JP2016504951A - 医療用注入流体の熱交換装置及び加温システム - Google Patents

Abstract

医療用注入流体を温める加温装置は、一方の端部を電気的なヒータ１７によって加温するヒートパイプ１２を備える。螺旋形態の交換可能な流体用の流路２０は、ヒートパイプ１２に沿って延在させ、また螺旋輪郭を有する熱伝導性の内側スリーブ２１と断熱性外側スリーブ２６との間に形成する。流路２０への入口３はヒータ１７に隣接配置し、出口１４はヒートパイプ１２の反対側端部に配置する。入口３は懸垂した生理食塩水バッグ１に接続し、また出口４は管路５を介して血管に挿入したカテーテル６に接続する。出口管路５における温度センサ１８は制御ユニット１１にフィードバック出力を供給し、この制御ユニット１１はヒータ１７の動作を制御して一定温度に維持する。【選択図】図２

Description

本発明は、医療用注入流体の熱交換装置及び加温システムに関する。

本発明は、より具体的には、身体に供給される流体を加熱する医療用途に使用する熱交換装置及び加温システムに関する。

身体に供給される流体、例えば、血液及び注入流体を温めるのは共通の慣行である。理想的には、身体に供給される流体はできるだけ通常体温に近いものにすべきである。これを行う１つの手法は注入流体を熱交換器に通過させることであり、この熱交換器は循環する加温水源に接続し、水の熱が注入流体に伝達されるようにする。このように流体を温める加温装置は、商標名Hotlineの下にスミスズ・メディカル社から入手可能である。（” Hotline”はスミスズ・メディカル・ＡＳＤ社の登録商標である。）流体加温器は、代案として、注入流体と熱接触する電気抵抗ヒータを含むことができる。医療用流体加温器の例は、特許文献１〜１３（米国特許第５０６３９９４号、米国特許第５０９７８９８号、米国特許第５２９０２３７号、米国特許第５７０７４３１号、米国特許第７８６７１８８号、米国特許第５４１７２７４号、米国特許第４８７８５３７号、米国特許第５７１３８６４号、米国特許第４６７８４６０号、米国特許第６２５７２６５号、米国特許第６２５９０７４号、米国特許第６０７４３６３号、及び米国特許第６６４１５５６号）に記載されている。理想的には、このような流体加温器は、幅広い流量にわたり極めて安定した加温効果が得られるようにすべきである。加温器は、コンパクト、かつ注入流体に対して周囲への損失率が低く効率的熱伝導を与えるべきである。加温器は、感染症リスクが低く、かつ患者に対するリスクを最小化する効果的な電気絶縁を有するものとすべきである。加温器は、とくに、加温器のいかなる使い捨てコンポーネントも、低コストで製造可能なものとすべきである。

米国特許第５０６３９９４号明細書 米国特許第５０９７８９８号明細書 米国特許第５２９０２３７号明細書 米国特許第５７０７４３１号明細書 米国特許第７８６７１８８号明細書 米国特許第５４１７２７４号明細書 米国特許第４８７８５３７号明細書 米国特許第５７１３８６４号明細書 米国特許第４６７８４６０号明細書 米国特許第６２５７２６５号明細書 米国特許第６２５９０７４号明細書 米国特許第６０７４３６３号明細書 米国特許第６６４１５５６号明細書

本発明の目的は、代替的な熱交換装置及び加温システムを得るにある。

本発明の一態様は上述の特定種類の装置を提供し、該装置は、細長いヒートパイプと、前記ヒートパイプの一方の端部に熱接触するよう取り付けた熱源と、前記ヒートパイプに熱接触して前記ヒートパイプの外側面に沿って延在する注入流体流路とを備え、前記熱源は熱を前記ヒートパイプに伝達し、前記ヒートパイプは前記注入流体流路に沿って流れる流体に熱を伝達することを特徴とする。

前記ヒートパイプに沿う前記注入流体流路は、前記ヒートパイプの長さを超える長さを有し、また前記ヒートパイプの外側面に沿いかつ外側面周囲に螺旋状に延在することができる。前記注入流体流路は、螺旋状外部輪郭を有する熱伝導材料製の内側スリーブと、前記内側スリーブの周囲に同軸状に延在する外側スリーブとの間に設けることができる。熱伝達物質が前記ヒートパイプの外側面と、前記内側スリーブの内面との間における空間を充填することができる。前記外側スリーブは、好適には断熱材料製とする。前記注入流体流路は、好適には、前記ヒートパイプから分離可能とし、異なる患者での使用のために取外し及び交換できるようにする。代案として、前記ヒートパイプは螺旋輪郭を有する外表面を有し、また前記注入流体流路は、前記ヒートパイプの前記外表面と外側スリーブとの間に画定することができる。前記熱源は正温度係数ヒータを有することができる。前記注入流体流路の入口は、好適には、前記ヒートパイプの一方の端部で前記熱源に隣接配置し、また前記注入流体流路の出口を前記ヒートパイプの反対側端部近傍に配置する。前記装置は、好適には、前記熱源を制御するよう構成した制御ユニットと、及び前記装置の出口経路に配置した温度センサとを備え、前記温度センサの出力を前記制御ユニットに供給する。前記制御ユニットは、好適には、前記出口における流体の温度をほぼ３７℃になるよう制御する構成とする。

本発明の他の態様によれば、上述した本発明の一態様による熱交換装置を有する医療用注入流体加温システムを提供し、該システムは、注入流体流路の入口に接続する注入流体の流体源、及び前記注入流体流路の出口と患者に接続したカテーテルとの間に延在する流体接続部を備え、前記流体源からの流体を前記熱交換装置によって加温し、また前記カテーテルを介して患者に供給することを特徴とする。

前記注入流体の流体源は、生理食塩水の懸垂バッグとすることができる。前記注入流体流路の前記入口は、好適には、前記熱源を取り付ける前記ヒートパイプの端部近傍に配置する。

本発明による熱交換器を有する医療用注入流体加温システムを、以下に例示として添付図面につき説明する。

本発明システムを概略的に示す。 熱交換器の縦断面図である。 異なるコンポーネントを分離した状態で熱交換器を示す側面図である。 ヒートパイプ動作を示す斜視図である。

先ず図１につき説明すると、流体加温システムは、注入流体源、例えば、生理食塩水の懸垂バッグ１を有するが、他の流体源、例えば、急速注入器、注入ポンプ等を使用することもできる。バッグ１は管路２を介して熱交換器１０の入口３に接続する。普通の流量調整器（図示せず）を管路２の長さに沿う何らかのポイントに設けることができる。熱交換器１０は電源及び制御ユニット１１によって制御し、熱交換器に供給される流体を加温し、出口４から流出管路５の一方の端部に向かって流出する。流出管路５の他方の端部はカテーテル６、例えば、静脈内カテーテルに接続し、このカテーテル６は、例えば、患者側端部を血管に挿入することによって患者７に接続する。

上述したように、このシステムは普通のものであるが、従来型システムとは、図２〜４により詳細に示す熱交換器１０の点で異なる。

熱交換器１０は注入流体を加温するヒートパイプ１２を用いる。ヒートパイプ１２は、一般的には、外径が約１２ｍｍ〜２５ｍｍの円筒形の形状をしている。ヒートパイプ１２の長さは必要とされる加熱量に基づき、この加熱量は予想される流体の流量及び初期温度に基づく。ヒートパイプ１２は、熱伝導材料、例えば、アルミニウム又は他の金属による密封外壁又はケーシング１３を有する。ケーシング１３は抜気し、また少量の作動流体、例えば、エタノール、アンモニア、アセトン、又は水等を容れる。毛細管又は芯スリーブ１４は、ケーシング１３の内面に沿って延在し、またヒートパイプの長さに沿って延在する同軸状の中心蒸気キャビティ１５を画定する。ヒートパイプ１２の右端部１６が加熱されると、その右端部における作動流体が蒸発することによって液体から蒸気へと相変化を生じ、この蒸気が蒸発の潜熱を吸収する（吸熱する）。蒸気は、キャビティ１５に沿って左へとケーシング１３の反対側端部に流動し、そのような流動をする間に冷却し、また液体へと凝結し、これにより他の相変化を生じ、蓄えた熱エネルギーをヒートパイプ１２の反対側端部に放出する。凝結した蒸気（このときは液体の形態）は、周囲の芯スリーブ１４によって吸収され、芯材料により右方に向かってヒートパイプ１２の加熱端部に引き戻されてサイクルを繰り返す。用語「ヒートパイプ」は、蒸気と液体との間における相転移を使用して動作する任意の熱伝達デバイスを含むことを意図する。

ヒートパイプ１２は、その右端部を、温度制御電気ヒータによって設けた熱源、例えば、正温度係数ヒータ１７に熱接触するよう取り付ける。ヒータ１７は、電源及び制御ユニット１１に接続し、熱交換器１０に供給される流体に基づいて適正レベルの加熱を生ずるようにする。このシステムは、好適には、出口４からの流路におけるいずれかの位置に接続した温度センサ１８を有し、制御ユニット１１にフィードバック信号を供給できるようにし、またさらに、入口３に接続した温度センサも設け、熱交換器１０に供給される流体温度をモニタリングできるようにする。このようにして、ヒータ１７を制御し、流体が所望温度で出口１４に供給されるのを確実にすることができる。

熱交換器１０に供給される流体は、ヒートパイプ１２の外側面に沿って流動し、ヒートパイプのヒータ端部に進入し、ヒートパイプの長さよりも長い長さの流路をたどった後に反対側端部から流出する。より具体的には、熱交換器は、ヒートパイプ１２に沿いかつ周囲に延在する螺旋流路２０を有する。この螺旋流路２０は、種々の異なる様態に形成することができるが、この実施形態では、熱伝導材料、例えば、金属（例えば、アルミニウム）、プラスチック若しくはセラミック、又はこれら材料の幾つかの組合せによる内側スリーブ２１によって得られる。熱伝導性であるとともに、材料は、加熱されている流体に対して生体適合性を有するものでなければならない、又は生体適合性材料層でコーティングすることができる。スリーブ２１の内面２２は、ヒートパイプ１２の外側面に密接な熱接触させ、またヒートパイプに沿って摺動可能にする。スリーブ２１は、外面に単一起点を有する螺旋状の溝又は隆起を形成し、流体用の流路２０の内面を生ずる。スリーブ２１の内面２２は、ヒートパイプ１２と接触状態になるよう平坦にし、ヒートパイプとスリーブとの間における熱伝達を最大化できるようにする。代案として、スリーブ２１の内面２２は、外面と同一輪郭にすることができ、このことは、スリーブが隆起２３の頂点軌跡に沿ってのみヒートパイプ１２に接触することを意味する。このようなスリーブ２１を使用する場合、スリーブとヒートパイプ外側面との間における谷空間に、谷渡りの熱伝達を促進するペースト又はジェルのような物質を充填するのが望ましい。個別スリーブ２１によって流路内面を設ける代わりに、ヒートパイプ自体の外面に螺旋輪郭を持たせることができる。このような構成において、熱交換器全体を使い捨てにするのが好ましい。流路は必ずしも螺旋状にする必要はなく、ジグザグ犂耕体の形態にすることができる。

内側スリーブ２１の両側の対向端部２４及び２５において、内側スリーブ２１は外側スリーブ又はハウジング２６に対して封止し、この外側スリーブ２６は、断熱材料、例えば、低伝導率のプラスチック材料とするのが好ましい。外側スリーブ２６は、平滑な内面及び外面を有する管状とし、また内側スリーブ２１の外側面に沿って緊密嵌合するよう同軸状に延在させ、内側スリーブの螺旋隆起２３の頂点がスリーブ長さに沿って外側スリーブの内面に接触できるようにする。短い管状スピゴット２７をヒータ１７に隣接するスリーブ２６の右端部で外方に突出させ、これは熱交換器１０の入口３をなすものである。スピゴット２７は、螺旋流路２０の起点における隆起２３の隣接する巻回間における谷部に整列してスリーブ２６に開口する。反対側端部において、同様のスピゴット２８は、流路２０の下流端部で隆起２３の最終巻回における谷部に開口し、熱交換器１０の出口４をなす。内側及び外側のスリーブ２１及び２６は両側の端部２４及び２５で互いに封止し、いかなる流体漏洩をも防止し、また一緒にヒートパイプ１２に対して摺動して取外すことができる、また１人の患者での使用後に、又は所定回数後に使い捨てにすることができる流路ユニットを形成する。この後新たな流路ユニットをヒートパイプ１２に装着することができる。

使用にあたり、ヒートパイプ１２は、そのケーシング１３を介して内側スリーブ２１とやりとりをしてヒートパイプの外側面に沿う流体の流路２０を加温し、長さに沿ってほぼ等しいまた安定した温度を維持する。バッグ１からの注入流体は管路２に沿って熱交換器１０の入口３に流動し、この時点では一般的には外気温度、又はバッグが冷蔵されていた場合には外気温度よりも低い温度である。流体が螺旋経路２０に沿って熱交換器１０内を流動するとき、流体は徐々に温められ、最終的に出口４でより高い温度、代表的には３７℃である人間の平均体温付近となって流出する。装置を異なる体温の動物に関する獣医学的用途で使用するとき、出口での温度は３７℃より高い又は低い値にセットすることができる。管路５からカテーテル６にいたる、またカテーテル６からの温暖流体は患者の血流に進入する。熱交換器１０がコンパクトであることは患者７に近接させて配置でき、これにより熱交換器とカテーテル６との間における管路５の長さを減少し、したがって、熱交換器から流出する流体の外気冷却を減少できることを意味する。

例えば、高い流量用途又は注入流体の初期温度が低い場合のように付加的な加熱能力が必要な場合、２つ又はそれ以上の熱交換器を順次に直列接続することができる。

本発明の構成は、比較的コンパクトな装置内における注入流体に対する最少の外気冷却で高い熱伝達を得ることができる。本発明によれば、幾つかの従来型流体加温器で使用されるような再循環加温流体に対する必要を回避する。本発明装置は極めて可搬性があり、またバッテリ動作が可能であり、病院から離れた緊急事情での使用に理想的に適合する。注入流体を体温に近い温度で供給する場合、患者にとって急速に回復する機会が増すことはよく理解されている。今日までは、このことは病院から離れていては達成するのが困難であった。本発明のヒートパイプ構成は、極めて安定した温度を与え、また普通の電気抵抗ヒータでは共通して見られた温度変動を減少し、このことは、過剰温度でダメージを受けるおそれがある血液のような流体では重要である。ヒートパイプは装置の信頼性を高める複雑な制御回路は不要であり、比較的経験の少ない臨床医でも使用が簡単である。装置は少ない部品で済み、また比較的低コストで形成することができる。

Claims (15)

1. 医療用注入流体を加温するため医療用注入流体と熱交換する装置であって、該装置は、細長いヒートパイプ（１２）と、前記ヒートパイプの一方の端部に熱接触するよう取り付けた熱源（１７）と、前記ヒートパイプに熱接触して前記ヒートパイプ（１２）の外側面に沿って延在する注入流体流路（２０）とを備え、前記熱源（１７）は熱を前記ヒートパイプ（１２）に伝達し、前記ヒートパイプは前記注入流体流路（２０）に沿って流れる流体に熱を伝達することを特徴とする装置。
2. 請求項１記載の装置において、前記ヒートパイプ（１２）に沿う前記注入流体流路（２０）は、前記ヒートパイプの長さを超える長さを有することを特徴とする装置。
3. 請求項２記載の装置において、前記注入流体流路（２０）は、前記ヒートパイプ（１２）の外側面に沿いかつ外側面周囲に螺旋状に延在することを特徴とする装置。
4. 請求項３記載の装置において、前記注入流体流路（２０）は、螺旋状外部輪郭を有する熱伝導材料製の内側スリーブ（２１）と、前記内側スリーブの周囲に同軸状に延在する外側スリーブ（２６）との間に設けることを特徴とする装置。
5. 請求項４記載の装置において、熱伝達物質が前記ヒートパイプ（１２）の外側面と、前記内側スリーブ（２１）の内面との間における空間を充填することを特徴とする装置。
6. 請求項４又は５記載の装置において、前記外側スリーブ（２６）は断熱材料製とすることを特徴とする装置。
7. 請求項１〜６のうちいずれか一項記載の装置において、前記注入流体流路（２０）は前記ヒートパイプ（１２）から分離可能とし、異なる患者での使用のために取外し及び交換できるようにすることを特徴とする装置。
8. 請求項１〜３のうちいずれか一項記載の装置において、前記ヒートパイプは螺旋輪郭を有する外表面を有し、また前記注入流体流路は、前記ヒートパイプの前記外表面と外側スリーブとの間に画定することを特徴とする装置。
9. 請求項１〜８のうちいずれか一項記載の装置において、前記熱源は、正温度係数ヒータ（１７）を有することを特徴とする装置。
10. 請求項１〜９のうちいずれか一項記載の装置において、前記注入流体流路（２０）の入口（３）を前記ヒートパイプ（１２）の一方の端部で前記熱源（１７）に隣接配置し、また前記注入流体流路の出口（４）を前記ヒートパイプの反対側端部近傍に配置することを特徴とする装置。
11. 請求項１〜１０のうちいずれか一項記載の装置において、前記装置は、前記熱源（１７）を制御するよう構成した制御ユニット（１１）と、及び前記装置の出口経路（５）に配置した温度センサ（１８）とを備え、前記温度センサ（１８）の出力を前記制御ユニット（１１）に供給することを特徴とする装置。
12. 請求項１０記載の装置において、前記制御ユニット（１１）は、前記出口（４）における流体の温度をほぼ３７℃になるよう制御する構成とすることを特徴とする装置。
13. 請求項１〜１２のうちいずれか一項記載の熱交換装置を有する医療用注入流体加温システムであって、該システムは、注入流体流路（２０）の入口（３）に接続する注入流体の流体源（１）、及び前記注入流体流路の出口（４）と患者に接続したカテーテル（６）との間に延在する流体接続部（５）を備え、前記流体源（１）からの流体を前記熱交換装置によって加温し、また前記カテーテル（６）を介して患者に供給することを特徴とするシステム。
14. 請求項１３記載のシステムにおいて、前記注入流体の流体源は、生理食塩水の懸垂バッグ（１）とすることを特徴とするシステム。
15. 請求項１３又は１４記載のシステムにおいて、前記注入流体流路（２０）の前記入口（３）は、前記熱源（１７）を取り付ける前記ヒートパイプ（１２）の端部近傍に配置することを特徴とするシステム。

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