CN114848941A - 一种膜式氧合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膜式氧合器，其包括：壳体和位于壳体内的血氧交换腔；壳体的进液端设置有至少两个血液进口，壳体的出液端设置有至少两个血液出口，进液端和出液端分别位于壳体的两侧；血液进口在出液端的投影与血液出口的位置不重合，使从膜式氧合器流出的血流均匀。本发明通过对膜式氧合器血氧交腔的形状、血液进出口以及血液进口多孔挡板进行配合设计，实现对血液流量的均匀分配，使其能够充分进行血气交换，减轻血液滞留等效果，在临床上避免血栓等并发症的发生。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种膜式氧合器。
背景技术
膜式氧合器是一种可辅助人体血液体外循环的医疗器械，常被用于体外膜肺氧合(ECMO)技术中，是ECMO系统重要组成部件。膜式氧合器能够容纳一定体积的血液，从人体引出贫氧静脉血经过其内部由大量中空纤维膜丝组成的血气交换区，与膜丝内流过的氧气发生血气交换，转变为富氧动脉血，重新流回人体，在体外循环中承担了人体肺脏的功能。
膜式氧合器的外部结构设计能够显著影响其内部的血液流场，因此市场上有很多种不同构型的膜式氧合器，性能也不尽相同。通过改变膜式氧合器外部结构，进而影响其内部血液流动情况，最终实现提高膜式氧合器安全性、功能性的目的，是目前膜式氧合器研发的一项重要技术。
膜式氧合器种类繁多，结构各异，就当前临床性能较好的一种膜式氧合器：Maquet公司研发的QUADROX系列氧合器的通用构型来说，如图1所示，其血气交换区被建模成长方体形状，血液进出口大部分采用“一对一”式设计，即单一、同轴进出口设计。
出于连接便捷的考虑，临床治疗通常要求膜式氧合器采用单一、同轴进出口设计，但是由于膜式氧合器体积较大，血液进、出口尺寸较小，若采用此种设计，则会导致血液流量分配不均，全部血液流量只在血气交换区的某一区域集中流入、流出，而其余远离血液进出口的区域均缺少血液流量的直接流入、流出，血液若想流经这些区域需要在膜式氧合器内经过更长的路径，造成血液滞留。实验结果也表明：在更靠近血液进、出口的区域，血液流动往往更加顺畅；而在远离血液进、出口区域部分血液则会发生滞留。
在膜式氧合器中，两种流动状态会导致相应的问题：血液很快流出易导致血、气交换不充分；血液滞留则会导致血栓形成，进一步阻碍血液流动、降低血气交换性能。现有研究结果也表明，在QUADROX系列膜式氧合器长方体血气交换区的尖角区域，以及远离血液进出口的区域血栓形成情况往往较为严重。因此，如何解决因血液流量分配不均导致的血气交换不充分和血栓形成是设计膜式氧合器时需要考虑的重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种膜式氧合器，通过对膜式氧合器的壳体以及多孔挡板的设计，解决因血液流量分配不均导致的血气交换不充分和血栓的形成。
为解决上述问题，本发明提供了一种膜式氧合器，包括：壳体和位于壳体内的血氧交换腔；
壳体的进液端设置有至少两个血液进口，壳体的出液端设置有至少两个血液出口，进液端和出液端分别位于壳体的两侧；
血液进口在出液端的投影与血液出口的位置不重合，使进从膜式氧合器流出的血流均匀。
优选地，血氧交换腔的腔形为圆柱体或长方体。
优选地，血液进口分布于第一圆周，血液出口分布于第二圆周；
第一圆周的圆心和第二圆周的圆心均位于血氧交换腔的轴线上；
第一圆周的圆的直径不大于第二圆周的圆的直径。
优选地，血液进口和血液出口分别沿第一圆周和第二圆周等角度均布。
优选地，在壳体的出液端还设置有血液中心出口，血液中心出口位于第二圆周的圆心。
优选地，壳体的进液端设置有总血液进口，出液端设置有总血液出口，总血液进口和总血液出口同轴；
总血液进口与各血液进口相接；
总血液出口与各血液出口相接。
优选地，总血液进口与各血液进口连接的各分支端均设置有垂直管路，垂直管路与进液端的端面垂直，用于控制血流进入进口多孔挡板时的径向分速度。
优选地，血氧交换腔包括压紧中空纤维膜丝束和用于压紧中空纤维膜丝束的进口多孔挡板；
进口多孔挡板包括血流进口通孔区、血流交汇通孔区和其它通孔区；
血流进口通孔区位于血液进口处，用于改变血液进口处血液的流向；
血流交汇通孔区位于多股血流交汇处，用于疏通血液；
其它通孔区用于控制血液流量。
优选地，血流进口通孔区设置一个中心通孔,中心通孔的面积小于血液进口的面积；
血流交汇通孔区的通孔的直径大于中心通孔的直径。
优选地，血氧交换腔还包括出口多孔挡板，出口多孔挡板上均匀设置若干等孔径的通孔。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明通过对膜式氧合器血氧交腔的形状、血液进出口设计以及血液进口多孔挡板进行配合设计，实现对血液流量的均匀分配，使其能够充分进行血气交换，减轻血液滞留等效果，在临床上避免血栓等并发症的发生。
附图说明：
图1是现有技术中QUADROX系列膜式氧合器的结构示意图；
图2是根据本发明的一种膜式氧合器的壳体的结构示意图；
图3示意性地示出了血液进口位置分布；
图4示意性地示出了血液出口位置分布；
图5是本发明一实施例的进口多孔挡板的截面图；
图6是本发明一实施例的出口多孔挡板的截面图；
图7是血氧交换腔的入口缓冲区累积停留时间分布示意图；
图8是本发明一实施例改善后的氧交换腔的入口缓冲区累积停留时间分布示意图。
附图标记：
1：壳体；
2：总血液进口；21：血液进口；
3：总血液出口；31：血液出口；32：血液中心出口；
4：进口多孔挡板；41：血流进口通孔区；411：中心通孔；42：血流交汇通孔区；43：其它通孔区。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图2，结合图3-图6的各部分的结构示意图对本发明的一种膜式氧合器进行详细说明。
本发明的模式氧合器的壳体1相对的两个侧面为进液端和出液端，在进液端上设置至少两个大小相同的血液进口21，出液端上设置至少两个大小相同的血液出口31。其中，血液进口21和血液出口31的个数相同且各血液进口与血液出口的空间位置交错，即血液进口21在出液端的投影与血液出口31的位置不重合，或血液出口31在进液端的投影与血液进口21的位置不重合。
该设计能够使血液得以从不同区域分别流入、流出血氧交换腔，以达到合理分配膜式氧合器内各处血液流量的效果；同时，利用每对血液进口21和血液出口31在周向上合理地错开一段距离的设计，可以平均从氧合器内流出的血流的路径长度，使膜式氧合器内血液流动路径长度尽量相近，进而减轻血液滞留情况。
血氧交换腔位于壳体1内，包括与壳体1内部的尺寸相适配的进口多孔挡4板、中空纤维膜丝束和出口多孔挡板。进口多孔挡板4用于压紧中空纤维膜丝束，与壳体1的内壁以及出口多孔挡板共同形成血氧交换腔的腔体，使由血液进口21流入的血液经进口多孔挡板4进入血氧交换腔内，再经出口多孔挡板和血液出口31流出膜式氧合器，完成血氧交换。
本发明通过对进口多孔挡板的通孔的设计实现对血流的二次分配，进一步减轻血液在血氧交换腔内的滞留情况，从而提升膜式氧合器流动性、功能性，预防血栓形成。
血氧交换腔的腔形可以为长方体或圆柱体。
在本发明的一个优选实施例中，将血氧交换腔设计为圆柱体，对应的外壳也为同轴的圆柱体，相比长方体腔形的设计，圆柱体能够有效减轻长方体尖角区域导致的血液滞留。
进一步的，在外壳1的进液端和出液端上分别设置三个大小相等且均为圆柱形通孔的血液进口21和三个血液出口31，参见图3、图4。
进液端上的三个血液进口21所在的第一圆周的圆心和出液端上的三个血液出口31所在的第二圆周的圆心均位于血氧交换腔的轴线上，且各血液进口21和各血液出口31分别沿第一圆周和第二圆周等角度均布。
为保证血液能够充分流经血氧交换腔，并且在膜式氧合器内流动路径长度相近，设置第一圆周的圆的半径小于第二圆周的圆的半径，且每一对血液进口21、血液出口31的中心不同轴，相互交错。优选地，将三个血液进口21设置在距圆柱体边缘1/3半径远处。
进一步的，为了平均血液流动路径长度，在壳体1的圆心位置设置血液中心出口32，使无血液直接流入区域的血液也能有途径及时流出，减轻远离血液进口区域的血液滞留情况。
更进一步的，为了临床使用时连接便捷，采用单一、同轴总进出口设计，即在壳体1的进液端和出液端分别设计总血液进口2和总血液出口3，利用一分多的管路使总血液进口2同各血液进口21连接，总血液出口3同各血液出口31以及血液中心出口32连接。
同时，与三个血液进口端连接的分支管路上分别设置一段10mm高的垂直进口的管路，该垂直管路与进液端的端面垂直，管路的另一端连接总血液进口2。通过垂直进口管路的设计使血液不产生径向分速度，仍沿圆柱体外壳1的轴向流入膜式氧合器。
为了加强血液流量分配的效果，本发明还对血液进口多孔挡板4进行设计，一方面利用进口多孔挡板压紧柔软的中空纤维膜丝束，减小其因受血流冲击发生的变形；另一方面通过对挡板上的通孔的位置、大小等进行设计，对血液进口流量进行二次分配，达到控制血液流动的效果。
在本发明的第二实施例中，利用分析软件Ansys对血液通过各个血液进口21到达血氧交换腔时的流场进行数值仿真分析，根据仿真结果将进口多孔挡板4划分成血流进口通孔区41、血流交汇通孔区42和其它通孔区43。
其中，血流进口通孔区41的位置与各个血液进口21的位置对应，减小该区域的通孔数量，仅保留一个通孔，其他位置用挡板代替，通过挡板对血液的阻碍作用，迫使部分血液流向从轴向变为径向，进而流至远离血液进口的区域，达到二次流量分配的效果。
血流交汇通孔区42位于多股血流交汇的区域，该区域容易发生血液滞留，因此为了改善这些区域的血液滞留情况，该设计将这些区域的通孔开得更大，以疏通血液流动，改善血液滞留情况。
进口多孔挡板4上其它的区域为其它通孔区域43，可根据得到的仿真数据设置通孔的大小，例如将远离血液进口的区域的通孔直径增大，促进血液的流动。
图7-图8为利用软件得到的仿真图，选取累积停留时间作为评估血液滞留的参数，这项参数的物理意义是指，血液从入口流值特定位置所需要的时间。
首先对膜式氧合器的血流情况进行仿真，得到如图7所示的血氧交换腔入口缓冲区累积停留时间分布情况，根据累积停留时间的物理意义可知箭头指示的高值区域代表此处血液滞留情况更严重，所以考虑在这几个区域采用了放大多孔挡板通孔的处理，以疏通瘀滞的血液。
放大通孔后同一标尺下累积停留时间分布如图8所示，不难看出，合理放大、布置通孔对于减轻血液滞留起到改善的效果。
在本发明的第三实施例中，在血液进口21和进口多孔挡板4的双重作用下，血液流量已经能够得到较为合理的分配，同时中空纤维膜丝束会提供很大的流动阻力，导致血液流速很低，不会出现复杂的流动状态，因此在血液出口处，可对多孔挡板只进行常规设计，均布通孔。
本发明旨在保护一种膜式氧合器，一方面依据“多口、分布、交错”三项原则对膜式氧合器血液进出口进行设计，“多口”、“分布”具体指设置多个血液进出口并将其分布在血气交换区的不同区域，该设计可以使血液得以从不同区域分别流入、流出，以达到合理分配氧合器各处血液流量的效果；“交错”具体指外壳上的血液进出口不采用类似“一对一”的“多对多”进出口同轴设计，而是将每对进出口合理地交错开一段距离，该设计可以使氧合器内血液流动路径长度尽量相近，进而减轻血液滞留。
另一方面，在预测发生血液对冲、导致血液滞留的几个区域，在不严重影响压紧膜丝作用的前提下，采用改变通孔形状、放大通孔孔径的方法，疏通血液滞留区域的血液，使其更容易流出，减轻血液滞留情况。从而提升膜式氧合器流动性、功能性的同时，预防血栓形成这一氧合器常见的并发症。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种膜式氧合器，其特征在于，包括：壳体(1)和位于所述壳体(1)内的血氧交换腔；
所述壳体(1)的进液端设置有至少两个血液进口(21)，所述壳体(1)的出液端设置有至少两个血液出口(31)，所述进液端和所述出液端分别位于所述壳体(1)的两侧；
所述血液进口(21)在所述出液端的投影与所述血液出口(31)的位置不重合，使从所述膜式氧合器流出的血流均匀。
2.根据权利要求1所述的膜式氧合器，其特征在于，所述血氧交换腔的腔形为圆柱体或长方体。
3.根据权利要求1或2所述的膜式氧合器，其特征在于，所述血液进口(21)分布于第一圆周，所述血液出口(31)分布于第二圆周；
所述第一圆周的圆心和所述第二圆周的圆心均位于所述血氧交换腔的轴线上；
所述第一圆周的圆的直径不大于所述第二圆周的圆的直径。
4.根据权利要求3所述的膜式氧合器，其特征在于，所述血液进口(21)和所述血液出口(31)分别沿所述第一圆周和所述第二圆周等角度均布。
5.根据权利要求3所述的膜式氧合器，其特征在于，在所述壳体(1)的出液端还设置有血液中心出口(32)，所述血液中心出口(32)位于所述第二圆周的圆心。
6.根据权利要求4所述的膜式氧合器，其特征在于，所述壳体(1)的进液端设置总血液进口(2)，出液端设置总血液出口(3)，所述总血液进口(2)和所述总血液出口(3)同轴；
所述总血液进口(2)与各所述血液进口(21)相接；
所述总血液出口(3)与各所述血液出口(31)相接。
7.根据权利要求6所述的膜式氧合器，其特征在于，所述总血液进口(2)与各所述血液进口(21)连接的各分支端均设置有垂直管路，所述垂直管路与所述进液端的端面垂直，用于控制血流进入所述进口多孔挡板(4)时的径向分速度。
8.根据权利要求1或2所述的膜式氧合器，其特征在于，所述血氧交换腔包括中空纤维膜丝束和用于压紧所述中空纤维膜丝束的进口多孔挡板(4)板；
所述进口多孔挡板(4)包括血流进口通孔区(41)、血流交汇通孔区(42)和其它通孔区(43)；
所述血流进口通孔区位于所述血液进口(21)处，用于改变所述血液进口(21)处血液的流向；
所述血流交汇通孔区(42)位于多股血流交汇处，用于疏通血液；
所述其它通孔区(43)用于控制血液流量。
9.根据权利要求8所述的膜式氧合器，其特征在于，所述血流进口通孔区(41)设置一个中心通孔(411),所述中心通孔(411)的面积小于所述血液进口(21)的面积；
所述血流交汇通孔区(42)的通孔的直径大于所述中心通孔(411)的直径。
10.根据权利要求8所述的膜式氧合器，其特征在于，所述血氧交换腔还包括出口多孔挡板，所述出口多孔挡板上均匀设置若干等孔径的通孔。
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