WO2013132923A1

WO2013132923A1 - 送血流量制御装置および体外循環装置

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Publication number: WO2013132923A1
Application number: PCT/JP2013/051906
Authority: WO
Inventors: 二宮　伸治; 末田　泰二郎; 達也黒崎; 雅彰工藤; 直哉岡村
Original assignee: 国立大学法人広島大学; 学校法人常翔学園
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2013-09-12
Also published as: EP2823833A4; JP5962894B2; US9381287B2; US20150045712A1; JP2013184011A; EP2823833A1; EP2823833B1

Abstract

　送血流量制御装置（２）は、生体（１０）に接続される体外循環装置の送血流量を制御する装置であり、体外循環装置の遠心ポンプ（４０）の回転数を検出する回転数検出手段と、遠心ポンプ（４０）の入口圧力及び出口圧力をそれぞれ検出する入口圧力検出手段及び出口圧力検出手段と、血液循環回路（２０）の流路の断面積を調節して生体に送る血液の流量を調整する流量調整手段と、流量調整手段を制御する制御手段とを備える。

Description

送血流量制御装置および体外循環装置

　本発明は、送血流量制御装置および体外循環装置に関する。

　開心術或いは補助循環に使用される血液ポンプのほとんどがローラーポンプに代表される定流量ポンプであった。ローラーポンプは、回転するローラーで血液が通るチューブを押し潰すようにして血液を送り出す構造上、血球の損失が大きい、チューブの摩耗により異物の混入のおそれがある等、安全性の確保に問題があった。

　このような背景から、近年ではローラーポンプに代わり、遠心ポンプの使用が増加している。遠心ポンプは、危険な高圧が発生しない、空気混入に対する安全性が高い、過度な陰圧が生じない等、ローラーポンプと比較して様々な利点がある。

　一方で、遠心ポンプは、一定回転数で運転しても、患者の血管の狭窄等で圧力負荷が変動すると、送血流量が変化してしまう。送血流量を逐次監視しておくため、流量計を別途設ける必要がある。そして、送血流量を一定に保つため、常に流量計を監視しつつ、送血オクルーダの制御（例えば、特許文献１）、或いは、遠心ポンプの回転数の制御（例えば、特許文献２、３）が行われている。このような流量計としては、超音波流量計、電磁流量計が用いられる。

特開２００６－３２５７５０号公報特開平８－２３８３１０号公報特開平９－１２２２２８号公報

　特許文献１～３のように、流量計を設置した場合、流量計の測定誤差が５％程度、及び、応答遅れが０．５秒程度ある。この測定誤差及び応答遅れに基づいて遠心ポンプの回転数を制御或いはオクルーダを制御せざるを得ない。

　また、特許文献２、３のように、遠心ポンプの回転数を調節して流量を制御する場合では、遠心ポンプの回転数が目的とする値へ上昇或いは下降するまでには相応の時間を要する。更に、回転数を所望の値に調節しても、流体の慣性の影響により、流量が安定するまで一定の時間を要することが報じられている（容偉洪ほか、ボンドグラフによる遠心ポンプ始動／停止時の過渡特性解析、日本機械学会論文集、Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．２，ｐ６７７－６８３，１９９６）。特に、回転数を目標値まで減少させる際、流量が減少するまでには相当の遅れが生じる。このことから、送血流量が不安定になりやすいという問題がある。

　本発明は上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、流量計を必要とせずに、良好な応答特性で送血流量を制御可能な送血流量制御装置および体外循環装置を提供することにある。

　本発明の第一の観点に係る送血流量制御装置は、
　生体に接続される体外循環装置に用いる送血流量制御装置において、
　前記体外循環装置は、血液循環回路を介して血液を循環させる遠心ポンプを備え、
　前記送血流量制御装置は、前記遠心ポンプの回転数を検出する回転数検出手段と、
　前記遠心ポンプの入口圧力及び出口圧力をそれぞれ検出する入口圧力検出手段及び出口圧力検出手段と、
　前記血液循環回路の流路の断面積を調節して生体に送る血液の流量を調整する流量調整手段と、
　前記流量調整手段を制御する制御手段と、を備え、
　前記流量調整手段が前記遠心ポンプの下流に設置され、
　前記制御手段が入力部、記憶部、演算部及び出力部を有し、
　前記入力部に操作者から所望の目標送血流量、前記入口圧力検出手段及び前記出口圧力検出手段で検出された入口圧力検出値及び出口圧力検出値、前記回転数検出手段で検出された前記遠心ポンプの検出回転数、並びに、前記入口圧力検出値、前記出口圧力検出値及び前記検出回転数から前記血液循環回路を流れる血液の推定血液流量を算出する推定血液流量演算式が入力され、
　前記記憶部が前記目標送血流量、前記入口圧力検出値、前記出口圧力検出値、前記検出回転数、前記推定血液流量演算式を記憶し、
　前記演算部が、前記出口圧力検出値から前記入口圧力検出値を引いて差圧を演算し、前記差圧及び前記検出回転数から前記推定血液流量演算式を用いて前記推定血液流量を演算するとともに、前記目標送血流量から前記推定血液流量を引いた流量差を演算し、
　前記出力部が、前記流量差が負の値の場合に前記流路の断面積を減少させる制御信号を前記流量調整手段へ出力し、前記流量差が正の値の場合に前記流路の断面積を増加させる制御信号を前記流量調整手段へ出力し、前記推定血液流量が負の値の場合に前記流路の断面積をゼロにする制御信号を前記流量調整手段に出力する、
　ことを特徴とする。

　また、前記推定血液流量演算式が下式１で表されることが好ましい。
　　　Ｑｅ（ｆ）＝α（ｆ）・ΔＰ＋β（ｆ）　…（式１）
（式１中、Ｑｅは推定血液流量、ｆは遠心ポンプの検出回転数、ΔＰは出口圧力検出値から入口圧力検出値を引いた差圧、α及びβはそれぞれ遠心ポンプの検出回転数における差圧ΔＰを変数とする遠心ポンプの流量の一次関数の傾き及び切片を表す。）

　また、前記出力部は、前記推定血液流量が、所定の閾値流量を上回る場合、流路断面積をゼロにする制御信号を前記流量調整手段に出力してもよい。

　また、前記目標血液流量及び前記推定血液流量を表示する表示部を有し、
　前記遠心ポンプに供給される電源とは独立した電源で作動してもよい。

　本発明の第二の観点に係る体外循環装置は、
　本発明の第一の観点に係る送血流量制御装置を備える、
　ことを特徴とする。

　本発明に係る送血流量制御装置では、遠心ポンプの入口圧力と出口圧力との差圧及び遠心ポンプの回転数に基づき、送血回路を流れる血液の流量を推定して、送血流量を制御している。流量計を用いず、また、遠心ポンプの回転数を制御しないことから、従来の流量計のフィードバックに基づく遠心ポンプの回転数制御方式と比較して良好な応答特性で送血流量を制御できるため、安全性が高い。

人工心肺装置および送血流量制御装置の概略構成図である。流量調整装置の斜視図である。図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ図２のＡ－Ａ’断面を示し、図３（Ａ）は送血回路が開放されている状態、図３（Ｂ）は送血回路が一部閉鎖されている状態、図３（Ｃ）は送血回路が閉鎖されている状態を示す図である。送血流量制御処理のフロー図である。遠心ポンプの流量と差圧との関係を示すグラフである。遠心ポンプの回転数と校正係数α（ｆ）との関係を示すグラフである。遠心ポンプの回転数と校正係数β（ｆ）との関係を示すグラフである。種々の流体を用いた場合における流量と差圧との関係を示すグラフである。種々の流体を用いた場合における流量と差圧との関係を示すグラフである。実施例１におけるオクルーダ開度制御及び回転数制御の流量応答特性を示すグラフである。実施例２に用いた試作システムのブロックダイヤグラムである。実施例２において流量制御を行わなかった場合の流量変化を示すグラフである。実施例２において臨床経験者が手動で流量制御を行った場合の流量変化を示すグラフである。実施例２において試作システムで流量制御を行った場合の流量変化を示すグラフである。

　本実施の形態に係る送血流量制御装置は、遠心ポンプを用いた体外循環装置の送血流量を制御する送血流量制御装置である。既存の体外循環装置に後から接続することも可能であり、体外循環装置に組み込まれて一体となった体外循環装置として提供することもできる。

　体外循環装置とは、遠心ポンプ、ローラーポンプ等により人工的に血液を体外へ導き出し、血液の回路を通して血液の操作を行い、再び体内へ血液を戻す一連の動作を行う装置の総称である。体外循環装置として、人工心肺装置、血液透析装置、血漿交換装置などがある。ここでは、開心術で用いられ、生体（患者）から脱血した血液を酸素化して生体に送血する人工心肺装置に、送血流量制御装置を組み込んだ場合を、一例として説明を行う。なお、送血流量制御装置は独立した装置として既存の人工心肺装置に後から接続することも可能である。また、本実施の形態に係る送血流量制御装置は、用途を人工心肺装置に限らず、遠心ポンプを用いた体外循環装置であれば、他の体外循環装置にも利用可能である。

　図１に示す人工心肺装置１は、血液循環回路２０と、貯血槽３０と、遠心ポンプ４０と、人工肺５０と、フィルタ７０と、を備える。送血流量制御装置２は、遠心ポンプ４０の回転数を検出する回転数検出装置４１と、遠心ポンプ４０の入口圧力及び出口圧力をそれぞれ検出する入口圧力検出装置８１及び出口圧力検出装置８２と、血液循環回路２０の流路の断面積を調節して生体１０に送る血液の流量を調整する流量調整装置６０と、流量調整装置６０を制御する制御装置９０と、を備える。

　以下に、人工心肺装置１および送血流量制御装置２の構成部品について説明する。

　血液循環回路２０は、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が用いられる。ここでは、生体１０から人工肺５０へと血液が流れる回路を脱血回路２１、人工肺５０から生体１０へと血液が流れる回路を送血回路２２として説明する。

　貯血槽３０は、脱血回路２１に配置され、生体１０から脱血した血液が貯留される。貯血槽３０は、体外循環血液量の調節と、脱血回路２１に混入した気泡の除去を目的とする槽である。

　遠心ポンプ４０は、血液循環回路２０を介し血液を循環させるために用いられる。遠心ポンプ４０は貯血槽３０の下流側で人工肺５０の上流側に配置される。遠心ポンプ４０は、血液に回転力を与え、その遠心力により血液を送り出すポンプである。遠心ポンプ４０は弁機構を持たないため、ローラーポンプ等に比べて血液損失が少ない等の長所を有する。

　回転数検出装置４１は、赤外線センサ、ホールセンサ等のセンサから構成され、遠心ポンプ４０の回転数を検出する。また、遠心ポンプ４０に予め備えられたセンサから出力されるパルス信号又は電圧信号によって回転数を検出可能な場合では、上記の回転数検出装置４１が別途設置されなくてもよい。

　入口圧力検出装置８１は、遠心ポンプ４０の上流側に配置され、遠心ポンプ４０の入口側の圧力を検出する。一般的に用いられている貯血槽３０には、脱血圧を測定するためのサンプリングポートが備えられているので、このサンプリングポートに入口圧力検出装置８１が配置されていればよい。

　また、出口圧力検出装置８２は、遠心ポンプ４０の下流側に配置され、遠心ポンプ４０の出口側の圧力を検出する。出口圧力検出装置８２は、遠心ポンプ４０の下流側且つ流量調整装置６０の上流側に配置される。流量を迅速且つ精度よく推定するために、出口圧力検出装置８２は遠心ポンプ４０の出口付近に配置されていることが好ましい。

　入口圧力検出装置８１及び出口圧力検出装置８２として、血液回路用圧トランスジューサや圧力カプラを介して設置される圧力センサなどが用いられ得る。

　人工肺５０は、脱血した血液をガス交換して酸素化し、静脈血を動脈血へと変化させる装置である。

　フィルタ７０は、人工肺５０の下流側の送血回路２２に配置される。フィルタ７０は、動脈フィルタとも呼ばれ、血液に混入した異物や気泡を除去する機能を有する。

　流量調整装置６０は、遠心ポンプ４０の下流側の血液循環回路２０、好ましくは、人工肺５０の下流側の送血回路２２に配置されている。流量調整装置６０は、制御装置９０からの制御信号に基づいて送血回路２２の流路断面積を変化させて流路を段階的に開放及び閉塞させ、生体１０に送る血液の流量を調節する。流量調整装置６０は、このような機能を備えていれば、どのような機構が用いられていてもよい。一般的に、送血オクルーダ、血管オクルーダと呼ばれる装置が用いられ得る。

　また、上記のように、送血回路２２上にフィルタ７０が配置される場合、フィルタ７０は流量調整装置６０の下流側に配置されているとよい。これにより、万が一、流量調整装置６０によって血栓が生成したとしても、フィルタ７０で血栓をトラップでき、安全性が向上する。

　送血回路２２を段階的に圧搾し、内部断面積を調節可能な流量調整装置６０の一例を図２に示す。流量調整装置６０は、回動部材６０ａと、固定部材６０ｂと、接続部材６０ｃと、駆動源６０ｄと、回転軸６０ｅを備えている。回動部材６０ａ及び固定部材６０ｂはいずれも硬質の円柱体であり、回転軸６０ｅと平行に配置されている。回動部材６０ａと回転軸６０ｅは接続部材６０ｃにより接続されている。駆動源６０ｄにより回転軸６０ｅが回転すると、これに追従して回動部材６０ａが回転軸６０ｅの周りを旋回する。駆動源６０ｄはステッピングモータ等、回転角度が精度よく調節可能な装置が用いられる。そして、送血回路２２は、回動部材６０ａと固定部材６０ｂに挟まれるよう配置される。

　続いて、流量調整装置６０の動作について説明する。図３（Ａ）は送血回路２２が回動部材６０ａ及び固定部材６０ｂで押し潰されておらず、内部断面積が最大の状態である。この状態から、回転軸６０ｅが紙面上反時計回りに回転すると、図３（Ｂ）に示すように回動部材６０ａが旋回する。そして送血回路２２が回動部材６０ａ及び固定部材６０ｂで押し潰され内部断面積が小さくなり、送血回路２２を流れる血液の流量が小さくなる。回転軸６０ｅが更に紙面上反時計回りに回転すれば、図３（Ｃ）に示すように、回動部材６０ａが更に旋回する。そして、送血回路２２は回動部材６０ａ及び固定部材６０ｂで更に押し潰され、送血回路２２の内壁が密着し、血液の流れが停止する。なお、送血回路２２は、流量調整装置６０から取り外し可能になっているとよい。万が一、流量調整装置６０が故障し、送血回路２２が全閉状態に陥っても、操作者が送血回路２２を取り外すことにより、全閉状態を速やかに解消することができるからである。

　制御装置９０は、入口圧力検出装置８１、遠心ポンプ４０の回転数検出装置４１、出口圧力検出装置８２及び流量調整装置６０と電気通信的に接続されている。制御装置９０は、入力部、記憶部、演算部、出力部及び表示部を有している。

　入力部には、体外循環装置の操作者から所望の目標送血流量Ｑａ、入口圧力検出装置８１及び出口圧力検出装置８２で検出された入口圧力検出値Ｐｉｎ及び出口圧力検出値Ｐｏｕｔ、回転数検出装置４１で検出された遠心ポンプ４０の検出回転数ｆが入力される。更に、入力部には、入口圧力検出値Ｐｉｎ、出口圧力検出値Ｐｏｕｔ及び検出回転数ｆから血液循環回路２０の推定血液流量Ｑｅを算出する推定血液流量演算式が入力される。

　記憶部は、入力部に入力された上記内容が記憶される。

　演算部は、出口圧力検出値Ｐｏｕｔから入口圧力検出値Ｐｉｎを引いて差圧ΔＰを算出する。更に演算部は差圧ΔＰ及び検出回転数ｆから推定血液流量演算式を用いて推定血液流量Ｑｅを算出する。更に演算部は目標送血流量Ｑａから推定血液流量Ｑｅを引いた流量差ΔＱを算出する。

　出力部は、流量差ΔＱが負の値の場合に送血回路２２の流路断面積を減少させる制御信号、流量差ΔＱが正の値の場合に流路断面積を増加させる制御信号、或いは、推定血液流量Ｑｅが負の値の場合に流路断面積をゼロにする制御信号を流量調整装置６０に出力する。

　表示部は、入口圧力検出値Ｐｉｎ、出口圧力検出値Ｐｏｕｔ、差圧ΔＰ、検出回転数ｆ、目標送血流量Ｑａ、推定血液流量Ｑｅや後述の空気混入警告、逆流警告などを表示する。また、人工心肺装置に設置されている表示部を利用可能な場合では、制御装置９０に表示部が別途設置されていなくてもよい。

　送血流量制御装置２は、人工心肺装置１とは独立した装置を構成してもよい。その場合は、制御装置９０が表示部を有し、送血流量制御装置２は遠心ポンプ４０に供給される電源とは異なる電源で作動するようにすることが望ましい。送血流量制御装置２の電源には、遠心ポンプ４０の電源とは別系統の電源を供給するが、具体的には、送血流量制御装置２に充電池等の電池を内蔵するか、又は外部電源を接続することにより実現できる。人工心肺装置１のポンプ駆動装置と、電源系、制御系を独立させることで、停電やポンプ駆動装置の故障時においても安全機構として逆流や過大送血を防止する。さらに代替となる送血手段を用いた場合（遠心ポンプを手回しする場合等）においても正確な流量制御ができる。

　続いて、図４のフロー図を参照しつつ、送血流量制御処理について説明する。

　まず、送血流量制御装置２の電源を入れると（ステップＳ１）、制御装置９０の初期化処理が行われる（ステップＳ２）。そして、制御装置９０の入力部に後述する推定血液流量演算式が読み込まれ（ステップＳ３）、記憶部がこれらを記憶する。

　操作者により、制御装置９０の入力部に目標送血流量Ｑａが入力され（ステップＳ４）、記憶部がこれを記憶する。また、目標送血流量Ｑａ及び遠心ポンプの回転数ｆは、生体１０の年齢、病状、性別等を考慮して操作者により任意の値に設定され、それぞれの値が制御装置９０の記憶部に記憶される。

　続いて、目標送血流量Ｑａがゼロであるか否かを判別する（ステップＳ５）。目標送血流量Ｑａがゼロの場合（ステップＳ５：ｙｅｓ）、出力部が流量調整装置６０に血液循環回路の断面積をゼロにする制御信号を出力し、流量調整装置６０が送血回路２２を完全に閉鎖するよう動作する（ステップＳ６）。そして、ステップＳ５へとループする。

　目標送血流量Ｑａがゼロでない場合（ステップＳ５：ｎｏ）、入口圧力Ｐｉｎ、出口圧力Ｐｏｕｔ及び遠心ポンプ４０の回転数ｆが検出される（ステップＳ７）。これらの値は制御装置９０の入力部に入力され、記憶部がこれらを記憶する。

　そして、制御装置９０の演算部が出口圧力Ｐｏｕｔから入口圧力Ｐｉｎを引いた差圧ΔＰを演算する（ステップＳ８）。

　そして、演算部が推定血液流量演算式を用いて、血液循環回路を流れている血液の推定血液流量Ｑｅを演算する（ステップＳ９）。

　演算部は推定血液流量Ｑｅが正の値であるか否かを判別する（ステップＳ１０）。推定血液流量Ｑｅが負の値であると判定した場合（ステップＳ１０：ｎｏ）、出力部が流量調整装置６０に送血回路２２の断面積をゼロにする制御信号を出力し、流量調整装置６０が送血回路２２を完全に閉鎖する（ステップＳ１１）。そして、表示部が逆流警告を表示し（ステップＳ１２）、ステップＳ５へとループする。推定血液流量Ｑｅが負の値である場合とは、血液循環回路２０内の血液が逆流している状態を意味する。例えば、遠心ポンプ４０の回転数不足、出口圧力Ｐｏｕｔの低下など、何らかの要因が生じているものと考えられる。これらの要因が解消されるまで、流量調整装置６０は送血回路２２を閉鎖したままとなる。

　一方、演算部は推定血液流量Ｑｅが正の値であると判別した場合（ステップＳ１０：ｙｅｓ）、推定血液流量Ｑｅが所定の流量閾値Ｑｔｈを上回っているか否かを判別する（ステップＳ１３）。ここで、流量閾値Ｑｔｈとは、検出回転数ｆにおいて用いる遠心ポンプ４０の流量の公称値となる差圧を上回る差圧閾値ΔＰｔｈに基づいて、後述の推定血液流量演算式を用いて求められる流量の閾値である。例えば、差圧閾値Ｐｔｈとして、検出回転数ｆにおける遠心ポンプ４０の公称値となる差圧に、流量１Ｌ／ｍｉｎの増加に相当する差圧の増分以上を加算した値とすることができる。差圧の増分は、操作者が任意に設定し、入力部へ入力され、記憶部が記憶しておき、演算部が推定血液流量演算式を用いて流量閾値Ｑｔｈを算出する。

　演算部は推定血液流量Ｑｅが流量閾値Ｑｔｈを下回っていないと判別した場合（ステップＳ１３：ｎｏ）、出力部が流量調整装置６０に送血回路２２の断面積をゼロにする制御信号を出力し、流量調整装置６０が送血回路２２を完全に閉鎖する（ステップＳ１４）。そして、表示部が空気誤送警告を表示し（ステップＳ１５）、ステップＳ５へとループする。

　演算部は推定血液流量Ｑｅが流量閾値Ｑｔｈを下回っていると判別した場合（ステップＳ１３：ｙｅｓ）、目標送血流量Ｑａから推定血液流量Ｑｅを引いた流量差ΔＱを演算する（ステップＳ１６）。

　そして、演算部は流量差ΔＱが負の値であるか否かを判別する（ステップ１７）。流量差ΔＱが負の値であると判別した場合（ステップＳ１７：ｙｅｓ）、出力部は送血回路２２の流路断面積を減じる制御信号を流量調整装置６０に出力する。流量調整装置６０はこの制御信号に基づき、送血回路２２の流路断面積を減少させるよう動作する（ステップＳ１８）。そして、表示部が目標送血流量Ｑａ、推定血液流量Ｑｅ、検出回転数ｆを表示し（ステップＳ２０）、ステップＳ５へとループする。

　一方、演算部は流量差ΔＱが正の値であると判別した場合（ステップＳ１７：ｎｏ）、出力部は送血回路２２の流路断面積を増加させる制御信号を流量調整装置６０に送る。流量調整装置６０はこの制御信号に基づき、送血回路２２の流路断面積を増加させるよう動作する（ステップＳ１９）。そして、表示部が目標送血流量Ｑａ、推定血液流量Ｑｅ、検出回転数ｆを表示し（ステップＳ２０）、ステップＳ５へとループする。

　以上のようにして、送血流量制御装置２は、逐次推定血液流量Ｑｅを演算し、血液循環回路２０を流れる血液の流量が目標送血流量Ｑａに近似するよう制御する。

　続いて、上述した推定血液流量Ｑｅの算出について説明する。推定血液流量Ｑｅは、下式１により算出される。
　　　Ｑｅ（ｆ）＝α（ｆ）・ΔＰ＋β（ｆ）　…（式１）
　ここで、Ｑｅは推定血液流量、ｆは遠心ポンプの検出回転数、ΔＰは出口圧力検出値Ｐｏｕｔから入口圧力検出値Ｐｉｎを引いて演算される差圧である。また、α及びβはそれぞれ用いられる遠心ポンプの任意の回転数における第１の校正係数及び第２の校正係数である。第１の校正係数α及び第２の校正係数βは、それぞれ、用いられる遠心ポンプの任意の回転数において差圧ΔＰを変数とする遠心ポンプの流量Ｑの一次関数の傾き及び切片を表す。

　以下、式１の導出方法について説明する。まず、図１に示した体外循環装置を構築し、遠心ポンプの出口及び貯血槽のサンプリングポートに圧力計をそれぞれ設置し、水を循環させて、血液循環回路を流れる水の流量を実測した。遠心ポンプとして、キャピオックス遠心ポンプ（テルモ株式会社製）を用いた。遠心ポンプの回転数ｆを１５００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、２５００ｒｐｍとそれぞれ一定にした状態で、後負荷を変化させることで差圧ΔＰを変化させ、流量の変化を実測した。その結果が図５である。

　図５をみると、いずれの回転数ｆにおいても、流量Ｑと差圧ΔＰとの関係はほぼ直線関係にある。それぞれの回転数ｆにおける流量Ｑと差圧ΔＰとの特性を直線近似すると、式２～式４が得られる。
（遠心ポンプの回転数ｆ：１５００ｒｐｍ）
　Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）＝－０．０７４９・ΔＰ＋１６．０５６　…（式２）
（遠心ポンプの回転数ｆ：２０００ｒｐｍ）
　Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）＝－０．０５５４・ΔＰ＋２１．３０７　…（式３）
（遠心ポンプの回転数ｆ：２５００ｒｐｍ）
　Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）＝－０．０４２９・ΔＰ＋２５．６４７　…（式４）

　つぎに、式２～式４のそれぞれの傾きα（ｆ）をプロットすると、図６が得られる。図６を見ると、遠心ポンプの回転数ｆと式２～式４の傾きα（ｆ）との関係は、ほぼ直線関係にある。これを直線近似すると式５が得られる。
　α（ｆ）＝３ｅ^－５・ｆ－０．１２１７　…（式５）
この式５より、遠心ポンプの任意の回転数ｆにおける傾きα（ｆ）が求められる。

　また、式２～式４の切片β（ｆ）をそれぞれプロットすると、図７が得られる。図７を見ると、遠心ポンプの回転数ｆと切片β（ｆ）は、ほぼ直線関係にある。これを直線近似することで式６が得られる。
　β（ｆ）＝０．００９６・ｆ＋１．８２１３　…（式６）
　この式６より、遠心ポンプの任意の回転数における切片β（ｆ）が求められる。

　このように、式５及び式６より、遠心ポンプの任意の回転数、即ち、設定した遠心ポンプの回転数における第１の校正係数α（ｆ）及び第２の校正係数β（ｆ）が求まる。設定した遠心ポンプの回転数における第１の校正係数α（ｆ）及び第２の校正係数β（ｆ）を式１に代入することにより、Ｐｉｎ及びＰｏｕｔを検出して差圧ΔＰを求めれば、式１から推定血液流量Ｑｅを算出することができることがわかる。

　なお、遠心ポンプの原理上、揚程の発生に遠心力が関与している。遠心力によるエネルギーは流体の質量の影響を受け、容量が一定の場合、流体の比重の影響を受ける。更に、遠心ポンプは粘性の影響を少なからず受ける。循環させる血液の粘性等が経時変化する可能性も起こり得ることから、これらの影響を考慮することが好ましい。

　たとえば、食塩水、グリセリン水溶液及び水の３種の液体について、流量と差圧の特性を調べたところ、図８に示すようになった。用いた食塩水、グリセリン水溶液及び水の比重及び粘度は以下の通りである。また、遠心ポンプの回転数はいずれの液体についても２５００ｒｐｍである。なお、一般的な血液の粘度は、本実験で用いたグリセリン水溶液とほぼ同様である。
（食塩水）比重１．１、粘度１．１ｃＰ
（グリセリン水溶液）比重１．１、粘度２．６ｃＰ
（水）比重１．１、粘度１．０ｃＰ

　図８を見ると、粘性の相異により、多少のずれが生じており、それぞれについて直線近似すると、以下のようになる。
　食塩水：Ｑ＝－０．０４４６ΔＰ＋２７．０４３　…（式７）
　グリセリン水溶液：Ｑ＝－０．０４２９ΔＰ＋２５．６４７　…（式８）
　水：Ｑ＝－０．０３０２ΔＰ＋１８．７９１　…（式９）
　特に、流量が大きいほどズレが大きくなる傾向となっている。

　しかしながら、通常の開心術においては、送血流量は５Ｌ／ｍｉｎ以下で行われている。この実情に鑑み、流量が５Ｌ／ｍｉｎ以下の範囲をグラフにして図９に示す。そして、流量が５Ｌ／ｍｉｎ以下の範囲について、それぞれを直線近似すれば、以下のようになる。
　食塩水：Ｑ＝－０．０４５６ΔＰ＋２７．６１３　…（式１０）
　グリセリン水溶液：Ｑ＝－０．０４９ΔＰ＋２８．９４２　…（式１１）
　水：Ｑ＝－０．０４３ΔＰ＋２５．５３１　…（式１２）

　流量が５Ｌ／ｍｉｎ以下の範囲では、３種の液体に大きな差はないことがわかる。この結果より、流量が５Ｌ／ｍｉｎ以下の範囲について、上述したように所定の遠心ポンプの回転数における流量Ｑ－差圧ΔＰ特性を実測し、得られた近似直線（一次関数）から式５及び式６の第１の校正係数α（ｆ）及び第２の校正係数β（ｆ）を求め、これらを式１に代入して推定血液流量Ｑｅを算出すれば、開心術中に血液の粘性変化等が生じても適切に送血流量を制御することができる。

　以上のように、本実施の形態に係る送血流量制御装置２では、流量計を用いることなく、且つ、遠心ポンプ４０の回転数を制御せず、送血回路２２の流路断面積を調節することにより送血流量を制御している。遠心ポンプ４０の回転数を制御しないため、遠心ポンプ４０の回転数過剰による過剰送血の恐れがなく安全性に優れる。

　更に、流量調整装置６０で流路断面積を迅速に変化させることができ、流量の素早い変更が可能である。具体的には、自律神経制御による血管拡張や収縮などの血管制御に関する人の生体内の応答速度は、およそ１秒前後とされている。オクルーダ等の流量調整装置６０では、送血流量を減少させる場合でも１秒以内に流路断面積を変化させることが可能であるため、生体への負担が少ないという効果が期待できる。

　更に、目標送血流量Ｑａと推定血液流量Ｑｅとの流量差ΔＱに応じて、流量調整装置６０を制御している。このため、例えば、遠心ポンプ４０内に空気が混入した場合には、出口圧力検出値Ｐｏｕｔが急激に低下し差圧ΔＰが急激に低下することになる。その際、流量調整装置６０は血液循環回路２０の流路が完全に閉鎖するよう即座に駆動される。このため、生体に空気が誤送されるおそれがない。

　更に、推定血液流量Ｑｅが閾値流量Ｑｔｈを上回る場合、流量調整装置６０は送血回路２２の流路が完全に閉鎖するよう即座に駆動される。遠心ポンプ４０に空気が混入した場合、出口圧力が急激に低下し、これにより推定血液流量Ｑｅが大きな値となる。そして、推定血液流量Ｑｅが閾値流量Ｑｔｈを上回れば空気誤送のおそれがあるとみなし、流路を閉鎖する。これにより、生体１０への空気誤送の防止がより向上される。

　更に、推定血液流量Ｑｅが負の値である場合には、血液循環回路２０に逆流が生じているものとみなし、流量調整装置６０が流路断面積をゼロにするよう制御している。このため、血液循環回路２０の逆流のおそれがなく、安全性に優れる。

　更に、送血流量制御装置２をポンプ駆動装置とは独立した制御装置とすることで停電やポンプ駆動装置の故障時においても安全機構として逆流や過大送血を防止できる。また、代替となる送血手段を用いた場合（遠心ポンプを手回しする場合等）においても正確な流量制御ができる。

　遠心ポンプを用いた体外循環回路の送血流量制御方法として、オクルーダの開度制御による方法の有用性を検証した。

　市販の遠心ポンプと送血オクルーダを用いた体外循環回路を構築し、オクルーダ開度の変動に対する流量応答特性を検討した。使用オクルーダとして、ＨＡＳ－ＲＥ（泉工医科工業製）を用いた。

　遠心ポンプの回転数を一定（２０００ｒｐｍ）にし、１０秒間隔でオクルーダの開度を０％－１００％にステップ状に変更し、流量を変化させた。

　また、比較例として、オクルーダ開度の制御をせず、遠心ポンプの回転数目標値の変動による流量応答特性についても検討した。比較例では、遠心ポンプの回転数目標値を１０秒間隔で１０００ｒｐｍ－２０００ｒｐｍにステップ状に変更し、流量を変化させた。遠心ポンプ回転数の下限値は、逆流の発生を防ぐため１０００ｒｐｍとした。

　なお、いずれも遠心ポンプとしてＣＡＰＩＯＸ　ＳＰ－１０１（テルモ社製）、作動流体として水（粘度＝約１ｃＰ）を用いた。

　その結果を図１０に示す。流量増加時には、回転数制御とオクルーダ開度制御の両者の流量応答特性に有意な差は観察されなかった。しかし流量減少時には、オクルーダ開度目標値減少後の流量下限値に要する時間が約０．９秒であったのに対し、回転数目標値減少後の流量下限値に要する時間は２．６４秒であった。遠心ポンプの回転数制御はオクルーダ制御に対して約３倍の応答遅れが発生することが明らかになった。

　この応答遅れは、流体のもつ慣性の影響によるものであり、回転数変化に対する遠心ポンプの流量変化の応答は、圧力変化に対する応答に比べて遅れる傾向がある。本実験により、オクルーダ開度制御は、遠心ポンプを用いた体外循環回路における流量制御方法として、遠心ポンプの回転数を制御する方法と比べて応答性の点で優れていることが分かった。

　また、本実験により、体外循環回路において、遠心ポンプの回転数制御による流量制御は、オクルーダ開度制御に比べ、流量目標値減少時に約２～３秒の応答遅れが発生することが分かった。この応答遅れは、逆流の防止を困難にする。オクルーダ開度制御は、逆流防止の観点からも、遠心ポンプの回転数を制御する方法と比べて優れていることが分かる。よって、本願では、検出に応答遅れの少ない圧力及び回転数を入力値として推定血液流量を算出すること、及び、推定血液流量に基づいてオクルーダで流路断面積を迅速に変えることができる。これにより、流量の素早い変更が可能となり、安全性が高いと考えられる。

　続いて、本発明者らが開発した体外循環訓練装置（特許３７７４７６９号、特許４２８４４１８号）を用い、送血圧を変動させ、送血流量を目標送血流量に近似させるよう制御できるか否かについて検証した。

　まず、８ビットマイクロコンピュータを用いて、推定パラメータである入口圧力、出口圧力及び遠心ポンプ回転数をリアルタイムにマイクロコンピュータに取り込み、推定血液流量演算式（式１）をもとに推定血液流量を算出してその値を表示し、並びにオクルーダの制御が可能なシステムを試作した。試作したシステムのブロックダイヤグラムを図１１に示す。

　また、図２及び図３に示した構造の流量調整装置（オクルーダ）を試作した。そして、試作システム及びオクルーダを、体外循環訓練装置に接続した。

　目標送血流量は、操作者によるボリュームつまみの電圧変化としてマイクロコンピュータに入力した。目標送血流量は４Ｌ／ｍｉｎとした。

　遠心ポンプの回転数は、遠心ポンプ駆動部のマグネットカップリングの回転に伴う磁束密度変化を遠心ポンプ上部に取り付けられた磁気センサ（ホール素子）によって測定した。使用したテルモ製ＣＡＰＩＯＸ遠心ポンプでは、一回転ごとにパルス状の磁束密度変化が３回検出されるため、周波数カウントの値を３分の１に減じた値を回転数換算に用いた。

　圧力センサは遠心ポンプ出口部と貯血槽の液面測定ポートにそれぞれ接続した。

　試作システムを接続した体外循環訓練装置を用い、体外循環訓練装置の送血流量制御弁の操作により所定のパターンで送血圧を変動させた。作動流体として水（粘度＝約１ｃＰ）を用いた。

　検出した遠心ポンプの回転数、入口圧力及び出口圧力を基に算出した推定血液流量が入力した目標送血流量に近似するようオクルーダの制御を行い、送血流量を調整した。また、目標送血流量及び推定血液流量は、マイクロコンピュータに接続されたディスプレイに表示した。

　まず、所定のパターンで送血圧を変動させ、流量の制御を何ら行わなかった場合の流量変化を図１２に示す。なお、実験では、実験開始後３０秒経過後から、遠心ポンプの回転数を徐々に上げていき、回転数が２０００ＲＰＭに達したところで回転数を一定に保った状態で、送血圧を変動させた。

　続いて、上記と同パターンで送血圧を変動させ、臨床経験者がオクルーダを手動制御して流量を４Ｌ／ｍｉｎに近似させた。その流量変化を図１３に示す。

　続いて、上記と同パターンで送血圧を変動させ、試作システムによりオクルーダを自動制御して流量を４Ｌ／ｍｉｎに近似させた。その流量変化を図１４に示す。

　図１４を見ると、図１３に比べて４Ｌ／ｍｉｎに近似していることがわかる。本結果より、試作システムでは、臨床経験者による手動制御に比べて応答性が高く、安定した流量制御が可能であることが確認された。

　なお、本発明は、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

　本出願は、２０１２年３月９日に出願された日本国特許出願２０１２－０５３８２９号に基づく。本明細書中に、日本国特許出願２０１２－０５３８２９号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

　開心術等に用いられる体外循環装置において、送血回路を流れる血液の流量の制御に利用可能である。

　　１　　人工心肺装置
　　２　　送血流量制御装置
　１０　　生体
　２０　　血液循環回路
　２１　　脱血回路
　２２　　送血回路
　３０　　貯血槽
　４０　　遠心ポンプ
　４１　　回転数検出装置
　５０　　人工肺
　６０　　流量調整装置
　６０ａ　回動部材
　６０ｂ　固定部材
　６０ｃ　接続部材
　６０ｄ　駆動源
　６０ｅ　回転軸
　７０　　フィルタ
　８１　　入口圧力検出装置
　８２　　出口圧力検出装置
　９０　　制御装置

Claims

　生体に接続される体外循環装置に用いる送血流量制御装置において、
　前記体外循環装置は、血液循環回路を介して血液を循環させる遠心ポンプを備え、
　前記送血流量制御装置は、前記遠心ポンプの回転数を検出する回転数検出手段と、
　前記遠心ポンプの入口圧力及び出口圧力をそれぞれ検出する入口圧力検出手段及び出口圧力検出手段と、
　前記血液循環回路の流路の断面積を調節して生体に送る血液の流量を調整する流量調整手段と、
　前記流量調整手段を制御する制御手段と、を備え、
　前記流量調整手段が前記遠心ポンプの下流に設置され、
　前記制御手段が入力部、記憶部、演算部及び出力部を有し、
　前記入力部に操作者から所望の目標送血流量、前記入口圧力検出手段及び前記出口圧力検出手段で検出された入口圧力検出値及び出口圧力検出値、前記回転数検出手段で検出された前記遠心ポンプの検出回転数、並びに、前記入口圧力検出値、前記出口圧力検出値及び前記検出回転数から前記血液循環回路を流れる血液の推定血液流量を算出する推定血液流量演算式が入力され、
　前記記憶部が前記目標送血流量、前記入口圧力検出値、前記出口圧力検出値、前記検出回転数、前記推定血液流量演算式を記憶し、
　前記演算部が、前記出口圧力検出値から前記入口圧力検出値を引いて差圧を演算し、前記差圧及び前記検出回転数から前記推定血液流量演算式を用いて前記推定血液流量を演算するとともに、前記目標送血流量から前記推定血液流量を引いた流量差を演算し、
　前記出力部が、前記流量差が負の値の場合に前記流路の断面積を減少させる制御信号を前記流量調整手段へ出力し、前記流量差が正の値の場合に前記流路の断面積を増加させる制御信号を前記流量調整手段へ出力し、前記推定血液流量が負の値の場合に前記流路の断面積をゼロにする制御信号を前記流量調整手段に出力する、
　ことを特徴とする送血流量制御装置。
　前記推定血液流量演算式が下式１で表される、
　ことを特徴とする請求項１に記載の送血流量制御装置。
　　　Ｑｅ（ｆ）＝α（ｆ）・ΔＰ＋β（ｆ）　…（式１）
（式１中、Ｑｅは推定血液流量、ｆは遠心ポンプの検出回転数、ΔＰは出口圧力検出値から入口圧力検出値を引いた差圧、α及びβはそれぞれ遠心ポンプの検出回転数における差圧ΔＰを変数とする遠心ポンプの流量の一次関数の傾き及び切片を表す。）
　前記出力部は、前記推定血液流量が、所定の閾値流量を上回る場合、流路断面積をゼロにする制御信号を前記流量調整手段に出力する、
　ことを特徴とする請求項２に記載の送血流量制御装置。
　前記目標血液流量及び前記推定血液流量を表示する表示部を有し、
　前記遠心ポンプに供給される電源とは独立した電源で作動する、
　ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の送血流量制御装置。
　請求項１乃至４のいずれか一項に記載の送血流量制御装置を備える、
　ことを特徴とする体外循環装置。