JP6653185B2 - 気泡発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、患者の静脈内で酸素ガスの気泡を発生させることが可能な気泡発生装置に関する。

患者の低酸素状態を解消又は回避する治療方法として高圧酸素療法や人工呼吸器を使用する方法があるが、これらの治療方法は患者の生体肺に負担がかかる。患者の生体肺に負担をかけない呼吸補助例として、ＰＣＰＳ（percutaneous cardiopulmonary support）やＥＣＭＯ（extracorporeal membrane oxygenation）が知られている。ＰＣＰＳやＥＣＭＯはいずれもガス交換対象の血液と接触する人工肺や血液ポンプ等が組み込まれた体外循環を伴うため血液適合性の問題がある。また、体外循環の実施には抗血栓療法が不可欠でありそれによって患者に副作用が生じることがある。こうした事情から、体外循環は患者への侵襲性が大きいと考える医療従事者がＰＣＰＳやＥＣＭＯの実施に消極的であることが少なくなかった。

体外循環を伴わずに患者の静脈内でガス交換を行う治療方法として、静脈内留置型人工肺（商品名：ＩＶＯＸ）を大静脈内に挿入する方法があった。これは、人工肺と同様の原理及び機能を持つガス交換用中空糸束を有する植え込み型人工肺の一種であり、１９８７年に発表されて臨床試験が実施された（非特許文献１参照）。

今井寛、外２名、「静脈内留置型人工肺の臨床治験」、呼吸と循環、医学書院、１９９２年５月、第４０巻、第５号、ｐ．４６１

しかし、非特許文献１の静脈内留置型人工肺は、ガス交換能力不足、血栓性の問題、手技の困難性、血行動態への影響などの問題があり、１９９４年に開発が中止された。

そこで、本発明は、静脈内留置型人工肺に代わる装置として、体外循環を伴わずに患者の静脈内で酸素付加が可能な気泡発生装置を提供することを目的とする。

本発明の気泡発生装置は、酸素を主体とする酸素ガス（Ｇ）の気泡を患者の静脈内で発生させることが可能な気泡発生装置（１）であって、前記酸素ガスが流出可能な複数の孔（Ｍｐ…）が所定範囲内の大きさでそれぞれ開口している表面（２ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａ）を有し、供給された前記酸素ガスを前記複数の孔に導くことができ、かつ前記静脈内に挿入可能な大きさを有する気泡発生部（２、２１、２２、２３）と、柔軟な素材で構成され、前記気泡発生部に前記酸素ガスを供給でき、かつ前記静脈内に挿入可能な大きさを有する酸素供給チューブ（３）と、を備え、前記気泡発生部は、前記酸素供給チューブとは異なる素材にて形成され、かつ連結部（４）を介して前記酸素供給チューブと連結されるものである。

この気泡発生装置によれば、患者の静脈内に気泡発生部及び酸素供給チューブを挿入した状態で気泡発生部に酸素供給チューブを介して酸素ガスを供給することにより、気泡発生部に供給された酸素ガスは複数の孔に導かれる。複数の孔は気泡発生部の表面に開口しているので酸素ガスは複数の孔の開口から流出し、それによって患者の静脈内で酸素ガスの気泡が発生する。これにより、患者の静脈内で酸素付加を行うことができる。気泡の分圧と血中の分圧との分圧差によって、気泡を構成する酸素ガスに含まれる酸素が静脈内の血液に溶け込みつつ血中の二酸化炭素が気泡に移動するガス交換が実現する。

静脈内で発生する気泡の大きさは複数の孔が開口する大きさによって変わる。本発明の気泡発生装置は、複数の孔が所定範囲内の大きさで開口しているので、複数の孔が開口する大きさが所定範囲内で均一化されている。したがって、その所定範囲を適宜設定することにより気泡の大きさ及び個数を適正化できる。小さな開口の孔は大きな開口の孔よりも酸素ガスが流出する際の抵抗が大きくて孔を通過しにくい。そのため、複数の孔の中に所定範囲から外れた大きな開口の孔が存在すると、所定範囲に収まる孔が他に存在していてもその大きな孔に酸素ガスが集中する。その結果、所定範囲内で均一化される場合と比べて、発生する気泡の個数が少なくなり、かつ気泡の大きさが大きくなる。これにより、発生した気泡と血液との単位時間あたりの接触面積が減少してガス交換効率が低下する。したがって、本発明の気泡発生装置によれば、複数の孔が開口する大きさが所定範囲内で均一化されることにより想定外の大きさの気泡の発生数を抑制できるのでガス交換効率の低下を抑制できる。もっとも、想定外の大きさの気泡が発生しても、そうした気泡は患者の生体肺で吸収されるので患者の動脈に送られる危険性はない。

本発明の気泡発生装置の一態様において、前記酸素供給チューブが前記気泡発生部に供給する前記酸素ガスの流量及び圧力を制御可能な制御部（５）を更に備えてもよい。静脈内で発生する気泡の大きさや個数は孔が開口する大きさだけでなく、気泡発生部に供給される酸素ガスの流量及び圧力によっても変化するし、患者の静脈血圧や血流等にも影響を受ける。この態様によれば、制御部によって気泡発生部に供給される酸素ガスの流量及び圧力を制御できるので患者の血圧や血流等の状態に合わせた酸素付加を実施できる。

本発明の気泡発生装置の一態様として、前記気泡発生部の前記表面には、前記複数の孔が形成された曲面が含まれてもよい。気泡発生部は患者の静脈に挿入可能なものであるので大きさに限度があり、しかも血行動態を損なわない程度の余裕が必要である。したがって、血行動態に影響を与える気泡発生部の最大幅が同じであるならば、その表面積が大きい方が同じ密度でより多くの孔を形成できるので、発生する気泡の個数が多くなってガス交換の効率が高まる。この態様によれば、気泡発生部の表面に複数の孔が形成された曲面が含まれるので、同じ最大幅を持つ気泡発生部の表面が平面だけで構成される場合よりも表面積が大きくなる。これにより、血行動態を損なわない限度で効率的な酸素付加を実現できる。

上述したように複数の孔が開口する大きさを規定する所定範囲は適宜に設定してよい。例えば、前記複数の孔が円形状に形成されており、前記複数の孔が前記表面に開口する開口部の内径を、前記複数の孔が前記表面に開口する大きさとして定義した場合において、前記所定範囲として、１μｍ〜３００μｍの範囲が設定されてもよい。１μｍよりも小さい内径の孔を形成することは技術的な困難性を伴うため加工コストが厳しくなる。一方、内径が３００μｍよりも大きくなると、想定外の大きさの気泡の発生率が増加してしまいガス交換効率が低下する。したがって、複数の孔の内径は１μ〜３００μｍの範囲であることが好ましい。

本発明の気泡発生装置の一態様において、前記気泡発生部の前記表面が血液成分の付着を抑制可能な被覆層で覆われてもよい。この態様によれば、気泡発生部の表面が被覆層で覆われることにより、血液成分が表面に付着することが抑制されるので、血液成分が表面に付着して孔が塞がれること等によって気泡発生部の気泡の発生能力が劣化することを防止できる。

なお、以上の説明では本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記したが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

以上説明したように、本発明の気泡発生装置によれば、患者の静脈内に気泡発生部及び酸素供給チューブを挿入した状態で気泡発生部に酸素供給チューブを介して酸素ガスを供給することにより、酸素ガスが複数の孔の開口から流出して患者の静脈内で酸素ガスの気泡を発生させることができる。

本発明の一形態に係る気泡発生装置の全体構成を模式的に示した図。 図１の部位IIの部分拡大図。 図１のIII-III線に関する断面図。 気泡発生部の第１の他の形態を示した図。 気泡発生部の第２の他の形態を示した図。 気泡発生部の第３の他の形態を示した図。

図１〜図３に示すように、気泡発生装置１は気泡発生部としての気泡発生チップ２と気泡発生チップ２に連通する酸素供給チューブ３とを備えている。気泡発生チップ２は中空状の連結部４に固定されており、その連結部４は気密状態で酸素供給チューブ３に接続されている。酸素供給チューブ２のもう一方にはガス供給源ＧＳが接続される。ガス供給源ＧＳには不図示のガスブレンダが設けられており、ガス供給源ＧＳは必要に応じてガスブレンダを使用して酸素を主体とする酸素ガスＧを調製し、調製後の酸素ガスＧを所定の圧力に減圧して気泡発生装置１に供給する。気泡発生装置１には酸素供給チューブ３を流れる酸素ガスＧの流量及び圧力を制御する制御部としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）５が設けられている。ＭＦＣ５にて流量及び圧力が調整された酸素ガスＧは酸素供給チューブ３によって気泡発生チップ２に供給される。

気泡発生チップ２は先端部が閉鎖された円筒状の金属部品である。後述するように気泡発生チップ２は患者の静脈内に挿入されるため、その素材として低侵襲性の素材（例えば、ステンレスやチタン等の金属）が選択される。なお、気泡発生チップ２の素材として、セラミック、カーボン、樹脂等の非金属かつ低侵襲性の材料を選択することもできる。気泡発生チップ２に固定される連結部４は、酸素供給チューブ３と気泡発生部２との異種素材間でリーク及び抜け防止可能な素材、例えば光硬化接着剤、シリコーン系接着剤等のシーラントが選択される。気泡発生チップ２と連結部４とは、これらの素材に応じた適当な接合手段によって互いに接合される。酸素供給チューブ３は気泡発生チップ２とほぼ同一の外径を有しており、例えば軟質ＰＶＣやエラストマー等の柔軟な素材で構成されている。気泡発生チップ２、連結部４及び酸素供給チューブ３の一部は患者の静脈内にそれぞれ挿入されるので、これらの外径は挿入時の操作性及び挿入後の血行動態を損なわない程度の余裕を確保できるように設定されている。

気泡発生チップ２の外径及び長さは患者の体格や切開される大腿静脈の内径などに依存するが、気泡発生チップ２の外径は３ｍｍ〜８ｍｍ程度に、気泡発生チップ２の長さは５ｍｍ〜４０ｍｍ程度にそれぞれ設定されている。連結部４及び酸素供給チューブ３の各外径も同様である。また、気泡発生チップ２、連結部４及び酸素供給チューブ３の一部が患者の静脈内に挿入されることを考慮してこれらの表面に適当なコーティングが施されてもよい。特に、気泡発生チップ２の表面２ａは、血液成分が付着することによって後述の微小孔Ｍｐが塞がれて気泡発生能力が劣化しないように、血液成分の付着を抑制可能な被覆層Ｃ（図３参照）で覆われている。

気泡発生チップ２の表面２ａには複数の微小孔Ｍｐが形成されている。複数の微小孔Ｍｐは本発明に係る複数の孔に相当する。図２及び図３に示すように、各微小孔Ｍｐは気泡発生チップ２の円筒部をほぼ同一の内径で貫いていて気泡発生チップ２の表面２ａ及び内面２ｂのそれぞれで開口している。微小孔Ｍｐが表面２ａで開口する大きさ、つまり微小孔Ｍｐの開口部の内径ｄは１μｍ〜３００μｍの範囲内で均一化されている。このような範囲内で微小孔Ｍｐの開口部の内径をコントロールするため、微小孔Ｍｐは加工コストが比較的低く、かつ形成精度が高い方法、例えば精密電気鋳造法により加工されている。その他にも、上記範囲内の内径ｄの開口部を持つ微小孔Ｍｐを形成できる限度で、例えば切削加工、レーザ加工、放電加工等の各種の加工方法を採用することもできる。微小孔Ｍｐの個数は単位時間あたりの患者への酸素量供給量が考慮された多数個に調整されている。

気泡発生装置１を患者の治療に使用する場合、大腿静脈カテーテルの挿入と同じ要領で処置される。患者の穿刺部位を介して気泡発生チップ２を大腿静脈内に挿入し、必要に応じて予め静脈内に挿入したガイドワイヤに沿って気泡発生チップ２を上行大静脈まで挿入する。これにより、気泡発生装置１は、気泡発生チップ２が上行大静脈内に留置されるとともに、これに連なる酸素供給チューブ３の一部が静脈内に留置され、酸素供給チューブ３の残りが患者の体外に露出した状態になる。いうまでもないが、酸素供給チューブ３は体外に配置されるＭＦＣ５に連結可能となる程度に十分な長さを有している。

このように患者に処置された状態で、気泡発生装置１に対してガス供給源ＧＳから酸素ガスＧが供給されると、酸素供給チューブ３を介して気泡発生チップ２に供給された酸素ガスＧは、気泡発生チップ２の表面２ａに開口する微小孔Ｍｐに導かれ、各微小孔Ｍｐから流出する。これにより、患者の上行大静脈内で酸素ガスＧのマイクロバブルが発生する。マイクロバブル（以下ＭＢと称する。）は本発明に係る気泡に相当する。ＭＢは微小孔Ｍｐの開口部の内径ｄが１μｍ〜３００μｍの範囲内で均一化されているので、発生するＭＢの想定されるサイズは１μｍ〜１０００μｍ程度である。ＭＢの均一化の範囲を１μｍ〜３００μｍという数値範囲に設定した理由は１μｍよりも小さい内径の孔を形成することは技術的な困難性を伴うため加工コストが厳しくなる一方、内径が３００μｍよりも大きくなると、想定外の大きさのＭＢの発生率が増加してしまいガス交換効率が低下するためである。

静脈内でＭＢが発生すると、ＭＢ内の分圧と血中の分圧との分圧差によって、ＭＢ内の酸素ガスＧに含まれる酸素が血液に溶け込みつつ血中の二酸化炭素がＭＢに移動するガス交換が実現する。このガス交換は、上行大静脈で発生したＭＢが血流に乗って大静脈を通過し心臓の右心房を経由して生体肺へと流れる過程で行われる。何らかの原因で、想定外のサイズのＭＢが発生しても、そのようなＭＢが生体肺に達すれば生体肺で吸収されるので患者の動脈に送られる危険性はない。また、生体肺で吸収されずに通過したＭＢは、肺胞血管を通過する大きさを有するから、閉塞によって問題となる太い血管を通過するので重篤な症状を引き起こす血管閉塞の問題などは生じない。

本形態の気泡発生装置１によれば、微小孔Ｍｐの開口部の内径ｄが上記範囲内で均一化されることにより想定外の大きさのＭＢの発生数を抑制できるのでガス交換効率の低下を抑制できる。微小孔Ｍｐの開口部の内径ｄが本形態のように均一化されていなければ、内径ｄが大きい微小孔Ｍｐに酸素ガスＧが集中し、発生するＭＢの個数が少なくなりかつＭＢの大きさが大きくなるので、発生したＭＢと血液との単位時間あたりの接触面積が減少してガス交換効率が低下するからである。

また、気泡発生装置１は、ＭＦＣ５によって酸素供給チューブ３を流れる酸素ガスＧの流量及び圧力を制御可能であるので患者の血圧や血流等の状態に合わせた血液酸素加を実施できる。患者の静脈内で発生するＭＢの大きさや個数は微小孔Ｍｐの開口部の内径ｄだけでなく、気泡発生チップ２に供給される酸素ガスＧの流量及び圧力によっても変化するし、患者の静脈血圧や血流等にも影響するからである。もっとも、酸素ガスＧの流量や圧力をＭＦＣ５にて制御することによって酸素の付加能力や二酸化炭素の除去能力をある程度制御できるが、これらのガス交換が平衡状態になるまでが酸素ガスＧの流量の上限となる。そのため、気泡発生装置１だけの治療では二酸化炭素の除去能力が不足することもあり得る。このようなケースでは透析を併用し、透析によって血中の二酸化炭素をバイカーボネートや重炭素イオン等として排出する対応策が有効である。透析も体外循環の一種ではあるが、透析はＰＣＰＳやＥＣＭＯと比較して格段に簡易な手技であり、かつ低侵襲で安全性が高いことを医療従事者は経験で理解している。そのため、気泡発生装置１と透析との併用が有効である。

救急救命時に気泡発生装置１を使用することも患者へのアクセスが穿刺部の一箇所であるから緊急要請に適している。また、体外循環を伴わずに低侵襲であるので、気泡発生装置１を救急救命時に用いること関して医療従事者の抵抗感や迷いは少ないと思われる。一般的に救急救命で緊急性が高い対応は患者の低酸素状態の改善である。その後の二酸化炭素の除去については、より優先度の高い低酸素対策後にｐＨ値とＰＣＯ２値等を考慮して透析を行えばよい。

本発明は上記形態に限定されず本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記形態では、複数の孔である微小孔Ｍｐの開口部の内径ｄが１μｍ〜３００μｍの範囲内で均一化されているが、内径ｄの範囲はこれに限定されるものではなく、他の数値範囲内に制限されてもよい。その範囲が狭ければ狭いほど微小孔Ｍｐの均一度が増してＭＢの均一度が増すのでガス交換効率が高まる。したがって、使用目的や対象に合わせて上記範囲を設定して本発明を実施できる。また、微小孔Ｍｐは円形状の孔であるが、必ずしも孔の形状は円形状でなくてもよい。非円形状の楕円形状や矩形状の孔が形成された形態で本発明を実施することもできる。そのような形態の場合、気泡発生部の表面で開口する孔の大きさを所定範囲内に均一化する際には、非円形状の孔の内周の最大幅を調整パラメータとし、その最大幅が所定範囲内に収まるように調整すればよい。

上記形態の気泡発生チップ２は先端が閉鎖した円筒状に形成されているが気泡発生部の形状に制限はない。例えば、四角柱形状の気泡発生部を備えた形態で本発明を実施することもできる。もっとも、気泡発生チップ２の表面２ａは円筒面であり曲面であるから、複数の孔が形成される表面が全て平面で構成されていて最大幅が同じものと比べて表面積が大きくなる。これにより、血行動態を損なわない限度で効率的な酸素付加を達成できる。また、上記形態の気泡発生チップ２を、図４Ａ〜図４Ｃに示した表面に曲面が含まれる他の形態の気泡発生チップ２１、２２、２３のいずれかに置換して本発明を実施することもできる。各気泡発生チップ２１、２２、２３は本発明に係る気泡発生部に相当する。

図４Ａの気泡発生チップ２１はドーム形状の表面２１ａを有している。表面２１ａには、複数の微小孔Ｍｐが気泡発生チップ２と同様に開口し、かつドーム形状を構成する球面その他の曲面が含まれる。図４Ｂの気泡発生チップ２２は円錐形状の表面２２ａを有している。表面２２ａには、複数の微小孔Ｍｐが気泡発生チップ２と同様に開口し、かつ円錐形状を構成する曲面である円錐面が含まれる。図４Ｃの気泡発生チップ２３は円錐台形状の表面２３ａを有している。表面２３ａには、複数の微小孔Ｍｐが気泡発生チップ２と同様に開口し、かつ円錐台形状を構成する曲面である円錐面が含まれる。図４Ａ〜図４Ｃに示された形態は、いずれも微小孔Ｍｐが形成された表面に曲面が含まれるものであるから気泡発生チップ２と同様に血行動態を損なわない限度で表面積を稼ぐことができる。

上述の説明は、気泡発生部等を患者の静脈内に挿入してから静脈内で気泡を発生させるものであるが、本発明の気泡発生装置を利用して患者の体外に取り出した血液又は所定の液体内で気泡を発生させ、それによって気泡が混入した血液又は液体を患者の静脈に注入する方法を実現するために本発明の気泡発生装置を使用することもできる。

１ 気泡発生装置
２、２１、２２、２３ 気泡発生チップ（気泡発生部）
２ａ、２１ａ、２２ａ、２２ｃ 表面
３ 酸素供給チューブ
５ ＭＦＣ（制御部）
Ｇ 酸素ガス
Ｍｐ 微小孔
Ｃ 被覆層

Claims (5)

1. 酸素を主体とする酸素ガスの気泡を患者の静脈内で発生させることが可能な気泡発生装置であって、
   前記酸素ガスが流出可能な複数の孔が所定範囲内の大きさでそれぞれ開口している表面を有し、供給された前記酸素ガスを前記複数の孔に導くことができ、かつ前記静脈内に挿入可能な大きさを有する気泡発生部と、
   柔軟な素材で構成され、前記気泡発生部に前記酸素ガスを供給でき、かつ前記静脈内に挿入可能な大きさを有する酸素供給チューブと、
   を備え、
   前記気泡発生部は、前記酸素供給チューブとは異なる素材にて形成され、かつ連結部を介して前記酸素供給チューブと連結されている気泡発生装置。
2. 前記酸素供給チューブが前記気泡発生部に供給する前記酸素ガスの流量及び圧力を制御可能な制御部を更に備える請求項１に記載の気泡発生装置。
3. 前記気泡発生部の前記表面には、前記複数の孔が形成された曲面が含まれている請求項１又は２に記載の気泡発生装置。
4. 前記複数の孔が円形状に形成されており、前記複数の孔が前記表面に開口する開口部の内径を、前記複数の孔が前記表面に開口する大きさとして定義した場合において、前記所定範囲として、１μｍ〜３００μｍの範囲が設定されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の気泡発生装置。
5. 前記気泡発生部の前記表面が血液成分の付着を抑制可能な被覆層で覆われている請求項１〜４のいずれか一項に記載の気泡発生装置。