(57)【要約】【課題】使用初期の高いガス交換能、長時間の連続使用中の血漿漏出の回避を両立させて、小型で安定したガス交換を可能とする。【解決手段】緻密質中空糸膜１ａを複数本配列した緻密質モジュール１と、多孔質中空糸膜２ａを複数本配列した多孔質モジュール２と、緻密質モジュール及び多孔質モジュールが積層状態に各々収納された第１及び第２ガス交換部４、５を有するハウジング３と、両中空糸膜の開口を露出させて両端部を封止し、中間領域に、両中空糸膜の軸方向と交差する方向に延在して第１及び第２ガス交換部を通過する血液流路８を形成した封止部材６と、血液流路の両端に面してハウジングに設けられた血液流入ポート９及び血液流出ポート１０と、両中空糸膜の両端の開口に面してハウジングに各々設けられた給気ポート１１ａ、１１ｂ及び排気ポート１２ａ、１２ｂとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
緻密層または均質層を有する緻密質中空糸膜を複数本配列した中空糸束により形成された緻密質モジュールと、
多孔質中空糸膜を複数本配列した中空糸束により形成された多孔質モジュールと、
前記緻密質モジュール及び前記多孔質モジュールが積層状態に各々収納された第１ガス交換部及び第２ガス交換部を有するハウジングと、
前記緻密質中空糸膜及び前記多孔質中空糸膜の両端の開口を露出させた状態で前記両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、前記多孔質中空糸膜及び前記緻密質中空糸膜の軸方向と交差する方向に延在して前記第１及び第２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緻密質中空糸膜及び前記多孔質中空糸膜の両端の開口に面して前記ハウジングに各々設けられた給気ポート及び排気ポートとを備えた血液処理装置。
【請求項２】
前記緻密質モジュールの給気ポート、または排気ポートの少なくともいずれか一方に、開閉手段を備えた請求項１に記載の血液処理装置。
【請求項３】
前記緻密質モジュールの給気ポート及び排気ポートの両方に、開閉手段を備えた請求項２に記載の血液処理装置。
【請求項４】
前記第１ガス交換部が、前記第２ガス交換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。
【請求項５】
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１〜４のいずれか１項に記載の血液処理装置。
【請求項６】
前記血液流路内の領域における前記多孔質モジュールの酸素移動量に対する、前記緻密質モジュールの酸素移動量の比率が、２．５〜３．５の範囲である請求項１〜５のいずれか１項に記載の血液処理装置。
【請求項７】
前記緻密質モジュール及び前記多孔質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１〜６のいずれか１項に記載の血液処理装置。
【請求項８】
前記第１及び第２ガス交換部の少なくとも一方が、複数組設けられている請求項１〜７のいずれか１項に記載の血液処理装置。
【請求項９】
前記多孔質中空糸膜はポリプロプレン膜を用いて形成され、前記緻密質中空糸膜はポリメチルペンテン膜またはシリコーン膜を用いて形成されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の血液処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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するための血液処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、経皮的心肺補助法（ＰＣＰＳ）は、重症心不全、心筋症、人工心肺脱離困難などに用いられることが多かったが、最近では、救命救急領域において、緊急対応として心肺停止症例などでも使用する場合が増加している。このような補助循環では、患者の血液を体外に導き、これに酸素を供給し炭酸ガスを除去するために、一般的には、体外循環回路装置中に、中空糸膜を内蔵する中空糸膜型人工肺が配置される。
【０００３】
図３は、特許文献１に記載された、中空糸膜型人工肺の構成例を一部断面で示した正面図である。この中空糸膜型人工肺のハウジング２０では、筒状本体２１の両端部に環状の雄ネジ付き取付カバー２２，２３が設けられている。ハウジング２０内には、中空糸束２４を形成する多数（例えば１００００〜７００００本）の中空糸膜２５が、ハウジング２０の長手方向に沿って並列的に相互に離間配置されている。中空糸膜２５の両端部は、取付カバー２２，２３内において、それぞれの開口が閉塞されない状態で隔壁２６，２７により液密に支持されている。
【０００４】
また、各隔壁２６，２７は、中空糸膜２５の外周面と上記ハウジング２０の内面とともに酸素含有ガスのガス室２８を構成し、これを閉塞し、かつ中空糸膜２５の内部に形成される血液側流路とガス室２８を隔離している。一方の取付カバー２２には、酸素含有ガスを供給する導入口２９が設けられており、他方の取付カバー２３には、酸素含有ガスを排出する導出口３０が設けられている。通常、隔壁２６，２７は、極性の高い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る。隔壁２６，２７の外面は、環状凸部を有する流路形成部材３１，３２でそれぞれ覆われている。これにより血液の流入室３３および流出室３４がそれぞれ形成される。流路形成部材３１，３２の頂部には、それぞれ血液の導入口３５および導出口３６が形成されている。
【０００５】
以上のようにこの中空糸膜型人工肺は、中空糸膜２５の内表面側に血液を循環し、中空糸膜２５の外表面側に酸素含有ガスを供給してガス交換を行なう、いわゆる内部灌流タイプのものである。
【０００６】
このような中空糸膜型人工肺用の中空糸膜としては、ガス交換能に優れた多孔質中空糸膜、または長期補助に適した、緻密膜あるいは均質膜を有する膜素材からなる中空糸膜（以下の記載では、一括して緻密質中空糸膜と称する。）が使い分けられる。
【０００７】
多孔質中空糸膜としては、例えば、マイクロポーラスポリプロピレン膜等の多孔質膜を使用したものが知られている。多孔質中空糸膜では、膜の有する微細孔が透過すべき気体分子に比べて著しく大きいため、気体は体積流として細孔を通過し、優れたガス交換性能を示す。しかし、多孔質中空糸膜は水蒸気の透過性が高く、また長時間血液を体外循環させて使用すると、細孔が血液中の成分により親水化されて、血漿が漏出するという欠点がある。従って、短時間の使用に於いてはガス交換性能に優れてはいるものの、血液灌流時間経過とともに血漿の漏出が増加して使用不能となる欠点を有している。術中の血漿漏出は、患者に重大な結果を引き起こす。しかし、これを回避するために人工肺を交換しようとすると、多大な手間と大きな危険性を伴う。
【０００８】
一方、緻密質中空糸膜としては、例えば、シリコーン膜が知られている。この膜素材を用いた中空糸膜は、透過する気体の分子が膜に溶解し、拡散することによってガスの移動が行なわれるものである。緻密質中空糸膜では、血漿漏出は実用上十分に抑制されるものの、例えばシリコーン膜は強度的に膜厚１００μｍ以下にすることはできないため、ガス透過性に限界があり、多孔質中空糸膜と比べるとガス交換性能に劣る。従って、十分なガス交換能力を得るためには大きな膜面積、即ち大型の人工肺を必要とする。その結果、多量のプライミング血液が必要とされることから、生体負荷が大きく、適用範囲が限られている。
【０００９】
特許文献２には、多孔質中空糸膜と緻密質中空糸膜の上述の欠点を補うための膜素材の改良について記載されている。すなわち、特許文献２において改良された膜素材からなる中空糸微多孔膜は、膜を介して行われる血液相と気体相間のガス移動の機構に関し、長期の連続使用が必要となる補助循環分野への適用に於いても十分な耐血漿リーク性と、安定した優れたガス交換性能を発揮させることができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平５−４２２０７号公報
【特許文献２】特開２０００−３５５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述のような従来の単一種の膜素材からなる中空糸膜により、小型化を実現するために必要な十分なガス交換性能と、血漿の漏れが無く長期に亘り使用可能ないわゆる長期耐久性の両方の要求を、十分に満足させる血液処理装置を得ることは現実的には、困難であった。
【００１２】
近年、術中術後の連続した心肺補助や、未熟児の呼吸補助、さらには急性心不全患者の心補助用等として長時間の連続使用が可能な人工肺の開発が切に望まれている。しかも、術中の患者の負荷を軽減するため、血液充填量が少なく、血液と接触する膜面積が少なくてもよいガス交換効率に優れた小型な人工肺の実現が求められている。
【００１３】
従って、本発明は、使用初期には高いガス交換能を発揮して小型化を可能とするとともに、長時間の連続使用に際しては血漿の漏出を回避して安定したガス交換が可能である血液処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の血液処理装置は、緻密層または均質層を有する緻密質中空糸膜を複数本配列して形成された緻密質モジュールと、多孔質中空糸膜を複数本配列して形成された多孔質モジュールと、前記緻密質モジュール及び前記多孔質モジュールが積層状態に各々収納された第１ガス交換部及び第２ガス交換部を有するハウジングと、前記緻密質中空糸膜及び前記多孔質中空糸膜の両端の開口を露出させた状態で前記両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、前記多孔質中空糸膜及び前記緻密質中空糸膜の軸方向と交差する方向に延在して前記第１及び第２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緻密質中空糸膜及び前記多孔質中空糸膜の両端の開口に面して前記ハウジングに各々設けられた給気ポート及び排気ポートとを備える。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成の血液処理装置によれば、同一ハウジング内に緻密質モジュールと多孔質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、外部灌流方式に適用可能である。
【００１６】
従って、血液流は緻密質モジュールと多孔質モジュールの中空糸膜の外面に沿って順次通過し、使用初期においては、多孔質モジュールにより、プライミング時の気泡排出性や、ガス交換性能について優れた特性を得ることができる。しかも、長時間の連続使用に際しては、多孔質モジュールによるガス交換機能を停止して、緻密質モジュールによるガス交換のみに移行すれば、血漿漏出を抑制し、新しい人工肺や血液回路に交換することなく、体外循環血液の酸素化を継続することができる。それにより、小型化が可能であるとともに、長時間の連続使用に際しても安定したガス交換が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態における血液処理装置を示す断面図
【図２Ａ】同血液処理装置の要部を一部断面で示した斜視図
【図２Ｂ】同血液処理装置の要部の他の形態を示す斜視図
【図３】従来例の血液処理装置である人工肺を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
すなわち、前記緻密質モジュールの給気ポート、または排気ポートの少なくともいずれか一方に、開閉手段を備えることが好ましい。
【００２０】
また、前記緻密質モジュールの給気ポート及び排気ポートの両方に、開閉手段を備えることもできる。
【００２１】
また、前記第１ガス交換部が、前記第２ガス交換部よりも前記血液流入ポートに近い側に配置された構成とすることが好ましい。
【００２２】
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。
【００２３】
また、前記血液流路内の領域における前記多孔質モジュールの酸素移動量に対する前記緻密質モジュールの酸素移動量の比率が、２．５〜３．５の範囲であることが好ましい。
【００２４】
また、前記緻密質モジュール及び前記多孔質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。
【００２５】
また、前記第１及び第２ガス交換部の少なくとも一方が、複数組設けられている構成とすることができる。
【００２６】
また、前記多孔質中空糸膜はポリプロプレン膜を用いて形成し、前記緻密質中空糸膜はポリメチルペンテン膜またはシリコーン膜を用いて形成することができる。
【００２７】
（実施の形態）
本発明の実施の形態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、緻密質モジュール１と、多孔質モジュール２とを備えている。
【００２８】
緻密質モジュール１は、緻密層または均質層を有する緻密質中空糸膜１ａを複数本配列した中空糸束により形成されている。多孔質モジュール２は、多孔質中空糸膜２ａを複数本配列した中空糸束により形成されている。緻密質中空糸膜１ａの膜素材として、例えば、ポリメチルペンテン膜（緻密膜）またはシリコーン膜（均質膜）を用いることができる。多孔質中空糸膜２ａの膜素材としては、例えば、ポリプロプレン（ＰＰ）膜を用いることができる。
【００２９】
ハウジング３は、緻密質モジュール１を収納した第１ガス交換部４、及び多孔質モジュール２を収納した第２ガス交換部５を有する。緻密質中空糸膜１ａと多孔質中空糸膜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、緻密質中空糸膜１ａの軸方向と多孔質中空糸膜２ａの軸方向が平行である。但し、緻密質中空糸膜と多孔質中空糸膜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、緻密質中空糸膜及び多孔質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、且つ緻密質中空糸膜が多孔質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。
【００３０】
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。
【００３１】
この封止構造において、緻密質中空糸膜１ａ及び多孔質中空糸膜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、緻密質中空糸膜１ａ及び多孔質中空糸膜２ａの内部にはそれぞれ、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。また、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を形成している。血液流路８は、緻密質中空糸膜１ａ及び多孔質中空糸膜２ａの軸方向と交差する方向に延在して第１及び第２ガス交換部４、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は円形である。
【００３２】
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から露出する緻密質中空糸膜１ａ及び多孔質中空糸膜２ａの両端の開口７に面して、第１及び第２ガス交換部４、５の側部に各々、給気ポート１１ａ、１１ｂ、及び排気ポート１２ａ、１２ｂが設けられている。
【００３３】
更に、第１及び第２ガス交換部４、５の境界部には、ハウジング３の内壁に隔壁１３が設けられている。それにより、第１ガス交換部４と第２ガス交換部５では、給気ポート１１ａと１１ｂにそれぞれ面した領域に、互いに隔離された空間が形成されている。同様に、排気ポート１２ａと１２ｂにそれぞれ面した領域にも、互いに隔離された空間が形成されている。従って、給気ポート１１ａと１１ｂ、また排気ポート１２ａと１２ｂは、互いに独立して機能する。このとき、前記のような空間隔離のため、隔壁１３は必要となるが、積層した緻密質中空糸膜１ａと多孔質中空糸膜２ａとの間に空間が生じないように、その厚みや形状を工夫することが望ましい。
【００３４】
それにより、第１ガス交換部４と第２ガス交換部５におけるガス交換を、適宜選択して機能させることが可能である。例えば、第２ガス交換部４の排気ポート１２ｂを、クランプ１４で閉塞すれば、多孔質モジュール２によるガス交換機能を停止することができる。本実施の形態では、排気ポート１２ｂのみにクランプ１４を設けたものを例示したが、給気ポート１１ｂにも、クランプ１４を設けることによって、多孔質中空糸膜２ａからの血漿漏出をより確実に防止できるので好ましい。これにより、ガス交換能が過剰である場合や、性能低下を起こした際に、血流を停止することなく、その部分の使用を中断できる。また、血液の変性により、膜素材が親水化されて、中空糸より血漿が漏出した場合に、血液流を停止することなく、性能低下をきたしたモジュール側のみ、ガス流を停止することができる。
【００３５】
以上のとおり、本実施の形態の血液処理装置では、共通のハウジング３内に緻密質モジュール１と多孔質モジュール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、１ｂの外表面側を血液が流通し、中空糸膜１ａ、１ｂ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。しかも、多孔質モジュール２によるガス交換機能を停止する操作が可能である。このような構成に基づく効果は、以下のとおりである。
【００３６】
まず、使用初期においては、多孔質モジュール２により、プライミング時の気泡排出性や、ガス交換性能について優れた特性を得ることができる。しかも、長時間の連続使用に際しては、多孔質モジュール２によるガス交換機能を停止して、緻密質モジュール１によるガス交換のみに移行すれば、血漿漏出を抑制し、新しい人工肺や血液回路に交換することなく、体外循環血液の酸素化を継続することができる。
【００３７】
すなわち、補助循環などの長時間の体外循環を行なうと、患者の血液の変性などにより、中空糸膜の疎水性が低下することにより、血漿漏出が生じることが知られている。このような場合、多孔質中空糸膜２ａは、ガス交換能に優れる反面、血漿漏出が発生するとともに、ガス交換膜面積が失われる。これに対して、分画された第２ガス交換部５への、給気ポート１１ｂあるいは排気ポート１２ｂを閉鎖することにより、選択的に、ガス交換と血漿の漏出を停止することができ、人工肺を交換することなく継続治療が可能となる。
【００３８】
このような状態になった後は、残りの緻密質中空糸膜１ａの部分のみで、ガス交換性能を維持することになる。一般に、補助循環開始直後の患者は多くのガス交換性を要するため、最大能力を必要とすることも多いが、一旦安定し、長期の補助が必要な状態では、患者自身の心肺機能も、若干でも維持されていることが多い（維持されていない場合は、補助的な救命は困難）。そのような状態では、必ずしも、人工肺の最大能力を必要としない補助循環状態であることが多いので、３／４程度のガス交換性能が維持されれば問題ない。
【００３９】
しかも、全てを均一層膜で構成した人工肺に比べ、ガス交換能に優れる多孔質中空糸膜により、膜面積を低減できる。それにより、全体の異物接液面積（膜面積）が小さくなり、充填量を低減でき、患者への侵襲性が低減される。
【００４０】
また、緻密質モジュール１が収納された第１ガス交換部４は、血液流入ポート９の側に配置されているので、血液は、緻密質中空糸膜１ａ（例えばシリコーン膜）によりガス交換を行った後、さらに出口側で多孔質中空糸膜２ａ（例えばＰＰ膜）によりガス交換された後に、血液流出ポート１０から流出する。
【００４１】
この順番に配置することにより、プライミング操作時に、中空糸膜間に残り易い気泡除去操作を、緻密質中空糸膜よりも気泡除去性能に優れた多孔質中空糸膜により処理することが可能である。それにより、緻密質中空糸膜のみで構成された場合に比べて、プライミング時間が短縮される。すなわち、血液流出側に、気泡排出性能の優れた多孔質中空糸膜を配置することにより、人工肺内に残存した気泡が膜の孔より排出されるので、プライミング操作が簡便となり、緊急時にも操作性の向上が期待できる。
【００４２】
また、緻密質モジュール１と多孔質モジュール２を併用することにより、血液処理装置の小型化を図ることができる。その理由は、以下のとおりである。まず、補助循環領域で使用される人工肺には、最大血液流量４Ｌ／ｍｉｎ程度の性能が求められるのが一般的である。しかし、これは、心肺停止状態のときであり、補助循環開始直後に必要な流量である。一方、一旦拍動が再開すると、人工呼吸器などの補助を併用することと、自己心拍の妨げとならないよう、流量を低下させるのが一般的で、３Ｌ／ｍｉｎ以下で運用されることが多い。従って、最大流量使用時には、最小限のガス交換に優れた膜素材を併用することとし、長期補助時には、必要流量のみカバーできる膜素材を配することにより、必要な中空糸膜の体積を低減することができる。
【００４３】
２種類の中空糸膜を併用する際の割合としては、血液流路８内の領域における多孔質モジュール２の酸素移動量に対する、緻密質モジュール１の酸素移動量の比率が、２．５〜３．５となるような範囲に設定することが望ましい。緻密質モジュール１の占める比率が小さいと、長期（血液）循環時のガス交換能の不足が懸念される。逆に緻密質モジュール１の占める比率が大き過ぎると、オーバースペックとなり、無駄となるだけでなく、モジュール全体の血液充填量が大きくなるデメリットがある。緻密質モジュール１は多孔質モジュール２に比べ、酸素移動量が小さいためである。一例としては、最大血液流量を４Ｌ／ｍｉｎとする血液処理装置中で、ＰＰ膜を１Ｌ／ｍｉｎ（２５％）、シリコーン膜を３Ｌ／ｍｉｎ（７５％）とする。補助循環開始直後における一般的な最大血液流量４Ｌ／ｍｉｎ程度に対して、拍動再開後の運用時における一般的な血液流量３Ｌ／ｍｉｎを考慮すると、そのような範囲に設定すれば、使用時の運用に影響を与えることなく、小型化に有効である。
【００４４】
血液流路８の断面形状は、四角でもよいが、より効率の高い円形とすることが望ましい。
【００４５】
また、緻密質モジュール１と多孔質モジュール２を積層型でかつ円形流路内に異なる膜素材を配置することにより、より段差の少ない直線流路が形成可能となる。
【００４６】
なお、上記実施の形態では、第１ガス交換部４と第２ガス交換部５がそれぞれ１つ設けられているが、第１及び第２ガス交換部の少なくとも一方が、複数組設けた構造とすることも可能である。
【００４７】
本発明の血液処理装置を用いた人工肺には、熱交換器を組み込むこともできる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の血液処理装置によれば、使用初期の高いガス交換能と、長時間の連続使用中の血漿漏出の回避を両立させて、小型で安定したガス交換が可能となり、体外循環回路装置中に配置される人工肺に有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１  緻密質モジュール
１ａ  緻密質中空糸膜
２  多孔質モジュール
２ａ  多孔質中空糸膜
３  ハウジング
４  第１ガス交換部
５  第２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
１１ａ、１１ｂ  給気ポート
１２ａ、１２ｂ  排気ポート
１３  隔壁
２０  ハウジング
２１  筒状本体
２２，２３  取付カバー
２６，２７  隔壁
２８  ガス室
２９  導入口
３０  導出口
２５  中空糸膜
２４  中空糸束
３１，３２  流路形成部材
３３  血液の流入室
３４  血液の流出室
３５  血液の導入口
３６  血液の導出口
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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