DE2746744A1

DE2746744A1 - Gasaustausch durch membrane

Info

Publication number: DE2746744A1
Application number: DE19772746744
Authority: DE
Inventors: Brian John Bellhouse
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1976-10-22
Filing date: 1977-10-18
Publication date: 1978-07-06
Also published as: JPS629343B2; JPS5359295A; NL7711608A; FR2368284A1; SE437933B; SE7711896L; US4182653A; GB1595058A; CA1086594A; FR2368284B1

Description

MICHAEL KORN

Dipl. Ing.

National Research N 11 P 15

Development Corporation

London/England

QasauBtausch durch Membrane

Die Erfindung befaßt eich mit Membrane-aufweisenden Einrichtungen zum Austausch von Oasen nach Art künstlicher Lungen, und insbesondere mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Verbesserung der Mengen bzw. Beträge von dem Blut zuzuführenden und diesem zu entziehenden Oasen. Vorrichtungen der angesprochenen Art werden dazu verwendet, in solchen Fällen dem Blut eines Patienten Sauerstoff zuzuführen und Kohlendioxyd zu entziehen, in welchen die Lungen des Patienten den Oasaustausch nicht durchführen können. Beim Operieren am geöffneten Herzen kann das Herz zumindest zeitweilig kein Blut duroh die Lungen des Patienten pumpen, weshalb man für diesen Fall sogenannte Lungenmaschinen verwendet, duroh welche das Blut des Patienten zum Oasaustausoh gepumpt wird.

Es gibt eine Reihe verschiedener künstlicher Lungen, darunter einen Typ, der alt Membranen arbeitet. Bine Solche, mit Membran arbeitende Vorrichtung weist In ihrer einfachsten.Form eine erste und eine zweite Leitung auf, die duroh eine Membran getrennt sind, welohe

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ihrerseits für Sauerstoff und Kohlendioxyd durchlässig ist. Im Betrieb der Vorrichtung läßt man ein stark sauerstoffhaltiges Gas durch eine der Leitungen laufen, während das Blut des Patienten gleichzeitig durch die andere Leitung fließt. Sauerstoff tritt dabei von der Gasseite der Membran durch diese hindurch in das Blut und gleichzeitig tritt Kohlendioxyd aus dem Blut durch die Membran in den Gasstrom. Auf diese Weise hat das Gerätjverlassendes Blut einen höheren Sauerstoffgehalt und einen niedrigeren Kohlendioxydgehalt als das Blut, welches in das Gerät eintritt. Dementsprechend hat das die Vorrichtung verlassende Gas weniger Sauerstoffgehalt und mehr Kohlenstoffgehalt als Gas auf der Eintrittsseite des Gerätes.

Es gibt seit einiger Zeit sogenannte mikroporöse Membranen, d.h., Membranen mit einer großen Anzahl kleinster Offnungen zur Verwendung in solchen Geräten. Man bevorzugt solche Membranen, weil der Sauerstoff- und Kohlendioxyd-Durchsatz erheblich höher ist als dies bei entsprechenden, früher verwendeten durchgehend ausgebildeten Menbranen der Fall war, die z.B. Silikongummi enthielten oder Silikonpolycarbonat-Polymere, oder PoIyalkyleulfone. Die Verwendung von mikroporösen Membranen In eolohen Geräten bringt aber ein Problem mit sich, welches bei den zuvor verwendeten Membranen des älteren Type nioht bestanden hat. Man hat beobachtet, daß bei Verwendung einer mikroposören Membran in einem solchen Gerät der Kohlendloxyd-Transport aus venösem Blut heraus progressiv kleiner wird. Je länger das Gerät arbeitet, ünerfreulicherweiee hat nan diese verringerung des Kohlendioxyd-Durchsatzes auch dann beobachtet, wenn da* Gerät erst «ehr kurze Zeit in Betrieb war.

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Wenn man aus dem Blut eines Patienten zu wenig Kohlendioxyd entfernt, hat dies bekannter Weise gefährliche Folgen für den Patienten. Das normale Blut arbeitet hinsichtlich der Gasaustauschfunktionen am besten bei einem pH-Wert von etwa 7A> Wenn Kohlendioxyd nicht in ausreichender Menge dem Blut entzogen wird, dann wird die Konzentration des Kohlendioxyds im Blut höher, es reagiert mit dem Wasser des Blutes und senkt dadurch den pH-Wert ab. Ein Absenken des pH-Wertes des Blutes verringert aber die Aufnahmefähigkeit des Blutes für Sauerstoff ganz erheblich.

Zusätzlich zu der beschriebenen Schwierigkeit hat man beobachtet, daß sich Wasser in Form kleiner Tröpfchen in der gasführenden Leitung des Gerätes niederschlägt. Dies rührt daher, daß mikroporöse Membranen nicht nur einen schnelleren Durchtritt von Sauerstoff und Kohlendioxyd gestatten, sondern auch den Durchtritt von Wasserdampf. Wenn also mikroporöse Membranen in solchen Gasaustauschern verwendet werden, dann wird eine gewisse Wassermenge vom Blut durch die Membran in die Gasleitung transportiert, wo es in Form kleiner Tröpfchen niedergeschlagen wird. Aufgrund seiner hohen Löslichkeit In Wasser löst sich aber auch durch die Membran in die Gasleitung eingetretenes Kohlendioxyd in den kondensierten Wassertröpfnhen. Vermutlich erhöht dies den Partial-Druck des Kohlendioxyds in der Gasleitung, was wiederum den Gradienten dea Kohlendioxyd-Partial-Druoks verringert, der dafür verantwortlich ist, wieviel Kohlendioxyd aus dem Blut herausgenommen werden kann; auf diese Weise entsteht die beobachtete Verringerung des Kohlendioxyd-Durchsatzes durch die Membran.

In der Lunge eines Menschen ist das Verhältnis des

Kohlendioxyd-Durchsatzes zum Sauerstoff-Durchsatz

r /r etwa 0,8 zu 1. Bei einer sogenannten Lun-CO 2 02

genmaschine sollte also dieses Verhältnis zwischen 0,75 zu 1 und etwa 1 zu 1 liegen.

Viele Operationen, bei denen ein solcher Gasaustauscher für das Blut verwendet wird, finden bei normaler Körpertemperatur, d.h. bei etwa yj ° C statt. Man hat nun gefunden, daß bei solchen Temperaturen schon nach sehr kurzem Entzug von Kohlendioxyd im notwendigen Umfang das oben genannte Austauschverhältnis auf einen Wert von 0,5 und weniger absinkt. Ein solcher Wert ist aus physiologischen Oründen nicht akzeptabel. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die Verringerung des Austauschverhältnisses Temperatur-abhängig ist und auch noch bei 26-28⁰C beobachtet wird. Man hat zunächst daran gedacht, daß man dieses Problem der Veränderung des Durchsatz-Verhältnisses dadurch verringern könnte, daß man den Durchsatz an Gas durch das Gerät erhöht. Indessen sollte man den Durchsatz des Gases nicht so weit erhöhen, daß sich der dadurch erhöhende Druck so weit erhöht, daß er größer wird als der Druck des Blutes in der anderen Leitung des Gerätes. Sine solche Veränderung der Druokverhältnisse könnte nämlich die Membran, die mechanisch sehr empfindlich ist, zerstören. Noch unangenehmer ist dabei, daß man bei durch erhöhten Gasdurohfluß bedingtem Erhöhen des Druckes des Gases die Entstehung von Gasbläschen in dem zu behandelnden Blut befürchten muß. Außerdem führt ein erhöhter Gasdurchsatz unnötigerweise zu einem,höheren Verbrauch an

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Beatmungsgas.

Es ist auch überlegt worden, dem Problem der sich verändernden DurchsatzVerhältnisse der beiden Gase dadurch zu begegnen, daß man die Temperaturen des Blutes, des Gases und der Membrane sowie deren Halterungen besonders sorgfältig aufeinander abstimmt. Dazu benötigt man aber - wie sich gezeigt hat - einen erheblichen apparativen Aufwand und man erhält trotzdem keine befriedigende Lösung. Außerdem wäre eine solche Vorrichtung dann nicht brauchbar, wenn Operationen durchgeführt werden, bei denen der Chirurg aus medizinischen oder technischen Gründen die Bluttemperatur des Patienten während der Operation ändern muß oder will.

Durch die Erfindung wird das oben beschriebene Problem dadurch gelöst, daß bei ihrer Anwendung die Verringerung des Durchsatzes von Kohlendioxyd nicht mehr auftritt. Di· Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man den Kohlendioxyd-Durchsatz durch eine mikroporöse Membran dadurch auf einem annehmbaren Wert halten kann, daß man den Oasfluß pulsiert, und zwar auch bei relativ geringem Gasdurchsatz insgesamt. Selbst dann, wenn man zu Beginn eines solchen Gaaaustausohee das aas nicht pulsiert hat, und sich demgemäß eine Verringerung dea Kohlendioxyd-Durchsatzes In der beschriebenen Welse eingestellt hatte, kann aan den Kohlendloxyd-Duroheatz wieder auf einen akzeptierbaren Wert aAggeben, Indem aan den Gasstrom durch das Gerät pulsierend fließen läßt. Obwohl die arttnde für die·· vorteilhaften Ergebnisse nicht vollständig bekannt sind, wird angenoenen, daf ein wesentlicher Grund für die offensichtliche Lösung der beschriebenen Probleae darin liegt« daß «loh beim pulsierenden Strumen des Gases stelle Druekgradlenten

ergeben. Möglicherweise ist auch die Erzeugung hochfrequenter Kraftkomponenten mit für die beobachteten Effekte verantwortlich, welche auf die Tröpfchen in der Gasleitung des Gerätes einwirken. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die durch die Erfindung bewirkten Effekte dann besonders betont sind, wenn das Pulsieren des Gasstromes in Form einer Rechteck-Welle durchgeführt wird.

Im Laufe der Entwicklung der Erfindung wurde das Pulsieren zunächst dadurch erreicht, daß der Gasfluß im Gerät regelmäßig unterbrochen wurde. Zu diesem Zweck hat sich ein in Reihe mit der Gasversorgung liegendes Magnetventil bewährt, welches von einem entsprechenden elektrischen Generator betätigt wird, und zwar in der Weise, daß die Betriebsart einer Rechteck-Welle entspricht. Man könnte aber auch eine Kolbenpumpe parallel zu einer primären Gasversorgung arbeiten lassen, wodurch ebenfalls ein gepulster Betrieb erreichbar ist, aber bei Ausfall des Impulsgenerators wenigstens ein normaler kontinuierlicher Gasfluß weiterhin möglich ist.

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Es ist zweckmäßig, bei der Durchführung der Erfindung im Rahmen des Puleierens Druckänderungen zwischen und j5o mm Quecksilbersäule durchzuführen, wobei der höhere Wert in den meisten Fällen dazu geführt hat. daß sich keine Tröpfchen mehr bilden, ohne daß deshalb der entsprechende Druck in der blutführenden Leitung des Gerätes zu hoch geworden wäre.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die

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Zeichnung an Ausführungsbeispielen erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 in perspektivischer Ansicht einen Teil der Anifednung nach Figur 1;

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt nach der Linie 3-3 in Figur 2;

Fig. 4 eine Tabelle mit Werten, die man bei dem Betrieb der Anlage nach Figur 1 in einer ersten Betriebsweise gefunden hat;

Fig. 5 eine ähnliche Tabelle mit Werten für eine andere Betriebsart; und

Fig. 6 schematisch ein weiteres AusfUhrungsbeispiel.

Figur 1 zeigt ein außerhalb des Körpers eines Tieres oder eines Menschen arbeitendes Gerät zur Anreicherung des venösen Blutes mit Sauerstoff und zum Entzug von Kohlendioxyd, wobei das so aufgefrischte Blut dem Arteriensystem des Tieres oder Menschen wieder zugeführt wird. Der Kreislauf Io weist einen Behälter 12 mit dem zu behandelnden Blut auf; 15 1st ein Behälter für venöses Blut, das aus dem Behälter 12 kommt. Mit 18 ist eine Rollen- oder Walzenpumpe bezeichnet und mit 21 ein Auffrischungsapparat 2±. 35 bezeichnet einen Generator für gepulstes Gas und 45 ist der

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Vorrat an zur Auffrischung dienenden Gases. Die genannten Bauelemente sind durch entsprechende Rohrleitungen 26 in der gezeigten Weise miteinander verbunden.

Das mit 12 schematisch bezeichnete Bauelement kann z.B. der Patient sein, oder ein Tier, z.B. ein Kalb, in welchem Falle venöses Blut durch eine Kanüle abgezogen wird und aufgefrischtes Blut durch eine Kanüle in das Arteriensystem des Patienten oder Tieres rückgeführt wird. Selbstverständlich kann das mit 12 bezeichnete Bauelement auch ein Gerät für Laborzwecke sein, das den Patienten "simuliert", d.h., Blut enthält und diesem Blut Sauerstoff entnimmt und Kohlendioxyd zuführt. Man kann übrigens für solche Laboruntersuchungen auch Blut von kurz zuvor geschlachteten Tieren verwenden. Aufzufrischendes Blut gelangt vom Patienten oder vom Behälter 12 in Richtung des Pfeiles A heraus und wird in Richtung des Pfeiles B wieder zurückgeführt. Wenn mit 12 ein den Patienten simulierendes Bauelement bezeichnet ist, dann kann es irgendeine vorbekannte Einrichtung aufweisen, durch deren Gasleitung ein solches Oasgemisch geführt wird, daß das behandelte Blut von arteriellem Blut in venöses Blut zurück verwandelt wird, wobei das zu behandelnde Blut durch die entsprechende Blutleitung auf der anderen Seite beispielsweise einer Membran fließt.

Das Blut aus dem "Patienten" oder einem entsprechenden Behälter 12 fließt unter der Wirkung der Schwerkraft in einen Behälter 15, der einen'einlauf und einen Auslauf

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aufweist. Zweckmäßig hat der Behälter 15 die Gestalt eines flachen flexiblen Beutels, den man flach drücken kann, damit man jegliche Luft entfernen kann, bevor Blut einläuft.

Vom Behälter 15 wird das Blut durch irgend eine bekannte Pumpe 18 dem Auffrischungs-Teil 21 des Gerätes zugeführt. Z.B. eignet sich eine Schlauchpumpe der Firma "Sarne" des Typs 6oo2 sehr gut für diesen Zweck. Zweckmäßig ist die Pumpe hinsichtlich des geförderten Drucheat.'es einstellbar ausgebildet.

Das von der Pumpe 18 beförderte Blut gelangt in einen mit Membran arbeitenden Auffrischer, wie er z.B. in der OB-PS 1 442 754 beschrieben ist. Der Auffrischer weist einen Bluteinlaß 22, einen Blutauslaß 22, einen Gaseinlaß 24 und einen Gasauslaß 25 auf. Der Auffrischer 21 weist in zunächst nicht gezeigter Weise eine erste Leitung zum Durchfluß des aufzufrischenden Blutes auf und ferner eine zweite Leitung für das die Auffrischung bewirkende Gas, wobei eine mikroporöse Membran weiterhin vorgesehen ist, deren beide Seiten je einen Teilder Oberfläche einer der beiden Leitungen bilden. Die beiden Leitungen sind also miteinander auf einem Teil ihrer Oberfläche über die Membran miteinander gekoppelt. Das aus dem Auslaß 23 kommende, wieder aufgefrischte Blut läuft wieder in das Bauelement 12 zurück.

Das zur Auffrischung dienende Gas wird von einer Druckflasohe 45 geliefert; es besteht in bekannter Weise entweder auf reinen Sauerstoff oder einer Mischung aus Sauerstoff Bit einem oder mehreren anderen Gasen. Der Stahlflasche 45 1st ein bekannter Druckregler 46 nachgeschaltet und ein Ventil 47 zur Steuerung der DBTohflußnenge. Wenn man nun gemäß der Erfindung das

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Auffrischungsgas in pulsierender Weise durch den Auffrischer 21 schicken will, dann führt man das Auffrischungsgas zweckmäßig in eine Pulsiereinrichtung 35, die dem Ventil 47 nachgeschaltet ist. Zu diesem Zweck kann ein Magnetventil 36 vorgesehen sein, welches durch einen elektrischen Impulsgenerator 4o gesteuert wird. Der Eingang des Ventils 36 ist mit 37 bezeichnet und sein Ausgang mit 38. Der Impulsgenerator sendet Impulse geeigneter Frequenz an den oder die Betätigungsmagneten des Ventils 36, sodaß das Ventil in bekannter Weise regelmäßig geöffnet und geschlossen wird. Durch das öffnen und Schließen des Ventils erhält man die gepulste Komponente der Bewegungsgröße des Gases. Das gepulste Gas gelangt dann über den Eingang 24 zum Auffrischer und verläßt diesen durch den Auslaß 25.

Gemäß Figur 1 weist die Anordnung einen Sammelanschluß 15 für venöses Blut und einen Sammelanschluß 51 für arterielles, d.h. aufgefrischtes Blut auf. Aus dem Auffrischer austretendes Gas kann in nicht gezeigter Weise gesammelt werden oder durch entsprechende Leitungen einem Gaschromatographen oder dergleichen zugeführt werden, um das austretende Gas analysieren zu können. Ferner liegt zwischen dem Ventil 47 und dem Einlaß des Ventils 36 ein Zweiwege-Ventil 42« das in einer Arbeitestellung dafür sorgt, daß das gesamte Gas durch das Ventil 36 fließt und in einer anderen möglichen Einstellung das gesamte Gas durch die Parallelleitung 26 a fließen läßst. Diese Anordnung hat sich für die Durchführung von Experimenten als zweckmäßig erwiesen, weil man sowohl gepulstes als auch gleichförmig

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strömendes Gas verwenden kann.

Zu dem Auffrischungskreislauf gehören weiterhin zwei Zweiwege-Ventile 27 und 28. Das Zweiwege-Ventil 27 liegt unmittelbar stromauf vom Einlaß 22 zum Auffrischer 21 und das Ventil 28 liegt unmittelbar stromab vom Auslaß 23 des Auffrischers 21. Die Ventile 27 und 28 können derart eingestellt werden, daß entweder Blut durch den Auffrischer gepumpt wird, in welchem Falle es nicht durch die Kurzschlußleitung 26 b zwischen den Ventilen 27 und 28 fließt, oder nur durch den Abschnitt 26 b fließt und dadurch nicht durch den Auffrischer 21.

In den Figuren 2 und 3 sind weitere Einzelheiten des Auffrischers aus der Anlage nach Figur 1 dargestellt. Der Auffrischer 21 weist eine erste Leitung 110 für Blutdurchfluß auf und eine zweite Leitung für den Gasdurchfluß. Die Leitung 110 wird durch zwei mikroporöse Membrane 113 begrenzt, die in der gezeigten Weise mit Abstand zueinander angeordnet sind und je ein Blatt aus Polytetrafluoräthylen mit einer Dicke von 65-5 Mikron und einer mittleren Porengröße von 0,3 Mikron. Jede Membran 113 wird von einer Vielzahl von Stegen 115 in Tragplatten 114 unterstützt. Ferner weist jede Membran Furchen oder Rillen 116 auf, deren Böden einen Abstand von den Böden 112 zwischen den Stegen haben. Die Membranen sind in bekannter Weise, z.B. mittelt Klebstoff, an den Stegen der Halteplatten befestigt. Die eben genannte zweite Leitung für das Auffrischungs gas weist eine Reihe von Kanälen 17 auf, die durch

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die Zwischenräume zwischen den Furchen 116 und die Zwischenräume zwischen den Stegen gebildet sind. Der vertikale Abstand vom Boden 112 bis zur Oberseite 115 der Stege betrug bei einem Ausführungsbeispiel 1,78 mm, während der vertikale Abstand von den Unterseiten der Furchen II6 bis zum jeweiligen Boden einer Rille zwischen zwei Stegen etwa 1,14 mm betrug. Das Verhältnis zwischen der Steigung zur Tiefe der Furchen 116 kann relativ frei gewählt werden; es betrug bei einer zweckmäßigen Ausführung 4 zu 1.

Aus Figur 3 erkennt man, daß die Platten 114 mit gegenseitigem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei dieKämme II5 aufeinander zuweisender Stege einen Abstand von etwa o,4 mm voneinander hatten. Der geschilderte Abstand der Platten zueinander wird durch nicht gezeigte Abstandsstreifen sicher gestellt, die an den Seitenkanten der Membranen verlaufen und dicht damit verbunden sind, sodaß eine Umhüllung für die Membranen entsteht, deren Innenraum der Raum ist, durch den das Blut fließt. Der Auffrischer 21 weist ferner eine Verteilungskammer 122 für das Blut auf, welche mit der Behandlungskammer Ho für das Blut in Verbindung steht und einen Einlaß 22 aufweist. Eine entsprechend gestaltete Sana·1kammer 123 ist auf der Auslaßseite des Auffrischers vorgesehen, der mit dem Raum Ho in Verbindung steht und den Auslaß 23 aufweist. Ferner ist «in· Qasverteilungskammer 124 auf der Gaseinlaßstite des Auffrischers vorgesehen, der mit den Kanälen 117 in Verbindung steht und den Einlaß aufweist. Auf der Auslauseite ist ein entsprechender

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Gassammler 125 vorgesehen, der ebenfalls mit den Kanälen 117 in Verbindung steht und den Auslaß aufweist. Der so weit beschriebene Auffrischer weist erkennbar eine "Leitung" Ho für das aufzufrischende Blut auf und kann insofern als ⁿEinkanaliger" Auffrischer bezeichnet werden, während etwa 2oo Kanäle 117 für den Gasdurchfluß vorgesehen waren. Selbstverständlich sind für den Bau des Auffrischers geeignete Werkstoffe verwendet, die keinesfalls giftig sind und durch weder das Blut noch das Auffrischungsgas angegriffen werden.

Die in den Tabellen nach Figur k und 5 aufgeführten Daten wurden bei Experimenten gefunden, die mit der Anlage nach den Figuren 1 bis JJ durchgeführt worden sind. Dabei wurden bei allen Experimenten eine Reihe gleicher vorbereitender Schritte durchgeführt und zwar unabhängig davon, ob das Gas in kontinuierlichem Fluß durch die Anlage geführt wurde oder in gepulstem Fluß.

Frisches Säugetierblut, das zweckmäßig nicht älter als 48 Stunden alt war, wurde zunächst mit Heparin so behandelt, daß die Gerinnungszeit mindestens doppelt so lang war, wie dl·· b«i nioht eo behandeltem Blut der Fall ist. Das gegen Gerinnung behandelte Blut wird in die Einrichtung 12 eingegeben. Die Zweiwege-Ventile 27 und 28 wurden so eingestellt, daß das Blut am Auffrischer 21 vorbei floß. Dann wurde die Pumpe angeschaltet und das Blut mit vorher bestimmt·» Durchsatz aus der Einrichtung 12 in den Behälter 15, über die Pumpe 18 und dann über die entsprechenden Leitungen wieder in den Behälter 12 zurück gepumpt. Dabei

floß das Blut nicht durch den Auffrischer 21. Die Blutdurchführung des Auffrischers wurde zunächst dadurch vorbereitet, daß Salzlösung mit 0,9 % SaIzanteilen dem Gewicht nach eingegeben wurde. Die Oasleitung des Auffrischers 21 wurde dadurch gespült, daß das Auffrischangsgas durchgeleitet wurde. Ein das zur Verringerung des Sauerstoff-Gehaltes und zur Erhöhung des Kohlendioxyd-Gehaltes des Blutes aus einer Mischung von Kohlendioxyd, Sauerstoff und Stickstoff wurde durch die Gasleitung des zur Herstellung von venösem Blut dienenden Bauelementes 12 geführt. Die Zusammensetzung und/oder der Durchfluß dieses Gases wurde in vorbekannter Weise eingestellt, sodaß der Partialdruck des Kohlendioxyds im Blut (p _{co 2}) ^am Ausgang des Elementes 12 etwa 45 mm Quecksilbersäule war und die Sauerstoff-Sättigung des austretenden Blutes bei etwa 65 % lag. Der Hämoglobin-Pegel des umlaufenden Blutes wurde bei etwa 12 Gramm Prozent gehalten, wobei die Hämoglobin-Konzentration durch Zuführung isotonischer Lösung oder entsprechender Zellen erreicht wurde. Nach Durchführung der so weit beschriebenen Verfahreneschritte wurden die Zweiwege-Ventile 27 und 28 so umgestellt, daß das Blut durch den Auffrischer 21 lief. Eine Probe wurde an der Sntnabjneetelle 5o entnommen und auf SauerstoffSättigung untersucht. Ggfs. wurde die Zusammensetzung des entgegen der Auffrischung arbeitenden Oaegeeieches so eingestellt, daß die folgenden gleichmäßigen und venösem Blut entsprechenden Werte am Eingangsanschluß 22 erreicht

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waren: Sauerstoffsättigung 65 ί 5 #, Kohlendioxyd-Partialdruck 45-5 mm, Quecksilbersäule, pH-Wert 7Λ - 0,1. Messungen und Nachstellungen wurden so oft wiederholt, bis die soeben genanntertyerte am Eingang des Auffrischers gleich blieben.

Nachdem dieser stabile und gleich bleibende Zustand eingetreten war, wurden Proben nach folgenden Gesichtspunkten entnommen: Gleichzeitig werden Proben am Eingang und am Ausgang des Auffrischers entnommen. Ein Teil jeder dieser Proben wurde in einem Blutgas-Analyser der Firma Corning (Modell Nr. I65) analysiert, um den pH-Wert des Blutes, den Sauerstoff -Partialdruck des Blutes und den Kohlendioxyd-Partialdruck des Blutes zu bestimmen. Die Jeweils verbleibenden Teile der Proben wurden auf die prozentuale Sauerstoffsättigung und den Hämoglobin-Gehalt in einem Meßgerät des Typs IL 182 der Firma Instrumentation Laboratoriers untersucht.

Nach den soeben beschriebenen Schritten wurde die oben beschriebene Einrichtung in Betrieb genommen, und zwar mit solcher Einstellung der Ventile 27 und 28, daß das Blut durch den Auffrischer lief, aber solcher Einstellung des Ventiles 42, daß das zur Auffrischung dienende Gas an dem Impulsgenerator für das Gas vorbei floß. Es aeigte sich dabei, daß der übergang von Kohlendioxyd vom Blut durch die mikroporöse Membran in das Auffrischungsgas nicht ausreichend war, um das Verhältnis von Kohlendioxyd-Durchsatz zu Sauerstoff-Durchsatz im gewünschten Bereich zu halten.

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Die einzelnen Resultate einer jeden solchen Messung sind in Tabelle 4 aufgeführt. Erkennbar wurden Proben von venösem Blut, arteriellem Blut und vom ausfließenden Gas gleichzeitig periodisch entnommen. Venöses Blut wurde dabei an der Entnahmestelle 5o entnommen, arterielles Blut, welches gerade den Auffrischer 21 durch den Auslaß 23 verlassen hatte, wurde an der Entnähmeβteile 51 entnommen und ausfließendes Gas wurde am Ausgang 25 entnommen. Die so entnommenen Proben von venösem und arteriellem Blut wurden auch auf pH-Wert, Kohlendioxyd-Partialdruck, Sauerstoff-Partialdruck und prozentuale Sauerstoffsättigung untersucht, und es wurde ferner der gesamte Hämogrobin-Gehalt in der beschriebenen Weise erfaßt. Der Durchsatz an ausfließendem Gas wurde durch ein Spirometer des Modells 6449-Mlo der Pa. Benedict-Roth erfaßt und durch Gaschromatographie auf den Volumen-Prozentsatz der Kohlendioxyd-Konzentration analysiert. Die Zusammensetzung des aus der Gasflasche 45 kommenden Auffrischungsgases war zwar bekannt; wenn nicht, hätte man eine Probe davon an einer geeigneten Stelle vor dem Eintritt in den Auffrischer 21 entnehmen und analysleren können, z.B. durch Oaschromatographie.

Es wurden in gleichmäßigen periodischen Intervallen Proben entnommen, z.B. alle 15 Minuten und der Versuch dauerte insgesamt etwa 3 Stunden. Die gesaate Versuchszeit, der pH-Wert des Blutes, der Partialdruck von Sauerstoff und Kohlendioxyd, der gesamte Hämoglobin-Oe«£}l|t und die Zusammensetzung des ausfließenden Gases sind in Figur 4 aufgelittet. Die Menge des

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übertragenen Kohlendioxydes wurde in ml/min, dadurch errechnet, daß der Volumen-Prozentsatz von Kohlendioxyd im ausfließenden Oae mit dem Durchsatz des ausfließenden Oases in ml/min, multipliziert wurde; die Ergebnisse sind im rechten Bereich von Figur 4 aufgeführt.

Man erkennt aus den Daten der Figur 4, daß der Kohlendioxyd-Durchsatz im Durchsohnltt bei 11,89 ml/min, und der Säuerstoff-Durchsatz im Durchschnitt bei 27,o5 ml/min, lag. Wenn das zur Auffrischung verwendete Oas also kontinuierlich, d.h. ohne Pulsierung, durch das Gerät floß, war das Verhältnis zwischen durchschnittlichem Kohlendioxyd-Durchaatz und durchsohnltt Hohen Sauerstoff-Durohsatz etwa 0,45« was erheblich unter dem physiologisch notwendigen Wert liegt, der bei einer normal arbeitenden Lunge bei etwa 0,8 zu 1 liegt.

Zum Vergleich wurde praktisch derselbe Versuch mit pulsierendem Auffrischungsgas durchgeführt. Dabei wurde aber das Ventil 42 so eingestellt, daß das zur Auffrischung verwendete aas durch den Oas-Pulser 35 floß, wodurch das durch den Auffrischer 41 fließende Gas druckmäßig eine gepulste Komponente hatte. Der Generator 35 wurde mit solcher Einstellung des Taktgebers 4o betrieben, daß das Ventil 36 Bit einer Frequenz von 60 Hz geöffnet und geschlossen wurde, wobei das Verhältnis der Sohließzeit zur Öffnungszeit 0,25 war. Wenn das Ventil 36 geschlossen ist, wird der Fluß von Gas vom Auslaß 38 angehalten und der Druck des Gases im Gas-Pulser und in den stromauf davon liegenden Teilen der Anlage wird erhöht.

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Wenn auf entsprechende Signale vom Taktgeber 4o hin das Ventil 36 öffnet, fließt Gas aus dem Gas-Pulser unter der Wirkung des in der Fließzeit aufgebauten Druckes ab. Auf diese Weise wird der erörterte gepulste Gasfluß erhalten. In anderen Worten heißt dies, daß zu bestimmten Zeitpunkten, in denen das Ventil 36 geschlossen ist, der Druck im Auffrischer 21 relativ niedrig ist, oder gerade auf einen relativ niedrigen Wert abnimmt, während zu anderen Zeitpunkten, z.B. bei geöffnetem Ventil 36, der Gasdruck im Auffrischer relativ hoch ist, oder von einem relativ niedrigen Druck auf einen relativ hohen Druck ansteigt. Es wechseln sich also Intervalle ab, in denen der Druck im Auffrischer 21 höher bzw. niedriger ist als der durchschnittliche Betriebsdruck des Gases im Auffrischer. Die Ergebnisse dieses Versuchs sind in Figur 5 aufgelistet. Der Kohlendioxyd-Durchsatz war durchschnittlich 29,2 ml/min, und der Sauerstoff-Durchsatz war durchschnittlich 29,31 ml/min. (Es ist darauf hinzuweisen, daß der erste Wert in Figur 5 für den Sauerstoff-Durchsatz klein ist, weil die prozentuale Sauerstoffettttigung im venösen Blut zu dieser Zeit hoch ist; dieser erste wert wurde infolge dessen bei der durchschnittlichen Berechnung des Sauerstoff-Durchsatzes fortgelassen). Wenn also Sauerstoff oder ein anderes zur Auffrischung des Blutes dienendes Gasgemisch gepulst durch den Auffrischer fließt, ist das Verhältnis de* durchschnittlichen Kohlendioxyd-Durchsatzes zum durchschnittlichen Sauerstoff-Durchsatz etwa 0*99. Dieser Wert ist erkennbar wesentlich höher

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als der Wert, den man bei konstantem Durchfluß von Gas durch den Auffrischer erhalten hatte und er liegt erkennbar im oberen Bereich zwischen 0,8 zu und 1 zu 1, der dem Durchschnitt einer normal arbeitenden Lunge entspricht.

Weitere Experimente mit der beschriebenen Anlage haben gezeigt, daß bei gepulster Durchführung von Auffrischungsgas durch den Auffrischer der Kohlendioxyd-Durchsatz mit größer werdendem Gesamtdurchsatz des Auffrischungsgases größer wird.

Figur 5 zeigt weiterhin, daß ausgezeichnete Kohlendioxyd-Durchsätze erhalten werden, wenn die Pulsfrequenz für das gepulst durchfließende Auffrischungsgas bei 6o Hz liegt. Es hat sich gezeigt, daß man grundsätzlich brauchbare Ergebnisse erhält, wenn die Impulsfrequenz für den gepulsten Gasstrom innerhalb von 3o-12o Hz liegt. Bei niedrigeren Pulsfrequenzen könnte der Kohlendioxyd-Durchsatz so schlecht werden, daß das gewünschte Verhältnis von Kohlendioxyd-Durchsatz zu Sauerstoff-Durchsatz nicht mehr erreicht werden kann. Größere Impulsfrequenzen als 12o Hz haben keine Vorteile mehr erbracht. Es hat sich gezeigt, daß man zweckmäßit zwischen 5o und loo Hz arbeitet. Auch eine Veränderung des Verhältnisses der Offenzeit zur Schließzeit des das Pulsieren bewirkenden Ventils kann innerhalb vernünftiger Grenzen geändert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung liegen darin, z.B. ein mechanisch betätigtes Ventil an Stelle des

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elektrisch gesteuerten Ventils zum Pulsen des Gasstroms zu verwenden. Weiterhin könnte man das Auffrischungsgas durch einen flexiblen Schlauch zum Auffrischer führen, und diesen flexiblen Schlauch durch eine Fließnocke intermittierend abklemmen, um auf diese Weise das Puleen zu erreichen.

Es wurde schon erwähnt, daß man auch eine Kolbenpumpe parallel zu einer kontinuierlich strömenden Gasversorgung verwenden kann. Dies ist in Figur 6 schematisch dargestellt, in welcher gleiche Bauelemente wie bei Figur 1 dieselben Bezugszeichen haben, mit dem Bdeugzeichen 5o aber eine Kolbenpumpe bezeichnet ist.

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Le e rs ei te

Claims

Patentanwalt 2 7 4 6 7

MICHAEL KORN

Dipl. Ing.

National Research N 11 P 15

Development Corporation

London/England

Patentanspruch e

Vorrichtung zur Beschickung von Blut mit Sauerstoff und zum gleichzeitigen Entziehen von Kohlendioxyd aus dem Blut mittels einer mikroporösen Membran, welche einen das aufzufrischende Blut enthaltenden Raum von einem das Auffrischungsgas enthaltenden Raum trennt, dadurch gekennzeichnet, daß das Auffrischungsgas in gepulster Weise durch den Austauschraum getrieben wird, wobei der Druck des Gases gegenüber der Zeit zweckmäßig eine Rechteck-Wellenform-Funktion ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des gepulsten Gasstromes dieses durch ein abwechselnd geöffnetes und geschlossenes Ventil (36) in der Zuführung läuft.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einer Gas mit gleichbleibendem Druck zuführenden Leitung eine Leitung liegt, in welcher eine Kolbenpumpe Druckwellen erzeugt.

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D-4000 Düsseldorf 1 · BahnatraBe62 · Telefon 0211/356338

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulefrequenz für den Gasstrom zwischen ^o und 12o Hz, zweckmäßig zwischen 5o und loo Hz, liegt, und daß die Prequenz einstellbar ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Pulsieren aufeinander folgenden Zeitabschnitte höheren bzw. niedrigeren Druckes insgesamt ein Verhältnis von bis zu 4 zu 1 haben.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden AnsprUohe, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckamplitude beim Pulsieren bis zu J)O mm Quecksilbersäule beträgt.

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