JP2014188510A - 血液中の気泡を分離排出するための気液分離処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】体外循環する血液中に混入した気泡を、溶血の発生を回避しながら、超音波を利用して血液非接触で捕捉し、血液から分離して排出する。
【解決手段】空洞２ａを形成する容器壁を有するリアクタ２と、容器壁に設けられた流入管部３と、流入管部と管軸方向で対向する箇所の容器壁に設けられた気泡排出管部５と、流入管部の管軸に対して交差する方向に管軸を配向させて容器壁に設けられた流出管部４と、流入管部および気泡排出管部のそれぞれに隣接した領域の容器壁に設けられた一対の超音波振動子６ａ、６ｂと、超音波振動子を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる駆動回路とを備えた気液分離処理装置。一対の超音波振動子を駆動することにより、空洞内に超音波の定在波を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、心血管部系手術等に伴う血液の体外循環に際して、循環する血液中に混入した気泡（マイクロバブル）を血液から分離して排出するための気液分離処理装置に関する。

体外循環を伴う心血管系手術では、無血術視野を得るため、あるいは手術操作を簡便に行うために、体外循環回路中に一時的に生体機能を代行可能な血液処理器を使用するのが一般的である。体外に取り出された患者の血液は、体外循環回路を循環する間に、血液処理器によりガス交換や、除水などの処理が行われ、再び体内に戻される。その際の様々な要因により、回路中の血液に気泡が混入したり、発生したりすることがある。

大量の気泡が混入した血液を体内に戻すと、空気塞栓などにより末梢循環障害が生じ、虚血などによる組織の障害が発生することが知られている。したがって、このような体外循環回路を用いる際には、血液から気泡を分離するための気液分離処理装置を組み込むことが望ましい。

例えば、開放型貯血槽では、導管により流入した血液の流速を極端に遅くすることにより、混入した気泡が浮力により血液中より気液分離されるように構成されている。また、血液フィルタ装置も、ほぼ同様の効果を期待した装置として一般的に知られている。その構成及び使用形態が、例えば特許文献１に開示されている。血液フィルタは、メッシュフィルタを通過させて血液を流動させることにより、気泡あるいは血栓などの異物を捕捉し除去するように構成される。

一方、化学的分析を行う際などに、試験管内で試験検体を有機溶媒等に混和するために、震盪器等により振動を与えて混和を促進する方法が知られている。その際に試験管内に混入した気泡を脱気する方法として、あらかじめ試験管ごと超音波洗浄槽に浸漬することにより、マイクロバブルを超音波で再結合し巨大化し、併せて真空装置などを用いることにより、より短時間で効率よく脱気を行う方法が知られている。

また、超音波を液中に照射することにより発生する進行波と定在波において、気泡が定在波の節（音圧が安定している部分）に捕捉される現象は古くから知られている。

特開２００８−２２０４１７号公報

特許文献１に開示されたような血液フィルタの場合、流入した気泡あるいは血栓などの異物を捕捉するために血流中にメッシュフィルタが挿入されるので、血液の滞留部が形成され易い。さらに、異物として認識されるメッシュフィルタを血液に接触させるため、血栓が形成され易くなる。これらを回避するには、血液に対して非接触の構造により気泡を捕捉することが望ましい。

また、上述のような超音波を用いて気泡を捕捉する従来の技術については、体外循環回路や流体処理器に、血液中の気泡を除去する目的で適用された事例がない。従って、血液に混入した気泡を効果的に捕捉するために、超音波を適切に利用する構成については知られていない。特に、血液を処理する場合には、捕捉した気泡を効果的に気泡捕捉装置外に排出する構造が必要である。しかも、気泡捕捉装置は、生体に侵襲を与えない、すなわち溶血により血液に損傷を与えないことが要求される。

従って本発明は、体外循環する血液中に混入した気泡を、血栓の形成を抑制し、しかも溶血の発生を回避するように、超音波を利用して血液非接触で捕捉し、血液から分離して排出するための気液分離処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１構成の気液分離処理装置は、空洞を形成する容器壁を有するリアクタと、前記容器壁に設けられた流入管部と、前記流入管部と管軸方向で対向する箇所の前記容器壁に設けられた気泡排出管部と、前記流入管部の前記管軸に対して交差する方向に管軸を配向させて前記容器壁に設けられた流出管部と、前記流入管部および前記気泡排出管部のそれぞれに隣接した領域の前記容器壁に設けられた一対の超音波振動子と、前記超音波振動子を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる駆動回路とを備え、前記一対の超音波振動子を駆動することにより、前記空洞内に超音波の定在波を形成するように構成されたことを特徴とする。

本発明の第２構成の気液分離処理装置は、空洞を形成する容器壁を有するリアクタと、前記容器壁に設けられた流出管部と、前記流出管部と管軸方向で対向する箇所の前記容器壁に設けられた気泡排出管部と、前記流出管部の前記管軸に対して交差する方向に管軸を配向させて前記容器壁に設けられた流入管部と、前記流出管部に隣接した領域の前記容器壁に設けられた超音波振動子と、前記超音波振動子を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる駆動回路とを備え、前記超音波振動子を駆動することにより、前記空洞内に前記流出管部から前記気泡排出管部に向かう方向に音響放射力及び音響流として作用する超音波の進行波が発生するように構成されたことを特徴とする。

本発明の第３構成の気液分離処理装置は、空洞を形成し、上部がドーム形状である容器壁を有するリアクタと、前記ドーム形状の容器壁の側部に接線方向に管軸を向けて設けられた流入管部と、前記ドーム形状の容器壁の頂部に設けられた気泡排出管部と、前記容器壁の底部に設けられ、前記底部の中央部に開口している流出管部と、前記容器壁の底部における前記流出管部による開口の周囲領域に設けられた超音波振動子と、前記超音波振動子を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる駆動回路とを備え、前記超音波振動子を駆動することにより、前記空洞内で上方に向かって音響放射力及び音響流として作用する超音波の進行波が発生するように構成されたことを特徴とする。

本発明の第４構成の気液分離処理装置は、空洞を形成し対向する一対の平面部を含む容器壁を有するリアクタと、前記平面部の間の領域である前記容器壁の側部に設けられ、前記平面部の間の領域を通る方向に管軸方向が配向された流入管部と、前記流入管部と管軸方向で対向する箇所の前記容器壁に設けられた流出管部と、前記流入管部の前記管軸に対して交差する方向に管軸を配向させて前記容器壁の上部に設けられた気泡排出管部と、前記平面部の少なくとも一方に前記容器壁に設けられた超音波振動子と、前記超音波振動子を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる駆動回路とを備え、前記超音波振動子を駆動することにより、前記一対の平面部間の前記空洞内に超音波の定在波を形成するように構成されたことを特徴とする。

本発明の第５構成の気液分離処理装置は、流入管部、及び前記流入管部から分岐した流出管部及び気泡排出管部を含み空洞を形成する容器壁を有するリアクタと、前記流入管部の側周面に設けられた超音波振動子と、前記超音波振動子を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる駆動回路とを備え、前記流出管部及び前記気泡排出管部は、管軸が互いに平行に配列され、前記流入管部は、その管軸が前記流出管部および前記気泡排出管部の前記管軸に対して平行かつ中間位置を通るように配置され、前記超音波振動子を駆動することにより、前記流入管部の前記空洞内に超音波の定在波を形成し、前記高周波電力の周波数をｆ１からｆ２（ｆ１＜ｆ２）にスイープするように構成されたことを特徴とする。

上記構成の気液分離処理装置によれば、流入管部から流入した血液に混入している気泡は、超音波振動により捕捉され、血液の流動、超音波振動による音響流、あるいは気泡自身の浮力の作用により、気泡排出管部のみから排出されて、流出管部からは実質的に気泡が排出されない。これにより、溶血の発生を回避しながら、血液に非接触で気泡を分離排出することが可能となる。

実施の形態１における気液分離処理装置を示す斜視図 同気液分離処理装置の正面から見た断面図 同気液分離処理装置の左側面図 同気液分離処理装置が組み込まれた体外循環回路の構成を概略的に示す図 同気液分離処理装置の動作を示す断面図 実施の形態１における気液分離処理装置の変形例を示す断面図 実施の形態１における気液分離処理装置の他の変形例を示す断面図 実施の形態１における気液分離処理装置による効果を測定するための試験回路を概略的に示す図 同気液分離処理装置による気泡捕捉力の超音波周波数に応じた特性の測定結果を示す図 同気液分離処理装置による気泡捕捉力の駆動電力の大きさに応じた特性の測定結果を示す図 同気液分離処理装置の超音波発振による溶血への影響を調べるための試験回路を示す図 同気液分離処理装置による超音波の駆動電力に応じた溶血への影響の試験結果を示す図 同気液分離処理装置による超音波の駆動周波数に応じた溶血への影響の試験結果を示す図 実施の形態２における気液分離処理装置を示す正面から見た断面図 同気液分離処理装置の平面断面図 実施の形態３における気液分離処理装置を示す正面図 同気液分離処理装置の平面断面図 実施の形態４における気液分離処理装置を示す斜視図

本発明の気液分離処理装置は、上記構成を基本として以下のような態様をとることができる。

すなわち、上記第１構成の気液分離処理装置において、前記容器壁は円筒形状を有し、前記流入管部及び前記気泡排出管部は前記容器壁の円筒の両端面に配置され、前記流出管部は前記円筒の側周面に配置され、前記超音波振動子は、前記流入管部及び前記気泡排出管部の周囲の前記円筒の端面に設けられた円環形状を有する。

また、前記流入管部の管軸方向に垂直に前記定在波の波面が形成される。

上記第２構成の気液分離処理装置において、前記容器壁は円筒形状を有し、前記流出管部及び前記気泡排出管部は前記容器壁の円筒の両端面に配置され、前記流入管部は前記円筒の側周面に配置され、前記超音波振動子は、前記流出管部の周囲の前記円筒の端面に設けられた円環形状を有する。

また、前記リアクタは、前記流出管部と前記気泡排出管部を結ぶ方向が垂直方向に配列され、前記気泡排出管部が上部に配置されている。

以上のいずれかの構成の気液分離処理装置において、前記高周波電力の周波数は５５０ｋＨｚ〜１Ｈｚの範囲内に設定されている。

また、前記高周波電力は、前記リアクタの空洞内に１０ｋＰａ〜３００ｋＰａの音圧の超音波を発生させる大きさに設定されている。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

＜実施の形態１＞
実施の形態１における気液分離処理装置について、図１Ａ〜図１Ｃを参照して説明する。図１Ａは気液分離処理装置を示す斜視図、図１Ｂは正面から見た断面図、図１Ｃは左側面図である。この気液分離処理装置の本体であるリアクタ１は、空洞２ａを形成する容器壁２を有する。

容器壁２は金属製で円筒形状を有し、容器壁２の円筒の両端面に流入管部３及び気泡排出管部５が設けられている。すなわち、流入管部３と気泡排出管部５は、容器壁２における管軸上で互いに対向する箇所に配置される。さらに、容器壁２の円筒の側周面に流出管部４が設けられ、流入管部３の管軸に対して交差する方向、図では直交する方向に管軸を配向させている。

容器壁２の円筒の端面には、流入管部３及び気泡排出管部５の周囲に円環状に形成された一対の超音波振動子（例えば、ＰＺＴからなる）６ａ、６ｂが設けられている。超音波振動子６ａ、６ｂは、このように、流入管部３及び気泡排出管部５のそれぞれに隣接した領域において、空洞２ａに面して設けられる。図示を省略するが、超音波振動子６ａ、６ｂには周知の構成の駆動回路が接続され、超音波振動子６ａ、６ｂを高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる。

上記構成を有する気液分離処理装置を組み込んだ体外循環回路について、図２に示す概略図を参照して説明する。この体外循環回路では、脱血回路７が、気泡放出装置として機能する開放型貯血槽８の流入ポートに接続され、開放型貯血槽８の流出ポートには血液ポンプ９が接続されている。脱血回路７により脱血され開放型貯血槽８に貯留された血液は、血液ポンプ９により人工肺１０に送られてガス交換が行われる。ガス交換され人工肺１０から送り出された血液は、気液分離処理装置のリアクタ１に流入管部３から流入する。

リアクタ１の流出管部４からは、後述するように気泡が捕捉され分離された後の血液が流出し、送血回路１１を通して心臓に返血される。一方、リアクタ１の気泡排出管部５からは、気液分離された気泡を含む血液が流出し、開放型貯血槽８に戻される。リアクタ１には、駆動回路１２が接続されており、図１Ｂ等に示した超音波振動子６ａ、６ｂを駆動する。

気液分離処理装置の超音波振動子６ａ、６ｂを駆動したときの気泡の捕捉及び分離作用について、図３を参照して説明する。この図は、図１Ｂに示した構成中に、超音波振動の模様、及び血液中に含まれる気泡の挙動を模式的に示したものである。一対の超音波振動子６ａ、６ｂを駆動することにより、容器壁２の円筒部にたわみ振動１３が発生し、空洞２ａ内に超音波の定在波１４が形成される。定在波１４の波面は、流入管部３の管軸方向に垂直に形成される。

流入管部３から流入する血液中の気泡１５は、この超音波の定在波により、円筒管軸上の音圧腹部１６に寄せ集められ、血液の流動とともに気泡排出管部５からのみ排出される。これにより、流出管部４から流出する血液中には、気泡は実質的には含まれない。流出管部４の方向には、気泡を押し出す血液の流動の作用が小さいからである。このように、本実施の形態の気液分離処理装置によれば、体外循環する血液中に混入した気泡を、超音波を利用して血液非接触で捕捉し、体内へ返血される血液からは分離して排出することができる。

容器壁２の部材としては、上述のような超音波の定在波あるいは後述する進行波を効率よく得るために、例えばステンレスなどの金属を用いることが好ましい。ただし、医療用具として供給することを考慮すると、ポリカーボネイトなどのプラスティック部材が好ましいが、使用する超音波周波数領域を選択する必要がある。

次に、本実施の形態における上記構成の気液分離処理装置の変形例について、図４を参照して説明する。同図は、リアクタ１７の正面から見た断面図を示す。この気液分離処理装置は、上記構成に概ね類似した要素からなるので、同一の要素については、同一の参照番号を付して説明する。

リアクタ１７は、空洞２ａを形成する容器壁２を有し、容器壁２は金属製で円筒形状である。流入管部３は、上記構成とは異なり容器壁２の円筒の側周面に配置されている。流出管部４及び気泡排出管部５はそれぞれ、容器壁２の円筒の両端面に設けられている。すなわち、流出管部４と気泡排出管部５が、容器壁２における管軸上で互いに対向する箇所に配置される。また、流入管部３は、流出管部４の管軸に対して交差する方向、図では直交する方向に管軸を配向させて配置される。

容器壁２の円筒の一方の端面、すなわち、流出管部４の周囲には、円環状に形成された超音波振動子６が設けられている。超音波振動子６は、このように、流出管部４に隣接した領域に空洞２ａに面して設けられる。図示を省略するが、超音波振動子６には上記構成と同様に駆動回路が接続され、超音波振動子６を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる。

この気液分離処理装置は、図２に示した概略図と同様に体外循環回路に組み込まれる。すなわち、人工肺１０から送り出された血液は、容器壁２の円筒側面の流入管部３からリアクタ１７に流入する。リアクタ１７の流出管部４からは、気泡が捕捉され分離された後の血液が流出し、送血回路１１を通して心臓に返血される。一方、リアクタ１７の気泡排出管部５からは、気液分離された気泡を含む血液が流出し、開放型貯血槽８に戻される。

図４には、気液分離処理装置の超音波振動子６を駆動したときの気泡の捕捉及び分離作用に関して、超音波振動の模様、及び血液中に含まれる気泡の挙動を模式的に示す。すなわち、超音波振動子６を駆動することにより、容器壁２の円筒部に流出管部４から気泡排出管部５に向かう方向のたわみ進行波１８が発生し、空洞２ａ内に一方向の音響放射力及び音響流として作用する超音波の進行波が発生する。

流入管部３から流入する血液中の気泡１９は、この超音波の進行波により、気泡排出管部５に向かって流され、排出される。これにより、流出管部４から流出する血液中には、気泡は実質的には含まれない。このように、本実施の形態の気液分離処理装置によれば、体外循環する血液中に混入した気泡を、超音波を利用して血液非接触で、体内へ返血される血液からは分離して排出することができる。

次に、図４の気液分離処理装置の異なる態様の使用例について、図５を参照して説明する。同図は、正面から見た断面図である。この例では、リアクタ１７は、流出管部４と排出管部５を結ぶ方向（流出管部４の管軸方向）が垂直方向に配列され、気泡排出管部５が上部に配置されている。この状態で超音波振動子６を駆動することにより、上述と同様、空洞２ａ内に流出管部４から気泡排出管部５に向かう超音波の進行波が発生する。そして、気泡排出管部５が上部に配置されているので、気泡の浮力も作用して、捕捉された気泡が気泡排出管部５から排出される効果がより顕著になる。

なお、このように、流出管部４と排出管部５を結ぶ方向を垂直方向に配列し、気泡排出管部５を上部に配置した態様は、図１Ｂ等に示したような超音波の定在波を形成する構成に対して適用しても、相応の効果を得ることが可能である。但し、その場合は流入管部３と排出管部５を結ぶ方向を垂直方向に配列することになる。また、容器壁２の上端部の形状を、気泡排出管部５に向かって細くなるテーパー状とすれば、気泡排出部５の近傍に気泡が残存し難くすることができる。

以上のような構成を有する本実施の形態の気液分離処理装置について、気泡捕捉力、及び溶血に関する影響を調べた実験の結果について、以下に述べる。

［気泡捕捉力の超音波周波数に応じた特性の測定］
測定に用いた試験回路は、図６に示すとおり、貯血槽２０の水を遠心ポンプ２１により回路内に循環させる構成である。図５に示した気液分離処理装置を構成するリアクタ１７を組込んで、超音波振動子に駆動回路２２を接続し、流入管部３に遠心ポンプ２１の吐出側を接続した。

流出管部４から流出する水は貯血槽２０に直接戻し、気泡排出管部５から流出する水は気泡回収筒２３を作用させて貯血槽２０に戻した。流出管部４及び気泡排出管部５から流出する流量は、流量調整用クランプ２４により調節した。

貯血槽２０と遠心ポンプ２１の間の流路中に、気泡注入用ポンプ２５により気泡を注入し、流出管部４から流出する水中の気泡を測定した。測定は、流出管部４に接続されたチューブ内を通過する気泡を、バブルカウンタ（図示省略）を用いて測定することにより行った。

測定の条件は、次のとおりに設定し、超音波振動子を駆動する電力の周波数を、ＯＦＦ、４５ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５５０ｋＨｚ、７２５ｋＨｚ、８４０ｋＨｚ、１ＭＨｚ、３ＭＨｚ、及び５ＭＨｚに変化させて測定を行った。

血液：クエン酸加牛血
流入管部３の流量：3.97L/min
流出管部４の流量：3.85L/min
気泡排出管部５の流量：0.3L/min
気泡注入速度：5mL/min
超音波駆動の駆動電力：30W
実験の結果を図７に示す。同図において、横軸は検出された気泡の径（μｍ）、縦軸は気泡数（個）を示す。臨床的な経験則として、直径４０μｍ以上の気泡の流出を阻止することが好ましいとされているので、この値を基準として気泡捕捉力を評価する。図７からは、超音波の駆動周波数が５５０ｋＨｚ〜１Ｈｚの範囲内であれば、４０μｍ以上の径の気泡が実質的に捕捉されており、良好な気泡捕捉力が得られることが判る。

［気泡捕捉力の駆動電力の大きさに応じた特性の測定］
測定に用いた試験回路の構成は図６と同様であり、計測の条件も、超音波の駆動電力以外については上述と同様にした。駆動周波数は１ＭＨｚで一定とし、駆動電力を、ＯＦＦ、３０Ｗ、５０Ｗ，７０Ｗ，９０Ｗ、及び１１０Ｗに変化させて測定を行った。

実験の結果を図８に示す。同図において、横軸は検出された気泡の径（μｍ）、縦軸は気泡数（個）を示す。同図から、有効駆動電力が３０Ｗ〜１５０Ｗの範囲内であれば、４０μｍ以上の径の気泡が実質的に捕捉されていることが判る。この駆動電力の範囲は、リアクタの空洞内に１０ｋＰａ〜３００ｋＰａの音圧の超音波を発生させる大きさに相当する。すなわち、この範囲内の音圧の超音波を発生させれば、良好な気泡捕捉力が得られることが判る。

［超音波発振による溶血への影響の試験］
試験に用いた試験回路は、図９に示すとおり、貯血槽２６の血液を遠心ポンプ２１により回路内に循環させる構成とした。図５に示した気液分離処理装置を構成するリアクタ１７を組込み、遠心ポンプ２１の吐出側を流入管部３に接続した。図６の場合と同様、リアクタ１７の超音波振動子に駆動回路（図示省略）を接続して駆動した。

流出管部４から流出する血液は、貯血槽２６に直接戻して循環させ、気泡排出管部５はクランプ２７により閉塞した。貯血槽２６と遠心ポンプ２１の間に流量センサー２８を配置し、流出管部４と貯血槽２６の間に設けた流量調整用クランプ２４を流量センサー２８の検出値に基づき操作して、循環血液量を調節した。試験の条件は、次のとおりに設定した。

流量：5.0L/min
揚程：100mmHg
血液：クエン酸加牛血
循環血液量：400mL
循環時間：50min
温度：室温
先ず、超音波の駆動周波数を１ＭＨｚで一定とし、駆動電力を、ＯＦＦ、１０Ｗ、２０Ｗ、３０Ｗ、及び７５Ｗに変化させて試験を行った。５０分の超音波振動照射後に、遊離Ｈｂの増加量を測定した。その結果を図１０に示す。同図において、横軸は駆動電力（Ｗ）、縦軸は遊離Ｈｂの増加量（ｍｇ／ｄＬ）である。この結果から、電力による溶血への影響の変化はほとんど無いことが確認された。

次に、電力を３０Ｗで一定とし、超音波の駆動周波数を、ＯＦＦ、４７ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、５５０ｋＨｚ、７２５ｋＨｚ、８４０ｋＨｚ、１ＭＨｚ、及び３ＭＨｚに変化させて試験を行った。５０分の超音波振動照射後に、遊離Ｈｂの増加量を測定した。その結果を図１１に示す。同図において、横軸は駆動周波数（Ｈｚ）、縦軸は遊離Ｈｂの増加量（ｍｇ／ｄＬ）である。この結果から、５５０ｋＨｚ以上の周波数であれば、超音波発振による溶血への影響が低いことが判った。

以上の気泡捕捉力及び溶血に関する実験結果を考慮すると、血液に対する侵襲（溶血）を回避し、実用上十分な気泡捕捉力を安定して得るためには、超音波の駆動周波数は、５５０ｋＨｚ〜１Ｈｚの範囲に設定することが好ましいことが判る。

＜実施の形態２＞
実施の形態２における気液分離処理装置について、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照して説明する。図１２Ａは正面から見た断面図、図１２Ｂは平面断面図である。

この気液分離処理装置のリアクタ３０は、上部容器壁３１と下部容器壁３２を結合させた容器壁を有し、円筒状の空洞３３が形成されている。上部容器壁３１の上部がドーム形状部３４となっており、その側部に、接線方向に管軸を向けて流入管部３５が設けられている。ドーム形状部３４の頂部は細くなって気泡排出管部３６が設けられている。

下部容器壁３２の底部には流出管部３７が設けられ、底部の中央部に開口している。下部容器壁３２の底部における流出管部３７による開口の周囲領域に、空洞３３に面して円環状の超音波振動子３８が設けられている。

実施の形態１と同様の駆動回路によって超音波振動子３８を駆動することにより、空洞３３内に上方に向かう超音波の進行波が発生する。流入管部３５がドーム形状部３４の側部で接線方向に向いているので、流入する血液は旋回流となって流出管部３７に向かう。これにより、超音波による気泡の捕捉効果が促進される。

そして、流入管部３５から流入する血液中の気泡は、この超音波の進行波及び気泡の浮力の作用により、上方の気泡排出管部３６に向かって浮上し、排出される。また、気泡排出管部３６に吸引装置を接続して、超音波振動子３８の駆動とともに吸引を行うことにより、気泡排出の効果を更に向上させることができる。

上記作用によって、流出管部３７から流出する血液中には、気泡は実質的には含まれない。従って、本実施の形態の気液分離処理装置も、体外循環する血液中に混入した気泡を、超音波を利用して血液非接触で、体内へ返血される血液からは分離して排出する効果を十分に奏することができる。

＜実施の形態３＞
実施の形態３における気液分離処理装置について、図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して説明する。図１３Ａは正面図、図１３Ｂは平面断面図である。

この気液分離処理装置のリアクタ４０は、直方体形状の容器壁４１を有する。従って、容器壁４１は、対向する一対の平面部４１ａ、４１ｂを含み、その間に空洞４２を有する形態となる。容器壁４１は、少なくとも平面部４１ａ、４１ｂが金属製である。平面部４１ａ、４１ｂの間の領域である容器壁４１の側部に流入管部４３が設けられ、平面部４１ａ、４１ｂの間の領域を通る方向に管軸方向が配向されている。

流入管部４３と管軸方向で対向する箇所の容器壁４１の側部に、流出管部４４が設けられている。容器壁４１の上部には気泡排出管部４５が設けられ、流入管部４３の管軸に対して交差する方向、図では直交する方向に管軸を配向させている。容器壁４１の平面部４１ａには、超音波振動子４６が設けられている。なお、超音波振動子４６は、両方の平面部４１ａ、４１ｂに設けてもよく、平面部の少なくとも一方に設ければよい。

実施の形態１と同様の駆動回路によって超音波振動子４６を駆動することにより、空洞４２内で平面部４１ａから平面部４１ｂに向かって超音波が放射される。平面部４１ａ、４１ｂの間隔を、放射される超音波の半波長の整数倍に設定することにより、平面部４１ａ、４１ｂ間に超音波の定在波が形成される。

流入管部４３から流入する血液中の気泡は、この超音波の定在波の音圧の腹の位置に沿って捕捉される。捕捉された気泡どうしが合体し大きく成長すると、浮力によって空洞４２の上方に浮上し、流出管部４４から流出することはない。この状態で気泡排出管部４５から流出する血液とともに気泡が排出される。このようにして、体外循環する血液中に混入した気泡を、超音波を利用して血液非接触で、体内へ返血される血液からは分離して排出することができる。

＜実施の形態４＞
実施の形態４における気液分離処理装置について、図１４に示す斜視図を参照して説明する。この気液分離処理装置のリアクタ４７は、流入管部４８、及び流入管部４８から分岐した流出管部４９及び気泡排出管部５０により形成された容器壁を有する。

流出管部４９及び気泡排出管部５０は、管軸が互いに平行に配列されている。流入管部４８は、その管軸が、流出管部４９及び気泡排出管部５０の管軸に対して平行かつ中間位置を通るように配置されている。超音波振動子５１は、流入管部４８の側周面に設けられている。

実施の形態１と同様の駆動回路によって超音波振動子５１を駆動することにより、流入管部４８の空洞内で、超音波振動子５１が位置する側周面から対向する側周面に向かって超音波５２が放射され、対向する側周面によって反射される。流入管部４８の内径を適切に設定することにより、流入管部４８内に超音波の定在波が形成される。流入管部４８から流入する血液中の気泡は、この超音波の定在波の音圧の腹の位置に捕捉される。

ここで、超音波振動子４６を駆動する電力の周波数をｆ１からｆ２（ｆ１＜ｆ２）にスイープするように、駆動回路が構成される。これにより、超音波の定在波の波長が変化し、その音圧の腹の位置が、流出管部４９側から気泡排出管部５０側への移動を繰り返す。それに伴い気泡が動かされて、気泡排出管部５０からのみ排出される。このようにして、体外循環する血液中に混入した気泡を、超音波を利用して血液非接触で、体内へ返血される血液からは分離して排出することができる。

本発明の気液分離処理装置は、体外循環する血液中に混入した気泡を、溶血の発生を回避しながら血液非接触で捕捉し血液から分離して排出することが可能であり、血液の体外循環装置等に有用である。

１、１７、３０、４０、４７ リアクタ
２、４１ 容器壁
２ａ、３３、４２ 空洞
３、３５、４３、４８ 流入管部
４、３７、４４、４９ 流出管部
５、３６、４５、５０ 気泡排出管部
６、６ａ、６ｂ、３８、４６、５１ 超音波振動子
７ 脱血回路
８ 開放型貯血槽
９ 血液ポンプ
１０ 人工肺
１１ 送血回路
１２、２２ 駆動回路
１３ たわみ振動
１４ 定在波
１５、１９ 気泡
１６ 音圧腹部
１８ たわみ進行波
２０ 貯血槽
２１ 遠心ポンプ
２３ 気泡回収筒
２４ 流量調整用クランプ
２５ 気泡注入用ポンプ
２６ 貯血槽
２７ クランプ
２８ 流量センサー
３１ 上部容器壁
３２ 下部容器壁
３４ ドーム形状部
４１ａ、４１ｂ 平面部
５２ 超音波

Claims (11)

1. 空洞を形成する容器壁を有するリアクタと、
   前記容器壁に設けられた流入管部と、
   前記流入管部と管軸方向で対向する箇所の前記容器壁に設けられた気泡排出管部と、
   前記流入管部の前記管軸に対して交差する方向に管軸を配向させて前記容器壁に設けられた流出管部と、
   前記流入管部および前記気泡排出管部のそれぞれに隣接した領域の前記容器壁に設けられた一対の超音波振動子と、
   前記超音波振動子を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる駆動回路とを備え、
   前記一対の超音波振動子を駆動することにより、前記空洞内に超音波の定在波を形成するように構成されたことを特徴とする気液分離処理装置。
2. 前記容器壁は円筒形状を有し、前記流入管部及び前記気泡排出管部は前記容器壁の円筒の両端面に配置され、前記流出管部は前記円筒の側周面に配置され、前記超音波振動子は、前記流入管部及び前記気泡排出管部の周囲の前記円筒の端面に設けられた円環形状を有する請求項１に記載の気液分離処理装置。
3. 前記流入管部の管軸方向に垂直に前記定在波の波面が形成される請求項１または２に記載の気液分離処理装置。
4. 空洞を形成する容器壁を有するリアクタと、
   前記容器壁に設けられた流出管部と、
   前記流出管部と管軸方向で対向する箇所の前記容器壁に設けられた気泡排出管部と、
   前記流出管部の前記管軸に対して交差する方向に管軸を配向させて前記容器壁に設けられた流入管部と、
   前記流出管部に隣接した領域の前記容器壁に設けられた超音波振動子と、
   前記超音波振動子を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる駆動回路とを備え、
   前記超音波振動子を駆動することにより、前記空洞内に前記流出管部から前記気泡排出管部に向かう方向に音響放射力及び音響流として作用する超音波の進行波が発生するように構成されたことを特徴とする気液分離処理装置。
5. 前記容器壁は円筒形状を有し、前記流出管部及び前記気泡排出管部は前記容器壁の円筒の両端面に配置され、前記流入管部は前記円筒の側周面に配置され、前記超音波振動子は、前記流出管部の周囲の前記円筒の端面に設けられた円環形状を有する請求項４に記載の気液分離処理装置。
6. 前記リアクタは、前記流出管部と前記気泡排出管部を結ぶ方向が垂直方向に配列され、前記気泡排出管部が上部に配置されている請求項４または５に記載の気液分離処理装置。
7. 空洞を形成し、上部がドーム形状である容器壁を有するリアクタと、
   前記ドーム形状の容器壁の側部に接線方向に管軸を向けて設けられた流入管部と、
   前記ドーム形状の容器壁の頂部に設けられた気泡排出管部と、
   前記容器壁の底部に設けられ、前記底部の中央部に開口している流出管部と、
   前記容器壁の底部における前記流出管部による開口の周囲領域に設けられた超音波振動子と、
   前記超音波振動子を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる駆動回路とを備え、
   前記超音波振動子を駆動することにより、前記空洞内で上方に向かって音響放射力及び音響流として作用する超音波の進行波が発生するように構成されたことを特徴とする気液分離処理装置。
8. 空洞を形成し対向する一対の平面部を含む容器壁を有するリアクタと、
   前記平面部の間の領域である前記容器壁の側部に設けられ、前記平面部の間の領域を通る方向に管軸方向が配向された流入管部と、
   前記流入管部と管軸方向で対向する箇所の前記容器壁に設けられた流出管部と、
   前記流入管部の前記管軸に対して交差する方向に管軸を配向させて前記容器壁の上部に設けられた気泡排出管部と、
   前記平面部の少なくとも一方に前記容器壁に設けられた超音波振動子と、
   前記超音波振動子を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる駆動回路とを備え、
   前記超音波振動子を駆動することにより、前記一対の平面部間の前記空洞内に超音波の定在波を形成するように構成されたことを特徴とする気液分離処理装置。
9. 流入管部、及び前記流入管部から分岐した流出管部及び気泡排出管部を含み空洞を形成する容器壁を有するリアクタと、
   前記流入管部の側周面に設けられた超音波振動子と、
   前記超音波振動子を高周波電力により駆動して超音波振動を発生させる駆動回路とを備え、
   前記流出管部及び前記気泡排出管部は、管軸が互いに平行に配列され、
   前記流入管部は、その管軸が前記流出管部および前記気泡排出管部の前記管軸に対して平行かつ中間位置を通るように配置され、
   前記超音波振動子を駆動することにより、前記流入管部の前記空洞内に超音波の定在波を形成し、前記高周波電力の周波数をｆ１からｆ２（ｆ１＜ｆ２）にスイープするように構成されたことを特徴とする気液分離処理装置。
10. 前記高周波電力の周波数は５５０ｋＨｚ〜１Ｈｚの範囲内に設定されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の気液分離処理装置。
11. 前記高周波電力は、前記リアクタの空洞内に１０ｋＰａ〜３００ｋＰａの音圧の超音波を発生させる大きさに設定されている請求項１０に記載の気液分離処理装置。

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