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Die Erfindung bezieht sich eine Vorrichtung zur
Messung optischer Eigenschaften eines Filtratflusses, mit einer
Filtereinrichtung, welche eine Filtrationskammer, eine von dieser
durch eine Filtermembran getrennte Filtratkammer, einen Zufluss
in die Filtrationskammer, einen Abfluss aus dieser, einen Filtratabfluss
aus der Filtratkammer sowie einen optischen Detektor Für eine an
dem Filhatabfluss angeschlossene Filtratleitung aufweist.
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Die
DE 42 07 614 C1 beschreibt eine dynamische
Filter-Trennvorrichtung, die zum Einsatz in unterschiedlichen Bereichen,
darunter auch in der Medizin zum Abtrennen des Plasmas von Blut
gedacht ist. Bei dieser bekannten Filtereinrichtung induziert eine
rotierende Scheibe eine Relativbewegung an der Membranoberfläche, um
ein Verstopfen der Membranporen zu reduzieren. Die bekannte Einrichtung
ist wegen der rotierenden Scheibe und ihres Antriebs einerseits
recht aufwendig und teuer und andererseits weder leicht zu reinigen
und zu sterilisieren, noch für
eine Einweg-/ Wegwerflösung
zweckmäßig.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist insbesondere
das Erkennen von Färbungen
in Blutplasma, beispielsweise durch freigesetztes Hämoglobin.
Es gibt gewisse Blutreinigungsverfahren, wie Plasmapheresis und
Hämoperfusion/Plasmaperfusion,
bei welchen ein Entgiften durch Entfernung proteingebundener oder
hydrophober Substanzen aus dem Blut erfolgt. Leider wird die Wirksamkeit
dieser Verfahren häufig
durch technische Probleme, niedrige Selektivität und geringe Leistungsfähigkeit
begrenzt.
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Andererseits können Symptome von Patienten,
die unter Leberversagen oder anderen hepatitischen Funktionsstörungen leiden,
mit der Beseitigung der Giftstoffe und anderer nicht erwünschter Substanzen,
die mit herkömmlichen
Dialysebehandlungen (Hämodialyse,
Hämofiltration)
nicht beseitigt werden können,
verbessert werden. In
1 ist
ein für
die genannten Zwecke geeignetes System gezeigt, das auch aus der
EP 0 776 223 B1 bekannt
geworden ist. Bei diesem System oder Gerät ist ein primärer extrakorporaler
Kreis
3 an einen Patienten PAT angeschlossen, wobei eine
arterielle Leitung
1 über eine
Blutpumpe
2 zu einem Plasmafilter
5 führt, von welcher
der Rückfluss über eine
venöse
Leitung
4 zu dem Patienten PAT erfolgt. Der zweite extrakorporale Kreis
oder Sekundärkreis
7 führt von
der Filtratseite des Plasmafilters
5 über eine Zentrifugal- oder
Rollenpumpe
8 und eine Vorrichtung
6 zur Messung
optischer Eigenschaften des Filtratflusses in dem Kreis
7 wieder
zurück
zur Filtratseite des Plasmafilters
5. Die in
1 gezeigte Vorrichtung ist
Stand der Technik, wobei sich die Erfindung mit der im weiteren
noch näher
erläuterten
Vorrichtung
6 und einem zugehörigen Messverfahren beschäftigt.
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Auf 1 zurückkommend
entsteht durch die Relativbewegung der Flüssigkeiten von Primär- und Sekundärkreislauf
ein Transmembrandruck im Plasmafilter 5, der einen Flüssigkeitsaustausch
zwischen den Kreisläufen
zur Folge hat. Im Sekundärkreis 7 zirkulieren
Mikropartikel 9 mit deren Hilfe Toxine spezifisch gebunden
und so aus dem Blut entfernt werden. Derartige Mikroteilchen oder
Mikrosphären
weisen einen Durchmesser von weniger 20 μm, insbesondere 1 bis 7 μm auf, was
mit dem Durchmesser der Blutzellen vergleichbar ist. Besondere Eigenschaften
der Mikrosphären
sind eine große äußere Oberfläche und
kurze Diffusionswege zu inneren Poren, falls solche vorhanden sind.
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Um einen direkten Kontakt zwischen
den Blutzellen und den Partikeln zu verhindern, wird das Vollblut
mit dem Plasmafilter in ein Zell- und Plasmakopartment aufgeteilt,
wobei das Plasma im Sekundärkreis
mit hoher Geschwindigkeit zirkuliert, um einen hohen Plasmatransmembranfluss
für eine
leistungsfähige
Behandlung aufrecht erhalten zu können. Die Fließgeschwindigkeit
im Sekundärkreis 7, die
typisch bei 0,5 bis 4 l/min liegt, ist auch deshalb so hoch, damit
keine Bildung von Ablagerungen erfolgen kann.
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Um die Patientensicherheit so hoch
wie möglich
zu halten, ist die Implementierung verschiedener Sicherheitssysteme
in ein System wie in 1 gezeigt
erforderlich. Wenn beispielsweise der Transmembrandruck in Filter 5 zu
hoch ist, kann es durch die hohen Scherkräfte zwischen der Filtermembran und
Blutzellen zu einer Zerstörung
der Erythrozyten, somit zu einer Hämolyse kommen. Dies bewirkt
eine Freisetzung von Hämoglobin
sowohl in dem Primärkreislauf 3,
als auch von hier in den Sekundärkreislauf 7,
der aus Plasma mit Mikropartikeln in Suspension besteht. In üblichen
Plasmapheresis- und Dialysesystemen wird die Freisetzung von Hämoglobin, die
eine Rotfärbung
einer klaren Flüssigkeit
bewirkt, mit Hilfe eines Farbsensors im Durchlicht gemessen. Derartige
Farbsensoren sind bekannt und reagieren sehr empfindlich auf eine
Rotfärbung
des Filtrats und können
so rasch eine Hämolyse
detektieren.
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Bei einer Vorrichtung nach 1 ist im allgemeinen eine
direkte Erkennung von Hämolyse
wegen der hohen optischen Dichte der Mikropartikelsuspension nicht
möglich,
wobei zur Illustration bemerkt werden soll, dass die Mikropartikel
auch Aktivkohlepartikel sein können,
was die Problematik einer optischen Erkennung klar macht.
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Eine Aufgabe der Erfindung liegt
in der Schaffung eines Verfahrens bzw. einer Vorrichtung zur Messung
optischer Eigenschaften eines Filtratflusses, insbesondere von mit
Partikeln beladenes Blutplasma ganz allgemein eines Filtrats des
Blutes, die bei billigem und einfachem Aufbau verlässliche Ergebnisse
liefert, welche den Sicherheitsanforderungen im Medizinbereich gerecht
werden, wobei insbesondere auch bei optisch dichtem Hauptfluss, nämlich einer
Partikelsuspension die Messung möglich
sein soll.
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Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung
der eingangs genannten Art gelöst,
bei welcher gemäß der Erfindung
der Zufluss zur Erzeugung einer Wirbelströmung im wesentlichen tangential
in die Filtrationskammer einmündet.
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Dank der Erfindung wird auf einfache
Weise eine langanhaltende Funktion ohne Verstopfen der Filtermembran
und damit der Einsatz insbesondere auch in Blutreinigungssystemen
ermöglicht.
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Zur gleichmäßigen Verwirbelung kann auch vorgesehen
sein, dass mehrere Zuflüsse
für den Hauptfluss
im wesentlichen tangential in die Filtrationskammer einmünden Im
Gebrauch und in der Herstellung zweckmäßig ist eine Variante, bei
welcher die Filtrationskammer und die Filtratkammer zylindrisch
ausgebildet und durch eine im wesentlichen ebene Membran getrennt
sind.
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Weiters ist dies im Sinne einer einfachen
Erzeugung der gewünschten
Strömung
vorteilhaft, wenn Zufluss und Abfluss im wesentlichen tangential zur
Filtrationskammer und Richtung deren Höhe versetzt liegen. Hier kann
es zur Vermeidung von Inhomogenitäten vorteilhaft sein, wenn
der Abfluss im wesentlichen normal zu der Membran und mutig aus
der Filtrationskammer geführt
ist. Dabei kann zur weiteren Verbesserung vorgesehen sein, dass
in der Achse der Filtrationskammer ein Strömungslenkender, vorzugsweise
kegelstumpfförmiger
Einsatz angeordnet ist.
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Wenn an der Filtratleitung ein Drucksensor und
stromab des Drucksensors eine Drossel angeordnet sind, wobei insbesondere
die Drossel vorübergehend
betätigbar
und dabei der Druck in der Filtratleitung mit Hilfe des Drucksensors überwachbar ist,
kann auf einfache Weise die Sicherheit der Vorrichtung in Hinblick
auf ein unvorhergesehenes Ausfallen erhöht werden.
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Zur Vermeidung von Filtratverlusten
ist es ratsam, wenn die Filtratleitung stromab der Filtereinrichtung
in den Abfluss mündet.
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Die Vorrichtung ist besonders dann
günstig, wenn
zu und Abfluss der Filtereinrichtung in einer Leitung für den Plasmafluss
einer extrakorporalen Blutreinigungseinrichtung angeordnet sind.
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Die Erfindung samt weiteren Vorteilen
ist in folgenden anhand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die
in der Zeichnung veranschaulicht sind.
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In dieser zeigen:
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1 eine
Vorrichtung nach dem Stand der Technik zur Beseitigung von Giftstoffen
aus Blut,
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2 in
schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Messung der optischen
Eigenschaften eines Filtratflusses gemäß der Erfindung,
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3 in
einem Diagramm den Druckverlauf im Filtratfluss bei offener bzw.
vorübergehend
geschlossener Drossel,
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4 gemessene
typische Verläufe
des Membrandrucks und des Filtratflusses,
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5 eine
Vorderansicht einer ersten Ausführungsform
einer bei der Erfindung verwendeten Filtereinrichtung,
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6 einen
Schnitt nach der Linie VI – VI
der 5,
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7 in
einer Darstellung wie 5 eine zweite
Ausführungsform
einer Filtereinrichtung geschnitten nach der Linie VII-VII der 8 und
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8 eine
Draufsicht auf 7.
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Nun auf 2 verweisend, erkennt man dort in schematischer
Darstellung die Ausbildung einer Vorrichtung zur Messung der optischen
Eigenschaften eines Filtratflusses gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung
besitzt eine Filtereinrichtung 110, die eine Filtrationskammer 11,
eine von dieser durch eine Filtermembran 13 getrennte Filtratkammer 12,
einen Zufluss 100 in die Filtrationskammer, einen Abfluss 19 aus
dieser Filtrationskammer, einen Filtratabfluss 16 aus der
Filtratkammer sowie einen optischen Detektor 17 für eine an
den Filtratabfluss angeschlossene Filtratleitung 160 aufweist..
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In Verbindung mit 1 erkennt man, dass über den Zufluss 100 durch
die Filtrationskammer 11 beispielsweise Plasma mit darin
suspendierten Mikropartikeln strömt
und die Filtrationskammer über den
Abfluss 19 wieder verlässt.
Wie später
auch aus 5 hervorgehen
wird, sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Filtrationskammer 11 und die
Filtrat kammer 12 zylindrisch ausgebildet und durch die
im wesentlichen ebene Membran 13 getrennt. Man lässt das
mit Mikropartikeln in Suspension beladene Medium über den
Zufluss 100 tangential in die Filtrationskammer 11 einströmen, wodurch eine
Wirbelströmung
erzeugt wird, die über
den beispielsweise gleichfalls tangential angeordneten Abfluss 19 die
Kammer 11 wieder verlässt.
Ein kegelstumpfförmiger
Einsatz 20 lenkt die Strömung und begünstigt die
Rotationsbewegung derselben. Die ständige Strömung an der Membranoberfläche, die ausschließlich aufgrund
der Eigenströmung
des Zuflusses oder Hauptflusses 10 erzeugt wird, wirkt
einer Ablagerung von Mikropartikeln an der einen Membranseite entgegen,
ohne dass es anderer weitgehender Eingriffe bedürfte, wie dies nach dem eingangs genannten
Stand der Technik beispielsweise durch die rotierende Scheibe der
Fall ist. An der Filtratleitung 160 für den Filtratfluss ist ein
optischer Detektor 17 angeordnet, der beispielsweise zur
Detektion von freiem Hämoglobin
eingerichtet sein kann und der bei Auftreten einer entsprechenden
Färbung
ein Warn- und/oder Stopsignal abgeben kann, um den Patienten zu
schützen.
Ganz allgemein können
natürlich beliebige
optische Eigenschaften des Filtrats 14 gemessen werden,
wie dessen optische Dichte, Fluoreszenz etc. Durch geeignete Wahl
des Lumens von Zufluss 10 bzw. Abfluss 19, vorzugsweise
im Durchmesserbereich von 3 bis 4 mm, oder durch Einsatz von Ventilen,
kann der Druckunterschied zwischen Filtrationskammer 11 und
Filtratkammer 12 bestimmt werden. Aufgrund des auftretenden
Druckgradienten wird ein Teil der Partikelsuspension über die
Membran 13 in Richtung der Filtratkammer 12 filtriert.
Als Filtermembran wird für
die hier ins Auge gefassten Zwecke vorzugsweise eine Zellulose-Acetat-Membran
mit einer Porengröße von 3
bis 8 μm
eingesetzt. Eine stetige Filtration durch die Membran 13 ist
hier möglich,
da die Membranporen auf die beschriebene Weise ständig freigewaschen
werden.
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Der Filtratfluss durch die Membran 13 ist
aufgrund der hohen Viskosität
und hohen Dichte der Partikelsuspension sehr gering und liegt bei
0,1 bis 4 ml/min. Eine Überwachung
des Filtratflusses ist jedoch in den meisten Fällen notwendig, um die Funktion
der Vorrichtung zu bestätigen.
Eine solche Filtratflussüberwachung
kann durch periodisches Drosseln des Filtratkreises mit einer Drossel 15,
beispielsweise einem Ventil oder einer Schlauchklemme, erfolgen.
Ein solches Abklemmen führt
bei vorhandenem Filtratfluss zu einem Druckanstieg im Filtratkreis.
Um diesen zu messen, ist an der Filtratleitung 160 ein Drucksensor 18 stromauf
der Drossel 15 angeordnet. Aus (1) ist ersichtlich,
dass die Änderung
des Filtratdrucks dP/dt proportional der Materialelastizität K des
Filtratkreislaufs, dem Filtratvolumen V0 zwischen Filtermembran 13 und
Drossel 15 und dem Filtratfluss dQ/dt ist.
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3 zeigt
ein typisches Druckprofil 21 bei vorhandenem Filtratfluss
und Betätigung
der Drossel 15 im Filtratabfluss 16. Die Messdaten
des Drucksensors 18 können
beispielsweise mit Hilfe eines Mikrokontrollers verarbeitet und
mit einem Satz abgespeicherter Druckprofile verglichen werden. Liegt
die Übereinstimmung
des Messprofils mit den gespeicherten Daten außerhalb einer vordefinierten
Toleranz, die hier shichliert als 22 eingezeichnet ist,
so ist auf eine Abweichung der Filtrationseigenschaften des Filters
und eine Änderung
des Filtratflusses zu schließen.
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Darüber hinaus kann der Filtratfluss über eine
einfache Schwellendetektion am Druckprofil ermittelt werden. Nach
Schließen
der Drossel 15 muss der Messwert des Drucksensors 18 innerhalb
einer vordefinierten Zeit einen bestimmten Schwellwert 23 überschritten
haben, sofern die Funktion des Filters einwandfrei und ein ausreichender
Filtratfluss vorhanden ist.
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4 zeigt
gemessene, typische Verläufe des
Membrandrucks 24 und des Filtratflusses 25 bei Verwendung
einer 3 μm-Zellulose-Acetat-Membran und
einer 25%igen V/V-Partikelsuspension bei einem Partikeldurchmesser < 25 μm in Humanplasma,
wobei der Suspensionsfluss 600 ml/min betrug.
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5 und 6 zeigen eine praxisbewährte erste
Ausführungsform
der Filtereinrichtung 110, wobei diese im vorliegenden
Fall aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, zwischen welchen sich
die Filtermembran 13 befindet. Man erkennt auch die Filtrationskammer 11,
die Filtratkammer 12, den Zufluss 100 in die Filtrationskammer,
den Abfluss 19 aus dieser, sowie den Filtratabfluss 16.
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Der Zufluss 100 liegt hier
als Bohrung in dem Körper
der Filtereinrichtung 110 vor und er verläuft tangential
in die Filtrationskammer 11. Der Abfluss 19 ist
ebenso ausgebildet (siehe 6),
wobei Zufluss 100 und Abfluss 19 in Richtung der
Kammerachse gegeneinander versetzt sind. Der Abfluss 19 liegt
dabei näher
an der Membran 13 als der Zufluss 100.
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Die in 5 gezeigte
Filtereinrichtung 110 wird vorzugsweise aus Kunststoff
in einem Spritzgussverfahren hergestellt und kann einfach mit Hilfe flexibler
Schläuche
in die Vorrichtung 6 eingefügt werden.
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Die zweite Ausführungsform einer Filtereinrichtung 110 gemäß den 7 und 8 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen
dadurch, dass vier Zuflüsse 100 tangential
in die Filtratkammer 11 münden und der Abfluss 19 normal
zur Membran 13 und mittig angeordnet ist. Dagegen liegt
der Filtratabfluss 16 parallel zur Membranebene und schneidet
die Achse der zylindrischen Filtratkammer 12.
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Es ist zu bemerken, dass bei den
gezeigten Ausführungsformen
der Filtratfluss 16, stromab der Filtereinrichtung 110 wieder
dem Hauptfluss 10 zurückgeführt wird.
Diese Ausführung
ist zweckmäßig, jedoch
nicht unabdingbar erforderlich. In Hinblick auf den geringen Filtratdurchsatz
könnte
das Filtrat nach dem Durchlauf durch den Detektor 17 und
die Drossel 15 auch in einen Auffangbehälter gelangen.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung
kann wegen ihres einfachen Aufbaus auch so ausgeführt werden,
dass die meisten Teile nach Gebrauch abgeklemmt und weggeworfen
werden und für
den nächsten
Einsatz vorbereitete und bereits sterilisierte Teile zur Anwendung
gelangen.
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Zusammenfassend schafft die Erfindung eine
Vorrichtung zur Messung optischer Eigenschaften eines Filtratflusses
(16), der von einem Hauptfluss (10) eines strömenden,
mit Mikropartikeln in Suspension beladenen Mediums über eine
partikelabtrennende Filtermembran (13) einer Filtereinrichtung
(110) abgetrennt wird, welche eine Filtrationskammer (11),
eine von dieser durch eine Filtermembran (13) getrennte
Filtratkammer (12), einen Zufluss (100) in die
Filtrationskammer, einen Abfluss (19) aus dieser, einen
Filtratabfluss (16) aus der Filtratkammer sowie einen optischen
Detektor (17) für eine
an dem Filtratabfluss angeschlossene Filtratleitung (160)
aufweist, wobei der Hauptfluss (10) in die Filtrationskammer
(11) über
den Zufluss (100) so eingebracht wird, dass er eine ständige Strömung an
der Membranoberfläche
erzeugt und auf dieser ausschließlich aufgrund seiner Eigenströmung einer
Ablagerung von Mikropartikeln entgegenwirkt.
