JP2020049177A

JP2020049177A - 人工肺装置に用いる圧力推定システム

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Publication number: JP2020049177A
Application number: JP2018184661A
Authority: JP
Inventors: 淳一小野; Junichi Ono; 慎理佐々木; Shinri Sasaki; 小笠原　康夫; Yasuo Ogasawara; 康夫小笠原; 松本　卓也; Takuya Matsumoto; 卓也松本; 精一望月; Seiichi Mochizuki
Original assignee: Kawasaki Gakuen Educational Foundation
Current assignee: Kawasaki Gakuen Educational Foundation
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: JP7315193B2

Abstract

【課題】遠心ポンプの入口圧を、高い精度で推定できる人工肺装置に用いる圧力推定システムを提供する。【解決手段】遠心ポンプ６で血液を脱血し、人工肺７で酸素化を行った後に送血を行う人工肺装置１に用いる圧力推定システム２５であって、遠心ポンプ６の回転数と遠心ポンプ６の揚程との関係式を記憶した記憶部と、遠心ポンプ６の回転数と関係式とに基づいて遠心ポンプ６の揚程を推定し、推定した揚程と遠心ポンプ６の出口側の圧力とに基づいて、遠心ポンプ６の入口側圧力を推定する演算部とを備え、関係式は、事前に遠心ポンプ６単体を駆動して算出したものである。【選択図】図１

Description

本発明は、遠心ポンプで血液を脱血し、人工肺で酸素化を行った後に送血を行う人工肺装置に用いる圧力推定システムに関する。

心肺停止患者や重症心肺不全例に対して用いられる治療用装置として、人工肺装置が知られている。例えば体外式膜型人工肺（extracorporeal membrane oxygenation：ECMO）は、大腿静脈から遠心ポンプで血液を血液回路内に脱血し、人工肺で酸素化を行った後に、大腿動脈に逆行性に送血を行う治療に用いる装置であり、酸素化した血液を全身に十分送血できる送血量の確保が重要になる。

この送血量に関し、従来は体重に関わらず３．０Ｌ/ｍｉｎ程度の送血量でよいとされていたが、近年は体重に応じて安定した高血流（６０ｍＬ/ｋｇ/ｍｉｎ）を確保することが重要になってきた。一方、目標血流量が確保できなくなる症例が多く、この場合は送血量確保のために速やかな対処が必要となる。

速やかな対処を取るには、血流量低下の原因が脱血側にあるのか、送血側にあるのかを見極める必要がある。そのためには遠心ポンプの入口圧（脱血側）と出口圧（送血側）をモニタリングしておく必要があるが、脱血圧は陰圧になるため、長時間連続モニタリングを行う場合には血液回路内に空気が吸引・混入の危険があり、遠心ポンプの入口圧のモニタリングは普及していない。

また、遠心ポンプの入口圧が過度に陰圧化すると、赤血球に対する傷害が発生し溶血が生じる。溶血が生じると酸素運搬能の低下だけでなく、溶血による遊離ヘモグロビンの血液中への放出により、急性腎不全等の臓器障害が生じる危険性がある。

この点に鑑み、特許文献１に記載されている体外循環システムに血液を送り出すための装置は、遠心ポンプの排出側（送血側）における流量及び圧力と、遠心ポンプの回転速度を考慮して遠心ポンプの脱血側の圧力を決定するようにしており、遠心ポンプの脱血側に圧力センサを使用することなく、遠心ポンプの脱血側の圧力を得ることができる。

特許第５６８７６９６号公報

しかしながら、特許文献１には、ポンプの脱血側の圧力に対応する値の決定に際し、「遠心ポンプを介した圧力の増加（出口圧力−入口圧力の勾配）が回転速度および流量の関数であり、例えば特性のセットを用いて記述され得るという事実が利用される。」（特許文献１の段落［００１９］）と記載されているが、当該関数の具体的な記載はなく、当該関数の検証についても何ら記載がなく、同文献に記載された遠心ポンプの脱血側の圧力の決定は、実用水準で実施可能であるのか不明であった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、遠心ポンプの入口圧を、高い精度で推定できる人工肺装置に用いる圧力推定システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の人工肺装置に用いる圧力推定システムは、遠心ポンプで血液を脱血し、人工肺で酸素化を行った後に送血を行う人工肺装置に用いる圧力推定システムであって、前記遠心ポンプの回転数と前記遠心ポンプの揚程との関係式を記憶した記憶部と、前記遠心ポンプの回転数と前記関係式とに基づいて前記遠心ポンプの揚程を推定し、前記推定した揚程と前記遠心ポンプの出口側の圧力とに基づいて、前記遠心ポンプの入口側圧力を推定する演算部とを備え、前記関係式は、事前に前記遠心ポンプ単体を駆動して算出したものであることを特徴とする。

前記本発明の人工肺装置に用いる圧力推定システムによれば、前記構成により、遠心ポンプ入口圧を実測することなく、時系列的に遠心ポンプ入口圧の推定値が高精度に得られ、このことは本願発明者らにより検証されている。しかも、推定に用いる関係式のパラメータは遠心ポンプ回転数だけで足り、人工肺装置の作動中、高精度に遠心ポンプ入口圧を迅速かつ安定的に監視できる。このため、本実施形態では、遠心ポンプ入口圧を経時的に監視することにより、脱血不良時における原因検索が容易に行えることになる。すなわち、遠心ポンプ入口圧を高精度に迅速かつ安定的に監視でき、遠心ポンプ出口圧については実測により高精度に迅速かつ安定的に監視できるので、脱血不良時において、原因が脱血側にあるのか、送血側にあるのかを迅速に見極めることができる。

例えば、遠心ポンプ入口圧を監視しながら、遠心ポンプの回転数を適宜調整することにより、遠心ポンプ入口圧が過度の陰圧になることによる溶血を防止することができる。したがって、人工肺装置による治療中における溶血は、治療予後を左右する因子であることが報告されているところであるが、本実施形態によればその危険性を回避できることになる。

前記本発明の人工肺装置に用いる圧力推定システムによれば、以下の各構成とすることが好ましい。前記演算部手段は、前記遠心ポンプの出口側の圧力の実測値を平均処理し、前記遠心ポンプの入口側圧力の推定に、前記平均処理した後の圧力を用いることが好ましい。この構成によれば、計測した遠心ポンプ出口圧について平均処理を行うことにより、脈動の影響を除去することができ、より高精度に遠心ポンプ入口圧を推定できることになる。

前記遠心ポンプの回転数調整機構をさらに備えており、前記推定された遠心ポンプの入口側圧力が、予め設定した値を超えた陰圧になったときに、前記演算部の指令により、前記遠心ポンプの回転数が前記回転数調整機構により自動調整されることが好ましい。この構成によれば、自動調整により治療の労力が軽減されることになる。

前記遠心ポンプの回転数調整機構をさらに備えており、前記演算部により、前記推定された遠心ポンプの入口側圧力が、予め設定した値を超えた陰圧にならないように前記演算部により監視され、かつ送血流量の目標値が得られるように、演算部の指令により前記遠心ポンプの回転数が前記回転数調整機構により自動調整されることが好ましい。この構成によっても、自動調整により治療の労力が軽減されることになる。

本発明の効果は前記のとおりであり、要約すれば、遠心ポンプ入口圧を実測することなく、時系列的に遠心ポンプ入口圧の推定値が高精度に得られ、しかも、推定に用いる関係式のパラメータは遠心ポンプ回転数だけで足り、人工肺装置の作動中、高精度に遠心ポンプ入口圧を迅速かつ安定的に監視できる。このため、本実施形態では、脱血不良時における原因検索が容易に行えることになり、遠心ポンプ入口圧を監視しながら、遠心ポンプの回転数を適宜調整することにより、遠心ポンプ入口圧が過度の陰圧になることによる溶血を防止することができる。したがって、人工肺装置による治療中における溶血は、治療予後を左右する因子であることが報告されているところであり、本実施形態によればその危険性を回避できることになる。

本発明の一実施形態に係る人工肺装置の構成図。図１に示した人工肺装置のコントローラの詳細を示したブロック図。実験用の人工肺装置の構成図。図３に示した実験用の人工肺装置における遠心ポンプの揚程の一例を示す図。粘度の異なる３種類のグリセリン溶液及び純水について、遠心ポンプ回転数と揚程との関係を示した図。遠心ポンプ回転数と揚程との関係について、遠心ポンプ単体で算出した推定式と人工肺装置全体で算出した推定式から得られた推定値を比較した図。推定揚程と実測揚程との関係の検証結果を示した図。推定入口圧と実測入口圧との関係の検証結果を示した図。推定揚程と実測揚程との関係において、平均処理を行う前後の検証結果を示した図。推定入口圧と実測入口圧との関係において、平均処理を行う前後の検証結果を示した図。本発明の一実施形態に係る人工肺装置の情報処理を示すフローチャート。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る人工肺装置１の構成図を示している。人工肺装置１は、体外循環部２とコントローラ３とで構成されている。体外循環部２は、遠心ポンプ６及び人工肺７がチューブ８〜１０で接続されて血液が循環する回路を構成したものである。

遠心ポンプ６は、ロータの回転による遠心力で圧力差を発生させ、血液の流れを作るものである。人工肺７は血液に酸素化を行うものであり、本実施形態では人工肺７は膜型人工肺である。膜型人工肺は、ガス透過性のある膜を介して血液と酸素ガスを接触させるものである。

詳細は後に図２を参照しながら説明するが、コントローラ３は、遠心ポンプ６の回転数等を計測する計測部２０、計測部２０での計測値等を表示する表示部２１、遠心ポンプ６の入口圧を推定する圧力推定システム２５及び遠心ポンプ６の回転数を調整する制御部２４を備えている。本実施形態では、圧力推定システム２５は、人工肺装置１の一部として説明するが、人工肺装置１に後付け可能な独立したユニットとして構成してもよい。また、便宜上、圧力推定システム２５と制御部２４とを区別しているが、圧力推定システム２５に制御部２４を含ませるようにしてもよい。

図１において、脱血カニューラ４及び送血カニューラ５は、それぞれ管であり、脱血カニューラ４は患者１３の大腿静脈に挿入し、送血カニューラ５は患者の大腿動脈に挿入されている。遠心ポンプ６の駆動により、大腿静脈から脱血した血液は、チューブ８及び遠心ポンプ６を経て、人工肺７に送られる。人工肺７では酸素化が行われ、酸素化された血液はチューブ１０及び送血カニューラ５を経て大腿動脈に送血が行われる。

図２は、図１に示したコントローラ３の詳細を示したブロック図である。計測部２０は、遠心ポンプ６の出口圧を検出する圧力計１１、人工肺７からの出口流量（送血流量）を検出する流量計１２及び遠心ポンプ６の回転数を検出する回転計１４からの信号が入力される部分であり、計測部２０において、遠心ポンプ６の出口圧、送血流量及び遠心ポンプ６の回転数の計測値が得られる。これらの計測値は表示部２１に表示される。

圧力推定システム２５は、演算部２２及び記憶部２３を備えている。演算部２２は、遠心ポンプ６の回転数から遠心ポンプ６の入口圧を推定するものであり、記憶部２３に格納されている遠心ポンプ６の特性（関係式）に基づいて算出が行われる。算出の詳細は後に説明する。制御部２４は、回転数調整機構を有しており、例えば遠心ポンプ６の入口圧が過度な陰圧になった際には、操作者の操作により又は自動的に、遠心ポンプ６の回転数を自動的に調整することができる。

すでに説明したとおり、人工肺装置１においては、安定した高血流の確保が重要になっており、目標血流量が確保できない場合には、送血量確保のために速やかな対処が必要となる。このためには、送血流量低下の原因が脱血側にあるのか、送血側にあるのかを見極める必要がある。この見極めには、遠心ポンプ６の入口圧（脱血側）と出口圧（送血側）をモニタリングしておく必要があるが、原理的に入口圧は陰圧になるため、長時間連続モニタリングを行う場合には血液回路内に空気混入の危険性があった。

また、遠心ポンプ６の入口圧が過度に陰圧化すると、赤血球に対する傷害が発生し溶血が生じ、溶血が生じると酸素運搬能の低下だけでなく、溶血による遊離ヘモグロビンの血液中への放出により、急性腎不全等の臓器障害が生じる危険性もあった。

本願発明者らは、研究を重ねた結果、遠心ポンプ６の揚程と遠心ポンプ６の回転数との関係が所定の関係式で表わされることに着目し、送血流量、血液の粘度といった他の要素を考慮しなくても、遠心ポンプ６の回転数から高精度で遠心ポンプの入口圧を推定できる手法を導出し、これを装置化するに至った。本発明に係る人工肺装置１の具体的な動作について説明する前に、遠心ポンプ６の入口圧の推定手法の導出過程について説明する。

図３は、実験用の人工肺装置１００の構成図を示している。図１に示した人工肺装置１と同一構成のものは、同一番号を付して説明は省略する。人工肺装置１００は図１の人工肺装置１と比べると、患者１３に代えて貯留タンク１０１を用い、脱血カニューラ４の先端圧を計測する圧力計１０２、遠心ポンプ６の入口圧を計測する圧力計１０３、人工肺７の出口圧を計測する圧力計１０４及び送血カニューラ５の先端圧を計測する圧力計１０５を追加している点が異なるが、基本的な動作は人工肺装置１と同様である。

人工肺装置１００は、市販品のキャピオックス（登録商標）カスタムパックＥＢＳ（登録商標）心肺回路ＬＸ回路（テルモ社製）を用いた。また、流量計１２については、市販品の実験用血流計である超音波トランジットタイム方式血流計ＨＴ−３１０（トランソニック社製）を用いた。

本願発明者らは、人工肺装置１００で実験を繰り返しながら、遠心ポンプ６の特性に着目し、遠心ポンプ６の揚程を推定することができれば、遠心ポンプ６の出口圧から遠心ポンプ６の入口圧を推定できる点に着目した。図４は、図３に示した人工肺装置１００における遠心ポンプ６の揚程の一例を示す図である。本図においてＬで示した部分が揚程であり、揚程Ｌは次の式（１）で表される。
式（１）揚程Ｌ＝遠心ポンプ出口圧−遠心ポンプ入口圧
図４の例は、遠心ポンプ６の回転数は２０００ｒｐｍであり、遠心ポンプ出口圧が２２３ｍｍＨｇ、遠心ポンプ入口圧が−１２６ｍｍＨｇであった。この場合の揚程Ｌは式（１）により、３４９ｍｍＨｇとなる。

次に、遠心ポンプ６単体での遠心ポンプ揚程推定式の導出を試みた。この導出の前提として、遠心ポンプ回転数、循環溶液としてのグリセリン溶液の濃度、比重、粘度を設定対象とし、設定値を適宜変更しながら遠心ポンプ入口圧、遠心ポンプ出口圧、人工肺出口流量（送血流量に相当）を測定した。これらの設定値及び計測値を説明変数とし、従属変数を実測揚程として重回帰分析を行った。

その結果、ｙを揚程（ｍｍＨｇ）、ｘを遠心ポンプ回転数（ｒｐｍ）とすると、次の式（２）で表わされる遠心ポンプ揚程推定式を導出した。
式（２）ｙ＝（８．０１×１０^-5）ｘ^２＋０．０２１ｘ-３．９４
検討段階では、前記のとおり、グリセリン溶液の濃度、比重、粘度及び人工肺出口流量も説明変数として考慮したが、式（２）のとおり、説明変数は遠心ポンプ回転数だけで足りることが判明した。

例えば、溶液の粘度は揚程に与える影響が小さいことを検証した結果を図５に示している。図５は、粘度の異なる３種類のグリセリン溶液及び純水（水系実験）について、遠心ポンプ回転数と揚程との関係を示した図である。図５から分かるとおり、各遠心ポンプ回転数における揚程は、３種類のグリセリン溶液及び純水のいずれにおいても、ほとんど差異が認められず、溶液の粘度が揚程に与える影響は小さく、溶液の粘度は遠心ポンプ揚程推定式にパラメータとして含める必要がないことが理解できる。

ここで、人工肺装置装置は、図１に示したとおり、患者１３や人工肺７が介在している。一方、式（２）は遠心ポンプ６単体での遠心ポンプ揚程推定式であり、人工肺装置に組み込んだ状態でも、式（１）が成立するか確認するため、患者１３に相当する貯留タンク１０１や人工肺７が介在している実験用の人工肺装置１００（図３参照）を用いて、遠心ポンプ回転数とそのときの揚程を測定し、式（２）による算出結果とを比較した。

図６は、遠心ポンプ回転数と揚程との関係について、遠心ポンプ単体で算出した推定式と人工肺装置全体で算出した推定式から得られた推定値を比較した図である。図６において、線３０は式（２）の遠心ポンプ揚程推定式（遠心ポンプ６単体での推定式）で算出した遠心ポンプ回転数と揚程との関係であり、線３１は図３に示した人工肺装置１００（装置全体）で算出した遠心ポンプ回転数と揚程との関係である。図６に示したとおり、線３０と線３１はほぼ重なり合っている。

この実験結果によれば、予め遠心ポンプ６単体で、遠心ポンプ揚程推定式を算出しておけば、この遠心ポンプ６を図１の人工肺装置１に組み込んだ状態においても、遠心ポンプ６単体における遠心ポンプ揚程推定式がそのまま活用できることになる。すなわち、図１の人工肺装置１において、遠心ポンプ６の回転数を検出すれば、遠心ポンプ６単体における遠心ポンプ揚程推定式を用いて、患者１３に接続した人工肺装置の遠心ポンプ６の揚程を高精度で推定できることになる。

この点について、検証した結果を図７に示している。図７は、図３に示した人工肺装置１００において、推定揚程と実測揚程との関係の検証結果を示したものである。この人工肺装置１００における遠心ポンプ６は、式（２）の遠心ポンプ揚程推定で表わされるものであり、遠心ポンプ６の回転数を式（２）に代入すれば、この回転数のときの揚程が得られる。これが横軸の推定揚程である。そして、当該回転数のときの遠心ポンプ６の揚程の実測値が縦軸の実測揚程である。

図７において、推定揚程と実測揚程との相関性は次の式（３）で表わされる。式（３）において、ｙは実測揚程（ｍｍＨｇ）、ｘは推定揚程（ｍｍＨｇ）である。
式（３）ｙ＝１．００８７ｘ−９．８１７５
式（３）は傾きがほぼ１に等しいことに加え、図７にプロットしたデータの決定係数を算出したところ、Ｒ^２＝０．９９７１となり、極めて高い推定精度を有していることが確認できた。

ここまでの検討によれば、遠心ポンプ６を全体装置である人工肺装置に組み込んだ状態において、遠心ポンプ６の回転数を検出すれば、遠心ポンプ６単体における遠心ポンプ揚程推定式を用いて、人工肺装置に組み込まれた状態における遠心ポンプ６の揚程を高精度で推定できることになる。遠心ポンプ６の揚程は、前記式（１）のとおりであるので、遠心ポンプ６の揚程を高精度で推定できれば、同時に遠心ポンプ入口圧も高精度で推定できることになる。すなわち、遠心ポンプ入口圧は、式（１）を変形すれば次の式（４）で表わされる。
式（４）遠心ポンプ入口圧＝遠心ポンプ出口圧−揚程Ｌ

この点について、検証した結果を図８に示している。図８は、図７の検証を行った人工肺装置１００において、推定入口圧（遠心ポンプ入口圧の推定値）と実測入口圧（遠心ポンプ入口圧の実測値）との関係の検証結果を示したものである。人工肺装置１００における遠心ポンプ６は、前記式（２）の遠心ポンプ揚程推定で表わされるので、遠心ポンプ６の回転数を計測し、これを式（２）に代入すれば、この回転数のときの推定揚程が得られる。この推定揚程と実測した遠心ポンプ出口圧を式（４）に代入すれば、遠心ポンプ入口圧の推定値が得られる。これが横軸の遠心ポンプ入口圧の推定入口圧である。そして、当該回転数のときの遠心ポンプ６の遠心ポンプ入口圧を実測した値が縦軸の実測入口圧である。

図８において、推定入口圧と実測入口圧との相関性は次の式（５）で表わされる。式（５）において、ｙは実測入口圧（ｍｍＨｇ）、ｘは推定入口（ｍｍＨｇ）である。
式（５）ｙ＝１．０１９９ｘ＋９．８２５３
式（５）は傾きがほぼ１に等しいことに加え、図８にプロットしたデータの決定係数を算出したところ、Ｒ^２＝０．９９５１となり、極めて高い推定精度を有していることが確認できた。

以上の検討によれば、遠心ポンプ６を全体装置である人工肺装置に組み込んだ状態において、遠心ポンプ６の回転数を検出すれば、遠心ポンプ６単体における遠心ポンプ揚程推定式を用いて、遠心ポンプ６の入口圧を実測することなく、人工肺装置に組み込まれた状態における遠心ポンプ６の入口圧を高精度で推定できることになる。

本願発明者らは、さらに研究を重ねた結果、患者の自己心拍や補助循環装置であるＩＡＢＰ（intra-aortic balloon pumping）の拍動成分が人工肺装置の回路内部に伝搬する点に着目し、この拍動性を考慮して遠心ポンプ入口圧を推定することを試みた。実際に人工肺装置とＩＡＢＰを併用治療している臨床データを用いて、人工肺装置の遠心ポンプ出口圧と回転数をもとに推定揚程と実測揚程の関係を確認した。

前記のとおり、図７は実験条件下にて人工肺装置１００における推定揚程と実測揚程との関係を示している。図９（ａ）は、臨床データを用いて式（２）により算出した推定揚程と実測揚程との関係を示している。図９（ａ）において、推定揚程と実測揚程との相関性は次の式（６）で表わされる。式（６）において、ｙは実測揚程（ｍｍＨｇ）、ｘは推定揚程（ｍｍＨｇ）である。
式（６）ｙ＝０．９８０８ｘ＋３．７１９９

式（６）においても、傾きが１に近くなっており、図９（ａ）の結果においても、推定揚程と実測揚程との間には高い相関関係が認められるが、決定係数は図７の結果では前記のとおり、Ｒ^２＝０．９９７１であったところ、図９（ａ）の結果では、Ｒ^２＝０．９３６１となり、若干低下する結果となった。この違いが生じた理由として、臨床データではＩＡＢＰにより発生した脈動成分が遠心ポンプ出口圧に影響を与えた結果であることは明らかであり、脈動の影響を除去できれば、より高い相関関係を確保できることになる。

この点、検討を重ねた結果、測定した遠心ポンプ６の入口圧及び出口圧をそのまま使うのではなく、平均処理を行なうことで脈動の影響を除去できることを見出すことができた。図９（ｂ）は、脈動の影響を除去したときの推定揚程と実測揚程との関係を示している。本図の実験条件は、実測揚程を算出するための遠心ポンプ６の入口圧及び出口圧について、実測値をそのまま使うのではなく、平均処理を行っている点が、図９（ａ）の実験条件と異なっている。

平均処理は具体的には、遠心ポンプ６の入口圧及び出口圧について、１０秒間の測定を行い、この１０秒間の測定値について、平均処理を行った。このため、図９（ｂ）の縦軸は平均処理後の遠心ポンプ６の入口圧及び出口圧で算出した実測揚程である。図９（ｂ）において、推定揚程と実測揚程との相関性は次の式（７）で表わされる。式（７）において、ｙは実測揚程（ｍｍＨｇ）、ｘは推定揚程（ｍｍＨｇ）である。
式（７）ｙ＝０．９８１８ｘ＋３．５８７

図９（ｂ）の結果においては、決定係数はＲ^２＝０．９９７４となり、図９（ａ）の結果におけるＲ^２＝０．９３６１に比べ、相関性が高まっており、かつ図７の結果におけるＲ^２＝０．９９７１とほぼ一致している。すなわち、遠心ポンプ６の入口圧及び出口圧について、平均処理を行うことにより、脈動の影響を除去することができ、脈動があっても遠心ポンプ揚程推定式を用いて遠心ポンプ揚程を高精度で推定できることが検証できた。

図１０は脈動を付加した図９の検証と同じ条件で、推定入口圧（遠心ポンプ入口圧の推定値）と実測入口圧（遠心ポンプ入口圧の実測値）との関係を示したものである。図１０（ａ）は図９（ａ）の実験条件と同様に、脈動を人工肺装置１００に付加したときの推定入口圧と実測入口圧との関係を示しており、縦軸の実測入口圧は実測値そのものであり、平均処理は行っていない。図１０（ａ）において、推定入口圧と実測入口圧との相関性は次の式（８）で表わされる。式（８）において、ｙは実測入口圧（ｍｍＨｇ）、ｘは推定入口圧（ｍｍＨｇ）である。
式（８）ｙ＝０．７９８２ｘ−０．３５８６

式（８）においては、図１０（ａ）の結果に示すように、推定入口圧と実測入口圧との間には相関関係が認められるが、決定係数はＲ^２＝０．６８４６と、実験条件にて評価した図８の結果におけるＲ^２＝０．９９５１に比べ低下する結果となった。

図１０（ｂ）は、実測入口圧について平均処理を行ったときの推定入口圧と実測入口圧との関係を示している。平均処理は図９（ｂ）の場合と同様であり、遠心ポンプ６の入口圧について、１０秒間の測定を行い、この１０秒間の測定値について、平均処理を行った。図１０（ｂ）において、推定入口圧と実測入口圧との相関性は次の式（９）で表わされる。式（９）において、ｙは実測入口圧（ｍｍＨｇ）、ｘは推定入口圧（ｍｍＨｇ）である。
式（９）ｙ＝０．９５３５ｘ−１．０９５５

図１０（ｂ）の結果においては、決定係数はＲ^２＝０．９８４９となり、図１０（ａ）の結果におけるＲ^２＝０．６８４６に比べ、非常に相関性が高まっており、かつ図８の結果におけるＲ^２＝０．９９５１とほぼ一致している。すなわち、遠心ポンプ６の入口圧について、平均処理を行うことにより、脈動の影響を除去することができ、脈動があっても遠心ポンプ揚程推定式を用いて遠心ポンプ揚程を高精度で推定できることが検証できた。

以上の検討によれば、遠心ポンプ６を人工肺装置１（図１参照）に組み込んだ状態において、遠心ポンプ６の回転数を用いれば、予め求めた遠心ポンプ６単体における遠心ポンプ揚程推定式を用いて、遠心ポンプ６の揚程を高精度で推定でき、計測した遠心ポンプ出口圧を用いて、遠心ポンプ入口圧を高精度で推定できることになる。すなわち、本実施形態に係る遠心ポンプ入口圧の推定手法を用いれば、遠心ポンプ入口圧を実測することなく、遠心ポンプ入口圧を高精度で推定できることになる。そして、計測した遠心ポンプ出口圧について平均処理を行うことにより、脈動の影響を除去することができ、より高精度に遠心ポンプ入口圧を推定できることになる。

図１及び図２に示した圧力推定システム２５は、本実施形態に係る遠心ポンプ入口圧の推定手法を装置化したものであり、以下図１の構成図、図２のブロック図及び図１１のフローチャートを参照しながら、圧力推定システムによる情報処理について説明する。

図１１は図１に示した人工肺装置１の情報処理を示すフローチャートである。人工肺装置１を起動させると、図２において、回転計１４からの信号に基づいて、計測部２０で遠心ポンプ６の回転数Ｒが計測される（図１１のステップ２００）。また、図２において、圧力計１１からの信号に基づいて、計測部２０で遠心ポンプ６の出口圧Ｐが計測される（図１１のステップ２０１）。ステップ２００とステップ２０１の順序は逆でもよく、同時でもよい。

遠心ポンプ６の出口圧Ｐは、図２に示した圧力推定システム２５の演算部において、平均処理されて新たな出口圧Ｐ’が算出される（図１１のステップ２０２）。平均処理は、前記の例では、１０秒間の測定値について平均処理する処理であるが、１０秒間の時間は適宜変更してもよく、平均処理の演算式についても、同様の効果が得られる範囲内で適宜変更してもよい。

図２において、圧力推定システム２５の演算部２２は、遠心ポンプ６の回転数Ｒに基づいて、遠心ポンプ６の推定揚程Ｌを算出する（図１１のステップ２０３）。この算出は前記式（２）の遠心ポンプ揚程推定式の例では、ｘに回転数Ｒを代入すればよく、得られたｙが推定揚程Ｌである。式（２）の遠心ポンプ揚程推定式は一例であり、遠心ポンプ６が異なれば、異なる式となる。このため、人工肺装置１を稼働させる前に、予め遠心ポンプ６単体の遠心ポンプ揚程推定式を準備しておく。

推定揚程Ｌを算出すると、圧力推定システム２５の演算部は、遠心ポンプ６の入口圧を推定する（図１１のステップ２０４）。この算出は前記式（４）を用いればよく、改めて示せば次の式（１０）のとおりである。
式（１０）遠心ポンプ入口圧＝遠心ポンプ出口圧Ｐ’−揚程Ｌ

図１１のステップ２００〜ステップ２０４を繰り返すことにより、遠心ポンプ入口圧を実測することなく、時系列的に遠心ポンプ入口圧の推定値が高精度に得られることになる。しかも、本実施形態では、遠心ポンプ揚程推定式のパラメータは遠心ポンプ回転数だけで足り、人工肺装置の作動中、高精度に遠心ポンプ入口圧を迅速かつ安定的に監視できる。

このため、本実施形態では、遠心ポンプ入口圧を経時的に監視することにより、脱血不良時における原因検索が容易に行えることになる。すなわち、遠心ポンプ入口圧を高精度に迅速かつ安定的に監視でき、遠心ポンプ出口圧については実測により高精度に迅速かつ安定的に監視できるので、脱血不良時において、原因が脱血側にあるのか、送血側にあるのかを迅速に見極めることができる。例えば、遠心ポンプ入口圧を監視しながら、遠心ポンプ６の回転数を制御部２４（図２参照）で適宜調整することにより、遠心ポンプ入口圧が過度の陰圧になることによる溶血を防止することができる。したがって、人工肺装置による治療中における溶血は、治療予後を左右する因子であることが報告されているところ、本実施形態によればその危険性を回避できることになる。

制御部２４による遠心ポンプ６の回転数の調整は、操作者の操作による手動でもよいが、自動調整であってもよく、自動調整により治療の労力が軽減される。具体的には、推定された遠心ポンプ６の入口圧が、予め設定した値を超えた陰圧になったときに、演算部２２の指令により遠心ポンプ６の回転数が制御部２４が備える回転数調整機構により自動調整されるようにしてもよい。

また、演算部２２により、推定された遠心ポンプ６の入口側圧力が、予め設定した値を超えた陰圧にならないように監視され、かつ送血流量の目標値が得られるように演算部２２の指令により遠心ポンプ６の回転数が制御部２４が備える回転数調整機構によりにより自動調整されるようにしてもよい。

１人工肺装置
３コントローラ
６遠心ポンプ
７人工肺
２０計測部
２１表示部
２２演算部
２３記憶部
２４制御部
２５圧力推定システム

Claims

遠心ポンプで血液を脱血し、人工肺で酸素化を行った後に送血を行う人工肺装置に用いる圧力推定システムであって、
前記遠心ポンプの回転数と前記遠心ポンプの揚程との関係式を記憶した記憶部と、
前記遠心ポンプの回転数と前記関係式とに基づいて前記遠心ポンプの揚程を推定し、前記推定した揚程と前記遠心ポンプの出口側の圧力とに基づいて、前記遠心ポンプの入口側圧力を推定する演算部とを備え、
前記関係式は、事前に前記遠心ポンプ単体を駆動して算出したものであることを特徴とする人工肺装置に用いる圧力推定システム。
前記演算部は、前記遠心ポンプの出口側の圧力の実測値を平均処理し、前記遠心ポンプの入口側圧力の推定に、前記平均処理した後の圧力を用いる請求項１に記載の人工肺装置に用いる圧力推定システム。
前記遠心ポンプの回転数調整機構をさらに備えており、前記推定された遠心ポンプの入口側圧力が、予め設定した値を超えた陰圧になったときに、前記演算部の指令により、前記遠心ポンプの回転数が前記回転数調整機構により自動調整される請求項１又は２に記載の人工肺装置に用いる圧力推定システム。
前記遠心ポンプの回転数調整機構をさらに備えており、前記演算部により、前記推定された遠心ポンプの入口側圧力が、予め設定した値を超えた陰圧にならないように前記演算部により監視され、かつ送血流量の目標値が得られるように、演算部の指令により前記遠心ポンプの回転数が前記回転数調整機構により自動調整される請求項１又は２に記載の人工肺装置に用いる圧力推定システム。