JP2008518733A - 人の心臓の心拍出量を決定する方法およびユニット - Google Patents

Abstract

人の心臓の心拍出量を決定する方法であって、この方法は、呼気の１回換気量を測定するためのセンサと、呼気の１回換気量から酸素摂取量を測定するためのセンサと、呼気の１回換気量中のＣＯ_２分圧を測定するためのセンサとを設けることと、測定されたＣＯ_２分圧および酸素摂取量を１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に関連付けるための循環モデルを設けることと、を備える。測定された呼気の１回換気量、酸素摂取量およびＣＯ_２分圧は前記循環モデルに入力され、前記循環モデルに整合する１呼吸当たりの心臓の１回拍出量が計算される。

Description

今日、人の心拍出量のモニタリングに関しては多くの技術が利用可能である。これらは侵襲または無侵襲計測技術に基づいており、連続または非連続的なモニタリングの目的に対して開発されている。１つの連続的なモニタリング方法は米国特許第５４００７９３号明細書の「モデルフロー（Ｍｏｄｅｌｆｌｏｗ）」に開示されている。この方法は大動脈から生じるパルス型血流圧力信号を結合し、大動脈がウインドケッセル・コンプライアンスにより補足される伝送路と考えられる流れを計算する。

例えば、大手術を受けるまたは集中治療される患者の、心拍出量モニタリングは、患者の状態に関する有用な情報を提供する。非連続な方法は高信頼性であるが、多くの場合侵襲性であり、測定の実施には相当の技術を必要とする。このため、連続的な心拍出量モニタリングはますます普及してきている。したがって、連続的で無侵襲性の心拍出量モニタリングの方法および技術は、心拍出量モニタリングの分野における将来的な発展に対して重要である。

無侵襲性の状態については、上述の「モデルフロー」技術は、手術または集中治療ユニットにおいて常に利用可能とは限らない、無侵襲性の血圧信号の有効性を必要とする。さらに、モデルフロー技術は他の複雑な心拍出量モニタリング技術を用いて校正される必要がある。

本発明は、心拍出量の高信頼性の連続的測定を実現すると同時に、複雑なまたは侵襲性の測定または校正の実施の必要性を除去することを目的とする。本発明は、心拍出量の変化および絶対的な心拍出量の測定の両方に対して、心拍出量の高信頼性モニタを提供することを目的とする。

発明を解決するための手段

この目的を達成するために、本発明は請求項１の特徴による方法を提供する。具体的には、１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に対して測定されるＣＯ_２分圧および酸素摂取量が心拍出量に関連する、循環モデルを提供することにより、高信頼性測定を実現するために最小限の属性値を必要とするだけになる。別の態様では、本発明は、肺を能動的または受動的に換気し、請求項２２による呼吸マスク部品を備える換気ユニットを提供する。具体的には、本発明は、
呼気の１回換気量および呼吸数を測定するための呼吸検出器と、
呼気の１回換気量から酸素摂取量を測定するための酸素センサと、
呼気の１回換気量中のＣＯ_２分圧を測定するためのＣＯ_２センサと、
測定されたＣＯ_２分圧、呼気性の１回換気量および酸素摂取量を１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に関連付けるために、循環モデル整合するようにプログラムされたプロセッサと、を備えた換気ユニットであって、
呼吸検出器、酸素センサおよびＣＯ_２センサは、測定された呼気の１回換気量、測定された酸素摂取量ＶＯ_２および測定されたＣＯ_２分圧を入力する前記プロセッサに結合されるように構成され、およびプロセッサは、前記循環モデルに整合する出力ユニットに１呼吸当たりの心臓の１回拍出量を出力するように構成されている、換気ユニットを提供する。

本発明者らはＣＯ_２分圧の変化は循環システムの数学モデルを用いてモデル化できることを見出した。したがって、本発明により、カプノグラフおよび呼吸毎モデルを用いて、心臓の心拍出量を連続的に、無侵襲的に監視できる。

好ましい実施形態では、前記循環モデルは肺尖および肺底区域の分布を定義し、各区域は所定の換気血流比（Ｖ／Ｑ）を定義する。ただし、ｎ呼吸当たりの心臓の１回拍出量ＳＶ_ｎは、測定された呼気終末のＣＯ_２分圧および肺の酸素摂取量から求められる、各区域の空気中のＣＯ_２の推定割合ｂに整合するように計算される。モデルが考慮に入れる換気血流比は、監視される被験者内の循環の物理的または病理的な状態を組み込んでいる。

立っている状態では、肺全体の血流分布は、直立姿勢における肺尖から肺底への静水圧の相違差のために変化する。１回換気量の分布もまた、肺コンパートメントの変化する圧力／容積関係のために変化する。結果として、全体の換気／血流比も変化する。結果は、モデルが姿勢の変化中におけるＣＯ_２分圧の呼気終末の変化を正確に推定し、実質的に心拍出量の変化とされる、固定された体姿勢におけるＣＯ_２分圧（Ｐ_ＣＯ２）の自然発生変化を追跡することを示している。なお、このモデルのいくつかの部分は、本発明者の学術論文”１回換気量、心拍出量および機能残気量は、人の起立状態における呼気終末のＣＯ_２の過渡特性を決定する”(”Tidal Volume, Cardiac output and functional residual capacity determine end-tidal CO₂ transient during standing up in humans”）Janneke Gisolf他、J Physiol.554.2 p579〜590”に開示されている。

さらなる特徴および利点は図面と併せて説明を読むことにより明らかになるであろう。

図１の概略図は、例えば、手術の間などにおいて、患者２が能動的または受動的に換気されている、集中治療ユニット１を示す。この目的のために、換気マスク３が口に接続され、呼吸空気が肺を換気するためのダクト４を介して供給される。ダクト４のマウスピース５内または近傍にはセンサ６が設けられ、呼気１回換気量中の呼気終末のＣＯ_２分圧を測定する。酸素摂取量センサ７はマウスピースの近傍に示されているが、自動換気マシン８内にかなり離れて設けられてもよい。さらに、検出器９が呼吸数を検出するために設けられる。換気マシン８内には、さらに呼吸の１回換気量、具体的には呼気の１回換気量を測定するために、検出器が設けられる。測定された呼気の１回換気量、酸素摂取量および測定された呼気終末のＣＯ_２分圧はプロセッサ１０に送られる。瞬間的呼気終末のＣＯ_２分圧に加えて、さらに１呼吸当たりの時間積分ＣＯ_２分圧も測定して、プロセッサ１０に送ることができる。

プロセッサ１０は、肺尖および肺底区域の分布を定義する、循環モデルに整合してプログラムされ、各区域は所定の換気血流比（Ｖ／Ｑ）を定義し、呼吸ｎ当たりの心臓の１回拍出量は、測定された呼気終末のＣＯ_２分圧および肺の酸素摂取量から求められる、各区域における空気中のＣＯ_２の推定割合に整合するように計算される。

モデルが考慮に入れる換気血流比は、監視される被験者における循環の物理的または病理状態を組み込んでいる。モデルはさらに図２に詳細に示されている。心拍出量の測定値を表わす出力値は、プロセッサ１０から、例えば、集中治療モニタリングにおいて作動している表示装置または処理装置などの、モニタリング装置１１に出力される。

図２に示されているとおり、特定の実施形態では、循環モデルは、肺尖および肺底区域１２の分布を定義し、肺尖から肺底区域の各区域は、仰臥位において一定の換気血流比Ｖ／Ｑとなり、または立位において換気血流比Ｖ／Ｑが減少する結果をもたらす。このモデルでは、呼吸ｎ当たりの心臓の１回拍出量ＳＶｎは、測定された呼気終末のＣＯ_２分圧、肺の酸素摂取量から求められる、各区域における空気中のＣＯ_２の推定割合ｂに整合するように計算され、さらに以下に定義されるモデル等式の式１６で例示される。

図２に示されるとおり、循環モデルは、循環する全体血液量１３および全体換気空気量１４を定義する。心拍出量を評価するために、前記全体血液量／空気量中の合計ＣＯ_２含有量が、以下に詳細に説明されるように計算される。図示された実施形態では、モデルは９つの肺区域１２を含む。モデルはさらに、静脈コンパートメントＶｖ、動脈コンパートメントＶａおよび区域化された肺の毛細管の固定血液量Ｖｃａｐ、区域全体に分布した１呼吸当たりの可変の心臓の１回拍出量ＳＶ_ｎを定義し、前記全換気空気量は、固定容積の区域化された機能残気量ＦＲＣ、区域全体に分布した可変の呼気の１回換気量ＶＴ_ｎ、および解剖学的死腔ＶＤを含む。ＦＲＣとＶＴの各区域の構成比はその位置により決定され、肺尖区域は肺底区域より小さい。解剖学的ＶＤと高さとの間の確立された関係（Ｈａｒｔ他、１９６３）を使用することにより、モデルＶＤは、女性のＶＤに比較してより大きな容積（１．４倍）を男性に対して設定でき、例えば、仰臥位における男性では２００ｍｌ、女性では１４０ｍｌのＶＤを設定できる。立位では、これらの値は７０ｍｌずつ増加される。代替方法では、解剖学的死腔は既存の測定技術を利用して測定できる。

通常は０．７と１．０の間である、ＶＯ_２に対する二酸化炭素生成物（ＶＣＯ_２）の割合として定義される呼吸商（ＲＱ）は、０．９に固定して設定された。あるいは、ＲＱ値の可変値は公知の測定技術を利用してモデルに入力できる。酸素摂取量の変化の結果は、２つの側面がある。
１．酸素摂取量は基礎代謝に関連し、ＣＯ_２生成に関連する。静止状態については、仰臥位の測定では、酸素摂取量の変化はほとんどない。
２．血液の酸素化レベルはＣＯ_２を運搬する血液の能力（「ホールデン効果」として公知の）を決定する。通常の静止時の測定では、酸素化は最適であり、ＣＯ_２摂取量は以下に詳しく説明する式１により定義される。

肺の毛細管容積および細静脈容積は、ガス交換が両方において発生するため、一緒にまとめられる。肺の主要動脈は静脈コンパートメントに含まれ、肺の主要静脈は動脈コンパートメントに含まれる。実際の実施例では、５．５ｌの全体血液量はＶｖ（４．０１）、Ｖａ（１．３１）およびＶｃａｐ（０．２１）に分散する。区域化モデルは、肺内の重力により発生する血液潅流勾配に対する重力の影響を含む。仰臥位では、ＳＶおよびＶＴはすべてのコンパートメント全体にわたり等しく分散される。９つのコンパートメントでは、仰臥位において、各肺コンパートメントは呼吸毎のＳＶおよびＶＴの９分の１を受ける。立位では、肺尖から肺底への血流および換気勾配が存在し、肺底では血流および換気が増加する。血流勾配は換気勾配より急勾配であり、結果として７．９〜０．８の肺尖対肺底のＶ／Ｑ勾配をもたらす。さらに、解剖学的死腔ＶＤの様々な値は、例えば＋５３ｍｌ（解剖学的）から＋８１ｍｌ（生理学的）に変動する範囲で、仰臥位から立位の呼吸姿勢にわたって使用される。

表１は、仰臥位および立位における、肺区域ｋ当たりの、１回拍出量（ＳＶ）、１回換気量（ＶＴ）機能残気量（ＦＲＣ）および肺毛細管の血液容量（Ｖｃａｐ）の分布を定義しており、これらはモデルに含むことができる。立位の姿勢での分布はWest JB”立位の人の肺のガス交換における区域差”(”Regional differences in gas exchange in the lung of erect man”）J Appl Physiol 17,893-898 West(1962)により以前に実行された測定に基づいている。立位のために、ＦＲＣは仰臥位に対して増加している。

姿勢の変化による短期の呼気終末Ｐ_ＣＯ２の変化を追跡するために、データは、立位前１５０秒に開始し、立位後１５０秒で終了するように選択された。平均の動脈圧はFinapres(Model 5；オランダ応用科学研究機構、生物医学計測協会（Netherlands Organization for Applied Scientific Research, Biomedical Instrumentation、TNOBMI)を用いて測定された。カフは、心臓レベルに置かれた、利き腕の中指の中節骨に装着した。ＳＶの拍動毎の変化は動脈圧からの流れのモデル化により推定された（モデルフロー、TNOBMI）。この方法は、大動脈インピーダンスの非直線の３素子モデルを使用して周辺の動脈圧信号から動脈波形を計算する（Jellema他 １９９９；Harms他 １９９９）。

心拍出量はＳＶとＨＲの積であった。モデルフローＱを校正するためのＱの絶対値を得るために、Ｆｉｃｋにより決定されるＱを、仰臥位および立位における、動脈および中心静脈Ｏ_２含有量およびＶＯ_２から得た。Ｑの絶対値を用いて、仰臥位における１５０秒間および立位における１５０秒間で平均されるモデルフローＱを校正した。呼吸毎のオンラインのガス分析は、医療グラフィックスＣＰＸ／Ｄ代謝カートを使用して実行された。呼吸ガスはマウスピースから連続的にサンプリングされ、ガス分圧はジルコニア酸素分析器（精度±０．０３％Ｏ_２）およびＣＯ_２の非分散型赤外センサ（精度±０．０５％Ｏ_２）から得られ、これらからＶＯ_２、ＶＣＯ_２およびＰＥＴＣＯ_２を求めた。

図３は測定されたサンプルを示しており、循環モデルの有効性を検証するために、個々の被験者に対して呼吸毎の呼気終末のＣＯ_２分圧が記録される。図は、仰臥位の１５０秒および立位の１５０秒間の呼吸毎のＰＥＴＣＯ_２測定（＊）および同一期間のモデルのシミュレーション（Ｏ）のグラフを含む。矢印は時間ゼロにおける仰臥位から立位への姿勢変化を示している。モデルへの入力はＶＴ、ＳＶ（１呼吸当たりの合計）およびＶＯ_２の測定された呼吸毎の値であった。静脈および動脈血液中および様々な肺コンパートメント中のＰＣＯ_２の開始値は、各試験被験者に対して、それらの開始する測定されたＰＥＴＣＯ_２に対応して設定された。静脈のＣＯ_２濃度は５２〜５５％の範囲の開始値に設定された。動脈血および肺のコンパートメント内のＰＣＯ_２開始値は４０〜４２ｍｍＨｇの範囲であった。モデルは、立位の間のＰＥＴＣＯ_２を追跡し、さらにＰＥＴＣＯ_２（ｒ^２＝０．４３−０．８６）の姿勢に関連しない変化も追跡し、これらの記録は、ＭＰＥＴＣＯ_２とＰＥＴＣＯ_２（Ｐ＜０．０１）との最大相関関係をもたらす、測定されたＰＥＴＣＯ_２の最大分散を示す。

モデルの等式
モデル等式において使用される様々な量の定義については、次の表２を参照する。

変換および重み関数
血液のＣＯ_２含有量（［ＣＯ_２］）を血液のＣＯ_２分圧（ＰＣＯ_２）に関連付けるＣＯ_２平衡曲線は、数式１を用いて［ＣＯ_２］＝ｆ（ＰＣＯ_２）として表されている。
数式１
ｆ（ｘ）＝０．５３（１．２６６−ｅｘｐ（−０．０２５７ｘ））

血液中の［ＣＯ_２］からＰＣＯ_２を計算するために、次の逆関数を使用する。
数式２
ｆ^−１（ｘ）＝−Ｉｎ（１．２６６−（ｘ／０．５３））０．０２５７

空気中のＰＣＯ_２（ｍｍＨｇ）を［ＣＯ_２］（％）に変換するために、合計０．１３１６％ｍｍＨｇ^−１になる、変換係数ｃを使用する。各肺コンパートメントｋ（ｋ＝１，・・・，９）全体にわたるＳＶおよびＶＴの分布は、関数ｇおよびｈによりそれぞれ表される。これらの関数は、仰臥位および立位では異なり、表２に記載されたＳＶおよびＶＴの部分量を与える、以下の式により与えられる。
数式３
ｇ（ｋ）＝１／９ （仰臥位）
＝−０．０２０５＋０．０２６３ｋ （立位）
数式４
ｈ（ｋ）＝１／９ （仰臥位）
＝０．２２６（１．１０２−ｅｘｐ（−０．１０６３ｋ）） （立位）
ＦＲＣ、ＶｃａｐおよびＶＤの各肺コンパートメントの構成比は、重み関数により与えられる。
数式５
ｗ（ｋ）＝０．１００５５（１．３６７０８−ｅｘｐ（−０．３３９３ｋ））
これは表２に記載されたＦＲＣおよびＶｃａｐの部分量を与える。

静脈のＣＯ _２
各呼吸ｎに対して、前記静脈のコンパートメントＶｖ内のＣＯ_２の変化は、動脈のコンパートメントＶａから到達する量Ａと、基礎代謝により生成されるＣＯ_２の量Ｂとを加算し、静脈のコンパートメントを出る量Ｃを減算することにより表される。ここで、基礎代謝により生成されるＣＯ_２の合計量は１呼吸当たりの酸素摂取量ＶＯ_２の関数として表される。各呼吸ｎに対して、静脈のＣＯ_２含有量（［ＣＯ_２］_ｖ，ｎ）は数式６〜数式９に従うそれの前の値［ＣＯ_２］_{ｖ，ｎ−１}から計算される。静脈のコンパートメント内のＣＯ_２の量は、動脈のコンパートメントから到達する量（Ａ）および基礎代謝から生成される量（Ｂ）により増加し、コンパートメントを出る量（Ｃ）により減少する。このようにして、以下の式が得られる。
数式６
［ＣＯ_２］_ｖ，ｎ−［ＣＯ_２］_{ｖ，ｎ−１}＋（Ａ＋Ｂ−Ｃ）／Ｖｖ
ここで、
数式７
Ｃ＝［ＣＯ_２］_{ｖ，ｎ−１}×ＳＶ_ｎ
数式８
Ａ＝［ＣＯ_２］_{ａ，ｎ−１}×ＳＶ_ｎ
ここで［ＣＯ_２］_ａは動脈のＣＯ_２含有量を表す。
数式９
Ｂ＝’ＶＯ_２、ｎ×ＲＱ（ＴＲＥＳＰ_ｎ／６０）
ここで、’ＶＯ_２，ｎは呼吸ｎに対する酸素抽出（ｍｌ・ｍｉｎ^−１）であり、ＲＱは呼吸商であり、０．９（ＶＣＯ_２’を’ＶＯ_２で割算することにより、被験者データからの近似としての平均）に設定される。この項は呼吸時間（ｍｉｎ）により乗算され（ＴＲＥＳＰ_ｎ／６０）、１呼吸当たり生成されるＣＯ_２を推定する。

動脈のＣＯ _２
各呼吸ｎに対して、前記静脈コンパートメントＶｖ内のＣＯ_２の変化は、動脈のコンパートメントＶａから到達する量Ａと基礎代謝により生成されるＣＯ_２の量Ｂを加算し、静脈のコンパートメントを出る量Ｃを減算することにより表される。ここで、基礎代謝により生成されるＣＯ_２の合計量は１呼吸当たりの酸素摂取量ＶＯ_２の関数として表される。

呼吸ｎに対する動脈血中のＣＯ_２含有量（［ＣＯ_２］_ａ，ｎ）は式１０〜１２により、それの前の値［ＣＯ_２］_{ａ，ｎ−１}から計算される。動脈のコンパートメント内のＣＯ_２の量は、肺から到達するＣＯ_２の量（Ｄ）により増加し、動脈のコンパートメントを出るＣＯ_２の量（Ｅ）により減少する。
数式１０
［ＣＯ_２］_ａ，ｎ＝［ＣＯ_２］_{ａ，ｎ−１} ＋（Ｄ−Ｅ）／Ｖａ

量Ｄは式１１によって各肺コンパートメントｋ（Ｐ_ｋＣＯ_２、ｋ＝１，・・・，９）内の吸気終末のＣＯ_２分圧から推定される。
数式１１
Ｄ＝Σ_ｋ＝１ ^９ｆ（Ｐ_ｋＣＯ２_ｎ−１）×ｇ（ｋ）×ＳＶ_ｎ
ここで、ｆは、血液のＣＯ_２含有量を血液のＣＯ_２分圧に関連付ける上述の関数であり、ｇは９つの肺コンパートメント全体にわたるＳＶの分布を定義する上述の関数である。量Ｅは以下の式で与えられる。
数式１２
Ｅ＝［ＣＯ_２］_{ａ，ｎ−１}×ＳＶ_ｎ
肺のＣＯ _２
各呼吸ｎについて、前記区域化された肺モデルの各区域ｋ内のＣＯ_２量は、コンパートメントｋ内の推定されるＣＯ_２分圧Ｐ_ｋＣＯ_２，ｎの関数として、肺の毛細管Ｖｃａｐ、機能残気量ＦＲＣおよび解剖学的死腔ＶＤ内のＣＯ_２の量Ｆと、心臓の１回拍出量ＳＶ_ｎにより静脈コンパートメントから肺に運搬されるＣＯ_２の量Ｇとを加算して表される。ここで、区域内の推定されるＣＯ_２の分圧Ｐ_ｋＣＯ_２，ｎは、各区域ｋ内の空気中のＣＯ_２の推定割合ｂに関して表される。

肺から流れ出る血液のＰＣＯ_２（ＰｔｃＣＯ_２）は、上述の関数ｇおよびｈにより表されるとおり、重力に発生する血流および換気勾配に依存する。各呼吸に対して、各肺区域ｋ内のＰＣＯ_２（ＰｋＣＯ_２，ｎ）は式１３〜１８により計算される。ＦＲＣでは、肺区域ｋ内のＣＯ_２の量（Ｆ）は、肺毛細管内、ＦＲＣおよびＶＤ内のＣＯ_２含有量により決定される。
数式１３
Ｆ＝ｆ（Ｐ_ｋＣＯ_{２，ｎ−１}）ｗ（ｋ）Ｖｃａｐ＋ｃＰ_ｋＣＯ_{２，ｎ−１}ｗ（ｋ）ＦＲＣ
＋ｃＰＥＴＣＯ_{２，ｎ−１}ｗ（ｋ）ＶＤ
ここで、重み係数ｗおよび変換係数ｃは上述のとおりである。死腔内のＣＯ_２の寄与分は（最後の項）は、以前の呼吸からの呼気終末の空気が死腔から肺に戻されることに注意して計算される。静脈コンパートメントから肺に運搬されるＣＯ_２の量（Ｇ）は以下の式により与えられる。
数式１４
Ｇ＝［ＣＯ_２］_{ａ，ｎ−１}×ＳＶ_ｎ×ｇ（ｋ）

血液中の［ＣＯ_２］と空気中の［ＣＯ_２］の割合αは、前の呼吸ｎ−１から、以下の式に従って近似される。
数式１５
α＝ｆ（ＰＥＴＣＯ_{２，ｎ−１}）／（ｃＰＥＴＣＯ_{２，ｎ−１}）

空気中のＣＯ_２の呼気終末量とＣＯ_２の合計量との割合ｂは、以下の式により与えられる。
数式１６
ｂ＝（ｗ（ｋ）ＦＲＣ＋ｈ（ｋ）ＶＴ_ｎ）／（α（ｗ（ｋ）Ｖｃａｐ＋ｇ（ｋ）ＳＶ_ｎ）
＋ｗ（ｋ）ＦＲＣ＋ｈ（ｋ）ＶＴ_ｎ）

各肺コンパートメントｋ内の呼気終末［ＣＯ_２］は、割合ｂで空気および血液全体わたり分布するＣＯ_２（Ｆ＋Ｇ）の合計量と、コンパートメントｋ内の空気の呼気終末容積とにより決定される。

数式１７
[ＣＯ_２]_ｋ、ｎ＝ｂ（Ｆ＋Ｇ）／（ｗ（ｋ）ＦＲＣ＋ｈ（ｋ）ＶＴ_ｎ）
上記の定数ｃを使用する単純な変換により、次にＰ_ｋＣＯ_２，ｎが得られる。ＰＥＴＣＯ_２は、部分ｈ（ｋ），ｋ＝１，・・・，９により与えられる、１回換気量の分布に依存し、仰臥位および立位間で異なり、以下の式で計算される。
数式１８
ＰＥＴＣＯ_２，ｎ＝Σ_ｋ＝１ ^９ｈ（ｋ）Ｐ_ｋＣＯ_２，ｎ

上述のモデルに関連して、直接計算によって、または反復試験によって、または参照テーブルによって、心臓の１回拍出量ＳＶ_ｎは各呼吸に対し、モデルに整合して決定できる。

仰臥位に対するモデルの適用
仰臥位に関しては、呼気内の測定されるＣＯ_２分圧は、肺コンパートメント内のＣＯ_２分圧に関連付けできる。全体空気圧の比率としてのＣＯ_２圧力はＣＯ_２濃度（また比率として）に対応する。ＣＯ_２平衡曲線に対して、血液中のＣＯ_２圧力は、上述の式１の関数に従って計算できる、より大きなＣＯ_２濃度（比率）に対応する。仰臥位に関しては、肺内のＣＯ_２分圧は、すべての区域に対して等しく、および呼気量内の測定されるＣＯ_２分圧にも等しい。したがって、血液中のＣＯ_２濃度は直接的に得ることができる。ＣＯ_２の生成に係わる血液量は、心拍出量ＳＶと毛細管容積Ｖｃａｐを加えた合計量として表される。溶解したＣＯ_２の量は、推定できるＣＯ_２生成量により決定される。したがって、心拍出量は、呼気のＣＯ_２分圧を測定し、この測定値を数式１を用いて血液中のＣＯ_２濃度に関連付け、ＣＯ_２生成量を血液中のＣＯ_２濃度で割算して心拍出量を算出し、肺の推定される毛細管容積を減算することにより、導き出すことができる。
数式１９
ＳＶ＝（（呼吸毎のＣＯ_２排出量）／血液中の[ＣＯ_２]−Ｖｃａｐ）

測定された呼吸頻度および心拍動数を使用して、この値は簡単に、心拍動当たりの心拍出量の値に変換できる。当業者には、本発明は図面を参照して説明した例示的な実施形態に限定されず、それら実施形態のすべての種類の変形形態を含むことは明らかであろう。このような変形形態は添付の特許請求の範囲の権利保護の範囲内に含まれると見なされる。

本発明による換気ユニットの概略図を示す。 測定されたＣＯ_２分圧および酸素摂取量を１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に関連付ける循環モデルの実施形態の概略図を示す。 試験状態において横になるおよび起立する間の、個々の呼気終末のＣＯ_２分圧（ＰＥＴＣＯ_２）の記録およびモデルシミュレーションを示す。

Claims (24)

1. 呼吸の１回換気量を測定するセンサを設けるステップと、
   呼吸の１回換気量内のＣＯ_２分圧を測定するセンサを設けるステップと、
   測定されたＣＯ_２分圧、酸素摂取量および呼吸の１回換気量を、１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に関連付けるための循環モデルを設けるステップと、
   測定された呼吸の１回換気量、酸素摂取量および測定されたＣＯ_２分圧を前記循環モデルに入力し、および前記循環モデルに整合して１呼吸当たりの前記心臓の１回拍出量を出力するプロセッサを設けるステップと、
   を含むことを特徴とする人の心臓の心拍出量を決定する方法。
2. 前記呼吸の１回換気量から前記酸素摂取量を測定するセンサを設けるステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
3. 前記呼気の１回換気量内の呼気終末のＣＯ_２分圧として前記ＣＯ_２分圧を測定するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
4. 前記呼気の１回換気量内の時間積分したＣＯ_２分圧として、前記ＣＯ_２分圧を測定することをさらに含む請求項１に記載の方法。
5. 前記循環モデルは肺尖区域および肺底区域の分布を定義し、各区域は所定の換気血流比（Ｖ／Ｑ）を定義し、
   ここで、呼吸ｎ当たりの心臓の１回拍出量ＳＶ_ｎは、測定された呼気終末のＣＯ_２分圧および肺の酸素摂取量から求められる、各区域内の空気中のＣＯ_２の推定割合ｂに一致するように計算される請求項１に記載の方法。
6. 前記循環モデルは、循環される全体血液量および換気される全体空気量を定義し、前記全体血液／空気量内の合計のＣＯ_２含有量を決定する請求項１に記載の方法。
7. 前記区域化される循環モデルは、
   肺内の循環血液の１呼吸当たりの心臓の１回拍出量ＳＶのＣＯ_２含有量に対する区域化された血流の寄与率ｇと、
   呼気の１回換気量ＶＴのＣＯ_２含有量に対する区域化された換気の寄与率ｈと、
   機能残気量ＦＲＣおよび肺の毛細管の血液容量ＶｃａｐのＣＯ_２含有量に対する区域化された寄与率ｗとを決定する請求項２に記載の方法。
8. 前記区域化された血流の寄与率ｇは、仰臥位においては定数であり、立位の姿勢においては肺尖から肺底区域にほぼ直線的に増加すると仮定される請求項７に記載の方法。
9. 前記区域化された換気の寄与率ｈは、仰臥位においては定数であり、立位の姿勢においては肺尖から肺底区域にほぼ直線的に減少すると仮定される請求項７に記載の方法。
10. 前記区域化された寄与率ｗは、立位の姿勢においては肺尖から肺底区域にほぼ指数関数的に減少する請求項７に記載の方法。
11. 前記循環モデルは、静脈コンパートメントにより循環される全体血液量Ｖｖと、動脈コンパートメントＶａと、区域化された肺の毛細管の固定の血液容量Ｖｃａｐと、前記区域全体にわたり分布する１呼吸当たりの可変の心臓の１回拍出量ＳＶ_ｎとを定義し、
    前記換気される全体空気量は、固定容積の区域化された機能残気量ＦＲＣと、前記区域全体に分布する可変の呼気の１回換気量ＶＴ_ｎと、解剖学的死腔ＶＤと、を含む請求項２に記載の方法。
12. 各呼吸ｎについて、前記区域化された肺モデルの各区域ｋ内のＣＯ_２量は、コンパートメントｋ内の推定されるＣＯ_２の分圧Ｐ_ｋＣＯ_２，ｎの関数として、肺の毛細管Ｖｃａｐ、機能残気量ＦＲＣおよび解剖学的死腔ＶＤ内のＣＯ_２の量Ｆと、心臓の１回拍出量ＳＶ_ｎにより静脈コンパートメントから肺に運搬されるＣＯ_２の量Ｇとを加算して表され、
    ここで、区域内の推定されるＣＯ_２の分圧Ｐ_ｋＣＯ_２，ｎは、各区域ｋ内の空気中のＣＯ_２の推定割合ｂに関して表される請求項１１に記載の方法。
13. 前記推定割合ｂは、以下の式で表され、
    ｂ＝（ｗ（ｋ）×ＦＲＣ＋ｈ（ｋ）×ＶＴ_ｎ）／
    （α（ｗ（ｋ）×Ｖｃａｐ＋ｇ（ｋ）×ＳＶｎ）＋ｗ（ｋ）×ＦＲＣ＋ｈ（ｋ）×ＶＴ_ｎ））
    ここで、αは血液および空気中のＣＯ_２含有量の割合を定義し、
    関数ｗ(ｋ)は、以下の式で表され、１から９のｋに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
    ｗ（ｋ）＝０．１００５５（１．３６７０８−ｅｘｐ（−０．３３９３ｋ））
    ｈ（ｋ）は、以下の式で表され、１から９のｋに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
    ｈ（ｋ）＝１／９ （仰臥位）
    ＝０．２２６（１．１０２−ｅｘｐ（−０．１０６３ｋ）） （立位）
    ｇ（ｋ）は、１から９のｋに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
    ｇ（ｋ）＝１／９ （仰臥位）
    ＝−０．０２０５＋０．０２６３ｋ （立位）
    により表される請求項１２に記載の方法。
14. 前記割合αは、以下の式で近似され、
    α＝ｆ（ＰＥＴＣＯ_{２，ｎ−１}）／（ｃ×ＰＥＴＣＯ_{２，ｎ−１}）
    ここで、関数ｆは、血液のＣＯ_２含有量（［ＣＯ_２］）を前の呼吸の測定された呼気終末血液のＣＯ_２分圧（ＰＥＴＣＯ_{２，ｎ−１}）に関連付ける関数を表し、
    ｃはＣＯ_２の分圧を空気中のＣＯ_２含有量に変換するための変換係数を表す請求項１３に記載の方法。
15. 関数ｆは、
    ｆ（ｘ）＝０．５３（１．２６６−ｅｘｐ（−０．０２５７ｘ））
    として表される請求項１４に記載の方法。
16. 量ＦおよびＧは、各区域ｋに対して、以下の各式で表され、
    Ｆ＝ｆ（Ｐ_ｋＣＯ_{２，ｎ−１}）×ｗ（ｋ）×Ｖｃａｐ
    ＋ｃ×Ｐ_ｋＣＯ_{２，ｎ−１}×ｗ（ｋ）×ＦＲＣ＋ｃ×ＰＥＴＣＯ_{２，ｎ−１}×ｗ（ｋ）×ＶＤ
    Ｇ＝[ＣＯ_２]_{ｖ、ｎ−１}×ＳＶ_ｎ×ｇ（ｋ）
    ここで、
    関数ｗ（ｋ）は、以下の式で表され、１から９のｋに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
    ｗ（ｋ）＝０．１００５５（１．３６７０８−ｅｘｐ（−０．３３９３ｋ））
    ｇ（ｋ）は、以下の式で表され、１から９のｋに対して、肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
    ｇ（ｋ）＝１／９ （仰臥位）
    ＝−０．０２０５＋０．０２６３ｋ （立位）
    ここで、
    関数ｆは、血液のＣＯ_２含有量（［ＣＯ_２］）を血液のＣＯ_２分圧（ＰＣＯ_２）に関連付ける関数を表し、
    Ｐ_ｋＣＯ_２，ｎは区域ｋ内の推定ＣＯ_２分圧であり、
    ＰＥＴＣＯ_２は呼気終末の測定されたＣＯ_２分圧であり、
    ｃはＣＯ_２の分圧を空気中のＣＯ_２含有量に変換するための変換係数を表し、
    ［ＣＯ_２］_ｖ，ｎは静脈コンパートメント内のＣＯ_２含有量である、請求項１２に記載の方法。
17. 各呼吸ｎに対して、前記静脈コンパートメントＶｖ内のＣＯ_２の変化は、前記動脈のコンパートメントＶａから到達する量Ａと、基礎代謝により生成されるＣＯ_２の量Ｂとを加算し、静脈コンパートメントを出る量Ｃを減算することにより表され、
    ここで、基礎代謝により生成されるＣＯ_２の総量は１呼吸当たりの酸素摂取量ＶＯ_２の関数として表される、請求項１１に記載の方法。
18. 静脈コンパートメントＶｖ内の前記ＣＯ_２の変化は、以下の式で表され、
    [ＣＯ_２]_ｖ、ｎ−[ＣＯ_２]_{ｖ、ｎ−１}＝（Ａ＋Ｂ−Ｃ）／Ｖ_ｖ
    ここで、
    Ａ＝[ＣＯ_２]_{ａ、ｎ−１}×ＳＶ_ｎ
    Ｂ＝ＶＯ_２×ＲＱ
    Ｃ＝[ＣＯ_２]_{ｖ、ｎ−１}×ＳＶ_ｎ
    であり、
    ここで、
    ［ＣＯ_２］_ｖ，ｎは静脈コンパートメント内のＣＯ_２の含有量であり、
    ［ＣＯ_２］_ａは動脈コンパートメント内のＣＯ_２の含有量であり、
    ＶＯ_２は呼吸ｎ当たりの酸素抽出であり、
    ＲＱは０．９に設定された呼吸商である、請求項１７に記載の方法。
19. 各呼吸ｎに対して、前記動脈コンパートメントＶａ内のＣＯ_２の変化は、肺から到達するＣＯ_２量から動脈コンパートメントＶａを出る量を引いた量として表され、
    ここで、
    前記肺から到達するＣＯ_２の量は各肺区域内の呼気終末のＣＯ_２分圧から推定される、請求項１１に記載の方法。
20. 動脈コンパートメントＶａ内の前記ＣＯ_２の変化は、以下の式で表され、
    [ＣＯ_２]_ａ、ｎ−[ＣＯ_２]_{ａ、ｎ−１}＝（Ｄ−Ｅ）／Ｖａ
    ここで、
    ［ＣＯ_２］_ａ，ｎは呼吸ｎに対する動脈コンパートメント内のＣＯ_２含有量であり、
    Ｄは以下の式で表され、
    Ｄ＝Σ_ｋｆ（Ｐ_ｋＣＯ_{２，ｎ−１}）×ｇ（ｋ）×ＳＶ_ｎ
    ここで、
    ｆは血液のＣＯ_２含有量を肺区域ｋ内の血液のＣＯ_２分圧ＰＣＯ_２に関連付ける関数であり、ｇはｋの肺区域全体にわたるＳＶの血流の寄与率を定義し、
    Ｅは以下の式、
    Ｅ＝[ＣＯ_２]_{ａ、ｎ−１}×ＳＶ_ｎ
    で表される、請求項１９に記載の方法。
21. 関数ｆは、以下の式で表され、
    ｆ（ｘ）＝０．５３（１．２６６−ｅｘｐ（−０．０２５７ｘ））
    ｇは、１から９のｋに対して肺尖区域から肺底区域に向かって増加し、
    ｇ（ｋ）＝１／９ （仰臥位）
    ＝−０．０２０５＋０．０２６３ｋ
    と表される、請求項２０に記載の方法。
22. 能動的または受動的に肺を換気するための換気ユニットであって、前記ユニットは呼吸マスク部品を備え、さらに、
    呼気の１回換気量および呼吸数を測定する呼吸検出器と、
    呼気の１回換気量から酸素摂取量を測定する酸素センサと、
    呼気の１回換気量中のＣＯ_２分圧を測定するＣＯ_２センサと、
    測定されたＣＯ_２分圧、呼気の１回換気量および酸素摂取量を１呼吸当たりの心臓の１回拍出量に関連付けるために、循環モデルに整合してプログラムされたプロセッサと、
    を備え
    前記呼吸検出器、酸素センサおよびＣＯ_２センサは、測定された呼気の１回換気量、測定された酸素摂取量ＶＯ_２および測定されたＣＯ_２分圧を入力するための前記プロセッサに結合されるように構成され、前記プロセッサは、前記循環モデルに整合する出力ユニットに１呼吸当たりの心臓の１回拍出量を出力するように構成されている、換気ユニット。
23. 前記循環モデルは肺尖区域および肺底区域の分布を定義し、各区域は所定の換気血流比（Ｖ／Ｑ）を定義し、
    ここで、呼吸ｎ当たりの心臓の１回拍出量ＳＶ_ｎは、測定された呼気終末のＣＯ_２分圧および肺の酸素摂取量から求められる、各区域内の空気中のＣＯ_２の推定割合ｂに整合するように計算される、請求項２２に記載の換気ユニット。
24. 前記プロセッサは
    測定された酸素摂取量に基づく推定ＣＯ_２生成量と、
    前記測定されたＣＯ_２分圧に基づく血液中のＣＯ_２濃度と
    ＣＯ_２生成量を血液中のＣＯ_２濃度で割算し、肺の推定毛細管容積を減算して決定される、心臓の１回拍出量と、を提供するように構成された、請求項２２に記載の換気ユニット。

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