JP4900969B2 - 液体ポンプ圧調整装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は液体流量制御装置、特に、ポンプ圧を調整に関し、特に、液体流量制御装置の必要な圧力レベルを維持すると共に、液体流量を増やす方法と装置を提供する。本発明はまた、ポンプと連通する管路の遠位端（末端）に対するポンプの相対的な高さを測定することができるシステムに関する。

流量制御システムの機能は管路を介して流体の輸送速度を調整することである。液体流量制御装置のいくつかの例は、腹膜透析機や、静脈液体配送システムである。流量制御システムは、輸送流体と直接的には接触しない永久ハウジングであって、その内部に液体にさらされる使い捨てのカセットが置かれるハウジングを含むかもしれない。圧力に応答する可撓膜または他の構造が永久ハウジングと使い捨てカセットの分離を維持する。そのような制御システムとそれらのサブコンポーネント(特に弁)に関する例は米国特許4778451、4976162、5088515、および5178182に開示されている。これらの特許はすべてカメン（Kamen）に付与されていて、参照のためにここに取り入れられる。

例えば、透析処理において流量制御装置に関する1つの問題が起こる。患者は腹膜透析機に繋がれる時間を最小にしたがる。患者の需要を満たすために、患者のカテーテルにポンプで送られる液体の流量はポンピング圧を増加させることによって、それに比例して増加するかもしれない。しかしながら、国際的な仕様(例えば、EN 50072)は患者のカテーテルに許容される最大および最小圧力を規定する。許容最大圧（正圧）は150mmHg(約3psi)に定められ、最小圧(最大負圧、吸引圧)は-75mmHg(約-1.5psi)に定められている。患者にポンプで流体を送るとき、従来技術の透析機はおよそ75mmHg(約1.5psi)のポンピング圧を使用する。透析機と患者が同じ高さに位置すると、ポンプに加えられる圧力は患者のカテーテル位置での圧力に非常に近くなり、透析機が患者よりも上に上げられると、患者のカテーテル圧はポンプにおいて与えられた圧力よりも高くなるであろう。それ故、安全の余地を確保するために、ポンピング圧は最大許容圧力よりも十分低く設定され、透析機に対する患者の位置の不確実性を補っている。

流量制御装置と液体管路の末端の相対的な高度に基づいて、該末端と弁を介して連通する少なくとも1つ液体空間を与えることによって液体ポンプ圧を調整する方法が提供される。液体空間の圧力計測は較正され、次に、液体空間と、液体管路の末端の連通を確立するために弁が開かれる。液体空間に関する圧力が測定され、そして、測定された圧力に応じて、液体ポンプ圧は調整される。

望ましくは、流量制御装置は2つの液体空間を有する。第１液体空間は第２液体空間と弁を介して連通する。液体管路は望ましくは弁を介して両方の液体空間と連通する。両液体空間の圧力は較正され、1つの液体空間と液体管路末端の連通が確立される。1つの液体空間に関する圧力が測定され、その測定圧に応じて液体ポンプ圧は調整される。

流量制御装置は、望ましくは、各液体空間のための制御空間と、各制御空間のための変換器と、圧力値を読み取りかつ記録し、圧力値間の相関関係を計算し識別し、識別された相関関係に基づいて圧力値を計算するプロセッサを含む。プロセッサは圧力値に基づいて高度差を推定し、及び/又は、液体ポンプ圧を調整することができる。流量制御装置はまた、液体空間を加圧する圧力手段を含むことができる。装置はさらに液体空間と液体管路末端の液体連通を制御するための多様な弁装置の1つを含むことができる。プロセッサはまた、その弁装置、液体空間加圧手段、および液体ポンプ圧を制御することができる。

別の１実施の態様において、液体空間および制御空間自体はポンプの一部である。望ましくは、ポンプは液体空間と制御空間を分割する可撓性膜を含んでいる。別の実施の態様では、流量制御装置はポンプを含んでいる。

第１位置と第２位置の相対高度を検出する方法において、流量制御装置は前記第１位置に設けられ、少なくとも1個の膜ポンプが弁を介して前記第２位置に連通する。膜ポンプは第２位置から絶縁され、膜ポンプの圧力変換器は較正される。弁が次に開かれ、膜のポンプと第２位置の連通を確立する。膜ポンプの圧力が測定され、第１位置と第２位置の相対高度が推定される。

さらに別の１実施の態様において、圧力変換器の較正は、第１位置での圧力に等しい流体で膜ポンプを満たし、膜ポンプの第１較正圧を測定し、膜ポンプを既知の(すなわち、所定の、または測定された)較正圧の液体で満たし、膜ポンプの第２較正圧を測定することを含むことができる。第１位置と第２位置の相対高度は前記既知較正圧、第１較正圧、および第２較正圧に基づいて推定することができる。

発明の実施形態

本発明は、添付図面に関連してなされる以下の説明を参照することでより容易に理解されるであろう。

図1は従来技術の流量制御装置200を示す。使い捨てのカセット201は流量制御装置200にしっかりと取り付けられている。加熱された溶液バッグ202からカセット201への流体連通は溶液注入管路203を通して維持され、また排出管路204の末端208まで維持される。流量制御装置200は、それによって作動されるときに注入管路203と排出管路204の両方を塞ぐオクルダーバー205を有する。流量制御装置200は2個のポンプ300、310を有し、各ポンプは流入弁307、317と、排出弁306、316を持つことが示されている。

図2は図1の流量制御装置200で利用される膜を備えた流量制御システムであって、第１ポンプ300と第２ポンプ310を持つシステムを示す。可撓性膜303は第1ポンプ300を第１制御空間301と第1液体空間302に分割していることが示されている。第１制御空間301を第1圧力管路304を介して加圧することができる。第１制御空間301の圧力は、第１制御空間301に取り付けられて該空間に流体連通する第１圧力変換器305によって測定される。同様に、可撓性膜313は第２ポンプ310を第２制御空間311と第２液体空間312に分割する。第２制御空間311を第２圧力管路314を介して加圧することができる。第２制御空間311の圧力は、第２制御空間311に取り付けられ該空間に流体連通する第２圧力変換器315によって測定される。制御ガスまたは液体を使用して、加圧を行うことができる。あるいは、ポンプ、ピストン、加圧されたリザーバ、弁、および通気管などのような従来公知の他の方法で加圧を行うこともできる。上で述べたように、これらの加圧装置はカメンに付与された前記米国特許においてより詳細に説明されており、このことはここに組み入れられる。

第1排出弁306は第１液体空間302から排出管路204への排出流を制御し、第２排出弁316は第２液体空間312から排出管路204への排出流を制御する。故に、第１ポンプ300及び第２ポンプ310からの排出流は互いに連通し、かつ、排出管路204の末端208(図1参照)と連通する。第1流入弁307は第１液体空間への流入を制御し、第２流入弁317は第２液体空間への流入を制御する。第１ポンプ300と第２ポンプ310の流入は互いに連通し、かつ溶液注入管路203を介して、加熱された溶液バッグ202と連通する。オクルダーバー205は、作動されると、ポンプ300と310から排出管路204と溶液バッグ202の両方を絶縁するが、どちらか一方または両方の弁セットが開いているならば2個のポンプ300と310の流体連通を許容する。

図3(a)は、流量制御装置200と同じ高さに位置する対象者（患者）31に液体連通する液体管路204を概略的に図示する。管路204と流量制御装置200の末端208が同じ高さにあるとき、管路204の末端208の圧力は流量制御装置200の圧力と等しい。図3(b)は流量制御装置200よりも低い位置に位置する対象者31を概略的に図示する。この状況が起こるとき、管路204の末端208の圧力は流量制御装置200の圧力よりも大きい。例えば、流量制御装置200が腹膜透析機であるならば、相対的な高さと圧力差の関係は計算される。対象者と透析機の高さの差が0.3m(1フィート)であるならば、透析機の圧力と、対象者に取り付けられたカテーテルの圧力の差はおよそ25mmHg(0.5psi)となる。明白なことであるが、透析機に対する対象者の位置が低いほど、カテーテルの圧力はより大きくなる。故に、上で議論した例に関して、透析機に対する対象者の相対高度を測定することが可能であるならば、安全枠を維持するためにポンピング圧を減少することができる。逆に言えば、上の例に関して、より低い圧力(より高い負圧)で液体を対象者から安全に抜き出すことができ、かつ、同じ安全枠を維持することができる。

図4は本発明の1つの実施の形態に従って相対高度を検出し液体ポンプ圧を調整する方法を示すブロックダイアグラムである。この実施の態様では、図2の流量制御システムを採用している。ポンプ300と310のうちの少なくとも1つの圧力は液体管路204の末端208の圧力に相関し、該末端圧力は高度差に相関する。膜を備えたシステムにおいて可撓性膜303、313がpV仕事のいくらかの部分を弾性エネルギとして蓄積し、その結果、釣り合いにおいて膜に垂直な方向に若干異なる圧力を生じさせるという理由により、上記相関関係は複雑である。故に、発明は、相対高度を測定する前に、測定値、相関関係、および関係の発展を与える。そのような相関関係がなければ、相対高度の推定は８割方間違っているであろう。発明者は、そのようなシステムの中の新しい膜がヒステレシスを示すことを発見した。そのようなヒステレシスは膜が繰り返して撓むことを明らかに減少させる。故に、膜を撓ませる他の始動手順が完了した後に較正を行うことができる。

様々な参考項目に関する図４を参照すると、少なくとも1つのポンプ300または310の圧力はプロセス401で較正される。プロセス402において、少なくとも1個のポンプ300又は310と管路204の間の流体連通が確立される。管路204に連通するポンプの静圧はプロセス403で測定され、管路と流量制御装置の相対高度はプロセス404で推定される。これは、ポンプで測定される静圧を使用し、かつ、高度差と圧力差(例えば、25mmHgあたり0.3m(1フィート))の既知の関係を使用することによって達成される。最後に、プロセス405において液体ポンプ圧を調整して高度差を得ることができる。

図5(a)は、図2の流体制御システムを使う本発明の実施の形態に従って始動プロセス及び較正プロセスを表すブロックダイアグラムを示す。プロセス501において液体空間302、312は空にされる。なぜなら、以前の手順において一方または両方の液体空間は部分的に充填されているかもしれないからである。両方の液体空間302、312が空にされた後に、プロセス502において両方の排出弁306、316は閉じられる。プロセス503において、両方の液体空間302、312を液体で重力式に満たす。この実施の形態では、図1に示すように、液体は、注入管路を介して、加熱された溶液バッグ202から得られる。溶液バッグ202が流量制御装置200上にあるので、溶液バッグ202と両ポンプ300、310の高度差から生じる静圧ヘッドは既知でありかつ小さい。溶液バッグ202が液体空間302、312より高いレベルに位置するので、液体空間302、312は重力式に満たされる。

制御空間301、311の圧力は、圧力変換器305と315を使用してプロセス504で測定される。変換器は、圧力を信号、望ましくは電気信号に変換するいかなる装置とすることができる。プロセス504で測定された圧力はゼロ静圧ヘッドとされる(すなわち、制圧ヘッドはゼロに定義される)。プロセス505において、両方のポンプ流入弁307と317が閉じられてオクルダーバー205が作動される。この閉じる順番とバーの作動の順番はどうでもよい。プロセス505の効果は、両液体空間302、312内及びオクルダーバー205の上流の排出管路20内の流体を絶縁することである。プロセス506において、両方の排出弁306、316は開かれる。両方の排出弁306と316を開くことにより、液体空間302と312の間に液体をポンプ送りすることを可能にするとともに、液体空間302、312内の総流体量を一定に維持することが可能になる。

プロセス507において、第１制御空間301は所定の正圧まで加圧される。選択される所定正圧は、想定される範囲の相対高度や圧力変換器305、315のダイナミックレンジなどの要素によって決定される。第１制御空間301は既知の静圧ヘッドとなる。第２制御空間311の圧力は圧力変換器315によってプロセス508で測定される。

2つの膜の圧力伝達に関する効果が同じであると仮定すると、2セットの圧力測定値から１つの関係が導かれ、この時点で、較正定数を計算することができる。しかしながら、発明の一層好ましい実施の形態において、プロセス507と508は繰り返される。このとき、プロセス509において、第１制御空間301は前選択された負圧（減少圧）を使用することでその減少した圧力とされ、第２制御空間の圧力はプロセス510で測定される。この実施の形態のプロセス511において、3セットの圧力計測値から１つの関係が得られ、較正定数は計算される。

図5(b)は図5(a)の始動プロセスと較正プロセスに続くプロセスを示すブロックダイアグラムである。プロセス512において、液体空間は302と312は再び重力式に満たされる。弁による排出はプロセス513で調整され、第２ポンプ310と排出管路204の間のみが連通される。調整は第１制御空間301を空にし第１排出弁306を閉じかつオクルダーバー205の作動を停止することによって達成される。これらの作動の結果、第２ポンプ310が排出管路204と連通するとともに、第２ポンプ310をシステムの残りの部分から絶縁する。プロセス514において、圧力変換器315は第２制御空間311の圧力を測定し、相対高度は、第２制御空間の圧力と、較正の間に発生する較正定数に基づいてプロセス515において推定される。

図6は、プロセス514で測定される圧力P_{(control volume)}(横軸) と、相対高度(縦軸)の座標を用いて２つの区分的線形適合（linear fit）をグラフ表示するものである。ヘッド圧は式１によって相対高度から決定することができる。

式１

縦軸上の点Ｈは、6つの較正圧力値から得られる線形適合に横軸上のP_{(control volume)}から垂線を立てることによって決定される。次に、液体管路204の末端208の圧力P_{(distal end)}は、高度差により、プロセス516において計算することができる。最終的に、プロセス517においてポンプ300、310の圧力を高さの差に対応するように調整することができる。

コンピュータプログラム製品を使用して本発明の方法を実行することができる。コンピュータプログラム製品は、コンピュータで読み込み可能なプログラムコードを持つコンピュータで使用可能なメディアを含む。コンピュータで読み込み可能なプログラムは、液体空間302又は312の圧力値を読んで記憶するためのプログラムコード、記憶された圧力値間の相関関係を計算して識別するためのプログラムコード、識別された相関関係に基づいて圧力値を計算するためのプログラムコード、および計算された圧力に基づいて高度差を推定するためのプログラムコードを含むことができる。コンピュータプログラム製品はまた、高度差に基づいて必要な液体ポンプ圧を計算するためのプログラムコードと、必要なポンプ圧に応じてポンプ圧を調整するためのプログラムコードを含むことができる。

コンピュータプログラム製品は、コントローラとして作動するデータプロセッシングユニットにより実行可能である。そのようなプロセッシングユニットは、ポンプ圧を調整することによって、末端208にポンプ送りされる流体の流量を調整することができる。例えば、液体管路204の末端208と流体制御システムが同じ高さであると計算により決定されるならば、安全のためにポンプ圧を75mmHg以上に高くしてより大きな流量を得ることができる。さらに、方法のすべてのプロセスはプロセッサのコントロールの下で実行することができる。管路204の末端208とシステムの高度差に基づいて末端208での安全圧の限界を記憶しておくメモリを設けることとしてもよい。次に、高度差に関するデータを受け取ることができるプロセッサは圧力レベルを計算し制御することができた。

上で説明したシステムにおいて、相対高度を測定するのに使用される液体空間は膜を含むポンプであるが、分離されたポンプ、制御空間、および液体空間とすることもでき、また、液体管路の末端までの流路に沿ってポンプから離れた異なる位置に液体空間と制御空間を配設することができる。そのような実施の形態では、液体空間とポンプまたは制御空間の高さの差が一定であるべきであり、高さの差は知られる。また、液体空間と加圧手段が同じ位置にある必要はなく、同様に第１と第２液体空間も別々の位置に配設可能であることが理解される。

請求の範囲に記載される本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、他の変更をなすことができることは当業者は理解できる。

従来技術の流量制御装置の斜視図である。 図1の装置に含むことができる膜を備えた流量制御システムを示す図である。 図3(a)は流量制御装置と液体管路末端の相対高度の関係を示す概略図である。 図3(b)は流量制御装置と液体管路末端の相対高度の関係を示す概略図である。 本発明の1実施の形態に従って相対高度を検出し液体ポンプ圧を調整する方法を示すブロックダイアグラムである。 図5(a)は、発明の別の実施の形態に従う較正及び調整方法を示すブロックダイアグラムである。 図5(b)は、発明の別の実施の形態に従う較正及び調整方法を示すブロックダイアグラムである。 図5の方法から得られる関係をグラフ表示するものである。

Claims (17)

1. 弁を介し第２位置に末端を有する液体管路と連通する少なくとも１つの液体空間を含む流量制御装置を第１位置に配設して、前記第１位置と前記第２位置間の高度差を決定するプロセッサに使用するコンピュータで読み込み可能なメディアを備えるコンピュータプログラム製品であって、コンピュータで読み込み可能なプログラムコードを持つコンピュータで使用可能なメディアを含み、前記コンピュータで読み込み可能なプログラムコードは、
   前記流量制御装置の液体空間に関する圧力値を読み取り記憶するプログラムコードと、
   前記流量制御装置で測定された圧力値と前記流路の末端での圧力値との関係を含む相関関係を算定し識別するプログラムコードと、
   前記識別された相関関係に基づいて前記第１位置と前記第２位置との間の流体圧力値の差を計算するプログラムコードと、
   前記計算された圧力値の差に基づいて前記第１位置と前記第２位置との高度差を推定するプログラムコードとを、
   含んでなるコンピュータプログラム製品。
2. 前記流量制御装置は前記液体管路の末端に流体をポンプで送るように構成されており、
   前記第１位置と前記第２位置との高度差に基づいて必要なポンピング圧を計算するプログラムコードと、
   前記必要なポンピング圧に従って前記流量制御装置のポンピング圧を調整するプログラムコードとを、
   さらに含んでなる請求項１のコンピュータプログラム製品。
3. 液体ポンプ圧を調整するプロセッサに使用するコンピュータプログラム製品であって、流量制御装置を第１位置に配設して液体管路を通じて液体をポンプで送るように構成され、前記流量制御装置は弁を介し第２位置に末端を有する液体管路と連通する少なくとも１つの液体空間を含み、前記コンピュータプログラム製品は、コンピュータで読み込み可能なプログラムコードを持つコンピュータで使用可能なメディアを含み、前記コンピュータで読み込み可能なプログラムコードは、
   前記流量制御装置の前記液体空間に関するポンプの複数の圧力値を読み取り記憶するプログラムコードと、
   前記流量制御装置で測定された圧力値と前記液体管路の末端の圧力値間の関係を含む相関関係を算定し識別するプログラムコードと、
   前記識別された相関関係に基づいて前記第１位置と前記第２位置との流体圧力値の差を計算するプログラムコードと、
   前記流体圧力値の差に基づいて必要なポンピング圧を計算するプログラムコードとを、
   含んでなるコンピュータプログラム製品。
4. 弁を介し第２位置に連通する少なくとも１つの液体空間を含む流量制御装置を第１位置に配設して、前記第２位置は液体管路の末端と流体連通し、前記第１位置と前記第２位置間の高度差を決定する複数の命令を有するコンピュータで読み込み可能なメディアを備えるコンピュータプログラム製品であって、プロセッサにより実行されたときに前記プロセッサに：
   前記液体空間の圧力を較正すること；
   前記液体空間と前記末端との連通を確立すること；
   前記液体空間に関する圧力を測定すること；および
   前記測定された圧力に従いポンプ圧を調整すること；
   を含む操作を行わせるコンピュータプログラム製品。
5. 前記液体空間の圧力を較正することは：
   前記液体空間を前記末端から絶縁すること；
   前記液体空間と圧力連通する１つの制御空間の第１較正圧を測定すること；
   前記液体空間を加圧すること；および
   前記制御空間の第２較正圧を測定すること；
   を含んでなる、請求項４のコンピュータプログラム製品。
6. 複数の命令を有するコンピュータで読み込み可能なメディアを備えるコンピュータプログラム製品であって、プロセッサにより実行されたときに前記プロセッサに：
   液体管路の末端とバルブを介して連通する液体空間を有する流量制御装置に関する圧力値を読み取り記憶すること；
   前記末端から絶縁された前記流量制御装置と、前記末端と連通した前記流量制御装置とで測定された圧力値の圧力値間の関係を有する相関関係を算定し識別すること；
   前記識別された相関関係に基づいて前記流量制御装置と前記液体管路の末端との圧力値の差を計算すること；および
   前記計算された圧力値の差に基づいて前記流量制御装置と前記液体管路の末端との高度差を推定すること；
   を含む操作を行わせるコンピュータプログラム製品。
7. 複数の命令を有するコンピュータで読み込み可能なメディアを備えるコンピュータプログラム製品であって、プロセッサにより実行されたときに前記プロセッサに：
   液体管路の末端とバルブを介して連通する少なくとも１つの膜ポンプからの流体圧力値を読み取り記憶することであって、前記圧力値は、前記液体管路の末端から絶縁された前記膜ポンプと、前記液体管路の末端と連通した前記膜ポンプとの２つの状態で読み取られること；
   前記２つの状態での圧力値間の差を算定し識別すること；および
   前記圧力値間の差に基づいて前記膜ポンプと前記液体管路の末端との間の高度差を推定すること；
   を含む操作を行わせるコンピュータプログラム製品。
8. 前記膜ポンプの圧力を調整することをさらに含む、
   請求項７のコンピュータプログラム製品。
9. 前記少なくとも１の膜ポンプは、空気圧駆動の膜ポンプである、
   請求項８のコンピュータプログラム製品。
10. 前記膜ポンプの膜は、可撓性膜である、
    請求項９のコンピュータプログラム製品。
11. 前記膜ポンプは、カセットに形成される；
    請求項１０のコンピュータプログラム製品。
12. 複数の記憶された命令を有するコンピュータで読み込み可能なメディアを備えるコンピュータプログラム製品であって、腹膜透析機を制御するプロセッサにより実行されたときに前記腹膜透析機に：
    透析物を送り出す少なくとも１つの膜ポンプであって、前記膜ポンプで送り出される前記透析物の流量を制御する少なくとも１つのバルブと流体連通する膜ポンプの圧力を決定すること；
    前記膜ポンプと流体連通する液体管路の末端の圧力を決定すること；
    前記少なくとも１つの膜ポンプの圧力と前記液体管路の末端の圧力との間の圧力差を算定すること；および
    前記ポンプに対する前記末端の位置を決定するために前記圧力差の相関関係を示すこと；
    を含む操作を行わせるコンピュータプログラム製品。
13. 前記膜ポンプの圧力を調整することをさらに含む；
    請求項１２のコンピュータプログラム製品。
14. 前記少なくとも１つの膜ポンプは、空気圧駆動の膜ポンプである；
    請求項１３のコンピュータプログラム製品。
15. 前記膜ポンプの膜は、可撓性膜である；
    請求項１４のコンピュータプログラム製品。
16. 前記膜ポンプは、カセットに形成される；
    請求項１５のコンピュータプログラム製品。
17. 前記空気圧駆動は、前記膜を前記カセットに押し付ける；
    請求項１６のコンピュータプログラム製品。

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