JPS6137250A - 熱交換機能を具備する中空糸膜型人工肺 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、熱交換機能を具備する中空糸Ｓ型の人工肺装
置に関する。

［従来技術］ 中空糸膜を用いた人工肺としては、例えば米国特許第３
７９４４１３８号、特開昭５４−１８００９８号、特開
昭５８−１５５８８２号等、既に種々の提案が知られて
いる。

これらは、ポリオレフィン等の疎水性高分子ならなる微
多孔質中空糸膜や、シリコン等の気体透過性の均質中空
糸膜を用いて、中空糸膜面を介して気体と血液を接触さ
せ、その間でガス交換を行なわせるものであり、中空糸
膜の中空部に血液な流し、中空糸膜の外部に気体を流す
ものと、その逆に、中空糸膜の中空部に気体を流し、外
部に血液を流すものとの二つの方式がある。

前者の方式では血液を多数の中空糸膜に均等に分配供給
すれば血液のチャンネリング（偏流）はないものの、中
空糸膜の中空部を流れる血液は層流であり、酸素摂取能
（単位膜面積当りの酸素移動速度）を上げるためには中
空糸膜の内径を小さくすることが必要であり、このため
に１５０〜３０〇−程度の内径を有する中空糸膜が人工
肺用として開発されている。

しかしながら、径を細くしても血液が層流流動する限り
は酸素摂取能が飛躍的に向上するものではなく、さらに
径を細くするにつれてクロッティング（凝血による中空
部の閉塞現象）が多発し、実用上大きな問題となってい
る。また、一般的に人工肺では、中空糸膜が数万本束ね
られた束として用いられており、これら多数の中空糸膜
のそれぞれに充分に気体を分散供給するには特別の配慮
が必要である。気体の分散供給が不充分である場合には
、炭酸ガス排泄能（単位膜面積当りの炭酸ガス移動速度
）が低下する。

一芳、後者の方式ではガスの分配は良好であり、かつ血
液の流れに乱れが発生することが期待できるものの、血
液のチャンネリングによる酸素化不足あるいは滞留部に
おける凝血が生じ易いという問題点があり、未だ充分な
性能を有する人工肺は実現されていない。

従来知られている殆どの人工肺は、円筒状のハウジング
内に単に多数のガス交換用中空糸膜の束をこの円筒ハウ
ジングの軸に平行に充填したものであり、このような構
造では、前記の二種の方式のいずれでも中空糸膜単位面
積当りのガス交換能は低いものとなる。後者の方式に於
ける改良された態様として、壁面に多数の空孔を有する
中空の円筒軸に中空糸膜を巻き付けて、これをハウジン
グに収納し、血液を円筒軸の中空部より空孔を通して流
出させ、一方、気体は中空糸膜の中空部に流す人工肺が
米国特許第３７９４４８８号に提案されている。しかし
、このような人工肺では血液の充填量が過大となり、さ
らにその製造には煩雑な手数を要するなどの問題があり
、未だ実用化に至っていない。

、また、従来、人工肺を使用してガス交換を実施した血
液を、体外のガス交換回路から患者の体内に復帰させる
場合には、血液の温度を患者の体温とほぼ等しくする必
要があり、この目的に人工肺を含む血液のガス交換回路
に熱交換器が付設されて使用されきた。

このような血液のガス交換回路の調整は、一般に病院等
の治療施設に於いて、人工肺と熱交換器とを回路チュー
ブ等を介して接続することにより実施されていた。した
がって、使用者にとっては血液ガス交換回路の組み立て
が煩雑であり、回路の組み立てを誤る危険性もあり、ま
た、回路の設置にスペースを要するという問題があった
。更に人工肺と熱交換器という独立した血液の滞留部を
有し、かつこれらを接続するための回路接続チューブが
必要になるため、回路の作動初期に要する血液量が多く
なり、またこれら構成部材内の泡抜きを別々に実施する
必要があり、操作的にも煩雑な面があった。

このような問題を解決する手段として、例えば特公昭５
５−２９８２号、特開昭５７−３９８５４号等には、人
工肺と熱交換器とを一体化した人工肺装置が開示されて
いる。しかし、これら人工肺装置は、血液のガス交換性
能、あるいは人工肺装置の大きさの点で必ずしも満足で
きるものではなかった。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明はこれらの状況に鑑みなされたものであり、その
目的とするところは優れた酸素摂取能と炭酸ガス排泄能
とを有し、かつ血液の滞留やチャンネリングを生じるこ
とが殆どなく、かつ製造に当っては煩雑な手間を必要と
しない簡易な構造の実用的な人工肺装置を提供すること
にある。

本発明の他の目的は、上記の性能を有する人工肺装置と
熱交換器とを一体化させ、コンパクトで使用者にとって
使いやすい人工肺装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ すなわち本発明の人工肺は、多数の中空糸膜のそれぞれ
の開口両端を固定した固定部材を内蔵し、該固定部材に
よりその内部がガス流路と血液の流れる接触室とに区分
され、前記中空糸膜は該接触室内をほぼ直線状で通過し
かつ血液の流れ方向とほぼ直交するよう配設され、前記
接触室は前記中空糸膜に対して垂直な方向に幅をせばめ
られた血液流路部と、該血液流路部を介してわけられた
前記中空糸膜を内蔵する複数の小室とに区分けされる、
血液導入口、血液導出口、ガス導入口およびガス導出口
を有する浅箱状の形状の第１の容器と、血液導入口およ
び血液導出口を有し、その内部へ導入された血液に対し
ての熱交換手段を右する第２の容器とからなり、第１の
容器の血液導入口と第２の容器の血液導出口とが、また
は第１の容器の血液導出口と第２の容器の血液導入口と
が直接接続されて構゛成される。

［発明を実施するための好適な態様］ 以下、本発明の人工肺装置につき図面を参照しつつより
詳細に説明する。

第１図は、本発明の人工肺の一態様例を示す縦断面図で
あり、第２図は一部切截平面図である。

本発明の人工肺装置は、血液のガス交換機能を果す第１
の容器ｌと、これにチューブ等を介することなく直接接
続し、血液の熱交換機能を果す第２の容器２とから構成
される。

第１の容器ｌには、基本的には中空糸ｌＩ３と、固定部
材４とが内蔵され、これらの部材により第１の容器ｌの
内部は、血液の流れる接触室５および中空糸膜３の内部
空間に酸素を含む気体を供給するための気体流路６に区
分されている。接触室５の内部は、血液の流れる方向を
横切る方向に設置されかつ中空糸膜の設置方向に対して
垂直な方向（以下、接触室の厚み方向と略称する）に幅
をせばめるよう構成された血液流路部７と、この血液流
路部７を介してわけられその内部に中空糸膜３を内蔵す
る複数の小室８とに区分けされる。

血液流路部８には、接触室の厚み方向に伸びるような態
様で支柱９が配設されてもよい。浅箱状の形状を有する
第１の容器１には、気体導入口ｌＯ１気体導出口１１、
血液導入口１２および血液導出口１３の各流体の出入口
が設けられている。

中空糸膜３は小室Ｂ内をほぼ直線状で通過し、相い向か
いあう二つの固定部材４により、それぞれの開口両端を
気体流路６に向は開口を保ちつつ固定されている。

本発明の人工肺装置の第１の容器ｌ内に於いては、酸素
を含む気体は、気体導入口１０から気体流路６へ供給さ
れ、中空糸膜３の内部を流れ５接触室５の小室８内で中
空糸膜３を介して血液とガス交換を行ない、酸素が減少
し、炭酸ガスの増加した気体となって、気体流路６′へ
導かれた後気体導出口１１から排出される。なお、気体
導入口１０から供給される酸素を含む気体は、もちろん
純粋な酸素であってもよい。　　　　− 一方、人体から取り出された血液（静脈血）は、血液導
入口１２から血液分配室１４へ導入され、次いで接触室
５へ供給され、接触室５の小室８内で中空糸膜３の内部
を流れる酸素を含む気体と中空糸膜３を介してガス交換
を行ないつつ血液が静脈血から動脈血化された後、血液
集合室１５を経て血液導出口１３から人工肺の外部へ排
出され、患者の体内へと復帰される。

第１図には、四つの血液流路部７により接触室５が五つ
の小室８に区分された例が示されているが、小室８の数
は二つ以上であれば幾つあってもよく、その数が多い方
が好ましいが、加工性を考慮すると、３〜１０個程度で
あることが実用上好ましい。

第３図は、小室８とそれに隣接する血液流路部７の他の
態様例を示した部分断面図である。血液流路部７の断面
形状としては、第１図および第３図に示すものを初めと
して接触室の厚み方向に幅をせばめるものであればどの
ような形状でも採用できるが、第１図に示すような曲面
を有する断面のものであることが血液の滞留を避ける点
で好ましい。接触室５の内部に血液流路部７を設けるの
は、接触室の厚み方向についても血液流の乱れを生じさ
せて血液のチャンネリングを防止するためのものである
。第１図および第３図に図示されるように、血液流路部
の接触室の厚み方向の幅のせばめ方は、隣接する血液流
路部が上下の位置に交互に配設されるようにするのが好
ましい。

次に、本発明の人工肺に於ける接触室の寸法について説
明する。小室８の血液流れ方向の長さｂは、該小室８の
厚みの最大寸法ａより大きいことが好ましい、ａがｂよ
り大きいと小室の厚み方向の血液の流れが支配的となり
小室８の隅（小室の血液流路部との境界近傍）に血液の
滞留が生ずるおそれがある。血液流路部の厚みｅは、小
室の厚みａの半分以下であることが血液流路部を設置し
た効果を発揮させる上で好ましい。

接触室の幅Ｗ、すなわち二つの固定部材間の距離は、血
液の流量及び小室の厚みａとの関連で最適値が選定され
るが、接触室内で好ましい平板状の血液流を形成させる
ためには、接触室の輻Ｗは、接触室の厚みａの５〜８０
倍程度とするのが好ましい、　５倍より小さい場合は、
血液流に対して固定部材表面の及ぼす影響が大きくなり
好ましくないことがある。また、８０倍より大きい場合
は、血液流を中空糸膜面全体に均等に流すのが難しくな
り、チャンネリングを抑制するのが困難となる。

接触室内の中空糸膜は、血液の流れ方向とほぼ直行する
よう配設される０本発明にいう血液の流れ方向とは、血
液を接触室内に流した際に実際に形成される血液流の流
れ方向をいうのではなく、接触室内での血液の入口から
出口へ向かう方向をいう、血液の流れ方向と中空糸のな
す角度は、チャンネリング抑制の点から少なくとも４５
度であることが必要であり、ほぼ直交していることが最
も好ましい、これは血液が中空糸を横切って流れること
により中空糸のまわりに小さな血液流の乱れが発生する
ことによるものと考えられる。また、小室内に配設され
た多数の中空糸は、これら中空糸の束の中心軸にそれぞ
れの中空糸が平行に並べられたものが好ましいが、何本
かの中空糸が束としてかつそれらが中空糸の束の中心軸
に対して４５度までの角度で巻かれてるようにして配設
されてもよい。

各小室に収納された中空糸の充填率は、１０〜５５％で
あることが好ましい、ここでいう充填率とは、接触室の
血液の流れ方向に平行な面に於ける、各小室の断面積に
対する中空糸膜の占める断面積の割合をいう、充填率が
１０％より小さい場合は血液のチャンネリングが生じ易
く、また、５５％より大きくなると血液の流動抵抗が過
大となり、溶血を誘発することがある。各小室における
中空糸の充填率は各小室で異なっていてもよいが、等し
くするほうが加工製作上都合がよい。

本発明の人工肺内に設置される中空糸膜としては種々の
ものが使用でき、例えばセルロース系、ポリオレフィン
系、ポリスルホン系、ポリビニルアルコール系、シリコ
ーン樹脂系、ＰＭＭＡ系等の各種材料からなる均質もし
くは多孔質の中空糸膜が使用できる。しかし耐久性に優
れ、かつ気体の透過性能に優れたものとしては、ポリオ
レフィン系の多孔質中空糸膜が挙げられる。その中でも
、膜の微小空孔が一方の面から他方の面にかけて幾重に
も積層したフィブリルとフィブリルの両端を固定する節
部によりできるフィブリル間の空間で形成された微小空
孔がそのフィブリル間の空間として相互につながって膜
の一方の面から他方の面まで貫通しているような膜が特
に好ましく用いられ、このような中空糸膜の例としては
、例えばポリプロピレン中空糸膜およびポリエチレン中
空糸膜（それぞれＫＰＦ、　　ＥＨＦ、商品名、三菱レ
イヨン輛製）が挙げられる。

血液流路部７に設けてもよい支柱９は、接触室内を流れ
る血液流に乱れを生じさせると同時に。

血液を流すことにより小室８内の中空糸膜３が血液流路
部７へ押し流され、この部分の中空糸膜３の充填率が異
常に高くなり溶血等が生ずるのを防止する役割を果すこ
とができるので、支柱９を設けるのは本発明の好ましい
態様である。

固定部材４は、中空糸を使用した所謂中空糸濾過モジュ
ールを製造する場合と同様の手法により、接着性のよい
ポリウレタン、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂等を
使用して中空糸膜と一体化させ、簡易に製造することが
できる。

−芳、熱交換機能を果す第２の容器２は、血液導入口Ｉ
Ｂおよび血液導出口１７を有し、熱交換手段が配設され
る。第２の容器２内に配設される熱交換手段としては、
種々の態様のものが採用できるが、この例では、温水等
の熱交換媒体をその内部に流すための複数本の管状体１
８が、血液導入口ＩＢから血液導出口１７へ向かう方向
（血液の流れ方向）に対してほぼ直交するよう配設され
ている。

管状体１８をこのような態様で配設すると、血液の熱交
換効率を高めることが可能であり、第２の容器２をコン
パクトなものとして形成することが可能であり、好まし
い態様である。

熱交換媒体を流すための管状体１８は、熱伝導性に優れ
る多くの素材からなるものが使用でき、例えばステンレ
ス等の金属、各種プラスチック等が好ましいものとして
例示される。管状体１８の大きさとしては、内径が０．
５〜５＋＋ｍ、厚さが０．０１〜０．５■膳程度のもの
を使用するのが適当である。また、伝熱面積を大きくし
、熱交換効率を高めるために管状体１８に対してフィン
を付設するのも好ましい態様である。

第１の容器ｌと第２の容器２とは、第１の容器ｌの血液
導入口１２と第２の容器の血液導出口１７または第１の
容器の血液導出口１３とｗ４２の容器の血液導入口１Ｂ
とが直接接続される。その接続方式としては、これらそ
れぞれの対応する接続口に雄ネジおよび酸ネジを切り、
螺合させるのが最適である。この接続部の内部空間を大
きくすることは、人工肺の作動初期に必要な血液量が多
くなるため、血液が漏洩しない限度で最低限のスペース
とすべきである。製造工程が煩雑とはなるが、第１の容
器ｌと第２の容器８とを一体化して製造することも可能
である。

［本発明の効果］ このような本発明の人工肺装置によれば、血液の滞留お
よびチャンネリングの発生がなく容易に血液流に乱れが
生じ、中空糸膜を介しての単位膜面積当りの酸素および
炭酸ガスの交換量が大きくなり、優れた性能が発揮でき
る。また、容易に加工ができるため安価でかつ体外への
血液搬出量が小さくなり、患者の負担を軽減するという
利点を有している。

また、熱交換器がガス交換機能部と一体化されて形成さ
れているため、使用に際しての煩雑な回路の組み立て、
作動初期の個々の部品の泡抜きを別々に実施する必要が
なく、使用者にとっては極めて簡便に操作することが可
能である。更に、回路の作動初期に要する血液量を少な
くすること、回路の設置のスペースの削減も可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の人工肺モジュールの！実施態様の縦断
面図であり、第２図は一部切截平面図である。第３ａ図
、第３ｂ図および第３Ｃ図は、小室および血液流路部の
他の態様を示す部分拡大断面図である。 ｌ：第１の容器　　　　２：第２の容器３；中空糸膜　
　　　　４：固定部材 ５：接触室　　　　　　６：気体流路 ７：血液流路部　　　　８：小室 ９：支＃　　　　　　　　１０：！体道入ロ１１：気体
導出口　　　　１２：血液導入口１３：血液導出口　　
　　１４：血液分配室１５：血液集合室　　　　１６：
血液導入口１７：血液導出口　　　　１８：管状体ａ：
小室の最大厚み　　ｂ：小室の長さｅ：血液流路部の厚
み　Ｗ：接触室の幅特　許　出　願　人　　三菱レイヨ
ン株式会社第　　３ａ　　図　　第　　３ｂ　　間第　
　３Ｃ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）多数の中空糸膜のそれぞれの開口両端を固定した固
   定部材を内蔵し、該固定部材によりその内部がガス流路
   と血液の流れる接触室とに区分され、前記中空糸膜は該
   接触室内をほぼ直線状で通過しかつ血液の流れ方向とほ
   ぼ直交するよう配設され、前記接触室は前記中空糸膜に
   対して垂直な方向に幅をせばめられた血液流路部と、該
   血液流路部を介してわけられた前記中空糸膜を内蔵する
   複数の小室とに区分けされる、血液導入口、血液導出口
   、ガス導入口およびガス導出口を有する浅箱状の形状の
   第１の容器と、血液導入口および血液導出口を有し、そ
   の内部へ導入された血液に対しての熱交換手段を有する
   第２の容器とからなり、第１の容器の血液導入口と第２
   の容器の血液導出口とが、または第１の容器の血液導出
   口と第２の容器の血液導入口とが直接接続されてなる中
   空糸膜型人工肺装置。 ２）前記熱交換手段として、第２の容器の内部に、熱交
   換媒体を流すための複数本の管状体が、該容器の血液導
   入口から血液導出口ヘ向かう方向に対し、ほぼ直交する
   ように配設されてなる特許請求の範囲第１項記載の中空
   糸膜型人工肺装置。