JP2022535657A

JP2022535657A - フィルタユニット内の膜表面上の濃度分極および膜汚損を低減するための装置および方法

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Publication number: JP2022535657A
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Inventors: ニキールダス、エス
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Priority date: 2019-03-29
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Abstract

膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中に、フィルタユニット（１０２）内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減するための装置。装置は、フィルタユニット（１０２）内に流体の流れがある場合に電気信号を生成する（ｉ）信号発生器（１０６）と、（ｉｉ）信号発生器から電気信号を受信して、１つまたは複数の超音波トランスデューサ（６０４）を使用して超音波を生成する超音波トランスデューサアセンブリ（１０８）とを含む。超音波は、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中にフィルタユニット（１０２）を通過し、流体の流れの乱流または膜表面の振動の少なくとも１つを発生させて、膜表面を詰まらせている粒子を除去し、それによってフィルタユニット（１０２）の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減し、次に、膜透過性および効率を向上させる。

Description

本明細書の実施形態は、一般に膜分離に関し、より詳細には、非侵襲的かつ非破壊的な振動エネルギー源を使用して膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中に、フィルタユニット内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減することによって、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセスの効率を改善するための装置および方法に関する。

腎臓は、人体からの毒素および過剰な水の除去において重要な役割を果たす。除去された毒素および過剰な水は、排尿によって人体から除去される。適切に機能する腎臓は、人体内の余分な水、老廃物、および他の不純物の蓄積を防止する。

全米腎臓財団によれば、末期腎疾患（ＥＳＲＤ）は、腎臓が正常機能の１０～１５％しか機能していない場合に患者に発生する。これにより、患者の体内で毒素および体液が除去されず、危険なレベルに上昇する可能性がある。そのような場合、患者は透析を処方される。透析は、透析装置として知られるフィルタを備える機械によって、それらの血液が外部に取り出され、および浄化されるプロセスである。透析をしないと、塩および他の老廃物が血液中に蓄積し、身体を害し、身体の他の器官を損傷する可能性がある。透析は、半透膜を介して溶液から溶質を分離する膜分離プロセスである。透析中、人体／患者からの血液は透析装置の膜を通って流れることができ、透析液は膜の周りに流れることができる。透析液は毒素濃度が低いため、血液から半透膜の細孔を通って透析液内に毒素の拡散が起こる。除去された毒素および血液中に存在するタンパク質のような他の粒子の蓄積は、濃度分極と呼ばれる半透性膜の細孔で、プロセス中に目詰まりによる影響を引き起こす可能性がある。濃度分極および／または膜汚損は、半透性膜を含む膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセスの効率を制限する。透析の場合、この効率の低下は透析の不十分さにつながる。膜汚損は、除去された毒素および血液中に存在するタンパク質のような他の粒子の（ｉ）膜表面上または（ｉｉ）多孔質構造の内部への堆積を含む。膜汚損とは異なり、濃度分極は可逆的な仕組みであり、作動圧力が解放されるとすぐに消失する。膜汚損および濃度分極の両方は、膜透過性の低下をもたらし、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセスの効率の低下をもたらす。

典型的には、患者は、一生、または腎移植まで、週に２～３回、４時間の透析を受ける必要がある。一回の透析セッションには約４０００インドルピーの費用がかかるが、これは貧しい患者にとって支払い可能な価格ではない可能性がある。さらに、各透析は、最大２００リットルの水、高価な消耗品および電力を必要とする。プロセスの資源集約的な性質と相まって、透析患者の数の増加は、それを実行可能かつ持続可能な選択肢にするために、透析プロセスの効率の向上を必要とする。

さらに、より重い患者とより軽い患者の両方が、４時間の同じ持続時間にわたって透析プロセスを受ける。より重い患者の場合、４時間の透析では、体内から毒素を除去するのに十分ではない可能性がある。毒素の不完全な除去は、患者の体内の毒素の蓄積の増加をもたらし、それにより食欲不振、吐き気、嘔吐の傾向などの症状をもたらし得る。この状態は、比率Ｋｔ／Ｖによって定量化され得る不十分な透析と呼ばれ、１．２の値より低い（Ｋｔ／Ｖ＜１．２）。体重の軽い患者の場合、それらの低い肥満度指数のために（すなわち、より重い患者と比較して、除去すべき毒素がより少ない）、毒素は４時間より早く除去される可能性がある。より軽い患者は、透析センターで、必要以上の時間を費やしている可能性がある。より軽い患者に与えられるこの余分な透析は、余分な水、消耗品および電力の使用に相当する。既存の研究は、患者に余分な透析を与える利点がないことを示している。それは、非常に重要な資源を無駄にするだけである。

いくつかの既存の研究は、透析患者の約５０％が不十分な透析を受けており、その結果として、生活の質に深刻な悪影響を及ぼし、および死亡率を増加させる兆候があることを示している。したがって、透析の４時間以内に患者の身体から毒素を完全に除去することを達成するために、濾過の効率を改善する必要がある。残りの患者は、必要以上に透析を受けている。膜分離および／またはフィルタ洗浄プロセスの効率を改善すれば、透析の期間を短縮することができ、したがって資源の不必要な浪費を減らすことができる。

最近、３５０時間の透析セッションを監視する本発明者らの実験からのデータは、セッションの５３％が不十分な透析をもたらし、セッションの残りの４７％が余分な透析を受けたことを示している。さらに、不十分な透析は、体重が５５ｋｇを超える体重の重い患者においてより多く観察された。他の文献は、発展途上国における透析の約６０％が不十分であり、先進国における透析の約３３％が不十分であることを示している。

不十分な透析に対する既存の解決策には、高効率透析、高流量透析および血液透析濾過が含まれる。データは、これらの解決策が効率を最大１０％しか向上させず、これは規定量の除去（Ｋｔ／Ｖ＞１．２）を達成するのに十分ではない可能性があることを示している。さらに、これらの解決策は、患者からの血液の取り出し速度が正常よりも速いことを必要とする。さらに、これらの解決策に必要な消耗品および機器のコストが高くなると、それらの用途およびスケーラビリティが制限される可能性がある。

透析と同様に、半透膜を用いたすべての膜分離プロセスにおいて、濃度分極や膜汚損による効率低下の問題が見られる。効率の低下はまた、フィルタの不完全な洗浄に起因し得る。

したがって、安全で費用効果が高く、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセスの効率を改善し、既存のフィルタに後付けすることができる、フィルタユニット内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減するための装置および方法が依然として必要とされている。

上記を考慮して、本明細書の一実施形態は、非侵襲的かつ非破壊的な振動エネルギー源を使用して、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中にフィルタユニット内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減するためのフィルタユニットが取り付けられた装置を提供する。装置は、信号発生器および超音波トランスデューサアセンブリを備える。信号発生器は、フィルタユニット内に流体の流れがある場合に電気信号を生成する。信号発生器は、電源から電力を受け取り、（ｉ）周波数、（ｉｉ）強度、または（ｉｉｉ）パルス特性のうちの少なくとも１つで電気信号を生成するように適合された変換器を備える。信号発生器から電気信号を受信する超音波トランスデューサアセンブリは、トランスデューサのアレイと、ハウジングと、結合媒体層とを備える。トランスデューサのアレイは、超音波トランスデューサアセンブリが信号発生器から電気信号を受信する場合に超音波を発生する１つまたは複数の超音波トランスデューサを含む。ハウジングは、フィルタユニット内の膜表面への超音波の最大露出を確実にするために、（ｉ）フィルタユニットに対して垂直方向、または（ｉｉ）フィルタユニットに対してある角度の少なくとも１つで超音波を発生させる１つまたは複数の超音波トランスデューサを埋め込む。結合媒体層は、トランスデューサのアレイとフィルタユニットとの間に配置されて、フィルタユニット内への超音波の伝達を可能にする。膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中に、トランスデューサのアレイによって生成される超音波がフィルタユニットを通過する場合、超音波が、（ｉ）流体の流れの乱流、または（ｉｉ）膜表面上の振動の少なくとも１つを発生させて、膜表面を詰まらせている粒子を除去し、それによってフィルタユニットの膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減し、次に、膜透過性、ならびに膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセスの効率を向上させる。

いくつかの実施形態では、信号発生器は、変換器によって生成される電気信号のタイプに関する情報を提供するコントローラを備える。コントローラは、（ｉ）信号発生器におけるユーザ入力、（ｉｉ）コントローラに記憶されたプログラムからの入力、または（ｉｉｉ）外部装置からの入力のうちの少なくとも１つから情報を取得する。外部装置は、信号発生器に信号を送信して超音波を発生させる。

いくつかの実施形態では、電気信号は、（ｉ）５０キロヘルツ（ｋＨｚ）～３メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲内の１つまたは複数の周波数、（ｉｉ）５ワット（Ｗ）～１キロワット（ｋＷ）の範囲内の１つまたは複数の電力出力、あるいは（ｉｉｉ）周波数、電力出力、またはパルス特性に関して時間的に変化する１つまたは複数の一定の信号のうちの少なくとも１つを含む。超音波トランスデューサアセンブリは、ケーブルを使用して信号発生器から電気信号を受信する。生成された信号は、フィルタユニットの膜表面を損傷することなく流体の流れの乱流を増加させる。

いくつかの実施形態では、フィルタユニットは、供給溶液から成分を分離するための半透膜を含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の超音波トランスデューサの表面プロファイルは、フィルタユニットの表面プロファイルと一致し、それにより、結合媒体層を充填することによって１つまたは複数の超音波トランスデューサとフィルタユニットとの間のギャップを最小化する。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の超音波トランスデューサは、（ｉ）類似の圧電結晶または（ｉｉ）異種の圧電結晶のうちの少なくとも１つを備える。トランスデューサのアレイは、電気信号の異なる動作条件で超音波を同時に発生させると、超音波は流体の流れ内に増強された乱流を発生させ、濃度分極および／または膜汚損をより大幅に低減する。

いくつかの実施形態では、ハウジングは、フィルタユニットの周りに巻き付けるために可撓性であり、ハウジングは、異なる寸法および形状のフィルタユニットに適した長さおよび寸法を含む。

いくつかの実施形態では、結合媒体層は、１つまたは複数の超音波トランスデューサとフィルタユニットとの間の空気ギャップを置き換え、その空間を占有するように、流動し、その形状を変化させる液体、半固体、または可撓性固体材料のうちの少なくとも１つで構成される可撓性材料である。結合媒体層は、ハウジングに接着されるか、または非接着である。

いくつかの実施形態では、装置は、（ｉ）信号発生器の動作モードを構成するための制御ユニットと、（ｉｉ）信号発生器の動作モードを表示するための表示ユニットとを備える。

いくつかの実施形態では、結合媒体層は、パッチ結合媒体層またはシート結合媒体層のうちの少なくとも１つを備える。結合媒体層は、１つまたは複数の超音波トランスデューサの表面に付着され、超音波トランスデューサアセンブリおよびフィルタユニットは、結合媒体として作用する流体内に浸漬される。

一態様では、本明細書の一実施形態は、非侵襲的かつ非破壊的な振動エネルギー源を使用して、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中にフィルタユニット内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減する方法を提供する。方法は、（ａ）フィルタユニット内に流体の流れがある場合に、信号発生器を使用して、（ｉ）周波数、（ｉｉ）強度、または（ｉｉｉ）パルス特性のうちの少なくとも１つの電気信号を生成することと、（ｂ）超音波トランスデューサアセンブリが信号発生器から電気信号を受信した場合に、トランスデューサのアレイを使用して超音波を生成することとを含む。超音波は、（ｉ）流体の流れの乱流、または（ｉｉ）膜表面上の振動の少なくとも１つを発生させて、膜表面を詰まらせている粒子を除去し、それによってフィルタユニットの膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減し、次に、膜透過性、ならびに膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセスの効率を向上させる。

装置は、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中に１つまたは複数の動作条件を実行する。装置は、任意のフィルタユニットに装着することができるポータブルアクセサリである。装置は、４時間の規定された時間内により多くの毒素を除去し、これにより、より重い患者に適切な透析がもたらされる。より軽い患者の場合、装置は、より短い期間で同じ量の毒素を除去し、それによって資源を節約し、コストを削減し、１日に治療される患者の数を増加させる。装置は、医薬品、乳製品、果汁および飲料などを含む多くの産業で使用することができる。装置は、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中に濃度分極および／または膜汚損を低減し、膜分離プロセスおよびフィルタ洗浄プロセスのあらゆる種類および用途に使用することができる。装置内での超音波の使用は、フィルタユニットのより良好な洗浄を保証して、その後の使用のための処理品質を改善し、フィルタユニットの寿命を延ばす。この装置は、既存の解決策の１０％と比較して、血液からの毒素の除去効率をさらに２５％改善する。この装置は、より速い速度で患者から血液を取り出す必要がなく、低い血流速度でも効率的に機能するため、安全である。装置は、既存の解決策または既存の透析装置と比較して費用効率が高い。さらに、装置は、目詰まりを軽減するために非侵襲的かつ非破壊的な振動エネルギー源を使用し、フィルタユニットの血液または膜を損傷することなく透析の効率を大幅に改善する。

本明細書の実施形態のこれらおよび他の態様は、以下の説明および添付の図面と併せて考慮すると、よりよく理解されるであろう。しかしながら、以下の説明は、好ましい実施形態およびその多くの特定の詳細を示しているが、限定ではなく例示として与えられていることを理解されたい。本明細書の実施形態の趣旨から逸脱することなく、本明細書の実施形態の範囲内で多くの変更および修正を行うことができ、本明細書の実施形態はすべてのそのような修正を含む。

本明細書の実施形態は、図面を参照して以下の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。

本明細書のいくつかの実施形態による、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中にフィルタユニット内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減する装置のシステム図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の信号発生器の分解図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の超音波トランスデューサアセンブリの分解図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１のフィルタユニットの透析膜繊維の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１のフィルタユニットの透析膜繊維の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１のフィルタユニットの透析膜繊維の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置の例示的な図である。本明細書のいくつかの実施形態による、透析中の血液中の尿素濃度の減少の実験データを示すグラフである。本明細書のいくつかの実施形態によるＲＯ水浄化に使用されるフィルタユニットから測定された水出力の実験データを示すグラフである。本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置を使用して、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中にフィルタユニット内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減する方法を示す流れ図である。

本開示およびその様々な特徴および有利な詳細は、添付の図面に記載され、および／または図示され、以下の説明で詳述される非限定的な実施形態および実施例を参照して、より完全に説明される。周知の構成要素および処理技術の説明は、本開示の実施形態を不必要に不明瞭にしないために省略される。本明細書で使用される例は、本開示を実施できる方法の理解を容易にし、さらに当業者が本開示の実施形態を実施できるようにすることのみを意図している。したがって、本明細書の例および実施形態は、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

上述したように、非侵襲的かつ非破壊的な振動エネルギー源を使用して、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中にフィルタユニット内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減する装置および方法の必要性が残っている。本明細書の実施形態は、フィルタユニット内に超音波を発生させてフィルタユニットの膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減し、それによって膜透過性、ならびに膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセスの効率を向上させることによってこれを達成する。ここで図面、より詳細には図１～図８を参照すると、同様の参照符号は、図面全体を通して一貫して対応する特徴を示しており、好ましい実施形態が示されている。

図１は、本明細書のいくつかの実施形態による、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中にフィルタユニット１０２内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減する装置１０４のシステム図１００である。装置１０４のシステム図１００は、信号発生器１０６と、超音波トランスデューサアセンブリ１０８とを含む。装置１０４または超音波トランスデューサアセンブリ１０８の少なくとも１つは、フィルタユニット１０２に取り付けられる。信号発生器１０６は、フィルタユニット１０２内に流体の流れがある場合、電気信号を生成する。信号発生器１０６は、電源から電力を受け取り、（ｉ）周波数、（ｉｉ）強度、または（ｉｉｉ）パルス特性のうちの少なくとも１つの電気信号を生成する。いくつかの実施形態では、信号発生器１０６は、ケーブルを介して超音波トランスデューサアセンブリ１０８に電気信号を送信する別個のまたは一体化されたユニットである。超音波トランスデューサアセンブリ１０８は、供給溶液（例えば血液）から成分を分離するために半透性膜／膜を使用するフィルタユニット１０２に取り付けられる。超音波トランスデューサアセンブリ１０８は、信号発生器１０６から電気信号を受信し、（ｉ）フィルタユニット１０２に対して垂直方向、または（ｉｉ）フィルタユニット１０２に対してある角度の少なくとも１つで、超音波を発生させる。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサアセンブリ１０８は、超音波の形態の非侵襲的かつ非破壊的な振動エネルギー源を生成することができる。

膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中に、超音波トランスデューサアセンブリによって生成される超音波がフィルタユニット１０２を通過し、超音波は、（ｉ）流体の流れの乱流、または（ｉｉ）膜表面上の振動の少なくとも１つを発生させて、膜表面を詰まらせている粒子を除去し、それによってフィルタユニット１０２の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減し、次に、膜透過性、ならびに膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセスの効率を向上させる。いくつかの実施形態では、膜表面の目詰まりを低減するために、５０キロヘルツ（ｋＨｚ）～３メガヘルツ（ＭＨｚ）の周波数範囲の電気信号が信号発生器１０６によって生成される。本実施形態で使用される「超音波」という用語は、３００キロヘルツ（ｋＨｚ）を超える周波数では「メガソニック」という用語が使用されるのであるけれども、５０キロヘルツ（ｋＨｚ）～３メガヘルツ（ＭＨｚ）の間のすべての周波数を含むことに留意されたい。

超音波が媒体／供給溶液中を伝わると、それは媒体中に存在する分子に振動を引き起こす。いくつかの実施形態では、媒体が液体である場合、これらの振動は液体内に電流を引き起こす。超音波は、液体内の気泡の圧縮および膨張を引き起こし、最終的に崩壊して衝撃波を生成する。電流および衝撃波は、液体内で乱流および撹拌効果を引き起こす。いくつかの実施形態では、信号発生器１０６は、液体内の乱流の量を増加させ得る異なる種類の電流および振動の発生をもたらす異なる種類の電気信号を生成する。超音波は、液体中に乱流を誘発し、これは、膜の細孔／表面を詰まらせる溶質または粒子の層の除去をもたらす。いくつかの実施形態では、フィルタユニット１０２は、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中に流体で充填される。いくつかの実施形態では、用途は透析プロセスである。

図２は、本明細書のいくつかの実施形態による、図１の信号発生器１０６の分解図２００である。信号発生器１０６の分解図２００は、コントローラ２０２と、変換器２０４とを含む。信号発生器１０６は、電源２０６に電気的に接続されている。電源２０６は、信号発生器１０６に電力を供給する。いくつかの実施形態では、電源２０６は、（ｉｉ）壁ソケットまたは別の機械からのＡＣ電源、あるいは（ｉｉ）記憶装置または別の機械からのＤＣ電源のうちの少なくとも１つである。コントローラ２０２は、変換器２０２によって生成される電気信号のタイプに関する情報を提供する。いくつかの実施形態では、信号発生器１０６は、１つまたは複数のコントローラを含む。いくつかの実施形態では、コントローラ２０２は、１つまたは複数の変換器（例えば、変換器２０４）に信号を提供する。いくつかの実施形態では、コントローラ２０２は、（ｉ）信号発生器１０６におけるユーザ入力、（ｉｉ）コントローラ２０２に記憶されたプログラムからの入力、または（ｉｉｉ）外部装置からの入力のうちの少なくとも１つから情報を取得する。いくつかの実施形態では、外部装置は、超音波トランスデューサアセンブリ１０８に送信する電気信号を生成するために信号発生器１０６に信号を送信する。いくつかの実施形態では、装置１０４は、自動モードの少なくとも１つによって制御され、または透析機によってトリガされる。いくつかの実施形態では、透析機は、超音波をいつフィルタ内に送るかを決定するために信号発生器１０６に信号を提供することができる。

信号発生器１０６に関連する変換器２０２は、電源２０６から電力を受け取り、受け取った電力を操作して、それを電気信号の生成に適したものにするように適合される。電気信号は、（ｉ）５０ｋＨｚ～３ＭＨｚの範囲内の１つまたは複数の周波数、（ｉｉ）５ワット（Ｗ）～１キロワット（ｋＷ）の範囲内の１つまたは複数の電力出力、あるいは（ｉｉｉ）周波数、電力出力、またはパルス特性に関して時間的に変化する１つまたは複数の一定の信号のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の周波数は、単一の周波数（例えば２００ｋＨｚ）、複数の周波数（例えば、２００ｋＨｚ、２５０ｋＨｚ、および９００ｋＨｚ）、または可変周波数（例えば、周波数は５０ｋＨｚで始まり、５分以内に５００ｋＨｚに増加し、次いで１０分以内に５０ｋＨｚに減少されて戻る）を含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電力出力は、単一の電力出力（例えば９０ワット）、複数の電力出力（例えば、９ワット、５０ワット、および５００ワット）、および可変電力出力（例えば、電力出力は、２分ごとに、５ワットで始まり、１０ワット刻みで５００ワットまで増加する）を含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の一定の信号は、断続的に生成され得る。例示的な実施形態では、信号は、透析中に５分間生成され、次いで３分間停止され得る。

いくつかの実施形態では、パルス特性は、１つのタイプのパルス（例えば正弦波）、または複数のタイプのパルス（例えば、方形波および鋸歯状）、または様々なパルスタイプ（例えば、最初の５分間は正弦波、次に次の１５分間は鋸歯状波などである。）を含む。いくつかの実施形態では、５０ｋＨｚ～３ＭＨｚの範囲の周波数は、フィルタユニット１０２の膜表面を損傷することなく流体の流れの乱流を増加させる。信号発生器１０６によって生成された電気信号は、超音波トランスデューサアセンブリ１０８に送信される。

図３は、本明細書のいくつかの実施形態による、図１の超音波トランスデューサアセンブリ１０８の分解図３００である。超音波トランスデューサアセンブリ１０８の分解図３００は、トランスデューサのアレイ３０２と、結合媒体層３０４とを含む。超音波トランスデューサアセンブリ１０８は、フィルタユニット１０２の周りに巻き付くように可撓性である。超音波トランスデューサアセンブリ１０８は、信号発生器１０６から電気信号を受信する。トランスデューサのアレイ３０２は、超音波トランスデューサアセンブリ１０８が信号発生器１０６から電気信号を受信する場合に超音波を生成する１つまたは複数の超音波トランスデューサを含む。いくつかの実施形態では、信号発生器１０６からの電気信号は、１つまたは複数の超音波トランスデューサによって５０ｋＨｚ～３ＭＨｚの範囲内の単一または複数の周波数の音響エネルギーに変換される。１つまたは複数の超音波トランスデューサは、（ｉ）類似の圧電結晶または（ｉｉ）異種の圧電結晶のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、トランスデューサのアレイ３０２は、電気信号の異なる動作条件で超音波を同時に発生させると、超音波は流体の流れ内に増強された乱流を発生させ、それによって濃度分極および／または膜汚損をより大幅に低減する。

超音波トランスデューサアセンブリは、フィルタユニット１０２内の膜表面への超音波の最大露出を確実にするために、（ｉ）フィルタユニット１０２に対して垂直な距離、または（ｉｉ）フィルタユニット１０２に対してある角度の少なくとも１つで超音波を発生させる１つまたは複数の超音波トランスデューサを埋め込むハウジングを含む。いくつかの実施形態では、ハウジングは、フィルタユニット１０２の周りに巻き付けるために可撓性である。いくつかの実施形態では、ハウジングは、異なる寸法および形状のフィルタユニット１０２に適した長さおよび寸法を含む。

空気は超音波の導電性が乏しい。これは、１つまたは複数の超音波トランスデューサの表面からフィルタユニット１０２への超音波の正確な送信を可能にするために別の媒体の使用を必要とする。結合媒体層３０４は、トランスデューサのアレイ３０２とフィルタユニット１０２との間に配置されて、フィルタユニット１０２内への超音波の伝達を可能にする。いくつかの実施形態では、結合媒体層３０４は、１つまたは複数の超音波トランスデューサとフィルタユニット１０２との間の空気ギャップを置き換え、空間を占有するように、流動し、またはその形状を変化させる液体、半固体、または可撓性固体材料のうちの少なくとも１つで構成される可撓性材料である。いくつかの実施形態では、結合媒体層３０４は、ハウジングおよび／または１つもしくは複数の超音波トランスデューサに接着されるか、または非接着である。いくつかの実施形態では、結合媒体層３０４は、パッチ結合媒体層またはシート結合媒体層のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、結合媒体層３０４は、使用前に１つまたは複数の超音波トランスデューサの表面に付着されるか、または超音波トランスデューサアセンブリ１０８およびフィルタユニット１０２は、結合媒体として作用する流体内に浸漬される。いくつかの実施形態では、結合媒体のより大きなシートが１つまたは複数の超音波トランスデューサに使用される。超音波は、フィルタユニット１０２を通過し、フィルタユニット１０２内の流体／液体は、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中に、超音波のキャリアとして作用する。超音波は膜表面に到達し、流体の流れに乱流および膜表面の振動を発生させて、膜表面を詰まらせている粒子を除去する。いくつかの実施形態では、装置１０４の設計は、より長い期間（すなわち、３０分超）の間フィルタユニット１０２上で超音波を使用することを可能にする。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の超音波トランスデューサの表面プロファイルは、フィルタユニット１０２の表面プロファイルと一致し、結合媒体層３０４を充填することによって１つまたは複数の超音波トランスデューサとフィルタユニット１０２との間のギャップを最小化する。

図４Ａ～図４Ｃは、本明細書のいくつかの実施形態による、図１のフィルタユニット１０２の透析膜繊維４００の例示的な図である。透析膜繊維４００の例示的な図は、血液４０４、透析液４０２、細孔４０６、膜４０８および毒素４１０を示す。図４Ａは、血液４０４が膜４０８を通って流れ、透析液４０２が膜４０８の周りを流れることを示している。透析液は毒素濃度が低いため、血液４０４から膜４０８の細孔４０６を通って透析液４０２内への毒素の拡散が起こる。このプロセスの間に、膜４０８の表面における溶質／粒子の量の増加は、濃度境界層の形成をもたらし、それにより血液４０２からの毒素４１０の除去効率の低下をもたらす。

図４Ｂおよび図４Ｃは、透析膜繊維４００に対する超音波の撹拌効果を示す。超音波トランスデューサアセンブリ１０８によって生成された超音波は、流体の流れの乱流および／または透析膜繊維４００上の振動を発生させて、膜表面上の溶質／粒子の堆積を防止する。いくつかの実施形態では、膜表面上の溶質／粒子の堆積は、濃度分極および／または膜汚損をもたらす。いくつかの実施形態では、濃度分極および／または膜汚損は、血液を取り扱う膜分離プロセス（例えば、血液透析、血液透析濾過、ＳＬＥＤなど）で見られ、透析の不十分さにつながる。いくつかの実施形態では、超音波の撹拌効果は、信号発生器１０６によって生成される電気信号によって制御される。いくつかの実施形態では、超音波の周波数範囲は５０ｋＨｚ～３ＭＨｚである。いくつかの実施形態では、信号発生器１０６に供給される電力は、５Ｗ～１キロワット（ｋＷ）の範囲内である。いくつかの実施形態では、透析膜フィルタ４００が膜分離プロセス中および／または膜分離プロセス（例えば、透析）後に洗浄される場合、膜透過性および膜分離プロセスの効率が向上する。いくつかの実施形態では、超音波の使用は、膜分離プロセス中にフィルタユニット１０２を洗浄するための効率的で非干渉的な方法である。

図５は、本明細書のいくつかの実施形態による、図１の装置１０４の例示的な図５００である。装置１０４の例示的な図５００は、信号発生器１０６と、超音波トランスデューサアセンブリ１０８と、フィルタユニット１０２とを含む。いくつかの実施形態では、信号発生器１０６および超音波トランスデューサアセンブリ１０８は、ケーブルによって接続された別個のユニットである。信号発生器１０６は、ケーブルを使用して電気信号を超音波トランスデューサアセンブリ１０８に送信する。超音波トランスデューサアセンブリ１０８は、超音波をフィルタユニット１０２に伝達するために、フィルタユニット１０２の周りに巻き付けられる。

いくつかの実施形態では、装置１０４は、制御ユニットおよび表示ユニットを含む。制御ユニットは、信号発生器１０６および／または超音波トランスデューサアセンブリ１０８の動作モードを構成し、表示ユニットは、信号発生器１０６および／または超音波トランスデューサアセンブリ１０８の動作モードを表示する。

図６Ａ～図６Ｌは、本明細書のいくつかの実施形態による図１の装置１０４の例示的な図を示す。図６Ａは、ハウジング６０２と、ハウジング６０２に埋め込まれた１つまたは複数の超音波トランスデューサ６０４と、結合媒体層３０４とを含む装置１０４の例示的な実施形態を示す。結合媒体層３０４は、１つまたは複数の超音波トランスデューサ６０４とフィルタユニット１０２との間に設けられる。ハウジング６０２、１つまたは複数の超音波トランスデューサ６０４、および結合媒体層３０４の組み合わせは、フィルタユニット１０２の周りに巻き付けるように可撓性である。いくつかの実施形態では、装置１０４は、ベルクロ６０６を使用してフィルタユニット１０２に取り付けられる。図６Ｂおよび図６Ｃは、図６Ａの装置１０４の例示的な実施形態の正面図および上面図を示す。結合媒体層３０４は、フィルタユニット１０２と１つまたは複数の超音波トランスデューサ６０４との間の空気ギャップを効果的に置き換えるために、剛性が低い固体または半固体の少なくとも１つを含む。

図６Ｄは、結合媒体層３０４の単一の連続シートを有する代わりに、結合媒体パッチを含む装置１０４の例示的な実施形態を示す。結合媒体パッチは、１つまたは複数の超音波トランスデューサ６０４とフィルタユニット１０２との間に設けられる。結合媒体パッチ６０８は、ハウジング６０２に埋め込まれた１つまたは複数の超音波トランスデューサ６０４に接着される。ハウジング６０２は、フィルタユニット１０２の周りに巻き付けるように、１つまたは複数の超音波トランスデューサ６０４および結合媒体パッチ６０８を囲む。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサアセンブリ１０８をフィルタユニット１０２に取り付ける前に、結合媒体層３０４は１つまたは複数の超音波トランスデューサ６０４の表面に付着され得る。

図６Ｅは、支持構造体６１２内のフィルム６１０に囲まれた結合媒体層３０４を含む装置１０４の例示的な実施形態を示す。いくつかの実施形態では、結合媒体層３０４は、液体または半固体材料を含む。フィルタユニット１０２がフィルム６１０上に配置されると、結合媒体層３０４は、フィルタユニット１０２を収容し、フィルタユニット１０２とフィルム６１０との間の空気ギャップをなくすために再分配される。

図６Ｆは、図６Ｅの装置１０４の例示的な実施形態の上面図を示す。いくつかの実施形態では、支持構造体６１２は、フィルタユニット１０２の周りに巻き付けるように可撓性ではない。１つまたは複数の超音波トランスデューサ６０４は支持構造体６１２上に埋め込まれ、フィルム６１０は支持構造体６１２に接着される。支持構造体６１２とフィルム６１０との間の空間は、結合媒体層３０４で充填されている。

図６Ｇは、ベルクロ６０６を使用することによってフィルタユニット１０２に取り付けられた装置１０４の例示的な実施形態を示す。この種の装置１０４は、小型フィルタおよび大型フィルタを含む異なる直径のフィルタユニット１０２を収容する。

図６Ｈは、ベルト６１４を使用してフィルタユニット１０２に取り付けられた装置１０４の例示的な実施形態を示す。この種の装置１０４は、小型フィルタおよび大型フィルタを含む異なる直径のフィルタユニット１０２を収容する。

図６Ｉは、信号発生器１０６と、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中にフィルタユニット１０２を取り付けるための単一ユニットとして組み合わされた超音波トランスデューサアセンブリ１０８とを含む装置１０４の例示的な実施形態を示す。

図６Ｊは、信号発生器１０６と、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中にフィルタユニット１０２を取り付けるための単一ユニットとして組み合わされた超音波トランスデューサアセンブリ１０８とを含む装置１０４の例示的な実施形態を示す。装置１０４は、超音波トランスデューサアセンブリ１０８を支持し、信号発生器１０６からの電気信号を超音波トランスデューサアセンブリ１０８に供給するための構造部材として機能するステム６１６を備える。

図６Ｋは、信号発生器１０６を含む装置１０４の例示的な実施形態を示し、超音波トランスデューサアセンブリ１０８は単一のユニットとして組み合わされる。フィルタユニット１０２は、超音波トランスデューサアセンブリ１０８に取り付けるように適合されている。超音波トランスデューサアセンブリ１０８は、フィルタユニット１０２内に軸方向に超音波を送る。

図６Ｌは、信号発生器１０６と、超音波トランスデューサアセンブリ１０８と、フィルタユニット１０２と、結合媒体６２０として作用するように液体または半固体で充填されたタンク６１８とを含む装置１０４の例示的な実施形態を示す。フィルタユニット１０２は、タンク６１８内に配置されるように適合され、超音波トランスデューサアセンブリ１０８は、結合媒体６２０を通ってフィルタユニット１０２に超音波を伝達する。

図７Ａは、本明細書のいくつかの実施形態による、透析中の血液中の尿素濃度の減少の実験データを示すグラフを示す。グラフは、１２％～１６％の範囲の尿素濃度の減少を直ちに示し、超音波を１０分間通過させた期間にわたって２３％～２７％の範囲の尿素濃度の減少を示す。これらの実験中、血球数または膜損傷の劇的な減少は観察されず、超音波が非侵襲的かつ非破壊的であることが証明された。

図７Ｂは、本明細書のいくつかの実施形態による、ＲＯ水浄化に使用されるフィルタユニット１０２から測定された水生産の実験データを示すグラフを示す。このグラフは、廃棄水の８％～１２％の範囲で、１リットル当たりに収集される水の量の増加を示している。いくつかの実施形態では、水は逆浸透（ＲＯ）水である。これらの実験中、ＲＯ水および廃棄水の総溶解固形分（ＴＤＳ）値の変化は観察されず、超音波が非侵襲的かつ非破壊的であることが証明された。

図８は、本明細書のいくつかの実施形態による、図１の装置１０４を使用して膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中にフィルタユニット１０２内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減する方法８００を示す流れ図である。ステップ８０２において、方法８００は、信号発生器１０６を使用してフィルタユニット１０２内に流体の流れがある場合に、（ｉ）周波数、（ｉｉ）強度、または（ｉｉｉ）パルス特性のうちの少なくとも１つで電気信号を生成するステップを含む。ステップ８０４において、方法８００は、超音波トランスデューサアセンブリ１０８が信号発生器１０６から電気信号を受信した場合、トランスデューサのアレイ３０２を使用して、超音波を生成するステップを含む。ステップ８０６において、方法８００は、超音波を使用して、（ｉ）流体の流れの乱流、または（ｉｉ）膜表面上の振動の少なくとも１つを発生させて、膜表面を詰まらせている粒子を除去し、それによってフィルタユニット１０２の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減し、次に、膜透過性、ならびに膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセスの効率を向上させるステップを含む。

特定の実施形態の前述の説明は、本明細書の実施形態の一般的な性質を十分に明らかにするので、他者は、現在の知識を応用することによって、一般的な概念から逸脱することなく、そのような特定の実施形態を様々な用途に容易に修正および／または適合させることができ、したがって、そのような適合および修正は、開示された実施形態の均等物の意味および範囲内で理解されるべきであり、理解されるように意図される。本明細書で使用される表現または用語は、説明のためのものであり、限定のためのものではないことを理解されたい。したがって、本明細書の実施形態を好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本明細書の実施形態は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内で修正して実施することができることを認識するであろう。

Claims

非侵襲的かつ非破壊的な振動エネルギー源を使用して、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中に、フィルタユニット（１０２）内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減するための前記フィルタユニット（１０２）が取り付けられた装置（１０４）であって、前記装置（１０４）が、
前記フィルタユニット（１０２）内に流体の流れがある場合、電気信号を生成する信号発生器（１０６）であって、
電源（２０６）から電力を受け取り、（ｉ）周波数、（ｉｉ）強度、または（ｉｉｉ）パルス特性のうちの少なくとも１つで前記電気信号を生成するように適合された変換器（２０４）を備える、信号発生器（１０６）と、
前記信号発生器（１０６）から前記電気信号を受信する超音波トランスデューサアセンブリ（１０８）であって、
前記超音波トランスデューサアセンブリ（１０８）が前記信号発生器（１０６）から前記電気信号を受信する場合、超音波を生成する１つまたは複数の超音波トランスデューサ（６０４）を含むトランスデューサのアレイ（３０２）と、
前記フィルタユニット（１０２）内の前記膜表面への前記超音波の最大露出を確実にするするために、（ｉ）前記フィルタユニット（１０２）に対して垂直方向または（ｉｉ）前記フィルタユニット（１０２）に対してある角度の少なくとも１つで超音波を生成するために、前記１つまたは複数の超音波トランスデューサ（６０４）を埋め込むハウジング（６０２）と、
前記トランスデューサのアレイ（３０２）と前記フィルタユニット（１０２）との間に配置されて、前記フィルタユニット（１０２）内への前記超音波の伝達を可能にする結合媒体層（３０４）と、
を備える超音波トランスデューサアセンブリ（１０８）と、
を備える装置（１０４）において、
膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中に、前記トランスデューサのアレイ（３０２）によって生成される前記超音波が前記フィルタユニット（１０２）を通過する場合、前記超音波が、（ｉ）流体の流れの乱流、または（ｉｉ）前記膜表面の振動の少なくとも１つを発生させて、前記膜表面を詰まらせている粒子を除去し、それによって、前記フィルタユニット（１０２）の前記膜表面上の前記濃度分極および／または前記膜汚損を低減し、次に、前記膜透過性、ならびに前記膜分離プロセスおよび／または前記フィルタ洗浄プロセスの効率を向上させる、装置（１０４）。
前記信号発生器（１０６）が、前記変換器（２０４）によって生成される前記電気信号の前記タイプに関する情報を提供するコントローラ（２０２）を備え、前記コントローラ（２０２）は、（ｉ）前記信号発生器（１０６）におけるユーザ入力、（ｉｉ）前記コントローラ（２０２）に記憶されたプログラムからの入力、または（ｉｉｉ）外部装置からの入力のうちの少なくとも１つから前記情報を取得し、前記外部装置は、前記超音波を生成するために前記信号発生器（１０６）に信号を送信する、請求項１に記載の装置（１０４）。
前記電気信号が、（ｉ）５０キロヘルツ（ｋＨｚ）～３メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲内の１つまたは複数の周波数、（ｉｉ）５ワット（Ｗ）～１キロワット（ｋＷ）の範囲内の１つまたは複数の電力出力、あるいは（ｉｉｉ）周波数、電力出力、またはパルス特性に関して時間的に変化する１つまたは複数の一定の信号のうちの少なくとも１つを含み、前記超音波トランスデューサアセンブリ（１０８）は、ケーブルを使用して前記信号発生器（１０６）から電気信号を受信し、前記生成された信号は、前記フィルタユニット（１０２）の前記膜表面を損傷することなく、前記流体の流れの前記乱流を増加させる、請求項１に記載の装置（１０４）。
前記１つまたは複数の超音波トランスデューサ（６０４）の表面プロファイルが、前記フィルタユニット（１０２）の表面プロファイルと一致し、それにより、前記結合媒体層（３０４）を充填することによって前記１つまたは複数の超音波トランスデューサ（６０４）と前記フィルタユニット（１０２）との間のギャップを最小化する、請求項１に記載の装置（１０４）。
前記１つまたは複数の超音波トランスデューサ（６０４）が、（ｉ）類似の圧電結晶または（ｉｉ）異種の圧電結晶のうちの少なくとも１つを備え、前記トランスデューサのアレイ（３０２）が、前記電気信号の異なる動作条件で前記超音波を同時に発生させると、前記超音波が前記流体の流れに増強された乱流を発生させ、濃度分極および／または膜汚損をより大幅に低減する、請求項１に記載の装置（１０４）。
前記ハウジング（６０２）が、前記フィルタユニット（１０２）の周りに巻き付けるために可撓性であり、前記ハウジング（６０２）は、異なる寸法および形状の前記フィルタユニット（１０２）に適した長さおよび寸法を含む、請求項１に記載の装置（１０４）。
前記結合媒体層（３０４）が、前記１つまたは複数の超音波トランスデューサ（６０４）と前記フィルタユニット（１０２）との間の空気ギャップを置き換え、空間を占有するように流動し、その形状を変化させる液体、半固体、または可撓性固体材料のうちの少なくとも１つで構成される可撓性材料であり、前記結合媒体層（３０４）は、前記ハウジング（６０２）および／または前記１つまたは複数の超音波トランスデューサ（６０４）に接着されるか、または非接着である、請求項１に記載の装置（１０４）。
前記装置（１０４）が、（ｉ）前記信号発生器（１０６）の動作モードを構成するための制御ユニットと、（ｉｉ）前記信号発生器（１０６）の前記動作モードを表示するための表示ユニットとを備える、請求項１に記載の装置（１０４）。
前記結合媒体層（３０４）が、パッチ結合媒体層またはシート結合媒体層のうちの少なくとも１つを含み、前記結合媒体層（３０４）は、使用前に前記１つまたは複数の超音波トランスデューサ（６０４）の表面に付着されるか、または前記超音波トランスデューサアセンブリ（１０８）および前記フィルタユニット（１０２）は、結合媒体（６２０）として作用する流体内に浸漬される、請求項１に記載の装置（１０４）。
非侵襲的かつ非破壊的な振動エネルギー源を使用して、膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセス中に、フィルタユニット（１０２）内の膜表面上の濃度分極および／または膜汚損を低減するための方法であって、
信号発生器（１０６）を使用して、前記フィルタユニット（１０２）に流体の流れがある場合、（ｉ）周波数、（ｉｉ）強度、または（ｉｉｉ）パルス特性のうちの少なくとも１つで電気信号を生成するステップと、
超音波トランスデューサアセンブリ（１０８）が前記信号発生器（１０８）から前記電気信号を受信する場合、トランスデューサのアレイ（３０２）を使用して超音波を生成するステップと
を含み、
前記超音波は、（ｉ）流体の前記流れの乱流、または（ｉｉ）前記膜表面の振動のうちの少なくとも１つを発生させて、前記膜表面を詰まらせている粒子を除去し、それによって、前記フィルタユニット（１０２）上の前記膜表面の前記濃度分極および／または膜汚損を低減し、次に、前記膜透過性、ならびに前記膜分離プロセスおよび／またはフィルタ洗浄プロセスの効率を向上させる方法。