DE2343845C3

DE2343845C3 - Künstliche Lunge

Info

Publication number: DE2343845C3
Application number: DE2343845A
Authority: DE
Inventors: Andre Sceaux Hauts-De-Seine Sausse; Stephane Plaisir Yvelines Viannay
Original assignee: Rhone Poulenc SA
Current assignee: Rhone Poulenc SA
Priority date: 1972-08-30
Filing date: 1973-08-30
Publication date: 1978-03-09
Also published as: CH567412A5; CA1026182A; NO132615B; GB1415946A; IL43107A; SU555831A3; BE804183A; US3927981A; DE2343845A1; DE2343845B2; FR2197565B1; JPS49100894A; IL43107A0; ES418341A1; IE38818B1; FR2197565A1; LU68328A1; BR7306369D0; NO132615C; NL7311583A

Description

3S

Die Erfindung betrifft eine künstliche Lunge mit einem Sauerstoffanreicherungsgerät für Blut, das durch eine Membrane in zwei Räume geteilt wird, von denen der erste vom Blut und der zweite von einem den Sauerstoff enthaltenden Gasstrom durchströmt wird, der mit einer vorgegebenen Temperatur und einem vorgegebenen Feuchtigkeitsgehalt eingeleitet wird, und mit einer Einrichtung, welche den Blutdruck im Sauerstoffanreicherungsgerä'i größer als den Atmosphärendruck hält

Durch den Artikel von K ο lobow, veröffentlicht 1969 in Trans. Amer. Soc. Artif. Int. Organs., BD. XV, S. 172 bis 177, ist eine künstliche Lunge bekanntgeworden mit einem durch eine Membrane in zwei Räume geteilten Sauerstoffanreicherungsgerät für Blut. Dabei wird der eine Raum vom Blut mit einem Überdruck und der andere Raum von einem Sauerstoff enthaltenden Gasstrom mit einem Unterdruck durchströmt. Die Einführung des Gasstroms in das Sauerstoffanreicherungsgeriit geschieht unter vorgegebenen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen.

Ferner ist aus der US-PS 35 26 481 ein Sauerstoffanreicherungsgerät für Blut mit Membranen bekannt, wobei beiderseits der Membrane eine flüssige Phase zirkuliert und der Sauerstoff im aufgelösten Zustand als Wasserstoffperoxid eingeleitet wird. Damit nicht dauernd frisches Wasser zugeführt werden muß, wird das aus dem Anreicherungsgerät ausströmende Wasserstoffperoxid zurück in einen Behälter geleitet, von dem aus es für die Wiederverwendung abgezogen wird.

Eine mit gasförmigem Sauerstoff arbeitende künstliche Lunge kann mit mikroporösen, wasserabweisenden Membranen ausgestattet werden, die dank ihrer erhöhten Gasdurchlässigkeit das Entweichen von zufällig in das Blut eingeführten Gasblasen gewährleistet. 1st die künstliche Lunge in anderer Weise mit nicht mikroporösen Membranen ausgestattet z. 3. mit Membranen aus Silikonelastomer, so gestattet sie, daß hier Mikroperforierungen zugelassen werden. Diese werden, anstatt den Gasblaser, einen Zutritt zu geben, vom Blut (dessen Druck höher als derjenige des Gases ist) verstopft

Bekanntlich muß das Sauerstoffanreicherungsgerät durch Zufuhr eines Gases ausgespült werden, das um das Mehrfache höher oxidiert ist als dasjenige Gas, das theoretisch für eine Rückoxidierung des Bluts nötig wäre, da es die Beseitigung des Kohlendioxidgases erfordert daß der Partialdruck in der Gasphase viel schwächer ist als in der Blutphase. Darüber hinaus muß das Gas auf eine geeignete Temperatur und einen geeigneten Feuchtigkeitsgehalt gebracht werden, was einen verhältnismäßig hohen Energieaufwand zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirtschaftliche künstliche Lunge zu schaffen, die alle genannten Vorteile einer künstlichen Lunge aufweist und beim Konditionieren des verwendeten Gases eine Energieersparnis mit sich bringt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die künstliche Lunge eine Einrichtung zur Rezirkulation wenigstens eines Bruchteils des Gasstromes und eine Einrichtung aufweist, welche diesen Bruchteil im Sauerstoffanreicherungsgerät auf einem niedrigeren Druck als Atmosphärendruck hält.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Im folgenden wird mit Sauerstoffanreicherungsgerät für Blut oder kürzer Sauerstoffanreicherungsgerät jedes Übergangsgerät für Atemgase bezeichnet, das insbesondere dem Blut Sauerstoff zuführen und dem Blut Kohlendioxid entziehen kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen und eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

F i g. I iit eine Prinzipskizze der künstlichen Lunge,

F i g. 2 ist ein Teilausschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der künstlichen Lunge,

F i g. 3 zeigt in einer Seitenansicht eines Axialschnitts das Gasstromkonditioniergerät

Das Sauerstoffanreicherungsgerät für Blut 1 nach F i g. 1 enthält wenigstens eine Membrane, die für Blut und Wasser undurchlässig und für Gase, insbesondere Sauerstoff, Kohlendioxyd und Wasserdampf, durchlässig ist Diese Membrane trennt einen vom Blut durchflossenen, ersten Raum 3 von einem Sauerstoff enthaltenden Gasstrom.

Das venöse Blut kann dem Patienten durch eine Pumpe 5 üblicher Bauart entnommen werden, z. B. durch eine Schlauchpumpe oder durch eine mit einer rohrförmigen Membrane und einem Klappenventil versehene Pumpe, die auch noch Balgpumpe genannt wird.

Das Blut wird in den Raum 3 eingeleitet, von wo aus es von einer Pumpe 6 wieder aufgenommen werden kann, die im allgemeinen von gleicher Bauart ist wie die Pumpe 5 und das Blut in das Arteriennetz des Patienten fördert.

Es ist praktisch, das Blut im Raum 3 durch irgendeine bekannte Einrichtung auf einem Überdruck, d. h. auf einem über dem Atmosphärendruck gelegenen Druck,

zu halten. Z. B. kann man den Durchsatz der Pumpe 6 dem im Raum 3 herrschenden Druck anpassen, indem auf die Drehzahl (Schlauchpumpe) oder auf die Impulsfrequenz (Balgpumpe) oder noch auf das Austrittsvolumen (bei der einen oder anderen der obigen Pumpenarten) eingewirkt wird.

Der Raum 4 des Sauerstoffanreicherungsgeräts wird von einem Gasstrom durchströmt, dessen Druck zu jedem Zeitpunkt unter dem Druck des Bluts liegt Da der Blutdruck im Raum 3 im allgemeinen größer als der AtmosphsTsndruck ist ist ec bequem und aus Sicherheitsgründen vorzuziehen, den Gasstrom im Sauerstoffanreicherungsgerät auf einem Unterdruck zu halten, d. h. auf einem Druck, der unter dem Atmosphärendruck liegt

Hierfür genügt es, am Eintritt des Raums 4 eine Gasmischung mit einem gegenüber dem Atmosphärendruck niedrigeren oder genau gleichen Druck hinzuzufügen und am Ausgang des Raums mittels einer Vakuumpumpe oder jeder gleichwertigen Einrichtung, etwa einer Gasstrahldüse (Rohr), einen Unterdruck zu erzeugen.

Auf diese Weise saugt, wie in F i g. 1 gezeigt, eine Vakuumpumpe 7 Umgebungsluft über wenigstens eine Konditioniereinrichtung 16 an. die Luft auf die gewünschte Temperatur und den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt bringt, und saugt diese Luft dann über das Sauerstoffanreicherungsgerät 1 an. Es überuuert die Luft am Ausgang des Sauerstoffanreicherungsgeräts von neuem das als Wärmetauscher arbeitende Gerät 16. Am Ausgang der Pumpe 7 wird die Luft dann in ?.wei Teile geteilt, von denen der eine in die Atmosphäre ausgeschieden wird, während der andere durch den schematisch durch die Linie J9 dargestellten Rezirkulationskreislauf zum Sauerstoffanreicherungsgerät zurückgeschickt wird. Als Ansauggerät für im Sauerstoffanreicherungsgerät enthaltenes Gas wird eine Gasstrahldüse verwendet, die von einer Luftquelle oder von einer Quelle mii unter Druck stehenden oxidiertem Gas gespeist wird.

Die Fig. 2 zeigt schema tisch eine bevorzugte Ausführungsform der künstlichen Lunge. Der Gaskreislauf enthält eine Quelle eines unter Druck stehenden, oxidierten Gases, z. B. eine mit einem Druckminderventil 9 versehene Flasche 8 mit komprimierter Luft oder komprimiertem Sauerstoff. Das Druckminderventil ist mit der Eintrittsöffnung für Antriebsströmungsmittel einer Gasstrahldüse 10 verbunden. Das Antriebsströmungsmittel wird auf einen Druck entspannt, der genau konstant ist und über dem Atmosphärendruck liegt, für gewöhnlich zwischen 1,1 und 6 Bar absolut oder zwischen 2 bis 4 Bar absolut. Der Verdünnungsfaktor, d. h. das Verhältnis zwischen dem gesamten Gasdurchsatz am Ausgang der Strahldüse zum Durchsatz des Antriebsströmungsmittels wird im allgemeinen zwischen 3 und 10 und zwischen 5 und 7 gewählt. Die Gasstrahldüse kann einstufig oder zweistufig sein. Im allgemeinen reicht eine Stufe gut aus.

Da der Durchsatz des Antriebsgases im allgemeinen über dem Durchsatz des gesamten zum Blut geförderten Gases liegt, muß der Gasüberschuß zur Atmosphäre hin durch einen Hilfsdurchflußmesser 12 mit sehr geringem Ladungsverlust gemessen werden.

Der Rezirkulationskreislauf besteht dann im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen: aus einem Hauptdurchflußmesser 13 und aus einer Einrichiung 18 zum Regeln der rezirkulierten Durchsatzmenge gegenüber der entwichenen Durchsatzmenge, aus einem Reiniger 14 (der z. B. Natriumkarbonat enthalt) zum Festhalten des durch den Rezirkulationskreislauf mitgenommenen Kohlendioxidgases, evtL aus einem Mischer 15 zum Einleiten von anästesierenden oder anderen Strömungsmitteln, aus einem Gerät 16 zum Konditionieren, Anfeuchten und Wechseln der Temperatur, aus einem automatischen Sicherheitsventil 17, das sich öffnet, wenn der Druck des Gasstroms bis zum Atmosphärendruck ansteigt, und das z. B. in der Nähe des Eintritts 11

ίο der Ansaugöffnung der Strahldüse angeordnet ist, und aus Anschlußrohren, die diese verschiedenen Geräte untereinander verbinden.

Das Sauerstoffanreicherungsgerät ist mit Membranen versehen, die für Gas durchlässig sind, d. h.

durchlässig für die Atemgase und undurchlässig für Flüssigkeiten im allgemeinen und insbesondere für Blut. Als Membranen können mikroporöse Membranen mit einem Porendurchmesser im allgemeinen unterhalb 03 μ verwendet werden. Sie sind wasserabstoßend oder imprägniert Im Blutkreislauf können Schlauchpumpen verwendet werden, die die Blutgerinnung sehr wenig fördern. Die vom Blut durchflossenen Kanäle bestehen im allgemeinen aus Silikonelastomerarten, die für gewöhnlich für außerhalb des Körpers verwendete Blutkreisläufe verwendet werden und die z. B. innen mit einem ungefüllten und bei konstantem Volumen ausgehärteten Silikonelastomer überzogen sind.

Die Durchflußmesser 12 und 13 können von jeder bekannten Bauart sein: mit Schaufeln, mit Schwimmer usw. Als Regeleinrichtung 18 für die rezirkulierte Gasdurchsatzmenge wird im allgemeinen ein Schieber oder ein Ventil bekannter Bauart verwendet, z. B. ein Nadelventil. Die Kenntnis der rezirkulierten Durchsatzmenge gestattet eine Nährungsberechnung des Verdünnungsverhäitnisses der Gasstrahlpumpe, wobei die dem Blut übertragenen oder ihm entzogenen Durchsatzmengen gegenüber den Durchsatzmengen in den DurchfluQ-messern 12 und 13 vernachlässigt werden können.
Eine Patrone 14 mit Natriumkarbonat hält das Kohlendioxidgas fest. Der Inhalt dieser Patrone beträgt im allgemeinen zwischen 0,3 und 3 dm³. Da es von Nutzen ist, die Menge des festgehaltenen Kohlendioxidgases zu kennen, wird dem Natriumkarbonat ein z. B. farbiger Sättigungsindikator zugegeben. Durch eine durchscheinende Wand der Patrone kann die Verschiebung der Tönung des Indikators beobachtet werden entsprechend der fortschreitenden Sättigung des Natriumkarbonats durch das Kohlendioxidgas.
Als Gerät 15 zum Einführen einer flüssigen oder gasartigen Phase in die Gasmischung können verschiedene bekannte Geräte verwendet werden, etwa ein Zerstäuber, eine Mischdüse, ein Rührwerk, ein Verdampfer usw.
Aufgrund der Gasstrahldüse arbeitet das Konditioniergerät 16 wie ein Wärmetauscher, der stromaufwärts von den Gasströmen und stromabwärts von den Strömen des Sauerstoffanreicherungsgeräts durchströmt wird. Das Konditioniergerät enthält einen vom stromaufwärts gelegenen Strom (zum Sauerstoffan-

r,o reicherungsgerät) durchquerten Befeuchter und einen vom stromabwärts gelegenen Strom durchquerten Kondensator. Das Gerät ist /um Ausschalten praktisch allerWärmeveriuste an die Umgebung wärme isoliert.

Sollte der Gasstrom im Sauerstoffanreicherungsgerät dazu neigen, sich mit durch die Membrane gedrungenem Wasserdampf des Bluts aufzuladen, so ist es nötig, den versorgenden Gasstrom zu befeuchten, um für den Patienten übermäßige Wasserverluste zu vermeiden.

Als Befeuchter kann jedes bekannte Gerät verwendet werden, z. B. ein Gerät mit zum Teil eingetauchten Mehrfachscheiben, die sich längs um eine im Inneren eines geschlossenen Behälters, z. B. des in F i g. 3 gezeigten, angeordnete waagerechte Achse drehen.

Dieser Befeuchter enthält eine waagerechte Achse 20, die einen Stapel von senkrechten Scheiben 21 und 22 trägt, die als Umlenkbleche angeordnet sind und den Gasstrom zwingen, ihre seitlichen Flächen zu umspülen. Diese Anordnung wird langsam drehend von einem in einem zylindrischen, dicht verschlossenen Gehäuse 34 angeordneten Motor 33 angetrieben. Das Gehäuse 34 ist mit einem Eintrittsrohrstutzen 25 und einem Austrittsrohrstutzen 26 für den Gasstrom versehen sowie mit einem seitlichen Rohr 27 zum Füllen und zur !5 Kontrolle der Flüssigkeitshöhe im Gehäuse,

Der Kondensator wird von der Seitenwand des Gehäuses begrenzt, die mit labyrinthartig durchlöcherten Rippen versehen ist, zum Verbessern des Wärmeaustausches mit dem Befeuchter, und wird begrenzt von einer Umfangseinfassung 29. Diese Einfassung ist mit Eintritts- und Austrittsrohrstutzen 3« bzw. 31 für den aus dem Sauerstoffanreicherungsgerät austretenden Gasstrom sowie mit einem Ablaßrohr 32 für das Kondensat versehen.

Der Kondensator gestattet eine Rückgewinnung der im aus dem Sauerstoffanreicherungsgerät austretenden Dampf gespeicherten Wärme und vermindert die sich später im Reiniger 14 absetzende Wassermenge.

Die das Konditioniergerät 16 mit dem Sauerstoffenreicherungsgerät 1 verbindenden Rohrleitungen sind wärmeisoliert oder mit einer Heizeinrichtung 23 und 24 bekannter Bauat ί versehen, zum Vermeiden jeglicher Kondensation an ihrer Oberfläche, zum Ausgleichen der Abkühlung aufgrund der Entspannung des Antriebsgascs und gegebenenfaüs zum Anheben der Temperatur der sie durchströmenden Gasmischung um einige Grad. Es können z. B. in die Wand der aus Silikonelastomer bestehenden Rohre eingelassene, elektrische Widerstandsdrähte verwendet werden.

Der Befeuchter wird von einem Gasstrom gespeist, dessen Temperatur in der Nähe der Umgebungstemperatur und zwischen 20 und 30^GC liegt. Dieser Gasstrom wird bei der, aufgrund der vom Kondensator gelieferten Wärmemenge, im Befeuchter erreichten Temperatur mit Feuchtigkeit gesättigt. Das Heizgerät 23 gestattet der Gasmischung, das Sauerstoffanreicherungsgerät mit einer Temperatur in der Nähe von 37°C zu erreichen. Die Gasmischung sättigt sich im Sauerstoffanreicherungsgerät mit Feuchtigkeit und bleibt auf einer genau konstanten Temperatur. Das Heizgerät 24 vermeidet am Ausgang des Sauerstoffanreicherungsgeräts jede Kondensation in der das Sauerstoffanreicherungsgerät mit dem Kondensator verbindenden Rohrleitung. Im Kondensator gibt die Gasmischung ihre Wärme ab, um genau die Temperatur zu erreichen, die sie am Eintritt des Befeuchters hatte, nämlich etwa 20 bis 30° C

Anstatt mit Scheiben mit labyrinthartigen Durchlöcherungen kann das Konditioniergerät mit schraubenförmigen Trennwänden versehen werden, deren unterer Teil ein ausreichendes Spiel hat für die Zufuhr oder Entleerung der enthaltenen Flüssigkeiten.

Im folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es wird ein Sauerstoffanreicherungsgerät für Blut verwendet, das aus einem Stapel ebener, mikroporöser Membranen besteht mit einer Nutzfläche von 1 m² und mit Zwischenlagen. In Berührung mit der Membrane bildet das Blut einen Film in der Dicke von 0,1 bis 0,5 mm. Das Blut bewegt sich mit Hilfe von zwei Schlauchpumpen von der vena cava inferior zur arteria femuralis des Patienten. Die beiden mit Silikonelastomerrohren versehenen Pumpen drehen sich mit einer Drehzahl von 35 U/min und halten das Blut im Sauerstoffanreicherungsgerät auf einem verhältnismäßig mittleren Druck zwischen 50 und 200 mm Hg.

Als antreibendes, gasförmiges Strömungsmittel wird komprimierter Sauerstoff verwendet, der auf 3 Bar entspannt wird. Der Sauerstoff setzt seine Entspannung über eine einstufige Strahldüse mit einer Förderleistung von 1,5 mVh fort. Der Sauerstoff wird zum größten Teil wieder über einen geschlossenen Kreislauf gemäß Fig.2 umgewälzt. Der Verdünnungsgrad beträgt zwischen 5 und 7. Die rezirkulierte Durchsatzmenge wird mit Hilfe eines Flügelraddurchflußmessers und die entwichene Durchsatzmenge mit Hilfe eines mit einer Kugel arbeitenden Durchflußmessers gemessen. Im Rücksaiigkanal ist in Nähe der Strahldüse ein Ventil angeordnet, das sich bei einem 3 p/cm² übersteigenden Druck zur Atmosphäre hin öffnet. Es hat keine Rückholfeder und muß bei Betriebsbeginn und im Fall einer Störung von Hand zurückgestellt werden.

Das rezirkulierte Gas überquert vor dem Erreichen des Sauerstoffanreicherungsgeräts nacheinander eine mit einem farbigen Indikator (Methylrot) versehene Natriumkarbonatpatrone, einen anästesierenden Verdampfer nach Goldmann und das Konditioniergerät.

Der Befeuchter besteht aus 13 Scheiben mit abwechselnden Durchmessern von 148 und 138 mm, die sich mit 5 U/min drehen und zu 10% in Wasser eintauchen. Der Umfangskondensator hat 13 Rippen mit Durchmessern von 154 und 198 mm und mit labyrinlhartig angeordneten öffnungen.

Ist eine gleichbleibende Leistung erreicht, so läuft das Blut mit einer Durchsatzmenge von 1,0 l/min um. Es tritt in das Sauerstoffanreicherungsgerät mit einem Sättigungsgrad an Oxyhämoglobin von 65% ein und tritt mit einem Sättigungsgrad von 90% aus entsprechend einem Sauerstoffübergang von 45 ml/min bei Normalzustand (TPN).

In gleicher Weise ist festzustellen, daß das Blut in das Sauerstoffanreicherungsgerät mit einem Partialdruck des Kohlendioxidgases von 50 Torr eintritt und bei einem Übergang an Kohlendioxidgas von 70 ml/min mil einem Partialdruck von 40 Torr austritt.

Der Verbrauch an Antriebsgas beträgt 120 l/h bei Normalzustand (TPN), während die aufgebrachte Wärmeenergie 1 kcal/h beträgt Diese letzteren Zahler zeigen die Wirtschaftlichkeit der künstlichen Lunge nach der Erfindung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Künstliche Lunge mit einem Sauerstoffanrcicherungsgerät für Blut, das durch eine Membrane in zwei Räume geteilt wird, von denen der erste vom Blut Lid der zweite von einem den Sauerstoff enthaltenden Gasstrom durchströmt wird, der mit einer vorgegebenen Temperatur von einem vorgegebenen Feuchtigkeitsgehalt eingeleitet wird, und mit einer Einrichtung, welche den Blutdruck im Sauerstoffanreicherungsgerät größer als den Atmosphärendruck hält, dadurch gekennzeichnet, daß die künstliche Lunge eine Einrichtung zur Rezirkulation wenigstens eines Bruchteils des Gasstromes und eine Einrichtung aufweist, welche diesen Bruchteil im Sauerstoffanreicherungsgerät auf einem niedrigeren Druck als Atmo.sphärendruck hält.

2. Künstliche Lunge nach Anspruch 1 mit einem Ausflußkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasstrahldüse vorgesehen ist, die an eine Sauerstoffgasquelle angeschlossen ist, welche unter einem höheren Druck als Atmosphärendruck steht.

3. Künstliche Lunge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Konditioniergerät 2s aus einem Befeuchter des Gasstromes besteht daß dieser Befeuchter Mehrfachscheiben aufweist, die teilweise eingetaucht sind und sich um eine waagerechte Achse drehen sowie im Wärmeaustausch mit einem Kondensator stehen, der von den vom Sauerstoffanreicherungsgerät für Blut austretenden Gasen durchströmt wird.