JP7797844B2 - 気体分圧測定装置及び体外循環装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体分圧測定装置及び体外循環装置に関する。

従来、体外循環装置において、血液中の酸素分圧や二酸化炭素分圧を測定するために、血液回路内に電極を挿入する方法が一般的である（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６３－６６４３７号公報

しかし、血液回路は人体に接続されるため、血液中の酸素分圧や二酸化炭素分圧を測定する場合に、人体への影響を考慮して、血液には電極が触れないことが好ましく、電極を用いないことが好ましい。

本発明は、電極を用いずに血液中の気体分圧を測定できる気体分圧測定装置及び体外循環装置を提供することを目的とする。

本発明は、血液回路を流通する血液が導入されると共に空気が供給されることで血液と空気との間でガス交換を行う気体交換部と、前記気体交換部により血液に対してガス交換された気体の濃度を検知する気体濃度センサと、前記気体濃度センサにより検知された気体濃度値に基づいて血液中の気体分圧値を算出する算出部と、を備える気体分圧測定装置に関する。

また、前記気体交換部は、複数の多孔質膜を有することが好ましい。

また、前記気体交換部に空気を供給する空気供給部を備えることが好ましい。

また、前記気体交換部において交換された気体を含む空気を前記気体濃度センサに向けて導出する気体導出路と、前記気体導出路に配置され前記気体交換部において交換された気体を含む空気を前記気体濃度センサに向けて送り出すポンプと、を備えることが好ましい。

また、前記気体交換部により血液に対してガス交換された気体を含む空気を前記気体交換部に循環させる循環経路を備えることが好ましい。

また、前記気体交換部に外気を供給する外気供給部を備えることが好ましい。

また、本発明は、血液回路と、前記血液回路に配置される人工肺と、前記血液回路に配置される前記気体分圧測定装置と、を備える体外循環装置に関する。

また、前記人工肺と前記気体分圧測定装置とは、一体化して構成されることが好ましい。

本発明によれば、電極を用いずに血液中の気体分圧を測定できる気体分圧測定装置及び体外循環装置を提供することができる。

第１実施形態に係る体外循環装置の構成を示す図である。 第１実施形態の気体分圧測定装置を示す図である。 第２実施形態の気体分圧測定装置を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る体外循環装置１の構成を示す図である。第１実施形態の体外循環装置１は、例えば心臓Ｈの手術を行う場合に用いられる。

図１に示すように、体外循環装置１は、血液回路２を備える。血液回路２は、静脈ライン２１と、貯血槽２２と、貯血槽２２から送血する血液ポンプ２３と、人工肺２４と、動脈ライン２５と、気体分圧測定ライン２６と、気体分圧測定装置３と、を備える。

静脈ライン２１、動脈ライン２５及び気体分圧測定ライン２６は、柔軟性を有するポリ塩化ビニル等のチューブで構成されている。

静脈ライン２１は、心臓Ｈ近傍に位置する大静脈に接続され、大静脈から流れてくる血液を貯血槽２２に送る。

貯血槽２２は、静脈ライン２１及び気体分圧測定ライン２６を流れる血液を貯留する。貯血槽２２には、静脈ライン２１の下流側の端部及び気体分圧測定ライン２６の下流側の端部が接続される。

血液ポンプ２３は、貯血槽２２の下流側に配置され、貯血槽２２から人工肺２４に血液を送る。血液ポンプ２３としては、周知の遠心ポンプやローラポンプが用いられる。本実施形態では、血液ポンプ２３として遠心ポンプが用いられ、内部に設けられた回転体を駆動させて血液を圧送する。

人工肺２４は、血液ポンプ２３の下流側に配置され、気体透過性に優れた中空糸を備える。人工肺２４は、血液への酸素付加、及び血液からの二酸化炭素除去等のガス交換を行う。人工肺２４には、酸素ボンベ等の酸素供給手段（図示せず）が接続され、この酸素供給手段から人工肺２４に血液に付加する酸素が供給される。また、人工肺２４には、例えば、熱交換により血液の温度を調整するための熱交換器が設けられる。

動脈ライン２５は、下流側の端部が、心臓Ｈ近傍の大動脈に接続され、人工肺２４によりガス交換及び熱交換された血液を心臓Ｈ近傍の大動脈に戻す。

気体分圧測定ライン２６は、動脈ライン２５の途中から分岐して、下流側の端部が、貯血槽２２に接続される。気体分圧測定ライン２６の途中には、気体分圧測定装置３が配置される。

気体分圧測定装置３は、動脈ライン２５を流通する血液の酸素濃度又は二酸化炭素濃度（気体濃度）を測定し、気体分圧測定ライン２６を流通する血液中の酸素分圧又は二酸化炭素分圧（気体分圧）を算出する装置である。

気体分圧測定装置３は、図２に示すように、気体分圧測定ライン２６により供給される血液を導入する血液導入ライン３１と、血液導入ライン３１の下流側の端部に配置されるガス交換部３２（気体交換部）と、ガス交換部３２から排出される血液を気体分圧測定ライン２６に排出する血液排出ライン３３と、ガス交換部３２から排出される気体を含む空気を流通させる気体導出ライン３４（気体導出路）と、気体導出ライン３４の途中に配置されるポンプ３５と、気体導出ライン３４の下流側の端部に接続される気体収容部３６と、気体収容部３６の内部に配置される酸素濃度センサ３６１及び二酸化炭素濃度センサ３６２と、気体収容部３６に収容された空気をガス交換部３２に供給する空気供給ライン３７（空気供給部）と、制御部３８と、表示部３９と、を備える。

本実施形態においては、気体分圧測定装置３は、ガス交換部３２により交換された気体を含む空気を、気体導出ライン３４、気体収容部３６及び血液排出ライン３３を流通させてガス交換部３２に循環させることで、ガス交換部３２に空気を供給して、血液と空気との間でガス交換を行うように構成されている。気体導出ライン３４、気体収容部３６及び空気供給ライン３７は、ガス交換部３２により血液に対してガス交換された気体を含む空気をガス交換部３２に循環させる循環経路を構成する。第１実施形態の気体分圧測定装置３は、内気循環型の気体分圧測定装置である。

ガス交換部３２は、気体分圧測定ライン２６を流通する血液が血液導入ライン３１を介して導入されると共に空気供給ライン３７により空気が供給されることで、血液と空気との間でガス交換を行う。ガス交換部３２は、例えば、複数の多孔質膜を備える。本実施形態においては、ガス交換部３２は、例えば、積層された複数の多孔質膜により構成される中空糸３２１を有する。

気体導出ライン３４は、ガス交換部３２において交換された気体を含む空気を酸素濃度センサ３６１及び二酸化炭素濃度センサ３６２に向けて導出する。気体導出ライン３４は、上流側がガス交換部３２に接続され、下流側が気体収容部３６接続される。気体導出ライン３４の途中には、ポンプ３５が配置される。

ポンプ３５は、気体導出ライン３４に配置され、ガス交換部３２において交換された気体を含む空気を酸素濃度センサ３６１及び二酸化炭素濃度センサ３６２が配置された気体収容部３６に向けて送り出す。ポンプ３５の駆動は、制御部３８により制御される。ポンプ３５の出力は、ガス交換部３２から気体導出ライン３４に導出された気体を含む空気を気体収容部３６に送ることが可能な出力であればよい。

ポンプ３５の出力は、例えば、ガス交換部３２の中空糸３２１の表面積から求められる気体の交換量に基づいて決定される。ポンプ３５の出力は、ガス交換部３２から気体導出ライン３４に導出された気体を含む空気を気体収容部３６に送ることが可能な出力であればよいため、ガス交換部３２の中空糸３２１と同様の中空糸を有する人工肺２４にガスを送る酸素ボンベ等の酸素供給手段の出力（１～１０Ｌ／ｍｉｎ）よりも小さい出力（１～１０００ｍＬ／ｍｉｎ）であり、１～１００ｍＬ／ｍｉｎであることが望ましく、特に１～１０ｍＬ／ｍｉｎ程度であることが望ましい。

気体収容部３６には、ガス交換部３２においてガス交換が行われた気体を含む空気が収容される。気体収容部３６の内部には、酸素濃度センサ３６１及び二酸化炭素濃度センサ３６２が配置される。

酸素濃度センサ３６１は、ガス交換部３２により血液に対してガス交換されて気体収容部３６に収容された酸素の酸素濃度を検知するセンサである。酸素濃度センサ３６１により検知された酸素濃度の濃度情報は、制御部３８に送信される。二酸化炭素濃度センサ３６２は、ガス交換部３２により血液に対してガス交換されて気体収容部３６に収容された二酸化炭素の二酸化炭素濃度を検知するセンサである。二酸化炭素濃度センサ３６２により検知された二酸化炭素濃度の濃度情報は、制御部３８に送信される。

空気供給ライン３７は、上流側が気体収容部３６に接続され、下流側がガス交換部３２に接続される。空気供給ライン３７は、気体収容部３６に収容された気体を含む空気をガス交換部３２に供給するラインである。空気供給ライン３７は、ガス交換部３２に空気を供給する空気供給路を構成する。

制御部３８は、気体分圧測定装置３の動作を制御する。制御部３８には、ポンプ３５、表示部３９、酸素濃度センサ３６１及び二酸化炭素濃度センサ３６２が電気的に接続されている。制御部３８は、ポンプ３５及び表示部３９を制御する。制御部３８は、算出部３８１を有する。

算出部３８１は、酸素濃度センサ３６１により検知された酸素濃度の濃度値に基づいて、空気中の酸素濃度（約２０％）からの酸素濃度の変化率を算出して、気圧情報や湿度情報を参照して、血液中の酸素分圧（気体分圧）を算出する。

また、算出部３８１は、二酸化炭素濃度センサ３６２により検知された二酸化炭素の濃度値に基づいて、空気中の二酸化炭素濃度（約０．０４％）からの二酸化炭素濃度の変化率を算出して、気圧情報や湿度情報を参照して、血液中の二酸化炭素分圧（気体分圧）を算出する。

表示部３９は、気体分圧測定装置３の各種情報を表示する。表示部３９の表示は、制御部３８により制御される。表示部３９は、例えば、気体分圧測定装置３の動作状況や、気体分圧測定装置３により測定した血液中の酸素分圧値や二酸化炭素分圧値や、血液中の酸素分圧値や二酸化炭素分圧値の正常・異常を、メッセージ等により表示する。

次に、本実施形態の血液回路２に配置される気体分圧測定装置３の動作について説明する。血液回路２は、静脈ライン２１が心臓Ｈ近傍の大静脈に接続され、動脈ライン２５が心臓Ｈ近傍の大動脈に接続されて構成されてる。

血液回路２において、心臓Ｈより脱血された血液は、貯血槽２２に貯血される。貯血槽２２に貯血された血液は、血液ポンプ２３により人工肺２４に送血される。人工肺２４に送血された血液には、人工肺２４において酸素が付加され、二酸化炭素が除去されるガス交換が施される。また、人工肺２４を通過する血液の温度調整が行われる。そして、血液は動脈ライン２５により心臓Ｈ近傍の大動脈に戻される。

血液回路２において、動脈ライン２５の途中は、気体分圧測定ライン２６に分岐され、気体分圧測定ライン２６の下流側の端部は貯血槽２２に接続されている。気体分圧測定ライン２６の途中には、気体分圧測定装置３が配置されている。

気体分圧測定装置３は、人工肺２４から排出される血液中の酸素分圧を測定する。気体分圧測定装置３は、ガス交換部３２を流通される血液が空気とガス交換を行う。ガス交換部３２により交換された気体は、ポンプ３５により気体導出ライン３４を介して導出されて、気体収容部３６に収容される。

気体収容部３６に収容された気体は、酸素濃度センサ３６１により酸素濃度が検知され、算出部３８１により血液中の酸素分圧が算出される。算出部３８１により算出された血液中の酸素分圧値は表示部３９に表示される。これにより、人工肺２４の下流側の動脈ライン２５において人工肺２４から排出される血液中の酸素分圧を測定することで、酸素分圧の値が所定の正常値の範囲である場合には、人工肺２４が正常に動作しており、人工肺２４により、血液中に適正量の酸素が供給されていることを確認できる。

以上のように構成される気体分圧測定装置３は、電極を用いずに血液中の酸素分圧を測定できるため、人工肺２４から排出される血液中の酸素分圧を安全に測定できる。

また、従来、人工肺２４において正常にガス交換が行われているかについて血液中の酸素分圧を測定して判定する技術として、人工肺２４に高流量の酸素を供給して、供給した酸素の酸素濃度の変化に基づいて血液に対してガス交換した酸素濃度の変化から、血液中の酸素分圧を算出する方法があった。しかし、人工肺２４に酸素を供給して血液に対してガス交換した後の酸素濃度の変化から血液中の酸素分圧を算出する方法では、人工肺２４に高流量の酸素を供給するため、血液に対してガス交換した酸素濃度を検知しても、人工肺２４に供給した酸素の酸素濃度から血液への酸素の移動量の変化を正確に求めることが難しかった。

そのため、従来技術では人工肺２４に高流量で流れる酸素濃度の変化を測定するため測定精度が悪いと考えられるのに対して、本発明では、低流量ポンプを利用することで、酸素濃度の変化を精度よくとらえることができる。これにより、血液中の酸素分圧を精度よく算出して、人工肺２４においてガス交換が正常に行われているか否かを精度よく確認できる。

以上、第１実施形態によれば、次の効果を奏する。気体分圧測定装置３を、血液回路２を流通する血液が導入されると共に空気が供給されることで血液と空気との間でガス交換を行うガス交換部３２と、ガス交換部３２により血液に対してガス交換された酸素の酸素濃度を検知する酸素濃度センサ３６１と、酸素濃度センサ３６１により検知された酸素濃度値に基づいて気体分圧値を算出する算出部３８１と、を備えて構成した。これにより、電極を用いずに血液中の酸素分圧を安全に測定できると共に、電極を用いる場合に要するコストを低減できる。また、空気中の酸素濃度の変化に基づいて測定できるため、血液中の酸素分圧を精度よく測定できる。

また、本実施形態においては、ガス交換部３２は、中空糸３２１を有する。これにより、簡易な構成で、ガス交換部３２を構成できる。

また、本実施形態においては、ガス交換部３２に空気を供給する空気供給ライン３７を備える。これにより、空気供給ライン３７により、空気をガス交換部３２に供給できるため、ガス交換部３２に供給された空気と血液との間でガス交換を行うことができる。よって、空気と血液との間でガス交換を行うことで、人工肺のように酸素と血液との間でガス交換を行う場合と比べて、血液中の酸素分圧を精度よく測定できる。

また、本実施形態においては、ガス交換部３２において交換された気体を含む空気を酸素濃度センサ３６１に向けて導出する気体導出ライン３４と、気体導出ライン３４に配置されガス交換部３２において交換された気体を含む空気を酸素濃度センサ３６１に向けて送り出すポンプ３５と、を備える。これにより、ポンプ３５により、ガス交換部３２において交換された気体を含む空気を、効率よく、酸素濃度センサ３６１に向けて送り出すことができる。よって、血液中の酸素分圧を安定して測定できる。

また、本実施形態においては、ガス交換部３２により血液に対してガス交換された気体を含む空気をガス交換部３２に循環させる循環経路（気体導出ライン３４、気体収容部３６、空気供給ライン３７）を備える。これにより、気体を含む空気をガス交換部３２循環させることで、気体を含む空気の酸素濃度の変化を経時的に検知できる。ガス交換部３２により血液に対してガス交換された気体を含む空気をガス交換部３２に循環させることで、効率的に血液中の酸素分圧を測定できる。

次に、第２実施形態の気体分圧測定装置３Ａについて、図３を参照しながら説明する。第１実施形態ではガス交換部３２に気体を含む空気を循環させているのに対して、第２実施形態ではガス交換部３２Ａに気体を含む空気を循環させずに外気を導入している点について、第２実施形態は、第１実施形態と異なる。第２実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

第２実施形態の気体分圧測定装置３Ａは、図３に示すように、血液導入ライン３１と、ガス交換部３２Ａ（気体交換部）と、血液排出ライン３３と、気体導出ライン３４（気体導出路）と、ポンプ３５と、気体収容部３６Ａと、気体収容部３６の内部に配置される酸素濃度センサ３６１及び二酸化炭素濃度センサ３６２と、制御部３８と、表示部３９と、を備える。第２実施形態においては、気体分圧測定装置３Ａには、第１実施形態における気体収容部３６に収容された気体を含む空気をガス交換部３２に供給する空気供給ライン３７は設けられていない。第２実施形態の気体分圧測定装置３Ａは、外気導入型の気体分圧測定装置である。

ガス交換部３２Ａは、外気を供給する空気供給部３２２（外気供給部）を有する。空気供給部３２２は、ガス交換部３２Ａに外気を空気として供給する。これにより、空気供給部３２２から供給された外気からの空気を、ガス交換部３２Ａに流通された血液との間でガス交換できる。

気体収容部３６Ａは、気体収容部３６Ａに収容される気体を含む空気を外部に排出する気体排出部３６３を有する。これにより、気体排出部３６３により気体収容部３６Ａに収容された気体を含む空気を外部に排出することで、ガス交換部３２Ａに常時新しい空気を供給できる。

第２実施形態では、ポンプ３５の出力は、第１実施形態のポンプ３５の出力（１～１００ｍＬ／ｍｉｎ程度）よりも小さい出力であることが望ましく、１～１０ｍＬ／ｍｉｎであることが望ましい。

第２実施形態によれば、次の効果を奏する。ここで、前述の第１実施形態においては、ガス交換部３２に気体を含む空気を循環させているため、ガス交換部３２に循環させた気体が血液に触れて気体の湿度が上昇する可能性がある。これに対して、第２実施形態によれば、第１実施形態と比べて、ガス交換部３２Ａに気体を含む空気を循環させておらず、ガス交換部３２Ａに外気を空気として供給するため、気体の湿度の上昇を抑制できる。よって、気体の湿度の上昇の影響が少ないため、血液中の酸素分圧を精度よく測定できる。

以上、本発明の気体分圧測定装置３，３Ａの好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した各実施形態に制限されるものではない。

例えば、前記実施形態においては、気体分圧測定装置３を、動脈ライン２５から分岐させた気体分圧測定ライン２６に設け、気体分圧測定ライン２６において測定した血液を貯血槽２２を介して動脈ライン２５に戻しているが、これに限定されない。動脈ライン２５から分岐させた気体分圧測定ライン２６を設けずに、気体分圧測定装置３を動脈ライン２５上に設けてもよい。

また、前記実施形態においては、動脈ライン２５側の気体分圧測定ライン２６にのみ気体分圧測定装置３を配置したが、これに限定されない。静脈ライン２１側にのみ気体分圧測定装置３を配置してもよいし、動脈ライン２５側及び静脈ライン２１側の両方にそれぞれ気体分圧測定装置３を配置してもよい。心臓Ｈの下流側の静脈ライン２１側に気体分圧測定装置３を配置する場合には、二酸化炭素濃度センサ３６２により二酸化炭素濃度を検知して、二酸化炭素濃度から血液中の二酸化炭素分圧を算出することで、血液中の二酸化炭素分圧を測定するように構成する。この場合、心臓Ｈの下流側の静脈ライン２１側の二酸化炭素分圧を測定することで、心臓Ｈから排出される血液中の二酸化炭素分圧を測定できるため、患者の人体の代謝を確認できる。

また、気体分圧測定装置３を、静脈ライン２１に直接設けてもよいし、静脈ライン２１から分岐する分岐回路に設けてもよい。また、気体分圧測定装置３を、動脈ライン２５に直接設けてもよいし、動脈ライン２５から分岐する分岐回路に設けてもよい。

また、前記実施形態においては、ガス交換部３２を複数の多孔質膜により構成される中空糸３２１により構成したが、これに限定されない。例えば、ガス交換部をシリコン膜により構成してもよい。また、ガス交換部は、血液を通さないものでもよく、ガス交換可能な均質膜、ポリメチルペンテン等の非対称膜、それらを複合した複合膜でもよい。

また、前記実施形態においては、気体分圧測定装置３を、人工肺２４とは別体で構成したが、気体分圧測定装置３と人工肺２４とを一体化して構成してもよい。例えば、人工肺２４の入口側及び出口側のいずれか一方又は両方に気体分圧測定装置３を設けて、気体分圧測定装置３と人工肺２４とを一体化させてもよい。人工肺２４の入口側では、静脈ライン２１側の血液中の二酸化炭素分圧を測定でき、人工肺２４の出口側では、動脈ライン２５側の血液中の酸素分圧を測定できる。これにより、人工肺２４と気体分圧測定装置とを一体化させて、１つのデバイスとして使用（製造、販売、利用）できる。

また、気体分圧測定装置３と貯血槽２２とを一体化して構成してもよい。例えば、気体分圧測定装置３を貯血槽２２の内部機構に組み込んで構成してもよいし、気体分圧測定装置３を貯血槽２２の入口ポート又は出口ポートに設置してもよい。
また、気体分圧測定装置３と血液ポンプ２３とを一体化して構成してもよい。例えば、気体分圧測定装置３を血液ポンプ２３の内部機構に組み込んで構成してもよいし、気体分圧測定装置３を血液ポンプ２３の入口ポート又は出口ポートに設置してもよい。

１ 体外循環装置
２ 血液回路
３、３Ａ 気体分圧測定装置
２４ 人工肺
３２ ガス交換部（気体交換部）
３４ 気体導出ライン（気体導出路）
３５ ポンプ
３７ 空気供給ライン（空気供給部）
３２１ 中空糸（複数の多孔質膜）
３２２ 空気供給部（外気供給部）
３６１ 酸素濃度センサ（気体濃度センサ）
３６２ 二酸化炭素濃度センサ（気体濃度センサ）
３８１ 算出部

Claims (7)

1. 血液回路を流通する血液が導入されると共に空気が供給されることで血液と空気との間でガス交換を行う気体交換部と、
   前記気体交換部により血液に対してガス交換された気体の濃度を検知する気体濃度センサと、
   前記気体濃度センサにより検知された気体濃度値に基づいて血液中の気体分圧値を算出する算出部と、
   前記気体交換部において交換された気体を含む空気を前記気体濃度センサに向けて導出する気体導出路と、
   前記気体導出路に配置され前記気体交換部において交換された気体を含む空気を前記気体濃度センサに向けて送り出すポンプと、を備える気体分圧測定装置。
2. 前記気体交換部は、複数の多孔質膜を有する、請求項１に記載の気体分圧測定装置。
3. 前記気体交換部に空気を供給する空気供給部を備える、請求項１又は２に記載の気体分圧測定装置。
4. 前記気体交換部により血液に対してガス交換された気体を含む空気を前記気体交換部に循環させる循環経路を備える、請求項１～３のいずれかに記載の気体分圧測定装置。
5. 前記気体交換部に外気を供給する外気供給部を備える、請求項１～３のいずれかに記載の気体分圧測定装置。
6. 血液回路と、
   前記血液回路に配置される人工肺と、
   前記血液回路に配置される請求項１～５のいずれかに記載の気体分圧測定装置と、を備える体外循環装置。
7. 前記人工肺と前記気体分圧測定装置とは、一体化して構成される請求項６に記載の体外循環装置。