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JPH0558336B2 - - Google Patents
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JPH0558336B2 - - Google Patents

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JPH0558336B2
JPH0558336B2 JP1107730A JP10773089A JPH0558336B2 JP H0558336 B2 JPH0558336 B2 JP H0558336B2 JP 1107730 A JP1107730 A JP 1107730A JP 10773089 A JP10773089 A JP 10773089A JP H0558336 B2 JPH0558336 B2 JP H0558336B2
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conduit
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ventilation
subject
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Isao Nishi
Katsumasa Kan
Hitoshi Ishii
Hiroshi Fukuzawa
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は被験体の肺機能を測定する換気・血流
比分布測定装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a ventilation/blood flow ratio distribution measuring device for measuring the lung function of a subject.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

被験体としては人間のみが対象ではないが、肺
機能の測定、特に肺疾患者において肺のガス交換
機能に本質的にかかわる換気・血流比分布を得る
ことは重要である。すなわち、肺疾患の多くは換
気・血流比分布の不均一さの進行を伴い、換気・
血流比分布の測定は、肺機能の評価、肺疾患の臨
床診断に極めて有意義な情報を与える。
Although humans are not the only subjects to be tested, it is important to measure lung function, especially in patients with lung disease, to obtain the ventilation/perfusion ratio distribution, which is essentially related to the gas exchange function of the lungs. In other words, many lung diseases are accompanied by the progression of unevenness in the ventilation/blood flow ratio distribution.
Measurement of blood flow ratio distribution provides extremely meaningful information for evaluation of lung function and clinical diagnosis of lung diseases.

すでに質量分析学会の学会誌である「質量分
析」の1988年10月発行の第36巻第5号(Vol.36、
No.5、Cctober 1988)に掲載された本発明者の
論文中第204頁で紹介したように、従来、換気・
血流比分布の測定について、多くの研究がなさ
れ、いくつかの方法が提案されたことが述べられ
ている。
Vol. 36, No. 5, published in October 1988 of "Mass Spectrometry", the journal of the Mass Spectrometry Society
No. 5, CCtober 1988), as introduced on page 204 of the inventor's paper, conventional ventilation and
It is stated that many studies have been conducted and several methods have been proposed regarding the measurement of blood flow ratio distribution.

そのなかで最も代表的なものはLenfantと
Okuboの純O2によるN2洗い出し法、Wagnerと
Westらの6種類不活性ガスを用いた洗い出し法
が挙げられる。前者は純O2呼吸によるN2洗い出
し中測定したN2呼出量、O2動脈血分圧の時系列
データから、肺気量、肺換気および肺血流の分布
を肺胞の洗い出し時定数の関数として求め、それ
らの相関の形で換気・血流比分布を決定する方法
であり、後者は溶解度の異なる6種類不活性ガス
の洗い出しを行なう時、それぞれの動脈血、静脈
血と肺胞気分圧から直接的に肺の換気・血流比分
布を解析する方法である。しかしながら、これら
の方法については、一部の文献に指摘されるよう
に、前者には純O2を呼吸する時の換気・血流比
分布の顕著な生理的変化および解像度の問題があ
り、後者には数学的解の一意性、操作上かなりの
複雑さがあるなど、それぞれの臨床的応用までに
は解決すべき問題が残されている。しかも、これ
らの方法は動脈血の採血あるいは動、混合静脈血
の同時採血を伴なう観血的、侵襲的な方法であ
る。
Among them, the most representative one is Lenfant.
Okubo's N2 washout method with pure O2 , with Wagner
One example is the washing-out method using six types of inert gases by West et al. The former is based on time-series data of N2 exhaled volume and O2 arterial blood partial pressure measured during N2 washout due to pure O2 respiration, and the distribution of lung volume, lung ventilation, and pulmonary blood flow is calculated as a function of the alveolar washout time constant . This is a method to determine the ventilation/blood flow ratio distribution in the form of their correlation.The latter is a method that determines the ventilation/blood flow ratio distribution from the arterial blood, venous blood, and alveolar partial pressure when washing out six types of inert gases with different solubility. This is a method that directly analyzes the ventilation/blood flow ratio distribution in the lungs. However, as pointed out in some literature, the former has significant physiological changes in the ventilation/blood flow ratio distribution and problems with resolution when breathing pure O 2 , and the latter has problems with resolution. There are still problems to be solved before each can be applied clinically, such as the uniqueness of the mathematical solution and considerable operational complexity. Moreover, these methods are open and invasive methods that involve the simultaneous collection of arterial blood or mixed arterial and venous blood.

一方、不活性ガスを用いた肺血流、換気・血流
比の測定についても、多くの研究が行なわれてき
た。Zwartらの周波数応答性(frequecy
response)はその一つである。この方法は
Maplesonが提案した人体の麻酔ガス摂取動態モ
デルに基づき、一定の周波数以上の正弦波状に濃
度を変化させたハロセン(halothane)ガスを呼
吸させることによつて、再循環による影響を消去
し、換気・血流比を測定する方法である。
Brovko、WibergらとAkman、Royらはさらに
数種類のアルゴリズムを開発し、この方法を肺血
流の長時間オンライン(on line)測定法に発展
させた。しかしながら、これらの方法はオーバー
オール(overall)な換気・血流比または肺血流
のみを測定するもので、換気・血流比分布そのも
のを測定する方法ではない。
On the other hand, many studies have been conducted on the measurement of pulmonary blood flow and ventilation/blood flow ratio using inert gas. The frequency response of Zwart et al.
response) is one of them. This method is
Based on the human body's anesthetic gas uptake dynamics model proposed by Mapleson, by breathing halothane gas whose concentration changes sinusoidally above a certain frequency, the effects of recirculation are eliminated, and ventilation and This is a method of measuring blood flow ratio.
Brovko, Wiberg et al. and Akman and Roy et al. further developed several algorithms to develop this method into a long-term on-line measurement of pulmonary blood flow. However, these methods measure only the overall ventilation/perfusion ratio or pulmonary blood flow, and are not methods for measuring the ventilation/perfusion ratio distribution itself.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上述した従来の換気・血流比分布の測定方法
は、測定時に被験体に顕著な生理的変化を生じさ
せたり、採血を伴つて侵襲的(invasive)であつ
たり、また周波数応答性によつても単にoverall
な換気・血流比または肺血流が測定できるだけで
換気・血流比分布そのものを測定できないという
欠点がある。
The conventional methods for measuring ventilation/blood flow ratio distribution described above do not cause significant physiological changes in the subject during measurement, are invasive as they require blood sampling, and are difficult to measure due to frequency response. also simply overall
This method has the disadvantage that it can only measure the ventilation/blood flow ratio or pulmonary blood flow, but cannot measure the ventilation/blood flow ratio distribution itself.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

上記欠点に鑑み、本発明者は、マルチプル・コ
ンパートメント・モデル(multiple
compartmentモデル)に基づき、multiple
compartment伝達関数(multiple compartment
transfer functon、以下MCTFと略す)という概
念を取り入れ、換気・血流比分布測定についての
新しい方法(以下、MCTF法と記す)を考案し
た。つまり、不活性ガスの洗い出し時定数の違い
によつて分画した肺のmultiple compartmentモ
デルから肺の伝達関数を求め、この伝達関数の周
波数特性より方程式群を導き出す。濃度が正弦波
的に変化するハロセンガス(halothaneガス)を
被験体に吸入させながら、正弦波の周波数を変
え、吸気、呼気のhalothane濃度変化を連続的に
測定する。この測定によつて肺の周波数応答を求
め、上記の方程式群を解き、換気・血流比分布を
算出するものである。この事実に基づき本発明
は、従来の方法で指摘された欠点をもたない換
気・血流比分布の測定を能率的かつ正確に行なえ
る換気・血流比分布測定装置を提供することを目
的とする。
In view of the above drawbacks, the present inventor developed a multiple compartment model (multiple compartment model).
compartment model), multiple
compartment transfer function (multiple compartment
We have devised a new method (hereinafter referred to as MCTF method) for measuring ventilation/blood flow ratio distribution by incorporating the concept of transfer functon (hereinafter referred to as MCTF). In other words, a lung transfer function is obtained from a multiple compartment model of the lungs that is segmented by differences in inert gas washout time constants, and a group of equations is derived from the frequency characteristics of this transfer function. While a subject inhales halothane gas whose concentration changes sinusoidally, the frequency of the sine wave is varied to continuously measure changes in the halothane concentration in the inhaled and exhaled air. Through this measurement, the frequency response of the lungs is determined, the above equations are solved, and the ventilation/blood flow ratio distribution is calculated. Based on this fact, an object of the present invention is to provide a ventilation/blood flow ratio distribution measuring device that can efficiently and accurately measure ventilation/blood flow ratio distribution without the drawbacks pointed out in conventional methods. shall be.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明の換気・血流比分布測定装置は、不活性
ガスの洗いだし時定数の違いによつて分画した被
験体の肺のモデルにおいて指標ガス濃度変化の呼
気吸気間の伝達関数を求め、被験体の肺の換気・
血流比分布を求める換気・血流比分布測定装置で
あつて、 被験体の吸気および呼気をガイドする呼吸気導
管と、空気に含ませる指標ガスの濃度を与えられ
る正弦波信号に従つて変化させ吸気用空気を生成
する吸気用空気生成手段と、被験体の吸気時に
は、吸気用空気を呼吸気導管を介して被験体に供
給し、呼気時には、呼吸気導管からの呼気を排気
装置を介して排気させる呼吸制御手段と、呼吸気
導管に流れる気体流量を検出する流量検出手段
と、呼吸気導管内の気体に含まれる気体成分間の
構成比を検出する分析装置と、吸気用空気生成手
段に正弦波信号を与えるとともに、流量検出手段
と分析装置との検出結果から被験体の換気・血流
比分布を算出するデータ処理装置とを有する。
The ventilation/blood flow ratio distribution measuring device of the present invention calculates a transfer function between exhalation and inhalation of changes in index gas concentration in a model of the subject's lungs that is fractionated based on differences in inert gas washout time constants, Ventilation of the subject's lungs
This is a ventilation/blood flow ratio distribution measurement device that measures the blood flow ratio distribution, and the ventilation/blood flow ratio distribution measuring device changes according to a sinusoidal signal given to the breathing air conduit that guides the subject's inhalation and exhalation, and the concentration of an indicator gas contained in the air. an inspiratory air generation means for generating inspiratory air; when the subject is inhaling, the inspiratory air is supplied to the subject through a respiratory conduit; and when the subject is exhaling, exhaled air from the respiratory conduit is supplied to the subject through an exhaust device; a flow rate detection means for detecting the flow rate of gas flowing through the respiratory air conduit, an analyzer for detecting the composition ratio between gas components contained in the gas in the respiratory air conduit, and an inspiratory air generation means. and a data processing device that calculates the ventilation/blood flow ratio distribution of the subject from the detection results of the flow rate detection means and the analysis device.

また、本発明の換気・血流比分布測定装置は、
不活性ガスの洗いだし時定数の違いによつて分画
した被験体の肺のモデルにおいて指標ガス濃度変
化の呼気吸気間の伝達関数を求め、被験体の肺の
換気・血流比分布を求める換気・血流比分布測定
装置であつて、 コンプレツサで圧縮された空気を取込み、印加
される制御信号に対応する流量を流出させるフロ
ーコントローラと、気体に混入されて被験体の肺
胞内に吸入され、動脈血に溶解した際、血液に分
配されるより組織により多く分配される不活性な
試験用指標ガス源となる試験用液体を貯留してい
る貯留槽と、フローコントローラから流出する空
気流を貯留槽の試験用液体中に導く導入管と、主
気体導管と、主気体導管の上流である一端から取
り入れられた空気を主成分とする気体流を下流で
ある他端に向けて主導管中を流す気体流生成装置
と、導入管により貯留槽に導入された空気流が指
標ガスとしての試験用液体の蒸気を含んで貯留槽
から排出される気体を導出し、主気体導管の上流
で主気体導管の気体流に混入させる導出管と、主
気体導管から気体流を導入するために、一端が主
気体導管に接続された気体供給導管と、一端が被
験体の呼吸器官に接続された呼吸気導管と、一端
が排気装置に接続された排気導管と、気体供給導
管、呼吸気導管、排気導管のそれぞれの他端が接
続され、被験体の吸気時には気体供給導管の気体
を呼吸気導管を介して被験体に送出し、被験体の
呼気時には呼吸気導管の気体を排気導管を介して
排気させる弁機構と、呼吸気導管に流れる気体流
量を検出する流量検出手段と、呼吸気導管内の気
体に含まれる気体成分間の構成比を検出する分析
装置と、正弦波信号を制御信号としてフローコン
トローラに印加することにより、印加した制御信
号に対応して主気体導管中の気体流に含まれる指
標ガスの濃度を正弦波状に変化させるとともに、
流量検出手段と分析装置との検出結果から被験体
の換気・血流比分布を算出するデータ処理装置と
を有する。好ましくは、前記データ処理装置がフ
ローコントローラに印加する前記制御信号は、時
間の経過とともに周波数が変化する重畳信号系列
からなり、系列を構成する各重畳信号は、周波数
の異なる複数の正弦波信号が重畳されて構成され
ている。
Furthermore, the ventilation/blood flow ratio distribution measuring device of the present invention includes:
In a model of the subject's lungs that is fractionated based on the difference in inert gas washout time constant, the transfer function between expiration and inspiration of the change in the index gas concentration is determined, and the ventilation/blood flow ratio distribution in the subject's lungs is determined. It is a ventilation/blood flow ratio distribution measuring device, which includes a flow controller that takes in air compressed by a compressor and flows out a flow rate corresponding to the applied control signal, and a flow controller that takes in air compressed by a compressor and flows out the air at a flow rate corresponding to the applied control signal, and a flow controller that takes in air that has been compressed by a compressor and flows out the air at a flow rate corresponding to the applied control signal. A reservoir containing a test liquid that is a source of an inert test indicator gas that, when dissolved in arterial blood, distributes more to the tissues than to the blood, and an air flow exiting the flow controller. An inlet pipe leading into the test liquid in the storage tank, a main gas pipe, and a gas flow mainly composed of air taken in from one upstream end of the main gas pipe to the other downstream end. A gas flow generator is used to conduct a gas flow, and an air flow introduced into the storage tank by an inlet pipe leads to a gas discharged from the storage tank containing the vapor of the test liquid as an indicator gas. a gas supply conduit connected at one end to the main gas conduit for introducing the gas flow from the main gas conduit; and a respiratory conduit connected at one end to the respiratory tract of the subject. An air conduit, an exhaust conduit whose one end is connected to an exhaust device, and the other ends of each of a gas supply conduit, a breathing air conduit, and an exhaust conduit are connected, and when the subject inhales, the gas in the gas supply conduit is transferred to the breathing air conduit. a valve mechanism for exhausting the gas in the respiratory conduit through the exhaust conduit when the subject exhales; a flow rate detection means for detecting the flow rate of gas flowing in the respiratory conduit; An analyzer detects the composition ratio between gas components contained in the gas, and a sine wave signal is applied as a control signal to the flow controller, thereby determining the amount of gas contained in the gas flow in the main gas conduit in response to the applied control signal. While changing the concentration of the indicator gas in a sinusoidal manner,
It has a data processing device that calculates the ventilation/blood flow ratio distribution of the subject from the detection results of the flow rate detection means and the analysis device. Preferably, the control signal applied to the flow controller by the data processing device is composed of a superimposed signal series whose frequency changes over time, and each superimposed signal making up the series is composed of a plurality of sine wave signals having different frequencies. Composed of superimposed images.

〔作用〕[Effect]

まず、本発明の原理について述べると、 肺のsingle compartmentモデルにおいて、不
活性ガスの呼吸に対し、再循環を含む吸気、呼
気、肺内および体内循環のガス動態は質量保存則
により、下記に連立線形微分方程式で表わすこと
ができる。
First, to describe the principle of the present invention, in a single compartment model of the lung, when breathing inert gas, the gas dynamics of inhalation, expiration, intrapulmonary and internal circulation, including recirculation, are coupled as follows according to the law of conservation of mass. It can be expressed as a linear differential equation.

(λb・Vb+λL・VL+VA)・P〓 A(t)=VA・〔PI(t)
−PA(t)〕+Mj=1 λb・Q〓j〔Pj(t)−PA(t)〕 ……(1a) (λb・Vbj+λj・Vj)・P〓j(t) =λb・Q〓j・〔PA(t)−Pj(t)〕 ……(1b) ここで PA(t)、PI(t)、Pj(t):不活性ガスの肺胞分圧、吸気
分圧、体内組織compartment j内の分圧λb
λL、λj:不活性ガスの血液溶解度、肺組織溶解
度、体内組織compartment jの溶解度 Q〓j:体内組織compartment jの血流 ΣM j=1 Q〓j:各組織compartment血流の和、肺血
流Q〓cに等しい V〓A:肺換気 VA、VL、Vb:肺胞容量、肺組織量、肺血液量 Vj:体内組織compartment jの体積 Vbj:体内組織compartment j内の血液量 式(1)は線形であるため、PA(t)とPI(t)のフーリ
エ変換PA(jω)、PI(jω)によつて、肺の周波数伝
達関数 G(jω)=PA(jω)/PI(jω) が求められる。もし、不活性ガスとして大きな組
織〜血液分配関数を持つhalothaneをとり、ガス
濃度を正弦波状に変化させ、かつ正弦波周期を5
分以内にとれば、再循環の影響をほとんど無視す
ることができる。従つて、single conpartment
モデルの伝達関数GS(jω)は次式で表わされ
る。
b・V bL・V L +V A )・P〓 A (t)=V A・[P I (t)
−P A (t)〕+ Mj=1 λ b・Q〓 j [P j (t)−P A (t)] ……(1a) (λ b・V bjj・V j )・P〓 j (t) = λ b・Q〓 j・[P A (t)−P j (t)] ……(1b) Here, P A (t), P I (t), P j (t ): alveolar partial pressure of inert gas, inspiratory partial pressure, partial pressure in body tissue compartment j λ b ,
λ L , λ j : Blood solubility of inert gas, lung tissue solubility, solubility of body tissue compartment j Q〓 j : Blood flow of body tissue compartment j Σ M j=1 Q〓 j : Sum of blood flow of each tissue compartment , pulmonary blood flow Q〓 V〓 equal to c A : Lung ventilation V A , V L , V b : Alveolar capacity, lung tissue volume, pulmonary blood volume V j : Volume of body tissue compartment j V bj : Body tissue compartment Since Equation (1) is linear, the lung frequency transfer function G is determined by the Fourier transform P A (jω) and P I (jω) of P A (t) and P I (t). (jω)=P A (jω)/P I (jω) is obtained. If we take halothane, which has a large tissue-to-blood partition function, as an inert gas, change the gas concentration in a sinusoidal manner, and change the sinusoidal period to 5.
If taken within minutes, the effect of recirculation can be almost ignored. Therefore, single compartment
The model transfer function G S (jω) is expressed by the following equation.

GS(jω)=PA(jω)/PI(jω) =(1+λb・Q〓c/V〓A−jωτL) /〔(1+λb・Q〓c/V〓A2+ω2τL 2〕 ……(2) ここで、 ω:吸入ガス濃度正弦波の各周波数 τL:肺胞換気時定数であつて次式で表わされる。G S (jω) = P A (jω) / P I (jω) = (1 + λ b・Q〓 c /V〓 A −jωτ L ) / [(1 + λ b・Q〓 c /V〓 A ) 22 τ L 2 ] ...(2) Here, ω: Each frequency of the inhaled gas concentration sine wave τ L : Alveolar ventilation time constant, which is expressed by the following equation.

τL=(λb・Vb+λL・VL+VA)/V〓A……(3) CA=λb・Vb+λL・VL+VAと置き換えれば、式
(2)は第4図aに示す電気回路の伝達関数と等価で
ある。
τ L = (λ b・V b + λ L・V L + V A )/V〓 A …(3) If we replace C A = λ b・V b + λ L・V L + V A , the formula becomes
(2) is equivalent to the transfer function of the electric circuit shown in Figure 4a.

次にmultiple compartmentモデルへの拡張に
ついて考える。肺を複数の異なる時定数を有する
multiple compartmentモデルで表現するため
に、次の生理的仮定が必要である。
Next, we will consider extension to the multiple compartment model. lungs with multiple different time constants
The following physiological assumptions are required to represent the multiple compartment model.

(1) 各compartmentは、互いに並列的な関係が
あり、独立である。
(1) Each compartment has a parallel relationship with each other and is independent.

(2) 各compartment内の指標不活性ガス肺胞分
圧は肺毛細管血液分圧に等しい。
(2) The index inert gas alveolar partial pressure in each compartment is equal to the pulmonary capillary blood partial pressure.

(3) 測定中、換気・血流比分布は不変である。(3) The ventilation/blood flow ratio distribution remains unchanged during the measurement.

(4) 各compartmentの肺組織量は該当する
compartmentの肺気量に比例する。
(4) The amount of lung tissue in each compartment is applicable.
It is proportional to the lung volume of the compartment.

以上の仮定から、第7図aに示すsingle
compartmentモデルを第7図bに示すmultiple
compartmentモデルに拡張することができる。
このモデルでは肺がそれぞれ肺胞分圧の正弦波振
幅PAi、血流Q〓Ci、換気V〓Ai、時定数τLiを持つN個
のcompartmentからなるとする。
From the above assumptions, the single
The compartment model is shown in Figure 7b.
Can be extended to compartment model.
In this model, it is assumed that the lung is composed of N compartments each having a sinusoidal amplitude P Ai of alveolar partial pressure, a blood flow Q〓 Ci , a ventilation V〓 Ai , and a time constant τ Li .

compartmentの間の独立性から式(2)より、各
compartment内の指標ガス分圧PAi(t)と吸気ガス
分圧PI(t)のフーリエ変換の比PAi/PI(jω)は PAi/PI(jω) =(1+λb・Q〓Ci/V〓Ai−jωτLi) /〔(1+λb・Q〓Ci/V〓Ai2+ω2τLi 2〕 i=1,2,〜,N (4) である。更に、各compartmentの並列関係から、 PA=ΣN i=1PAi・V〓Ai/V〓A =ΣN i=1PAi・v〓Ai (5) ここで、V〓Aは肺胞全体の換気量である。また
v〓Aiは換気分布であり、次式を満たす。
From equation (2), each
The Fourier transform ratio P Ai /P I (jω) of the index gas partial pressure P Ai (t) in the compartment and the intake gas partial pressure P I (t) is P Ai / P I ( jω) = (1+λ b・Q 〓 Ci /V〓 Ai −jωτ Li ) / [(1+λ b ·Q〓 Ci /V〓 Ai ) 22 τ Li 2 ] i=1, 2, ~, N (4). Furthermore, from the parallel relationship of each compartment, P A = Σ N i=1 P Ai・V〓 Ai /V〓 A = Σ N i=1 P Ai・v〓 Ai (5) Here, V〓 A is the lung This is the amount of ventilation throughout the cell. Also
v〓 Ai is the ventilation distribution and satisfies the following formula.

ΣN i=1v〓Ai=1 式(4)、(5)から、multiple compartmentモデル
の伝達関数Gn(jω)は Gn(jω)=PA/PI(jω) =ΣN i=1{v〓Ai(1+λb・Q〓Ci /V〓Ai−jωτLi) /〔(1+λb・Q〓Ci/V〓Ai2+ω2τLi 2〕} となる。さらに、N種類の正弦波の周波数ωK
対し、Gn(jω)の実数部Re〔PA/PI(jω)〕は下記
の連立方程式で表わされる。
Σ N i=1 v〓 Ai = 1 From equations (4) and (5), the transfer function G n (jω) of the multiple compartment model is G n (jω) = P A /P I (jω) = Σ N i =1 {v〓 Ai (1+λ b・Q〓 Ci /V〓 Ai −jωτ Li ) / [(1+λ b・Q〓 Ci /V〓 Ai ) 22 τ Li 2 ]}. Furthermore, for the frequencies ω K of N types of sine waves, the real part R e [P A /P I (jω)] of G n (jω) is expressed by the following simultaneous equations.

Re〔PA/PI(jωK)〕 =ΣN i=1{v〓Ai(1−λb・Q〓Ci/V〓Ai) /〔(1+λb・Q〓Ci/V〓Ai2+ωk 2τLi 2〕} k=1,2,〜,N (7) 換気の時定数τLiに対応する換気分布v〓Aiがわか
れば、連立方程式(7)を解くことによつて、それぞ
れ時定数τLiを持つN個のcompartmentの換気・
血流比V〓Ai/Q〓Ciを求めることができる。更に時定
数τLiに対応する肺気量分布vi血流分布q〓iが知れれ
ば、V〓Ai/Q〓Ci、viの関係から換気・血流比分布の
関数として肺気量分布v(V〓A/Q〓C)、血流分布q
(V〓A/Q〓C)、即ち換気・血流比分布を求めること
ができる。
R e [P A /P I (jω K )] =Σ N i=1 {v〓 Ai (1−λ b・Q〓 Ci /V〓 Ai ) / [(1+λ b・Q〓Ci/V〓 Ai ) 2k 2 τ Li 2 ]} k = 1, 2, ~, N (7) If the ventilation distribution v〓 Ai corresponding to the ventilation time constant τ Li is known, by solving the simultaneous equations (7) Then, the ventilation and ventilation of N compartments each have a time constant τ Li .
The blood flow ratio V〓 Ai /Q〓 Ci can be calculated. Furthermore, if the lung volume distribution v i blood flow distribution q〓 i corresponding to the time constant τ Li is known, the lung volume can be calculated as a function of the ventilation/blood flow ratio distribution from the relationship of V〓 Ai /Q〓 Ci , v i . Distribution v (V〓 A /Q〓 C ), blood flow distribution q
(V〓 A /Q〓 C ), that is, the ventilation/blood flow ratio distribution can be determined.

時定数τLiに対応する換気分布v〓Ai、肺気量分布vi
はNakamura、Takishimaらによれば、He
washout法で求めることができる。血流分布q〓i
v〓AiとV〓Ai/Q〓CiおよびoverallなV〓Aから算出する

またRe〔PA/PI(jωk)〕は濃度が正弦波状に変化
するhalothaneガスを吸入する場合連続的に測定
したhalothaneの呼気を吸気濃度の時系列データ
からフーリエ変換によつて計算することができ
る。
Ventilation distribution v〓 Ai corresponding to time constant τ Li , lung volume distribution v i
According to Nakamura, Takishima et al., He
It can be determined using the washout method. Blood flow distribution q〓 i is
Calculate from v〓 Ai and V〓 Ai /Q〓 Ci and overall V〓 A.
In addition, when inhaling halothane gas whose concentration changes sinusoidally, R e [P A /P I (jω k )] is calculated by Fourier transform from the time series data of the inhalation concentration of the continuously measured exhaled halothane gas. can do.

式(3)により、肺胞換気の時定数τLはガスの肺組
織の溶解度に依存する。Heの肺組織、血液溶解
度が無視できるのに対し、halothaneの肺組織、
血液溶解度はかなり大きい、仮定(4)より同じ
compartmentのHeに対する時定数τLi *
halothaneに対する時定数τLiとは次の関係があ
る。
According to equation (3), the time constant τ L of alveolar ventilation depends on the solubility of the gas in the lung tissue. He lung tissue, blood solubility is negligible, whereas halothane lung tissue,
Blood solubility is quite large, same as assumption (4)
The time constant τ Li * for He of the compartment and
The time constant τ Li for halothane has the following relationship.

τLi=τLi *+(λL・vi・VL)/ V〓Ai+(λb・Vbi)/V〓Ai =τLi *+(λL・vi・VL)/V〓Ai (8) ((λb・Vbi)/V〓Ai ≪τLi *+(λL・vi・VL)/V〓Ai) ここで、λb、λLはhalothaneに関するものであ
る。また、肺組織量VLは予めC2H2再呼吸法で求
めることができる 上記の原理に基づく本発明は、データ処理装置
がフローコントローラを制御し、空気流に含まれ
る指標ガスの濃度を正弦波状に変化させ、その空
気流に対応する被検体の呼気の気体成分を分析装
置に分析させ、換気・血流比分布を求める。
τ Li = τ Li * + (λ L・v i・V L )/V〓 Ai + (λ b・V bi )/V〓 Ai = τ Li * + (λ L・v i・V L )/V 〓 Ai (8) ((λ b・V bi )/V〓 Ai ≪τ Li * + (λ L・v i・V L )/V〓 Ai ) Here, λ b and λ L are related to halothane. be. In addition, the lung tissue volume V L can be determined in advance by the C 2 H 2 rebreathing method. In the present invention based on the above principle, the data processing device controls the flow controller and calculates the concentration of the index gas contained in the air flow. The air flow is changed in a sinusoidal manner, and the gas components of the subject's breath corresponding to the air flow are analyzed by an analyzer to determine the ventilation/blood flow ratio distribution.

〔実施例〕〔Example〕

次に、本発明の実施例につて図面を参照して説
明する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明の換気・血流比分布測定装置の
一実施例を示す構成図、第2図は第1図の実施例
のフローコントローラ20に印加される制御信号
と主気体導管25におけるハロセンの濃度変化と
の関係を説明するためのタイムチヤート、第3図
は第1図の実施例でフローコントローラ20に印
加された制御信号を示すタイムチヤートである。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the ventilation/blood flow ratio distribution measuring device of the present invention, and FIG. 2 shows the control signals applied to the flow controller 20 of the embodiment of FIG. FIG. 3 is a time chart for explaining the relationship with changes in the concentration of halothane. FIG. 3 is a time chart showing the control signal applied to the flow controller 20 in the embodiment of FIG. 1.

コンプレツサ22の一定に加圧された空気はバ
ルブ21,33が開の時それぞれタンク32の水
の中およびフローコントローラ20に供給され
る。フローコントローラ20は印加される制御電
圧Vの正弦波状の変化に従つて、バルブ21を介
して供給されるコンプレツサ22の空気の流量を
変えながら空気流Vとして送出する。空気流V〓は
導入管P1によりタンク23のハロセン液中に導
かれ、指標ガスとしてのハロセンの蒸気を含んで
導出管P2を経て主気体導管25内に導かれる。
主気体導管25の一端からは空気が取り入れら
れ、取り入れられた空気に導出管P2の指標ガス
が接続点J1で混入させられ一定の流量20/min
の気体流A1となり、主気体導管25の他端に設
けられた排気ポンプ29に吸引され、外部に排出
される。気体供給導管P3と排気導管P4とはそれ
ぞれ呼吸導管P5に接続され、それぞれの接続点
には一方弁装置27を構成する一方弁が配設され
ている。呼吸導管P5の先端にはマウスピース2
8が取り付けられている。この間、接続点J2から
は、バルブ34が閉でバルブ26が開の場合、気
体流A1の一部が気体供給導管P3に供給される。
この気体は、吸気時、一方弁装置27の作用によ
つて呼吸導管P5に導入され、被験体に吸入され
る。呼気時、一方弁装置27の作用によつて、呼
出された気体は排気導管P4に排出され接続点J3
気体流A1と合流し、排気ポンプ29を介して排
出される。袋30はタンク32からの水蒸気を含
んだ空気と、ガスボンベ31のヘリウムガス(以
下Heガスと記す)とを貯溜し、バルブ34が開、
バルブ26が閉のとき、貯溜した混合気体を気体
供給導管P3に供給し、He合い出しを行うために、
Heの被験体の肺内に導入する。呼吸流量計13
は排気導管P4に流れる気体流を検出する。質量
分析装置12は、呼吸導管P5内の気体成分間の
構成比を検出する。A/Dコンバータ11は呼吸
流量計13の検出結果と、質量分析装置12の検
出結果とをそれぞれA/D変換し、呼吸流量デー
タおよび質量分析データとして出力する。マイク
ロコンピユータ10は、予め設定されたプログラ
ムおよびデータをフロツピーデイスク16から読
み込んだ後、設定された周波数の正弦波信号を順
次出力し、出力した正弦波信号に対応して呼吸導
管P5に現われる指標ガスの濃度に係る呼吸流量
データおよび質量分析データとから換気・血流比
分布を算出する。算出結果は、フロツピーデイス
ク16に格納されるとともにCRT15上に表示
される。
Constantly pressurized air from compressor 22 is supplied into the water in tank 32 and to flow controller 20 when valves 21 and 33 are open, respectively. The flow controller 20 changes the flow rate of air supplied to the compressor 22 via the valve 21 in accordance with the sinusoidal variation of the applied control voltage V, and sends out the air as an air flow V. The air stream V is led into the halothane liquid in the tank 23 by an inlet pipe P 1 and is led into the main gas conduit 25 via an outlet pipe P 2 containing halothane vapor as an indicator gas.
Air is taken in from one end of the main gas conduit 25, and the indicator gas from the outlet pipe P2 is mixed into the taken air at the connection point J1 at a constant flow rate of 20/min.
The gas flow A 1 is sucked into the exhaust pump 29 provided at the other end of the main gas conduit 25 and discharged to the outside. The gas supply conduit P3 and the exhaust conduit P4 are each connected to the breathing conduit P5 , and a one-way valve constituting the one-way valve device 27 is disposed at each connection point. Mouthpiece 2 is attached to the tip of breathing conduit P 5 .
8 is installed. During this time, from the connection point J 2 a portion of the gas flow A 1 is supplied to the gas supply conduit P 3 when the valve 34 is closed and the valve 26 is open.
During inspiration, this gas is introduced into the breathing conduit P 5 by the action of the one-way valve device 27 and is inhaled by the subject. During expiration, by the action of the one-way valve device 27, the exhaled gas is discharged into the exhaust conduit P 4 , joins the gas flow A 1 at the connection point J 3 and is discharged via the exhaust pump 29. The bag 30 stores air containing water vapor from the tank 32 and helium gas (hereinafter referred to as He gas) from the gas cylinder 31, and the valve 34 is opened.
When the valve 26 is closed, in order to supply the stored mixed gas to the gas supply conduit P3 and perform He mixing,
Introduce He into the subject's lungs. Respiratory flow meter 13
detects the gas flow flowing into the exhaust conduit P4 . Mass spectrometer 12 detects the composition ratio between gaseous components within respiratory conduit P5 . The A/D converter 11 performs A/D conversion on the detection result of the pneumotachograph 13 and the detection result of the mass spectrometer 12, respectively, and outputs them as pneumoflow data and mass spectrometry data. After reading the preset program and data from the floppy disk 16, the microcomputer 10 sequentially outputs a sine wave signal of a set frequency, and appears in the respiratory conduit P5 in accordance with the output sine wave signal. The ventilation/blood flow ratio distribution is calculated from the respiratory flow rate data and mass spectrometry data related to the concentration of the indicator gas. The calculation results are stored on the floppy disk 16 and displayed on the CRT 15.

次に第2図、第3図を参照して制御信号Vに関
して説明する。
Next, the control signal V will be explained with reference to FIGS. 2 and 3.

マイクロコンピユータ10はD/Aコンバータ
14を介して正弦波である制御電圧Vを出力しフ
ローコントローラ20を制御する。フローコント
ローラ20からは空気流V〓が出力される。主気体
導管25の気体流A1に含まれるHalothane濃度
Fは制御電圧Vに相似形で正弦波状に変化する。
つまり、halothane濃度Fの変化は正弦波の制御
電圧Vの変化にlinearに追随する。ここで
halothane濃度を正弦波状に変化させるのは再循
環の影響ができるだけ発生しにくいようにするた
めである。
The microcomputer 10 outputs a sinusoidal control voltage V via the D/A converter 14 to control the flow controller 20. The flow controller 20 outputs an air flow V〓. The Halothane concentration F contained in the gas flow A 1 of the main gas conduit 25 changes sinusoidally in a manner similar to the control voltage V.
In other words, the change in the halothane concentration F linearly follows the change in the sinusoidal control voltage V. here
The purpose of changing the halothane concentration in a sinusoidal manner is to minimize the effects of recirculation.

本実施例においては、16個のコンパートメント
(compartment)の換気・血流比をそれぞれ求め
るためhalothaneガス濃度は16種類の周波数成分
を含んでいなければならない。そこで、第3図の
ように、2種類の周波数の信号を合成しつつ、26
分間に周期18秒から周期5分までの16種類の信号
をD/Aコンバータ14から出力させた。このこ
とにより、一種類ずつ出力する場合に比較し、測
定時間は2/3になつた。
In this example, the halothane gas concentration must include 16 types of frequency components in order to determine the ventilation/blood flow ratios of 16 compartments. Therefore, as shown in Figure 3, while combining signals of two types of frequencies, 26
The D/A converter 14 outputs 16 types of signals with a period of 18 seconds to 5 minutes per minute. As a result, the measurement time was reduced to 2/3 compared to outputting one type at a time.

次に第1図の実施例の動作について説明する。 Next, the operation of the embodiment shown in FIG. 1 will be explained.

(1) バルブ21,26,34を閉に、バルブ33
を開にし、タンク32から空気、ガスボンベ3
1からヘリウム、ガスボンベ35から酸素をそ
れぞれ袋30に供給して、ヘリウムHe8%〜10
%、酸素O221%、二酸化炭素CO2約0.05%、残
り窒素N2である混合ガスを作つた後、バルブ
33、バルブ35を閉とする。次にバルブ34
を開として、袋30に貯留されている混合ガス
を導管P3を介して被検体に呼吸させる。質量
分析装置はガス導入プローブを通して、ヘリウ
ムの濃度測定する。測定結果A/Dコンバータ
11を通し、マイクロコンピユータ10に入力
され、CRT15で監視される。
(1) Close valves 21, 26, and 34, and close valve 33.
Open air from tank 32, gas cylinder 3
1 to helium and oxygen from the gas cylinder 35 to the bag 30, helium He8% to 10
%, oxygen O 2 21%, carbon dioxide CO 2 approximately 0.05%, and the remainder nitrogen N 2 , and then valves 33 and 35 are closed. Next, valve 34
The bag 30 is opened to allow the subject to breathe the mixed gas stored in the bag 30 through the conduit P3 . The mass spectrometer measures the concentration of helium through a gas introduction probe. The measurement results are input to the microcomputer 10 through the A/D converter 11 and monitored by the CRT 15.

(2) 被験体の肺内のガスと袋内の混合ガスの平衡
が達する時点、即ち呼気中のヘリウム濃度は袋
内のヘリウム濃度と等しくなる時点で、バルブ
34を閉にし、バルブ26を開にする。主気体
導管25内のヘリウムを含まない気体をJ2
P3、P5を通して被験体に吸入させ、P5、P4
J3を通して呼出させ、ヘリウム洗い出し(He
washout)を行ない、被験体の肺内のヘリウム
は完全に洗い出されるまで続く。この間、質量
分析装置に測定されたヘリウムと二酸化炭素濃
度、呼吸流量計13に測定された呼気流量を
A/Dコンバータ11を経由してマイクロコン
ピユータ10に高速入力し、フロツピーデイス
ク16に保存する。
(2) At the point when the gas in the subject's lungs and the mixed gas in the bag reach equilibrium, that is, the helium concentration in exhaled air becomes equal to the helium concentration in the bag, close the valve 34 and open the valve 26. Make it. The gas not containing helium in the main gas conduit 25 is J 2 ,
Subject inhales through P 3 , P 5 , P 5 , P 4 ,
Helium washout (He
washout) until the helium in the subject's lungs is completely washed out. During this time, the helium and carbon dioxide concentrations measured by the mass spectrometer and the expiratory flow rate measured by the pneumotachograph 13 are inputted at high speed to the microcomputer 10 via the A/D converter 11 and stored on the floppy disk 16. .

(3) バルブ21を開にし、D/Aコンバータ14
から制御信号Vに基いてフローコントローラ2
0から空気流V〓を出力させるとともにバルブ2
6を開として、正弦波状の濃度のハロセンガス
を含んだ気体流AIを気体供給導管P3に供給し、
被験体に呼吸させる。この間、質量分析装置1
2に測定されたハロセン、二酸化炭素濃度、呼
吸流量計13に測定された呼気流量をA/Dコ
ンバータ11を経由してマイクロコンピユータ
10に高速入力し、フロツピーデイスク16に
保存する。
(3) Open the valve 21 and D/A converter 14
Flow controller 2 based on control signal V from
Output air flow V from 0 and valve 2
6 is opened and a gas flow A I containing halothane gas having a sinusoidal concentration is supplied to the gas supply conduit P 3 ;
Have the subject breathe. During this time, mass spectrometer 1
The halothane and carbon dioxide concentrations measured in step 2 and the expiratory flow rate measured by the pneumotachograph 13 are inputted at high speed to the microcomputer 10 via the A/D converter 11 and stored on the floppy disk 16.

(2)と(3)を実質上同時に行なうが、独立に行なつ
ても差し支えない。
(2) and (3) are performed virtually simultaneously, but they can also be performed independently.

次に以上の測定によつて得られたデータに対す
る解析の過程、即ちマイクロコンピユータ10に
よるオフライン処理について説明する。
Next, the process of analyzing the data obtained by the above measurements, that is, the off-line processing by the microcomputer 10 will be explained.

(A) 前述のステツプ(2)のヘリウム洗い出し中のヘ
リウム濃度、呼気流量によつて下記の第一種
Fredholm積分方程式を解き、排気量分布v(τ* L
を求める。
(A) Depending on the helium concentration during helium flushing in step (2) above and the expiratory flow rate, the following type 1
Solving the Fredholm integral equation, the displacement distribution v(τ * L )
seek.

VHe(t)/VHe(t0) =∫ 0v(τ* L)exp(−t/τ* L)d(τ* L) ここでVHe(to)とVHe(t)はそれぞれ洗い出され
たヘリウムの総量と時間tの時肺内ヘリウムの量
であり、呼吸毎のヘリウム排出量を計算すること
によつて求められる。呼吸毎のヘリウム排出量は
各呼吸の呼吸流量と吸気・呼気のヘリウム濃度差
の呼気時間に対する積分(呼吸流量信号とガス濃
度信号の時間差を考慮して)によつて求める。
V He (t)/V He (t 0 ) =∫ 0 v (τ * L ) exp (−t/τ * L ) d (τ * L ) where V He (to) and V He (t) are the total amount of helium flushed out and the amount of helium in the lungs at time t, respectively, and are obtained by calculating the amount of helium excreted with each breath. The amount of helium discharged for each breath is determined by integrating the respiratory flow rate of each breath and the helium concentration difference between inspiration and exhalation over the expiration time (taking into account the time difference between the respiratory flow rate signal and the gas concentration signal).

換気量分布関数vA(τ* L)は次式で求める。 The ventilation volume distribution function v A* L ) is calculated using the following formula.

v〓A(τ* L)=〔VHe(to)/FHe(to)〕 ・ v(τ* L)/τ* L/V〓A ここでFHe(to)は洗い出し開始直前の肺内ヘリ
ウム濃度である。なおV〓Aは全体の肺胞換気であ
り、次式で求める。
v〓 A* L ) = [V He (to) / F He (to)] ・ v (τ * L ) / τ * L / V〓 AHere, F He (to) is the lung value immediately before the start of washout. This is the internal helium concentration. Note that V〓 A is the overall alveolar ventilation, which is calculated using the following formula.

V〓A=RR・VC02/FEcp2 ここで、RRとFEcp2はそれぞれ呼吸率と呼気終
末の二酸化炭素濃度、呼気流量と二酸化炭素のデ
ータから求める。Vcp2は一回二酸化炭素産生量で
あり、二酸化炭素の呼気濃度と呼気流量の積を呼
気時間に対する積分によつて決定する。
V〓 A = RR・V C02 /F Ecp2 Here, RR and F Ecp2 are determined from the respiration rate, end-expiratory carbon dioxide concentration, expiratory flow rate, and carbon dioxide data, respectively. V cp2 is the amount of carbon dioxide produced once, and is determined by integrating the product of the exhaled carbon dioxide concentration and expiratory flow rate over the expiratory time.

後述する第5図のvL(τ* L)とv〓A(τ*)の測定結
果例を利用して説明すると、vL(τ* L)とv〓A(τ*
を離散化し、vL(τ* Lとv〓A(τ*)の横軸τ*の範囲を
n(本実施例においてはN=16)個のコンパート
メントに分割し、各分割の中心点τ* iを当コンパ
ートメントの時定数とする。相応的に、各分割内
のvとv〓Aの累積値viとv〓Aiを当コンパートメントの
肺気量分布と換気分布とする。
To explain using the example of the measurement results of v L* L ) and v〓 A* ) shown in Fig. 5, which will be described later, v L* L ) and v〓 A* )
is discretized, the range of the horizontal axis τ * of v L* L and v〓 A* ) is divided into n (N = 16 in this example) compartments, and the center point τ of each division is * Let i be the time constant of this compartment. Correspondingly, let the cumulative values of v and v〓 A in each division v i and v〓 Ai be the lung volume distribution and ventilation distribution of this compartment.

(B) まず、前述のステツプ(3)によるハロセン濃
度、呼気流量データから呼気終末のハロセン濃度
FA(t)および呼気終末のハロセン濃度Fi(t)を検出
する。呼気流量が正から零に変わる時点を呼気終
末とし、呼気流量が零から正に変わる時点を呼気
終末とする。
(B) First, the halothane concentration at the end of expiration is determined from the halothane concentration and expiratory flow rate data obtained in step (3) above.
Detect FA(t) and end-expiratory halothane concentration Fi(t). The point in time when the expiratory flow rate changes from positive to zero is defined as the end of expiration, and the point in time when the expiratory flow rate changes from zero to positive is defined as the end of expiration.

次に、第3図に示す方法でFA(t)とFI(t)を時間
軸上で分画し、FFTによつてそれぞれのフーリ
エ変換を行ない、各周波数に対応するRe〔PA
(jω)/PI(jω)〕kを求める。
Next, F A (t) and F I (t) are fractionated on the time axis using the method shown in Figure 3, and each is subjected to Fourier transform using FFT to calculate R e [P A
(jω)/P I (jω)] Find k .

また式(8)によつて各コンパートメントのヘリウ
ムに体する時定数τ* iからハロセンに対する時定
数τiを決定する。
In addition, the time constant τ i for halothane is determined from the time constant τ * i for helium in each compartment using equation (8).

τi、Re〔PA(jω)/PI(jω)〕k、ωkおよびすで

得られたv〓Aiを用いて、次式(式(7))を解き、各
コンパートメントのV〓Ai/QCiを得る。
Using τ i , R e [P A (jω)/P I (jω)] k , ω k and the already obtained v〓 Ai , solve the following equation (Equation (7)) and calculate V〓 of each compartment. Obtain Ai /Q Ci .

Re〔PA(jω)/PI(jω)〕kNj=1 {v〓Ai(1+λb・Q〓Ci/V〓Ai) /〔(1+λb・Q〓Ci/V〓Ai)+ωk 2τLi 2〕}……
(7) k=1,2,3,……N 最後に、次式によつて各コンパートメントの血
流分布q〓iを求める。
R e [P A (jω) / P I (jω)] k = Nj=1 {v〓 Ai (1+λ b・Q〓 Ci /V〓 Ai ) / [(1+λ b・Q〓 Ci /V〓 Ai )+ω k 2 τ Li 2 〕}……
(7) k=1, 2, 3,...N Finally, calculate the blood flow distribution q〓 i in each compartment using the following equation.

q〓i=Q〓CiNi=1 Q〓Ci ここで Q〓Ci=V〓A・v〓Ai・Q〓Ci)/V〓Ai ただし、VAは前述のように二酸化炭素の測定
結果で算出する。
q〓 i = Q〓 Ci / Ni=1 Q〓 Ci where Q〓 Ci = V〓 A・v〓 Ai・Q〓 Ci )/V〓 AiHowever , as mentioned above, V A is the carbon dioxide Calculate based on measurement results.

(C) 第8図a,b,cに3個のコンパートメント
の場合として例示した手法で各コンパートメント
の肺気量分布vi(第8図a)と換気・血流比V〓Ai
Q〓Ci(第8図b)とからvとV〓A/Q〓cの関係(第8
図c)を見出す。さらに、同様な手法で各コンパ
ートメントの血流分布q〓iと換気・血流比V〓Ai/Q〓Ci
からq〓とV〓A/Q〓Cの関係を見出す。これによつて、
換気・血流比分布v〜V〓A/Q〓C、q〓〜V〓A/Q〓C

終的に決定する。
(C) Using the method illustrated in Figure 8 a, b, and c for the case of three compartments, calculate the lung volume distribution v i (Figure 8 a) and ventilation/blood flow ratio V〓 Ai / of each compartment.
From Q〓 Ci (Fig. 8b), the relationship between v and V〓 A /Q〓 c (Fig. 8
Figure c) is found. Furthermore, using the same method, we calculated the blood flow distribution q〓 i and ventilation/blood flow ratio V〓 Ai /Q〓 Ci of each compartment.
Find the relationship between q〓 and V〓 A /Q〓 C from. By this,
Ventilation/blood flow ratio distribution v~ V〓A / Q〓C , q〓~ V〓A / Q〓C are finally determined.

以上のオフライン解析はすべてマイクロコンピ
ユータで行なう。
All of the above offline analyzes are performed on a microcomputer.

本実施例の換気・血流比分布測定装置に用いて
実際の被験者の診断に応用した例について述べ
る。
An example in which the ventilation/blood flow ratio distribution measuring device of this embodiment is applied to diagnosis of an actual subject will be described.

健常者N1,N2,N3,N4の4人、肺気腫患者
X1,X2の2人、肺繊維症患者Yの1人、肺塞栓
症患者Zの1人について、換気・血流比分布の測
定を行なつた。
4 healthy subjects N 1 , N 2 , N 3 , N 4 , emphysema patient
The ventilation/blood flow ratio distribution was measured for two patients X 1 and X 2 , one patient Y with pulmonary fibrosis, and one patient Z with pulmonary embolism.

第5図はこれら被験者N1,N2,〜,ZのRe
(PA/PI)−ω曲線をまとめて示したものである。
前述のように、この曲線は吸入気中の正弦波状の
halothaneガス濃度に対する肺の周波数特性を表
わす。健常者N1,N2,N3,N4については、Re
(PA/PI)−ω曲線はほぼ同様な傾向を示す。肺
気腫患者X1,X2、肺繊維症患者Yの曲線の傾き
は比較的に平坦であるが、肺塞栓症患者Zの曲線
の傾きは著しく大きい。
Figure 5 shows the Re of these subjects N 1 , N 2 , ~, Z.
(P A /P I )-ω curves are shown together.
As mentioned earlier, this curve corresponds to the sinusoidal shape of the inhaled air.
It represents the frequency characteristics of the lungs with respect to halothane gas concentration. For healthy subjects N 1 , N 2 , N 3 , N 4 , Re
The (P A /P I )-ω curves show almost the same tendency. The slopes of the curves for emphysema patients X 1 and X 2 and pulmonary fibrosis patient Y are relatively flat, but the slope of the curve for pulmonary embolism patient Z is significantly large.

第6図は被験者N1,N2,〜,Zに関る。vA
τ、v−τ曲線を示す。健常者の肺気量分布vは
時定数30s〜1min前後で対称的に分布する。肺塞
栓症は同様なv分布を示した。肺気腫、肺繊維症
のv分布では対称性を失つた例がみられ、全体的
に時定数の大きい区域に散在し、v〓A分布とv分布
のピークのずれも大きい。
FIG. 6 relates to subjects N 1 , N 2 , . . . , Z. v A
τ, v-τ curves are shown. The lung volume distribution v of a healthy person is symmetrically distributed with a time constant of about 30 seconds to 1 minute. Pulmonary embolism showed a similar v distribution. There are cases in which the v distribution of emphysema and pulmonary fibrosis has lost its symmetry, and it is generally scattered in areas with large time constants, and there is a large deviation between the peaks of the v A distribution and the v distribution.

第7図は被験者N1,N2,〜,Zに対する換
気・血流分布曲線v−VA/QC、q−VA/QCを示
す。健常者のこの二種類の分布はほぼ換気・血流
比0.8の付近に集中し、おおよそ対数正規分布の
形状を示す。これに対し、肺気腫と肺繊維症につ
いては分布の分散は大きく、換気・血流比の小さ
い側に偏つている。なお肺塞栓症については二つ
の分布のパターンはもとに健常者より広がり、か
つ換気・血流比の大きい側に偏る傾向がみられ
た。
FIG. 7 shows ventilation/blood flow distribution curves v-V A /Q C and q-V A /Q C for subjects N 1 , N 2 , ~, Z. These two types of distribution in healthy subjects are concentrated around the ventilation/perfusion ratio of 0.8, and exhibit a roughly log-normal distribution shape. On the other hand, the distribution of emphysema and pulmonary fibrosis is highly dispersive, with a bias toward the side with a small ventilation/perfusion ratio. Regarding pulmonary embolism, the two distribution patterns were generally broader than in healthy subjects, and tended to be biased towards the side with a large ventilation/perfusion ratio.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明は、時間の進行に従
つて指標ガスの濃度が複数の周波数で正弦波状に
変化する混合空気を生成出力し、生成した混合空
気を被験体に与えてから呼気中の成分について分
析を行うことによつて、下記の効果がある。
As explained above, the present invention generates and outputs a mixed air in which the concentration of an index gas changes sinusoidally at multiple frequencies as time progresses, gives the generated mixed air to a subject, and then inhales the air during exhalation. By analyzing the components, the following effects can be obtained.

1 被験体に生理的変化を与えない混合空気を供
給できる。
1. Can supply mixed air that does not cause physiological changes to the subject.

2 複数の周波数を合成することによつて試験時
間を短縮できる。
2 Test time can be shortened by combining multiple frequencies.

3 呼吸流量計、質量分析装置、予めプログラム
を与えられたデータ処理装置が自動的に換気・
血流比分布を測定し、算出できる。
3 A pneumotachograph, a mass spectrometer, and a preprogrammed data processing device automatically perform ventilation and
Blood flow ratio distribution can be measured and calculated.

4 試験を非侵襲的(noninvasive)に行うこと
ができる。
4. The test can be performed noninvasively.

5 従来の換気・血流比分布測定手法に比し測定
の操作が単純化されている。
5. The measurement operation is simpler than the conventional ventilation/blood flow ratio distribution measurement method.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の換気・血流比分布測定装置の
一実施例を示す構成図、第2図は第1図の実施例
のフローコントローラ20に印加される制御信号
と主気体導管25におけるハロセンの濃度変化と
の関係を説明するためのタイムチヤート、第3図
は第1図の実施例でフローコントローラ20に印
加された制御信号を示すタイムチヤート、第4図
は被験体に対するRe(PA/PI)−ω曲線を示すグ
ラフ、第5図はvA−τ、v−τ曲線を示すグラ
フ、第6図は換気・血流比分布曲線v−V〓A/Q〓c
q〓−V〓A/Q〓cを示すグラフ、第7図a,bはそれぞ
れ肺のシングル・コンパートメント・モデル、マ
ルチプル・コンパートメント・モデルを示す等価
回路、第8図a,b,cは各コンパートメントの
肺気量分布Viと下記・血流比V〓Ai/Q〓ciかつvと
V〓A/Q〓cの関係を見出す手法を例示したものであ
る。 10……マイクロコンピユータ、11……A/
Dコンバータ、12……質量分析装置、13……
呼吸流量計、14……D/Aコンバータ、15…
…CRT、16……フロツピーデイスク、20…
…フローコントローラ、21,26,33,34
……バルブ、22……コンプレツサー、23,2
4,32……タンク、25……主気体導管、27
……一方弁装置、28……マウスピース、29…
…排気ポンプ、30……袋、31,35……ガス
ボンベ。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the ventilation/blood flow ratio distribution measuring device of the present invention, and FIG. 2 shows the control signals applied to the flow controller 20 of the embodiment of FIG. 3 is a time chart showing the control signal applied to the flow controller 20 in the embodiment of FIG. 1, and FIG. 4 is a time chart for explaining the relationship with the concentration change of halothane. A / P I ) - ω curve, Fig. 5 is a graph showing v A - τ, v - τ curve, Fig. 6 is a ventilation/blood flow ratio distribution curve v - V〓 A /Q〓 c ,
Graphs showing q〓−V〓 A /Q〓 c , Figure 7 a, b are equivalent circuits showing the single compartment model and multiple compartment model of the lung, respectively, Figure 8 a, b, c are the respective Compartment lung volume distribution V i and the following blood flow ratio V〓 Ai /Q〓 ci and v
This is an example of a method for finding the relationship V〓 A /Q〓 c . 10...Microcomputer, 11...A/
D converter, 12... Mass spectrometer, 13...
Respiratory flowmeter, 14...D/A converter, 15...
...CRT, 16...Flotspy disc, 20...
...Flow controller, 21, 26, 33, 34
... Valve, 22 ... Compressor, 23,2
4, 32...Tank, 25...Main gas conduit, 27
... One-way valve device, 28 ... Mouthpiece, 29 ...
...exhaust pump, 30...bag, 31,35...gas cylinder.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 不活性ガスの洗いだし時定数の違いによつて
分画した被験体の肺のモデルにおいて指標ガス濃
度変化の呼気吸気間の伝達関数を求め、被験体の
肺の換気・血流比分布を求める換気・血流比分布
測定装置であつて、 被験体の吸気および呼気をガイドする呼吸気導
管と、 空気に含ませる指標ガスの濃度を与えられる正
弦波信号に従つて変化させ吸気用空気を生成する
吸気用空気生成手段と、 被験体の吸気時には、吸気用空気を呼吸気導管
を介して被験体に供給し、呼気時には、呼吸気導
管からの呼気を排気装置を介して排気させる呼吸
制御手段と、 呼吸気導管に流れる気体流量を検出する流量検
出手段と、 呼吸気導管内の気体に含まれる気体成分間の構
成比を検出する分析装置と、 吸気用空気生成手段に正弦波信号を与えるとと
もに、流量検出手段と分析装置との検出結果から
被験体の換気・血流比分布を算出するデータ処理
装置とを有することを特徴とする換気・血流比分
布測定装置。 2 不活性ガスの洗いだし時定数の違いによつて
分画した被験体の肺のモデルにおいて指標ガス濃
度変化の呼気吸気間の伝達関数を求め、被験体の
肺の換気・血流比分布を求める換気・血流比分布
測定装置であつて、 コンプレツサで圧縮された空気を取込み、印加
される制御信号に対応する流量を流出させるフロ
ーコントローラと、 気体に混入されて被験体の肺胞内に吸入され、
動脈血に溶解した際、血液に分配されるより組織
により多く分配される不活性な試験用指標ガス源
となる試験用液体を貯留している貯留槽と、 フローコントローラから流出する空気流を貯留
槽の試験用液体中に導く導入管と、 主気体導管と、 主気体導管の上流である一端から取り入れられ
た空気を主成分とする気体流を下流である他端に
向けて主導管中を流す気体流生成装置と、 導入管により貯留槽に導入された空気流が指標
ガスとしての試験用液体の蒸気を含んで貯留槽か
ら排出される気体を導出し、主気体導管の上流で
主気体導管の気体流に混入させる導出管と、 主気体導管から気体流を導入するために、一端
が主気体導管に接続された気体供給導管と、 一端が被験体の呼吸器官に接続された呼吸気導
管と、 一端が排気装置に接続された排気導管と、 気体供給導管、呼吸気導管、排気導管のそれぞ
れの他端が接続され、被験体の吸気時には気体供
給導管の気体を呼吸気導管を介して被験体に送出
し、被験体の呼気時には呼吸気導管の気体を排気
導管を介して排気させる弁機構と、 呼吸気導管に流れる気体流量を検出する流量検
出手段と、 呼吸気導管内の気体に含まれる気体成分間の構
成比を検出する分析装置と、 正弦波信号を制御信号としてフローコントロー
ラに印加することにより、印加した制御信号に対
応して主気体導管中の気体流に含まれる指標ガス
の濃度を正弦波状に変化させるとともに、流量検
出手段と分析装置との検出結果から被験体の換
気・血流比分布を算出するデータ処理装置とを有
することを特徴とする換気・血流比分布測定装
置。 3 前記データ処理装置がフローコントローラに
印加する前記制御信号は、時間の経過とともに周
波数が変化する重畳信号系列からなり、系列を構
成する各重畳信号は、周波数の異なる複数の正弦
波信号が重畳されて構成されている請求項2記載
の換気・血流比分布測定装置。
[Claims] 1. In a model of the subject's lungs that is segmented based on the difference in the washout time constant of an inert gas, a transfer function between exhalation and inspiration of a change in the concentration of an index gas is determined, and the ventilation of the subject's lungs is determined.・It is a ventilation/blood flow ratio distribution measurement device that measures the blood flow ratio distribution, and includes a respiratory air conduit that guides the subject's inhalation and exhalation, and a sine wave signal that gives the concentration of an index gas contained in the air. an inspiratory air generating means for generating inspiratory air by changing the amount of air; when the subject is inhaling, the inspiratory air is supplied to the subject through a respiratory conduit; and when the subject is exhaling, exhaled air from the respiratory conduit is supplied to the subject through an exhaust device; a flow rate detection means for detecting the flow rate of gas flowing through the respiratory air conduit; an analyzer for detecting the composition ratio between gas components contained in the gas in the respiratory air conduit; and an inspiratory air generator. Ventilation/blood flow ratio distribution measurement characterized by having a data processing device that applies a sine wave signal to the means and calculates the ventilation/blood flow ratio distribution of the subject from the detection results of the flow rate detection means and the analyzer. Device. 2. In a model of the subject's lungs separated by differences in inert gas washout time constants, the transfer function between expiration and inspiration of the change in the index gas concentration was determined, and the ventilation/blood flow ratio distribution in the subject's lungs was calculated. The desired ventilation/blood flow ratio distribution measurement device includes a flow controller that takes in air compressed by a compressor and flows out at a flow rate corresponding to an applied control signal, and a flow controller that takes in air compressed by a compressor and flows out at a flow rate corresponding to an applied control signal, and inhaled,
A reservoir contains a test liquid that is a source of an inert test indicator gas that, when dissolved in arterial blood, distributes more to tissues than to the blood; and a reservoir contains the air flow exiting the flow controller. an inlet pipe leading into a test liquid, a main gas pipe, and a gas flow mainly composed of air introduced from one upstream end of the main gas pipe to the other downstream end, flowing through the main pipe. a gas flow generator and an air flow introduced into the reservoir by the inlet pipe to direct the gas containing the vapor of the test liquid as an indicator gas from the reservoir to the main gas conduit upstream of the main gas conduit; a gas supply conduit connected at one end to the main gas conduit for introducing the gas flow from the main gas conduit; and a respiratory air conduit connected at one end to the respiratory tract of the subject. and an exhaust conduit whose one end is connected to the exhaust device, and the other ends of each of the gas supply conduit, breathing air conduit, and exhaust air conduit are connected, and when the subject inhales, the gas in the gas supply conduit is passed through the breathing air conduit. a valve mechanism for exhausting gas in the respiratory conduit through an exhaust conduit when the subject exhales; a flow rate detection means for detecting the flow rate of gas flowing in the respiratory conduit; an analyzer that detects the composition ratio between gas components contained; and an analyzer that applies a sinusoidal signal as a control signal to a flow controller to detect an indicator gas contained in a gas flow in a main gas conduit in response to the applied control signal. A ventilation/blood flow ratio distribution characterized in that the ventilation/blood flow ratio distribution is characterized by having a data processing device that changes the concentration of the fluid in a sinusoidal manner and calculates the ventilation/blood flow ratio distribution of the subject from the detection results of the flow rate detection means and the analyzer. measuring device. 3. The control signal that the data processing device applies to the flow controller is composed of a superimposed signal sequence whose frequency changes over time, and each superimposed signal making up the sequence is a plurality of sine wave signals having different frequencies superimposed. 3. The ventilation/blood flow ratio distribution measuring device according to claim 2.
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