DE2122562A1

DE2122562A1 - Oxygenator

Info

Publication number: DE2122562A1
Application number: DE19712122562
Authority: DE
Inventors: Sotiris Newton Mass. Kitrilakis (V.StA.)
Original assignee: Tecna Corp
Current assignee: Tecna Corp
Priority date: 1970-05-07
Filing date: 1971-05-07
Publication date: 1971-12-23
Also published as: SE385771B; GB1308742A; DE2122562B2; JPS5137479B1; NL7105902A; US3674440A; CA950304A; NL149705B

Description

Tecna Corporation,
Berkeley, Kalif. (V.St.A.)

Oxygenator .

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Serial No. 35 UOl vom 7. Mai 1970 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf Oxygenatoren und insbesondere auf einen Oxygenator, der sich zum Oxygenieren des menschlichen Blutes eignet. In den letzten Jahren ist die Entwicklung künstlicher Organe und insbesondere von Einrichtungen zur Aufrechterhaltung des Blutkreislaufs außerhalb des menschlichen Körpers, durch welche der Kohlendioxidgehalt des Blutes verringert und der Sauerstoffgehalt gesteigert wird, rasch vorangeschritten. Diese Einrichtungen sind in den verschiedensten Ausführungen entwikkelt worden. Sie müssen folgenden Anforderungen genügen: Das Blut darf nicht geschädigt oder traumatisiert werden, bei kleinem inneren Blutvolumen muß eine angemessene Durchblutung ermöglicht werden, und die mechanische Konstruktion muß kompakt sein, so daß sich diese Einrichtungen mühelos in Operationssälen oder an sonstigen Behandlungsörtlichkeiten einsetzen lassen und dabei von ungelernten Personen überwacht und bedient werden können. Weiterhin müssen diese Einrichtungen einwandfrei sterlilisierbar sein und sollten vorzugsweise in ihrem Aufbau und ihrer Wartung verhältnis-

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mäßig wirtschaftlich sein. Die zur Zeit im Gebrauch befindlichen und in der Literatur beschriebenen Einrichtungen weisen zwar einige oder viele der geforderten vorteilhaften Eigenschaften auf, trotzdem sind immer noch Verbesserungen an Oxygenatoren möglich. Obwohl das Interesse in erster Linie auf die Oxygenierung des menschlichen Blutes gerichtet ist, gibt es darüber hinaus parallel dazu auch das Gebiet der Oxygenierung des Blutes von Tieren, sowie weitere Anwendungsmöglichkeiten für Gasaustausch mit einer Flüssigkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Oxygenator zu schaffen, der die an ein solches Gerät gestellten verschiedenen Anforderungen, die vorstehend angedeutet sind, in besserer Weise erfüllt, einen einfachen und wirtschaftlichen mechanischen Aufbau besitzt, von ungelernten oder angelernten Personen bedient werden kann und sich auf einfache Weise sterilisieren läßt, wobei einige Teile preiswert austauschbar oder auch wiederverwendbar sind. Das im Umlauf befindliche Blut soll vermittels des Oxygenators während des Gasaustausches in günstiger Weise behandelt werden, so daß es nicht durch mechanische, hydrodynamische oder oberflächenbedingte Einwirkungen innerhalb des Oxygenators geschädigt oder traumatisiert wird. Der Austausch des in dem Blut enthaltenen Gases soll wesentlich verbessert sein, so daß die Größe und der Platzbedarf des Gerätes keine Probleme aufwerfen, und die für das Gerät benötigte Standfläche sehr klein ist. Für den Oxygenator

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sollen verschiedene Werkstoffe mit vorteilhaften Eigenschaften in bezug auf die Oxygenierung verwendbar sein, und diese Werkstoffe sollen außerdem eine erhöhte Lebensdauer aufweisen.

Der zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Oxygenator ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine erste Einheit aus einer ersten Wand, einer im wesentlichen in allen Richtungen gasdurchlässigen ersten Trägerplatte, die an der ersten Wand anliegt, und einer ersten gasdurchlässigen Membran, die auf der der Wand abgewandten Seite gegen die erste Trägerplatte anliegt, eine zweite Einheit aus einer zweiten Wand, einer im wesentlichen in allen Richtungen gasdurchlässigen zweiten Trägerplatte, die auf der der ersten Wand zugekehrten Seite an der zweiten Wand anliegt, und einer zweiten gasdurchlässigen Membran, die auf der der zweiten Wand abgewandten Seite gegen die zweite Trägerplatte anliegt, Vorrichtungen zum Halten der ersten und der zweiten Einheit in einer Weise, daß die erste und ™ die zweite Membran in einem vorbestimmten gegenseitigen Abstand senkrecht zu den Wänden einander benachbart sind und einen Durchlaß bilden, eine Vorrichtung zum Durchleiten eines Gases zwischen den Platten und Membranen, eine Vorrichtung zum Durchleiten einer Flüssigkeit durch den Durchlaß und durch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer gegenseitigen Bewegung zwischen erster und zweiter Einheit, durch welche die in dem Durchlaß befindliche Flüssigkeit in Bewegung versetzbar ist.

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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oxygenators wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in welcher Fig. 1 einen Axialquerschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Oxygenator zeigt, bei dem bestimmte Teile schematisch dargestellt und verschiedene herkömmliche Zusatzeinrichtungen weggelassen sind, und

Fig. 2 ein Querschnitt in einem wesentlich größeren Maßstab durch einen im Bereich der in Fig. 1 eingezeichneten Linie 2-2 liegenden Abschnitt des Oxygenators ist.

Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oxygenators zur Oxygenierung von menschlichem Blut ist bereits mit Erfolg zur Oxygenierung von menschlichem Blut angewandt worden. Der Oxygenator weist eine verhältnismäßig feststehende erste Einheit 1 auf, in der sich mehrere Wände wie z.B. die Wände 2,3 und 4 befinden, welche als erste Wände bezeichnet werden und in zweckmäßiger Weise flach oder im wesentlichen eben oder scheibenförmig ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Wände kreisförmig ausgebildet und stehen senkrecht zu einer Mittelachse 6. An der ersten Wand 1 befindet sich eine Nabe 8. Die erste Einheit 1 befindet sich in einem vorbestimmten Axialabstand von der ersten Wand 2, wobei zwischen diesen ein Abstandsstück 9 und andere Elemente angeordnet sind. In entsprechender Weise ist die erste Wand 3 von der ersten Wand 4 durch ein gleichartiges, zwischen diesen Wänden be-

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findliches Abstandsstück 11 und andere Elemente getrennt. Die erste Wand befindet sich neben einer zur Achse 6 symmetrischen Nabe 12. Die erste Einheit 1 weist eine in geeigneter Weise ausgebildete und hier nicht dargestellte Halterung auf, durch welche sie in einer feststehenden Lage gehalten wird, so daß sie einen Stator bildet, dessen Achse 6 vorzugsweise senkrecht angeordnet ist.

Die erste Einheit ist so ausgeführt, daß sie sich mühe- | los zusammenbauen und zerlegen läßt. Beispielsweise sind die Wände 2,3 und ty und die Abstandsstücke 9 und 11 in einer sogenannten Schichten- oder Sandwichanordnung angeordnet, d.h. diese Teile sind schichtweise übereinander gestapelt. Vermittels einer ungeraden Anzahl von Befestigungselementen 13 werden die Teile der ersten Einheit im zusammengebauten Zustand gehalten, indem die verschiedenen Teile in einem in Axialrichtung kompakten Bündel miteinander verspannt sind. Aufgrund dieser Anordnung ergibt sich zwischen den Wänden 2 und 3 eine Ringkammer lty und zwischen den Wänden 3 und ty eine gleichartige Ringkammer

Innerhalb der ersten Einheit oder dem Stator 1 befindet sich eine zweite Einheit 21 oder ein Rotor, die bzw. der ebenfalls symmetrisch zur Achse 6 ausgerichtet ist. An den entgegengesetzten Enden des Rotors befindet sich jeweils eine Nabe 22 bzw. 23, die von einem Kugellager 24 gehalten wird, das sich innerhalb der Nabe 8 bzw. 12 befindet. Die Naben 22 und 23 bilden zusammen mit einer radial

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in die Kammer 14 hineinragenden zweiten Wand 2 6 und einer in die Kammer 16 hineinragenden weiteren zweiten Wand 27 eine Schichten- oder Sandwichanordnung. Ein Abstandsstück

28 und weitere Elemente befinden sich zwischen den zweiten Wänden 26 und 27, während weitere Elemente zwischen den zweiten Wänden und den Naben 22 und 23 angeordnet sind. Die Schichtenanordnung des Rotors 21 ist vermittels einer ungeraden Anzahl von durchgeführten Befestigungselementen

29 lösbar miteinander verbunden. Da die Wände 2 6 und 27 in die Kammern 14 und 16 hineinragen, ist der auf diese Weise zwischen den Wänden gebildete Durchlaß 31 verschlungen, d.h. hat eine gewundene Formgebung und ist daher von verhältnismäßig großer Länge und großer Oberfläche,bei gleichzeitig kleinem Volumenbedarf der Einrichtung.

Ein Einlaßkanal 32 für Blut ist durch die Nabe 8 hindurch zur Einlaßseite des Durchlasses 31 geführt und ist mit einer geeigneten Quelle verbunden, welche Flüssigkeit unter einem ausreichend hohen Druck liefert, damit die Flüssigkeit den verhältnismäßig geringen Strömungswiderstand in der Einrichtung überwinden kann. Vermittels einer Dichtung 33 wird ein Leckfluß zwischen Rotor und Stator verhindert. Das Blut flißet von dem Einlaßkanal 32 in den Durchlaß 31 und in diesem auf einem verschlungenen Weg zu einer Stelle neben einer Dichtung 34, an welcher sich ein Auslaßkanal 37 für Blut befindet, der üblicherweise entweder zu einer weiteren Einrichtung geführt ist oder das Blut im Umwälzbetrieb wieder dem Einlaß zuführt.

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Entsprechend der Erfindung sind die verschiedenen Wände der ersten und der zweiten Einheit in gleicher Weise behandelt, damit ein geeigneter Gasaustausch mit der umgewälzten Flüssigkeit ermöglicht wird. Beispielsweise weist die Wand 2 auf ihrer Innenseite eine Trägerplatte 41 auf, die vorzugsweise aus einem ringförmigen, folienartigen Glied besteht, das sich im wesentlichen bis zum Außendurchmesser der Wand erstreckt, jedoch nicht ganz bis zur Achse 6 durchgeführt ist. Die Platte hat eine solche Beschaffenheit, daß sie in dem von ihr eingenommenen Raum einen Gasdurchsatz in jeder Richtung gestattet. Zu diesem Zweck kann die Platte in sehr unterschiedlicher Weise ausgebildet sein und beispielsweise aus einem porösen, keramikartigen Werkstoff oder auch aus einem gewellten oder geschäumten Kunststoffnetζ oder dgl. bestehen. An die Platte wird in erster Linie die Bedingung gestellt, daß Gas an jeder Stelle in die Platte ein- bzw. aus dieser austreten, sich in im wesentlichen in jeder Richtung ausbreiten und gleichförmig % verteilen kann. Die Platte 41 hat außerdem die Eigenschaft, daß sie eine bestimmte Lage vorgibt und als Träger dient. Die Platte trägt auf der der Wand 2 zugewandten Seite eine Membran 42. Dieee Membran 42 ist von großer Bedeutung für die Einrichtung und besteht vorzugsweise aus einem derzeit im Handel erhältlichen hydrophoben, d.h. wasserabstoßenden Werkstoff, der nicht leicht benetzbar und nicht ohne weiteres für eine Flüssigkeit wie z.B. Blut durchlässig ist. Zweckmäßigerweise kann die Membran aus einem Silikon-

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polymerisat von etwa 0,125 mm Stärke bestehen und eine Anzahl sehr kleiner Durchlässe aufweisen, welche porenartig ausgebildet sind und einen Durchmesser zwischen 2 und 100 ym haben. Die Membran ist insbesondere ganz allgemein in Axialrichtung durchlässig für die in der Einrichtung vorhandenen Gase wie z.B. Sauerstoff und Kohlendioxid. Die in der wasserabstoßenden Membran 42 befindlichen öffnungen oder Poren sind vorzugsweise klein genug, damit die über der Membran befindliche Blutsäule ohne das Auftreten eines Leckflusses durch die Membran gehalten wird.

Vorzugsweise sind bestimmte Bereiche der Membran, insbesondere an dem äußeren Umfang derselben und die die Befestigungselemente umgebenden Zonen undurchlässig ausgebildet. So ist die Beschaffenheit der Membran an ihrem äußeren Umfang dahingehend abgeändert, daß sie in diesem Bereich eine Randzone 43 aus einem verhältnismäßig festen oder auch etwas stärkeren, ,d.h. dickeren Werkstoff bildet. Die festen Bereiche sind wasserabstoßend und in jeder Richtung flüssigkextsundurchlässig. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Wand 2 von der durchlässigen Platte 41 bedeckt, und die Platte ist ihrerseits wiederum von der teilweise undurchlässigen und teilweise durchlässigen Membran bedeckt. In entsprechender Weise ist die benachbarte Wandplatte 3 auf der der vorgenannten Platte benachbarten Seite von einer tragenden Platte 44 bedeckt und weist ebenfalls eine der Membran 42 entsprechende Membran 46 auf, welche auf der tragenden Plat.te 44 in solcher Weise angeordnet ist, daß

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die Membranen 42 und 46 einander benachbart sind.

Die Abmessungen der Teile sind so bemessen, daß die Membranen 42 und 46 in Axialrichtung in einem vorbestimmten gegenseitigen Abstand angeordnet sind, welcher den zwischen den Membranen befindlichen Durchlaß 31 für den Durchgang des Blutes bildet. Der Durchlaß verläuft entsprechend der Zeichnungsdarstellung von dem einen zum nächsten Bereich durch die Einrichtung, so daß jede Hauptgrenzwand nicht nur von einer tragenden Platte bedeckt ist, sondern die tragenden Platten selbst wiederum von den Membranen bedeckt sind. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr große Fläche für den Gasaustausch zwischen dem Blut und seiner Umgebung.

Zur Zuführung des entsprechenden Gases ist in der Nabe 8 ein Sauerstoffeinlaß 51 vorgesehen, der in zwei Abschnitte oder Zweige unterteilt ist. Der eine Zweig steht über einen Kanal 52 mit der obersten Platte 41 in Verbindung, so daß Gas von dieser Platte zu den anderen Platten des Stators gelangen kann, die über Kanäle 5 3 und 54 miteinander in f

Verbindung stehen. Der andere Zweig des Sauerstoffeinlasses verläuft durch einen Durchlaß 56, der durch Dichtungen 3 3 und 57 geschützt ist, zu einer Durchbrechung 58 in der Nabe 22, welche zu einer Innenkammer 59 führt, von welcher aus das zuströmende Gas über Durchbrechungen 61 und 62 in die benachbarte Platte einströmen kann. Das Gas tritt schließlich durch eine Auslaßausnehmung 63 im unteren Teil der Mittelachse aus.

Der auf getrennten Wegen zugeführte Sauerstoff steht

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auf beiden Seiten des Blutdurchlasses zur Verfügung. Der Sauerstoff diffundiert durch die durchlässigen Trägerplatten und die Membranen hindurch in das Blut. Das von dem Blut abgegebene Kohlendioxid tritt durch die Membranen und die tragenden Platten hindurch in den Sauerstoffstrom ein. Das durch eine Öffnung 6^ und die Auslaßausnehmung 63 abgegebene Gas ist ein Gemisch aus nichtverbrauchtem Sauerstoff und mitgeführtem Kohlendioxid.

Vermittels der so weit beschriebenen Einrichtung lassen sich zwar Gase im Blut austauschen, dabei wird jedoch keine sehr hohe Gasaustauschrate, d.h. Austauschmenge pro Zeiteinheit erreicht. Zwecks Verbesserung der Gasaustauschrate ist eine Vorrichtung zum Bewegen des Rotors in bezug auf den Stator vorgesehen, durch welche vorzugsweise der Rotor um die Achse 6 gedreht wird. Ein Elektromotor 66 ist vermittels eines Treibriemens 67 mit einer Antriebsriemenscheibe 68 auf der Nabe 2 2 verbunden und dreht den Rotor mit einer solchen Drehzahl (von z.B. 200 bis 100 U/min bei einem Scheibendurchmesser von 30,5 cm) um seine Achse, daß das durch den gewundenen Durchlaß 31 strömende Blut in Turbulenz versetzt wird. Die dabei hervorgerufene Bewegung ist ausreichend stark, so daß die Scherkräfte des Blutes die ansonsten vorhandene Grenzschicht zu einem großen Teil unterbrechen. Dadurch wird der Gasaustausch sehr stark gesteigert. Außerdem ist die Strömungsrichtung des Blutes abwechselnd von der Achse in Richtung des Umfangs und entgegengesetzt, so daß sich die Strömungsgeschwindigkeit

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des Blutes dementsprechend sehr stark ändert, während das Blut dem verschlungenen Durchlaßweg durchläuft. Dadurch
werden wiederum die Stärke der Bewegung und der Scherwirkung verändert, so daß folglich die Auswirkungen der
noch vorhandenen Grenzflächenschicht verringert werden und die Gasaustauschrate gesteigert wird. Das Gesamtergebnis ist, daß sich in der Praxis die Größe der Einheit und damit auch die der zum Gasaustausch zur Verfügung stehenden Fläche gegenüber den bisher benötigten Werten wesentlich *

verringern läßt. Ein weiteres vorteilhaftes Ergebnis besteht darin, daß das Trauma des Blutes verringert wird,
indem nämlich das Blut nicht über lange Zeit hinweg in Berührung mit den Fremdstoffe darstellenden Werkstoffen des Gerätes verbleibt.

Daher ist es möglich, bei einem Gerät dieser Ausführung
allgemein inerte und leicht sterilisierbare Werkstoffe zu verwenden und den Aufbau des Geräts so zu wählen, daß das Gerät schnell und einfach zerlegbar und zusammensetzbar ist. | Einige Teile wie z.B. die Membranen und die diese tragenden Platten können aus sehr preiswerten Werkstoffen hergestellt sein, so daß sie sich nach Verwendung austauschen
lassen und nicht gereinigt und sterilisiert zu werden
brauchen. Der Umfang oder das Volumen im Innern des Gerätes ist gegenüber bekannten Geräten dieser Art wesentlich geringer, Trauma des Blutes wird stark verringert, der
Gasaustausch findet in einer verhältnismäßig kurzen Zeitspanne statt und es lassen sich allgemein bessere Ergebnisse erzielen.

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Claims

Patentansprüche :

IJ Oxygenator, gekennzeichnet durch eine erste Einheit (1) aus einer ersten Wand (2) , einer im wesentlichen in allen Richtungen gasdurchlässigen ersten Trägerplatte (M-I), die an der ersten Wand anliegt, und einer ersten gasdurchlässigen Membran (42), die auf der der Wand abgekehrten Seite gegen"die erste Trägerplatte (Ul) anliegt, eine zweite Einheit (21) aus einer zweiten Wand (26), einer im wesentlichen in allen Richtungen gasdurchlässigen zweiten Trägerplatte , die auf der der ersten Wand zugekehrten Seite an der zweiten Wand anliegt, und einer zweiten gasdurchlässigen Membran, die auf der der zweiten Wand abgewandten Seite gegen die zweite Trägerplatte anliegt, Vorrichtungen zum Halten der ersten und der zweiten Einheit in einer Weise, daß die erste und die zweite Membran in einem vorbestimmten gegenseitigen Abstand senkrecht zu den Wänden einander benachbart sind und einen Durchlaß bilden (31), eine Vorrichtung (51-63) zum Durchleiten eines Gases zwischen den Platten und Membranen, eine Vorrichtung (32, 37) zum Durchleiten einer Flüssigkeit., durch den Durchlaß (31) und durch eine Vorrichtung (66-68) zur Erzeugung einer gegenseitigen Bewegung zwischen erster und zweiter Einheit, durch welche die in dem Durchlaß befindliche Flüssigkeit in Bewegung versetzbar ist.
2. Oxygenator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel 0+3) vorgesehen sind, die dazu dienen, einen

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Flüsöigkeitsdurchgang zu dem äußeren Umfang der Trägerplatten zu verhindern.
3. Oxygenator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (H2, H6) wasserabstoßend und für Blut praktisch undurchlässig sind.
4. Oxygenator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die erste und die zweite Membran im wesentlichen senkrecht * zu einer Achse (6) ausgerichtet sind und vermittels der Bewegungsvorrichtung (66-68) eine Drehung um diese Achse erzeugbar ist.
5. Oxygenator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl erster Einheiten Cl) zu einem Stator und eine Vielzahl jeweils zwischen den ersten Einheiten angeordneter zweiter Einheiten (21) zu einem Rotor zusammengefaßt sind, und daß der Durchlaß (31) zwischen Stator und Rotor eine verschlungene Formgebung aufweist. . i
6. Oxygenator nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung durch*' den verschlungenen Durchlaß abwechselnd radial nach außen und radial nach innen gerichtet ist.
7. Oxygenator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Paar erster Einheiten (1) mit einem eine Ringkammer (HO bildenden umlaufenden Abstandsstück versehen und die zweite Einheit (21) innerhalb dieser Kammer angeordnet ist.

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8. Oxygenator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der in dem Stator befindlichen ersten Einheiten und die Vielzahl der in dem Rotor befindlichen zweiten Einheiten schichtweise übereinander angeordnet und außerdem Vorrichtungen (13, 29) zum lösbaren Halten der Schichtanordnung im zusammengebauten Zustand vorgesehen sind.

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