JP2007143614A - 中空糸膜型人工肺 - Google Patents

Abstract

【課題】血液充填量を無用に増大させることなくガス交換部に熱交換部が併設された中空糸膜型人工肺を提供する。
【解決手段】複数の多孔質中空糸膜を一方向に配列した中空糸束８と、複数の熱交換パイプを中空糸束の配列方向に直交する一方向に配列した熱交換パイプ束９と、中空糸膜及び熱交換パイプの両端部を含む領域に亘って充填され中空糸膜及び熱交換パイプを横断して延在する血液流路を形成するポッティング材１０とを備える。ハウジングは、血液流路の両端に面する血液ポート３ａ、３ｂと、中空糸膜の両端に面してガスポート５ａ、５ｂを形成するガスヘッダー４ａ、４ｂと、熱交換パイプ束の両端に面して熱交換液ポート７ａ、７ｂを形成する熱交換ヘッダー６ａ、６ｂとを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、中空糸膜を用いてガス交換を行う中空糸膜型人工肺に関し、特に、中空糸束に熱交換パイプ束を積層して、ガス交換とともに熱交換も併せて行うように構成された中空糸膜型人工肺に関する。

中空糸膜に対し血液を垂直に流す事が可能な人工肺は、血液側境膜抵抗の有効破壊により、効率の良いガス交換、および低い圧力損失を実現でき、基本性能面では高効率であることが知られている。更に、中空糸束に熱交換パイプ束を積層して、ガス交換とともに熱交換も併せて行うことにより、血液の温度を適切な範囲に維持するための操作を効率的に行うことができる。特許文献１あるいは２に記載されたそのような中空糸膜型人工肺について、図５を参照して以下に説明する。

図５に示す中空糸膜型人工肺は、積層されたガス交換部２１及び熱交換部２２からなるハウジングを有し、ガス交換部２１及び熱交換部２２の内腔にそれぞれ、ガス交換及び熱交換のための要素である中空糸束２８及びステンレスパイプ束２９が収納されている。

中空糸束２８は、複数の多孔質中空糸膜が、その軸方向を水平方向に配列して積層された形態を有する。ステンレスパイプ束２９は、熱交換パイプを構成する複数のステンレスパイプが、その軸方向を水平方向に配列して積層された形態を有する。ステンレスパイプ束２９と中空糸束２８とは、ステンレスパイプの軸の配列方向と中空糸膜の軸の配列方向が平行になるように配置されている。

中空糸束２８の両端部を含む外周領域にはポッティング材が充填されて、ポッティング部３０ａが形成されている。ポッティング部３０ａの内腔は、垂直方向に中空糸束２８を横切って延在する円筒状の血液流路を形成している。ステンレスパイプ束２９の両端部を含む外周領域にもポッティング材が充填されて、ポッティング部３０ｂが形成されている。ポッティング部３０ｂの内腔も、垂直方向にステンレスパイプ束２９を横切って延在する円筒状の血液流路を形成している。

ガス交換部２１及び熱交換部２２の境界部分では、両者の外殻壁が開口しており、開口空隙部３３が形成されている。中空糸束２８のポッティング部３０ａが形成する円筒状の血液流路と、ステンレスパイプ束２９のポッティング部３０ｂが形成する円筒状の血液流路とは、開口空隙部３３を通して連通し、垂直方向に連続した血液流路が形成されている。その血液流路の上下端に対応する熱交換部２及びガス交換部１の外殻壁に、血液入口ポート２３ａおよび血液出口ポート２３ｂが設けられている。

ガス交換部２１の左右端部には各々、内腔を封止するガスヘッダー２４ａ、２４ｂが設けられている。ガスヘッダー２４ａ、２４ｂには各々、ガス入口ポート２５ａ及びガス出口ポート２５ｂが設けられている。また、熱交換部２２の左右端部には各々、内腔を封止する冷温水ヘッダー２６ａ、２６ｂが設けられている。熱交換ヘッダーを構成する冷温水ヘッダー２６ａ、２６ｂには各々、熱交換液である冷水または温水を流入出させるための冷温水入口ポート２７ａ及び冷温水出口ポート２７ｂが設けられている。

血液入口ポート２３ａから流入する血液は、ポッティング部３０ｂの内腔、開口空隙部３３及びポッティング部３０ａの内腔からなる血液流路を通過し、血液出口ポート２３ｂから流出する。

ガス交換部２１の左右に設けられたガスヘッダー２４ａ、２４ｂにより、中空糸束２８の両端近傍に空隙３１ａ、３１ｂが形成され、中空糸束２８を形成する中空糸膜は、ポッティング部３０ａの端面で空隙３１ａ、３１ｂに開口している。従って、ガス入口ポート２５ａから流入する酸素含有ガスは、空隙３１ａで広がって各中空糸膜の一端から内腔に進入し、各中空糸膜の他端から空隙３１ｂを経由してガス出口ポート２５ｂから流出する。その間に、血液との間でガス交換が行われる。

また、熱交換部２２の左右に設けられた冷温水ヘッダー２６ａ、２６ｂにより、ステンレスパイプ束２９の両端近傍に空隙３２ａ、３２ｂが形成され、ステンレスパイプ束２９を形成するステンレスパイプは、ポッティング部３０ｂの端面で空隙３２ａ、３２ｂに開口している。従って、冷温水入口ポート２７ａから流入する冷水または温水は、空隙３２ａで広がって各ステンレスパイプの一端から内腔に進入し、各ステンレスパイプの他端から空隙３２ｂを経由して冷温水出口ポート２７ｂから流出する。その間に、血液との間で熱交換が行われる。
特開平１１−２０６８８０号公報 特表平９−５０９３５１号公報

上記従来の構成の中空糸膜型人工肺においては、ガス交換部２１と熱交換部２２が平行に積層されているので、その境界部分においては、ガスヘッダー２４ａ、２４ｂおよび冷温水ヘッダー２６ａ、２６ｂを設ける必要がある。中空糸膜とステンレスパイプの両端におけるガス流と冷温水の流入、流出を、互いに分離するためである。ガスヘッダー２４ａ、２４ｂおよび冷温水ヘッダー２６ａ、２６ｂを嵌め込むためには、中空糸束２８とステンレスパイプ束２９との間には、垂直方向において所定の間隔が必要である。すなわち、中空糸束２８とステンレスパイプ束２９が平行に配置され、それらの端部が互いに隣接するので、ガスヘッダー４ａ、４ｂと冷温水ヘッダー６ａ、６ｂは互いに隣接して配置されることになり、従って、ガスヘッダー４ａ、４ｂと冷温水ヘッダー６ａ、６ｂを密接させて配置しても、それらの境界部における外殻壁の厚み分、中空糸束２８とステンレスパイプ束２９の間に間隙が必要だからである。

その結果、両者の境界の開口空隙部３３のように、中空糸膜及びステンレスパイプのいずれも存在しない領域が形成される。血液はこの領域も通過するので、この領域は、ガス交換及び熱交換のいずれにも寄与しないデッドスペースとなる。このデッドスペースにより、血液充填量が無用に増大させられる。

本発明は、血液充填量を無用に増大させることなくガス交換部に熱交換部が併設され、ガス交換率や熱交換率が向上された中空糸膜型人工肺を提供することを目的とする。

本発明の中空糸膜型人工肺は、複数の多孔質中空糸膜を一方向に配列し積層して形成された中空糸束と、複数の熱交換パイプを一方向に配列し積層して形成され、前記中空糸束に対してその配列方向を直交させて積層された熱交換パイプ束と、前記中空糸膜及び前記熱交換パイプ束の両端部を含む領域に充填されて前記中空糸膜及び前記熱交換パイプを横断して延在する血液流路を形成するポッティング材と、前記中空糸束及び前記熱交換パイプ束を収容し、前記中空糸膜の両端に面して各々ガス入口ポートおよびガス出口ポートを形成するガスヘッダー、前記熱交換パイプ束の両端に面して各々熱交換液入口ポートおよび熱交換液出口ポートを形成する熱交換ヘッダー、及び前記血液流路の両端に面して血液入口ポートおよび血液出口ポートを有するハウジングとを備える。前記血液流路に血液を流すとともに、前記中空糸膜の内腔に酸素を含むガスを流すことにより、前記血液と前記ガスとの間でガス交換を行わせ、前記熱交換パイプの内腔に熱交換液を流すことにより、前記血液と前記熱交換液との間で熱交換を行わせるように構成される。

上記課題を解決するために、本発明の中空糸膜型人工肺は、前記中空糸束を構成する前記中空糸膜の配列方向に対して、前記熱交換パイプ束を構成する前記熱交換パイプの配列方向を直交させて、前記中空糸束と前記熱交換パイプ束とが密接して積層されたことを特徴とする。

上記構成の中空糸膜型人工肺によれば、中空糸束とステンレスパイプ束が互いに直交させて配置されているので、それらの両端部に配置されるガスヘッダー及び熱交換ヘッダーは、互いに隣接することがない。従って、中空糸束とステンレスパイプ束の間に間隙を設けることなく、ガスヘッダー及び熱交換ヘッダーを装着することが可能である。その結果、中空糸束とステンレスパイプ束の間にデッドスペースを生じることがなく、血液充填量の無用な増大を回避できる。さらに、デッドボリュームが低減されることにより、熱交換率、ガス交換率を向上させることができる。

上記構成の本発明の中空糸膜型人工肺において、前記熱交換ヘッダーが形成する前記熱交換液入口ポートおよび前記熱交換液出口ポートは、前記ガス出口ポートと同一の向きに形成されていることが好ましい。

ガス出口ポートを下向きに設けることにより、結露により中空糸膜の内腔が水滴で閉塞されたときでも、中空糸膜の内腔が水滴で閉塞されることを回避することができる。すなわち、ガスの流れる方向が水滴の落下する方向と同じであるため、結露により生じた水滴が移動、除去され易くなるからである。一方、熱交換液入口ポート及び熱交換液出口ポートを下向きに設けることにより、冷温水のような熱交換液の配管を、中空糸膜型人工肺の上方に回すことなく下方にのみ配置することが容易になり、熱交換水のラインを各流出ポートと接続する場合や、熱交換液が漏れた場合の汚染を防止することができる。中空糸束とステンレスパイプ束が互いに直交していることにより、以上のようにガス出口ポートと熱交換液ポートを適切に配置することが可能になる。

また、前記熱交換パイプはステンレスパイプとすることができる。

また、前記血液流路は、血液の流動方向における断面が実質的に円形であることが好ましい。血液の流路が円形断面であることにより、血液滞留部が発生し難く、血栓の形成が軽減される。また、血液の流れが最適であり、かつ血液充填量が低減され、得られるガス交換能に対して十分に小型化が可能な中空糸膜型人工肺を実現することができる。更に、流路を円形断面とすることで、ポッティング工程が簡便になる。

また、前記ポッティング材により前記中空糸束を横断して形成された血液流路と、前記ポッティング材により前記中空糸束を横断して形成された血液流路とは、互いの境界において段差を形成しない面一の状態に調整されていることが好ましい。それにより、血液の流れが円滑になり、血流の乱れによる生じる血栓や淀みを低減できる。

以下に、本発明の一実施の形態における中空糸膜型人工肺について、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本実施の形態における中空糸膜型人工肺の外観を示す斜視図である。ガス交換部１及び熱交換部２からなるハウジングに、ガス交換および熱交換のための構成要素が収納されている。ガス交換部１及び熱交換部２が形成する内腔には、後述するように、ガス交換部１及び熱交換部２を水平方向に貫通する血液流路が形成され、その血液流路の両端に対応する熱交換部２及びガス交換部１の外殻壁に、血液入口ポート３ａおよび血液出口ポート３ｂが設けられている。

ガス交換部１の上下端部には各々、内腔を封止するガスヘッダー４ａ、４ｂが設けられている。ガスヘッダー４ａ、４ｂには各々、ガス入口ポート５ａ及びガス出口ポート５ｂ（図２参照）が設けられている。熱交換部２の左右端部には各々、内腔を封止する冷温水ヘッダー６ａ、６ｂが設けられている。熱交換ヘッダーを構成する冷温水ヘッダー６ａ、６ｂの下端部には各々、熱交換液である冷水または温水を流入出させるための冷温水入口ポート７ａ及び冷温水出口ポート７ｂが設けられている。すなわち、冷温水入口ポート７ａ及び冷温水出口ポート７ｂは、ガス出口ポート５ｂと同一の向きを有する。

図２は、図１における血液入口ポート３ａおよび血液出口ポート３ｂを含む垂直方向の断面図である。図２に示されるように、ガス交換部１の内腔には中空糸束８が配置されている。中空糸束８は、複数の多孔質中空糸膜が、その軸方向を垂直方向に配列して積層された形態を有する。熱交換部２の内腔には、ステンレスパイプ束９が配置されている。ステンレスパイプ束９は、熱交換パイプを構成する複数のステンレスパイプが、その軸方向を水平方向に配列して積層された形態を有する。従ってステンレスパイプ束９を形成するステンレスパイプの配列方向は、中空糸束８を形成する中空糸膜の配列方向に対して直交している。中空糸束８とステンレスパイプ束９とは、その境界部において互いにに密接させ配置されている。中空糸束８とステンレスパイプ束９の間の間隔は、０〜２ｍｍである。

中空糸束８及びステンレスパイプ束９の両端部を含む外周領域には、ポッティング材が充填されてポッティング部１０が形成されている。ポッティング部１０はその内腔が、水平方向に中空糸束８及びステンレスパイプ束９を横断して延在する円筒状の血液流路を形成している。ポッティング部１０が形成する血液流路の形状が判り易いように、図３に、中空糸束８とステンレスパイプ束９、及びその外周部に形成されたポッティング部１０のみを取り出して示す。

図２に矢印で示されるように、血液入口ポート３ａから流入する血液は、ポッティング部１０の内腔の血液流路を通過し、血液出口ポート３ｂから流出する。また、ガス交換部１の上下に設けられたガスヘッダー４ａ、４ｂにより、中空糸束８の両端近傍に空隙１１ａ、１１ｂが形成され、中空糸束８を形成する中空糸膜は、ポッティング部１０の端面で空隙１１ａ、１１ｂに開口している。従って、ガス入口ポート５ａから流入する酸素含有ガスは、空隙１１ａで広がって各中空糸膜の一端から内腔に進入し、各中空糸膜の他端から空隙１１ｂを経由してガス出口ポート５ｂから流出する。その間に、血液との間でガス交換が行われる。

図４は、図２におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。同図に示されるように、熱交換部２の左右に設けられた冷温水ヘッダー６ａ、６ｂにより、ステンレスパイプ束９の両端近傍に空隙１２ａ、１２ｂが形成され、ステンレスパイプ束９を形成するステンレスパイプは、ポッティング部１０の端面で空隙１２ａ、１２ｂに開口している。従って、冷温水入口ポート７ａから流入する熱交換液である冷水または温水は、空隙１２ａで広がって各ステンレスパイプの一端から内腔に進入し、各ステンレスパイプの他端から空隙１２ｂを経由して冷温水出口ポート７ｂから流出する。その間に、血液との間で熱交換が行われる。

以上の構成の中空糸膜型人工肺においては、中空糸束８とステンレスパイプ束９は、互いに密接して配置され、図５の従来例のようなデッドスペースとなる開口空隙部３３が不要である。何故ならば、中空糸束８とステンレスパイプ束９が互いに直交させて配置されているので、それらの両端部に配置されるガスヘッダー４ａ、４ｂ及び冷温水ヘッダー６ａ、６ｂは、互いを避けて隣接することがないように位置する。従って、中空糸束８とステンレスパイプ束９の間に間隙を設けることなく、ガスヘッダー４ａ、４ｂ及び冷温水ヘッダー６ａ、６ｂを装着することが可能である。その結果、血液充填量の無用な増大を回避できる。血液充填量は、人工肺の作動に際して、ガス交換部１および熱交換部２のモジュール内に充填される血液の容積であり、血液充填量が小さいほど患者への負担が少なく、実用上有益である。

また、中空糸束８とステンレスパイプ束９が互いに直交させて配置され、冷温水入口ポート７ｂ及び冷温水出口ポート７ｂが、ガス出口ポート５ｂと同一の向きに形成されていることにより得られる効果について、以下に説明する。

まず、ガス出口ポート５ｂを下向きに設けることにより、結露による不都合を回避できる。すなわち、中空糸束８を流れるガスは、血液により熱を奪われて結露を生じる場合がある。その結果、中空糸膜の内腔が水滴で閉塞され、ガスの流れが悪くなってガス交換の効率が低下する。そのような事態が発生しても、ガス出口ポート５ｂを下向きに設けておけば水滴が下に流れ出る。さらに、その移動はガスの流れと同方向であるため、除去され易く、中空糸膜の内腔が水滴で閉塞されることを回避することができる。

一方、冷温水入口ポート７ｂ及び冷温水出口ポート７ｂも下向きに設けられた方が都合がよい。それは、冷温水の配管を、中空糸膜型人工肺の上方に回すことなく下方にのみ配置するためである。熱交換用の冷温水は必ずしも清潔度が維持されるものではないので、水漏れした場合の汚染の影響を考慮すると、冷温水の配管が中空糸膜型人工肺の上方に位置することは望ましくない。冷温水入口ポート７ｂ及び冷温水出口ポート７ｂが下向きに設けられていれば、無理のない自然な配管により、中空糸膜型人工肺の上方に回すことを回避することが可能である。

冷温水入口ポート７ｂ及び冷温水出口ポート７ｂを下向きにするためには、ステンレスパイプ束９は、水平方向に配列された方が都合が良い。垂直方向に配列されていると、ステンレスパイプ束９の上端に対応するポートから下方に向けて配管するには多少無理がある。また、ステンレスパイプ束９が垂直方向に配列されていると、配管は一旦は中空糸膜型人工肺の上方を経由することになるので、好ましくない。

以上の理由により、中空糸束８とステンレスパイプ束９が互いに直交していることは、実用上の配管に有利である。

また、上述のように、ポッティング部１０により形成される血液流路が円形断面であることにより、血液滞留部が発生し難く、血栓の形成が軽減される。また、血液の流れが最適であり、かつ血液充填量が低減され、得られるガス交換能に対して十分に小型化が可能な中空糸膜型人工肺を実現することができる。

更に、流路を円形断面とすることで、ポッティング工程が簡便になる。中空糸束８とステンレスパイプ束９の端部にポッティング材を充填するには、ハウジングに中空糸束８とステンレスパイプ束９を収容した後、ポッティング材を遠心充填する。すなわち、中空糸束８の中空糸とステンレスパイプ束９のステンレスパイプに平行で且つ血液流路方向に直交する面内で、血液流路の中心となる箇所の周りに中空糸束８及びステンレスパイプ束９を回転させながら、ポッティング材の充填を行う。それにより、ポッティング材は、円形断面の内腔を形成するように充填される。この方法によれば、略円形断面の流路を容易に形成できる。また、一度のポッティング材充填工程により、中空糸束８及びステンレスパイプ束９の四方を固定することができ、製造工程を大幅に簡略化することが可能である。また、血液流路に段差が無いため、血液滞留や血栓の形成を抑制できる。

上記構成の中空糸膜型人工肺において、ガス交換部１、ガスヘッダー４ａ、４ｂ、熱交換部２、及び冷温水ヘッダー６ａ、６ｂを含むハウジングの材質としては、例えばポリカーボネートを用いることができる。中空糸膜の材質としてはウレタン樹脂が用いられる。ポッティング材は、外側をエポキシ樹脂、内側をウレタン樹脂として２層構造にすることが望ましい。外側はハウジング内面との密着性、内側は中空糸膜およびステンレスパイプとの密着性を良好にするためである。

本発明の中空糸膜型人工肺によれば、血液充填量を無用に増大させることなくガス交換部に熱交換部を併設することが可能であり、ガス交換とともに熱交換も併せて行うように構成された中空糸膜型人工肺に有用である。

本発明の一実施の形態における中空糸膜型人工肺の外観を示す斜視図 同中空糸膜型人工肺の内部構造を示す断面図 同中空糸膜型人工肺の中空糸型ガス交換部および熱交換部を示す斜視図 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図 従来例の中空糸膜型人工肺の構造を示す断面図

符号の説明

１、２１ ガス交換部
２、２２ 熱交換部
３ａ、２３ａ 血液入口ポート
３ｂ、２３ｂ 血液出口ポート
４ａ、４ｂ、２４ａ、２４ｂ ガスヘッダー
５ａ、２５ａ ガス入口ポート
５ｂ、２５ｂ ガス出口ポート
６ａ、６ｂ、２６ａ、２６ｂ 冷温水ヘッダー
７ａ、２７ａ 冷温水入口ポート
７ｂ、２７ｂ 冷温水出口ポート
８、２８ 中空糸束
９、２９ ステンレスパイプ束
１０、３０ａ、３０ｂ ポッティング部
１１ａ、１１ｂ 空隙
１２ａ、１２ｂ 空隙
３１ａ、３１ｂ 空隙
３２ａ、３２ｂ 空隙
３３ 開口空隙部

Claims (5)

1. 複数の多孔質中空糸膜を一方向に配列し積層して形成された中空糸束と、
   複数の熱交換パイプを一方向に配列し積層して形成され、前記中空糸束に対してその配列方向を直交させて積層された熱交換パイプ束と、
   前記中空糸膜及び前記熱交換パイプ束の両端部を含む領域に充填されて前記中空糸膜及び前記熱交換パイプを横断して延在する血液流路を形成するポッティング材と、
   前記中空糸束及び前記熱交換パイプ束を収容し、前記中空糸膜の両端に面して各々ガス入口ポートおよびガス出口ポートを形成するガスヘッダー、前記熱交換パイプ束の両端に面して各々熱交換液入口ポートおよび熱交換液出口ポートを形成する熱交換ヘッダー、及び前記血液流路の両端に面して血液入口ポートおよび血液出口ポートを有するハウジングとを備え、
   前記血液流路に血液を流すとともに、前記中空糸膜の内腔に酸素を含むガスを流すことにより、前記血液と前記ガスとの間でガス交換を行わせ、前記熱交換パイプの内腔に熱交換液を流すことにより、前記血液と前記熱交換液との間で熱交換を行わせるように構成された中空糸膜型人工肺において、
   前記中空糸束を構成する前記中空糸膜の配列方向に対して、前記熱交換パイプ束を構成する前記熱交換パイプの配列方向を直交させて、前記中空糸束と前記熱交換パイプ束とが密接して積層されたことを特徴とする中空糸膜型人工肺。
2. 前記熱交換ヘッダーが形成する前記熱交換液入口ポートおよび前記熱交換液出口ポートは、前記ガス出口ポートと同一の向きに形成されている請求項１に記載の中空糸膜型人工肺。
3. 前記熱交換パイプはステンレスパイプである請求項１に記載の中空糸膜型人工肺。
4. 前記血液流路は、血液の流動方向における断面が実質的に円形である請求項１に記載の中空糸膜型人工肺。
5. 前記ポッティング材により前記中空糸束を横断して形成された血液流路と、前記ポッティング材により前記中空糸束を横断して形成された血液流路とは、互いの境界において段差を形成しない面一の状態に調整されている請求項１に記載の中空糸膜型人工肺。

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