JP2024507931A

JP2024507931A - フォトｅｃｍｏ装置、システム及び方法

Info

Publication number: JP2024507931A
Application number: JP2023551712A
Authority: JP
Inventors: リチャードロックスアンダーソン; ウォーレンザポル; アンナフィッシュバック; ウィリアムエイ．ファリネッリ; サンディープコルポル
Original assignee: ザジェネラルホスピタルコーポレイション
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2024-02-21
Also published as: US20240226407A9; US20240131244A1; WO2022183036A1; EP4297815A1

Abstract

血液からＣＯを除去するための装置であって、被検体の身体から得られた血液を内部に収容するように構成されたハウジングと、ハウジングの内部に配置された複数のガス透過性の細管と、ハウジングに結合され、ハウジング内に突出するように構成された光学的侵入部であって、ハウジングの内部に光を送るように構成された光学的侵入部と、光学的侵入部に光学的に結合された光源と、を備えており、光源が光を放出し、当該光が光学的侵入部を介してハウジングの内部に入射して、放出された当該光が被検体の身体からの血液と相互作用するように構成されている装置。【選択図】図５

Description

＜関連出願の相互参照＞
本願は、米国特許出願第６３／１５３，４１０号（出願日：２０２１年２月２５日）に基づくと共にその優先権を主張するものであり、同出願の開示内容は全て参照により本願の記載内容に含まれるものとする。

＜連邦政府の支援による研究に関する言明＞
なし。

一酸化炭素（ＣＯ）中毒はダメージが大きく、死に至ることもある。その理由は、ＣＯがヘモグロビン（Ｈｂ）のガスリガンド結合部位に対する酸素（Ｏ_２）との競合が非常に強いことに拠るところが大きい。具体的には、その２つの気体分子が吸入されると、最初に肺の中の血液中に溶け込み、その後、Ｈｂのヘム基の４つの結合部位のいずれかと（順方向結合反応で）結合する。Ｏ_２とＨｂとの結合速度定数と、ＣＯとＨｂとの結合速度定数とは略等しく、主に、拡散により分子が集まる速度によって支配される。また、この結合した気体分子は自然にヘモグロビンから解離（分離）するが、ＨｂＣＯの解離速度はＨｂＯ_２の解離速度の数百分の一である。その本質は、酸素輸送の「ための」Ｈｂ結合部位がＣＯによって占有されてしまうことである。

一実施形態は、血液からＣＯを除去するための装置するものであり、当該装置は、被検体の身体から得られた血液を内部に収容するように構成されたハウジングと、前記ハウジングの内部に配置された複数のガス透過性の細管と、前記ハウジングに結合され、前記ハウジング内に突出するように構成された光学的侵入部（optical intrusion）であって、前記ハウジングの内部に光を送るように構成された光学的侵入部と、前記光学的侵入部に光学的に結合された光源と、を備えており、前記光源が光を放出し、当該光が前記光学的侵入部を介して前記ハウジングの内部に入射して、放出された当該光が前記被検体の身体からの血液と相互作用するように構成されている。

他の一実施形態は、血液からＣＯを除去するための方法を提供するものであり、当該方法は、被検体の身体から得られた血液を内部に収容するように構成されたハウジングを設けることと、ただし、前記ハウジングの内部に複数のガス透過性の細管が配置されており、前記ハウジングに結合され、前記ハウジング内に突出するように構成された光学的侵入部を用いて、前記ハウジングの内部に光を送ることと、前記光学的侵入部に光学的に結合された光源を用いて、放出した光が前記検体の身体からの血液と相互作用するように、前記ハウジングの内部に光を放出することと、を含む。

本発明の以下の詳細な説明を、添付図面を参照しつつ読むと、本発明の種々の目的、構成及び利点をより理解することができる。添付図面において同様の符号は同様の要素を示している。

静脈－動脈（ＶＡ）接続方式のＥＣＭＯシステムの略図であり、当該ＥＣＭＯシステムはオキシジェネータをポンプに接続したものを備えており、オキシジェネータ及びポンプは、大腿動脈及び大腿静脈に挿入されたカニューレを用いて患者の循環器系に接続されている。図１Ａに示されているオキシジェネータ等のオキシジェネータのガス透過性細管アレイ（断面図で円形の列として示されている）内を通る赤血球の経路（波状の線）の断面図であり、図１Ｂは、図１Ａの観察面に対して垂直方向（すなわち紙面に向かう方向）から見た側面図あるいは上面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示されているオキシジェネータと類似する装置のハウジングに光学的侵入部（ＯＩ）機器をどのように組み込んでＰＥＣＭＯ装置を製造することができるかを示す略図であり、図２では、ＯＩに入射する光の方向を示す矢印により、上記機器におけるＯＩの可能な向きの２つの例を示している。図２に示されているＯＩ機器等の１つのＯＩ機器の細部図であり、このＯＩ機器は、ＰＥＣＭＯ装置のハウジングの透明な壁に組み込まれている。図３は、ＰＥＣＭＯハウジングの透明な窓とＯＩとに光を送る光源（例えば高出力ＬＥＤ又はレーザ等）を示しており、ＯＩは円錐形又は楔形その他収束形状とすることができる。同図にはまた、血液を含む物質とガス細管とにより占有されている周辺空間にＯＩから送られる光場（ＯＩの楔形の辺の隣の陰影領域）と、一例の光線経路（破線）と、が示されている。複数のＯＩと光源のアレイ（例えばＬＥＤ又はレーザ等、これはハウジングに直接結合されており、又は導波体を介してハウジングに結合されている）とを備えたＰＥＣＭＯハウジングの断面図であり、当該複数のＯＩはハウジングに結合されており、光源のアレイはＯＩとアライメントされ、各ＯＩに光を送るように構成されている。このようにしてＰＥＣＭＯ装置のハウジングの内部に光が送られ、その後、この光はＯＩから、血液を含む物質とガス細管とにより占有されている空間内に放出される。ＰＥＣＭＯ装置のハウジングの断面図を示す図であり、当該ハウジングは、ハウジングの内部へ延在する中空の空洞である楔形のＯＩを備えている。ＰＥＣＭＯ装置のハウジングの断面図を示す図であり、当該ハウジングは、光ファイバＯＩがハウジングの内部へ延在したものである。本発明の一部の実施形態の血液からＣＯを除去するための処理の一例を示す図である。

本発明の一部の実施形態では、フォトＥＣＭＯ（ＰＥＣＭＯ）装置を用いて血液からＣＯを除去するためのメカニズム（これは、システム、方法及び媒体を含み得る）を提供する。このメカニズムは、ＨｂＣＯが光を吸収することによりＨｂからＣＯが効率的に光解離することを利用したものである。可視光の光子の量子エネルギーはＨｂＣＯの結合強さより若干大きく、このことにより他のファクタも相俟って、ＨｂＣＯ光解離に係る量子収率（すなわち、吸収された光子あたりの解離確率）が略１になる。また、ＨｂＯ_２が光を吸収することによっても光解離が生じるが、その効率は格段に低く、ＨｂＯ_２光解離の量子収率は約０．０８となる。よって、ＨｂＣＯにより吸収される波長で十分な露光を行うことにより、Ｈｂ結合部位からＣＯを優先的に除去することができ、これによりその空の結合部位にＯ_２を優勢的に結合させることができる。

しかし、ＨｂＣＯに吸収される光の波長が人体中に浸透する深度は深くないので、大型動物ではＨｂＣＯの吸収波長の光が肺に到達する可能性が低くなる。小型動物では、動物の外表面に露光すると光が当該動物の肺に達することができ、呼気を行うだけで体内からＣＯを迅速に除去できることを我々は突き止めた。人間を含めた大型動物において上記の処置が上手く働くためには、ＨｂからのＣＯの光解離を促進するために光が血液に到達できるようにするメカニズムが必要である。

かかるメカニズムを獲得するため、我々はＣＯ除去のための光の使用を組み込むように体外式膜型人工肺（ＥＣＭＯ）装置（図１Ａ参照）を改良する可能性を研究した。ＥＣＭＯ装置は、患者の体内からオキシジェネータ内を通過するように血液をバイパスするための外部ポンプを使用し、オキシジェネータはＨｂから赤血球へのガスの交換を促進してＣＯ_２を放出し、Ｏ_２を結合する（図１Ａ）。このガス交換は、オキシジェネータ内のチャンバに血液をポンピングすることにより促進され、このオキシジェネータのチャンバ内には半透過性の細管のアレイが設けられており、これらの細管はＣＯ_２、ＣＯ又はＯ_２等のガスの交換を行うことができるが、細胞又はタンパク質は通過させない。現在使用されている人間用のＥＣＭＯ装置は、オキシジェネータ内に大容積を収容し、これによりアレイの細管内における血液の流れを促進する。ここでは、このアレイを「血液ガス細管アレイ」（図１Ｂ）という。大型動物や人間と同様、オキシジェネータの高密度かつ大容量の環境は、装置の容積内への光の浸透を大きく制限する。

この光の浸透不足の対応に向けた最初のステップとして予備実験を行った。この予備実験では、ＥＣＭＯ装置の内部構成要素として使用されるタイプと同様の流動血液ガス細管のシートを外部ＬＥＤアレイ光源が露光できるＥＣＭＯ人工肺型装置の薄層バージョンを製造するように、ＥＣＭＯ装置を再構築した。上記の実験により、上記構成で露光を行うと光解離によりＣＯを効果的に除去できることが判明し、ＣＯ除去のためにＰＥＣＭＯを実用的に使用できるとの示唆が得られた。このプロトタイプの装置は、大面積にわたって光浸透を可能にするために大型、平坦かつ薄型に作製されたが、ＰＥＣＭＯを実用的に用いるために必要なのは、例えば標準的なＥＣＭＯシステムで用いられる装置と同等の、より実用的でコンパクトな３Ｄ装置であって、当該装置の容積内に光が奥深くまで侵入し又は当該容積内で光が生成される３Ｄ装置であることを、我々は突き止めた。

よって、本願ではＰＥＣＭＯ装置の実施形態を開示する。実施形態全般のアプローチは、ＨｂからＣＯを放出し、この放出したＣＯのガス細管内への拡散を促進してシステム外部への拡散を促進するため、ガス交換に最適化されている既存のオキシジェネータ設計を、当該オキシジェネータの容積全体に光を届けるように改良することである。ＰＥＣＭＯ設計に際しＥＣＭＯ人工肺を出発点としたため、以下の説明ではオキシジェネータ又は改良オキシジェネータとしてＰＥＣＭＯ装置を参照するが、本願開示のＰＥＣＭＯシステムの第一の目的はＨｂからＣＯを除去することである。しかし、このＰＥＣＭＯ装置は酸素付加を行うこともできる。

複数の実施形態では、（例えば、ＰＥＣＭＯ装置の内部に光源を配置することによって）ＰＥＣＭＯ装置において光を生成することができ、又は、ＰＥＣＭＯ装置の外部から（例えば導波体その他の送光メカニズムを用いて）光を届けることができ、又は上記２つの構成の何らかの組み合わせを設けることができる。装置において光を生成して血液に光を届ける上記の態様には、例えばＬＥＤ及びレーザ光源等が含まれるが、ＬＥＤ及びレーザ光源に限定されることはなく、当該態様が好適である理由は、ＬＥＤ及びレーザ装置の効率と、狭帯域の出力波長帯域である。同様の理由により、かかる光源はＰＥＣＭＯ装置の外部に設けられると好適である。複数の実施形態では、他の可能な光源は、適切な波長を有するキセノンランプ、パルスキセノンフラッシュランプ及び／又は蛍光ランプを含む。

ＰＥＣＭＯ装置の内部は滅菌状態でなければならず、それゆえ装置に組み付けられる光源も滅菌状態である必要がある。標準的なＥＣＭＯ装置は単回使用を意図したものであり、滅菌して再利用されるものではない。よって、ＰＥＣＭＯ内に光源を入れると、この光源も使い捨てとなってしまう。確かにそのようにすることも可能ではあるが、複数の実施形態では（１つ又は複数の）光源を装置の外部に設けることが好適である。さらに、非常に高効率の光源であっても熱を発生する。光源をＰＥＣＭＯ装置内に入れると、熱による損傷の可能性があることから装置設計に制限が課され得る。

複数の実施形態では、外部生成した光をＰＥＣＭＯ装置内へ届けることは、ＰＥＣＭＯの内部へ十分に延在する透明な媒質を用いて行うことができる。かかる透明な媒質は、ここでは「光学的侵入部」（Optical Intrusion、ＯＩ）という。以下の事例は、固体材料から形成されたＯＩを用いる構成についてのものであるが、複数の実施形態では、ＯＩ透明媒質は固体の他にさらに気体又は液体とすることができる。上記の透明媒質は、光ファイバ等の導波体その他固体材料の透明な導波体とすることができ、又は、ＰＥＣＭＯ装置の内部へ延在する透明材料とすることができる。

特定の一実施形態では、透明な滅菌材料を上記のＯＩとして使用することができ、ハウジングの内部空間に外部光を届けるため、かかるＯＩの１つ又は複数がオキシジェネータ装置の（１つ又は複数の）外壁から内部へ延在することができる。複数の実施形態では、（１つ又は複数の）ＯＩは、上記の外壁の透明プラスチックと類似又は同一の透明プラスチックにより作製することができ、一部の実施形態では（１つ又は複数）のＯＩは外壁と一体とすることができ、例えば、外壁と（１つ又は複数の）ＯＩの両方を単一片として形成する成形工程（例えば射出成形等）により作製することができる。複数の実施形態では、ＯＩを作製するために使用可能な他の材料には、プレキシグラス（登録商標）／アクリル、ポリエチレンテレフタレート、ガラス、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）及び／又はポリカーボネートが含まれる。

他の実施形態では、（１つ又は複数の）ＯＩは光ファイバにより作製することができる。外部生成光及び内部生成光の両方を有効に提供するハイブリッドバージョンでは、ＯＩは、特定の波長帯域内の光を放出する外部光源からの光を、ＰＥＣＭＯ装置において別のより長波長の帯域に変換する蛍光物質を含むことができる（例えば、蛍光物質はＯＩの表面に設けられ、及び／又はＯＩを作製する材料に組み込まれる。下記参照）。

装置の有効容積全体において露光できるコンパクトなＰＥＣＭＯ装置を実現するためには、一部の実施形態では、血液ガス交換細管の複数の容積内に光を届けるために複数のＯＩを用いることができる。製造を簡素化して実用化するため、特定の実施形態では好適なバージョンは、装置の外壁の一部である透明プラスチックのＯＩを使用する（図３及び図４参照）。しかし、他の実施形態ではＯＩは、例えば平面状の楔形、又は円錐形状、その他ＰＥＣＭＯ装置内に延在する他の（概ね漸減する）立体形状等の、内部延在する空洞（例えば、ハウジングの内部空間への中空窪み又は延長部等、図５参照）として実現することができる。図３及び図４の断面図で示されている例は、円錐形、角錐形又は平面状の楔形のＯＩであって、楔形の両面又は円錐表面若しくは角錐表面の全面から外部光を届けるＯＩとすることができる。図４及び図５に示されているように、装置全体で送光層と血液／細管層とを交互に設けて構成される「サンドイッチ」構造を提供するように、複数の平面状の楔形ＯＩを配置することができる。平面状の楔形ＯＩはＰＥＣＭＯ装置の相反対側の両側から光を届けることができ（図４及び図５）、これにより装置において全体的に公称上均一な露光深度を達成することができる。

図３は平面状の楔形ＯＩの概略的な断面図であり、同図では幾つかの光線追跡（破線）の例と、外部光源から生じる光場（陰影領域）の例とを示している。本例ではＯＩは、ＰＥＣＭＯ装置外部ハウジング壁と単一ユニットとして透明プラスチックを成形することにより作製されたものである。ＯＩ内部からの光の出射は、ＰＥＣＭＯ人工肺装置内の血液／ガス細管容積との境界において行われる。光線追跡は、上記の境界に光が当たったときの部分透過と部分反射とを示すためのものである。変形態様も可能であり、例えばＯＩを平面状とは異なる収束形状（例えば円錐形又は角錐形等）とすることができ、また、ＯＩの境界又は面を平坦、凸状又は凹状とすることができる。ＯＩ屈折率、ＯＩ形状及び光源発散性の組み合わせが、ＯＩからの送光の分布の大半を決定する。設計では上記のファクタの１つ又は複数を調整することができる。血液／ガス細管区画は装置内においてＯＩ外部にあるが、ＯＩ表面と接触する。

図４は複数の平面状楔形ＯＩを備えたオキシジェネータハウジングの断面図であり、これらのＯＩは、当該ＯＩの周囲に血液／ガス細管を入れた装置の容積内へ光放射を届けるために、装置外壁から内向きに延在する。本例では、上記の小さい細管が正面から示されており、ここではＯＩ間のギャップ内に延在しているのが断面図で示されている。外部光源は永久装置とすることができ、滅菌状態であることを要しない。例えばこの光源は、再利用可能な容器の一部又は使い捨てＰＥＣＭＯ装置用のハウジングの一部とすることができる。ハウジングはポンプ、温度コントローラ、熱交換器、及び／又は他の装備構成要素を入れることもできる。

図５はＰＥＣＭＯ装置のハウジング１００（破線で示す）の断面を示す図であり、同図ではＯＩ１１０は、ハウジング１００の内部へ延在する中空の空洞であり、ＯＩは円錐形、角錐形（例えば面数が３、４、５、又は他の数のもの）、又は楔形を拡張したものとすることができる。図５に示されているように、一部の実施形態では複数のＯＩ１１０をハウジング１００の内部に挿入し、ＯＩ１１０がハウジング１００の１又は複数の面から延在することができる。特定の実施形態では、隣り合うＯＩの対向する面間に、光浸透及びその後のＨｂからのＣＯの放出を最大限にする特性間隔を設けるようにＯＩ１１０を配置することができ、特定の一実施形態では、光の波長が約６３０ｎｍである場合、上記の特性間隔は４ｍｍとなり得る（下記参照）。

ＯＩ１１０はガス透過性の細管１２０のアレイ（断面図で円形の列として示されている）に取り囲まれており、この細管１２０のアレイは患者からの血液中に浸漬している。ハウジングの内部において、細管１２０からＯ_２等のガスが拡散して、血液中（赤血球）のＨｂから放出されたＣＯやＣＯ_２等のガスと交換される。光源１３０（例えばレーザ又はＬＥＤ等）からの光が導波体１４０（例えば光ファイバ等）によって伝送され、ＯＩ１１０の空洞内に送られる１５０。ここで、光はＯＩの表面を（例えば屈折によって）越えて血液中に入り、ＨｂＣＯ等の成分と相互作用して、ＨｂからＣＯを解離させてＣＯが細管１２０のいずれかへ拡散してシステム外に出ることができるようにすることが可能である。また、光源のアレイ１６０（例えばレーザ又はＬＥＤ等）から光を放出し、この光をＯＩ１１０の空洞内へ送ることも可能である１７０。さらに、１つ又は複数のＯＩ内に光源１８０を配置して、これに隣接するハウジングの内部に光を放出することも可能である。一部の実施形態では、楔形のＯＩ（図５に示されたＯＩ等）に代えて、又はこれと共に、光ファイバＯＩ１９０の列（図６）がハウジング１００の内部へ延在することが可能である。光ファイバＯＩ１９０はガス透過性の細管１２０に対して垂直（図６に示されている）及び／又は当該細管１２０に対して平行に延在することができる。複数の実施形態では、光ファイバＯＩが血液と直接接触することを回避するため、光ファイバＯＩを透明材料によって覆うことができる。

ＰＥＣＭＯ装置の有効なパフォーマンスにはＯＩの形状及び配置が重要である。というのも、光が各細管の血液－ガス交換界面に又はその付近に届けられてＨｂＣＯに吸収されるときに、装置全体の効率が最大になるからである。光解離したＣＯ分子は、ガス交換界面へ拡散してガス流により装置外部へ除去されるよりも迅速に、Ｈｂの空の結合部位と再結合し得る。ＨｂＯ_２及びＨｂＣＯは両方とも動的平衡で自然に解離し、再結合する。しかし、上記の通りＨｂＯ_２はＨｂＣＯよりも遥かに自然解離しやすく、光が存在しない場合、このような自然解離しやすさの差によってＨｂＣＯの蓄積が強力に促進される。ＨｂＣＯをＨｂＯ_２より優先的に光解離させると、光が動的平衡を変化させてＨｂＯ_２の光解離が一層進む。血液の単位体積あたりのＨｂＣＯの局所的な光解離速度は単位体積あたりのＨｂＣＯによる光吸収速度に比例し、この単位体積あたりのＨｂＣＯによる光吸収速度は局所的放射照度に直接比例する。上記のプロトタイプを用いた予備実験では、ＣＯ除去速度が入射光放射照度に比例することが観測された。これは、酸素又は血液流量等の他のファクタではなく、放射照度がプロトタイプ構成において制限ファクタとなっていたことを示唆する。このことは、より高い光パワーをより良好に届けることにより、プロトタイプより性能を改善できることを示唆する。

上記の通り、ＰＥＣＭＯにおいて局所的にＨｂＣＯの光解離により放出されたＣＯは、Ｈｂの空いている結合部位と再結合し得る。よって、放出されたＣＯ分子が空のＨｂ結合部位と再結合する前にガス交換細管に到達しないと、ＨｂＣＯに吸収された光子は実際には「無駄」になってしまう。ＨｂＣＯの光解離が、ガス交換部位から過度に遠距離にある血液中（すなわち、ＰＥＣＭＯ装置の細管から遠距離の血液体積中）で行われると、解離したＣＯがガス交換部位に到達する前に空のＨｂ結合部位と結合する確率が高くなる。理論的には、細管からどの程度の距離で光解離を行うべきかを、例えば解離したＣＯの拡散速度と、Ｈｂ結合部位が空になる速度等に基づいて推定することは、可能であり得る。Ｈｂ、ＨｂＣＯ、ＨｂＯ_２、Ｏ_２及びＣＯに関与する動的平衡及び拡散勾配に影響するファクタは数多く存在し、これには、光解離速度及び部位、ガス拡散、温度、協同的ヘモグロビン結合の錯体構造及び反応速度、ヘモグロビンにおけるコンフォメーション変化、ＰＥＣＭＯ細管構造、装置における血液及びガスの流量等が含まれるが、これらに限定されない。数十年の研究にもかかわらず、競合的なＯ_２及びＣＯの結合速度についての完全なモデルは存在せず、このコンセプトが新規であるならば、ＰＥＣＭＯ装置における結合速度についてのモデルも未だ存在しないことになる。

しかし、効率的なＰＥＣＭＯ装置においてガス交換部位からどの程度の距離で光解離を行うべきかを推定する簡単な手法は、この距離が理想的には、開放されているＨｂ結合部位にＣＯ分子が到達する可能性がある時間の間にＣＯの分子が血液中を拡散する距離に略等しい又はそれ以下であると仮定することである。ＰＥＣＭＯ装置では、ガス交換界面は常にキャピラリ細管に存在する。適切なモデルが存在しない場合、我々は肺におけるガス交換速度をガイドとして用いることができる。肺の肺胞は約０．２ｍｍ径のガス充填される袋であり、この径寸法はＰＥＣＭＯ装置の細管の径と同等である。肺胞におけるガス交換は、約０．５秒で完了する。この時間の間、解離したＣＯが拡散する距離は約０．４ｍｍとなる（拡散定数は約２．４×１０^－５ｃｍ^２／ｓである）。換言すると、最近傍の細管から約０．４ｍｍ以内で吸収された光子は、ＣＯ分子を解放して血液から実際に除去し、装置外部に排出する見込みが高いことが期待される。このことを踏まえて実用的に装置を作製すると、装置のアクティブ部分における細管間の間隔が約０．８ｍｍ以下である装置が得られる。このことは絶対的な要件ではないが、効率のために望ましい。現在のＥＣＭＯ装置の細管は高密度でパッケージングされており、上記の条件を満たす。

光の波長は設計上重要な検討事項である。ＨｂＣＯ光解離の量子収率は波長に依存しないので、１つの波長を選択して他を選択しないという光化学的な理由は存在しない。さらに、ＨｂＯ_２及びＨｂＣＯの可視光吸収スペクトルは略同じであり、ＨｂＣＯは近赤外光について格段に低い吸収を示すので、ＨｂＯ_２吸収に対するＨｂＣＯの吸収を最大限にする「最良」の波長は存在しない。よって、複数の実施形態では光の波長は、ＰＥＣＭＯ装置内の細管と血液の混合物に浸透する深度を最大限にするように、かつ、特定の波長を出力し平均パワーが高い高効率の実用的な光源の利用可否に基づいて選択されたものである。幸運なことに、可視スペクトル全体における光を放出する実用化された高効率の光源が存在しており、これには青色、緑色及び／又は橙色／赤色光を放出する光源が含まれる。

血液中における浸透深さは光吸収と光散乱とによって決定され、可視スペクトルの大半における第１近似では、浸透深さはｄ≒μ_ａ ^－１となる。ここで、μ_ａは血液及び細管媒質の光吸収係数である。μ_ａの値は、吸収スペクトルと、血液中に存在する種々の種のヘモグロビンの濃度と、によって与えられる。具体的には、ＰＥＣＭＯ装置ではμ_ａ≒２．３ｅｃＦである。ここで、ｅは血液中の複数種のヘモグロビンの組み合わせの波長依存のモル吸光係数であり、ｃは血液中のヘモグロビンの濃度であり、Ｆは装置の露光される内部における血液の体積分画である。係数Ｆは、装置内におけるガスの存在を考慮する。例えば、装置容積のうちガス充填された細管が占める割合が６０％である場合、Ｆの値は０．４となる。健康な成人の場合、ｃの値は約２×１０^－３ｍｏｌ／Ｌとなる。実際の装置では、ＯＩ間の血液／細管容積の全部が略均一な露光を受けるように、ＰＥＣＭＯの内部のＯＩ間の距離の約半分を浸透する１つ又は複数の波長が選択される。我々の予備研究において、約６３０ｎｍのＬＥＤ波長帯（≒１０ｎｍのＦＷＨＭ帯域幅）を選択した。これは、静脈血液全体においてｅ≒２０００ｃｍ^－１Ｍに相当する。Ｆ≒０．５である場合にはμ_ａの値は約５ｃｍ^－１となるので、光はＰＥＣＭＯ装置内部の血液／細管容積内を約２ｍｍ浸透することとなる。平面状の楔形により構成された最も簡単な設計のＯＩを用いると、光源が約６３０ｎｍの光を放出するものである場合、ＯＩの楔の両面間の間隔は約４ｍｍとなり、依然としてこれら両面は、その間の血液／細管容積に公称上均一な露光を提供する。複数の実施形態では、光源は可視光（例えば４００～７００ｎｍ）又は赤外光（例えば７００ｎｍ～１ｍｍ）を放出するものである。他の実施形態では、光源は少なくとも４００ｎｍ、少なくとも５００ｎｍ、又は少なくとも６００ｎｍの光を放出するものである。一部の実施形態では、光源は６００～７００ｎｍ、６２０～６４０ｎｍ、又は６２５～６３５ｎｍの光を放出するものである。

上記の通り、光学的侵入部（ＯＩ）は楔形、円錐形又は角錐形（面数が３、４、５、６、又は他の数のもの）を含めた種々の形状とすることができる。ＯＩが公称上均一な光場を届けることは、装置の形状と、装置の屈折率と、外部光源の発散性と、によって決まる。特定の光源とＰＥＣＭＯ装置サイズとに対してＯＩを最適化するために使用可能な光線追跡プログラムが提供されている。ＯＩ間の複数のガス－血液界面による光散乱は、デメリットよりもメリットの方が上回る。というのも、多重の散乱は局所的な光分布を均一にする傾向があるからである。複雑な濁った媒質中における光分布を記述するモンテカルロモデルが存在し、これは光源及び装置の幾何学的条件を変えることができ、これは詳細な装置設計を支援する。例えば“SL Jacques, Photochem. Photobiol. 7:23-32, 1998”等を参照されたい。同文献の記載内容は全て、参照により本願の記載内容に含まれるものとする。

一部の実施形態では、ＯＩに蛍光色素を組み込むと共に、外部光源を所望のより長い放射波長帯で蛍光放射を励起する波長の光源とすることができ、例えば、青色又は緑色の励起光源から黄色、橙色及び／又は赤色の可視光波長を放出することができる。ＯＩに成形可能である高効率の蛍光アクリルプラスチック材料が数多く入手可能となっている。例えばローム・アンド・ハース社のプレキシグラス（Plexiglas、登録商標）Ｒ１２３は、青色光又は緑色光により励起されると６３０ｎｍ付近の波長帯を放射する。代替的にＯＩは、クラッド材料を蛍光性とした光ファイバ導波体とすることができ、これにより、コアからクラッドに入射するエバネッセント波が、クラッド層からの蛍光放射を励起することができる。

他の一実施形態では、図６に示されているように光ファイバをＯＩとして使用することができる。例えば、ＰＥＣＭＯの容積内に側面発光ファイバを配置することができる。かかるファイバは、ガス交換細管に対して平行、垂直、又は他の何らかの角度でアライメントすることができる。好適な一変形形態では、ファイバを装置容積内で広げ、ガス交換細管と平行に混在させる。複数の光ファイバがまとめられ、及び／又はスプライス処理されることにより、光を届けるための外部ポートを構成している。ファイバは、光学的に透明なプラスチック又はガラスから成ることができる。好適な一変形形態では、ファイバのクラッドが、ファイバコア内の光パワーの（１つ又は複数の）短い波長をより長い所望の（１つ又は複数の）波長域の放射に変換する蛍光物質により作製される。例えば、青色レーザ光をより長波長の緑色、黄色、橙色又は赤色光に変換することができる。光ファイバの利点は、非常に小さいコアを介して高い光パワーを非常に高効率で輸送することができ、ＰＥＣＭＯ装置に大容量を追加することなくＰＥＣＭＯ装置において高い光パワーを実現できることである。

図７は、本発明の一部の実施形態の血液からＣＯを除去するための処理の一例７００を示す図である。図７に示されているように、処理７００は７１０において、被検体の身体から得られた血液を内部に収容するように構成されたハウジングを設けることができる。ハウジングは、内部に複数のガス透過性の細管を配置することができる。処理７００は７２０において、ハウジングに結合され、ハウジング内に突出するように構成された光学的侵入部を用いて、ハウジングの内部に光を送ることができる。最後に、処理７００は７３０において、光学的侵入部に光学的に結合された光源を用いて、放出した光が被検体の身体からの血液と相互作用するように、ハウジングの内部に光を放出することができる。

上記にて説明した図７の処理の各ステップを実行又は実施する順序又はシーケンスは、図に示された順序又はシーケンスや記載された順序又はシーケンスに限定されることはなく、任意の順序又はシーケンスとすることができると解すべきである。また、上記の図７の処理の中には、遅延を縮小して処理時間を短縮するため、適切な場合には実質的に同時に実行又は実施することができ、又は並行して実行又は実施できるステップもある。

従って、上記では特定の実施形態や事例を参照して本発明を説明したが、本発明は必ずしもこのように限定されるものではなく、数多くの他の実施形態、事例、用途、改良、並びに上記の実施形態、事例及び用途の派生形態が、添付の特許請求の範囲に包含されることを意図している。

Claims

血液からＣＯを除去するための装置であって、
被検体の身体から得られた血液を内部に収容するように構成されたハウジングと、
前記ハウジングの内部に配置された複数のガス透過性の細管と、
前記ハウジングに結合され、前記ハウジング内に突出するように構成された光学的侵入部であって、
前記ハウジングの内部に光を送るように構成された光学的侵入部と、
前記光学的侵入部に光学的に結合された光源と、
を備えており、
前記光源が光を放出し、当該光が前記光学的侵入部を介して前記ハウジングの内部に入射して、放出された当該光が前記被検体の身体からの血液と相互作用するように構成されている
ことを特徴とする装置。
前記光学的侵入部は前記ハウジングの内部に空洞を有し、
前記光源は前記空洞内に配置されている、
請求項１記載の装置。
前記光学的侵入部は、前記ハウジングの外部から前記ハウジングの内部に光を送るように構成されている、
請求項１記載の装置。
前記光源は前記ハウジングの外部かつ前記光学的侵入部の隣に位置する、
請求項３記載の装置。
前記光源は前記ハウジングの外部に位置すると共に、導波体によって前記光学的侵入部に結合されている、
請求項３記載の装置。
前記光学的侵入部は、前記ハウジングの内部へ延在する光ファイバを備えている、
請求項１記載の装置。
前記光学的侵入部は、前記ハウジングの内部へ延在するテーパ状構造を有する、
請求項１記載の装置。
前記テーパ状構造は中空である、
請求項７記載の装置。
前記テーパ状構造は中実である、
請求項７記載の装置。
前記テーパ状構造は前記ハウジングの一部である、
請求項７記載の装置。
前記テーパ状構造は、楔形、円錐形、角錐形のうち少なくとも１つの形状を有する、
請求項７記載の装置。
前記光学的侵入部は前記テーパ状構造を複数有する、
請求項１記載の装置。
複数の前記各テーパ状構造は、互いに４ｍｍ離隔している、
請求項１２記載の装置。
前記光学的侵入部は蛍光物質を含む、
請求項１記載の装置。
前記光源は、ＬＥＤ又はレーザのうち少なくとも１つを含む、
請求項１記載の装置。
前記光源は４００～７００ｎｍの光を放出する、
請求項１記載の装置。
血液からＣＯを除去するための方法であって、
被検体の身体から得られた血液を内部に収容するように構成されたハウジングを設けることと、ただし、前記ハウジングの内部に複数のガス透過性の細管が配置されており、
前記ハウジングに結合され、前記ハウジング内に突出するように構成された光学的侵入部を用いて、前記ハウジングの内部に光を送ることと、
前記光学的侵入部に光学的に結合された光源を用いて、放出した光が前記被検体の身体からの血液と相互作用するように、前記ハウジングの内部に光を放出することと、
を含むことを特徴とする方法。
前記光学的侵入部は前記ハウジングの内部に空洞を有し、
前記ハウジングの内部に光を送ることは、
前記空洞内に配置されている前記光源を用いて、前記ハウジングの内部に光を送ることをさらに含む、
請求項１７記載の方法。
前記ハウジングの内部に光を送ることは、
前記ハウジングの外部から前記ハウジング内に光を送ることをさらに含む、
請求項１７記載の方法。
前記光源は前記ハウジングの外部かつ前記光学的侵入部の隣に位置し、
前記ハウジングの内部に光を送ることは、
前記ハウジングの外部かつ前記光学的侵入部の隣に位置する前記光源を用いて前記ハウジング内に光を送ることをさらに含む、
請求項１９記載の方法。
前記光源は前記ハウジングの外部に位置すると共に、導波体によって前記光学的侵入部に結合されており、
前記ハウジングの内部に光を送ることは、
前記ハウジングの外部に位置すると共に導波体によって前記光学的侵入部に結合された前記光源を用いて前記ハウジング内に光を送ることをさらに含む、
請求項１９記載の方法。
前記光学的侵入部は、前記ハウジング内へ延在する光ファイバを備えており、
前記ハウジングの内部に光を送ることは、
前記ハウジング内へ延在する前記光ファイバを用いて前記ハウジング内に光を送ることをさらに含む、
請求項１７記載の方法。
前記光学的侵入部は、前記ハウジング内へ延在するテーパ状構造を有し、
前記ハウジングの内部に光を送ることは、
前記ハウジング内へ延在する前記テーパ状構造を用いて前記ハウジング内に光を送ることをさらに含む、
請求項１７記載の方法。
前記テーパ状構造は中空である、
請求項２３記載の方法。
前記テーパ状構造は中実である、
請求項２３記載の方法。
前記テーパ状構造は前記ハウジングの一部である、
請求項２３記載の方法。
前記テーパ状構造は、楔形、円錐形、角錐形のうち少なくとも１つの形状を有する、
請求項２３記載の方法。
前記光学的侵入部は前記テーパ状構造を複数有し、
前記ハウジングの内部に光を送ることは、
複数の前記テーパ状構造を用いて前記ハウジング内に光を送ることをさらに含む、
請求項１７記載の方法。
複数の前記各テーパ状構造は、互いに４ｍｍ離隔している、
請求項２８記載の方法。
前記光学的侵入部は蛍光物質を含み、
前記ハウジングの内部に光を放出することは、
前記蛍光物質を用いて前記ハウジングの内部に光を放出することをさらに含む、
請求項１７記載の方法。
前記光源は、ＬＥＤ又はレーザのうち少なくとも１つを含み、
前記ハウジングの内部に光を送ることは、
前記ＬＥＤ又は前記レーザのうち少なくとも１つを用いて前記ハウジング内に光を送ることをさらに含む、
請求項１７記載の方法。
前記光源は４００～７００ｎｍの光を放出し、
前記ハウジングの内部に光を送ることは、
前記４００～７００ｎｍの光を用いて前記ハウジング内に光を送ることをさらに含む、
請求項１７記載の方法。