DE3144552A1 - Flow-adapted dialyser cover - Google Patents
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Abstract
Description
Strömungsangeqasster DialysatordeckelDialyzer lid blocked with flow
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Deckel für Hohlfaserdialysatoren mit zentraler Blutanströmung, die eine der Hämodynamik angepasste Form hat und dadurch die Tendenz zur Gerinnung des Blutes herabsetzt.The present invention relates to a cover for hollow fiber dialyzers with a central flow of blood, which has a shape adapted to the hemodynamics and thus reduces the tendency of the blood to clot.
Zylindrische Hohlfaserdialysatoren mit Vollbündel haben ein zylindrisches Gehäuse, worin ein Bündel von Hohlfasern - in der Grössenordnung von 10 ûDO Stück - eingeschoben ist. Zur Abdichtung zwischen den Hohl fasern an den Gehäuseenden, ist das Bündel hier, an beiden Enden, mit einem Kunstharz. ausgegossen. Um an den Stirnseiten des Zylinders die Hohlfasern zu öffnen, so dass ihr Inneres zugänglich wird, wird hier das Harz quer zur Dialysatorachse durchgeschnitten. Die somit entstehende kreisrunde, ebene Schnittfläche hat eine Vielfalt von runden Löchern, durch die inneren Hohlräume der durchgeschnittenen Hohlfasern gebildet, worin das Blut eingeführt werden soll. Um dies zu erreichen, wird ein Deckel auf das Zylinderende montiert, der einen zentralen Stutzen (für den Schlauchanschluss) hat, und von hier das Blut radial über die Faseröffnungen verteilt. Die konventionelle Gestaltung, bis zum Datum der Erfindung auch die einzige auf dem Markt vorkommende mit zentralem Stutzen, ist in Abb. # -dargestellt.Cylindrical hollow fiber dialyzers with a full bundle have a cylindrical Housing in which a bundle of hollow fibers - of the order of 10 ûDO pieces - is inserted. For sealing between the hollow fibers at the ends of the housing, is the bundle here, on both ends, with a synthetic resin. poured out. To get to the The end faces of the cylinder open the hollow fibers so that their interior is accessible is, the resin is cut transversely to the dialyzer axis. The resulting circular, flat cut surface has a variety of round holes through which inner cavities formed by the cut hollow fibers, into which the blood is introduced shall be. To achieve this, a cover is mounted on the end of the cylinder, which has a central connector (for the hose connection), and from here the blood distributed radially over the fiber openings. The conventional design, up to Date of the invention also the only one on the market with a central nozzle, is shown in Fig. #.
Die Bedeutung des Strömungszustandes im Deckelraum für die Blutgerinnung ist bisher meistens weitgehend übersehen. Der erste der aktuellen Erfinder hat in eigener Arbeit an den sog. "Hemoflow" -Dialysator, der keine zentrale Zuführung zum Deckel hat, sondern eine tangentielle Blutzuführung, ein für die Blutgerinnung bedeutend günstigeren Strömungszustand erzeugt, wodurch in der Praxis die daraus folgende Verringerung der Gerinnungsneigung erwiesen wurde. Bei der vorliegenden Erfindung ist (in späterer und unabhängiger Arbeit) eine hämodynamische richtigere Gestaltung von Deckel mit zentraler Zuführung erreicht, wodurch sich auch für diese Deckelart eine geringere Gerinnungsneigung ergibt.The importance of the flow condition in the lid space for blood coagulation is mostly overlooked so far. The first of the current inventors has in own work on the so-called "Hemoflow" dialyzer, which does not have a central feed to the lid, but a tangential blood supply, one for blood clotting A significantly more favorable flow condition is generated, which in practice results in the resulting the following reduction in the tendency to clot has been proven. With the present Invention is (in later and independent work) a hemodynamically correct one Design of lid with central feed achieved, thereby also for this Type of lid results in a lower tendency to coagulate.
Deckel konventioneller Gestaltung weisen die folgenden Zonen geringerer Strömungsgeschwindigkeit des Blutes auf: - der Staupunkt auf der Schnittfläche gegenüber dem Stutzen, - die Randzone.Lids of conventional design have the following zones inferior Blood flow velocity on: - the stagnation point on the Cut surface opposite the nozzle, - the edge zone.
Es ist auch hier, wo man bevorzugt Gerinnsel im Deckelraum findet, wenn Gerinnungen auftreten. Dementsprechend gerinnt auch das Blut in den Hohlfasern, die von diesen Zonen ausgehen.It is also here that clots are preferred to be found in the lid space, when clotting occurs. Correspondingly, the blood coagulates in the hollow fibers, emanating from these zones.
Der Grund dafür ist, dass die Thrombozyten des Blutes in solchen Zonen geringerer Strömungsgeschwindigkeit eine grössere Kontaktzeit mit der Fremdfläche hat, und somit die grössere Chance zum Anhaften auf dieser Fläche, wodurch dann eine Gerinnselbildung angefangen wird. Zu Beobachtungen hierzu: siehe Agishi et al., Proc. EDTA Sol.12, S. 535-550.The reason for this is that the platelets of the blood are in such zones lower flow velocity a longer contact time with the foreign surface has, and thus the greater chance of adhering to this surface, which then a clot is started. For observations on this: see Agishi et al., Proc. EDTA Sol. 12, pp. 535-550.
Eine Rolle spielt hierbei auch die Ablösung der Strömung von der Innenfläche des Deckels, die bei Blutviskosität bei allen vorkommenden konventionellen Deckel nachgewiesen werden kann (z.B.The separation of the flow from the inner surface also plays a role here of the lid, which is the case with blood viscosity in all conventional lids can be demonstrated (e.g.
durch Injektion von Farbstoff, zur Sichtbarmachung, in die Strömung einer 33 %-igen Glyzerinlösung bei 37 Or welche die Blutviskosität nachbildet). Dadurch entstehen unerwünschte Wirbelbildungen im Deckelraum, meistens als konzentrische Wirbelringe.by injecting dye into the flow for visualization a 33% glycerine solution at 37 Or which simulates the blood viscosity). This creates undesirable eddies in the lid space, mostly concentric Vortex rings.
In der vorliegenden Erfindung hat der erstgenannte Erfinder ein neues Gestaltungsprinzip aufgestellt, das durch den zweitgenannten Erfinder überprüft wurde, gleichzeitig mit berechnungen zur Lösung der Gleichungen. Dadurch kann die Ablösung, bei der Umlenkung der Strömung von der axialen Stutzenströmung auf die radiale Strömung über die Schnittfläche, verringert oder vermieden werden. Weiter wird eine höhere Strömungsgeschwindigkeit im Randbereich erreicht, und die Auswirkung der Stauzone im Zentrum verringert. Im Prinzip wird die Deckelkontur dadurch Stromliniengeformt.In the present invention, the former inventor has a novel one Established design principle that verified by the second inventor at the same time as calculations to solve the equations. This allows the Detachment, when the flow is deflected from the axial nozzle flow to the radial flow across the cut surface, can be reduced or avoided. Further a higher flow velocity is achieved in the edge area, and the effect the congestion zone in the center is reduced. In principle, the lid contour is thereby streamlined.
Zur Gestaltung des Deckels werden zwei rotationssymmetrische Strömungen überlagert, und die Stromlinie des sich daraus ergebenden Strömungsfeldes, welche durch den Rand der Schnittfläche geht, als Deckelkontur gewählt. Diese Strömungen sind: - die rotationssymmetrische Staupunktströmung, - die Senkenströmung einer ausgebreiteten (gleichmässig verteilten) kreisrunden Senke.Two rotationally symmetrical flows are used to design the cover superimposed, and the streamline of the resulting flow field, which goes through the edge of the cut surface, chosen as the cover contour. These currents are: - the rotationally symmetrical stagnation point flow, - the sink flow of a spread out (evenly distributed) circular depression.
(Vgl.J.H. Spurk: Vorlesung Strömungslehre II, T.H. Darmstadt, 1975).(See J.H. Spurk: Lecture Fluid Mechanics II, T.H. Darmstadt, 1975).
Das Strömungspotential der rotationssymmetrischen Staupunktströmung ist wo r die Radialkoordinate und z die Achsialkoordinate, vom Staupunkt aus, sind. a ist eine Konstante. Das Strömungspotential der ausgebreiteten, gleichmässig verteilten Senkenströmung in eine kreisrunde Senke vom Radius R ist wo r und z die gleiche Bedeutung wie oben haben (von dem Mittpunkt des Senkenkreises aus), p und ç Integrationsvariabeln sind und E eine Konstante ist.The streaming potential of the rotationally symmetrical stagnation point flow is where r is the radial coordinate and z is the axial coordinate from the stagnation point. a is a constant. The streaming potential of the spread, evenly distributed sink flow into a circular sink with radius R is where r and z have the same meaning as above (from the center point of the sink circle), p and ç are integration variables and E is a constant.
Ueberlagert man nun diese beiden Strömungen, erfolgt eine Differentialgleichung für die Strömungslinien: worin E(k) und K(k) vollständige elliptische Integrale 2.If these two flows are now superimposed, a differential equation for the flow lines follows: where E (k) and K (k) are complete elliptic integrals 2.
bzw. 1. Art sind: und k ein Parameter; ~ist hier eine Konstante und r' ein Integrationsvariabel.or 1st type are: and k is a parameter; ~ is here a constant and r 'an integration variable.
In dieser Formel wurde R = 1 gesetzt, d.h. der Radius der Kreissenke als Längen einheit gewählt.In this formula, R = 1 was set, i.e. the radius of the circular depression chosen as the unit of length.
Eine Kontur dieser Art, bei oC= 25, ist in Abb. 2 gezeigt. Sie ist durch numerische Lösung der obengenannten Differentialgleichung gewonnen. Durch Anpassung einer kontinuierlichen Funktion, findet man, dass eine sehr gute Annäherung an die exakte Lösung durch gegeben ist. Deshalb sei die Lösung gem. Abb. 2 nur hierdurch gegeben, einfachheitshalber, statt einer aufwendigen Tabelle für die exakte Lösung.A contour of this kind, at oC = 25, is shown in Fig. 2. It is obtained by numerically solving the above differential equation. By adapting a continuous function, one finds that a very good approximation of the exact solution is found given is. Therefore, the solution according to Fig. 2 is only given in this way, for the sake of simplicity, instead of an elaborate table for the exact solution.
Bei diesen Berechnungen wurde die Reibung der Strömung an die Deckelkontur vernachlässigt, weil eine exakte Lösung der Navier-Stokesschen Gleichungen in diesem Fall einen enormen Computeraufwand erfordert. Die Reibung in der Randzone wirkt sich auf das Strömungsfeld aus. Ein Ausgleich hierfür kann allerdings experimentell vorgenommen werden, durch Entfernung des Deckels um einen geringen Betrag von der Schnittfläche weg. Versuche mit verschiedenen Zwischenlagen ergaben, dass die vorteilhafte Randströmung bis zu einer Achsialverschiebung des Deckels um ca. 0,5mm gut erhalten bleibt. Die Einwirkung der Randströmung auf die zentrale Strömung wird aber erst bei einer Verschiebung um 1-2 mm vernachlässigbar.In these calculations, the friction of the flow on the lid contour neglected because an exact solution of the Navier-Stokes equations in this Case requires an enormous amount of computing power. The friction in the edge zone is effective focus on the flow field. A compensation for this can, however, be done experimentally be made by removing the lid a small amount from the Cut surface away. Tests with different intermediate layers showed that the advantageous Edge flow is well preserved up to an axial displacement of the cover by approx. 0.5mm remain. The effect of the edge flow on the central flow is only negligible with a shift of 1-2 mm.
Die Wahl eines Abstandes von 0,5-1 mm erweist sich allerdings als ein guter Kompromiss.The choice of a distance of 0.5-1 mm turns out to be a good compromise.
Eine bessere Kontur lässt sich mit ~ = 1000 finden, wobei die Lösung angenähert durch gegeben ist. Diese Kontur erfüllt durch Anpassung der axialen Deckelposition leichter die beiden Erfordernisse eines geringen Abfalles der radialen Strömungsgeschwindigkeit, und einer vom Randzustand ungestörten zentralen Strömung. Sie ist in Abb. 3 gezeigt.A better contour can be found with ~ = 1000, the solution being approximated by given is. By adapting the axial cover position, this contour more easily fulfills the two requirements of a slight drop in the radial flow velocity and a central flow that is not disturbed by the edge condition. It is shown in Fig. 3.
Es ist klar, dass verschiedene Verbesserungen dieser Konturberechnung, mit entsprechendem Aufwand, möglich sind, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen. Eine exakte Lösung der Navier-Stokesschen Gleichungen, ausgehend vom erwünschten Strömungszustand, um die entsprechende Kontur zu finden, ist aus Gründen des Aufwandes praktisch unmöglich. Es ist dagegen möglich, ein iteratives Verfahren anzuwenden, wobei man von einer vorgegebenen Kontur ausgeht, der sich ergebende Strömungszustand unter Berücksichtigung der Reibung ausrechnet, und an Hand der Ergebnisse die Kontur korrigiert. Mit der so korrigierten Kontur wird dieser Vorgang wiederholt, bis keine Korrektur mehr nötig ist.It is clear that various improvements to this contour calculation, with a corresponding effort, are possible without deviating from the principle of the invention. An exact solution of the Navier-Stokes equations, starting from the desired Flow condition, to find the corresponding contour is off Practically impossible for reasons of effort. It is, however, possible to use an iterative Method to apply, whereby one proceeds from a given contour, the calculates the resulting flow condition taking into account the friction, and on Hand of the results corrected the contour. With the contour corrected in this way, this becomes Repeat the process until no further corrections are necessary.
Auch dieses Verfahren erfordert einen gewissen Aufwand und es war uns deshalb bis jetzt nicht möglich, mit uns zur Verfügung stehenden Mitteln, dies durchzuführen, obwohl der Vorgang theoretisch vorliegt und das Verfahren klar ist. Deshalb können so weit hier nur von der experimentell durchgeführten Korrektur, durch Anpassung der axialen Deckellage, Ergebnisse angegeben werden.This procedure also requires a certain amount of effort, and it was We have therefore not yet been able to do this with the means available to us to be carried out even though the process is theoretical and the procedure is clear. Therefore, we can only go so far from the experimentally carried out correction, by adjusting the axial cover position, results can be given.
Eine weitere Alternative ist eine angenäherte Berücksichtigung der Reibung, z.B. nach dem Osén-Verfahren.Another alternative is an approximate consideration of the Friction, e.g. according to the Osén process.
Es ist klar, dass auf diese Art stromliniengeformte Deckel für alle Arten von Geräten für den extrakorporalen Kreislauf geeignet sind, wie Hämoperfusionskartuschen, Hämofilter, Plasmafilter, Dialysatoren u.s.w.. Es ist auch klar, dass kontinuierliche Annmherungsformeln nicht nur, wie oben, durch Anpassung an numerisch errechnete exakte Lösungen gewonnen werden können, sondern auch durch angenäherte analytische Lösungen der vorkommenden Gleichungen.It is clear that this type of streamlined lid is for everyone Types of devices suitable for extracorporeal circulation, such as hemoperfusion cartridges, Hemofilters, plasma filters, dialyzers, etc. It is also clear that continuous Approximation formulas not only, as above, by adapting to numerically calculated ones exact solutions can be obtained, but also by approximated analytical Solutions of the occurring equations.
Angegebene Werte des Parameters M stellen hier nur Beispiele dar.The given values of the parameter M are only examples.
Es kann im Prinzip jeden Wert hierfür gewählt werden.In principle, any value can be selected for this.
Erläuterungen zu den Abbildungen: Abbildung 1 zeigt im Querschnitt eine Prinzipskizze eines konventionellen Deckels mit einem Zulaufstutzen (oben), der sich (nach unten) in einen Verteilungsraum erweitert, der über der mit Hohlfaseröffnungen versehenen Schnittfläche liegt (diese nicht eingezeichnete Schnittfläche schliesst den Deckel unten unmittelbar an).Explanations of the figures: Figure 1 shows in cross section a schematic diagram of a conventional lid with an inlet nozzle (above), which widens (downwards) into a distribution space above the one with hollow fiber openings provided cut surface (this cut surface, not shown, closes the lid directly at the bottom).
Abbildung 2 zeigt in einem halben Querschnitt eine Deckelgestaltung mit einer Innenkontur, die erfindungsgemäss bei a = 25 und R = 1 errechnet wurde. Die Aussenkontur ist einfachheitshalber durch geradlinige Stücke dargestellt. Die im Text erwähnte axiale Verschiebung zur Korrektur für Reibungsverluste ist in der Zeichnung nicht mit berücksichtigt (die Zeichnung zeigt die Kontur ohne diese Verschiebung). Ein zylindrisches Koordinatensystem (r,h) ist auch eingezeichnet, mit der h-Achse im Zentrum des Deckels.Figure 2 shows a lid design in half a cross section with an inner contour that was calculated according to the invention at a = 25 and R = 1. For the sake of simplicity, the outer contour is represented by straight pieces. the Axial shift mentioned in the text to correct for friction losses is in the drawing not taken into account (the drawing shows the contour without this shift). A cylindrical coordinate system (r, h) is also drawn in, with the h-axis in the center of the lid.
Abbildung 3 ist im Prinzip die gleiche wie Abb. 2, aber mit «= 1000. Hier wurde allerdings die Kontur ab z = 0,5 senkrecht (parallel zur z-Achse) fortgesetzt, zwecks Ausbildung eines Stutzens.Figure 3 is basically the same as Figure 2, but with «= 1000. Here, however, the contour was continued vertically (parallel to the z-axis) from z = 0.5, for the purpose of forming a nozzle.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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AG | Has addition no. |
Ref country code: DE Ref document number: 3144553 Format of ref document f/p: P |
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8130 | Withdrawal |