JPH0744954B2 - 麻酔深度自動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は生体の麻酔深度を一定に調節する自動制御装置
に関するものである。

従来技術 手術中における生体の麻酔に際しては、通常、過度に浅
い麻酔による生体の覚醒や過度に深い麻酔による不都合
を避けて、生体の生理的情報および手術の状況などから
総合的に決定された適切な麻酔深度を保持すべく、吸気
に混入させる麻酔薬の混入率を麻酔専門医が精密に手動
調節することが必要である。このような手術室内におけ
る麻酔専門医の負担を軽減するために、生体の麻酔深度
を一定の深さに保持する自動調節装置が望まれる。これ
に関し、麻酔深度を生体の脳波、血圧値、心拍数などに
より検出し、これに基づいて吸気に混入させる麻酔薬の
混入率を調節することにより麻酔深度を一定に保持する
装置が従来より種々検討されている。

発明が解決すべき問題点 しかしながら、斯る従来の装置においては、麻酔深度を
把握するに際して精度が充分に得られないこと、および
麻酔薬の投入から生体が反応するまでの応答時間が大き
いことなどの問題点があった。フィードバック情報とし
ての麻酔深度の精度が充分でなければ如何に制御系が良
くても制御結果のばらつきが避けられないし、生体の応
答時間が大きいと麻酔深度の自動制御系が不安定とな
り、それらはいずれも実用上の重要な問題点なのであ
る。

問題点を解決するための手段 本発明者は以上の事情を背景として種々研究を重ねた結
果、吸入麻酔薬を用いる場合に生体の終末呼気中に含ま
れる吸入麻酔薬濃度が生体の麻酔深度と密接に関係する
こと、および、血液／ガス分配係数が１以下の吸入麻酔
薬を用いると生体の麻酔応答性が大幅に改善されて、こ
れが麻酔深度の自動制御系を顕著に安定させ得ることを
見出した。本発明は斯る知見に基づいて為されたもので
ある。

すなわち、本発明の要旨とするところは、生体の麻酔深
度を一定に調節するための麻酔深度自動制御装置であっ
て、（ａ）血液／ガス分配係数が１以下の吸入麻酔薬を
生体の吸気中に混入させる麻酔薬混合装置と、（ｂ）生
体の終末呼気中に含まれる前記吸入麻酔薬の濃度を検出
する麻酔薬濃度検出装置と、（ｃ）麻酔深度を予め設定
するための麻酔深度設定装置と、（ｄ）前記終末呼気中
に含まれる吸入麻酔薬濃度が前記麻酔深度設定装置によ
り予め設定された値となるように、前記麻酔薬混合装置
によって吸気中に混入される吸入麻酔薬混入率を調節す
る調節装置とを、含むことにある。

作用および発明の効果 このようにすれば、生体の麻酔深度に関する情報として
その生体の終末呼気中に含まれる吸入麻酔薬の濃度が用
いられるので、従来に比較して精度よく麻酔深度を把握
することができる。呼気中の終末時期のガスである終末
呼気は肺胞中のガスと考えられ得、それに含まれる吸入
麻酔薬濃度は動脈血液中の麻酔薬濃度に対応し、その血
液中の麻酔薬濃度は生体の麻酔深度と密接に関連する脳
細胞中の麻酔薬濃度（麻酔薬分圧）に対応するからであ
る。

また、吸気中に混入させる吸入麻酔薬は血液／ガス分配
係数が１以下のものが使用されるので、吸気に混入させ
る吸入麻酔薬の濃度変化に対する麻酔深度の変化が速や
かとなって制御系の安定性が大幅に向上し、麻酔深度の
自動制御が好適に実施されるのである。

ここで、前記血液／ガス分配係数は、血液相とガス（空
気）相とにそれぞれ溶解する吸入麻酔薬の濃度をそれぞ
れC_KおよびC_Gとするとき、C_K／C_Gなる値であり、吸入麻
酔薬の血液に対する溶け込み易さを示す指標として用い
られ得る。また、上記の血液／ガス分配係数は37℃にお
ける値をいう。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は麻酔深度自動制御装置の構成を示すものであっ
て、患者10には電動式の人工呼吸器12は配管11を介して
接続されており、呼吸コントローラ14からの指令にした
がう呼吸回数および換気量にて作動し、その換気量に相
当する呼気を強制的に患者10へ送り込むとともに呼気を
排出させる。患者10からの呼気は専らその呼気を送出す
るための配管13を介して炭酸ガスセンサ16および麻酔薬
濃度センサ18へ送られ、そこで炭酸ガスおよび終末呼気
中の吸入麻酔薬濃度が検出されるようになっている。

上記炭酸ガスセンサ16は、赤外域に存在する炭酸ガスの
吸収スペクトルを利用して濃度を検出するものであっ
て、たとえば第２図に示すように、ヒーティングチュー
ブ付赤外線ガス分析装置から構成されている。図におい
て、光源装置20から発射された赤外光は凸レンズ22、呼
気が通されるガラスセル24、赤外線透過フィルタ26、凸
レンズ28を通してホトセル30により検出される。ホトセ
ル30はガラスセル24を透過した、炭酸ガス特有の吸収波
長の赤外線の強度を示す信号を出力し、この信号は増幅
器32において増幅される。この増幅器32から出力される
赤外線透過信号SCの大きさは呼気中に含まれる炭酸ガス
濃度に反比例し、たとえば第３図の（ａ）に示すように
呼吸に同期して変化する。この図において上ピーク付近
が炭酸ガス濃度が低い初期呼気を示し、下ピーク付近が
炭酸ガス濃度が高い終末呼気を示している。これは、一
回の換気において口、鼻、気管内などにあって肺胞での
ガス交換に関与しない部分である死腔には呼気と同様の
成分がそのまま残り、これが呼気の初期に排出されるか
らである。

前記麻酔薬濃度センサ18は、上記と同様に吸入麻酔薬の
赤外域の吸収スペクトルを利用して濃度を検出するヒー
ティングチューブ付赤外線ガス分析装置を備えている。
第４図において、光源装置36から発射された赤外線が凸
レンズ38、呼気が通されるガラスセル40、赤外線通過フ
ィルタ42、凸レンズ44を通してホトセル46により検出さ
れる。ホトセル46はガラスセル40を透過した、前記吸入
麻酔薬特有の吸収波長の赤外線の強度を示す信号を出力
し、この信号は増幅器48において増幅される。この増幅
器48から出力される赤外線透過信号SMの大きさは呼気中
に含まれる吸入麻酔薬濃度に反比例し、たとえば第３図
の（ｂ）に示すように呼吸に同期して変化する。

一方、前記赤外線透過信号SCの下側ピークを検出する下
側ピーク検出回路50が設けられており、この下側ピーク
検出回路50の出力信号によりよって開かれるゲート回路
52を通して赤外線透過信号SMの下側ピーク値を示す信
号、すなわち麻酔薬濃度信号SSMが出力される。第３図
の（ｄ）はゲート回路52の解放作動を示す。この麻酔薬
濃度信号SSMは呼気期間内の最終時期である終末呼気中
の吸入麻酔薬濃度を示す。この終末呼気中の吸入麻酔薬
濃度は、肺胞中にあるガスに含まれる吸入麻酔薬濃度を
示すものであって動脈血液中の麻酔薬濃度に対応すると
ともに、その血液中の麻酔薬濃度は生体の麻酔深度と密
接に関連する脳細胞中の麻酔薬濃度に対応している。な
お、第３図（ａ）および（ｂ）において吸気期間中には
赤外線透過信号SCおよび赤外線透過信号SMがフラットと
なっているが、これは人工呼吸器12から専ら呼気を送出
する配管13内に終末呼気が滞留しているからである。ま
た、配管11に前記炭酸ガスセンサ16および麻酔薬濃度セ
ンサ18が設けられる場合には、第３図の（ｄ）の破線に
示すように呼気期間の終末時期にのみゲート回路52が開
かれる。

麻酔深度設定器56には、患者10の生理的情報および手術
の状況などから判断された適切な麻酔深度、すなわち終
末呼気中に含まれる麻酔薬濃度（％）が手動設定され
る。麻酔深度コントローラ58は、麻酔深度設定器56にお
いて設定された麻酔深度と麻酔薬濃度センサ18からの麻
酔薬濃度信号SSMが示す実際の麻酔深度とを比較し、そ
れらの偏差が解消されるように、予め記憶された制御式
に基づいて制御量を決定し、駆動回路60を介して麻酔薬
混合装置62へ制御信号SSを出力する。この制御信号SSは
患者10へ供給される呼気中の麻酔薬混入率を指令するも
のであり、具体的には後述のパルスモータ72の駆動回転
角を表すものである。上記麻酔深度コントローラ58によ
り、麻酔導入時における吸入麻酔薬の濃度は３乃至10
％、麻酔深度を維持するときは２乃至３％に調節され
る。過渡状態における過大な濃度を防止するために、前
記制御式の中には10％程度の値に制限するリミッタに相
当するものが設けられている。

麻酔薬混合装置62では、第５図に示すように、酸素ボン
ベ64および笑気ボンベ66から送出される酸素および笑気
ガスの混合ガスが絞り68を通してミキサ70へ供給される
一方、パルスモータ72によって駆動される流量制御弁74
および吸入麻酔薬気化器76を通してミキサ70へ供給され
る。このミキサ70は上記混合ガスと吸入麻酔薬気化器76
からの吸入麻酔薬の飽和蒸気を含むガスとを混合し、吸
気として人工呼吸器12へ供給する。上記酸素ボンベ64お
よび笑気ボンベ66から送出される酸素および笑気ガスの
混合ガスは、手動調節弁78および80により予め４対２程
度に混合されるが、これは二次効果を期待するものであ
るから酸素単体でも差支えない。また、上記吸入麻酔薬
気化器76は、たとえば所謂copper kettle（多孔青銅焼
結板）と吸入麻酔薬を貯溜する容器とを備えて構成さ
れ、吸入麻酔薬中に浸漬されたcopper kettleを通して
送出するガス内にそのときの吸入麻酔薬の液温における
飽和蒸気を発生するものである。したがって、流量制御
弁74の流量を制御することにより、吸気内の吸入麻酔薬
濃度が調節される。本実施例では、上記吸入麻酔薬とし
て、セボフルレンが用いられる。

このセボフルレンは以下に示すものである。

化学式：CH₂-O-CH(CH₃)₂ 化学名:fluoromethyl-1,1,1,3,3,3-hexafluoroisoproph
yl ether 分子量:200 沸点:58.5℃ 液体比重:1.505g/ml 蒸気圧:157torr（20℃） 血液／ガス分配係数:0.59（37℃） MAC:2.0（サル） 上記セボフルレンは、その血液／ガス分配係数から明ら
かなように、従来の吸入麻酔薬に比較して麻酔導入性お
よび覚醒性に優れているのに加えて、麻酔深度のばらつ
きが少ないために麻酔深度の調節性においても極めて優
れている。この事実は第１表に示す実験結果に示されて
いる。この実験は複数のモルモットについてのMAC値お
よびそのばらつきを、前記セボフルレンと、よく知れら
れたエンフルレン（分子量:185、沸点:56.5℃、血液／
ガス分配係数:1.9）とについて比較したものである。

第１図に戻って、換気量設定器82には換気量が設定され
るが、患者10に必要な換気量は終末呼気中の炭酸ガス濃
度と密接に関連するから、本実施例では終末呼気中の炭
酸ガス濃度（％）が設定される。呼吸コントローラ14で
は、前記炭酸ガスセンサ16から供給される信号SCに基づ
いて終末呼気中の炭酸ガス濃度が決定される。すなわ
ち、周期的に変動する炭酸ガス濃度の最大値であるピー
ク値が検出される。そして、換気量設定器82に設定され
た終末呼気中の炭酸ガス濃度と実際の炭酸ガス濃度との
偏差が解消されるように予め記憶された制御式から患者
10の一定時間（たとえば毎分）当たりの換気量（一定時
間当たりの酸素注入量に対応）が決定される。この換気
量は呼吸回数と一回の呼吸量との積で表されるので、呼
吸コントローラ14は一定時間当たりの呼吸回数と一回の
呼吸量とを決定する必要があるが、呼吸回数が一定値に
設定されている場合には一回の呼吸量が決定される。そ
して、このようにして決定された換気量を得るための制
御信号が呼吸コントローラ14から駆動回路84を介して前
記人工呼吸器12へ供給されると、人工呼吸器12は麻酔薬
混合装置62からの吸気を前記換気量にて強制的に患者10
に対して送給するのである。

上述のように構成された麻酔深度自動制御装置において
は、患者10の麻酔深度に関する情報としてその患者10の
終末呼気中に含まれる吸入麻酔薬の濃度が用いられるの
で、従来に比較して精度よく麻酔深度を把握することが
できる。すなわち、血圧値、脈拍、脳波、呼吸数、心電
波などは麻酔深度以外の因子の影響を受ける生理的反応
であって同じ脳細胞内麻酔薬分圧でも現れ方にばらつき
があることが避けられない。これに対し、終末呼気は肺
胞中のガスであり、それに含まれる吸入麻酔薬濃度は動
脈血液中の麻酔薬濃度に対応し、その血液中の麻酔薬濃
度は生体の麻酔深度と密接に関連する脳細胞中の麻酔薬
濃度（分圧）に対応するからである。たとえば、痩身で
全身状態がよくない高齢者に全身麻酔をかけると、特に
ハロゲン化麻酔薬の場合には循環制御が顕著となり血圧
値などにより麻酔深度を監視すると実際には浅いにも拘
わらず一見麻酔が深くかかっているように見え、このと
き執刀すると体動があり血圧が急上昇して俄に麻酔が浅
くなったように見えることがある。しかし、終末呼気中
の吸入麻酔薬濃度に基づいて麻酔深度を判断すればこの
ようなことがないのである。

また、上述の麻酔深度自動制御装置においては、吸気中
に混入させる吸入麻酔薬は37℃における血液／ガス分配
係数が１以下のものが使用されるので、吸気に混入させ
る吸入麻酔薬の濃度変化に対する麻酔深度の変化が速や
かとなって制御系の安定性が大幅に向上し、麻酔深度の
自動制御が好適に実施されるのである。すなわち、脳細
胞内の麻酔薬分圧が麻酔深度を決定すると考えてよく、
この脳細胞内の麻酔薬分圧を決定するのは、吸気中の吸
入麻酔薬濃度、第２ガス効果、肺胞換気量、肺胞・毛細
管の透過性、心拍出量、血液の性状、血液／脳関門の状
態、麻酔薬の物理化学的性質などがあるが、肺に病変な
く、心拍出量および血液性状が一定で、血液／脳関門に
異常がない場合には麻酔深度を決定する因子は吸気中の
麻酔薬濃度である。この吸気中の麻酔薬濃度を変化させ
た場合、短期的には血液／ガス分配係数が低い程血液中
へ溶け易くなり脳細胞内の麻酔薬分圧は鋭敏に反応する
のである。

因に、従来において良く用いられているハロセン（血液
／ガス分配係数2.4）、エンフルレン（血液／ガス分配
係数1.9）、イソフルレン（血液／ガス分配係数1.48）
はそれぞれ良い麻酔薬であるが、麻酔の反応速度および
麻酔のばらつきにおいて充分ではなく、それらを麻酔深
度自動制御装置に使用すると、制御系の安定性が実用さ
れ得る程充分に得られず、また、制御される麻酔深度も
ばらつきが大きかったのである。

また、前述の実施例によれば、終末呼気中の吸入麻酔薬
濃度が、呼気の炭酸ガス濃度が最高ピークとなる時期に
検出されるので、吸気内に混入させる吸入麻酔薬濃度に
拘わらず、正確に麻酔深度を知ることができる。すなわ
ち、麻酔深度を一定にするための自動制御系において麻
酔深度が目標値に対して相対的に深くなり過ぎてこのと
きの偏差を解消するために吸気に混入させる吸入麻酔薬
濃度を低くするときには、第３図の（ｃ）に示すよう
に、初期呼気中の濃度が終末呼気中の濃度よりも低くな
る場合がある。このとき、呼気内の吸入麻酔薬濃度の変
動の最小値ピークから終末呼気を単に判断すると呼気の
初期の吸入麻酔薬濃度を検出してしまうことになるので
ある。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説
明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号
を付して説明を省略する。

第６図に示すように、麻酔深度自動制御装置の作動中の
安全性を一層高めるために、種々の警報装置、たとえば
呼気炭酸ガス濃度警報装置86およびおよび吸気酸素濃度
警報装置88を取りつけることができる。すなわち、呼気
炭酸ガス濃度警報装置86は、炭酸ガスセンサ16からの信
号に基づいて炭酸ガス濃度の最高ピーク値、すなわち終
末呼気の実際の炭酸ガス濃度を検出するとともに、その
炭酸ガス濃度が予め設定された許容範囲を外れると、異
常を知らしめるために電気信号、音信号、或いは光学的
な信号にて警報出力する。上記許容範囲は、たとえば３
乃至５％以内に設定される。また、吸気酸素濃度警報装
置88は、麻酔薬混合装置62からの吸気を専ら人工呼吸器
12へ導く配管15に取り付けられており、吸気内に含まれ
る酸素ガス濃度を検出するとともに、その酸素ガス濃度
が予め設定された許容範囲を外れると、異常を知らしめ
るために電気信号、音信号、或いは光学的な信号にて警
報出力する。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は
その他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例における呼吸コントローラ14お
よび麻酔深度コントローラ58は所謂マイクロコンピュー
タにより構成され得る。また、麻酔薬濃度センサ18内の
ゲート回路52もマイクロコンピュータにより構成され
る。この場合には、第７図に示すように、赤外線透過信
号SCが麻酔深度コントローラ58へ直接供給される。

また、前述の麻酔薬濃度センサ18は、炭酸ガスセンサ16
から供給される赤外線透過信号SCに基づいて終末呼気中
の吸入麻酔薬濃度を検出するように構成されているが、
患者10の胸部に貼着された電極により検出される胸部イ
ンピーダンスの最小時期と同期して終末呼気中の吸入麻
酔薬濃度を検出するように構成されてもよいし、人工呼
吸器12から出力される呼気信号の末端或いは吸気信号の
開始をトリガとして終末呼気中の吸入麻酔薬濃度を検出
するように構成されてもよい。また、上記人工呼吸器12
から出力される呼気信号或いは吸気信号を替えて、呼吸
コントローラ14或いは駆動回路84から人工呼吸器12へ供
給される制御信号あるいは駆動信号を用いることもでき
る。

また、前述の実施例の麻酔薬濃度センサ18に備えられて
いるヒーティングチューブ付赤外線ガス分析装置に替え
て、クリスタルがハロゲン化麻酔薬を吸着して質量が変
化し、その質量の変化に対応して発振周波数が変化する
現象を利用する水晶発振式ガス濃度計を設けてもよい。

また、37℃にて血液／ガス分配係数が１以下であれば、
ガス性の吸入麻酔薬が用いられ得る。この場合には、第
５図の吸入麻酔薬気化器76が不要となる。

また、前述の炭酸ガスセンサ16および麻酔薬濃度センサ
18から出力される赤外線透過信号SCおよびSMは濃度と反
比例した大きさを示すが、濃度と比例した大きさとする
ための反転回路を適宜設けても差支えない。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であ
り、本発明はその精神を逸脱しない範囲において種々変
更が加えられ得るものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の構成を説明するブロック線
図である。第２図は第１図の炭酸ガスセンサの構成を説
明する図である。第３図は第１図の実施例の作動を説明
するタイミングチャートであって、（ａ）は赤外線透過
信号SCを、（ｂ）は赤外線透過信号SMを、（ｃ）は吸気
中の麻酔薬濃度が低くなった場合の赤外線透過信号SM
を、（ｄ）はゲート回路の作動をそれぞれ示す図であ
る。第４図は第１図の麻酔薬濃度センサの構成を説明す
る図である。第５図は第１図の麻酔薬混合装置の構成を
説明する図である。第６図および第７図は本発明の他の
実施例をそれぞれ示す第１図に相当する図である。 18:麻酔薬濃度センサ（麻酔薬濃度検出装置） 56:麻酔深度設定器 58:麻酔深度コントローラ（調節装置） 62:麻酔薬混合装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】生体の麻酔深度を一定に調節するための麻
   酔深度自動制御装置であって、 血液／ガス分配係数が１以下の吸入麻酔薬を生体の吸気
   中に混入させる麻酔薬混合装置と、 生体の終末呼気中に含まれる前記吸入麻酔薬の濃度を検
   出する麻酔薬濃度検出装置と、 麻酔深度を予め設定するための麻酔深度設定装置と、 前記終末呼気中に含まれる吸入麻酔薬濃度が前記麻酔深
   度設定装置により予め設定された値となるように、前記
   麻酔薬混合装置によって吸気中に混入される吸入麻酔薬
   混入率を調節する調節装置と を、含むことを特徴とする麻酔深度自動制御装置。