(57)【要約】【課題】低抵抗中空糸膜換気モジュールとそれを用いた無死腔往復換気回路の実現【解決手段】。多層の平行に揃えてほぼ同一面状に配列した中空糸膜簾の両端を支持体である通気回路とする管の側面管壁に開いた溝に封止することで、より広い封止面積を確保し、又、容易に膜簾の長さを調節でき、低抵抗中空糸膜換気モジュールを実現する。【選択図】  図４
2004283273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の同様な断面を有し、軸線に沿い、片方管壁を貫通する溝を
以って多層の平行に揃えてほぼ同一面状に配列される短い中空糸膜簾の一端を封止する互いに平行して、且つ反対側の端口を閉じた二本一組の管の並列集合体で構成することを特徴とする低内部抵抗の換気モジュール。
【請求項２】
請求項目１に記載される換気モジュール及び連結機能を備えた気
体進出口に逆止弁を用いて、内部気流の進出通路を制御し、未換気気流の回流を防止できる事を特徴とする往復式無死腔換気回路。
【請求項３】
請求項目２に記載される往復式無死腔換気回路を用い、外力によ
る内部灌流を要しない事を特徴とする人工鰓水中生命維持装置及び体内埋めこみ型人工肺。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する分野】本考案は、特に人工鰓、埋込型人工肺等、内外（総圧）等圧交換を特徴とした往復通気と高交換率を要する人体生命維持装置に於いて、中空糸膜を用いる隔離型気―液（気―気）間気体交換装置に関し、外力の介在（灌流）を必要とせず、内部回路の通気抵抗が呼吸圧（１００Ｐａ以下）だけで賄える低通気抵抗の換気モジュールとそれを用いる往復式無死腔換気回路である。
【０００２】
【従来の技術】隔離型気体交換装置の換気効率は、理論的には隔離された双方の交換気体の平均分圧差を駆動力とし、中空糸膜の透過速度と換気面積及び換気時間によって決めるものである。限定的な容積の条件下では、管を以って接触表面積を拡大するには管の径面積を小さくし、本数を増やす事が幾何学上の定論である。
【０００３】
実際に既存する多数の考案は、多数の細い中空糸膜を束ねて、束の断面よりやや大きめの管の径面を用い、軸心線に沿って直列に樹脂を以って封止する（径面封填）のが殆どである。そのうち応力対策、糸膜束形状維持の為糸膜を束ねる方法に種々な工夫を施す物もあるが、概ねその基本形態に逸脱していない。
【０００４】
人工鰓等換気のみを行い、内部気体が循環再利用を要する閉鎖回路装置については、特公昭５０−０３７９５６、特公平０６−０９２２３８等代表とする既存の考案は、閉鎖循環回路の模式を確立できたが、回路全体の換気効率及び回路内部の通気抵抗に関しては、問題として提起されておらず、その改良案（特開２００２−３７１９１）は閉鎖直列往復回路模式を提示され、換気効率問題に幾分の改善があったが、完全解決には至らない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】径面封填案は内部回路の進出気口両端の差圧が小さくて、且つ大流量を要する場合では幾つかの問題が生じる。ハーゲン・ポアズイユの法則により、内部通路の通気抵抗は通路の平均半径の４乗に反比例し、通路の長さに比例する。それを軽減する為にはその関係を逆算し、通路を短くして本数を冪算的に増やす以外方法がない。莫大数の短い中空糸膜を外部流体が通過し易いように一定の間隔を保ちながら、封止するのは工学上困難となる。巨大な封止径面の確保も設計上の支障になりかねない。結論として径面封填案では、少ない本数で外力を以ってモジュール両端の差圧を高めて対応する（強制灌流）方が得策である。
【０００６】
内部気体の閉鎖回路装置については、閉鎖循環回路では１周期に１回しか換気できず（分子拡散効果を考慮せず）。実用に於いてより大きな換気モジュールが必要となる。簡単な直列往復換気回路では、１回の呼吸周期に２回気体交換ができるが、気流末端の気体が交換を経ずに再用（回流）される問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本考案は、幾何学的に全く新しい視点から、管の管壁に着目し、２段集約の方法で僅な容積の増加を代償に既存の中空糸膜を用いて、従来の考案が持つ欠点を排除し、簡単且つ実用的な構造で、低抵抗換気モジュールとそれを用いる高交換率の往復式無死腔換気回路を実現することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記の目標を達成するため、装置を以下のように構成する。但し、説明を簡略化するため、全ての部品を平面に配置（開放型平面模式）する。実用では用途に応じて立体への変更がかのうである。
【０００９】
同様な断面を持ち、口径比１０倍以上、一方の端口を封じた管に、中心軸線に沿って、片方管壁を貫通する溝を開く。二本の管を閉鎖した端口を互いに反対側にして平行に置き、多層の平行に揃えてほぼ同一面状に配列した中空糸膜簾の二端を樹脂でそれぞれの溝に封止する。応用環境の要求に応じて、膜簾両端の管の間隔を変更すれば、簡単に弛みのない中空糸膜簾が構成できる。此れを一つの換気ユニット（図１）とする。
【００１０】
口径比１０倍を超える円管では、１／５口径の幅の溝でも、管の径面より遥かに大きな糸膜の封止面積（２Ｄ２＞０．２５πＤ２）が確保できる。膜簾が管の中心軸を沿って横に分布することにより、外部流体との剪截面が大きくなり、重積する層数は束より少ない。同一層の中空糸膜の間に一定の間隔を置けば、層間の間隔は必要なくなり、結果的に封止面積と総容積の増加を減少できる。
【００１１】
換気ユニット自身の構造及び連結等工学的な理由で、二本の管を「山」字型の断面に一体化（図２）することはより合理的と考えられる。この場合は中空糸膜簾の両端を「Ｕ」字型に曲げて、溝に封止する。同様に「Ｕ」字型の中空糸膜簾の弧長を調整すれば、応用環境の要求に対応できる。繊維の性質上膜簾弧自体が形状維持の支持体となり、弛みが存在しない。但し、弧の内側と外側の長さをできるだけ等しくさせて中空糸膜の内部抵抗を均一にする為には、管の断面形状又は膜簾の封止層数に工夫が必要である。
【００１２】
実用に於いては、管外流体の剪截抵抗、管の断面形状、管内の相当半径、膜簾の層数については、装置の用途に応じて総合的な判断が必要となり、ここでは詳述せず。原則的に中空糸膜と外部流体の剪截性を考慮して、簾は２０層以下に、封止強度と管内抵抗を考慮して、円管の場合では溝の幅は管径の４／５以下に収めた方が望ましいと考えられる。
【００１３】
断面模式図（図３）のように複数のユニットを並列的に連結機能及び気体進出口を備えた集合ユニットに連結する事で、換気モジュールが構成される。
【００１４】
内部回路の気流が往復して再利用を要する場合、図４のようにモジュールの気体進出口に４つの逆止弁を設置すれば、気流の進出通路が選択でき、未換気気体の回流を防ぐ回路を構成する事ができる。
【００１５】
換気回路を構成させる為の管一端の閉鎖は、二本の管の同一側でもできるが、互いに反対側の封鎖によりどの位置の中空糸膜にとっても、入口からの距離と出口までの距離の合計が同一となる。即ち、換気回路のどの位置点においても、通気抵抗が同じく、中空糸膜内の通気量と通過流速が均一に保たれ、より完全な気体交換が保証される。平面模式のモジュールの進出口及び逆止弁を対角線上に設置するのも同理である。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、実例を以って本考案とその応用を具体的に説明するが、本考案の範囲がこれにより限定されるものではない。又、本考案に直接関係なく、応用に必要な付属装置については、詳細な説明を省略する。
【００１７】
（実施例１）図５は本考案が人工鰓水中生命維持装置の外形図で、典型的な開放型平面配置の応用例である。全体的な原理は従来の考案と大差がなく、重複な説明は省略する。最大の差異は、同様な中空糸膜を利用した前提で、必要な有効中空糸膜面積が半減でき、且つ通気（呼吸）抵抗と装置の総容積も実用レベル以下に抑えられる。
【００１８】
装置の原理は概ね、呼気時では、呼気が口からマウスピース（実用及び設計の便宜上のため、結露除湿器をマウスピースに一体化する）、呼気管、逆止弁１、換気モジュール、逆止弁３を経て気嚢に到達する。吸気時ではその逆、気体が気嚢から逆止弁２、換気モジュール、逆止弁４、吸気管、マウスピースを経て、口に達する。１往復周期において、マウス‐ピース内の滞留分はそのまま人体に戻り、中空糸膜内の滞留分は１回しか通過しないことを除く、全ての気体が中空糸膜を２回通過する。容積の比率から見て、滞留分は無視できる。
【００１９】
周知の知識から、成人男子は重労働の状態において、平均１ｋｇ当りの体重が毎分約３０ｍｌ（ＡＴＭ）の酸素を消耗する事が分かっている。体重７０ｋｇの成人男子は約２ｌ／ｍｉｎ（ＡＴＭ）の酸素が必要である。人間の呼気には酸素分圧が約１５０００Ｐａ、二酸化炭素分圧が約４０００Ｐａで、これを呼気管の環境とする。人間の呼吸を維持するには、最低でも酸素分圧は約１８５００Ｐａより高く、二酸化炭素分圧は１７００Ｐａより低い環境が必要である。これを吸気管内の最低要求とし、回路内部流量（吸気、呼気の合計）はマスク工業規格計測標準の４０ｌ／ｍｉｎとする。又、開放環境で使用するので外部環境の変化（個々の気体の分圧変化）を無とする。
【００２０】
上記の情報を基にして、現在入手できる量産化されている中空糸膜（外径３００μｍ、内径２４０μｍ、透過速度１２０×１０−５ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）を用い、実用な人工鰓水中生命維持装置の性能を試作する。中空糸膜の有効総延長は６０００ｍ（膜簾の平均有効長は４０ｍｍ、両端の封止長は各３ｍｍ、中空糸膜総延長は６９００ｍ、有効換気面積は約５．４ｍ２）とし、換気ユニットは内径が２２ｍｍ、有効長が２１０ｍｍの二本半円管を一体化したものとした場合、膜簾の層数１８層となり、換気モジュールの寸法は３００ｍｍ×３５０ｍｍ×５０ｍｍで、３ｌの気嚢と其の他補助装置を含め、背負って行動に妨げない寸法に収めた。
【００２１】
計算上の内部通気抵抗は５０Ｐａである。又、呼気環境を下限、吸気要求を上限とし、１往復で要求（分圧）に達する前提に、外部環境との差圧だけで計算した換気能力は酸素が約８０００ｍｌ／ｍｉｎ（ＡＴＭ）、二酸化炭素は約６０００ｍｌ／ｍｉｎ（ＡＴＭ）となる。
【００２２】
装置の陸地実測では、マウスピースを含む全通気回路の総抵抗は約７０Ｐａで、これは防毒マスクの工業基準の１５０Ｐａより遥かに低い値である。吸気管内の環境もほぼ外部環境と同じ結果がえられた。又、海で水深２ｍの実測では、圧力の関係で内部通気の密度が高くなり、総抵抗も幾分（数Ｐａ）高くなる。換気能力については境膜除去装置が稼動せずにも、吸気管内の環境が最低要求を上回る結果がえられた。
【００２３】
（実施例２）人工肺は、体内血液の視点から見て、閉鎖的往復回路とみなされる。気体交換は血液と直接の行うため、内外分圧の差圧は呼気より遥かに大きい、又、通気流量は生理容量しか要しないので、中空糸膜の用量は少なく、換気モジュールはかなり小型化が可能であり、実際に既存の人工肺には、タバコ箱ぐらい小型の物もある。換気回路の抵抗を実用レベルに抑えられれば、肺切除後の胸部空間に埋込みは十分可能である。以下はその模式を説明する。
【００２４】
換気モジュールの入気口と出気口は、気管の残部（又は喉頭）と連結する。血液通路の入口は肺動脈の残部、出口は肺静脈の残部と連結する。更に、通気の駆動力としては、気嚢を大隔膜と胸膜に、胸部筋肉の運動によって、容積の変化を生じるよう連結する。
【００２５】
その内、血液側については、血液通路の総抵抗値は肺動脈圧と肺静脈圧の差圧より小さく抑える。更に血液の流速も血液が膜簾を剪截しても、赤血球と血小板が破壊しないように抑えるべきである。又、通路の非透過血液の発生を減少する為、血液通路の断面をできるだけ膜簾の外形に近づける必要がある。その相反する要求に適切な妥協点を見つけなければならない。有利な点としては、膜簾が「Ｕ」字型とした場合、一端固定と見なす事ができ、血液が剪截した時、幾分揺らぎが生じて、血球の破壊が減少できる。事実上既存の人工肺がわざと中空糸膜の弛みを持たせて血球の破壊を減少する研究報告が有る。
【００２６】
通気側については、毎回吸込んだ空気は、酸素が消耗され、二酸化炭素が増すことで、血液側との差圧が小さくなり、換気効率は悪くなる。十分の交換面積を確保すべきである。これも又、小型と相反する要求である。
【００２７】
全体の問題として、生体との連結手法、生体免疫反応の抑制は一番重要な課題であるが、本考案と直接関係がなく、ここでは省略する。
【発明の効果】
上述したように、本考案の換気モジュール部は、抵抗が極めて低く、且つ用途に応じて容易に変形できるため、様々の気体交換のみ要する装置に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】考案の核心部である換気ユニットの基本模式図
【図２】考案の核心部である換気ユニットの一体化模式図
【図３】平面模式換気モジュールの配管断面図
【図４】人工鰓用の往復式無死腔換気回路に組立図
【図５】人工鰓水中生命維持装置試作品の全体図
【符号の説明】
▲１▼        封填管
▲２▼        中空糸膜
▲３▼        片方端口閉鎖作用を兼ねた集合総管
▲４▼        進気口逆止弁
▲５▼        出気口逆止弁
▲６▼        換気モジュール
▲７▼        気嚢
▲８▼        呼気管
▲９▼        吸気管
【図１】
2004283273.tif 000003
【図２】
2004283273.tif 000004
【図３】
2004283273.tif 000005
【図４】
2004283273.tif 000006
【図５】
2004283273.tif 000007