DE4126341C1

DE4126341C1 -

Info

Publication number: DE4126341C1
Application number: DE4126341A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Biol. Dr 6682 Bad Ottweiler De Biesel
Original assignee: Fresenius SE and Co KGaA
Current assignee: Fresenius SE and Co KGaA
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2011-08-10
Also published as: US5298171A; EP0528238A1; ES2079113T3; EP0528238B1; JPH05212108A; JP2538824B2; ATE129904T1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Separationseinrichtung zur Trennung von Blut in seine Bestandteile im Rahmen einer in-vivo-Blutaufbereitung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus der US 39 57 197 bekannt ist, und eignet sich besonders für die intraoperative Blutaufbereitung.

Bei der bekannten Separationseinrichtung wird das Hämatokrit-Signal auf eine Regelstufe geschaltet, mit der der Hämatokritwert des Vollblutes (Anteil der Erythrozyten am Volumen des peripheren Blutes in Vol-%) auf einem konstanten Wert gehalten wird. Dazu wird der Hämatokritwert des Vollblutes in der Zuführungsleitung gemessen (Istwert) und mit einem Sollwert verglichen. Liegt der gemessene Hämatokritwert über dem Sollwert, wird er durch Hinzufügen einer abgetrennten Fraktion aus den entsprechenden Abführungsleitungen über eine exakt dosierende Pumpe zur Zuführungsleitung auf den vorgegebenen Wert einreguliert. Mit dieser Maßnahme kann das Verhältnis Plasmafluß zu Erythrozytenfluß auf einen konstanten, definierten Wert eingestellt und damit eine Wirkungsgradverbesserung der Separationseinrichtung hinsichtlich der Zellgewinnung bei größerer Blutschonung erreicht werden.

Vorrichtungen mit verbessertem Wirkungsgrad bei der Blutgewinnung und größerer Blutschonung gehen auch aus der DE 34 10 286 A1 (gleich EP 01 55 684 A2) hervor. Die DE 34 10 286 A1 beschreibt eine Vorrichtung, bei der der Hämatokrit des einer Zentrifuge zugeführten Vollblutes durch Plasmarückführung in den gewünschten niedrigen Bereich eingestellt wird (z. B. 25%), bei der die Zentrifuge die optimale Trennleistung erzielt. Bei einem Eingangswert von 25% Erythrozyten im Vollblut trennt die Zentrifuge bei konstantem Eingangsfluß und konstanter Drehzahl das Blut am schnellsten; der Endwert des Hämatokrit des Zellkonzentrates, i. e. der Erythrozytenfraktion (z. B. 70%), wird am schnellsten erreicht. Aus diesem Grund wird das bei der Zentrifugation gewonnene Plasma zugeführt und damit das Blut verdünnt.

Ein entsprechender Stand der Technik mit Regelung des Hämatokritwertes des zugeführten Vollblutes auf einen konstanten Wert ist durch den Aufsatz von B. J. Van Wie und S. S. Sofer, The effect of recycle on the continuous centrifugal processing of blood cells, The International Journal of Artificial Organs, Vol. 8, no. 1, 1985, Seiten 43-48 bekannt geworden.

Bei bestimmten medizinischen Anwendungsfällen, insbesondere bei der intraoperativen Blutaufbereitung, muß man jedoch von regeltechnisch nicht beeinflußbaren, breit streuenden, d. h. von stark verschieden hohen Werten des Hämatokrit des einer Separationseinrichtung zugeführten Vollblutes ausgehen. Die bekannten Vorrichtungen sind dann nicht einsetzbar. Der Hämatokritwert des eintretenden Blutes spielt jedoch hinsichtlich der Sedimentation zellulärer Blutbestandteile in einer Zentrifuge eine erhebliche Rolle, da die Sedimentation außer von der Größe, der Dichte und der Form der Blutzellen auch vom Hämatokritwert abhängig ist. Dies hat zur Folge, daß eintretendes Blut, welches unterschiedliche Hämatokritwerte aufweist, bei gleicher Verweildauer in einer Zentrifuge zu unterschiedlich hoch konzentrierten Zellfraktionen separiert wird. Dieser Zusammenhang zwischen dem Hämatokritwert des Blutes (= Hk Blut in %) und dem Hämatokritwert der Erythrozytenfraktion (HkEk in %) bei einem konstanten Blutfluß von 120 ml/min ist in Fig. 1 dargestellt. Mit wachsendem Hk Blut nimmt der HkEk ab.

Ähnlich liegen die Verhältnisse bei anderen Separationseinrichtungen, insbesondere Filtrationssystemen, die ebenfalls eingesetzt werden können.

Die in Fig. 1 dargestellte Abhängigkeit ist bei solchen typischen Anwendungsfällen von Zellseparatoren ohne besondere Bedeutung, wo ausreichende Behandlungszeiträume in den Zentrifugen realisiert werden können und wo möglicherweise auch ein schlechterer Wirkungsgrad der Separation in Kauf genommen werden kann. Weiterhin weist der Eingangs-Hämatokritwert des Spenderblutes im Durchschnitt nur geringe Schwankungen auf, so daß die diesbezüglichen Effekte auch in derartigen Fällen vernachlässigbar sind.

Die geschilderte Problematik tritt jedoch besonders im Bereich der intraoperativen Autotransfusion, insbesondere bei Plasmaseparations- und Waschverfahren auf. Dort spielt der Hämatokritwert eine entscheidende Rolle. Intraoperativ anfallendes, im Operationsfeld abgesaugtes und in einem Sammelbehältnis zwischengelagertes Blut weist in Abhängigkeit von der Art der Operation, dem Hämatokritwert des Patienten, der Menge der im Operationsfeld eingesetzten Spüllösung, der Menge infundierte Volumenexpander, dem Blutverlust des Patienten, der Menge des zugeführten Antikoagulans oder der Menge eingeschwemmter Flüssigkeit, beispielsweise aus dem Gewebe, sehr unterschiedliche Hämatokritwerte auf. Diese liegen im Bereich von zehn bis vierzig Prozent und können sich während einer Operation beliebig ändern. Demgegenüber liegen die Normalwerte für Männer bei sechsundvierzig und für Frauen bei vierzig Volumenprozent. Die derzeit üblichen Aufbereitungsverfahren berücksichtigen diese Schwankungen des Hämatokritwertes nicht und arbeiten üblicherweise mit konstanter, voreingestellter Blutförderrate in die Zentrifuge. Dies führt zu folgenden Konsequenzen:

1. Der Hämatokritwert des produzierten Erythrozytenkonzentrates unterliegt großen Schwankungen.
2. Die Plasmaauswaschrate, welche durch das Volumenverhältnis von auszuwaschendem, im Zellkonzentrat verbliebenem Restplasma zur zugeführten Waschlösung definiert ist, unterliegt erheblichen Schwankungen.
3. Die Sedimentationskapazität der Separationseinrichtung kann nicht optimal genutzt werden.

Weiterhin ist ein konstanter Hämatokritwert des produzierten Erythrozytenkonzentrates zur exakten Dokumentation der retransfundierten Erythrozytenmenge über das retransfundierte Erythrozytenkonzentratvolumen unerläßlich. Es ist wünschenswert, mit einer möglichst hohen Blutaufbereitungsgeschwindigkeit und mit einer konstanten Auswaschrate zu arbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der eingangs bezeichneten Separationseinrichtung diese in der Steueranordnung so auszubilden, daß trotz stark schwankendem Hämatokritwert des zugeführten Blutes ein konstanter Hämatokritwert des aufbereiteten Zellkonzentrates erzielbar ist, um dabei eine konstante Auswaschrate und eine optimale Ausnutzung der Sedimentationsleistung der verwendeten Separationseinrichtung zur Optimierung des Blutdurchsatzes zu erreichen. Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Sie bietet dabei die Vorteile, daß somit ein System trotz eines breit streuenden Hämatokritwertes im zugeführten Blut - im Bereich der intraoperativen Autotransfusion treten Schwankungen im Bereich von ca. 10-40% auf - durch Steuerung des Blutflusses und damit veränderter Separationszeit dennoch ein konstanter Hämatokritwert des Zellkonzentrats erzielbar ist. Die Trennzeit ist dabei optimal kurz, d. h. die Leistung des Systems ist gleichzeitig hinsichtlich der Aufbereitungskapazität optimiert.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen der Patentansprüche beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung der Abhängigkeit des Hämatokritwertes Hk der Erythrozytenfraktion Ek von dem Hk des zugeführten Blutes bei konstantem Durchfluß,

Fig. 2 eine schematische Block-Darstellung einer Separationseinrichtung,

Fig. 3 eine Darstellung der Abhängigkeit des Hämatokritwertes des zu trennenden Blutes von dem Blutfluß bei konstantem Hämatokritwert der Zellfraktion und

Fig. 4 eine Blockdiagramm-Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles einer Separationseinrichtung.

Die jeweiligen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Separatoren in Form einer Blutzentrifuge. Es können jedoch auch andere Separatoren, z. B. Filtrationssysteme, verwendet werden, die die Blutzellen von der Flüssigkeit trennen.

Wenn im folgenden von Blut gesprochen wird, sollen damit ganz allgemein blutzellenhaltige Suspensionen verstanden werden, also auch Blut/Lösungsgemische.

Die Fig. 1 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Hämatokritwert Hk des zu trennenden Blutes und dem des Zellkonzentrates Ek bei vorgegebenem Blutfluß _B von 120 ml/min. Es ist dabei deutlich sichtbar, daß Blut mit unterschiedlichem Hämatokritwert bei gleicher Verweildauer in einer Zentrifuge, d. h. bei gleichbleibender Fördergeschwindigkeit, zu unterschiedlich hoch konzentrierten Zellfraktionen Ek separiert wird. Je größer der Hk Blut ist, umso kleiner ist der HkEk. Die Fig. 1 zeigt somit den Zustand welcher aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Die Fig. 2 zeigt eine Zentrifuge 10 als Separator, die eine Zuführungsleitung 12 für die Zufuhr des zu trennenden bzw. aufzubereitenden, in einer Blutquelle 14 befindlichen Blutes aufweist. In diese Zuführungsleitung sind eine in der Drehzahl einstellbare und damit den Blutdurchfluß veränderbare Blutpumpe 16 sowie stromauf dieser Pumpe ein Hämatokritsensor 18 eingeschaltet. Mit diesem Sensor 18 wird der Hämatokritwert des zugeführten Blutes Hk_B mit bekannten Methoden, z. B. fotoelektrisch oder mittels einer Leitfähigkeitsmessung, ermittelt. Auch die anderen Komponenten 10 bis 16 sind bekannte Baugruppen, so daß sich eine nähere Beschreibung dieser Gruppen erübrigt.

Die Zentrifuge 10 weist ferner Abführungsleitungen 20 und 22 für das getrennte Austragen der Blutbestandteile auf, wobei in Fig. 2 nur zwei Bestandteile, die Erythrozytenfraktion und das zellarme Plasma in zugehörigen Behältnissen 24 und 26 gesammelt werden. Der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 2 auch alle weiteren üblichen Bestandteile des Separationssystemes weggelassen, z. B. die in-vivo-Blutentnahme und auch die üblichen Pumpen in den Abführungsleitungen. Die Rückführleitung mit Zellkonzentrat zum Patienten/Spender ist gemäß Fig. 2 mit 27 bezeichnet.

In Fig. 2 ist weiterhin eine Steuerstufe 28 dargestellt, deren Eingang das den Hämatokritwert des zugeführten Blutes repräsentierende Signal, das Hämatokritsignal Hk_B über die Leitung 30 zugeführt ist und deren Ausgang über die Leitung 32 mit der Verstelleinrichtung 34 der Pumpengeschwindigkeit an der Blutpumpe 16 und damit des Blutdurchflusses _B verbunden ist. Die Steuerstufe 28 kann aus bekannten analogen Steuerkreisen aufgebaut werden. Sie wird vorzugsweise durch einen Mikroprozessor gebildet. Die Übertragungsfunktion der Steuerstufe 28 ist dabei so bestimmt, daß abhängig von der Größe des Signals Hk_B am Ausgang der Steuerstufe 28 ein Verstellsignal _B ableitbar ist, welches die Flußrate des Blutes in die Zentrifuge 10 so einstellt, daß der Hämatokritwert unter Berücksichtigung der für die jeweilige Separationskammer typischen zeitlichen Verzögerung, hier der dem Patienten rückgeführten Erythrozytenfraktion, einen konstanten Wert hat. Die Vorgabe der Übertragungsfunktion _B = f (Hk_B) in der Steuerstufe 28 erfolgt anhand empirisch oder rechnerisch ermittelter Kennliniendiagramme.

Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel für ein derartiges Kennliniendiagramm, welches den Zusammenhang zwischen Eingangs-Hämatokritwert Hk_B und Blutfluß _B bei konstantem Hämatokritwert der Erythrozytenfraktion HkEk = 75% darstellt. Zu jedem gemessenen Hk_B gibt es einen Wert _B, bei dem der vorgegebene HkEk erreicht wird. Diese Maßnahme gemäß Fig. 3 mit kontinuierlicher Messung des Hämatokritwertes Hk_B ist insbesondere geeignet zur Verwendung bei Zentrifugen mit kontinuierlicher und diskontinuierlicher Verfahrensweise (Blutdurchfluß-Zentrifuge bzw. Batch-Verfahren).

Bei der Einrichtung nach Fig. 2 wird der Hämatokritwert des Blutes direkt und kontinuierlich gemessen. Die Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher die Hämatokrit-Bestimmung indirekt erfolgt. Eine derartige Vorgehensweise ist insbesondere bei Blutdurchflußzentrifugen mit Einrichtungen zur Bilanzierung der in die Separationskammer und aus der Separationskammer fließenden Teilströme (Blut, Plasma, Waschlösung, Erythrozytenkonzentrat) verwendbar. Die Hämatokrit-Bestimmung erfolgt dabei näherungsweise rechnerisch aus dem Blutfluß in die Separationskammer und dem Erythrozyten-Konzentratfluß bzw. Plasmafluß aus der Separationskammer nach einer der beiden nachfolgenden Formeln.

oder

Hk_B = Hk des Blutes
K = Konstante
_EK = Erythrozytenkonzentratfluß
_B = Blutfluß
_PLS = Plasmafluß

Die Konstante K entspricht dem gewünschten, für das Kennliniendiagramm gemäß Fig. 3 typischen Hämatokritwert des Erythrozytenkonzentrates, beispielsweise einem Wert von 75% (Zielhämatokrit).

In der Fig. 4 ist die Alternative a) dargestellt. Alle Teile der Einrichtung nach Fig. 4, die mit derjenigen nach Fig. 2 übereinstimmen, haben dieselben Bezugsziffern. Zusätzlich dargestellt sind die Pumpe 40 in der Abführungsleitung 20 der Erythrozytenfraktion, der Sensor 42 für die Gewinnung des Meßwertes betreffend den Erythrozytenkonzentratfluß (EK ist) und der Sensor 44 für die Gewinnung des Meßwertes betreffend den Wert des Blutflusses (B ist) in die Zentrifuge 10. Dabei sind der Sensor 42 über die Leitung 46 mit der Ek-Pumpe 40 und der Sensor 44 über die Leitung 48 mit der Blutpumpe 16 verbunden.

Die Steuerstufe 28′ ist gegenüber der Steuerstufe 28 von Fig. 2 erweitert. An der Steuerstufe 28′ steht das Hämatokritsignal Hk_B nicht mehr unmittelbar an, sondern wird quasi in einer weiteren vorgeschalteten Stufe erst gebildet. Wenn die Steuerstufe 28′ durch einen Mikroprozessor gebildet wird, sind die Stufenunterschiede nicht mehr hardwaremäßig ausgebildet, sondern machen sich im Programm bemerkbar. Die Umrandungen der Stufen 28 in Fig. 2 sowie 28′ in Fig. 4 sind daher funktional zu sehen und nicht etwa als Gehäusewandung.

Die Einstellung des Blutflusses an der Blutpumpe 16 erfolgt ausgehend von einem vorgegebenen Wert _B, der einen mittleren Hämatokritwert des Erythrozytenkonzentrats von beispielsweise 75±10% über den gesamten Hämatokritbereich im zugeführten Blut gewährleistet. Dabei ist der Ausgang der Steuerstufe 28′ über eine Leitung 50 mit dem Eingang der Blutpumpe 16 verbunden, auf den der einzustellende Wert _B SOLL geschaltet wird. Nach Einstellung eines Gleichgewichtszustandes erfolgt die Berechnung des Hämatokritwertes des zugeführten Blutes und die entsprechende Anpassung des Blutflusses. Ein derartiger Gleichgewichtszustand ist beispielsweise durch ein dem Hämatokrit des zugeführten Blutes entsprechendes Verhältnis von Blutfluß und Erythrozytenkonzentratfluß bzw. Plasmafluß und damit durch einen konstanten Füllzustand der Zentrifuge gekennzeichnet. Die Abweichung des berechneten Hämatokritwertes vom tatsächlichen Hämatokritwert ist abhängig von der Differenz zwischen dem tatsächlich eingestellten Blutfluß _B IST und dem gemäß Fig. 3 einzustellenden Blutfluß Blut. Durch schrittweises Anpassung des Blutflusses entsprechend dem gemessenen Hämatokritwert vermindert sich die Differenz zwischen eingestelltem und einzustellendem Blutfluß und somit auch der Fehler der Hämatokritberechnung. Dies ergibt sich aus nachfolgendem Beispiel einer hämatokritorientierten Blutflußeinstellung, wobei die vorgenannten Formeln auch die Orientierung nach einer anderen Größe, z. B. dem Wert _EK, erlauben.

Randbedingungen:
- gewünschter Hämatokrit des Erythrozytenkonzentrats Hk_EK = 75%
- maximaler Blutfluß _B, der auch im hohen Hk_B-Bereich einen Hk_EK größer 70% ermöglicht = 120 ml/min
- aufzubereitendes Blut mit Hk_B = 20%
- Separationskammer PL1 bei 2000/Umin

Einstellvorgang:
Startbedingung: voreingestellter Blutfluß _B = 120 ml/min führt zu einem Konzentratfluß _EK von 29 ml/min mit Hk_EK = 83%;

1. Einstellschritt:

Einstellung von _B (18,2) nach Fig. 3 = 220 ml/min → Konzentratfluß _EK = 60 ml/min bei Hk_EK = 72%

2. Einstellschritt:

Einstellung von _B (20,5) nach Fig. 3 = 200 ml/min → Konzentratfluß _EK = 56 ml/min bei Hk_EK = 75%

Bei der Steuerung nach Fig. 4 erfolgt somit ein selbsttätiges Einstellen des gewünschten Hk_EK von 75% bei maximalem Konzentratfluß. Das ungesteuerte System verbliebe unter den als Startbedingung bezeichneten Bedingungen und produzierte Erythrozytenkonzentrat von Hk_EK = 83% bei einem Konzentratfluß von 29 ml/min. In der nachfolgenden Tabelle sind die Werte _EK und Hk_EK für Hämatokritwerte des eintretenden Blutes von 10-40% im gesteuerten und ungesteuerten System vergleichsweise gegenüber gestellt.

Man erkennt deutlich die unerwünschte Schwankungsbreite des Hämatokritwertes des Erythrozytenkonzentrats Hk_EK von 73-90% im ungesteuerten Fall gegenüber dem konstanten Wert von 75% im gesteuerten Fall.

Claims

1. Separationseinrichtung zur Trennung von Blut in seine Bestandteile im Rahmen einer in-vivo-Blutaufbereitung mit einem Separator (10), der eine Zuführungsleitung (12) mit einer Pumpe (16) für die im Durchfluß einstellbare Zufuhr des zu trennenden Blutes und Abführungsleitungen (20, 22) für das getrennte Austragen mindestens der Erythrozytenfraktion und des zellarmen Plasmas sowie eine Rückführleitung (27) aufweist, über die zumindest ein Bestandteil dem Spender/Patienten rückführbar ist, und mit einer Stellanordnung, der ein den Hämatokritwert des zugeführten Blutes repräsentierendes Signal (Hämatokrit-Signal) aufgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellanordnung eine Steuerstufe (28, 28′) mit vorgegebener Übertragungsfunktion aufweist, deren Eingang (30) das Hämatokrit-Signal zugeführt und deren Ausgang (32) mit der Pumpe (16) in der Zuführungsleitung (12) verbunden ist, und daß die Übertragungsfunktion so bestimmt ist, daß abhängig von der Größe des Hämatokrit-Signals ein Verstellsignal (34) am Ausgang der Steuerstufe (28) ableitbar ist, das den Blutfluß durch die Pumpe (16) in den Separator (10) so einstellt, daß der Hämatokritwert der rückgeführten Erythrozytenfraktion einen konstanten Wert hat.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuführungsleitung (12) ein Sensor (18) zum kontinuierlichen Messen des Hämatokritwertes des zu trennenden Blutes vorgesehen ist, der das Hämatokrit-Signal abgibt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (44) zum Ableiten eines Signals über den Blutdurchfluß in den Separator (10) und ausgangsseitig des Separators (10) ein Sensor (42) zur Bestimmung des Durchflusses der Erythrozytenfunktion oder ein Sensor zur Bestimmung des Durchflusses der Plasmafraktion vorgesehen sind und daß in der Steuerstufe (28′) eine vorgeschaltete Rechenstufe vorgesehen ist, der die Durchflußsignale zugeführt sind und die daraus den Hämatokritwert des zu trennenden Blutes errechnet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Hämatokritwerts in der Rechenstufe nach folgender Beziehung erfolgt: mit
Hk_B = Hk des Blutes
K = Konstante (Zielhämatokrit)
_EK = Erythrozytenkonzentratfluß
_B = Blutfluß

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Hämatokritwerts in der Rechenstufe nach folgender Beziehung erfolgt: mit
Hk_B = Hk des Blutes
K = Konstante (Zielhämatokrit)
_B = Blutfluß
_PLS = Plasmafluß

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Erreichen des Hämatokritwertes iterativ nach einem Näherungsverfahren erfolgt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstufe einschl. Rechenstufe (28′) durch einen Mikroprozessor gebildet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator (10) eine Zentrifuge ist.