气体交换的制作方法

专利名称：气体交换的制作方法
技术领域：
本发明涉及在气体交换过程中维持气体在预定的压力范围内的方法，和用来执行在气体交换过程中维持气体在预定的压力范围内的方法的设备。本发明特别涉及在血液充氧过程中维持气体(诸如氧气)在预定压力范围内。本发明也涉及气体围绕在含有薄膜的管道内再循环流动，并同时维持气体在预定压力范围内渗过薄膜流动。
背景技术：
当施行心脏手术时，通常使用的技术之一是停止心脏并用机械设备泵送血液通过失去知觉病人的身体，并且也添加氧气和对从病人流出的血液除去二氧化碳。用来实施这一过程的机器称作心肺旁路机。一旦手术完成之后，病人从心肺旁路机移去，而心肺的正常功能恢复运行。对血液添加氧气并且除去二氧化碳废气的旁路机部分称作充氧机。
商业应用中充氧机的普通形式通常包括可渗透薄膜。含氧的气体混合物(典型地为氮气和氧气混合物)沿薄膜的一面通过，而病人的血液沿薄膜的另一面通过，氧气通过薄膜扩散进入血液而二氧化碳通过薄膜扩散进入气流。然后二氧化碳被气流带走并排出至大气。
以上所描述的系统对于正常使用已经足够，但由于气流排出至大气而导致浪费新鲜气体。在某些情况中希望在气流中采用代替氧气/氮气混合物的其它气体。这些替代物包括一些更昂贵的气体，例如氙气，它在麻醉和/或脑部保护特性方面具有优势。由于气体被排出到大气中而在经济上不利，过去使用昂贵的气体受到限制。

发明内容
因此本发明目的之一是减轻以上所指出的传统工艺中问题。
因此，按照本发明的第一方面，提出一种在气体交换过程中维持气体在预定的压力范围内的方法，它包括；
在具有气体可渗透薄膜壁部分的第一管道中循环气体；使气体通过壁部扩散进入第二管道；通过至少一个入口补充扩散的气体；如果气体压力超过预定压力范围或气体超过预定体积时，使气体从第一管道转移至气体贮存器，并且如果在第一管道中的压力降低到预定范围以下或气体体积降低到预定体积以下时，使气体从气体贮存器转移至第一管道，以便使第一管道中第一气体的压力基本上维持在预定压力范围内。
特别倾向于预定压力包括周围环境压力。希望第一循环管道具有基本上与预定体积相同的物理体积。
在按照本发明的方法中使用的贮存器容许在第一管道的吸入管和输出管之间产生微小的不平衡，而基本上没有新鲜气体损失至大气中。如果偶然有大量的过剩空气输送到第一管道，过剩的空气将移入贮存器或甚至从其端部排出，而不会建立起危险的压力。
第二管路典型地包括体外血液流动。当第二管道含有血液时，最好在第一管道中包括氧气。气体可以任意地包括适合于麻醉剂使用的气体，诸如氙气或其它在元素周期表第VIII组中的气体(如氪)。作为替代，气体可以任选地包括任何适合于用作脑部保护药物的气体。可以设想麻醉气体和适合脑部保护用的气体是同一气体。
薄膜壁部分最好是一种充氧薄膜。这样的薄膜基本上对于血液反应是惰性的，并且应该是可渗透的。较佳地，薄膜壁部分是由气体可渗透的聚合物薄膜制成，诸如微孔聚丙烯中空纤维，或者可替代地为硅树脂橡胶薄膜。不过，可以设想任何商业性充氧器用薄膜均可应用。
可渗透气体的薄膜壁部被布置成气体(典型地为包含氧气的混合物)通过薄膜从第一管道渗透进入第二管道，而第二气体通过薄膜从第二管道渗透进入第一管道。第二气体典型地包括二氧化碳。因此最好还包括另一步骤，在其中除去包含在第一管道中气体的二氧化碳。
发生气体交换的充氧器薄膜最好在气体一侧基本上处于大气压力。如果平均压力太高，可能不合需要地有气泡强行通过薄膜进入血液流。因此可以设想第一管道的内表面对于(典型地具有足够大的面积)具有低流动阻力。在一个特别有利的实施例中，通过使贮存器设置在气体可渗透的薄膜附近，可以保持压力基本维持在大气压力上。
最好通过使用电动泵使气体在第一管道中循环，电动泵为隔膜泵或小型涡轮型泵之类。
贮存器可以是开口端管道，并且可以，例如，向大气环境通气，或可替代地为一个可变体积的容器，例如可膨胀的皮腔、袋之类，它们用合适的气体不可渗透的、柔软的料子制成。较佳地，当贮存器为可变体积容器时，气体被加入到第一管道以避免气体容器过分充满或者完全出空。
最好气体包括一种具有至少两种成分的混合物。较佳地气体的每一种成分具有单独的入口。不过，可以设想气体混合物的各种成分可以进入同一入口。
气体典型地包括氧气和氙气。希望氧气以从0到100％的比例存在，其中较佳的是30到100％(更好是30到80％)。最好氙气以从0到100％的比例存在(其中较佳的是0到70％，当氙气用作麻醉剂或使用其神经保护性质时，更好是20到70％)。
按照本发明的第一实施例，各入口与第一管道连通。
有利的是，气体的各成分由受控制的注射引入。注射的控制可以是手动或自动。气体的流动可以是连续的或间歇的。
按照本发明的第二实施例，第一入口与贮存器连通，而第二入口与第一管道连通。典型地，第一入口引入氧气。较佳地第二入口引入氙气。在本实施例中，最好氧气通过第一入口流动时应该是连续的。较佳地氙气是通过受控制的注射流动经过第二入口，受控制的注射可以是连续或间歇的过程。
第二实施例具有下列优点，即如果没有手动或自动地加入新鲜气体(例如由于故障)，在气体跨越充氧器薄膜被吸收进入血液时，氧气然后将缓慢地从贮存器被抽入第一管道，以协助维持病人的生命功能。
如果太多的诸如氙气一类的气体偶然地进入第一管道，然后任何多余的气体将被连续的氧气流所冲走。有利地，贮存器在任何时候均主要被氧气所充满，即使有偶然的大团氙气输入。对于在本发明中第二实施例所描述的情况有效地进行的安全性而言，这是所希望的。否则偶然的大团氙气将代替氧气充满安全气体贮存器，这当然是不希望的。
按照本发明特别较佳的实施例，提出了一种血液充氧的方法，它包括在具有气体可渗透薄膜壁部分的第一管道中循环氧气；使氧气通过壁部分扩散进入第二管道；通过至少一个入口补充扩散的氧气；
如果气体压力超过预定压力范围或气体体积超过预定体积时，使氧气从第一管道转移至氧气贮存器，并且如果在第一管道中的压力降低到预定范围以下或气体体积降低到预定体积以下时，使气体从氧气贮存器转移至第一管道，以便使第一管道中氧气的压力基本上维持在预定压力范围内。
血液较佳地为体外血液流。
该方法较佳地基本上如在此以前所描述的。
按照本发明的方法由于其容许在体外血液流动中发生气体交换是特别有利，并在使用新鲜气体的经济性以内。
按照本发明的第二方面，提供一种在气体交换过程中把气体维持在预定压力范围内的设备，该设备包括具有气体可渗透薄膜壁部分的第一管道；至少一个用于把第一气体引入设备的入口；和布置成容纳第一气体的贮存器。
该设备可以用于基本上如上所描述的在气体交换过程中把气体维持在预定压力范围内的方法。该设备有利地基本上把流过薄膜壁部的气体维持在预定压力范围内。
贮存器可以是开口端管道，并且可以，例如，向大气环境通气，或可替代地为一个可变体积的容器，例如可膨胀的皮腔、袋之类，它们用气体不可渗透的、柔软的料子制成。
可以设想，当系统包括一个作为贮存器的可变体积的容器，系统任选地包括一个，如果系统中压力超过大气压力时，容许气体排出设备的受控制进出口，就是说可膨胀的皮腔已充满，并且如果系统中压力降低到大气层环境以下(就是说，可膨胀的皮腔、袋之类基本上出空)，容许输入(i)第一气体，(ii)气体成分之一或者(iii)大气环境气体。
有利地，当设备用作血液的充氧时，该设备包括从(例如)第一管道除去二氧化碳的装置。
该设备典型地基本上维持在大气压力，特别在薄膜壁部分附近。可以设想，第一管道具有足够大的直径，以便对于气体流动提供足够小的阻力。在较佳的实施例中，贮存器的位置典型地设置在基本上为气体可渗透的薄膜壁部分附近。
典型地，气体可渗透的薄膜壁部分为充氧器薄膜，基本上如上面所描述。
该设备典型地包括第一入口(较佳地用于引入氧气)和第二入口(较佳地用于引入诸如氙气一类的第二气体)。
按照本发明第二方面的第一实施例，第一入口和第二入口与第一管道连通。
按照本发明第二方面的第二实施例，第一入口与贮存器连通而第二入口与第一管道连通。
附图的简要说明本发明的较佳特征将在下面描述，并参照附图，其中

图1表示现有技术中的气体交换设备；图2表示按照本发明第一实施例的设备；图3表示按照本发明第二实施例的设备；和图4表示按照本发明另一实施例的设备。
具体的实施方式参照图1，显示一种用数字1标识的已知充氧器。含有氧气的气体混合物4(通常为氮气和氧气混合物)沿薄膜25的一面2通过，而病人的血液22被泵送到薄膜的相对另一面3。氧气通过薄膜扩散进入血液，而废弃的二氧化碳从血液通过薄膜扩散进入气体混合物4。二氧化碳然后被带入气流4并排出到大气环境。
参照图2，其中用与图1中相同的数字来标识相似的零件，在该图中显示一种用数字20标识的、按照本发明第一方面的设备。
沿充氧器薄膜25的气体面2通过的气体被送往中空管路21中循环。在传统的模式中，病人的血液22沿充氧器薄膜另一面25通过。在薄膜25处，废弃的二氧化碳从血液22扩散到薄膜的气体面2而进入气流4。该废弃的二氧化碳，通过把气流4通过充满二氧化碳净化材料23的容器，从气流4中除去。利用电动泵24气体重新绕管路21的回路再循环。在充氧器薄膜25处，氧气从气流4通过薄膜扩散进入病人的血液22。
当除去二氧化碳时，随着气体(主要是氧气)从气体通道4越过薄膜25进入血液流22，在管路21的回路中气体体积也缓慢地随着时间下降。这些事件发生的速率典型地大约为每分钟250ml(毫升)。新鲜氧气通过开口26而氙气则通过入口27加入气体回路。在回路内各气体成分的浓度受到控制，以便引导气体加入的过程。
由于在气体进入血液的上升道和送入气体回路的新鲜气体之间产生平衡，气体回路中的压力保持在控制之下。这通常是等于或接近大气压力。这是通过利用连接于气体回路21的开口端贮存器28而获得，如此布置使气体上升速率和添加到回路的新鲜气体之间暂时发生微小的不平衡，而不至于建立过分的压力。如果轻微的多余新鲜气体暂时被送入通过开口26和27，部分多余气体可以临时排入贮存器28，而不必从其远处开口端排放到大气中。在进一步气体上升通过薄膜后，当回路21内的气体体积开始又一次下降时，强迫进入贮存器28的气体又丛贮存器28抽回到回路21。
参照图3，其中用与图1和2中相同的数字来标识相似的零件，在该图中显示按照本发明第二实施例的设备用数字30标识。
开口端贮存器用数字38标识。在该贮存器中通过入口37流动进入一股恒常的氧气流。氙气按需要小量地通过入口36送入气体回路21。如果氙气暂时地以比较气体从回路21上升进入血液2的总速率更快的速率下通过入口36送入气体回路，过剩的气体体积将如以上图2所描述地向上移动进入贮存器。如果该“过剩体积”39超过在回路21和氧气入口37之间的贮存器体积，则任何过剩的气体将被流过入口37的氧气流冲出贮存器38。
氙气成团块地添加到回路21，其中有时暂停以测量回路21内的新鲜气体成分，并且这使操作者可以(通过手动或自动)保持在回路中的各气体成分的百分比基本恒常。
图1中描述的系统被认为是一种“开放”系统，意味着没有新鲜气体多于一次地通过系统，也就是说通过充氧器。
关于图2和3的正文描述“完全封闭”地使用的系统，因为这是最经济的和最合意的运行模式。这意味着容许进入回路的新鲜气体的速率或多或少等于各气体通过充氧器上升进入血液的速率。这是在气体消耗方面，因此也是在运行成本上，是最有效的运行模式。
系统(包括；充氧器、气体再循环泵、二氧化碳吸收器加上容许使该“回路”对大气开放的部件，如贮存器分支)也可以用作“半封闭”。在该实施例中，新鲜气体(例如氧气和氙气)通过一个开口或多个开口，例如图2中开口26和27，引入回路。这些气体的流动安排成为连续的，而进入回路的各气体的流动安排为稍微超过各气体由血液通过充氧器薄膜从回路上升的速率。在这样方式下，从该系统有连续的过剩气体“溢出”，使回路在功能上可对大气开放(如图2中贮存器分支)。同时，在离开系统前新鲜气体部分地围绕回路再循环数次。该运行模式比较图1描述的开放系统采用较少新鲜气体，由于新鲜气体仅部分地参加再循环。它比较先前在图2和3中以全封闭模式描述的全封闭运行模式使用更多的新鲜气体，新鲜气体完全地再循环一直到被吸收进入血液。由于当使用时在回路中气体成分达到平衡并因此保持相对恒常，半封闭操作也具有优点。这意味着虽然比较图2和3中描述的全封闭模式经济性略差一些，它不需要在监控和控制方面，为安全使用，如同全封闭操作模式所需要的一样高的灵敏水平。
参照图4，病人血液从回路跨越充氧器薄膜2取得增加或减少的氙气的氧气，回路21或可膨胀的皮腔41中的气体体积因此减小。皮腔41并不由于其自身重量而塌陷，而从贮存器分支42的端部放出其内容，因为在贮存器分支有一个单向阀43，该阀只容许气体进入回路而不可排出回路。
当皮腔41出空时，跨越充氧器而从回路继续消耗气体的过程被在同样速率下从贮存器分支抽入回路的氧气过程所代替。这些气体是通过上述单向阀抽入回路21，该单向阀仅需很小的压力差即可开启。
如果氙气通过开口36进入回路21，皮腔41将充满以容纳附加的额外气体，但由于单向阀43关闭，它不会从贮存器分支漏出。
因此，充氧器的气体一侧可以由于额外的氧气将被抽入回路21而免于建立负压，并且由于如果额外的气体加入回路则皮腔的高度将减少而免于建立正压。如果操作者什么也不做，氧气永远自动地加入回路，其速率等于通过充氧器2取出气体。皮腔41容许容纳加入的气体而不至于建立压力。皮腔41和阀门43的位置基本邻近充氧器2的气体排出一侧，以保持在设备中的压力如大气压力一样低。
在图3和4中描述的系统是合适的，因为当第一管道21中混合物包括氧气和诸如氙气一类的混合物时，从管道中跨越薄膜抽取的气体体积等于每分钟氧气上升量再加上每分钟氙气上升量。如果没有新鲜氙气加入，该综合的体积损失用从充满氧气的贮存器系统中抽出而进入第一管道21的氧气所代替。因此，在没有氙气加入回路或第一管道21的情况，在第一管道21中的氧气浓度将缓慢地上升。可以设想，在使用中该缓慢上升的氧气浓度被进入回路21的小幅而重复的氙气所平衡。最终结果是在回路21中恒常的氙气和氧气浓度。该系统因此具有内在的安全性，因为注射氙气的失败会造成回路21中氧气浓度缓慢上升，而这对于维持生命至关重要。
权利要求
1.一种在气体交换过程中维持气体在预定压力范围内的方法，包括在具有气体可渗透薄膜壁部分的第一管道中使气体循环；使气体通过壁部扩散进入第二管道；通过至少一个入口补充扩散的气体；如果气体压力超过预定压力范围或气体超过预定体积，使气体从第一循环管道转移到容纳气体的贮存器，而如果第一管道中压力降低到预定压力范围以下或气体体积降低到预定体积以下，则使气体从容纳气体的贮存器转移到第一管道，以便使第一管道中的第一气体压力基本上保持在预定压力范围内。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，预定压力范围是或者大约是大气压力。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一循环管道具有基本上与预定体积相同的物理体积。
4.按照任何上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第二管道含有体外的血液流。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，第一管道中的气体包括氧气。
6.按照权利要求4或5所述的方法，其特征在于，第一管道中的气体包括适合用于麻醉剂的气体(诸如氙、氪或其它在元素周期表第VIII组中的气体)。
7.按照权利要求4到6之一所述的方法，其特征在于，在第一管道中的气体包括脑部保护药物。
8.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，气体可渗透薄膜壁部布置成为可容许气体(较佳地为含有氧气的混合物)通过薄膜从第一管道扩散到第二管道，而第二气体通过薄膜从第二管道扩散到第一管道。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，第二气体为二氧化碳。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括由此除去在第一管道中存在的二氧化碳的步骤。
11.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，气体可渗透薄膜基本上处于大气压力下。
12.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，气体由电动泵使其环绕管道循环，该泵为诸如隔膜泵或小型涡轮型泵。
13.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，气体包括至少两种成分的混合物，各成分通过各自的入口引入管道。
14.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，气体包括氧气和氙气。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，氧气的存在量范围约为0到80％(较佳的是30％到80％)。
16.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，氙气的存在量范围大约为0到79％(较佳是20％到70％)。
17.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在第一管道中的气体流是连续的或间歇的。
18.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，气体通过受控制的喷射引入第一管道。
19.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，诸如氧气一类的麻醉剂通过与贮存器相连通的第一入口被引入(较佳的是连续的流动)设备。
20.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，氙气通过与第一管道直接连通的第二入口被引入(较佳的是受控制的喷射)设备。
21.一种使血液充氧的方法，该方法包括在具有气体可渗透薄膜壁部分的第一管道中使氧气循环；使氧气通过壁部扩散进入第二管道；通过至少一个入口补充扩散的氧气；如果气体压力超过预定压力范围或气体超过预定体积，使氧气从第一管道转移到容纳氧气的贮存器，而如果第一管道中压力降低到预定压力范围以下或气体体积降低到预定体积以下，则使气体从容纳氧气的贮存器转移到第一管道，以便使第一管道中的氧气压力基本上保持在预定压力范围内。
22.一种在气体交换过程中使气体保持在预定压力范围内的设备，该设备包括具有气体可渗透薄膜壁部分的第一管道；至少一个用于把第一气体引入设备的入口；和布置成容纳第一气体的贮存器。
23.按照权利要求22所述的设备，其特征在于，薄膜壁部分是充氧器薄膜。
24.按照权利要求22或23所述的设备，其特征在于，薄膜壁部分基本上对于血液的反应是惰性的，并对于血液是不可渗透的。
25.按照权利要求22到24之一所述的设备，其特征在于，薄膜壁部分是用气体可渗透的聚合物薄膜制成，诸如微孔聚丙烯中空纤维或硅树脂橡胶薄膜。
26.按照权利要求22到25之一所述的设备，其特征在于，气体可渗透薄膜壁部分布置成为容许气体从第一管道通过薄膜扩散到第二管道，而第二气体从第二管道通过薄膜扩散到第一管道。
27.按照权利要求22到26之一所述的设备，其特征在于，还包括二氧化碳除去装置。
28.按照权利要求22到26之一所述的设备，其特征在于，第一管道具有基本上低流动阻力的内部表面。
29.按照权利要求22到28之一所述的设备，其特征在于，还包括贮存器，较佳地基本上布置在气体可渗透薄膜附近。
30.按照权利要求29所述的设备，其特征在于，贮存器为端部开放的管道。
31.按照权利要求29所述的设备，其特征在于，贮存器为可变体积的容器。
32.按照权利要求31所述的设备，其特征在于，可变体积的容器是可膨胀的皮腔、袋之类(较佳地由气体不可渗透的、柔软的料子制成)。
33.按照权利要求31或32所述的设备，其特征在于，还包括控制开口，较佳地布置为如果系统中压力超过环境压力，可使气体从设备排出。
34.按照权利要求22到33之一所述的设备，其特征在于，还包括第一入口和第二入口，各入口布置为可引导气体的成分进入管道。
35.按照权利要求34所述的设备，其特征在于，第一入口和第二入口与第一管道连通。
36.按照权利要求34所述的设备，其特征在于，第一入口与贮存器连通，而第二入口与第一管道连通。
37.按照权利要求34到36之一所述的设备，其特征在于，第一入口引入氧气而第二入口引入氙气。
38.按照权利要求22到37之一所述的设备，其特征在于，当设备用作血液充氧时，设备包括除去二氧化碳(典型地从第一管道)的装置。
39.一种基本上参照附图在此描述的设备。
全文摘要
一种在气体交换过程中使气体保持在预定压力范围内的方法和设备(20)。该设备(20)包括具有气体可渗透薄膜壁部分的第一管道(21)、至少一个作为把第一气体引入设备的入口(26)和布置为容纳第一气体的贮存器(28)。该方法和设备特别适合于对体外血液流进行充氧。
文档编号A61M1/16GK1486197SQ0182182
公开日2004年3月31日 申请日期2001年11月28日 优先权日2000年11月28日
发明者J·丁利, J 丁利 申请人:爱可森艺术有限公司