JP6538068B2 - 自己校正する血液チャンバ - Google Patents
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Description
本発明は、血液透析患者のための血液監視システムに関し、特に、自己校正する血液チャンバを使用してヘマトクリットを測定し、および/またはヘモグロビンレベルを推定する方法に関する。同じアプローチは、血液における酸素飽和度および/または他の分析対象物レベルのような他のパラメータの測定にも応用できる。
腎不全または部分的な腎臓障害を有する患者は、典型的には、毒素と過剰な体液を血液から除去するために血液透析治療を受けている。これを行うために、患者から血液が、特に認められたアクセス位置(例えば、腕、大腿、鎖骨下部等)の動脈等の血管から、血液を採取する採血針(またはカテーテル)を通して採血される。針(またはカテーテル)は、体外チューブに接続されて血液が蠕動ポンプに送られ、さらに、血液を浄化し過剰な水分を除去するダイアライザ(透析器)に送られる。その後、浄化された血液は、通常は、更なる体外チューブと他の針(またはカテーテル)を通って、患者に返血される(場合によっては、血液は、採血時と同じ体外接続を通って体内に返血されることもある。これは、「単針透析」と呼ばれる態様である。)。時には、ヘパリン点滴が血液透析回路内に設置されて、血液の凝固を防ぐこともある。背景知識として、血液は、採血されてダイアライザを通過する際、汚れた血液のための半透膜の通路として機能するストローのような細いチューブの中を通ってダイアライザ内を移動する。新しい透析液は、ダイアライザの下流側の端からその内部に入り、ストロー状のチューブを囲んで、チューブ内を流れる血液と逆の方向にダイアライザ内を流れる。新しい透析液は、物理的な大きさに起因してストロー状のチューブを通り抜けることができない赤血球を血流中に残したまま、拡散によってストロー状のチューブを通り抜ける毒素を集め、かつ、限外濾過法によって血液内の過剰な体液を集める。
本発明は、血液中を通過する光の強度の監視(monitor)ごとのばらつき(variances)を計上するための血液監視装置の複雑な校正を減らす、または不要にするように構成されている光学的血液センサアセンブリと血液チャンバとを含む、光学的血液監視装置の使用に向けられている。これは、光が血液を通過して移動する距離以外の全ての変数が実質的に同一である、血液を通る2つの光学的測定を行うことによって達成される。そして、該2つの測定の比率を使用して、血液を通って放射された光の強度の正確な値を要求することなく、所定の血液パラメータを計算するのに必要な値を決定できる。その結果、通常は要求される様々な校正手順が不要になる。
以下に、図面を参照して、本発明の例示的な実施態様をより詳細に説明する。
図1は、患者10が、非侵襲的な光学的血液監視装置14とともに血液透析システム12を使用する血液透析治療を受けているところを示している。採血針またはカテーテル16は、腕等の患者10のアクセス部位に挿入され、蠕動ポンプ20、そしてダイアライザまたは血液濾過器22へと導く体外チューブ18に接続されている。ダイアライザ22は、毒素と過剰な体液とを患者の血液から除去する。透析後の血液は、ダイアライザから体外チューブ24と返血針またはカテーテル26を通って返血される。過剰な体液と毒素は、チューブ28経由でダイアライザ22に供給されチューブ30を経由して廃棄のために排出される、清浄な透析液によって除去される。典型的な1回の血液透析治療セッションは、米国ではおよそ3〜5時間かかる。
式中、iλ2は、約810nmで光検出器によって検出された赤外光強度であり、iλ1は、1300nmで検出された赤外線強度であり、I0−λ2およびI0−λ1は、血液に入射する赤外光の強度を表す定数であって、血液チャンバにおける損失を計上するものである。関数f[ ]は、ヘマトクリット値を得るために実験データに基づいて決定された数学的関数である。好ましくは、上記の式(1)における関数f[ ]は、比較的簡単な多項式、例えば、二次多項式である。上記の式(1)は、赤外照射光が両波長でLEDエミッタから光検出器までそれぞれ移動する距離が、一定の距離である場合にのみ正しく、そして同じ距離であることが好ましい。
式中、iλ3は、660nmにおける光検出器の光強度であり、iλ1は、810nmにおいて検出された強度であり、I0−λ3およびI0−λ1は、血液に入射する強度を表す定数であり、血液チャンバにおける損失を計上するものである。関数g[ ]は、酸素飽和レベルを得るために実験データに基づいて決定された数学的関数であり、ここでも、好ましくは二次多項式である。また、ヘマトクリット計算のための式(1)と同様に、酸素飽和レベルの計算のための式(2)は、660nmおよび810nmの両波長で、可視光及び赤外光がそれぞれのLEDエミッタからそれぞれの光検出器まで移動する距離が一定である場合にのみ正しく、そして同じ距離であることが好ましい。
(式中、iは、血液を通過した後の光の受信信号の強度であり、Ioは、血液に侵入してゆく光波の印加振幅(impressed amplitude)であり、αは、血液の吸光係数(extinction coefficient)と検査対象の容積における血液の濃度とを含む容積吸光係数(bulk extinction term)であり、および、dは、光が検査対象の血液層を通って移動する距離である。)
(式中、ia1は、第1の空隙を通過した後の光の強度であり、Ioa1は、第1の空隙に侵入してゆく光波の印加振幅であり、αaは、第1の空隙についての容積吸光係数であり、および、da1は、光が第1の空隙を通って移動する距離である。)
(式中、ieは、第1のエポキシ層を通過した後の光の強度であり、IoLは、第1のエポキシ層に侵入してゆく光波の印加振幅であり、αeは、第1のエポキシ層についての容積吸光係数であり、および、deは、光が第1のエポキシ層を通って移動する距離である。)
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
〔1〕
光学的に血液成分を監視する方法であって、該方法が、
第1および第2の血液層を光源のそれぞれ第1および第2の光路内に提供するように、かつ、前記第2の血液層が、前記第1の血液経路に沿う前記第1の血液層の厚さよりも実質的に大きい厚さを前記第2の光路に沿って有するように、血液チャンバの内部体積を血液で満たすことと、
前記第1および第2の光路に沿って、実質的に同一の強度の光を放射して、前記血液チャンバ内の前記第1および第2の血液層のそれぞれを前記光が通過するようにすることと、
前記第1および第2の光路にそれぞれ配置されている、第1および第2の光センサのそれぞれを用いて、前記第1および第2の血液層を通過する光を捕捉することと、
前記捕捉光を比較することと、
前記捕捉光から前記血液成分の特徴を決定することと
を有する前記方法。
〔2〕
前記比較することが、前記血液層の厚さの差に関して、前記血液層を通過している前記捕捉光の比率を評価することを含んでいる、〔1〕に記載の方法。
〔3〕
前記比較することが、前記捕捉光の強度に対する、前記第1および第2の光路に沿って配置されている少なくとも1つの光学的構成要素の影響を無視することを含んでいる、〔2〕に記載の方法。
〔4〕
前記血液成分が、ヘマトクリット値である、〔1〕に記載の方法。
〔5〕
前記ヘマトクリット値からヘモグロビン値を推定することをさらに含む、〔4〕に記載の方法。
〔6〕
前記血液成分が酸素である、〔1〕に記載の方法。
〔7〕
少なくとも1つの血液成分を監視するように動作可能である血液透析システムにおいて使用するための光学的血液監視装置であって、該光学的血液監視装置が、
血液チャンバであって、前記血液透析システムによって監視されるべき血液を受け取るための内部体積を規定する本体と、血液を前記内部体積に供給するための入口と、前記内部体積から血液を取り出すための出口とを有する前記血液チャンバと、
第1および第2の光路に沿って光を放射する光源を含む光学的血液センサアセンブリであって、前記第1の光路が前記血液チャンバを通って第1のセンサに延びており、かつ、第1の厚さを有する前記血液チャンバの前記内部体積の第1の区画を通過しており、かつ、前記第2の光路が前記血液チャンバを通って第2のセンサに延びており、かつ、第2の厚さを有する前記血液チャンバの前記内部体積の第2の区画を通過しているものであって、前記第2の厚さが前記第1の厚さよりも実質的に大きいものである、前記光学的血液センサアセンブリと
を有する光学的血液監視装置。
〔8〕
前記光源が、軸の周りに光を放射する光要素を含むものであって、
前記第1および第2の光路が、互いに対して斜めに配置されており、かつ、前記光要素の前記軸の周りに対称的に配置されており、これにより、前記第1の光路に沿って放射されている前記光の強度が、前記第2の光路に沿って放射される前記光の強度に実質的に等しくなっている
〔7〕に記載の光学的血液監視装置。
〔9〕
前記光源が、前記第1の光路と前記第2の光路とに沿って実質的に等しい強度の光を放射するための手段を含んでいる、〔7〕に記載の光学的血液監視装置。
〔10〕
前記血液チャンバの前記内部体積の前記第1の区画が、前記血液チャンバ本体の第1の壁と第2の壁との間に配置されており、前記第1および第2の壁の各々が、前記第1の光路と直角に交差する領域を有するものであり、かつ
前記血液チャンバの前記内部体積の前記第2の区画が、前記第1の壁と前記第2の壁との間に配置され、かつ、前記第1および第2の壁の各々が、前記第2の光路に直角に交差する領域を有するものである
〔7〕に記載の光学的血液監視装置。
〔11〕
少なくとも1つの血液成分を監視するように動作可能である血液透析システムにおいて使用するための血液チャンバであって、該血液チャンバが、
前記血液透析システムによって監視されるべき血液を受け取るための内部体積を規定する本体を含むものであって、前記本体が、
前記血液を光学的に監視するために光を受信するよう構成されている前記本体の光入口側に配置されている、第1の壁と、
前記本体の光出口側に配置され、そこから前記光が光センサに伝達されるものである、第2の壁とを有し、かつ、
前記血液チャンバが、
前記内部体積に血液を供給するための入口と、
前記内部体積から血液を取り出すための出口と、
前記本体を貫通して延びる第1の光路であって、該第1の光路が、前記第1の壁の領域を直角に横切り、前記第1の壁から前記第2の壁に延びる第1の厚さを有する前記内部体積の区画を通過し、かつ、前記第2の壁の区画を直角に横切るものである、前記第1の光路と、
前記本体を貫通して延びる第2の光路であって、該第2の光路が、前記第1の壁の他の領域を直角に横切り、前記第1の壁から前記第2の壁に延びる第2の厚さを有する前記内部体積の区画を通過し、かつ、前記第2の壁の他の領域を直角に横切っている前記第2の光路とを有するものであって、前記第2の厚さが、前記第1の厚さよりも実質的に大きく、かつ、前記第1および第2の光路が斜めに配置されている
血液チャンバ。
〔12〕
前記第1の光路によって横切られる前記第1の壁の前記領域が、前記第2の光路によって横切られる前記第1の壁の前記領域と等しい厚さを有する、〔11〕に記載の血液チャンバ。
〔13〕
前記第1の光路によって横切られる前記第2の壁の前記領域が、前記第2の光路によって横切られる前記第2の壁の前記領域と等しい厚さを有する、〔11〕に記載の血液チャンバ。
〔14〕
前記第1の光路によって横切られる前記第1の壁の前記領域が、前記第2の光路によって横切られる前記第1の壁の前記領域に対して、規定された角度γにて配置されており、かつ、
前記第1の光路によって横切られる前記第2の壁の前記領域が、前記第2の光路によって横切られる前記第2の壁の前記領域に対して、角度γにて配置されているものである〔11〕に記載の血液チャンバ。
Claims (15)
- 光学的に血液を監視する方法であって、該方法が、
血液監視システムの光源によって、血液チャンバを通って光を放射することと、ここにおいて、血液チャンバの内部体積は血液を含み、
前記血液監視システムの第1の検出器によって、前記光源から放射される光の第1の光路に対応する光の強度を検出することと、ここにおいて、前記第1の光路は、前記血液チャンバの第1の壁を通る第1の経路と、前記血液チャンバ内の血液を通る第1の経路と、前記血液チャンバの第2の壁を通る第1の経路を横切り、前記第1の光路は前記血液チャンバの両側に1または複数の空隙を含み、
前記血液監視システムの第2の検出器によって、前記光源から放射される光の第2の光路に対応する光の強度を検出することと、ここにおいて、前記第2の光路は、前記血液チャンバの前記第1の壁を通る第2の経路と、前記血液チャンバ内の血液を通る第2の経路と、前記血液チャンバの前記第2の壁を通る第2の経路を横切り、前記第2の光路は前記血液チャンバの両側に1または複数の空隙を含み、ここにおいて、前記血液チャンバの前記第1の壁を通る前記第1および第2の経路は同じ長さを有し、前記血液チャンバの前記第2の壁を通る前記第1および第2の経路は同じ長さを有し、前記血液チャンバの血液を通る前記第1および第2の経路は異なる長さを有し、前記第1の光路についての前記1または複数の空隙の全長は前記第2の光路についての前記1または複数の空隙の全長と等しく、
前記血液チャンバ内の血液を通る前記第1および第2の経路以外に、前記第1および第2の光路に沿った要素によってもたらされる前記放射された光への影響を取り除くため、前記血液監視システムの処理システムによって、前記第1の検出器によって検出された前記光の強度と前記第2の検出器によって検出された前記光の強度を比較することと、および、
前記血液監視システムの前記処理システムによって、前記第1の検出器によって検出された前記光の強度と前記第2の検出器によって検出された前記光の強度の前記比較に基づいて、前記血液チャンバ内の前記血液の特徴を決定することと、
を備える方法。 - 前記第1の検出器によって検出された前記光の強度と前記第2の検出器によって検出された前記光の強度を比較することが、前記第1の検出器によって検出された前記光の強度と前記第2の検出器によって検出された前記光の強度の比率を評価することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の検出器によって検出された前記光の強度と前記第2の検出器によって検出された前記光の強度を比較することが、前記血液チャンバ内の前記血液の容積吸光係数を決定することを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記血液チャンバ内の前記血液の前記決定された特徴は、ヘマトクリット値である、請求項1に記載の方法。
- 前記ヘマトクリット値からヘモグロビン値を推定することをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 前記血液チャンバ内の前記血液の前記決定された特徴は酸素飽和値である、請求項1に記載の方法。
- 光学的血液監視装置であって、 第1の壁、第2の壁および血液を受け取るための内部体積、血液を前記内部体積に供給するための入口と、前記内部体積から血液を取り出すための出口とを含む血液チャンバと、
前記血液チャンバを通る光を放射するように構成された光源と、
前記光源から放射される光の第1の光路に対応する光の強度を検出するように構成された第1の検出器と、ここにおいて、前記第1の光路は、前記血液チャンバの第1の壁を通る第1の経路と、前記血液チャンバ内の血液を通る第1の経路と、前記血液チャンバの第2の壁を通る第1の経路を横切り、前記第1の光路は前記血液チャンバの両側に1または複数の空隙を含み、
前記光源から放射される光の第2の光路に対応する光の強度を検出するように構成された第2の検出器と、ここにおいて、前記第2の光路は、前記血液チャンバの前記第1の壁を通る第2の経路と、前記血液チャンバ内の血液を通る第2の経路と、前記血液チャンバの前記第2の壁を通る第2の経路を横切り、前記第2の光路は前記血液チャンバの両側に1または複数の空隙を含み、ここにおいて、前記血液チャンバの前記第1の壁を通る前記第1および第2の経路は同じ長さを有し、前記血液チャンバの前記第2の壁を通る前記第1および第2の経路は同じ長さを有し、前記血液チャンバの血液を通る前記第1および第2の経路は異なる長さを有し、前記第1の光路についての前記1または複数の空隙の全長は前記第2の光路についての前記1または複数の空隙の全長と等しく、
前記血液チャンバ内の血液を通る前記第1および第2の経路以外に、前記第1および第2の光路に沿った要素によってもたらされる前記放射された光への影響を取り除くため、前記第1の検出器によって検出された前記光の強度と前記第2の検出器によって検出された前記光の強度を比較し、および、前記第1の検出器によって検出された前記光の強度と前記第2の検出器によって検出された前記光の強度の前記比較に基づいて、前記血液チャンバ内の前記血液の特徴を決定するように構成された処理システムと、
を備える光学的血液監視装置。 - 前記第1および第2の光路が、互いに対して斜めに配置されており、かつ、前記光源の軸の周りに対称的に配置されており、これにより、前記第1の光路について放射されている前記光の初期の強度が、前記第2の光路について放射される前記光の初期の強度に実質的に等しくなっている
請求項7に記載の光学的血液監視装置。 - 前記光源が、前記第1の光路と前記第2の光路とについて実質的に等しい強度の光を放射するように構成されている、請求項7に記載の光学的血液監視装置。
- 前記血液チャンバの前記第1の壁を通る前記第1の経路は前記血液チャンバの前記第1の壁に対して直交し、前記血液チャンバの前記第2の壁を通る前記第1の経路は前記血液チャンバの前記第2の壁に対して直行し、前記血液チャンバの前記第1の壁を通る前記第2の経路は前記血液チャンバの前記第1の壁に対して直交し、および、前記血液チャンバの前記第2の壁を通る前記第2の経路は前記血液チャンバの前記第2の壁に対して直交する、
請求項7に記載の光学的血液監視装置。 - 前記第1の検出器によって検出された前記光の強度と前記第2の検出器によって検出された前記光の強度を比較することが、前記第1の検出器によって検出された前記光の強度と前記第2の検出器によって検出された前記光の強度の比率を評価することを含む、
請求項7に記載の光学的血液監視装置。 - 前記第1の検出器によって検出された前記光の強度と前記第2の検出器によって検出された前記光の強度を比較することが、前記血液チャンバ内の前記血液の容積吸光係数を決定することを含む、
請求項7に記載の光学的血液監視装置。 - 前記血液チャンバ内の前記血液の前記決定された特徴は、ヘマトクリット値である、請求項7に記載の光学的血液監視装置。
- 前記ヘマトクリット値からヘモグロビン値を推定することをさらに含む、
請求項13に記載の光学的血液監視装置。 - 前記血液チャンバ内の前記血液の前記決定された特徴は酸素飽和値である、
請求項7に記載の光学的血液監視装置。
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