JP4378171B2 - 肺血管閉塞を診断する非侵襲的装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に呼吸器系統の血管閉塞に関し、詳しくは肺塞栓症と関連疾患の診断のための非侵襲的装置に関する。

肺塞栓症は、肺動脈に塞栓が引っかかり、肺組織への血流を塞いだときに起こる。塞栓は、通常は血栓と呼ばれる血餅であるが、血管を塞ぐ脂肪、羊水、骨髄、腫瘍の破片、又は気泡も含むことがある。速やかに治療されない場合、肺塞栓症は致命的になることがある。米国だけで、毎年約６００,０００の症例が発生するが、そのうちの１０パーセントが死に至る。

肺塞栓症の検出は、その徴候や症状が他の疾患が原因であるとされやすく、また病気の発生の重篤度によって症状が異なるため、きわめて困難である。しばしば、肺塞栓症は、心臓発作、肺炎、過呼吸症、鬱血性心不全、又はパニック発作と混同される。また、何も症状がない場合もある。

しばしば、肺の症状が（もしあっても）肺塞栓症によるものであると判定する前に、医師はまず他の肺疾患の可能性を排除しなければならない。従来の検査診断方法は、血液検査、胸部Ｘ線検査、及び心電図などである。普通、これらの方法は、実際に肺塞栓症を診断するためよりも他の可能性ある原因を排除するのに有効である。例えば、胸部Ｘ線検査は、塞栓が生じた後の血管の微妙な変化及び肺の梗塞の徴候を明らかにすることができる。しかし、胸部Ｘ線検査は、塞栓が存在するときでもしばしば正常な肺を示し、Ｘ線が異常を示す場合でも肺塞栓症を確認できることはまれである。同様に、心電図が異常を示すこともあるが、それは肺塞栓症の可能性を示すことにしか役立たない。

肺塞栓症は、血液に酸素を供給し、血液から二酸化炭素を除去する肺の能力を変化させるので、この疾患を診断する１つの方法は、動脈血液の試料を採取してその動脈血液の酸素及び二酸化炭素の分圧を測定すること（すなわち、動脈血液気体分析）である。肺塞栓症は、通常、これらの測定値に異常を生じさせるが、動脈血液気体分析からの単独の知見又は知見の組み合わせで、信頼できる仕方で肺塞栓症を排除すること又は特異的な仕方で肺塞栓症と診断することを可能にするものは何もない。特に、肺塞栓症とされた患者の少なくとも１５〜２０％は、動脈血液に正常な量の酸素及び二酸化炭素を含んでいる。したがって、動脈血液の分析は肺塞栓症の診断を信頼できる仕方で確認することも排除することもできない。

血液D-dimer分析は、商業的な利用が可能になっているもう１つの診断方法である。D-dimerタンパク質断片は、フィブリンがプラスミンによって開裂するときに生ずるので、体内に血栓が生ずるときには自然に形成される。したがって、D-dimer分析は肺塞栓症の存在にきわめて敏感であるが、非常に非特異的である。言い換えると、D-dimer分析が正常である場合、臨床医は肺塞栓症が存在しないということを十分に確信できる。しかし、多くの研究によって、D-dimer分析が正常となるのは患者の３分の１未満であるということが示された。したがって、偽陽性が高い割合で生ずる。そのため、D-dimer分析は、肺塞栓症の症状がある患者の大部分で肺血管造影を不要にするものではない。

診断の精度を高めようとして、最近医師たちは病気の可能性がある肺の画像を生成できる方法に目を向けるようになってきた。そのような方法の１つは、核灌流検査であり、これは少量の放射性粒子を静脈に注射するものである。放射性粒子は肺に到達して、そこで肺のある領域に浸透することができるかどうかに基づいて肺の中の血液の灌流を映し出す。正常な結果は患者が肺塞栓症でないことを示すことができるが、異常なスキャンは必ずしも肺塞栓症があるということを意味しない。核灌流検査は、しばしば最適な結果を得るために肺換気スキャンと合わせて行われる。

肺換気スキャンでは、患者は気体状の放射性物質を吸入する。放射性物質は肺の小さな袋、肺胞と呼ばれるもの、に行き渡って分布し、画像に写し出される。このスキャンを灌流スキャンで示された血液供給と比較することによって、医師は、正常な換気を示すが十分な灌流が見られない領域に基づいてその人に肺塞栓症があるかどうかを判定できる。それでもなお、７０％もの患者で結果が不確定になることがしばしばあり、灌流スキャンは必ずしも常に肺塞栓症が問題の原因であるというはっきりした証拠を与えることができない。

肺血管造影は肺塞栓症を診断するための一般的な手段であるが、この方法にはいくらか危険があり、他の検査に比べて快適でない。肺血管造影では、カテーテルが肺動脈に通され、ヨード染料が血流に注入される。染料は肺のいろいろな領域に流れ込み、Ｘ線を用いて画像化され、肺塞栓症を肺動脈の閉塞として写し出す。肺血管造影は、従来の他の方法に比べて肺塞栓症を診断するのに有用であるが、健康への危険があり、高価である可能性がある。専門家はしばしばこの方法を勧めるが、このような侵襲的な方法を喜んで行う医師や患者はほとんどいない。

スパイラル・ボリューメトリックＣＴ（computed tomography）は、それほど侵襲的でなく、もっと正確な結果が得られる検査として最近提案されているもう１つの診断手段である。しかし、報告されているこの方法の精度は大きくばらついており、肺の端の方の血栓に対しては比較的感度が低いので肺の中心動脈における塞栓症を診断するためにしか使えないかもしれない。

これらの肺の血管造影検査にはいくつか共通する欠点がある。ほとんど全部が電離放射と、最小限、静脈内カテーテルの侵襲性を必要とする。画像検査は、また、患者に普通１０００ドルを超える費用がかかり、行うのに２時間を超える時間が係り、検査を行って画像を得るために訓練された技能者や、画像を解釈する、認定された（board-certified）放射線技師などの専門能力を必要とする。特に、妊娠している患者にとって完全に安全なものは１つもない。それらの欠点のため、画像診断法は、多くの外来患者専門のクリニックや第三世界の国々の多くでは利用できない。

本発明の主要な目的及び利点は、肺の血管閉塞を非侵襲的に診断する装置を医師に提供することである。

本発明の別の目的及び利点は、肺の血管閉塞を正確に診断する装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的及び利点は、肺の試験データを測定して解釈する装置を提供することである。

本発明のその他の目的及び利点は、一部は明らかであり、一部は以下で示される。

前記の目的及び利点にしたがって、本発明は肺の塞栓症を非侵襲的に診断する装置を提供する。本発明の装置は、患者の肺への、及び患者の肺からの空気の流れを測定し、さらに酸素、二酸化炭素及び窒素の量を測定するセンサを有する呼吸チューブを備える。あるいはまた、装置は、患者に注射された後に肺を経由して排出される、周辺大気にない気体の量を測定することができる赤外分光計又は質量分析計を備えることができる。装置はさらに、呼気の濃度と呼気の全体積を決定してスクリーンに表示するデータ処理ユニットを含む。肺塞栓症が存在する可能性は、結果を、正常集団と病気の集団に基づいて予め決定されたデータと比較することによって決定できる。

次に図面を参照して説明するが、全ての図面において同じ参照数字は同様の部分を表す。図１には、肺の閉塞がない肺１０が示されている。健康な肺１０では、血液は肺動脈１２から肺１０の個々の肺胞１６を取り巻いている毛細血管１４に自由に流れ込む。吸入された空気１８が肺１０と肺胞１６に吸い込まれると、酸素が吸入された空気１８から血流に移され、二酸化炭素が血流から出てゆく。吸入された空気１８は、普通、約１００ torrの分圧の酸素とゼロ（０）torrの分圧の二酸化炭素を含む。

吸入された空気１８が肺胞１６に達すると、肺動脈１２における血中気体レベルと平衡に達するまで酸素含有量は減少し二酸化炭素含有量は増加する。すると、吸入された空気１８は、図２に見られるように、吐出される空気２０として吐出される。適切に機能している肺から吐出される空気２０は、普通、約８０torrの分圧の酸素と約４０torrの分圧の二酸化炭素を含む。

図３は、肺塞栓症を病んでいる呼吸気系統の機能を示しており、一例として、病んでいる肺２４への血流が閉塞されている。その結果、気体交換に関与している肺胞１６の数が減少している。関与しなくなった肺胞１６にあるスペースの大きさは、普通、肺胞デッドスペースと呼ばれる。このデッドスペース及び気体交換に利用できる全肺胞体積の減少のために、病んでいる肺２４は、健康な肺１０ほど容易に気体交換ができない。したがって、吐出される空気２６は、健康な肺から吐出される空気に比べて高い分圧の酸素と低い分圧の二酸化炭素を含む。図３に示された例では、呼吸気系統を出てゆく吐出される空気２６は約８５torrの分圧の酸素と約２０torrの分圧の二酸化炭素を含む。したがって、病んでいる肺２４からの吐出される空気２６中の二酸化炭素の酸素に対する比（すなわち、２０：８５）は、図２に見られるような健康な肺１０からの吐出される空気２０中の二酸化炭素の酸素に対する比（すなわち、４０：８０）よりも小さい。

図４に見られるように、肺の障害を測定し診断するシステム２８は、データ処理ユニット５０及び表示システム６０と結合された測定ユニット３０を備える。測定ユニット３０は、肺に吸入される空気及び肺から吐出される空気の全体の流量を判定し、同時に酸素と二酸化炭素の分圧を判定する。データ処理ユニット５０は、分圧から二酸化炭素、酸素、及び窒素の濃度を計算し、測定ユニット３０によって得られた生のデータから酸素に対する二酸化炭素の比を判定する。次に、酸素に対する二酸化炭素の比が吐出された体積に対してディスプレイのスクリーン６０上にプロットされる。この二酸化炭素の比を平均的な値と比較することによってある患者が肺塞栓症である確率を決定できる。

測定ユニット３０は、開放端４２を有する呼吸チューブ３４と流体的に連通して結合された、患者用マウスピース３２を含み、開放端４２を通って空気が吸入され吐出される。測定ユニット３０は、さらに、３つのセンサ、すなわち、呼吸流量メータ（pneumotach）３６、カプノメータ（capnometer）３８、及び酸素モニタ４０、を含む。３つのセンサは、直列に呼吸チューブ３４と一線上に位置して、吸入される空気と吐出される空気の流量、二酸化炭素レベル及び酸素レベルを同時に測定する。それぞれ、赤外及び常磁性タイプのセンサが好ましい。分光的方法を用いるセンサも酸素と二酸化炭素の両方の測定に使用できる。ただし、呼吸毎に実時間プロットが可能なように十分速い応答時間でデータを供給できなければならない。吸入された空気又は吐出される空気を測定するための主流の方法が好ましいが、傍流の方法も有効であることがある。

図５に見られるように、呼吸チューブ３４の開放端４２にＴ−ピース・アダプタ７０をオプションとして設けて、酸素依存的な患者に使用することができる。Ｔ−ピース・アダプタ７０は、入口弁７２と出口弁７４を含み、呼吸チューブ３４を通る吸入された空気と吐出される空気の通過をそれらが適切に導く。酸素依存的な患者への供給を吸入弁７２に接続することによって、吸入された空気をまず３つのセンサ３６、３８、及び４０に通して吐出される空気と比較するための酸素と二酸化炭素の濃度のベースライン値を決定する。酸素依存的な患者は、周辺大気中に存在するのと異なる濃度を有する空気を受けているからである。

データ処理ユニット５０は、測定ユニット３０から得られたデータとバックグラウンド比較データの解釈のためのソフトウエアをプログラムされた商業的に入手できるコンピュータ処理装置を含む。ソフトウエアは、分圧及び二酸化炭素対酸素比を決定するために必要な計算を行うように特別に開発することができるが、オプションとしてソフトウエアを商業的に購入して、必要ならば、適当なアルゴリズムを実行するように修正することもできる。さらに研究した後、本発明を使用して得られたデータに基づいてバックグラウンド比較データを更新して予期される正常値をさらに精密化することができる。

ディスプレイ・スクリーン６０は、計算されたデータを表示するためのブラウン管、又はその他の視覚表示装置を含む。スクリーン６０は、オプションとして、試験集団についての予め決定された基準又はバックグラウンド・データを表すグラフを表示し、現在の測定値をそれに対して視覚的に比較できるようにプロットすることができる。データ処理ユニット５０によって計算された二酸化炭素対酸素比を時間の関数として表示する他に、オプションとしてスクリーン６０は酸素と二酸化炭素の分圧のプロットを表示することもできる。このディスプレイを用いて、医師は、急性呼吸疾患症候群を有する患者における肺胞換気の効率を推定して機械的換気設定を決定するのに役立てることができる。

主な３つのセンサ３６，３８，及び４０の他に、データ処理ユニット５０は、オプションとして、動脈血液中のヘモグロビンの動脈血酸素飽和度を測定するパルス・オキシメータ４４に接続することもできる。このデータと末梢静脈血液サンプルのｐＨ及びヘモグロビン濃度の測定値とから、患者の心拍出量をFickの式によって計算することができる。Fickの式を実行するために、平均全酸素消費量、動脈血酸素含有量、及び静脈血酸素含有量を決定しなければならない。平均全酸素消費量は、所定の時間にわたる酸素分圧（oxygen tension）と流量カーブから決定できる。心拍出量を決定するためには１分間で十分である。動脈血酸素含有量は、動脈血酸素飽和度（パルス・オキシメータ４４で測定される）にヘモグロビン濃度（静脈血液サンプルから決定される）を乗じて推定できる。静脈血酸素含有量は、所定の時間にわたって呼気の際に測定される最低（nadir）（平均最低）酸素分圧を決定して計算することができる。最低酸素分圧から、静脈血酸素飽和度は、測定されたｐＨでの公表された酸素結合カーブにしたがって推定できる。次に、静脈血酸素含有量は、静脈血酸素飽和度に静脈ヘモグロビン（静脈血液サンプルから測定される）を乗じて計算される。これらの計算を行ったら、心拍出量は全酸素消費量を動脈血酸素含有量と静脈血酸素含有量の差で割って決定される。Fickの式の計算アルゴリズムはデータ処理ユニットのソフトウエアにプログラムされて結果をスクリーン６０に表示することができる。心拍出量測定は、医師が肺血管の障害を緩和するための治療又は循環系ショックの治療の成功又は失敗を判定する助けとして有用である。

装置２８は、患者に測定ユニット３０のマウスピース３２を通して呼吸させる（所定の回数続けて吸入させ吐出させる）ことによって使用される。患者が吸入し吐出すると、呼吸流量センサ３６、カプノメータ３８、及び酸素モニタ４０がそれぞれの測定を実行し、それが電線又はケーブルによってデータ処理ユニット５０に電気的に伝送される。データ処理ユニット５０に搭載されたプログラム可能なソフトウエアが測定値を体積及び濃度の値に変換し、二酸化炭素対酸素比を計算し、この比をスクリーン６０上に、吐出された空気の量に対するグラフの形で表示する。患者に、吸入した空気を数心拍の間保持してから測定ユニット３０のマウスピース３２を通して吐き出すように要請することによって読み取りを最適化することができる。一般に、肺塞栓症でない患者は通常二酸化炭素対酸素比が０．３０以上になるが、肺塞栓症の患者では二酸化炭素対酸素比が０．２５以下になるとされている。

装置２８は、また、ショックからの蘇生の際の全身酸素消費量の検出及び酸素供給の十分性の決定に利用することができる。全身的な炎症では、体は正常時よりも高レベルで酸素を抽出し、吐出された空気における二酸化炭素対酸素比が大きくなる。上で説明したようにＴ−ピース７０を用いて、患者に提供される酸素の濃度と吐出された酸素の濃度を決定できる。図６に示されているように、２つの吸入酸素濃度で観測された酸素供給量（すなわち、提供された量マイナス吐出された量）のレベルが正常レベルに達したら、医師は、行われた蘇生処置が十分であるということを視覚的に確認できる。蘇生処置の十分性を決定する１つの方法は、酸素の比較的低い固定濃度と比較的高い固定濃度の両方で酸素供給量を決定することである。比較的低い濃度とは、約２１乃至３０パーセント（21-30%）の酸素濃度であり、比較的高い酸素濃度とは約４５乃至５０パーセント（45-50%）の酸素濃度である。比較的低い濃度と比較的高い濃度での酸素供給量の差を、同様の年齢、体重、体重指標、及び性別の健康な患者に関するノモグラムと比較し、それを用いて輸液(fluid)蘇生法及び昇圧 (vasopressor)蘇生法の十分性を評価することができる。

さらに、データ処理ユニット５０は、センサ３６，３８，４０，４４によって測定された個々の測定値又はそれらの組み合わせのいずれかをスクリーン６０上に診断用に表示するようにプログラムされることができる。例えば、呼気中の二酸化炭素と酸素の濃度の時間に対するプロットは急性呼吸疾患症候群の患者における肺胞換気の効率を推定するのに利用できるであろう。さらに、センサ３６，３８，４０，及び４４からのプロットされたデータを用いて、患者の医療を最適にするために機械的な換気装置の設定をどのように適切に調節するか、例えば、正端（positive end）呼気圧力、微小換気、及びピーク吸気圧力などの設定の度合い、を決定する助けとすることができる。例えば、機械的な換気を受けている患者において個々に、センサ３６，３７，４０，及び４４からのデータをプロットすることができる。各息の体積の関数として酸素及び二酸化炭素の分圧を同時にプロットすることによって、放出される二酸化炭素の量及び抽出される酸素のパーセンテージを決定できる。気圧が知られていると又はデータ処理ユニット５０に入力されていると、各一回換気量での肺胞換気の効率を計算できる。次にこの情報を用いて機械的換気を調節して肺胞の効率又は呼吸している肺胞の換気効率を最適化することができる。

測定ユニット３０は、呼吸チューブ３４と流体的に連通している呼吸流量メータ３６と赤外分光計８０を備えることができる。分光計８０は、周辺大気中に通常存在しない、患者から肺を通って排出又は分泌された気体など、その他の物質の呼気中濃度を測定することができる。患者に所定の安全な量の物質を静脈注射して測定ユニット３０を通して約５分間呼気をさせる。この期間、呼吸流量メータ３６と赤外分光計８０からの測定値がデータ処理ユニット５０に供給され、データ処理ユニット５０はその物質の濃度を（パーセント又は分圧として）計算し、結果をディスプレイに供給してスクリーン６０上に表示させる。本発明の前記の実施の形態と同様に、肺塞栓症であるかどうかは、特定患者について表示された結果を健康な及び病気の集団の膨大なサンプリングに基づいた排出カーブと比較して決定することができる。あるいはまた、測定ユニット３０と流体的に連通している質量分析計を用いて患者の呼気中の不活性気体の量を測定することもできる。

人間に使用して医学的に安全な物質の１つは六フッ化イオウである。例えば、利用できる六フッ化イオウ製剤としてはSono Vue（登録商標）があり、これはBracco SpA、 ミラノ、イタリーが製造している、０．９％塩水中に安定した六フッ化イオウの微小気泡を懸濁させたものである。患者は０．０３ml/kgの六フッ化イオウ製剤を「バタフライ」針で注射されるので静脈内カテーテルは必要ない。赤外分光計８０は、六フッ化イオウの濃度を（パーセント又は分圧として）測定し、このデータ８２をデータ処理ユニット５０に供給する。次に、呼気中の六フッ化イオウのモル数が計算され、スクリーン６０上に呼気量の関数としてプロットされる。スクリーン６０はまた、診断用に、正常な集団と病気の集団からのデータも表示できる。溶液に調製してこのように使用できるその他の物質としては、アセチレン、エタン、シクロプロパン、ハロタン、エーテル、及びアセトンがあげられる。

測定ユニット３０は、呼気の二酸化炭素濃度を測定するためのカプノメータ３８と、呼気の酸素濃度を測定するための酸素モニタ４０を含むことが最適であるが、カプノメータ３８又は酸素モニタ４０を、呼気中の窒素を測定し、濃度の計算用にデータ処理ユニット５０にそのデータを供給できる質量分析計に置き換えることもできる。周辺大気は、主に３つの気体、窒素、酸素、及び二酸化炭素からなっており、いずれか２つの気体の濃度の測定により、標準表や計算を使用して、第３の気体の濃度を近似的に決定できる。したがって、質量分析計によってカプノメータ３８又は酸素モニタ４０を置き換え、データ処理ユニットに必要な計算をプログラムして、診断に必要な二酸化炭素と酸素の濃度を決定することができる。

吸入時の呼吸気系統を示す図である。 吐出時の呼吸気系統を示す図である。 吐出時の肺血管閉塞を病む呼吸気系統を示す図である。 本発明のシステムの概略図である。 本発明のアタッチメントの透視図である。 ディスプレイ画面の表示を示す図である。 本発明の別の実施形態を示す概略図である。

符号の説明

２８ システム（装置）
３０ 測定ユニット
３２ マウスピース
３４ 呼吸チューブ
３６ 呼吸流量メータ（センサ）
３８ カプノメータ
４０ 酸素モニタ
４２ 開放端
４４ パルス・オキシメータ
５０ データ処理ユニット
６０ ディスプレイ・スクリーン（表示システム）
７０ Ｔ−ピース・アダプタ
７２ 入口弁
７４ 出口弁

Claims (11)

1. 呼吸機能の異常を非侵襲的に診断する装置であって、
   空気を含む患者用呼吸チューブと、
   前記チューブに結合された流量メータと、
   前記チューブに結合された酸素メータと、
   前記チューブに結合された二酸化炭素メータと、
   前記流量メータ、前記酸素メータ、及び前記二酸化炭素メータに結合されたデータ処理ユニットと、を備え、
   前記データ処理ユニットは、前記空気中又は前記チューブ中の酸素に対する二酸化炭素の割合を計算する手段を含む装置。
2. さらに前記データ処理ユニットに結合されたディスプレイ・スクリーンを備えた請求項１記載の装置。
3. さらに前記データ処理ユニットに結合された動脈パルス・オキシメータを備える請求項１又は２記載の装置。
4. さらに前記チューブと流体的に連通しているアダプタを備え、前記アダプタは患者の酸素源と結合可能な入口弁と呼気を排出する出口弁を有する中空ボディーを含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記チューブは、本体と流体的に連通しているマウスピースを備えている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. さらに、前記チューブに結合された分光計を含み、
   前記分光計は、前記データ処理ユニットに結合されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
7. 呼吸機能の異常を非侵襲的に診断する装置であって、
   患者が吸入し吐出する空気中の酸素と二酸化炭素の濃度を測定する手段と、
   前記測定手段に結合された、二酸化炭素対酸素比を計算する手段と、
   前記計算手段に結合された、前記比をプロットする手段と、
   を備える装置。
8. 呼吸機能の異常を非侵襲的に診断する装置であって、
   空気を含む患者用呼吸チューブと、
   前記チューブに結合された流量メータと、
   前記チューブに結合された酸素メータと、
   前記チューブに結合された窒素メータと、
   前記流量メータ、前記酸素メータ、及び前記窒素メータに結合され、酸素と二酸化炭素の濃度を計算するようにプログラムされたデータ処理ユニットと、
   を含み、
   前記データ処理ユニットは、前記空気中又は前記チューブ中の酸素に対する二酸化炭素の割合を計算する手段を含む装置。
9. 前記窒素メータが質量分析計である請求項８記載の装置。
10. 呼吸機能の異常を非侵襲的に診断する装置であって、
    空気を含む患者用呼吸チューブと、
    前記チューブに結合された流量メータと、
    前記チューブに結合された二酸化炭素メータと、
    前記チューブに結合された窒素メータと、
    前記流量メータ、前記二酸化炭素メータ、及び前記窒素メータに結合され、酸素と二酸化炭素の濃度を計算するようにプログラムされたデータ処理ユニットと、
    を含み、
    前記データ処理ユニットは、前記空気中又は前記チューブ中の酸素に対する二酸化炭素の割合を計算する手段を含む装置。
11. 前記窒素メータが質量分析計である請求項１０記載の装置。

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