JP6215199B2 - 麻酔回路およびこの麻酔回路を使用するための方法 - Google Patents

麻酔回路およびこの麻酔回路を使用するための方法 Download PDF

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Description

この発明は、患者に麻酔をかけるための麻酔回路に関する。また、この発明は、患者に麻酔をかけるために麻酔回路を使用する方法に関する。
麻酔薬は、一般に、医療処置中に患者に麻酔をかけるために使用される。ストレスレベルを低く維持して患者をリラックスさせるために、患者は、多くの医療処置に対して無感覚でなければならない。麻酔薬が患者へ供給された後に部分的に再使用される麻酔回路システムが、当該技術分野において知られている。利点は、麻酔薬があまり使用されないという点である。これは、大部分の麻酔薬が比較的高価であるため、金銭的に有益である。麻酔薬をあまり使用しないことは、ハロゲン化炭化水素、例えばセボフルランなどの一部の麻酔薬が温室効果流体であるため、環境にも良い場合がある。
二酸化炭素は、細胞中で形成されて、呼気中に呼気流体混合物の約5%のレベルで肺胞を通じて解放される。呼気の終わりの濃度は、呼気終末二酸化炭素値と呼ばれる。二酸化炭素の吸気レベルは、通常、0.5%をはるかに下回る。過剰なレベルの二酸化炭素が患者の血中にあると、血液のpH値が減少し(アシドーシス)、そのため、適切に処置しなければ、患者の脳活動に影響が及び、最終的には、意識不明および死をもたらす場合がある。
患者が流体混合物中の麻酔薬を吸入すると、麻酔薬は、肺胞を通過して患者の血液中に入る。患者は、いくつかある成分の中で特に、吐出麻酔薬、吐出酸素、および、吐出二酸化炭素を含む流体混合物を吐き出す。人の肺の動作に起因して、吐出流体混合物の二酸化炭素含有量は、吸入流体混合物の二酸化炭素含有量よりも高い。また、吐出流体混合物の酸素含有量は、吸入流体混合物の酸素含有量よりも低い。流体混合物(吐出麻酔薬流体を含む)を再使用できるように、吐出流体混合物の二酸化炭素は再吸入に適するレベルまで下げられなければならない。
患者によって再吸入される二酸化炭素流体の量を減少させることを目的とした麻酔回路が、当該技術分野において知られている。業界における一部の麻酔回路は、再吸入のために麻酔回路内に吐出酸素および吐出分子麻酔薬を保とうと試みつつ、吐出混合物中の二酸化炭素含有量を減少させることに焦点を合わせてきた。吐出酸素流体を保ちたいという望みは、患者の血液中の酸素飽和度を、適切な代謝作用を可能にするのに十分高く維持するために、酸素が吸入混合物の一部として適切なレベルで与えられる必要があるという概念を前提としている。多くの刊行物では、特にCOの分離または結合、したがって、麻酔薬を含む流体混合物からCOを分離することに焦点を合わせてきた。
幾つかの従来の麻酔回路は、二酸化炭素吸収体を使用して、麻酔回路内の吐出二酸化炭素を減少させる。場合によっては、例えばソーダ石灰またはバラライムが使用される。セボフルランおよび他の麻酔薬蒸気は、これらの二酸化炭素吸収体と反応して、化合物Aなどの有害な化学物質を生成する可能性がある。化合物Aは、腎毒性効果または脳毒性効果などのマイナスの効果を及ぼすことが分かってきた。
他の従来のシステムでは、麻酔回路から吐出二酸化炭素の量を減少させるために、二酸化炭素(および、場合によっては麻酔薬)と化学的に反応する物質が含浸された膜が使用される。例えば、二酸化炭素と化学的に反応するアミノ酸またはアミン基を含む膜が、当該技術分野において知られる。反応部位が経時的に劣化または汚染される場合があり、それにより、膜を処分して交換する必要がある。
麻酔薬を少なくとも1つの他の流体から分離する当該技術分野において知られる選択膜の特定の例としては、Schmidtの特許文献1、Schmidtの特許文献2、Kulkarni等の特許文献3、および、非特許文献1が挙げられる。
米国特許出願公開第2007/0017516号明細書 米国特許出願公開第2010/0031961号明細書 米国特許出願公開第2009/0126733号明細書
The Journal of Membrane Science Article「Xenon recycling in an anaesthetic closed−system using carbon molecular sieve membranes」( S.Lagorsse, F.D. Magalhaes, A. Mendes; Journal of Membrane Science 301(2007)29−38)
吐出分子麻酔薬を効果的に保持して患者へ再循環させることができる改良された麻酔回路の必要性が存在する。
以下の概要は、後段の更に詳しい説明を読者へ与えるために提供される。概要は、特許請求の範囲を限定しまたは規定しようとするものではない。
この開示の1つの広範な態様によれば、患者を処置するための麻酔回路は、
流路と;
外部麻酔薬を流路内へ導入するために流路と流体連通する麻酔薬入口と;
少なくとも外部麻酔薬を患者へ与えるために流路と流体連通する流出出口と;
吐出流体混合物を患者から受けるための流入入口であって、
吐出流体混合物が、吐出酸素、吐出二酸化炭素、および、吐出分子麻酔薬を含み、流路が、吐出流体混合物を流入入口から受けるために流入入口と流体連通し、
膜が、少なくとも1つの高分子材料を含み、流路に流体連通し、流入入口よりも下流側に配置され、吐出流体混合物が膜と接触した後に吐出分子麻酔薬を流路内に少なくとも部分的に保持するために吐出分子麻酔薬を少なくとも部分的に透過させず、
1よりも大きい吐出酸素対吐出分子麻酔薬選択性を膜が有するように、膜が吐出酸素を透過させ、
1よりも大きい吐出二酸化炭素対吐出分子麻酔薬選択性を膜が有するように、膜が吐出二酸化炭素を透過させ、
吐出流体混合物よりも吐出二酸化炭素の量が少ない改質流体混合物を流路内に残すように、吐出流体混合物が膜と接触し、
流出出口は、膜よりも下流側に位置されるとともに、少なくとも改質流体混合物を患者に与える、流入入口と;
患者へ与えられる改質流体混合物に加えられるべき外部流体を流路内へ導入するための流体入口と;
を備える。
膜は、少なくとも2の吐出酸素対吐出分子麻酔薬選択性を有してもよい。随意的に、膜は、少なくとも3、4、5、10、50、100または250の吐出酸素対吐出分子麻酔薬選択性を有する。
膜は、少なくとも2の吐出二酸化炭素対吐出分子麻酔薬選択性を有する。随意的に、膜は、少なくとも3、4、5、10、50、100または250の吐出二酸化炭素対吐出分子麻酔薬選択性を有する。
膜の全体が高分子材料から形成されてもよい。
幾つかの実施形態において、膜は、流路の外部に位置する二次酸素が膜を通過して流路に入るように構成される。
幾つかの実施形態において、麻酔回路は、外部流体に外部酸素を混入させるための外部酸素源を更に備える。
幾つかの実施形態において、麻酔回路は、流路を通じた吐出流体混合物および改質流体混合物の流れを促進させるための1つの流れ発生器を備える。
幾つかの実施形態において、麻酔回路は、吐出流体混合物と膜との間の接触を増やすように吐出流体混合物の乱流を膜において形成するための乱流誘発構成要素を流路内に備える。
吐出分子麻酔薬は揮発性麻酔薬であってもよく、また、膜の少なくとも一部が揮発性麻酔薬を透過させなくてもよい。
吐出分子麻酔薬がポリハロゲン化エーテルを含んでよい。
吐出分子麻酔薬は、セボフルラン、イソフルラン、または、デスフルランのうちの少なくとも1つを含んでもよい。
吐出分子麻酔薬が168g/モルよりも大きい分子量を有してもよい。
場合によっては、膜の、二酸化炭素吸収材料が流路の外部にある側に位置し、膜は、吐出分子麻酔薬が二酸化炭素吸収材料と接触するのを妨げるために、二酸化炭素吸収材料を流路内に保持された吐出分子麻酔薬から分離する。二酸化炭素吸収材料は、ソーダ石灰、アルカノ石灰、アルカノールアミン、アミノ化合物、アミノ酸のアルカリ塩、グリシン、DL−アラニン、β−アラニン、セリン、トレオニン、イソロイシン、DL−バリン、ピペラジン−2−カルボキシ酸、プロリン、アルギニン、γ−アミノ酪酸、オルニチン、グリシン酸カリウム、トレオン酸カリウム、タウリン、クレアチン、および、ヒスチジンのうちの少なくとも1つを含んでよい。
幾つかの実施形態において、吐出流体混合物は、アセトアルデヒド、アセトン、エタン、エチレン、水素、イソプレン、メタン、メチルアミン、または、ペンタンを含む代謝物質を含む。この場合、膜が代謝物質を透過してもよい。この場合、吐出流体混合物は、吐出流体混合物よりも代謝物質の量が少ない改質流体混合物を流路内に残すように膜と接触する。
膜がポリハロカーボン膜であってもよい。より具体的には、膜がポリメチルペンテン膜であってもよい。膜がポリシロキサン膜であってもよい。より具体的には、膜がポリジメチルシロキサン膜であってもよい。
膜が高密度膜であってもよい。膜が高密度ポリメチルペンテン膜であってもよい。
膜は、多孔質支持層と高密度層とを備える少なくとも1つの壁を有する中空繊維を備える非対称膜であってもよい。
場合によっては、膜は、ガラス質高分子、高分子サイズ選択膜、または、複合高分子膜を備える。
膜は、吐出二酸化炭素に対して完全に不活性であってもよく、また、アミノ酸が全くなくてもよい。
この開示の他の広範な態様によれば、患者の麻酔処置のための方法が提供される。この方法は、
分子麻酔薬を含む外部麻酔薬を、流路を介して患者へ向けて患者内に導入するステップと、
吐出酸素、吐出二酸化炭素、および吐出分子麻酔薬を含む吐出流体混合物を患者から離れるように患者の外へと流路内へ方向付けるステップと、
高分子材料を含むとともに流路と流体連通する膜へ向けて、吐出流体混合物を流路を通じて進めて膜と接触させるステップと、
改質流体混合物を流路内に残すように吐出流体混合物が膜と接触した後に、吐出分子麻酔薬よりも多い吐出二酸化炭素を吐出流体混合物から膜を通じて流路の外へ移送するステップであって、改質流体混合物は吐出流体混合物よりも低い濃度の吐出二酸化炭素を有する、ステップと、
改質流体混合物を流路内に残すように吐出流体混合物が膜と接触した後に、吐出酸素を膜を通じて移送するステップであって、膜が1よりも大きい吐出酸素対吐出分子麻酔薬選択性を有する、ステップと、
少なくとも改質流体混合物を患者に与えるために、改質流体混合物を流路を通じて患者へと進めるステップと、
を含む。
様々な実施形態の説明において添付図面を参照する。
本発明の一実施形態に係る典型的な麻酔回路の側面図である。 外部酸素源を更に備える図1の麻酔回路の側面図である。 圧縮性部材を有する本発明の別の実施形態に係る麻酔回路の側面図である。 流れ発生器と流路の残りの部分との間に膜が配置される本発明の別の実施形態に係る麻酔回路の側面図である。 ベローを有する本発明の別の実施形態に係る麻酔回路の側面図である。 乱流誘発部材を更に備える図1の麻酔回路の側面図である。 複数の膜を更に備える図1の麻酔回路の側面図である。 膜に対する流体の流れを示す麻酔回路の側面図である。 膜に対する流体の流れを示す麻酔回路の側面図である。 二酸化炭素吸収材料を更に備える図1の麻酔回路の側面図である。 本発明の一実施形態に係る膜形態の側面図である。 本発明の別の実施形態に係る膜形態の側面図である。 本発明の他の実施形態に係る膜形態の側面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る膜形態の側面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る膜形態の顕微鏡平面図である。 QUADROX−D(商標)人工肺を提供する斜視図である。 人工肺の一例を提供する側面図である。 流路に対して90°回転された図14の人工肺を提供する側面図である。 OXYPLUS(商標)膜の高密度層を提供する顕微鏡画像である。 OXYPLUS(商標)膜の多孔質支持層を提供する顕微鏡画像である。 OXYPLUS(商標)膜の中空繊維を提供する部分平面図である。 OXYPLUS(商標)膜の高密度層および多孔質支持層を提供する顕微鏡平面図である。 ACCUREL(商標)製造プロセスの概略表示を提供する図である。 ULTRAPHOBIC(商標)膜の中空繊維を提供する顕微鏡平面図である。 ULTRAPHOBIC(商標)膜の高密度層を提供する顕微鏡画像である。 ULTRAPHOBIC(商標)膜の多孔質支持層を提供する顕微鏡画像である。 ULTRAPHOBIC(商標)膜の高密度層および多孔質支持層を提供する顕微鏡平面図である。
図1は、患者を処置するための典型的な麻酔回路10を示す。図1に示されるように、麻酔回路10は流路12を備える。流路12は、流体を患者20へおよび患者20から移送するための通路を与える。本明細書中で論じられる流体は、気体、または、複数の気体の組み合わせ、または、液体、または、複数の液体の組み合わせを含むことに留意されたい。液体は、例えば蒸気の形態で存在してもよい。流体という用語は、流体と液体(場合によっては、蒸気の形態を成してもよい)との混合を包含してもよい。場合によっては、流路12は中空管路を与える。流路12は例えば可撓性チューブであってもよい。流路12は、プラスチックなどの高分子材料から形成されてもよい。場合によっては、麻酔回路10は換気システムであってもよい。
麻酔薬入口14は流路12と流体連通する。麻酔薬入口14は、少なくとも外部麻酔薬16を流路12内へ導入する。図1は、外部麻酔薬16を患者20へ供給するために従来と同様に使用される麻酔器18と流体連通する、流路12の麻酔薬入口14を示す。外部麻酔薬16は、麻酔器18内に蓄えられて、麻酔器18によって流路12へ供給されてもよい。麻酔器18は、流路12を通じて移動する流体の流量を監視してもよい。麻酔器18は、患者20の身体特性およびバイタルサインを監視するために使用されてもよい。図1では、患者20が人間であるとして示されるが、患者20は、任意の人、動物、細胞、または、有機体であってもよい。麻酔回路10は、例えば人や動物などの任意の生きている細胞または有機体を処置するために使用されてもよい。麻酔回路10は、例えば犬や猫などの家庭内ペットを治療するために使用されてもよい。
流出出口22も流路12と流体連通する。流出出口22は、少なくとも外部麻酔薬16を患者20へ与える。外部麻酔薬16は、最初に、患者20の気道への流出出口22を介した外部麻酔薬16の供給によって麻酔プロセスが始まるときに、患者20に麻酔をかける。流出出口22は、流体を流路12から患者20へ供給するために患者20の気道により直接に受けられるように構成されてもよい。あるいは、流出出口22は、患者20の気道によって受けられるY字状ピース24と係合してもよい。患者20は、自分の気道を通じて外部麻酔薬16を吸い込み、それにより、麻酔薬が患者の肺へ供給される。
患者20が変換された吐出流体混合物26を吐き出すように、患者20の肺胞内で交換が行なわれる。吐出流体混合物26は、吐出酸素28、吐出二酸化炭素30、および、吐出分子麻酔薬34を含む。
吐出分子麻酔薬34は、吐出酸素28および吐出二酸化炭素30に加えて他の流体と混合されてもよいまたは混合されなくてもよい分子麻酔薬である。当業者であれば分かるように、分子麻酔薬は、分子を形成するように互いに結合される複数の異なる原子を有する。例えば、セボフルランは、化学的形態(1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−(フルオロメトキシ)プロパン)を有する分子麻酔薬である。また、セボフルランは、互いに結合される異なる元素、すなわち、フッ素、炭素、および、酸素を含む。一方、希ガスは、他の原子に結合されない1つの原子のみから成る。例えば、キセノン麻酔薬はキセノン原子のみから形成され、また、アルゴンはアルゴン原子のみから形成される。吐出分子麻酔薬34は外部麻酔薬16から生じてもよく、この場合、外部麻酔薬16は分子麻酔薬を含む。場合によっては、吐出分子麻酔薬34は、患者の身体内で溶解した(すなわち、心臓手術後の)分子麻酔薬である。場合によっては、吐出分子麻酔薬34は、一部が患者の身体内で溶解し、一部が患者の気道へ導入された外部麻酔薬16内に含まれた分子麻酔薬を含む。幾つかの実施形態では、吐出分子麻酔薬34が単なる吐出麻酔薬である。幾つかの実施形態では、吐出分子麻酔薬34が他の非分子麻酔薬と混合される。
随意的に、吐出分子麻酔薬34はポリハロゲン化エーテルを含む。吐出分子麻酔薬34は疎水性(すなわち、気体形態では、麻酔薬が水中よりも油中で良く溶け、また、液体形態では、麻酔薬が水と自由に混和できる)であってもよい。吐出分子麻酔薬34の非限定的な例としては、セボフルラン、デスフルラン、または、イソフルランが挙げられる。分子麻酔薬34は、専ら、セボフルラン、デスフルラン、または、イソフルラン、あるいは、これらの混合物のうちの1つから構成されてもよい。
吐出分子麻酔薬34が揮発性麻酔薬であってもよい。揮発性麻酔薬は、室温(随意的に1気圧で20℃)で液体であるが、減圧下で容易に蒸発する。随意的に、吐出分子麻酔薬34は、20℃で約155mmHg〜670mmHgの蒸気圧を有する。随意的に、吐出分子麻酔薬34は、20℃で約250mmHg〜500mmHgの蒸気圧を有する。
随意的に、吐出分子麻酔薬34は、760mmで約20℃〜60℃の範囲内の沸点を有する。
随意的に、吐出分子麻酔薬34は少なくとも150g/モルの分子量を有する。随意的に、吐出分子麻酔薬は少なくとも168g/モルの分子量を有する。特に、一方で、キセノン(原子麻酔薬である)は約131.3g/モルのより小さい分子量を有する。
麻酔回路10は、吐出流体混合物26を患者20から受けるための流入入口36を有する。流路12は、流入入口36から吐出流体混合物26を受けるために流入入口36と流体連通する。流入入口36は、流体を患者20から流路12へ供給するために患者20の気道によって直接に受けられるように構成されてもよい。流入入口36は一方向弁であってもよい。あるいは、流入入口36は、患者20の気道によって受けられるY字状ピース24と係合してもよい。流入入口36は、図1に例示されるように、流出出口22とは別個の異なるものであってもよい。あるいは、流入入口36および流出出口22は、流体を患者20へおよび患者20から供給するために流路12内に形成される1つの開口であってもよい。幾つかの実施形態において、麻酔薬入口14は、流入入口36および流出出口22とは別個の異なるものであってもよい。流出出口22は一方向弁であってもよい。幾つかの実施形態では、流入入口36および流出出口22のうちの少なくとも一方が麻酔薬入口14として機能してもよい。麻酔薬入口14は、液状麻酔薬のための注射器であってもよい。
図1に例示されるように、麻酔回路10は膜38を備え、膜38は、少なくとも1つの高分子材料を含むとともに、流路12と流体連通する。図1に例示されるように、膜38は膜ハウジング40内に収容されてもよい。あるいは、膜38は、膜ハウジング40が無い場合には、流路12の壁の開口内に嵌合してもよい。膜38が流路12の壁の開口内に嵌合する場合、膜38は、流路12の壁の残りの部分に取り付け固定されてもよく、または、流路12の壁の残りの部分と一体形成されてもよい。場合によっては、膜38は流路12の内部でその壁間にまたがる。
図1に例示されるように、膜38は流入入口36よりも下流側に配置される。この実施形態において、吐出流体混合物26が流路12を通じて移動する際には、吐出流体混合物が膜38と接触した後、吐出流体混合物26の一部が膜38を通過して流路12から排出され、それにより、改質流体混合物42が流路12内に残る。
膜38が膜ハウジング40内に収容される際には、ハウジング入口44を通じて吐出流体混合物26が膜ハウジング40内へ受けられてもよい。吐出流体混合物26が膜ハウジング40内の膜38と接触した後、改質流体混合物42が膜ハウジング40内に形成される。改質流体混合物42は、ハウジング出口46を介して膜ハウジング40から出てもよい。改質流体混合物42が膜ハウジング40から出ると、改質流体混合物が流路12を通じて移動してもよい。
膜38は少なくとも1つの高分子材料を含む。幾つかの実施形態では、膜38の全体が高分子材料から形成される。幾つかの実施形態では、膜38の全体が1つの高分子材料のみから形成される。幾つかの実施形態において、膜38は、ポリシロキサンを含み、それにより、ポリシロキサン膜である。より具体的には、膜38は、ポリジメチルシロキサンを含んでよく、それにより、ポリジメチル膜であってもよい。幾つかの実施形態において、膜38は、ハロカーボン高分子を含み、それにより、ポリハロカーボン膜である。より具体的には、膜38は、ポリメチルペンテンを含んでよく、それにより、ポリメチルペンテン膜である。
流出出口22は、膜38よりも下流側に配置され、少なくとも改質流体混合物42を患者20へ与える。流入入口36は、膜38よりも上流側に配置されてもよい。
図1に示されるように、麻酔回路10は、流路12内の改質流体混合物42に加えられるべき外部流体を外部流体源52から導入するための流体入口50を備える。流体入口50は、流路12と流体連通する独立した入口であってもよい。あるいは、図1に示されるように、麻酔薬入口14が流体入口50としての役目を果たしてもよい。流体入口50は、流路12内の酸素レベルが患者20をサポートするために許容できるレベルを下回る場合には、必要に応じて、更なる新鮮な流体(例えば、酸素または空気)を流路12に加えて患者20へ与えることができるようにしてもよい。酸素補充は、例えば患者20が自分の代謝率を高める場合に必要とされる場合がある。また、酸素補充は、かなりの量の酸素が膜38を介して流路12から出る場合に必要とされる場合もある。空気または酸素を流路12に加えることは、一般に、外部麻酔薬16を流路12に加えるよりも安価(単位体積当たり)であることに留意されたい。外部空気源52は、圧縮された加圧空気を内部に収容するタンクであってもよい。
先に概説した態様で、流体が流路12を通じて少なくとも部分的に再循環してもよい。流体の流れ方向48の一例が図1に示される。
図1に示される実施形態の別の実施形態において、膜38は、流体流れ方向48に対応する円形ループ状に流体を移動させる流路12の部分(図示せず)の外部にある流路12の部分(図示せず)に配置されてもよい。場合によっては、膜38は、流体流れ方向48に対応する円形ループ状に流体を移動させる流路12の部分と流体源52との間に位置する流路12の分岐通路(図示せず)に配置されてもよい。幾つかの実施形態では、膜38が麻酔器18に配置されてもよい。
図2に示されるように、場合によっては、麻酔回路10は、外部流体に外部酸素を混入するための外部酸素源56を備える。外部酸素源56は、圧縮された加圧酸素流体を内部に収容するタンクであってもよい。外部酸素が流体入口50を通じて供給されてもよい。
図1に戻ると、麻酔回路10は、吐出流体混合物26および改質流体混合物42の流路12を通じた流れを促進するための少なくとも1つの流れ発生器58を備えてもよい。図1に示される実施形態において、麻酔器18は、当該技術分野において一般に知られるように、流れ発生器58としての機能を果たしてもよい。場合によっては、複数の流れ発生器58が設けられてもよい。一例として、第1の流れ発生器が吐出流体混合物26の流れを推進してもよく、また、第2の流れ発生器が改質流体混合物42の流れを推進してもよい。流れ発生器58の例としては、流路12を通じて流体を押し進めることができるモータ、ファン、ポンプ、または、真空装置が挙げられる。
図3aに示される別の実施形態では、流れ発生器58は圧縮性部材59を備える。図3に示されるように、圧縮性部材59は対向壁60を備える。対向壁60が互いに近づけられると、流路12内にプラスの駆動圧が形成される。対向壁60は、可撓性であってもよく、また、対向壁が圧縮されて解放された後に対向壁がそれらの非圧縮状態に戻るように弾性的に付勢されてもよい。この動きは、流路12内にマイナスの駆動圧を形成する。対向壁60が人の手によって手動で圧縮可能であってもよい。
場合によっては、図3aに示されるように、流路12は、流路12内の流体を必要に応じて解放するための少なくとも1つの弁62を備える。
図3bに例示されるように、膜ハウジング40(図示しない膜を内部に有する)は、流路12の残りの部分と流れ発生器58との間に配置されてもよい。図3bに例示されるように、流れ発生器58は、対向壁60を有する圧縮性チャンバ59を備えてもよい。
図3cに示される別の実施形態において、流れ発生器58は、流体流れを発生させるためのプランジャ61を備えるベローを備える。
図4に示されるように、麻酔回路10は乱流誘発構成要素64を備えてもよい。乱流誘発構成要素64は、吐出流体混合物26と膜38との間の接触を増やすように吐出流体混合物26の乱流を膜38において形成する。図4に示されるように、乱流誘発構成要素64は流路12内に配置される任意の物体であってもよく、その場合、流路を通じて移動する流体が物体の周囲に流されるようになっている。あるいは、乱流誘発構成要素64は、流路12の少なくとも1つの壁内の形状の変化を備えてもよい。随意的に、形状の変化は急激であって、流路12内に流体流れ渦を形成する。乱流誘発構成要素64は、随意的に、膜38の上流側に膜38に隣接して配置される。膜38が膜ハウジング40内に収容されている場合、乱流誘発構成要素64は、図4に示されるように、ハウジング入口44の上流側に隣接して配置される。乱流誘発構成要素64は膜ハウジング40内に位置されてもよい。
図3a〜図3cに例示されるように、流路12は、流路12を通じて乱流の流体流れを促進するために、その全長にわたって不均一な断面を有してもよい。
図5に例示されるように、麻酔回路10が複数の膜38を備えてもよい。各膜38は、図5に例示されるように、それ自体の膜ハウジング40内に収容されてもよい。
図6aに例示されるように、膜38は、吐出流体混合物26が膜38と接触した後に吐出分子麻酔薬34を流路12内に少なくとも部分的に保持するために、吐出分子麻酔薬34を少なくとも部分的に透過させない。場合によっては、膜38は、吐出流体混合物26が膜38と接触した後に吐出分子麻酔薬34を流路12内に実質的に保持するために、吐出分子麻酔薬34を実質的に透過させない。随意的に、膜38は吐出分子麻酔薬34を実質的に透過させない。場合によっては、膜38は、分子麻酔薬の5%未満を透過するように構成される。随意的に、膜38は原子麻酔薬(すなわち、例えばキセノンを含む希ガス)を実質的に透過する。
膜38は、膜38が1よりも大きい吐出酸素対吐出分子麻酔薬選択性を有するように吐出酸素28を透過させる。言い換えると、吐出分子麻酔薬34よりも多くの吐出酸素28が膜38を通じて流路12から出る。膜38は、膜38が少なくとも2の吐出酸素対吐出分子麻酔薬選択性を有するように吐出酸素28を透過させてもよい。言い換えると、吐出分子麻酔薬34よりも少なくとも2倍多い吐出酸素28が膜38を通じて流路12から出てもよい。随意的に、膜38は、それが少なくとも3、4、5、10、50、100または250の吐出酸素対吐出分子麻酔薬選択性を有するように吐出酸素28を透過させてもよい。随意的に、膜38は吐出酸素を実質的に透過させる。
膜38は、膜38が1よりも大きい吐出二酸化炭素対吐出分子麻酔薬選択性を有するように吐出二酸化炭素を透過させる。言い換えると、吐出分子麻酔薬34よりも多くの吐出二酸化炭素30が膜38を通じて流路12から出る。膜38は、膜38が少なくとも2の吐出二酸化炭素対吐出分子麻酔薬選択性を有するように吐出二酸化炭素を実質的に透過させてもよい。言い換えると、吐出分子麻酔薬34よりも少なくとも2倍多い吐出二酸化炭素30が膜38を通じて流路12から出てもよい。随意的に、膜38は、それが少なくとも3、4、5、10、50、100または250の吐出二酸化炭素対吐出分子麻酔薬選択性を有するように吐出二酸化炭素30を透過させてもよい。随意的に、膜38は吐出二酸化炭素を実質的に透過させる。
吐出流体混合物26は、改質流体混合物42を流路12内に残すように膜38と接触する。改質流体混合物42は、吐出流体混合物26よりも吐出二酸化炭素30の量が少ない。言い換えると、改質流体混合物42中の吐出二酸化炭素30の量は、吐出流体混合物26中の吐出二酸化炭素30の量よりも少ない。場合によっては、改質流体混合物42は、吐出流体混合物26よりも吐出酸素28の量が少ない。図6aは、吐出流体混合物26が膜38と接触した後に膜38を通過して流路12から出る吐出酸素28および吐出二酸化炭素30を示す。
麻酔回路で使用される多くの従来の膜は、流路12内での吐出酸素28の保持に焦点を合わせる。特定のケースでは、吐出酸素28の一部を膜38に通過させることが有利である。図6aは、膜38を通じて流路12から流出する吐出酸素28を示す。幾つかの実施形態では、かなりの量の吐出酸素28がシステムから出ることを許容される。外部酸素は、膜を通じて失われる吐出酸素28に相当するように比較的安価に流路12内へ補充され得る。外部酸素のコストは、外部麻酔薬16のコストよりもかなり低い。幾らかの(随意的には、かなりの量の)吐出酸素28が膜38を通過して麻酔回路10から流出できるようにしつつ吐出分子麻酔薬34を少なくとも部分的に(随意的には、実質的に)保持することが有利である。これらの特性を有する膜は、比較的高い(二酸化炭素)/(酸素)選択性を有する従来の膜を上回る幾つかの利点を与える。場合によっては、分子麻酔薬34よりも多い吐出酸素28が通過できるようにする膜が、麻酔回路10で用いるのに有利である。この特性を有する一部の膜は、吐出二酸化炭素30(および、場合により、吐出分子麻酔薬34)と化学的に反応して有害な副生成物を生成する物質が無い。また、吐出酸素28(随意的に、かなりの量の吐出酸素)が通過できるようにする幾つかの膜を使用することにより、化学的に反応する材料が使い果たされるときに膜を交換する必要性を回避できる。
麻酔回路10内の吐出二酸化炭素30の量を(随意的には、かなり)減少させつつ患者20による再吸入のために比較的高価な吐出分子麻酔薬34の少なくとも一部(随意的には、かなりの量)を保持することが有利である。吐出二酸化炭素30は膜38を通過して流路12から出ることが許容されるため、これにより、健康に有害な影響を及ぼす可能性がある過剰な量の吐出二酸化炭素30の患者による再吸入が防止される。
吐出分子麻酔薬34は揮発性麻酔薬であってもよい。この場合、膜38は、揮発性麻酔薬を少なくとも部分的に(随意的には、実質的に)透過させない。吐出分子麻酔薬34は、セボフルラン、イソフルラン、および/または、デスフルランの混合を含んでもよい。膜38は、セボフルラン、イソフルラン、および/または、デスフルランを少なくとも部分的に(随意的には、実質的に)透過させなくてもよい。
場合によっては、図6bに例示されるように、膜38は、流路12の外部に位置する二次酸素65が膜38を通過して流路12に入るように構成される。二次酸素65は、膜の、流路12の外部にある側で膜38に隣接する大気の一部である天然成分であってもよい。二次酸素65は、例えば、空気または略純粋な酸素の圧縮タンクなどの外部源から導入されてもよい。
本出願の文脈において、一般に空気中に存在する極少量の任意の麻酔物質は、麻酔薬であると見なされない。外部麻酔薬16(図1参照)および吐出分子麻酔薬34は、本出願の目的のため、患者20に対して麻酔効果または所望の保護効果を与える(または、少なくともかなり寄与する)のに十分な量で存在する物質に関連する。したがって、麻酔薬への言及は、自然に生じる空気の成分に加えられる化学物質のことを示す。幾つかの実施形態では、外部麻酔薬16が異なる麻酔薬の混合物を含み、また、吐出分子麻酔薬34が異なる麻酔薬の混合物を含む。
吐出分子麻酔薬34の一部(または、随意的には、かなりの量)を流路12内に保持することにより、吐出分子麻酔薬34が再循環されて患者20により再吸入され得る。したがって、患者を麻酔薬の影響下に保つために、より安価な方法で、外部麻酔薬16(図1参照)が流路12に加えられる必要がある。外部大気中へ排出される環境に有害な吐出分子麻酔薬34の量は、最小限に抑えることができる。
図7に示される実施形態において、麻酔回路10は二酸化炭素吸収材料66を含む。二酸化炭素吸収材料66は、ソーダ石灰、アルカノ石灰、アルカノールアミン、アミノ化合物、アミノ酸のアルカリ塩、グリシン、DL−アラニン、β−アラニン、セリン、トレオニン、イソロイシン、DL−バリン、ピペラジン−2−カルボキシ酸、プロリン、アルギニン、γ−アミノ酪酸、オルニチン、グリシン酸カリウム、トレオン酸カリウム、タウリン、クレアチン、および、ヒスチジンのうちの少なくとも1つを含んでよい。二酸化炭素吸収材料66は、吐出二酸化炭素30を流路12から吸収して、患者20へと再び導入される吐出二酸化炭素30の量を減少させる。図7に例示されるように、二酸化炭素吸収材料66は、流路12の、膜38の外部にある側に配置される。膜38は、吐出分子麻酔薬34が二酸化炭素吸収材料66と接触するのを妨げるために、流路12内に保持される吐出分子麻酔薬34から二酸化炭素吸収材料66を分離する。
図8は、吐出流体混合物26中の吐出分子麻酔薬34を二酸化炭素吸収材料66から分離する膜38を示す。
吐出分子麻酔薬34が二酸化炭素吸収材料66と化学的に相互作用することを膜38によって妨げるようにすることが有利である。例えば、吐出分子麻酔薬34がセボフルランであり、かつ二酸化炭素吸収材料66がソーダ石灰である場合、吐出分子麻酔薬34と二酸化炭素吸収材料66との間の接触および相互作用は、十分な量で吸入すれば患者20に有害な影響を及ぼす場合がある化合物Aなどの有害な副生成物を形成する可能性がある。膜38は、吐出分子麻酔薬34よりも多くの吐出二酸化炭素30が膜を通過するのを選択的に可能にするため、吐出二酸化炭素30を依然として効果的に吸収抽出して流路12から排出しつつ、これら有害な反応が最小限に抑えられる。
場合によっては、膜38は、吐出分子麻酔薬34に対して不活性である。
場合によっては、膜38が完全に不活性である。言い換えると、膜38は、任意の他の物質と化学的に反応しない。
膜38は、アミノ酸を何ら含まなくてもよい。この場合、アミノ酸は、膜38中に含浸されず、あるいは、膜38の表面上に堆積されない。
膜にアミノ酸が含浸されるまたは膜上にアミノ酸が堆積されると、アミノ酸が吐出二酸化炭素30と反応する。この反応中、アミノ酸が消費され得る。アミノ酸が消費されると、膜38を交換しなければならない(あるいは、より多くのアミノ酸が膜に付加される)。不活性であり、かつ化学的劣化に起因して交換または補充される必要がない膜38を有することが有利である。
幾つかの実施形態において、吐出流体混合物26は、アセトアルデヒド、アセトン、エタン、エチレン、水素、イソプレン、メタン、メチルアミン、または、ペンタンを含む代謝物質(図示せず)を含み。場合によっては、吐出流体混合物26は、先に挙げられた物質による代謝のうちの2つ以上の混合物から成る代謝物質を含む。膜38は、代謝物質を膜38を通じて透過させて流路12から排出するように代謝物質を透過させてもよい。随意的に、膜38は、1よりも大きい代謝物質対吐出分子麻酔薬34選択性を有する。この場合、吐出流体混合物26は、吐出流体混合物26よりも代謝物質の量が少ない改質流体混合物42を流路内に残すように膜38と接触する。膜38は、少なくとも2の膜物質対吐出分子麻酔薬選択性を有してもよい。随意的に、膜38は、少なくとも3、4、5、10、50、100または250の膜物質対吐出分子麻酔薬選択性を有する。
ここで、(図1−図2、図4−図5、図6a−図6bに示される)膜38のための膜の例について詳しく説明する。
図1に例示されるように、膜38は、吐出流体混合物26が膜38の内面68と接線方向で接触するように麻酔回路10内に構成されてもよい。図9に例示されるように、吐出流体混合物26は、それが膜ハウジング40のハウジング入口44に入るように、流入方向70を有する。吐出流体混合物26の異なる部分の流れ方向が変えられてもよく、また、このポイントで流れが乱流になってもよいが、吐出流体混合物26は、流路12により規定されるように、流入方向70によって示される平均的な方向を有する。場合によっては、膜38の長手方向軸は、図9に示されるように、吐出流体混合物26の流入方向70と略平行である。
図10は、中空繊維72を備える膜38を例示する。図10に示されるように、膜38は、少なくとも一部が膜ハウジング40内に収容されてもよい。吐出流体混合物26が中空繊維72の外面に接触すると、少なくとも吐出酸素28および吐出二酸化炭素30が少なくとも1つの中空繊維72の中空の内部に選択的に入る。中空繊維72の内部に入る成分(またはその一部)は、その後、膜38を通過して、中空繊維72の少なくとも1つの端部を介して流路12から出る。中空繊維72の外部にとどまる吐出流体混合物26の部分は、改質流体混合物42としてハウジング40から出る。一般に、改質流体混合物42は、少なくとも1つの中空繊維72の端部を通じて失われる任意の成分(またはその一部)の量が少ない。随意的に、中空繊維72は、図10に示されるように、吐出流体混合物26の流入方向70に対して略垂直である。
あるいは、図11は、吐出流体混合物26の流入方向70と略平行な中空繊維72を例示する。図11に示されるように、膜38は少なくとも一部が膜ハウジング40内に収容されてもよい。この場合、吐出流体混合物26は、中空繊維72の端部を介して中空繊維72の内部に入る。中空繊維72の内部にとどまる吐出混合物の部分は、改質流体混合物42として膜38から出る。中空繊維72の内部から外部へと選択的に通り過ぎる成分(またはその一部)は、膜38を貫通し、流路12の外へ出る。
幾つかの実施形態では、膜38が高密度膜を備える。この場合には、膜38が高密度膜と見なされる。場合によっては、膜38の全体が高密度膜材料から形成される。当業者であれば分かるように、高密度膜は、孔またはボイドが何ら無い中実材料を含む。物質は、溶解および拡散のプロセスによって高密度膜を通過する。物質は、膜38中へ溶解して膜の反対側へと通り抜けることによって膜38を通過する。高密度膜38の一例が図12に示される。図12は、全体を通して一貫して孔が無い単一中実層74を備える高密度無孔膜である膜38を例示する。場合によっては、膜38の全体が高密度膜材料から形成される。
幾つかの実施形態において、膜38は、ポリメチルペンテンから成る高密度膜である。より具体的には、単一中実層74(図12に示される)はポリメチルペンテンから形成されてもよい。場合によっては、膜38は、高分子シリコンから成る高密度膜を備える。より具体的には、膜38はポリジメチルシロキサンを含んでよい。高密度膜は、膜を通じた移動の原理として、また、選択性に関しても、溶解および拡散に依存する。以下で更に詳しく論じるように、ポリメチルペンテン膜は、分子麻酔薬と比べて二酸化炭素および酸素を優先する選択性を有することが分かった。高分子シリコン、より具体的には、ポリジメチルシロキサンは、ポリメチルペンテン高密度膜のような高密度膜であるため、同様の選択性が予想される。
ポリメチルペンテン高密度膜の一例は、例えばQUADROX−D(商標)人工肺と共に使用されてもよい。QUADROX(商標)は、MAQUET CARDIOPULMONARY AG(商標)によって所有される。QUADROX−D(商標)製品は、GETINGE AB(商標)企業グループの一部であるMAQUET(商標)によって販売される。出願人の知る限りでは、QUADROX−D(商標)人工肺などの人工肺は、オンポンプ心臓手術において使用されてきた。本発明の幾つかの実施形態において、QUADROX−D(商標)人工肺は、膜38を内部に有する膜ハウジング40(例えば図1参照)として、麻酔回路10の一部として使用される。
図13は、膜38が膜ハウジング40内に配置されるQUADROX−D(商標)を示す。QUADROX−D(商標)のための膜ハウジング40はポリカーボネートから形成される。QUADROX−D(商標)は約0.5〜7l/分の血流量を有する。全プライミング量は250mlであり、一方、流体交換のための有効表面積は約1.8mである。熱交換のための有効表面積は約0.6mである。酸素化繊維はポリメチルペンテンから形成される。熱交換繊維およびポッティング材料はポリウレタンから形成される。保護キャップはポリエチレンから形成される。
図14は、その基本動作が図13に示されるQUADROX−D(商標)と同様な人工肺を例示し、この人工肺は、血液入口76と血液出口78とを有する膜ハウジング40を備える。オンポンプ心臓手術において、血液は、血液入口76を介して膜ハウジング40に入って、ハウジング内の膜(図示せず)を通過し、血液出口78を介して改質形態で膜ハウジング40から出る。一般に、改質血液は、より高い酸素濃度とより低い二酸化炭素濃度とを伴って出る。本発明の一実施形態では、血液入口76がハウジング入口44として機能する。ハウジング入口44に入る血液とは対照的に、吐出流体混合物26は、ハウジング入口44を介して膜ハウジング40に入る。この実施形態では、血液出口78がハウジング出口46として機能する。ハウジング出口46から出る改質血液とは対照的に、改質流体混合物42は、ハウジング出口46を介して膜ハウジング40から出る。
また、図14に示される人工肺は、掃引入口80および掃引出口82も備える。掃引流体84が、掃引入口80を介して膜ハウジング40に入り、掃引出口82を介して膜ハウジング40から出る。随意的に、掃引入口80、ハウジング出口46、掃引出口82、および、ハウジング入口44は、4つの別個の直交する壁にずらして配置され、それにより、膜ハウジング40を通じた掃引流体84の流れは、吐出流体混合物26の膜ハウジング40内への流入方向70と略直交する。掃引流体84は、吐出流体を膜ハウジング40内の膜(図示せず)の方へと案内して膜と接触させる。掃引流体84は、例えば、空気、または、ほぼ純水な酸素であってもよい。
他の実施形態では、図15に例示されるように、血液入口76および血液出口78が掃引流体84のための入口および出口として機能する。この実施形態では、掃引入口80および掃引出口82がハウジング入口44およびハウジング出口46のそれぞれとして機能する。図15に例示される実施形態において、その基本動作がQUADROX−D(商標)と同様な人工肺は、図14に例示される人工肺に対して90°回転されてしまっている。図15に例示されるように、掃引入口80および掃引出口82は流路12と係合する。
吐出流体混合物26は、吐出流体混合物26が改質流体混合物42へと変換されるように膜ハウジング40内の膜(図15には示されない)と接触する。
場合によっては、QUADROX−D(商標)などの人工肺の膜ハウジング40内の膜38の表面は、例えば、SAFELINE(商標)処理によって処理される。場合によっては、膜38の表面は、BIOLINE(商標)コーティングによって処理されてもよい。場合によっては、膜38の表面は、SAFELINE(商標)処理またはBIOLINE(商標)処理によって処理されない。
QUADROX−D(商標)人工肺などの人工肺内で用いる膜38の一例は、例えば、OXYPLUS(商標)膜である。OXYPLUS(商標)はMEMBRANA GMBH CORPORATION(商標)によって所有される。OXYPLUS(商標)はポリハロカーボン膜である。OXYPLUS(商標)は疎水性ポリオレフィン膜である。より具体的には、OXYPLUS(商標)はポリメチルペンテン膜である。OXYPLUS(商標)は、ポリメチルペンテンから成る多孔質支持層と同様にポリメチルペンテンから成る高密度層とを有する非対称膜である。そのような膜は、高密度外層の存在に起因して、当該技術分野では高密度膜と称されるのが分かる。また、膜38は、ポリメチルペンテンのみから形成される膜であってもよい。高密度層83は、1.5マイクロメートル以下、1マイクロメートル以下、または、0.5マイクロメートル以下の厚さを有してもよい。高密度層83の高密度の無孔性に起因して、物質は、完全に高密度膜または高密度層に関する従来の態様と同様、拡散および溶解によって高密度層83を通り抜けて移動する。図16は、5000倍に拡大されたOXYPLUS(商標)膜の高密度層83の平面図を与える。
図17は、5000倍に拡大されたOXYPLUS(商標)膜の多孔質支持層85の平面図を与える。
OXYPLUS(商標)は、一般に、図10および図18に示されるように、中空繊維72を備える。この場合、膜38は、多孔質支持層と高密度層とを備える少なくとも1つの壁を有する中空繊維72を備える非対称膜である。図18は、OXYPLUS(商標)中空繊維72の外径の部分と、高密度層83から内側に延びる多孔質支持層85の部分と、に沿う高密度層83を示す。図18は、1000倍に拡大されたOXYPLUS(商標)膜を示す。各中空繊維72(その壁部が図18に示される)は、約380ミクロン(+または−10%または20%)の外径と、約200ミクロン(+または−10%または20%)の内径とを有してもよい。幾つかの実施形態では、複数の中空繊維72が、互いに対して固定された位置を維持するために、互いに交差して巻き付けられてもよい。
引き続いて図18を参照すると、吐出流体混合物26は、最初に高密度層83を通過し、その後、多孔質支持層85を通過して、中空繊維内部87へ入ってもよい。このようにすると、OXYPLUS(商標)中空繊維膜は、図10に関連して説明した態様で作用する。あるいは、吐出流体混合物26は、最初に多孔質支持層85を通過し、その後、高密度層83を通過して、中空繊維の外部89へと至ってもよい。このようにすると、OXYPLUS(商標)中空繊維膜は、図11に関連して説明した態様で作用する。
図19は、5000倍に拡大されたOXYPLUS(商標)膜の高密度層83および多孔質支持層85を示す。
OXYPLUS(商標)はACCUREL(商標)プロセスを使用して生成される。ACCUREL(商標)プロセスは、熱的に誘導される相分離プロセスである。図20を参照すると、高分子86は、混合物92を形成するために、熱源94に曝されつつ、ミキサー90内で溶媒88と略均一に溶融混合される。OXYPLUS(商標)を生成する際には、高分子86がポリメチルペンテンであってもよい。溶媒88は、例えば大豆およびヒマなどの天然種油を含んでよい。混合物92は熱押出機96を通過する。熱押出機96内で混合物92に窒素を加えるために、窒素流体源98が使用されてもよい。混合物92は、その後、それが紡ぎチャンバ102に達するまで、温度制御された空隙100を通過する。紡ぎチャンバ102内では、中空繊維72を紡いで冷却することによりOXYPLUS(商標)膜の中空繊維72が形成される。冷却中に相分離が開始され、それにより、固体高分子から成る多孔質スケルトン構造の形成がもたらされる。紡ぎチャンバ102内では、孔が依然として油で満たされる。形成される中空繊維72は、その後、抽出チャンバ106へ通される。抽出チャンバ106内では、高温アルコール108を使用して、油残留物が孔から除去される。その後、中空繊維72は乾燥ステージ110へと送られ、乾燥ステージ110では、OXYPLUS(商標)膜を形成するために中空繊維72が乾燥される。図20に示されるプロセスステージを通じて混合物92および中空繊維72を案内するために回転可能なスプール112が使用されてもよい。OXYPLUS(商標)のための製造プロセス中、高密度層83が形成されて多孔質支持層85上に配置される。したがって、OXYPLUS(商標)膜は、高密度層83によって取り囲まれる多孔質支持層85を備える。
膜38の別の例は、Membrana GmbHにより製造されるULTRAPHOBIC(商標)膜である。OXYPLUS(商標)と同様に、ULTRAPHOBIC(商標)はポリハロカーボン膜である。ULTRAPHOBIC(商標)は疎水性ポリオレフィン膜である。より具体的には、ULTRAPHOBIC(商標)は、ポリメチルペンテン多孔質支持層85とポリメチルペンテン高密度層83とを有するポリメチルペンテン膜である。
図21は、高密度層83と多孔質支持層85とを有するULTRAPHOBIC(商標)膜における中空繊維72の顕微鏡画像を示す。図21は、中空繊維内部87と中空繊維外部89とを示す。ULTRAPHOBIC(商標)は、(図16−図19に関連して)OXYPLUS(商標)膜に関して先に概説した態様と同じ態様で作用する。
図22は、ULTRAPHOBIC(商標)膜における高密度層83の顕微鏡画像を示す。図23は、ULTRAPHOBIC(商標)膜における多孔質支持層85の顕微鏡画像を示す。図24は、ULTRAPHOBIC(商標)膜における高密度層83および多孔質支持層85の更なる顕微鏡画像を示す。
膜38はガラス質高分子を含んでよい。より具体的には、膜38は、酢酸セルロース、ポリイミド、および、ポリスルホンのうちの少なくとも1つを含んでよい。ガラス質高分子は拡散選択的であり、このことは、それらのガラス質高分子が、膜材料中における溶解度が低い無極性分子(例えば、セボフルラン蒸気、デスフルラン蒸気、または、イソフルラン蒸気など)よりも速く、膜材料中における溶解度が高い極性分子(例えば、二酸化炭素ガスおよび酸素ガスなど)を透過することを意味する。
より具体的には、膜38は高自由体積ガラス質高分子を含んでよい。より具体的には、膜38は、PTMSP、すなわち、ポリ(1−トリメチルシリル−1−プロピン)、および、ポリメチルペンテンのうちの少なくとも1つを含んでよい。以下で更に詳しく説明するように、ポリメチルペンテン膜は、セボフルラン麻酔薬、イソフルラン麻酔薬、および、イソフルラン麻酔薬などの分子麻酔薬と比べて二酸化炭素および酸素を優先する選択性を有することが分かった。PTMSPは、ポリメチルペンテンと同様、高体積ガラス質高分子であり、分子麻酔薬選択性とは対照的に酸素−二酸化炭素選択性に関して親和性を示すことが予期される。これらの膜は、比較的高い凝縮性/溶解性レベルを有する材料(例えば、酸素および二酸化炭素ガスなど)を優先的に透過する傾向がある。特に、無極性炭化水素の透過は、有極性有機種の透過よりもかなり低い。高自由体積ガラス質高分子は、透過性/フラックスが通常のガラス質高分子におけるよりも高いという利点を有する。
膜38は高分子サイズ選択膜を備えてもよい。これらの膜は、分子篩メカニズムに基づいて機能する。これらの膜は、膜の孔径よりも小さい分子(例えば、酸素および二酸化炭素ガス)が膜を通過できるようにし、一方、更に大きい分子(例えば、セボフルラン蒸気、デスフルラン蒸気、および、イソフルラン蒸気)は膜によって実質的に保持される。
膜38は、高分子複合膜または高分子混合マトリックス膜を備えてもよい。複合膜は、異なる透過性/選択性を有する物質の複数の層を有する。1つの層は、例えば、高自由体積層であってもよい。混合マトリックス膜は、高分子マトリックスに固定された他の相/物質を有する。複合膜は、通常のガラス質高分子および高自由体積ガラス質高分子の特性、または、前述したようなサイズ選択膜の特性、あるいは、これらの組み合わせを有するように調整することができる。膜38が複合POLARIS(商標)膜を備えてもよい。POLARIS(商標)は、Membrane Technology and Research,Incによって提供される製品である。
QUADROX−D(商標)人工肺が図2に示される設定で使用された試験が行なわれた。この設定では、膜38(QUADROX−D(商標)人工肺内にある)がOXYPLUS(商標)膜であった。具体的には、380ミクロンの外径を有する中空繊維72(図10参照)と1ミクロン未満の厚さを有する高密度層83とを備えるOXYPLUS(商標)90/200膜が使用された。
1つの実験の結果が表1に示される。この実験のために、図15に示される人工肺形態が使用された。掃引流体84は酸素流体であった。試験#1においては、吐出分子麻酔薬34がセボフルラン(SEVO)およびイソフルラン(ISO)として別個に検査された。
Figure 0006215199
また、実験#2(試験#2−4)が行なわれ、この実験#2では、1つ(図2)、2つ、および、3つの膜38を有する麻酔回路10においてQUADROX−D(商標)人工肺が使用された。複数の膜38が存在するときには、膜38は、例えば図5に示されるように、流路12に沿って直列に構成されてもよい。これらの設定では、膜38(QUADROX−D(商標)人工肺内にある)がOXYPLUS(商標)膜であった。具体的には、380ミクロンの外径を伴う中空繊維72と1ミクロン未満の厚さを伴う高密度層83とを有するOXYPLUS(商標)90/200膜が使用された。
試験#2〜4の結果が表2に示される。試験のこのグループにおいては、図14に示される人工肺形態が使用された。掃引流体84は空気であった。掃引流体84は30l/分の流量を有していた。吐出流体混合物26は7l/分の流量を有していた。試験#2〜4においては、吐出分子麻酔薬34がセボフルラン(SEVO)であった。
Figure 0006215199
また、試験#5〜8が行なわれ、これらの試験では、1つ(図2)、2つ、3つ、および、4つ(図5)の膜38を有する麻酔回路10においてQUADROX−D(商標)人工肺が使用された。これらの設定では、膜38(QUADROX−D(商標)人工肺内にある)がOXYPLUS(商標)膜であった。具体的には、380ミクロンの外径を伴う中空繊維72と1ミクロン未満の厚さを伴う高密度層83とを有するOXYPLUS(商標)90/200膜が使用された。
試験#5〜8の結果が表3に示される。試験のこのグループにおいては、図14に示される人工肺形態が使用された。掃引流体84は空気であった。掃引流体84は30l/分の流量を有していた。吐出流体混合物26は15l/分の流量を有していた。
Figure 0006215199
図2に示される設定において人工肺が使用された4番目の実験が行なわれた。膜38はOXYPLUS(商標)膜であった。
この実験において、膜ハウジング40は、図10に関して前述した形態と似ている。吐出流体混合物26が中空繊維72の外面に接触すると、吐出酸素28および吐出二酸化炭素30が選択的に少なくとも1つの中空繊維72の中空内部に入った。中空繊維72の内部に入った成分(またはその一部)は、その後、中空繊維72の少なくとも1つの端部を介して流路12から外へ膜38を通過した。中空繊維72の外部にとどまった吐出流体混合物26の部分は、改質流体混合物42として膜38から出た。
これらの試験に対して、改質流体混合物42中の吐出酸素28、吐出二酸化炭素30、および、吐出分子麻酔薬34の量を測定するために、掃引流体84(図15参照)が中空繊維72の内部を通過した(すなわち、中空繊維72中へと通った)。吐出流体混合物26の濃度は、酸素中の吐出麻酔薬34が2%、および94%の吐出酸素28中の吐出二酸化炭素30が4.8%であった。流量は、掃引流体84(図15参照)が0.8L/分、吐出流体混合物26が2.0L/分であった。出る掃引流体流れ(すなわち、改質流体混合物42)の濃度は、患者モニタと四重極型質量分析器とを使用して測定された。患者モニタ測定値は体積パーセントで示され、また、質量分析器測定値は、それぞれの質量におけるイオン電流(アンペア)として示される。中空繊維の内側に一端から入った当初の掃引流体84と、(吐出流体が膜の中空繊維壁を通過して中空繊維中に入った後に)中空繊維の他端から出た改質掃引流体と、の間の変化を測定することにより、膜を通過した吐出分子麻酔薬、O、およびCOの量を見分けることができた。
実験#4に関する結果が表4にまとめられる。
Figure 0006215199
更なる実施形態は、患者の麻酔処置のための方法を含む。図1を参照すると、この方法は、分子麻酔薬を含む外部麻酔薬16を流路12を介して患者へ向けて患者内へと導入するステップを含む。外部麻酔薬16は、麻酔器18または他の外部源内に蓄えられてもよい。この麻酔薬は、流路12を通じて、患者20へと供給される。外部麻酔薬16が患者20によって吸入された後、外部麻酔薬16は患者の肺へ移動する。患者の肺が吐出流体混合物26を生成し、この吐出流体混合物26は、患者が息を吐き出すときに患者20の気道から排出される。吐出流体混合物26は、その後、患者20から離れるように方向付けられて患者20から抜け出て、流路12内に入る。患者20からの吐出流体混合物26は、吐出酸素28、吐出二酸化炭素30、および、吐出分子麻酔薬34を含む。吐出流体混合物26は、流路12を通じて膜38へと押し進められて、膜38と接触する。膜38は、高分子材料を含むとともに、流路12と流体連通する。吐出分子麻酔薬34よりも多く流路12から出るそれぞれの吐出二酸化炭素30は、改質流体混合物42を流路12内に残すように吐出流体混合物26が膜38と接触した後に膜38を通過して移送される。改質流体混合物42は、吐出二酸化炭素30の濃度が吐出流体混合物26よりも低い。酸素は、改質流体混合物42を流路12内に残すように吐出流体混合物26が膜38と接触した後に膜38を通じて移送される。膜38は、1よりも大きい吐出酸素対吐出分子麻酔薬選択性を有する。改質流体混合物42は、少なくとも改質流体混合物42を患者20へ与えるために流路12を通じて患者20へと押し進められる。
吐出分子麻酔薬34は、吐出流体混合物26が膜38と接触した後に、少なくとも一部が流路12内に保持される。場合によっては、吐出流体混合物26が膜38と接触した後に、ほぼ全ての(または、かなりの量の)麻酔薬34が流路12内に保持される。
図6bを参照すると、流路12の外側に位置される二次酸素65が膜38を通過して流路12内に入ってもよい。二次酸素65は、膜38の作用および使用の前に流路12の外部にある任意の酸素を含む。外部酸素は、流路12の外部にある膜38の側に位置されてもよい。外部酸素は、例えば、大気中に自然に見出される酸素、または、膜38と流体連通する流路12の外側に位置される酸素源を含んでもよい。このシナリオにおいて、外部酸素は、流路12内の全酸素濃度を増大させる役目を果たす。
図1を参照すると、外部流体源52内に蓄えられてもよい外部流体は、流体入口50を通じて流路12内に導入される。場合によっては、流体入口50に入る外部流体には、外部酸素源56(図2参照)からの酸素が混入されてもよい。
随意的に、膜38は、膜38が少なくとも2、3、4、5、10、50、100または250の吐出酸素対吐出分子麻酔薬選択性を有するように吐出酸素28を透過させる。
本発明の方法の幾つかの態様において、膜38は、1よりも大きい吐出二酸化炭素対吐出分子麻酔薬選択性を有するように吐出二酸化炭素30を透過させる。随意的に、膜38は、2、3、4、5、10、50、100または250の二酸化炭素対分子麻酔薬選択性を有する。
麻酔処置の方法の幾つかの実施において、膜38は、吐出二酸化炭素30に対して不活性であってもよい。
場合によっては、膜は、本明細書中で概説したように、膜38の内面68(図1参照)に隣接する任意の流体内の0%〜100%の範囲の湿度値を含む0%〜100%の範囲の全湿度値で十分に作用可能である。
本明細書で図示され詳しく説明される本発明は前述した発明の目的を十分に達成できるが、それは、本発明の現在の好ましい実施形態であり、したがって、本発明によって広く考慮される主題を代表するものであり、本発明の範囲が、当業者に明らかになり得る他の実施形態を完全に包含し、また、例に記載される好ましい実施形態によって特許請求の範囲が限定されるべきでなく、特許請求の範囲には全体として説明と矛盾しない最も広い解釈が与えられるべきであることを理解されたい。また、装置または方法は、本特許請求の範囲によって包含されるべきであるため、本発明によって解決されるべく求められるそれぞれの問題を全て扱う必要はない。
10 麻酔回路
12 流路
14 麻酔薬入口
16 外部麻酔薬
18 麻酔器
20 患者
22 流出出口
24 Y字状ピース
26 吐出流体混合物
28 吐出酸素
30 吐出二酸化炭素
34 吐出分子麻酔薬
36 流入入口
38 膜
40 膜ハウジング
42 改質流体混合物
44 ハウジング入口
46 ハウジング出口
48 流体の流れ方向
50 流体入口
52 外部流体源、外部空気源
56 外部酸素源
58 流れ発生器
59 圧縮性部材、圧縮性チャンバ
60 対向壁
61 プランジャ
62 弁
64 乱流誘発構成要素
65 二次酸素
66 二酸化炭素吸収材料
68 内面
70 流入方向
72 中空繊維
74 単一中実層
76 血液入口
78 血液出口
80 掃引入口
82 掃引出口
83 高密度層
84 掃引流体
85 多孔質支持層
86 高分子
87 中空繊維内部
88 溶媒
89 中空繊維外部
90 ミキサー
92 混合物
94 熱源
96 熱押出機
98 窒素流体源
100 空隙
102 紡ぎチャンバ
106 抽出チャンバ
108 高温アルコール
110 乾燥ステージ
112 スプール

Claims (22)

  1. 患者に揮発性分子麻酔薬を再循環させるための麻酔回路であって、
    流路と;
    外部揮発性分子麻酔薬を前記流路内へ導入するために前記流路と流体連通する揮発性分子麻酔薬入口と;
    少なくとも前記外部揮発性分子麻酔薬を前記患者へ供給するための前記流路と流体連通する流出出口と;
    吐出流体混合物を前記患者から受けるための流入入口であって、前記吐出流体混合物が、吐出酸素、吐出二酸化炭素、および吐出揮発性分子麻酔薬を含み、前記流路が、前記吐出流体混合物を前記流入入口から受けるために前記流入入口と流体連通する、流入入口と;
    少なくとも1つの高分子材料を含む膜であって、前記流路に流体連通し、前記流入入口よりも下流側に位置し、前記吐出揮発性分子麻酔薬に対して少なくとも部分的に不透過性であって、それにより、前記吐出流体混合物が前記膜と接触した後に前記吐出揮発性分子麻酔薬を前記流路内に少なくとも部分的に保持し、前記膜は、高密度膜であり、かつ実質的に孔を有さず、1よりも大きい吐出酸素対吐出揮発性分子麻酔薬選択性を前記膜が有するように、前記膜は前記吐出酸素に対して透過性を有し、1よりも大きい吐出二酸化炭素対吐出揮発性分子麻酔薬選択性を前記膜が有するように、前記膜が前記吐出二酸化炭素に対して透過性を有し、前記吐出流体混合物が前記膜と接触して、前記吐出流体混合物よりも前記吐出二酸化炭素の量が少ない改質流体混合物を前記流路内に残し、前記流出出口は、前記膜よりも下流側に位置するとともに、少なくとも前記改質流体混合物を前記患者に提供し、前記膜は前記吐出揮発性分子麻酔薬に対して不活性であるとともに、前記吐出二酸化炭素に対して不活性である、膜と;
    外部流体を、前記患者へ供給される前記改質流体混合物に加えるために前記流路内へ導入するための流体入口と;
    を備える、麻酔回路。
  2. 前記膜が少なくとも2の吐出酸素対吐出分子麻酔薬選択性を有する請求項1に記載の麻酔回路。
  3. 前記膜が少なくとも2の吐出二酸化炭素対吐出分子麻酔薬選択性を有する請求項1または2に記載の麻酔回路。
  4. 前記膜が全体的に高分子材料からなる請求項1から3のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  5. 前記膜は、前記流路の外部に位置する二次酸素が前記膜を通過して前記流路に入るように構成される請求項1から4のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  6. 前記外部流体を外部酸素で富化させるための外部酸素源を更に備える請求項1から5のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  7. 前記流路を通じた前記吐出流体混合物および前記改質流体混合物の流れを促進させるための少なくとも1つの流れ発生器を更に備える請求項1から6のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  8. 前記吐出流体混合物と前記膜との間の接触を増やすように前記吐出流体混合物の乱流を前記膜において形成するための乱流誘発構成要素を前記流路内に更に備える請求項1から7のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  9. 前記吐出揮発性分子麻酔薬がポリハロゲン化エーテルを含む請求項1から8のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  10. 前記吐出揮発性分子麻酔薬は、セボフルラン、イソフルラン、またはデスフルランのうちの少なくとも1つを含む請求項1から9のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  11. 前記吐出揮発性分子麻酔薬が168g/モルよりも大きい分子量を有する請求項1から10のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  12. 二酸化炭素吸収材料が前記膜の、前記流路の外部にある側に位置し、前記膜は、前記二酸化炭素吸収材料を前記流路内に保持される前記吐出揮発性分子麻酔薬から分離して、前記吐出揮発性分子麻酔薬が前記二酸化炭素吸収材料と接触するのを妨げる請求項1から11のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  13. 前記二酸化炭素吸収材料は、ソーダ石灰、アルカノ石灰、アルカノールアミン、アミノ化合物、アミノ酸のアルカリ塩、グリシン、DL−アラニン、β−アラニン、セリン、トレオニン、イソロイシン、DL−バリン、ピペラジン−2−カルボキシ酸、プロリン、アルギニン、γ−アミノ酪酸、オルニチン、グリシン酸カリウム、トレオン酸カリウム、タウリン、クレアチン、およびヒスチジンのうちの少なくとも1つを含む請求項12に記載の麻酔回路。
  14. 前記吐出流体混合物は、アセトアルデヒド、アセトン、エタン、エチレン、水素、イソプレン、メタン、メチルアミン、またはペンタンを含む代謝物質を含み、
    前記膜が前記代謝物質に対して透過性を有し、
    前記吐出流体混合物は前記膜と接触して、前記吐出流体混合物よりも前記代謝物質の量が少ない改質流体混合物を前記流路内に残す、請求項1から13のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  15. 前記膜がポリハロカーボン膜である請求項1から14のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  16. 前記膜がポリメチルペンテン膜である請求項1から15のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  17. 前記膜がポリシロキサン膜である請求項1から14のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  18. 前記膜がポリジメチルシロキサン膜である請求項1から14および17のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  19. 前記膜は、多孔質支持層および高密度層を備える少なくとも1つの壁を有する中空繊維を備える非対称膜である請求項1から18のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  20. 前記膜は、ガラス質高分子、高分子サイズ選択膜、または、複合高分子膜を備える請求項1から19のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  21. 前記膜はアミノ酸を有しない請求項1から20のいずれか一項に記載の麻酔回路。
  22. 患者の麻酔処置のために用いられる請求項1〜21のいずれか一項に記載された麻酔回路動方法であって、
    前記麻酔回路は、麻酔器18を備え、
    前記方法は、 揮発性分子麻酔薬を含む外部麻酔薬を、流路と流体連通する麻酔薬入口に前記外部麻酔薬の供給源から供給するように、前記麻酔器によって前記麻酔回路を作動させるステップと、
    前記患者からの吐出酸素、吐出二酸化炭素、および吐出揮発性分子麻酔薬を含む吐出流体混合物を前記患者の外へと前記流路内へ流すように、前記麻酔器によって前記麻酔回路を作動させるステップと、
    前記吐出流体混合物を、高分子材料を含み前記流路と流体連通する膜であって、吐出揮発性分子麻酔薬に対して不活性であるとともに、吐出二酸化炭素に対して不活性であり、かつ実質的に孔を有さない、高密度膜である膜と接触させるように、前記麻酔器によって前記麻酔回路を作動させるステップと
    前記吐出流体混合物が前記膜と接触して改質流体混合物を前記流路内に残した後に、前記吐出揮発性分子麻酔薬よりも多い前記吐出二酸化炭素を前記吐出流体混合物から前記膜を通じて前記流路の外へ移送するように、前記麻酔器によって前記麻酔回路を作動させるステップであって、前記改質流体混合物は、前記吐出流体混合物よりも低い濃度の前記吐出二酸化炭素を有する、ステップと、
    改質流体混合物を前記流路内に残すように、前記吐出流体混合物が前記膜と接触した後に、吐出酸素を、前記膜を通じて移送するように、前記麻酔器によって前記麻酔回路を作動させるステップであって、1よりも大きい吐出酸素対吐出揮発性分子麻酔薬選択性を前記膜が有する、ステップと、
    前記改質流体混合物を、前記患者に供給するように前記流路に流すように、前記麻酔器によって前記麻酔回路を作動させるステップと、
    を含む、麻酔回路動方法。
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