(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者をその中に入れる測定槽（１）と、測定槽に交番的容積変動を加える手段（２、３、４）と、上記容積変動を検出する手段（５）と、測定槽内の圧力変動を知る手段（６）と、被験者の肺気道内圧を測定する手段（１０）を有し、被験者を静的に息ませて肺内気量を等温的に変化せしめ、測定槽に加えられた交番的容積変動の大きさと測定槽内の圧力変動の大きさとから上記肺内気量変化を測定し、同時に被験者の前記の静的息みにともなう肺気道内圧力の変化を測定して、肺内気量の変化と肺気道内圧力の変化の大きさから被験者の肺内気量を求めることを特徴とする肺内気量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、人の肺内気量を測定する装置、とくに気体の圧縮膨張の法則を利用して人の肺内気量を測定する装置に係わる。本発明は、人の呼吸機能の臨床検査に利用される他、人体の体積と体重から体密度を計算して体脂肪率を推定する際に、肺内気量を除いた人体の実質体積を求める目的などにも利用される。
【０００２】
【従来の技術】
肺内気量を正確に知るためには、人体に摂取されない不活性ガスを用いた洗い出し法が用いられているが、この方法では、測定に長い時間を要し、また高価で大がかりな機器を必要とする。より簡便な方法として、呼吸機能検査において用いられる体プレチスモグラフ法がある。体プレチスモグラフ法では、密閉した測定容器内に被験者を入れ、被験者に「パンティング」と呼ばれる、０．５ないし数Ｈｚ程度の動的な息み動作を行わせる。この息み動作に伴って、被験者の肺内気量が変動するため、測定容器内の空間部分の容積＝余積が変化し測定容器内の圧力が変動する。この圧力変動を検出すれば、パンティングによる肺内気量の変動の大きさを知ることができる。このとき同時に被験者の肺気道内圧力の変動を検出する。そして、肺内気量の変動と肺気道内圧力変動の間に、気体の等温圧縮の法則が成り立つ事を仮定して、肺内気量を求めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
不活性ガスを用いた洗い出し法では、長い測定時間と高価で大がかりな測定装置を必要とする。一方、体プレチスモグラフ法では、比較的短時間で測定が行えるが、以下のような問題のため誤差を生じることが指摘されている。第一に、パンティングと呼ばれる動的な息み動作を行うため、測定のあいだ肺気道内の気体もまた動いており、肺気道内圧力が気道全体で一様とは限らないという問題である。第二に、肺気道の末梢側は、多数の小さな肺胞に分割された構造となっていて、気体の等温圧縮の前提が妥当するが、肺気道の中枢側すなわち気管上部や口腔内においては、０．５ないし数Ｈｚという周波数では、気体の状態変化は等温変化よりもむしろ断熱変化に近く、肺気道全体に等温圧縮の仮定を適用することは出来ないという問題である。本発明は、従来の肺内気量測定法の問題点を解決し、簡便でかつ測定精度の高い肺内気量測定法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明では、被験者をその中に入れる測定槽、測定槽に交番的容積変動を加える手段、上記容積変動を検出する手段、測定槽内の圧力変動を知る手段、および被験者の肺気道内圧を測定する手段を組み合わせ、被験者を静的に息ませて肺内気量を等温的に変化せしめ、この時の肺内気量変化を、測定槽に加えられた交番的容積変動の大きさと測定槽内の圧力変動の大きさとから測定し、同時に被験者の息みにともなう肺気道内圧力の変化を測定して、肺内気量変化分および肺気道内圧力変化の大きさから等温過程の法則に基づいて被験者の肺内気量を計算する。
【０００５】
【作用】
測定槽に交番的な容積変動を加えると、測定槽内の気体は圧縮伸張されて、圧力が変動する。容積変動の周波数が十分に高ければ、測定槽内の気体の状態変化は断熱過程とみなすことができ、断熱圧縮の法則に基づいて、容積変動と圧力変動の大きさから測定槽内の空間の平均容積が測定できる。この測定槽内に被験者を入れて、被験者が安静に呼吸を止めている状態と被験者が静的に息んだ状態とで、測定槽内の容積を測定して差をとることにより、息みに伴う肺内気量の変化分が測定される。同時に、肺気道内圧力を検出しているから、息みに伴う肺気道内圧力の変化も測定される。ここで、息み動作が従来の方法とは異なって静的であるので、肺気道内の圧力は一様で、また肺気道内における気体の状態変化は等温的であり、肺内気量の変化と肺気道内圧力の変化の間には、気体の等温圧縮の法則が成り立つ。従って、上記の測定量から、等温圧縮の法則に基づいて被験者の肺内気量を計算することができる。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の実施の形態を、実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の第一実施例である。図１において、１は被験者を入れる測定槽であり、空の状態での容積はＶ0 である。測定槽は前面が透明なガラス製の扉１１になっており、被験者はこの扉を開けて測定槽１に出入りする。２は測定槽１の壁に設置されたダイヤフラムである。３はダイヤフラム２を振動させる加振器、４は加振器３を正弦的に駆動している駆動装置である。ダイヤフラム２、加振器３および駆動装置４の働きによって、測定槽１には微小な正弦的容積変動が加えられる。
【０００７】
容積変動の周波数ｆは、波長が測定槽１の寸法に比べて十分に大きく、かつ測定槽１内の気体の圧縮膨張が断熱的と見なせるような値に選ばれている。測定槽と外の大気との間には僅かな漏れがあって、測定槽内の平均圧力は大気圧に平衡している。しかし、測定槽と漏れとで形成される容量・抵抗系の時定数は、容積変動の周期１／ｆに比べて遙かに大きい値である。従って、測定槽１は、周波数ｆの交流的な容積変動に対しては、すなわち音響的には密閉された容器とみなすことができる。５は加振器３の加振軸の変位を検出する変位検出器である。測定槽１に加えられる容積変動は、加振器の加振軸の変位に比例するから、結局、変位検出器５の出力は、測定槽１内の容積変動に比例した信号となる。
【０００８】
６は測定槽１内の圧力変動を検出するマイクロホンである。７は可撓性のマウスピース管で、一端に被験者がくわえるマウスピースが取り付けられ、他端は切替弁８に接続されている。９は測定槽の扉１１に固定された管で、一端は測定槽の外の大気に開口し、他端は切替弁８に取り付けられている。１０は圧力検出器で、被験者の肺気道内圧力を測定するのに使用される。１２は測定槽１内の平均圧力を測定する気圧計、１３は測定槽１内の湿度を測定する湿度計である。１４は信号処理装置で、切替弁８に対して必要な制御信号を出力するとともに、変位検出器５、マイクロホン６、圧力検出器１０、気圧計１２、および湿度計１３からの信号を取り込んで、被験者の肺内気量の計算を行っており、具体的にはマイクロコンピューターと周辺回路とによって構成されている。
【０００９】
被験者は測定槽１内に入り、マウスピース管７に取り付けられたマウスピースをくわえる。測定が開始されるまでの期間は、切替弁８はマウスピース管７と管９とを連通しており、被験者は、マウスピース管７と管９を通して測定槽外の空気を呼吸する。切替弁８をこのように制御するのは、測定開始までの期間に、被験者の呼気によって、測定槽内の気体の温度や湿度が変化するのを避けるためである。測定が開始されると、切替弁８は、マウスピ−ス管７と圧力検出器１０を接続し、管９とマウスピース管とは切り離される。被験者は数秒のあいだ気道を開けたまま呼吸を止めて安静にする事を指示される。この状態において、圧力検出器１０には被験者の肺気道内圧力ＰL が加わっており、一方、加振器３は周波数ｆで正弦的に駆動されている。加振器によってダイヤフラムが振動するため、測定槽には容積変動が加えられ、測定槽内の圧力もまた変動する。測定槽の容積変動をΔＶ1 とすると、圧力変動ΔＰ1 は、気体の断熱圧縮の法則より
【００１０】
【数１】
0003854993.tif 000002
【００１１】
である。ただし、γは空気の比熱比、Ｐ0 は測定槽内の平均圧力で大気圧に等しく、Ｖ1 は測定槽１の平均余積である。Ｖ1 は、空の状態での測定槽の容積Ｖ0 から被験者の体積およびマウスピース管７の容積を差し引いた容積であり、被験者の肺内気量をＶL 、実質体積をＶB 、マウスピース管の容積をＶM として、
【００１２】
【数２】
0003854993.tif 000003
【００１３】
である。数１に現れる量のうち、圧力変動ΔＰ1 はマイクロホン６の出力から、大気圧Ｐ0 は気圧計１２の出力から、容積変動ΔＶ1 は変位検出器５の出力から知ることができる。また、空気の比熱比γは、常温大気圧近傍の条件下では、気温と圧力による変化はごく僅かで湿度のみによって決まるので、信号処理装置１４内に湿度と比熱比γの関係をテーブル化しておけば、湿度計１３の出力からγの値を知ることができる。結局、Ｖ1 以外の量は全て既知量となるので、数１に基づいて、測定槽１の余積Ｖ1 を求めることができる。
【００１４】
続いて、被験者は１０秒程度の期間静的に息むように指示される。息み動作によって、被験者の肺内気量はＶL からＶL −ΔＶL にと、ΔＶL だけ減少する。この変化によって、測定槽の余積Ｖ1 はＶ0 −（ＶB ＋ＶM ＋ＶL −ΔＶL ）となり、逆にΔＶL だけ増大する。このときの測定槽の余積Ｖ1 を、やはり数１に基づいて測定槽内圧力変動から求め、先の安静時の余積との差を取ることによって、息み動作に伴う肺内気量の変化ΔＶL が分かる。一方、息み動作によって、肺気道内圧力ＰL はＰL ＋ΔＰL に上昇し、この圧力変化ΔＰL は圧力検出器１０の出力の変化から知ることができる。息み動作が静的であるので、肺内気量変化ΔＶL と肺気道内圧力変化ΔＰL の間には、等温圧縮の法則
【００１５】
【数３】
0003854993.tif 000004
【００１６】
の関係が成り立つ。数３を変形して、肺内気量ＶL が
【００１７】
【数４】
0003854993.tif 000005
【００１８】
と表される。ここで、ΔＶL は上述の様に測定槽内余積の変化から知ることができ、ΔＰL およびＰL ＋ΔＰL は圧力検出器１０の出力から知ることができる。また、マウスピース管の容積ＶM はあらかじめ測定しておくことができるから、数４に基づいて肺内気量ＶL を計算することができる。
【００１９】
安静時や静的な息みの状態であっても、被験者の無意識の動きなどのため、肺内気量および肺気道内圧力に揺らぎを伴う場合がある。本実施例では、余積や肺気道内圧力の測定において、一定期間内の平均をとって揺らぎの影響を除き、これらの平均値を用いて上述の計算を行っている。なお、気圧計１２および湿度計１３は、本発明の構成に欠くことのできない機器ではなく、本実施例の構成において、測定槽内の容積変動と圧力変動とから測定槽内平均余積Ｖ1 を求める際に必要となる機器である。実際、後述の第二実施例では気圧計１２および湿度計１３を必要としない構成を採っている。また、気圧計１２および湿度計１３を用いず、フォルタン式気圧計およびアースマン式湿度計などを用いて別途大気圧および湿度を測定し、これらの値をキーボードから信号処理装置１４に与えて計算に用いる方式を採ってもよい事は言うまでもない。
【００２０】
（第二実施例）図２は、人の体密度の測定に応用した本発明の第二の実施例である。図２において、１は測定槽、６は測定槽内の圧力変動を検出するマイクロホンである。７はマウスピース管、８は切替弁、９はガラス製の扉１１に固定され測定槽外に開口した管、１０は圧力検出器であり、これら７〜１０の機器は第一実施例と同じように相互接続されている。２１はその容積Ｖ2 が既知の基準槽である。測定槽１および基準槽２１はともに、その平均圧力は大気圧に平衡するが、後述の容積変動周波数ｆにおいては密閉されていると見なせる容器である。２２は、測定槽１と基準槽２１の間の隔壁に設置されたスピーカーである。２３はアンプで、スピーカー２２を正弦的に駆動している。２４は基準槽２１内の圧力変動を検出するマイクロホンである。２５は被験者の体重を測定する体重計である。２６は空気循環装置で、測定が開始される直前まで基準槽２１内および測定槽１内の空気を交換循環し、測定が始まると停止して空気循環口を閉じるようになっており、二つの槽内の温度と湿度を均一に保つ役割を果たしている。２７は体密度計算装置で、増幅器２３に対する正弦波信号と切替弁８および空気循環装置２６に対する制御信号を出力するとともに、マイクロホン６、圧力検出器１０、基準槽用のマイクロホン２４、および体重計２５からの信号を取り込んで、被験者の肺内気量、実質体積、体密度および推定体脂肪率を計算している。
【００２１】
第二実施例では、測定槽１に交番的容積変動を加える手段として、スピーカー２２を用いている。スピーカーは正弦的に駆動されているが、その周波数ｆは、測定槽１および基準槽２１の寸法に比べて波長が十分に長くなるような、そしてまた測定槽および基準槽内の気体の圧縮膨張過程が断熱的と見なせるような値に設定されている。スピーカーの振動によって測定槽１に加えられる容積変動をΔＶ1 とすると、構造から明らかなように、基準槽には−ΔＶ1 の容積変動が加えられる。このときの基準槽２１内の圧力変動をΔＰ2 とすると、断熱圧縮の法則から
【００２２】
【数５】
0003854993.tif 000006
【００２３】
が成り立つ。ただし、Ｖ2 は基準槽２１の平均容積である。一方、測定槽１内の容積変動ΔＶ1 と圧力変動ΔＰ1 の間には、やはり数１の関係が成り立つ。今、測定槽１内の圧力変動ΔＰ1 と基準槽２１内の圧力変動ΔＰ2 の大きさの比をとると
【００２４】
【数６】
0003854993.tif 000007
【００２５】
の関係が成り立つ。圧力変動ΔＰ1 と圧力変動ΔＰ2 は、マイクロホン６の出力信号とマイクロホン２４の出力信号から知ることができる。Ｖ2 は既知の容積であるから、二つのマイクロホン出力信号の大きさの比をとれば、数６に基づいて測定槽１内の平均余積Ｖ1 を求めることができる。本実施例の構成では、平均圧力Ｐ0 、比熱比γ、容積変動ΔＶ1 は比を取ることで相殺され、測定槽内の余積Ｖ1 を求めるのにこれらの量を知る必要はない。
【００２６】
以下、第一実施例におけるのと全く同じ手順で、息み動作に伴う肺内気量の変化ΔＶL と肺気道内圧力の変化ΔＰL を測定して、被験者の肺内気量ＶL を求めることができる。肺内気量ＶL が求まれば、測定槽の空容積Ｖ0 とマウスピース管容積ＶM は既知であるから、数２から被験者の実質体積ＶB を計算できる。人の体密度は、人の体重を実質体積で割った量であるから、体重計２５で測定した体重をＶB で割って、被験者の体密度を求めている。さらに、体密度計算装置２７内には、体密度と体脂肪率との関係式がプログラムされており、体密度から被験者の推定体脂肪率を計算して出力するようになっている。
【００２７】
【発明の効果】
本発明においては、交番的な容積変動を加えたときの圧力変動から被験者の入った測定槽の余積を測定して肺内気量変化を検出し、同時に肺気道内圧力の変化を測定して、静的な息み動作にともなう肺内気量の変化と肺気道内圧力の変化とから被験者の肺内気量を求めている。前述のように、肺内気量の変化量と肺気道内圧の変化の関係が明確なのは、肺気道内の気体が静止しており、なおかつ気体の状態変化が等温的とみなせる、静的な息み動作においてのみである。従来の動的な息み動作においては、気体は静止しておらず、また気体の状態変化は等温的とも断熱的とも言えない。肺気道内の気体の状態変化を記述する関係式が、肺内気量を計算するための基本式である。静的な息み動作を採用することにより、従来法における基本式の曖昧さとそれに伴う誤差を排除することが可能になったのは、本発明の第一の効果である。
【００２８】
また、本発明においては、測定槽に交番的な容積変動を加える方法をとることで、測定槽が完全には密閉されていなくても余積の測定が可能であり、静的な息みに伴う肺内気量の変化を容易に測定できる。静的な息みに伴う肺内気量の変化は微少な体積変化なので、従来の体積型体プレチスモグラフ、或いは圧力−体積型体プレチスモグラフでは、正確な測定が困難である。また、圧力型体プレチスモグラフでは、動的な息み動作を想定しているために測定槽が完全には密封されていないが、静的な息み動作に伴う余積変化を測定するためには、測定槽を完全に密封して測定槽内の圧力変化を検出することが必要となる。このため、測定槽を完全に密封しなくて良いという圧力型体プレチスモグラフの特長が失われる上に測定装置の製作コストが増大する。さらに、静的な息みに伴う測定槽内の気体の膨張は断熱的とは見なせないので、測定槽内余積の変化と測定槽内圧力の変化の関係が明確でなくなるという原理上の問題も生じる。要するに、本発明においては、交番的容積変動を加える方法をとることにより、従来法では避け難い肺内気量変化測定段階における誤差を排除することが可能となっている。このことが本発明の第二の効果である。
【００２９】
以上のように、本発明によって初めて、肺内気量変化の測定段階における誤差と、肺内気量変化と肺気道内圧力変化の関係から肺内気量を計算する段階における誤差とを共に排除し、正確な肺内気量の測定が可能になった。また、本発明の測定装置は、製作が容易で廉価に作製可能である。さらに、本発明の方法では、測定時間は高々１５秒程度であり、被験者に苦痛を強いることもなく、簡便な測定手段を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例である。
【図２】本発明の第二実施例である。
【符号の説明】
１  測定槽
２  ダイヤフラム
３  加振器
４  駆動装置
５  変位検出器
６  マイクロホン
７  マウスピース管
８  切替弁
９  管
１０  圧力検出器
１１  扉
１２  気圧計
１３  湿度計
１４  信号処理装置
２１  基準槽
２２  スピーカー
２３  アンプ
２４  マイクロホン
２５  体重計
２６  空気循環装置
２７  体密度計算装置
【図１】
0003854993.tif 000008
【図２】
0003854993.tif 000009