JP6922440B2 - 超音波測定装置及び体外循環装置 - Google Patents

Description

本発明は、患者の血液を体外で循環させる体外循環系に用いられる超音波測定装置に関する。

血液透析や血漿交換、吸着療法等の治療に用いられる血液浄化装置や、人工心肺装置等の体外循環装置は、一般に、血液を循環させるための血液回路、血液浄化器、人工心肺や血液濃縮器等の血液処理器、血液を送出する血液ポンプ等、を備え、患者の血液を体外で循環させる。
患者からの脱血不良や血栓による血液回路の閉塞等の原因により、血液ポンプの設定流量通りに液体が流れているとは限らないので、実際流れている流量（実流量）を把握するため超音波流量計が用いられている（例えば、特許文献１及び２参照）。

また、血液回路中の気泡が患者の体内へ流入することを防ぐため、気泡を検出することが求められている。このような気泡を検出する方法として、超音波を利用した気泡検出器が知られている（特許文献３参照）。

特開２００５−２５３７６８号公報 特開２００８−０２３２６９号公報 特開２００５−０８４０１７号公報

上述したように、体外循環装置では血液の流量測定には流量計を、気泡の検出には気泡検出器を、それぞれ用いる必要があり、装置の生産コスト増や血液回路の組み立て作業が煩雑になる等の問題があった。

従って、本発明は、体外循環装置に用いられ、血液回路を流れる液体の流量及び気泡を測定可能な超音波測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、血液を循環させるための血液回路と、該血液回路に所定の設定流量で血液を流すための血液ポンプと、を備え、血液を体外循環させる体外循環装置に用いられる超音波測定装置であって、前記血液回路に取り付けられ、電気信号と超音波信号とを変換して超音波信号を送受する超音波送受波器と、前記超音波送受波器で送受される超音波信号に基づいて前記血液回路を流れる液体の流量及び気泡を測定可能な測定回路と、を備え、前記測定回路は、前記超音波送受波器に電気信号を送信する送信部と、前記超音波送受波器から電気信号を受信する受信部と、前記送信部で送信された送信信号及び前記受信部で受信された受信信号に基づいて流量を算出する流量算出部と、前記受信信号の受信強度に基づいて気泡を検出する気泡検出部と、を備える超音波測定装置に関する。

また、前記気泡検出部は、前記受信強度が所定の閾値よりも低く前記受信信号が測定できない場合に、前記受信強度が所定の閾値以下となる時間に基づいて気泡量を算出することが好ましい。

また、前記気泡検出部は、前記受信強度が所定の閾値以上に高く前記受信信号が測定できる場合に、前記流量算出部により算出された算出流量、前記血液ポンプの前記所定の設定流量、及び、前記受信強度に基づいて、微小気泡の有無を検出することが好ましい。

また、前記血液回路は、血液処理器に導入される血液を流すための動脈側ラインと、前記血液処理器から導出される血液を流すための静脈側ラインと、を含んで構成され、前記超音波送受波器は、前記動脈側ラインに取り付けられることが好ましい。

また、前記超音波測定装置は、前記血液回路を流れる液体の流れ方向に所定の距離をおいて配置される少なくとも一対の前記超音波送受波器を備え、前記超音波送受波器は、液体の流れ方向に対して斜めに又は流れ方向に対して上下流に超音波信号を送受することが好ましい。

また、前記流量算出部は、前記一対の超音波送受波器の間でそれぞれ送受される超音波信号の血液中における伝搬時間をそれぞれ測定し、伝搬時間逆数差法により血液流量を算出することが好ましい。

また、本発明は、前記超音波測定装置と、血液を循環させるための血液回路と、前記血液回路に血液を流すための血液ポンプと、前記血液回路に接続され血液を処理する血液処理器と、を備え、血液を体外循環させる体外循環装置に関する。

また、前記流量算出部による算出流量の結果及び前記気泡検出部による気泡の検出結果に基づいて、前記血液ポンプの設定流量を制御する制御部を更に備えることが好ましい。

また、異常を報知する報知手段を更に備え、前記制御部は、前記流量算出部による算出流量の結果及び前記気泡検出部による気泡の検出結果に基づいて異常があると判断した場合に、前記報知手段が作動するように制御することが好ましい。

本発明の超音波測定装置によれば、単一の測定手段（超音波送受波器）により送受された超音波信号に基づいて血液回路を流れる液体の流量及び気泡を測定可能である。

本発明の第１実施形態の構成を示す説明図である。 体外循環装置（透析装置）の概略構成を示す図である。 体外循環装置（透析装置）で実施される脱血工程を示す図である。 体外循環装置（透析装置）で実施される透析工程を示す図である。 体外循環装置（透析装置）で実施される返血工程を示す図である。 気泡測定において気泡が存在しない場合の受信信号の波形を示す模式図である。 気泡測定において空気が混入した場合の受信信号の波形を示す模式図である。 気泡測定において少量の気泡が通過した場合の受信信号の波形を示す模式図である。 本発明の第２実施形態の構成を示す説明図である。 超音波測定装置の設置方法の変形例を示す図である。

以下、本発明の超音波測定装置及び体外循環装置の好ましい各実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明では一例として、腎不全患者の血液を浄化すると共に、血液中の余分な水分を除去する血液透析を行う血液浄化装置を用いて説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る体外循環装置としての血液浄化装置１００Ａ及び該装置に用いられる超音波測定装置１Ａの構成を示す説明図であり、図２は、血液浄化装置１００Ａの概略構成を示す図である。

図１及び図２に示すように、血液浄化装置１００Ａは、血液を流すための血液回路１１０と、血液処理器としてのダイアライザ１２０と、透析液回路１３０と、制御部１４０Ａと、血液回路１１０に配置される超音波測定装置１Ａと、を備える。

血液回路１１０は、動脈側ライン１１１と、静脈側ライン１１２と、薬剤ライン１１３と、排出ライン１１４と、を有する。動脈側ライン１１１、静脈側ライン１１２、薬剤ライン１１３及び排出ライン１１４は、いずれも液体が流通可能な可撓性を有する軟質のチューブを主体として構成される。本実施形態では、外径５．５ｍｍ、内径３．５ｍｍのポリ塩化ビニルにより形成された軟質チューブを用いた。

動脈側ライン１１１は、一端側が後述するダイアライザ１２０の血液導入口１２２ａに接続される。動脈側ライン１１１には、患者側動脈接続部１１１ａ、血液ポンプ１１１ｂ及び後述の超音波測定装置１Ａが配置される。
患者側動脈接続部１１１ａは、動脈側ライン１１１の他端側に配置される。患者側動脈接続部１１１ａには、患者の血管に穿刺される針が接続される。
血液ポンプ１１１ｂは、動脈側ライン１１１を構成するチューブをローラーでしごくことにより、動脈側ライン１１１の内部の血液やプライミング液等の液体を送出する。
図２に示すように、超音波測定装置１Ａは、動脈側ライン１１１における血液ポンプ１１１ｂよりも下流側（ダイアライザ１２０側）に配置される。超音波測定装置１Ａは血液回路１１０におけるいずれの位置に取り付けてもよいが、本実施形態では、動脈側ライン１１１の血液ポンプ１１１ｂより下流側に超音波測定装置１Ａが取り付けられる。この位置に取り付けることで、ダイアライザ１２０による除水や注水（補充液や補液）の影響を受けにくく、除水や注水を計算することが不要となり、流量の測定誤差を小さくできる。

尚、血液回路１１０（動脈側ライン１１１）は、超音波測定装置１Ａが取り付けられる部位において、流量の測定に影響を与える血液回路１１０内の気泡が滞留しないように血液の流れ方向が略鉛直となるように保持される。また、気泡が速やかに上昇できるように、透析工程の血液の流れ方向における上流側を下部に、下流側を上部に配置することが望ましい。
超音波測定装置１Ａの具体的な構成については、後に説明する。

静脈側ライン１１２は、一端側が後述するダイアライザ１２０の血液導出口１２２ｂに接続される。静脈側ライン１１２には、患者側静脈接続部１１２ａ、静脈側気泡検知器１１２ｂ、ドリップチャンバ１１２ｃ、及び静脈側クランプ１１２ｄが配置される。
患者側静脈接続部１１２ａは、静脈側ラインの他端側に配置される。患者側静脈接続部１１２ａには、患者の血管に穿刺される針が接続される。
静脈側気泡検知器１１２ｂは、チューブ内の気泡の有無を検出する。
静脈側気泡検知器１１２ｂは、ドリップチャンバ１１２ｃよりも下流側に配置される。ドリップチャンバ１１２ｃは、静脈側ライン１１２に混入した気泡や凝固した血液等を除去するため、また、静脈圧を測定するため、一定量の血液を貯留する。
静脈側クランプ１１２ｄは、静脈側気泡検知器１１２ｂよりも下流側に配置される。静脈側クランプ１１２ｄは、静脈側気泡検知器１１２ｂによる気泡の検出結果に応じて制御され、静脈側ライン１１２の流路を開閉する。

薬剤ライン１１３は、血液透析中に必要な薬剤を動脈側ライン１１１に供給する。薬剤ライン１１３は、一端側が薬剤を送り出す薬液ポンプ１１３ａに接続され、他端側が動脈側ライン１１１に接続される。本実施形態では、薬剤ライン１１３の他端側は、動脈側ライン１１１における超音波測定装置１Ａよりも下流側に接続される。

排出ライン１１４は、ドリップチャンバ１１２ｃに接続される。排出ライン１１４には、排出ライン用クランプ１１４ａが配置される。排出ライン１１４は、後述するプライミング工程でプライミング液を排出するためのラインである。

ダイアライザ１２０は、筒状に形成された容器本体１２１と、この容器本体１２１の内部に収容された透析膜（図示せず）と、を備え、容器本体１２１の内部は、透析膜により血液側流路と透析液側流路とに区画される（いずれも図示せず）。容器本体１２１には、血液回路１１０に連通する血液導入口１２２ａ及び血液導出口１２２ｂと、透析液回路１３０に連通する透析液導入口１２３ａ及び透析液導出口１２３ｂと、が形成される。

以上の血液回路１１０及びダイアライザ１２０によれば、対象者（透析患者）の動脈から取り出された血液は、血液ポンプ１１１ｂにより動脈側ライン１１１を流通してダイアライザ１２０の血液側流路に導入される。ダイアライザ１２０に導入された血液は、透析膜を介して後述する透析液回路１３０を流通する透析液により浄化される。ダイアライザ１２０において浄化された血液は、静脈側ライン１１２を流通して対象者の静脈に返血される。

透析液回路１３０は、本実施形態では、いわゆる密閉容量制御方式の透析液回路１３０により構成される。この透析液回路１３０は、透析液供給ライン１３１ａと、透析液排出ライン１３１ｂと、透析液導入ライン１３２ａと、透析液導出ライン１３２ｂと、透析液送液部１３３と、を備える。

透析液送液部１３３は、透析液チャンバ１３３１と、バイパスライン１３３２と、除水／逆ろ過ポンプ１３３３と、を備える。
透析液チャンバ１３３１は、一定容量（例えば、３００ｍｌ〜５００ｍｌ）の透析液を収容可能な硬質の容器で構成され、この容器の内部は軟質の隔膜（ダイアフラム）で区画され、送液収容部１３３１ａ及び排液収容部１３３１ｂに区画される。
バイパスライン１３３２は、透析液導出ライン１３２ｂと透析液排出ライン１３１ｂとを接続する。

除水／逆ろ過ポンプ１３３３は、バイパスライン１３３２に配置される。除水／逆ろ過ポンプ１３３３は、バイパスライン１３３２の内部の透析液を透析液排出ライン１３１ｂ側に流通させる方向（除水方向）及び透析液導出ライン１３２ｂ側に流通させる方向（逆ろ過方向）に送液可能に駆動するポンプにより構成される。

透析液供給ライン１３１ａは、基端側が透析液供給装置（図示せず）に接続され、先端側が透析液チャンバ１３３１に接続される。透析液供給ライン１３１ａは透析液チャンバ１３３１の送液収容部１３３１ａに透析液を供給する。

透析液導入ライン１３２ａは、透析液チャンバ１３３１とダイアライザ１２０の透析液導入口１２３ａとを接続し、透析液チャンバ１３３１の送液収容部１３３１ａに収容された透析液をダイアライザ１２０の透析液側流路に導入する。

透析液導出ライン１３２ｂは、ダイアライザ１２０の透析液導出口１２３ｂと透析液チャンバ１３３１とを接続し、ダイアライザ１２０から排出された透析液を透析液チャンバ１３３１の排液収容部１３３１ｂに導出する。

透析液排出ライン１３１ｂは、基端側が透析液チャンバ１３３１に接続され、排液収容部１３３１ｂに収容された透析液の排液を排出する。

以上の透析液回路１３０によれば、透析液チャンバ１３３１を構成する硬質の容器の内部を軟質の隔膜（ダイアフラム）により区画することで、透析液チャンバ１３３１からの透析液の導出量（送液収容部１３３１ａへの透析液の供給量）と、透析液チャンバ１３３１（排液収容部１３３１ｂ）に回収される排液の量と、を同量にできる。
これにより、除水／逆ろ過ポンプ１３３３を停止させた状態では、ダイアライザ１２０に導入される透析液の流量とダイアライザ１２０から導出される透析液（排液）の量とを同量にできる。

また、除水／逆ろ過ポンプ１３３３を逆ろ過方向に送液するように駆動させた場合には、透析液チャンバ１３３１から排出された排液の一部がバイパスライン１３３２及び透析液導出ライン１３２ｂを通って再び透析液チャンバ１３３１に回収される。そのため、ダイアライザ１２０から導出される透析液の量は、透析液チャンバ１３３１に回収される量（即ち、透析液導入ライン１３２ａを流通する透析液の量）から、バイパスライン１３３２を流通する透析液の量を減じた量となる。これにより、ダイアライザ１２０から導出される透析液の量は、バイパスライン１３３２を通って再び透析液チャンバ１３３１に回収される透析液（排液）の量分だけ、透析液導入ライン１３２ａを流通する透析液の流量よりも少なくなる。即ち、除水／逆ろ過ポンプ１３３３を逆ろ過方向に送液するように駆動させた場合は、ダイアライザ１２０において、血液回路１１０に所定量の透析液が注入（逆ろ過）される。

一方、除水／逆ろ過ポンプ１３３３を除水方向に送液するように駆動させた場合には、透析液導出ライン１３２ｂを流通する透析液の量は、透析液チャンバ１３３１に回収される透析液の量（即ち、透析液導入ライン１３２ａを流通する透析液の量）に、バイパスライン１３３２を流通する透析液の量を加えた量となる。これにより、透析液導出ライン１３２ｂを流通する透析液の量は、バイパスライン１３３２を通って透析液排出ライン１３１ｂに排出される透析液（排液）の量分だけ、透析液導入ライン１３２ａを流通する透析液の量よりも多くなる。即ち、除水／逆ろ過ポンプ１３３３を除水方向に送液するように駆動させた場合は、ダイアライザ１２０において、血液から所定量の除水が行われる。

制御部１４０Ａは、情報処理装置（コンピュータ）により構成され、制御プログラムを実行することにより、血液浄化装置１００Ａの動作を制御する。また、制御部１４０Ａは、超音波測定装置１Ａと接続され、制御部１４０Ａには、測定された流量や気泡の有無の情報が伝達される。
具体的には、制御部１４０Ａは、血液回路１１０及び透析液回路１３０に配置された各種のポンプやクランプ等の動作を制御して、血液浄化装置１００Ａにより行われる各種工程、例えば、プライミング工程、脱血工程、透析工程、急速補液工程、返血工程等を実行する。

各種工程について、簡単に説明する。
プライミング工程では、逆ろ過透析液や生理食塩水等のプライミング液により血液回路１１０及びダイアライザ１２０を洗浄して空気を抜き、清浄化する。図３に示す脱血工程では、患者の血液を吸引して動脈側ライン１１１及び静脈側ライン１１２に血液を充填させる。脱血工程の後、図４に示す血液を浄化すると伴に水分を除去する透析工程が行われる。
透析工程の途中で必要に応じて急速補液工程が行われる。透析工程終了後、図５に示す患者に血液を戻す返血工程が行われる。

以下に、血液浄化装置１００Ａにより行われる各種工程のうち、血液の流量測定や気泡の測定に関わる脱血工程、透析工程及び返血工程について、図３〜図５を参照して詳しく説明する。
血液の流量を測定することにより、脱血工程初期に起きやすい脱血不良や、血栓やチューブの折れ曲がりによる血液回路１１０の閉塞等を監視する。
気泡を測定することにより、血液回路１１０から患者への空気の混入や脱血不良時の微小気泡の発生等を監視する。

図３を参照して脱血工程について説明する。
脱血工程は、プライミング工程終了後、穿刺後に患者側動脈接続部１１１ａ及び患者側静脈接続部１１２ａの両方から患者の血液を吸引して動脈側ライン１１１及び静脈側ライン１１２に血液を充填させる工程である。

脱血工程では、図３に示すように、患者側動脈接続部１１１ａ及び患者側静脈接続部１１２ａは、それぞれ患者の血管に穿刺される針に接続され、排出ライン用クランプ１１４ａは閉状態、静脈側クランプ１１２ｄは開状態である。

透析液チャンバ１３３１に対して不図示の透析液供給装置は５００ｍｌ／ｍｉｎの送液量で透析液を供給及び排出し、除水／逆ろ過ポンプ１３３３を、除水方向に送液するように作動させる。除水／逆ろ過ポンプ１３３３の送給量を１００ｍｌ／ｍｉｎとすることで、ダイアライザ１２０において、１００ｍｌ／ｍｉｎの除水が行われる。
血液ポンプ１１１ｂは４０〜５０ｍｌ／ｍｉｎの低流量で患者側動脈接続部１１１ａ側からダイアライザ１２０側に送液する。本実施形態においては５０ｍｌ／ｍｉｎとする。
ダイアライザ１２０内には、血液導入口１２２ａから５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で逆ろ過透析液、続いて血液が流入し、血液導出口１２２ｂから５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で逆ろ過透析液、続いて血液が流入する。また、逆ろ過透析液は、透析液導出口１２３ｂから導出される。このようにして、ダイアライザ１２０内及び血液回路１１０内は血液で充填される。

次に図４を参照して透析工程について説明する。
透析工程は、脱血工程に続いて約４時間行われ、患者側動脈接続部１１１ａから導入される患者の血液は、動脈側ライン１１１を通ってダイアライザ１２０で浄化され、静脈側ライン１１２を通って患者側静脈接続部１１２ａから患者に戻される。

透析工程では、図４に示すように、患者側動脈接続部１１１ａ及び患者側静脈接続部１１２ａは、それぞれ患者の血管に穿刺される針に接続された状態であり、排出ライン用クランプ１１４ａは閉状態、静脈側クランプ１１２ｄは開状態である。

例えば、ダイアライザ１２０に対して、透析液チャンバ１３３１から５００ｍｌ／ｍｉｎの送液量で透析液を供給し、除水／逆ろ過ポンプ１３３３を除水方向に送液するように作動させる。除水／逆ろ過ポンプ１３３３の送給量を一例として１０ｍｌ／ｍｉｎとすることで、ダイアライザ１２０において、１０ｍｌ／ｍｉｎの除水が行われる。
血液ポンプ１１１ｂは、例えば２００ｍｌ／ｍｉｎで患者側動脈接続部１１１ａ側からダイアライザ１２０側に血液を送出する。
ダイアライザ１２０内には、血液導入口１２２ａから２００ｍｌ／ｍｉｎの流量で血液が流入し、１０ｍｌ／ｍｉｎの流量で除水されて、血液導出口１２２ｂから１９０ｍｌ／ｍｉｎの流量で導出される。また、除水排液は、透析液導出口１２３ｂから導出される。

次に図５を参照して返血工程について説明する。
返血工程は、透析工程が終了後、血液回路１１０内及びダイアライザ１２０内の血液を患者の体内に戻す工程である。

返血工程では、図５に示すように、患者側動脈接続部１１１ａ及び患者側静脈接続部１１２ａは、それぞれ患者の血管に穿刺される針に接続された状態であり、排出ライン用クランプ１１４ａは閉状態、静脈側クランプ１１２ｄは開状態である。

例えば、ダイアライザ１２０に対して、透析液チャンバ１３３１から５００ｍｌ／ｍｉｎの送液量で透析液を供給し、除水／逆ろ過ポンプ１３３３を、逆ろ過方向に送液するように作動させる。除水／逆ろ過ポンプ１３３３の送給量を１００ｍｌ／ｍｉｎとすることで、ダイアライザ１２０において、１００ｍｌ／ｍｉｎの注水が行われる。
血液ポンプ１１１ｂは、例えば、４０〜５０ｍｌ／ｍｉｎの低流量でダイアライザ１２０側から患者側動脈接続部１１１ａ側に送液する。本実施形態においては５０ｍｌ／ｍｉｎとする。
ダイアライザ１２０内に注入された逆ろ過透析液は、それぞれ１００ｍｌ／ｍｉｎの流量で、血液導入口１２２ａ及び血液導出口１２２ｂから流出し、患者側動脈接続部１１１ａ及び患者側静脈接続部１１２ａに向かって流れる。このようにして、ダイアライザ１２０内及び血液回路１１０内の血液が患者の体内に戻される。

次に超音波測定装置１Ａについて、図１を参照して詳細に説明する。
超音波測定装置１Ａは、一対の超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂと、液体の流量及び気泡を測定する測定回路２０Ａと、を備え、血液浄化装置１００Ａが備える血液回路１１０に取り付けられる。

超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂは、それぞれ圧電素子１１と、圧電素子カバー１２とを含んで構成される。超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂは、血液回路１１０を流れる血液や逆ろ過透析液等の液体の流れ方向について所定の距離（例えば１０ｍｍ）をおいて配置される。例えば、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂは、血液回路１１０（チューブ）の外側に接触するように、血液回路１１０を挟んで斜めに対向して取り付けられ、超音波信号を送受可能である。
圧電素子１１の両面には、それぞれ不図示の電極が取り付けられており、圧電素子１１は、入力された電気信号を機械的振動に変換し、また、伝達された機械的振動を電気信号に変換して出力することができる。圧電素子１１は、硬質塩化ビニルやポリカーボネイトにより形成される圧電素子カバー１２の内部に埋め込まれて配置される。圧電素子の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックス、酸化亜鉛等の圧電薄膜、フッ化ビニリデン等の圧電高分子膜等が適用可能である。本実施形態では、圧電素子の材料としてチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。

尚、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂを、血液回路１１０の同じ側に所定の距離を置いて取り付けて、血液回路１１０を構成するチューブの内面で反射した超音波信号を受信する構成としてもよい。

測定回路２０Ａは、送信部２１と、受信部２２と、送受信切替部２３と、流量算出部２４Ａと、気泡検出部２５と、を備え、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂで送受される超音波信号に基づいて液体の流量及び気泡を測定する。
超音波を用いた流量測定方法には、伝搬速度差法（伝搬時間差法、伝搬時間逆数差法）、ドップラー法等、様々な方法があるが、本実施形態においては、伝搬速度差法のうち伝搬時間逆数差法を用いた例について説明する。

送信部２１は、送受信切替部２３を介して超音波送受波器１０Ａ又は１０Ｂの圧電素子１１に接続され、超音波送受波器１０Ａ、１０Ｂに電気信号を送信する。具体的には、送信部２１は、セラミック振動子等を用いて数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚの電気信号を送信可能な発振回路で構成される。
受信部２２は、送受信切替部２３を介して超音波送受波器１０Ａ又は１０Ｂの圧電素子１１に接続され、超音波送受波器１０Ａ、１０Ｂから電気信号を受信し、受信した電気信号を増幅する。具体的には、受信部２２は、受信した微弱な超音波信号による電圧を増幅する増幅回路で構成されている。
送受信切替部２３は、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂの一方を送信部２１に、他方を受信部２２に切り替える。これにより、送受信切替部２３は、超音波送受波器１０Ａから超音波信号を送信して超音波送受波器１０Ｂで受信する時の伝搬時間と、超音波送受波器１０Ｂから超音波信号を送信して超音波送受波器１０Ａで受信する時の伝搬時間とを測定可能としている。

流量算出部２４Ａは、送信部２１により送信された電気信号である送信信号及び受信部２２により受信された電気信号である受信信号に基づいて流量を算出する。流量算出部２４Ａは、送信部２１において送信信号を送信したタイミング及び受信部２２において受信信号を受信したタイミングを測定することにより、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂ間を伝搬する超音波信号の伝搬時間を算出する。

伝搬時間逆数差法を用いた流量Ｑの算出方法について、以下に詳細に説明する。超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂは、液体の流れ方向に対して斜めに超音波信号を送受する。具体的には、超音波信号を送受する方向と液体の流れ方向とがなす角が所定の角度φとなるように血液回路１１０（動脈側ライン）の外側に対向して配置され、交互に超音波信号を送受し、超音波信号の伝搬に要する時間を測定する。

超音波送受波器１０Ａから１０Ｂへ超音波信号が伝搬する時間をＴ_ＡＢ、超音波送受波器１０Ｂから１０Ａへ超音波信号が伝搬する時間をＴ_ＢＡ、超音波信号の伝搬する距離をＬ、音速をＣ、血液回路１１０内の液体の流速をＶとする。
血液回路１１０内に液体が満たされた状態で、実流量がゼロ、即ち流速Ｖがゼロの場合、Ｔ_ＡＢとＴ_ＢＡとは等しく、
Ｔ_ＡＢ＝Ｔ_ＢＡ＝Ｌ／Ｃ ・・・（ａ）
となる。

図１に示すように液体が流速Ｖで超音波送受波器１０Ａ側から超音波送受波器１０Ｂ側へ向かって流れる場合、
Ｔ_ＡＢ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓφ） ・・・（ｂ）
となり、
Ｔ_ＢＡ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓφ） ・・・（ｃ）
となる。これら（ｂ）及び（ｃ）式の関係からそれぞれの伝搬時間Ｔ_ＡＢ、Ｔ_ＢＡの逆数の差を取ると、
１／Ｔ_ＡＢ−１／Ｔ_ＢＡ＝（２Ｖｃｏｓφ）／Ｌ ・・・（ｄ）
となる。（ｄ）式から流速Ｖを求めると、
Ｖ＝Ｌ／（２ｃｏｓφ）×（１／Ｔ_ＡＢ−１／Ｔ_ＢＡ） ・・・（ｅ）
となる。（ｅ）式によれば、超音波信号の伝搬時間を測定することにより、流速Ｖが算出できる。

気泡検出部２５は、受信部２２により受信された受信信号の受信強度に基づいて気泡を検出する。
超音波信号は血液中を伝搬する際に、血液中に存在する気泡で散乱することにより減衰する。よって、血液中に気泡が存在すると受信信号の受信強度は低下する。

次に、気泡量による受信信号の受信強度の違いについて、図６Ａ〜６Ｃを参照して具体的に説明する。

図６Ａは、気泡が存在しない場合における受信信号の波形を示す模式図である。超音波信号は気泡による散乱や減衰が起こらないため、乱れのない波形を示す。

図６Ｂは、血液回路１１０の外部から空気が混入する等して多量の気泡がある場合における受信信号の波形を示す模式図である。例えば、１ｃｃ程度の空気が血液回路１１０に混入した場合、本実施形態の血液回路１１０を構成するチューブの内径が３．５ｍｍであるので、混入した空気はチューブ内で約１０ｃｍの長さとなる。前述したように、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂは、１０ｍｍの距離をおいてチューブに取り付けられるが、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂ間のチューブの内側全体が伝搬抵抗の大きい空気で満たされるため、超音波信号が伝搬することができない。そのため、受信信号の波形は図６Ｂに示すような波形となり、受信強度が所定の閾値よりも低くなるため、受信信号はほぼ測定することができなくなる。よって、空気の混入等により多量の気泡がチューブ内を通過する場合は、流量算出部２４Ａによる流量測定も行うことができない。
このように受信信号が測定できなくなった場合、受信信号が測定できない時間を測定することにより、気泡量を算出することが可能である。また、算出された気泡量を積算して一定量に達した場合には、制御部１４０Ａにより、血液ポンプ１１１ｂを停止、各クランプを閉状態とするように制御することができる。

図６Ｃは、プライミング工程時に残った少量の空気や、脱血不良による微小気泡の発生により、少量の気泡が通過した場合における受信信号の波形を示す模式図である。超音波信号は、少量の気泡により散乱及び減衰するが、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂ間のチューブの内側全体が気泡で満たされるわけではないので、伝搬することが可能である。図６Ｃに示すように、少量の気泡の通過により受信信号の波形は図６Ａに示す波形と比べると乱れており、受信信号の受信強度は一時的に低下するが、受信強度は所定の閾値よりも高いため、受信信号を測定することが可能である。よって、少量の気泡が通過した場合は、流量算出部２４Ａによる流量測定を行うことができる。流量算出部２４Ａにより算出された算出流量が血液ポンプ１１１ｂの設定流量とほぼ同等である場合は、プライミング工程時に残った少量の空気が通過したと考えられ、算出流量が設定流量よりも小さい場合は、脱血不良による微小気泡の発生が考えられる。

以上、説明したように、流量算出部２４Ａで算出された算出流量の結果、及び、気泡検出部２５で測定された気泡の検出結果に基づいて、血液浄化装置１００Ａにおいて治療中に発生した異常について、その内容を判断することができる。
例えば、算出流量が血液ポンプ１１１ｂの設定流量よりも小さい場合、血液回路１１０のいずれかの場所において閉塞や、脱血不良等が考えられる。
そこで、気泡検出部２５により、気泡が検出されない場合には、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂが取り付けられた場所の下流側（本実施形態では、ダイアライザ１２０や静脈側ライン１１２）において、血栓やチューブの折れ曲がり等により血液回路１１０が閉塞している可能性が考えられる。また、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂが取り付けられた場所の上流側では、穿刺針先端の血管外への逸脱や、穿刺針又は血液回路における血液の凝固が生じている可能性が考えられる。また、前述したように気泡検出部２５により、微小気泡が検出される場合には、脱血不良の可能性が考えられる。

血液浄化装置１００Ａは、各種工程中において、流量算出部２４Ａにより算出された算出流量の結果、及び、気泡検出部２５により測定された気泡の測定結果に基づいて、生じた異常の内容を制御部１４０Ａにより判断し、その内容に応じて、血液浄化装置１００Ａの各種ポンプや各種クランプを制御することにより、生じた異常に対して適切な処置を迅速に行うことができる。

以上説明した第１実施形態の超音波測定装置１Ａ及びに血液浄化装置１００Ａよれば、以下のような効果を奏する。

（１）超音波測定装置１Ａを、超音波送受波器１０Ａ、１０Ｂと、測定回路２０Ａと、を備え、測定回路２０Ａが、超音波送受波器１０Ａ、１０Ｂに電気信号を送信する送信部２１と、超音波送受波器１０Ａ、１０Ｂから電気信号を受信する受信部２２と、送信部２１により送信された送信信号及び受信部２２により受信された受信信号に基づいて血液の流量を算出する流量算出部２４Ａと、受信信号の受信強度に基づいて気泡を測定する気泡検出部２５と、を備えるものとした。これにより、流量計及び気泡検出器の２つの測定装置を用いなくとも１つの超音波測定装置１Ａで、血液回路１１０を流れる液体の流量及び気泡を測定することができる。よって、簡易な構成により流量及び気泡を測定できる血液浄化装置１００Ａを実現できる。

（２）気泡検出部２５を、受信強度が所定の閾値よりも低く受信信号が測定できない場合に、受信強度が所定の閾値以下となる時間に基づいて気泡量を算出するものとした。これにより、気泡を検出すると共に、その気泡量も算出することができる。

（３）気泡検出部２５を、受信強度が所定の閾値以上に高く受信信号が測定できる場合に、流量算出部２４Ａにより算出された算出流量、血液ポンプ１１１ｂの所定の設定流量、及び、受信強度に基づいて、微小気泡の有無を検出するものとした。これにより、検出した気泡が微小気泡であるかプライミング工程時に残った少量の空気であるかを判断して検出することができる。

（４）血液回路１１０を、血液処理器（ダイアライザ）１２０に導入される血液を流すための動脈側ライン１１１と、血液処理器（ダイアライザ）１２０から導出される血液を流すための静脈側ライン１１２と、を含んで構成し、超音波送受波器１０Ａ、１０Ｂは、動脈側ライン１１１に取り付けるものとした。これにより、測定部位における血液の流量は、血液処理器（ダイアライザ）１２０による除水や注水（補充液、補液）の影響を受けにくく、除水や注水を計算することが不要となり、流量の測定誤差を小さくできる。

（５）超音波測定装置１Ａを、血液回路１１０を流れる液体の流れ方向に所定の距離をおいて配置される一対の超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂを備えるものとし、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂは、液体の流れ方向に対して斜めに超音波信号を送受するものとした。これにより、測線が１本の簡易な構成で液体の流量を測定することができ、測線が複数本の構成に比べて製造コストを小さくすることができる。

（６）流量算出部２４Ａを、一対の超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂ間でそれぞれ送受される超音波信号の血液中における伝搬時間をそれぞれ測定し、伝搬時間逆数差法により血液流量を算出するものとした。

（７）血液回路１１０（動脈側ライン１１１）が、超音波測定装置１Ａが取り付けられる部位において、液体の流れ方向が略鉛直となるように保持されるものとした。これにより、血液回路１１０内の気泡が滞留しないようにできるため、気泡が液体の流量の測定に与える影響を小さくできる。

（８）血液回路１１０（動脈側ライン１１１）が、超音波測定装置１Ａが取り付けられる部位において、液体の流れ方向における上流側を下部に、下流側を上部になるように配置するものとした。これにより、流量測定部位における血液回路１１０内の気泡が速やかに上昇できるため、気泡が液体の流量の測定に与える影響を小さくできる。

（９）血液浄化装置１００Ａを、流量算出部２４Ａにより算出された算出流量の結果及び気泡検出部２５による気泡の検出結果に基づいて、血液ポンプ１１１ｂの設定流量を制御する制御部を更に備えるものとした。これにより、血液浄化装置１００Ａは、各種工程中において生じた異常の内容を制御部１４０Ａにより判断し、その内容に応じて、血液浄化装置１００Ａの血液ポンプ１１１ｂを制御することにより、生じた異常に対して適切な処置を迅速に行いながら治療することが可能である。

＜第２実施形態＞
次に、図７を参照しながら第２実施形態について説明する。
図７は、本発明の第２実施形態に係る血液浄化装置１００Ｂ及び該装置に用いられる超音波測定装置１Ｂの構成を示す説明図である。第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。第２実施形態においては、血液浄化装置が報知手段を備え、超音波測定装置の測定回路が血液浄化装置の制御基板に組み込まれている点で第１実施形態と異なる。

図７に示すように、血液浄化装置１００Ｂは、血液回路１１０と、血液処理器としてのダイアライザ１２０と、透析液回路１３０と、制御部１４０Ｂと、報知手段１５０と、制御基板１６０と、超音波測定装置１Ｂと、を備える。
血液浄化装置１００Ｂにおいて実施される各工程は、第１実施形態の場合と同様であるので、説明を省略する。

超音波測定装置１Ｂは、血液回路１１０に取り付けられる一対の超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂと、液体の流量及び気泡を測定する測定回路２０Ｂと、を備える。

超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂは、それぞれ圧電素子１１と、圧電素子カバー１２とを含んで構成される。超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂは、血液回路１１０を流れる液体の流れ方向について所定の距離をおいて配置される。

測定回路２０Ｂは、送信部２１と、受信部２２と、送受信切替部２３と、流量算出部２４Ｂと、気泡検出部２５と、を備え、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂで送受される超音波信号に基づいて液体の流量及び気泡を測定する。

流量算出部２４Ｂは、送信部２１により送信された電気信号である送信信号及び受信部２２により受信された電気信号である受信信号に基づいて流量を算出する。流量算出部２４Ｂは、送信部２１において送信信号を送信したタイミング及び受信部２２において受信信号を受信したタイミングを測定することにより、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂ間を伝搬する超音波信号の伝搬時間を算出する。

本実施形態においては、第１実施形態で用いた伝搬時間逆数差法とは異なる伝搬時間差法を用いて以下のように流量Ｑを算出する。超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂは、液体の流れ方向に対して斜めに超音波信号を送受する。具体的には、超音波信号を送受する方向と液体の流れ方向とがなす角が所定の角度φとなるように血液回路１１０の外側に対向して配置され、交互に超音波信号を送受し、超音波信号の伝搬に要する時間を測定する。

超音波送受波器１０Ａから１０Ｂへ超音波信号が伝搬する時間をＴ_ＡＢ、超音波送受波器１０Ｂから１０Ａへ超音波信号が伝搬する時間をＴ_ＢＡ、超音波信号の伝搬する距離をＬ、音速をＣ、血液回路１１０内の液体の流速をＶとする。
血液回路１１０内に液体が満たされた状態で、実流量がゼロ、即ち流速Ｖがゼロの場合、Ｔ_ＡＢとＴ_ＢＡとは等しく、
Ｔ_ＡＢ＝Ｔ_ＢＡ＝Ｌ／Ｃ ・・・（ａ）
となる。

図７に示すように液体が流速Ｖで超音波送受波器１０Ａ側から超音波送受波器１０Ｂ側へ向かって流れる場合、
Ｔ_ＡＢ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓφ） ・・・（ｂ）
となり、
Ｔ_ＢＡ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓφ） ・・・（ｃ）
となる。これら（ｂ）及び（ｃ）式の関係からそれぞれの伝搬時間Ｔ_ＡＢ、Ｔ_ＢＡの差を取ると、流速Ｖの２乗は音速Ｃの２乗に比べて十分小さいので近似して、
Ｔ_ＡＢ−Ｔ_ＢＡ＝（２ＬＶｃｏｓφ）／（Ｃ^２−Ｖ^２ｃｏｓ^２φ）
≒（２ＬＶｃｏｓφ）／Ｃ^２ ・・・（ｄ）’
となる。（ｄ）’式から流速Ｖを求めると、
Ｖ＝Ｃ^２／（２Ｌｃｏｓφ）×（Ｔ_ＢＡ−Ｔ_ＡＢ） ・・・（ｅ）’
となる。（ｅ）’式によれば、超音波信号の伝搬時間を測定することにより、流速Ｖが算出できる。

（ｅ）’式において、流速Ｖに血液回路１１０を構成するチューブの断面積Ａを乗じて流量Ｑを算出することができる。
Ｑ＝Ｖ×Ａ ・・・（ｆ）

制御部１４０Ｂは、情報処理装置（コンピュータ）により構成され、制御プログラムを実行することにより、血液浄化装置１００Ｂ及び超音波測定装置１Ｂの動作を制御する。
具体的には、制御部１４０Ｂは、血液回路１１０及び透析液回路１３０に配置された各種のポンプやクランプ等の動作を制御して、血液浄化装置１００Ｂにより行われる各種工程、例えば、プライミング工程、脱血工程、透析工程、急速補液工程、返血工程等を実行する。
また、制御部１４０Ｂは、各種工程中において、流量算出部２４Ｂにより算出された算出流量の結果、及び、気泡検出部２５により測定された気泡の測定結果に基づいて、生じた異常の内容を判断し、その内容に応じて、血液浄化装置１００Ｂの各種ポンプや各種クランプを制御するよう制御し、また、後述の報知手段１５０が作動するように制御する。

報知手段１５０は、制御部１４０Ｂにより流量算出部２４Ｂによる算出流量の結果及び気泡検出部２５による気泡の検出結果に基づいて異常があると判断された場合に作動して、医療従事者に異常を知らせる。

制御基板１６０は、血液浄化装置１００Ｂの本体内部に組み込まれており、この制御基板１６０には、測定回路２０Ｂ及び制御部１４０Ｂを構成する回路が実装される。従って、測定回路２０Ｂが備える流量算出部２４Ｂ及び気泡検出部２５との信号の送受信を同一基板上で行うことができる。

以上説明した第２実施形態の超音波測定装置１Ｂ及び血液浄化装置１００Ｂよれば、上述の効果（１）〜（５）及び（７）〜（９）に加えて、以下のような効果を奏する。

（１０）体外循環装置１００Ｂを、異常を報知する報知手段１５０を更に備えるものとし、制御部１４０Ｂは、流量算出部２４Ｂによる算出流量の結果及び気泡検出部２５による気泡の検出結果に基づいて異常があると判断した場合に、報知手段１５０が作動するように制御するものとした。これにより、脱血不良、空気混入等の異常が生じた場合に速やかに医療従事者に報知することができる。

（１１）血液浄化装置１００Ｂが備える制御基板１６０は、血液浄化装置１００Ｂの本体内部に組み込まれており、測定回路２０Ｂ及び制御部１４０Ｂを構成する回路が実装されるものとした。これにより、測定回路２０Ｂが備える流量算出部２４Ｂ及び気泡検出部２５との信号の送受信を同一基板上で行うことができるので、測定回路２０Ｂ及び制御部１４０Ｂ間における情報の伝達の遅延を減少させることができる。よって、制御部１４０Ｂが脱血不良や空気混入等の異常があると判断した場合に、血液ポンプ１１１ｂの設定流量を変更する制御、また、報知手段１５０を作動させる等の制御を速やかに行うことができる。また、同一基板上に回路をまとめて実装することで、製造コストを低減させることができる。

以上、本発明の超音波測定装置及び血液浄化装置の好ましい各実施形態及び各実施例について説明したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、上述の実施形態では、体外循環装置の一例として血液透析（ＨＤ）を行う血液浄化装置を用いて説明したが、血液ろ過（ＨＦ）、血液ろ過透析（ＨＤＦ）等の血液透析療法、血漿交換療法や血液吸着療法等を行う血液浄化装置にも適用可能である。また、人工心肺装置等の体外循環装置にも適用可能である。

また、超音波測定装置における流量の算出方法について、一例として第１実施形態では伝搬時間逆数差法を、第２実施形態では伝搬時間差法を示したが、シングアラウンド法、ドップラー法等の周知の算出方法を用いることができる。

また、超音波測定装置の血液回路への配置方法について、第１実施形態及び第２実施形態では一対の超音波送受波器を斜めに対向させて配置させて取り付ける例を示したがこれに限らない。例えば、一対の超音波送受波器を同じ側に配置させて取り付けてもよいし、２対の超音波送受波器をそれぞれ斜めに対向させて取り付けてもよいし、超音波信号の送受を１つの超音波送受波器を用いて行う構成でもよい。

また、上述した実施形態では、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂを、血液回路１１０（チューブ）の外側に接触するように、血液回路１１０を挟んで斜めに対向して取り付けたが、これに限らない。即ち、図８に示すように、コの字型形状に形成された樹脂製のパイプにより測定部位を構成し、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂを血液の流路線上に配置して、超音波を血液の流れ方向に対して上下流に送受信させてもよい。

１Ａ、１Ｂ 超音波測定装置
１０Ａ、１０Ｂ 超音波送受波器
２０Ａ、２０Ｂ 測定回路
２１ 送信部
２２ 受信部
２３ 送受信切替部
２４Ａ、２４Ｂ 流量算出部
２５ 濃度算出部
２６ 記憶部
１００Ａ、Ｂ 体外循環装置（血液浄化装置）
１１０ 血液回路
１１１ 動脈側ライン
１１１ｂ 血液ポンプ
１１２ 静脈側ライン
１２０ 血液処理器（ダイアライザ）
１３０ 透析液回路
１４０Ａ、１４０Ｂ 制御部
１５０ 報知手段
１６０ 制御基板

Claims (8)

1. 血液を循環させるための血液回路と、該血液回路に所定の設定流量で血液を流すための血液ポンプと、を備え、血液を体外循環させる体外循環装置に用いられる超音波測定装置であって、
   前記血液回路に取り付けられ、電気信号と超音波信号とを変換して超音波信号を送受する超音波送受波器と、
   前記超音波送受波器で送受される超音波信号に基づいて前記血液回路を流れる液体の流量及び気泡を測定可能な測定回路と、を備え、
   前記測定回路は、
   前記超音波送受波器に電気信号を送信する送信部と、
   前記超音波送受波器から電気信号を受信する受信部と、
   前記送信部で送信された送信信号及び前記受信部で受信された受信信号に基づいて流量を算出する流量算出部と、
   前記受信信号の受信強度に基づいて気泡を検出する気泡検出部と、
   を備え、
   前記気泡検出部は、前記受信強度が所定の閾値以上に高く前記受信信号が測定できる場合に、前記流量算出部により算出された算出流量と前記血液ポンプの前記所定の設定流量との差に基づいて、微小気泡の有無を検出する超音波測定装置。
2. 前記気泡検出部は、前記受信強度が所定の閾値よりも低く前記受信信号が測定できない場合に、前記受信強度が所定の閾値以下となる時間に基づいて気泡量を算出する請求項１に記載の超音波測定装置。
3. 前記血液回路は、血液処理器に導入される血液を流すための動脈側ラインと、前記血液処理器から導出される血液を流すための静脈側ラインと、を含んで構成され、
   前記超音波送受波器は、前記動脈側ラインに取り付けられる請求項１又は２に記載の超音波測定装置。
4. 前記超音波測定装置は、前記血液回路を流れる液体の流れ方向に所定の距離をおいて配置される少なくとも一対の前記超音波送受波器を備え、
   前記超音波送受波器は、液体の流れ方向に対して斜めに超音波信号を送受する請求項１〜３のいずれかに記載の超音波測定装置。
5. 前記流量算出部は、前記一対の超音波送受波器の間でそれぞれ送受される超音波信号の血液中における伝搬時間をそれぞれ測定し、伝搬時間逆数差法により血液流量を算出する請求項４に記載の超音波測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の超音波測定装置と、
   血液を循環させるための血液回路と、
   前記血液回路に血液を流すための血液ポンプと、
   を備え、血液を体外循環させる体外循環装置。
7. 前記流量算出部による算出流量の結果及び前記気泡検出部による気泡の検出結果に基づいて、前記血液ポンプの設定流量を制御する制御部を更に備える請求項６に記載の体外循環装置。
8. 異常を報知する報知手段を更に備え、
   前記制御部は、前記流量算出部による算出流量の結果及び前記気泡検出部による気泡の検出結果に基づいて異常があると判断した場合に、前記報知手段が作動するように制御する請求項７に記載の体外循環装置。

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