DE3640089A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des intravasalen blutvolumens waehrend der haemodialyse - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des intravasalen blutvolumens waehrend der haemodialyse

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Veränderung des intravasalen Blutvolumens während der Hämodialyse, wobei die Dialysevorrichtung einen Dialysator aufweist, der durch eine Membran in zwei Kammern geteilt ist, die erste Kammer in einen Dialysierflüssigkeitsweg und die zweite Kammer in einen Blutweg geschaltet ist, der Dialysierflüssigkeitsweg stromauf des Dialysators wenigstens eine Dialysierflüssigkeitsquelle und eine Leitfähigkeitsmeßeinrichtung und stromab des Dialysators wenigstens eine Dialysierflüssigkeitspumpe und eine weitere Leitfähigkeitsmeßeinrichtung und der Blutweg wenigstens eine Blutpumpe aufweist.
Die Verminderung des intravasalen Blutvolumens durch die Ultrafiltration in Verbindung mit den Änderungen der Ionenkonzentration im Plasma wird für die Störungen des Kreislaufs und für einen Teil der unerwünschten Nebenwirkungen der intermittierenden Dialysebehandlung verantwortlich gemacht.
Die Entfernung des Flüssigkeitsüberschusses aus dem Körper des Patienten erfordert eine sehr präzise Steuerung der Flüssigkeitsbilanzierung, weshalb dieses Dialyseverfahren auch nur mit flüssigkeitsbilanzierenden Vorrichtungen durchgeführt werden kann. Trotz dieser präzisen Bilanzierung kommt es immer noch zu dialysetypischen Unannehmlichkeiten bei den Patienten, so zu Kopfschmerzen, Erbrechen und Muskelkrämpfen, was als "Disäquilibriumsyndrom" bezeichnet wird. Der Grund hierfür liegt vermutlich im zu raschen Entzug von Natriumionen aus dem Blut, der aufgrund der Konzentrationsdifferenz vom Natrium im Blut (extrakorporaler Kreislauf) und in der Dialysierflüssigkeit erfolgt.
Verschiedene Methoden wurden vorgeschlagen und erprobt, um das intravasale Blutvolumen kontinuierlich zu erfassen: Die kontinuierliche Messung des Hämatokrits durch Leitfähigkeitsmessung [Stiller, Mann; Biomed. Technik 25, 1980, 286-289 (Ergänzungsband)], die kontinuierliche Messung der Blutdichte (H. Holzer u.a.; Wiener klinische Wochenschrift, 91. Jg., Heft 22, 1979, 762-765) und die Messung der Blutviskosität (R. N. Greenwood u. a.; Clinical Science, 1984, 66, 575-583).
Bei der von Stiller und Mann verwendeten Methode wird erstens die Bluttemperatur und Blutleitfähigkeit und zweitens die Leitfähigkeit eines durch Filtration des Blutes gewonnenen Filtrats kontinuierlich gemessen, aus den Meßwerten der Hämatokrit bzw. dessen Änderung über die Zeit berechnet und schließlich daraus auf die Veränderung des intravasalen Volumens geschlossen.
Dabei wird die Blutleitfähigkeit im arteriellen Blutschlauch mit einer Meßzelle gemessen. Zur Messung der Leitfähigkeit im Plasma wird kontinuierlich etwas Plasmawasser mit einem kleinen Hämofilter abgetrennt und durch eine zweite gleichartige Meßzellenanordnung geführt. Die Messung der Plasmaleitfähigkeit ist notwendig, da die Leitfähigkeit von Gesamtblut einerseits vom Hämatokrit und andererseits von der Elektrolytkonzentration im Plasma abhängt, die sich im Verlauf einer Dialysebehandlung in der Regel ändert.
Das von Stiller und Mann verwendete Verfahren hat zunächst den Nachteil, daß eine Leitfähigkeitszelle mit Temperatursensor in den extrakorporalen Kreislauf eingebracht werden muß. Das Verfahren hat aber ferner den Nachteil, daß für den genannten Meßzweck ein Filter im extrakorporalen Kreislauf angeordnet werden muß, um das für die Ermittlung des Filtratleitwertes notwendige Filtrat zu gewinnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Hämodialyseverfahren und die Vorrichtung mit Ultrafiltrationseinrichtung so fortzubilden, daß eine kontinuierliche Erfassung der Veränderung des intravasalen Blutvolumens bei der Hämodialyse ohne Verwendung eines Probeentnahmefilters ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem der integrale Ionentransfer vom Blut in die Dialysierflüssigkeit durch eine Leitfähigkeitsrelativmeßanordnung bestimmt wird, wobei
  • - aus den erhaltenen Werten der Leitfähigkeitsrelativmeßanordnung und aus der Leitfähigkeit der frischen Dialysierflüssigkeit sowie dem Blutfluß und den Leistungsparametern des Dialysators die Plasmaleitfähigkeit, sowie die Änderung der Plasma- und Blutleitfähigkeit ermittelt wird,
  • - aus der Änderung der Plasma- und Blutleitfähigkeit der Hämatokrit während der Dialyse ermittelt wird,
  • - aus dem Hämatokrit auf die Veränderung des intravasalen Blutvolumens geschlossen wird und
  • - in Abhängigkeit von der Veränderung des intravasalen Blutvolumens die Ultrafiltrationsrate bestimmt wird.
Dabei wird die Leitfähigkeit der Dialysierflüssigkeit stromauf und stromab und die Leitfähigkeit des Blutes stromauf des Dialysators gemessen. In einer weiteren Ausbildungsform ist es möglich, daß die Leitfähigkeit des Blutes zusätzlich stromab des Dialysators gemessen wird. Bei der Messung der Blutleitfähigkeit stromauf und stromab des Dialysators wird die Plasmaleitfähigkeit stromab des Dialysators errechnet, so daß aus den Hämatokritwerten stromauf und stromab des Dialysators und dem Blutfluß direkt die Ultrafiltrationsrate ermittelt werden kann.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Hämodialyseverfahrens der eingangs erwähnten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des Dialysators eine erste Leitfähigkeitsmeßeinrichtung im Blutweg angeordnet und mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit verfahrensgemäß die Veränderung des intravasalen Blutvolumens bestimmt und eine Steuereinheit aus den ermittelten Werten die Dialysierflüssigkeitspumpe bzw. Ultrafiltrationseinrichtung, die Blutpumpe und/oder die Dialysierflüssigkeitsmischeinrichtung entsprechend steuert. Bei Vorhandensein der zusätzlichen Leitfähigkeitsmeßeinrichtung stromab des Dialysators im Blutweg ist diese ebenfalls mit der Auswerteeinheit verbunden.
Die kontinuierliche Erfassung der Veränderung des intravasalen Blutvolumens bei der Hämodialyse trägt dazu bei, unerwünschte Nebenwirkungen zu verhindern, indem die Ultrafiltrationsrate bzw. -menge vom Ergebnis dieser Messung abhängig gemacht wird. Das bedeutet, daß beispielsweise die Ultrafiltration beendet wird, sobald das intravasale Volumen um einen bestimmten Prozentsatz abgenommen hat, bzw. die Ultrafiltrationsrate vermindert wird, sobald die Abnahme des intravasalen Blutvolumens in der Zeiteinheit einen bestimmten Betrag überschreitet.
Diese Einrichtung wird herangezogen, um die Ultrafiltrationseinrichtung des Hämodialysegerätes zu steuern. Sie kann aber auch als Schutzsystem dienen, das die Ultrafiltrationsrate und -menge und deren physiologische Auswirkung kontinuierlich erfaßt und bei der Überschreitung der festgelegten Grenze das Gerät in den sicheren Zustand überführt.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigt die beiliegende Figur die schematische Darstellung der Hämodialysevorrichtung. Die üblichen bekannten Bauteile der Hämodialysevorrichtung, die keine erfindungswesentliche Rolle spielen, wurden dabei weggelassen.
Die Hämodialysevorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Dialysierflüssigkeitsteil 1 und einem extrakorporalen Kreislauf 2, zwischen denen sich ein Dialysator 3 mit einem Dialysierflüssigkeitskompartiment 4 und einem Blutkompartiment 5 befindet. Das Dialysierflüssigkeitskompartiment 4 ist stromauf des Dialysators 3 über eine Dialysierflüssigkeitsleitung 6 mit einer Dialysierflüssigkeitsmischeinrichtung 7 verbunden. In die Dialysierflüssigkeitsleitung 6 ist zwischen der Dialysierflüssigkeitsmischeinrichtung 7 und dem Dialysierflüssigkeitskompartiment 4 des Dialysators 3 eine erste Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 9 angeordnet. Stromab des Dialysators 3 ist dem Dialysierflüssigkeitskompartiment 4 eine weitere Leitung 10 nachgeordnet, die eine weitere Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 11, sowie eine Dialysierflüssigkeitspumpe 12 aufweist.
Im extrakorporalen Kreislauf 2 ist stromauf des Dialysators 3 in einer Blutleitung 13 eine Blutpumpe 14 und eine erste Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 15 angeordnet.
Dem Blutkompartiment 5 ist stromab des Dialysators 3 eine weitere Blutleitung 16 angeordnet, die zusätzlich eine weitere Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 17 aufweisen kann.
Die Dialysierflüssigkeitspumpe 12 und die Blutpumpe 14 sowie die Leitfähigkeitsmeßeinrichtungen 9, 11, 15 und 17 geben ihre Fördersignale, bzw. Meßwerte in eine Auswerteeinheit 18. Die Auswerteeinheit 18 steht weiterhin mit einer Eingabeeinheit 19 in Verbindung.
Weiterhin steht die Auswerteeinheit 18 mit einer Steuereinheit 20 in Verbindung, die ihre Signale an die Dialysierflüssigkeitsmischeinrichtung 7, die Dialysierflüssigkeitspumpe 12 und die Blutpumpe 14 abgibt.
In der Dialysierflüssigkeitsmischeinrichtung 7 ist eine nicht näher dargestellte Konzentratpumpe und ein entsprechender Wasserzulauf angeordnet, wobei die Zusammensetzung der Dialysierflüssigkeit entsprechend dem Ausgangssignal der Steuereinheit 20 entweder volumetrisch oder leitfähigkeitsproportional erfolgt.
Durch den durch die Dialysierflüssigkeitspumpe 12 in der Dialysierflüssigkeitsleitung 6 und 10 erzeugten Unterdruck wird die Dialysierflüssigkeit über den Dialysator 3 gefördert. Mit der in der Dialysierflüssigkeitsleitung 6 geschalteten Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 9 wird die Leitfähigkeit der frischen Dialysierflüssigkeit gemessen. Der erhaltene Meßwert wird mit Hilfe einer in der Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 9 befindlichen Temperaturmeßeinrichtung kompensiert. Die Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 11 mißt die Leitfähigkeit der Dialysierflüssigkeit und des vom Blutkompartiment 5 in das Dialysierflüssigkeitskompartiment 4 des Dialysators 3 übergetretene Ultrafiltrat. Die Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 11 und auch die anderen Leitfähigkeitsmeßeinrichtungen 15 und 17 sind ebenfalls wie die Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 9 temperaturkompensiert ausgeführt und sind somit im Stande, die spezifische, temperaturkompensierte Leitfähigkeit der sie durchströmenden Flüssigkeiten zu ermitteln. Dabei wird jeweils die Leitfähigkeit von Vollblut vor bzw. nach Passieren des Blutkompartiments 5 des Dialysators 3 gemessen.
Der Dialysator 3 wird andererseits mit der Blutflußrate QB und andererseits mit der Dialysierflüssigkeitsrate QD durchströmt. Die Signale der Durchflußrate werden durch die Dialysierflüssigkeitspumpe 12 und die Blutpumpe 14 an die Auswerteeinheit 18 gegeben.
Der von der Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 9 gewonnene Meßwert wird mit CDi und der von der Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 11 gewonnene Meßwert mit CDo bezeichnet. CBi und CBo sind die durch die Auswerteeinheit 18 zu ermittelnden Plasmaleitfähigkeitswerte im Blutkreislauf am Ort der Leitfähigkeitsmeßzelle 15 (Bluteingang) bzw. Leitfähigkeitsmeßzelle 17 (Blutausgang).
Der Massentransfer von der Blut- zur Dialysierflüssigkeitsseite läßt sich bei einem idealen Dialysator aus der Konzentrationsdifferenz auf der Dialysierflüssigkeitsseite und dem Dialysierflüssigkeitsfluß errechnen:
dM = (CDo - CDi) · QD (1)
Eine ähnliche Formel gilt für die Blutseite:
dM = (CBi - CBo · QB (2)
Aus (1) und (2) folgt:
Aufgrund des Gegenstromprinzips gilt:
CBo = CDi (4)
Mit (3) und (4) ergibt sich:
Es wurde damit gezeigt, daß unter idealisierten Bedingungen die Plasmaleitfähigkeit CBi aus der Leitfähigkeit der Dialysierflüssigkeit (CDi, CDo) und den Flüssen QD und QB errechnet werden kann.
Jedoch ist für einen realen Dialysator, wie er der Erfindung zugrunde liegt, die Dialysance und der Gibbs-Donnan-Koeffizient zu berücksichtigen.
Es gilt:
bzw.
Daraus ergibt sich:
Die Dialysance ist eine von Blut- und Dialysierflüssigkeitsfluß sowie vom Dialysatortyp abhängige Größe. Da Harnstoffdialysance und Na-Dialysance praktisch gleich groß sind und die Leitfähigkeit überwiegend durch die Natriumkonzentration bestimmt wird, kann für die Dialysance die Angaben für Harnstoff herangezogen werden.
Die Dialysanceangabe wird dabei über die Eingabeeinheit 19 in die Auswerteeinheit 18 eingegeben. Damit ist die Plasmaleitfähigkeit CBi durch die Auswerteeinheit 18 zu ermitteln. Die Natrium-Dialysance kann, wie weiter unten beschrieben, auch automatisch zu Beginn der Dialyse und gegebenenfalls auch im weiteren Verlauf ermittelt werden.
Zur Bestimmung der Veränderung des intravasalen Blutvolumens gilt:
wobei
HKt = HKt0 - a (dSB - b · dSP) (10)
ist.
HKt0 ist der Hämatokrit am Beginn der Behandlung und wird ebenfalls über die Eingabeeinheit 19 in die Auswerteeinheit 18 eingegeben. HKt ist der gemessene bzw. berechnete Hämatokrit während der Behandlung.
dSB ist die Änderung der Blutfleitfähigkeit und dSP die Änderung der Plasmaleitfähigkeit.
Entsprechend dem Gibbs-Donnan-Effekt sind a und b Konstante, nämlich
a = 97,1 ± 2
b = 1 ± 0,03
Diese Werte werden ebenfalls durch die Eingabeeinheit 19 in die Auswerteeinheit 18 eingegeben.
Die Änderung der Blutleitfähigkeit wird, wie erwähnt, mit Hilfe der Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 15 direkt gemessen. Die Änderung der Plasmaleitfähigkeit läßt sich nach Formel (8) errechnen, indem die Veränderung von CBi über die Zeit berücksichtigt wird.
HKt0 läßt sich am Beginn der Dialyse mit üblichen Verfahren ermitteln. Sind die Leitfähigkeitsmeßeinrichtungen 9, 11, 15 und 17 kalibriert, so kann aus Blut und Plasmaleitfähigkeit am Beginn der Dialyse auch HKt0 errechnet werden.
Bei der Ermittlung der Dialysance zur Berechnung der Plasmaleitfähigkeit CBi aus der bekannten Harnstoffclearance, welche der Dialysance bei CDi=0 entspricht, muß berücksichtigt werden, daß der Verteilungsraum für Kationen im Blut der wäßrige Anteil des Blutes außerhalb der Erythrozyten ist, während das Verteilungsvolumen für Harnstoff die gesamte wäßrige Phase ist.
Da die Erythrozyten-Membran einen passiven Transport von Kationen zum Ausgleich von Konzentrationsdifferenzen nicht zuläßt, muß ferner die Veränderung des Erythrozytenvolumens aufgrund von osmotischen Effekten berücksichtigt werden.
In Abhängigkeit von der Veränderung des intravasalen Blutvolumens, welches nach Formel (9) errechnet wurde, kann die Ultrafiltrationsrate bestimmt werden.
Wird zusätzlich die Blutleitfähigkeit mit Hilfe der Leitfähigkeitsmeßeinrichtung 17 stromab des Dialysators gemessen und mit Hilfe von Formel (6) die Plasmaleitfähigkeit CBo stromab des Dialysators 3 errechnet, so kann aus den HKt-Werten stromauf und stromab des Dialysators 3 und dem Blutfluß direkt die Ultrafiltrationsrate ermittelt werden.
Entsprechend den ermittelten Werten für die Veränderung des intravasalen Blutvolumens erhält die Steuereinheit 20 die entsprechenden Befehle und diese gibt ihre Signale an die Dialysierflüssigkeitsmischeinrichtung 7, die Dialysierflüssigkeitspumpe 12 bzw. die Blutpumpe 14. Damit wird die Zusammensetzung der Dialysierflüssigkeit sowie die Pumprate der Dialysierflüssigkeit und die Blutfördermenge entsprechend geregelt.
Die Natrium-Dialysance kann wie folgt ermittelt werden: Stromauf des Dialysators wird blutseitig (arteriell) ein Bolus einer hypertonen NaCl-Lösung in das Blutschlauchsystem eingespritzt. Dadurch verändert sich die Leitfähigkeitsdifferenz auf der Dialysierflüssigkeitsseite für den Zeitraum der Bolusapplikation bei Vernachlässigung der Laufzeitdifferenzen.
Das Integral über diese Leitfähigkeitsveränderung geteilt durch das Integral der Leitfähigkeitsveränderung gemessen mit Hilfe des im Blutkreislauf angeordneten Leitfähigkeitssensors (15 bzw. 17) ergibt dann direkt die Dialysance.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung des intravasalen Blutvolumens während der Hämodialyse, dadurch gekennzeichnet, daß der integrale Ionentransfer vom Blut in die Dialysierflüssigkeit durch eine Leitfähigkeitsrelativmessung bestimmt wird, wobei
  • - aus den erhaltenen Werten der Leitfähigkeitsrelativmeßanordnung und aus der Leitfähigkeit der frischen Dialysierflüssigkeit sowie dem Blutfluß und den Leistungsparametern des Dialysators die Plasmaleitfähigkeit sowie die Änderung der Plasma- und Blutleitfähigkeit ermittelt wird,
  • - aus der Änderung der Plasma- und Blutleitfähigkeit der Hämatokrit während der Dialyse ermittelt wird,
  • - aus dem Hämatokrit auf die Veränderung des intravasalen Blutvolumens geschlossen wird und
  • - in Abhängigkeit von der Veränderung des intravasalen Blutvolumens die Ultrafiltrationsrate bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit der Dialysierflüssigkeit stromauf und stromab und die Leitfähigkeit des Blutes stromauf des Dialysators gemessen wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Leitfähigkeit des Blutes stromab des Dialysators gemessen wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Blutleitfähigkeit stromauf und stromab des Dialysators die Plasmaleitfähigkeit stromab des Dialysators errechnet wird, so daß aus den Hämatokritwerten stromauf und stromab des Dialysators und dem Blutfluß direkt die Ultrafiltrationsrate ermittelt werden kann.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Hämodialyseverfahrens nach den Ansprüchen 1-4, aufweisend einen Dialysator, der durch eine Membran in zwei Kammern geteilt ist, wobei die erste Kammer in einen Dialysierflüssigkeitsweg und die zweite Kammer in einen Blutweg geschaltet ist, der Dialysierflüssigkeitsweg stromauf des Dialysators wenigstens eine Dialysierflüssigkeitsmischeinrichtung und eine Leitfähigkeitsmeßeinrichtung und stromab des Dialysators wenigstens eine Dialysierflüssigkeitspumpe und eine weitere Leitfähigkeitsmeßeinrichtung und der Blutweg wenigstens eine Blutpumpe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des Dialysators (3) eine erste Leitfähigkeitsmeßeinrichtung (15) im Blutweg (13) angeordnet und mit einer Auswerteeinheit (18) verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit (18) verfahrensgemäß die Veränderung des intravasalen Blutvolumens bestimmt und Steuereinheit (20) aus den ermittelten Werten die Unterdruckpumpe (12) bzw. Ultrafiltrationseinrichtung und/oder die Dialysierflüssigkeitsmischeinrichtung (7) entsprechend steuert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Leitfähigkeitsmeßeinrichtung (17) stromab des Dialysators (3) im Blutweg (16) angeordnet und mit der Auswerteeinheit (18) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsparameter des Dialysators (3) und die Konstanten über eine Eingabeeinheit (19) in die Auswerteeinheit (18) eingegeben werden.
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