JPS6137251A - 熱交換器内蔵型人工肺 - 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 本発明は、熱交換器を内蔵する中空糸膜型の人工肺装置
に関する。

［従来の技術］ 中空糸膜を用いた人工肺としては、例えば米国特許第３
７９４４８８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からなる微
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
膜の中空部に血液を流し、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１５０〜３００μｓ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。

一方、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。前者の方式に於
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ど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。

［発明が解決しようとする問題点］ 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５７−３１３８５４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（士、°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。

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に
熱交換器を内蔵させ、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、血液導入口、血液導出口、
ガス導入口、ガス導出口、熱交換媒体導入口および熱交
換媒体導出口を有する浅箱状の形状のハウジング内に、
該ハウジング内部をガス流路と血液の流れる接触室とに
区分する固定部材と、前記接触室内をほぼ直線状で通過
し、それぞれの開口両端を前記ガス流路に向け前記固定
部材により固定された多数の中空糸膜とを有してなり、
該中空糸膜は前記接触室内で血液の流れ方向とほぼ直交
するよう配設され、該接触室は前記中空系膜に対して垂
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、かつ前記接触室の上部および／また
は下部のハウジング壁面内部に熱交換媒体を流すための
熱交換室が設けられて構成される。

［発明を実施する声めの最適な態様］ 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息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。

本発明の人工肺は、基本的には人工肺本体を形成するハ
ウジングｌと、中空糸膜２と、固定部材３とから構成さ
れ、これらの部材によりハウジング１の内部は、血液の
流れる接触室４、中空糸膜２の内部空間′に酸素を含む
気体を供給する〆めの気体流路５および熱交換媒体を流
すための熱交換室６に区分されている。ｖｃ触室４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２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
有するハウジングｌには、気体導入口１０、気体導出口
１１、血液導入口１２、血液導出口１３、熱交換媒体導
入口１４、および熱交換媒体導出口１５の各流体の出入
口゛が設けられている。

中空糸膜２は小室８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３により、それぞれの開口両端を
気体流路５に向け開口を保ちつつ固定されている。

本発明の人工肺装置内に於いては、酸素を含む気体は、
気体導入口ｌＯからハウジングｌ内の気体流路５へ供給
され、中空糸１１２の内部を流れ、接触室４の小室８内
で中空糸膜２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５
′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ｉｏ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からハウジングｌ内の血液分配室１６へ導入さ
れ、次いで接触室４へ供給され、接触室４の小室８内で
中空糸膜２の内部を流れる酸素を含む気体と中空糸膜２
を介してガス交換を行ないつつ、熱交換室６内を流れる
熱交換媒体により接触室４の壁面を介して体温に近い温
度まで暖められ、血液が静脈血から動脈血化された後、
血液集合室１７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ｌｌｌ７により接触室４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輻のせばめ方は、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６ｓ。

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。血液流路部の厘み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、接触室の幅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、固
定部材表面が血液流に対して及ぼす影響が大きくなり好
ましくないことがある。また、６０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、は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、中空糸が中空糸の
束の中心軸に対して４５度程度までの角度で巻かれるよ
うに配設されてもよい。

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
くは多孔質膜の中空糸濾過膜が使用できる。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■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２が血液流路部７へ押し流さ
れ、この部分の中空糸膜２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３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。

また、本発明の人工肺のハウジングには、接触室４の上
部および下部の少なくとも一方のハウジング壁面内部に
、熱交換媒体を流すための熱交換室６が設けられる。熱
交換室６は、伝熱面積を大きくし、熱交換効率を高める
ために、接触室の輻Ｗとほぼ同じ幅をもって接触室全体
を覆うジャケット状の形状としてハウジング壁面の内部
に設けられるのが好ましいが、必ずしもこの態様に限定
されるものではなく、種々の形状のものとして接触室に
接してその上部および／または下部に設けられる。熱交
換室６には、熱交換媒体導入口１４から温水等の熱交換
媒体が供給され、熱交換媒体導出口１５から排出される
。

接触室４と熱交換室６との伝熱面を形成する壁面は、熱
伝導性に優れるステンレス等の金属等、ハウジングを形
成する材料とは異質の材料により形成してもよい。該伝
熱面は、接触室４と熱交換室６との機械的強度を保てる
範囲でできるだけ薄いものとすることが好ましい。熱交
換室６は、接触室の上部と下部の双方に設けられること
が血液の熱交換効率を高めるためには好ましいが、本発
明の人工肺装置は、小室８の厚みの最大寸法ａが比較的
薄いものとして形成されるため、接触室の上部か下部の
いずれか一方のみに設置されるだけでも血液を一定温度
にコントロールする目的は十分達成される。

［発明の効果］ このような本発明の人工肺装置によれば、血液の襦留お
よびチャンネリング等の発生がなく、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及
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、熱交換器が人工肺装置に内蔵されているため、煩
雑な回路の組み立てが容易になり、作動初期には人工肺
装置の泡抜きのみを実施すればよく、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１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一実施態様の縦断
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。 １：ハウジング　　　　２：中空糸膜 ３：固定部材　　　　　４：接触室 ５：気体流路　　　　　６：熱交換室 ７：血液流路部　　　　８：小室 ９：支柱　　　　　　　１０：気体導入口１１：気体導
出口　　　　１２：血液導入口１３：血液導出口　　　
　１４：熱交換媒体導入口１５：熱交換媒体導出口　１
６：血液分配室１７：血液集合室 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　　１　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 血液導入口、血液導出口、ガス導入口、ガス導出口、熱
   交換媒体導入口および熱交換媒体導出口を有する浅箱状
   の形状のハウジング内に、該ハウジング内部をガス流路
   と血液の流れる接触室とに区分する固定部材と、前記接
   触室内をほぼ直線状で通過し、それぞれの開口両端を前
   記ガス流路に向け前記固定部材により固定された多数の
   中空糸膜とを有してなり、該中空糸膜は前記接触室内で
   血液の流れ方向とほぼ直交するよう配設され、該接触室
   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、かつ前記
   接触室の上部および／または下部のハウジング壁面内部
   に熱交換媒体を流すための熱交換室が設けられてなる人
   工肺。