體外輔助呼吸器的制造方法
【專利說明】體外輔助呼吸器
[0001]本申請(qǐng)是國(guó)際申請(qǐng)日為2006年4月21日、于2007年12月4日進(jìn)入國(guó)家階段、名稱為“體外輔助呼吸器”的中國(guó)專利申請(qǐng)200680019791.6的分案申請(qǐng)。
_2] 聯(lián)邦政府資助的研究
[0003]相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0004]本申請(qǐng)要求2005年4月21日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/673，885和2005年6月8日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/688，809的優(yōu)先權(quán)，在此通過引用納入本文。
【背景技術(shù)】
[0005]本發(fā)明涉及改進(jìn)的靜脈-靜脈體外循環(huán)充氧器，本文被稱為“體外輔助呼吸器(paracorporeal respiratory assist lung) ”或“PRAL 裝置”。PRAL 裝置被設(shè)計(jì)成使芯在靜止的纖維束中旋轉(zhuǎn)。
[0006]據(jù)報(bào)道，每年有350，000美國(guó)人死于肺癌，大部分是由于急性呼吸窘迫綜合癥(Acute Respiratory Destress Syndrome (ARDS))和慢性阻塞性肺疾病(ChronicObstructive Pulmonary Disease (COPD))。最常見的治療方法是機(jī)械通風(fēng),但是可進(jìn)一步加重呼吸功能不全并且可能引起嚴(yán)重的副作用，例如氣壓性損傷(barotrauma)和容量損傷(volutrauma)。據(jù)進(jìn)一步的報(bào)道，在手術(shù)期間，心-肺機(jī)器，其運(yùn)用充氧器，在全世界每年被使用數(shù)十萬次。這樣的充氧器可被用于治療CCffD和ARDS。然而，用在心-肺機(jī)器內(nèi)的充氧器的一個(gè)常見問題是氧氣和二氧化碳低效的物質(zhì)傳遞(氣體交換)。
[0007]給血液充氧的膜式充氧器的使用在本領(lǐng)域是已知的。一種傳統(tǒng)的膜式充氧器使用了中空纖維束，其被保留在圓柱形的殼內(nèi)，其中氧是以與血液相同的方向通過所述中空纖維被泵入的。該中空纖維是由微孔膜組成，其對(duì)血液不具有滲透性而對(duì)氣體具有滲透性。當(dāng)靜脈血液流過該殼并與該中空纖維接觸時(shí)，發(fā)生氣體交換。根據(jù)擴(kuò)散定律，氧擴(kuò)散穿過中空纖維壁，并且使與這些中空纖維接觸的靜脈血富含氧。這種類型的膜式充氧器的缺點(diǎn)是在中空纖維周圍形成血液邊界層，這延緩了對(duì)沒有直接與所述中空纖維接觸的血液的充氧。
[0008]另一種已知類型的膜式充氧器包括移動(dòng)充氧器的一個(gè)部分，以提供血液流動(dòng)的增強(qiáng)混合。在這種類型膜式充氧器中，血液流通路徑和氧氣流通路徑被定位在轉(zhuǎn)子和定子之間，并且通過膜與隔片被分隔開來。當(dāng)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，血流的混合發(fā)生，這就導(dǎo)致打破了血液邊界層。盡管這樣的充氧器使得血液具有一定程度的混合，但是這種混合可能會(huì)引起紅細(xì)胞的破壞。在這樣的充氧器的一個(gè)實(shí)施方式中，含氧氣的圓柱形半滲透性的膜在殼內(nèi)被旋轉(zhuǎn)，使得血液接觸且流過該膜，并且氧氣通過該旋轉(zhuǎn)膜被轉(zhuǎn)移到該血液中。這種膜式充氧器被報(bào)道的一個(gè)問題是半滲透膜對(duì)氧氣和二氧化碳差的滲透性。
[0009]還有另一種已知的膜式充氧器包括基本上縱向延伸的復(fù)數(shù)個(gè)中空纖維膜，第一惰性纖維在它們之間間隔開、并且也是基本上縱向延伸。第二惰性纖維一般橫向地向所述中空纖維延伸并且一般延伸至其附近，所以含氧氣的氣體可以穿過所述中空纖維，并且血液可以流過其外部以透過該膜進(jìn)行氣體交換。第二惰性纖維可以形成緯線，并且第一惰性纖維在每?jī)蓚€(gè)中空纖維之間被間隔地放上一根，所以該經(jīng)線是由以擺動(dòng)方式穿過緯線的中空纖維和第一惰性纖維的交替纖維組成的。該惰性纖維被公開為生物相容性的單絲聚合物，其提供了中空纖維的間隔，甚至產(chǎn)生了血膜。然而，這樣的充氧器沒有被設(shè)計(jì)用于體外，其具有相對(duì)低的血液流速。
[0010]因此，具有增強(qiáng)的氣體交換特性的體外充氧器是需要的并且迄今為止是不可得到的，氣體交換特性的增強(qiáng)是由于可變速的旋轉(zhuǎn)芯和/或該纖維束疏松度的提高，其具有高的氣體交換效率，并且對(duì)血液成分的損傷最小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明涉及改進(jìn)的靜脈-靜脈體外循環(huán)充氧器，本文被稱為“體外輔助呼吸器(paracorporeal respiratory assist lung)”。該靜脈-靜脈人工肺可代替機(jī)械通風(fēng)療法而被用于慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD))病人，他們的血液中含有高水平的二氧化碳分壓(PCO2)。本發(fā)明的體外輔助呼吸器提供了積極的混合，使得在血液恒速通過該裝置下提高了氣體交換。
[0012]得知該纖維束的旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)了人工肺的氣體交換效率，例如二氧化碳(CO2)的傳遞效率增加了 200% (兩百個(gè)百分點(diǎn))。已經(jīng)證實(shí)，血液流速在每分鐘0.5至1.0升(1/min)的范圍內(nèi)時(shí)，CO2的去除可達(dá)到每分鐘100-120毫升(ml/min)。該旋轉(zhuǎn)纖維束提供血液流過壓頭低于30毫米汞柱(mmHg)的裝置的自抽作用。
[0013]然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在體外裝置中旋轉(zhuǎn)中芯也提供流過該裝置的血液自泵。本發(fā)明的體外輔助呼吸器的實(shí)施例包括外殼，其具有流體入口、流體出口、氣體入口和氣體出口。所述PRAL裝置包括多個(gè)管狀氣體滲透性纖維膜，其被配置為形成纖維束，所述纖維束被置于所述外殼內(nèi)，并被連接到所述氣體入口和所述氣體出口，且與所述氣體入口和所述氣體出口流體交換，其中第一間隙被配置在所述外殼和所述纖維束之間。所述裝置被配置為具有位于所述纖維束內(nèi)的芯，其中第二間隙被配置為在所述芯和所述纖維束之間。所述裝置包括旋轉(zhuǎn)芯的裝置，其中所述外殼、纖維束和芯被配置為使得進(jìn)入所述流體入口的流體穿過所述纖維束并進(jìn)入所述流體出口。所述PRAL裝置可以進(jìn)一步被配置為在所述第二間隙內(nèi)產(chǎn)生湍流并在所述第二間隙內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)泰勒旋渦。另外，所述纖維束可以被配置為具有疏松度，其允許均勻的流體流過所述纖維束。此外，所述PRAL裝置可以被配置為使得所述第一間隙和所述第二間隙被配置為優(yōu)化流過所述纖維束的流體。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，對(duì)體外輔助呼吸器改進(jìn)的另一方面是包括增加了該旋轉(zhuǎn)纖維束的疏松度(porosity)。該增加的疏松度提供更多的流體流過該纖維束，因此增加了該器件整體的物質(zhì)傳遞效率。該纖維束額外的疏松度是通過幾種可能的途徑產(chǎn)生的，包括但不限于，使用隔離物在纖維層之間產(chǎn)生空隙，在該纖維墊子中每隔一個(gè)纖維除去一根，以及使用更小直徑的纖維。另外，支撐線也可從纖維織物中去除，并且體外輔助呼吸器可以被設(shè)計(jì)，以致集流管相對(duì)更近，以使該纖維束“蓬松(puff out)”。
[0015]本發(fā)明進(jìn)一步的方面包括體外輔助呼吸器，其具有以下特征:
[0016]?帶有經(jīng)皮套管的體外靜脈-靜脈體系
[0017]?被插入到血流的靜脈循環(huán)中
[0018]?在血液到達(dá)肺之前，去除0)2并且供應(yīng)O2
[0019]?在血流速度低于每分鐘一升下，進(jìn)行氣體交換
[0020]?緊密有效的中空纖維組件從外部磨損
[0021]本發(fā)明所述的體外輔助呼吸器另外的特征包括:
[0022]?可變的旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)了氣體交換
[0023]?該纖維束的疏松度可變
[0024]?對(duì)于維持呼吸來說血流在500_700mL/min
[0025]?小的雙內(nèi)腔套管(14_16French(法蘭西標(biāo)度))
[0026]?該纖維束的活性表面積小于0.50平方米(m2)
[0027]?血流速度在每分鐘0.5至1.0升時(shí)，0)2的去除為100_120ml/min
[0028].CO2的去除不依賴于天然肺的功能容量
[0029]本發(fā)明還包括根據(jù)以下實(shí)施例的體外輔助呼吸器。
[0030]條款1.體外輔助呼吸器，其包括:
[0031]外殼，其含有流體入口、流體出口、氣體入口和氣體出口 ；
[0032]多個(gè)管式氣體滲透性纖維膜，其被配置以形成纖維束，所述纖維束被置于所述外殼內(nèi)，并且連接到所述氣體入口和所述氣體出口且與它們發(fā)生流體交換，其中第一間隙設(shè)計(jì)在所述外殼和所述纖維束之間；
[0033]芯，其被置于所述纖維束內(nèi)，其中第二間隙被設(shè)計(jì)在所述芯和所述纖維束之間；和
[0034]使所述芯旋轉(zhuǎn)的工具，其中所述外殼、纖維束和芯被設(shè)計(jì)，以使進(jìn)入所述流體入口的流體穿過所述纖維束、并流入所述流體出口。
[0035]條款2.根據(jù)條款I(lǐng)所述的體外輔助呼吸器，其中所述使該芯旋轉(zhuǎn)的工具在所述第二間隙內(nèi)產(chǎn)生湍流。
[0036]條款3.根據(jù)條款I(lǐng)所述的體外輔助呼吸器，其中所述使該纖維束旋轉(zhuǎn)的工具在所述第二間隙內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)泰勒旋渦。
[0037]條款4.根據(jù)條款I(lǐng)所述的體外輔助呼吸器，其中所述纖維束被設(shè)計(jì)有疏松度，允許均勻的流體流入所述纖維束。
[0038]條款5.根據(jù)條款I(lǐng)所述的體外輔助呼吸器，其中所述第一間隙和第二間隙被設(shè)計(jì)，使得流體通過所述纖維束得到優(yōu)化。
[0039]條款6.根據(jù)條款I(lǐng)所述的