(57)【要約】本発明は、患者の２段階血液透析システムに関する。１つの実施例においては、このシステムは、第１濾過装置（２１０）を有し、この第１濾過装置では患者（２００）からの血液（２５５）を収容し、かつ第１濾液（２８５）と濾過された血液成分（２６５）を生成する。このシステムは更に第２の濾過装置（２２０）を有し、この第２濾過装置では第１濾液（２８５）を収容し、かつ交換液体（２７５）と老廃物を生成する。そしてこの第１と第２の濾過装置の少なくともどちらか一方を、テイラー渦攪拌血液濾過装置（１０）とすると好適である。
2008510511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者からの血液を受容し第１の濾液と処理後の血液を生成する第１濾過装置と、
第１の濾液を受容し交換液と老廃物を生成する第２濾過装置を備え、
第１と第２の濾過装置の少なくとも一方がテイラー渦攪拌血液濾過装置を備えることを特徴とする患者の２段階血液透析のシステム。
【請求項２】
更に処理後の血液と交換液を混合し還元血流を作り出すＴ型連結部を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
還元血流を更に補充交換液の導入によって増加させることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
補充交換液に少なくとも１つの添加物を補充することを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
還元血流が実質的に患者からの血流と等量であることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
更に患者からの血液と交換液を混合して第１濾過装置に入る血流を増加させるＴ型連結部を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
第１濾過装置への血流を更に補充交換液の導入によって増加させることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
補充交換液に少なくとも１つの添加物を補充することを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
更に患者からの血液に抗凝固剤を混合するための抗凝固剤供給源を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記テイラー渦攪拌血液濾過装置は、
ハウジング壁を持つハウジングと、
濾過膜を備え第１の内部を画定する第１の壁を持つ第１のローターで、濾過膜とハウジング壁の間に第１の空隙が存在するように前記の第１のローターが前記のハウジングの内側に配置されそこで回転するように適合されている第１のローターと、テイラー渦を第１の空隙の中に作り出すのに十分な速度で第１のローターを前記のハウジングの中で回転させる第１の回転駆動手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１濾過装置は、
ハウジング壁を持つ円筒形のハウジングと、
透析膜を備える第１の壁を持つ第１の円筒形のローターで、透析膜とハウジング壁の間に第１の同軸の空隙が存在するように前記の第１の円筒形のローターが前記のハウジングの内側に同軸上に配置されそこで回転するように適合されている第１のローターと、
第２の壁を持つ第２の円筒形のローターで、第１と第２の壁の間に第２の同軸の空隙が存在するように前記の第２の円筒形のローターが前記の第１の円筒形のローターの内側に同軸上に配置されそこで回転するように適合されている第２のローターと、
患者からの血液を第１の同軸の空隙へと導くハウジング壁にある第１の入口及び処理後の血液を第１の同軸の空隙から導き出すハウジング壁にある第１の出口と、
第１の濾液を第２の同軸の空隙から導き出す前記のハウジングにある第２の出口と、
前記のハウジングの内側で第１の円筒形のローターを回転させるための第１の回転駆動手段と、
前記のハウジングの内側で第２の円筒形のローターを回転させるための第２の回転駆動手段を備えることを特徴とする、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
患者からの血液を受容し透析排液と処理後の血液を生成するように構成された透析装置と、
透析排液を受容し再利用された透析液と老廃物を生成するように構成された濾過装置を備えることを特徴とする患者の２段階血液透析のシステム。
【請求項１３】
透析装置へ導入するために高濃度の透析液と再利用された透析液を混合するＴ型連結部を更に備える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
高濃度の透析液に少なくとも１つの添加物を補充することを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
透析装置と濾過装置の少なくとも一方が、
ハウジング壁を持つハウジングと、
濾過膜を備え第１の内部を画定する第１の壁を持つ第１のローターで、濾過膜とハウジング壁の間に第１の空隙が存在するように前記の第１のローターが前記のハウジングの内側に配置されそこで回転するように適合されている第１のローターと、
テイラー渦を第１の空隙の中に作り出すのに十分な速度で第１のローターを前記のハウジングの中で回転させる第１の回転駆動手段を備えることを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
透析装置が、
ハウジング壁を持つ円筒形のハウジングと、
透析膜を備える第１の壁を持つ第１の円筒形のローターで、透析膜とハウジング壁の間に第１の同軸の空隙が存在するように前記の第１の円筒形のローターが前記のハウジングの内側に同軸上に配置されそこで回転するように適合されている第１の円筒形のローターと、
第２の壁を持つ第２の円筒形のローターで、第１と第２の壁の間に第２の同軸の空隙が存在するように前記の第２の円筒形のローターが前記の第１の円筒形のローターの内側に同軸上に配置されそこで回転するように適合されている第２のローターを、
備えることを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
テイラー渦を発生させるように構成した第１濾過装置を設けることと、
第２濾過装置を設けることと、
患者からの血液を第１濾過装置へと導入することと、
第１濾過装置からの第１の濾液を第２濾過装置へと導入することと、
交換液を第２濾過装置から取得することを含むことを特徴とする患者に血液透析を行う手段。
【請求項１８】
交換液を第１濾過装置からの処理後の血液に混合するステップを更に含む、請求項１７に記載の手段。
【請求項１９】
患者からの血液を第１濾過装置へ導入する前に交換液を患者からの血液に混合するステップを更に含む、請求項１７に記載の手段。
【請求項２０】
第１濾過装置を設けることと、
テイラー渦を発生させるように構成した第２濾過装置を設けることと、
患者からの血液を第１濾過装置へと導入することと、
第１濾過装置からの第１の濾液を第２濾過装置へと導入することと、
交換液を第２濾過装置から取得することを含むことを特徴とする患者に血液透析を行う手段。
【請求項２１】
交換液を第１濾過装置からの処理後の血液に混合するステップを更に含む、請求項２０に記載の手段。
【請求項２２】
患者からの血液を第１濾過装置へ導入する前に交換液を患者からの血液に混合するステップを更に含む、請求項２０に記載の手段。
【請求項２３】
透析装置を設けることと、
濾過装置を設けることと、
患者からの血液と透析液を透析装置へと導入することと、
透析装置からの透析排液を濾過装置へと導入することと、
再利用された透析液を濾過装置から取得することを含むことを特徴とする患者に血液透析を行う手段。
【請求項２４】
透析装置への導入のために濃縮された透析液と再利用された透析液を混合するステップを更に含む、請求項２３に記載の手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の好適な態様は連続的な濾過が様々な仕様の濾液を取り除く多段階濾過に関するものである。本発明の好適な実施例は特に血液透析の間に失われる液体を再生するのに有用である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、透析は腎臓病の治療に使用される維持療法である。これには２つの手法が存在する。１つは患者の内部で、すなわち患者の腹膜内で処理を行う腹膜透析である。腹膜透析は血液のフィルターとして患者の腹腔膜を使用する。腹腔は透析液で満たされ、これにより血流と透析液の間に濃度勾配を作り出す。毒素は患者の血流から透析液へと拡散し、この透析液は定期的に新鮮な透析液と交換しなければならない。
【０００３】
第２の手法は濾過透析による。濾過透析は血液透析と血液濾過の２つの主な技術を包含する。両方とも患者から採血し、毒素を取り除くように血液を処理し、処理後の血液を患者へ戻すことにより体外で作動する。しかし、それぞれの過程は異なる物理的な分離技術によって機能する。
【０００４】
血液透析は拡散によって血液からの毒素の除去をもたらす。患者の血液が膜の片側を流れ過ぎる一方、透析液は別の側を流れ過ぎる。その膜は選択的に小分子を流動させる。血液と透析液の間の濃度勾配により、小分子の毒素は透析液へと拡散する。同時に、例えば電解質や他の化学物質などの透析液に存在する栄養分は血液へと拡散する。その後、処理された血液は患者へと戻される。
【０００５】
血液濾過は対流によって血液からの毒素の除去をもたらす。患者の血液を、血漿水と一般的に２０，０００ダルトンより小さな分子とに透過性を持つフィルターに通す。結果として生じる「血液老廃物」と呼ばれる血漿水の濾液は、水と、毒性のある血液成分と、小栄養分子と電解質を含む「所望の小分子」を含む。処理後の血液は濾過の途中で失われた重要な成分を欠いているため、また、その体積が実質的に減少するため、患者への再導入の前に交換液を処理後の血液に加えなければならない。血液濾過の需要に応じて、交換液は血液濾過の前もしくは後に加えることができる。
【０００６】
これらの２つの血液の精製手法に加え、血液透析濾過として知られる、血液透析と血液濾過を組み合わせた方法が使用されてきた。血液透析濾過は拡散と対流の両方によって血液から毒物の除去をもたらす。血液濾過と同様に、血液透析濾過の過程において失われる血液量と栄養分／電解質を交換液と置換しなければならない。
【０００７】
一般的に交換液は、ｐＨや電解質と栄養分の濃度に関して、健康な血漿水を再現するように設計される。しかし、交換液はまた個々の患者における異常を補正するように調整することができる。多くの場合、例えばクエン酸塩、乳酸塩、酢酸塩、重炭酸塩などの生体適合性のある緩衝液が交換液の基材となる。この緩衝液には例えば塩素、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、カリウム、リン酸などの電解質、グルコースやデキストロースなどの栄養分を患者の必要に応じて補充することができる。
【０００８】
これらの血液処理方法の不利点としては、患者に害となる汚染物のない交換液を大量に産生することに関連する困難と費用が含まれる。それに加えて、血液透析や血液濾過、血液透析濾過は処理するのに費用のかかる医療廃棄物を大量に作り出す。結果的に、生体適合性があり低費用の交換液もしくは透析液を生成するために、これらのシステムからの廃棄物を再利用する必要がある。これにより、外部からの交換液又は透析液を大量に生成する必要を排除することができる。血液透析の間に生成された患者の血液老廃物を濾過することは、これらの必要性を満たす。
【０００９】
血液透析の周知の方法を使用している人々が直面するもう１つの問題は、「濃度分極」と表されるフィルターの目詰まりである。フィルターの選択的透過性の結果、フィルターを通過できない、濾し取られた物質がフィルターの表面で高濃度となることがある。この現象は例えばコーヒーフィルターのような「行き止まりの」フィルターの場合には明確に説明することができる。濾過処理の進行の間、フィルターの上に堆積した、濾し取られた物質（コーヒーの残渣）は、フィルターを通ることのできる液体（コーヒー）、つまり濾液に対して流動抵抗を作り出す。結果的に、濾液の流量は減少し、濾過効率は下落する。
【００１０】
濃度分極の問題に対する様々な解決法が提案されてきた。これらは、液体の速度及び／又は圧力を上げること（例えばMerin et al, (1980) J. Food Proc. Pres. 4(3): 183-198を参照）、供給路の中に乱流を発生させること（Blatt et al, Membrane Science and Technology, Plenum Press, New York, 1970, pp. 47-97）、フィルター上で供給流を拍動させること（Kennedy et al, (1974) Chem. Eng. ScL 29:1927-1931）、正接流及び／又はディーン渦を発生させるように流路を設計すること（Chung et al, (1993) J. Memb. ScL 81:151-162）、テイラー渦を発生させるために回転濾過を使用すること（例えばLee and Lueptow (2001) J. Memb. ScL 192:129-143 と、参照によりその全体を本明細書に援用している米国特許第5,194,145号、同第4,675,106号、同第4,753,729号、同第4,816,151号、同第5,034,135号、同第4,740,331号、同第4,670,176号、同第5,738,792号を参照）を含む。米国特許第5,034,135号において、Fischelは血液分画を促進するためにテイラー渦を発生させることを開示している。Fischelはまた回転式スピナーと円筒形ハウジングの間の空隙の幅の変形形態を記述しているが、円周形の断面の周りに沿ったこの幅の変形形態は教示していない。
【非特許文献１】Merin et al, (1980) J. Food Proc. Pres. 4(3): 183-198
【非特許文献２】Blatt et al, Membrane Science and Technology, Plenum Press, New York, 1970, pp. 47-97
【非特許文献３】Kennedy et al, (1974) Chem. Eng. ScL 29:1927-1931
【非特許文献４】Lee and Lueptow (2001) J. Memb. ScL 192:129-143
【特許文献１】米国特許第5,194,145号
【特許文献２】米国特許第4,675,106号
【特許文献３】米国特許第4,753,729号
【特許文献４】米国特許第4,816,151号
【特許文献５】米国特許第5,034,135号
【特許文献６】米国特許第4,740,331号
【特許文献７】米国特許第4,670,176号
【特許文献８】米国特許第5,738,792号
【００１１】
内側の部材が外側の部材に対して回転すると、同軸上に配置された円筒形の部材の間の空隙にテイラー渦が生じる。テイラー・クエット型濾過装置は、フィルターに沿って高濃度となっている、濾し取られた物質を処理する液体へと混合する働きをする強い渦を、遠心流の不安定性（テイラー不安定性）により生み出す。一般的には、静止した外部のハウジングの内側で円筒形のフィルターが回転する。濃度分極による膜付着が、行き止まり又は正接の濾過に比べて非常に遅いと観察されている。実際に、濾過効率を大体１００倍改善することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
回転濾過装置におけるテイラー渦の使用は、血液全体からの血漿の分離に適用されている（例えば米国特許番号5,034,135を参照）。この用途においては、分離装置は安価で患者の１度の使用で使い捨てとしなければならなかった。更に、これらの分離装置は比較的短い時間（約４５分）作動すればよかった。その上、濾過装置は確実にドナーから集めることのできる血液の流量（約２００ｍｌ／分）を受容する大きさであった。この技術は血液処理産業に著しい改善をもたらした。回転濾過システム（テイラー渦）に見られるような利点と改善した濾過効率は、腎臓透析を含む他の商業的な液体分離の分野においては未だ研究されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、改善した血液透析システムを構成することで、人工交換液の必要を著しく減らすことができる。それに加え、この改善した血液透析システムはテイラー渦を発生させることで、既知の濾過方法によく見られる濃度分極の問題を緩和することができる。
【００１４】
１つの実施例においては、本発明は患者の２段階血液透析システムに関する。このシステムは患者からの血液を受容し第１の濾液と処理後の血液を生成する第１濾過装置を有する。このシステムは更に第１の濾液を受容し交換液と老廃物を生成する第２濾過装置を有する。第１と第２の濾過装置の少なくとも一方はテイラー渦攪拌血液濾過装置を有することが好ましい。
【００１５】
他の実施例においては、本発明は他の患者の２段階血液透析システムに関する。このシステムは患者からの血液と透析液を受容し透析排液と処理後の血液を生成する透析装置を有する。このシステムは更に透析排液を受容し再利用された透析排液と老廃物を生成する濾過装置を有する。
【００１６】
他の実施例においては、患者の血液透析を行う方法を本発明にしたがって実行することができる。テイラー渦を作り出すように構成した第１濾過装置を設け、第２濾過装置も同様に設ける。血液は患者から第１濾過装置へ導入され、第１濾過装置からの第１の濾液が第２濾過装置へ導入される。その後交換液を第２濾過装置から取得することができる。
【００１７】
他の実施例においては、患者の血液透析を行う第２の方法を本発明に従って実行することができる。第１濾過装置を設け、テイラー渦を作り出すように構成した第２濾過装置も同様に設ける。血液は患者から第１濾過装置へ導入され、第１濾過装置からの第１の濾液が第２濾過装置へ導入される。その後交換液を第２濾過装置から取得することができる。
【００１８】
他の実施例においては、患者の血液透析を行う他の方法を本発明に従って実行することができる。透析装置と濾過装置を設ける。血液は患者から透析装置へ導入され、透析装置からの透析排液が濾過装置へと導入される。その後再利用された透析液を濾過装置から取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
従来より、血液透析の過程は１段階で行われている。言い換えれば、血液を患者から取り出し、単一の濾過装置を通過させて老廃物を除去し、その後患者に戻す。不幸なことに、血液はこれらの老廃物より大きな分子と小さな分子の双方が構成する不均一液体であり、これら分子の大きさは一般的に３００−６０００ダルトンの範囲に及ぶ。結果として、血液からこれらの老廃物を除去する濾過装置は、水や電解質等の小分子の多くを濾過の過程で不慮に取り除いてしまうことがよくある。この場合、これらの小分子を、血液の患者への再導入の前に補充しなければならない。
【００２０】
典型的な装置では、血液は患者から３００〜４４０ｍＬ／分の割合で押し出されてくる。このうち大体半分の流量が血液から濾過され、血液老廃物として処分される。そのため３時間の透析中に、２０〜３０リットルの交換液を補充し、患者の血液量を一定にしなければならない。勿論、このような透析過程での濾液の大半は水と他の所望の小分子を含む。
【００２１】
本発明の１つの実施例では、多段階の濾過過程を使用して、この所望の濾液の大部分を再回収し、処理後の血液に混合することを意図している。これは過剰の人工交換液を用いることなく、患者へ戻す血液の量を改善することを目的としている。本発明の１つの実施例では、２段階濾過を使用する。第１段階では、従来技術と同じように、水、小さな栄養分子、そして老廃物に透過性のある濾過装置を用いる。第２段階では、第１段階の濾過装置から出た血液老廃物を、大きな老廃物の分子を濾し取る第２の濾過装置に通す。その後、第２の濾過装置から出てきた血漿水の濾液を、清潔で生体適合性のある交換液として使用して、患者へ戻す血液の量を増やすことができる。勿論、他の実施例では、特定の老廃物を他の似たような大きさの分子から濾し取るために、より多くの段階が必要になる可能性がある。
【００２２】
本発明の１つの実施例の第１段階及び第２段階のどちらにも様々な濾過装置を使うことができる。図１は、本発明において使用可能な１つの濾過装置１０の断面図示す。この濾過装置では、単一のローターがテイラー渦を作り出す。図示した実施例では、濾過装置１０を用いて血液透析を行い、特定のサイズの分子（老廃物を含む）を血液から濾過する。他の実施例では、濾過装置１０を用いて、より一般的に、１つの液体から物質を移動することができる。更に他の実施例では、濾過装置１０を用いて１つの液体から熱を移動することができる。当業者には周知のように、この発明は医療的な用途のみに限定されるべきではない。
【００２３】
１つの実施例においては、この濾過装置１０は円筒形のローター１４を収容する円筒形の容器１２を含む。容器１２とローター１４の間には空隙１６が存在し、好適な実施例においては、ローター１４を容器１２の中に同軸上に配置する。他の実施例においては、容器とローターに対して異なる形態と構成を選択して、他の液体や他のテイラー渦発生手段に適合させることができる。
【００２４】
図示されている実施例において、ローター１４の円筒形の周壁は、少なくとも一部が濾過膜１８で構成されており、部分的にローターの内部２０を画定している。ローターの内部２０は更にローター１４の天壁及び底壁で画定されており、これは濾過膜を含むことも含まないこともできる。図１に示されているように、濾過膜１８を２段階透析法の第１段階として使うことができる。この濾過膜は透析膜として機能し、水、電解質、小さな栄養分子、血液中にある老廃物を構成する小〜中分子に対して透過性である。典型的な適用例では、透析膜１８は分子量が最大約１００００ダルトンまでの分子に対して透過性を持つ。他の適用例では、透析膜１８を、６０００から２００００ダルトンの範囲において多少なりとも透過性とすることができる。もう１つの実施例では、濾過膜は２段階透析法の第２段階で使用することができる。この時濾過膜は最大で約３００ダルトンの質量の分子までに透過性を持つ。こうして、血漿水、電解質、小さな栄養分子は濾液としてローターの内部２０に流れ込み、より重い老廃物は濾し取られる。他の実施例では、異なる濾過膜を使用することによってさまざまな程度の濾過及び／又は熱伝導を行うことができる。例えば、熱伝導用途では、濾過膜は非透過性の構造をしてもよい。しかし、この構造は、熱の効率的な伝導体である。
【００２５】
図示した実施例において、円筒形の容器１２は２２、２４、２６の３つの液体出入口を有している。２２と２４の２つは容器１２とローター１４の間の空隙１６につながっており、２６はローターの内部２０から出ている。他の実施例においては、異なった液体出入口の構成があり得る。例えば、ある１つの実施例においては、１つの液体出入口だけが容器とローターの間の空隙に通じ、２つの出入口がローターの内部に通じるようにすることができる。
【００２６】
１つの実施例においては、２つの枢動ピン３０、３２が円筒形の容器１２の軸線Ａのそれぞれの端に設置されている。これらの枢動ピン３０、３２はローター１４に対して回転軸線Ａを画定しており、このローター１４の自由回転を容易にしている。図示されているように、下側の枢動ピン３２を中空にすることができ、容器１２とローター１４の間を通る液体移動路を可能にすることができる。勿論、他の実施例においては、上の枢動ピン３０を中空にして、もう１つの液体出入口を収容することもできる。回転を容易にする他の手段も適用することができ、例えばボールベアリング機構、もしくは当業者に周知のような別の手段があり得る。
【００２７】
本発明の１つの実施例においては、ローター１４は円筒形の容器１２の中で自由に回転することができる。この回転を制御するために、回転式磁石３４をローター１４の内部にとりつけることができ、そして外部の回転磁場（図示していない）を回転式磁石３４と相互作用するように配置することもできる。外部の磁場を制御することによって、磁石３４を、したがってローター１４を異なる方向に変化する速度で回転させることができる。本発明の好適な実施例においては、ローター１４と容器１２の間の空隙１６の中の液体にテイラー渦を発生させるのに十分な速度でローター１４を回転させることができる。この空隙１６の中にテイラー渦を作り出すことによって、濾過効率を劇的に改善することができる。当業者に公知のように、本発明にしたがい、テイラー渦を作り出すためのローター１４を回転させる他の手段を用いることもできる。例えば、１つの実施例においては、ローター１４に取り付けられた枢動ピンの少なくとも一方、例えば上の枢動ピン３０に、モーターを取り付けることができる。
【００２８】
１つの実施例においては、ローター１４を制御する回転磁場を、濾過装置１０の上部を囲むように並んだ一連の磁気コイルにより発生させることができる。これらの電気コイルアセンブリは装置１０の周りで閉じることができるような半弧（Ｃ型の断面）にすることができるが、これは他の構成でもよい。
【００２９】
図示された装置１０の大きさは血液透析には十分だと考えられるが、他の用途においては、これより大きな、もしくは小さな濾過装置を、処理する具体的な液体に合わせて使っても良い。
【００３０】
血液透析の用途においては、ローター１４と容器１２の内壁の間にある空隙１６を、十分なテイラー渦を血液中に発生させるように選択している。この空隙１６は、ローター１４の直径と毎分回転数（ＲＰＭ）によって決定され、これらの変数は当業者が変更することができる。遠心速度が２０００―２５００ＲＰＭの範囲で、ローターの直径が約０．１インチ（２．５４ｍｍ）から１０インチ（２５４ｍｍ）の範囲だと、テイラー渦を作り出すのに十分な空隙１６の幅は約０．００３インチ（０．０７６２ｍｍ）から０．３インチ（７．６２ｍｍ）とすることができる。更に望ましくは、ローター１４の直径が約１インチ（２５．４ｍｍ）であり約２４００ＲＰＭで回転する場合に、空隙１６の幅が約０．０３インチ（０．７６２ｍｍ）だと、十分な渦を発生させることができる。濾過装置１０の好適な実施例においては、ローターは、直径が約２インチ（５０．８ｍｍ）であり、６インチ（１５２．４ｍｍ）より若干長い。
【００３１】
図２から図４は、２段階濾過過程に使用される上記の血液透析装置の種々の実施例の更なる構造的特徴をいくつか図示している。特に装置のハウジングとローターの異なる形態と構成が図示してあり、これらは様々な利点を実現するために実行することができる。図２では、上記の実施例が示されている。この図においてより明確に分かるように、ローター１４が円筒形をしており、円筒形の容器１２の中に同軸上に配置されている。それゆえ、空隙１６の幅は装置１０の周りで一定である。この比較的単純な実施例においては、ローター１４の適切な回転速度の構成をより簡単に行うことができ、テイラー渦の強さが濾過膜１８の全周でほとんど一定となる。
【００３２】
図３では容器１２とローター１４のもう１つの構成が図示してある。この実施例においては、容器１２とローター１４はそれぞれ図２と同様の断面を有しているが、もはや同軸上に配置されていない。そのため図３に示しているように、空隙１６の幅は容器１６の周りで変化する。生み出される渦の強さを反映するテイラー数は空隙の幅に直接比例するため、ローター１４のうち容器１２の壁から遠い部分は、壁に近い部分より大きなテイラー渦を受けることになる。ローター１４がこれらの空隙の広い部分を通過すると、濾過膜１８に残っている濃度分極、もしくはいかなる目詰まりも、より強い渦によっていわば“吹き飛ば”され、膜１８の詰まった部分が再開通する。結果として、１回転ごとに、濾過膜１８の縦方向に延びる断面を空隙１６の広い部分を通過させて“きれい”にし、装置１０の効率を改善することができる。それに加え、空隙１６の幅が狭くなっている場所では、空隙におけるせん断力が増え、この変化するせん断力はまた濾過膜１８を通る物質移動を増加させる傾向がある。そのため１回転毎に、ローター１４にある透析膜１８のどの点においても、せん断力を増加させ、渦を減少させることができる。
【００３３】
図４では、同様に幅が一定でない空隙を作り出す、容器１２とローター１４の他の構成が図示してある。この構成においては、容器１２とローター１４が図２と同じように配置されているが、容器１２は更に突出部４２を壁に組み込んでいる。そのため空隙１６の幅は容器１２の周りで変化し、突出部４２のところで広くなり、図３を参照して説明したような利点を生み出す。この実施例における狭幅と広幅の急激な変化が、透析を促進する渦の特性を更に引き出すことができる。他の実施例においては、容器１２とローター１４は空隙１６の幅が可変となるような他の断面の形を持つことができる。
【００３４】
図１に戻り、血液透析装置１０の１つの使用方法を、図面を参照しながら説明する。矢印３６、３８、及び４０は装置１０を出入りする流れの入力および出力を示している。図示された実施例では、患者からの血液はローター１４と容器１２の間の空隙１６の中を流れ、水、小さな栄養分子、電解質および老廃物はローターの内部２０へと濾過される。最初は膜１８を横切る形で存在する血液と血漿水の間の濃度勾配によって、ある特定の老廃物は透析膜１８を通って血漿水の中へ選択的に流れ込み、こうして血液を透析している。ローター１４はテイラー渦を血液中に作り出すのに十分な速度で回転し、透析膜１８の近くでの濃度分極を防いでいる。このようにして、本発明の１つの実施例ではより小さく、より生体適合性のある血液濾過装置１０の使用を可能としている。
【００３５】
もっと詳細に述べると、血液注入口２２は円筒形の容器１２の上部に位置し、血液排出口２４は底部に位置している。これによって、単純に重力のエネルギーと血液流入の圧力を用いた、容器の最上部から底部までの血液の流れが可能となる。装置１０は、ある特定の量の血液が血液濾過装置１０の上部から底部まで移動する間の時間に、所望の量の老廃副産物が抽出されるように設計されることが望ましい。水と老廃副産物の排出口２６はローター１４の底部に配置されている。好適な実施例においては、この溶液は装置１０を流れ出た後、更に濾過されるが、その更なる詳細は下記で説明する。
【００３６】
もう１つの実施例においては、透析液を用いて血液透析を促進することができる。もう１つの液体の出入口を装置１０の上部に取り付け、透析液を装置の中へと流入させることができる。図６を三そうして詳しく述べるように、老廃物は透析液の中へと拡散し、透析排液の流れによって装置から運び出される。また本発明に従い、他の修正を加えてもよい。
【００３７】
図５に示されているのは、この発明とともに使用可能な他の実施例の断面図であり、ここでは２つのローター装置がテイラー渦を作り出す。この図示された装置は、望ましくは２段階血液濾過システムで使用することができ、その１つの例は図８を参照して詳細に説明する。図示された実施例では、濾過装置１１０を血液透析を行うために使用し、望ましくない老廃物を血液から濾し取って透析液又は”透析排液”に移す。他の実施例においては、装置１１０を用いて、より一般的に、物質を１つの液体から他に移すことができる。更に他の実施例においては、装置１１０を使用して熱を１つの液体から他に移す。当業者には周知のように、本発明は医療的な用途のみに限定されるべきではない。
【００３８】
１つの実施例においては、濾過装置１１０は円筒形の外部ローター１１４を収容している円筒形の容器１１２を含む。第１の空隙１１６が容器１１２と外部ローター１１４の間に存在し、その中を血液が流れるようになっている。好適な実施例においては、外部ローター１１４は円筒形の容器１１２の中に同軸上に配置される。他の実施例においては、図２から４を参照して説明したように、容器とローターには他の形態や構成を選択することもできる。
【００３９】
図示されている実施例において、外部ローター１１４の円筒形の周壁は、少なくとも一部が濾過膜１１８で構成されており、部分的に外部ローターの内部１２０を構成している。外部ローターの内部１２０は更に外部ローター１１４の天壁及び底壁で画定されており、これは濾過膜を含むことも含まないこともできる。図５に示されているように、濾過膜１１８は透析膜である。この濾過膜１１８は約１００００ダルトンより小さな分子の拡散を選択的に促進し、そのため装置１１０は図８に示された２段階血液濾過システムの第１段階の装置として機能することができる。他の実施例では、異なる濾過膜を使用することによってさまざまな程度の濾過及び／又は熱伝導を行うことができる。例えば、熱伝導用途では、濾過膜は非透過性の構造をしてもよい。しかし、この構造は、熱の効率的な伝導体である。
【００４０】
１つの実施例においては、円筒形の容器１１２の軸線Ａには２つの枢動ピン１３０、１３２が両端に配置されている。これらの枢動ピン１３０、１３２は外部ローター１１４に対して回転軸線Ａを画定しており、このローター１１４の自由な回転を容易にしている。図示されているように、枢動ピン１３０、１３２は同様に中空でもよく、容器１１２と外部ローター１１４の間を通る液体移動路を提供することができる。他の実施例においては、回転を容易にする他の手段も適用することができ、例えばボールベアリング機構、もしくは当業者に周知のような別の手段があり得る。
【００４１】
本発明の１つの実施例においては、外部ローター１１４は円筒形の容器１１２の中で自由に回転することができる。この回転を制御するために、回転式磁石１３４を外部ローター１１４の内部にとりつけることができ、そして外部の回転磁場（図示していない）を回転式磁石１３４と相互作用するように構成することもできる。外部の磁場を制御することによって、磁石１３４を、したがって外部ローター１１４を異なる方向に変化する速度で回転させることができる。本発明の好適な実施例においては、外部ローター１１４と容器１１２の間の空隙１１６の中の液体にテイラー渦を発生させるのに十分な速度で外部ローター１１４を回転させることができる。この第１の空隙１１６の中にテイラー渦を作り出すことによって、濾過効率を劇的に改善することができる。当業者に公知のように、本発明にしたがい、テイラー渦を作り出すための外部ローター１１４を回転させる他の手段を用いることもできる。例えば、１つの実施例においては、外部ローター１１４に取り付けられた枢動ピンの少なくとも一方、例えば上の枢動ピン１３０に、モーターを取り付けることができる。
【００４２】
外部ローター１１４の内側には、内部ローター１４４を同様に上下の枢動ピン１３０、１３２で支えて同軸上に配置することができ、この場合第２の空隙１４６が２つのローター１１４、１４４の間に生じる。内部ローター１４４は部分的にもう１つの濾過膜を有することもできるが、好適な実施例においては、内部ローターは比較的に非透過性であり、単に２つのローター１１４、１４４の間の第２の空隙を画定しているだけである。上記で容器と外部ローターに関してより詳細に説明しているように、内部ローター１４４には異なる断面の形態を持たせることができ、また内部ローターの位置をずらして他の液体やテイラー渦を発生させる手段を収容することもできる。これら代替的実施例の中では、外部ローター１１４を支えるのとは別の構造で内部ローター１４４を支えることもでき、違う軸線の周りを回転させることもできる。
【００４３】
好適な実施例においては、内部ローター１４４は外部ローター１１４と円筒形の容器１１２の両方の内部で自由に回転する。この回転を制御するために、第２の回転式磁石１４８を内部ローター１４４の内部に取り付けることができ、第２の外部の回転磁場（図示されていない）をこの第２の回転式磁石１４８と相互作用するように構成することができる。図示されている実施例においては、内部ローター１４４のための第２の回転式磁石１４８は装置１１０の上部に位置し、外部ローター１１４のための回転式磁石１３４は装置１１０の底部に位置している。このようにして、２つの分離独立した磁場が２つのローター１１４と１４４の回転を制御することができる。上記においてより詳細に説明しているように、内部ローター１４４に取り付けられている２番目の回転式磁石１４８は外部ローター１１４に取り付けられているものと同様に制御することができる。好適な実施例においては、内部と外部ローターの間の第２の空隙１４６にテイラー渦を発生させるのに十分な速度で、内部ローター１４４を回転させることができる。更に好適な実施例においては、内部ローター１４４を外部ローター１１４と反対の方向に回転させ、さらに一層強力なテイラー渦を発生させることができる。第２の空隙１４６にテイラー渦を発生させることにより、濾過膜１１８の内部ローター１４４に面する側での濃度分極を防ぎ、濾過効率を更に改善することができる。当業者に公知のように、他の手段を用いて内部ローター１４４を回転させテイラー渦を発生させることもできる。例えば、１つの実施例においては、内部ローター１４４に取り付けられた枢動ピンの少なくともどちらか一方、例えば下の枢動ピン１３２に、モーターを取り付けてもよい。
【００４４】
１つの実施例においては、２つのローターを制御する回転磁場を、濾過装置１１０の上部と底部を囲む一連の磁気コイルによって発生させることができる。図示されている実施例においては事前に接続された管類（図示していない）が軸Ａにおいて濾過装置１１０を出入りするため、これらの電気コイルアセンブリは装置１１０の周りで閉じることのできるような半弧（Ｃ型の断面）の形にすることができる。
【００４５】
装置１１０の図示されている大きさは血液透析には十分だと考えられるが、他の用途においては、これより大きな、もしくは小さな濾過装置を処理する具体的な液体に合わせて使っても良い。
【００４６】
血液透析の用途においては、外部ローター１１４と容器１１２の内壁の間にある第１の空隙１１６を十分なテイラー渦を血液中に発生させるように選択している。この第１の空隙１１６は外部ローターの直径と毎分回転数（ＲＰＭ）によって決定され、これらの変数は当業者が変更することができる。遠心速度が約１０００−５０００ＲＰＭの範囲で、外部ローターの直径が約０．１−１０インチ（２．５４−２５４ｍｍ）の範囲だと、テイラー渦を作り出すのに十分な空隙１１６の幅は約０．００３インチ（０．０７６２ｍｍ）から０．３インチ（７．６２ｍｍ）とすることができる。更に望ましくは、外部ローターの直径が約１インチ（２５．４ｍｍ）であり約２４００ＲＰＭで回転する場合には、空隙１１６の幅が約０．０３インチ（０．７６２ｍｍ）だと、十分な渦を発生させることができる。
【００４７】
図示されている実施例においては、内部ローターと外部ローターの間の第２の空隙１４６を透析液の中に十分なテイラー渦を発生させるように選択している。この第２の空隙１４６は内部ローターと外部ローターの直径とＲＰＭの違いによって決定される。遠心速度が約１０００−５０００ＲＰＭの範囲で、内部ローターの直径が約０．１―１０インチ（２．５４−２５４ｍｍ）の範囲だと、内部ローター１４４と外部ローター１１４の間にテイラー渦を作り出すのに十分な空隙１４６の幅は約０．００３インチ（０．０７６２ｍｍ）から０．３インチ（７．６２ｍｍ）とすることができる。好ましくは、内部ローターの直径が約０．８インチ（２０．３２ｍｍ）であり約３６００ＲＰＭで回転する場には、第２の空隙１４６の幅が約０．０３インチ（０．７６２ｍｍ）だと十分な渦を発生させることができる。この好適な変数の組み合わせでは、内部ローター１４４の回転速度が外部ローター１１４に対して約１２００ＲＰＭとなっている。あるいは、内部ローター１４４を外部ローター１１４と逆の方向に回転させることによって、強力なテイラー渦を透析液の中に作り出すことができる。
【００４８】
様々な可能な用途では、内部ローター、外部ローター、及び外容器の寸法と速度は大幅に違い得る。例えば、ある産業的用途では、より大きな流量と粘度が変化する液体に対応するために、濾過装置１１０をこれよりかなり大きな規模で設計することができる。本明細書に書いている教示を基に、当業者は空隙とローターの大きさの範囲、また円心速度とローターの回転方向を最適化することができる。
【００４９】
図示されている実施例においては、円筒形の容器は４つの液体出入口１２２、１２４、１２６、１２８を有している。第１の入口１２２は円筒形の容器１１２の上部に位置しており、第１の出口１２４は底部に位置している。血液透析の用途においては、これによって単純に重力のエネルギーと血液流入の圧力を用いた、容器の上部から底部までの血液の流れが可能となる。装置１１０は、ある特定の量の血液が透析装置１１０の上部から底部まで移動する間の時間に、所望の量の老廃副産物が抽出されるように設計されることが望ましい。第２の入口１２６は外部ローター１１４の底部に位置し、第２の出口１２８は外部ローター１１４の上部に位置している。血液透析の用途においては、透析液がこれらの出入口を通り、外部ローターと内部ローターの間にある第２の空隙１４６を通って、濾過装置１１０の底部から上部まで流れる。この好適な実施例においては、液体流路が対向流物質移動を利用するように設計されており、これは血液と透析液の通路が逆方向であることを意味している。新たな透析液は透析膜１１８を通してほぼ透析済の血液に晒され、ここでは濃度勾配が最も低い。しかし当業者には周知のように、本発明に従って、他の液体出入口の数や構成を使用することもできる。
【００５０】
第１の入口と出口１２２と１２４が容器１１２の外径に存在しているので、この流路に高圧をかける必要はない。このような状況では、図示されている実施例においては、血液が外部ローター１１４の回転の中心に押し込まれることはなく、よって血液が内部ローター１４４に入るのを防ぐための流体シールは必要がない。血液透析または他の用途において、より高い液圧を使用した場合、もしくは内部ローター１４４に何らかの理由で濾過する液体が入ってしまうような場合には、流体シールを付加してもよい。
【００５１】
好適な実施例においては、透析液が下の枢動ピン１３２を通って内部ローターと外部ローターとの間の第２の空隙１４６に向かうが、外部ローター１１４と容器１１２の間の第１の空隙１１６に下降していくことのないように、透析液の第２の入口１２６が構成されている。外部ローター１１４と容器１１２の間の第１の空隙１１６への透析液の移動を防止するため、図示されている実施例においては上の枢動ピン１３０の所に流体シール１５０が組み込まれている。このシール１５０はどのような従来のポリマーのリップシールでもよい。当業者には周知のように、他のシールを組み合わせてもよい。ある代替的な実施例においては、他の流体シールが下の枢動ピン１３２に組み込まれている。
【００５２】
本発明を実行する１つの方法では、血液がテイラー渦と共に透析膜１１８に晒されるため、結果として外部ローター１１４と容器１１２の間の第１の空隙１１６における濃度分極層が最小となり、患者の血液から低分子量の老廃物を除去する能力が最大となる。濾過装置１１０を通過する過程では、透析液もまたテイラー渦に晒されるため、結果として透析膜１１８の内側の近くの濃度分極層が最小となり、低分子量の老廃物を透析排液の流れの中へと混ぜる能力が最大となる。好適な実施例においては、装置１１０から出る老廃透析液をその後他の濾過装置へ導き、再利用された清潔な透析液を産生することができる。
【００５３】
図６に関連して、血液透析を行う模範的な方法を図５に描写されている装置を用いて説明する。装置１１０の内側では、外部ローター１１４と容器１１２の間と、内部ローター１４４と外部ローター１１４の間の液体にテイラー渦を作り出すのに十分な速度で内部ローターと外部ローターが反対方向に回転している。血液は患者から特定の流速１３６で集められ、装置１１０の上部にある血液入口１２２を通して血液透析装置１１０に入る。透析液もまた血液透析装置１４０に入るが、この場合下部からであり、第２の透析液入口１２６を通る。二つの液体は二つのローターからの力を受け、テイラー渦が内部に形成する。これにより、外部ローター１１４の透析膜１１８における濃度分極は大半が軽減され、より一定の老廃物の流れが透析膜１１８を通り透析液へと移動する。透析液は外部ローターと内部ローターの間の第２の空隙１４６の中を通って血液濾過装置１１０を通過し、透析液出口１２８を通って上部から出るが、処理後の血液は装置１１０の下部にある血液出口１２４を通って出て患者へと戻される。
【００５４】
参照によりその全体を本明細書に援用する同時係属中の米国特許出願第１０／７９７，５１０号において更に説明しているように、他の実施例においては、他のテイラー渦攪拌濾過装置を使用することができる。
【００５５】
多くの上記の血液透析の方法にある1つの問題は、透析膜が老廃物と同様に水に対しても透過性であり得ることである。そのため、透析膜を通して移動する老廃物に大量の血漿水が付随し、血液出口を通って出る処理後の血液の流量が、血液透析装置に入ってくる血液から激減する。この問題は特に図１に図示している濾過装置１０において重大である。1つの実施例においては、患者へ戻す前に合流点において、無菌的な交換液を処理後で透析済の血液に加えることができる。しかしこの実施例には患者が汚染された交換液に暴露される危険性があり、交換液の費用によって血液透析の費用を増加させてしまう。
【００５６】
図７Ａと７Ｂは本発明に従った２段階血液透析システムの代替的な実施例の略図であり、ここでは第１段階の濾過装置から出た血液老廃物から交換液が生成され、人工交換液の必要性を緩和している。図示された実施例は目的を達成するための段階の順序が異なるが、多くの作用機構を共有している。それゆえ、これら２つのシステムの構成要素は一緒に説明する事とし、違いはその後の説明で必要に応じて強調することとする。これらのシステムを通って流れる様々な液体の流れの方向は矢印によって図示されている。
【００５７】
患者は左端の四角形２００で表している。典型的な例においては、患者２００は尿毒性代謝異常を引き起こす腎臓病を抱えているとする。これは健康な腎臓なら取り除く中間分子量の分子（３００−６０００ダルトン）がこれらの患者で病的な毒性を引き起こしていることによると見られている。この蓄積する毒性を緩和するために、そのような患者２００は一般的には定期的な透析処理を受け、これらの中間分子量の分子を取り除く。他の実施例では、当業者には理解されるであろうが、患者２００は危険もしくは有毒な物質が患者の血液中に存在する他の病気を抱えている可能性がある。更に他の実施例においては、濾過する液体の供給源は必ずしも患者である必要はない。この処理は例えば液体が中間的な大きさの分子を抽出する必要がある不均一液体である場合などといった、産業的な設定で使用することもできる。
【００５８】
この２段階血液透析システムの第１段階で使用する装置は、血液濾過装置２１０として説明することができる。上記で説明したように、そのような装置２１０は一般的にある特定の大きさより小さな分子を含む濾液を生成する。当業者に周知のように、装置２１０で使用する濾過膜には多種多様の特徴を持たせることができ、多数の異なる大きさの粒子の中から任意のものを濾過するために選ぶことができる。１つの実施例においては、分子量が１００００ダルトン以下の分子を濾し取るように血液濾過装置２１０を構成している。この実施例においては、濾液は患者２００にとって有毒な中間分子量の分子を含むのが望ましい。
【００５９】
この２段階血液透析システムの第２段階で使用する装置は、限外濾過装置２２０として説明することができ、より小さな分子に透過性を持つことからこう呼ばれる。好適な実施例においては、限外濾過装置２２０の目的は中間分子量の毒性分子を不均一溶液から濾し取り、水と他の所望の小分子のみを残すことである。好適な実施例においては、分子量が約３００ダルトン以下の分子を通過させ、それゆえ毒性のある可能性のある老廃物を残りの溶液から分離することができるように、限外濾過装置２２０で使用する濾過膜を選択する。他の実施例においては、濾過膜は分子量が約２００ダルトン以下の分子のみを通過させ、他の毒性の疑いのある分子まで濾液として出てくるのを防ぐようにすることができる。
【００６０】
同じ又は異なる型の濾過装置を血液濾過装置２１０と限外濾過装置２２０に使用することができる。これらは例えば従来の中空糸透析膜カートリッジ、もしくは当業者に周知の他の濾過装置を含むことができる。好適な実施例においては、この装置は上記で図１を参照して説明した濾過装置１０と同様に機能するテイラー渦攪拌濾過装置である。上記で説明したように、これらの濾過装置は、異なる粘性と流量の処理液体に対応するために、ローターと外枠のそれぞれの様々な大きさと形、速度の任意の組み合わせを持つことができる。
【００６１】
この２段階血液透析システムから生成された望ましくない老廃物を集めるために廃棄袋２３０を使用する。１つの実施例においては、この廃棄袋２３０は通常なら健康な腎臓により集められる老廃物と同じものの多くを集めるべきである。勿論、廃棄袋２３０は廃棄物を集める及び/又は廃棄する多数の手段のうち任意のものを表すことができ、必ずしも特定の形と大きさをもった物理的な容器である必要は無い。適用となる法律と規制に従って、廃棄袋２３０を廃棄に注意が必要な危険廃棄物として集めなければならないことがよくある。本発明独自の特性により、２段階血液透析システムによって生み出される老廃物の容量は一般の単段階透析処理から生み出されるものと比べてはるかに少なくすることができる。
【００６２】
２つのシステムでそれぞれ別の場所で示されているものの、補足交換液供給源２４０がまた図７Ａと図７Ｂに示されている。患者の血液容量を一定に保つための交換液の大半を患者自身の血液老廃物から生成することができるものの、処理の間に比較的少量の人工交換液は依然として必要になる可能性がある。たとえ２段階濾過システムが完全に機能したとしても、患者の血液容量を一定に保つために、中間分子量の老廃分子に相当する容量を一般には置換しなければならない。１つの実施例においては、大体３リットルの人工交換液を３時間ごとに患者の血流に加えなければならず、大体３リットルの老廃物が同じ時間枠の間に除去されると推定されている。上記で説明したように、これは一般の処理で必要だった２０〜３０リットルという量からの著しい改善を意味している。
【００６３】
補足人工交換液は様々な方法で生成することができるが、無菌的で発熱性物質がなく、一般的に体温でなければならない。参照によりその全体を本明細書に援用するLee HendersonとErminia Beansの論文である“Successful Production of Sterile Pyrogen-Free Electrolyte Solution by Ultrafiltration”, Kidney International, 14, 522-25, 1978に示されているようにして、１つの実施例においては、人工交換液は普通の水道水から産生することができる。他の実施例においては、そのような液体は当業者に周知の別の方法によって産生することができる。
【００６４】
図７Ａにおいては、２段階血液濾過装置の随意的な構成要素である、抗凝固剤供給源２５０が示してある。この抗凝固剤供給源２５０は例えば血液と混合して体外で血液が凝固するのを防ぐヘパリンの供給源を有している。他の実施例においては、他の濾過を促進する方法、もしくは凝集や他の望ましくない液体の性質を防ぐ方法を使用してもよい。例えば、濾過装置２１０と２２０での渦の生成を促進するために、水を他の不均一溶液に加えてもよい。
【００６５】
ここで、図７Ａで図示された２段階血液透析システムを使い、本発明に従って血液透析を行う方法を更に詳細に説明する。患者２００から血液透析濾過装置２１０へと延びる矢印２５５で示してあるように、処理の第１段階は患者からの採血である。従来のように、患者２００の腕の動脈に接続されたＩＶチューブを通して採血する。勿論、患者から採血する他の手段も当業者には周知である。上記で説明したように、一般的な患者からの血流量は３００−４５０ｍｌ／分である。それゆえ患者の血液量を比較的一定に保つため、患者へと戻る液体（矢印２６５）は同程度の流量で流れなければならない。従来のように、患者２００へと戻る液体は患者の静脈に接続されたＩＶチューブを通して戻る。
【００６６】
随意的な第２段階では、患者２００から流れる血液を抗凝固剤供給源２５０からの抗凝固剤と混合する。このようにして、血液透析システムの性能を改善することができる。
【００６７】
患者２００から流れる血液はその後血液透析濾過装置２１０を通過する。濾過装置２１０は当業者に周知のような数多くの方法で血液を濾過することができる。好適な実施例においては、濾過装置２１０は上記で詳細に説明した装置１０と同様に動作する。この例においては、血液は入口２２を通って容器１２とローター１４の間にある空隙１６に流れ込む。濾過膜１８は約１０，０００ダルトン以下の分子量の分子をローター内部２０へ通すことができるように設計されている。患者２００から流れる血液は多数の成分を含み、それには水、電解質、小栄養分子、老廃物、高分子量の分子（例えば蛋白質など）、血球、そして他の様々な種類の細胞などを含む。上記に列挙した最初の４つの成分は血液老廃物を含み、濾過膜１８を通ってローター内部２０へと入る。このようにしてローターの内部は水、電解質、小栄養分子、そして老廃物で充満する。
【００６８】
一方、ローター１４はローター１４と容器１２の間にある空隙１６を流れている血液中にテイラー渦を作り出すのに十分な速度で回転する。これらのテイラー渦はこの空隙１６にある血液を混合し、それによって濾過膜１８の外側の部分での濃度分極の問題を緩和している。
【００６９】
濾過装置２１０は二つの出口２４と２６を有している。第１の出口２４はローター１４と容器１２の間の空隙１６と連通している。血液老廃物が再利用されなかった場合、濾過膜１８を通過するのには大きすぎる血液成分は出口２４を通過して血液濾過装置２１０から出る。典型的な例においては、この出口２４からの流量は入口２２へ入る流量の大体半分である。このようにして、患者の血液の大体半分が水、所望の小分子、老廃物を含み、もう半分が出口２４を通って出るより大きな分子と細胞を含む。これらのより大きな成分は患者２００へと戻る矢印２６５によって表される。
【００７０】
しかしながら、矢印２７５で示しているように水と所望の小分子は交換液として２段階システムへと再循環されるため、血液濾過装置２１０は流入する液体を完全に濾過することができず、患者へ戻される処理後の血液と交換液を表している矢印２６５は少なくとも患者２００から来る血流２５５と大体等しい容量を有している。それゆえ、還元流２６５は、より大きな構成成分と、望まない老廃物のない交換液の両方を有している。この処理の更なる詳細は下で説明する。
【００７１】
ローターの内部２０と連通している第２の出口２６は、患者からの血流２５５の大体半分の流量で水と所望の小分子と老廃物を有する液流２８５を導く。この血液老廃物の液流２８５は限外濾過装置２２０に入る。
【００７２】
上記で説明したように、限外濾過装置２２０は濾過装置１０と同様に機能することができる。限外濾過装置２２０の濾過膜１８は、水と所望の小分子が限外濾過装置２２０のローターの内部２０に入るように構成されている。矢印２８５で表しているように、中間分子量の老廃物は濾し取られ、限外濾過装置２２０から廃棄袋２３０に移る。一方で濾液は、患者へと戻る血液の増量に使用することができる、清潔で温かく、生体適合性のある交換液を含む。
【００７３】
図７Ａに図示した実施例では、この患者から生成された交換液流２７５は、Ｔ型連結部が交換液流２７５と患者からの血流２５５を混ぜ合わせる２段階濾過システムの開始点へ再還流される。当業者に周知のように、Ｔ型連結部は２つの液体入力と１つの液体出力をもつ多数の装置のうち任意のものでよい。１つの実施例においては、Ｔ型連結部は単純にＴ型の管断面を有する。これにより血液透析装置２１０に入る液体の容量は増加し、患者２００へと戻る液流２６５も同様に増加する。老廃物を失うために液流が減少する可能性があるので、補足人工交換液２４０を導入してもよい。本発明の好適な実施例によると、患者２００へと戻る液流２６５は患者２００を出る液流２５５とほぼ等しく、患者の血液の容量は比較的一定に保たれる。
【００７４】
好適な実施例においては、交換液には様々な添加物を補充することができる。典型的な添加物には例えば重炭酸塩、乳酸塩、クエン酸塩、酢酸塩などの生体適合性のある緩衝液が含まれる。例えば塩素、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、カリウム、リン酸塩、デキストロース、グルコース、そして具体的な患者に必要な他の任意の分子などの他の成分も、交換液に加えることができる。
【００７５】
図７Ｂに図示された例は図７Ａに関して上記で説明したものと非常に類似している。唯一の違いは患者から生成された交換液流２７５がシステムに再流入するＴ分岐の位置にある。図７Ｂにおいては、この液流２７５は患者２００へと戻る処理後の血流と混ざる。このようにして、患者への再導入の直前に、還元流２６５は増加して抽出流２５５とほぼ同じになる。好適な実施例においては、例えば液流を監視し、補足人工交換液の必要量に関してフィードバックをするために図７Ａと図７Ｂの２段階システムの様々な場所に流量計を設置することができる。当業者には周知のように、無菌的で病院の環境での使用に合わせて構成されているという条件で、様々な流量計を使用することができる。
【００７６】
これらの図の両方で、血液透析装置２１０は、持続的静脈−静脈血液濾過や持続的動脈−静脈血液濾過を含め血液濾過又は血液透析濾過を利用することができる。
【００７７】
図７Ａと図７Ｂは連続処理を説明しているものの、回分処理を包含していることを理解するべきである。回分処理は患者から除去された血液の一部を処理することを含む。その後血液を処理して、生成された交換液から選択的に成分を取り除くことができる。この処理後の血液は交換液と混合し、患者へと戻すことができる。
【００７８】
もう一つの実施例においては、透析液を２段階血液透析システムにおいて再利用することができる。一般的には、一旦老廃物で汚染されると、透析液は例えば濾過装置１１０のような透析装置を一度通過した後に捨てられる。結果として、従来技術の透析装置は、大量の交換透析液が必要であり大量の廃棄物が生成されるといった、上記で濾過装置に関して説明したものと同じ非効率性の多くを抱えている。その代わりに、本発明によれば、老廃物を透析液から分離するために、中間分子量の老廃物を含んだ透析液を、例えば濾過装置１０又は１１０のどちらかのような、第２の濾過装置に送ることができる。この第２濾過装置から濾液として出てくる再利用された透析液は、その後更なる透析過程に使用することができる。
【００７９】
図８はそのような２段階血液濾過システムの略図であり、そこでは清潔で再利用された透析液が老廃透析液から生成され、大量の交換透析液の必要を緩和している。上記のように、システムを流れる様々な液体の流れの方向を矢印で図示している。
【００８０】
患者は最も左側の四角３００で表している。典型的な例においては、患者３００は上記で患者２００に関して説明したものと同様の特徴を持っている。あるいはこの２段階システムは、濾過する液体が中間的な大きさの分子を抽出する必要がある不均一液体であるといった、産業的な設定で使用することもできる。
【００８１】
この２段階血液濾過システムの第１段階を有する装置は血液透析装置３１０である。当業者に周知のように、装置３１０で使用する濾過膜には多種多様の特徴を持たせることができ、多数の異なる大きさの粒子の中から任意のものを濾過するために選ぶことができる。１つの実施例においては、分子量が１００００ダルトン以下の分子を濾し取るように血液濾過装置３１０を構成している。１つの実施例においては、血液透析装置３１０は分子量が１０，０００ダルトン以下の分子のみが膜を通って拡散するように構成されている。
【００８２】
一般的には、上記で説明したように、血液濾過装置はその中を通る二つの液体を濾過膜の両側にそれぞれ有している。水溶液が膜の両側に存在するため、液体の体積は大体同じに保たれるが、通過して拡散ができるならそこにある分子は膜を通して平衡状態となりやすい。これにより、比較的高い濃度の電解質、塩、その他の所望の分子を持つ透析液を濾過膜の一方に沿って流し、高い濃度の老廃副産物を持つ患者の血液は透析膜の別の側に沿って流すことができる。２つの溶液は膜を通して拡散できる分子に関しては平衡状態に向かい、一般的に結果として出てくるのは、透析液と老廃物からなる溶液と、追加の所望の小分子を含む処理後の血液である。
【００８３】
この２段階血液濾過システムの第２段階に使用する装置は限外濾過装置３２０と説明することができ、これはより小さな分子に透過性を持つことからそう呼ばれている。好適な実施例においては、限外濾過装置３２０の目的は中間分子量で毒性のある分子を不均一溶液から濾し取り、透析液と他の所望の小分子のみを残すことである。この好適な実施例においては、分子量が約３００ダルトン以下の分子を通し、それにより潜在的に毒性のある分子を残りの溶液から分離するように、限外濾過装置３２０で使用する濾過膜を選ぶ。他の実施例においては、濾過膜は分子量が約２００ダルトン以下の分子のみを通すことができ、毒性のある可能性のある他の分子が濾液として出てくるのを防ぐ。
【００８４】
同じ又は異なる型の濾過装置を血液透析装置３１０と限外濾過装置３２０に使用することができる。当業者には周知のように、多数の可能な血液透析装置と濾過装置を使用することができる。好適な実施例においては、血液透析装置３１０は図５と図６を参照して上記で説明した濾過装置１１０と同様に機能するテイラー渦攪拌濾過装置である。限外濾過装置３２０は上記で説明した濾過装置１０と同様のテイラー渦攪拌濾過装置であることが望ましい。上記で説明したように、これらの濾過装置は、異なる粘性と流量の処理液体に対応するために、ローターとハウジングのそれぞれの様々な大きさと形、速度の任意の組み合わせを持つことができる。
【００８５】
この２段階血液透析システムから生成された望ましくない老廃物を集めるために廃棄袋３３０を使用する。１つの実施例においては、この廃棄袋３３０は通常なら健康な腎臓によって集められるものと同じ老廃物の多くを集めるべきである。勿論、廃棄袋３３０は廃棄物を集める及び/又は廃棄する手段のうち任意のものを表すことができ、必ずしも特定の形と大きさをもった物理的な容器である必要は無い。適用となる法律と規制に従って、廃棄袋３０を廃棄に注意が必要な危険廃棄物として集めなければならないことがよくある。本発明独自の特性により、２段階血液透析システムによって生み出される老廃物の容量は一般の単段階透析処理から生み出されるものと比べてはるかに少なくなるだろう。
【００８６】
透析液供給源３５０が血液濾過装置３１０に入る透析液流３５５と共に示されている。１つの実施例においては、血液濾過装置３１０に入る透析液流３５５は患者からの血流３６５と大体等しい。そのため、患者３００へ戻る処理後の血流３７５は患者からの血流と比べ実質的に減少していない。上記で説明したように、装置３１０を通って流れる透析液は装置３１０を通って流れる血液とは違う濾過膜の側に沿って移動する。老廃物の拡散を促進し血液の汚染を防ぐために、透析液は無菌的で発熱物質がなく、一般的には体温でなければならない。
【００８７】
好適な実施例においては、透析液には様々な添加物を補充することができる。典型的な添加物は例えば塩素、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、カリウム、リン酸塩、デキストロース、グルコース、もしくは具体的な患者にとって必要な他の分子などの生物学的に所望の成分を含む。これらのより小さな分子は濾過膜を通して患者へ戻る処理後の血液へと拡散することができる。
【００８８】
図８で示された２段階血液透析システムを使い、本発明に従って血液透析を行う方法を更に詳細に説明する。患者３００から血液透析濾過装置３１０へと延びる矢印３６５で示しているように、処理の第１段階は患者からの採血である。従来のように、患者３００の腕の動脈に接続されたＩＶチューブを通して採血する。勿論、患者から採血する他の手段も当業者には周知である。上記で説明したように、典型的な患者からの血流量は３００−４５０ｍｌ／分である。それゆえ患者の血液量を比較的一定に保つため、患者へと戻る液体（矢印３７５）は同程度の流量で流れなければならない。従来のように、患者３００へと戻る液体は患者の静脈に接続されたＩＶチューブを通して戻る。
【００８９】
患者３００から流れる血液はその後血液透析装置３１０を通過する。血液透析装置３１０は当業者には周知のような様々な方法で血液を透析することができる。好適な実施例においては、血液透析装置３１０は上記で詳細に説明した装置１１０と同様に作動することができる。この例においては、血液は入口１２２を通して第１の空隙１１６に流入する。透析液は入口１２６を通して第２の空隙１４６に流入する。
【００９０】
第２の空隙１４６と第１の空隙１１６を分離している濾過膜１１８は、分子量が約１０，０００ダルトン以下の分子がどちらの方向にも通過できるように設計されている。患者３００から流れる血液は多数の成分を含み、それには水、電解質、小栄養分子、老廃物、高分子量の分子（例えば蛋白質など）、血球、そして他の様々な種類の細胞などが含まれる。透析液供給源３５０から流れる透析液は水と患者の処理後の血液に補充することができる他の所望の小分子を含む。このため、透析液と血液が血液濾過装置３１０を反対方向に流れる間、血液は透析液から拡散する所望の小分子を蓄積し、透析液は血液から拡散する老廃物を蓄積する。
【００９１】
一方、ローター１４４と１１４は、第１の空隙１１６を流れている血液の中と第２の空隙１４６を流れている透析液の中にテイラー渦を作り出すのに十分な速度で回転する。これらのテイラー渦は両方の空隙にある液体を混合し、これにより濾過膜１１８の外側と内側の部分での濃度分極の問題を緩和している。
【００９２】
濾過装置３１０は二つの出口１２４と１２８を有している。第１の出口１２４は第１の空隙１１６と連通している。（透析液と血液が比較的等しい流量を有するために、）水は非常に少量のみ濾過膜１１８を通して拡散するので、典型的な例においては、この出口１２４からの流量は大体入口１２２への流量と大体等しい。小さな相違があった場合には、補足交換液を使用する、もしくは患者に戻す前に少量の処理後の血液を除去することにより、これらを修正することができる。
【００９３】
第２の空隙１４６と連通している第２の出口１２８は、老廃透析液３８５の流れを導く。この老廃透析液３８５は限外濾過装置３２０に入る。
【００９４】
上記で説明したように、限外濾過装置３２０は濾過装置１０と同様に機能することができる。限外濾過装置３２０の濾過膜１８は透析液基質と所望の小分子が限外濾過装置３２０のローター内部２０に入るように構成されている。中間分子量の老廃物は濾し取られ、限外濾過装置３２０から廃棄袋３３０へと移る。一方で濾液は、もう一度患者の血液からの老廃物を拡散させるのに使用することができる、清潔で温かく生体適合性のある透析液を今や含んでいる。
【００９５】
患者の処理後の血液への拡散により透析液中の所望の小分子の濃度は激減するので、これらの分子は所望の小分子の供給源３９０から補充することができる。好適な実施例においては、システムは透析液の流れを検出し、適切な量の濃縮液をＴ型連結部を通して再利用された透析液に加えることができる。
【００９６】
図８に示されている実施例においては、再利用された透析液３９５が２段階濾過システムの開始点に導入され、そこではＴ型連結部が再利用された透析液３９５と新しい透析液流３６５を混合している。理想的には、システムが全体のサイクルを通して行った後は、未使用の透析液が非常に少量しか必要でなくなる。
【００９７】
図１−８に示された実施例の変法により、本発明は他の非常に多くの用途に適用することができる。一般的な意味では、本発明の実施例は、フィルターが目詰まりや濃度分極のために性能を落とし、交換液が所望であるような、いかなる用途にも使用することができる。これらの用途としては、水からの塩の除去、人間の消費のための海水の処理、農業使用のための海水の処理、農業使用のための廃水の再処理、人間の消費のための廃水の再処理、例えばサトウキビ樹液やメープル樹液などの植物の樹液からの砂糖又は他の所望の成分の濃縮、ゴムの木の樹液からのラテックスの濃縮、例えば製薬産業や電子産業で必要となるような産業用途のための水からの不純物の除去、料理油のリサイクル、モーター潤滑油や潤滑油サイクル、静脈注射のための無菌水の生成などを含む。
【００９８】
更に言えば、分子排除膜もしくは分子篩膜を使用した場合には、例えばバイオプロセッサーや発酵装置の中の細胞材料からの細胞上清及び／又は溶解物の精製といった、大規模な細胞生物工学の分離用途にこの装置を使用することができる
【００９９】
上記で説明したような様々な資料や方法、技術は本発明を実行する多数の方法を提供する。勿論、本明細書で説明したどのような特定の実施例に従っても、全ての説明した目的又は利点が必ずしも達成されるわけではないことは理解するべきである。そのため、例えば、必ずしも本明細書で教示又は示唆したかもしれない他の目的又は利点を達成せずに、本明細書で教示したような１つもしくは幾つかの利点を達成又は最適化する形で、システムの構成要素を作り方法を実行することができることを当業者は認識するであろう。
【０１００】
特定の好適な実施例に関して本発明を説明してきたものの、大きさや構成や素材の変化を含む本発明の他の実施例も、本明細書の開示を考慮すると当業者には明らかであろう。それに加え、本明細書のいかなる実施例に関連して説明された全ての特徴は、本明細書の他の実施例にもすぐに適合することができる。異なる実施例における類似の特徴について異なる用語または参照番号を使用しているのは、明確にするためのものであり、他の違いを意味するわけではない。従って、本発明は添付の特許請求の範囲を参照してもっぱら説明されることを意図し、本明細書で開示した好適な実施例のみに限定されるのではない。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】図１は本発明で使用する渦攪拌血液透析装置の１つの実施例の断面図を示している。
【図２】図２は図１の装置の１つの実施例の上から見た断面図を示している。
【図３】図３は渦攪拌透析装置の第２の実施例の上から見た断面図を示している。
【図４】図４は渦攪拌透析装置の第３の実施例の上から見た断面図を示している。
【図５】図５は本発明のデュアルローター渦攪拌装置の１つの実施例の断面図を示している。
【図６】図６は図５の断面図であり、血液（外側の空隙）と透析液（内側の空隙）の流路を強調している。
【図７ａ】図７ａは濾過透析システムの概略図であり、交換液を患者の血液老廃物から生成し患者から引き出された血液と混合している。
【図７ｂ】図７ｂは濾過透析システムの第２の概略図であり、交換液を患者の血液老廃物から生成し患者へ戻す前に処理後の血液と混合している。
【図８】図８は濾過透析システムの概略図であり、再利用された交換液を透析装置から流れる透析排液から取得している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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