CN116764018B - 具有进液分散结构的斜穿流道氧合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有进液分散结构的斜穿流道氧合器，包括外壳和氧合变温模组，外壳的底部设有进水口、出水口、进血口和出气口，上部设有进气口、排气口和出血嘴；氧合变温模组，竖直设于外壳内，氧合变温模组由内到外依次包括芯轴、变温膜和氧压膜，芯轴的下端正对进血口，变温膜连通进水口和出水口，氧压膜连通进气口和出气口；氧合变温模组还包括进液分散结构，进液分散结构包括设于芯轴外壁的多个分流台阶，每个分流台阶环绕芯轴的外壁一周，多个分流台阶沿芯轴的长轴间隔分布，并且靠近芯轴下端的分流台阶的直径小于靠近芯轴上端的分流台阶的直径。本发明能够缩短氧合器预充时间并减小压力损失。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种具有进液分散结构的斜穿流道氧合器。
背景技术
临床手术用的体外循环装置，俗称人工肺，又称氧合器。氧合器作为体外血液氧合的装置，在体外循环(CPB)和体外膜肺氧合(ECMO)中发挥着重要作用。在应用过程中，其主要作用为使得贫氧的静脉血转变为富氧的动脉血，替代肺脏功能，以满足术中患者的需要。
目前市售ECMO用氧合器(以下称长效氧合器)均与同品牌的cpb用氧合器(以下称短效氧合器)共用设计，忽视长效氧合器在实际使用时与短效氧合器咋不同侧重点。主要体现为：(1)短效氧合器有充分的准备时间，因此对于快速预充排气的要求不高，关注点是心脏停下后的氧供因此更在意气体交换效率；长效氧合器大多数应用于紧急出现的重症急救场景，如爆发性心肌炎、溺水、心肌梗塞等状况下，需要医护人员在黄金抢救窗口内快速建立ECMO循环通路，因此对产品的预充时间更敏感。(2)短效氧合器绝大多数时间使用滚压泵，因此对氧合器本身的压力损失不敏感；长效氧合器均使用离心泵驱动血液，基于离心泵特性，对氧合器本身的压力损失更敏感。氧合器的压力损失决定了泵最大输出能力以及同流量下的转速差异，当氧合器本身压力损失越大则需要更大的转速维持流量，从而加剧了血液破坏。鉴于以上情况，有必要设计一种预充时间短、压力损失小的氧合器，以满足重症急救场景下的功能需要。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种具有进液分散结构的斜穿流道氧合器，能够缩短氧合器预充时间并减小压力损失。
为了解决上述技术问题，本发明提供了.一种具有进液分散结构的斜穿流道氧合器，包括：
外壳，所述外壳的底部设有进水口、出水口、进血口和出气口，上部设有进气口、排气口和出血嘴；
氧合变温模组，竖直设于所述外壳内，所述氧合变温模组由内到外依次包括芯轴、变温膜和氧压膜，所述芯轴的下端正对所述进血口，所述变温膜连通所述进水口和所述出水口，所述氧压膜连通所述进气口和出气口；
所述氧合变温模组还包括进液分散结构，所述进液分散结构包括设于所述芯轴外壁的多个分流台阶，每个所述分流台阶环绕所述芯轴的外壁一周，多个所述分流台阶沿所述芯轴的长轴间隔分布，并且靠近所述芯轴下端的分流台阶的直径小于靠近所述芯轴上端的分流台阶的直径。
可选的，所述进液分散结构还包括引流件和连接筋，所述引流件通过所述连接筋与所述芯轴相连，所述芯轴的下端面与所述引流件之间具有第一缓存空间，所述分流台阶与所述引流件之间具有第二缓存空间，所述第二缓存空间连通所述第一缓存空间，所述引流件上设有引流孔，所述引流孔连通所述进血口与所述第一缓存空间。
可选的，所述芯轴的下端面正对所述引流孔，进入所述第一缓存空间的血液受所述芯轴的下端面阻挡向所述第一缓存空间的四周分散。
可选的，所述芯轴的外壁间隔均匀的设有多条所述连接筋，多条所述连接筋将所述第二缓存空间分割成多个子空间；
所述变温膜包裹所述连接筋，所述氧压膜包裹所述变温膜，从所述第一缓存空间流出的血液沿所述子空间上升，并在所述分流台阶的阻挡作用下斜穿所述变温膜和所述氧压膜。
可选的，所述分流台阶的台阶面从所述芯轴的下端面向所述芯轴的上端面倾斜。
可选的，所述台阶面与所述芯轴的长轴之间形成45°-90°的夹角。
可选的，所述出血嘴低于所述氧压膜的有效接触高度，并且所述出血嘴自所述外壳的顶部向所述外壳的底部倾斜。
可选的，所述排气口与所述氧压膜连通，并且高于所述氧压膜的有效接触高度。
可选的，所述氧压膜的外径与所述氧压膜的有效接触高度之比为1:1～2:1。
实施本发明，具有如下有益效果：
本公开对氧合器的血路路径和芯轴结构进行设计，使血液从外壳底部的进血口进入氧合变温模组，在氧合变温模组内，进液分散结构将血液分散引流，使血液斜穿变温膜和氧压膜，然后从外壳上部的出血嘴流出。此设计采用下部进血方式，血液流向和气泡走向一致，利于气泡上浮排出。并且，通过在芯轴外壁设置多个分流台阶，血液从进血口进入氧合变温模组后，血液液面抬升过程中，受到分流台阶阻挡向外部的变温膜和氧压膜均匀分散，使氧合变温模组下部的变温膜和氧压膜快速充盈血液，血液在充盈氧合变温模组下部的同时会将氧合变温模组下部的气体向上赶，从而加快排气，缩短氧合器预充时间，进一步的，由于分流台阶对血液进行分流，降低了血液液面抬升速度以及血液流速，减少了血液在流动中裹挟空气的情况，即减少了血液内气泡的产生，血液液面缓慢抬升还可以进一步促进氧压膜组内空气顺畅排出，再者，通过分流台阶使血液向四周均匀扩散，改变血液流向使血液可斜穿变温膜和氧压膜，压力损失小，对血液的破坏小。在斜穿过程中血流与气体流动方向呈45°～90°夹角，有利于维持血相侧与气相侧的浓度差，可有效的提升气体交换速度，提高产品的氧气交换率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的氧合器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的氧合器的侧面视图；
图3是本发明实施例提供的氧合器的正面视图；
图4是本发明实施例提供的氧合器的剖面视图；
图5是本发明实施例提供的氧合器的芯轴和液分散结构的整体结构示意图；
图6是本发明实施例提供的氧合器的芯轴和液分散结构的整体结构示意图；
图7是本发明实施例提供的血液、气体及加热介质在氧合器内的流向示意图。
图中：
101外壳，102上盖，103下盖，104进水口，105出水口，106进血口，107出气口，108进气口，109排气口，110出血嘴，111壳体，201芯轴，202变温膜，203氧压膜，204分流台阶，205引流件，206引流孔，207连接筋，208第一缓存空间，209第二缓存空间，210子空间，211台阶面，301第一封堵层，302第二封堵层，401间隙。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本实施例提供一种具有进液分散结构的斜穿流道氧合器，包括外壳101和氧合变温模组。请参见图1-图4，外壳101的底部设有进水口104、出水口105、进血口106和出气口107，上部设有进气口108、排气口109和出血嘴110。氧合变温模组竖直设于外壳101内，氧合变温模组由内到外依次包括芯轴201、变温膜202和氧压膜203，芯轴201的下端正对进血口106，变温膜202连通进水口104和出水口105，氧压膜203连通进气口108和出气口107。请参见图5-图6，氧合变温模组还包括进液分散结构，进液分散结构包括设于芯轴201外壁的多个分流台阶204，每个分流台阶204环绕芯轴201的外壁一周，多个分流台阶204沿芯轴201的长轴间隔分布，并且靠近芯轴201下端的分流台阶204的直径小于靠近芯轴201上端的分流台阶204的直径。其中，所有分流台阶204与芯轴201同轴，分流台阶204呈圆环状，单个分流台阶204上各区域的宽度相同，各分流台阶204的宽度可以相同或者不同，分流台阶204的宽度是指分流台阶204凸出于芯轴201外壁的高度。
在一种可能的实现方式中，外壳101包括壳体111、设于壳体111顶部敞口处的上盖102和设于壳体111底部敞口处的下盖103，进气口108设于上盖102，排气口109和出血嘴110设于壳体111上靠近上盖102的位置处，进水口104、出水口105、进血口106和出气口107设于下盖103上。氧合变温模组设于壳体内，氧合变温模组的上端与上盖102之间设有第一封堵层301，氧合器模组的下端与下盖103之间设有第二封堵层302，芯轴201竖直设于壳体中部，芯轴201的上端与第一封堵层301固定，引流件205连接进血口106，变温膜202穿过第二封堵层302与进水口104和出水口105连通，进血口106穿过第二封堵层302与引流孔206连通，氧压膜203的入口穿过第一封堵层301与进气口108连通，氧压膜203的出口穿过第二封堵层302与出气口107连通。
图7示出了血液、加热介质和氧气在氧合器中的流向，图中红色代表血液，蓝色代表加热介质，绿色代表氧气。其中，氧气从进气口108进入充盈氧压膜203的氧压膜膜丝内部，氧压膜203内的氧气与血液中的二氧化碳交换，再通过氧压膜203将二氧化碳带出从出气口107排掉。加热介质例如水从进水口104进入充盈变温膜202的变温膜膜丝内部，血液流经变温膜202时发生热交换使血液升温，变温膜202内的加热介质可从出水口105排出，在外部加热后再次进入变温膜202。血液从进血口106进入芯轴201与变温膜202之间的空间，在进液分散结构的引流作用下向四周分散，斜穿变温膜202和氧压膜203，之后从出血嘴110流出。
本公开对氧合器的血路路径和芯轴201结构进行设计，使血液从外壳101底部的进血口106进入氧合变温模组，在氧合模组氧合变温模组内，进液分散结构将血液分散引流，使血液斜穿变温膜202和氧压膜203，然后从外壳101上部的出血嘴110流出。进液分散结构的设计既能够降低血液压力损失，又能减少氧合器预充时间。主要体现为：
1、采用下部进血方式，血液流向和气泡走向一致，利于气泡上浮排出；
2、通过在芯轴201外壁设置多个分流台阶204，血液从进血口106进入氧合变温模组后，血液液面抬升过程中，受到分流台阶204阻挡向外部的变温膜202和氧压膜203均匀分散，使氧合变温模组下部的变温膜202和氧压膜203快速充盈血液，将氧合变温模组下部的气体向上赶，从而加快排气，缩短氧合器预充时间；
3、分流台阶204使血液向四周均匀分散，扩大了血液注入初期与变温膜202和氧压膜203之间的接触面积，提高了氧合效率；
4、由于分流台阶204对血液进行分流，降低了血液液面抬升速度，减少了血液在流动中裹挟空气的情况，即减少了血液内气泡的产生，血液液面缓慢抬升还进一步促进了氧压膜203组内空气从排气口109顺畅排出；
5、通过分流台阶204使血液向四周均匀扩散，改变血液流向使血液可斜穿变温膜202和氧压膜203，其通过性好，压力损失小，对血液的破坏小。
请参见图5和图6，进液分散结构还包括引流件205和连接筋207，引流件205通过连接筋207与芯轴201相连，芯轴201的下端面与引流件205之间具有第一缓存空间208，分流台阶204与引流件205之间具有第二缓存空间209，第二缓存空间209连通第一缓存空间208，引流件205上设有引流孔206，引流孔206连通进血口106与第一缓存空间208。血液从进血口106进入后，先驻留在第一缓存空间208，此过程中血液会向四周扩散进入变温膜202和氧压膜203的下部，将壳体下部的空气向上赶，随着后续血液的持续注入，血液没过第一缓存空间208进而升至第二缓存空间209，血液在第二缓存空间209内继续向上流动，受分流台阶204阻挡，会向四周扩散进入变温膜202和氧压膜203的中部，将壳体内的空气由下向上赶，从而快速排出氧合器内气体，缩短预充时间。并且，血液从氧合器底部进血口106进入，斜穿变温膜202和氧压膜203，然后从氧合器上部的出血口流出，血液流向与气体流向一致，符合气泡在液体中的物理特性，有利于气体自然快速排出，无需使用者敲击外壳101促使气体排出。经实验，连接好的本实施例的氧合器可在15秒内完成排气，而常规氧合器的排气动作需1～5分钟(取决于操作者的熟练度)，可见本实施例的氧合器极大的缩短了预充时间也降低了产品对操作者的要求。
在一个可能的实现方式中，芯轴201的下端面正对引流孔206，进入第一缓存空间208的血液受芯轴201的下端面阻挡向第一缓存空间208的四周分散。将芯轴201下端面与引流孔206正对，血液从引流孔206出来后直接冲击芯轴201下端面，在芯轴201下端面的约束作用下向四周分散，有利于血液在氧合器下部均匀扩散，快速挤走氧合器下部空气，并且提高血液注入初期变温膜202和氧压膜203的利用率。
在一个可能的实现方式中，芯轴201的外壁间隔均匀的设有多条连接筋207，多条连接筋207将第二缓存空间209分割成多个大小均匀的子空间210。变温膜202包裹连接筋207，氧压膜203包裹变温膜202，从第一缓存空间208流出的血液沿均匀流入各个子空间210，并在子空间210内缓慢上升，上升过程中受分流台阶204的阻挡而向周围扩散，进而斜穿变温膜202和氧压膜203。分流台阶204的台阶面211从芯轴201的下端面向芯轴201的上端面倾斜。具体的，台阶面211与芯轴201的长轴之间形成45°-90°的夹角。
所述变温膜202包括沿所述芯轴201的长轴分布的多根变温膜膜丝，相邻的变温膜膜丝之间形成过流缝隙，多个过流缝隙在氧合器的径向方向上组成百叶状；所述氧压膜203包裹所述变温膜202，包括多根沿所述芯轴201的长轴分布且相互交错的氧压膜膜丝，相邻的氧压膜膜丝之间形成过流通孔，多个过流通孔在氧合器的径向方向上组成蜂窝状。
由于台阶面211与芯轴201的长轴之间呈45°-90°的夹角，血液遇到台阶面211后，从竖直向上的流向切换为斜向上的流向，从而斜向上穿过所述过流缝隙。血液斜穿氧压膜时的流向类似阶梯形状，可以分解为横穿过流通孔和顺着氧压膜膜丝流动两种状态。具体的，由于过流缝隙为长条状通道而过流通孔为孔状通道，血液穿过过流缝隙后受到氧压膜膜丝的阻挡，会由斜向上的流向切换为横向流向，横穿靠近变温膜的过流通孔，接着在持续注入的血液的驱动下，血液会顺着氧压膜膜丝向上流动，横穿靠近壳体内壁的过流通孔，直至到达出血嘴上部，才从出血嘴流出。其中，“横穿”是指血液以垂直过流通孔的方式穿过过流通孔，即血液沿着与氧合器的径向方向流动，此状态下血液受到的阻力小，流动快，血液受到的破坏也小。
本实施例中，血液进入芯轴附近，在芯轴下端面、分流台阶及连接筋的限制下向四周分散，此为第一次分流，接着，过流缝隙将血液分散成更小的细流，此为第二次分流，经过两次分流，血液被均匀分散，一方面有利于挤走壳体内的空气，另一方面可以使血液与氧压膜膜丝接触更充分，提升氧合效果，并且提高血液注入初期氧压膜的利用率。在变温膜中，过流缝隙的过流面积较大，血液在变温膜中斜穿的速度快，受阻小，能够快速通过变温膜达到氧压膜。在氧压膜中，血液横穿过流通孔，具有低流阻、压力损失小的优点，血液顺着氧压膜膜丝流动可增大血液与氧压膜之间的接触面积，增强氧合效果。由此可见，本实施例兼备横穿低流阻以及顺流增强氧合的性能。
本实施例中，斜穿设计基于最大流量的不同，氧压膜203的外径与氧压膜203的有效接触高度之比可以为1:1～2:1。氧压膜203的有效接触高度是指氧压膜203在壳体内可将贫氧血液转化为富氧血液的部分的高度，不超过排气口109。氧压膜203的有效接触高度具体可以是第二封堵层302的顶面至排气口109下端面之间的距离。
请参见图4，排气口109与氧压膜203连通，并且高于氧压膜203的有效接触高度。上浮至血液液面的气泡可以经由排气口109排出，但血液不会从排气口109流出。出血嘴110与氧压膜203连通，出血嘴110的入口低于氧压膜203的有效接触高度，并且出血嘴110自外壳101的顶部向外壳101的底部倾斜。请参见图7，氧压膜203与壳体内壁之间有空隙，空隙的宽度自壳体的底部向壳体的顶部递增，出血嘴110的入口连通空隙的上部。血液穿过氧压膜203后汇集到空隙处，然后从出血嘴110流出，血液从空隙向出血嘴110流动时的流向接近于竖直向下，由于出血嘴110向下倾斜，因此血液转向角度小，流速变化小，能够减少血液压力损失和血液破坏，采用平滑的弯管设计进一步降低了血液压力损耗。
利用CFD对血液在本实施例的氧合器中的流动进行仿真计算，流动时大部分血流可横穿氧压膜膜丝，氧合器压力损失减少，压力损失越小，在相同的流量时，离心泵转速越低，造成的血液破坏越小。经实测，实施例的氧合器最大流量下实测压力损失≤70mmHg，低于目前已知的所有氧合器的压力损失。与此同时，本实施例出血嘴110独有的弯曲斜向下的设计也有效的减少了压力损失和血液破坏，避免了传统水平出口所带来的血液破坏。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种具有进液分散结构的斜穿流道氧合器，其特征在于，包括：
外壳(101)，所述外壳(101)的底部设有进水口(104)、出水口(105)、进血口(106)和出气口(107)，上部设有进气口(108)、排气口(109)和出血嘴(110)；
氧合变温模组，竖直设于所述外壳(101)内，所述氧合变温模组由内到外依次包括芯轴(201)、变温膜(202)和氧压膜(203)，所述芯轴(201)的下端正对所述进血口(106)，所述变温膜(202)连通所述进水口(104)和所述出水口(105)，所述氧压膜(203)连通所述进气口(108)和出气口(107)；
所述氧合变温模组还包括进液分散结构，所述进液分散结构包括引流件(205)、多条连接筋(207)和设于所述芯轴(201)外壁的多个分流台阶(204)，每个所述分流台阶(204)环绕所述芯轴(201)的外壁一周，多个所述分流台阶(204)沿所述芯轴(201)的长轴间隔分布，并且靠近所述芯轴(201)下端的分流台阶(204)的直径小于靠近所述芯轴(201)上端的分流台阶(204)的直径，所述引流件(205)通过所述连接筋(207)与所述芯轴(201)相连，所述芯轴(201)的下端面与所述引流件(205)之间具有第一缓存空间(208)，所述分流台阶(204)与所述引流件(205)之间具有第二缓存空间(209)，所述第二缓存空间(209)连通所述第一缓存空间(208)，多条所述连接筋(207)将所述第二缓存空间(209)分割成多个子空间(210)，从所述第一缓存空间(208)流出的血液沿所述子空间(210)上升，并在所述分流台阶(204)的阻挡作用下斜穿所述变温膜(202)和所述氧压膜(203)。
2.根据权利要求1所述的氧合器，其特征在于，
所述引流件(205)上设有引流孔(206)，所述引流孔(206)连通所述进血口(106)与所述第一缓存空间(208)。
3.根据权利要求2所述的氧合器，其特征在于，
所述芯轴(201)的下端面正对所述引流孔(206)，进入所述第一缓存空间(208)的血液受所述芯轴(201)的下端面阻挡向所述第一缓存空间(208)的四周分散。
4.根据权利要求2所述的氧合器，其特征在于，
所述芯轴(201)的外壁间隔均匀的设有多条所述连接筋(207)；
所述变温膜(202)包裹所述连接筋(207)，所述氧压膜(203)包裹所述变温膜(202)。
5.根据权利要求4所述的氧合器，其特征在于，
所述分流台阶(204)的台阶面(211)从所述芯轴(201)的下端面向所述芯轴(201)的上端面倾斜。
6.根据权利要求5所述的氧合器，其特征在于，
所述台阶面(211)与所述芯轴(201)的长轴之间形成45°-90°的夹角。
7.根据权利要求1所述的氧合器，其特征在于，
所述出血嘴(110)低于所述氧压膜(203)的有效接触高度，并且所述出血嘴(110)自所述外壳(101)的顶部向所述外壳(101)的底部倾斜。
8.根据权利要求7所述的氧合器，其特征在于，所述出血嘴(110)为弯曲管道；
所述排气口(109)与所述氧压膜(203)连通，并且高于所述氧压膜(203)的有效接触高度。
9.根据权利要求5所述的氧合器，其特征在于，
所述氧压膜(203)的外径与所述氧压膜(203)的有效接触高度之比为1:1～2:1。
10.根据权利要求2所述的氧合器，其特征在于，
所述外壳(101)包括壳体(111)、设于所述壳体(111)顶部敞口处的上盖(102)和设于所述壳体(111)底部敞口处的下盖(103)，所述进气口(108)设于所述上盖(102)，所述排气口(109)和所述出血嘴(110)设于所述壳体(111)上靠近所述上盖(102)的位置处，所述进水口(104)、所述出水口(105)、所述进血口(106)和所述出气口(107)设于所述下盖(103)上；
所述氧合变温模组设于所述壳体内，所述氧合变温模组的上端与所述上盖(102)之间设有第一封堵层(301)，所述氧合变温模组的下端与所述下盖(103)之间设有第二封堵层(302)，所述变温膜(202)穿过所述第二封堵层(302)与所述进水口(104)和所述出水口(105)连通，所述进血口(106)穿过所述第二封堵层(302)与所述引流孔(206)连通，所述氧压膜(203)的入口穿过所述第一封堵层(301)与所述进气口(108)连通，所述氧压膜(203)的出口穿过所述第二封堵层(302)与所述出气口(107)连通。
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