人工呼吸◉総Jpn J Respir Care 2019；36：57-66

説◉

ボルメトリック・カプノグラフィ、その歴史、原理、応用、展望

塚越昌一

キーワード：ボルメトリック・カプノグラフィ，生理学的死腔，呼吸死腔，気道死腔，肺胞死腔，シャント死腔

要旨

ボーアの死腔理論（1891）から 120 年以上が経過した。また、今日最も優勢な死腔分析理論であるボルメトリッ
ク・カプノグラフィ（volumetric capnography：V-Cap 分析）の先駆けとなった Fowler の Equal Area Method（1948）からも 70 年が経過した。1981 年、Fletcher のレビュー論文によって歴史的な死腔分析研究が整理されて以降、臨床モニタ実現の機運が高まり、90 年代にはいくつかの製品が市場に出た。それらは今日まで続いているが、30 年近くが経過したにもかかわらず表舞台に登場するまでには至っていない。
本稿の目的は、歴史を振り返り、問題点を明らかにし、その解決策を見出し、臨床データを収集分析し、それらの結果に基づいて V-Cap 分析の新たな可能性を読者に広く知らせることである。それによって、さらなる研究と製品応用が加速されることを期待する。

Ⅰ．は じ め にraphy：V-Cap 分析）である。V-Cap の波形面積は、呼吸生理学の最重要パラメータの 1 つである VCO2 つまり今日臨床の場で日常使用される CO2 モニタは、時間

CO2 一回呼出量を表す。さらに死腔（VD）については、軸に対して呼吸気中の二酸化炭素 CO2 分圧の変化を波波形分析からは気道死腔量が得られ、PaCO2 と合わせ形表示するものであり、以下これをタイム・カプノグ

ると生理学的死腔量と肺胞死腔量が得られる 1）。

ラム（time capnogram：T-Cap）と呼ぶ。T-Cap モニ

これまで V-Cap 分析を用いて、急性呼吸促迫症候群

タリングの役割は、①呼吸の有無、②吸気分圧 PICO2 、（acute respiratory distress syndrome：ARDS）、肺塞③呼気終末二酸化炭素分圧 PETCO2 、④波形の形状、な栓、救急患者、体位、気腹手術、肥満患者管理、片肺換

どの確認である。年々増加する気腹手術、特殊体位、肺気、無気肺、PEEP などの換気設定、リクルートメン

疾患患者、高齢者などの呼吸管理においては、PETCO2

ト効果、人工呼吸離脱などの評価が試みられてきた 2）。

と動脈血二酸化炭素分圧（partial pressure of arterial

しかし、VCO2 と気道死腔量だけでは不足、それ以上はcarbon dioxide：PaCO2）との間に大きな乖離を生じや採血 PaCO2 が必要、生理学的死腔量だけでは原因分析

すく③の信頼性は大きく低下する。

できない、肺胞死腔量はシャントに影響され原因分析

他方、一回換気量（VT）軸に対する CO2 分圧変化の波形表示はボリューム・カプノグラム（volume capnogram：V-Cap）と呼ばれ、この V-Cap による分析法がボルメトリック・カプノグラフィ（volumetric capnog泉工医科工業株式会社 研究開発センター［受付日：2019 年 1 月 11 日 採択日：2019 年 4 月 11 日］が不足、などの理由で普及には至っていない。

Ⅱ．ボーアの死腔概念と Enghoff による修正
死腔理論の始祖であるボーアの死腔率 VD bohr/VT＝（PACO2－PECO2）/PACO2 、このもとになっているコ
ンセプトは「一呼気量中の CO2 量は、肺胞換気量中のMay 30, 201957

Tsukakoshi S

CN2 alv

A

×PACO2 である 。ボーア死腔式は、実測可能な概念
3）（VT・PECO2）で実測困難な概念（VD bohr・PACO2）VN 2を定義するものであり、さらに何らかの「助け」が必要なため、今日まで臨床応用が困難な理論式にとどま
ってきた。

B

1938 年、PACO2 の代わりに PaCO2 を用いる提案がさCN2 insp

VDれた 4）。
（PaCO2－PECO2）/PaCO2 で表される死腔率が生VA

理学的死腔率 VD phys/VT であり、Enghoff によるボーVE

ア式の修正と呼ばれる。A を a で代用するということは、a－A 差の要素が追加されたことを意味する。a－A 差つまり動脈血と肺胞気の CO2 分圧差は主に、静脈血が動脈血に混入する肺内外のシャント血流に起因する。この意味で Enghoff の肺胞死腔 VD alv
（eng）
は、シャ
ントの死腔効果 VD shunt（シャントによる二酸化炭素
分圧〈partial pressure of carbon dioxide：PCO2〉増加

N2 Concentration

CO2 量に等しい」つまり VT×PECO2＝（VT－VD bohr）

VolumeFig. 1‌ eometric representation of Bohr’s dead space
G
by Fowler 6）（modified for alignment）

Bold line is N2 concentration curve of expiration after pure O2
inspiration. Dead space volume（VD）is defined by the line ofequal area（A＝B）.
VE：expired tidal volume, VA：alveolar tidal volume, VN2：expired tidal volume of N2 .

を死腔量に換算）を含む概念であり、本来の肺胞死腔
としては過大評価である 5）。VD shunt は以下の式で定に加え、人工呼吸関連機器（気管チューブ・フィルタ義できる。

類・センサ・コネクタなど）の器械的死腔（mechanicalV D shunt＝VD phys－VD bohr＝VT×［（PaCO2－PECO2）/

dead space：VD mech）を含み、さらに人工呼吸器のPaCO2－（PACO2－PECO2）/PACO2］換気モード設定（フロー・圧・時間）によっても影響＝VT×PECO2×（1/PACO2－1/PaCO2）されるのが VD aw である。たとえば、吸気プラトー時

Ⅲ．幾何学的死腔分析の歴史間が延長されると、その間に肺胞気中の CO2 はより低分圧の気道側へ拡散し VD aw は減少する。

1946 年、Fowler は純酸素吸入後の呼気中の窒素 N21950 年代に入ると多くの研究が続いた 7）。その後そ濃度を測定し、N2 濃度軸と呼気量軸の平面にプロット

れらは 1981 年 Fletcher のレビューにより整理され、した。呼出開始直後の平坦部と呼出後半の肺胞気濃度

今日の V-Cap 分析の出発点となった 8）。彼の貢献は、の平坦部をつなぐ傾斜に等面積法（Equal Area Meth-

Fowler の気道死腔に加えて PaCO2 の線を追加することod）を適用し、死腔換気 VD と肺胞換気 VA に分ける

で、Enghoff 修正式を幾何学的な面積関係で表現したこ

案を示し、これこそボーア死腔概念の幾何学的表現でとである。つまり【生理学的死腔 VD phys＝気道死腔あるとした 。

VD aw＋肺胞死腔 VD alv（eng）】の関係が面積として図6）N2 濃度波形と換気量軸に囲まれた面積は、N2 一回呼示された（Fig. 2）。

出量 VN2 である。この VN2 は一回の呼吸の「成果」であ21世紀に入り最もV-Cap 分析に貢献した 1 人が Tang

り、その成果を何処の「功績」に帰すかというのが死である。理論と臨床の両面で V-Cap 研究を進めた彼は、腔分析の基本コンセプトである。全く功績がなかった

Fletcher の分析図に 1 本の線を加えることで矛盾なくとされる VD、一様に一定の功績を上げたとされる VA、

生理学的死腔 VD phys を分離し、【VD phys＝VD aw＋

これはその後の V-Cap 死腔分析においても継承される

VD alv（eng）】を呼気量 X 軸上で表す方法を示した 9）。

ので認識しておく必要がある（Fig. 1）。

気道死腔を分ける Fowler の Equal Area Method に対

この Fowler の VD は、ガスの移動だけでガス交換機能のない空間という意味で、今日では気道死腔（airway
dead space：VD aw）とされる。人工呼吸が普及した今日、解剖学的死腔（anatomical dead space：VD anat）

58

May 30, 2019

し、生理学的死腔を分けるのが Tang の New Equal
Area Method である（Fig. 2）。

人工呼吸

FCO2

Jpn J Respir Care Vol.36 No.1

FCO2

FaCO2

FaCO2

（eng）
VD alv
A
VD aw

VCO2

VCO2

B

Volume

VD aw

VA

Volume
VD aw（eng）
VD alv

VD phys

VE

VE

Fig. 2 G‌ eometric representation of Enghoff’s physiological dead space by Fletcher（left）and Tang（right）.8, 9）（modified for alignment）   Left：‌Two lines by Fowler and of FaCO2 represent physiological dead space and its subdivisions, airway
dead space（gray）and alveolar dead space（shaded）.
Right：‌VD phys is defined on the X-axis by new equal area method, a smart arrangement of Fletcher’s.
Enghoff ’s alveolar dead space（VD alv（eng））is the difference between VD phys and VD aw.

Ⅳ．幾何学的死腔分析が忘れてきた‌大事なポイント
一回の呼気量には、気道ガス、肺胞ガス、その両者を

FCO2
FaCO2
FACO2

D
A

FECO2

G

つなぐ移行ガスが含まれ、それらを均等に混合したガ

VCO2

B

スの分圧が混合呼気分圧 PECO2 であり、メインストリ

Cーム CO2 センサとフローセンサのデータから PECO2∝

VolumeFECO2＝VCO2/VE で計算される。つまり、VCO2/VE は

VD aw

呼気量 1mL が何 mL の CO2 を体外へ排泄させたかということであり、一回換気量 VT の CO2 排泄効率を表し

VD resp

VD alv
VD shuntている。FCO2 は呼吸ガスから水蒸気を除いた総圧に占VAめる PCO2 の割合（Fraction）、つまり FCO2＝PCO2 /VD phys（1atm－PH2O）であり、一気圧 760mmHg・体温 37℃・
飽和水蒸気圧（BTPS 環境）では、FCO2＝PCO2/（760－47）である。以下断りない限り FCO2＝PCO2/713 で論を進める。
ボ ー ア 式 VT×PECO2＝（VT－VD bohr）
×PACO2 とEnghoff 修 正 式 VT×PECO2＝（VT－VD phys）
×PaCO2の PECO2 に注目する。奇妙なことに Fowler（1948）、Fletcher（1981）、Tang（2006）、その間、そしてそれ以降最近に至るまで、70 年に亘る幾何学的死腔分析研
究のいずれにも明記されず利用されずにきたのが PECO2（＝713×FECO2）である。

VE

Fig. 3‌New V-Cap analysis based on the line of mixed
expired FCO2（FECO2）① ‌The dividing line of shaded equal area（A＝B）represents
FECO2.
② Respiratory dead space（VD resp）is defined by point G.
③ ‌Alveolar FCO2（FACO2）is defined by gray equal area（C＝D）.
From the above, Enghoff’s alveolar dead space（VD alv（eng））
is divided into pure alveolar dead space（VD alv）and the deadspace effect of shunting（VD shunt）. See text for more explanation.

そこで、著者らが Tang の V-Cap 分析に FECO2 を書

その両者が等面積 A＝B になるのが混合呼気 FECO2 のき加えたのが Fig. 3 である。①丘 Aを削って谷 Bを埋め、線である。次に、②呼出開始からこの FECO2 に達するまMay 30, 201959

Tsukakoshi S

Table 1

Arrangement of dead space concepts based on new V-Cap analysis
Dead Space Volume

Bohr（Fowler）
Bohr-Enghoff（Fowler/Fletcher/Tang）＊ Bohr’s dead space（VD bohr）－

Physiological dead space（VD phys）
Airway dead space（VD aw）

Enghoff’s Alveolar dead space（VD alv（eng））
Physiological dead space（VD phys）

New V-Cap Analysis（Tsukakoshi）
V/Q
Concept

Respiratory dead space（VD resp）

Shunt dead space（VD shunt）

Airway dead space（VD aw）

Alveolar dead space（VD alv）

V/Q＝∞

V/Q≠1

V/Q＝0

Conversion of VCO2 reduction by
V/Q unequal alveoli to deadspace volume

Conversion of PaCO2 increase byshunt blood flow to dead spacevolume・anatomical・mechanical・‌influenced by ventilatory
modes

＊ For
‌
VD bohr it can be equivalent to VD aw, but since the concept of VD alv was undifferentiated at the time of 19th century, it is not
irrational today to think that VD alv is included in VD bohr.

でを呼吸死腔量（respiratory dead space：VD resp）とVCO2 であることを表している。長方形の右肩（黒点）

し残りを VA とする。③この VD resp 側に残る面積 C とが、Volume＝VCO2/FCO2 の反比例線上で階段状の変等しい面積 D となる線を引き、これを FACO2 とする。

化として表現されるこの分析表現法は Equal Area Step

二組の等面積 A＝BとC＝Dにより、新たにVD resp、VA、

Technology/EAST（泉工医科工業、日本）と命名されFACO2 と式 VE×FECO2＝VA×FACO2＝VCO2 が定義ている。X/Y を入れ替えたことによって、各死腔量とされる。V-Cap 波形上でこの式が成り立つ点は FECO2

肺胞換気量は V-Cap 波形の横に毎呼吸連続した積上げとの交点 G 以外になく、このように V-Cap 波形を「助棒グラフとして表現され、グラフィカルな臨床モニタけ」として、ボーア式は完全に一致した幾何学的表現に相応しい。なお、ボーア式の変形式（VE－VD resp）/

を獲得できる。実際にテスト肺に CO2 を流入させ、こFECO2＝VE/FACO2 と Enghoff 修正式の変形式（VE－の分析法で死腔分析を実施した結果、VD resp と追加死

VD phys）/FECO2＝VE/FaCO2 は、Fig. 4 の 2 つの三角

。Table 1形に含まれる大小 2 つの相似三角形のタンジェントが腔量との間に高い一致が確認されている10）に以上の歴史的死腔理論と新分析法との関係を示す。
新分析法の呼吸生理学的・臨床応用的妥当性については今後さらに検討が必要と思われるが、混合呼気濃等しいことを表している。

Ⅵ．肺胞気分圧 PACO2 の算出

度（平均濃度）FECO2 に達するまでを死腔換気量とし肺胞気分圧 PACO2 が決められないことが、120 年て切り捨て、その切り捨て分面積 C で FECO2 以上の間ボーア式が理論式に止まった理由である。新分析法

不足分面積 D を埋めて肺胞換気量とするコンセプトは、は、CO2 一回呼出量 VCO2 という「成果」を、呼吸死腔

1 から 9 の平均値 5 を境にして 4 以下を切り捨て、そのVD resp を除いた VA の「功績」とするものである。一切り捨て分（4＋3＋2＋1）で 6 以上の 10 に対する不足

呼吸が終了し VCO2 という成果が確定して初めて定義さ分（4＋3＋2＋1）を埋める四捨五入と同じである。たれるこの PACO2 は、呼気終末肺胞気分圧と考えられ、だし四捨五入は平均値 5 を必ず切り上げるのでやや過呼気終末（口元気）分圧 PETCO2 と同等か少し大きな値

大評価になる。

を示す。なぜなら呼気が肺胞を出発する時点で、肺毛Ⅴ．グラフィカルな臨床モニタのために細管血液と肺胞気の分圧差が平衡に達していれば両者は一致し、平衡に達していなければ呼気が気道を通過

Fig. 3 を 90 度右へ回転させ X 軸を FCO2 、Y 軸をして口元に達する間にも、血液から肺胞へ CO2 拡散がVolume としたのが Fig. 4 である。ボーア式と Enghoff

進み PACO2＞PETCO2 となるからである。Fig. 5 に示す

修正式は、形の異なる 3 つの長方形の面積がいずれも通り、新 V-Cap 分析によって幾何学的に求められた

60

May 30, 2019

人工呼吸

Jpn J Respir Care Vol.36 No.1

Inverse Proportional Line
Volume＝VCO2/FCO2

Volume

PⅠ

VD aw

C

PⅡ

VD resp

VD physB

Fowler LineGʼ

New Line
Tang Line

Va

VA

VCO2

D

A
FACO2

FaCO2

FECO2
0

PhaseⅢVD shunt

VE

VD alvG

FCO2
FETCO2

FAminCO2

FAmidCO2

Fig. 4

New V-Cap Analysis Method －Equal Area Step Technology（EAST）－

By exchanging X/Y axes of conventional V-Cap to X（FCO2）/Y（Volume）,total geometric representation of Bohr’s equation and Enghoff ’s modification is made clearer.
Three black dots on the inverse proportional line represents the following equation.
【VE×FECO2＝VA×FACO2＝Va×FaCO2＝VCO2】See text for more explanation.
‘EAST’ and ‘Equal Area Step Technology’ is the trademark of SENKO Medical Device Instrument
Mfg. Co., Ltd. Tokyo Japan.

between pneumoperitoneum（n＝38）

during pneumoperitoneum（n＝67）

50.0
y＝1.0065x
R2＝0.9426

40.0

PACO2 mmHg

PACO2 mmHg

50.0

30.0
20.0
10.0
0.0

0

10

20

30

40

50

PETCO2 mmHg

y＝0.9945xR2＝0.9232

40.0
30.0
20.0
10.0
0.0

0

10

20

30

40

50

PETCO2 mmHg

Fig. 5 Correlation between Novel end-tidal Alveolar partial pressure（PACO2）and Conventional end-tidal Mouth partial pressure（PETCO2）during and between pneumoperitoneum 14）

PACO2 は PETCO2 と一致している。これは新分析法がなら、その時の VD が何を表すかを同時に示す必要があ

理論的に正しいことの 1 つの証明である。

る。PAmidCO2 に対応する死腔量は気道死腔 VD aw に

PACO2 をめぐる近年の議論では、Tusman らの V-相当する。
（VE－VD aw）を肺胞換気量としたときの肺Cap 波形第三相の中点 PAmidCO2 をもって肺胞気分圧

胞気分圧が PAmidCO2 ということになる（Fig. 4）。つPACO2 とする声が強いようである 11）。確かに第三相はまり V/Q 不均等を原因とする VD alv の要素も含めた

肺胞気を代表するので、その中点あるいは平均を肺胞

肺胞気分圧と理解できる。これも 1 つの考えであり臨気分圧とするのは自然のように思われる。しかしボー床的に有用性があるかもしれない。

ア式から明らかなように、肺胞気分圧と死腔量は同時に定義されなければならない。ある点を PACO2 とする

May 30, 201961

Tsukakoshi S

Ⅶ．新しい幾何学的死腔分析法 EAST による臨床研究  

ずれにせよ術中無気肺が V-Cap 分析によって比較的簡易に評価できるとすれば、術後合併症との関係がより明確になる可能性がある。

Tusman らは、病的肥満患者気腹手術中のリクルー

Ⅷ．V-Cap 分析の展望

トメント手技評価に、従来の V-Cap 分析を用いて有効と報告している 12）。気腹と頭低位の影響が加算される
ロボット支援前立腺全摘術（robot-assisted laparoscopic

V-Cap 分析には死腔分析以外にもいくつかの可能性がある 16）。

radical prostatectomy：RLRP）の麻酔呼吸管理では、換気血流の不均等を生じやすく無気肺増加の危険性が

1．機能的残気量（FRC）モニタリング高い。平林らは RLRP の麻酔呼吸管理において、循環機能的残気量（functional residual capacity：FRC）

動態（平均血圧 BPmean・心係数 CI・一回拍出量変化

またはとくに人工呼吸の場合は呼気終末肺容量（end-

SVV）の安定を前提にして、3 つの換気モード、ボリュ

expiratory lung volume：EELV）のモニタリングは、ームコントロール換気（volume controlled ventilation：

無気肺を生じやすい手術麻酔や集中治療の呼吸管理に

VCV、吸気呼気時間比 I/E＝1/2）、プレッシャーコン

おいて注目されている。肺リクルートメント効果のモ

トロール換気（pressure controlled ventilation：PCV、ニタリングにも最適の指標と考えられる。

I/E＝1/2）、逆 I/E 比プレッシャーコントロール換気

肺胞気 CO2 分圧が呼吸性に変動していることは古く（pressure controlled inverse ratio ventilation：PC-

から知られている 17）。またシミュレーション研究も行わ

IRV、I/E＝2/1・1.5/1・1/1 から呼気フロー波形参考にれている 18）。これらによると、肺胞気分圧はおおよそ吸選択）それぞれの死腔率に対する影響を分析した。そ気終末に最低値 PAminCO2 に達し、呼気終末から吸気初の結果、生理学的死腔量 VD phys は、VCV＞PCV＞PC-

期（気道死腔ガスの再呼吸期）に最高値 PAmaxCO2 に達IRV の順で有意に低下し、気道死腔量 VD aw は VCVする。混合静脈血分圧 PvCO2 と肺胞気分圧 PACO2 とのに対し PCV と PC-IRV で有意に低下し、肺胞死腔量

分圧差が駆動圧となって肺毛細血管血液から肺胞へ CO2

VD alv に有意差なく、シャント死腔量 VD shunt は PC-が拡散する。吸気終末の分圧差 PvCO2－PAminCO2 とIRV において著しい低下が確認された。平林らは、逆呼気終末の分圧差 PvCO2－PAmaxCO2 とから、両者のI/E 比の吸気時間延長による肺胞リクルートメント効差（PvCO2－PAminCO2 ）－（PvCO2－PAmaxCO2 ）＝果と呼気時間短縮による肺胞虚脱防止効果とによってPAmaxCO2－PAminCO2＝ΔPACO2 が CO2 拡散の実効

VD shunt が減少したと考えている的な駆動圧と考えられる。最高値としては新分析法に。

10）

気腹手術中の PaCO2 と PETCO2 の分圧差 a－ET 差が、より呼気終末肺胞気分圧と考えられる PACO2 が、最低CT 画像から得られた無気肺率と高い相関（y＝54x＋

値としては二相と三相の分岐点の肺胞気分圧 PAminCO2

0.5、R ＝0.92）にあるという報告が、1980 年代から術がそれぞれ相応しいと考える（Fig. 4）。

中肺の CT 画像分析で知られる Hedenstiernal グルー
麻酔科学会第 65 回学術集会（横浜）での報告によると、「FRC 空間において分圧差ΔPACO2 が駆動圧となっ
・て VCO2 が拡散される」というコンセプトで、拡散に関・する Fick の原理【拡散流量 VCO［mL/
分］
＝肺拡散能
2

気腹手術 10 例について採血による PaCO2 分析を含む新

DLCO［mL/（分・mmHg）］
×分圧差ΔPCO［mmHg］】を
2
2

V-Cap 分析を実施し、a－ET 差と VD shunt/VE 率との適用すると、【一回拡散量 VCO［mL］＝肺拡散能 DLCO22相関を検討した結果、同様の傾向（y＝51x＋0.5、R2＝［mL/（ 分・mmHg）］/ 換気回数 RR［1/ 分］×分圧差0.93）が確認されている 14）。

ΔPACO［mmHg］】となり、VCO［mL］＝（DLCO2/RR）
2
2

2

プの Strang らから出ている。吉田らの 2018 年日本

13）

麻酔中の無気肺に関する Magnusson らのレビューに［mL/mmHg］×ΔPACO2［mmHg］＝（DLCO2/RR）
×

よると、術中無気肺の多くは術後 24 時間以内に消失

713×ΔFACO2［mL］であり、VCO2/ΔFACO2＝713×

し、また術後合併症との関連を示す直接的な証拠はな（DLCO2/RR）［mL］となる。ここで、肺拡散能 DLCO2

いとするものの、肥満患者や特定の手術では術中無気＝拡散係数 DCO2×肺胞膜面積 A / 肺胞膜厚 T なので、肺の防止が術後合併症の減少に役立つとされる

VCO2/ΔFACO2＝713×（DCO2/RR）×（A/T）である。

62

May 30, 2019

。い

15）

人工呼吸

69y.o./M/157cm/56kg
mL
2,500

42y.o./M/170cm/76kg

pneumoperitoneum ON（1）・OFF（0）
1

mL
5,000

2,000

4,000

1,500

3,000

1,000

2,000

500

1,000
0

62y.o./M/178cm/82kg

1

0：00：00
1：04：52
1：32：57
1：59：32
2：22：47
2：46：47
3：09：47
3：33：17
3：56：32
4：18：02
4：41：42
5：04：22
5：30：42
6：01：47
6：28：43
7：29：08
7：52：23
8：26：18

0

mL
4,000
3,500
3,000
2,500
2,000
1,500
1,000
500
0

pneumoperitoneum ON（1）・OFF（0）1

0

0：00：00
0：25：42
0：48：54
1：12：30
1：35：42
1：57：18
2：17：33
2：37：23
3：00：23
3：24：23
3：48：114：12：11
4：35：29
4：59：05
5：23：29
5：47：53
6：18：35
6：43：05

pneumoperitoneum ON（1）・OFF（0）Fig. 61

057y.o./M/170cm/79kg
mL
3,500
3,000
2,500
2,000
1,500
1,000
500
0

pneumoperitoneum ON（1）・OFF（0）

0：00：00
0：16：30
0：32：30
0：48：42
1：04：36
1：20：24
1：36：24
1：52：18
2：08：242：24：36
2：40：54
2：56：48
3：12：48
3：28：42
3：46：06
4：02：12
4：18：54
4：34：54

0

0：00：00
0：10：36
0：21：48
0：32：42
0：42：27
0：51：02
0：59：42
1：08：27
1：16：57
1：25：37
1：34：12
1：42：42
1：51：222：00：02
2：16：59
2：24：38
2：37：18
3：03：490

Jpn J Respir Care Vol.36 No.1

Trends of VCO2/ΔFACO2 in pneumoperitoneum surgery. Are these FRC monitoring ? 14）

Moving average of 10 sections（2-3min）is shown. VCO2/ΔFACO2 is decreasing/increasing in conjunction with on/off of pneumoperitoneum. The variation of the original data is probably due to the insufficient sampling rate（20/sec）of masimo-Phasein CO2 sensor（USA）.

およそ球体とされる肺胞容積 V は A/T に比例し、そのが期待される。

V が集まった FRC も A/T に比例する。713×（DCO2/

Fig. 7 は気腹手術 10 例の気腹中採血 n＝67 について、RR）は定数なので、VCO2/ΔFACO2 も A/T に比例す

採血 PaCO2 と PETCO2 、および PaCO2 と Pa-prdCO2（新る。よって VCO2/ΔFACO2 は FRC に比例すると考え

V-Cap 分析の一計算式による幾何学的推定）との相関られる。

を比較したものである。単回帰分析の結果、R2 に大差

気腹手術中の V-Cap 分析データによる計算結果をなく、PCO2 値については前者の a－ET 差に比べて後Fig. 6 に示す。VCO2/ΔFACO2 が気腹 ON によって減者での差は小さい。将来 PaCO2 の非採血連続推定が一少し、気腹 OFF によって増加する様子が確認される。

定の信頼性で実現すると、【VD phys＝VD aw＋VD alv＋
VD shunt】の無侵襲毎呼吸モニタリングが実現する。

2．動脈血分圧 PaCO2 の非採血推定
a－ET 差は通常でも数 mmHg、気腹手術などでは 10

3．V-Cap 分析によるシャント率推定の可能性
・ ・
通常シャント率（Qs/Qt）は血中の酸素含量から計mmHg を超えることも少なくない。V-Cap 分析では算されるが、肺動脈カテーテルを必要とし臨床モニタ

P ET CO 2 以 外 に PECO 2・PAminCO 2・PAmidCO 2・としては非現実的である。他方 CO2 の質量収支（mass

PAmaxCO2 などの複数の肺胞気関連分圧が得られ、これらの間に、あるいは PaCO2 とこれらの間に何らかのbalance）からシャント率を考えることもできる 5, 19）。
・ ・
それによれば、Qs/Qt＝（PaCO2－PACO2）/（PvCO2－

相関が存在し、PaCO2 を採血せずに推定できる可能性

PACO2）であり、混合静脈血分圧 PvCO2 以外は、採血

今日 PaCO2 の非採血推定法は PETCO2 以外にないが、May 30, 201963

Tsukakoshi S

during pneumoperitoneum（n＝67）

50.0

50.0

y＝1.1452x40.0
R2＝0.4924

40.0

PaCO2 mmHg

PaCO2 mmHg

during pneumoperitoneum（n＝67）

30.0
20.0
10.0
0.0

0

10

20

30

40

y＝0.9734xR2＝0.5125

30.0
20.0
10.0
0.0

50

0

10

30

40

50

Pa-prdCO2 mmHg

PETCO2 mmHg

Fig. 720‌Correlation between PaCO2 and PETCO2 or Pa-prdCO2 during pneumoperitoneum.
－Is it possible to predict arterial PaCO2 without blood sampling ？－ 14）   Left：between PaCO2 and PETCO2
Right：between PaCO2 and Pa-prdCO2（predicted PaCO2 by novel V-Cap analysis）

Volumetric-Capnography and -Oxygraphy＊IPL：Inverse Proportional Line
O2
550
500
450

O2 IPL＊CO2 IPL＊

Alveolar Gas Equation
PAO2=PIO2−PACO2/R

Alveolar Gas Equation
FAO2=FIO2−FACO2/R=357−27.8×21.2/13.4＝313mmHg=0.5−0.039×21.2/13.4＝0.438=PIO2−PACO2×VO2/VCO2

400
Volume mL

CO2=FIO2−FACO2×VO2/VCO2

350
300
250

FACO2＝0.039
PACO2＝27.8mmHg

200
150
100

VCO2

50
0

0

5

FECO2＝0.030
PECO2＝21.4mmHg

Fig. 8

10

15

VI-VE＝40mL

R=VCO2/VO2＝13.4/21.2＝0.632

FAO2＝0.439
PAO2＝313mmHg

FIO2＝0.500
PIO2＝357mmHg

VO 2
20

25
30
×0.01 FCO2

35

40

45

50

FEO2＝0.451
PEO2＝322mmHg‌Example of O2-CO2 Symmetrical Analysis with Volumetric Oxygraphy（V-Oxy）－Fully geometric representation of O2-CO2 gas exchange－ 14）

R：Respiratory Quotient
VI-VE：tidal volume difference between inspiration and expiration

・と新 V-Cap 分析から得られる。さらに Q×（CvCO2－

ラフィ（volumetric oxygraphy：V-Oxy 分析）も可能

CaCO2）＝VCO2 であり、血中 CO2 含量 CCO2 と PCO2 とである。Fig. 8 は、かつて発売されていたが今日入手の関係は二酸化炭素解離曲線から得られるので、PvCO2

不可能な PHASEIN 社製 IRMA センサ（スウェーデンを推定できる可能性がある（臨床データによる検討は〈現在 masimo、USA〉）による臨床データをもとに作

未着手）。

画されたものである。酸素の測定原理は伝統的なガル
バニックセルだが、内部容量の極小化と薄膜化などに

4．ボルメトリック・オキシグラフィ（V-Oxy 分析）のより毎呼吸モニタリング可能な反応速度を実現してい可能性る。左の V-Cap 波形と左右対称に V-Oxy 波形が描か

臨床使用可能な高速メインストリーム酸素センサがれ、両者によって肺胞気式と呼吸商などの関係が幾何あれば、V-Cap 分析同様にボルメトリック・オキシグ

学的に示されている。メインストリーム酸素センサの64

May 30, 2019

人工呼吸

性能向上と再登場を強く期待したい。

Ⅸ．最

後

に

古くて新しい V-Cap 分析について、幾何学的分析、
換言すればグラフィカル・モニタの切り口で、その歴史、原理、応用、今後の展望などを紹介した。今日、呼吸生理学は確立して久しい学問領域のように考えら・ ・ ・ ・
れているが、たとえば VD/VT、VA/Q、Qs/Qt のどれも現実的な臨床モニタとしていまだに達成されていな
い。スマートフォンの例を挙げるまでもなく、今日セ

Jpn J Respir Care Vol.36 No.1

oxygen, carbon dioxide, nitrogen or helium. J Clin Invest.
1954；33：41-8.
8） Fletcher R, Jonson B, Cumming G, et al：The concept ofdeadspace with special reference to the single breath test
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9） Tang Y, Turner MJ, Baker AB：A new equal area method to calculate and represent physiologic, anatomical, andalveolar dead spaces. Anaesthesiology. 2006；104：696-700.
10） Hirabayashi G, Ogihara Y, Tsukakoshi S, et al：Effect ofpressure-controlled inverse ratio ventilation on dead space
during robot-assisted laparoscopic radical prostatectomy：
A randomised crossover study of three different ventilator modes. Eur J Anaesthesiol. 2018；35：307-14.

ンサ技術とコンピュータの能力は著しく進歩しており、

11） Tusman G, Sipmann FS, Bohm SH：Rationale of dead space

そのような視点からも呼吸生理学理論の再発掘を試み

measurement by volumetric capnography. Anesth Analg.

る価値があると考える。
謝辞：NTT 東日本関東病院の小松孝美先生、未承認機器臨床研究にご尽力いただいている関係施設と先生方、同僚および社内外の関係の皆様に感謝いたします。
本稿の要旨は、第 40 回日本呼吸療法医学会学術集会（2018 年、東京）において発表した。
COI に関し、著者は泉工医科工業株式会社の社員である。
参考文献
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Comput. 2017；31：19-41.
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4） Enghoff H：Volumen inefficax. Bemerkungen zur Fragedes schädlichen Raumes. Upsala Lak -Foren Forh. 1938；
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13） Strang CM, Hachenberg T, Fredén F, et al：Developmentof atelectasis and arterial to end-tidal PCO2-difference in a
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14） 吉田長英，塚越昌一：a-ET PCO2 差と無気肺との相関に及ぼす気腹の影響―ボルメトリック・カプノグラフィと CT 画
像分析との比較．日本麻酔科学会第 65 回学術集会抄録集．
横浜，2018．
（Fig. 5 ～ 8 のオリジナルデータは済生会前橋病院麻酔科吉田長英 MD による）
15） Magnusson L, Spahn DR：New concepts of atelectasis during general anesthesia. Br J Anaesth. 2003；91：61-72.
16） Respironics White Paper. Volumetric Capnography – The
Next Advance in CO2 Monitoring.
http://www.oem.respironics.com/wp/Volumetric%20
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17） Dubois AB, Britt AG, Fenn WO：Alveolar CO2 during the
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18） 若松秀俊，檮木智彦：安静呼吸時における CO2 拡散流量変動と肺毛細管 CO2 分圧分布の検討―換気を考慮した CO2
ガス交換動態モデルの構築と解析．日本臨床生理学会誌．
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19） Kuwabara S, Duncalf D：Effect of anatomic shunt on physiologic deadspace-to-tidal volume ratio - a new equation. Anesthesiology. 1969；31：575-7.

May 30, 201965

Tsukakoshi S

Volumetric Capnography and its history, principle, application and perspective
Shoichi TSUKAKOSHISENKO MEDICAL INSTRUMENTS Mfg. Co., Ltd.
Corresponding author：Shoichi TSUKAKOSHISENKO MEDICAL INSTRUMENTS Mfg. Co., Ltd.
2-10-1 Hamakawado, Kasukabe, Saitama, 344-0054, Japan
Key words：‌Volumetric Capnography, Physiological dead space, Respiratory dead space, Airway dead space,
Alveolar dead space, Shunt dead space
Abstract
More than 120 years have passed since Bohr’s dead space theory（1891）. Also 70 years passed from Fowler’s
Equal Area Method（1948）, which pioneered Volumetric Capnography, the most dominant dead space analysis
theory today. Since the review paper of Fletcher in 1981 organized the historical dead space analysis research,the moment of realization of the clinical monitor increased, and several products came on the market in the 1990s.
Though they are continuing until today, they have not arrived on the front stage even though nearly 30 years
have passed.
The purpose of this work is to review the history, to clarify problems, to find solutions, to collect and analyze
clinical data, and to inform readers of the new possibility of Volumetric Capnography based on those results. We
hope that further research and product application will be accelerated.
Received January 11, 2019
Accepted April 11, 201966

May 30, 2019