JP3138023B2 - 人工心肺装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、心臓外科手術等におい
て用いられる人工心肺装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知の如く、人工心肺装置が心臓外科手
術において用いられている。この人工心肺装置は、心臓
に代って体内の血液循環を行ったり、あるいは心臓と共
に心臓機能の一部を負担して血液循環を促すものであ
り、主に血液を送出する血液ポンプと、これを制御する
制御部を有して構成されている。

【０００３】この装置において、制御部による血液ポン
プの制御は、図９に示すように心電（ＥＣＧ）波形のＴ
波の現れる時刻に合せて行うようにしている。このＴ波
は心臓の弁が閉じるときに現れるので、これが現れると
きを見計って血液ポンプを動作させ、血液の送出を行
う。

【０００４】従来は、ポンプ動作のタイミングをＥＣＧ
波形のＲ波を検出した時点から動脈圧波形を観察して動
脈圧波形のくびれ部分Ａの時点に合わせるようにしてし
ている。本来ならば、ＥＣＧ波形のＴ波が現われる時点
に合わせれば目的が達成できる。。このタイミングは操
作者がＥＣＧ波形のＲ波と参照電圧（以下トリガレベル
という）を重ね合わせた波形を観察しながらトリガレベ
ル設定してＲ波とトリガレベルとの交点から得られ、従
来から行っている。

【０００５】しかしながら、人体の筋肉が動くことで、
心拍数に比べ低い周波数の変動振幅がＥＣＧ波形に重畳
し、設定した一定のトリガレベルではこの変動のため、
Ｒ波が一定して検出できないので、この変動を除くため
ＥＣＧ波形をフィルタを介し、これにトリガレベルを重
畳させたものを観測してタイミングを得ていた。このフ
ィルタのために、操作者は人体からの発する忠実なＥＣ
Ｇ波形が観察できず、もうひとつのタイミングを得るた
めのＴ波はＲ波より比較的低い周波数成分であるので変
形縮小され、タイミングを得ることができないので、動
脈圧波形を観測して目的を達成していた。

【０００６】ここで、図６はポンプ動作のタイミング決
定機能を有する従来の心電図波形処理部１の構成を示す
ブロック図である。この図において、２はＥＣＧ信号を
入力するための入力端子、３はバンドパスフィルタであ
り、ＥＣＧ信号のうちのＲ波信号成分を抽出する。抽出
されたＲ波信号は波形表示系４に供給されると共に、コ
ンパレータ５の一方の入力端に供給される。波形表示系
４では図７に示すように抽出されたＲ波信号が表示され
る。

【０００７】図６に戻り、６はトリガレベル信号（直流
電圧）を入力するための入力端子であり、これを介して
トリガレベル信号が波形表示系４へ供給されると共に、
コンパレータ５の他方の入力端に供給される。コンパレ
ータ５の出力端からは、Ｒ波信号とトリガレベル信号と
の比較結果がトリガ信号として出力端子７より出力され
る。なお、上記波形表示系４を除く各部品が心電図波形
処理部１を構成する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の人工
心肺装置にあっては、Ｒ波信号の検出において操作者の
希望するＲ波の任意の位置からタイミングを得るために
トリガレベルの設定を行っているが、ＥＣＧ波形の基線
（ベースライン）は図８に示すように筋肉の運動等によ
って変動することがある。このような場合にはトリガレ
ベル以下のＲ波信号が検出できなくなってポンプ動作に
支障が生じることがあった。

【０００９】また、上述した従来の波形表示系４におい
ては、トリガレベル以上のＲ波信号のみしか表示されな
いので、生体情報としてＥＣＧ波形の全てを観察したい
という医師の要望を満たすことができなかった。

【００１０】本発明は上述した事情に鑑みてなされたも
ので、従来の装置よりも高い信頼性でポンプの動作を制
御でき、またＥＣＧ波形の全てを表示できる人工心肺装
置を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の人工心肺
装置は、入力したトリガ信号に基づいて血液送出用ポン
プを動作させるポンプ駆動手段と、心電図計より出力さ
れるＥＣＧ信号を表示する表示手段と、トリガレベルを
決める直流基準信号を出力するトリガレベル設定手段と
を具備する人工心肺装置において、前記ＥＣＧ信号のベ
ースラインの変動分を抽出する変動分抽出手段と、前記
変動分抽出手段の出力と前記直流基準信号とを加算して
前記表示手段に供給する加算手段と、前記ＥＣＧ信号と
前記加算手段の出力とを比較し比較結果をトリガ信号と
して出力する比較手段とを具備することを特徴とする。

【００１２】

【作用】上記構成によれば、ＥＣＧ信号が直接表示手段
に供給されるので、ＥＣＧ波形の全てが表示される。ま
た、トリガレベルを決める直流基準信号にＥＣＧ信号の
ベースラインの変動分が加算されて表示手段に供給され
る。これにより、表示手段に表示されるＥＣＧ信号のベ
ースラインの変動に追従したかたちで直流基準信号が表
示される。

【００１３】また、直流基準信号にＥＣＧ信号のベース
ラインの変動分が加算され、これとＥＣＧ信号とが比較
され、その比較結果によりトリガ信号が出力される。し
たがって、ＥＣＧ信号のベースラインが変動しても、そ
れに追従して直流基準信号も変化するので、確実にトリ
ガ信号が得られる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図１は本発明の一実施例による人工心肺装
置の心電図波形処理部９の構成を示すブロック図であ
る。なお、この図において前述した図６に示す心電図波
形表示部１と共通する部分には同一の符号を付けてその
説明を省略する。

【００１５】この図において、１０は変動分抽出回路で
あり、ＥＣＧ信号のベースラインの変動分に倣った信号
を出力する。この変動分抽出回路１０は、図示せぬＣＰ
Ｕ（中央処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、
Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器及びＤ／Ａ（デジ
タル／アナログ）変換器から構成されている。ＲＯＭに
はＣＰＵを制御するためのプログラムが書込まれてい
る。

【００１６】この変動分抽出回路１０のアルゴリズムは
次のようになっている。 １／６０秒に１回、Ａ／Ｄ変換する。 Ａ／Ｄ変換したものをまとめて平均化する。 変化方向の予測を行う。 ＣＰＵで加算分を求める。 Ｄ／Ａ変換器に数値を与え、加算値を得る

【００１７】このように、変動分抽出回路１０はＥＣＧ
信号のベースラインの変化に応じた信号を該ベースライ
ンの変化を予測しながら生成する。

【００１８】１１は加算器であり、変動分抽出回路１０
の出力とトリガレベル信号とを加算し出力する。この加
算器１１によってトリガレベル信号がＥＣＧ信号のベー
スラインの変動に従って変化する。この加算器１１の出
力は波形表示系４へ供給されると共に比較器５の他方の
入力端に供給される。

【００１９】ここで、図２に波形表示系４に表示される
ＥＣＧ波形及びトリガレベル波形の一例を示す。この図
に示すトリガ信号波形は波形表示系４には表示されな
い。この図からわかるように、ＥＣＧ信号のベースライ
ンの変動に従ってトリガレベル信号も変化しており、確
実にトリガ信号が得られるのがわかる。

【００２０】次に、図３は上記心電図波形処理部９を適
用した人工心肺装置の構成を示すブロック図である。こ
の図において、１９はトリガレベルを設定するためのト
リガレベル設定器、２０は術野を撮影するためのテレビ
カメラ、２１は心電図計、２３は動脈圧検出計、２４は
中心静脈圧を検出する中心静脈圧検出計である。２５は
Ａ／Ｄ変換部であり、心電図波形処理部９、動脈圧検出
計２３及び中心静脈圧検出計２４の各々の出力（アナロ
グ信号）をディジタル信号に変換し出力する。なお、こ
の場合、心電図波形処理部９のＡ／Ｄ変換部２５への出
力は心電図計２１の出力そのものである。

【００２１】制御部２５は装置各部の制御を行うもので
あり、図示せぬＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡ
Ｍ、インタフェース回路及びタイマ回路等を有して構成
されており、ＲＯＭにはＣＰＵを制御するためのプログ
ラムと、心臓が血液を送出するときの理想的な圧力パタ
ーンの面積値が書込まれている（この面積値に関しては
後に詳述する）。上記タイマ回路からは時刻データが逐
次出力される。

【００２２】２６は血液ポンプ（図示略）を駆動するモ
ータ２７の回転数を制御するポンプ制御部であり、調整
器２８の設定値及び制御部２５より出力される制御信号
に基づいてモータ２７へ出力する電圧の制御を行う。こ
の場合、切替スイッチ２９によって、調整器２８による
手動調整と制御信号による自動調整とが任意に選択でき
るようになっている。また、このポンプ制御部２６はモ
ータ２７に供給する制御電圧Ｖｒと、この制御電圧Ｖｒ
に応じた信号Ｓｒを出力する。ポンプ制御部２６は切替
スイッチ２９の設定状態を示す信号をバスラインＢを介
して制御部２５へ出力する。この信号により制御部２５
は切替スイッチ２９の設定状態を判断する。

【００２３】３０はテレビ映像化部であり、Ａ／Ｄ変換
部２４より出力される各種ディジタル信号及び制御電圧
Ｖｒをそれぞれ入力し、これらの値に基づいてＥＣＧ波
形、動脈圧波形及ポンプ圧波形を、ＣＲＴ装置３１に表
示するための映像信号を生成する。この場合、同期信号
は同期信号発生部３２で生成される。この同期信号発生
部３２はテレビカメラ２０より出力される映像信号から
抽出した同期信号に基づいてテレビ映像化部３０の同期
信号を生成する。

【００２４】３３は文字映像化部であり、Ａ／Ｄ変換部
２４より出力される各種ディジタル信号（ＥＣＧ信号、
動脈圧信号及びポンプ圧信号）と、制御部２５より出力
されるタイマ信号と、ポンプ制御部２６より出力される
信号Ｓｒの各々を数値化して、ＣＲＴ装置３１に表示す
るための映像信号を生成する。この場合、同期信号は、
上記テレビ映像化部３０と同様に同期信号発生部３２に
て生成される。

【００２５】３４は混合部であり、テレビカメラ２０よ
り出力される映像信号と、テレビ映像化部３０より出力
さる映像信号と、文字映像化部３３より出力される映像
信号とを混合し出力する。混合された映像信号はＣＲＴ
装置３１に供給される。また、混合された映像信号は出
力端子３７を介して外部へも出力される。この出力端子
３７にはプリンタ３６Ａあるいはビデオテープレコーダ
３６Ｂが接続される。なお、プリンタ３６Ａ及びビデオ
テープレコーダ３６Ｂを共に接続できるようにしても良
い。

【００２６】ここで、図４はＣＲＴ装置３１の表示の一
例を示す波形図であり、この図において（イ）はＥＣＧ
波形、（ロ）はポンプ圧波形、（ハ）は動脈圧波形であ
る。なお、この図のＥＣＧ波形はそのベースラインが変
動していない場合である。

【００２７】図３に戻り３８は画像処理部であり、テレ
ビカメラ２０より出力される映像信号を入力し、その輝
度レベルに基づいて心臓のテレビカメラ２０にて写し出
された部分の面積を算出する。この画像処理部３８で算
出された心臓の面積値は制御部２５に入力される。

【００２８】３９はＲＳ２３２Ｃ出力部であり、Ａ／Ｄ
変換部２４より出力される各種ディジタル信号を直列２
進データに変換し出力する。

【００２９】次に、上記構成の人工心肺装置の特徴とす
る機能について列記する。特徴とする機能は以下の通り
である。 テレビカメラ２０で撮影された映像と各種計器（心電
図波形処理部９、動脈圧検出計２２及び中心静脈圧検出
計２３）の出力波形を合成し、ＣＲＴ装置３１に表示す
る。

【００３０】上記合成した画像の映像信号を外部へ出
力する。 心電図波形処理部９、各種計器２２，２３の出力を直
列２進データに変換して出力する。 心電図波形処理部９の出力に基づいて血液ポンプを自
動制御する。

【００３１】ここで、上記項の機能の詳細について説
明する。この機能は、通常、手術が終了した時点で、
心臓に血液を戻して再び動作をさせる場合の補助に用い
る。すなわち、心臓に血液を戻して動作を開始させてか
ら正常な働きをするまでに時間がかかるので、この間、
心臓を補助する。

【００３２】心臓は正常に動作するまでの間、生体が必
要とする血液量を送出することができない。そこで、必
要とする血液量を満たすためには、一心拍での標準の血
液量を基準にして、この基準値に現在の心臓の状態にお
ける送出血液量を減算すれば、不足する分の血液量を求
めることができ、この不足分を装置本体が一心拍毎に送
出するようにすれば良い。

【００３３】図５（ハ）は、心臓が血液を送出するとき
の理想的な圧力パターンを示す波形図である。また、同
図（ニ）の実線で示す波形図は心臓が正常に動作してい
ない場合の圧力パターンである。図５（二）に鎖線で示
す部分を実線で示す部分に加算すれば、図５（ハ）の理
想的な圧力パターンになる。したがって、心臓が正常に
動作していない期間においては、理想とする圧力パター
ンより現在の圧力パターンを引いた分に相当する血液量
をＥＣＧ波形のＲ波から適当な時間Ｔｄ遅らせたタイミ
ングで送出すれば良い。

【００３４】そして、この動作を一心拍毎に行うように
すれば、徐々に回復する心臓の機能をその都度最適な状
態で補助することができる。ここで、血液ポンプによる
血液の送出をＥＣＧ波形のＲ波から適当な時間Ｔｄ遅ら
せるということは、心臓が血液を送っているときに、あ
るいは、心臓が血液を送ろうとしているときに血液ポン
プが血液を送ってしまうと、血液ポンプの圧力の方が高
いために心臓の負荷になるからである。

【００３５】したがって、心臓が拡張して休止している
ときに血液を送るようにすれば、心臓に負担をかけるこ
とがなくなる。この点は従来の人工心肺装置にも採用さ
れている。そして、ＥＣＧ信号のベースラインが変動し
ても心電図波形処理部９により確実にＲ波信号を捕らえ
ることができ、更にＣＲＴ装置３１の画面上でＴ波を確
認することができるので、血液ポンプを確実に制御でき
る。

【００３６】ところで、実際の血液ポンプの制御におい
ては、血液ポンプの圧力パターンだけを見るのではな
く、テレビカメラ１で撮影した心臓の映像を画像解析
し、得られた面積から心臓の張り具合（大きさ）をも考
慮すれば更に確実な制御が可能になる。この実施例の人
工心肺装置はこの点を考慮した制御ができるようになっ
ている。

【００３７】上述した内容を踏まえてこの実施例の人工
心肺装置の動作について説明する。さて、図示せぬ電源
スイッチを投入すると、Ａ／Ｄ変換器２４より各種ディ
ジタル信号が出力され、制御部２５、ポンプ制御部２
６、テレビ映像化部３０、文字映像化部３３及びＲＳ２
３２Ｃ出力部３９の各々に入力される。

【００３８】制御部２５は時刻データをバスラインＢを
介して文字映像化部３３へ出力する。また、テレビ映像
化部３０はポンプ制御部２６より出力される制御電圧Ｖ
ｒをも入力し、この制御電圧Ｖｒと各種ディジタル信号
の値に基づいてＥＣＧ波形、動脈圧波形及びポンプ圧波
形をＣＲＴ装置３１に表示するための映像信号を生成
し、混合部３４へ供給する。

【００３９】また、文字映像化部３３は各種ディジタル
信号と、制御部２５より出力されるタイマ信号と、ポン
プ制御部２６より出力される信号Ｓｒの各々を入力し、
これらを数値化してＣＲＴ装置３１に表示するための映
像信号を生成し混合部３４へ供給する。

【００４０】混合部３４に供給されたテレビ映像化部３
０より出力される映像信号、及び、文字映像化部３３よ
り出力される映像信号が同混合部３４にてテレビカメラ
２０より出力される映像信号と混合されてＣＲＴ装置３
１、プリンタ３６Ａ及びビデオテープレコーダ３６Ｂに
それぞれ入力される。

【００４１】これにより、ＣＲＴ装置３１の画面全体に
術野が写し出されると共に、図４に示すように、画面の
上からＥＣＧ波形、ポンプ圧波形、動脈圧波形が表示さ
れ、更に右上部に時刻、ポンプ圧波形の右側に波高値、
動脈圧波形の右側に波高値がそれぞれ表示される（図示
略）。また、これらの波形及び各値がプリンタ３６Ａ及
びビデオテープレコーダ３６Ｂにて記録される。この場
合、印刷開始スイッチ（図示略）を押した時点での波形
及び値が印刷される。

【００４２】制御部２５は時刻データを出力した後、ポ
ンプ制御部２６の切替スイッチ２９の設定状態の検出を
行う。この場合、“手動”側に設定されていればポンプ
制御部２６に対する制御は行わない。

【００４３】ポンプ制御部２６はＡ／Ｄ変換部２４より
出力される心電波形のＲ波から適当な時間Ｔｄ遅らせた
タイミングでモータ２７に制御電圧Ｖｒを供給する。制
御電圧Ｖｒの波高値は調整器２８の設定値に対応し、オ
ペレータがこの調整を行って送出する血液量の制御を行
う。この操作は従来の人工心肺装置と同様である。

【００４４】一方、心臓での手術が完了し、心臓が元の
位置に戻され、自力で動き始めた場合において、ポンプ
制御部２６の切替スイッチ２９の設定が“自動”側に設
定されれば、制御部２５はＡ／Ｄ変換部２５より出力さ
れる動脈圧の値に基づいて現在の心臓の血液送出の圧力
パターンの面積を算出する。

【００４５】そして、自身のＲＯＭより心臓が血液を送
出するときの理想的な圧力パターンの面積値を読出す。
次いでこの読出した面積値から現在の面積値を減算し、
得られた差分の値に基づいて送出する血液量を決定す
る。このとき、制御部２５は画像処理部３８より出力さ
れる現在の心臓の面積から張り具合を考慮し、先に決定
した血液量の補正を行う。

【００４６】すなわち、心臓の張り具合が悪い場合には
血液量を多めにし、良い場合に少なめにする。このよう
にして送出する血液量を決定すると、制御部２５はＥＣ
Ｇ波形のＲ波から設定された（医師によりＴ波に基づい
て設定される）時間Ｔｄ遅らせたタイミングで血液を送
出する。そして制御部２５はこの操作を一心拍毎に行
い、心臓が回復して正常になればこの補助機能を停止す
る。このように、自動的に不足する血液が送出されるの
で、オペレータは監視をしていれば良いので疲労が軽減
する。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｅ
ＣＧ信号そのものを直接表示手段に供給するようにした
のでＥＣＧ波形の全てを確認することができる。また、
トリガレベルを決める直流基準信号にＥＣＧ信号のベー
スラインの変動分を加算するようにしたので、ＥＣＧ信
号のベースラインの変動に追従したかたちで直流基準信
号を表示できる。また、ＥＣＧ信号のベースラインの変
動分を加算した直流基準信号とＥＣＧ信号とを比較し、
その比較結果によりトリガ信号を得るようにしたので、
ＥＣＧ信号のベースラインが変動しても確実にトリガ信
号が得られる。

【００４８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による人工心肺装置の心電図
波形処理部の構成を示すブロック図である。

【図２】同実施例による人工心肺装置の心電図波形処理
部の機能を説明するための波形図である。

【図３】同実施例による人工心肺装置の構成を示すブロ
ック図である。

【図４】同実施例による人工心肺装置の動作を説明する
ための波形図である。

【図５】同実施例による人工心肺装置の動作を説明する
ための波形図である。

【図６】従来の人工心肺装置の心電図波形処理部の構成
を示すブロック図である。

【図７】従来の人工心肺装置の心電図波形処理部の問題
点を説明するための波形図である。

【図８】従来の人工心肺装置の心電図波形処理部の問題
点を説明するための波形図である。

【図９】血液ポンプ動作タイミングを説明するための波
形図である。

【符号の説明】

５ 比較器 １０ 変動分抽出回路 １１ 加算器 １９ トリガレベル設定器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−143763（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61M 1/10 A61M 1/14 580 A61M 5/00 327

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力したトリガ信号に基づいて血液送出
   用ポンプを動作させるポンプ駆動手段と、心電図計より
   出力されるＥＣＧ信号を表示する表示手段と、トリガレ
   ベルを決める直流基準信号を出力するトリガレベル設定
   手段とを具備する人工心肺装置において、前記ＥＣＧ信
   号のベースラインの変動分を抽出する変動分抽出手段
   と、前記変動分抽出手段の出力と前記直流基準信号とを
   加算して前記表示手段に供給する加算手段と、前記ＥＣ
   Ｇ信号と前記加算手段の出力とを比較し比較結果をトリ
   ガ信号として出力する比較手段とを具備することを特徴
   とする人工心肺装置。