DE2646459A1

DE2646459A1 - Verteilvorrichtung und mit dieser versehene blutdialysevorrichtung

Info

Publication number: DE2646459A1
Application number: DE19762646459
Authority: DE
Inventors: Harold R Davis
Original assignee: BROCKLEY CHRISTOPHER A; PARKINSON GEOFFREY V; PRICE JOHN DE
Current assignee: BROCKLEY CHRISTOPHER A; PARKINSON GEOFFREY V; PRICE JOHN DE
Priority date: 1975-10-14
Filing date: 1976-10-14
Publication date: 1977-04-28
Also published as: FR2327810B3; JPS5284898A; FR2327810A1; IT1068900B; GB1559203A; BR7606886A; US4038191A

Description

DIPL.-ING. HANS T/. GRCEKING

PATENTANWALT

D 36 - 1

Harold R,Davis,. Christopher A_tBrockley, Geoffrey V, Parkinson und John D,E,Price

University of British Columbia,Vancouver, British Columbia,Kanada V6T 1W5

Verteilvorrichtung und mit dieser versehene Blutdialysevorrichtung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verteilvorrichtung zur Erzielung eines gleichmäßigen Durchflusses eines laminaren Flüssigkeitsstromes von einem eine gegebene Querschnittsfläche aufweisenden Flüssigkeitszuführrohr zu einer Flüssigkeitsbehandlungsflache, die größer als die Querschnittsfläche des Zuführrohres bemessen ist, so daß in

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keinem Bereich eine Bluthämolyse infolge von Stauungen oder Turbulenzen verursacht wird. Der künstlichen Niere ist es in erster Linie zuzuschreiben, wenn das Leben von Personen erhalten werden kann, die an der Niere irreversibel erkrankt sind. Die künstliche Niere wird auch als ein vorübergehendes Tragsystem für solche Patienten eingesetzt, die für eine Nierenübertragung geeignet sind. Die Hämodialyse stellt eine erfolgreiche Methode zur Lebenserhaltung auf lange Dauer dar, so daß der Personenkreis, der einer Behandlung bedarf, jedes Jahr um 35 pro 1 Million zunimmt.

Bestehende Ausführungsformen künstlicher Nieren, die klinisch eingesetzt werden, bringen in vielen Bereichen Probleme mit sich, in erster Linie bezüglich ihrer Wirksamkeit, Verträglichkeit für den Patienten und der Betriebskosten. Diese speziellen Probleme sind einer Lösung durch eine fachmännische Analyse und durch neue Techniken zugänglich. Die Zusammenarbeit zwischen der Nierenklinik des Vancouver General Hospital und dem Mechanical Engineering Department an der University of British Columbia, die sowohl durch MRC und NRC Stiftungen ermöglicht wurde, führte zu einer Doktorarbeit von H.R. Davis, mit dem Titel "The Design of a Capillary Artificial Kidney", Ph.D. Thesis, The University of British Columbia, Canada, in welcher das Konzept für eine Hämodialysatorgestaltung entwickelt wurde. Diese Arbeit stellte eine Theorie für den Massenübergang von Verunreinigungen aus dem Blut zu dem Dialysat durch eine Kapillarmembrane dar und optimierte das Übergangsverfahren. Ein wichtiger Teil der Arbeit befaßt sich mit der Flüssigkeitsmechanik des Blutkreislaufes in dem Dialysator mittels eines neuen Verfahrens der Verteilung von Blut von den Zuführleitungen zu den Kapillarröhrchen.

■Die Konstruktion einer Anzahl von Prototypen von mit Kapillarröhrchen ausgestatteten künstlichen Nieren wui.de mit dem Ziel begonnen, experimentell die Konstruktion zu bestätigen, die in der Doktorarbeit vorgeschlagen wurde. Tests wurden mit

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physiologischen Kochsalzlösungen, mit Blut von der bank des Hospitals und an Hunden durchgeführt, bei denen die Bedingungen von Nierenerkrankungen simuliert wurden, Die Prototypen dieser künstlichen Nieren wurden entweder mit Zellulose--- oder Kunststoffkapillarröhrchen ausgestattet, da diese allein für experimentelle Zv/ecke erhältlich waren. Sich über einige Monate erstreckende Tests unter verschiedenen Bedingungen führten zu der entscheidenden Feststellung, daß der mit Kunststoffkapillarröhrchen ausgestattete Prototyp einer künstlichen Niere den ursprünglichen Konstruktionsabsichten entsprach und eine Betriebsleistung und Blutverträglichkeit erzielte, die durch kein anderes bestehendes System erreicht wurde, wie dies in dem Artikel der Erfinder Price, J.D.E., Davis, H,R.,Parkinson,G.V ., und Brockley, CA. "A New Capillary Hemodialyzer", Ann. Roy, Coll.Phy. and Surg, 6:1 , p.40, Jan., 1973 nachgewiesen wird.

Arbeiten an den Verteilerköpfen oder -kopfstücken für die Verteilung des Blutes von einer einzelnen Zuführleitung zu vielen tausenden von Kapillarröhrchen wurden ebenfalls durchgeführt. Die Konstruktion dieser neuen Form eines Verteilerkopfes folgt den Kriterien, die für den früheren Verteilerkopf festgelegt wurden, der in der Doktorarbeit von Davis (siehe oben) beschrieben ist. Diese Arbeiten dienten dem Ziel, eine Konstruktion zu finden, bei der eine künstliche Niere mehr als 10 000 Kapillarröhrchen aufnehmen kann, um eine gleichmäßige Blutverteilung mit nur einem arteriellen und venösen Verteilerkopf zu erreichen.

Eine solche Konstruktion sollte den laminaren Blutstrom überall in dem Verteilerkopf aufrechterhalten, das Blut gleichförmig auf jedes Kapillarröhrchen verteilen, keinen Stau bereich aufweisen, wo eine Throrabenbildung auftreten könnte, ein geringstmögliches inneres Volumen aufweisen, damit das Blut des Patienten geschont und nicht traumatisiert wird. Diese Bedingungen wurden erfüllt durch

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die Ausbildung eines zusammengesetzten Verteilerkopfes. D.h., ein erster Verteiler (der in Strömungsrichtung mit einer linear abnehmenden Querschnitbsfläche versehen ist) führte einem zweiten Verteiler Flüssigkeit zu (der ebenfalls eine linear abnehmende Querschnittsflache aufweist), welcher die Flüssigkeit den Kapillarröhrchen zuführte. Ein wichtiges Element der Konstruktion stellen Umlenkrippen zwischen dem ersten Verteiler und dem zweiten Verteiler· . dar.

Die Konstruktion eines Verteilerkopfes für mit Kapillarröhrchen ausgerüsteten künstlichen Nieren entsprach den physiologischen Erfordernissen des Bluttransportes, während eine gleichmäßigs Flüssigkeitsverteilung erzielt wurde. Eine Sichtbarmachung der Strömung zeigte, daß überall in dem Kopfstück oder Verteilerkopf laminare Strömung vorlag, so daß die Gefahr einer Thrombenbildung wahrscheinlich nicht erhöht werden würde. Die physikalische Form des Verteilerkopfes läßt sich konstruktiv verwirklichen und erreicht das Ziel eines niedrigen inneren Blutvolumens. Experimente mit Blut haben gezeigt, daß die Verstopfung der Verteilerköpfe und Kapillarröhrchen kein Problem darstellt, wenn Materialien verwendet werden, die keine Thromben erzeugen.

Aus zwei Gründen ist es wesentlich, daß eine besonders gut bestimmte Flüssigkeitsgeometrie für den Blutkreislauf in einem Hämodialysator vorhanden ist.Erstens hängt der Massenübergang von Verunreinigungen aus dem Blut zu dem Dialysat von der Flüssigkeitsverteilung ab, und zweitens wurde nachgewiesen, daß der Blutgerinnungsmechanismus von der Flüssigkeitsdynamik des Blutkreislaufs sehr abhängig ist. Die mit Kapillarröhrchen ausgestattete künstliche Niere stellt eine Grundform dar, die eine gute Kontrolle der Strömungsgeometrie der Flüssigkeit und daher eine Vorrichtung darstellt, die den Betriebserfordernissen eines Hämodialysators entspricht.

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Der mit Kapillarröhrchen versehene Hämodialysator besteht aus einer großen Zahl von einen kleinen Durchmesser aufweisenden Kapillarröhrchen, die parallel geschaltet sind und durch die das Blut gleichförmig fließen muß. Die Art und Weise der Verteilung des Blutes zu jedem Kapillarröhrchen ist von erstrangiger Bedeutung und wird durch eine Vorrichtung erzielt, die als Verteilerkppf oder -kopfstück bezeichnet werden kann.

Die Gerinnung von Blut und die Ablagerung von Fibrin an mit dem Blut in Berührung kommenden Oberflächen stellt ein Hauptproblem bei allen künstlichen Nieren dar, und zwar sowohl für die Verteilerköpfe oder -kopfstücke als auch für die Membranen. Es wurde festgestellt, daß dieser Gerinnungsmechanismus sich verstärkt, wenn in dem Blutkreislauf stauende oder hemmende Bereiche vorliegen, oder wenn Bereiche mit hohen Scherkoeffizienten vorhanden sind, wie z.B. 'in turbulenter Strömung oder Strömungsablösung . Die Ablagerung von Fibrin hängt von dem Verhältnis des Blutvolumens zur Oberfläche ab, wobei auch die Verweilzeit an den mit dem Blut in Berührung kommenden Oberflächen die beobachtete Reaktion in erheblichem Maße beeinflußt.

Unter Berücksichtigung dieser Faktoren ist es möglich, gewisse Kriterien festzulegen, die bei der Konstruktion des Blutkreislaufs angewandt werden sollten. Die Strömung muß überall laminar sein und darf keine Bereiche der Stauung oder Ablösung aufweisen, wobei die Flüssigkeitsverteilung auf jedes Kapillarröhrchen mit gleicher Strömungsgeschwindigkeit erfolgen muß. Ebenso muß das Verhältnis von Blutvolumen zur Oberfläche in dem Verteilerkopf größtmöglich ausgelegt werden, um eine geringstmögliche Ablagerung von Fibrin zu erzielen, während das Blutvolumen/Oberflächen-Verhältnis in den Kapillarröhrchen so klein wie möglich sein sollte, um einen guten Massenübergang zu erreichen, wobei jedoch das gesamte Blutvolumen in dem Dialysator so gering wie eben möglich sein sollte.

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Diese in gewissem Umfang gegensätzlichen strömungsmechanischen Bedingungen der künstlichen Niere führten in der Vergangenheit zu verschiedenartigen Lösungen- Die am meisten verbreitete Konstruktion besteht aus einem vergossenen kreisförmigen Bündel von Kapillarröhrchen, die so angeordnet sind, daß der Einlaß der Kapillarröhrchen eine ebene Fläche darstellt, die zu dem Bündel normal verläuft. Das Blut wird dieser sogenannten Verteilerkopffläche mittels eines Verteilerkopfes zugeführt, der bei bekannten Konstruktionen mindestens zwei der spezifizierten Kriterien nicht erfüllt, weil er Staubereiche enthält, eine Ablösung des Flüssigkeitsstromes oder eine schlechte Verteilung der Flüssigkeit hervorruft. Es wird verwiesen auf das kanadische Patent 961,775 "Hemodialyzer with tapered slit blood parts and baffles", ausgegeben am 28. Januar 19 75 für Markley.

Ein anderer Vorschlag zur Lösung des Verteilerkopfproblems läuft darauf hinaus, den Verteilerkopf im rechten Winkel zu der "Verteilerkopffläche" auszurichten,die einen rechtwinkligen Querschnitt an Stelle eines kreisförmigen Bündels von Kapillarröhrchen aufweisen würde. Die Form des Verteilerkopfes dient zur Eliminierung von Stauüngsbereichen und zur Erzielung eines gleichmäßigen Flussigkeitsstromes zu sämtlichen Kapillarröhrchen. Diese Konstruktion ermöglicht den Einsatz einer großen Zahl von Kapillarröhrchen zur Aufnahme von Blut aus einem Verteilerkopf, der ein geringes inneres Volumen aufweist.

Gegenwärtig gibt es zahlreiche Arten von Verteilerkopfkonstruktionen. Einige von diesen weisen die Grundform und den Querschnitt, den Durchmesser und die Länge sowie die Abmessungen des Kapillarrohrbündels der Grundkonstruktion eines Verteilerkopfes auf. Bei einigen von diesen stehen Veränderungen in gegenseitiger Beziehung zueinander und können als dimensionslose Parameter wie z.B. das "Aspektverhältnis" des Kapillarbündels ausgedrückt werden, das das Verhältnis von Länge zu Breite ist, sowie ferner als das "Stauverhältnis" bezeichnet werden, das

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das Verhältnis der Breite des Kapillarrohrbündels zum Einlaßdurchmesser des Verteilerkopfes angibt.

Die Erfindung bezieht sich demnach auf einen Verteilerkopf, mit dem eine gleichmäßige Aufteilung und Verteilung eines laminaren Flüssigkeitsstromes von einem Flüssigkeitszuführrohr mit einer gegebenen Querschnittsfläche zu einer Flussigkeitsbehandlungsfläche erzielt wird, deren Flächenbereich größer ist als derjenige des Zuführrohrs, und ist gekennzeichnet durch einen ersten Verteiler des mit dem Zuführrohr kontinuierlich ausgeführten Rohres, durch den Strom umlenkende Rippen und durch einen zweiten, zu der Flüssigkeitsbehandlungsflache führenden Verteiler, wobei der erste Verteiler einen 'Querschnitt hat ,der allmählich und zunehmend vom Flüssigkeitseinlaß des ersten Verteilers bis zum Flüssigkeitsauslaß reduziert ist, wobei der erste Verteiler auf der der Krümmung gegenüberliegenden Seite offen ist und die Flüssigkeit in einer Richtung zu einem Einlaß des zweiten Verteilers zuführt,die senkrecht zur Richtung des Flüssigkeitsstroms in dem Zuführrohr ist.

In weiterer Ausgestaltung besteht der zweite Verteiler aus einer Kammer mit einem Raum für den Flüssigkeitsstrom, wobei die Höhe der Kammer sich senkrecht zur Behandlungsfläche fortlaufend vom Einlaß des zweiten Verteilers zu der gegenüberliegenden Seite des zweiten Verteilers vermindert und eine Vielzahl von die Strömung umlenkenden Rippen der Grenzfläche zwischen dem ersten Verteilerrohr und der zweiten Verteilerkammer zugeordnet sind, die im allgemeinen in einem geraden Übergangsabschnitt angeordnet ist.

Bei einer Ausführungsform eines Verteilers für eine nichttraumatische Strömung in einem Blutverteilungsapparat weist das Flüssigkeitszuführrohr einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei die Flüssigkeitsbehandlungsflache der Einlaßbereich einer mit Kapillarröhrchen ausgestatteten Verteilervorrichtung mit einem rechtwinkligen Querschnitt ist. Ganz allgemein be-

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sitzt der erste Verteiler einen Querschnitt, der von einem kreisförmigen Querschnitt am Anfang des Verteilers allmählich und zunehmend auf einen abgeflachten halbkreisförmigen Querschnitt an der Stelle verringert wird, an der das Rohr mit dem Ende der Flüssigkeitszufuhröffnung an dem Rohr zusammenläuft.

Die Erfindung bezieht sich demnach auf eine Kopfstückeinheit zur Verwendung bei einer Blutdxalysevorrichtung, wobei mit dem Verteilerkopf laminare Strömungsbedingungen ohne Stau— oder Turbulenzbereiche, die eine Bluthämolyse hervorrufen könnten, erzielt werden. Mit einem Verteiler wird diese gleichmäßige und nicht traumatische Aufteilung und Verteilung des Blutes von einer Blutzuführleitung mit einer gegebenen Querschnittsfläche zu einer Behandlungsfläche einer Dialysevorrichtung erreicht, in der die Behandlungsfläche größer als das Zuführrohr ist. Der Verteilerkopf besteht aus einem ersten Verteilerrohr, das mit dem Zuführrohr fortlaufend ausgebildet ist, aus die Strömung umlenkenden Rippen und einem zweiten Verteiler, der zu der Flüssigkeitsbehandlungsflache führt. Der erste Verteiler besitzt einen Querschnitt, der allmählich und zunehmend mit dem Flüssigkeitsstrom vom Einlaß des ersten Verteilers zu einem Ende desselben verringert ist,wobei der erste Verteiler an der der Krümmung abgekehrten Seite offen ist und die Flüssigkeit in einer zum Flüssigkeitsstrom in dem Zuführrohr senkrechten Richtung zu einem Einlaß des zweiten Verteilers leitet. Der zweite Verteiler besteht aus einer Kammer mit einem für den Flüssigkeitsstrom vorgesehenen Raum, wobei die Höhe der Kammer in zu der Behandlungsfläche senkrechter Richtung kontinuierlich von einem Einlaß des zweiten Verteilers bis zu der entgegengesetzten Seite des zweiten Verteilers vermindert ist.Mehrere , die Strömung umlenkende Rippen sind an der Grenzfläche zwischen dem ersten Verteilerrohr und der zweiten Verteilerkammer vorgesehen und im allgemeinen in einem geraden Übergangsabschnitt angeordnet.

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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht einiger in der Beschreibung erwähnter Parameter,

Fig. 2 und 3 veranschaulichen die turbulente und nicht stromlinienförmige Strömung bei bekannten Vorrichtungen,

Fig. 4 die stromlinienförmige Strömung in einem Teil der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine Schnittansicht durch einen Verteiler,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Querschnitts des Einlaßrohrs in Fig. 5,

Fig. 7 eine auseinandergezogene Darstellung eines ersten Verteilers mit Umlenkrippen für die Strömung und eines zweiten Verteilers miteinem Bündel von Kapillarröhrchen,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer vollständigen Dialysevorrichtung gemäß der Erfindung (diese Figur befindet sich auf dem die Figuren 5 und 6 enthaltenden Zeichnungsblatt),

Fig. 9 eine Hälfte des Dialysatorgehäuses,

Fig. 10 eine Schnittansicht, welche zwei Gehäuseteile des Gehäuses in Figur 9 in geschlossenem Zustand in ihrer Betriebsstellung zeigt.

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Die Form des Querschnitts des Einlaßrohres oder Verteilerkopfes ist normalerweise grundsätzlich kreisförmig. Bei einer bevorzugten Ausführungsform nimmt die Fläche des Verteilerkopfes in Strömungsrichtung vom Einlaß aus ab. An einer Stelle der Länge des Verteilerkopfes, wo sein Durchmesser gleich der Breite des Kapillarrohrbündels ist, geht die Querschnittsform in eine halbelliptische über, wobei die Hauptachse der Ellipse der Breite des Kapillarrohrbündels gleich ist.

Das Profil des Verteilerkopfes wurde theoretisch nach der Spezifizierung der HauptquerSchnittsform berechnet. Dies geschah durch Lösung der eindimensionalen Energie-und Kontinuitätsgleichungen für den Flüssigkeitsstrom in dem Verteilerkopf. In Wirklichkeit ist die Flüssigkeitsmechanik des Verteilerkopfes ein komplexes dreidimensionales Problem, jedoch kann als erste Annäherung die eindimensionale Form benutzt werden. Im wesentlichen sagen diese Gleichungen aus, daß für einen Verteilerkopf, in dem der Druck in Richtung seiner Länge im Vergleich zum Druckverlust in dem Ausstrombereich der Kapillarröhrchen gering ist, die Querschnittsfläche mit der Länge des Verteilers linear abnehmen sollte.

A (X) = A₀(1 - I) (1),

In dieser Gleichung ist A₀ die Einlaßfläche des Verteilerkopfes, L die Länge des Bündels der Kapillarröhrchen und χ der Abstand stromabwärts vom Einlaß des Verteilerkopfes. Die Verteilerkopffläche auf irgendeinem gegebenen Längenbereich ist die tatsächliche Flüssigkeitsfläche, wobei der Flächenverlust, der von dem Kapillarrohrbündel oder von dem Eindringen der Umlenkrippen herrührt, subtrahiert wurde. Diese einfache Gleichung ist für Werte des Stauverhältnisses , die viel geringer als 1 sind und für Werte des Flächen/Brei tenverhältnisses gültig, die größer als 1 sind.

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Eine Reihe von Versuchen wurde mit Verteilerköpfen unterschiedlicher Gestalt durchgeführt, von denen einer in Figur 1 gezeigt ist, um einen gewissen Nachweis für die Strömungsbedingungen in vorhandenen Verteilern zu erhalten und die theoretischen Berechnungen der korrekten Hauptform des Verteilerkopfes zu überprüfen. Messungen der Druckverteilung in dem Ver teilerkopf 1 in Korrelation zu der Flüssigkeitsverteilung in den Kapillarien 8 bei einem gleichmäßigen Druck in dem gesamten Verteilerkopf führten zu gleichen Strömungsgeschwindigkeiten durch identische Kapillarröhrchen, die untereinander in dem Verteilerkopf parallel geschaltet waren.

Der Strömungsverlauf in dem Verteilerkopf wurde unter gleichbleibenden Strömungsbedingungen durch Einspritzen von Stromfäden oberhalb des Verteilerkopfes beobachtet. Die Stromfäden zeigten Stau- und Turbulenzbereiche an. Als Testflüssigkeit wurde destilliertes Wasser verwendet, wobei transparente Verteiler die Beobachtung der Strömung ermöglichten.

Zunächst wurden Verteilerköpfe derjenigen Form untersucht, wie sie bei bekannten, mit Kapillarröhrchen ausgestatteten Dialysatoren vorhanden sind, von denen einer in Figur 2 gezeigt ist. Mit dieser Ausführungsform erweitert sich der kreisförmige Eingangsquerschnitt 2 stromabwärts von dem Eingang bis der Durchmesser des Verteilerkopfes gleich dem Durchmesser des Kapillarrohrbündels 3 ist. Das Verteilerkopfprofil folgt im allgemeinen einer exponentieIlen Durchmesserzunahme in Relation zur Länge. Eine Beobachtung der Strömungsverhältnisse ließ erkennen, daß die Strömung in diesem bekannten Verteiler sich von den Wänden 9 des Verteilerkopfes beinahe unmittelbar hinter dem Einlaß ablöst und ausgeprägte Turbulenz und Mischungserscheinungen auftraten. Das Geschwind!gkeitsprofil quer zum Verteilerkopf zeigt eine höhere Blutströmung in dem mittleren Bereich des Kapillarrohrbündels. Das Geschwindigkeitsprofil der Flüssigkeit in diesem Verteilerkopf ist in Figur 2 dargestellt, welche den Längsquerschnitt durch den Verteilerkopf zeigt.

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Figur 3 veranschaulicht den zweiten untersuchten Verteilerkopf, der auf einer zylindrischen Gestaltung basiert, wie sie bei Verteilerköpfen üblich sind, die bei mit flachen Platten ausgerüsteten Dialysatoren benutzt werden, z.B. dem KIIL Dialysator (Warenzeichen). Bei dieser Ausführungsform besitzt der nicht verjüngte kreisförmige Querschnitt 5 einen rechtwinkligen Ausstrombereich 6, der ähnlich der vorgeschlagenen. Verteilerkopfgestalt ist. Indessen haben Dialysatoren wie der vorgenannte keine Kapillarröhrchen in dem Ausströmbereich des Verteilers, so daß sie die Vorteile der Umleitwirkung dieser Kapillarien verlieren. Die Flussigkeitsverteilung für Verteiler ähnlich demjenigen der bei dem vorgenannten bekannten Dialysator verwendet wird, ist daher nicht gut. Das geprüfte Modell besaß ein Längen/Breitenverhältnis von 10 und ein Stauverhältnis von 0,5. Druckmessungen längs des Verteilerkopfes erwiesen, daß gleichmäßige Strömung zu den Kapillarien realisiert wurde, mit Ausnahme des stromabwärts liegenden Bereiches 7 in der Nähe des Endes 10 des Verteilers, wo ein erheblicher Druckanstieg festgestellt wurde.

Stromfadenstudien zeigten, daß dieser Verteiler einen breiten Staubereich und sogar einen Umkehrstrom der Flüssigkeit in dem stromabwärts liegenden Hochdruckbereich aufweist, wie die Pfeile in Figur 3 zeigen.

Figur 4 zeigt den dritten untersuchten Verteiler, dessen Gestaltung der theoretisch bestimmten linearen Abnahme des Querschnittsbereichs über die Länge des Verteilers entspricht. Der rechtwinklige Ausströmbereich 11 zu dem Kapillarrohrbündel wurde in zwei Formen getestet, einer mit einem Stauverhältnis von 0,25 und der andere mit einem Stauverhältnis von 0,5, beide jedoch mit einem Flächen/Breitenverhältnis von 10. Druckmessungen längs des Verteilers zeigten eine sehr gleichmäßige Strömung zu den Kapillarien für jede der beiden Ausströmkonfigurationen. StromfadenUntersuchungen zeigten, daß überall in dem Verteilerkopf ein laminarer Flüssigkeitsstrom vorhanden war und daß nirgendwo eine nennenswerte Stauung festzustellen war.

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Die Stromlinien sind durch Pfeile in Figur 4 gezeigt.

Ein Versuchsprogramm wurde zur Prüfung der theoretischen Verteilerform auf hämatologische Verträglichkeit durchgeführt. Eine Anzahl von Verteilerköpfen wurde in "Silastic" RTV (Warenzeichen) der Dow Corning gegossen, Gummi rund um eine Form angeordnet, die auf der durch die Gleichung (1) bestimmten Form beruhte, wobei der Einlaßdurchniesser 6 mm war und der Ausströmbereich Abmessungen von 3,175 mm χ 31,75 mm aufwies. "Silastic" ist ein Kunstgummi, der Organo-Silicium-Polymere enthält. Kapillarröhrchen aus Zellulosediazetat wurden in Silastic RTV (Warenzeichen) in den gewünschten Abmessungen vergossen, wobei ein Verteilerkopf mit jedem Ende des Kapillarrohrbündels verbunden wurde. Der sich ergebende Blutkreislauf enthielt annähernd 1600 Kapillarröhrchen mit einer aktiven Länge von 64 mm. Blutzuführleitungen wurden mit den Verteilerköpfen verbunden und die gesamte Einrichtung in einer Acrylglas-Dialysatkammer angeordnet. Das Acrylglas ist ein thermoplastisches Polymethylmethacrylatpolymer. Der Prototyp eines Hämodialysators hatte 3,2 ml Blutvolumen in den Kapillarien mit annähernd 3 ml in den Verteilerköpfen und eine wirksame Membranfläche von 5 40 cm .

Die ersten Versuche betrafen die Massenübergangsbestimmung für Kreatin und Natriumchlorid unter Verwendung destillierten Wassers in den Blut- und Dialysatkreislaufen. Nominal hatten die Vorrichtungen einen Gesamtmassenübergangswiderstand von 50 min/cm für Natriumchlorid bei 20°C für Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 30 ml/min.

Daraufhin wurden "in-vitro"-Versuche mit menschlichem Blut, durchgeführt, wobei die Toleranzen für Harnstoff, Kreatin und Phosphat bestimmt wurden, während die Blutgerinnungseigenschaften der Vorrichtung studiert wurden. Der Massenübergangswiderstand war höher als erwünscht, jedoch kann hierzu die schlechte Permeabilität der Membran beigetragen haben, weil annähernd 30% des Massenübergangswiderstandes in dem Blutfilm, dagegen 70% in der Meinbranwandung auftraten. Der Druckabfall

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in dem Dialysator wurde für alle Strömungsgeschwindigkeiten des Blutes wegen einer Zunahme des Druckabfalls während einer Versuchsreihe aufgezeichnet, die eine zunehmende Blutgerinnung in den Kapillarröhrchen bei einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit des Blutes zeigte. Im allgemeinen nahm der Druckabfall in dem Dialysator-Prototyp mit der Zeitdauer des Blutstromes kontinuierlich zu. Wenn die Vorrichtung durch Spülen von Blut befreit und anschließend wieder benutzt wurde, war der anfängliche Druck-, abfall um annähernd 10% höher als bei der ersten Versuchsreihe. Nach Zerlegung des Blutkreislaufs wurden keine offensichtlichen Blutgerinnsel oder Fibrinablagerungen in den Verteilerköpfen, hingegen ausgedehnte Blutgerinnsel in den aus Zellulose bestehenden Kapillarröhrchen festgestellt.

Weitere Versuchsreihen wurden "in-vivo" an Hunden durchgeführt. Das Versuchsprotokoll sah die Verwendung des Dialysator-Prototyps an heparinisierten Hunden vor, die künstlich abgesenkte Hämatokriten hatten, jedoch nicht nephrektomiert wurden. Eine fortlaufende Infusion von Harnstoff und Kreatin führte zu einer konstanten Belastung des Tieres durch Verunreinigungen. Der Blutdruck und die Strömungsgeschwindigkeit wurden aufgezeichnet, während Blutproben während der Versuchsreihe an dem Dialysator abgenommen wurden. Es wurde gefunden, daß die Dialysatör-Prototypen einen anfänglichen gesamten Massenübergangswiderstand von 50 min/cm für Harnstoff und 60 min/cm für Kreatin hatten, der bis auf 100 min/cm und 135 min/cm für Harnstoff bzw. Kreatin am Ende des Dialyseverfahrens anstieg. Der mit der Zeit in der Vorrichtung ansteigende Differentialdruck zeigte eine zunehmende Blutgerinnselbildung an. Eine pathologische Untersuchung der Blutkreisläufe zeigte wie bei den "in-vivo" Untersuchungen, daß die Gerinnselbildung in dem Ausströmbereich der Kapillarröhrchen a.uftrat und von dort aus rückwärts in den Röhrchen anwuchs. Die Verteiler waren frei von Gerinnsel oder Fibrinablagerungen. Der freie Plasmahämoglobinspiegel in dem Hund wuchs während des

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Versuchsverfahren nicht an, was anzeigen würde, daß der Dialysator das Blut nicht hinreichendhamolisiert hätte.

Die letzten Versuchsreihen wurden mit dem ersten Verteiler an künstlichen Nieren durchgeführt, die mit geeigneten Kapillarröhrchen aus Kunststoff versehen waren. Die Hauptniere bestand aus 700 Kapillarröhrchen, die aus Silastic RTV (Warenzeichen) in denselben Verteilerköpfen vergossen wurden, die vorher mit aktiven Längen von 64 mm und 140 mm benutzt

2 wurden, so daß die wirksamen Membranflächen 330 cm bzw.

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625 cm groß waren.

Eine Reihe von Versuchen wurde "in-vivo" an Hunden unter Verwendung des gleichen Versuchsprotokolls wie vorher durchgeführt. Es wurde gefunden, daß für die sechs geprüften Niereneinheiten der Massenübergangswiderstand insgesamt zwischen 30 min/cm und 50 min/cm sowohl für Harnstoff als auch für Kreatin sogar dann konstant blieb, wenn die gleiche Einheit mehrmals wieder verwendet wurde. Ein typischer Versuch bestand in einer Versuchsdauer von 4 Stunden an einem Hund mit der Einheit, die am Ende des Versuchs mit heparinisiertem Kochsalz zur Befreiung von dem Blut gespült, mit Natriumhypochlorit zum Entfernen von freiem Fibrin gewaschen und mit 3% Formalin für die sterile Aufbewahrung gefüllt wurde . Die Einheit konnte dann, zu einem späteren Zeitpunkt durch Ausspülen des Formalins mit einer Kochsalzlösung wieder verwendet werden. Dieses Verfahren wurde für die Kunststoffkapillarrohreinheiten wiederholt und erlaubte eine Wiederverwendung bis zu zehn Mal, bevor eine merkliche Verschlechterung bei der Versuchsdurchführung beobachtet wurde.

Der Differentialdruck in den Einheiten wurde während dieser Versuchsreihe aufgezeichnet. Wegen der Veränderungen der Blutviskosität von einem Tier zum anderen Tier war es nötig, die Differenzdrucke für die Blutviskosität zu korrigieren,damit eine sinnvolle Messung derjenigen Zahl von Kapillarröhrchen, die Gerinnsel aufwiesen,erfolgen konnte. Diese reduzierten Differentialdrucke blieben während eines Versuchs und von

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einer Wiederverwendung bis zur nächsten bis zu zehn Wiederverwendungen konstant, bevor ein merklicher Differentialdruckanstieg festgestellt wurde.

Ebenso wurden die aus Kunststoff bestehenden künstlichen Nieren auf das Vorhandensein von verstopften Kapillarröhrchen und Blutgerinnselbildung in den Verteilern untersucht. Während der Versuche wurde eine unwesentliche Klumpenbildung in den Verteilern festgestellt, wobei die Zahl der eine Klumpenbildung aufweisenden Kapillarröhrchen langsam anstieg, wenn die Vorrichtungen wieder verwendet wurden (etwa 1% Verlust aufgrund von Blutgerinnseln pro Versuch). Eine Zunahme an Plasmahämoglobin in der Vorrichtung während der Versuche wurde nicht festgestellt.

Eine gute Blutverteilung ohne Schädigung des Blutes, die eine Gerinnung hervorrufen würde, wurde bei sämtlichen Versuchsergebnissen festgestellt, die von mit dem ersten Verteiler ausgerüsteten künstlichen Nieren herrührten, die mit aus Zellulose und Kunststoff hergestellten Kapillarröhrchen versehen waren. Die aus Zellulose bestehenden Kapillarröhrchen waren nicht blutverträglich und wiesen während ihrer Benutzung zunehmend Mängel auf. Andererseits konnten die mit Kunststoffkapillarröhrchen ausgerüsteten Einheiten mehrfach wieder verwendet werden. Eine mit Kunststoffkapillarröhrchen ausgestattete Niere wurde insgesamt sechs Mal bei einem urämischen menschlichen Patienten verwendet, ohne daß irgendeine ungünstige Reaktion nachweisbar war.

Die Expansion von Flüssigkeit von einer Leitung mit kleinem Querschnitt in eine Leitung mit größerem Querschnitt erfordert einen Verteiler, der die Geschwindigkeit der Flüssigkeit reduziert.Praktisch wird die Gleichförmigkeit der Auslaßströmung bei solch einem Verteiler durch die Neigung zu einer groben Ablösung des Stromes von den Wänden des Verteilers begrenzt, die durch Reibungserscheinungen der Flüssigkeit hervorgerufen wird.

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Wie Figur 7 zeigt, kann die Neigung zum Ablösen durch Umlenken der Flüssigkeit um einen Winkel gesteuert werden, während der Strom sich in mehrere Kanäle ausdehnt, die von Umlenkrippen 12 gebildet werden. Die Umlenkrippen können entweder einzelne Konstruktionselemente in dem Verteiler oder als Ganzes mit dem aus mehreren Leitungen bestehenden Auslaß ausgebildet sein, jedenfalls hat aber jeder dieser Vielzahl von durch die Umlenkrippen gebildeten Kanäle geringere Abmessungen im Vergleich zu dem Verteiler.

Figur 5 und 6 zeigen, daß der Verteiler eine gleichmäßige Verteilung des Stromes bei Verwendung einer Einlaßleitung 13 erzielt, in welcher die kreisförmige Querschnittsfläche 14 vom Einlaß 15 aus linear abnimmt, von dem aus die Flüssigkeit einem rechtwinkligen Ausströmbereich 16 zugeführt wird, in dem die Umlenkrippen angeordnet sind (in der Zeichnung nicht dargestellt) . Der kreisförmige Querschnitt ist zur Vermeidung einer senkundären Strömung notwendig.

Die besten Ergebnisse wurden mit dem Verteiler erzielt, wenn der rechtwinklige Ausströmbereich ein Längen/Breitenverhältnis von annähernd 10 aufwies, wobei die enge Abmessung gleich dem halben Durchmesser der Einlaßleitung bemessen ist.. Diese dimensionalen Verengungen ermöglichen nur eine begrenzte Erweiterung der Fläche vom Einlaß des Verteilers bis zum Auslaß (annähernd = 3) .

Eine größere Ausdehnung der Fläche für den Verteiler kann mittels der in Figur 7 gezeigten zusammengesetzten Konstruktion erzielt werden. Der erste Verteiler'21 kann einen zweiten Verteiler 22 versorgen. Der Einlaß 23 zu dem zweiten Verteiler stellt den rechtwinkligen Ausströmbereich 24 des ersten Verteilers 21 dar. Durch die rechtwinklige Form wird mit dem zweiten Verteiler eine erhebliche Ausdehnung der Fläche zwischen dem Einlaß 2 3 und dem Auslaß 25 erzielt, wenn der Auslaß ebenfalls rechtwinklig ist und im rechten Winkel zu dem Einlaß gerichtet

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1st (annähernd A /A. = 10, wenn der Auslaß rechtwinklig ist). So ergibt der zusammengesetzte Verteiler eine Flächenerweite— rung von bis zu 30,während eine stabile,laminare Strömung aufrechterhalten wird. Der Auslaß 25 in dem zweiten Verteiler würde üblicherweise die zahlreichen Leitungen oder Kapillarröhrchen 26 geringer Abmessung enthalten. Die Querschnittsfläche des zweiten Verteilers nimmt linear von dem Eingang ähnlich dem ersten Verteiler ab.

Eine bevorzugte Ausführungsform des ersten Verteilers weist einen kreisförmigen Querschnitt am Einlaß auf, der in einen kreisförmigen Querschnitt mit einer Sehne übergeht, die bis zu derjenigen Stelle entfernt ist, an der die Breite des Kreisquerschnitts der Breite des Ausströmbereichs entspricht. Hier geht der Querschnitt in groben Zügen in einen elliptischen oder abgeflacht elliptischen über, wobei der Hauptdurchmesser gleich der Breite des Ausströmbereichs ist.

Die Umlenkrippen 12 in dem ersten Verteiler 21 sind so angeordnet, daß sie die Sehne in dem kreisförmigen Querschnitt mit ihren Oberseiten bilden. Die Umlenkrippen sollten aus einer Anzahl identischer Teile bestehen, die eine Länge aufweisen, die mindestens ebenso lang ist, wie der Abstand zwischen den Teilen , wobei ihr gegenseitiger Abstand nicht größer sein sollte als die Breite des Ausströmschlitzes. Die einfachste Gestaltung der Umlenkrippen besteht aus ebenflächigen Segmenten, die senkrecht zu dem Ausströmschlitz und in gleichen Abständen voneinander mit rechteckig geschnittenen Enden angeordnet sind. Die Umlenkrippen müssen in Abhängigkeit von ihren Herstellungsverfahren zur Erzielung einer einwandfreien Funktion so dünn wie möglich sein. In jedem Fall dürfen sie nicht einen nennenswerten Prozentsatz des Ausströmbereiches besetzen.

Da die Umlenkrippen 12 eine gewisse Länge in dem Ausströmbereich 24 des ersten Verteilers 21 erfordern, ist ein linearer Übergangsabschnitt zwischen dem ersten und zv/eiten Verteiler vorgesehen.

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Der zweite Verteiler 22 setzt sich aus ebenen Oberflächen von dem rechtwinkligen Einlaß 2 3 bis zu dem normalerweise dazu quer angeordneten Ausgangsbereich 25 zusammen. Der Ausströmbereich 28 enthält die Vielzahl von Kapillaren 26j auf die die Flüssigkeit gleichmäßig verteilt wird. Die aus den zahlreichen Kapillarrohren sich zusammensetzende Oberfläche 27 ist ebenflächig. So wird durch eine schräg verlaufende Oberseite und ebene parallele Seiten 29 ein Strömungskanal gebildet, der von dem rechtwinkligen Einlaßbereich 2 3 bis zur Endfläche 30 des zweiten Verteilers führt. Der gesamte zusammengesetzte Verteiler hat eine durchgehende glatte Oberfläche an der der Flüssigkeit ausgesetzten Seite,und zwar einschließlich der Umlenkrippen 12. Die Einheit muß gegenüber Undichtigkeiten am Ende abgedichtet werden.

Die Prüfung der Flüssigkeitsbewegung innerhalb des zusammengesetzten Verteilers hat gezeigt, daß im allgemeinen keine Bereiche entstehen, in denen die Flüssigkeit gestaut wird, und daß bei einem laminaren Hauptstrom geringfügige oder keine Bereiche der Ablösung oder Turbulenz entstehen. Gleichzeitig wird die Flüssigkeit aus einer Leitung mit kreisförmigem Einlaß zu einer Vielzahl von Auslaßleitungen hingeführt, so daß eine gleichförmige Strömungsverteilung verwirklicht wird.

Die Umlenkrippen können unterschiedliche Formen aufweisen, die das gleiche Ergebnis einer glatten einheitlichen Verteilung der Flüssigkeit ergeben. Die erste Variante besteht darin, daß die Umlenkrippen rechtwinklige oder quadratische Zellen innerhalb des rechtwinkligen Ausströmbereichs des ersten Verteilers bilden. Normalerweise werden mindestens zehn Zellen vorhanden sein, jedoch könnten einhundert oder mehr Zellen verwendet werden. Im allgemeinen läßt sich sagen, daß eine bessere Flüssigkeitsverteilung sich bei Verwendung von mehr Zellen ergibt. Der Abstand zwischen den Umlenkrippen sollte vorzugsweise nicht größer als die Breite des Ausströmschlitzes in dem ersten Verteiler sein. Die Zellen können auch .eine hexagonale Form mit geraden Seiten aufweisen.

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Wahlweise können die Umlenkrippen gekrümmt sein, so daß sie der gewünschten Stromfadenlinie der Flüssigkeit folgen. Wiederum muß eine hinreichende Anzahl von Umlenkrippen vorhanden sein, um eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung zu erreichen.

Der rechtwinklige Ausströmbereich des ersten Verteilers kann in seinen Abmessungen in erheblichem Umfang verändert werden, ohne daß seine Leistung ungünstig beeinflußt wird. Die enge Abmessung des Ausströmbereichs des ersten Verteilers kann in der Breite von äußerst schmal bis hinauf zu der Hälfte des Durchmessers der Einlaßleitung verändert werden. Wenn die Breite größer als die Hälfte des Einlaßdurchmessers ist, ergibt sich eine schlechte seitliche Verteilung der Flüssigkeit. Wenn die Breite des Ausströmbereichs sehr gering ist, dann ist in dem Schlitz genügend Strömungswiderstand für die Ausbildung einer gleichförmigen Längsverteilung der Flüssigkeit ohne den Zusatz von Umlenkrippen vorhanden. Die Länge des Ausströmbereichs kann vom einfachen bis zum zwanzigfachen des Durchmessers der Einlaßleitung variieren, vorzugsweise jedoch zwischen dem fünf- bis zehnfachen des Einlaßdurchmessers. Bei längeren Ausströmschlitzen führt der Flüssigkeitswiderstand innerhalb des verjüngten Verteilers zu einer schlechteren Flüssigkeitsverteilung in Längsrichtung.

Praktische Untersuchungen und die Erfordernisse der Konstruktion des Verteilers lassen es erwünscht erscheinen, die Umlenkrippen in einem Ausströmschlitz vorzusehen, welcher halb so groß wie der Durchmesser der Einlaßleitung und zwischen dem fünf- und zehnfachen ihrer Länge beträgt, wie Figur 7 zeigt.

Das Dialysatgehäuse ist eine geschlossene Kammer, die das Bündel Kapillarröhrchen enthält und die Blutverteiler festlegt, so daß ein fortlaufender Flüssigkeitskreislauf durch die Kapillarröhrchen erzielt wird. Das Dialysatgehäuse verteilt ebenfalls das Dialysat gleichförmig auf alle äußeren Oberflächen der Kapillarröhrchen, so daß ein wirksamer Massen-

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Übergang aus dem Kapiilarrohrbündel erzielt wird.

Das Gehäuse muß eine turbulente Dialysatströmung, eine gleichförmige Dialysatverteilung, eine wirksame Abdichtung des Blutes gegenüber dem Dialysat und ein geringes Verpackungsvolumen aufweisen.

Ein Zweck des Dialysatgehäuses besteht darin, eine turbulente und gleichförmige Flüssigkeitsströmung über die gesamte Außenfläche der Kapillarröhrchen zu erzielen. Die Kapillarröhrchen sind in einer rechtwinkligen Querschnittsanordnung zusammengebündelt, die von der Auslaßform des Blutverteilers beherrscht wird. So muß das Dialysat ein rechtwinkliges Kapillarrohrbündel gleichmäßig durchdringen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Dialysatstrom senkrecht zur Achse der Kapillarröhrchen und die Strömungsrichtung diagonal zu dem· Bündel der Kapillarröhrchen verläuft. Die diagonale Richtung gewährleistet eine gleichförmige Verteilung und die Querströmung eine wirksame Flüssigkeitsgeometrie für den Massenübergang.

Eine gleichförmige Längsverteilung des Dialysates kann durch Verwendung eines Verteilers erreicht werden, mit dem das Dialysat längs des Kapillarrohrbündels senkrecht zu den Kapiilarien verteilt wird.Der Dialysatverteiler kann die selbe Form haben wie derjenige, der bei dem ersten Verteilerkopf für die Blutverteilung verwendet wurde. Ein Beispiel dieser Konstruktion zeigt Figur 8, das aus einer Leitung 31 mit kreisförmigem Querschnitt am Einlaß besteht, bei der die Querschnittfläche in Längsrichtung des Verteilers linear abnimmt. Die Flüssigkeit strömt durch den rechtwinkligen Schlitz 32 aus, der Umlenkrippen enthält, um die Aufrechterhaltung einer gleichförmigen Längsvertexlung zu unterstützen. Die gleichen Beschränkungen in der Abmessung des Verteilers für das Blut werden für den Dialysatverteiler angewandt, jedoch mit der Ausnahme, daß der Ausströmbereich ein Flächen/Breiteverhältnis hat, das größer als 10 ist, ohne daß seine Leistungsfähigkeit

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erheblich vermindert wird.

Die Kapillarröhrchen in dem Bündel sind miteinander an beiden Enden mittels einer Vergußmasse verbunden. Die Vergußmasse dichtet die Kapillarröhrchen in einem Block miteinander ab, der abgeschnitten wird, damit die Kapillarröhrchen dem Blutverteiler ausgesetzt werden können. Das die Bündel der Kapillarröhrchen umgebende Dialysatgehäuse 33 ist gegenüber den Enden des Bündels mit Hilfe der Vergußmasse abgedichtet ,während gleichzeitig das Dialysatgehäuse die Blutleitungen 34 mit dem Kapillarrohrbündel dicht verbindet, so daß ein absolut dichter Kreislauf für das Blut durch die Leitungen zu den Kapillarröhrchen erzielt wird. Die Abdichtung muß sowohl positiven als auch negativen Drucken standhalten.

Figur 9 zeigt ein Segment einer anderen Ausführungsform des Dialysatgehäuses. Zwei solcher.Segmente sind so konstruiert, daß sie längs der Diagonalen zusammengesetzt werden können, damit sie eine wasserdichte Kammer bilden. Jedes Gehäusesegment bildet die Hälfte des Dialysateinlaßrohres und ist so konturiert, daß es einen Dialysatvertexler bildet. An jedem Gehäusesegment ist ein Teil 41 des Verteilers mit Umlenkrippen 42 für die Verteilung des Dialysates auf das Kapillarrohrbündel für die Dialyse versehen (in der Zeichnung nicht dargestellt) . Ein anderer Teil 44 des Verteilers ist so geformt, daß er mit dem Teil 41 des Verteilers und dessen Umlenkrippen 42 zusammenpaßt. Bei dieser Ausführungsform sind 2 3 Umlenkrippen in gleichen Abständen längs des Dialysateinlasses und -auslasses angeordnet. Die Umlenkrippen haben eine Dicke von etwa 0, 79 mm.

Figur 10 zeigt einen Querschnitt des Segmentes des Dialysatgehäuses entlang der Linie 10-10 in Figur 9, wobei es mit dem anderen zusammenpassenden Segment verbunden und in Betriebsstellung gezeigt ist (die Dialyse-Kapillarbündel sind in Figur nicht dargestellt).

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Es wurde eine Reihe von Versuchen mit bestimmten Gestaltungen der zusammengesetzten Vorrichtung durchgeführt, die aus einem ersten Verteiler, Umlenkrippen, einem zweiten Verteiler und Kapillarrohren gemäß Figur 7 besteht, um die voraus bestimmten Strömungsbedingungen durch unmittelbare Strömungsbeobachtung zu verifizieren.

Die Grundform der Vorrichtungen setzte sich jeweils aus einem ersten Verteiler mit einem Flächen/Breiteverhältnis von 10 : 1 und einem Stauverhältnis von 1/2 zusammen, wobei ein Übergangsabschnitt, der verschiedenartige Umlenkrippenformen enthielt, zehn gerade Rippen, zehn gekrümmte Rippen, vierzig gerade Rippen, vierundvierzig hexagonale Zellrippen und einhundertsechzig kreisförmige Zellrippen enthielt, wobei ein zweiter Verteiler von rechteckigem Querschitt 1600 Kapillarröhrchen aus Glas in dem Ausstrombereich aufwies. Die gesamte Vorrichtung wurde in einem Tank mit strömender Flüssigkeit angeordnet, der eine Beobachtung der Strömung mittels Stromfaden und der Flüssigkeitsverteilung ermöglichte. Zwei weitere Modelle des ersten Verteilers wurden ebenfalls geprüft. Der erste besaß ein Längen/Breiteverhältnis von 6:1 und ein Stauverhältnis von 1, und der zweite wies ein Längen/Breiteverhältnis von 20:1 und ein Stauverhältnis von 1/2 auf.

Die ersten Versuche wurden an der Grundform der Vorrichtung ohne Umlenkrippen durchgeführt. Es wurde eine sehr schlechte Flüssigkeitsverteilung in Richtung des Ausströmbereiches des zweiten Verteilers festgestellt, wobei eine starke Turbulenz im Übergangsbereich zwischen den Verteilern zu beobachten war. Die Hinzufügung von bmlenkrippen verbesserte die Flüssigkeitsverteilung und eliminierte die Turbulenz durch Wirbel. Obwohl zehn Rippen eine gute Verteilung ergaben, wurde mit vierzig Rippen eine etwas bessere gleichförmige Leistung erzielt. Dagegen verursachten 160 Rippen einen zu hohen Strömungswiderstand und eine schlechtere Flüssigkeitsverteilung als die anderen Umlenkrippenanordnungen. Die gekrümmten Umlenkrippen führten nicht zu einer Verbesserung des Betriebs des Systems gegenüber zehn geraden

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Rippen. Es wurde festgestellt, daß die Länge der Umlenkrippen möglichst mindestens gleich dem Abstand zwischen den Rippen sein sollte, um eine vollständige Umlenkung und eine laminare Ausbildung des Flüssigkeitsstromes zu erzielen. Ebenso wurde festgestellt, daß der erste und zweite Verteiler bei einem von einander unabhängigen Betrieb und bei Änderung der Anordnung in einem der beiden, die Leistungsfähigkeit des anderen nicht merklich beeinflußte.

Die weiteren Versuche wurden in Verbindung mit den anderen Anordnungen des ersten Verteilers durchgeführt. Die seitliche Flüssigkeitsverteilung (in diametraler Ebene) mit dem Stauverhältnis 1 bei dem ersten Verteiler war ηicht akzeptabel und ergab eine schlechte Verteilung in dem zweiten Verteiler. So wurde das Stauverhältnis auf ein Maximum von 1/2 begrenzt. Die Längs verteilung der Flüssigkeilt bei einem Längen/Breitenverhältnis von 20:1 führte bei dem ersten Verteiler zu einer Abnahme von annähernd 30% der Strömungsgeschwindigkeit in dem am·weitesten stromabwärts liegenden Bereich des Ausströmschlitzes, was einen beträchtlichen Verlust darstellt, der jedoch unter gewissen Umständen akzeptabel erscheint. Dieses Längen/Breiteverhältnis stellt das Maximum dessen dar, was in Verbindung mit einem Verteiler angewandt werden kann, der einen geringen Ausström-Druckverlust aufweist.

Die Endversuche wurden bei einer künstlichen Niere durchgeführt, die eine für eine Hämodialyse bei einem Menschen akzeptable Größe aufwies. Diese Versuche wurden an Hunden bei einer insgesamt sechs-maligen Wiederverwendung der gleichen Einheit durchgeführt. Die künstliche Niere enthielt 11200 Kapillarrohre mit einer aktiven Länge von 14 cm und einer Blutkontaktfläche von 1,16 m². Die Blutleitungen wurden aus Acrylkunststoff mit einem Einlaßdurchmesser von 5 mm und einem 38 mm langen ersten Verteiler hersgestellt, der ein Längen/Breiteverhältnis von 15 aufwies. Es waren elf eben-

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flächige Umlenkrippen vorgesehen, die das Blut dem viereckigen zweiten Verteiler zuführten. Das Dialysatgehäuse bestand ebenfalls aus Acrylharz und enthielt die Dialysatleitungen, die einen Einlaßdurchmesser von 6,5 mm und ein Längen/Breiteverhältnis von vierzig aufwiesen und dreiundzwanzig Umlenkrippen enthielten. Die Kapillarrohre wurden aus Silastic RTV Gummi (Warenzeichen) mit dem Dialysätge-'häuse und der Blutleitung vergossen. Der sich ergebende Blutkreislauf hatte ein Innenvolumen von 90 ml.

Das Versuchsprotokoll sah die Verwendung dieser Niere bei heparinisierten, jedoch nicht nephrektomisierten Hunden vor, die künstlich abgesenkte Hematokriten hatten. Die fortlaufende Infusion von Harnstoff und Kreatin führte zu einer konstanten Belastung des Tieres an Verunreinigung. Ein einer Koagulation entgegenwirkendes Mittel des Heparinblutes wurde in einer Menge von zwischen 1500 und 3000 Einheiten/kg pro Stunde infundiert. Der Blutdruck, die Strömungsgeschwindigkeit und Blutchemie wurden bei allen Experimenten ebenso aufgezeichnet wie die Körpertemperatur des Hundes. Bei Beendigung eines 4-stündigen Versuchs wurde die Niere mit heparinisiertem Kochsalz gespült und auf Blutklumpen in den Leitungen und Kapillarien untersucht, danach zur Entfernung von Fibrin mit Natriumhypochlorit gespült und mit 3% Formalin für die Vor bereitung des nächsten Versuches gefüllt.

Die für die Konstruktion der einer menschlichen Niere angepaßten künstlichen Niere verwendeten Kapillarröhrchen wurden ursprünglich so konstruiert, daß sie eine hohe Ultrafiltration mit geringem Diffusionsmassenübergang aufwiesen, so daß infolgedessen eine schlechte Entfernung des Harnstoffs und Kreatins aus dem Blut erwartet werden konnte. Tatsächlich blieb der Massenübergangswiderstand für Harnstoff und Kreatin bei min/cm für die ersten vier Versuche konstant und stieg bis zum sechsten Versuch auf 500 min/cm an. Die Leistungsabnähme rührte von dem Fibrin her, das sich auf den Membranflächen niedergeschlagen hatte.

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Indessen war das Hauptziel dieses Versuchsprogramms die Bewertung der Flüssigkeitsmechanik des Blutkreislaufs und nicht die Massenübergangsleistung der Niere. Ein Bestimmungsverfahren bestand in der Beobachtung des Ausmaßes der Blutgerinnselbildung durch Aufzeichnung des Differenzdruckabfalls in der Vorrichtung. Eine Zunahme des Differenzdrucks zeigte eine Blockierung der Kapillarien durch Blutklumpen oder Fibrinablagerungen an. Infolge der unterschiedlichen Blutviskosität von einem Tier zum anderen war es erforderlich, die Differenzdrucke für die Blutviskosität zu korrigieren. Eine wesentliche Änderung des reduzierten Differentialdruckes für die ersten vier Versuche wurde nicht festgestellt, während eine Zunahme von nur 20% beim sechsten Versuch auftrat. Es war somit eine minimale Blutklumpenbildung in den Kapillarien selbst bei einer geringen Heparindosierung festzustellen.

Ein anderes Verfahren zur Bestimmung der Blutverträglichkeit der künstlichen Niere bestand in der Beobachtung der Zahl verstopfter Kapillarien, von in der Vorrichtung sichtbarem Fibrin und Blutklumpen und des Restblutes in der Niere nach einer vorangehenden Kochsalzspülung. Nach vier getrennten Versuchen waren etwa 2 % der Gesamtzahl an Kapillarröhrchen verstopft und am Ende des sechsten Versuchs unter 10%. Blutklumpen wurden in den Leitungen nicht festgestellt und nur kleine Klumpen und Fibrinablagerungen auf den Einlaß- und Auslaßflächen zu den Kapillarröhrchen am Ende des sechsten Versuchs. Es war immer möglich, die Vorrichtung am Ende einer Versuchsreihe mit Ausnahme des Restblutes in den verstopften Kapillarien von Blut zu befreien.

Eine toxische Reaktion bei den Tieren wurde während dieser Versuchsreihen durch fortlaufende rektale Temperaturmessung nicht festgestellt. Ebenso wurde keine bemerkenswerte Änderung der Blutplättchenzahl während der sechs Versuche festgestellt. So zeigen die Versuchsergebnisse, daß die Konstruktionsziele des Blut- und Dialysatverteilungssystems erreicht wurden.

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Während nur repräsentative Anordnungen der Erfindung beschrieben wurden, ist verständlich, daß diese nicht durch diese, sondern nur durch die nachfolgenden Patentansprüche begrenzt wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Verteilvorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung und für einen gleichmäßigen Durchfluß eines laminaren Flüssigkeitsstromes aus einem Flüssigkeitszuführrohr mit einer gegebenen Querschnittsfläche zu einer Flüssigkeitsbehandlungsfläche einer Vorrichtung, die größer als der Querschnitt des Zuführrohres bemessen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Verteiler (21;41) des Rohres als Fortsetzung des Zuführrohres ausgebildet ist und ein zweiter Verteiler (22) zu der Flüssigkeitsbehandlungsflache (27) führt, wobei der erste Verteiler einen Querschnitt aufweist, der mit dem Flüssigkeitsstrom vom Einlaß des ersten Verteilers bis zu dessen Ende allmählich und zunehmend reduziert ist, und der erste Verteiler an der der Krümmung abgekehrten Seite (24) offen und für die Zufuhr der Flüssigkeit in einer zur Richtung des Flüssigkeitsstroms in dem Zuführrohr senkrechter Richtung zu einem Einlaß (23) des zweiten Verteilers (22) ausgebildet ist.

2. Verteilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verteiler (22) aus einer Kammer mit einem Raum für den Flüssigkeitsstrom besteht, dessen Höhe senkrecht zu der Behandlungsflache (27) von einem Einlaß (23) bis zu der gegenüberliegenden Seite (30) des zweiten Verteilers (22) fortlaufend abnimmt.

3. Verteilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von stromumlenkenden Rippen (12) der Grenzfläche zwischen dem ersten Verteiler (21) und dem zweiten Verteiler (30) zugeordnet ist.

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ORiGlNAL INSPECTED

4, Verteilvorrichtung nach, einem der Ansprüche 1 bis 3, zur Erzielung einer nicht traumatischen Strömung in einer Blutverteilvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitszuführrohr einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und die Flüssigkeitsbehandlungsflache (27) die Einlaßfläche einer mit Kapillarrohren (26) versehenen Verteilvorrichtung (22) mit rechtwinkligem Querschnitt darstellt.

5, Verteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verteiler einen Querschnitt aufweist, der allmählich und zunehmend von einem kreisförmigen Querschnitt des Einlaßrohres am Eingang des Verteilers zu einem abgeflachten halbkreisförmigen Querschnitt am Ende des Rohres vermindert ist.

6, Verteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (12) aus flachen Platten bestehen,welche rechtwinklige Kanäle für Flüssigkeitsverteilung und —strömung darstellen.

7, Verteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (12) gekrümmte Platten sind, die rechtwinklige Kanäle für Flussigkeitsverteilung und -strömung bilden.

8, Verteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen hexagonale Kanäle für Flüssigkeitsverteilung und -strömung bilden.

9, Verteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen kreisförmige Kanäle für Flüssigkeitsverteilung ur^J -strömung bilden.

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10. Verteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Rippen (12) mindestens gleich dem Abstand zwischen benachbarten Rippen bemessen ist.

11. Verteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Verteiler (21,22) aus einem Kunststoff hergestellt sind, der mit der zu behandelnden Flüssigkeit verträglich ist und unter Betriebsbedingungen der Vorrichtung stabil ist.

12. Verteilvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Organo-Silizium-Polymer-Gummi ist,

13. Verteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rechtwinklige Ausströmöffnung (24) ein Längen/Breiteverhältnis von annähernd zehn aufweist, wobei die eng-e. Abmessung dem halben Durchmesser der Einlaßieitung entspricht.

Blutdialysevorrichtung, bestehend aus einem Gehäuse, einem Bündel Kapillarrohre mit einem Einlaß- und einem Auslaßende, aus einem Dialysatverteilernetz, das dem Gehäuse zur Führung des Dialysates durch das Kapillarrohrbündel zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzielung eines gleichförmigen und laminaren Blutstroms durch das Bündel unter Freihaltung von Blutstau·^· und Ablösebereichen sowie zur Erzielung eines gleichmäßigen Druckabfalls und einer im wesentlichen gleichen Strömungsgeschwindigkeit des Blutes von dem Einlaßende (27) des Kapillarrohrbündels (26) zu dessen Auslaßende (28) und durch sämtliche Abschnitte desselben vorgesehen sind,wobei die Mittel eine zusammengesetzte Verteilvorrichtung (21,22) einschließlich eines Verteilers (22)

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für die einheitliche Blutstromverteilung.durch das Einlaßende (27) des Kapillarbündels (26) umfassen, wobei der Verteiler so konstruiert und angeordnet ist, daß die Richtung des Blutstromes verändert wird und eine wesentliche Erweiterung des Strömungsquerschnitts für den Blutstrom und eine Aufrechterhaltung eines stabilen laminaren Blutstroms erreichbar sind.

15. Blutdialysevorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilvorrichtung einen ersten Verteiler (21) mit einer Einlaßfläche von geringem Querschnitt und einem ersten Ausströmbereich (24) im wesentlichen quer zum Einlaßbereich mit größerem Querschnitt als dem Einlaßbereich sowie einem zweiten Verteiler (22) mit einem zweiten, im Querschnitt noch größeren Ausströmbereich (25) als dem ersten Ausströmbereich vorgesehen sind, wobei mittels der beiden Verteiler (21,22) der Blutstrom zu dem ersten Ausströmbereich im wesentlichen quer zu dem Blutstrom in dem Einlaßbereich und zu dem zweiten Ausströmbereich im wesentlichen quer zu dem Blutstrom in dem ersten Ausströmbereich gerichtet werden kann.

16, Blutdialysevorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verteiler (21) mit einem kreisförmigen Querschnitt versehen ist, der von dem Einlaßbereich zu dem ersten Ausströmbereich (24) linear abnimmt, wobei der zweite Verteiler mit einem Querschnitt versehen ist,, dessen Fläche von dem ersten Ausströmbereich (24) zu dem zweiten Ausströmbereich (25) linear abnimmt.

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