体外循環（CPB）などの心肺機能に関わる分野において、クロスフロー熱交換器は患者の血液温度を調節するために不可欠な部品です。これらの装置は、開胸手術や一時的な心肺補助を必要とするその他の処置中に体外循環される血液を加温または冷却するために、人工心肺装置に組み込まれることがよくあります。
仕組み
クロスフロー熱交換器では、2つの流体（通常は血液と熱伝達媒体（水など））が互いに垂直に流れ、固体表面（金属またはポリマー製のプレート／チューブなど）によって分離されます。この固体表面によって流体が混ざることなく熱伝達が促進されます。この設計により、生体適合性を維持し、血液へのダメージを最小限に抑えながら、熱交換効率を最大限に高めることができます。
- 血流経路: 人工心肺装置からの酸素化された血液は、1 セットのチャネルまたはチューブを通って流れます。
- 水の流れの経路温度制御された水が隣接するチャネルセットを垂直方向に流れ、臨床上の必要性に応じて血液を温めたり冷やしたりします（例：低体温の誘発または復温）。
- 熱伝達血液と水の間の温度勾配が、伝導面を介した熱交換を促進します。クロスフロー構造により、熱交換器全体の温度差が一定となり、高い熱伝達率を実現します。
主な特徴
- 生体適合性凝固、溶血、または免疫反応を防ぐために、材料（ステンレス鋼、アルミニウム、または医療グレードのポリマーなど）が選択されます。
- コンパクトなデザイン: クロスフロー交換器はスペース効率に優れ、CPB 回路への統合に不可欠です。
- 効率: 垂直方向の流れにより温度勾配が最大化され、平行方向の流れの設計に比べて熱伝達が向上します。
- 不妊症: システムは汚染を防ぐために密閉されており、単一患者に対する処置では使い捨てのコンポーネントがよく使用されます。
- コントロール: ヒータークーラーユニットと組み合わせることで、熱交換器は正確な血液温度を維持します (例: 低体温の場合は 28 ～ 32 °C、正常体温の場合は 36 ～ 37 °C)。
心肺手術における応用
- 低体温誘導CPB 中は、血液を冷却して代謝需要を減らし、循環低下時に脳や心臓などの臓器を保護します。
- 復温: 手術後は、熱ストレスを与えることなく血液を徐々に温めて正常な体温に戻します。
- 温度調節体外式膜型人工肺（ECMO）やその他の長期循環補助システムにおいて安定した血液温度を維持します。
設計上の考慮事項
- 表面積表面積が大きいほど熱伝達は向上しますが、プライミング量（回路を満たすために必要な流体の量）を最小限に抑えることとバランスをとる必要があります。
- 流量: 血流は、効率的な熱伝達のために十分な乱流である必要がありますが、赤血球を損傷するほど乱流であってはなりません。
- 圧力降下: 血流抵抗を最小限に抑える設計により、ポンプの過度な圧力を回避します。
- 感染管理: ヒータークーラーユニット内の滞留水には細菌が生息する可能性がある（例： マイコバクテリウム・キメラ）、厳格なメンテナンスプロトコルが必要になります。
例
CPB回路における典型的なクロスフロー熱交換器は、血液が流れる薄壁チューブの束と、その周囲を温度制御された水が垂直方向に循環するウォータージャケットで構成されています。この熱交換器は、患者の深部体温からのリアルタイムフィードバックに基づいて水温を調整するヒータークーラーユニットに接続されています。
課題とリスク
- 溶血乱流による過度のせん断応力は血液細胞に損傷を与える可能性があります。
- 血栓形成性: 表面相互作用により血栓形成が引き起こされ、抗凝固剤（ヘパリンなど）が必要になる場合があります。
- 空気塞栓症: プライミングが不適切だと気泡が発生し、バイパス中に重大な危険が生じる可能性があります。
- 感染症: ヒーター・クーラーユニット内の汚染された水は、まれではあるが重篤な感染症と関連付けられています。