JPH0127794Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

本考案は、中空糸膜を使用した中空糸型人工肺
に関する。 従来、知られた人工肺は、大別して気泡型と膜
型に分類されるが、最近では、血液の損傷が少な
いことから膜型のものが推奨されている。一般
に、この膜型の人工肺は、シリコーンゴムからな
る平坦膜を用いてその平坦膜の一側面側に酸素を
供給し、他側面側に血液を供給することにより、
平坦膜を介して酸素と二酸化炭素の交換が行なわ
れるようになつている。しかし、この形式のもの
は、平坦膜を使用することからその装置自体が大
型化する。また、平坦膜は膜支持体との接触など
により、破損しやすく、強度的に不安なものであ
つて、その取扱いにも細心の注意を払わなければ
ならなかつた。 本考案は、上記事情に着目してなされたもの
で、その目的とするところは、ガス交換効率の向
上を図ることができるとともに、平坦膜に比べ膜
強度の強く、コンパクトな構成でその取扱いも容
易な中空糸型人工肺を提供することにある。上記
目的を達成するものは、ハウジングと、このハウ
ジング内に並べて配列された内径約100乃至
1000μ、平均孔径約200乃至1000Åかつ空孔率約
20乃至80％を有する多孔性ポリオレフイン系樹脂
製の多数のガス交換用中空糸膜からなる中空糸束
と、上記各中空糸膜の外表面と上記ハウジングの
内面との間によつて形成される酸素室と、この酸
素室に連通する入口および出口と、上記中空糸膜
の各端部をそれぞれ支持し、この中空糸膜の開口
端を上記酸素室から隔離する隔壁と、上記各中空
糸膜の内部空間に連通する血液用入口および出口
と、上記ハウジング内面または内面上に設けられ
上記中空糸束の中間部分の周囲を絞る拘束部とを
具備し、さらに該拘束部における中空糸膜の充填
率が60〜80％であつて、かつ隔壁外面における中
空糸膜の充填率が上記拘束部における充填率の1/
４倍乃至2/3倍である中空糸型人工肺である。 また、中空糸膜の充填率は絞り部においては約
60〜80％、その他の筒状体内では約30〜60％であ
ることが好ましい。以下、本考案の一実施例と図
面にもとづいて説明する。 図中１は、中空糸型人工肺のハウジングであ
り、このハウジング１は、筒状体２の両端部にそ
れぞれ環状の取付けカバー３，４を取り付けてな
り、このハウジング１内には、全体に広がつて多
数の、たとえば10000〜60000本のガス交換用中空
糸膜５……が並列的に設置されている。そして、
このガス交換用中空糸膜５……の両端部は、取付
けカバー３，４内においてそれぞれ隔壁６，７に
より支持されている。また、上記各隔壁６，７
は、中空糸膜５……の外周面と上記ハウジング１
の内面との間によつて形成される酸素室８を閉塞
し、かつ上記ガス交換用中空糸膜５……の内部か
ら形成される血液流通用空間（図示しない）と酸
素室８を隔離するものである。 なお、一方の取付けカバー３には、酸素を供給
する入口９が設けられ、他方の取付けカバー４に
は、酸素室８内の気体を排出する出口１０が設け
られている。 一方、上記隔壁６，７の外面は、それぞれヘツ
ドカバー１１，１２によつてそれぞれ覆われてお
り、このヘツドカバー１１，１２の内面と上記隔
壁６，７の表面との間でそれぞれ血液の流入室１
３と流出室１４を形成している。さらに、ヘツド
カバー１１には血液の入口１５が形成されてお
り、ヘツドカバー１２には血液の出口１６が形成
されている。 さらに、上記ハウジング１の筒状体２の内面に
は、軸方向の中央に位置して突出する絞り用拘束
部１７が設けられている。すなわち、拘束部１７
は上記筒状体２の内面に筒状体と一体に形成され
ていて、筒状体２内に挿通される多数の中空糸膜
５…からなる中空糸束１８の外周を締め付けるよ
うになつている。しかして、上記中空糸束１８
は、第１図で示すように軸方向の中央において絞
り込まれ、絞り部１９を形成している。したがつ
て、中空糸膜５…の充填率は、軸方向に沿う各部
において異なり、中央部分において最も高くなつ
ている。なお、後述する理由により望ましい各部
の充填率は次の通りである。まず、中央の絞り部
１９における充填率は、約60〜80％、その他筒状
体２内では約30〜60％であり、中空糸束１８の両
端、つまり、隔壁６，７の外面における充填率で
は、約20〜40％である。 次に、上記ガス交換用中空糸膜５と隔壁６，７
について述べておく、まず、中空糸膜５は多孔性
ポリオレフイン系樹脂、たとえばポリプロピレ
ン、ポリエチレンといつたものからなり、特に、
ポリプロピレンが好適である。この中空糸膜５は
壁の内部と外部を連通する細孔が多数存在するも
のが得られる。そして、その内径は約100〜
1000μ、平均孔径は約200〜1000Åかつ空孔率は
約20〜80％とするものである。また肉厚は約10〜
50μであることが好ましい。したがつて、従来の
シリコーン製膜のごときに気体の移動が溶解、拡
散というものとは異なり、気体の移動が体積流と
して行なわれるため、気体の移動における膜抵抗
が少なくそのガス交換性能が著しく高くなるもの
である。また、中空糸膜を平均孔径約1000Å以下
で空孔率80％以下の多孔性とすることで血液中の
水蒸気蒸散を防止し、かつ人工肺作動中において
何らかの原因で酸素側の圧力が血液側のそれより
高くなつた場合もマイクロバブルが血液中に流入
する危険性を少なくする。 なお、中空糸膜の細孔の平均孔径は次のように
して求められる。 先ず、試料の内外面を標準粒子（例えばダウ・
ケミカル社製のユニホールラテツクスパーテイク
ル（UNIFORM LATEX PARTICLES）とと
もに走査型電子顕微鏡（日本電子社製）倍率約
10000倍で細孔を観察し、標準粒子の寸法をもと
に細孔の孔径を測定する。 次に、細孔の形状がほぼ円形の場合得られた孔
径を平均した値を平均孔径とし、細孔の形状が楕
円形の場合は長径と短径を測定し、楕円の面積の
計算式Ｓ＝πab／４（Ｓは面積、ａは長径、ｂは
短径）で面積を求め、その面積を円形面積として
細孔の径を算出し、その平均孔径とする。 ところで、中空糸膜５の内部空間に血液を流し
ガス交換を行なう場合には、その内径が特に問題
となる。一般に、内径が約100μ以下になると、
流体力学的な抵抗が大きくなり、また目詰りを起
しやすくなる。このため内径はそれ以上のものが
望ましい。一方、内径の上限については、実験を
行ない決定することができたので、ここに説明す
る。 肉厚約30μ、空孔率約45〜50％、平均孔径約
500〜650Åのポリプロピレンの中空糸膜の内径が
それぞれ約200μ、約300μ、約400μの３種類につ
いて血液量と酸素添加能、血流量と人工肺出口の
酸素飽和度の関係を測定したところ、その結果が
第２図と第３図で示すごとく得られた。なお、本
装置に送られる血液の人工肺入口の酸素飽和度は
約60％である。 血液量と酸素添加能との関係を示す第２図の結
果によれば明らかに膜面積１m²に対する１分間の
所定の血流量について200μの内径のものが最も
良い結果を示し、内径が大きくなるに従つて悪く
なることを示している。さらに、血流量と人工肺
出口の酸素飽和度との関係を示す第３図の結果に
より、血液約４／minを処理する（通常、この
程度のものを処理する必要がある。）のに必要な
中空糸膜の膜面積およびプライミング量ならびに
コンタクトタイム〔中空糸膜の入口端と出口端の
酸素飽和度の差が35％（実際的に人工肺に要求さ
れる数値）になるための血液の中空糸膜内の必要
滞在時間〕を求めると、表１で示すようになる。

【表】 この表１によれば、内径が約400μを越えると、
著しくコンタクトタイムが長くなり、また、プラ
イミング量、膜面積も増大する。膜面積が増大す
ると、装置の規模が大きくなり、膜コストがアツ
プし、また血液中の水蒸気蒸散、血液成分の付着
などの問題が生じ、また、プライミング量が多く
なれば、患者に相当の負担をかける。 以上のような結果から、中空糸膜の内部に血液
を流す場合、実際的な内径の範囲は、約100〜
300μ程度であるとみることができる。 なお、中空糸膜５の膜孔についての他の要因、
すなわち、肉厚、平均孔径、空孔率は、ガスの透
過および膜の強さなどから考察して上述した値に
決定したものである。 さらに、中空糸膜５の素材としての多孔性ポリ
プロピレン、ポリエチレンといつたものを人工肺
にそのまま使用するのではなく、血液と接触する
表面を抗血栓性材料にてコーテイング処理するこ
とが望ましい。たとえば、ガス透過性に優れたポ
リアルキルスルホン、エチルセルロース、ポリジ
メチルシロキサンといつた材料を肉厚１〜20μ程
度にコーテイング処理する。この場合、中空糸膜
５のガス透過能に影響を及ぼさない程度にその膜
孔を包うようにすれば、血液中の水蒸気蒸散を防
止することができる。また、この人工肺作動中に
おいて通常血液側の圧力のほうが酸素側のそれよ
り高いが、何かの原因で逆転することがある。こ
のような場合、マイクロバブル（気泡）が血液中
に流入するおそれがあるが、上述のように膜孔を
抗血栓材料でコーテイング処理されていれば、そ
の危険は生じない。さらに、言うまでもないが、
血液の凝固（マイクロクロツトの発生）を防ぐこ
とに役立つものである。 次に、上記隔壁６，７の形成について述べる。
前述したように隔壁６，７は、中空糸膜５の内部
と外部を隔離するという重要な機能を果たすもの
である。通常、この隔壁６，７は、極性の高い高
分子ポツテイング剤、たとえばポリウレタン、シ
リコーン、エポキシ樹脂といつたものをハウジン
グ１の両端内壁面に遠心注入法を利用して入口１
５、出口１６側から流し込み、硬化させることに
より作られる。さらに、詳述すれば、まず、ハウ
ジング１の長さより長い多数の中空糸膜５…を用
意し、この両開口端を粘度の高い樹脂によつて目
止めをした後、ハウジング１の筒状体２内に並べ
て位置せしめる。この後、取付けカバー３，４の
径以上の大きさのカバー（型）で、中空糸膜５…
各両端を完全に覆つて、ハウジング１の中心軸を
中心にそのハウジング１を回転させながら、流入
室１３、流出室１４側から高分子ポツテイング剤
を流入する。流し終つて樹脂が硬化すれば、上記
カバーを外して樹脂の外端面部を鋭利な刃物で切
断して中空糸膜５…の両開口端を表面に露出させ
る。かくして隔壁６，７は形成されることにな
る。 上述したように中空糸型人工肺は、たとえば開
心術などにおいて使用されるもので、患者の大静
脈より血液を取り出し、この血液を再び患者の大
動脈に戻す血液循環回路（図示しない）の途中に
設置される。なお、血液は通常成人で４／min
の流量で取り出される。 しかして、人工肺の使用時において、血液は血
液用入口１５から流入室１３内に流入したのち流
入室１３に臨む開口端から各中空糸膜５…内に分
れて流入し、その中空糸膜５…の内部空間を流出
室１４側に向つて流れる。そして、流出室１４側
において再び集められ、血液用出口１６から流出
する。一方、酸素室８には、後述するように酸素
ガスの供給が行なわれているため、その各中空糸
膜５…を介してガス交換が行なわれる。すなわ
ち、血液中の二酸化炭素ガスが酸素室８側に移行
し、酸素室８側の酸素ガスが中空糸膜５…内の血
液に移行するのである。この場合、血液は、各中
空糸膜５…の内部空間に均一に流れ込むように規
制がなされているため、血液のチヤンネリング
（偏流）は起らない。しかし、酸素室８内の流れ
はガス流であるため、ガス交換用中空糸膜５…の
分布が均一でないと、たちまちチヤネリングが起
り、ガス交換作用に支障を来たす。人工肺の場
合、ガス移動の推進力（Driving force−血液側
とガス側の分圧較差）は、酸素ガスで約680mm
Hg、炭酸ガスで約46mmHgである。したがつて、
酸素室８内でのチヤネリングは、特に炭酸ガスの
移動度合に大きく影響する。 しかしながら、上記実施例では、中空糸束１８
の中央部分が拘束部１７によつて絞り込まれ両端
において拡げられているため、絞り部１９では中
空糸膜５…の充填率が大きくなるとともに、筒状
部では各中空糸膜５…が均一に分散する。したが
つて、絞り部１９を形成しない場合に比べ、酸素
ガスが均一に分散する安定した流れを形成する結
果酸素、炭酸ガスの交換効率が高まる。また、ハ
ウジング１の内断面積がその中央の絞り部１９に
おいて急激に変化するため、この部分での流速が
急激に変化し、その結果流れに乱れが起り、ガス
の移動速度を増長する作用も生じる。 なお、絞り部１９での中空糸膜５…の充填率は
約60〜80％とすることが望ましいが、この理由は
次の通りである。すなわち、充填率を約60％以下
とすると、拘束部１７によつて絞り込めない部分
が生じ、中空糸膜５…の分布が不均一になつてチ
ヤンネリングを起し、性能を悪くする。さらに、
中空糸束１８を筒状部の中央に位置させるのが困
難になり、加工上の問題となる。一方、充填率を
約80％以上とすると、拘束部１７に接する中空糸
膜５…が強く押されて潰れが起き、血液が流れな
くなり、効率の低下を招くのみならずまた残血の
原因となる。さらに、加工上中空糸束１８を挿入
する際、きつく作業がしにくくなるからである。 また、筒状体２内での充填率を約30〜60％とし
たが、この理由は充填率を約30％以下とすると、
中空糸膜５…が筒状体２内で片寄り、その結果、
交換効率の低下を招く。また、加工がやりにくく
なる。一方、充填率を約60％以上にすると、中空
糸膜５…同志の密着が起り、やはり性能に悪い影
響を与えるからである。 また、隔壁６，７の外面における充填率は約20
〜40％としたが、この理由は約20％以下とする
と、中空糸膜５…の開口端の分布が加工上不均一
になりやすく、その結果血流分布の不均一、血栓
等の問題が起る。一方、充填率を40％以上にする
と、中空糸膜５…同志の密着が起り、隔壁６，７
の材料であるポツテイング剤が充填されない部分
が現われ、リークの原因となるからである。よつ
て、本考案における中空糸膜５の充填率は、拘束
部における充填率が60〜80％であり、さらに隔壁
６，７の外面における充填率が20〜40％であるこ
とが好ましい。そこで両者の比を算出すると、両
者の比が最も大きい場合で20：80であり、比は
１：４となり、また両者の比が最も小さい場合で
40：60であり、比は２：３となる。よつて、両者
の比は１：４〜２：３が好ましいと言える。そこ
で、拘束部の充填率60〜80％である本考案の人工
肺について、その隔壁外面における中空糸の充填
率は、拘束部における充填率の1/4倍〜2/3倍であ
ることが好ましい。 なお、上記実施例では拘束部１７部分のみをハ
ウジング１の内面から部分的に突き出すようにし
たが、本考案はこれに限定されず、別部材として
リング状のものを設けてもよく、また中央部の内
径を最も小さくし、両端側に大きくなるテーパ状
に形成してもよいものである。 以上説明したように本考案は、ハウジング内の
酸素室に配置される多数の中空糸膜からなる中空
糸束の中間部分の周面を拘束部によつて絞り込ん
でなるから、その絞り部を中心として中空糸膜の
充填率が大きくなり、かつ各中空糸膜が均一に分
散することになる。したがつて、酸素ガスが均一
に分散する安定した流れを形成する結果酸素、炭
酸ガスの交換効率が高まる。また、絞り用拘束部
を設けたことにより、この部分での流速の急激な
変化が起り、これによつてガスの移動を促進す
る。しかして、上記各作用により、チヤンネリン
グ現象を防止しながら、中空糸膜全表面における
均一なガス交換を行なうことができるとともに、
そのガス交換効率を高めることができる。 また、絞り用拘束部で中空糸束の中央部を絞り
込み、中空糸膜を均一に分布させるため、その絞
り用拘束部を設けない場合に比べて高い製作精度
が要求されず、かつその製作が容易になる。たと
えば両端における分布が比較的不均一であつても
全体的に均一化することができる。 また、本考案の中空糸型人工肺は、上述したよ
うな構成であるから、全体的にコンパクトで取扱
いが容易であり、しかも、平坦膜を使用するもの
とは異なり強度の向上を図ることができるなどす
ぐれた実用的効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本考案の一実施例を示すもので、第１図
はその人工肺の側断面図、第２図は中空糸膜の内
径と酸素添加能および血液量との関係を示すグラ
フ、第３図は中空糸膜の内径と人工肺出口の酸素
飽和度および血流量との関係を示すグラフであ
る。 １……ハウジング、２……筒状体、３，４……
取付けカバー、５……ガス交換用中空糸膜、６，
７……隔壁、８……酸素室、９……入口、１０…
…出口、１１，１２……ヘツドカバー、１３……
流入室、１４……流出室、１５……入口、１６…
…出口、１７……拘束部、１８……中空糸束、１
９……絞り部。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) ハウジングと、このハウジング内に並べて配
   列された内径約100乃至1000μ、平均孔径約200
   乃至1000Åかつ空孔率約20乃至80％を有する多
   孔性ポリオレフイン系樹脂製の多数のガス交換
   用中空糸膜からなる中空糸束と、上記各中空糸
   膜の外表面と上記ハウジングの内面との間によ
   つて形成される酸素室と、この酸素室に連通す
   る入口および出口と、上記中空糸膜の各端部を
   それぞれ支持し、この中空糸膜の開口端を上記
   酸素室から隔離する隔壁と、上記各中空糸膜の
   内部空間に連通する血液用入口および出口と、
   上記ハウジング内面または内面上に設けられ上
   記中空糸束の中間部分の周囲を絞る拘束部とを
   具備し、さらに、該拘束部における中空糸膜の
   充填率が60〜80％であつて、かつ隔壁外面にお
   ける中空糸膜の充填率が上記拘束部における充
   填率の1/4倍乃至2/3倍であることを特徴とする
   中空糸型人工肺。 (2) 中空糸膜の充填率は絞り部においては約60〜
   80％、その他の筒状体内では約30〜60％である
   実用新案登録請求の範囲第１項記載の中空糸型
   人工肺。