(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
麻酔をかけられた患者を換気させるための呼吸回路システムであって；
a)  再呼吸ガスを送るための逆止め吸気リムと、呼気ガスを受理するための逆止め呼気リムとを有する標準環状麻酔回路と；
b)  非再呼吸ガスを供給するための補助呼吸回路であって、二酸化炭素を実質的に含まない非再呼吸ガス源と、新鮮ガスを貯蔵するための非再呼吸新鮮ガス貯蔵部と、ＰＣＯ2値が選択可能な二酸化炭素を含む非再呼吸貯蔵ガス源と、ガス移送管路とを含むものと；
c)  前記吸気リムと連通して配置された非再呼吸弁と；
d)  前記吸気リムおよび前記ガス移送管路の双方と連通して配置され、前記吸気リムからのガス又はガス移送管路からのガスを選択的に通過させる呼吸弁と；
を具備してなることを特徴とする呼吸回路システム。
【請求項２】
前記新鮮ガス貯蔵部と連通するリリーフ弁を更に具備してなる請求項１記載の呼吸回路システム。
【請求項３】
前記貯蔵ガスの要求時に前記貯蔵ガスを送るため前期吸貯蔵ガス源と連通する要求弁を更に具備してなる請求項２記載の呼吸回路システム。
【請求項４】
前記貯蔵ガスの要求時に前記貯蔵ガスを送るため前期吸貯蔵ガス源と連通する要求弁を更に具備してなる請求項１記載の呼吸回路システム。
【請求項５】
麻酔をかけられた患者を換気させるための呼吸回路システムであって；
a)  再呼吸ガスを送るための逆止め吸気リムと、呼気ガスを受理するための逆止め呼気リムとを有する標準環状麻酔回路と；
b)  非再呼吸ガスをもっぱら供給するための補助呼吸回路であって、二酸化炭素を実質的に含まない非再呼吸ガス源と、新鮮ガスを貯蔵するための非再呼吸新鮮ガス貯蔵部と、ＰＣＯ2値が選択可能な二酸化炭素を含む非再呼吸貯蔵ガス源と、ガス移送管路とを含むものと；
c)  前記吸気リムと連通して配置された非再呼吸弁と；
d)  前記吸気リムおよび前記ガス移送管路の双方と連通して配置され、前記吸気リムからのガス又はガス移送管路からのガスを選択的に通過させる三方呼吸弁と；
を具備してなることを特徴とする呼吸回路システム。
【請求項６】
前記新鮮ガス貯蔵部と連通するリリーフ弁を更に具備してなる請求項５記載の呼吸回路システム。
【請求項７】
前記貯蔵ガスの要求時に前記貯蔵ガスを送るため前期吸貯蔵ガス源と連通する要求弁を更に具備してなる請求項６記載の呼吸回路システム。
【請求項８】
前記貯蔵ガスの要求時に前記貯蔵ガスを送るため前期吸貯蔵ガス源と連通する要求弁を更に具備してなる請求項５記載の呼吸回路システム。
【発明の詳細な説明】
発明の技術的分野
本発明の目的は、当業者に公知の標準環状麻酔回路に加えることができる簡単な呼吸回路を提供し、これにより手術前に気相麻酔剤を投与された患者の回復を早めることである。
本発明は更に、外科手術の前に気相麻酔剤を投与された患者の回復を早めるための呼吸回路の使用に関する。
本発明は更に、外科手術の前に気相麻酔剤の投与からの回復を早めるための患者の処置方法に関する。
発明の背景
生理学
静脈血は酸素（Ｏ2）が欠乏し、二酸化炭素（ＣＯ2）が充満した状態で筋肉および器官から心臓に戻される。体の種々の部位からの血は心臓の中で混合され（混合静脈血）、肺に送られる。肺において、血管は小さな肺気嚢（肺胞）を囲む小さな血管の網に分散される。この肺胞を囲む血管の網は濃度勾配に沿った拡散によるガス交換のための大きい表面積を提供する。濃度勾配は混合静脈血（ＰｖＣＯ2）中のＣＯ2（ＰＣＯ2）の分圧と肺胞ＰＣＯ2との間に存在する。ＣＯ2は、吸気の最初から呼吸の或る時期においてＰｖＣＯ2と肺胞ＰＣＯ2との間の平衡が得られるまで、混合静脈血から肺胞へ拡散する。患者が息を吐き出したとき、この呼気の終りは肺胞から来るもので、毛細血管と肺胞との間の平衡濃度を反映するものと考えられている。すなわち、このガスにおけるＰＣＯ2は、呼吸気終期（ｅｎｄ−ｔｉｄａｌ）ＰＣＯ2（ＰETＣＯ2）と呼ばれる。
血が肺胞を通過し、心臓により動脈に送られたとき、これは動脈ＰＣＯ2（ＰａＣＯ2）として知られている。動脈血は毛細血管と肺胞との間の平衡の間におけるＰＣＯ2に等しいＰＣＯ2を有する。各呼吸において、幾らかのＣＯ2は除去され、少ないＣＯ2（ゼロと仮定される）を含む新鮮な空気が吸い込まれ、残留肺胞ＰＣＯ2を希釈し、混合静脈血から肺胞へ拡散するＣＯ2についての新たな勾配が確立される。呼吸の割合又は換気（Ｖ）は通常、Ｌ／分で表され、肺へもたらされるＣＯ2を排除し、約４０ｍｍＨｇ（正常のヒト）の平衡ＰＣＯ2（およびＰａＣＯ2）を維持するのに必要なものである。ヒトがＣＯ2をより多く生産したとき（例えば、熱又は運動による）、より多くのＣＯ2が肺へ運ばれる。そのため、ヒトはより激しく呼吸し（呼吸亢進）、余分のＣＯ2を肺胞から洗い出し、同一の平衡ＰａＣＯ2を維持する必要がある。しかし、もしＣＯ2の生産が正常であり、呼吸を亢進させたときは、ＰａＣＯ2は降下する。
全てのＶがＣＯ2を吹き飛ばすのに寄与するものでないことを注目することが重要である。Ｖの或る部分は気路（気管および気管支）および肺胞へ行き、血はこれらを灌流せず、従ってＣＯ2の吹き飛ばしに寄与しない。良く灌流された肺胞へ送られ、ガス交換に寄与するＶの部分は肺胞換気（ＶＡ）と呼ばれる。
治療薬および研究において、患者がより激しく呼吸すると共にＰａＣＯ2を変化しないことを我々が要求する場合が多くある（表１参照）。
0003822647.tif 000002
題目：過呼吸の間のＰETＣＯ2を一定に保つ試みの研究の要約
凡例：呼気ＰＣＯ2の調整方法：Ｍ＝手動；Ａ＝自動。ＣＯ2源：Ｒ＝再呼吸；Ｅ＝外部から。
１．Angell-James, J.E., Clarke,J.A., de Burgh Daly, M.およびTaton,A., アテローマ硬化症ラビットにおける頸動脈化学受容器機能および構造：酸素過剰症および炭素過剰症に対する呼吸および心臓血管応答；Cardiovascular Research 23(6):541-53, 1989。
２．Bleman, M.J.およびC.Mittman;換気筋肉トレーニングが慢性閉塞性肺疾患の患者の運動能力を改善する；Am. Rev. Respir. Dis.,121:273-280,1980。
３．M.E.およびLeith, D.E.,換気筋肉トレーニングおよび持続性過呼吸の酸素浪費；J. Appl. Physiol.,45(6):885-892,1978。
４．Busija, D.W., Orr,J.A., Rankin, J.G.H., Liang, H.K. およびWagerle, L.C.,麻酔されていないポニーにおける正常炭素過酸素症の間の脳血流；J. Appl. Physiol.,48(1):10-15,1980。
５．Jonsson, L.O.;Malpleson D.システムを用いた２つの異なる流れのセッテングでの推定ＰａＣＯ2；Acta Anaesthesiol Scand.,34:237-240,1990。
６．McKerrow, C.B., およびOtis, A.B.; 過呼吸の酸素浪費；J. Appl. Physiol.,9:375-79,1956。
７．Robbins, P.A., Swanson,G.D. およびHowson, M.G.; 或る時系列に沿っての肺胞ガスを強制する予測−修正計画；J. Appl. Physiol.,52(5):1353-1357,1982。
８．Smith, D.M., Mercer,R.R.およびEldridge, F.L.; 麻痺した動物における呼吸気終期ＣＯ2のサーボ制御；J. Appl. Physiol.,45(1):133-136,1978。
９．Somers, V.K., Mark,A.L. Zavala, D.C. およびAbboud, F.M.; 正常のヒトにおける過酸素症に対する交感神経応答への過炭素症の換気の影響；J. Appl. Physiol.,67(5):2095-2100,1989。
１０．Sorkness, R.およびVidruk, E.; 目を覚ましているイヌにおける気管支呼吸音の等炭素変化の反射作用；Respir. Physiol.,69:161-172,1987。
１１．Tenney, S.M.およびReese, R.E.;大きい呼吸努力を維持させる能力；Respir. Physiol.,5:187-201,1968。
１２．Wahba, R.W.M. およびTessler, M.J.;誤解させる呼吸気終期ＣＯ2テンション；Can. J. Anaesth.,43(8):862-6,1996。
これは、呼気ガス又はある種の外部源からＣＯ2を吸気することによって過呼吸を補償することを必要とする。この必要とするＣＯ2吸気量はＰａＣＯ2をどの程度に細かく制御するかにより、手動又は自動サーボ制御機構により調整する必要がある。この入力信号はＰETＣＯ2である。ＰａＣＯ2の安定性は一方においてＣＯ2生産および換気の可変性、他方においてこの可変性を補償するシステムの能力に依存する。
静脈投与された薬の麻酔効果の終点は代謝および再分配に依存する。従って、麻酔からの回復は薬の薬理学的作用により決定され、促進することはできない。
しかし、吸気された麻酔ガスについては異なる。麻酔ガスの取込みおよび除去は殆ど肺を介して行われる。脳へ行く血液中の麻酔ガスの分圧は血液と肺との間のガスの平衡に依存する。肺中のガス濃度は吸気ガス中のガス濃度、呼吸の速度並びに肺と血液との間のガスの移動速度に依存する。新しい麻酔薬、デスフルラン（desflurane）およびセボフルラン（sevoflurane）は血液溶解性に乏しい。従って、肺と血液との間で移動する薬の量は小さく、殆ど無視することができる。
すなわち、麻酔ガスから覚めた患者にとって、呼吸の速度が大きければ大きいほど、肺から除去される麻酔ガスの量は多くなる。しかし、自然呼吸している患者において、残留する静脈投与麻酔薬、鎮痛剤（即ち、麻酔剤）、手術の影響、更に残留麻酔ガス自体の相互作用の結果、この換気はしばしば低下する。
実際に、肺から麻酔ガスを除去するプロセスを促進し、麻酔ガスの作用から抜け出す速度を早めるための介入には制限がある。
従来の提案
１．人工的換気（呼吸）
手術の終りにおいて患者を手動又は機械的に過呼吸させることは、麻酔からの回復時間を短縮させるのに一般的に効果的でない。
ａ）環状麻酔回路を用いて換気を高めることは呼気を再呼吸する結果とな。これらのガスは麻酔ガスおよびＣＯ2ガスを含む。このＣＯ2ガスは回路中のＣＯ2吸着剤により除去することができるが、麻酔ガスは患者に再び戻される。
ｂ）過呼吸は動脈ＰＣＯ2を減少させる。低い動脈ＰＣＯ2は呼吸する刺激を除き、それにより麻酔ガスの除去を遅らす（更に、血液の適正な酸素吸収を妨害する）。従って、これは実行されることは殆どない。
２．回路の洗い流し
新鮮なガス流を回路中に流すことは回路から麻酔ガスを洗い流すのに効果的でない。環状麻酔回路は約８Ｌ（患者の肺の容積２．５Ｌを含めないで）の容積を有する。１０Ｌ／分の酸素流量計での最大新鮮ガス流においても、麻酔ガスを洗い流すには、回路だけでも約４分を要する。
３．呼吸を刺激する
過去において、麻酔医は呼吸回路にＣＯ2を添加することにより患者の呼吸を刺激することを試みている。その原理は、回路中にＣＯ2濃度を高めることにより、患者はＣＯ2と共に他のガスを呼気しようとして、より激しく呼吸するようになるというものである。しかし、これは最早、行われず、無駄で危険な方法として烙印を押されている。
ａ）上記１ａおよび１ｂに記載した理由により、これは無駄である。同じく、これは余分のＣＯ2吸収剤を消費するから無駄である。
ｂ）この方法は、患者が呼吸を増大して余分のＣＯ2を排除するように応答できない場合に患者を危険に曝すことになる。すなわち、患者は余分のＣＯ2を吸収し、血液中のＣＯ2濃度が高くなり、致命的となる。患者中の高いＣＯ2濃度は、呼吸するのに十分な空気が与えられていないような気分に患者を陥れ、目が覚めたとき、患者に大きな苦痛を生じさせる。
４．換気の増大およびＰＣＯ2を一定に保つ
ＰＣＯ2を下げることなく換気を増大させるには、回路へＣＯ2を加えなければならない。これは外部源又は患者の呼気ガスから供給することができる。現在のシステムの全ては、サーボ制御システム又はフィードバックループに依存して、患者へのＣＯ2量を規制している。これらの装置は複雑で、取扱が面倒で、高価である。また、これらの装置は麻酔からの回復の間、麻酔ガスの除去を促進するのに使用されたという報告は未だなされていない。
上記４に関し、サーボ制御方法には手動であっても、あるいは自動であっても可なりの制限がある。以下、これについて説明する。
１．入力信号
我々が一定に保ちたいパラメータは動脈ＰＣＯ2であるが、フィードバックシステムは吐き出されたガス中のＣＯ2濃度、すなわち、いわゆる呼吸気終期ＰＣＯ2（ＰETＰＣＯ2）を入力信号および終点として使用している。このＰETＰＣＯ2は多くの状況下で動脈ＰＣＯ2と非常に異なることがあり得る。更に、ＰETＰＣＯ2の変化は動脈ＰＣＯ2における変化と関係しないこともある。従って、ＰETＰＣＯ2は動脈ＰＣＯ2の制御のための入力として適当でないということになる。例えば、通常より小さな呼吸はＰETＰＣＯ2を減少させ（動脈ＰＣＯ2を増大させる傾向を示す）、サーボ制御装置を吸気ＣＯ2の不適当な増加に応答させることになる。
２．利得
細かな制御を得ようとして、もしサーボ制御システム中の利得を余り高くセットすると、応答が不安定になり、制御変数の動揺を生じさせる。反対に、サーボ制御システム中の利得を余り低くセットすると、補償が遅れる。信号を減衰し過ぎると、応答が標的に達しないことになる。これらの問題に取り組むとすると、サーボ制御装置は複雑なアルゴリズム並びに高価な装置を必要とすることになる。
３．潜在的限界
サーボ制御システムはＰETＰＣＯ2の変化を検出し、後に修正するとする原理に基づいて動作する。理想的な条件下でも、このようなシステムは自然呼吸している患者における差し迫ったＶTの大きさを予測し、適当なＣＯ2負荷を送り出すことはできない。
上述のように、人々は麻酔をかけられた患者の回復を早めるための努力をしてきた。しかし、殆どは上述のように成功に達していない。このような努力の目的は、意識の回復を早めることにより、回復ケアの必要を少なくし、悪心および術後呼吸合併症の危険性を少なくするという利益にある。すなわち、健康ケアシステムにおいて経費の節減が図られる。この点に関し、手術室の健康ケアシステムおよび回復エリア時間に関するコストはそれぞれ分当たり約５ドル（カナダドル）および約２ドル（カナダドル）である。北米で麻酔にかけられる患者の総数は約３５，０００，０００／年（３５０万人および約３千万人（米国合衆国において））であり、控え目な見積りでも約５０，０００，０００／年である。この北米での見積りには、メキシコ、中央アメリカの国々は含まれていない。手術時間および回復室でのそれぞれ５分間の回復時間の減少は全世界において毎年数十億ドルの節減につながる。北米だけに限っても、手術室および回復エリアにおける５分間の回復時間の減少は毎年十億ドルの節減につながる。
従って、本発明の目的は、手術前に気相麻酔剤を投与された患者の回復を早めるために用いられる標準環状麻酔回路に加えることができる改良された呼吸回路又は回路部材を提供することである。
本発明の他の目的は、上記回路を使用した処置方法並びに気相麻酔剤を投与された患者の回復を早めるための上記呼吸回路の使用を提供することである。
その他の本発明の目的は、以下に記載する発明の概要、その具体例の詳細な説明から当業者が容易に理解し得るであろう。
本発明の概要
本発明の１つの態様によれば、気相麻酔剤を投与された患者の回復を早めるために用いられる標準環状麻酔回路に加えることができる新規な呼吸回路又は回路部材が提供される。
本発明に従って、上記呼吸回路又は回路部材が一般的環状麻酔回路に組込まれたとき、患者に対する二酸化炭素ガスの投与が換気（呼吸）速度に関係なく同一のＰＣＯ2に維持されるが（該換気速度が対照換気速度より大きい限り）、患者の肺からの麻酔ガスの除去速度を、患者が正常に呼吸しているかあるいは過呼吸しているかに関係なく、患者による総換気量として直接的に変化させることができる。従って、気相麻酔剤を患者の肺から除去することができる。しかし、二酸化炭素ガスは患者の休息速度又は所定の制御速度より早く肺から除去されることはない。二酸化炭素ガスの除去のための所定の速度は後述のように回路に投与される新鮮ガスの投与速度に基づいて設定される。
本発明の他の態様によれば、簡単な呼吸回路は一緒になって簡単な回路を形成する部材を含むものであって、（ａ）回路からガスを患者に向けて排出させる出口、（ｂ）上記出口へガスを送るための逆止弁からなる非再呼吸弁であって、ガスが送られてきた回路の部位にガスを通過させず、外気又は他の場所に通過させるもの、（ｃ）患者へガスを送くための非再呼吸弁と連通するガス源（ＣＯ2を含まない酸素、空気、その他のガス、なお、空気は生理学的に無意味な量のＣＯ2を含む）、（ｄ）新鮮ガス源と連通する新鮮ガス貯蔵部であって、患者により吸気されなかったガス源からの余分のガスを受理貯蔵し、患者が呼吸するとき、この新鮮ガス貯蔵部からガスを受理することを可能とするもの、（ｅ）ＣＯ2および他のガス（通常、酸素）を収容する貯蔵ガス供給部であって、ＣＯ2の分圧が患者の混合静脈血におけるＣＯ2の分圧とほぼ等しく、患者の必要に応じて上記非再呼吸弁へ送られ、上記ガス源および新鮮ガス貯蔵部からのガスでは満されない患者の必要とするガスの量を補うものであり；上記ガス源、新鮮ガス貯蔵部および貯蔵ガス供給部が上記出口から遠い弁の側に配置されていることを特徴とする。
好ましくは、圧力逃がし弁が上記新鮮ガス貯蔵部と連通して設けられ、この新鮮ガス貯蔵部がガスで過剰となった場合に、この新鮮ガス貯蔵部が破損するのを防止するようにする。
上記貯蔵ガス供給部は、好ましくは要求弁調節器を含み、追加のガスが必要のとき、この調節器がこの貯蔵ガス供給部から非再呼吸弁への連通を開き、ガスを非再呼吸弁へ送り、追加のガスを必要としないとき、この調節器が閉じて新鮮ガス源および新鮮ガス貯蔵部から新鮮ガスのみを非再呼吸弁へ送り込むようにする。新鮮ガス源は新鮮ガス（非ＣＯ2含有ガス）をＣＯ2除去のための所望の肺胞換気に等しい速度で供給するよう設定されている。
本発明の基本的概念は、呼吸が増加したとき、ＣＯ2除去に貢献している新鮮なガス流からの新鮮ガス（吸気ＰＣＯ2＝０）の流量が一定に保たれていることである。患者により吸気されたガス（貯蔵ガス供給部から）の残りの部分は混合静脈血と等しいＰＣＯ2を有し、混合静脈血と肺胞ガスとの間のＣＯ2濃度勾配に寄与せず、従ってＣＯ2の除去に寄与しない。もし、混合静脈血へのアクセスが存在する場合（カテーテルが肺動脈に存在している場合）は、混合静脈ＰＣＯ2を直接、測定することができる。測定の可能性がない場合は、ＰETＰＣＯ2から推定することができる。このＰETＰＣＯ2は呼気中のＰＣＯ2を、通常、手術施設で容易に入手可能なキャプノグラフを用いて測定することにより決定することができる。
実質的に、この装置は患者が吸気したＣＯ2の量を間違いなく、正確、かつ連続的に総呼吸量にマッチさせることができ、これにより動脈ＰＣＯ2の動揺を防止することができる。これは、常に変化について補償を行うサーボ制御装置と対照的である。しかし、この回路をサーボ制御装置又はコンピュータを用いて自動化し貯蔵ガス供給部からのガス量をモニターし、移送し得ることは当業者にとって明らかであろう。
本発明の他の態様によれば、この新規な簡単な呼吸回路を用いて患者を処置し、気相麻酔薬投与から、より急速に回復させることができる。
本発明の他の態様によれば、この新規な呼吸回路を用いて患者を気相麻酔薬投与から急速に回復させるための装置を製造することができる。
本発明の他の態様によれば、この新規な呼吸回路を用いて患者を気相麻酔薬投与から急速に回復させることができる。
本発明の他の態様によれば、動物（例えば、ヒト）の処置方法（動物を気相麻酔薬投与から回復させる）が提供されるもので、その方法は、ＣＯ2を含まないガスを特定の流量で患者に送込むと共に、呼吸の速度に関係なく動物中のＰＣＯ2を同一に保つためＣＯ2を含むガスを上記のＣＯ2を含まないガスの投与流量を超える動物の呼吸速度（割合）で送込むことを特徴とする。
従って、動物の呼吸速度が、動物により吸気される非ＣＯ2含有ガスの送込み速度を超える場合、動物により吸気されるＣＯ2含有ガスが動物中におけるＰＣＯ2を一定に保つことになる。
すなわち、肺からの麻酔ガスの除去における本発明の使用に関し、ＣＯ2含有ガスおよび非ＣＯ2含有ガスを含む組合せのガスの全体的換気は肺からの麻酔ガスを除去するよう作用する。
この回路および処置方法は、二酸化炭素の除去から微細な換気を分離しようと欲するあらゆる状況について使用することができる。例えば、呼吸筋肉トレーニング、肺ストレッチレセプターの役割の調査、気管支音、肺拡張不全を防止する肺の膨脹、呼吸の制御、その他当業者に公知の使用などに使用することができる。
この回路および処置方法は、深海のダイバー、宇宙航空士により体内から窒素を除去することにも使用することができる。更に、常圧および高圧条件下での一酸化炭素中毒の治療にも使用することができる。新鮮ガスは１００％酸素を含むもの、貯蔵ガスは約６％のＣＯ2および約９４％の酸素を含むものであってもよい。新鮮ガスも貯蔵ガス供給もこの場合は、窒素を含むものであってはならない。
【図面の簡単な説明】
図１は、患者を気相麻酔剤投与から急速に回復させる簡単な呼吸回路および部材の性質を模式的に示す図である。この装置は微細な換気の増加にも拘わらずＰＣＯ2を一定に保持させることができ、これにより気相麻酔剤をより急速に除去させることができる。
図２は、当業者に公知の標準的環状麻酔回路の部分を模式的に示図である。
図３は、図２に示す環状麻酔回路の部分に加えられる簡単な呼吸回路の１具体例を模式的に示す断面図であり、図２に示す公知の環状麻酔回路と共に使用される図１に示す回路の変形例を説明するものである（環状麻酔回路として使用される回路によっては、図１に示す基本回路について異なる変形例を構成することができる）。
図４Ａは、図３に示す構造を説明するもので、図２に示す一般的構造体と組合わされている（図３は図１の構造体に対する変形例を示し、これが図２の構造体と組合されて図４Ａに示されている）。
図４Ｂおよび４Ｃは図４Ａに示されている構造体の１部を拡大して模式的にそれぞれ異なる位置で示す図である。
図５は、ＶT（呼吸気量）とＰETＰＣＯ2を示すグラフ図である。
図６は、気道ＰＣＯ2とＶTの痕跡を示すグラフ図である。
図７Ａおよび７Ｂ図、８Ａおよび８Ｂは、ＰＣＯ2およびＰETＰＣＯ2の変化を示すグラフ図である。
発明の詳細な説明
回路（図１）は非再呼吸弁（Ａ）を含み、その先端にて２つのポート（口）（ＣおよびＤ）と接続している。第１のポートは平行に新鮮ガス源（Ｅ）（ＣＯ2を含まない）および新鮮ガス貯蔵部（Ｆ）に平行に接続されている。逆止め圧力逃し弁（Ｇ）は過剰の新鮮ガスの流通によるガス貯蔵部（Ｆ）の過剰充填を防止している。第２のポート（Ｄ）は逆止め弁（Ｈ）を介してガス源（ＣＯ2を含まない）に接続されており、このガス源のＰＣＯ2は混合静脈ＰＣＯ2のものとほぼ等しい。我々はこれを“貯蔵ガス”（Ｉ）と呼ぶ。非再呼吸弁（Ａ）は出口ポート（Ｊ）と接続している（これから患者は呼吸する）。
過換気で一定のＰＣＯ2を維持する回路の機能的分析
微細換気“Ｖ”が（Ｅ）からの新鮮ガス流“ＦＧＦ”よりも小さいか等しい場合、患者は新鮮ガス（非ＣＯ2含有ガス）のみを吸気する。ＶがＦＧＦを超えたとき、新鮮な非ＣＯ2含有ガスを含むガス貯蔵部（Ｆ）は最初に空になり、吸気されたガスの残余はＣＯ2を含む貯蔵ガス（Ｉ）から引出される。この貯蔵ガスはＣＯ2交換に関与しないと考えられ、与えられる実際の換気がＦＧＦによって制限されるようにしている。ＦＧＦの流量が５Ｌ／分であり、患者が５Ｌ／分以下で呼吸するとすると、患者は新鮮ガス流源（ＥおよびＦ）からの非ＣＯ2含有ガスのみを吸気することになる。微細換気がＦＧＦを超えたとき、微細換気と新鮮ガス流との間の差は、患者のＣＯ2を除去する勾配を与えない濃度のＣＯ2を含む貯蔵ガス（Ｉ）からのガスにより補われる。
環状麻酔回路への回路の適用
標準環状麻酔回路の概要、自然換気（図２）
患者が呼気したとき、吸気弁（１）が閉じ、呼気弁（２）が開き、ガスが回路（３）の呼気リムを形成する波形チューブを介して再呼吸バッグ（４）へ流れる。再呼吸バッグがいっぱいになったとき、気道圧制限（ＡＰＬ）弁（５）が開き、呼気ガスの残余がＡＰＬ弁（５）を介してガス掃気部（図示しない）へ流れる。患者が吸気したとき、回路中の負圧により呼気弁（２）が閉じ、吸気弁（１）が開き、ガスを回路（６）の吸気リムを形成する波形チューブを介して流れるよう方向づける。吸気は新鮮ガスホース（７）からのガスの全てを引出し、再呼吸バッグ（４）からのガスを引出すことにより呼吸気量の残余を補う。再呼吸バッグ（４）からのガスはＣＯ2を含む呼気ガスを含む。このＣＯ2は、ガスがＣＯ2吸収体（８）を通過するとき抽出され、従って、ガスはＣＯ2なしで患者に送られる（しかし、もし存在するならば依然として呼気麻酔ガスを含む）。
麻酔下の患者の過換気を可能とする回路の変形例（図３）
この変形回路は、
１．標準自己膨脹バッグ（Laerdalによる製造）のように機能する回路であって、
ａ）非再呼吸弁（Laerdalの製造による弁＃５６０２００）であって、自然呼吸および手動補助呼吸の間において機能するもの（９）；
ｂ）呼気ガスマニホールド（例えば、呼気デビエイター＃５８０５００）であって、呼気ガス（１０）を集め、ガス掃気システム（図示しない）又は麻酔回路の呼気リムへ向けさせるもの（図４）；
ｃ）自己膨脹バッグ（１１）であって、その入口に逆止め弁が設けられ、ガスを自己膨脹バッグ（１２）へ向けさせるもの；
２．新鮮ガス源１（蒸気を含んでいない）、例えば酸素又は酸素プラス亜酸化窒素（１３）であって、流量計（２２）を備えたもの；
３．４個のポートを備えたマニホールド（１４）：
ａ）新鮮ガス（１３）導入のためのポート（１５）；
ｂ）新鮮ガス貯蔵バッグ（１７）のためのポート（１６）；
ｃ）逆止め流入弁が取着されたポートであって、該逆止め流入弁はマニホールド内の圧力が大気圧より５ｃｍＨ2Ｏ低いとき開口するようになっている（例えば、Livingston Health Care Service社  カタログ商品番号＃９００５）（開口前に全ての新鮮ガスが利用されることを確保する）；
ｄ）ガス用バッグ（１９）であって、そのＰＣＯ2は流入弁（１８）に接続された混合静脈ＰＣＯ2とほぼ等しい（その他、この弁とガス貯蔵バッグは要求調節器、例えばLifetronix MX91120012;スキューバダイビングで使用されているものと似たもの、および圧縮ガスのシリンダーにより置換してもよい）；
ｅ）逆止め流出弁（２０）が取着されたポートであって、該逆止め流出弁はマニホールド内の圧力が大気圧より５ｃｍＨ2Ｏ高いときマニホールドからガスを大気に向けて解放するようになっている（例えば、Livingston Health Care Service社  カタログ商品番号＃９００５）；
からなっている。
麻酔回路（図４Ａ）における操作方法
非再呼吸弁（Laerdal型）（９）の先端は患者に取着される。
この非再呼吸弁の基端は３方向呼吸弁（２１）に取着され、この弁は環状麻酔回路（図４Ｂ）又は新たな回路（図４Ｃ）からの呼吸ガスを指向させることができる。
自己膨脹バッグの非再呼吸弁の呼気マニホールド（１０）は、麻酔回路（３）の呼気リムに取着されている。吸気ガス源の如何に拘わらず、吸気は麻酔回路の呼気リムに向けられる。
患者の肺からの麻酔ガスの除去を最大にするため、患者の吸気が新たな回路（図４Ｃ）から得られるよう、３方向呼吸弁を回す。すなわち、３方向呼吸弁を開く方向に回した後の最初の呼吸からの吸気ガスは麻酔ガスを含まず、麻酔ガス除去のための最大勾配を与える。
増大する呼吸速度は肺からの麻酔ガス除去を向上させる。自然に呼吸する場合、患者はＦＧＦ（２２）を低下させることにより患者の微細換気を増大するよう刺激を受けることができ、これによりＰＣＯ2を上昇させることができる。この方法を用いることにより、ＰＣＯ2が上昇し、呼吸速度に関係なく安定状態に達し、定常的呼吸刺激を生じさせる。この換気の全ては麻酔ガスを除去するのに有効である。
患者が制御された換気を行う場合、自己膨脹バッグ（１１）を用いて過換気させることができる。いずれの場合も、患者のＰＣＯ2はＦＧＦ（２２）により決定される。ＦＧＦが一定である限り、微細換気に関係なく、ＰＣＯ2は一定に保たれる。
この回路の有効性を説明するため、ヒトおよびイヌについて多くのテストを行った。ヒトは自然呼吸させた。イヌは機械的に換気させた。
ヒトの患者
制度倫理委員会の承認およびインフォームドコンセントを得た後、４人の健康な年齢１９−２５歳の患者を回路を介して、鼻クリップをさせながらマウスピースを用いて呼吸させた。通常呼吸の間、各吸気の終りにおいて新鮮ガスを収容するバッグが空になるようにＦＧＦを調節することによりＦＧＦをＶと等しく設定させた。ついで患者を３分間に亘り最大に呼吸するよう指示した（すなわち、できるだけ強く呼吸するよう）。Pitot管（Moltek Enterprises社、カナダ）を用いてガスの流れを記録し、信号を集積しボリウムを得た。ＣＯ2はマウスピースから連続的に採取した（医療ガス分析機ＬＢ−２，Sensormedics Corp.カルホニア州）。アナログ信号を６０サンプル／秒でデジタル化し、データ取得ソフトウエア（WINDAQ/200、DATAQインストルメント社、オハイオ州）を用いて記録した。
イヌでの研究
制度倫理委員会の承認を受けた後、６匹の雑種犬（２０−２５ｋｇ）をメトヘキタルを用いて麻酔にかけ（誘導のため５−７ｍｇ／ｋｇ、続いて１５０−３００ｍｇ／ｋｇ／分）、更に、挿管した。麻酔の深さは眼の動きの反射、自発的動きの欠乏、安定した脈搏および血圧から推定した。血圧のモニターおよびガス分析のための血液の定期的採取のため、大腿動脈にカテーテルを接続させた。これらイヌを通常の機械的ピストンベンチレータ（Harvard Apparatus model 618,ＭＡ）を用いて換気させた。各イヌについて、４００ｍｌの膨脹容積（ＶT）および１０／分（デュ−ティサイクル、０．５）の周波数（ｆ）を用いた。全てのイヌについて、無呼吸閾値の直下まで換気させ（ＶTを５０ｍＬに増大させて）、呼吸の努力をしなくさせた。ＣＯ2は気管支内チューブの基端で連続的に採取した（Ametek Thermox Instruments Division,ＰＡ）。肺タコグラフ（Vertek series 47303A、Hewlett-Packard社）を用いてガスの流れを記録し、信号を集積しボリウムを得た。アナログ信号を１７サンプル／秒でデジタル化し、データ取得ソフトウエア（WINDAQ/200、DATAQインストルメント社、オハイオ州）を用いて記録した。
イヌ間での初期ＰａＣＯ2の差（ＣＯ2に対する個々の感受性、麻酔レベルの相違、ＶT/体重比の差などを反映している）のため、貯蔵ガスにおけるＣＯ2濃度は各イヌについて、そのＦｅｔＣＯ2より１．５プラスマイナス０．５％高い値に適宜調整し、混合静脈ＰＣＯ2（ＰｖＣＯ2）に近付けた（表II参照）。貯蔵ガスにおけるＣＯ2濃度の設定のフレキシビリティを大きくするため、要求弁を逆止めＰＥＥＰ（ポジテブエンド呼気圧）弁で交換し、シリンダーをプリミックスガス収容バッグで交換することにより回路の変更を行った。この回路は機能的にはヒトでの研究で用いたものと同一である。この回路をベンチレータの取入れポートに接続させた。制御条件下で、ＦＧＦを調整し、新鮮ガス貯蔵部が各ベンチレータサイクルの間で丁度空になるようにし、この終点をＦＩＣＯ2がゼロから若干上昇することを確認することにより確認した。定常状態に達した後（５分間の差で取られた連続する２つのＦａＣＯ2における差は１．５ｍｍＨｇより小さい）、ＶTは５分間の間隔で４００から６００から９００から１２００ｍＬに増加した。固定したＶT（約４００ｍＬ）および固定したＦＧＦにおける２回目の実験においては、ｆは５分間の間隔で１０から１４から１８から２２ｍＬに増加した。血液ガスの判定のため血液サンプルを大腿動脈から５分間のインターバルの初期と終期において採取した。
全てのデータは平均値プラスマイナス標準偏差により表した。１方又は２方ＡＮＯＶＡを用いて有意な差についてテストを行い、必要に応じてその後の分析を行った。ｐの値が０．０５未満の場合は有意なものと考えた。
結果：
ヒトの患者
図５は最大換気努力の３分間における患者１のＶTとＰETＣＯ2を示している。全ての患者の結果は表IIIに要約されている。これらのデータは０（過換気の最初）、１．５分、３分における１０回の呼吸の平均値を示している。ＰETＣＯ2はこの過換気の間全体に亘って対照との有意な変化は認められなかった（ｐ＝０．０８、ＡＮＯＶＡ）。Ｖおよび患者間の呼吸パターンについては可なりの違いが認められたが、個々の患者については実験全体に亘って特定の呼吸パターンを保っていた。
図６はｆ又はＶTの変化の間におけるイヌ＃５についての気道ＰＣＯ2とＶTの痕跡を表している。図７および８はｆ又はＶTの変化の間における全てのイヌについての気道ＰａＣＯ2とＰETＣＯ2の変化を表している。ｆの増大は平均ＰａＣＯ2又はＰETＣＯ2に有意な影響を与えていない（それぞれ、ｐ＝０．２８およびｐ＝０．１１、ＡＮＯＶＡ）。ＶTの増加は１２００ｍＬのＶTでのみ対照から平均ＰａＣＯ2を減少させた（ｐ＝０．０１）；対照的に、ＶTの変化は平均ＰETＣＯ2に影響を与えていない（ｐ＝０．２５）。対照と最も高い換気との間のＰａＣＯ2における平均絶対変化はｆについては２．２±１．８ｍｍＨｇ（０．４から４．８）であり、ＶTについては３．４±２．３ｍｍＨｇ（０．４から５．６）であった。
注釈
このシステムは、過呼吸のヒトおよび機械的過呼吸のイヌにおいて、換気の広い範囲（５６−１３１Ｌ／分）に亘って、および呼吸パターンにおいてＰETＣＯ2の減少を少なくした（４−１２Ｌ／分）。過呼吸のイヌにおけるＰａＣＯ2の変化は小さいが、以下のことに原因する。すなわち、ａ）貯蔵ガスＰＣＯ2のイヌのＰｖＣＯ2に対する不整合；ｂ）イヌの実験の長い時間（１５分以上、これに対しヒトは３分間）；ｃ）過換気の程度（下記参照）。更に、換気の異なるレベルにより全身的および肺の血流に変化を生じさせ（換気−灌流整合、生理学的および解剖学的デッドスペース）、これによりＰａＣＯ2およびＰｖＣＯ2に影響を与えたと思われる。これらの可変性の存在にも拘わらず、イヌにおける実験でのＰａＣＯ2の変化の範囲はより複雑な装置を用いて行った実験で報告されているものと類似している（表１参照）。呼吸亢進によりＰＣＯ2の変化を防止しようとする従来のサーボ制御技術は回路よりもむしろＣＯ2生産の変化による影響が少ないが、その技術は他の制限を有している。ＰETＣＯ2の変化がＰａＣＯ2の変化によるものとの推定は必ずしも保証されない（１４）。換気パターンの小さな変化でもＰETＣＯ2をＰａＣＯ2から離脱（ｕｎｃｏｕｐｌｅ）させ、ＰETＣＯ2がＰａＣＯ2の制御のための適当な入力とはなり得ない。例えば、より小さいＶTはＶA（ＰａＣＯ2を増大させる傾向を示す）を減少させるが、更にＰETＣＯ2をも減少させ、サーボコントローラを吸気ＣＯ2の不適当な増大に応答させる。理想的な条件下でも、ＰETＣＯ2の変化について修正を行おうとするサーボ制御システムはこのようなシステムは自然呼吸している患者における差し迫ったＶTの大きさを予測し、適当なＣＯ2負荷を送り出すことはできない。もし、微細な制御を得ようとする試みにおいて、サーボ制御システムにおける利得を高く設定し過ぎると、応答が不安定になり、制御変数（１１）の動揺を生じさせる虞れがある。反対に、サーボ制御システム中の利得を余り低くセットすると、補償が遅れる（９）。信号を減衰し過ぎると、応答が標的に達しないことになる。これらの問題に取り組むとすると、サーボ制御装置は複雑なアルゴリズム（１６）並びに高価な装置を必要とすることになる。
ＣＯ2生産が一定の場合、この回路はＶの変化についての不動（ｐａｓｓｉｖｅ）の補償を与えるという点でサーボ制御システムよりも理論的に有利となる。これによりＶAの変化を少なくすることができ、後の補償の必要性を予め無くすことができる。ＶがＦＧＦよりも小さい時の短時間を含めて、不規則な呼吸の間でもほぼ一定のＶAを維持させることができる。このような状況下において、過剰のＦＧＦが新鮮ガス貯蔵部に貯蔵され、後に換気がＦＧＦを超えたときＶAに寄与することができる。
過換気の間にＣＯ2生産が増大したとき（呼吸が増大したり、運動したりした時に生じる）、この方法は変更を必要とする。つまり、補償のため、ＦＧＦを増大させたり、貯蔵ガスのＰＣＯ2をＰｖＣＯ2より下げることにより付加的ＶAを与えることができる。これは以下の式により表すことができる。
ＶA＝ＦＧＦ＋（Ｖ−ＦＧＦ）（ＰｖＣＯ2−貯蔵ガスＰＣＯ2）／ＰｖＣＯ2
自然呼吸している患者はこのような可変性Ｖを過換気の間に有するが故に、ＦＧＦを変更することによるＣＯ2生産の補償は常に調整が必要となる。我々は従って、貯蔵ガスのＰＣＯ2を減少させることを選択し、貯蔵ガスのＰＣＯ2とＰｖＣＯ2との間の濃度勾配を確立する。すなわち、この勾配が一定の場合、ＶAはＶの関数となる。患者により示された広範囲のＶに亘って、貯蔵ガス中のＣＯ2濃度が５．５％（４６ｍｍＨｇのＰｖＣＯ2に相当する６．５％の代りに）の場合、呼吸の増大から生じるＣＯ2生産の増大に対し補償することができる最良の勾配となることが我々により見出された。
以上、ＶAをＶから分離する簡単な回路を記載した。これはＣＯ2生産が一定の時、通常、過換気に伴って生じるＶAの増大を不変的に少なくすることができる。これはＣＯ2生産の増大に対し補償するために変更することができる。この回路は研究のためのサーボ制御装置に代り得る簡単で安価な代替物となり得るもので、治療に適用することができる。
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以上、本発明の好ましい具体例について述べたが、これらは単に説明のためのものであり、上記実施例は本発明の原理を最も理解され易くするために選択されたものであり、当業者が本発明を利用して種々変更し得ることは明らかであろう。すなわち、これらに限定されることを意図したものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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