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JP4538711B2 - Physiological state management system and physiological state management method - Google Patents

Physiological state management system and physiological state management method Download PDF

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JP4538711B2 JP2003324633A JP2003324633A JP4538711B2 JP 4538711 B2 JP4538711 B2 JP 4538711B2 JP 2003324633 A JP2003324633 A JP 2003324633A JP 2003324633 A JP2003324633 A JP 2003324633A JP 4538711 B2 JP4538711 B2 JP 4538711B2
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Description

本発明は、外傷により生命維持が困難な状況にある対象者の生命維持のために、対象者の生理状態を示す指標を用いて、これらの指標を最適な値に管理する生理状態管理方法、生理状態管理システム、脳温管理装置、人工呼吸装置、および麻酔装置に関する。   The present invention is a physiological state management method for managing these indices to optimum values using indices indicating the physiological state of the subject for life support of the subject who is difficult to maintain life due to trauma, The present invention relates to a physiological state management system, a brain temperature management device, a ventilator, and an anesthesia device.

従来より、ICUでは、生死の境界にある患者を治療するため、患者の生理状態は厳密に管理されている。具体的には、患者の呼吸数、心拍数、血圧、体温、意識レベル等の指標を測定し、この測定値に従って、個々の医師が経験に基づき調節する。   Conventionally, in ICU, in order to treat a patient at the boundary of life and death, the physiological state of the patient is strictly managed. Specifically, the patient's respiration rate, heart rate, blood pressure, body temperature, consciousness level, and other indices are measured, and individual doctors adjust based on the experience according to the measured values.

例えば、脳低温療法では、患者の頭部、頸部、胴体の温度および深部体温を測定して、これらの温度を低温に維持することにより、脳温および体温を低温で管理する。また、麻酔療法では、患者の体温、心拍数、血圧を測定して、麻酔ガスの濃度や量を調節している。また、人工呼吸では、患者の末梢動脈血酸素飽和度を測定して、空気量やこの空気に含まれる酸素量を調節している。   For example, in brain hypothermia, the brain temperature and body temperature are controlled at low temperatures by measuring the temperature and deep body temperature of the patient's head, neck, and trunk, and maintaining these temperatures at low temperatures. In anesthesia, the concentration and amount of anesthetic gas are adjusted by measuring the patient's body temperature, heart rate, and blood pressure. Further, in artificial respiration, a patient's peripheral arterial blood oxygen saturation is measured to adjust the amount of air and the amount of oxygen contained in the air.

しかしながら、以上のように生理状態を示す指標を手動で調節する方法では、熟練した医師でなければできないうえに、指標を厳密に維持することは困難であった。また、生理状態の危険領域を医師の経験と勘で推定することになるため、医師の心理的負担が大きかった。   However, in the method of manually adjusting the index indicating the physiological state as described above, it is difficult for an expert doctor to maintain it, and it is difficult to maintain the index strictly. Moreover, since the dangerous area of the physiological state is estimated based on the experience and intuition of the doctor, the psychological burden on the doctor is large.

そこで、本発明は、指標で示した患者の生理状態を、容易かつ確実に調節でき、医師の肉体的(身体的)負担および心理的負担を軽減できる生理状態管理システムを提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a physiological state management system that can easily and surely adjust a patient's physiological state indicated by an index and can reduce a physical (physical) burden and a psychological burden of a doctor. To do.

本発明者は、以上の事情を顧みて、これまでの研究を重ねた結果、上記課題を解決する後述の(1)〜(7)の発明を完成するに至った。そして、これらの発明に基づいて本願で特許を受けようとする発明は、以下の通りである。すなわち、対象者の脳を低温状態にして保護する脳低温療法に用いられる脳温管理装置であって、前記対象者の脳温を検出する脳温検出センサー、前記対象者を冷却する対象者冷却手段、および、この対象者冷却手段の温度を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記脳温の目標値を設定する目標値設定手段と、前記脳温検出センサーで検出した現状値と前記目標値との差に基づいて、前記対象者冷却手段のパラメータを数学的に繰り返し推定するパラメータ推定手段と、前記パラメータに基づいて、前記対象者冷却手段を駆動させることにより、前記脳温の現状値を前記目標値に繰り返し近づける出力手段と、を備えている。そして、独立項である請求項1に係る発明の前記対象者冷却手段は、体表面側から前記対象者に接触させて前記対象者の脳を間接的に冷却する接触冷却装置であり、前記制御装置は、前記対象者と前記接触冷却装置との伝達関数温熱モデルを参照モデルとしてこの参照モデルの脳温出力と前記目標値とを比較し、その差を基に前記参照モデルの冷却温度入力を定め、前記参照モデルの脳温出力を目標脳温冷却曲線に追従させると同時に、前記脳温検出センサーの出力と前記参照モデルの脳温出力との差および前記参照モデルの冷却温度入力を基に前記出力手段 を調整することにより、前記対象者の脳温を前記参照モデルの脳温出力に追従させる制御を行う。また、独立項である請求項4に係る発明の前記対象者冷却手段は、前記対象者の周囲の空気を冷却して前記対象者の脳を間接的に冷却する空気冷却装置であり、前記制御装置は、前記対象者と前記空気冷却装置との伝達関数温熱モデルを参照モデルとして請求項1に係る発明と同様の制御を行う。さらに、独立項である請求項6に係る発明の前記対象者冷却手段は、前記対象者の体内への薬品注入による体の物性の変化、または、脳血流によって前記対象者の脳を間接的に冷却する注入冷却装置であり、前記制御装置は、前記対象者と前記注入冷却装置との伝達関数温熱モデルを参照モデルとして請求項1に係る発明と同様の制御を行うThe present inventor has taken the above circumstances into consideration, and as a result of repeating the research so far, has completed the following inventions (1) to (7) that solve the above problems. And the invention which is going to receive a patent in this application based on these inventions is as follows. That is, a brain temperature management device used in brain cryotherapy for protecting a subject's brain in a low temperature state, the brain temperature detecting sensor for detecting the subject's brain temperature, and the subject cooling for cooling the subject And a control device for controlling the temperature of the subject cooling means, the control device comprising: a target value setting means for setting a target value of the brain temperature; a current value detected by the brain temperature detection sensor; Based on the difference from the target value, parameter estimation means for mathematically repeatedly estimating the parameters of the subject cooling means, and driving the subject cooling means based on the parameters, Output means for repeatedly bringing the current value close to the target value. The subject cooling means of the invention according to claim 1, which is an independent claim, is a contact cooling device that indirectly cools the brain of the subject by contacting the subject from the body surface side, and the control The device compares the brain temperature output of the reference model with the target value using the transfer function thermal model between the subject and the contact cooling device as a reference model, and inputs the cooling temperature input of the reference model based on the difference. And, based on the difference between the brain temperature output of the reference temperature detection sensor and the brain temperature output of the reference model and the cooling temperature input of the reference model, while making the brain temperature output of the reference model follow the target brain temperature cooling curve. By adjusting the output means , control is performed to cause the brain temperature of the subject to follow the brain temperature output of the reference model. Further, the subject cooling means of the invention according to claim 4 that is an independent claim is an air cooling device that cools air around the subject and indirectly cools the brain of the subject, and the control The apparatus performs the same control as the invention according to claim 1 using a transfer function thermal model between the subject and the air cooling apparatus as a reference model. Furthermore, the subject cooling means of the invention according to claim 6 which is independent term, change in body properties by injection of chemicals into the body of the subject, or the subject's brain by the cerebral blood flow the Ri injection cooler der indirectly cooled, the control device performs the same control as the invention according to claim 1 transfer function thermal model of the injection cooling device and the subject as a reference model.

(1) 対象者の生理状態を示す指標を最適な値に管理する生理状態管理システムであって、前記指標の現状値を検出する検出センサー、前記対象者の生理状態を変化させる出力装置、および、この出力装置を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記指標の目標値を設定する目標値設定手段と、前記検出センサーで検出した現状値と前記目標値との差に基づいて、前記出力装置のパラメータを数学的に推定するパラメータ推定手段と、前記パラメータに基づいて、前記出力装置を駆動させることにより、前記指標の現状値を前記目的値に近づける出力手段と、を備えていることを特徴とする生理状態管理システム。   (1) A physiological state management system for managing an index indicating a physiological state of a subject to an optimum value, a detection sensor for detecting a current value of the indicator, an output device for changing the physiological state of the subject, and A control device for controlling the output device, the control device, based on a target value setting means for setting a target value of the index, and a difference between the current value detected by the detection sensor and the target value, Parameter estimation means for mathematically estimating the parameters of the output device; and output means for driving the output device based on the parameters to bring the current value of the index closer to the target value. A physiological state management system characterized by that.

ここで、パラメータは、膨大な患者の生理データに基づいて、医学上の判断に従って、推定される。   Here, the parameters are estimated according to medical judgment based on a large amount of patient physiological data.

人間の生理状態は、年齢、性別などによって異なるだけでなく、同一人であっても、日や時刻により、常に変化している。そのため、人間の生理状態を古典的なフィードバック制御により制御しようとしても、システムのパラメータが一定にならないため、対象者の生理状態に確実に対応できない場合がある。   The physiological state of human beings not only changes depending on age, sex, etc., but even the same person constantly changes depending on the date and time. For this reason, even if an attempt is made to control the human physiological state by classical feedback control, the system parameters may not be constant, and thus the subject's physiological state may not be reliably handled.

しかしながら、(1)の発明によれば、対象者の生理状態を示す指標に対して最適適応制御(オプティマル・アダプティブ・コントロール)を行う。すなわち、指標の目標値を最適な値に設定し、この指標の現状値を検出センサーで検出する。次に、この検出した現状値と目標値との差に基づいて、出力装置のパラメータを数学的に推定する。続いて、パラメータに基づいて、対象者に対して出力装置から出力することにより、前記指標の現状値を目的値に近づける。その後、現状値の検出、パラメータの推定、出力装置からの出力を繰り返す。   However, according to the invention of (1), optimal adaptive control (optimum adaptive control) is performed on the index indicating the physiological state of the subject. That is, the target value of the index is set to an optimal value, and the current value of the index is detected by the detection sensor. Next, the parameter of the output device is mathematically estimated based on the difference between the detected current value and the target value. Subsequently, the current value of the index is brought close to the target value by outputting from the output device to the subject based on the parameter. Thereafter, the current value detection, parameter estimation, and output from the output device are repeated.

したがって、対象者の個人差、環境の変動、治療経過などに関係なく、対象者の生理状態に対応してパラメータを変化させることができるから、対象者の生理状態に確実に対応して、目的とした生理状態を容易かつ確実に調節でき、医師の肉体的負担および心理的負担を軽減できる。   Therefore, the parameters can be changed according to the physiological state of the subject regardless of the individual differences of the subject, environmental fluctuations, treatment progress, etc. The physiological state can be easily and reliably adjusted, and the physical burden and psychological burden on the doctor can be reduced.

その結果、臨床的に重篤な患者の蘇生、救命、長時間の外科手術を実現できる。   As a result, resuscitation, lifesaving, and long-time surgery for clinically critical patients can be realized.

(2) 対象者の脳を低温状態にして保護する脳低温療法に用いられる脳温管理装置であって、前記対象者の脳温を検出する脳温検出センサー、前記対象者の頭部を冷却する頭部冷却装置、前記対象者の頸部を冷却する頸部冷却装置、前記対象者の胴体を冷却する胴体冷却装置、および、これらの各冷却装置の温度を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記脳温の目標値を設定する目標値設定手段と、前記脳温検出センサーで検出した現状値と前記目標値との差に基づいて、前記各冷却装置のパラメータを数学的に推定するパラメータ推定手段と、前記パラメータに基づいて、前記各冷却装置を駆動させることにより、前記指標の現状値を前記目的値に近づける出力手段と、を備えていること特徴とする脳温管理装置。   (2) A brain temperature management device used in brain hypothermia therapy for protecting a subject's brain at a low temperature, the brain temperature detecting sensor for detecting the subject's brain temperature, and cooling the subject's head A head cooling device, a neck cooling device for cooling the subject's neck, a body cooling device for cooling the subject's torso, and a control device for controlling the temperature of each of these cooling devices, The control device mathematically sets the parameters of each cooling device based on a difference between the target value setting means for setting the target value of the brain temperature and the current value detected by the brain temperature detection sensor and the target value. A brain temperature management device comprising: parameter estimation means for estimation; and output means for driving the respective cooling devices based on the parameters to bring the current value of the index closer to the target value .

頭部冷却装置、頸部冷却装置、および胴体冷却装置は、例えば、冷却帽子、冷却マフラー、および冷却ブランケットがある。また、各装置の冷却方式としては、例えば、水冷方式、空冷方式がある。   Examples of the head cooling device, the neck cooling device, and the trunk cooling device include a cooling cap, a cooling muffler, and a cooling blanket. Moreover, as a cooling system of each apparatus, there exist a water cooling system and an air cooling system, for example.

制御装置は、例えば、冷却帽子、冷却マフラー、および冷却ブランケットを異なる温度に調節できる分散型温度制御装置である。   The control device is, for example, a distributed temperature control device that can adjust the cooling cap, the cooling muffler, and the cooling blanket to different temperatures.

検出センサーは、例えば、対象者に接触する冷却帽子、冷却マフラー、および冷却ブランケットの内側に設けられた温度センサーである。   The detection sensor is, for example, a temperature sensor provided inside the cooling cap, the cooling muffler, and the cooling blanket that contacts the subject.

(2)の発明によれば、(1)と同様に、対象者の個人差、環境の変動、治療経過などに関係なく、対象者の生理状態に対応して制御装置のパラメータを変化させることができるから、対象者の生理状態に確実に対応して、指標で示した生理状態を容易かつ確実に調節でき、医師の肉体的負担および心理的負担を軽減できる。   According to the invention of (2), as in (1), the parameters of the control device are changed in accordance with the physiological state of the subject regardless of the individual differences of the subject, environmental fluctuations, treatment progress, etc. Therefore, the physiological state indicated by the index can be adjusted easily and reliably corresponding to the physiological state of the subject, and the physical burden and psychological burden of the doctor can be reduced.

(3)前記各冷却装置は、空冷式である脳温管理装置。   (3) Each said cooling device is an air-cooling type brain temperature management device.

脳温管理装置は、例えば、対象者の全身をおさめて密閉された箱状の脳冷却インキュベータである。この脳冷却インキュベータは、成人だけでなく、新生児にも応用できる。この脳冷却インキュベータでは、インキュベータ内に低温冷却空気を循環し、冷却空気の温度調整によって、対象者の脳を冷却する。   The brain temperature management device is, for example, a box-like brain cooling incubator that is sealed with the whole body of a subject. This brain cooling incubator can be applied not only to adults but also to newborns. In this brain cooling incubator, low temperature cooling air is circulated in the incubator, and the brain of the subject is cooled by adjusting the temperature of the cooling air.

(3)の発明によれば、各冷却装置を水冷式とした場合に比べ、以下のような効果がある。1)頭部、頸部、胸部などの外科手術領域をより効果的に冷却できる。2)冷却の部位の温度差を解消できる。3)各冷却装置の重量を軽減できるから、皮下末梢循環への圧迫を軽減できる。4)接触冷却による褥瘡を回避できる。5)患者の皮膚色を容易に観察できる。6)点滴、痰取り等の治療処置を行う条件を改善できる。7)狭く密閉されたシステムなので、室内のような広い範囲での環境管理が必要なくなる。   According to the invention of (3), there are the following effects as compared with the case where each cooling device is of the water cooling type. 1) Surgical regions such as the head, neck and chest can be cooled more effectively. 2) The temperature difference in the cooling part can be eliminated. 3) Since the weight of each cooling device can be reduced, the pressure on the subcutaneous peripheral circulation can be reduced. 4) Pressure sores caused by contact cooling can be avoided. 5) The patient's skin color can be easily observed. 6) The conditions for performing therapeutic treatments such as infusion and wrinkle removal can be improved. 7) Since the system is narrow and sealed, environmental management over a wide area such as indoors is not necessary.

(4) 低温状態で対象者の脳を保護する脳低温療法に用いられる携帯型脳温管理装置であって、前記対象者の頭部に配置され頭部表面の温度を検出する脳温検出センサー、前記対象者の頭部を冷却する頭部冷却装置、および、この冷却装置の温度を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記脳温の目標値を設定する目標値設定手段と、前記脳温検出センサーで検出した現状値と前記目標値との差に基づいて、前記冷却装置のパラメータを数学的に推定するパラメータ推定手段と、前記パラメータに基づいて、前記冷却装置を駆動させることにより、前記指標の現状値を前記目的値に近づける出力手段と、を備えていることを特徴とする携帯型脳温管理装置。   (4) A portable brain temperature management device used in brain cryotherapy for protecting a subject's brain in a low temperature state, the brain temperature detecting sensor being arranged on the subject's head and detecting the temperature of the head surface A head cooling device that cools the head of the subject, and a control device that controls the temperature of the cooling device, the control device including target value setting means for setting a target value of the brain temperature; Parameter estimation means for mathematically estimating a parameter of the cooling device based on a difference between the current value detected by the brain temperature detection sensor and the target value; and driving the cooling device based on the parameter The portable brain temperature management apparatus, comprising: an output unit that brings the current value of the index closer to the target value.

(4)の発明によれば、(1)と同様に、対象者の個人差、環境の変動、治療経過などに関係なく、対象者の生理状態に対応して制御装置のパラメータを変化させることができるから、対象者の生理状態に確実に対応して、指標で示した生理状態を容易かつ確実に調節でき、医師の肉体的負担および心理的負担を軽減できる。   According to the invention of (4), as in (1), the parameters of the control device are changed in accordance with the physiological state of the subject regardless of the individual differences of the subject, environmental changes, treatment progress, etc. Therefore, the physiological state indicated by the index can be adjusted easily and reliably corresponding to the physiological state of the subject, and the physical burden and psychological burden of the doctor can be reduced.

(5) 対象者に人工呼吸を行う人工呼吸装置であって、前記対象者の末梢動脈血酸素飽和度を検出する酸素飽和度検出センサー、前記対象者に空気を送る空気圧送装置、この空気圧送装置の空気量を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記末梢動脈血酸素飽和度の目標値を設定する目標値設定手段と、前記酸素飽和度検出センサーで検出した現状値と前記目標値との差に基づいて、前記空気圧送装置のパラメータを数学的に推定するパラメータ推定手段と、前記パラメータに基づいて、前記空気圧送装置を駆動させることにより、前記指標の現状値を前記目的値に近づける出力手段と、を備えていることを特徴とする人工呼吸装置。   (5) An artificial respiration apparatus for performing artificial respiration on a subject, an oxygen saturation detection sensor for detecting peripheral arterial blood oxygen saturation of the subject, a pneumatic feeder for sending air to the subject, and the pneumatic feeder A control device for controlling the amount of air, and the control device includes target value setting means for setting a target value of the peripheral arterial blood oxygen saturation, a current value detected by the oxygen saturation detection sensor, and the target value. Parameter estimation means for mathematically estimating the parameters of the pneumatic feeding device based on the difference between them, and driving the pneumatic feeding device based on the parameters to bring the current value of the index closer to the target value And an output means.

(5)の発明によれば、(1)と同様に、対象者の個人差、環境の変動、治療経過などに関係なく、対象者の生理状態に対応して制御装置のパラメータを変化させることができるから、対象者の生理状態に確実に対応して、指標で示した生理状態を容易かつ確実に調節でき、医師の肉体的負担および心理的負担を軽減できる。   According to the invention of (5), as in (1), the parameters of the control device are changed in accordance with the physiological state of the subject regardless of the individual differences of the subject, environmental fluctuations, treatment progress, etc. Therefore, the physiological state indicated by the index can be adjusted easily and reliably corresponding to the physiological state of the subject, and the physical burden and psychological burden of the doctor can be reduced.

(6) 対象者に麻酔を行う麻酔装置であって、前記対象者の呼気麻酔ガス濃度および血中麻酔ガス濃度のうち少なくとも一方を検出する麻酔ガス検出センサー、前記対象者に麻酔薬を送る麻酔注入装置、この麻酔注入装置の麻酔薬量を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記指標の目標値を設定する目標値設定手段と、前記麻酔ガス検出センサーで検出した現状値と前記目標値との差に基づいて、前記麻酔注入装置のパラメータを数学的に推定するパラメータ推定手段と、前記パラメータに基づいて、前記麻酔注入装置を駆動させることにより、前記指標の現状値を前記目的値に近づける出力手段と、を備えていることを特徴とする麻酔装置。   (6) An anesthesia apparatus for anesthetizing a subject, an anesthetic gas detection sensor for detecting at least one of a breath anesthetic gas concentration and a blood anesthetic gas concentration of the subject, and anesthesia for sending an anesthetic to the subject An infusion device, and a control device for controlling the anesthetic amount of the anesthesia infusion device, wherein the control device is a target value setting means for setting a target value of the index; a current value detected by the anesthetic gas detection sensor; Parameter estimation means for mathematically estimating the parameter of the anesthesia injection device based on a difference from a target value; and driving the anesthesia injection device based on the parameter to obtain the current value of the index as the object An anesthesia apparatus comprising output means for approaching the value.

(6)の発明によれば、(1)と同様に、対象者の個人差、環境の変動、治療経過などに関係なく、対象者の生理状態に対応して制御装置のパラメータを変化させることができるから、対象者の生理状態に確実に対応して、指標で示した生理状態を容易かつ確実に調節でき、医師の肉体的負担および心理的負担を軽減できる。   According to the invention of (6), as in (1), the parameters of the control device are changed in accordance with the physiological state of the subject regardless of the individual differences of the subject, environmental fluctuations, treatment progress, etc. Therefore, the physiological state indicated by the index can be adjusted easily and reliably corresponding to the physiological state of the subject, and the physical burden and psychological burden of the doctor can be reduced.

(7) 対象者の生理状態を示す指標を、治療効果をもたらす最適な値に管理する生理状態管理方法であって、前記指標の目標値を最適な値に設定する目標値設定手順と、前記指標の現状値を検出センサーで検出する現状値検出手順と、この検出した現状値と前記目標値との差に基づいて、出力装置のパラメータを数学的に推定するパラメータ推定手順と、前記パラメータに基づいて、前記対象者に対して前記出力装置から出力することにより、前記指標の現状値を前記目的値に近づける出力手順と、前記現状値検出手順、パラメータ推定手順、および出力手順を繰り返す手順と、を備えていることを特徴とする生理状態管理方法。   (7) A physiological condition management method for managing an index indicating a physiological condition of a subject to an optimal value that provides a therapeutic effect, the target value setting procedure for setting the target value of the index to an optimal value; A current value detection procedure for detecting a current value of the index with a detection sensor, a parameter estimation procedure for mathematically estimating a parameter of the output device based on a difference between the detected current value and the target value; and An output procedure for causing the current value of the index to approach the target value by outputting from the output device to the target person, and a procedure for repeating the current value detection procedure, the parameter estimation procedure, and the output procedure. A physiological state management method comprising:

(7)の発明によれば、(1)と同様に、対象者の個人差、環境の変動、治療経過などに関係なく、対象者の生理状態に対応して制御装置のパラメータを変化させることができるから、対象者の生理状態に確実に対応して、指標で示した生理状態を容易かつ確実に調節でき、医師の肉体的負担および心理的負担を軽減できる。   According to the invention of (7), as in (1), the parameters of the control device are changed in accordance with the physiological state of the subject regardless of the individual differences of the subject, environmental fluctuations, treatment progress, etc. Therefore, the physiological state indicated by the index can be adjusted easily and reliably corresponding to the physiological state of the subject, and the physical burden and psychological burden of the doctor can be reduced.

本発明は上記の構成を備え、次の効果を有する。総合的には医療上最も管理の困難な部分の自動化に資する。すなわち、生理状態の計測管理の自動化によって、経験的温度管理曲線や呼吸ガス濃度管理や麻酔深度の管理の自動化が可能である。   The present invention has the above-described configuration and has the following effects. Overall, it contributes to the automation of the most difficult part of medical management. That is, the automation of the measurement management of the physiological state can automate the management of the empirical temperature management curve, the respiratory gas concentration management, and the anesthesia depth.

(a) 体温・呼吸・循環、さらに麻酔深度など、生命維持に極めて重要な生理データを多チャネル大容量に自動化計測とその管理によって異常発見が可能で、患者生命を常に安全な範囲内に維持することができる。医療従事者は、これまでに要求された高度な体温管理技術を要さずに、考えうる種々の臨床処置を行える。例えば、リハビリテーションを行っている患者に対しては、医療従事者以外の人も患者管理が容易に行える。また、緊急時に有効性を発揮する、個体差に対応可能となる、遠隔操作が可能となる、などの効果が期待できる。   (A) Physiological data vital to life support, such as body temperature, breathing, circulation, and depth of anesthesia, can be detected in abnormalities through automated measurement and management in a multi-channel, large capacity, keeping patient life within a safe range at all times. can do. Medical personnel can perform various conceivable clinical procedures without requiring the advanced body temperature management techniques required so far. For example, for patients undergoing rehabilitation, patients other than medical staff can easily manage patients. In addition, effects such as being effective in an emergency, being able to cope with individual differences, and being capable of remote operation can be expected.

(b) 全身的表面冷却装置により、患者の脳温など体温を目標温に自動的に管理する。これにより、医療コスト・医療ミスの減少、医療従事者の労働・ストレスの削減を実現する。精密な温度調整が可能なので、脳低温治療法そのものの効果を高める。   (B) The body temperature such as the patient's brain temperature is automatically managed to the target temperature by the whole body surface cooling device. This will reduce medical costs and medical errors, and reduce labor and stress for healthcare professionals. Precise temperature adjustment is possible, increasing the effectiveness of brain cryotherapy itself.

(c) 換気不全のときに、適応制御(あるいは最適制御)やファジィ制御を用いた動脈血・肺胞気炭酸ガス濃度の自動制御システムにより、空気および酸素吸入による末梢酸素飽和度の監視と患者側の視点に立った患者に優しい制御を行う新しい医療の方法になる。低酸素症の患者についても末梢の酸素飽和度を所望の値に制御する。制御系全体の入出力特性が適当な過渡特性を満足するようにマスクの装着ずれや気体のもれ、咳にも安定な動作を保証する。患者にとって苦痛のない換気量、吸入気酸素分圧の操作により、生理情報を反映する生化学指標の制御を可能にする。医師の行う個別性による換気効果や治療効果の判断が客観的に行える。   (C) When ventilatory failure occurs, the automatic control system for arterial blood / alveolar carbon dioxide concentration using adaptive control (or optimal control) and fuzzy control enables monitoring of peripheral oxygen saturation by air and oxygen inhalation and It will be a new medical method for patient-friendly control from a viewpoint. For patients with hypoxia, peripheral oxygen saturation is controlled to a desired value. Assures stable operation for mask misalignment, gas leakage, and cough so that the input / output characteristics of the entire control system satisfy appropriate transient characteristics. By controlling the ventilation volume and inhaled oxygen partial pressure without pain for the patient, it is possible to control biochemical indices reflecting physiological information. Judgment of the ventilation effect and treatment effect by the individuality performed by the doctor can be objectively performed.

(b)、(c)のシステムを併用して呼気ガス、血液ガス分圧、中心静脈圧、電気生理的情報、深部体温などから総合的にファジィ理論により麻酔深度を推定判断し危険があるとき麻酔医の注意を喚起する。とくに手術中は、長時間にわたって患者を観察しなければならないが、その労力を低減するので、麻酔事故の防止につながる。すなわち、長時間の拘束によるミスと手術中の集中力減退による患者の生命危機を回避できる医療上きわめて有効な手段になる。   (B) When the system of (c) is used together, there is a risk that the anesthesia depth is estimated and judged by fuzzy theory comprehensively from expiratory gas, blood gas partial pressure, central venous pressure, electrophysiological information, deep body temperature, etc. Call the anesthesiologist's attention. Especially during surgery, the patient must be observed over a long period of time, which reduces labor and leads to prevention of anesthesia accidents. In other words, it is an extremely effective medical means that can avoid a patient's life crisis due to mistakes caused by long-time restraint and reduced concentration during surgery.

(d) 活動レベル管理システムでは、麻酔深度制御に用いる場合、種々の揮発性、不揮発性麻酔薬および酸素を混合して、患者の全身麻酔と蘇生時の管理を行うことができる。すなわち、麻酔レベル(深度)を客観的に監視し、これを制御するシステムとして手術室やICUで用いるのにきわめて有効である。このシステムは、呼吸管理による麻酔ガス供給の制御と、循環による直接的麻酔薬の静脈注射を行う補助循環装置と、からなる。   (D) In the activity level management system, when used for anesthesia depth control, various volatile and nonvolatile anesthetics and oxygen can be mixed to perform general anesthesia and resuscitation management of the patient. That is, it is extremely effective for objectively monitoring the anesthesia level (depth) and using it in an operating room or ICU as a system for controlling it. This system consists of control of anesthetic gas supply by respiratory management and an auxiliary circulator for direct intravenous injection of anesthetic by circulation.

(e) インキュベータ式温度自動管理システムを採用することによって、ブランケットを用いる以上に高精度な脳温管理の自動化が行える。さらに、システムに最適適応制御を適用することによって、最適かつ精密な温度管理過程の実現を図ることができる。   (E) By adopting an incubator type automatic temperature management system, it is possible to automate brain temperature management with higher accuracy than using a blanket. Furthermore, by applying optimum adaptive control to the system, it is possible to realize an optimum and precise temperature management process.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図1〜図15に基づいて説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS.

[生理状態管理システムの構成]
図1は、本発明の一実施例の生理状態管理システムの構成を示す。生理状態管理システムは、人体の生理状態を管理するシステムであり、人体の各部位に取り付けられた種々のセンサーにて人体の生理状態を検知し、検知した生理状態に応じて、人体の各部位に取り付けられた各装置を制御することによって、人体の生理状態をコントロールするものである。この生理状態管理システムは、全自動体熱管理装置101と、全自動体内ガス管理装置201と、活動レベル管理装置301とを含んで構成される。
[Configuration of physiological condition management system]
FIG. 1 shows a configuration of a physiological state management system according to an embodiment of the present invention. The physiological state management system is a system that manages the physiological state of the human body, detects the physiological state of the human body with various sensors attached to each part of the human body, and each part of the human body according to the detected physiological state The physiological state of the human body is controlled by controlling each device attached to the body. This physiological state management system includes a fully automatic body heat management device 101, a fully automatic in-vivo gas management device 201, and an activity level management device 301.

全自動体熱管理装置101は、CPU、RAM、ROM(図示せず)などから構成される制御装置(図示せず)と、周辺機器との接続を取り持つ接続インターフェース(図示せず)とを含んで構成される。前述の周辺機器には、人の胴体を冷却する装置と、人の胴体の諸部位の温度を検知するセンサーがある。なお、このセンサーは、後述する活動レベル管理装置301に接続されるものであってもよい。このセンサーにより検知した人体の体熱に関する情報が前述の制御装置に伝達される。その伝達された情報に基づき、目標とする人体の体熱の状況へ至るべく、前述の制御機器が、所定の制御方法に基づき、前述の人の胴体を冷却する装置を制御する。このような制御を繰り返すことによって、人体の体温が、目標とする温度となる。本実施例では、特に人体の頭部に前述のセンサーを装着することによって、脳の温度を管理することが可能となる。なお、前述の人の胴体を冷却する装置は、内部で冷却水を循環させることが可能なブランケットおよびその冷却水を全自動体熱管理装置101との間で還流または潅流させるパイプから構成されるブランケット方式である。または、後述するように、人体を収納する箱であって、冷気をその箱の中に送り込み還流させるインキュベータ方式であってもよい。   The fully automatic body heat management apparatus 101 includes a control device (not shown) including a CPU, a RAM, a ROM (not shown), and a connection interface (not shown) for connecting peripheral devices. Consists of. The aforementioned peripheral devices include a device for cooling a human torso and a sensor for detecting temperatures of various parts of the human torso. This sensor may be connected to an activity level management device 301 described later. Information on the body heat detected by the sensor is transmitted to the control device. Based on the transmitted information, the control device controls the device for cooling the human torso based on a predetermined control method in order to reach a target body heat condition. By repeating such control, the body temperature of the human body becomes the target temperature. In this embodiment, the temperature of the brain can be managed by mounting the above-described sensor particularly on the head of a human body. The above-described apparatus for cooling the human torso is composed of a blanket capable of circulating cooling water therein and a pipe for refluxing or perfusing the cooling water with the fully automatic body heat management apparatus 101. It is a blanket method. Alternatively, as will be described later, it may be an incubator system in which a human body is stored and cold air is fed into the box and refluxed.

全自動体内ガス管理装置201は、CPU、RAM、ROM(図示せず)などから構成される制御装置(図示せず)と、周辺機器との接続を取り持つ接続インターフェース(図示せず)とを含んで構成される人工呼吸装置である。前述の周辺機器には、人体から排出される呼気を回収し人体に吸気を送り込む呼吸気シリンダーと、人体の酸素飽和度を検知するセンサー(後述する、パルスオキシメータを含む)がある。なお、このセンサーは、後述する活動レベル管理装置301に接続されるものであってもよい。また、呼気ガス分析装置(酸素計)により検知した呼気の酸素濃度に関する情報が前述の制御装置に伝達される。その伝達された情報に基づき、前述の制御装置が、所定の制御方法に基づき前述の呼吸気シリンダーを制御して、人体に送り込む吸気の量を調整することによって、目標とする人体の酸素飽和度の状況へ至る。このような制御を繰り返すことによって、人体の各組織の酸素濃度、特に動脈血・肺胞気炭酸ガス濃度または末梢動脈血酸素飽和度が、目標とする飽和度となる。   The fully automatic internal gas management apparatus 201 includes a control device (not shown) including a CPU, RAM, ROM (not shown) and the like, and a connection interface (not shown) for connecting peripheral devices. It is an artificial respiration device composed of The peripheral devices described above include a breathing cylinder that collects exhaled air discharged from the human body and sends inhaled air to the human body, and a sensor (including a pulse oximeter described later) that detects the oxygen saturation of the human body. This sensor may be connected to an activity level management device 301 described later. In addition, information related to the oxygen concentration of the breath detected by the breath gas analyzer (oxygen meter) is transmitted to the control device. Based on the transmitted information, the above-mentioned control device controls the above-described respiratory cylinder based on a predetermined control method, and adjusts the amount of inhalation to be delivered to the human body, thereby achieving the target oxygen saturation level of the human body. To the situation. By repeating such control, the oxygen concentration of each tissue of the human body, particularly the arterial blood / alveolar carbon dioxide concentration or the peripheral arterial blood oxygen saturation becomes the target saturation.

活動レベル管理装置301は、CPU、RAM、ROM(図示せず)などから構成される制御装置(図示せず)と、周辺機器との接続を取り持つ接続インターフェース(図示せず)とを含んで構成される。前述の周辺機器には、人体に各種薬剤(例えば、麻酔薬など)を自動的に注入する薬剤静注制御装置と、吸入麻酔制御装置と、人体の生理活動状態をモニタリングする各種モニタリングセンサーとがある。この各種モニタリングセンサーには、前述の人の胴体の諸部位の温度を検知するセンサーおよび人体の各組織の酸素濃度を検知するセンサー(パルスオキシメータを含む)が含まれるように構成してもよい。このセンサーにより検知した人体の生理活動状態に関する情報、全自動体熱管理装置101が検知して活動レベル管理装置301に送信した体熱情報、全自動体内ガス管理装置201が検知して活動レベル管理装置301に送信した動脈血・肺胞気炭酸ガス濃度または末梢動脈血酸素飽和度の情報が、前述の制御装置に伝達される。その伝達された情報に基づき、前述の制御装置が所定の制御方法に基づき、前述の薬剤静注制御装置と吸入麻酔制御装置を制御して、目標とする人体の生理活動状態の状況へ至る。このような制御を繰り返すことによって、人体の生理活動状態が、目標とする生理活動状態となる。   The activity level management device 301 includes a control device (not shown) including a CPU, a RAM, a ROM (not shown), and a connection interface (not shown) for connecting to peripheral devices. Is done. The peripheral devices described above include an intravenous drug control device that automatically injects various drugs (such as anesthetics) into the human body, an inhalation anesthesia control device, and various monitoring sensors that monitor the physiological activity of the human body. is there. The various monitoring sensors may include a sensor that detects the temperature of various parts of the human torso and a sensor (including a pulse oximeter) that detects the oxygen concentration of each tissue of the human body. . Information on the physiological activity state of the human body detected by this sensor, body heat information detected by the fully automatic body heat management apparatus 101 and transmitted to the activity level management apparatus 301, and activity level management detected by the fully automatic body gas management apparatus 201 The information on arterial blood / alveolar carbon dioxide concentration or peripheral arterial blood oxygen saturation transmitted to the device 301 is transmitted to the control device. Based on the transmitted information, the above-described control device controls the above-mentioned intravenous drug control device and the inhalation anesthesia control device based on a predetermined control method to reach the target state of physiological activity of the human body. By repeating such control, the physiological activity state of the human body becomes the target physiological activity state.

このように、全自動体熱管理装置101、全自動体内ガス管理装置201、活動レベル管理装置301の3つの装置が連携して、医療措置を施した患者の体熱管理、体内ガス管理および生体活動レベル管理を行い、患者の生命維持を自動的に行う。体熱管理は脳温の自動管理を可能とするものであり、加えて全身総合管理を行うことにより、生命維持の最危急時における生体総合管理を可能とする。   In this way, the three devices, the fully automatic body heat management device 101, the fully automatic body gas management device 201, and the activity level management device 301, work together to manage the body heat of the patient who has performed medical measures, the body gas management and the living body. Manage activity levels and automatically maintain patient life. Body heat management enables automatic management of brain temperature. In addition, by performing whole-body integrated management, it is possible to perform integrated biological management at the time of life-sustaining emergency.

これらのシステムの効果を調節し、患者の病態を快復するのに適切なように総合的に調節を行う。この調節は医師の経験則を考慮した制御理論にもとづいて行う。これらの理論はプログラム化して総合管理システムの各制御装置に組み込まれているので、医療従事者はこれを意識することなく利用することができる。この制御理論は、「適応制御」と言われるものであり、その詳細は後述する。本発明は、「適応制御」を医療機器に初めて応用したところに特徴がある。   Adjust the effectiveness of these systems and make overall adjustments as appropriate to ameliorate the patient's condition. This adjustment is based on a control theory that takes into account the physician's rule of thumb. Since these theories are programmed and incorporated in each control device of the comprehensive management system, medical staff can use them without being aware of this. This control theory is called “adaptive control”, and details thereof will be described later. The present invention is characterized in that “adaptive control” is first applied to a medical device.

[生理状態管理システムの人体への適用]
図2は、生理状態管理システムを人体へ適用して、生理状態の管理を行う概略を示す。図では、全自動体熱管理装置101が、全自動体内ガス管理装置201および活動レベル管理装置301と連携をとりつつ、人体に装着された胴体冷却装置102を制御することにより、人体の体温をコントロールする状況が示されている。生化学反応を正しく進行させるうえで、生理的に体温の制御は極めて重要である。とくに、脳挫傷時に低体温を保つことによって脳の機能が損なわれることなく回復することが臨床で認められている。人体に、外部温度の制御による全身各部の頭部冷却装置104、頸部冷却装置103、胴体冷却装置102(いずれも図6参照)を装着することにより、間接的な体温制御が可能である。全自動体内ガス管理装置201にはマスク202が接続されており、人体から排出される呼気ガス濃度および人体に吸入される吸気量と酸素濃度をコントロールする。
[Application of physiological condition management system to human body]
FIG. 2 shows an outline of managing a physiological state by applying the physiological state management system to a human body. In the figure, the fully automatic body heat management device 101 controls the body cooling device 102 attached to the human body in cooperation with the fully automatic body gas management device 201 and the activity level management device 301, thereby reducing the body temperature of the human body. The situation to control is shown. Physiological control of body temperature is extremely important for the proper progression of biochemical reactions. In particular, it has been clinically recognized that maintaining hypothermia during cerebral contusion restores brain function without loss. Indirect body temperature control is possible by attaching a head cooling device 104, a neck cooling device 103, and a torso cooling device 102 (see FIG. 6) for each part of the whole body by controlling the external temperature to the human body. A mask 202 is connected to the fully automatic in-vivo gas management device 201, and controls the concentration of exhaled gas discharged from the human body, the amount of inhaled air and the oxygen concentration drawn into the human body.

[生理状態管理システムの動作の概念]
図3は、上述の生理状態管理システム(生命維持管理システム)の動作の概念図である。活動レベル管理装置301には各系統モニタリングセンサー、各種警告等を表示する表示装置あるいは警告音を発するアラーム、薬剤静注制御装置および吸入麻酔制御装置が接続されている。各系統モニタリングセンサーは、人体の各部位に取り付けられ、所定の時間間隔で人体の生理状況を示す各種指標をモニタリングして、活動レベル管理装置301にその情報を供給する。この情報を供給された活動レベル管理装置301は、人体の生理状態を総合的に判断し評価する。そして、その判断および評価の結果に応じて、前述の表示装置に警告を表示する、あるいは前述のアラームにて警告音を発生させる。また、同様にその判断・評価結果に応じて、薬剤静注制御装置と吸入麻酔制御装置を制御して、人体の活動レベルを制御する。あるいは、全自動体熱管理装置101に対して、人体の体温を制御するよう信号を送出したり、全自動体内ガス管理装置201に対して、人体の各組織の酸素濃度、特に動脈血・肺胞気炭酸ガス濃度または末梢動脈血酸素飽和度を制御するよう信号を送出したりする。
[Concept of operation of physiological state management system]
FIG. 3 is a conceptual diagram of the operation of the above-described physiological state management system (life maintenance management system). The activity level management device 301 is connected to each system monitoring sensor, a display device for displaying various warnings or the like, an alarm for generating a warning sound, an intravenous drug control device, and an inhalation anesthesia control device. Each system monitoring sensor is attached to each part of the human body, monitors various indexes indicating the physiological state of the human body at predetermined time intervals, and supplies the information to the activity level management apparatus 301. The activity level management apparatus 301 supplied with this information comprehensively determines and evaluates the physiological state of the human body. And according to the result of the judgment and evaluation, a warning is displayed on the above-mentioned display device, or a warning sound is generated by the above-mentioned alarm. Similarly, the activity level of the human body is controlled by controlling the intravenous drug control device and the inhalation anesthesia control device according to the judgment / evaluation results. Alternatively, a signal is sent to the fully automatic body heat management apparatus 101 to control the body temperature of the human body, or the oxygen concentration of each tissue of the human body, particularly arterial blood / alveolar air, is sent to the fully automatic body gas management apparatus 201. A signal is sent to control the carbon dioxide concentration or peripheral arterial oxygen saturation.

[各種モニタリングセンサー]
図4では、生理状態管理システムが備える各種モニタリングセンサーと、それらのセンサーの人体の取り付け部位の例を示す。
[Various monitoring sensors]
FIG. 4 shows an example of various monitoring sensors provided in the physiological state management system and the attachment parts of the human body of those sensors.

各種モニタリングセンサーには、呼吸系モニタリングセンサー、循環系モニタリングセンサー、筋・神経系モニタリングセンサー、電解質・代謝・体熱系モニタリングセンサー、泌尿系モニタリングセンサーなどがある。   Various monitoring sensors include respiratory system monitoring sensors, circulatory system monitoring sensors, muscle / nervous system monitoring sensors, electrolyte / metabolism / body heat system monitoring sensors, and urinary system monitoring sensors.

モニタリングセンサーにより、体表面の複数点の温度を測定して、表面温度分布から理論的に特定の部位の深部体温を算出する(図8参照)。特に脳温測定のために深部体温を算出する。   The temperature of a plurality of points on the body surface is measured by the monitoring sensor, and the deep body temperature of a specific part is theoretically calculated from the surface temperature distribution (see FIG. 8). In particular, deep body temperature is calculated for brain temperature measurement.

全自動体内ガス管理装置201が、各種モニタリングセンサーから得られた患者の生理データを総合的にモニタリングし、患者の呼吸や循環系のガス濃度をもとに総合判断・評価および表示・警報を行い、生体内ガス濃度制御を行う概要を示す。この際、人為的な装着脱は容易であるが、装着後にはそれ以外の力では簡単にはずれないマスク(図8参照)を用いる。   The fully automatic internal gas management device 201 comprehensively monitors the patient's physiological data obtained from various monitoring sensors, and performs comprehensive judgment / evaluation and display / alarm based on the patient's respiratory and circulatory system gas concentrations The outline which performs in-vivo gas concentration control is shown. At this time, a mask (see FIG. 8) is used which is easy to put on and take off artificially, but cannot be easily removed by other force after wearing.

全自動体内ガス管理装置201は、ガス濃度計測制御システムを用いて、換気不全の患者の動脈血・肺胞気炭酸ガス濃度を自動制御する。その方法は、空気および酸素吸入による末梢酸素飽和度の監視と患者側の視点に立った、患者に苦痛を与えず、換気量が少なく、手術中の会話が可能な、患者に優しい、明確な手順に基づく自動制御を行う新規方法によるものである。低酸素症の患者についても末梢の酸素飽和度を所望の値に制御する方法である。   The fully automatic in-vivo gas management apparatus 201 automatically controls the arterial blood / alveolar carbon dioxide concentration of a patient with insufficient ventilation using a gas concentration measurement control system. The method is based on monitoring of peripheral oxygen saturation by inhalation of air and oxygen and from the patient's point of view. This is based on a new method for performing automatic control based on procedures. This is a method of controlling peripheral oxygen saturation to a desired value even for patients with hypoxia.

なお、制御系全体の入出力特性が適切な過渡特性を満足するように複素平面上の極の配置を定め、常に動作が安定領域に存在するようにしてあるので、マスクの装着ずれや呼気ガスのもれに、ある程度の範囲で対処できる。咳込んだ場合やファイティングに対しても安定な動作を保証する。操作可能なのは、換気量、吸気酸素分圧(濃度)のみであるが、生理状態を反映する化学指標を選定したので代謝量や血流の制御は不要である点が画期的である。医師が行う個体差による換気量の効果や治療効果の判断を論理記述するので、この方法により換気量の与え方が患者に優しくなる。   The poles on the complex plane are determined so that the input / output characteristics of the entire control system satisfy the appropriate transient characteristics, and the operation always exists in the stable region. It is possible to deal with the leak to some extent. It guarantees stable operation against coughing and fighting. Although only the ventilation volume and inspiratory oxygen partial pressure (concentration) can be operated, it is epoch-making that control of metabolic rate and blood flow is unnecessary because a chemical index reflecting the physiological state is selected. Since the judgment of the effect of the ventilation volume and the treatment effect by the individual difference performed by the doctor is logically described, this method makes it easy for the patient to give the ventilation volume.

活動レベル管理装置301は、各種モニタリングセンサーから得られた患者の生理データを総合的にモニタリングし、患者の生理状態の総合判断・評価および表示・警報を行い、生体活動度制御を行う(図3、図7参照)。また、全自動体熱管理装置101および全自動体内ガス管理装置201に体温管理および呼吸管理に必要な患者の総合的生理状態および評価を送信する。   The activity level management device 301 comprehensively monitors the patient's physiological data obtained from various monitoring sensors, performs comprehensive judgment / evaluation of the patient's physiological state, display / alarm, and controls the degree of biological activity (FIG. 3). FIG. 7). In addition, the patient's total physiological state and evaluation necessary for body temperature management and respiratory management are transmitted to the fully automatic body heat management device 101 and the fully automatic body gas management device 201.

麻酔の深度が一定レベルを超える場合、自発呼吸が停止するので、人工呼吸装置によって呼吸管理を行う。この時、ガス交換などの代謝が適切に行われなければならないので、患者の呼気ガス中に含まれるガス成分を中心としてモニタリングした患者の生理状態から、呼吸の手法について決定し、呼吸管理を行う。   If the depth of anesthesia exceeds a certain level, spontaneous breathing stops, so breathing management is performed using an artificial respirator. At this time, metabolism such as gas exchange must be performed appropriately, so the respiratory method is determined from the patient's physiological condition monitored mainly by the gas components contained in the patient's exhaled gas, and respiratory management is performed .

代謝機能の低下によって患者の循環機能の低下をモニタリングした場合、適切な投薬を行うことでこれを自動的に適切な状態に調節する。   When a patient's decline in circulatory function is monitored due to a decrease in metabolic function, this is automatically adjusted to an appropriate state by appropriate medication.

[生理状態管理システムのサブシステム]
図5は、生理状態管理システムのサブシステムの一覧である。生理状態管理システムは複数の個々の制御管理システムで構成される。上述したように、本実施例における生理状態管理システムのサブシステムは、全自動体熱管理装置101、全自動体内ガス管理装置201、活動レベル管理装置301である。
[Subsystem of physiological condition management system]
FIG. 5 is a list of subsystems of the physiological state management system. The physiological state management system includes a plurality of individual control management systems. As described above, the sub-systems of the physiological state management system according to the present embodiment are the fully automatic body heat management device 101, the fully automatic body gas management device 201, and the activity level management device 301.

[各サブシステムの構成]
図6を参照すると、全自動体熱管理装置101には、胴体冷却装置102、頸部冷却装置103、頭部冷却装置104が、潅流パイプ105および還流パイプ106を介して接続されている。全自動体熱管理装置101は、潅流パイプ105を通して胴体冷却装置102に冷却水を送り込み、還流パイプ106を通して冷却水を回収する。頭部、頸部による脳温度制御、循環血液の温度・流量制御による双線形システムとしての制御を行う。また、生理的に危険な異常温度に対する判断と警報を行う装置を全自動体熱管理装置101(図7参照)に載せる。また、全自動体熱管理装置101は、説明図8に示すように、皮膚表面の温度から深部体温を測定するために、専用センサーおよび測温回路を含む。
[Configuration of each subsystem]
Referring to FIG. 6, a body cooling device 102, a neck cooling device 103, and a head cooling device 104 are connected to the fully automatic body heat management device 101 through a perfusion pipe 105 and a return pipe 106. The fully automatic body heat management apparatus 101 sends cooling water to the trunk cooling apparatus 102 through the perfusion pipe 105 and collects the cooling water through the reflux pipe 106. The brain temperature is controlled by the head and neck, and the bilinear system is controlled by controlling the temperature and flow rate of circulating blood. In addition, a device for making a judgment and alarm for a physiologically dangerous abnormal temperature is mounted on the fully automatic body heat management device 101 (see FIG. 7). Further, as shown in FIG. 8, the fully automatic body heat management apparatus 101 includes a dedicated sensor and a temperature measuring circuit for measuring the deep body temperature from the temperature of the skin surface.

さらに図6を参照すると、全自動体内ガス管理装置201には、吸気管、呼気管、患者の吸気と呼気の流路を制御する制御弁、呼気を適正湿度まで加湿する熱式加湿器、人体の酸素飽和度を検知するパルスオキシメータなどが接続されている。全自動体内ガス管理装置201は、駆動用コンピュータの制御により、パルスオキシメータが検知した人体の酸素飽和度にしたがってシリンダーを制御して、人体に送り込む吸気の量を調節する。なおパルスオキシメータは、前述の通り、全自動体内ガス管理装置201または活動レベル管理装置301のいずれかに接続されるものであるとしてよい。   Further, referring to FIG. 6, the fully automatic internal gas management apparatus 201 includes an inspiratory tube, an expiratory tube, a control valve that controls the flow path of inhalation and exhalation of the patient, a thermal humidifier that humidifies the exhaled air to an appropriate humidity, and a human body. A pulse oximeter that detects oxygen saturation is connected. The fully automatic in-vivo gas management device 201 controls the cylinder according to the oxygen saturation level of the human body detected by the pulse oximeter under the control of the driving computer, and adjusts the amount of inhalation sent to the human body. The pulse oximeter may be connected to either the fully automatic in-vivo gas management device 201 or the activity level management device 301 as described above.

さらに図6を参照すると、活動レベル管理装置301には、各種モニタリングセンサーとして、直腸体温計、頭部と足の指に取り付けられた末梢体温計、中心静脈圧および動脈圧を測定する血圧計、心電図をとるためのセンサー、マスク202に備えられた呼気ガス分析装置、胸壁聴診器、尿の排泄を検知する導尿センサー、人体の酸素飽和度を検知するパルスオキシメータなどが接続されている。なおパルスオキシメータは、前述の通り、全自動体内ガス管理装置201または活動レベル管理装置301のいずれかに接続されるものであるとしてよい。また、活動レベル管理装置301に制御される制御装置として、吸入麻酔制御器と、輸液・輸血・薬剤静注制御器がある。活動レベル管理装置301は、前述の各種モニタリングセンサーの検知結果を総合的に判断し、評価して、吸入麻酔制御器および輸液・輸血・薬剤静注制御器を制御して、患者に麻酔を投与または吸入させることにより、患者の活動レベルを調節する。   Further, referring to FIG. 6, the activity level management device 301 includes, as various monitoring sensors, a rectal thermometer, a peripheral thermometer attached to the head and toes, a sphygmomanometer that measures central venous pressure and arterial pressure, and an electrocardiogram. A sensor for taking the breath, a breath gas analyzer provided in the mask 202, a chest wall stethoscope, a urinary sensor for detecting urinary excretion, a pulse oximeter for detecting the oxygen saturation of the human body, and the like are connected. The pulse oximeter may be connected to either the fully automatic in-vivo gas management device 201 or the activity level management device 301 as described above. As control devices controlled by the activity level management device 301, there are an inhalation anesthesia controller and an infusion / blood transfusion / medicine intravenous controller. The activity level management device 301 comprehensively determines and evaluates the detection results of the various monitoring sensors described above, and controls the inhalation anesthesia controller and the infusion / blood transfusion / intravenous drug control controller to administer anesthesia to the patient. Or adjust the patient's activity level by inhalation.

なお、前述の患者の体温を調節することには、患者の体内に特定の薬品を注入することにより、体の物性を変え、熱伝導率を変えることも含む。また、患者の体内に特定の薬品を注入することにより、脳血流を増加させ、熱の取り出しを容易にすることによる脳温冷却速度の向上も含む。   It should be noted that adjusting the patient's body temperature includes changing the physical properties and changing the thermal conductivity by injecting a specific medicine into the patient's body. It also includes improving the brain temperature cooling rate by injecting a specific drug into the patient's body to increase cerebral blood flow and facilitate heat extraction.

[ハードウェアの概要]
図7は、全自動体熱管理装置101、全自動体内ガス管理装置201、および活動レベル管理装置301のハードウェアの概要図である。
[Hardware overview]
FIG. 7 is a schematic hardware diagram of the fully automatic body heat management apparatus 101, the fully automatic internal gas management apparatus 201, and the activity level management apparatus 301.

全自動体熱管理装置101は、電気部分と機械部分に大別される。電気部分は制御機能を持ち、PC(パーソナルコンピュータ)がその主制御回路を構成する。PCには、A/D(アナログからデジタルへの変換)ボード、D/A(デジタルからアナログへの変換)ボード、I/O(入出力)ボードが接続されている。A/Dボードには、信号変換器を介して、体温を検知する生体機能情報入力温度センサーと、潅流パイプ105を流れる冷却水の流量を検知する流量センサーとが接続されており、検知した体温の情報と冷却水の流量の情報がデジタル変換されてPCに供給される。また、D/Aボードには、潅流パイプ105を流れる冷却水の流量を調節する流量弁、患者の胴体を暖めるため、水冷ブランケットの温度を上げるヒータが接続されている。PCの制御信号がアナログに変換されて、これらの機器を制御する。また、I/Oには、電源やアラーム装置が接続されている。機械部分は、冷水を貯蔵する冷水槽、その冷水槽の冷水を胴体冷却装置102などへ送出するためのポンプで構成される。この機械部分には、胴体冷却装置102などが接続されているが、胴体冷却装置102は冷却ブランケットであり、その他に冷却帽子(人体の頭部を冷却する頭部冷却装置104)、冷却マフラー(人体の頸部を冷却する頸部冷却装置103)が接続されている。   The fully automatic body heat management apparatus 101 is roughly divided into an electrical part and a machine part. The electric part has a control function, and a PC (personal computer) constitutes its main control circuit. An A / D (analog-to-digital conversion) board, a D / A (digital-to-analog conversion) board, and an I / O (input / output) board are connected to the PC. A biological function information input temperature sensor that detects body temperature and a flow rate sensor that detects the flow rate of cooling water flowing through the perfusion pipe 105 are connected to the A / D board via a signal converter. And the information on the flow rate of the cooling water are digitally converted and supplied to the PC. The D / A board is connected to a flow rate valve for adjusting the flow rate of the cooling water flowing through the perfusion pipe 105 and a heater for raising the temperature of the water cooling blanket to warm the patient's torso. PC control signals are converted to analog to control these devices. In addition, a power supply and an alarm device are connected to the I / O. The mechanical part includes a cold water tank for storing cold water and a pump for sending the cold water in the cold water tank to the body cooling device 102 and the like. A fuselage cooling device 102 and the like are connected to this machine part. The fuselage cooling device 102 is a cooling blanket, and in addition, a cooling cap (a head cooling device 104 that cools the head of a human body), a cooling muffler ( A neck cooling device 103) for cooling the neck of the human body is connected.

この全自動体熱管理装置101は、モニタリングした患者生理データと、プログラム化した生命維持の手順にもとづいて体熱調節システムにより患者の脳および体幹を低体温に維持する。   This fully automatic body heat management apparatus 101 maintains the patient's brain and trunk at a low body temperature by means of a body heat regulation system based on the monitored patient physiological data and a programmed life support procedure.

全自動体内ガス管理装置201は、制御用PC(パーソナルコンピュータ)、計測用PC、通信用PCの、3つのPCから構成される。制御用PCは、計測用PCから送信されるセンサー入力の演算結果に基づき、制御データの演算と制御信号の生成を行う。ここで生成された制御信号が通信用PCへ送信される。計測用PCには、操作パネル、各種センサー、モータ(吸気を送出するためのシリンダーを駆動するためのモータ)、呼吸ガスモニタが接続されている。計測用PCと操作パネルとの間では、操作パネルから計測用PCへはマニュアル操作入力の信号が送信され、計測用PCから操作パネルへは、表示データ出力のためのデータが送信される。各種センサーから計測用PCへは、センサーの入力情報の信号が送信される。計測用PCからモータへは、モータ制御の制御データが送信される。通信用PCは、前述のように計測用PCと各接続機器(操作パネル、各種センサー、モータ、呼吸ガスモニタ)との間で送受信される各種信号の通信を制御する。   The fully automatic internal gas management apparatus 201 includes three PCs: a control PC (personal computer), a measurement PC, and a communication PC. The control PC calculates control data and generates a control signal based on the calculation result of the sensor input transmitted from the measurement PC. The control signal generated here is transmitted to the communication PC. An operation panel, various sensors, a motor (a motor for driving a cylinder for sending inspiration), and a respiratory gas monitor are connected to the measurement PC. Between the measurement PC and the operation panel, a manual operation input signal is transmitted from the operation panel to the measurement PC, and data for display data output is transmitted from the measurement PC to the operation panel. Signals of sensor input information are transmitted from various sensors to the measurement PC. Control data for motor control is transmitted from the measurement PC to the motor. As described above, the communication PC controls communication of various signals transmitted and received between the measurement PC and each connected device (operation panel, various sensors, motor, respiratory gas monitor).

活動レベル管理装置301に接続する各種モニタリングセンサーは、他の2つの管理系統(全自動体熱管理装置101および全自動体内ガス管理装置201)別に分類され、モニタリングも行われる。   The various monitoring sensors connected to the activity level management device 301 are classified according to the other two management systems (the fully automatic body heat management device 101 and the fully automatic body gas management device 201), and monitoring is also performed.

活動レベル管理装置301は、他の2つの管理系統別にモニタリングされた患者の生理データから患者の各系統別の生理状態および総合的な生理状態について、生体の持つ個人差、時間変化性、非線型性を考慮しながら判断・評価する。   The activity level management device 301 uses the patient's physiological data monitored for each of the other two management systems to determine the individual differences, temporal variability, and non-linearity of the living body regarding the physiological state and total physiological state of each patient system. Judgment and evaluation taking into account gender.

活動レベル管理装置301は、判断・評価された患者の各系統別および総合的生理・病態状態を、管理者の負担を軽減し得るように集約的に表示し、必要に応じて警報を行う。   The activity level management device 301 collectively displays the determined and evaluated patient-specific systematic and overall physiological / pathological conditions so as to reduce the burden on the administrator, and issues an alarm as necessary.

活動レベル管理装置301は、患者の生体活動レベルの管理・制御を行う。このために、患者の麻酔深度、各系統別および総合的生理状態判断・評価に従い、適切な麻酔薬投与、輸液・輸血管理および薬剤投与管理によって患者の生体活動レベルを制御する。   The activity level management device 301 manages and controls the patient's life activity level. For this purpose, the patient's life activity level is controlled by appropriate anesthetic administration, infusion / blood transfusion management and drug administration management according to the patient's depth of anesthesia, each system and comprehensive physiological state judgment / evaluation.

活動レベル管理装置301を用いて笑気ガスなどの、揮発性麻酔薬および酸素を混合して、患者の全身麻酔と蘇生時の管理を行う。したがって、手術時などのガス供給部と呼吸回路部と判断機構からなる呼吸管理による麻酔深度管理装置として用いることができる。ガス供給部は、蘇生時の酸素供与に揮発性・不揮発性麻酔薬を混合し、緊急時に大量の酸素を送り込む酸素フラッシュ装置などからなる。   The activity level management device 301 is used to mix volatile anesthetics such as laughing gas and oxygen to manage the patient during general anesthesia and resuscitation. Therefore, it can be used as an anesthesia depth management device by respiratory management including a gas supply unit, a breathing circuit unit, and a determination mechanism at the time of surgery. The gas supply unit consists of an oxygen flush device that mixes volatile and non-volatile anesthetics for oxygen supply during resuscitation and sends a large amount of oxygen in an emergency.

[成人冷却用インキュベータ]
成人脳低温療法のための脳冷却インキュベータの概要が図9に示されている。このインキュベータは、前述の通り、冷却ブランケット(胴体冷却装置102)、冷却帽子(人体頭部冷却装置104)、冷却マフラー(人体の頸部を冷却する頸部冷却装置103)に代わって、人体を冷却することができる。
[Adult cooling incubator]
An overview of a brain cooling incubator for adult brain cryotherapy is shown in FIG. As described above, this incubator replaces a cooling blanket (body cooling device 102), a cooling cap (human head cooling device 104), and a cooling muffler (neck cooling device 103 that cools the neck of the human body). Can be cooled.

脳低温療法の患者は網状支持体の上に置かれ、全身の空気冷却が可能となる。インキュベータ内へ送気する冷却空気は加湿器を通し、湿度がほぼ100%となるように制御されるが、その温度は冷却の目的に応じて調節可能である。また、インキュベータ内で冷却空気の流速を高めることによって、冷却装置内の空気温度の均一性を図ると同時に冷却効率を高める。インキュベータ本体はほぼ真空状態に減圧した二層透明な材質よりなるので、断熱性に優れている。したがって、インキュベータの内部温熱環境は外部環境温度にほとんど影響されない。   Patients with cerebral cryotherapy are placed on a reticular support, allowing whole-body air cooling. The cooling air sent into the incubator passes through a humidifier and is controlled so that the humidity is almost 100%, but the temperature can be adjusted according to the purpose of cooling. Further, by increasing the flow velocity of the cooling air in the incubator, the air temperature in the cooling device is made uniform and at the same time the cooling efficiency is increased. The incubator body is made of a two-layer transparent material that is decompressed to a nearly vacuum state, so it has excellent heat insulation. Therefore, the internal thermal environment of the incubator is hardly affected by the external environmental temperature.

このようなインキュベータの変形例としては、例えば患者の病室全体をエア・コンディショナーで冷却することによって、患者の体温、特に脳温を管理するシステムが挙げられる。また、救急車の車内においても、同様に全体空気を冷却することにより、患者の脳温管理が可能となる。   As a modified example of such an incubator, for example, there is a system for managing the patient's body temperature, particularly the brain temperature, by cooling the entire patient's room with an air conditioner. Also, in the inside of an ambulance, the patient's brain temperature can be managed by similarly cooling the whole air.

[最適適応制御を適用したインキュベータ]
以下、図10〜図15に基づいて、「最適制御」を、全自動体熱管理装置101としての成人冷却用インキュベータに適用した場合を説明する。なお、「最適制御」は、全自動体熱管理装置101としての冷却ブランケット(胴体冷却装置102)、冷却帽子(頭部冷却装置104)、冷却マフラー(頸部冷却装置103)の組合せによるシステムにも適用可能であるが、ここでは、「最適制御」の具体的適用例として、成人冷却用インキュベータに適用した場合を説明する。これは、従来は水冷ブランケット等が主な脳温管理装置であったが、全身直接冷却が不可能などの問題点があり、非接触、空気冷却、密閉の温度管理装置が求められていたという要請により、成人冷却用インキュベータが考案されたという経緯に基づく。すなわち、「最適制御」を適用した成人冷却用インキュベータが、あらゆる問題点を克服した、脳低温療法のための温度自動制御システムであることによる。
[Incubator with optimal adaptive control]
Hereinafter, based on FIGS. 10 to 15, a case where “optimum control” is applied to an adult cooling incubator as the fully automatic body heat management apparatus 101 will be described. “Optimum control” is a system that combines a cooling blanket (body cooling device 102), a cooling cap (head cooling device 104), and a cooling muffler (neck cooling device 103) as the fully automatic body heat management device 101. Here, as a specific application example of “optimal control”, a case where it is applied to an adult cooling incubator will be described. In the past, water-cooled blankets etc. were the main brain temperature management devices, but there were problems such as inability to directly cool the whole body, and there was a need for non-contact, air-cooled, sealed temperature management devices. Based on the request that an adult cooling incubator was devised upon request. That is, the adult cooling incubator to which “optimum control” is applied is an automatic temperature control system for brain hypothermia that overcomes all problems.

なお、「最適制御」は、全自動体熱管理装置101に限らず、全自動体内ガス管理装置201、活動レベル管理装置301にも適応可能である。さらに、全自動体熱管理装置101、全自動体内ガス管理装置201、活動レベル管理装置301個々の装置に適用可能であるばかりでなく、全自動体熱管理装置101、全自動体内ガス管理装置201、活動レベル管理装置301を組み合わせたシステムにも適用可能である。   The “optimal control” is applicable not only to the fully automatic body heat management apparatus 101 but also to the fully automatic body gas management apparatus 201 and the activity level management apparatus 301. Furthermore, the present invention is applicable not only to the fully automatic body heat management device 101, the fully automatic body gas management device 201, and the activity level management device 301, but also to the fully automatic body heat management device 101 and the fully automatic body gas management device 201. The present invention can also be applied to a system in which the activity level management apparatus 301 is combined.

[最適適応制御とは]
図10に示した、最適制御による脳温自動制御システムは、モデル参照型適応制御により実現される。その際、制御入力である冷水温度を如何に定めるかを、図13に示すように、信号合成適応制御系と最適レギュレータを用いて行う。すなわち、参照モデルの脳温出力と目標脳温とを比較して、その差をもとに参照モデルの冷却温度入力を定め、参照モデルの脳温出力を目標脳温冷却曲線に追従させる最適追従制御方式を採用する。同時に、信号合成適応制御系は臨床のP−I生体温熱システム(患者−インキュベータを常に一体のものとして取り扱った温熱物理系)の脳温出力と参照モデルの脳温出力との差および参照モデルの冷水温度入力を基に、リアルタイムで、P−I生体温熱システムの冷却空気温度入力を調整する。それにより、P−I生体温熱システムの脳温出力を参照モデルの脳温出力に追従する制御を行う。よって、P−I生体温熱システムの脳温出力が目標とする脳温冷曲線に追従できる。
[What is optimal adaptive control?]
The brain temperature automatic control system by optimal control shown in FIG. 10 is realized by model reference type adaptive control. At this time, how to determine the chilled water temperature as a control input is performed using a signal synthesis adaptive control system and an optimum regulator as shown in FIG. That is, the brain temperature output of the reference model is compared with the target brain temperature, the cooling temperature input of the reference model is determined based on the difference, and the optimal tracking that causes the brain temperature output of the reference model to follow the target brain temperature cooling curve Adopt control method. At the same time, the signal synthesis adaptive control system is the difference between the brain temperature output of the clinical PI biological thermal system (the thermophysical system in which the patient-incubator is always handled as one unit) and the brain temperature output of the reference model. Based on the cold water temperature input, the cooling air temperature input of the PI living body thermal system is adjusted in real time. Thereby, control is performed so that the brain temperature output of the PI living body thermal system follows the brain temperature output of the reference model. Therefore, the brain temperature output of the PI living body thermal system can follow the target brain temperature / cooling curve.

すなわち、「最適制御」とは、特定のパラメータによって特徴付けられる制御システムにおいて、システムへのある入力値に対する出力値と目標値との差を数学的に分析して、ある制約条件(評価関数)の下でその差が最小になるように、前述のパラメータを計算し、その計算結果のパラメータをシステムに反映させることを入力値毎に繰り返すことによって、システムの出力値が目標値に追従することが可能となる制御である。   That is, “optimal control” is a control system characterized by a specific parameter, where a difference between an output value and a target value with respect to a certain input value to the system is mathematically analyzed, and a certain constraint condition (evaluation function). The output value of the system follows the target value by repeating the calculation of the above parameters so that the difference is minimized under each of the input values and reflecting the calculated parameter in the system for each input value. This is the control that makes possible.

以下では、参照モデルに対する最適制御とP−I生体温熱システムに対する適応制御のアルゴリズムを示す。   Below, the algorithm of the optimal control with respect to a reference model and the adaptive control with respect to a PI living body thermal system is shown.

[P−B(患者−ブランケット)伝達関数温熱モデル]
冷水ブランケットの温度変化に対して、患者の脳温には特徴的な変化が現れる。脳低温療法の温度管理過程は脳温のレベルと治療の過程の進行によって、冷却期、維持期、復温期、管理期の4期に分けられる。例えば、冷却期では、水冷ブランケットの冷水温度を低下させても、最初は脳温がほとんど変化せず、しばらくして急に変化する。その後はゆっくりとした変化となり、最後に一定値となる。このような脳温変化の時間遅れは脳低温療法の復温期にも存在する。
[P-B (patient-blanket) transfer function thermal model]
A characteristic change appears in the patient's brain temperature with respect to the temperature change of the cold water blanket. The temperature management process of brain hypothermia can be divided into four stages, namely, a cooling period, a maintenance period, a rewarming period, and a management period, depending on the level of brain temperature and the progress of the treatment process. For example, in the cooling period, even if the cold water temperature of the water-cooled blanket is lowered, the brain temperature hardly changes at first, and changes suddenly after a while. After that, it changes slowly and finally becomes a constant value. Such a time delay in brain temperature change also exists during the rewarming phase of brain hypothermia.

よって、システム論的視点から、水冷ブランケットの冷水温度Twaterと患者の脳温Tbrainをそれぞれシステムの温度入力と温度出力とし、P−B生体温熱システムの動特性を一次遅れとむだ時間要素からなる次のP−B伝達関数温熱モデルG(s)で近似表現する。 Therefore, from the viewpoint of system theory, the cold water temperature T water of the water cooling blanket and the brain temperature T brain of the patient are set as the temperature input and the temperature output of the system, respectively, and the dynamic characteristics of the P-B living body thermal system are first-order lag and time delay The following P-B transfer function thermal model G (s) is expressed approximately.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

ここでは、Tbrain(s)とTwater(s)はそれぞれ脳温と冷水温度の変化量に対するラプラス変換値である。sはラプラス演算子であり、K、Lとτはそれぞれシステムのゲイン、むだ時間と時定数である。 Here, T brain (s) and T water (s) are Laplace transform values for changes in brain temperature and cold water temperature, respectively. s is a Laplace operator, and K, L, and τ are system gain, dead time, and time constant, respectively.

[患者−ブランケット伝達関数温熱モデルの検証]
P−B伝達関数温熱モデルの妥当性を検証するために、このモデルを用いて脳温のPID制御のシミュレーション実験を行う。PIDレギュレータの各定数の最適調整値はZigler−Nicholsの方法に従い次のように与える。
[Verification of patient-blanket transfer function thermal model]
In order to verify the validity of the P-B transfer function thermal model, a simulation experiment of brain temperature PID control is performed using this model. Optimum adjustment values for each constant of the PID regulator are given as follows according to the Zigler-Nichols method.

Figure 0004538711
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目標脳温Rとモデルの脳温出力Tbrainとの差(e=R−Tbrain)に基づいて、モデルの冷水温度入力Twaterを次のような制御則により定める。 Based on the difference between the target brain temperature R and the brain temperature output T brain of the model (e = R−T brain ), the cold water temperature input T water of the model is determined by the following control law.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

[参照モデルの離散時間表現]
デジタル制御およびコンピュータプログラムの利便性から、以下では全て離散時間システムに変換した形で説明する。
[Discrete time representation of reference model]
From the convenience of digital control and computer program, the following description will be given in the form converted to a discrete time system.

P−B伝達関数温熱モデルでは時定数に比べて、そのむだ時間が極めて小さいので、実質的に、むだ時間を無視できる。よって、式(1)から次の差分方程式(3)を得ることができる。   In the P-B transfer function thermal model, the dead time is extremely small compared to the time constant, so that the dead time can be substantially ignored. Therefore, the following difference equation (3) can be obtained from the equation (1).

Figure 0004538711
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ここでは、添字modelは参照モデルを意味する。iはサンプル数であり、時系列の番号iはサンプリング周期νとする時サンプル時刻iνに対応する。なお、次式が成り立つ。   Here, the subscript model means a reference model. i is the number of samples, and the time-series number i corresponds to the sampling time iν when the sampling period is ν. The following equation holds.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

[最適追従型アルゴリズム]
参照モデルであるP−B伝達関数温熱モデルに対して最適追従制御を施すことを考える。ここでは、次のように定義する。
[Optimal tracking algorithm]
Consider performing optimal tracking control on a P-B transfer function thermal model that is a reference model. Here, the definition is as follows.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

この定義に従えば、次の誤差システムを得ることができる。   According to this definition, the following error system can be obtained.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

ただし、状態変数X(i)と係数行列A、G、Gは次のようになる。 However, the state variable X (i) and the coefficient matrix A, G, G R is as follows.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

よって、最適追従制御を行うために参照モデルへの冷水温度入力は次のように算出できる。   Therefore, the chilled water temperature input to the reference model can be calculated as follows in order to perform the optimal tracking control.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

ここでは、Tmodel,brain(0)とTmodel,water(0)はそれぞれ平衡状態にある参照モデルの脳温出力と冷水温度入力である。 Here, T model, brain (0) and T model, water (0) are the brain temperature output and the cold water temperature input of the reference model in an equilibrium state, respectively.

また、hとhは最適追従制御のための状態フィードバック係数であり、次のように予め与えることができる。 H 1 and h 2 are state feedback coefficients for optimal tracking control, and can be given in advance as follows.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

なお、パラメータq、qとrは最適追従効果を得られるように定める。(6)はRiccati方程式であるので、式(6)からPを求めることができる。 The parameters q 1 , q 2 and r are determined so as to obtain the optimum tracking effect. Since (6) is a Riccati equation, P can be obtained from equation (6).

[モデル参照型適応制御アルゴリズム]
生体システムを扱う場合には、個体差のみならず、経時的なその特性の変動および環境の変化がある。したがって、臨床上患者の全ての特性を把握し、完全に記述することは不可能である。このような生体システムに対して、どのサンプル時刻にあっても、絶えずシステムの特性を把握する同定機能を有するモデル参照型適応制御が有効と考えられる。
[Model reference type adaptive control algorithm]
When dealing with biological systems, there are not only individual differences but also fluctuations in its characteristics over time and environmental changes. Therefore, it is impossible to grasp and fully describe all the characteristics of patients clinically. For such a biological system, model reference type adaptive control having an identification function for constantly grasping the characteristics of the system at any sample time is considered effective.

ここでは、目標脳温冷却過程を実現するために、次のようなアルゴリズムに従ってP−I生体温熱システム(実際はP−I物理温熱モデル)の冷却空気温度入力を調整する。すなわち、P−I生体温熱システムの同定モデルを、次のように仮定する。   Here, in order to realize the target brain temperature cooling process, the cooling air temperature input of the PI living body thermal system (actually, the PI physical thermal model) is adjusted according to the following algorithm. That is, the identification model of the PI living body thermal system is assumed as follows.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

このとき、適応パラメータベクトル、適応状態ベクトルおよび適応ゲインの初期値を次のようにする。   At this time, initial values of the adaptive parameter vector, the adaptive state vector, and the adaptive gain are set as follows.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

このとき、パラメータ調整則および適応ゲインは以下のように与えることができる。   At this time, the parameter adjustment rule and the adaptive gain can be given as follows.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

ただし、次の式が成り立つ。   However, the following equation holds.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

よってP−I生体温熱システムの冷却空気温度入力は次のように与えられる。   Therefore, the cooling air temperature input of the PI living body thermal system is given as follows.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

なお、パラメータf、fとhは望ましい適応制御効果を与えられるように任意に決めることができる。 The parameters f 1 , f 2 and h can be arbitrarily determined so as to give a desired adaptive control effect.

[脳温の自動制御システム]
図10は、脳温の自動制御システムの構成概念図である。自動制御と手動制御による冷水温度調整の流れはそれぞれ実線と点線により示されている。自動制御メカニズムはソフトウェアで実現されている。
[Automatic control system of brain temperature]
FIG. 10 is a conceptual diagram of a configuration of an automatic brain temperature control system. The flow of chilled water temperature adjustment by automatic control and manual control is shown by a solid line and a dotted line, respectively. The automatic control mechanism is implemented in software.

[患者温熱モデルの構造]
図11は、患者温熱モデルを示す。この図では、患者の体を、頭部、顔面部、頸部、上肢、胸部、腹部、下肢、心臓の8区分で表す。頭部、胸部、腹部の各組織は、それぞれ、脳、肺、内臓のような核心層と、骨格と筋肉からなる内層と、皮膚と皮下脂肪からなる外層の3層に区分する。また、顔面部、頸部、上下肢は、内層と外層の2層に区分する。
[Structure of patient thermal model]
FIG. 11 shows a patient thermal model. In this figure, the patient's body is represented by eight sections: head, face, neck, upper limb, chest, abdomen, lower limb, and heart. Each tissue of the head, chest, and abdomen is divided into three layers: a core layer such as brain, lung, and internal organs, an inner layer composed of skeleton and muscle, and an outer layer composed of skin and subcutaneous fat. The face, neck, and upper and lower limbs are divided into two layers, an inner layer and an outer layer.

生体の外部環境である冷却装置は患者温熱モデルの一部分とみなす。   The cooling device, which is the external environment of the living body, is regarded as a part of the patient thermal model.

血流からみて、モデルの全ての層は並列の接続関係にあるとする。その理由は、生体内において、血液と組織との間の対流性熱交換が、主に内径0.2mm〜0.5mmの細い血管床で発生することによる。心臓は肺を含む各層に血液を送り、また各層から血液を収容するとした。心臓自身への冠循環を無視すれば、肺に循環する血液の量が他の層への循環血液の総量に等しいとみなせる。   From the viewpoint of blood flow, it is assumed that all layers of the model are connected in parallel. The reason is that convective heat exchange between blood and tissue occurs in a living body mainly in a thin blood vessel bed having an inner diameter of 0.2 mm to 0.5 mm. The heart sent blood to and contained blood from each layer, including the lungs. If the coronary circulation to the heart itself is ignored, the amount of blood circulating to the lungs can be considered equal to the total amount of circulating blood to the other layers.

熱交換的にみて、代謝性エネルギーは各区分の外層から冷却装置へと伝達する。肺では肺実質の代謝性熱産生が行われるとともに、呼吸による一定の熱損失が生ずる。また、層間熱交換は同じ区分の層同士の間のみに存在するとし、区分同士の間には熱伝導がないものとする。なお、心臓と各々の層には、それぞれ均一の生理パラメータと代表温度を仮定する。すなわちここで構築する患者温熱モデルは、集中定数モデルである。   In terms of heat exchange, metabolic energy is transferred from the outer layer of each section to the cooling device. In the lung, metabolic heat production of the lung parenchyma occurs, and a certain heat loss due to respiration occurs. Further, it is assumed that interlayer heat exchange exists only between layers of the same section, and there is no heat conduction between the sections. Note that uniform physiological parameters and representative temperatures are assumed for the heart and each layer. That is, the patient thermal model constructed here is a lumped constant model.

[患者温熱モデルの状態空間表現]
前述の全ての層において、層内蓄熱E、層内代謝性熱産生Q、循環血液による熱収支W、隣接層との熱交換C、冷却装置への熱伝達Dなどのエネルギー収支関係から各々の代表温度を定める方程式を次のように記述できる。
[State space representation of patient thermal model]
In all the above-mentioned layers, the energy balance relationships such as the intra-layer heat storage E, intra-layer metabolic heat production Q, heat balance W by circulating blood, heat exchange C with adjacent layers, heat transfer D to the cooling device, etc. The equation that defines the representative temperature can be described as follows:

Figure 0004538711
Figure 0004538711

ここで、各層の代表温度をT[℃]、血液温度をTbl[℃]、隣接区分の温度をT[℃]、冷却装置の温度をTapparatus[℃]、表面積をS[m]、各層の体積をV[m]、各隣接区分の間の伝導熱交換比率をk[W/m/℃]、人体から冷却装置への対流熱交換比率をksa[W/m/℃]、密度をρ[kg/m]、ρbl=1069[kg/m]、熱容量をc[J/kg/℃]、cbl=3650[J/kg/℃]、血液潅流率をw[mblood/s/mtissue]、代謝性熱産生をq[W/m]とすると、式(8)の各項は次のように表せる。 Here, the representative temperature of each layer is T [° C.], the blood temperature is T bl [° C.], the temperature of the adjacent section is T c [° C.], the temperature of the cooling device is T apparatus [° C.], and the surface area is S [m 3 ]. ], The volume of each layer is V [m 3 ], the conduction heat exchange ratio between each adjacent section is k [W / m 2 / ° C.], and the convective heat exchange ratio from the human body to the cooling device is k sa [W / m]. 2 / ° C.], density is ρ [kg / m 3 ], ρ bl = 1069 [kg / m 3 ], heat capacity is c [J / kg / ° C.], c bl = 3650 [J / kg / ° C.], blood When the perfusion rate is w [m 3 blood / s / m 3 tissue] and the metabolic heat production is q [W / m 3 ], each term of the equation (8) can be expressed as follows.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

ただし、式(8)においては、Dは外層のみに表れ、Cは頭部と胸部と腹部の内層の場合は二つの項となる。また、Qは肺において、代謝性熱産生と呼吸による熱損失との差となる。   However, in Equation (8), D appears only in the outer layer, and C is two terms in the inner layer of the head, chest, and abdomen. Q is the difference between metabolic heat production and heat loss due to breathing in the lung.

心臓においては、式(8)は次のようになる。   In the heart, equation (8) becomes:

Figure 0004538711
Figure 0004538711

ここでは、ΣWが循環血液による心臓と各層との熱収支の和を意味する。よって、頭部3層(脳、内層、外層)、顔面部2層(内層、外層)、頸部2層(内層、外層)、上肢部2層(内層、外層)、胸部3層(心臓、内層、外層)、腹部3層(内臓、内層、外層)、下肢部2層(内層、外層)、心臓全体について、併せて18個の微分方程式を得る。さらにこれらの方程式をまとめて次の状態方程式を得る。   Here, ΣW means the sum of heat balance between the heart and each layer due to circulating blood. Therefore, the head 3 layers (brain, inner layer, outer layer), face 2 layers (inner layer, outer layer), neck 2 layers (inner layer, outer layer), upper extremity 2 layers (inner layer, outer layer), chest 3 layers (heart, Eighteen differential equations are obtained for the inner layer, outer layer), the abdominal layer 3 (internal organs, inner layer, outer layer), the lower extremity layer 2 (inner layer, outer layer), and the entire heart. Furthermore, these equations are put together to obtain the following equation of state.

Figure 0004538711
Figure 0004538711

ただし、T(18×1)は脳温Tbrainをはじめとする各層の代表温度からなるベクトルであり、Tapparatus(3×1)は冷却装置の温度からなるベクトルである。A(18×18)とB(18×3)はその要素が生理パラメータより計算できる係数行列であり、それぞれシステムの内部の動特性と外部からの影響を表す。Q(18×1)は組織の代謝性熱産生および呼吸による熱損失からなるベクトルである。また、C=[1、0、・・・、0](1×18)である。 However, T (18 × 1) is a vector composed of the representative temperature of each layer including the brain temperature T brain , and T apparatus (3 × 1) is a vector composed of the temperature of the cooling device. A (18 × 18) and B (18 × 3) are coefficient matrices whose elements can be calculated from physiological parameters, and represent dynamic characteristics inside the system and external influences, respectively. Q (18 × 1) is a vector consisting of metabolic heat production of the tissue and heat loss due to respiration. Further, C = [1, 0,..., 0] (1 × 18).

システムの係数行列AとBを求めるには、各層の形状パラメータおよび生理パラメータが必要である。   In order to obtain the coefficient matrices A and B of the system, the shape parameters and physiological parameters of each layer are required.

形状パラメータは、本実施例ではFialaらの分布定数モデルを基に各区分の各層の比例配分を決め、それぞれの長さと半径を得る。それをもとに、各層の密度、体積、質量、比熱、体積あたり血液潅流率および正常状態の代謝性熱産生率などの生理パラメータを定める。   In this embodiment, the shape parameters are determined by proportional distribution of the respective layers of each section based on the distributed constant model of Fiala et al., And the respective lengths and radii are obtained. Based on this, physiological parameters such as density, volume, mass, specific heat, blood perfusion rate per volume, and metabolic heat production rate under normal conditions are determined.

また、同一区分内の層同士における層間熱交換係数については、LouとYangによる方法に従って算出する。その際、各層の熱伝導率は主にWernerとWebbのデータを利用する。これらのデータを用いて解析に必要な全ての形状・生理パラメータを算出できる。   The interlayer heat exchange coefficient between layers in the same section is calculated according to the method by Lou and Yang. At that time, the data of Werner and Webb are mainly used for the thermal conductivity of each layer. Using these data, all the shape and physiological parameters necessary for the analysis can be calculated.

生体表面から冷却装置への熱伝達は、式(13)に示したように、両者の温度差、および表面熱伝達係数の大きさにより決まる。脳低温療法の場合では、正常の静止状態の大気中の環境と比べて、その熱伝達が大きい。その理由は、生体表面と冷却装置との間の大きな温度差および熱伝達係数にある。   The heat transfer from the living body surface to the cooling device is determined by the temperature difference between them and the size of the surface heat transfer coefficient, as shown in Equation (13). In the case of cerebral hypothermia, the heat transfer is greater than in a normal quiescent atmospheric environment. The reason is the large temperature difference and heat transfer coefficient between the living body surface and the cooling device.

ところで、生体表面と冷却装置との間の熱伝達係数に関する正確なデータは存在しないため、静止水槽中の裸体マネキンに関する実験データを参考にして、適切な値を与える。   By the way, since there is no accurate data on the heat transfer coefficient between the living body surface and the cooling device, an appropriate value is given with reference to experimental data on a naked mannequin in a stationary aquarium.

一方、冷却装置への熱伝達を高めた結果、平衡状態にある各層の代表温度が大気環境下の正常体温に比べて低くなることが、式(8)から分かる。したがって、初期温度として、患者温熱モデルの各層に正常の体温の設定が困難である。そのため、本実施例では、患者温熱モデルの各層における代謝性熱産生を正常より高く設定し、次式により患者温熱モデルの初期温度を定める。   On the other hand, as a result of increasing the heat transfer to the cooling device, it can be seen from the equation (8) that the representative temperature of each layer in the equilibrium state is lower than the normal body temperature in the atmospheric environment. Therefore, it is difficult to set a normal body temperature for each layer of the patient thermal model as the initial temperature. Therefore, in this embodiment, metabolic heat production in each layer of the patient thermal model is set higher than normal, and the initial temperature of the patient thermal model is determined by the following equation.

Figure 0004538711
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ただし、T(0)(18×1)は各層の初期代表温度からなるベクトルである。αは代謝性熱産生率の補正係数である。   However, T (0) (18 × 1) is a vector composed of the initial representative temperature of each layer. α is a correction coefficient for the metabolic heat production rate.

[実験装置の構成]
図12は、本実施例における、マネキンを使った実験装置の構成を示した図である。
[Configuration of experimental apparatus]
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of an experimental apparatus using a mannequin in the present example.

この実験では、マネキンを箱型のインキュベータに収めてインキュベータを冷却し、マネキンの脳温とインキュベータ内の空気温度および風速を計測し、その計測結果に基づきインキュベータの冷却を制御する。   In this experiment, the mannequin is placed in a box-type incubator, the incubator is cooled, the mannequin brain temperature, the air temperature in the incubator and the wind speed are measured, and the cooling of the incubator is controlled based on the measurement results.

インキュベータには、インキュベータの内部に2箇所とインキュベータの外部に1箇所、送風のためのファンが備えられている。インキュベータの内部のファンは、1つはマネキンに直接送風するためのものである。もう1つのファンは、冷却フィン(放熱板)に取り付けられており、冷却フィン周辺に送風するためのものである。   The incubator is provided with two fans inside the incubator and one outside the incubator, and a fan for blowing air. One of the fans inside the incubator is for direct ventilation to the mannequin. The other fan is attached to the cooling fin (heat radiating plate) and is used to blow air around the cooling fin.

インキュベータの底の外部には、Peltier(ペルチェ)素子が備えられている。このPeltier素子を挟むように、上方には冷却フィンが面で接している。一方、Peltier素子の下方には、散熱フィン(放熱板)が面で接している。Peltier素子と散熱フィンは、インキュベータの外部にあり、冷却フィンはインキュベータの内部にある。   A Peltier element is provided outside the bottom of the incubator. A cooling fin is in contact with the upper surface so as to sandwich the Peltier element. On the other hand, below the Peltier element, a heat dissipation fin (heat radiating plate) is in contact with the surface. The Peltier element and the heat dissipation fin are outside the incubator, and the cooling fin is inside the incubator.

Peltier素子に通電すると、ペルチェ効果により、冷却フィン側の面から散熱フィン側の面へ熱が移動する。したがって、冷却フィンの周辺の空気は温度が相対的に低く、散熱フィン側の空気は温度が相対的に高い。冷却フィンの周辺の空気は、冷却フィンに取り付けられたファンにより、インキュベータ内部に拡散される。散熱フィンの周辺の空気は、散熱フィンに取り付けられたファンにより、インキュベータ外部に拡散される。このようにして、インキュベータ内部と外部の熱交換が行われる。   When the Peltier element is energized, heat is transferred from the surface on the cooling fin side to the surface on the heat dissipation fin side by the Peltier effect. Therefore, the air around the cooling fin has a relatively low temperature, and the air on the heat dissipation fin side has a relatively high temperature. The air around the cooling fin is diffused inside the incubator by a fan attached to the cooling fin. The air around the heat dissipation fins is diffused outside the incubator by a fan attached to the heat dissipation fins. In this way, heat exchange between the inside and outside of the incubator is performed.

インキュベータ内に取り付けられた空気温度および風速を検知するセンサー、マネキンの脳温を検知するセンサーは、それぞれ検知信号を制御装置へ送信する。この検知信号を受信した制御装置は、A/D変換を行って検知信号をデジタル情報に変換する。次いで、このデジタル情報を入力して制御プログラムを実行する。この制御プログラムは、「最適適応制御」理論に基づくアルゴリズムで制御を行うプログラムである。このプログラムは、マネキンの脳温が、目標とする値に追従するように実行結果を求める。さらに、制御プログラムの実行結果である制御情報をD/A変換を行って制御信号に変換する。さらに、制御信号を電圧可変直流電源に送信し、電圧可変直流電源では、この制御信号に基づき、電圧を制御することにより、Peltier素子と3つのファンの出力を調節する。このようにして、「最適適応制御」理論を用いて、インキュベータ内の温度が制御され、その結果、マネキンの脳温が目標とする値に追従するようになる。   The sensor for detecting the air temperature and the wind speed installed in the incubator and the sensor for detecting the brain temperature of the mannequin respectively transmit detection signals to the control device. The control device that has received the detection signal performs A / D conversion to convert the detection signal into digital information. Next, this digital information is input to execute the control program. This control program is a program that performs control by an algorithm based on the “optimum adaptive control” theory. This program obtains the execution result so that the brain temperature of the mannequin follows the target value. Further, the control information, which is the execution result of the control program, is converted into a control signal by performing D / A conversion. Further, the control signal is transmitted to the voltage variable DC power supply, and the voltage variable DC power supply controls the voltage based on the control signal, thereby adjusting the outputs of the Peltier element and the three fans. In this way, the temperature in the incubator is controlled using the “optimal adaptive control” theory, so that the mannequin brain temperature follows the target value.

なお、このような実験装置を応用して、インキュベータなどの冷却装置の温度変化に応じた人体の脳温の推移をシミュレートする、シミュレータの実現が可能である。   By applying such an experimental device, it is possible to realize a simulator that simulates the transition of the brain temperature of the human body according to the temperature change of a cooling device such as an incubator.

[脳温のモデル参照型適応制御]
信号合成適応は生体温熱システムの脳温出力を参照モデルの脳温出力に追従させる。図13の点線内の制御アルゴリズムは、図10の自動制御メカニズムに相当し、ソフトウェアにより実現可能である。
[Model reference adaptive control of brain temperature]
Signal synthesis adaptation makes the brain temperature output of the biological thermal system follow the brain temperature output of the reference model. The control algorithm within the dotted line in FIG. 13 corresponds to the automatic control mechanism in FIG. 10 and can be realized by software.

[脳温とインキュベータ内空気温度と患者の人体の代謝比率との関係]
図14を参照すると、患者の人体の代謝比率(Metabolic Rate)が5%上昇したとき、脳温Tbrain(Temperature)が上昇してTmodel,brain(Temperature)よりやや高く変化している。このときインキュベータ内空気温度Tair(Temperature)が一時的に25℃付近から15℃付近へ下げられる。そうすると、一時的に脳温Tbrainは目標脳温Tmodel,brainより低い温度に下がり、その後Tmodel,brainに漸近する。インキュベータ内空気温度Tairを15℃から上昇させて25℃付近に保っても、脳温Tbrainは徐々に上昇するが、Tmodel,brainに漸近するだけであり、Tmodel,brainを超えることはない。
[Relationship between brain temperature, air temperature in incubator and metabolic rate of patient's body]
Referring to FIG. 14, when the metabolic rate of the patient's human body increases by 5%, the brain temperature T brain (Temperature) increases and changes slightly higher than T model, brain (Temperature). At this time, the air temperature T air (Temperature) in the incubator is temporarily lowered from around 25 ° C. to around 15 ° C. Then, the brain temperature T brain temporarily decreases to a temperature lower than the target brain temperature T model, brain , and then gradually approaches T model, brain . Even if the air temperature T air in the incubator is raised from 15 ° C. and kept at around 25 ° C., the brain temperature T brain gradually rises, but only asymptotically approaches T model and brain and exceeds T model and brain. There is no.

次に、患者の人体の代謝比率が元の状態へ戻ると、脳温Tbrainが下降して32℃付近まで変化している。このときインキュベータ内空気温度Tairが一時的に25℃から30℃近くまで上げられる。そうすると、一時的に脳温TbrainはTmodel,brainに漸近するように上昇していく。インキュベータ内空気温度Tairを30℃付近から下降させて25℃付近に保っても、脳温Tbrainは徐々に上昇するが、Tmodel,brainに漸近するだけであり、Tmodel,brainを超えることはない。 Next, when the metabolic ratio of the patient's human body returns to the original state, the brain temperature T brain decreases and changes to around 32 ° C. At this time, the incubator air temperature T air is temporarily raised from 25 ° C. to near 30 ° C. Then, the brain temperature T brain temporarily rises asymptotically to T model, brain . Even if the air temperature T air in the incubator is lowered from around 30 ° C. and kept at around 25 ° C., the brain temperature T brain gradually rises, but only asymptotically approaches T model, brain and exceeds T model, brain . There is nothing.

このようにインキュベータ内空気温度を制御することによって、人体の代謝比率の変化に従って脳温を適応的に調整して、目標脳温にほぼ近い状態に保つことができる。   By controlling the air temperature in the incubator in this way, the brain temperature can be adaptively adjusted according to the change in the metabolic ratio of the human body, and can be kept close to the target brain temperature.

[脳温のモデル参照型適応制御のシミュレーション結果]
図15を参照すると、入力値であるインキュベータ内空気温度Tairおよび冷水温度Twaterの変化に応じて、P−I生体温熱モデルの脳温出力Tbrainと参照モデルの脳温出力Tmodel,brainがほぼ一致していることが分かる。参照モデルの温度入力が最適追従制御則により与えられ、参照モデルの脳温出力は、目標脳温冷却曲線Rによく追従する。同時にP−I生体温熱モデルの温度入力が、自身の出力と参照モデルの脳温出力との誤差および参照モデルの温度入力をもとに信号合成適応制御則により自動的に調整され、P−I生体温熱モデルの脳温出力は、参照モデルのそれによく追従している。その結果として、P−I生体温熱モデルと参照モデルの2つの脳温出力はともに目標脳温冷却曲線Rによく追従し、3つの曲線がほぼ重なっている。適応制御アルゴリズムには、状況や環境の変化に関する事前情報がまったく必要なく、制御の過程でこれらの変動を自動的に検出し、それに対応可能であるという重要な特徴がこのシミュレーション結果で示されている。
[Simulation result of model reference adaptive control of brain temperature]
Referring to FIG. 15, the brain temperature output T brain of the PI living body thermal model and the brain temperature output T model, brain of the reference model according to changes in the incubator air temperature T air and the cold water temperature T water as input values. It can be seen that is almost the same. The temperature input of the reference model is given by the optimal tracking control law, and the brain temperature output of the reference model follows the target brain temperature cooling curve R well. At the same time, the temperature input of the PI biological temperature model is automatically adjusted by the signal synthesis adaptive control law based on the error between its own output and the brain temperature output of the reference model and the temperature input of the reference model. The brain temperature output of the biological temperature model closely follows that of the reference model. As a result, the two brain temperature outputs of the PI living body thermal model and the reference model both closely follow the target brain temperature cooling curve R, and the three curves almost overlap. The simulation results show an important feature that adaptive control algorithms do not require any prior information about changes in the situation or environment, and that these fluctuations can be automatically detected and accommodated during the control process. Yes.

[変形例]
本実施例では、全自動体熱管理装置101、全自動体内ガス管理装置201、活動レベル管理装置301の各制御装置は、PC(パーソナルコンピュータ)により構成されているとした。近年のPCの小型化・高性能化により、制御装置の小型を図ることができる。よって、全自動体熱管理装置101、全自動体内ガス管理装置201、活動レベル管理装置301が、各装置を携帯しうる程度の大きさ、重量となる実施例が可能である。
[Modification]
In the present embodiment, it is assumed that each control device of the fully automatic body heat management device 101, the fully automatic body gas management device 201, and the activity level management device 301 is configured by a PC (personal computer). With the recent miniaturization and high performance of PCs, it is possible to reduce the size of the control device. Therefore, an embodiment in which the fully automatic body heat management apparatus 101, the fully automatic in-vivo gas management apparatus 201, and the activity level management apparatus 301 have a size and weight that allow each apparatus to be carried is possible.

以上、本発明の実施例を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではない。すなわち、本発明は対象者の生理状態を示す指標を最適な値に管理する生理状態管理システムであって、前記指標の現状値を検出する検出センサー、前記対象者の生理状態を変化させる出力装置、および、この出力装置を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記指標の目標値を設定する目標値設定手段と、前記検出センサーで検出した現状値と前記目標値との差に基づいて、前記出力装置のパラメータを数学的に推定するパラメータ推定手段と、前記パラメータに基づいて、前記出力装置を駆動させることにより、前記指標の現状値を前記目的値に近づける出力手段と、を備えていることを特徴とする生理状態管理システムであるが、検出センサー、出力装置、制御装置、目標値設定手段、パラメータ推定手段、出力手段などの各手段の具体的構成は、適宜設計変更可能である。   As mentioned above, although the Example of this invention was described, it has only illustrated the specific example and does not specifically limit this invention. That is, the present invention is a physiological state management system that manages an index indicating the physiological state of a subject to an optimal value, a detection sensor that detects a current value of the indicator, and an output device that changes the physiological state of the subject And a control device for controlling the output device, wherein the control device is based on a target value setting means for setting a target value of the index, and a difference between the current value detected by the detection sensor and the target value. Parameter estimation means for mathematically estimating the parameters of the output device, and output means for driving the output device based on the parameters to bring the current value of the index closer to the target value. The physiological state management system is characterized by the fact that each hand of the detection sensor, output device, control device, target value setting means, parameter estimation means, output means, etc. Specific structure of may be suitably designed or modified.

本実施例によれば、循環により直接麻酔薬の静脈注射による速効で効果が大きい麻酔が可能である。その他、呼気ガス分析、血液ガス分析、動脈圧、中心静脈圧、心電図、脳電図、筋電図、深部体温、直腸温、尿成分と尿量、胸壁聴診音の状態により麻酔を総合的に判断し麻酔医の注意を喚起し、麻酔深度を監視する。このとき、肺動脈の圧力とガス分析が重要である。すなわち、肺動脈の圧力と肺動脈血(混合静脈血)のガス分析から重傷患者のように生命に危険があるとき、持続的に動脈圧を観血的に測定する。血液量の過不足は肺のガス交換に重大な影響をもたらすので、これを反映するのが中心静脈圧である。麻酔事故の多発とガイドラインの必要性から、麻酔レベルを客観的に評価し、深度を監視し、これらを客観的に制御する方法である。麻酔の深度を総合的に判断し、この深度を具体的な数値段階的に記述する。   According to the present embodiment, rapid anesthesia and high effect anesthesia can be achieved by direct intravenous injection of an anesthetic by circulation. In addition, exhalation gas analysis, blood gas analysis, arterial pressure, central venous pressure, electrocardiogram, electroencephalogram, electromyogram, deep body temperature, rectal temperature, urine components and urine volume, chest wall auscultation sound, comprehensive anesthesia Judgment and alerting the anesthesiologist and monitoring the depth of anesthesia. At this time, pulmonary artery pressure and gas analysis are important. That is, when the pressure of the pulmonary artery and the gas analysis of the pulmonary artery blood (mixed venous blood) are life-threatening like a seriously injured patient, the arterial pressure is continuously measured invasively. Since excessive or insufficient blood volume has a significant effect on gas exchange in the lungs, central venous pressure reflects this. From the frequent occurrence of anesthesia accidents and the need for guidelines, the level of anesthesia is objectively evaluated, the depth is monitored, and these are controlled objectively. Determining the depth of anesthesia comprehensively and describing this depth in concrete numerical steps.

本発明の体熱管理システム、体内ガス濃度管理システム、さらに活動レベル管理システムの三つのサブシステムおよび総合システムにより重篤な内科的・外科的症状にある患者の生理状態を個々に、また統合した形での総合管理システムにより、集中治療室でとくに使われる。医療上、連続入手困難な生理データを容易に収集できるので、医療従事者を煩わせることなく、生命維持に適切な状態を目標となる生理状態を外部から設定することにより、医療において客観性のある重要な指標と働きをもたらす。   Physiological status of patients with severe medical / surgical symptoms are integrated individually and integrated by the three systems and integrated system of body heat management system, body gas concentration management system, and activity level management system of the present invention. Specially used in the intensive care unit due to the integrated management system in the form. Physiological data that is difficult to obtain continuously can be easily collected for medical purposes. By setting externally the target physiological state that is suitable for life support without bothering medical professionals, it is possible to achieve objectivity in medical care. Brings some important indicators and work.

まず体温管理については、外傷時に患者の体温管理を精密に行い、たとえば脳低温療法時に、冷水温度、頭部・頸部・胴体を含む全身の冷却は冷却用アクセサリーによって、目標温をより確実に得られると同時に、温度の調整に多様性をもたらす。ガス濃度管理システムについてはこれを呼吸装置として用い、呼吸ガス濃度を自動計測してこれを適応的に制御し、末梢動脈血の酸素飽和度に関して、生理的に安全な範囲で個体差に関係せず行われる制御により、医師が与えた目標値を自在に実現する。その他、換気異常時の警報作動の方法は、常に状態観測、ネットワークチェックにより、支持されている方法を用いる。従って、これ自身完全自動化呼吸管理システムである。   First, regarding body temperature management, the patient's body temperature is precisely controlled during trauma. For example, during cold brain therapy, the cooling water temperature and the cooling of the entire body including the head, neck, and torso are more reliably achieved by using cooling accessories. At the same time, it brings diversity to the temperature regulation. As for the gas concentration management system, this is used as a respiratory device, and the respiratory gas concentration is automatically measured and adaptively controlled, and the oxygen saturation of peripheral arterial blood is not related to individual differences within a physiologically safe range. The target value given by the doctor is freely realized by the control performed. In addition, as a method of alarm activation at the time of abnormal ventilation, a method that is always supported by state observation and network check is used. Therefore, this is a fully automated respiratory management system.

なお、麻酔深度による活動レベルに対しては血液中の化学物質の測定と呼気ガス中の麻酔ガス濃度の測定および微調整などの基本かつ必要な対応策を講じることができる。   For the activity level depending on the depth of anesthesia, basic and necessary measures such as measurement of chemical substances in blood and measurement and fine adjustment of anesthetic gas concentration in exhaled gas can be taken.

それによって、生命の危機や手術時に際して、最適な体温管理、血中ガス濃度の制御や麻酔の最適な深度を容易に実現でき、医療上画期的な効果をもたらす。   This makes it possible to easily realize optimal body temperature management, blood gas concentration control, and optimal anesthesia depth at the time of life crisis and surgery, and have a medically innovative effect.

なお、本発明の実施例に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施例に記載されたものに限定されるものではない。   It should be noted that the effects described in the embodiments of the present invention only list the most preferable effects resulting from the present invention, and the effects of the present invention are limited to those described in the embodiments of the present invention. is not.

本実施例における生理状態の総合管理システムの構成図である。It is a block diagram of the comprehensive management system of the physiological state in a present Example. 本実施例における生理状態の総合管理システムを人体への適用する概要図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram which applies the comprehensive management system of the physiological state in a present Example to a human body. 本実施例における生理状態管理システムの動作の概念の説明図である。It is explanatory drawing of the concept of operation | movement of the physiological condition management system in a present Example. 本実施例における生理状態管理システムの全身生理データのモニタリングシステムの説明図である。It is explanatory drawing of the monitoring system of the whole body physiological data of the physiological condition management system in a present Example. 本実施例における生理状態管理システムのサブシステムの構成図である。It is a block diagram of the subsystem of the physiological condition management system in a present Example. 本実施例における生理状態管理システムの各サブシステムの構成図である。It is a block diagram of each subsystem of the physiological condition management system in a present Example. 本実施例における生理状態管理システムの各サブシステムのハードブロック図である。It is a hardware block diagram of each subsystem of the physiological condition management system in a present Example. 本実施例における生理状態管理システムの皮膚温度測定用センサーと呼吸管理用マスクの説明図である。It is explanatory drawing of the sensor for skin temperature measurement and the mask for respiration management of the physiological condition management system in a present Example. 本実施例における生理状態管理システムの成人冷却用インキュベータの説明図である。It is explanatory drawing of the incubator for adult cooling of the physiological condition management system in a present Example. 本実施例における生理状態管理システムの脳温の自動制御システムの説明図である。It is explanatory drawing of the automatic control system of the brain temperature of the physiological condition management system in a present Example. 本実施例における生理状態管理システムの脳温の患者温熱モデルのブロック図である。It is a block diagram of the patient temperature model of the brain temperature of the physiological condition management system in a present Example. 本実施例における生理状態管理システムのマネキンによる実験装置のブロック図である。It is a block diagram of the experimental apparatus by the mannequin of the physiological condition management system in a present Example. 本実施例における生理状態管理システムの脳温のモデル参照型適応制御のブロック図である。It is a block diagram of model reference type adaptive control of brain temperature of the physiological state management system in the present embodiment. 本実施例における生理状態管理システムにおける脳温とインキュベータ内空気温度と患者の人体の代謝比率との関係図である。It is a related figure of the brain temperature in the physiological condition management system in a present Example, the air temperature in an incubator, and the metabolic ratio of a patient's human body. 本実施例における生理状態管理システムの脳温のモデル参照型適応制御のシミュレーション結果を表した図である。It is a figure showing the simulation result of the model reference type adaptive control of the brain temperature of the physiological condition management system in a present Example.

符号の説明Explanation of symbols

101 全自動体熱管理装置
201 全自動体内ガス管理装置
301 活動レベル管理装置
101 Fully Automatic Body Heat Management Device 201 Fully Automatic Body Gas Management Device 301 Activity Level Management Device

Claims (6)

対象者の脳を低温状態にして保護する脳低温療法に用いられる脳温管理装置であって、
前記対象者の脳温を検出する脳温検出センサー、前記対象者を冷却する対象者冷却手段、および、この対象者冷却手段の温度を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記脳温の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記脳温検出センサーで検出した現状値と前記目標値との差に基づいて、前記対象者冷却手段のパラメータを数学的に繰り返し推定するパラメータ推定手段と、
前記パラメータに基づいて、前記対象者冷却手段を駆動させることにより、前記脳温の現状値を前記目標値に繰り返し近づける出力手段と、を備えており、
前記対象者冷却手段は、体表面側から前記対象者に接触させて前記対象者の脳を間接的に冷却する接触冷却装置であり、
前記制御装置は、前記対象者と前記接触冷却装置との伝達関数温熱モデルを参照モデルとしてこの参照モデルの脳温出力と前記目標値とを比較し、その差を基に前記参照モデルの冷却温度入力を定め、前記参照モデルの脳温出力を目標脳温冷却曲線に追従させると同時に、前記脳温検出センサーの出力と前記参照モデルの脳温出力との差および前記参照モデルの冷却温度入力を基に前記出力手段を調整することにより、前記対象者の脳温を前記参照モデルの脳温出力に追従させる制御を行うことを特徴とする脳温管理装置。
A brain temperature management device used for brain cryotherapy that protects a subject's brain by maintaining a low temperature state,
A brain temperature detection sensor for detecting the brain temperature of the subject, a subject cooling means for cooling the subject, and a control device for controlling the temperature of the subject cooling means,
The control device includes target value setting means for setting a target value of the brain temperature;
Based on the difference between the current value detected by the brain temperature detection sensor and the target value, parameter estimation means for mathematically repeatedly estimating the parameters of the subject cooling means,
An output unit that repeatedly approaches the current value of the brain temperature to the target value by driving the subject cooling unit based on the parameter; and
The subject cooling means, Ri contact cooling apparatus der which the body surface side in contact with the subject indirectly cool the brain of the subject,
The control device uses the transfer function thermal model between the subject and the contact cooling device as a reference model, compares the brain temperature output of the reference model with the target value, and based on the difference, the cooling temperature of the reference model The input is determined, and the brain temperature output of the reference model follows the target brain temperature cooling curve, and at the same time, the difference between the output of the brain temperature detection sensor and the brain temperature output of the reference model, and the cooling temperature input of the reference model A brain temperature management apparatus that controls the brain temperature of the subject to follow the brain temperature output of the reference model by adjusting the output means based on the output means .
請求項1に記載の脳温管理装置において、
前記接触冷却装置は、前記対象者の頭部に装着する冷却帽子、前記対象者の頸部に装着する冷却マフラー、または、前記対象者の胴体に装着する冷却ブランケットであることを特徴とする脳温管理装置。
In the brain temperature management device according to claim 1,
The contact cooling device is a cooling cap to be worn on the head of the subject, a cooling muffler to be worn on the neck of the subject, or a cooling blanket to be worn on the torso of the subject. Temperature management device.
請求項1または2に記載の脳温管理装置において、
前記接触冷却装置は、空冷式である脳温管理装置。
In the brain temperature management device according to claim 1 or 2,
The contact cooling device is an air-cooled brain temperature management device.
対象者の脳を低温状態にして保護する脳低温療法に用いられる脳温管理装置であって、
前記対象者の脳温を検出する脳温検出センサー、前記対象者を冷却する対象者冷却手段、および、この対象者冷却手段の温度を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記脳温の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記脳温検出センサーで検出した現状値と前記目標値との差に基づいて、前記対象者冷却手段のパラメータを数学的に繰り返し推定するパラメータ推定手段と、
前記パラメータに基づいて、前記対象者冷却手段を駆動させることにより、前記脳温の現状値を前記目標値に繰り返し近づける出力手段と、を備えており、
前記対象者冷却手段は、前記対象者の周囲の空気を冷却して前記対象者の脳を間接的に冷却する空気冷却装置であり、
前記制御装置は、前記対象者と前記空気冷却装置との伝達関数温熱モデルを参照モデルとしてこの参照モデルの脳温出力と前記目標値とを比較し、その差を基に前記参照モデルの冷却温度入力を定め、前記参照モデルの脳温出力を目標脳温冷却曲線に追従させると同時に、前記脳温検出センサーの出力と前記参照モデルの脳温出力との差および前記参照モデルの冷却温度入力を基に前記出力手段を調整することにより、前記対象者の脳温を前記参照モデルの脳温出力に追従させる制御を行うことを特徴とする脳温管理装置。
A brain temperature management device used for brain cryotherapy that protects a subject's brain by maintaining a low temperature state,
A brain temperature detection sensor for detecting the brain temperature of the subject, a subject cooling means for cooling the subject, and a control device for controlling the temperature of the subject cooling means,
The control device includes target value setting means for setting a target value of the brain temperature;
Based on the difference between the current value detected by the brain temperature detection sensor and the target value, parameter estimation means for mathematically repeatedly estimating the parameters of the subject cooling means,
An output unit that repeatedly approaches the current value of the brain temperature to the target value by driving the subject cooling unit based on the parameter; and
The subject cooling means, Ri indirectly air cooler der to cool the brain of the subject to cool the air around the subject,
The control device compares a brain temperature output of the reference model with the target value using a transfer function thermal model between the subject and the air cooling device as a reference model, and based on the difference, the cooling temperature of the reference model The input is determined, and the brain temperature output of the reference model follows the target brain temperature cooling curve, and at the same time, the difference between the output of the brain temperature detection sensor and the brain temperature output of the reference model, and the cooling temperature input of the reference model A brain temperature management apparatus that controls the brain temperature of the subject to follow the brain temperature output of the reference model by adjusting the output means based on the output means .
請求項4に記載の脳温管理装置において、
前記空気冷却装置は、前記対象者の全身をおさめて密閉された箱状の脳冷却インキュベータである脳温管理装置。
In the brain temperature management device according to claim 4,
The air cooling device is a brain temperature management device that is a box-like brain cooling incubator that holds the whole body of the subject and is sealed.
対象者の脳を低温状態にして保護する脳低温療法に用いられる脳温管理装置であって、
前記対象者の脳温を検出する脳温検出センサー、前記対象者を冷却する対象者冷却手段、および、この対象者冷却手段の温度を制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記脳温の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記脳温検出センサーで検出した現状値と前記目標値との差に基づいて、前記対象者冷却手段のパラメータを数学的に繰り返し推定するパラメータ推定手段と、
前記パラメータに基づいて、前記対象者冷却手段を駆動させることにより、前記脳温の現状値を前記目標値に繰り返し近づける出力手段と、を備えており、
前記対象者冷却手段は、前記対象者の体内への薬品注入による体の物性の変化、または、脳血流によって前記対象者の脳を間接的に冷却する注入冷却装置であり、
前記制御装置は、前記対象者と前記注入冷却装置との伝達関数温熱モデルを参照モデルとしてこの参照モデルの脳温出力と前記目標値とを比較し、その差を基に前記参照モデルの冷却温度入力を定め、前記姜照モデルの脳温出力を目標脳温冷却曲線に追従させると同時に、前記脳温検出センサーの出力と前記参照モデルの脳温出力との差および前記参照モデルの冷却温度入力を基に前記出力手段を調整することにより、前記対象者の脳温を前記参照モデルの脳温出力に追従させる制御を行うことを特徴とする脳温管理装置。
A brain temperature management device used for brain cryotherapy that protects a subject's brain by maintaining a low temperature state,
A brain temperature detection sensor for detecting the brain temperature of the subject, a subject cooling means for cooling the subject, and a control device for controlling the temperature of the subject cooling means,
The control device includes target value setting means for setting a target value of the brain temperature;
Based on the difference between the current value detected by the brain temperature detection sensor and the target value, parameter estimation means for mathematically repeatedly estimating the parameters of the subject cooling means,
An output unit that repeatedly approaches the current value of the brain temperature to the target value by driving the subject cooling unit based on the parameter; and
The subject cooling means, injection change in the physical properties of the body by chemicals into the body of the subject, or, Ri injection cooler der indirectly cool the brain of the subject by the cerebral blood flow,
The control device compares a brain temperature output of the reference model with the target value using a transfer function thermal model between the subject and the injection cooling device as a reference model, and based on the difference, the cooling temperature of the reference model The input is determined, the brain temperature output of the illumination model follows the target brain temperature cooling curve, and at the same time, the difference between the output of the brain temperature detection sensor and the brain temperature output of the reference model, and the cooling temperature input of the reference model A brain temperature management device that controls the brain temperature of the subject to follow the brain temperature output of the reference model by adjusting the output means based on the above .
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