JP5749355B2 - 体外血液回路内で血液を処理するための脱気酸素付加器 - Google Patents

Description

本開示は、体外血液回路装置、および関連する使用の方法に関する。より具体的には、温度制御などの他の可能な処理とともに、体外血液回路内で血液を脱気および酸素付加するための装置に関する。

体外血液回路は、心肺バイパス術の間に、患者の循環系の静脈部から（静脈カニューレを介して）血液を抜き、その血液を（動脈カニューレを介して）動脈部に戻すために一般的に使用される。体外血液回路は、典型的に、静脈排水ライン、静脈貯血槽、血液ポンプ、酸素付加器、熱交換器、１つ以上のフィルター、および血液輸送管、口部、ならびに構成要素を相互接続する接続部品を含む。

血液酸素付加器は、体外回路の使い捨て構成要素であり、血液を酸素付加するために使用される。一般的には、酸素付加器は、患者の肺の正常なガス交換機能を部分的または完全に引き継ぐ。酸素付加器は従来、数千本の微孔性または半透過性中空繊維で構成された微孔膜または束を用いる。血流は、中空繊維の外表面の周囲に向けられる。同時に、酸素を豊富に含むガス混合物は、繊維管腔を通過する。患者から届く血液中の比較的高い二酸化炭素濃度に起因して、二酸化炭素は、血液から移動し、微孔性繊維を横切って、通過する酸素付加ガス流に拡散する。同時に、酸素は酸素付加ガスから移動し、繊維を横切って血液中に拡散する。血液の酸素含有量はそれにより上昇し、二酸化炭素含有量は低減する。

典型的に、患者の血液は、酸素付加器と連動する前に、熱交換器構成要素を通して連続的にポンプ圧送される。熱交換器コアは、一般に、金属またはプラスチックと接触する血液に対して効果的に熱を伝達することができる、金属またはプラスチックで製造される。体外血液回路使用において、熱交換器コアは、通常、一連または一束の毛細管により形成される。水などの適切な熱伝達流体は、血液とは別に熱交換器コアを通してポンプ圧送されるが、血液と熱伝達関係にある。水は、熱交換器の外部で加熱または冷却され、熱交換器は、血液の温度を所望の方向に制御または調節するように機能する。熱交換器コアと接触した後、次いで血液は、典型的に酸素付加器に流れる。実際に、多くの市販の酸素付加器装置は、熱交換器コアを膜型酸素付加器と一体化する。これらの一体化複合装置により、酸素付加器膜の束は、熱交換器コアの毛細管の上に直接配置され得る。

従来、ろ過装置（例えば、動脈フィルター）は、酸素付加器から下流（または酸素付加器の上流）の体外回路内で流体接続され、約２０〜４０ミクロンの総空気（例えば、気泡）および粒子を除去するとともに、気体微小塞栓（ｇａｓｅｏｕｓ ｍｉｃｒｏｅｍｂｏｌｉ（ＧＭＥ））をトラップするように操作する。既知の動脈血フィルターは、Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ，Ｉｎｃ．から商品名Ａｆｆｉｎｉｔｙ（登録商標）動脈フィルターで入手可能であり、ＧＭＥを捕捉するために十分に小さい気孔を有する膜またはスクリーンろ過材を組み込む。酸素付加器および動脈フィルター装置は、通常、回路の物理的に分離された構成要素または装置である。

別個の酸素付加器および動脈フィルター装置を体外血液回路の一部として実装することは広く受け入れられているが、ある懸念が生じ得る。動脈フィルターは、典型的に、２００ｍＬ（またはそれ以上）のプライム容積を体外血液回路に付加するが、この付加されたプライム容積は、患者の血液希釈の増加をもたらし得るため望ましくない。因みに、実際には、最初に静脈および動脈カニューレを患者の血液で満たすこと、および動脈ラインおよび静脈還流ラインが、それぞれ患者の動脈系および静脈系に挿入される、血液で満たされたカニューレに連結される前に、体外血液回路を生体適合性のプライム溶液で呼び水を差す（すなわち、完全に満たす）ことが必要である。「呼び水を差す」ために体外血液回路にポンプ圧送される血液および／またはプライム溶液の容積は、「プライム容積」と呼ばれる。典型的に、体外血液回路は、呼び水を差す前にまずＣＯ₂で洗い流す。呼び水を差すことで、患者の血液を導入する前に、任意の外因性ＣＯ₂ガスを体外血液回路から洗い流す。プライム容積が大きいほど、体外血液回路内に存在するプライム溶液で、さもなければ患者の血液と混合するプライム溶液の量は大きくなる。血液とプライム溶液との混合は、血液希釈をもたらす場合があり、これは、患者への悪影響を最小限に抑えるために、赤血球の相対濃度は外科手術中に維持されなければならないため、不利益であり望ましくない。したがって、体外血液回路のプライム容積（およびしたがって必要なプライム溶液の容積）を最小限に抑えることが望ましい。

動脈フィルターを酸素付加器と複合または一体化する装置が提案された。これらの複合型装置の多くは、酸素付加段階後または酸素付加段階と一体で空気および粒子を除去する（例えば、動脈ろ過材は、酸素付加器の巻き付けられた中空繊維束の厚さ内に配置される）。場合によっては、これは最善でないことがある。例えば、酸素付加段階の間または後に、マクロ空気を含む血液を、ＧＭＥ型ろ過材を通して向けることは、総空気またはマクロ空気がミクロ空気に「細断」されるのを可能にし得るため、除去することがより困難な気体微小塞栓の量を増大させる可能性がある。

他の酸素付加器装置の設計により、流入血液の流れは、酸素付加の前に血液からガスを分離するように圧縮される。さらに他のものは、複数の窓およびチャネルを介して蛇行する経路に血流を通す。これらのアプローチも問題になり得る。ヒトの血液中の細胞（例えば、赤血球、白血球、血小板）は繊細であり、せん断力に供される場合に傷害され得る。したがって、酸素付加器（ならびに体外血液回路の他の構成要素）の内部の血流速度は、過剰であってはならない。形状の構成は、必要とされる血液の速度とともに、一部の脱気および酸素付加装置を血液に対して外傷性にするため、安全ではない。さらに、それらの装置は、血栓をもたらし得る再循環（渦）または停滞領域を形成する場合がある。したがって、血液流路の様々な回路構成要素の構成および形状は、血栓生成をもたらし得る再循環（渦）または停滞領域を形成しないことが望ましい。

上記に照らして、酸素付加段階の前に血液の脱気に作用し、かつ粒子をろ過することにより、フィルターの属性を酸素付加器と複合し、圧力低下およびせん断力への暴露を最小限に抑える、体外血液回路酸素付加器装置の必要性がある。

本開示の原理に従ういくつかの態様は、体外血液回路内で血液を脱気、酸素付加、および温度制御するための装置に関する。本装置は、筐体、血液入口、マニホールド体、熱交換器、酸素付加器、および血液出口を含む。筐体は、概して第１のチャンバおよび第２のチャンバを画定する。第１のチャンバは、第２のチャンバに対して流体的に開いている。血液入口は、第１のチャンバに対して流体的に開かれ、流入血液を接線方向に第１のチャンバに向けるように、その側壁に対して配設される。マニホールド体は、第２のチャンバ内に配置され、中心コアおよび複数の羽根を含む。コアは頭部を形成する。羽根は、コアの外面から突出して、複数のチャネルを画定する。マニホールド体は、頭部が第１のチャンバと整合するように、筐体内に配設される。熱交換器は、マニホールド体の周囲に配設された複数の伝熱素子を含む。最終組み立ての時点で、チャネルは、熱交換器に対して開かれる。酸素付加器は、熱交換器の周囲に配設された複数のガス交換素子を含む。血液出口は、第２のチャンバに対して流体的に開かれている。この構成により、装置は、血液入口から血液出口への血液流路を確立する。血液流路は、第１のチャンバ内で空気を血液から分離する回転流、第１のチャンバからチャネルに沿った略長手方向流、ならびにチャネルから熱交換器および酸素付加器を通り出口に至る略半径方向流を含む。いくつかの実施形態では、頭部の上面は、血液入口から長手方向に離間し、第１のチャンバ内に脱気領域を確立し、ここで回転流が確立される。この点において、上面は、長手方向に血液入口の下にある。他の実施形態では、第１のチャンバの側壁は、第１のチャンバからの血流が圧縮されないように、均一直径を有する。さらに他の実施形態では、装置は第２のチャンバ内で血液流路に沿ってろ過材をさらに含む。この構成により、血流が熱交換器、酸素付加器、およびろ過材を通過する前に、第１のチャンバ内で総空気除去が起こる。

本開示の原理に従うさらに他の態様は、体外血液回路内で血液を脱気、酸素付加、および温度制御するための装置に関する。本装置は、筐体、マニホールド体、血液入口、熱交換器、および酸素付加器、ならびに血液出口を含む。筐体は、中心軸を画定する。マニホールド体は、筐体内に配置され、中心軸と同軸的に配設される。マニホールド体は、コアを含む。さらに、筐体およびマニホールド体は組み合わさって、円筒形の側壁を有し、上壁および該上壁の反対側の低圧支持面により中心軸に沿って境界される、脱気領域を画定する。血液入口は、脱気領域に対して流体的に開かれ、流入血液を接線方向に脱気領域へと向けるように、側壁に対して配設される。この点において、低圧支持面は、脱気領域で流入血液に誘導される渦流が低圧支持面上に確立されるように、血液入口から長手方向にオフセットされる。熱交換器は、筐体内に配置され、マニホールド体の周囲に配設された複数の伝熱素子を含む。また酸素付加器も筐体内に配置され、熱交換器の周囲に配設された複数のガス交換素子を含む。最後に、血液出口は、酸素付加器の下流で筐体の内部に対して流体的に開かれている。この構成により、装置は、血液入口から血液出口への血液流路を確立する。血液流路は、血液から空気を分離する脱気領域内の渦流、脱気領域からコアに沿った略長手方向流、ならびにコアから熱交換器および酸素付加器を通り出口に至る略半径方向流を含む。装置は、脱気領域において、したがって熱交換器および酸素付加器と相互作用する前に、血流から総空気を除去する。

本開示の原理に従う装置の斜視図であり、切断部を伴う。 図１Ａの装置の断面図である。 図１Ａの装置の筐体構成要素の斜視図である。 図２Ａの筐体の断面図である。 図１Ａの装置の断面図である。 図１Ａの装置のマニホールド体構成要素の斜視図である。 図３Ａのマニホールド体の一部の簡素化断面図である。 図２Ａの筐体内での図３Ａのマニホールド体の組み立てを示す断面図である。 図１Ａの装置を含む心肺バイパス回路の概略図である。 装置を通る血流を示す、図１Ａの装置の断面側面図である。

本開示の原理に従い、体外血液回路内で血液を処理するために有用な装置２０の一実施形態が、図１Ａおよび１Ｂに示される。本装置は、筐体２２と、マニホールド体２４と、熱交換器２６と、酸素付加器２８と、を含む。様々な構成要素に関する詳細は以下に提供される。しかしながら、一般的には、筐体２２の一部（例えば、図２Ａに示され、以下に説明される上端キャップ４０）およびマニホールド体２４は組み合わさって、脱気領域または気泡トラップ３０を形成する。血液入口３２は、流入血液を接線方向に脱気領域３０へと向けるように、脱気領域３０に対して配設される。血液出口３４は、熱交換器２６および酸素付加器２８の下流で筐体２２に接続される。血液流路は、血液入口３２から血液出口３４へと画定され、血液が熱交換器２６または酸素付加器２８と相互作用する前に、脱気領域３０内で総空気除去が起こる。したがって、装置２０は、患者の血液の総空気除去、温度制御、および酸素付加を（体外血液回路の一部として）、回路の全体プライム容積への影響を最小限に抑えて行う。任意で、装置２０は、ＧＭＥおよび／または粒子を捕捉するために、動脈ろ過材に似たろ過材３６（概して図１Ｂにおいて参照される）を、脱気領域３０の下流にさらに含み得る。因みに、脱気領域３０での「総空気」除去は、比較的大量の気泡を一般に含み、さもなければＣＶＲ排出を模倣することが当業者により理解される。いくつかの実施形態では、総空気除去は、３０ｃｃボーラスの空気を装置２０に注入し、いくらかの空気が装置２０から出ているかどうかを測定することにより推定され得る。代替実施形態では、本開示の原理に従う装置は、熱交換器２６および／または酸素付加器２８の一方または両方を省略する。

筐体２２の一実施形態は、図２Ａおよび２Ｂにおいて極めて詳細に示され、多様な形態を想定し得る。筐体２２は、別個に形成され、後次に互いに組み立てられる様々な構成要素、例えば、第１の端キャップまたは上端キャップ４０、中心部４２、および第２の端キャップまたは下端キャップ４４などを含み得る。端キャップ４０、４４は、図示されるように、中心部４２の両側へ組み立てるように構成される。他の構成では、中心部４２は、端キャップ４０、４４の一方または両方と一体形成される。筐体２２は、ユーザが装置２０を通る血液の流れを観察できるように、透明な医療用材料、例えば、透明なポリカーボネートなどで製造され得る（図１Ａ）。

第１の端キャップ４０は、様々な特徴を組み込むことができ、概して側壁５２を介して第１のチャンバ５０を画定する（図２Ｂにおいて最良に示される）。側壁５２の円筒形状は、第１のチャンバ５０の中心軸Ｃを画定する。第１のチャンバ５０は、下記のとおり、脱気領域３０の一部として機能し（図１Ａおよび１Ｂ）、側壁５２は、中心軸Ｃに沿って長手方向または軸方向に延在する実質的に均一な直径（例えば、厳密な均一直径の５°以内）を有し得る。第１のチャンバ５０は、上壁５４によりさらに画定され、第１のチャンバ５０に対して流体的に開かれている上壁５４において、またはそれにより形成された空気パージ口５６を有する。

図２Ａに示されるように、血液入口３２は、第１の端キャップ４０により一体形成される。あるいは、血液入口３２は、別個に形成され、後次に第１の端キャップ４０に組み立てられ得る。それに関係なく、血液入口３２は、図２Ｃにおいて最良に示されるように、側壁５２内の開口部５８において、第１のチャンバ５０に対して流体的に開かれている。このために、血液入口３２（図２Ａ）は、開口部５８が、水平面に沿って（すなわち、中心軸Ｃに対して垂直に）、第１のチャンバ５０へと接線方向に開くように配設される。この構成により、血液入口３２は、流入血液を実質的に接線方向に第１のチャンバ５０へと向け、期待される容積および流量の流入血液に対して、側壁５２に沿った回転流、および特に渦流を生成するように寸法決定される。特に指定のない限り、血液入口３２は、側壁５２の接線を越えて延在するように位置し、それにより流入血液を第１のチャンバ５０の中心軸Ｃから外れて、それに対して実質的に接線方向に（すなわち、厳密な接線関係の５°以内）側壁５２に直接送達する。流入血液の実質的に接線方向の送達に起因して、流入血液は、第１のチャンバ５０の内部で、回転運動を始める。

中心部４２は、実質的に円筒形状を有し、第１の端キャップ４０に組み立てられるとき、図２Ｂにおいて最良に示されるように、概して第２のチャンバ７０を画定する。第１のチャンバ５０は、第２のチャンバ７０に対して流体的に開かれ、第２のチャンバ７０は、第１のチャンバ５０のそれと比較して、拡大した容積を有する。円筒形状は、いくつかの実施形態では、第１のチャンバの中心軸Ｃと同軸である、中心部４２の中心軸を確立する。血液出口３４は、中心部４２により形成されるか、または中心部４２に組み立てられ、第２のチャンバ７０に対して流体的に開かれている。この点において、血液出口３４は、いくつかの実施形態では、中心軸Ｃに対して半径方向に延在する。

第２の端キャップ４４は、様々な形態を想定することができ、概して、第１の端キャップ４０の反対側で第２のチャンバ７０を閉じるように構成される。

図２Ａおよび２Ｂに示されるように、筐体２２は、血液入口３２、血液出口３４、および空気パージ口５６に加えて、他の口部を形成または担持し得る。例えば、熱交換入口８０および出口８２は、それぞれ第１の端キャップ４０および第２の端キャップ４４により形成または担持される。下記のとおり、熱交換入口８０および出口８２は、筐体２２により概して画定される熱交換帯８４に流体的に接続される。同様に、酸素流体入口９０および酸素流体出口９２は、それぞれ第１の端キャップ４０および第２の端キャップ４４により形成される。下記のとおり、酸素流体入口９０および出口９２は、筐体２２により概して画定される酸素付加帯９４に対して流体的に開かれている。入口８０、９０および出口８２、９２は、代わりに筐体２２に沿った他の場所に位置し得る。

図１Ａおよび１Ｂに戻り、マニホールド体２４は、筐体２２内での組み立てのために構成され、中心軸Ｃと同軸的に配設される。図３Ａおよび３Ｂを参照して、マニホールド体２４は、中心軸Ｍを形成するコア１００、複数の羽根またはリブ１０２、およびハブ構造１０４を含むか、または画定する。羽根１０２は、コア１００に沿って長手方向に延在し（すなわち、中心軸Ｍと概して平行な方向に）、下記のとおり所望の様式で血流を方向づけるように機能する。ハブ構造１０４は、マニホールド体２４の第１の端キャップ４０への組み立てを容易にし（図１Ｂ）、コア１００の様々な表面特徴と併せて、所望の体積変位を生じさせる。マニホールド体２４は、均質構造、例えば、射出成形された医療用プラスチックなどであり得る。

コア１００は、頭部区分１１０、頸部区分１１２、および基部区分１１４を含むか、または画定する。頭部区分１１０の外部は、中心領域１１８および湾曲した外側領域１２０を画定する上面１１６で終結する。中心領域１１８は、図３Ｂにより概して示される、平面１１８であり得るか、または湾曲し得る（例えば、中心領域１１８および外側領域１２０は組み合わさって、コア１００の上部に連続曲線を画定する）。外側領域１２０は、中心領域１１８からコア１００の長手方向外面１２２への平滑な湾曲を形成する。長手方向外面１２２は、頭部区分１１０、頸部区分１１２、および基部区分１１４に沿って連続している（例えば、図３Ａおよび３Ｂに示されるように、素子番号１２２は、コア１００に沿った異なる場所を参照するように示される）。この点において、頭部区分１１０に沿った長手方向外面１２２の直径は、湾曲した外側領域１２０から頸部区分１１２にかけて、実質的に均一に長手方向に延在する（例えば、厳密な均一直径の５°以内）。以下で明らかにされる理由により、頭部区分１１０の外径は、第１のチャンバの側壁５２の直径未満である（図２Ｂ）。

長手方向外面１２２は、頭部区分１１０から基部区分１１４にかけて長手方向に延在する、頸部区分１１２に沿って拡大する外径を呈する。基部区分１１４はまた、頸部区分１１２から下位取り付け台１２４までの外径において拡大する。しかしながら、頸部区分１１２に沿った直径のテーパーは、基部区分１１４のものよりも大きい。特に指定のない限り、マニホールド中心軸Ｍに対して、頸部区分１１２に沿って外面１２２により画定される傾斜は、基部区分１１４に沿って画定される傾斜よりも大きい。

羽根１０２は同一であり得、コア外面１２２の周囲に沿って互いに円周方向に離間する。羽根１０２およびコア１００の外面１２２は組み合わさって、複数の軸チャネルまたは溝１３０を画定する（図１Ａおよび３Ａにおいて最良に示される）。長手方向に対して（すなわち、マニホールド中心軸Ｍと平行に）、羽根１０２は、取り付け台１２４から基部区分１１４、頸部区分１１２、および頭部区分１１０の一部に沿って延在する。図３Ｂにおいて最良に示されるように、羽根１０２のそれぞれは、上面１１６から長手方向にオフセットされる端点１３２において終結する。つまり、上面１１６および特に湾曲した外側領域１２０は、羽根１０２を含まないため、チャネル１３０への血流の平滑な移動を提供する。他の実施形態では、羽根１０２は、上面１１６まで延在し得る。外面１２２からの突出部における羽根１０２の動径成分（すなわち、マニホールド中心軸Ｍに対して垂直）は、コア１００の反対側に長手方向の縁部１３４を生成する。縁部１３４は、ハブ構造１０４と取り付け台１２４との間のマニホールド中心軸Ｍに実質的に平行である。したがって、縁部１３４は集合的に、ハブ構造１０４と取り付け台１２４との間に実質的に均一な直径を画定する。

ハブ構造１０４は、頭部１１０に隣接する羽根１０２に接続される。ハブ構造１０４は、マニホールド体２４を第１の端キャップ４０と組み立てるための様々な特徴を組み込み得る（図１Ｂ）。例えば図３Ｂおよび４を参照して、ハブ構造１０４は、外側、中間、および内側リング１４０〜１４４を形成し得る。中間リング１４２は、第１の端キャップ４０により形成される環状スロット１４６内で密閉して組み立てられるように寸法決定および成形される。同様に、中間リング１４２と内側リング１４４との間に形成される環状溝１４８は、第１の端キャップ４０の円形突出部１５０を密閉して受容するように寸法決定される。他の取り付け構成も想定される。しかしながら、例示される一実施形態により、外側リング１４０は、第１の端キャップ４０の環状区画１５２と組み合わさって、下記のとおり、熱交換器２６の一部を受容および支持するように構成された比較的連続する支持面１５４を画定する（図１Ａ）。図示されるように、外側リング１４０、およびしたがって支持面１５４の直径は、羽根１０２により集合的に画定される直径に比例する。

第１の端キャップ４０への組み立てのためのハブ構造１０４で提供される厳密な特徴に関係なく（図１Ｂ）、内側リング１４４が提供される。内側リング１４４は、頭部区分１１０を取り囲むが、そこから半径方向にオフセットされる。図示されるように、内側リング１４４の先端１６０は、得られる装置２０のプライム容積を低減するために、上面１１６と概して整合する（図１Ａ）。他の実施形態では、先端１６０は、得られる装置２０の機能性に影響を及ぼすことなく、上面１１６から長手方向にオフセットされ得る。内側リング１４４の末端１６２は、頸部区分１１２の上に位置する。直立配向に対して、次に内側リング１４４は、羽根１０２のそれぞれの端点１３２の上に、またはそれを越えて長手方向に延在する。さらに、内側リング１４４は、図４に示されるように、第１のチャンバの側壁５２の直径に比例する直径を画定する。

図４に示されるように、最終組み立ての時点で、マニホールド体２４は、筐体２２と組み合わさって、第１のチャンバ５０において脱気帯３０を確立する。因みに、図４は、第１のチャンバおよびマニホールド軸Ｃ、Ｍの同軸配設を示す。脱気領域３０は、第１のチャンバの側壁５２により円周方向に境界される。頭部区分１１０の上面１１６は、脱気領域３０の下位境界を（中心軸Ｃに沿って）画定するが、第１のチャンバの上壁５４は、上位境界として機能する。所望の流入血液の渦流（図４において矢印により表される）は、血液の接線進入および頭部区分１１０の存在に起因して、脱気領域３０内で容易に形成される。コア１００の有効な高さ（すなわち、平面中心領域１１８と取り付け台１２４との間の長手方向の距離）は、筐体２２の高さに従って寸法決定される。より具体的には、マニホールド体２４は、筐体２２内での最終組み立ての時点で、頭部区分１１０が第１のチャンバ５０と整合し、上面１１６／中心領域１１８が血液入口３２（図１Ｂ）、および特に側壁５２の入口開口部５８から長手方向にオフセットされる（または図４の配向に対して下にある）ように構成される。この構成により、そうでなければ第１のチャンバ５０内で回転を生じる流入血液は、上面１１６に「定置」し、中心領域１１８は低圧支持面として有効に機能する。したがって頭部区分１１０は、所望の渦流が妨害されないように、回転流からオフセットされる（すなわち、下にある）。

体積変位領域１８０（一般に参照される）は、コア１００により、脱気領域３０の直下に確立され、流体的に開かれている。体積変位領域１８０は、環状リングに類似し、下記のとおり、頭部区分１１０と内側リング１４４との間の環状ギャップを通して、血流を脱気領域３０からチャネル１３０（図１Ａ）へと向ける。体積変位領域１８０は、中心軸Ｃ、頭部区分１１０と内側リング１４４との間の環状ギャップ、および脱気帯３０と同軸である。チャネル１３０は、順に、下記のとおり、体積変位領域１８０から第２のチャンバ７０へと血流を誘導する。

図１Ａおよび１Ｂに戻り、熱交換器２６は、一束または複数の中空伝熱素子を含み、それらは繊維、管、毛細管、コンパートメントなどであってよい（個別に図示せず）。いくつかの実施形態では、伝熱素子は、熱伝導ポリマーまたは金属を含む。様々な形状の伝熱素子が、本開示により考慮される。熱交換毛細管の１つの例示的な材料は、ポリエチレンテレフタレート、例えば、ＨＥＸ ＰＥＴ（商標）熱交換毛細管などである。ＨＥＸ ＰＥＴ予形成マットは、概して２つの中空毛細管の層を備え、その２つの層内で、互いに対して角度を成す（例えば、法線から１５度の角度またはバイアス）。他の材料も想定される。一般的に、熱交換器２６の伝熱素子の目的は、伝熱素子の間を流れる血液に対してそこを通して行き来する交換流体に対して、またはそこから熱を伝達することである。

熱交換器２６の伝熱素子は、マニホールド体２４の周囲（したがって、第２のチャンバ７０内）に位置し、マニホールド体２４の周囲に同心円状にきつく巻き付けられるか、または被包されてよい。また伝熱素子は、マニホールド体２４と熱交換器２６との間の構造妨害が最小であるか、または構造妨害がないように配置され得る。この点において、熱交換器２６の伝熱素子は、羽根１０２のそれぞれの縁部１３４、ならびに支持面１５４に対して接触または担持する。したがって、図１Ｂにおいて最良に示されるように、熱交換器２６の伝熱素子は、コア１００の長手方向外面１２２に接触しないが、チャネル１３０は、チャネル１３０に沿った血流が伝熱素子の中（または間）に向けられるように、伝熱素子に対して流体的に開かれている。実際にマニホールド体２４上に巻き付けられる伝熱素子の代わりに、熱交換器２６は、羽根１０２の上に組み立てられる織布マットまたは織物状の配設で事前に配設される伝熱素子を備え得る。

熱交換器２６は、装置２０を通して流れる血液を加熱または冷却してよい。心臓手術の間に（特に乳幼児手術では）、酸素必要量を低減するように低体温が使用され得るため、かつ血液の急速な再加温が気泡塞栓を生成し得るため、一般に熱交換器２６を使用して、血液を徐々に再加温し、塞栓形成を回避する。熱交換器２６において使用される交換流体または熱伝達流体は、水または他の適切な流体を含んでよい。熱交換器２６は、複数の伝熱素子を通して流れる温冷水道水を組み込んでよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、温度調整制御を有する別個の加熱器／冷却器ユニット（図示せず）を使用して、伝熱素子間を流れる血液の温度を要望どおりに調整する必要に応じて、装置２０の外側で交換流体を加熱または冷却する。別の代替例として、流体以外の伝熱手段が可能である。例えば、熱エネルギーは、流体ではなく伝熱素子に供給されてよい。図１Ｂに概して示されるように、熱交換器２６は、熱交換帯８４（例えば、それぞれ端キャップ４０、４４により形成された仕切り１８２、１８４により画定される）内に組み立てられるように寸法決定および成形され、熱交換素子の対向端１９０、１９２（一般に参照される）と熱交換入口８０および出口８２との間に密閉された流体連通を生じさせるように、バンドおよび／または埋め込み用化合物（当該技術分野において既知）を組み込むことができる。

酸素付加器２８は、概して熱交換器２６の周囲（およびしたがって第２のチャンバ７０内）に配置され、複数のガス交換素子を含む（個別に図示せず）。一束または複数の中空繊維は、ガス交換に使用され、微孔を含む半透過性膜で製造される。いくつかの実施形態では、ガス交換素子は、中空ポリプロピレン繊維であるが、他の材料も本開示により意図される。任意の適切な微孔性繊維は、酸素付加器２８のガス交換素子として使用されてよい。酸素付加器２８のガス交換素子（または繊維）は、熱交換器２６の周囲に、略円筒形状に配置される。酸素付加器２８の中空繊維は、例えば、その全体教示が参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許第５，３４６，６１２号に記載される、熱交換器２６に直接巻き付けられてよい。例えば、１本の長い微孔性繊維は、熱交換器２６上を往復して巻き付けられてよい。巻き付けた後に、対向端１９４、１９６（一般に参照される）の付近に位置する複数の場所で繊維を切断して、ガス媒体が繊維の切断区分に進入するのを可能にする。あるいは、酸素付加器２８は、連続する半透過性中空繊維を、熱交換器２６上に直接巻き付けるのではなく、何らかの中間成分上にらせん状に巻き付ける方法に従うことにより任意で形成され得る。当業者に知られているように、巻き付ける工程の間に、巻き付け角度および／または張力は、様々な比質量偏差に要望どおりに作用するように操作され得る。酸素付加器２８の繊維を巻きつける１つの例示的なパターンは、Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ，Ｉｎｃ．（Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，ＭＮ）から入手可能なＡｆｆｉｎｉｔｙ（商標）酸素付加器に関して見出される。厳密な構成に関係なく、酸素付加器２８は、酸素付加帯９４内に組み立てられるように寸法決定および成形され（例えば、仕切り１８２、１８４および中心部４２により画定される）、ガス伝達素子端部１９４、１９６と酸素付加器入口９０および出口９２との密閉された流体連通を生じさせるように、バンドまたは埋め込み用成分（当該技術分野において既知）を含み得る（図２Ａ）。

酸素含有ガス媒体は、酸素付加器２８の複数のガス交換素子を通して提供される。あるガスは、繊維を透過することができる。繊維を取り囲む血液からの二酸化炭素は、繊維の壁を通してガス混合物に拡散する。同様に、繊維内部のガス混合物からの酸素は、微孔を通して血液に拡散する。次いでガス混合物は、上昇した二酸化炭素含有量を有し、それが酸素出口９２を介して装置２０から出るとき、好ましくは繊維の対向端を出る（図２Ａ）。酸素および二酸化炭素は、好ましくは上記のとおり交換されるが、本開示は、他のガスが伝達されることが望ましい場合があることも意図する。

任意の適切なガス供給システムが酸素付加器２８と併用されてよい。例えば、ガス供給システムは、流量調整器、流量計、ガス混合器、酸素解析器、ガスフィルター、および水分トラップを含んでよい。他の代替または付加的構成要素は、ガス供給システムに含まれ得る。

脱気帯３０、熱交換器２６、および酸素付加器２８に加えて、装置２０は、他の血液処理構成要素を任意で含み得る。例えば、装置２０は、ろ過材３６を任意で含み得る（概して図１Ｂに描かれる）。ろ過材３６は、従来の動脈フィルターろ過材料に類似し、ろ過材３６を通過する血液に含有されるＧＭＥおよび小粒子をトラップまたは捕捉するように構成される。ろ過材３６は、装置２０内の様々な場所に位置し得る。一実施形態では、ろ過材３６は、酸素付加器２８のガス交換素子の周囲に位置し得る。あるいは、ろ過材３６は、熱交換器２６と酸素付加器２８との間に配設され得る。さらに別の可能性は、ろ過材３６が、酸素付加器２８の巻き付けられた繊維またはガス交換素子の層の間に位置することである。例えば、酸素付加器２８を備えるガス交換素子または繊維を巻き付ける間に、巻き付けが中断され、ろ過材３６は、そのように巻き付けられた繊維またはガス交換素子の周囲に配置され、巻き付けを継続して酸素付加器２８を完成させる。ろ過材３６が酸素付加器２８内に位置する利点は、酸素付加器２８のガス交換素子の間を流れる血液が酸素付加され、次いでろ過された後、ろ過後に再度酸素付加されることにより、ろ過後の血中酸素濃度を所望の濃度まで上昇させることである。任意のろ過材３６を含む装置２０の他の構成または設計は、本開示により意図され、本明細書に記載されるものに限定されない。さらに他の実施形態では、ろ過材３６は省略され得る。

装置２０は、血液が酸素付加および温度制御されることが望ましい任意の適切なシステムまたはデバイスにおいて使用されるか、または組み込まれてよい。１つの特定のシステムは、Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ，Ｉｎｃ．（Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，ＭＮ）により商品名Ｐｅｒｆｏｒｍｅｒ−ＣＰＢシステムで市販されている心肺バイパス（ＣＰＢ）システムとして知られる、電気機械体外循環支持システムである。他のシステムは、本開示により意図される。この点を考慮して、図５は、装置２０を含む例示的な体外血液回路２１０を提供する。回路２１０は、概して、心臓血管手術中に患者２１２の血液を、静脈ライン２１４を通して引き込む。患者２１２から引き抜かれた静脈血は、静脈貯血槽２１６に流される。心臓切開術の血液および手術野の破片は、吸入デバイス２１８により吸引され、ポンプ２２０により心臓切開術貯槽２２２にポンプ圧送される。一旦消泡およびろ過されると、心臓切開術の血液もまた静脈貯血槽２１６に流される。あるいは、心臓切開術貯槽２２２の機能は、静脈貯血槽２１６に組み込まれてよい。静脈貯血槽２１６内では、静脈血に封入された空気が血液の表面に上昇し、大気に放出される。

ポンプ２２４は、静脈貯血槽２１６から血液を引き抜き、装置２０を通してそれをポンプ圧送する。ポンプ２２４のいくつかの例示型としては、ローラーポンプおよび遠心ポンプが挙げられるが、これらに限定されない。ポンプ２２４は、図示されるように、装置２０の外部にあり得るか、または代わりに装置２０に組み込まれてもよい。下記のとおり、血液は、装置２０により脱気、温度制御、および酸素付加され、次いで動脈ライン２２６を介して患者２１２に戻される。本開示のいくつかの実施形態により、装置２０は、回路２１０が大部分のＣＰＢシステムで通常用いられる、別個の動脈フィルター装置を含まないように、必要なろ過を（例えば、任意のろ過材３６を介して（図１Ｂ）提供する。結果として、回路２１０のプライム容積は、従来の体外血液回路と比較して低減する。

装置２０内の血液の処理および流れは、図６に示される。一般的に、血液流路（Ｂの標示付きで矢印で表される）は、血液入口３２から血液出口３４へと確立される。最初に、血液流路は、脱気領域３０内の回転流または渦流を含む。血液が接線方向に脱気帯３０に進入すると、側壁５２に沿った渦運動（渦巻き）は、第１のチャンバの中心軸Ｃを中心に引き起こされ、上面１１６の平面中心領域１１８上に有効に「定置」または常駐する。したがって、圧力差が脱気領域３０内に形成され、中心軸Ｃから外側に半径方向に増大する圧力を呈する。中心領域１１８は、渦流のそのように形成された低圧部を支持する。この圧力差は、気泡の形態で総空気を流入血液から分離する。渦流の遠心力に起因して、気泡は、中心軸Ｃに押し進められ、装置２０から空気パージ口５６を介して解放される。したがって、総空気除去（または脱気）は、血液が熱交換器２６または酸素付加器２８に遭遇する前に起こる。

体積変位または環状リング領域１８０は、脱気領域３０内で回転する血液が、重力またはポンプ圧を介して、チャネル１３０に向かって流れるのを可能にする（図１Ａにおいて最良に示される）。この点において、環状リング領域１８０は、比較的均一な半径方向の幅を有し、したがって血流を圧迫しない。チャネル１３０への血流およびそれに沿った血流は、実質的に長手方向（すなわち、中心軸Ｃの方向）である。チャネル１３０の角度（すなわち、頭部区分１１０から長手方向に延在する、増大する外面１２２の外径）は、コア１００全体で長手方向に血流の圧力低下を最小化するように最適化される。コア１００外径をテーパー状にすることにより、体積変位領域１８０での圧力は、取り付け台１２４での圧力に近似する。チャネル１３０に沿って移動する間、流れは実質的に長手方向から実質的に半径方向へと熱交換器２６におよび熱交換器２６を通して移動する。この点において、血流は、チャネル１３０に沿って熱交換器２６に移動するとき、圧縮または明らかな「回転」の影響を受けない。血流は、極めて低いせん断率、およびしたがって最小の外傷を受ける。

血液は、チャネル１３０から実質的に半径様式で（中心軸Ｃに対して）、熱交換器２６の熱交換素子の間を流れる。熱交換流体は、熱交換素子を通して押し進められ、熱を血液とともに所望の方向に移動させる。実質的に半径方向の血流は、酸素付加器２８を通して継続し、酸素付加器２８を操作して、血液を酸素付加する。そのような場合、ろ過材３６（図１Ｂ）は、半径方向に流れる血液と連動して、気体微小塞栓および微小粒子を除去する。最後に、酸素付加および温度制御された血流は、血液出口３４を介して装置２０を出る。

本開示の酸素付加および温度制御装置は、以前の設計を越える顕著な改善を提供する。酸素付加器と連動する前に血液を脱気することにより、酸素付加器（および熱交換器）を通して移動する時に、総気泡が「細断」される前に除去される。さらに、血流は、脱気領域３０から熱交換器に移動する際に最小の圧力低下が起こり、それにより外傷を最小限に抑える。最後に、装置が動脈フィルター材を組み込む実施形態により、対応する体外血液回路の全体プライム容積が低減する。

本開示は、好適な実施形態に関して説明されたが、当業者であれば、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の変更が可能であることを認識するであろう。例えば、本開示の原理に従う体外血液回路装置は、熱交換器または酸素付加器構成要素の一方または両方を含む必要はない。

Claims (21)

1. 体外血液回路内で血液を脱気、酸素付加、および温度制御するための装置であって、
   第１のチャンバおよび第２のチャンバを概して画定する筐体であって、前記第１のチャンバが前記第２のチャンバに対して流体的に開かれている、筐体と、
   前記第１のチャンバに対して流体的に開かれ、流入血液を接線方向に前記第１のチャンバへと向けるように、前記第１のチャンバの側壁に対して配設される、血液入口と、
   ヘッドを形成するコア、および複数のチャネルを画定するように前記コアの外面から突出する複数の羽根を含む、前記第２のチャンバ内に配置されたマニホールド体であって、前記ヘッドが前記第１のチャンバと整列するように配設される、マニホールド体と、
   前記第２のチャンバ内に配置され、前記マニホールド体の周囲に配設された複数の伝熱素子を含む、熱交換器であって、前記チャネルが、前記熱交換器に対して開かれている、熱交換器と、
   前記第２のチャンバ内に配置され、前記熱交換器の周囲に配設される複数のガス交換素子を含む、酸素付加器と、
   前記第２のチャンバに対して流体的に開かれている血液出口と、を備え、
   前記血液から空気を分離する前記第１のチャンバ内の回転流、前記第１のチャンバからおよび前記チャネルに沿った略長手方向流、および前記第２のチャンバを通る略径方向流を含む、前記血液入口から前記血液出口への血液流路を確立する、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記第１のチャンバ内で血液から分離された空気を放出するための、前記第１のチャンバに対して流体的に開かれている空気パージ口をさらに備える、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記コアが、前記第１のチャンバの中心軸と同軸的に整列している、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記回転流が、前記中心軸を中心とする、
   請求項３に記載の装置。
5. 前記ヘッドの上面が、前記第１のチャンバの前記側壁と組み合わさって、前記回転流の脱気領域を形成する、
   請求項３に記載の装置。
6. 前記上面が、前記血液入口から長手方向に離間している、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記装置の直立配向に対して、前記上面が前記血液入口の下方にある、
   請求項６に記載の装置。
8. 前記第１のチャンバに対して流体的に開かれている空気パージ口をさらに備え、前記直立配向に対して、前記空気パージ口が前記血液入口の上方にある、
   請求項７に記載の装置。
9. 前記羽根が、前記ヘッドの一部に沿って延在し、前記上面から長手方向にオフセットされた空間的位置において終結する、
   請求項５に記載の装置。
10. 前記マニホールド体が、前記ヘッドと長手方向に隣接し、かつ前記ヘッドから半径方向に離間したリングをさらに含み、前記ヘッドおよび前記リングが組み合わさって、血流を前記第１のチャンバから前記チャネルへと向けるための体積変位領域を形成する、
    請求項１に記載の装置。
11. 前記第１のチャンバの前記側壁の内面が、均一直径を画定し、前記リングの内径が、前記側壁の前記均一直径に近似する、
    請求項１０に記載の装置。
12. 前記コアが、前記ヘッドから延在するネックと、前記ヘッドの反対にある前記ネックから延在する基部と、をさらに含み、さらに前記ネックが、前記ヘッドから前記基部へと長手方向に延在する、増大する外径を画定する、
    請求項１に記載の装置。
13. 前記ヘッドの少なくとも大部分が、均一外径を画定する、
    請求項１２に記載の装置。
14. 前記羽根が、前記基部、前記ネック、および前記ヘッドの一部に沿って長手方向に延在する、
    請求項１３に記載の装置。
15. 前記熱交換器が前記羽根に接触する、
    請求項１に記載の装置。
16. 前記第２のチャンバ内で前記血液流路に沿って配置されたろ過材をさらに備える、
    請求項１に記載の装置。
17. 前記マニホールド体が、前記第１のチャンバからの前記チャネルに沿った前記血流内で、比較的均一の圧力を維持するように構成される、
    請求項１に記載の装置。
18. 体外血液回路内で血液を脱気、酸素付加、および温度制御するための装置であって、
    中心軸を画定する筐体と、
    前記筐体内に配置され、前記中心軸と同軸的に配設され、コアを含むマニホールド体と、を備え、
    前記筐体および前記マニホールド体が組み合わさって、円筒形の側壁を有し、上壁および前記上壁の反対にある低圧支持面により前記中心軸に沿って境界される脱気領域を画定し、前記装置がさらに、
    前記脱気領域に対して流体的に開かれ、流入血液を接線方向に前記脱気領域へと向けるように、前記側壁に対して配設される血液入口であって、前記流入血液に誘導された渦流が、前記低圧支持面に確立されるように、前記低圧支持面が、前記血液入口から長手方向にオフセットされる、血液入口と、
    前記筐体内に配置され、前記マニホールド体の周囲に配設された複数の伝熱素子を含む、熱交換器と、
    前記筐体内に配置され、前記熱交換器の周囲に配設された複数のガス交換素子を含む、酸素付加器と、
    前記筐体の内部に対して流体的に開かれている血液出口と、
    前記筐体内で前記血液流路に沿って配置されたろ過材とを備え、
    空気を血液から分離する前記脱気領域内の渦流、前記脱気領域から前記コアに沿った実質的な長手方向流、ならびに前記コアから前記熱交換器および前記酸素付加器を通る略径方向流を含む、前記血液入口から前記血液出口への血液流路を確立する、
    ことを特徴とする装置。
19. 前記脱気領域内で前記血液から分離された空気を放出するための、前記脱気領域に対して流体的に開かれている空気パージ口をさらに備える、
    請求項１８に記載の装置。
20. 前記マニホールド体が、前記コアから突出する複数の羽根をさらに含み、前記コアおよび前記羽根が組み合わさって、前記脱気領域からの血流を、前記熱交換器に向かって半径方向に誘導するための複数のチャネルを画定する、
    請求項１８に記載の装置。
21. 前記熱交換器が前記羽根に接触する、
    請求項２０に記載の装置。

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