用于确定体外血液处理的透析流体流动速率或血液流动速率的设备和方法

摘要

本发明涉及用于确定体外血液处理设备的透析流体流动速率的设备(18)和方法。根据血液流动速率Q

说明书

技术领域

本发明涉及用于预设体外血液处理设备的透析流体流动速率或血液流动速率的装置和方法，该血液处理设备具有透析器，该透析器被半渗透膜分为血流以预设血液流动速率通过的血液腔和透析流体以预设透析流体速率通过的透析流体腔。本发明还涉及具有用于预设透析流体速率或血液流动速率的装置的血液处理设备并涉及操作体外血液处理设备的方法。

背景技术

在血液净化疗法，例如，血液透析、血液过滤、血液渗滤中使用的过程中，通过体外血液回路传送患者的血液，在体外血液回路中存在通过半渗透膜分隔为血液腔和透析流体腔或过滤腔的透析器或过滤器。在血液渗滤时，进行血液透析和血液过滤。本发明涉及其中血液流动通过透析器的血液腔并且透析流体通过透析器的透析流体腔的血液净化疗法中所使用的所有过程。

存在各种用于说明透析器的性能和/或透析处理的效果的各种公知的物理和/或化学度量。一个公知的透析器的性能度量为清除率(clearance)K。物质的清除率为完全清除了所关注的物质的通过透析器的总流率(flow)的比例。对于透析处理的效果，非常重要的是透析剂量Kt/V，其被限定为尿素的清除率K与有效处理时间t的乘积除以分布尿素的患者身体的体积V而得到的商。

US 5,100,554描述了确定清除率的方法，其中在两个不同的透析液输入浓度的每一个处测量透析器电解液转移率。从US 5,100,554可以了解透析处理的效果依赖于血液流率和透析流体流率。

DE 695 31 137 T2(WO 95/32010)描述了用于优化透析处理的效果的方法和装置，其中在处理期间测量透析处理的度量特征，基于度量确定透析处理的参数以允许获得透析处理的最优效果。通过该公开可以详细的推断出处理器以限定的增量的步进方式增加选择的参数例如血液流动速率，尿素传感器连续测量特征变量，其中获得排放透析液的样本。通过比较当前测量的浓度与先前的浓度，便可以确定当前浓度是小于还是大于先前的浓度。如果当前浓度小于先前浓度，便断定先前浓度代表了最优值。结果，希望确定浓度的最大值。

在过去，以用户不可以改变的透析流体的恒定流率来操作公知的透析设备。另一方面，在最近，设备允许手动设定不同的透析流体速率，例如，300、500以及800ml/min。为了获得高清除率，基本上需要在非常高的血液流率时的非常高的透析流体流率。

当设定了给定的透析流体流率时，必须牢记，虽然通过高透析流体流率可以获得高清除率，但是供给新鲜透析流体和设置使用后的透析流体的成本会升高。因此，在实践中的努力为对应于透析流体的相对低的消耗的相对高的清除率。

公知，如果以血流率对透析流体流率的1∶2的比率来使用被广泛采用的透析器，与500ml/min的不可变透析流体流率相比仅仅轻微降低了清除率(J.E.Siegdell，B.Tersteegen，Artificial Organs，10(3)，219-225页，1986)。

US 5,092,836因此提出了根据预设的标准随着血流率控制透析流体流率。具体提出了通过将血流率乘以常数因子来获得将设定的透析流体流率。以及血液流率与透析流体流率之间的线性关系，还提出了数字数据矩阵，该矩阵为给定透析器的每一个血液流率给出了在该处可以获得给定百分比的最大清除率的透析流体流率，其中最大清除率是假设透析流体流率为无限高时必须存在清除率。在实践中，例如，百分比为95％。

发明内容

本发明的目的为提出用于预设体外血液处理设备的最优透析流体速率或血液流动速率的装置和方法，其中，一方面考虑了对于透析处理部分的高效能的需要，另一方面还考虑了对于透析流体的低消耗的需要。本发明的又一目的为提供一种血液处理设备，通过该设备可以以相对低的透析流体流率进行相对高效的透析处理。本发明的又一目的为提供一种操作血液处理设备的方法以便确保以透析流体的合理消耗来进行相对高效的透析处理。

根据本发明通过权利要求1、8、11和18的特征来实现这些目的。本发明的有利的实施例形成了从属权利要求的主题。

在用于体外血液处理设备的用于预设透析流动速率或血液流动速率的根据本发明的装置和根据本发明的方法中，对于预设的血液流动速率确定所述透析流体速率Q_d，如果所述透析流体速率Q_d增加给定的量，会导致所述血液处理的效果的度量特征增加不小于给定的量。可选地，还可以对于预设的透析流体速率确定所述血液流动速率Q_b，如果所述血液流动速率Q_b增加给定的量，会导致所述血液处理的效果的度量特征增加不小于给定的量。

根据本发明的装置和根据本发明的方法在该情况下假设，虽然对于在预设的血液流动速率下的透析流体速率的最优值或在预设的透析流体速率下的血液流动速率的最优值，在各自的情况下通过进一步增加透析流体速率和血液流动速率仍可以实现透析处理的效果的增加，但是，在各自的情况下这样的更高效果的处理所需要的附加的透析流体和进一步的血液流率的增加与其所导致的效果的增加不具有经济的关系。因此，旨在作为目标标准的为这样的操作点，在操作点处，增加清除率给定的量所需要的附加透析流体的消耗不会超过给定的量，即，确定准备消耗多少ml/min的透析流体以获得进一步ml/min的清除率。可选地，旨在这样的操作点，在该操作点处，增加清除率给定的量所必需的血液流动速率的进一步的增加不超过给定的量。

可以预设其中血液处理的效果不同的处理模式，在该情况下，确定透析流体速率Q_d或血液流动速率Q_b用于给定的处理模式，如果对所述速率增加给定的量，会导致血液处理的效果的度量特征增加不小于被分配到所述给定的模式的量。

在实践中，透析流体Q_d除以清除率K的商Q_d/K的10∶1的比率证明是满意的。然而，基本上，覆盖从5∶1到20∶1的范围的比率同样是可以接受的。

最优透析流体速率Q_dopt或者血液流速Q_bopt不仅分别取决于血液流速和透析流体速率，还取决于用于透析处理的透析器。根据本发明的装置和根据本发明的方法从而提供最优透析流体速率或血液流速，所述速率根据情况根据透析器的度量特征确定，尤其根据透析器的传质系数K0A确定。

取决于血液流率Q_b和透析器的度量特征尤其是传质系数k0A的最优透析流体速率Q_dopt可以被存储在透析设备的存储器中作为三维特征族。然而，由于存储空间原因，优选通过适宜地数学公式来限定特征族，其中可以通过该数学公式为预设的血液流动速率和传质系数计算最优透析流体速率。优选，通过较高阶多项式，特别地，包括所有交叉项的两个或多个变量的三阶多项式来近似三维特征族。通过必要的修改，同样适用于根据透析流体速率变化的最优血液流率。

为了计算最优透析流体速率或血液流动速率，根据本发明的装置优选具有计算单元，通过计算单元计算给定的透析器或具有不同传质系数的不同透析器的随血液流动速率变化的最优透析流体速率，或反之亦然。

用于预设透析流体速率或血液流动速率的根据本发明的装置和根据本发明的方法可以用于建议处理医师来设定最优透析流体速率或血液流动速率。根据本发明的装置可以是在该情况下的血液处理设备的一部分或形成单独的单元。然而，血液处理设备优选已经具有用于设定最优透析流体速率或血液流动速率的根据本发明的装置。同样优选不仅向处理医师建议预设的透析流体速率或血液流动速率而且自动设定他们用于血液处理。

附图说明

下面通过参考附图详细地解释本发明的实施例。

在附图中：

图1是用于体外处理血液的根据本发明的设备的基本部件的高度简化的示意性视图，该设备具有根据本发明的用于预设最优透析流体速率的装置；

图2示出了对应于各种血液流动速率Q_b的用于给定透析器的随透析流体流率Q_d(ml/min)变化的清除率K(ml/min)；

图3示出了在不同的透析流体速率Q_d和血液流动速率Q_b下增加清除率1ml/min所需要的透析流体的附加的量；

图4示出了特征的三维族，其中将最优透析流体流动速率Q_dopt表示为根据血液流动速率Q_b和透析器的传质系数变化；

图5示出了与公知方法相比较的在根据本发明的方法的情况下，即，在根据本发明的装置的情况下随血液流动速率Q_b(ml/min)变化的透析流体流动速率Q_b(ml/min)；

图6示出了与公知方法相比较的在根据本发明的方法的情况下，或换言之在根据本发明的装置的情况下的作为血液流动速率Q_b(ml/min)的函数的清除率K(ml/min)；

图7示出了在根据本发明的方法的情况下，或换言之在根据本发明的装置的情况下的清除率K_opt与在公知方法的情况下的清除率K(A，B)之间的差，该差随血液流动速率Q_b(ml/min)变化；

图8示出了与公知方法相比较的根据本发明的最优透析流体速率Q_dopt除以血液流动速率Q_b的商，该商随血液流动速率Q_b变化；以及

图9示出了与公知方法相比较的最优透析流体速率Q_dopt除以血液流动速率Q_b的商，该商随血液流动速率Q_b变化。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的血液处理设备的实施例，该血液处理设备具有根据本发明的用于设定最优透析流体速率的装置。具有根据本发明的用于设定最优透析流体速率的装置的血液处理设备与图1示出的设备的区别仅仅在于通过根据本发明的标准确定的不是随血液流动速率变化的透析流体速率Q_d而是随透析流体速率Q_d变化的血液流动速率Q_b，所述速率如果增加给定的量将导致血液处理的效果的度量特征增加不少于给定的量。另外，两种设备包括相同的部件。

为了更清楚，在图1中示出的仅仅是血液处理设备的基本部件，因为用于血液透析或血液渗滤的血液处理设备的单独的部件对于本领域的技术人员而言是非常熟系的。

根据本发明的透析设备具有透析器1，该透析器1通过半渗透膜2被分隔为血液腔3和透析流体腔4。其中连接了血液泵6的动脉血液线路5从患者延伸到透析器的血液腔3的入口，同时静脉血液线路7从血液腔的出口延伸到患者。

在透析流体源8中可以得到新鲜的透析流体。透析流体馈入线路9从透析流体源8延伸到透析器1的透析流体腔4的入口，同时透析流体排放线路10从透析流体腔的出口延伸到排放口11。透析流体泵12被连接到透析流体排放线路10。

透析设备具有通过控制线路14、15连接到血液泵6和透析流体泵12的控制单元13。控制单元13产生以预设的泵送速率操作血液和透析流体泵6、12的控制信号，以便在血液线路5中设定预设的血液流动速率Q_b和在透析流体线路中设定预设的透析流体速率Q_d。

为输入透析的各种参数，透析设备具有输入单元16，输入单元16例如具有字母数字键盘16A。以及，可以使用输入单元16输入的各种其他的变量例如为血液流动速率Q_b和正使用的透析器1的效果的度量特征，其具体是透析器的传质系数k0A。通过数据线路17，输入单元16被连接到控制单元13，通过控制单元13以这样的方式操作透析设备的各部件(尤其是血液和透析流体泵)，从而使得以预设的透析参数进行透析处理。

对于预设的血液流动速率Q_b，透析设备预设最优透析流体流率Q_d。为了该目的，透析设备具有用于预设最优透析流率Q_dopt的装置18，下面将详细描述装置18的结构和操作。

假设将使用具有由透析器的传质系数k0A确定的给定效果的透析器1来进行透析处理。在血液透析的情况下，使用下列公式，通过血液流动速率Q_b、透析流体速率Q_d以及透气器1的传质系数k0A来计算清除率K：

$K=Q_b\frac{e^{k0A(\frac{1}{Q_b}-\frac{1}{Q_d})}-1}{e^{k0A(\frac{1}{Q_b}-\frac{1}{Q_d})}-\frac{Q_b}{Q_d}}---\left(1\right)$

图2示出了各种血液流动速率Q_b下的随透析流体速率Q_d变化的清除率K。可以观察到，清除率K的饱和发生在高透析流体速率Q_d。因此，对于特定的血液流动速率，透析流体速率的增加会停止产生任何可评估的清除率的增益。根据血液流动速率Q_b，根据本发明的装置预设最优透析流体速率Q_dopt作为透析设备的最优操作点。在图2中通过圆圈指示了不同血液流动速率下的最优操作点，为操作点选择附加的透析流体对每ml/min的附加的清除率的10∶1的比率。如果从给定的操作点开始，进一步增加透析流体速率Q_d，那么，透析流体速率的增加将不再产生大于给定量的透析处理的度量特征(特别是清除率K)的增加。因此，最优透析流体速率Q_dopt是这样的，当超过其时将导致公式1示出的函数的导数小于给定值，所述导数限定了透析处理的度量特征(特别是清除率K)对透析流体速率Q_d的依赖关系。因此，所考虑的不是清除率的绝对值而是导数。图3示出了在从100ml/min到600ml/min的不同的血液流动速率Q_b处需要多少ml/min的附加的透析流体以增加1ml/min的清除率K。

实验示出了在实践中10∶1的比率给出了操作点，在该操作点，透析处理通过可接受的透析流体的消耗并可以获得相对高的效果。在图3中通过水平短划线指出了10∶1的目标标准。与不同的血液流动速率的曲线的各交叉部分表示各个操作点。因为不能容易地实际计算上述的透析流体流动速率相关的函数的导数，本发明提供了迭代近似解。

在图2和3中，可以清楚地观察到在血液流动速率Q_b＝100ml/min时，操作点在饱和范围。然而，在Q_b＝600ml/min的操作点，可以假设进一步增加透析流体速率仍会给出相关的清除率的增益。然而，在该情况下的一定会产生的缺点为，在操作点的右侧，为了获得仅仅一ml/min的清除率的增益必须增加大于10ml/min的透析流体速率。

图2和3示出了仅仅用于一种具有给定传质系数k0A的特定类型的透析器的随透析流率变化的清除率。然而，在实践中，可以各个透析设备中使用具有不同的传质系数的不同的透析器。图4示出了三维特征族，对于每一个均由给定传质系数k0A区分的不同的透析器，将最优透析流动速率Q_dopt确定为血液流动速率Q_b的函数。

可以在根据本发明的用于预设最优透析流体速率的装置18的存储器中以表的形式存储图4示出的特征族。然而，由于存储空间的原因，本发明准备通过适宜的函数来近似特征族。公知各种数学过程用于该目的。

在描述的实施例中，使用所有可能的交叉项通过沿两个轴的三阶多项式来近似三维特征族。这给出了具有4＊4＝16个参数a(i，j)的下列建模公式：

${\mathrm{QD}}_{\mathrm{opt}}={\alpha }_{33}·Q_b^3{k}_{0A}^3+{\alpha }_{32}·Q_b^3{k}_{0A}^2...{\alpha }_{30}·Q_b^3{k}_{0A}^0$

${+\alpha }_{23}·Q_b^2{k}_{0A}^3+{\alpha }_{22}·Q_b^2{k}_{0A}^2...{\alpha }_{20}·Q_b^2{k}_{0A}^0$

...

$+{\alpha }_{03}·Q_b^0{k}_{0A}^3+{\alpha }_{02}·Q_b^0{k}_{0A}^2...{\alpha }_{00}---\left(2\right)$

通过最小二乘法确定上述公式系统中的各参数，由此最小化原始数据与模型之间的方差的总和。在实践中，特征族(表面)与建模公式之间的匹配足够良好。

为了进行透析处理，处理医师预设给定的血液流动速率Q_b，该Q_b由医师通过输入单元16的键盘16A输入，基于Q_b控制单元13由此设定血液泵6的泵浦速率(速度)。通过输入单元16，医师还可以输入使用哪一个透析器1用于透析处理的细节，基于该细节确定在存储器中存储的属于给定类型的透析器的传质系数k0A。然而，还可以直接输入正使用的透析器的传质系数k0A。

装置18可以通过数据线路19从控制单元13接收预设的血液流动速率Q_b和预设传质系数k0A的值。装置18具有计算单元18A，该计算单元18A基于上述三阶公式计算最优透析流体流率Q_dopt。为了示出最优透析流体流率Q_dopt，装置18具有例如屏幕或显示器的形式的指示单元18B。

装置18还通过数据线19向控制单元16传送计算的最优透析流体流率Q_dopt的值，控制单元又设置透析流体泵12的速度以便以最优透析流体速率Q_dopt来泵送透析流体。

在优选的实施例中，输入单元16还用于输入不同的目标标准。例如，除了上述比率10∶1之外还可以被设定为目标标准的为5∶1的比率，即，对应于1ml/min的附加清除率的5ml/min的附加透析流体、以及比率15∶1或20∶1。

根据模式设定(5∶1、10∶1和15∶1或20∶1)，装置18的计算单元18A计算最优透析流体流率Q_dopt。在该情况下5∶1的比率表示经济模式，在经济模式中尽管节约了透析流体但却不能获得常规的清除率，10∶1的比率表示正常模式以及15∶1或20∶1的比率表示加强模式，在加强模式中可以获得特别高的清除率，但却要使用更大量的透析流体。

在允许血液透析的超滤液流率情况下，获得的代替上述公式(1)的为下列用于允许超过滤的血液透析的公式(1’)：

$K=\frac{1-\exp [\frac{k_{0}A}{Q_B}·(1-\frac{Q_B}{Q_D})]}{\frac{Q_B}{Q_D}-\exp [\frac{k_{0}A}{Q_B}·(1-\frac{Q_B}{Q_D})]}·Q_B·(1-\frac{Q_F}{Q_B})+Q_F$公式(1’)

其中

Q_B＝血液流率

Q_D＝透析液流率

Q_F＝滤液流率，在本情况下仅为超过滤

k0A＝传质面积系数。

下面，将描述更普遍的血液渗滤的情况，其中，不仅发生血液透析，而且发生血液过滤。在血液渗滤的情况下，通过下列用于血液渗滤的更通用的公式限定流动速率之间的关系。

$K=Q_{\mathrm{Bi}}·\frac{1-\frac{Q_{\mathrm{Do}}}{Q_{\mathrm{Di}}}·\frac{Q_{\mathrm{Bo}}}{Q_{\mathrm{Bi}}}Z}{1-\frac{Q_{\mathrm{Bo}}}{Q_{\mathrm{Di}}}Z}$公式(1”)

其中

$Z={(1-\frac{Q_F}{Q_{\mathrm{Bi}}})}^{\frac{p}{Q_F}-1}·{(1-\frac{Q_F}{Q_{\mathrm{Do}}})}^{-(\frac{p}{Q_F}-1)}$

p＝k0A+(1-σ)·(1-f)·Q_F

$f=\frac{1}{\mathrm{Pe}}-\frac{1}{\exp \left(\mathrm{Pe}\right)-1}$

$\mathrm{Pe}=(1-\sigma )·\frac{Q_F}{k_{0}A}$

其中

σ＝反射系数(0＜σ＜1)，例如，尿素的σ＝0

i＝流入下标

o＝流出下标

Q_F＝总过滤速率＝超过滤速率Q_UF与替换速率Q_S的和

Q_F＝Q_UF+Q_S

Q_Di＝透析器的透析液入口的流率；通常对应于机器上设定的透析液流率

Q_D

Q_Do＝透析器的透析液出口的流率

Q_Do＝Q_Di+Q_F

Q_Bi＝透析器的血液入口的流率

Q_Bi＝Q_B+f·Q_S

其中f是预稀释或后稀释的因子；f＝0用于后稀释，f＝1用于预稀释，以及f在0与1之间用于混合稀释

Q_Bo＝透析器的血液出口的流率

Q_Bo＝Q_Bi+Q_F

Q_B＝在动脉灌注点的上游的体外血液回路中的血液流率；通常对应于用户设定的血液流率。

下面参考图5至9描述根据本发明的用于预设给定的透析流体速率的方法与公知方法的区别。在图5至9中，将这样的公知方法示为“A”，该方法中，对于直到300ml/min的血液流动速率Q_b设定500ml/min的恒定透析流体速率Q_d。将这样的公知方法示为“B”，在该方法中，通过将血液流动速率Q_b乘以因子1.2来计算透析流体速率。图5示出了与公知方法“A”和“B”相比较的根据本发明的方法的随血液流动速率Q_b变化的透析流体速率Q_d，而图6示出了根据本发明的方法和公知方法“A”和“B”的随血液流率变化的清除率K。

图7示出了作为血液流动速率Q_b的函数的根据本发明的方法在最优透析流体速率Q_dopt处获得的清除率K_opt与通过公知方法获得的清除率K_A和K_B之间的差，以便给出根据本发明的方法与公知方法在清除率变化方面的区别的较清楚的图。与公知方法“A”相比，使用根据本发明的方法节省了相对大量的透析流体，即使清除率仅仅减小了相对小的量。确实使用方法“B”比使用方法“A”节省了更多的透析流体，但还导致了清除率的较大的减少。

对于选择的10∶1(图8)和5∶1(图9)的“目标标准”，图8和图9示出了三种不同的透析器的根据本发明标准化到血液流动速率的最优透析流体速率Q_dopt。可以观察到，对于选择的10∶1的目标标准，作为在工作范围Q_b＝200与400中的第一近似，对于不同的透析器1.5的因子是看似合理的。另一方面，对于10∶1的目标标准，1.2的因子太低。然而，如果选择5∶1的目标标准，即，5ml/min的透析流体对应1ml/min的清除率，那么位置改变。可以观察到，1.2的因子是在该情况下的较好的近似。通过根据本发明的教导，可以在方法A与B之间成功发现折衷，同时给予用户定量的操作点，在该操作点，用户可以直接观察增加流率对处理效果的影响。