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Gerätekonzept
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Gcrt zur Behandlung eines Patienten bei akuter oder chronischer Niereninsuffizienz
Dds bewLhrteste und immer noch am meisten angewendete Verfahren zur Behandlung eines
Patienten bei akuter und chronischer Niereninsuffizienz ist die Hämodialyse mittels
der künstlichen Niere. Der Stofftransport vom Blut in das Dialysat über eine semipermeable
Membran erfolgt durch Diffusion Gleiche transmembrane Konzentrationsgradienten vorausgesetzt,
werden klcinmolekulare Substanzen schneller, größere mit geringerer Geschwindigkeit
abgeführt.
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Neuere Einsichten in das Urämieproblem haben die Entwicklung von Membranen
gefördert, die auch Stoffe mit höherem Molekulargewicht, die sogenannten "Mittelmoleküle",
mit vergleichbarer Geschwindigkeit passieren lassen.
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So erzielt man mit einer Polyacrylnitrilmembran, die im handelsüblichen
"RP-6"-Dialysator eingebaut ist, auch beim Abtrennen von Mittelmolekülen sehr viel
bessere Clearancewerte als mit den sonst üblichen Cellophanmembranen.
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Der erwahnte "RP-6"-Dialysator wird, damit die bei der Dialyse unerwünscht
hohe Ultrafiltration verhindert wird, im geschlossenen Dialysatkreislauf des Dialysiergerätes
betrieben. Bei Verwendung einer Drucksteuereinrichtung ist auch eine offene Betriebsweise
(single-pass) möglich.
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Zu ähnlichen und teilweise sogar besseren Abtrennleistungen bezüglich
der Mittelmoleküle kommt man, wenn anstelle der diffusionsbezogenen Dialyse ein
Druckfiltrationsverfahren, die sogenannte Diafiltration, für die Blutreinigung eingesetzt
wird. Bei diesem Verfahren, bei dem
synthetische Membranen verwendet
werden, die für zelle Substanzen bis zu einer Größe von ca. 20.000 Molekulargewicht
durchgängig sind, erfolgt der Stofftransport konvektiv; es werden alle gelösten
Substanzen, welche nicht vollständig durch die Membran zurückgehalten werden, mit
dem wasser aus dem Blut des Patienten entfernt und zwar mit der gleichen Geschwindigkeit
wie das Wasser. Zum ausgleich des Flüssigkeitsverlustes wird dem Patienten kontinuierlich
eine bestimmte Menge vorbereitete Ersatzlösung zugeftihrt.
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Damit dieses Verfahren versirklicht werden konnte, bedurfte es der
Entwicklung druckfester, asymmetrischer Membranen, meist in Hohlfaserbauweise. Zur
Diafiltration geeignet ist auch der ober; erwähnte Plattendialysator "RP-6". Beim
Diafiltrieren ist die Trennwirkung dem Volumen des abgepreßten Plasmawassers proportional.
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Beide Verfahren, Dialyse und ùiafiltration, weisen Vor- und Nachteile
auf: Durch Dialyse lassen sich kleinmolekulare Substanzen recht gut, die Mittelmoleküle
mit weitporigen Membranen noch befriedigend entfernen.
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Es werden verhältnismäßig große Mengen an Dialysierlösungen benötigt,
zu deren Herstellung und Prozeßführung entsprechender apparativer Aufwand erforderlich
ist.
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Bei der Diafiltration werden die Mittelmoleküle, besonders bei Verwendung
von asymmetrischen Membranen, mit größerer Trennschärfe eliminiert.
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Dialysierlösungen und die zugehörige Aufbereitungstechnik entfallen.
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Dafür müssen sterile Elektrolytlösungen das angepreßte Filtrat ersetzen.
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Die Menge an Infusat hält sich in Grenzen, wenn dies hinter dem Membranfilter
eingegeben wird. Die blutschonendere Verfahrensweise mit Ersatzfliissigkeitszugabe
vor dem Membranfilter verlangt jedoch Ersatzflüssigkeitsmengen, die in der Größenordnung
des gesamten Dialysatverbrauchs bei Anwendung der Dialyse liegen. Um kleinmolekulare
Stoffe, z. B. Harnstoff, in einen mit der Dialyse vergleichbaren ausmaß abzutrennen,
bedarf es relativ großer Filtratströme, wozu größere Membranflächen oder hohe transmembrane
Drücke erforderlich wären.
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Das System der Diafiltration führt zwar zu einer Verkürzung der Behandlungszeit,
aber
auch zu einem Verlust von Substanzen, welche für den Körper des Patienten von lebenswichtiger
Bedeutung sind, wie Eiweißbausteinen, Vitaminen usw., die dea Körper daher wieder
zugeführt werden müssen.
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Überdies ist eine noch weitgehend unbekannte Größe die Langzeitwirkung
von dauernd in großer enge verabreichter Subtitionsflüssigkeit.
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Im Einblick auf die erläuterten Vor- und Nachteile von ;ialyse und
diafiltration hat man bereits versucht, die \rorteile dieser beiden Methoden unter
weitgehendem Ausschluß ihrer Nachteile durch Anwendung einer Dialyse mit überlagerter
Diafiltration zu vereinigen. Bei diesem Verfahren, das als Hämofiltration bezeichnet
wird, wird eine Pumpe mit zwei Kammern, die durch eine bewegliche Membran getrennt
sind, für das Dialysat benutzt.
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Gegenüber der konventionellen Dialyse sowie auch gegenüber der Diafiltration
besitzt dieses Verfahren folgende Vorteile: 1. Optimale Clearance von klein - und
mittelmolekularen Substanzen.
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2. Abkürzung der Behandlungsdauer von bisher 4 - 8 Stunden auf etwa
3 Stunden. Damit ergibt sich der Vorteil, in einer J)ialyseschwesternschicht zwei
anstatt eines Patienten zu behandeln.
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3. Flüssigkeitsentzug beim Patienten bis zu 4 - 5 kg pro Behandlung,
der ohne Nebenwirkungen zu erreichen ist.
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Zur Durchführung dieses kombinierten Verfahrens stehen allerdings
vollautomatische Geräte bisher nicht zur Verfugung. Kommerziell verfügbar ist bisher
lediglich ein für dieses kombinierte Verfahren erforderliches filter. So müssen
einzelne Verfahrensschritte, z. B. das .Egen der dem Patienten entzogenen Flüssigkeit
sowie der ihm wieder zuzuführenden Ersatzflüssigkeit, von Hand vorgenommen werden,
was sich einerseits nachteilig in der Länge der Behandlungszeit auswirkt, andererseits
Fehlermöglichkeiten in sich schließt, die für den Patienten gesundheitsschädigend
sein
können.
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Selbst wenn jedoch ein vollautomatisches Gerät zur :hrchfiihrung vlieses
kombinierten Verfahrens anf den Markt konmen sollte, so ist vorerst nicht damit
zu rechnell, daß in den Dialysezentren eine völlige Umstellung auf solche Maschinen
erfolgt. Von den einzelnen Zentren sind nämlich erhebliche Investitionen in konventionelle
^)ialysemaschinen gemacht worden, die einem drei- bis fünfjährigen Abschreibungsmodus
unterliegen.
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Diese Tatsache dürfte der Einführung eines, allerdings noch nicht
konzipierten vollautomatischen Gerätes, das zur Durchführung des erläuterten kombinierten
Verfahrens geeignet ist, entgegenstehen.
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Ausgehend von den beiden bekannten Verfahren der Dialyse und der Diafiltration
und dem Vorschlag, diese beiden Verfahren zu kombinieren, liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Gerätekonzept aufzuzeigen, mit dem es möglich ist, die Behandlung
des Patienten unter Ausnutzung der Vorteile beider Verfahren voll zu automatisieren.
Insbesondere soll dieses Gerätekonzept jedoch so beschaffen sein, daß die in den
Dialyse Zentren bereits vorhandenen Geräte zur Durchführung solcher Dialysen, in
erster Linie also das umfangreiche und kostspielige Basisgerät zur Herstellung des
Dialysats, weiterbenutzt werten können.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Gerätekonzept, bei dem genäß der
Erfindung zwischen das Basisgerät und den Dialysator zwei wechselweise mit dem Dialysator
in geschlossenem Kreislauf sich befindende Tanks für das Dialysat eingeschaltet
sind, die jiber eine Ventilsteuerung im komplementären Rhythmus zur Dia.lysator-Anschaltung
an das rsaoi sgrerät angeschaltet werden und welches eine automatisch arbeitende
Meßeinrichtung enthält, über die ein, vorzugsweise einstellbarer, Prozentsatz des
jeweils aus dem geschlossenen Dialysat-Kreislauf abgepumpten Filtrats dem Patienten
aus dem dafür vorgesehenen Behälter an Ersatzlösung zugeführt wird.
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Die Umschaltung der beiden Tanks erfolgt zweckmäßig in einem zeitlichen
Rhythmus von 1 - 2 Minuten, so daß das Dialysat einer Tankftillung nur innerhalb
dieses kurzen Zeitabschnittes für die Übernahme der im Blut
des
Patienten enthaltenen Schadstoffe benutzt wird.
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Die Messeinrichtung für die Menge dieses abgepumpten Filtrats wird
zweckmäßig als Waage mit einseitig gelagertem Waagebalken ausgebildet. Dieser Waagebalken
kann efestigungsiiiittel für die einstellbare Aufhängung des Filtrat und des Ersatzlösungs-Behälters
aufweisen. Man kann weiterhin eine Fotozellensteuerung vorsehen, welche eine in
einer Leitung von Ersatzlösungs-Behälter zum Patienten liegende Pumpe so lange einschaltet,
bis der Waagebalken wieder seine horizontale Lage eingenommen hat.
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Da somit das vorgeschlagene Gerätekonzept einen automatischen Ablauf
der Hamofiltration ermöglicht, werden die oben erwähnten Vorteile des kombinierten
Behandlungsverfahrens
erreicht. und zwar unter Einsparung von Überwachungspersonal.
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Um die in den bisher eingerichteten Dialyse-Zentren aufgestellten
Apparaturen im Rahmen des erfindungsgemäßes; Gerätekonzeptes weiterbenutzen zu können,
empfiehlt es sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, die beiden Tanks mit
den sie steuernden Ventilen einschließlich der elektrischen Steuerungsmittel, die
Messeinrichtung, die Uinwälzpumpe für das Dialysat, die Unterdruckpumpe für das
Filtrat, die Pumpe für die Zufiihrung der Ersatzlösung und gegebenenfalls den Blutleckdetektor
in einem Zusatzgerät unterzubringen, welches mittels Schnellkupplungen einerseits
an das Basisgerät, andererseits an den Dialysator anschaltbar ist.
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Als Zusatzgerät ausgebildet, wäre somit die Erfindung im Rahmen der
bestehenden Apparaturen, in erster Linie zum Wohle der Patienten, sofort einsetzbar.
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Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen erläutert werden, wobei
in den Figuren 1 und 2 zunächst nochmals die bekannten Gerätekonzepte für das Dialyseverfahren
und für das liiafiltrationsverfahren angegeben sind.
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Bei dem in Figur 1 im Prinzip dargestellten Dialyseverfahren wird
von
einem Basisgerät 2 ausgegangen, in welchem das Dialysat aus
weichem Wasser und einem lconzentrat, etwa in einem Verhältnis von 1 @ 34, ermischt
wird. Diese Dialysat gelangt über eine Kontrolleinrichtung für Temperatur und Leitfähigkeit
6 in den eigentlichen Dialysator 3. wollte sich in der Kontrolleinrichtung b ergeben,
daß das Dialysat nicht die erforderlichen Werte aufweist, so wird es durch die By-pass-Leitung
B abgeleitet und kommt nicht zur Verwendung.
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; ber eine Blutpumpe 9 wird das Blut des Patienten 1 ebenfalls über
den Dialysator geleitet und zwar im Gegenstrom zu dem !ialysat, welches dem Basisgerät
2 entstammt. z l er einen 1)iffusionsvorga£ig werden dem über den Dialysator geleiteten
Blut des Patienten die Giftstoffe von dem Dialysat entzogen und über einen Blutleckdetektor
7 abgeleitet. Für den lewegungsvorgang des Dialysats, der soeben beschrieben wurde,
ist eine Vakuumpumpe 8 vorgesehen.
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In den Blutkreislauf des Patienten ist noch ein Luftfänger 10 eingebaut,
um das vom Dialysator zum Patienten hin fließende Blut von Luftblasen freizuhalten.
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Im Gegensatz zu dem soeben bescllriebenen Dialyseverfahren, bei dem
dem Patienten während der Durchführung der Dialyse nur verhältnismäßig wenig Flüssigkeit
entzogen wird, erfolgt die Reinigung des Blutes bei dem anhand der Figur 2 dargestellten
bekannten Diafiltrationsverfahren dadurch, daß dem Blut des Patienten mit Hilfe
einer Unterdruckpumpe 14 die Giftstoffe zusammen mit Wassermolekülen bis zu einer
Menge von etwa 20 Liter entzogen werden. Dies erfolgt in dem 1)ialysator 11, dessen
Membran jedoch eine andere Ausbildung besitzt als die Membran des Dialysators 3
gemäß Figur 1.
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Um die entzogene Flüssigkeit dem Patienten sieder zuzuführen, ist
ein Ersatzlösungsbehälter 12 vorgesehen, dessen Flüssigkeit etwa in der entzogenen
Menge über eine Pumpe 13 dem blutkreislauf des Patienten, wiederum über einen Luftfänger
10 wieder zugeführt wird. In Figur 3 ist nun das erfindungsgemäße Gerätekonzept
dargestellt, welches eine zweckmäßige Kombination der beiden bekannten Konzepte
darstellt, wodurch
sich der oben bereits erwähnte Vorteil einer
erheblichen Verkürzung der Behandlungszeit ergibt.
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In der Darstellung gemäß Figur 5 ist der eigentliche erfindungsgemä(3e
Teil des Gerätekonzeptes in das Zusatzgerät 15 eingebaut, welches mit Hilfe von
Schnellkupplungen 16, 17, 18 und 19 zwischen das Basisgerät und den Dialysator einer
herkömmlichen Halysegerätekonzeption einschaltbar sein soll.
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Diese bekannten Teile der Gerätekonzeption sind in Figur 5, zusammen
mit ihren Zuleitungen, gestrichelt eingezeichnet. Gleiche Bezugszeichen stellen
die gleichen Teile dar, welche anhand der Figuren 1 und 2 bereits erläutert worden
sind.
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Das .Vesentliche der in dem dargestellten Beispiel als Zusatzgerät
erläuterte Gerätekonzeption besteht aus den beiden Tanks 2<) und 21, die ganz
allgemein als Speichervorrichtung bezeichnet werden sollen. Anstelle dieser Tanks
können ohne weiteres anders ausgebildete Speichervorrichtungen, z. B.
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aus Glas oder Ifunststoff bestehende aufgewickelte Spiralen Verwendung
finden.
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Diese beiden Tanks 20 und 21 sind über gesteuerte Ventile 22, 23,
24 und 25 wechselweise einschaltbar und zwar komplementär in solchem Sinne, daß
der eine Tank während eines Zeitabschnittes jeweils numittelbar mit dem Basisgerät
2 und in dem gleichen Zeitabschnitt der andere Tank 21 mit dem Dialysator 34 leitungsmäßig
durchgeschaltet ist. In dem darauf folgenden Zeitabschnitt erfolgt eine Umkehrung,
so daß der erstgenannte Tank mit dem Dialysator 34 und der zweitgenannte Tal.k mit
dem Basisgerät 2 verbunden ist. Dieser Zeittakt kann etwa 1 - 2 Minuten betragen;
er wird von einem sogenannten Timer in der elektrischen Schaltung erzeugt.
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Für den Strom des Dialysats in dem angegebenen Sinne sorgt eine Umvrälzpumpe
26. Aus der beschriebenen Arbeitsweise des Zusatzgerätes erkennt man, daß der Dialysator
jeweils in einem geschlossenen Kreislauf von dem Dialysat durchstromt wird. Die
Strömungsrichtung des Dialysats in dem Dialysator ist durch den Pfeil 36 angegeben.
Im Gegenstrom zu dem Dialysatfluß erfolgt der Durchfluß des vom Patienten 1 über
eine Blutpumpe
9 über den Dialysator 34 geleiteten Blutes.
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An diesen geschlossenen Dialysatkreislauf ist nun noch eine ljnterdruckpumpe
3 angekoppelt, durch welche ein aus dem Blut des Patienten stammendes Filtrat in
einen Filtratbehälter 71 gepumpt wird. Dieses filtrat muß nun mengenmäßig bis auf
einen bestimmten, der Gewichtsabnahme des Patienten dienenden Teil dem Blut des
Patienten als F flüssigkeit und zwar als sogenannte Ersatzlösung wieder zugeführt
werden. Zu diesem Zweck ist ein Ersatzlösungs-Behälter 30 vorgesehen, dem die Ersatzlösung
über eine Pumpe 32 entzogen und X über den Luftfänger 10 dem Blutkreislauf des Patienten
zugeführt wird.
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Die Menge der zugeführten Ersatzlösung wird automatisch bestimmt
durch eine Messeinrichtung, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als
liaage 28 ausgebildet ist. Die Waage 28 besitzt einen an einem Ende 5; drehbar gelagerten
Waagebalken 29, auf den sowohl der Filtratbehälter 31 als auch der Ersatzlösungsbehälter
30 aufgehängt werden. Die Aufhängung des Filtratbehälters 31 erfolgt in der Regel
an einem starren Punkt des Waagebalkens 29, während der Ersatzlösungsbehälter hinsichtlich
seiner Aufhängung auf dem,Waagebalken 29 verstellbar ist. Rir die Behandlung eines
Patienten wird zuvor errechnet, welcher Prozentanteil an dem im Filtratbehälter
31 aufgefangener Flüssigkeit dem Patientenblut wieder zugeführt werden muß. Entsprechend
erfolgt dann die Aufhängung des Behälters 30 an dem dafür vorgesehenen Punkt des
Waagebalkens 29.
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Bei dieser Meßeinrichtung ist nun noch eine Lichtschrankensteuerung,
z. 13. in Form einer Lampe und einer Fotozelle vorhanden, welche bewirkt, daß die
Pumpe 32 nur dann in Funktion tritt, wenn der Waagebalken 29 aus seiner horizontalen
Lage abgewichen ist. Sobald der Yaagebalken 29 infolge der Flüssigkeitsentnahme
aus dem Ersatzlösungsbehälter 30 in die Waagerechte einpendelt, wird die Pumpe 32
abgeschaltet.
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s ist somit erkennbar, daß dem Patienten automatisch jeweils die
zuvor berechnete Flüssigkeitsmenge wieder zugeführt wird, d. h. die ihm entzogene
Filtratmenge abzüglich des gewünschten Gewichtsverlustes.
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X gegebenenfalls nach Aufwärmung auf Körpertemperatur.
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Es wurde bereits erwähnt, daß das erfindungsgemäße konzept in der
in Figur 3 dargestellten Misführungsforin als Zusatzgerät ausgebildet ist.
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In figur 4 ist der ungefähre Aufbau dieses 7usatzgerätes mit den darin
befindlichen Geräteteilen wiedergegeben. Auf einer Grundplatte sind die beiden Tanks
20 und 21 in liegender Stellung befestigt darunter befinden sich die vier Ventile
22, 23, 24 und 25. s sind dann noch eingezeichnet die Umwälzpumpe 26, die Unterdruckpumpe
33 für das Filtrat, die Ersatzlösungspumpe 32 und ferner die Meßeinrichtung in Form
der anhand der Figur 3 erläuterteji Waage 28.
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Die elektronischen Mittel zur Schaltung dieses Gerätes sind mit 37
bezeichnet.
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Anhand des in Figur 5 dargestellten Schaltbildes sollen nun diese
elektronischen Mittel für die automatische Steuerung der (terätegruppe erklärt werden.
In der Schaltung ist ein vom Lichtnetz (220 V) betriebener Transformator 38 vorgesehen,
dessen sekundare Seite Anzapfungen für 12 und 24 V aufweist. Beide Wechselspannungen
werden über Vierweg-Gleichrichter gleichgerichtet. Die 12 V-Gleichspannung wird
einem sogenannten Timer 39 zugeführt, in welchem der für die Umschaltung der beiden
Tanks erforderliche Zeittakt hergestellt wird. Das Timer-Relais ist mit 40 bezeichnet.
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Die gleichgerichtete Spannung von 24 V wird zur Steuerung der Ventile
22, 23, 24 und 25 benutzt und zwar in einer besonderen Schaltung, welche zwei Arbeitsphasen,
nämlich eine Spülphase und eine Betriebsphase einzuschalten gestattet. Vor Inbetriebnahme
des Gerätekonzeptes zur Durchführung einer Behandlung ist es zweckmäßig, eine solche
Spülphase einzuschalten, um zu verhindern, daß in den zum Dialysator führenden Kreislauf
des Dialysat an irgendeiner Stelle Luftblasen vorhanden sind.
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Diese Luftblasen müssen also vor Beginn der eigentlichen Behandlung
des Patienten vollständig durch einen Spülvorgang entfernt werden.
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Zu diesem Zweck ist in der Schaltung gemäß Figur 5 eine aus den drei
Schaltern 41, 43 und 45 bestehende Schalteinrichtung vorgesehen, welche die drei
Schalter gemeinsam betätigt; dies ist angedeutet durch die
strichpunktierte
Linie 44. Zur Betätigung der Spülphase wird diese Schalteinrichtung gedrückt, so
daß der Schalter 41 geöffnet, der Schalter 43 geschlossen und der Schalter 45 ebenfalls
geöffnet wird. Durch die Öffnung des Schalters 41 ist der zu dem Relais 40 gehörende
Kontakt 42 außer Funktion gesetzt, d.h. es erfolgt keine periodische Umschaltung
der Ventile 22 - 25. Außerdem sind die beiden Pumpen 26 und 33 über den geöffneten
Schalter 45 abgeschaltet. Über den Schalter 43 sind jedoch ein Hilfsrelais 46 erregt,
welches die Kontakte 4) und 5<1 besitzt, welche bei Erregung des Relais 46 geschlossen
werden. Über diese beiden Relaiskontakte 49 und 5(1 werden nun die Ventile 22 und
L4 gesteuert, während eine Erregung der Ventile 23 und 25 unterbleibt. Damit kann
nun der Spülvorgang tiurchgeführt xerglen, bei welchem Jas Dialysat aus demm Grundgerät
2 über das Ventil 22, den Tank 21, das Ventil 25, den Dialysator 34, das Ventil
24, den Tank 20 und das Ventil 23 zurück zum Basisgerät 2 geleitet wird. Nach Beendigung
dieses Spülvorganges, womit man die Entfernung von Luftblasen in dem Dialysatkreislauf
erreicht hat, erfolgt wieder die Umschaltung der aus tier, Scllaltern 41, , 43,
45 bestehenden Schalteinrichtung in die Grundstellung, womit die eigentliche Behandlungsphase
beginnen kann.
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X in dieser Spülphase wegen der eineschelteten Glei chricriter 51
und 52 Aus Sicherheitsgründen wäre es sogar zu empfehlen, die Schaltung noch insofern
zu vervollständigen, als eine automatik eingebaut wird, welche vor der eigentlichen
Behandlungsphase automatisch den Spülvorgang einleitet. Damit wird erreicht, daß
vor der Behandlung eines Patienten auf alle Fälle ein Spülvorgang der Gerätekonzeption
vorgenommen, wird.
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Aus dem Schaltbil(l der figur 5 ist noch zu erkennen, daß an die
glei ehgerichtete 24 V-Sparinung noch eine Lampe 47 und parallel dazu eine Fotozelle
48 eingeschaltet ist, die Fotozelle 48 liegt in Reihe mit der Ersatzlösungspumpe
32. Dieser Stromkreis wird nur dann eingeschaltet, wenn der Waagebalken der in Figur
3 dargestellten Waage 28 sich außerhalb seiner horizontalen Lage befindet; denn
nur in diesem Fall gelangt Licht von der Lampe 47 auf die Fotozelle 48.
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Es sei abschließend erwähnt, daß auch die in Figur 5 dargestellte
Schaltungsanordnung lediglich eine Ausführungsform für das erfindungsgemäße Gerätekonzept
darstellt, die in mancher Weise abwandelbar ist0
So wäre es beispielsweise
möglich, durch entsprechende Schaltung Teile des erfindungsgemäßen Zusatzgerätes
abzuschalten, um damit wahlweise eine Dialyse mit mengenmäßig kontrollierter Ultrafiltration
-über die Meßeinrichtung des Zusatzgerätes- oder bei Abschaltung des Dialysatzulaufs
eine Diafiltration durchführen zu können. Bei allen bisher auf deil Markt verfügbaren
Geräten ist eine solche Wahl nicht möglich.