CN111760107A - 一种高效气液交换的膜式氧合器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高效气液交换的膜式氧合器，主要包括排碳腔、氧合腔、温控腔、真空泵、纯氧气瓶和流量计等部分。从人体引流出的静脉血在流经置于排碳腔内的中空硅水凝胶管时，透过管壁释放二氧化碳到腔体中，使用真空泵给排碳腔施加微负压从而使二氧化碳被高效排出；之后血液流入置于氧合腔内的中空硅水凝胶螺旋管中，使用泵给氧合腔施加微正压从而使氧气高效进入血液与红细胞结合，排碳腔和氧合腔都置于一个温控腔中。本发明的膜式氧合器采用分步进行血液中的二氧化碳的排出和氧气的吸收，并分别辅以适度的负压与正压环境，能够有效地提高气液交换效率，避免因长期使用现有氧合器造成患者肢端坏死从而有生命危险，提高救治率，降低后遗症。

Description

一种高效气液交换的膜式氧合器

技术领域

本产品涉及一种医疗器械产品的技术领域，尤其涉及一种增强气液交换的膜式氧合器。

背景技术

膜式氧合器是一种人工肺，用于代替肺的医疗器械，具有调节血液内氧气和二氧化碳含量的功能，是心肺手术、急性呼吸疾病、抢救危重症患者生命必备的医疗设备。膜式氧合器原理是将体内的静脉血引出体外，经过膜式氧合器进行氧气和二氧化碳交换后再输回病人动脉或静脉系统，维持人体脏器组织氧合血的供应，起到替代正常人体肺的作用，同时为医生提供安静、无血、清晰的手术环境，以便于实施手术。

利用体外膜肺氧合技术(ECMO)，在临床急危重症医学领域，已经取得了一定成效。在临床急危重症医学领域的救治方面，发挥了不可磨灭的作用，往往成为保障患者生命的最后一道屏障。心脑肾等重要脏器器官，在缺血缺氧状态下，会发生不可逆的损害。尤其是脑部中央神经系统，在缺血缺氧数十秒内便可造成永久性损伤，甚至死亡。人工心肺机技术作为体外生命支持技术，可有效解放受损的心肺器官，借助体外循环技术和体外氧合技术，维持机体正常血氧需求。研究体外膜肺氧合技术在临床急危重症医学领域的应用，将为临床急危重症医学的救治积累宝贵经验。

面对此次爆发的疫情，新型冠状病毒肺炎造成患者的肺部受损，成为“病毒肺”。患者大多是肺底部被粘液堵塞，导致患者呼吸困难，机体缺氧，免疫力下降，进而引起并发症。这时采用鼻管、喉管、气道切开有创插管等传统通过气道补充高压氧气的做法不仅不能解决问题，反而会起反作用。这是由于高压氧气把粘液进一步压到肺底部，变得更加致密粘稠，加剧肺底部组织坏死，肺功能进一步被损伤。使用体外膜肺氧合技术即可避开受损肺部，通过血液直接给人体供氧并排出二氧化碳，担任起通常的人体肺的气体交换的任务。但现有人工心肺机还存在换气效率低、使用异常昂贵等缺陷。目前膜式氧合器主要存在氧合丝膜气体交换率低、血液中二氧化碳和氧气同时进行交换引起的自由扩散的效率不高、血液容易凝固造成血栓、管路易于被污染而需要频繁更换耗材等缺点。

研发新型膜式氧合器技术在临床急危重症医学领域的应用，将为临床急危重症医学的救治提供更高效且更经济的设备支持。

发明内容

针对现有人工肺的不足，本发明提供一种高效气液交换的新型膜式氧合器，以解决上述现有技术的问题。

本申请提出新型膜式氧合器即一种高效气液交换的膜式氧合器，主要包括排碳腔、氧合腔、温控腔、真空泵、纯氧气瓶或其它纯氧气源、流量计等部分。

所述排碳腔，中空硅水凝胶管束连接进血管，进血管上设置有流量计，其体内血液流过螺旋中空硅水凝胶管束。所述硅水凝胶管束，管壁内层设有纳米孔，外层设有微米孔。所述排碳腔右下位置设置有二氧化碳排气管，排气管上设置有真空泵，使用真空泵给管外腔内的环境施加微负压，加速血液中二氧化碳排出。所述硅水凝胶管束连接进血管，进血管上设置有流量计。

所述氧合腔，其中的管束设置与排碳腔相同。氧合腔左上位置设置氧气进气管连接微正压纯氧气瓶，以加速氧合过程。排碳腔和氧合腔内中空硅水凝胶管束通过支管上下串联连接，所述氧合腔右下位置设置有出血管，连接体内静脉，完成体外循环。

所述排碳腔和氧合腔均置于温控腔中，温控腔为水浴腔，温控腔上端面设置有进水管，在右侧偏下的位置上设置有出水管，在水浴腔外端面安装温度传感器、电加热器、惠斯顿电桥，采用自反馈循环控制水浴温度在37℃左右，便于人体接受。

所述螺旋式中空硅水凝胶管束结构，管束外径设置约380μm，孔径设置为0.03-0.1μm。

本发明一种高效气液交换的膜式氧合器，上盖具有进血口、进水口以及出气口。进血口的直径设计为10mm左右，血液流率在5-7L/min，温控腔中水的流量控制在10L/min。进血管做成仿毛细血管的分支，连接氧合部分的支管。本申请可以获得以下技术效果：

本发明的一种高效气液交换的膜式氧合器，氧合部分采用两个容器上下串联的方式，分步单独进行血液中的二氧化碳的排出和氧气的进入，相比现有的通过渗透作用同时进行排碳和氧合的设计，能大幅提高气体置换效率，解决目前医疗中现有氧合器氧合效率不佳，供氧量不能满足人体需求的问题。

本发明的一种高效气液交换的膜式氧合器，气液交换结构采用硅水凝胶管束，硅水凝胶具有优良的透气性能，且具有高亲水性，能在管内壁形成一层水膜，避免气体和血液的直接接触，避免蛋白质和血小板的渗漏造成的氧合效率下降。

本发明的一种高效气液交换的膜式氧合器，采用螺旋管束设计，血液由总管进入排碳腔后分流到众多螺旋管束中，增大了气液交换总面积。

本发明的一种高效气液交换的膜式氧合器，上盖内部设计仿毛细血管结构，将进血管进行分支，使血液单独进入硅水凝胶管束，减少血液之间的碰撞，从而减少对血细胞的损伤。

本发明的一种高效气液交换的膜式氧合器，血液中添加少量抗凝剂肝素，对硅水凝胶表面进行活化。肝素分子以共价键的形式结合到材料表面，不仅防止血液凝固，同时提高了生物相容性，还可延长耗材使用时间，降低使用成本，节约材料资源。

本发明提出的一种高效气液交换的膜式氧合器，从人体引流出的静脉血在流经置于排碳腔内的中空硅水凝胶管时，透过管壁释放二氧化碳到腔体中。硅水凝胶具有优良的透气性能。管壁内层设有纳米孔而外层有微米孔，从而在增加透气性的同时具有足够的支撑强度。管束采用螺旋布置结构以增大气体交换的工作表面积。使用真空泵给排碳腔施加微负压从而使二氧化碳被高效排出。之后血液流入置于氧合腔内的中空硅水凝胶螺旋管中，透过同样结构的硅水凝胶管壁从腔体中吸收氧气。使用泵给氧合腔施加微正压从而使氧气高效进入血液与红细胞结合。排碳腔和氧合腔都置于一个温控腔中，其中设有水浴和自反馈循环温控系统，使流经的血液温度保持在37℃，便于人体接受。本发明的新型膜式氧合器采用分步分别进行血液中的二氧化碳的排出和氧气的吸收，并分别辅以适度的负压与正压环境，能够有效地提高气液交换效率，解决现有氧合器氧合效率不佳从而携氧量不能满足人体肢端需要的问题，避免因长期使用现有氧合器造成患者肢端坏死从而有生命危险，提高救治率，降低后遗症。

附图说明

图1为本发明一种高效气液交换的膜式氧合器的结构示意图。

图2为本发明一种高效气液交换的膜式氧合器的外观图。

图3为单根硅水凝胶管示意图。

图中：1-流量计；2-进血管；3-硅水凝胶螺旋管束；4-排碳腔泄压管：5-血液连通管；6-排碳腔；7-氧合腔；7-温控腔；9-氧气输入管；10-纯氧气瓶；11-出水管；12-出血管；14-氧合腔泄压管；14-真空泵；15-二氧化碳输出管；16-温度传感器；17-进水管；31-螺旋管束中的单根硅水凝胶管；311-微纳米透气孔。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预期发明目的所采取的技术手段，以下结合附图，对依据本发明的具体实施方式、结构以及特征，详细说明如下：

请参考图1、图2、图3，本实施例的一种高效气液交换的膜式氧合器，主要包括排碳腔6、氧合腔7、温控腔8、真空泵14、纯氧气瓶10、流量计1等部分。

本实施方式的氧合部分中气液交换结构采用气体单独交换装置，进血管2一端通过管路与颈动脉插管连接，血液由人体引出进入到进血管2，通过流量计1控制血液流率在5-7L/min，随后血液进入到排碳腔6内的硅水凝胶螺旋管束3中，真空泵14与二氧化碳输出管15相连接，用来施加微负压，加速血液中的二氧化碳排出。该腔侧面连接排碳腔泄压管4，用以泄压，以防压强过高出现问题。通过血液连通管5将排碳腔6和氧合腔7中的硅水凝胶螺旋管束3采用上下串联的方式连接，纯氧气瓶10通过氧气输入管9连接在氧合腔7左上位置，为氧合腔提供微正压环境透过纳米多孔螺旋管壁与其中流经的血液进行氧合，提高氧合效率，完成氧合过程。该腔侧面连接氧合腔泄压管14，用以泄压，以防压强过高出现问题。出血管12靠近于下盖，通过出血管12与颈动脉连接，血液经过管路流回体内，完成体外循环。其中，进血管2的直径设计为10mm左右，进血管做成仿毛细血管的分支。硅水凝胶螺旋管束3外径设置为380μm的，孔径控制在0.03-0.1μm，增加血液的扩散面积，以与氧合结构充分接触，增加与血液的接触面积及其利用率，充分提高气体的交换效率，单根硅水凝胶管示意图如图3所示，螺旋管束中的单根硅水凝胶管31有微纳米透气孔311。

所述温控腔8包装在排碳腔6与氧合腔7外壁，进水管17设置在温控腔8的上端面，水由进水管17流入到温控腔8内，流量控制在10L/min，提供恒温水浴，通过热交换，保持血液在该过程中更接近于人体内温度，出水管11设置在温控腔侧面底部位置，完成热交换的水经过出水管11排出。其中，在容器侧端面安装温度传感器16，所述水浴加热采用惠斯顿电桥，用自反馈循环控制的方法自动控制两个容器水浴温度在37℃左右。

具体地，在温控腔8外侧设置有壳体，包括上盖、氧合外壳和下盖。所述上盖通过螺栓与氧合外壳上端连接，氧合外壳下端与下盖通过螺栓连接，由于所述壳体体积小，从而有效减小设备的体积，为医疗提供了便携性。

本实施方式的上盖内部连接进血管的管路仿毛细血管结构，呈环状排列，具有多个血液通口，多个血液通口作为导流结构，多个血液通口连接氧合部分的进血口。本实施方式的环状排列同时达到支撑的作用，并延长血液扩散的路径，减少血液之间的碰撞。

本发明的膜式氧合器在使用时，(由图1所示，实箭头代表血液流动方向，虚箭头代表恒温水流动方向)，体外血液回路装置的血液进入上盖的毛细血管结构，血液再从毛细血管结构的出血口经过进血管2进入硅水凝胶螺旋管束3中。上述毛细血管结构可避免血液直接进入氧合部，减缓血液进入血液通道的速度，同时导引血液的流动方向，避免血液碰撞，减少血液受到破坏的机会。当血液首先进入排碳腔6中的硅水凝胶螺旋管束从上往下流动，通过调节真空泵14到适当的压力值，在排碳腔6中施加微负压，加速二氧化碳从血液中排出。接着血液沿着血液连通管5流到氧合腔7中的硅水凝胶螺旋管束3中。纯氧气瓶9中释放的高压纯氧经过泄压阀降压至稍高压后进入氧合腔7中，透过纳米多孔螺旋管壁与其中流经的血液进行氧合，微正压环境能提高了氧合效率。

当血液进入氧合过程时，在血液中添加抗凝剂肝素，对硅水凝胶表面进行活化。肝素分子以共价键的形式结合到材料表面，防止血液凝固的同时，且提高了生物相容性。肝素的添加量标准控制在：100ml血液加入500IU肝素。

当血液进入氧合过程前，经调变温度的水从温控腔8上端的进水管17通入，通过惠斯顿电桥的方法控制温度，根据温度传感器16的示数，保持水浴温度在37℃左右，调整扩散对血液进行水浴加热，结束后将水由下端的出水管10排出。

根据以上描述的技术方案以及构思，权利范围不限于具体参数，凡是由相似的结构或原理的同类产品做出其它各种相似的改变以及形变，都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高效气液交换的膜式氧合器，其特征在于：主要包括排碳腔、氧合腔、温控腔、真空泵、纯氧气瓶和流量计，中空硅水凝胶管束形成排碳腔，中空硅水凝胶管束连接进血管，进血管上设置有流量计，人体内血液流过螺旋中空硅水凝胶管束，排碳腔右下位置设置有二氧化碳排气管，排气管上设置有真空泵，使用真空泵给管外腔内的环境施加微负压；氧合腔中的中空硅水凝胶管束设置与排碳腔相同，氧合腔左上位置设置氧气进气管连接微正压纯氧气瓶，以加速氧合过程；排碳腔和氧合腔内中空硅水凝胶管束通过支管上下串联连接，所述氧合腔右下位置设置有出血管，连接体内静脉，完成体外循环；排碳腔和氧合腔均置于温控腔中，温控腔为水浴腔，温控腔上端面设置有进水管，在右侧偏下的位置上设置有出水管，在水浴腔外端面安装温度传感器、电加热器、惠斯顿电桥，采用自反馈循环控制水浴温度在37℃左右，便于人体接受。

2.根据权利要求1所述的一种高效气液交换的膜式氧合器，其特征在于：硅水凝胶管束的管壁内层设有纳米孔，外层设有微米孔。

3.根据权利要求2所述的一种高效气液交换的膜式氧合器，其特征在于：硅水凝胶管束为螺旋式中空硅水凝胶管束结构，管束外径设置约380μm，孔径设置为0.03-0.1μm。

4.根据权利要求1所述的一种高效气液交换的膜式氧合器，其特征在于：进血口的直径设计为10mm左右，血液流率在5-7L/min，温控腔中水的流量控制在10L/min。

5.根据权利要求1所述的一种高效气液交换的膜式氧合器，其特征在于：进血管做成仿毛细血管的分支，连接氧合部分的支管。

6.根据权利要求1所述的一种高效气液交换的膜式氧合器，其特征在于：当血液进入氧合过程时，在血液中添加抗凝剂肝素，对硅水凝胶表面进行活化，肝素的添加量标准控制在：100ml血液加入500IU肝素。

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