DE2332944C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärme- oder Massen­ transport zwischen zwei Fluiden durch eine Membran, bei welchem eines der Fluide pulsierend durch eine Leitung hin­ durchgeführt wird, die wenigstens teilweise von der Membran begrenzt ist und deren Querschnitt sich periodisch ändert.

Ein pulsierender Oxygenator ist aus der US-PS 33 32 746 bekannt. Dort wird das Pulsieren bewirkt durch eine von einer Membran begrenzten Fluidleitung, deren Querschnitt sich periodisch ändert. Durch das Pulsieren des Sauerstoffs, welcher die Membran während des Hochdruckintervalls der Pulsierung zusammendrückt, wird ein dünner Blutfilm ausgebildet. Mit der bekannten Vorrichtung kann aber nicht verhindert werden, daß stationäre Schichten des zu behandelnden Fluids durch das Pulsieren des behandelnden Fluids vermieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem Grenzschichteffekte des zu behandelnden Fluids verhindert, zumindest aber stark verringert werden, indem auf das zu behandelnde Fluid selbst eingewirkt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Pulsieren eine Vor- und Rückwärtsbewegung erzeugt.

Durch das erfindungsgemäße Pulsieren erfolgt eine Wirbelbe­ wegung des zu behandelnden Fluids, wodurch das Auftreten von Grenzschichten verhindert, zumindest aber stark verringert wird. Das Verfahren kann mit einer relativ kleinen Vor­ richtung bei großer Durchsatzrate des zu behandelnden Fluids durchgeführt werden. Die Gefahr des Auftretens von Gasblasen in dem zu behandelnden Fluid, beispielsweise in Blut, infolge eines zu hohen Druckes, wie es bei der bekannten Vorrichtung gegeben ist, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auftreten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rückwärtsbe­ wegung wenigstens halb so groß wie die zugeordnete Vorwärts­ bewegung.

Das zu behandelnde Fluid kann zum Leitungseinlaß unter Schwerkraft oder auf andere Weise, beispielsweise mittels einer Pumpe, geführt werden. Wenn beispielsweise Blut oxygeniert oder dialysiert werden soll, kann letztere Methode angewandt werden, indem die Apparatur unter das Niveau des Patienten, beispielsweise 50 bis 100 cm darunter, gesetzt wird, mit welchem sie verbunden ist, wobei der Druck des Behandlungsfluids (Gas oder Dialyseflüssigkeit) an der ande­ ren Seite der Membran geringer ist als der Schwerkraftsdruck. Das Fluid geht vom Leitungsauslaß in eine Pumpe, welche bei Betätigung einen Teil des Fluids zur Leitung und einen Teil in die Richtung der Strömung für die Rezirkulation führt. Ein Rückschlagventil liegt gewöhnlich zwischen dem Leitungsauslaß der Pumpe und/oder stromabwärts von der Pumpe. Wenn das Ventil zwischen Auslaß und Pumpe liegt, ist ein Rückstrom möglich, da das Ventil nur dann zur Betätigung kommt, wenn die Betätigung der Pumpe beendet ist. Wenn die Pumpwirkung aufhört, beginnt wieder der Vorwärtspuls, und der hin- und hergehende pulsierende Fluß geht dauernd weiter. Die verwendete Pumpe ist vorzugsweise rohrförmig und von der Art, wie sie allgemein in der GB-PS 12 68 049 beschrieben ist, und das Rückschlagventil ist vorzugsweise von der dreizackigen Art, wie es allgemein in der GB-PS 13 15 844 beschrieben ist.

Es ist ersichtlich, daß komplizierte Systeme in Übereinstimmung mit der Erfindung vorgesehen werden können. Bei einem solchen System steht ein erstes Rückschlagventil mit dem Leitungseinlaß durch eine erste Pumpe in Verbindung, und der Leitungsauslaß steht mit einer zweiten Pumpe in Verbindung, die mit einem zwei­ ten Rückschlagventil verbunden ist, das wiederum mit einer dritten Pumpe in Verbindung steht, welche mit dem Fluidauslaß durch ein drittes Rückschlagventil verbunden ist. Die Hub­ geschwindigkeiten der Pumpen sind vorzugsweise identisch, und die Kapazitäten der Pumpen sind derart, daß bei richtiger Phasen­ einstellung der Pumpwirkung das Fluid in der Leitung einer hin- und hergehenden Bewegung unterworfen wird, welche die Verschie­ bung durch die Leitung überlagert.

Bevorzugte Ausführungsformen von mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren anwendbaren Vorrichtung werden anhand der Zeichnung be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung, die sich für die Oxygenierung von Blut eignet, wobei bei der Vor­ richtung ein Teil der Außenoberfläche versetzt ist, um das Innere zu zeigen;

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt entlang der Mittellinie des Mittelteils der in Fig. 1 abgebildeten Vorrichtung,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer rohrförmigen Pumpe, die sich zur Verwendung mit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung eignet;

Fig. 4 einen Schnitt längs eines Teils einer ersten rohrförmigen Membran, die sich zur Verwendung als Leitung eignet; und

Fig. 5 einen Schnitt längs eines Teils einer zweiten rohrförmi­ gen Membran, die einen Einsatz aufweist.

In den Fig. 1 und 2 umfaßt die Vorrichtung einen Stapel 1 von Platten 2, von denen jede aus zwei Membranen 3 besteht, welche durch ein Wellblech 4 aus rostfreiem Stahl getrennt und abgestützt werden. Die Platten 2 werden hergestellt, indem ein geeigneter Silikonkautschukkleber auf ein gestrecktes Wellblech 4 auf­ gebracht wird und dann eine Membran 3 aus Silikonelastomerem mit einer Dicke von etwa 30 µm über die Erhöhungen 5 im Blech 4 gelegt wird, deren Streckung danach beendet wird. Zwei Membranen 3 können auf ein Blech 4, eine an jeweils einer gewellten Seite, in einem Arbeitsgang aufgebracht werden. Bei der Entspannung bilden sich Furchen 6 in der Membran 3, deren Vertiefung bzw. Boden vom Metallblech 4 Abstand hat und so den Fluß von Sauerstoff in Kanälen 7 entlang der Außenseite jeder Furche 6 gestattet. Der Gang bzw. die Steigung der Furchen beträgt 2 mm und die Tiefe 0,5 mm. Jede Platte hat senkrechten Abstand von der Nachbarplatte durch Paare von Abstandsstreifen 8 aus rostfreiem Stahl, die an der Membran nahe entgegengesetzten Rändern und parallel dazu dicht anliegen, so daß eine Membran­ hülle zwischen benachbarten Platten für den Fluß von Blut recht­ winklig zum Sauerstoff-Fluß gebildet wird. Die Anordnung benachbarter Platten 2 ist derart, daß die Erhöhungen 5 in der Membran 3 sich senkrecht betrachtet entsprechen, wobei die Erhöhungen 0,4 mm auseinanderliegen. Benachbarte Membranen werden gewünschtenfalls an ihren Rändern abgedichtet, um eine Sicherheit gegen Austreten von Blut durch irgendeinen Spalt zu bilden, der unabsichtlich zwischen dem Abstandsstreifen 8 und der Membran 3 vorliegen könnte. Der Stapel 1 ist mit einer Sauerstoffverteilungskammer 9 versehen, welche mit den Kanälen 7 zwischen der Außenseite der Furchen und jedem Blech 4 in Verbin­ dung steht. Der Stapel steht auch mit einer Pumpe 10 für die Erzeugung des nach vorwärts gerichteten Flusses in Verbindung, sowie mit einer Pumpe 11 für den Rückkehrfluß. Die Pumpen sind an entgegen­ gesetzten Enden der Vorrichtung angebracht und erzeugen einen hin- und her­ gehenden pulsierenden Fluß durch den Stapel. Jede der Pumpen 10, 11, die identisch sind, umfaßt ein allgemein pyramiden­ förmiges äußeres Gehäuse 12, dessen Spitze zu einem Bluteinlaß und -auslaß 13, 14 gebildet ist, die mit dem Inneren des Gehäuses in Verbindung stehen. Beide Pumpen sind mit vier aufblasbaren Säcken 15 (nur einer ist gezeigt) versehen, von denen jeder drei Ränder hat, die entlang den Kanten des pyramidenförmigen Gehäuses angeordnet sind. Die Säcke 15 sind entlang ihrer Ränder mit den entsprechenden Kanten des Gehäuses abgedichtet. Das Innere der Säcke 15 steht mit Luftleitungen 17 in Verbindung, die in kurzem Abstand von der Pumpe durch eine Rohrleitung 18 miteinander verbunden sind, welche ihrerseits an ein System (nicht gezeigt) angeschlossen sind, welches sich dazu eignet, rasch zwischen der Zuführung von Druckluft und dem Auslassen in die Atmosphäre zu wechseln. Die Blutauslaß- und -einlaßöffnungen 13, 14 sind mit Rückschlagventilen (nicht gezeigt) der dreieckigen Art versehen, und das Rückschlagventil an der Auslaßseite steht mit einer dritten Pumpe in Verbindung, die im Querschnitt in Fig. 3 gezeigt ist, und die allgemein rohrförmige Form hat, und mit einem dritten dreieckigen Rückschlagventil (nicht gezeigt) verbunden ist.

Die dreieckigen Rückschlagventile sind von der Art, wie sie in der GB-PS 13 15 844 beschrieben ist. Der Nahtring ist jedoch durch Verbindungsflanschen ersetzt, die an jedem Ende sitzen. Die rohrförmige Pumpe ist von der Art, wie sie in der GB-PS 12 68 049 gezeigt ist, und umfaßt ein rohrförmiges, äußeres Gehäuse, in welchem drei Säcke angeord­ net sind, die jeweils teilweise durch einen Teil des gekrümm­ ten, äußeren Gehäuses und teilweise durch biegsame Blätter oder Bleche begrenzt sind, die mit ihren entgegengesetzten Rändern am äußeren Gehäuse entlang der Länge desselben verankert sind. Die Säcke sind durch Luft aufblasbar, welche durch Öffnun­ gen (nicht gezeigt) im äußeren Gehäuse eintritt, so daß Blut, das im Abstand zwischen den Säcken enthalten ist, herausgedrückt wird. Beim Zusammenfallen nehmen die flexiblen Blätter oder Bleche die in Fig. 3 in gestrichelter Linie gezeigte Form an. Die Pumpe ist vorzugsweise mit einer inneren entfernbaren Aus­ kleidung versehen, welche das Blut aufnimmt und es von den Säcken trennt. Die Auskleidung wirkt als Sicherheit, um das Risiko von Luftleckagen von den Säcken in das Blut auf ein Minimum zu bringen, und kann leicht sterilisiert werden.

Bei anderen Ausführungsformen, welche für die Oxygenierung von Blut bevorzugt sind, sind alle oder einige der Pumpen mit Säcken versehen, welche zwei oder mehr aneinandergrenzende Schichten von Material aufweisen, welche zwischen dem Antriebs­ gas und dem gepumpten Fluid angeordnet sind.

Die Vorrichtung wird betrieben, indem die Steuerung so ein­ gestellt wird, daß der Hub jeder Pumpe 80 Schläge pro Minute beträgt, und daß sie korrekt miteinander in Phase stehen. Die Pumpe 10 für den Vorwärtsfluß wird betätigt, während die Pumpe 11 für den Rückwärtsfluß und die rohrförmige Pumpe 19 angehalten sind, um Blut vom Stapel bzw. von der Pumpe für den Rückwärtsfluß aufzunehmen. Die rohrförmige Pumpe treibt dann Blut zum Auslaß und synchron wird die Pumpe für den Vorwärtsfluß entspannt, um Blut vom Einlaß über das Rückschlag­ ventil aufzunehmen. Der Zyklus wird mit der Kontraktion der Pumpe für den Rückfluß, um Blut vom Stapel zu der Pumpe für den Vorwärtsfluß zu transportieren, beendet. Wenn die obigen Phasenbeziehungen eingestellt werden, wird die Kapazität jeder Pumpe so angepaßt, daß Blut durch den Stapel mit etwa 2 cm bei jedem Schlag versetzt wird. Die Kapazität der Pumpe für den Vorwärtsfluß beträgt zweckmäßig 112 ccm, die der Rück­ pumpe 37 ccm und die der rohrförmigen Pumpe 75 ccm.

Bei einer kleineren Ausführungsform ist ein einzelner Blutflußkanal von einer Membranhülle aus Silikon­ elastomeren mit einer Oberfläche von 200 cm² begrenzt, wobei die Membran eine Dicke von etwa 38 µ hat. Die Sauerstofftransportgeschwindigkeit bei einer Blutflußgeschwin­ digkeit von 50 ml/min beträgt 130 ml O₂/min/m², das ist das mögliche Maximum für diese besondere Membran.

Bei einer anderen Ausführungsform, die drei Blutfluß­ kanäle aufweist, beträgt die Membrandicke ca. 32 µ und die Gesamtfläche 1450 cm². Die Sauerstoffübertragungs­ geschwindigkeit beträgt 140 ml/ O₂/min/m² bei einer mittleren Blutflußgeschwindigkeit von 400 ml/min und einer Oszillations­ frequenz von 120/min. Durch den Oxygenator wird während des Pumpens, das für Zeitspannen bis zu 4 Stunden durchgeführt wird, kein Bluttrauma bewirkt.

Ein Vergleich des vorliegenden Systems mit demjenigen anderer Membranoxygenatoren zeigt eine Zunahme in der Sauerstoff­ transportgeschwindigkeit um Faktoren von 5 oder 6.

In Fig. 4 bildet eine Übergangsmembran bzw. Transportmembran 23 von kreisförmigem Querschnitt eine Leitung 24 für den Fluß von Fluid. Die Leitung hat Verengungen 25 entlang der Länge, welche Zonen im Abstand voneinander in Form von um den Umfang gehenden Vorrichtungen 26 bestimmen. Wenn Flüssigkeit in der Leitung entlang der Länge desselben gepulst wird, bilden sich in der durch den Pfeil A gezeigten Richtung Wirbel in den Zonen, wie gezeigt, aus. Wenn das Fluid Blut ist und Dialysefluid oder ein sauerstoffhaltiges Gas über die äußere Oberfläche der Membran geleitet wird, kann eine Dialyse oder eine Oxygenie­ rung bewirkt werden.

In Fig. 5 ist eine rohrförmige Übergangsmembran 27 mit um den Umfang gehenden Furchen 28 versehen, und im Inneren ist ein rohrförmiges Teil 29, auf welchem Kreisscheiben 30 sitzen, welche eine innere Übergangsmembran 31 abstützen, die ebenfalls Umfangsfurchen 32 aufweist. Die innere Membran 31 ist am Teil 29 durch Klebstoff gehalten, der zwischen den Scheiben und der Membran aufgetragen ist. Das Rohrteil 29 ist mit Öffnungen 33 versehen, welche ein Oxygenierungsgas durchlassen können, was längs des Inneren des Teils in der durch den Pfeil B gezeigten Richtung zur Oberfläche der Innenmembran 31 geführt wird. Das äußere Teil ist durch Klebstoff mit einer Längsmembran 34 abgestützt, und die Innenmembran durch einen Stützring, welcher mit Spreizen 35 versehen ist. Ein zweiter Strom von Oxygenierungsgas (nicht gezeigt) kann auf der äußeren Oberfläche der Membran 27 zugeführt werden, und wenn Blut längs des Zwischenraums zwischen den Membranen in der durch den Pfeil C gezeigten Richtung pulsiert wird, werden Wirbel in den Furchen, wie gezeigt, ausgebildet, was die Transfergeschwindigkeit von Sauerstoff von letzterem Gas und von dem Gasstrom B in das Blut erhöht.

Claims (2)

1. Verfahren zum Wärme- oder Massentransport zwischen zwei Fluiden durch eine Membran, bei welchem eines der Fluide pulsierend durch eine Leitung hindurchgeführt wird, die wenigstens teilweise von der Membran begrenzt ist und deren Querschnitt sich periodisch ändert, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Pulsieren eine Vor- und Rückwärts­ bewegung erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwärtsbewegung wenigstens halb so groß ist wie die zugeordnete Vorwärtsbewegung.