JP6583998B2 - 血液浄化システム、血液回路の液体貯留用チャンバーの液面レベルの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、血液透析や血漿分離等の血液浄化治療に用いられる血液回路中に装着されたチャンバーの液面レベルを検出する機能を有する血液浄化システムに関する。さらに、血液回路中に装着されたチャンバーの液面レベルを制御する方法に関する。

血液浄化システムを用いて血液透析や血液ろ過透析などの血液浄化治療を行う場合は、中空糸膜などの血液浄化膜を有する血液浄化器を備えている。また、例えば、血液ポンプにより患者の血液を血液浄化器に送る血液供給回路、血液浄化器から患者に戻す血液返血回路、透析液を血液浄化器に送る透析液回路、血液浄化器から透析液を排出する排液回路を備えている。この血液浄化システムでは、透析液回路から透析液を血液浄化器に供給し、血液浄化器内において血液と透析液とを膜を介して接触させ、血液中の微小な不要成分を透析液内に取り込むことで血液を浄化している。不要成分を取り込んだ透析液は、排液回路に排出される。

血液浄化システムを用いて二重濾過血漿交換療法や血漿吸着療法などの血漿交換療法を行う場合は、中空糸膜などの血漿分離器や血漿成分分離機、血漿吸着器等を備えている。また、血液ポンプにより患者の血液を血液浄化器に送る血液供給回路、血液浄化器から患者に戻す血液返血回路、血漿分離器で分離させた血漿が流れる濾液回路を備えている。分離した血漿は治療法によって、廃棄する方法、血漿成分分離器を介してアルブミン等の低分子量成分を体内に戻す方法、血漿成分吸着器を介して選択的に病因物質を除去してから体内に戻す方法などが存在する。

一般的に、血液浄化治療で用いられる血液回路には、気泡あるいは液体中の凝集物を捕捉するチャンバーが接続されている。チャンバー内が完全な気層になってしまうと、目的を果たせないため、血液浄化システムにはチャンバーの液面レベルを一定レベルに調整できる機能があることが望まれる。また、血液が流れているチャンバーの液面レベルが低いと、チャンバー内の空気が患者の体内に注入されて空気塞栓等の重大事故が発生する恐れがある。特に、血液浄化器より後に存在する血液返血回路のチャンバーでは、チャンバーのすぐ後に患者が繋がっているため、液面レベルを一定に制御する重要性が高い。

そこで、チャンバーの液面レベルを適切な範囲に制御する方法が検討されている。例えば、特許文献１や特許文献２では液面センサで液面レベルを検出し、自動的に液面レベルを所定レベルに制御するシステムが開示されている。特許文献３ではチャンバーの気層に接続されたライン上に狭窄部を設けておき、液体がライン上の狭窄部を通過する際に生じる圧力変化を利用して液面レベルを制御する方法が開示されている。

特開平８−５７０４３号公報 特開２０１４−１８４１０８号公報 特開２０１０−１２５２０６号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２の発明には、液面レベルを調整するために液面検知センサが必要であるが、液面検知センサとして使用される静電容量センサや超音波センサは、価格が高い上に、液面センサとチャンバーの距離により検出感度が変動するという問題を有する。特に、超音波センサは、チャンバーに直接接触するように設置する必要があり、使用上の難点を有する。また、特許文献３の発明では、チャンバー上部に接続された狭窄部まで液面を上昇させる必要があり、液面レベルの調整の度に適切な液面レベルから外れるため、治療中に行うには危険性が高い。

そこで、本発明では、上記従来技術の問題点に鑑み、液面検知センサを必要とせずに、かつ必要以上に液面を上下降させずに、チャンバーの液面レベルを適切な位置に制御できる血液浄化システムを提供することを目的とする。

本発明の血液浄化システムは、前記チャンバー内の気体の圧力を検出するための圧力検出手段と、前記圧力検出手段により検出した圧力変動に基づき、前記チャンバー内の液面のレベルを検出する液面レベル検出手段とを備えることを特徴とする。

上記構成によれば、一般的な血液浄化システムが装備しているチャンバーの圧力検出手段によって得られる圧力変動に基づいて液面レベルを検出するため、チャンバーの液面レベルを制御するための液面検知センサを必要とせずに、液面レベルを制御することができる。また、その際に無駄に液面を上下降させる必要はない。

本発明によれば、チャンバーの液面レベルを制御するために液面検知センサを必要とせずに、一般的な血液浄化システムが装備しているチャンバーの圧力検出手段によって得られる圧力変動に基づいて液面レベルを検出し、更に制御することによって、返血の際、患者に空気が注入されて重大事故が起こるのを防ぐことができるものである。さらに、その際に必要最低限しか液面を上下降させないため、安全である。

液面レベルを制御するシステムの説明図である。 圧力振幅と液面レベルとの特性曲線を求めるための試験系の説明図である。 圧力分散(圧力変動)と液面レベルとの特性曲線のグラフである。

以下に、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る血液浄化システムを示している。血液浄化システムでは、血液回路の途中にチャンバー１が設置されており、チャンバー１内の気体層と連通した圧力測定ライン２を介して圧力を測定するための圧力検出手段３を有している。圧力測定ライン２はさらに気体配送手段４を有し、チャンバーの液面レベルを自動または手動で所定の高さに調整できる。また、血液浄化システムの制御装置５内には圧力検出手段３から検出した圧力の変動振幅を取得する圧力振幅取得手段６と、検出圧力の変動振幅に基づいてチャンバー１内の液面のレベルを検出する液面レベル検出手段７と、検出した液面レベルに応じて液面レベルを制御する液面レベル制御手段８を有する。

本実施の形態における血液回路は、例えば血液、血漿、リンパ液、腹水、尿等の体液、もしくは透析液等の治療液や生理食塩水を循環させるための導管であり、血液ろ過療法、血液透析療法、血液ろ過透析療法、持続的血液透析療法、持続的血液濾過療法、持続的血液ろ過透析療法、血漿交換療法、血漿吸着療法、二重ろ過血漿交換療法、血液吸着療法、血球成分除去療法、腹水濾過濃縮再静注療法等の体外循環療法等で用いられる回路である。回路の素材には、例えば塩化ビニル、シリコンゴム、オレフィン系樹脂等が使用でき、中でも軟質塩化ビニルが好んで用いられる。一般的な回路の径は、内径0.5〜10mm、厚さ0.2〜3mm程度である。この回路には、例えばチャンバー、ポンプ用チューブ、コネクタ、三方活栓、圧力測定用分岐チューブ、抗凝固剤注入用接続口、補液接続口、プライミング液接続口、濾液排出用チューブ、一時的体液貯留容器、外付けのクランプ、体液のサンプリングポートなどの部品を必要に応じて付属させることができる。

本実施の形態におけるチャンバー１は、液体を貯留して液体層と気体層に分離させるための容器であり、血液回路に付属している。チャンバー１は、液体をチャンバー１内に導入するための液体導入回路９と液体をチャンバー１から導出するための液体導出回路１０の少なくとも二つの回路に連通し、さらに圧力を測定するために圧力測定ライン２に接続している。また、チャンバー１は、薬液を注入する為の回路などの輸液ライン１１に連通していてもよい。チャンバー１の素材には、例えば塩化ビニル、シリコンゴム、オレフィン系樹脂等が使用でき、中でも軟質塩化ビニルが好んで用いられる。

本実施の形態における血液浄化システムは血液を血液浄化器に供給する血液供給回路と、血液浄化器により浄化された血液を返血する血液返血回路とを有しており、チャンバーは、血液供給回路と血液返血回路のいずれに配置されても良い。特に、血液返血回路は患者に接続されるため、空気が患者の体内に注入されて起こる事故を未然に防ぐ必要性が高く、チャンバーを配置して液面を適切な値に制御する意義が大きい。したがって、少なくとも血液返血回路には、チャンバーが配置されていることが好ましい。

濾液回路が、血漿成分分離器／血漿成分吸着器を含む場合、チャンバーは、「血液浄化器で濾過された血液成分を送液する回路」と「血漿成分分離器／血漿成分吸着器で分離されなかった血液成分を返送する回路」のいずれに配置されてもよい。

本実施の形態における血液を送るための血液ポンプおよび濾液を送液するための濾液ポンプは、チューブとローラを備えた蠕動ポンプを主に用いることができる。このような蠕動ポンプは、一般的に２〜４つのローラを備えており、３ローラであれば１回転で３回の圧力変動を生じる。しかし、液体配送時に圧力の振幅が発生するものであれば、特にローラの数やポンプの種類を限定するものでは無い。

本実施の形態における圧力検出手段３は、例えば−500mmHg〜500mmHg程度の圧力を測定する手段であり、半導体圧力センサ、ブルドン管、マノメータ等が例示できる。中でも半導体圧力センサは、電気出力として圧力データを得ることができ、ポンプ、バルブ等を制御し易いので推奨できる。

本実施の形態における気体配送手段４は、チャンバー１に対して空気を出し入れする手段であり、エアーポンプ、蠕動ポンプが例示できるが、これらに限定されるものではない。

本発明者は、血液ポンプおよび濾液ポンプで発生する圧力変動を圧力検出手段３で計測した際に、チャンバーの液面レベルと検出した圧力の変動振幅に一定の関係があることに気づき、次のような技術思想に至った。血液ポンプ/濾液ポンプで発生した圧力変動は、チャンバー部に存在する気体層がクッションの役割をして減衰する。したがって、気体層の体積が小さければ大きな圧力変動を検出し、気体層が大きければ小さな圧力変動を検出する。そのため、検出した圧力から変動の大きさ（振幅）を算出することで、気体層の体積を逆算できる。気体層の体積はそのままチャンバーの液面レベルに相当するため、液面レベルの検出が可能となる。

圧力の変動振幅からチャンバーの液面レベルを算出するためには、例えば、後述の実施例に示すように、予め実験により、チャンバーの液面レベルが高い状態から低い状態まで複数の状態での圧力の変動振幅を計測し、その結果から圧力振幅と液面レベルとの関係を表す特性曲線（近似式）を作成しておく方法が考えられる。この特性曲線を求めておくことで、実際の治療中には、特性曲線を用いて算出した振幅を液面レベルに換算することで即時に液面レベルを検出できる（液面レベル検出手段７）。

この液面レベルの算出の際には、圧力変動を発生させているポンプの流量や、圧力変動が伝搬する際に影響する液体の粘度や圧力値に大きく影響を受ける。そのため、計測開始後に液体の粘度や圧力値などが変動した場合に圧力振幅に一時的な影響を与えることが考えられるが、治療条件(ポンプの設定流量など)や各種センサ(圧力など)の値、平均圧力値等を変数として振幅値をさらに補正することで正確な液面レベルの検知が可能となる。

本実施の形態における圧力振幅取得手段６は、圧力検出手段３によって測定した圧力波形の振幅に相当する値を算出する手段である。本発明において、圧力変動として、圧力波形の最大値と最小値の差（振幅）、データのばらつきを表す分散、標準偏差などを使うことが例示できる。

本実施の形態における液面レベル制御手段８は、液面レベル検出手段７で検出した液面レベルの値を用いて、所定の液面レベルの範囲から外れた時に、所定の範囲に入るように気体配送手段４を用いて液面のレベルを調整する手段が例示できるが、これに限定されるものではない。

続いて、上記構成を有する図１の液面レベル制御システムによりチャンバーの液面レベルを制御する方法の例を説明する。

チャンバーの液面レベルを精度良く制御するためには、液面レベルが既知である状態での圧力振幅を計測し、その値を基準として較正する方法が考えられる。例えば血液回路は、治療前に生理食塩水や抗凝固剤加生食などを用いて治療前に回路内洗浄(以下、プライミング)を行う必要があり、その際に基準となる圧力振幅を計測することが考えられる。プライミングは、治療時の血液の流れと同じ「血液供給回路→血液浄化器→血液返血回路」の順に洗浄する順方向プライミングと、「血液返血回路→血液浄化器→血液供給回路」の順に洗浄する逆方向プライミングの２つに分類できる。

順方向プライミングでは、例えばチャンバーに液体導入回路９と液体導出回路１０以外に、チャンバー上部又は上部から２/３の高さに配置された第三のライン（輸液ライン１１など）がある場合、第三のラインへ液体を排出させることで、確実にチャンバー上部又は２/３の高さに液面を設定することができる。その液面を基準として、基準値を取ることで自動的に較正が可能となる。加えて、血液浄化システムが血液検知器を有している場合、プライミング後に血液を検知した時の圧力振幅値を計測し、さらに較正することで、血液の粘度を考慮した第二の補正も自動で行うことができる。

ここで第三のラインは、チャンバー１上端でも良いし、他の部分から分岐していても液面を所定の位置に設定できるものであれば、どこでも良い。

逆方向プライミングでは、例えばチャンバーに液体導出回路１０から液体導入回路９へ液体を排出させることで、確実にチャンバーを液体導入回路９の末端の位置に液面を設定することができる。その液面を基準として、基準値を取ることで自動的に較正が可能となる。加えて、血液浄化システムが血液検知器を有している場合、プライミング後に血液を検知した時の圧力振幅値を計測し、さらに較正することで、血液の粘度を考慮した第二の補正も自動で行うことができる。

また、操作者による手技が必要となるが、治療開始時に基準を取得する方法も考えられる。治療を開始した初期に、チャンバー１内の液面レベルが適切であることを確認し、適切で無い場合は気体配送手段４で適切な位置に調整する。次に、圧力検出手段３で圧力を検出し、圧力振幅取得手段６から圧力の変動振幅を取得する。この時の振幅値を基準とすることで較正が可能となる。

このように自動又は手動で較正した圧力振幅と液面レベルとの関係を表す特性曲線を用いることで、液面レベルを即時に算出することが可能である。例えば、基準とした液面レベルを0とするならば、予め設定した適正な液面レベルの範囲（たとえば、-20mm〜+10mm）から外れた際に、0に戻す方向に気体配送手段４を駆動させることで、常に液面を適切な位置に自動制御が可能となる。

以上が、チャンバーの液面レベル制御システムの構成であるが、血液回路に付随するコネクタ類や点滴筒等の仕様については特に限定する必要はなく、血液浄化療法において一般的に用いられるものであれば何でもよい。また、抗凝固剤の注入回路やサンプリングポート等、体外循環回路で当然に用いられる付随品については図示しないが、それぞれ適宜配置すればよい。

図２は、持続的血液ろ過透析療法を模擬した試験系である。９は、血液浄化システムを示しており、血液浄化システム１２には、蠕動ポンプからなる血液ポンプ１３が設けられているとともに、血液回路の途中にはチャンバー１４が設けられている。

試験液貯留タンク１５に、血液と同等の粘度を有する試験液を貯留し、持続的血液ろ過透析療法で循環させた。透析液、補液の代替には水を使用した。治療条件は表１に示す3通りである。チャンバーに別途圧力検出手段１６を接続し、その出力をノートPC１４で記録し、圧力変動の算出を行った。各治療条件で模擬治療を行い、チャンバーの液面レベルが0, -10, -20, -30 mmの時（チャンバー最上部から10 mm低い位置を0と定義した）の圧力変動を15秒間記録し、15秒間の圧力波形の分散（圧力変動）を算出した。0 mmの時の分散値を100とした分散と液面レベルの関係を図３に示す。

表２においては、各治療条件について、上記実験で得られたデータをy=ax²+bx+cの形の多項式で近似して特性曲線を求め、その時の相関係数をRで表している。

治療条件について予め特性曲線（近似式）を導出し、実際の結果から算出した分散を、この特性曲線のxに代入すること、液面レベル(y)を算出することが可能となる。また、液面レベルの上限と下限を設定し、上下限に達した時にはチャンバーに連通している気体配送手段で液面レベルを調整することで、液面レベルの制御も可能となる。

このように、本発明によれば、チャンバーの検出圧力の変動振幅に基づいて液面レベルを迅速かつ容易に検出および制御することができ、液面検知センサを新たに付加することなく、既存の装置にも容易に本発明を適用することができる。

本発明のチャンバーの液面レベル制御方法は、血液ろ過療法、血液透析療法、血液ろ過透析療法、持続的血液透析療法、持続的血液ろ過療法、持続的血液ろ過透析療法、血漿交換療法、血漿吸着療法、二重ろ過血漿交換療法、血液吸着療法、血球成分除去療法、腹水ろ過濃縮再静注療法、経皮的心肺補助療法等の体外循環療法を行う体外循環回路のチャンバーの液面レベル制御方法として好適に使用することができる。

１ チャンバー
２ 圧力測定ライン
３ 圧力検出手段
４ 気体配送手段
５ 制御装置
６ 圧力振幅取得手段
７ 液面レベル検出手段
８ 液面レベル制御手段
９ 液体導入回路
１０ 液体導出回路
１１ 輸液ライン
１２ 血液浄化システム
１３ 血液ポンプ
１４ チャンバー
１５ 試験液貯留タンク
１６ 圧力検出手段
１７ ノートPC

Claims (11)

1. 血液を体外に循環させる血液浄化システムであって、
   血液を浄化する血液浄化器と、
   血液を前記血液浄化器に供給する血液供給回路と、
   浄化された血液を前記血液浄化器から返血する血液返血回路と、
   血液を送液する血液ポンプと、
   液体を貯留し、液体層と気体層を形成するチャンバーと、
   前記気体層の圧力を測定するための圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段により検出した圧力から得られる、圧力波形の振幅、圧力波形の分散、圧力波形の標準偏差から成る群から選択される少なくとも１つの圧力変動に基づき、前記チャンバー内の液面レベルを検出する液面レベル検出手段とを備える、血液浄化システム。
2. 前記液面レベル検出手段により検出された液面レベルに応じて、液面レベルを制御する液面レベル制御手段を有する、請求項１に記載の血液浄化システム。
3. 前記血液ポンプが前記血液供給回路及び／又は前記血液返血回路に配置されている、請求項１又は２に記載の血液浄化システム。
4. 前記チャンバーが前記血液供給回路及び／又は前記血液返血回路に配置されている、請求項１〜３の何れかに記載の血液浄化システム。
5. 前記チャンバーの気体層と前記圧力検出手段とを圧力測定ラインを介して連通させる、請求項１〜４の何れかに記載の血液浄化システム。
6. 前記圧力測定ラインが気体配送手段を有し、前記液面レベル検出手段によって検出された液面レベルに応じ、液面レベルを自動及び／又は手動で所定の高さに調整する請求項５に記載の血液浄化システム。
7. 前記血液浄化システムは、分離された血漿／濾液を送液するための濾液ラインと、濾液ラインに配置された濾液ポンプを有し、該濾液ポンプの上流及び／又は下流に前記チャンバーを有する請求項１〜６の何れかに記載の血液浄化システム。
8. 前記血液ポンプ及び／又は濾液ポンプが蠕動ポンプである請求項１〜７の何れかに記載の血液浄化システム。
9. 血液を体外に循環させるための血液浄化システムに配置された、液体を貯留するためのチャンバーの液面レベル検出方法であって、
   前記チャンバー内の気層の圧力を測定するための圧力検出工程と、
   前記圧力検出工程により検出した圧力から得られる、圧力波形の振幅、圧力波形の分散、圧力波形の標準偏差から成る群から選択される少なくとも１つの圧力変動を取得する圧力変動取得工程と、
   前記圧力変動取得工程により取得した前記圧力変動に基づき、前記チャンバーの液面レベルを検出する液面レベル検出工程と、
   を有するチャンバーの液面レベル検出方法。
10. 血液を体外に循環させるための血液浄化システムに配置された、液体を貯留するためのチャンバーの液面レベル制御方法であって、
    前記チャンバー内の気層の圧力を測定するための圧力検出工程と、
    前記圧力検出工程により検出した圧力から得られる、圧力波形の振幅、圧力波形の分散、圧力波形の標準偏差から成る群から選択される少なくとも１つの圧力変動を取得する圧力変動取得工程と、
    前記圧力変動取得工程により取得した前記圧力変動に基づき、前記チャンバーの液面レベルを検出する液面レベル検出工程と、
    前記液面レベル検出工程により検出された液面レベルに基づき、液面レベルを所定の範囲に制御する液面レベル制御工程と、
    を有するチャンバーの液面レベル制御方法。
11. 前記液面レベル制御工程において、所定の範囲から外れた時に、前記チャンバーの液面レベルが所定の範囲に入るように気体配送手段を用いて液面レベルを調整する、請求項１０に記載のチャンバーの液面レベル制御方法。