実効肺容量を推定する方法および装置
機能的残気量または実効肺容量を非侵襲的に測定または推定する方法は、被験者の口のところでまたは被験者の口の近くで二酸化炭素および流量の測定値を得ることを含む。そのような測定値は、基準呼吸の間に、ならびに被験者の実効換気量の変化が誘発される間およびその直後に取得される。得られた測定値は、呼息される二酸化炭素レベルが正常に戻るのに要する時間を決定するために評価され、これは事実上、被験者の肺からの二酸化炭素の「洗い出し」を評価することとなる。逆に、二酸化炭素および流量の測定値は、二酸化炭素が、被験者の実効換気量の変化に続いて、被験者の肺に「流入（ｗａｓｈ ｉｎ）」する、または被験者の肺内でピークレベルに達するのに要する時間を測定するために評価することができる。また、そのような効果的な方法に対する装置についても開示する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００４年１０月２５日に出願された出願継続中の米国特許出願第１０／９７３，８１５号への優先権を主張するものであり、その出願は、現在では２００５年１０月１８日に発行された米国特許第６，９５５，６５１号となっている、２００２年４月１１日に出願された出願第１０／１２１，２１９号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は一般に、機能的残気量（ＦＲＣ）、すなわち呼息後に被験者の肺内に残留するガスの容量を、またはより大まかには、肺組織内に拡散したガスを含めた被験者の実効肺容量（ＥＬＶ）を測定する技法に関する。特に、本発明は、非侵襲的にＦＲＣまたはＥＬＶを決定する技法に関する。
【背景技術】
【０００３】
機能的残気量（ＦＲＣ）とは、呼息後、すなわち息を吐き終えたときに被験者の肺内に残存する、二酸化炭素（ＣＯ２）を含むガスの量である。健康な個人において、ＦＲＣは通常、肺容量の約４０％をなし、一般に約１．８リットルから約３．４リットルに達する。ＦＲＣは、被験者の肺の肺胞における二酸化炭素の量が大きく呼吸間で変化するのを緩和するものであり、その変化は、ＣＯ２の分圧（ｐＡＣＯ２）の形でまたはＣＯ２を含むガスの一部分（ｆＡＣＯ２）として測定することができる。正常な１回換気量では、ｐＡＣＯ２とｆＡＣＯ２は一般に、約２ｍｍＨｇまたは約０．２５％のみそれぞれ変動する。
【０００４】
多数の著者が主張するところでは、ＣＯ２は、（１）ガス容積（ＶＡまたはＦＲＣ）、（２）肺組織、ならびに（３）肺内にその時々に存在する肺血液という、３つの異なる区分で肺に貯蔵される。肺組織と肺血液の区分はしばしば、それらの等価なガス容積として（すなわち、それらの実効貯蔵容量でスケーリングされて）表現され、ＶｔｉｓおよびＶｂｌｏｏｄと示される。ＦＲＣは肺胞内のガス（ＣＯ２を含む）の体積を表すにすぎないが、実効肺容量（ＥＬＶ）は、ＦＲＣを含むだけでなく、呼息の終わりに被験者の肺の組織内に依然として拡散しているガスをも含み、したがって、３つすべての区分におけるガスを表す。
【０００５】
ＥＬＶは一般に、ＦＲＣよりもわずかに容量が大きいが、これらの用語は、次の説明において簡略化のために区別なく使用されることがある。
【０００６】
各区分は、異なる速度でＣＯ２の変動と平衡を保つ。Ｇｅｄｅｏｎ，Ａ．ら著の「Ｐｕｌｍｏｎａｒｙ ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ（ｃａｒｄｉａｃ ｏｕｔｐｕｔ）ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｌｕｎｇ ｖｏｌｕｍｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ａ ｓｈｏｒｔ ｂｒｅａｔｈ ｈｏｌｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｆｉｃｋ ｍｅｔｈｏｄ」、Ｊ．ＣＬＩＮ．ＭＯＮＩＴ．１７：３１３−３２１（２００２）（以下「Ｇｅｄｅｏｎ ２００２」）が教示するところでは、ＶＡは、呼吸終期のＣＯ２（分圧について測定する場合はｐｅｔＣＯ２、ＣＯ２を含むガスの部分として測定する場合はｆｅｔＣＯ２）の変動とは即座に平衡化し、ｐＡＣＯ２および動脈血（ｃａＣＯ２）内のＣＯ２含量の変動とは徐々に（例えば約１０秒から約２０秒で）平衡化し、一方で、ＶｔｉｓとＶｂｌｏｏｄは、ｐＡＣＯ２とｃａＣＯ２が変化するときにはより少ない時間で平衡化する。
【０００７】
被験者の胸壁および肺と肺の弾性的反跳との関係が、ＦＲＣを、したがってＥＬＶを決定する。肺気腫、喘息、および他の拘束性疾患を含む、肺の弾性的反跳を変化させる肺疾患は、ＦＲＣに影響を及ぼす。したがって、ＦＲＣの測定値は、そのような状態を正確に診断する上で有用となりうる。ＦＲＣの測定値はまた、呼吸不全および低酸素血症の診断と治療を行う上でも有用である。
【０００８】
肺の閉鎖容量未満のＦＲＣを有する肺において、気道は、被験者の呼息が終了する前に閉じ始め、その結果、ｐＡＯ２が低下すると共に、換気、すなわち口を通じた肺内外へのガスの移動と、潅流、すなわち肺の肺胞と肺胞を囲む肺毛細管との間のガス／血液の障壁を越えるガスの移動との間に不一致が生じる。これは当技術分野においてＶ／Ｑ不一致または
【０００９】
【数１】
【００１０】
不一致として知られている。
ＦＲＣの測定に現在利用可能な技法には、全身のプレチスモグラフィー、窒素洗い出し法、ヘリウム希釈法が挙げられる。これらの方法のすべては、扱いが困難な機器を必要とし、したがって、既に機器で混雑した集中治療の環境で使用するには適さないことがある。
【００１１】
Ｇｅｄｅｏｎ ２００２ではＥＬＶを測定する非侵襲的技法が提案されている。具体的には、その技法は、被験者の
【００１２】
【数２】
【００１３】
およびｆｅｔＣＯ２を測定すること、被験者に３秒間息をこらえさせること、ならびに
【００１４】
【数３】
【００１５】
およびｆｅｔＣＯ２を再測定することを含む。息こらえ以降の最初の呼吸では、ｆｅｔＣＯ２が上昇し、また、息こらえの持続時間およびそれに続く呼吸にわたって計算される
【００１６】
【数４】
【００１７】
が低下する。ＥＬＶのＣＯ２貯蔵部によって緩和されることから、
【００１８】
【数５】
【００１９】
（すなわち、肺毛細管の血液から肺の肺胞内へと移動するＣＯ２）が息こらえの間に変化しないと仮定して、Ｇｅｄｅｏｎが主張するところでは、
【００２０】
【数６】
【００２１】
の減少は、ＣＯ２が肺のＣＯ２貯蔵部へと向かう結果であることに間違いはない。
【００２２】
【数７】
【００２３】
上式で、
【００２４】
【数８】
【００２５】
および
【００２６】
【数９】
【００２７】
はそれぞれ、息こらえ法の前後に得られた測定値を示す。
この関係式に加えて、Ｇｅｄｅｏｎは、被験者の肺毛細管の血流量（ＰＣＢＦまたは、次の式を簡潔にする場合には
【００２８】
【数１０】
【００２９】
）を被験者のＥＬＶに関連付ける式を展開した。これらの式のうちの２つは、息こらえ前の状態を息こらえ後の状態と、ならびに息こらえ前の状態を回復の状態と比較するものである。これらの式の双方を満たすＥＬＶとＰＣＢＦのデータ組みのうちのＥＬＶが、被験者の実際のＥＬＶであるとみなされる。
【００３０】
Ｇｅｄｅｏｎ ２００２の技法は、息こらえはｐＡＣＯ２の変化を生じるが、息こらえによって「ＣＯ２の流入は大きくは影響されない（ことがある）」という仮定に基づいているため、この技法は不正確なデータを与えると考えられている。この仮定はＦｉｃｋの式と矛盾するものであり、Ｆｉｃｋの式においては、
【００３１】
【数１１】
【００３２】
はｐＡＣＯ２と共に線形に変化し、一方でＰＣＢＦおよび静脈血におけるＣＯ２の量（ｃＶＣＯ２または、Ｇｅｄｅｏｎ２００２が呼ぶところではｐｖｅｎ）は依然として一定である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
以上を考慮すると、事実上すべての医療環境において正確に非侵襲的にＦＲＣまたはＥＬＶを測定する技法が必要とされることは明らかである。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明は、非侵襲的にＦＲＣまたはＥＬＶを測定または推定する方法、ならびにＦＲＣおよびＥＬＶの測定値を最小の侵襲性で取得する装置およびシステムを含む。
【００３５】
本発明の教示に従ってＦＲＣまたはＥＬＶを非侵襲的に測定または推定する方法の一例として、二酸化炭素量および流量の測定値を、被験者の口のところでまたは被験者の口の近くで得ることができる。そのような測定値は、基準呼吸、すなわち「正常な」呼吸の間に、ならびに被験者の実効換気の変化が誘発される間およびその直後に取得される。例えば、測定値は再呼吸法の間にまたはその直後に得ることができ、その再呼吸法において、被験者は、正常量を上回るＣＯ２を含んだガスを吸息する。再呼吸の例に続けて、得られた測定値は、呼息されるＣＯ２レベルが正常に戻るのに要する時間を測定するために評価され、これは事実上、被験者の肺からのＣＯ２の「洗い出し」を評価することである。逆に、ＣＯ２量および流量の測定値は、ＣＯ２が、再呼吸の後に、被験者の肺に「流入」する、または被験者の肺内でピークレベルに達するのに要する時間を測定するために評価することができる。当然ながら、他の技法を用いて被験者の実効換気における摂動または変化を生じさせる（すなわち、装置、個人、またはそれらの組合せに関連する死積により、全換気は無効換気よりも少ない）場合も、ＣＯ２または目的とする他のガスの量を測定することができる。そのような測定値を評価することによって、被験者のＥＬＶをほぼ非侵襲的に測定または推定することができる。
【００３６】
本発明の教示を組み込んだ（例えばプログラムして）非侵襲的ＥＬＶ推定装置は、被験者からのＣＯ２量および流量のデータを評価し、ＥＬＶを計算するような形でデータを処理するように構成されている（例えばプログラムされている）。本発明のシステムは、そのような装置ならびにＣＯ２量および流量のセンサーを含んでおり、そのＣＯ２量および流量のセンサーは、ＣＯ２量および流量の測定値を可能な限り非侵襲的な方式（場合によっては気管内チューブは例外とする）で取得し、測定したＣＯ２量および流量のレベルを代表するデータを非侵襲的ＥＬＶ推定装置に伝える。
【００３７】
本発明の他の特徴および利点は、次の説明、添付の図面、および添付の特許請求の範囲を検討することにより、当業者に明らかとなろう。
【００３８】
図において、本発明のさまざまな例示的態様を示すことにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明は、被験者のＦＲＣまたはＥＬＶをほぼ非侵襲的に測定する方法を含む。本発明の方法において、ＦＲＣまたはＥＬＶは、二酸化炭素などの呼吸ガス、および呼吸流量を評価することによって決定することができる。呼吸ガスおよび流量の信号は、さまざまなパラメータを決定するために用いることができ、また、被験者の肺の数学的モデルと共に、ＦＲＣまたはＥＬＶを決定するために用いることができる。次の説明は、１つまたは複数の例示的アルゴリズムを導出する方式の考察、ならびに、そのような導出を支持する推論を含み、被験者のＦＲＣまたはＥＬＶの非侵襲的測定を大幅に促進する。
【００４０】
本発明の教示に従って、ＦＲＣおよびＥＬＶは、被験者の呼吸器および循環器の、または血流力学的な性能がほぼ非侵襲的な方式で測定されている間に測定することができる。被験者の循環器の性能の例示的な尺度には、肺毛細管の血流量および心拍出量があるが、これらに限定はされない。
【００４１】
二酸化炭素のＦｉｃｋの式は、肺毛細管の血流量および心拍出量の双方の決定に、長きにわたって用いられてきた。二酸化炭素のＦｉｃｋの式の一形式は以下の通りである。
【００４２】
ＰＣＢＦ＝ＶＣＯ２／（ｃＶＣＯ２−ｃＡＣＯ２） （１）
上式で、ＰＣＢＦは肺毛細管の血流量を表し、ＶＣＯ２は二酸化炭素の排出量であり、ｃｖＣＯ２は、監視される個人の静脈血の二酸化炭素含量であり、ｃＡＣＯ２は、監視される個人の肺胞（すなわち肺毛細管）の血液の二酸化炭素含量である。
【００４３】
ＶＣＯ２を測定する最も正確な方法は、肺の肺胞を囲む肺毛細管内の血液から肺胞へのＣＯ２の流量、すなわち二酸化炭素排出量
【００４４】
【数１２】
【００４５】
を直接測定することであろう。ＶＣＯ２がこの方法で測定できる場合、式（１）は以下のようになる。
【００４６】
【数１３】
【００４７】
肺胞における血液内のＣＯ２の含量（ｃＡＣＯ２）が動脈血におけるＣＯ２の含量（ｃａＣＯ２）とほぼ同じである場合、心拍出量
【００４８】
【数１４】
【００４９】
は式（２）におけるＰＣＢＦと置き換えることができる。
【００５０】
【数１５】
【００５１】
の計算のために式（２）を再度整理すると、以下のようになる。
【００５２】
【数１６】
【００５３】
留意すべきことに、式（３）は、２次元（ｘ、ｙ）座標系における直線の標準的な式：ｙ＝ｍｘ＋ｂの形式を取る。個人の実効換気量が変化する間およびその前またはその後のさまざまな時点で取られたｃＡＣＯ２信号（ｘ軸）に対して、
【００５４】
【数１７】
【００５５】
信号（ｙ軸）を２次元座標系にプロットすると、プロットした点を通って延びる直線の傾き（ｍ）は−ＰＣＢＦとなり、ＰＣＢＦｃｖＣＯ２は切片（ｂ）となることが分かる。
【００５６】
式（２）および（３）は、二酸化炭素が肺胞の血液を去る、すなわち肺胞の血液から除去される速度
【００５７】
【数１８】
【００５８】
に基づいている。血液から肺胞へのＣＯ２の流量、すなわち二酸化炭素排出量（
【００５９】
【数１９】
【００６０】
）を、再呼吸または被験者の実効換気量の他の変化の間に測定しかつｃＡＣＯ２に対してプロットすることができる場合、遷移期のデータ点を含めて、各呼吸からのデータは、式（３）で規定される直線上に位置する。
【００６１】
不都合にも、
【００６２】
【数２０】
【００６３】
は直接肺胞では測定されない。これは、直接的でない方式で、すなわち被験者の口のところでまたは被験者の口の近くで測定される。被験者の口のところでまたは被験者の口の近くで発する二酸化炭素信号は通常、そのような測定を容易にするために、呼吸流量信号と共に取得され処理される。留意すべきことに、Ｋｕｃｋらの米国特許公表のＵＳ２００２／０１８３６４３Ａ１（以下「Ｋｕｃｋ」）が教示するところでは、被験者が呼息するときに被験者の口のところで取られたＣＯ２の測定値は、血液が被験者の肺の肺胞を通過するときに血液から発せられるＣＯ２の量と、必ずしも十分には相関しない。より具体的には、被験者の呼吸器系から呼息または除去され、最終的に被験者の口のところまたは被験者の口の近くで測定される
【００６４】
【数２１】
【００６５】
は、同じ呼吸の間に血液から被験者の肺へ排出されたＣＯ２の量（流量としてみなすと
【００６６】
【数２２】
【００６７】
）によるものであるが、このＣＯ２の量と十分には相関しない。Ｋｕｃｋが説明するところでは、そのような非相関性は、被験者の肺のＣＯ２貯蔵部によって、特にＣＯ２貯蔵部の緩衝能力によって生じる。
【００６８】
より具体的には、
【００６９】
【数２３】
【００７０】
は、
【００７１】
【数２４】
【００７２】
と、被験者の肺のＥＬＶ内外に流れたＣＯ２との双方を含み、このＥＬＶはＣＯ２貯蔵部
【００７３】
【数２５】
【００７４】
を含む。したがって、以下の通りである。
【００７５】
【数２６】
【００７６】
被験者の肺のＣＯ２貯蔵部は緩衝部として機能して、増加したＣＯ２の一部を吸収し、
【００７７】
【数２７】
【００７８】
の変化よりも漸次的に
【００７９】
【数２８】
【００８０】
を変化させる。
個人の肺のＣＯ２貯蔵部は、図１に示す肺の簡潔なモデルなど、肺のモデルを使用して評価することができ、その図１のモデルにおいては、単一の肺胞１００および対応する肺毛細管１０２が肺を表す。血流が肺毛細管１０２を介して流れる方向は、矢印１０３で表される。個人の口は、参照符号１０６で表されている。図１のモデルにおいて、肺の二酸化炭素貯蔵部は、簡略化の目的で、肺胞（ＶＡ）の物理的なガス容積１０４を含むものとして示されている。当技術分野で知られているように、ＶＡは１回換気量（ＶＴ）に関連し、さらには肺の機能的残気量（ＶＦＲＣ）にも関連する。肺のＣＯ２貯蔵部（すなわちＦＲＣ）への図示した寄与体に加えて、ＣＯ２は、肺胞組織および肺の他の組織など（まとめるとＥＬＶ）、他の貯蔵部内に分布することもある。図１に示す肺モデルはまた、
【００８１】
【数２９】
【００８２】
不一致と血液の入れ替わり（すなわち、肺動脈および肺毛細管を流れない、またはＰＣＢＦでない心拍出量の部分）を省略している。モデル化の目的で、肺胞内での空気の混合（吸気、血液から脱するＣＯ２、ＣＯ２貯蔵部の内外へのＣＯ２の流れ、および肺胞内のガスを含む）は即座に生じると仮定されている。個人の肺のＣＯ２貯蔵部の実効容量は、本書において「ＶＡ＊」として示される。
【００８３】
ＣＯ２貯蔵部の効果は、直接得た
【００８４】
【数３０】
【００８５】
の測定値に基づいて正確な
【００８６】
【数３１】
【００８７】
を得るために、評価することができる。例えば、図１に示すような肺のモデルは、呼吸ごとを基準として評価することができる。単なる一例であるが、呼吸（ｎ）は、図２に示すように、１つの吸気の終わりから次の吸気の終わりまでの期間として表すことができる。さらに、図２は、呼吸が推移する間の被験者の気道（例えば肺）におけるＣＯ２貯蔵部の実効容量の一例を示す。
【００８８】
ＣＯ２貯蔵部の実効容量が呼吸間で変化しない場合、ある呼吸から次の呼吸までにＣＯ２貯蔵部の内外へ流れるＣＯ２の量は、肺胞のＣＯ２部分（ｆＡＣＯ２）（すなわち、肺胞におけるＣＯ２を含むガスの部分）の変化、すなわち、ある呼吸（ｆＡＣＯ２（ｎ））のｆＡＣＯ２とその前の呼吸ｆＡＣＯ２（ｎ−１）のｆＡＣＯ２との間の差異として表すことができる。したがって、ある呼吸（ｎ）に対するＣＯ２貯蔵部の容量（
【００８９】
【数３２】
【００９０】
）は、ＣＯ２貯蔵部が位置する実効容量（ＶＡ＊）を、直前の呼吸（ｎ−１）から現在の呼吸（ｎ）までのｆＡＣＯ２の変化で乗じ、さらに被験者の呼吸数（ＲＲ）で乗じることによって決定することができる。式（４）は以下のようになる。
【００９１】
【数３３】
【００９２】
式（５）は、「正常な」呼吸（例えば非再呼吸）から被験者の実効換気の変化（例えば、再呼吸または実効換気量における他の変化）へ推移する間に得られる
【００９３】
【数３４】
【００９４】
から
【００９５】
【数３５】
【００９６】
の測定値を推定するのに特に有用である。
【００９７】
【数３６】
【００９８】
の推定値は本書において
【００９９】
【数３７】
【０１００】
と示し、この推定値は式（５）における
【０１０１】
【数３８】
【０１０２】
の代わりとすることができる。
【０１０３】
【数３９】
【０１０４】
およびＲＲは直接測定することができるが、肺胞のＣＯ２部分（ｆＡＣＯ２）およびＶＡ＊は直接測定することができない。しかしながら、ｆＡＣＯ２はｐＡＣＯ２に比例し、このｐＡＣＯ２はｐｅｔＣＯ２に比例し、そしてこのｐｅｔＣＯ２は直接測定できる（例えばカプノメータを使用することによって）ことが知られている。したがって、ｐｅｔＣＯ２の測定値を使用して、当技術分野において知られるように、呼吸ごとにｆＡＣＯ２の値を得ることができる。
【０１０５】
ＶＡ＊は、例えば、式（５）から
【０１０６】
【数４０】
【０１０７】
の間の線形な相関関係を用い、
【０１０８】
【数４１】
【０１０９】
すなわち推定される実効肺胞容量を、ＶＡ＊、すなわち実際の実効肺胞容量の代わりとし、さらにｃＡＣＯ２を指標として用いる（式（３）参照）ことよって、適応的に推定することができる。
【０１１０】
【数４２】
【０１１１】
がより正確にＶＡ＊を反映するにつれて、個人の実効換気量が変化する過程にわたる、ｃＡＣＯ２（これは、ｐｅｔＣＯ２測定値にも比例し、当技術分野で既知の方法でｐｅｔＣＯ２から決定することができる）に対する
【０１１２】
【数４３】
【０１１３】
のプロットのデータ点は、個人の実際の肺毛細管の血流量または心拍出量を表す１本の直線に、より接近する。その結果、
【０１１４】
【数４４】
【０１１５】
の理想値は、プロットされたデータ（
【０１１６】
【数４５】
【０１１７】
に対するｃＡＣＯ２）同士の最良の線形適合をもたらす値、したがって、最大化された相関係数、すなわちｒ２値として決定することができる。単なる一例であるが、当技術分野で既知の種類の適応的、反復的、または探索アルゴリズムを用いて、相関係数すなわちｒ２が最大となる
【０１１８】
【数４６】
【０１１９】
を決定することができる。図３のグラフは、ｒ２が最大となる
【０１２０】
【数４７】
【０１２１】
値の例を示す。
正確に
【０１２２】
【数４８】
【０１２３】
が推定されると、被験者の肺のＦＲＣ（ＶＦＲＣ）またはＥＬＶ（ＶＥＬＶ）の実効容量もまた推定または決定することができる。この点について、式（５）は、次のように書き直して、
【０１２４】
【数４９】
【０１２５】
をＶＡ＊の推定値として使用することを反映させることができる。
【０１２６】
【数５０】
【０１２７】
以上の手法（特に、式（６）の使用））は、被験者が機械的に換気されている（すなわち人工呼吸器をつけている）ときに効果的となり、この場合、個人の呼吸の呼吸数および１回換気量（ＶＴ）は通常ほぼ安定し、それによって「きれいな」ｆＡＣＯ２信号が得られる。
【０１２８】
自発的なまたは混合した（すなわち、機械式かつ自発式の）換気の間は、式（６）を用いる場合、ｆＡＣＯ２信号に生じうるあらゆるノイズをも除去することが望ましいことがあるが、これは、そのようなノイズによって、
【０１２９】
【数５１】
【０１３０】
【数５２】
【０１３１】
の推定値が不正確になることがあるからである。したがって、式（６）よりもノイズの影響を受けにくいアルゴリズムもまた、以下に説明するように、
【０１３２】
【数５３】
【０１３３】
の推定に有用となることがある。
肺毛細管の血流量および心拍出量はある呼吸から次の呼吸まで変化しないと仮定すると、二酸化炭素のＦｉｃｋの式は（式（２））は、連続する２回の呼吸に対して以下のように書き換えることができる。
【０１３４】
【数５４】
【０１３５】
さらに、ｃｖＣＯ２はある呼吸からその次の呼吸まで変化しないと仮定すると、式（７）は次のように簡略化することができる。
【０１３６】
【数５５】
【０１３７】
当技術分野で知られているように、ＣＯ２解離曲線、すなわちＣＯ２分子が赤血球のヘモグロビン分子から解離する速度を示す標準曲線の傾き（ｓＣＯ２）と、気圧（ｐｂａｒｏ）とをさらに考慮する場合、被験者の肺胞におけるガスのＣＯ２部分の測定値（ｆＡＣＯ２）は、式（８）のｃＡＣＯ２の測定値の代わりに用いることができる。したがって、式（８）は次のように書き直すことができる。
【０１３８】
【数５６】
【０１３９】
この式をＣＯ２部分の差異（ｆＡＣＯ２（ｎ）−ｆＡＣＯ２（ｎ−１））について解くと、次式が得られる。
【０１４０】
【数５７】
【０１４１】
式（１０）を式（６）に代入すると、次式となる。
【０１４２】
【数５８】
【０１４３】
ここで、この式を
【０１４４】
【数５９】
【０１４５】
について解いて、
【０１４６】
【数６０】
【０１４７】
の正確な測定値を得ることができる。
【０１４８】
【数６１】
【０１４９】
構造的に、この結果は、次式の形の１次の単極ローパスフィルターを表している。
【０１５０】
【数６２】
【０１５１】
上式で、αは変換係数であり、次式で表すことができる。
【０１５２】
【数６３】
【０１５３】
式（１４）におけるＲＲは、被験者の呼吸数であり、１分間当たりの呼吸数で測定される。
【０１５４】
【数６４】
【０１５５】
は、呼吸（ｎ）の間における被験者の肺のＣＯ２貯蔵部の推定値であり、被験者の肺のＦＲＣまたはＥＬＶの容量（それぞれＶＦＲＣ＊およびＶＥＬＶ＊）にほぼ等しい。ｓＣＯ２は、標準的な二酸化炭素解離曲線の傾きである。ｐｂａｒｏは気圧である。ＰＣＢＦは被験者の肺毛細管の血流量であり、αまたは
【０１５６】
【数６５】
【０１５７】
の決定には、既知である必要はない。
ＰＣＢＦを知ることは、αの計算に必ずしも必要ではないが、これは、αの決定に必要となるのは、ｐｅｔＣＯ２またはｃＣＯ２値に対してプロットされた
【０１５８】
【数６６】
【０１５９】
値を通る直線の線形性または直線性が評価されることであり、ＰＣＢＦに等しい直線の傾きが評価されることではないからである。その点において、式（１３）および（１４）の変換係数（α）は反復的に決定することができるが、これは、初期のα値を用い、次いで漸次的にそのα値を増加および／または減少させて、ｐｅｔＣＯ２またはｃＣＯ２値に対する
【０１６０】
【数６７】
【０１６１】
値のプロットに最大の線形性をもたらす（開ループとは異なる）、別の言い方では、
【０１６２】
【数６８】
【０１６３】
値とｐｅｔＣＯ２またはｃＣＯ２値との間の最適な相関係数（ｒ２）を与えるα値を決定することによるものである。最適なα値を決定する他の方法には、当技術分野で知られているように、限定はしないが、機械的探索と、大域的探索と、傾斜探索（例えば傾斜下降探索アルゴリズムの使用）と、最小平均二乗アルゴリズムの使用と、他の所定の式または所定の式の組の使用と、真に適応性のあるフィルタリング技法の使用と、最適なα値を決定するための他の技法の使用とがある。
【０１６４】
最適な変換係数（α）（式（１４））を式（１３）において使用すると、被験者の肺の比較的正確で簡潔な数学的モデルが得られる。式（１３）のアルゴリズムは、肺の二酸化炭素貯蔵部の内外に流れるＣＯ２の量を、「呼吸間」を基準として計算するために使用することができる。
【０１６５】
式（１４）の
【０１６６】
【数６９】
【０１６７】
はＥＬＶに等しく、また流量は容量に変換することができ、その結果、ＲＲが除去され、以下のようにαをより簡潔に表すことができる。
【０１６８】
【数７０】
【０１６９】
ここでＱは、流量ではなく容量として測定される。式（１５）がΔｆＡＣＯ２（すなわち、ｆＡＣＯ２（ｎ）−ｆＡＣＯ２（ｎ−１））で乗じられた場合、この式は、被験者の実効換気量の変化（例えば、再呼吸または他の実効換気量の変化）によるＣＯ２の量の全体的な変化に対する、ＥＬＶに貯蔵されたＣＯ２の相対的な量を計算するものとして考えることができる。
【０１７０】
ＰＣＢＦ／ＲＲが、被験者の実効換気量が変化する（例えば、再呼吸または実効換気量の他の変化）前およびその間に得られたデータから計算される場合、式（１５）は以下のように書き直すことができる。
【０１７１】
【数７１】
【０１７２】
式（１６）は以下のように再度整理して、ＥＬＶ
【０１７３】
【数７２】
【０１７４】
について解くことができる。
【０１７５】
【数７３】
【０１７６】
データが収集されるときに被験者が呼吸し続けるかどうかにかかわらず、式（１７）は、被験者の実効換気量に実質的にいくぶんかの変化（例えば、再呼吸、呼吸数の変化、呼吸量の変化など）が生じたときに、ほぼ非侵襲的にＥＬＶを測定するために用いることができ、「正常な」呼吸の間に得られたデータは、実効換気量の変化が生じてから得られたデータと比較される。
【０１７７】
最適なα値を決定する他の技法もまた、本発明の範囲に含まれる。
式（６）は、肺内に貯蔵されたＣＯ２の量
【０１７８】
【数７４】
【０１７９】
が呼吸間で変化する可能性、またはその尤度さえも考慮していない。式（６）のより高度な変形型はこの可能性を考慮する。
【０１８０】
【数７５】
【０１８１】
したがって、他の態様において、本発明は、ＶＣＯ２ＳＴＯＲＥＳにおける起こりうる変化に対してＥＬＶを補正し、そのＥＬＶ補正値をＣＯ２形式のフィックの微分方程式と結合するアルゴリズムの使用を含む。
【０１８２】
【数７６】
【０１８３】
上式で、
【０１８４】
【数７７】
【０１８５】
は、被験者の肺から排出された二酸化炭素の平均呼吸間容量であり、流量ではなく、これは、直前の呼吸および被験者の換気の有効な変化（例えば、再呼吸または実効換気における他の変化）の間に、口のところで測定されるものである。式（１９）のＥＬＶ値は１回換気量（ＶＴ）を含む。ＦＲＣをより厳密に推定するためには、吸気の１回換気量を、式（１９）で用いるために推定されたＥＬＶから減じなければならない。留意すべきことに、正確な結果は、各呼吸の
【０１８６】
【数７８】
【０１８７】
が呼気から吸気まで計算されるときに、
【０１８８】
【数７９】
【０１８９】
として得られる。
１回換気量は一般に、呼吸間で大幅には変化しない。したがって、式（１８）の式ＶＴ（ｎ）−ＶＴ（ｎ−１）は、以降のＥＬＶ決定の確度に実質的に影響を及ぼすことなく式（１９）から省略されている。任意選択ではあるが、式（１９）の変形型では、ある呼吸からその次の呼吸までの１回換気量の変化を考慮してもよいが、これは、そうすることによって、
【０１９０】
【数８０】
【０１９１】
の計算の確度を、したがって以降のＥＬＶ推定の確度を改善することができるからである。
【０１９２】
【数８１】
【０１９３】
およびｐｅｔＣＯ２が一周期内で良好な安定状態に達する場合、それらを用いて式（１９）のＰＣＢＦを計算することが可能となることもある。これが可能となるのは、ＥＬＶは、安定状態の値からＰＣＢＦを推定することに影響を及ぼさないからである（代数的に、ｆＡＣＯ２（ｎ）−ｆＡＣＯ２（ｎ−１）項は安定状態で消滅する）。
【０１９４】
式（１９）は、以下のようにＥＬＶ
【０１９５】
【数８２】
【０１９６】
について解くことができる。
【０１９７】
【数８３】
【０１９８】
さらに、１つのＣＯ２解離曲線の傾きｓＣＯ２（例えば、その周期のｐｅｔＣＯ２値全体に対する平均値）を使用できると仮定される場合、その傾きｓＣＯ２は約され、式は以下のように簡略化される。
【０１９９】
【数８４】
【０２００】
上式で、ｐｒｅおよびｄｕｒｉｎｇの値はそれぞれの安定状態を表す。別法として、ＰＣＢＦは、他のある方法によって、その方法が侵襲的（例えば熱希釈）であるか非侵襲的（例えば電気的生体インピーダンス）であるかにかかわらず決定することができる。
【０２０１】
式（２１）の部分は、本発明の少なくとも２つの実施形態において用いることができ、そのうちの１つは、ＥＬＶを決定するために式（２１）の第１の部分を用いることを含む。より具体的には、被験者の実効換気量の変化によりｐＡＣＯ２が変化していても（例えば、再呼吸または実効換気量の他の変化）
【０２０２】
【数８５】
【０２０３】
は一定であると仮定することができる場合、ＥＬＶは以下の通りに決定することができる。
【０２０４】
【数８６】
【０２０５】
式（２２）は、被験者の実効換気量の変化（例えば、再呼吸、呼吸数の変化、呼吸量の変化など）が生じたとき、ならびに被験者が引き続き呼吸する間に（すなわち、息こらえを必要とする、あるいは別の方法で一時的に呼吸を停止する操作の間以外に）、ＥＬＶの評価に使用することができる。式（２２）を使用してＥＬＶを決定する際、「正常な」呼吸の間に取得されたデータは、実効換気量の変化が生じた後に取得されたデータと比較することができる。一例であって限定するものではないが、呼吸（ｎ−１）は正常な呼吸を表す一方で、（ｎ）は実効換気量の変化が発生した最初の呼吸を表すことができる。
【０２０６】
これらの実施形態の２つ目は、式（２１）の第１の部分（すなわち式（２２））、ならびに式（２１）の第２の部分、
【０２０７】
【数８７】
【０２０８】
を、またはそのより広義の変形、
【０２０９】
【数８８】
【０２１０】
を用いる。
このようにして、式（２２）のＥＬＶ計算は、ある呼吸の間のｐＡＣＯ２の変化、または絶えず変化するｐＡＣＯ２の変化を補正するように修正することができる。具体的には、式（２３）におけるＶＣＯ２の変化とｐＡＣＯ２の変化との比、ならびに式（２４）における
【０２１１】
【数８９】
【０２１２】
の比は、血液を去るＣＯ２がＣＯ２貯蔵部に追加されるとき口を通じてＣＯ２貯蔵部を去るＣＯ２の量を示す直線の傾きを、すなわち、血流からのＣＯ２がＣＯ２貯蔵部に流入するときｐｅｔＣＯ２の変化がｐＡＣＯ２の変化を表す「感度」を表し、この感度はＣＯ２貯蔵部の緩衝能力の指標となる。
【０２１３】
【数９０】
【０２１４】
は、ｐｅｔＣＯ２が口のところでまたは口の近くで測定されるとき、スケーリングすべきｐＡＣＯ２の変化の大きさの指標となる。
【０２１５】
式（２４）における１／ＲＲは、実効換気の変化（例えば再呼吸）の開始と測定されたｐＡＣＯ２が肺胞を去る時間との間の時間間隔を表す、異なる値で置き換えることができる。一般に、そのような値は１／ＲＲよりも小さくなる。
【０２１６】
データが収集されるときに被験者が呼吸し続けるかどうかにかかわらず、式（２３）と（２４）の組合せは、被験者の実効換気量に実質的にいくぶんかの変化が生じたとき、ほぼ非侵襲的にＥＬＶを決定するために使用することができる。より具体的には、「正常な」呼吸の間に取得されたデータは、実効換気量の変化が生じた後に取得されたデータと比較することができる。
【０２１７】
ここで図４に戻ると、本発明の教示を組み込んだ例示的な診断システム１１が概略的に示されている。診断システム１は、とりわけ、個人Ｉの気道Ａと連通する気道５２、ならびに気道５２にそって配置された流量計７２および二酸化炭素センサー７４を有する。流量計７２および二酸化炭素センサー７４は、対応する監視装置７３および７５に信号を伝え、その監視装置７３および７５は、呼吸モニター８０のプロセッサ８２（例えば、Ｒｅｓｐｉｒｏｎｉｃｓの分社である米コネティカット州ＷａｌｌｉｎｇｆｏｒｄのＮｏｖａｍｅｔｒｉｘ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓから入手可能なＮＩＣＯ（登録商標）のプロセッサおよび呼吸監視装置））と電気的に通信する。プロセッサ８２は、流量計７２と二酸化炭素センサー７４から送られた信号に基づいて、少なくともＶＣＯ２とｐｅｔＣＯ２を決定するようにプログラムされている。さらに、プロセッサ８２は、流量計７２と二酸化炭素センサー７４のうちの一方または双方からの信号または計算されたパラメータ（例えばＶＣＯ２とｐｅｔＣＯ２）を上述のアルゴリズム（すなわち、式（１）から（２４）のうちの１つまたは複数）で使用して、ほぼ非侵襲的でかつ正確に個人ＩのＥＬＶを容易に決定するようにプログラムすることができる。あるいは、そのような計算を手動で行うことができる。
【０２１８】
本発明の教示を組み込んだ方法において、ＶＣＯ２およびｐｅｔＣＯ２の値は、個人Ｉの実効換気量の変化が影響を受けた、基準または第１の換気状態、または第２の換気状態のいずれの間にも取得される。あるいは、そのような値を、第１および第２の状態の間の推移の間に取得し、次いで、第１および第２の状態の間に取得された値と比較することができる。
【０２１９】
第１の換気状態は、実質的に「正常な」呼吸状態下で影響を受けることがある。あるいは、基準換気状態は、選択された他の呼吸状態の第１の組のもとで定義することができる。第２の換気状態は、測定可能な変化を分時拍出量にもたらす程度で、第１の換気状態の間に存在するものとは異なる呼吸状態を達成するように、１つまたは複数の呼吸制御パラメータが操作されたときに発生する。
【０２２０】
第２の換気状態は、例えば、吸気圧力、１回換気量、流量または時間などの制限変数の値を、第１の換気状態の間におけるその制限変数の値から変更することによって発生させることができる。他の例示的方法において、実効換気量の変化は、周期変数のしきい値を、第１の換気状態の間におけるその周期変数のしきい値レベルから変更することによって発生させることができる。さらなる例示的方法において、実効換気量の変化は、吸気圧力または流速などの誘発変数のしきい値誘発値を変更することによって発生させることができる。さらなる方法において、実効換気量の変化は、通常の呼吸よりも深い「ため息のような呼吸（ｓｉｇｈ ｂｒｅａｔｈｓ）」を少なくとも３回連続して個人に行わせることによって発生させることができる。実効換気量の変化はまた、不安定な、すなわち「騒がしい」呼吸の期間を含むことがある。
【０２２１】
得られたＶＣＯ２およびｐｅｔＣＯ２の値は、ほぼ非侵襲的にかつ正確に個人ＩのＥＬＶを決定するために、式（１）から（２４）のうちの１つまたは複数と共に処理される。
【実施例】
【０２２２】
極めて長い気管内挿入管を、初期の正位置から、麻酔した豚の気管支紋理内へのわずかな距離に（時刻１５時２６分）、２１分後に（時刻１５時４７分）さらに気管支紋理内の位置に増分的に前進させることによって、さまざまな実効ＲＦＣ値が達成された。肺の一部分のみを換気することにより、実効ＦＲＣは、気管内挿入管の前進につれて減少した。
【０２２３】
ＥＬＶが、式（１８）を使用して、さまざまな呼吸に対して計算された。十分なｆＡＣＯ２（ｎ）−ｆＡＣＯ２（ｎ−１）しきい値が存在したとき、ならびに特定の呼吸の間（例えば、第２の呼吸は再呼吸へのものであり、第１の呼吸は回復のものであるなど）に計算されたＥＬＶ値は有効とみなされ、データ点として図５のグラフに含められた。留意すべきことに、プロットしたデータ点は、ＥＬＶから吸気の１回換気量を引いたものを表す。正常な呼吸から再呼吸へと遷移する間に取得されたデータから計算されたＥＬＶ値は、菱形の点として示されている。再呼吸から回復へと遷移する間に取得されたデータから計算されたＥＬＶ値は、正方形として示されている。２組のデータを通じて延びる直線同士が接近していることから、ＥＬＶ値が、したがってそれらを算出したアルゴリズム（式（２２および２３））が、妥当なＥＬＶ値を与えることが示唆される。留意すべきことに、２組のＥＬＶ計算値のトレンドは、予想の通り、気管内挿入管が豚の肺内へとさらに前進されたときには減少する。これらのトレンド、ならびにそれらの大きさは、その根底にあるＶＣＯ２信号５０およびｐｅｔＣＯ２信号５１によって確認される。さらに、ＥＬＶ推定値は、ｐｅｔＣＯ２の著しい変化が認められたときにも（１５時５０分より後のｐｅｔＣＯ２のトレンドを参照）、依然として比較的安定であった。
【０２２４】
以上の説明は多数の詳細を含んでいるが、それらは本発明の範囲を限定するものではなく、単に本発明の好ましい実施形態のいくつかを例示するものとみなされるべきである。同様に、本発明の趣旨または範囲を逸脱しない、本発明の他の実施形態を考案することができる。異なる実施形態の特徴は、組み合わせて用いることができる。したがって、本発明の範囲は、以上の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲およびその法的な均等物によってのみ示されかつ限定される。本明細書において開示する本発明に対する、特許請求の範囲の趣旨および範疇に含まれるすべての追加、除外および修正は、特許請求の範囲に含まれるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０２２５】
【図１】個人の肺胞の概略図であり、さまざまな呼吸および血液ガスパラメータを測定できる場所を示している。
【図２】一連の呼吸周期または呼吸の間における、個人の気道の二酸化炭素貯蔵部内のガス体積（ＶＡ）を示すグラフである。
【図３】ｃＡＣＯ２のデータ点に対する変換された
【０２２６】
【数９１】
【０２２７】
のデータ点のプロットであり、プロットされた点は互いにほぼ直線状である。
【図４】本発明の教示を組み込んだ監視システムの一例の概略図である。
【図５】本発明の教示に従って行われた２組のＥＬＶ計算の相関関係を示す線グラフである。
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００４年１０月２５日に出願された出願継続中の米国特許出願第１０／９７３，８１５号への優先権を主張するものであり、その出願は、現在では２００５年１０月１８日に発行された米国特許第６，９５５，６５１号となっている、２００２年４月１１日に出願された出願第１０／１２１，２１９号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は一般に、機能的残気量（ＦＲＣ）、すなわち呼息後に被験者の肺内に残留するガスの容量を、またはより大まかには、肺組織内に拡散したガスを含めた被験者の実効肺容量（ＥＬＶ）を測定する技法に関する。特に、本発明は、非侵襲的にＦＲＣまたはＥＬＶを決定する技法に関する。
【背景技術】
【０００３】
機能的残気量（ＦＲＣ）とは、呼息後、すなわち息を吐き終えたときに被験者の肺内に残存する、二酸化炭素（ＣＯ２）を含むガスの量である。健康な個人において、ＦＲＣは通常、肺容量の約４０％をなし、一般に約１．８リットルから約３．４リットルに達する。ＦＲＣは、被験者の肺の肺胞における二酸化炭素の量が大きく呼吸間で変化するのを緩和するものであり、その変化は、ＣＯ２の分圧（ｐＡＣＯ２）の形でまたはＣＯ２を含むガスの一部分（ｆＡＣＯ２）として測定することができる。正常な１回換気量では、ｐＡＣＯ２とｆＡＣＯ２は一般に、約２ｍｍＨｇまたは約０．２５％のみそれぞれ変動する。
【０００４】
多数の著者が主張するところでは、ＣＯ２は、（１）ガス容積（ＶＡまたはＦＲＣ）、（２）肺組織、ならびに（３）肺内にその時々に存在する肺血液という、３つの異なる区分で肺に貯蔵される。肺組織と肺血液の区分はしばしば、それらの等価なガス容積として（すなわち、それらの実効貯蔵容量でスケーリングされて）表現され、ＶｔｉｓおよびＶｂｌｏｏｄと示される。ＦＲＣは肺胞内のガス（ＣＯ２を含む）の体積を表すにすぎないが、実効肺容量（ＥＬＶ）は、ＦＲＣを含むだけでなく、呼息の終わりに被験者の肺の組織内に依然として拡散しているガスをも含み、したがって、３つすべての区分におけるガスを表す。
【０００５】
ＥＬＶは一般に、ＦＲＣよりもわずかに容量が大きいが、これらの用語は、次の説明において簡略化のために区別なく使用されることがある。
【０００６】
各区分は、異なる速度でＣＯ２の変動と平衡を保つ。Ｇｅｄｅｏｎ，Ａ．ら著の「Ｐｕｌｍｏｎａｒｙ ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ（ｃａｒｄｉａｃ ｏｕｔｐｕｔ）ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｌｕｎｇ ｖｏｌｕｍｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ａ ｓｈｏｒｔ ｂｒｅａｔｈ ｈｏｌｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｆｉｃｋ ｍｅｔｈｏｄ」、Ｊ．ＣＬＩＮ．ＭＯＮＩＴ．１７：３１３−３２１（２００２）（以下「Ｇｅｄｅｏｎ ２００２」）が教示するところでは、ＶＡは、呼吸終期のＣＯ２（分圧について測定する場合はｐｅｔＣＯ２、ＣＯ２を含むガスの部分として測定する場合はｆｅｔＣＯ２）の変動とは即座に平衡化し、ｐＡＣＯ２および動脈血（ｃａＣＯ２）内のＣＯ２含量の変動とは徐々に（例えば約１０秒から約２０秒で）平衡化し、一方で、ＶｔｉｓとＶｂｌｏｏｄは、ｐＡＣＯ２とｃａＣＯ２が変化するときにはより少ない時間で平衡化する。
【０００７】
被験者の胸壁および肺と肺の弾性的反跳との関係が、ＦＲＣを、したがってＥＬＶを決定する。肺気腫、喘息、および他の拘束性疾患を含む、肺の弾性的反跳を変化させる肺疾患は、ＦＲＣに影響を及ぼす。したがって、ＦＲＣの測定値は、そのような状態を正確に診断する上で有用となりうる。ＦＲＣの測定値はまた、呼吸不全および低酸素血症の診断と治療を行う上でも有用である。
【０００８】
肺の閉鎖容量未満のＦＲＣを有する肺において、気道は、被験者の呼息が終了する前に閉じ始め、その結果、ｐＡＯ２が低下すると共に、換気、すなわち口を通じた肺内外へのガスの移動と、潅流、すなわち肺の肺胞と肺胞を囲む肺毛細管との間のガス／血液の障壁を越えるガスの移動との間に不一致が生じる。これは当技術分野においてＶ／Ｑ不一致または
【０００９】
【数１】
【００１０】
不一致として知られている。
ＦＲＣの測定に現在利用可能な技法には、全身のプレチスモグラフィー、窒素洗い出し法、ヘリウム希釈法が挙げられる。これらの方法のすべては、扱いが困難な機器を必要とし、したがって、既に機器で混雑した集中治療の環境で使用するには適さないことがある。
【００１１】
Ｇｅｄｅｏｎ ２００２ではＥＬＶを測定する非侵襲的技法が提案されている。具体的には、その技法は、被験者の
【００１２】
【数２】
【００１３】
およびｆｅｔＣＯ２を測定すること、被験者に３秒間息をこらえさせること、ならびに
【００１４】
【数３】
【００１５】
およびｆｅｔＣＯ２を再測定することを含む。息こらえ以降の最初の呼吸では、ｆｅｔＣＯ２が上昇し、また、息こらえの持続時間およびそれに続く呼吸にわたって計算される
【００１６】
【数４】
【００１７】
が低下する。ＥＬＶのＣＯ２貯蔵部によって緩和されることから、
【００１８】
【数５】
【００１９】
（すなわち、肺毛細管の血液から肺の肺胞内へと移動するＣＯ２）が息こらえの間に変化しないと仮定して、Ｇｅｄｅｏｎが主張するところでは、
【００２０】
【数６】
【００２１】
の減少は、ＣＯ２が肺のＣＯ２貯蔵部へと向かう結果であることに間違いはない。
【００２２】
【数７】
【００２３】
上式で、
【００２４】
【数８】
【００２５】
および
【００２６】
【数９】
【００２７】
はそれぞれ、息こらえ法の前後に得られた測定値を示す。
この関係式に加えて、Ｇｅｄｅｏｎは、被験者の肺毛細管の血流量（ＰＣＢＦまたは、次の式を簡潔にする場合には
【００２８】
【数１０】
【００２９】
）を被験者のＥＬＶに関連付ける式を展開した。これらの式のうちの２つは、息こらえ前の状態を息こらえ後の状態と、ならびに息こらえ前の状態を回復の状態と比較するものである。これらの式の双方を満たすＥＬＶとＰＣＢＦのデータ組みのうちのＥＬＶが、被験者の実際のＥＬＶであるとみなされる。
【００３０】
Ｇｅｄｅｏｎ ２００２の技法は、息こらえはｐＡＣＯ２の変化を生じるが、息こらえによって「ＣＯ２の流入は大きくは影響されない（ことがある）」という仮定に基づいているため、この技法は不正確なデータを与えると考えられている。この仮定はＦｉｃｋの式と矛盾するものであり、Ｆｉｃｋの式においては、
【００３１】
【数１１】
【００３２】
はｐＡＣＯ２と共に線形に変化し、一方でＰＣＢＦおよび静脈血におけるＣＯ２の量（ｃＶＣＯ２または、Ｇｅｄｅｏｎ２００２が呼ぶところではｐｖｅｎ）は依然として一定である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
以上を考慮すると、事実上すべての医療環境において正確に非侵襲的にＦＲＣまたはＥＬＶを測定する技法が必要とされることは明らかである。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明は、非侵襲的にＦＲＣまたはＥＬＶを測定または推定する方法、ならびにＦＲＣおよびＥＬＶの測定値を最小の侵襲性で取得する装置およびシステムを含む。
【００３５】
本発明の教示に従ってＦＲＣまたはＥＬＶを非侵襲的に測定または推定する方法の一例として、二酸化炭素量および流量の測定値を、被験者の口のところでまたは被験者の口の近くで得ることができる。そのような測定値は、基準呼吸、すなわち「正常な」呼吸の間に、ならびに被験者の実効換気の変化が誘発される間およびその直後に取得される。例えば、測定値は再呼吸法の間にまたはその直後に得ることができ、その再呼吸法において、被験者は、正常量を上回るＣＯ２を含んだガスを吸息する。再呼吸の例に続けて、得られた測定値は、呼息されるＣＯ２レベルが正常に戻るのに要する時間を測定するために評価され、これは事実上、被験者の肺からのＣＯ２の「洗い出し」を評価することである。逆に、ＣＯ２量および流量の測定値は、ＣＯ２が、再呼吸の後に、被験者の肺に「流入」する、または被験者の肺内でピークレベルに達するのに要する時間を測定するために評価することができる。当然ながら、他の技法を用いて被験者の実効換気における摂動または変化を生じさせる（すなわち、装置、個人、またはそれらの組合せに関連する死積により、全換気は無効換気よりも少ない）場合も、ＣＯ２または目的とする他のガスの量を測定することができる。そのような測定値を評価することによって、被験者のＥＬＶをほぼ非侵襲的に測定または推定することができる。
【００３６】
本発明の教示を組み込んだ（例えばプログラムして）非侵襲的ＥＬＶ推定装置は、被験者からのＣＯ２量および流量のデータを評価し、ＥＬＶを計算するような形でデータを処理するように構成されている（例えばプログラムされている）。本発明のシステムは、そのような装置ならびにＣＯ２量および流量のセンサーを含んでおり、そのＣＯ２量および流量のセンサーは、ＣＯ２量および流量の測定値を可能な限り非侵襲的な方式（場合によっては気管内チューブは例外とする）で取得し、測定したＣＯ２量および流量のレベルを代表するデータを非侵襲的ＥＬＶ推定装置に伝える。
【００３７】
本発明の他の特徴および利点は、次の説明、添付の図面、および添付の特許請求の範囲を検討することにより、当業者に明らかとなろう。
【００３８】
図において、本発明のさまざまな例示的態様を示すことにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明は、被験者のＦＲＣまたはＥＬＶをほぼ非侵襲的に測定する方法を含む。本発明の方法において、ＦＲＣまたはＥＬＶは、二酸化炭素などの呼吸ガス、および呼吸流量を評価することによって決定することができる。呼吸ガスおよび流量の信号は、さまざまなパラメータを決定するために用いることができ、また、被験者の肺の数学的モデルと共に、ＦＲＣまたはＥＬＶを決定するために用いることができる。次の説明は、１つまたは複数の例示的アルゴリズムを導出する方式の考察、ならびに、そのような導出を支持する推論を含み、被験者のＦＲＣまたはＥＬＶの非侵襲的測定を大幅に促進する。
【００４０】
本発明の教示に従って、ＦＲＣおよびＥＬＶは、被験者の呼吸器および循環器の、または血流力学的な性能がほぼ非侵襲的な方式で測定されている間に測定することができる。被験者の循環器の性能の例示的な尺度には、肺毛細管の血流量および心拍出量があるが、これらに限定はされない。
【００４１】
二酸化炭素のＦｉｃｋの式は、肺毛細管の血流量および心拍出量の双方の決定に、長きにわたって用いられてきた。二酸化炭素のＦｉｃｋの式の一形式は以下の通りである。
【００４２】
ＰＣＢＦ＝ＶＣＯ２／（ｃＶＣＯ２−ｃＡＣＯ２） （１）
上式で、ＰＣＢＦは肺毛細管の血流量を表し、ＶＣＯ２は二酸化炭素の排出量であり、ｃｖＣＯ２は、監視される個人の静脈血の二酸化炭素含量であり、ｃＡＣＯ２は、監視される個人の肺胞（すなわち肺毛細管）の血液の二酸化炭素含量である。
【００４３】
ＶＣＯ２を測定する最も正確な方法は、肺の肺胞を囲む肺毛細管内の血液から肺胞へのＣＯ２の流量、すなわち二酸化炭素排出量
【００４４】
【数１２】
【００４５】
を直接測定することであろう。ＶＣＯ２がこの方法で測定できる場合、式（１）は以下のようになる。
【００４６】
【数１３】
【００４７】
肺胞における血液内のＣＯ２の含量（ｃＡＣＯ２）が動脈血におけるＣＯ２の含量（ｃａＣＯ２）とほぼ同じである場合、心拍出量
【００４８】
【数１４】
【００４９】
は式（２）におけるＰＣＢＦと置き換えることができる。
【００５０】
【数１５】
【００５１】
の計算のために式（２）を再度整理すると、以下のようになる。
【００５２】
【数１６】
【００５３】
留意すべきことに、式（３）は、２次元（ｘ、ｙ）座標系における直線の標準的な式：ｙ＝ｍｘ＋ｂの形式を取る。個人の実効換気量が変化する間およびその前またはその後のさまざまな時点で取られたｃＡＣＯ２信号（ｘ軸）に対して、
【００５４】
【数１７】
【００５５】
信号（ｙ軸）を２次元座標系にプロットすると、プロットした点を通って延びる直線の傾き（ｍ）は−ＰＣＢＦとなり、ＰＣＢＦｃｖＣＯ２は切片（ｂ）となることが分かる。
【００５６】
式（２）および（３）は、二酸化炭素が肺胞の血液を去る、すなわち肺胞の血液から除去される速度
【００５７】
【数１８】
【００５８】
に基づいている。血液から肺胞へのＣＯ２の流量、すなわち二酸化炭素排出量（
【００５９】
【数１９】
【００６０】
）を、再呼吸または被験者の実効換気量の他の変化の間に測定しかつｃＡＣＯ２に対してプロットすることができる場合、遷移期のデータ点を含めて、各呼吸からのデータは、式（３）で規定される直線上に位置する。
【００６１】
不都合にも、
【００６２】
【数２０】
【００６３】
は直接肺胞では測定されない。これは、直接的でない方式で、すなわち被験者の口のところでまたは被験者の口の近くで測定される。被験者の口のところでまたは被験者の口の近くで発する二酸化炭素信号は通常、そのような測定を容易にするために、呼吸流量信号と共に取得され処理される。留意すべきことに、Ｋｕｃｋらの米国特許公表のＵＳ２００２／０１８３６４３Ａ１（以下「Ｋｕｃｋ」）が教示するところでは、被験者が呼息するときに被験者の口のところで取られたＣＯ２の測定値は、血液が被験者の肺の肺胞を通過するときに血液から発せられるＣＯ２の量と、必ずしも十分には相関しない。より具体的には、被験者の呼吸器系から呼息または除去され、最終的に被験者の口のところまたは被験者の口の近くで測定される
【００６４】
【数２１】
【００６５】
は、同じ呼吸の間に血液から被験者の肺へ排出されたＣＯ２の量（流量としてみなすと
【００６６】
【数２２】
【００６７】
）によるものであるが、このＣＯ２の量と十分には相関しない。Ｋｕｃｋが説明するところでは、そのような非相関性は、被験者の肺のＣＯ２貯蔵部によって、特にＣＯ２貯蔵部の緩衝能力によって生じる。
【００６８】
より具体的には、
【００６９】
【数２３】
【００７０】
は、
【００７１】
【数２４】
【００７２】
と、被験者の肺のＥＬＶ内外に流れたＣＯ２との双方を含み、このＥＬＶはＣＯ２貯蔵部
【００７３】
【数２５】
【００７４】
を含む。したがって、以下の通りである。
【００７５】
【数２６】
【００７６】
被験者の肺のＣＯ２貯蔵部は緩衝部として機能して、増加したＣＯ２の一部を吸収し、
【００７７】
【数２７】
【００７８】
の変化よりも漸次的に
【００７９】
【数２８】
【００８０】
を変化させる。
個人の肺のＣＯ２貯蔵部は、図１に示す肺の簡潔なモデルなど、肺のモデルを使用して評価することができ、その図１のモデルにおいては、単一の肺胞１００および対応する肺毛細管１０２が肺を表す。血流が肺毛細管１０２を介して流れる方向は、矢印１０３で表される。個人の口は、参照符号１０６で表されている。図１のモデルにおいて、肺の二酸化炭素貯蔵部は、簡略化の目的で、肺胞（ＶＡ）の物理的なガス容積１０４を含むものとして示されている。当技術分野で知られているように、ＶＡは１回換気量（ＶＴ）に関連し、さらには肺の機能的残気量（ＶＦＲＣ）にも関連する。肺のＣＯ２貯蔵部（すなわちＦＲＣ）への図示した寄与体に加えて、ＣＯ２は、肺胞組織および肺の他の組織など（まとめるとＥＬＶ）、他の貯蔵部内に分布することもある。図１に示す肺モデルはまた、
【００８１】
【数２９】
【００８２】
不一致と血液の入れ替わり（すなわち、肺動脈および肺毛細管を流れない、またはＰＣＢＦでない心拍出量の部分）を省略している。モデル化の目的で、肺胞内での空気の混合（吸気、血液から脱するＣＯ２、ＣＯ２貯蔵部の内外へのＣＯ２の流れ、および肺胞内のガスを含む）は即座に生じると仮定されている。個人の肺のＣＯ２貯蔵部の実効容量は、本書において「ＶＡ＊」として示される。
【００８３】
ＣＯ２貯蔵部の効果は、直接得た
【００８４】
【数３０】
【００８５】
の測定値に基づいて正確な
【００８６】
【数３１】
【００８７】
を得るために、評価することができる。例えば、図１に示すような肺のモデルは、呼吸ごとを基準として評価することができる。単なる一例であるが、呼吸（ｎ）は、図２に示すように、１つの吸気の終わりから次の吸気の終わりまでの期間として表すことができる。さらに、図２は、呼吸が推移する間の被験者の気道（例えば肺）におけるＣＯ２貯蔵部の実効容量の一例を示す。
【００８８】
ＣＯ２貯蔵部の実効容量が呼吸間で変化しない場合、ある呼吸から次の呼吸までにＣＯ２貯蔵部の内外へ流れるＣＯ２の量は、肺胞のＣＯ２部分（ｆＡＣＯ２）（すなわち、肺胞におけるＣＯ２を含むガスの部分）の変化、すなわち、ある呼吸（ｆＡＣＯ２（ｎ））のｆＡＣＯ２とその前の呼吸ｆＡＣＯ２（ｎ−１）のｆＡＣＯ２との間の差異として表すことができる。したがって、ある呼吸（ｎ）に対するＣＯ２貯蔵部の容量（
【００８９】
【数３２】
【００９０】
）は、ＣＯ２貯蔵部が位置する実効容量（ＶＡ＊）を、直前の呼吸（ｎ−１）から現在の呼吸（ｎ）までのｆＡＣＯ２の変化で乗じ、さらに被験者の呼吸数（ＲＲ）で乗じることによって決定することができる。式（４）は以下のようになる。
【００９１】
【数３３】
【００９２】
式（５）は、「正常な」呼吸（例えば非再呼吸）から被験者の実効換気の変化（例えば、再呼吸または実効換気量における他の変化）へ推移する間に得られる
【００９３】
【数３４】
【００９４】
から
【００９５】
【数３５】
【００９６】
の測定値を推定するのに特に有用である。
【００９７】
【数３６】
【００９８】
の推定値は本書において
【００９９】
【数３７】
【０１００】
と示し、この推定値は式（５）における
【０１０１】
【数３８】
【０１０２】
の代わりとすることができる。
【０１０３】
【数３９】
【０１０４】
およびＲＲは直接測定することができるが、肺胞のＣＯ２部分（ｆＡＣＯ２）およびＶＡ＊は直接測定することができない。しかしながら、ｆＡＣＯ２はｐＡＣＯ２に比例し、このｐＡＣＯ２はｐｅｔＣＯ２に比例し、そしてこのｐｅｔＣＯ２は直接測定できる（例えばカプノメータを使用することによって）ことが知られている。したがって、ｐｅｔＣＯ２の測定値を使用して、当技術分野において知られるように、呼吸ごとにｆＡＣＯ２の値を得ることができる。
【０１０５】
ＶＡ＊は、例えば、式（５）から
【０１０６】
【数４０】
【０１０７】
の間の線形な相関関係を用い、
【０１０８】
【数４１】
【０１０９】
すなわち推定される実効肺胞容量を、ＶＡ＊、すなわち実際の実効肺胞容量の代わりとし、さらにｃＡＣＯ２を指標として用いる（式（３）参照）ことよって、適応的に推定することができる。
【０１１０】
【数４２】
【０１１１】
がより正確にＶＡ＊を反映するにつれて、個人の実効換気量が変化する過程にわたる、ｃＡＣＯ２（これは、ｐｅｔＣＯ２測定値にも比例し、当技術分野で既知の方法でｐｅｔＣＯ２から決定することができる）に対する
【０１１２】
【数４３】
【０１１３】
のプロットのデータ点は、個人の実際の肺毛細管の血流量または心拍出量を表す１本の直線に、より接近する。その結果、
【０１１４】
【数４４】
【０１１５】
の理想値は、プロットされたデータ（
【０１１６】
【数４５】
【０１１７】
に対するｃＡＣＯ２）同士の最良の線形適合をもたらす値、したがって、最大化された相関係数、すなわちｒ２値として決定することができる。単なる一例であるが、当技術分野で既知の種類の適応的、反復的、または探索アルゴリズムを用いて、相関係数すなわちｒ２が最大となる
【０１１８】
【数４６】
【０１１９】
を決定することができる。図３のグラフは、ｒ２が最大となる
【０１２０】
【数４７】
【０１２１】
値の例を示す。
正確に
【０１２２】
【数４８】
【０１２３】
が推定されると、被験者の肺のＦＲＣ（ＶＦＲＣ）またはＥＬＶ（ＶＥＬＶ）の実効容量もまた推定または決定することができる。この点について、式（５）は、次のように書き直して、
【０１２４】
【数４９】
【０１２５】
をＶＡ＊の推定値として使用することを反映させることができる。
【０１２６】
【数５０】
【０１２７】
以上の手法（特に、式（６）の使用））は、被験者が機械的に換気されている（すなわち人工呼吸器をつけている）ときに効果的となり、この場合、個人の呼吸の呼吸数および１回換気量（ＶＴ）は通常ほぼ安定し、それによって「きれいな」ｆＡＣＯ２信号が得られる。
【０１２８】
自発的なまたは混合した（すなわち、機械式かつ自発式の）換気の間は、式（６）を用いる場合、ｆＡＣＯ２信号に生じうるあらゆるノイズをも除去することが望ましいことがあるが、これは、そのようなノイズによって、
【０１２９】
【数５１】
【０１３０】
【数５２】
【０１３１】
の推定値が不正確になることがあるからである。したがって、式（６）よりもノイズの影響を受けにくいアルゴリズムもまた、以下に説明するように、
【０１３２】
【数５３】
【０１３３】
の推定に有用となることがある。
肺毛細管の血流量および心拍出量はある呼吸から次の呼吸まで変化しないと仮定すると、二酸化炭素のＦｉｃｋの式は（式（２））は、連続する２回の呼吸に対して以下のように書き換えることができる。
【０１３４】
【数５４】
【０１３５】
さらに、ｃｖＣＯ２はある呼吸からその次の呼吸まで変化しないと仮定すると、式（７）は次のように簡略化することができる。
【０１３６】
【数５５】
【０１３７】
当技術分野で知られているように、ＣＯ２解離曲線、すなわちＣＯ２分子が赤血球のヘモグロビン分子から解離する速度を示す標準曲線の傾き（ｓＣＯ２）と、気圧（ｐｂａｒｏ）とをさらに考慮する場合、被験者の肺胞におけるガスのＣＯ２部分の測定値（ｆＡＣＯ２）は、式（８）のｃＡＣＯ２の測定値の代わりに用いることができる。したがって、式（８）は次のように書き直すことができる。
【０１３８】
【数５６】
【０１３９】
この式をＣＯ２部分の差異（ｆＡＣＯ２（ｎ）−ｆＡＣＯ２（ｎ−１））について解くと、次式が得られる。
【０１４０】
【数５７】
【０１４１】
式（１０）を式（６）に代入すると、次式となる。
【０１４２】
【数５８】
【０１４３】
ここで、この式を
【０１４４】
【数５９】
【０１４５】
について解いて、
【０１４６】
【数６０】
【０１４７】
の正確な測定値を得ることができる。
【０１４８】
【数６１】
【０１４９】
構造的に、この結果は、次式の形の１次の単極ローパスフィルターを表している。
【０１５０】
【数６２】
【０１５１】
上式で、αは変換係数であり、次式で表すことができる。
【０１５２】
【数６３】
【０１５３】
式（１４）におけるＲＲは、被験者の呼吸数であり、１分間当たりの呼吸数で測定される。
【０１５４】
【数６４】
【０１５５】
は、呼吸（ｎ）の間における被験者の肺のＣＯ２貯蔵部の推定値であり、被験者の肺のＦＲＣまたはＥＬＶの容量（それぞれＶＦＲＣ＊およびＶＥＬＶ＊）にほぼ等しい。ｓＣＯ２は、標準的な二酸化炭素解離曲線の傾きである。ｐｂａｒｏは気圧である。ＰＣＢＦは被験者の肺毛細管の血流量であり、αまたは
【０１５６】
【数６５】
【０１５７】
の決定には、既知である必要はない。
ＰＣＢＦを知ることは、αの計算に必ずしも必要ではないが、これは、αの決定に必要となるのは、ｐｅｔＣＯ２またはｃＣＯ２値に対してプロットされた
【０１５８】
【数６６】
【０１５９】
値を通る直線の線形性または直線性が評価されることであり、ＰＣＢＦに等しい直線の傾きが評価されることではないからである。その点において、式（１３）および（１４）の変換係数（α）は反復的に決定することができるが、これは、初期のα値を用い、次いで漸次的にそのα値を増加および／または減少させて、ｐｅｔＣＯ２またはｃＣＯ２値に対する
【０１６０】
【数６７】
【０１６１】
値のプロットに最大の線形性をもたらす（開ループとは異なる）、別の言い方では、
【０１６２】
【数６８】
【０１６３】
値とｐｅｔＣＯ２またはｃＣＯ２値との間の最適な相関係数（ｒ２）を与えるα値を決定することによるものである。最適なα値を決定する他の方法には、当技術分野で知られているように、限定はしないが、機械的探索と、大域的探索と、傾斜探索（例えば傾斜下降探索アルゴリズムの使用）と、最小平均二乗アルゴリズムの使用と、他の所定の式または所定の式の組の使用と、真に適応性のあるフィルタリング技法の使用と、最適なα値を決定するための他の技法の使用とがある。
【０１６４】
最適な変換係数（α）（式（１４））を式（１３）において使用すると、被験者の肺の比較的正確で簡潔な数学的モデルが得られる。式（１３）のアルゴリズムは、肺の二酸化炭素貯蔵部の内外に流れるＣＯ２の量を、「呼吸間」を基準として計算するために使用することができる。
【０１６５】
式（１４）の
【０１６６】
【数６９】
【０１６７】
はＥＬＶに等しく、また流量は容量に変換することができ、その結果、ＲＲが除去され、以下のようにαをより簡潔に表すことができる。
【０１６８】
【数７０】
【０１６９】
ここでＱは、流量ではなく容量として測定される。式（１５）がΔｆＡＣＯ２（すなわち、ｆＡＣＯ２（ｎ）−ｆＡＣＯ２（ｎ−１））で乗じられた場合、この式は、被験者の実効換気量の変化（例えば、再呼吸または他の実効換気量の変化）によるＣＯ２の量の全体的な変化に対する、ＥＬＶに貯蔵されたＣＯ２の相対的な量を計算するものとして考えることができる。
【０１７０】
ＰＣＢＦ／ＲＲが、被験者の実効換気量が変化する（例えば、再呼吸または実効換気量の他の変化）前およびその間に得られたデータから計算される場合、式（１５）は以下のように書き直すことができる。
【０１７１】
【数７１】
【０１７２】
式（１６）は以下のように再度整理して、ＥＬＶ
【０１７３】
【数７２】
【０１７４】
について解くことができる。
【０１７５】
【数７３】
【０１７６】
データが収集されるときに被験者が呼吸し続けるかどうかにかかわらず、式（１７）は、被験者の実効換気量に実質的にいくぶんかの変化（例えば、再呼吸、呼吸数の変化、呼吸量の変化など）が生じたときに、ほぼ非侵襲的にＥＬＶを測定するために用いることができ、「正常な」呼吸の間に得られたデータは、実効換気量の変化が生じてから得られたデータと比較される。
【０１７７】
最適なα値を決定する他の技法もまた、本発明の範囲に含まれる。
式（６）は、肺内に貯蔵されたＣＯ２の量
【０１７８】
【数７４】
【０１７９】
が呼吸間で変化する可能性、またはその尤度さえも考慮していない。式（６）のより高度な変形型はこの可能性を考慮する。
【０１８０】
【数７５】
【０１８１】
したがって、他の態様において、本発明は、ＶＣＯ２ＳＴＯＲＥＳにおける起こりうる変化に対してＥＬＶを補正し、そのＥＬＶ補正値をＣＯ２形式のフィックの微分方程式と結合するアルゴリズムの使用を含む。
【０１８２】
【数７６】
【０１８３】
上式で、
【０１８４】
【数７７】
【０１８５】
は、被験者の肺から排出された二酸化炭素の平均呼吸間容量であり、流量ではなく、これは、直前の呼吸および被験者の換気の有効な変化（例えば、再呼吸または実効換気における他の変化）の間に、口のところで測定されるものである。式（１９）のＥＬＶ値は１回換気量（ＶＴ）を含む。ＦＲＣをより厳密に推定するためには、吸気の１回換気量を、式（１９）で用いるために推定されたＥＬＶから減じなければならない。留意すべきことに、正確な結果は、各呼吸の
【０１８６】
【数７８】
【０１８７】
が呼気から吸気まで計算されるときに、
【０１８８】
【数７９】
【０１８９】
として得られる。
１回換気量は一般に、呼吸間で大幅には変化しない。したがって、式（１８）の式ＶＴ（ｎ）−ＶＴ（ｎ−１）は、以降のＥＬＶ決定の確度に実質的に影響を及ぼすことなく式（１９）から省略されている。任意選択ではあるが、式（１９）の変形型では、ある呼吸からその次の呼吸までの１回換気量の変化を考慮してもよいが、これは、そうすることによって、
【０１９０】
【数８０】
【０１９１】
の計算の確度を、したがって以降のＥＬＶ推定の確度を改善することができるからである。
【０１９２】
【数８１】
【０１９３】
およびｐｅｔＣＯ２が一周期内で良好な安定状態に達する場合、それらを用いて式（１９）のＰＣＢＦを計算することが可能となることもある。これが可能となるのは、ＥＬＶは、安定状態の値からＰＣＢＦを推定することに影響を及ぼさないからである（代数的に、ｆＡＣＯ２（ｎ）−ｆＡＣＯ２（ｎ−１）項は安定状態で消滅する）。
【０１９４】
式（１９）は、以下のようにＥＬＶ
【０１９５】
【数８２】
【０１９６】
について解くことができる。
【０１９７】
【数８３】
【０１９８】
さらに、１つのＣＯ２解離曲線の傾きｓＣＯ２（例えば、その周期のｐｅｔＣＯ２値全体に対する平均値）を使用できると仮定される場合、その傾きｓＣＯ２は約され、式は以下のように簡略化される。
【０１９９】
【数８４】
【０２００】
上式で、ｐｒｅおよびｄｕｒｉｎｇの値はそれぞれの安定状態を表す。別法として、ＰＣＢＦは、他のある方法によって、その方法が侵襲的（例えば熱希釈）であるか非侵襲的（例えば電気的生体インピーダンス）であるかにかかわらず決定することができる。
【０２０１】
式（２１）の部分は、本発明の少なくとも２つの実施形態において用いることができ、そのうちの１つは、ＥＬＶを決定するために式（２１）の第１の部分を用いることを含む。より具体的には、被験者の実効換気量の変化によりｐＡＣＯ２が変化していても（例えば、再呼吸または実効換気量の他の変化）
【０２０２】
【数８５】
【０２０３】
は一定であると仮定することができる場合、ＥＬＶは以下の通りに決定することができる。
【０２０４】
【数８６】
【０２０５】
式（２２）は、被験者の実効換気量の変化（例えば、再呼吸、呼吸数の変化、呼吸量の変化など）が生じたとき、ならびに被験者が引き続き呼吸する間に（すなわち、息こらえを必要とする、あるいは別の方法で一時的に呼吸を停止する操作の間以外に）、ＥＬＶの評価に使用することができる。式（２２）を使用してＥＬＶを決定する際、「正常な」呼吸の間に取得されたデータは、実効換気量の変化が生じた後に取得されたデータと比較することができる。一例であって限定するものではないが、呼吸（ｎ−１）は正常な呼吸を表す一方で、（ｎ）は実効換気量の変化が発生した最初の呼吸を表すことができる。
【０２０６】
これらの実施形態の２つ目は、式（２１）の第１の部分（すなわち式（２２））、ならびに式（２１）の第２の部分、
【０２０７】
【数８７】
【０２０８】
を、またはそのより広義の変形、
【０２０９】
【数８８】
【０２１０】
を用いる。
このようにして、式（２２）のＥＬＶ計算は、ある呼吸の間のｐＡＣＯ２の変化、または絶えず変化するｐＡＣＯ２の変化を補正するように修正することができる。具体的には、式（２３）におけるＶＣＯ２の変化とｐＡＣＯ２の変化との比、ならびに式（２４）における
【０２１１】
【数８９】
【０２１２】
の比は、血液を去るＣＯ２がＣＯ２貯蔵部に追加されるとき口を通じてＣＯ２貯蔵部を去るＣＯ２の量を示す直線の傾きを、すなわち、血流からのＣＯ２がＣＯ２貯蔵部に流入するときｐｅｔＣＯ２の変化がｐＡＣＯ２の変化を表す「感度」を表し、この感度はＣＯ２貯蔵部の緩衝能力の指標となる。
【０２１３】
【数９０】
【０２１４】
は、ｐｅｔＣＯ２が口のところでまたは口の近くで測定されるとき、スケーリングすべきｐＡＣＯ２の変化の大きさの指標となる。
【０２１５】
式（２４）における１／ＲＲは、実効換気の変化（例えば再呼吸）の開始と測定されたｐＡＣＯ２が肺胞を去る時間との間の時間間隔を表す、異なる値で置き換えることができる。一般に、そのような値は１／ＲＲよりも小さくなる。
【０２１６】
データが収集されるときに被験者が呼吸し続けるかどうかにかかわらず、式（２３）と（２４）の組合せは、被験者の実効換気量に実質的にいくぶんかの変化が生じたとき、ほぼ非侵襲的にＥＬＶを決定するために使用することができる。より具体的には、「正常な」呼吸の間に取得されたデータは、実効換気量の変化が生じた後に取得されたデータと比較することができる。
【０２１７】
ここで図４に戻ると、本発明の教示を組み込んだ例示的な診断システム１１が概略的に示されている。診断システム１は、とりわけ、個人Ｉの気道Ａと連通する気道５２、ならびに気道５２にそって配置された流量計７２および二酸化炭素センサー７４を有する。流量計７２および二酸化炭素センサー７４は、対応する監視装置７３および７５に信号を伝え、その監視装置７３および７５は、呼吸モニター８０のプロセッサ８２（例えば、Ｒｅｓｐｉｒｏｎｉｃｓの分社である米コネティカット州ＷａｌｌｉｎｇｆｏｒｄのＮｏｖａｍｅｔｒｉｘ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓから入手可能なＮＩＣＯ（登録商標）のプロセッサおよび呼吸監視装置））と電気的に通信する。プロセッサ８２は、流量計７２と二酸化炭素センサー７４から送られた信号に基づいて、少なくともＶＣＯ２とｐｅｔＣＯ２を決定するようにプログラムされている。さらに、プロセッサ８２は、流量計７２と二酸化炭素センサー７４のうちの一方または双方からの信号または計算されたパラメータ（例えばＶＣＯ２とｐｅｔＣＯ２）を上述のアルゴリズム（すなわち、式（１）から（２４）のうちの１つまたは複数）で使用して、ほぼ非侵襲的でかつ正確に個人ＩのＥＬＶを容易に決定するようにプログラムすることができる。あるいは、そのような計算を手動で行うことができる。
【０２１８】
本発明の教示を組み込んだ方法において、ＶＣＯ２およびｐｅｔＣＯ２の値は、個人Ｉの実効換気量の変化が影響を受けた、基準または第１の換気状態、または第２の換気状態のいずれの間にも取得される。あるいは、そのような値を、第１および第２の状態の間の推移の間に取得し、次いで、第１および第２の状態の間に取得された値と比較することができる。
【０２１９】
第１の換気状態は、実質的に「正常な」呼吸状態下で影響を受けることがある。あるいは、基準換気状態は、選択された他の呼吸状態の第１の組のもとで定義することができる。第２の換気状態は、測定可能な変化を分時拍出量にもたらす程度で、第１の換気状態の間に存在するものとは異なる呼吸状態を達成するように、１つまたは複数の呼吸制御パラメータが操作されたときに発生する。
【０２２０】
第２の換気状態は、例えば、吸気圧力、１回換気量、流量または時間などの制限変数の値を、第１の換気状態の間におけるその制限変数の値から変更することによって発生させることができる。他の例示的方法において、実効換気量の変化は、周期変数のしきい値を、第１の換気状態の間におけるその周期変数のしきい値レベルから変更することによって発生させることができる。さらなる例示的方法において、実効換気量の変化は、吸気圧力または流速などの誘発変数のしきい値誘発値を変更することによって発生させることができる。さらなる方法において、実効換気量の変化は、通常の呼吸よりも深い「ため息のような呼吸（ｓｉｇｈ ｂｒｅａｔｈｓ）」を少なくとも３回連続して個人に行わせることによって発生させることができる。実効換気量の変化はまた、不安定な、すなわち「騒がしい」呼吸の期間を含むことがある。
【０２２１】
得られたＶＣＯ２およびｐｅｔＣＯ２の値は、ほぼ非侵襲的にかつ正確に個人ＩのＥＬＶを決定するために、式（１）から（２４）のうちの１つまたは複数と共に処理される。
【実施例】
【０２２２】
極めて長い気管内挿入管を、初期の正位置から、麻酔した豚の気管支紋理内へのわずかな距離に（時刻１５時２６分）、２１分後に（時刻１５時４７分）さらに気管支紋理内の位置に増分的に前進させることによって、さまざまな実効ＲＦＣ値が達成された。肺の一部分のみを換気することにより、実効ＦＲＣは、気管内挿入管の前進につれて減少した。
【０２２３】
ＥＬＶが、式（１８）を使用して、さまざまな呼吸に対して計算された。十分なｆＡＣＯ２（ｎ）−ｆＡＣＯ２（ｎ−１）しきい値が存在したとき、ならびに特定の呼吸の間（例えば、第２の呼吸は再呼吸へのものであり、第１の呼吸は回復のものであるなど）に計算されたＥＬＶ値は有効とみなされ、データ点として図５のグラフに含められた。留意すべきことに、プロットしたデータ点は、ＥＬＶから吸気の１回換気量を引いたものを表す。正常な呼吸から再呼吸へと遷移する間に取得されたデータから計算されたＥＬＶ値は、菱形の点として示されている。再呼吸から回復へと遷移する間に取得されたデータから計算されたＥＬＶ値は、正方形として示されている。２組のデータを通じて延びる直線同士が接近していることから、ＥＬＶ値が、したがってそれらを算出したアルゴリズム（式（２２および２３））が、妥当なＥＬＶ値を与えることが示唆される。留意すべきことに、２組のＥＬＶ計算値のトレンドは、予想の通り、気管内挿入管が豚の肺内へとさらに前進されたときには減少する。これらのトレンド、ならびにそれらの大きさは、その根底にあるＶＣＯ２信号５０およびｐｅｔＣＯ２信号５１によって確認される。さらに、ＥＬＶ推定値は、ｐｅｔＣＯ２の著しい変化が認められたときにも（１５時５０分より後のｐｅｔＣＯ２のトレンドを参照）、依然として比較的安定であった。
【０２２４】
以上の説明は多数の詳細を含んでいるが、それらは本発明の範囲を限定するものではなく、単に本発明の好ましい実施形態のいくつかを例示するものとみなされるべきである。同様に、本発明の趣旨または範囲を逸脱しない、本発明の他の実施形態を考案することができる。異なる実施形態の特徴は、組み合わせて用いることができる。したがって、本発明の範囲は、以上の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲およびその法的な均等物によってのみ示されかつ限定される。本明細書において開示する本発明に対する、特許請求の範囲の趣旨および範疇に含まれるすべての追加、除外および修正は、特許請求の範囲に含まれるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０２２５】
【図１】個人の肺胞の概略図であり、さまざまな呼吸および血液ガスパラメータを測定できる場所を示している。
【図２】一連の呼吸周期または呼吸の間における、個人の気道の二酸化炭素貯蔵部内のガス体積（ＶＡ）を示すグラフである。
【図３】ｃＡＣＯ２のデータ点に対する変換された
【０２２６】
【数９１】
【０２２７】
のデータ点のプロットであり、プロットされた点は互いにほぼ直線状である。
【図４】本発明の教示を組み込んだ監視システムの一例の概略図である。
【図５】本発明の教示に従って行われた２組のＥＬＶ計算の相関関係を示す線グラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する方法であって、
被験者の実効換気量の変化を発生させるステップと、
実効肺容量を決定するステップであって、前記実効肺容量への二酸化炭素の流量を補正するために、口のところで測定された二酸化炭素放出量に対して用いられたとき、前記被験者の前記口のところでまたは口の近くで測定された二酸化炭素放出量と、前記被験者の肺胞から発せられた気体内の二酸化炭素の濃度とのほぼ線形な関係を生じるステップを含む方法。
【請求項２】
決定するステップは、
前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素の濃度とのほぼ線形な関係を生じる線形フィルター係数を選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記実効肺容量を決定するステップは、前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素濃度との最適な相関性をもたらす実効肺容量を選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記実効肺容量を決定するステップは、以下のアルゴリズムを用いるステップを含み、
【数１】
上式で、
【数２】
は前記実効肺容量を表し、かつαは前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素濃度との最適な相関性を表す、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
発生させるステップは再呼吸するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する方法であって、
被験者の実効換気量の変化を、前記被験者が呼吸を継続する間に発生させるステップと、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、前記被験者の肺の肺胞内に存在するガスにおける二酸化炭素の濃度の変化を考慮するステップと、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が達成される呼吸までの、二酸化炭素放出量の変化を考慮するステップとを含む方法。
【請求項７】
前記濃度の変化を考慮するステップと、前記二酸化炭素放出量の変化を考慮するステップは、以下のアルゴリズムを用いるステップを含み、
【数３】
上式で、
【数４】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の前記二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が発生させられたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の口のところでまたは前記被験者の口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表す、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
発生させるステップは再呼吸させるステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する方法であって、
被験者の実効換気量の変化を発生させるステップと、
基準呼吸から、実効換気量の前記変化が発生させられる呼吸までの、前記被験者の肺の肺胞内に存在するガスにおける二酸化炭素の量の変化を考慮するステップと、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、二酸化炭素放出量の変化を考慮するステップと、
呼吸の間に発生する、前記肺胞内に存在するガスにおける前記二酸化炭素の量の変化を補正するステップとを含む方法。
【請求項１０】
補正するステップは、
発生させられた前記実効換気量の変化の結果として血液から肺に送られる前記二酸化炭素の変化を考慮するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
補正するステップは、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、前記肺胞内の前記二酸化炭素の量の変化の大きさを考慮するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
発生させるステップは再呼吸させるステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
発生させるステップは息こらえさせるステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記二酸化炭素の濃度の変化を考慮するステップ、前記二酸化炭素放出量の変化を考慮するステップ、および前記二酸化炭素の量の変化を補正するステップは、以下のアルゴリズムを用いるステップを含み、
【数５】
上式で、
【数６】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の前記二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が発生させられたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の前記口のところでまたは前記被験者の前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２ＤＵＲは、前記実効換気量の変化が発生させられたときに前記口のところでまたは前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ｐＡＣＯ２ＰＲＥは基準呼吸の間の前記被験者の肺の肺胞内の二酸化炭素の分圧を表し、ｐＡＣＯ２（ｎ）は呼吸（ｎ）の間の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表す、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記二酸化炭素の濃度の変化を考慮するステップ、前記二酸化炭素放出量の変化を考慮するステップ、および前記二酸化炭素の量の変化を補正するステップは、以下のアルゴリズムを用いるステップを含み、
【数７】
上式で、
【数８】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が達成されたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の前記口のところでまたは前記被験者の前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＰＣＢＦは前記被験者の肺毛細管の血流量を表し、ｓＣＯ２は標準的な二酸化炭素解離曲線の傾きを表し、ＲＲは前記被験者の呼吸数を表し、ｐＡＣＯ２ＰＲＥは基準呼吸の間の前記被験者の肺の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表し、ｐＡＣＯ２（ｎ）は呼吸（ｎ）の間の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表す、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する装置であって、
被験者の実効換気量の変化を発生させる手段と、
実効肺容量を決定する手段であって、前記実効肺容量への二酸化炭素の流量を補正するために、口のところで測定された二酸化炭素放出量に対して用いられたとき、前記被験者の前記口のところでまたは口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量と、前記被験者の肺の肺胞から発せられた気体内の二酸化炭素の濃度とのほぼ線形な関係を生じる手段とを含む装置。
【請求項１７】
決定する手段は、
前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素の濃度とのほぼ線形な関係を生じる線形フィルター係数を選択する手段を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記実効肺容量を決定するステップは、前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素濃度との最適な相関性をもたらす前記実効肺容量を選択する手段を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記実効肺容量を決定する手段は、以下のアルゴリズムを用いる手段を含み、
【数９】
上式で、
【数１０】
は前記実効肺容量を表し、かつαは前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素濃度との最適な相関性を表す、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
発生させる手段は再呼吸を発生させる手段を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項２１】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する装置であって、
被験者の実効換気量の変化を、前記被験者が呼吸を継続する間に発生させる手段と、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、前記被験者の肺の肺胞内に存在するガスにおける前記二酸化炭素の濃度の変化を考慮するステップと、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、二酸化炭素放出量の変化を考慮する手段とを含む装置。
【請求項２２】
前記濃度の変化を考慮し、前記二酸化炭素放出量の前記変化を考慮する手段は、以下のアルゴリズムを用いる手段を含み、
【数１１】
上式で、
【数１２】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の前記二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が発生させられたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の口のところでまたは前記被験者の口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表す、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
発生させる手段は再呼吸させる手段を含む、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する装置であって、
被験者の実効換気量の変化を発生させる手段と、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、前記被験者の肺の肺胞内に存在するガスにおける前記二酸化炭素の量の変化を考慮するステップと、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、二酸化炭素放出量の変化を考慮する手段と、
呼吸の間に発生する、前記肺胞内に存在するガスにおける前記二酸化炭素の量の変化を補正する手段とを含む装置。
【請求項２５】
補正する手段は、
発生させられた前記実効換気量の変化の結果として血液から肺に送られる前記二酸化炭素量の変化を考慮する手段を含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
補正する手段は、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、前記肺胞内の前記二酸化炭素の量の変化の大きさを考慮する手段をさらに含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
発生させる手段は再呼吸させる手段を含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項２８】
発生させる手段は息こらえを発生させる手段を含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項２９】
前記二酸化炭素の濃度の変化を考慮する手段、前記二酸化炭素放出量の変化を考慮する手段、および前記二酸化炭素の量の変化を補正する手段は、以下のアルゴリズムを用いる手段を含み、
【数１３】
上式で、
【数１４】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の前記二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が発生させられたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の前記口のところでまたは前記被験者の前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２ＤＵＲは、前記実効換気量の変化が発生させられたときに前記口のところでまたは前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ｐＡＣＯ２ＰＲＥは基準呼吸の間の前記被験者の肺の肺胞内の二酸化炭素の分圧を表し、ｐＡＣＯ２（ｎ）は呼吸（ｎ）の間の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表す、請求項２４に記載の装置。
【請求項３０】
前記二酸化炭素の濃度の変化を考慮する手段、前記二酸化炭素放出量の変化を考慮する手段、および前記二酸化炭素の量の変化を補正する手段は、以下のアルゴリズムを用いる手段を含み、
【数１５】
上式で、
【数１６】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が達成されたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の前記口のところでまたは前記被験者の前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＰＣＢＦは前記被験者の肺毛細管の血流量を表し、ｓＣＯ２は標準的な二酸化炭素解離曲線の傾きを表し、ＲＲは前記被験者の呼吸数を表し、ｐＡＣＯ２ＰＲＥは基準呼吸の間の前記被験者の肺の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表し、ｐＡＣＯ２（ｎ）は呼吸（ｎ）の間の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表す、請求項２４に記載の装置。
【請求項１】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する方法であって、
被験者の実効換気量の変化を発生させるステップと、
実効肺容量を決定するステップであって、前記実効肺容量への二酸化炭素の流量を補正するために、口のところで測定された二酸化炭素放出量に対して用いられたとき、前記被験者の前記口のところでまたは口の近くで測定された二酸化炭素放出量と、前記被験者の肺胞から発せられた気体内の二酸化炭素の濃度とのほぼ線形な関係を生じるステップを含む方法。
【請求項２】
決定するステップは、
前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素の濃度とのほぼ線形な関係を生じる線形フィルター係数を選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記実効肺容量を決定するステップは、前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素濃度との最適な相関性をもたらす実効肺容量を選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記実効肺容量を決定するステップは、以下のアルゴリズムを用いるステップを含み、
【数１】
上式で、
【数２】
は前記実効肺容量を表し、かつαは前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素濃度との最適な相関性を表す、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
発生させるステップは再呼吸するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する方法であって、
被験者の実効換気量の変化を、前記被験者が呼吸を継続する間に発生させるステップと、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、前記被験者の肺の肺胞内に存在するガスにおける二酸化炭素の濃度の変化を考慮するステップと、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が達成される呼吸までの、二酸化炭素放出量の変化を考慮するステップとを含む方法。
【請求項７】
前記濃度の変化を考慮するステップと、前記二酸化炭素放出量の変化を考慮するステップは、以下のアルゴリズムを用いるステップを含み、
【数３】
上式で、
【数４】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の前記二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が発生させられたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の口のところでまたは前記被験者の口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表す、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
発生させるステップは再呼吸させるステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する方法であって、
被験者の実効換気量の変化を発生させるステップと、
基準呼吸から、実効換気量の前記変化が発生させられる呼吸までの、前記被験者の肺の肺胞内に存在するガスにおける二酸化炭素の量の変化を考慮するステップと、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、二酸化炭素放出量の変化を考慮するステップと、
呼吸の間に発生する、前記肺胞内に存在するガスにおける前記二酸化炭素の量の変化を補正するステップとを含む方法。
【請求項１０】
補正するステップは、
発生させられた前記実効換気量の変化の結果として血液から肺に送られる前記二酸化炭素の変化を考慮するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
補正するステップは、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、前記肺胞内の前記二酸化炭素の量の変化の大きさを考慮するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
発生させるステップは再呼吸させるステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
発生させるステップは息こらえさせるステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記二酸化炭素の濃度の変化を考慮するステップ、前記二酸化炭素放出量の変化を考慮するステップ、および前記二酸化炭素の量の変化を補正するステップは、以下のアルゴリズムを用いるステップを含み、
【数５】
上式で、
【数６】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の前記二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が発生させられたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の前記口のところでまたは前記被験者の前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２ＤＵＲは、前記実効換気量の変化が発生させられたときに前記口のところでまたは前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ｐＡＣＯ２ＰＲＥは基準呼吸の間の前記被験者の肺の肺胞内の二酸化炭素の分圧を表し、ｐＡＣＯ２（ｎ）は呼吸（ｎ）の間の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表す、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記二酸化炭素の濃度の変化を考慮するステップ、前記二酸化炭素放出量の変化を考慮するステップ、および前記二酸化炭素の量の変化を補正するステップは、以下のアルゴリズムを用いるステップを含み、
【数７】
上式で、
【数８】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が達成されたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の前記口のところでまたは前記被験者の前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＰＣＢＦは前記被験者の肺毛細管の血流量を表し、ｓＣＯ２は標準的な二酸化炭素解離曲線の傾きを表し、ＲＲは前記被験者の呼吸数を表し、ｐＡＣＯ２ＰＲＥは基準呼吸の間の前記被験者の肺の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表し、ｐＡＣＯ２（ｎ）は呼吸（ｎ）の間の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表す、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する装置であって、
被験者の実効換気量の変化を発生させる手段と、
実効肺容量を決定する手段であって、前記実効肺容量への二酸化炭素の流量を補正するために、口のところで測定された二酸化炭素放出量に対して用いられたとき、前記被験者の前記口のところでまたは口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量と、前記被験者の肺の肺胞から発せられた気体内の二酸化炭素の濃度とのほぼ線形な関係を生じる手段とを含む装置。
【請求項１７】
決定する手段は、
前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素の濃度とのほぼ線形な関係を生じる線形フィルター係数を選択する手段を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記実効肺容量を決定するステップは、前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素濃度との最適な相関性をもたらす前記実効肺容量を選択する手段を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記実効肺容量を決定する手段は、以下のアルゴリズムを用いる手段を含み、
【数９】
上式で、
【数１０】
は前記実効肺容量を表し、かつαは前記二酸化炭素放出量と前記二酸化炭素濃度との最適な相関性を表す、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
発生させる手段は再呼吸を発生させる手段を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項２１】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する装置であって、
被験者の実効換気量の変化を、前記被験者が呼吸を継続する間に発生させる手段と、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、前記被験者の肺の肺胞内に存在するガスにおける前記二酸化炭素の濃度の変化を考慮するステップと、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、二酸化炭素放出量の変化を考慮する手段とを含む装置。
【請求項２２】
前記濃度の変化を考慮し、前記二酸化炭素放出量の前記変化を考慮する手段は、以下のアルゴリズムを用いる手段を含み、
【数１１】
上式で、
【数１２】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の前記二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が発生させられたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の口のところでまたは前記被験者の口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表す、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
発生させる手段は再呼吸させる手段を含む、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
被験者の実効肺容量をほぼ非侵襲的に推定する装置であって、
被験者の実効換気量の変化を発生させる手段と、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、前記被験者の肺の肺胞内に存在するガスにおける前記二酸化炭素の量の変化を考慮するステップと、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、二酸化炭素放出量の変化を考慮する手段と、
呼吸の間に発生する、前記肺胞内に存在するガスにおける前記二酸化炭素の量の変化を補正する手段とを含む装置。
【請求項２５】
補正する手段は、
発生させられた前記実効換気量の変化の結果として血液から肺に送られる前記二酸化炭素量の変化を考慮する手段を含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
補正する手段は、
基準呼吸から、前記実効換気量の変化が発生させられる呼吸までの、前記肺胞内の前記二酸化炭素の量の変化の大きさを考慮する手段をさらに含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
発生させる手段は再呼吸させる手段を含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項２８】
発生させる手段は息こらえを発生させる手段を含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項２９】
前記二酸化炭素の濃度の変化を考慮する手段、前記二酸化炭素放出量の変化を考慮する手段、および前記二酸化炭素の量の変化を補正する手段は、以下のアルゴリズムを用いる手段を含み、
【数１３】
上式で、
【数１４】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の前記二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が発生させられたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の前記口のところでまたは前記被験者の前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２ＤＵＲは、前記実効換気量の変化が発生させられたときに前記口のところでまたは前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ｐＡＣＯ２ＰＲＥは基準呼吸の間の前記被験者の肺の肺胞内の二酸化炭素の分圧を表し、ｐＡＣＯ２（ｎ）は呼吸（ｎ）の間の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表す、請求項２４に記載の装置。
【請求項３０】
前記二酸化炭素の濃度の変化を考慮する手段、前記二酸化炭素放出量の変化を考慮する手段、および前記二酸化炭素の量の変化を補正する手段は、以下のアルゴリズムを用いる手段を含み、
【数１５】
上式で、
【数１６】
は前記実効肺容量を表し、ｆＡＣＯ２（ｎ）およびｆＡＣＯ２（ｎ−１）は連続する呼吸の間の二酸化炭素の濃度を表し、その連続する呼吸のうちの１つのみは実効換気量の変化が達成されたときに生じるものであり、ＶＭＣＯ２ＰＲＥは、基準呼吸の間に前記被験者の前記口のところでまたは前記被験者の前記口の近くで測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＶＭＣＯ２（ｎ）は、呼吸（ｎ）に対して測定された前記二酸化炭素放出量を表し、ＰＣＢＦは前記被験者の肺毛細管の血流量を表し、ｓＣＯ２は標準的な二酸化炭素解離曲線の傾きを表し、ＲＲは前記被験者の呼吸数を表し、ｐＡＣＯ２ＰＲＥは基準呼吸の間の前記被験者の肺の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表し、ｐＡＣＯ２（ｎ）は呼吸（ｎ）の間の前記肺胞内の二酸化炭素の分圧を表す、請求項２４に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２００８−５１７６５５（Ｐ２００８−５１７６５５Ａ）
【公表日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５３８０２８（Ｐ２００７−５３８０２８）
【出願日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０３７７３５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０４７２１２
【国際公開日】平成１８年５月４日（２００６．５．４）
【出願人】（５０５３３８４９７）アールアイシー・インベストメンツ・エルエルシー (81)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０３７７３５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０４７２１２
【国際公開日】平成１８年５月４日（２００６．５．４）
【出願人】（５０５３３８４９７）アールアイシー・インベストメンツ・エルエルシー (81)
【Ｆターム（参考）】
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