CN111247397A - 超声波流量计及血液净化装置 - Google Patents

超声波流量计及血液净化装置 Download PDF

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CN111247397A CN201880067269.8A CN201880067269A CN111247397A CN 111247397 A CN111247397 A CN 111247397A CN 201880067269 A CN201880067269 A CN 201880067269A CN 111247397 A CN111247397 A CN 111247397A
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Abstract

本发明提供一种超声波流量计，其在血液净化装置中使用，即使在持续地长时间测定液体的流量且其测定环境变化的情况下也保持测定精度。超声波流量计(1A)在血液净化装置(100A)中使用并具备与血液导管(120)的外侧接触并安装的超声波收发器(10A、10B)和测定液体的流量的流量测定电路(20A)，流量测定电路(20A)具备发送部(21)、接收部(22)、判定取得在血液导管(120)中流动的液体的实际流量的基准流量的定时的判定部(24)、基于收发的超声波信号算出流量的流量算出部(25)、存储在利用判定部(24)判定出的定时利用流量算出部(25)算出的基准流量(Q0)的存储部(26)以及算出基于算出流量(Q)和基准流量(Q0)校准得到的校准流量(Q’)的校准流量算出部(27)。

Description

超声波流量计及血液净化装置
技术领域
本发明涉及在血液净化装置中使用的超声波流量计。
背景技术
在血液透析或血浆置换、吸附疗法等治疗所使用的血液净化装置中，使用血液泵使血液或预冲液等液体在连接有血液净化机构的血液导管中流动，但由于液体不一定如血液泵的设定流量那样流动，所以为了掌握实际流动的流量(实际流量)，使用了超声波流量计(参照专利文献1和2)。
另外，在血液净化装置中，实施在治疗开始前清洗血液导管等的预冲工序、从患者抽取血液的抽血工序、使用血液净化机构实施治疗的治疗工序以及使血液返回到患者的返血工序等各种工序(参照专利文献3)。
一般来说，超声波流量计等流量计在产品出货前或测定流量前在实际流量成为基准的流量状态下测定基准流量，并将基于该基准流量校准得到的校准流量设为测定值。
在血液净化装置中使用的超声波流量计的情况下，例如，在血液泵的设定经由某恒定时间后流动变得稳定的定时测定基准流量，或者在预冲工序时在血液导管内充满预冲液且血液泵停止的状态下测定基准流量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-253768号公报
专利文献2：日本特开2008-023269号公报
专利文献3：日本特开2014-188219号公报
发明内容
发明要解决的课题
关于使用血液净化装置的治疗的、每次治疗工序所需的时间，在血浆置换、血液吸附疗法中为2～3小时，在血液透析中约为4小时，花费非常长的时间。
另外，在使用血液净化装置进入治疗之前的预冲作业结束后，在使预冲液在血液导管内循环的状态下待机，直到患者到达。根据情况的不同，该待机的时间有时花费一个小时左右。
这样，在血液净化装置中，需要在各工序中持续地长时间地测定液体的流量，由于从流量测定开始到结束期间外部环境中的温度或湿度的变化，另外，由于在血液导管的内部流动的流体的温度变化等，超声波流量计与血液导管的表面的接触状态随着时间的经过而变化，由此，测定精度下降。由于作为在血液净化装置中使用的血液导管，以具有挠性的软质管作为主体而构成，所以该变化较显著。
因此，本发明的目的在于提供一种在血液净化装置中使用的、即使在持续地长时间测定液体的流量且其测定环境变化的情况下也保持测定精度的超声波流量计。
用于解决课题的手段
本发明涉及一种在具备血液导管和用于使液体在该血液导管中流动的血液泵的血液净化装置中使用的超声波流量计，具备：超声波收发器，与供液体流动的所述血液导管的外侧接触地安装并收发超声波信号；和流量测定电路，基于用所述超声波收发器收发的超声波信号测定液体的流量，所述流量测定电路具备：发送部，向所述超声波收发器发送超声波信号；接收部，从所述超声波收发器接收超声波信号；判定部，判定所述血液泵停止或送液方向变化而取得在所述血液导管中流动的液体的实际流量的基准流量的定时；流量算出部，基于利用所述发送部发送的超声波信号和利用所述接收部接收到的超声波信号算出流量；存储部，存储在利用所述判定部判定出的定时利用所述流量算出部算出的基准流量；以及校准流量算出部，算出基于利用所述流量算出部算出的算出流量和存储于所述存储部的最近的所述基准流量校准得到的校准流量。
另外，优选的是，所述血液净化装置具备控制部，所述控制部控制所述血液泵并切换在所述血液导管中流动的液体的送液方向不同的多个工序，在切换工序时产生所述血液泵停止或送液方向变化的定时，所述判定部通过从所述控制部接收所述血液泵停止或送液方向变化的定时信息从而进行判定。
另外，优选的是，所述流量测定电路具备：设定流量接收部，从所述控制部接收在利用所述判定部判定的所述血液泵停止或送液方向变化的定时算出所述液体的实际流量成为零的流量后的所述血液泵的设定流量；和校正流量算出部，算出基于利用所述校准流量算出部算出的校准流量、在算出所述液体的实际流量成为零的流量后液体的流动稳定的状态下利用所述校准流量算出部算出的零点算出后的校准流量以及利用所述设定流量接收部接收到的所述血液泵的设定流量校正得到的校正流量。
另外，优选的是，所述超声波流量计具备在流经所述血液导管的液体的流动方向上隔开预定距离配置的至少一对所述超声波收发器，所述超声波收发器相对于液体的流动方向斜向地收发超声波信号。
另外，本发明涉及一种具备所述超声波流量计、血液导管以及用于使液体在该血液导管中流动的血液泵的血液净化装置。
发明的效果
根据本发明的超声波流量计，由于算出基于基准算出流量校准得到的校准流量，所述基准算出流量在利用判定部判定出的取得液体的实际流量作为基准流量的定时测定，所以即使在长时间测定且测定环境变化的情况下也能够保持测定精度。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式的结构的说明图。
图2是示出血液净化装置的概略结构的图。
图3A是示出在血液净化装置中实施的预冲工序的图。
图3B是示出在血液净化装置中实施的预冲工序的图。
图4是示出在血液净化装置中实施的抽血工序的图。
图5是示出在血液净化装置中实施的治疗工序的图。
图6是示出在血液净化装置中实施的返血工序的图。
图7是示出本发明的第二实施方式的结构的说明图。
图8是示出本发明的实施例1中的流量测定的结果的图。
图9是示出本发明的比较例1中的流量测定的结果的图。
图10是示出本发明的实施例2中的测定精度的图。
图11是示出本发明的实施例3中的测定精度的图。
图12是示出本发明的比较例3中的测定精度的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的超声波流量计和血液净化装置的各优选实施方式。在本发明中，作为一例，使用进行血液透析的血液净化装置进行说明，在所述血液透析中，净化肾功能不全患者或药物中毒患者的血液，并且除去血液中的多余的水分。
<第一实施方式>
图1是示出本发明的第一实施方式的血液净化装置100A和在该装置中使用的超声波流量计1A的结构的说明图，图2是示出血液净化装置100A的概略结构的图。
首先，参照图2说明血液净化装置100A的结构。
血液净化装置100A具备：作为血液净化机构的透析器110、血液导管120、配置于该血液导管120的超声波流量计1A、透析液导管140、透析液送液部150以及控制部160。
透析器110具备形成为筒状的容器主体111和收容在该容器主体111的内部的透析膜(未图示)，容器主体111的内部由透析膜划分为血液侧流路和透析液侧流路(均未图示)。在容器主体111中形成有与血液导管120连通的血液导入口112a和血液导出口112b、与透析液导管140连通的透析液导入口113a和透析液导出口113b。
血液导管120具有动脉侧管路121、静脉侧管路122、药剂管路123以及排液管路124。动脉侧管路121、静脉侧管路122、药剂管路123以及排液管路124均以液体能够流通的具有挠性的软质管为主体而构成。
动脉侧管路121的一端侧与透析器110的血液导入口112a连接。在动脉侧管路121上配置有动脉侧连接部121a、动脉侧气泡检测器121b、血液泵130以及后述的超声波流量计1A。
动脉侧连接部121a配置在动脉侧管路121的另一端侧。在动脉侧连接部121a上连接有穿刺到患者的血管中的针。
动脉侧气泡检测器121b检测管内有无气泡。
血液泵130配置在动脉侧管路121中的动脉侧气泡检测器121b的下游侧。血液泵130通过用辊将构成动脉侧管路121的管挤压，从而送出动脉侧管路121内部的液体。
超声波流量计1A配置在动脉侧管路121中的血液泵130的上游侧。超声波流量计1A包含收发超声波信号的超声波收发器10A、10B、基于用超声波收发器收发的超声波信号测定液体的流量的流量测定电路20A而构成，测定在动脉侧管路121中流动的液体的流量(参照图1)。
超声波流量计1A可以安装在血液导管120上的任意的位置，但在本实施方式中，将超声波流量计1A安装在动脉侧管路121中的血液泵130的上游侧。通过安装在该位置，从而难以受到透析器110的除水或注水的影响，因此能够减小测定误差。进一步而言，优选超声波流量计1A的安装部位设为动脉侧气泡检测器121b的上游侧的接近动脉侧连接部121a的位置。通过将测量设备安装在与血管的连接部接近的部位，从而能够得到更接近生物体的血流的测定值。
需要说明的是，血液导管120(动脉侧管路121)以在安装有超声波流量计1A的部位处、液体的流动方向成为大致铅垂的方式被保持，从而使会给流量的测定带来影响的血液导管120内的气泡不滞留。另外，优选将液体的流动方向上的上游侧配置在下部，将下游侧配置在上部，从而气泡能够迅速地上升，在本实施方式中，以在血液净化装置100A实施的全部工序中的需要最长时间的治疗工序中液体(血液)流动的方向为基准决定上游侧和下游侧即可。
后面将说明超声波流量计1A的详细情况。
静脉侧管路122的一端侧与透析器110的血液导出口112b连接。在静脉侧管路122上配置有静脉侧连接部122a、静脉侧气泡检测器122b、滴注器122c以及静脉侧夹持件122d。
静脉侧连接部122a配置在静脉侧管路的另一端侧。在静脉侧连接部122a上连接有穿刺到患者的血管中的针。
静脉侧气泡检测器122b检测管内有无气泡。
滴注器122c配置在静脉侧气泡检测器122b的上游侧。为了除去混入静脉侧管路122的气泡、凝固的血液等，并且为了测定静脉压，滴注器122c积存一定量的血液。
静脉侧夹持件122d配置在静脉侧气泡检测器122b的下游侧。根据静脉侧气泡检测器122b的气泡的检测结果控制静脉侧夹持件122d，并对静脉侧管路122的流路进行开闭。
药剂管路123向动脉侧管路121供给血液透析期间所需的药剂。药剂管路123的一端侧与送出药剂的药液泵123a连接，另一端侧与动脉侧管路121连接。另外，在药剂管路123上设置有未图示的夹持机构，除了注入药剂时以外是利用夹持部件封闭流路的状态。在本实施方式中，药剂管路123的另一端侧与动脉侧管路121中的超声波流量计1A的下游侧连接。
排液管路124与滴注器122c连接。在排液管路124上配置有排液管路用夹持件124a。排液管路124是用于在后述的预冲工序中排出预冲液的管路。
根据以上的透析器110、血液导管120以及血液泵130，利用血液泵130使从对象者(透析患者)的动脉取出的血液在动脉侧管路121中流通并导入透析器110的血液侧流路。导入透析器110的血液经由透析膜被在后述的透析液导管140中流通的透析液净化。在透析器110中被净化的血液在静脉侧管路122中流通并返回到对象者的静脉。
在本实施方式中，透析液导管140由所谓的密闭容量控制方式的透析液管路构成。该透析液导管140具备透析液供给管路141、透析液导入管路142、透析液导出管路143以及透析液排液管路144。
透析液送液部150具备透析液腔151、旁通管路152以及除水/反向过滤泵153。
透析液腔151由能够收容一定容量(例如300ml～500ml)的透析液的硬质容器构成，该容器的内部用软质的隔膜(diaphragm)划分，并划分为送液收容部151a和排液收容部151b。
旁通管路152将透析液导出管路143与透析液排液管路144连接。
除水/反向过滤泵153配置在旁通管路152中。除水/反向过滤泵153由能够向下述方向送液地驱动的泵构成，所述方向为使旁通管路152内部的透析液向透析液排液管路144侧流通的方向(除水方向)和向透析液导出管路143侧流通的方向(反向过滤方向)。
透析液供给管路141的基端侧与透析液供给装置(未图示)连接，前端侧与透析液腔151连接。透析液供给管路141向透析液腔151的送液收容部151a供给透析液。
透析液导入管路142将透析液腔151与透析器110的透析液导入口113a连接，并将收容在透析液腔151的送液收容部151a中的透析液导入透析器110的透析液侧流路。
透析液导出管路143将透析器110的透析液导出口113b与透析液腔151连接，并将从透析器110排出的透析液导出到透析液腔151的排液收容部151b。
透析液排液管路144的基端侧与透析液腔151连接，并将收容在排液收容部151b中的透析液的排液排出。
根据以上的透析液导管140和透析液送液部150，通过利用软质的隔膜(diaphragm)将构成透析液腔151的硬质容器的内部划分，从而能够将来自透析液腔151的透析液的导出量(向送液收容部151a的透析液的供给量)和回收到透析液腔151(排液收容部151b)的排液的量设为等量。
由此，在使除水/反向过滤泵153停止的状态下，能够将导入透析器110的透析液的流量与从透析器110导出的透析液(排液)的量设为等量(参照图3B)。
另外，以向反向过滤方向送液的方式使除水/反向过滤泵153驱动的情况下，从透析液腔151排出的排液的一部分通过旁通管路152和透析液导出管路143，再次回收到透析液腔151。因此，从透析器110导出的透析液的量成为从回收到透析液腔151的量(即在透析液导入管路142中流通的透析液的量)减去在旁通管路152中流通的透析液的量得到的量。由此，从透析器110导出的透析液的量比在透析液导入管路142中流通的透析液的流量少，少的量与通过旁通管路152再次回收到透析液腔151的透析液(排液)的量对应。即，以向反向过滤方向送液的方式使除水/反向过滤泵153驱动的情况下，在透析器110中，向血液导管120注入(反向过滤)预定量的透析液(参照图3A)。
另一方面，以向除水方向送液的方式使除水/反向过滤泵153驱动的情况下，在透析液导出管路143中流通的透析液的量成为回收到透析液腔151的透析液的量(即在透析液导入管路142中流通的透析液的量)加上在旁通管路152中流通的透析液的量得到的量。由此，在透析液导出管路143中流通的透析液的量比在透析液导入管路142中流通的透析液的量多，多的量与通过旁通管路152排出到透析液排液管路144的透析液(排液)的量对应。即，以向除水方向送液的方式使除水/反向过滤泵153驱动的情况下，在透析器110中，从血液进行预定量的除水(参照图4和5)。
控制部160由信息处理装置(计算机)构成，通过执行控制程序，从而控制血液净化装置1的工作。
具体而言，控制部160控制配置于血液导管120和透析液导管140的各种泵、夹持件等的工作，执行利用血液透析装置100A进行的各种工序例如预冲工序、抽血工序、治疗工序以及返血工序等。
以下，参照图3～图6说明各种工序。
图3A和3B所示的预冲工序是清洗透析器110和血液导管120使它们清洁化，并且除去内部的空气的准备工序。
在本实施方式中，作为预冲工序，按顺序进行图3A所示的预冲两侧工序和图3B所示的预冲循环工序。
在预冲两侧工序中，如图3A所示，将排液管路用夹持件124a设为打开状态，将静脉侧夹持件122d设为打开状态。另外，动脉侧连接部121a与静脉侧连接部122a预先设为短路状态。
未图示的透析液供给装置例如以500ml/min的送液量对透析液腔151供给和排出透析液，并使除水/反向过滤泵153以向反向过滤方向送液的方式工作。通过将除水/反向过滤泵153的供应量设为400ml/min，从而从透析液导入管路142经由透析器110向血液导管120注入400ml/min的反向过滤透析液(预冲液)。
使血液泵130以如下方式工作：以200ml/min的送液量从透析器110侧向动脉侧连接部121a侧输送血液导管120内的反向过滤透析液。
经由透析器110注入血液导管120的反向过滤液分别以200ml/min的流量从血液导出口112b向静脉侧管路122流动，另外，从血液导入口112a向动脉侧管路121流动，并通过排液管路124排出。
接着，在预冲循环工序中，如图3B所示，将排液管路用夹持件124a从打开状态设为关闭状态，保持未图示的透析液供给装置以500ml/min的送液量对透析液腔151供给和排出透析液的状态，使除水/反向过滤泵153停止。另外，使送液方向从动脉侧连接部121a侧变为透析器110侧，并以200ml/min的送液量使血液泵130工作。
这样，反向过滤透析液以200ml/min的流量在血液导管120内循环。
接着，参照图4说明抽血工序。
抽血工序是在穿刺后从动脉侧连接部121a和静脉侧连接部122a双方吸引患者的血液并使血液填充到动脉侧管路121和静脉侧管路122的工序。
在抽血工序中，如图4所示，动脉侧连接部121a和静脉侧连接部122a分别与穿刺到患者的血管中的针连接，排液管路用夹持件124a为关闭状态，静脉侧夹持件122d为打开状态。
未图示的透析液供给装置以500ml/min的送液量对透析液腔151供给和排出透析液，并使除水/反向过滤泵153以向除水方向送液的方式工作。通过将除水/反向过滤泵153的供应量设为100ml/min，从而在透析器110中进行100ml/min的除水。
血液泵130以40～50ml/min的低流量从动脉侧连接部121a侧向透析器110侧送液。在本实施方式中设为50ml/min。
在透析器110内，反向过滤透析液然后血液以50ml/min的流量从血液导入口112a流入，反向过滤透析液然后血液以50ml/min的流量从血液导出口112b导出。另外，反向过滤透析液被从透析液导出口113b导出。这样，透析器110内和血液导管120内由血液填充。
接着，参照图5说明治疗工序。
治疗工序紧接着抽血工序进行约4小时，从动脉侧连接部121a导入的患者的血液通过动脉侧管路121并用透析器110净化，通过静脉侧管路122从静脉侧连接部122a返回患者。
在治疗工序中，如图5所示，动脉侧连接部121a和静脉侧连接部122a为分别与穿刺到患者的血管中的针连接的状态，排液管路用夹持件124a为关闭状态，静脉侧夹持件122d为打开状态。
未图示的透析液供给装置以500ml/min的送液量对透析液腔151供给和排出透析液，并使除水/反向过滤泵153以向除水方向送液的方式工作。作为一例，通过将除水/反向过滤泵153的供应量设为10ml/min，从而在透析器110中进行10ml/min的除水。
血液泵130使流量从治疗工序开始时的40～50ml/min逐渐增加到例如200ml/min左右，并从动脉侧连接部121a侧向透析器110侧送出血液。
在透析器110内，血液以200ml/min的流量从血液导入口112a流入，以10ml/min的流量被除水，以190ml/min的流量从血液导出口112b导出。另外，反向过滤透析液被从透析液导出口113b导出。
接着，参照图6说明返血工序。
返血工序是治疗工序结束后使血液导管120内和透析器110内的血液返回患者体内的工序。
在返血工序中，如图6所示，动脉侧连接部121a和静脉侧连接部122a为分别与穿刺到患者的血管中的针连接的状态，排液管路用夹持件124a为关闭状态，静脉侧夹持件122d为打开状态。
未图示的透析液供给装置例如以500ml/min的送液量对透析液腔151供给和排出透析液，并使除水/反向过滤泵153以向反向过滤方向送液的方式工作。通过将除水/反向过滤泵153的供应量设为100ml/min，从而在透析器110中进行100ml/min的注水。
血液泵130以40～50ml/min的低流量从透析器110侧向动脉侧连接部121a侧送液。在本实施方式中设为50ml/min。
注入透析器110内的反向过滤透析液分别以50ml/min的流量从血液导入口112a和血液导出口112b流出，向动脉侧连接部121a和静脉侧连接部122a流动。这样，透析器110内和血液导管120内的血液返回患者体内。
如以上说明地，在本实施方式中，在血液导管120内充满反向过滤透析液或血液等液体的状态下，存在血液泵130停止而实际流量成为零的以下三个定时。三个定时为：(1)预冲工序中的从预冲两侧工序转移到预冲循环工序的定时(参照图3A和3B)、(2)从预冲循环工序转移到抽血工序的定时(参照图3B和4)、(3)从治疗工序转移到返血工序的定时(参照图5和6)。在(1)和(3)中，通过血液泵130的送液方向变化，另外，在(2)中，通过穿刺作业期间血液泵130停止，从而产生血液导管120内的实际流量大致成为零的定时。在本实施方式中，关于基准流量，设为以没有流动的、流量大致为零来取得基准流量的情况进行说明。
接着，参照图1详细地说明本实施方式的超声波流量计1A。
超声波流量计1A具备一对超声波收发器10A和10B、测定液体的流量的流量测定电路20A，超声波流量计1A安装于血液净化装置100A具备的血液导管120。
超声波收发器10A和10B分别包含压电元件11和压电元件罩12而构成。超声波收发器10A和10B在流经血液导管120的液体的流动方向上隔开预定距离地配置，与血液导管120的外侧接触并斜向相向地安装，并能够收发超声波信号。
在压电元件11的两个面上分别安装有未图示的电极，能够将输入的电信号转换为机械振动，另外，将传递来的机械振动转换为电信号并输出。压电元件11埋入到利用硬质聚氯乙烯或改性聚苯醚、聚碳酸酯、丙烯酸等树脂形成的压电元件罩12的内部并配置。作为压电元件的材料，能够应用锆钛酸铅等压电陶瓷、氧化锌等压电薄膜、偏二氟乙烯等压电高分子膜等。在本实施方式中，使用锆钛酸铅作为压电元件的材料，使用银和铂作为电极。
流量测定电路20A具备发送部21、接收部22、收发切换部23、判定部24、流量算出部25、存储部26以及校准流量算出部27。流量测定电路20A能够基于用一对超声波收发器10A和10B收发的超声波信号，测定液体的流量。
发送部21经由收发切换部23与超声波收发器10A或10B的压电元件11连接，并发送超声波信号。
接收部22经由收发切换部23与超声波收发器10A或10B的压电元件11连接，接收超声波信号并将接收到的超声波信号放大。
收发切换部23将超声波收发器10A和10B的一方切换为发送部21，将另一方切换为接收部22。由此，收发切换部23能够测定从超声波收发器10A发送超声波信号并用超声波收发器10B接收时的传播时间、从超声波收发器10B发送超声波信号并用超声波收发器10A接收时的传播时间。
判定部24判定血液泵130停止而在血液导管120中流动的液体的实际流量成为零的定时。
具体而言，判定部24与血液净化装置100A的控制部160连接，并从控制部160接收血液泵130停止的定时信息。通过按这种方式从血液净化装置100A侧取得实际流量成为零的定时信息，从而能够简化判定部24的电路结构。另外，也可以是，以接收血液泵130的流量设定值的方式构成判定部24，液体的实际流量为零以外，例如血液泵的设定值设定为200ml/min且血液泵的设定值在一定时间中不变化地血液泵工作后，例如在10秒后判定为取得作为基准流量的定时。
流量算出部25基于利用发送部21发送的超声波信号和利用接收部22接收到的超声波信号算出流量。
在本实施方式中，使用传播时间倒数差法或传播时间差法，按以下方式算出流量Q。
超声波收发器10A和10B相对于液体的流动方向斜向地收发超声波信号。具体而言，以收发超声波信号的方向与液体的流动方向形成的角成为预定的角度φ的方式与血液导管120的外侧相向地配置，交替地收发超声波信号，并测定超声波信号的传播所需的时间。
将超声波信号从超声波收发器10A向10B传播的时间设为TAB，将超声波信号从超声波收发器10B向10A传播的时间设为TBA，将超声波信号传播的距离设为L，将音速设为C，将血液导管120内的液体的流速设为V。
在血液导管120内充满液体的状态下，实际流量为零即流速V为零的情况下，TAB与TBA相等，并成为下式。
TAB＝TBA＝L/C…(a)
〔利用传播时间倒数差法测定流量Q的情况〕
如图1所示，液体以流速V从超声波收发器10A侧向超声波收发器10B侧流动的情况下，成为下式。
TAB＝L/(C+Vcosφ)…(b)
TBA＝L/(C-Vcosφ)…(c)
当根据这些(b)和(c)式的关系取各个传播时间TAB、TBA的倒数之差时，成为下式。
1/TAB-1/TBA＝(2Vcosφ)/L…(d)
根据(d)式求出流速V时，成为下式。
V＝L/(2cosφ)×(1/TAB-1/TBA)…(e)
根据(e)式，通过测定超声波信号的传播时间，从而能够算出流速V。
在(e)式中，由于流速V不依存于具有温度依存性的音速C，所以即使作为测定对象的液体的温度发生变化也能够不受其影响地算出流速V，能够将血液导管120的截面积A乘以该流速V而算出流量Q。
Q＝V×A…(f)
〔利用传播时间差法测定流量Q的情况〕
如图1所示，液体以流速V从超声波收发器10A侧向超声波收发器10B侧流动的情况下，成为下式。
TAB＝L/(C+Vcosφ)…(b)
TBA＝L/(C-Vcosφ)…(c)
当根据这些(b)和(c)式的关系取各个传播时间TAB、TBA之差时，由于流速V的平方与音速C的平方相比充分小，所以近似地成为下式。
TAB-TBA＝(2LVcosφ)/(C2-V2cos2φ)
≈(2LVcosφ)/C2…(d)
根据(d)式求出流速V时，成为下式。
V＝C2/(2Lcosφ)×(TBA-TAB)…(e)
根据(e)式，通过测定超声波信号的传播时间，从而能够算出流速V。
能够在(e)式中将血液导管120的截面积A乘以流速V而算出流量Q。
Q＝V×A…(f)
此外，在液体的实际流量为零的情况下，根据(a)和(e)式，理论上算出的流速V也应该成为零。然而，当利用流量算出部25算出实际流量为零的情况下的流量Q时，超声波信号的传播时间TAB和TBA产生差而实际不成为零，算出Q＝V0×A＝Q0(≠0)。在此，V0设为零点流速，Q0设为零点流量。
可认为零点流量Q0不成为零的理由为以下几个：具有压电元件11的超声波收发器10A、10B和流量测定电路20A等的构成元件中的制造上的偏差、随时间的变化以及温度变化的影响，另外，超声波收发器10A和10B与血液导管120的表面的接触状态的影响等。
本发明人们发现：这些理由中的超声波收发器10A、10B与血液导管120的表面的接触状态的影响与其他原因的影响相比，给测定精度带来的影响有可能较大。
以下更详细地说明，如上所述，血液导管120由软质的管构成。因此，已发现：即使为了使超声波信号的传递变良好而在超声波收发器10A、10B与血液导管120的表面的接触部分涂布凡士林等，由于外部环境中的温度或湿度的变化，另外，在血液导管120的内部流动的流体的温度变化等，超声波收发器10A、10B与血液导管120的表面的接触状态也会发生变化。
存储部26能够存储零点流量Q0，所述零点流量Q0是在利用判定部24判定出的实际流量成为零的定时利用流量算出部25算出的流量。在上述血液净化装置100A的实施工序中，由于血液泵130停止等而产生多个实际流量成为零的定时。与其相应地也多次算出零点流量Q0。
校准流量算出部27算出基于利用流量算出部25算出的算出流量Q和存储于存储部26的最近的零点流量Q0零点校准而成的校准流量Q’。
具体而言，校准流量Q’用以下的公式求出。
Q’＝Q-Q0…(g)
根据以上说明的第一实施方式的超声波流量计1A和血液净化装置100A，达到以下效果。
(1)将超声波流量计1A设为：具备超声波收发器10A和10B、流量测定电路20A，流量测定电路20A具备：发送超声波信号的发送部21、接收超声波信号的接收部22、判定取得在血液导管120中流动的液体的实际流量作为基准流量的定时的判定部24、基于利用超声波收发器10A和10B收发的超声波信号算出流量的流量算出部25、在利用判定部24判定出的定时存储利用流量算出部25算出的基准流量Q0的存储部26以及基于利用流量算出部25算出的算出流量Q和存储于存储部26的最近的基准流量Q0算出校准流量Q’的校准流量算出部27。由此，由于即使长时间测定流量且其测定环境变化的情况下，也能够在预定的定时适当算出基准流量Q0，并基于该值Q0算出校准流量Q’，所以能够减小测定误差并保持测定精度。另外，由于即使不在超声波收发器10A和10B与血液导管120的接触面上涂布凡士林等，也能够使测定精度提高，所以能够减少流量测定所需的劳力和时间。
(2)血液净化装置100A具备控制部160，所述控制部160控制血液泵130并切换液体的送液方向不同的多个工序，流量测定电路20A中的判定部24通过从控制部160接收血液泵130停止或送液方向变化的定时信息，从而进行判定。由此，由于能够从血液净化装置100A侧取得实际流量成为零的定时信息，所以能够简化判定部24的电路结构。
(3)将超声波流量计1A设为具备一对超声波收发器10A和10B，所述一对超声波收发器10A和10B在流经血液导管120的液体的流动方向上隔开预定距离地配置。由此，能够以测定线为1条的简易结构来测定液体的流量，与测定线为多条的结构相比，能够减少制造成本。
(4)在流量测定电路20A利用传播时间倒数差法算出流量的情况下，由于流速V不依存于具有温度依存性的音速C，所以即使作为测定对象的液体的温度发生变化也能够不受其影响地算出流速V，能够将血液导管120的截面积A乘以该流速V而算出流量Q。因此，与利用依存于音速C的传播时间差法(已知技术)算出流量的情况相比，能够减小测定误差。
(5)血液导管120(动脉侧管路121)以在安装有超声波流量计1A的部位处、液体的流动方向成为大致垂直的方式被保持。由此，由于能够使血液导管120内的气泡不滞留，所以能够减小气泡给流量的测定带来的影响。
(6)血液导管120(动脉侧管路121)以在安装有超声波流量计1A的部位使液体的流动方向上的上游侧成为下部且使下游侧成为上部的方式配置。由此，由于流量测定部位的血液导管120内的气泡能够迅速地上升，所以能够减小气泡给流量的测定带来的影响。
<第二实施方式>
接着，参照图7说明第二实施方式。
图7是示出本发明的第二实施方式的血液净化装置100B和在该装置中使用的超声波流量计1B的结构的说明图。对于与第一实施方式相同的结构，标注相同的附图标记并省略说明。
血液净化装置100B具备超声波流量计1B、透析器110、血液导管120、血液泵130、透析液导管140、透析液送液部150、控制部160以及控制基板170。
由于在血液净化装置100B中实施的各工序与第一实施方式的情况下相同，所以省略说明。
超声波流量计1B具备一对超声波收发器10A和10B、测定液体的流量的流量测定电路20B，超声波流量计1B安装于血液净化装置100B具备的血液导管120。
超声波收发器10A和10B分别包含压电元件11和压电元件罩12而构成。超声波收发器10A和10B在流经血液导管120的液体的流动方向上隔开预定距离地配置。另外，超声波收发器10A和10B与血液导管120的外侧接触并安装于相同侧，能够收发在血液导管120反射的超声波信号。
流量测定电路20B具备发送部21、接收部22、收发切换部23、判定部24、流量算出部25、存储部26、校准流量算出部27、设定流量接收部28以及校正流量算出部29。流量测定电路20B能够基于用一对超声波收发器10A和10B收发的超声波信号，测定液体的流量。
设定流量接收部28从控制部160接收在利用判定部24判定出的定时算出零点流量Q0后液体的流动稳定的状态下的血液泵130的设定流量q+0。
校正流量算出部29算出基于利用校准流量算出部27算出的校准流量Q’、算出零点流量Q0后液体的流动稳定的状态(例如，算出零点流量Q0且血液泵130设定为某流量的约1～60秒后)下利用校准流量算出部27算出的校准流量Q+0’以及利用设定流量接收部28接收到的血液泵130的设定流量q+0校正得到的校正流量Q”。
具体而言，通过将校正系数a乘以校准流量Q’从而算出校正流量Q”。
Q”＝a×Q’…(h)
由于在算出零点流量Q0后液体的流动稳定的状态下，以校正流量Q”成为设定流量q+0的方式进行校正，所以Q”＝q+0，Q’＝Q+0’。当将它们代入(h)式时，得到下式。
q+0＝a×Q+0’…(i)
当根据(h)式求出校正系数a时，成为下式。
a＝q+0/Q+0’…(j)
根据(i)和(j)式，能够利用以下的(k)式算出校正流量Q”。
Q”＝(q+0/Q+0’)×Q’…(k)
控制基板170组入血液净化装置100B的主体内部，并安装有构成流量测定电路20B和控制部160的电路。因此，能够在同一基板上进行流量测定电路20B具备的判定部24和设定流量接收部28与控制部160的信号的收发。
根据以上说明的第二实施方式的超声波流量计1B和血液净化装置100B，除了上述效果(1)～(6)，还达到以下效果。
(7)超声波流量计1B中的流量测定电路20B还具备设定流量接收部28和校正流量算出部29，所述设定流量接收部28从控制部160接收在利用判定部24判定的定时算出零点流量Q0后液体的流动稳定的状态下的血液泵130的设定流量q+0，所述校正流量算出部29算出基于校准流量Q’、在算出零点流量Q0后液体的流动稳定的状态下利用校准流量算出部27算出的校准流量Q+0’以及设定流量q+0校正得到的校正流量。由此，能够进一步减小测定误差而使测定精度提高。
(8)血液净化装置100B具备的控制基板170组入血液净化装置100B的主体内部，并安装有构成流量测定电路20B和控制部160的电路。由此，由于能够在同一基板上进行流量测定电路20B具备的判定部24和设定流量接收部28与控制部160的信号的收发，所以能够使判定部24和设定流量接收部28与控制部160间的信息传递的延迟减少，能够使流量的测定精度提高。另外，通过将电路汇总安装在同一基板上，从而能够使制造成本降低。
(9)将一对超声波收发器10A和10B设为：在流经血液导管120的液体的流动方向上隔开预定距离地配置，与血液导管120的外侧接触并安装在相同侧。由此，由于与斜向相向地配置一对超声波收发器的结构相比，超声波信号传播的距离L变长，所以能够使作为测定对象的超声波信号的传播时间TAB和TBA的测定精度提高。因此，也能够使基于传播时间TAB和TBA算出的流量的测定精度提高。
接着，示出使用在第一实施方式中说明的超声波流量计1A和血液净化装置100A算出零点流量Q0并校准得到的实施例的流量测定的结果、不校准的情况下的比较例的流量测定的结果。
[实施例1]
用血液泵130一边在0～400ml/min的范围内变更设定流量q，一边使在与室温同程度的温度25℃下保持为一定的水作为反向过滤透析液或血液的代替在血液导管120中流动。通过对用超声波流量计1A测定的流量的测定结果和能够视为实际流量的设定流量q进行比较，从而求出测定流量与实际流量的相关关系。需要说明的是，在测定的开始时在设定流量q＝0的状态下算出零点算出流量Q0后，算出校准流量Q’。
作为血液导管120，使用外径5.5mm、内径3.5mm的利用聚氯乙烯形成的软质管。在将超声波流量计1A安装于血液导管120时，特别是不涂布凡士林等而直接将超声波收发器10A和10B安装于血液导管120的外侧。
发送部21例如使用陶瓷振子等由数百kHz～数MHz的振荡电路构成，接收部22由放大电路构成，所述放大电路将接收到的微弱的超声波信号所产生的电压放大。
流量算出部25包含计数器电路而构成，所述计数器电路使用数MHz～数GHz左右的高速时钟信号，测量从发送部21发送超声波信号的时刻(开始时刻)与接收部22接收到超声波信号的时刻(停止时刻)之间的时间即传播时间。
根据在第一实施方式的使用传播时间差法的情况下说明的(e)式，与流量成比例的流速V与(TBA-TAB)成比例。在此，当将计数器电路中的时钟信号的计数设为N，并将频率设为F时，传播时间T能够用N×F算出。因此，由于计数NAB与NBA之差(NBA-NAB)与(TBA-TAB)成比例，所以流速V与(NBA-NAB)成比例。在此，NAB＝TAB/F，NBA＝TBA/F。
在图8中示出与校准流量Q’成比例的校准后的计数NAB与NBA之差(NBA-NAB)的测定结果，代替在第一实施方式的使用传播时间差法的情况下说明的使用(e)、(f)以及(g)式而算出的校准流量Q’。
图8是示出计数NAB与NBA之差(有校准)与能够视为实际流量的血液泵130的设定流量q的关系的图表。
如图8所示，根据最小二乘法，与校准流量Q’成比例的计数NAB与NBA之差(有校准)与设定流量q的相关关系成为相关函数R＝0.9932，与实际流量示出良好的相关性。
[比较例1]
在图9中示出与算出流量Q成比例的无校准的计数NAB与NBA之差(NBA-NAB)的测定结果，代替在不进行流量的校准这一点以外与实施例1相同的测定条件下使用(e)和(f)算出的算出流量Q。
图9是示出计数NAB与NBA之差(无校准)与能够视为实际流量的血液泵130的设定流量q的关系的图表。
如图9所示，根据最小二乘法，与算出流量Q成比例的计数NAB与NBA之差(无校准)与设定流量q的相关关系成为相关函数R＝0.9567，与实施例1的结果相比，相关性变低。另外，由于也不进行零点校准，所以测定误差变大。
[实施例2]
基于在实施例1中测定的结果，算出在血液导管120中流动的水的温度在室温下保持为一定的情况下的校准流量Q’，并在图10中示出其测定精度α与设定流量q的关系。
使用校准流量Q’、设定流量q，利用以下的(l)式算出测定精度α。
α＝{(Q’-q)/q}×100…(l)
如图10所示，在各设定流量q下，测定精度α保持在±5.0％以内，显示出良好的测定精度。
[实施例3]
算出在血液导管120中流动的水的温度在体温左右的约37℃下保持为一定的情况下的校准流量Q’，并在图12中示出其测定精度α与设定流量q的关系。需要说明的是，在测定的开始时在水温约37℃、设定流量q＝0的状态下算出零点算出流量Q0后，算出校准流量Q’。
利用上述(l)式算出测定精度α。
如图11所示，在各设定流量q下，测定精度α保持在±7.0％以内，显示出良好的测定精度。
[比较例2]
算出在血液导管120中流动的水的温度在体温左右的约37℃下保持为一定的情况下的校准流量Q’，并在图12中示出其测定精度α与设定流量q的关系。需要说明的是，在测定的开始时在水温为室温左右的约25℃、设定流量q＝0的状态下算出零点算出流量Q0后，在使水温上升到体温左右的约37℃并保持为一定的状态下，一边使设定流量q在50～400ml/min的范围内变更，一边算出算出流量Q。
利用上述(l)'式算出测定精度α'。
如图12所示，测定精度α'超过±10.0％并推移，不能保持良好的测定精度。
根据比较例2的结果，显示出超声波流量计1A中的超声波收发器10A和10B与血液导管120的表面的接触状态受到在血液导管120内流动的液体的温度的变化的影响。
以上，说明了本发明的超声波流量计和血液净化装置的优选的各实施方式和各实施例，但本发明不限于上述实施方式和实施例，能够适当变更。
例如，在上述实施方式中，使用进行血液透析(HD)的透析装置作为血液净化装置的一例来进行说明，但也能够应用于血液过滤(HF)、血液过滤透析(HDF)等血液透析疗法、血浆置换疗法或血液吸附疗法等。
另外，关于超声波流量计中的流量的算出方法，示出传播时间倒数差法作为一例，但能够使用传播时间差法、回振法、多普勒法等已知的算出方法。
另外，关于超声波流量计的向血液导管的配置方法，在第一实施方式中示出使一对超声波收发器斜向相向并配置，在第二实施方式中示出将一对超声波收发器安装在相同侧的例子，但不限于此。例如，可以使两对超声波收发器分别斜向地相向并安装，也可以是使用一个超声波收发器进行超声波信号的收发的结构。
另外，超声波流量计的向血液导管的配置位置不限于第一实施方式和第二实施方式的配置，依存于超声波流量计向管的安装的容易性等。例如，超声波流量计可以位于图2所示的动脉侧管路121中的药剂管路123与动脉侧管路121的连接部分的血液导入口112a侧，也可以是血液泵130与动脉侧气泡检测器121b之间。另外，可以是静脉侧管路122中的滴注器122c与静脉侧气泡检测器122b之间，可以是静脉侧夹持件122d与静脉侧连接部122a之间。也就是说，超声波流量计配置在能够检测出动脉侧或静脉侧的流量降低的位置即可。
另外，在第一实施方式中，可以使血液净化装置100A的控制部160有意地生成血液泵130在治疗工序期间停止的定时(例如每1小时停止约1～30秒)。由此，能够在血液净化期间进行流量零的判定和校正，即使在需要数小时的治疗工序中，也能够保持较高的测定精度。
附图标记的说明
1A、1B超声波流量计
10A、10B超声波收发器
20A、20B流量测定电路
21发送部
22接收部
23收发切换部
24存储部
25流量算出部
26存储部
27校准流量算出部
28设定流量接收部
29校正流量算出部
100血液净化装置
110血液净化机构(透析器)
120血液导管
130血液泵
140透析液导管
160控制部
170控制基板

Claims (5)

1.超声波流量计，其在具备血液导管和用于使液体在该血液导管中流动的血液泵的血液净化装置中使用，所述超声波流量计具备：
超声波收发器，其与供液体流动的所述血液导管的外侧接触地安装并收发超声波信号；和
流量测定电路，其基于用所述超声波收发器收发的超声波信号测定液体的流量，
所述流量测定电路具备：
发送部，向所述超声波收发器发送超声波信号；
接收部，从所述超声波收发器接收超声波信号；
判定部，判定取得在所述血液导管中流动的液体的实际流量作为基准流量的定时；
流量算出部，基于利用所述发送部发送的超声波信号和利用所述接收部接收到的超声波信号算出流量；
存储部，存储在利用所述判定部判定出的定时利用所述流量算出部算出的基准流量；以及
校准流量算出部，算出基于利用所述流量算出部算出的算出流量和存储于所述存储部的最近的所述基准流量校准得到的校准流量。
2.根据权利要求1所述的超声波流量计，其中，
所述血液净化装置具备控制部，所述控制部控制所述血液泵并切换在所述血液导管中流动的液体的送液方向不同的多个工序，在切换工序时产生所述血液泵停止或送液方向变化的定时，
所述判定部通过从所述控制部接收所述血液泵停止或送液方向变化的定时信息从而进行判定。
3.根据权利要求2所述的超声波流量计，其中，
所述流量测定电路具备：
设定流量接收部，从所述控制部接收在利用所述判定部判定出的所述血液泵停止或送液方向变化的定时算出所述液体的实际流量成为大致零的零点流量后的所述血液泵的设定流量；和
校正流量算出部，算出基于利用所述校准流量算出部算出的校准流量、在算出所述零点流量后液体的流动稳定的状态下利用所述校准流量算出部算出的校准流量以及利用所述设定流量接收部接收到的所述血液泵的设定流量校正得到的校正流量。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的超声波流量计，其中，
所述超声波流量计具备在流经所述血液导管的液体的流动方向上隔开预定距离配置的至少一对所述超声波收发器，
所述超声波收发器相对于液体的流动方向斜向地收发超声波信号。
5.血液净化装置，其中，
具备权利要求1～4中任一项所述的超声波流量计、血液导管以及用于使液体在该血液导管中流动的血液泵。
CN201880067269.8A 2017-10-17 2018-10-12 超声波流量计及血液净化装置 Pending CN111247397A (zh)

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