JP2013104838A - 超音波式流量測定装置及びその使用方法 - Google Patents

超音波式流量測定装置及びその使用方法 Download PDF

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Abstract

【課題】超音波送受信器を固定した管路部の使い捨てを可能とし、記憶媒体に記憶した補正データにより測定精度を保証する。
【解決手段】圧電素子2a、2bを固定した管路部1を使い捨てを可能とし、流量測定時に非使い捨て部分の測定回路部において、使い捨て部分の記憶メモリチップ10に記憶した管路部1に対する校正により得られた補正データを用いて、圧電素子2a、2bにより超音波ビームの交互の送受信を行い、測定回路部で得られた流量値を補正することにより測定精度が保証される。
【選択図】図3

Description

本発明は、例えば心臓手術時に用いる人工心臓ポンプを流れる血流量測定に使用し、一部を使い捨てとした超音波式流量測定装置及びその使用方法に関するものである。
超音波式流量計の例えばクランク型の管路部は、直管部の両側に超音波送受信器の2個所の取付部、流体の入口管路、出口管路を必要とし、合成樹脂製であっても多くは1回の射出成型によっては成型不可能なので、幾つかの部品に分けて成型し、これらを接合することにより製造していることが多い。
この接合手段によると、超音波ビームを伝播させる直管部内に溶接ビードや溶接屑が生じたり、管体の中心線同士がずれたりして、流体が直管部内を滑らかに流れずに乱れることがあり、更には直管部の長さ誤差、内径誤差、超音波送受信器の取付精度によって、流量特性は管路部ごとに異なるのが一般的である。従って、超音波送受信器を取り付けたこのようなクランク型の管路部或いは内部反射型の管路部においても、対応する測定回路部と対にして実流量を流して校正を行い、測定回路部のメモリに校正による補正データを記憶させ、測定回路部と共に出荷している。
特許文献1に記載のように、手術等において補助人工心臓を使用する際に、血流量を計測してモニタすることがある。この心臓手術の場合には感染症の問題から、近年では血液を流す管路部の使用は1回だけとなり、手術後に人工心臓ポンプと共に廃棄することになる。しかし、測定回路部は管路部に比較して高価となるので、測定回路部は非使い捨てとし、繰り返して使用している。
特許文献2、3には、このような場合の血流量を測定するに際して、超音波式流量計用の使い捨て型の管路部が開示されている。
特開2005−192687号公報 米国特許公報第5463906号公報 特表2010−519506号公報
使い捨て型の管路部を使用した超音波式流量計においても、使用前に実流量を管路部に流して校正をすることが望ましいが、繰り返して使用する1個の測定回路部に対し、複数個の管路部を対応させることはなかなか困難である。
この点について、特許文献3には管路部の直管部の内径は1%を超えて変化することはないので、使用前の校正は必要としないと記載されている。しかし実際には、前述の背景技術で説明したように、管路部の加工等による個々の管路部の流量特性の相異は無視できない。
また、特許文献2、3においては、超音波ビームを送発信する超音波送受信器である圧電素子は繰り返して使用し、測定の都度、使い捨ての管路部に取り付けて使用している。しかし、この圧電素子の取付状態についても測定精度に大きな影響を与えることになるが、圧電素子を繰り返して使用する場合に、どの程度、測定精度に影響を与えているかが不明な状態で測定を実行することになる。
本発明の目的は、上述の課題を解消し、使い捨ての管路部には予め超音波送受信器を固定しておき、実流量による校正によって補正データを求め、測定時に非使い捨て部である回路測定部において、管路部に付設した補正データを用いることにより、得られる流量値の測定精度を保証できる超音波式流量測定装置及びその使用方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係る超音波式流量測定装置は、使い捨て部分と繰り返して使用する非使い捨て部分とから成る超音波式流量測定装置において、前記使い捨て部分では、被測定流体を流す直管部の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を固定し、前記直管部の両端近傍にそれぞれ前記直管部に対し前記流体の流入を行う入口管路と前記流体の排出を行う出口管路とを設けた管路部を有すると共に外部の回路と通信可能な記憶媒体を備え、前記非使い捨て部分である測定回路部に対し、予め実流量を流した校正により求めた前記管路部の補正データを前記記憶媒体に記憶しておき、測定時に前記測定回路部は前記記憶媒体の前記補正データを読み込み、前記一対の超音波送受信器から交互に前記直管部内に送受信した超音波ビームによる信号を基に、得られた流量値を前記補正データを用いて補正することを特徴とする。
また、本発明に係る超音波式流量測定装置の使用方法は、使い捨て部分と繰り返して使用する非使い捨て部分とから成る超音波式流量測定装置において、前記使い捨て部分では、被測定流体を流す直管部の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を固定し、前記直管部の両端の近傍に、それぞれ前記直管部に対し前記流体の流入を行う入口管路と前記流体の排出を行う出口管路とを設けた管路部を有すると共に外部回路と通信可能な記憶媒体を備え、前記管路部に実流量を流す校正により前記非使い捨て部分である測定回路部に対し求めた前記管路部の補正データを前記記憶媒体に記憶する工程と、測定開始時又は測定時に前記測定回路部は前記記憶媒体の前記補正データを読み込む工程と、測定時に前記一対の超音波送受信器から交互に前記直管部内に送受信した超音波ビームによる信号を基に流量値を演算し、得られた流量値を前記補正データにより補正し補正した流量値を算出する工程とを備えたことを特徴とする。
本発明に係る超音波式流量測定装置及びその使用方法によれば、超音波送受信器を固定した管路部を使い捨てとし、非使い捨て部分の測定回路部において、使い捨て部分の補正データを用いることにより測定精度が保証される。
実施例の管路部の斜視図である。 管路部の分解斜視図である。 管路部の断面図である。 校正により管路部の補正データを得る場合の説明図である。 ホルダの斜視図である。 血流量測定時の構成図である。 ホルダを壁掛用として使用する場合の説明図である。
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図1は実施例の使い捨て部分である管路部の斜視図、図2は分解斜視図、図3は断面図である。なお、図2の分解斜視図は左右両側の対称部分の左側の下流部分の図示は省略している。
例えばポリプロピレン、テフロン(登録商標)等の合成樹脂から成る管路部1は、直管路1aの両端近傍において、それぞれ直管路1aの軸方向に対し、直角方向に向けて流体の流入を行う入口管路1bと流体の排出を行う出口管路1cとが、所謂クランク型に配置されている。
各管路1a、1b、1cは例えば内径4mmとされ、入口管路1b、出口管路1cの各端部には、例えば人工心臓ポンプに接続した合成樹脂材から成る可撓管が接続し易く、かつ抜け難くなるように複数の段部を設けた接続口1dが形成されている。なお、管路部1を透明体とすれば、流体の流れを確認することができる。
この管路部1は主として3個の部材、つまり直管路1aを主体とする直管部材1a’、入口管路1bを主体とする入口部材1b’、出口管路1cを主体とする出口部材1c’から成り、入口部材1b’と出口部材1c’は同形とされている。
これらの部材1a’〜1c’は射出成型により製作され、直管部材1a’の両端は、入口部材1b’、出口部材1c’の端部内に挿入され、それぞれに設けられたフランジ同士を突き合わせることにより位置決めされている。直管部材1a’の先端の内径は、入口部材1b’、出口管路1cの内部に向うにつれテーパ状に拡径され、流路の抵抗が生じないようにされている。この接合部上を覆うように二色成型法により、連結部1eを成型することによって部材1a’、1b’、1c’同士は連結されている。
入口部材1b’、出口部材1c’には、直管路1aを隔てて対向する部位の壁面1fを囲むように、超音波送受信器である圧電素子を取り付けるための筒状の素子取付部1gがそれぞれ形成されている。素子取付部1g内には、先端の環状溝3a内に圧電素子2a、2bをそれぞれ嵌め込んで固定した円筒状の素子保持部材3が挿入され、素子保持部材3の後部に押込部材4が当接されている。素子保持部材3、押込部材4はゴム製又は軟質合成樹脂製のOリング5を介してロック部材6により素子取付部1gに押し込まれている。また、押込部材4の後部にはキャップ7が嵌合されている。
また、圧電素子2a、2bからのそれぞれ2本のリード線8a、8bが、素子保持部材3内において信号電線9a、9bに半田等により接続され、信号電線9a、9bは押込部材4、キャップ7の中央に設けられた孔部から外方に引き出されている。また、出口部材1c’側の素子保持部材3内には、記憶媒体として半導体記憶素子から成る記憶メモリチップ10が内蔵され、そのリード線8cは素子保持部材3内で信号電線9cに接続され、この信号電線9cは圧電素子2bの信号電線9bと共に外部に引き出され、外部回路と通信可能とされている。信号電線9a、9bと9cの先端には挿込プラグ11a、11bが接続されている。
部材1a’、1b’、1c’を二色成型法で接合した管路部1に、圧電素子2a、2bを取り付けるには、素子保持部材3の先端の環状溝3aにそれぞれ圧電素子2a、2bを固定し、素子保持部材3内においてリード線8a、8b、8cを信号電線9a、9b、9cと接続した状態で、素子保持部材3を素子取付部1g内に挿入する。次いで、押込部材4をロック部材6により押し込み、ロック部材6を素子取付部1gの外側で回動して素子取付部1gに対してロックを行い固定する。これにより、圧電素子2a、2bが素子取付部1gの奥部、つまり直管路1aの両端の壁面1fに、相互に対向して位置決めされることになる。
また、ロック部材6と押込部材4の間に介在されたOリング5の弾性力により、圧電素子2a、2bの直管路1aの壁面1fへの押圧力は適度の大きさとされている。圧電素子2a、2bの先端面には、グリスが塗布され或いはシリコンジェルシートが接着されており、圧電素子2a、2bを壁面1fに押し付けることにより、圧電素子2a、2bは壁面1fに超音波ビームの伝達が良好になされるように密着される。圧電素子2a、2b同士の位置関係は、圧電素子2a、2bから発した超音波ビームBが直管路1aの流体中を直進して、それぞれ相手側の圧電素子2b、2aに達するようにされている。
一般に、超音波式流量計の管路部の流量特性は管路部ごとに異なり、本実施例の個々の管路部1においても、背景技術で説明したように、管路1a、1b、1c同士の接合時の軸線の不一致や、圧電素子2a、2bの取付精度等の影響が大きい。
このため、本実施例においては、予め規準の測定回路部と組み合わせて、圧電素子2a、2bを固定した管路部1ごとに、実流量を流して実測流量に対する出力の校正を行い、信号電線9cを用いてその補正データを記憶メモリチップ10に記憶させている。
実施例においては、1個の測定回路部に対し、複数個の管路部1を順次に組み合わせて使用するために、非使い捨て部分であるどの測定回路部に対しても管路部1は共通に補正データが使用できるように、測定回路部は校正に使用した基準の測定回路部と同じ特性とされている。従って、校正による補正データを備えた管路部1は、同じ型番の測定回路部であればどの測定回路部と組み合わせても、正しく補正された測定値が得られるようになっている。
この補正データを得るには、図4に示すように校正すべき管路部1に基準用流量計21を取り付けた管路22、23を接続する。管路22に血液の代りに水を用いてポンプ24からの流量を段階的に変えて流し、基準用流量計21による基準流量に対し管路部1に用いる規準の測定回路部25から出力を求める。例えば、16点の複数点の基準流量値に対する管路部1に関する出力値を求め、補正データとして記憶メモリチップ10に記憶しておけばよい。なお、基準用流量計21は超音波式流量計とは限らず、他の方式の流量計でも支障はない。
実際の血流の測定に際しては、流量の校正が終了している滅菌状態の管路部1を、図5に示す合成樹脂製のホルダ31に保持する。ホルダ31は基板31a上に保持台31bが設けられている。なお、基板31aは血液中に混在した気泡が管路部1内に滞留しないように、下流側が例えば角度15度上方を向くように、長さが2種類の4本の取り外し自在の脚部31cにより支持されている。保持台31bは上方から見て一対の略L字状の壁部31dが設けられ、壁部31d同士を結ぶ線分は基板31aの長手方向に対し、例えば角度15度傾けられている。
対向する壁部31dにはそれぞれ切欠部31eが形成され、管路部1の一部ずつを保持できるようにされている。切欠部31eは管路部1の一部を受け入れる略半円形とされ、その上方は受け入れのために切欠され、管路部1がクリック状に挿入できるように一部が狭くなっている。また、両壁部31dの側方には、入口管路1bと出口管路1cをそれぞれ保持する切欠部31fが形成されている。
管路部1を図6に示すようにホルダ31に装着する。測定回路部32は合成樹脂製の外筐33に内蔵されている。信号電線9a、9b、9cの挿込プラグ11a、11bを外筐33に付設したコネクタ34a、34bに接続する。これらのコネクタ34a、34bは外筐33内において電線を介して送受波器駆動手段、演算制御手段、出力手段等から成る測定回路部32に接続されている。
なお、ホルダ31は図7に示すように脚部31cを外して、壁掛型として部屋の壁等に取り付け、この状態で管路部1を保持台31bに装着することもできる。この場合に、壁部31d同士を結ぶ線分は基板31aの長手方向に対し傾けられているので、基板31aの長手方向を水平として壁等に取り付ければ、管路部1は下流側を上方に傾斜して装着されることになる。
測定開始時には、測定回路部32の演算制御手段においては、信号電線9cから送信される管路部1の記憶メモリチップ10内の補正データを読み取り、この補正データにより数式或いは補正テーブルを作成し、得られた出力値を補正演算して流量値として出力する準備をする。記憶メモリチップ10の補正データは間欠的であるので、補間法により校正時の測定点間のデータを補正すればよい。なお、この補正演算は予め数式等を準備することなく、測定中に管路部1から得られた出力をその都度、補正データによって演算するようにしてもよい。
次いで、人工心臓ポンプ35に接続し血流を流すための合成樹脂製の可撓管36を、入口管路1b、出口管路1cの接続口1dにそれぞれ接続する。
測定時において、人工心臓ポンプ35により測定すべき血液を入口管路1b、直管路1a、出口管路1cの順に管路部1内を流す。測定回路部32の送受波器駆動手段によって直管路1a内に圧電素子2a、2bにより超音波ビームBを交互に発信し、また受信することを交互に繰り返して行うことにより、測定回路部32の演算制御手段により血液の流速を測定し流量を算出する。
即ち、上流側の圧電素子2aから発した超音波ビームBは、直管路1a内の血流中を直進し下流側の圧電素子2bに達する。また、次の時間に圧電素子2bから発した超音波ビームBは直管路1a内に進入し上流側の圧電素子2aに達する。圧電素子2aから圧電素子2bに向う超音波ビームBの血液中の伝播速度は、図3の入口管路1bから出口管路1cの矢印方向に流れる血流により増速され、圧電素子2bから圧電素子2aに向う超音波ビームBの伝播速度は血流方向と逆に向かうので減速される。
測定回路部32において、これらの2方向の送受信により得られた超音波ビームBの到達時間差を求めることにより、直管路1aにおける血流速度が測定され、更に直管路1aの断面積を乗ずることにより血流量が求められる。この流量値に対し、測定回路部32の演算制御手段では、管路部1の流量特性の補正値を記憶した記憶メモリチップ10の補正データによる補正を加えて、正確な流量値を算出する。
測定終了後は2つの挿込プラグ11a、11bをコネクタ34a、34bから外し、管路部1をホルダ31の保持台31bから取り外し、管路部1、圧電素子2a、2b、素子保持部材3、ロック部材6、信号電線9a、9b、9c、記憶メモリチップ10、挿込プラグ11a、11b等は、人工心臓ポンプ35、可撓管37と共に廃棄する。なお、ホルダ31、測定回路部32、コネクタ34a、34bは、圧電素子2a、2bを取り付けた新たな管路部1を用いて、次の測定に使用する。
管路部1を構成する部材1a’、1b’、1c’の組立ては、実施例のように二色成型による連結部1eを用いずに、これらの部材1a’、1b’、1c’の管路同士を溶着により直接に接合してもよい。
また、圧電素子2a、2bの壁面1fへの取り付けは、前述の実施例の手段に限定されることはない。圧電素子2a、2bは再使用することはないので、例えば部材1b’、1c’に対し取り外し不能に固定しても問題はない。また、素子取付部1gへのロック部材6の装着は接着剤による接着でもよい。
或いは、管路部1側から信号電線9a〜9cを引き出さずに、素子保持部材3の内部においてリード線8a、8b、8cを接続した接続ソケットをキャップ7の代りに配置することもできる。このようにすると、測定回路部32側から信号電線を引き出して、この信号電線は使い捨てにしなくともよくなる。
更に、信号電線9cを接続した記憶メモリチップ10の代りに、無線ICタグを用いることもできるし、或いは補正データをバーコードに記録して管路部1の表面等に貼り付け、測定に際してバーコードリーダで補正データを読み取るようにすることも可能である。また、記憶メモリチップ10に記憶した補正データによる流量値の補正手順も、実施例に限定されず他の手順によってもよい。
なお、補正演算は流速値に対して補正しても、流量値に対して補正しても結果的に同じであり、本発明においては流速値を補正してから流量値を求める場合も含めて、流量値を補正するとしている。
実施例では管路部1の構成をクランク型としたが、管路部1はこのクランク型に限らず、一対の圧電素子を直管部の周囲に固定するようにして、超音波ビームを直管部に対し斜め方向に入出射する方式とすることもできる。
なお、実施例では被測定流体を血液として説明したが、血流の測定に限らず、薬物、生体分子等の流量測定に際しても、管路部は使い捨て又は1回限定使用とすることがある。
また、実施例においては、管路部1は使い捨て型の機能を有しているが、被測定流体によっては繰り返して使用することもあり得る。
1 管路部
1a 直管路
1b 入口管路
1c 出口管路
1a’ 直管部材
1b’ 入口部材
1c’ 出口部材
2 圧電素子
3 素子保持部材
4 押込部材
6 ロック部材
7 キャップ
8 リード線
9 信号電線
10 記憶メモリチップ
11 挿込プラグ
21 基準用流量計
22 管路
24 ポンプ
25、32 測定回路部
31 ホルダ
33 外筐
34 コネクタ
35 人工心臓ポンプ
上記目的を達成するための本発明に係る超音波式流量測定装置は、使い捨て部分と繰り返して使用する非使い捨て部分とから成る超音波式流量測定装置において、前記使い捨て部分では、被測定流体を流す直管部の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を固定し、前記直管部に対し前記流体の流入を行う入口管路と前記流体の排出を行う出口管路とを設け、複数の部材を接合して形成した管路部を有すると共に、外部の回路と通信可能な記憶媒体を備え、前記非使い捨て部分である測定回路部に対し、前記管路部ごとに予め実流量を流校正作業により求めた前記管路部の補正データを前記記憶媒体に記憶しておき、測定時に前記測定回路部は前記記憶媒体の前記補正データを読み込み、前記一対の超音波送受信器から交互に前記直管部内に送受信した超音波ビームによる信号を基に、得られた流量値を前記補正データを用いて補正することを特徴とする。
また、本発明に係る超音波式流量測定装置の使用方法は、使い捨て部分と繰り返して使用する非使い捨て部分とから成る超音波式流量測定装置において、前記使い捨て部分では、被測定流体を流す直管部の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を固定し、前記直管部に対し前記流体の流入を行う入口管路と前記流体の排出を行う出口管路とを設け、複数の部材を接合して形成した管路部を有すると共に、外部の回路と通信可能な記憶媒体を備え、前記管路部ごとに予め実流量を流す校正作業により前記非使い捨て部分である測定回路部に対し求めた前記管路部の補正データを前記記憶媒体に記憶する工程と、測定時に前記測定回路部は前記記憶媒体の前記補正データを読み込む工程と、測定時に前記一対の超音波送受信器から交互に前記直管部内に送受信した超音波ビームによる信号を基に流量値を演算し、得られた流量値を前記補正データにより補正し補正した流量値を算出する工程とを備えたことを特徴とする。

Claims (10)

  1. 使い捨て部分と繰り返して使用する非使い捨て部分とから成る超音波式流量測定装置において、前記使い捨て部分では、被測定流体を流す直管部の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を固定し、前記直管部の両端近傍にそれぞれ前記直管部に対し前記流体の流入を行う入口管路と前記流体の排出を行う出口管路とを設けた管路部を有すると共に外部の回路と通信可能な記憶媒体を備え、前記非使い捨て部分である測定回路部に対し、予め実流量を流した校正により求めた前記管路部の補正データを前記記憶媒体に記憶しておき、測定時に前記測定回路部は前記記憶媒体の前記補正データを読み込み、前記一対の超音波送受信器から交互に前記直管部内に送受信した超音波ビームによる信号を基に、得られた流量値を前記補正データを用いて補正することを特徴とする超音波式流量測定装置。
  2. 前記直管部の両端に前記超音波送受信器を固定し、前記超音波送受信器同士を対向させたことを特徴とする請求項1に記載の超音波式流量測定装置。
  3. 前記管路部は複数の部材を接合して形成したことを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波式流量測定装置。
  4. 前記記憶媒体に記憶した前記補正データは、複数点の実測流量に対する出力値を記憶したことを特徴とする請求項1〜3の何れか1つの請求項に記載の超音波式流量測定装置。
  5. 前記使い捨て部分は前記各超音波送受信器に接続した信号電線を含むことを特徴とする請求項1〜4の何れか1つの請求項に記載の超音波式流量測定装置。
  6. 前記記憶媒体は半導体記憶素子としたことを特徴とする請求項1〜5の何れか1つの請求項に記載の超音波式流量測定装置。
  7. 前記管路部は非使い捨て部分であるホルダに装着して測定を行うことを特徴とする請求項1〜6の何れか1つの請求項に記載の超音波式流量測定装置。
  8. 前記ホルダは前記管路部の下流側を上方に持ち上げて前記管路部を保持することを特徴とする請求項7に記載の超音波式流量測定装置。
  9. 使い捨て部分と繰り返して使用する非使い捨て部分とから成る超音波式流量測定装置において、前記使い捨て部分では、被測定流体を流す直管部の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を固定し、前記直管部の両端の近傍に、それぞれ前記直管部に対し前記流体の流入を行う入口管路と前記流体の排出を行う出口管路とを設けた管路部を有すると共に外部回路と通信可能な記憶媒体を備え、前記管路部に実流量を流す校正により前記非使い捨て部分である測定回路部に対し求めた前記管路部の補正データを前記記憶媒体に記憶する工程と、測定開始時又は測定時に前記測定回路部は前記記憶媒体の前記補正データを読み込む工程と、測定時に前記一対の超音波送受信器から交互に前記直管部内に送受信した超音波ビームによる信号を基に流量値を演算し、得られた流量値を前記補正データにより補正し補正した流量値を算出する工程とを備えたことを特徴とする超音波式流量測定装置の使用方法。
  10. 前記補正データを読み込む工程において前記測定回路部は前記記憶媒体に記憶した補正データから数式又は補正テーブルを作成し、前記補正した流量値を算出する工程において前記数式又は補正テーブルを用いた補正演算により、前記補正した流量値を求めることを特徴とする請求項9に記載の超音波式流量測定装置の使用方法。
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