JPH0624529B2 - 呼気をサンプリングし分析する装置および使い捨て可能なガスサンプリング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、意識のある被検者もしくは意識の無い被検者
の吸気および呼気の量及び成分を測定し、次のこのデー
ター情報から被検者の肺機能および心臓血液搏出量を計
算する装置に関するものである。

従来技術および発明が解決しようとする課題 被検者の心臓−呼吸器の機能を測定することが望まれ、
必要とされることが多い。心臓−血管及び呼吸器系統の
機能は、酸素の豊富な血液を人体組織へ供給し、人体組
織から生じるCO_２を取り除いて、これを肺に於ける換気
によって排泄することである。搏出される（即ち送り出
される）血液量及び血液に含まれるＯ_２およびCO_２の量
並びに肺活量は、循環機能並びに呼吸機能の適切さを示
す重要な指標である。

運動中、病気にかかっている間、或いは外科手術の間、
生理学的なパラメーターは相応に変化し、低下する。心
肺機能の低下を診断し処置するためには、これらのパラ
メーターを測定し評価することが必要となる。このこと
は外科手術に際して、麻酔状態のときに特に重要であ
る。このような場合、麻酔担当者は心臓−呼吸器の恒常
性を維持しなければならない。心臓−呼吸器の恒常性は
麻酔剤によって損なわれ、或いは外科手術の間の混化(c
omplication)によって低下され得る。また、危険状態に
ある外科手術以外の患者が緊急治療室で管理されている
間、これらのパラメーターを評価することも必要であ
る。更にまた、運動テストに於いて重要な事項となる心
臓血液搏出量及びその他の心臓−呼吸器の機能を日常的
に評価することはできない。何故なら、現在のところ、
許容できる非差し込み式の有効な方法が全くないからで
ある。

差し込み式の装置は有用であるが、この装置を日常的に
使用することはできない。何故なら、挿入手順（カテー
テル等を利用して行われる）に時間を要し、また、危険
を伴うからである。超音波ドップラー装置のような非差
し込み式装置が開発されたが、日常的に使用することは
できず、また心臓−呼吸器の機能を連続して正確に測定
することは不可能である。

本発明の目的は、被検者の吸気、呼気の量およびその成
分を連続的に測定し、次にこのデーターから肺の機能お
よび心臓血液搏出量を計算する新規な非差し込み式装置
を提供することである。

さらに詳しく言えば、本発明の目的は心臓−呼吸器の機
能を決定するための非差し込み式装置を提供することで
ある。この装置は、特別に設計された気管内チューブを
有する。この気管内チューブには小型の質量分析計が取
り付けられる。質量分析計は、Ｏ_２、CO_２、呼吸空気の
全量及びその温度を連続的に測定し、同様に、組織PO_２
及びPCO₂、及び、気管組織の部分(compartment)から交
換されたその他のガスを連続的に測定するように働く。
このような測定値は、組織潅流（動脈によって組織に血
液を送ること）の適正度の決定は勿論のこと、心臓血液
搏出量の速やかな計算を可能にする。

したがって本発明の目的は、新規な気管内チューブを提
供することである。気管内チューブと質量分析計は互い
に協働して被検者の心臓−呼吸器の機能を速やかに測定
する。

課題を解決するための手段 本発明を実施するに当たって、特に設計された気管内チ
ューブが準備される。この気管内チューブはその全長に
沿って延在する幾つかの補助通路を有する。この気管内
チューブにおける換気作用は変更されず、サンプルガス
は補助通路を通して質量分析計へ循環されて定量分析さ
れる。本発明の好ましい実施例では、気管内チューブを
使い捨て部品にすることが好ましく、また気管内チュー
ブは、質量分析計のモーターポンプモジュールに対して
容易に着脱できるようになされる。

実施例 図面（ここでは特に第１図〜第４図）を参照すると、全
体を符号１０で示された、一実施例としての新規な気管
内チューブと質量分析計の装置が示されている。装置１
０は、使い捨てとされるのが好ましい可撓性気管内チュ
ーブ１１を含んで構成されている。この気管内チューブ
は適当な不活性の可撓性なプラスチップ材料で形成さ
れ、モーターポンプおよび質量分析計モジュール１２に
対して着脱可能に取り付けられる。気管内チューブ１１
は、内側チューブ１３と外側チューブ１４から成る。こ
の二重壁構造の気管内チューブ１１は、従来のどのよう
な製造技術（例：単品押出加工）によっても成形するこ
とができ、または、２つのチューブを組合せて気管内チ
ューブ１１を構成することもできる。内側チューブ１３
は、その全長に沿って延在する中央通路１５を形成して
いる。中央通路１５は、従来の気管内チューブと同じよ
うに肺の換気用として働く。

内側チューブ１３と外側チューブ１４は、細長い複数の
相互連結壁エレメント１６によって互いに連結されてい
る。これらの相互連結壁エレメント１６は、内側チュー
ブおよび外側チューブと協働してチューブ間空間を円周
方向に配置された複数の通路に分割している。内側チュ
ーブと外側チューブは、符号１７で示すようにそれぞれ
の下側端部にて互いに結合されている。これに対して内
側チューブと外側チューブの上側端部は、第１５図に最
も良く見られるように、外方へ曲げられた剛性環状部材
１８を備え、その剛性環状部材に対して結合されてい
る。相互連結壁エレメント１６は、チューブ間空間を、
円周方向に配列された通路１９〜２６にそれぞれ分割し
ている。これらの通路は気管内チューブの全長に沿って
延在する。

内側チューブ１３の内部に気管内チューブの下側端部１
７に接近して、毛細管狭窄部材２７が配置されている。
毛細管狭窄部材２７は複数の毛細管即ち通路２８を貫通
形成されている。第２図、第４図を参照すると、これら
の毛細管即ち通路２８は毛細管狭窄部材２７に沿ってそ
の内部に延在し、通路１５を通って流れるガスがこれら
の通路２８を通過しなければならないようになっている
ことが判る。この毛細管狭窄部材２７の反対両側即ち反
対両端に圧力差の存在することが適当である。

再び第２図を参照すると、気管内チューブ１１の下端部
分でその内側チューブ１３に開口２９が形成されてい
る。この開口２９は通路１９と連通する。第２の開口３
０が、開口２９に接近して配置され、該開口３０は通路
２０と連通している。被検者の吸気および呼気は開口３
０を通して、サンプル通路を形成する通路２０内に流入
し、上方へ向かって流れる。逆に、このようなサンプル
ガスの一部が通路１９を通して戻され、開口２９を通し
て気管下部領域内に排出される。それ故、通路１９は戻
り通路を形成しており、ガスは下方（即ち戻り方向）へ
流れる。

内側チューブ１３が、毛細管狭窄部材２７の上方に位置
し、通路２１と連通する開口３１を有することも留意さ
れる。毛細管狭窄部材２７の下方に位置して内側チュー
ブ１３に形成された開口３２は通路２３と連通する。通
路２１、２３は、差動圧力トラスデューサーに接続さ
れ、毛細管狭窄部材２７の下方および上方に位置するガ
ス圧力を検出して分析し、肺容積即ち肺活量を測定する
ようになっている。

内側チューブ１４は、気管内チューブの下端部分の近く
に固定されている一対の可撓性スリーブ状部材３３を有
する。これらの可撓性スリーブ状部材３３は長手方向で
間隔を置いて配置され、それぞれが外側チューブの外面
に密封状態で固定された上端環状縁部３４と下端環状縁
部３５を有する。各スリーブ状部材３３と外側チューブ
との間の空間はチャンバー３６として画成される。この
ように、スリーブ状部材３３の各々は外側チューブ１４
と協働して一対の膨脹可能なバルーン（風船状体）を形
成し、これらのバルーンは操作者によって選択的に膨
脹、収縮され得る。

この点に関して、外側チューブ１４は一対の長手方向に
間隔を隔てた開口３７を有する。これらの開口３７はそ
れぞれ一つのチャンバー３６と連通している。各開口は
通路２２にも連通しており、これを通してそれぞれのバ
ルーン３３を膨脹、または収縮させる空気が流れるよう
になっている。これらバルーンは２つの機能を有する。
その１つは被検者の気管壁面に係合されて保持手段とし
て機能することである。これらの膨脹可能なバルーン３
３は被検者の気管壁面とも協働して気管壁サンプリング
セルを形成し、気管組織のＯ_２およびCO_２を測定するよ
うになす。これらのＯ_２、CO_２は動脈のPO_２を密接に反
映し、また概ね動脈のPCO₂を与える。何故なら、気管の
代謝速度は非常に遅いからである。

第２図を再び参照すると、スリーブ状部材即ちバルーン
３３は気管壁面３８と係合するように膨脹した状態で示
されていることが留意される。これらのバルーン３３は
気管壁面３８と協働して気管サンプリングセル３９を形
成しており、このセルは膨脹した２つのバルーン３３、
外側チューブ１４および気管壁面３８の間に位置する空
間として画成されている。

外側チューブ１４は開口４０を有し、該開口４０は通路
２４と連通する。外側チューブ１４は開口４１をも有
し、該開口４１は通路２５と連通する。バルーン３３が
膨張した状態のとき、開口４０は通路２４を気管サンプ
リングセル３９と相互に連通させ、開口４１は通路２５
をこの気管サンプリングセルと相互に連通させる。気管
セルからのサンプルガスは、サンプリング通路２４を上
方へ流れて質量分析計により分析され、また一方で、気
管サンプルガスが戻り通路２５を通じて気管サンプリン
グセルへ戻される。

気管内チューブの上端部分は、モーターポンプおよび質
量分析計モジュール１２に対し、マニホールドユニット
４２を介して着脱可能に連結される。このマニホールド
ユニット４２は、ポンプおよび質量分析計モジュールの
構成要素を構成している。マニホールドユニット４２は
マニホールド胴４３を含み、該マニホールド胴４３は縮
径部分４３ａを有する。縮径部分４３ａは気管内チュー
ブ１１の内側チューブ１３内に差し込まれる。マニホー
ルド胴は、外側ねじ部分４４を有し、この外側ねじ部分
４４に、内方へ曲げられた環状リップ４５ａを形成され
るとともに内側ねじ部分を有するナット４５が螺合して
いる。内方へ曲げられた環状リップ４５ａは、気管内チ
ューブの上側端部に固定された剛性環状部材１８と係合
し、気管内チューブをマニホールドユニットに対して着
脱可能に固定できるようになっている。この剛性環状部
材１８は開口を形成されており、これらの開口は気管内
チューブのそれぞれの通路と整合して配置されている。

マニホールド胴４３は内部を貫通するＬ形通路４６を有
し、該通路４６は縮径部分４３ａを通って延在し、内側
チューブ１３の大きな換気通路１５に連通する。マニホ
ールド胴は可撓成ホース４８が接続された付属具４７を
備えており、このホースは第１７図に最も良く見られる
ように、通常の方法で被検者の肺を換気するように酸素
及び麻酔剤の供給源と接続される。それ故に、被検者が
麻酔をかけられたときに、酸素及び麻酔剤の混合ガスが
通路４６を通して気管内チューブの換気通路１５内へ流
されて、その被検者の呼吸器系統を循環するようになさ
れたことが判るであろう。

第７図〜第９図、第１４図、第１５図を参照すると、マ
ニホールド胴４３が通路４９を備えていて、この通路が
気管内チューブ１１のサンプル通路２０と連通してい
る。このマニホールド胴は通路５０、通路５１および通
路５２をも備えている。通路５０は気管内チューブの戻
り通路１９と連通しており、通路５１は気管内チューブ
の気管サンプル通路２４と連通している。マニホールド
胴の通路５２は気管内チューブの通路２５と連通してお
り、気管組織サンプルガスを気管サンプリングセル３９
へ戻す。

マニホールド胴４３は第７図に最も良く見られるように
通路５３、５９、５６をも備えている。通路５３は気管
内チューブの通路２１と連通し、また通路５６は通路２
３と連通している。通路５９は気管内チューブの通路２
２と連通しており、この通路を通じてバルーン３３を膨
脹、収縮させるための加圧空気が流される。

毛細管狭窄部材２７の下側および上側のそれぞれの領域
から、ガス圧が通路５３、５６を通じて差動圧力トラン
スデューサーに伝達され、このトランスデューサーにお
いて肺活量即ち肺容積が測定される。この点に関して、
通路５３はホース５５が取着された付属具５４を備えて
いて、このホースが差動圧力トランスデューサーに接続
される。同様に、通路５６はホース５８が取着された付
属具５７を備えていて、このホースがその圧力トランス
デューサーと連通するように接続されている。最後に、
通路５９はホース６１が取着された付属具６０を備えて
いて、このホースが適当な小型ポンプ或いは同様な圧力
発生装置に対して接続されている。このポンプの差動に
よって、バルーン３３が膨脹、収縮せしめられる。

マニホールドユニット４３は、その内部に円筒形の凹部
６２が形成されている。この円筒形凹部６２は回転バル
ブ６３を収納している。第８図、第９図、第１４図、第
１５図に最も良く示されるように、回転バルブ６３は概
ね円形形のバルブ胴６４を含み、このバルブ胴は一対の
間隔を隔てたバルブポート６５、６６を有する。バルブ
胴６４は一端に小さなハンドル６７を有し、マニホール
ド胴内でのバルブ胴の回転を容易にしている。このバル
ブ胴は、第８図に最も良く示されるように、軸線方向に
間隔を隔てて、周知形状のシール６８を備えている。光
電式位置センサーユニット６９がバルブ胴６４に固定さ
れている。また、センサーユニット６９は適当な導電体
を備え、ガス検出装置１０が作動している間のバルブ胴
の位置を検出するようになっている。この点に関して、
バルブ胴は９０゜の円弧に沿って回転可能であり、通路
４９、５０を選択的に質量分析計に連通させ、または通
路５１、５２を質量分析計と連通させることができる。
このような構造は、肺ガスをサンプリングして測定する
ことを可能にし、またはこれに代えて気管の組織をサン
プリングして測定することを可能にする。光電式センサ
ーユニット６９は、サンプリング手順がモニターされて
いることを示す可視信号を発生する。

第１０図、第１１図、第１３図、第１６図を参照する
と、マニホールドユニットは空気により駆動されるギヤ
モーター７１に接続されており、ギヤモーター７１は概
ね円形形のモーターポンプ胴７２で構成されている。ロ
ッキングピン、その他の適当な手段がマニホールドユニ
ット６２に着脱可能にギヤモーターポンプユニット７１
を固定するために使用できる。モーターポンプ胴７２は
内部が中空であり、分割プレート７３を備えている。こ
の分割プレート７３はポンプ胴の内部をモーターチャン
バー７４とポンプチャンバー７５とに分割している。分
割プレート７３は、ポンプ胴７２内部の環状ショルダー
７２ａと係合し、もってその適当な位置決めが行われて
いる。分割プレート７３は、その一方の面から伸長す
る、間隔を置いた軸ピン７６、７７を有する。軸ピン７
６、７７はモーターチャンバー７４へ突出し、各ピンが
モーターチャンバーにおける一対の副チャンバーの中心
を定めている。分割プレート７３は、他方の面から伸長
してポンプチャンバー７５内に突出する、間隔を置いた
軸ピン７８、７９をも有する。軸ピン７８、７９もそれ
ぞれモーターチャンバーに於ける一対の副チャンバーの
中心を定めているということが留意される。軸ピン７６
は軸ピン７８と同軸に配置され、軸ピン７７は軸ピン７
９と同軸に配置されていうことも留意される。

再び第９図、第１０図、第１１図、第１４図を参照する
と、モーターポンプ胴７２は、横方向に間隔を隔てられ
た軸線方向に延在する一対の通路８０、８１を備えてい
る。このモーターポンプ胴７２は、軸線方向に延在する
通路８２、および半径方向に延在する通路８３をも有す
る。これらの通路８０、８１はポンプチャンバー７５と
連通しており、これに対して通路８２、８３はモーター
チャンバー７４と連通している。通路８０はサンプル通
路を形成しており、この通路を通じて肺または気管サン
プリングセルからの何れかのサンプルガスが導かれる。
一方、通路８１は戻り通路を形成しており、この通路を
通じて肺ガスサンプルまたは気管組織ガスサンプルが戻
る。通路８２は、モーターポンプユニットを駆動するた
めの動力を与える空気入口通路を形成する。空気通路８
３は、モーターポンプユニットを駆動した加圧空気が排
出される出口通路を形成する。この点に関して、ポンプ
胴は、ホース８５が接続された付属具８４を有し、これ
を通じて空気出口通路８３からの空気を排出する。

再び第１０図を参照すると、上側駆動ギヤ８６が中央開
口８７を有し、軸ピン７６の上に軸支されて相対回転で
きるようになされている。駆動ギヤ８６は複数のギヤ突
子８８を有する。これらのギヤ突子は対称的に配置され
るとともに、下側被駆動ギヤ８９と噛み合うように配置
されている。下側被駆動ギヤ８９は中央開口９０を有
し、軸ピン７７の上に軸支されている。下側被駆動ギヤ
８９はギヤ突子９１を有し、各ギヤ突子は磁性エレメン
ト９２が埋め込まれている。これらの駆動ギヤ８８、被
駆動ギヤ８９は、モーターチャンバー７４内に配置され
て各ギヤ突子の外径面がそのモーターチャンバーの内面
に密接に接近されるような形状となされている。再び述
べるが、駆動ギヤ８８、被駆動ギヤ８９の回転軸線は、
それぞれモーターチャンバー７４における副チャンバー
の中心を定めているということに留意すべきである。

第１１図を参照すると、ポンプチャンバー７５は下側被
駆動ギヤ９３を備えており、その被駆動ギヤは中央開口
９４を有するとともに軸ピン７９の上に軸支されてい
る。この下側被駆動ギヤ９３は、対称的に配列された複
数のギヤ突子９５を有し、これらのギヤ突子にはそれぞ
れ１つの軟鉄製芯要素９６が埋設されている。

ポンプチャンバー７５内部の下側被駆動ギヤ９３は、上
側被駆動ギヤ９７と噛み合わされて配置される。この上
側被駆動ギヤ９７は中央開口９８を有し、軸ピン７８の
上に軸支される。また、被駆動ギヤ９７はギヤ突子９９
を有する。被駆動ギヤ９３、被駆動ギヤ９７におけるギ
ヤ突子を外径面が、ポンプチャンバー７５の内面に密接
に接近されて配置されていることに留意すべきである。
また、空気駆動のモーターポンプの被駆動ギヤ８６が、
通路８２を通して導かれた加圧空気の流れによって駆動
されると、ギヤ８６がギヤ８９を駆し、この回転運動が
相互に作用する磁性エレメント９２および軟鉄製芯要素
９６によって伝達されて下側ギヤ９３を駆動し、最終的
にギヤ９７を駆動する。モーターユニットを駆動する空
気流は、モーターユニットおよびポンプユニットが作動
している間、空気通路８３を通じて定常的に排出され
る。

モーターポンプ胴２２は蓋プレート１１０を有し、蓋プ
レート１１０は、中央の出口開口１１１を有する。肺ま
たは気管組織サンプリングセルの何れかからのガスサン
プルは、この出口開口１１１を通じてポンプチャンバー
から質量分析計装置１００内へ排出される。

第１３図を参照すると、モーターポンプユニット７１が
小型質量分析計装置１００に対して着脱可能に連結され
ている。質量分析計装置１００はステンレス鋼等によっ
て形成された概ね円筒形のハウジング即ち胴１０１を含
む。図面には示されていないが、質量分析形ハウジング
１０１は連結ピン等の何れかの適当な解除可能な連結手
段によってモータポンプ胴７２に連結され、これによっ
てこれら両ユニットの速やかな連結および連結解除を可
能にしている。

室流分析計ハウジング１０１、二重壁構造になされてお
り、外側シリンダー壁１０２および内側シリンダー壁１
０３を含む。内側シリンダー壁は外側シリンダー壁か間
隔を置いて配置され、両壁間に概ね円筒形の冷却チャン
バー１０４を形成する。ハウジング１０１は前端壁１０
５をも含む。この前端壁１０５は、円筒形の内側壁およ
び外側壁と一体に形成されている。概ね円形のセミック
ヘッダー１０６がハウジング１０１の後端壁を形成して
おり、円筒形の二重壁と密封状態で係合されている。

前端壁１０５は、軸線方向の開口１０７を有し、この開
口は蓋プレート１０８によって閉成されている。蓋プレ
ート１０８は、レーザー加工された入口ポート１０９を
有する。図示された好ましい実施例では、３つの入口ポ
ートが形成されており、これらのポートを通じて測定さ
れるべきサンプルガスが流れる。入口ポート１０９は互
いに密に集合して配列されており、各々の直径は約２．
５μｍである。質量分析計に対して３つのポートを使用
ることにより、異物による目詰まりに関して、余裕が与
えられている。分析計の真空装置がコンダクタンスを制
限された状態(regime)にて作動されることから、１また
はそれ以上の数のポートの目詰まりしても、作動圧力に
おける変化によって直ちにこれを認識できる。このよう
な遮断は、操作者に対して合図を与えるが、分析計の継
続使用を妨げることはない。

測定されるべきサンプルガスは、モーターポンプユニッ
トの出口通路１１１を通じて質量分析計装置の入口ポー
ト１０９内に排出される。しかしながら、質量分析計装
置の蓋プレート１０８と、ポンプチャンバー７５の蓋プ
レート１１０との間に容積アキュムレーター空間１１２
が形成れていることに留意すべきである。

測定されるべきサンプルガスは入口ポート１０９を通じ
て質量分析計ハウジング１０１の内部１１３へ導かれ
る。このハウジング１０１は、入口通路付属具１１４を
有し、これは冷却チャンバー１０４の連通している。入
口付属具１１４はホース１１５を備えている。ホース１
１５は、加圧冷却源と接続され、質量分析計装置の内部
１１３の温度を制御するようになされている。通路１１
６は、冷却チャンバー１１４をモーターポンプボディー
７２内の入口通路８２と相互に連通せしめている。この
ようにして、質量分析計を冷却するために使用された加
圧空気が再びモーターポンプギヤ駆動ユニット７１を駆
動するために使用されていることが理解されるだろう。

第１３図を再び参照すれば、中央開口１１８を形成され
た円形の入口プレート即ち電極１１７が蓋プレート１０
８に接近し、かつ間隔を置いて配置され、開口１１８が
入口ポート１０９と概ね整合せしめられている。入口プ
レート１１７は、適当な導電体１１９と接続されてい
る。導電体１１９はヘッダー１０６を貫通して延在する
とともに該ヘッダー１０６に溶着されている。らせんグ
リッドすなわちゲージ（かご体）１２０が入口プレート
１１７に対して溶着またはその他の方法で固定され、そ
こから突出されている。一対の小さなワイヤーブラケッ
ノ１２１が入口プレート１１７及びらせんグリット１２
０のコイルに対して固定されている。

らせんグリッド１２０の軸線は入口プレートの開口１１
８と同軸的に配置されている。中央開口１２３を有する
円形の端部プレートすなわち抽出(extractor)電極１２
２が導電体１２４に接続されており、この導電体はセラ
ミックヘッダー１０６を貫通するとともにそれに溶着さ
れている端部プレート１２２に形成された開口１２３
は、開口１１８およびらせんグリッド１２０の軸線と同
軸的に配置されている。らせんグリッド１２０の内部に
形成された容積空間はイオン化領域を形成しており、入
口プレートおよび端部プレートとともにイオン発生器の
構成要素を構成している。

このイオン発生器は一対の電子放出フィラメントを含
む。これらのフィラメントは、相互に角度９０゜をなし
て配置されている。また、これらのフィラメントはパラ
ジウムで形成され、通常の放射化合物バリウム・ストロ
ンチウムで被覆されている。通常作動では、これらのフ
ィラメントの一方が電子を放出するまで加熱される。こ
れに対して他方のフィラメントは汚染を受けないように
維持するために温状態に維持される。使用されていフィ
ラメントが破断したならば、第２のフィラメントが電子
の供給を引き継ぐために加熱される。付勢されたフィワ
メント、らせんワイヤーグリッド１２０に対して１００
ボルトの負電位に維持される。したがって、付勢された
フィラメント１２５とらせんグリッド１０との間の空隙
にてエネルギー１００e.v.まで電子が加速される。

らせんグリッド１２０に到達すると、幾つかの電子がワ
イヤー上に達して、電流を発生する。通常、この電流は
エミッション電流と称される。この電流は電子回路によ
って以下に十分に説明される方法で検出される。また、
この電流はフィラメントに対する電力供給を変化させる
ことによって一定に安定せしめられる。

他の電子は、らせんグリッドの巻回部分の間を通ってイ
オン化領域へ飛び込む。イオン化領域へ飛び込む弟子に
対してグリッドに衝突する電子の比率は、もっぱらグリ
ツドの透過性によって決定できる。グリッドの透過性と
は、巻回間隔に対するワイヤー直径の比率である。

グリッド内におい、幾つかの電子がガス分子に衝突し、
これによってイオン化および分裂を生じる。一方、他の
電子はガス分子と相互作用せず、或いはグリッドコイル
に衝突せずに、グリッドを通過する。これらの相互作用
しない電子は全体的にＵ形のトラップ電極１２７に飛び
込む。この電極１２７は、らせんグリッド１２０と同じ
電圧に維持されている。この点に関して、各フィラメン
ト１２５は直径方向の反対側に配置されたＵ形トラップ
電極１２７を有する。Ｕ形トラップ電極の各々は、１本
の中央に配置されたイオンコレクターワイヤー１２８を
備えている。このイオンコレクターワイヤー１２８は単
位時間当り発生されたイオンの全数をモニターし、これ
により分析計内部のガス圧力を測定する。Ｕ形トラップ
電極の各イオンコレクターワイヤー１２８はヘッダー１
０６を貫通して突出するとともに、それに溶着されてい
る。

それ故、らせんグリッドで発生するイオンの個数は、１
００e.v.の電子が衝突したときの、特にらせんグリッド
内の所定種類のイオン個数、所定種類のイオン化された
断面、およびらせんグリッド内の電子の密度に依存す
る。エミッションスタビライザーによって電子密度が一
定に維持され、またイオン化された断面が時間とともに
変化しないので、単位時間当りに発生する所定種類のイ
オンの個数は、イオン化領域におけるそのイオン種の部
分圧力にのみ依存することになる。イオンは、入口プレ
ート１１７の入口開口１１８から離れた側のらせんグリ
ッド１２０の端部に移動する。これらのイオンの一部は
端部プレート１２２の開口１２３を化し、分析計の線形
加速機構１２９内へ進入する。

質量分析計内部１１３の線形加速機構を含む構成要素
は、その全てが、多数貫通構造のガラスまたはセラミッ
ク製フィードスルー(feedthrough)・ヘッダー１０６に
組立けられ、すなわち取り付けられている。このヘッダ
ーは、一般に標準的な構造である。線形加速機構１２９
は複数の実質的に同じな軸線方向に間隔を隔てられた三
角プレートすなわち加速電極１３０を含んで構成され
る。これらの加速電極１３０は取り付けロッド１３１に
積層すなわち取り付けられている。この取り付けロッド
は雲母製環状離間部材すなわちスペーサーエレメント１
３２を備えている。細長い上側バスレール１３３よおび
下側バスレーヴ１３３ａがプレート１３０にエネルギー
を与え、これらのバスレールはヘッダ１０６を貫通する
とともに、それに溶着されている。図示実施例において
は、プレート１３０がレール１３３、１３３ａの各々に
対して交互に連結されている。例えば、プレート１、
３、５、７、そして９、………は第１３図に示すように
最上部のレール１３３に対して連結され、プレート２、
４、６、８………は最下部のレール１３３ａに対して連
結されている。プレート１３０はそれぞれ中央開口１３
４を有し、それらの開口は互いに対してかつ抽出(extra
nction)電極１２２の開口１２３と軸線方向で整合して
配置されている。

線形加速器はイオンコレカターエレメント、すなわちプ
レート１３５を備えている。このイオンコレクターエレ
メントえは、ヘッダー１０６に十分接近して、かつ加速
器電極１３０の開口１３４の軸線と整合して位置決され
る。インオンコレクタープレート１３５は適当な導電体
１３６を備えている。この導電体はヘッダー１０６を通
して突出されかつ溶着されている。シールドボックス１
３７がイオンコレクターエテレント１３５の周囲に配意
されている。このシールドボックスは開口１３８を形成
されており、加速器電極の開口１３４の軸線方向に整合
されて配置されている。このシールドボックス１３７は
ヘッダー１０６に取り付けられた導電体１３９に対して
固定されており、低レベルのイオンコレクタープレート
１３５へ与えられる無線周波数を最小限に抑えるように
働く。

質量分析計ハウジング１０１は開口１４０を有し、この
開口はその内部１１３に通じている。付属具１４１がこ
の開口１４０内でハウジングに取り付けられており、ま
たこの付属具は薄肉の鋼を液圧成形加工して形成された
ベローズ１４２を備えている。このベローズは有効径が
１．５cmであり、第１７図に最も良く示されているよう
に真空ポンプＶＰのような真空圧供給源に接続されてい
る。この質量分析計装置は小型の構造であり、図示実施
例では通路流１cm程度になされていることから、この分
析計は１Ｅ^-3トールの真空圧にて作動せしめられる。こ
の程度の強さの真空度は遠隔ポンプ作用によって得るこ
とができる。また、モーターポンプおよび分析計モジュ
ールを気管内チューブの端部に直接に取り付けできるよ
うにするには、この程度のパラメーターとされる。図示
した分析計は、通路流ほぼ１cmである、通路流ほぼ１／
２〜２cmの範囲の小型分析計が有効である。

質量分析計の作動を理解するために、内部の電位を定め
なければならない。指摘されたように、電子放出フィラ
メント１２５は、らせんグリッド１２０および入口プレ
ート１１７に対して一定負電位１００ボルトで作動され
る。らせんグリッド１２０および入口プレート１１７は
地面電位に対して数ボルトだけの負の電位で作動され
る。また、らせんグリッドすなわちゲージ１２０内で形
成されたイオンは浅熱エネルギーによって接地電位より
数ボルト低い電位にて存在する。初期イオンの正確な電
位は、分析計の質量分析能を所定の値に設定するために
分析計の初期セットアップの間に調整することができ
る。

Ｕ形トラップ電極１２７の各々におけるイオンコレクタ
ーワイヤー１２８は組み合わされた電子放出フィラメン
ト１２５に対して２０ボルトの負電位にて作動され、こ
れにより正イオンを付着させる一方、フィラメントから
の電子がコレクターワイヤーに到達することを防止する
のである。Ｕ形トラップ電居およびその組み合うイオン
コレクターワイヤーの各々は、従来のベイヤード・アル
パート(Bayard Alperd)イオン化ゲージにおけるのと同
じであり、通常のベイヤード・アルパートのゲーシ製品
においては、イオンコレクターワイヤーに対するおよび
イオンコレクターワイヤーから地面やその他の電極に対
する漏洩電流を最上限に抑えるためにゼロ電位にて作動
されている。しかしながら、本発明の実施例において
は、イオン電流は分析計の作動圧力が比較的高いために
比較的大きく、それ故、この作動方法に関係する感度及
び安定性の損失は無視できる程である。

イオン化領域の端部プレート１２２は、らせんグリッド
１２０及び入口プレート１１７よりも５ボルトだけ負電
位にて作動される。それ故にこの領域におけるイオンは
端部プレート１２２に引かれ、その開口１２３を通して
線形加速機構１２９内に移動する。

イオン発生器の端部プレート１２２をイオンが通過する
や否や、それらのイオンは線形加速器１２９の第１の電
極１３０に対して印加されている−１００ボルトの電位
によって加速される。この加速は２つの効果を奏する。
すなわち、イオン化された粒子の速度の拡がり(sprea
d))を2.5%程度にまで減じること、そして、端部プレ-ト122及
び線形加速器の第1の加速器電極130が互いに電気的に協
働して、ギャップレンズ(gaplens)を形成するようにな
すことである。イオン化領域から飛来する粒子は拡が
り、このギャップレンズがそれらの粒子を線形加速器１
２９の上流端部にて焦点を結ぶように再収束させる。線
形加速器１２９がそれ自体で収束する再には、この第１
のレンズの強さは調整され（端部プレート１２２と加速
器電極１３０との間の間隔を調整して行われる）、その
イオンが線形加速器１２９の下流端部にてイオンコレク
タープレート１３５上に焦点を結ぶようになされる。

加速器プレート１３０はバスレール１３３、１３３ａに
よって付勢される。これらのバスレールは、何れも端部
プレート１２２の下流の最初の加速器電極と同じ電位に
維持される。しかしながら、バルレール１３３、１３３
ａの各々は、ピーク値が５ボルトである重畳された対照
的な無線周波数の電圧を有する。それ故、与えられた瞬
時において上側レール１３３が加速電圧に対して＋３ボ
ルトであるならば、下側レール１３３ａは−３ボルトで
ある。ここで、プレート１が＋５ボルトでプレート２が
−５ボルトである時に、線形加速器１２９のプレート
１、２間のギャップに到達したイオンを考える。このイ
オンは電位１０ボルトで加速され、それ以前よりも１０
電子ボルト高いエネルギーを有してプレート２に進入す
る。

このイオンの速度を、プレート２の厚さ部分を通過する
間に要した時間が無接周波数のエネルギーの半サイクル
に等しい程の速度であると仮定する。このイオンがプレ
ート２から出現しかつギャップを横断してプレート３に
進入するとき、下側バスレール１３３ａおよびプレート
２は＋５ボルトであり、上側レール１３３、プイレート
３は電位−５ボルトにある。それ故、このイオンは、第
３のプレートに進入するにおいて更に１０電子ボルトの
エネルギーを獲得するのである。プレートすなわち電極
の厚さが選定されてこのイオンが同相に留まり、このプ
レートを横断するのに無線周波数のは半サイクルに等し
い時間が常にかかるようになされるならば、ギャップの
それぞれにおいてイオンは１０電子ボルトのエネルギー
を獲得し、最終的には５つのギャップ及び６つのプレー
トスタックを通って１５０電子ボルトのエネルギーを有
して出現することになる。

全てのイオンが無線周波数の半サイクルにてプレートの
厚さを横断するための適正な初速度を有しているが、無
線周波数のサイクルの電位に対してあらゆる可能な時刻
に到達するようなイオンの連続的なフラックス（束）を
考える。幾つかのイオンは上述したように適当な時刻に
ギャップに到達し；幾つかのイオンは無線周波数の電位
差が無いときに到達して加速されることなく構造体を通
過し、更に他のイオンは無線周波数が減速方向であると
きに到達し、これにより最初のエネルギー１００e.v.よ
りも小さいエネルギーを有してスタックを出ることにな
るのである。

ここで、適正な速度で加速器スタックに到達するイオン
を考える。無線周波数のエネルギーによる瞬時の電位に
対して第１のギャップでの到達時刻が如何様であって
も、そのイオンがプレートの厚さ部分を横断するのにか
かる時間的な差があることから、内側プレートのギャッ
プを横断する瞬時が各ギャップにおける最大加速電位差
時と正確に一致することは不可能となる。このイオンの
位相は、各ギャップを横断する無線周波数の電位差の位
相に対して一定に変化する。最良であっても、このよう
な不正確な速度のイオンは最大加速のたったの一部だけ
を受けて、最大可能エネルギーよりも小さいエネルギー
を有してギャップ構造体を出る。

それ故、その速度は質量の逆数の平方根に比例し、無線
周波数エネルギーの与えられた周波数に関して、ギャッ
プの全てを横断するときに最大加速を受けるように正確
な速度を有するのは一部のイオンだけである。それ故
に、無線周波数エネルギーの周波数の変化は各プレート
における最適休止時間(dwell time)を変化させる。それ
故、無線周波数を変化させることが分析計を異なる速度
の、すなわち異なる質量のイオンを適正に加速させるよ
うに分析計を調整する方法となる。

所望の測定機能を遂行するために、加速部の全てのギャ
ップにて適正に加速されたイオンを識別しなければなら
ない。これらのイオンは最後の加速器プレート１３０の
開口１３４に面する地面電位の電極プレート１３５によ
って収集される。これらのイオンは零に体して負の電位
にてイオン化領域にて発生されたものであるから、加速
されていないイオンはコレクタープレート１３５の到達
することはできない。この電位を更に負の電位へと変化
させれば、コレクタープレート面に到達する前にイオン
を増々加速しなければならず、従ってイオンフラックス
の測定値としてイオン電流信号が発生される。例えば、
らせんグリッド１２０が電位−３０ボルトで作動される
ならば、コレクタープレートに対して到達するために
は、イオンは３０電子ボルト(e.v.)を線形加速器にて獲
得しなければならない。従って、予め定められた強さの
エネルギーゲインを必要とすることにより、例えば或る
質量のイオンのみがコレクタープレート１３５上に到達
できるのである。この選択度は必要とされるエネルギー
ゲインを変化させることで任意に変化できるのであり、
通常は正しい質量のイオンの多くを拒絶することで高価
につく。

イオンフラックス曲線の定量を検査するために、有効な
方法はモンテカルロ計算法を実施することである。無線
周波数サイクルに対してランダムな時間における異なる
速度、線形加速器１２９の入口における異なる放射角度
を有する粒子について開始される。これらの粒子が加速
器スタックを通過するのに引き続いて、粒子速度（従っ
て質量）および無線周波数のあらゆる組合せに関するフ
ラックス分布が得られる。

質量分析計１００は選択された多くのイオン質量がイオ
ンコレクタープレート１３５上に到達できないという非
能率さを有している。何故なら、これらのイオンは無線
周波数サイクルの悪い位相にて線形加速器１２９の第１
のギャップに到達するからである。この非能率さは本願
では重要でない。イオンの加速が軸線方向の電場によっ
て行われるのであるから、イオン据類間の識別は極めて
小型の構造によって達成されることが認識されよう。上
述で指摘したように、大部分のイオンが大きな角度で衝
突することなくコレクタープレート１３５に到達できる
ようにする必要な中央の自由通路は非常に小さく、この
ことは説明した実施例の質量分析計装置１００が概ね１
０Ｅ^-3〜１０Ｅ^-2トールの圧力で有効に作用することを
示唆している。更に、本発明の質量分析計装置は被検者
の呼吸ガスを測定するのであるから、これらのサンプル
ガスは質量分析計の入口ポートすなわちオリフィス１０
９の大気側にて大気圧下でリッター単位の量を得られ
る。

ここで第５図、第６図を参照すると、使い捨てマウスピ
ース装置１４３が示されていて、このマウスピースは測
定すべきガスをモーターポンプおよび質量分析計モジュ
ール１２に通して連続的に循環させる装置としての気管
内チューブの代替形態を構成していることが見られるで
あろう。この使い捨てマウスピース装置１４３は適当な
柔軟なプラスチック材料で作られ、内側チューブ１４５
および外側チューブ１４６で構成された二重壁マウスピ
ースチューブ１４４を含んで成る。図面に示されていな
いが、適当な相互連結用壁エレメントが内側チューブお
よび外側チューブを相互に連結している。また、気管内
チューブ１１に具備された７つの通路に代えて、４つの
補助通路を形成している。内側チューブ１４５は気管内
チューブのように多きな中央通路を形成している。第６
図を参照すると、このマウスピースチューブ１４４は細
長い通路１４８および細長い通路１４９を備えている。
これらの通路は、マウスピースチューブの全長に沿って
延在している。マウスピースチューブの下端部は開口１
５０を有する。この開口は通路１４８と連通している。
また、開口１５１を備えており、この開口は通路１４９
と連通している。肺からのサンプルガスは開口１５０を
通して通路１４８を上方へ導かれ、このガスの一部は通
路１４９を通して戻されて開口１５１を通して排出され
る。このようにして、通路１４８はサンプルガスの通路
を構成しており、また通路１４９は戻り通路を形成して
いる。

顔面接触フランジエレメント１５２が外側チューブ１４
６に固定されており、また被検者の唇に接近させて被検
者の顔面に接触されるようになされる。毛細細管狭窄部
材１５４がこのマウスピースチューブの下端部分の近く
に配置されている。この毛細管狭窄部材１５４は複数の
毛細管すなわち通路１５５を備えており、これらの通路
は第６図に最も良く示されるように全長に沿って貫通形
成されている。この点に関して、毛細管狭窄部材の構造
は気管内チューブ内に示されたのと同じ構造とされてい
る。

内側チューブ１４５は毛細管狭窄部材１５４の下方に位
置されている開口１５７を備えている。また、毛細管狭
窄部材の上方に間隔を置いて隣接させて配置された開口
１５８をも備えている。図面には示されていないが、開
口１５７は肺ガスをマニホールドユニットに通して差動
圧力トランスデューサーへ導く通路と連通されている。
同様に、開口１５８も肺ガスをマニホールドユニットに
通して差動圧力トランスデューサーへ導く通路と連通さ
れている。それ故、使い捨てマウスピース装置１４３
は、質量分析計による肺ガスの測定を可能にし、また差
動圧力トランスデューサーによる肺活量の測定を可能に
している。

この使い捨てマウスピース装置は、先ず第１に、意識の
ある麻酔をされていない患者に関して、来院時に、トレ
ッドミル手順のような運動テストや薬剤反応の測定の間
に、心臓血液搏出量その他の信号−呼吸器機能を評価す
るのに使用されることが意図される。このマウスピース
装置は気管内チューブのような効率を有していないこと
は認識できよう。何故なら、肺ガスは被検者の口の後部
にて採取されるからである。マウスピース装置の後部す
なわち下端部分と下側気管即ち気管支部分との間に形成
される死空間は、当然に気管内チューブに較べてマウス
ピース装置の効率を低くしている。しかしながら、この
マウスピース装置は不快感を殆どもしくは全く与えずに
即座に使用することができる。

第１７図、第１８図を参照すると、質量分析計１００と
協働する質量分析計電子回路が図示されている。この電
子回路は全体を符号１６０で示されており、ベースユニ
ット１６１、ヘッドユニット１６２を含んで成る。ヘッ
ドユニットは軽量小型の構造をしており、計算結果の読
み取り部および操作者による入力部を含んでいる。ま
た、第１７図に示すように麻酔担当者のトロリーの上に
取り付け可能である。ベースユニットは操作者或いは麻
酔担当者が操作したり、或いはその構成要素に対して作
用を与えるような必要性はない。従って、真空圧モジュ
ールのような他の構成要素とともに床レベルに配置する
ことができる。

この分析計はほぼ１００ボルトの電位を必要とし、ま
た、患者に非常に接近させて配置されるので、分析計の
電気供給に関する全ての要求事項は、絶縁変圧器および
この目的に関して立証されている構造体を使用して、地
面絶縁装置として構成することである。このような地面
絶縁装置の目的は、患者を通して地面へ、或いはこの逆
に地面から患者への漏洩が測定できる程の電流の流れを
引き起こさず、これにより患者に害が及ばないように保
証することである。更に、絶縁された電子回路からの活
発な地面電流モニタリングは即座の遮断を引き起こさ
せ、欠陥状態にあることを操作者に知らせる。

ヘッドおよびベースユニットの間の伝達は２つの光学繊
維ラインによって行われる。このようなラインは地面絶
縁を行うだけでなく、ヘッドユニットに対する電磁干渉
の伝達の排除する。図示実施例においては、１つの光学
繊維ライン１６５が情報を伝達して分析計に付与されて
いる無線周波数エネルギーの周波数を変化させ、異なる
質量のイオンを調整するようになす。出る側の光学繊維
ライン１６６は分析計のコレクタープレート１３５にお
けるイオン電流、イオンコレクターワイヤー１２８によ
って収集されたイオン電流、並びに欠陥状態の無い分析
計装置に付与された電位のモニタリングのデジタル化し
た情報を与える。

ベースユニット１６１はＤ．Ｃ．電源１６３を含む。こ
の電源はフィラメント電流供給源１６４を備えており、
この供給源１６４はイオン化領域のらせんグリッド１２
０により受け止められた電子エミッション電流によって
制御され、また、このエミッション電流を与えられた値
に安定化させる。このフィラメント電流供給源１６４は
印加電圧（フィラメント電流が全く生じておらず、第２
のフィラメントへの切り換えが認められたならば）を検
出する。ヘッドユニットはこの切り換えは通告され、可
視もしくは音響的な信号によって操作者に対して知らせ
る。この装置１０の始動に際して、ヘッドユニットは両
方のフィラメントに電流が流れることを検出して確認す
ることも行うのであって、一方のフィラメントのみが作
動可能な場合には始動は中断される。働かないフィラメ
ントに対して電流が抵抗を介して供給され続け、これは
追加のフィラメントが必要となる迄続けられる。

Ｄ．Ｃ．電源１６３はまた、１００ボルトの電子加速電
流供給源１６８を備えている。この電源はフィラメント
供給源１６７に関するフィードバック信号を形成する。
１２０ボルト電流供給源１６９は、圧力検出イオンコレ
クターワイヤー１２８をバイアスする働きをなす。この
電流は分析計の他の部分から絶縁されており、ゼロボル
トのバスを与え、これによりイオン電流の流れがこのバ
ス電位にて検出できるとともに、ヘッドユニット１６２
に伝達できるようになされている。

１００ボルト電流供給源１７０が電流を付与して線形加
速器１２９を作動させる。この電流供給源は振幅１〜２
ボルトのシヌソイド関数(sinusoid)によって音響周波数
で変調される。イオンコレクタープレートにおける最終
的なイオン電流は基準とする音響信号で位相を検出され
る。このようにして得られた出力はイオン電流を最大限
とするために、即ち位相を検出されたイオン信号におけ
る最小の一次調和成分を有するように、電位１００ボル
トの正確な値を変化させるために使用される。この修正
は分析計１００を調整状態に維持し、並びに、分析計ベ
ットの寸法上の公差、そして処理ミスに原因して構造体
の起こりえるスランプを補償する。このようなシーキン
グ(seeking）機能は操作者によって日々の調整を行うこ
となく較正で分析計１００の保守を行うことに応答す
る。

プログラム可能なＤ．Ｃ．供給ユニット１７１は３０ボ
ルトのプログラム可能な電流供給源すなわちコンダクタ
ー１７２を有する。このコンダクター１７２はヘッドユ
ニット１６２からの入口によって制御される。電流供給
源１７２はイオンが発生される電位をセットし、それ故
に接地されたイオンコレクタープレート１３５にイオン
が到達するような加速を得られねばならない。この供給
源の電位はヘッドユニット１６２によって検出される。

べースユニット１６１はまたプログラム可能な周波数発
生器１７３を含む。この周波数発生器１７３の無線周波
数信号は２つの同軸ケーブル１７４によって分析計に伝
達される。これらのケーブルの各々はその反復(iterati
ve）インピーダンスによって終端されている。この無線
周波数はクオーツクリスタルにより制御される一群のオ
ッシレーター、並びに調和マルチプライヤー、および広
域パワー増幅器で構成されている。この増幅器は５ボル
トのピーク振幅の無線周波数信号を分析計に導くことが
できる。出力レベルは整流されてパワー増幅器にフィー
ドバックされ、無線周波数の振幅を一定に維持するよう
になす。オッシレーター間の切り換えはヘッドユニット
１６２の制御手段からの指令によって行われ、異なる種
類のイオンを分析のために選択するようになす。全体的
に、イオン核種毎の切り換え速度はイオンコレクティン
グアンプリファィヤーの設定時間に依って決まる。

ベースユニット１６１は補助サーミスタおよび圧力トラ
ンスデューサーパワーユニット１７５をも備えている。
このユニット１７５は、電流供給コンダクター１７６お
よび電流供給コンダクター１７７を有する。これらのコ
ンダクターは一対の補助サーミスタに電気的に接続され
ており、その機能は以下に詳しく説明する。一対の電流
供給コンダクター１７８はパワーユニット１７５に電気
的に接続され、差動圧力トランスデューサー１７９が備
えられている。差動圧力トランスデューサー１７９から
の出力信号はコンダクター１８１を介してマルチプレク
サーユニット１８０に伝達される。このマルチプレクサ
ーユニット１８０はデータ捕捉装置の構成要素である。
この装置は１０ビットのアナログデジタルコンバーター
１８２および制御電子回路を含んでいる。この回路がデ
ジタル化された情報をヘッドユニット１６２に伝達す
る。

マルチプレクサーユニット１８０は、分析計イオン電流
データを伝達するとともに、分析計圧力イオン電流デー
タ、そして分析計パラメーターもゼナー基準源から得ら
れたデータをも伝達し、マルチプレクサーアナログデジ
タルコンバーター装置の連続機能をチエックするように
なす。

イオン電流増幅器１８３はヘッド増幅器として質量分析
計ヘッダー１０６の接続ソケット１８４に取り付けら
れ、更に第２の増幅器（図示せず）がその接続ソケット
のための接続ケーブルのモジュール端部に取り付けられ
る。ヘッド増幅器を使用することは、ケーブルキャパシ
タンスが大きいことによる問題を排除し、このようなキ
ャパシタンスは遠隔増幅器において生じ得る。

ヘッドユニット１６２は装置の制御装置を構成してお
り、これが光学繊維ケーブル１６５、１６６を介して上
述したように分析計装置に接続される。この装置の制御
装置は実際にシリアル入出力ポートに対してマイクロコ
ンピューター１８５を構成し、所要の容量があれば何れ
の市販の中央処理ユニットからも作ることができる。図
示実施例では、装置に暴走（runwild）や中断が生じた
としても、このマイクロコンピューター即ちＣＰＵは最
大限の信頼性とモニタリングの継続を得るように複製さ
れていることが判るであろう。また、各ＣＰＵは機能不
全を検出するために監視装置を備えている。

この装置はディスプレーおよびユーザー用のインターフ
ェース１８６を備えている。これらは通常のスクリーン
−キーボード、カスタムＬＣＤパネル、或いはタッチ式
入力タブレットとされ得る。ヘッドユニットはデジタル
アナログコンバーター１８７を含む。このコンバーター
１８７はヘッドユニット１６２からの入力信号ラインに
よって作動できる。デジタルアナログコンバーター１８
７は１つのマルチプレクサーユニットチャンネルを介し
てアナログデジタルコンバーター１８２に接続されてい
る。始動テストはそれ故にデジタルアナログコンピュー
ターに段階波形をプログラムし、アナログデジタルコン
バーター１８２が各段階を変換する。このことはデジタ
ルアナログコンバーター１８７およびアナログデジタル
コンバーター１８２の両方によってコードミスの無い単
調性(monotonacity)をテストできるようになす。作動状
態において、デジタルアナログコンバーター１８７はパ
ワー供給源のレベルをセットし、これがイオンの最初の
電位を発生する。

図面には示されていないが、手術の間の患者の進展状態
に関する情報を与えるために、また将来の使用に備えて
使用可能な文書、例えば将来訴訟が起きそうな場合に使
用可能な文書を作成するために、分析計のデータがタン
パー・レジスタント(tamper-resistant)環境の下で連続
して記録されるような中央記録部に至る出力ラインが設
けられる。

装置の作動の間、マニホールドユニット内部の回転バル
ブ６３が操作され、下側気管即ち気管サンプリングセル
３９からのサンプルガスを測定する位置に設定される。
肺ガスが採取された場合には、装置のヘッドユニットは
この機能が遂行されることを表示し、気管サンプリング
セル３９は使用されていないことを表示する。

正常者においては、安定常状態の下で肺のプロフュージ
ョン(profusion)と心臓血液摶出量は事実上等しい。呼
吸空気から回収されたCO_２全量及び消費されたＯ_２全量
は右心室の血液を反映する。右及び左の心室の出力は実
際に同じであるから、これが心臓摶出量となる。この関
係を表す一般的な数式はフィックの数式として公知であ
る。すなわち、 Ｑ＝Ｖ_ｘ／（Ｃ_ax−Ｃ_vx） ここで、Ｑ＝心臓摶出量 Ｃ_ａ＝ｘの動脈血の濃度 Ｃ_vx＝ｘの静脈血の濃度 Ｖ_ｘ＝ｘの全量 この式は、アップテイク状態（ uptakecondition）（ｘ
＝Ｏ_２）に関して正となり、アウトプット状態（ｘ＝CO
_２）に関して負となる。

心臓摶出量はシングル呼吸方の手順によって、或いはCO
_２再呼吸法によって測定される。シングル呼吸法は深い
呼気（１０秒間）によって得られた呼吸交換比を使用す
る。このシングル呼吸法およびそれに使用さている計算
法に関する詳細な説明は、１９６６年版のジャーナル・
オブ・アプライド・フィジオロジー、２１（４）第１３
３８〜１３４４頁に見られるＴ．Ｓ．キム他による「シ
ングル呼吸法のガス分析による真実の静脈血及び動脈血
のPCO₂の評価」と題する論文に述べられている。

深い呼気（１０秒間）によって得られた呼吸交換比は次
のように表される。すなわち、 この装置の作動において、質量分析計Ｒは深い呼気の間
に連続的に計算されたデータを作る。これは曲線上に与
えられる。種々のインターバルにおける接線方向のスロ
ーブ（ｓ）は、以下の形式の肺胞空気の等式から瞬時の
Ｒ値の一群を引き出すのに使用される。即ち、 Ｒに就いて解くと、 瞬時の様々なＲの値が次に対応する測定されたPCO₂（動
脈肺胞）に対してプロットされ、これは適当な動脈血及
び混合された静脈血のCO_２のなければならないテンショ
ンの評価を可能にする。動脈血のPCO₂は数回の通常の呼
気方法によって得られた平均値であるＲ値から得られる
のであり、想像以上に大きい。引き続き、深い呼気（１
０秒間）が行われる。

男性においては、時間によって混合したPCO₂がＲ値から
得られ、Ｒ＝０．３２にて中断された。Ｒ＝０．３２の
値において、動脈血及び静脈血のPCO₂は等しく（圧力勾
配は無い）、CO_２はホールデンの効果によって通常の速
度の１／３の速度で交換が行われるのである。Ｒ＝０．
３２において、静脈血からのヘモグロビンによって取り
上げられたＯ_２の各単位量はPCO₂に変化を生じることな
くCO_２の正確に０．３２の容積を移動させる。従って、
瞬間的な交換比（Ｒ）が０．３２に低下したときの動脈
肺胞のPCO₂を正確に決定することによって、混合された
静脈血のPCO₂に等しい値が得られる。

このシングル呼吸方法の重要点は、同時にPO_２及びPCO₂
を決定できることである。これは、気管内チューブ又は
マウスピース装置の上端部分に取り付けられた小型の質
量分析計によって可能とされ、これにより死空間の大部
分を解消できる。このデータと心臓との相互関係はシン
グル呼吸方法において重要である。

心臓摶出量がCO_２再呼吸法によって決定される場合、こ
の方法は３０秒以内で簡単に遂行できるのである。特
に、この方法は再呼吸したCO_２がプラトー（変化のない
平坦な状態）に達するに要する時間の評価に依存する。
この方法の正確な詳細はレスピレーション・フィズイオ
ロジー（１９７６）、２８、第１４１〜１５９頁のＬ．
Ｅ．ファーヒ他による「シングル１段階再呼吸法による
心臓摶出量の決定」と題する論文に記載されている。し
かしながら、本発明の装置は明らかに精度を向上してお
り、死空間が減縮されたことによってプラトーに達する
に必要な時間を短縮している。

CO_２再呼吸方法に対する心臓鼓動の相関関係は重要であ
るが、シングル呼吸法の場合ほど厳しくない。シングル
呼吸法及びCO_２再呼吸法が行われる間、肺ガスは気管内
チューブのサンプルガス通路２０を通して循環され、ま
た、戻り通路１９を通して戻される。マウスピース１４
３が使用されているならば、このサンプルガスはサンプ
ルガス通路１４８を通して上方へ導かれ、そして戻り通
路１４９を通して戻される。

肺活量すなわち容積は差動圧力トランスデューサーによ
って測定される。このトランスデューサーは気管内チュ
ーブ内の毛細管狭窄部材２７又は使い捨てマウスピース
装置内に配置された毛細管狭窄部材１５４の上側および
下側からサンプルガスを受け入れる。気管内チューブ内
の毛細管狭窄部材２７又はマウピース装置内に配置され
る毛細管狭窄部材１５４の位置は、毛細管の温度が体温
に近づくように選定される。これにより、毛細管内部に
水分が凝縮するのが解消される。これらの毛細管を通し
て流れるガス流は圧力差を生じ、この圧力差が組み合う
通路を通して差動圧力トランスデューサーに伝達されて
肺活量の測定に使用される。

気管内チューブによって肺ガスのサンプリングが行われ
る間、バルーン３３の両方が膨張されて保持部材として
働くが、これらのバルーンは気管サンプリングセルを形
成して、組織セルのガスの分析に使用できるようにして
いる。この気管サンプリング空間からのサンプリング
は、気管組織と平衡された状態で行われ、気管組織のＯ
_２（及びCO_２）を測定する。これらは動脈のPO_２を密接
に反映している。このサンプルガスは人体の他の部分の
組織PO_２を代表し、それ故に酸素化を正確に示す。この
特別な手順は動脈血サンプルの必要性を減少しもしくは
全く不要にする。これにより動脈血のPO_２の決定を効果
的になし、非挿入式手順の選択を可能になす。気管サン
プリングセル３９からのサンプリングはこの気管サンプ
リングセルに通じる開口すなわちポートを通してアルゴ
ンガスを注入し、気管サンプリングセル内でアルゴンガ
スが平衡状態に達する迄アルゴンガスを分析の準備とし
て質量分析計に通して循環させることで行われる。

或る量のガスのトレーサー、例えばアセチレン、を呼気
混合ガスに導入して、肺から気管に至る循環時間を測定
することができることが指摘される。これは血液循環の
効率を判定する上で有用な生理的測定である。さらに、
アセチレンの理解される運動が気管組織に於ける局部的
な血流の評価に使用できる。

生理学的なパラメーターおよび上述した特性の測定に加
えて、本発明の装置は呼吸機能に関するその他の概念に
基づく測定を可能にする。この点に関して、この装置は
解剖学的な死空間、生理学的な呼吸器の死空間、Ｏ_２及
びCO_２に関する肺の拡散能力、及び解剖学的もしくは生
理学的な迂回(shunt)する流れを測定することができ
る。

明白となるように、測定されているガスサンプルの供給
源に拘わらず、これらのサンプルガスはモーターポンプ
ユニット７１によって直接に質量分析計へ導かれる。空
気で駆動されるギヤポンプは質量分析計サンプリングオ
リフィスを通る安定したガス流を保証する。ギヤ歯の周
期的な噛み合いによって流量に乱れ(ripple)が発生して
も、このような流量の淫れは呼吸の周期動に対して重要
でない。

空気流をモニターするために、２つのサーミスタがサン
プリングガスの流れの中に間隔を置いて配置される。一
方のサーミスタはポンプの循環ギヤの上流に、また他方
はポンプの循環ギヤの上流にそれぞれ配置される。上流
のサーミスタは標準温度に対する呼吸空気量の修正に使
用され、下流のサーミスタは大気温度よりも数度高い温
度に迄自己加熱するように電気的エネルギーを与えられ
る。下流のサーミスタに対するこの電気的エネルギーの
付加は周期的に停止され、冷却速度が測定される。この
冷却速度はその測定ループの回りに連続した空気の流れ
があることを示す。サンプルガス通路や戻り通路が詰ま
ってしまうと、或いは何等かの理由によって循環ギヤの
回転が止まると、下流のサーミスタは異常な冷却速度が
操作者に対してその機能不全の注意を与える。ポンプギ
ヤの反対凌駕にサーミスタを備えた配置は、両者間に熱
絶縁を与えている。

モーターポンプユニットに導かれたサンプルガスの大部
分は特別な戻い通路を通して戻され、僅かな量のサンプ
ルガスだけが質量分析計へ導かれる。肺胞ガスの完全な
混合を行うために戻されたサンプルガスは測定された肺
換気を変えることはない。この戻されたかつ再混合され
たサンプルガスは、ガスが質量分析計に達する時間の遅
延を減少させ、吸気時および呼気時と比較した値を無視
できる程度にする。

前述の説明から、この新規なガスサンプリング装置は非
挿入式の手段を与え、意識の或る被検者並びに麻酔をか
けられたまたは意識のない被検者における心臓摶出量及
び心臓−呼吸器機能を正確にかつ日常的にモニターでき
るようにすることが判るであろう。気管内チューブ及び
マウスピースは使い捨てとされるので、モーターポンプ
及び質量分析計モジュールはそれらから簡単に取り外さ
れて遠心処理の後、再使用される。この装置のガスサン
プリング効率、特に気管内チューブのガスサンプリング
効率は、死空間を無くしたことによって、格段に向上す
る。小型モーターポンプ・質量分析計の装備により、こ
の高い効率を達成できる。長さで１／２cmから２cm迄の
程度の自由な中央通路を有する小型の質量分析計は、医
学分野及びその関連分野において知られていない。

斯様に、心臓摶出量およびその他の呼吸器機能を判定す
るための非挿入式装置が提供された。この装置は、従来
知られていた比較対象となる装置の何れによっても達成
できない程度に高い効率的な方法で機能する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、患者に適用されたときの気管内チューブ・質
量分析計ユニットの斜視図。 第２図は、明瞭化のために幾つかの部品を取り除いた気
管内チューブ、質量分析計、モーターポンプモジュール
の拡大側面立面図。 第３図は、第２図の概ね線３−３に沿って矢印の方向に
見た横断面図。 第４図は、第２図は概ね線４−４に沿って矢印の方向に
見た横断面図。 第５図は、気管内チューブに対する別の形態としてマウ
スピースを示す斜視図。 第６図は、第２図の概ね線６−６に沿って矢印の方向に
見た横断面図。 第７図は、第２図の概ね線７−７に沿って矢印の方向に
見た横断面図。 第８図は、第２図の概ね線８−８に沿って矢印の方向に
見た横断面図。 第９図は、マニホールドブロック内のバルブの或る通路
の位置を示す概略的断面図。 第１０図は、第２図の概ね線１０−１０に沿って矢印の
方向に見た横断面図。 第１１図は、第２図の概ね線１１−１１に沿って矢印の
方向に見た横断面図。 第１２図は、第２図の概ね線１２−１２に沿って矢印の
方向に見た横断面図。 第１３図は、第１２図の概ね線１３−１３に沿って矢印
の方向に見た横断面図。 第１４図は、第９図の概ね線１４−１４に沿って矢印の
方向に見た、円弧に沿って９０゜回転された横断面図。 第１５図は、第１４図の概ね線１５−１５に沿って矢印
の方向に見た、円弧に沿って９０゜回転された横断面
図。 第１６図は、詳細構造を示すために部分的に分解し、円
弧に沿って９０゜回転されたモーターポンプユニットの
断面図。 第１７図は、主要構成要素を示す本発明の図解的な概略
図。 第１８図は、この新規な装置を駆動させるために使用さ
れた回路図。 １０……質量分析計装置、１１……気管内チューブ、１
２……モーターポンプと質量分析計モジュール、１３…
…内側チューブ、１４……外側チューブ、１５……中央
通路、１９〜２６……通路、２７……毛細管狭窄部材、
２８……毛細管、３３……バルーン、６４……バルブ
胴、６９……位置センサー、７１……ギヤポンプユニッ
ト、７４……モーターチャンバー、７５……ポンプチャ
ンバー、１０１……質量分析計ハウジング、１０５……
ヘッダー、１０９……入口ポート、１２０……らせんグ
リッド、１２９……加速器機構、１３０……第１の加速
器電極、１３３、１３３ａ……バスレール、１３５……
イオンコレクタープレート、１４３……マウスピース、
１５４……毛管狭窄部材、１６２……ヘッドユニット、
１６３……パワーユニット、１７３……無線周波数発生
器、１７９……差動圧力トランスデューサー、１８２…
…アナログデジタルコンバーター、１８３……電流増幅
器、１８５……マイクロコンピューター、１８６……イ
ンターフェース、１８７……デジタルアナログコンバー
ター。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン エイチ．ブロードハースト アメリカ合衆国ミネソタ州，ゴールデン バレー，サムター アベニュー ノース 1560

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検者の口に挿入されるように使用される
   ガスサンプリング装置であって、上端および下端を有す
   るとともに内側チューブエレメントおよび外側チューブ
   エレメントを含む二重壁チューブを有し、内側チューブ
   エレメントの内部が中央通路を形成している前記ガスサ
   ンプリング装置と、 内側チューブエレメントと外側チューブエレメントとの
   間の空間を二重壁チューブの全長に沿って延在する複数
   の細長い通路に分割する手段と、 前記内側チューブエレメントの下端部分に形成され、そ
   れぞれが前記通路の１つと連通されている複数の開口
   と、 前記内側チューブエレメントの内部に配置され、前記中
   央通路を流れる空気の量を制限するために複数の毛細開
   口を有する毛細管狭窄部材と、 質量分析計を含む小型モーターポンプ式質量分析計モジ
   ュールと、 前記質量分析計を真空圧供給源に接続する手段と、 一対の前記通路をモーターポンプ式質量分析計モジュー
   ルと相互に連通させて呼気が前記質量分析計へ向けて流
   れるようにするためにモーターポンプ式質量分析計モジ
   ュールを前記ガスサンプリング装置の上端に接続するた
   めの手段と、 一対の前記通路に接続され前記毛細管狭窄部材の上側お
   よび下側に於けるガス圧力が検出されるようになす差動
   圧力トランスデューサーと、 前記質量分析計および差動圧力トランスデューサーと協
   働して被検者の呼気および肺活量を分析する電子回路と
   を含んで成る被検者の呼気をサンプリングし分析する装
   置。
2. 【請求項２】前記ガスサンプリング装置が被検者の気管
   下部内へ下方に挿入される細長い気管内チューブを有す
   る請求項１に記載された呼気をサンプリングし分析する
   装置。
3. 【請求項３】前記ガスサンプリング装置が、被検者の口
   腔内で下端部の終端するマウスピースを含んでいる請求
   項１に記載された呼気をサンプリングし分析する装置。
4. 【請求項４】内側チューブエレメントと外側チューブエ
   レメントの間の空間を分割する手段が該空間を細長い膨
   脹通路、気管サンプリング通路、および気管戻り通路に
   分割しており、内側チューブエレメントに形成されてい
   る気管サンプル開口および気管戻り開口が前記気管サン
   プリング通路および気管戻り通路と連通し、一対の膨脹
   用開口が前記外側チューブエレメントに形成され、一対
   の膨脹可能なバルーン部材が前記外側チューブエレメン
   トに固定され、前記膨脹用開口の各々がバルーンの各々
   と連通してそのバルーンの膨脹、収縮を行わせ得るよう
   になされ、前記バルーン部材は膨脹時に被検者の気管内
   面と係合し且つ協働して環状の気管サンプリングセルを
   形成するようになされ、前記気管サンプリング開口およ
   び前記気管戻り開口が気管サンプリングセルと連通し、
   前記気管サンプリング通路および戻り通路を前記質量分
   析計に選択的に接続して気管組織ガスを測定できるよう
   になすための手段が設けられている請求項２に記載され
   た呼気をサンプリングし分析する装置。
5. 【請求項５】前記モーターポンプ式質量分析計がモータ
   ーポンプユニットを有し、このモーターポンプユニット
   は、前記質量分析計と連通された出口を有するモーター
   ポンプハウジングと、前記モーターポンプハウジング内
   部をモーターチャンバーおよびポンプチャンバーに分割
   する非磁性分割壁と、前記モーターチャンバー内に配置
   された一対の回転可能な噛み合うギヤと、前記ポンプチ
   ャンバー内に配置された一対の回転可能な噛み合うギヤ
   と、一方のチャンバー内に配置された各ギヤが他方のチ
   ャンバー内部に配置されたギヤと同軸的に配置されてい
   ることと、モーターチャンバー内のギヤおよびポンプチ
   ャンバー内の同軸的に配置されたギヤに取り付けられた
   協働作用する磁性部材と、前記ガスサンプリング装置の
   前記一対の通路が前記ポンプチャンバーと連通関係状態
   に接続されていることと、前記モーターチャンバー内の
   ギヤを駆動し、これによりサンプルガスを前記質量分析
   計に向けて導くようにポンプチャンバーギヤを駆動する
   ための、加圧空気供給源にモーターチャンバーを接続す
   る手段とを有する請求項１に記載された呼気をサンプリ
   ングし分析する装置。
6. 【請求項６】被検者から分析のための呼吸ガスを得るた
   めに使用される使い捨て可能なガスサンプリング装置で
   あって、被検者の口に挿入されるように使用され、貫通
   された中央通路を有するとともに上端および下端を有
   し、内側チューブエレメントおよび外側チューブエレメ
   ントを有する細長い柔軟な二重壁チューブと、 この二重壁チューブの内側チューブエレメントと外側チ
   ューブエレメントの間に配置されたガスサンプリング通
   路、戻り通路および一対の圧力検出通路を含み、円周方
   向に配列されるとともに軸線方向に延在する複数の補助
   通路と、 内側チューブエレメントの下端部分に形成されたガスサ
   ンブル開口、戻り開口および一対の圧力検出開口を含む
   複数の開口であって、前記ガスサンプル開口が前記ガス
   サンプル通路と連通して肺ガスを上方向に流すことがで
   きるようになされ、前記戻り開口が肺ガスを通して戻す
   前記戻り通路と連通し、前記圧力検出開口の各々がそれ
   ぞれ１つの圧力検出通路と連通している該複数の開口
   と、 内側チューブエレメントの下端部分に接近させてその内
   部に配置され、複数の軸線方向に延在する毛細管通路を
   有して二重壁チューブの中央通路を流れるガス流を制限
   するようになす毛細管狭窄部材であって、前記圧力検出
   開口の１つが毛細管狭窄部材より下方に位置決めされる
   とともに他の圧力検出開口が毛細管狭窄部材の上方に接
   近して位置決めされているい該毛細管狭窄部材と、 サンプリング装置の上端部分を差動圧力トランスデュー
   サーに対し且つまた質量分析計のようなガス分析装置に
   対して連通接続せしめ、もって肺ガスが分析可能で且つ
   肺活量が決定されるように、前記二重壁チューブの上端
   に配置された手段とを有する使い捨て可能なガスサンプ
   リング装置。
7. 【請求項７】前記二重壁チューブが細長い気管内チュー
   ブを有し、この気管内チューブが被検者の気管下部内に
   挿入される下端部分を有する請求項６に記載された使い
   捨て可能なガスサンプリング装置。
8. 【請求項８】二重壁チューブが被検者の口腔内に挿入さ
   れる下端部分を有するマウスピースを有する請求項６に
   記載された使い捨て可能なガスサンプリング装置。
9. 【請求項９】内側チューブエレメントと外側チューブエ
   レメントの間の空間を分割する手段が該空間を細長い膨
   脹通路、気管サンプリング通路、および気管戻り通路に
   分割し、内側チューブエレメントに形成されている気管
   サンプル開口および気管戻り開口が前記気管サンプリン
   グ通路および気管戻り通路と連通し、一対の膨脹用開口
   が前記外側チューブエレメントに形成され、一対の膨脹
   可能なバルーン部材が前記外側チューブエレメントに固
   定され、前記膨脹用開口の各々がバルーンの各々と連通
   してそのバルーンの膨脹および収縮を行わせ得るように
   なされ、前記バルーン部材は膨脹時に被検者の気管内面
   と係合し且つ協働して環状の気管サンプリングセルを形
   成するようになされ、前記気管サンプリング開口および
   前記気管戻り開口が気管サンプリングセルと連通し、前
   記気管サンプリング通路および戻り通路を前記質量分析
   計に選択的に接続して気管組織ガスを測定できるように
   なすための手段が設けられている請求項７に記載された
   使い捨て可能なガスサンプリング装置。