确定体外血液处理中跨膜压力的方法和装置

摘要

本发明涉及一种在体外血液处理期间确定跨膜压力的方法，其中血液以规定血液流速流经体外血液回路5A的动脉血液管道6进入由半透膜2分为第一腔室和第二腔室4的透析器1第一腔室3的入口，并经静脉管道7流出透析器1的第一腔室3的出口，同时透析流体流经透析流体供应管道10进入透析器第二腔室的入口并经透析流体排出管道11流出透析器第二腔室的出口。用于确定跨膜压力的根据本发明的方法和根据本发明的装置使得以较小的技术成本特别是以少于四个的压力传感器20、21、22测量透析器血液侧压力和透析流体侧压力，并对跨膜压力计算初步的未校正值然后通过取决于和血液粘度相关的变量的校正变量对该值进行校正。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在体外血液处理期间确定跨膜压力的方法，其中血液以特定血液流速流经体外血液回路的动脉血液供给管道进入由半透膜分为第一腔室和第二腔室的透析器第一腔室的入口，并经静脉血液回流管道流出透析器的第一腔室出口，同时透析流体流经透析流体供应管道进入透析器第二腔室的入口并从经透析流体排出管道流出透析器第二腔室的出口，并以特定流速经透析器的隔膜从血液分离流体。而且，本发明涉及一种其中确定跨膜压力的体外血液处理。另外，本发明涉及一种用于确定进行体外血液处理的血液处理设备的跨膜压力的装置和具有确定跨膜压力的装置的体外血液处理设备。

背景技术

采用体外血液处理或者清洁的各种方法以去除通常随尿液排出的物质和分离流体。对于血液透析而言，在体外透析器中对患者血液进行清洁。透析器具有被半透膜隔开的血液腔室和透析流体腔室。在处理期间，患者血液流经血液腔室。为了从血液有效清除通常随尿液排出的物质，新鲜的透析流体连续流经透析流体腔室。

尽管对经过透析器隔膜输送较小分子物质在血液透析(HD)时基本上由透析流体和血液之间的浓度差(扩散)决定，但是对血液滤过(HF)而言，通过经透析器隔膜的高射流(对流)有效去除溶解在等离子水中的物质，特别是较高分子物质。在血液滤过中，透析器用作过滤器，因此在下文过滤器被称作透析器。血液透析滤过(HDF)是两种方法的组合。

对血液透析滤过(HDF)而言，一部分经透析器隔膜分离的血清由被供应至透析器上游和/或下游的体外血液回路的无菌置换液替代。对透析器上游置换液的供应称作前稀释，而透析器下游的供应称作后稀释。

在体外血液处理中，超滤速率(UF速率)受到关注，其是对在一个时间间隔内从患者分离的流体量的测量。超滤速率取决于体外血液处理中的跨膜压力TMP，超滤速率随着跨膜压力增大而上升。

跨膜压力TMP定义为透析器上平均血液侧压力和平均透析液侧压力的差。原则上，为精确确定跨膜压力需要四个压力测量，即在透析器的血液腔室的入口和出口以及透析流体腔室入口和出口测量的压力。为此，在透析器的血液侧入口和出口以及透析流体侧入口和出口每种情形都需要压力传感器。

但是实际上，通过四个压力传感器测量跨膜压力证明为较昂贵。因此，为技术简化的原因，实践中通常避免通过四个压力传感器确定跨膜压力。

为确定跨膜压力，已知仅仅通过两个压力传感器确定压力，其一个压力传感器位于血液侧而另一个压力传感器位于透析流体侧。为操作和成本的原因，例如在H.D.Polaschegg的文章“Methods and history ofultrafiltration control in haemodialysis”(Aktuelle Nephrologie，1985年第1卷，第135页始)中提出了将该测量限制为静脉回流压力和透析流体出口压力。

除了通过两个压力传感器确定跨膜压力以外，还已知通过三个压力传感器确定隔膜压力。为确定跨膜压力，EP0212127例如提出了测量透析流体供应管道和排放管道中的压力和血液返回管道特别是设置在血液返回管道中的滴注室中的压力，并基于所测量的压力计算跨膜压力。比较计算的跨膜压力和平均跨膜压力的预定设定点值，以调节设置在透析流体排放管道中的透析流体泵。对透析流体侧的抽吸泵进行调节以使得透析器中的跨膜压力保持在设定点值。

实践中，认为仅仅基于两个或者三个压力传感器确定跨膜压力足够精确，其中在每种情况下，一个压力测量在血液侧进行而另一个测量在透析液侧进行。但是本发明人发现在某些处理环境下对于高精度确定跨膜压力必须设置限制条件。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种确定体外血液处理中跨膜压力的方法，其一方面仅仅需要测量的较小技术成本，另一方面保证在所有处理环境下的高精度。

而且，本发明的问题在于提供一种确定体外血液处理设备的跨膜压力的装置，其可在所有处理环境下以少于四个压力传感器高精度地确定跨膜压力。

本发明的其它问题为体外血液处理方法和体外血液处理设备，其中以较低的技术成本高精度地确定跨膜压力。根据本发明，权利要求1、10、11和20的特征列出了对这些问题的解决方案。本发明的有利实施例为从属权利要求的技术主题。

用于确定跨膜压力的根据本发明的方法和根据本发明的装置基于如下事实，以较小的技术成本通过少于四个的压力传感器测量透析器血液侧压力和透析流体侧压力，并计算跨膜压力初步的未校正值，然后通过取决于和血液粘度相关的变量的校正量对该值进行校正。因此在确定跨膜压力时考虑和血液粘度特别是血液的红细胞压积相关的变量。

本发明人发现，特别是例如可在血液透析滤过处理或者血液滤过处理期间发生的对血液的标记增稠或者稀释而言，在实际跨膜压力和例如在仅仅在透析器相应腔室的入口或者出口而非入口和出口测量压力时在小于四个的测量点测量压力所获得的跨膜压力值之间存在偏差。

借助根据本发明的方法，当患者服用促红细胞生成素(EPO)时跨膜压力的确定也特别准确，因此红细胞压积增加并且血液粘度升高。

在根据本发明的方法和根据本发明的装置的优选实施例中，在透析器第一腔室出口的血液返回管道上测量血液侧的压力，同时在透析流体侧在透析器的第二腔室入口的透析流体供应管道上以及在透析器第二腔室出口的透析流体排放管道上测量压力。因此不必测量透析器第一腔室的入口的血液供应管道上血液侧的压力，从而可仅仅以三个压力传感器测量压力。

但是还可能在血液侧不在透析器第一腔室的出口而在入口测量压力。同样，可能的是在透析器第一腔室的入口和出口都测量血液侧的压力，同时仅仅在透析器第二腔室的入口或者出口测量透析流体侧的压力。决定性因素为既在透析器的血液侧也在透析流体侧进行至少一个压力测量。

当提到在透析器两个腔室的其中一个的入口或者出口测量压力时，其不一定必须理解为测量一定直接在管道被连接至透析器的位置进行。相反，还可能在入口或者出口的上游或者下游进行测量，从而假定透析器相应腔室的实际测量位置和入口或者出口之间的压升或者压降为小。

跨膜压力的校正量优选为表征透析器纵向流阻的参数，所述参数又取决于和血液粘度特别是血液的红细胞压积相关的参数。

已经表明基于通过少于四个压力传感器的测量计算的跨膜压力与实际跨膜压力之间的偏差随着透析器纵向流阻的增大而增大。因为在通过根据本发明的方法和根据本发明的装置确定跨膜压力时考虑了透析器纵向的流阻，所以可以高精度地计算实际跨膜压力。

原则上可在血液处理开始或者血液处理期间计算取决于和血液粘度特别是红细胞压积相关的参数的透析器纵向的流阻。

本发明特别优选的实施例可在血液处理期间连续确定和血液粘度特别是红细胞压积相关的参数，从而可在线测量红细胞压积。

优选通过逼近多项式描述透析器纵向阻抗和与血液粘度特别是红细胞压积相关的参数的相关性，从基于前稀释或者后稀释的每种相关类型透析器的单独测量数据确定其相关参数。

本发明人发现透析器纵向的流阻主要取决于以下因素：由特定的膜面积或者长度以及毛细管的特定直径表征的透析器的设计；处理类型，例如进行前稀释或者后稀释的HD处理或者H(D)F处理；置换率和超滤速率和血液组成。因此，在本发明的优选实施例中，在逼近多项式中考虑上述量以确定透析器的纵向阻抗。

优选基于表征透析器纵向流阻和体外血液回路中血液流速的参数乘积确定跨膜压力的校正量。因此校正量取决于血液流量。

因此根据本发明的方法和根据本发明的装置基于根据所测量压力计算的跨膜压力和实际跨膜压力之间的偏差随着血液粘度增加以及血液流量增加而提高继续进行。

用于确定对进行体外血液处理的血液处理设备确定的跨膜压力的根据本发明的装置包括测量血液侧和透析流体侧压力的元件以及考虑校正量而计算跨膜压力的元件。在优选实施例中，测量透析器血液侧和透析流体侧压力的元件包括测量透析器第一腔室出口的血液返回管道中压力的元件、以及测量透析器第二腔室入口和出口的透析流体供应和返回管道中压力的元件。因此不需要测量透析器第一腔室入口的血液供应管道中的压力的元件。

测量压力的元件可以为常规的压力传感器，该传感器在已知的血液处理设备中在任何情况下都存在。计算跨膜压力的元件可以为常规微处理器等，该传感器在已知的血液处理设备中在任何情况下也都存在。

附图说明

下面将参考附图详细描述根据本发明的方法和根据本发明的装置的实施例实例。

附图仅仅以非常简化的示意图示出了体外血液处理的血液处理设备以及确定跨膜压力的装置的主要部件。

具体实施方式

根据本发明的测量跨膜压力的装置可以为常规血液处理设备或者与血液处理设备协作的单独装置单元的部件。

本血液处理设备为血液透析滤过设备，该设备包括透析器1，透析器1被半透膜2划分为血液流经其中并将在下文称作血液腔室的第一腔室3和透析流体流经其中并将在下文称作透析流体腔室的第二腔室4。第一腔室3组合进体外血液回路5A，而第二腔室4组合进血液透析滤过设备的透析流体系统5B。

体外血液回路5A包括连至腔室3的入口3a的动脉血液供应管道6和离开透析器1的血液腔室3的出口3b的静脉血液返回管道7。患者的血液通过设置在动脉血液返回管道6上的动脉血液泵8特别是滚子泵传送通过透析器1的血液腔室3。血液泵以特定的血液流速Q_b将血液输送至透析器的血液腔室3。为消除空气泡，空气分离器(滴注室)可组合至动脉和静脉血液管道中。

血液处理设备的血液管道6、7为置于滚子泵中一次性使用的管线。因此，原则上管线不是血液处理设备的部件。原则上，透析器也不是血液处理设备的部件而是被连接以一次性使用管线。

可从透析流体源9获得新鲜的透析流体。透析流体供应管道10从透析流体源9连至透析器1的透析流体腔室4的入口4a。透析流体排放管道11从透析流体腔室4的出口4b连至排放管12。第一透析流体泵13组合进透析流体供应管道10，而第二透析流体泵14组合进透析流体排出管道11。第一透析流体泵13以特定透析流体供应速率Q_di将透析流体从透析流体源输送至透析流体腔室4的入口4a，而第二透析流体泵14以特定透析流体排放速率Q_do将透析流体从透析流体腔室4的出口4b输送至排放管12。

在透析处理时，可经置换液管道15将透析流体从透析流体系统5B给送至体外回路5A作为置换流体，体外回路5A从第一透析流体泵13上游的透析流体供应管道10分流。

置换流体管道15包括两个管道部分15a和15b，其一个管道部分15a连至动脉血液管道6，而另一个管道部分15b连至静脉血液管道7。

通过其中插入有置换液管道15的置换泵16特别是滚子泵输送置换液。分为两个腔室17a、17b的无菌过滤器17被组合至置换泵上游的置换液管道15。置换泵连同附加管道和无菌过滤器形成透析设备的置换装置。为夹住置换液管道15的两个管道部分15a、15b，可提供切断元件例如管夹，但是为清楚起见没有表示该元件。

血液泵8、第一和第二透析流体泵13和14以及置换泵16经控制管道8’、13’、14’、16’连至中央控制和计算单元18，从该单元考虑预选择处理参数地控制泵。控制和计算单元18还控制关闭元件(未示出)以执行前稀释或者后稀释的血液处理。

为运行作为血液透析设备的血液透析滤过设备，运行血液泵8和第一和第二透析流体泵13和14，同时透析流体流经透析器1的透析流体腔室4。为运行作为血液透析滤过设备的血液透析滤过设备，运行置换泵16，从而作为置换液的无菌透析流体经无菌过滤器17可选地流至血液泵8下游以及血液腔室3上游的动脉供应点24(前稀释)或者至血液腔室下游的静脉供应点25(后稀释)。但是原则上如果不运行第一透析流体泵13并因而中断透析流体供应至透析器的透析流体腔室，则血液透析滤过设备也可能仅仅作为血液滤过设备而运行。

在血液处理设备的中央控制和计算单元18中处理表征血液处理的处理参数。这些特征变量可由机器操作员输入、在处理时测量和/或从所测量和/或预先选择的变量计算。下面，假定中央控制和计算单元可获得这里所有的相关变量，这是因为其由操作员经键盘(未示出)输入和/或由测量单元(未示出)测量和/或从所输入和/或测量的变量计算。

用于确定跨膜压力的根据本发明的装置可形成血液处理设备的中央控制和计算单元18的独立模块或者部件。在实施例的本实例中，确定跨膜压力的装置的相关部件形成将在下面详细描述的单独模块。

确定跨膜压力的装置包括中央计算单元19，例如微处理器，其也可为在处理设备的中央控制和计算单元18中提供的微处理器。而且，确定跨膜压力的装置可包括全部三个压力传感器20、21、22，其第一压力传感器测量透析器1的第一腔室3出口3b上的压力，第二压力传感器21测量第二腔室4的入口4a上的压力，而压力传感器22测量透析器1的第二腔室4的出口4b上的压力。这些压力传感器不一定直接设置在透析器的入口和出口。决定性因素为在透析器的血液侧出口和透析流体侧入口和出口充分精确地测量压力。

计算单元19经数据线20’、21’和22’接收压力传感器20、21、22的测量值。而且，计算单元19经另一条数据线19’与血液处理设备的中央控制和计算单元18通信以接收由操作员输入和/或由传感器(未示出)测量和/或计算的这里的相关变量。

在优选实施例中，确定跨膜压力的装置还包括用于测量可在体外血液处理过程中改变的在体外血液回路5A中流动的血液的红细胞压积的测量单元。23。由于超滤，在血液流处理期间红细胞压积通常增加。计算单元19经数据线23’连接至测量单元23以确定红细胞压积。确定红细胞压积的测量单元为本领域技术人员从现有技术所知。

下面将详细描述确定跨膜压力和确定跨膜压力的根据本发明的装置和用于确定跨膜压力的装置工作所根据的根据本发明的方法的理论原理。

精确确定平均跨膜压力TMP原则上需要四个压力传感器。在测量血液侧入口压力P_b，in、血液侧出口压力P_b，out、透析流体侧入口压力P_d，in和透析流体侧出口压力P_d，out之后，可根据下式计算跨膜压力P_TM(TMP)

$\mathrm{TMP}=P_{\mathrm{TM}}=\frac{P_{b,\mathrm{in}}+P_{b,\mathrm{out}}}{2}-\frac{P_{d,\mathrm{in}}+P_{d,\mathrm{out}}}{2}---\left(1\right)$

其中

P_TM  跨膜压力TMP

P_b，in  透析器血液侧入口压力

P_b，out  透析器血液侧出口压力

(＝静脉压力P_ven)

P_d，in  透析器透析流体侧入口压力

P_d，out  透析器透析流体侧出口压力

但是，在实施例的本实例中，不是通过在上述测量点的四个压力传感器而是仅仅通过测量透析器1的血液腔室3血液侧出口3b的压力P_b，out、透析器1的透析流体腔室4的透析流体侧入口4a的压力P_d，in和透析流体侧出口4b的压力P_d，out的三个压力传感器20、21、22测量压力。

基于在三个测量点的测量确定跨膜压力和四个测量点测量的差源自透析器血液侧的压降ΔP_b，其随着血液粘度增加、血液流量Q_b增加和相同隔膜面积较小的毛细管直径而升高。根据边界条件的可能组合可形成两个测量值之间较小或者较大的差。

而且，处理过程可改变透析器中血液的粘度。例如对H(D)F处理而言，透析器(过滤器)中平均血液粘度在前稀释时减小，而该平均血液粘度在后稀释时增加。因此后稀释导致两个测量值之间更大的差。这一点可追溯到经透析器隔膜从血液流Q_b分离的不同跨膜流量。总的跨膜流量Q_tm＝Q_uf+Q_sub由超滤速率Q_uf和置换速率Q_sub组成。但是，实践中常常可忽略置换速率Q_uf。

本发明基于根据借助三个压力传感器20、21、22测量的压力计算跨膜压力P_TM3并确定计算的跨膜压力的校正量以探知实际跨膜压力P_TM＝TMP。

$P_{\mathrm{TM}}=P_{b,\mathrm{out}}-\frac{P_{d,\mathrm{in}}+P_{d,\mathrm{out}}}{2}+\frac{P_{b,\mathrm{in}}-P_{b,\mathrm{out}}}{2}---\left(2\right)$

未校正的跨膜压力P_TM3包含在其中：

$P_{\mathrm{TM}3}=P_{b,\mathrm{out}}-\frac{P_{d,\mathrm{in}}+P_{d,\mathrm{out}}}{2}---\left(3\right)$

从对方程(3)和方程(2)的最后项的方程(2)的比较获得校正项。其反映了透析器1的血液腔室3纵向侧的血液侧压降：

$\frac{P_{b,\mathrm{in}}-P_{b,\mathrm{out}}}{2}=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_b}{2}---\left(4\right)$

其中：ΔP_b透析器纵向侧(血液侧)的压降。

透析器血液侧的压降首先取决于血液流量Q_b。通常可通过逼近多项式描述该关系式。

${\mathrm{\Delta P}}_b=\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}{c}_i*Q_b^i---\left(5\right)$

通常，压降ΔP_b和血液流量Q_b之间的线性相关性在实践中足够精确地产生。血液侧压降因此可分为与血液流量Q_b无关的透析器纵向流阻R_b和当前血液流量Q_b。因此产生下面的结果：

$P_{\mathrm{TM}}=P_{\mathrm{TM}3}+\frac{1}{2}*R_b*Q_b---\left(6\right)$

其中：R_b血液侧透析器的纵向阻抗

Q_b血液流量

在实施例的本实例中，具有参数α₀、α₁、α₂、α₃、α₄......的逼近多项式用于计算透析器1的血液腔室3纵向上的流阻R_b。可能的逼近多项式的实例为：

$R_b(\mathrm{Hkt},Q_{\mathrm{tm}})=a_0+a_1*\mathrm{Hkt}+a_2*\frac{Q_{\mathrm{tm}}}{Q_{\mathrm{tm},\max }}+a_3*\mathrm{Hkt}*\frac{Q_{\mathrm{tm}}}{Q_{\mathrm{tm},\max }}+a_4*{(\mathrm{Hkt}*\frac{Q_{\mathrm{tm}}}{Q_{\mathrm{tm},\max }})}^4---\left(7\right)$

可对后稀释或者前稀释的情形如下确定Q_tm，max：

$Q_{\mathrm{tm},\mathrm{Post},\max }=Q_b*(1-\mathrm{Hkt})*(1-k*\frac{\mathrm{TP}}{100})---\left(8\right)$

或者

$Q_{\mathrm{tm},\mathrm{Prae},\max }=Q_{\mathrm{tm},\mathrm{Post},\max }(k*\frac{\mathrm{TP}}{100g/\mathrm{dl}})---\left(9\right)$

其中k为系数，例如k＝7，并且其中：

Hkt  红细胞压积[0.10...0.69]

TP  总蛋白质含量[5.0...9.0g/dl]

Q_tm  经透析器隔膜的当前流速[ml/min]；

其中：Q_tm＝Q_sub+Q_uf

Q_sub  置换速率[ml/min]；

Q_uf  超滤速率[ml/min]；

Q_tm，max  最大流速[ml/min]其中

·后稀释：根据方程(8)的Q_{tm，post，max}，或者其中：

·前稀释：根据方程(9)的Q_{tm，pre，max}

除了根据方程(7)的逼近多项式以外，对跨膜流量和红细胞压积与跨膜流量的乘积还可采用考虑用于红细胞压积Hkt的较高功率的普通方法。

$R_b(\mathrm{Hkt},Q_{\mathrm{tm}})=\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}{b}_{1,i}*{\mathrm{Hkt}}^i+\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_{2,j}*{\left(\frac{Q_{\mathrm{tm}}}{Q_{\mathrm{tm},\max }}\right)}^j+\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}{b}_{3,k}*{(\mathrm{Hkt}*\frac{Q_{\mathrm{tm}}}{Q_{\mathrm{tm},\max }})}^k---\left(10\right)$

根据本发明的装置如下确定跨膜压力TMP。

确定红细胞压积的装置的计算单元19首先根据方程(7)计算作为红细胞压积Hkt和经透析器1的隔膜2分离的流体的流速Q_tm的函数的透析器纵向阻抗R_b。为此，计算单元利用存储器19A，所述存储器19A中存储有通过从对特定类型的透析器的单独测量数据的偏置计算而获得的逼近多项式参数α₀、α₁、α₂、α₃、α₄。各种类型的透析器参数可存储在计算单元19的存储器19A中，从而计算单元然后借助适用于当前使用类型的透析器的参数。

计算单元19与血液处理设备的中央控制和计算单元18通信以交换这里的相关数据。例如，计算单元可接收例如通过键盘由用户先前输入的表示透析器类型的数据记录。而且，计算单元19从中央控制和计算单元18接收置换速率Q_sub和超滤速率Q_uf以从置换速率和超滤速率计算经透析器1的隔膜2分离的流体的流速Q_tm＝Q_sub+Q_uf。另外，计算单元19从中央控制计算单元18接收可介于0.10和0.69之间的红细胞压积Hkt以及可介于5.0和9.0g/dl之间的总蛋白质含量TP。另外，计算单元从中央控制和计算单元接收表示是否存在前稀释或者后稀释的信号。

根据方程(8)和(9)，在执行前稀释或者后稀释时计算单元从红细胞压积Hkt和总蛋白质含量TP计算最大流速Q_tm，max。

在简化的实施例中，在透析处理之前或期间仅仅计算透析器纵向阻抗R_b一次。但是，在改进的实施例中，使得在血液处理时在特定时间计算透析器纵向阻抗R_b或者在血液处理期间甚至连续计算透析器纵向阻抗R_b。该改进的实施例证明当这里的其中一个相关变量例如置换速率或者超滤速率以及患者血液的红细胞压积在透析处理期间改变时特别有利。如果从前稀释完全转变为后稀释或者相反则也讨论重新计算的纵向阻抗R_b。

另一个替换实施例提供了已知不是根据方程(7)而是根据描述一般逼近多项式的方程(10)计算纵向阻抗R_b。但是，原则上其它逼近多项式也是可能的。

在特别优选的实施例中，不基于例如通过键盘输入或者一次测量的红细胞压积Hkt的恒定值。在该实施例中，在测量单元23进行血液处理期间连续测量红细胞压积。用于传输红细胞压积测量值的数据线23’由附图中的虚线表示，这是因为在血液处理期间红细胞压积的测量不是绝对必要而仅仅在特别优选的实施例中才进行该测量。

而且，在血液处理期间优选通过压力传感器20、21和22连续或者至少在不同时间测量血液侧出口的压力P_b，out和透析流体侧入口的压力P_d，in以及透析流体侧出口的压力P_d，out。经数据线20’、21’、22’接收压力测量值的计算单元19根据方程(3)从该压力计算未校正的跨膜压力P_TM3。作为另一个变体，计算单元19从控制和计算单元18接收可由操作员输入的血液流速Q_b。计算单元19然后从血液流速Q_b、透析器的计算纵向阻抗R_b和未校正跨膜压力P_TM3根据方程(6)计算跨膜压力的校正值P_TM＝TMP。

校正的跨膜压力TMP可显示在显示单元(未示出)和/或用于控制或者调节血液处理设备。