JP3584039B2 - 静脈ライン空気検出システム - Google Patents

Description

技術分野
本発明は静脈ライン内の気泡を検出するための装置および方法に関し、特に、気泡を検出しながら、静脈ラインを通じる流量を測定且つ制御するための装置および方法に関する。
発明の概要
好適実施例においては、本発明は、患者へ投与されるべき液体内に何らかの泡が存在するか否かを監視しながら、静脈注液源から静脈注液ラインを通じて患者へ流れる静脈流体の流れを制御する。ライン内に配置された領域は、測定ガスを包含する第一の部分と、ラインを通じての液体流の流れの区画を包含する第二の部分とを有する。この領域における液体は、気泡の存在について検査される。第一の部分の容積と第二の部分の容積との和は、一定の量になるはずである。この領域は、音響共振システムの一部であり、この領域の第一の部分における測定ガスの容積は、音響システムの共振周波数から決定できる。好ましくは、音響共振システムは、この領域の第一の部分の容積の測定へ泡の存在が相当な影響を与えないように調整される。この領域は、ライン内に在する圧力の影響から隔絶可能とせねばならず、この隔絶は、好ましくは、静脈源からの流れを制御する第一の弁と、患者への流れを制御する第二の弁とによりなされる。この共振システムは、少なくとも一つのスピーカーと一つのマイクロフォンとを含み、これらはシステムの共振周波数を検出できるように配置されている。更に、共振システム内の測定ガスの圧力を変更するための幾つかの手段が設けられている。また制御器も設けられており、この制御器は、弁、共振検出手段および圧力変化手段を制御し、泡の存在を示す信号を発生するためのものである。この制御器は、領域の第一の部分における測定ガスの容積を、測定された共振周波数に基づいて決定する手段をも含むことが好ましい。
本発明では、領域の第二の部分の液体に泡が存在するか否かを検出するために、次の方式を用いることが好ましい。先ず、測定ガスが第一の圧力にあるときに、システムの共振周波数を決定する。この圧力における領域の第一の部分の容積は、第一圧力における共振周波数に基づいて決定し得る。次いで、測定ガスの圧力を第二の圧力へ変化させ、この第二圧力におけるシステムの共振周波数を測定する。同様に、この第二圧力における第一部分の容積が、第二圧力における共振周波数に基づいて決定し得る。液体中に泡が存在するならば、増圧すれば泡は圧縮され、或いは、減圧すれば泡は膨張する。従って、泡の存在は、第一部分における測定ガスが占める容積の変化により検出できるので、領域の第二部分における液体と泡が占める容積の変化により検出できる。液体中に泡が存在するならば、液体を領域から取り除いて流体源へ戻し得る。液体中に泡が存在しないならば、液体は患者へ圧送し得る。測定された共振周波数は、領域における液体の一部が患者へ投与される前後に、領域における液体の容積を決定するために使用でき、容積の差が患者への投与量となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に使用し得る音響共振システムの機械的配置の模式図である。
図２は図１示す共振システムの電気的モデルである。
図３は図１のシステムの入力周波数の範囲に亘る音響応答の振幅のプロットである。
図４は図１のシステムの周波数範囲に亘る音響応答の位相変化のプロットである。
図５は本発明に係る好適な方法のフローチャートである。
特定の実施例の詳細な説明
図１は音響共振システムを示し、このシステムは測定ガス（好ましくは空気）により占められた前方チャンバ85の容積（V_f）を決定するために使用し得る。前方チャンバ85の容積は、静脈注液（intravenous:IV）ラインにおいて弁６と弁７との間に配置された隔絶可能（分離可能）な領域における静脈（IV）流体50の量により変化する。この領域におけるIV流体50の容積（泡51を含む）と前方チャンバ85の測定ガスの容積（V_f）との和は一定であるので、前方チャンバ85における測定ガスの容積（V_f）と合計容積とが既知であるならば、その合計容積から測定ガス容積（V_f）を単純に減算することにより、弁６と弁７との間の領域におけるIV流体50の容積を容易に決定できる。しかしながら、IVラインを通る流量率の測定のためには、患者へ投与されたIV流体50がどのくらいかを決定するために、測定ガス容積（V_f）がどのくらい変化したかの測定のみが必要となる。膜41は前方チャンバ85からIV流体50を分離する。IV流体に接する装置の全部品、図示された実施例においてはIVライン３、弁６および７、膜41、剛壁59（この壁は、膜41および弁6,7と共に、IV流体の分離可能な領域の境界を形成する）は、使い捨てとすることが好ましい。装置の残りの部分は、IV流体と直接接触しないようにされている。
前方チャンバ85は、ポート84により後方チャンバ86へ接続されている。ポート84は、共振できる測定ガスの質量を包含する。スピーカー81は、好ましくは圧電結晶型であるが、任意の適宜な電気音響変換器も使用でき、様々な周波数における音響エネルギーをシステムへ導入する。このスピーカー81は、サービスチャンバ87から後方チャンバ86を隔てる壁の一部をなしている。マイクロフォン82および83は、好ましくはエレクトレット型であるが、任意の適宜な電気音響変換器も使用でき、後方チャンバ86およびサービスチャンバ87の各々に配置されている。後方チャンバのマイクロフォン82は、スピーカー81により発せられた音響エネルギーに対するシステムの応答を検出するために使用され、サービスチャンバのマイクロフォン83は、スピーカー81と後方チャンバのマイクロフォン82とを連続的に較正するために使用される。
後方チャンバ86には圧力源42が接続され、この圧力源は、測定ガスにより膜41に作用した圧力の変化に応じて、測定ガスを後方チャンバ86へ与え、且つ／または測定ガスを後方チャンバ86から吸い出す。この圧力源42は、ピストン、ポンプ、或いは、正および／または負の圧力供給体を備え得る。この圧力源42は、システムの音響パラメータへの圧力源42の影響を防ぐように、長い細管73によりシステムへ接続されている。この圧力源42はIV流体のポンプとして働くことができ、その働きは、IV源から分離可能領域50へIV流体を導入するように弁６が開放する際の膜41上の圧力を減少し、患者へIV流体を圧送するように弁７が開放した際の膜41に対する圧力を増加する。制御器は、米国特許第5,349,852号の図12および13に関連して説明された制御器と同様であることが好ましく、マイクロフォン82および83からの応答を処理しつつ、弁６および７と圧力源42とを制御することにより、与えられた周波数でスピーカー81を振動させる。
図２は、図１に示した音響共振システムの電気的モデルを示す。図２のモデルに示すように、前方チャンバ85の容積（V_f）の変化により、前方チャンバ85の容量が変化する。図２のモデルに更に示すように、液体50における泡51の存在は、付加的な共振周波数を形成できる。泡の影響は泡の大きさと共に変化する。一般に、大きな泡では、泡により形成された共振周波数が低く、且つ共振周波数における音響応答のピークの振幅が大きい。小さな泡の応答は、一般にピーク振幅が小さくなり、共振周波数が高くなる。
本発明の好適実施例においては、ポート84、前方チャンバ85および後方チャンバ86の大きさは、好ましくは、大きな泡が容積測定に実質的な影響を持つことがないように形態づけられている（即ちシステムが調整されている）。システムを充分に高く調整、即ちポート84のインダクタンスを比較的に低く形成することにより、システムは、比較的に高い共振周波数にてスピーカー81により励振され、一方、泡51の比較的に高いインダクタンス51（或いは、より厳密には、システムの残りの部分（即ち前方チャンバにおける測定ガスと泡との間におけるIV流体と膜材料）に対する泡の結合）は、マイクロフォン82に対して関知できない微細な泡を与える（図２の電気的モデルにおける図示の方式によれば、ポートのインダクタンス（Ｌ）に関して比較的に高い泡のインダクタンス（L_A）が、泡についてのモデル成分と前方チャンバについてのモデル成分との間に高周波数における開放回路を生じるので、泡の作用は音響システムの残りの部分の作用に影響しない）。大きな気泡の影響を非常に充分に最小化するポート84の調整においては、音響システムは、分配モデルよりもむしろ（図２の電気的モデルに示されたように）ランプ（lump）モデルを有するように充分に低く調整されていることが重要である。
図２に示した電気的モデルにおいては、ポート84のインダクタンスＬは、次式の物理的システムに対応する。

ここでポートの有効長（l_e）はポート長とポート径との和に等しい（l_e＝１＋2r）。このモデルにおける容量は物理的システムに対して次式のように対応する。

より、

を得る。従って、単純なシステムにおいては、

この式は先に引用した米国特許第5,349,852号における式（２）と等価である。
図２にモデル化されたような図１の実施例についてラプラシアン解析を実行すると、下記の一対の式が与えられる。

および

ここでは以下の代入をなした。

共振は、分母が零になる点に位置している。従って、

ここでは次の代入をなした。

仮にＱが１よりも充分に大きいならば、上式は次のように簡単化することができる。

および

よって容積は共振から以下のように演算できる。

従って、後方チャンバ（Vb）の容積が固定されていて既知であるので、前方チャンバ82における空気の容積（V_f）は、共振周波数（ω_２）および反共振周波数（ω_１）の検出に基づいて決定できる。図３および図４は、V_fが最小、即ち分離可能領域50が満杯のときと、V_fが最大、即ち分離可能領域50が空のときとについて、300乃至800Hzの周波数範囲に亘る図１の音響システムの音響応答の振幅と位相変化をそれぞれ示す。図３の振幅グラフに明らかなように、図１に示されたシステムは、領域50が空のときは約560Hz、領域が満杯のときは約670Hzにおいて共振周波数即ちピーク周波数（ω_２）を有する。反共振周波数即ち最小利得周波数（ω_１）は、領域50が満杯のときは約360Hz、領域が空のときは約510Hzにおいて見い出される。共振と反共振との双方の周波数は更に、図４の位相変化グラフ上に位相変化が90度に等しい点により示されている。
反共振周波数（ω_１）を決定する際に、信号対雑音比が低ければ、反共振周波数（ω_１）に依存することなく前方チャンバ容積（V_f）がより正確に、即ち好ましく決定される。
前方チャンバの容積（V_f）を決定する代替的な方法は、共振周波数（ω_２）および温度（Ｔ）に依存し、これは測定することができるので、後方チャンバの容積（Vb）と同様に既知となる。上式（10）乃至（12）から、

が得られ、これは前方チャンバの容積について次のように解くことができる。

従って前方チャンバの容積（V_f）は、システムの共振周波数（ω_２）と温度（Ｔ）とから求めることができる。共振周波数の決定の間は、温度は実質的に一定にとどまるものと見なすことにより、共振周波数における変化の有無の単純な決定により、前方チャンバの容積に変化が生じたか否かを決定できる。
泡の検出のために、前方チャンバ85の圧力を圧力源42により変化させる。泡が検出されないならば、好ましくは、前方チャンバ85における圧力を増圧し、出口弁７を開放した際に、付加的な圧力がIV流体50を患者へ圧送するために使用し得る。IV流体50中に泡51が存在するならば、前方チャンバ85における圧力の変化は、分離可能領域におけるIV流体50の容積の変化を起こし、前方チャンバ85の容積（V_f）における対応する逆変化をも起こす。従って、圧力の上昇は、泡の大きさを減少させるので、前方チャンバ85の容積は同じ量だけ増加する。IV流体50内に泡が存在しないならば、液体は常圧下では実質的に非圧縮性なので、前方チャンバ85の容積は変化しない。従って、容積（V_f）の変化は泡を示し、逆に、容積の無変化は泡が存在しないことを示す。容積（V_f）の変化は、圧力変化の前後に容積を解析することにより決定し得るが、これは上述した方式、特に、圧力変化の前後の共振および反共振周波数（ω_１およびω_２）に基づく方式、或いは、圧力変化の前後の共振周波数（ω_２）と温度（Ｔ）とに基づく方式による。これに代えて、温度変化が微々たるものならば、容積（V_f）の変化は、共振周波数の変化の有無の決定により単純に検出し得る。圧力変化は、圧力変化の大きさが測定ガスの温度に影響することを除いては、共振の検出と、前方チャンバの容積（V_f）の決定とには実質的に影響しない（圧力変化は、或る手法においては、図２に示す電気的モデルへDC電圧を適用することに類似し、これは共振周波数に影響しない）。
図１に示される装置を使用する好適な方法においては、出口弁７は初めは閉止され、且つ入口弁６が開放されているので、IV源から分離可能領域への流通が可能となる。
領域が充分に充填された後で、しかも圧力変化が前方チャンバへ導入される前には、入口弁６も閉じるので、領域50は、IVライン３の残りの部分における圧力から分離される。スピーカー81は、音響システムの共振周波数が検出されるまで、様々な周波数で音響エネルギをシステムへ導入する。共振周波数は、先に引用した米国特許第5,349,852号に説明された方式の一つにより決定し得るが、好ましくは、その特許の図13乃至17図に関連して説明された方式による。この共振周波数は前方チャンバの容積（V_f）を決定するために使用し得る。前方チャンバの圧力が変化（好ましくは、圧力源42からの付加的な測定ガスにより上昇）する一方、IV流体の領域50はラインの残りの部分からの圧力の影響から分離される。共振周波数が再び決定される。二つの測定された共振周波数は、電子制御器により解析され、前方チャンバの容積が変化したか否かを決定する。
前方チャンバの容積（V_f）の変化が示されたならば、制御器は泡の存在を示す信号を発生する。好ましくは、この信号が弁７を依然として閉止させて弁６を開放し、圧力源42が膜に対する圧力を上昇させるようにすることにより、泡51を含む分離可能領域におけるIV流体50をIV源へ強制的に帰還させる。
前方チャンバの容積（V_f）の変化が示されないならば、制御器は弁７を開放するので、IV流体が患者へ投与され得る。弁７（または分離可能領域の下流側の他の弁）が開く量と、圧力源42により適用される圧力の量とは、患者へのIV流体の流量率を制御するように制御されている。前方チャンバの容積（V_f）の変化は、米国特許第5,349,852号の図13乃至17図に関連して説明された以下のようなTRACKモード方式によって制御器により追跡し得る。充分な量のIV流体が既に投与されたとき、弁７が再び閉じられ、この点において前方チャンバの容積（V_f）が再び決定される。弁７が開放する前に測定された前方チャンバの容積を、弁７が閉じた後の前方チャンバの容積から減算して、該当サイクル中に患者へ投与されたIV流体の量を決定できる。このサイクル（弁６の開放により開始され、次いで分離可能領域の充填、容積の決定、分離可能領域のIV流体に泡が存在するか否かの決定等）は、所望量のIV流体が患者へ投与されるまで繰り返し得る。図５は本発明を実施するための好適な方法を示すフローチャートである。制御器は好ましくは患者へ投与された流体の総量と、IV流体投与開始からの経過時間とを追跡し、患者へ流体が投与される速度を制御することにより、流体が実質的に一定流量率で投与され、所望量のIV流体が所望の時間長で投与される。
幾つかの好適実施例を参照して本発明について説明したが、当業者には、添付の請求項に記載された本発明の要旨と目的から逸脱することなく様々な変更をなし得ることが明白である。

Claims (20)

1. 液体内の泡の存在を検出する方法であって、
   一つの領域を有する音響システムを設け、その領域は、測定ガスを包含する第一の部分と、泡の存在を検出されるべき液体を包含する第二の部分とを有し、その第一の部分の容積と第二の部分の容積との和は一定容積となるようにし、
   測定ガスの第一の圧力においてシステムの共振周波数を決定し、
   測定ガスの圧力を第二の圧力へ変化させ、
   第二の圧力においてシステムの共振周波数を決定し、
   第一の圧力において測定された共振周波数と、第二の圧力において測定された共振周波数とに基づいて、圧力の変化に起因して第一の部分容積が変化したか否かを決定し、
   第一の圧力における容積と第二の圧力における容積とが異なっているならば、液体内の泡の存在を示す信号を発生することとを含む方法。
2. 前記音響共振システムは、共振周波数に基づく前記領域の第一の部分の容積の決定へ泡の存在が相当な影響を与えないように調整される請求項１に記載の方法。
3. 静脈注液流体源から静脈注液ラインを通じて患者へ至る流体の流量を制御すると共に、その流体内の泡の存在を検出する方法であって、
   前記ライン内に、測定ガスを包含する第一の部分と、前記ラインを通じて流れる液体の区画を包含する第二の部分とを有する領域を設け、その第一の部分の容積と第二の部分の容積との和は一定容積となり、前記領域は音響共振システムの一部分となり、前記領域は、前記流体源からの流れを制御する第一の弁と、患者への流れを制御する第二の弁とにより、前記ラインの残りの部分における圧力の影響から分離可能であるようにし、
   第二の弁を閉止し、且つ第一の弁を開放して、前記流体源から前記領域への流通を可能とし、
   液体が前記流体源から前記領域へ流れた後に、第一の弁を閉止して前記領域を前記ラインにおける圧力の影響から分離し、
   測定ガスの第一の圧力において前記システムの共振周波数を決定し、
   第一の弁を閉止した後、測定ガスの圧力を第二の圧力へ変化させ、
   第二の圧力において前記システムの共振周波数を決定し、
   第一の圧力において測定された共振周波数と、第二の圧力において測定された共振周波数とに基づいて、圧力の変化に起因して第一の部分の容積が変化したか否かを決定し、
   圧力の変化に起因する容積の変化が検出されないならば、第二の弁を開放して患者への流れを可能とし、容積の変化が検出されたならば、液体内の泡の存在を示す信号を発生することとを含む方法。
4. 液体内の泡の存在を示す前記信号に応答して、前記領域の第二の部分から前記流体源へ流体を除去することを更に含む請求項３に記載の方法。
5. 前記音響共振システムは、共振周波数に基づく前記領域の第一の部分の容積の決定へ泡の存在が相当な影響を与えないように調整される請求項４に記載の方法。
6. 測定された共振周波数に基づいて、患者への流れが可能とするように第二の弁が開放する前に、前記領域の第一の部分における測定ガスの容積を決定し、
   流体の或る容積が患者へ流れた後に第二の弁を閉止し、
   第二の弁が閉止した後に共振周波数を決定し、
   第二の弁が閉止した後に決定された共振周波数に基づいて、第一の部分の容積を決定し、
   第二の弁が開放する前に決定された第一の部分の容積を、第二の弁が閉止した後に決定された容積から減算することにより、患者へ投与された液体の容積を決定することとを更に含む請求項４記載の方法。
7. 前記音響共振システムは、共振周波数に基づく前記領域の第一の部分の容積の決定へ泡の存在が相当な影響を与えないように調整される請求項６に記載の方法。
8. 液体内の泡の存在を検出する装置であって、
   外部の圧力の影響から分離された領域を有する音響共振システムであり、前記領域は測定ガスを包含する第一の部分と、内部の泡の存在を検出すべき液体を包含する第二の部分とを有し、その第一の部分の容積と第二の部分の容積との和は一定容積となる音響共振システムと、
   前記システムの共振周波数を検出する検出手段と、
   前記測定システムにおける測定ガスの圧力を変化させる圧力変化手段と、
   液体内の泡の存在を示す信号を発生する信号発生手段であり、この信号発生手段は、前記検出手段と前記圧力変化手段とに連絡しており、前記信号は、前記圧力変化手段が測定ガスを第一の圧力を有するようにさせたときと、第二の圧力を有するようにさせたときとに、それぞれ前記検出手段により検出された第一の共振周波数と第二の共振周波数とに基づいて発生される信号発生手段とを備える装置。
9. 前記音響共振システムが、共振周波数に基づく前記領域の第一の部分の容積の決定へ泡の存在が相当な影響を与えないように調整されている請求項８に記載の装置。
10. 前記音響共振システムが、
    後方チャンバと、
    共振可能な質量を保持し、且つ前記後方チャンバを前記領域の第一の部分へ接続するポートとを含み、
    前記検出手段が、
    前記音響共振システムへ様々な周波数にて音響エネルギを導入するスピーカーと、
    前記スピーカーにより前記音響共振システムへ導入された音響エネルギに対する前記システムの応答を検出するマイクロフォンとを含む請求項８に記載の装置。
11. 前記マイクロフォンが前記後方チャンバに連通し、且つ前記スピーカーが前記後方チャンバの壁の一部分を形成する請求項10に記載の装置。
12. 前記検出手段が、
    サービスチャンバであり、前記スピーカーは、このサービスチャンバの壁の一部分を形成して前記後方チャンバから前記サービスチャンバを隔てるサービスチャンバと、
    前記サービスチャンバと連通するサービスマイクロフォンとを更に含む請求項11記載の装置。
13. 前記音響共振システムは、共振周波数に基づく前記領域の第一の部分の容積の決定へ泡の存在が相当な影響を与えないように調整されている請求項12に記載の装置。
14. 静脈注液流体源から静脈注液ラインを通じて患者へ至る流体の流量を制御すると共に、その流体内の泡の存在を検出する装置であって、
    測定ガスを包含する第一の部分と、前記ラインを通じて流れ、その中で泡が検出されるべき液体の区画を包含する第二の部分とを有する領域であり、その第一の部分の容積と第二の部分の容積との和は一定容積となり、前記領域は音響共振システムの一部分となり、前記システムは前記領域の第一の部分における測定ガスの異なる容積についての異なる共振周波数を有し、前記領域は、前記流体源からの流れを制御する第一の弁と、患者への流れを制御する第二の弁とにより、前記ラインの残りの部分における圧力の影響から分離可能である領域と、
    前記システムの共振周波数を検出する検出手段と、
    測定ガスの圧力を変化させる変化手段と、
    前記弁と検出手段と変化手段とを制御する制御器であり、二つの異なる圧力において測定された共振周波数に基づいて、圧力の変化に起因して第一の部分の容積が変化したか否かを決定し、第一の部分の容積が圧力の変化によって変化するならば、液体内の泡の存在を示す信号を発生する制御器とを備える装置。
15. 前記制御器が、決定された第一の部分の容積に変化がないならば、第二の弁に患者への流れを可能とさせる請求項14に記載の装置。
16. 液体内の泡の存在を示す前記信号に応答して、前記領域の第二の部分から前記流体源へ流体を除去する手段を更に含む請求項15に記載の装置。
17. 前記音響共振システムは、共振周波数に基づく前記領域の第一の部分の容積の決定へ泡の存在が相当な影響を与えないように調整されている請求項16に記載の装置。
18. 測定された共振周波数に基づいて、前記領域の第一の部分の容積を決定する手段を更に含む請求項17記載の装置。
19. 前記音響共振システムが、
    後方チャンバと、
    共振可能な質量を保持し、且つ前記後方チャンバを前記領域の第一の部分へ接続するポートとを含み、
    前記検出手段が、
    前記音響共振システムへ様々な周波数にて音響エネルギを導入するスピーカーと、
    前記スピーカーにより前記音響共振システムへ導入された音響エネルギに対する前記システムの応答を検出するマイクロフォンとを含み、このマイクロフォンは前記後方チャンバと連通し、
    前記スピーカーは前記後方チャンバの壁の一部分を形成する請求項18に記載の装置。
20. 前記検出手段が、
    サービスチャンバであり、前記スピーカーは、このサービスチャンバの壁の一部分を形成して前記後方チャンバから前記サービースチャンバを隔てるサービースチャンバと、
    前記サービスチャンバと連通するサービスマイクロフォンとを更に含む請求項19記載の装置。

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