JP6574790B2 - 機械的な換気および体外血液ガス交換を行う換気システム - Google Patents

Description

本発明は、患者の肺における機械的な換気、特に、陽圧換気を行うデバイスと体外血液ガス交換を行うＥＣＬＳデバイスとを備える換気システムに関する。

米国特許第５８１０７５９号明細書には、ＣＯ_２のＯ_２への置換を改善するために、静脈−静脈ＥＣＭＯ中のＥＣＭＯＳパラメータの自動制御を行うことを特徴とするシステムが開示されている。ＥＣＭＯ回路内を循環する血流と、それに比例してＥＣＭＯ回路内を循環する血液に供給される酸素付加器のガス流とを制御して、予め設定された血液中のＯ_２濃度およびＣＯ_２濃度を調節することができる。例えば機械的な換気デバイスの設定など、追加の外部パラメータを検出することもでき、ＥＣＭＯシステムのパラメータの設定が、これらの追加パラメータを考慮に入れることも可能なことがかなり概略的に指摘されている。この文書は、このＥＣＭＯ閉ループ制御システムが、劇的に変化する外部パラメータに適応することが可能なことを示す動物実験について報告している。つまり、この実験では、機械的な陽圧換気による所定の呼吸補助が、非常に低いレベルにまで劇的に減少している。

国際公開第２０１１／０２１９７８号公報には、患者の血液ガス交換を補助するためにＥＣＬＳおよび陽圧換気が組み合わされ、可能な限り一緒に自動的に実行される換気システムが開示されている。その目的は、強すぎる陽圧換気によって肺系に損傷を与えることを回避するために、ＥＣＬＳおよび陽圧換気をそれぞれ最適なレベルで利用することにある。ＥＣＬＳおよび陽圧換気は、それぞれ体外血液ガス交換および換気を制御する制御システムを有する。これらの制御システムは、それぞれ、ＥＣＬＳおよび陽圧換気の制御パラメータを送信するためにそれぞれに関連付けられたセンサ・システムを有する。ＥＣＬＳの制御システムと陽圧換気の制御システムとにおいては、データが交換され、それらの制御システムのうちの少なくとも一方が、他方の制御システムに関連する制御パラメータのうち、少なくとも１つに基づいて自システムに関連するプロセスの制御信号を出力するようになっている。一方では、ＥＣＬＳによる補助の自動設定は、陽圧換気によって得られる制御パラメータに基づいて行われるようになっており、それぞれのレベルの陽圧換気において、ＥＣＬＳによる所要の補助レベルは、呼息を行っている途中における終末時の呼吸ガス中のＣＯ_２含有量に基づいて設定される。他方で、陽圧換気による補助の自動設定は、ＥＣＬＳで得られる制御パラメータに基づいて行われるようになっており、それぞれのレベルのＥＣＬＳで、陽圧換気による所要の補助レベルは、患者の血液循環系のＯ_２含有量に基づいて設定される。ただし、この２つの部分システムの協働において換気システムは、ＥＣＬＳの部分システムおよび陽極換気の部分システムが両方とも、それぞれ他方の部分システムから転送される制御パラメータによって表される、低すぎる補助レベルを相殺しようとするために動作が不安定かつ複雑になる傾向があることが分かっている。これにより、２つの部分システムが競合することになり、変化に対する反応が強くなりすぎる傾向がある。したがって、このシステムは、治療を行うために、両システムがおおかた自動的に協調して動作することにはほとんど適さない。

米国特許第５８１０７５９号明細書 国際公開第２０１１／０２１９７８号公報

本発明によれば、特に機械的な換気およびＥＣＬＳが同時に適用される状況において、不十分な血液ガス交換の危険性、および／あるいは、肺、気道、または心臓血管系へ、回復不能な損傷を生じる危険性を伴うのが機械的な換気のみであることから、より高い信頼性で完全に自動的な換気を保証する換気システムが利用可能になる。この換気システムは、特に、機械的な換気を必要とする、呼吸機能を失った、または、少なくとも呼吸機能が不十分な患者の集中治療に使用されるように構成される。

本発明の目的は、以下に示す換気システムによって達成される。

本発明における換気システムは、一方では、機械的な換気を行うデバイス、他方では、ＥＣＬＳデバイスによって体外血液ガス交換を行い、特に、酸素付加および換気を行うことによって、協調して自動的に機械的な呼吸の補助を行い、患者の血液循環系におけるガス交換を補助するように構成されている。具体的に、このシステムは、集中治療される患者に用いるために構成され、特に、患者の集中治療中に行われる機械的な換気において、機械的な換気だけでは患者の肺機能を十分に補助することができない状況や、あるいは、肺機能を十分に補助するために、機械的な換気の換気パラメータの設定を、肺および気道、ならびに／または、心臓血管系を損傷させる恐れがあるような設定にする必要がある状況になり始めたときに、肺機能および血液ガス交換を、それぞれ補助するように構成されている。

本発明によれば、ＥＣＬＳデバイスは、体外血液ガス交換、特に、酸素付加／換気におけるレベルを設定し、機械的な換気を行うデバイスは、ＥＣＬＳデバイスによって設定された体外血液ガス交換のレベルに基づいて、あるレベルの機械的な呼吸補助に自動的に適応する。

提案される機械的な換気を行うデバイスは、現在、機械的な換気において散見されるように、陽圧換気デバイスとして実現することができる。陽圧換気の場合、吸息中に外部から気道に陽圧を印加することにより、場合によっては、酸素、および／または、その他の添加物が加わった空気を肺に送り込む効果がある。ほとんどの場合、呼息は、周囲の圧力が気道出口に印加され、肺内部の圧力が周囲の圧力に対して解放されて受動的に起こる。呼息中に何らかの機械的な補助を設けることも任意に選択することができる。機械的な換気の場合、血液ガスの適切な交換、特に、静脈血中のＯ_２の富化、および、静脈血中のＣＯ_２の除去は、それぞれが基本的に肺の内部で行われる。機械的な換気を行うデバイスは自発的な呼吸補助の形態から完全に機械で制御された換気の形態までの範囲を網羅するような、複数の異なる換気モードを可能にする。機械的な換気を行うデバイスは、例えば、換気モードを変化させて、換気の侵襲性を患者の状態に応じて連続的に適応させることができる。

患者の状態は、例えば、機械的な換気でよく行われる、吸気中のＯ_２および呼気中のＣＯ_２の含有量（例えば呼息の終端におけるＰｅｔＣＯ_２）の特定、または、パルス・オキシメトリによる血液中の酸素飽和度の測定（ＳｐＯ_２）、あるいは、肺の粘性抵抗およびコンプライアンス（肺のやわらかさ）の測定など、特有のパラメータのそれぞれを検出するための様々なセンサ、または、測定手順によって検出することができる。さらに、一般に換気中に散発的にのみ、または、手動によってのみ検出されるパラメータ、特に、対応する化学的な分析、または、光学的な測定によって血液中の呼吸ガスの含有量（ＰａＯ_２、ＰａＣＯ_２）を検出することも可能である。これらの測定手順は全て、すなわち医師または看護師による処置を必要とすることなく自動的に実行することができる。

機械的な換気を行うデバイスは、特定の換気パラメータに従って動作する。これらのパラメータには、特に、肺に供給される呼気中の酸素濃度（ＦｉＯ_２）、毎分あたりの呼吸数である呼吸頻度、１呼吸あたり肺に送り込まれる空気の体積である１回換気量（呼吸量とも呼ばれる）、呼息を行っている途中の空気流である呼息流（これは、１呼息を行っている途中に実際に変化する可能性があり、通常は変化するものである）、呼息を行っている途中の気道入口における空気の最大圧力である最大呼息圧力、呼息の終了時に肺胞の一部のつぶれを相殺するために換気中に気道入口に絶えず印加される陽圧である呼気終末陽圧（いわゆるＰＥＥＰ）が含まれる。ＰＥＥＰは、一般に、呼息の終了時の気道出口における圧力として特定することができる。

機械的な換気を行うデバイスは、ＦｉＯ_２、ＰＥＥＰ、または、最大呼息圧力など、予め一定に設定された換気パラメータに基づいて換気を実行することができる。その他の換気パラメータは、換気デバイスによって、可能な限り最良の換気状態を実現するように自動的にそれぞれ適応させることができる。これに関して、換気は、機械的な換気を行うデバイスが、所与の換気モードにおいて予め一定に設定された換気パラメータ、ならびに、自動的に検出されたフレキシブルな換気パラメータに基づいて、関連するフレキシブルな換気パラメータを自動的に設定する（例えば、それぞれの閉ループ制御システムによって）ように行うことができる。予め一定に設定される換気パラメータ、および、設定可能なフレキシブルな換気パラメータの種類および数は、換気モードの種類、例としてその一部のみを挙げると、圧力制御式換気、体積制御式換気、ＢｉＰＡＰ換気などによって異なる。予め一定に決められた換気パラメータの数が少なくなるほど、換気デバイスは様々な影響に対してより柔軟に適応することができ、換気において必要となる手作業による処置の数が少なくなる。ただし、それに応じて閉ループ制御を行うために必要な処置も増加し、特に、肺に損傷を与えるような特定の換気パラメータの組合せが生じる危険性がある。これを回避するために、フレキシブルな換気パラメータについて、特定の基本条件を定義することができる。その場合、換気デバイスは、それぞれについて定義された範囲内でのみ、それぞれの換気パラメータを変化させることができる。

また、機械的な換気を行うデバイスが、様々な換気モードを交換して行うことができる、または、複数の換気モードの中から、適当なそれぞれの換気モードを選択することができることも考えられる。これは、検出されたそれぞれの換気パラメータ、または、換気状態に特徴的なパラメータを評価することによって自動的に行うことができる。例として、例えば本出願人によって「Ｓ１」として市販されている機械的な換気を行うデバイスに含まれるＡＳＶ（適応補助換気）として知られる、本出願人による換気システムを参照されたい。

機械的な換気の他にも、血液ガスの交換、すなわち、血液における酸素の富化（酸素付加）、および／または、血液からのＣＯ_２の除去（換気）が機械的に補助される、または、さらに完全に機械的に行われるという意味で、肺の機能を部分的に、または、完全に機械が引き継ぐ様々な体外式肺補助（ＥＣＬＳ）の方法がある。ＥＣＬＳは、通常は、心臓外科手術において頻繁に利用される人工心肺装置と同様に、集中治療に使用される技術である。人工心肺装置の場合には、血液の循環を維持する心臓機能を機械によって完全に引き継がなければならないが、ＥＣＬＳは、必ずというわけではなくとも、通常は、肺機能の置換、または、補助に集中している。静脈−静脈ＥＣＬＳシステムは、通常、静脈系から血液を抜き取り、体外血液ガス交換の後で、この血液を静脈系に戻すことによって、肺機能を補助する。静脈−動脈ＥＣＬＳシステムでは、静脈系から抜き取られた血液が体外血液ガス交換後に動脈系に戻され、さらに、心臓機能の機械的な補助の可能性も提供する。本発明とも関連して、静脈−静脈ＥＣＬＳシステムも静脈−動脈ＥＣＬＳシステムも両方とも利用することができる。ＥＣＬＳは、肺胞における呼吸機能の確保が必要な程度まで、ガス交換を行うことができなくなるほど深刻に肺が損傷している患者に対して使用される。したがって、ＥＣＬＳは、一種の体外器官置換方法である。

例えば、いわゆる体外式膜型人工肺（ＥＣＭＯ）などのほとんどのＥＣＬＳ方法では、２本の太い血管（静脈−静脈タイプの場合には１本または２本の太い静脈、静脈−動脈タイプの場合には１本の太い静脈と１本の太い動脈）にカニューレを挿入して、例えば、血液からＣＯ_２を除去し、血液中のＯ_２を富化し、そののち、このように処理した血液を患者の血液循環系に戻すＥＣＭＯ（体外式膜型人工肺）の場合の膜型酸素付加器など、体外酸素付加器を通して連続的に血液を送る。血液は、患者の静脈系に戻すことができるので（いわゆる静脈−静脈ＥＣＬＳ）、心臓機能は、依然として心臓によって維持されている。ただし、心臓をブリッジし、血液を心臓より下流側の動脈系に戻し、ポンプ回路によって心臓機能を補助する形態（いわゆる静脈−動脈ＥＣＬＳ）もある。膜型酸素付加器の代替として、例えば、肺胞酸素付加器など、その他の形態を使用することもできる。いくつかの場合、ＥＣＬＳは、例えば、一体型ガス交換カテーテル（ＩＧＥＣ）を太い静脈に直接挿入することにより、侵襲性を最小限に抑えて実行することができる。その場合には、カテーテルの毛細管がＯ_２を供給してＣＯ_２を除去することによって静脈内でガス交換が行われるので、患者から血液を抜き取る必要がない。

ＥＣＬＳは、数日または数週間にわたって十分な酸素付加および換気を保証することができるので、積極的な機械的な換気を行うことなく治癒する時間を肺に与える。にもかかわらず、ＥＣＬＳが治療の最後の選択肢と考えられているのは、技術的および人員的な費用、コスト、および複雑さのリスク（例えば出血）が高いからである。

通常、ＥＣＬＳでは、体外酸素付加器に供給されるガスの組成（例えばＯ_２およびＣＯ_２の含有量）、体外酸素付加器に供給されるガス流、体外酸素付加器を通る血流などのパラメータが影響を受ける可能性がある。

本発明は、機械的な換気およびＥＣＬＳが、わずかな肺への損傷のみで、可能な限り効率的な、機械的な換気が相互に協調して実行されるように構成されている換気システムに関する。この換気システムは、機械的な換気を行うデバイスとＥＣＬＳデバイスとを備え、基本的には以下、本明細書で述べるようにそれぞれ構成することができる。

従来通りに動作する機械的な換気、特に、陽圧換気を行うデバイスと、体外式肺補助ＥＣＬＳのデバイス（特に体外式膜型人工肺ＥＣＭＯのデバイス）との発明性のある組合せにより、ＥＣＬＳデバイスは、パラメータ（例えば、体外回路内または体外酸素付加より下流側の静脈血内を流れるＯ_２の含有量などのＥＣＬＳデバイスで特定されるパラメータ、または、機械的な換気で得られるパラメータなどとすることができる）を評価することにより機械的な換気の強度に対するＥＣＬＳによる治療の強度を変化させるかどうかを判定する。所定のパラメータとして、ＥＣＬＳ治療の強度の相対比率を示す少なくとも１つのパラメータが機械的な換気を行うデバイスに転送される。次いで、機械的な換気を行うデバイスには、特定の状況に適応するか、または、少なくとも、特定の状態が得られるように適応しようとする。したがって、治療の過程に関しては、常にＥＣＬＳデバイスが機械的な換気を行うデバイスにより優勢である。ＥＣＬＳデバイスには、所定の補助レベルに予め設定される。機械的な換気を行うデバイスは、ＥＣＬＳデバイスの補助レベルを予め設定されたファクタとして考慮し、適応する。

治療のさらなる過程は、ＥＣＬＳデバイスによって設定された補助レベルが、どの度合いまで維持されるか、または、変更されるか（通常は低下する）を検知することによって決定される。ＥＣＬＳデバイスによる補助のレベルを低下させる場合には、機械的な換気の自動設定の新たな指定として機械的な換気を行うデバイスにＥＣＬＳデバイスによる補助の新たなレベルを識別するためのパラメータが転送される。これは、例えば、ＥＣＬＳデバイスが体外血液ガス交換のレベルの目標値を設定するように行うことができる。ＥＣＬＳデバイスは、ＥＣＬＳデバイスによって現在検出されている血液ガス値を考慮して、予め設定された目標値に接近しようとし、その後、到達したら目標値を維持することをターゲットとして動作する（閉ループ）制御機構を備える。機械的な換気は、その度にこの目標値への接近の過程において優勢であるＥＣＬＳデバイスの各状態に適応し、したがって、また間接的に予め設定された目標値に一致する換気状態に向かう過程をたどる。

可能な制御戦略は、ＥＣＬＳデバイスが最初に可能な限り高い補助レベル、特にＥＣＬＳデバイスが肺機能の必要な補助を完全に実施することができ、機械的な換気を行うデバイスによる補助が行われない補助レベル（すなわちＥＣＬＳデバイスの補助レベルが１００％）に設定されることにあることがある。その後、ＥＣＬＳデバイスの補助レベルをどの程度まで低減することができるか、および、それに応じて機械的な換気を行うデバイスによる補助レベルをどの程度まで上昇させることができるかを、（通常はＥＣＬＳ制御ユニットによって）定期的に検知する。

機械的な換気を行うデバイスは、ＥＣＬＳ回路内の血流、Ｏ_２およびその他のガスの酸素付加器に流れる総ガス流、酸素付加器のガスの組成などのパラメータによって特徴付けられるそれぞれのＥＣＬＳデバイスの所与の設定について、ガス交換の所与の目標値が達成されるように機械的な換気を行うデバイスのパラメータを設定しようとする。この意味では、本発明による提案は、ＥＣＬＳデバイスが機械的な換気を行うデバイスと比較して「優勢」であることを意味している。機械的な換気を行うデバイスは、ＥＣＬＳデバイスによって設定される状態を所与の状態とみなし、この所与の状態に合わせて、機械的な換気を行うデバイスの適当な状態を設定しようとする。これに関連して、機械的な換気を行うデバイスは、特定の換気モードに応じた予め一定に設定される換気パラメータについての特定の要件に束縛され、また実際には、最大ＰＥＥＰ、最大気道圧力、または、供給される換気ガスの最大毎分換気量など設定可能な換気パラメータについての特定の基本条件にも束縛される。毎分換気量は、呼吸頻度と１回の呼吸の１回換気量との積である。

ＥＣＬＳデバイスによる体外血液ガス交換のレベルは、自動的に、または、手動で、予め選択することができる。特に注目すべきは、さらに一例を提示して詳細に説明するように、ＥＣＬＳデバイスの設定戦略の範囲内においてＥＣＬＳデバイスによる体外血液ガス交換のレベルを自動的に予め設定することができることである。

例えば、機械的な換気を行うデバイスは、ＥＣＬＳデバイスによる体外血液ガス交換のレベルに関するそれぞれの設定について、機械的な換気を行うデバイスによる呼吸補助が自動的に（開ループ／閉ループ）制御されるように構成することができる。例えば、機械的な換気を行うデバイスは、所定の換気パラメータの範囲内において、自動的に機械的な換気を行うデバイスによって設定される換気状態を選択し、機械的な換気を行うデバイスが選択した換気状態になる、または、少なくとも選択した換気状態にさせるように機械的な換気を行うデバイスを制御するように構成することができる。これは、特に、閉ループ制御システムを使用した機械的な換気を行うデバイスの形態で設けることができる。例えば、「ＡＳＶ」（適応補助換気）として知られる換気モードを有する換気デバイスは、選択されるそれぞれの換気モードで十分なフレキシビリティを提供し、さらに、適当と判断される特定の換気モードを自動的に選択することができる。ＡＳＶは、閉ループ制御システムを用いた最適な換気モードの動的な計算と、換気モードの選択後には、選択された各換気モードの自由パラメータのうち、依然として自動設定が必要なものへの動的な計算とによる換気を実現するので、患者に与える影響を可能な限り小さくして、十分な呼吸補助を実現することができる。これを行う際には、可能な限り低い圧力で動作する肺保護のための処置戦略が好ましい。

機械的な換気を行うデバイスで設定される換気パラメータは、ＥＣＬＳデバイスによって設定される体外血液ガス交換のレベルから導出することができる。例えば、機械的な換気を行うデバイスにおける最大の呼気終末陽圧ＰＥＥＰｍａｘ、機械的な換気を行うデバイスにおける最大の気道圧力（ＰＥＥＰ＋Ｐｉｎｓｐ）、または機械的な換気を行うデバイスにおける最大の毎分換気量は、体外血液ガス交換のそれぞれの設定されたレベルによって決まることがある。

例えば、ＥＣＬＳデバイスによって設定される体外血液ガス交換のレベルに、酸素付加における、すなわち、血液中の酸素を富化するときの体外補助の度合いを割り当てることができる。酸素付加における体外補助の度合いは、特に、血液中の酸素の富化における体外酸素付加の総計、すなわち、体外酸素付加および機械的な換気を行うデバイスによって実現される血液中の酸素の富化の総計の比率に関する相対値とすることができる。この比率は、以下、％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２と記載する。酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２により、機械的な換気の最大の呼気終末陽圧ＰＥＥＰｍａｘを特定することができる。最大の呼気終末陽圧（ＰＥＥＰｍａｘ）は、その後、酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２が低下するにつれて増加する。このようにして、機械的な換気を行うデバイスの多数の換気モードにおいて換気強度の基本条件となる最大の呼気終末陽圧が、酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２が低下するほど、ますます高くなることが保証される。これにより、それに応じて、体外酸素付加による補助のレベルと比較して、血液中のＯ_２の富化における機械的な換気を行うデバイスによる補助のレベルが上昇することになる。酸素付加における体外補助の度合いが低下するにつれて、機械的な換気を行うデバイスの関連性はますます高くなる。したがって、機械的な換気を行うデバイスとＥＣＬＳデバイスとを組み合わせて十分に動作させる期間が長くなるほど、血液中のＯ_２を富化するための（生体）器官としての肺の機能の重要性は高くなる。これは、機械的な換気を行うデバイスの補助とＥＣＬＳデバイスの補助とを組み合わせて十分に行う期間が長くなるほど、機械的な換気を行うデバイスにおいて設定される呼気終末陽圧ＰＥＥＰがとる最大値が大きくなる可能性があるという事実と整合している。呼気終末陽圧が高くなると、呼息中の肺胞のつぶれを、より良好に抑制することができるため、機械的な換気を行うデバイスの効率が高くなるが、一方では、肺組織にかかる負荷が大きくなることも意味している。

体外血液ガス交換のレベルの変化は、体外血液ガス交換の比率と比較して機械的な換気を行うデバイスの比率が強制的に変更されることの直接の結果である。

酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２が、ＥＣＬＳデバイスによって患者から抜き取られる血流の最大値を特定するので、体外血液ガス交換のレベルの変更を直接得ることもできる。これに関連して、酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２が増大するにつれて、ＥＣＬＳデバイスによって患者から抜き取られる血流の最大値が増大するようにすることもできる。この方法を、前述した最大の呼気終末陽圧と酸素付加における体外補助の度合いとの間の関係性の代わりに使用することもできる。ただし、この方法は、付加的に利用すると特に効率的である。

これに加えて、または別の方法として、換気における、すなわち、血液からＣＯ_２を除去するときの体外補助の度合いを、体外血液ガス交換のレベルに割り当てることもできる。また、換気における体外補助の度合いは、特に、血液からＣＯ_２を除去する際の体外換気の総計、すなわち、体外換気および機械的な換気（人工呼吸）によって実現される血液からのＣＯ_２の除去の総計の比率に関する相対値とすることができる。この比率は、以下では％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２とも呼ぶ。

換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２は、酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２から独立していることもある。

換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２により、機械的な換気を行うデバイスにおける最大の毎分換気量を特定することができる（毎分換気量は、１回換気量と呼吸頻度の積として定義される）。特に、最大の毎分換気量は、換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が低下するにつれて増加することができる。これに加えて、または別の方法として、換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２により、機械的な換気を行うデバイスにおける最大の気道圧力を特定することもできる（気道圧力は、呼気終末陽圧ＰＥＥＰと吸息および呼息中に優勢な圧力の和として定義され、最大の気道圧力は、通常は吸息の終了時に得られる）。特に、最大の気道圧力は、換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が低下するにつれて増加することができる。これは、特に、最大の気道圧力が換気における体外補助の度合いから導出されるだけでなく酸素付加における体外補助の度合いからも導出される、特に、この２つの度合いのうちの高い方から導出されるときに好ましいことが分かっている。例えば、機械的な換気を行うデバイスにおける最大の気道圧力を導出するために、酸素付加における体外補助（％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２）および換気における体外補助（％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２）の最大値の度合いが減少するにつれて増大する最大の気道圧力との関係を利用することができる。

このようにして得られる効果は、場合によっては、酸素付加における体外補助の度合いをさらに考慮して、換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が低下するにつれて、最大の気道圧力、および／または、最大の毎分換気量（これらのパラメータも、機械的な換気を行うデバイスの多くの換気モードにおいて換気強度の基本条件となる）が増大し続けることである。したがって、機械的な換気を行うデバイスによってＣＯ_２を除去する際の補助のレベルは、それに応じて、体外換気による補助のレベルと比較して増大する。機械的な換気を行うデバイスの重要性は、換気における体外補助の度合いが低下するほど、高くなる。したがって、この場合も、換気における体外補助の度合いが低下するほど、血液からＣＯ_２を除去するための（生体）器官としての肺の機能の重要性は高くなる。これは、気道圧力、および／または、毎分換気量の最大限界値が大きな機械的な換気を行うデバイスほど、より大きな総負荷が再度肺組織に作用することにはなるが、より効率的な呼息を実現する傾向があるという事実と整合する。

この場合も、換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が、ＥＣＬＳデバイスが患者の血液循環系から抜き取られた血液に供給する酸素化ガス流の最大値が特定するときに、体外血液ガス交換のレベルの変更を直接実施することもできる。特に、ＥＣＬＳデバイスが患者の血液循環系から抜き取られた血液に供給する酸素化ガス流の最大値は、換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が増大するにつれて増大することができる。別の方法として、またはこれに加えて、酸素化ガスの組成を変化させることも可能である。この方法も、最大の気道圧力、および／または、一方では最大の毎分換気量と、他方では、換気における体外補助の度合いとの間の以下に示す相関の代わりに利用することができる。ただし、この方法は、付加的に利用すると特に効率的である。

相当の度合いまで、自動的に、望ましくは、完全に自動的に、高い信頼性で動作する換気システムにおいて、通常、体外血液ガス交換のレベルの設定値を有するＥＣＬＳデバイスは、所定の期間の満了時に、その体外血液ガス交換のレベルの設定値に関して、機械的な換気を行うデバイスおよびＥＣＬＳデバイスの協働によって血液ガス交換の所定の目標状態が達成されるかどうかを検知する。

血液ガス交換の所定の目標状態は、例えば、血液循環系内のＯ_２の含有量について特徴的なパラメータによって表現することができる。この目的のために、基本的には、血液中のＯ_２の含有量を表現することができる、全ての一般的な方法またはパラメータを使用することができる。特に、以下のパラメータのうちの１つを使用すると容易である。すなわち、ＳｐＯ_２（パルス・オキシメトリによって特定される静脈血中のＯ_２の飽和度値であり、この目的のためには、特に使いやすい指先プローブが利用できる）、ＳａＯ_２（化学的分析または光学的方法によって特定される血液中の酸素の飽和度値）、または、ＰａＯ_２（血液中のＯ_２の分圧）である。これらの値は、機械的な換気を行うデバイス内で（例えばパルス・オキシメトリによって）、またはＥＣＬＳデバイス内で（これは、いずれにしても血液流が患者の血管系から分岐するので、血液ガス分析で有用である）測定することができる。測定プローブの位置は、基本的には、血液ガス交換が行われる位置の下流側または上流側とすることができる。

これに加えて、または別の方法として、対応する方法で、血液循環系内のＣＯ_２の含有量を定義するパラメータによって、血液ガス交換の所定の目標状態を特徴付けることができる。この場合も、例えば、ＰａＣＯ_２（血液中のＣＯ_２の分圧）、ＰｅｔＣＯ_２（呼息の終了時に測定される呼気中のＣＯ_２の含有量）など、血液中のＣＯ_２の含有量または濃度を表現するのに適した全ての既知の方法またはパラメータを利用することができる。また、ＣＯ_２に関する血液ガス交換の測定は、機械的な換気を行うデバイス（例えばＰｅｔＣＯ_２）またはＥＣＬＳデバイス（例えばＰａＣＯ_２）の両方で行うことができる。Ｏ_２の含有量に関する上記の説明は、同様に当てはまる。

特に好都合な経過としては、ＥＣＬＳデバイスは、所定の目標状態に到達した後で、体外血液ガス交換のレベルを低下させる。これは、ＥＣＬＳデバイスが、機械的な換気を行うデバイスによって行われる血液ガス交換を優先し、体外血液ガス交換のレベルを、初期のレベルから継続的に連続して低下させる固有の傾向を有することを意味する。その結果、この換気システムは、体外血液ガス交換からの固有のウィーニング効果を含む。すなわち、体外血液ガス交換は、機械的な換気を行うデバイスが所与のレベルの体外血液ガス交換で所定の目標状態が得られる状態に適応することができる限り、低下し続ける傾向がある。既に説明したように、所定の目標状態は、特に、血液中の酸素の富化、および／または、血液からのＣＯ_２の除去に関する所望の状態である。

所望のウィーニング効果は、ＥＣＬＳデバイスが、目標状態に到達することができる、特に、血液循環系内のＯ_２濃度の設定値に到達することができると判定した後で、酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２を、第１の所定の量だけ低下させる点で、特に、簡潔に実現することができる。上記に説明したように、これは、血液ガス交換の補助、特に、血液中の酸素の富化における機械的な換気を行うデバイスの比率が酸素付加における体外補助の比率を犠牲にしてさらに上昇するという効果を有する。ＥＣＬＳデバイスおよび機械的な換気を行うデバイスの協働による血液ガス交換、特に、酸素付加における補助の全体的なレベルは、必ずしも変化する必要はない。むしろ、このレベルは、多くの場合、全体としての必要とされる補助レベルが変化していないことから一定のままである。ただし、施される補助における機械的な換気の全体の比率は、時間経過とともに増加するように変化する。これは、例えば、体外膜型人工肺による補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２が低下するにつれて最大の呼気終末陽圧が上昇するので、機械的な換気を行うデバイス全体が、例えば呼気終末陽圧ＰＥＥＰなどの次第に緩くなる境界条件の範囲内で起こる可能性があることによるものである。体外膜型人工肺による補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２が低下するにつれて患者から抜き取られる血液の最大流が次第に少なくなることも、１つの要因である。

したがって、別の方法として、または、これに加えて、ＥＣＬＳデバイスは、目標状態に到達することができる、特に、血液循環系内のＣＯ_２濃度の設定値に到達することができると判定した後で、換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２を第２の所定の量だけ低下させることが可能である。酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２に関連する上記の説明は、この場合にも同様に当てはまる。つまり、血液ガス交換の補助、特に、血液からの二酸化炭素の除去における機械的な換気を行うデバイスの比率は、換気における体外補助の比率を犠牲にしてさらに上昇する。血液ガス交換、特に、ＥＣＬＳデバイスおよび機械的な換気を行うデバイスの協働による換気における補助の全体的なレベルは、必ずしも変化する必要はない。むしろ、このレベルは、多くの場合、全体としての必要とされる補助レベルが変化していないことから、一定のままである。ただし、施される補助における機械的な換気全体の比率は、時間経過とともに増加するように変化する。体外換気による補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が低下するにつれて最大の気道圧力、および／または、最大の１回換気量が上昇するので、機械的な換気は、例えば最大の気道圧力、および／または、最大の１回換気量などの次第に緩くなる境界条件の範囲内で起こる可能性がある。体外換気による補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が低下するにつれて患者から抜き取られる血液に供給される酸化ガスの最大流が次第に少なくなることも、１つの要因である。

所定の目標値を超えないように、ＥＣＬＳデバイスが体外酸素付加のレベルを低下させるようにすることができる。特に、ＥＣＬＳデバイスが、血液循環系内のＯ_２濃度の所定の値を超えると、ＥＣＬＳデバイスによって患者の血液循環系から抜き取られる血流を低減させる、かつ／または、酸素付加における体外補助の度合いを低下させるようにすることができる。特に、ＥＣＬＳデバイスは、血液循環系内のＣＯ_２濃度の所定の値を超えたときに、ＥＣＬＳデバイスによって患者の血液循環系から抜き取られる血液に供給される酸素化ガス流を低減させる、かつ／または、換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２を低下させるようにすることができる。酸素付加における体外補助の度合いまたは換気における体外補助の度合いは、特に、それぞれの所定の目標値に実際に到達したが超えてはいない場合より大きく低下させることができる。

所定の目標値に到達していない場合、プロセスの停止、または、特定の反転を実現することができる。これは、ＥＣＬＳデバイスが体外酸素付加のレベルおよび体外換気のレベルをそれぞれ所定の量だけ上昇させることによって実現することができる。このシナリオでも、それぞれの目標値から明らかにずれている、かつ／または、それぞれの目標値に近づく傾向が全く確認されないときには、体外酸素付加のレベルおよび体外換気のレベルを、それぞれ明らかに、より大きな量だけ増加させることによって、危険な状況を考慮することができる。

機械的な換気を行うデバイスの比率が可能な限り高く、体外血液ガス交換の比率が必要なだけの高さである状態に、ほぼ自律的に適応する換気システムは、特に、ＥＣＬＳデバイスが、機械的な換気を行うデバイスおよびＥＣＬＳデバイスの協働によるそれぞれの体外血液ガス交換のレベルの設定値で、血液ガス交換の所定の目標値に到達することができるかどうかを、一定の時間間隔で検知する点で実現することができる。この検知は、上記で概説した方法で行うことができ、上記に示した結果を有することがある。

ＥＣＬＳデバイスによる検知の時間間隔は、「可能な限り短く、必要なだけ長く」という原則に従って選択しなければならない。これに関連して、機械的な換気を行うデバイスが非常に短い時間のなかで変化後の状況に適応することができることを利用することができる。これに対して、体外血液ガス交換は、明らかにより強い介入を必要とし、このことは、患者に対する強い影響があることを予想しなければならないことも意味している。したがって、体外血液ガス交換のパラメータを可能な限りゆっくりと、かつ、可能な限り連続的に一致させることが望ましい。これは、ＥＣＬＳデバイスによる検知の時間間隔を、機械的な換気を行うデバイスの時定数、すなわち、機械的な換気を行うデバイスが予め設定されたパラメータの変化に適応するために、平均して必要とする時間よりも明白に大きくなるように選択することによって、対応することができる。治療の過程の大部分を定義する部分システムであるＥＣＭＯと、それに適応する部分システムである機械的な換気を行うデバイスとの協調によって提案される組合せでは、この手法が本質的に、ＥＣＬＳデバイスによる検知の時間間隔をより長く、いずれの場合でも機械的な換気を行うデバイスの時定数よりはるかに長くなるように選択することを可能にすることから、この手法が好まれる。例えば、機械的な換気を行うデバイスは、各呼吸の度に新たな設定を提供する、すなわち、呼吸するごとに制御を実行するように構成することができる。

基本的に、この手順は、ＥＣＬＳデバイスが予め設定された体外における酸素付加／換気のレベルの開始値から始動し、次いで機械的な換気を行うデバイスと協働して、ほぼ自律的に、すなわち、手動による介入を必要とせずに、両部分システムがほぼ最適に動作する状態に至るようにすることができる。この状態も、例えば機械的な換気、および／または、体外血液ガス交換の適応を必要とする患者の状態の変化があるときに、治療の過程で変化する可能性がある。これは、開始値が体外における酸素付加／換気のレベルの最大レベルに対応するときに、特に好都合である。次いで、血液ガス交換がほぼ完全にＥＣＬＳデバイスによって行われ、機械的な換気を行うデバイスが用いられない状態から開始する。この状態から開始して、換気システムは、体外血液ガス交換および機械的な換気のレベルを段階的に設定し、体外血液ガス交換の比率をますます低下させ、機械的な換気の比率をそれに応じて段階的に上昇させる。

これは、換気システムが、開始値を、将来的な過程における体外の酸素付加／換気のレベルの低下および上昇の参照値として使用するときに好都合である。

これに加えて、本発明は、患者の肺の機械的な換気を行うデバイスおよび患者の血液の体外血液ガス交換を行うＥＣＬＳデバイスを協調して動作させる方法であって、一方の機械的な換気を行うデバイスによる機械的な呼吸補助および他方のＥＣＬＳデバイスによる体外血液ガス交換を、協調して自動的に実行し、患者の血液循環系におけるガス交換を補助する方法にも関する。この方法では、ＥＣＬＳデバイスが、体外血液ガス交換のレベルを設定し、機械的な換気を行うデバイスが、ＥＣＬＳデバイスによって設定された体外血液ガス交換のレベルに基づいてあるレベルの機械的な呼吸補助に自動的に適応する。この方法は、上述のように、好ましい展開でさらに展開させることができる。

以下、図面に示す実施形態に基づいて、本発明についてさらに詳細に説明する。

陽圧換気デバイスとして構成された機械的な換気を行うデバイスとＥＣＬＳデバイスとを備える本発明による換気システムを示す高度に簡略化した概略図である。 図１に示す高度に簡略化した概略図において、陽圧換気デバイスとして構成された機械的な換気を行うデバイスとＥＣＬＳデバイスとを備える本発明による別の換気システムを示す図である。 機械的な換気を行うデバイスとＥＣＬＳデバイスとの間の協調した動作の手順の一例を示すフローチャートである。 図３の酸素付加モジュールで行われる手順の詳細を示すフローチャートである。 図３の換気モジュールで行われる手順の詳細を示すフローチャートである。 酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２と最大の呼気終末陽圧ＰＥＥＰｍａｘとの間の相関を定性的に示す図である。 酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２とＥＣＬＳデバイスで設定可能な最大のポンプ流との間の相関を定性的に示す図である。 換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２と陽圧換気における最大の毎分換気量との間の相関を定性的に示す図である。 一方では酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２および換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２と、陽圧換気における最大の気道圧力（Ｐｉｎｓｐ＋ＰＥＥＰ）ｍａｘとの間の相関を定性的に示す図である。 換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２とＥＣＬＳデバイスで設定可能な酸素化ガスの最大流との間の相関を定性的に示す図である。 優勢な呼気終末陽圧ＰＥＥＰでパルス・オキシメトリによって測定される酸素飽和度値ＳｐＯ_２のそれぞれの値のうち、どの値が、高すぎる、低すぎる、通常である、または緊急事態であるとみなされ、図４の判定ブロックにおいてパラメータ％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２の対応する変化を生じるかを定性的に示す図である。 優勢な最大の気道圧力（Ｐｉｎｓｐ＋ＰＥＥＰ）で動脈血中で測定された二酸化炭素濃度ＰａＣＯ_２のそれぞれの値のうち、どの値が、高すぎる、低すぎる、または通常であるとみなされ、図５の判定ブロックにおいてパラメータ％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２の対応する変化を生じるかを定性的に示す図である。

図１は、本発明における陽圧換気デバイスとして構成された機械的な換気を行う換気デバイス２０と、ＥＣＬＳデバイス５０とを備える換気システム１０を簡略化したものを示す概略図である。換気デバイス２０は、図１において概略的に示されている人工呼吸器２２を備える。人工呼吸器２２は、詳細には示していない導管システム２４によって、患者（図１では参照符１２で概略的に示してある）の気道に接続される。人工呼吸器２２は、導管システム２４を介して、吸息を行っている途中には加圧空気を患者１２の気道に供給し、呼息を行っている途中では患者の気道から空気を排出する。換気中には、導管システム２４には、呼気終末陽圧ＰＥＥＰが常に印加されている。この圧力に加えて、呼息を行っている途中では、（通常は呼息サイクル中に変化する）吸息圧力Ｐｉｎｓｐも人工呼吸器によって印加される。呼息を行っている途中で、人工呼吸器は通常、呼気終末陽圧ＰＥＥＰのみを印加し、これに対して肺組織が弛緩する。

換気デバイス２０は、さらに、換気に必要なパラメータを検出するセンサ・システムを備える。例えば、図１に、以下に示された一部のパラメータが、導管システム２４で検出される。すなわち、吸息圧力Ｐｉｎｓｐ、呼息圧力Ｐｅｘｐ、呼気終末陽圧ＰＥＥＰ、１回呼吸量ＶＴ（すなわち吸息サイクル中に肺の中に取り込まれる呼吸ガス体積）、取り込まれる呼吸ガスの流量、（特に呼息中の）呼吸ガス中のＣＯ_２の陽圧である。換気デバイス２０は、さらに、図１に参照番号２６で示される患者の血液中の酸素飽和度を特定するセンサ部を備える。これは、動脈の酸素飽和度ＳｐＯ_２を皮下で特定するパルス・オキシメトリ・センサ部（例えば指先センサを備えるもの）などの形態で設けることができる。図１に示す実施形態において換気デバイス２０は、さらに、血液ガスを分析する、特に、図１に参照番号２８で概略的に示すように、血液中の酸素の動脈濃度ＰａＯ_２を特定し、血液中の二酸化炭素の動脈濃度ＰａＣＯ_２を一定の間隔で特定するセンサ部を備える。酸素濃度ＰａＯ_２および二酸化炭素濃度ＰａＣＯ_２の代わりに、対応するヘモグロビンの飽和度ＳａＯ_２およびＳａＣＯ_２を求めても良い。

換気デバイス２０は、換気デバイスの全ての手順をほぼ自動的に制御するように構成された、連動する制御ユニットを有する。この制御ユニットは、人工呼吸器２２に一体化することができるが、その一部、または、全体を外部の制御デバイスとして構成することもできる。換気デバイス２０の制御ユニットは、操作者と通信する、特に、患者の換気状態を表示し制御コマンドを入力するための通常のインタフェースを備える。制御ユニットは、基本的には、換気デバイス２０が、適当な換気モードをほぼ自律的に手作業による介入なく選択し、予め選択された換気モードの範囲内で換気パラメータをそれぞれ最適値に設定し、また、閉ループ制御システムとして、換気パラメータを自律的に監視し、場合によってはそれらを再調整して、可能であれば所望の換気状態を維持可能なように構成される。

この種類の換気デバイスは、例えば、本出願人の換気デバイスで実現される「適応補助換気」として知られる換気モードなど、ほぼ自動化された換気モードを含むデバイスである。

血液ガス交換をさらに補助するために、図１の換気システム１０は、その全体を参照番号５０で示されているＥＣＬＳ（体外式肺補助）デバイスを備える。患者の気道に接続され、気道を通して肺に呼吸ガスを送る換気デバイス２０とは対照的に、ＥＣＬＳデバイス５０は、血液ガスの交換を直接的に補助する、すなわち、肺の機能の一部または肺の機能の全体の代替するものとして機能する。したがって、ＥＣＬＳデバイス５０は、肺に接続されず、患者の血液循環系に直接接続される。ＥＣＬＳデバイス５０は、患者の静脈系から血液を抜き取り、ＥＣＬＳデバイス５０の体外血液循環系に送るための第１の導管５２を備える。この体外血液循環系は、静脈系から取り出された血液を酸素付加器５８に供給し、その後、その血液を、導管５４を介して患者の血液循環系に戻すＥＣＬＳポンプ５６によって駆動される。静脈−静脈体外血液ガス交換補助の場合には、導管５４は、酸素が富化されＣＯ_２が除去された血液を患者の静脈系に戻す。静脈−動脈体外血液ガス交換補助の形態も考えられ、この場合には、導管５４は、酸素が富化されＣＯ_２が除去された血液を、患者の動脈系の心臓より下流側に戻すことによって肺機能に加え患者の心臓機能をも補助する。その場合には、ＥＣＬＳデバイス５０は、人工心肺装置と非常によく似た機能となる。

酸素付加器５８は、静脈血のＣＯ_２を除去し、Ｏ_２を富化する。この目的のために、酸素化ガス６２を酸素付加器５８に供給し、この酸素化ガスが、酸素付加器５８において静脈血と相互作用することで、ヘモグロビンからＣＯ_２が除去され、ＣＯ_２から解放されたヘモグロビンにＯ_２が添加される。酸素付加器５８は、したがって、ほぼ、肺の肺胞の機能を代替するものとなる。このような酸素付加器５８は、例えば、人工心肺装置では既知である。膜型の酸素付加器として設けられる場合には、半透性膜が血液ガスＯ_２およびＣＯ_２の交換に使用され、ＥＣＬＳデバイス５０によって実現される血液ガス交換の補助は、ＥＣＭＯＳ（体外式膜型人工肺）として知られている。その他の既知の酸素付加器の構成も、基本的には使用可能である。酸素化ガス６２は、基本的には、コンディショニング・ユニット６０にその源を有するＯ_２、ときには純粋なＯ_２が富化された混合ガスである。所望の酸素付加および換気の度合いは、それぞれ酸素化ガス６２中のＯ_２およびＣＯ_２の分圧によって設定することができる。この目的のために、酸素化ガスを適当に調製することができ、望ましい場合には、これは、体外血液ガス流を取り出す静脈系、または動脈系の血液ガスの組成に従って調製することができる。

ＥＣＬＳデバイス５０による血液ガス交換補助のレベルを制御するための基本パラメータは、人体から取り出され体外回路を通して送られる血液の流れ、および、酸素付加器に供給される酸素化ガスの流れである。人体から取り出され体外回路を通して送られる血液の流れは、ポンプ５８によって発生するポンプ流によってかなり容易に検出することができ、また、設定することができる。また、酸素化ガスの流れも、適当な流れセンサまたは流れ制御装置によって容易に検出し、設定することができる。

さらに、上述のように、酸化ガスの組成に対する適当な影響を及ぼすことも可能である。例えば、ＣＯ_２を過剰に除去することによって生じる生理学的にマイナスの影響を抑制するために、特定の量のＣＯ_２を酸化ガスに加えることも実際に可能である。

ＥＣＬＳパラメータを制御するために、図１に参照番号３０で示される別個の制御デバイスであるＥＣＬＳ制御ユニットが設けられる。ＥＣＬＳ制御ユニット３０は、人体から取り出され体外回路を通して送られる血液の流れおよび酸素付加器に供給される酸素化ガスの流れ、ならびに、酸素化ガスの組成に関する上述したデータを検出する。これらのデータに応答して、ＥＣＬＳ制御ユニットは、通常は対応する閉ループ制御システム（例えばＰＩ制御システム）を介して、ＥＣＬＳポンプ５６、酸素付加器５８、および酸素化ガス発生器６０、ならびにそれらに関連付けられたアクチュエータに対して、それぞれの所望の流れおよび組成を設定するために、適当な制御コマンドを出力。図では、これをそれぞれの矢印で示してある。

換気デバイスに関連する制御ユニットおよびＥＣＬＳデバイスに関連する制御ユニットは、一般に、相互に独立して動作する。ただし、これらのデバイスは、一方の換気デバイス２０および他方のＥＣＬＳデバイス５０と協調して動作する動作モードを可能にするために図１に参照番号４０で示す接続を介してデータを交換する。これについては、以下でさらに詳細に説明する。

ただし、本明細書で既に指摘しているように、ＥＣＬＳデバイス５０に関連するＥＣＬＳ制御ユニット３０と換気デバイス２０に関連する制御ユニットとの物理的な分離は、絶対的に必要であるわけではない。両制御ユニットを１つのユニットまたはモジュールに物理的に組み合わせることも実際に考えられる。このようなユニットまたはモジュールは、換気デバイス２０およびＥＣＬＳデバイス５０の他に独立したユニットとして設けることができるが、例えば図１に示す人工呼吸器２２などこれらのデバイスのうちの一方に完全に統合することもできる。

図２は、図１に示した換気デバイス２０とＥＣＬＳデバイス５０とを備える本発明による別の換気システム１０を示す高度に簡略化した概略図である。図２で使用する参照番号は、同じ、または対応する構成要素が存在する限り、図１の参照番号と対応している。これに関して同様に当てはまるものは、図１に関連する構成要素の説明を参照されたい。図２の換気システムは、患者の血液循環系内のＯ_２およびＣＯ_２の濃度または飽和度（それぞれＰａＯ_２およびＰａＣＯ_２、または、ＳａＯ_２およびＳａＣＯ_２）を特定するセンサ・システムが換気デバイス２０と関連付けられなくなり、ＥＣＬＳデバイス５０と関連付けられている点のみ、図１の換気システムと異なる。参照番号６６で示すように、ＰａＯ_２／ＰａＣＯ_２（またはＳａＯ_２／ＳａＣＯ_２）の特定は、体外血液循環系で行われる。このことは、特に、このようなセンサ・システムが体外血液循環系に容易に収容することができることを考慮すると好都合であり、したがって、いずれにしても通常は、ＥＣＬＳデバイス５０の動作には情報が必要である。その後、ＥＣＬＳ血液循環系で検出されたデータは、インタフェース４０を介して、換気デバイス２０も利用できるようになる。

図３は、一例における換気デバイス２０とＥＣＬＳデバイス５０との間で協調して動作する際の基本的なプロセスを示すフローチャートである。図３のフローチャートは、後述の図４および図５のフローチャートと同様に、換気デバイス２０とＥＣＬＳデバイス５０の協調協働に関連するステップおよびパラメータの表現に限定されているが、これは、図示されている手順における全体的な過程を限定するものではない。

プロセスの開始後、最初に、換気デバイス２０とＥＣＬＳデバイス５０との協調動作に関連するいくつかのパラメータの開始値を設定する。これらは、とりわけ、酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２、および換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２のパラメータである。図示されている実施形態によれば、これらの量は両方とも、血液ガス交換の完全補助に対する、ＥＣＬＳデバイス５０によって実現される血液ガス交換（すなわちそれぞれ酸素付加および換気）における体外補助の比率をそれぞれ示す相対量として表される。これを行う際に酸素付加および換気は別個に考慮され、それぞれ別個の体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２および％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２で表される。開始値は、パラメータ％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２およびパラメータ％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２の両方に割り当てられる。この開始値は、手動で設定することができる。開始値を選択する際には、一般に、患者の状態をオリエンテーションとして使用し、必要とされる追加の体外血液ガス交換の度合いまたは比率に関する評価に従って、陽圧換気と協働し、患者の妥当な全体的な状態を達成することになる。この評価に関しては、「慎重に」進める、すなわち、酸素付加および換気の体外補助の度合いを決して過小評価せずに、疑いのある場合には、％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２および％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２の開始値を高すぎる程度に選択することが推奨される。図示されている例では、％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２および％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２のそれぞれについて開始値１００％が選択されている。これは、開始時の血液ガス交換の補助が、完全に体外血液ガス交換によって実現されていることによって陽圧換気は全く寄与していないことを意味する。

これに加えて、換気デバイス２０によって気道に供給される呼吸ガスＦｉＯ_２の酸素含有量の開始値も設定される。図３に示す実施形態では、ＦｉＯ_２の開始値＝１００％が設定されており、換気デバイスが、ＥＣＬＳデバイス５０に加えて血液ガス交換の補助に寄与するようになると、直ちに純粋な酸素を患者に対して供給することを意味している。ただし、このステップでＦｉＯ_２について設定される値は、換気デバイス２０が常に可能な限り最良の換気モードを選択し、選択した換気モードについて、可能な限り最良の換気状態が得られるように換気パラメータを設定するように構成されるため、非常に素早く変化することになる。これを行う際に、換気デバイス２０は、通常は、ＦｉＯ_２の値を、特に、明らかに１００％より小さい値に変化させる。

開始値を設定すると、この手順は、所定の期間が経過するまで待機する（ステップ１２０）。この所定の時間が、ＥＣＬＳデバイス５０のパラメータの設定更新を行うための繰返し率を決定する。この所定の時間は、換気デバイス２０の時定数、すなわち、換気デバイス２０が新たな状態に適応するために必要な平均の時間より明らかに長くなるように選択されるものとする。この例では、この時間は３０秒である。

所定の時間が経過した後で、このプロセスは、酸素付加に関連するパラメータを設定する手順（ステップ２００）に入り、その後、換気に関連するパラメータを設定する手順（ステップ３００）に入る。

その後、このシーケンスを反復的に繰り返す。すなわち、このプロセスは、再度所定の時間が経過するのを待機し（ステップ１２０）、その後、酸素付加が行われ（ステップ２００）、その後に換気が行われて（ステップ３００）、以下同様に繰り返される。

図４は、図３の酸素付加モジュール２００で行われる手順をさらに詳細に示すフローチャートである。ステップ２０２で開始された後で、このプロセスは、最初に、図示される例では３０秒である所定の時間を待機する（ステップ２０４）。この時間の経過後に、ステップ２０６で、血液循環系の酸素付加が十分であるかどうかを検知する。これは、前述のセンサのうちの１つまたは複数によって、例えば、パルス・オキシメトリによる酸素飽和度値ＳｐＯ_２の特定によって、または、血液ガス値の継続的な分析および血液中の酸素濃度ＰａＯ_２の特定によって、行うことができる。望ましい場合には、パルス・オキシメトリによって特定される酸素飽和度ＳｐＯ_２を、血液ガス分析によって散発的にではあるが確かめられているＰａＯ_２またはＳａＯ_２の値で補足することもできる。ステップ２０６の特定の結果における酸素濃度または酸素飽和度が所望の範囲内であるというものである場合には、ステップ２１０で、酸素付加における体外補助の度合いを表すパラメータ％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２を、図示されている例では０．０５％である所定の第１の量だけ減少させる。この瞬間から、ＥＣＬＳデバイス５０による体外血液ガス交換補助と陽圧換気による補助との間の血液ガス交換補助の相対比率が変化し始める。これは、図６および図７のグラフに見ることができる。図６に示す図は、酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２と最大の呼気終末陽圧ＰＥＥＰｍａｘとの間の相関を定性的に示す図であり、一方で第１の所定の量だけパラメータ％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２が減少すると、換気デバイス２０の最大の呼気終末陽圧ＰＥＥＰｍａｘが上昇することを示している。一方、図７の図は、酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２とＥＣＬＳデバイスで設定可能な最大のポンプ流との間の相関を定性的に示す図であり、パラメータ％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２が第１の所定の量だけ減少すると、最大のポンプ流が低下することを示している。ただし、最大のポンプ流は、体外ＥＣＬＳ回路内を流れることができる最大の血流に対応しているため酸素が富化されている。これは、ＥＣＬＳデバイス５０による体外補助の基本条件の方がより厳しく設定され、換気デバイス２０による補助の基本条件の方がより甘く設定されることを意味している。

ステップ２０８の後で、プロセスは、参照番号２１０で示す図４の点２に到達する。この点で、手順は、図１の換気モジュール３００に進む。図５は、換気モジュール３００で行われる手順をさらに詳細に示すフローチャートである。

最初に、このプロセスは、図示の例では３０秒である所定の期間の経過を待機する（ステップ３０２）。この時間の経過後に、ステップ３０４で、血液循環系の換気が十分であるかどうかを検知する。これは、前述のセンサのうちの１つまたは複数によって、例えば、血液ガス値の継続的な分析および血液中の二酸化炭素濃度ＰａＣＯ_２および対応する二酸化炭素飽和度ＳａＣＯ_２の特定によって行うことができる。図１および図２にはＰｅｔＣＯ_２として示してある呼気中のＣＯ_２含有量の測定値を使用することもできる。望ましくは、この測定値を、血液ガス分析によって散発的にではあるが確かめられているＰａＣＯ_２またはＳａＣＯ_２の値で補足することもできる。ステップ３０２の特定の結果において二酸化炭素濃度または二酸化炭素飽和度が所望の範囲内であるというものである場合には、ステップ３０４で、換気における体外補助の度合いを表すパラメータ％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２を、図示されている例では０．０５％である所定の第２の量だけ減少させる。この瞬間から、ＥＣＬＳデバイス５０による体外血液ガス交換補助と陽圧換気による補助との間の血液ガス交換補助の相対比率が変化し始める。これは、図８から図１０に示されているグラフで確認することができる。図８に示す図は、換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２と陽圧換気の最大の毎分換気量％ＭｉｎＶｏｌＭａｘとの間の相関を定性的に示す図であり、一方で第２の所定の量だけパラメータ％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が減少すると、換気デバイス２０の最大の毎分換気量％ＭｉｎＶｏｌＭａｘの設定が上昇することを示している。一方、図９の図は、酸素付加における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２および換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２と、陽圧換気における最大の気道圧力（Ｐｉｎｓｐ＋ＰＥＥＰ）ｍａｘとの間の相関を定性的に示す図であり、パラメータ％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２および％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が両方とも、％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２が第１の所定の量だけ、％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が第２の所定の量だけ減少したときに、陽圧換気において最大の気道圧力（Ｐｉｎｓｐ＋ＰＥＥＰ）ｍａｘが高くなることも示している。最大の毎分換気量の上昇および最大の許容気道圧力の上昇は、両方とも、換気システムによって行われる血液ガス交換の補助における陽圧換気の影響を全体として大きくすることができる。さらに、図１０は、パラメータ％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が第２の所定の量だけ減少すると、追加の効果があることも示している。図１０に示す図から、定性的に、ＥＣＬＳデバイスで設定可能な酸化ガスの最大流は、換気における体外補助の度合い％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が低下すると減少することが分かる。したがって、ＥＣＬＳデバイスによる体外補助の基本条件の方がより厳しく設定されるので、パラメータ％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２の減少は、ＥＣＬＳデバイスによって全体として得ることができる血液ガス交換の低下も伴う。これに対して、陽圧換気による補助の基本条件は、より甘く設定される。

全体としては、その結果、点３１０において、陽圧換気の影響が体外血液ガス交換の影響を犠牲にして全体として増大していることになる。この手順によって、血液中の酸素の富化および血液中のＣＯ_２の除去に関して設定される目標値は、最初に選択される設定で達成することができる。

参照番号３１０で示してある図５の点１に到達すると、このプロセスは、やはり参照番号３１０で示してある図４の点１に戻る。これは、新たな待機期間がその後に続き、その後に酸素付加に関する状態の再検出と、場合によってはパラメータ％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２の再設定とが続くことを意味する。

上述の手順は、その全体が、換気システム１０が、少なくとも陽圧換気および体外血液ガス交換を組み合わせた効果によって設定される酸素付加および換気に関連する目標値を達成することができる限り、選択された初期状態よりも陽圧換気が影響を増し、体外血液ガス交換がますます影響を失っていく方向に展開する傾向にあることを意味している。したがって、換気システム１０自体は、外部からの介入を必要とすることなく、陽圧換気が可能な限り大きな影響を有し、体外血液ガス交換が必要とされる度合いだけ補助するような状態に適応する。この展開は、ＥＣＬＳデバイス５０によって促進され、換気デバイス２０ではない。これにより、最終的に、ＥＣＬＳデバイスに対してほとんど、または全く影響を及ぼすことなく、ＥＣＬＳデバイス５０によって設定されるそれぞれの基本条件に換気デバイス２０が適応することが、徐々に、ただし連続的に展開していくことになる。

ステップ２０６で検出される血液中の酸素濃度が所望の目標値に対応せず、低すぎる、または高すぎる場合には、酸素付加における体外補助の度合いを示すパラメータ％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２が、第１の量より大きい第３の量だけ減少する（ステップ２１２）、または第４の量だけ増加する（ステップ２１４）。第３の量は第１の量より大きいので、陽圧換気の比率は、その後、血液中の酸素濃度の所望の目標値に単に到達するだけの場合よりさらに速く増加する。対照的に、％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が第４の量だけ増加すると、陽圧換気による補助がその後は増加しなくなり、逆に減少するという効果を有する。これは、このような状況では、患者の状態が陽圧換気の比率がそれ以上増加することを許容しないことによるものである。所望の酸素濃度から大きくずれている場合には、緊急事態であると結論付けられ、パラメータ％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２を、劇的に、この例では１０％増加させて（ステップ２１６）、結果的に十分な血液ガス交換を体外回路で保証することができるようにする。

換気モジュール３００についても、同様の機構が適用可能である。ステップ３０２で検出される血液中の二酸化炭素濃度が所望の目標値に対応せず、高すぎる、または低すぎる状況が生じた場合には、換気における体外補助の度合いを示すパラメータ％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が、第２の量より大きい第５の量だけ減少する（ステップ３０６）、または第６の量だけ増加する（ステップ３０８）ようになっている。第５の量は第２の量より大きいので、陽圧換気の比率は、その後、所望の、血液中の二酸化炭素濃度の目標値に単に到達するだけの場合よりさらに速く増加する。対照的に、％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２が第６の量だけ増加すると、陽圧換気による補助がその後は増加しなくなり、逆に減少するという効果を有する。これは、このような状況では、患者の状態が陽圧換気の比率がそれ以上増加することを許容しないことによるものである。

図１１は、優勢な呼気終末陽圧ＰＥＥＰに関してパルス・オキシメトリによって測定される酸素飽和度値ＳｐＯ２のそれぞれの値のうち、どの値が、高すぎる、低すぎる、通常である、または緊急事態であるとみなされ、図４の判定ブロックにおいてパラメータ％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２の対応する変化につながるかを定性的に示す図である。

図１２は、優勢な最大の気道圧力（Ｐｉｎｓｐ＋ＰＥＥＰ）に対する動脈血中で特定されたＣＯ_２濃度ＰａＣＯ_２のそれぞれの値のうち、どの値が、高すぎる、低すぎる、または通常であるとみなされ、図５の判定ブロックにおいてパラメータ％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２の対応する変化につながるかを定性的に示す図である。

図示された全ての図面において、特に、図６から図１２に示す相関では、定性的な過程しか図示されていないことに留意されたい。これは、定性的な説明をすることを意図したものではない。さらに、これらの関係の直線的な推移は、単に簡略化を表しているに過ぎない。実際の推移は、部分的に、または完全にこの直線的な推移からずれることもある。重要なことは、それぞれ概説したように、％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２および％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２の値が増大するにつれてそれぞれのパラメータが増加または減少する傾向にあることである。

Claims (27)

1. 機械的な換気、および、体外血液ガス交換によって血液ガス交換を補助する換気システム（１０）であって、
   患者（１２）の肺の機械的な換気を行う換気デバイス（２０）と、
   体外血液ガス交換を行うＥＣＬＳデバイス（５０）と、を備え、
   前記換気システム（１０）は、一方では前記換気デバイス（２０）による機械的呼吸の補助、および、他方では前記ＥＣＬＳデバイス（５０）による体外血液ガス交換を、前記患者の血液循環系におけるガス交換を補助するために、協調して自動的に実行するように構成され、
   前記ＥＣＬＳデバイス（５０）は、前記体外血液ガス交換のレベルが設定され、
   前記換気デバイス（２０）は、前記ＥＣＬＳデバイス（５０）によって設定された前記体外血液ガス交換のレベルに基づいて所定の機械的呼吸の補助のレベルに自動的に調節され、
   前記ＥＣＬＳデバイス（５０）によって設定される前記体外血液ガス交換のレベルは、血液中の酸素の富化、すなわち、血液における酸素付加における体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿Ｏ _２ ）に関連し、
   酸素付加における体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿Ｏ _２ ）は、機械的な換気における最大の呼気終末陽圧（ＰＥＥＰｍａｘ）を特定する
   ことを特徴とする換気システム（１０）。
2. 前記体外血液ガス交換のレベルは、前記ＥＣＬＳデバイス（５０）によって、自動的に、または、手動で、予め選択される
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム（１０）。
3. 前記ＥＣＬＳデバイス（５０）は、前記体外血液ガス交換のレベルの目標値が設定される
   ことを特徴とする請求項２に記載のシステム（１０）。
4. 前記換気デバイス（２０）は、前記ＥＣＬＳデバイス（５０）によるそれぞれの前記体外血液ガス交換のレベルの設定のために陽圧換気による呼吸補助を自動的に制御する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
5. 前記換気デバイス（２０）は、設定された換気パラメータの範囲内で、自動的に、前記換気デバイス（２０）によって設定される換気状態を選択し、前記換気デバイス（２０）が選択された前記換気状態となるように前記換気デバイス（２０）を制御するように構成される
   ことを特徴とする請求項４に記載のシステム（１０）。
6. 設定された前記換気パラメータは、前記ＥＣＬＳデバイス（５０）によって設定される前記体外血液ガス交換のレベルに基づいて導出される
   ことを特徴とする請求項５に記載のシステム（１０）。
7. 前記最大の呼気終末陽圧（ＰＥＥＰｍａｘ）は、酸素付加における体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２）が低下するにつれて増大する
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
8. 酸素付加における前記体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２）は、前記ＥＣＬＳデバイスによって前記患者から抜き取られる血流の最大値（ｍａｘ．ｐｕｍｐ ｆｌｏｗ）を特定する
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
9. 前記ＥＣＬＳデバイスによって前記患者から抜き取られる前記血流の最大値（ｍａｘ．ｐｕｍｐ ｆｌｏｗ）は、酸素付加における体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２）が増大するにつれて増大する
   ことを特徴とする請求項８に記載のシステム（１０）。
10. 前記ＥＣＬＳデバイス（５０）によって設定される前記体外血液ガス交換のレベルは、換気、すなわち、血液からのＣＯ_２の除去における体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２）に関連する
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
11. 換気における前記体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２）は、機械的な換気における最大毎分換気量（％ＭｉｎＶｏｌｍａｘ）を特定する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のシステム（１０）。
12. 前記最大毎分換気量（％ＭｉｎＶｏｌｍａｘ）は、換気における体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２）が低下するにつれて増大する
    ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム（１０）。
13. 換気における前記体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２）は、機械的な換気における最大気道圧力（（Ｐｉｎｓｐ＋ＰＥＥＰ）ｍａｘ）を特定する
    ことを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
14. 前記最大気道圧力（（Ｐｉｎｓｐ＋ＰＥＥＰ）ｍａｘ）は、酸素付加における体外補助（％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２）および換気における体外補助（％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２）の最大値の度合いが減少するにつれて増大する
    ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム（１０）。
15. 換気における前記体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２）は、前記ＥＣＬＳデバイスが前記患者の血液循環系から抜き取られた血液に供給する酸素化ガス流の最大値を特定する
    ことを特徴とする請求項１０から請求項１４のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
16. 前記ＥＣＬＳデバイスが前記患者の血液循環系から抜き取られた血液に供給する前記酸素化ガス流の最大値は、換気における体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２）が増大するにつれて増大する
    ことを特徴とする請求項１５に記載のシステム（１０）。
17. 前記ＥＣＬＳデバイス（５０）は、前記体外血液ガス交換のそれぞれのレベルで、所定の期間の満了後に、前記体外血液ガス交換の前記レベルで前記血液ガス交換の所定の目標状態が、前記換気デバイス（２０）、および、前記ＥＣＬＳデバイス（５０）の協働によって到達されるかどうかを検知する
    ことを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
18. 前記血液ガス交換の所定の前記目標状態は、前記血液循環系内のＯ_２濃度を定義するパラメータによって特徴付けられる
    ことを特徴とする請求項１７に記載のシステム（１０）。
19. 前記血液ガス交換の所定の前記目標状態は、前記血液循環系内のＣＯ_２濃度を定義するパラメータによって特徴付けられる
    ことを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載のシステム（１０）。
20. 前記ＥＣＬＳデバイス（５０）は、所定の前記目標状態に到達した後で、前記体外血液ガス交換のレベルを低下させる
    ことを特徴とする請求項１７から請求項１９のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
21. 前記ＥＣＬＳデバイス（５０）は、前記血液循環系内のＯ_２濃度の設定値に到達した後で、酸素付加における前記体外血液ガス交換のレベル（％ＥＣＬＳ＿Ｏ_２）を第１の所定の量だけ低下させる
    ことを特徴とする請求項１７から請求項２０のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
22. 前記ＥＣＬＳデバイス（５０）は、前記血液内のＣＯ_２濃度の設定値に到達した後で、換気における前記体外補助の度合い（％ＥＣＬＳ＿ＣＯ_２）を第２の所定の量だけ低下させる
    ことを特徴とする請求項１７から請求項２１のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
23. 前記ＥＣＬＳデバイス（５０）は、一定の時間間隔で、前記体外血液ガス交換のそれぞれのレベルで、前記血液ガス交換の所定の目標値が前記換気デバイス（２０）および前記ＥＣＬＳデバイス（５０）の協働によって到達されるかどうかを検知する
    ことを特徴とする請求項１７から請求項２２のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
24. 前記ＥＣＬＳデバイス（５０）による前記検知の時間間隔は、前記換気デバイス（２０）の時の定数、すなわち、前記換気デバイス（２０）が設定されたパラメータの変化に適応するために必要な平均時間、より大きい
    ことを特徴とする請求項２３に記載のシステム（１０）。
25. 前記ＥＣＬＳデバイス（５０）は、前記体外血液ガス交換のレベルの予め設定された開始値から始動する
    ことを特徴とする請求項１から請求項２４のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
26. 前記開始値は、前記体外血液ガス交換のレベルの最大レベルに対応する
    ことを特徴とする請求項２５に記載のシステム（１０）。
27. 前記開始値を、前記体外血液ガス交換の前記レベルのそれぞれ低下または増大の参照値として利用する
    ことを特徴とする請求項２５または請求項２６に記載のシステム（１０）。