JPH0441869Y2

JPH0441869Y2 -

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Publication number: JPH0441869Y2
Application number: JP18417785U
Authority: JP
Priority date: 1985-11-29
Filing date: 1985-11-29
Publication date: 1992-10-01
Also published as: JPS6292833U

Description

【考案の詳細な説明】「産業上の利用分野」この考案は呼吸不全患者の肺機能を補助するた
めに使用される人工肺装置に関するものである。

「従来の技術」呼吸不全患者に対して、その血液を体外循環さ
せ、その間に血液中の二酸化炭素成分を除くため
に、血液の損傷が少く、かつ効率のよい装置とし
て、人工肝臓用の血液透析器を用いた体外循環型
肺補助装置が提案されている。第１０図はそのブ
ロツク系統図である。図において、患者の血液は
血液ラインを通つて透析器２へ送られ、透析器２
内で膜を介して、血液中の重炭酸イオン（HCO₃
⁻）及び溶存二酸化炭素（CO₂）が灌流液側に移
動し、二酸化炭素成分が減少した血液はドリツプ
チヤンバ３、血液用流用計６、静脈圧調整器４を
順次経由して患者の体内に戻される。

灌流液供給部１０より放散筒１１へ供給された
灌流液は放散筒１１の出口よりPH電極１２、温度
計１３、ポンプ、流量計１５を順次経由して透析
器２へ流入され、透析器２より流出される灌流液
は液圧計１６、液切れ検出器１７、ヒータ１８を
順次経由して放散筒１１へ戻される。このように
して灌流液の循環通路が構成される。

ガス供給部２０より供給される不活性ガスは圧
力調整器２１、止め弁２２、ガス流量弁２３、ガ
ス流量計２４、逆止弁２５を順次経由して放散筒
１１へ与えられる。

放散筒１１においては、灌流液中の水素イオン
（H⁺）が重炭酸イオン（HCO₃ ^-）と結合し、重
炭酸イオン（H₂CO₃）が成生され、この重炭酸
水素が灌流液中に含まれる炭酸脱水酵素C.A.（カ
ーボニツク、アンヒトラーゼ）の触媒作用によつ
て二酸化炭素に転化される。即ち HCO₃ ^-＋H⁺H₂CO₃Ｃ．Ａ．H₂Ｏ＋CO₂ (1) となる。灌流液は放散筒１１で不活性ガスと気液
接触され、この新たに転化された二酸化炭素と既
に透析器において灌流液内に取込んだ二酸化炭素
とは共に炭酸ガスとして放散される。

PH調整液供給部３０よりPH調整液がピンチバル
ブ３１を介して放散筒１１へ供給され、水素イオ
ン（H⁺）が補充される。灌流液中の重炭酸イオ
ン及び二酸化炭素の濃度をそれぞれ〔HCO₃ ^-〕、
〔CO₂〕で表せば、灌流液のPHは所謂ヘンダーソ
ン−ハツセルバツハ（Henderson−Hasselbach）
の方程式で与えられる。即ち PH＝pK_A＋log〔HCO₃ ^-〕／〔CO₂〕 (2) ここでpK_Aは定数で6.1である。重炭酸イオン
（HCO₃ ^-）が増えればPHは大きくなり、またPH調
整液を与えて(1)式の反応を促進させれば、重炭酸
イオン（HCO₃ ^-）は減少し、二酸化炭素（CO₂）
が増加するのでPHは減少する。

ところで重炭酸イオンを二酸化炭素に転化する
ために灌流液に添加する炭酸脱水酵素にはその触
媒作用を発揮できる活性領域と呼ばれるPHの範囲
が存在し、通常PH＝7.3〜7.6である。また健康な
人の場合、血液のPHはほぼ7.4に等しい。灌流液
のPHは炭酸脱水酵素の活性領域と血液のPHとを考
慮して、PH＝7.2〜7.6の範囲に制御するのが好ま
しい。このため制御部４０はPH電極１２のデータ
を監視し、灌流液のPHがこの範囲を外れないよう
に、ピンチバルブ３１をオン、オフ制御して、PH
調整液（例えば希塩酸溶液）を放散筒１１へ供給
する。

透析器２においては、二酸化炭素成分が血液よ
り灌流液へ移行すると同時に水分も同様に移動す
る。即ち血液と灌流液との圧力の差、所謂透析器
の過圧が正のときは血液から水分が除去され、
逆に負のときは血液中に水分が入り込む。また
過圧が零であれば水分の移動はない。従つて必要
に応じ過圧を制御する必要がある。このため制
御部４０は液圧計１６のデータと静脈圧計５のデ
ータの差つまり過圧を算出し、必要に応じ静脈
圧調整器４を制御する。

制御部４０は、放散筒１１の放散路に設けた
CO₂濃度計１９のデータｘと灌流液の流入通路の
流量計１５のデータｙとより炭酸ガス除去流量ｚ
＝xyを計算し、この値が設定値と等しくなるよ
うに、血液の流量（血液用流用計６のデータ）が
許容範囲内にあり可変できる場合は血液ポンプ１
を制御し、もし可変できない場合はガス流量弁２
３を制御して不活性ガスの流量を調整すると共に
灌流液の流入通路のポンプ１４を制御して循環す
る灌流液の流量を調整する。この炭酸ガス除去流
量ｚを設定値へ調整する制御は肺補助装置を嫁働
させた直後に行はれる。

また制御部４０は灌流液の温度、液圧、PH、流
量、液切れ、血液の流量、静脈圧、不活性ガス流
量、炭酸ガス濃度等の各データを表示器４１へ表
示する。

炭酸ガス除去流量、灌流液のPH及び温度等の各
設定値は操作部４２より制御部４０の記憶回路へ
記憶される。

「考案が解決しようとする問題点」いま灌流液のPHを一定とすれば、透析器の膜を
介して血液側より灌流液側へ移動する重炭酸イオ
ン（HCO₃ ^-）の量は初期値より指数函数的に減
少する。従つて水素イオン（H⁺）の補充も重炭
酸イオン（HCO₃ ^-）の移動量に整合して微細に
行はれねばならない。しかしながら従来のPH調整
液の供給制御はピンチバルブを使用したオン、オ
フ制御であり、供給流量を連続的に可変する制御
ではない。第１１図に示すようにあるタイミング
（同図Ａ）に従つてPHを制御中心値と比較し、こ
の値を越えていればピンチバルブをオン（開）と
し、基準値以下であればオフ（閉）とする。治療
開始時点に近いほどPH調整液の注入量は大きな値
である。この初期の供給能力を満す為にはピンチ
バルブをオンに保つ時間は当然長くなるが、これ
だけでは不充分でPH調整液の注入ラインの内径を
ある程度大きくしなければならない。ピンチバル
ブをオンに保つ時間比率は治療開始直後は大き
く、時間の経過と共に小さくなる。（第１１図
Ｂ）。

ピンチバルブを１回フラツシングして注入する
PH調整液の最小単位はPH調整液注入ラインの内径
とフラツシング時間で定まる。このフラツシング
時間はピンチバルブにもよるが、あまり小さくす
ることは機構的に困難である。また注入ラインの
内径も前記したようにあまり小さくすることはで
きないので、１回のフラツシングによるPH調整液
の最小単位はある程度大きくなる。このようなピ
ンチバルブのオン、オフ制御によつて灌流液のPH
は第１１図Ｃに示すように制御中心値の上下に波
打つた特性となる。時間の経過と共に移行する重
炭酸イオン（HCO₃ ^-）の量が小さくなり、変化
が緩慢になると、ピンチバルブの１回のフラツシ
ングにより注入される緩衝液の量が多すぎるよう
になり、PH調整液を注入されてからの灌流液のPH
は小さくなり過ぎ、波状変化の谷は次第に大きく
なる。このため灌流液に含まれる炭酸脱水化酵素
C.A.のPHの活性領域の下限値を越え、(1)式によ
る重炭酸水素より二酸化炭素への転化が効率よく
行はれないばかりでなく、透析器を介して血液の
PHを変動させる要因にもなり好ましくない。

更にもしピンチバルブの故障等により、１回の
フラツシングでPH調整液が多量に注入された場合
には血液のPH変動をひきおこし患者に悪い影響を
与えかねない。

この考案の目的は上記した欠点を除去し、灌流
液のPHの変動を小さく抑えると共に万一PHの設定
範囲を大きく外れた場合にも血液のPHが変動しな
いようにして装置の安全性を向上しようとするも
のである。

「問題点を解決するための手段」この考案においては、従来の肺補助装置でPH調
整液の注入をオン、オフするピンチバルブの代り
に、注入流量調整部を設けて、灌流液のPHが所定
範囲になるようにPH調整液の注入流量を連続的に
かつ微細に調整できるように改良すると共に、万
一灌流液のPHが警報範囲に達した場合にPH調整液
の注入を停止する注入停止部を設ける。この注入
停止と同時に、放散筒と透析器との間の灌流液の
透析器への流入通路と透析器からの流出通路との
間を側路させ、透析器を通さずに灌流液を循環さ
せるための側路手段と、この側路手段がオンする
と同時に透析器の灌流液流入及び流出通路を閉塞
する手段とを設ける。上記の注入流量調整部、注
入停止部、側路手段及び閉塞手段の制御は制御部
で行はれる。

「実施例」第１図はこの考案の体外循環型肺補助装置の実
施例の要部を示すブロツク系統図であり、図示し
ていない部分は第１０図の従来例と同じである。
PH調整液の注入通路には注入流量調整部５０、注
入停止部５１が挿入される。

透析器２の流入口及び流出口とつながる流入通
路及び流出通路にそれぞれ開閉弁５３，５４が挿
入され、これらの開閉弁５３，５４の透析器側で
ない側の流入及び流出通路の間に開閉弁５４を有
する側路５５が設けられる。

これらの改良或いは追加した機器の制御は制御
部４０において他の機器の制御と平行して行われ
る。

制御部４０にはマイクロコンピユータが用いら
れ、その中央処理部（CPU）６０は読出し専用
メモリ（ROM）６１に格納されたプログラムを
順次解読実行して制御を行う。ROM６１中には
肺補助装置全体の制御プログラムが格納されてお
り、灌流液PH制御プログラムもその中に含まれて
いる。PHの制御中心値（例えば7.4）、制御幅（例
えば±0.2）、警報設定幅（例えば±0.3）は設定
スイッチ６２により設定される。CPU６０はこ
れらの設定値を設定回路６３、入出力回路（Ｉ／
Ｏ）６４を介して自動的に読み込み、それぞれの
上限値と下限値を算出してRAM６５に格納す
る。PH電極１２からのPH検出値はPH信号処理回路
６６により後処理可能のレベルに変換されＡ／Ｄ
コンバータ６７でデジタル信号に変換され、
RAM６５に記憶される。CPU６０は制御信号を
Ｉ／Ｏ６４、駆動回路６８を経由して注入流量調
整部５０、注入停止部５１、開閉弁５２，５３．
５４に与える。

ROM６１に格納される制御プログラムはバツ
クグラウンドルーチンと、タイマ６９により0.5
秒毎に発生する割込ルーチンとに区別される。灌
流液PHの制御プログラムについても同様である。
第２図は灌流液PH制御割込ルーチンを示すフロー
チヤートである。0.5秒毎に発生するタイマ割込
ルーチンにて灌流液PHの値はＡ／Ｄ変換され
（S₁）、デジタルデータとしてRAM６５に格納さ
れる。（S₂）。

CPU６０はこの後、Ａ／Ｄ変換した灌流液PH
の値と警報上限とを比較し、PHデータ＞警報上限
（7.7）の場合（S₃）には、上限アラームフラグを
セツトする（S₄）。そうでない場合には上限アラ
ームフラグをリセツトする（S₅）。

また、PHデータ＜警報下限（7.1）の場合（S₆）
には下限アラームフラグをセツトする（S₇）。そ
うでない場合にはPHは正常として、下限アラーム
フラグをリセツトする（S₈）。これらは、アラー
ムの有無をチエツクするルーチンである。

以上のルーチンに続いて、絞り部コントロール
ルーチン（S₁₀）が行はれる。次にこれについて
説明する。本実施例では、PH調整液の注入流量の
制御は、注入通路の注入流量調整部５０の絞り度
を加減して行はれる。

第３図に示す絞り部コントロールルーチンにお
いては、先ず、現在のPHデータと、制御上限値と
を比較する。PHデータ＞制御上限値の場合には
（S₁）、絞り部のモータを正転させ（S₂）、絞り度
を上昇する。これは、Ｉ／Ｏのあるビツトを１に
することにより駆動回路を動作させて行う。そう
でない場合はPHデータと制御下限値とを比較し、
PHデータ＜制御下限値の場合（S₃）には、絞り部
のモータを逆転させ、（S₄）、絞り度を低下させ
る。そうでない場合には、PHは安定領域にあると
判断して、モータを停止させる（S₅）。絞り度が
上昇すると、PH調整液の注入流量が低下するた
め、生成するCO₂量が減少して、灌流液のPHが減
少する。また、絞り度を低下させると、逆に注入
流量が増加するのでCO₂量が増加して灌流液PHが
増加する。以上の絞り部コントロールルーチン
は、アラームチエツクルーチンと同様0.5秒毎に
行われるため、常に設定範囲内に灌流液PHが入る
様なきめ細かな制御が可能となる。

次に、第４図に示すバツクグラウンドルーチン
においては、アラームの処理を行う。これは、タ
イマ割込ルーチンにて作られる上限アラームフラ
グの有無をチエツクし（S₁）、上限アラームフラ
グがあれば（本実施例では、フラグ＝０の場合は
フラグなし、それ以外の場合はフラグ有りとして
いる）アラーム処理として、警報ブザーを動作さ
せ、第１図において、開閉弁５２，５３を閉じ、
開閉弁５４を開にして、透析器２への灌流液をバ
イパスさせ、バイパス状態を示すために、バイパ
スLEDをONとし、また灌流液PHの表示を点滅さ
せる（S₂）。

側路５５と開閉弁５４とは側路手段を構成し、
開閉弁５２と５３とはそれぞれ透析器の流入或い
は流出通路を閉じるための閉塞手段を構成してい
る。

また、上限アラームフラグが無ければ、アラー
ムフラグの有無をチエツクし（S₃）下限アラーム
フラグが有る場合には、S₂の動作に加えて、注入
停止部５１を動作させ、PH調整液の注入を停止す
る（S₄）。

下限アラームフラグが無ければ、警報ブザーを
オフにして、灌流液のバイパスを解除（開閉弁５
２，５３を開、開閉弁５４を閉に）する。またバ
イパスLED、注入停止部は共にオフにする
（S₅）。

灌流液のPHが警報上限値を越えた場合には注入
流量調整部５０を介して、PH制御中心値よりの差
分と対応してPH調整液の注入量が調整され、PHを
下げる制御が行はれる。灌流液のPHが警報下限値
を外れた場合には、開閉弁５２，５３は閉じられ
ており血液より移動してくる重炭酸イオン
（HCO₃ ^-）はないので、このままでは灌流液のPH
は回復しない。この場合は放散筒１１へ灌流液を
供給するための開閉弁７及び灌流液を廃棄するた
めの開閉弁８を制御して灌流液の一部の入れ替が
行はれ、次第にPHは制御範囲に戻される。この
際、灌流液供給部１０から新たな灌流液の代わり
にNaOH溶液等の塩基性のPH調整液を注入する
ようにしてもよい。このようにしてPHが制御範囲
に戻ればバイパス状態は自動的に解除され、透析
器２への灌流液の供給が再開される。

注入流量調節部第１図の実施例で使用する注入流量調整部５０
の一例を第５図に示す。固定ヘツド７０と可動ヘ
ツド７１との間に注入ラインチユーブ７２を固定
し、直流モータ７３の正転、逆転をそれぞれ可動
ヘツド７１の絞り方向への前進、後退動作に変換
させて絞り度を加減する。すなわち直流モータ７
３と可動ヘツド７１とは、ネジ部７４とバネやベ
ローズ式のカツプリング７５を介して接続され、
そのネジ部７４が装置の固定部であるボツクス部
７６によつてそこに切られたメネジとかみ合つて
支承されている。ネジ部７４は可動ヘツド７１
と、前後方向には拘束されているが回転摺動は自
在に接続されている。したがつて、直流モータ７
３の回転により、ネジ部７４が回転するとともに
前後方向に移動し、これに可動ヘツド７１が従動
する。直流モータ７３の回転によるネジ部７４の
前後方向の変位は、伸縮自在なカツプリング７５
によつて吸収される。

第６図は注入流量調整部５０の他の実施例を示
す図であり、可動ヘツド７１は、アーム７７によ
りメネジ部７８と連結されている。モータ７３の
回転はカツプリング７５により、オネジ部７９に
伝わり、オネジ部７９が回転すると（オネジ部の
位置は不変）、メネジ部７８が移動する。メネジ
部７８の移動は、アーム７７により可動ヘツド７
１に伝達されるが、支点８０を中心としているた
め、メネジ部７８が（図の）右へ移動すると、可
動ヘツド７１は左へ動き、チユーブ７２の絞りを
解放する。逆の場合はチユーブを圧閉する。

第７図は注入流量調節部５０の更に他の実施例
を示す図であり、この場合は、第５図と異り、可
動ヘツド７１は、チユーブ７２に対して直角では
なく、平行に移動することにより、チユーブの圧
閉を行う（他の点は、第５図と同様である）。

第２実施例この考案の第２実施例の要部のブロツク系統図
を第８図に示す。第１図の実施例と同一の箇所に
は同一の符号を付して重複した説明は省略する。
同図で省略している部分は第１０図の従来例と同
じである。

本実施例の場合は、PH調整液の注入流量を、チ
ユービングポンプの回転数を制御することによつ
て制御する。

この場合は、制御部４０にＤ／Ａコンバータ９
０が付加されている。この部分について説明す
る。

PHデータ＞制御上限値の場合には、その差分に
対応した値がＤ／Ａコンバータ９０に出力され
る。即ち、PHデータが制御幅内にある場合のＤ／
Ａコンバータ９０に与えられるデータからこの差
分を減算した値をＤ／Ａコンバータに与えるた
め、注入流量調整部であるチユービングポンプの
モータの供給電圧が減少し、ポンプの回転数が減
少してPH調整液の注入流量が減少する。

また、逆にPHデータ＜制御下限の場合には、こ
の差分に対応した値が制御幅内にある場合のＤ／
Ａコンバータ９０へ出力される値に加算した値を
Ｄ／Ａコンバータに与えるため、チユービングポ
ンプの供給電圧が増加し、ポンプの回転数が増加
して、PH調整液の注入流量が増加する。

チユービングポンプの回転数制御については、
本実施例の様な電圧制御以外に、パルスモータに
よる周波数制御や位相制御も可能であることは言
うまでもない。

実施例次に第１の実施例による灌流液PHの制御の実施
例を示す。

実験は第１図に示す装置にて行われ、透析器と
しては、膜面積2.5m²のセルロースホローフアイ
バ型を用いた。模擬血液として、30の灌流液を
用い、そのHCO₃ ^-濃度は35.4mEq／とした。
この場合、炭酸ガス分圧PCO₂は28.4mmHgまたPH
は7.73である。

PH調整液は0.5NHCとし、血液ポンプ流量は
200ml／min、灌流液流量は500ml／min、添加O₂
ガス流量は20ml／minとした。

また、放散筒は容積2.2であり、注入流量調
整部は第５図に示す構造とし、制御プログラム
は、第２図〜第４図に従つた。またPHの制御中心
値を7.55、制御幅を±0.2とした。なお実験時間
は１時間である。

第９図は５分毎の灌流液PHの値を示したもので
ある。

第９図より、PHの値は7.32〜7.76となり、ほぼ
制御幅内に制御されていることが分る。

「考案の効果」この考案によれば灌流液のPHを所望の制御幅内
に制御することができるので、炭酸脱水酵素が活
性領域を外れることなく、効率良く血液中の二酸
化炭素成分を除去することができると共に透析器
を介して血液のPHを変動させる恐れもない。

万一灌流液のPHが制御幅を大きく外れた場合に
は警報を発すると共に透析器の手前で灌流液の通
路は側路され、透析器の流入及び流出系路は閉塞
されるので、血液のPH変動をひきおこし患者に悪
影響を及ぼすこともない。このようにこの考案は
肺補助装置の安全性を著しく向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の肺補助装置の実施例の要部
を示すブロツク系統図、第２図は第１図の実施例
の灌流液PH制御割込ルーチンを示すフローチヤー
ト、第３図は第１図の実施例の注入流量調整部の
制御ルーチンを示すフローチヤート、第４図は第
１図の実施例の灌流液PH制御バツクグラウンドル
ーチンを示すフローチヤート、第５図乃至第７図
はそれぞれ第１図の実施例の注入流量調整部の実
施例を示す図、第８図はこの考案の他の実施例の
要部を示すブロツク系統図、第９図は第１図の実
施例の灌流液PH制御の実験結果を示す図、第１０
図は従来の外外循環型肺補助装置を示すブロツク
系統図、第１１図は第１０図の従来の装置におけ
る灌流液PHの変動特性を示す波形図である。２……透析器、７，８……開閉弁、１０……灌
流液供給部、１１……放散筒、１２……PH電極、
１９……CO₂濃度計、３０……PH調整液供給部、
３１……ピンチバルブ、４０……制御部、４１…
…表示部、４２……操作部、５０……注入流量調
整部、５１……注入停止部、５２，５３，５４…
…開閉弁、５５……側路、６０……中央処理部、
６１……読出し専用メモリ、６２……設定スイツ
チ、６３……設定回路、６４……入出力回路、６
５……随時読出し書込メモリ、６６……PH信号処
理回路、６７……Ａ／Ｄコンバータ、６８，６
８′……駆動回路、６９……タイマ、９０……
Ｄ／Ａコンバータ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】患者の体外循環血液と灌流液とを透析器内で膜
を介して接触させ、血液中の二酸化炭素成分（重
炭酸イオン及び溶存二酸化炭素）を灌流液中に移
動させ、この灌流液にPH調整液を注入した後放散
筒へ導き、不活性ガスと気液接触させて上記二酸
化炭素成分を炭酸ガスとして放散させ、この炭酸
ガスを除去した灌流液を上記放散筒と上記透析器
との間で循環させて使用する肺補助装置におい
て、上記PH調整液の注入流量を連続的に調整するた
めの注入流量調整部と、炭酸脱水酵素が上記灌流液の重炭酸イオンを二
酸化炭素に転化させる触媒として作用できるPH範
囲から、上記灌流液のPHがほぼ外れた場合に、上
記PH調整液の注入を停止する注入停止部と、この注入停止と同時に、上記放散筒と上記透析
器との間の灌流液の透析器への流入通路と透析器
からの流出通路とを連結する通路に挿入された弁
を開とする側路手段と、上記注入停止と同時に上記連結通路よりも上記
透析側において上記灌流液の上記透析器への流入
通路及び流出通路を共に閉塞するための閉塞手段
と、上記の注入流量調整部、注入停止部、側路手段
及び閉塞手段とを制御するための制御手段とを設
けたことを特徴とする体外循環型肺補助装置。