JP2001506873A - System and method for non-invasive measurement of hemodynamics in a hemodialysis shunt - Google Patents
System and method for non-invasive measurement of hemodynamics in a hemodialysis shuntInfo
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Abstract
(57)【要約】 シャント内のアクセス再循環は、食塩水などの標準溶液を患者(200)の血液の流れの該シャントの上流内に注入する方法によって定量的に判定される。アクセス路のある点で、ヘマトクリット値(デルタH)の時間変化の光度計測による測定が行なわれる。電子回路(150)は、デテクター(100)から信号を受け取り、デルタHの積分面積を、再循環溶液のアクセスを通る初期の標準溶液の時間と比較し、再循環(152)を表示する。 Abstract: Access recirculation in a shunt is determined quantitatively by injecting a standard solution, such as saline, into the patient's (200) blood stream upstream of the shunt. At a certain point on the access path, the time change of the hematocrit value (delta H) is measured by photometry. The electronics (150) receives the signal from the detector (100), compares the integrated area of Delta H with the time of the initial standard solution through the access of the recirculating solution, and indicates recirculation (152).
Description
【発明の詳細な説明】 血液透析シャント内の血行動態の不侵襲測定システムおよび方法 関係出願のクロスレファレンス 本特許出願は、1996年10月23日出願のアメリカ合衆国仮特許出願第6 0/029587号に優先する。 発明の分野 本発明は、血液透析のアクセス部位の血行動態を不侵襲測定し、またアクセス 再循環および血流を不侵襲測定するためのシステムおよび方法に関する。より詳 しくは、本発明は、シャント(アクセス部位)の再循環、アクセス部位の血液流 量、透析器械の血液流量、および血液透析の配管路に必要な呼び流体量を定量的 に測定するための分光光度計測システムおよび方法に関する。 序論 現代の医療では、とくに透析処置を受けている患者の状態を知るために多くの 方法や指標が用いられる。血液透析は、ある種の生物的老廃物を除去するために 患者の腎臓の代わりに人工腎臓を使用する必要があるときに用いられる処置であ る。人体の腎臓が、尿素、カリウム、さらには過剰な水分などの老廃物を除去す るために正しく機能しなくなった場合には、血液を血液配管路を通して患者から 取り出し、人工腎臓すなわち透析器を通して濾過することが必要になる。この処 置では、血液は、透析器を通って浄化された後、患者の正規の循環システムに戻 される。患者の循環システムへのアクセスは、外科的に植え込まれたシャントす なわちフィステルを用いて行なわれる。この「アクセス部位」は、通常、患者の 腕部、足部、または頚部である。通常、この「アクセス部位」には複数の針が配 置され、透析器の「動脈側」すなわち上流側の血液を除去し浄化された血液を最 初の針の位置の下流側すなわち「静脈側」に戻すことが容易に行なえるようにす る。しかし、不幸なことに、時間が経過すると、このフィステルすなわちシャン トが詰るすなわち「狭窄」を起こすことが多い。その結果、アクセス部位を通る 血流が減少し、最終的にはシャントの管脈形成または外科的交換が必要となる。 シャントが「完全に詰って」機能停止すると、透析で浄化された血液の一部が動 脈側の取り出し部位に逆流し、再循環して再び透析されることになる。これを「 アクセス再循環」と呼ぶ。このような純化された血液の再循環が続くと、患者の 循環血液の残る部分が適切に浄化されなくなり、患者には不適切な透析量があた えられることになる。 このような、純化された血液が取り出し部位に戻る直接再循環のために起こる 不適切な透析量の危険を避けるために、 1) アクセス再循環の程度すなわちパーセント、 2) シャント自身の中の実際の血液流量、および、 3) 透析器の血液流量自身 を判定するためのさまざまな技術および方法がすでに考案されている。 医療の専門家は、詰りすなわち狭窄の存在およびその程度を判定するために、 これら三つのパラメーターを単に定性的にではなく定量的にも知ることをのそん でいる。これらのパラメーターは、いつアクセスが不良になるかを予測し、また 外科的にアクセスを補修する必要性を判定するために必要である。いわゆるフィ ッケの希釈法によって測定する血液流量Qは、A・C・ギュイトン著「医療生理 学テキストブック(A.C.Guyton,Textbook of Medical Physiology)、第6版 、287ページ、1981年、に記載されているが、Qは、注入された希釈液を 希釈液の平均濃度×血管を通る希釈液の通過時間で割った値に等しい。注入期間 中の血液のあるあたえられた生理的パラメーターの変化を連続的にモニターする ことによって希釈曲線が得られる。あるいは、希釈液(すなわち媒体)の濃度の 時間変化を測定してもよい。 ヘステル、R・L等は、アメリカ腎臓病会報(Hester,R.L.,American Jour nal of Kidney)20:6、1992年、598−602ページで、透析器の血 液流路を反転させると、血液の再循環が高まることを示している。クリヴィツキ ー(Krivitski)は、ヨーロッパ特許出願第WO9608305A1で、(再循 環を強制的に起こさせる)血液流路の反転によって、シャント内の実際の血流を 判定することができることを示している。 アクセス血流の測定方法には、色コード化二重ソノグラフ法を用いるものがあ る。しかし、この方法は、高価である。この方法は、熟練した専門家を必要とし 、測定は、操作員のエラーの影響を受けやすい。また、この方法には、血管の直 径が異なることさらにはドップラーの流れの角度による制約があり、この方法を 複雑なものにしている。 また、食塩溶液を静脈内注入し、注入点の一上流点で管路を通過する光の強度 の変化を光学的に検出してそれを記録する方法もある(アメリカ合衆国特許第5 312550号)。 また、動脈系および静脈系の透析器配管路の中に食塩のボーラスを注入して、 超音波の速度の変化を測定する方法もある(アメリカ台衆国特許第545357 6号)。この方法は、血液濃度を変化させる温度、プラズマ蛋白質レベル、およ び他の内在的ファクターの変化に敏感である。しかし、この場合により重要なこ とは、超音波の絶対速度が、血液の内在的ファクターによるばかりでなく、配管 路自身の未知の機械的性質によって影響されることである。これらの内在的およ び外在的な物理的問題を補償するために、一般的には、動脈系または静脈系いず れかの対向する配管路で食塩を追加的に校正注入し、それによって食塩のボーラ スによる希釈度の相対的変化をつくり出すことが必要となる。このようにすれば 、配管路の未知の超音波特性および他の物理的および寸法的特性の影響を最小限 に抑えることができる。 この標準的なアクセス再循環測定法は、透析中の患者から三つの血中尿素窒素 のサンプル採取を必要とする。しかし、尿素窒素測定を正しく行なうためには、 患者から血液サンプルを採取することに加えて、実際のサンプル採取作業中の患 者の看護、実験に要する費用、および適当な血液流量を維持することが必要とな る。 したがって、患者のアクセス部位における血流の血行動態および血液再循環パ ラメーターを不侵襲的かつ定量的に判定するためのシステムおよび方法に対する ニーズは、いぜん存在する。 発明の目的 したがって、本発明の一つの目的は、看護時間を最小限に抑えかつ直接的な血 液サンプルの採取を必要としないアクセスの不侵襲血行動態モニター・システム および方法を提供することである。 本発明の他の一つの目的は、食塩希釈によるアクセスの血行動態データに関す る即時かつ連続的視覚情報を表示するためのシステムおよび方法を提供すること である。 本発明のさらに他の一つの目的は、異なる限界濾過量、患者の姿勢、配管の種 類および寸法、およびさらには異なる透析器膜および透析送り出しシステムを含 む各種の条件のもとでアクセスの血流の血行動態を非侵襲判定するための反復可 能で信頼性のあるシステムおよび方法を提供することである。 本発明の他の一つの目的は、実際に透析器を通過する血液の流量Qを定量的に 判定するための手段および方法を提供することである。 本発明の他の一つの目的は、視覚的なリアルタイム表示手段で操作員に希釈濃 度−時間曲線を提示することである。 本発明のさらに他の一つの目的は、透析器の回路に実際に必要な呼び流体の量 を即時に判定することのできるシステムおよび方法を提供することである。 また、本発明の他の一つの目的は、食塩の注入を必要としないアクセス血流お よびアクセス再循環を判定するためのシステムおよび方法を提供することである 。これは、例えば、限界濾過量(UFR)または透析器の血液の流量を変えるこ とによって行なわれる。本発明の他の一つの目的は、透析器の血流のパラメータ ーを測定するためのシステムおよび方法を提供することである。 本発明のこれらの目的および他の目的並びに効果は、以下の説明および請求の 範囲からより明かとなろうし、また、本発明を実施することによって理解されよ う。 発明の概要 本発明の一つの側面にあっては、シャントのアクセス再循環は、食塩溶液など の標準溶液をシャントの一上流点で患者の血液の流れの中に注入する方法によっ て定量的に判定される。アクセス路内のある点では、ヘマトクリット値の経時変 化(ΔH)の光度測定が行なわれる。電子回路が、検出器からの信号を受け取り 、アクセスを通って流れる初期の標準溶液と再循環溶液の経時変化ΔHの積分面 積と比較して、アクセス再循環量をほぼ即時に表示する。 本発明の他の一側面にあっては、アクセス再循環および/またはアクセス血流 は、血液の流れの中に溶液を注入することなく定量的に判定される。この側面で は、アクセス再循環および/またはアクセス血流の程度が、透析器の血液の流量 または限界濾過量(UFR)を変化させて血液の一成分の濃度のそれに対応する 変化を測定する方法によって定量的に判定される。この方法では、血液の一成分 の濃度が、透析器の血液の流量またはUFRの関数として測定され、電子回路が これらの測定値を変換してアクセス再循環および/またはアクセス血流を定量的 に判定し、それをほぼ即時に表示する。測定される血液の成分の好ましい一実施 形態としては赤血球を挙げることができる。 図面の簡単な説明 第1図は、代表的な透析配管接続回路を示す。 第2図は、シャントのある上流位置で血液の流れの中に10mlの食塩溶液を 注入した後のヘマトクリット値の経時変化%Δ(または血液量(BV)の経時変 化%Δ)をプロットしたグラフである。 第3図は、アクセス再循環が存在するときの一回の注入希釈曲線を示すグラフ である。比較的大きい第一の面積(曲線1)の後の第二の面積(曲線2)に注意 されたい。 第4図は、動脈系および静脈器配管路を反転させて強制的に(反転した)再循 環を起こさせたときの一回の注入希釈曲線を示すグラフである。 第5図は、動脈系および静脈系の正常な管路の向きでのマスフローに関する透 析回路を示す線図である。 第6図は、動脈系および静脈系の管路の向きを反転させた場合のマスフローに 関する透析回路を示す線図である。 発明の詳細な説明 好ましい一実施形態にあっては、測定は、アメリカ合衆国特許第545625 3号および第5372136号に記載の装置を用いて行なわれる。これらの特許 文書は、その全文が本出願に添付されている。これらの特許は、いずれも、本発 明の開示の一部を形成するものである。 すなわち、好ましい一実施形態にあっては、ヘマトクリット値は、アクセス管 路に配置されるキュベットを通る流れの血液で測定される。好ましい一実施形態 にあっては、ヘマトクリット値を測定するために、アメリカ合衆国特許第537 2136号に記載の装置および信号操作が用いられる。参照番号を付した構成要 素は、アメリカ合衆国特許第5456253号の第1図のそれと同じである。 血液透析にあっては、血液は、採取カテーテル手段によって患者200から取 り出される。第1図には、その一例が入力カテーテル122として示されている 。入力カテーテル122は、部位180で患者200の静脈内に挿入され、血液 を濾過して不純物を除去するために用いられる血液フィルターの上流の血液の通 路を画定するために用いられる。血液フィルターは、透析器130とも呼ばれる 。汚れた血液は、患者200内の動脈からポンプ手段例えばポンプ140へ流れ る。血液は、さらにポンプ140から透析器130へ流れる。透析器130は、 入口230および出口240を有する。ポンプ140は、汚れた血液を患者20 0から入口230の中へ、さらに透析器130を通って出口240で透析器13 0から外へ移動させる機能を果たす。 具体的には、入力カテーテル122内の汚れた血液は、透析器130の入口2 30へ送られる。透析器130を通過して浄化された後、血液は、血液透析に関 連する構成要素300内でヘパリン点滴など他の処置を受ける場合もある。透析 処置後のきれいになった血液は、出力カテーテル手段例えば出力カテーテル12 4によって患者200へ戻される。出力カテーテル124は、やはり部位180 で患者200の静脈内に挿入されており、透析器130から下流の血液の通路を 画定し、透析器130から出た血液を患者200へ戻す機能を果たす。 上に述べたように、血液透析法には、患者200の血液を浄化するために血液 フィルターすなわち透析器130が用いられる。血液は、透析器130を通過す るとき、汚れた血液の膜通路として機能する透析器130内の麦わら状の管(図 示せず)内を移動する。この麦わら状の管は、拡散によって有毒物および過剰な 流体を除去する。汚れた血液中の過剰な流体の例としては、水が挙げられ、汚れ た血液中の有毒物の例としては、血中尿素窒素(BUN)およびカリウムが挙げ られる。 限界濾過法では、過剰な流体および有毒物は、薬物と水の溶液であるきれいな 透析液によって除去される。きれいな透析液は、制御装置とタンクを組み合わせ たもの170から入力管210で透析器130に入る。透析液は、透析器130 を通って流れるとき、麦わら状の管を取り囲んで流れる。このきれいな透析液が 、麦わら状の管を通過する過剰な流体および有毒物を拡散によって抜き取り、こ の過剰な流体と有毒物を透析液とともに出力管220を介して透析器130の外 に運び出し、血液を浄化する。 出力管220をでる透析液は、血液の浄化後に廃棄される。 汚れた血液が、患者200内の動脈からポンプ140へそしてさらに透析器1 30へ流れるものもある。この場合には、汚れた血液は、入力カテーテル122 から透析器130内に流れ込み、きれいな血液が、透析器130から出力カテー テル124を介して患者200へ戻る。透析器130の両端には、血液の流路を 画定し、流路内の血液の中に放射線を発射し、血液および流路双方を通過する放 射線を検出するための分光光度計測手段が設置されている。この分光光度計測手 段は、血液流路を画定するためのキュベット手段、および検出用放射線を発射す るためのエミッター/デテクター手段を含む。エミッター/デテクター手段内に は、放射線の方向をきめて発射するための発射手段と放射線を検出するための検 出手段がともに配置されている。 第1図に示す先行技術の実施形態には、エミッター/デテクター手段の例がエ ミッター/デテクター装置100として描かれている。発射手段の例としては、 光エミッター102が示されている。エミッター/デテクター装置100は、検 出手段も有するが、その例としては光デテクター104が描かれている。第1図 では、キュベット手段の例としてはキュベット10が描かれている。 エミッター/デテクター装置100では、光エミッター102によってキュベ ット10に向けられて内部の血液およびキュベット10の両方を通る放射線の部 分が光デテクター104によって検出される。 第1図に示すように、透析器130の両端にはキュベット10が設置されてい る。各キュベット10は、その上に光エミッター102および光デテクター10 4を有する。このシステムの好ましい実施形態にあっては、光エミッター102 および光デテクター104は、エミッター/デテクター光装置100内のスプリ ングで負荷されたC型クランプでともに保持されている。 該エミッター/デテクター手段は、計算手段に電気的に接続されている。この システムの好ましい一実施形態にあっては、計算手段の例として、第1図にはエ ミッター/デテクター装置100上の光エミッター102および光デテクター1 04とケーブル120または128によって電気的にコンピュータ150が描か れている。 採取カテーテル122は、透析器130の入力口230の前に配置されるキュ ベット10へ血液を採取する。透析器130の入力口230にあるエミッター/ デテクター装置100は、その中の血液に分光光度計測による分析のために電磁 放射の波長の放射線をあたえ、のそむ生物的成分の濃度を求める。透析器130 の入力口230および出力口240の両方にある光デテクター104は、各々が 、検出した放射線をケーブル120または128を介してコンビュータ150へ 伝える。 コンピュータ150は、求めるあるいはのそむ生物的成分の(ケーブル120 を介して得た)透析前および(ケーブル128を介して得た)透析後の濃度をそ れぞれ計算する。コンピュータ150は、次に、得られた生物的成分の濃度を、 それぞれ第一の表示装置152および第二の表示装置154でアナログ方式また はデジタル方式で表示する。ここではコンピュータ150として例示されている 計算手段は、リアルタイムでの計算と問題となるいくつかの血液のパラメーター を表示する多重機能を有するものであることが好ましい。 1. 一回注入希釈法 第一の側面では、約10mlの食塩水が動脈路内に約5秒間で注入される。( 動脈路内の)注入点15のすぐ下流には、使捨て式の測定用血液チャンバー10 が配置されている。第1図参照。食塩水による全血の希釈のために、ただちにヘ マトクリット値(AH)の変化が起こる。次に、この希釈曲線の下の面積を適当 に計測計算して、第2図参照、(フィッケの原理)、下の式によって透析器の血 流(Qi)、アクセス再循環(AR)、およびアクセス血流(Qa)を求める。 Qi=V/K∫(%ΔH)dt (1) ただし、 Qi=透析器の血液流量(ml/分)。 K =変換係数。ヘマトクリット値の変化率を面積および分単位に変換する ために経験的に求めたもの。 ∫(%ΔH)dt =第3図のヘマトクリット値希釈曲線(1)の下の面積 。 V =注入した食塩水の量(通常10ml)。 アクセス再循環(AR)が存在する場合には、第3図が得られる。ARを求める ためには、下の式が用いられる。 AR=(∫(%ΔH)2dt/S∫(%ΔH)1dt)・100 (2) ただし、 AR=限界濾過がオフの場合のアクセス再循環%。 ∫(%ΔH)2dt =曲線2の下の面積、「測定面積」。 ∫(%ΔH)1、dt= 曲線1の下の面積、「校正面積」。 希釈曲線1の下の面積、「校正面積」は、チャンバーを通過して光デテクター の通路内の血液を希釈する10ml食塩のボーラスの100%をあらわす。希釈 曲線2の下の面積、「測定面積」は、静脈路からシャント(すなわちアクセス) 内に流れ込み、光デテクターを二度通って動脈路へ「戻る」再循環をした食塩水 の量をあらわす。 希釈曲線の下の面積は、次のようにして特定の時間中に測定される。第3図に おいて、食塩溶液の注入は、時間0秒に行なわれる。その結果得られる線51は 、時間19秒までほぼ平坦に推移するが、この時点で線51の傾斜が劇的に大き くなる。この時点で、システムは、曲線の下の面積の測定を開始する。システム は、線51の傾斜が負の傾斜から傾斜ゼロまたは正の傾斜へ変化するまで曲線1 の下の面積の測定を継続する。図では、この変化は、約時間41秒で起こる。こ の時点で、曲線1の面積の測定が停止し、曲線2の面積の測定が開始される。曲 線2の測定は、線51の傾斜が負からゼロへ変化する時点まで継続する。第3図 では、この変化は、約時間78秒で起こる。この時点で、曲線2の面積の測定が 停止する。 Qi(ml/分単位)および第3図の希釈曲線1と2間の時間(T)がわかれ ば、下の式で、透析器の回路に必要な呼び流体の量を計算することができる。 PDCV=Qi T(l/60) (3) 最後に、アクセス血流を計算するために、動脈路を、静脈路と反転させてシャ ントの静脈路の「下流」に配置する。ここで、10mlの食塩のボーラスを(5 秒間かけて)通常通りに動脈路内に注入し、第4図に示すような希釈曲線を得る 。アクセス再循環の判定の場合と同様に、反転させたアクセスの再循環(RAR )を下の式で計算する。 RAR=∫(%ΔH)2dt/∫(%ΔH)1dt (4) また、上の式2と同様に、限界濾過の処理は、オフにされている。 RARが求められれば、アクセス血流Qaは、下の式で計算される。 Qa=Qi(RAR-1−1) (5) したがって、使捨ての測定用血液チャンバーのすぐ上流で動脈路内に食塩水を 一回注入した場合の校正面積(曲線1)および測定面積(曲線2)が求められる 。第3および4図参照。基準の面積、すなわち校正面積は、一回注入された食塩 のボーラスの中にすでに組み込まれており、センサーを二つ使用する必要はない 。あるいは、慣習的に用いられている第二の食塩水の注入を行なってもよい。そ の場合には、最初の注入が基準値の測定となり、第二回目の注入が測定用の注入 となる。 単一のデテクターを用いた一回注入法は、大きな改良であり、多くの効果をも たらすものである。例えば、他の方法では、通常、二つのデテクターを正確に同 じに「同調させる」ことが必要になる。二回注入法では、二回の注入を、毎回正 確に同じ量だけしかも所与の同じ速度で行なわなければならない。さもなければ 、校正面積と測定面積が異なって、誤った結果を生じることになる。 上に述べた式では、ヘマトクリット値希釈曲線、∫(%ΔH)dtの下の面積 を正確に測定することが必要である。この測定の最も一般的な誤りは、食塩のボ ーラスの注入速度(通常、5秒間で10ml)が変化することから生じる。食塩 水の注入の実際の速度は、動脈注入における基本的なパラメーターから計算する ことができる。これらの注入で誘起されたトランジエントによって生じる変化( 摂動)、Qiは、(式1から得られる)式5aおよび5bのように補償される。 Qi(補償後)=V/[K(Aream−Areap)] (5a) ただし、 Aream=ヘマトクリット値希釈曲線の下の測定面積。 Areap=食塩水注入の押し出し速度の面積。 Areap=[(−0.018)Qi(生)+1.22] ・[2013/span−Qi(生)(0.3661)] (5b) ただし、 Qi(生)=Areamに基づく生の血液流量。 span=食塩水注入の始めから注入の終わりまでの時間(秒)。 注入速度によって誘起されたトランジエントをこのように補償することによっ て、より正確な血流、アクセス再循環、およびアクセス血流の測定を行なうこと ができる。 2. 第二の側面、Δヘマトクリット値法 第5図を参照して、下記の数学計算によって、Δヘマトクリット値法によるア クセス再循環を求め、以下のようにして質量(m)と血液流量(Q)を釣り合わ せることができる。 ma+mr=mi (6) および、 Qa+Qr=Qi (7) したがって、 QaHa+QrHo=QiHi (8) (ただし、Qo=Qi−UFR) なぜなら、 QiHi=QoHo =(Qi−UFR)Ho (9) また Ho=(Qi/(Qi−UFR))Hi (10) しかし、R=Qr/Qi、式8をQiで割れば、下の式が得られる。 Hi/Ha=(1−R)[1−R(Qi/Qi−UFR)]-1 (11) したがって、Δヘマトクリット値法によってアクセス再循環(AR)を求めるた めの下の式が得られる。 AR=100(Hi−Ha)[Qi/Qi−UFR))Hi−Ha]-1(12) 式12から、透析器の血液流量、Qiを変化させるか、または限界濾過量(UF R)を変化させることによってヘマトクリット値に変化を生じ、したがって、ア クセス再循環の直接測定が行なわれることがわかる。 Δヘマトクリット値法によってアクセス血流Qaを求める場合を、動脈路と静 脈路を反転させた第6図を参照して説明する。配管/透析器回路の周囲では、ヘ マトクリット値が釣り合っていなければならないから、下記の式が成立する。 QaHa+QoHo=Hi(Qa+Qo) (13) しかし、QiHi=QoHo、また(Qo=Qi−UFR) (14) したがって、QaHa+QiHi=Hi(Qa+Qi−UFR) (15) また、Hi/Ha=Qa(Qa−UFR) (16) したがって、Qa=Hi(UFR)/(Hi−Ha) (17) 式17から、Δヘマトクリット値法によって得られるQaは、透析器の血液流 量Qiに依存しないことがわかる。したがって、単に限界濾過量(UFR)を変 えるだけで、アクセス血流を直接計算することができる。 例として、Qaの値は、次のようにして求めることができる。UFR=0ミリ リットル/分、すなわちml/分と仮定する。式(17)によって、Qaは、0 ml/分となる。また、UFR=0ml/分であるから、アクセスのヘマトクリ ット値Haは、30.0となる。これが、Haの基本値となる。UFRが、例え ば30ml/分まで上昇すると、短時間(3または4分間)の後に測定した動脈 路のヘマトクリット値、Hiは、約31.0である。したがって、式17によっ て、Qa=31(30)/(31−30)=930ml/分となる。 瞬間的なヘマトクリット値のモニターを利用して、上のΔヘマトクリット値法 では、ARおよびQaを即時に直接測定することができる。Δヘマトクリット値 法を血液量モニター(ヘマトクリット値の相対的測定)とともに用いてARおよ びQaを測定すれば、即時に直接結果を得ることができる。ただし、ヘマトクリ ット値を相対的に測定するため、結果は、あまり正確ではない。 アメリカ合衆国特許第5372136号が絶対的なヘマトクリット値の測定法 を示していることを再び強調しておかなければならない。本発明の第二の側面で 説明したこの方法は、BV測定の光学的、電気伝導的、または超音波的単一波長 測定法とともにヘマトクリット値の相対的測定を組み込むことを意図したもので ある。したがって、ARを測定するために単にQiまたはUFRを変化させる方 法あるいはQaを測定するために単にUFRを変化させる方法は、きわめて重要 で、新しく、しかもユニークな概念である。 アメリカ合衆国特許第5372136号ば、ヘマトクリット値を瞬間的にしか も連続して測定でき、上に述べた使捨ての血液チャンバーとともに使用すること ができる操作手段を明確に述べたものである。 上に述べた説明は、アクセスの血流の血行動態に関する情報の不侵襲分析に関 するものであるが、上に述べた回路およびアルゴリズムは、他の流動体のパラメ ーターの分析にも適用できることは理解されよう。 本発明は、その意図および基本的特性から逸脱することなく他の具体的な形態 で実施することも可能である。上に述べた実施形態は、すべての点で説明のため だけのものであり、本発明を限定するものではない。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Cross-Reference to Systems and Methods for Non-Invasive Measurement of Hemodynamics in Hemodialysis Shunts This application is filed in US Provisional Patent Application No. 60/029587, filed October 23, 1996. Prioritize. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to systems and methods for non-invasive measurement of hemodynamics at hemodialysis access sites and for access recirculation and blood flow. More specifically, the present invention provides a spectrometer for quantitatively measuring shunt (access site) recirculation, blood flow at the access site, blood flow of the dialysis machine, and the amount of nominal fluid required in the piping for hemodialysis. The present invention relates to a photometric measurement system and method. Introduction In modern medicine, many methods and indicators are used to determine the condition of patients undergoing dialysis treatment in particular. Hemodialysis is a procedure used when it is necessary to use an artificial kidney in place of a patient's kidney to remove certain biological waste. If the human kidney fails to function properly to remove waste products such as urea, potassium, and excess water, blood is removed from the patient through a blood line and filtered through an artificial kidney or dialyzer. It becomes necessary. In this procedure, the blood is purified through a dialyzer before being returned to the patient's normal circulation system. Access to the patient's circulatory system is provided using a surgically implanted shunt or fistula. The "access site" is typically the arm, foot, or neck of the patient. Usually, a plurality of needles are arranged at the "access site", and the blood on the "arterial side", that is, the upstream side of the dialyzer is removed, and the purified blood is placed downstream, that is, "the venous side" of the position of the first needle. Make it easy to return. Unfortunately, however, over time, the fistula or shunt often becomes plugged or "stenotic." As a result, blood flow through the access site is reduced, ultimately requiring shunt angioplasty or surgical replacement. If the shunt fails "fully clogged", a portion of the dialysis-purified blood will flow back to the arterial removal site, recirculate and dialyze again. This is called "access recirculation". As such recirculation of the purified blood continues, the remaining portion of the patient's circulating blood will not be properly purified, and the patient will receive an inappropriate dialysis volume. To avoid the danger of inadequate dialysis volume caused by such direct recirculation of purified blood returning to the withdrawal site, 1) the degree or percentage of access recirculation, 2) the actual situation within the shunt itself Various techniques and methods have already been devised for determining the blood flow rate of the dialyzer, and 3) the blood flow rate of the dialyzer itself. Medical professionals are reluctant to know these three parameters quantitatively, not just qualitatively, to determine the presence and degree of clogging or stenosis. These parameters are necessary to predict when access will be compromised and to determine the need to surgically repair access. The blood flow Q measured by the so-called Ficke dilution method is described in AC Guyton, "A textbook of medical physiology (A.C. Guyton, Textbook of Medical Physiology), 6th edition, page 287, 1981". Where Q is equal to the infused diluent divided by the average concentration of the diluent times the transit time of the diluent through the blood vessels. The dilution curve can be obtained by continuous monitoring, or the time course of the concentration of the diluent (ie, the medium) may be measured. L., American Journal of Kidney, 20: 6, 1992, pp. 598-602, show that reversing the blood flow path of a dialyzer increases blood recirculation. tski) shows in European Patent Application WO 96608305 A1 that the actual blood flow in the shunt can be determined by reversing the blood flow path (which forces recirculation). Some measurement methods use a color-coded dual sonographic method, but this method is expensive.This method requires skilled specialists and the measurement is less sensitive to operator error. In addition, this method is complicated by the limitations of the different vessel diameters and the angle of Doppler flow, and the intravenous infusion of saline solution. There is also a method of optically detecting a change in the intensity of light passing through a conduit at one upstream point and recording the change (U.S. Pat. No. 5,321,550). There is also a method of injecting a bolus of saline into the dialyzer line and measuring the change in the speed of the ultrasound (U.S. Pat. No. 5,453,576), which measures the temperature, Sensitive to changes in plasma protein levels, and other intrinsic factors, but more importantly in this case, the absolute velocity of the ultrasound is not only dependent on the intrinsic factors of the blood, but also of the unknown of the pipeline itself. In order to compensate for these intrinsic and extrinsic physical problems, it is common to add salt in opposing plumbing, either arterial or venous. It is necessary to perform a calibrated injection, thereby creating a relative change in dilution with a bolus of saline. In this way, the effects of unknown ultrasonic characteristics and other physical and dimensional characteristics of the pipeline can be minimized. This standard access recirculation assay requires three blood urea nitrogen samples from a patient on dialysis. However, in order for urea nitrogen measurements to be correct, in addition to taking blood samples from the patient, it is necessary to maintain patient care, experimental costs, and adequate blood flow during the actual sampling process. Required. Thus, there remains a need for systems and methods for non-invasively and quantitatively determining hemodynamic and blood recirculation parameters of blood flow at a patient's access site. OBJECTS OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an access non-invasive hemodynamic monitoring system and method that minimizes nursing time and does not require direct blood sample collection. It is another object of the present invention to provide a system and method for displaying immediate and continuous visual information on hemodynamic data of access by saline dilution. Yet another object of the present invention is to provide access to blood flow under a variety of conditions including different ultrafiltration volumes, patient positions, tubing types and dimensions, and even different dialyzer membranes and dialysis delivery systems. To provide a repeatable and reliable system and method for non-invasive determination of hemodynamics of a patient. Another object of the present invention is to provide means and a method for quantitatively determining the flow rate Q of blood actually passing through a dialyzer. Another object of the present invention is to present a dilution concentration-time curve to an operator on a visual real-time display means. It is yet another object of the present invention to provide a system and method that allows an immediate determination of the amount of priming fluid actually required for a dialyzer circuit. It is another object of the present invention to provide a system and method for determining access blood flow and access recirculation that does not require infusion of saline. This is done, for example, by changing the ultrafiltration (UFR) or the blood flow of the dialyzer. It is another object of the present invention to provide a system and method for measuring blood flow parameters of a dialyzer. These and other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following description and appended claims, and will be understood by the practice of the invention. SUMMARY OF THE INVENTION In one aspect of the invention, access recirculation of a shunt is determined quantitatively by injecting a standard solution, such as a saline solution, into a patient's blood stream at one upstream point of the shunt. Is done. At a certain point in the access path, the luminous intensity of the change over time (ΔH) of the hematocrit value is measured. An electronic circuit receives the signal from the detector and provides an almost instantaneous indication of the amount of access recirculation as compared to the integrated area of the aging ΔH of the initial standard and recirculating solutions flowing through the access. In another aspect of the invention, access recirculation and / or access blood flow is determined quantitatively without injecting a solution into the blood stream. In this aspect, the degree of access recirculation and / or access blood flow is determined by the method of altering the blood flow or ultrafiltration (UFR) of the dialyzer to determine a corresponding change in the concentration of one component of the blood. It is determined quantitatively. In this method, the concentration of one component of the blood is measured as a function of the blood flow or UFR of the dialyzer, and electronics converts these measurements to quantitatively determine access recirculation and / or access blood flow. Judge and display it almost immediately. One preferred embodiment of the component of blood to be measured includes red blood cells. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows a typical dialysis tubing connection circuit. FIG. 2 is a graph plotting the% change in hematocrit over time (or% change in blood volume (BV) over time) after injecting 10 ml of saline solution into the bloodstream at an upstream location of the shunt. It is. FIG. 3 is a graph showing a single injection dilution curve when access recirculation is present. Note the second area (curve 2) after the relatively large first area (curve 1). FIG. 4 is a graph showing a single infusion dilution curve when the arterial and venous lines are reversed to force (reversed) recirculation. FIG. 5 is a diagram showing a dialysis circuit relating to mass flow in a normal duct direction of the arterial system and the venous system. FIG. 6 is a diagram showing a dialysis circuit relating to mass flow when the directions of the arterial and venous conduits are reversed. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In one preferred embodiment, measurements are made using the devices described in U.S. Patent Nos. 5,456,253 and 5,372,136. These patent documents are attached in their entirety to the present application. All of these patents form part of the disclosure of the present invention. That is, in one preferred embodiment, the hematocrit is measured on the blood flowing through a cuvette located in the access line. In one preferred embodiment, the device and signal manipulation described in US Pat. No. 5,372,136 is used to measure hematocrit. The numbered components are the same as those in FIG. 1 of US Pat. No. 5,456,253. In hemodialysis, blood is removed from the patient 200 by means of a collection catheter. FIG. 1 shows an example of the input catheter 122. An input catheter 122 is inserted into the vein of patient 200 at site 180 and is used to define a blood passage upstream of a blood filter used to filter blood to remove impurities. The blood filter is also called a dialyzer 130. Dirty blood flows from the artery in the patient 200 to a pump means, for example, a pump 140. Blood further flows from pump 140 to dialyzer 130. The dialyzer 130 has an inlet 230 and an outlet 240. Pump 140 serves to move the contaminated blood from patient 200 into inlet 230 and through dialyzer 130 out of dialyzer 130 at outlet 240. Specifically, dirty blood in input catheter 122 is sent to inlet 230 of dialyzer 130. After being cleaned through the dialyzer 130, the blood may undergo other treatments, such as heparin infusion, within components 300 related to hemodialysis. The cleaned blood after the dialysis treatment is returned to the patient 200 by output catheter means, for example, output catheter 124. Output catheter 124 is also inserted into the vein of patient 200 at site 180 and serves to define a blood passage downstream from dialyzer 130 and return blood exiting dialyzer 130 to patient 200. As mentioned above, hemodialysis uses a blood filter or dialyzer 130 to purify the blood of the patient 200. As the blood passes through the dialyzer 130, it travels in a straw-like tube (not shown) in the dialyzer 130 that serves as a membrane path for dirty blood. This straw-like tube removes toxics and excess fluid by diffusion. Examples of excess fluid in soiled blood include water, and examples of toxics in soiled blood include blood urea nitrogen (BUN) and potassium. In ultrafiltration, excess fluid and toxics are removed by a clean dialysate, which is a solution of drug and water. Clean dialysate enters the dialyzer 130 at the input line 210 from the controller and tank combination 170. As the dialysate flows through the dialyzer 130, it flows around the straw-like tubing. The clean dialysate drains excess fluid and toxics through the straw-like tubing by diffusion, carries the excess fluid and toxics with dialysate out of dialyzer 130 via output tube 220 and removes blood To purify. The dialysate leaving the output tube 220 is discarded after purifying the blood. In some cases, dirty blood flows from the arteries in the patient 200 to the pump 140 and further to the dialyzer 130. In this case, dirty blood flows from the input catheter 122 into the dialyzer 130, and clean blood returns from the dialyzer 130 to the patient 200 via the output catheter 124. At both ends of the dialyzer 130, spectrophotometric measurement means for defining a blood flow path, emitting radiation into the blood in the flow path, and detecting radiation passing through both the blood and the flow path are provided. ing. The spectrophotometer includes cuvette means for defining a blood flow path and emitter / detector means for emitting detection radiation. In the emitter / detector means, both a launching means for directing and emitting radiation and a detecting means for detecting radiation are arranged. In the prior art embodiment shown in FIG. 1, an example of the emitter / detector means is depicted as an emitter / detector device 100. A light emitter 102 is shown as an example of the launch means. The emitter / detector device 100 also has detection means, of which an optical detector 104 is depicted as an example. FIG. 1 shows a cuvette 10 as an example of the cuvette means. In the emitter / detector device 100, the portion of radiation directed at the cuvette 10 by the light emitter 102 and passing through both the internal blood and the cuvette 10 is detected by the light detector 104. As shown in FIG. 1, cuvettes 10 are provided at both ends of dialyzer 130. Each cuvette 10 has a light emitter 102 and a light detector 104 thereon. In a preferred embodiment of this system, light emitter 102 and light detector 104 are held together by a spring loaded C-clamp in emitter / detector light device 100. The emitter / detector means is electrically connected to the computing means. In one preferred embodiment of this system, as an example of the computing means, FIG. 1 shows that the computer 150 is electrically connected to the light emitter 102 and the light detector 104 on the emitter / detector device 100 and to the cable 120 or 128. It is drawn. The collection catheter 122 collects blood into the cuvette 10 placed in front of the input port 230 of the dialyzer 130. The emitter / detector device 100 at the input 230 of the dialyzer 130 irradiates the blood therein with radiation of the wavelength of electromagnetic radiation for spectrophotometric analysis to determine the concentration of the biological components that are present. The light detectors 104 at both the input 230 and the output 240 of the dialyzer 130 each transmit the detected radiation to the computer 150 via the cable 120 or 128. Computer 150 calculates the pre-dialysis (obtained via cable 120) and post-dialysis (obtained via cable 128) concentrations of the desired or desired biological component, respectively. The computer 150 then displays the resulting concentration of the biological component on the first display 152 and the second display 154, respectively, in an analog or digital manner. The calculation means, illustrated here as computer 150, preferably has a multiplexing function of calculating in real time and displaying some blood parameters of interest. 1. Single Injection Dilution In a first aspect, about 10 ml of saline is infused into the arterial tract in about 5 seconds. Immediately downstream of the injection point 15 (in the arterial tract), a disposable measuring blood chamber 10 is arranged. See FIG. Immediate changes in hematocrit (AH) occur due to dilution of whole blood with saline. Next, the area under the dilution curve is appropriately measured and calculated, see FIG. The access blood flow (Qa) is determined. Qi = V / K∫ (% ΔH) dt (1) where Qi = dialyzer blood flow rate (ml / min). K = conversion coefficient. Empirically determined to convert the rate of change of hematocrit to area and minute units. ∫ (% ΔH) dt = area under the hematocrit dilution curve (1) in FIG. V = volume of saline injected (usually 10 ml). If access recirculation (AR) is present, FIG. 3 is obtained. The following equation is used to determine AR. AR = (∫ (% ΔH) Two dt / S∫ (% ΔH) 1 dt) · 100 (2) where AR =% access recirculation when ultrafiltration is off. ∫ (% ΔH) Two dt = area under curve 2, "measured area". ∫ (% ΔH) 1 , Dt = area under curve 1, "calibration area". The area under the dilution curve 1, the "calibration area", represents 100% of the bolus of 10 ml saline that passes through the chamber and dilutes the blood in the passage of the light detector. The area under Dilution Curve 2, the "measured area", represents the amount of saline that has flowed into the shunt (or access) from the venous tract and recirculated back to the arterial tract twice through the light detector. The area under the dilution curve is measured during a specific time as follows. In FIG. 3, the injection of the saline solution is performed at time 0 seconds. The resulting line 51 transitions substantially flat until time 19 seconds, at which point the slope of the line 51 increases dramatically. At this point, the system starts measuring the area under the curve. The system continues to measure the area under curve 1 until the slope of line 51 changes from a negative slope to zero or a positive slope. In the figure, this change occurs at approximately time 41 seconds. At this point, the measurement of the area of the curve 1 is stopped, and the measurement of the area of the curve 2 is started. The measurement of curve 2 continues until the slope of line 51 changes from negative to zero. In FIG. 3, this change occurs at about time 78 seconds. At this point, the measurement of the area of the curve 2 stops. Knowing Qi (in ml / min) and the time (T) between dilution curves 1 and 2 in FIG. 3, the following equation can be used to calculate the amount of nominal fluid required for the dialyzer circuit. PDCV = Qi T (1/60) (3) Finally, to calculate the access blood flow, the arterial tract is placed “downstream” of the shunt's venous tract, inverted from the venous tract. Here, a bolus of 10 ml saline is infused into the arterial tract as usual (over 5 seconds) to obtain a dilution curve as shown in FIG. As in the case of the access recirculation determination, the recirculation (RAR) of the inverted access is calculated by the following equation. RAR = ∫ (% ΔH) Two dt / ∫ (% ΔH) 1 dt (4) Also, as in Equation 2 above, the process of ultrafiltration is turned off. Once the RAR is determined, the access blood flow Qa is calculated by the following equation. Qa = Qi (RAR -1 -1) (5) Thus, the calibration area (curve 1) and measurement area (curve 2) for a single injection of saline into the arterial tract immediately upstream of the disposable measurement blood chamber are determined. See FIGS. 3 and 4. The reference area, the calibration area, is already incorporated into the bolus of saline injected once, eliminating the need for two sensors. Alternatively, a conventionally used injection of a second saline solution may be performed. In that case, the first injection is a reference value measurement, and the second injection is a measurement injection. Single injection using a single detector is a significant improvement and has many advantages. For example, other methods typically require that two detectors be "tuned" exactly the same. In the double injection method, two injections must be performed each time in exactly the same amount and at the same given rate. Otherwise, the calibration area and the measurement area will be different, giving incorrect results. The above equation requires that the area under the hematocrit dilution curve, ∫ (% ΔH) dt, be accurately measured. The most common error in this measurement results from a change in the infusion rate of a saline bolus (typically 10 ml in 5 seconds). The actual rate of saline infusion can be calculated from basic parameters in arterial infusion. The changes (perturbations) caused by the transients induced by these injections, Qi, are compensated as in Equations 5a and 5b (obtained from Equation 1). Qi (after compensation) = V / [K (Area m -Area p )] (5a) However, Area m = Measured area under hematocrit dilution curve. Area p = Area of extrusion speed for saline injection. Area p = [(-0.018) Qi (raw) + 1.22]-[2013 / span-Qi (raw) (0.3661)] (5b) where Qi (raw) = Area m Based on the raw blood flow. span = the time (in seconds) from the beginning of the saline infusion to the end of the infusion. By compensating for the transients induced by the infusion rate in this way, more accurate blood flow, access recirculation, and access blood flow measurements can be made. 2. Second Aspect, ΔHematocrit Method Referring to FIG. 5, the access recirculation by the Δhematocrit method is obtained by the following mathematical calculation, and the mass (m) and the blood flow (Q) are calculated as follows. Can be balanced. ma + mr = mi (6) and Qa + Qr = Qi (7) Therefore, QaHa + QrHo = QiHi (8) (where Qo = Qi-UFR) because QiHi = QoHo = (Qi-UFR) Ho (9) and Ho = ( Qi / (Qi-UFR)) Hi (10) However, when R = Qr / Qi and equation 8 is divided by Qi, the following equation is obtained. Hi / Ha = (1-R) [1-R (Qi / Qi-UFR)] -1 (11) Therefore, the following equation for determining access recirculation (AR) by the Δhematocrit value method is obtained. AR = 100 (Hi-Ha) [Qi / Qi-UFR)) Hi-Ha] -1 (12) From equation 12, changing the blood flow rate, Qi, or changing the ultrafiltration (UFR) of the dialyzer causes a change in the hematocrit value, and thus a direct measurement of access recirculation is made. You can see that. The case where the access blood flow Qa is obtained by the Δ hematocrit value method will be described with reference to FIG. Since the hematocrit must be balanced around the piping / dialyzer circuit, the following equation holds: QaHa + QoHo = Hi (Qa + Qo) (13) However, QiHi = QoHo and (Qo = Qi-UFR) (14) Therefore, QaHa + QiHi = Hi (Qa + Qi-UFR) (15) Also, Hi / Ha = Qa (Qa-UFR) (16) Therefore, Qa = Hi (UFR) / (Hi−Ha) (17) From equation 17, it can be seen that Qa obtained by the Δhematocrit value method does not depend on the blood flow Qi of the dialyzer. Therefore, the access blood flow can be calculated directly by simply changing the ultrafiltration (UFR). As an example, the value of Qa can be determined as follows. Assume UFR = 0 ml / min, ie ml / min. According to equation (17), Qa is 0 ml / min. Further, since UFR = 0 ml / min, the hematocrit value Ha of the access is 30.0. This is the basic value of Ha. When the UFR rises, for example to 30 ml / min, the hematocrit of the arterial tract measured after a short time (3 or 4 minutes), Hi, is about 31.0. Therefore, according to Equation 17, Qa = 31 (30) / (31-30) = 930 ml / min. Utilizing instantaneous hematocrit monitoring, the AR hematocrit method described above can directly and directly measure AR and Qa. If AR and Qa are measured using the Δhematocrit method together with a blood volume monitor (relative measurement of hematocrit), a direct and immediate result can be obtained. However, the results are not very accurate because hematocrit values are measured relatively. It must be emphasized again that U.S. Pat. No. 5,372,136 shows a method for measuring absolute hematocrit. The method described in the second aspect of the invention is intended to incorporate the relative measurement of hematocrit with the optical, conductive or ultrasonic single wavelength measurement of BV measurement. Therefore, simply changing Qi or UFR to measure AR or simply changing UFR to measure Qa is a very important, new and unique concept. U.S. Pat. No. 5,372,136 clearly describes an operating means by which hematocrit values can be measured instantaneously and continuously and can be used with the disposable blood chambers described above. Although the above description relates to the non-invasive analysis of hemodynamic information of access blood flow, it is understood that the circuits and algorithms described above can be applied to the analysis of other fluid parameters. Like. The present invention may be embodied in other specific forms without departing from its spirit and essential characteristics. The embodiments described above are merely illustrative in all respects and do not limit the invention.
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