CN111182929A

CN111182929A - 用于体外去除二氧化碳的系统、装置和方法

Info

Publication number: CN111182929A
Application number: CN201880065181.2A
Authority: CN
Inventors: S·P·凯勒; B·Y·张; J·王
Original assignee: S PKaile
Current assignee: X-COR Pharmaceuticals Co.,Ltd.
Priority date: 2017-09-17
Filing date: 2018-09-17
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2038-09-17
Also published as: JP2020535859A; CA3075762A1; MX2020002828A; EP3681554A4; US20230293790A1; WO2019055933A2; AU2018333947A1; BR112020004994A2; EP3681554A2; US20200261635A1; CN111182929B; WO2019055933A3; US11712502B2

Abstract

提供了用于从目标流体例如像血液中去除二氧化碳以治疗高碳酸血症呼吸衰竭或另一种病状的系统、装置和方法。提供了一种装置，其包括第一膜部件和第二膜部件，用于从所述流体中去除溶解的气态二氧化碳和碳酸氢根，这可以同时进行。所述装置可以呈被构造成用于透析系统中的筒的形式。还提供了一种治疗方法，其包括从患者体内抽出血液以及使所述患者的血液与具有穿过其中的清除气体的第一膜部件和具有穿过其中的透析液的第二膜部件接触。可以选择所述透析液的组成，从而维持电荷中性。

Description

用于体外去除二氧化碳的系统、装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年9月17日提交的美国临时专利申请号62/559,583的权益，所述申请的全部内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本公开涉及用于低流量体外去除二氧化碳以治疗例如高碳酸血症呼吸衰竭的系统、装置和方法。

背景技术

高碳酸血症呼吸衰竭(HRF)是在受试者的肺不能使用正常呼吸从受试者体内去除二氧化碳(CO₂)时发生的严重病状。因此，肺泡通气不足导致血液中累积过量水平的二氧化碳。HRF是多种通气疾病的表现形式，这些通气疾病包括但不限于：慢性阻塞性肺病(COPD)(通常称为肺气肿和/或慢性支气管炎)、哮喘、囊性纤维化、肥胖通气不足综合征、肺纤维化、慢性肺同种异体移植功能障碍、闭塞性细支气管炎综合征、神经肌肉障碍诸如肌萎缩侧索硬化和肌营养不良、重症肌无力、炎性神经肌肉障碍诸如多肌炎、中风、甲状腺功能减退、通气控制的神经障碍、胸壁畸形诸如漏斗胸、以及电解质异常例如像低磷酸盐血症和低镁血症。人体中存在的CO₂量增加在临床上测量为血液中的CO₂浓度增加，其病因与呼吸驱动受损(例如，中风或肥胖性通气不足)、神经肌肉功能降低(例如，肌营养不良或肌萎缩性侧索硬化)和原发性肺病例如像COPD或间质性肺病相关。

HRF的治疗包括使用补充氧和非侵入性通气支持。目前的标准要求危重患者和对非侵入性治疗无响应的患者经由插管和完全机械通气来治疗。用于治疗HRF的机械呼吸器支持是需要入住重症监护室(ICU)的昂贵程序，并且实际上可能加重患者的病状。

因此，已经开发了体外二氧化碳去除(ECCO₂R)技术，其不需要插管和外部呼吸器支持。使用称为充氧器的气体交换装置的ECCO₂R系统已经在专业医院中在特别病例下用于治疗深度缺氧呼吸衰竭，以便将氧气递送到静脉血并从静脉血中去除二氧化碳。由于少量CO₂以气态形式溶解在血液中(约5％)，为了实现临床上显著的CO₂去除，ECCO₂R方法通常需要以大流速从患者体内抽出血液，以增加暴露于ECCO₂R装置的气态CO₂的量。使用高流速需要使用具有大孔径的抽取套管。而且，在患者体内安全且适当地放置大孔径套管需要专业的临床专业技术。然而，在将受益于ECCO₂R系统的医院中可能没有管理此类装置的训练有素的专业医疗专业人员和支持人员。由于这个原因和其他原因，ECCO₂R系统的临床应用仍然有限。

因此，仍然需要比现有方法侵入性小并且不依赖于专业临床专业技术的改进的ECCO₂R系统和方法。

发明内容

因此，在一些方面，本发明提供使用不依赖于用于患者治疗的高度专业化临床专业技术的低侵入性且更有效的方法进行体外CO₂去除的装置、系统和方法。传统的ECCO₂R技术仅去除气态CO₂。然而，身体的总CO₂储备很多是以碳酸氢根离子的形式保持，其经由内源酶碳酸酐酶迅速相互转化成CO₂。CO₂的这种隔离需要长期使用高侵入性装置，直到气态CO₂和碳酸氢根的水平都降低到生理学水平。

在一些实施方案中，提供了可以从被诊断患有HRF或表现出不能去除患者血液中的CO₂积聚的任何其他病状的患者的血液中去除过量的溶解的CO₂和过量的碳酸氢根的装置、系统和方法。可以将溶解的CO₂和碳酸氢根从患者体内去除，并提供足以独立于其他支持形式操作的CO₂清除率，并使患者恢复到生理学基线，在血液溶解的CO₂浓度的全范围内，其中所述生理学基线的下限为约20mmol/L，其上限为120mmol/L或更大。通过至少部分地同时去除碳酸氢根和溶解的气态CO₂，不依赖于气态CO₂浓度实现了更大量的有效CO₂的去除。通过将焦点转移到较大范围且全身的pH平衡以及CO₂去除，捕获碳酸氢根离子和溶解的CO₂允许较低的流速和缩短的治疗时间。

可以低流速例如像小于400ml/min的速率从患者体内抽取血液。因此，与需要较大血管通路工具的现有方法相比，可以利用尺寸较小的导管或另一通路工具来抽取血液。这样，可以在具有护理或传统临床工作人员的任何医疗设施中操作所述装置和系统，因此不需要高度专业的医师参与。在一些实施方案中，可以采用与用于肾透析的血管通路工具相同类型的血管通路工具，并且所描述的技术因此可以用于在具有透析基础设施的社区医院和诊所中施用治疗。所描述的技术的另一个优点是它们允许更有效地去除二氧化碳，同时维持血液pH在所需水平下并维持总体系统稳态。可以利用不同的膜部件从患者血液中去除溶解的CO₂和碳酸氢根，这可以至少部分地同时或以任何合适的顺序进行。

在所描述的实施方案中，提供具有包括第一膜部件和第二膜部件的装置或筒的系统。所述第一膜部件可以具有穿过其中的清除气体(sweep gas)，并且所述第二膜部件可以具有穿过其中的透析液组合物或透析液。目标流体例如像血液或另一种流体可以在第一膜部件和第二膜部件的一侧穿过所述装置，并且所述清除气体和透析液可以分别在第一膜部件和第二膜部件的另一侧穿过所述装置。

在所描述的实施方案中，透析液促进从目标流体中去除碳酸氢根。透析液可以是具有零或少量碳酸氢根的液体组合物。可以选择透析液的组成来维持电荷中性。可以让透析液穿过碳酸氢根可半渗透的第二膜部件，以通过第二膜部件从与透析液分离的目标流体中去除碳酸氢根。在使用所描述的系统进行治疗期间可以测量目标流体的电解质含量，并且可以相应地调节透析液的流速和/或含量，以维持电荷中性。

在一些方面，提供一种用于从流体中去除二氧化碳的体外系统。所述系统可以包括筒主体、第一膜部件、第二膜部件、与第一膜流体连通的第一入口、与所述第一膜部件流体连通的第一出口、与所述第二膜部件流体连通的第二入口和与所述第二膜部件流体连通的第二出口。所述筒主体具有空腔、在所述主体的第一端部和第二端部之间延伸的纵向轴线、邻近所述第一端部的流体入口和邻近所述第二端部的流体出口。设置在所述空腔内的第一膜部件被构造成从沿第一方向从流体入口朝向流体出口传送的流体中去除气态二氧化碳。设置在所述空腔内的第二膜部件被构造成从在流体入口和流体出口之间传送的流体中去除碳酸氢根。与第一膜部件流体连通的第一入口被构造成将清除气体递送到第一膜，使得清除气体沿第二方向穿过第一膜，并且与第一膜部件流体连通的第一出口被构造成接收穿过第一膜的清除气体。与第二膜部件流体连通的第二入口被构造成将透析液递送到第二膜，使得透析液沿第三方向穿过第二膜，并且与第二膜部件流体连通的第二出口被构造成接收穿过第二膜的透析液。

在一些方面，提供了一种用于从流体中去除气态二氧化碳和碳酸氢根的方法。所述方法可以包括经由与患者身体流体连通的插管从患者体内移出流体；以及使所述流体进入包括第一膜部件和第二膜部件的体外壳体，使得所述流体与所述第一膜部件和所述第二膜部件中的至少一个的外表面接触。所述方法还可以包括使清除气体穿过第一膜部件以使气态二氧化碳从流体转移到清除气体中；使透析液穿过第二膜部件以使碳酸氢根从流体转移到透析液中；以及在流体已经穿过壳体之后使流体离开壳体，从而从流体中去除气态二氧化碳和碳酸氢根。

在一些方面，提供了一种用于治疗高碳酸血症呼吸衰竭(HRF)的方法。在一些实施方案中，所述方法包括选择需要HRF治疗的患者；以小于400ml/min的速率从所述患者体内抽出血液；以及使所述血液经受被构造成从血液中去除气态CO₂和碳酸氢根的至少一个膜以使血液中的二氧化碳水平达到基线水平。

在一些方面，提供了一种用于治疗高碳酸血症呼吸衰竭(HRF)的方法。在一些实施方案中，所述方法包括选择需要HRF治疗的患者；以小于400ml/min的速率从所述患者体内抽出血液；使所述血液经受被构造成从血液中去除气态CO₂的第一膜部件，所述第一膜部件让清除气体穿过；以及使所述血液经受被构造成从血液中去除碳酸氢根的第二膜部件，所述第二膜组件让碳酸氢根去除液体穿过。所述碳酸氢根去除液体可以具有零碳酸氢根以及允许在第二膜部件处维持电荷中性的浓度的钠和氯。在一些实施方案中，所述清除气体具有零气态CO₂。

在以下所附说明书中陈述本发明的细节。虽然在本发明的实践或测试中可以使用与本文所描述的那些方法和材料类似或等效的方法和材料，但现在描述说明性的方法和材料。由说明书和权利要求书中将显而易见本发明的其他特征、目的和优点。在说明书和所附权利要求书中，单数形式还包括复数，除非上下文另外清楚地指出。除非另外定义，否则本文所用的所有技术和科学术语都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

附图说明

图1是示出根据一些实施方案的用于从患者血液中去除二氧化碳的系统的示意图。

图2是示出用于从患者血液中去除二氧化碳的系统的示意图，所述系统包括再调控流体组分。

图3是根据实施方案的设置在用于从患者血液中去除二氧化碳的系统的筒中的第一膜部件和第二膜部件的实施例的横截面图。

图4是根据实施方案的设置在用于从患者血液中去除二氧化碳的系统的筒中的第一膜部件和第二膜部件的另一实施例的横截面图。

图5是部分透明的侧视横截面图，其示意性地示出用于从患者血液中去除二氧化碳的系统的筒中的第一膜部件和第二膜部件，并且示出清除气体流通过筒的方向和透析液流通过筒的方向。

图6是示出根据一些实施方案的用于从患者血液中去除二氧化碳的系统的方框图。

图7A是根据一些实施方案的筒壳体的透视分解图。

图7B是图7A的筒壳体的侧视横截面图。

图8A是筒壳体的端帽的横截面图，其示出所述端帽的内表面。

图8B是图8A的端帽的侧视横截面图。

图8C是图8A的端帽的另一侧视截面图。

图8D是图8A的端帽的透视图。

图9是示出根据一些实施方案的用于从患者血液中去除二氧化碳的系统的实例的方框图。

图10是示出根据一些实施方案的用于从患者血液中去除二氧化碳的系统的另一实例的方框图。

图11是示出根据一些实施方案的用于从患者血液中去除二氧化碳的系统的另一实例的方框图。

图12是示出根据一些实施方案的用于从患者血液中去除二氧化碳的系统的另一实例的方框图。

图13示出如体外实验期间确定的在不同透析液摩尔浓度下的碳酸氢根捕获和脱靶离子捕获效率。

图14示出在单个动物实验的时间过程期间使用血气分析获得的CO₂负荷的值。捕获效率(％)由在约上午10:45至约下午13:20的时间段内获得的CO₂负荷的测量值(mEq/L)确定，其中以预定间隔对动脉血、治疗前的静脉血和治疗后的静脉血进行连续测量。捕获效率被确定为类似于在台式测试期间确定的捕获效率，并且观察到与CO₂负荷的弱关系。作为参考，在时间点13:00，从下到上，具有圆图指标的曲线为：装置后、动脉和装置前。

图15示出由动物模型实验确定的在不同CO₂负荷(mEq/L)下的膜二氧化碳捕获效率(％)。

图16示出由于急性干预和装置功能引起的pH值变化。在从上午约10:45到下午约13:20的时间段内测量pH值，其中对动脉血、治疗前的静脉血和治疗后的静脉血进行连续测量。发现装置操作引起pH的净增加，这有助于抵消由急性干预诱发的快速下降。作为参考，在时间点13:00，从下到上，具有圆图指标的曲线为：装置前、动脉和装置后。

图17示出经历由肺功能损失～50％触发的恶化的假设患者的计算模型的性能。使用根据所描述技术的装置、使用动物模型实验结果进行的治疗能够在20分钟内使患者的血液二氧化碳含量恢复到其生理学基线。

具体实施方式

本文所述的装置、系统和方法提供了用于以复杂性降低的体外方式从患者血液或另一种流体中安全且有效地去除二氧化碳的技术。

尽管存在几种体外二氧化碳去除(ECCO₂R)方法，但是它们通常依赖于高速血流，因为它们是以去除气态CO₂为基础。因此，它们部署复杂，并且可能导致患者病状的恶化。

在血液中，CO₂以(1)溶解的气体(约5％)，(2)结合血红蛋白(～5％)，以及(3)作为碳酸氢根(HCO₃ ^-)离子的组分(约90％)的形式存在，所述碳酸氢根离子是经由在由人红细胞中碳酸酐酶催化的反应中的CO₂水合作用产生的。由于总CO₂中的少部分作为溶解的气体存在于血液中，传统的ECCO₂R方法需要使用具有大孔径的抽血插管，以便产生足够的血流以实现临床上显著的CO₂去除，这可以比累积更快的速率且在治疗上可行的时间量程内降低总CO₂含量。这种套管的安全且适当的放置需要专门的临床专业技术。然而，在具有ECCO₂R系统的医院中，可能不总是有训练有素的专业医疗专业人员。由于这个原因和其他原因，ECCO₂R系统的临床应用仍然有限。

因此，为了克服上述缺点，本文所述的技术通过去除溶解在血液中的气态CO₂以及作为静脉血中有效CO₂的最大(约90％)生理学储存的碳酸氢根来提供足够的二氧化碳去除。这种混合方法允许以小于400ml/min的流速抽出患者的血液，并且因此可以利用具有较小直径的导管(其侵入性更小并且更易于定位)。从患者血液中去除气态CO₂和碳酸氢根，同时维持稳态并防止血液pH水平的不期望的局部变化。在一些实施方案中，ECCO₂R装置的局部pH控制和将全身的CO₂负荷降低回到生理学水平驱动了稳态pH水平的恢复。

所描述的技术可以用于治疗患有不同程度的呼吸衰竭的患者，并且不限于应用到依赖于机械通气支持的患者。在一些实施方案中，所描述的技术可以用于从流体例如像血液中去除二氧化碳，所述流体含有约20mmol/L至约120mmol/L(例如，约20mmol/L、或约30mmol/L、或约40mmol/L、或约50mmol/L、或约60mmol/L、或约70mmol/L、或约80mmol/L、或约90mmol/L、或约100mmol/L、或约110mmol/L、或约120mmol/L)的二氧化碳，并且使患者血液中的CO₂含量恢复到约23mmol/L至约29mmol/L(例如，约23mmol/L、或约24mmol/L、或约25mmol/L、或约26mmol/L、或约27mmol/L、或约28mmol/L、或29mmol/L)的基线水平。根据一些实施方案的技术允许使患者血液中的二氧化碳含量有效地达到基线水平，同时以小于400ml/min(例如，小于约400ml/min、或小于约350ml/min、或小于约300ml/min、或小于约250ml/min、或小于约200ml/min、或小于约150ml/min、或小于约100ml/min、或小于90ml/min、或小于80ml/min、或小于70ml/min、或小于60ml/min、或小于50ml/min、或小于40ml/min、或小于30ml/min、或小于约25ml/min)的流速抽取血液，而一些现有方法依赖于大于500ml/min以及通常大于1L/min的血管通路流速。因此，根据一些实施方案的装置、系统和方法采用用于从患者身体抽取血液的导管或通路套管，所述导管具有约8Fr至约13Fr(例如，约8Fr至约12Fr、约8Fr至约11Fr、或约8Fr至约10Fr、或约8Fr至约9Fr、或约9Fr至约13Fr、或约9Fr至约12Fr、或约9Fr至约11Fr、或约9Fr至约10Fr、或约10Fr至约12Fr、或约11Fr至约12Fr、或约12Fr至约13Fr、或约8Fr、或约9Fr、或约10Fr、或约11Fr、或约12Fr、或约13Fr)的尺寸。用于以低流速采集血液的尺寸减小的导管可以创伤较小的方式定位在患者体内，从而减少或消除临床错误的可能性。

在所描述的实施方案中，碳酸氢根连同气态二氧化碳是目标捕获物质。在一些方面，用于从血液中去除碳酸氢根的透析液具有促进碳酸氢根从血液中去除的组成，该去除可以至少部分地与从血液中去除气态二氧化碳同时或基本上同时进行。在一些实施方案中，用于从血液中去除碳酸氢根的透析液包含零碳酸氢根。在其他方面，碳酸氢根可以在透析液中存在的浓度小于约38mmol/L(例如，小于约35mmol/L、或小于约30mmol/L、或小于约25mmol/L、或小于约20mmol/L、或小于约15mmol/L、或小于约10mmol/L、或小于约5mmol/L、或小于约4mmol/L、或小于约3mmol/L、或小于约2mmol/L、或小于约1mmol/L)。

在所描述的技术中，用于从血液中去除碳酸氢根的透析液可以包含浓度有利于以维持电荷中性的方式去除碳酸氢根的钠和/或氯，如下面更详细地描述。带负电荷的碳酸氢根离子从血液转移到透析液中可以通过将带正电荷的离子从血液转移到透析液中或将带负电荷的离子从透析液转移到血液中来保持电中性。因此，具有不同转运动力学和膜转运意义的离子的共转运或反向转运可以用于根据所描述的技术的实施方案中，同样如下面更详细地描述。

因为在所描述的实施方案中，碳酸氢根和溶解的CO₂都至少部分地同时或以合适的顺序从血液或另一种流体(例如，血浆)中去除，所以不会发生将pH改变到超过正常生理学水平的不期望的化学平衡的大量移动。在一些实施方案中，血液的局部碱度在治疗上可能是期望的，使得患者的总体状态免于酸中毒。所述局部碱度可能在正常生理学水平之外，但受到控制。

根据所描述的技术的体外系统或回路可以具有各种构造。图1示出用于从流体中去除气态CO₂和碳酸氢根形式的二氧化碳的体外系统100的实例，其也可以被称为体外回路，其中可以实施本文所述的一些实施方案。如所示，系统100包括筒或筒壳体102，其可以是其中具有腔室或空腔104的细长构件。在一些实施方案中，筒102可以是大致管状的构件，但是其可以具有其他形状。筒壳体102具有在壳体102的第一端部106a和第二端部106b之间延伸的纵向轴线A1、邻近第一端部106a的流体入口108和邻近第二端部106b的流体出口110。流体例如像血液可以经由导管101从患者体内抽取，通过流体入口108递送到空腔104中，并且从流体入口108朝向流体出口110穿过空腔106。血液可以使用合适的抗凝技术处理，所述抗凝技术可以是与用于透析或其他程序的预调控血液类似或相同的技术。导管101可以是被构造成通入患者的血管系统的任何合适的通路工具。

在示出的实施方案中，导管101具有尺寸为约8Fr至约13Fr(例如，约8Fr至约12Fr、约8Fr至约11Fr、或约8Fr至约10Fr、或约8Fr至约9Fr、或约9Fr至约13Fr、或约9Fr至约12Fr、或约9Fr至约11Fr、或约9Fr至约10Fr、或约10Fr至约12Fr、或约11Fr至约12Fr、或约12Fr至约13Fr、或约8Fr、或约9Fr、或约10Fr、或约11Fr、或约12Fr、或约13Fr)的外径。与用于其他体外装置的导管或套管相比尺寸减小的导管可以由没有经过高度专业化训练的临床医生部署。此外，放置这种尺寸减小的导管对患者的创伤较小，因此降低了并发症的可能性。

图1示意性地示出血液从流体入口108沿第一方向109沿纵向轴线A1朝向流体出口110传送。血液可以经由输入管线105以小于约400ml/min的流速从患者体内抽取。例如，可以约100mL/min、约125mL/min、约150mL/min、约175mL/min、约200mL/min、约225mL/min、约250mL/min、约275mL/min、约300mL/min、约325mL/min、约350mL/min、约375mL/min、约400mL/min的平均速率或上述值之间的任何流速从患者体内抽取血液，使得存在血液向前通过回路的大量移动。在血液已经穿过筒102之后，返回管线107将处理过的血液递送回到患者的血管系统中。输入管线105和返回管线107可以具有图1中未详细示出的管道、通路端口和其他合适的部件。

如图1所示，系统100可以包括被构造成操作来从患者P泵出血液并使血液穿过筒壳体102的泵103。然而，应当理解，在一些实施方案中，系统100可以不包括泵，并且使血液经由其他方式穿过筒。

在所描述的实施方案中，当血液穿过筒壳体102时，呈溶解的气态CO₂和碳酸氢根的形式的过量的二氧化碳(CO₂)从患者的血液中去除。例如，在一些实施方案中，筒包括分别提供与液体(例如，透析液液体)和气体的液-液和液-气交换界面的部件。使患者的血液与这种交换界面接触，并且透析液液体和气体充当用于相应交换界面的清除组分。

因此，如图1所示，内腔104包括被构造成从自流体入口108朝向流体出口110传送的流体中去除气态CO₂的第一膜部件112，以及被构造成从自流体入口108朝向流体出口110传送的流体中去除碳酸氢根的第二膜部件114。在一些实施方案中，第一膜部件112和第二膜部件114可以各自呈多个中空纤维的形式，所述中空纤维在第一膜部件112和第二膜部件114中可以具有一种或多种不同的性质。在一些实施方案中，第二膜部件114可以是超滤膜。应当注意，第一膜部件112和第二膜部件114可以呈具有各种性质的一个或多个其他元件的形式。

如图1进一步显示，筒102包括第一入口116，其与第一膜部件112流体连通并被构造成将清除气体从气体源118递送到第一膜部件112。清除气体源118可以递送气体或气体混合物例如像加压空气或可以等效于室内空气的另一种气体。在示出的实施方案中，清除气体可以具有零至低浓度的CO₂。例如，清除气体可以具有低含量的CO₂，例如约0百万分率(ppm)至约66,000ppm。在一些实施方案中，包含零至低CO₂的清除气体可以是具有100％氧气，或100％氮气，或100％氩气，或氮气、氧气和/或氩气的任何组合的气体。在一些实施方案中，清除气体可以是包含78％氮气、21％氧气和1％痕量气体的室内空气。然而，清除气体可以具有任何其他合适的含量。在所描述的实施方案中，清除气体是生物相容性的且惰性的，并且在所述清除气体中不使用例如像一氧化碳的气体。系统100操作，使得清除气体沿第二方向(图1中箭头111示意性地显示)穿过第一膜部件112，使得清除气体经由与第一膜部件112流体连通的第一出口120离开(箭头121)筒102。应当理解，根据第一膜部件112在筒102内的构造和位置，当清除气体穿过筒102时，其方向可以改变。

筒102还包括第二入口122，其与第二膜部件114流体连通并被构造成将透析液流体从透析液源124递送到第二膜部件114。在示出的实施方案中，透析液的碳酸氢根浓度小于血液被处理之前血液中的碳酸氢根浓度。因此，在一些实施方案中，透析液具有零碳酸氢根。另外地或可替代地，透析液可以具有促进离子物质共转运跨越第二膜部件114以维持电中性的钠水平(例如，约0mmol至约200mmol)。

碳酸氢根是带电荷离子，并且任何碳酸氢根对抗浓度梯度跨膜(例如，半渗透膜)的扩散将起作用以产生抵消碳酸氢根的进一步净扩散的电场。因此，在所描述的实施方案中，维持由半渗透膜分开的两个隔室或区域之间的净电荷中性，以允许碳酸氢根跨越半渗透膜扩散，用于对处理过的流体(例如，血液)进行充分碳酸氢根去除。在一些实施方案中，将碳酸氢根转运与另一种离子的转运结合可以提供电荷平衡或电荷中性的维持，所述另一种离子是沿相同方向移动的正离子或沿相反方向移动的负离子。

在一些实施方案中，透析液可以具有促进钠从血液向透析液转运以与碳酸氢根转运结合以维持电荷中性的钠水平。体内存在的其他正离子包括钙、镁和钾，但是在体内存在的正离子中，钠是以足以根据所描述的技术用于维持电荷中性的目的的浓度存在。此外，在治疗期间钠的损失可以通过在治疗后输注NaOH(或一种或多种其他钠盐)来补偿。

在一些实施方案中，透析液可以具有促进氯从透析液转运到血液中以与碳酸氢根转运结合以维持电荷中性的氯水平。

在所描述的实施方案中，可以选择透析液组成，使得透析液促进钠从血液向透析液转运以及碳酸氢根从血液向透析液转运，或者透析液促进氯从透析液向血液转运以及碳酸氢根从血液向透析液转运。无论是利用共转运(例如，Na-HCO₃共转运)还是反向转运(例如，Cl-HCO₃反向转运)方法，都选择透析液组成来维持电荷中性。

在一些实施方案中，基于患者血液(或可以使用所描述的技术处理的另一目标流体)的性质选择促进碳酸氢根跨越膜部件扩散的透析液组成。例如，可以基于患者血液中钠和/或氯的含量来选择透析液组成。因此，在一些实施方案中，如果确定患者具有较高起始Na水平(例如，大于约140mEq/L、或大于约150mEq/L、或大于约155mEq/L)，则可以利用Na-HCO₃共转运方法以从患者血液中去除碳酸氢根。可选地，如果确定患者具有较低起始Na水平(例如，小于约140mEq/L、或小于约135mEq/L、或小于约130mEq/L、或小于约125mEq/L、或小于约120mEq/L)，则可以利用Cl-HCO₃反向转运以从患者血液中去除碳酸氢根。共转运方法和反向转运方法(以及对应透析液组成)之间的选择可以另外地或可替代地基于其他因素进行，所述因素例如像一种或多种患者特征、患者的医疗病状、患者的先前病史和治疗等)。

在一些实施方案中，透析液的钠和氯浓度可以基于患者的血容量来选择，并且可以根据患者的血容量利用离子跨越与透析液(例如，碳酸氢根可半渗透的透析液)接触的膜的共转运或反向转运。例如，当患者血液具有增加的钠浓度时，可以利用共转运机制，在这种情况下，选择透析液钠浓度低于患者血液中的钠浓度，而透析液中的氯浓度可以与患者血液中的氯浓度大致相同。例如，如果患者的静脉血具有约150mEq/L的钠浓度(钠的正常生理学浓度为约140mEq/L)和约110mEq/L的氯浓度，以促进钠和碳酸氢根从血液共转运到透析液，则可以将透析液制备成使得其具有约110mEq/L的钠浓度、约110mEq/L的氯浓度和零碳酸氢根。这样，钠和碳酸氢根将从血液移动到透析液。

在选择透析液组成以促进钠和碳酸氢根从患者血液共转运到透析液的实施方案中，透析液可以具有约90mEq/L至约180mEq/L(例如，约90mEq/L、或约100mEq/L、或约110mEq/L、或约120mEq/L、或约130mEq/L、或约140mEq/L、或约150mEq/L、或约160mEq/L、或约170mEq/L、或约180mEq/L)的钠浓度。如上所述，透析液中钠浓度的上限可以基于患者血液中钠的浓度来确定。

在一些实施方案中，透析液具有零碳酸氢根，并且选择其组成以促进氯从透析液反向转运到血液以及碳酸氢根从血液反向转运到透析液。在一些实施方案中，为了利用反向转运，将透析液中的氯浓度选择为高于患者血液中的氯浓度，同时将透析液中的钠浓度选择为与患者血液中的钠浓度大致相同。当患者的血液具有降低的钠浓度时，可以利用反向转运机制。例如，如果患者的静脉血具有约130mEq/L的钠浓度(钠的正常生理学浓度为约140mEq/L)和约110mEq/L的氯浓度，以促进氯和碳酸氢根从血液反向转运到透析液，则可以制备透析液以使得其具有约130mEq/L的钠浓度、约140mEq/L的氯浓度和零碳酸氢根。氯浓度的下限可以通过患者血液的钠浓度来确定。透析液可以具有约80mEq/L至约170mEq/L(例如，约80mEq/L、或约90mEq/L、或约100mEq/L、或约110mEq/L、或约120mEq/L、或约130mEq/L、或约140mEq/L、或约150mEq/L、或约160mEq/L、或约170mEq/L)的氯浓度，其下限由患者的钠浓度确定。

钠和氯是人体中的主要离子，并且在所描述的实施方案中，可以选择它们包含在透析液中，以便不会诱发血容量的过度变化，使得透析液对于患者是安全的。应当注意，可以使用所描述的技术处理血液一定持续时间，选择所述血液以便不引起返回血液的不期望的低钠和/或氯水平。

在一些实施方案中，除了钠和/或氯之外或代替钠和/或氯，可以选择其他离子，并且将维持透析液/血液界面中的电中性。在此类实施方案中，血液将需要补充氯和钠。

在一些实施方案中，不管是采用共转运方法还是反向转运方法，在治疗期间可以调节透析液组成，以抵消电解质梯度中的任何不期望的变化。这样，可以维持电荷中性。例如，可以分析穿过包括一个或多个膜的装置(例如，图1的筒102)的患者血液的电解质含量，并且可以基于分析结果确定是否调节透析液的组成。患者血液的电解质含量可以经由合适的实验室测试(例如，基本代谢功能检验)或使用另外的一种或多种方法来确定。

此外，在一些实施方案中，所述装置可以包括被构造成在血液正穿过筒时测量血液的电解质含量的一个或多个电解质传感器。图1显示系统100可以包括被构造成测量筒中血液的电解质含量的电解质传感器115，并且可以将所获得的测量值用于确定血液中的钠和/或氯水平是否已经改变到超过阈值以及是否需要调节这些水平。应当理解，电解质传感器115在图1中以举例的方式示出，因为系统100可以包括定位在合适位置处以测量设置在筒102内的流体电解质含量的多于一个电解质传感器。

应当理解，配制用于从血液或另一种流体中去除碳酸氢根的透析液可以具有其他合适的组成。例如，在一些方面，透析液的非限制性实例包括血浆溶液、水溶液或可以穿过装置以促进经由离子转运进行的血液或其他流体处理的任何其他液体或非液体流体。此外，在膜不是阴离子特异性的而仅是尺寸特异性的实施方案中，可以使用阴离子。

返回参考图1，系统100可以操作来使得透析液沿第三方向(在图1中由箭头113示意性地显示)穿过第二膜部件114，并且经由与第二膜部件114流体连通的第二出口126离开(箭头127)筒102。可以收集(例如，在废液贮存池中)并丢弃用过的透析液。应当理解，根据筒102内的第二膜部件114的构造和位置，透析液穿过筒102的方向可以改变。

在图1示出的实例中，如图1中示意性地显示，第三方向113基本上平行于第二方向111，并且第二方向111和第三方向113基本上与第一方向109相反。然而，在一些实施方案中，第二方向111和第三方向113可以彼此不同(例如，相对于彼此成角度)，并且它们可以相对于第一方向109具有不同的关系。清除气体和透析液穿过筒102的方向可以取决于膜部件的构造和位置。例如，在第一膜部件和第二膜部件或其至少部分相对于彼此成角度的实施方案中，第二方向111和第三方向113可以相应地沿着相对于彼此成角度的轴线。

系统100可以包括其他部件，例如像电解质传感器115和pH计128，所述pH计被构造成测量筒102中所含的流体(例如，血液和/或透析液)的pH。应当理解，在图1中仅以举例的方式示出pH计128的位置，因为pH计128可以以任何合适的方式定位在系统100内。此外，在一些实施方式中，系统100可以具有多于一个pH计，所述pH计被定位成测量筒102内流体的pH。例如，pH计可以测量血液进入筒时的pH、筒内血液的pH(在血液已至少部分地被处理之后)以及血液离开筒时的pH。此外，应当理解，可以在筒外测量血液的pH。系统100可以包括图1中未示出的其他合适的部件(例如，换热器)。

如图1进一步显示，在所示实施方案中，系统100包括被构造成控制系统的部件的操作的控制器130。因此，控制器130被构造成监测系统的状况，并且响应于所监测的系统的状况来调节系统的部件中的一个或多个的操作。例如，在一些实施方案中，控制器130可以控制血液流速、从透析液源124递送的透析液的流速、从气体源118递送的气体的流速、透析液的组成和/或气体的组成中的一个或多个的调节。这可以例如响应于筒102内的一种或多种流体的电解质含量(例如，使用一个或多个电解质传感器115测量)和/或响应于筒102内的一种或多种流体的pH值(例如，使用一个或多个pH计128测量)来完成。控制器130可以被构造成自动控制系统100的各种参数，这可以在系统操作之前或期间完成。例如，在一些实施方案中，透析液的流速和含量中的一个或两个可以由控制器130响应于穿过筒102的血液的电解质含量和其他参数(例如，pH)的测量值而自动控制。

在一些实施方式中，可以基于用户输入来控制系统100的各种参数，这可以使用控制器130或经由一种或多种其他装置来完成。例如，控制器130可以具有一种或多种输入装置(例如，一种或多种控制面板、按钮、旋钮、用户界面等)或者可以与所述一种或多种输入装置相关联，所述输入装置被构造成接收指导系统100的控制器或一或多种其他部件调节系统100的一种或多种操作参数的用户输入。还可以执行控制，使得一些参数由控制器130自动控制，而一些参数基于用户输入来控制。

控制器130可以另外地或可替代地基于在系统100的操作期间可以获得的各种其他参数来控制系统100的操作。例如，在一些实施方案中，可以控制再调控流体的流速和/或组成，如下面更详细地讨论。

在一些实施方案中，控制器可以被构造成改变碳酸氢根和溶解的CO₂的相对捕获率，根据汉德森一海森巴赫(Henderson-Hasselbalch)方程，这改变了pH。控制器可以另外地或可替代地控制额外缓冲剂向系统的递送和/或组成的改变。通过改变每种捕获物质的有效膜表面积、液体和气体的清除流速或暴露于每个膜表面的血液量，可以改变相对捕获率。通过动态改变血液或清除流体穿过装置的可用路径，可以改变有效表面积。

控制器130可以具有任何合适的构造。例如，它可以是具有至少一个处理器和存储用于由所述至少一个处理器执行的计算机可执行指令的存储器的计算装置或者它可以与所述计算装置相关联。控制器130可以包括被构造成提供用户界面134的显示器132或者可以与所述显示器相关联，所述用户界面可以在患者的治疗期间或在任何其他合适的时间向系统100的用户(例如，操作系统100的临床医生)呈现信息。例如，用户界面134可以任何合适的视觉、音频等格式向用户显示指示治疗进展的信息。在一些实施方式中，显示器132可以是触摸面板显示器，所述触摸面板显示器被构造成接收用于控制系统100的操作的用户输入、用于控制数据在显示器132上呈现的方式的用户输入和/或任何其他类型的用户输入。

在示出的实施方案中，如上所述，维持稳态，其包括将血液或另一种目标流体的pH维持在期望的水平下。系统100可以包括被构造成再调控患者血液的一种或多种部件。因此，图2示出系统100'，其包括类似于图1部件的部件，诸如筒102'、流体入口108'、流体出口110'、第一入口118’和第二入口124'、第一出口120'和第二出口126'以及类似于图1部件的其他部件。图2的与图1的相应部件类似的部件用带有上标的相应类似附图标号来标记。此外，尽管图2中未示出，但类似于图1的系统100，系统100'可以包括一个或多个电解质传感器。

如图2所示，系统100'包括再调控部件140(例如，腔室)，其包括可以被称为第三膜部件的膜部件139。膜部件139提供目标流体(例如，血液)与从再调控流体源142供应(箭头141)到再调控部件140的再调控或再平衡流体之间的界面。应当理解，将再调控流体递送到再调控部件140中的方向和位置在图2中仅以举例的方式由箭头141示出。再调控流体穿过再调控部件140，使得在血液返回患者体内之前调节血容量。所述调节可以包括向血液中添加某些元素和/或从血液中去除某些元素。再调控部件140可以与被构造成测量或监测在再调控部件140中被处理的血液的一个或多个参数的其他部件(例如，pH计、电解质传感器等)相关联。控制器，诸如在图2的实例中的控制器130'可以基于一个或多个测量或监测的参数来控制递送到再调控部件140中的再调控流体的流速和/或含量。控制器130'可以被构造成控制影响由再调控部件140对血液或另一流体进行的处理的任何其他参数。

在一些实施方案中，如图2所示，再调控部件140定位在筒102'的外部，使得膜139作为后交换膜操作用于在血液穿过筒102'后调节血容量，并且从血液中去除气态二氧化碳和碳酸氢根。然而，应当理解，可以具有任何合适构造的再调控部件140可以任何其他方式设置在系统100'内。例如，在一些实施方式中，再调控部件140可以设置在筒102'内。在此类实施方案中，可以至少部分地与从血液中去除过量二氧化碳的同时再调控所述血液。控制器(例如，控制器130')可以通过控制例如再调控流体的流速和/或含量来控制血液再调控的过程，以根据期望的血液特性调节血容量。

在一些实施方式中，筒102'可以具有另外的入口和出口，(再)调控流体可以分别通过所述另外的入口和出口进入和离开筒腔。系统控制器例如像控制器130'可以被构造成控制再调控流体向血液的递送。这可以响应于系统100'的参数来执行，所述参数可以在监测系统100'的操作时获得。例如，可以获得筒102'中包含的血液和/或透析液的pH值，并且可以响应于pH值测量值调节再调控流体的流速。在一些实施方案中，另外地或可替代地，可以在系统100'的操作期间在患者正被治疗时实时调节再调控流体的组成和/或含量。例如，可以使用再调控流体来引入或去除另外的缓冲剂以控制血液pH。生物相容性缓冲剂的非限制性实例包括单乙醇胺、盐酸(低浓度)或氢氧化钠。再调控流体还可以包含钠、钾、氯、葡萄糖或进入身体的其他血液成分。这些离子成分可以包含在再调控流体中，使得它们处于血液中发现的这些离子的正常生理学水平的±100％内。例如，通常以约140mmol/L存在于血液中的钠可以约0mmol/L至约280mmol/L的水平存在于再调控流体中。

可以基于血液状况选择涉及处理血液的后调控程序。例如，如果血液的特征在于低钠血症，则这可以通过使血液与具有盐溶液的后交换膜接触来校正，以将钠水平调节到正常值。血容量可以通过添加一种或多种成分例如像葡萄糖、镁、钾和钙来调节。除了脱靶捕获效应之外，可以进行另外的pH平衡。由于患者的总血池在HRF的情况下通常是净酸中毒的，因此期望pH升高的血液返回到患者体内，以帮助中和以及降低净CO₂负荷。为此，再调控步骤可以包括添加各种浓度的再调控缓冲剂例如像单乙醇胺(MEA)。氢氧化钠也可以各种浓度用于再调控缓冲液中，这可以导致同时校正低钠血症。可以基于是否需要pH调节来选择缓冲液组成。例如，当酸血症的程度超过MEA的碱度时，可以使用氢氧化钠(作为较强的碱)。

在一些方面，包括在混合筒中的第一膜部件和第二膜部件(例如，第一膜部件112或112’和第二膜部件114或114')可以具有任何合适的构造。在一些实施方案中，第一膜部件和第二膜部件呈多个中空膜纤维形式。在一些实施方案中，清除气体和清除液体(透析液)分别被递送到呈中空膜纤维形式的第一膜部件和第二膜部件的内部。使转移穿过筒内部的血液与第一中空膜纤维和第二中空膜纤维接触，使得血液在这些部件的外表面上洗刷。穿过呈第一中空纤维形式的第一膜部件内部的清除气体使溶解的CO₂从血液中去除，并且穿过呈第二中空纤维形式的第二膜部件内部的透析液使碳酸氢根从血液中去除。

溶解的CO₂和碳酸氢根可以使用所描述的装置、系统和方法基本上同时或以任何合适的顺序从血液中去除。在图1和2所示的实施方案中，混合筒包括第一膜部件和第二膜部件，因此溶解的CO₂和碳酸氢根可以基本上同时从血液中去除，其中“基本上”意味着溶解的CO₂的有效去除和碳酸氢根的有效去除在时间上同时发生。然而，在一些实施方式中，如下面更详细讨论，根据所描述的技术的系统可以被构造成使得在从血液中去除碳酸氢根之前从血液中去除溶解的CO₂，或者在从血液中去除溶解的CO₂之前从血液中去除碳酸氢根。这些可以在同时和/或依次操作的相同或单独的体外回路中发生。

可以彼此不同的第一膜部件和第二膜部件可以各种方式并以彼此不同的关系设置在混合筒内。例如，在一些实施方案中，第一膜部件和第二膜部件可以呈设置在筒内的细长纤维形式，使得纤维(其长边)基本上平行于筒的纵向轴线。图1和2示意性地显示这种实施方式。形成第一膜部件和第二膜部件的纤维可以复杂布置设置，所述布置可以是随机布置或形成某种图案(包括一种或多种规则图案)的布置。在一些实施方案中，纤维可以在筒内缠结，或者它们可以其他方式设置在筒内。

图3示出一个实例，其中被构造成接收穿过其中的清除气体的呈中空纤维形式的第一膜部件312以圆形方式设置，并且被构造成接收穿过其中的透析液的呈中空纤维形式的第二膜部件314以圆形方式围绕第一膜部件纤维312布置。应当注意，可以形成多于一行的第一膜部件纤维312和/或多于一行的第二膜部件纤维314。作为另一种变化，第一膜纤维和第二膜纤维可以其他方式相对于彼此同心设置。第一膜部件纤维312和第二膜部件纤维314沿筒的长度可以具有不同的长度。例如，第一膜部件纤维312可以比第二膜部件纤维314短或长。

图4示出第一膜部件和第二膜部件的布置的另一个实例，其中第一膜部件纤维412和第二膜部件纤维414以随机方式缠结。第一膜部件纤维412和第二膜部件纤维414可以具有不同的长度。另外地或可替代地，形成第一膜部件412的纤维可以具有不同的长度(使得至少一些纤维比其他纤维长)，并且形成第二膜部件414的纤维可以具有不同的长度。在一些实施方案中，每根第一膜部件纤维412具有与每根第二膜部件纤维414不同的长度(更短或更长)。

图5示出第一膜部件和第二膜部件的布置的另一个实施方案，其中第一膜部件512和第二膜部件514在筒502内沿筒502的长度L彼此对角布置。图5还示意性地示出沿清除气体穿过第一膜部件512的第一轴线的方向511，以及沿透析液通过第二膜部件514的第二轴线的方向513，其中第二轴线相对于第一轴线成一定角度。在一些实施方案中，分别形成第一膜部件512和第二膜部件514的纤维可以被捆在一起，使得第一膜部件512形成束并且第二膜部件514形成束。在一些实施方案中，第一膜部件512和第二膜部件514以交替方式设置在筒502内，使得第一膜部件512的一根或多根细长纤维与第二膜部件514的一根或多根细长纤维交替。在其他实施方式中，纤维部件512和514可以被布置来形成同心、相邻、交叉或分离几何形状中的任何一种或多种类型。在此实例中，血液可以泵送穿过筒，使得其在形成第一膜部件和第二膜部件的纤维的外表面上洗刷。

可以由不同类型的纤维形成的第一膜部件和第二膜部件可以任何合适的比率包括在根据所描述技术的混合筒中。所述比率可以基于期望的二氧化碳捕获率和pH平衡来选择。例如，在一些实施方案中，第一膜/第二膜的比率可以是1:1的比率。其他比率的非限制性实例包括10:1、100:1、1000:1、1:10、1:100、1:1000或任何其他比率。

第一膜部件和第二膜部件可以由各种材料形成。在一些实施方案中，第一膜部件由第一纤维形成，并且第二膜部件由在一种或多种性质方面与第一纤维不同的第二纤维形成。例如，在至少一些实施方案中，第一膜部件可以由聚甲基戊烯形成以提供有效的气-液交换，其中所述聚甲基戊烯材料防止液体渗透到膜的清除气体侧中。可以使用包括其他材料例如像硅氧烷的其他聚合物膜。

第一膜部件和第二膜部件可以由半渗透材料形成，并且它们可以具有合适尺寸的孔。例如，第二膜部件可以由一种或多种碳酸氢根可半渗透的材料形成，所述材料例如像硅氧烷、聚醚砜(PES)、具有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)纤维的PES(例如，由德国3M股份有限公司(3M Deutschland GmbH)制造的PUREMA纤维)。

在所描述的实施方案中用于将目标流体转移跨越气-液屏障的气体可以具有各种组成，并且如上所讨论，所述气体可以是空气或其他气体或气体混合物。

在所描述的实施方案中，如上所讨论，透析液或透析液流体被设计用于将目标流体转移跨越液-液屏障，使得透析液具有促进共转运以维持流体的电中性的组成。在其他实施方案中，透析液可以包含适合于反向转运以维持目标流体的电中性的液体组成。透析液成分的摩尔浓度可以取决于患者的状况，所述状况可以由血液测试评估。例如，在一个实施方案中，在患者血液中具有相对正常的钠的患者将具有大于约140mmol/L的透析液钠含量。在一些实施方案中，透析液包含氯化钠、碳酸氢根、钾、钙、磷酸根、硫酸根、镁和其他离子的任意组合中的至少一种。在所描述的技术的透析液中，除钠和碳酸氢根之外的所有离子都处于生理学正常水平下或在正常参考水平的±15％的范围内。

在所描述的实施方案中使用的再调控或再平衡流体可以具有各种组成。在一些实施方案中，所述再调控流体可以包含至少一种生物相容性有机碱，在一些实例中，所述生物相容性有机碱可以是单乙醇胺(MEA)。另外地或可替代地，再调控流体包含氯化钠、碳酸氢根、钾、钙、磷酸根、硫酸根和镁中的至少一种。

如上所提及，系统100(图1)和100'(图2)可以具有各种部件。在一些实施方式中，系统100、100'或被构造成实施所描述的技术的任何其他系统可以被构造成与肾透析系统类似。这样，诸如筒102(图1)或102'(图2)的筒可以被构造成与肾透析系统联接，使得透析系统变得能够根据本文所述的技术控制患者体内的二氧化碳水平。

图6示意性地示出包括根据所描述的技术的混合装置的系统600，所述混合装置被示出为流体/离子交换/气体交换装置602。从患者抽取的血液(“抽取的血流”)穿过流体/离子交换/气体交换装置602，并使用清除气体(“CO2去除气体”)、由透析液源(“碳酸氢根去除透析液贮存池”)提供的透析液和再调控流体(“再调控透析液贮存池”)进行处理。在从血液中去除溶解的CO₂和碳酸氢根之后，将处理过的血液递送回患者的血管系统(“返回的血流”)。

可以各种方式构造根据所描述的技术的混合筒，所述混合筒可以操作以去除从穿过其中的血液中去除的溶解的CO₂(例如，通过一种或多种气体交换部件)和碳酸氢根(例如，通过一种或多种流体/离子交换部件)。图7A和7B示出混合筒702的实例的一个实施方案，其具有完全中空的大致圆柱形主体702a，所述主体具有在筒主体702a的第一端部706a和第二端部706b之间延伸的内腔704。内腔704被构造成在其中接收第一膜部件和第二膜部件。图7A显示筒主体702a包括邻近第一端部706a形成的流体入口708和邻近筒主体702a的第一端部706a形成的流体出口710。正如所示，流体入口708和流体出口710垂直于筒主体702a的在其第一端部706a和第二端部706b之间延伸的纵向轴线A2形成。然而，在其他实施方案中，流体入口708和流体出口710可以相对于筒主体702a的纵向轴线A2以其他方式(包括彼此不同的方式)形成。在使用中，从患者获得的血液可以通过流体入口708递送，沿纵向轴线A2朝向流体出口710穿过筒主体702a。清除气体和透析液可以在与轴线A2相反的方向上或沿着与轴线A2成一定角度的轴线穿过筒主体702a，这可以取决于容纳在筒主体702a内的膜部件的构造。

在图7A和7B中示出的实例中，混合筒702包括被构造成可拆卸地联接到筒主体702a的第一端部706a的第一端帽750以及被构造成可拆卸地联接到筒主体702a的第二相对端部706b的第二端帽752。第二端帽752包括第一入口716和第二入口722，并且第一端帽750包括第一出口720和第二出口726。在此实施方案中，入口和出口呈中空管状构件的形式，其具有与筒主体702a的内腔704连通的通道。然而，入口和出口可以具有其他构造，因为所描述的实施方案在这方面不受限制。第一入口716和第一出口720被构造成分别递送和去除第一清除组分，例如像清除气体。第二入口722和第二出口726被构造成分别递送和去除第二清除组分，例如像透析液。应当理解，根据筒的构造，第一清除组分和第二清除组分也可以分别是透析液和气体。还应当理解，入口和出口可以其他方式相对于彼此定位，并且如图7A和7B所示，“顶部”和“底部”入口和出口可以颠倒，诸如“顶部”部件变成”底部”部件，反之亦然。

第一端帽750和第二端帽752被构造成例如通过螺纹或另外以气密方式与相应端部接合来联接到筒主体702a的端部。另外地或可替代地，如图7A和7B所示，邻近第一端部706a和第二端部706b的筒主体702a的内表面可以具有内螺纹，所述内螺纹被构造成与在第一端部706a和第二端部706b处形成于筒主体的外表面上的对应螺纹707a、707b可释放地接合。应当理解，端帽可以被构造成以其他合适的方式与筒主体接合。

图8A至8D示出筒的端帽850的一个实例，例如像图7A和7B中所示的端帽750、752中的任一个。图7B显示端帽850具有联接到其外表面854的第一入口816和第二入口822。第一出口和第二出口可以类似的方式形成于端帽上。第一入口816和第二入口822可以沿着相同的平面形成，如图8C所示。然而，可以实施其他构造。图8D显示端帽850的内表面856具有形成于其上的螺纹858，所述螺纹可以被构造成与形成于筒主体上的对应螺纹(例如，图7A和7B的螺纹707a或707b)可释放地接合。

根据所描述的技术的系统的第一膜部件和第二膜部件的构造可以多种方式变化。第一膜部件和第二膜部件可以被构造成模块化部件，所述模块化部件被构造成以各种方式联接在根据所描述的技术的系统内。例如，在一些实施方案中，至少一个第一膜部件(一个或多个“气体交换”部件)可以与至少一个第二膜部件(一个或多个“流体/离子交换”部件)串联联接。图9示出具有彼此串联联接的流体/离子交换膜部件和气体交换膜部件的系统900的实例。在此实例中，从患者获得的血液首先经由流体交换膜部件(“流体/离子交换装置”)处理，然后经由气体交换膜部件(“气体交换装置”)处理。气体交换膜部件和流体/离子交换膜部件可以具有相同或不同的构造。例如，每个膜部件可以包括如本文所述的第一纤维部件和第二纤维部件。

图10示出具有彼此并联联接的气体交换膜部件和流体/离子交换膜部件的系统1000的实例。在一些实施方案中，可以使用多于一个第一膜部件和/或多于一个第二膜部件。例如，图11示出系统1100的实例，其包括第二流体/离子交换部件(“流体/离子交换装置2”)以及其他部件，所述第二流体/离子交换部件被构造成经由再调控流体穿过其中的后交换膜来处理血液。图12示出系统1200的实例，其还包括具有替代图1100的构造的构造的第二流体/离子交换部件(“流体/离子交换装置2”)。如图12所示，气体交换膜部件和流体/离子交换膜部件彼此并联联接。可以实施用于从血液或其他流体中去除溶解的二氧化碳/碳酸氢根的系统的任何其他构造。应当理解，图9-12中示出为“气体交换”部件的部件可以被构造成使得其不执行氧合作用，而是仅从穿过其中的流体例如像血液中去除气态CO₂。

在所示的实施方案中，用于从血液中去除碳酸氢根的透析液可以具有各种组成。在一些实施方案中，第一超滤膜部件和第二超滤膜部件中的一个或两个包括超滤膜，其可以是半渗透超滤膜。所述超滤膜包括孔，并且其可以是小于其孔径的物质可渗透的。物质通过膜的选择性转运由清除流体的组成驱动，所述清除流体也可以被称为透析液。

物质跨膜转运可以使用费克扩散定律(Fick’s laws of diffusion)定义，所述扩散定律假设物质跨膜转运速率由膜面积、膜渗透率(扩散率的函数)和物质的浓度梯度决定。在一些实施方式中，超滤膜的面积是不可改变的，并且膜渗透率对于类似尺寸的物质是类似的。在其他实施方式中，另外地或可替代地，超滤膜可以具有取决于各种物质特性例如像电荷的更具选择性的渗透率。在这些情况和其他情况下，对于具有随后允许物质通过膜孔或物质可以穿过其中的其他膜结构的尺寸的物质，膜选择性取决于透析液的组成。在一些实施方案中，超滤膜对于血液的大多数细胞和蛋白质组分是不可渗透的，但对于血液中包含的主要离子物质(例如，钠、钾、氯和碳酸氢根)和葡萄糖是可渗透的。葡萄糖不带电荷，并且其在流体中的含量可以使用包括基本代谢功能检验血液测试的多种技术来确定。钠、钾、氯和碳酸氢根是带电荷物质，并且其在流体中的存在和关系可以根据费克扩散定律形成化学梯度。任何带电荷物质的运动也可以导致由电荷不平衡诱发的电梯度，所述电荷不平衡产生如由库仑定律(Coulomb’s law)确定的电势。为了避免不期望的电荷不平衡(这会增加电势)，对物质进行选择性质量过滤，以便维持血液和透析液二者中的电荷平衡，同时防止不期望的电势积聚。通过确保允许每个电荷与另一电荷的移动耦合，可以维持电荷平衡。

在一些实施方案中，如上所提及，透析液具有零碳酸氢根。期望维持血液电中性，同时捕获二氧化碳。碳酸氢根的合适膜转运也可以增加血液中其他离子的转运以维持电中性。当这引起非碳酸氢根离子净移动到透析液中时，发生所谓的脱靶捕获。因此，需要实现合适的碳酸氢根与脱靶捕获之间的平衡。脱靶捕获是不期望的，并且是考虑血液电中性所必需的。具有与血液摩尔浓度类似的电解质摩尔浓度(例如大于135mM)的透析液可以促进离子的反向转运(氯离子移动到血液中)，从而使得脱靶捕获更低。低透析液浓度可以促进钠离子从血液中共转运出来，其脱靶捕获程度较高。这两者都存在，从而维持电中性，其中电通量由碳酸氢根转运诱发。

在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法使得混合“低流量”体外装置成为可能，所述体外装置与治疗HRF的现有体外策略相比侵入性更小并且需要更少的临床专业技术，其目的是能够被更广泛地部署。具体地，从血液中去除高二氧化碳负荷的效率增加可以允许血液流速更低以及用于体外治疗的套管的孔径减小。导致溶解的CO₂的呼吸去除不充分的受损通气可以通过使用促进HCO₃ ^-过滤的定制透析液来更有效地治疗，这允许通过去除身体的总HCO₃ ^-的一小部分来去除>50％的身体CO₂生成量。然而，HCO₃ ^-的单独去除影响身体的酸-碱平衡。因此，利用集成式流体/离子交换/气体交换系统的混合装置方法可以用于抵消血液酸-碱的显著变化，所述集成式流体/离子交换/气体交换系统可以与具有平衡的HCO₃ ^-和CO₂去除的商业透析回路相容。血液酸-碱的不太显著变化的校正可以使用包含特定有机碱例如像单乙醇胺(MEA)的另外溶质来校正。应当理解，尽管本文所述的一些实施方案涉及在HRF的情况下去除碳酸氢根和CO₂，但所描述的技术可以应用于需要去除或添加特定成分同时维持稳态条件的其他血液或体液。

在一些实施方案中，所述系统可以包括以下部件：(1)目标溶质膜过滤器，(2)气体交换纤维，和(3)稳态溶质膜过滤器。所述目标溶质膜过滤器与具有特别设计的逆流溶液的选择性膜过滤器一起操作，用于从血液中靶向去除碳酸氢根和其他相关离子。碳酸氢根和其他相关离子的过滤可以与反向转运交换或共转运交换一起发生，以维持电中性。通过气体交换纤维同时或连续去除气态CO₂来维持血液稳态。气态CO₂的这种去除可以与碳酸氢根过滤步骤并行、连续或集成进行，使得气体交换纤维与被构造用于碳酸氢根去除的过滤膜的纤维相邻延伸。对已过滤的血液进行的另外调节可以用稳态溶质膜过滤器进行。所述过滤器可以用于在再循环到身体之前将组分添加到已过滤的血液中。这可以包括恢复原电解质诸如钠、钾和氯，或通过添加生物相容性有机碱例如像单乙醇胺(MEA)进行的另外pH调节。

在一些实施方案中，提供一种体外回路，所述体外回路被构造成以低流量水平从受试者体内移出血液，执行从血流中靶向去除碳酸氢根离子，并且执行从血流中靶向去除CO₂气体。体外回路还可以被构造成使用透析液流体再调控血流以重新平衡离子和pH。然后使再调控的血液返回到受试者体内。低流量水平可以是在约0mL/min至约400mL/min的范围内。

在一些实施方案中，体外回路具有包括基于透析液的过滤部件的部件，所述过滤部件包括反向交换超滤膜、适合于去除碳酸氢根离子的透析液流体；气体交换部件，所述气体交换部件包括适合于从血流中去除CO₂气体的反向气流；以及基于透析液的过滤部件，所述过滤部件包括反向交换超滤膜和适合于添加生物相容性溶质或盐的透析液流体。

体外回路可以不同的方式变化。例如，每个部件可以与每个其他部件分开操作和制造，其中给定体外回路中每个部件具有零个、一个或多于一个重复迭代。每个部件可以被串联构造，使得每个部件的输出是在不同的可能构造顺序中的下一个部件的输入。在一些方面，每个部件可以被构造成与其他部件平行，使得输入血流可以被分到不同的流动管线中以行进到不同的部件并且在再循环到身体之前被重构。在一些方面，每个部件可以被构造成不同的子系统，所述子系统是不同的串联或并行构造的组合，其中不同的子系统以串联或并行构造组合。在一些方面，每个部件可以彼此集成，使得它们与基于透析液的过滤器形成单个部件，所述过滤器直接平行延伸并且在给定时间暴露于与用于气体交换的基于充氧器的纤维相同的血流。

在一些实施方案中，所述系统或其一部分可以被包装到单个筒中，所述筒可以适于与商业肾透析系统一起使用。所述系统可以包括各种部件，例如像可以设置在任何部件的入口或出口(即，之前或之后)处的pH计，以便调节用于添加生物相容性溶剂的透析液过滤部件的操作。在一些实施方案中，另外地或可替代地，通过改变透析液组分的流速来调节透析液过滤的反馈控制效应器。在一些实施方案中，另外地或可替代地，通过自动地或经由用户输入改变清除气体的流速来调节用于CO₂气体过滤的反馈控制效应器。

透析液过滤部件可以使用适合于反向转运的透析液流体以维持电中性。在一些实施方案中，透析液过滤部件可以使用适合于单向共转运的透析液流体以维持电中性。在一些实施方案中，透析液过滤部件使用含有初级血浆离子的透析液流体以将离子添加到血液中，从而恢复血液中的正常离子浓度。

在一些实施方案中，透析液过滤部件使用含有一种或多种生物相容性有机碱的透析液流体，以将其添加到血液中，从而校正pH。所述生物相容性有机碱可以包括例如单乙醇胺(MEA)。

在所描述的实施方案中，超滤膜可以通过尺寸、电荷或分子构型对特定物质具有选择性。

在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法提供对呼吸衰竭的治疗或预防。在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法提供对低氧血症的治疗或预防。在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法提供对高碳酸血症的治疗或预防。

在一些实施方案中，本发明的呼吸衰竭可以是I型或II型。

1型呼吸衰竭被定义为血液中的氧水平低(低氧血症)而血液中的二氧化碳水平不增加(高碳酸血症)，并且P_aCO₂可以是正常的或低的。其通常由通气/灌注(V/Q)不匹配引起；流入和流出肺部的空气的体积与流向肺部的血液的流量不匹配。1型呼吸衰竭的基本缺陷是氧合失败，其特征在于：P_aO₂降低(<60mmHg(8.0kPa))；P_aCO₂正常或降低(<50mmHg(6.7kPa))；和P_A-aO₂增加。在各个实施方案中，所描述的系统、装置和方法反转这些参数中的任一者。

在各个实施方案中，1型呼吸衰竭由例如影响氧合的状况引起，所述状况例如：低环境氧气(例如，在高海拔处)、通气-灌注不匹配(例如，肺栓塞)、肺泡通气不足(例如，在急性神经肌肉疾病中)、扩散问题(例如，在肺炎或ARDS中)和分流(例如，从右到左分流)。在各个实施方案中，所描述的系统、装置和方法治疗受任何这些病因之苦的受试者。

1型呼吸衰竭被定义为低氧血症(P_aO₂<8kPa)伴高碳酸血症(P_aCO₂>6.0kPa)。

2型呼吸衰竭的基本缺陷的特征在于：P_aO₂降低(<60mmHg(8.0kPa))，P_aCO₂增加(>50mmHg(6.7kPa))，P_A-aO₂正常，以及pH降低。在各个实施方案中，所描述的系统、装置和方法反转这些参数中的任一者。

2型呼吸衰竭由例如肺泡通气不足而引起，并且氧气和二氧化碳两者都受到影响。2型定义为由身体产生但不能被消除的二氧化碳水平(P_aCO₂)的积聚。根本病因包括但不限于：气道阻力增加(例如，COPD、哮喘、窒息)、呼吸努力减少(例如，药物作用、脑干损伤、极度肥胖)、可用于气体交换的肺面积减少(例如，在慢性支气管炎中)、神经肌肉问题(例如，格林-巴利综合征(Guillain-Barrésyndrome)、运动神经元病)和畸形(脊柱后侧凸)、僵硬(强直性脊柱炎)或连枷胸部。在各个实施方案中，所描述的系统、装置和方法治疗具有任何这些病因的受试者。

在实施方案中，在本发明中治疗的受试者罹患如由例如呼吸速率增加、血液气体异常(例如，低氧血症、高碳酸血症或两者)和呼吸功增加的证据所呈现的呼吸衰竭。

在实施方案中，所描述的系统、装置和方法使得受试者中氧气和/或二氧化碳的正常或大致正常的分压参考值恢复。例如，所描述的系统、装置和方法使得氧气PaO₂恢复到大于约80mmHg(11kPa)和/或使得二氧化碳PaCO₂恢复到小于约45mmHg(6.0kPa)。

在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法提供HRF的治疗或预防，所述HRF例如特征在于在通风不足的情况下二氧化碳的血浆浓度增加的HRF。在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法提供呼吸驱动受损(例如，中风或肥胖性通气不足)、神经肌肉功能降低(例如，肌营养不良或肌萎缩性侧索硬化)和肺病(例如，COPD或间质性肺病)的治疗或预防。

在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法提供COPD的治疗或预防。在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法减少COPD的一种或多种症状，诸如气短和咳嗽伴生痰。在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法提供伴随恶化的严重COPD患者的治疗或预防。

在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法与一种或多种磷酸二酯酶(PDE)选择性抑制剂例如罗氟司特(DAXAS、DALIRESP)、西洛司特(ARIFLO)或替托司特联合使用。在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法改善对罗氟司特、西洛司特或替托司特的耐受性的发展。

在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法提供ARDS的治疗或预防。在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法减少ARDS的一种或多种症状，诸如但不限于气短、呼吸急促和皮肤发青。

在一些实施方案中，本发明的受试者表现出的症状使得他或她适于用非侵入性机械通气机支持(例如，双相气道正压通气(BiPap))进行治疗。在一些实施方案中，本发明的受试者表现出的症状使得他或她适于用插管和完全机械通气进行治疗。在一些实施方案中，本发明的系统、装置和方法使受试者免于治疗或减少利用非侵入性机械通气机支持(例如，BiPap)进行治疗的持续时间。在一些实施方案中，本发明的系统、装置和方法使受试者免于治疗或减少用插管和完全机械通气进行治疗的持续时间。

在一些实施方案中，提供一种用于从流体中去除二氧化碳的体外系统。所述系统可以包括筒主体、第一膜部件、第二膜部件、与所述第一膜流体连通的第一入口、与所述第一膜部件流体连通的第一出口、与所述第二膜部件流体连通的第二入口和与所述第二膜部件流体连通的第二出口。所述筒主体可以具有空腔、在所述主体的第一端部和第二端部之间延伸的纵向轴线、邻近所述第一端部的流体入口和邻近所述第二端部的流体出口。

设置在所述空腔内的第一膜部件可以被构造成从沿第一方向从流体入口朝向流体出口传送的流体中去除气态二氧化碳。设置在所述空腔内的第二膜部件可以被构造成从在流体入口和流体出口之间传送的流体中去除碳酸氢根。与第一膜部件流体连通的第一入口被构造成将清除气体递送到第一膜，使得清除气体沿第二方向穿过第一膜，并且与第一膜部件流体连通的第一出口被构造成接收穿过第一膜的清除气体。与第二膜部件流体连通的第二入口可以被构造成将透析液递送到第二膜，使得透析液沿第三方向穿过第二膜，并且与第二膜部件流体连通的第二出口可以被构造成接收穿过第二膜的透析液。

在根据所描述的技术的系统中，被处理的流体可以是血液、血浆或任何其他流体。在一些实施方案中，流体入口以在约0mL/min至约350mL/min范围内(例如，小于约350ml/min、或小于约300ml/min、或小于约250ml/min、或小于约200ml/min、或小于约150ml/min、或小于约100ml/min、或小于约90ml/min、或小于约80ml/min、或小于约70ml/min、或小于约60ml/min、或小于约50ml/min、或小于约40ml/min、或小于约30ml/min、或小于约25ml/min)的流速接收流体。

在一些实施方案中，第二方向和第三方向中的至少一个可以基本上平行于第一方向。

在一些实施方案中，体外系统可以包括第三膜部件，所述第三膜部件提供流体和再调控流体之间的界面。所述再调控流体可以具有被构造成调节流体的离子组成和酸度的组成。第三膜部件可以各种方式设置在系统中。例如，在一些实施方案中，第三膜部件可以被定位成使得在从流体中去除气态二氧化碳和碳酸氢根之后，使流体与第三膜部件接触。在一些实施方案中，第三膜部件定位在筒主体中。在其他实施方案中，第三膜部件定位在筒主体的外部。再调控流体可以具有各种组成。例如，在一些实施方案中，所述再调控流体可以包含生物相容性有机碱，其可以是例如单乙醇胺(MEA)。另外地或可替代地，在一些实施方案中，再调控流体可以包含氯化钠、碳酸氢根、钾、钙、磷酸根、硫酸根和镁中的至少一种。

第一膜部件和第二膜部件可以具有各种构造。在一些实施方案中，第一膜部件可以呈在第一端部和第二端部之间延伸的第一多根纤维形式，并且被构造成接收穿过其中的清除气体。当清除气体穿过第一多根纤维时，气态二氧化碳从流体转移到清除气体中。第二膜部件可以呈在第一端部和第二端部之间延伸的第二多根纤维形式，并被构造成接收穿过其中的透析液。当透析液穿过第二多根纤维时，碳酸氢根从流体转移到透析液中。流体可以穿过筒主体，使得其与第一膜部件和第二膜部件的外表面接触，从而使清除气体和透析液分别通过第一膜部件和第二膜部件从血液中分离。

第一多根纤维和第二多根纤维可以具有各种构型(包括不同的构型，并且它们可以各种方式设置在筒中。例如，在一些实施方案中，第一多根纤维与第二多根纤维缠结。在一些实施方案中，第一多根纤维基本上平行于第二多根纤维。

在一些实施方案中，第一多根纤维设置在筒主体的空腔的第一区域中，并且第二多根纤维设置在筒主体的空腔的第二区域中，所述第二区域与所述第一区域不同。在一些实施方案中，第一多根纤维和第二多根纤维相对于筒主体的纵向轴线成角度设置，其中第一多根纤维相对于第二多根纤维成角度设置。

在一些实施方案中，所述系统包括具有电路的控制器，所述电路被构造成当流体穿过筒主体时获得表征流体、透析液和清除气体中的至少一种的状态的至少一个参数的测量值，并且响应于获得的测量值来控制流体的流速、透析液的流速和透析液的含量中的至少一者。在一些实施方案中，所述至少一个参数包括流体的电解质含量，并且其中所述系统包括被构造成当流体穿过筒主体时测量电解质含量的至少一个电解质传感器。在一些实施方案中，所述至少一个参数包括流体的pH值，并且所述系统包括被构造成获得流体和/或其他物质的pH值的至少一个pH计。在一些实施方案中，所述至少一个参数包括清除气体的流速和清除气体的含量。

在一些实施方案中，所述系统或其部件中的一些(例如，筒)适于与肾透析系统一起使用。

在一些实施方案中，透析液是适合于反向转运以维持电中性的液体组合物。在一些实施方案中，透析液是适合于单向共转运以维持电中性的液体组合物。在一些实施方案中，透析液包含零碳酸氢根以及钠、氯、钾、钙、磷酸根、硫酸根和镁中的至少一种。在一些实施方案中，另外地或可替代地，透析液包含至少一种生物相容性有机碱，所述生物相容性有机碱可以是例如单乙醇胺(MEA)或一种或多种另外的化合物。

在一些方面，提供了一种用于从流体中去除气态二氧化碳和碳酸氢根的方法。所述方法可以包括经由与患者身体流体连通的插管从患者体内移出流体；以及使所述流体进入包括第一膜部件和第二膜部件的体外壳体，使得所述流体与所述第一膜部件和所述第二膜部件中的至少一个的外表面接触。所述方法还包括使清除气体穿过第一膜部件以使气态二氧化碳从流体转移到清除气体中；使透析液穿过第二膜部件以使碳酸氢根从流体转移到透析液中；以及在流体已经穿过壳体之后使流体离开壳体，使得气态二氧化碳和碳酸氢根从流体中去除。

所述方法可以不同的方式变化。例如，使清除气体穿过第一膜部件和使透析液穿过第二膜部件可以基本上同时进行。作为另一个实例，清除气体可以在透析液穿过第二膜部件之前穿过第一膜部件。作为又一个实例，透析液可以在清除气体穿过第一膜部件之前穿过第二膜部件。在一些实施方案中，流体是以小于400ml/min的非零流速从患者体内移出的血液。

在一些方面，提供了一种用于治疗高碳酸血症呼吸衰竭(HRF)的方法。在一些实施方案中，所述方法包括选择需要HRF治疗的患者；以小于400ml/min的速率从所述患者体内抽出血液；以及使所述血液经受被构造成从血液中去除气态CO₂和碳酸氢根的至少一个膜，以使血液中的二氧化碳水平达到基线水平。

所述方法可以不同的方式变化。例如，气态CO₂和碳酸氢根可以基本上同时从血液中去除。作为另一个实例，所述至少一个膜可以包括第一膜部件和第二膜部件，并且所述方法可以包括使清除气体穿过第一膜部件和使透析液穿过第二膜部件。

在一些实施方案中，透析液具有零碳酸氢根，并且透析液的组成使得至少跨越第二膜部件维持电荷中性。在一些实施方案中，透析液的组成基于血液的初始钠浓度和初始氯浓度来选择，其中在血液经受至少一个膜之前测量初始钠浓度和初始氯浓度。在一些实施方案中，当初始钠浓度大于阈值钠浓度时，可以将透析液的钠浓度选择为小于初始钠浓度，并且可以将透析液的氯浓度选择为与初始氯浓度大致相同。当初始钠浓度小于阈值钠浓度时，可以将透析液的钠浓度选择为与初始钠浓度大致相同，并且可以将透析液的氯浓度选择为大于初始氯浓度。

在一些实施方案中，所述方法还可以包括当血液经受至少一个膜时，基于血液和透析液中的至少一种的电解质含量的测量值调节透析液的组成，以维持电荷中性。

在一些方面，提供了一种用于治疗高碳酸血症呼吸衰竭(HRF)的方法。在一些实施方案中，所述方法包括选择需要HRF治疗的患者；以小于400ml/min的速率从所述患者体内抽出血液；使所述血液经受被构造成从血液中去除气态CO₂的第一膜部件，所述第一膜部件让清除气体穿过；以及使所述血液经受被构造成从血液中去除碳酸氢根的第二膜部件，所述第二膜部件让碳酸氢根去除液体穿过。所述碳酸氢根去除液体可以具有零碳酸氢根以及允许在第二膜部件处维持电荷中性的浓度的钠和氯。在一些实施方案中，所述清除气体具有零气态CO2。

不管根据所描述的技术的装置和系统的具体构造如何，用于从患者体内抽取血液的套管可以具有减小的直径，例如，其可以具有在约8Fr至约13Fr范围内的外径。流体可以小于约400ml/min的非零速率从患者体内移出。

在一些实施方案中，提供了一种用于治疗高碳酸血症呼吸衰竭(HRF)的方法，所述方法包括选择需要HRF治疗的患者；以小于400ml/min的速率从所述患者体内抽出血液；以及使所述血液经受被构造成从血液中去除气态CO₂和碳酸氢根的至少一个膜，以使血液中的二氧化碳水平达到基线水平。在一些实施方案中，气态CO₂和碳酸氢根可以基本上同时从血液中去除。在其他实施方案中，在从血液中去除碳酸氢根之前从血液中去除气态CO₂，或者在从血液中去除气态CO₂之前从血液中去除碳酸氢根。

在根据一些实施方案的方法中，至少一个膜包括第一膜部件和第二膜部件，并且所述方法可以包括使清除气体穿过第一膜部件以及使透析液(或碳酸氢根去除流体)穿过第二膜部件。

本文所述的方法可以利用本文所述的任何系统或装置。例如，所述方法可以在系统100(图1)、系统100'(图2)或根据所描述的技术的任何其他系统中实施。所述方法可以用于治疗或预防各种病状，其非限制性实例包括呼吸衰竭(I型或II型)、低氧血症或高碳酸血症。所述方法提供HRF、呼吸驱动受损(例如，中风或肥胖性通气不足)、神经肌肉功能降低(例如，肌营养不良或肌萎缩性侧索硬化)和肺病(例如，COPD或间质性肺病)的治疗或预防。所述方法还可以提供用本文所述的任何系统或装置治疗或预防COPD。

在一些实施方案中，所描述的方法与一种或多种磷酸二酯酶(PDE)选择性抑制剂例如罗氟司特(DAXAS、DALIRESP)、西洛司特(ARIFLO)或替托司特联合使用。在一些实施方案中，所描述的系统、装置和方法改善对罗氟司特、西洛司特或替托司特的耐受性的发展。

“受试者”是哺乳动物，例如人(例如，女性或男性)、小鼠、大鼠、豚鼠、犬、猫、马、牛、猪或非人灵长类动物诸如猴、黑猩猩、狒狒或恒河猴，并且术语“受试者”和“患者”在本文中可互换使用。

本发明还通过以下非限制性实施例进行说明。

实施例

本发明人使用台式模型进行实验，以减少体内最丰富的离子钠的损失，同时维持足够高水平的CO₂去除以支持处于HRF的受试者。下面讨论的动物模型实验用于建立电中性的合适转运模式，以确定用于所描述的装置、系统和方法中的透析液组成。在下面描述的实验中，使用包括基于透析液和充氧器技术的部件的装置原型，以用于同时进行液-液和液-气过滤。在这些初步原型中，透析液和气体交换部件串联联接并操作。

台式实验

假定最大CO₂产生速率为536mmoL/hr(在成年活跃男性中)，据估计对于治疗效果所必需的有效膜捕获率为37％。如图13所示，使用台式测试在<400mL/min的低流量条件下达到所述值。

动物实验

在一系列的四个急性高碳酸血症猪模型中测试原型装置。为了诱发高碳酸血症状况，将通气机设置改变为每分钟4-5次呼吸，并且使用呼气末正压通气来维持足够的氧合作用。使用OPTI CCA装置以10分钟的间隔进行连续血气分析，进行滴定，以实现并指示稳定水平的高碳血症。一旦达到峰值疾病状况，使用125mM浓度的离子溶液作为含有钠、钾和氯离子的清除液体打开原型装置，所述清除液体基于台式测试表征被确定为合适的。所述装置使用13FR透析导管连接在静脉通路中，用于血液的抽取和返回。流速维持在248mL/min下，并用标准心肺转流转泵抽吸。以设定的间隔进行动脉、装置前静脉和静脉后装置的系列测量。在超过一小时的装置操作之后，装置操作被中断，并且根据标准方案使动物安乐死。在任何动物中都没有急性事件。

来自单个动物的示例性时程在图14中示出，其分别示出在装置前、装置后和动脉血流中的CO₂捕获效率。在所进行的实验中，动物中的二氧化碳负荷始终增加。当装置被启动时，二氧化碳负荷开始降低，这发生在上午约11:30，如图14所示。随后动脉侧CO₂负荷迅速降低，这代表装置的复合作用。装置前测量值是在装置调控之前从所述流中得到的静脉测量值，并且装置后测量值是在装置调控之后从所述流中得到的静脉测量值。以与台式测试中进行的相同方式从这些差异中捕获膜捕获效率。膜效率与二氧化碳负荷弱相关。这种关系与图15所示的所有动物的复合数据一起显示。所述值与基于台式测试预测的那些值类似。还在装置前和装置后评价pH平衡，如图16所示。由于诱发疾病状态的干预的性质，存在独立于装置操作的pH的一致下降(酸血症)。对装置前和装置后血液的pH测量值显示，仅存在由组成组分的混合去除引起的来自装置的pH增加(更具碱性)。这防止了pH值的下降增加，而这种下降将在单独去除碳酸氢根时发生。总体上，所述装置缓和了由高度急性干预诱发的pH下降。这显示能够同时改善pH并快速降低总CO₂负荷。

使用来自这些动物试验的数据，将装置性能模型置于假定受试者的动力学模型中，其膜效率的线性拟合以在模型中发现的最大值(～38％)为上限的。这种假设是保守的，因为它导致对装置性能的低估。已发现，使用250mL流过装置的液流，允许由于～50％肺活量损失而经历恶化的受试者在20分钟内返回到CO₂负荷的基线水平，如图17所示。

等效方案

仅使用常规实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文特别描述的特定实施方案的许多等效方案。这些等效方案意图涵盖在以下权利要求书的范围中。

以引用的方式并入

本文引用的所有专利和出版物以引用的方式整体并入本文。

如本文所提及，除非另外指定，否则所有组成百分比均按总组合物的重量计。如本文所用，单词“包括”及其变型意图为非限制性的，以使得列表中的项目的详述不排除也可适用于此技术的组合物和方法的其他类似项目。类似地，术语“可以”和“可”及其变型意图为非限制性的，以使得实施方案可以或可包括某些元素或特征的详述不排除不包括那些元素或特征的本技术的其他实施方案。此外，术语“基本上”是指所列举的特性、参数或值不需要精确地实现，但是包括例如公差、测量误差、测量精度限制、制造公差和本领域技术人员已知的其他因素的偏差或变化可以出现的量不排除特性、参数或值意图提供的效果。在本文呈现的描述中，术语“约”或“大约”是指在指定数值的正或负10％内的值范围。

尽管作为诸如包括、含有或具有等术语的同义词的开放式术语“包括”在本文中用于描述并要求保护本发明，可以使用诸如“由…组成”或“基本上由…组成”等替代性术语来可替代地描述本发明或其实施方案。

如本文所用，单词“优选的”和“优选地”是指本技术在某些情况下提供某些益处的实施方案。然而，在相同或其他情况下，其他实施方案也可以是优选的。此外，一个或多个优选实施方案的详述并不意味着其他实施方案不适用的，并且并不意图从本技术的范围内排除其他实施方案。

Claims

1.一种用于从流体中去除二氧化碳的体外系统，所述系统包括：

筒主体，其具有空腔、在所述筒主体的第一端部和第二端部之间延伸的纵向轴线、邻近所述第一端部的流体入口和邻近所述第二端部的流体出口；

第一膜部件，其设置在所述空腔内并被构造成从沿第一方向从所述流体入口朝向所述流体出口传送的所述流体中去除气态二氧化碳；

第二膜部件，其设置在所述空腔内并被构造成从在所述流体入口和所述流体出口之间传送的所述流体中去除碳酸氢根；

第一入口，其与所述第一膜部件流体连通并被构造成将清除气体递送到所述第一膜部件，使得所述清除气体沿第二方向穿过所述第一膜部件；

第一出口，其与所述第一膜部件流体连通并被构造成接收穿过所述第一膜部件的所述清除气体；

第二入口，其与所述第二膜部件流体连通并被构造成将透析液递送到所述第二膜部件，使得所述透析液沿第三方向穿过所述第二膜部件；以及

第二出口，其与所述第二膜部件流体连通并被构造成接收穿过所述第二膜部件的所述透析液。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述流体包括血液。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述流体入口以约0mL/min至约350mL/min范围内的流速接收所述流体。

4.如权利要求2所述的系统，其中所述第二方向和所述第三方向中的至少一个基本上平行于所述第一方向。

5.如权利要求1所述的系统，其还包括提供所述流体和再调控流体之间的界面的第三膜部件，所述再调控流体具有被构造成调节所述流体的离子组成和酸度的组成。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述第三膜部件被定位成在从所述流体中去除所述气态二氧化碳和所述碳酸氢根之后，使所述流体与所述第三膜部件接触。

7.如权利要求5所述的系统，其中所述第三膜部件定位在所述筒主体中。

8.如权利要求5所述的系统，其中所述再调控流体包含至少一种生物相容性有机碱。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述生物相容性有机碱包括单乙醇胺(MEA)。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述第一膜部件包括在所述第一端部和所述第二端部之间延伸并被构造成接收穿过其中的所述清除气体的第一多根纤维，并且所述第二膜部件包括在所述第一端部和所述第二端部之间延伸并被构造成接收穿过其中的所述透析液的第二多根纤维。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述第一多根纤维与所述第二多根纤维缠结。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述第一多根纤维基本上平行于所述第二多根纤维。

13.如权利要求1所述的系统，其中所述第一多根纤维设置在所述筒主体的所述空腔的第一区域中，并且所述第二多根纤维设置在所述筒主体的所述空腔的第二区域中，所述第二区域与所述第一区域不同。

14.如权利要求1所述的系统，其中所述第一多根纤维和所述第二多根纤维被设置成与所述筒主体的所述纵向轴线成一定角度，并且其中所述第一多根纤维被设置成相对于所述第二多根纤维成一定角度。

15.如权利要求1所述的系统，其还包括具有电路的控制器，所述电路被构造成当所述流体穿过所述筒主体时获得表征所述流体、所述透析液和所述清除气体中的至少一种的状态的至少一个参数的测量值，并且响应于所述获得的测量值来控制所述流体的流速、所述透析液的流速和所述透析液的含量中的至少一者。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述至少一个参数包括所述流体的电解质含量，并且其中所述系统包括至少一个电解质传感器，所述电解质传感器被构造成当所述流体穿过所述筒主体时测量所述电解质含量。

17.如权利要求15所述的系统，其中所述至少一个参数包括所述流体的pH值，并且其中所述系统包括至少一个pH计，所述pH计被构造成在所述流体穿过所述筒主体时获得所述流体的所述pH值。

18.如权利要求15所述的系统，其中所述至少一个参数包括所述清除气体的流速和所述清除气体的含量。

19.如权利要求1所述的系统，其中所述系统适于与肾透析系统一起使用。

20.如权利要求1所述的系统，其中所述透析液包含适合于反向转运以维持电中性的液体组成。

21.如权利要求1所述的系统，其中所述透析液包含适合于单向共转运以维持电中性的液体组成。

22.如权利要求1所述的系统，其中所述透析液包含零碳酸氢根以及钠、氯、钾、钙、磷酸根、硫酸根和镁中的至少一种。

23.如权利要求1所述的系统，其中所述透析液包含至少一种生物相容性有机碱。

24.如权利要求23所述的系统，其中所述生物相容性有机碱包括单乙醇胺(MEA)。

25.一种用于从流体中去除气态二氧化碳和碳酸氢根的方法，所述方法包括：

经由与患者身体流体连通的插管从所述患者体内移出流体；

使所述流体进入包括第一膜部件和第二膜部件的体外壳体，使得所述流体与所述第一膜部件和所述第二膜部件中的至少一个的外表面接触；

使清除气体穿过所述第一膜部件，以使气态二氧化碳从所述流体转移到所述清除气体中；

使透析液穿过所述第二膜部件，以使碳酸氢根从所述流体转移到所述透析液中；以及

使所述流体在已穿过所述壳体之后离开所述壳体，使得所述气态二氧化碳和碳酸氢根从所述流体中去除。

26.如权利要求25所述的方法，其中使所述清除气体穿过所述第一膜部件和使所述透析液穿过所述第二膜部件基本上同时进行。

27.如权利要求25所述的方法，其中在所述透析液穿过所述第二膜部件之前使所述清除气体穿过所述第一膜部件，或者在所述清除气体穿过所述第一膜部件之前使所述透析液穿过所述第二膜部件。

28.如权利要求25所述的方法，其中所述流体是以小于400ml/min的非零流速从所述患者移出的血液。

29.一种用于治疗高碳酸血症呼吸衰竭(HRF)的方法，所述方法包括：

选择需要HRF治疗的患者；

以小于400ml/min的速率从所述患者体内抽出血液；以及

使所述血液经受至少一个膜，所述膜被构造成从所述血液中去除气态CO₂和碳酸氢根，以使所述血液中的二氧化碳水平达到基线水平。

30.如权利要求29所述的方法，其中所述气态CO₂和碳酸氢根基本上同时从所述血液中去除。

31.如权利要求29所述的方法，其中所述至少一个膜包括第一膜部件和第二膜部件，并且所述方法包括使清除气体穿过所述第一膜部件以及使透析液穿过所述第二膜部件。

32.如权利要求31所述的方法，其中所述透析液具有零碳酸氢根，并且透析液的组成使得至少跨越所述第二膜部件维持电荷中性。

33.如权利要求32所述的方法，其中所述透析液的组成基于所述血液的初始钠浓度和初始氯浓度来选择，其中在所述血液经受所述至少一个膜之前测量所述初始钠浓度和所述初始氯浓度。

34.如权利要求33所述的方法，其中：

当所述初始钠浓度大于阈值钠浓度时，将所述透析液的钠浓度选择为小于所述初始钠浓度，并且将所述透析液的氯浓度选择为与所述初始氯浓度大致相同；并且

当所述初始钠浓度小于所述阈值钠浓度时，将所述透析液的钠浓度选择为与所述初始钠浓度大致相同，并且将所述透析液的氯浓度选择为大于所述初始氯浓度。

35.如权利要求32所述的方法，其还包括当所述血液经受所述至少一个膜时，基于所述血液的电解质含量的测量值调节所述透析液的组成，以维持电荷中性。

36.如权利要求29所述的方法，其中在从所述血液中去除所述碳酸氢根之前从所述血液中去除所述气态CO₂。

37.如权利要求29所述的方法，其中在从所述血液中去除所述气态CO₂之前从所述血液中去除所述碳酸氢根。

38.一种用于治疗高碳酸血症呼吸衰竭(HRF)的方法，所述方法包括：

选择需要HRF治疗的患者；

以小于400ml/min的速率从所述患者体内抽出血液；

使所述血液经受第一膜部件，所述第一膜部件被构造成从所述血液中去除气态CO₂，所述第一膜部件具有穿过其中的清除气体；以及

使所述血液经受第二膜部件，所述第二膜部件被构造成从所述血液中去除碳酸氢根，所述第二膜部件具有穿过其中的碳酸氢根去除液体，所述碳酸氢根去除液体具有零碳酸氢根并且具有允许在所述第二膜部件处维持电荷中性的浓度的钠和氯。

39.如权利要求38所述的方法，其中所述清除气具有零气态CO₂。