JP7081075B2 - Monitor system control method, monitor system and program - Google Patents
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Description
本開示は、モニタシステムの制御方法、モニタシステム及びプログラムに関する。 The present disclosure relates to control methods, monitor systems and programs for monitor systems.
従来から、一呼吸のボリューム・カプノグラム分析法からCO2一回排泄量であるVCO2等を導出する技術が知られている(例えば、特許文献1や非特許文献1参照)。
Conventionally, there has been known a technique for deriving VCO2 or the like, which is the amount of CO2 excreted once, from a volume capnogram analysis method for one breath (see, for example,
ところで、呼吸生理学による肺気量分画の一つである機能的残気量FRC(Functional Residual Capacity)は、肺のガス交換機能(O2摂取/CO2排泄)を支える基本概念である。 By the way, functional residual volume FRC (Functional Residental Capacity), which is one of the lung volume fractions by respiratory physiology, is a basic concept that supports the gas exchange function (O2 intake / CO2 excretion) of the lungs.
呼気終末に肺内に残るガス量である機能的残気量FRCに、次の一回吸気量VTIが加わることで、肺胞内ガスと肺毛細管血液との分圧差が拡大しガス交換が起こる。その結果、酸素量VO2が血中へ摂取され、CO2一回排泄量VCO2が呼気中へ排泄される。 By adding the next inspiratory volume VTI to the functional residual gas volume FRC, which is the amount of gas remaining in the lungs at the end of exhalation, the pressure difference between the alveolar gas and lung capillary blood expands and gas exchange occurs. .. As a result, the oxygen amount VO2 is ingested into the blood, and the CO2 single excretion amount VCO2 is excreted into the exhaled breath.
FRCの異常はガス交換正常性の大きなリスク要因となる。特に手術麻酔中、集中治療中などの人工呼吸管理患者においては、無気肺の発生などによってFRCの減少を来し易く、高二酸化炭素血症や低酸素血症につながる危険性が高まる。 FRC abnormalities are a major risk factor for gas exchange normality. In particular, in patients with artificial respiration management such as during surgical anesthesia and intensive care, the FRC is likely to decrease due to the development of atelectasis, and the risk of leading to hypercapnia and hypoxemia increases.
そこで、本開示は、FRCのモニタリングを実現可能とすることを目的とする。 Therefore, it is an object of the present disclosure to make FRC monitoring feasible.
本開示の一局面によれば、患者の呼吸ガスのフローを連続的に検出するフローセンサと、前記呼吸ガスの成分ガスの濃度を連続的に検出する呼吸ガスセンサと、前記フローセンサ及び前記呼吸ガスセンサに接続される制御装置と、を備えたモニタシステムの制御方法であって、
前記制御装置は、一回の呼吸に関して、
前記フローセンサの測定結果に基づく換気量であるVと、前記呼吸ガスセンサの測定結果に基づくCO2ガスの濃度又は分圧であるFCO2又はPCO2とを同期させて、2次元座標上で濃度/分圧-換気量ループを生成し、
前記濃度/分圧-換気量ループが囲む面積に基づいて前記CO2ガスの排泄量であるVCO2として求め、
前記VCO2を用いてV=VCO2/FCO2又はV∝VCO2/PCO2の関係を含む反比例曲線を生成し、
前記濃度/分圧-換気量ループと前記反比例曲線とに基づいて、機能的残気量であるFRCを算出し、
算出した前記FRCを出力する、モニタシステムの制御方法が提供される。
According to one aspect of the present disclosure, a flow sensor that continuously detects the flow of a patient's breathing gas, a breathing gas sensor that continuously detects the concentration of a component gas of the breathing gas, the flow sensor, and the breathing gas sensor. A control method for a monitor system equipped with a control device connected to the
The control device relates to a single breath.
The concentration / partial pressure in two-dimensional coordinates is synchronized with V, which is the ventilation volume based on the measurement result of the flow sensor, and FCO2 or PCO2, which is the concentration or partial pressure of CO2 gas based on the measurement result of the breathing gas sensor. -Create a ventilation loop,
Obtained as VCO2, which is the amount of CO2 gas excreted, based on the area surrounded by the concentration / partial pressure-ventilation volume loop.
Using the VCO2, an inverse proportional curve including the relationship of V = VCO2 / FCO2 or V∝VCO2 / PCO2 is generated.
Based on the concentration / partial pressure-ventilation volume loop and the inverse proportional curve, the FRC, which is the functional residual air volume, is calculated.
A method for controlling a monitor system that outputs the calculated FRC is provided.
本開示によれば、FRCのモニタリングが実現可能となる。 According to the present disclosure, FRC monitoring becomes feasible.
以下、添付図面を参照しながら各実施形態について詳細に説明する。なお、「CO2」等の表記は、下付き文字を用いた表記「CO2」ではないが、表記「CO2」と同じ意味である。
Hereinafter, each embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The notation such as "CO 2 " is not the notation "CO 2 " using subscripts, but has the same meaning as the notation "
図1は、一実施形態に係るモニタシステム200を、循環式呼吸回路を有する吸入麻酔システム100に適用した場合を説明する図である。モニタシステム200は、ボリューム・カプノグラム分析法に基づくモニタシステムである。ボリューム・カプノグラム分析法とは、以下で説明するように、口元に設置されたフローセンサとメインストリーム型CO2センサからそれぞれ得られる、換気量とCO2濃度(分圧)をXY座標面にプロットして描かれるボリューム・カプノグラム(後出の図6の太線参照)を、CO2排泄能力の点から一定のルールに従って分析する分析法である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a case where the
図1に示すように、モニタシステム200は、制御装置3、フローセンサ13、呼吸ガスセンサ14を有する。
As shown in FIG. 1, the
吸入麻酔システム100は、循環式呼吸回路1、ガス供給装置2、及びベンチレータ17から構成される。呼吸回路1は、吸気弁11、患者とつながるコネクタ12、呼気弁15、CO2吸収剤キャニスタ16を有する。吸気弁11は、呼吸回路1から患者へのガスの流れ(吸気)は許容するものの、その逆の流れは規制するように作動する。呼気弁15は、患者から麻酔システムへのガスの流れ(呼気)は許容するものの、その逆の流れは規制するように作動する。呼気の一部はCO2吸収剤キャニスタ16へ導かれ再利用され、また残りの一部は余剰ガスとして廃棄される。CO2吸収剤キャニスタ16は、患者の呼気から二酸化炭素を吸収除去し、その他の麻酔呼吸ガス、O2ガス等を吸気の一部として循環使用するためのものである。
The
コネクタ12には、フローセンサ13と呼吸ガスセンサ14が、順不同で直列に設置されている。フローセンサ13は、呼吸の時間軸上でのフローレートの変化を検出し、それを積算して一回換気量(VTI、VTE)を測定する。呼吸ガスセンサ14は、例えばメインストリーム型の呼吸ガスセンサによって構成されるが、離れた場所、例えば制御装置内に組み込まれた吸引ポンプとセンサ本体によって、この14の位置から標本ガスをサンプリングするサイドストリーム型の呼吸ガスセンサを使用することもできる。呼吸ガスの成分ガスの時間軸上での濃度変化を検出し、更にそこから吸気濃度と呼気終末濃度を測定する。ここではフローセンサ13と呼吸ガスセンサ14は、二酸化炭素(CO2)の他、酸素(O2)、揮発性麻酔ガス(AA)、亜酸化窒素(N2O)の混合した麻酔呼吸ガスを測定対象とすることができる。O2の濃度を調節する場合や、AA、N2Oの麻酔ガスを供給及び調節する場合は、ガス供給装置2を使用する。ベンチレータ17は、患者の呼吸を代替又は補助するために使用される。
A
フローセンサ13及びメインストリーム型呼吸ガスセンサ14と、制御装置3の接続関係を図2に示す。通過する呼吸ガスによって、フローセンサ13と呼吸ガスセンサ14のそれぞれにおいて検出された信号は、制御装置3に供給される。
FIG. 2 shows the connection relationship between the
制御装置3は、記憶装置31と、演算装置32と、入力装置33と、表示装置34とを備える。
The
フローセンサ回路36と呼吸ガスセンサ駆動回路37は、インタフェース(I/F)35を介して演算装置32に接続され、演算装置32は、フローセンサ13からの信号を取得するとともに、呼吸ガスセンサ駆動回路37を介して呼吸ガスセンサ14を制御して信号を取得し、これら信号データの処理に必要な演算を実施する。演算装置32に接続された記憶装置31には、演算装置32で実行する種々の演算に必要な、呼吸ガスセンサ駆動手順記憶手段、信号データ記憶手段、プログラム記憶手段、演算手順記憶手段等を含む手段が格納される。
The
図2に示した制御装置3のハードウエア構成は、記憶装置31、演算装置32、入力装置33、表示装置34を備えるノイマン型コンピュータのハードウエア構成である。データ記憶、プログラム記憶には、ノイマン型コンピュータの主記憶装置又は補助記憶装置を使用することができる。主記憶装置としては、揮発性のDRAMを用いることが多く、補助記憶装置としては、ハードディスク(HD)等の磁気ディスク、磁気テープ、光ディスク、光磁気ディスク、RAMディスク、USBフラッシュメモリ等が使用できる。演算装置32が実施する演算の一部を、別の演算装置(CPU)や別のコンピュータシステムによるハードウエア構成として実現することもできる。また、演算装置32には、タッチパネル、キーボード、マウス等の入力装置33、プリンタ及びディスプレイ等の表示装置34が接続されている。なお、制御装置3は、表示装置34を備えず、表示装置34は、制御装置3に接続される態様で設けられてもよい。また、制御装置3の一部又は全部の機能は、外部のサーバ装置(図示せず)により実現されてもよい。
The hardware configuration of the
ガス分析法は、患者口元で、CO2/O2/N2O/AAなどの呼吸ガス濃度を毎呼吸連続モニタできるメインストリームによるガス分析法を用いるのが好ましい。従来臨床分野で主流のサイドストリームによるガス分析法では、口元から吸気ガス・呼気ガスを毎分100mL前後連続サンプリングし、離れた場所にあるセンサで検出し、時間軸上での濃度変化と、吸気濃度・呼気終末濃度を測定し表示している。このため、サンプリング中の混合による濃度変化に対する反応の遅れなどによって、換気量データと一体的に扱うことが困難であった。しかし、近年より少ないサンプリング流量で分析可能な高速のサイドストリーム型の呼吸ガスセンサも現われてきたので、必ずしもメインストリーム型に限定されるものではない。 As the gas analysis method, it is preferable to use a mainstream gas analysis method capable of continuously monitoring the respiratory gas concentration such as CO2 / O2 / N2O / AA at the patient's mouth. In the conventional sidestream gas analysis method, which is the mainstream in the clinical field, inspiratory gas and exhaled gas are continuously sampled at around 100 mL / min from the mouth, detected by a sensor at a remote location, and the concentration change on the time axis and inspiration. Concentration / end exhalation concentration is measured and displayed. For this reason, it was difficult to handle it integrally with the ventilation volume data due to the delay in the reaction to the concentration change due to mixing during sampling. However, since high-speed sidestream type respiratory gas sensors that can analyze with a smaller sampling flow rate have appeared in recent years, they are not necessarily limited to the mainstream type.
図3は、ボリューム・カプノグラムと所定の反比例曲線(後述)とを分圧PをX軸、換気量VをY軸としたX-Y座標上に示した図である。 FIG. 3 is a diagram showing a volume capnogram and a predetermined inverse proportional curve (described later) on XY coordinates with the partial pressure P as the X axis and the ventilation volume V as the Y axis.
なお、呼吸ガス中に特定のガスがどれだけ含まれるかを表す方法には、分圧と濃度の二つがある。同じ温度・圧力下で両者は比例する。生体内では、血液との比較を容易にするために、体温・大気圧・飽和水蒸気圧(BTPS)における分圧で表すのが通例である。例えば、体温37℃・大気圧760mmHgのとき、飽和水蒸気圧47mmHgであるから、CO2の場合、[分圧PCO2=(760-47)×濃度FCO2]の関係がある。なお、[換気量V×濃度FCO2=CO2量]の関係が成り立つが、時に臨床データのグラフなどで分圧PCO2も使用される。このように、分圧と濃度とは、互いに一対一で対応する関係があり、一方が他方で代替え可能なパラメータである。以下、k=(760-47)とし、便宜上、kを「変換定数」とも称する。 There are two methods for expressing how much a specific gas is contained in the respiratory gas: partial pressure and concentration. Both are proportional under the same temperature and pressure. In the living body, in order to facilitate comparison with blood, it is usually expressed as a partial pressure at body temperature, atmospheric pressure, and saturated water vapor pressure (BTPS). For example, when the body temperature is 37 ° C. and the atmospheric pressure is 760 mmHg, the saturated water vapor pressure is 47 mmHg. Therefore, in the case of CO2, there is a relationship of [partial pressure PCO2 = (760-47) × concentration FCO2]. Although the relationship of [ventilation volume V x concentration FCO2 = CO2 volume] is established, partial pressure PCO2 is sometimes used in graphs of clinical data and the like. As described above, the partial pressure and the concentration have a one-to-one correspondence with each other, and one is a parameter that can be replaced by the other. Hereinafter, k = (760-47) is set, and for convenience, k is also referred to as a “conversion constant”.
図3及び図5では、ボリューム・カプノグラムとして、1呼吸における呼吸ガス中のCO2の分圧-換気量ループが示される。なお、後出の図6では、ボリューム・カプノグラムとして、1呼吸における呼吸ガス中のCO2の濃度-換気量ループが示される。 3 and 5 show the partial pressure-ventilation loop of CO2 in respiratory gas in one breath as a volume capnogram. In FIG. 6, which will be described later, as a volume capnogram, the concentration of CO2 in the respiratory gas in one breath-ventilation volume loop is shown.
図3及び図5では、所定の反比例曲線は、V=k×VCO2/PCO2+(VTI-VTE)である。 In FIGS. 3 and 5, the predetermined inverse proportional curve is V = k × VCO2 / PCO2 + (VTI-VTE).
図3のボリューム・カプノグラム上の矢印で示したように、通常、吸気中にはCO2は含まれないので、吸気時にはボリューム・カプノグラムはY軸上を立ち上って、図中の一回吸気量VTIを表す点に達する。大気中には約21%のO2が含まれるが、吸気時に気道から肺へ入ったO2ガスは、肺胞からその毛細血管の血液へ移動する。この移動を摂取と呼ぶ。他方、組織で発生したCO2は静脈血に溶け込んで心臓にもどり、肺動脈を通って肺胞の毛細血管で、酸素と入れ替わる形で肺胞へ移動する。この移動を排泄と呼ぶ。一回吸気量VTIを表す点で吸気から呼気に代わると、CO2の生体外への排泄が始まり、図3のボリューム・カプノグラム上の矢印で示したように、呼気中CO2濃度Fに対応する呼気中CO2分圧Pは呼出量に応じて増加して、図中の呼気終末CO2濃度FETCO2に対応する分圧PETCO2に達して1回の呼吸を終了する。このボリューム・カプノグラムで囲まれる面積を計算すると、CO2一回排泄量(CO2一回呼出量)VCO2を求めることができる。具体的には、図3では、横軸が分圧であるので、ボリューム・カプノグラムで囲まれる面積をSとすると、変換定数kを用いて、VCO2=S/kの関係となる。 As shown by the arrow on the volume capnogram in FIG. 3, CO2 is normally not contained in the inspiratory, so that the volume capnogram rises on the Y-axis at the time of inspiration to obtain the one-time inspiratory amount VTI in the figure. Reach the point to represent. The air contains about 21% O2, but the O2 gas that enters the lungs from the airways during inspiration travels from the alveoli to the blood of its capillaries. This movement is called ingestion. On the other hand, CO2 generated in the tissue dissolves in venous blood, returns to the heart, passes through the pulmonary artery, and moves to the alveoli in the form of replacing oxygen in the capillaries of the alveoli. This movement is called excretion. When inspiration is replaced by exhalation in terms of the amount of one-time inspiration VTI, excretion of CO2 to the outside of the body begins, and as shown by the arrow on the volume capnogram in FIG. 3, exhaled breath corresponding to the CO2 concentration F in exhalation. The medium CO2 partial pressure P increases according to the exhalation amount, reaches the partial pressure PETCO2 corresponding to the exhalation terminal CO2 concentration FETCO2 in the figure, and ends one breath. By calculating the area surrounded by this volume capnogram, the CO2 single excretion amount (CO2 single call amount) VCO2 can be obtained. Specifically, in FIG. 3, since the horizontal axis is the partial pressure, assuming that the area surrounded by the volume capnogram is S, the conversion constant k is used and the relationship is VCO2 = S / k.
以下の説明では、次の関係式(1)が用いられる。C.BohrはBohr式として知られる関係式を提案した(C.Bohr,”Ueber die lungatmung”,Skand Arch Physiol,vol.22,pp.236-238,1891参照)。以下の関係式(一呼気中のCO2量は一肺胞換気量中のCO2量に等しい)である式(1)は、Bohr式に基づく。 In the following description, the following relational expression (1) is used. C. Bohr proposed a relational expression known as the Bohr equation (see C. Bohr, "Uever die lunatumung", Scand Arch Physiology, vol.22, pp. 236-238, 1891). The following relational expression (the amount of CO2 in one exhaled breath is equal to the amount of CO2 in one alveolar ventilation) is based on the Bohr equation.
VTE×PECO2=(VTE-VDresp)×PAmaxCO2 (1) VTE x PECO2 = (VTE-VDressp) x PAmaxCO2 (1)
(1式中、VTEは一回呼気量を、PECO2は混合呼気濃度に対応する分圧を、VDrespは呼吸死腔量を、PAmaxCO2は最大肺胞気CO2濃度に対応する分圧を表す)。 (In one equation, VTE represents the one-time expiratory volume, PECO2 represents the partial pressure corresponding to the mixed expiratory concentration, VDresp represents the respiratory dead space volume, and PAmaxCO2 represents the partial pressure corresponding to the maximum alveolar air CO2 concentration).
ここで、VTE-VDrespは肺胞換気量VAを表し、VAは均質な最大肺胞気CO2濃度FAmaxCO2で満たされた理想肺胞気空間を意味する。 Here, VTE-VDresp represents alveolar ventilation VA, and VA means an ideal alveolar air space filled with a homogeneous maximum alveolar air CO2 concentration FAmaxCO2.
図5のように実際には呼出量の変化に応じて連続的に上昇する呼気CO2濃度を、混合呼気濃度つまり呼気平均濃度に対応する分圧であるPECO2を境に、PECO2未満の換気量をガス交換のない無効な換気量つまり呼吸死腔量VDrespとして切り捨て、PECO2を超えた後の換気量を、完全なガス交換によって肺胞が均質なPAmaxCO2に対応するFAmaxCO2で満たされた肺胞換気量VAへと切り上げる、これが(1)の概念である。 As shown in FIG. 5, the exhaled breath CO2 concentration that actually rises continuously according to the change in the exhalation volume is set to the mixed exhaled breath concentration, that is, the ventilation volume less than PECO2 with PECO2, which is a partial pressure corresponding to the expiratory average concentration, as a boundary. Alveolar ventilation filled with FAmaxCO2 corresponding to PAmaxCO2, where the alveoli are homogeneous by complete gas exchange, truncated as ineffective ventilation without gas exchange or respiratory dead space VDressp and after exceeding PECO2. Rounding up to VA, this is the concept of (1).
PAmaxCO2を求めるために、まずボリューム・カプノグラムからVCO2×k(CO2一回排泄量×k)を計算する(図5の丸囲み数字2)。
In order to obtain PAmaxCO2, VCO2 × k (CO2 single excretion amount × k) is first calculated from the volume capnogram (circled
次に、(1)の左辺VTE×PECO2は、点(X=0,Y=VTI-VTE)と、点(X=PECO2,Y=VTI)を対角線とする長方形の面積を表している。この面積がCO2一回排泄量VCO2×kであるので、縦の長さ×横の長さ=(VTI-(VTI-VTE))×(PECO2-0)=VTE×PECO2=VCO2×kであり、PECO2(混合呼気濃度FECO2に対応する分圧。図5の丸囲み数字3)を求めることができる。
Next, the left side VTE × PECO2 of (1) represents the area of a rectangle whose diagonal lines are a point (X = 0, Y = VTI-VTE) and a point (X = PECO2, Y = VTI). Since this area is the CO2 single excretion amount VCO2 × k, the vertical length × the horizontal length = (VTI- (VTI-VTE)) × (PECO2-0) = VTE × PECO2 = VCO2 × k. , PECO2 (partial pressure corresponding to the mixed exhaled breath concentration FECO2. Circled
PECO2が求まると、ボリューム・カプノグラム上の点GのY座標が求まるので、VA(=VTE-VDresp)を求めることができる。 When PECO2 is obtained, the Y coordinate of the point G on the volume capnogram is obtained, so that VA (= VTE-VDressp) can be obtained.
次に、式(1)の右辺(VTE-VDresp)×PAmaxCO2は、点(X=0,Y=VTI-VTE)と、点(X=PAmaxCO2,Y=VTI-VDresp)を対角線とする長方形の面積を表している。やはりこの面積がVCO2×kであるので、縦の長さ×横の長さ=((VTI-VDresp)-(VTI-VTE))×(PAmaxCO2-0)=(VTE-VDresp)×PAmaxCO2=VCO2×kであり、PAmaxCO2(最大肺胞気CO2濃度に対応する分圧。図5の丸囲み数字5)を求めることができる。なお、(VTE-VDresp)は、上述のように、VAに等しく、点Gに基づき導出できる。
Next, the right side (VTE-VDresp) × PAmaxCO2 of the equation (1) is a rectangle having a point (X = 0, Y = VTI-VTE) and a point (X = PAmaxCO2, Y = VTI-VDresp) diagonally. Represents the area. Since this area is also VCO2 × k, the vertical length × the horizontal length = ((VTI-VDressp)-(VTI-VTE)) × (PAmaxCO2-0) = (VTE-VDressp) × PAmaxCO2 = VCO2. × k, and PAmaxCO2 (partial pressure corresponding to the maximum alveolar air CO2 concentration. Circled
次に、ボリューム・カプノグラムに内接する長方形の面積の極大点(図5のH)を求め、該極大点のY座標を以ってボリューム・カプノグラムの呼気相の第II相と第III相の分岐点とし、それによって特定された第II相に、Equal Area法を適用して図5のIを求めると、VTI-(点IのY座標)により、気道死腔量VDaw(図5の丸囲み数字6)を特定することができる。呼吸死腔量VDrespは既に得られているので、肺胞死腔量VDalv(図5の丸囲み数字7)は、「呼吸死腔量VDresp-気道死腔量VDaw」によって特定することができる。 Next, the maximum point (H in FIG. 5) of the area of the rectangle inscribed in the volume capnogram is obtained, and the phase II and phase III branches of the expiratory phase of the volume capnogram are obtained by the Y coordinate of the maximum point. When the Equal Area method is applied to the phase II identified by the point and the I of FIG. 5 is obtained, the airway dead space amount VDaw (circled in FIG. 5) is obtained by VTI- (Y coordinate of the point I). The number 6) can be specified. Since the respiratory dead space VDresp has already been obtained, the alveolar dead space VDalv (circled number 7 in FIG. 5) can be specified by "respiratory dead space VDresp-airway dead space VDaw".
Equal Area法(Equal Area Method)は、例えば下記文献に詳述されている、伝統的な呼気CO2ガスの分析法である。
R. Fletcher, B. Johnson, G. Cumming and J. Brew, “THE CONCEPT OF DEADSPACE WITH SPECIAL REFERENCE TO THE SINGLE BREATH TEST FOR CARBON DIOXIDE”, Br. J. Anaesth., vol.53(1),pp .77-88,1981
従来、図4に示したように、X軸に換気量を、Y軸にCO2濃度をとって描画した呼気のCO2波形をボリューム・カプノグラムと呼ぶ。ボリューム・カプノグラムは通常、CO2を含まない第I相、肺毛細管血と平衡した肺胞気を表す第III相、第I相から第III相への移行を表す第II相に分けられる。第II相のほぼ中間、細斜線でハッチングした二つの面積が等しくなる線を以って、解剖学的死腔量VDanat(又は気道死腔量VDaw)と、肺胞換気量VAに分けるのが通例である。
The Equal Area Method is a traditional method for analyzing exhaled CO2 gas, which is described in detail in the following literature, for example.
R. Fletcher, B. Johnson, G.M. Cumming and J. Brew, "THE CONCEPT OF DEADSPACE WITH SPECIAL REFERENCE TO THE SINGLE BREATH TEST FOR CARBON DIOXIDE", Br. J. Anast. , Vol. 53 (1), pp. 77-88, 1981
Conventionally, as shown in FIG. 4, the CO2 waveform of exhaled breath drawn with the ventilation volume on the X-axis and the CO2 concentration on the Y-axis is called a volume capnogram. Volume capnograms are usually divided into phase I, which is CO2-free, phase III, which represents alveolar air equilibrium with pulmonary capillary blood, and phase II, which represents the transition from phase I to phase III. It is divided into anatomical dead space volume VDanat (or airway dead space volume VDaw) and alveolar ventilation volume VA by a line that equalizes the two areas hatched in the middle of Phase II. It is customary.
図3に示したように、本実施形態のボリューム・カプノグラムは、図4に示した従来からのボリューム・カプノグラムのX軸とY軸を入れ替えて、X軸にCO2濃度を、Y軸に換気量をとったものである。なお、両者に本質的な差はない。 As shown in FIG. 3, in the volume capnogram of the present embodiment, the X-axis and the Y-axis of the conventional volume capnogram shown in FIG. 4 are exchanged, and the CO2 concentration is on the X-axis and the ventilation volume is on the Y-axis. It is the one that took. There is no essential difference between the two.
図5においては、吸気はY軸上のVTIに達した後に呼気に転じる。呼気の始点VTIからCO2濃度の立上りの点までの第I相と、Y軸上のCO2の濃度の立上りの点からCO2呼出線に右肩を接する長方形面積が極大となる点Hまでの第II相と、点Hから呼気終末CO2濃度FETCO2を示す点(PETCO2)までの第III相とに分けられる。第I相は、完全死腔気であり、第II相は移行相であり、第III相は肺胞気である。本発明は、上記CO2呼出線に右肩を接する長方形面積が極大となる点Hをもって、第II相と第III相を分け、その上で、Equal Area法を適用して気道死腔量VDaw(丸囲み数字6)を特定するものである。肺胞死腔量VDalv(丸囲み数字7)=呼吸死腔量VDresp(丸囲み数字4)-気道死腔量VDaw(丸囲み数字6)から、肺胞死腔量VDalv(丸囲み数字7)を得ることができる。 In FIG. 5, the inspiratory air is exhaled after reaching VTI on the Y-axis. Phase I from the starting point of exhalation VTI to the rising point of CO2 concentration, and the second II from the rising point of CO2 concentration on the Y-axis to the point H where the rectangular area in contact with the CO2 calling line on the right shoulder is maximized. It is divided into a phase and a phase III from the point H to the point (PETCO2) indicating the exhaled CO2 concentration FETCO2. Phase I is complete dead space qi, phase II is transitional phase, and phase III is alveolar qi. In the present invention, the phase II and the phase III are separated at the point H where the rectangular area in contact with the right shoulder of the CO2 calling line is maximized, and then the Equal Area method is applied to the airway dead space amount VDaw ( The circled number 6) is specified. Alveolar dead space volume VDalv (circled number 7) = respiratory dead space volume VDresp (circled number 4) -from airway dead space volume VDaw (circled number 6) to alveolar dead space volume VDalv (circled number 7) Can be obtained.
本実施形態に係るモニタシステム200では、更に、ボリューム・カプノグラムとP-V反比例曲線(あるいは、図6のF-V反比例曲線)とに基づいて、機能的残気量FRCが算出される。機能的残気量FRCの算出方法は、これ以降で詳説する。なお、他の実施形態では、上述のような気道死腔量VDawや肺胞死腔量VDalvを算出することなく、機能的残気量FRCが算出されてもよい。
In the
制御装置3は、機能的残気量FRCを算出すると、算出した機能的残気量FRCを出力する。機能的残気量FRCの出力方法は任意であり、表示や音声等の出力を伴ってよい。あるいは、制御装置3は、機能的残気量FRCが所定閾値を下回った場合に警報等を出力する態様で、機能的残気量FRCを出力してもよい。
When the
ただし、一般的なモニタリングの用途では、制御装置3は、好ましくは、機能的残気量FRCを表示装置34上に表示する。例えば、制御装置3は、1呼吸毎に、ボリューム・カプノグラム、CO2一回排泄量VCO2(又はVCO2×k)を表す長方形、及びボリューム・カプノグラムに内接する面積極大の長方形を同一のX-Y座標に表示させ、更に1呼吸毎のCO2ガスの、CO2一回排泄量VCO2、最大肺胞気CO2濃度FAmaxCO2(又はPAmaxCO2)、呼気終末CO2濃度FETCO2(又はPETCO2)、混合呼気濃度FECO2(又はPECO2)、呼吸死腔量VDresp、肺胞換気量VA、気道死腔量VDaw、肺胞死腔量VDalv、及び機能的残気量FRCを、表示装置34の所定の領域に表示する。なお、上述のように、他の実施形態では、気道死腔量VDaw及び肺胞死腔量VDalvの算出や表示は省略されてもよい。また、ボリューム・カプノグラムに内接する面積極大の長方形の表示は省略されてもよい。
However, for general monitoring applications, the
図6は、機能的残気量FRCの算出方法の説明図であり、図5に示したグラフと同様のグラフを示す。ただし、図6では、横軸がCO2の濃度であり、縦軸の原点は、図5に示したグラフで(VTI-VTE=0)の場合に相当する。なお、機能的残気量FRCの算出は、図5に示したグラフからも実現可能であり、かかる差異は本質的ではない。なお、図6の場合、ボリューム・カプノグラム波形と横軸(X軸)で挟まれた面積は、当該一呼気に含まれるCO2量であるVCO2を表している。 FIG. 6 is an explanatory diagram of a method for calculating the functional residual air amount FRC, and shows a graph similar to the graph shown in FIG. However, in FIG. 6, the horizontal axis is the concentration of CO2, and the origin of the vertical axis corresponds to the case of (VTI-VTE = 0) in the graph shown in FIG. The calculation of the functional residual air amount FRC can also be realized from the graph shown in FIG. 5, and such a difference is not essential. In the case of FIG. 6, the area sandwiched between the volume capnogram waveform and the horizontal axis (X-axis) represents VCO2, which is the amount of CO2 contained in the exhaled breath.
図6において、略語とその説明は、以下のとおりである。
VTE: 一回換気量(呼気量)
FCO2: CO2濃度。総圧に占める分圧PCO2の割合。同じ温度と圧力下では、水蒸気分圧を除いた総圧に占めるCO2分圧の割合。
VCO2: CO2一回排泄量。ボリューム・カプノグラム(太線)内の面積であり、換気量×濃度の積分値。
VP1: 第I相量。呼気初期の気道からの呼出気のうちCO2を含まない部分。
VP2: 第II相量。VP1からVP3への移行相。呼出開始からVP2の面積的中間までを気道死腔量VDawとする。
VP3: 第III相量。肺胞からの呼出気を表す。点HのY座標に相当。
点G: ボリューム・カプノグラム(太線)上の点のX座標がFECO2である点。面積C=面積Dとなる点。なお、面積C及び面積Dは図6において細斜線でハッチングされている領域の面積である。
点H: ボリューム・カプノグラム(太線)上の点(X,Y)で、その積XYの極大点(FAminCO2, VP3)
VD(resp): (呼吸)死腔量。呼出開始から点Gに至るまでの換気量。気道死腔量VDawと肺胞死腔量VDalv(シャント効果を除く)を含む。
VA: 肺胞換気量。VA=VTE-VDで定義され、またVA=VCO2/FAmaxCO2でもある。
FECO2: 混合呼気濃度。一回呼気量に含まれるCO2の混合平均濃度。FECO2=VOC2/VTEであり、単位換気量当たりのCO2排泄量を表す。
FETCO2: 呼気終末に口元に達した呼気の瞬時CO2濃度(呼気終末CO2濃度)。
FAmaxCO2: 最大肺胞気CO2濃度。面積A=面積BとなるX軸上の点であり、呼気終末肺胞気濃度を代表する。FAmaxCO2=VCO2/VAであり、単位肺胞換気量当たりのCO2排泄量を表す。なお、面積A及び面積Bは図6において“なしじ”でハッチングされている領域の面積である。
FAminCO2: 最小肺胞気CO2濃度。点HのX座標に相当。VP3の始点なので吸気終末の最小肺胞気濃度を表す。
In FIG. 6, the abbreviations and their explanations are as follows.
VTE: Tidal volume (expiratory volume)
FCO2: CO2 concentration. The ratio of partial pressure PCO2 to the total pressure. Under the same temperature and pressure, the ratio of CO2 partial pressure to the total pressure excluding water vapor partial pressure.
VCO2: CO2 excretion amount once. The area within the volume capnogram (thick line), which is the integral value of ventilation volume x concentration.
VP1: Phase I amount. The part of the exhaled air from the airway in the early stage of exhalation that does not contain CO2.
VP2: Phase II amount. Transition phase from VP1 to VP3. The airway dead space volume VDaw is defined as the area from the start of the call to the middle of the area of VP2.
VP3: Phase III amount. Represents exhalation from the alveoli. Corresponds to the Y coordinate of point H.
Point G: The point where the X coordinate of the point on the volume capnogram (thick line) is FECO2. Area C = Area D. The area C and the area D are the areas of the regions hatched by the fine diagonal lines in FIG.
Point H: A point (X, Y) on the volume capnogram (thick line), and the maximum point of the product XY (FAminCO2, VP3).
VD (resp): (breathing) dead space volume. Ventilation volume from the start of the call to point G. Includes airway dead space VDaw and alveolar dead space VDalv (excluding shunt effect).
VA: Alveolar ventilation. It is defined by VA = VTE-VD, and VA = VCO2 / FAmaxCO2.
FECO2: Mixed exhaled breath concentration. Mixed average concentration of CO2 contained in one-time exhalation volume. FECO2 = VOC2 / VTE, which represents the amount of CO2 excreted per unit ventilation volume.
FETCO2: Instantaneous CO2 concentration of exhaled breath that reached the mouth at the end of exhalation (end of exhalation CO2 concentration).
FAmaxCO2: Maximum alveolar air CO2 concentration. It is a point on the X-axis where area A = area B, and represents the terminal alveolar air concentration at the end of exhalation. FAmaxCO2 = VCO2 / VA, which represents the amount of CO2 excreted per unit alveolar ventilation. It should be noted that the area A and the area B are the areas of the areas hatched by "stitches" in FIG.
FAminCO2: Minimum alveolar air CO2 concentration. Corresponds to the X coordinate of point H. Since it is the starting point of VP3, it represents the minimum alveolar air concentration at the end of inspiration.
ここで、肺におけるガス交換は、微視的には肺胞-毛細血管関門における拡散として説明される。拡散流量=拡散係数×面積×分圧差/距離[Fickの法則]、つまり単位時間当たりの拡散量は、面積と分圧差に比例し距離に反比例する。ヒト生体肺の場合、面積は50~100平方メートル、距離(膜厚)は0.3マイクロメートルほど、拡散係数はガス種類によるので、この三つをまとめた係数は肺拡散能力DLと呼ばれ、拡散流量=DL×分圧差となる。 Here, gas exchange in the lung is microscopically described as diffusion at the alveolar-capillary barrier. Diffusion flow rate = diffusion coefficient x area x pressure difference / distance [Fick's law], that is, the amount of diffusion per unit time is proportional to the area and the pressure difference and inversely proportional to the distance. In the case of human living lung, the area is 50 to 100 square meters, the distance (thickness) is about 0.3 micrometer, and the diffusion coefficient depends on the type of gas. Diffusion flow rate = DL × voltage division difference.
なお、二酸化炭素は気-液間の迅速な移動を特徴とし、分圧PCO2と濃度FCO2は直線的比例関係にあるので、気-液間のガス交換を記述するのに適している。同じ温度と圧力下であれば、FCO2=PCO2/(Patm-PH2O)であり、大気圧・体温37℃・飽和蒸気圧下の場合、FCO2=PCO2/kの関係にある。
Since carbon dioxide is characterized by rapid movement between gas and liquid, and the partial pressure PCO2 and the concentration FCO2 are in a linear proportional relationship, it is suitable for describing gas exchange between gas and liquid. Under the same temperature and pressure, FCO2 = PCO2 / (Patm-PH2O), and under atmospheric pressure,
Fickの法則、すなわち拡散流量=DL×分圧差における分圧差は、呼吸によって生じる。呼気終末に肺毛細管血液とほぼ平衡状態(≒PcCO2(Cは毛細血管capillaryを表す))で極大化した二酸化炭素肺胞気分圧PAmaxCO2は、次の一回吸気量VTIの流入完了によってPAminCO2まで極小化する。すると毛細管血液との間に分圧差PcCO2-PAminCO2が生じ、これが駆動力となって二酸化炭素は血液から肺胞へと拡散する。この微視的拡散現象の総和が呼吸器としての肺における一呼吸当たりのCO2一回排泄量VCO2(血液から肺胞へ拡散し呼出されるCO2量)である。 Fick's law, that is, the difference in pressure at diffusion flow rate = DL × difference in pressure, is caused by respiration. The carbon dioxide alveolar mood pressure PAmaxCO2, which was maximized at the end of exhalation in a state of almost equilibrium with the pulmonary capillary blood (≈PcCO2 (C represents the capillary capillary)), is minimized to PAminCO2 by the completion of the inflow of the next inspiratory volume VTI. To become. Then, a partial pressure difference PcCO2-PAminCO2 is generated between the blood and the capillary blood, and this serves as a driving force to diffuse carbon dioxide from the blood to the alveoli. The sum of this microscopic diffusion phenomenon is the amount of CO2 excreted per breath in the lungs as a respiratory organ, VCO2 (the amount of CO2 diffused from the blood to the alveoli and called).
巨視的には、VCO2は、FRC空間における肺胞気分圧(濃度)の変動によって生み出されると言うことができる。この概念をそのまま等式化すれば、FRC×(FAmaxCO2-FAminCO2)=VCO2であり、以下の式のとおりとなる。
FRC=VCO2/(FAmaxCO2-FAminCO2) (2)
Macroscopically, it can be said that VCO2 is produced by fluctuations in alveolar mood pressure (concentration) in the FRC space. If this concept is equationd as it is, FRC × (FAmaxCO2-FAminCO2) = VCO2, and the following equation is obtained.
FRC = VCO2 / (FAmaxCO2-FAminCO2) (2)
(2)式において、VCO2は、上述のように、ボリューム・カプノグラム分析から得られる。PAmaxCO2としては、肺毛細管血液から肺胞への拡散が終了する呼気終末肺胞気分圧(呼気終末口元気分圧ではない)が相応しい。PAmaxCO2は、上述のように、ボリューム・カプノグラム分析から得られる。PAminCO2としては、最初に呼出される吸気終末肺胞気つまり第III相の始点(第II相の終点)が相応しい。すなわち、PAminCO2は、図6に示すように、ボリューム・カプノグラムに内接する長方形の極大点H(図5の極大点Hも参照)に対応するCO2ガスの濃度である。従って、機能的残気量FRCは、ボリューム・カプノグラム分析から導出できる。 In equation (2), VCO2 is obtained from volume capnogram analysis, as described above. As PAmaxCO2, the exhaled terminal alveolar mood pressure (not the exhaled terminal mouth mood pressure) at which the diffusion from the pulmonary capillary blood to the alveoli ends is suitable. PAmaxCO2 is obtained from volume capnogram analysis as described above. As PAminCO2, the first called inspiratory terminal alveolar air, that is, the start point of the phase III (the end point of the phase II) is suitable. That is, as shown in FIG. 6, PAminCO2 is the concentration of CO2 gas corresponding to the maximum point H of the rectangle inscribed in the volume capnogram (see also the maximum point H in FIG. 5). Therefore, the functional residual air volume FRC can be derived from the volume capnogram analysis.
以上から、(2)式によって、巨視的概念で定義される機能的残気量FRCを計算することができることがわかる。なお、(2)式の右辺は、単位濃度差(分圧差)当たり拡散されるCO2量を表すので、「CO2拡散機能的残気量」である。拡散機能のない閉鎖腔を含まないので、単なるガス容積量ではなく、CO2の拡散排泄から見た肺機能評価法と言うことができる(図7参照)。 From the above, it can be seen that the functional residual air amount FRC defined by the macroscopic concept can be calculated by the equation (2). Since the right side of the equation (2) represents the amount of CO2 diffused per unit concentration difference (division pressure difference), it is the "CO2 diffusion functional residual air amount". Since it does not include a closed cavity without a diffusion function, it can be said to be a lung function evaluation method from the viewpoint of diffusion and excretion of CO2, not just a gas volume (see FIG. 7).
図7は、FRC内肺胞気CO2濃度変化とVCO2の拡散流入の説明図である。 FIG. 7 is an explanatory diagram of changes in alveolar air CO2 concentration in the FRC and diffusion inflow of VCO2.
図7において、略語とその説明は、以下のとおりである。
PvCO2: 静脈血CO2分圧
PaCO2: 動脈血CO2分圧
図7では、700は、肺胞全体を模式的に表す肺胞モデルであり、702は、肺胞に係る毛細血管を模式的に表す。また、矢印R1は、CO2が肺胞内に拡散排泄される様子を模式的に示す。肺胞モデル700の縦の長さは、FRC空間の容量を表し、肺胞モデル700の横の長さは、肺胞気濃度FACO2を表す。吸気終末(End Inspiration)では、肺胞気濃度FACO2がFAminCO2であるので、FRC空間内のCO2ガスの全体の容量は、FRC×FAminCO2で表される。呼気終末(End Expiration)では、肺胞気濃度FACO2がFAmaxCO2であるので、FRC空間内のCO2ガスの全体の容量は、FRC×FAmaxCO2で表される。なお、吸気終末と呼気終末との間(Mid Expiration)では、CO2が肺胞内に拡散排泄され、FRC空間内のCO2ガスの全体の容量は、FRC×FAmidCO2で表される。なお、FAmidCO2は、FAminCO2よりも大きく、FAmaxCO2よりも小さい。このようにして、縦の長さが一定のFRC空間において、横の長さ肺胞気濃度FACO2がFAminCO2とFAmaxCO2の間で変化し、肺毛細管血液からの拡散を促し生み出されるのがCO2一回排泄量VCO2である。
In FIG. 7, the abbreviations and their explanations are as follows.
PvCO2: Venous blood CO2 partial pressure PaCO2: Arterial blood CO2 partial pressure In FIG. 7, 700 is an alveolar model schematically representing the entire alveoli, and 702 schematically represents the capillaries related to the alveoli. Further, the arrow R1 schematically shows how CO2 is diffused and excreted in the alveoli. The vertical length of the
図8は、肺胞気CO2分圧の呼吸性変動とCO2の拡散流量/拡散量のモデルを示す図である。図8では、上側に、分圧PCO2の時系列波形が示され、下側には、CO2拡散流量V.CO2の時系列波形が示され、図中、“EXP.”は、呼気期間を表し、“INSP.”は、吸気期間を表す。 FIG. 8 is a diagram showing a model of respiratory fluctuation of alveolar air CO2 partial pressure and diffusion flow rate / diffusion amount of CO2. In FIG. 8, the time-series waveform of the partial pressure PCO2 is shown on the upper side, and the CO2 diffusion flow rate V. The time-series waveform of CO2 is shown, in which "EXP." Represents the expiratory period and "INSP." Represents the inspiratory period.
図8において、略語とその説明は、以下のとおりである。
PvCO2: 混合静脈血CO2分圧
PACO2: 肺胞気CO2分圧
PAmaxCO2: 最大肺胞気分圧
PAminCO2: 最小肺胞気分圧
PAmeanCO2: 平均肺胞気分圧=(PAmaxCO2+PAminCO2)/2
ΔPACO2: 肺胞気分圧差=PAmaxCO2-PAminCO2。ΔPACO2/2は肺胞気平均分圧差
V.CO2: CO2拡散流量=肺拡散能力DL×分圧差ΔPACO2(Fickの法則。DLは肺胞膜とガス特性の定数)
V.CO2mean: 平均CO2拡散流量=肺拡散能力DL×肺胞気平均分圧差ΔPACO2/2
VICO2: 吸気相拡散CO2量=V.CO2mean×吸気時間TI
VECO2: 呼気相拡散CO2量=V.CO2mean×呼気時間TE
VCO2: CO2一回排泄量=VICO2+VECO2=V.CO2mean×一呼吸時間T
図8のPCO2グラフに示すとおり、呼気終末に肺毛細管血液CO2分圧とおよそ平衡状態に達した肺胞気分圧PACO2は、CO2を含まない新たな吸気の流入によって吸気終末に最小に達し、混合静脈血CO2分圧PvCO2との分圧差が拡大する。その結果、血液から肺胞へCO2の拡散が起こり、呼気終末にかけて肺毛細管血液CO2分圧を目指して上昇する。このようにPACO2はPAmaxCO2とPAminCO2の間を呼吸性に増減変動する。
In FIG. 8, the abbreviations and their explanations are as follows.
PvCO2: Mixed venous blood CO2 partial pressure PACO2: Alveolar air CO2 partial pressure PAmaxCO2: Maximum alveolar mood pressure PAminCO2: Minimum alveolar mood pressure PAmeanCO2: Average alveolar mood pressure = (PAmaxCO2 + PAminCO2) / 2
ΔPACO2: Alveolar mood pressure difference = PAmaxCO2-PAminCO2. ΔPACO2 / 2 is the alveolar air mean pressure difference V. CO2: CO2 diffusion flow rate = lung diffusion capacity DL × partial pressure difference ΔPACO2 (Fick's law. DL is a constant of alveolar membrane and gas characteristics)
V. CO2mean: Average CO2 diffusion flow rate = Lung diffusion capacity DL × Alveolar air average partial pressure difference ΔPACO2 / 2
VICO2: Inspiratory phase diffusion CO2 amount = V. CO2mean x intake time TI
VECO2: Expiratory phase diffusion CO2 amount = V. CO2mean x expiratory time TE
VCO2: CO2 excretion amount = VICO2 + VECO2 = V. CO2mean x one breath time T
As shown in the PCO2 graph of FIG. 8, the alveolar mood pressure PACO2, which reached an approximately equilibrium with the partial pressure of pulmonary capillary blood CO2 at the end of exhalation, reached the minimum at the end of inspiration due to the influx of new CO2-free inspires and was mixed. The difference in partial pressure from venous blood CO2 partial pressure PvCO2 is widened. As a result, CO2 diffuses from the blood to the alveoli and rises toward the end of exhalation toward the partial pressure of blood CO2 in the pulmonary capillaries. In this way, PACO2 respirably fluctuates between PAmaxCO2 and PAminCO2.
Fickの法則によればCO2の拡散流量V.CO2は、肺毛細血管に流入した混合静脈血と肺胞気との分圧差(PvCO2-PACO2)に比例する。PACO2は上記のとおりPAmaxCO2とPAminCO2の間を変動しているので、実際に血液から肺胞へのCO2拡散を駆動する分圧差(矢印R2参照)は、(PvCO2-PAminCO2)-(PvCO2-PAmaxCO2)=PAmaxCO2-PAminCO2=ΔPACO2の範囲で変動する。それによって拡散流量V.CO2もグラフのように変動し、この面積(流量の積分)がCO2拡散量を表し、CO2一回排泄量VCO2=吸気相拡散量VICO2+呼気相拡散量VECO2である。更に、拡散を駆動する平均分圧差は、(PAmaxCO2-PAminCO2)/2=ΔPACO2/2なので、Fickの法則によって平均拡散流量V.CO2mean=DL×ΔPACO2/2であるから、VICO2+VECO2=V.CO2mean×TI+V.CO2mean×TE=V.CO2mean×T=DL×ΔPACO2/2×T=VCO2となる。なお、式(2)のように、FRC=VCO2/(FAmaxCO2-FAminCO2)であるが、上式から更にFRC=VCO2/ΔFACO2=VCO2/(ΔPACO2/713)=(DL×ΔPACO2/2×T)/(ΔPACO2/713)=DL×T×713/2であり、FRCは肺拡散能力DLと一呼吸時間Tに比例することが分かる。なお、上記の式の“713”は、体温37℃・大気圧760mmHgのとき、飽和水蒸気圧47mmHgとして、上述の変換定数k=(760-47)から得られる値である。 According to Fick's law, the diffusion flow rate of CO2 V. CO2 is proportional to the partial pressure difference (PvCO2-PACO2) between the mixed venous blood flowing into the pulmonary capillaries and the alveolar air. Since PACO2 fluctuates between PAmaxCO2 and PAminCO2 as described above, the partial pressure difference (see arrow R2) that actually drives the CO2 diffusion from the blood to the alveoli is (PvCO2-PAminCO2)-(PvCO2-PAmaxCO2). = PAmaxCO2-PAminCO2 = ΔPACO2. Thereby, the diffusion flow rate V. CO2 also fluctuates as shown in the graph, and this area (integral of flow rate) represents the amount of CO2 diffusion, and CO2 single excretion amount VCO2 = inspiratory phase diffusion amount VICO2 + expiratory phase diffusion amount VECO2. Further, since the average partial pressure difference driving the diffusion is (PAmaxCO2-PAminCO2) / 2 = ΔPACO2 / 2, the average diffusion flow rate V. Since CO2mean = DL × ΔPACO2 / 2, VICO2 + VECO2 = V. CO2men x TI + V. CO2mean × TE = V. CO2mean × T = DL × ΔPACO2 / 2 × T = VCO2. Although FRC = VCO2 / (FAmaxCO2-FAminCO2) as in the equation (2), FRC = VCO2 / ΔFACO2 = VCO2 / (ΔPACO2 / 713) = (DL × ΔPACO2 / 2 × T) from the above equation. / (ΔPACO2 / 713) = DL × T × 713/2, and it can be seen that FRC is proportional to the lung diffusion capacity DL and one breathing time T. In addition, "713" of the above formula is a value obtained from the above-mentioned conversion constant k = (760-47) as a saturated water vapor pressure of 47 mmHg when the body temperature is 37 ° C. and the atmospheric pressure is 760 mmHg.
次に、機能的残気量FRCの算出方法の他の例について説明する。 Next, another example of the method of calculating the functional residual air amount FRC will be described.
図9は、機能的残気量FRCの算出方法の他の例の説明図である。 FIG. 9 is an explanatory diagram of another example of the calculation method of the functional residual air amount FRC.
図9において、左は吸気終末の肺胞気モデルである。吸気終末では、一回換気量VTEがFRC空間に送られることで、肺胞気CO2濃度は最小濃度FAminCO2に低下する。死腔空間VDにはCO2が存在しないので、この時のCO2の総量は(FRC+VA)×FAminCO2であり、肺胞に接する肺毛細管血液の分圧PcCO2とFAminCO2との分圧差によって血液から肺胞へVCO2が迅速に拡散する。 In FIG. 9, the left is an alveolar air model at the end of inspiration. At the end of inspiration, the tidal volume VTE is sent to the FRC space, which reduces the alveolar air CO2 concentration to the minimum concentration FAminCO2. Since CO2 does not exist in the dead space VD, the total amount of CO2 at this time is (FRC + VA) × FAminCO2, and the partial pressure difference between the partial pressure PcCO2 and FAminCO2 of the lung capillary blood in contact with the alveoli causes the blood to go to the alveoli. VCO2 diffuses rapidly.
図9において、右は拡散が終了した呼気終末の肺胞気と呼出気のモデルであり、この時のCO2の総量は、(FRC+VA)×FAmaxCO2である。 In FIG. 9, the right is a model of alveolar air and exhalation at the end of exhalation after diffusion, and the total amount of CO2 at this time is (FRC + VA) × FAmaxCO2.
上記モデルを等式化すると、以下のとおりである。
(FRC+VA)×FAminCO2+VCO2=(FRC+VA)×FAmaxCO2
これを変形すると、
(FRC+VA)×(FAmaxCO2-FAminCO2)=VCO2
よって、機能的残気量FRCは、次のとおりである。
FRC=VCO2/(FAmaxCO2-FAminCO2)-VA
すなわち、機能的残気量FRCは、VCO2/(FAmaxCO2-FAminCO2)から肺胞換気量VAを減算した値として導出することもできる。
The equation of the above model is as follows.
(FRC + VA) x FAminCO2 + VCO2 = (FRC + VA) x FAmaxCO2
If you transform this,
(FRC + VA) × (FAmaxCO2-FAminCO2) = VCO2
Therefore, the functional residual air amount FRC is as follows.
FRC = VCO2 / (FAmaxCO2-FAminCO2) -VA
That is, the functional residual air volume FRC can also be derived as a value obtained by subtracting the alveolar ventilation volume VA from VCO2 / (FAmaxCO2-FAminCO2).
より具体的には、拡散の駆動力である肺胞気のCO2分圧変化は一回換気量VT(VTI,VTE)によって生み出される。一回換気量VTの一部である死腔量VDは再呼吸されるのでその分のガス交換機能は無効であり、残りが有効な肺胞換気量VA(=VTE-VD)である。機能的残気量FRCにこのVAが加わって上述のような分圧変化が作り出される。よって、肺胞換気量VA分だけ補正して機能的残気量FRCを求めることも可能である。肺胞換気量VAは、上述のように、図5や図6における点Gを求めることで算出可能となる。 More specifically, the change in CO2 partial pressure of alveolar air, which is the driving force of diffusion, is produced by tidal volume VT (VTI, VTE). Since the dead space volume VD, which is a part of the tidal volume VT, is rebreathed, the gas exchange function for that amount is ineffective, and the rest is the effective alveolar ventilation volume VA (= VTE-VD). This VA is added to the functional residual air volume FRC to create the above-mentioned partial pressure change. Therefore, it is also possible to obtain the functional residual air volume FRC by correcting for the alveolar ventilation volume VA. The alveolar ventilation volume VA can be calculated by obtaining the point G in FIGS. 5 and 6 as described above.
なお、機能的残気量FRCの体積としての値を求める観点からは、FRC=VCO2/(FAmaxCO2-FAminCO2)-VAとすることが好ましいが、FRC=VCO2/(FAmaxCO2-FAminCO2)としても、機能的残気量FRCのモニタリング(肺のCO2排泄機能評価)の観点からは特段の問題はない。 From the viewpoint of obtaining the value of the functional residual air amount FRC as the volume, it is preferable that FRC = VCO2 / (FAmaxCO2-FAminCO2) -VA, but FRC = VCO2 / (FAmaxCO2-FAminCO2) also functions. There is no particular problem from the viewpoint of monitoring the target residual air volume FRC (evaluation of CO2 excretion function of the lungs).
ところで、従来、主なFRC測定法は、ヘリウム閉鎖回路法、体プレスチモグラフ法、窒素洗い出し開放回路法、6フッ化硫黄ガスSF6による開放回路法、CT断面積画像分析による推定法等がある。なお、ヘリウム閉鎖回路法は、既知容量の容器から既知濃度の血液非溶解性ガスHeを、容器内と肺胞内濃度が平衡に達するまで呼吸し、前後の濃度変化から肺容量を推定する方法である。また、体プレスチモグラフ法は、既知容量の密室に置かれた被験者に呼吸させて、密室の圧変化、被験者の口腔内圧変化を、ボイルの法則(PV一定)によって等式化し肺容量を求める方法である。また、窒素洗い出し開放回路法は、純酸素で呼吸して肺内の窒素N2を全て除去し、除去された窒素の量から残気量を推定する方法である。なお、他に酸素と二酸化炭素濃度から窒素濃度の変化を推定する間接法もある。しかしながら、いずれもベッドサイド(手術麻酔・集中治療・病棟)での実用化には程遠いものである。 By the way, conventionally, the main FRC measurement methods include a helium closed circuit method, a body prestimograph method, a nitrogen wash-out open circuit method, an open circuit method using sulfur hexafluoride gas SF6, and an estimation method by CT cross-sectional area image analysis. .. The helium closed circuit method is a method in which blood-insoluble gas He of a known concentration is breathed from a container of a known volume until the concentration in the container and the alveoli reach equilibrium, and the lung volume is estimated from the change in the concentration before and after. Is. In the body prestimograph method, a subject placed in a closed room with a known volume is made to breathe, and the pressure change in the closed room and the oral pressure change of the subject are equalized by Boyle's law (PV constant) to obtain lung volume. The method. Further, the nitrogen wash-out open circuit method is a method of breathing with pure oxygen to remove all nitrogen N2 in the lungs and estimating the residual air amount from the amount of the removed nitrogen. There is also an indirect method for estimating the change in nitrogen concentration from the oxygen and carbon dioxide concentrations. However, all of them are far from practical use at the bedside (surgical anesthesia, intensive care, ward).
この点、本実施形態によるFRC算出法は、上述のように、ボリューム・カプノグラム分析に基づく分析方法である。従って、小型軽量簡便な装置によってベッドサイドモニタリングが可能となる。 In this respect, the FRC calculation method according to the present embodiment is an analysis method based on the volume capnogram analysis as described above. Therefore, bedside monitoring is possible with a compact, lightweight and simple device.
図10A~図10Cは、気腹全身麻酔中のFRC計算例を示す図である。図10A~図10Cでは、横軸に時間を取り、縦軸に容積(左側)及び気腹のオン/オフ(右側)を取り、機能的残気量FRCの変化態様1002と、気腹のオン/オフの変化態様1001が示される。
10A-10C are diagrams showing an example of FRC calculation during general anesthesia for pneumoperitoneum. In FIGS. 10A to 10C, time is taken on the horizontal axis, volume (left side) and pneumoperitoneum on / off (right side) are taken on the vertical axis, and the
気腹全身麻酔中は、通常10数mmHgの腹腔加圧で横隔膜が胸腔を圧迫するため、肺胞は膨らみにくくなり機能的残気量FRCは減少傾向となる。図10A~図10Cに示すように、気腹のオン/オフによる機能的残気量FRCの変化が明瞭に捉えられている。特に図10Cに示す三例目のような長時間気腹では無気肺を生じやすいので、途中で肺胞開存手技(リクルートメント・マヌーバ:recruitment maneuver)が必要となる。本実施形態によるモニタシステム200によれば、機能的残気量FRCの変化が明瞭に捉えられるので、気腹全身麻酔中の機能的残気量FRCの減少傾向や減少度合い等を適切に評価できることが期待できる。
During general anesthesia with pneumoperitoneum, the diaphragm presses on the thoracic cavity by applying abdominal pressure of 10 mmHg, so that the alveoli are less likely to swell and the functional residual air volume FRC tends to decrease. As shown in FIGS. 10A to 10C, changes in the functional residual air volume FRC due to on / off of the pneumoperitoneum are clearly captured. In particular, since atelectasis is likely to occur in a long-term pneumoperitoneum as shown in FIG. 10C, alveolar patency procedure (recruitment maneuver) is required on the way. According to the
次に、制御装置3の動作例について説明する。
Next, an operation example of the
図11は、制御装置3により実現されるFRC算出処理のための動作例を表すフローチャートである。図11に示す処理は、初期化処理後、所定周期ごとに実行されてよい。
FIG. 11 is a flowchart showing an operation example for the FRC calculation process realized by the
ステップS110では、制御装置3は、フローセンサ13及び呼吸ガスセンサ14からのデータを取得する。
In step S110, the
ステップS112では、制御装置3は、ステップS110で得たデータに基づいて、濃度FをX軸、換気量VをY軸としたX-Y座標上に、ボリューム・カプノグラムを生成(描画)する。ボリューム・カプノグラムは、前回の呼吸に係るボリューム・カプノグラムに対して上書きされる態様で描画されてよい。
In step S112, the
ステップS114では、制御装置3は、ステップS112で描画するボリューム・カプノグラムに基づいて、呼気終末CO2濃度FETCO2が得られたか否かを判定する。判定結果が“YES”の場合、ステップS116に進み、それ以外の場合は、今回周期の処理は終了する。
In step S114, the
ステップS116では、制御装置3は、FRC算出処理を実行する。FRC算出処理の例は、図12を参照して後述する。
In step S116, the
ステップS118では、制御装置3は、ステップS116で算出したFRCを出力する。なお、FRCの出力方法は上述したとおりであってよい。FRCは、前回の呼吸に係るFRCに上書きされる態様で数値で出力されてよいし、図10A等に示したような時系列波形で出力されてもよい。
In step S118, the
ステップS120では、制御装置3は、ステップS116で算出したFRCを記録する。なお、この際、制御装置3は、FRCとともに、他のパラメータ(CO2一回排泄量VCO2や最大肺胞気CO2濃度FAmaxCO2等)を記録してもよい。また、この場合、制御装置3は、ファイル形式でFRCデータ等を記録してもよい。
In step S120, the
図12は、FRC算出処理(図11のステップS116)の一例を示すフローチャートである。 FIG. 12 is a flowchart showing an example of the FRC calculation process (step S116 in FIG. 11).
ステップS1160では、制御装置3は、ステップS112で描画したボリューム・カプノグラム(今回分の呼吸に係るボリューム・カプノグラム)に基づいて、一回換気量VTEを算出する。
In step S1160, the
ステップS1162では、制御装置3は、同ボリューム・カプノグラムに基づいて、CO2一回排泄量VCO2を算出する。
In step S1162, the
ステップS1164では、制御装置3は、ステップS1162で算出したCO2一回排泄量VCO2に基づいて、V=VCO2/FCO2である反比例曲線(図6参照)を、濃度FをX軸、換気量VをY軸としたX-Y座標上に生成する。なお、反比例曲線を生成するX-Y座標は、ボリューム・カプノグラムが描画されるX-Y座標と同じであってよい。また、変形例では、V=VCO2/FCO2+(VTI-VTE)なる反比例曲線(図5参照)を生成してもよい。
In step S1164, the
ステップS1166では、制御装置3は、ステップS112で描画したボリューム・カプノグラムと、ステップS1164で得た反比例曲線とに基づいて、最大肺胞気CO2濃度であるFAmaxCO2を算出する。FAmaxCO2は、例えば、VCO2/VAとして算出される。なお、VAは、点G(図6参照)を求めることで算出可能である。
In step S1166, the
ステップS1168では、制御装置3は、ステップS112で描画したボリューム・カプノグラムに対して点Hを特定する。点Hは、上述のように、ボリューム・カプノグラムに内接する長方形が極大となる点である。
In step S1168, the
ステップS1170では、制御装置3は、ステップS1168で得た点Hに基づいて、最大肺胞気CO2濃度であるFAminCO2を算出する。FAminCO2は、例えば、点HのX座標として算出される。
In step S1170, the
ステップS1172では、制御装置3は、ステップS1162で得たVCO2と、ステップS1166で得たFAmaxCO2と、ステップS1170で得たFAminCO2とに基づいて、機能的残気量FRCを算出する。すなわち、FRC=VCO2/(FAmaxCO2-FAminCO2)により、機能的残気量FRCを算出する。なお、他の実施形態では、FRC=VCO2/(FAmaxCO2-FAminCO2)-VAにより、機能的残気量FRCが算出されてもよい。
In step S1172, the
このようにして、図11及び図12に示す処理によれば、リアルタイムに機能的残気量FRCが算出される。これにより、例えば気腹全身麻酔中等において、ベッドサイドでの機能的残気量FRCのモニタリングが可能となる。 In this way, according to the processes shown in FIGS. 11 and 12, the functional residual air amount FRC is calculated in real time. This makes it possible to monitor the functional residual air volume FRC at the bedside, for example, during general anesthesia for pneumoperitoneum.
以上、各実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施形態の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。 Although each embodiment has been described in detail above, the present invention is not limited to a specific embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims. It is also possible to combine all or a plurality of the components of the above-described embodiment.
例えば、上述した実施形態では、濃度を用いてFRCを算出しているが、等価的に、分圧を用いてFRCを算出してもよい。上述したように、濃度と分圧は、体温37℃・大気圧760mmHgのとき、CO2の場合、[分圧PCO2=k×濃度FCO2]の関係があるためである。従って、体温37℃・大気圧760mmHgのとき、FRC=k×VCO2/(PAmaxCO2-PAminCO2)や、FRC=k×VCO2/(PAmaxCO2-PAminCO2)-VAにより、FRCを算出してもよい。また、分圧を用いる場合、V=VCO2/FCO2の関係を含む上述の反比例曲線に代えて、V∝VCO2/PCO2の関係を含む反比例曲線が用いられてよい。 For example, in the above-described embodiment, the FRC is calculated using the concentration, but the FRC may be calculated using the partial pressure equivalently. This is because, as described above, the concentration and the partial pressure have a relationship of [partial pressure PCO2 = k × concentration FCO2] in the case of CO2 when the body temperature is 37 ° C. and the atmospheric pressure is 760 mmHg. Therefore, when the body temperature is 37 ° C. and the atmospheric pressure is 760 mmHg, the FRC may be calculated by FRC = k × VCO2 / (PAmaxCO2-PAminCO2) or FRC = k × VCO2 / (PAmaxCO2-PAminCO2) -VA. When the partial pressure is used, an inverse proportional curve including the relationship of V∝VCO2 / PCO2 may be used instead of the above-mentioned inverse proportional curve including the relationship of V = VCO2 / FCO2.
また、上述した実施形態では、上述したモニタシステム200及びその制御方法が、循環式呼吸回路1を有する吸入麻酔システム100に適用される場合が例示されているが、これに限られない。例えば、上述したモニタシステム200及びその制御方法は、ICU・病棟・在宅用の人工呼吸器にも適用できる。
Further, in the above-described embodiment, the case where the above-mentioned
1 循環式呼吸回路
2 ガス供給装置
3 制御装置
11 吸気弁
12 コネクタ
13 フローセンサ
14 呼吸ガスセンサ
15 呼気弁
16 CO2吸収剤キャニスタ
17 ベンチレータ
31 記憶装置
32 演算装置
33 入力装置
34 表示装置
35 インタフェース(I/F)
36 フローセンサ回路
37 呼吸ガスセンサ駆動回路
100 吸入麻酔システム
200 モニタシステム
1 Circulation
36
Claims (10)
前記制御装置は、一回の呼吸に関して、
前記フローセンサの測定結果に基づく換気量であるVと、前記呼吸ガスセンサの測定結果に基づくCO2ガスの濃度又は分圧であるFCO2又はPCO2とを同期させて、2次元座標上で濃度/分圧-換気量ループを生成し、
前記濃度/分圧-換気量ループが囲む面積に基づいて前記CO2ガスの排泄量であるVCO2として求め、
前記VCO2を用いてV=VCO2/FCO2又はV∝VCO2/PCO2の関係を含む反比例曲線を生成し、
前記濃度/分圧-換気量ループと前記反比例曲線とに基づいて、機能的残気量であるFRCを算出し、
算出した前記FRCを出力する、モニタシステムの制御方法。 A flow sensor that continuously detects the flow of the patient's breathing gas, a breathing gas sensor that continuously detects the concentration of the component gas of the breathing gas, and a control device connected to the flow sensor and the breathing gas sensor. It is a control method of the equipped monitor system.
The control device relates to a single breath.
The concentration / partial pressure in two-dimensional coordinates is synchronized with V, which is the ventilation volume based on the measurement result of the flow sensor, and FCO2 or PCO2, which is the concentration or partial pressure of CO2 gas based on the measurement result of the breathing gas sensor. -Create a ventilation loop,
Obtained as VCO2, which is the amount of CO2 gas excreted, based on the area surrounded by the concentration / partial pressure-ventilation volume loop.
Using the VCO2, an inverse proportional curve including the relationship of V = VCO2 / FCO2 or V∝VCO2 / PCO2 is generated.
Based on the concentration / partial pressure-ventilation volume loop and the inverse proportional curve, the FRC, which is the functional residual air volume, is calculated.
A monitor system control method for outputting the calculated FRC.
前記制御装置は、一回の呼吸に関して、
前記フローセンサの測定結果に基づく換気量であるVと、前記呼吸ガスセンサの測定結果に基づくCO2ガスの濃度又は分圧であるFCO2又はPCO2とを同期させて、2次元座標上で濃度/分圧-換気量ループを生成し、
前記濃度/分圧-換気量ループが囲む面積に基づいて前記CO2ガスの排泄量であるVCO2として求め、
前記VCO2を用いてV=VCO2/FCO2又はV∝VCO2/PCO2の関係を含む反比例曲線を生成し、
前記濃度/分圧-換気量ループと前記反比例曲線とに基づいて、機能的残気量であるFRCを算出し、
算出した前記FRCを出力する、モニタシステム。 A flow sensor that continuously detects the flow of the patient's breathing gas, a breathing gas sensor that continuously detects the concentration of the component gas of the breathing gas, and a control device connected to the flow sensor and the breathing gas sensor. It is a equipped monitor system,
The control device relates to a single breath.
The concentration / partial pressure in two-dimensional coordinates is synchronized with V, which is the ventilation volume based on the measurement result of the flow sensor, and FCO2 or PCO2, which is the concentration or partial pressure of CO2 gas based on the measurement result of the breathing gas sensor. -Create a ventilation loop,
Obtained as VCO2, which is the amount of CO2 gas excreted, based on the area surrounded by the concentration / partial pressure-ventilation volume loop.
Using the VCO2, an inverse proportional curve including the relationship of V = VCO2 / FCO2 or V∝VCO2 / PCO2 is generated.
Based on the concentration / partial pressure-ventilation volume loop and the inverse proportional curve, the FRC, which is the functional residual air volume, is calculated.
A monitor system that outputs the calculated FRC.
前記一回の呼吸に対して、前記フローセンサの測定結果に基づく換気量であるVと、前記呼吸ガスセンサの測定結果に基づくCO2ガスの濃度又は分圧であるFCO2又はPCO2とを同期させて、2次元座標上で濃度/分圧-換気量ループを生成し、
前記一回の呼吸に対して、前記濃度/分圧-換気量ループが囲む面積に基づいて前記CO2ガスの排泄量であるVCO2として求め、
前記一回の呼吸に対して、前記VCO2を用いてV=VCO2/FCO2又はV∝VCO2/PCO2の関係を含む反比例曲線を生成し、
前記一回の呼吸に対して、前記濃度/分圧-換気量ループと前記反比例曲線とに基づいて、機能的残気量であるFRCを算出し、
前記一回の呼吸に対して、算出した前記FRCを出力する、
処理をコンピュータに実行させるプログラム。 Measurement results related to one breath are obtained from a flow sensor that continuously detects the flow of the patient's breathing gas and a breathing gas sensor that continuously detects the concentration of the component gas of the breathing gas.
For the one breath, V, which is the ventilation volume based on the measurement result of the flow sensor, and FCO2 or PCO2, which is the concentration or partial pressure of CO2 gas based on the measurement result of the breathing gas sensor, are synchronized. Generate a concentration / partial pressure-ventilation loop on two-dimensional coordinates,
For the one breath, it is determined as VCO2, which is the excretion amount of the CO2 gas, based on the area surrounded by the concentration / partial pressure-ventilation volume loop.
For the single breath, the VCO2 is used to generate an inverse proportional curve containing the relationship V = VCO2 / FCO2 or V∝VCO2 / PCO2.
For the single breath, the FRC, which is the functional residual air volume, was calculated based on the concentration / partial pressure-ventilation volume loop and the inverse proportional curve.
The calculated FRC is output for each breath.
A program that causes a computer to perform processing.
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