(57)【要約】透析機の内部、特に繊維束への改善された流体（例えば、血液）の流れを提供する、改善されたヘッダー設計を有する透析機が提供される。この透析機入口ヘッダーは、少なくとも一部、透析機の一端を規定する、本体を備える。この入口ヘッダーは、透析機の外部から透析機の内部への流体連絡を提供する入口チャネルを備え、この入口チャネルは、透析機の内部に位置する繊維束に対して軸方向である流体フロー経路を規定する。この透析機はまた、流体が入口チャネルを出る際に流体フロー通路を変更するための少なくとも１つの部材を備える。透析を提供するための方法もまた、提供される。
2004528140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透析機入口ヘッダーであって、
透析機の一端に取り付けられるように設計された本体；
該透析機の外部から該透析機の内部への流体連絡を提供する入口チャネルであって、該入口チャネルは、該透析機の内部に位置する繊維束に対して軸方向である流体フロー経路を規定する、入口チャネル；ならびに
流体が入口チャネルを出る際に該流体フロー通路を変更するための少なくとも１つの部材、
を備える、透析機入口ヘッダー。
【請求項２】
前記流体フロー通路を変更するための部材が、前記本体の一部から延びた湾曲したベーンである、請求項１に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項３】
８つのベーンを備える、請求項２に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項４】
前記入口チャネルが、前記本体の中心に位置する、請求項１に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項５】
前記ヘッダーが、透析機ケーシングの一端にシールされる、請求項１に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項６】
前記流体フロー通路を変更するための部材が、前記本体の一部へと延びる湾曲したチャネルである、請求項１に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項７】
前記本体へと延びる８つのチャネルを備える、請求項６に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項８】
前記流体フロー通路を変更するための部材が、流体が前記流体チャネルを出る際に前記流体の流れを妨害する、請求項１に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項９】
前記流体フロー通路を変更するための部材が、前記入口流体チャネルの出口開口部の下に位置するディスクである、請求項８に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項１０】
前記本体が、複数の湾曲したベーンを備える、請求項９に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項１１】
前記本体が、複数の湾曲したチャネルを備える、請求項９に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項１２】
透析機であって、
内部を規定し、そして第一端部および第二端部を有する本体；
該内部に位置する繊維束；
該第一端部に位置し、そして該繊維束に対して軸方向に血液を流れさせる流体フローチャネルを備える、血液入口；ならびに
該繊維束の第一端部の周辺領域に血液を流れさせる該血液入口に近接して位置する部材、
を備える、透析機。
【請求項１３】
前記部材が、前記本体の一部から延びる湾曲したベーンである、請求項１２に記載の透析機。
【請求項１４】
前記部材が、前記本体の中心に位置する、請求項１２に記載の透析機。
【請求項１５】
前記ヘッダーが、前記透析機本体の一端でシールされる、請求項１２に記載の透析機。
【請求項１６】
前記部材が、前記本体の一部へと延びる湾曲したチャネルである、請求項１２に記載の透析機。
【請求項１７】
前記部材が、前記入口流体チャネルの出口開口部の下に位置するディスクである、請求項１２に記載の透析機。
【請求項１８】
複数の湾曲したベーンである、請求項１７に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項１９】
前記部材が、複数の湾曲したチャネルを備える、請求項１７に記載の透析機。
【請求項２０】
前記繊維束に対して半径方向である流体フローチャネルを規定する透析液入口および透析液出口を備える、請求項１２に記載の透析機。
【請求項２１】
前記ヘッダーの外部から内部への流体連絡を提供する入口チャネルを有する本体部材を備える、透析機ヘッダーであって、該入口チャネルは、透析機ヘッドが取り付けられる透析機のケーシングに対して軸方向である流体通路を規定し、そして該本体部材は、流体が該ヘッダーの内部に入る際に該流体に循環型の動きを付与する複数の部材を備える、透析機ヘッダー。
【請求項２２】
前記部材が、複数の湾曲したベーンである、請求項２１に記載の透析機ヘッダー。
【請求項２３】
前記部材が、複数の湾曲したチャネルである、請求項２０に記載の透析機ヘッダー。
【請求項２４】
前記部材が、前記ヘッダーの内部の部分への前記流体の流れを妨害するデバイスを備える、請求項２１に記載の透析機ヘッダー。
【請求項２５】
前記妨害するデバイスが、前記入口チャネルの下に位置するディスクである、請求項２４に記載の透析機ヘッダー。
【請求項２６】
前記入口チャネルが、前記本体の中心に位置する、請求項２１に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項２７】
８つのベーンを備える、請求項２１に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項２８】
前記本体部材へと延びる８つのチャネルを備える、請求項２１に記載の透析機入口ヘッダー。
【請求項２９】
透析を提供するための方法であって、該方法は、透析機中に位置する繊維束に対して軸方向のフロー通路を規定する血液入口を備える透析機に血液を通過させる工程、および該繊維束の一端の周辺への血液の流れを増大させるように、血液が該透析機に入る際に該フロー通路を変更する工程、を包含する、方法。
【請求項３０】
前記フロー通路が、血液の少なくともいくらかをチャネルに通過させることによって変更される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記フロー通路が、血液の少なくともいくらかをベーンによって結合されたフロー通路に通過させることによって変更される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記フロー通路が、前記入口から前記繊維束への直接的な前記血液の流れを防止することによって変更される、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、一般に、医療処置に関する。より具体的には、本発明は、透析治療および透析機に関する。
【０００２】
疾患、傷害または他の原因に起因して、腎臓系は、不全になり得る。任意の原因の腎不全において、いくつかの生理学的混乱が存在する。水、ミネラル（Ｎａ、Ｋ、Ｃｌ、Ｃａ、Ｐ、Ｍｇ、ＳＯ４）および固定された水素イオンの毎日の代謝負荷の排出のバランスは、腎不全においては、もはや不可能である。腎不全の間に、窒素代謝の毒性最終産物（尿素、クレアチニン、尿酸など）は、血液および組織中に蓄積する。
【０００３】
透析プロセスは、濃度勾配が低い方への半透膜を横切る拡散（拡散的溶質輸送）による、溶液中の要素の分離のために開発された。主に、透析は、２つの方法（血液透析および腹膜透析）を含む。
【０００４】
血液透析処置は、患者の血液を利用して、老廃物、毒素および過剰な水を患者から除去する。患者は、血液透析機器に接続され、そして患者の血液は、この機器を介してポンピングされる。カテーテルが患者の静脈および動脈に挿入されて、血液透析機への血流および血液透析機器からの血流を接続する。老廃物、毒素および過剰な水は、患者の血液から除去されて、この血液は、患者へと戻し注入される。血液透析処置は、数時間続き、そして一般に、１週間に約３〜４回、処置センターにおいて実施される。
【０００５】
血液透析は、代表的に、透析機の使用を含む。透析機は、一般に、ハウジングまたはケーシングを備える。ケーシング内部には、繊維束が配置される。代表的には、この繊維束は、互いに並行に方向付けられた多数の膜から構成される。これらの膜は、血液がこれらの膜を通って流れ、透析液がこれらの膜の外側を流れるように設計される。発生する浸透圧勾配に起因して、老廃物は、血液から、膜を通って、透析液へと除去される。
【０００６】
従って、透析機は、代表的に、血液入口および血液出口を供える。この血液入口は、血液が繊維膜に入り、そしてこの繊維膜を通って血液出口へと流れるように設計される。透析液は、透析機の入口を通って流れ、そして出口を通って透析機から出るように設計される。この透析液は、膜の外側または外壁を横切って流れるように設計される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
先行技術の透析機に関する問題点の１つは、繊維束の周りの血液の流れが、完全に満足のいくものではない可能性がある、ということである。この点に関して、血液は、繊維束全体の周りを十分に流れないかもしれない。むしろ、流れが弱いかまたは全くない領域にて、凝固がしばしば生じる。円筒形透析機について、これらの領域は、通常、繊維が包埋される表面の外部周辺に沿って見出される。
【０００８】
従って、流れが低い領域を排除または低減する、改善された透析機についての必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の要旨）
本発明は、一般に、透析治療における使用のための透析機に関する。より具体的には、本発明は、透析機の内部、特に繊維束への改善された血流を提供する、改善されたヘッダー設計を有する透析機に関する。これは、流れが弱い領域を排除するかまたは少なくとも実質的に低減し、それによって、血液がヘッダーをリンスする能力を改善しながら、凝固の可能性を低減する。
【００１０】
この目的のために、本発明は、少なくとも一部、透析機の端部を規定する本体を備える、透析液入口ヘッダーを提供する。この入口ヘッダーは、透析機の外部から透析機の内部への流体連絡を提供する入口チャネルを備え、この入口チャネルは、透析機の内部に位置する繊維束に対して軸方向である流体フロー通路を規定する。この透析機はまた、流体が入口チャネルを出る際に流体フロー通路を変更するための少なくとも１つの部材を備える。
【００１１】
１実施形態において、流体フロー通路を変更するための部材は、前記本体の一部から延びた湾曲したベーンである。さらなる実施形態において、この透析機入口ヘッダーは、８つのベーンを備える。
【００１２】
１実施形態において、この入口チャネルは、入口ヘッダー本体の中心に位置する。
【００１３】
１実施形態において、この入口ヘッダーは、透析機ケーシングの一端にシールされる。
【００１４】
１実施形態において、流体フロー通路を変更するための部材は、入口ヘッダー本体の一部へと延びる湾曲したチャネルである。
【００１５】
１実施形態において、この透析機入口ヘッダーは、本体へと延びる８つのチャネルを備える。
【００１６】
１実施形態において、この部材は、流体が流体チャネルを出る際にこの流体の流れを妨害する。
【００１７】
１実施形態において、この部材は、入口流体チャネルの出口開口部の下に位置するディスクである。さらなる実施形態において、この透析機入口ヘッダー本体は、複数の湾曲したベーンを備える。なおさらなる実施形態において、この透析機入口ヘッダー本体は、複数の湾曲したチャネルを備える。
【００１８】
本発明の別の実施形態において、内部を規定し、そして第一端部および第二端部を有する本体、ならびにこの内部に位置する繊維束を備える透析機が提供される。血液入口は、この透析機の第一端部に位置し、そしてこの繊維束に対して軸方向に血液を流れさせる流体フローチャネルを備える。部材は、流体が透析機に入る際にこの繊維束の第一端部の周辺領域に血液を流れさせるこの血液入口に近接して位置する。
【００１９】
１実施形態において、流体フロー通路を変更するための部材は、入口ヘッダー本体の一部から延びる湾曲したベーンである。
【００２０】
１実施形態において、流体フロー通路を変更するための部材は、入口ヘッダー本体の一部へと延びる湾曲したチャネルである。
【００２１】
１実施形態において、変更するための部材は、入口流体チャネルの出口開口部の下に位置するディスクである。
【００２２】
本発明のなおさらなる実施形態において、ヘッダーの外部から内部への流体連絡を提供する入口チャネルを有する本体部材を備える透析機ヘッダーが提供される。この入口チャネルは、透析機ヘッドが取り付けられる透析機の本体に対して軸方向である流体通路を規定し、そしてこの本体部材は、流体がこのヘッダーの内部に入る際に流体に循環型の動きを付与する複数の部材を備える。
【００２３】
１実施形態において、この部材は、複数の湾曲したベーンである。
【００２４】
１実施形態において、この部材は、複数の湾曲したチャネルである。
【００２５】
１実施形態において、流れがこのヘッダーの内部に入る際に、入口チャネルからの流体の流れを妨害する部材が提供される。さらなる実施形態において、妨害する部材は、入口チャネルの下に位置するディスクである。
【００２６】
さらに、１実施形態において、本発明は、透析を提供するための方法を提供する。この方法は、透析機中に位置する繊維束に対して軸方向のフロー通路を規定する血液入口を備える透析機に血液を通過させる工程、およびこの繊維束の一端の周辺への血液の流れを増大させるように、血液がこの透析機に入る際に通路を変更する工程、を包含する。
【００２７】
この方法の１実施形態において、このフロー通路は、血液の少なくともいくらかをチャネルに通過させることによって変更される。
【００２８】
この方法の１実施形態において、このフロー通路は、血液の少なくともいくらかをベーンに通過させることによって変更される。
【００２９】
この方法の１実施形態において、このフロー通路は、入口から繊維束への直接的な血液の流れを防止することによって変更される。
【００３０】
本発明の利点は、改善された透析機を提供することである。
【００３１】
さらに、本発明の利点は、透析機のための改善されたヘッダー設計を提供することである。
【００３２】
なおさらに、本発明の利点は、透析を提供するための改善された方法を提供することである。
【００３３】
本発明のさらなる利点は、透析機中の繊維束への血液の改善された分配を提供することである。
【００３４】
さらに、本発明の利点は、滞った領域を低減または排除することである。
【００３５】
さらに、本発明の利点は、透析機を通る血流を改善することである。
【００３６】
さらに、本発明の利点は、ヘッダーをリンスする血液の能力が改善された透析機を提供することである。
【００３７】
本発明のさらなる特徴および利点は、本発明の好ましい実施形態および図面の詳細な記載中に記載され、この記載から明らかである。
【００３８】
（発明の詳細な説明）
本発明は、改善された透析機およびこの透析機を使用する方法を提供する。以下に詳細に示される実施形態において、この透析機は、血液透析における使用のために設計されるが、本発明は、他の従来型でない治療において使用され得る。このような方法としては、例えば、血液透析を含んでも含まなくてもよい再生および連続フロー治療（例えば、連続フロー腹膜透析）が挙げられる。さらに、１実施形態において、本発明は、慢性腎疾患または慢性腎不全を有し、従って、定期的な処置を必要とする患者に血液透析のために利用されるように設計され、本発明は、例えば、救急救命室での設定における、緊急の透析の要求のために使用され得る。
【００３９】
ここで、図１を参照すると、透析機１０が一般に例示されている。この透析機１０は、一般にケーシングを備える本体部材１２を備える。このケーシングは、コアセクション１４、ならびにこの透析機１０の各端部に位置する２つのベル部材１６および１８を備える。コアまたはケーシング内に、繊維束２０が配置される。
【００４０】
繊維束２０は、複数の繊維膜を備える。これらの繊維膜は、選択的透過性を有する半透性である。これらの繊維膜は、一緒に束にされ、そして繊維の管腔を通って並行した様式で血液が同時に流れることを可能にする様式でアセンブリされ、一方で血液洗浄液（透析液）は、透析液を中空繊維の外部表面に浴びせるように、このケーシングを同時に通過する。種々の化合物が、選択的透過性の膜を生成するために使用され得、この化合物としては、以下のようなポリマーが挙げられる：セルロース；酢酸セルロース；ポリアミド；ポリアクリロニトリル；ポリビニルアルコール；ポリメチルメタクリレート；ポリスルホン；およびポリオレフィン。この繊維束は、透析機の各端部にてカプセル化され（ポッティングされ（ｐｏｔｔｅｄ)）、血液が繊維の周りを流れることを防止する。
【００４１】
透析機１０の第一端部２１には流体入口２２が配置され、第二端部２３には流体出口２４が配置される。この流体入口２２および流体出口２４は、それぞれ、流体入口ヘッダー２６および流体出口ヘッダー２８によって規定される。一般に、この流体入口ヘッダー２６は、血液または他の流体が、繊維束２０を通って透析機１０の内部に流れるように設計される。流体出口２４は、透析機１０から、透析された血液または他の流体が流れるように設計される。例示されるように、血液は、軸方向「Ａ」にて、透析機へと流れる。本明細書中で使用される場合、軸方向とは、血液が透析機１０への流れ、そして特に入口ヘッダー２６の入口チャネル２７への流れが、繊維束２０を通る血液の流れと同じ方向であることを意味する。
【００４２】
例示される好ましい実施形態において、透析機本体１０は、透析液入口３０および透析液出口３２を備える。例示される実施形態において、この透析液入口３０および透析液出口３２は、半径方向（すなわち、繊維束２０を通る血液の流体フロー通路に対して垂直方向）の流体フローチャネルを規定する。この透析液入口３０および透析液出口３２は、透析液が、透析機１０の内部へと流れて、繊維束２０中の繊維の外部表面に浴びせられ、次いで出口３２を通って出ることを可能にするように設計される。当該分野で公知であるように、このことは、老廃物および他の毒素が、この繊維の半透性膜を介して血液から除去され、そして透析液によって運び去られるようにする。
【００４３】
所望の場合、透析機１０は、１つの一体型の構成要素であり得る。これに関して、入口ヘッダー２６および出口ヘッダー２８は、透析機本体１２の残りの部分に対して、一体的に成形され得る。しかし、好ましい実施形態において、この透析機ヘッダー２６および２８は、透析機本体１０の第一端部および第二端部にシールされる。このことにより、繊維束が、透析機中に挿入され、そして当該分野において公知のようにポッティングされることが可能となる。
【００４４】
種々の透析機本体が使用され得ることに注意されるべきである。好ましい実施形態において、本発明のヘッダー設計は、繊維束への透析液の改善された灌流を提供するよう改変された透析機ハウジングと共に使用される。この点について、米国特許出願番号＿＿＿（表題「Ｈｅｍｏｄｉａｌｙｚｅｒ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｄｉａｌｙｓａｔｅ  Ｐｅｒｆｕｓｉｏｎ」、これと共に出願され、この開示は、本明細書により、参考として援用される）に対する参照がなされる。
【００４５】
一般的に、本発明の入口ヘッダー３０設計は、繊維束２０の周辺領域における血流を増大する。本明細書中で使用される場合、このことは、標準的なヘッダー設計（すなわち、透析液の内部に侵入した場合に、血液の流れを改変するいかなる部材もふくまないヘッダー）を含んだ先行技術の透析機設計より多くの血液が、繊維束の周辺に流れることを意味する。本発明のヘッダー設計は、透析機ヘッダー内の低血流領域を減少させる。この点について、本発明のヘッダー設計は、低流であると疑われるヘッダー空間の周辺領域における血流を増加させ、それによって、血餅形成の可能性を減少させる。さらに、これらの改善された流れのパターンは、リンスバックの間の血液のより完全な浄化を提供する。
【００４６】
ここで、図２を参照すると、ヘッダー設計４０の実施形態が示される。ヘッダー４０は、入口チャネル４２を含む。好ましい実施形態において、この入口チャネル４２は、入口ヘッダー４０の本体４４の中心に位置する。この入口チャネル４２は、アキシャルである（すなわち、繊維束２０を通る血液の流体流れと同じ方向である）流体の流路を規定する。
【００４７】
本体４４はまた、透析機１０の端部２１を受容するための開口部を取り囲み、規定するリップ部材４６を含む。これにより、ヘッダー４０が透析機１０の入口端部２１に密着される。
【００４８】
入口チャネル４２は、入口開口部５２および出口開口部５４を含む。入口開口部５２は、血液を運搬する部材（例えば、管）と流体連通して配置される。これにより、血液が供給源（例えば、患者におけるカテーテル）から入口開口部５２へ、そして外部開口部５４を通って透析機１０の内部へと流れるのを可能にする。
【００４９】
本体４４は、その上面内部表面５５に、入口ヘッダー４０の内部に侵入した場合に血液の流体流特性を改変するよう設計された複数の部材を備える。示される実施形態において、これらの部材は、ベーン（ｖａｎｅ）５８の部材である。ベーン５８は、入口ヘッダー４０の上面内部表面５５から繊維束２０へと下方向に伸びる。示される好ましい実施形態において、ベーン５８は、曲がっている。曲がったベーン５８は、血液に巡回または回旋の動きを与える。なぜならば、血液は、入口チャネル４２における軸方向の流れから上面内部５５ヘッダー表面に沿った放射状の流れに変換されるからである。これにより、血液が、標準的な透析機で観察され得るような、よどんだ領域が周辺領域に形成されるのを防止する動きで保持される。
【００５０】
種々の改変が、ヘッダー４０に対して可能であることに、注意されるべきである。例えば、ヘッダールーフ高「Ｈ」を変化させることによって、流体流の変化が達成され得る。さらに、示される好ましい実施形態において、外部開口部は、入口チャネル４２からの流体の突然の増大（その領域で再循環領域を生じ得る）を最小限に抑えるための大きな半径「Ｒ」を有する。
【００５１】
示される好ましい実施形態において、ヘッダー４０は、８つのベーン５８を供える。所望の場合、より多いかまたはより少ないベーン５２が使用され得る。しかし、８つが、好ましい数であり得ると考えられる。８つより多いベーン５８は、血液に対する流体抵抗を増大し得る。８つ未満のベーンは、ベーン５８の間の減少した血流速度を生じ得る。この点において、血液が入口ヘッダーに侵入した場合に、ベーン５８をたどり、そしてリップ４４の壁への直線的な経路をとらないことが望ましい。ヘッダー４０の設計は、血液が、ヘッダーに侵入し、リップ４４の外部壁に衝突する放射状の外側へと移動するのを防止する。このことは、よどんだ領域が、繊維において血液のより良い分配を得るのを防止する。
【００５２】
ここで、図３を参照すると、入口ヘッダー設計のさらなる実施形態が示される。この入口ヘッダー７０は、入口チャネル７２、本体部材７４、およびリップ７６を備える先のヘッダー設計と類似の本体構造を備える。さらに、ヘッダー設計は、血液が入口ヘッダーに侵入した場合に血液の流体流を改変するための複数の部材７８を備える。
【００５３】
図２の入口ヘッダー設計に関して、血液が、入口チャネルから外部周辺に移動する際の流速を低下させる傾向を有する２つの機構が存在することを観察した。第１に、血液は、透析機に侵入した場合、中空繊維２０へと流れ始める。このことは、残りの血液の質量流速を減少させる。なぜならば、それは、周辺に到達するからである。第２に、ベーンの間の空間は、入口開口部からの距離を広げる。これにより、より大きな断面積が生じ、それを通って血液が流れなければならない。血液速度は、質量流速を断面積で割ったものに等しいので、チャネルサイズの増加は、血液速度を低下させる。
【００５４】
図３に示される実施形態において、速度の損失を減少させるために、高くしたチャネル８０が提供される。高くしたチャネル８０は、減少した断面積を有し、速度の損失の緩和を補助する。さらに、チャネル８０の間の空間は、切断表面のすぐ上まで低下される。これにより、この領域の流れに対するより高い抵抗が提供され、それによって、血液が回旋作用で周辺に向かって曲がったチャネル８０を通って流れることを可能にする。
【００５５】
入口ヘッダー７０において、任意の数の高くしたチャネル８０が使用され得る。しかし、好ましくは、入口ヘッダー７０は、８つのチャネル８０を備える。
【００５６】
ここで、図４を参照すると、入口ヘッダー８４のさらなる実施形態が示される。この実施形態において、入口ヘッダーは、血液が入口ヘッダー８４に侵入した場合に血液の流れを改変するよう設計された複数の部材８６を備える。好ましくは、これらの部材は、曲がったベーン部材８６である。しかし、さらに、平面ディスク８８が、ベーン表面の底部に組み込まれる。このディスク８８は、入口チャネルから、このヘッダーの外部周辺への血液の入口ジェットを方向転換するよう機能する。これによって、血液が、ディスク８６の下を繊維表面へと流れる。
【００５７】
入口ヘッダー８４において、ディスク８８とベーン８６との組み合わせは、繊維束の上部の外部領域における血液の安定した回旋流を保証する。従って、血液は、繊維束へと侵入し始め得る前に、この束の周辺に分配される。このことは、血液が、ヘッダーに侵入した直後に、外部繊維へと流れ始めることを確実にする。
【００５８】
この設計に関して、ベーン８６の代わりに、チャネル（例えば、図３のチャネル）もまた使用され得ることに注意するべきである。繰り返すが、ベーンまたはチャネルの数は、８つが好ましいが、変更され得る。
【実施例】
【００５９】
（実施例１）
以下の計算は、透析機クリアランスに対する、透析液短絡ならびに血液および透析液の不均衡分配の影響を例示する。また、短絡および不均衡配分が排除され得る場合の、既存の透析機のクリアランスにおける改善についての概算が、以下に示される。
【００６０】
向流透析機のクリアランス（ＣＬ）は、以下の等式によって提供される：
ＣＬ＝Ｑｂ｛１−ｅｘｐ［（ＫＡ／Ｑｂ）（１−Ｑｂ／Ｑｄ）］｝／｛Ｑｂ／Ｑｄ−ｅｘｐ［（ＫＡ／Ｑｂ）（１−Ｑｂ／Ｑｄ）］｝
ここで、
Ｋ＝目的の溶質についての透析機の全体的な物質移動係数であり、これは、膜の血液側および透析液側に対する物質移動係数（抵抗の逆数）、ならびに膜自体の物質移動係数からなる（分／ｃｍ）。
Ａ＝透析機の面積（ｓｑ．ｃｍ）。
Ｑｂ＝血流速度（ｍｌ／分）。
Ｑｄ＝透析液流速（ｌ／分）。
Ｑｂ＝Ｑｄの場合、ＣＬ＝Ｑｂ（ＫＡ／Ｑｂ）／［（ＫＡ／Ｑｂ）＋１］。
【００６１】
これらの等式は、測定された尿素クリアランスから、標準的な透析機の３つの質量移動抵抗を計算するために使用され得る。血液側の抵抗は７．６分／ｃｍであり、膜抵抗は４．６分／ｃｍであり、そして透析液側の抵抗は６．４分／ｃｍである。
【００６２】
これらの等式はまた、フローの短絡および不均衡配分の影響を示すために、透析機のクリアランスを計算するためにも使用され得る。
【００６３】
（透析液短絡の影響）
透析液フローの一部が、中空繊維透析機の繊維束を通過しないが、束とケースとの間で短絡する場合、この透析機のクリアランスは低減する。分析目的のために、本発明者らは、上記等式中の透析液流速が、短絡の量によって低減されると仮定する。
【００６４】
表１および２は、２．０平方メートルおよび２．４平方メートルの透析機についての、透析液短絡を有する尿素クリアランスの低減を示す。全体の質量移動係数は、短絡によって引き起こされた有効な透析液フローの低減に起因して、より低い透析液側の質量移動係数にみあうように、下方に調節されている。これら２つの表から、大きい透析機短絡が、透析機のクリアランスを劇的に低減し得ることが見出され得る。３００ｍｌ／分の血流および５００ｍｌ／分の透析液フローを有する２．０平方メートルの透析機についての、透析液短絡の割合の関数としての尿素クリアランスは、２６９ｍｌ／分から２２９ｍｌ／分まで、透析液短絡が４０％低減された。２．４平方メートルの透析機について、クリアランスは、４０％の短絡に起因して、２７８ｍｌ／分から２３８ｍｌ／分まで低下する。
【００６５】
この分析をまた使用して、既知の大きさの短絡が排除される場合の透析機のクリアランスの増加を予測し得る。測定または計算されたクリアランス値および仮定された短絡の大きさから、この透析機の全体の質量移動係数は、前述の等式から決定され得る。Ｋの計算値を使用し、そして仮定された短絡の排除を仮定して、改善されたクリアランスが計算され得る。表３は、１．３、１．６、１．８および２．０平方メートルの透析機の予測された尿素クリアランスを示し、ここで、０％、１０％、１５％および２０％の短絡は、３００ｍｌ／分の血流および５００ｍｌ／分の透析液流速について、排除されている。
【００６６】
（血液および透析液の不均等分配の影響）
繊維を通じた血流の分配が均一でなく、そして／または繊維束を通じた透析液の流れの分配が均一でない場合、透析機のクリアランスは、困難であり得る。表４は、２．０平方メートル透析機における４つの異なる不均等分配の結果を示す。
【００６７】
表４において、１行目は、不均等分配のない透析機の尿素クリアランスを提供する。２行目は、血流が１０％高い透析機の尿素クリアランスを提供する。３行目は、１０％低い血流による尿素クリアランスである。繊維の半分が１０％高い血流を有し、もう半分が１０％低い血流を有する透析機において、この透析機のクリアランスは、２行目および３行目のクリアランスの平均であり、これを４行目に示す。透析機の２つの半分にまたがる血流の１０％の不均一分配について、尿素クリアランスは、２６８．８ｍｌ／分から２６７．６ｍｌ／分へと減少するのみであり、少量の減少である。
【００６８】
表４の５行目、６行目、および７行目は、１０％の血流変化に加えられた、透析液の流れにおける１０％の変化を示す。より高い血流は、透析液の流れがより低い場合に生じる（束の中心付近で生じ得るものとして）。ここでは、尿素クリアランスは、２６５．８ｍｌ／分にさらに低下した。
【００６９】
９行目および１０行目において、透析液の不均一分配は、２０％に増加する。尿素クリアランスは、２６２．８ｍｌ／分にさらに低下する。
【００７０】
１１行目、１２行目、および１３行目において、血液および透析液の１０％の変化が、考慮されるが、ここでは、最大血流速度は、最大透析流が生じる場合に生じる（接線方向の血液入口ヘッダーを有する透析液の繊維束の外部部分で起こり得るものとして）。ここでは、尿素クリアランスは、２６８．３ｍｌ／分であり、いかなる不均一分配も有さない透析機とほぼ同じであった。
【００７１】
表４の計算と同様の計算を用いると、血液および透析液の両方の２０％の不均一分配は、血液または透析液のいずれかの流れの不均一分配が補正される場合に期待され得る３００ｍｌ／分血流および５００ｍｌ／分透析液流での２．０平方メートル透析機について、透析機クリアランスにおけるクリアランス低下において１２ｍｌ／分の低下を引き起こす。
【００７２】
表５は、１０％の血液不均一分配を有する２．４平方メートル透析機について、表４と同様の結果を提供する。ここでは、２０％の透析液の短絡が、クリアランスを２７６．５ｍｌ／分（４行目）から２７１．３ｍｌ／分（１０行目）に低下させることが見出される。
【００７３】
表６は、５００ｍｌ／分の血流および８００ｍｌ／分の透析液流についての同様の結果を提供する。ここでは、２０％の透析液の不均一分配が、４０９．６ｍｌ／分（４行目）から４０２．７ｍｌ／分（１０行目）へのクリアランスの低下を引き起こす。
【００７４】
（結論）
前述の計算は、透析液の短絡が、透析機のクリアランスを有意に低下させ得ることを示す。透析液の短絡の排除により、透析機のクリアランスは有意に上昇する。
【００７５】
これらの計算はまた、血液および透析液の流れの不均一分配が、透析機のクリアランスを有意に低下させ得ることを実証する。透析機の血液側または透析液側のいずれにおいても、流れの不均一分配の排除は、クリアランス値を改善する。
【００７６】
【表１】
2004528140.tif 000003
2004528140.tif 000004
【００７７】
【表２】
2004528140.tif 000005
2004528140.tif 000006
【００７８】
【表３】
2004528140.tif 000007
【００７９】
【表４】
2004528140.tif 000008
2004528140.tif 000009
【００８０】
【表５】
2004528140.tif 000010
2004528140.tif 000011
【００８１】
【表６】
2004528140.tif 000012
2004528140.tif 000013
（実施例２）
計算流体力学（ＣＦＤ）分析を、種々の設計の透析機において生じる血流および透析液流の移動現象に対して実施した。この実験により、多孔性繊維壁を通じた血流と透析液流との間の質量移動（限外濾過）が存在しないと推測された。２つの流場（ｆｌｏｗ  ｆｉｅｌｄ）を、別個に分析した。いくつかの異なるハウジングのバリエーションおよびヘッダーの設計を、検討した。多孔性媒体モデルを用いて、繊維束における流れをシミュレートした。繊維束に対する流れの透過性を、ＣＦＤモデルから算出した。
【００８２】
この研究によって、一般に、繊維束中の血流分配が完全に均一であることが結論付けられた。しかし、通常、流れの停滞した領域が、入口ヘッダーに存在する。平坦にしたヘッダー設計は、この流れの停滞した領域を大いに減少し得る。
【００８３】
透析液流の分配は、流体入口および流体出口に隣接する領域について、全く不均一である。しかし、本発明の透析機ヘッダー設計についての透析液流の分配は、従来の透析機よりも均一である。
【００８４】
透析機には数千の繊維が存在する。各繊維付近での詳細な流れの分配を解決するのは実行できることではない。多孔性媒体モデルは、ここで、繊維束における全体の流れおよび圧力の分配をモデル化するために使用される。このモデルによって、流れの領域において圧力と抵抗力との間に、次式：
−ＫｉＵｉ＝δｐ／δξｉ
（ここで、（ｉ＝１，２，３）は、直交する方向（異なる物質特性または状態を有する３つの互いに直交する主軸）を表す）
のような局部的な平衡が存在することが推定される。Ｋｉは透過性であり、そしてＵｉは方向ξｉにおける見かけの流速（総断面積で除算された体積流量である）。透過性Ｋｉは、以下の等式：
【００８５】
【数１】
2004528140.tif 000014
（ここで、αｉおよびβｉは、特定の流れについての定数であり、
【００８６】
【数２】
2004528140.tif 000015
は、見かけの流速のベクトルである）
により算出される。Ｄａｒｃｙの法則における透過性は、次式：
−μＵｉ＝κｉδｐ／δξｉ
（ここで、κｉは透過性であり、μ／Ｋｉに等しい）
として定義されることに留意のこと。
【００８７】
透析機における流れは、層流であり、安定した状態であり、非圧縮性であり、そしてニュートン流れであると推定される。多孔性媒体流モデルについての透過性は、実験的に測定される繊維束における流れの圧力低下から生じるはずである。しかし、実験データは、入手可能でない。他の代替物は、圧力分配を数値的に解析することである。第１に、繊維は、固定されたずれたパターン（ｆｉｘｅｄ  ｓｔａｇｇｅｒｅｄ  ｐａｔｔｅｒｎ）で配置されることが推定される。繊維間の空間は、所定の繊維のパッキングファクターから算出される。
【００８８】
透析機において、血流は、中空繊維の内側である。軸方向に沿った多孔性媒体の流体透過性は、完全に構築された層状のパイプフローについての圧力低下に基づき算出される。この透過性は、交差流について測定不能である。
【００８９】
繊維の外側の透析液流について、圧力低下は、いくつかの繊維の層における流れについて、数値的に算出される。次いで、流れの透過性は、特定の繊維構成についての計算された圧力勾配から算出される。軸方向の流れの圧力低下は、交差流の圧力低下と異なり、そして各方向の流れは、別個に算出される。
【００９０】
多孔性媒体モデルが、実際の複雑化した流れの問題の近似にすぎないことに注意されたい。透析機における繊維分配は、通常、不均一であり、そして流れの透過性は、空間的に異なる。
【００９１】
透析機には、１４，０００〜１５，０００の繊維が存在する。繊維のＩＤおよびＯＤは、それぞれ、１９０μｍおよび２３０μｍである。繊維束のＯＤは、３．４５ｃｍである。本発明の分析は、繊維の数が１４，０００であり、総繊維表面積２．３ｍ２を与えることを仮定する。血流の多孔性（空隙区画）は、０．４２５であり、そして十分に発達したパイプフローの理論から、流れの透過性は、８．３４８×１０６ｋｇ／ｍ３ｓである。
【００９２】
流れの圧力は、フロー入口から出口にむかって段階的に低下し、総圧力低下は１２８ｍｍＨｇであることを見出した。血流速度は、透析機の中心付近で高く、軸から離れるにつれて、流速の大きさは、減少する。入口ジェットは、ヘッダーの中心に大きな再循環領域を生じる。この流れは、ヘッダーから外部パイプへと滑らかに収束し、そして流れの再循環は観察されない。
【００９３】
単純化した全体的な質量移動等式を使用することによって、血液クリアランスに対する血流の変動の効果を算出した。実施例１は、血液および透析液について、それぞれ、３００ｍｌ／分および５００ｍｌ／分の流速で、２．５％の血流速度の変動が、血液クリアランスにおいて約＋／−１．８％の変動を生じることを見出した。このクリアランスを、質量移動速度を、透析機の入口に優勢に存在する濃度勾配で割ったものとして定義する。
【００９４】
高い流れ剪断速度は、繊維切断表面上に衝突する入口パイプ流れおよびジェットから生じる。ヘッダーにおける最大剪断速度は、１１８５ｌ／ｓである。繊維束における流れについて、最大剪断速度は、十分に発達したパイプフローの理論について、壁剪断速度から算出される。赤血球細胞に対する致死量以下の損傷が、５００ダイン／ｃｍ２の乱流剪断応力レベルで生じ得ることが観察された（参考文献４）。これは、血流について、１２，５００ｌ／ｓの剪断速度レベルに相当する。従って、赤血球細胞に対する損傷は、この透析機について生じることが予測されない。
【００９５】
（８つのベーンを有するヘッダー透析機）
少なくとも一部、このヘッダー設計におけるベーンの目的は、透析機の外部周辺に位置する潜在的なよどんだ流れ領域の減少のために、回旋流を生成することである。
【００９６】
この透析機には、９，８００の繊維が存在する。血流について、繊維パッケージングファクターは、０．５３８である。繊維のＩＤおよびＯＤは、それぞれ、２００μｍおよび２６０μｍである。繊維長は３１．５５ｃｍであり、そして繊維表面領域は１．９４ｍ２である。算出される多孔性媒体流れ透過性は、軸方向の流れについて１×１０７ｋｇ／ｍ３ｓであり、そして交差流れについては、不明である。
【００９７】
より低いベーン表面と繊維切断表面との間の３つの異なるギャップサイズを分析した。それらは：
ケース１：最大ギャップ０．０５０’’
ケース２：名目上のギャップ０．０２５’’
ケース３：最小ギャップ０．００２’’
である。
【００９８】
各々のケースについて、２つの異なる血流速度２００ｍｌ／分および５００ｍｌ／分を分析した。
【００９９】
速度ベクトルは、ベーンの形状に従い、そしてらせん状のパターンを生じる。この流れのほとんどは、先の節に記載される再循環流に起因して、ハウジングの中心の方に移動する。このピークの流速は、入口ポートの流れに起因して、平面の中心付近に位置する。しかし、ハウジングの外部周辺において、流れのよどんだ領域がなお存在する。
【０１００】
一般的に、流速は、繊維束の内側で非常に均一である。３つ全てのケースについて、繊維束の内側での最大流速変動は、４．３％未満である。流れのよどんだ領域は、ギャップサイズの増大と共に減少することを見出した。
【０１０１】
（８つのベーンを有する平面ヘッダー）
ベーンの底部表面と、繊維植え付け表面との間のギャップは、０．０５’’である。
【０１０２】
（ベーンを有さない平面ターボヘッダー）
比較目的で、本発明者らはまた、ベーンを有さない平面ヘッダーを分析した。この透析機の表面領域は、１．９４ｍ２である。透析液流速は、フロー入口および出口付近で非常に均一でないことを見出し、そして最大値と最小値との間に５０％の差が存在する。この速度プロフィールは、束の中央区画においてより均一であり、最大値と最小値との間で約２％の差を有する。
【０１０３】
この透析機設計について、繊維パッケージング密度は、直線束区画において０．５３７である。ベルにおけるパッケージング密度は、０．３０６の値に減少する。移動領域における透過性についての値は、直線束区画からベル領域にむかって非常に直線的であることが想定される。
【０１０４】
（結論）
この研究は、分析される透析機について、透析機における血流分配が、通常、かなり均一であると結論付けた。しかし、透析液流については、この流れの分配は、より均一でないようである。このことは特に、透析液入口および出口に隣接する流れについてあてはまる。
【０１０５】
軸方向の入口を有する透析機について、流れの再循環領域は、通常、血液入口へダーにおいて観察される。この領域は、入口ヘッダーハウジング壁を平坦にすることによって、有意に減少され得る。
【０１０６】
この研究において分析される全ての透析機について、ヘッダーにおける予測される血流剪断速度は、赤血球に対して致死量以下の損傷を与え得る公開されている値よりも有意に低い。
【０１０７】
本発明の透析機は、従来設計よりも、透析液流をより均一にする。本研究は、平面ヘッダーが、流れのよどんだ領域を有意に減少させ得ることを示した。
【０１０８】
さらに、透析液流の分配は、Ｑｄ＝５００および１０００ｍｌ／分であるケースについて、非常に均一である。この流れのパターンは、２つのケースの間で非常に類似しており、そして速度の大きさは、Ｑｄに直接的に比例する。
【０１０９】
【表７】
2004528140.tif 000016
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2004528140.tif 000018
【０１１０】
【表８】
2004528140.tif 000019
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本明細書中に記載される本発明の好ましい実施形態に対する種々の変更および改変が、当業者に明らかであることが、理解されるべきである。このような変更および改変は、本発明の意図および範囲から逸脱することなく、そしてその意図する利点を減少せずになされ得る。従って、このような変更および改変は、添付の特許請求の範囲により網羅されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】図１は、本発明の透析機の１実施形態の透視図を示す。
【図２】図２は、本発明の透析機ヘッダーの１実施形態の底面図を示す。
【図３】図３は、本発明の透析機ヘッダーの別の実施形態の底面図を示す。
【図４】図４は、本発明の透析機ヘッダーのなおさらなる実施形態の底面図を示す。
【国際公開パンフレット】
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2004528140.tif 000025
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【国際調査報告】
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