JP7357343B2

JP7357343B2 - 血液浄化装置

Info

Publication number: JP7357343B2
Application number: JP2019158322A
Authority: JP
Inventors: 隆志山根; 正浩西田; 亮小阪
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2023-10-06
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: JP2021036934A

Description

本発明は、血液浄化装置に関し、詳しくは、血液フィルターの目詰まり等、体外循環回路の血流異常を検出する技術に関する。

従来、患者の体内から血液を取り出し、この血液から老廃物などを除去して体内に戻す、血液浄化療法が知られている。

このような血液浄化療法として、特許文献１のように、体内から血液を取り出すためのしごき型の血液ポンプであるローラーポンプと、体内の血管から取り出した血液を循環させて体内の血管に戻す体外循環回路と、老廃物などを除去するための血液フィルターとを備え、これらを用いて血液浄化を行う血液浄化装置が開示されている。

特開２０１７－１２６４８号公報

ところで、特許文献１のようにローラーポンプを用いた構成では、血流が不十分なときに体内の血管が潰れて吸引圧が際限なく上昇する問題がおきる。これに対して、遠心ポンプでは吸引圧が既定値を超えることはないため、上記の問題は生じない。一方、遠心ポンプを用いた血液循環回路では、例えば、フィルターに目詰まりが生じた場合に、フィルターの前後での圧力変化を観察しても、遠心ポンプの回転数が変化するとその影響によって上記圧力変化はフィルターの目詰まりに対応した値を示さない場合がある。

本発明は、遠心ポンプを用いた血液循環回路における血液フィルターの目詰まり等、体外循環回路の血流異常を、精度よく検出することが可能な血液浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態では、血液を循環させる血液回路と、血液回路上に配置され、血液を浄化するための血液フィルターと、血液フィルターよりも上流に配置され、血液フィルターに血液を送るための遠心ポンプと、遠心ポンプの回転数を取得する回転数取得手段と、血液フィルターの上流の流量を取得する流量取得手段と、を備え、遠心ポンプの回転数と流量とから血液回路の抵抗値を算出することを特徴とする。

本発明の一形態によれば、遠心ポンプを用いた体外循環回路における、血液フィルターの目詰まり等、体外循環回路の血流異常を精度よく検出することができる。

本発明の一実施形態に係る血液浄化装置の概略図である。本発明の一実施形態に係る血液浄化装置の体外循環回路における圧力損失と流量との関係図である。本発明の一実施形態に係る血液浄化装置の遠心ポンプにおける発生圧と流量との関係図である。本発明の一実施形態に係る血液浄化装置の体外循環回路の血流量の実測値、遠心ポンプの回転数の実測値、および体外循環回路の回路抵抗比の関係図である。本発明の一実施形態に係る血液浄化装置のポンプ揚程と圧力損失との関係図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳しく説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る血液浄化装置の概略図である。血液浄化装置は、患者とそれぞれ穿刺針を介して接続される脱血端と送血端との間に構成される体外循環回路１１（血液回路）によって血液循環を行う。すなわち、血液浄化装置は患者の生体内血液路と体外の血液路とからなる血液循環回路を備え、そのうち、体外循環回路１１は体外部分を構成するものである。体外循環回路１１は、回路要素として脱血端から順に、流量計１２、血液を移送する遠心ポンプ１３、および血液を浄化するための血液フィルター１４、を備えるとともに、脱血端と流量計１２を介して遠心ポンプ１３との間の脱血チューブ１１ａ、遠心ポンプ１３と血液フィルター１４との間のチューブ１１ｂ、血液フィルター１４と送血端との間の送血チューブ１１ｃによって接続して構成される。また、血液浄化装置１０は、体外循環回路１１において後述されるようにして得られる、血流の抵抗値を表示する抵抗表示器１６と、流量計１２と遠心ポンプ１３との間の圧力を計測する圧力計Ｐ１と、遠心ポンプ１３と血液フィルター１４との間の圧力を計測する圧力計Ｐ２と、求めた抵抗値が所定値以上のときに警報を発する警報器（不図示）と、を備えている。さらに、血液フィルター１４で除去された成分を含む濾液を排出するための濾液容器１５と血液フィルター１４を連結している。

体外循環回路１１は、上述したように、軟質の生体適合性材料を素材とする内部中空のチューブを備える。このチューブは、脱血端の接続を介した患者の動脈から血液フィルター１４へ血液を移送するための脱血チューブ１１ａと、遠心ポンプ１３から血液フィルター１４へと送られるチューブ１１ｂと、血液フィルター１４によって浄化された血液を、送血端接続を介した患者の静脈へ移送するための送血チューブ１１ｃに分けられる。動脈側の脱血チューブ１１ａ及び静脈側の送血チューブ１１ｃには、それぞれの先端にコネクタが接続されており、当該コネクタを介して動脈側穿刺針及び静脈側穿刺針（不図示）が接続可能とされている。なお、動脈側穿刺針および静脈側穿刺針を患者の血管に穿刺する形態に代えて、ダブルルーメンカテーテルを患者に穿刺する形態にしてもよい。

流量計１２は、脱血チューブ１１ａに配置され、患者の動脈側から脱血した血液の流量を計測する。また、流量計１２は、脱血した血液の流量が計測できればよく、従来の血液浄化装置において使用されるものであればよい。このような流量計としては、例えば、超音波流量計や電磁流量計などが使用される。

遠心ポンプ１３は、体外循環回路１１を介して血液を循環させるために用いられ、脱血チューブ１１ａおよび流量計１２よりも下流側に配置されている。遠心ポンプ１３は、遠心ポンプ１３に流入してきた血液を、内部にあるインペラを駆動させることで流出口から吐出し、送り出すポンプである。また、遠心ポンプ１３の回転数を取得する回転数取得手段として、電磁式や光電式などの計測器である回転計を用いてもよい。これにより、遠心ポンプの回転数を計測することができる。さらに、遠心ポンプ１３の回転数を取得する回転数取得手段として、回転計による計測値としたが、これに限らず、遠心ポンプ１３を回転されるための回転数指令信号であり、回転数指令信号によって送信される値を回転数としてもよい。

圧力計Ｐ１、Ｐ２は、血液浄化装置において、圧力計Ｐ１、Ｐ２の設置場所は、図１に示すように、一方は流量計１２と遠心ポンプ１３の流入側との間と、もう一方は遠心ポンプ１３の流出側と血液フィルター１４との間である。また、圧力計は、従来使用されているものであればどのようなものでも採用することができる。

血液フィルター１４は、脱血された血液を浄化するためのフィルターであり、例えば、濾過フィルターやダイアライザなどを用いる。血液フィルター１４は、遠心ポンプ１３によって吐出された血液を浄化するものである。また、血液フィルター１４は、血液と透析液の間に半透膜を介して、尿素、電解質などを除去するものである。血液を浄化することによって、血液フィルター１４が目詰まりすることがあり、その原因としては、血中蛋白等があげられる。そして、血液フィルター１４によって浄化された血液は、送血チューブ１１ｃを通って患者の体内に戻るようになっている。

濾液容器１５は、血液フィルター１４において、血液中の尿素、電解質など濾過したものを含む、排出された濾液を貯蔵する容器である。

抵抗表示器１６は、体外循環回路１１の抵抗値を表示するものであり、例えば、体外循環回路１１の抵抗値の初期値と時間経過とともに変化する抵抗値の比をとったものを表示するようにしてもよい。これにより、使用者は、検出された血液フィルター１４の詰まりを把握することができる。

警報器は、体外循環回路１１において、求めた抵抗値が所定値以上に上昇したときに、作動して警報を発して患者や医療従事者に知らせるものである。これにより、異常を知ることができ、血液フィルターの交換など迅速に対応することができる。

このように、血液浄化装置１０は、遠心ポンプ１３によって、脱血チューブ１１ａを介して患者の体内から血液が取り出され、チューブ１１ｂを通り血液フィルター１４に導入される。血液フィルター１４によって血液が濾過されてから、送血チューブ１１ｃを通って患者の体内に浄化された血液が戻される。

本発明の実施形態は、以上説明した血液浄化装置１０の体外循環回路１１における流量と遠心ポンプ１３の回転数を用いて、体外循環回路１１の抵抗値を求める。

体外循環回路１１における圧力損失Ｐ_-は、以下の式１で表すことができる。
Ｐ_- ＝Ｒ²・Ｑ² ・・・（式１）

ここで、Ｐ_-は体外循環回路１１の圧力損失、Ｑは体外循環回路の流量、Ｒは体外循環回路１１の抵抗である。図２は、圧力損失Ｐ_-と流量Ｑとの関係を、抵抗Ｒをパラメータとして表したグラフである。同図において、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３の関係を有しており、このことから、抵抗Ｒが大きいほど、流量Ｑの変化に対する圧力損失Ｐ_-の変化が大きくなる。

一方、血液を移送するためのエネルギーを付与する遠心ポンプ１３の圧力上昇Ｐ₊は、低流量の範囲では血液流量や血液粘度によらず以下の式２により近似算出される。
Ｐ₊ ＝ａ²・Ｎ² ・・・（式２）

ここで、Ｐ₊は遠心ポンプ１３を駆動することによる血液の圧力上昇、Ｎは遠心ポンプ１３を駆動する際の回転数である。上記式２における係数ａ²は、一例として、次のようにして求めることができる。複数の遠心ポンプの回転数Ｎについて、それぞれの回転数のときの圧力上昇Ｐ₊を測定する。そして、得られる複数の回転数と圧力上昇の組み合わせに対して回帰分析を行うことにより、回帰直線の傾きａ²を求める。なお、係数を二乗の形で表しているのは、回転数Ｎが二乗の形で表されていることに合わせたからである。なお、上記式２は、遠心ポンプ１３の回転数Ｎが、設計流量の２倍以内程度の流量のときに成り立つ。図３は、遠心ポンプ１３による圧力上昇（発生圧）Ｐ₊と流量Ｑとの関係を、遠心ポンプ１３の回転数をパラメータとして示すグラフである。同図に示すように、どの回転数でも流量Ｑが多くなるほど発生圧Ｐ₊が小さくなる関係にある。そして、遠心ポンプの回転数Ｎが多いほど発生圧Ｐ₊が高くなる。遠心ポンプ１３の発生圧Ｐ₊は、圧力計Ｐ１、Ｐ２の差として測定することができる。

ここで、本実施形態の血液浄化装置１０が、患者の例えば腕における互いに近傍の動脈と静脈にそれぞれ脱血端と送血端が接続する場合、脱血端と送血端の圧力差はほぼ一定であり、それによって、体外循環回路１１の血流が定常流であるときに、圧力損失Ｐ_-と圧力上昇Ｐ₊は等しくなり、以下の式３が成り立つ。
Ｒ²・Ｑ² ＝ａ²・Ｎ² ・・・（式３）

そして、式３から体外循環回路１１の抵抗Ｒは、下式４で表すことができる。
Ｒ＝ａ・Ｎ／Ｑ・・・（式４）

このように、体外循環回路１１における血流の抵抗Ｒは、遠心ポンプ１３の回転数Ｎとそのときの流量Ｑによって求めることができる。これにより、遠心ポンプを用いた血液循環回路における、血液フィルターの目詰まり等、体外循環回路の血流異常を精度よく検出することが可能となる。本実施形態の血液浄化装置１０では、抵抗表示器１６に上記式４のＮ／Ｑの値を表示する。そして、操作者はこの表示される値を見ることによって、血液フィルター１４の目詰まりを検出することが可能となる。さらに具体的には、血液浄化の開始時の抵抗値と、時間と共に変化する抵抗値との比をとった値を抵抗表示器１６に表示する。すなわち、開始時は比が１で、時間の経過と共に大きい値に推移して行く。この値が所定の閾値を超えたとき、血液フィルター１４に目詰まりが生じていることを検出することができる。

図４は、流量Ｑと時間、回転数Ｎと時間、回路抵抗比と時間、との関係を、それぞれ表したグラフである。図４（ａ）は、体外循環回路１１の流量Ｑの変化を示したグラフであり、縦軸は体外循環回路１１の流量（ｍｌ／分）を、横軸は経過時間（時間）を表している。図４（ｂ）は、遠心ポンプ１３の回転数の変化を示したグラフであり、縦軸は遠心ポンプ１３の回転数（ｒｐｍ）を、横軸は経過時間（時間）を表している。図４（ｃ）は、体外循環回路１１の回路抵抗比の変化を示したグラフであり、縦軸は体外循環回路１１の回路抵抗比を、横軸は経過時間（時間）を表している。血液浄化が開始時は、流量Ｑは１００ｍｌ／分、遠心ポンプの回転数Ｎは２０００ｒｐｍ、体外循環回路の抵抗比は１である。血液浄化開始から２４時間を過ぎると、流量Ｑが１００ｍｌ／分から低下している（図４（ａ）のＡ点）。そのとき、図４（ｃ）を参照すると、抵抗比もわずかに１から上昇し始めていることから、血液フィルター１４は若干の目詰まりしていることが検出される。ここで、遠心ポンプの回転数を２０００ｒｐｍから３０００ｒｐｍに上げると、流量も一時的に１００ｍｌ／分を超えているが、しばらくすると、流量は１００ｍｌ／分に安定する。このとき、体外循環回路の抵抗比は徐々に上昇している。さらに、時間が経過すると、図４（ａ）のＢ点を参照すると、流量の低下とともに、抵抗比も２付近にまで上昇している。遠心ポンプ１３の回転数は変化していないことから、血液フィルター１４の目詰まりしていることが検出される。

このように、本発明は、体外循環回路の流量と遠心ポンプの回転数から血液フィルター１４の目詰まり、すなわち体外循環回路の抵抗値を検出することができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について説明する。なお、実施形態の基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

本発明の第１実施形態では、血液浄化装置１０における流量を取得するために流量計を用いて計測し、それに基づいて、血液フィルターの目詰まり、すなわち体外循環回路の抵抗Ｒおよび抵抗比を検出していた。しかし、第２実施形態では、流量計を用いずに遠心ポンプの電気入力と遠心ポンプの流体出力とから体外循環回路１１の流量を求める。すなわち、流量取得手段は、遠心ポンプの電力と、遠心ポンプの流体出力とから流量Ｑを求める。具体的には、遠心ポンプ１３の電気入力と遠心ポンプ１３の軸摩擦損との差が、遠心ポンプの流体出力と等しいことから下式５が成り立つ。
Ｖ・Ｉ－ｗ＝Ｐ・Ｑ・・・（式５）
ここで、遠心ポンプの電気入力はＶ・Ｉであり、Ｖは遠心ポンプの電圧、Ｉは遠心ポンプの電流、ｗは遠心ポンプの軸摩擦損、Ｐは遠心ポンプの圧力、Ｑは流量である。

そして、式５から流量Ｑは、下式６で表すことができる。
Ｑ＝（Ｖ・Ｉ－ｗ）／（ａ²・Ｎ²）・・・（式６）

このように、体外循環回路１１における血流の流量Ｑは、遠心ポンプの電気入力Ｖ・Ｉとそのときの遠心ポンプの回転数Ｎと実験的に求められる定数ａによって求めることができる。そして、体外循環回路１１における血流の抵抗Ｒは、上記式６で求めた流量Ｑを第１実施形態の式４によって求めることができる。これにより、遠心ポンプを用いた血液循環回路における、血液フィルター１４の目詰まり等、体外循環回路の血流異常を精度よく検出することが可能となる。

（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態について説明する。なお、実施形態の基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

本発明の第１実施形態では、血液浄化装置１０における流量を計測するために流量計を用いて計測し、それに基づいて、血液フィルターの目詰まり、すなわち体外循環回路の抵抗Ｒおよび抵抗比を検出していた。また、第２実施形態では、血液浄化装置１０の流量Ｑは、遠心ポンプの電力と遠心ポンプの流体出力から求めていた。しかし、第３実施形態では、体外循環回路１１の流量Ｑは、体外循環回路１１内に設けられた圧力計Ｐ１、Ｐ２の圧力差から求める。

流量計測手段は、遠心ポンプの上流の圧力と遠心ポンプの下流から血液フィルター間の圧力との差から遠心ポンプのポンプ特性を介して算出される。具体的には、体外循環回路１１の流量Ｑは、脱血チューブ１１ａにおける圧力と、遠心ポンプ１３の流出側と血液フィルター１４との間との圧力差ΔＰから図３の遠心ポンプ１３の特性を介して求める。遠心ポンプ１３には、遠心ポンプ１３の回転数Ｎと流量Ｑが定まると、ポンプ圧力上昇が一意的に定まる特性がある。つまり、遠心ポンプ１３における圧力差ΔＰは、遠心ポンプの回転数Ｎと流量Ｑの関数となる特性があり、図３の曲線において、回転数Ｎについて求めると、下式７が成り立つ。
ΔＰ／Ｎ² ＝Ｆ（Ｑ／Ｎ）・・・（式７）

このとき、式７の逆関数Ｇについて求めると、下式８で表すことができる。
Ｑ／Ｎ＝Ｇ（ΔＰ／Ｎ²）・・・（式８）

ここで、遠心ポンプの回転数Ｎが変化したとしても、体外循環回路１１における流量Ｑは、回転数Ｎおよび圧力差ΔＰから求められる。また、図５は、血液浄化装置のポンプ揚程と圧力損失との関係図であり、縦軸はΔＰ／Ｎ²を、横軸はＱ／Ｎを表している。すなわち、図３の曲線である回路圧損と遠心ポンプのポンプ揚程を表し、これらの交点からＱ／Ｎの値を求めることができ、適宜、図５の体外循環回路における流量Ｑを求めることができる。そして、体外循環回路１１における血流の抵抗Ｒは、上記式８と図５で求めた流量Ｑを第１実施形態の式４によって求める。すなわち、遠心ポンプ１３の回転数と、体外循環回路１１における遠心ポンプ１３の前後の圧力差とから流量Ｑを算出することにより、第１実施形態の式４から体外循環回路１１の抵抗Ｒを算出することができる。

以上のように、本実施形態では、血液浄化装置１０において、体外循環回路１１を循環する血液の流量Ｑと、遠心ポンプ１３の回転数Ｎとを用いて体外循環回路１１の抵抗Ｒを求める。これにより、通常の血液フィルターの目詰まりだけでなく、突発的な血液フィルターの目詰まりや体外循環回路の血流異常を精度よく検出し、対応することができる。

１０血液浄化装置
１１体外循環回路
１１ａ脱血チューブ
１１ｂ送血チューブ
１２流量計
１３遠心ポンプ
１４血液フィルター
１５濾液容器
１６抵抗表示器

Claims

血液を循環させる血液回路と、
前記血液回路上に配置され、血液を浄化するための血液フィルターと、
前記血液フィルターよりも上流に配置され、前記血液フィルターに血液を送るための遠心ポンプと、
前記遠心ポンプの回転数を取得する回転数取得手段と、
前記血液フィルターの上流の流量を取得する流量取得手段と、
前記遠心ポンプの上流の圧力を計測する第１の圧力計と、
前記遠心ポンプの下流から前記血液フィルター間の圧力を計測する第２の圧力計と、を備え、
前記遠心ポンプの回転数と前記流量とから前記血液回路の抵抗値を算出し、
前記血液回路を循環する前記血液の流れが定常流であることを特徴とする血液浄化装置。
前記回転数取得手段は、前記遠心ポンプの回転数を計測する回転計であり、前記回転数は、前記回転計によって計測された値であることを特徴とする請求項１に記載の血液浄化装置。
前記回転数取得手段は、前記遠心ポンプを回転させるための回転数指令信号であり、前記回転数は、前記回転数指令信号によって送信される値であることを特徴とする請求項１に記載の血液浄化装置。
前記流量取得手段は、前記流量を計測する流量計であり、前記流量は、前記流量計によって計測された値であることを特徴とする請求項２または３に記載の血液浄化装置。
前記流量取得手段は、前記遠心ポンプの電圧値と前記遠心ポンプの電流値との積から前記遠心ポンプの軸摩擦損率との差を、前記遠心ポンプの上流の圧力と前記遠心ポンプの下流から前記血液フィルター間の圧力との差から除して算出することを特徴とする請求項２または３に記載の血液浄化装置。
前記流量取得手段は、前記第１の圧力計による計測値と前記第２の圧力計による計測値との差から前記遠心ポンプのポンプ特性を介して算出することを特徴とする請求項２または３に記載の血液浄化装置。
前記血液回路の抵抗値を表示する抵抗表示器をさらに備え、前記抵抗表示器は、前記遠心ポンプの検出回転数を前記流量で除した値と、前記遠心ポンプの回転数の初期値を前記流量の初期値で除した値との比を抵抗値として表示することを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の血液浄化装置。
前記抵抗値に応じて警報を発する警報器をさらに備え、前記警報器は、前記抵抗値が所定値以上に上昇するときに作動することを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の血液浄化装置。