JP2912646B2 - 膜型酸素供給器 - Google Patents

膜型酸素供給器

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は生体外での生命維持に関係し、またより詳
しく言えば患者の静脈の血液に、この血液を患者の動脈
系統に返すまえに、酸素を供給するための生体外膜型の
血液への酸素供給器に関する。
背景の技術 生体外血液への酸素供給器は、患者の肺が酸素を取り
二酸化炭素を取り出すガス交換機能を満足に行なわない
とき、患者の血液に酸素を加えまた二酸化炭素を取り除
くのに広く使用されている。そのような必要性が起こる
ときの１つの例は、心臓冠動脈バイパス移植手術中、外
科手術を容易にするため心臓の働きを随意に停止すると
きである。肺に代わってこの機能を行なうために、静脈
の血液は心臓から抜き取られて生体外の酸素供給器に移
され、酸素供給をされ、患者の身体全体に再循環させる
ため大動脈に戻される。
いくつかのタイプの酸素供給器が入手できる。それら
のなかに膜型酸素供給器がある。膜型酸素供給器は、基
本的な形態として、酸素と二酸化炭素に対してとう過性
を有するトランスファ膜によって分離された第１と第２
の導管を含む。膜型酸素供給器の使用中は、酸素供給ガ
スは導管の１つを通って流され、一方患者の血液は他の
導管を通って流される。酸素は酸素供給ガスからトラン
スファ膜を貫いて血液のなかに移行する。同時に、二酸
化炭素は血液からトランスファ膜を貫いて酸素供給ガス
のなかに移行する。
これらの膜型酸素供給器の性能を改善する１つの方法
は単により多くの膜面積を与えることである。膜型酸素
供給器の性能を改善するもう１つの周知の方法は膜の表
面の上方での血液の混合を改善することによってトラン
スファ膜表面の単位面積当たりのガス移行の量を改善す
ることである。膜型酸素供給器に対する最高のガス移行
率のあるものは、例えば米国特許第4,690,758号と4,73
5,775号に記載の中空ファイバ膜型酸素供給器との関連
において得られている。これらの酸素供給器では、酸素
供給ガスは中空のファイバの中を通って流れまた患者の
血液は中空のファイバの回りを流れる。
膜型酸素供給器の性能を改善するもう１つの方法は膜
の対向する両側にある拡散する酸素と二酸化炭素の分圧
の差を変えることである。しかしながら、少なくとも微
小孔の中空ファイバ膜型酸素供給器に関しての制限する
要因は、ガス塞栓と関連する危険を伴なう血液中に酸素
供給ガスの泡を作ることを避けるために酸素供給器のな
かに、膜の反対側にある血液の全圧力に一般に等しいま
たはそれ以下の酸素供給ガスの全圧力を酸素供給器内の
いずれの位置でも維持する必要があることである。血液
内に泡のできることを避けることは中でも血圧の変動及
び酸素供給器内でのガス圧力の変動によって面倒にな
る。これらの圧力は違った患者による異なる酸素と二酸
化炭素のニーズと単一の患者の時間の経過と共に変るニ
ーズを反映する。酸素供給をガスの全圧力を膜の反対側
の血液の全圧力より低く維持しようとする過去の努力は
比較的に低い圧力低下のガス通路を通って酸素供給のガ
スの出口を単に大気に向かって開放することを含んだ。
発明の要約 本発明は膜の反対側の血液の全圧力に近くしかもより
低い圧力に酸素供給ガスの全圧力を自動的に維持するこ
とに対しての失敗のない装置を有する膜型血液酸素供給
器を提供する。好適な実施例では、この酸素供給器はフ
ァイバの内側の酸素供給のガスの流路を画定する中空フ
ァイバの束を受け入れるハウジングと、ファイバ束の中
の各位置で酸素供給のガスの全圧力を一般にファイバ束
全体にわたってファイバ束の反対側の血液の全圧力より
低く維持する装置を含む。この自動的に圧力を維持する
装置は酸素供給器を出る酸素供給ガスの流れを酸素供給
器を出る血液の圧力によって制限する装置を含み、好適
な場合には弁部材と配管を含み、配管は弁部材を作動す
るため流出する血液の圧力を弁部材に伝達する。
この発明は添付図に図示され図中の同じ番号は同じ部
品を意味する。
詳細な発明の記載 添付図面を参照して、第１図と第２図には本発明の好
適な実施例の身体外の装置10が示され、この装置は中空
の膜型酸素供給器12、熱交換器14、静脈血槽16、及び酸
素供給器ガスの加圧用の弁17を含む。この好適な装置10
は米国ミシガン州、アン・アーバにあるサーンズ社（Sa
rns Inc.）から入手できる部品ナンバ164,490、サーン
ズ酸素供給器ブラケットのうえに取り付けられる。また
この好適な装置10は同じくサーンズ社から入手できる部
品ナンバ164,235、サーンズ酸素・空気混合器と共に使
用される。静脈血槽16は酸素供給のまえに静脈血から気
泡を取り、濾過しまた貯蔵する。酸素供給器12は血液に
酸素を与え血液から二酸化炭素を取り除く。熱交換器14
は血液を加熱または冷却する。静脈血槽、酸素供給器、
及び熱交換器の適当な組み合わせが部品ナンバ16,385と
してサーンズ社から入手できる。
静脈血は患者から従来のやり方で抜き取られ医療級チ
ューブ18を通して装置10に送られる。チューブ18は静脈
血槽16と流体連絡をする従来から使われる血液入口20に
取り付けられるのに適応するので静脈血は血液消泡器及
び／（または）フィルタ24を経て本体22のなかに流入す
ることができる。
従来から使われる血液ポンプ26が作動されると、血液
は槽16の出口28から引き抜かれ医療級チューブ32を通っ
て熱交換器14の入口30に送られる。適当な血液ポンプが
サーンズ社から入手できる。好適な実施例では、熱交換
器14と酸素供給器12はハウジング34のなかに置かれる。
このハウジング34は酸素供給ガス入口として使用される
第１流体入口36、酸素供給ガス出口として使用される第
１流体出口38、血液入口として使用される第２流体入口
30、血液出口として使用される第２流体出口42、熱交換
流体入口として使用される第３流体入口44、及び熱交換
流体出口として使用される第３流体出口46を含む。
第３図と第４図を参照して、熱交換器14はコア48、マ
ニホールド50、エンドキャップ52、入口44及び出口46を
含む。流路54が熱交換器14と酸素供給器12のなかにある
微小孔の中空ファイバ束56の外側とを結合する。ファイ
バ束56はプラスチック材のコア58の周りに巻かれるが、
これはこの技術では周知である。例として、米国特許第
4,735,775号、第4,690,758号，第4,572,446号及び第3,7
94,468号を参照されたい。中空ファイバ束56は注封配合
材によってその両端のところで封入されるが、中空ファ
イバの両端は開いてこの技術では周知である酸素供給ガ
ス流路を形成する。
血液の流路は第２入口30の入に入り、血液がそれぞれ
の場合によるが加熱されまた冷却される熱交換器コア48
の外側を回り酸素供給器12に至る流路54に沿い、ファイ
バ束56の個々のファイバの回りに至りここで血液は酸素
を補給されて血液の流路は最終的には第２出口42から出
る。熱伝達流体、代表的には水であるが、は第３入口44
を経て次いで熱交換器マニホールド50とコア48を通り次
いで第３の出口46を出る流路に沿って流れる。酸素供給
ガス流路は第１入口36に入りファイバ束56の個々のファ
イバを通って第１の出口38から出る。第１、第２及び第
３の入口と出口は従来行なわれている設計によるもので
あるので酸素供給ガスと水は従来から使用される源から
供給されることができる。
第１図、第２図、第５図、第６図及び第７図、特に第
５図を参照して、酸素供給ガスの加圧用の弁17が示され
る。弁17は入口66と出口68、ハウジング70、入口部分7
2、出口部分74、及びハウジング70と内方チューブ64の
あいだにある領域内に大気圧より高い圧力を維持するた
めの装置を含む。内方チューブ64はハウジング70のなか
に受け入れられる。入口部分72はハウジング70を内方チ
ューブ64の入口66に近い内方チューブ64に接続する。出
口部分74はハウジング70を内方チューブ64の出口68に近
く接続する。内方チューブ64は好適な場合比較的軟らか
く弾性がある薄肉のビニール、ウレタンまたはシリコー
ン・ラバ材から構成され、長手方向に心出しされ平行な
縁に沿って従来のやり方でヒートシールされ、約0.024
ミリ・メートルから0.51ミリ・メートルの範囲の肉厚さ
を有する。内方チューブ64は好適な場合充分軟らかくま
た弾性があって外部から加えられる圧力に対してほとん
ど抵抗しないかまたは全然抵抗しない、即ち内方チュー
ブ64はチューブ64の内側と外側のあいだの圧力差に応じ
て断面方向で開きまたは閉じる。ハウジング70は好適な
場合比較的に剛性がありポリカーボネート樹脂またはア
クリルプラスチック材料から構成される。
ハウジング70と内方チューブ64のあいだにある領域内
に大気圧より高い圧力を維持する装置は、酸素供給器12
から流出する血液の圧力をハウジング70と内方チューブ
64のあいだにある領域に伝達するチューブ76を含む。ハ
ウジング70は部分77を有し、この部分77はそれを貫通す
る孔78を有する。チューブ76はハウジング34の第２の出
口42と流体連絡をする入口80を有しまたチューブ76は弁
17のハウジング70を貫通する孔78と流体連絡をする出口
82を有し、その結果ハウジング70と内方チューブ64のあ
いだの領域のなかにある圧力はチューブ76の入口80のと
ころでの流出する血液の圧力に近付く。好適な場合に
は、血液はハウジング70と内方チューブ64のあいだにあ
る領域を直接には占有しない。このことはチューブ76の
なかで血液のコラムの形成によって生じ得る弁17の適度
の加圧を避ける。その変りに、流体変換器84が流出する
血液の圧力をダイヤフラム86を経てハウジング70と内方
チューブ64のあいだにある領域に伝達する。
特に第７図を参照して、変換器84はダイヤフラム86を
包みまた支持する２片から成るハウジング88を含む。適
当な変換器は米国カリファルニア州サンタ・アナにある
ギッシュ（Gish）バイオケミカル社から入手することの
できる圧力遮断器である。変換器84はチューブ76の入口
80と流体連絡をする入口90及びチューブ76の出口82と流
体連絡をする出口92を有する。変換器84と弁17のあいだ
にあるチューブ76の部分は空気または他の適当な流体に
よって満たされることができる。チューブ76は酸素供給
器12のハウジング34の第２の出口42から重力方向に垂直
なある距離のところにある流体に近付く入口94に接続さ
れる。
身体外装置10の操作は一般に添付図を参照して記載さ
れるであろう。上記に述べたように、装置10は第１の入
口のところで従来から行われるやり方で酸素空気混合器
に接続される。同じように装置10は第３の入口４のとこ
ろで加熱されたまたは冷却された水の従来の源に好適な
場合接続される。これらの接続が行なわれまた使用者の
満足するように調整されたあと、ポンプ26が作動され血
液は静脈血槽16の本体22から抜かれて第２の入口30に送
られる。第２の入口30から血液は熱交換器14を通過して
ポンプされ、そこで血液は適当に加熱または冷却され、
流路54を通って流され、次いで酸素供給器12に送られ酸
素供給器を通過し、そこで酸素と二酸化炭素の交換が行
なわれる。最後に、血液はポンプによって第２の出口か
ら出て流体に近付く入口94を過ぎて流される。
液体に近付く入口94は、入口80のところでの血液の圧
力が酸素供給器12のなかの各々の場所で血液の血圧に近
いがより低いことを保証するに充分である、出口42から
重力方向で前以て決められたある垂直方向の距離のとこ
ろに好適な場合置かれる。チューブ76の入口のところで
の血圧は好適な場合大気圧より約０〜500mmHgの範囲の
なかにあり最も好適な場合約300mmHgである。
チューブ76の入口80のところでの血圧は変換器84の入
口90を通って流体変換器84のダイヤフラム86の血液の側
に伝達される。この圧力はダイヤフラム86を変形するか
またはそれ以外の動作で移動させチューブ76の下側の部
分にある適当な流体を加圧し、チューブ76は次いでこの
圧力を弁17に伝達する。入口80と変換器84のあいだの無
視できるヘッド高さの差とチューブ76の下方部分に空気
のような適当な軽い流体を使用すると仮定すると、弁17
に伝えられる圧力は入口80のところに存在する圧力と極
めて近いであろう。
弁17に伝えられた圧力は孔78を通ってハウジング70と
内方チューブ64のあいだにある領域に伝達される。前に
述べたように、この圧力は最も好適な場合約300mmHgで
ある。この圧力は内方チューブ64は装置10の第１の出口
38から流出する酸素供給ガスの圧力に抗して内方チュー
ブを閉じさせようとする傾向がある。これは次いで第１
出口38を流出する酸素供給ガスの圧力を、弁17を横切っ
て無視できる圧力降下があると仮定して、流体に近付く
入口94のところで血液の圧力に近い圧力まで上昇させ
る。酸素供給器12を横切って無視できる圧力降下がある
と仮定して、これは酸素供給器12のなかの酸素供給ガス
の圧力を流体に近付く入口94のところの血圧に近いがそ
れより低い圧力にあげ、この圧力は、一般にファイバ束
56全体にわたって酸素供給器12のファイバ束56の反対の
側の全血圧に近いがそれより低い圧力である。チューブ
76の通路を通って流体に近付く入口94とファイバ束56の
あいだにどのような圧力降下が存在するとしてもその圧
力降下は、ファイバ束56のなかの各々の場所での酸素供
給ガスの圧力が、一般にファイバ束56全体にわたって、
ファイバ束56の反対の側の全血圧より低いことを唯より
強く保証するであろう。
酸素供給ガスの圧力は変換器84と弁17と共にチューブ
76の構造、位置及び働きによって血圧に近いがそれより
低い圧力に止まるよう自ら調整する。操作のときは、ポ
ンプ26によって与えられる血液の流れと装置の他の部分
の抵抗のために流体に近付く入口94のところに正の圧力
がある。代表的な場合では、この圧力は、身体外の生命
支持装置の個々の部品の選択と大きさ、患者の血管の状
態、及び血液の流速によって大気圧より100〜500mmHgの
範囲内でより高い圧力である。血液のような液体のなか
へガスが移行する速さは、ガスと流体のあいだの分圧駆
動力の函数で液体の圧力それ自身の函数でないことが分
っている。よって、血液の流れが増加すると、通常これ
は増大した患者の酸素要求を表わすが、より速い流れは
チューブ76、変換器84及び弁17によるガス通路へのより
高い圧力として反映されるので、酸素の移行は自動的に
増加するであろう。血液の流速が低下すると、これとは
反対のことが起きる。
この発明の作用によって二酸化炭素の移行は実際には
行なわれないかも知れない。何故ならばガス流路のなか
での二酸化炭素の分圧もまたガス流路圧力を増加させる
働きによって増加させられるであろうからである。しか
しなが、微小孔の膜を使う膜型酸素供給器は、一般にそ
の酸素を移行させる能力より実質的により大きい二酸化
炭素移行速度を高いガス流において有する。その意味
で、本発明の装置10は、それが移行の速さの不均衡を緩
和する傾向があるということで実際には助けとなる。そ
れに加えて患者は呼吸比に反映される患者の酸素消費よ
り低い速度で通常二酸化炭素を作る。呼吸比は二酸化炭
素の生産量の酸素の消費量に対する比で一般に約0.8の
オーダにある。
本発明の装置10の作用はいくつかの方法で緩和される
ことができる。酸素供給ガスのなかの酸素のパーセント
は標準の酸素供給器において現在行なわれているように
酸素の移行速度を調整するのに使われることができる。
動脈のラインはハーバード・クランプまたは類似のもの
を、動脈のラインの圧力を増大するためまた増大するこ
とによって酸素供給器の性能をあげるために、使用して
実際に制限されるであろう。これは患者からある短時間
の高い酸素の要求がある場合に一時的になされることが
できるであろう。また、弁17は、ガス圧力制御の行為を
中断して通常の大気中での操作に返るため流体に近付く
入口94のところで１つの弁（図示しない）を閉じまた出
口38のところの圧力を開放することにより効果的に除か
れることができる。これは、患者の新陳代謝の率が非常
に低い患者の低い体温のときのような最小の酸素が要求
されているときに行なわれるであろう。
以上に記載した装置10の操作は以下の例を参照するこ
とによって恐らくよりよく理解されるであろう。第１の
例は標準のサーンズ社の前述の部分ナンバ16,385の酸素
供給器を使う。この酸素供給器は、正常の標準の血液が
１分間に６リットルの血液流速にあるとき35mmHgの血液
入口の酸素分圧で操作されると約80mmHgの血液出口の酸
素分圧を示す。もし酸素供給器が本発明の装置10のチュ
ーブ76、変換器84及び弁17を装備し約300mmHgの動脈ラ
インの血圧で、またよって発明によるガス圧力の同じ増
加で使用されるならば、血液中の出口での酸素の分圧は
215mmHgである。これは本発明の装置10が従来の中空フ
ァイバ膜型酸素供給器の性能を改善することを示す。
第２の例として、第２の酸素供給器は標準のサーンズ
社の酸素供給器に類似に作られたが、これは標準の装置
のファイバ面積が1.8平方メートルであるのに対して僅
か1.0平方メートルのファイバ面積しか有しなかった。
これが第１の例の条件で操作されたときは、チューブ7
6、変換器84及び弁17を追加することなく血液出口の酸
素分圧は僅か約66mmHgであったが、これはガス移行の小
さくなった表面積のため予期されたことである。酸素供
給器がチューブ、変換器及び弁を取り付けられて300mmH
gの動脈ライン圧力で使用されると血液出口の酸素分圧
は約100mmHgであった。これは本発明の装置10は、ほと
んど同じ水準の性能を維持しながら、標準のサーンズ社
の表面積のほとんど50％の減少を許すであろうことを示
す。これはコストの低下、血液の異物への露出を小さく
すること、及びプライミングの量を小さくすることを許
すであろう。これらのことは重要な患者の関心事である
ことが知られている。
以上に記載したことから、ここに記載した発明の精神
と範囲から離脱することなくこの技術に熟練した人によ
って種々の変容と変更がされることが明らかであろう。
これらの変容と変更はこの技術に熟練した人によってま
た本発明の範囲と精神から外れることなくして行なわれ
ることができるので、ここに示されまた述べられたすべ
てのことは例示のためで制限する意味ではないと解釈さ
れるべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の好適な実施例の体外装置の前方立面
図、 第２図は第１図の装置の側方立面図、 第３図は第２図の線３−３に略々沿った拡大断面図、 第４図は第３図の線４−４に略々沿った拡大断面図、 第５図は第１図の装置を出る酸素供給のガスの流れを制
限することのできる第１図の装置の弁部材の拡大した垂
直断面図、 第６図は第５図の線６−６に略々沿った断面図、及び 第７図は第１図の装置を出る血液の圧力を第１図の装置
を出る酸素供給のガス流を制限するため第１図、第５図
及び第６図の弁部材に伝達することのできる第１図の装
置の流体変換器の拡大した立面図である。 図において、 10……身体外装置、12……膜型酸素供給器、 14……熱交換器、16……静脈血槽、17……加圧弁、 56……中空ファイバの束、84……変換器 86……ダイヤフラム、64……内方チューブ、 76……チューブ。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】膜型酸素供給器であって、 第１および第２の入口手段と第１および第２の出口手段
    に連通する中空の部分を画成するハウジング、を包含
    し、 前記第１の入口手段が前記酸素供給器内へ流入する血液
    の流れを提供し、前記第１の出口手段が前記酸素供給器
    から流出する血液の流れを提供し、前記第２の入口手段
    が前記酸素供給器へ流入する酸素供給ガスの流れを提供
    し、そして前記第２の出口手段が前記酸素供給器から流
    出する酸素供給ガスの流れを提供し、 前記ハウジングの中空部分の内部に配置された中空ファ
    イバ束を含み、前記第１の入口手段と前記第１の出口手
    段との間に配置されてかつ前記中空のファイバ束におけ
    る個々のファイバ束を通る酸素供給ガス流路を画成し、
    そして前記第２の入口手段と前記第２の出口手段との間
    に配置されかつ前記中空ファイバ束における個々のファ
    イバの回りに配置された血液流路を画成する中空のファ
    イバ束を包含するトランスファ膜手段、および 前記酸素供給器全体において前記トランスファ膜手段の
    他方側において血液の全圧力に近くしかしそれより低く
    前記ガス流路の内部の各地点において酸素供給ガスの全
    圧力を自動的に維持する手段、を包含し、 前記自動維持手段が前記第１および前記第２の出口手段
    に接続されかつ、ほぼ前記酸素供給器を出て行く血液の
    圧力の流体を提供して前記酸素供給器を出て行く酸素供
    給ガスに圧力を作用させ、出て行く血液の圧力に近い前
    記酸素供給器の内部の酸素供給ガスの圧力を上昇させる
    ことにより、前記第２の出口手段を通って前記酸素供給
    器を出て行く血液の圧力で前記第１の出口手段を通る前
    記酸素供給器を出て行く酸素供給ガスの流れを制限する
    手段を含む ことを特徴とする膜型酸素供給器。
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