JP2018201823A - 超音波測定装置及び体外循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】体外循環装置に用いられ、血液の流量及び濃度を測定可能な超音波測定装置を提供すること。【解決手段】超音波測定装置１Ａは、体外循環装置１００Ａに用いられ、血液回路１１０に取り付けられる超音波送受波器１０Ａ、１０Ｂと、血液の流量及び濃度を測定する測定回路２０Ａと、を備え、測定回路２０Ａは、送信部２１と、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流量を算出する流量算出部２４Ａと、送信信号の振幅に対する受信信号の振幅の減衰度合に基づいて血液濃度を算出する濃度算出部２５と、を備える。【選択図】図１

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、血液を流すための血液導管、血液浄化器や血液濃縮器等の血液処理手段、血液を送出する血液ポンプ、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導管の閉塞等を検知するため、血液導管を流れる血液の流量をモニタする必要があり、この血液の流量のモニタに超音波流量計が用いられている（特許文献１及び２参照）。

また、血液浄化療法においては、体外循環する血液から血液浄化手段により水分の除去が行われる。そこで、除水量が適切となるよう血液濃度をヘマトクリットセンサ等の濃度計によりモニタし、除水速度の制御が行われる（特許文献３参照）。

特開２００８−０２３２６９号公報 特開２００３−１６９８９３号公報 特開２００４−０９７７８２号公報

上述したように、体外循環では血液の流量測定には流量計を、血液の濃度測定には濃度計を、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。

そこで本発明では、体外循環装置に用いられ、血液の流量及び濃度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、血液浄化療法においては、血液を流すための血液回路と、該血液回路に接続され血液中の水分を除去可能な血液浄化手段と、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血液の流量及び濃度を測定する測定回路と、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、前記送信部により送信された送信信号及び前記受信部により受信された受信信号に基づいて血液流量を算出する流量算出部と、前記送信信号の振幅に対する前記受信信号の振幅の減衰度合に基づいて血液濃度を算出する濃度算出部と、を備える超音波測定装置に関する。

また、血液浄化療法においては、前記血液回路は、前記血液浄化手段に導入される血液を流すための動脈側ラインと、前記血液浄化手段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血液の流れ方向に所定の距離をおいて該血液回路を挟んで又は血液の流路線上に対向し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、血液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、前記超音波送受波器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、血液を流すための血液回路と、前記血液回路に接続され血液中の水分を除去可能な血液浄化手段と、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、前記濃度算出部により算出された算出濃度に基づいて、前記血液浄化手段における除水速度を制御する制御部を更に備えることが好ましい。

また、前記流量算出部により算出された算出流量に異常がある場合に、異常を報知する報知手段を更に備えることが好ましい。

本発明の超音波測定装置によれば、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の流量を測定可能であり、また、血液中を伝播した超音波信号の減衰度合に基づいて血液の濃度を測定可能である。

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）で実施される急速補液工程を示す図である。 本発明の第２実施形態の構成を示す説明図である。 実施例１における血液濃度と減衰度合との対応関係を示す図である。 実施例１における血液濃度と減衰度合との対応関係を示す図である。 実施例における超音波測定装置の設置状態を示す図である。

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。本発明では体外循環装置の一例として、血液透析を行う血液浄化装置について説明する。
血液透析では、腎不全患者や薬物中毒患者の血液を所定の流量で体外循環させながら血液を浄化すると共に、血液中の余分な水分を除去する。血液中の水分を徐々に除去することに伴い、徐々に血液濃度が上昇して行く。本発明に係る超音波測定装置は、この血液濃度を測定すると共に血液流量を測定可能とするものである。

＜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、血液浄化手段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。

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、動脈側気泡検知器１１１ｂ、血液ポンプ１１１ｃ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。
動脈側気泡検知器１１１ｂは、チューブ内の気泡の有無を検出する。
血液ポンプ１１１ｃは、動脈側ライン１１１における動脈側気泡検知器１１１ｂよりも下流側に配置される。血液ポンプ１１１ｃ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１１１ｃよりも下流側に配置される。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１１１ｃ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、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１２２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１２２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、例えば、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１１１ｃ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及び排出収容部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の排出収容部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、排出収容部１３３１ｂに収容された透析液の排出を排出する。

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（排出収容部１３３１ｂ）に回収される排出の量と、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（排出）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から排出された排出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（排出）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（図４参照）。

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（排出）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（図３参照）。

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、測定された血液流量や血液濃度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を洗浄して清浄化する。透析工程に入る前の脱血工程では、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３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図４に示す急速補液工程が行われる。透析工程終了後、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、血液の濃度変化に関わる透析工程及び急速補液工程について、詳しく説明する。

図３を参照して透析工程について説明する。
透析工程において、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（透析液回路１３０からは５１０ｍｌ／ｍｉｎの流量で透析液が排出される）。
血液ポンプ１１１ｃは、例えば２００ｍｌ／ｍｉｎ程度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の流量で浄化された血液が導出される。また、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、透析工程において、血液中から徐々に水分が除去され、それに伴い血液濃度も徐々に上昇して行く。

次に、図４を参照して急速補液工程について説明する。
急速補液工程は、透析工程の途中で除水による血圧の低下等が認められる場合に行われるものであり、血液回路１１０に逆ろ過透析液を補充する工程である。

急速補液工程では、図４に示すように、透析工程と同様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の送給量を一例として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（透析液回路１３０からは４００ｍｌ／ｍｉｎの流量で透析液が排出される）。
血液ポンプ１１１ｃは、例えば、透析工程中の２００ｍｌ／ｍｉｎから５０ｍｌ／ｍｉｎ程度まで流量を減少させ、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５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で血液が流入し、逆ろ過透析液が１００ｍｌ／ｍｉｎの流量で注水されて、血液導出口１２２ｂから希釈された血液が１５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で導出される。このようにして、急速補液工程において血液中に水分が補充される。

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、血液の流量及び濃度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等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。しかしながら、後に説明する濃度算出部２５において、超音波信号の減衰度合を測定して濃度を算出するので、チューブ内面での反射による減衰も考慮する必要がある反射波ではなく、主に血液中の血球における減衰を反映した透過波を受信可能なように、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂを対向して配置する方が望ましい。
また、適度に減衰した状態の超音波信号を測定するため、血液回路１１０を流れる血液の流れ方向における超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂ間の距離は、血液回路１１０を構成するチューブの外径の１倍〜２倍程度にすることが望ましい。１倍より短い距離では、伝搬時間逆数差法において時間差が小さくなるため望ましくない。また、２倍より長い距離では、減衰量が大きすぎることにより減衰した超音波信号の測定誤差が大きくなるため、望ましくない。

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、濃度算出部２５と、記憶部２６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血液の流量及び濃度を測定する。
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。
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。
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。

（ｅ）式においては、流速Ｖは濃度が異なる血液や透析液等の流体の種類や温度に依存する音速Ｃに依らないため、測定対象である液体の種類や温度が変化してもその影響を受けずに流速Ｖを算出でき、その流速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）

濃度算出部２５は、送信部２１により送信された送信信号の振幅に対する受信部２２により受信された受信信号の振幅の減衰度合に基づいて血液濃度を算出する。ここで、血液濃度は、一般的にヘマトクリット値で評価することができる。ヘマトクリット値とは、血液中に存在する赤血球の割合を表す。血球は、全血液量の約４５％を占め、赤血球、白血球及び血小板が含まれるが、その大部分が赤血球である。従って、ヘマトクリット値は赤血球の存在割合を示し、血液濃度の指標として用いられる。
超音波信号は血液中を伝搬する際に、血液中に存在する血球で散乱することにより減衰する。よって、血液濃度に応じて、送信信号の振幅に対する受信信号の振幅の減衰度合は変化する。そこで、血液濃度が既知の試料について、予め血液濃度と減衰度合との対応関係を求め、その対応関係を記憶部２６に記憶しておく。
濃度算出部２５は、濃度未知の血液について、受信信号の減衰度合及び記憶部２６に記憶された血液濃度と減衰度合と対応関係に基づいて、血液濃度を算出する。

血液浄化装置１００Ａは、透析工程中において濃度算出部２５により算出された算出濃度に基づいて、制御部１４０Ａにより透析液送液部１３３を制御してダイアライザ１２０における除水速度を調節することにより、患者の血圧低下を抑制しながら治療することが可能である。

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、送信信号の振幅に対する受信信号の振幅の減衰度合に基づいて血液濃度を算出する濃度算出部と、を備えるものとした。これにより、流量計及び濃度計の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、血液の流量及び濃度を測定することができる。よって、簡易な構成により血液の流量及び濃度を測定できる血液浄化装置１００Ａを実現できる。

（２）血液回路１１０を、血液浄化手段（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、血液浄化手段（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、血液浄化手段（ダイアライザ）１２０による除水や注水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、測定誤差を小さくできる。

（３）超音波測定装置１Ａを、血液回路１１０を流れる血液の流れ方向について所定の距離をおいて血液回路１１０を挟んで対向し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、例えば、超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂは、血液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。また、超音波送受波器１０Ａ（又は１０Ｂ）から送信された超音波信号は、血液回路１１０を構成するチューブの内面で反射する反射波ではなく、透過波として超音波送受波器１０Ｂ（又は１０Ａ）で受信されるので、チューブの内面における反射の減衰がないため、受信信号の減衰度合の測定精度を上げることができる。

（４）血液回路１１０を流れる血液の流れ方向における超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂ間の距離は、血液回路１１０を構成するチューブの外径の１倍〜２倍とした。これにより、血液の流量及び濃度を好適に測定できる。

（５）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。これにより、血液濃度や温度依存性のある音速Ｃが変化してもその影響を受けずに流量を算出することができる。

（６）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垂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、気泡が血液の流量及び濃度の測定に与える影響を小さくできる。

（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、気泡が血液の流量及び濃度の測定に与える影響を小さくできる。

（８）血液浄化装置１００Ａの制御部１４０Ａを、濃度算出部２５により算出された算出濃度に基づいて、血液浄化手段としてのダイアライザ１２０における除水速度を調節するもととした。これにより、透析工程において患者の血圧低下を抑制しながら治療することが可能である。

＜第２実施形態＞
次に、図５を参照しながら第２実施形態について説明する。
図５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５に示すように、血液浄化装置１００Ｂは、血液回路１１０と、血液浄化手段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、血液の流量及び濃度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、濃度算出部２５と、記憶部２６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血液の流量及び濃度を測定する。

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５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）

伝搬時間差法を用いて流量を算出する場合、血液濃度の変化に応じて僅かながら音速Ｃが変化する。よって、（ｅ）’を用いて流量を算出する際に、濃度算出部２５により算出された算出濃度に応じて補正した音速Ｃを用いることにより、更に流量の測定精度を向上させることができる。

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、流量算出部２４Ｂにより算出された算出流量と血液ポンプ１１１ｃの設定流量との差が大きい場合に脱血不良状態等の異常があると判断する。制御部１４０Ｂは、異常があると判断した場合に、血液ポンプ１１１ｃの設定流量を小さく又は血液ポンプ１１１ｃを停止するよう制御し、また、後述の報知手段１５０が作動するように制御する。また、制御部１４０Ｂは、透析工程中において濃度算出部２５により算出された算出濃度に応じて、透析液送液部１３３を制御してダイアライザ１２０における除水速度を制御する。

報知手段１５０は、制御部１４０Ｂにより算出流量に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１４０Ａ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及び濃度算出部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）〜（４）及び（６）〜（８）に加えて、以下のような効果を奏する。

（９）流量算出部２４Ｂ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、伝搬時間差法により血液流量を算出するものとした。これにより、伝搬時間逆数差法を用いて流量を算出する場合に比べ、伝搬時間の測定の分解能が大きくても測定精度を保つことができる。

（１０）流量算出部２４Ｂを、濃度算出部２５により算出された算出濃度に対応して補正した音速Ｃを用いて、伝搬時間差法により血液流量を算出するものとした。これにより、更に流量の測定精度を向上させることができる。

（１１）体外循環装置１００Ｂを、流量算出部２４Ｂにより算出された算出流量に異常がある場合に、異常を報知する報知手段１５０を更に備えるものとした。これにより、脱血不良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。

（１２）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及び濃度算出部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が脱血不良等の異常があると判断した場合に、血液ポンプ１１１ｃ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。

次に、第１実施形態で説明した超音波測定装置１Ａ及び血液浄化装置１００Ａを用いて、濃度の異なる血液について超音波信号の減衰度合を測定した結果を図６Ａ及びＢに示す。
［実施例１］
血液回路１１０に、温度３６℃、ヘマトクリット値３０％、４５％の牛血を、血液ポンプ１１１ｃの設定流量２００ｍｌ／ｍｉｎで流して、超音波測定装置１Ａにより超音波信号の減衰度合を測定した。具体的には、送信部２１により送信された電気信号の波形（以下、送信波形とする）と、受信部２２により受信された電気信号の波形（以下、受信波形とする）とを比較することにより、超音波信号の減衰度合を算出した。
実施例においては、測定部位は、図７に示すように、コの字型形状で、内径１０ｍｍのポリプロピレンにより形成されたパイプを用いた。
超音波送受波器１０Ａ及び１０Ｂは、血液回路１１０の血液の流れ方向について、１０ｍｍの間隔を空けて配置した。
送信部２１は、例えば、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ており、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。

ヘマトクリット値が３０％の場合の送信波形及び受信波形を図６Ａに、４５％の場合の送信波形及び受信波形を図６Ｂに示す。超音波信号の減衰度合は、ヘマトクリット値が３０％及び４５％の場合に、それぞれ約６０％及び約４０％となり、血液濃度が高くなるほど、減衰度合が大きくなることが分かった。このように、血液濃度に対応して超音波信号の減衰度合が変化するので、この対応関係及び超音波信号の減衰度合に基づいて、血液濃度を算出することが可能となる。

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導管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。

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
１１１ｃ 血液ポンプ
１１２ 静脈側ライン
１２０ 血液浄化手段（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 (7)

1. 血液を流すための血液回路と、該血液回路に接続され血液中の水分を除去可能な血液浄化手段と、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血液の流量及び濃度を測定する測定回路と、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、
   前記送信部により送信された送信信号及び前記受信部により受信された受信信号に基づいて血液流量を算出する流量算出部と、
   前記送信信号の振幅に対する前記受信信号の振幅の減衰度合に基づいて血液濃度を算出する濃度算出部と、
   を備える超音波測定装置。
2. 前記血液回路は、前記血液浄化手段に導入される血液を流すための動脈側ラインと、前記血液浄化手段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に記載の超音波測定装置。
3. 前記超音波測定装置は、前記血液回路を流れる血液の流れ方向に所定の距離をおいて該血液回路を挟んで対向し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、血液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又は２に記載の超音波測定装置。
4. 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３に記載の超音波測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の超音波測定装置と、
   血液を流すための血液回路と、
   前記血液回路に接続され血液中の水分を除去可能な血液浄化手段と、
   を備え、血液を体外循環させる体外循環装置。
6. 前記濃度算出部により算出された算出濃度に基づいて、前記血液浄化手段における除水速度を制御する制御部を更に備える請求項５に記載の体外循環装置。
7. 前記流量算出部により算出された算出流量に異常がある場合に、異常を報知する報知手段を更に備える請求項５又は６に記載の体外循環装置。

Images