JP4046770B2 - 体外循環血液処理の最中に再循環を測定する方法を実施に移すための装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、体外循環回路内の処理すべき血液が、半透膜によって血液チャンバと透析液チャンバとに仕切られたダイアライザの血液チャンバ内に導入される一方で、透析液回路内の透析液がダイアライザの透析液チャンバ内を通り抜けて行く体外循環血液処理を行っている最中に再循環を測定するための方法を実施に移すのに好適な装置に関する。
背景技術
血液透析、血液濾過又は血液透析濾過のような慢性期における血液浄化療法の際には、血液が体外血液循環回路に導かれる。血管系へのアクセスとしては、手術によって動静脈フィステルが作製されることが多い。インプラントを利用することも可能である。本特許明細書において以下に「フィステル」という表現を用いる場合には、患者の静脈と動脈との、あらゆる種類の接続と解釈すべきである。
フィステル内を流れている血液は、実際には血液透析療法を実施している間だけ利用される。血液透析を実施していない期間におけるフィステル内の血流量(QF1)は、機能性の左−右短絡に匹敵し、そのような左−右短絡においては、心臓の分時拍出量(HMV)の動脈血のうちの一部分が末梢において利用されることなく、静脈系及び心臓に直接導かれる。フィステル内を流れている血液は心臓及び肺を再循環する。心臓の分時拍出量のうちの、フィステル内を流れている血液部分は、心肺再循環として定義されている。心肺再循環(CPR)は、患者の循環器系負荷に対して全体的な影響を及ぼすばかりか、透析効率に対しても影響を及ぼす。体外血液循環回路から流出してくる透析済みの血液は、全身の循環系に入ることなく、大循環の静脈還流血に混入してしまうので、動脈血中に含まれている透析可能な成分は、系による影響を受けて、濃度が低下してしまう［D.Schneditz et al.:Cardiopulmonary recirculation during hemodialysis(血液透析の際の心肺再循環). Kidney Int. 42:1450-1456, 1992］。
フィステルの機能的能力にとって重要なのは、その灌流量である。フィステル内の血流量が臨界値を下回るようになると、フィステル血栓症のリスクが高くなり、ブラッドアクセスに支障を来すこともあり、これは透析療法における重大な合併症である［W. Bay et al.:Color Doppler flow predicts PTFE graft failure(ポリテトラフルオロエチレン人工血管移植失敗例におけるカラードップラー法による血流量測定), J. Am. Soc. Nephrol. 5:407(1994)］。血液透析を実施している最中に、フィステル内の血流量が不十分であったり、又は体外循環血流量(QB)より小さくなると、フィステル内において局所的な再循環が起こり、透析済み血液の一部分が静脈側回路からフィステル内に戻され、そして動脈側回路を経て再びダイアライザ内に導かれる。フィステル内における再循環は、透析効率を著しく低下させる［F. Gotch:"Models to predict recirculation and its effect on treatment time in single-needle dialysis(再循環予測モデルと単純穿刺透析時間に及ぼす再循環の影響)"第1回単純穿刺透析シンポジウム, 編集者:S. Rignoir, R. Vanholder, P. Invanovich, クレーブランド, ISAOプレス, 1984, 305ページ以下］。従って、ブラッドアクセスの特性を測定するということは、透析療法の品質確保のための重要な手段である。
再循環は臨床的に重要な意味を持つために、再循環を測定するための一連の方法が公知されている。これらすべての方法に共通しているのは、体外血液循環の静脈側回路において変化を生じた、血液の物理的又は化学的特性値を測定するということである。血液の物理的又は化学的特性値は、指示薬を用手的に注射して変化させたり、或いは透析液供給装置を介して間接的に変化させることができる。
EDTNA-ERCA Journal 19,6(1993)には、熱希釈法と名付けられている、再循環を測定するための方法が紹介されている。この方法においては、透析液回路内の温度を短時間だけ低下させると、そのような温度低下が体外血液循環の静脈側回路に伝えられて、フィステル内で再循環が行われている場合に限って、体外血液循環の動脈側回路において温度の急変が検知されるようになる。
Handbook of Physiology, The Cardiovascular System,第３巻, Peripheral Circulation and Organ Blood Flow,第１部, American Physiological Society, 1983に収載されているNiels A. Lassen, Ole Henriksen, Per Sejrsenの論文には、注射に対する体内循環の瞬時応答と、それに引き続く濃度測定が詳しく取り扱われており、信号のconvolution(たたみこみ)の問題がその主要部分を占めている。
熱希釈法と名付けられている方法を実施に移すための公知されている装置においては、体外血液循環の動脈側回路及び静脈側回路に、温度検知器がそれぞれ1個ずつ配置されている。静脈側回路に配置された温度検知器は、透析液回路内で生じさせた温度低下に起因する温度の急変を検知する。測定された温度の急変は、時間的な積分が行われ、引き続き、動脈側回路の温度検出器で記録された温度の推移との間で比較が行われる。これら両方の温度積分値の比の値が、フィステル内の再循環並びに心肺再循環に基づく、透析療法の全体的な効率低下の目安となる。
再循環を測定するための、公知されている装置は、実地において有用なことが実証されている。しかし、体外血液循環回路に温度検知器を配置しなければならないために血液処理装置の構造が比較的複雑になるという欠点並びにフィステル内を再循環する血液と体温とが絶えず相互に影響し合うという欠点が認められる。
本発明の課題は、体外循環血液処理を実施している最中に再循環を測定する方法を実施に移すための装置を提供することにある。
発明の開示
前記課題は、本明細書の特許請求の範囲の請求項１〜４に記載の装置を用いて実施することにより、効果的に解決される。
本発明に基づく方法の特別な長所は、測定値を測定するために、体外血液循環の動脈側回路及び静脈側回路に、いかなる測定検出器も配置する必要がないということである。どのセンサーを配置する位置も、ほかからの影響を受けにくい透析液回路側に限られており、公知されている血液処理装置の透析液回路側には何れにしても一般的に、そのような検出器がすでに取り付けられている。
本発明に基づく方法においては、透析液回路内の透析液の物理的又は化学的特性値をダイアライザ上流で変化させて、血液側における物理的又は化学的特性値に変化を生じさせる。また、これに代わる方法としては、ダイアライザの血液チャンバ内を流れる血液の流量又はダイアライザの透析液チャンバ内を流れる透析液の流量を一定時間だけ変化させることも可能である。例えば血流量を短時間だけ顕著に減少させると、その結果として、静脈側回路の血液濃度、すなわち血液出口濃度において、容易に測定されうる影響が現れてくるということが、in vitro試験によって明らかにされている。
フィステル内で再循環が行われている場合には、血液側の物理的又は化学的特性値に変化が現れてくるために、ダイアライザの透析液チャンバ下流の透析液の物理的又は化学的特性値にも変化が現れてくる。再循環を測定するためには、ダイアライザ下流の透析液回路内の物理的又は化学的特性値を測定して、そのような物理的又は化学的特性値の変化の経時的推移から再循環の測定を行う。
透析液回路内において強制的に生じさせた物理的又は化学的特性値の変化の経時推移が既知の場合には、再循環を測定するに当たっては、ダイアライザ下流の透析液回路内に測定装置を１個取り付けるだけで十分である。前記の条件が満たされない場合には、ダイアライザ上流並びに下流に１個ずつ、合計２個の測定装置を取り付けなければならない。
物理的又は化学的特性値としては、好ましくは透析液のイオン濃度、例えば透析液のナトリウム濃度を変化させて測定を行うが、このようなイオン濃度は導電度測定によって測定することが可能である。このようにイオン濃度を測定するということは、フィステル内を再循環している血液が、導電度という点で患者の身体と相互作用を現すことがないこと、及び公知されている透析装置には導電度を測定するための装置が一般的にすでに備わっていることを考え合わせれば有利である。また、物理的又は化学的特性値としては、例えば比重、温度又は屈折率を測定することも可能であり、身体の再循環枝内で受ける相互作用の大きさ又は時間が毛細血管系で受ける相互作用の大きさ又は時間とは異なっている特性値であって、ダイアライザを介して伝達されうる特性値であればその種類を問わない。
測定は次のようにして行うことができる。まず最初に、ダイアライザ内を流れている透析液に瞬間的な濃度塊を与えるか、或いは血流速度を短時間だけ著しく延長させる。体外血液循環の静脈側回路内を流れている血液が身体内に流入し始める一方で、透析液出口濃度、つまりダイアライザの透析液チャンバから流出してきた透析液濃度に１回目の変化が現れてくる。フィステル内での再循環時間の経過後には、血液の一部分が再びダイアライザに到達し、透析液出口濃度に対して測定及び評価の可能な変化を新たに生じさせる。この２回目の変化は前記の１回目の変化とは異なり、再循環の度合いによって左右され、再循環の度合いが強くなれば強くなるほど、２回目の変化もそれだけ強くなる。フィステル内を再循環した血液の濃度又は導電度は、患者の身体による影響を受けないので、変化することがない。血液の濃度又は導電度が変化するようになるのは、再循環することなく毛細血管系内を流れた血液部分だけである。
本発明に基づく装置においては、動静脈のブラッドアクセスを逆にして、フィステル内の再循環を強制的に生じさせることによっても、フィステル内流量を測定することができる。次に、本発明に基づく方法と、そのような方法を実施に移すための装置を、添付の図を参考にしながら説明する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に基づく、再循環を測定するための、透析装置との関連における装置の模式図であって、この模式図には体内循環も含まれている。
図２ａは、ダイアライザ上流の透析液入口濃度の経時的推移である。
図２ｂ、再循環が行われていない場合の、ダイアライザ下流の透析液出口濃度の経時的推移である。
図３は、再循環が行われている場合の透析液出口濃度の経時的推移であって、ダイアライザを通り抜けた濃度塊と応答濃度塊とが明らかに分離している。
図４は、濃度塊を与えている最中に再循環が行われてしまった場合の透析液出口濃度の経時的推移であって、ダイアライザを通り抜けた濃度塊に応答濃度塊が重層している。
発明を実施するための最良の形態
血液の再循環を測定するための、本発明に基づく装置は、透析装置の本体と分離して設置することができる。しかし、本発明に基づく装置のうちの二三の部分は、公知の透析装置ではすでに利用されていることから、本発明に基づく装置は透析装置の本体に組み込むこともできる。次に、本発明に基づく装置を、透析装置の主要部分並びに体内循環系を入れて説明する。
体内循環系は、右心室１、肺２、左心室３、並びに内臓、筋肉、皮膚などにおける身体の毛細血管系全体４を包括する。血管系にアクセスするために、動静脈フィステル５が作製される。
大まかにみて透析装置は、透析液回路６並びに体外血液循環回路７から構成され、これら二つの回路の間には、透析液チャンバ９並びに血液チャンバ１０を具備したダイアライザ８が配置してあって、透析液チャンバ９と血液チャンバ１０とは半透膜８ａによって相互に仕切られている。透析液チャンバ９は、ダイアライザ８の上流側で、透析液供給管１１によって透析液源１２と接続している。透析液供給管には、透析液入口濃度Cdiを測定するための、導電度センサー又は光学的センサーを備えた測定装置１３が挿入されている。ダイアライザ８の下流側の透析液チャンバにはもう１本の導管１４が接続していて、この導管は排液槽１６にまで続いており、その途中には透析液ポンプ１５が挿入されている。透析液回路内のダイアライザ８の下流には、透析液出口濃度Cdoを測定するための、導電度センサー又は光学的センサーを備えた測定装置１７が挿入されている。さらに、測定装置１３、１７で測定された測定値を、データライン１９、１９’を介して受信し、そして時間的な順序で測定値を保存する記憶装置１８も配置されている。記憶装置１８は、信号ライン２０を介して演算解析装置２１と接続している。本模式図の記号２２は、ダイアライザ８の上流に配置されている装置であって、この装置を利用して、ダイアライザに流入する透析液に対して濃度塊を与えることができる。
体外血液循環回路７は、フィステル５の動脈部分と接続している動脈側回路２３、ダイアライザ８の血液チャンバ１０、並びにフィステルの静脈部分と接続している静脈側回路２４を包括する。体外血液循環回路７の動脈側回路２３には血液ポンプ２５が配置してあって、この血液ポンプは制御ライン２６を介して制御装置２７と接続しており、この制御装置は血液ポンプ２５の血液輸送速度を変化させることができる。この制御装置はもう１本の制御ライン２６’を介して透析液ポンプ１５と接続しており、そして信号ライン２８を介して演算解析装置21と接続している。
次に、装置の機能と測定原理について詳しく説明する。
左心室１から駆出された血液のうちの大部分があらゆる器官に分布している毛細血管系に流入するが、そのごく一部分がフィステル５内に流入する。体外血液循環回路内の血流量が、フィステル内に流入又はフィステルから流出する血流量より小さい間は、フィステル内血液のうちの一部分が体外血液循環回路７内に流入し、残りの部分はフィステル内を通過していく。体外血液循環回路内の血流量が、フィステル内の血流量より大きくなると、体外血液循環回路内の血液が再循環するようになり、フィステルの静脈側接合部から動脈側接合部の方向に向けて血液が逆流するようになる。しかし最終的に、体外血液循環回路内の血液及びフィステル内を流れている血液及び毛細血管系に由来する血液がひとつにまとまって、還流血として再び心臓に戻される。
本発明に基づく方法は、透析液入口濃度Cdi、例えば透析液のナトリウム濃度を、濃度塊を作り出すための装置２２によって、ダイアライザ８の上流で短時間だけ変化させて、透析液入口濃度Cdi並びに透析液出口濃度Cdoを、ダイアライザ上流の測定装置１３並びにダイアライザ下流の測定装置１７で測定することを原理としている。これに代わる方法として、体外血液循環回路内に配置した血液ポンプ２５の血液輸送速度又は透析液ポンプ１５の透析液輸送速度を、制御装置２７によって短時間だけ低下させることも可能である。血流量または透析液流量を短時間だけ低下させた場合にも同様に、透析液出口濃度Cdoに変化が認められるようになる。透析液入口濃度Cdiの変化における経時的推移が既知の場合には、ダイアライザ８の上流の測定装置１３は欠落させることができる。しかし、与えられる濃度塊が厳密に定義することができないような場合には、測定装置１３が必要になってくる。
濃度塊を与える代わりに、透析液回路内のダイアライザ８の上流において温度を急変させることも可能である。そのような実施形態の場合には、透析液の物理的又は化学的特性値を変化させるための装置２２は加熱装置によって構成されると同時に、測定装置１３、１７は透析液の温度を測定するための温度センサーによって構成される。
図２ａに示すのは透析液入口濃度Cdiの変化における経時的推移であり、図２ｂに示すのは透析液出口濃度Cdoの変化における経時的推移であって、フィステル内において再循環が行われていない場合である。濃度塊は透析液の移動時間Ttot後には、ダイアライザ８の下流に配置されている測定装置１７の中を通過していく。
フィステル内において再循環が行われている場合には、図３及び図４で示すように、二つの場合が考えられる。
図３に示すのは、再循環に起因する応答濃度塊３０と、ダイアライザ８に流入する透析液の濃度変化に起因する、ダイアライザを通り抜けた濃度塊３１とが分離している場合である。このような場合には、応答濃度塊の面積Ｆ又は振幅Ａが再循環の尺度となる。そのような面積又は振幅が大きくなれば大きくなるほど、再循環もそれだけ大きくなる。
濃度塊をまだ与えている最中に短時間のうちに再循環が行われてしまったという場合には、ダイアライザ８の出口においては、図４で示すような曲線経過が測定される。ダイアライザを通り抜けた濃度塊３１’に応答濃度塊３０’が重層する。再循環の影響が現れ始める時点は、図４においてはTRで表されている。再循環を測定するための装置として利用されるところの、ある特定の形態(輸送速度、チューブ系、ダイアライザ等)に対する検定試験の際には、再循環時間TRがあらかじめ測定されて演算解析装置に入力される。ｔ＜TRの時間的範囲においては、まだ再循環による影響が現れていない(曲線。)。この範囲における関数Cdo(t)は、ダイアライザ入口の濃度塊（図２ａ）に対する、時間的に線型的不変性の反応に該当する。ｔ＝TRの時点に達すると、物理的又は化学的特性値に変化を生じてしまった血液が再びダイアライザに戻ってきて、ダイアライザ下流の透析液回路内における特性値に変化を与え、そのような変化は測定装置１７によって把握される。ｔ≧TRの時間的範囲においては、ダイアライザを通り抜けた濃度塊に、再循環に起因する応答濃度塊が重層するようになる(曲線「)。
再循環が現れていない場合の関数Cdo(t)は、曲線。並びに曲線」を包括する(図４)。再循環がゼロに等しい場合には、関数Cdo(t)は対称性の経過をたどる。従って、対称性を吟味することによって、再循環が行われているかどうかを確かめることができる。
再循環を測定するには、濃度塊（図２ａ）に対する、ダイアライザ８の下流における応答信号（図３または図４）を、測定装置17によって測定し、そして記憶装置１８に保存する。主にデジタル計算機によって構成されている演算解析装置２１においては、透析液出口濃度Cdo(t)を表している関数の経時的推移の解析が行われる。
演算解析装置21において行われる関数の解析に際しては、まず最初に図３又は図４に示す曲線経過が存在するかどうかについての確認が行われる。
図３に示すような曲線経過の存在が確認された場合には、保存されている関数の値から、応答濃度塊３０の面積Ｆ又は振幅Ａが算出される。演算解析装置２１にはコンパレータが組み込まれていて、面積又は振幅の測定値と、特定の再循環に特有な対照値との間で比較が行われる。前記の検定試験の際にあらかじめ測定された、これらの対照値は演算解析装置２１に入力されている。これらの対照値のうちのひとつと一致した場合には、該当する再循環が演算解析装置２１から出力される。
これに対して図４に示すような曲線経過の存在が確認された場合には、再循環に起因する応答濃度塊を直接測定することができない。このために、演算解析装置においては、まず最初に伝達関数又は衝撃応答、すなわち入力信号としてのディラック衝撃に対する系の反応の計算が行われる。たたみこみ積分式の解から信号伝達を求めることを回避するために、演算解析装置においては入力及び出力信号に対してラプラス変換が行われて、定法に従って、伝達が代数学的な積によって表される。その後に、時間的範囲へと逆変換が行われて、伝達関数から衝撃応答が算出される。
衝撃応答の算出後には、透析液入口において既知の濃度塊（図２ａ）を与えた後にたどるその経時的推移及び前記の衝撃応答から、再循環が行われていない場合の透析液出口濃度Cdoの経時的推移を表しているところの、図４に破線で描いた関数部分(曲線」)の計算が行われる。引き続き、測定及び保存されている関数(曲線「)から仮の関数(曲線」)を減じる引き算の件業が行われて、再循環に起因する応答濃度塊３０’が、演算解析装置21において算出される。このように、ダイアライザ内を通り抜けた濃度塊３１’に応答濃度塊３０’が重層しているケースは、応答濃度塊と、ダイアライザ内を通り抜けた濃度塊とが分離しているケースが原型になっていると考えることができる。応答濃度塊から再循環を求める作業は、図３について説明したと同様な方法で行われる。
もし透析液入口濃度Cdi(t)を一定として、その代わりにポンプの輸送量を変化させたという場合には、それに見合う方法で再循環を求めることができる。そのような場合には、ポンプの輸送量と時間との関係が入力関数とみなされる。

Claims (4)

1. 体外循環回路（7）内の処理すべき血液が、半透膜（8a）によって血液チャンバ（10）と透析液チャンバ（9）とに仕切られたダイアライザ（8）の血液チャンバ（10）内に導入され、透析液が透析液回路（11,14）内のダイアライザ（8）の透析液チャンバ（9）内を通り抜けるように、体外血液循環回路（7）には血液ポンプ（25）が、また透析液回路には透析液ポンプ（15）が挿入されている体外循環血液処理装置と接続している装置であって、
   血液側の物理的又は化学的特性値を変化へと導く、透析液の物理的又は化学的特性値を一定時間だけ変化させるための、透析液回路（11,14）内のダイアライザ（8）の上流に配置された装置（22）、あるいは血液ポンプ（25）の輸送率又は透析液ポンプ（15）の輸送率を一定時間だけ変化させるための装置（27）、
   血液側の物理的又は化学的特性値の変化に起因するダイアライザ下流の透析液の物理的又は化学的特性値の変化を測定するための透析液回路内のダイアライザ（8）の下流に配置された測定装置（17）、
   該測定装置（17）の測定値を保存するための記憶装置（18）、及び
   ダイアライザ（8）下流の透析液の物理的又は化学的特性値の変化の経時的推移から再循環を測定するための演算解析装置（21）を備えた上記装置。
2. 前記透析液回路内のダイアライザ（8）の上流の透析液の物理的又は化学的特性値の変化を測定するための測定装置（13）を備えていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
3. 前記ダイアライザ（8）の下流乃至上流の透析液の物理的又は化学的特性値を測定するための測定装置（17乃至13）が、物理的又は化学的特性値としての透析液のイオン濃度又は温度を測定するための装置であることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の装置。
4. 前記測定装置（17乃至13）が透析液のイオン濃度を測定するための導電度センサー又は光学的センサー、あるいは透析液の温度を測定するための温度センサーを具備していることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置。

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