KR20180039381A - 인체에 삽입 가능한 인공 폐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐암이나 만성 폐질환으로 인해 생체 폐가 기능을 잃은 경우에 생체 폐를 대체하여 인체 내에 이식할 수 있는 인체에 삽입 가능한 인공 폐에 관한 것으로, 폐동맥혈액유입구 및 폐정맥혈액유출구와 공기호흡유출입구가 형성되고 내부에 혈액이 흐르도록 형성된 폐강 하우징과; 상기 폐강 하우징 내부에 흐르는 혈액과 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지도록 기체교환막으로 구획 형성되는 기체용매-혈액 기체교환기와; 상기 기체용매-혈액 기체교환기 내부에 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체용매 유로와 연통되고 공기와 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지도록 기체교환막으로 이루어진 미세관이 구비되는 공기-기체용매 기체교환기와; 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체용매의 순환흐름에 필요한 동력을 제공하는 기체용매 피스톤펌프와; 상기 공기-기체용매 기체교환기의 공기의 호흡 흐름에 필요한 동력을 제공하는 공기호흡 피스톤펌프;를 포함하여 구성되는 인체에 삽입 가능한 인공 폐에 관한 것이다.

Description

인체에 삽입 가능한 인공 폐{Human body implantable artificial lung}

본 발명은 인체에 삽입 가능한 인공 폐에 대한 것으로, 보다 상세하게는 생체 폐를 대체하기 위해 인체 내에 삽입될 수 있는 인공 폐(artificial lung)로서, 폐암이나 만성 폐질환으로 인해 생체 폐가 기능을 잃은 경우에 생체 폐를 대체하여 인체 내에 이식할 수 있는 인체에 삽입 가능한 인공 폐에 관한 것이다.

일반적으로 인체 장기인 폐에서는 호흡계와 순환계의 상호 작용을 통해 우리 몸에서는 산소와 이산화탄소의 교환이 일어나며, 정상적인 세포활동을 유지하기 위해서 충분한 양의 산소를 폐에서 조직으로 전달된다.

그리고, 세포 호흡, 즉 당 대사과정의 생산물인 이산화탄소는 대정맥을 통해 조직에서 폐쪽으로 이동되어 날숨으로 나가게 된다.

이러한 폐와 조직 사이의 기체 수송이나 흡수를 효과적으로 하기 위해 우리 몸은 산소-헤모글로빈 결합이나, 이산화탄소의 탄산수소이온 수송과 같은 특별한 매커니즘에 의해 수행된다. 이러한 매커니즘을 통해 우리는 효율적으로 산소를 들이 마시고 이산화탄소를 내 쉴 수 있다.

산소의 운반은 크게 두가지로 나눌 수 있는데, 혈장에 용해되어 운반되는 것과 적혈구의 헤모글로빈과 결합하여 운반되는 것이다. 혈장에 녹아 운반되는 양은 매우 작기 때문에(2% 이하), 보통의 경우 크게 중요하지 않으며, 대부분의 산소는 헤모글로빈과 결합하여 산소헤모글로빈(oxyhemoglobin) 형태로 운반된다.

이산화탄소의 운반은 혈액속에서 탄산수소이온(HCO3-) 형태로 적혈구에서 이동된다. 또한, 일부는 혈장에 용해된 상태로 이동되고, 일부는 혈장단백질과 헤모글로빈에 의해 이산화탄소가 결합된 카보미노 단백질 복합체 형태로 이동한다. 이산화탄소가 혈장속에 들어가면 빠르게 용해되며, 이산화탄소와 물이 탄산을 형성하는 반응은 적혈구에서 탄산수소이온이 형성되는 주요한 경로이다.

또한, 이산화탄소가 조직세포를 떠나 적혈구로 들어가면서 헤모글로빈 속의 산소가 헤모글로빈과 더 잘 분리되도록 하므로 더 많은 이산화탄소가 헤모글로빈과 결합하고 더 많은 탄산수소이온이 생성된다. 또한, 산소가 폐포 속에서 적혈구쪽으로 이동하면서 헤모글로빈은 산소로 포화되고 더 강한 산성이 된다. 산성이 된 헤모글로빈은 더 많은 수소이온을 내놓고 단산수소이온과 결합하여 탄산을 형성한다. 탄산은 이산화탄소와 물로 분해되고 이산화탄소는 혈액에서 폐포로 확산된다.

상기와 같은 폐에서의 기체교환원리를 이용하여 폐암이나 만성 폐질환으로 인해 생체 폐가 기능을 잃은 경우에 생체 폐를 대체하는 생체에 이식 가능한 인공 폐가 개발되고 있다.

생체에 이식 가능한 인공폐에 대한 많은 연구와 동물실험이 진행되었는데 지금까지 개발된 인공폐는 크게 intravascular lung assist device (ILAD)와 intrathoracic artificial lung (ITAL) 두 가지 방식으로 나뉜다.

Intravascular lung assist device (ILAD)는 혈관에 장치를 삽입하는 방식으로 크기에 제한이 있고, 기체교환 능력이 충분하지 않아서 생체 폐를 대체하지 못하였다.

Intrathoracic artificial lung (ITAL)은 흉곽 내에 장치를 삽입하는 방식으로 ILAD에 비해 크기에 제한이 적은 장점이 있다. 그러나 ILAD과 마찬가지로 폐를 완전히 대체할 만큼 충분한 산소교환 능력을 가지지 못하였다.

인공 폐의 기능은 폐동맥으로 부터 나오는 혈액에 산소를 공급하고 이산화탄소를 제거하여 다시 폐정맥으로 보내는 것이다. 이를 위해서 인공 폐 시스템은 첫째, 폐동맥으로부터 나와 폐정맥으로 들어가는 혈액의 운반 방법을 설정해야 하는데 혈액의 운반 과정에서 혈액 응고를 방지하는 방법에 대한 고려가 필수적이다.

둘째, 산소의 공급과 이산화탄소의 배출 방법을 고려해야 하는데 산소공급에 필요한 동력과 공급할 산소의 원천에 대한 문제를 해결해야 한다.

셋째, 폐동맥으로부터 나와 폐정맥으로 들어가는 혈액에 기체교환을 하기 위하여 공기 또는 기체전달물질을 접촉하는 방법을 고려해야 하는데 직접접촉시에는 공기 유입의 문제를 고려해야 하며 교환막을 사이에 두는 방식을 사용할 경우 교환막의 재질이나 기체교환면적을 넓히는 것에 대한 고려가 필요하다.

인공 폐에 관한 종래 기술로는 한국특허공보 특1993-0010957에서, 가스유로로서 관통한 미세공을 가지는 다공질 가스 교환막을 사용하여 가스 교환을 하는 막형 인공 폐로서, 상기 다공질 가스 교환막의 상기 미세공에 미립자를 유지시켜 가스 유로의 횡단면적을 저감하고, 다시 상기 미립자 또는 이 미립자 간에 혈액 항응고제를 보유시킨 것을 특징으로 하는 막형 인공 폐가 공지된 바 있으나, 상기 인공 폐는 가스 교환을 위한 별도의 호흡기장치 또는 혈액순화수단이 구비되어야 하는 문제점이 있었다.

또한, 본원 발명자가 특허출원한 한국공개특허 10-2014-0073353에 내부에 기체교환막으로 이루어진 미세관(13)이 존재하는 공기-기체용매 기체교환기(7)와; 내부에 기체교환막으로 이루어진 미세관(13)이 존재하는 기체용매-혈액 기체교환기(8)와; 대기의 공기가 공기-기체용매 기체교환기(7)로 순환할 때 필요한 동력을 제공하는 공기를 움직이는 피스톤(11)과; 기체용매가 공기-기체용매 기체교환기(7)와 기체용매-혈액 기체교환기(8) 사이를 순환할 때 필요한 동력을 제공하는 기체용매 펌프(5); 를 기본 구성 요소로 하고, 공기가 흐르는 파이프(3)는 대기중의 공기를 기도내강과 공기-기체용매 기체교환기(7)의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 바깥 공간으로 보내고 또한 공기-기체용매 기체교환기(7) 에서 나오는 공기를 대기로 보내고; 기체용매가 흐르는 파이프(4)는 공기-기체용매 기체교환기(7)의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 안쪽 공간과 기체용매-혈액 기체교환기(8)의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 바깥 공간을 연결하여 두 기체교환기(7,8) 사이에서 기체용매가 순환하도록 하고; 혈액이 흐르는 파이프(6)는 심장의 폐동맥에서 나오는 혈액을 기체용매-혈액 기체교환기(8)의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 안쪽 공간으로 보내고 기체용매-혈액 기체교환기(8) 에서 나오는 혈액을 심장의 폐정맥으로 보내며, 공기-기체용매 기체교환기(7)안의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 에서는 공기에 포함된 산소가 기체용매로 이동하고 기체용매에 포함된 이산화탄소가 공기로 이동하고; 기체용매-혈액 기체교환기(8)안의 기체교환막으로 이루어진 미세관(13) 에서는 기체용매에 포함된 산소가 혈액으로 이동하고 혈액에 포함된 이산화탄소가 기체용매로 이동하는 것을 특징으로 하는 인체에 삽입할 수 있는 인공 폐가 공지된 바 있으나, 상기 인공 폐는 공기-기체용매 기체교환기(7)와 기체용매-혈액 기체교환기(8) 두 부분으로 나누어 구성되므로 구조가 복잡하고 단일장치로 구성되어 있지 않아 인체 내에 삽입될 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 본원 발명자가 국제특허출원한 국제특허공개 WO2012-008676에는 공기와 직접 접촉하여 저항이 큰 구조물을 지나야 하는 구간에서는 oxygen solvent를 잉요하여 가스교환하고, oxygen solvent와 혈액은 저항이 크지 않은 곳에서 가스교환이 이루어지는 혈전형성을 유발하지 않는 이식가능한 인공 폐가 공지된 바 있으나, 상기 특허는 개념적으로만 설명되어 있었을 뿐, 구체적인 장치가 구현되지 않은 문제점이 있었다.

또한, 인공 폐와 관련한 몇몇 국외 비특허문헌인 논문에서는 인체 이식가능한 인공 폐에 관하여 기술하고 있으나 그 구조가 복잡하여 이식수술과정이 어려운 문제점이 있었다.

한국특허공보 특1993-0010957호 국내출원번호 10-2012-0141505호 국제공개특허공보 제2012-008676호

1. Steven N. Vaslef, implantable artificial lungs: Fantasy or Feasibility,Eurekah Bioscience, vol. 1, no. 1, pp. 92-101, May, 2005. 2. Hitoshi Satoa, Ichiro Tagab, Takahiro Kinoshitaa, Akio Funakuboc, Shingo Ichibad, and Nobuyoshi Shimizua, in Vitro Evaluation of a Newly Developed Implantable Artifi cial Lung,Acta Med, Vol. 60, No. 2, pp. 113-119, 2006. 3.Australian Safety and Efficacy Register of New Interventional Procedures Surgical, implantable Artificial Lungs, New and Emerging Techniques Surgical, November, 2002

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여, 인체 내에 삽입하여 폐의 기능을 대신 수행할 수 있는 인공 폐로서, 폐동맥과 폐정맥을 폐강에 열어 두고 혈액이 폐동맥에서 나와 폐강을 흐르다가 폐정맥으로 들어가도록 하며, 인공 폐가 스스로 공기를 빨아들이면서 팽창하는 성질을 지니도록 하여 호기시 적극적 양압 호기를 하도록 함으로써, 이식수술이 용이하며, 인공 폐의 작동이 원활히 이루어지도록 하는 인체에 삽입 가능한 인공 폐를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 폐동맥혈액유입구 및 폐정맥혈액유출구와 공기호흡유출입구가 형성되고 내부에 혈액이 흐르도록 형성된 폐강 하우징과; 상기 폐강 하우징 내부에 흐르는 혈액과 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지도록 기체교환막으로 구획 형성되는 기체용매-혈액 기체교환기와; 상기 기체용매-혈액 기체교환기 내부에 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체용매 유로와 연통되고 공기와 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지도록 기체교환막으로 이루어진 미세관이 구비되는 공기-기체용매 기체교환기와; 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체용매의 순환흐름에 필요한 동력을 제공하는 기체용매 피스톤펌프와; 상기 공기-기체용매 기체교환기의 공기의 호흡 흐름에 필요한 동력을 제공하는 공기호흡 피스톤펌프;를 포함하여 구성되는 인체에 삽입 가능한 인공 폐를 과제의 해결수단으로 한다.

상기 공기-기체용매 기체교환기의 기체교환막으로 이루어진 미세관에서는 공기호흡유출입구로부터 유입된 공기에 포함된 산소가 기체용매로 이동하고 기체용매에 포함된 이산화탄소가 공기로 이동하여 외부로 배출되고, 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체교환막에서는 기체용매에 포함된 산소가 혈액으로 이동하고 혈액에 포함된 이산화탄소가 기체용매로 이동하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

상기 기체용매는 상기 기체용매-혈액 기체교환기와 상기 공기-기체용매 기체교환기의 경계면인 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체교환막에 접하여 형성되는 기체용매유로를 따라 순환하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

상기 공기-기체용매 기체교환기는 상기 공기호흡유출입구와 연통된 공기유로를 통해 공기가 유입되어 상기 미세관 외부에 접하여 흐르며 상기 미세관에 산소를 전달함과 동시에 이산화탄소를 흡수하여 공기유로를 통해 공기가 배출되도록 상기 공기유로 유입구측 및 유출구측에는 각각 공기의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 체크밸브가 구비되고, 상기 기체용매-혈액 기체교환기는 상기 기체용매유로가 상기 공기-기체용매 기체교환기의 미세관과 연통되어 기체용매가 흐르며 기체용매에 포함된 이산화탄소가 미세관을 통해 공기로 이동하여 외부로 배출됨과 동시에 미세관으로부터 산소를 공급받아 혈액으로 공급하도록 기체용매가 상기 기체용매유로를 통해 순환되도록 상기 기체용매유로의 미세관 유입구측 및 유출구측에는 각각 기체용매의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 체크밸브가 구비되는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

상기 폐강 하우징은 상기 폐동맥혈액유입구 및 폐정맥혈액유출구를 통해 각각 폐동맥과 폐정맥이 연결되어 혈액이 폐동맥에서 나와 폐강을 흐르다가 폐정맥으로 들어가도록 하는 흐름구조를 형성하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

상기 폐강 하우징과 기체용매-혈액 기체교환기 사이에는 상기 폐강 하우징 내부 압력에 의해 수축팽창하는 성질을 가지는 폐강내부압력조절막을 형성하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

본 발명에 따른 인체에 삽입 가능한 인공 폐는 폐동맥과 폐정맥을 폐강에 열어 두고 혈액이 폐동맥에서 나와 폐강을 흐르다가 폐정맥으로 들어가도록 하며, 인공 폐가 스스로 공기를 빨아들이면서 팽창하는 성질을 지니도록 하여 호기시 적극적 양압 호기를 하도록 함으로써, 이식수술이 용이하며, 인공 폐의 작동이 원활히 이루어지도록 하는 효과가 있다.

특히, 폐동맥과 폐정맥을 폐강에 열어 두고 혈액이 폐동맥에서 나와 폐강을 흐르다가 폐정맥으로 들어가도록 하면 폐동맥과 폐정맥의 말단 부위에 긴밀한 폐쇄를 유지하기 위해 긴장을 줄 필요가 없어 말단 부위가 괴사하지 않아 오랜 시간동안 같은 상태를 유지하며, 수술시 대혈관의 출혈을 제어할 필요가 줄어들고 대혈관과 인공혈관의 연결부를 형성하는 과정에서 심장 조직에 손상을 줄 가능성도 없어 수술의 용이성이 우수한 장점이 있다.

또한, 인공 폐가 스스로 공기를 빨아들이면서 팽창하는 성질을 지니도록 하면. 흡기시 인공 폐가 스스로 공기를 빨아들이기 때문에 힘이 적게 들고 호기시 적극적으로 갈비사이근과 횡격막의 힘을 사용하여 양압으로 호기하므로 폐강의 압력이 생체 폐보다 높아져 폐강 내부로 액체의 유입을 억제하는 효과가 있다.

도 1은 공기의 흐름과 기체용매의 흐름과 혈액의 흐름을 모두 표현한 단면도
도 2는 공기의 흐름과 기체용매의 흐름을 중심으로 표현한 단면도
도 3은 기체용매의 흐름과 혈액의 흐름을 중심으로 표현한 단면도

본 발명은, 폐동맥혈액유입구 및 폐정맥혈액유출구와 공기호흡유출입구가 형성되고 내부에 혈액이 흐르도록 형성된 폐강 하우징과; 상기 폐강 하우징 내부에 흐르는 혈액과 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지도록 기체교환막으로 구획 형성되는 기체용매-혈액 기체교환기와; 상기 기체용매-혈액 기체교환기 내부에 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체용매 유로와 연통되고 공기와 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지도록 기체교환막으로 이루어진 미세관이 구비되는 공기-기체용매 기체교환기와; 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체용매의 순환흐름에 필요한 동력을 제공하는 기체용매 피스톤펌프와; 상기 공기-기체용매 기체교환기의 공기의 호흡 흐름에 필요한 동력을 제공하는 공기호흡 피스톤펌프;를 포함하여 구성되는 인체에 삽입 가능한 인공 폐를 기술구성의 특징으로 한다.

상기 공기-기체용매 기체교환기의 기체교환막으로 이루어진 미세관에서는 공기호흡유출입구로부터 유입된 공기에 포함된 산소가 기체용매로 이동하고 기체용매에 포함된 이산화탄소가 공기로 이동하여 외부로 배출되고, 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체교환막에서는 기체용매에 포함된 산소가 혈액으로 이동하고 혈액에 포함된 이산화탄소가 기체용매로 이동하는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 기체용매는 상기 기체용매-혈액 기체교환기와 상기 공기-기체용매 기체교환기의 경계면인 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체교환막에 접하여 형성되는 기체용매유로를 따라 순환하는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 공기-기체용매 기체교환기는 상기 공기호흡유출입구와 연통된 공기유로를 통해 공기가 유입되어 상기 미세관 외부에 접하여 흐르며 상기 미세관에 산소를 전달함과 동시에 이산화탄소를 흡수하여 공기유로를 통해 공기가 배출되도록 상기 공기유로 유입구측 및 유출구측에는 각각 공기의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 체크밸브가 구비되고, 상기 기체용매-혈액 기체교환기는 상기 기체용매유로가 상기 공기-기체용매 기체교환기의 미세관과 연통되어 기체용매가 흐르며 기체용매에 포함된 이산화탄소가 미세관을 통해 공기로 이동하여 외부로 배출됨과 동시에 미세관으로부터 산소를 공급받아 혈액으로 공급하도록 기체용매가 상기 기체용매유로로 순환되도록 상기 기체용매유로의 미세관 유입구측 및 유출구측에는 각각 기체용매의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 체크밸브가 구비되는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 폐강 하우징은 상기 폐동맥혈액유입구 및 폐정맥혈액유출구를 통해 각각 폐동맥과 폐정맥이 연결되어 혈액이 폐동맥에서 나와 폐강을 흐르다가 폐정맥으로 들어가도록 하는 흐름구조를 형성하는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 폐강 하우징과 기체용매-혈액 기체교환기 사이에는 상기 폐강 하우징 내부 압력에 의해 수축팽창하는 성질을 가지는 폐강내부압력조절막을 형성하는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 도면을 통하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구형될 수 있으며, 여기에서 설명하는 도면에 한정되지 않는다.

우선, 종래의 인공 폐는 폐동맥에서 혈액을 얻어 인공폐로 보내고 인공폐에서 혈액에 기체교환을 하여 다시 폐정맥으로 보내기 위하여 인공혈관 등의 관으로 폐동맥과 장치 사이, 폐정맥과 장치 사이의 혈관에 연장되어 혈액이 흐르는 폐쇄된 관을 두고 있다.

그러나, 이러한 방식으로 관을 연결하는 경우 폐동맥과 폐정맥의 말단 연결 부위를 긴밀하게 연결하기 위해 강하게 실로 꿰매는 등의 긴장도를 주는 것이 필요하다. 그렇게 하면 연결부위의 괴사에 의하여 시간이 지남에 따라 연결이 약해질 수 있고 충격에 의해 파손될 우려가 있다.

또한, 심장과 직접 연결된 대혈관에 인공혈관을 연장하여 연결하기 위한 수술을 하기 위해서는 연결부위의 긴밀한 폐쇄가 필요하고 심장의 조직에 손상을 주지 않아야 하며 대혈관의 출혈을 제어해야 하기 때문에 연결수술의 난이도가 높은 문제점이 있다.

아울러, 종래의 인공 폐는 본체의 일부 또는 전부가 폐강에 삽입되는 형태를 취하는데 폐강에 삽입된 인공 폐(Artificial lung implanted in the lung space)를 삽입하기 위해서는 생체 폐(Biological lung)을 제거하여 빈폐강(Empty lung space)을 만들고 빈폐강(Empty lung space)에 인공 폐를 삽입해야 한다.

그런데 인체 내의 공동(Empty space)은 자연적으로 림프액과 혈액 등으로 채워지려는 성질이 있고 빈폐강(Empty lung space)도 같은 성질을 가지고 있다. 따라서 빈폐강에 삽입된 인공 폐 본체 주변에 액체가 지속적으로 차게 되고, 인공 폐에 압력을 가해 인공 폐의 동작에 방해가 되는 문제점이 있으므로 인체가 가슴막공간의 액체를 적절히 유지하는 것처럼 인공폐에도 그러한 고려가 필요하다.

이에 따라, 상기한 문제점을 모두 해결한 본 발명의 인체에 삽입 가능한 인공 폐는, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 폐동맥혈액유입구(3) 및 폐정맥혈액유출구(2)와 공기호흡유출입구(7)가 형성되고 내부에 혈액이 흐르도록 형성된 폐강 하우징(17)과; 상기 폐강 하우징(17) 내부에 흐르는 혈액과 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지도록 기체교환막(4)으로 구획 형성되는 기체용매-혈액 기체교환기와; 상기 기체용매-혈액 기체교환기 내부에 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체용매유로(10)와 연통되고 공기와 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지도록 기체교환막(18)으로 이루어진 미세관이 구비되는 공기-기체용매 기체교환기와; 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체용매의 순환흐름에 필요한 동력을 제공하는 기체용매 피스톤펌프(14)와; 상기 공기-기체용매 기체교환기의 공기의 호흡 흐름에 필요한 동력을 제공하는 공기호흡 피스톤펌프(12);를 포함하여 구성된다.

상기 공기-기체용매 기체교환기의 기체교환막(18)으로 이루어진 미세관에서는 공기호흡유출입구(7)로부터 유입된 공기에 포함된 산소가 기체용매로 이동하고 기체용매에 포함된 이산화탄소가 공기로 이동하여 외부로 배출되고, 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체교환막(4)에서는 기체용매에 포함된 산소가 혈액으로 이동하고 혈액에 포함된 이산화탄소가 기체용매로 이동하도록 구성된다.

상기 기체용매는 상기 기체용매-혈액 기체교환기와 상기 공기-기체용매 기체교환기의 경계면인 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체교환막(4)에 접하여 형성되는 기체용매유로(10)를 따라 순환하도록 구성된다.

상기 공기-기체용매 기체교환기는 상기 공기호흡유출입구와 연통된 공기유로(8)를 통해 공기가 유입되어 상기 미세관(18) 외부에 접하여 흐르며 상기 미세관에 산소를 전달함과 동시에 이산화탄소를 흡수하여 공기유로를 통해 공기가 배출되도록 상기 공기유로 유입구측 및 유출구측에는 각각 공기의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 체크밸브(9)가 구비되고, 상기 기체용매-혈액 기체교환기는 상기 기체용매유로가 상기 공기-기체용매 기체교환기의 미세관과 연통되어 기체용매가 흐르며 기체용매에 포함된 이산화탄소가 미세관을 통해 공기로 이동하여 외부로 배출됨과 동시에 미세관으로부터 산소를 공급받아 혈액으로 공급하도록 기체용매가 상기 기체용매유로(10)로 순환되도록 상기 기체용매유로의 미세관 유입구측 및 유출구측에는 각각 기체용매의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 체크밸브(11)가 구비된다.

상기 폐강 하우징(17)은 폐동맥과 폐정맥이 연결되어 혈액이 폐동맥에서 나와 폐강을 흐르다가 폐정맥으로 들어가도록 하는 흐름구조(5)를 형성하도록 구성된다.

상기 폐강 하우징(17)과 기체용매-혈액 기체교환기 사이에는 상기 폐강 하우징 내부 압력에 의해 수축팽창하는 성질을 가지는 폐강내부압력조절막(6)을 형성하도록 구성된다.

다음으로, 본 발명의 인체에 삽입 가능한 인공 폐의 작동 흐름과겅을 상세히 설명한다.

공기유로(8)의 공기흐름은 산소를 바깥 대기로부터 인공 폐로 들어가게 한다. 인공 폐로 들어온 산소는 기체교환막(18)을 통과하여 기체용매에 전달되어 기체용매유로(10)의 기체용매의 흐름을 따라가다가 기체교환막(4)을 통과하여 혈액에 전달되고 폐정맥혈액유출구(2)의 혈액의 흐름을 따라 심장으로 들어간다. 인체 내에서 나온 이산화탄소는 폐동맥혈액유입구(3)의 혈액의 흐름을 따라 나와 기체교환막(4)를 통해 기체용매에 전달된다. 그렇게 전달된 이산화탄소는 기체용매유로(10)의 기체용매의 흐름을 따라 흐르다가 기체교환막(18)을 통해 공기유로(8)의 공기의 흐름으로 전달되고 대기 중으로 배출된다. 이 흐름에 동력을 제공하기 위하여 인공 폐의 본체에서 폐강 내부의 압력에 의해 폐강내부압력조절막(6)과 공기의 흐름에 동력을 제공하는 피스톤펌프(12)에 의해 순환된다.

폐강하우징(17)은 닫힌 공간으로서 인체의 갈비사이근과 횡격막에 의하여 내부의 압력이 변화한다. 폐강하우징의 압력 변화는 인공 폐의 본체에서 폐강하우징 내부의 압력에 의해 폐강내부압력조절막(6)에 압력을 전달하여 움직이게 한다. 이 움직임은 공기의 흐름에 동력을 제공하는 피스톤펌프(12)와 기체용매의 흐름에 동력을 제공하는 피스톤펌프(14)에 압력을 전달하여 그 두 피스톤펌프(12, 14)를 움직인다. 공기의 흐름에 동력을 제공하는 피스톤펌프(12) 는 인공 폐 내부의 공기를 움직이는 동력을 제공하고 기체용매의 흐름에 동력을 제공하는 피스톤펌프(14) 는 인공 폐 내부의 기체용매를 움직이는 동력을 제공한다.

대기중의 공기는 공기호흡유출입구(7)를 통해 공기유로(8)의 공기의 흐름을 형성하며 인공폐에 출입한다. 이때 공기를 순환시키는 동력은 공기의 흐름에 동력을 제공하는 피스톤펌프(12)가 움직이면서 일어난다. 폐강내부압력조절막(6)은 반복되는 접힘, 펴짐, 신축을 견딜 수 있는 재질이어야 한다.

혈액은 심장(1)에서 폐동맥혈액유입구(3)를 통해 나와 인공 폐 주위를 순환하는 흐름구조(5)를 형성하며, 기체교환막(4)에서 기체교환을 한다. 이 때 기체교환의 내용은 기체용매의 산소가 혈액으로 움직이고 혈액의 이산화탄소가 기체용매로 움직이는 것이다. 이러한 기체교환이 이루어진 혈액은 폐정맥혈액유출구(2)를 통해 심장으로 들어간다. 혈액의 순환에 필요한 동력은 심장으로부터 공급받는다.

기체용매유로(10)의 기체용매의 흐름은 공기유로(8)의 공기의 흐름과 기체교환막(18)을 사이에 두고 만나 기체교환을 한다. 이 때 기체교환의 내용은 공기중의 산소가 기체용매로 들어가고 기체용매의 이산화탄소가 제거되는 것이다.

이 발명의 첫 번째 핵심은 폐동맥과 폐정맥을 폐강에 열어 두어 삽입수술의 용이성을 가지는 것이다. 폐동맥과 폐정맥을 폐강에 열어 두면 폐동맥에서 폐정맥으로 혈액은 흐를 것이다. 하지만 혈액의 흐름에 방향성을 부여하여 혈액이 기체교환막의 표면에 잘 접촉하도록 하면 기체교환이 더욱 잘 일어날 수 있다. 따라서 방향성을 부여하기 위하여 판막이나 홈이 설치될 수 있다. 또한 폐강의 구석진 곳에 혈류의 흐름이 형성되지 않아 혈전이 형성되는 것을 막기 위해서도 판막이나 홈이 설치될 수 있다.

이 발명의 두 번째 핵심은 호기시에 적극적으로 양압을 주어 호기하는 호흡법을 적용하여 폐강에 액체가 차지 않는 것이다. 구체적인 예를 위해서 인공 폐가 스스로 공기를 빨아들이면서 복원하는 성질을 지니는 것으로 표현하였으나 이 발명은 그러한 호흡법을 적용할 수 있는 모든 형태를 포괄한다. 스스로 공기를 빨아들이면서 복원하는 성질을 지니도록 하려면 자연스럽게 놓아 두면 팽창상태로 복원하는 성질을 갖도록 해야 한다. 이를 위해서 스프링이나 신축성 또는 응력을 지닌 구조물을 사용할 수 있다. 이러한 성질을 지니도록 하면 인공 폐를 삽입한 사람이 호흡할 때 흡기시에는 편안히 흡기하고 호기시에 적극적으로 양압을 주어 호기해야 하고, 그런 호흡법으로 호흡하게 되면 되면 기체교환막(4)과 폐강하우징(17) 사이에 액체가 차는 것이 방지될 수 있다.

구체적인 예를 위하여 피스톤펌프(12, 14)와 폐강내부압력조절막(6)으로 표현하였으나 갈비사이근과 횡격막의 동력을 전달할 수 있는 다른 동력 전달 체계를 사용하는 것도 가능하다.

구체적인 예를 위하여 인공 폐의 표면에서 기체교환막(4)과 폐강내부압력조절막(6)을 구분하였으나 인공 폐의 일부 또는 전부가 기체교환막(4)과 폐강내부압력조절막(6)의 기능을 수행할 수 있고 두 기능을 동시에 수행할 수 있다.

기체용매는 응고되는 성질을 지니지 않기 때문에 기체용매와 공기 사이의 기체교환막(18)의 면적은 충분히 확보할 수 있으나 혈액에 기체를 전달하는 기체교환막(4) 의 표면적이 부족하다고 생각될 수 있다. 하지만 이것은 기체용매의 기체전달능력을 높임으로서 가능하다.

본 명세서에서는 구체적인 예를 위하여 기체용매의 사용, 폐동맥과 폐정맥을 폐강에 열어 두는 것, 호기시에 적극적으로 양압을 주어 호기하는 호흡법을 결합한 형태를 제시하였으나 반드시 결합해야 하는 것은 아니고 각각을 독립적으로 적용할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 심장 2 : 폐정맥혈액유출구 3 : 폐동맥혈액유입구
4 : 혈액과 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지는 기체교환막
5 : 폐강 내에서 혈액의 흐름 구조
6 : 폐강내부압력조절막
7 : 공기호흡유출입구 8 : 공기유로
9 : 공기의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 체크벨브
10 : 기체용매유로
11 : 기체용매의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 체크벨브
12 : 공기의 흐름에 동력을 제공하는 피스톤펌프
13 : 공기의 흐름에 동력을 제공하는 피스톤의 움직임
14 : 기체용매의 흐름에 동력을 제공하는 피스톤펌프
15 : 기체용매의 흐름에 동력을 제공하는 피스톤의 움직임
16 : 인공 폐의 본체에서 폐강 내부의 압력에 의해 움직이는 부분의 움직임
17 : 폐강하우징
18 : 공기와 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지는 기체교환막

Claims (6)

1. 폐동맥혈액유입구 및 폐정맥혈액유출구와 공기호흡유출입구가 형성되고 내부에 혈액이 흐르도록 형성된 폐강 하우징과; 상기 폐강 하우징 내부에 흐르는 혈액과 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지도록 기체교환막으로 구획 형성되는 기체용매-혈액 기체교환기와; 상기 기체용매-혈액 기체교환기 내부에 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체용매유로와 연통되고 공기와 기체용매 사이에 기체교환이 이루어지도록 기체교환막으로 이루어진 미세관이 구비되는 공기-기체용매 기체교환기와; 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체용매의 순환흐름에 필요한 동력을 제공하는 기체용매 피스톤펌프와; 상기 공기-기체용매 기체교환기의 공기의 호흡 흐름에 필요한 동력을 제공하는 공기호흡 피스톤펌프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인체에 삽입 가능한 인공 폐
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 공기-기체용매 기체교환기의 기체교환막으로 이루어진 미세관에서는 공기호흡유출입구로부터 유입된 공기에 포함된 산소가 기체용매로 이동하고 기체용매에 포함된 이산화탄소가 공기로 이동하여 외부로 배출되며, 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체교환막에서는 기체용매에 포함된 산소가 혈액으로 이동하고 혈액에 포함된 이산화탄소가 기체용매로 이동하는 것을 특징으로 하는 인체에 삽입 가능한 인공 폐
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 기체용매는 상기 기체용매-혈액 기체교환기와 상기 공기-기체용매 기체교환기의 경계면인 상기 기체용매-혈액 기체교환기의 기체교환막에 접하여 형성되는 기체용매유로를 따라 순환하는 것을 특징으로 하는 인체에 삽입 가능한 인공 폐
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 공기-기체용매 기체교환기는 상기 공기호흡유출입구와 연통된 공기유로를 통해 공기가 유입되어 상기 미세관 외부에 접하여 흐르며 상기 미세관에 산소를 전달함과 동시에 이산화탄소를 흡수하여 공기유로를 통해 공기가 배출되도록 상기 공기유로 유입구측 및 유출구측에는 각각 공기의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 체크밸브가 구비되고, 상기 기체용매-혈액 기체교환기는 상기 기체용매유로가 상기 공기-기체용매 기체교환기의 미세관과 연통되어 기체용매가 흐르며 기체용매에 포함된 이산화탄소가 미세관을 통해 공기로 이동하여 외부로 배출됨과 동시에 미세관으로부터 산소를 공급받아 혈액으로 공급하도록 기체용매가 상기 기체용매유로로 순환되도록 상기 기체용매유로의 미세관 유입구측 및 유출구측에는 각각 기체용매의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 체크밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 인체에 삽입 가능한 인공 폐
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 폐강 하우징은 상기 폐동맥혈액유입구 및 폐정맥혈액유출구를 통해 각각 폐동맥과 폐정맥이 연결되어 혈액이 폐동맥에서 나와 폐강을 흐르다가 폐정맥으로 들어가도록 하는 흐름구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 인체에 삽입 가능한 인공 폐
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 폐강 하우징과 기체용매-혈액 기체교환기 사이에는 상기 폐강 하우징 내부 압력에 의해 수축팽창하는 성질을 가지는 폐강내부압력조절막을 형성하는 것을 특징으로 하는 인체에 삽입 가능한 인공 폐

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