JPS6187566A - 熱交換器を内蔵した中空糸膜型人工肺 - 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〕 本発明は、熱交換器を内蔵した中空糸膜型の人工肺に関
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
７４４４６８号、特開昭５４−１６００９８号、特開昭
５８−１５５８６２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壁
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、その間でガス父換金行なわせるものであり、中空糸
膜の中窒部に血液を流し、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９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。

従来知られている殆どの人工肺は、円筒状の一゛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υのガス父換能は低いものとなる。後者の方式に
於ける改良さｎた態様として、壁面に多数の穿孔を有す
る中窒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穿孔を通して流
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３７９４４６８号に提案されている。

また、従来、人工肺全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ｉｌｌむ血液のガス交換回路
にステンレス等熱伝導率の良い金属を伝熱部材とした熱
交換器が付設されて使用されてきた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

中空糸膜の中空部に血液金泥し、中空糸膜の外部に気体
を流してガス父換金行なわせる内部潅流方式では、血液
を多数の中空糸膜に均等に分配供給すｎは血液のチャン
ネリング（偏流〕はないものの、中空糸膜の中９部を流
れる血液は層流となるため、酸素摂取能（単位膜面積当
シの酸素移動速度）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
０μｍ程度の内径を有する中空糸膜が人工肺用として開
発さ扛ている。

しかｌ−ながら、径を細くしても血液が層流流動する限
シは酸素摂取能が飛Ｍ的に向上するものではなく、さら
に径全細くするにつれてクロッキング（凝血による中空
部の閉塞現象）が多発（７、実用上大きな間粗と々って
いる。また、一般的に人工肺では、中空糸膜が数万本束
ねら扛た束として用いら扛ており、これら多数の中空糸
膜のそれぞれに光分に気体を方散供給するに（づ特別の
配慮が必要である。気体の分散供給が不光分である場合
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、中空糸膜の中９部に槃イｔを汚、１〜、外部に血
液層流す外部層流方式では、ガスの分配は良好であシ、
かつ血液の流れに乱ｎ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、この
点に改良のほどこされた米国特許第３７９４４６８号の
人工肺においても、血液の充填量が過大となシ、さらに
その製造には煩雑な手数を要するなどの問題点を含んで
おり、未だ光分な性能を有する人工肺は笑現さ扛ていな
い。

１だ、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シ実施されていた。したがっ
て、使用者にとっては血液ガスＶＰ！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、！！
：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
部全有し、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
が多くカリ、１だこれら構成部材内の泡抜きを別々に実
施する必要がちシ、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、例えは特公昭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扛て
いる。しかし、こ扛ら人工肺装置は、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。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は、これらの問題点全解決するためになさ扛たも
のであり、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
ない人工肺と小型軽量で優れた熱交換機能を有する熱交
換器と全一体化させ、コンパクトで製造に当っては煩雑
な手間を必要としない安価で簡易な構造の使用者にとっ
て使いやすい人工肺を提供するものである。

即ち本発明の要旨は、血液導入口、血液導出口、ガス導
入口とガス導出口、熱交換媒体導出口と熱交換媒体導出
口と會有し、全体が略浅箱状をなし、かつ、内部に接触
室を有している〜・ウジングと、多数のガス交換用中空
糸からなる両端を固定された第１の中空糸束と、多数の
熱交換用中空糸からなる両端全固定された第２の中空糸
束とからなり、該接触室は邪魔板で巾を狭められた血液
流路と該血液流路を介して分けられ７’（複数の小室と
からなり、該第１および第２の中空糸束は、それぞれ別
個の小室に邪魔板と平行に設置されてなる熱交換器を内
蔵した中空糸膜型人工肺にある。

以下、本発明の人工肺につき図面を用いて詳細に説明す
る。

第１図は、本発明の人工肺の一態様例を示す一部切截縦
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、血液のガス交換機能を果す第１の中
空糸束（８）を設置１７た小室からなるガス交換機能部
（１）と、これにチューブ等を介することな（面接接続
し、血液の熱交換機能を果す第２の中窒糸束會設置した
小室からなるガス交換機能部（２）とから構成される。

ガス交換機能部（１）　Ｋは、基本的には中空糸膜（３
）と、ボッティング材（４）とが内蔵さｔｌこれらの部
材によりガス交換機能部（１）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９間に酸素を
含む気体を供給するためのガス分配路（６）に区分さｊ
、ている。接触室（５）の内部は、血液の流扛る方向を
横切る方向に設置されかつ中９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
會せげめるよう構成された血液流路（７）と、この血液
流路（７）ヲ介してわけられその内部に中空糸膜（３）
全内蔵する複数の小室とに区分けさ扛る。血液流路（７
）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ガス交
換機能部（１）には、ガス導入口（１０）、ガス導出口
（１１）、血液導入口（１２）および血液流路（７）の
谷流体の出入口が設けら肛ている。

中空糸膜（３）は小室内をほぼ旧線状で通過し相い向か
う二つのボッティング拐（４）により、それぞれの開口
両端をガス分配路（６）、ガス集合路（６′）に向は開
口を保ちつつ固定さ扛ている。

本発明の人工肺のガス交換機能部（１）内に於いては、
酸素を含む気体は、ガス導入口（１０）からガス分配路
（６）へ供給され、中空糸膜（！１）の内部を流れ、接
触室（５）円で中空糸膜（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、ガス集合路（６′）へ導か扛だ後ガス導出口（１
１）から排出される。なお、ガス導入口（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、人体からをり出された血液（静脈血）は、血液導
入口（１２）から血液整流室（１４）へ導入され、次い
で接触室（５）へ供給され、接触室（５）内で中を糸膜
（３）の内部を流扛る酸素を含む気体と中空糸膜（３）
ヲ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、ガス交換機能部（１）と熱交換機能部（２
）を結ぶ血液流路（７）を経て、熱交換機能部（２）に
供給される。

第１図には、二つの血液流路（７）により接触室が三つ
の小室に区分された例が示されているが、小室の数は二
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、加工性全考慮すると、３〜１０個程度である
ことが実用上好ましい。

第６図は、小室とそれに隣接する血液流路（７）の他の
態様例を示した部分断面図である。血液流路（７）の断
面形状としては、第１図および第５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（７）ヲ
設けるのは、接触室の厚み方向についても血液流に乱れ
を生じさせて血液のチャンネリングを防止すると同時に
、血液の流れ方向に垂直な断面での血中の酸素ガス、炭
酸ガス濃度を均一にし、ガス交換を良くするためのもの
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。小室の血液流れ方向の長さｂは、該小室の厚み
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
の隅（小室の血液流路との境界近傍）に血液の滞留が生
じ気泡が混入した場合脱泡を困難にするおそれがある。

血液流路の厚みθけ、小室の厚みａの半分以下であるこ
とが血液流路を設置した効果を発揮させる上で好ましい
。

接触室の幅ｗ１すなわち二つのボッティング材間の距離
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３
〜６０倍程度とするのが好ましい。３倍より小さい場合
は、血液流に対してボッティング材表面の及ばず影響が
大きくなり、１だ加工性も悪く好着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、チャンネリング全抑
制するのが困難となる。

接触室内の中空糸膜は、血液の流ｎ２方向とほぼ血行す
るよう配設される。本発明にいう血液の流れ方向とは、
血液全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４
５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膜を横切って流む、
ることにより中空糸膜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ｊ７る。また、小室内
に配設された多数の中空糸膜は、これら中空糸膜の束の
中心軸にそれぞれの中空糸膜が平行に並べら扛たものが
好ましいが、何本かの中空糸膜が束としてかつそれら中
空糸膜の束の中心軸に対して４゛５度までの角度で巻か
ｎるようにして配設さｎてもよい。

各小室に収納さ扛た中空糸膜の充填率は、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
の血液の流扛方向に平行な面に於ける、谷小室の断面積
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（血液の乱れの効果も得難い）、また、５５係より
犬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。谷小室におけ乙中孕糸膜の充填率は各
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Ｈ’ｔｌ　系、Ｐ　ＭＭ　Ａ系等の各種材料から
々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、かつヅ体の透過性能に優扛たものとし
ては、ポリオレフィン糸の多孔質中望糸膜が挙げら扛る
。

その甲でも、膜の微小壁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
固足する節部によりできるフィブリル間の空間で形成さ
ｎだ微小壁孔がそのフィブリル間の壁間として相互につ
ながって膜の一方の面から他方の面“まで貰＊　＋、て
いるような膜が特に好１しく用いら扛、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９糸膜及び
ポリエチレン中空糸＠（そ扛ぞ扛、ＫＰ　Ｆ、　　”ｄ
　Ｈ？、商品名　三菱レイヨン（株）製）が挙げられる
。

血液流路（７）に設けてもよい支柱（９）は、接触室内
を流する血液流に乱扛を生じさせると同時に、血液を流
すことにより小室内の中空糸膜（３）が血液流路（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全防上する役割を果すこ
とができるので、支柱（９）全設けるのは本発明の好ま
しい態様である。

ボッティング材（４）　Ｆｉ、中空糸膜全便用した所謂
中窒糸瀘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、
エボキ７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。

一部゛、熱交換機能部（２）は、熱交換媒体の流れる熱
交換媒体入口（１８）、熱交換媒体出口（１９Ｘ熱交換
媒体流路（２０）　、　、（２ｏ’）と血液の流れる（
血液流路（７）、第２の中空糸束（１６）が配設された
接触室）および血液流出口（１３）　を有し、熱交換手
段が配設さ扛る。熱交換機能部（２）内に配設される熱
交換手段としては、融水等の熱交換媒体をその内部に流
すための複数本の中空糸（１７）が血液流路（７）から
血液流出口（１３）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。中空糸（１７
）　’にこのようガ態様で配設すると、血液境膜側の伝
熱抵抗會小さく出来、血液と熱交換媒体との熱交換効率
を高めることが可能であり、熱交換機能部（２）全コン
パクトなものとして形成することが可能である。

熱交換媒体を流、すための中空糸（１７）の素材として
は、熱伝導率が１０−５ｃ　ａ、ｔ／ｃｍ／　ｓ　ｅ　
ｃ　／　℃以上であ扛け、いかなる素材も使用用能であ
り、月俸的には、例えはセルロース系、ポリオレフィン
系、シリコーン樹脂系、アクリロニトリル糸位１脂、ポ
リメチルメタクＩ）レー、ト系粕１脂等を挙けることが
できる。中空糸の形態としては、内径が５０〜１０００
μ、肉厚が２〜２００μ程度のものが使用出来、熱伝導
率の点から多孔膜でないものが良い。

捷だ、中空糸内径は用途にもよるが、人工肺用の熱交換
器としては、余り小さくすると中苧糸内を流１れる熱交
換媒体の圧損が大きくなり、熱交換媒体流路（：？ｎ）
、　（２ｒｌ’）のシール性や回路の操作性が悪くなる
。逆に、太きすぎると中９糸内金流扛る液体の伝熱係数
が小さくなり、また単位伝熱面積当りの中空糸の占める
体積も大きくなり熱交換器が大型１ｔ１．する。このた
め、好ましくは、内径２００〜５００μ程度が良い。肉
厚も、伝熱係数を犬きくするためには薄くするほど良い
が、強度、加工性の点から考えて、特に１０〜１５０μ
程度とするのが好ましい。

第１図では、第２の中空糸束（１６）の配設された接触
室は一室だけであるが、ガス交換機能部（１）と同様複
数個の小室に分割しても良い。また本例では、ガス交換
機能部（１）を潅流した後の血液が熱交換機能部（２）
に入るようになっているが、逆に熱交換機能部（２）に
血液を供給し先に熱交換を行った後、ガス交換機能部（
１）でガス交換を行っても良いし、本発明人工肺の接触
室の任意の小室に第１の中を糸束又は第２の中空糸束全
配設することで任意の順序でガス交換と熱交換を行う事
も可能である。　　　　・〔発明の効果〕 このような本発明の人工肺によれば、血液の滞留及びチ
ャンネリングの発生がなく容易に血液流に乱扛が起こる
ため（低圧損で血液を潅流しても）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交換量が大きく、９
７″１．た性能が発揮できる。さらに、容易（こ加工が
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
、患者の負担全軽減するという利点も有［２ている。

１だ、熱交換器がガス交換機能部と一部１ヒさ扛て形成
さ扛ているため、使用に際しての煩雑な回路の糾み立て
、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
出来、しかも、軽くて、血液との反応性が小さい高分子
を使用出来るため、小型軽−１で加工性の良い安価な人
工肺全便用者に提供することがＩｆ、］来る。

【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一部
切截縦断面図であり、第２図は一部切截平面図である。 帖３ａ図から第３ｃ図は、小室および血液流路の他の態
様を示す部分拡大断面図である。 １：機能部１　　　２：機能部２ ５：中空糸膜　　　　４：ポツテイング材５：接触室　
　　　　６：ガス分配路 ６′：ガス集合路　　　７；血液流路 ８：第１の中苧糸束　９：支　柱 １０：ガス導入口　　１１：ガス導出口１２：血液導入
口　　１５；血液流出口１４：血液整流室　　１５：血
液集合室１６：第２の中穿糸束　１７：中空糸 １８：熱交換媒体人口　１９：慈父換媒体出口２０．２
０’：熱交換媒体流路 ２１：仕切り仮に開孔した孔 ａ：小室の最大厚み ｂ：小室の−長さの最大寸法 ｅ：血液流路の厚み Ｗ：接触室の幅 入１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 血液導入口、血液導出口、ガス導入口とガス導出口、熱
   交換媒体導入口と熱交換媒体導出口とを有し、全体が略
   浅箱状をなし、かつ、内部に接触室を有しているハウジ
   ングと、多数のガス交換用中空糸からなる両端を固定さ
   れた第１の中空糸束と、多数の熱交換用中空糸からなる
   両端を固定された第２の中空糸束とからなり、該接触室
   は邪魔板で巾を狭められた血液流路と該血液流路を介し
   て分けられた複数の小室とからなり、該第１および第２
   の中空糸束は、それぞれ別個の小室に邪魔板と平行に設
   置されてなる熱交換器を内蔵した中空糸膜型人工肺。