JP4409575B2 - 体外血液処理装置における血流の障害を検出する装置 - Google Patents

Description

本発明は、体外血液処理装置による体外血液処理中に体外血液循環系における血流の障害を検出する装置に関する。

急性および慢性の腎不全の時に、排尿する必要がある物質を除去し、液体を除去するために、器具によって血液処理を行う様々な方法が適用されている。血液透析（ＨＤ）では、患者の血液が、半透膜によって２つの室に分けられた透析器の一方の室を通る体外血液循環系に導かれ、一方、他方の室には透析液が貫流させられる。透析器の膜を介して、対流によっても透析によっても物質交換が行われる。血液ろ過（ＨＦ）では、対流による物質交換だけが行われる。これら両方の方法を組み合わせたのが血液透析ろ過（ＨＤＦ）である。

公知の血液透析ろ過のための装置は、１つまたは複数の置換液ポンプを備えており、血液透析ろ過装置の透析器またはろ過器によって液体が除去されている間、置換液ポンプによって、生理的な液体が患者の血液に供給される。生理的な液体は透析器の上流または下流で、体外循環系の動脈路または静脈路に供給することができる。透析器またはろ過器に血液が入る前の液体の置換は前希釈と呼ばれ、透析器またはろ過器から血液が出た後の置換は後希釈と呼ばれている。

ＨＤＦ血液処理は、後希釈を行う場合、置換送出量が同じならば、前希釈を行う処理よりも効率が高いことが示されている。置換液を後希釈で添加すると、前希釈による置換よりも浄化能力が高くなるのは、後希釈では、完全に、浄化すべき血液からろ過液が得られるのに対して、前希釈では、置換液で希釈された血液が、患者の体内を流れる間に尿素性毒素を取り込むことができるようになる前に、透析器またはろ過器に流れるためである。

前希釈の欠点は、限外ろ過速度が高くなり、すなわち、透析器またはろ過器の膜を介した液体除去が多くなることによって、血液が濃縮され、透析器またはろ過器における流抵抗が高くなることである。

血液処理装置は、流抵抗が高くなると、浄化すべき血液を設定された送出速度で送出できる状態ではなくなり、そのために、血液処理の有効性が低下することが示されている。また、透析器またはろ過器におけるこのような流抵抗は、膜の完全な閉塞を結果として伴うこともある。そうなると、処理は中断され、場合によっては、血液管系統全体を取り替える必要がある。

透析器またはろ過器における血液側の流抵抗は、血液のヘマトクリット、透析器またはろ過器の膜の特性、および、血液ポンプと置換液ポンプの送出量の比率に左右される。流抵抗の上昇は、透析器またはろ過器の上流に配置された血液ポンプと透析器またはろ過器の間の圧力上昇につながる。血液のヘマトクリットも膜特性も処理中に変化するので、処理効率を高めるためには、諸条件に合った置換が求められる。

置換液送出の、既存の制御は、血液ポンプと置換液ポンプの送出液量の比率を一定にすることに基づいている。特許文献１から、２つの置換液ポンプの制御を、前希釈および／または後希釈による置換の際に、膜透過圧またはヘマトクリットの変化に基づいて行う血液透析装置が公知である。特許文献１では、膜透過圧を求めるために、体外血液循環系における圧力も透析液系統における圧力も測定することが提案されている。

特許文献２には、静圧だけでなく液体循環系内に生じる圧力変動も評価する、医療機器の液体循環系の圧力を監視する保護システムが開示されている。特許文献２では、液体循環系における流れの妨害を検出するために、圧力センサによって検知された圧力パルスの位相ずれを検出することが提案されている。

特許文献３から、体外血液処理中の管系統における狭窄を検出する方法が公知である。狭窄を検出するために、体外血液循環系内を伝播する振動圧力信号の周波数スペクトルが解析されている。振動圧力信号の、少なくとも１つの高調波の減衰が変化した時に狭窄が生じているのが推論されている。
欧州特許出願公開第１１７５９１７号明細書 独国特許出願公開第３８０６２４８号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１７４７２１号明細書

本発明の目的は、体外血液循環系における血流の障害を早期に検出可能にする、高い信頼性で機能する装置を提供することにある。この目的は、請求項１に記載の特徴によって達成される。

本発明の装置は、体外血液循環系内を伝播する振動圧力信号の解析に基づいている。この装置では、振動圧力信号の基本振動ではなく、この圧力信号の高調波成分の少なくとも１つが解析される。圧力信号の、少なくとも１つの高調波の位相角を解析することによって、血液濃縮が起こりつつあるのを検出することができ、それによって、早めに対策を開始することが可能になる。少なくとも１つの高調波の位相角が特徴的な変化をした時に、血流に障害が生じていることが推論される。基本的に、ただ１つの高調波の位相角の特徴的な変化が生じた時に、血流に障害が生じていることを推定することができる。しかし、信頼性を高めるために、複数の高調波の位相角を解析することもでき、この場合、公知の統計的手法によって評価を行うことができる。

本発明による装置の利点は、体外血液循環系の１箇所のみで振動圧力信号を測定すればよいということである。それによって、比較的簡素な装置構成が得られる。圧力は、血液処理ユニットの下流の、体外循環系の静脈路において、すなわち、血液から液体が除去された後で測定するのが好ましい。この測定は、公知の血液処理装置にもともと設けられている静脈圧力センサによって行うことができる。血液処理ユニット、例えば、ろ過器のキャップ、または透析器の中空繊維における圧力測定も原理的に可能であり、この場合、反射に基づいて、血液処理ユニットの上流側についても位相角の変化を原理的に検出可能である。

本発明の装置によれば、例えば膜透過圧またはヘマトクリットを計測するための他の測定セルが不要になる。例えばフィルタ係数を求めるための、追加のハードウェアやソフトウェアも不要である。さらに、血液処理装置の血液管系統を変更しないままにすることができる。

警報の基準としては、微分を考察する代わりに、位相の絶対値の、臨界的な絶対的変化または相対的変化を、閾値との比較によって評価することもできる。

振動圧力信号の、１つまたは複数の高調波を解析するには、少なくとも１つの高調波の位相角の、所定の時間単位での変化を所定の閾値と比較するのが好ましく、この場合、位相角の変化の値が所定の閾値よりも大きくなった時に障害が検出される。試験で、流抵抗の大幅な上昇が生じる前に、高調波の位相角が急激に比較的大きく減少することが示されている。位相角の特徴的な変化が、比較的高次の高調波の場合に明瞭に現れることが示されている。この際、特徴的な変化は、高調波の次数が大きいほど、いっそう明瞭になる。

血流の障害が起こった時に、対策を自動的に開始できるようにするために、体外血液処理装置の制御に介入が行われるのが好ましい。しかし、場合によって手動で対策を開始することができるように、血流の障害の検出だけを行うことも基本的に可能である。

本発明の装置によれば、血液透析および／または血液ろ過の場合に特に利点が得られる。血液透析装置および／または血液ろ過装置の制御への介入として、障害が生じた時に、一定量の置換液を、所定の時間の間、透析器の上流で血液に供給することができる。それによって、血液が濃縮しないようにすることができる。しかしあるいは、限外ろ過速度を所定の時間の間低下させることもできる。それによっても、血液が濃縮しないようにすることができる。しかし、置換液の送出速度を上昇させ、かつ限外ろ過速度を低下させることもできる。

少なくとも１つの高調波の位相角を求めるには、振動圧力信号のフーリエ解析を行うのが好ましい。これは、公知のアルゴリズムに基づいて動作する公知のフーリエ解析装置を用いて行うことができる。

フーリエ解析は、ソフトウェアに基づく数学的評価の形態で行わなくてもよい。フィルタリングすべき周波数はポンプ回転数によって既知なので、不連続な構造部材によって実現されるバンドパスフィルタやコムフィルタのようなハードウェアフィルタを用いることもできる。これは、特に、利用できる計算容量が限られており、ハードウェア部材を低コストで、かつ省スペースで利用できる場合に好ましい場合がある。

本発明の装置にとって、振動圧力信号がどのように発生するかは原理的に重要ではない。血液を動脈路に送出する血液ポンプ、特に、閉塞型血液ポンプ、例えばローラポンプの圧力パルスを測定するのが好ましい。

次に、角速度を計算する数学的手法について詳細に説明する。

測定量としては、静脈側で測定した、ωで振動する圧力ｐ_ven（ｔ）を用い、これをフーリエ解析、高速フーリエ解析（ＦＦＴ）、または他の適切なフィルタリング方法（例えばコムフィルタ、バンドパスフィルタなど）によって、ｎ次の、高次スペクトルの高調波に分解する。

例えば、ｆとｆ^*は、ｆの、次の形態に記述される複素共役関数とすることができる：

分解の実数係数Ａ_nおよびＢ_nが、次の形態で複素数Ｚ_nを形成する：

この際、Ｚ_nは複素数平面のベクトルを形成する。ベクトルの大きさ、および極座標におけるベクトルの角度φは以下のように求めることができる：

式[７]で求めた位相の時間変化を監視し、臨界角速度ω_critに対して次のように評価する：

評価結果Δ_nは、特に次数ｎが大きい場合、対流による物質移送（ＨＤＦ，ＨＦ）を用いた透析治療中に透析器を通る、血液側の流れの挙動の変化の指標となる。

次に、装置および方法について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、血液透析装置の主要な構成要素を示す簡素化した模式図である。この血液透析装置は、半透膜２によって血液室３と透析液室４に分けられた透析器１を有している。血液室の入口は、血液ポンプ６が接続された血液供給ライン５の端部と接続され、一方、血液室３の出口は、点滴室８に接続された血液排出ライン７の端部と接続されている。血液供給ライン５と血液排出ライン７は、透析器１の血液室３と共に、透析装置の体外血液循環系９を形成している。血液供給ライン５と血液排出ライン７は、透析装置に組み入れられた管セットの管によるラインである。

透析装置の透析液系１０は、透析液供給ライン１２の第１の区域を介して平衡装置３５の第１の平衡半室３５ａの入口と接続された、透析液を供給する装置１１を含んでいる。透析液供給ライン１２の第２の区域が、第１の平衡半室３５ａの出口を透析液室４の入口に接続している。透析液室４の出口は、透析液排出ライン１３の第１の区域を介して第２の平衡半室３５ｂの入口に接続されている。透析液排出ライン１３の、この第１の区域には、透析液ポンプ１４が接続されている。第２の平衡半室３５ｂの出口は、透析液排出ライン１３の第２の区域を介して流出部１５に接続されている。透析液ポンプ１４の上流では、同様に流出部１５に通じている限外ろ過ライン１６が透析液排出ライン１３から分岐している。限外ろ過ライン１６には限外ろ過ポンプ１７が接続されている。２つの平衡半室を有する平衡室を１つだけ備えるこの平衡装置は、説明のためにのみ用いている。１つの平衡室の代わりに、２つの平衡室を設けることもできる。容積式の平衡装置の代わりに、重量式の量り分け装置を設けることもできる。

透析治療中、血液室３には患者の血液が貫流し、透析器１の透析液室４には透析液が貫流する。平衡装置３５によって、透析液排出ライン１３を介して流れ出ることができる透析液と同じだけの透析液が透析液供給ライン１２を介して流入できるのが保障されている。限外ろ過ポンプ１７によって、患者から液体を除去することができる。このように、限外ろ過ポンプ１７は、限外ろ過装置１８として示された、血液から液体を除去する装置の一部である。

患者にもとどおりに液体を供給するために、透析装置は、体外血液循環系９の動脈路２０（前希釈）および／または静脈路２１（後希釈）を通って流れる血液に置換液（Substituat）を供給することができる置換装置１９を備えている。置換装置１９は置換液を供給する装置２０を有しており、そこから、第１の置換液ポンプ２２が接続された第１の置換液ライン３６が、血液供給ライン５の、血液ポンプ６と血液室３の間の区域に延びている。第２の置換液ポンプ２４が接続された第２の置換液ライン２３が、置換液を供給する装置３７から点滴室８に延びている。

さらに、透析装置は、制御回線２６−３０を介して血液ポンプ６、透析液ポンプ１４、限外ろ過ポンプ１７、および、第１および第２の置換液ポンプ２２，２４と接続された中央制御装置２５を有している。

血液処理装置は、必要なハードウェアを既に備えているので、血流の障害を検出する本発明の装置をこの血液処理装置の構成要素として説明する。しかし、本発明の装置は、原理的に、別個のユニットを構成することもできる。

障害を検出する装置は、体外血液循環系９の静脈路２１の、点滴室８の上流に配置された静脈圧力センサ３１と、この圧力センサの出力信号を、信号回線３３を介して受信する評価ユニット３２を有している。評価ユニット３２は、データ回線３４を介して、透析装置の中央制御ユニット２５と接続されている。評価ユニット３２と制御ユニット２５は、血液処理のために必要なデータを相互に交換し、その結果、制御ユニットは、評価ユニットが故障を検出した時に、機械制御に介入することができる。

次に、評価ユニット３２の機能について詳細に説明する。

評価ユニット３２は、静脈圧力センサ３１の、信号回線３３を介した出力信号を解析するフーリエ解析装置３２ａを備えている。ローラポンプである血液ポンプ６は、体外血液循環系９の動脈路２０と静脈路２１を介して伝播する振動圧力パルスを発生する。この振動圧力パルスが静脈圧力センサ３１によって測定され、評価ユニット３２のフーリエ解析装置３２ａによって解析される。

振動圧力信号は、定常成分（ω＝０）と高調波成分を有している。このローラポンプは２つのローラを備えるポンプなので、奇数高調波（１ω，３ω，５ω ．．．）は無視する。フーリエ解析装置３２ａは、振動圧力信号を定常成分と偶数高調波（２ω，４ω，６ω ．．．）に分解し、この際、高調波の位相角がそれぞれ求められる。

図２は、振動圧力信号の第２、第４、第６、および第８の高調波の位相角を、後希釈式の生体外ＨＤＦ治療での治療時間の関数として示している。血圧ポンプと透析器の間の血液管部分における圧力が不安定になるまで、置換液の供給速度を９０ｍｌ／ｍｉｎに漸次上昇させている。それと同時に、限外ろ過速度も同じだけ上昇させている。血液の濃縮が起ころうとしているのを、個々の高調波の位相角が急速かつ明瞭に減少することによって検出できることが示されている。後希釈でかつ限外ろ過速度を上昇させることは、透析器の中空繊維が詰まるという結果を伴う。それに対して、限外ろ過速度の上昇の結果としての置換速度の上昇は、直接的に影響を及ぼす量ではない。高調波の位相角はおよそ８−１０分の所で大幅に減少している。位相角は、高次の高調波の場合に、特に大きく減少している。置換速度をさらに上昇させると、１０−１３分の所で、透析器の膜に生じる詰まりのために位相角がほとんど無秩序に変動している。

評価ユニット３２は、個々の高調波の位相角の特徴的な変化を検出するために、フーリエ解析装置３２ａの他に、計算ユニット３２ｂを有している。以下においては、１つの高調波、すなわち第８高調波の解析についてのみ説明する。しかし、評価は、複数の高調波に基づいて行うこともできる。

計算ユニット３２ｂは、位相角信号を微分する微分器を有している。時間の関数としての位相信号の微分値は、位相角の減少の指標となる。計算ユニットは、位相角信号の微分値と所定の閾値を比較する。微分値が閾値を上回った時に、障害が生じたと見なす。それによって、音および／または光による警報を発することができる。透析器の膜が詰まる前に障害が検出されるので、対策を早めに開始することができる。

評価ユニット３２は、障害を検出した場合、データ回線３４を介して透析装置の中央制御ユニット２５へ、機械制御への介入を開始させるために信号を送る。中央制御ユニット２５は、第１の置換液ポンプ２２を、血液の濃縮に反対に作用するように制御する。そのため、置換液ポンプ２２の送出速度が、所定量の置換液を透析器１の血液室３の上流に供給するために、所定の時間の間、高められ、その結果、透析器に流れる血液が希釈される。しかし、制御ユニット２５は、限外ろ過速度を、所定の時間の間、低下させ、それによって、血液の濃縮に反対に作用するように限外ろ過装置１８を制御することもできる。しかし、これら両方の対策を同時に開始することもできる。

また、対策として、位相を目標値としての初期値に戻すように調整を行うこともできる。これは、特に、後希釈液を前希釈液として供給することによって実現することができる。例えば、最初に後希釈が行われている場合、位相角が変化した時に、後希釈用の第２の置換液ポンプ２３の送出速度を低下させ、または一定に保ちながら、前希釈用の第１の置換液ポンプ２２の送出速度を高めることができる。この際、偏差に応じて、例えばＰ、ＰＩ、またはＰＩＤ制御器によって公知の方法で対応制御を行うことができる。

図３は、後希釈で、置換速度と限外ろ過速度を漸次高めた際の、血液室３の上流の、血液ポンプ６と透析器１の血液室３の間の血液管部分の動脈圧力（プレフィルタ圧力）を、時間の関数として示している。同時に、振動圧力の高次の、第２、第４、第６、および第８高調波の位相が示されている。置換速度の各上昇後、プレフィルタ圧力が、安定している場合、短時間後に一定になるのが分かる。血液ポンプと置換液ポンプの送出速度が不都合な比率になることによって不安定になると、プレフィルタ圧力は、一定の値をとることなく時間と共に単調に上昇する。この上昇は位相角の劇的な増大と一致している。この際、圧力上昇は、透析膜の破裂につながることもある。

血液透析装置を血流の障害を検出する装置と共に示す、簡略化した模式図である。 置換液の送出速度を漸次上昇させた時の、振動圧力信号の高調波の、規格化された位相角の、処理時間に対する変化を示す図である。 置換液の送出速度を漸次上昇させた時の、体外血液循環系の動脈路における血圧を処理時間の関数として示す図である。

Claims (9)

1. 血液処理ユニット（１）に延びる動脈路（２０）と前記血液処理ユニットから延びる静脈路（２１）を備える体外血液循環系（９）を有する体外血液処理装置による体外血液処理中に、前記体外血液循環系における血流の障害を検出する装置であって、
   前記体外血液循環系内を伝播する振動圧力信号を発生する手段（６）と、
   前記振動圧力信号を測定する手段（３１）と、
   前記振動圧力信号を解析する手段（３２）と、
   を有する装置において、
   前記振動圧力信号を解析する手段（３２）は、前記振動圧力信号の、少なくとも１つの高調波の位相角を求める手段（３２ａ）と、当該位相角の変化を検出する手段（３２ｂ）と、を有し、
   前記振動圧力信号を解析する前記手段は、前記振動圧力信号の、少なくとも１つの高調波の前記位相角の変化に基づいて、体外の血流の障害を検出するようになっていることを特徴とする装置。
2. 前記位相角の変化を検出する手段（３２ｂ）は、少なくとも１つの高調波の位相角の、所定の時間の間の変化を求め、当該高調波の位相角の時間変化を所定の閾値と比較し、当該位相角の変化の値が前記所定の閾値よりも大きいときに障害を検出するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記血流の障害を検出する装置は、前記体外血液処理装置の制御に介入する手段（２５，３２）をさらに有していることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記体外血液処理装置は血液透析装置および／または血液ろ過装置であり、前記血液処理ユニット（１）は透析器またはろ過器であり、前記体外血液処理装置は、前記体外血液循環系を通って流れる血液から所定の限外ろ過速度で液体を除去する限外ろ過装置（１８）と、前記透析器（１）または前記ろ過器の上流および／または下流で前記体外血液循環系を通って流れる血液に置換液を供給する置換装置（１９）と、を有していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記血液透析装置および／または前記血液ろ過装置の制御に介入する前記手段（２５，３２）は、前記限外ろ過装置（１８）を、障害が検出された時に、限外ろ過速度を所定の時間の間低下させるように制御することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記血液透析装置および／または前記血液ろ過装置の制御に介入する前記手段（２５，３２）は、前記置換装置（１９）を、障害が検出された時に、前記透析器（１）または前記ろ過器の上流で一定量の置換液を所定の時間の間血液へ供給するように制御することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
7. 前記振動圧力信号の、少なくとも１つの高調波の位相角を求める手段は、位相角を求めるために前記振動圧力信号のフーリエ解析を行うフーリエ解析装置（３２ａ）を有していることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記振動圧力信号を発生する手段は、前記体外血液循環系（９）の前記動脈路（２０）に配置された血液ポンプ、特に、閉塞型ポンプを有していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記振動圧力信号を測定する手段は、前記体外血液循環系（９）の前記静脈路（２１）に配置された圧力センサ（３１）を有していることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。

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