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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-05-30
(45)【発行日】2023-06-07
(54)【発明の名称】酸素化システム
(51)【国際特許分類】
A61M 1/18 20060101AFI20230531BHJP
【ＦＩ】
A61M1/18 525
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2020545492
(86)(22)【出願日】2019-03-01
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-06-17
(86)【国際出願番号】 GB2019050579
(87)【国際公開番号】W WO2019166823
(87)【国際公開日】2019-09-06
【審査請求日】2021-12-07
(31)【優先権主張番号】1803400.9
(32)【優先日】2018-03-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(31)【優先権主張番号】1818112.3
(32)【優先日】2018-11-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(73)【特許権者】
【識別番号】517165302
【氏名又は名称】スペクトラム メディカル リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100111235
【弁理士】
【氏名又は名称】原 裕子
(74)【代理人】
【識別番号】100195257
【弁理士】
【氏名又は名称】大渕 一志
(72)【発明者】
【氏名】バウアーズ、 スコット
(72)【発明者】
【氏名】ターナー、 スティーブン
(72)【発明者】
【氏名】タマリ、 ジェレミー
【審査官】松江 雅人
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－０７９０８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－１６０２１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１６／１８１１８９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／０２６６７２（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６１Ｍ １／１６，１／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
体外換気システム用の酸素供給器であって、ガス血液インターフェースを通して酸素化ガスの供給と血液とのガス交換を可能にするように配置されたガス流路及び血液流路を含み、
前記ガス流路は、ガス入口ゾーンから前記ガス血液インターフェースを通ってガス排出ゾーンに通じ、
前記血液流路は、血液入口から前記ガス血液インターフェースを通って血液出口に通じ、
前記酸素供給器は、前記酸素化ガスの供給が前記ガス血液インターフェースの異なるインターフェース領域に対して異なるように調節されることを可能にする供給ガス分配装置を含み、
前記異なるインターフェース領域は、前記ガス血液インターフェースを通して導かれる血液が各インターフェース領域を通過するように血流方向に連続的に配置され、
前記ガス血液インターフェースは、前記血液流路内に均一に分布している、酸素供給器。
【請求項2】
前記供給ガス分配装置は、それぞれが前記ガス入口ゾーンを複数のガス入口セクションに分割する１つ以上の仕切りを含み、各セクションは、前記ガス血液インターフェースの異なる領域との境界を有する、請求項１に記載の酸素供給器。
【請求項3】
前記供給ガス分配装置は、それぞれが前記ガス血液インターフェースを複数のガス血液インターフェース区画に分割する１つ以上の仕切りを含む、請求項１又は２に記載の酸素供給器。
【請求項4】
前記ガス血液インターフェースを通る前記血液流路は円形又は楕円形の輪郭を有し、かつ／又は前記ガス血液インターフェースを通る血液流路は直線状である、請求項２又は３に記載の酸素供給器。
【請求項5】
前記ガス流路は直線的に延び、前記ガス血液インターフェースの構成は、前記ガス入口ゾーンに向かってガス流路開口部を含む中空繊維を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の酸素供給器。
【請求項6】
１つ以上の中空繊維又は１つ以上の中空繊維群の開口部を個別に閉鎖及び／又は開放することを可能にする機構を含む、請求項５に記載の酸素供給器。
【請求項7】
前記供給ガス分配装置は、それぞれが前記ガス入口ゾーンに酸素化ガスを供給するのに適した複数のガス入口ポートを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の酸素供給器。
【請求項8】
ガス入口セクションごとに別個の入口ポートが設けられている、請求項１から７のいずれか一項に記載の酸素供給器。
【請求項9】
流入血液の酸素濃度、流入血液の二酸化炭素濃度、流出血液の酸素濃度、流出血液の二酸化炭素濃度、及び血液温度から成る群から選択される１つ以上の血液値を表す測定値を得るための血液センサー装置を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の酸素供給器。
【請求項10】
酸素化ガス流量、酸素化ガス圧力、排気ガス流量、排気ガス圧力、排気ガス酸素濃度、及び排気ガス二酸化炭素濃度から成る群から選択される１つ以上のガス値を表す測定値を得るためのガスセンサー装置を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の酸素供給器。
【請求項11】
１つ以上の血液値又は１つ以上のガス値を表す１つ以上の測定値を受け取り、測定値に応答して酸素ガス供給ガスの流量及び／又は組成を調節するように構成された供給ガス制御システムを含む、請求項９又は１０に記載の酸素供給器。
【請求項12】
前記ガス血液インターフェースを迂回する前記血液入口から前記血液出口への迂回路を提供する静脈動脈シャントを含み、前記静脈動脈シャントは、前記酸素化ガスの供給に曝されることなく、流入血液の一部を前記血液出口へ進路変更することを可能にする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の酸素供給器。
【請求項13】
前記ガス血液インターフェースを迂回するように進路変更される流入血液の量を制御するためのシャント流量コントローラをさらに含む、請求項１２に記載の酸素供給器。
【請求項14】
１つ以上の血液値及び／又はガス値を表す１つ以上の測定値を受け取り、血液値を予め定められた設定値に維持するために前記測定値に応答して前記シャント通路を通して進路変更される血液の流量を調節するべく前記シャント流量コントローラを作動させるように構成される、請求項１３に記載の酸素供給器。
【請求項15】
それぞれが前記供給ガス分配装置に接続された１つ以上の酸素化ガス供給ラインを含む体外換気システムに含まれる、請求項１から１４のいずれか一項に記載の酸素供給器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガス状微小塞栓の気泡（ＧＭＥ）の形成を制限しながらＧＭＥの除去に有利な条件を提供する酸素化システム並びに体外血液酸素化及び二酸化炭素制御のための方法に関する。特に、本発明は、ＧＭＥの形成を除去及び／又は低減する条件を提供する酸素化システム及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
体外灌流は、患者からの血液が患者の体外に循環され、患者に戻される状態になるか又は血液が患者に戻されない体外検査の目的でのみ使用されるように、再酸素化されてその二酸化炭素レベルが調製されるプロセスである。より具体的には、静脈の（酸素が減少した）血液は、流入ラインすなわち静脈ラインを通して酸素供給器に供給され、酸素供給器で、血液は、流出ラインすなわち動脈ラインを通して動脈血として患者に戻すために、酸素供給器内の酸素化ガスへの曝露によって酸素化される。
【0003】
体外潅流は通常、例えば開心術や肺治療などの医療処置の間、心臓と肺の機能の代わりをするために使用される。その場合、体外血液はその後患者に戻すための状態になる。血液調整には、適切な温度、流量、ライン圧力の設定、及び抗凝固剤などの薬剤との混合が含まれる。酸素含有量及び二酸化炭素含有量に関しては、これは酸素供給器で調製され、酸素供給器で血液がガス血液インターフェースを通して酸素化ガスに曝され、ガス血液インターフェースを通して酸素が血液中に拡散して血液に取り込まれる。ガス血液インターフェースは、ガスが中空繊維の内部通路を通過する中空繊維のガス透過性壁と、中空繊維の外側の周囲の血液とによって提供され得る。血液が酸素供給器を出た後、通常、血液が患者に投与される前に血中酸素含有量を増加させる更なる可能性はない。関連する流量の実例を提供するために、成人患者では、血液は、毎分約５リットル（ｌｐｍ）の典型的な流量で循環され得る。この理由及び他の理由から、酸素供給器を出る血液が適切に酸素化され、二酸化炭素レベルが適切であることを確実にするために、多くのパラメータを制御しなければならない。
【0004】
特許文献１として公開され、その内容が参照により組み込まれている、本出願人による国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０５／０５３６９４は、酸素化ガスに対する排気ガスの流量を制御するための流量制御装置を含む換気システム用の酸素化システムを開示している。特許文献１は、低流量で高精度の酸素含有量を有する酸素化ガスを調合するための混合器も開示している。特許文献１に開示された混合器及び流量制御装置は、高度な混合精度を可能にしながら、かつ排気ガスを低いが酸素化ガスの供給よりも高い適切な流量で引き出すことを可能にしながら、酸素化ガスの低流量を維持するために使用することができる。
【0005】
特許文献１に記載されているように、低流量での制御された排気ガス除去を支援するために真空を使用することができるとしても、酸素供給器ハウジングは、排気側（出口）から酸素化ガス入口への正の圧力勾配を回避するために、酸素供給器の排気側での加圧を回避するべくその排気側に開口部に含むので、酸素供給器内のガス流は大気圧で達成される。出口から入口への著しい圧力勾配は、ガス血液インターフェース（通常、ガス透過性のガス交換繊維で構成される）を横切るガスの総量の導入につながり、その結果血液中に気泡が生じ、血液を患者に戻すのに危険なものにする。
【0006】
特許文献２として公開されている本出願人による英国特許出願ＧＢ１７０５５５６．７は、過圧に対する安全機構を含む圧力絶縁型の酸素供給器ハウジングを提供することによって、緊急時の圧力逃し要件を満たしながら低圧の（大気圧未満の）圧力状態を維持することができる酸素供給器の設計を開示している。低圧の圧力状態は、血液中の気泡の形成を減少させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】国際公開第２０１６／０８７８５９号
【文献】英国特許出願公開第２５６１２２１号明細書
【文献】国際公開第２０１６／０８７８６１号
【文献】英国特許出願公開第２５６３０６２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、体外灌流中の血液酸素化のための更なる選択肢を提供することに関係している。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の第１の態様によれば、請求項１に記載の酸素供給器が提供される。
【0010】
酸素供給器は、体外換気システム用であり、ガス血液インターフェースを介して酸素化ガスの供給と血液とのガス交換を可能にするように配置されたガス流路及び血液流路を含み、ガス流路は、ガス入口ゾーンからガス血液インターフェースを通ってガス排出ゾーンに通じている。血液流路は、血液入口からガス血液インターフェースを通って血液出口に通じている。
【0011】
酸素供給器は、酸素化ガスの供給がガス血液インターフェースの異なるインターフェース領域に対して異なるように調節されることを可能にする供給ガス分配装置を含む。異なるインターフェース領域は、ガス血液インターフェースを通して導かれた血液が各インターフェース領域を通過するように血流方向に連続して配置され、ガス血液インターフェースは、血液流路内に均一に分布される。
【0012】
ガス血液インターフェースは、中空繊維の束などのインターフェース構造がいわゆるポッティングによって一緒に保持される配置の形態で提供され得る。中空繊維は、ガス入口ゾーンからガス血液インターフェースを通ってガス排出ゾーンへのガス流路を提供する。ポッティングは、中空繊維のいずれかの端部に設けられ、血液流路の境界として２つの壁構造を提供する。一方の壁は、ガス入口ゾーンとガス血液インターフェースとの間の繊維の入口に面する側に位置し、他方の壁は、ガス血液インターフェースとガス排出ゾーンとの間の繊維の出口に面する側に位置する。ポッティングの間の領域は、酸素化ガスが中空繊維内を通過する間に血液が中空繊維の周囲を通過し得るインターフェースチャンバとみなすことができる。
【0013】
供給ガスは、「掃引」ガスとも呼ばれる酸素化ガスであると理解される。掃引ガスは、最初にガス入口ゾーンに供給され、そこからガスは、ガス血液インターフェースを構成する中空繊維の多くの異なる開口部に入ることができる。「供給ガス分配装置」とは、供給ガスがガス血液インターフェースの異なる領域に異なるように分配されることを可能にする構造又は機構を意味する。これを実現するための様々な構成は、以下により詳細に説明される。そのような構成は、それぞれがガス入口ゾーン及び／又は物理的分離の異なる領域に供給する複数の供給ガス入口、並びにガス入口区画を提供するための移動可能なセパレータ又はガス流を方向付けるための制御可能なフローダイバータを含み得る。
【0014】
血液流路内のガス血液インターフェースは均一に分布しており、異なるインターフェース領域にわたって実質的に連続的に延びている。これは、あたかも血液流路が単一のインターフェース領域を通り抜けるかのように、血液流路を通過する血液細胞が、異なるインターフェース領域を通過するか又は異なるインターフェース領域間を通過するかにかかわらず、実質的に同じ流れの状態を経験するように、異なるインターフェース領域間に目立った中断又は空隙がないことを意味する。
【0015】
いくつかの実施形態では、供給ガス分配装置は、それぞれがガス入口ゾーンを複数のガス入口セクションに分割する１つ以上の仕切りを含み、各セクションは、ガス血液インターフェースの異なる領域との境界を有する。
【0016】
いくつかの実施形態では、供給ガス分配装置は、それぞれがガス血液インターフェースを複数のガス血液インターフェース区画に分割する１つ以上の仕切りを含む。
【0017】
境界は、ガス入口ゾーンと接触しているポッティングの領域に相当すると考えられる。仕切りは、各セクションが異なる流量及び／又は組成の供給ガスによって供給されることを可能にする。これにより、ガス入口ゾーンとインターフェースチャンバとの間のセクション毎に異なるガス遷移条件が提供される。同様に、仕切りは、ガス血液インターフェースを分離することができる。仕切りは、ガス入口ゾーンからガス血液インターフェースまで延びることができ、ガス血液インターフェースを通って延びることができる。
【0018】
いくつかの実施形態では、ガス血液インターフェースを通る血液流路は円形又は楕円形の輪郭を含み、かつ／又は、ガス血液インターフェースを通る血液流路は直線状である。
【0019】
円形又は楕円形の輪郭は、流れの状態が凝固を促進する可能性のあるコーナー又はデッド領域を減少させ、実質的に回避する。直線的な血液流路は、ガス血液インターフェースを横切る均一な流れの状態を改善する。
【0020】
少なくとも１つの仕切りが、ガス入口セクションとガス血液インターフェースとの間の境界のサイズを調製するために移動可能であり得る。
【0021】
仕切りは、平行移動可能な壁、又はガス流方向転換フラップのような旋回可能な壁であり得る。
【0022】
少なくとも１つの仕切りは、ガス血液インターフェースの外壁と接触していてもよい。
【0023】
例えば、ガス血液インターフェースの外壁は、インターフェースチャンバの境界を構成するポッティング表面によって構成され得る。
【0024】
いくつかの実施形態では、ガス流路は直線的に延びている。
【0025】
これにより、ガス排出ゾーンをガス入口ゾーンの反対側、又は実質的に反対側に配置することができる。
【0026】
いくつかの実施態様では、ガス血液インターフェースの構成は、ガス入口ゾーンに向かうガス流路開口部を含む中空繊維を含む。
【0027】
いくつかの実施形態では、酸素供給器は、１つ以上の中空繊維又は１つ以上の中空繊維群の開口部を個別に閉鎖及び／又は開放することを可能にする機構を含む。
【0028】
これは、中空繊維のガス流路開口部の一部又は全てを塞ぐように構成された蓋機能又はシャッタ機能によって実現することができる。蓋又はシャッタは、ポッティング表面と接触していてもよい。
【0029】
いくつかの実施形態では、供給ガス分配装置は、流れを方向転換することができるフローダイバータを含む。フローダイバータは制御システムによって制御可能である。制御システムは、ガス血液インターフェースを通る所望の流れ特性を得るためにフローダイバータを調節する閉ループ制御を含み得る。
【0030】
いくつかの実施形態では、供給ガス分配装置は、それぞれがガス入口ゾーンに酸素化ガスを供給するのに適した複数のガス入口ポートを含む。
【0031】
これにより、異なる特性を有する酸素化ガスを、例えば、異なる流量及び／又は異なる組成で提供することができる。
【0032】
いくつかの実施形態では、ガス入口セクションごとに別個の入口ポートが設けられている。
【0033】
いくつかの実施形態では、酸素供給器は、流入血液の酸素濃度、流入血液の二酸化炭素濃度、流出血液の酸素濃度、流出血液の二酸化炭素濃度、及び血液温度から成る群から選択される１つ以上の血液値を表す測定値を得るための血液センサー装置を含む。
【0034】
いくつかの実施形態では、酸素供給器は、酸素化ガス流量、酸素化ガス圧力、排気ガス流量、排気ガス圧力、排気ガス酸素濃度、及び排気ガス二酸化炭素濃度から成る群から選択される１つ以上のガス値を表す測定値を得るためのガスセンサー装置を含む。
【0035】
いくつかの実施形態では、酸素供給器は、１つ以上の血液値又は１つ以上のガス値を表す１つ以上の測定値を受け取り、かつ測定値に応答して酸素ガス供給ガスの流量及び／又は組成を調節するように構成された供給ガス制御システムを含む。
【0036】
ガス及び／又は血液の流量及び／又は組成をそれぞれ制御する機構と連結されたセンサーは、ＰａＯ２、ＰａＣＯ２、及び／又は温度などの特定の特性を予め定められた設定値に維持するために、閉ループ制御が供給ガス及び血流を調節することを可能にする。
【0037】
例示的な閉ループ制御機構は、特許文献３として公開された本出願人による国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１５／０５３６９７に記載されており、その内容は参照により組み込まれている。
【0038】
本発明のガス分配装置は、血液特性を設定値に維持するためにガス組成、流量、及び／又は使用されるガス血液インターフェースの領域を調節することができることによって、ガス特性を変更するための別の機構を提供する。特性を「維持する」とは、システムがガスパラメータ（流量、組成、インターフェース面積）を補正するように応答し、それによって一時的な変動を補正することを意味する。
【0039】
いくつかの実施形態では、酸素供給器は、ガス血液インターフェースを迂回する血液入口から血液出口への迂回路を提供する静脈動脈シャントを含み、静脈動脈シャントは、酸素化ガスの供給に曝されることなく、流入血液の一部を血液出口へ進路変更することを可能にする。
【0040】
いくつかの実施形態では、酸素供給器は、ガス血液インターフェースを迂回するように進路変更される流入血液の量を制御するためのシャント流量コントローラを含む。
【0041】
いくつかの実施形態では、酸素供給器は、１つ以上の血液値及び／又はガス値を表す１つ以上の測定値を受け取り、測定値に応答してシャント通路を通して進路変更される血液の流量を調節するべくシャント流量コントローラを作動させるように構成される。
【0042】
いくつかの実施形態では、酸素供給器は、それぞれが供給ガス分配装置に接続された１つ以上の酸素化ガス供給ラインを含む体外換気システムに含まれる。
【図面の簡単な説明】
【0043】
次に、図を参照して本発明の例示的な実施形態を説明する。
【図1】従来技術の酸素供給器の構成を示す。
【図2】酸素供給器の実施形態の概略図である。
【図3】一実施形態を含む体外灌流システムの概略図である。
【図6】１つの動作モードにおける別の実施形態の概略図である。
【図9】別の実施形態の概略図である。
【図10】別の実施形態の概略図である。
【図12】複数の実施形態で使用されるコンポーネントの概略分解図を示す。
【図15】酸素化方法のシーケンスのステップを示す。
【発明を実施するための形態】
【0044】
図１は、体外換気に使用される既知の酸素供給器１に見られると予想される要素を示す。酸素供給器１は、酸素を含むガス供給に酸素が減少した血液、すなわち静脈血を曝し、それにより酸素が豊富な動脈血を提供するために血液を酸素化して二酸化炭素を除去する血液とガス供給との間のガス交換を可能にするために提供される。酸素供給器１は、静脈血が酸素供給器１に供給される血液入口２と、さらなる使用のために、しばしば患者に戻される動脈血としてだけでなく、純粋に体外検査の目的のために流出血液が酸素供給器１を出る血液出口３とを含む血液流路を含む。酸素供給器１はまた、吸気チャンバ５を経てガス血液インターフェース７を通り、排気チャンバ８を経て排気通路９に至る掃引ガス供給部４を含むガス流路を含む。
【0045】
現代のガス血液インターフェースは通常、微孔性、ガス透過性の特性を有する、数千の中空微孔性繊維の束を含む。掃引ガスは繊維の内部の中空空間を通って供給され、血液は繊維の周りを流れ、ガス交換は、血液及びガス中の酸素及び二酸化炭素の濃度間の相対的な拡散勾配によって促進される。中空繊維は、吸気チャンバ５及び排気チャンバ８から血液流路を封鎖するいわゆるポッティング７によってそれらの端部で一緒に保持されている。この設計は、吸気チャンバ５からガス血液インターフェース６を通るガス流の状態、特に流量及び体積が、制御可能である限り、単一の静的なガス供給ポートから予想されるように均一であると予想されるようなものである。動作中、血液が酸素分子を捕捉するにつれて酸素含有量が徐々に減少し、血中二酸化炭素から酸素化ガスへの拡散によって二酸化炭素含有量が徐々に増加しているので、ガス組成及び圧力は、入口向きポッティング７から出口向きポッティング７に向かって中空繊維に沿って変化することが理解されるであろう。しかしながら、吸気チャンバ５から所定の距離については、中空繊維のガス流状態は同様であり、実質的に均一である。
【0046】
このような酸素供給器のタイプの目的は、流出血液中の酸素ＰａＯ２の分圧を調節することである。この目的は、流出血液中の二酸化炭素ＰａＣＯ２の分圧を調節することでもある。ＰａＯ２は酸素化ガスの酸素パーセンテージ（すなわち酸素分圧）を調整することによって調節することができ、残りの成分は主に窒素である。ＰａＣＯ２は、酸素化ガスの流量を調製することによって調節することができる。本出願人の特許文献１及び特許文献３に記載されているような酸素化ガス供給システムを用いて、酸素化ガスの組成と流量の両方を同時に制御することができ、これにより流出血液で予想されるＰａＯ２とＰａＣＯ２の両方を同時に調節することができる。
【0047】
図２は、本発明の実施形態による酸素供給器１０を示す。酸素供給器１０は、酸素供給器１０を通る血液流路を提供する血液入口１２及び血液出口１４を含む。酸素供給器１０は、第１の掃引ガス流量コントローラ２３を有する第１の掃引ガス供給部２２と、第２の掃引ガス流量コントローラ２５を有する第２の掃引ガス供給部２４とを含む。第１及び第２の掃引ガス供給部２２及び２４は、ハウジングのガス入口ゾーン２８に通じている。ガス入口ゾーン２８は、複数の中空繊維３４を含むガス血液インターフェース３２に流体的に接続されている。このため、酸素供給器１０は、膜酸素供給器とも呼ばれる。中空繊維３４は、ガス入口端ではガスインターフェースの境界を構成する入口向きポッティング３０によって、ガス排出端では出口向きポッティング３６によって集められている。ガス流路は、ガス入口ゾーン２８から中空繊維３４を通ってガス血液インターフェース３２の下流の排気ゾーン４０に通じ、そこから排気ガスライン４２がガスを抽出する。酸素供給器１０は、酸素化ガスの汚染を避けるために、ガス入口ゾーン２８において気密であるハウジングを含む。他方の端部では、排気ゾーン４０に、ハウジングは、ガス血液インターフェース３２内での圧力上昇を避けるために、周囲との圧力平衡を可能にするいくつかの開口部４４を含む。血液入口１２と血液出口１４との間の血液流路は、ガス血液インターフェース３２によって提供され、入口向きポッティング３０と出口向きポッティング３６とによって境界され、中空繊維３４の外側の体積によって構成される。ポッティング３０と３６との間の領域は、ガス血液インターフェースチャンバを提供する。
【0048】
ガス入口ゾーン２８内で、酸素供給器１０は、ガス入口ゾーンを２つの区画、第１のガス入口区画２８Ａ及び第２のガス入口区画２８Ｂに少なくとも部分的に分離する仕切り２６を含み、各区画はガス入口ゾーンのセクションを構成する。各ガス入口区画２８Ａ、２８Ｂは、入口向きポッティング３０の異なる部分に隣接しているとみなすことができる。したがって、各ガス入口区画は、ガス血液インターフェース３２と異なる境界を有する。いくつかの中空繊維束は、第１のガス入口区画２８Ａに接続され、第１のガス入口区画２８Ａからのガスによって供給可能である。これらの中空繊維は、図２に第１の中空繊維群３４Ａとして示されている。同様に、第２の中空繊維群３４Ｂの組が、第２のガス入口区画２８Ｂに流体的に接続されている。
【0049】
仕切り２６は、図２に固定位置で示されている。仕切り２６は、例えば、図１１から図１４を参照して以下にその実施例を説明する酸素供給器の造形デザインに従って、適切な位置に固定することができる。仕切り２６は、様々な位置に再配置可能であり得る。再配置可能な仕切りは、第１のガス入口区画２８Ａを通して又は第２のガス入口区画２８Ｂを通して供給され得る繊維の数を変更することを可能にする。仕切り２６は、ポッティング３０を横切って移動可能であり得る。これにより、第２の中空繊維群３４Ｂに対する第１の中空繊維群３４Ａの数の比、及びそれによってその面積の比を動的に変更することができる。仕切り２６は、それぞれの他の領域に（例えば、第１のガス入口区画２８Ａから第２の中空糸膜３４Ｂへ）浸入する少量のガスが許容できる可能性があるので、必ずしもポッティングに対してシールする必要がない場合がある。また、中空繊維は密に充填されており、仕切り２６の縁は中空繊維の直径よりも大きくてもよい。入口向きポッティング３０と接触する仕切りの縁は、仕切りで覆われた中空繊維が第１又は第２のガス入口区画のいずれかによって実質的に供給できないように、一定量の中空繊維を覆うことができる。逆に、仕切り２６が入口向きポッティング３０と密接に接触していない場合、仕切りの直下の中空繊維は両方のガス入口区画によって供給可能であり得る。
【0050】
図２において、仕切り２６は、第１の掃引ガス供給部２２が第１のガス入口区画２８Ａに導かれ、第２の掃引ガス供給部２４が第２のガス入口区画２８Ｂに導かれるように配置されている。各掃引ガス供給は、それぞれの掃引ガス流量コントローラ２３及び２５によって別々に制御可能である。ガス入口区画の数に応じて、より多くの掃引ガス供給を提供することができる。各掃引ガス供給は別々に制御可能であり得る。掃引ガスは、ガス血液インターフェースに供給されることが意図される組成を有すると理解される。
【0051】
図３は、酸素供給器１０を含む体外灌流システムを示す。図３では、図を簡単にするために、酸素供給器１０の内部に中空繊維は示されておらず、いくつかの接続部（血液入口１２及び血液出口１４）は、異なる位置に配置されているが、図２及び３の酸素供給器１０は同一であり得ることが理解されるであろう。同様に、本発明の他の酸素供給器の実施形態を体外灌流システムと共に使用することができる。静脈血は、血液入口１２を通って静脈血リザーバ１３に流れ込み、そこから血液は、ポンプ１５を通って酸素供給器１０に向かって圧送される。静脈血１２は、血液リザーバ１３及びポンプ１５を通過するときに状態が変化してもよく、薬剤が提供され得る。本明細書の目的のために、静脈血は、酸素化されてその二酸化炭素含有量を減少させるために、酸素供給器１０に供給されることが意図された血液である。酸素供給器１０において、血液は酸素化ガスに曝され、血液出口１４を通って流出する。ガス供給源２０は、第１の掃引ガス供給部２２を通して酸素供給器１０に向けて酸素化ガスを供給するように構成されている。図３はまた、酸素供給器１０に酸素化ガスを供給する第２の掃引ガス供給部２４を示す。また、酸素供給器１０は、温度制御液１８に接続されている。ガス交換後、ガスは、排気ガスライン４２を通って酸素供給器１０を出る。排気ガスの流れは、低圧源であり得るガス抽出器４６によって制御される。低圧源は、ガス入口ゾーン２８から排気ゾーン４０への流れを促進するのに十分な排気ガス流を生成する。実際上は、酸素供給器のガス血液交換ダイナミクスを評価する場合、流れを誘発する圧力勾配は、通常、無視できると考えられ、多くの場合、酸素供給器１０を横切る圧力プロファイルは、実際に達成可能な限り一定であると考えられる。酸素供給器１０が作動する圧力は、特に排気側の酸素供給器１０のハウジングは補助通気口を提供する開口部４４を含むので、大気圧である。酸素供給器１０に関する本明細書の目的のために、流入血液は、血液入口１２を通って酸素供給器１０に向けて供給され、流出血液は、血液出口１４を通って酸素供給器から除去される。
【0052】
図３は、任意選択の血液流路、すなわち、シャントオフテイク１２Ａを介して血液入口１２からシャント合流位置１４Ａを介して血液出口１４への直接流体接続を提供し、酸素供給器１０を迂回する、静脈動脈シャント１６を示す。静脈動脈シャント１６が閉じられている場合、あたかもシャント１６が設けられていないかのように、血液は酸素供給器１０を通過する。静脈動脈シャント１６が開いている場合、これにより、静脈血の一部が酸素供給器を迂回して、酸素化された血液と混合されることが可能になる。静脈動脈シャント１６には、酸素供給器１０を迂回する静脈血の量を制御することを可能にする流量コントローラが設けられている。これにより、酸素供給器で処理された血液と酸素化されていない血液との間の比率を設定することができ、一方、「酸素化されていない」という表現は、所与のサイクルにおいて、ガス血液インターフェースを迂回し、酸素化ガスに曝されなかった静脈血を定義するために本明細書で使用される。静脈動脈シャントの流量コントローラは、ポンプ又は流量制限手段であり得る。静脈動脈シャントは、逆流防止手段を含み得る。静脈動脈シャントの流れは、血流が酸素供給器１０を迂回するのを可能にするために静脈動脈シャント１６が開いているときに、潅流システムのポンプ１５によって行われ得る。シャント流量コントローラは、ポンプ又はクランプのような徐々に作動可能な流量コントローラであってもよい。
【0053】
図４から図９は、酸素供給器１０、１０Ａ及び１１の変形例を示し、これらの酸素供給器の変形例の様々な動作モードを示す。酸素供給器１０、１０Ａ及び１１の同様の要素は図２及び図４から図９において同じ符号で識別され、簡潔にするために対応する部分の説明は全ての図について繰り返さない。
【0054】
図４は、掃引ガスが第１の掃引ガス供給部２２のみを通して供給される第１の動作モードを示す。第１の掃引ガス流量コントローラ２３は開いている。第２の掃引ガス流量コントローラ２５は閉じている。これにより、第１のガス入口区画２８Ａに流体接続している第１の中空繊維群３４Ａに掃引ガスが供給される。ガス流が斜線で示されている。斜線は、予想されるガス流のルートを概念的に視覚化するための単なる例示であることが理解される。第２の中空繊維群３４Ｂは、仕切り２６が第１のガス入口区画２８Ａから第２の中空繊維群３４Ｂに向かうガス流を妨げるか、又は構成に応じて遮断するので、掃引ガスによって供給されない。排気ゾーン４０では、排気ガスは、抽出器４６（図３参照、図４には図示せず）を通して抽出されるので、ガスは、排気端からも第２の中空繊維群３４Ｂから引き出される。仕切り２６は、掃引ガス供給制御と組み合わせて、ガス血液インターフェースのためのガス分配装置を提供することが分かる。ガス分配装置によって、ガス入口ゾーンから排気ゾーンへのガス流状態を不均一に提供することができ、すなわち、設計により、ガス流体インターフェースのいくつかの部分には、他の部分とは異なるように調整された酸素化ガス又は異なる酸素化ガス状態が意図的に提供される。これは、酸素化状態が均一である上記の図１の状況とは対照的である。
【0055】
図５は、第１の掃引ガス供給部２２と第２の掃引ガス供給部２４の両方を通して掃引ガスが供給される第２の動作モードを示す。掃引ガス流量コントローラ２３と２５の両方が開いている。掃引ガスの流れは斜線で示されており、第２の中空繊維群３４Ｂに掃引ガスが供給されていることが理解できる。掃引ガス流量コントローラ２３及び２５は、異なる流量に設定することができる。酸素化ガスは、同じ組成を有し得る。例えば、酸素化ガスは同じ供給源から発生していてもよい。第１の掃引ガス供給部２２の酸素化ガスは、第２の掃引ガス供給部２４の酸素化ガスとは異なる組成のものであり得る。例えば、掃引ガス供給のために異なる供給源が使用され得る。同様に、同じ供給源を使用することができ、１つの掃引ガス供給部は、供給ガス成分のための追加の取入れ口（又は、３つ以上の掃引ガス供給部の場合には、１つ以上）を含む。共通の排気ライン４２上の設備は、酸素供給器１０を横切る総ガス流の測定及び／又は制御を容易にする。
【0056】
図６は、ガス入口２１として示されている、単一のガス入口によって供給される酸素供給器１１を示す。ガス入口２１は、掃引ガスを、仕切り２６によって第１のガス入口区画２８Ａ及び更なる区画２８Ｃに分離されているガス入口ゾーン２８に供給する。更なる区画２８Ｃは、酸素化ガスによって直接供給されない。図４に示したものと同様に、ガス血液インターフェース３２の第１の中空繊維群３４Ａのみが、第１のガス入口区画２８Ａと流体接続しており、したがって酸素化ガスによって供給される。ガス血液インターフェース３２の残りの中空繊維３４Ｃは、更なる区画２８Ｃと流体接続しており、酸素化ガスによって供給されない。前述したように、仕切り２６は、ポッティング３０との完全な気密シールを必ずしも提供する必要はない。この場合、一部の酸素化ガスが、実際には、第１のガス入口区画２８Ａから仕切り２６を通過して更なる区画２８Ｃに入り、そこから酸素化ガスは残りの中空繊維３４を通って排気ライン４０に抽出される。更なる区画２８Ｃに入る酸素化ガスの量は、測定可能であるとしても、無視できると考えられる。
【0057】
図７は、仕切り２６を移動させて第１のガス入口区画２８Ａを増加させた図６の酸素供給器１１を示している。これにより、より多くの中空繊維が第１の中空繊維群３４Ａに含まれるように、第１のガス入口区画２８Ａと中空繊維との間のポッティング３０におけるインターフェース面積が増加する。逆に、仕切り２６は、第１のガス入口区画２８Ａのサイズ及び第１の中空繊維群３４Ａにおける対応する遷移の数を減少させるように移動可能であることが理解される。
【0058】
区画間のサイズ又は比率は、本明細書の実施例に示したものと異なってもよい。例えば、第１のガス入口区画２８Ａは、第１の中空繊維群３４Ａの繊維の数と第２の中空繊維群３４Ｂの繊維の数との比が約１：１、又は約１：２、約１：３、又はその逆の比となるような寸法にすることができる。１：２の構成では、第１の掃引ガス供給部２２を介した供給により、中空繊維の約１／３に酸素化ガスが供給される。
【0059】
図４から図７は、ガス入口ゾーンを２つの区画に分離するための１つの仕切り２６を示す。異なる数のガス入口区画、例えば、３つ、４つ、５つ又はそれ以上のガス入口区画を設けることができる。区画のそれぞれは、別々の入口ガス供給によって供給することができる。入口ガス供給は、例えば、各入口ガス供給が異なる組成及び異なる流量を有し得るように、供給源ごとに別個であり得る。入口ガス供給は、同一のガス源を使用し、それぞれが個別の流量制御を有する２つ以上の供給分岐を有するマニホールドに分岐し得る。その場合、各分岐は同じ組成の掃引ガスを供給するが、各分岐を通る掃引ガスの各区画への流量は個別に制御することができる。
【0060】
例えば、ガス入口ゾーンは、６つのガス入口区画に分割され得る。掃引ガスは、単一の供給源からチャンバのそれぞれに別個のガス入口を提供するマニホールドを通して供給されてもよく、各ガス入口は別個のガス流量制御を含む。６つの区画の実施例において、各区画が同じサイズのポッティング３０との接触領域を有する場合、各区画を使用して中空繊維の１／６を供給することができる。このような構成は、移動可能な仕切りを必要とせずに、中空繊維の総面積の１／６ずつの面積を提供することを可能にする。このタイプの構成は、ガス入口ゾーン内の可動部分を必要とせずに、中空繊維領域全体をいくつかの異なる比率の別々の供給可能な領域に容易に分離することを可能にすることが分かる。例を提供するために、領域は、２：１（異なるサイズの２つの区画）、１：１：１（同じサイズの３つの区画）、２：１：１：２（提供された領域を２つの１／２又は３つの１／３に分割するための４つの区画）などのように、同じサイズ又は異なるサイズのいずれかであり得る。初期計算は、ガス入口ゾーンを１：１又は２：１のいずれかの比で２つの別々に供給可能な領域に分離することにより、十分な程度の酸素化制御が提供されると同時に、２つの別々の掃引ガス供給チャネルを提供するために必要とされる設計労力が軽減されることを示す。
【0061】
酸素供給器１０は、酸素化ガスを排気チャンバ４０から、したがって排気チャンバ４０に合流する全ての中空繊維３４から移動させるのに十分な共通の排気ライン４２を有する。実施形態は、中空繊維群ごとに別々に制御可能な排気ラインを含み得る。
【0062】
上に示した構成では、血液は、全ての中空繊維が酸素化ガスによって供給されるか否かにかかわらず、血液入口１２から両群３４Ａ及び３４Ｂからの中空繊維を通って流れる。これにより、異なるインターフェース領域が、繊維群３４Ａ及び３４Ｂで構成されるガス血液インターフェースを通って導かれる血液の血流方向に連続的に配置される。図２及び図４～図７に示す構成により、ガス血液インターフェースを通して導かれる血液は、異なるインターフェース領域のそれぞれを通過する。図２及び図４～図７に示すように、ガス血液インターフェースは、血液流路内で連続的に延びる。誤解を避けるために、血液は、図の読み取り方向において、上から下に流れ、第１の中空繊維群３４Ａの前に第２の中空繊維群３４Ｂを通過する。このため、ガス交換は、血液と、酸素化ガスが供給されているか否かにかかわらず、第２の中空繊維群３４Ｂを含む中空繊維内の雰囲気との間で起こり得る。
【0063】
酸素化ガスによって供給されない繊維を通過する血液は、それでもなお繊維壁の内部の中空空間内でガスとのガス交換を経験する。しかしながら、酸素化ガスからの酸素又は窒素で飽和された雰囲気が存在しないため、分圧は血液から内部の繊維への窒素ガスの拡散に有利に働く。
【0064】
水が、中空繊維の内部で繊維をふさぐのに十分な量で凝縮する場合がある。このような凝縮液は、ガス流量を短時間増加させること（いわゆる「溜息」）により除去することができる。溜息中に繊維に供給された酸素は、排気ライン４２を通して迅速に除去される。実際上は、相対的な流量と通過時間のために、ため息の手順は血液中のガス分圧に影響を与えない。
【0065】
【0066】
図８は、図２の酸素供給器１０と、これに関連して、血液入口１２と血液出口１４との間で酸素供給器１０を迂回する図３と同様の静脈動脈シャント１６とを示す。静脈動脈シャント１６の通路は、酸素供給器１０と一体ではない。図３を参照して説明したように、静脈動脈シャント１６は、徐々に開いたり閉じたりすることができる。静脈動脈シャント１６は、酸素供給器１０の流量制御システムと機能的に結合された閉ループ制御を可能にするために、流量コントローラ及び流量感知手段によって操作され得る。したがって、一実施形態は、酸素供給器及び静脈動脈シャントのシステムを提供することができる。静脈動脈シャントを設けることにより、酸素化されていない（ガス血液インターフェースによって処理されていない）静脈血を酸素供給器で処理された血液と混合して混合血液を提供することができる。ＰａＯ２、ＰａＣＯ２などの成分の相対濃度のような混合血液の特性、及び温度などの特性は、酸素供給器で処理された血液及び酸素化されていない血液のそれぞれの特性、並びに酸素化されていない血液に対する酸素供給器で処理された血液の比率に依存することが理解されるであろう。一例として、酸素供給器で処理された血液が高酸素である（酸素含有量が高すぎる）場合、必要量の酸素が少ない静脈血と混合すると、混合血液の酸素含有量が減少する。このように、酸素供給器で処理された血液を酸素化されていない血液と混合することにより、酸素パーセンテージを高酸素状態未満に低下させることができる。
【0067】
図９は、同じ符号で示されるように、多くの態様で図２及び図８の酸素供給器１０に対応する酸素供給器１０Ａを示す。酸素供給器１０Ａは、酸素供給器１０Ａと一体の静脈動脈シャント１６Ａを含む。静脈動脈シャント１６Ａは、ガス流路から、特にガス血液インターフェース３２からガス分離されているので、静脈動脈シャント１６Ａを通過する血液は、酸素供給器内の酸素化ガス又は他の雰囲気とのガス交換を行わない。酸素供給器１０Ａを通って分流された静脈血は、酸素化機構を迂回し、酸素化されている酸素供給器で処理された血液と混合するために、酸素化されていない血液として利用可能にすることができる。
【0068】
静脈動脈シャント１６Ａは、少なくとも部分的又は完全に酸素供給器ハウジングの内側にあるか又は少なくとも部分的又は完全に酸素供給器ハウジングの外側にある経路をたどることができる。静脈動脈シャント１６Ａは、少なくとも部分的に又は完全にガス血液インターフェース３２を通るか又はガス血液インターフェースの周りであるが酸素供給器ハウジング内を通る経路をたどることができる。静脈動脈シャント１６Ａは、酸素供給器１０Ａを流入血液ラインに接続するために単一のコネクタが必要であり、酸素供給器１０Ａを流出血液ラインに接続するために単一のコネクタが必要であり、静脈動脈シャントが内部迂回路を通って供給されるという意味で酸素供給器１０Ａと一体であり得る。これにより、臨床スタッフが組み立てる接続の数が減少する。酸素供給器１０Ａは、ガス血液インターフェースの下流に、酸素供給器で処理された血液と酸素供給器で分流された血液との完全な混合が促進される保持チャネル又は混合領域１７を含み得る。混合領域１７は、酸素供給器ハウジングの内側又は酸素供給器ハウジングの外側にあり得る。酸素供給器内に静脈動脈シャントを設けることにより、酸素化されていない血液の温度制御を酸素供給器に統合することができる。
【0069】
酸素化システムは、酸素供給器の上流、酸素供給器の下流、及び／又は静脈動脈シャント１６の上流及び／又は下流、特に血液出口１４のシャント合流位置の上流及び下流の位置に、血液酸素及び二酸化炭素などの対象の血液ガスを監視するための血液ガスセンサー装置を含み得る。これにより、酸素供給器の上流の血液ガス値、酸素化されていない血液と混合される前の酸素供給器で処理された血液の血液ガス値、及び酸素供給器で処理された血液及び分流された血液を含む混合血液の血液ガス値を監視することが可能になる。酸素供給器流量コントローラ及びシャント流量コントローラと組み合わせて、血液ガスセンサーは、血液ガス成分が正確な設定値に調節されることを可能にする閉ループ制御が提供されることを可能にする。例えば、設定値はＰａＯ２レベルであり得る。酸素供給器で処理された血液が高酸素である場合、高酸素状態を目標状態に低下させるのに必要な静脈血の量は、静脈血の血液ガス値から導き出すことができる。同様に、感知された血液の血液ガス値は、酸素供給器で処理された血液又は分流された血液の量を増加させるためにフィードバックループを提供することを可能にする。
【0070】
同様に、酸素化システムは、酸素供給器の上流、酸素供給器の下流、静脈動脈シャント１６の上流及び／又は下流、並びに血液出口１４のシャント合流位置の上流及び／又は下流の位置に、血液の温度を監視するための温度センサー装置を含み得る。これにより、混合血液の温度制御がより良好になる。例えば、混合血液の温度制御なしに、酸素化されていない血液が所望よりも高く、酸素供給器で処理された血液が必要な温度（温度制御液１８で設定される、図３参照）を有する場合、混合血液の温度は、それに応じて酸素供給器で処理された血液の設定値よりも高い可能性がある。その例では、閉ループ制御は、混合血液が意図された温度を有するように、酸素化されていない血液との混合を考慮するように温度制御液を調節することを可能にする機構を提供する。
【0071】
静脈動脈シャントにより、酸素供給器は、さもなければ多くの酸素を含み過ぎて高酸素状態を回避できないであろう掃引ガス量で供給されることが可能になる。これは、その結果、流出血液の二酸化炭素含有量を調節するために掃引ガス流量を調節する機会を提供する。さらに、静脈血の二酸化炭素濃度、及び酸素化された血液に対する酸素化されていない（分流された）血液の比率又は量を知ることにより、掃引ガス流量を調節して、流出血液の所望の含有量を達成することができる。非常に単純化された例として、掃引ガス流量を調節して、酸素供給器で処理された血液では低すぎるが、酸素供給器で処理された血液を分流された血液と混合した後は所望の設定値に近い二酸化炭素濃度を設定することができる。
【0072】
これにより、シャント１６及びシャント１６Ａは、酸素供給器から供給される血液が高酸素であるリスクを低減する機構を提供する。
【0073】
酸素供給器１０は、通常使用されるよりも高濃度の酸素を含む酸素化ガスを提供することを可能にする。従来の掃引ガスは、空気の組成と同様に、約２１％の酸素と、約７９％の窒素とで構成されている。動脈血中の酸素分圧の所望のレベルに達するために必要とされ得る範囲でのみ、膜型酸素供給器においてより高い酸素パーセンテージが使用される。掃引ガス中の酸素パーセンテージが、動脈血中の所望の酸素分圧を達成するために必要とされる酸素パーセンテージを超える場合、これは、患者に供給される血液の酸素含有量が必要以上に高い状態である高酸素状態を引き起こすリスクがあり、これは、潜在的に患者に有害である可能性がある。
【0074】
一方、掃引ガス中のより高い酸素パーセンテージは、より低い窒素のパーセンテージを可能にし、さもなければ、必要な全ガス圧を達成するために、より高い窒素のパーセンテージが必要とされるであろう。しかしながら、窒素ガスは、血液中に生じて残るガス状微小塞栓（ＧＭＥ）、すなわち気泡の主な発生源である。これは、酸素化ガスに含まれる窒素が、酸素供給器で処理された血液からの窒素ガスの除去を妨げるためである。これは、酸素化ガス中の窒素分圧が血漿中に溶解した窒素分圧に対して類似しており、実質的に等しいので、拡散勾配がないためである。
【0075】
これに関連して、特許文献２として公開された本出願人による英国特許出願ＧＢ１７０５５５６．７は、低圧又は大気圧未満の圧力下で酸素化を行うことを可能にする酸素化システムを開示している。これにより、低圧条件下での全酸素化ガス圧は高酸素症を引き起こすほど高くないので、２１％より高い酸素パーセンテージ、さらには１００％に近い酸素パーセンテージすなわち実質的に純粋な酸素さえも酸素化ガスに供給することができる。同時に、相対圧力は血液からの窒素ガスの除去を促進する。しかしながら、低圧条件下で酸素供給器を安全に作動させることは困難であり、信頼できる安全な低圧酸素化条件を提供するための解決策は、特許文献２及び特許文献４として公開されている、本出願人による英国特許出願ＧＢ１７０５５５６．７及びＧＢ１７０８８１０．５に記載されている。
【0076】
本明細書に記載の酸素供給器の構成は、通常の大気圧条件下で、２１％より高い酸素化ガス中の酸素含有量、さらには１００％に近い酸素含有量すなわち実質的に純粋な酸素さえも使用することを可能にし、同時に高酸素症の発生を低減し、実際的に回避する機構を提供する。
【0077】
本発明は、窒素含有量のない又はより低い酸素化ガスの使用が、制御された酸素化及び二酸化炭素の除去を依然として可能にしながら、血液からの窒素の除去に有利に働くという認識に基づく。
【0078】
これは、最大１００％の酸素であり得る酸素化ガスを中空繊維の一部のみに通すことによって達成される。この配置の実際的な効果は、ガス血液インターフェースの掃引ガス曝露領域が、酸素供給器の動作中に調節可能なことである。血液は、酸素化された中空繊維（例えば、図４に示す第１の繊維群３４Ａ）を通過する前に、酸素化されていない中空繊維（例えば、第２の繊維群３４Ｂ）を通って実質的に連続的な流れで通過する。例えば、図４に記載されるような装置及び動作モードを使用して、図４において、血液は、第１の中空繊維群３４Ａを通過する前、及び血液出口１４を通って出る前に、酸素供給器１０の上部から第２の中空繊維群３４Ｂを通過して、実質的に連続的に酸素供給器に流れることができる。仕切り２６は、第１のガス入口区画２８Ａと第２のガス入口区画２８Ｂを１：１の比率で（図４に示すように）又は１：２などの他の任意の比率で分割するように配置され得る。１：２の構成では、第１のガス入口区画２８Ａは、中空繊維３４の総数の約１／３の通気を可能にする。第２のガス入口区画２８Ｂは、残りの２／３の中空繊維３４Ｂの通気を可能にする。通気されているか否かにかかわらず、これらの繊維の２つの領域を通過する血液は、ガス交換が行われる場所である。第１及び第２の中空繊維群３４Ａ及び３４Ｂに対して異なる流量を使用すること及び／又は異なる酸素化ガス組成を使用することにより、異なる酸素勾配及び総ガス勾配を達成することができる。第１及び第２の中空繊維群３４Ａ及び３４Ｂを通る流量は、二酸化炭素除去率に影響を与える。
【0079】
図示の実施例では、能動的に空気を通される中空繊維の総面積を制限することにより、血液の酸素化の取り込みに影響を与えることができ、流量は二酸化炭素除去率の制御を提供する。
【0080】
既知の酸素供給器の設計では、酸素化速度は、酸素化ガスの組成、主に酸素と窒素との比を調節することによって制御され、潜在的に有害であると考えられる点まで高酸素症を誘発しないように注意しなければならない。例えば、従来の酸素供給器の設計において時間をかけて純酸素を連続的に供給すると、有害なレベルで高酸素症を引き起こす可能性が非常に高い。本明細書に記載の構成では、より高い酸素含有量、さらには１００％の酸素さえも使用しながら、酸素化速度に影響を与えることができる。また、二酸化炭素又はカルボゲンガス混合物を加えることにより酸素化ガス組成を調節する選択肢もあるが、酸素化ガス中の酸素分圧をより低くするために酸素化ガス中に窒素を使用する必要はない。このように、供給されるガスの窒素分圧が低い場合、又はガス血液インターフェースに供給される窒素の量が無視できる程度である場合、時間の経過と共に血液からの溶存窒素のより良好な除去率を達成することが可能である。
【0081】
推定酸素移動速度は、患者のサイズ、代謝要求、及び血流量を含むが必ずしもこれらに限定されない要因に基づいて計算することができる。推定酸素移動速度が、第１の掃引ガス供給部を介した純酸素の最大ガス流によって達成できる最大酸素移動速度よりも大きい場合、酸素供給器１０は、追加のガスが第２の中空繊維群３４Ｂに方向付け／進路変更されることを可能にする。第１及び第２の掃引ガス供給部２２のガス流量は、所望の二酸化炭素除去率を達成するように調節することができる。
【0082】
例えば、第２の中空繊維群３４Ｂには酸素化ガスは供給されないが、酸素分圧が低いために血液中のガスの総分圧が最も低い静脈血は、第２の中空繊維群３４Ｂの中空繊維と相互作用することができる。一実施例では、第２の中空繊維膜３４Ｂを通って流れるガスがないか、又は実質的に存在しない場合、静脈血中に存在するガス状微小塞栓（ＧＭＥ）は、その除去を促進する圧力勾配状態を経験する。ＧＭＥの除去は、ＧＭＥと中空繊維の内側との間の勾配、及びＧＭＥ気泡が中空繊維の表面を通過する際に血液によってＧＭＥ気泡に加えられる物理的圧力によって起こる。したがって、血液は、第２の中空繊維群３４Ｂを通過した後、第１の中空繊維群３４Ａに到達する前に、著しく減少した数のＧＭＥを含み得る。血液が第１の中空繊維群３４Ａを通過するとき、中空繊維は高い又は純粋な酸素含有量で供給されるので、血液はより急な酸素分圧勾配で酸素化される。同時に、酸素化ガスは、血液より高い窒素分圧を含まない限りは、ＧＭＥの形成を促進しない。
【0083】
記載した構成の例示的な使用では、血液を酸素化するための有利な状況は、第１の中空繊維群３４Ａを通過する血液に限定される１つの動作モードにある。結果として得られる血液酸素圧が十分に高くない場合、本構成は、追加の酸素化ガスを第２の中空繊維群３４Ｂに供給することを可能にする。ガス供給量は、徐々に増加させることができる。同様に、二酸化炭素を除去するための有利な状況は、総ガス流量の関数である。記載した実施例では、第１の中空繊維群３４Ａを通る最大ガス流にもかかわらず二酸化炭素除去率が不十分である場合、本構成は、第２の中空繊維群３４Ｂに追加の酸素化ガスを供給することを可能にする。第２の掃引ガス供給の組成及び／又は流量は、第１の掃引ガス供給の組成及び／又は流量と異なり得る。
【0084】
高い酸素含有量又は純粋な酸素が両方の中空繊維群に使用される場合、及び二酸化炭素除去要求が両方の膜を通る高い流量を必要とする場合、これは理想的な酸素目標値よりも高い酸素化値をもたらす可能性がある。しかしながら、高すぎる酸素化値が生成されたとしても、これは一時的な問題である。本構成は、酸素供給器全体の酸素化ガスとして１００％の酸素を使用した場合よりも高酸素状態の発生を少なくしながら、窒素分圧を回避することを可能にする。
【0085】
このような状況では、静脈血のための静脈動脈シャント１６又は同様のシャント経路を設けることは、酸素供給器で処理された血液を酸素化されていない血液と混合してより低い酸素含有量を有する混合血液を提供することにより、流出血液の酸素含有量を減少させることを可能にする。
【0086】
図１０は、本発明の実施形態による酸素供給器１０Ｂを示す。図１０において、同様のコンポーネントについては、特定の説明を繰り返すことなく、図２、図４及び図５と同じ符号を使用する。図２に示す酸素供給器１０と同様に、酸素供給器１０Ｂは、第１の掃引ガス流量コントローラ２３を有する第１の掃引ガス供給部２２と、第２の掃引ガス流量コントローラ２５を有する第２の掃引ガス供給部２４とを含む。第１及び第２の掃引ガス供給部２２及び２４は、ハウジングのガス入口ゾーン２８に通じている。ガス入口ゾーン２８は、ガス交換インターフェースを提供する複数の中空繊維３４を含むガス血液インターフェース３２に流体的に接続されている。中空繊維３４は、ガス入口端ではガスインターフェースの境界を構成する入口向きポッティング３０によって、ガス排出端では出口向きポッティング３６によって集められている。ガス流路は、ガス入口ゾーン２８から中空繊維３４を通ってガス血液インターフェース３２の下流の２つの排気区画４０Ａ、４０Ｂを含む排気ゾーンに通じ、そこから複数の（ここでは２つの）排気ガスライン４２Ａ、４２Ｂがガスを抽出する。酸素供給器１０Ｂは、酸素化ガスの汚染を避けるために、ガス入口ゾーン２８において気密であるハウジングを含む。排気ゾーン４０に、ハウジングは、ガス血液インターフェース３２内での圧力上昇を避けるために、周囲との圧力平衡を可能にするいくつかの開口部４４Ａ、４４Ｂを含む。血液入口１２と血液出口１４との間の血液流路は、ガス血液インターフェース３２によって提供され、入口向きポッティング３０と出口向きポッティング３６とによって境界され、中空繊維３４の外側の体積によって構成される。入口向きポッティング３０と出口向きポッティング３９との間の領域は、ガス血液インターフェースチャンバ３２を提供する。
【0087】
ガス入口ゾーン２８内で、酸素供給器１０Ｂは、ガス入口ゾーンを２つの区画、第１のガス入口区画２８Ａ及び第２のガス入口区画２８Ｂに少なくとも部分的に分離する仕切り２６Ａを含み、各区画はガス入口ゾーンのセクションを構成する。仕切り２６Ａは、入口向きポッティング３０を通って、ガス血液インターフェース３２の中空繊維束を通って、出口向きポッティング３６を通って、排気ゾーン４０内に延び、排気ゾーン４０を２つの排気区画４０Ａ及び４０Ｂに少なくとも部分的に分離する。各ガス入口区画２８Ａ、２８Ｂは、入口向きポッティング３０の異なる部分に隣接しているとみなすことができる。同様に、各排気区画４０Ａ、４０Ｂは、出口向きポッティング３６の異なる部分に隣接しているとみなすことができる。したがって、各ガス入口区画２８Ａ、２８Ｂ及び各排気区画４０Ａ、４０Ｂは、ガス血液インターフェース３２と異なる境界を有する。各排気ガスライン４２Ａ、４２Ｂは、それぞれ区画４０Ａ、４０Ｂのうちの１つからガスを抽出するように構成されている。排気ガスライン４２Ａ及び４２Ｂは、共通の排気ガス流量制御システムに合流することができる。
【0088】
連続的に延びる仕切り２６Ａによって、個々の繊維チャネルは、それぞれの入口区画及び排気区画のみを接続し、すなわち、第１のガス入口区画２８Ａから供給される繊維チャネルは第１の排気区画４０Ａに通じ、第２のガス入口区画２８Ｂから供給される繊維チャネルは第２の排気区画４０Ｂに通じる。これにより、ある入口区画から供給される繊維チャネルが異なる排気区画に接続すること、又は異なる入口区画から供給される繊維チャネルが同じ排気区画に接続することを回避することができる。中空繊維束群は、第１のガス入口区画２８Ａに接続し、第１のガス入口区画２８Ａからのガスによって供給可能である。これらの中空繊維は、図１０に第１の中空繊維群３４Ａとして示されている。同様に、第２の中空繊維群３４Ｂが、第２のガス入口区画２８Ｂに流体的に接続されている。
【0089】
図１１は、酸素供給器１０Ｂの図１０の図の概略上面図を示す。図１１の読取り方向において左から右に、図１１は、ガス入口ゾーンに供給する第１の掃引ガス供給部２２の上の第２の掃引ガス供給部２４を示し、図１１には、ガス入口ゾーンのうちの第２のガス入口区画２８Ｂのみが見えている（第１のガス入口区画は、図１１の図では、第２のガス入口区画２８Ｂの下にあると理解される）。ガス流路は、入口向きポッティング３０を通って、そのうちの第２の中空繊維群３４Ｂのみが図１１に示すガス血液インターフェースを通って、出口向きポッティング３６を通って第２の排気区画４０Ｂに通じる。２つの排気ガスライン４２Ａ及び４２Ｂは、それぞれの排気ガス区画４０Ａ及び４０Ｂから排気ガスを引き出すために設けられている。第２の中空繊維群３４Ｂの下には、ガス入口ゾーン２８から入口向きポッティング３０、ガス血液インターフェース、出口向きポッティング３６及び排気ゾーン４０を通って延びる連続した仕切り２６Ａが図示されている。連続した仕切り２６Ａによって、２つの異なる別々に供給可能なガス交換インターフェース領域が提供される。第１の入口区画２８Ａ、第１の中空繊維群３４Ａ及び排気ガス区画４０Ａから成る、仕切り２６Ａの下のガス流路は、図１１には示されていないことが理解されるであろう。
【0090】
仕切りによる中空繊維群の分離をよりよく示すために、図１２は、ガス血液インターフェース３２のコンポーネントの分解図を概略的に示す。中空繊維は、いわゆる「マット」の形態で束ねられた形で設けられている。図１２は、４つのこのようなマット（２つのマット３４Ｂ及び２つのマット３４Ａ）を示しているが、実際には、数十個のこのようなマット、典型的には５０から１００個のマットが酸素供給器アセンブリに使用され得る。各マット３４Ａ、３４Ｂは、特定の繊維に属する端部を識別することが実際には不可能であるように、ある程度絡み合っている多数の中空繊維を含む。複数のこのようなマットが、共通のガス血液インターフェースを提供するために積み重ねられている。図１０及び図１１に示すように、区画化されたガス流路を提供するために、仕切り２６Ａが、２組のマットの間に配置されている。概念的には、図１２において、仕切り２６Ａより上のマット３４Ｂは第２の中空繊維群３４Ｂを形成し、仕切り２６Ａより下のマット３４Ａは第１の中空繊維群３４Ａを形成する。
【0091】
仕切り２６Ａは、概ね楕円形で示されている中央開口２７を含む。仕切りの材料は、繊維膜よりもガス透過性が低く、実際の考慮事項のために、仕切りの材料は、第１の中空繊維群３４Ａと第２の中空繊維群３４Ｂとを気密に分離するように、ガス不透過性である。仕切り２６Ａは、ポリカーボネートのような好適な材料から作ることができる。仕切り２６Ａは、酸素供給器ハウジング又は酸素供給器ハウジングのコンポーネントと一体であり得る。中央開口２７の縁には、血液活性の特性を有するコーティングなどの表面処理を施すことができる。例えば、縁は、抗凝固特性を提供する表面処理を有することができる。実施形態では、仕切りは、血液との接触を避けるように配置され得る（図１４に関する記載を参照）。
【0092】
図１２はさらに、その中にマット３４Ａ及び３４Ｂ並びに仕切り２６Ａを積み重ねた形で配置する、ガス血液インターフェース容器３２Ａを示す。
【0093】
図１３は、仕切り２６Ａによって複数（ここでは２つ）の中空繊維群３４Ｂ及び３４Ａに分離された複数（ここでは４つ）のマットが設けられている、ガス血液インターフェース容器３２Ａを含むアセンブリを概略的に示す。仕切り２６Ａは、仕切り２６Ａの一部がマットの入口端を越えて及び／又はマットの出口端を越えて延びるように、少なくとも１つの寸法が繊維マットよりも長い。仕切り２６Ａは、マット群に対して無視できるほど薄いので、マット群の間には実質的に空隙がない。仕切り２６Ａの真上及び真下のマットは、開口２７を通して互いに接触している。
【0094】
以下の構成は、仕切りコンポーネントとの接触を回避する血液流路を画定するためにポッティング材料がどのように提供され得るかを説明する。ガス血液インターフェース容器３２Ａは、ポッティングを繊維間で遠心力によって画定される円筒形に凝固させるのに十分な程度にガス血液インターフェース容器を回転させながら（矢印３８で示す）ポッティング材料を注入又は注射することによってポッティング材料を提供され得る。言い換えれば、ガス血液インターフェース容器３２Ａが回転軸を中心に回転している場合、ポッティング材料は、流動可能であるが、ガス血液インターフェース容器３２Ａの軸周囲の壁及び隅に集まり、ポッティング材料のない円筒形の穴が回転軸に沿って残る。ガス血液インターフェース容器は、ポッティング材料が固まる前にポッティング材料が入っている一時的又は恒久的な容器要素を備えていてもよいことが理解されるであろう。ポッティング材料は個々の繊維間の間隙で固まり得るので、円筒形の穴は、繊維を横切る血液流路を提供し、繊維の内部の中空空間は、一方の繊維端から他方の（ここでは反対側の）繊維端へのガス流路を提供する。
【0095】
図１４は、ポッティング材料が上記の方法で導入されて固まった後の、ポッティング材料のない円筒形チャネルを残した、中空繊維が血液に曝露可能なガス血液インターフェース容器３２Ａを概略的に示す。中空繊維は、ポッティング材料内で適切な位置に保持される。異なるマットの中空繊維は、実質的に均質なガス血液インターフェース３２として提供される。ポッティング材料は、単一のコンポーネントとして固まっていてもよく、それにもかかわらず、ポッティング材料の一部分は、入口向きポッティング３０を構成する。ポッティング材料の別の部分は、出口向きポッティング３６を構成する。ポッティング材料の量は、円筒形チャネルの断面が仕切り２６Ａの開口２７よりも小さく、仕切り２６Ａの材料が円筒形チャネル内に突出しないように選択することができる。その結果として、このような構成は、酸素供給器の動作中に血液の仕切り２６Ａとの接触を回避する。したがって、仕切り及び開口は、ガス血液インターフェースの異なる群を分離した状態に保つのに適している限り、他の任意の形状又は構成を有し得ることが理解されるであろう。
【0096】
酸素供給器ハウジング内に組み立てられると、仕切り２６Ａの突出部分は、それぞれガス入口ゾーン及び／又はガス排出ゾーンの仕切りを提供する。したがって、１つ以上の仕切り構造が存在するが、これらは、密に充填された中空繊維の間の入口ゾーン及び／又は出口ゾーンに仕切りを配置するための位置合わせ構造として理解され得る。図示のように、仕切りは、血液流路を妨げないように配置することができる。したがって、血液流路内では、ガス血液インターフェースは均一に分布しており、単一の連続的なガス血液インターフェースの構成と性能が実質的に区別できない。
【0097】
血液流路は他の形状を有していてもよいが、円筒状の流路又は楕円形断面の通路のような角のない通路は、流れパターンの導入を回避し、血液凝固が起こりやすいチャンネル形状を回避する。図示の構成は、ガス入口の反対側の排気端を可能にする直線的に延びるガス流路と、デッドゾーンのない直線的な血液流路とを組み合わせている。
【0098】
【0099】
中央開口２７が血液流路の輪郭よりも大きいので、中央開口は連続した血液流路を提供し、血液が中空繊維束の周りを血液入口１２からガス血液インターフェース３２を通って血液出口１４（図１１には図示せず）へと通過することを可能にする。中央開口２７によって、隣接するマットの繊維束が非常に近接しているので、血液流路内のガス血液インターフェースは第２の中空繊維群３４Ｂから第１の中空繊維群３４Ａへ均一に分布する。均一に分布することは、血液流路を通過する血液細胞に対して、様々な中空繊維群が、同じ繊維群（３４Ｂ又は３４Ａ）のマット間を通過する血液細胞に、開口２７を通過する血液細胞と実質的に同じ流れ条件を提供することを意味する。これにより、血液流路は連続的な繊維インターフェース領域として構成される。血液流路を通過する血液細胞は、血液細胞を均一なレベルの剪断応力に曝す繊維膜の実質的に均一な環境に遭遇する。
【0100】
血液流路及びガス血液インターフェースは同じハウジングに入っているが、異なるように制御可能な複数のガス血液インターフェースは仕切り２６Ａによって分離されている。図１２から図１４は、ガス血液インターフェースをほぼ半分に分離する単一の仕切り２６Ａのみを示しているが、実施形態は、複数の仕切りを含むことができ、かつ／又は、例えば提供されるガス血液インターフェースを分離するために、異なる分離を含むことができる。仕切り２６Ａは、酸素供給器１０Ｂの製造中に各ガス流路が分離したままであることを保証できる場合、必ずしも単一である必要はない。例えば、仕切り２６Ａは、ブラケット又は楔形のプレート又はシートなどの複数の要素によって提供され得る。形状は、多部品の仕切りを画定するために組み合わせることができる、開口の一部を構成する切り欠きを含み得る。仕切りの機能は、複数のコンポーネント、例えば２つの中空繊維群の間（例えば２つのマットの間）の入口端及び出口端のみに配置された細片によって提供され得る。したがって、仕切り２６Ａは、ガス入口ゾーン及び／又はガス排出ゾーンの仕切りが２つのガス流路を明確に分離する位置に保持されることを可能にする保持構造として理解することができる。仕切り２６Ａは、ガス入口ゾーンから排気ゾーンまでのガス流路の厳密な分離を容易にする。ポッティングを通って延びる単一の仕切りコンポーネントを設けることは、積み重ねた配置の組み立てを容易にするが、図１２から、複数の要素が使用され得ることが理解されるであろう。図１２から図１４の実施例は、第１のガス入口区画２８から第２の中空繊維群３４Ｂに向かうガス流（及びその逆）を遮断する構成を提供する。これにより、酸素化特性とＧＭＥ除去効果をより正確に制御することができる。
【0101】
図に示すように、ガス血液インターフェース３２は、直線的に延びる中空繊維から成る。ガス流路の明確な分離は、ガス入口が反対ではなく並んだ構成でガス出口の隣にあるように配置されたファイバーループなどの他の構成で達成することができる、１つ以上の仕切り構造が２つの繊維群を分離する。中空繊維は異なるように配置され、例えば巻かれ得るが、排気が実質的にガス入口の反対側にある直線状のガス血液インターフェースを設けることが、閉ループフィードバック機構を用いた血液ガス値の正確な制御を容易にすることは出願人によって見出された。
【0102】
中空繊維は、ＰＭＰ及びポリプロピレンなどの任意の好適な材料で作ることができる。中空繊維に関連して説明したが、本発明は、ガス流路を提供する平面又は波形シート又はウェビングなどの異なるガス血液インターフェースの設計を含み得る。
【0103】
図１０から図１４を参照して説明した酸素供給器１０Ｂは、図８及び図９に関して説明したように静脈動脈シャント１６又は１６Ａを含むことができ、図３に関して説明したように体外灌流システムで使用することができる。
【0104】
図１５は、酸素化方法５０のステップを示す。方法は、掃引ガスによって別々に供給可能な領域に分離された酸素供給器のガス血液インターフェースを提供するステップ５２を含む。ガス血液インターフェースは、ガス入口ゾーン内の仕切りのような上述の構成によって、及び／又は異なるガス入口を設けることによって、そのような領域に分離することができる。ステップ５４において、領域の少なくとも１つに掃引ガスを供給する。この領域は、図４を参照して上述した方法で供給することができる。任意選択のステップ５６において、掃引ガスの供給を領域ごとに異なるように調節する。例えば、図４及び図５を参照して説明したように、ガス供給部２２及び２４は、第１及び第２の中空繊維群３４Ａ及び３４Ｂに対して異なるように調節される。任意選択のステップ５８において、ガス血液インターフェース領域の面積を調節することによって掃引ガスの供給を調節する。例えば、図６及び図７を参照して説明したように、仕切り２６は、第１の中空繊維群３４Ａのガス血液インターフェースに利用可能な面積を変更（増加及び減少）することを可能にする。ステップ５６及び５８の両方を同時に行うことができる。任意選択のステップ６０において、流出血液のＰａＯ２及び／又はＰａＣＯ２を監視する。任意選択のステップ６２において、総ガス流量を調節する。ステップ５６から６２は、ＰａＯ２、ＰａＣＯ２若しくは血液温度などの血液値、又はこれらのうちの２つ以上が予め定められた設定値に達するまで繰り返され得る。特に、ステップ５６から６２は、血液値が予め定められた設定値に維持されることを可能にする閉ループで提供され得る。
【0105】
任意選択のステップ６４において、静脈血の一部がガス血液インターフェースを迂回することを可能にするために静脈動脈シャントを提供する。これは、図３、図８及び図９に示す実施形態の形態で提供することができる。任意選択のステップ６６において、静脈血（酸素化されていない血液）を酸素供給器で処理された血液と混合して混合血液を提供する。静脈動脈シャントに関して上述したように、方法は、血液値及び／又はガス値を測定すること、酸素供給器で処置された血液と混合される静脈血の量を調節するためにこれらの値を制御ループで使用することとを含み得る。
【0106】
酸素化システムは、コントローラ及びプロセッサによって実施されるソフトウェア命令を含みかつ／又はコントローラ及びソフトウェア命令に接続され得る。いずれの方法ステップも、コントローラによって実行され得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】