用于在体外血液回路中处理血液的带有连续卷绕中空纤维的纤维束的组合式氧合器和动 ...的制作方法
【专利摘要】一种用于在体外血液回路中处理血液的组合式氧合器和动脉过滤器装置。所述装置包括保持芯和纤维束的外壳。纤维束由绕芯螺旋卷绕以形成平绕纤维的层的多根中空纤维形成。各层组合以限定氧合器区域和径向向外的深层过滤器区域。氧合器区域层的纤维之间的最小间隙间距大于深层过滤器区域层的最小间隙间距。纤维束可充当血液氧合器并且在过滤具有约45微米的粒度的颗粒中呈现具有不小于92%的过滤效率。提供了最低限度地影响体外血液回路预充量的具有集成的动脉过滤能力的氧合器。
【专利说明】用于在体外血液回路中处理血液的带有连续卷绕中空纤维的纤维束的组合式氧合器和动脉过滤器装置
[0001]置量
[0002]本描述涉及体外血液回路、系统和使用方法。更具体地讲，本描述涉及用于在体外血液回路中氧合和过滤血液的装置以及制造该装置的方法。
[0003]体外血液回路在心肺分流术期间常常用来从患者的循环系统的静脉部分抽出血液(经由静脉插管)并使血液返回到动脉部分(经由动脉插管)。体外血液回路通常包括静脉引流或回流管线、静脉血贮存器、血液泵、氧合器、动脉过滤器、以及血液输送管、端口和将这些部件互连的连接件。如图1所示，一些现有技术体外血液回路将静脉血经由静脉回流管线12从患者10引流。心内血和手术区域的碎屑由抽吸装置16从患者10抽出，并被心内血泵18泵入到心内血贮存器20中。来自静脉回流管线12的静脉血以及来自心内血贮存器20的经消泡和过滤的心内血被排放到静脉血贮存器22中。陷入静脉血中的空气上升到静脉血贮存器22中的血液表面并通过吹气管线24排放到大气。静脉血泵26从静脉血贮存器22抽出血液并将其泵送通过氧合器28和动脉血过滤器29。动脉管线14使经氧合和过滤的血液经由联接到动脉管线14的动脉插管(未示出)返回至患者的动脉系统。
[0004]体外血液回路的氧合器部件是公知的。一般而言，氧合器部分地或完全地取代患者的肺的正常换气功能。在采用微孔膜的氧合器中，血液被从患者抽走并被循环通过在膜的一侧上的氧合器。同时，氧合气体穿过在膜的另一侧上的氧合器。二氧化碳经微孔膜从血液扩散到经过的氧合气体流中；同时，氧气经微孔膜从氧合气体扩散到血液中。由此减小二氧化碳含量并富含氧的循环血液返回至患者。一种常见类型的膜式氧合器被称为中空纤维氧合器，并且在美国专利号号4，239，729中总地示出。中空纤维氧合器采用设置在外壳内的大量(通常几万个)微孔或半渗透的中空纤维。这些中空纤维密封在外壳的端壁中，端壁然后配有带裙边的 端帽。一个端帽配有入口，另一个端帽配有出口。外壳的周壁具有位于其中一个端壁内部的入口和位于另一个端壁内部的出口。氧合气体通过入口进入装置，经过中空纤维的管腔，并且通过出口离开装置。应当理解的是，二氧化碳从在中空纤维的外表面上流动的血液扩散通过纤维壁并进入氧合气体的流中。同时,来自流过中空纤维的管腔的氧合气体的氧气扩散通过纤维壁并进入围绕纤维流动的血液以氧合血液。
[0005]一种用于形成中空纤维氧合器的广为接受的技术是绕内部支撑芯螺旋卷绕纤维带，如例如在美国专利号号4，975，247中所描述的。血液可在诸如径向向外、轴向、周向等的各个方向上流过所得的环状纤维“束”。就径向向外流动设计而言，美国专利号号5，462，619描述了一种改进的卷绕技术，该技术提供了所需的压降和最小的由累进的装填率造成的血栓风险。可以商品名Affinity ? NT Oxygenator得自美敦力公司(Medtronic, Inc.)的氧合器产品是具有累进的敛集率的螺旋卷绕中空纤维氧合器的一个例子。
[0006]就本描述的目的而言，敛集率被定义为表示由纤维(或细丝)占据的单位体积束空间的比率。敛集率可以本领域已知的方式确定，包括通过当用已知的液体预充单位体积时的重量增益来测量纤维(或细丝)之间的孔隙空间的简便方法。在径向向外定位的特定区域或区处的敛集率可通过以下方法确定:在该区域或区的径向向内径向边界处停止对应的卷绕过程并确定在该阶段的敛集率，然后继续到该区域或区的径向外边界的卷绕过程并确定在该阶段的敛集率。本领域已知的计算将使用上述两个值确定该区域或区的敛集率。
[0007]动脉过滤器也是公知的，并且可以采取适合空气处理和血液过滤的各种形式。一般而言，常规的动脉过滤器装置包括在过滤器外壳内的一个或多个滤网式过滤器，这些过滤器组合以捕获和去除接近约20-40微米和更大量级的颗粒物(例如栓子)，并且捕集大于某个尺寸的气体微栓子以防止栓子到达患者。这些栓子堵塞小动脉、微动脉和/或毛细血管，阻止足够的血液流到组织或器官的小的或大的区域，从而可对患者造成显著伤害。已知的动脉血过滤器的例子在美国专利号号5，651，765和5，782，791中有所描述。动脉血过滤器也可以商品名Affinity ? Arterial Filter得自美敦力公司(Medtronic, Inc.)。
[0008]常规地，动脉过滤器装置由管路流体连接到氧合装置下游(或)上游的体外回路内。虽然单独的氧合器和动脉过滤器装置作为体外血液回路一部分的实施是广为接受的，但出现某些问题。动脉过滤器通常将向体外血液回路增加200ml (或以上)的预充量；该增加的预充量是不期望的，因为它会导致患者增加的血液稀释。作为参考，泵入体外血液回路以“预充”回路的血液和/或预充溶液液体的体积被称为“预充量”。通常，体外血液回路在预充之前首先被CO2冲洗。预充在引入血液之前从体外血液回路冲掉任何外来的CO2气体。预充量越大，存在于体外血液回路中的与患者的血液混合的预充溶液的量越大。血液和预充溶液的混合造成不利且不期望的血液稀释，因为在外科手术期间必须维持红血球的相对浓度，以便最小化对患者的不利影响。因此希望最小化体外血液回路的预充量(和因此预充溶液的所需体积)。
[0009]鉴于上述原因，需要一种体外血液回路装置，该装置提供至少与常规氧合器和动脉过滤部件相当的氧合和动脉过滤性质，同时又最小化对体外血液回路的预充量的总影响。
[0010]概述
[0011]本描述的一些方面涉及一种用于在体外回路中处理血液的组合式氧合器和动脉过滤器装置。装置包括外壳、芯和纤维束。芯保持在外壳内且限定中心纵向轴线。纤维束设置在外壳内且由绕芯连续地卷绕以产生多个层的多根微孔的中空纤维形成。每一层由平绕纤维构成，每个后续层相对于中心纵向轴线在紧挨的前一层的径向向外处。各层组合以限定氧合器区域和深层过滤器区域。深层过滤器区域在氧合器区域的径向向外处。氧合器区域层的轴向相邻纤维之间的最小间隙间距大于深层过滤器区域层的轴向相邻纤维之间的最小间隙间距。除了提供适合于作为体外血液回路的一部分的氧合血液的所需氧合性质之外，纤维束呈现具有类似于动脉过滤器的过滤效率。纤维束在具有约45微米的粒度的过滤颗粒中具有不小于92%、备选地不小于95%的过滤效率。在其它实施例中，纤维束在具有约65微米的粒度的过滤颗粒中具有不小于94%、备选地不小于97%的过滤效率。在其它实施例中，纤维束在具有约20微米的粒度的过滤颗粒中具有不小于55%、备选地不小于60%的过滤效率。利用这些构造中的任一种，提供了一种具有集成的动脉过滤能力的氧合器，相比利用物理上分离的氧合器和动脉过滤部件的常规血液回路布置，该氧合器具有减小的外表面积和对相应的体外血液回路的预充量(例如大约25ml或以下量级)的减小的影响。
[0012]本描述的另一些方面涉及一种包括静脉管线、动脉管线以及组合式氧合器和动脉过滤器装置的体外血液回路。该装置形成入口侧和出口侧。入口侧流体连接到静脉管线，静脉管线又布置成接收来自患者的血液(例如，经由泵)。相反，出口侧流体连接到动脉管线，动脉管线又定位成将经处理的血液输送给患者。组合式氧合器和动脉过滤器装置包括如上所述的纤维束。在一些实施例中，体外血液回路的特征在于在组合装置与动脉管线之间不存在附加的动脉过滤器。
[0013]本描述的另一些方面涉及一种制造用于在体外血液回路中处理血液的组合式氧合器和动脉过滤器装置的方法。该方法包括绕内芯螺旋卷绕多根中空微孔纤维以限定具有多个层的纤维束，每个层由平绕纤维构成，并且每个后续层相对于芯的中心纵向轴线在紧挨的前一层的径向向外处。纤维束的层组合以限定氧合器区域和深层过滤器区域，深层过滤器区域在氧合器区域的径向向外处。氧合器区域层的轴向相邻纤维之间的最小间隙间距大于深层过滤器区域层的轴向相邻纤维之间的最小间隙间距。纤维束在过滤具有约45微米的粒度的颗粒中呈现具有不小于92%的过滤效率。最后，纤维束设置在外壳内。
附图简介
[0014]图1是包括分开的氧合器和动脉过滤器装置的现有技术体外血液回路的示意图；
[0015]图2A是根据本描述的原理的组合式氧合器和动脉过滤器装置的剖视图，描绘了如在使用中那样竖直定向的装置；
[0016]图2B是根据本描述的原理的另一个组合式氧合器和动脉过滤器装置的剖视图；
[0017]图2C是根据本描述的原理的另一个组合式氧合器和动脉过滤器装置的剖视图；
[0018]图2D是根据本描述的原理的还包括热交换器的另一个组合式氧合器和动脉过滤器装置的剖视图；
[0019]图3A是图2A-2D所示装置的过滤`器束部件的分解透视图；
[0020]图3B是图3A所示纤维束的氧合器区域的一部分的简化的大幅放大的俯视平面图；
[0021]图3C是图3A所示纤维束的氧合器区域的一部分的大幅放大的剖视图；
[0022]图4A是图3A所示纤维束的一部分的大幅放大的透视图，示出了施加到氧合器区域的深层过滤器区域的一部分；
[0023]图4B是图4A所示深层过滤器区域的一部分的大幅放大的剖视图；
[0024]图5是根据本描述的原理的形成图3A所示纤维束的卷绕设备的简化侧视图；
[0025]图6A是可用于图2A-2D所示装置的另一个实施例纤维束的简化示意图；
[0026]图6B是图6A所示纤维束的一部分的放大视图；
[0027]图7是可用作图2A-2D所示装置的纤维束的双纬带的简化示意图；
[0028]图8是可用于图2A-2D所示装置的备选纤维束的大幅放大的剖视图；以及
[0029]图9是根据本描述的原理的结合了图2A-2D所示装置的体外血液回路的示意图。
[0030]
[0031]图2A中示出了根据本描述的原理的组合式血液氧合器和动脉过滤器装置30的一个实施例。装置30包括外壳32和形成氧合器区域34 (总地提及)和动脉深层过滤器36区域(总地提及)的纤维束33。下面提供关于各个部件的细节。然而，一般而言，纤维束33围绕内芯38设置在外壳32内，氧合器区域34在深层过滤器区域36的径向向内处(相对于芯38的纵向轴线)。血液流动路径由外壳32限定，其将血流径向导向通过氧合器区域34和然后深层过滤器36，其中氧合器区域34主要有利于所供应的静脉血的氧合，而深层过滤器区域36主要去除气体和颗粒性微栓子。在一些构造中，一些氧合可进一步横跨深层过滤器区域36发生和/或一些气体和颗粒性微栓子过滤可横跨氧合器区域34发生。装置30因此适于插入如下所述体外血液回路内，从而以对体外回路的预充量的最小总影响提供必要的氧合和过滤能力。
[0032]外壳32可采取各种形式，并且大体包括或限定外壁50、气体封头或帽盖52和底部封头或帽盖54。外壁50尺寸设计成包含纤维束31，并且可以是大体圆柱形的。在基部区域56处，可选的环状偏心卸压区域58形成或流体连接到具有血液出口 62的出口歧管60。诸如取样口或再循环口 64的其它可选出口或端口可由歧管60提供或者可以沿外壁50适当地定位在其它位置。
[0033]气体封头52被构造用于组装到外壁50，并且包括或限定气体入口 66。相似地，底部封头54被构造用于与气体封头52相对组装到外壁50，并可形成或包括气体出口 68。底部封头54还包括或限定用于将血流导入装置30中的血液进口或入口 70。
[0034]装置30在底部封头54处可以可选地设有或承载合适的热交换器72。流体式热交换器72描绘为具有热交换流体入口 74和热交换流体出口 76，但其它合适的热交换装置可结合到装置30，例如，可以使用电加热和冷却装置。在其它实施例中，热交换器72被省略。例如，图2B示出了根据本描述的原理的备选装置30’，其包括在外壳32’内的氧合器区域34和动脉深层过滤器区域36。装置30’不包括热交换器。相反，图2C示出了根据本描述的原理的另一个装置30”，其包括在外壳32”内的氧合器区域34和动脉深层过滤器36。此外，成束的热交换器85设置在纤维束33和芯38之间。
[0035]图2D示出了根据本描述的原理的另一个装置30’ ’ ’并且包括置于成束的热交换器85’上且设置在外壳32’ ’ ’内的纤维束33。在一些实施例中，纤维束33具有大约2.0英寸(+/-0.1英寸)的内径和大约3.5英寸(+/-0.1英寸)的外径。
[0036]返回图2A且如上所述，纤维束33围绕内芯38形成。内芯38为大体圆柱形的中空体，并且被构造用于围绕其外表面卷绕(和支撑)纤维束31。内芯38可以可选地结合有助于与纤维束33的稳固组装的各种特征(例如，肋、凸缘、凹陷区域等)。无论如何，内芯38形成在第一端部80处对血液入口 70流体开放的中央通道78。室82形成于邻近芯38的第二端部84处，并且通过一个或多个窗口(未示出)对内芯38的外部流体开放，这些窗口决定如由图2A中的箭头反映的从通道78的径向向外血液流动路径。
[0037]纤维束33为沿内芯38定位的螺旋卷绕的微孔中空纤维(大体在图2A中绘出，但下文参照图3A-3C更详细地标示)的环状束。如下文阐明的，卷绕的中空纤维形成层，氧合器区域34和深层过滤器区域36在理论上相对于这些层产生。纤维束33的顶端和底端至少沿氧合器区域34并且在一些实施例中沿整个氧合器区域34和深层过滤器区域36分别在外壳32的顶端和底端处嵌入硬化的灌封组合物86、88中。纤维管腔分别与上灌封组合物86和下灌封组合物88的外表面连通。经由气体入口 66引入的氧合气体流入气体封头52，通过中空纤维的管腔(至少沿氧合器区域34)向下流至在下灌封区域88处的中空纤维的相对端，并且进入气体出口通道68中。
[0038]应当理解的是，上文所指灌封工艺为公知的灌封工艺，其中灌封材料(例如聚氨酯)通过离心引入并且就地反应。可以使用其它合适的灌封材料。合适的密封剂和垫圈可在外壳32中的接头处被使用，例如在顶部封头52和底部封头54与外壁50之间的接头。在纤维束33中可使用任何合适的微孔纤维；例如，一种合适的纤维为可以商品名CELGARD? X30得自北卡罗来纳州夏洛特的Membrana的微孔聚丙烯纤维(外径大约200-300微米量级)。
[0039]纤维束33相对于内芯38的中心轴线C径向向外延伸。纤维可包括在第一方向上从内芯38的第一端部80到第二端部84螺旋围绕内芯38定位(例如卷绕)的第一多根纤维，以及在与第一方向相反的第二方向上且因此从第二端部84到第一端部80螺旋围绕内芯38定位的第二多根纤维。无论如何，在一些实施例中，纤维束33的微孔纤维连续地卷绕以限定区域34和36两者，使得在区域34和36之间的物理或可见分界线不存在(因此，由图2A-2C体现的区域34和36之间的外观差异不存在)。为了更好理解本描述的一些特征，如在以下描述中那样将氧合器区域34和深层过滤器区域36视为物理上彼此不同可能是有帮助的。对于其中氧合器区域34和深层过滤器区域36由相同纤维的连续线圈一般地形成的实施例，氧合器区域34可执行下文结合深层过滤器区域36描述的一些过滤功能；利用这些相同的构造并且在深层过滤器区域36的纤维管腔流体连接到气体入口和出口的情况下，深层过滤器区域36可执行本文结合氧合器区域34所述的一些氧合功能。美国专利号4，975，247和5，462，619中描述了各种绕内芯38卷绕微孔纤维以产生氧合器区域34的可接受的方法，这两个专利的全部教导以引用方式并入本文中。例如，如在‘619专利中所述，氧合器区域34可被卷绕以限定从氧合器束40的内径到外径增加的累进的敛集率。
[0040]无论氧合器区域34的敛集率性质如何，氧合器外表面100在卷绕过程期间假想地产生，如图3A所示。氧合器外表面100被定义为与内芯38 (为方便说明而从图3A的视图中省略，但其相对于氧合器区域34的位置被大体上标出)相对的氧合器区域34的端面。氧合器外表面100为大体环状的，并且由中空纤维102的一系列轴向或纵向相邻的线圈(为了方便说明，其厚度或直径在图3A中被夸大)构成。与以上描述相当，每一个单独的中空纤维102可沿氧合器外表面100布置在不同的卷绕方向上。此外，在一些实施例中，中空纤维102的所选组可在相同方向上共同地交叉卷绕为纤维带(例如，如在‘619专利中所述，六根连续的中空纤维共同地交叉卷绕为 可分辨的带)。因此，并非沿氧合器外表面100的所有纤维102都可以精确地轴向对齐。例如，图3B描绘了共同地交叉卷绕的纤维102的带103，其中卷绕的纤维带103的暴露的区段103a、103b、103c各自形成氧合器外表面100的一部分。然而，并且如图3C中所反映的，在纤维102中的轴向相邻的两根之间形成最小间隙间距104，该最小间隙间距104在一些实施例中在20-70微米的范围内，在其它实施例中在30-60微米的范围内，并且在其它实施例中大约38微米量级。
[0041]返回图3A，深层过滤器区域36被构造成如下所述直接施加或形成于氧合器区域34上(例如，氧合器区域34纤维线圈的延续)，并且大体上表征为从氧合器外表面100起的径向向外延伸。特别地，深层过滤器区域36包括布置在氧合器外表面100上的多根纤维或细丝110(总地提及)。如上所述，在一些实施例中，限定氧合器区域34的纤维102被连续地卷绕以进一步限定深层过滤器区域36。据此，深层过滤器纤维110可由诸如聚酯、聚丙烯、聚乙烯等的塑性树脂制成，并且是微孔中空纤维。纤维110可以在材料、结构或尺寸上相同或不同，但在一些实施例中，过滤器区域纤维110的最大外径为大约200-300微米量级。在其它实施例中，过滤器区域纤维110具有不大于约200微米、在其它实施例中不大于150微米的最大外径。在另一些其它实施例中，过滤器区域纤维Iio的外径在40-50微米的范围内。
[0042] 无论过滤器区域纤维110的准确构造和/或材料如何，纤维110均布置在氧合器外表面100上以便限定如图4A所示的水平交叉卷绕纤维的过滤层(氧合器区域34和氧合器外表面100在图4A中示意性地示出以方便举例说明)。在图4B中，深层过滤器区域36至少具有平绕纤维的第一过滤层120、可选地平绕纤维的第二过滤层122、以及在第二层122上的平绕纤维的可能地附加的过滤层(未示出)。层120、122为绕上述中心轴线C环状布置的，其中深层过滤器区域纤维110中的不同纤维绕中心轴线C螺旋地延伸。在一些实施例中，纤维110沿层120、122中的每一个在不同方向上延伸，使得层120、122中的每一个由水平交叉卷绕的纤维构成。备选地，在层120、122中的一者或两者中的纤维可以是平绕的，而不交叉卷绕。就图4A和4B的构造而言，层120、122可表征为交叉水平卷绕或平面水平复合卷绕过滤层120、122。
[0043]在第一层120和第二层122中的每一个内的轴向或纵向相邻的深层过滤器区域纤维110之间形成最小间隙间距124。如在本描述中所用，短语“轴向相邻”和“纵向相邻”涉及彼此上下紧邻且具有在平行于中心轴线C的平面中相交的对齐的中心点的两根细丝(或纤维)。因此，相对于第一过滤层120，轴向或纵向相邻的纤维IlOaUlOb形成在124a处标示的最小间隙间距；相似地，第二过滤层122的纤维IlOcUlOd形成在124b处标示的最小间隙间距。应当理解，利用由本描述想到的某些制造技术，在深层过滤器区域36的一些区域中，较大的间隙可存在于轴向相邻的纤维110之间。通过最小化最小间隙间距124的尺寸(例如，大约40微米量级)，通过过滤层120、122的径向血流提供了对给定尺寸的微栓子的提高的过滤效率。虽然深层过滤器区域36已描述为具有过滤层120、122中的两个，但在其它实施例中，平绕纤维的层中的三个或四个或更多个可由纤维110形成，其中每个后续层在前一层的径向向外处。无论如何，并且如在图4B中所反映的，第一过滤层120直接形成在氧合器外表面100上，使得第一层120的纤维110在物理上接触氧合器外表面100的氧合器纤维102 (且可选地为氧合器纤维102的连续)。
[0044]在一些实施例中，通过卷绕操作将纤维110施加到氧合器外表面100。纤维卷绕过程可以便利地在图5中示意性地示出的类型的设备上进行，该设备可选地也可用于将氧合器区域34卷绕在内芯38上。一般而言，纤维卷绕设备包括旋转的安装构件130和导向头132。旋转的安装构件130可旋转地保持内芯38 (总地提及)和因此此前形成的氧合器区域34 (为方便说明，其外表面100在图5中部分可见且示意性地绘出)。导向头132布置成如由图5中的双头箭头线A所示相对于安装构件130的纵向轴线B往复行进(即，导向头132的行进线A平行于安装构件130的旋转轴线B)。
[0045]如例如在美国专利号4，975，247中所述，导向头132保持许多纤维导向器(例如，管、孔、销等)，纤维110在从供应容器(未示出)进入导向头132时穿过这些纤维导向器。直立的肋、凹槽、导销、管等也可用来在导向头132处间隔开纤维110。市售的卷绕设备可用于缠绕连续的纤维102、110。例如，犹他州盐湖城市的Entec提供一种带有用于在卷绕期间改变安装构件130的旋转速度和导向头132的横动速度的电子传动装置的卷绕设备。内芯38安装在安装构件130上，芯38的中心轴线C因此与旋转轴线B对齐。导向头132于是定位在氧合器区域34的左手侧(如在图5中所示)。连续纤维110的带140 (例如，纤维110中的六根)穿过导向头132的纤维导向器。纤维带140的前端附连到在其左侧远端处延伸的氧合器外表面100。安装构件130的旋转在由图5中的箭头R指示的方向上开始。导向头132的运动与安装构件130的旋转同步，并且在安装构件130旋转时在氧合器区域34的轴向上自动地行进。本领域的技术人员应当认识到，导向头132对于安装构件130的每周旋转来说轴向行进固定距离。
[0046]导向头132从内芯38的第一端部80 (图5中的左手侧)行进至第二端部84 (图5中的右手侧)并在那里减速。在减速之后，导向头132颠倒方向、加速并行进返回到其起始位置。在再次减速并颠倒方向之后，导向头132重新开始其行进循环。备选地，导向头132可以停留在行程的端点处。导向头132的往复行进和上面已安装芯38的安装构件130的同时旋转继续，直到具有所需直径的深层过滤器束区域已卷绕在氧合器区域34上，其中导向头132/带140的来回循环形成以上所述水平交叉卷绕纤维的层。[0047]如在‘247专利的第10段第23行至第11段第62行中更全面说明的，在导向头132从左向右的行程中，纤维带140围绕氧合器束40螺旋卷绕，并且带140中的各个纤维110与氧合器外表面100接触铺设。在导向头132的后续的第二次横动(在图5中从右向左)中，纤维带140继续螺旋卷绕在氧合器区域34上。在导向头132的第二次横动期间铺设的纤维110的部分在某些交叉点处接触此前施加的纤维110。除了存在与在导向头132的第一次横动期间铺设的纤维110的纤维间接触的这些交叉点之外，在导向头132的第二次横动期间铺设的纤维HO与氧合器外表面100直接接触。在所讨论的卷绕程序中，除了相邻纤维110之间的间隙间距124 (图4B)之外，氧合器外表面100被覆盖。在导向头132的随后横动时铺设的带140的纤维将与在导向头132的较早横动期间铺设的纤维110径向配准,如在‘247专利中所述。
[0048]就其中如上所述通过将纤维110卷绕到氧合器区域34上而形成深层过滤器区域36 (图3A)的实施例而言，可在卷绕操作期间递增地调整安装构件130旋转速度相对于导向头132的横向运动的比率，从而调整纤维带140的卷绕角度。利用该方法，纤维110沿深层过滤器区域36的径向厚度的敛集率被影响，以提供径向增加的敛集率。备选地或此外，可以在卷绕过程期间调节纤维110的张力。特别地，可选的辊142可用来将张力施加到带140。辊142可响应于贴着它移动的纤维带140而旋转或者可以被驱动，以使得其旋转适合带140的速度。在纤维110的张力在卷绕期间增加的情况下，在径向向外方向上获得不断增加的敛集率；因此，可以增加辊142压靠纤维110的力以增加所得的敛集率。作为另一备选方案，可以在卷绕操作期间或者递增地或者连续地减小同时卷绕的两根(或更多根)纤维之间的间距，以增加径向向外方向上的敛集率，如例如在‘619专利中所描述的。在其它实施例中，敛集率在径向向外方向上可以是恒定的或不断减小的。在另一些其它实施例中，可以在更独立的基础上卷绕纤维110 (例如，不一定采用如上所述的连续带140技术)。
[0049]在一些实施例中，以上所述卷绕设备用来形成围绕内芯38的氧合器区域34。例如，内芯38首先被组装到旋转的安装构件130和用来将纤维102的带(图3B)施加到内芯38的导向头132。在形成氧合器区域34之后，卷绕过程继续，其中纤维102此时用作深层过滤器区域36的纤维110。惊人而意外地发现的是，适用于体外回路血液氧合和动脉过滤操作的纤维束可通过将超出正常束外径的氧合器纤维(本来用于常规的氧合器功能)卷绕到增加的束外径(例如，常规氧合器纤维束外径和提供所需动脉过滤性质的增加的外径之间的差值)而形成。备选地，在形成氧合器区域34之后，将纤维102从纤维导向器移除(例如，从由导向头132承载的管撤出)，并替换成过滤器纤维110，如上所述。因此，可以可选地在将纤维102施加到内芯38之后立即在氧合器区域34上形成深层过滤器区域36，而不从卷绕设备移除如此形成的氧合器区域34。
[0050]虽然纤维束33被描述为直接卷绕在芯38上，但其它构造也是可接受的。例如，纤维束33可远离芯38形成或提供(或者深层过滤器区域36远离氧合器区域34形成或提供)为包括两个或更多个层片的细丝垫。美国专利号4，940，617描述了具有通过十字绣针法互连的平行纤维的两层片(或多层片)垫，在该针法中，在一层片中的纤维相对于在相邻层片或层中的纤维形成角度。‘617专利还示出通过将这样的垫卷绕到芯上形成的束的构造。包括其中引用的附图的第3段第26行至第14段第67行包含这样的垫和束的公开内容，并且其教导以引用方式并入本文中，应当理解，本描述的纤维110可用作‘617专利的纤维。一般而言，并且如图6A所示，可用作根据本描述的纤维束33 (或深层过滤器区域36 (图2A))的垫150由纤维110组成，纤维110通过插入的横向纤维156等的特殊配置而结合成组或层片152、154。在一些构造中，并且如图6B所示，对于层片152中的一个来说，一些纤维110之间的间距可不同于另一些纤维110之间的间距。由纤维端部的这种配置在纤维组之间形成的间隙158允许围绕所得垫150中的细丝110流动的介质更好的渗透。返回图6A，插入纤维110中间的附加的横向纤维154等设置成使得它们将纤维110保持在到彼此规则的、基本上相同的间隔处。无论准确构造如何，并且交叉参考图3A，垫150被绕芯38或(氧合器区域34的外表面100)卷起或缠绕，并且形成至少具有如上所述第一和第二层交叉卷绕中空纤维的纤维束33的深层过滤区域36。
[0051]在又一个可接受的实施例中，纤维束33 (或至少深层过滤器区域36)被提供为如例如在美国专利号5，141,031中描述的织造纤维双纬带，该专利的全部教导以引用方式并入本文中。一般而言，并且如图7所示，包括多根纤维110的双纬带160被嵌入头部板162中。通常，纤维端部通过将它们纺入可固化灌封化合物中而嵌入。无论如何，双纬带160提供以这样的方式绕芯164 (例如，芯38 (图3A))布置成层的各种纤维带，使得相邻层的纤维110以在一些实施例中不大于30°的角度a形成层。双纬带160类似于如上所述双层片垫150 (图6A)，但通常呈现具有更窄的宽度。带160可绕芯38 (或围绕氧合器外表面100(图3A))缠绕或卷绕以形成如上所述深层过滤器区域36。
[0052]返回图4A和4B，无论纤维束33的准确构造如何，平绕纤维的第一过滤层120和第二过滤层122均形成用于通过深层过滤器区域36的血流的曲折的径向流动路径。因此，深层过滤器区域36明显不同于与常规动脉过滤器相关联的筛网或网孔构造。换言之，第一层120的纤维110之间的径向流动路径(即，间隙间距)不与第二层122中的那些径向流动路径径向对齐，从而限定到深层过滤器区域36的“深度”。相比之下，利用筛网或网孔过滤器，流动路径间距为通过材料的厚度径向开放或“线性”的。纤维110之间的最小间隙间距124和过滤层的数量是决定深层过滤器区域36对于给定尺寸的微栓子的效率的因素中的两个。此外，纤维110之间的间隙间距124、纤维110的外径和纤维110的交叉角度决定深层过滤器36的开口区域的百分比。例如，通过改变敛集率，可以减小纤维110之间的最小间隙间距124 (相比氧合器区域34的纤维102之间的最小间隙间距104 (图3C))，而不增加血流经受的剪切力。在一些实施例中，深层过滤器区域36或纤维束33整体上被构造成过滤或去除本领域所理解的微栓子，例如，小至15微米的颗粒性微栓子和大约250微米或更小量级的气体微栓子(即，气泡)。就其中纤维110为微孔气体传导中空纤维的实施例而言，在深层过滤器区域36上的压降将提供有利的压力梯度，以驱动气体微栓子通过小孔并进入纤维110的管腔中。来自如此捕集的气体微栓子的气体可通过与纤维束33相连的气体出口 68 (图2A)排放到大气或排放到单独的歧管。
[0053]虽然深层过滤器区域36已被描述为利用横跨深层过滤器36的径向厚度相对均匀的细丝，但在其它构造中，可以并入深层过滤器纤维110中的变型。例如，图8以简化形式示出根据本描述的备选深层过滤器区域36’的一部分。深层过滤器区域36’类似于此前的实施例，并且包括组合以限定两个或更多个过滤层180的多根平绕纤维。作为参考点，最内层180a在最终组装后被置于与氧合器区域34的外表面100直接物理接触(示意性地示出)。各种差异被并入层180中的一个或多个中以形成呈现具有不同的过滤特性或性质的两个或更多个过滤区182、184。例如，第一区182的纤维186可以是中空的，而第二区184的纤维188为实心的(或反之亦然)；结果，第一区182更容易地过滤或去除气体微栓子，而第二区184更主动地过滤颗粒性微栓子。诸如纤维材料、最小间隙间距、敛集率等的其它差异可以备选地或附加地并入区182、184中以提供所需的双功能过滤。
[0054]返回图3A，虽然在某些方面深层过滤器区域36的水平交叉织造纤维层类似于氧合器区域34，但在一些实施例中在深层过滤器区域36和氧合器区域34之间可存在一个或多个结构差异。一般而言，这些差异被独特地选择以有助于氧合器区域34主要氧合血流(并从血流中去除二氧化碳)的功能，而深层过滤器区域36主要去除或过滤气体和颗粒性微栓子。例如，在一些实施例中，在轴向相邻的氧合器区域纤维102之间的最小间隙间距大于在轴向相邻的深层过滤器纤维110之间的最小间隙间距(例如，在轴向相邻的氧合器束纤维102之间的最小间隙间距在75-150微米的范围内，而在轴向相邻的深层过滤器纤维110之间的最小间隙间距在40-75微米的范围内)。在另一些其它实施例中，深层过滤器区域36的敛集率高于氧合器区域34的敛集率。备选地或此外，与氧合器区域34的纤维102相关联的卷绕角度不同于与深层过滤器区域36的细丝110相关联的卷绕角度。在一些构造中，上述差异中的两个或更多个被并入深层`过滤器区域36和氧合器区域34中。备选地，可采用其它差异。深层过滤器纤维110的塑性树脂可不同于氧合器区域纤维102的塑性树脂(例如，深层过滤器纤维110由聚酯、聚甲基戊烯或硅树脂形成，而氧合器区域纤维102由聚丙烯形成)。在另一些其它实施例中，氧合器区域纤维102的外径大于深层过滤器细丝110的外径(例如，氧合器区域纤维102具有在200-300微米的范围内的平均外径，而深层过滤器纤维110具有在100-250微米的范围内的平均外径)。
[0055]组合式氧合器和动脉过滤器装置30可并入体外血液回路200中，如图9所示。一般而言，体外血液回路200可类似于通常采用的任何体外血液回路，并且通常包括静脉回流管线12、心内血泵和贮存器20、静脉血贮存器22、以及动脉管线14，如上所述。组合式氧合器和动脉过滤器装置30例如经由入口侧202流体连接到静脉管线12。装置30的出口侧204流体连接到动脉管线14。氧合气体的源206流体连接到装置30，建立到至少氧合器区域34 (图3A)的中空纤维102 (图3C)的氧合气体流动路径。可在回路200内插入附加部件。然而，根据本描述的实施例，装置30提供必要的动脉过滤，使得在装置30和动脉管线14之间不包括单独的或附加的动脉过滤器。这样，相比常规的体外血液回路配置，利用装置30减小了总预充量。体外血液回路200因此被简化为需要流体连接到回路200的部件少一个。
[0056]实魁
[0057]以下实例和比较例进一步描述了本描述的组合式氧合器和动脉过滤器装置。这些实例提供用于示例性目的以有利于理解本描述，并且不应解释为将本描述限制到这些实例。[0058]示例性组合式氧合器和动脉过滤器装置(实例1-6)通过将深层过滤器直接形成在市售氧合器(可得自明尼苏达州明尼纳波利斯的美敦力公司(Medtronic，Inc.)的Affinity ? NT氧合器，其纤维涂有可得自英国Biolnteractions, Ltd.的Trillium.?Biosurface (生物表面))的氧合器束上而构成。集成动脉深层过滤器通过以预定方式继续氧合器纤维的螺旋或交叉卷绕以建立水平交叉卷绕纤维的两个或更多个过滤层而形成，该纤维包括在轴向相邻纤维之间的指定间隙间距。实例1-6中的每一个的纤维外径、过滤层的数量和间隙间距在下表1中示出。
[0059]通过使载满颗粒的流体流过装置并确定被装置捕集或保留的颗粒的百分比而测试实例1-6的组合式氧合器和动脉过滤器装置的过滤效率。颗粒为胶乳微球，并且采用各批次的不同粒度的颗粒对每个样品进行测试。对于每个测试来说，引入到装置的颗粒的数量与离开装置的颗粒的数量之间的差值被记录并用来确定过滤效率。下表1中示出用于每个测试的颗粒粒度以及所确定的过滤效率。
[0060]为了评价示例性组合式氧合器和动脉过滤器装置的过滤效率性能，使市售的动脉过滤器和市售的氧合器经受上述测试，并记录结果。特别地，比较例I和2为涂有Trillium? Biosurface (生物表面)的市售动脉过滤器(Affinity ? Arterial Filter(动脉过滤器)(38微米细丝间隙))。比较例3和4为涂有Carmeda ? Biosurface (生物表面)(可得自瑞典的Carmeda AB)的市售动脉过滤器(Affinit R Arterial Filter (动脉过滤器))。比较例5和6为涂有Carmeda? Biosurface (生物表面)的市售氧合器(可得自明尼苏达州明尼纳波利斯的美敦力公司(Medtronic, Inc.)的Affinity? NT氧合器)。比较例7和8为涂有Trillium ? Biosurface (生物表面)的市售氧合器(Aff inity ? NT氧合器)。测试结果在下表1中提供。
[0061]表1
[0062]
【权利要求】
1.一种用于在体外血液回路中处理血液的组合式氧合器和动脉过滤器装置，所述装置包括: 外壳; 芯，所述芯保持在所述外壳内且限定中心纵向轴线；以及 纤维束，所述纤维束设置在所述外壳内，所述纤维束由绕所述芯连续地螺旋卷绕以产生多个层的多根中空微孔纤维形成，每个层由平绕纤维构成并且每个后续层相对于所述中心纵向轴线在紧挨的前一层的径向向外处； 其中，所述纤维束的所述层组合以限定氧合器区域和深层过滤器区域，所述深层过滤器区域在所述氧合器区域的径向向外处； 并且其中: 所述氧合器区域层的轴向相邻纤维之间的最小间隙间距大于所述深层过滤器区域层的轴向相邻纤维之间的最小间隙间距， 所述纤维束在过滤具有约45微米的粒度的颗粒中呈现具有不小于92%的过滤效率。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纤维束在过滤具有约45微米的粒度的颗粒中的所述过滤效率不小于95%。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纤维束在过滤具有约65微米的粒度的颗粒中呈现具有不小于94%的过滤效率。
4.根据权利要求3所述 的装置，其特征在于，所述纤维束在过滤具有约65微米的粒度的颗粒中的所述过滤效率不小于97%。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纤维束在过滤具有约20微米的粒度的颗粒中呈现具有不小于55%的过滤效率。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述纤维束在过滤具有约20微米的粒度的颗粒中的所述过滤效率不小于60%。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，不小于92%的所述过滤效率用于携带所述颗粒且通过所述装置分配的液体。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述深层过滤器区域的敛集率大于所述氧合器区域的所述敛集率。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述深层过滤器区域的径向向内层的轴向相邻纤维之间的所述最小间隙间距大于所述深层过滤器区域的径向向外层的轴向相邻纤维之间的所述最小间隙间距。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述氧合器区域层的轴向相邻纤维之间的所述最小间隙间距在75-150微米的范围内，并且所述深层过滤器区域层的轴向相邻纤维之间的所述最小间隙间距在40-75微米的范围内。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纤维具有大约300微米的外径。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括形成于所述纤维束和所述芯之间的热交换器束。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述纤维束具有大约3.5英寸的外径和大约2.0英寸的内径。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外壳包括入口和出口，并且限定从所述入口径向通过所述氧合器区域、径向通过所述深层过滤器区域并到达所述出口的血液流动路径。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述纤维束建立径向曲折的血液流动路径。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述氧合器区域被构造成主要从流过所述纤维束的静脉血去除二氧化碳并将氧添加至所述静脉血，并且所述深层过滤器区域被构造成主要从流过所述纤维束的血液去除颗粒和气体微栓子。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述层各自由水平交叉卷绕的纤维构成。
18.—种体外血液回路，包括: 静脉管线，所述静脉管线用于接收来自患者的静脉血； 动脉管线，所述动脉管线用于将血液输送至患者；以及 组合式氧合器和动脉过滤器装置，所述组合式氧合器和动脉过滤器装置具有流体连接至所述静脉管线的入口侧和流体连接至所述动脉管线的出口侧，所述装置包括: 外壳， 芯，所述芯保持在所述外壳内且限定中心纵向轴线， 纤维束，所述纤维束设置在所述外壳内，所述纤维束由绕所述芯连续地螺旋卷绕以产生多个层的多根中空微孔纤维形 成，每个层由平绕纤维构成并且每个后续层相对于所述中心纵向轴线在紧挨的前一层的径向向外处， 其中，所述纤维束的所述层组合以限定氧合器区域和深层过滤器区域，所述深层过滤器区域在所述氧合器区域的径向向外处， 并且其中: 所述氧合器区域层的轴向相邻纤维之间的最小间隙间距大于所述深层过滤器区域层的轴向相邻纤维之间的最小间隙间距， 所述纤维束在过滤具有约45微米的粒度的颗粒中呈现具有不小于92%的过滤效率。
19.根据权利要求18所述的体外血液回路，其特征在于，所述回路的特征在于在所述装置和所述动脉管线之间不存在附加的动脉过滤器。
20.—种制造用于在体外血液回路中处理血液的组合式氧合器和动脉过滤器装置的方法，所述方法包括: 绕内芯螺旋卷绕多根中空微孔纤维以限定具有多个层的纤维束，每个层由平绕纤维构成，并且每个后续层相对于所述芯的中心纵向轴线在紧挨的前一层的径向向外处； 其中，所述纤维束的所述层组合以限定氧合器区域和深层过滤器区域，所述深层过滤器区域在所述氧合器区域的径向向外处； 并且其中: 所述氧合器区域层的轴向相邻纤维之间的最小间隙间距大于所述深层过滤器区域层的轴向相邻纤维之间的最小间隙间距， 所述纤维束在过滤具有约45微米的粒度的颗粒中呈现具有不小于92%的过滤效率；以及 将所述纤维束设置在外壳内。
【文档编号】A61M1/16GK103491992SQ201280020082
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年4月18日 优先权日:2011年4月29日
【发明者】R·欧森, J·L·诺尔 申请人:美敦力公司