血液粘度の推定方法、血液粘度比の推定方法、血液粘度モニタリング装置、及び、血液粘度比モニタリング装置
【課題】継続的に血液粘度を測定できる血液粘度の推定方法、血液粘度比を測定できる血液粘度比の推定方法、血液粘度モニタリング装置、及び、血液粘度比モニタリング装置を提供することを目的とする。
【解決手段】血液粘度の推定方法は、人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、入口圧力、出口圧力、及び血液の流量から血液粘度を算出する工程と、から構成される。血液粘度比の推定方法は、上記の各工程に加え、血液のヘマトクリット値及び血液温度を測定する工程と、ヘマトクリット値及び血液温度から正常血液粘度を算出する工程と、血液粘度と前記正常血液粘度との粘度比を算出する工程と、から構成される。
【解決手段】血液粘度の推定方法は、人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、入口圧力、出口圧力、及び血液の流量から血液粘度を算出する工程と、から構成される。血液粘度比の推定方法は、上記の各工程に加え、血液のヘマトクリット値及び血液温度を測定する工程と、ヘマトクリット値及び血液温度から正常血液粘度を算出する工程と、血液粘度と前記正常血液粘度との粘度比を算出する工程と、から構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体外循環における血液粘度の推定方法、血液粘度比の推定方法、血液粘度モニタリング装置、及び、血液粘度比モニタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
心臓内部の病変に対し、開心術を行うために、体外循環が行われる。体外循環とは、心臓に向かって帰ってくる静脈血の一部を体外に誘導し、人工肺を使用して、体外で静脈血を人工的に動脈血化した後、これを生体の動脈系内に再送入し、心血流遮断中の患者の生体の血行動態を含む生理的恒常性を維持し、酸素を供給し続ける操作である。
【０００３】
体外循環に使用する血液循環回路では、循環中、抗凝固剤、輸液、又は輸血の投与や温度変化により、活性化全血凝固時間（ＡＣＴ（Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｗｈｏｌｅ Ｂｌｏｏｄ Ｃｌｏｔｔｉｎｇ Ｔｉｍｅ））が変動する可能性がある。ＡＣＴを適正値に維持できないと、血栓が形成されるおそれがある。
【０００４】
このため、体外循環では、血液が固まらないようにコントロールすることが要求され、術中に投与する抗凝固剤であるヘパリン至適量のモニタリングとして、ＡＣＴの測定は欠かすことができないものになっている。
【０００５】
ＡＣＴは、全血の活性化剤により内因系凝固の接触相を活性化させて凝固反応を惹起し、フィブリン形成までに要する時間を測定することによって得られる。手術中では、ＡＣＴ測定装置が手術室内に設置されており、定期的にＡＣＴの測定を行っている。
【０００６】
なお、特許文献１には、人工透析用血液回路に対して、血液ポンプの上流と、ダイアライザー下流との２箇所に圧力測定部を備え、両圧力測定部の圧力の和及び差から、患者の静動脈シャント部の血圧及び血液粘度を連続的に測定する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−１９３０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＡＣＴ測定装置による測定は、検体計測である。血液を採血して固まるまでの時間を計測することで測定する方法が一般的である。そして、体外循環では、ヘパリンを投与して血液が固まりにくくしていることから、一般的に血液が固まるまで凡そ５分間程度要する。このように、ＡＣＴが測定されるまでには、一定の時間が掛かるため、持続的にＡＣＴをモニタリングできないという問題がある。
【０００９】
特許文献１に開示の装置は、人工透析に用いられるものであり、人工肺を用いる体外循環にそのまま適用することはできない。
【００１０】
本発明は上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は継続的に血液粘度を推定できる血液粘度の推定方法、継続的に血液粘度比を推定できる血液粘度比の推定方法、血液粘度モニタリング装置、及び、血液粘度比モニタリング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様に係る血液粘度の推定方法は、
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から下式１に基づいて血液粘度を算出する工程と、
を含むことを特徴とする。
【数１】
（式中、ΔＰは出口圧力と入口圧力との差、Ｑは血液の流量、Ｒ（η）、及びα（η）はそれぞれ血液粘度に基づく人工肺固有の関数を示す。）
【００１２】
本発明の第２の態様に係る血液粘度の推定方法は、
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から下式２に基づいて血液粘度を算出する工程と、
を含むことを特徴とする。
【数２】
（式中、ΔＰは出口圧力と入口圧力との差、ηは血液粘度、Ｃ０〜Ｃｎ、Ｋ及びａ０〜ａｍはそれぞれ人工肺の固有定数、Ｑは血液の流量を示す。）
【００１３】
本発明に係る血液粘度比の推定方法は、
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から血液粘度を算出する工程と、
前記血液のヘマトクリット値及び血液温度を測定する工程と、
前記ヘマトクリット値及び前記血液温度から正常血液粘度を算出する工程と、
前記血液粘度と前記正常血液粘度との血液粘度比を算出する工程と、を含み、
前記血液粘度を上記の血液粘度の推定方法を用いて求めることを特徴とする。
【００１４】
また、前記正常血液粘度を、下式４に基づいて算出してもよい。
【数３】
（式中、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｙ））はヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｙ））は、所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｂ）／η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｂ））は、所定血液温度ｂ℃（Ｔｂ（ｂ））におけるヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））の正常血液粘度と所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））の正常血液粘度との比を示す。）
【００１５】
本発明に係る血液粘度モニタリング装置は、
人工肺に流入する血液の入口圧力を測定する入口圧力測定装置と、
前記人工肺から排出される血液の出口圧力を測定する出口圧力測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する流量測定装置と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び、前記血液の流量から血液粘度を算出する演算装置と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
更に、前記血液粘度を表示する表示装置及び血液粘度を記録する記録装置を備えていてもよい。
【００１７】
本発明に係る血液粘度比モニタリング装置は、
人工肺に流入する血液の入口圧力を測定する入口圧力測定装置と、
前記人工肺から排出される血液の出口圧力を測定する出口圧力測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する流量測定装置と、
前記人工肺を流れる血液のヘマトクリット値を測定するヘマトクリット値測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の血液温度を測定する血液温度測定装置と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び、前記血液の流量から血液粘度を算出し、前記ヘマトクリット値、及び、前記血液温度から正常血液粘度を算出し、前記血液粘度と前記正常血液粘度との血液粘度比を算出する演算装置と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
更に、前記血液粘度比を表示する表示装置及び血液粘度比を記録する記録装置を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る血液粘度の推定方法は、体外循環において、人工肺の入口圧力、出口圧力、及び、血液流量を測定することによって、血液凝固の判断指標として用い得る血液粘度を継続的に推定できる利点がある。
【００２０】
また、本発明に係る血液粘度比の推定方法では、上記の血液粘度に加え、ヘマトクリット値と血液温度を測定することによって継続的に正常血液粘度を測定することができ、血液凝固の判断指標として用い得る血液粘度と正常血液粘度との比を継続的に推定できる利点がある。
【００２１】
また、本発明に係る血液粘度モニタリング装置、血液粘度比モニタリング装置では、それぞれ継続的に血液凝固の指標として用い得る血液粘度、血液粘度比を継続的にモニタリングできるので、手術中、術者はヘパリンの至適投与量の決定等、血液が凝固しないように的確な処置を施すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】血液粘度の推定方法の工程図である。
【図２】血液粘度の推定方法に用いる血液粘度モニタリング装置の概略構成図である。
【図３】人工肺に循環させた液体の流量と圧力差の実験結果である。
【図４】ηとＣｒηとの関係を示すグラフである。
【図５】ηとｅｘｐ（Ｃａη）との関係を示すグラフである。
【図６】人工肺に実粘度１．１３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【図７】人工肺に実粘度１．４３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【図８】人工肺に実粘度１．８４ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【図９】人工肺に実粘度２．４２ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【図１０】人工肺に実粘度３．０３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【図１１】人工肺にガスを循環させた際の液体の流量と圧力差の実験結果である。
【図１２】血液粘度比の推定方法の工程図である。
【図１３】血液粘度比の推定方法に用いる血液粘度比モニタリング装置の概略構成図である。
【図１４】血液温度、ヘマトクリット値、正常血液粘度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（血液粘度の推定方法及び血液粘度モニタリング装置）
まず、血液粘度の推定方法について説明する。血液粘度の推定方法は、図１の工程図に示すように、人工肺の入口圧力（Ｐｉｎ）及び出口圧力（Ｐｏｕｔ）を測定する工程と、人工肺を流れる血液の流量（Ｑ）を測定する工程と、測定した入口圧力、出口圧力、及び血液の流量から、血液粘度（η）を算出する工程と、から構成される。
【００２４】
この血液粘度の推定方法は、図２に示す血液粘度モニタリング装置１によって実現される。人工肺１２は、大静脈からの血液が流入する血液流入路１１、及び、大動脈へ血液を流出する血液流出路１３と接続している。血液流入路１１には人工肺１２の入口圧力を測定する入口圧力測定装置１４が配置され、また、血液流出路１３に、人工肺１２の出口圧力を測定する出口圧力測定装置１５、人工肺１２を流れる血液の流量を計測する流量測定装置１６が配置されている。そして、入口圧力、出口圧力、及び、流量の各測定値が送られ、これらから血液粘度を算出する演算装置２１、血液粘度を継続的に表示する表示装置２２、及び血液粘度を継続的に記録する記録装置２３が備えられている。
【００２５】
以下に、各工程について説明する。
【００２６】
（人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程）
人工肺１２の入口圧力を測定する。入口圧力は、血液流入路１１に配置されている入口圧力測定装置１４により測定すればよい。また、人工肺１２の出口圧力を測定する。出口圧力は、血液流出路１３に配置されている出口圧力測定装置１５により測定すればよい。入口圧力測定装置１４、出口圧力測定装置１５は、それぞれ公知の種々の圧力計を用いればよい。
【００２７】
（血液の流量を測定する工程）
人工肺１２を流れる血液の流量を測定する。血液の流量は、血液流出路１３に配置されている流量測定装置１６によって測定すればよい。流量測定装置１６は公知の種々の流量計を用いればよい。
【００２８】
（血液粘度を算出する工程）
上述のように測定された入口圧力Ｐｉｎ、出口圧力Ｐｏｕｔ、及び、血液流量Ｑは演算装置２１に送信され、演算装置２１にて人工肺１２を流れる血液の粘度が算出される。
【００２９】
演算装置２１は、下式１に基づいて、血液粘度ηを算出する。式１中、ΔＰは出口圧力と入口圧力との差、Ｑは血液の流量、Ｒ（η）、及び、α（η）はそれぞれ血液粘度に基づく人工肺固有の関数を示している。そして、演算装置２１におけるシミュレーションにより、後述する陰解法によって式１を満たす血液粘度ηが算出される。
【数４】
【００３０】
ここで、式１について説明する。式１は、人工肺に種々の粘度の液体を流し、人工肺の入口圧力、出口圧力、流量の実験結果から導かれる式である。より具体的には、下式２のように示すことができる。
【数５】
【００３１】
式２中、Ｃ０〜Ｃｎは、血液の粘度ηと血液の流量Ｑに依存する種々の人工肺の圧損失の総量を規定する固有定数、Ｋ及びａ０〜ａｍは、血液の流量Ｑに依存して変化する圧損失の粘性力と慣性力の関与の割合を規定する固有定数である。なお、ｎ及びｍは正の整数であり、単数項でも複数項でもよく、また、それぞれの項数は、同じでも異なっていてもよい。項数が多いと、より高精度に血液粘度の近似値を導き出すことができる。
【００３２】
以下に、式１即ち式２の導き方の一例について、実験結果とともに説明する。
【００３３】
まず、水２Ｌに、グリセリンを２００ｍＬ毎で加え、複数の異なる粘度の液体（１．１３ｃＰ、１．４３ｃＰ、１．８４ｃＰ、２．４２ｃＰ、３．０３ｃＰ）を調製した。
【００３４】
それぞれの粘度の液体を、泉工医科工業株式会社製の人工肺に循環した。
【００３５】
それぞれの粘度の液体を流している際に、液体を循環させる遠心ポンプの回転数を上げていき、回転数毎に液体の流量Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）、入口圧力Ｐｉｎ（ｍｍＨｇ）、出口圧力Ｐｏｕｔ（ｍｍＨｇ）の平均値を求めた。
【００３６】
そして、入口圧力Ｐｉｎと出口圧力Ｐｏｕｔとの圧力差ΔＰを算出し、図３に示すように流量Ｑと圧力差ΔＰの関係をプロットした。
【００３７】
この図３から、それぞれの粘度の液体における流量Ｑと圧力差ΔＰとの関係式を導き出した。それぞれの関係式、及び、相関係数は表１に示す通りである。相関係数はいずれも１に近いので、それぞれ妥当な関係式といえる。
【表１】
【００３８】
そして、表１のそれぞれの関係式を満たし得る一般式を導くことで、式２を定義することができる。
【００３９】
例えば、式２のｎ、ｍ、ｋをそれぞれ１とし、Ｃ０及びａ０を０として、表１に示す関係式で導かれた定数（２．９９５１、３．３５８、４．６２５７、５．２２７２、５．９７５１）をＣｒη、指数（１．７１５８、１．７０２１、１．６０１９、１．６１６１、１．６１３７）をｅｘｐ（Ｃａη）＋１とそれぞれ定義すると、下式３を導くことができる。Ｃｒ、及びＣａは、それぞれ人工肺の固有定数である。
【数６】
【００４０】
また、表１の関係式から、各粘度におけるＣｒη、ｅｘｐ（Ｃａη）＋１、及びｅｘｐ（Ｃａη）は、表２に示すとおりである。
【表２】
【００４１】
そして、図４に示すように、表２に示す粘度を横軸に、また、Ｃｒηを縦軸にしてプロットした。そして、最小自乗法により、各プロットとの残差が最も小さくなる直線（一般式：ｙ＝ａη）を引き、その傾き（一般式中のａ）がＣｒに相当するので、Ｃｒ＝２．１８８８を求めることができる。
【００４２】
また、図５に示すように、表２に示す粘度を横軸に、また、ｅｘｐ（Ｃａη）を縦軸にして、プロットする。流体力学において、乱流の場合、ΔＰは粘度０のときＱの２乗に比例し、また、粘度が無限大のとき、Ｑの１乗に比例する関係にあると考えられる。したがって、粘度が０のときｅｘｐ（Ｃａη）が１になるように、また、粘度が無限大のときにｅｘｐ（Ｃａη）が０に収束するように、最小自乗法によって、各プロットとの残差が最も小さくなる対数曲線（一般式：ｙ＝ｅａη）を導く。この一般式中のａがＣａに相当するので、Ｃａ＝−０．２０５５を求めることができる。
【００４３】
以上の工程を経ることによって、下式３’を導くことができる。
【数７】
【００４４】
式３の各固有定数を求めることで得られた式３’では、入口圧力、出口圧力、及び流量の各値を測定できれば、未知数は粘度ηのみとなる。しかし、式３’は、ηについての陰関数表示式である。このため、既知のＮｅｗｔｏｎ−Ｌａｐｓｏｎ法等の数値解法を用いて、式３’よりηを推定する。これにより、ηを算出することができる。
【００４５】
具体的に数値解法によるηの推定の仕方を、式３について説明すると、まず、
【数８】
とし、ｆ（η）の一次微分であるｆ’（η）を、
【数９】
として計算し、ηの推定値をηｎとしたときの近似解ηｎ＋１を、
【数１０】
とする。そして、式３ｄに示す、式３ｂと式３ｃの残差ε
【数１１】
が要求される測定精度以内に収束するまで反復する。このようにして、粘度ηを算出することができる。
【００４６】
上述のように導いた式３’の妥当性を検討するため、異なる粘度の液体（実粘度がそれぞれ１．１３ｃＰ、１．４３ｃＰ、１．８４ｃＰ、２．４２ｃＰ、３．０３ｃＰ）を上記の人工肺に循環させた。徐々に遠心ポンプの回転数を上げていき、回転数毎に入口圧力、出口圧力、流量を測定し、式３’を用いて循環している液体の粘度を推定した。
【００４７】
粘度の推定結果を図６、図７、図８、図９、図１０にそれぞれ示す。図６が実粘度１．１３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度、図７が実粘度１．４３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度、図８が実粘度１．８４ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度、図９が実粘度２．４２ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度、図１０が実粘度３．０３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【００４８】
図６〜図１０それぞれの破線で挟まれた範囲は、実粘度の５％誤差の範囲を示している。循環させた液体によって、流量が小さい場合、５％の誤差の範囲から外れているものも見受けられる。しかしながら、体外循環において循環している血液の流量は、患者の体格等にもよるが、大凡４〜５Ｌ／ｍｉｎである。流量が４〜５Ｌ／ｍｉｎの範囲では、いずれの粘度の液体を流した場合でも実粘度の５％誤差の範囲にあることがわかる。
【００４９】
また、圧力測定装置や流量測定装置等の機器においては、通常５％程度の測定誤差が生じ得るものゆえ、この誤差は測定誤差とも考えられる。以上のことから、実用範囲において、実粘度に近い近似値を推定できていることがわかる。
【００５０】
また、人工肺には酸素ガスが送気され、二酸化炭素ガスが排気されているので、ガスの循環による影響が導いた近似式に関係するか否かを検証した。
【００５１】
水にグリセリンを添加し、３種類の異なる粘度の液体を調製し、それぞれ上記の人工肺に循環させた。なお、液体の流量とガスの流量とは、１：１である。
【００５２】
循環させた液体の流量と圧力差ΔＰの測定結果を図１１に示す。図１１を見ると、いずれの粘度の液体を流した場合でも、ガス循環有りとガス循環無しで、ほぼ一致していることがわかる。したがって、人工肺への酸素ガスの送気、及び、人工肺からの二酸化炭素ガスの排気を行っていても、血液流量Ｑと圧力差ΔＰとの関係は変わらないので、上記のように導き出される近似式は妥当性を有することがわかる。
【００５３】
以上のようにして、個々の人工肺に応じた血液粘度を算出する近似式を導くことができる。そして、継続的に入口圧力、出口圧力、及び、血液流量を測定し、当該近似式を用いることで、血液粘度を継続的に推定することができる。演算装置２１にて算出された血液粘度を、モニタ等の表示装置２２に継続的に表示することで、手術中、術者が血液凝固の指標として認知でき、ヘパリンの投与等、血液が凝固しないように的確な処置を施すことが可能となる。また、血液粘度に閾値を設けて、閾値を超えた場合に術者に報知させるよう構成してもよい。更に、演算装置２１にて算出された血液粘度を記録装置２３にて継続的に記録しておいてもよい。術中における血液粘度を記録しておくことで、手術の評価やスタディモデルとして活用することができる。
【００５４】
なお、体外循環装置に、人工肺の入口圧力、出口圧力、血液の流量を計測・記録可能な操作記録機能が備えられている場合、この操作記録機能を用いてもよい。例えば、操作記録機能で得られた入口圧力等のデータ信号を、受信装置を介して演算装置に送るようにし、血液粘度を推定する構成にしてもよい。
【００５５】
また、上記では、一例として、表１に示したそれぞれの関係式から、人工肺の固有定数を二つ用いて式３を定義したが、式２に示す固有定数を増加させて、上記と同様の手法にてそれぞれの固有定数を求め、より実験結果に近似する近似式を導き出してもよい。そして、当該近似式に基づいて血液粘度を算出するようにしてもよい。
【００５６】
（血液粘度比の推定方法及び血液粘度比モニタリング装置）
続いて、血液粘度比の推定方法について説明する。血液粘度比の推定方法は、図１２に示すように、人工肺の入口圧力（Ｐｉｎ）及び出口圧力（Ｐｏｕｔ）を測定する工程と、人工肺を流れる血液の流量（Ｑ）を測定する工程と、測定した入口圧力、出口圧力、及び血液の流量から、血液粘度（η）を算出する工程と、ヘマトクリット値（Ｈｔ）及び血液温度（Ｔｂ）を測定する工程と、正常血液粘度（η０）を算出する工程と、血液粘度（η）と正常血液粘度（η０）との粘度比（η／η０）を算出する工程と、から構成される。
【００５７】
ここで、正常血液粘度とは、正常時のヒトの体内を流れている血液の粘度、即ちヘパリン等が投与されていない状態でヒトの体内を流れている血液粘度をいい、正常血液粘度は、血液中のヘマトクリット値、及び、血液温度に依存する粘度である。また、ヘマトクリット値は、血液中の血球濃度（％）である。
【００５８】
血液粘度比の推定方法は、図１３の概略構成図に示す血液粘度比モニタリング装置２によって実現される。図１３に示す血液粘度比モニタリング装置２は、図２に示した血液粘度モニタリング装置１にヘマトクリット値測定装置１７、血液温度測定装置１８を加えたものである。
【００５９】
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程、人工肺を流れる血液の流量を測定する工程、測定した入口圧力、出口圧力、及び血液の流量から血液粘度を算出する工程については、それぞれ前述した血液粘度の推定方法と同様であるため、説明を省略する。
【００６０】
（ヘマトクリット値を測定する工程）
ヘマトクリット値測定装置１７にて、血液中のヘマトクリット値の測定を継続的に行う。ヘマトクリット値測定装置１７は公知の種々の装置を用いればよく、また、人工肺にヘマトクリット値を測定可能な装置を設けて測定してもよい。
【００６１】
（血液温度を測定する工程）
血液温度測定装置１８にて、血液温度の測定を継続的に行う。血液温度測定装置１８は、公知の種々の装置を用いればよく、通常手術中は継続的に血液温度を測定しているため、その血液温度を用いてもよい。
【００６２】
（正常血液粘度を算出する工程）
演算装置２１では、下式４に基づいて、測定したヘマトクリット値、及び、血液温度から正常血液粘度η０を算出する。
【数１２】
【００６３】
式４中、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｙ））は、ヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｙ））は、所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｂ））／η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｂ））は、所定血液温度ｂ℃（Ｔｂ（ｂ））におけるヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））の正常血液粘度と所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））の正常血液粘度との比を示している。
【００６４】
ここで、式４について説明する。上述したように、正常血液粘度とは、正常時のヒトの体内を流れる血液の粘度をいい、正常血液粘度は、ヘマトクリット値、及び、血液温度に依存している。そして、これらの関係については、ＳｗａｎやＲｅｅｍｔｓｍａらの研究結果から、図１４に示す関係にあることが知られている。式４は、この図１４に示す関係を満たす一般式を導いた式である。
【００６５】
以下に、式４の導き方について、一例を挙げて説明する。式４における所定ヘマトクリット値ａ％を５０％（Ｈｔ（５０））とした場合、式４は式４’として示すことができる。
【数１３】
【００６６】
まず、血液温度と血液粘度の関係式、具体的には、図１４に示されるヘマトクリット値５０％における血液温度と正常血液粘度の関係式を導く。血液温度をＴｂ（ｙ）とすると、ヘマトクリット値が５０％の血液粘度η０（Ｈｔ（５０），Ｔｂ（ｙ））、即ち、図１４のＨｔ：５０％の近似曲線は、下式５に示す近似式として表すことができる。
【数１４】
【００６７】
また、図１４において、ある血液温度でのヘマトクリット値７２％、５０％、３２％、７％における正常血液粘度を、それぞれη０（Ｈｔ（７２））、η０（Ｈｔ（５０））、η０（Ｈｔ（３２））、η０（Ｈｔ（７））とすると、η０（Ｈｔ（７２））：η０（Ｈｔ（５０））：η０（Ｈｔ（３２））：η０（Ｈｔ（７））は、血液温度によらずほぼ一定の関係にあることがわかる。即ち、特定の血液温度におけるヘマトクリット値５０％の標準血液粘度が分かれば、同血液温度における他のヘマトクリット値の標準血液粘度を、粘度比から算出することが可能である。従って、ヘマトクリット値ｘ％、所定血液温度ｂ℃における正常血液粘度をη０（Ｈｔ（Ｘ），Ｔｂ（ｂ））とし、同血液温度におけるヘマトクリット値が５０％の正常血液粘度をη０（Ｈｔ（５０），Ｔｂ（ｂ））とすると、標準血液粘度比η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｂ））／η０（Ｈｔ（５０），Ｔｂ（ｂ））は、下式６のようにヘマトクリット値のみの近似式で表すことができる。
【数１５】
【００６８】
式５で導き出されるη０（Ｈｔ（５０），Ｔｂ（ｙ））に式６で導かれるη０（Ｈｔ（Ｘ），Ｔｂ（ｂ））／η０（Ｈｔ（５０），Ｔｂ（ｂ））を乗算することにより、式４’が導き出される。したがって、血液温度及びヘマトクリット値がわかれば、式４’に基づいて正常血液粘度を求めることができる。
【００６９】
なお、式４の一例として、上記では所定ヘマトクリット値を５０％とした場合の導き方について説明したが、上述したように、異なるヘマトクリット値同士の正常血液粘度の比は、血液温度によらず、ほぼ一定であることから、所定ヘマトクリット値を異なる値にして式４を導いてもよい。
【００７０】
（血液粘度比を算出する工程）
上述のように算出された血液粘度η及び正常血液粘度η０から、演算装置２１にて、血液粘度比η／η０を算出する。そして、この血液粘度比を表示装置２２に表示する。
【００７１】
以上のようにして、継続的に人工肺の入口圧力、出口圧力、血液の流量、血液温度、及び、ヘマトクリット値を測定することで、血液粘度比を継続的に推定することができる。演算装置２１にて算出された血液粘度比を、モニタ等の表示装置２２に継続的に表示することで、手術中、術者が血液凝固の指標として認知でき、ヘパリンの投与等、血液が凝固しないように的確な処置を施すことが可能となる。また、血液粘度に閾値を設けて、閾値を超えた場合に音等で術者に報知するように構成してもよい。更に、演算装置２１にて算出された血液粘度比を記録装置２３にて継続的に記録しておいてもよい。術中における血液粘度比を記録しておくことで、手術の評価やスタディモデルとして活用することができる。
【００７２】
なお、体外循環装置に、人工肺の入口圧力、出口圧力、血液の流量、ヘマトクリット値、血液温度を計測・記録可能な操作記録機能が備えられている場合、この操作記録機能を用いてもよい。例えば、操作記録機能で得られた入口圧力等のデータ信号を、受信装置を介して演算装置に送るようにし、血液粘度比を推定する構成にしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上説明したように、血液粘度、及び、血液粘度比を継続して推定できる。これらを継続して表示装置等に表示し、術者に認知させることで、人工肺を用いた体外循環における血液凝固に起因する医療事故を未然に防ぐよう、術者は的確な処置を施すことが可能となる。このように、医療機器分野における利用が期待される。
【符号の説明】
【００７４】
１ 血液粘度モニタリング装置
２ 血液粘度比モニタリング装置
１１ 血液流入路
１２ 人工肺
１３ 血液流出路
１４ 入口圧力測定装置
１５ 出口圧力測定装置
１６ 流量測定装置
１７ ヘマトクリット値測定装置
１８ 血液温度測定装置
２１ 演算装置
２２ 表示装置
２３ 記録装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体外循環における血液粘度の推定方法、血液粘度比の推定方法、血液粘度モニタリング装置、及び、血液粘度比モニタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
心臓内部の病変に対し、開心術を行うために、体外循環が行われる。体外循環とは、心臓に向かって帰ってくる静脈血の一部を体外に誘導し、人工肺を使用して、体外で静脈血を人工的に動脈血化した後、これを生体の動脈系内に再送入し、心血流遮断中の患者の生体の血行動態を含む生理的恒常性を維持し、酸素を供給し続ける操作である。
【０００３】
体外循環に使用する血液循環回路では、循環中、抗凝固剤、輸液、又は輸血の投与や温度変化により、活性化全血凝固時間（ＡＣＴ（Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｗｈｏｌｅ Ｂｌｏｏｄ Ｃｌｏｔｔｉｎｇ Ｔｉｍｅ））が変動する可能性がある。ＡＣＴを適正値に維持できないと、血栓が形成されるおそれがある。
【０００４】
このため、体外循環では、血液が固まらないようにコントロールすることが要求され、術中に投与する抗凝固剤であるヘパリン至適量のモニタリングとして、ＡＣＴの測定は欠かすことができないものになっている。
【０００５】
ＡＣＴは、全血の活性化剤により内因系凝固の接触相を活性化させて凝固反応を惹起し、フィブリン形成までに要する時間を測定することによって得られる。手術中では、ＡＣＴ測定装置が手術室内に設置されており、定期的にＡＣＴの測定を行っている。
【０００６】
なお、特許文献１には、人工透析用血液回路に対して、血液ポンプの上流と、ダイアライザー下流との２箇所に圧力測定部を備え、両圧力測定部の圧力の和及び差から、患者の静動脈シャント部の血圧及び血液粘度を連続的に測定する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−１９３０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＡＣＴ測定装置による測定は、検体計測である。血液を採血して固まるまでの時間を計測することで測定する方法が一般的である。そして、体外循環では、ヘパリンを投与して血液が固まりにくくしていることから、一般的に血液が固まるまで凡そ５分間程度要する。このように、ＡＣＴが測定されるまでには、一定の時間が掛かるため、持続的にＡＣＴをモニタリングできないという問題がある。
【０００９】
特許文献１に開示の装置は、人工透析に用いられるものであり、人工肺を用いる体外循環にそのまま適用することはできない。
【００１０】
本発明は上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は継続的に血液粘度を推定できる血液粘度の推定方法、継続的に血液粘度比を推定できる血液粘度比の推定方法、血液粘度モニタリング装置、及び、血液粘度比モニタリング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様に係る血液粘度の推定方法は、
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から下式１に基づいて血液粘度を算出する工程と、
を含むことを特徴とする。
【数１】
（式中、ΔＰは出口圧力と入口圧力との差、Ｑは血液の流量、Ｒ（η）、及びα（η）はそれぞれ血液粘度に基づく人工肺固有の関数を示す。）
【００１２】
本発明の第２の態様に係る血液粘度の推定方法は、
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から下式２に基づいて血液粘度を算出する工程と、
を含むことを特徴とする。
【数２】
（式中、ΔＰは出口圧力と入口圧力との差、ηは血液粘度、Ｃ０〜Ｃｎ、Ｋ及びａ０〜ａｍはそれぞれ人工肺の固有定数、Ｑは血液の流量を示す。）
【００１３】
本発明に係る血液粘度比の推定方法は、
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から血液粘度を算出する工程と、
前記血液のヘマトクリット値及び血液温度を測定する工程と、
前記ヘマトクリット値及び前記血液温度から正常血液粘度を算出する工程と、
前記血液粘度と前記正常血液粘度との血液粘度比を算出する工程と、を含み、
前記血液粘度を上記の血液粘度の推定方法を用いて求めることを特徴とする。
【００１４】
また、前記正常血液粘度を、下式４に基づいて算出してもよい。
【数３】
（式中、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｙ））はヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｙ））は、所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｂ）／η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｂ））は、所定血液温度ｂ℃（Ｔｂ（ｂ））におけるヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））の正常血液粘度と所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））の正常血液粘度との比を示す。）
【００１５】
本発明に係る血液粘度モニタリング装置は、
人工肺に流入する血液の入口圧力を測定する入口圧力測定装置と、
前記人工肺から排出される血液の出口圧力を測定する出口圧力測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する流量測定装置と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び、前記血液の流量から血液粘度を算出する演算装置と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
更に、前記血液粘度を表示する表示装置及び血液粘度を記録する記録装置を備えていてもよい。
【００１７】
本発明に係る血液粘度比モニタリング装置は、
人工肺に流入する血液の入口圧力を測定する入口圧力測定装置と、
前記人工肺から排出される血液の出口圧力を測定する出口圧力測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する流量測定装置と、
前記人工肺を流れる血液のヘマトクリット値を測定するヘマトクリット値測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の血液温度を測定する血液温度測定装置と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び、前記血液の流量から血液粘度を算出し、前記ヘマトクリット値、及び、前記血液温度から正常血液粘度を算出し、前記血液粘度と前記正常血液粘度との血液粘度比を算出する演算装置と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
更に、前記血液粘度比を表示する表示装置及び血液粘度比を記録する記録装置を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る血液粘度の推定方法は、体外循環において、人工肺の入口圧力、出口圧力、及び、血液流量を測定することによって、血液凝固の判断指標として用い得る血液粘度を継続的に推定できる利点がある。
【００２０】
また、本発明に係る血液粘度比の推定方法では、上記の血液粘度に加え、ヘマトクリット値と血液温度を測定することによって継続的に正常血液粘度を測定することができ、血液凝固の判断指標として用い得る血液粘度と正常血液粘度との比を継続的に推定できる利点がある。
【００２１】
また、本発明に係る血液粘度モニタリング装置、血液粘度比モニタリング装置では、それぞれ継続的に血液凝固の指標として用い得る血液粘度、血液粘度比を継続的にモニタリングできるので、手術中、術者はヘパリンの至適投与量の決定等、血液が凝固しないように的確な処置を施すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】血液粘度の推定方法の工程図である。
【図２】血液粘度の推定方法に用いる血液粘度モニタリング装置の概略構成図である。
【図３】人工肺に循環させた液体の流量と圧力差の実験結果である。
【図４】ηとＣｒηとの関係を示すグラフである。
【図５】ηとｅｘｐ（Ｃａη）との関係を示すグラフである。
【図６】人工肺に実粘度１．１３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【図７】人工肺に実粘度１．４３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【図８】人工肺に実粘度１．８４ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【図９】人工肺に実粘度２．４２ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【図１０】人工肺に実粘度３．０３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【図１１】人工肺にガスを循環させた際の液体の流量と圧力差の実験結果である。
【図１２】血液粘度比の推定方法の工程図である。
【図１３】血液粘度比の推定方法に用いる血液粘度比モニタリング装置の概略構成図である。
【図１４】血液温度、ヘマトクリット値、正常血液粘度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（血液粘度の推定方法及び血液粘度モニタリング装置）
まず、血液粘度の推定方法について説明する。血液粘度の推定方法は、図１の工程図に示すように、人工肺の入口圧力（Ｐｉｎ）及び出口圧力（Ｐｏｕｔ）を測定する工程と、人工肺を流れる血液の流量（Ｑ）を測定する工程と、測定した入口圧力、出口圧力、及び血液の流量から、血液粘度（η）を算出する工程と、から構成される。
【００２４】
この血液粘度の推定方法は、図２に示す血液粘度モニタリング装置１によって実現される。人工肺１２は、大静脈からの血液が流入する血液流入路１１、及び、大動脈へ血液を流出する血液流出路１３と接続している。血液流入路１１には人工肺１２の入口圧力を測定する入口圧力測定装置１４が配置され、また、血液流出路１３に、人工肺１２の出口圧力を測定する出口圧力測定装置１５、人工肺１２を流れる血液の流量を計測する流量測定装置１６が配置されている。そして、入口圧力、出口圧力、及び、流量の各測定値が送られ、これらから血液粘度を算出する演算装置２１、血液粘度を継続的に表示する表示装置２２、及び血液粘度を継続的に記録する記録装置２３が備えられている。
【００２５】
以下に、各工程について説明する。
【００２６】
（人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程）
人工肺１２の入口圧力を測定する。入口圧力は、血液流入路１１に配置されている入口圧力測定装置１４により測定すればよい。また、人工肺１２の出口圧力を測定する。出口圧力は、血液流出路１３に配置されている出口圧力測定装置１５により測定すればよい。入口圧力測定装置１４、出口圧力測定装置１５は、それぞれ公知の種々の圧力計を用いればよい。
【００２７】
（血液の流量を測定する工程）
人工肺１２を流れる血液の流量を測定する。血液の流量は、血液流出路１３に配置されている流量測定装置１６によって測定すればよい。流量測定装置１６は公知の種々の流量計を用いればよい。
【００２８】
（血液粘度を算出する工程）
上述のように測定された入口圧力Ｐｉｎ、出口圧力Ｐｏｕｔ、及び、血液流量Ｑは演算装置２１に送信され、演算装置２１にて人工肺１２を流れる血液の粘度が算出される。
【００２９】
演算装置２１は、下式１に基づいて、血液粘度ηを算出する。式１中、ΔＰは出口圧力と入口圧力との差、Ｑは血液の流量、Ｒ（η）、及び、α（η）はそれぞれ血液粘度に基づく人工肺固有の関数を示している。そして、演算装置２１におけるシミュレーションにより、後述する陰解法によって式１を満たす血液粘度ηが算出される。
【数４】
【００３０】
ここで、式１について説明する。式１は、人工肺に種々の粘度の液体を流し、人工肺の入口圧力、出口圧力、流量の実験結果から導かれる式である。より具体的には、下式２のように示すことができる。
【数５】
【００３１】
式２中、Ｃ０〜Ｃｎは、血液の粘度ηと血液の流量Ｑに依存する種々の人工肺の圧損失の総量を規定する固有定数、Ｋ及びａ０〜ａｍは、血液の流量Ｑに依存して変化する圧損失の粘性力と慣性力の関与の割合を規定する固有定数である。なお、ｎ及びｍは正の整数であり、単数項でも複数項でもよく、また、それぞれの項数は、同じでも異なっていてもよい。項数が多いと、より高精度に血液粘度の近似値を導き出すことができる。
【００３２】
以下に、式１即ち式２の導き方の一例について、実験結果とともに説明する。
【００３３】
まず、水２Ｌに、グリセリンを２００ｍＬ毎で加え、複数の異なる粘度の液体（１．１３ｃＰ、１．４３ｃＰ、１．８４ｃＰ、２．４２ｃＰ、３．０３ｃＰ）を調製した。
【００３４】
それぞれの粘度の液体を、泉工医科工業株式会社製の人工肺に循環した。
【００３５】
それぞれの粘度の液体を流している際に、液体を循環させる遠心ポンプの回転数を上げていき、回転数毎に液体の流量Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）、入口圧力Ｐｉｎ（ｍｍＨｇ）、出口圧力Ｐｏｕｔ（ｍｍＨｇ）の平均値を求めた。
【００３６】
そして、入口圧力Ｐｉｎと出口圧力Ｐｏｕｔとの圧力差ΔＰを算出し、図３に示すように流量Ｑと圧力差ΔＰの関係をプロットした。
【００３７】
この図３から、それぞれの粘度の液体における流量Ｑと圧力差ΔＰとの関係式を導き出した。それぞれの関係式、及び、相関係数は表１に示す通りである。相関係数はいずれも１に近いので、それぞれ妥当な関係式といえる。
【表１】
【００３８】
そして、表１のそれぞれの関係式を満たし得る一般式を導くことで、式２を定義することができる。
【００３９】
例えば、式２のｎ、ｍ、ｋをそれぞれ１とし、Ｃ０及びａ０を０として、表１に示す関係式で導かれた定数（２．９９５１、３．３５８、４．６２５７、５．２２７２、５．９７５１）をＣｒη、指数（１．７１５８、１．７０２１、１．６０１９、１．６１６１、１．６１３７）をｅｘｐ（Ｃａη）＋１とそれぞれ定義すると、下式３を導くことができる。Ｃｒ、及びＣａは、それぞれ人工肺の固有定数である。
【数６】
【００４０】
また、表１の関係式から、各粘度におけるＣｒη、ｅｘｐ（Ｃａη）＋１、及びｅｘｐ（Ｃａη）は、表２に示すとおりである。
【表２】
【００４１】
そして、図４に示すように、表２に示す粘度を横軸に、また、Ｃｒηを縦軸にしてプロットした。そして、最小自乗法により、各プロットとの残差が最も小さくなる直線（一般式：ｙ＝ａη）を引き、その傾き（一般式中のａ）がＣｒに相当するので、Ｃｒ＝２．１８８８を求めることができる。
【００４２】
また、図５に示すように、表２に示す粘度を横軸に、また、ｅｘｐ（Ｃａη）を縦軸にして、プロットする。流体力学において、乱流の場合、ΔＰは粘度０のときＱの２乗に比例し、また、粘度が無限大のとき、Ｑの１乗に比例する関係にあると考えられる。したがって、粘度が０のときｅｘｐ（Ｃａη）が１になるように、また、粘度が無限大のときにｅｘｐ（Ｃａη）が０に収束するように、最小自乗法によって、各プロットとの残差が最も小さくなる対数曲線（一般式：ｙ＝ｅａη）を導く。この一般式中のａがＣａに相当するので、Ｃａ＝−０．２０５５を求めることができる。
【００４３】
以上の工程を経ることによって、下式３’を導くことができる。
【数７】
【００４４】
式３の各固有定数を求めることで得られた式３’では、入口圧力、出口圧力、及び流量の各値を測定できれば、未知数は粘度ηのみとなる。しかし、式３’は、ηについての陰関数表示式である。このため、既知のＮｅｗｔｏｎ−Ｌａｐｓｏｎ法等の数値解法を用いて、式３’よりηを推定する。これにより、ηを算出することができる。
【００４５】
具体的に数値解法によるηの推定の仕方を、式３について説明すると、まず、
【数８】
とし、ｆ（η）の一次微分であるｆ’（η）を、
【数９】
として計算し、ηの推定値をηｎとしたときの近似解ηｎ＋１を、
【数１０】
とする。そして、式３ｄに示す、式３ｂと式３ｃの残差ε
【数１１】
が要求される測定精度以内に収束するまで反復する。このようにして、粘度ηを算出することができる。
【００４６】
上述のように導いた式３’の妥当性を検討するため、異なる粘度の液体（実粘度がそれぞれ１．１３ｃＰ、１．４３ｃＰ、１．８４ｃＰ、２．４２ｃＰ、３．０３ｃＰ）を上記の人工肺に循環させた。徐々に遠心ポンプの回転数を上げていき、回転数毎に入口圧力、出口圧力、流量を測定し、式３’を用いて循環している液体の粘度を推定した。
【００４７】
粘度の推定結果を図６、図７、図８、図９、図１０にそれぞれ示す。図６が実粘度１．１３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度、図７が実粘度１．４３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度、図８が実粘度１．８４ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度、図９が実粘度２．４２ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度、図１０が実粘度３．０３ｃＰの液体を循環させた際の推定粘度である。
【００４８】
図６〜図１０それぞれの破線で挟まれた範囲は、実粘度の５％誤差の範囲を示している。循環させた液体によって、流量が小さい場合、５％の誤差の範囲から外れているものも見受けられる。しかしながら、体外循環において循環している血液の流量は、患者の体格等にもよるが、大凡４〜５Ｌ／ｍｉｎである。流量が４〜５Ｌ／ｍｉｎの範囲では、いずれの粘度の液体を流した場合でも実粘度の５％誤差の範囲にあることがわかる。
【００４９】
また、圧力測定装置や流量測定装置等の機器においては、通常５％程度の測定誤差が生じ得るものゆえ、この誤差は測定誤差とも考えられる。以上のことから、実用範囲において、実粘度に近い近似値を推定できていることがわかる。
【００５０】
また、人工肺には酸素ガスが送気され、二酸化炭素ガスが排気されているので、ガスの循環による影響が導いた近似式に関係するか否かを検証した。
【００５１】
水にグリセリンを添加し、３種類の異なる粘度の液体を調製し、それぞれ上記の人工肺に循環させた。なお、液体の流量とガスの流量とは、１：１である。
【００５２】
循環させた液体の流量と圧力差ΔＰの測定結果を図１１に示す。図１１を見ると、いずれの粘度の液体を流した場合でも、ガス循環有りとガス循環無しで、ほぼ一致していることがわかる。したがって、人工肺への酸素ガスの送気、及び、人工肺からの二酸化炭素ガスの排気を行っていても、血液流量Ｑと圧力差ΔＰとの関係は変わらないので、上記のように導き出される近似式は妥当性を有することがわかる。
【００５３】
以上のようにして、個々の人工肺に応じた血液粘度を算出する近似式を導くことができる。そして、継続的に入口圧力、出口圧力、及び、血液流量を測定し、当該近似式を用いることで、血液粘度を継続的に推定することができる。演算装置２１にて算出された血液粘度を、モニタ等の表示装置２２に継続的に表示することで、手術中、術者が血液凝固の指標として認知でき、ヘパリンの投与等、血液が凝固しないように的確な処置を施すことが可能となる。また、血液粘度に閾値を設けて、閾値を超えた場合に術者に報知させるよう構成してもよい。更に、演算装置２１にて算出された血液粘度を記録装置２３にて継続的に記録しておいてもよい。術中における血液粘度を記録しておくことで、手術の評価やスタディモデルとして活用することができる。
【００５４】
なお、体外循環装置に、人工肺の入口圧力、出口圧力、血液の流量を計測・記録可能な操作記録機能が備えられている場合、この操作記録機能を用いてもよい。例えば、操作記録機能で得られた入口圧力等のデータ信号を、受信装置を介して演算装置に送るようにし、血液粘度を推定する構成にしてもよい。
【００５５】
また、上記では、一例として、表１に示したそれぞれの関係式から、人工肺の固有定数を二つ用いて式３を定義したが、式２に示す固有定数を増加させて、上記と同様の手法にてそれぞれの固有定数を求め、より実験結果に近似する近似式を導き出してもよい。そして、当該近似式に基づいて血液粘度を算出するようにしてもよい。
【００５６】
（血液粘度比の推定方法及び血液粘度比モニタリング装置）
続いて、血液粘度比の推定方法について説明する。血液粘度比の推定方法は、図１２に示すように、人工肺の入口圧力（Ｐｉｎ）及び出口圧力（Ｐｏｕｔ）を測定する工程と、人工肺を流れる血液の流量（Ｑ）を測定する工程と、測定した入口圧力、出口圧力、及び血液の流量から、血液粘度（η）を算出する工程と、ヘマトクリット値（Ｈｔ）及び血液温度（Ｔｂ）を測定する工程と、正常血液粘度（η０）を算出する工程と、血液粘度（η）と正常血液粘度（η０）との粘度比（η／η０）を算出する工程と、から構成される。
【００５７】
ここで、正常血液粘度とは、正常時のヒトの体内を流れている血液の粘度、即ちヘパリン等が投与されていない状態でヒトの体内を流れている血液粘度をいい、正常血液粘度は、血液中のヘマトクリット値、及び、血液温度に依存する粘度である。また、ヘマトクリット値は、血液中の血球濃度（％）である。
【００５８】
血液粘度比の推定方法は、図１３の概略構成図に示す血液粘度比モニタリング装置２によって実現される。図１３に示す血液粘度比モニタリング装置２は、図２に示した血液粘度モニタリング装置１にヘマトクリット値測定装置１７、血液温度測定装置１８を加えたものである。
【００５９】
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程、人工肺を流れる血液の流量を測定する工程、測定した入口圧力、出口圧力、及び血液の流量から血液粘度を算出する工程については、それぞれ前述した血液粘度の推定方法と同様であるため、説明を省略する。
【００６０】
（ヘマトクリット値を測定する工程）
ヘマトクリット値測定装置１７にて、血液中のヘマトクリット値の測定を継続的に行う。ヘマトクリット値測定装置１７は公知の種々の装置を用いればよく、また、人工肺にヘマトクリット値を測定可能な装置を設けて測定してもよい。
【００６１】
（血液温度を測定する工程）
血液温度測定装置１８にて、血液温度の測定を継続的に行う。血液温度測定装置１８は、公知の種々の装置を用いればよく、通常手術中は継続的に血液温度を測定しているため、その血液温度を用いてもよい。
【００６２】
（正常血液粘度を算出する工程）
演算装置２１では、下式４に基づいて、測定したヘマトクリット値、及び、血液温度から正常血液粘度η０を算出する。
【数１２】
【００６３】
式４中、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｙ））は、ヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｙ））は、所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｂ））／η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｂ））は、所定血液温度ｂ℃（Ｔｂ（ｂ））におけるヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））の正常血液粘度と所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））の正常血液粘度との比を示している。
【００６４】
ここで、式４について説明する。上述したように、正常血液粘度とは、正常時のヒトの体内を流れる血液の粘度をいい、正常血液粘度は、ヘマトクリット値、及び、血液温度に依存している。そして、これらの関係については、ＳｗａｎやＲｅｅｍｔｓｍａらの研究結果から、図１４に示す関係にあることが知られている。式４は、この図１４に示す関係を満たす一般式を導いた式である。
【００６５】
以下に、式４の導き方について、一例を挙げて説明する。式４における所定ヘマトクリット値ａ％を５０％（Ｈｔ（５０））とした場合、式４は式４’として示すことができる。
【数１３】
【００６６】
まず、血液温度と血液粘度の関係式、具体的には、図１４に示されるヘマトクリット値５０％における血液温度と正常血液粘度の関係式を導く。血液温度をＴｂ（ｙ）とすると、ヘマトクリット値が５０％の血液粘度η０（Ｈｔ（５０），Ｔｂ（ｙ））、即ち、図１４のＨｔ：５０％の近似曲線は、下式５に示す近似式として表すことができる。
【数１４】
【００６７】
また、図１４において、ある血液温度でのヘマトクリット値７２％、５０％、３２％、７％における正常血液粘度を、それぞれη０（Ｈｔ（７２））、η０（Ｈｔ（５０））、η０（Ｈｔ（３２））、η０（Ｈｔ（７））とすると、η０（Ｈｔ（７２））：η０（Ｈｔ（５０））：η０（Ｈｔ（３２））：η０（Ｈｔ（７））は、血液温度によらずほぼ一定の関係にあることがわかる。即ち、特定の血液温度におけるヘマトクリット値５０％の標準血液粘度が分かれば、同血液温度における他のヘマトクリット値の標準血液粘度を、粘度比から算出することが可能である。従って、ヘマトクリット値ｘ％、所定血液温度ｂ℃における正常血液粘度をη０（Ｈｔ（Ｘ），Ｔｂ（ｂ））とし、同血液温度におけるヘマトクリット値が５０％の正常血液粘度をη０（Ｈｔ（５０），Ｔｂ（ｂ））とすると、標準血液粘度比η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｂ））／η０（Ｈｔ（５０），Ｔｂ（ｂ））は、下式６のようにヘマトクリット値のみの近似式で表すことができる。
【数１５】
【００６８】
式５で導き出されるη０（Ｈｔ（５０），Ｔｂ（ｙ））に式６で導かれるη０（Ｈｔ（Ｘ），Ｔｂ（ｂ））／η０（Ｈｔ（５０），Ｔｂ（ｂ））を乗算することにより、式４’が導き出される。したがって、血液温度及びヘマトクリット値がわかれば、式４’に基づいて正常血液粘度を求めることができる。
【００６９】
なお、式４の一例として、上記では所定ヘマトクリット値を５０％とした場合の導き方について説明したが、上述したように、異なるヘマトクリット値同士の正常血液粘度の比は、血液温度によらず、ほぼ一定であることから、所定ヘマトクリット値を異なる値にして式４を導いてもよい。
【００７０】
（血液粘度比を算出する工程）
上述のように算出された血液粘度η及び正常血液粘度η０から、演算装置２１にて、血液粘度比η／η０を算出する。そして、この血液粘度比を表示装置２２に表示する。
【００７１】
以上のようにして、継続的に人工肺の入口圧力、出口圧力、血液の流量、血液温度、及び、ヘマトクリット値を測定することで、血液粘度比を継続的に推定することができる。演算装置２１にて算出された血液粘度比を、モニタ等の表示装置２２に継続的に表示することで、手術中、術者が血液凝固の指標として認知でき、ヘパリンの投与等、血液が凝固しないように的確な処置を施すことが可能となる。また、血液粘度に閾値を設けて、閾値を超えた場合に音等で術者に報知するように構成してもよい。更に、演算装置２１にて算出された血液粘度比を記録装置２３にて継続的に記録しておいてもよい。術中における血液粘度比を記録しておくことで、手術の評価やスタディモデルとして活用することができる。
【００７２】
なお、体外循環装置に、人工肺の入口圧力、出口圧力、血液の流量、ヘマトクリット値、血液温度を計測・記録可能な操作記録機能が備えられている場合、この操作記録機能を用いてもよい。例えば、操作記録機能で得られた入口圧力等のデータ信号を、受信装置を介して演算装置に送るようにし、血液粘度比を推定する構成にしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上説明したように、血液粘度、及び、血液粘度比を継続して推定できる。これらを継続して表示装置等に表示し、術者に認知させることで、人工肺を用いた体外循環における血液凝固に起因する医療事故を未然に防ぐよう、術者は的確な処置を施すことが可能となる。このように、医療機器分野における利用が期待される。
【符号の説明】
【００７４】
１ 血液粘度モニタリング装置
２ 血液粘度比モニタリング装置
１１ 血液流入路
１２ 人工肺
１３ 血液流出路
１４ 入口圧力測定装置
１５ 出口圧力測定装置
１６ 流量測定装置
１７ ヘマトクリット値測定装置
１８ 血液温度測定装置
２１ 演算装置
２２ 表示装置
２３ 記録装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から下式１に基づいて血液粘度を算出する工程と、
を含むことを特徴とする血液粘度の推定方法。
【数１】
（式中、ΔＰは出口圧力と入口圧力との差、Ｑは血液の流量、Ｒ（η）、及びα（η）はそれぞれ血液粘度に基づく人工肺固有の関数を示す。）
【請求項２】
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から下式２に基づいて血液粘度を算出する工程と、
を含むことを特徴とする血液粘度の推定方法。
【数２】
（式中、ΔＰは出口圧力と入口圧力との差、ηは血液粘度、Ｃ０〜Ｃｎ、Ｋ及びａ０〜ａｍはそれぞれ人工肺の固有定数、Ｑは血液の流量を示す。）
【請求項３】
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から血液粘度を算出する工程と、
前記血液のヘマトクリット値及び血液温度を測定する工程と、
前記ヘマトクリット値及び前記血液温度から正常血液粘度を算出する工程と、
前記血液粘度と前記正常血液粘度との血液粘度比を算出する工程と、を含み、
前記血液粘度を請求項１又は２に記載の血液粘度の推定方法を用いて求めることを特徴とする血液粘度比の推定方法。
【請求項４】
前記正常血液粘度を、下式４に基づいて算出することを特徴とする請求項３に記載の血液粘度比の推定方法。
【数３】
（式中、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｙ））はヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｙ））は、所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｂ）／η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｂ））は、所定血液温度ｂ℃（Ｔｂ（ｂ））におけるヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））の正常血液粘度と所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））の正常血液粘度との比を示す。）
【請求項５】
人工肺に流入する血液の入口圧力を測定する入口圧力測定装置と、
前記人工肺から排出される血液の出口圧力を測定する出口圧力測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する流量測定装置と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び、前記血液の流量から血液粘度を算出する演算装置と、
を備えることを特徴とする血液粘度モニタリング装置。
【請求項６】
更に、前記血液粘度を表示する表示装置及び前記血液粘度を記録する記録装置を備えることを特徴とする請求項５に記載の血液粘度モニタリング装置。
【請求項７】
人工肺に流入する血液の入口圧力を測定する入口圧力測定装置と、
前記人工肺から排出される血液の出口圧力を測定する出口圧力測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する流量測定装置と、
前記人工肺を流れる血液のヘマトクリット値を測定するヘマトクリット値測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の血液温度を測定する血液温度測定装置と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び、前記血液の流量から血液粘度を算出し、前記ヘマトクリット値、及び、前記血液温度から正常血液粘度を算出し、前記血液粘度と前記正常血液粘度との血液粘度比を算出する演算装置と、
を備えることを特徴とする血液粘度比モニタリング装置。
【請求項８】
更に、前記血液粘度比を表示する表示装置及び前記血液粘度比を記録する記録装置を備えることを特徴とする請求項７に記載の血液粘度比モニタリング装置。
【請求項１】
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から下式１に基づいて血液粘度を算出する工程と、
を含むことを特徴とする血液粘度の推定方法。
【数１】
（式中、ΔＰは出口圧力と入口圧力との差、Ｑは血液の流量、Ｒ（η）、及びα（η）はそれぞれ血液粘度に基づく人工肺固有の関数を示す。）
【請求項２】
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から下式２に基づいて血液粘度を算出する工程と、
を含むことを特徴とする血液粘度の推定方法。
【数２】
（式中、ΔＰは出口圧力と入口圧力との差、ηは血液粘度、Ｃ０〜Ｃｎ、Ｋ及びａ０〜ａｍはそれぞれ人工肺の固有定数、Ｑは血液の流量を示す。）
【請求項３】
人工肺の入口圧力及び出口圧力を測定する工程と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する工程と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び前記血液の流量から血液粘度を算出する工程と、
前記血液のヘマトクリット値及び血液温度を測定する工程と、
前記ヘマトクリット値及び前記血液温度から正常血液粘度を算出する工程と、
前記血液粘度と前記正常血液粘度との血液粘度比を算出する工程と、を含み、
前記血液粘度を請求項１又は２に記載の血液粘度の推定方法を用いて求めることを特徴とする血液粘度比の推定方法。
【請求項４】
前記正常血液粘度を、下式４に基づいて算出することを特徴とする請求項３に記載の血液粘度比の推定方法。
【数３】
（式中、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｙ））はヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｙ））は、所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））、血液温度ｙ℃（Ｔｂ（ｙ））における正常血液粘度、η０（Ｈｔ（ｘ），Ｔｂ（ｂ）／η０（Ｈｔ（ａ），Ｔｂ（ｂ））は、所定血液温度ｂ℃（Ｔｂ（ｂ））におけるヘマトクリット値ｘ％（Ｈｔ（ｘ））の正常血液粘度と所定ヘマトクリット値ａ％（Ｈｔ（ａ））の正常血液粘度との比を示す。）
【請求項５】
人工肺に流入する血液の入口圧力を測定する入口圧力測定装置と、
前記人工肺から排出される血液の出口圧力を測定する出口圧力測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する流量測定装置と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び、前記血液の流量から血液粘度を算出する演算装置と、
を備えることを特徴とする血液粘度モニタリング装置。
【請求項６】
更に、前記血液粘度を表示する表示装置及び前記血液粘度を記録する記録装置を備えることを特徴とする請求項５に記載の血液粘度モニタリング装置。
【請求項７】
人工肺に流入する血液の入口圧力を測定する入口圧力測定装置と、
前記人工肺から排出される血液の出口圧力を測定する出口圧力測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の流量を測定する流量測定装置と、
前記人工肺を流れる血液のヘマトクリット値を測定するヘマトクリット値測定装置と、
前記人工肺を流れる血液の血液温度を測定する血液温度測定装置と、
前記入口圧力、前記出口圧力、及び、前記血液の流量から血液粘度を算出し、前記ヘマトクリット値、及び、前記血液温度から正常血液粘度を算出し、前記血液粘度と前記正常血液粘度との血液粘度比を算出する演算装置と、
を備えることを特徴とする血液粘度比モニタリング装置。
【請求項８】
更に、前記血液粘度比を表示する表示装置及び前記血液粘度比を記録する記録装置を備えることを特徴とする請求項７に記載の血液粘度比モニタリング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−４５４５０（Ｐ２０１１−４５４５０Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９４８４８（Ｐ２００９−１９４８４８）
【出願日】平成２１年８月２５日（２００９．８．２５）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（５０３４２０８３３）学校法人常翔学園 (62)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２５日（２００９．８．２５）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（５０３４２０８３３）学校法人常翔学園 (62)
【Ｆターム（参考）】
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