示した肺胞ガスの二酸化炭素分圧（
2009207874.tif 000060
）が、動脈血液の二酸化炭素分圧（
2009207874.tif 000061
）と殆ど同一であるとする仮定を前提にしている。前記２つ分圧の差は、１〜３ｍｍＨｇ程度に小さいが、呼吸不全を経験する患者の場合はさらに大きい差を示すため、数学式１１から求められた肺胞の酸素分圧が必ずしも真の値であるとは言えない場合もある。
【００５５】
（数学式９）
2009207874.tif 000062
（数学式１０）
2009207874.tif 000063
（数学式１１）
2009207874.tif 000064
（数学式１２）
2009207874.tif 000065
【００５６】
肺胞ガスの酸素−二酸化炭素の分圧をより正確に予測するためには、３−区画の肺を基本とする肺胞ガスと血液のガス交換、シャント、死腔を考慮して計算することのできるアルゴリズムで構成された電算解析が必要である。質量平衡方程式、シャント方程式、死腔関係式、呼吸率（
2009207874.tif 000066
）、呼吸交換率（Ｒ）など多様な方程式を同時に満足させることのできる肺胞ガスの酸素−二酸化炭素の分圧を探すためには、同一の計算を数多く反復しなければならない特性と、酸素−二酸化炭素の分圧から血液の濃度を求める複雑な計算に最も効果的な方法が電算解析であるためである。
【００５７】
構成されたアルゴリズムを電算解析して肺胞ガスの酸素−二酸化炭素の分圧を得るためには、いろいろ多様な入力値を必要とする。例えば、混合静脈血液、動脈血液、吸入空気、呼気空気の酸素−二酸化炭素の分圧などである。これらの中で特に混合静脈血液は、上大静脈または下大静脈から右心房を経て肺動脈までカテーテルを挿入してサンプリングしなければならないが、このような方法は患者には苦痛であるとともに、高度に熟練された臨床医だけが施術可能であり、長時間のカテーテル挿管時には合併症のおそれもあるため、生命に係る危険な重患者でない限りこのような施術は避けるべき医療行為である。しかし、混合静脈血液のサンプリングなしにも肺胞ガスの酸素−二酸化炭素の分圧を予測することができるとすれば、上記で例挙した困難性を回避するのみならず、医療費の節減にも役に立つことになる。
【００５８】
混合静脈血液と肺胞ガスの酸素−二酸化炭素の分圧を予測するために、混合静脈血液が存在すると見られる領域を選定し、この領域の酸素−二酸化炭素の分圧値をアルゴリズムに代入し、質量平衡方程式、シャント方程式、死腔関係式、呼吸率（
2009207874.tif 000067
）、呼吸交換率（
2009207874.tif 000068
と
2009207874.tif 000069
）などのような数学式を満足する肺胞ガスの酸素−二酸化炭素の分圧を求めた後、これらの中で
2009207874.tif 000070
と
2009207874.tif 000071
の差が最少になる混合静脈血液と肺胞ガスの酸素−二酸化炭素の分圧を予測値として確定する。肺胞ガスの酸素−二酸化炭素の分圧を予測するために利用されるシャント率方程式は、下記の数学式１３及び数学式１４のように表現され、死腔率方程式は、数学式１５及び数学式１６のように表現され、換気−かん流比方程式は、数学式１７乃至数学式２０のように表現され、心拍出量方程式は、数学式２１及び数学式２２のように表現することができる。
【００５９】
＜シャント率方程式＞
（数学式１３）
2009207874.tif 000072
（数学式１４）
2009207874.tif 000073
＜死腔率方程式＞
（数学式１５）
2009207874.tif 000074
（数学式１６）
2009207874.tif 000075
【００６０】
＜換気−かん流比方程式＞
（数学式１７）
2009207874.tif 000076
(数学式１８)
2009207874.tif 000077
（数学式１９）
2009207874.tif 000078
（数学式２０）
2009207874.tif 000079
【００６１】
＜心拍出量方程式＞
（数学式２１）
2009207874.tif 000080
（数学式２２）
2009207874.tif 000081
【００６２】
次は、呼吸ガス及び血液ガスの測定による非侵襲的呼吸特性値の予測方法及びその表示装置についてより詳細に説明する。
【００６３】
図８は、本発明の１実施形態による肺臓−肺循環系の呼吸特性値の予測装置を示すブロック図である。前記装置は、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バイオセンサーから換気ガスの流量及び酸・炭分圧を測定するセンサー測定手段３、４、５と、前記測定変数を入力して心肺器官の各種生理特性値を算出する３つの呼吸模型に対する解析過程をプログラムにして内蔵したマイクロプロセッサーやコンピューター手段７と、前記の基礎測定変数と予測された生理特性値を液晶画面、コンピューター端末機、プリンタ、携帯電話、ＰＤＡなどに視覚的にディスプレイする手段８、とを包含して構成されている。本発明による呼吸ガス及び血液ガスの測定を通じて非侵襲的に呼吸特性値を予測する方法は、前記図８に図示した装置を通じて具現することができる。次に、本発明の呼吸ガス及び血液ガスの測定による非侵襲的呼吸特性値の予測方法をさらに詳細に説明する。
【００６４】
本発明による前記肺臓−肺循環系の呼吸特性値の予測装置は、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、心拍出量のような心拍機能特性値、シャント率や生理学的死腔率のような肺臓機能に係る特性値を同時に予測することができる。
【００６５】
より具体的には、換気ガスを通過させるノズル段階と、ノズルに付着されたバイオセンサーを通じて、吸気や呼気の流量
2009207874.tif 000082
、これの酸・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・炭濃度ａ＊を測定する段階と、前記測定変数を入力して、酸素と二酸化炭素に関する質量平衡方程式などの数式システムを解析して心肺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する。前記生理特性値を獲得する段階は図９〜図１２を参照して次に詳細に説明する。
【００６６】
前記生理特性値は、出力変数として混合静脈血と末端毛細管血（または肺胞ガスも共に）の酸・炭分圧のような呼吸機能の特性値、心拍出量のような心拍機能の特性値、シャント率及び生理学的死腔率のような肺臓の構造的特性値を包含する。
【００６７】
赤血球のヘモグロビンなどと結合／分離されて、血液と呼吸空気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に平衡状に到達して、当該気体の解離曲線を通じて相互変換することができる。
【００６８】
入力データに入る基礎測定変数はその数が少ない反面、求めるべきの呼吸特性値はその数が非常に多いため、本発明では前述した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の数学式を利用してシステムを構成する。
【００６９】
前記の少ない数の基礎測定変数を利用して、多い数の呼吸特性値を求めるために、まず、入力変数が多く、出力変数の数が少ない易い問題から、入力変数は少なく出力変数の多い難しい問題の順に配列した後の、３つの呼吸モデルの類型に分類し、簡単なモデルで導出された解析方法と結果をより難しいモデル問題の解決に使用する体系的な方法を採択する。
【００７０】
まず、＜第１呼吸モデル＞は、シャントや生理学的な死腔のない肺臓に関するものであって、混合静脈の酸・炭分圧Ｖ＊と吸気の酸・炭分圧Ｉ＊が与えられる理想的な場合である。次の＜第２呼吸モデル＞は、シャントや生理学的死腔がある肺臓に対して、混合静脈血の情報Ｖ＊と、動脈血の酸・炭分圧ａ＊が与えられ、さらに吸気ガス情報Ｉ＊と呼気終末ガスの酸・炭分圧ＥＴ＊が与えられる場合である。最後に＜第３呼吸モデル＞は、やはり肺臓にシャントや生理学的死腔があり、気体境界値Ｉ＊と気体補助情報値である呼気終末ガスの酸・炭分圧ＥＴ＊とが与えられ、動脈血の酸・炭濃度ａ＊が与えられるが、混合静脈の酸・炭濃度Ｖ＊は、知られていない未知数である場合であって、実際の人体の呼吸生理問題に最も近接しており、その分解析も難しい。
【００７１】
まず、＜第１呼吸モデル＞の解法は、換気−かん流比曲線またはＫｅｌｍａｎの曲線と関連されたものであって、この方法を次に簡略説明する。
【００７２】
コンピュータープログラムでまず外部ｄｏ−ｌｏｏｐを作って換気−かん流比
2009207874.tif 000083
の初期値を与え、内部ｄｏ−ｌｏｏｐを作っ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、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ｐａｉｒ値であるＡ＊＝（ａ１、ａ２）を使用して換気−かん流比（
2009207874.tif 000084
）＊を計算する。換気−かん流比の要件である
2009207874.tif 000085
＝（
2009207874.tif 000086
）＊を満足する場合、Ａ＊を取って内部ｄｏ−ｌｏｏｐを外れる。外部ｄｏ−ｌｏｏｐで
2009207874.tif 000087
の初期値を更新して、前記の計算過程を反復すると、一定の増分の
2009207874.tif 000088
の値に対応する肺胞ガスの酸・炭分圧の集合であるＫｅｌｍａｎの曲線を得ることになるが、これを換気−かん流比曲線またはＯ２−ＣＯ２ダイアグラムという。
【００７３】
しかし、＜第２呼吸モデル＞及び＜第３呼吸モデル＞においては、肺臓にシャントや生理学的死腔があるため、＜第１呼吸モデル＞に比べて未知数または出力変数が多く、その分問題の解析方法も拡張せざるを得ない。＜第２呼吸モデル＞は、混合静脈の情報Ｖ＊と、動脈血の情報ａ＊とが、また、吸入ガス情報Ｉ＊と、呼気終末ガスの情報ＥＴ＊とが与えられる場合である。この問題の解析方法は、前記で説明したように、外部ｄｏ−ｌｏｏｐを設けて死腔率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の初期値を設定して質量平衡方程式システムを解析した結果によって肺胞ガスの二酸化炭素分圧ａ２を求める段階と、Ａ＊＝（ａ１、ａ２）を使用してシャント率要件として酸素のシャント率Ｙ１を式（６）によって求め、シャント率Ｙ２を式（７）によって求め、この２つの値が同一であるかを試験する段階と、シャント率要件を満足しない場合、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反復する段階と、シャント率要件を満足する場合、内部と外部ｄｏ−ｌｏｏｐを全部外れる。このとき、記憶素子に最終的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＊などを取って問題の回答として取り入れる段階と、その次に入力された吸入空気量
2009207874.tif 000089
と、計算されたＸ＊とＹ＊の値を使用して、式（１４）または（１５）に従って心拍出量Ｑｔｏｔａｌを決定する。
【００７４】
最終的に＜第３呼吸モデル＞は、やはりシャントと生理学的死腔がある場合であるが、吸気情報Ｉ＊と呼気終末ガスの情報ＥＴ＊とが与えられるとともに、動脈血の酸・炭ガス分圧ａ＊が与えられるが、混合静脈の情報Ｖ＊は与えられない呼吸の問題である。これは、＜第２呼吸モデル＞に比べて入力変数は減り、出力変数が増える場合であって、本発明の呼吸特性値の予測方法は、大別して自動入力装置に入力される初期値に従って、４つの類型に分類することができ、これを次に説明する。
【００７５】
図９は、本発明の１実施形態による第３呼吸モデルの前記４つの類型の中、第１類型による呼吸特性値の予測方法を図示するフローチャートである。図９を参照するとき、前記第１類型による呼吸特性値の予測方法は、下記のようなステップで構成される。
【００７６】
まず、（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力される（Ｓ９０１）。前記自動演算装置は、図８で図示された３つの呼吸モデルに対する解析過程をプログラムに内蔵したマイクロプロセッサーやコンピューター手段７でなることができる。
【００７７】
前記血液補助情報値は、動脈血の酸・炭分圧ａ＊として与えられるか、または、測定された酸素分圧で与えられることができ、前記気体境界値は、吸気の酸・炭分圧Ｉ＊として与えられるか、または、測定された酸素分圧で与えられることができる。
【００７８】
また、前記気体補助情報値は、呼気終末ガスの酸・炭濃度ＥＴ＊として、特に二酸化炭素の分圧が与えられることができ、前記吸気流量
2009207874.tif 000090
は、外部から肺臓に入る外部空気の総流量であり、肺臓から外部へ出る総流量である呼気流量ＶＥと同一に策定されることもできる。
【００７９】
次いで、（ｂ）混合静脈の酸・炭濃度Ｖの初期値が前記自動演算装置に入力され（Ｓ９０２）、（ｃ）死腔率Ｘの初期値が前記自動演算装置に入力される（Ｓ９０３）。ただし、間呼吸入力変数及び初期値を前記自動演算装置に入力する手順に制限されない。次いで、（ｄ）死腔率Ｘの初期値を入力変数にして肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値が前記自動演算装置に入力される（Ｓ９０４）。（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式とＦｉｃｋ方程式を包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用するべく、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される（Ｓ９０５）。
【００８０】
その後、（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２が得られる（Ｓ９０６）。（ｇ）前記肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値と肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２とによる酸素のシャント率Ｙ１と、二酸化炭素のシャント率Ｙ２とを獲得する（Ｓ９０７）。前記呼吸気体に関する方程式群は、酸素、二酸化炭素、及び窒素に関する質量平衡方程式になることができる。
【００８１】
（ｈ）もし、シャント率要件が満足された場合（Ｓ９０８）、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定される（Ｓ９０９）。前記シャント率要件は、酸素のシャント率Ｙ１と二酸化炭素のシャント率Ｙ２との差異が一定範囲内にあるかを対比して判断されることを意味する。もし、前記シャント率要件が満足されない場合は、前記（ｃ）段階に戻って前記ステップを反復する。
【００８２】
（ｉ）一定の間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧Ｖｎを初期値にして、前記（ｂ）乃至（ｈ）のステップが反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧Ｖｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定される（Ｓ９１０）。
【００８３】
前記複数の混合静脈の酸・炭分圧（Ｖ＊）ｎは、複数個に分割された“混合静脈格子”の格子点に対応され、それぞれ血液境界値に設定されて、前記自動演算装置に入力されることができ、前記“混合静脈格子”に分割された格子点は、格子の間隔が不均一であり、大きなサイズと小さなサイズとが混合されたマルチグリッド（ｍｕｌｔｉ  ｇｒｉｄ）で構成され、始めの大きい格子が後の小さい格子に再分割されることもできる。
【００８４】
次いで、（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中で、呼吸率の要件を満足する特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると（Ｓ９１１）、これによる呼吸特性値が決定され（Ｓ９１２）、（ｋ）心拍出量が算出される（Ｓ９１３）。前記呼吸率の要件は、計算された値から得られる呼吸率と、測定された吸気ガスと呼気終末ガスの酸・炭分圧の差異から得られる呼吸率の差異が、一定範囲内にあるかを対比して判断することを意味する。もし、前記呼吸率要件を満足する特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められない場合、さらに（ａ）ステップから再び反復する。
【００８５】
また、前記（ｊ）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＊＊、換気−かん流比（
2009207874.tif 000091
）＊＊、シャント率Ｙ＊＊、または生理学的死腔率Ｘ＊＊の中いずれか１つを意味し、前記（ｋ）段階における心拍出量は、測定された吸気空気量
2009207874.tif 000092
または呼気空気量ＶＥ、そして生理学的死腔率Ｘ＊＊を利用して得ることができる。
【００８６】
次の図１０は、本発明の１実施形態において第３呼吸モデルの第２類型による呼吸特性値を予測する方法を図示するフローチャートある。図１０を参照するとき、前記第２類型による呼吸特性値の予測方法は、下記のようなステップで構成される。
【００８７】
（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力され（Ｓ１００１）、（ｂ）混合静脈の酸・炭濃度Ｖの初期値が前記自動演算装置に入力され（Ｓ１００２）、（ｃ）シャント率Ｙの初期値が前記自動演算装置に入力され（Ｓ１００３）、（ｄ）シャント率Ｙの初期値を入力変数にして肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値が前記自動演算装置に入力される（Ｓ１００４）。（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式とＦｉｃｋ方程式を包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用されるべく、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される（Ｓ１００５）。（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２が得られる（Ｓ１００６）。（ｇ）前記肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値と肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２とによる酸素の死腔率Ｘ１と、二酸化炭素の死腔率Ｘ２とが得られる（Ｓ１００７）。（ｈ）もし、死腔率要件が満足された場合（Ｓ１００８）、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定される（Ｓ１００９）。（ｉ）一定の間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧Ｖｎを初期値にして、前記（ｂ）乃至（ｈ）のステップが反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧Ｖｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定される（Ｓ１０１０）。（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中で、呼吸率の要件が満足される特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると（Ｓ１０１１）、これによる呼吸特性値が決定され（Ｓ１０１２）、（ｋ）心拍出量が算出される（Ｓ１０１３）。
【００８８】
前記第２類型による呼吸特性値の予測方法は、図９を参照して記述された前記第１類型による呼吸特性値の予測方法と類似するため、細部的な説明は省略する。ただ、第１類型と第２類型の差異点は、前記第１類型による呼吸特性値の予測方法は、（ｃ）段階で死腔率Ｘの初期値が入力されることに反して、前記第２類型による呼吸特性値の予測方法は、（ｃ）段階でシャント率Ｙの初期値が入力される点である。また、第２類型の（ｈ）段階で死腔率の要件は、酸素の死腔率Ｘ１と二酸化炭素の死腔率Ｘ２の差異が一定範囲内にあるかを対比して判断されることを意味する。もし、前記死腔率要件が満足されない場合、前記（ｃ）段階に戻って前記ステップを反復する。
【００８９】
図１１は、本発明の１実施形態において第３呼吸モデルの第３類型による呼吸特性値を予測する方法を図示するフローチャートである。図１１を参照するとき、前記第３類型による呼吸特性値の予測方法は、下記のようなステップで構成される。
【００９０】
（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力され（Ｓ１１０１）、（ｂ）混合静脈の酸・炭濃度Ｖの初期値が前記自動演算装置に入力され（Ｓ１１０２）、（ｃ）死腔率Ｘの初期値が前記自動演算装置に入力され（Ｓ１１０３）、（ｄ）死腔率Ｘの初期値を入力変数にして肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値が前記自動演算装置に入力される（Ｓ１１０４）。（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式とＦｉｃｋ方程式を包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用するべく、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力される（Ｓ１１０５）。（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１が得られる（Ｓ１１０６）。（ｇ）前記肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値と肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１による酸素のシャント率Ｙ１と二酸化炭素のシャント率Ｙ２とが得られ（Ｓ１１０７）、（ｈ）シャント率の要件が満足されると（Ｓ１１０８）、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定され（Ｓ１１０９）、（ｉ）一定の間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧Ｖｎを初期値にして前記（ｂ）乃至（ｈ）のステップが反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧Ｖｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定され（Ｓ１１１０）、（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中で、呼吸率の要件が満足される特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると（Ｓ１１１１）、これによる呼吸特性値が決定され（Ｓ１１１２）、（ｋ）心拍出量が算出される（Ｓ１１１３）。
【００９１】
前記第３類型による呼吸特性値の予測方法は、図９を参照して記述された前記第１類型による呼吸特性値の予測方法と類似するため、細部的な説明は省略する。ただ、第１類型と第３類型の差異点は、前記第１類型による呼吸特性値の予測方法は、（ｄ）段階で死腔率Ｘの初期値を考慮して肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値が前記自動演算装置に入力され、（ｆ）段階で演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２が得られることに反して、前記第３類型による呼吸特性値の予測方法は、（ｄ）段階で死腔率Ｘの初期値を考慮して肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値が前記自動演算装置に入力され、（ｆ）段階で演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１が得られる点である。
【００９２】
図１２は、本発明の１実施形態による第３呼吸モデルの第４類型による呼吸特性値を予測する方法を図示するフローチャートである。図１２を参照するとき、前記第４類型による呼吸特性値の予測方法は、下記のようなステップで構成される。
【００９３】
（ａ）血液補助情報値、気体境界値、気体補助情報値及び吸気流量などの呼吸入力変数が自動演算装置に入力され（Ｓ１２０１）、（ｂ）混合静脈の酸・炭濃度Ｖの初期値が前記自動演算装置に入力され（Ｓ１２０２）、（ｃ）シャント率Ｙの初期値を入力変数にして前記自動演算装置に入力され（Ｓ１２０３）、（ｄ）シャント率Ｙの初期値を入力変数にして肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値が前記自動演算装置に入力され（Ｓ１２０４）、（ｅ）前記呼吸入力変数及び初期値が、酸素、二酸化炭素及び窒素の質量平衡方程式とＦｉｃｋ方程式を包含する呼吸気体に関する方程式群を解析することに使用するべく、前記自動演算装置に内蔵された演算ルーチンに入力され（Ｓ１２０５）、（ｆ）前記演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１が得られ（Ｓ１２０６）、（ｇ）前記肺胞ガスの二酸化炭素分圧Ａ２の初期値と肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１による酸素の死腔率Ｘ１と二酸化炭素の死腔率Ｘ２とが得られ（Ｓ１２０７）、（ｈ）死腔率の要件が満足されると（Ｓ１２０８）、肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊と関連された呼吸特性値が決定され（Ｓ１２０９）、（ｉ）一定の間隔を有する複数の混合静脈の酸・炭分圧Ｖｎを初期値にして前記（ｂ）乃至（ｈ）のステップが反復されて、前記それぞれの混合静脈の酸・炭分圧Ｖｎに対応される複数の肺胞ガスの酸・炭分圧（Ａ＊）ｎ及び呼吸特性値が決定され（Ｓ１２１０）、（ｊ）前記複数の肺胞ガスの酸・炭分圧の中で、呼吸率の要件が満足される特定の肺胞ガスの酸・炭分圧Ａ＊＊が定められると（Ｓ１２１１）、これによる呼吸特性値が決定され（Ｓ１２１２）、（ｋ）心拍出量が算出される（Ｓ１２１３）。
【００９４】
前記第４類型による呼吸特性値の予測方法は、図１０を参照して記述された前記第２類型による呼吸特性値の予測方法と類似するため、細部的な説明は省略する。
【００９５】
ただ、第２類型と第４類型の差異点は、前記第２類型による呼吸特性値の予測方法は、（ｄ）段階でシャント率Ｙの初期値を考慮して、肺胞ガスの酸素分圧Ａ１の初期値が前記自動演算装置に入力され、（ｆ）段階で演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの二酸化炭素分圧の推測値Ａ２が得られることに反して、前記第４類型による呼吸特性値の予測方法は、（ｄ）段階でシャント率Ｙの初期値を考慮して肺胞ガスの二酸化炭素分圧のＡ２の初期値が前記自動演算装置に入力され、（ｆ）段階で演算ルーチンによって呼吸気体に関する方程式群の解析で肺胞ガスの酸素分圧の推測値Ａ１が得られる点である。
【００９６】
本発明による前記第１類型、第２類型、第３類型、及び第４類型の（ａ）段階で、前記血液補助情報値は、動脈血の酸素の酸・炭分圧ａ１＊だけが使用され、前記（ａ）乃至（ｋ）段階が反復されて動脈血の二酸化炭素の酸・炭分圧ａ２＊が決定されることができる。
【００９７】
本発明による呼吸特性値の表示装置は、前記第１類型、第２類型、第３類型または第４類型による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。
【００９８】
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に連結されて携帯可能であり、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。
【００９９】
図１３は、本発明の１実施形態による換気−かん流比の曲線である。図１３の曲線（１）、（２）、（３）、（４）、（５）は、５人の患者に対する＜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。各曲線の左側端の大きい菱形表示Ｖ１、Ｖ２、．．．、Ｖ５は、臨床データセットＭ中の混合静脈の酸・炭分圧の測定値Ｖ＊を示す。また、これらの中にある黒の菱形は、＜第３呼吸モデル＞の問題を計算して求められた混合静脈の濃度データＶ＊＊としてＶ＊点らと正確に一致することを確認することができる。
【０１００】
黒丸ａ１、ａ２、．．．、ａ５は、臨床データセットＭ中の動脈血の酸・炭濃度ａ＊の値を表示する。各曲線の中央部にある大きい三角形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分圧Ａ＊であり、その中の小さい黒三角形は、臨床データセットＭの中で血液境界値Ｖ＊を未知数と見なして使用せず、本発明で提供する＜第３呼吸モデル＞の解析方法を適用して計算した肺胞ガス分圧Ａ＊＊値として、この値はＡ＊値と正確に一致することを確認することができる。
【０１０１】
空白の四角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＞で求められた換気−かん流比の曲線上に表示したものであり、その付近の小さな黒四角形は、＜第２呼吸モデル＞の解析結果から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り、これらの値は、さらに本発明の＜第３呼吸モデル＞の解析のために必要な呼気終末ガスの酸・炭分圧情報ＥＴ＊の値として使用された。結論的に前記の計算値と臨床値を比較した図表から、本発明の体系的な呼吸解析方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ことを確認することができる。
【０１０２】
以上、限定された実施形態及び図面によって本願発明を説明したが、これは、本発明の理解のために提供されたものであり、本発明は前記の実施形態などに限定されるものではなく、本発明の当業者であればこのような記載から多様な修正及び変形が可能である。
【０１０３】
したがって、本発明の思想は、実施形態に限定されてはならなく、本発明の請求範囲のみならず、この請求範囲と均等であるか等価的な変形に該当する。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】人体の心臓と肺臓における血液の循環順序を示す模式図である。
【図２】人体の肺循環において酸素と二酸化炭素が交換される過程を示した模式図である。
【図３】従来技術においてカテーテルを利用して肺臓に供給される血液の総量（心拍出量）を予測する方法を示す模式図である。
【図４】従来技術において前記カテーテルを利用して心拍出量を算出する方法を示す模式図である。
【図５】従来技術において手または足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を示す模型図である。
【図６】人体の肺胞で発生するガス交換の過程を示す模式図である。
【図７】人体の肺胞における酸素−二酸化炭素のダイアグラムである。
【図８】本発明の１実施形態による肺臓−肺循環系における呼吸特性値の予測装置を示すブロック図である。
【図９】本発明の１実施形態による第３呼吸モデルの第１類型による呼吸特性値の予測方法を図示するフローチャートである。
【図１０】本発明の１実施形態による第３呼吸モデルの第２類型による呼吸特性値の予測方法を図示するフローチャートである。
【図１１】本発明の１実施形態による第３呼吸モデルの第３類型による呼吸特性値を予測する方法を図示するフローチャートである。
【図１２】本発明の１実施形態による第３呼吸モデルの第４類型による呼吸特性値を予測する方法を図示するフローチャートである。
【図１３】本発明の１実施形態による換気−かん流比の曲線図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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