JP4624301B2 - 心肺バイパスを用いた心臓手術のためのモニタリング・システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、心肺バイパス（ＣＰＢ）を必要とする心臓手術中に適用されるモニタリング・システム及び方法を提供する。

体外循環及びＣＰＢを用いた心臓手術中に、心臓及び肺の機能が、人工心肺装置により人工的に置換される。この人工心肺装置は、患者の静脈血を受け取って、それを（ローラ式又は遠心力式ポンプを介して）酸素付加装置へ送出し、その酸素付加装置は、炭酸ガス（ＣＯ_２）クリアランス及び酸素（Ｏ_２）供給を患者に、血液とガス流（可変濃度の酸素及び空気）との間のトランスメンブラン交換（ｔｒａｎｓｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｘｃｈａｎｇｅ）により与える。

患者のための適切なポンプ流量は、通常、体表面積、及びＣＰＢが実施される温度を考慮した特定の表に基づいて決定される。温度が低ければ低いほど、必要とされるポンプ流量は低い（それは、代謝の必要性が低減されるからである。）。例えば、２４℃と３７℃との温度範囲において、流量は、２．０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ^２と３．０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ^２との間で変わり得る。ポンプ流量の目標は、代謝の必要性を支えるため適切な酸素量を様々な器官に与えることにある。これは、ポンプ流量に依存するばかりでなく、血液酸素含有量に従ってヘモグロビン（Ｈｂ）濃度にも依存する。ＣＰＢ中に、血液希釈の貧血状態（Ｈｂ濃度が正常な１５ｇ／１００ｍｌから５−１０ｇ／１００ｍｌまで落ちる場合には、時に深刻である。）があるので、不十分な酸素送出（ＤＯ_２）を提供する可能性が現実にありそして相当頻繁にあることが明らかである。

最近、多くの科学論文が、過度の貧血か、低い流量、あるいはその両方に起因した不十分な酸素送出が術後合併症及び外科手術上の死亡率の増加の原因であることを立証している（参考文献１−８）。

現在、ＣＰＢ中にＤＯ_２により導出されたパラメータの入手可能な唯一の連続的モニタリングは、静脈酸素飽和度（ＳｖＯ_２）の連続的モニタリングである。このモニタリングは、酸素消費量（ＶＯ_２）、即ち代謝必要性のマーカと、血液流量と、末梢酸素抽出（動脈−静脈差（ａｒｔｅｒｏ−ｖｅｎｏｕｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ））との関係、即ち
ＶＯ_２＝流量×（動脈−静脈Ｏ_２差）
に基づいている。

ポンプ流量が必要とされるＶＯ_２を維持するのに不適切である場合、より多くの酸素を末梢から抽出することが必要であり、従って、静脈血は、低飽和となるであろう（飽和度が正常の７５％から６０％以下に低減し得る。）。

現在、３つの静脈酸素飽和度（ＳｖＯ_２）システムが商業的に利用可能である（ＤａｔａＭａｓｔｅｒ Ｄｉｄｅｃｏ（登録商標）、ＣＤＩ Ｔｅｒｕｍｏ（登録商標）及びＯ_２Ｓａｔ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｍｅｄｉｃａｌ（登録商標））。最後の１つのシステムを除いて、これらのシステムは全て、非常に高価な使い捨てセルにより他の変数（ヘマトクリット、電解質等）を測定する。従って、これらのモニタリング・システムは、日常的には用いられなく、そしてそれらの応用は、通常、特定の高リスク・カテゴリの患者（即ち、先天性小児心臓外科手術患者）のため確保されている。

更に、ＳｖＯ_２測定は、適切なポンプ流量を保証するものではない。実際には、ＳｖＯ_２は、非常に重大なＤＯ_２低減のためにのみ低減する。これは、ＳｖＯ_２が患者から生じる全静脈血の状態を表すことに起因する。この血液は、更にそして大いに、様々な器官及び区域（筋肉、皮膚、皮下組織等）から来ており、その様々な器官及び区域は、麻酔状態で、ゼロに近いＶＯ_２を有し、従って全静脈血に寄与し、患者自身の静脈血は、１００％に近いＳｖＯ_２を有する。従って、非常に重要な器官（腎臓、脳、腸、及び心臓自体）の中の１又はそれより多くの器官への低い潅流の場合（それは、静脈血不飽和が６０％まで低下したと決定する。）、合計の混合は、まだ正常な範囲（７０−７５％）におけるグローバルＳｖＯ_２をもたらす。

本発明の課題は、従来技術を克服し、そして心臓手術中の酸素送出（ＤＯ_２）及び炭酸ガス生成（ＶＣＯ_２）値について、及び患者の代謝の必要性に関して酸素送出（ＤＯ_２）の適切さについての適切で連続的及びオンラインの情報を提供するモニタリング・システムを提供することにある。

本発明の別の課題は、信頼性があり、正確で、且つ同時に適用するのに安価で容易であるモニタリング・システムを提供することにある。

これらの課題は、特徴が添付の特許請求の範囲の中のいわゆる独立形式の請求項にそれぞれ記載された装置及び方法により達成される。本発明の有利な実施形態は、添付の特許請求の範囲のいわゆる従属形式の請求項に記載のものから明らかである。

本発明に従ったモニタリング・システムを構築するため用いられる病理生理学的基礎は、次の通りである。

定義及び略語
ＨＣＴ：ヘマトクリット（％）
Ｈｂ：ヘモグロビン（ｇ／ｄＬ）
ＣＰＢ：心肺バイパス
Ｔ：温度（℃）
ＶＯ_２＝酸素消費量（ｍＬ／ｍｉｎ）
ＶＯ２ｉ＝インデックスされた酸素消費量（ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘｅｄ）（ｍＬ／ｍｉｎ／ｍ^２）
ＤＯ_２＝酸素送出量（ｍＬ／ｍｉｎ）
ＤＯ_２ｉ＝インデックスされた酸素送出量（ｏｘｙｇｅｎ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｉｎｄｅｘｅｄ）（ｍＬ／ｍｉｎ／ｍ^２）
Ｏ_２ ＥＲ＝酸素抽出率（％）
ＶＣＯ_２＝炭酸ガス生成量（ｍＬ／ｍｉｎ）
ＶＣＯ_２ｉ＝インデックスされた炭酸ガス生成量（ｍＬ／ｍｉｎ／ｍ^２）
Ｖｅ＝換気量（Ｌ／ｍｉｎ）
ｅＣＯ_２＝呼気された炭酸ガス（ｍｍＨｇ）
ＡＴ＝無酸素スレッショルド（ａｎａｅｒｏｂｉｃ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）
ＬＡＣ＝乳酸塩
Ｑｃ＝心臓送出量（ｍＬ／ｍｉｎ）
ＩＣ＝心係数（Ｑｃ／ｍ^２），（ｍＬ／ｍｉｎ／ｍ^２）
Ｑｐ＝ポンプ流量（ｍＬ／ｍｉｎ）
ＩＰ＝インデックスされたポンプ流量（Ｑｐ／ｍ^２），（ｍＬ／ｍｉｎ／ｍ^２）
ＣａＯ_２＝動脈酸素含有量（ｍＬ／ｄＬ）
ＣｖＯ_２＝静脈酸素含有量（ｍＬ／ｄＬ）
ＰａＯ_２＝動脈酸素張力（ｍｍＨｇ）
ＰｖＯ_２＝静脈酸素張力（ｍｍＨｇ）
ａ＝動脈
ｖ＝静脈
Ｓａｔ＝Ｈｂ飽和度（％）。

以下の方程式が、本発明に従ったモニタリング・システムを実現するため適用される。

（１） ＶＯ_２＝Ｑｃ×（ＣａＯ_２−ＣｖＯ_２） （正常な循環において）
（２） ＶＯ_２＝Ｑｐ×（ＣａＯ_２−ＣｖＯ_２） （ＣＰＢ中において）
（３） ＤＯ_２＝Ｑｃ×ＣａＯ_２ （正常な循環において）
（４） ＤＯ_２＝Ｑｐ×ＣａＯ_２ （ＣＰＢ中において）
（５） Ｏ_２ ＥＲ＝ＶＯ_２／ＤＯ_２（％）
（６） Ｈｂ＝ＨＣＴ／３
（７） ＣａＯ_２＝Ｈｂ×１．３６×Ｓａｔ（ａ）＋ＰａＯ_２×０．００３
（８） ＣｖＯ_２＝Ｈｂ×１．３６×Ｓａｔ（ｖ）＋ＰｖＯ_２×０．００３
（９） ＶＣＯ_２＝Ｖｅ×ｅＣＯ_２×１．１５

例えば、体重７０ｋｇの正常な被験者は、次の生理学的パラメータを有する。
Ｈｂ＝１５ｇ／ｄＬ
ＰａＯ_２＝９０ｍｍＨｇ
Ｓａｔ（ａ）Ｈｂ＝９９％＝０．９９
ＰｖＯ_２＝４０ｍｍＨｇ
Ｓａｔ（ｖ）Ｈｂ＝７５％＝０．７５
Ｑｃ＝５０００ｍＬ／ｍｉｎ
ＣａＯ_２＝１５×１．３６×０．９９＋９０×０．００３＝２０．４ｍＬ／ｄＬ
ＣｖＯ_２＝１５×１．３６×０．７５＋４０×０．００３＝１５．４ｍＬ／ｄＬ
ＶＯ_２＝５Ｌ／ｍｉｎ×（２０．４ｍＬ／ｄＬ−１５．４ｍＬ／ｄＬ）
＝５Ｌ／ｍｉｎ×５ｍＬ／ｄＬ＝５Ｌ／ｍｉｎ×５０ｍＬ／Ｌ
＝２５０ｍＬ／ｍｉｎ
ＤＯ_２＝５Ｌ／ｍｉｎ×２０．４ｍＬ／ｄＬ＝５Ｌ／ｍｉｎ×２００ｍＬ／Ｌ
＝１０００ｍＬ／ｍｉｎ
Ｏ_２ ＥＲ＝２５０／１０００＝２５％
ＶＣＯ_２＝２００ｍＬ／ｍｉｎ
ＬＡＣ≦１．５ｍＭｏｌ／Ｌ

酸素消費量（ＶＯ_２）は、全器官の代謝の必要量を表す。それは、各特定器官の代謝必要量の和である。基底の条件（安静時）下で、それは、体重７０ｋｇの被験者に対して約３−４ｍＬ／ｍｉｎ／ｋｇ、即ち約２５０ｍｌ／ｍｉｎである。方程式（３）及び（７）を適用すると、酸素送出量（ＤＯ_２）が計算され、約１０００ｍＬ／ｍｉｎである。従って、ＤＯ_２がＶＯ_２より約４倍大きいので、相当の機能上の予備が存在する。ＶＯ_２は、（基本的に、身体の運動下で、しかし敗血症性ショックのような病理学的条件においてすら）代謝必要量に依存して増大し得る。トップ・レベルの持久力のあるアスリート（運動選手）は、約５０００ｍＬ／ｍｉｎの最大ＶＯ_２に達し得る。

勿論、これらの増大する酸素要求量に適合するため、ＤＯ_２は、同様に増大しなければならず、それは、運動中のアスリートにおいて、６０００ｍＬ／ｍｉｎの値（Ｑｃ：３０Ｌ／ｍｉｎであり、２０ｍＬ／ｄＬの不変の動脈酸素含有量を有する。）に達する。その結果、Ｏ_２ＥＲは、最大７５％まで増大し得る。

図１は、運動中のアスリートにおけるＤＯ_２とＶＯ_２との関係を示す図である。アスリート（例えば、マラソンを走っている。）が暗い三角形ゾーン（このゾーンでは、ＤＯ_２がＶＯ_２をサポートすることができない。）の中に入る場合、このアスリートは、機械的エネルギを発生するため強制的に他の代謝メカニズムを用いるになる。実際には、アスリートは、無酸素性乳酸代謝（ａｎａｅｒｏｂｉｃ ｌａｃｔａｃｉｄ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ）を用いるであろう。その無酸素性乳酸代謝は、エネルギを発生するが、しかし乳酸形成、局所的及び系統的アシドーシスを犠牲にしてであり、そして最終的に運動は、通常２分以内に停止する。換言すると、ＶＯ_２は、ＤＯ_２に生理学的に依存する。

医療分野では、勿論、状況が異なる。ＤＯ_２は、貧血症に起因した動脈酸素含有量の低下、低酸素状態に起因した動脈酸素含有量の低下、及び心送出量の低下のケースにおいて病理学的に低減し得る。

しかしながら、上記の生理学的予備（ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｅｓｅｒｖｅ）が存在することに起因して、ＶＯ_２は、Ｏ_２ＥＲの増大に起因して約６００ｍＬ／ｍｉｎまで低下したＤＯ_２（ＤＯ_２ｉが３２０ｍＬ／ｍｉｎ／ｍ^２）に対してさえ維持され得る。

図２は、医療状態（即ち、心臓手術）中に観測された範囲におけるＤＯ_２とＶＯ_２との関係を示す図である。ＤＯ_２が６００ｍＬ／ｍｉｎより下では、ＶＯ_２は、減少し始める。患者は、アスリートのように正確に、乳酸塩（ｌａｃｔａｔｅｓ）（ＬＡＣ）生成を伴った乳酸性アシドーシスを被る。換言すると、その患者は、ショックを経験する。

そのより下ではＶＯ_２が低下し始めそして病理学的にＤＯ_２に依存するＤＯ_２レベルは、臨界的ＤＯ_２（ＤＯ_{２ｃｒｉｔ}）と呼ばれる。ＤＯ_２をこのスレッショルドより上に維持することは、アシドーシス−ショック状態を避けるため多くの病理学的条件において非常に重要である。ＤＯ_{２ｃｒｉｔ}は、敗血症性ショック中には一層高い。

１９９４年以降、「Ｐｅｒｆｕｓｉｏｎ（潅流）」に発表された論文において、Ｒａｎｕｃｃｉ及び共同研究者は、ＣＰＢを用いた心筋血管再生を受けた一連の３００人の連続した患者において厳しい血液希釈の存在が術後の急性腎不全（ＡＲＦ）に対する独立の危険因子であることを立証した。特に、遮断値（ｃｕｔ−ｏｆｆ ｖａｌｕｅ）は、ＨＣＴ＜２５％で特定された。

引き続き、他の著者は、ＣＰＢ中の最低のＨＣＴが心臓手術における多くの「不利な転帰」に対する独立の危険因子であることを立証した。Ｓｔａｎｆｏｒｄ−Ｓｍｉｔｈ及び共同研究者は、１９９８年（Ａｎｅｓｔｈ Ａｎａｌｇ）に血液希釈とＡＲＦとの関係を確定した。

より最近には、Ｆａｎｇ及び共同研究者（「血液循環（Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）」１９９７年）により、ＣＰＢ上の最低のヘマトクリットが術後の低心送血量及び院内死亡率に対する独立の危険因子と確認され、そしてＣＰＢ上の最低のヘマトクリットがＨａｂｉｂ及び共同研究者により２００３年（「胸部心臓外科誌（Ｊ Ｔｈｏｒａｃ Ｃａｒｄｉｏｖａｓｃ Ｓｕｒｇ．）」）に印象的な一連の術後の悪影響事象に対する独立の危険因子と確認された。続いて、血液希釈とＡＲＦとの関係は、Ｓｗａｍｉｎａｔｈａｎ及び共同研究者により２００３年（「胸部外科年報（Ａｎｎ Ｔｈｏｒａｃ Ｓｕｒｇ．）」）により、またＲａｎｕｃｃｉ及び共同研究者により２００４年及び２００５年（「胸部外科年報」）により確認された。それより下ではＡＲＦ危険率が著しく増大する臨界的ＨＣＴ値は、２３％と２６％との間に位置する。

殆ど全ての著者は、この関係が様々な器官への不十分な酸素供給（ＤＯ_２）に帰すると考えている。腎臓は、特に、低酸素潅流の生理学的条件のため高い危険にさらされているようにみえる。

驚くべきことに、ＨＣＴとＡＲＦ又は他の器官の損傷との関係を立証する全ての研究は、ＨＣＴがＣＰＢ中のＤＯ_２の２つの決定因子のうちの唯１つのものであることを考慮し損なった。なお、２つの決定因子のうちの他方の決定因子は、ポンプ流量（Ｑｐ）である。これは、Ｑｐが一定である場合影響を与えないであろうが、しかしこれは、そのケースでない。全ての研究において、ポンプ流量（Ｑｐ）は、２．０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ^２のＱｐｉから３．０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ^２のＱｐｉまで変わり、そしてその変動は、潅流圧力に依存した。２４％のＨＣＴは、Ｑｐｉが２．０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ^２である場合２３０ｍｌ／ｍｉｎ／ｍ^２のＤＯ_２ｉを、そしてＱｐｉが３．０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ^２である場合３４４ｍｌ／ｍｉｎ／ｍ^２のＤＯ_２ｉをもたらす。

本出願の優先日にまだ発行されていなかった胸部外科年報（Ｔｈｅ Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｔｈｏｒａｃｉｃ Ｓｕｒｇｅｒｙ）の科学論文において、Ｒａｎｕｃｃｉ及び共同研究者は、ＨＣＴよりむしろＤＯ_２ｉがＡＲＦの最良の予測指標（ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ）であることを実際に立証した。更に、手術中の輸血の存在下で、ＤＯ_２ｉは、ＡＲＦの唯一の決定因子に留まっている。この論文で特定されたＤＯ_{２ｃｒｉｔ}は、２７２ｍｌ／ｍｉｎ／ｍ^２であり、そしてそれは、それより下ではＶＯ_２がＤＯ_２に病理学的に依存するようになるＤＯ_２ｉとして前に定義されたＤＯ_{２ｃｒｉｔ}と非常に近い。換言すると、ＤＯ_２ｉをこのスレッショルドより上に維持することにより、低酸素性器官機能不全の低減、又は低酸素性器官機能不全の排除が可能になり、低いＨＣＴの存在下で、Ｑｐの適切な増大が、低酸素血の有害な影響を最小にし得る。その結果、ＤＯ_２の連続的モニタリングは、術後の合併症、即ち腎臓の合併症を制限するため最も重要である。

低いＨＣＴを測定することは、唯一可能な（そして議論の余地のある）防護措置が輸血であるので、低い臨床的価値しかない。他方、ＤＯ_２は、ポンプ流量を増大することにより変調され得る。

それより下ではＬＡＣ生成が始まるＤＯ_{２ｃｒｉｔ}のレベルは、「無酸素スレッショルド」（ＡＴ）の概念により特定される。アスリートでは、それは、そのレベルでＬＡＣ生成が始まる表された機械的パワーのレベルであり、患者では、それは、それより下でＬＡＣ生成が始まるＤＯ_{２ｃｒｉｔ}のレベルである。

ＣＰＢ中のＬＡＣ値が術後の合併症に対して予測的であることが立証された。問題は、ＬＡＣ値がオンラインで利用可能でなく、そしてほんの幾つかの装置（血液ガス分析器）がそれを提供することである。しかしながら、ＡＴの「間接」評価をすることは可能である。実際のところ、定常条件下で、ＶＯ_２／ＶＣＯ_２比は一定であり、一方無酸素性乳酸代謝下で、ＶＣＯ_２は、ＶＯ_２より増大する。これは、乳酸が次の変換式

ＨＬＡＣ＋ＮａＨＣＯ_３＝ＬＡＣ Ｎａ＋Ｈ_２ＣＯ_３

に従うので起こり、そしてＨ_２ＣＯ_３は、Ｈ_２ＯとＣＯ_２とに分解され、従って更にＣＯ_２が生成される。

図３は、ＶＯ_２とＶＣＯ_２との関係を示す図である。ＶＣＯ_２とＬＡＣ生成との関係は、本発明者自身により実施された実験でＣＰＢ下での１５人の連続した患者で立証された。図４において、ＶＣＯ_２とＬＡＣ生成との間の図的関係が報告されている。この関係から、６０ｍｌ／ｍｉｎ／ｍ^２のＶＣＯ_２ｉ値が乳酸性アシドーシスの感度の良い予測指標であるように見える。

前の実験情報に基づき、且つ本発明に従って、ＣＰＢを用いた心臓手術のためのモニタリング・システムが開発された。このモニタリング・システムは、
人工心肺装置に動作的に接続されたプロセッサと、
前記人工心肺装置のポンプに接続されて、ポンプ流量を連続的に測定し、そのポンプ流量データを前記プロセッサに送るポンプ流量読み取り装置と、
動脈又は静脈ライン内部に挿入されて、ヘマトクリット値を連続的に測定し、それを前記プロセッサに送るヘマトクリット値読み取り装置と、
オペレータが動脈酸素飽和度（Ｓａｔ（ａ））及び動脈酸素張力（ＰａＯ_２）についてのデータを手動で入力するのを可能にするデータ入力装置と、
前記プロセッサに統合化されて、酸素送出（ＤＯ_２ｉ）値を前記の測定されたポンプ流量（Ｑｐ）、前記の測定されたヘマトクリット（ＨＣＴ）、動脈酸素飽和度（Ｓａｔ（ａ））のプリセット値、及び動脈酸素張力（ＰａＯ_２）のプリセット値に基づいて計算する計算手段と、
前記プロセッサに接続されて、前記の計算されたＤＯ_２ｉ値をリアルタイムで表示するディスプレイとを含む。

このシステムは、人工心肺装置の酸素付加装置のガス排出口で呼出ＣＯ_２（ｅＣＯ_２）を連続的に検出するため、ＣＯ_２読み取り装置と一緒に実行され得ることが有利である。データ入力装置は、オペレータがガス流量値（Ｖｅ）を挿入することを可能にし、計算手段は、プリセットされたガス流量（Ｖｅ）値と検出された呼出ＣＯ_２（ｅＣＯ_２）とに基づいてＣＯ_２生成量（ＶＣＯ_２ｉ）を計算し、そしてディスプレイは、その計算されたＣＯ_２生成（ＶＣＯ_２ｉ）値を表示する。

一実施形態において、本発明は、上記酸素送出（ＤＯ_２ｉ）値を酸素送出のスレッショルド値（ＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）と比較する比較手段と、上記酸素送出（ＤＯ_２ｉ）値が酸素送出のスレッショルド値（ＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）より下に落ちるとき起動される警報装置とを更に備えるモニタリング・システムを提供する。一実施形態において、酸素送出のスレッショルド値（ＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）が、オペレータにより約２７０ｍｌ／ｍｉｎ／ｍ^２にプリセットされる。一実施形態において、モニタリング・システムは更に、患者の体温（Ｔ）を連続的に測定し、且つ上記ディスプレイにより表示されるよう当該体温値を上記プロセッサに送ることが可能である温度検出装置（４０）を備える。モニタリング・システムは更に、入力として検出された患者の体温（Ｔ）値を受け取る酸素送出スレッショルド計算手段を備える。

モニタリング・システムの一実施形態において、上記プロセッサが、上記の検出されたヘマトクリット（ＨＣＴ）値からヘモグロビン（Ｈｂ）値を計算し、且つ上記ディスプレイにより表示されるよう当該ヘモグロビン（Ｈｂ）値を上記酸素送出計算手段に送ることが可能であるヘモグロビン値計算手段を含む。モニタリング・システムの別の実施形態において、上記プロセッサが、ポンプ流量（Ｑｐ）及び患者の体表面積（ＢＳＡ）の値からインデックスされたポンプ流量（Ｑｐｉ）を計算することが可能である計算手段を含む。モニタリング・システムの一実施形態において、上記データ入力装置は、オペレータが患者の体重及び身長についてのデータを手動で入力することを可能にし、それにより上記計算手段が、前記患者の体表面積（ＢＳＡ）を計算することが可能である。一実施形態において、上記ポンプ流量検出装置が、ドップラー読み取りセルを含む。

本発明は、心肺バイパスを用いた心臓手術のためのモニタリング・システムであって、人工心肺装置に動作的に接続されたプロセッサと；前記人工心肺装置の酸素付加装置に配置されて、呼出ＣＯ_２（ｅＣＯ_２）値を連続的に検出し、且つそれを前記プロセッサに送るＣＯ_２検出装置と、；オペレータが前記人工心肺装置のガス流量（Ｖｅ）についてのデータを手動で入力することを可能にするデータ入力装置と；プリセットされたガス流量（Ｖｅ）及び検出された呼出ＣＯ_２（ｅＣＯ_２）からＣＯ_２生成量（ＶＣＯ_２ｉ）を計算することが可能である計算手段と；前記プロセッサに接続されて、計算された前記のＣＯ_２生成量（ＶＣＯ_２ｉ）をリアルタイムで表示するディスプレイとを備えるモニタリング・システムを提供する。一実施形態において、モニタリング・システムは更に、計算された上記のＣＯ_２生成（ＶＣＯ_２ｉ）値をＣＯ_２生成スレッショルド値（ＶＣＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）と比較する比較手段と、前記のＣＯ_２生成（ＶＣＯ_２ｉ）値がＣＯ_２生成スレッショルド値（ＶＣＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）を超えるときに常に起動される警報装置とを備える。

本発明は、心肺バイパス及び人工心肺装置を用いた心臓手術中に患者のパラメータをモニタリングする方法であって、前記人工心肺装置のポンプからポンプ流量（Ｑｐ）を連続的に検出するステップと；前記人工心肺装置の動脈又は静脈ラインからヘマトクリット（ＨＣＴ）値を連続的に検出するステップと；患者の動脈血から導出された動脈酸素飽和度（Ｓａｔ（ａ））値を設定するステップと；患者の動脈血から導出された動脈酸素張力（ＰａＯ_２）値を設定するステップと；前記の検出され設定された値から患者の酸素送出量（ＤＯ_２ｉ）を計算するステップと；前記の計算された酸素送出量（ＤＯ_２ｉ）を表示するステップとを備える方法を提供する。一実施形態において、本方法は更に、酸素送出スレッショルド（ＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）値を設定するステップと、上記の計算された酸素送出（ＤＯ_２ｉ）値を前記酸素送出スレッショルド（ＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）値と比較するステップと、上記の計算された酸素送出（ＤＯ_２ｉ）値が前記の設定された酸素送出スレッショルド（ＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）値より下に落ちるときは常に起動される警報信号を起動するステップとを備える。一実施形態において、前記警報信号は、前記の計算された酸素送出（ＤＯ_２ｉ）値が前記の設定された酸素送出スレッショルド（ＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）値より下にプリセット期間より短い期間落ちるときは起動されない。一実施形態において、本方法は更に、患者の体温（Ｔ）の連続的な検出及び表示を備える。一実施形態において、本方法は、上記の検出された体温（Ｔ）から酸素送出スレッショルド（ＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）を計算するステップを備える。

本発明は、心肺バイパス及び人工心肺装置を用いた心臓手術中に患者のパラメータをモニタリングする方法であって、前記人工心肺装置のポンプから呼出ＣＯ_２（ｅＣＯ_２）値を連続的に検出するステップと；前記人工心肺装置のガス流量（Ｖｅ）を設定するステップと；呼出炭酸ガス（ｅＣＯ_２）の前記の検出された値及びガス流量（Ｖｅ）の設定値から炭酸ガス生成量（ＶＣＯ_２ｉ）を計算するステップと；前記の計算された炭酸ガス生成量（ＶＣＯ_２ｉ）値を表示するステップとを備える方法を提供する。一実施形態において、本方法は更に、炭酸ガス生成スレッショルド（ＶＣＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）値を設定するステップと、前記の計算された炭酸ガス生成量（ＶＣＯ_２ｉ）値を前記の設定された炭酸ガス生成スレッショルド（ＶＣＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）値と比較するステップと、前記の計算された炭酸ガス生成量（ＶＣＯ_２ｉ）値が前記の設定された炭酸ガス生成スレッショルド（ＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}）値を超えたとき常に警報信号を起動するステップとを備える。

本発明は、心臓手術のためのモニタリング・システムであって、人工心肺装置に接続されたプロセッサと；人工心肺装置のポンプに接続され、ポンプ流量の値（Ｑｐ）を測定し且つそれをプロセッサに送るポンプ流量読み取り装置と；人工心肺装置の回路に接続され、ＨＣＴ値を測定し且つそれをプロセッサに送る血液ヘマトクリット（ＨＣＴ）値読み取り装置と；酸素付加装置のガス排出口で呼出ＣＯ_２（ｅＣＯ_２）を検出するＣＯ_２検出装置と；動脈酸素飽和度（Ｓａｔ（ａ））、動脈酸素張力（ＰａＯ_２）及びガス流量（Ｖｅ）に関するデータを手動で入力するデータ入力装置と；酸素送出値（ＤＯ_２ｉ）及びＣＯ_２生成値（ＶＣＯ_２ｉ）を、前記の検出され且つ設定された値に基づいて計算する計算手段と；プロセッサに接続され、ＤＯ_２ｉ及びＶＣＯ_２ｉの上記の計算された値を表示するディスプレイとを備えるモニタリング・システムを提供する。

本発明の更なる特徴は、添付の図面に示された本発明の非限定的実施形態を参照した以下の詳細な説明により明瞭にされるであろう。

以下の記載においては、図５、図６、図７及び図８を参照して、本発明に従った心肺バイパスを用いた心臓手術のためのモニタリング・システムが、説明される。

図５は、患者１が手術台２上に横たわっているところを示す。参照番号３で包括的に特定される人工心肺装置が、患者１に接続されている。当該技術で既に知られているように、人工心肺装置３は、血液を患者１の静脈系から収集する静脈体外循環回路を備える。ローラ式又は遠心式の機械式ポンプ４は、静脈血を静脈体外循環回路から酸素付加装置５に向けて送り、その役割は、ＣＯ_２を静脈血から除去し且つ酸素（Ｏ_２）を供給することにある。酸素付加装置５により酸素付加された血液は、再び、同じローラ式又は遠心式ポンプ４により、患者１の動脈系に接続された動脈体外循環回路に送られ、従って、患者１の心臓及び肺の全体的バイパスを生成する。

参照番号１０で包括的に特定された本発明に従ったモニタリング・システムは、人工心肺装置３に動作的に接続される。モニタリング・システム１０は、以下で説明されるように計算を実行することができるプロセッサと、オペレータとのインターフェースとして働くモニタ・スクリーン又はディスプレイ１１とを備える。

オペレータからの手動データ入力
モニタリング・システム１０の全面部分に配置されたノブ５０（図７及び図８）を用いて、オペレータは、データを入力し得て、当該データは、モニタリング・システム１０のプロセッサ・メモリにより格納されるであろう。オペレータにより手動で挿入されるデータは、次のとおりである。

（１）患者の身長及び体重
（２）動脈酸素飽和度（Ｓａｔ（ａ））。ＣＰＢ処置中のこの値は、通常１００％である。しかしながら、酸素付加装置の機能不全のような異常事象の場合には、酸素飽和度（Ｓａｔ（ａ））の値は、低減し得る。この場合、オペレータは、ノブ５０を用いてこの値を手動で変え得る。

（３）動脈酸素張力（ＰａＯ_２）値。このＰａＯ_２値は、適切な特定の装置を用いて、血液ガス分析器により患者の動脈血についてパーヒュージョニスト（ｐｅｒｆｕｓｉｏｎｉｓｔ）（潅流技師）により測定される。

（４）ガス流量値（Ｖｅ）。この値Ｖｅは、人工心肺装置３を動作させるパーヒュージョニストにより確立される。一般的に、Ｖｅは、流量計を用いて、患者のパラメータに従って１Ｌ／ｍｉｎと５Ｌ／ｍｉｎの範囲に調整される。このＶｅ値は、ＣＰＢ処置中めったに変えられず、従ってオペレータにより手動で挿入されることができる。しかしながら、代替として、モニタリング・システム１０は、人工心肺装置３に接続されてＶｅ値を連続的に検出する電子式流量計を含み得る。

人工心肺装置にインターフェースされるデータ
モニタリング・システム１０は、人工心肺装置３の特定の位置に配置された適切なセンサにより収集されたデータを連続的に受け取るように人工心肺装置３への或る電気的接続手段が設けられている。これらの連続的に収集されたデータは、次のとおりである。

（１）患者の体温（Ｔ）。この体温Ｔは、患者の食道又は直腸の内部に挿入された温度プローブにより連続的に測定される。温度プローブ４０は、体温の電子信号を、リアルタイムで体温値を視覚的に見せる人工心肺装置のモニタへ送る。この場合、それは、体温値Ｔの連続的入力のため、人工心肺装置３のモニタをモニタリング装置１０と電気的に接続する手段とインターフェースすることで十分である。

（２）呼出された炭酸ガス（ｅＣＯ_２）。この呼出炭酸ガスｅＣＯ_２値は、酸素付加装置５から放出（呼出）された副流ＣＯ_２を検出するため酸素付加装置５のガス排出口に配置されたＣＯ_２検出器４１を介して測定される。ＣＯ_２検出器４１は、様々な商業的に入手可能で再使用可能なカプノグラフの中のいずれの種類のＣＯ_２検出器であってよい。

（３）ヘマトクリット（ＨＣＴ）。ＨＣＴ値は、人工心肺装置３の動脈又は静脈回路の内部に配置されたヘマトクリット読み取りセル４２を介して連続的に測定される。例えば、図５において、ヘマトクリット読み取りセル４２は、ポンプ４と酸素付加装置５との間の動脈ラインの内部に配置される。ヘマトクリット読み取りセル４２は、商業的に入手可能であり、そして使い捨て可能である。

（４）ポンプ流量（Ｑｐ）。Ｑｐ値は、人工心肺装置３の動脈ライン上に配置されたドップラー読み取りセル４３を介して連続的に測定される。この種のドップラー読み取りセル４３は、血液流量をドップラーの原理（赤血球速度）に基づいて測定する。

体外循環回路のポンプ４が遠心式ポンプである場合、それは、既にドップラー読み取りセル４３に装着されている。逆に、ポンプ４がローラ式ポンプである場合、ドップラー読み取りセル４３は追加され得る。代替実施形態においては、ドップラー読み取りセル４３は、ローラ式ポンプ・ヘッドが流量測定システムに設けられているので省略され得る。この場合、ポンプ流量Ｑｐについてのデータは、モニタリング装置１０に直接送られる。

図６を特に参照して、モニタリング・システム１０の動作が、以下で説明される。モニタリング・システム１０のプロセッサは、第１の計算プログラム１２を含み、当該第１の計算プログラム１２は、オペレータにより入力された患者の体重及び身長に基づいて、事前定義された表に従って、患者の体表面積（ＢＳＡ）を計算する。

ＢＳＡ値は、第２の計算プログラム１３に送られ、当該第２の計算プログラム１３は、人工心肺装置３のポンプ４により検出されたポンプ流量Ｑｐの入力値を受け取る。第２の計算プログラム１３は、関係式ＱｐＩ＝Ｑｐ／ＢＳＡに従ってインデックスされたポンプ流量Ｑｐｉを計算する。

第３の計算プログラム１４は、人工心肺装置３の静脈又は動脈ラインの内部に配置されたヘマトクリット読み取りセル４３により検出された入力値ＨＣＴを受け取る。第３の計算プログラム１４は、方程式（６）に基づいて、ヘモグロビン値Ｈｂを計算する。Ｈｂ値は、ディスプレイ１１に送られ、そしてディスプレイ１１の窓５１の中に表示される（図７）。

第２の計算プログラム１３により計算されたインデックスされたポンプ流量Ｑｐｉ、及び第３の計算プログラム１４により計算されたヘモグロビン値Ｈｂは、第４の計算プログラム１５に送られ、当該第４の計算プログラム１５は、入力値として、オペレータにより手動で入力された動脈酸素飽和度（Ｓａｔ（ａ））及び動脈酸素張力（ＰａＯ_２）の値を受け取る。第４の計算プログラム１５は、方程式（４）に従って、インデックスされた酸素送出値（ＤＯ_２ｉ）を計算する。

図７に示されるように、ＤＯ_２ｉ値は、ディスプレイ１１の窓５３の中にリアルタイムで、そしてグラフィカル・パターン５２として（時間の関数として）視覚化されて見える。ディスプレイ１１には、ＣＰＢの始めから経過した時間を示すクロノメータ窓５６が設けられている。

図６に示されるように、ＤＯ_２ｉ値は、比較器１８に送られ、当該比較器１８は、それをＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}のスレッショルド値と比較し、当該ＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}のスレッショルド値は、ディスプレイ１１の窓５４（図７）に表示される。このスレッショルド値は、３４℃と３７℃の間の温度において２７０ｍｌ／ｍｉｎ／ｍ^２に設定され、そして温度の関数として線形で低減する。

従って、ＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}のスレッショルド値は、オペレータによりプリセットされ、又は計算プログラム１７により、温度プローブ４０により決定された温度値Ｔに依存して計算され得る。温度プローブ４０により決定された温度Ｔは、ディスプレイ１１に送られて、窓５５の中に表示される。

ＤＯ_２ｉ値がＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}より下に落ちるとき、比較装置１６は、制御信号を警報器１６に送り、当該警報器１６が、起動して、オペレータに可能性のある危険条件を警報する。

警報器１６は、ポンプ流量Ｑｐの短時間の低減によっては起動されない（多くの場合ＣＰＢ中に必要である。）。従って、警報器１６は、ＤＯ_２ｉがＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}より下であることの連続的検出の５分後に作動されるよう設定されることができるであろう。しかしながら、低い流量の全ての期間を記録することを行って、低い流量の多くの短い期間が追加の効果を生成し得る可能性を分析し回避することができる。約９０分継続する正常なＣＰＢ中にＤＯ_２ｉがＤＯ_{２ｉｃｒｉｔ}より下である時間が２０分以下（合計として）であることを考慮することは合理的である。モニタリング装置１０には、計算プログラム１９が設けられ、当該計算プログラム１９は、入力値として、ＣＯ_２検出器４１により検出された呼出炭酸ガスｅＣＯ_２と、オペレータにより設定されたガス流量Ｖｅとを受け取る。これらの入力データに従って、計算プログラム１９は、方程式（９）を適用して、インデックスされた炭酸ガス生成量ＶＣＯ_２ｉを計算する。

計算プログラム１９により計算されたＶＣＯ_２ｉ値は、ディスプレイ１１に送られ、そして窓５７（図７）の中にリアルタイムで、そしてそのグラフィック関係５８の中に時間の関数として表示される。

ＶＣＯ_２ｉ値は、第２の比較器２０に送られ、当該第２の比較器２０は、それを、オペレータにより設定された無酸素スレッショルド値ＶＣＯ_{２ｉｃｒｉｔ}と比較する。なお、デフォルトにより、ＶＣＯ_{２ｉｃｒｉｔ}は、６０ｍｌ／ｍｉｎ／ｍ^２にプリセットされる。図７に示されるように、ディスプレイ１１には、オペレータにより設定された無酸素スレッショルド値ＶＣＯ_{２ｉｃｒｉｔ}の値を示す窓５９が設けられている。

図６に戻ると、ＶＣＯ_２ｉがＶＣＯ_{２ｉｃｒｉｔ}を超えたとき、警報信号が、第２の警報器２１に送られ、当該第２の警報器２１は、起動されたとき、オペレータに警報条件を警報する。更に、図７に示されるように、ディスプレイ１１には、窓６０が設けられ、当該窓６０には、オペレータにより設定されたガス流量値Ｖｅが表示される。また、ディスプレイ１１には窓６１が設けられ、当該窓６１には、計算プログラム１３から到着されたインデックスされたポンプ流量値Ｑｐｉが表示される。更に、ディスプレイ１１には窓６２が設けられ、当該窓６２には、計算プログラム１２により計算された患者の体表面積が、表示される。

モニタリング・システム１０には、データ記録システム、プリンタ・インターフェース、及び／又はディジタル・データ記録システムを設けることができる。ディスプレイ１１は、２つの形態、即ち、図７に示される形態のような完全な形態と、図８に示されるようなＤＯ_２パラメータのみを考慮した縮小された形態とを含むことができるであろう。

上記の記載及び添付の図面は、本発明の実施形態を説明するために提供され、いずれにしても本発明の範囲を限定する意図ではない。様々な変更及び変化が、本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなしに心臓手術のためのシステム及び方法において行われることができることが当業者には明らかであろう。従って、本発明の変更及び変化が添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物内に入る場合、本発明が、この発明の変更及び変化をカバーすることを意図するものである。

参考文献
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８．Ｒａｎｕｃｃｉ Ｍ、Ｍｅｎｉｃａｎｔｉ Ｌ、Ｆｒｉｇｉｏｌａ Ａ：心肺バイパス中の急性腎臓損傷及び最低ヘマトクリット：細胞の低酸素血の事項のみでなく。（Ａｎｎ Ｔｈｏｒａｃ Ｓｕｒｇ、２００４年；７８：１８８０−１）
９．Ｄｅｍｅｒｓ Ｐ、Ｅｌｋｏｕｒｉ Ｓ、ＭａｒｔｉｍｅａｕＲ他：「成人の心臓手術における心肺バイパス中の高い血液乳酸レベルによる結果（Ａｎｎ Ｔｈｏｒａｃ Ｓｕｒｇ、２０００年；７０：２０８２−６）

図１は、身体の運動下にあるアスリートのＶＯ_２とＤＯ_２との関係を示すグラフである。 図２は、心臓手術下の患者のＶＯ_２とＤＯ_２との関係を示すグラフである。 図３は、ＶＯ_２とＤＯ_２との間関係を示すグラフである。 図４は、ＬＡＣとＶＣＯ_２ｉとの関係を示すグラフである。 図５は、本発明による患者に接続された人工心肺装置の概略図及びモニタリング・システムのブロック図である。 図６は、本発明に従ったモニタリング・システムをより詳細に示すブロック図である。 図７は、本発明に従ったモニタリング装置の正面図であってディスプレイのスクリーンの表示を示す図である。 図８は、図７に類似した本発明による最小形態のモニタリング装置を示す図である。

符号の説明

１ 患者
２ 手術台
３ 人工心肺装置
４ ポンプ
５ 酸素付加装置
１０ モニタリング・システム
１１ ディスプレイ
１２、１３、１４、１５、１７、１９ 計算プログラム
１８、２０ 比較器
４０ 温度プローブ
４１ ＣＯ_２検出器
４２ ヘマトクリット読み取りセル
４３ ドップラー読み取りセル
５１、５３、５４、５５、５６、５７、５９、６１、６２ 窓
５２ グラフィカル・パターン

Claims (2)

1. 心肺バイパスを用いた心臓手術のためのモニタリング・システム（１０）であって、
   人工心肺装置（３）に動作的に接続されたプロセッサと、
   前記人工心肺装置（３）の酸素付加装置（５）に配置されて、呼出されたＣＯ_２（ｅＣＯ_２）値を連続的に検出し、それを前記プロセッサに送るＣＯ_２検出装置（４１）と、
   オペレータが前記人工心肺装置（３）のガス流量（Ｖｅ）についてのデータを手動で入力することを可能にするデータ入力装置（５０）と、
   プリセットされたガス流量（Ｖｅ）及び検出された呼出ＣＯ_２（ｅＣＯ_２）からＣＯ_２生成量（ＶＣＯ_２ｉ）を計算することが可能である計算手段（１９）と、
   前記プロセッサに接続されて、前記の計算されたＣＯ_２生成量（ＶＣＯ_２ｉ）をリアルタイムで表示するディスプレイ（１１）と
   を備え、
   前記の計算されたＣＯ _２ 生成（ＶＣＯ _２ｉ ）値をＣＯ _２ 生成スレッショルド値（ＶＣＯ _{２ｉｃｒｉｔ} ）と比較する比較手段（２０）と、
   前記のＣＯ _２ 生成（ＶＣＯ _２ｉ ）値がＣＯ _２ 生成スレッショルド値（ＶＣＯ _{２ｉｃｒｉｔ} ）を超えるとき常に起動される警報装置（２１）と、
   を更に備えるモニタリング・システム（１０）。
2. 前記ＣＯ _２ 生成スレッショルド値（ＶＣＯ _{２ｉｃｒｉｔ} ）が、６０ｍｌ／ｍｉｎ／ｍ ^２ においてプリセットされる、請求項１に記載のモニタリング・システム（１０）。

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