CN109475676B - 气体交换单元、用于生产气体交换单元的方法，以及具有气体交换单元和加湿与加热装置的成套装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于体外膜式氧合(ECMO)或体外生命支持(ECLS)的气体交换单元、用于生产这种气体交换单元的方法，以及具有气体交换单元和加湿与加热装置的成套装置。

Description

气体交换单元、用于生产气体交换单元的方法，以及具有气体交换单元和加湿与加热装置的成套装置

本发明涉及一种用于体外膜式氧合(ECMO)或体外生命支持(ECLS)的气体交换单元和一种用于生产这种气体交换单元的方法以及一种具有气体交换单元和加热装置的成套装置。

在心脏手术期间，心肺机取代了血液输送和气体交换(O2输入和血液中的CO2去除)的重要循环功能。通过推断，心肺机也可以用于在几天内稳定患有心脏或肺功能不全的患者。这称为体外膜式氧合(ECMO)或体外生命支持(ECLS)。

目前使用的ECMO氧合器基于如心脏手术中使用的氧合器的设计。一般来说，开孔膜纤维唯一地被具有封闭扩散膜的膜代替。在此背景下，规格和设计基于心脏手术的要求。

本发明的目的是改进现有技术中已知的氧合器，特别是用于ECMO和ECLS应用的氧合器。

这通过具有中空纤维模块的气体交换单元实现，其中中空纤维模块的气体交换器特性是可调整的。因此，当涉及气体交换器特性的要求改变时，可以在操作之前或操作期间根据需要调整这些特性。具体地，可以在生产过程中进行调整。中空纤维模块具体地可以是纤维板。

调整气体交换单元的气体交换器特性是指CO2去除和/或O2输入的变化或两个值之比的变化。这可以通过不同方式实现。

调整气体交换器特性特别是指有效表面面积或有效纤维长度的变化。例如，有效纤维长度的变化可以通过纤维的嵌入式或串联连接来实现。因此，例如，通过逆流充填提供长的有效纤维长度可能是有利的，因为这样可以减少氧气消耗。

气体交换特性的调整还可以通过改变中空纤维模块的纤维中气体的流速来进行。可以通过压力梯度从外部调节此气体流速。沿着纤维的长度，CO2的浓度梯度降低，即根据菲克第一定律，CO2的转移减少。但是如果流速增加，则这种影响会减弱，即CO2转移增加。然而，这对待使用的氧气量具有负面影响。

在此，如果中空纤维模块可以完全或部分地连接到气流或从气流断开，则这是有利的。以此方式，可以通过改变有效表面面积来调节中空纤维模块内的气体交换器特性。

在这种情况下，如果气体交换单元在气体侧具有节气门，具体地为滑阀和/或旋转滑阀和/或节流阀，则这特别有利，其中节气门布置成使得纤维区域无法以流过方式连接。

如果中空纤维模块的纤维区域可以以不同方式充填有气体，则这也是有利的。这导致不同量和组成成分的气体能够流过服从血液侧气体转移要求(CO2和O2)的纤维区域，并且因此也可以减少氧气消耗。

如果气体交换单元提供溢流通道装置，则这更有利。这允许通过不同压力梯度对纤维区域进行不同充填。溢流通道装置可以提供通过溢流通道连接的多个腔室。具体地，这种装置可以附接在气体流入中空纤维模块的两个侧表面上。

如果溢流通道装置具有可调节的溢流通道，则这是有利的。这意味着溢流通道装置中的流动模式可以被调节，并且因此适应气体交换单元的不同使用状态。这可以通过例如设在调节装置上的滑阀来执行。

如果中空纤维模块具有封盖，则这也是有利的。这使得能够在气体流入的侧表面上增加气动阻力。可以附接一个或多个封盖。以此方式，也可以实现中空纤维模块的纤维区域的不同装填。

此外，有利的是，封盖具有气动阻力梯度、不同厚度或不同材料(不同孔隙率)。这也允许充填时的连续过渡，在这种情况下，范围边界变得模糊。

如果气体侧加湿与加热装置位于中空纤维模块的上游，则这进一步有利且具独创性。这意味着气体在进入中空纤维模块之前可以被加热。因此气体被水蒸气饱和并具有高于血液温度的温度。在中空纤维模块中，气体释放热量，并且一部分水蒸气冷凝并将冷凝能量释放到血液中。可以在热交换器下方收集冷凝物。

中空纤维模块可以是鼓形的。这允许节省空间的设计并且在生产中提供优势。

在鼓形布置中，如果中空纤维模块的直径与长度比>1.5(大于1.5)，则这是有利的。对于相同的有效表面面积，这导致更短的纤维。氧气的分压降在内部降低，并且因此氧合器在CO2转移率方面比常规产品更有效。

如果在中空纤维模块中，不透血层从内向外螺旋地布置，则这也是有利的。因此血流在某个方向上被引导，允许控制流动路径。具体地，流动路径可以以此方式延伸。在此，血流可以从内向外、或从外向内或呈对角线向外或向内引导。这具有使各种几何布置成为可能的优点。

气体交换单元具有两个或更多个中空纤维模块可能是有利的。通过这种方式，可以在气体交换单元的操作之前或期间通过改变各个中空纤维模块中的有效表面面积来调节气体交换器特性。在存在多个中空纤维模块的情况下，由于中空纤维模块的不同布置，这尤其可能。因此，就ECMO和ECLS中出现偏离指标的情况而言，长期稳定性、血液相容性和性能可以被改善。

如果中空纤维模块可以以不同方式充填有气体，则这可以更有利。通过这种方式，不同量和组成成分的气体可以流过服从血液侧气体转移要求(CO2和O2)的不同中空纤维模块，并且因此也可以减少氧气消耗。

如果气体交换单元具有溢流通道装置，则这更有利。这意味着可以通过不同的压力梯度以不同方式对中空纤维模块进行充填。溢流通道装置可以具有通过溢流通道连接的多个腔室。具体地，这种装置可以附接在气体流入中空纤维模块的两个侧表面上。

如果中空纤维模块连接到一个或多个阀门，则这特别有利。由此，可以通过阀门控制各个中空纤维模块的流动方向。因此可以将气体转移速率调整到临床指示，允许通过模块互连或模块并联来单独设置CO2消除速率和O2输入。

在治疗期间，还可以根据需要减小或扩大有效气体交换器表面面积。

以此方式，还可以通过给各个中空纤维模块充填其它有治疗效果的气体来引入其它有治疗效果的气体。

如果气流中的中空纤维模块可以并联或串联连接，则这特别有利。因此，气体交换器特性可以仅仅通过不同的连接而改变。可能调节新的未使用的气体或已经通过气体交换器的气体是否用于另一中空纤维模块。还可能特别使用不同的气体组成成分(O2、CO2和O2、O2和NO等)对中空纤维模块进行充填。具体地，可能使用不同气体组成成分对不同中空纤维模块进行充填。

中空纤维模块也可以是鼓形的并且一个套另一个同心地布置。在此，血流可以从内向外、或从外向内或呈对角线向外引导。在此设计中，不透血层也可能在中空纤维模块中从内向外螺旋地布置。这允许血液从内向外或从外向内被螺旋地引导。在此一个、两个或更多个通道是可能的。

另一优点是中空纤维模块形成为纤维毡并在血流中一个接一个地布置。因此，多个中空纤维模块可以以堆叠布置连接到气体交换单元。如此连接的中空纤维模块可以适当地以不同方式互连并因此彼此组合且充填有气体。

如果纤维毡的纤维方向与第二纤维毡的纤维方向成角度布置，则这是有利的。如果角度在10°与170°之间，具体地为120°，则这特别有利。交叉还可以改善气体交换器特性和血液引导。

如果中空纤维模块的直径与长度比小于1，则这更有利。对于相同的有效表面面积，这还导致具有上述优点的更短的纤维。

本发明的第二独创性方面是气体交换单元具有加热元件。加热元件可以是电动的。如果在气体交换单元中的气体侧设有这种加热元件，则这更有利。其可以设在外壳中。因此可以将热量引入血液中并且可以防止水冷凝。

如果加热元件布置在气体入口侧以在与血液交换过程之前加热气体，则这是有利的。

加热元件可以是杆状或板状设计。加热元件也可以通过缠绕在支撑结构上或以曲折方式弯曲的线来实现。

如果加热元件提供用于增大加热元件与气体之间的交换面积的结构，则这是有利的。这些可以包括肋部或平板，气体围绕该肋部或平板引导。平板可以具有钻孔，气体流过该钻孔。还可能的是气体通过外部加热的通道被引导。

将两个或更多个加热元件一个接一个或平行地布置在气体侧也是有利的。

还有利的是，杆状或板状加热元件从外部***气体交换单元并在使用后在另一个气体交换单元上重复使用。

本发明的第三独创性方面是嵌入材料可以形成朝向血液侧的圆柱形封闭物。这导致均匀性流动分布，其具有低剪应力和良好冲洗，并且因此特别为血液友好的。

本发明的第四独立方面涉及一种用于生产气体交换单元的方法，其中嵌入纤维可以在离心机中的单个生产步骤中进行。

如果在第一步骤中，可以从一个或多个纤维毡进行中空纤维模块的自动化生产，则这是有利的。然后，通过组合和灌封具有不同有效表面面积和有效纤维长度的气体交换单元，可以在第二步骤中从几个中空纤维模块进行模块化生产。然后，这些还可以在使用之前、调试时或操作期间被完全或部分地激活，或者通过使用不同连接充填有气体。

本发明的第五独立方面涉及一种具有根据本发明的气体交换单元和一种加湿与加热装置的成套装置，其中气体交换单元的加湿与加热装置在气流的上游连接。

下面将借助附图更详细地解释本发明，在附图中

图1是具有串联连接的两个中空纤维模块的气体交换单元的示意性表示；

图2是具有并联连接的两个中空纤维模块的气体交换单元的示意性表示；

图3是具有两个中空纤维模块的气体交换单元的示意性表示，其中一个中空纤维模块可以接通或断开；

图4是具有连接在气体侧上游的加湿与加热装置的中空纤维模块中热交换的操作原理的示意性表示；

图5a是具有两个中空纤维模块的气体交换单元的示意性表示，这两个中空纤维模块是鼓形的并且一个套另一个同心地布置；

图5b示出了图5中的气体交换单元的横截面；

图5c示出了图5的气体交换装置的另一横截面，其中示意性地示出了空气流动方向和血流方向；

图6是气体交换单元的示意性表示，其中中空纤维模块设计为纤维毡；

图7a是图6的气体交换单元的示意性表示，其中嵌入材料形成朝向血液侧的圆柱形封闭物；

图7b是图6的纤维布置的示意性表示，其中纤维毡以120°的角度交替地交叉布置，并且嵌入材料具有朝向血液侧的圆柱形设计；

图8a是气体交换单元的平面图的示意性表示，其中中空纤维模块是鼓形的且一个套另一个同心地布置，并且不可渗透层用于引导血液；

图8b是同样鼓形的中空纤维模块布置的示意性表示，其中多个通道由不可渗透层形成；

图9a是气体交换单元的示意性表示，其中气体交换纤维中的一些可以连续地接通或断开；

图9b是用于连接和断开的阀门的示意性表示；

图10是气体交换单元的示意性表示，其中中空纤维的直径与长度比>1(大于1)；

图11是具有两个中空纤维模块的气体交换单元的示意性表示，这两个中空纤维模块形成为纤维毡并一个接一个地布置；

图12是形成为纤维毡的气体交换单元的示意性表示，其中纤维区域并排布置；

图13是具有溢流通道装置的气体交换单元的示意性表示；

图14是根据图12的布置中的到溢流通道装置的入口的布置的示意性表示，在图14a)中为侧视图，在图14b)中为横截面的区段；

图15是根据图11的布置中的到溢流通道装置的入口的布置的示意性表示，在图15a)中为侧视图，在图15b)中为横截面的区段；

图16是具有用于增加气动阻力的各种覆盖物的气体交换单元的示意性表示；

图17是气体交换单元的示意性表示，其中图17a)中是具有不同厚度的用于增加气动阻力的覆盖物，图17b)中是覆盖物的侧视图，并且图17c)中是覆盖物的平面图；

图18是具有可调节溢流通道的气体交换单元的示意性表示；

图19是具有电加热元件的气体交换单元的示意性表示；

图20是具有几何定义信息的中空纤维的示意性表示。

在气体交换单元1中，血液被氧合并且CO2从血液中被排出。出于此目的，血液流过中空纤维模块。气体流过中空纤维的内部(未示出)。在图1中，血液按顺序地或连续地流过两个这样的中空纤维模块2、3。在此，由箭头4示意性地表示的血液首先流入气体交换单元2，通过该气体交换单元并且然后流入气体交换单元3，直到其最后通过箭头5示意性地表示为离开气体交换单元1。一旦气体(其流动由箭头6、7、8和9示意性地表示)离开第一气体交换器，该气体就被传递到第二气体交换器。作为选择，气体也可以并行流过两个气体交换器，如图2中所示。因此能够调整气体交换特性以满足要求。这可以在预组装期间、使用前或使用期间在生产中完成。在此气流由箭头16、17和18示意性地示出。

如图1中所示，血液和气体方向的逆流是可能的，血液首先流过中空纤维模块2然后流过中空纤维模块3，并且气体首先流过中空纤维模块3然后流过中空纤维模块2(所谓的逆流原理)。相反的顺序也是可能的，在这种情况下，血液首先流过中空纤维模块2然后流过中空纤维模块3，并且气体同样首先流过中空纤维模块2然后流过中空纤维模块3(所谓的同向流动原理)。具体地，可以根据需要在这两种连接(即串联或并联)之间切换。如图3中所示，还可能连接或断开两个中空纤维模块中的一个。出于此目的，其与阀门10连接。

下面将借助于如图4中所示的中空纤维模块21的截面说明连接在气体侧上游的加湿与加热装置的操作模式。在这种布置中，加热的气体和水蒸气流过中空纤维模块21。气流由箭头22和23象征性地表示。血流由箭头24和25象征性地表示。中空纤维27、28、29和30固定在两个嵌入材料层31和32中。气体被水蒸气饱和并且具有高于血液温度的温度。在中空纤维模块21中，气体向血液释放热量，并且一部分水蒸气冷凝，同时将冷凝能量释放到血液中。在中空纤维模块21下方收集冷凝物26。因此中空纤维模块既充当气体交换器又充当热交换器。

在气体交换单元41的情况下，两个中空纤维模块42、43是鼓形的并且一个套另一个同心地布置。其通过分离层44彼此分开，该分离层也可以被配置成网格或网眼。血液从内向外流动，如箭头45和46所示。还可能从外向内或呈对角向外引导血液。可能的气体流动路径再次由箭头48、49和50表示。在此，首先外部中空纤维模块43充填有气体，并且然后串联连接的内部中空纤维模块42也填充有气体。在此也可以并联连接。总的来说，如图5a、5b和5c中形成的气体交换单元表示为鼓形主体。

在气体交换单元61中，还可以选择堆叠布置的中空纤维模块62和63，如图6中所示。中空纤维模块62、63形成为纤维毡。这些各自可以交替地彼此交叉布置。气体由箭头66、67和68表示，每个箭头从两侧穿过中空纤维。血液流过气体交换单元61，如箭头64、65所示。如图1到图3中所示，这些单元中的两个或更多个可以组合并充填有气体。

在图7a中，图6中的纤维布置被设计成使得围绕纤维毡(例如78)的嵌入材料79形成朝向血液侧的圆柱形封闭物80。在图7b中的气体交换单元81中，纤维毡82和83以120°的角度交叉布置。在此，朝向血液侧的嵌入材料也被设计有圆柱形封闭物89。然而，与图7a相比，外部不是方形，而是设计为六边形。血流由箭头84和85表示，气体流入由箭头86、86'和86"表示，气体流出由箭头87、87'和87"表示。各个中空纤维88是可见的。

在如图8a和8b中所示的鼓形纤维布置91、101中，血液通过不透血层92、102、103、104从内向外螺旋地通过。在此，如在布置91中，气体交换单元101中可能有通道，或者甚至两个或更多个通道，在这种情况下是三个通道。在此，血液流入由箭头93、105、106、107表示，血液流出由箭头94、108、109、110表示。

在图9a中的气体交换单元121中，如122等气体交换纤维中的一些可以根据需要由适当的阀门布置123连续地接通或断开，并且因此被调整以满足需要。可相对于彼此移动的两个穿孔板132和133可用作阀门131，例如如图9b中所示。血流由箭头124和125表示，气流由箭头126、127和128表示。

如图10中所示，如果气体交换单元和气体交换纤维的布置被选择使得血液运送区域的内径大于其长度，则这特别有利。血流再次由箭头144表示，气流由箭头145表示。

图11中的气体交换单元150具有两个中空纤维模块，模块A 151和模块B 152，该模块形成为纤维毡并且一个接一个地布置。因此实现了气体交换单元150的纵向分布。

形成为纤维毡的气体交换单元160还具有两个中空纤维区域，如图中12所示的区域A 161和区域B 162，但其并排布置。因此实现了气体交换单元160的横向分布。

如图13中所示，然后可以由溢流通道装置171和172对中空纤维模块170进行不同充填。气体的流入通过入口173、174发生，入口中的每一个具有中心腔室175、178以及两个侧腔室176、177和179、180。气体从中心腔室175、178流入两个侧腔室176、177和179、180。这导致气体交换单元170的侧面181和182在中心腔室175、178的区域中的增强的充填以及在两个侧腔室176、177和179、180的区域中的减弱的充填。由此实现了通过区域A和B的不同流动，如图中12所示。气体再次在侧面183和184处离开纤维束187并通过出口186被引导到外部。

到具有布置中的侧腔室176、177的中心腔室175的入口173的根据图12的布置也可以在图14a)中的侧视图和图14b)中的横截面的区段中看到。在此，中央腔室175如何通过如188或189等溢流通道连接到侧腔室176、177变得清晰。

而且，在根据图11的布置中，在通过溢流通道装置201对中空纤维模块206、207进行充填的情况下，对中空纤维模块A 206和B 207进行不同充填变得可能。这可以在图15中从图15a)中的侧视图和图15b)中的横截面的区段的布置中清楚地看到。溢流通道装置201具有入口202，该入口将气体引入第一腔室203，由此该气体通过如205等溢流通道进入第二腔室204。这导致气体交换单元在两个腔室203、204的区域中、在不同中空纤维模块A 206和B 207的区域中的不同充填。

对根据图12的组合件中的中空纤维区域A和B的不同充填的另一种可能性是在纤维束211上应用覆盖物，如图16中所示。在此，在侧表面215上应用不同覆盖物，覆盖物A212、覆盖物B 213，由此增加了气动阻力。中心区域214保持无薄片。这也导致在此的三个区域(覆盖物A 212的区域中的纤维区域A、覆盖物B的区域中的纤维区域B 213和无薄片中心区域214中的纤维区域C(在此除了图12中的组合件之外)的不同充填。

对根据图12的组合件中的纤维区域A和B的不同充填的另一种可能性是应用具有不同厚度的覆盖物222、223，以增加气动阻力，如图16中所示。在图17a)、图17b)中的覆盖物222的侧视图以及图17c)中的覆盖物的平面图中，具有不同厚度的区域225、226中的每一个可以看作厚度D1，并且224可以看作厚度D2。覆盖物222是透气性结构，如绒布。通过不同厚度实现不同透气性，从而导致不同流动阻力。还通过在通过模块的流动中的不同充填实现不同透气性。可以通过连续配置实现连续充填梯度。

通过可调节溢流通道232、233、234、235实现用于纤维束231的可变充填的结构的一种可能性，如图18中所示。在此，滑阀238、239安装在溢流通道装置236、237上，通过该滑阀，溢流通道236、237的开口240、241、242、243、244、245可以被完全或部分覆盖。出于此目的，滑阀236、238的开口246、247、248、249、250、251通过调节装置252完全或部分地与溢流通道的开口240、241、242、243、244、245重合。因此，气体可以完全或部分地直接进入溢流通道的腔室或通过溢流通道232、233、234、235流入腔室。

在具有纤维束262的气体交换单元261中，电加热元件264可以布置在壳体263中以防止冷凝。

对于单独的中空纤维，如果如图20中示意性所示，纤维长度(L1)与纤维内径(Di)之比小于500，则这是有利的。具体地，长度(L1)可以小于80mm，纤维内径(Di)的数量级可以为160μm到200μm。

Claims (28)

1.一种具有中空纤维模块的气体交换单元，其特征在于，气流中的所述中空纤维模块可以并联或串联连接，所述中空纤维模块的气流特性是可通过在操作期间有效纤维长度的变化调整的。

2.根据权利要求1所述的气体交换单元，其特征在于，中空纤维模块能够完全或部分地与气流连通或断开。

3.根据权利要求1或2所述的气体交换单元，其特征在于，所述气体交换单元在气体侧具有节气门，具体地说，滑阀和/或旋转滑阀和/或节流阀，其中所述节气门被布置成使得纤维区域无法以流过方式连接。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的气体交换单元，其特征在于，所述中空纤维模块的纤维区域能够以不同方式充填有气体。

5.根据前述权利要求1或2项所述的气体交换单元，其特征在于，在所述中空纤维模块上设有溢流通道装置。

6.根据权利要求5所述的气体交换单元，其特征在于，所述溢流通道装置具有可调节溢流通道。

7.根据前述权利要求1或2项所述的气体交换单元，其特征在于，所述气体交换单元具有封盖。

8.根据权利要求7所述的气体交换单元，其特征在于，所述封盖具有气动阻力梯度。

9.根据权利要求1或2所述的气体交换单元，其特征在于，气体侧加湿与加热装置在所述中空纤维模块的上游连接。

10.根据前述权利要求1或2所述的气体交换单元，其特征在于，所述中空纤维模块呈鼓形。

11.根据前述权利要求1或2所述的气体交换单元，其特征在于，在所述中空纤维模块中，不透血层从内向外螺旋地布置。

12.根据前述权利要求1或2所述的气体交换单元，其特征在于，血流能够从内向外或从外向内或呈对角线向外或向内引导。

13.根据前述权利要求1所述的气体交换单元，其特征在于，所述气体交换单元具有两个或更多个中空纤维模块。

14.根据权利要求13所述的气体交换单元，其特征在于，所述中空纤维模块能够以不同方式充填有气体。

15.根据权利要求13或14所述的气体交换单元，其特征在于，所述气体交换单元具有溢流装置。

16.根据权利要求13或14任一项所述的气体交换单元，其特征在于，所述中空纤维模块与阀门连接。

17.根据权利要求13或14所述的气体交换单元，其特征在于，所述中空纤维模块呈鼓形并且一个套另一个同心地布置。

18.根据权利要求12所述的气体交换单元，其特征在于，所述中空纤维模块以纤维毡形式形成并且在所述血流中一个接一个地布置。

19.根据权利要求18所述的气体交换单元，其特征在于，纤维毡的纤维方向与第二纤维毡的纤维方向成角度布置。

20.根据权利要求19所述的气体交换单元，其特征在于，所述角度在10°与170°之间。

21.根据权利要求19所述的气体交换单元，其特征在于，所述角度在10°与120°之间。

22.根据前述权利要求1述的气体交换单元，其特征在于，所述中空纤维模块的直径与长度比小于2。

23.根据前述权利要求1述的气体交换单元，其特征在于，所述中空纤维模块的直径与长度比小于1。

24.根据前述权利要求1所述的气体交换单元，其特征在于，所述气体交换单元具有电加热元件。

25.根据权利要求3所述的气体交换单元，其特征在于，所述气体交换单元具有设在所述气体侧的加热元件。

26.根据前述权利要求1所述的气体交换单元，其特征在于，嵌入材料形成朝向血液侧的圆柱形封闭物。

27.一种用于生产根据权利要求1到26中任一项所述的气体交换单元的方法。

28.一种成套装置，其具有根据前述权利要求1到26中任一项所述的气体交换单元以及加湿与加热装置，其特征在于，所述加湿与加热装置位于所述气流中的所述中空纤维模块的上游。

Images