JP4991963B1

JP4991963B1 - 超音波式流量測定装置及びその使用方法

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Publication number: JP4991963B1
Application number: JP2011250569A
Authority: JP
Inventors: 英一村上
Original assignee: Atsuden Co Ltd
Current assignee: Atsuden Co Ltd
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2031-11-16
Also published as: US9588934B2; EP2594910A3; CN103115648A; EP2594910A2; US20130124131A1; CN103115648B; JP2013104838A

Abstract

【課題】超音波送受信器を固定した管路部の使い捨てを可能とし、記憶媒体に記憶した補正データにより測定精度を保証する。
【解決手段】圧電素子２ａ、２ｂを固定した管路部１を使い捨てを可能とし、流量測定時に非使い捨て部分の測定回路部において、使い捨て部分の記憶メモリチップ１０に記憶した管路部１に対する校正により得られた補正データを用いて、圧電素子２ａ、２ｂにより超音波ビームの交互の送受信を行い、測定回路部で得られた流量値を補正することにより測定精度が保証される。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば心臓手術時に用いる人工心臓ポンプを流れる血流量測定に使用し、一部を使い捨てとした超音波式流量測定装置及びその使用方法に関するものである。

超音波式流量計の例えばクランク型の管路部は、直管部の両側に超音波送受信器の２個所の取付部、流体の入口管路、出口管路を必要とし、合成樹脂製であっても多くは１回の射出成型によっては成型不可能なので、幾つかの部品に分けて成型し、これらを接合することにより製造していることが多い。

この接合手段によると、超音波ビームを伝播させる直管部内に溶接ビードや溶接屑が生じたり、管体の中心線同士がずれたりして、流体が直管部内を滑らかに流れずに乱れることがあり、更には直管部の長さ誤差、内径誤差、超音波送受信器の取付精度によって、流量特性は管路部ごとに異なるのが一般的である。従って、超音波送受信器を取り付けたこのようなクランク型の管路部或いは内部反射型の管路部においても、対応する測定回路部と対にして実流量を流して校正を行い、測定回路部のメモリに校正による補正データを記憶させ、測定回路部と共に出荷している。

特許文献１に記載のように、手術等において補助人工心臓を使用する際に、血流量を計測してモニタすることがある。この心臓手術の場合には感染症の問題から、近年では血液を流す管路部の使用は１回だけとなり、手術後に人工心臓ポンプと共に廃棄することになる。しかし、測定回路部は管路部に比較して高価となるので、測定回路部は非使い捨てとし、繰り返して使用している。

特許文献２、３には、このような場合の血流量を測定するに際して、超音波式流量計用の使い捨て型の管路部が開示されている。

特開２００５−１９２６８７号公報米国特許公報第５４６３９０６号公報特表２０１０−５１９５０６号公報

使い捨て型の管路部を使用した超音波式流量計においても、使用前に実流量を管路部に流して校正をすることが望ましいが、繰り返して使用する１個の測定回路部に対し、複数個の管路部を対応させることはなかなか困難である。

この点について、特許文献３には管路部の直管部の内径は１％を超えて変化することはないので、使用前の校正は必要としないと記載されている。しかし実際には、前述の背景技術で説明したように、管路部の加工等による個々の管路部の流量特性の相異は無視できない。

また、特許文献２、３においては、超音波ビームを送発信する超音波送受信器である圧電素子は繰り返して使用し、測定の都度、使い捨ての管路部に取り付けて使用している。しかし、この圧電素子の取付状態についても測定精度に大きな影響を与えることになるが、圧電素子を繰り返して使用する場合に、どの程度、測定精度に影響を与えているかが不明な状態で測定を実行することになる。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、使い捨ての管路部には予め超音波送受信器を固定しておき、実流量による校正によって補正データを求め、測定時に非使い捨て部である回路測定部において、管路部に付設した補正データを用いることにより、得られる流量値の測定精度を保証できる超音波式流量測定装置及びその使用方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波式流量測定装置は、使い捨て部分と繰り返して使用する非使い捨て部分とから成る超音波式流量測定装置において、前記使い捨て部分では、被測定流体を流す直管部の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を固定し、前記直管部に対し前記流体の流入を行う入口管路と前記流体の排出を行う出口管路とを設け、複数の部材を接合して形成した管路部を有すると共に、外部の回路と通信可能な記憶媒体を備え、前記非使い捨て部分である測定回路部に対し、前記管路部ごとに予め実流量を流す校正作業により求めた前記管路部の補正データを前記記憶媒体に記憶しておき、測定時に前記測定回路部は前記記憶媒体の前記補正データを読み込み、前記一対の超音波送受信器から交互に前記直管部内に送受信した超音波ビームによる信号を基に、得られた流量値を前記補正データを用いて補正することを特徴とする。

また、本発明に係る超音波式流量測定装置の使用方法は、使い捨て部分と繰り返して使用する非使い捨て部分とから成る超音波式流量測定装置において、前記使い捨て部分では、被測定流体を流す直管部の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を固定し、前記直管部に対し前記流体の流入を行う入口管路と前記流体の排出を行う出口管路とを設け、複数の部材を接合して形成した管路部を有すると共に、外部の回路と通信可能な記憶媒体を備え、前記管路部ごとに予め実流量を流す校正作業により前記非使い捨て部分である測定回路部に対し求めた前記管路部の補正データを前記記憶媒体に記憶する工程と、測定時に前記測定回路部は前記記憶媒体の前記補正データを読み込む工程と、測定時に前記一対の超音波送受信器から交互に前記直管部内に送受信した超音波ビームによる信号を基に流量値を演算し、得られた流量値を前記補正データにより補正し補正した流量値を算出する工程とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る超音波式流量測定装置及びその使用方法によれば、超音波送受信器を固定した管路部を使い捨てとし、非使い捨て部分の測定回路部において、使い捨て部分の補正データを用いることにより測定精度が保証される。

実施例の管路部の斜視図である。管路部の分解斜視図である。管路部の断面図である。校正により管路部の補正データを得る場合の説明図である。ホルダの斜視図である。血流量測定時の構成図である。ホルダを壁掛用として使用する場合の説明図である。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例の使い捨て部分である管路部の斜視図、図２は分解斜視図、図３は断面図である。なお、図２の分解斜視図は左右両側の対称部分の左側の下流部分の図示は省略している。

例えばポリプロピレン、テフロン（登録商標）等の合成樹脂から成る管路部１は、直管路１ａの両端近傍において、それぞれ直管路１ａの軸方向に対し、直角方向に向けて流体の流入を行う入口管路１ｂと流体の排出を行う出口管路１ｃとが、所謂クランク型に配置されている。

各管路１ａ、１ｂ、１ｃは例えば内径４ｍｍとされ、入口管路１ｂ、出口管路１ｃの各端部には、例えば人工心臓ポンプに接続した合成樹脂材から成る可撓管が接続し易く、かつ抜け難くなるように複数の段部を設けた接続口１ｄが形成されている。なお、管路部１を透明体とすれば、流体の流れを確認することができる。

この管路部１は主として３個の部材、つまり直管路１ａを主体とする直管部材１ａ’、入口管路１ｂを主体とする入口部材１ｂ’、出口管路１ｃを主体とする出口部材１ｃ’から成り、入口部材１ｂ’と出口部材１ｃ’は同形とされている。

これらの部材１ａ’〜１ｃ’は射出成型により製作され、直管部材１ａ’の両端は、入口部材１ｂ’、出口部材１ｃ’の端部内に挿入され、それぞれに設けられたフランジ同士を突き合わせることにより位置決めされている。直管部材１ａ’の先端の内径は、入口部材１ｂ’、出口管路１ｃの内部に向うにつれテーパ状に拡径され、流路の抵抗が生じないようにされている。この接合部上を覆うように二色成型法により、連結部１ｅを成型することによって部材１ａ’、１ｂ’、１ｃ’同士は連結されている。

入口部材１ｂ’、出口部材１ｃ’には、直管路１ａを隔てて対向する部位の壁面１ｆを囲むように、超音波送受信器である圧電素子を取り付けるための筒状の素子取付部１ｇがそれぞれ形成されている。素子取付部１ｇ内には、先端の環状溝３ａ内に圧電素子２ａ、２ｂをそれぞれ嵌め込んで固定した円筒状の素子保持部材３が挿入され、素子保持部材３の後部に押込部材４が当接されている。素子保持部材３、押込部材４はゴム製又は軟質合成樹脂製のＯリング５を介してロック部材６により素子取付部１ｇに押し込まれている。また、押込部材４の後部にはキャップ７が嵌合されている。

また、圧電素子２ａ、２ｂからのそれぞれ２本のリード線８ａ、８ｂが、素子保持部材３内において信号電線９ａ、９ｂに半田等により接続され、信号電線９ａ、９ｂは押込部材４、キャップ７の中央に設けられた孔部から外方に引き出されている。また、出口部材１ｃ’側の素子保持部材３内には、記憶媒体として半導体記憶素子から成る記憶メモリチップ１０が内蔵され、そのリード線８ｃは素子保持部材３内で信号電線９ｃに接続され、この信号電線９ｃは圧電素子２ｂの信号電線９ｂと共に外部に引き出され、外部回路と通信可能とされている。信号電線９ａ、９ｂと９ｃの先端には挿込プラグ１１ａ、１１ｂが接続されている。

部材１ａ’、１ｂ’、１ｃ’を二色成型法で接合した管路部１に、圧電素子２ａ、２ｂを取り付けるには、素子保持部材３の先端の環状溝３ａにそれぞれ圧電素子２ａ、２ｂを固定し、素子保持部材３内においてリード線８ａ、８ｂ、８ｃを信号電線９ａ、９ｂ、９ｃと接続した状態で、素子保持部材３を素子取付部１ｇ内に挿入する。次いで、押込部材４をロック部材６により押し込み、ロック部材６を素子取付部１ｇの外側で回動して素子取付部１ｇに対してロックを行い固定する。これにより、圧電素子２ａ、２ｂが素子取付部１ｇの奥部、つまり直管路１ａの両端の壁面１ｆに、相互に対向して位置決めされることになる。

また、ロック部材６と押込部材４の間に介在されたＯリング５の弾性力により、圧電素子２ａ、２ｂの直管路１ａの壁面１ｆへの押圧力は適度の大きさとされている。圧電素子２ａ、２ｂの先端面には、グリスが塗布され或いはシリコンジェルシートが接着されており、圧電素子２ａ、２ｂを壁面１ｆに押し付けることにより、圧電素子２ａ、２ｂは壁面１ｆに超音波ビームの伝達が良好になされるように密着される。圧電素子２ａ、２ｂ同士の位置関係は、圧電素子２ａ、２ｂから発した超音波ビームＢが直管路１ａの流体中を直進して、それぞれ相手側の圧電素子２ｂ、２ａに達するようにされている。

一般に、超音波式流量計の管路部の流量特性は管路部ごとに異なり、本実施例の個々の管路部１においても、背景技術で説明したように、管路１ａ、１ｂ、１ｃ同士の接合時の軸線の不一致や、圧電素子２ａ、２ｂの取付精度等の影響が大きい。

このため、本実施例においては、予め規準の測定回路部と組み合わせて、圧電素子２ａ、２ｂを固定した管路部１ごとに、実流量を流して実測流量に対する出力の校正を行い、信号電線９ｃを用いてその補正データを記憶メモリチップ１０に記憶させている。

実施例においては、１個の測定回路部に対し、複数個の管路部１を順次に組み合わせて使用するために、非使い捨て部分であるどの測定回路部に対しても管路部１は共通に補正データが使用できるように、測定回路部は校正に使用した基準の測定回路部と同じ特性とされている。従って、校正による補正データを備えた管路部１は、同じ型番の測定回路部であればどの測定回路部と組み合わせても、正しく補正された測定値が得られるようになっている。

この補正データを得るには、図４に示すように校正すべき管路部１に基準用流量計２１を取り付けた管路２２、２３を接続する。管路２２に血液の代りに水を用いてポンプ２４からの流量を段階的に変えて流し、基準用流量計２１による基準流量に対し管路部１に用いる規準の測定回路部２５から出力を求める。例えば、１６点の複数点の基準流量値に対する管路部１に関する出力値を求め、補正データとして記憶メモリチップ１０に記憶しておけばよい。なお、基準用流量計２１は超音波式流量計とは限らず、他の方式の流量計でも支障はない。

実際の血流の測定に際しては、流量の校正が終了している滅菌状態の管路部１を、図５に示す合成樹脂製のホルダ３１に保持する。ホルダ３１は基板３１ａ上に保持台３１ｂが設けられている。なお、基板３１ａは血液中に混在した気泡が管路部１内に滞留しないように、下流側が例えば角度１５度上方を向くように、長さが２種類の４本の取り外し自在の脚部３１ｃにより支持されている。保持台３１ｂは上方から見て一対の略Ｌ字状の壁部３１ｄが設けられ、壁部３１ｄ同士を結ぶ線分は基板３１ａの長手方向に対し、例えば角度１５度傾けられている。

対向する壁部３１ｄにはそれぞれ切欠部３１ｅが形成され、管路部１の一部ずつを保持できるようにされている。切欠部３１ｅは管路部１の一部を受け入れる略半円形とされ、その上方は受け入れのために切欠され、管路部１がクリック状に挿入できるように一部が狭くなっている。また、両壁部３１ｄの側方には、入口管路１ｂと出口管路１ｃをそれぞれ保持する切欠部３１ｆが形成されている。

管路部１を図６に示すようにホルダ３１に装着する。測定回路部３２は合成樹脂製の外筐３３に内蔵されている。信号電線９ａ、９ｂ、９ｃの挿込プラグ１１ａ、１１ｂを外筐３３に付設したコネクタ３４ａ、３４ｂに接続する。これらのコネクタ３４ａ、３４ｂは外筐３３内において電線を介して送受波器駆動手段、演算制御手段、出力手段等から成る測定回路部３２に接続されている。

なお、ホルダ３１は図７に示すように脚部３１ｃを外して、壁掛型として部屋の壁等に取り付け、この状態で管路部１を保持台３１ｂに装着することもできる。この場合に、壁部３１ｄ同士を結ぶ線分は基板３１ａの長手方向に対し傾けられているので、基板３１ａの長手方向を水平として壁等に取り付ければ、管路部１は下流側を上方に傾斜して装着されることになる。

測定開始時には、測定回路部３２の演算制御手段においては、信号電線９ｃから送信される管路部１の記憶メモリチップ１０内の補正データを読み取り、この補正データにより数式或いは補正テーブルを作成し、得られた出力値を補正演算して流量値として出力する準備をする。記憶メモリチップ１０の補正データは間欠的であるので、補間法により校正時の測定点間のデータを補正すればよい。なお、この補正演算は予め数式等を準備することなく、測定中に管路部１から得られた出力をその都度、補正データによって演算するようにしてもよい。

次いで、人工心臓ポンプ３５に接続し血流を流すための合成樹脂製の可撓管３６を、入口管路１ｂ、出口管路１ｃの接続口１ｄにそれぞれ接続する。

測定時において、人工心臓ポンプ３５により測定すべき血液を入口管路１ｂ、直管路１ａ、出口管路１ｃの順に管路部１内を流す。測定回路部３２の送受波器駆動手段によって直管路１ａ内に圧電素子２ａ、２ｂにより超音波ビームＢを交互に発信し、また受信することを交互に繰り返して行うことにより、測定回路部３２の演算制御手段により血液の流速を測定し流量を算出する。

即ち、上流側の圧電素子２ａから発した超音波ビームＢは、直管路１ａ内の血流中を直進し下流側の圧電素子２ｂに達する。また、次の時間に圧電素子２ｂから発した超音波ビームＢは直管路１ａ内に進入し上流側の圧電素子２ａに達する。圧電素子２ａから圧電素子２ｂに向う超音波ビームＢの血液中の伝播速度は、図３の入口管路１ｂから出口管路１ｃの矢印方向に流れる血流により増速され、圧電素子２ｂから圧電素子２ａに向う超音波ビームＢの伝播速度は血流方向と逆に向かうので減速される。

測定回路部３２において、これらの２方向の送受信により得られた超音波ビームＢの到達時間差を求めることにより、直管路１ａにおける血流速度が測定され、更に直管路１ａの断面積を乗ずることにより血流量が求められる。この流量値に対し、測定回路部３２の演算制御手段では、管路部１の流量特性の補正値を記憶した記憶メモリチップ１０の補正データによる補正を加えて、正確な流量値を算出する。

測定終了後は２つの挿込プラグ１１ａ、１１ｂをコネクタ３４ａ、３４ｂから外し、管路部１をホルダ３１の保持台３１ｂから取り外し、管路部１、圧電素子２ａ、２ｂ、素子保持部材３、ロック部材６、信号電線９ａ、９ｂ、９ｃ、記憶メモリチップ１０、挿込プラグ１１ａ、１１ｂ等は、人工心臓ポンプ３５、可撓管３７と共に廃棄する。なお、ホルダ３１、測定回路部３２、コネクタ３４ａ、３４ｂは、圧電素子２ａ、２ｂを取り付けた新たな管路部１を用いて、次の測定に使用する。

管路部１を構成する部材１ａ’、１ｂ’、１ｃ’の組立ては、実施例のように二色成型による連結部１ｅを用いずに、これらの部材１ａ’、１ｂ’、１ｃ’の管路同士を溶着により直接に接合してもよい。

また、圧電素子２ａ、２ｂの壁面１ｆへの取り付けは、前述の実施例の手段に限定されることはない。圧電素子２ａ、２ｂは再使用することはないので、例えば部材１ｂ’、１ｃ’に対し取り外し不能に固定しても問題はない。また、素子取付部１ｇへのロック部材６の装着は接着剤による接着でもよい。

或いは、管路部１側から信号電線９ａ〜９ｃを引き出さずに、素子保持部材３の内部においてリード線８ａ、８ｂ、８ｃを接続した接続ソケットをキャップ７の代りに配置することもできる。このようにすると、測定回路部３２側から信号電線を引き出して、この信号電線は使い捨てにしなくともよくなる。

更に、信号電線９ｃを接続した記憶メモリチップ１０の代りに、無線ＩＣタグを用いることもできるし、或いは補正データをバーコードに記録して管路部１の表面等に貼り付け、測定に際してバーコードリーダで補正データを読み取るようにすることも可能である。また、記憶メモリチップ１０に記憶した補正データによる流量値の補正手順も、実施例に限定されず他の手順によってもよい。

なお、補正演算は流速値に対して補正しても、流量値に対して補正しても結果的に同じであり、本発明においては流速値を補正してから流量値を求める場合も含めて、流量値を補正するとしている。

実施例では管路部１の構成をクランク型としたが、管路部１はこのクランク型に限らず、一対の圧電素子を直管部の周囲に固定するようにして、超音波ビームを直管部に対し斜め方向に入出射する方式とすることもできる。

なお、実施例では被測定流体を血液として説明したが、血流の測定に限らず、薬物、生体分子等の流量測定に際しても、管路部は使い捨て又は１回限定使用とすることがある。

また、実施例においては、管路部１は使い捨て型の機能を有しているが、被測定流体によっては繰り返して使用することもあり得る。

１管路部
１ａ直管路
１ｂ入口管路
１ｃ出口管路
１ａ’ 直管部材
１ｂ’ 入口部材
１ｃ’ 出口部材
２圧電素子
３素子保持部材
４押込部材
６ロック部材
７キャップ
８リード線
９信号電線
１０記憶メモリチップ
１１挿込プラグ
２１基準用流量計
２２管路
２４ポンプ
２５、３２測定回路部
３１ホルダ
３３外筐
３４コネクタ
３５人工心臓ポンプ

Claims

使い捨て部分と繰り返して使用する非使い捨て部分とから成る超音波式流量測定装置において、
前記使い捨て部分では、被測定流体を流す直管部の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を固定し、前記直管部に対し前記流体の流入を行う入口管路と前記流体の排出を行う出口管路とを設け、複数の部材を接合して形成した管路部を有すると共に、外部の回路と通信可能な記憶媒体を備え、
前記非使い捨て部分である測定回路部に対し、前記管路部ごとに予め実流量を流す校正作業により求めた前記管路部の補正データを前記記憶媒体に記憶しておき、
測定時に前記測定回路部は前記記憶媒体の前記補正データを読み込み、前記一対の超音波送受信器から交互に前記直管部内に送受信した超音波ビームによる信号を基に、得られた流量値を前記補正データを用いて補正することを特徴とする超音波式流量測定装置。
前記直管部の両端に前記超音波送受信器を固定し、前記超音波送受信器同士を対向させたことを特徴とする請求項１に記載の超音波式流量測定装置。
前記記憶媒体に記憶した前記補正データは、複数点の実測流量に対する出力値を記憶したことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波式流量測定装置。
前記使い捨て部分は前記各超音波送受信器に接続した信号電線を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の超音波式流量測定装置。
前記記憶媒体は半導体記憶素子としたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の超音波式流量測定装置。
前記管路部は非使い捨て部分であるホルダに装着して測定を行うことを特徴とする請求項１〜５の何れか１つの請求項に記載の超音波式流量測定装置。
前記ホルダは前記管路部の下流側を上方に持ち上げて前記管路部を保持することを特徴とする請求項６に記載の超音波式流量測定装置。
使い捨て部分と繰り返して使用する非使い捨て部分とから成る超音波式流量測定装置において、
前記使い捨て部分では、被測定流体を流す直管部の上流側と下流側に一対の超音波送受信器を固定し、前記直管部に対し前記流体の流入を行う入口管路と前記流体の排出を行う出口管路とを設け、複数の部材を接合して形成した管路部を有すると共に、外部の回路と通信可能な記憶媒体を備え、
前記管路部ごとに予め実流量を流す校正作業により前記非使い捨て部分である測定回路部に対し求めた前記管路部の補正データを前記記憶媒体に記憶する工程と、
測定時に前記測定回路部は前記記憶媒体の前記補正データを読み込む工程と、
測定時に前記一対の超音波送受信器から交互に前記直管部内に送受信した超音波ビームによる信号を基に流量値を演算し、得られた流量値を前記補正データにより補正し補正した流量値を算出する工程とを備えたことを特徴とする超音波式流量測定装置の使用方法。
前記補正データを読み込む工程において前記測定回路部は前記記憶媒体に記憶した補正データから数式又は補正テーブルを作成し、前記補正した流量値を算出する工程において前記数式又は補正テーブルを用いた補正演算により、前記補正した流量値を求めることを特徴とする請求項８に記載の超音波式流量測定装置の使用方法。