JPH0467464B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は血液体外循環において、血液中の二酸
化炭素を除去し、血液中に酸素を添加する膜型人
工肺装置に関するものであり、特に血液への酸素
加能と、血液からの炭酸ガス放散能に優れ、しか
もガス交換能の経時変化が少なく、かつ血液損
傷、溶血、血栓形成も少ない、ECMO（Extra−
Corporeal Membrane Oxygenetion）用に適し
た膜型人工肺装置に関するものである。

（従来の技術とその問題点） 血液の体外循環により血液中の炭酸ガスを放散
し酸素添加する人工肺装置として従来より気泡
型、液体型、膜型の３種類の装置が用いられてい
る。中でも膜型人工肺装置は血液中に酸素の微小
気泡を直接吹き込む気泡型人工肺装置にくらべる
と血液に対する損傷が少なく、また高濃度に酸素
を溶解させたフルオロカーボンを血液と接触させ
る液体型人工肺装置のようにフルオロカーボンと
血液の分離が不完全な場合にフルオロカーボンが
血液循環系に混入する危険がないため最近次第に
広く用いられるようになつてきている。かかる膜
型人工肺装置は他の型の人工肺装置とくらべ血液
損傷等の危険が少ないため比較的長時間連続して
用いられる急性または慢性の呼吸不全患者の肺の
機能を補助する、いわゆるECMO用の人工肺装
置として注目されている。

しかしながら従来のガス透過性の分離膜をはさ
んで血液と酸素を間接的に接触させ、血液側とガ
ス側のガス分圧差を利用して血液への酸素添加お
よび血液からの脱炭酸ガスを行なう膜型人工肺装
置のうち、分離膜としてポリジメチルシロキサン
等のガス透過性の高い高分子素材を均質緻密な構
造とした膜を用いたものは血中からの脱炭酸ガス
性能が不満足であり、膜の破裂強度も低いという
欠点があつた。

一方テフロン、ポリプロピレン、ポリエチレ
ン、置換ポリアセチレン、ポリスルホンなどの疏
水性の多孔膜を分離膜として用いたものは、長時
間使用すると血漿蛋白質などの吸着によつて膜が
徐々に親水化され、やがて連通孔全体が濡れ、血
漿のリークがおこるという欠点があつた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は膜型人工肺装置の上記欠点を解消し、
血液への酸素加能と血液からの炭酸ガス放散能に
優れ、しかもガス交換能の経時変化の少ない、特
にECMO用に適した膜型人工肺装置を提供する
ため、液体型人工肺装置に用いるフルオロカーボ
ンを分離膜を介して血液と接触させたところ、意
外にもガス交換能の低下は少なく、かつその低下
分も酸素溶解性液体物質の流量増加、該物質の酸
素飽和度の増加などの因子により十分補償し得る
事を見い出し本発明に到達したものである。すな
わち本発明は、孔径0.04μ以下の分離膜で２つの
室に区割された膜モジユールの一方の室に血液体
外循環回路を接続し、他方の室に人工血液の循環
回路を接続するとともに、該人工血液の循環回路
に人工血液に酸素を付与する酸素付加手段を設け
たことを特徴とする膜型人工肺装置である。

（作用） 本発明は分離膜で２つの室に区割された膜モジ
ユールの一方の室に血液を、他方の室に人工血液
を供給して分離膜を介して物質交換を行わせると
血中でのガス拡散が律速となりガス交換能が大巾
に低下するだろうという予想に反し、後述する実
施例に示すごとくガス交換能の低下が少なく、か
つフルオロカーボンが血漿蛋白質の乳化作用や、
高い流速のためにエマルジヨン化されず血液と完
全に分離されずに体内に流入することがないため
人工肺装置に用いた場合には極めて安全であると
いう効果が得られるが、かかる結果は従来の知見
からは全く予想しがたいことである。

かかる効果を生ずる理由は明らかでないが、 人工血液と血液が膜で分離されているため、
双方の混合を心配することなく流速を十分にと
り、膜面での境膜抵抗を小さくできるため 人工血液と血液を向流で流せるため であると推察される。

上記構成とした人工肺装置では、従来の膜型人
工肺装置に用いられているガス分離膜では通常体
外循環中に膜モジユールでプラズマのリークによ
り血中からアルブミンなどの重要な蛋白質が失な
われて、体力の消耗をきたすため、その対策とし
て高価な血漿製剤やアルブミン製剤の補液が行な
われているが、孔径が0.04μより小さい分離膜を
用いるとアルブミン等の蛋白の透過率が極めて小
さく、実質的にプラズマリークが防止されるとい
う利点がある。また血液への酸素添加手段として
人工血液を用いるため従来の気−液接触の膜型人
工肺使用時に血中の水分が水蒸気として膜型人工
肺装置の気体側に透過し、気体側の膜表面に水滴
として付着してガス交換抵抗が増大し、血中への
酸素化能や、血中からの脱炭酸ガス能が低下する
（ウエツトラングという）という問題は起り得ず、
長時間、安定した性能を維持できる。

（実施例） 次に本発明の膜型人工肺装置の一実施例を図面
にて説明する。第１図は本発明装置のフロー図で
あり、該装置は分離膜１で二つの室に区割された
膜モジユール２、モジユール内の一方の室に連結
された血液循環回路C_B及び他方の室に連結され
た人工血液の循環回路C_Oで構成されている。３
は人工血液に酸素を付加する手段であり、４は循
環ポンプである。

分離膜を収容した膜モジユール２はコイル型、
平膜型、中空糸型のいづれの型を用いてもよい
が、通常中空糸型が用いられる。中空糸型の膜モ
ジユールは多数の中空糸を人工血液の入口、出口
を有する筐体内に収容して、その両端を集束し、
エポキシ樹脂等の接着剤で両端が開口するように
接着固定している。そして筐体の両端には血液の
入口又は出口を有するキヤツプが液密に取着され
ている。

上記膜モジユール２に収容される分離膜１はい
わゆる多孔膜型人工肺に用いられる孔径0.07〜数
μの膜に較べ、孔径が小さく、通常0.04μ以下、
好ましくは0.01μ以下の膜であり、実質的に孔の
ないものでも良い。最も好適な孔径の範囲は
0.003〜0.009μである。孔径がこれ以上大きい場
合は多孔膜型人工肺で問題となるプラズマリーク
が発生し易い。

この範囲の孔径の膜のうち実用化されている最
も好適なものは人工腎臓用の血液透析膜である。
血液透析膜としてはセルロース、セルロースアセ
セテート、ポリメチルメタクリレート、エチレン
ビニルアルコール、ポリカーボーネート、ポリア
クリロニトリルなどからなる膜が知られており、
その孔径は大略0.003μ〜0.01μである。中でも血
液適合性の面からポリメチルメタクリレート、エ
チレンビニルアルコール、セルロースアセテート
などが好ましい。

膜モジユール２の一方の室に連結された血液循
環回路C_Bは患者に穿刺したカテーテル（図示せ
ず）より血液を抜き出す血液ポンプ５を設けた血
液送血回路C₁と酸素を付与された血液を患者の
静脈内に戻す返血回路C₂で構成されており、上
記返血回路C₂にはドリツプチヤンバーや加温器
などが設けられている。

膜モジユール２の他方の室には人工血液の循環
回路C_Oが接続されている。かかる回路内を循環
する人工血液としては例えばフルオロカーボン類
などの酸素溶解性が高く、かつ常温で液体の物
質、あるいは例えばフルオロカーボン乳液、マイ
クロカプセル化ヘモグロビン分散液などの酸素溶
解性の高い物質、又は酸素との結合、解離を容易
に行ないうる物質を水性連続媒体中に分散させた
ものが用いられる。これらの人工血液を用いる場
合、前者は特に血中への酸素添加能が優れ、例え
ば心臓手術時に人工心肺の一部として用い、循環
系への酸素供給を図る際などに好適である。一方
後者は特に血中からの脱炭酸能が優れ、例えば呼
吸不全患者の長期呼吸補助などに好適である。

人工血液として酸素溶解性液体物質を用いる場
合、該人工血液は膜モジユール２で体外循環血液
とガス交換を行なう前に十分酸素を吸収（溶解、
結合）している事が必要である。そのため人工血
液回路C_Oには該液体への酸素付加手段３が是非
とも必要である。かかる人工血液への酸素付加手
段としては公知の手段を用いることができる。最
も簡便な方法は上記液体を収容する密閉容器内へ
酸素ガスを吹込むことである。またガス透過性膜
を介して酸素を液体側へ透過させてもよい。人工
血液の酸素飽和度は通常その酸素分圧で知る事が
できる。一般に標準的体外循環血液（静脈血）の
酸素分圧は40mmHg程度、炭酸ガス分圧は45mmHg
程度であるから、酸素付与手段３で付与される酸
素としては人工血液側の酸素分圧が40mmHgより
高く、炭酸ガス分圧は０なるように酸素を付与す
る必要がある。人工血液の酸素分圧と炭酸ガス分
圧を上記範囲にすると分圧差をドライビングフオ
ースとしてガス透過性膜を介して人工血液から体
外循環血液中への酸素の移動と、逆方向の炭酸ガ
スの移動が起り、ガス交換が達成される。ガス交
換の速度は分圧差や、体外循環血液および人工血
液の分時流量などにより調節できるが、一般には
分時流量は装置、回路内圧損の関係から最大流量
が規制される事が多いので、人工血液としてはで
きる限り酸素や炭酸ガスの吸収係数の大きいもの
を用いることが好ましい。

本発明において人工血液として酸素溶解性液体
物質を用い、膜モジユールとして孔径0.003μ以
上、0.02μ以下の膜、例えば人工腎臓用透析膜を
用いると体外循環血液から過剰水分を除去する事
ができる。心臓手術の際には、視野の確保、心筋
の保護、体外循環回路へのプライミングなどの目
的でリンゲル液を始めとする様々な水性液体が多
量に使用されるため血液は希釈されており、体外
循環回路も含めた術中の全血量は術前の全血量よ
り数百〜数千c.c.多くなつている。それ故手術終了
時には体外循環回路中の血液を濃縮し患者に再注
入する事がよくある。血液の濃縮は術後に遠心分
離器を用いて行なつたり、人工肺とは別に血液濃
縮用の膜を用いて行なつたりするが、本発明によ
れば手術中の血液への酸素加と同時に除水する事
ができるので余分の設備装置を必要とせず血液の
損失を最少に抑える事ができる。除水は体外循環
血液側の圧力と人工血液側の圧力差によつて制御
できるので、所望の時間に任意の量を除水する事
ができる。体外循環血液から人工血液側に過さ
れた水分は好適な手段によつて分離すれば良い。
例えば人工血液としてフルオロカーボンを用いる
場合には、フルオロカーボン（比重1.8）と水
（比重1.0）が全く相容性のないことを利用して比
重差で分離すればフルオロカーボンは繰り返し人
工血液として使用できる。

人工血液として水性連続媒体中に酸素溶解性の
高い物質、または酸素との結合、解離を容易に行
ないうる物質を分散させたものを使用する際も、
人工血液から体外循環血液への酸素の移動は両者
間の酸素分圧差をドライビングフオースとして進
行する。それ故前述の酸素溶解性液体を人工血液
として使用する際と同様に、この場合も人工血液
は予め所望の酸素飽和度に調整しておく必要があ
る。一方、体外循環血液からの脱炭酸に関しては
ドライビングフオースは体外循環血液中と水性連
続媒体よりなる人工血液中の炭酸イオン
（HCO₃ ^-）濃度差になる。体外循環血液とそれよ
り炭酸イオン濃度の低い人工血液とを膜を介して
接触させると透析によつて体外循環血液中より人
工血液側への炭酸イオンの移動が起る。体外循環
血液中の炭酸イオンは次式により炭酸ガスと平衡
状態にあるので、炭酸イオンの減小は体外循環血
液からの炭酸ガス放散となり結果的にガス交換が
達成される。

H⁺＋HCO₃ ^-H₂CO₃H₂O＋CO₂ 一方人工血液として水性連続媒体中に酸素溶解
性の高い物質又は酸素との結合、解離を容易に行
ないうる物質を分散させたものを用いる場合、人
工血液の水性連続媒体が透析液の役割を果し、膜
を介在して血中から炭酸イオンを透析除去すると
同時に、該媒体中に分散された酸素溶解性物質ま
たは酸素結合物質が血液の酸素化を行なうため、
血中からの脱炭酸と、血中への酸素化が膜モジユ
ールで同時に行なわれるため特に血中から脱炭酸
と除水能が優れたECMO用の膜型人工肺が得ら
れる。この特徴は呼吸不全患者の呼吸補助循環に
用いる場合にはとりわけ有効である。一般に呼吸
不全患者は酸素吸収能力は十分であつても炭酸ガ
ス放散能が不足している例が多く、なおかつその
治療には長時間の呼吸補助のための体外循環を要
する。それ故血液適合性について既に多くの知見
が得られている安全性の高い血液透析膜と炭酸イ
オン除去能の特に優れた人工血液とを利用する事
は極めて効果的である。

または血液透析膜は通常３〜数＋mlmmHg・
m²・hr程度の除水能も有しているため、血液側陽
圧で実施する通常の補助循環に本発明を用いれば
単一のモジユールでガス交換のみでなく、体内か
らの過剰水分の除去や老廃物の除去も合わせて行
なう事ができ極めて効率的、合理的、経済的であ
る。

実施例 １ 第１図に示す装置、回路を用いて行なつたin
vitro実験結果を示す。

人工肺としてエチレンビニルアルコール中空繊
維を収容した膜面積1.2m²の人工腎臓（(株)クラレ
製KF101）を用い、中空繊維膜内部に血液を、外
部にフルオロカーボン（FC43）を流した。人血
液（ヘマトクリツト18.5％）流量を140ml／min
に、酸素分圧450mmHgの酸素化された人工血液流
量を1200ml／minに保ち定常状態にした。この時
人工肺入口側での人血液の酸素分圧（Po₂）50mm
Hgは、出口側でPo₂383mmHgに増加しており、人
工血液から循環人血液への酸素加は良好であつ
た。同時に人工肺入口における人血液の炭酸ガス
分圧（Pco²）37mmHgは出口側で21.2mmHgに減少
し、人血液からの脱炭酸も良好に行なわれた。さ
らに人血液からの除水能を測定したところ、人工
肺の入口側圧力と出口圧力の平均値に対し0.06
ml／min・mmHgの割で除水が可能で、かつ人工
血液側に取り出された除水液中にはアルブミン等
の重要な血漿蛋白質は実質的に含まれていなかつ
た。

実施例 ２ 人工血液としてフルオロカーボン乳液を用いた
他は実施例１と同様にしてin vitro実験を行なつ
た。定常状態において人血液中のPo₂は人工肺入
口で43mmHg、出口で118mmHg、Pco₂は入口で42
mmHg、出口で16mmHgであり、血液中への良好な
酸素添加能と、血液からの優れた脱炭酸能を示し
た。除水性も良好で人工肺入口圧と出口圧の平均
値に対し0.065ml／min・mmHgの割で除水し得た。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、分離膜を収容
した膜モジユールの一方の室に体外循環回路に取
り出された血液を、他方の室に人工血液を流す事
により血液への気泡の流入やフルオロカーボンの
混入の心配のない、かつまた膜型人工肺の欠点で
あるプラズマリークやウエツトラングの恐れのな
い新規な膜型人工肺装置を提供する事ができる。
さらに本発明によれば単一のモジユールでガス交
換と血液からの除水を同時に行なう事が可能なだ
けでなく、人工血液として酸素溶解性液体物質を
用いると血液への酸素添加能の優れた人工肺装置
がまた人工血液として水性連続媒体を用いると血
中からの二酸化炭素除去能の優れた人工肺装置を
得ることができるという効果を奏している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の膜型人工肺装置の一実施例を
示すフロー図である。 １……分離膜、２……膜モジユール、３……酸
素付加手段、４……循環ポンプ、C_B……血液体
外循環回路、C_O……人工血液の循環回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 孔径0.04μ以下の分離膜で２つの室に区割さ
   れた膜モジユールの一方の室に血液体外循環回路
   を接続し、他方の室に人工血液の循環回路を接続
   するとともに、該人工血液の循環回路に人工血液
   に酸素を付与する酸素付加手段を設けたことを特
   徴とする膜型人工肺装置。