JPH042066B2

JPH042066B2 -

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Publication number: JPH042066B2
Application number: JP62201175A
Authority: JP
Priority date: 1987-08-11
Filing date: 1987-08-11
Publication date: 1992-01-16
Also published as: JPS6443264A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、酸素含有ガスと血液との間でガス交
換を行うための装置に関する。さらに詳細には、
ガス透過性の中空糸膜を介して血液と酸素とを接
触させることにより血液に酸素を付加するととも
に血液中の二酸化炭素をガス中に排出するための
血液ガス交換装置に関する。〔従来の技術〕血液ガス交換装置すなわち人工肺は、心臓手術
などにおいて広く使用されており、円板型、気泡
型および膜型などいくつかの種類がある。しかし
血液と酸素とを直接接触させる円板型および気泡
型は血液損傷が大きいという理由から近年使用量
が減少する傾向にあり、膜を介して血液と酸素と
を接触させる膜型が普及しつつある。従来より使
用されている膜型肺は、人工腎臓と同じように中
空糸の内部に血液を流し、中空糸外部にガスを流
すタイプのものが一般的である。〔発明が解決しようとする問題点〕従来の膜型肺はガス交換能力が低く、装置が大
型にならざるを得ないという問題があつた。その
理由について以下に説明する。まず第一の理由は、中空糸の内部を流れる血液
が層流となつて流れるために酸素および二酸化炭
素の拡散に対する境膜抵抗が大きくなり、ガス交
換効率が膜のガス透過係数から予想される値より
もかなり低くなるためである。すなわち、血液側
境膜抵抗が非常に大きく、これが律速となつて膜
のガス透過能力が十分に発揮されない。また第二
の理由は、血液とガスとの接触界面が中空糸の内
表面となるため、使用する中空糸の量にくらべて
有効表面積が小さくなつてしまうためである。し
たがつて、装置が大型になるために装置内への血
液充填量が多くなり、患者に対する負担が増大す
るという問題があつた。また、血液側圧力損失が
非常に大きくなるため、操作性、安全性および血
液損傷の点で大きな問題であつた。このような問題点を解決するために、特開昭58
−155862号公報および特開昭62−72364号公報等
においては、血液を中空糸の外部に流しガスを内
部に流す方式の装置が提案されている。この方式
によれば、血液とガスとの接触界面は中空糸の外
表面になるので、同じ量の中空糸を使用しても有
効表面積を広くとることができる。また、血液の
流れも乱流に近くなるので境膜抵抗も減少してガ
ス交換効率も向上する。したがつて、同じ容積の
装置であつても能力の高い装置が得られるが、そ
のガス交換効率は理論的に予想される値よりもな
おかなり低いものであつた。本発明の目的は、血液を中空糸の外部に流すタ
イプの装置において、ガス交換効率をさらに高め
た血液ガス交換装置を提供することにある。そし
て従来と同等の性能を持ちながら装置の容積が小
さくて済み、その結果血液充填量が従来の装置よ
りも少量で患者に対する負担の少ない血液ガス交
換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〕本発明者は、血液を中空糸の外部に流すタイプ
の装置について種々の装置を作製して検討を行つ
た結果、隣接する中空糸が互いに交差するように
環状に巻き、且つ巻いた中空糸の充填率が特定の
範囲にあるときに、ガス交換効率が飛躍的に高く
なることを見出し、本発明に到達した。すなわち本発明は、血液の入口、出口およびガ
スの入口、出口を設けた容器内に両端を固定した
多数のガス透過性中空糸を収納してなる血液ガス
交換装置において、該中空糸は隣接する中空糸同
士が互いに交差するように環状に巻かれて中心に
中空部を有する環状の中空糸層を形成していると
ともに、該中空糸層における中空糸の充填率は
0.45〜0.80の範囲にあり、さらに中空糸内部とガ
スの入口および出口が連通し且つ中空糸外部と血
液の入口および出口が連通していることを特徴と
する血液ガス交換装置である。なお、ここでいう中空糸の充填率とは、中空糸
層の容積に対する中空糸の占める容積の比率であ
り、中空糸層の半径をr₀、長さをＬ、中空糸層の
中央にある中空部の半径をr₁とし、中空糸の外径
をＤ、中空糸の総延長をｌとすると次式で表され
る値である。充填率＝（Ｄ／２）²・π・ｌ／（r₀ ²−r₁ ²）
・π・Ｌ〔作用〕本発明の装置においては、血液は入口より中空
糸層の中心に形成された中空部に導入され、中空
糸の交差した〓間を通つて出口より排出される。
そしてこの間に中空糸の内部を流れる酸素含有ガ
スとの間でガス交換が行われ、血液中に酸素が供
給されるとともに血液中の二酸化炭素が排出され
る。〔実施例〕以下図面を用いて本発明をさらに具体的に説明
する。第１図は、本発明の血液ガス交換装置の一実施
例についての断面図である。図において、中空糸
を収納するための容器１には、下部中央に血液入
口９が設けられており、左右側面に２つの血液出
口５，５′が設けられている。そして上部右には
ガス入口２が、下部左にはガス出口１０が設けら
れている。中空糸はコア１２のまわりに巻きつけ
られその両端をポリウレタンなどの接着剤で接着
固定されて中空糸層６を形成している。接着剤に
よつて形成された隔壁１１，１１′は両端面に中
空糸内空が開口し、血液と酸素含有ガスとを中空
糸の内外に隔離している。血液入口９より容器内に入つた静脈血は、コア
１２によつて周囲へ分散されて中空糸層６の内表
面側に達し中空糸層内に導入されて中空糸間の〓
間を流れる。また酸素含有ガスは、ガス入口２よ
り容器内に入り隔壁１１の開口部より中空糸内部
に導入される。このようにして中空糸の外側を血
液が流れ、内側を酸素含有ガスが流れる。そし
て、中空糸はガス透過性であるので酸素が中空糸
内部より血液中に拡散するとともに血液中の二酸
化炭素が中空糸内部を流れるガス中に拡散してガ
ス交換が行われる。中空糸層を通過した血液は血
液出口５，５′より容器の外へ排出されるととも
に、中空糸を通過したガスはガス出口１０より排
出される。以上が第１図に示す装置の基本部分の説明であ
るが、第１図の装置にはさらに熱交換器が一体的
に設けられている。すなわち、コア１２の内部に
は加温または冷却された液体が流れるようになつ
ており、血液を加温または冷却する。これによつ
て熱交換器を別に設ける必要がなくなるので、体
外循環回路全体の血液充填量を少なくすることが
できる。なお、コアの構造は第１図に記載したも
のに限定されるものではなく、側面に多数の小孔
の空いた円筒や細い棒を多角柱状に配置固定した
ものであつてもよい。さらに、多数の中空細管を
配置し、内部に熱交換媒体を流すようにしてもよ
い。第２図は中空糸層のみを示す斜視図である。中
空糸を構成するガス透過性の材料としては、シリ
コーンゴム、多孔質ポリプロピレンおよび多孔質
ポリエチレン等を例示することができるが、シリ
コーンゴムが最も好ましい。中空糸層は中空糸を
コア１２のまわりに環状に巻いて製造する。中空
糸は１本を連続的に巻いていつてもよいし、２本
以上を帯状にして巻いてもよい。本発明において
は隣接する中空糸が交差するように巻かれている
必要があるから、中空糸をコア上に巻いていくと
きコアの周方向に対して斜め方向に巻いていく
が、第１層目を巻き終わつたなら第２層目はこれ
と交差する方向すなわち周方向に対して第１層目
とは反対の斜め方向に巻き、さらに第３層目は第
２層目と交差する方向すなわち第１層目と同じ方
向に巻く。第２図はこのようにして巻いていく途
中の状態を示す図である。このようにして製造し
た中空糸層は、最後に外周を網状のシートでカバ
ーして保護することもできる。本発明においては、中空糸層の中空糸の充填率
が0.35〜0.80の範囲にあることが必要であるが、
第２図に示すようにｎ層目とｎ＋１層目の中空糸
の交差角をθとすると、中空糸の充填率はθおよ
び巻き取り張力を調整することにより調整するこ
とができる。そして充填率が上記の範囲になるた
めには、θは50゜よりも小さいことが好ましく、
特に好ましいのは45゜以下である。充填率が0.45
以上であることが必要な理由は、後で具体的に述
べるように、本発明のような構造の血液ガス交換
装置ではガス交換効率が中空糸の充填率と密接な
相関関係があり、充填率が0.45以上のときにのみ
高いガス交換効率が得られるためである。また充
填率が0.80以下であることが必要な理由は、これ
よりも大きくなると中空糸層内での圧力損失が大
きくなるためである。なお、θの調整は中空糸の
巻き取り速度と横方向へのトラバース速度を調整
することにより行うことができる。すなわち、巻
き取り速度に対してトラバース速度を増加させれ
ばθは大きくなり、トラバース速度を減少させれ
ばθは小さくなる。また、θは巻き始めから巻き
終わりまで同じ値をとる必要はなく、しだいに変
化させてもよい。前述した特開昭62−72364号公報にも中空糸の
充填率を規定した装置が記載されているが、この
装置では中空糸は互いに平行に装填されている点
が本発明とは異なつており、充填率は0.10〜0.55
と低い範囲に限定されているが、その理由は充填
率が0.55より高くなると血液の圧力損失が大きく
なつて、使用が困難になるためであり、0.10とい
う値には特に意味はない。これに対して、本発明
においては充填率とガス交換効率との間に密接な
関係があり、これによつて充填率の下限が決定さ
れる点に大きな特徴がある。また、より高い充填
率が可能であるので、同じ中空糸量を用いても
（すなわち同じ表面積であつても）より少ない容
積の中空糸層が製作可能であり、血液充填量の少
ない装置を得ることができる。このような相違が
生じる理由は明確ではないが、中空糸が交差して
いることが一つの原因になつているものと考えら
れる。コア１２に巻いた中空糸はその両端をポリウレ
タンなどの接着剤で遠心接着して固定し、接着部
を軸方向に垂直に切断する。これによつて中空糸
が切断面において開口するので、中空糸内部への
ガスの流入が可能になる。実験例第１図に示す装置であつて種々の中空糸充填率
を有する装置を製作し、牛血を使用してガス交換
試験を実施した。すなわち、内径200μ、外径
400μ、膜厚100μのシリコーンゴム製中空糸を使
用し、中空糸の交差角度θを変えて、有効膜面積
（外径基準）が0.5m²で種々の中空糸充填率を有す
る装置を製作した。そして静脈血化した牛血（酸
素飽和度65％）をこの装置に流し、酸素ガスとの
間でガス交換を行つて、酸素飽和度96％まで酸素
加可能な血液流速を測定した。すなわち、血液流
速が大きいほど多量の血液を酸素加できることに
なるから、能力が高いことになる。結果を表−１
に示す。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ガス交換効率のきわめて優れ
た血液ガス交換装置を得ることができる。そして
中空糸の充填率が高いので、同じ膜表面積を有す
る装置であつてもコンパクトな装置になり、装置
の血液充填量も少なくてすむ。したがつて、患者
に対する負担も軽減され、好ましい。また、血液を中空糸の外側に流すので、血液と
ガスとの接触界面が中空糸の外表面になり、同じ
量の中空糸を使用しても血液を中空糸の内部に流
すよりも大きな表面積を得ることができる。した
がつて、経済性の点でも優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の血液ガス交換装置の一実施
例を示す正面断面図であり、第２図は中空糸層の
みを取り出したときの斜視図である。また、第３
図は、中空糸の充填率と血液を酸素飽和度96％に
酸素加できる血液流速との関係を示すグラフ図で
あり、第４図は中空糸充填率と中空糸の交差角度
との関係を示すグラフ図である。１……容器、２……ガス入口、５，５′……血
液出口、６……中空糸層、８……中空部、９……
血液入口、１０……ガス出口、１１，１１′……
隔壁、１２……コア。

Claims

【特許請求の範囲】

１血液の入口、出口およびガスの入口、出口を
設けた容器内に両端を固定した多数のガス透過性
中空糸を収納してなる血液ガス交換装置におい
て、該中空糸は隣接する中空糸同士が互いに交差
するように環状に巻かれて、中心に中空部を有す
る環状の中空糸層を形成しているとともに、該中
空糸層における中空糸の充填率は0.45〜0.80の範
囲にあり、さらに中空糸内部とガスの入口および
出口が連通し且つ中空糸外部と血液の入口および
出口が連通していることを特徴とする血液ガス交
換装置。