人工呼吸◉原

Jpn J Respir Care 2015；32：206-11

著◉

ガス組成がフローアナライザ PF-300 の換気量測定に与える影響大竹純平 1）・宮地哲也 1）・磨田裕 2）

キーワード：換気量測定，差圧式流量計，ハーゲン・ポアズイユの法則，層流，ガス粘度

要

旨フローアナライザ PF-300 には差圧式流量計が使用されており、生じる差圧はガスの粘度や密度の影響を受ける。
我々はガス組成が PF-300 の換気量測定およびガス補正機能に与える影響について調べた。測定方法は、酸素、酸素圧縮空気混合気、酸素亜酸化窒素混合気、酸素ヘリウム混合気を作成し、スーパーシリンジを用いて 300mL、500mL、800mL の一回換気量を生成した。それぞれ 10 呼吸の平均を算出した結果、酸素圧縮空気群では誤差は1％以下となった。ガスタイプを Air/O2 Auto とした場合、酸素亜酸化窒素混合気では 10 ～ 11％程低く、酸素ヘリウム混合気では 9 ～ 11％高く測定された。いずれも適切なガスタイプを選択した場合の誤差は 4％以下であった。
換気量測定においてガス補正機能が使用できない場合、使用するガスによって大きな誤差を生じる可能性を把握しておく必要がある。

Ⅰ．緒言

麻酔器・人工呼吸器の保守点検は臨床工学技士の主要業務の一つである。これらの点検には気道内圧、流量、換気量などの測定が必要である。フローアナライ

通過する流量だけでなく、ガスの粘度（粘性係数）、密度の影響を受ける 5）。そのため測定に用いるガスの組成によって流量や換気量の測定値が異なると考えられる。
PF-300 ではガスの種類、組成を選択してこれを本（imtmedical、Buchs、スイス、以下 PF-体に入力認識させることで、適正な測定値を得られる

300）は、このような保守管理での換気量測定などにように補正する機構を備えている。そこで我々は各種広く用いられ 、また、麻酔器、人工呼吸器を用いたの混合気体を用いて既知換気量測定の精度検討と、こ各種の研究のガス補正機構を使用した場合と補正機構を使用しな

ザ PF-300

TM1）2, 3）にも用いられている。しかし、この装置の測定精度などについての報告はない。
PF-300 の流量・換気量測定には差圧式のフローセンサが用いられている。このフローセンサはメッシュい場合の測定値への影響などについて検討した。

Ⅱ．方法状金属製のスクリーンを抵抗体としたリリー型流量

実験系の概要を Fig. 1 に示す。各組成のガスを調製

計 4） である。差圧型フローセンサは抵抗体の前後にするため、麻酔器（アバンスケアステーション、GE発生する圧力差と気体の流量が比例するという原理にヘルスケア、Madison、アメリカ）を用いた。麻酔器基づいている。抵抗体によって発生する差圧はそこをにはシリコン製の呼吸回路、スパイラルホース 60cm

1）帝京大学医学部附属溝口病院 ME 部
2）埼玉医科大学国際医療センター 麻酔科・集中治療科［受付日：2015 年 4 月 22 日 採択日：2015 年 9 月 14 日］

206

November 30, 2015

（Drägerwerk AG & Co、Lübeck、ドイツ）と Y 管を組み合わせ、3L 麻酔用バッグ（シリコン麻酔用バッグ、アコマ医科工業、東京）を接続した。麻酔器は

人工呼吸

APL Valve

Jpn J Respir Care Vol.32 No.2

Anesthesia machine(AvanceCarestation)

OPENHeM1019AG5

PF-300(Gas monitor)
Super syringe※APL：adjustable pressure limiting

Front
Fig. 1

Rear

Circuit diagram for experimental study（See the details in the text）

各種ガスの調製・混合および供給装置として用い、人酸素流量計でヘリウム 2.0L/分・酸素 2.0L/分の合計 4L/

工呼吸器は使用しなかった。研究に使用したガスは、分でそれぞれ酸素濃度 50％になるように調節した。

中央配管の酸素、圧縮空気、亜酸化窒素をもとに、麻スーパーシリンジのピストンを往復させながらガスを酔器の流量計、酸素濃度調節装置を用いて混合気を作回路内に充填、および撹拌した。麻酔器の adjustable成した。ヘリウムについては、超高純度ヘリウムボン

pressure limiting（APL）バルブは開放し、余剰ガスベ（Iwatani、KK-He-7000-69-U、99.99998％）に面積は APL バルブから排出されるようにした。回路内の式流量計（RK-1350V、KOFLOC、京都）を接続して、ガス濃度が一定になって安定するのを待って、吸気時麻酔器の呼吸回路内に流入させてヘリウム酸素混合気

間 3 秒、呼気時間 3 秒でスーパーシリンジのピストンを得た。実際の測定に使用したガスは、酸素、酸素圧を用手的に往復させ、一定換気量 300mL、500mL、縮空気混合気、圧縮空気、酸素亜酸化窒素混合気、酸800mL を発生させた。連続 10 呼吸の換気量を測定し、素ヘリウム混合気の 5 種であり、各混合気においては、換気量は PF-300 の呼気一回換気量表示値（Vte）をその酸素濃度を約 50％とした。呼吸回路内ガスの酸記録した。実験中の室温は空調装置を 24℃に設定し、素および亜酸化窒素濃度を麻酔ガスモニタ（IntelliVue

ガ ス 温 度 と 湿 度 の 測 定 は PF-300 で 行 っ た。 な お、M1019A G5 Philips、Boeblingen、ドイツ）で測定した。

PF-300 の換気量などは ATPD で表示した。スーパー

PF-300 は対象とするフローレンジによって高フロシリンジの誤差は公称±0.8％であり、スーパーシリー（－300 ～＋300L/ 分）と低フロー（－20 ～＋20L/ンジのもつ温度補正定数による誤差も ATPD におい分）の 2 つのフロー測定ポートをもっている。今回はては 1％未満であったため温度の影響は無視した。

成人の換気量を想定して、高フローポートを使用した。

PF-300 は使用するガス組成に応じて、換気量を補すなわち PF-300（S/N BA101675）の本体前面接続口正するガスタイプ選択機能を有しており、これによりに麻酔器呼吸回路の Y ピースを接続し、本体裏面接補正値を得ることができる。今回の実験では、ガスタ続口にはスーパーシリンジ（2L 換気量較正器、ミナイプの選択を酸素空気混合気では「Air/O2 Auto」にト医科学、東京）を接続した。

設 定 し、 ま た 酸 素 亜 酸 化 窒 素 混 合 気 で は「N2O/O2麻酔器の流量計でおよそ、酸素 2.2L/ 分・圧縮空気

Auto」と「Air/O2 Auto」の 2 種類の設定、そしてヘ3.8L/分、酸素 3.0L/分・亜酸化窒素 3.0L/分の合計 6L/

リ ウ ム 酸 素 混 合 気 で は「He/O2 Auto」 と「Air/O2分で設定、またヘリウムは外付けの流量計と麻酔器のAuto」の 2 種類の設定での比較も行った。Auto とは

November 30, 2015207

Otake J, et al

PF-300 内蔵の酸素センサで酸素濃度を測定し、そのとがある。層流型として細管を束ねた形のフライシュ時の酸素濃度および残りのガスを設定ガスの窒素、亜型ニューモタコグラフ 6） が有名である。これは低流酸化窒素、またはヘリウムと認識させて、その組成ガ量の領域ではレイノルズ数が小さく、流量と発生するスの補正定数を用いて測定値の補正を行う機構であ差圧は正比例すると考えられている。従来から呼吸系る。結果のデータは平均±標準偏差で表した。

流量の標準的測定装置として精密肺機能測定および研Ⅲ．結究などに使用されている 7）。リリータイプはシルバー

果マンニューモタコメーターとも呼ばれ、抵抗体として実験時の回路内ガス温度は PF-300 測定値で 24±1℃、は金属性の網目状の構造物（スクリーン）を用いている。この方式もフライシュ型と同様に、流量が小さい湿度 6％以下であった。
各測定条件における PF-300 の測定値を Table 1 に範囲では発生する差圧は流量に正比例すると考えられ示す。
各種の混合気、および基準とした換気量（300mL、ている 7）。そのため一般には層流型フローセンサとし500mL、800mL）に対する表示値の平均±標準偏差をて分類され、その測定精度はフライシュ型と同程度で示した。カッコ内はその平均値の基準値に対する百分ある 8）。

率を示す。酸素空気混合気の場合は「ガスタイプ」選

層流型フローセンサは発生する差圧 ΔP、流量 Q、択は全て「Air/O2 Auto」になっており、測定値は 1

管半径 r、長さ l、ガス粘度ηの間にはハーゲン・ポ％以内の精度になっていた。酸素亜酸化窒素混合気おアズイユの法則にしたがって以下のような関係があよび酸素ヘリウム混合気の場合は、「ガスタイプ」選る。

択「Air/O2 Auto」では 9 ～ 11％の誤差が認められた。
しかしガスタイプの選択を、それぞれのガス組成に設ΔP＝Q（8ηl/πr4）（1）定すると精度は 4％以内に改善された。

Ⅳ．考

ここで l、r は構造体で決定される定数なので、発察生する差圧は流量のほか、ガスの粘度にも比例するこPF-300 は人工呼吸器、麻酔器などの保守点検、研とが示されている。測定対象のガスが異なれば、粘度究などにおいて、本邦でも多くの施設で使われているが変わる。そうすれば（1）式の差圧 ΔP が直接流量が、その精度に関する検討は内外を通して報告がない。に換算されて出力・表示されるので、流量・換気量測

本装置の換気量は流量を積分して求めており、その定値はガスの種類によって影響を受けることが容易にフローセンサはリリー（Lilly）タイプ

4）のものが使わかる。

われている。これは差圧フローセンサの一つで、ガス管内を流れる流体では、流速（velocity）が大きく流路抵抗体の両端に発生する差圧が、流量の大きさになれば層流ではなく乱流になる。乱流での厳密な解析応じて増減するという原理に基づいている。差圧フロは不可能であり、発生する圧力低下は近似的には流量ーセンサには抵抗体の形状などにより層流型と乱流型のおよそ 1.75 乗、そして流体密度の 3/4 乗に比例す

Table 1

Expiratory tidal volume readings of PF-300（O2 concentration）
Gas typeO2（100%）
Air/O2 AutoO2/Air（50%）
Air/O2 Auto

Air（21%）
Air/O2 AutoO2/N2O（50%）
Air/O2 AutoO2/N2O（50%）
N2O/O2 Auto

O2/He
（50%）
Air/O2 Auto

O2/He
（50%）
He/O2 Auto

VT：300mL

297±2（99%）

302±1（101%）299±1（100%）266±2（89%）

310±1（103%）328±3（109%）306±1（102%）

VT：500mL

496±1（99%）

497±1（99%）

500±1（100%）452±1（90%）

518±1（104%）557±1（111%）518±1（104%）

VT：800mL

798±1（100%）799±1（100%）789±2（99%）

720±1（90%）

815±1（102%）887±1（111%）830±2（104%）

Data are mean±SD（mL）.The numbers in bracket are the rations to corresponding value of settings.
Columns that are filled with gray are set to improper gastype（O2/N2O, O2/He with Air/O2 Auto setting）.

208

November 30, 2015

人工呼吸

Jpn J Respir Care Vol.32 No.2

ることが知られている 5）。そのため PF-300 ではフロ補正する機能を持っている。ガス組成によってガス粘ーセンサで測定される差圧（ΔP）と流量（Q）との度などは異なり Table 2 のように酸素空気混合気では関係について、下記のような演算式を用いていると公

酸素濃度 21％から 100％において、ガスの粘度は 10表されている 。

％程度の違いがある。Snepvangers ら 7） のデータで8）も酸素濃度によって低濃度領域で－5％、高濃度領域
ΔP＝C1・η・Q ＋ C2・ρ・Q 
2で＋5％程度の違いが示されている。しかし、PF-300（2）での測定値の違いは 1％の差になっていた。PF-300における「Air」は合成空気を想定しており、本実験

ここで、ηはガス粘度、ρはガス密度、C1 と C2 はでは圧縮空気を使用している。大気および酸素濃度装置固有定数とされている。
一般に低流量の領域では層流のみと考えられ、これ21％の合成空気の密度は 20℃でそれぞれ 1.21 と 1.20は（2）式では第 1 項が主要の部分になる。高流量で［kg/m3］、 粘 度 は 17.9 と 18.1［106 Pa•s］ で あ る が、は乱流成分が出現するので、この場合は第 2 項の要素

本実験では 0.9％含まれるアルゴンのガスタイプ補正が必要になる。PF-300 の高フローポートでは、流量への影響は少なく、適切な補正が行われているものと測定範囲は－300 ～＋300L/ 分、吸気・呼気換気量は考えられた。実験中の呼吸回路内ガス温度は 24℃、最大 10L（測定精度±2％）と公表されている 。今

相対湿度は 6.0％以下であり、混合気体中の水蒸気が回の研究では一回換気量として 300 ～ 800mL に設定占める割合は 0.18％程度となる。PF-300 では水蒸気したので、分時換気量としては 3 ～ 8L/ 分であった。の影響は考慮されていないが、本実験では影響は非常

この場合の発生した最大流量としては分時換気量の約に小さいものとして無視した。本実験で用いたガスで3 倍すなわち 9 ～ 24L/ 分程度であるので、PF-300 のは、最小の粘度は酸素亜酸化窒素混合気で、最大は酸最大測定値の 1/10 以下であった。そこで、この程度素ヘリウム混合気であった。Fig. 1 において、ガス組の流量では主に層流として計測されているものと考え成の補正をしない場合、それぞれ過小評価または過大られた。したがってハーゲン・ポアズイユの法則で示評価をしている。しかし、PF-300 のガスタイプ選択されるように、差圧出力はガスの粘度に比例するであを適正に設定すると、測定値は補正され、誤差は 4％ろうと推測された。Table 2 に今回用いた各種混合気程度まで減少した。これは装置内部でガス粘度を含むのガス粘度とガス密度を示す 。酸素亜酸化窒素混合定数を変えて計算しているものと考えられる。

気のガス粘度は酸素空気混合気よりも小さい。これは（2）式での第 2 項はガス密度の因子を含む。今回のガスタイプを酸素空気混合気の設定のまま測定する研究で用いたガスの違いをガス密度から比較すると、と、過小評価することになる。実際、測定値は 10 ～酸素ヘリウム混合気が最小であった（Table 2）。しか11％少ない。一方、酸素ヘリウム混合気のガス粘度はし測定値としてはすでに記載したようにこのガスが最酸素空気混合気よりも大きい。したがってこの場合は大になっており、ガス密度の影響も否定できないが、過大評価する。実際、測定値は 9 ～ 11％大きかった。

本実験ではガス粘度の影響が大きく現れたと考えられPF-300 ではガス組成の変更に応じて、「ガスタイプ」

る。

8）

9）

Snepvangers ら 7） はリリー型フローセンサの研究を選択することにより、ガスの物性による測定誤差をTable 2

Viscosity and density of experimental gases

Gases（O2 Conc.）

Viscosity η（1atm, 20℃，［106 Pa•s］）

Density ρ（1atm, 20℃，［kg/m3］）

O2（100%）

20.29

1.330

O2 /N2（50%）

18.88

1.248

O2 /N2（21%）

18.06

1.200

O2 /N2O （50%）

15.80

1.580

O2 /He

21.41

0.748

（50%）

Data adopted from reference 10

November 30, 2015

209

Otake J, et alで、酸素濃度、実測流量などを用いて真値を求める回帰式を提示している。これによると流量真値は測定流量の 2 次式で回帰され、流量の 2 乗項の係数は 1 乗項の係数に比較すると 1.2％程度である。この係数の大きさから推測すると、（2）式を用いている PF-300 でも、流量の 2 乗の項、すなわちガス密度に関与する部分は小さいものと推測され、我々の結果とも一致する。今参考文献
1） 塩見

基：フローアナライザ PF-300 の使用経験に関して．

人工呼吸．2008；25：62．
2） 丹野修宏，大木良藏，磨田裕：多用途手術室のための4.8 メートル麻酔用呼吸回路の特性．クリニカルエンジニ
アリング．2011；22：351-3．
3） Miyaji T, Fukakura Y, Usuda Y, et al：Effects of the gas
composition on the delivered tidal volume of the Avance
Carestation. J Anesth. 2015；15：2018-8s.

回の研究の流量、換気量測定の設定条件では、おもに

4） Basano L, Ottonello P：81. Ventilation Measurement. In：

層流型フローセンサとして機能していたものと推測さ

Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook：

れた。
PF-300 ではセボフルラン、デスフルランなどの麻酔ガスを用いた場合、ソフトウェアによる補正機構はな く、 専 用 麻 酔 ガ ス 測 定 ユ ニ ッ ト（OR-703、imtmedical）を用いてガスタイプを認識・自動補正させる必要がある。そうしないと、いずれのガスを用いても酸素空気混合気と認識してしまうので測定誤差は大きくなることが予想される。なお、このような専用麻酔ガス測定ユニットが使用できない場合、または、ガス補正機能に該当しないガスを使用する場合は、使用するガスの粘度を求めて、その値を用いれば計9, 10）算による補正が可能と考えられる。ただし、混合気粘度の算出は、混合気密度の計算のように単純平均ではなく、非常に複雑な計算が必要になる 11）。

Ⅴ．結論

PF-300 はガス組成を適切に選択して計測すると、換気量測定精度は O2、N2 群では 1％以内、O2/N2O 混合気および O2/He 混合気では 4％以内であった。本装
置の流量、換気量の測定においては、ガス組成による影響を受けるので、補正機構の適切な設定が必要である。このような特性を持っている測定器なので、ガス補正機構を用いない場合や補正ができないガスを使用する場合は、誤差が大きくなることを理解しておくことが必要である。
［本論文の要旨は第 24 回日本臨床工学技士会学術総会（仙台）で報告した］〈謝辞〉
稿を終えるにあたり、帝京大学医学部名誉教授大村昭人先生のご校閲に深謝いたします。
本稿の全ての著者には規定された COI はない。

210

November 30, 2015

Electromagnetic, Optical, Radiation, Chemical, and Biomedical Measurement. 2nd edn. Webster JG, Eren H（Eds）.
London, CRC Press, 2014, pp81-1-81-15.
5） White FM：6. Viscous flow in ducts. In：Fluid Mechanics.
7th edn. White FM（Eds）. New York, McGraw-Hill, 2011,
pp347-454.
6） Mottram C：11. Pulmonary Function Testing Equipment.
In：Ruppel’s Manual of Pulmonary Function Testing.
10th edn. Mottram C（Edn）. Maryland Heights, Mosby,
2012, pp353-404.
7） Snepvangers Y, e Winter P, Burger H, et al：Correction
factors for oxygen and flow-rate effects on neonatal
Fleisch and Lilly pneumotachometers. Pediatr Crit CareMed. 2003；4：227-32.
8） Fleisch A：Der pneumotachograph：ein apparat zur
eschwindigkeisregistrerung der atemluft. Pflügers Arch.
1925；209：713-22.
9） Katz I, Caillibotte G, Martin AR, et al：Property value
estimation for inhaled therapeutic binary gas mixtures：
He, Xe, N2O, and N2 with O2 . Med Gas Res. 2011；1：28.
10） Habre W, Asztalos T, Sly PD, et al：Viscosity anddensity of common anaesthetic gases：implications forflow measurements. Br J Anaesth. 2001；87：602-7.
11） Turner MJ, MacLeod IM, Rothberg AD：Effects oftemperature and composition on the viscosity ofrespiratory gases. J Appl Physiol. 1989；67：472-7.

人工呼吸

Jpn J Respir Care Vol.32 No.2

Effect of gas composition on the volume measurement performance of FlowAnalyzer PF-300
Junpei OTAKE 1）, Tetsuya MIYAJI 1）, Yutaka USUDA2）
1）

Department of Medical Engineering, Mizonokuchi Hospital, Teikyo University School of Medicine
 epartment of Anesthesiology and intensive care medicine, Saitama Medical University, DInternational Medical Center2）‌

Corresponding author：Junpei OTAKEDepartment of Medical Engineering, Mizonokuchi Hospital, Teikyo
University School of Medicine
3-8-3, Mizoguchi, Takatsu-ku, Kawasaki, Kanagawa, 213-8507, JapanKey words：volume measurement, differential pressure flowmeter, hagen-poiseuille’s law, laminal flow, gas viscosity
Abstract
Background：FlowAnalyzer PF-300TM（imtmedical, Buchs, Switzerland）is used for measurement and calibration of flow or volume from ventilators and anesthesia machines. However, no studies have reported theaccuracy of flow or volume measurement with PF-300.
The flow sensor of PF-300 is a differential pressure type pneumotachometer. The differential pressure
created by the screen resistance is affected by the viscosity and density of gases.
We studied the accuracy of volume measurement and the effect of gas composition on the function of PF-300.
Method：Oxygen, oxygen-air mixture, and oxygen-nitrous oxide mixture were generated using an anesthesia
machine, whereas helium-oxygen mixture was generated using a helium gas cylinder and anesthesia machine.
We reciprocated the piston of a super syringe to manually create tidal volumes of 300mL, 500mL, 800mL.
The tidal volumes measured using PF-300 were recorded and averaged for 10 breaths for the each gas
mixture and ventilation volume.
Results：The errors in volume measurements were less than 1％ with O2 , O2-air and air. The volume readingsof PF-300 were 11％ lower with O2-N2O and 11％ higher with He-O2, when we selected the gas type Air/O2

Auto setting. When appropriate gas type was selected, errors were less than 4％ with each gas mixture.
Conclusion：When using gases for which no gas-specific correction is available, the user should be aware thatdevice readings may show large errors.
Received April 22, 2015
Accepted September 14, 2015

November 30, 2015211