(57)【要約】本発明は、２つの媒質間、特に血液とガス／ガス混合物間の物質および／またはエネルギー交換のための装置に関する。前記装置は、第１の媒質が流れ、内部に少なくとも１つの物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）、好ましくは複数の物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）が配置されるチャンバー（２）を備える。第２の媒質は前述の少なくとも１つの中空繊維（５）を流れ、第１の媒質はその周囲を流れる。本装置のチャンバー（２）に配置される少なくとも１つのポンプ要素（５）により第１の媒質がチャンバー（２）から排出されおよび／またはチャンバー（２）内に吸引される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の媒質が流れ、内部に少なくとも１つの物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）、好ましくは複数の物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）が配置されるチャンバー（２）を有し、
前記中空繊維（５）を通って第２の媒質が流れ、その周囲を前記第１の媒質が流れ、
前記チャンバー（２）に少なくとも１つのポンプ要素（５）が配置され、前記ポンプ要素により、前記第１の媒質が前記チャンバー（２）から排出されおよび／または前記チャンバー（２）内に吸引されることを特徴とする、
２つの媒質間、特に血液とガス／ガス混合物間で、物質の移動および／またはエネルギー交換するための、装置。
【請求項２】
前記ポンプ要素（５）が変形可能な、特に弾性変形可能な要素として配置され、前記ポンプ要素の（５）の表面／容積が少なくとも一部の領域で変化可能であり、
表面／容積の増大により前記チャンバー（２）から前記第１の媒質が排出され、表面／容積の減少により前記チャンバー（２）内に前記第１の媒質が吸引されることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記チャンバー（２）内の流れを方向づけるため、各１つの弁（９、１０）、特に前記第１の媒質用に一方向の弁が前記チャンバー（２）の入口および出口に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも１つの変形可能な前記ポンプ要素（５）が変形可能な、特に弾性変形可能な中空繊維（５）であり、媒質が内部に作用することにより表面／容積が少なくとも一部の領域で変化することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
少なくとも１つの、特に弾性変形可能な前記中空繊維（５）が物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
すべての物質透過性および／またはエネルギー透過性の前記中空繊維（５）の少なくとも一部が、特に弾性変形可能な中空繊維（５）であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
弾性変形可能かつ物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）がシリコンチューブであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの弾性変形可能な前記中空繊維（５）に作用させるための媒質が、第２の媒質と一致することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの弾性変形可能な前記中空繊維（５）に作用させるための媒質が流体により形成され、その流体を用いて前記第１の媒質とのエネルギー交換、特に熱エネルギー交換が生じることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の媒質が流れる前記チャンバー（２）に加え、少なくとも１つの追加チャンバー（１１）を有し、
前記追加チャンバー（１１）を介して前記第２の媒質が少なくとも１つの物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）に、好ましくは複数の物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）に供給され、
少なくとも１つの、特に弾性変形可能な前記中空繊維（５）が前記チャンバー（２）および少なくとも１つの前記追加チャンバー（１１）内に延在することを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの、特に弾性変形可能な前記中空繊維（５）の表面／容積が、前記媒質の内部作用により少なくとも１つの前記追加チャンバー（１１）における少なくとも一部の領域でも変化可能であり、表面／容積の変化により、前記第２の媒質に圧の変動が生じることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの、特に弾性変形可能な前記中空繊維（５）の表面／容積の変化が、この中空繊維を通って流れる媒質の圧の変化により生じることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記圧の変化が、装置への取り込み口で前記媒質が少なくとも１つの、特に弾性変形可能な中空繊維へ持続的に流入することで生じ、前記装置の出口で排出量が制御され、特に制御された方法で変化可能な断面により制御されることを特徴とする、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
表面／容積に局所に限定された少なくとも１つの変化領域を形成するために、変形可能な中空繊維（５）がその周囲に少なくとも１つの支持体要素、特に少なくとも１つの輪または管または格子を有することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
表面／容積に局所に限定された少なくとも１つの変化領域を形成するために、弾性の中空繊維（５）が一部の領域において異なる壁の厚さおよび／または表面特性を有することを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
少なくとも１つの弾性変形可能な中空繊維（５）が、複数の非弾性かつ物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維により、特に対称に囲まれることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
前記中空繊維（５）の配列全体が実質的に多角形の、特に六角形の断面を有することを特徴とする、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
非変形可能かつ物質透過性および／またはエネルギー透過性の前記中空繊維（５）が互いにオフセット構造に重ねられ、特に２つの中空繊維の間の真ん中に層状にオフセット構造に重ねられることを特徴とする、請求項１６または請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１の媒質の充填容積が乳児の血液量より少なく、特に１００ｍｌ未満であることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
酸素供給器、特に早産児、新生児、幼児、および成人用の特に血液酸素供給器、特にインプラント可能な酸素供給器としての、請求項１〜１９のいずれかに記載の装置の使用。
【請求項２１】
インプラント可能な人工臓器、特に透析装置としての、請求項１〜２０のいずれかに記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の媒質が流れ、少なくとも１つの物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維が配置される、好ましくは複数の物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維が配置されるチャンバーを備え、その中空繊維を通って第２の媒質が流れ、その周囲を第１の媒質が流れることができる、２つの媒質間、特に血液とガス／ガス混合物間の物質移動および／またはエネルギー交換のための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなタイプの一般的な装置は、例えば医療技術、その中でも特に透析等の血液浄化、血液分離、または人工肺（酸素供給器）の用途で使用される。
【０００３】
酸素供給器の用途領域では、このために第１の媒質である血液がチャンバーを流れるようにし、そのチャンバーには少なくとも１つの、物質および／またはエネルギー透過性中空繊維が配置され（より好適な実施形態では、複数の物質および／またはエネルギー透過性中空繊維が配置される）、その中空繊維を通って第２の媒質、この場合、特に酸素が流れ、その周囲を第１の媒質が流れるようにする。
【０００４】
このタイプでは、生体由来のＣＯ2含有血液がチャンバーに送り込まれて通過する場合、物質および／またはエネルギー透過性中空繊維の内側と外側の血液酸素分圧およびＣＯ2分圧が異なるため、ＣＯ2が血液から除去され、中空繊維から酸素が添加されるという物質移動が生じる。このように、そのような装置は人工肺として機能可能であり、例えば、部分的または完全に患者の肺機能とみなすことができる。
【０００５】
本発明の詳細な説明において、酸素供給器、いわゆる人工肺をより詳細に説明する限りでは、これは発明の範囲を制限するものではなく、実施例を用いた単なる一用途であると解釈すべきである。下記の本発明による装置は、基本的には、医療技術だけでなくその他の工業用途においても、任意の媒質間の物質移動および／またはエネルギー交換に使用されるものである。
【０００６】
前述のチャンバー内を第１の媒質、特に血液が適切かつ規定の流速で流れるには、外部ポンプが必要である。酸素供給器の用途の範囲では、一般的な装置のほかに、ポンプ機能により血液が患者の体内から送り出され、本装置を通過して再度患者の体内に戻るようにする外部ポンプを備えなければならない。ここで、患者の身体とは、ヒト患者の身体および動物患者の身体を示す。
【０００７】
既知の一般的な装置と外付けポンプとは、全体として、上述の原理においては第１の媒質（例えば、本用途では血液）により充填されるべき大きな容積を有する。
【０００８】
特に乳児、特に早産児は血液量が非常に少なく、ときには１００ミリリットル未満であり、この場合、既知の一般的な装置は使用できないか、あるいは既知の装置の容積を満たすためにドナーの血液、血漿、または血漿増量剤を添加することで乳児の臓器に大きなストレスがかかることを意味する。さらに、このような既知の一般的な装置は、ポンプを使用するため、患者の体外でしか使用できない。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の目的は、既知の一般的な装置を改良し、小型版、特に充填容積が最小限であり、さらにはインプラント可能な装置としての使用も可能な装置を実現することである。
【００１０】
本発明の目的は、前述の一般的なタイプの装置において、前記チャンバーにポンプ機能が備えることにより達成される。
【００１１】
本目的のために、例えば少なくとも１つの変形可能な、特に弾性変形可能な要素を用いて、例えば、ポンプ要素を装置に、特にチャンバーに統合し、少なくとも一部の領域でポンプ要素の表面／容積が変化可能であり、表面／容積が増大した場合は第１の媒質がチャンバーから排出され、表面／容積が減少した場合は第１の媒質がチャンバー内に吸引されるようにする。
【００１２】
本発明による本態様の重要な核となる概念は、この小型版の装置にポンプ機能を直接統合し、それにより生体外へのポンプの配置を行わないことである。ポンプ効果は、変形可能な、特に弾性変形可能な要素の表面の増大およびそれに伴う容積の増大により、前述のチャンバー内に存在する第１の媒質（血液等）が自動的に排出され、本要素の表面または容積が次に減少すると、第１の媒質、すなわち血液が、結果生じた陰圧のためチャンバー内に再度吸引されることで達成される。
【００１３】
本目的のために、排出工程は、物質移動および／またはエネルギー交換により第１の媒質が常に望みどおり処理されるように、また、吸引時には未処理の媒質が吸引されるようにしなければならない。
【００１４】
これはチャンバーのなかを通る流れを方向づけることで実現可能であり、本発明の好適な実施形態では、流路に少なくとも一方向の弁を配置し、好ましくはチャンバーの入口および出口に第１の媒質用の一方向の弁をそれぞれ配置することで可能になる。
【００１５】
第１の媒質は、そのような弁を通って一方向に流れることが可能であり、２つの弁を有するタイプでは、第１の媒質は必ず１つの弁から吸引され、もう１つの弁から排出される。これらの弁はチャンバー、つまりチャンバーの入口あるいは出口に直接配置されるため、この場合は流れを方向づけるような手段を外付けで備える必要はなく、結果的に装置サイズはさらに縮小され、本発明による装置に好適な小型性が得られる。
【００１６】
変形可能な要素は、例えば装置の外から制御可能であり、その制御方法としてはさまざまな方法が挙げられる。例えば、変形可能な要素を電気的または電子工学的および／または油圧的および／または気圧的に制御することによって単にその形状を変化させ、結果的にその表面のサイズおよび容積を変化させる場合が考えられる。
【００１７】
例えば、変形可能な要素はバルーンとして形成され、それにより加圧式および減圧式エンベロープを形成する。これは、さらに弾性も示すように設計することができる。このようにして、ポンプ効果は、例えば流体（気体または液体）を用いて定期的に充填および排出することで実現できる。
【００１８】
特に好適な実施形態では、少なくとも１つの変形可能な要素が変形可能な、特に弾性変形可能な中空繊維として形成され、媒質の内部加圧によりその表面／容積が少なくとも一部の領域で変化可能である場合も考えられる。例えば、そのような特別な弾性の中空繊維が流体媒質（気体または液体等）で充填された場合、この媒質の圧を変化させることで、中空繊維のチャンバー内における表面、結果的には容積が増大する。このような方法でも、本発明による望ましいポンプ機能は実現できる。さらに、中空繊維内に陰圧を発生させることで、チャンバーの容積が増大する。このように、中空繊維に圧をかけることで、「拍出容積」が増大する。
【００１９】
本発明の１つの実施形態として、本装置には、物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維、特に物質移動および／またはエネルギー交換にのみ使用される少なくとも１つの中空繊維が備わっており、かつ、ポンプ用に本装置に統合されている少なくとも１つの弾性変形可能な中空繊維が使用されている場合が考えられる。この目的のために、物質移動またはエネルギー交換用の中空繊維が１つ以上使用可能であり、また、ポンプ目的に使用される中空繊維も１つ以上使用可能である。物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維は、硬性の中空繊維であってもよい。
【００２０】
別の好適な実施形態では、少なくとも１つの弾性変形可能な中空繊維が物質および／またはエネルギー透過性中空繊維として形成される場合が考えられる。このために、例えば特に酸素供給器としての用途において、シリコンは酸素および一酸化炭素を透過させ、本発明による装置の気相と血液相の間で、シリコンホースを介してガス交換を実行するだけでなく、弾性変形特性によりポンプ機能も実行可能であるため、弾性変形可能な物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維はシリコンホースとして形成される。
【００２１】
特に簡易かつ小型の費用対効果の高い実施形態では、装置は単一の、特に弾性変形可能であると同時に物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維のみを有する場合が考えられ、どのような物質移動および／またはエネルギー交換が生じるかによって、この中空繊維は第１の媒質のポンプ機能を果たしたり、第２の媒質を輸送したりする。もちろん、特に弾性変形可能な物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維の代わりに、任意の数のエネルギー透過性の変形可能な中空繊維を使用することも可能である。また、本装置は、弾性かつ透過性を有するタイプの中空繊維のみを備えていてもよい。本実施形態では、少なくとも１つの弾性変形可能な中空繊維を加圧するための媒質は、第２の媒質と一致してもよい。
【００２２】
別の実施形態では、複数の物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維の少なくともいくつかも、弾性変形可能な中空繊維として形成される場合も考えられる。そのような実施形態では、例えば、硬性の中空繊維として形成される物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維と、上述の弾性変形可能な物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維が混在する形態が考えられる。いずれにせよ、１つまたはそれ以上のタイプの中空繊維を備えることができる。
【００２３】
別の実施形態では、弾性変形可能な中空繊維を、単なるポンプ目的、特に物質透過性はないが、任意にエネルギー透過性を有するものとしてもよい。
【００２４】
このように、特に２種類の中空繊維（ポンプ用繊維および物質移動用繊維）を有する最終実施形態では、少なくとも１つの弾性変形可能な中空繊維を加圧するための媒質、いわゆるポンプ機能を実行するのに使用される媒質は、第２の媒質と一致しないが、別の流体媒質（ガスまたは液体等）により形成される。この場合、この媒質を使用して、さらに第１の媒質と熱交換することもできる。
【００２５】
これは、例えば血液酸素供給器として使用する場合、その他または追加の媒質により実行されるポンプ効果に加え、十分な熱エネルギーを第１の媒質、本用途では血液に移動させ、患者の体温を維持することができるため、特に有利である。第１の媒質、本用途では血液は、少なくとも弾性の中空繊維の領域では中空繊維の周囲を流れるため、その領域で表面または容積が増大すると、それと同時に熱エネルギーが第１の媒質に移動する。
【００２６】
本装置に、第１の媒質、例えば、いわゆる血液が流れるチャンバー内部にポンプ機能を有することにより、ポンプ効果に加え、チャンバー内での圧が変動することにより流れに乱れが生じ、それにより物質透過性の中空繊維のチャンバー側に形成される血漿境界が崩され、または少なくとも乱され、物質および／またはエネルギーの移動効率が最適化される。
【００２７】
本発明によるさらに好適な実施形態では、上述のチャンバーに加え、第１の媒質が流れる、少なくとも１つの別のチャンバーが備わっており、そのチャンバーを利用して第２の媒質が少なくとも１つの物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維に、好ましくは複数の物質および／またはエネルギー透過性中空繊維に供給されており、少なくとも１つの弾性変形可能な中空繊維が、上述の少なくとも１つの追加チャンバーを通って伸展していることを特徴としている。
【００２８】
これは、別のチャンバーを通って変形可能な繊維が伸展するため、任意に熱交換、特に第２の媒質に熱移動し、第２の媒質加熱後、物質透過性の中空繊維により第１の媒質への熱移動も生じるという利点を生み出す。
【００２９】
さらに、本実施形態は、媒質の内部加圧により、少なくとも１つの、特に弾性変形可能な中空繊維の表面／容積が、少なくとも１つの別のチャンバーにおける少なくとも一部の領域でも変化可能とし、表面／容積が変化した場合、第２の媒質で圧が変動するようにすることも考えられる。このような圧の変動は、有利に、第２の媒質相または気相により物質透過性の中空繊維上に形成されるガス境界層を乱す、または崩すことになり、それによって物質移動および／またはエネルギー交換が改善または最適化される。
【００３０】
上述のすべての実施形態は、１つのみまたは複数のチャンバーを有しており、少なくとも１つの、特に弾性変形可能な中空繊維の表面／容積は、この中空繊維のなかを流れる媒質の圧が変化することで変化すると考えられる。
【００３１】
上述のとおり、媒質はガスまたは液体等の流体媒質とすることができる。圧の変化は、装置入口でこの媒質が少なくとも１つの、特に弾性変形可能な中空繊維に持続的に流入することで生じ、流出量は装置の出口、特に制御された方法で変化可能な断面により制御可能である。
【００３２】
例えば、出口の制御可能な可変性の断面を対象の手段で縮小させ、あるいは閉鎖し、一方で入口側には持続的に流入させ、特に弾性変形可能な中空繊維の圧を高めて、弾性変形によりチャンバーに取り込まれる容積を増大させ、第１の媒質、この場合、特に血液を排出させることを特徴とする。制御可能な可変性の断面が拡大した場合、特に前回の閉鎖後、例えば弾性の復帰力により圧が低下し、中空繊維の容積が減少し、続いて第１の媒質がチャンバー内に吸引されることで、先に排出された第１の媒質の容積分が埋め合わされる。
【００３３】
すべての実施形態において、特に弾性変形可能な中空繊維を、本装置の少なくとも１つのチャンバー内にある部分の全長にわたって変形させる場合が考えられる。別の実施形態では、表面のサイズまたは容積の変形形態が特定の領域のみ、特に弾性変形可能な中空繊維の少なくとも１つの領域のみに意図的に制限される場合も考えられる。例えば、この表面または容積に局所に限定された少なくとも１つの変化領域を生成するには、変形可能な、特に弾性の中空繊維がその周囲に、少なくとも部分的に、少なくとも１つの支持体要素を有する。そのような支持体要素（例えば、輪、管、または格子などが考えられる）は、少なくとも部分的に弾性の中空繊維を囲んでおり、囲まれた領域では容積および表面は増大せず、支持体要素のない残りの領域のみ増大する。
【００３４】
別の実施形態では、局所に限定された少なくとも１つの表面または容積変形領域を生成するため、弾性の中空繊維が局所に異なる厚さの壁および／または表面特性を有する場合も考えられる。例えば、特定の領域で、他の領域に対し壁の厚さが減少した場合、弾性の中空繊維は、繊維内部から作用する圧の上昇により、厚さが減少する領域で著明に膨張する傾向を示す。
【００３５】
このように、上述のこれらすべての手段により、弾性の中空繊維の排出容積は、正確に規定される。
【００３６】
加えて、特に弾性変形可能な中空繊維は、例えば最大限の排出容積を制限するケージに配置される場合も考えられる。例えば、中空繊維膨張時、繊維が大幅に拡大し、その容積が増大すると、弾性の中空繊維の壁領域が周囲のケージの内部領域に支えられるようになる。次に中空繊維はケージに支持され、それ以上拡張できなくなるため、効率よく排出される容積は、周囲のケージの最大容積によって決まる。
【００３７】
中空繊維は、プラスチックバッグ等を用いることにより、当該部分が最大容積に達するまで、弾性変形できず、また内部加圧による弾性膨張ができない部分を備えることも可能である。圧が低下すると、復帰力、特にばね力により、この部分は能動的に潰れ、特に折りたたまれる。このように、例えば変形可能なセクションの壁にばね要素（少なくとも１つ）を配置してもよい。
【００３８】
１つの実施形態による少なくとも１つの、特に弾性変形可能な中空繊維と物質および／エネルギー透過性中空繊維との配列は、任意選択的に、互いに同様の配列にしてもよく、原則的に無規則にしてもよい。
【００３９】
しかし、本発明により、少なくとも１つの弾性変形可能な中空繊維を複数の非弾性かつ物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維により、特に対称に囲んだ場合、特に有利であることがわかった。また、囲まれた変形可能な中空繊維もまた、物質および／またはエネルギー透過性を示すように形成されてもよく、あるいは任意選択的に単にポンプ機能用に備え付けられてもよい。好ましくはこのような配列が形成され、中空繊維の配列全体が実質的に多角形の、特に六角形の断面を有する。
【００４０】
特に高い実装密度を達成するため、非弾性かつ物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維は互いにオフセット構造になるように設置することができる。特に２つの中空繊維の間の真ん中に重ねて設置することができる。そのような実施形態では、例えば、物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維は、互いに上に重ねられ、この場合、特に真ん中に並置されるマットを形成し、第１のマットの上に配置される第２のマットの中空繊維が、第１のマットの２つの中空繊維の間に正確に収められる。このようにして前述の高い実装密度が達成される。
【００４１】
本発明による装置の特徴的な利点は、特に、物質透過性の中空繊維の両側において前述の血漿境界またはガス境界層を乱すことによって、高い効率を達成することであり、この高効率性および統合されたポンプ機能により非常に小型の形状が達成される。特に１００ｍｌ未満の装置に充填容積分の第１の媒質を実装することが可能であることを特徴とする。
【００４２】
特に好適には、そのような装置は例えば血液酸素供給器として、特に乳児および／または早産児用に使用可能であり、また、例えば肺機能を補助または完全に置換する必要がある場合にインプラント可能な酸素供給器として使用できる。
【００４３】
さらに、本発明による装置を任意のインプラント可能な人工臓器として、例えば透析ユニット（人工腎臓）または人工肝臓として使用することも有用である。この場合に必要なことは、使用する第１および第２の、任意選択的には第３の媒質および使用する物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維に基づき、本装置が適すると考えられるのはどのようなタイプの物質移動かを決定することのみである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
最先端技術を用いた１つの典型的な実施形態および本発明の典型的な実施形態を以下で具体的に説明する。
【図１】先行技術の既知の血液酸素供給器の基本デザイン。
【図２】１つのみの物質透過性の中空繊維を備え、この中空繊維がその弾性変形可能性により同時にポンプとして機能する、本発明による血液酸素供給器の基本デザイン。
【図３】血液酸素供給器の２チャンバーモデルの実施形態。
【図４】血液酸素供給器における細孔膜の境界層上での酸素交換の基本図。
【図５】部分的に壁の厚さを薄くした弾性変形可能な中空繊維の実施形態。
【図６】考え得る外装の形状。
【００４５】
以下、血液酸素供給器を用いて、先行技術および本発明による実施形態を説明し、本発明による主な利点を説明する。本実施例は発明の範囲を制限するものではなく、他の媒質との間での物質移動および／またはエネルギー交換を使用する際にも同様に適用される。
【００４６】
図１は、血液の入口３および血液の出口４を有するチャンバー２を有する装置１を備える血液酸素供給器の既知のデザインの概要を示す。したがって、血液は血液の入口および血液の出口を介して、ここでは本装置１の長軸に対し実質的には横方向にこのチャンバーを流れると考えられる。
【００４７】
長軸の方向では、複数の物質透過性の、本実施例では酸素および二酸化炭素透過性の中空繊維５がチャンバー２のなかを軸方向に延在し、左側のガスの入口６から酸素が装置に添加され、本装置に既存の酸素が右側のガスの出口を通る。したがって使用済みの血液、つまりＣＯ2を含んだ血液が外部ポンプ（図示せず）を用いてポンプされてチャンバー２を通る場合、中空繊維５両側の分圧差が大きいため、ガス交換が生じ、ＣＯ2が血液から出て気相へ移り、酸素が気相から血液中に移る。持続的なポンプ機能により、こうして患者の体内の使用済み血液に酸素が付加され、ポンプ作用で患者の体内に戻る。
【００４８】
ここで示されている既知の古典的な血液酸素供給器の実施形態には、大型であることと外部ポンプが必要であるという欠点がある。
【００４９】
図２は、本発明によりデザインされ、血液の入口３および血液の出口４を有する装置１として形成される、血液酸素供給装置の単純な実施形態を示す。弾性変形可能であると同時に物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維５は、血流の方向に対し横向きにチャンバー２内を伸展しており、本実施例では、酸素は血液酸素供給器の用途において中空繊維５内を、つまり右側のガスの入口６から左側のガスの出口７まで流れることを特徴とする。
【００５０】
酸素は右手のガスの入口から持続的に供給され、中空繊維５において作用する圧は、ガスの出口領域に配置される、例えば中空繊維５の有効な断面が縮小または拡大されるように形成される圧制御装置８により制御される。
【００５１】
圧制御装置８により断面が縮小した場合、中空繊維５の圧が上昇し、中空繊維が膨張し、より多くの容積を取り込む。それにより膨張した中空繊維５の表面により規定される領域５’において、血液がチャンバー２から排出される。規定の血流方向、つまり血液の入口３から血液の出口４までを提供するため、血液の入口３に入口弁９を、血液の出口４に出口弁１０を設置する場合があり、両弁は一方向弁として同一方向に作用する。
【００５２】
このようにして、排出後、いわゆる弾性変形可能な中空繊維５膨張後、血液は血液の出口４を介してのみチャンバー２から押し出され、繊維５の容積減少後は、結果として生じた陰圧および出口弁１０の閉鎖により、処理されるべき新しい血液が血液の入口３および入口弁９を介してチャンバー２内に吸引される。
【００５３】
図２による本実施形態では、弾性変形可能な繊維５は装置１内部にポンプ機能を実装するだけでなく、この繊維が同時に物質および／またはエネルギー透過性である事実により、本実施例では血液と気相間でいわゆるガス交換である物質移動も生じることは明らかである。
【００５４】
対照的に、図３は総合装置１として血液酸素供給器の別の好適な実施形態を示しており、これには上記のチャンバー２に加え別のチャンバー１１も配置されている。このデザインは実質的には図２とほぼ同じであるが、物質交換用ではなく、ポンプ機能を実装するのに使用される中央の弾性変形可能な中空繊維１２は、チャンバー２およびチャンバー１１を通って延在する。
【００５５】
本発明において、前記チャンバー１１は、いわゆる酸素供給用の血液酸素供給器としての用途のために第２の媒質を供給し、次にその媒質をチャンバー２内で血流に対し実質的に横向きに伸展する複数の物質透過性の中空繊維５に分布させる役割を果たす。
【００５６】
ここではまた、ポンプ機能により血液が血液の入口３からチャンバー２内へ送り込まれ、血液の出口４を介してチャンバー２内から送り出され、弁９、１０を用いて流れが方向づけられる。ここで図２と比較した場合の主な相違点は、中央の弾性変形可能な中空繊維１２の周囲に配置される多数の物質透過性の中空繊維５だけでなく、本発明により中空繊維１２がチャンバー１１にも弾性変形可能な領域を有するという特徴が追加されており、中空繊維１２内部の圧上昇後、血液がチャンバー２から排出されるだけでなく、個々の物質透過性中空繊維５へ連結するチャンバー１１においても圧が上昇することである。
【００５７】
中空繊維１２における定期的な圧の変動によるチャンバー２のポンプ効果に加え、チャンバー１１及び物質透過性中空繊維５内部においても定期的な圧の変動が得られ、これにより中空繊維５内部のガス境界層が乱される。
【００５８】
上述のタイプの血液酸素供給器における物質移動時の関係を、例えば図４に詳細に例示する。図４では、例えば、上述の典型的な実施形態の物質透過性中空繊維５の壁によって規定される膜５が示されている。中空繊維内部から気相が作用するため、酸素分圧ｐＯ2が上昇する。ガス交換が生じるガス境界層１３が直接膜５に接触し、血液から取り込まれたＣＯ2がこの境界層で増加する。このＣＯ2増加により、ガス交換、つまり酸素の血液への移動の有効性が低下する。
【００５９】
図３による実施形態ではチャンバー１１に脈動が発生し、このガス境界層１３が崩されるため、酸素がより容易に膜５の境界領域に到達し、それによりガス交換全体の有効性が高まる。
【００６０】
同様に、チャンバー２内で生じるポンプ機能が、チャンバー２内に定期的な圧の変動をもたらし、それにより血液酸素供給器によって膜５の血液側に形成される血漿境界１４が乱される。この血漿境界１４の乱れにより、物質移動の有効性が同様に高まる。酸素分圧図は、血漿境界内部で特に重要な酸素移動が生じていることを示している。すなわち、酸素分圧が右側の気相から左側の血液相へ向かって著明に低下している。正確には、チャンバー２において弾性膜の変形により生じる圧の変動による血漿境界の乱れは、移動速度の効率促進に著明に貢献する。
【００６１】
図５は、弾性変形可能な中空繊維１２の考え得る実施形態をさらに示す。ここで示される弾性変形可能な繊維１２は厚い壁領域１４を有し、部分的には厚さが薄い壁領域１５も有しており、この中空繊維１２内部の圧が上昇した場合、厚さが薄い領域１５に略一致する領域に膨らみ１６が生じる。これは中空繊維１２がもっとも脆弱な領域であり、この壁領域１５は圧上昇下でもっとも速く崩壊する。したがって、この実施形態については、規定された壁減少領域を配列することにより、１つの任意の領域のみ弾性中空繊維１２を変形させることが可能であり、例えば、それによって中空繊維１２の達成可能な最大限の容積の変化が規定される。
【００６２】
図６は、本発明による装置の外装の実施例である。左側に、血液が流れるチャンバー２の、実質的に六角形の断面図が明らかである。硬性の物質透過性の中空繊維（図示せず）は、シート面に対し垂直に配置されるため、血流の方向（血液の入口３から血液の出口４へ流れる）に対し横向きに延在する。
【００６３】
チャンバー内部中央に、透過性中空繊維の円筒領域１７があり、その中央に変形可能な弾性の中空繊維１２が配置され、ポンプ機能を実行する。右側の図では、媒質および中空繊維を加圧するための連結部１８が示されている。酸素連結部はここでは示されていない。
【００６４】
全体として本発明を見ると、乳児、特に早産児における使用およびインプラント可能な臓器として小型酸素供給器が実装され得ることは明らかである。
【００６５】
すべての実施形態に関して、前述の技術的特性と実施形態を特定の実施形態にのみ使用するだけでなく、それぞれ本説明の範囲内で述べたあるいは述べていない他の実施形態にも使用できることに留意すべきである。本発明の説明で開示したすべての技術的特性は、本発明の主要な要素とみなされ、互いに任意で組み合わせる、あるいは単独で使用できる。
【符号の説明】
【００６６】
１…装置、２…チャンバー、３…血液の入口、４…血液の出口、５…中空繊維、６…ガスの入口、７…ガスの出口、８…圧の制御装置、９…入口弁、１０…出口弁、１１…チャンバー、１２…中空繊維、１３…ガス境界層、１４…血漿境界、１５…壁領域、１６…膨らみ、１７…円筒領域、１８…連結部。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年12月23日(2008.12.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の媒質が流れ、少なくとも１種類の物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）、好ましくは複数の物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）が配置されるチャンバー（２）を有し、
前記中空繊維（５）を通って第２の媒質が流れ、その周囲を前記第１の媒質が流れ、
前記チャンバー（２）に少なくとも１つのポンプ要素（５）が配置され、前記ポンプ要素により前記第１の媒質が前記チャンバー（２）から排出されおよび／または前記チャンバー（２）内に吸引され、
少なくとも１つの変形可能な前記ポンプ要素（５）が変形可能な物質および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）として形成され、その表面／容積は少なくとも一部の領域で変化可能であり、
前記第２の媒質の内部加圧により前記第１の媒質が送出されることを特徴とする、
２つの媒質間、特に血液とガス／ガス混合物間の物質移動および/またはエネルギー交換のための、装置。
【請求項２】
前記ポンプ要素（５）が変形可能な、特に弾性変形可能な要素として配置され、前記ポンプ要素の前記表面／容積が少なくとも一部の領域で変化可能であり、
表面／容積が増大により前記チャンバー（２）から前記第１の媒質が排出され、表面／容積が減少により前記第１の媒質が前記チャンバー（２）内に吸引されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記チャンバー（２）内の流れを方向づけるため、各１つの弁（９、１０）、特に前記第１の媒質用に一方向の弁が前記チャンバー（２）の入口および出口に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
すべての物質透過性および／またはエネルギー透過性の前記中空繊維（５）の少なくとも一部が、特に弾性変形可能な中空繊維（５）であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
弾性変形可能かつ物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）がシリコンチューブであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの弾性変形可能な前記中空繊維（５）を加圧するための媒質が流体により形成され、その流体を用いて前記第１の媒質とのエネルギー交換、特に熱エネルギー交換が生じることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記第１の媒質が流れる前記チャンバー（２）に加え、少なくとも１つの追加チャンバー（１１）を有し、
前記追加チャンバー（１１）を介して前記第２の媒質が少なくとも１つの物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維（５）に、好ましくは複数の物質透過性および／またはエネルギー透過性の前記中空繊維（５）に供給され、
少なくとも１つの、特に弾性変形可能な前記中空繊維（５）が前記チャンバー（２）および少なくとも１つの前記追加チャンバー（１１）内に延在することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの、特に弾性変形可能な前記中空繊維（５）の表面／容積が、前記媒質の内部加圧により少なくとも１つの前記追加チャンバー（１１）における少なくとも一部の領域でも変化可能であり、表面／容積の変化により、前記第２の媒質に圧の変動が生じることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの、特に弾性変形可能な前記中空繊維（５）の表面／容積の変化が、この中空繊維を通って流れる媒質の圧の変化により生じることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記圧の変化が、装置への取り込み口で前記媒質が少なくとも１つの、特に弾性変形可能な前記中空繊維へ持続的に流入することで生じ、前記装置の出口で排出量が制御され、特に制御された方法で変化可能な断面により制御されることを特徴とする、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
表面／容積に局所に限定された少なくとも１つの変化領域を形成するために、変形可能な中空繊維（５）がその周囲に少なくとも１つの支持体要素、特に少なくとも１つの輪または管または格子を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
表面／容積に局所に限定された少なくとも１つの変化領域を形成するために、弾性の中空繊維（５）が局所において異なる壁の厚さおよび／または表面特性を有することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
少なくとも１つの弾性変形可能な中空繊維（５）が、複数の非弾性かつ物質透過性および／またはエネルギー透過性の中空繊維により、特に対称に囲まれることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記中空繊維（５）の配列全体が実質的に多角形の、特に六角形の断面を有することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
非変形可能かつ物質および／またはエネルギー透過性の前記中空繊維（５）が互いにオフセット構造に重ねられ、特に２つの中空繊維の間の真ん中にオフセット構造に重ねられることを特徴とする、請求項１３または請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１の媒質の充填容積が乳児の血液量より少ない、特に１００ｍｌ未満であることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
酸素供給器、特に早産児、新生児、幼児、および成人用の特に血液酸素供給器、特にインプラント可能な酸素供給器であることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
インプラント可能な人工臓器、特に透析装置であることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１つに記載の装置。
【国際調査報告】
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