JP5347602B2

JP5347602B2 - 血液処理装置

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Publication number: JP5347602B2
Application number: JP2009062962A
Authority: JP
Inventors: 茂樹河原畑
Original assignee: JMS Co Ltd
Current assignee: JMS Co Ltd
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: JP2010213852A

Description

本発明は、心臓血管手術における体外循環に用いられ、血液に酸素を供給し二酸化炭素を除去しながら、増加した血液中の水分を除去して正常な水分量の血液にするための血液処理装置に関する。

体外循環を伴う心臓血管手術では、輸血の低減や、抹消循環の改善、血液損傷の低減などを目的として、希釈体外循環法を用いることが、一般的である。しかし、補液や心筋保護液などの体外循環回路内への流入に伴い、高度希釈が発生すると、膠質浸透圧の低下による浮腫の発生や、ヘマトクリットの低下によるガス交換能の低下が発生するため、必要に応じ、血液濃縮器などを用いて、余剰水分を排出（除水）する操作が必要となる。

従って、希釈体外循環法を行なうためには、血液に酸素を供給し二酸化炭素を除去するガス交換を行うための人工肺と、除水を行なうための血液濃縮器を併用する必要があり、従来、両装置をそれぞれ分離配置した体外循環回路が知られていた。しかし、人工肺の回路と並列に血液濃縮器の回路が必要であるため、回路が複雑になり、血液処理操作が煩雑であった。また、並ループ回路の構成であるため、プライミング量（血液充填量）が多くなり、生体負荷が大きくなる欠点があった。

これに対して、特許文献１には、人工肺と血液濃縮器を一体化して共通のハウジング内に収納した構成により、上記のような問題を解決することが記載されている。この血液処理装置について、図４を参照して説明する。この血液処理装置Ａは、円筒状のハウジング２０内に、人工肺Ｂと血液濃縮器Ｃとが直列に配列され収容された構成を有する。

ハウジング２０の長手方向の初端側に未処理血液Ｆ１の導入口となる血液導入ポート２１ａが設けられ、終端側に処理済血液Ｆ２の排出口となる血液出口ポート２１ｂが設けられている。人工肺Ｂが収納されている領域には、血液導入ポート２１ａの近傍の外周位置に二酸化炭素の排出口となるガス出口ポート２２ａが、人工肺Ｂの領域の下流側の外周位置には酸素の給気口となるガス入口ポート２２ｂが設けられている。血液濃縮器Ｃが収納されている領域の外周位置には、濾過液Ｅの除水口となる排水ポート２３が設けられている。

人工肺Ｂは、シリコーン膜よりなる多数の第１中空糸膜２４により構成され、その両端が、ポリウレタン等の硬化性樹脂２５により気密に固着されている。血液濃縮器Ｃは、透水速度が大きくタンパク質阻止率の高いポリスルホン膜よりなる多数の第２中空糸膜２６により構成され、その両端が、ポリウレタン等の硬化性樹脂２５により気密に固着されている。

上記構成により、人工肺Ｂの第１中空糸膜２４内を軸方向に流通する血液に、ガス入口ポート２２ｂから酸素を供給し、この酸素とガス交換された血液中の二酸化炭素をガス出口ポート２２ａから排出する。また、血液濃縮器Ｃの第２中空糸膜２６内を軸方向に流通する血液から、水分が径方向へ透過されて、排水ポート２３から排出される。

このように、第１中空糸膜２４と第２中空糸膜２６がハウジング２０内に直列に配置されることにより、血液導入ポート２１ａから流入した未処理血液Ｆ１は、人工肺Ｂの領域で酸素を供給され、二酸化炭素を排出した後、血液濃縮器Ｃの領域で余分な水分が除水されて、血液出口ポート２１ｂから処理済血液Ｆ２として流出する。

また、特許文献２には、人工肺と血液濃縮器を一体化して共通のハウジング内に収納した、他の構成が記載されている。これについて図５を参照して説明する。この血液処理装置Ａは、円筒状のハウジング２０内に、人工肺Ｂを構成する多数の第１中空糸膜２４と、血液濃縮器Ｃを構成する多数の第２中空糸膜２６とが、互いに並列状に収納された構成を有する。なお、図４の血液処理装置と同様の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを避ける。

ハウジング２０の長手方向の初端側に血液導入ポート２１ａが、終端側に血液出口ポート２１ｂが設けられている。人工肺Ｂとして機能させる側の外周面には、二酸化炭素の排出口となるガス出口ポート２２ａと、酸素の給気口となるガス入口ポート２２ｂが設けられている。血液濃縮器Ｃとして機能させる側の外周面には、濾過液Ｅの除水口となる排水ポート２３が設けられている。

上記構成により、第１中空糸膜２４内を軸方向に流通する血液に、ガス入口ポート２２ｂから酸素を供給し、ガス交換された血液中の二酸化炭素をガス出口ポート２２ａから排出する。また、第２中空糸膜２６内を軸方向に流通する血液から、水分が径方向へ透過されて、排水ポート２３から排出される。

特開昭６２−４７３６９号公報特開昭６２−４７３６８号公報

上記特許文献１に記載の構成の場合、人工肺と血液濃縮器の中空糸膜の軸方向が直列に配列され、血液が中空糸膜中を通過する経路が長くなる。そのため、血液流の圧力損失が大きい。また、後述するような内部灌流方式を採用しているため、低灌流量（または低灌流下）でしか利用することができず、更に血液濃縮器による除水のためには、排水ポート２３から陰圧を付与する必要があり、装置を構成する要素が多くなるとの問題点があった。

また、特許文献２に記載の構成の場合、血液導入ポート２１ａから流入した血液が、人工肺の領域と血液濃縮器の領域に分流されるため、灌流血液量の一部のみがガス交換され、また、残りの一部のみが除水されることになる。したがって、血液処理装置による処理後の血液中には、処理状態が異なった血液が混ざることになり、好ましくない。また、血液濃縮器側では、血液が濃縮により粘度が上昇して、流れなくなる可能性がある。

また、血液濃縮器は特許文献１及び２に示されるように、効率の面から、血液浄化器と同様、中空糸内部灌流方式を用いるのが一般的である。すなわち、中空糸膜の内腔に血液を流通させ、中空糸膜の外表面側に除水する。これは、低灌流でも膜間圧力（Ｔ．Ｍ．Ｐ．）を高くすることができ、除水効率を向上できるからである。

その反面、圧力損失が高くなるため、高灌流下での使用には適さない（５００ｍＬ/ｍｉｎ以下）。従って、高灌流で使用する人工心肺の場合は、低灌流の別回路中に血液濃縮器を設ける必要があった。

以上の問題を考慮して、本発明は、人工肺と血液濃縮器が共通のハウジング内に収納され、血液流の圧力損失が少ないガス交換及び除水が可能であって、人工肺に適した高灌流下での使用が可能な血液処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の血液処理装置は、除水用中空糸膜を平面状に複数本配列し複数層に積層した中空糸束により形成された血液濃縮モジュールと、ガス交換用中空糸膜を平面状に複数本配列し複数層に積層した中空糸束により形成されたガス交換モジュールと、前記血液濃縮モジュール及び前記ガス交換モジュールが積層状態に各々収納された直列に配列された血液濃縮部及びガス交換部を有するハウジングと、前記除水用中空糸膜の一端の開口は露出させ他端の開口は閉鎖し、前記ガス交換用中空糸膜の両端の開口は露出させた状態で前記血液濃縮モジュール及び前記ガス交換モジュールの両端部を封止し、前記両端部の中間の領域に、前記除水用中空糸膜及び前記ガス交換用中空糸膜の軸方向と交差する方向に延在して前記血液濃縮部及び前記ガス交換部を通過する血液流路を形成している封止部材と、前記血液流路の両端に面して前記ハウジングに設けられた血液流入ポート及び血液流出ポートと、前記封止部材から露出した前記除水用中空糸膜の前記一端の開口に面して前記ハウジングに設けられた排水ポートと、前記封止部材から露出した前記ガス交換用中空糸膜の両端の開口に面して前記ハウジングに設けられた給気ポート及び排気ポートとを備え、前記ハウジングの内壁により、前記除水用中空糸膜の前記閉鎖された他端の開口に面する領域の空間を封鎖したことを特徴とする。

上記構成の血液処理装置では、同一ハウジング内に血液濃縮モジュールとガス交換モジュールとが積層状態に収納され、血液流路に対して直列に配列された状態となっており、外部灌流方式を適用できる。

従って、血液流は血液濃縮モジュール及びガス交換モジュールの中空糸膜の外表面側に沿って順次通過して、血液濃縮とガス交換を同一ハウジング内で機能させることができ、しかも、血液は中空糸膜外を流通するので、圧力損失は少ない。そのため、人工肺に適した高灌流下での使用が可能である。

本発明の実施の形態１における血液処理装置の断面図同血液処理装置の要部を一部断面で示した斜視図同血液処理装置の要部の他の形態を示す斜視図本発明の実施の形態２における血液処理装置の断面図従来例の血液処理装置の断面図他の従来例の血液処理装置の断面図

本発明の血液処理装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記ガス交換部が、前記血液濃縮部よりも前記血液流入ポートに近い側に配置されることが好ましい。

また、前記血液流路は、その流路方向に直交する断面が円形であることが好ましい。

また前記血液濃縮モジュール及び前記ガス交換モジュールを構成する各中空糸の軸方向が、前記血液流路の流れ方向と直交し、且つそれぞれの中空糸の軸方向が互いに交差するように配置することができる。

また、前記ガス交換用中空糸膜はポリプロプレン膜を用いて形成され、前記除水用中空糸膜は、ポリスチロール膜、ポリエーテルサルフォン膜、ポリメチルメタクリレート膜、またはセルロース・アセテート膜を用いて形成されている構成とすることができる。

また、前記血液濃縮部が前後に複数段設けられて、血液を段階的に濃縮する構造を有することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における血液処理装置の断面図を、図１に示す。図２Ａは、その要部を一部断面で示した斜視図である。この血液処理装置は、血液濃縮モジュール１と、ガス交換モジュール２とを有する。血液濃縮モジュール１は、水分は透過するがタンパク質は阻止する除水用中空糸膜１ａを複数本配列した中空糸束により形成される。ガス交換モジュール２は、ガス交換能に優れたガス交換用中空糸膜２ａを複数本配列して形成された中空糸束により形成される。

ハウジング３は、血液濃縮モジュール１を収納した血液濃縮部４、及びガス交換モジュール２を収納したガス交換部５を有する。除水用中空糸膜１ａとガス交換用中空糸膜２ａとは、互いに積層状態に配置されている。すなわち、図１の例では、除水用中空糸膜１ａの軸方向とガス交換用中空糸膜２ａの軸方向が平行である。但し、除水用中空糸膜とガス交換用中空糸膜とが積層構造を採っておれば、各中空糸膜の軸方向は、必ずしも互いに平行である必要はない。例えば、図２Ｂに示すように、除水用中空糸膜及びガス交換用中空糸膜が血液流路の向きと実質的に直交する状態に配置され、且つ除水用中空糸膜がガス交換用中空糸膜に対して交差した態様であっても良い。それにより、各中空糸膜束の間に形成される空間を少なくすることができるので、好ましい。

両モジュール１、２の両端部は、高分子ポッティング材、例えばポリウレタン、シリコーン、エポキシ樹脂等により形成された封止部材６により封止されている。封止部材６により形成された構造が判りやすいように、ハウジング３を取り除いた状態を、一部断面にして図２Ａに示す。

この封止構造において、除水用中空糸膜１ａの一端の開口は閉鎖されることなく露出しているが、他端の開口は閉鎖されている。また、ガス交換用中空糸膜２ａの両端の開口７は、封止部材６により閉鎖されることなく露出している。従って、ガス交換用中空糸膜２ａの内部には、中空糸膜の両端に亘る貫通したガス流路が確保されている。さらに、両モジュール１、２の両端部の中間の領域において、封止部材６は、血液流路８を形成する貫通孔を有する。血液流路８は、除水用中空糸膜１ａ及びガス交換用中空糸膜２ａの軸方向と交差する方向に延在して血液濃縮部４及びガス交換部５を通過するように形成され、その流路方向に直交する断面形状が円形である。

ハウジング３は更に、血液流路８の両端に面して血液流入ポート９及び血液流出ポート１０を有する。また、封止部材６から露出した除水用中空糸膜１ａの一端の開口に面して、血液濃縮部４の側部に排水ポート１１が設けられている。また、封止部材６から露出したガス交換用中空糸膜２ａの両端の開口に面して、ガス交換部５の側部に給気ポート１２及び排気ポート１３が設けられている。

更に、血液濃縮部４とガス交換部５の境界部では、ハウジング３の内壁に隔壁１４が設けられている。それにより、それにより、血液濃縮部４では、排水ポート１１に面した領域に、他から隔離された空間が形成されている。また、ガス交換部５の両端では、給気ポート１２及び排気ポート１３にそれぞれ面した領域にも、他から隔離された空間が形成されている。従って、排水ポート１１、給気ポート１２及び排気ポート１３は、それぞれ独立して機能する。

また、図に示していないが、血液濃縮部４とガス交換部５の間に、熱交換器を組込むことで、血液濃縮した直後の血液を加温、または冷却することが可能となり、さらに加温／冷却した血液をガス交換できるので、効率良く加温でき、気泡の発生を抑止できる。

以上のとおり、本実施の形態の血液処理装置では、血液濃縮モジュール１とガス交換モジュール２とが積層状態に配置され、血液流路８に対して直列に配列された状態となってる。そして、中空糸膜１ａ、２ａの外表面側を血液が流通し、除水用中空糸膜１ａの内部を介して除水され、ガス交換用中空糸膜２ａの内部を酸素含有ガスが流通する、いわゆる外部灌流方式が用いられる。

従って、血液濃縮とガス交換を同一ハウジング内で容易に機能させることができ、しかも、血液は中空糸膜中を通過しないので、内部灌流方式に比べ圧力損失は少ない。そのため、人工肺に適した高灌流下で、除水のための別回路を設けること無く、使用することが可能である。なお、外部灌流方式では、内部灌流方式に比べ除水効率が低下する。これに対しては、外部灌流方式では圧力損失が低減されるので、高灌流量で使用すれば、除水効率の低下はさほど問題とならない。

また、本実施の形態のように、血液濃縮部４が、ガス交換部５よりも血液流入ポート９に近い側に配置された構造にすると、次のような利点がある。すなわち、血液流が、最初に血液濃縮部４を通過後に、ガス交換部５を通過することにより、より高いＴＭＰが得られる。しかも、血液が濃縮された後にガス交換されるので、ガス交換性能が向上する。

さらに、外部灌流方式とすることにより、血液濃縮部４における除水のために陰圧を付与することが不要となる。

また、積層型を採用した本実施の形態の構造は、コアに中空糸を巻きつけるワインド型人工肺に比べ、異なる素材の中空糸膜を同一ハウジング内に構成することが容易である。しかも、中空糸膜内部の流路について、独立した区画を設けることが容易であるので、血液濃縮モジュールとガス交換モジュールを併用して、外部灌流方式を適用することが容易である。

ガス交換モジュール２に用いるガス交換用中空糸膜２ａの素材としては、例えば、ポリプロピレン膜を用いることができる。

血液濃縮モジュール１に用いる除水用中空糸膜１ａの素材としては、例えば、ＰＳ（ポリスチロール）樹脂、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）樹脂、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）樹脂、ＣＡ（セルロース・アセテート）樹脂などをそのまま利用しても良いし、その他の材料でも良い。

これらの材質による中空糸膜を用いた血液濃縮器は、内部灌流方式に最適な構造、例えば、中空糸内面あるいは中間層側に緻密層を配し、除水効率を長期間維持させる構造が多い。そのため、本実施の形態のように外部灌流方式を用いた場合、従来品を用いると、中空糸外面側に血液成分が入り込み、多少除水効率が低下する可能性がある。

しかし、内部灌流方式に比べ、外部灌流方式では圧力損失を低減することが可能であるので、高灌流量でも使用可能であり、外部灌流方式を用いることに起因する除水効率の低下はさほど問題とならない。例えば、内部灌流方式の場合の灌流量１００〜５００ｍＬ程度に比べ、１００ｍＬ程度から７〜８Ｌ／ｍｉｎと、はるかに高灌流量を得ることができる。もちろん、外部灌流に適した構造、例えば、外部側より緻密層を配する構造とした中空糸膜を用いてもよい。

血液流路の形態は、直線流路で、流路断面形状は四角でもよいが、上述の実施の形態ように円形流路を採用した方が、偏流が抑制され、血液流路の周縁部でも（血流が）停滞せずにガス交換ができるため、高いガス交換効率が得られる。

また、前後に三層以上の構造として、段階的に濃縮する構造としてもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における血液処理装置の断面図を、図３に示す。この血液処理装置は、構成要素は実施の形態１における装置と同様であり、血液の流動方向に対して上流側にガス交換部５が配置され、下流側に血液濃縮部４が配置された点が、実施の形態１と相違する。従って、実施の形態１の場合と同様の要素については同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。

図３に示すとおり、ガス交換部５が、血液濃縮部４よりも血液流入ポート９に近い側に配置され、実施の形態１と同様、ガス交換モジュール２と血液濃縮モジュール１とが積層状態に配置されている。従って、ガス交換モジュール２と血液濃縮モジュール１とが、血液流路８に対して直列に配列された状態となってる。そして、中空糸膜１ａ、１ｂの外表面側を血液が流通し、ガス交換用中空糸膜２ａの内部を酸素含有ガスが流通し、除水用中空糸膜１ａの内部を介して除水される外部灌流方式を用いる構造となっている。

本実施の形態のように血液流が、まずガス交換部５を通過後に、血液濃縮部４を通過することにより、人工肺内の圧力損失は、実施の形態１の場合より低減される利点がある。但し、血液濃縮部４において、水引効果と同時に、若干のガス排出が発生する可能性がある。ガス交換により血液中に取り込まれた酸素ガスが放出されると、実質的にガス交換効率が低減する。

本発明の血液処理装置によれば、血液濃縮とガス交換を同一ハウジング内で機能させることができ、しかも、血液流の圧力損失は少ないので高灌流下での使用が可能であり、また現行行っているような除水のための別回路の形成無しに体外循環が行えるため、有用である。

１血液濃縮モジュール
１ａ除水用中空糸膜
２ガス交換モジュール
２ａガス交換用中空糸膜
３ハウジング
４血液濃縮部
５ガス交換部
６封止部材
７開口
８血液流路
９血液流入ポート
１０血液流出ポート
１１排水ポート
１２給気ポート
１３排気ポート
１４隔壁
２０ハウジング
２１ａ血液導入ポート
２１ｂ血液出口ポート
２２ａガス出口ポート
２２ｂガス入口ポート
２３排水ポート
２４第１中空糸膜
２５硬化性樹脂
２６第２中空糸膜
Ａ血液処理装置
Ｂ人工肺
Ｃ血液濃縮器
Ｅ濾過液
Ｆ１未処理血液
Ｆ２処理済血液

Claims

除水用中空糸膜を平面状に複数本配列し複数層に積層した中空糸束により形成された血液濃縮モジュールと、
ガス交換用中空糸膜を平面状に複数本配列し複数層に積層した中空糸束により形成されたガス交換モジュールと、
前記血液濃縮モジュール及び前記ガス交換モジュールが積層状態に各々収納され直列に配列された血液濃縮部及びガス交換部を有するハウジングと、
前記除水用中空糸膜の一端の開口は露出させ他端の開口は閉鎖し、前記ガス交換用中空糸膜の両端の開口は露出させた状態で前記血液濃縮モジュール及び前記ガス交換モジュールの両端部を封止し、前記両端部の中間の領域に、前記除水用中空糸膜及び前記ガス交換用中空糸膜の軸方向と交差する方向に延在して前記血液濃縮部及び前記ガス交換部を通過する血液流路を形成している封止部材と、
前記血液流路の両端に面して前記ハウジングに設けられた血液流入ポート及び血液流出ポートと、
前記封止部材から露出した前記除水用中空糸膜の前記一端の開口に面して前記ハウジングに設けられた排水ポートと、
前記封止部材から露出した前記ガス交換用中空糸膜の両端の開口に面して前記ハウジングに設けられた給気ポート及び排気ポートとを備え、
前記ハウジングの内壁により、前記除水用中空糸膜の前記閉鎖された他端の開口に面する領域の空間を封鎖したことを特徴とする血液処理装置。
前記ガス交換部が、前記血液濃縮部よりも前記血液流入ポートに近い側に配置された請求項１に記載の血液処理装置。
前記血液流路は、その流路方向に直交する断面が円形である請求項１または２に記載の血液処理装置。
前記血液濃縮モジュール及び前記ガス交換モジュールを構成する各中空糸の軸方向が、前記血液流路の流れ方向と直交し、且つそれぞれの中空糸の軸方向が互いに交差するように配置された請求項１〜３のいずれか１項に記載の血液処理装置。
前記ガス交換用中空糸膜はポリプロプレン膜を用いて形成され、前記除水用中空糸膜は、ポリスチロール膜、ポリエーテルサルフォン膜、ポリメチルメタクリレート膜、またはセルロース・アセテート膜を用いて形成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の血液処理装置。
前記血液濃縮部が前後に複数段設けられて、血液を段階的に濃縮する構造を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の血液処理装置。