控制体外血液处理的装置及方法

控制体外血液处理的装置及方法
【专利摘要】本文描述了一种用于体外血液处理的装置(1)，包括处理单元(2)、体外血液回路(8)和流体排出线(10)。装置包括控制单元(21)，其与压力传感器(13，14)和血液泵(9)连接，并配置为移动血液泵(9)产生具有恒定分量(Qb)的可变流量(Q(t))和具有零平均值的可变分量(Qvar(t))；可变流量在膨胀腔室(11，12)中产生具有围绕平均值(Pavg)振荡的压力分量(Pvar(t))的随时间可变的压力进展(P(t))。控制单元从传感器接收多个值(Pj)并计算压力平均值(Pavg)，获取与可变流量分量(Qvar(t))相关的膨胀腔室(11，12)中的容积变化(AP)的估计值，根据压力值(Pj)计算表示振荡压力分量(Pvar(t))的膨胀腔室(11，12)中压力变化(AP)的估计值，并根据膨胀腔室中压力(P(t))的平均值(Pavg)、容积变化(AV)的估计值和估计压力变化(AP)确定膨胀腔室(11，12)中血液水平(L)的代表幅值。
【专利说明】控制体外血液处理的装置及方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种体外血液处理装置及控制该装置的方法。

【背景技术】
[0002] 已知的体外处理血液装置包括至少一个处理单元（例如，透析器或过滤器，或超 滤器或血浆过滤器或任何其它性质的过滤器单元），其具有将处理单元分离为两个腔室的 半透膜。体外血液回路允许取自病人的血液在第一腔室的内部循环。同时，并且通常在血 液的逆流方向上，处理流体循环通过处理单元的第二腔室中的特定回路。这种类型的血液 处理设备被称为透析装置，可用于从肾衰竭病人的血液去除溶质和过量的流体。
[0003] 体外血液回路还包括两个膨胀腔室，也称为除泡器，其分别位于来自病人的血液 移取线上和流向病人的血液返回线上。
[0004] 在处理过程中，膨胀腔室包含达到预定深度的预定量的血液以及在膨胀腔室的其 余部分中的预定量的气体（空气）。
[0005] 显然，为了体外处理的安全操作，血液的水平绝不能低于可能导致空气引入体外 循环线并随后潜在地将空气输注到病人的循环系统中而造成严重后果的临界最小水平。
[0006] 由于存在这样的事件的风险，并且由此给病人造成的问题是极其严重的，所以即 便不是关键的，已知的透析机也配备有能够检测这样的事件的安全系统，一旦发生该事件， 该安全系统可以确保病人安全。
[0007] 特别是，一般在至病人的血液返回线上、紧接在血管接入点之前和静脉膨胀腔室 下游设置一装置，该装置直接连接到机器的控制单元并用于检测血液中的气泡。
[0008] 在静脉线中检测到空气的情况下，控制单元激活病人安全程序，该程序用于通过 至少闭合体外血液回路上的夹具并关停血液泵来隔离病人。
[0009] 除了这个安全装置之外，一些机器还在静脉膨胀腔室（较少见地也在动脉膨胀腔 室）中配备有适当的血液水平传感器（光学或声学的），其能够发出信号以指示达到需要专 门人员干预来恢复腔室中血液的适当量以避免对病人的风险的最小水平。
[0010] 这些系统在执行指示给其的任务的同时，产生额外的成本，并改变其所在或待安 装的机器的硬件。
[0011] 尤其由于成本，这些安全系统通常仅存在于透析器的血液下游的返回线上。
[0012] 此外，还值得一提的是，气泡传感器装置一般仅能可靠地检测预定大小的气泡，而 不具有检测到溶解在血液中的空气的微气泡的灵敏度。
[0013] 最近的研究（例如 Ulf Forsberg、Per Jonsson、Christofer Stegmayr 和 Bernd Stegmayr 的''Microemboli, developed during hemodialysis, pass the lung barrier and may cause ischemic lesions in organs such as the brain(在血液透析过程中摧患的 微栓子通过肺屏障并可能会导致诸如大脑等器官的缺血性病变）"）已经把诸如肺高血压 和其它缺血性问题等慢性病病人的一些典型病症与通过当前的透析机产生而未被当前的 安全系统发现的微气泡形式的空气量联系起来。
[0014] 应指出的是，在这方面，微气泡的产生主要是因为例如由于血液腔室中血液水平 低（由于各种情况，如不良的机器装填或带有空气进入的输注）而使空气进入移取线；实际 上，气泡可能会进入血液流并到达透析器，透析器会裂解这些气泡并使其难以被检测到。
[0015] 通过US 7013727号专利还已知一种用于确定透析机的腔室中血液的水平的方 法，其利用理想气体定律恢复到该水平。
[0016] 特别是，该方法利用与蠕动泵在血液上产生的推力相关联的血流容积的改变，并 借助于两个传感器（压力和/或流量）来检测腔室中的水平。
[0017] 这种方法虽然在无需水平传感器的情况下能进行操作，但除了已经在机器上存在 的硬件之外，通常还需要附加硬件（另一传感器）。


【发明内容】

[0018] 本发明的一个目的是公开一种血液处理装置，其能够检测与膨胀腔室中的血液水 平相联系的幅值（magnitude)，该幅值可以是潜在进入体外血液回路中的空气的指标。
[0019] 所描述的实施例的另一个目的是提供一种装置，其可以在不需要除了已经存在于 机器板上的硬件以外的额外硬件的情况下执行所述监控操作。
[0020] 所描述的实施例的进一步的辅助目的还为了能够在动脉膨胀腔室中进行监控并 还能够在静脉膨胀腔室中进行监控，以支持机器中已存在的预防系统。
[0021] 所描述的实施例的另一个目的是通过更新操作软件而可适用于已经在临床结构 中使用的机器。
[0022] 所描述的实施例的进一步的辅助目的是提供一种装置，其能够可靠地执行这样的 分析，降低假阳性并增进对风险情况的检测。
[0023] 所描述的实施例的进一步的辅助目的是提供一种装置，其在预定的情况下能够进 行干预，自动地使病人处于安全状态。
[0024] 通过根据所附权利要求中任一项的一个或多个的血液处理装置基本上可实现上 述中的至少一个目的。
[0025] 本发明的各个方案示出如下。
[0026] 在本发明的第1独立方案中，提供了一种用于体外血液处理装置的装置，包括：至 少处理单元（2)，具有通过半透膜（5)彼此分离的至少第一腔室（3)和至少第二腔室（4); 至少血液移取线（6)，连接到第一腔室的入口端并且被预置为从病人移取血液；至少血液 返回线（7)，连接到所述第一腔室的出口端并且被预置为将处理过的血液返回给病人；至 少膨胀腔室（11，12)，放置在所述血液移取线（6)和所述血液返回线（7)中的至少一个处， 所述膨胀腔室被布置成在使用中在上部包含预定量的气体且在下部包含预定水平的预定 量的血液，所述血液移取线￠)、所述血液返回线（7)、所述第一腔室（3)和所述至少膨胀腔 室（11，12)是体外血液回路（8)的一部分；至少血液泵（9)，工作在所述体外血液回路（8) 中，以便移动该回路中的血液；至少压力传感器（13,14)，与所述膨胀腔室（11，12)相关联， 并被配置为使得能够确定所述膨胀腔室（11，12)内部的压力值；至少流体排出线（10)，连 接到所述第二腔的出口端；控制单元（21)，连接到至少压力传感器（13,14)及所述泵（9)， 且被配置为：移动所述血液泵（9)以产生可变血液流量（Q(t))，可变血液流量（Q(t))包括 期望血液流量值的恒定流量（Q b)分量和围绕恒定分量（Qb)振荡并具有大致为零的平均值 的可变流量分量（Qvm (t))，所述可变流量分量（Q_(t))至少在所述膨胀腔室（11，12)中产 生随时间可变的压力进展（pressure progression) (P(t))，所述压力进展（P(t))包括围 绕平均值（Pavg)振荡的压力分量（PvaJt));在时间段⑴从所述至少传感器（13,14)接收 多个压力值（P j)，时间段（T)包括至少一个并特别包括多个围绕所述平均值（Pavg)的压力 振荡，所述压力值（P j)是在连续的时刻（tp测量到的；作为所述压力值（Pj)的函数，计算 压力（P(t))的平均值（P avg);获取与所述可变流量分量（Q_(t))相联系的所述膨胀腔室 (11，12)中容积变化（AV)的估计；作为所述压力值（ΛΡ)的函数，计算所述膨胀腔室（11， 12)中的估计的压力变化（ΛΡ)，所述估计的压力变化（ΛΡ)表示振荡压力分量（PvaJt)); 作为所述膨胀腔室（11，12)中的压力（P(t))的平均值（Pavg)、估计的容积变化值（AV)和 估计的压力变化值（ΛΡ)的函数，确定表示所述膨胀腔室（11，12)中的血液水平（L)的幅 值。
[0027] 在本发明的第2方案中，提供了一种用于在体外血液处理装置中减少对病人输注 气体微泡的风险的方法和/或使用体外血液处理装置检测膨胀腔室中的血液水平的方法， 所述装置包括：至少处理单元（2)，具有通过半透膜（5)彼此分离的至少第一腔室（3)和 至少第二腔室（4);至少血液移取线（6)，连接到第一腔室的入口端并且被预置为从病人移 取血液；至少血液返回线（7)，连接到所述第一腔室的出口端并且被预置为将处理过的血 液返回给病人；至少膨胀腔室（11，12)，放置在所述血液移取线（6)和所述血液返回线（7) 中的至少一个处，所述膨胀腔室被布置成使用以在上部包含预定量的气体和在下部包含预 定水平的预定量的血液，所述血液移取线￠)、所述血液返回线（7)、所述第一腔室（3)和 所述至少膨胀腔室（11，12)作为体外血液回路（8)的一部分；至少血液泵（9)，工作在所 述体外血液回路（8)中，以便移动该回路中的血液；至少压力传感器（13,14)，与所述膨胀 腔室（11，12)相关联，并被配置为能够确定所述膨胀腔室（11，12)内部的压力值；至少流 体排出线（10)，连接到所述第二腔的出口端；所述方法包括实施控制程序，包括：移动所述 血液泵（9)，以产生可变血液流量（Q(t))，该可变血液流量（Q(t))包含期望血液流量值的 恒定流量分量（Q b)和在恒定分量（Qb)周围振荡并具有大致为零的平均值的可变流量分量 (QvaJt))，可变血液流量（Q vm(t))至少在所述膨胀腔室（11，12)中产生随时间可变的压力 进展（P(t))，所述压力进展（P(t))包括在平均值（P avg)周围振荡的压力分量（Pvm(t));在 时间段（T)从所述至少传感器（13,14)接收多个压力值（P j),时间段（T)包括至少一个并 特别包括多个围绕所述平均值（Pavg)的压力振荡，所述压力值（P j)是在连续的时刻αρ测 量到的；作为所述压力值（Pj)的函数，计算压力（P(t))的平均值（P avg);获取所述膨胀腔室 (11，12)中的估计的容积变化值（AV)，所述估计的容积变化值（AV)与所述可变流量分量 (Q var(t))相联系；作为所述压力值（ΛΡ)的函数，计算所述膨胀腔室（11，12)中的估计压 力变化（Λ P)，所述估计的压力变化（Λ P)表示振荡压力分量（Pvar⑴）；作为所述膨胀腔室 (11，12)中的压力（P(t))的平均值（P avg)、估计的容积变化值（AV)和估计的压力变化值 (ΛΡ)的函数，确定代表所述膨胀腔室（11，12)中的血液水平（L)的幅值。
[0028] 在根据前述方案的第3方案中，所述控制程序（或所述控制单元21)被编程为利 用理想气体定律确定所述膨胀腔室（11，12)中的血液水平（L)的代表幅值，例如所述膨胀 腔室（11，12)中的空气容积（V aJ，例如所述膨胀腔室（11，12)中的空气容积（VaJ。
[0029] 在根据前述方案的第4方案中，所述理想气体定律被应用到大致由以下系统叠加 构成的装置的模型化表示上：
[0030] -开放系统，其中所述膨胀腔室（11，12)被认为是处于静止状态并仅与恒定流量 分量（Qb)相关（interest)，并且所述膨胀腔室中的内部压力相应为等于平均值（P avg)的恒 定压力；以及
[0031] -部分封闭系统，其中仅有从血液的入口（11a，12a)和血液的出口（11b，12b)中选 择的至所述膨胀腔室（11，12)的接入口（access)是打开的，并且受到表示在恒定分量（Q b) 周围振荡的可变流量分量（QvaJt))的容积变化（AV)以及表示振荡压力分量（P vm(t))的 压力值（△?的影响。
[0032] 在根据前述方案的第5方案中，所述控制程序（或控制单元21)被编程为使用以 下数学关系式确定表示所述膨胀腔室（11，12)中血液水平（L)的幅值：
[0033]

【权利要求】
1. 一种体外血液处理装置，包括： 至少一处理单元（2)，具有通过半透膜（5)彼此分离的至少一第一腔室（3)和至少一第 二腔室（4); 至少一血液移取线￠)，连接到第一腔室的入口端并且被预置为从病人移取血液； 至少一血液返回线（7)，连接到所述第一腔室的出口端并且被预置为将处理过的血液 返回给病人； 至少一膨胀腔室（11，12)，放置在所述血液移取线（6)和所述血液返回线（7)中的至少 一个处，所述膨胀腔室被布置成在使用中在其上部包含预定量的气体且在其下部包含预定 水平的预定量血液，所述血液移取线￠)、所述血液返回线（7)、所述第一腔室（3)和所述至 少一膨胀腔室（11，12)是体外血液回路（8)的一部分； 至少一血液泵（9)，工作在所述体外血液回路（8)上，以便移动该回路中的血液； 至少一压力传感器（13,14)，与所述膨胀腔室（11，12)相关联，并被配置为能够确定所 述膨胀腔室（11，12)内部的压力值； 至少一流体排出线（10)，连接到所述第二腔室的出口端； 控制单元（21)，连接到所述至少一压力传感器（13,14)及所述泵（9)，且被配置为： -移动所述血液泵（9)以产生可变血液流量（Q(t))，该可变血液流量（Q(t))包括等于 血液流量的期望值的恒定流量分量（Qb)和围绕恒定分量（Qb)振荡并具有大致为零的平均 值的可变流量分量（QvaJt))，可变血液流量分量（QvaJt))至少在所述膨胀腔室（11，12)中 产生随时间可变的压力进展（P(t))，所述压力进展（P(t))包括围绕平均值（Pavg)振荡的压 力分量（Pvar⑴）； -在时间段（T)从所述至少一压力传感器（13,14)接收多个测量压力值（Pj),包括至 少一个并特别是多个围绕所述平均值（Pavg)的压力振荡，所述压力值（Pj)是在连续的时刻 (tp测量到的； -根据所述压力值（Pj)来计算压力（P(t))的平均值（Pavg); -获取所述膨胀腔室（11，12)中与所述可变流量分量（Q_(t))相关的容积变化（AV) 的估计值； -根据所述压力值（Pj)来计算所述膨胀腔室（11，12)中表示振荡压力分量（Pvar(t)) 的估计的压力变化（ΛΡ); -根据所述膨胀腔室（11，12)中的压力（P(t))的平均值（Pavg)、所述容积变化（AV) 的估计值和所述估计的压力变化（△?的值，来确定所述膨胀腔室（11，12)中的血液水平 (L)的代表幅值。
2. 如权利要求1所述的装置，其中所述控制单元（21)被编程为通过利用理想气体定律 来确定所述膨胀腔室（11，12)中的血液水平（L)的所述代表幅值，例如所述膨胀腔室（11， 12)中的空气容积（VaJ，所述理想气体定律被应用到大致由以下系统叠加构成的该装置的 模型表示上： -开放系统，其中所述膨胀腔室（11，12)被认为是处于静止状态并仅与所述恒定流量 分量（Qb)相关，并且所述膨胀腔室中的内部压力相应为等于所述平均值（Pavg)的恒定压力； 以及 -部分封闭系统，其中仅有选自血液的入口（11a，12a)和血液的出口（11b，12b)的至所 述膨胀腔室（11，12)的接入口是打开的，并且受到表示围绕所述恒定分量（Qb)振荡的可变 流量分量（Qvar⑴）的容积变化（AV)以及表示振荡压力分量（Pvar⑴）的压力值（ΛΡ)的 影响。
3. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述控制单元（21)被编程为使用以下 数学关系式确定表示所述膨胀腔室（11，12)中血液水平（L)的幅值： Fciir=.AV-^.....?....... 其中： "vai/'是所述膨胀腔室（11，12)内部空气的容积； "ΛV"是关联到所述可变流量分量（Q_ (t))的容积变化； "Pavg"是平均压力值（P(t)); "ΛΡ"是表示所述振荡压力分量（Pvar(t))的所述膨胀腔室（11，12)中的压力变化。
4. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其中根据与时间段（T)有关的多个测量压力 值（PP来计算平均压力值（Pavg),所述时间段（T)包括围绕所述恒定分量（Qb)的多个血液 流量振荡和由此产生的围绕所述平均值（Pavg)的多个压力振荡，特别是所述时间段（T)包 括至少三个振荡，甚至更多个振荡，具体为至少八个振荡。
5. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其中获取所述膨胀腔室（11，12)中容积变化 (AV)的估计值的步骤包括：从存储器读取容积变化（AV)的估计预设值的子步骤，所述容 积变化（AV)的估计预设值例如是由操作者输入的估计值或由所述控制单元（21)从多个 可能的预设估计值中选择的估计值，特别地，该选择根据以下参数中的至少一个或多个进 行： 安装在所述装置上的体外回路的类型； 体外血液处理的类型； 血液泵的类型； 期望的血液流量值（Qb); 所述血液泵（9)上游或下游的压力； 泵管道（6a)的类型； 所述膨胀腔室（11，12)中的平均压力（Pavg); 所述泵管道（6a)的老化指标； 所述血液泵（9)累积的旋转数。
6. 如前述权利要求1至4中任一项所述的装置，其中获取所述膨胀腔室（11，12)中容 积变化（AV)的估计值的步骤包括：根据从以下参数中选择的至少一参数来计算所述估计 值的子步骤：测量到的压力值（Pj)，恒定血液流量分量（Qb)，血液管道^a)老化的指标，所 述膨胀腔室（11，12)中先前估计的空气容积（Vp1)。
7. 如前述权利要求1至4或6中任一项所述的装置，其中获取所述膨胀腔室（11，12)中 容积变化（△￥)的估计值的步骤包括：使用下面的数学关系式计算所述估计值的子步骤： ΔΓΓι =A-0 +fej. Prt + -ηιη；Ρη -k3-Qbn -kt Vr^1 其中： η是指示空气容积（VaJ的第η个测量输出的通用标志； AVn是在空气容积（V&)的第η个测量步骤中容积ΛV的估计变化；kQ、kpk2、k3、k4是通过实验确定的常数； 瓦是空气容积（VaJ的第η个测量步骤结束时测量到的压力值的平均值； 11」!1^是血液泵（9)的旋转的累积数一或与所述累积数成比例的值； 是空气容积（VaJ的第η个测量步骤结束时血液流量的平均值； Vlri是从先前的计算所获得的空气容积的估计测量值，并且其中在血液流量的平均值 (Qb)小于400毫升/分钟且特别地大于100毫升/分钟的情况下采用该数学关系式。
8. 如前述权利要求1至4或6中任一项所述的装置，其中获取所述膨胀腔室（11，12)中 容积变化（△￥)的估计值的步骤包括：使用下面的数学关系式计算所述估计值的子步骤： 穴τ :
η为指示空气容积（VaJ的第η个测量输出的通用指标； AVn是在空气容积（V&)的第η个测量步骤中容积ΛV的估计变化；kQ、kpk2、k3、k4、k5是通过实验确定的常数； 瓦是空气容积（V&)的第η个测量步骤结束时测量到的压力值的平均值； n_impn是所述血液泵（9)的旋转的累积数一或与所述累积数成比例的值； 是空气容积（VaJ的第η个测量步骤结束时血液流量的平均值； Vlri是从先前的计算获得的空气容积的估计测量值，并且其中在血液流量的平均值 (Qb)大于300毫升/分钟且特别地低于650毫升/分钟的情况下采用该数学关系式。
9. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其中计算压力变化（ΛΡ)的估计值的步骤是 使用作为表示振荡压力分量（△?的统计指标（VarStat)的函数的以下数学关系式进行 的： ΔP=f{VarStat}〇
10. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其中计算压力变化（△?的估计值的步骤 是使用作为表示振荡压力分量（ΛP)的统计指标（VarStat)和通过实验获得的常数（Kfmi) 的函数的以下数学关系式进行的： ΔP=Kfmi ·VarStat。
11. 如权利要求9或10所述的装置，其中所述统计指标（VarStat)是概括描述测量压 力值（Pj)的定量统计分布的分散性指标，特别地，其中所述统计指标是表示压力值（Pj)偏 离中心值的距离的测量值，所述中心值例如与压力的平均值（Pavg)或压力的中位数等同，特 别地，所述统计指标（VarStat)为标准方差(P))或积分平均值，特别是经解调的积分平 均值。
12. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其中表示振荡压力分量（ΛΡ)的所述统计 指标（VarStat)被定义为：
其中： N是在包括多个压力振荡（Pj)的基准时间间隔（Tn)进行的压力测量的次数； Pi是通用的第i个压力测量； 戸是在所述基准时间间隔（Tn)内计算出的平均压力，或其中表示振荡压力分量（ΛΡ) 的所述统计指标（VarStat)被定义为：
其中： N是在包括多个压力振荡（Pj)的所述基准时间间隔（Tn)内进行的压力测量的次数； Pi是通用的第i个压力测量； 歹是在所述基准时间间隔（Tn)内计算出的平均压力； demod(i)是与所述血液泵（9)同步并与蠕动脉冲同相的单个振幅的方波。
13. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述控制单元（21)被编程为至少相对 于放置在所述血液移取线（6)上的动脉膨胀腔室（11)实施如权利要求1所述的步骤。
14. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述膨胀腔室（11，12)具有通气口 (15,16)，所述通气口（15,16)被配置为能够在使用中使气体从所述膨胀腔室（11，12)过来 或朝向所述膨胀腔室（11，12)过去，所述装置还包括：至少一致动器（17，18)，工作在所述 通气口（15,16)上，以选择性地禁止或允许气体通过，所述通气口（15,16)特别地设于所述 膨胀腔室（11，12)的上部，被布置为在使用中面向上，并且更特别地，被布置为始终被气体 占据，并且其中所述控制单元（21)被编程为在验证所述膨胀腔室（11，12)中血液水平低于 预定阈值（Lmin)的情况下，命令所述致动器（17,18)允许气体在出口中从所述通气口（15， 16)通过。
15. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述控制单元（21)被编程为在验证所 述膨胀腔室（11，12)中血液水平低于预定阈值（Lmin)的情况下，命令至少所述血液泵（9)减 少体外血液回路（8)中的血液流量或使其为零，并基本上取消流体通过所述处理单元（2) 的所述半透膜（5)，所述装置还包括作用于所述体外回路（8)上的两个血液流动截断机构 (20, 22)，一个截断机构（22)位于静脉膨胀腔室（12)沿所述体外血液回路的血液流动方 向的下游，另一个截断机构（20)位于动脉膨胀腔室（11)的上游，特别地，所述血液流动截 断机构（20,22)中的每个包括分别作用于所述血液返回线（7)和所述血液移取线（6)上 的各自的夹具，所述控制单元（21)作用于所述截断机构（20, 22)以命令其截断或不截断流 动，所述控制单元（21)还被编程为在验证所述膨胀腔室（11，12)中血液水平低于预定阈值 (Lmin)的情况下，命令关闭所述血液流动截断机构（20, 22)。
【文档编号】A61M1/36GK104321089SQ201380027554
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年8月8日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】亚历山德罗·瓦斯塔 申请人:甘布罗伦迪亚股份公司