DE19644536A1

DE19644536A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung definierter Konvektionsströme in bzw. aus strömenden Flüssigkeiten durch eine semipermeable Grenzfläche

Info

Publication number: DE19644536A1
Application number: DE19644536A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schaarschmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-26
Filing date: 1996-10-26
Publication date: 1998-04-30

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung definierter Konvektionsströme in bzw. aus strömenden Flüssigkeiten durch eine semipermeable Grenzfläche.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung definierter Konvektionsströme aus bzw. in strömenden Flüssigkeiten durch semipermeable Grenzflächen, vorzugsweise in Form von halbdurchlässigen Membranen, und findet vorrangig zum Flüssigkeitsentzug aus dem Blut des menschlichen Körpers bei der Behandlung von Patienten mit Hämodialyse bzw. verwandten Verfahren Anwendung. Die erfindungsgemäße Lösung ist jedoch auch in anderen Bereichen, z. B. zur Messung von Leckströmen in hydraulischen Systemen einsetzbar.

Eine der wesentlichsten Aufgaben bei der Behandlung von Patienten durch Hämodialyse bzw. verwandte Verfahren ist der präzise Entzug von Wasser und darin enthaltenen niedermolekularen Stoffen aus dem extrakorporal geführten Blut. Dabei ist der Flüssigkeitsentzug mit einem durch Diffusions- bzw. Osmoseprozesse bewirkten Stoffaustausch verbunden, der von der Geschwindigkeit des Antransportes von Spüllösung definierter Zusammensetzung begrenzt wird.

Für die Realisierung des Transportes einer Flüssigkeit an einer semipermeablen Fläche vorbei und dabei einen definierten Konvektionsstrom durch die genannte Fläche zu erzielen, existieren mehrere Konzepte, von denen wohl das Bilanzkammerprinzip, beschrieben unter anderem in DE 28 38 414 und DE 29 44 136, am weitesten verbreitet ist:
Über eine Flußpumpe wird Spüllösung innerhalb eines konstanten Volumens von einer Kammer an der Membran vorbei zu einer anderen Kammer gepumpt. Ausgehend von der Konstanz des Gesamtvolumens beider Kammern wird mit einer Dosierpumpe die notwendige Flüssigkeitsmenge entzogen. Der Prozeß wird über Ventilsteuerung zyklisch inclusive Laden unverbrauchter Spüllösung und Entfernen verbrauchten Dialysats durchgeführt, so daß, obwohl der Prozeß diskontinuierlich verläuft, ein quasi kontinuierlicher Dialysatfluß durch den Dialysator entsteht.

Die Genauigkeit der Ultrafiltration wird durch den Fehler der Förderrate der Dosierpumpe bestimmt, die exakte Volumen konstanz während eines Pumpzyklus ist jedoch nur schwierig zu verifizieren. Eine weitere Schwierigkeit ist beim Transport vorgang die Abstimmung zwischen Ventilsteuerung, Fluß- und Dosierpumpe, so daß insbesondere zu Beginn bzw. Ende der Bilanzzyklen, beim Umschalten von Flüssigkeitsströmen unkon trollierte hydraulische Verhältnisse, insbesondere Dialysatdruck- bzw. Transmembrandruckspitzen entstehen (siehe DD 212 648), die nicht nur Meßungenauigkeiten, sondern auch Behandlungskomplikationen mit sich bringen können (Zerstörung des Eiweißfilms auf der Blutseite des Dialysators, kurz zeitige Bewässerung mit Reinfusion unsteriler Dialysier flüssigkeit).

Alternativ zum Bilanzkammerprinzip erfolgt die Messung der Konvektionsströme und -mengen in "offenen Systemen" über die Auswertung der Flußdifferenzen der dem Dialysator zu- und abgeführten Spüllösung, wobei die Ultrafiltration direkt durch Dosierpumpen (DE 31 22 956 A1) oder indirekt über den Aufbau eines vorgegebenen Transmembrandruckes über Ultra filtrationsratenregelung realisiert wird, siehe auch DE 42 20 436. Bei letzterer Methode können Probleme der Regelung des Transmembrandruckes und damit der Ultrafiltration bei schnellen Änderungen des extrakorporalen Blutdruckes auftreten (z. B. Bewässerung des Patienten bei Öffnen der venösen Klemme).

Echt hydraulisch offene Systeme mit kontinuierlicher Differenzflußmessung erreichen gegenwärtig noch nicht die wegen des zeitlich integrierenden Verhaltens des Differenz volumenfehlers geforderten extremen Genauigkeiten (Flußfehler wesentlich unter 0.1%); daher werden auch für die Erfassung der Flußdifferenz i.a. volumetrische Messungen angewendet, die wiederum zyklisch, d. h. diskontinuierlich funktionieren. Die beim Umschalten des Flüssigkeitsstromes in Zusammenhang mit der diskontinuierlichen Arbeitsweise bei quasikonti nuierlichem Fluß bereits genannten Probleme treten auch hier auf. Verifizierte Aussagen über die Ultrafiltration liegen bei zyklischen Funktionsprinzipien i.a. nicht kontinuierlich, sondern erst nach Zyklusende vor. Das bedeutet, daß im Fehlerfalle die Steuerung der Dialysemaschine den pati entensicheren Zustand erst mit Verzögerung, also nachdem der Patient einer Fehlfunktion, z. B. Bewässerung, einige Zeit ausgesetzt war, einnehmen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, über die dargestellten Lösungskonzepte hinaus ist ein möglichst einfaches Verfahren in einer Vorrichtung zu realisieren, die ausgehend von den Möglichkeiten der digitalen Signalverarbeitung bei höchst möglicher Genauigkeit insbesondere stabile hydraulische Ver hältnisse und somit einen definierten Transmembrandruck ermöglicht und in hinreichend kurzen Zeitintervallen die Bestimmung von Dialysatfluß und Ultrafiltrationsrate als Voraussetzung für entsprechende Maschinenreaktionen erlaubt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten und fünften Patentanspruch und deren Unteransprüche gelöst. Dabei wird die Spüllösung, die sich in einem zwei Sektionen beinhaltende Volumen befindet, zwischen denen die semipermeable Grenzfläche das Volumen teilweise begrenzt, durch die relative Volumenänderung der Sektionen zueinander von einer Sektion in die andere bewegt. Neben dem Volumenverhältnis der beiden Sektionen wird während dieses Prozesses auch das Gesamtvolumen geändert. Während die Änderungsrate der Größe einer Sektion der Transport geschwindigkeit entspricht, bewirkt die Größenveränderung des Gesamtvolumens einen Flüssigkeitsausgleich durch die semi permeable Grenzfläche, und ist damit ein Maß für den Konvektionsstrom in bzw. aus der strömenden Flüssigkeit. Da das Volumen, in dem sich die Spüllösung befindet, klein gegen das während einer Behandlung benötigte Dialysatvolumen insgesamt ist, ist zur Dialysebehandlung das beschriebene Verfahren zyklisch im Wechsel mit Füllen und Leeren der Sektionen durchzuführen, wobei die Volumenänderungen der Sektionen vor den Wechseln definiert verringert werden und zum Wechsel verschwunden sein müssen. Die Dauer der Transportverzögerungen bis zum Wiedererreichen des Sollflusses muß wesentlich unter der Verweilzeit des Blutes im Dialysator liegen, um die Verarmung der Spüllösung an Ausgangsstoffen zu verhindern.

Zur Realisierung des beschriebenen Verfahrens wird erfindungsgemäß folgende Vorrichtung gewählt:
Als größenveränderliche Sektionen des Volumens, das die Spül lösung aufnimmt, werden Zylinder-Gleitkolben-Kombinationen eingesetzt, die mit minimalen Leckraten herstellbar sind. Die Gleitkolben werden mit präzisen Positionierantrieben verbunden, wobei ein Rechner die Bewegungen der beiden Gleitkolben koordiniert und damit sowohl den Dialysat transport (Absolutbewegung) als auch den durch die Membran durchtretenden Konvektionsstrom (relative Bewegung der Gleitkolben zueinander) steuert.

Bei diesem diskontinuierlichen Vorgang ist zur Realisierung eines quasikontinuierlichen Flüssigkeitsstromes die Volumen verschiebung im zyklischen Wechsel mit dem Ansaugen unverbrauchter und dem Ausstoß verbrauchter Spüllösung auszuführen, wobei eine entsprechende Umschaltung der Flüssigkeitsströme durch Ventile notwendig ist. Um dabei die Zylindervolumina beiderseits der Gleitkolben für den Prozeß zu nutzen und zugleich die Gleitflächen permanent benetzt zu halten wird die Kopplung zwischen Positionie rantrieb und Gleitkolben berührungslos, z. B. über eine permanentmagnetische Kupplung realisiert, wobei die Hub volumina der Gleitkolbenmeßeinrichtungen alternativ zur Ultrafiltration bzw. zu An- und Abtransport des Dialysats genutzt werden können. Durch die Magnetkupplung erlangt das System eine gewisse Kompressibilität; es muß eine Meßeinrichtung für die Weg differenz zwischen Gleitkolben und äußerer Führung vorgesehen werden, um die tatsächliche Kolbenbewegung zu überwachen, die geforderte Genauigkeit herzustellen und, alternativ zur Druckmessung, Aussagen über die hydraulischen Verhältnisse zu erhalten.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Flußverlauf während des ersten Teiles des Flußzyklus,

Fig. 2 Flußverlauf während des zweiten Teiles des Flußzyklus,

Fig. 3 Zylinder-Gleitkolben-Kombinationen.

Der Verfahrensablauf des Spüllösungstransportes ist in zwei verschiedene Zyklen unterteilt. Abb. 1 zeigt den Flußverlauf der Spüllösung während des ersten Teil des Flußzyklus. Dabei ist vor und nach dem Dialysator 1, in welchem die semi permeable Grenzfläche in Form einer halbdurchlässigen Membran befindet, jeweils eine Zylinder-Gleitkolben-Kombinationen 2.1 und 2.2 angeordnet. Jede Gleitkolbenmeßeinrichtung 2.1, 2.1 weist einen Gleitkolben 3.1, 3.2 auf, der die Zylinder- Gleitkolben-Kombinationen 2.1 und 2.2 in zwei Volumen aufteilt. Zur Gleitkolbenmeßeinrichtung 2.1 führt die Zuleitung Z für die unverbrauchte Spüllösung und an der Gleitkolbenmeßeinrichtung 2.2 ist der Abfluß A für die verbrauchte Spüllösung vorgesehen. Zwischen jedem Anschluß an die Gleitkolbenmeßeinrichtungen 2.1, 2.2 und dem Dialysator 1 sind Ventile zur Steuerung des Flußverlaufes angeordnet. Im Dialysator 1 strömt die Spüllösung an der semipermeablen Grenzfläche vorbei.

Bei der Ventilstellung 1a, entsprechend der nachfolgenden Tabelle wird die erste Sektion S1.a des Spüllösungsvolumens vom Volumen V1.1 der Gleitkolbenmeßeinrichtung 2.1 oberhalb des Gleitkolbens 3.1 gebildet, der sich nach oben bewegt, die zweite Sektion S2.a vom Volumen V1.2 der Gleitkolbenmeßein richtung 2.2 oberhalb des Gleitkolbens 3.2, der sich nach unten bewegt. Über Ventil X2.2, den Dialysator 1 (semiper meable Grenzfläche), Ventil X2.3 wird die Spüllösung von der ersten Sektion S1.a in die zweite Sektion S2.a verschoben. Die beiden Teilvolumina V1.1 und V1.2 bilden das Gesamtvolumen V1.ges der Spüllösung für diesen ersten Flußzyklus. Die Sektion S1.b unterhalb des Gleitkolbens 3.1 in der Zylinder-Gleitkolben-Kombinationen 2.1, die das Volumen V2.1 bildet, wird bei diesem Prozeß mit unverbrauchter Spüllösung für den folgenden Transportschritt gefüllt, aus der Sektion S2.b unterhalb des Gleitkolbens 3.2 in der Zylinder- Gleitkolben-Kombination 2.2, die das Volumen V2.2 bildet, die verbrauchte Spüllösung vom vorangegangenen Flußzyklus entfernt.

Im zweiten Teil des Flußzyklus gem. Fig. 2 (Bewegung der Gleitkolben zurück in die Ausgangsstellung) werden die jeweiligen Sektionen S1.b und S2.b mit den Volumina V2.1 und V2.2 unterhalb der Gleitkolben zur Ultrafiltration genutzt. Diese Teilvolumina V2.1 und V2.2 bilden das Gesamtvolumen V2.ges des zweiten Flußzyklus. Die Volumina V1.a und V1.b oberhalb der Gleitkolben 3.1 und 3.2 dienen nun zum Füllen bzw. Leeren des Systems. Die Spüllösung durchfließt Ventil X1.2, den Dialysator 1 und das Ventil X1.3 (Ventilstellung 2a, vgl. Tabelle). Abgesehen von der Berechnung des mittleren Dialysatdruckes kann über die Differenz der Drücke P1, P2 die gem. Fig. 1 und 2 vor und nach dem Dialysator 1 erfaßt werden, eine relative Information über den Dialysatfluß abgeleitet werden. Dazu werden die Messungen aus beiden Teilen des Flußzyklus verglichen, um z. B. die exakte Stellung der Magnetventile zu überwachen. Wird durch die allgemein übliche Überwachung der Spüllösung festgestellt, daß diese in ihrer Zusammensetzung oder Temperatur zu einer Patientengefährdung führen könnte, ist es möglich, die Spüllösung über Bypässe am Dialysator 1 vorbeiströmen zu lassen. Dazu wird jeweils eine Direkt verbindung zwischen den beiden Sektionen S1.a und S2.a sowie S1.b und S2.b hergestellt, wobei in jeder Verbindung ein Ventil X1.5 und X2.5 vorgesehen ist. Die entsprechenden Ventilstellungen sind unter 1b und 2b der Tabelle aufgeführt. Ebenso können die Gleitkolben ohne Flüssigkeitsstrom gegeneinander synchronisiert werden (Ventilstellung 3, vgl. Tabelle) und der Flußzweig völlig gesperrt werden.

Tabelle Ventilstellungen (0: geschlossen, 1: geöffnet)

Vor diesen Umschaltvorgängen wird die Bewegung der Flüssigkeit durch den individuellen Positionierantrieb der Gleitkolben 3.1 und 3.2 bis zum Stillstand bei Berücksichtigung der Verweilzeit des Blutes im Dialysator 1 definiert verzögert, so daß die entstehenden Drücke beherrscht, für die Ultrafiltration genutzt und Druckgefälle in Richtung Blut sicher vermieden wird. Beide Gleitkolben 3.1 und 3.2 müssen sich daher frequenz- und nahezu phasengleich im Zylinder 4.1, 4.2 bewegen.

Abb. 3 zeigt die Ausführung der Zylinder-Gleitkolben- Kombination 2.1 einschl. Magnetkupplung und Antrieb. Die Zylinder-Gleitkolben-Kombinationen sind Präzisionsteile, wobei der Gleitkolben 3.1 aus einer Schichtung (Führung 3a/weicheisenberandeter Permanentmagnet 3b/Führung 3a) und einer gleitfähigen Mantelfläche M besteht.

Bei der Materialauswahl ist neben der Berücksichtigung der Gleiteigenschaften insbesondere auf gleiche Wämeausdehnungs koeffizienten von Führung 3a und Zylinder 4.1 zu achten, um die Anordnung in einem weiten Temperaturbereich mit minimalem Leckstrom betreiben zu können. Über einen minimal gehaltenen Luftspalt ist der Kolbenmagnet 3b mit einem ebenso weicheisenberandeten Ringmagnet 5 außerhalb des Zylinders 4 zu einem geschlossenen magnetischen Kreis gekoppelt, so daß sich maximale Kraftübertragung bei minimaler Kompressibilität der Volumen beidseitig zum Gleitkolben 3.1 ergibt. Der Ringmagnet 5 ist auf Gleitschienen 7 angebracht und wird über einen Zahnriemen 8 von einem Schrittmotor 9 in Richtung der Zylinderachse A_Z bewegt, dessen Drehmoment so groß sein muß, daß mit Sicherheit Schrittwinkelverluste vermieden werden. Zur Überwachung des Positionierantriebes wird auf den den Antrieben jenseitigen Umlenkrollen deren Drehung über einen Incrementalgeber 10 ausgewertet. Die relative Position Position Ringmagnet 5/Gleitkolben 3 wird durch Sensorspulen oder Hallelemente 6 an beiden Stirnseiten der Ringmagnete 5 induktiv überwacht (Halbbrücke). An beiden Enden der Zylinder-Gleitkolben-Kombination 3.1 befinden sich Zylinder verschlüsse 11 sowie die Ein- bzw. Ausströmöffnungen 12. Zu Sicherheitszwecken ist eine Erkennung des Endanschlags der Kupplung vorzusehen. Ein mechanischer Anschlag zum Einfangen eines Gleitkolbens 3.1 bei gelöster Magnetkupplung ist denkbar.

Durch die Steuerung des Schrittmotors 9 mit einen Rechner, von dem ebenfalls die Informationen über Drücke und die Kopplung Antrieb/Kolben verarbeitet sowie die Ventile umgeschaltet werden, wird erreicht, daß in hinreichend kurzen Zeitabständen (0,1 s) Spüllösungsfluß und Ultrafiltrationsrate gesteuert werden können bzw. die entsprechenden überwachten Werte dem Geräterechner (nicht dargestellt) zur Verfügung stehen (z. B. zur Steuerung der Konzentratbeimischung). Da das System volumetrisch arbeitet, sind Einschlüsse kompressibler Medien (Luft) zu verhindern bzw. so schnell wie möglich aus dem Transportvolumen zu eliminieren. Die Zylinder 4.1, 4.2 sind zu diesem Zweck waagerecht zu betreiben, wobei die Ausströmöffnungen 12 oben liegend angeordnet sein müssen. Vorteilhaft ist außerdem das Vorschalten einer Entgasungseinrichtung vor die Ultrafiltrationseinheit. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es erstmalig möglich, bei Anwendung von zwei Zylinder-Gleitkolben-Kombinationen, das Gesamtvolumen des jeweiligen Flußzyklus durch Änderung der Teilvolumina in den verschiedenen Sektionen direkt definiert ohne zusätzliche Baugruppen zu verändern. Mit dem für Zylinder-Gleitkolben-Kombinationen neuartigen Antrieb wird eine hochpräzise Gleitkolbenbewegung erzielt und unkontrollierte hydraulische Verhältnisse werden vermieden. Bei letzterer Methode können Probleme der Regelung des Transmembrandruckes und damit der Ultrafiltration bei schnellen Änderungen des extrakorporalen Blutdruckes auftreten (z. B. Bewässerung). Eingangs genannte unkontrollierte hydraulische Verhältnisse, insbesondere Dialysatdruck- bzw. Transmembrandruckspitzen, die auch Behandlungskomplikationen mit sich bringen können (Zerstörung des Eiweißfilms auf der Blutseite des Dialysa tors, kurzzeitige Bewässerung mit Reinfusion unsteriler Dialysierflüssigkeit) werden ausgeschlossen.

Bezugszeichenliste

1

Dialysator

2.1

,

2.2

Zylinder-Gleitkolben- Kombination

3.1

,

3.2

Gleitkolben

3

a Führung

3

b weicheisenberandeter Kolbenmagnet

4.1

,

4.2

Zylinder

5

Ringmagnet

6

Hallelemente

7

Gleitschienen

8

Zahnriemen

9

Schrittmotor

10

Incrementalgeber

11

Zylinderverschlüsse

12

Ein- bzw. Ausströmöffnungen
A Abfluß
A_Z

Zylinderachse
M Mantelfläche
P1, P2 Drücke
S1.a und S2.a Sektionen
S1.b und S2.b Sektionen
V1.1, V1.2 Teilvolumina
V1. ges. Gesamtvolumen
V2.1, V2.2 Teilvolumina
V2. ges. Gesamtvolumen
Z Zuleitung
X1.1, X1.2, X1.3, X1.4, X1.5 Ventile
X2.1, X2.2, X2.3, X2.4, X2.5 Ventile

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung definierter Konvektionsströme in bzw. aus strömenden Flüssigkeiten durch eine semipermeable Grenzfläche, vorrangig zur Durchführung von Hämodialyse bzw. verwandten Patientenbehandlungsverfahren, unter Anwendung von zwei Zylinder-Gleitkolben-Kombinationen (2.1, 2.2), dadurch gekennzeichnet, daß die Spüllösung sich in einem im Verhält nis zum gesamten Spüllösungsbedarf einer Behandlung kleinen, bis auf die semipermeable Grenzfläche abgeschlossenen Volumen (Vges.) befindet, wobei das Volumen (Vges.) zwei durch die semipermeable Grenzfläche getrennte volumenveränderliche Sektionen (S1, S2) aufweist, und die Spüllösung (F) von einer Sektion (S1, S2) zur anderen transportiert wird, und daß zum Zweck des Transports der Spüllösung die Sektionen (S1, S2) in ihrer relative Größe zueinander, und zum Zwecke der Erzielung einer Strömung durch die semipermeable Grenzfläche die Größe des Volumens (Vges.) direkt veränderbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung durch die semipermeable Grenzfläche (1) und die Veränderung des Volumens (Vges.) durch eine voneinander unabhängige Hubgeschwindigkeit beider Gleitkolben (3) erzielt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder-Gleitkolben-Kombinationen (3.1, 3.2) jeweils alternativ durch Umschalten von Ventilgruppen die Spüllösung transportieren und ansaugen bzw. ausstoßen, jeweils vor dem Umschalten der Zyklen über die Ventilgruppen die Bewegung beider Gleitkolben der Zylinder-Gleitkolben-Kombinationen (3.1, 3.2) bis zum Stillstand verzögert und nach dem Schalten der Ventilgruppen beschleunigt wird, wobei die Zeit, in der der Fluß reduziert wird, wesentlich kleiner als die Verweilzeit des Blutes im Dialysator (1) ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dialysatfluß durch die semipermeable Membran des Dialysators (1) in zwei Teilzyklen erfolgt, deren Parameter wie Dialysatdruck, Positionen des Antriebs und des Kolbens zum Zweck besserer Überwachung verglichen werden können.

5. Vorrichtung zur Erzeugung definierter Konvektionsströme in bzw. aus strömenden Flüssigkeiten durch eine semipermeable Grenzfläche wobei sich vor und nach der Grenzfläche (1) jeweils eine Zylinder-Gleitkolben-Kombinationen (2.1, 2.2) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitkolben (3.1, 3.2) sowohl absolut als auch relativ zueinander bewegbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Gleitkolben (3, 3.1) zur Erzeugung der Hubbewegung ein Präzisionspositionierantrieb zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen Gleitkolben (3.1, 3.2) und Posi tionierantrieb berührungslos über eine permanentmagnetische Kupplung realisiert wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen Gleitkolben (3.1, 3.2) und Positionierantrieb über die magnetische Streufeld der Magnetkupplung überwacht wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als größenveränderliche Sektionen des die Spüllösung einschließenden Volumens Zylinder-Gleitkolben- Kombinationen (2.1, 2.2) minimaler Leckraten eingesetzt werden.