JP4254918B2 - チューブ管路系中の狭窄を検知するための方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、（フレキシブル）チューブ管路系中（tubular line system）の狭窄を体外血液処理中に検知するための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
体外血液処理は今日、特に腎不全の処理に血液透析、血液濾過または血液透析濾過の形で利用される標準的方法である。体外血液処理のためには患者の血液循環路に対する十分に有益なアクセスが必要である。動脈と静脈との間の皮下にあるシャントが（患者の）血液をアクセスするために多年にわたって実績をあげた。体外血液処理中、患者の血液はチューブ管路系の動脈側分枝を介して血液処理ユニット、例えば血液透析器または血液濾過器に流入し、この血液処理ユニットから管路系の静脈側分枝を介して患者へと還流する。血液は、管路系の動脈側分枝中に配置される容積式血液ポンプ、特にローラポンプによって送られる。公知の保護システムは一般に管路系の動脈側分枝でも静脈側分枝でも血液の圧力を監視する。このために、血液ポンプの上流に動脈側圧力センサが設けられ、血液処理ユニットの下流に静脈側圧力センサが設けられている。
【０００３】
実務においては、時として、動脈側血液ポンプと透析器との間で血液チューブが捻転することがある。特別危険な部位は透析器入口の直前にある。捻転が体外循環路中に狭隘部位（狭窄）を生じ、そこに大きな圧力差が生じる。血液は高速で狭窄内を圧送される。極端に大きな速度勾配は赤血球がもはや耐えられない剪断力を生じることがある。溶血がその帰結である。このような捻転に比較的長時間気付かれないままであると、溶血は生命を脅かす健康障害をもたらすことがある。
【０００４】
血液チューブの完全閉塞は静脈側圧力センサによって検知されるのではあるが、しかし既存の保護システムは、なお部分的に通過可能な狭隘部位を限定的に検出できるにすぎない。血液処理ユニット前の狭窄は、血液ポンプの出口で圧を高めるのではあるが、しかし血液ポンプの吐出し量は広い範囲内でほぼ一定したままである。これにより、動脈側圧力センサでも静脈側圧力センサでも圧力値が顕著に変化することはない。圧力値は実質的に流量と患者アクセスもしくは還流路中の流体抵抗にのみ依存している。
【０００５】
管路系中の捻転部位を検知するための一層確実な方法は、動脈側血液ポンプの出口に付加的圧力センサを介装することであろう。しかし、この解決策はチューブ系の側でかなりの超過支出と結びついていよう。疎水性濾過器等を備えた付加的接続部材が必要であろう。
【０００６】
ＤＥ−Ａ−１９９ ０１ ０７８が体外血液処理時に狭窄を検知するための装置を述べており、この装置は動脈側圧力センサを使用している。この装置は、チューブ管路系を介して伝搬する振動圧力信号を血液ポンプが発生することに基づいている。血液ポンプと血液処理ユニットとの間の狭窄が十分に強いと、血液ポンプ後の圧力はポンプローラの閉塞度が部分的に解消されるほどに強く上昇する。その結果、ポンピング過程のとき時として血液ポンプ前で多少血液が管路系に還流し、そのことから動脈側圧力センサで測定される脈振幅が大きくなる。同時に、吐出し量が減少するので、一般に陰性の平均動脈圧力がゼロ（中立）線の方向に移動する。
【０００７】
しかし、実務において上記方法は、狭窄の始まりを検知するのに限定的にのみ役立つ。というのも、ポンプの閉塞度は約２バールの吐出し圧においてはじめて弱まるからである。それまでは、動脈側圧力センサで圧力信号の顕著な変化を観測することができない。それにもかかわらず、狭窄での高い圧力勾配は危険な溶血をすでにもたらすことがある。
【０００８】
ＷＯ９７／１００１３により患者アクセスで狭窄を検知するための方法が公知であり、そこではチューブ管路系を介して伝達される振動圧力信号が分析される。狭窄の検知に利用される患者の脈信号を検出できるようにするために、血液ポンプの回転に帰すことのできるポンプ信号が圧力信号から抽出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、動脈側および静脈側圧力信号の平均値および振幅の変化が検知可能となるよりも前に狭窄の検知がすでに可能である高い感度を特徴とする、公知の血液処理装置において簡単に実現することのできる狭窄検知方法を示すことである。さらに本発明の課題は、狭窄検知装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決は、本発明によれば請求項１もしくは７の特徴によって達成される。
【００１１】
本発明による方法と本発明による装置は、狭窄時のチューブ管路系の動特性の変化を利用する。動特性の変化の原因は、管路系のコンプライアンス、すなわち加圧下の弾性変形である。このコンプライアンスは、障害要因と見做されるのではなく、狭窄検出に適切に利用される。
【００１２】
動特性の変化に基づいて狭窄の始まりは、動脈側血液ポンプの閉塞度が解消されるよりも前にすでに確実に検知することができる。公知血液処理装置のチューブ管路系（使い捨て品）を使用することができ、付加的センサ等は必要でない。
【００１３】
本発明による方法は、振動圧力信号の周波数スペクトルの分析を提供する。狭窄が推定されるのは、周波数スペクトルが変化するときであり、この変化は、狭まることによるチューブ管路系の動特性の変化に帰すことができる。
【００１４】
振動圧力信号をチューブ管路系中にどのように生成するのかは、本発明による方法にとって些細なことである。好ましくは、動脈側分枝中で血液を送る容積式血液ポンプ、特にローラポンプの圧力パルスが振動信号として測定される。
【００１５】
チューブ管路系の動特性の変化は、振動圧力信号のさまざまな減衰を帰結する。狭窄は、特に周波数が高い場合に強い減衰をもたらす。
【００１６】
振動圧力信号の分析、好ましくはフーリエ変換が実施され、圧力信号の少なくとも１つの高調波の減衰が求められる。減衰の変化から次に狭窄が推定される。第１高調波の減衰のみが求められるとき、狭窄は確実に検知することができる。しかし、第１高調波よりも高次の単数または複数の高調波の減衰を求めることもできる。単に１つの高調波に関して減衰が存在しまたは複数の高調波の減衰が存在するとき、狭窄を推定することは基本的に可能である。評価のとき、感度または信頼性をさらに高めるために公知の統計的方法を利用することができる。
以下、図面を参考に実施例に基づいて本方法および本装置が詳しく説明される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、体外血液循環路を略図で示す。患者の血液は使い捨て品として構成されるチューブ管路系２の動脈側分枝１を通して血液処理ユニット４、例えば透析器、の入口３へと流れる。透析器４の出口５から血液は管路系２の静脈側分枝６を通して患者へと還流する。血液は、容積式血液ポンプ、特にローラポンプ７で送られ、このポンプは透析器４の上流で管路系２の動脈側分枝１に介装されている。管路系の静脈側分枝６にドリップチャンバー８が介装されている。血液ポンプ７上流の動脈側分枝１の血圧は、動脈側圧力センサ９で監視され、透析器下流の静脈側分枝６の圧力は、静脈側圧力センサ１０で監視される。透析器４、チューブ管路系２、血液ポンプ７、ドリップチャンバー８、圧力センサ９、１０は、公知の血液処理装置、例えば血液透析装置の構成要素である。
【００１８】
体外血液処理中、血液ポンプ７の圧力波は、振動圧力信号としてチューブ管路系２を介して伝搬する。図２は、管路系の流体力学的特性を説明することのできる電気的等価回路図を示す。
【００１９】
血液ポンプは、印加電流Ｉ_Pの電流源に相当し、静脈側圧力センサ１０で測定される圧力は、電圧Ｕ_Vに相当する。圧潰によって生じる狭隘部位は、抵抗Ｒ_Xで表され、実質的に静脈側針によって引き起こされる患者アクセスでの流出抵抗はＲ_Vで表される。Ｃ₁とＣ₂はコンプライアンス、すなわち狭隘部位の前もしくは後の血液系の弾性変形性である。Ｃ₁は、動脈側ポンプおよび図示しない動脈側ドリップチャンバーと狭隘部位との間のチューブ系によって決まり、この動脈側ドリップチャンバーはポンプ７と透析器との間に配置される。Ｃ₂は、狭隘部位後のチューブ系と透析器４と静脈側ドリップチャンバー８とによって決まる。上記回路の（周波数空間内での）複素伝達関数の分析は角周波数ωの正弦波入力信号Ｉ_Pについて次式をもたらす：
【数１】

【００２０】
Ｉ_Pは、２つの対称に配置されるローラを備えた血液ポンプロータの回転時間の半分にその周期が一致した周期信号である。それゆえに、次式を立てることができる：
【数２】

【００２１】
ここに、Ｉ_POはポンピング流の連続成分、ω_Pは血液ポンプの基本（第１高調波）周波数（回転周波数の２倍）である。Ｉ_P1，Ｉ_P2，Ｉ_P3，・・・は、基本波および高調波の（複素）振幅である。回路の直線性に基づき、この場合、出力信号に次式が成り立つ：
【数３】

【００２２】
振幅値には、次式が成り立つ：
【数４】

等。
【００２３】
すでに先に触れたように、静的成分Ｕ_V0は狭隘部位の抵抗Ｒ_Xに左右されない。比較的高い周波数に対しては、回路が２次低域通過フィルタとして働く。Ｒ_X＝０とＲ_V＜＜Ｒ_Xの２つの特殊事例のみが検討される。
【００２４】
Ｒ_X＝０の場合、すなわちチューブ系中に狭窄がない場合、式１から次式が帰結する：
【数５】

【００２５】
これは、遮断周波数ω_g＝１／（Ｒ_V（Ｃ₁＋Ｃ₂））の１次低域通過フィルタの伝達関数である。実験室実験で判明したように、チューブ系が狭窄を含んでいない限り、血液ポンプの高調波は例えば３次に至るまでこの低域通過フィルタによっては顕著には減衰されない。すなわち、低域通過フィルタの遮断周波数は３ω_Pよりかなり上でなければならない。したがって、次式が成り立つ：
【数６】

【００２６】
これは、一次近似において項ω_PＲ_VＣ₁とω_PＲ_VＣ₂を無視できることを意味する。従って、Ｒ_V＜＜Ｒ_Xの場合次式が得られる：
【数７】

【００２７】
それゆえに、捻転がますます強まると血液系は遮断周波数ω_g＝１／（Ｒ_XＣ₁）の低域通過フィルタとして挙動する。チューブが強く捻転されればされるほど遮断周波数は一層深く低下し、血液ポンプ基本周波数以下に低下することになる。血液ポンプの比較的高い高調波は、基本振動よりもなお一層強く減衰される。なお、基本振動のみが可視である。信号振幅の値を検討すると、式４から次式が帰結する：
【数８】

【００２８】
Ｒ_Vは、静的圧力信号から算定することができる（式２）。血液ポンプの周波数ωもしくはその高調波は、スペクトルから既知である。それゆえに、チューブの圧潰強さに直接に比例した値が存在するようにＲ_XＣ₁を算定することが可能である。Ｃ₁は血液ポンプと狭隘部位との間の血液系のコンプライアンスであり、狭隘部位の位置とチューブの幾何学および材料とに依存する。捻転が血液ポンプから遠く離れていればいるほどＣ₁は一層大きい。したがって、この方法は透析器近傍の捻転に特別敏感である。
【００２９】
狭窄検知方法が以下で説明される。チューブ管路系２の静脈側分枝６内の振動圧力信号は静脈側圧力センサ１０で測定される。次に振動圧力信号のフーリエ変換が実施される。図３は、管路系２の動脈側分枝１の圧潰前の基本振動ω_Pと高調波２ω_P，３ω_P，・・・とを有する静脈側圧力信号のフーリエ変換を示す。血液ポンプ７と透析器４との間の動脈側分枝１の圧潰後の圧力信号のフーリエ変換を図４が示す。狭窄は図１に矢印で示してある。はっきりと認めることができるように、特に高調波２ω_P，３ω_P，・・・の振幅が小さい。第１高調波２ω_Pと高次の全高調波はほとんど検知できない。従って、実験で判明したように、基本振動が減衰されるべきではない場合でも高調波の減衰から狭窄は確実に推定することができる。チューブの捻転は、例えば血液粘度の上昇によって発生しうるような患者アクセスの流体抵抗の高まりとは明確に区別することができる。狭窄の他に、透析器の塞栓も本方法で確実に検知することができる。その限りで、本方法は透析器の監視にも利用することができる。
【００３０】
図５は、公知血液処理装置の独立した組立体または構成要素とすることのできる狭窄検知装置の第１実施例を示す。
【００３１】
この装置は、血液処理装置体外血液循環路のチューブ管路系２の静脈側分枝６中で振動圧力信号を測定するための静脈側圧力センサ１０を有する。静脈側圧力センサ１０は、一般に公知血液処理装置の構成要素である（図１）。この装置はさらに、圧力センサ１０で測定された圧力信号を分析するための手段１１と、警報器１２とを有する。圧力信号を分析するための手段１１は、フーリエ変換ＦＦＴを実施するための手段１３と、圧力信号の周波数スペクトルを分析する中央処理装置ＣＰＵ１４とを含む。さらにメモリユニット１５が設けられている。
【００３２】
圧力信号のフーリエスペクトルから、静的成分（ω＝０）、血液ポンプ基本周波数（ω_P）および第１高調波（ω＝２ω_P）が抽出される。血液処理の開始時、第１高調波の振幅は基準値としてメモリユニット１５に記憶される。その際、狭窄は存在していないと前提される。しかし選択的に、比較実験で求めた基準値を第１高調波用に固定設定しておくこともできる。血液処理中、第１高調波はフーリエスペクトルから連続的に抽出される。ＣＰＵ１４は、基準値と抽出された振幅値との間の差を形成するための手段を有する。この差は設定された限界値と比較される。差が限界値よりも大きいとＣＰＵ １４は警報信号を警報器１２に送る。狭窄が存在するので警報器１２はいまや視覚警報および／または音響警報を発する。
【００３３】
信頼性と感度を高めるために、周波数スペクトルの分析はその他の高次高調波に基づいて行うこともできる。その場合、各高調波について基準値がメモリユニット１５に記憶されている。ＣＰＵ １４が各基準値と付属する高調波振幅との間に差を形成する。少なくとも１つの高調波について差が設定限界値よりも大きいときＣＰＵ１４は警報信号を発生する。
【００３４】
図６に示された狭窄検知装置の他の実施例は、フーリエ変換を実施するための手段によって図５の実施形態と相違している。相対応する部品には同じ符号が付けてある。
【００３５】
図６の実施形態は、静的成分、血液ポンプ基本周波数および第１高調波を抽出するために１つの低域通過フィルタ１６とそれぞれがロックイン増幅器を形成する２つの周波数可変帯域通過フィルタ１７、１８とを有する。低域通過フィルタ１６は、時間平均信号（ω＝０）をフィルタリングする。動脈側血液ポンプ信号ＢＰ_Aが第１帯域通過フィルタ１７用の周波数ベースとして使用される一方、係数２を掛けた血液ポンプ信号が第２帯域通過フィルタ１８用の周波数ベースとして使用される。動脈側血液ポンプ信号ＢＰ_Aは、血液ポンプの回転数に相関する信号である。例えば２つのローラを備えたローラポンプの場合、血液ポンプ信号はポンプロータの回転運動に比べて２倍の周波数を有する。この信号は、例えばポンプの制御装置または個別の回転速度計で取り出すことができる。
【００３６】
第１帯域通過フィルタ１７が血液ポンプ基本周波数を抽出し、第２帯域通過フィルタ１８が第１高調波を抽出する。その他の点で図５の装置と図６の装置は同一構造である。
【図面の簡単な説明】
【図１】体外血液循環路の略図である。
【図２】図１の体外血液循環路の電気的等価回路図である。
【図３】静脈側振動圧力信号のフーリエ変換であり、狭窄は存在していない。
【図４】振動圧力信号のフーリエ変換であり、狭窄が存在している。
【図５】狭窄検知装置の主要コンポーネントの略図である。
【図６】狭窄検知装置の他の実施形態を示す。
【符号の説明】
１ 動脈側分岐
２ チューブ管路系
４ 血圧処理ユニット
６ 静脈側分岐
７ ポンプ
９，１０ 圧力センサ

Claims (12)

1. 患者から分岐して血液処理ユニットへと通じた動脈側分枝と、前記血液処理ユニットから分岐して前記患者へと通じた静脈側分枝とを有するチューブ管路系中の狭窄を体外血液処理中に検知するための方法であって、前記チューブ管路系中に該チューブ管路系に沿って伝搬する振動圧力信号が生成され、この振動圧力信号が測定され分析されるものにおいて、
   前記振動圧力信号の周波数スペクトルが分析されて、前記振動圧力信号の少なくとも１つの高調波の減衰が求められるとともに、狭窄を推定する手段によって前記減衰の変化から前記狭窄が推定されることを特徴とする方法。
2. 前記第１高調波の減衰および／または前記第１高調波よりも高次の単数または複数の高調波の減衰が求められることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記振動圧力信号の高調波を求めるために、該振動圧力信号のフーリエ変換が実施されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記振動圧力信号の処理開始時に求められた高調波振幅と処理中に求められた高調波振幅との差が計算され、この差が所定の限界値よりも大きいとき狭窄が推定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記血液が前記動脈側分枝中に送られるように容積式血液ポンプが作動され、前記ポンプの圧力パルスが前記振動圧力信号として測定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記血液処理ユニットの下流で、前記チューブ管路系の前記静脈側分枝中に配置される圧力センサによって前記振動圧力信号が測定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 患者から分岐して血液処理ユニット（４）へと通じた動脈側分枝（２）と、該血液処理ユニットから分岐して前記患者へと通じた静脈側分枝（６）とを有するチューブ管路系（２）中の狭窄を体外血液処理中に検知するための装置であって、前記チューブ管路系中に該チューブ管路系に沿って伝搬する振動圧力信号を生成するための手段（７）と、この振動圧力信号を測定するための手段（１０）と、この振動圧力信号を分析するための手段（１１）とを有するものにおいて、
   前記振動圧力信号を分析するための手段が、前記振動圧力信号の周波数スペクトルを分析して、前記振動圧力信号の少なくとも１つの高調波の減衰を求めるとともに、その減衰の変化から前記狭窄を推定する手段（１３；１６、１７、１８；１４）を有することを特徴とする装置。
8. 前記振動圧力信号を分析するための手段（１３；１６、１７、１８；１４）が、第１高調波の減衰および／またはこの高調波よりも高次の単数または複数の高調波の減衰を求めるための手段を有することを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記振動圧力信号を分析するための手段（１３；１６、１７、１８；１４）が、フーリエ変換を実施するための手段（１３）を有することを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。
10. 前記振動圧力信号を分析するための手段（１３；１６、１７、１８；１４）が、前記振動圧力信号の処理開始時に求められた高調波振幅と処理中に求められた高調波振幅との差を形成するための手段を有し、この差が所定の限界値よりも大きいときこれらの差形成手段が狭窄を推定することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記振動圧力信号を生成するための手段が容積式血液ポンプ（７）であることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記振動圧力信号を測定するための手段が、前記血液処理ユニット（４）の下流に配置される静脈側圧力センサ（１０）を含むことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の装置。

Images