JP4658754B2 - レベルディテクター及び貯血槽 - Google Patents

Description

本発明は、貯血槽内に貯留された血液の液面レベルを検出するレベルディテクターに関するものである。

一般に、心臓の弁置換などの手術は、心臓を停止させた状態で行われている。このような手術の際には、心臓と肺によって行っていた血液の酸素化ができなくなるために、代替手段として血液を体外で循環させる人工肺用血液回路が使用されている。この人工肺用血液回路では、血液流路を形成するチューブが、患者の脱血口から順次、貯血槽、送血ポンプ、熱交換器内臓人工肺、動脈フィルタと接続され、最終的に患者への送血口に接続される。

脱血口から取り出された血液は、貯血槽で一時貯留された後に、送血ポンプにより人工肺に送液される。人工肺では、熱交換器によって血液の温度調整がなされ、血液の酸素化及び炭酸ガスの除去が行われる。
貯血槽には、胸腔内吸引血に混入する血栓などをろ過分離するためのフィルタが備えられている。

上記構成の人工肺用血液回路を使用した手術においては、貯血槽内に貯留されている血液の液面レベルは患者の血圧や末梢循環などに関係するため、精度良く監視する必要がある。特に、患者へ戻す血液の中に空気が混入した場合には、血管がこの空気によって閉塞してしまう可能性があるため、貯血槽内に確実に血液が貯留されていることが必要となる。したがって、貯血槽内に貯留された血液の液面レベルを精度良く検出することができるレベルディテクターが要求されている。

貯血槽内の液面レベルを検出するレベルディテクターとしては、静電容量式、磁気式、光学式、超音波式などの種々の方式のものが提供されている（特許文献１参照）。
これら従来のレベルディテクターは、貯血槽内に向けて信号を発信し、貯留槽内の空間を透過した信号、または、前記空間内を通過して貯血槽の側壁部内面で反射した信号を受信し、この信号を解析することにより血液の有無を判断して、貯血槽内に貯留された血液の液面レベルを確認するものである。
特開平０２−１６８１２２号公報

ところで、従来のレベルディテクターでは、発信した信号が貯血槽内空間を通過することになるため、貯血槽内の血液の状態によっては精度良く血液の液面レベルを測定できないことがあった。特に、血液は粘性が高いために側壁部内面に付着し易く、また、血漿タンパクを含むために泡が液面上に発生し易く、レベルディテクターによる液面の検出がしにくい場合があった。

例えば、従来の超音波式レベルディテクターでは、貯血槽の一方の側壁部外側から超音波を貯血槽内に向けて発信し、この超音波が貯血槽内空間を通過して他方の側壁部内面で反射された超音波を受信し、受信した超音波の強度及び波長によって血液の有無を判断する。この方式のレベルディテクターでは、液体である血液中を進行する際の超音波の減衰が大きく、反射された超音波が微弱となって十分に受信できなくなり、液面レベルを検出できないことがあった。また、血液中に気泡が生じた場合や脂肪などが混入した場合には、超音波が散乱してしまい、反射された超音波を受信できず、液面レベルを検出できないことがあった。

また、光学式レベルディテクターでは、貯血槽の一方の側壁部外側からレーザー光を貯血槽内に向けて発信し、このレーザー光が貯血槽内空間を通過して他方の側壁面で反射されたレーザー光を受信して、受信したレーザー光の強度及び波長によって血液の有無を判断する。この方式のレベルディテクターでは、粘性の大きな血液が側壁部内面に付着した場合や液面上に泡がある場合には、実際には貯血槽内に血液がないにもかかわらず、血液があると判断してしまうおそれがあった。また、血液中に気泡や脂肪などが存在する場合には、反射されたレーザー光が乱反射して受信できず、液面レベルを検出できないことがあった。

また、静電容量式レベルディテクターや磁気検出式レベルセンサでは、血液の有する誘電率と空気の有する誘電率の違いを利用して血液の有無を判断する。これらのレベルセンサは、構造が複雑であるため、レベルディテクター自体が大型化して取り扱いが困難になるといった問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、血液を貯留した貯血槽内の液面レベルを精度良く確実に検出することができるとともに、構造が簡単で取り扱いが容易なレベルディテクターを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載のレベルディテクターは、貯血槽内に貯留された血液の液面レベルを検出するレベルディテクターであって、肉厚が０．５ｍｍから４ｍｍの範囲内のポリカーボネイトで構成された側壁部を有する前記貯血槽の側壁部外面に設けられ、該側壁部外面から１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の周波数の超音波信号を貯血槽内空間に向けて発信するとともに、この信号を発信した前記側壁部と前記貯血槽内空間との境界において反射された反射信号を受信する超音波センサと、前記超音波センサから超音波信号を送信するための送信回路と、前記側壁部と前記貯血槽内空間との境界において反射された反射信号するための受信回路と、これら回路を制御する制御部と、受信信号を処理する信号処理部とを有し、前記側壁部と前記貯血槽内空間との境界において反射された反射信号を受信するための受信回路と、これら回路を制御する制御部と、受信信号を処理する信号処理部とを有し、前記側壁部と前記貯血槽内空間側の超音波の伝達速度の差によって生じる前記反射信号の強度が所定値を超えるかどうかによって、前記センサが配置された部分の前記貯血槽内空間に前記血液が存在するか否かを判断するように構成されていることを特徴とする。
また、請求項２に発明は、貯血槽であって、請求項１に記載のレベルディテクターを備えることを特徴とする

上記の構成のレベルディテクター、及び貯血槽では、信号が発信された側壁部と貯血槽内空間との境界面で反射された信号を受信して、側壁部と貯血槽内空間側の超音波の伝達速度の差によって生じる反射信号の強度が所定値を超えるかどうかによって血液の有無を判断するので、貯血槽内空間を通過した信号で判断することがなく貯血槽内の血液の状況に影響を受けることが少ない。

また、超音波を側壁部外側から発信して、この側壁部と貯血槽内空間との境界面において反射された超音波の強度を測定することにより血液の有無を判断する。ここで、超音波は、境界面での伝播速度の差が大きい場合に反射波が大きくなる性質を有している。よって、貯血槽の側壁部（固体）と血液（液体）との伝播速度の差に比べて、前記側壁部（固体）と空気（気体）との伝播速度の差が大きいため、反射波が大きい場合には血液が存在しないことになり、反射波が小さい場合には血液が存在することになる。

ここで、超音波はその周波数が低くなると分解能が低下してしまうので、発信する超音波の周波数を１ＭＨｚ以上とすることが好ましい。また、周波数が高くなると減衰しやすくなるので、発信する超音波の周波数を１０ＭＨｚ以下とすることが好ましい。このように超音波の周波数を設定することにより、超音波センサによる液面検出を確実に行うことができる。

請求項１に係る発明によれば、貯血槽内の血液の状況に影響を受けることが少なく、例えば、血液中に気泡や脂肪などが存在している場合でも、液面レベルを正確に検出することができる。したがって、貯血槽に貯留された血液の液面レベルを精度良く検出することができ、人工肺血液回路を用いた手術を安全に行うことができる。また、超音波の反射波の強度を測定し、反射波の強度が所定値を超えるかどうかにより、血液の有無を判断することができる。

このように本発明によれば、血液を貯留した貯血槽内の液面レベルを精度良く確実に検出することができるとともに、構造が簡単で取り扱いが容易なレベルディテクター及び貯血槽を提供することができる。

本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１、図２に本発明の第１の実施形態であるレベルディテクターを貯血槽に取り付けた様子を示す。

まず、本実施形態であるレベルディテクター１が取り付けられた貯血槽１０について説明する。貯血槽１０は、容器本体１１と蓋部１３とからなる容器１４を有する。容器本体１１は、ポリカーボネイトで構成された側壁部１２を有し、前方側（図１において左側）が下方へ突出した突出部１５が形成された箱型をなしている。この突出部１５の下部には、貯血槽内空間１６に連通する管状の血液流出部１７が形成されている。

この血液流出部１７には、血液流路形成用のチューブ（図示せず）が接続され、このチューブを介して血液流出口１７は人工肺の血液流入部（図示せず）に連通されている。そして、前記血液流路形成用のチューブには、送血ポンプが介装され、この送血ポンプによって貯血槽１０から人工肺へ血液Ｌが送られる構成とされている。
また、容器本体１１には、複数の胸腔内吸引血液入口２０が設けられており、該吸引血に混入した血栓や脂肪塊などを取り除くためのフィルタ１８と、前記吸引血中の気泡を排除するためのディフォーマ１９とが備えられている。

蓋部１３は、容器本体１１の上端に嵌合されている。蓋部１３には、複数の胸腔内吸引血液入口２０の他に、貯血槽内空間１６に連通する血液流入部が複数形成されている。複数設けられた血液流入部のうちのひとつは、患者からの静脈血入口２３として体外血液流路形成用の脱血ラインのチューブ（図示せず）が接続される。

蓋部１３の上部には、プライミング液を注入する際に使用されるプライミング液注入口２１が形成されている。
また、蓋部１３の上面には、ディフォーマ１９によって破泡された際に発生する空気を容器本体１１内から排出するための脱気口２２が形成されている。なお、貯血槽１０内での血液Ｌの増減に伴う貯血槽内空間１６内への空気Ｇの出入りも、この脱気口２２を介して行われる。

この貯血槽１０を構成する容器本体１１の側壁部１２に本実施形態であるレベルディテクター１が取り付けられている。
本実施形態であるレベルディテクター１は、超音波センサ３１Ａ、３１Ｂを２個備えた２チャンネル型とされており、図２に示すように、超音波センサ３１Ａ、３１Ｂが容器本体１１の側壁部外面１２Ａに当接されるように配置されている。なお、本実施形態では、この超音波センサ３１Ａ、３１Ｂから発信する超音波の周波数を１ＭＨｚから１０ＭＨｚの範囲内に設定している。

次に、レベルディテクター１の回路構成を説明する（図３参照）。レベルディテクター１は、上述のように２つの超音波センサ３１Ａ、３１Ｂを備え、この超音波センサ３１Ａ、３１Ｂから超音波信号５１を送信するための送信回路３２と、容器本体１１の側壁部内面１２Ｂから反射した超音波信号５２を受信するための受信回路３３と、これら回路を制御する制御部３４と、受信信号５３を処理する信号処理部３５とを有する。
ここで、側壁部外面１２Ａと側壁部内面１２Ｂとの距離、つまり側壁部１２の肉厚は０．５ｍｍから４ｍｍの範囲内に設定し、本実施形態では２ｍｍとした。

受信回路３３は、それぞれの超音波センサ３１Ａ、３１Ｂに接続されて受信した超音波信号５２を増幅するプレアンプ３６Ａ、３６Ｂと、２つのプレアンプ３６Ａ、３６Ｂからの超音波信号５２を選択するセレクター３７と、選択された超音波信号５２をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３８と、プレアンプ３６Ａ、３６Ｂの増幅量調整を行うゲインコントローラ３９Ａ、３９Ｂとから構成されている。

また、制御部３４には、デジタル信号化された受信信号５３を記憶するメモリ４０と、送信する超音波信号５１及び受信した超音波信号５２を制御する信号制御部４１と、ＣＰＵ部４２とを有する。
さらに、信号制御部４１には、ディバイダ４３及びマイクロカーネル４４が接続されている。

次に、超音波センサ３１による貯血槽内空間１６内に貯留された血液Ｌの液面レベルの検出方法について説明する。超音波センサ３１Ａ、３１Ｂから送信された超音波信号５１は、図２に示すように、側壁部１２と貯血槽内空間１６との境界面で反射される。本実施形態では、この境界面で反射された超音波信号５２を受信して、この受信した超音波信号５２をデジタル信号化した受信信号５３の強度により血液Ｌの有無を確認する。

超音波は、境界面での伝達速度の差が大きい場合に、強く反射する性質を有する。ここで、側壁部１２をなすポリカーボネイト内での超音波の伝達速度は約２２５０ｍ／ｓである。血液Ｌ中の伝達速度は約１５７０ｍ／ｓであり、その速度比は約１．４３となる。一方、空気Ｇ中の伝達速度は約３４３ｍ／ｓであり、その速度比は約６．５６となる。

したがって、貯血槽内空間１６内に血液Ｌがある場合には、反射する超音波信号５２の強度は小さくなり、図４に示すように受信信号５３が小さくなる。一方、貯血槽内空間１６内に血液Ｌがなく空気Ｇが存在する場合には、反射する超音波信号５２の強度は大きくなり、図５に示すように受信信号５３が大きくなる。また、血液Ｌが側壁部内面１２Ｂに付着した場合や、液面上に泡が発生していた場合であっても、同様に受信信号５３は大きくなる。
このように、受信信号５３がある一定の値を超えた場合に、超音波センサ３１Ａ、３１Ｂが取り付けられた部分には、血液Ｌが存在しないと判断することができるのである。

このように、本実施形態であるレベルディテクター１によれば、側壁部１２と貯血槽内空間１６との境界面で反射された超音波信号５２を受信することで血液Ｌの液面レベルを検出することができる。よって、貯血槽内空間１６内の状況に影響を受けることが少なく、例えば、血液Ｌ中に気泡や脂肪などが存在している場合でも、血液Ｌの液面レベルを正確に検出することができる。また、血液Ｌ内を通過していない超音波信号５２を受信するので、超音波信号５２の減衰が少なく、反射された超音波信号５２を確実に検出することができ、血液Ｌの液面レベルの検出を確実に行うことができる。

また、本実施形態では、２つの超音波センサ３１Ａ、３１Ｂを備えた２チャンネル型とされているので、この超音波センサ３１Ａ、３１Ｂを液面レベルの上限及び下限に設置することにより、血液Ｌの液面レベルがこの範囲内となるように監視することができる。
したがって、貯血槽１０などに貯留された血液Ｌの液面レベルを精度良く確実に監視することができ、患者の血圧や末梢循環を安定させて人工肺血液回路を用いた手術を安全に行うことができる。
また、センサなどが故障、断線した場合や、センサの取付不良及びセンサが外れてしまうなどのトラブルが発生した場合には、受信信号５３を検出することができなくなるため、これらのトラブルを早期に発見することができる。

次に、本発明の参考例であるレベルディテクター６０について説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成のものには同じ符号を付して説明を省略する。
このレベルディテクター６０では、貯血槽内空間１６内に向けて発信する信号として赤外線を使用している。赤外線の発信部と反射された赤外線を受信する受信部とを備えた赤外線センサ６１Ａ、６１Ｂが、図６に示すように、貯血槽１０を構成する容器本体１１の側壁部外面１２Ａに取り付けられている。

本参考例では、発信される赤外線の波長を０．９〜１．５μｍとしている。この波長は、水分子の赤外線吸収の大きな波長域であるため、血液中の水によって吸収されやすいものである。
この波長の赤外線を容器本体１１の側壁部外面１２Ａから発信する。すると、赤外線６２は側壁部１２と貯血槽内空間１６との境界面（側壁部内面１２Ｂ）で反射し、この反射した赤外線６３を受信して、反射した赤外線６３の強度を確認することで貯血槽内空間１６内に血液Ｌがあるか否かを判断する。

貯血槽内空間１６に血液Ｌが存在する場合には、発信された赤外線６２が水分子によって吸収されるため、側壁部１２と貯血槽内空間１６との境界面で反射される赤外線６３が少なくなり、図７に示すように、受信信号６４が小さくなる。
一方、貯血槽内空間１６に血液Ｌが存在せず空気Ｇが存在する場合には、発信された赤外線６２は吸収されずに反射される赤外線６３が多くなるため、図８に示すように、受信信号６４が大きくなる。

このようにして、受信信号６４がある一定の値よりも大きくなった場合に、赤外線センサ６１Ａ、６１Ｂが取り付けられた部分から血液Ｌが無くなったと判断することができる。
また、センサなどが故障、断線した場合や、センサの取付不良及びセンサが外れてしまうなどのトラブルが発生した場合には、受信信号６４を検出することができなくなるため、これらのトラブルを早期に発見することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
発信する超音波の周波数や参考例に係る赤外線の波長は、本実施形態で示した数値以外でも良いが、本実施形態の数値範囲では、精度良く液面を検出することができるので好ましい。

また、超音波センサや赤外線センサを２つ備えたレベルディテクターで説明したが、これに限定されることはなく、超音波センサや赤外線センサなどはひとつであってもよいし、３つ以上備えていてもよい。
また、回路構成についても、本実施形態に限定されることはなく、他の回路構成であってもよい。

本発明の第１の実施形態であるレベルディテクターを貯血槽の側壁面に取り付けた部分の拡大図である。 図１のレベルディテクターが取り付けられた貯血槽の側面図である。 図１のレベルディテクターの回路構成図である。 図１のレベルディテクターにおいて、貯血槽内に血液が存在する場合の反射波の波形である。 図１のレベルディテクターにおいて、貯血槽内に血液が存在しない場合における反射波の波形である。 本発明の参考例であるレベルディテクターが取り付けられた貯血槽の側面図である。 図６のレベルディテクターにおいて、貯血槽内に血液が存在する場合の反射信号の波形である。 図６のレベルディテクターにおいて、貯血槽内に血液が存在しない場合の反射信号の波形である。

符号の説明

１ レベルディテクター
１１ 容器本体
１２ 側壁部
１６ 貯血槽内空間
３１Ａ、３１Ｂ 超音波センサ
５１ 超音波信号（送信）
５２ 超音波信号（受信）
６１Ａ、６１Ｂ 赤外線センサ
６２ 赤外線信号（送信）
６３ 赤外線信号（受信）
Ｌ 血液

Claims (2)

1. 貯血槽内に貯留された血液の液面レベルを検出するレベルディテクターであって、
   肉厚が０．５ｍｍから４ｍｍの範囲内のポリカーボネイトで構成された側壁部を有する前記貯血槽の側壁部外面に設けられ、該側壁部外面から１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の周波数の超音波信号を貯血槽内空間に向けて発信するとともに、この信号を発信した前記側壁部と前記貯血槽内空間との境界において反射された反射信号を受信する超音波センサと、
   前記超音波センサから超音波信号を送信するための送信回路と、
   前記側壁部と前記貯血槽内空間との境界において反射された反射信号を受信するための受信回路と、
   これら回路を制御する制御部と、
   受信信号を処理する信号処理部とを有し、
   前記側壁部と前記貯血槽内空間側の超音波の伝達速度の差によって生じる前記反射信号の強度が所定値を超えるかどうかによって、前記センサが配置された部分の前記貯血槽内空間に前記血液が存在するか否かを判断するように構成されていることを特徴とするレベルディテクター。
2. 請求項１に記載のレベルディテクターを備えることを特徴とする貯血槽。

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