用于确定血液导管中血流量的方法和设备

摘要

本发明涉及用于确定血液导管(40)中血流量QF的测量方法的领域。本发明尤其可用于确定患者的血管中的血流量，该血管通过动脉导管(14)和静脉导管(15)与血液处理设备的体外血液循环(2)相连接。根据本发明，由血液的物理化学特性Y所导出的变量X的净速率dX/dt借助于在测量间隔期间动脉导管(14)和静脉导管(14)中的物理化学特性在时间上足够恒定的测量值YA和YV来确定。该净速率dX/dt紧接着被用来确定血流量QF。指示剂的有目的的使用是不必要的。

说明书

本发明涉及用于确定血液导管中的血流量的测量方法领域。

在有肾衰竭的患者中，血液透析治疗是一种代替肾的缺少功能的可能性。在血液透析时，患者的血液通过动脉血管被抽取出，在血液处理单元中被净化，并且通过静脉血管重新流回。血液处理单元可以被实施为血液透析仪，其中血液流过由半渗透膜互相隔开的两个室中的第一室，而透析液体流过第二室。通过影响透析仪中的压力比，可以有目的地从血液中抽取出液体。

也可以将血液处理单元构建为血液过滤器。在这种情况中，通过膜仅从血液中抽取出液体，而没有液体连续地流过第二室。被抽取出的液体量的大部分通过导入替代液体重新流回到患者体内。

这种治疗方法需要足够的大约为200至450ml/min的血流量，以便在持续几个小时的、每周大约进行3次的治疗中实现血液的足够的净化。由于这个原因，通常都为依赖于血液透析的患者在动脉和静脉之间设置动脉-静脉瘘管或分流接管。在该管中形成足够的血流，而同时该管与其它血管相比具有增大的尺寸，这对于穿刺来说是有利的。

在这样的管中的血流量可能会随时间而变化。特别是可能由于变窄而导致该管的缓慢阻塞。若血流量降低到体外循环所必需的血流速率之下，则治疗的血液净化能力会受到影响。在大多数情况下，该管的变窄已经发展到这种情况，以致只能利用相应的、例如外科手段来纠正。因此希望较早地知道这种危急的并发症，这样也可以使用其它技术来消除这种并发症。

已经提出了许多技术来测量在该管中的血流量。诸如独立使用或与体外血液循环一同使用的超声多普勒系统(例如Weitzel等，Am.J.Kidney Dis.38,935(2001))之类的方法为此需要附加的仪器并且在执行时很复杂。另外，测量必须由被特别培训过的人员进行。

在另外一种已公开的方法中，借助注入泵以恒定的注入速率向管中注入指示剂，其中从该管中顺流提取样本(Kaye等人，ClinicalNephrology 8,533(1977))。通过对稀释值的分析得出瘘管流量。这种方法需要附加的注入设备以及样本提取设备和指示剂的有目的的使用。

其它系统利用血液透析仪器的体外血液循环来进行瘘管流量测量。US 5,866,015描述了一种方法，其中改变体外循环中的血液输送速率并且测量并分析体外循环中的血液温度的变化。在DE 199 17 197C1中也设置了不同的血流速率，以便分析在体外循环中的被测压力的变化。在这种方法中的缺点在于，对不同血流速率的控制很复杂并且会妨碍血液处理。另外，在DE 199 17 197 C1中提出的方法中，对于测量的一部分必须中断瘘管流量。

根据EP 0 781 161 B1的教导，除了在瘘管的入口的交换之外，还有必要在体外血液循环的出口端改变血液的物理特性，以产生可区分的血液特征。然后根据稀释曲线分析改变的程度。这种方法也要求另外的干涉、例如指示剂溶液的注入或血液的其它的有目的的改变。在此，分析涉及对变化的整个时间进程的检测，必须将其对团块状的变化求积分。

其它的方法、例如在W002/053212 A1或W0/98 17193 A1中所描述的方法的共同点是，体外血液的有目的改变以及对其时间变化的检测是必需的。

除了确定心肺再循环之外，US 5,830,365还描述了这样一种可能性，即借助于再循环测量来确定瘘管流量。但是，在此，为了再循环测量同样有目的地引起并分析血液特性的团块状的变化。

US 4,894,164描述了一种方法和装置，利用它们可以在体外血液处理期间检测并影响患者的热平衡。瘘管流量的确定在此没有被规定。

因此，本发明的任务在于，提供一种用于确定血液导管中的血流量的方法及设备，该方法或设备可以在无需附加地有目的地或受控地影响血液特性的情况下被使用。

根据本发明的教导，该任务通过具有权利要求1的特征的方法或通过具有权利要求11的特征的设备来解决。本发明的有利的扩展方案是从属权利要求的主题。

本发明尤其可以应用于确定患者的血管中的血流量。这里，如果相应的血液导管无论如何在体外血液治疗的范围中存在，则该应用首先是被推荐的。根据本发明的分析则可利用现有的部件基本通过软件的规定来实现。

即使当血液导管在人体之外运行、例如在试管中应用时，本发明通常也可被运用其中。

本发明的其它的细节和优点借助于附图中所示的、根据本发明的设备的实施例来详细描述。其中：

图1示出根据本发明的设备的一个实施形式的示意图，以及

图2示出血液导管中的血流量的不同的情形图，其血流量Q_F应被确定。

在图1中所示的、根据本发明的设备的实施形式包括透析循环1以及血液循环2。在透析循环1中，透析液体借助于输送装置11由透析液体源7经过透析液体输入导管8、透析仪3的透析液体室5以及经过透析液体输出导管9输送到出口10。

在血液循环2中，通过动脉入口12在第一位置上从血液导管40中抽取血液。在该入口上连接着动脉导管14，动脉温度传感器20紧靠着该动脉导管14并且血液泵16被接在该动脉导管14中。动脉导管14导入透析仪3的血液室6中。血液从该室经过静脉导管15、经过血液导管40的静脉入口13返回到第二位置。静脉温度传感器22紧靠着静脉导管15。

血液室3和透析液体室5通过半渗透膜4彼此隔开。

该设备此外还具有分析单元27，该分析单元27通过测量导线23和24与用于相应温度的检测的动脉传感器20和静脉传感器22相连接。分析单元27此外还通过导线30与控制单元18连接，该控制单元18用于通过导线17控制血液泵16。通过该控制单元18可以为血液泵16预定输送速度，该输送速度通过导线30同时被传送给分析单元27。分析单元27通过导线29与显示装置28相连接，在该显示装置28上可显示测量数据和控制数据以及分析结果。

本发明基于如下观察，即为确定导管40中的导管流量Q_F，不需要有目的地操作例如静脉导管15中的血液特性。相反，确定从导管40通过动脉导管14输出以及通过静脉导管15输入的变量X的净速率dX/dt就足够了，这个变量X由血液的物理化学变量Y导出。对于在一个测量间隙期间有足够的时间稳定性的情况，由动脉速率dX_A/dt和静脉速率dX_v/dt的差所确定的净速率dX/dt可以借助于动脉以及静脉导管中的物理化学特性Y的值Y_A和Y_v来计算。于是，净速率dX/dt可以被考虑用来推导出导管流量Q_F。

在这种情况下，下列等式适用于净速率dX/dt：

$$ >>>dX>dt>>=>>>dX>V>>dt>>->>>dX>A>>dt>>=>>Q>B>>>(>>Y>V>>->>Y>A>>)>>->->->>(>1>)>>,>$>$

其中Q_B是动脉或静脉导管中的血流量。

对于血液循环2中待确定的血流量Q_F和血流Q_B来说，在图2中详细表示出的多种不同情况是可能的。在图2a和图2b中，动脉导管14的分支12处于静脉导管15的分支13的上游。图2a涉及血流量Q_B比待测的流量Q_F小的情况。在这种情况下，在动脉和静脉分支之间保留了流量Q_F-Q_B，并且在导管40中不发生经过静脉导管15返回的血液到动脉导管14的直接再循环。在这种情况下，最初不可应用本发明。

但是如果预定超过流量Q_F的流量Q_B(图2b)，则在血液导管40中发生再循环。当预期待测的流量Q_F仅在一定的值域内时，在这些情况下可以以受控的方式引起该情形。于是该流量Q_F可被Q_B超过，由此迫使再循环产生。在这种情况下，血流量Q_B由两个部分组成：

Q_B＝R·Q_B+Q_F                                  (2)

第一部分涉及再循环部分，而第二部分涉及流入导管40的部分。在此，再循环系数R给出血流量Q_B中再循环流量的百分比成分。

但是该再循环部分不向净速率dX/dt提供分量，因为它被同样地向血液导管40输入和从血液导管40输出。只有第二部分对该净速率dX/dt作出贡献：

$$ >>>dX>dt>>=>>Q>F>>>(>>Y>V>>->>Y>B>>)>>->->->>(>3>)>>,>$>$

其中Y_B是在第一分支12前导管40中的物理化学特性。在求解Q_F之后由等式(3)得到。

$$ >>>Q>F>>=>>>dX>dt>>>>Y>V>>->>Y>B>>>>=>>>>Q>B>>>(>>Y>V>>->>Y>A>>)>>>>>Y>V>>->>Y>B>>>>->->->>(>4>)>>.>$>$如果Y是每体积血液的热能，并且X是血液导管40中的血液的热能E，则由等式(4)得到

$$ >>>Q>F>>=>>>dE>dt>>>>c>E>>>\rho >B>>>(>>T>V>>->>T>B>>)>>>>=>>>>Q>B>>>(>>T>V>>->>T>A>>)>>>>(>>T>V>>->>T>B>>)>>>->->->>(>5>a>)>>,>$>$

其中T_A、T_V和T_B是动脉导管20中的血液的温度、静脉导管22中的血液的温度以及流入血液导管40中的血液的温度。血液的热容以c_E给出，并且血液的密度以ρ_B给出，其中假设它们在所有的导管中是相同的。

如果Y是血液导管40中的一种物质的浓度c，X是这种物质的物质量C，则对应于等式(5a)的、带有相应的下标的等式(5b)为：

$$ >>>Q>F>>=>>>dC>dt>>>(>>c>V>>->>c>B>>)>>>=>>>>Q>B>>>(>>c>V>>->>c>A>>)>>>>(>>c>V>>->>c>B>>)>>>->->->>(>5>b>)>>.>$>$

根据本发明的方法可通过图1中的实施形式如下来实施，在该实施形式中示出了一种血液透析装置：已表明，在透析处理时在从几秒钟到几分钟的测量时间间隔期间出发点可以是，导管14、15和40中的血液的温度保持足够的稳定。分析装置27存储在该测量时间间隙期间利用传感器20和22测得的、动脉导管14中的温度T_A和静脉导管15中的温度T_v。为了提高精度，这里传感器20和22尽可能密地被设置在分支12或13上。基于血液所经过的从动脉传感器20直到静脉传感器22的、尤其是经过透析仪3的路径段，惊人地表明，温度T_A和T_v在该应用情况下实际上总是固有地足够不同，以便能够实现测量。

由控制单元18将血流量值Q_B通知给分析单元。该血流量值Q_B可由控制单元18选择得足够高，由此出现按照图2b的情况。

由此分析单元27现在可借助于等式(5a)来确定血液导管40中的流量Q_F，在该实施形式中采取下面的附加的措施：控制单元直接在温度T_A和T_v的测量之前或之后将血流量调节到值Q_B2＜Q_B，图2a中所示的情况适用于该值。在透析时，例如Q_B2＝150ml/min是合适的。然后，分析单元27检测对于血流量Q_B2的温度值T_A。这个同样由分析单元27所存储的值对应于等式(5a)中的温度值T_B。由此，等式(5a)中所有的变量都是已知的，接着分析单元27可确定流量Q_F。于是必要时流量Q_F可被传送到显示装置28上以便显示出来。

本发明的另一个实施变型方案利用如在图2c中所示的情况。在这种情况中，动脉导管14在静脉导管15的下游从血液导管40分岔，该情形在图1中在括号中示出。在根据图1的设备中，这容易地通过以下方式来实现，即血液泵16的输送方向被翻转。交换端子12和13是完全可能的。在这方面，明确地参见DE 195 28 907 C1的公开内容，其中介绍了用于此情况的分流电路(Weichenshaltung)。该分向电路可手动地控制，但也可自动地由控制单元18控制。

对于根据图2c的情况，类似于等式(2)有：

Q_B＝R·Q_B+(1-R)Q_B                             (6)

在这种情况下，还有

$$ >>R>=>>>Q>B>>>>Q>B>>+>>Q>F>>>>->->->>(>7>)>>.>$>$

又只有非再循环的、等式(6)中的第二部分对净速率作出贡献，该净速率对于根据图2c的情况应用dX_rec/dt来表示。

相应地，等式(3)为

$$ >>>>dX>rec>>dt>>=>>>dX>>V>,>rec>>>dt>>->>>dX>>A>,>rec>>>dt>>=>>(>1>->>>Q>B>>>>Q>B>>+>>Q>F>>>>)>>>Q>B>>>(>>Y>>V>,>rec>>>->>Y>B>>)>>->->->>(>8>)>>.>$>$

由等式(8)求解Q_F得到：

$$ >>>Q>F>>=>>>>Q>B>>>>dX>rec>>dt>>>>>Q>B>>>(>>Y>>V>,>rec>>>->>Y>B>>)>>->>>dX>rec>>dt>>>>=>>>>Q>B>>>(>>Y>>V>,>rec>>>->>Y>>A>,>rec>>>)>>>>>Y>>A>,>rec>>>->>Y>B>>>>->->->>(>9>)>>.>$>$

现在可以以类似的方式如针对按照图2b的情况那样进行。这里，同样可类似地确定被测量Y_B，其中必须进行根据图2a的连接。这可手动地或通过控制单元18受控地来实施，以便血液泵16的输送方向被翻转或者使用相应的分流电路。与等式(5a)和(5b)类似的关系通过在等式(9)中使用变量温度T(其中还可以与比热容c_E和密度ρ_B相乘)或浓度c来得到。

在本发明的一个特别优选的、第三实施变型方案中，首先在根据图2a或2b的情形中对净速率dX/dt进行第一测量。然后，在根据图2c的情形中通过血液泵16的输送方向的翻转或通过相应的分流电路执行净速率dX_rec/dt的第二测量。如果现在将等式(8)除以等式(1)，则得到等式(10)

$$ >>>>>dX>rec>>dt>>>dX>dt>>>=>>>Q>F>>>>Q>B>>+>>Q>F>>>>>>>Y>>V>,>rec>>>->>Y>B>>>>>Y>V>>->>Y>A>>>>->->->>(>10>)>>.>$>$

如果血流量Q_B被选择得如此小，使得对于dX/dt的测量存在按照图2a的情况，则Y_A＝Y_B。当代入等式(10)中时，由此对于这种情况：

$$ >>>Q>F>>=>>Z>>1>->Z>>>>Q>B>>->->->>(>11>a>)>>,>$>$

其中

$$ >>Z>=>>>>d>>X>rec>>>dt>>>dX>dt>>>>>>Y>V>>->>Y>A>>>>>Y>>V>,>rec>>>->>Y>A>>>>=>>>>Y>>V>,>rec>>>->>Y>>A>,>rec>>>>>>Y>>V>,>rec>>>->>Y>A>>>>->->->>(>11>b>)>>.>$>$

在该实施变型方案中，分析单元27根据等式(11a)和(11b)计算流量Q_F，为此分析单元27如在上述的实施变型方案中那样首先存储各个测量值。

与等式(5a)和(5b)类似的关系现在又通过在等式(11b)中使用变量温度T(其中还可以与比热容c_E和密度ρ_B相乘)或浓度c来得到。如果应在不同的血流量Q_B和Q_B，rec的情况下对dX/dt和dX_rec/dt进行测量，则等式(11)可相应地被适配。

等式系统(11a)和(11b)现在可在确定的条件下被进一步简化。在图1中所示的设备中，血液流过透析仪3的血液室6。同时产生与透析液体室5中的透析液体的物质和能量的交换。如在血液透析中普遍的那样，这两种液体方向相反地流过透析仪，其中透析液体流量通常被选择得大于血流量。同时，视当前的流量比和所使用的透析仪而定，尤其是对于温度来说经常出现这样的情况，即在血液室6的出口的血液采用在透析液体室5的入口的透析液体的温度。

如果现在在持续几秒最高至几分钟的测量阶段期间透析液体输入导管8中的温度保持恒定，则静脉导管15中的血液的温度也保持恒定。在此，动脉导管14中的血液的温度的较小偏差没有影响。这意味着，等式(11b)中的温度T_v和T_v，rec是相同的。(这里针对在图1中所示的实施形式，透析流量必须被翻转以便确定dX_rec/dt。在使用分流电路的情况下，其中透析仪3中的流量条件被保持，这是不必要的。)由此，在第一等号之后的第二分数的分子和分母被相同地减小。如果代入等式(11a)中，则由此得到等式(12)：

$$ >>>Q>F>>=>>Q>B>>>>>dX>rec>>dt>>>>dX>dt>>->>>dX>rec>>dt>>>>->->->>(>12>)>>.>$>$

在这种情况下可特别简单地使用根据等式(1)所确定的净速率dX/dt或dX_rec/dt，以便确定血液导管40中的血流量。当满足标准Y_v＝Y_v，rec时，则这总是适合的。

这里所述的这些实施方案是在这样的假设下被推导出的，即动脉导管14中的血流量和静脉导管15中的血流量是相同的。在血液透析时，当通过超滤作用从动脉或静脉导管中抽取液体时，在特定的情况下会出现与该假设的小的偏离。但是它处于本领域普通技术人员调整这些等式以符合这种情况的技术能力范围内。除了导管中的血流速率之外，然后仅仅必须附加地检测超滤流量。

在针对所谓的心肺再循环而测量患者的血管的情况下，类似地也适用。在心肺再循环中，具有特性Y_v的、由静脉导管15向导管40输送的血液到达动脉导管14，以便通过患者的血液循环直接进行再循环，而无需在其它的身体区域内进行足够的代谢作用补偿或温度补偿。但是该分量通常是相对小的。

利用本发明提供了一种简单的方法以及一种相应的设备，其中可以以最小的花费确定导管中的血流量，动脉导管和静脉导管从该导管分岔。该测量可在较短时间内被实施，由此可以将可能同时进行的血液处理的影响保持在可被忽略的水平。不必有目的地添加指示剂。