交换器装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在一个第一介质与一个第二介质之间转移质量和/或能量的交换器装置。该装置包括一个腔室，该腔室具有该第一介质的一个第一入口和一个第一出口，并且该第一介质可以流过该腔室，并且该腔室装备有至少一个质量和/或能量可渗透的交换器中空纤维，优选多个质量和/或能量可渗透交换器中空纤维，该/这些中空纤维在第一端连接至该第二介质的一个第二入口并且在另一端连接至该第二介质的一个第二出口，其中该第二介质可以流过该（这些）纤维并且该第一介质可以围绕该（这些）纤维流动。该腔室装备有至少一个泵元件，借助于该泵元件，该第一介质可以被移置出该腔室并且以一种脉冲方式吸入该腔室中。该泵元件具有一个可弹性变形的元件并且连接至用作一个驱动介质的一个第三介质的一个第三入口，所述泵元件由该第三介质可扩张。
【专利说明】交换器装置
[0001]本发明涉及用于实行第一介质与第二介质之间的质量和/或能量交换的一个交换器装置，该交换器装置具有一个腔室，该腔室包括该第一介质的一个第一入口和一个第一出口，并且该第一介质可以流过该腔室；至少一个质量可渗透和/或能量可渗透交换器中空纤维，优选多个质量可渗透和/或能量可渗透交换器中空纤维，被安置在该腔室中，这些中空纤维可以在第一端连接至该第二介质的一个第二入口并且在另一端连接至该第二介质的一个第二出口，该第二介质可以流过这些中空纤维并且该第一介质可以围绕这些中空纤维而流动，其中至少一个泵送元件被安排在该腔室内，借助于该泵送元件，该第一介质可以被从该腔室移开并且以一种脉动方式吸入该腔室中，并且该泵送元件展示出一个可弹性变形的元件。
[0002]例如该类型的通用装置用于医疗技术中，并且具体用于血液净化，例如，透析、血液分离，或者另外例如人工肺(充氧器)的应用中。
[0003]在充氧器的应用领域中，由此提供血液作为被允许流过一个腔室的第一介质，至少一个质量可渗透和/或能量可渗透交换器中空纤维，在一个优选实施例中，多个质量可渗透和/或能量可渗透交换器中空纤维，被安排在该腔室中，并且第二介质(此处具体是氧)可以流过这些中空纤维并且该第一介质围绕这些中空纤维流动。在WO 2011/023605 Al中描述了用于该目标的中空纤维模块。
[0004]当通过该腔室泵送从活体产生并且富含CO2的血液时，由于在CO2被从该血液移除并且该血液富含来自这些中空纤维的氧的意义上氧与CO2的分压不同，所以质量转移发生在该质量可渗透和/或能量可渗透中空纤维的两侧上。因此，这种装置可以作为人工肺而工作，并且例如部分地或者否则完全地承担患者的肺功能。
[0005]在充氧器(即，在该说明书中更详细描述的人工肺)的范围内，这不应被理解为限制，而应仅作为一个示例性应用 。在此描述的装置可以基本上用于任意介质之间的质量或能量转移，并且这不仅在医疗技术中，而且在其他工业应用中。
[0006]通常，采用外部泵来实现第一介质通过前述腔室，特别是血液通过该腔室的充足且限定的流速。在充氧器的应用领域中，这意味着除了通用装置之外，需要提供泵，借助于该泵，可以从患者的身体泵送血液穿过该装置，并且接着回到该患者体内。
[0007]所引用的原理需要在这些通用装置以及外部使用的泵中出现一个显著体积，该显著体积必须填充有第一介质，例如在该应用中的血液。
[0008]在W02008/104353 Al中描述了上述种类的交换器装置，该交换器装置具有一个整合的泵送功能，并且因此不需要任何外部泵体积。
[0009]本发明基于提供该类型的一个进一步改进的装置的目标，该装置产生尤其相对于操作和患者安全性的优势。
[0010]通过具有权利要求1所述的特征的一个交换器装置来实现该目标。发明性理念的适当的进一步发展是附属权利要求的目标。
[0011]根据本发明，放弃利用参与质量或能量交换，同时作为用于减少泵送功能的介质的两个介质中的一个，并且用一个额外(第三)介质实现该功能。因此，为充当用于泵送功能的一个驱动介质的介质提供至少一个分离的入口的理念同时也是本发明的一部分。
[0012]在本发明的一个实施例中，将多个可弹性变形的泵送中空纤维安置在该腔室内作为泵送元件，并且这些纤维与第三入口连通。
[0013]在该装置作为在医疗用途中特别重要的一个充氧器的实施例中，第二介质是氧，并且相应地，一个氧存储器或氧源连接至该装置的第二入口。可以按一种特别简单且合算的方式使用空气作为第三介质，其中一个空气泵被安排来用于脉动操作，接着连接至相应的(第三)入口。泵送功能必不可少的泵送元件或者尤其是多个可弹性扩张的中空纤维的脉动扩张和收缩可以由此用一个单方面关闭的泵送元件或多个单方面密封的中空纤维来有利地实现；因此，在该实施例中，没有第三介质的出口。
[0014]在一个配置中，提供该腔室以包括:一方面邻近该第三入口并且另一方面邻近该泵送中空纤维的入口或这些泵送中空纤维的入口的一个第一子腔室，邻近该第二入口的一个第二子腔室，以及邻近该第一入口和该第一出口并且接收该交换器中空纤维或者这些交换器中空纤维的一个第三子腔室。该装置内部的细分是出于清晰的功能性分配和分界的目的，尤其是用介质跨该装置的可用内部体积的合理的分布来保证一个最优化泵送和交换功倉泛。
[0015]在另一个实施中，一种流体，尤其是生理盐水，充当第三介质，并且提供一个相应的储液器。在该实施的一个配置中，将一个能量交换功能联系到该质量转移功能，以便使患者的血液富含氧，同时处于体温。在该配置中，该泵送元件或这些泵送中空纤维在两侧打开，并且整合到该第三介质的流体循环中，该流体循环具有一个关联的热源用于加热第三介质。
[0016]该交换器装置的一个实际功能性细分在此情况下提供该腔室以包括:一方面邻近该第三入口并且另一方面邻近该泵送中空纤维的入口或这些泵送中空纤维的入口的一个第一子腔室，邻近该第二入口的一个第二子腔室，邻近该第一入口和该第一出口并且接收该交换器中空纤维或者这些交换器中空纤维的一个第三子腔室，连同一方面邻近该泵送中空纤维的出口或者这些泵送中空纤 维的出口并且另一方面邻近该第三出口的一个第四子腔室。
[0017]本发明的一个进一步实施提供用于该第一介质的第一入口和第一出口，各自提供有一个可控制的阀门，用于以一种受时间控制的方式中断该第二介质的流入或流出。以一种避免在供给管线或排放管线中提供一个堵体(closing body)的尤其有利的方式，这些可控制的阀门在此情况下优选实现为软管夹紧阀。该装置具体包括一个泵和阀门控制单元，该单元被设计成用于同步控制用于第三介质的泵以及在该第一入口和该第一出口处的阀门用于使该第一介质被通过该腔室从该入口输送到该出口。
[0018]一个进一步实施特征在于在该第一入口和/或出口处的一个流动传感器，该流动传感器在该第三介质的循环过程中具体与该泵和阀门控制和/或该热源的一个传感器信号输入端连通。可以与后者有利地组合的一个进一步实施包括在该第一出口处的一个气泡检测器，该气泡检测器具体与该泵和阀门控制单元的一个传感器信号输入端连通。这类传感器允许进一步改进控制的精确性连同所提议的装置的患者安全性。
[0019]在本发明的一个进一步配置中，该交换器装置具有一个圆柱形或棱柱形外壳，其中该第一入口和该第二入口具体被安置在一个圆周壁中，并且该第三入口被安置在一个前表面中，并且该交换器中空纤维或每一个交换器中空纤维被安排得基本上垂直于圆柱轴或棱柱的纵向延伸，并且该泵送元件或每一个泵送元件基本上平行于该圆柱轴或该棱柱的纵向延伸而定向。在该外壳构造的一个配置中，该第一出口被安置在该外壳的该圆周壁中，具体与该第一入口相对，并且该第二出口被安置在该前表面中，与针对该第三介质的连接相对，或者接近相对于该圆周壁中的该第一入口和该第一出口的相同的偏移。
[0020]在一个重要的实施或用途中，发明的交换器装置是一个血液充氧器。一个进一步重要的实施或用途是作为一个透析机。首要地，在两个应用中的装置可以至少部分地实现为可植入的。
[0021]本发明的优势和便利将基于附图从多个实施实例以及方面的以下描述而附带产生。所示出的是:
[0022]图1是其中一个发明的交换器装置用于一个重要的医疗应用中的一个安排的示意图，
[0023]图2是该发明的装置的一个实施例的示意性截面表示，以及
[0024]图3是包括对不同功能性区域的识别的一个另外实施例的示意性截面表示。
[0025]图1中示出的用于在患者P上实现一个“人工肺”的充氧器安排I包括一个交换器装置(充氧器)3作为一个关键元件，经由软管管线(未具体命名)将来自患者P的缺氧血液B1供应给该交换器装置，并且从该交换器装置排放富氧血液B2并且将富氧血液B2再一次供应给该患者。为了供应血液B1，该交换器装置3具有一个第一入口 5a，并且为了排放富氧血液B2，它具有一个第一出口 5b。一个第一可控制的阀门7a被安置在第一入口 5a上，并且一个第二可控制的阀门7b被安置在出口 5b上。
[0026]经由一个第二入口 9a将氧O2供应给交换器装置3，并且经由一个第二出口 9b从该交换器装置排放氧/ 二氧化碳`混合物o2/co2。在所示的实施例中，用生理盐水S作为驱动介质来操作交换器装置3，经由一个第三入口 I Ia将生理盐水S供应给该交换器装置并且经由一个第三出口 Ilb从该装置排放生理盐水S。借助于一个合适的流体泵13以一种脉动方式将盐水S通过交换器装置3导入流体循环中，为此目的，还在第三入口 I Ia和第三出口Ilb上分别提供一个可控制的阀门15a或15b。该盐水可以是由一个加热装置17适当地调节温度，用于在氧富集期间经由交换器装置3的额外热交换器功能补偿血液B2的热损失。
[0027]为了控制进料泵13、加热装置17和可控制的阀门7a、7b、15a和15b的操作，提供具有整合的加热控制功能的一个泵和阀门控制单元19，该单元具有通常的输入和编程工具(未说明)。在输入侧上，泵和阀门控制单元19附带地与第一入口 5a上的血液流动传感器21以及第一出口 5b上的气泡检测器23连通，并且被实施用于处理来自这些传感器21、23的传感器信号，用于适当地控制泵13和这些可控制的阀门，以便调节充足的流速并且避免富氧血液民中的气泡。在一个修改的实施例(未说明)中，可以在血液入口和出口中的每一个上提供血液氧饱和度的取样和/或非侵入式基于传感器的检测，并且还可以在该泵和阀门控制单元内分别评估相应的传感器或分析结果的信号，用于限定安排I的一个适当的控制方案。
[0028]图2以示意性截面表示，示出了交换器装置3的内部结构。通过相同数字命名图1中所示并且上文已经描述的部件，并且此处不再解释。该实施例区别于图1中所示的实施例在于:在第三入口 Ila和第三出口 Ilb中的每一个上，可控制的阀门并不存在或并未示出。
[0029]交换器装置3的功能性关键元件是一束可透气的中空纤维31，这些纤维被安置在该交换器装置的圆柱形外壳33中，该圆柱形外壳基本上定向在该圆柱轴的方向上，并且这些纤维的一端邻近第二入口(氧供应)9a，并且这些纤维的另一端邻近第二出口(氧/ 二氧化碳出口)％。氧被引入这些中空纤维31中，并且氧流过它们到相对端。在交换器装置3的内部(“腔室”)35的中心区域中，通过第一入口 5a供应的血液围绕中空纤维31流动，并且氧的富集以及同时二氧化碳的损耗发生在血液中；中空纤维31因此充当交换器中空纤维。
[0030]为了将待设置的介质输送到气体交换中，实际上是血液B/B2 (上文也称为第一介质)和氧O2 (上文也称为第二介质)，在交换器装置3内实现一个脉动的泵送运动，并且即通过盐水S向可弹性扩张的基本上沿着该圆柱轴安排的一组泵送中空纤维(硅酮软管)37的脉动进料。泵送中空纤维37具体具有一个螺旋形配置，其中可以使用(临时引入的)Al核心来采用具有直径2mm和壁厚度0.15mm的纤维并且使这些纤维成螺旋形。作为盐水S作为驱动介质的脉动进料的结果，泵送中空纤维的的脉冲状扩张结合阀门7a、7b的一个相应地受控制的致动引起在血液入口 5a和出口 5b处的所希望的输送过程。中空纤维31和37的组分别经由适当的接头31a和37a分别连接至相应的入口和出口 9a、9b以及11a、lib。
[0031]如果在背离所说明的版本时，将压缩空气用作该交换器装置的驱动介质，那么可以免除回收并且可以省略第三出口(图2中的11b)，其中将然后使用在背朝第三介质的入口的它们末端处密封的改性的泵送中空纤维。在这种版本中，第二出口(针对所消耗的交换气体)然后也可以被放置在该交换器装置外壳的下部前表面上。
[0032]在图3中依次以一个示意性截面表示，示出了这种修改的交换器装置3’。此处同样地，命名模式遵循图1和图2的原理，并且上文已经描述的部件或区域将不再解释。此处通过末端插头37b实现泵送中空 纤维37’的末端的所引用的密封，这些末端背朝在此情况下充当驱动介质的空气A的第三入口 11a。纤维末端的密封可以例如借助于一个市售双组分硅酮使用一个离心机而执行。可以认识到，已经省略第三出口并且已经将第二出口 9b’定位在其位置上。
[0033]作为交换器装置3’内部的必不可少的功能性区域，可以区分邻近第三入口 Ila的一个第一子腔室35.1’、邻近第二入口 9a的一个第二子腔室35.2’以及最后邻近第一入口5a和出口 5b的一个第三子腔室35.3’。在第一子腔室中，对驱动介质(此处，空气A)进行进料和“缓冲”，在第二子腔室35.2’中，发生氧进料和分布，并且在第三子腔室35.3’中，最后发生血液通过交换器装置的输送，结合功能上相关的气体交换以及根据需要的热交换(如上文在图2的背景中所描述)。可弹性扩张的泵送中空纤维或者至少其必不可少的部分也在该第三子腔室中。
[0034]所描述的装置用经由第二入口 9a的一个连续的氧供应以及经由第三入口 Ila进料的气压脉冲操作，这可以按20脉冲/min至140脉冲/min的适当实施以及高达600mm Hg的压差进料，其中收缩期与舒张期之间的关系可以在0.2与0.8之间变化；这些都仅是有用的示例性值。气压脉冲引起泵送中空纤维的周期性扩张和收缩，以及血液通过第三子腔室35.3’的输送，结合血液入口 5a和出口 5b经由安置在那里的阀门7a、7b的暂时适当受控打开和关闭，结合通过存在于被血液环绕的交换器中空纤维31中的氧的所希望的氧富集。
[0035]本发明的实施不局限于所描述的实例和此处强调的方面，而是还可能有驻留在熟练动作的框架内的许多修改。`
【权利要求】
1.一个用于实行一个第一介质与一个第二介质之间的质量和/或能量交换的交换器装置，该交换器装置具有一个腔室，该腔室包括该第一介质的一个第一入口和一个第一出口，并且该第一介质可以流过该腔室，至少一个质量可渗透和/或能量可渗透交换器中空纤维，优选多个质量可渗透和/或能量可渗透交换器中空纤维，被安置在该腔室中，这些中空纤维可以在一端连接至该第二介质的一个第二入口并且在另一端连接至该第二介质的一个第二出口，该第二介质可以流过这些中空纤维并且该第一介质可以围绕这些中空纤维而流动，其中至少一个泵送元件被安排在该腔室内，借助于该泵送元件，该第一介质可以被从该腔室移开并且以一种脉动方式吸入该腔室中，并且该泵送元件展示出一个可弹性变形的元件，并且连接至充当一个驱动介质的一个第三介质的一个第三入口，并且是通过该第三介质可扩张的。
2.根据权利要求1所述的交换器装置，其中将多个可弹性变形的泵送中空纤维安置在该腔室内作为泵送元件，并且这些纤维与该第三入口连通。
3.根据权利要求1或2所述的交换器装置，具有一个氧存储器以及一个空气泵，该氧存储器连接至该第二入口作为该第二介质的一个来源，并且该空气泵被安排用于一个脉动操作并且连接至该第三入口作为该第三介质的一个来源。
4.根据前述权利要求中任一项所述的交换器装置，其中该腔室具有一方面邻近该第三入口并且另一方面邻近该泵送中空纤维的入口或这些泵送中空纤维的入口的一个第一子腔室，邻近该第二入口的一个第二子腔室，以及邻近该第一入口和该第一出口并且接收该交换器中空纤维或者这些交换器中空纤维的一个第三子腔室。
5.根据权利要求3或4所述的交换器装置，其中背朝该第三入口的这些泵送中空纤维的末端被密封。
6.根据权利要求1或2所述的交换器装置，其具有一个氧存储器以及一个流体泵，该氧存储器连接至该第二入口作为该第二介质的一个来源，并且该流体泵被安排用于一个脉动操作并且与一个储液器连通，该储液器连接至该第三入口作为该第三介质的一个来源。
7.根据权利要求6所述的交换器装置，其中该腔室具有一个第三出口，这些泵送中空纤维在两侧上打开并且整合至该第三介质的一个流体循环中，该流体循环具有一个关联的热源用于加热该第三介质。
8.根据权利要求6或7所述的交换器装置，其中盐水被包含在该储液器中，并且任选地处于该流体循环中。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的交换器装置，其中该腔室具有一方面邻近该第三入口并且另一方面邻近该泵送中空纤维的入口或这些泵送中空纤维的入口的一个第一子腔室，邻近该第二入口的一个第二子腔室，和邻近该第一入口和该第一出口并且接收该交换器中空纤维或者这些交换器中空纤维的一个第三子腔室，以及一方面邻近该泵送中空纤维的出口或者这些泵送中空纤维的出口并且另一方面邻近该第三出口的一个第四子腔室。
10.根据前述权利要求中任一项所述的交换器装置，其中用于该第一介质的该第一入口和该第一出口各自提供有一个可控制的阀门，用于以一种受时间控制的方式中断该第二介质的流入或流出。
11.根据权利要求10所述的交换器装置，其中该这些可控制的阀门实现为软管夹紧阀。
12.根据权利要求10或11所述的交换器装置，具有一个泵和阀门控制单元，该单元被设计成用于同步控制用于该第三介质的该泵以及在该第一入口和该第一出口处的这些阀门用于使该第一介质被通过该腔室从该入口输送到该出口。
13.根据前述权利要求中任一项所述的交换器装置，具有在该第一入口和/或该第一出口处的一个流动传感器，该流动传感器在该第三介质的该循环中例如与该泵和阀门控制单元和/或该热源的一个传感器信号输入端连通。
14.根据前述权利要求中任一项所述的交换器装置，具有在该第一出口处的一个气泡检测器，该气泡检测器例如与该泵和阀门控制单元的一个传感器信号输入端连通。
15.根据前述权利要求中任一项所述的交换器装置，具有一个圆柱形或棱柱形外壳，其中该第一入口和该第二入口被安置在一个圆周壁中，并且该第三入口被安置在一个前表面中，并且该交换器中空纤维或每一个交换器中空纤维被安排得基本上垂直于圆柱轴或棱柱的纵向延伸，并且该泵送元件或每一个泵送元件基本上平行于该圆柱轴或该棱柱的纵向延伸而定向。
16.根据权利要求15所述的交换器装置，其中该第一出口被安置在该外壳的该圆周壁中，例如，与该第一入口相对，并且该第二出口被安置在该前表面中，与针对该第三介质的连接相对，或者接近相对于该圆周壁中的该第一入口和该第一出口的相同的偏移。
17.根据前述权利要求中任一项所述的交换器装置，被例如至少部分地配置成一个可植入的血液充氧器。
18.根据权利要求1至15中任一项所述的交换器装置，被例如至少部分地配置成一个可植入的透析机。
【文档编号】A61M1/16GK103501833SQ201280014054
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年5月2日 优先权日:2011年5月4日
【发明者】托马斯·施密茨-洛德, 乌尔里希·施泰因赛费尔, 尤塔·阿伦斯, 彼得·施兰斯泰因, 拉尔夫·博尔夏特 申请人:第三专利投资有限两合公司