DE4320198C1 - Vorrichtung zum Gasaustausch, insbesondere zum Oxygenieren von Blut - Google Patents
Vorrichtung zum Gasaustausch, insbesondere zum Oxygenieren von BlutInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Gasaustausch, insbesondere zum
Oxygenieren von Blut, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Beim Gasaustausch zwischen einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase
mittels mikroporöser Membranen werden üblicherweise hydrophobe Membranen
eingesetzt. Dies ist beispielsweise bei der extrakorporalen Membranoxygenierung
(ECMO) der Fall, bei der im extrakorporalen Kreislauf, beispielsweise bei der
Durchführung einer Operation am offenen Herzen Blut mit Sauerstoff versorgt
wird.
Eine ECMO-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist im
ASAIO, Vol. XXXIV (1988), Seite
978-985, beschrieben. Weiterhin ist ein hydrophober Oxygenator in der
DE 31 29 064 A1 beschrieben, die den Einsatz von hydrophoben
Membranmaterialien, beispielsweise in Form von Hohlfasern zur Oxygenierung
vorschlägt. Dabei wird dann auf der einen Seite einer hydrophoben Membran
Blut im extrakorporalen Kreislauf vorbeigeführt, während an der anderen Seite
der Membran im Gegenstrom Sauerstoff zugeführt wird, so daß über die Poren
der Membran hinweg ein CO2/O2-Austausch erfolgen kann.
Es werden üblicherweise zwei Typen von hydrophoben Membranen eingesetzt,
nämlich Membranen, die aus einem per se hydrophoben Material, beispielsweise
Polypropylen, bestehen und Membranen, deren Oberfläche mit einem
Hydrophobierungsmittel, beispielsweise Silikon hydrophob gemacht wurden.
Hydrophobe Membranen aus hydrophoben Materialien, wie PP, weisen
vergleichsweise große Poren mehrere 100 bis 1000 nm auf und liegen in Form
von mehreren 1000 Hohlfäden vor, was in einer aktiven Oberfläche bis zu 6 m2
resultiert. Das Blut fließt dabei entweder in den Hohlfäden oder aber auf der
Außenseite des Hohlfadens, während das auszutauschende Gas auf der
gegenüberliegenden Seite im Gegenstrom hierzu fließt. Diese Membranen werden
üblicherweise in Herz-Lungen-Maschinen eingesetzt.
Hydrophobierte Membranen bestehen andererseits aus einer dünnen Schicht
Silikon auf einer porösen Trägerstruktur und werden - wie nachstehend erläutert -
für die Langzeit-ECMO-Behandlung eingesetzt.
Zwar sind hydrophobe Membranen im Vergleich zu silikonisierten Membranen
effektiver, was die Diffusion der Gase in den gasgefüllten Poren betrifft, da die
Diffusion in Poren wesentlich schneller abläuft als durch flüssige Grenzflächen.
Andererseits haben jedoch Membranen aus hydrophobem porösen Material einen
signifikanten Nachteil in der Langzeittherapie, d. h. in der Therapie, die sich über
einen Zeitraum von mehr als 6 Stunden erstreckt. Dieser Nachteil besteht im
Lecken der Membran, da sich die Poren trotz ihrer hydrophoben Struktur mit
wäßrigen Plasmabestandteilen füllen, was zu einer Hydrophilierung bzw.
Benetzung der Oberfläche der Membran führt. Nachdem die hydrophoben
Membranen mit einem positiven Transmembrandruck (TMP) von der Blut- zur
Gasseite gesehen eingesetzt werden, führt die Hydrophilierung einerseits zum
freien Fließen des Plasmas von der Blut- zur Gasseite, so daß Plasma den
Oxygenator in flüssiger Form oder als Schaum verlassen kann, und andererseits
zu einer Behinderung der Gasdiffusion durch die Verstopfung der Membranen
mit Plasma, so daß die Effizienz der Vorrichtung drastisch vermindert wird. In
einem solchen Fall muß also der Oxygenator ausgetauscht werden.
Silikonmembranen sind andererseits weniger wirksam, verhindern jedoch ein
Durchschlagen von Plasma und werden somit in der Langzeit-ECMO eingesetzt.
In ähnlicher Weise wurden hydrophobe Membranen bei der extrakorporalen
Entfernung von CO2 (ECCO2R) aus Blut eingesetzt. Eine solche Vorrichtung ist
beispielsweise in der DE 40 28 311 C1 dargestellt.
Es wurde bereits vorgeschlagen, auch hydrophile Membranen für ECMO
einzusetzen, beispielsweise im Ann. Int. Conf. of the IEEE Engineering in
Medicine and Biology Society, Band 13 (1991), Seite 1557-1559. Bei der dort
vorgeschlagenen Anordnung erfolgt die Oxygenierung in mehreren Kreisläufen,
die jeweils mit semipermeablen Membranen voneinander getrennt sind. Die
unmittelbare Oxygenierung erfolgt zunächst mit dem üblichen hydrophoben
Oxygenator, auf dessen einer Seite Sauerstoff entlangläuft und dessen andere
Seite mit wäßriger Flüssigkeit beaufschlagt wird. Diese wäßrige Flüssigkeit
nimmt Sauerstoff in einem bestimmten Partialdruck auf und gibt diesen entlang
einer hydrophilen Membran an einen Blutkreislauf ab, d. h., es erfolgt ein
Austausch von Flüssigkeit unterschiedlichen Gasgehalts entlang der Oberfläche
der hydrophilen Membran. Eine solche Vorrichtung bedient sich also der
klassischen hydrophoben Membran zum Transfer von gasförmigem Sauerstoff in
eine wäßrige Flüssigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Gasaustausch
im Blut zur Verfügung zu stellen, die einerseits eine hohe Austauschleistung
aufweist und andererseits auch im Langzeitbetrieb eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung nach dem Anspruch 1
gelöst. Die Membran ist danach hydrophiliert und
im Betrieb mit Wasser benetzt und der Gasweg ist mit sauerstoffhaltigem Gas
unter positivem Transmembrandruck von der Gas- zur Blutseite in Betrieb
beaufschlagt.
Unter "hydrophiler Membran" werden sämtliche mit Wasser benetzbaren
Membranen verstanden, also zunächst Membranen, die aus einem eine oder
mehrere Komponenten enthaltenden hydrophilen Material, wie regenerierter
Cellulose oder Polysulfon, das mit Polyvinylpyrrolidon (PVP) bestimmten
Mengen hydrophiliert ist, bestehen. Ein Filter mit dem letztgenannten Material ist
beispielsweise von der Anmelderin mit der Bezeichnung PS 400 im Handel und
ist im übrigen in der DE 34 26 331 A1 beschrieben, auf deren Offenbarung
inhaltlich voll Bezug genommen wird. Weitere Membranmaterialien sind
Polyacrylnitril, Cuprophan, CA und dergleichen. Festzustellen ist, daß diese
Membranen bereits seit langen Jahren für die Hämodialyse eingesetzt werden und
sich dort bewährt haben.
Neben Membranen aus bereits hydrophilem Material können auch hydrophobe
Membranen eingesetzt werden, sofern sie mit auswaschbaren
Hydrophilierungsmitteln, wie Myristylalkohol oder mit einem Wasser/Ethanol-
Gemisch hydrophil gemacht werden. Setzt man beispielsweise das letztgenannte
Gemisch ein, so kann eine mit diesem Gemisch gefüllte Membran direkt durch
Einleiten von Wasser oder einer wäßrigen Elektrolytlösung benetzt werden, d. h.,
sämtliche Poren sind dann mit der wäßrigen Flüssigkeit gefüllt. Eine weitere
Hydrophilierungsmethode mit Hilfe von Natriumacetat ist beispielsweise in der
DE 30 43 073 A1 beschrieben.
Schließlich besteht auch die Möglichkeit, hydrophobe Membranen mit Wasser
dadurch zu benetzen, daß das Lumen von Hohlfasern mit einer wäßrigen
Flüssigkeit gefüllt und umschließend mit Druck so lange beaufschlagt wird, bis
das Wasser sämtliche Poren durchdrungen hat.
Wesentlich ist es also, daß die Poren der Membran mit wäßriger
Flüssigkeit gefüllt sind.
Bevorzugt werden solche Membranen eingesetzt, die bereits aus
hydrophilem oder durch hydrophile Zusätze hydrophil gemachtem Material
bestehen.
Hydrophile Membranen, wie sie beispielsweise in der DE 34 26 331 A1
beschrieben sind, weisen üblicherweise eine asymmetrische Gestalt auf, d. h. sie
bestehen aus einer relativ dünnen Haut (Skin) von etwa 1 µm, die von einer
relativ grobporigen Stützstruktur gestützt ist. Beide Strukturen bestehen aus ein
und demselben Material, wobei die dünnporige Membran Poren relativ geringen
Durchmessers (zwischen 2 und 20 nm) aufweist. Durch diese Poren erfolgt der
Gasaustausch über die in der Pore befindliche Flüssigkeitssäule, wobei sich das
im Gasstrom befindliche Molekül an der Gas-Flüssigkeitsgrenzfläche mit dem in
der Flüssigkeit physikalisch gelösten Gasmolekül im Gleichgewicht befindet.
Insofern dient der dort befindliche Flüssigkeitsfilm als Barriere für Gase ähnlich
der Silikonmembran mit dem Unterschied, daß die Austauschleistung wesentlich
größer ist, da die Diffusionskonstante von gelöstem Sauerstoff in Wasser im
Vergleich zu Silikon wesentlich höher ist.
Die in einer Pore befindliche Flüssigkeit kann in Abhängigkeit vom
Porendurchmesser und von der Länge der Pore bei einem bestimmten Druck aus
der Pore dadurch ausgepreßt werden, daß auf der anderen Seite der Membran ein
Gas mit einem bestimmten Überdruck angelegt wird. Sobald der Druck einen
bestimmten Wert übersteigt, wird die Flüssigkeit komplett aus der Pore gepreßt,
so daß Gasblasen in der Flüssigkeit sichtbar sind (sogenannter bubble-point-
Druck). Dieses Verfahren wird verwendet, um hydrophile Membranen,
beispielsweise bei Hämodialysatoren zur Erkennung von Defekten (große Löcher
oder gebrochene Kapillaren) zu erkennen. Üblicherweise liegt der bubble-point
von solchen Membranen in Wasser bei einem Wert oberhalb 10 bar, so daß mit
Wasser benetzte Membranen bis zu 10 bar dicht sind und mit Gas beaufschlagt
werden können, ohne daß ein Durchschlagen von Gas zu befürchten ist.
Nun hängt aber der in einer Flüssigkeit vorliegende Gaspartialdruck, der mit der
in der Flüssigkeit gelösten Gasmenge korreliert ist, von dem angelegten
Außendruck und/oder dem Gaspartialdruck der jeweiligen Gaskomponente in dem
Gasgemisch (wie der Komponente Sauerstoff in Luft) ab mit der Folge, daß über
den angelegten Außendruck die dem Blut zuzuführende Gasmenge eingestellt
werden kann. Infolgedessen kann die Sauerstoffkonzentration durch die Wahl des
Luft/Sauerstoffgemisches oder des Druckes auf dieses Gemisch eingestellt
werden.
Wie bereits vorstehend erwähnt, liegen die Membranen vorteilhafterweise in
Form von Hohlfäden vor. Andererseits können jedoch aber auch
Flachmembranen eingesetzt werden. Die Hohlfäden besitzen einen
Außendurchmesser von 100-400 µm, vorteilhafterweise etwa 200 µm, sowie
einen Innendurchmesser von etwa 80-320 µm. Die Wandstärke liegt in einem
Bereich von 10-60 µm.
Üblicherweise enthält eine Gasaustauschvorrichtung,
insbesondere Oxygenator bis zu 10 000 Hohlfäden je Einheit, so daß die gesamte
Membranoberfläche bis zu 10 m2 betragen kann.
In Betrieb dient die mit Wasser benetzte Membran als Flüssigmembran, durch die
der Austausch bzw. Transfer der Gase von dem einen Medium Gas zum anderen
Medium Flüssigkeit erfolgt. Demzufolge wird im Blut befindliches freies CO2 an
der Membranoberfläche ausgetauscht gegen das von der anderen Membranseite
her transferierte Gas, das üblicherweise aus Luft besteht, die mit Sauerstoff in
einem vorbestimmten Verhältnis angereichert ist. Vorteilhafterweise wird das Gas
mit einem positiven TMP (von der Gasseite zur Blutseite gesehen) gegen die
flüssige Grenzfläche gedrückt, in der es sich physikalisch mit dem
entsprechenden Partialdruck löst. Ausgeschlossen ist dabei ein Transfer von
gasförmigen Bestandteilen aufgrund der Tatsache, daß der bubble-point bei dem
gewählten absoluten Überdruck nicht überschritten wird. Insofern besteht im
Gegensatz zu hydrophoben Membranen bei den mit Wasser benetzten hydrophilen
Membranen nicht das Risiko, daß direkt Gasblasen in die Blutbahn durch die
Poren der Membran gefördert werden und somit eine Luftembolie erzeugen
könnten.
Letzteres kann nur dann geschehen, wenn es zu einer Ruptur in der
Membranoberfläche kommt, so daß Luft in den Blutstrom eintreten kann.
Insofern sind zweckmäßigerweise Sicherheitseinrichtungen in Form von
Luftdetektoren stromab der Gasaustauschvorrichtung vorgesehen, um sicher die
Entstehung von Gasblasen zu erkennen.
Eine solche Freisetzung von Luftblasen kann im übrigen auch dann erfolgen,
wenn eine Übersättigung des Blutes mit Sauerstoff enthaltenem Gas aufgrund
eines zu hohen TMP gegenüber Umgebungsdruck entsteht, so daß auch hier
zweckmäßigerweise ein Luftsensor stromab der Gasaustauschvorrichtung
vorgesehen ist. Eine solche Übersättigung hängt - wie festgestellt - von einem zu
hohen TMP ab, der relativ zu den beiden Medien eingestellt wird, während die
Übersättigung - absolut zum Umgebungsdruck betrachtet - auftritt.
Ausgestaltungen der Vorrichtung zum extrakorporalen Gas
austausch sind in den Unteransprüchen angegeben.
So kann die Austauschvorrichtung stromauf der Blutpumpe angeordnet sein,
so daß sich hierdurch zwangsläufig ein Unterdruck im Ansaugbereich
der Pumpe ergibt. Wird hier eine Oxygenierung vorgenommen, so stellt sich
entsprechend dem positiven TMP eine bestimmte Sauerstoff/Luftkonzentration im
Blut ein, die im Unterdruckbereich übersättigt sein kann. Wird jedoch das Blut
auf die Druckseite der Pumpe überführt, ändert sich durch die Druckerhöhung
zwangsläufig die Löslichkeit des Gases in Blut, d. h., es löst sich unter dem
erhöhten Druck mehr Gas im Blut als bei dem niedrigeren Ansaugdruck. So kann
eine mit Gas übersättigte Lösung des Blutes durch Druckerhöhung in einen nicht
übersättigten Bereich überführt werden, so daß die Bildung von Gasblasen mit
einer solchen Vorrichtung wirksam unterdrückt wird.
Andererseits kann anstelle der Anordnung stromauf der Blutpumpe auch eine
Ausführungsform stromab der Blutpumpe aussehen, bei der die
Gasaustauschvorrichtung zwischen einer Strömungsdrosseleinrichtung stromauf
und einer weiteren Pumpe stromab angeordnet ist, so daß hierdurch ein
künstlicher Unterdruckbereich geschaffen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist nur eine Gasaustauschvorrichtung im
extrakorporalen Kreislauf vorgesehen, die auf der einen Seite der Membran mit
zu oxygenierendem Blut und auf der anderen Seite mit einem Gasstrom mit
einem vorbestimmten O2-Partialdruck (Konzentration), der jedoch bei der
Oxygenierung verändert werden kann, beaufschlagt wird. Der Gasstrom wird
dabei mit einem vorbestimmten oder geregelten Überdruck der mit Wasser
benetzten Membran im Gegenstrom zugeführt, so daß CO2 und das
Sauerstoff/Luftgemisch wechselweise von der einen Seite zur anderen Seite der
Membran transferiert werden.
Bei dieser Ausführungsform kann die Zuführung des Sauerstoff/Luftgemisches
sowohl gesteuert als auch geregelt erfolgen. Im Steuerungsfall wird vorher die
Strömungsrate des Blutes und die Strömungsrate sowie die Zusammensetzung des
Sauerstoff/Luftgemisches einschließlich des Transmembrandrucks ermittelt, wobei
dann vorbestimmte Druck- und Strömungswerte eingehalten werden. Sofern eine
Regelung erfolgt, ist stromab des Gasaustauschers ein O2-Sensor im Blutkreislauf
vorgesehen, mit dem die aktuelle O2-Konzentration festgestellt wird. Der
ermittelte Wert dient dann als Ist-Wert, mit dem dann ein Vergleich mit einem
Soll-Wert vorgenommen wird, dessen Ergebnis zu einer Änderung der
Zusammensetzung oder des Überdrucks des Gasgemisches eingesetzt werden
kann. Die Druckveränderung kann an einem Druckregelventil
oder einem Gasdrosselorgan proportional oder intermittierend erfolgen. Während
bei der proportionalen Druckveränderung stetig der Druck entsprechend einem
bestimmten Wert konstant gehalten wird, erfolgt bei der intermittierenden
Betriebsweise ein taktweises Öffnen und Schließen des Ventils, wobei der Druck
entweder durch das Verhältnis der Öffnungszeiten des Ventils zu den
Verschlußzeiten .oder durch die Häufung der Öffnung bei konstanter
Öffnungszeit konstant gehalten wird.
Die Regelung des Drucks erfordert einen Sensor im Gasbereich sowie eine
Aussteuerungseinrichtung des Regelventils.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind im extrakorporalen Blutkreislauf
zwei Gasaustauscher vorgesehen, von denen der eine zum CO2-Austausch
herangezogen wird, während der nachgeschaltete andere Austauscher zur reinen
Oxygenierung dient. Vorteilhafterweise wird der CO2-Austauscher mit Luft
beaufschlagt, wobei ein TMP von etwa 0 eingesetzt wird. Die Luft wird dabei
stetig der Membran zugeführt und verläßt den Gasaustauscher auf der
gegenüberliegenden Seite. Vorteilhafterweise wird der Partialdruck von CO2
stromab oder stromauf des Austauschers bestimmt. Das Signal kann auf eine
Steuereinheit gegeben werden, die den Fluß der Luft steuert, um einen
bestimmten CO2-Gehalt stromab des Filters einzustellen.
Der zweite Gasaustauscher dient zur reinen Oxygenierung und kann einen
kleineren Oberflächenbereich als der erste Gasaustauscher aufweisen.
Vorzugsweise wird Sauerstoff im dead-end-Betrieb dem Oxygenator zugeführt,
d. h., dieser Oxygenator weist keinen Gasauslaß auf. Der Sauerstofffluß wird
entweder gesteuert oder geregelt eingestellt. Im geregelten Fall wird der
Sauerstoff-Partialdruck und/oder die Sauerstoffsättigung mit Hilfe eines Sensors
stromab ermittelt und das Signal wiederum auf eine Reglereinheit gegeben, die
den Sauerstofffluß entsprechend einstellt. Der erhaltene Sauerstoff-Partialdruck
oder die Übersättigung stellt sich entsprechend einem vom Verbraucher
definierten Wert ein (beispielsweise ein Sauerstoff-Partialdruck von 0,25 bar oder
eine Sauerstoffsättigung von 99%).
Andererseits kann jedoch aber auch das gesamte System gesteuert im
Proportionalbetrieb betrieben werden, bei dem der Sauerstofffluß proportional
zum Blutfluß folgt. In einem solchen Fall werden die CO2/O2-Austauschleistung
der beiden Austauscher in Relation zum Blutfluß gebracht und somit gesteuert
betrieben.
Verglichen zum konventionellen Oxygenierungssystem, bei dem hydrophobe
Oxygenatoren eingesetzt werden, hat die beanspruchte Vorrichtung folgende
Vorteile:
Es können Standard- oder etwas modifizierte Dialysatoren eingesetzt werden,
die Membranen aus vergleichsweise biokompatiblen Materialien, wie Polysulfon,
besitzen. Erheblich sind dabei die Kosteneinsparungen, da Dialysatoren unter
10% der Kosten eines Membranoxygenators liegen.
Beim Einsatz von zwei Austauschern ist kein Gasmischer mehr notwendig und
der Sauerstofftransfer kann unabhängig von dem zu entfernenden CO2 eingestellt
werden. Hierdurch wird eine einfache automatische Steuerung möglich, die nur
von einem einzigen Parameter abhängt, nämlich dem Sauerstoff- oder
CO2-Gehalt, der jeweils mit entsprechenden Sensoren bestimmt werden kann.
Der Sauerstoffverbrauch ist auf den Sauerstoff begrenzt, der vom Patienten
benötigt wird.
Schließlich kann der CO2-Filter auch zur Entfernung von Flüssigkeit eingesetzt
werden, ohne daß hierdurch die CO2-Entfernung wesentlich beeinträchtigt wird.
Mit dem Gasaustauscher soll die Summe der Partialdrücke im
Blut, die den Oxygenator verlassen, den Atmosphärendruck erreichen. Dieser
darf - wie vorstehend erläutert - nicht wesentlich überschritten werden, da
ansonsten die Gefahr der Luftembolie besteht.
Die Zeichnung erläutert Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Es zeigen
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Gasaustauschvorrichtung in
schematischer Darstellung,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Gasaustauschvorrichtung in
schematischer Form und
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer Gasaustauschvorrichtung mit einem
CO2-Austauscher und einem Oxygenator in schematischer Form.
In Fig. 1 ist mit 10 eine Gasaustauschvorrichtung schematisch dargestellt.
Diese Gasaustauschvorrichtung weist einen extrakorporalen Blutkreislauf 12 auf,
der in eine Zuleitung 14 und eine Ableitung 16 durch eine Gasaustauscheinheit 18
geteilt ist.
In die Zuleitung ist eine Blutpumpe 20 eingeschaltet.
Die Gausaustauscheinheit 18 ist durch eine semipermeable Membran 22 in eine
Blutkammer 24 und eine Gasaustauschkammer 26 geteilt. Durch die Blutkammer
24 ist der extrakorporale Kreislauf 12 gelegt bzw. an den Eingang der
Blutkammer 24 ist die Zuleitung 14 und an den Ausgang die Ableitung 16
angeschlossen.
Durch die Gasaustauschkammer ist eine Gasleitung 28 gelegt, die in eine
Gaszuleitung 30 und eine Gasableitung 32 geteilt ist.
Das Ende der Gaszuleitung 30 mündet in einen Gasmischpunkt 34, an den eine
Luftzuleitung 36 und eine Sauerstoffzuleitung 38 angeschlossen sind. In die
beiden Zuleitungen 36 und 38 sind jeweils Gasförderorgane 40 und 42
eingeschaltet. Während die Luftzuleitung 36 an die Umgebungsluft angeschlossen
ist, ist die Sauerstoffzuleitung 38 an eine Sauerstoffquelle 44 angeschlossen.
In die Ableitung 16 ist weiterhin eine Tropfkammer 46 eingeschaltet, die einen
Gassicherheitssensor 48 aufweist.
Die Zuleitung 14 weist benachbart zur Blutkammer 24 einen ersten Drucksensor
50 zur Bestimmung des im Blut vorliegenden Drucks auf.
Desgleichen ist in der Gasableitung 32 ein zweiter Drucksensor 52 vorgesehen,
mit dem der in der Gasleitung vorliegende Gasdruck bestimmt werden kann.
Schließlich ist am Ende der Gasableitung 32 eine Klemmenanordnung 54
vorgesehen, mit der der Querschnitt der Gasableitung 32 verändert werden kann.
Die Gasaustauschvorrichtung 10 wird mittels einer Steuereinheit 56 gesteuert.
Hierzu ist die Steuereinheit 56 über Steuerleitungen 58-64 mit der Blutpumpe
20, der Klemmenanordnung 54, dem ersten Gasförderorgan 40 und dem zweiten
Gasförderorgan 42 verbunden.
Die Drucksensoren 50 und 52 geben über Signalleitungen 66 und 68 Signale an
eine TMP-Ermittlungseinheit 70 ab, deren Signal über die Signalleitung 72 auf
die Steuereinheit 56 geschaltet ist. Weiterhin ist die Steuereinheit 56 über eine
Signalleitung 74 mit dem Gassicherheitssensor 48 verbunden.
Schließlich können in der Gasableitung 32 ein CO2-Sensor 76 vorgesehen sein,
der über eine Signalleitung 78 mit der Steuereinheit 56 verbunden ist.
Die Gasaustauschvorrichtung 10 wird folgendermaßen betrieben.
Der extrakoporale Kreislauf 12 wird vor dem Anschluß an einen Patienten mit
einer sterilen physiologischen Kochsalzlösung gefüllt, so daß es - wie eingangs
erläutert - zu einer Benetzung der hydrophilen Membran 22 kommt.
Anschließend wird der extrakorporale Kreislauf 12 an den Patienten
angeschlossen und die Blutpumpe 20 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit
von der Steuereinheit 56 in Betrieb genommen. Hier stellt sich dann ein positiver
Druck in der Zuleitung 14 stromab der Blutpumpe 20 und stromauf der
Gasaustauscheinheit 18 ein, die von dem Drucksensor 50 fortlaufend bestimmt
und an die TMP-Ermittlungseinheit 70 abgegeben wird.
Die Steuereinheit 50 nimmt weiterhin das erste Gasförderorgan 40 zur Zuführung
von Luft in vorbestimmter Weise in Betrieb und führt diese dem Gasmischpunkt
34 zu. Desweiteren wird die zweite Gasfördereinheit 42 in vorbestimmter Weise
in Betrieb genommen und fördert eine vorbestimmte Menge Sauerstoff zum
Gasmischpunkt 34, an den ein Sauerstoff-Luftgemisch mit vorbestimmter
Zusammensetzung gemischt und über die Gaszuleitung 30 der
Gasaustauschkammer 26 zugeführt wird.
Der Gasdruck, der an die Membran 22 angelegt wird, wird mittels der
steuerbaren Klemmenanordnung 54 eingestellt und mit dem Drucksensor 52
ermittelt, der sein Signal ebenfalls an die TMP-Ermittlungseinheit 70 abgibt, in
der der Transmembrandruck (TMP) ermittelt und an die Steuereinheit 56 gegeben
wird.
Gemäß einem vorbestimmten Programm, das in der Steuereinheit 56 abgelegt ist,
erfolgt eine Zuführung von Sauerstoff von ca. 50 Nml/min, wobei zugleich im
wesentlichen gleichen Mengen CO2 aus dem Blut abgefördert werden.
Dabei kann der CO2-Gehalt über die Gasförderrate der Gasförderorgane 40 und
42 und den CO2-Sensor 76 gegebenenfalls ermittelt und zu Regelzwecken
eingestellt werden.
Mit der Gasaustauscheinheit 10 erfolgt also ein kombinierter Gasaustausch von
CO2 und O2 entsprechend den vorgegebenen Partialdrücken im Gasgemisch bzw.
dem angelegten TMP. Dieser TMP wird letztlich eingestellt, einerseits über die
Blutpumpe 20 und andererseits über die Klemmenanordnung 54 in Abhängigkeit
von dem Strömungswiderstand des Gasaustauschers 18 bzw. den Förderraten der
Gasförderorgane 40 und 42. Ausgangs der Blutkammer 24 wird dann ein an CO2
abgereichertes und ein an O2 angereichertes Blut erhalten.
Wie bereits vorstehend festgestellt, arbeitet die in Fig. 1 dargestellte
Vorrichtung 10 stromab der Blutpumpe 20 im Überdruckbereich, d. h. am
Eingang der Blutkammer 24 wird Blut mit Überdruck und am Ausgang der
Blutkammer üblicherweise Blut mit Umgebungsdruck gefördert. Nachdem sich
mehr Gas im Blut bei Überdruck löst als bei Normaldruck, muß
darauf geachtet werden, daß es nicht zu einer Übersättigung des Blutes bei der
Oxygenierung kommt, was zur Bildung von Gasblasen ausgangs der Blutkammer
24 führen könnte. Zur Vermeidung von Alarmsituationen ist daher der TMP so
einzustellen, daß solche Überdruckverhältnisse nicht entstehen.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform zeigt eine weitere
Gasaustauschvorrichtung 10, die in ihrem Aufbau bis auf die Anordnung der
Blutpumpe 82 der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 identisch gleicht, so daß für
gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 eingesetzt werden.
Die Blutpumpe 82 ist stromab der Gasaustauscheinheit 18 in der Ableitung 16
jedoch stromauf der Druckkammer 46 angeordnet und über eine Steuerleitung 84
mit der Steuereinheit 56 verbunden. Insofern befindet sich die Gasaustauscheinheit 18
im Ansaug- oder Unterdruckbereich der Blutpumpe 82 mit der Folge, daß
stromab der Blutpumpe 82 das mit Gas angereicherte Blut auf den
Umgebungsdruck angehoben wird, so daß hierdurch zwangsläufig das vorstehend
geschilderte Übersättigungsproblem entfällt.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform einer Gasaustauschvorrichtung 100
gezeigt, die einen extrakorporalen Blutkreislauf 102 aufweist, der in eine
Zuleitung 104, eine Übergangsleitung 106 und eine Ableitung 108 geteilt ist.
In die Zuleitung 104 ist eine Blutpumpe 110 eingeschaltet. Das eine Ende der
Zuleitung 104 kann mit einem nicht gezeigten Patienten verbunden werden,
während das andere Ende mit einem CO2-Austauscher verbunden ist, der eine
semipermeable hydrophilierte Membran 114 aufweist, die den CO2-Austauscher
in eine Blutkammer 116 und eine Entgasungskammer 118 teilt. Durch die
Entgasungskammer 118 ist ein Entgasungsweg 120 gelegt, der in eine
Entgasungszuleitung 122 und eine Entgasungsableitung 124 geteilt ist.
Am Ausgang der Blutkammer 116 geht die Übergangsleitung 106 ab und ist an
ihrem anderen Ende mit einem Oxygenator 128 verbunden, der ebenfalls durch
eine hydrophilierte semipermeable Membran 130 in eine Blutkammer 132 und
eine Oxygenierungskammer 134 geteilt ist. Die Übergangsleitung 106 mündet
dabei in die Blutkammer 132. Von dieser Blutkammer geht auf der anderen Seite
die Ableitung 108 ab, in die eine Tropfkammer 136 eingeschaltet ist, die mit
einem Gassicherheitssensor 138 ausgerüstet ist.
Stromab der Tropfkammer 136 ist eine Sicherheitsklemme 140 an der Ableitung
108 vorgesehen.
In die Oxygenierungskammer 134 mündet eine Oxygenierungsleitung 142, die
vorteilhafterweise keine Ablaßleitung aufweist und somit im dead-end-Betrieb
betrieben wird. Die Oxygenierungsleitung 142 ist mit einer Sauerstoffquelle 144
verbunden und weist ein Sauerstoff-Förderorgan 146 auf.
Ein ähnliches Luftförderorgan 148 ist am Eingang der Entgasungsleitung 120
versehen, über die Luft gefördert wird. Diese Förderorgane können als Pumpen
oder aber, sofern das zu fördernde Gas bereits mit Überdruck angeliefert wird,
als Gasdruckregelventile bzw. Gasflußregelventile ausgebildet sein.
Desweiteren ist am Ausgang der Entgasungsableitung 124 ein Gasdrosselorgan
126 vorgesehen, mit dem der Entgasungsdruck in dem Entgasungsweg 120
steuerbar ist.
Um den Transmembrandruck über die Membran 114 festzustellen, ist stromauf
des CO2-Austauschers in der Blutzuleitung 104 ein erster Drucksensor 150
vorgesehen, um den Blutdruck in der Zuleitung zu bestimmen.
Ein zweiter Drucksensor 152 ist in der Entgasungsableitung 124 stromauf der
Drossel 126 vorgesehen. Beide Drucksensoren 150 und 152 geben über
Steuerleitungen 154 und 156 ihr Signal an eine Steuereinheit 158 ab, die den
Transmembrandruck bestimmt und den ermittelten Transmembrandruck mit
einem voreingestellten Wert vergleicht und über die Steuerleitung 160 das
Gasdrosselorgan 126 entsprechend verstellt. Andererseits kann jedoch aber auch
die Förderrate der Blutpumpe 110 entsprechend angepaßt werden.
Üblicherweise wird der Transmembrandruck im CO2-Austauscher 112 so
eingestellt, daß die beiden Teildrücke sich aufheben, so daß der
Transmembrandruck etwa 0 ist. Gegebenenfalls kann auf der Blutseite ein
Überdruck vorliegen, sofern überschüssige Flüssigkeit entfernt werden soll, die
dann durch die als Filtratleitung dienende Gasabzugsleitung 124 entfernt wird.
Desweiteren ist eine Hauptsteuereinheit 162 vorgesehen, die über die
Steuerleitung 164 die Blutpumpe 110 sowie über eine Steuerleitung 166 das
Luftförderorgan 148 entsprechend einer vorbestimmten CO2-Entfernungsrate
steuert.
Vorteilhafterweise kann ein CO2-Sensor entweder stromauf oder stromab des
CO2-Austauschers 112 in der Zuleitung 104 oder in der Übergangsleitung 106 als
Sensor 165 bzw. 167 vorgesehen sein, die über Signalleitungen 168 bzw. 170 mit
der Hauptsteuereinheit 162 verbunden sind. Mittels eines der Signale der
CO2-Sensoren 165, 167 läßt sich dann bei bekanntem Transmembrandruck der
zuzuführende Luftstrom an dem Luftförderorgan 148 bzw. an der Drosseleinheit
126 einstellen.
Die Hauptsteuereinheit 162 ist weiterhin über eine Steuerleitung 172 mit dem
Sauerstoff-Förderorgan 146 verbunden und stellt diese auf einen vorbestimmten
Wert ein.
Vorteilhafterweise ist stromab des Oxygenators 128 in der Ableitung 108 ein
Sauerstoffsensor 174 vorgesehen, dessen Signal über die Signalleitung 176 auf die
Hauptsteuereinheit 162 geschaltet ist. Wird mit dem Sauerstoffsensor 174 der
aktuelle Sauerstoffgehalt im Blut ermittelt, so kann dieses Ist-Signal mit einem
Soll-Wert in der Hauptsteuereinheit 162 verglichen werden, die dann das
O2-Förderorgan entsprechend dem durchgeführten Vergleichsergebnis regelt.
Der Luftdetektor 138 ist über eine Sicherheitssteuerung 139 verbunden, die bei
Detektion von Luft die Klemme 140 schließt und die gesamte Anordnung in den
sicheren Zustand überführt.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 wird folgendermaßen betrieben.
Der gesamte extrakorporale Kreislauf einschließlich der Austauscher 112 und 128
wird vor dem Anschließen an den Patienten mit physiologischer Kochsalzlösung
gefüllt, was die Benetzung der hydrophilierten Membranen 114 und 130 - wie
eingangs erläutert - zur Folge hat. Diese Membranen bilden dann gegenüber den
in den Kammern 118 und 134 befindlichen Gasen eine bis zum bubble-point-
Druck undurchlässige Sperre und zusätzlich eine flüssige Grenzschicht, die zur
Diffusion der auszutauschenden Gase benutzt werden kann.
Nach dem Füllen mit der physiologischen Kochsalzlösung wird der Patient an den
extrakorporalen Kreislauf 102 angeschlossen und die Blutpumpe 110 mit einer
vorbestimmten Geschwindigkeit in Betrieb gesetzt. Es erfolgt dann die Zuführung
von Luft und von Sauerstoff in einem vorbestimmten Verhältnis bzw. geregelt
über die Gasförderorgane 146 bzw. 148.
Hierzu wird im Bereich des CO2-Austauschers 112 der Transmembrandruck
mittels der Drucksensoren 150 und 152 ermittelt und die Gasdrosselanordnung
126 so eingestellt, daß der Transmembrandruck in etwa 0 ist. Der CO2-Aus
tauscher selbst kann durch die Förderrate des Gasförderorgans 148 eingestellt
werden, was entweder empirisch oder aber durch die Bestimmung von CO2
stromauf mittels des CO2-Sensors 164 oder aber stromab mittels des CO2-Sensors
166 und eine entsprechende Regelung durch Vergleich des ermittelten Ist-Wertes
mit einem voreingestellten Soll-Wert an dem Gasförderorgan 148 erfolgen kann.
Gleichermaßen wird die Oxygenierung in den Oxygenator 128 entweder
empirisch oder aber geregelt durchgeführt. Sofern eine Steuerung durchgeführt
wird, wird der einzustellende Sauerstoffüberdruck mittels des O2-Förderorgans
146 in vorbestimmter Weise konstant gehalten, so daß über die Membran 130
hinweg die Oxygenierung von Blut erfolgt. Andererseits kann jedoch aber auch
mittels des O2-Sensors 174 der Sauerstoffgehalt im Blut stromab des Oxygenators
128 ermittelt werden. Der festgestellte Ist-Wert kann dann mit einem
voreingestellten Soll-Wert verglichen werden, so daß das O2-Förderorgan 146
entsprechend geregelt werden kann.
Vorteilhafterweise weist der Oxygenator 128 eine kleinere Membranoberfläche
als der CO2-Entgaser 112 auf, der üblicherweise bei etwa 1,8 m2 liegt, während
der Oxygenator üblicherweise eine Membranoberfläche von etwa 1 m2 aufweist.
Sauerstoffpartialdrücke liegen bei etwa 0,25 bar, während die Sauerstoffsättigung
bis zu 99% beträgt.
Schließlich kann auch stromauf des Oxygenators 128 ein weiterer
Sauerstoffsensor 178 vorgesehen sein, der über eine weitere Signalleitung 180 mit
der Hauptsteuereinheit 162 verbunden ist. Dieser O2-Sensor kann zusätzlich oder
aber auch ohne den O2-Sensor 174 zu Steuer- oder Regelungszwecken eingesetzt
werden.
Claims (9)
1. Vorrichtung zum extrakorporalen Gasaustausch, insbesondere zum
Oxygenieren von Blut, mit wenigstens einem Gasaustauscher (18; 112, 128), der
durch eine semipermeable Membran (22; 114, 130) in eine Blutkammer (24; 116, 132) und eine
Gasaustauschkammer (26; 118, 134) geteilt ist, wobei durch die Blutkammer (24; 116, 132) ein
extrakorporaler Blutweg und durch die Gasaustauschkammer (26; 118, 134) ein
Gasweg gelegt sind, und mit einer in den Blutweg eingeschalteten
Blutpumpe (20, 82; 110), dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (22, 114, 130)
hydrophiliert und im Betrieb mit Wasser benetzt ist und der
Gasweg (30, 26, 32; 142, 134) mit sauerstoffhaltigem Gas unter
positivem Transmembrandruck (TMP) von der Gas- zur Blutseite im
Betrieb beaufschlagt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Blutpumpe (20, 82) stromauf oder stromab des Gasaustauschers
(18) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
im extrakorporalen Blutweg (102) ein erster Gasaustauscher
(112) als CO2-Austauscher und ein zweiter Gasaustauscher (128)
als Oxygenator aufeinanderfolgend angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die
Gasaustauschkammer (116) des ersten Gasaustauschers (112) ein
Entgasungsweg (120) gelegt ist, der auf der Zuführungsseite mit
einem steuerbaren Luftförderorgan (148) und auf der Abluftseite
mit einem veränderbaren Gasdrosselorgan (126) versehen ist und
der TMP an der Membran (114) des ersten Gasaustauschers (112)
mit der TMP-Steuereinheit (158) einstellbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
zweite Gasaustauscher (128) mit einer Sauerstoffquelle (144) über
eine Oxygenierungsleitung (142) verbunden ist, in die ein
steuerbares Sauerstoff-Förderorgan (146) eingeschaltet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß im extrakorporalen Blutweg (102)
wenigstens ein CO2-Sensor (164, 166) vorgesehen ist, dessen
Signal als Ist-Wert auf eine Hauptsteuereinheit (162) geschaltet ist,
die den Ist-Wert mit einem Soll-Wert vergleicht und aufgrund des
Vergleichsergebnisses den Gasdurchfluß des ersten Gasaustauschers
(112) regelt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß im extrakorporalen Blutkreislauf (102)
wenigstens ein O2-Sensor (174) vorgesehen ist, dessen Signal als
Ist-Wert auf die Hauptsteuereinheit (162) geschaltet ist, die den
Ist-Wert mit einem Soll-Wert vergleicht und aufgrund des
Vergleichsergebnisses den am O2-Förderorgan (146) einstellbaren
O2-Fluß regelt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Membran (22, 114, 130) aus einem
hydrophilen Material, insbesondere einem Gemisch von Polysulfon
und Polyvinylpyrrolidon besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Membran (22, 114, 130) asymmetrisch ist
und eine mikroporöse Hautschicht und eine grobporige Stützschicht
aufweist, wobei die mittlere Porengröße in der Hautschicht
zwischen 2 und 20 nm liegt und die Stärke der Hautschicht
höchstens bei mehreren µm liegt.
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