DE3806008A1 - Kapillarfiltrations- und sammelvorrichtung und verfahren zur langzeitueberwachung von blutbestandteilen - Google Patents
Kapillarfiltrations- und sammelvorrichtung und verfahren zur langzeitueberwachung von blutbestandteilenInfo
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- B01D61/18—Apparatus therefor
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf medizinische Vor
richtungen und Verfahren zur Überwachung von physiologischen
Parametern des Körpers und insbesondere solche Vorrichtungen
und Verfahren, die geeignet sind zur Überwachung des Gehalts an
verschiedenen physiologischen Bestandteilen im Blutstrom über
einen langen Zeitraum.
6 Millionen Amerikaner leiden an Diabetes mellitus. Nach einem
bestimmten Schema ist es notwendig, daß alle diese Patienten
ihre Blutzuckergehalte überwachen, um ihre Krankheit unter
Kontrolle zu halten. Diese Überwachung wird erreicht, durch
Untersuchung des Urins, der indirekt den Blutzucker angibt,
durch Blutzuckeruntersuchungen in bestimmten Zeitabständen,
durch Blutentnahme aus der Vene oder Überwachung des Glukose
gehalts im Blut durch Blutentnahme aus der Fingerspitze und
Analyse mit Hilfe eines Teststreifens. Mit der Untersuchung des
Urins sind viele Ungenauigkeiten verbunden und viele Patienten
sind nicht bereit, eine angemessene Anzahl an Bluttests durch
zuführen aufgrund des damit verbundenen Schmerzes. Das Ergeb
nis ist, daß viele Diabetiker keine gute Einstellung des Blut
zuckers erreichen.
Es zeigt sich immer mehr, daß eine mangelhafte Einstellung des
Blutzuckers ein grundlegender Faktor für die Entwicklung von
sekundären Komplikationen bei Diabetes ist. Dieses sekundären
Komplikationen spielen eine große Rolle bei der Krankheitsent
wicklung und Mortalität. 20 bis 25% des Nierenversagens werden
durch Diabetes hervorgerufen. Etwa 5000 Diabetiker werden
jährlich blind und bei etwa 20 000 sind Amputationen notwendig.
Diabetes erhöht die Gefahr von cardiovaskulären Erkrankungen
und Diabetiker leiden an schmerzhaften und manchmal zu Arbeits
unfähigkeit führenden Neuropathien.
Die wirtschaftlichen Kosten für die Behandlung der sekundären
Komplikationen von Diabetes sind extrem hoch. Die laufenden
Kosten der Dialyse bei Nierenversagen betragen etwa 25 000
pro Patient jährlich. Die jährlichen Krankenhauskosten für
Amputationen betragen zur Zeit etwa 250 Millionen Dollar. Die
Zahlungen für Arbeitsunfähigkeit und Rehabilitation für blinde
Diabetiker kosten etwa 45 Millionen jährlich. Die besten Aus
sichten für die Verringerung der Morbidität und Mortalität von
Diabetikern liegt in technischen Entwicklungen, die eine bes
sere Einstellung des Blutzuckers ermöglichen. Insulininfusions
pumpen und die zu Hause durchführbare Fingerspitzenblutzucker
überwachung sind Schritte in diese Richtung. Die Entwicklung
einer implantierbaren Glukoseüberwachungs-Vorrichtung würde die
Blutzuckerüberwachung zu Hause einfacher, weniger schmerzhaft
und für Diabetiker annehmbarer machen. Das wäre ein wichtiger
Schritt in Richtung einer Verbesserung der Blutzuckerüber
wachung, da sie sehr viel mehr Informationen liefern würde als
sie nach jedem zur Zeit üblichen Verfahren erreichbar sind. Die
stark verbesserte Kenntnis der Blutzuckergehalte, die durch ein
implantierbares Überwachungssystem erhalten wird, würde eine
Analyse der grundlegenden kinetischen Parameter des Insulins
bei jedem Patienten ermöglichen, z. B. die Insulin-Empfind
lichkeit und Halbwertszeit. Außerdem könnte ein zuverlässiger
Langzeitglukosesensor mit automatischen Insulininfusionssyste
men, wie sie bereits verfügbar sind, kombiniert werden unter
Bildung eines "künstlichen Pancreas". Mit einer derartigen
Vorrichtung wäre es möglich, die Blutzuckergehalte innerhalb
normaler Grenzen zu halten, ohne daß der Patient stark eingrei
fen muß.
Das einzige für die stationäre Anwendung geeignete Gerät zur
konstanten Blutzuckerüberwachung auf den Markt ist der Biosta
tor von Miles Lab., Inc. Elkhart, Indiana. Dieses Gerät zieht
kontinuierlich Blut ab und überwacht die Blutzucker-Konzentra
tion und infundiert Insulin als Antwort auf den Blutzuckerge
halt. Ein derartiges Instrument ist sehr teuer und daher nur in
wenigen Krankenhäuser verfügbar. Außerdem ist, da die Biosta
tor-Vorrichtung einen kontinuierlichen Blutstrom erfordert, der
dem Patienten nicht zurückgeführt wird, die Zeit über die ein
solches Instrument angewandt werden kann, begrenzt und es
treten auch Probleme und Gefahren durch den Zugang zu den Blut
gefäßen auf.
Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um einen implan
tierbaren Glukosesensor zu entwickeln. Die meisten Versuche
nutzen eine chemische Reaktion der Glucose aus, durch die tat
sächlich die Glukose bei dem Meßverfahren verbraucht wird. So
sind sie empfindlich gegenüber dem Massenübergangskoeffizienten
von Glukose in den Sensor. Faseriges Gewebe um den Sensor ver
ändert die Eichung der Vorrichtung. Zweitens leiden solche Vor
richtungen mit Enzymkomponenten an einem Abbau des Enzyms nach
einigen Tagen der Anwendung.
Enzymatische Glukoseelektroden verwenden ein immobilisiertes
Enzym, Glukoseoxidase, das selektiv mit Glukose reagiert in
Verbindung mit einer ionenselektiven Elektrode, die die Abnahme
eines der Reaktionspartner (O2) mißt, wie angegeben von Gough
D. A. et al, "Progress toward a potentially implantable, enzyme
based glucose sensor", Diabetes Care 5:190-198, 1982 oder die
Zunahme eines der Produkte (H2O2). Die Veränderung der Spannung
oder des Stroms an der Elektrode kann angewandt werden, um
kinetische Messungen durchzuführen oder der Strom oder die
Spannung im Gleichgewicht können für Gleichgewichtsmessungen
ausgenutzt werden, wie angegeben von Guilbault G. G. in
"Enzymatic glucose electrodes". Diabetes Care, 5:181-183, 1982.
Ein elektroenzymatischer Sensor, wie er angegeben ist in Clark
et al. "Implanted electroenzymatic glucose sensors" Diabetes
Care 5,174-180, 1982 umfaßt die enzymatische Oxidation von Glu
kose durch Glukoseoxidase und die Bildung von H2O2. Das H2O2
wird voltrametisch mit einer Platinelektrode gemessen. Der
durch H2O2 erzeugte Strom ist direkt proportional der Glukose
im Blut, Plasma oder Gewebeflüssigkeit im Bereich von 0-100
mg/dl. Höheren Glukosekonzentrationen tritt eine nicht lineare
Zunahme des Stroms mit zunehmender Glukosekonzentration auf.
Ein elektrochemischer-Glukoseoxidase-Sensor der die Bildung von
H2O2 nachweist, wurde in Nadelform hergestellt und funktionierte
bis zu 3 Tagen in subkutanem Gewebe, wie es angegeben ist in
der Veröffentlichung von Shichiri M. et al, "Use of wearable
artifical pancreas to control diabetes", Progress in Artificial
Organs 782-787, 1983. Wenn dieser Sensor mit einem Mikrocompu
ter und einem Insulin-Infusions-System gekuppelt wurde, wurde
eine Glukosesteuerung erreicht, die besser war als sie mit kon
ventionellen Behandlungen erreicht werden konnte. Nach drei Ta
gen trat eine Fixierung von Proteinen und Blutkörperchen an
der Membran der Elektrode auf, was zu einer verschlechterten
Funktion führte.
Ein auf O2 emfindlicher, enzymatischer Glukosesensor, der in
eine Aterien-Venen-Verbindung eingesetzt werden kann, ist in
der folgenden Veröffentlichung angegeben: Kondo T. et al., "A
miniature glucose sensor, implantable in the blood stream",
Diabetes care 5,218-221, 1982. Dieser Sensor kann 200 Stunden
mit einem Aktivitätsverlust von 10% funktionieren. Eine
andere Veröffentlichung, nämlich Ikeda et al., "Comparison of
O2 electrode type and H2O2 electrode type as a glucose sensor
for the artificial B-cell., Prog. in Artificial Organs 773-777
1983 vergleicht die in vivo Funktion des O2-Sensors mit einer
H2O2-Elektrode in einem vaskulären Zugang und es zeigt sich,
daß die O2-Elektrode besser auf Änderungen des Blutglukose
gehalts anspricht. Dieser Sensor ist jedoch nicht praktikabel
aufgrund der erheblichen Gefäßchirurgie, die erforderlich ist,
um die Verbindung herzustellen.
Ein anderer Versuch, einen Glukosesensor herzustellen, ist ein
katalytischer Elektrodensensor auf der Grundlage der elektro
chemischen Oxidation von Glukose an einer Platinelektrode. Über
derartige Sensoren wird in den folgenden Veröffentlichungen be
richtet: Lerner H et al: "Measurement of glucose concentration
with a platinum electrode". Diabetes Care 5,229-237, 1982;
Lewandowski J. J. et al: "Amperometric glucose sensor Short term
in vivo test", Diabetes Care 5, 238-244, 1982. Die angelegte
Spannung wird verändert und der als Reaktion darauf auftretende
Strom wird gemessen. Die Strom- Spannungs-Kurve variiert mit
der Glukosekonzentration. Andere Substanzen, wie Aminosäuren
und Harnstoff können das Ausgangssignal dieses Sensors
verändern, aber die Anwendung einer kompensierten
Nettoladungsmethode zur Bewertung des Ansprechens verbessert
die Empfindlichkeit. Ein anderes Problem ist eine Veränderung
aufgrund des Verlustes der katalytischen Aktivität über die
Zeit. Insgesamt hat diese Art von Sensor nicht die Objektivität
oder Empfindlichkeit gezeigt, die erforderlich ist, für einen
anwendbaren Glukosesensor.
Verschiedene andere Technologien für Glukosesensoren hängen ab
von den chemischen oder physikalischen Eigenschaften der Glu
kose, wie ihrer Affinität zu Lectinen, wie sie beschrieben ist
in Schultz J. S. et al. "Affinity sensor: A new technique for
developing implantable sensors for glucose and other metabo
lites, Diabetes Care 5,245-253, 1982; Ihrer optischen Rotation
in Lösung, wie sie beschrieben ist in Rabinovitch B. et al.
"Non-invasive glucose monitoring of the aqueous humor of the
eye: Part I Measurement of very small optical rotations,
Diabetes Care 5, 254-258, 1982 und March W. F., et al:
Non-invasive glucose monitoring of the aqueous humor of the
eye: Part II, Animal studies and the scleral lens, Diabetes
Care 5, 259-265, 1982 oder ihrer osmotische Wirkung, wie sie
beschrieben ist in Janle-Swain E. et al. "A hollow fiber
osmotic glucose sensor", Diabetes 33: Supp. 1, 176A, 1984. Bei
diesen Vorschlägen wird keine Glukose verbraucht, sie hängen
vielmehr ab von der Glukose-Konzentration an der Stelle der
Vorrichtung, die ein Gleichgewicht mit der Gewebeglukose er
reicht. Keine dieser Vorrichtungen hat sich als vollständig
befriedigend erwiesen.
In der Studie von Schulz et al. ist ein Überwachungssystem
offenbart, das aufgrund der Fähigkeit von Glukose und einem mit
Fluorescein markierten Dextran beruht, eine Konkurrenzreaktion
mit dem Lectin Concanavalin A (Con A) einzugehen. Con A kann an
die Innenseite einer Hohlfaser gebunden werden, durch die Glu
kose diffundieren kann. Mit Fluorescein markiertes Dextran wird
zu der Innenseite der Faser zugesetzt. Die Menge an mit Fluor
escein markiertem Dextran, die von dem Con A verdrängt wird,
wird mit Hilfe eines optischen Argonlaser-Fasersystems gemes
sen. Dieses System spricht auf Unterschiede in der Glukose
konzentration in vitro an, es wurde jedoch weniger als die
theoretische Reaktion erreicht. In vitro Tests haben gezeigt,
daß das Con A 8 Tage an die Fasern gebunden bleiben kann.
Eine andere Untersuchung, von Shichiri M. et al. "Telemetry
glucose monitoring device with needle type glucose sensor: A
useful tool for blood monitoring in diabetic individuals",
Diabetes Care 9, 298-301, 1986 bestätigt, daß Messungen von
Glukose in dem subkutanen Gewebe kein ausreichendes Maß für den
Blutzuckergehalt ergeben. Diese Studie beschreibt einen Zusam
menhang bei diabetischen Patienten zwischen Gewebeglukose und
Blutglukose mit einem Korrelationskoeffizienten im Bereich von
0,89 bis 0,95. Diese Arbeit weist auf eine 5 minütige Verzö
gerung zwischen Änderungen in der Blutglukose und der Glukose
im subkutanen Gewebe hin, wobei die Gewebeglukose um 6 bis 22%
niedriger ist als die Blutglukose. Diese Abnahme der subkutanen
Glukose gegenüber der Blutglukose beruht auf dem Metabolismus
von Glukose durch das subkutane Gewebe. Der Gehalt an Glukose,
der erhalten wird, hängt ab von der metabolischen Geschwindig
keit des subkutanen Gewebes, dem Blutstrom, dem Grad des faser
igen Gewebes in dem Raum und der Flüssigkeitsübergangs-Ge
schwindikeit über die Kapillarwand.
Das Ziel aller dieser Untersuchungen war es, Sensoren für eine
permanente subkutane Plazierung zu entwickeln. Zur Zeit exi
stiert kein implantierbarer Glukosesensor, der über einen aus
gedehnten Zeitraum in vivo funktioniert. Es gibt eine Anzahl
von Sensoren, die in vitro funktionieren und einige, die einige
Tage gut in vivo funktionieren, aber es hat sich keiner über
einen längeren Zeitraum als wirksam erwiesen. Die Messung des
Blutzuckergehalts wird von diabetischen Patienten zu Hause
durch die Fingerkuppenmethode durchgeführt. Ein Tropfen Blut
wird auf einen Papierstreifen aufgebracht, der mit Glukose
oxidase und einem Chromophor imprägniert ist. Die durch die
Glukose in dem Blut hervorgerufene Farbänderung wird visuell
oder mit Hilfe eines kleinen, in der Hand gehaltenen Reflekto
meters bestimmt. Im Krankenhaus kann der Blutzucker am Bett
nach dem gleichen Fingerkuppen-Teststreifen-Verfahren durchge
führt werden, wie es für den Patienten zu Hause angewandt wird,
oder es werden Proben venösen Blutes automatisch im Labor
untersucht, wobei Glukoseanalyseneinheiten angewandt werden,
die üblicher Weise auf spektrophotometrischen und elektroka
talytischen Verfahren beruhen.
Ein Kapillarfiltrations- und Sammelsystem zum Langzeitsammeln
eines Ultrafiltrats von Blut nach einer Ausführungsform der
Erfindung umfaßt ein poröses Filter aus einem Material, das
geeignet ist, lange Zeit im Inneren des Körpers in Flüssig
keitskommunikation mit Kapillaren offen zu bleiben und eine
Porendurchlässigkeit von nicht mehr als etwa 300 000 Dalton
besitzt. Es ist ferner ein Kollektor bzw. Sammelbehälter für
das Ultrafiltrat vorgesehen, der mit dem Filter in Flüssigkeits
kommunikation verbunden ist und sich nach dem Äußeren des
Körpers hin erstreckt, wobei das Filter innerhalb des Körpers
inplantiert ist. Eine ein Vakuum erzeugende Vorrichtung ist
ebenfalls vorgesehen, um das Ultrafiltrat durch das Filter und
in die Sammelvorrichtung für das Ultrafiltrat zu ziehen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur kontinuierlichen
Überwachung des Gehaltes des Blutes an einem physiologischen
Bestandteil des Blutes. Nach einer Ausführungsform des Ver
fahrens wird ein poröses faseriges Filter innerhalb des Körpers
in Flüssigkeitskommunikation mit den Blutkapillaren implan
tiert. Eine günstige Stelle für die Implantation des Filters
ist das subkutane Gewebe, wo es Flüssigkeit durch die Kapil
larwände und durch das gelatinöse subkutane Gewebe abzieht.
Andere Möglichkeiten für die Implantation sind im Muskel der
Darmwand oder das Peritoneum. Ein Blutultrafiltrat wird aus den
Kapillaren filtriert, indem ein negativer Druck im Inneren des
porösen Filters erzeugt wird, der dafür sorgt, daß das
Ultrafiltrat durch Konvektion aus den Kapillaren durch das
Filter mit der gewünschten Fließgeschwindigkeit hindurchfließt.
Das Ultrafiltrat wird dann in einem Reservoir gesammelt, das
sich außerhalb des Körpers befindet, von wo es periodisch
entfernt wird, um eine chemische Messung eines physiologischen
Bestandteils, wie Glukose, in dem Ultrafiltrat zu ermöglichen.
Wahlweise wird Flüssigkeit abgezogen und sofort in eine Meß
vorrichtung überführt.
Die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung führen zu
einer einzigartigen Lösung des Problems der kontinuierlichen
Blutzuckermessung. Bei anderen Versuchen bei der Entwicklung
eines implantierbaren Glukosemonitors sollte das gesamte System
implantierbar gemacht werden. Dadurch daß das System zum Ab
ziehen der Flüssigkeit intern und das Meßsystem extern ist,
werden viele der Probleme überwunden, die bei einem vollstän
dig implantierbaren System auftreten und die Möglichkeiten für
die Glukosemessungen werden vermehrt. Zu diesen Möglichkeiten
gehören das optische Teststreifenverfahren zur Messung von
Glukose. Derartige Verfahren, die weit entwickelt sind, er
fordern verbrauchbare Mengen (an Blut) und sind gut geeignet
zur Anwendung in einem externen System. Es gibt auch andere
Möglichkeiten für externe Meßsysteme, wie die Anwendung von
katalytischen Enzymelektroden. Diese besitzen eine begrenzte in
vivo Lebenszeit, die ihre wirksame Verwendung in einem implan
tierbaren Sensor begrenzt, sie können jedoch bei der äußeren
Anwendung leicht ersetzt werden. So können sie, wenn sie er
findungsgemäß angewandt werden als geeignete Alternative für
Papierstreifen zur Glukosemessung außerhalb des Körpers ange
wandt werden.
Das implantierbare Fasersystem nach der Erfindung besitzt eine
große potentielle Anwendungsmöglichkeit für Diabetiker zur
Selbstüberwachung der Glukosegehalte zu Hause. Patienten können
ihren Glukosegehalt zu Hause messen unter Anwendung üblicher im
Handel erhältlicher Streifen und Reflektometer und zwar bis zu
6mal in der Stunde, ohne daß die Notwendigkeit besteht, sich
selbst zu stechen und Blut zu entnehmen. Wahlweise kann der
Patient den Probensammler bzw. Kollektor tragen bzw. anschlie
ßen, der Proben über einen Zeitraum von 3 bis 5 Stunden sam
melt. Flüssigkeitsproben in dem Kollektor können zu einer
günstigen Zeit, entweder von dem Patienten oder in der Praxis
des Arztes untersucht werden. Der Kollektor kann mit einem
optischen Überwachunssystem verwendet werden, das in der
Entwicklung ist und das automatisch Proben entnimmt und
untersucht und die Probe mathematisch in Beziehung zu der
Sammelzeit setzt. Manuelle Analysen von Proben aus dem
Kollektor sind auch möglich nach üblichen Verfahren. Die
Schmerzlosigkeit eines solchen Überwachungssystems eröffnet die
Möglichkeit einer besseren Steuerung des Diabetes, da es
vermutlich zuverlässiger angewandt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch in der Klinik
angewandt werden. Eine Version für die Intensivpflege könnte
Glukosemessungen kontinuierlich durchführen, unter Anwendung
eines gleichartigen implantierbaren Filters, wie es bei ambu
lanten Patienten angewandt wird. Da nur kleine Mengen Ultra
filtrat für die Analyse der Glukosegehalte nach der Erfindung
erforderlich sind und da die Vorrichtung sich nicht innerhalb
der Blutgefäße befindet und da keine roten Blutkörperchen ver
loren gehen, stellt die einzige Grenze für die Zeitdauer, über
die die erfindungsgemäße Vorrichtung angewandt werden kann, die
Lebensdauer der Filtereinheit im Körper dar. Da das Filtrat
eine klare Flüssigkeit und nicht Blut ist, ist die chemische
Analyse leichter. Ein automatischer Glukosemonitor zum
klinischen Gebrauch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wäre weniger kompliziert und daher weniger teuer
als Glukoseüberwachunssysteme mit Hilfe kontinuierlicher Blut
entnahme über die Vene, wie die Biostator-Vorrichtung, wodurch
das System für mehr Krankenhäuser erschwinglich würde. Eine
solche Vorrichtung kann identisch sein mit einer solchen wie
sie für die intermittierende Analyse von Proben aus dem oben
angegebenen Sammel-Reservoir angewandt wird.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine verbesserte Steuerung
des Blutzuckers gegenüber der derzeitigen klinischen Praxis der
Blutentnahme aus der Vene oder aus der Fingerkuppe bei der
Überwachung der Glukose bei Diabetes. Die Glukoseüberwachung
kann nahezu in jedem beliebigen Zeitintervall durchgeführt
werden. Die Unannehmlichkeit des wiederholten Einstichs in die
Vene oder Fingerkuppe wird vermieden ebenso wie das Erfordernis,
daß das Laborpersonal in bestimmten Zeitabständen den Patienten
aufsucht, um Blut zu entnehmen. Außerdem tritt keine Verzö
gerung auf, wie dies der Fall ist, wenn die Glukosekonzen
tration im Labor bestimmt wird. Entscheidungen über die Be
handlung können sehr viel schneller getroffen werden und die
Zeit, die erforderlich ist, um eine gute Glukoseeinstellung zu
erzielen, wird verkürzt. Eine verbesserte Einstellung führt in
den meisten Fällen zu einer beschleunigten Genesung und ver
kürzt die Aufenthaltsdauer im Krankenhaus. Eine wirksame Mög
lickeit, die Daten zu speichern und abzurufen würde ebenfalls
bedeuten, daß die Information leicht zugänglich ist, wann immer
sie erforderlich ist.
Neben der Überwachung von Glukose kann die vorliegende Erfin
dung auch geeignet sein zur Überwachung und Messung des Ge
haltes an anderen physiologischen oder pharmakologischen Sub
stanzen im Blut. Einige Voruntersuchungen haben gezeigt, daß
Natrium und Kalium unter Anwendung der Kapillarfiltration und
Sammeltechnik nach der Erfindung überwacht werden können. Die
Messung von BUN-, Drogen- oder Hormongehalten und kapillaren
Blutgasen (CO2 und O2) sind andere mögliche Anwendungsgebiete
für einen Kapilllarfiltratkollektor. Solche Systeme wären sehr
kosteneffektiv und würden eine nahezu konstante klinische Über
wachung ermöglichen, ohne die Notwendigkeit in bestimmten Zeit
abständen Venenblut zu entnehmen. Die erfindungsgemäße Vorrich
tung kann besonders angewandt werden bei Neugeborenen oder pä
diatrischen Patienten, wo die Blutentnahme schwierig ist und
Erfahrung verlangt. Es ist folglich Aufgabe der Erfindung, ein
verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des
Blutgehaltes an einem physiologischen Bestandteil des Blutes
zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren beispielhaft
erläutert.
Fig. 1 zeigt einen auseinandergezogenen Aufriß der
Kapillarfiltervorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 1a ist eine vergrößerte auseinandergezogene
perspektivische Ansicht und zeigt einen Ausschnitt der in der
Figur angegebenen Fasern;
Fig. 1b ist eine vergrößerte auseinandergezogene perspek
tivische Ansicht und zeigt eine Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Filters mit zwei Fasern in Schleifenanordnung;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht der Kapillarfiltervor
richtung, wobei der Filterteil sich innerhalb eines Körpers
befindet und die Vorrichtung mit einem schlangenförmigen
Rohr-Kollektor und einer Spritze, die den Kollektor eva
kuiert, versehen ist;
Fig. 3 und 4 sind Diagramme, die die Beziehung zwischen der
Blutglukose und der Gewebeglukose zeigen, wie sie bei Versuchs
tieren unter Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gefun
den wurde;
Fig. 5 bis 7 zeigen aufeinanderfolgende Zustände bei der Im
plantation;
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Kapillarfilter
vorrichtung, wobei der Filterteil sich innerhalb eines Körpers
befindet und die Vorrichtung mit einer Rollpumpe versehen ist;
Fig. 9 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht
und zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters
mit zwei flachen Membranen.
Zur Erleichterung des Verständnisse der Prinzipien der Er
findung wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellten Aus
führungsformen Bezug genommen und es wird eine spezielle
Terminologie angewandt, um diese zu beschreiben. Selbstver
ständlich liegen solche Veränderungen, Modifikationen und
andere Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Prinzipien im
Rahmen der Erfindung.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung zur Lösung des Pro
blems einer langandauernden Glukoseüberwachung besteht darin,
einen negativen Druck an Ultrafiltrationsfasern anzulegen, die
in interstitiellen Räumen, wie subkutanes Gewebe implantiert
sind und Plasma-Ultrafiltrat aus den Blutkapillaren in der
Region um die Fasern herum abzuziehen. Die Fasern entfernen das
Plasma-Ultrafiltrat durch Konvektion. Die Flüssigkeit verläßt
schnell die Blutkapillaren, durchdringt den interstitiellen
Raum zwischen den Kapillaren und dem Faserfilter und tritt in
das Filter ein.
Bei dem konvektiven Übergang von Flüssigkeit durch Membranen
bleiben Chemikalien, die kleiner sind als die Porendurchläs
sigkeit der Membranen in der gleichen Konzentration auf jeder
Seite der Membran. Die Porendurchlässigkeit der Blutkapillaren
beträgt etwa 50 000 Dalton. Wenn daher eine Faser mit einer
Porendurchlässigkeit von 30 000 Dalton angewandt wird, treten
niedermolekulare, nicht an Protein gebundene Chemikalien, wie
Glukose, Natrium, Kalium, Harnstoff, Kreatinin, O2, CO2 usw. in
der gleichen Konzentration wie im Blut in das Ultrafiltrat
über. Die Durchgangsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch das
interstitielle Gewebe ist ausreichend groß, daß ein
Metabolismus der Chemikalien durch das interstitielle Gewebe
nicht zu einer deutlichen Abnahme der Konzentration an Glukose
oder anderen Chemikalien führt. Jüngere Untersuchungen zeigen,
daß Fließgeschwindigkeiten zwischen etwa 20 bis 500 µl/h für
diesen Zweck annehmbar sind.
Eine erste Ausführungsform der Kapillarfiltrations-Vorrichtung
10 nach der Erfindung ist in den Fig. 1 und 1a angegeben.
Allgemein umfaßt die Vorrichtung 10 ein Filter 11, bestehend
aus einer oder mehreren Filterfasern 16, die mit einem Leitrohr
12, das als Mittel zum Sammeln der Ultrafiltratsflüssigkeit
dient, die durch das Filter 11 aus dem Äußeren des Körpers
austritt, verbunden sind. Das Leitungsrohr 12 besteht aus einem
kurzen Abschnitt 13 aus Silicon oder Polyurethan, der geeignet
ist ins Innere des Körpers zu ragen und einem längeren Ab
schnitt 14 aus Polyvinylchlorid (PVC), der geeignet ist, sich
nach dem Äußeren des Körpers hin zu erstrecken. Ein starres
Metallrohr 15 mit einer verhältnismäßig kurzen Länge erstreckt
sich innerhalb des Silicon-Rohrabschnitts 13 und des PVC-
Rohrabschnitts 14 an ihrer Verbindung und dient dazu, zu
ermöglichen, daß die Silicon- und PVC-Rohrabschnitte heiß
miteinander versiegelt werden, ohne daß das Volumen der Rohre
bzw. des Schlauchs zusammenfällt.
Wie in Figur 1a deutlich zu sehen ist, besteht bei einer Kon
figuration das Filter 11 aus drei länglichen Ultrafiltrations
fasern 16 in Form von Hohlröhren. Eine alternative Ausführungs
form nach der Erfindung ist in Fig. 1b gezeigt und umfaßt eine
Filterkonfiguration 11′ aus zwei länglichen Ultrafiltrationsfa
sern 16 deren Enden mit Hilfe eines Klebemittels im Inneren des
Rohrabschnitts 13 befestigt sind unter Bildung einer Schleife.
Diese alternative Konfiguration macht den implantierten Teil
der Vorrichtung kürzer und erhöht daher die Akzeptans durch den
Patienten. Die Schleifenkonfiguration hält auch die Fasern
leicht voneinander entfernt und erhöht daher die Oberfläche,
die dem Gewebe ausgesetzt ist. Die Fasern 16 sind an ihren
proximalen Enden mit Hilfe eines Klebemittels im Inneren des
Lumens des Rohrabschnitts 13 befestigt.
In Fig. 1a sind bei einer länglichen Filterkonfiguration die
distalen Enden der Fasern 16 miteinander verschweißt, während
die proximalen Enden mit dem Lumen des Rohrabschnitts 13 durch
ein Epoxy- oder Polyurethanklebemittel verbunden sind. Eine
Manschette 17 ist um den Siliconrohrabschnitt 13 an der Ver
bindung der Fasern 16 mit dem Rohrabschnitt 13 befestigt. Der
Zweck der Manschette 17 besteht darin, zu ermöglichen, daß Ge
webe in die Manschette wächst und einen Durchgang für Bakterien
durch die Haut um die Vorrichtung herum verhindert und auch als
Verankerungsmittel, um die Vorrichtung nach Entfernung der Naht
im Körper festzuhalten. Die Manschette 17 besteht vorzugsweise
aus einem Material das das Einwachsen von Fibroblast und Faser
gewebe erleichtert. Geeignete Materialien sind Dacron, PTFE und
texturiertes Polyurethan.
Der Zweck der Silicon- (oder Polyurethan-) und PVC-Abschnitte
des Rohrs besteht darin, daß es sich gezeigt hat, daß sich Si
liconschläuche besser mit der Manschette 17 und den Fasern 16
verbinden lassen als PVC-Schläuche und eine bessere Bioverträg
lichkeit der Vorrichtung in dem Körper ergeben. Der PVC-
Schlauch ist bevorzugt für den Rest des Führungsrohrs, da er
ausreichend starr ist, so daß er unter negativem Druck während
der Anwendung nicht zusammenfällt, während er auch eine gute
Flexibilität und geringe Permeabilität für Luft besitzt, wenn
er unter Vakuum steht. Er dient auch als Pumpsegment für eine
Rollpumpe, die ein Verfahren zur Erzeugung eines Vakuums zur
Entfernung der Flüssigkeit darstellt.
Am proximalen Ende des Schlauchabschnitts 14 befindet sich eine
4,6 µm (18 gauge) Hohlnadel 19 und eine Lagerbüchse 20, die
dazu dienen, das Ultrafiltrat von dem Führungsrohr in ein
geeignetes Reservoir oder eine chemische Analysiervorrichtung
zu führen.
Ein negativer Druck zur Entfernung der Ultrafiltratflüssigkeit
kann erreicht werden durch Evakuieren der Luft aus dem
Führungsschlauch 12 mit einer Spritze (Fig. 2) oder einem
vorher evakuierten starren Behälter, wie einem "Vacutainer"-
Rohr. Wahlweise kann die Flüssigkeit entfernt werden durch Ein
setzen eines Segments des Schlauchabschnitts 14 in eine Roll
pumpe 21, wie in Fig. 8 angegeben, die die Flüssigkeit in ein
Reservoir 21 oder in eine chemische Analysevorrichtung pumpt.
Eine geeignete Rollpumpe für diesen Zweck ist eine peristal
tische Rollpumpe, wie sie hergestellt wird von Cormed, Inc. of
Medina, New York. Diese Pumpe erzeugt ein Vakuum von über 931
mbar (700 mm Hg). Für den ambulanten Krankenhauspatienten oder
für die Anwendung zu Hause ist jedoch ein Abzugssystem, das nur
auf Vakuum beruht, bevorzugt, da die Notwendigkeit von Pumpen
und eine damit verbundene Kraftzufuhr, wie elektrische Bat
terien vermieden wird.
Bei hohen negativen Drücken (-400 bis -1000 mbar ( -300 bis
-750 mm Hg)) enfernt die Vorrichtung etwa 10 Volumina/Gas/Vo
lumen/Flüssigkeit aus dem subkutanen Raum. Es hat sich bei
Tierversuchen mit dieser Vorrichtung gezeigt, daß, wenn das
Lumen des Leitungsrohrs 12 ausreichend klein ist, die Ultra
filtratflüssigkeit, die durch das Rohr hindurchgeht, in Form
einzelner Tropfen vorliegt, die von Luft getrennt werden. Ein
Rohr mit einem Durchmesser von weniger als etwa 0,29 mm (0,115
inch) sollte für diesen Zweck geeignet sein, während ein
innerer Durchmesser von 0,114 bis 0,14 mm (0,045 bis 0,055
inch) bevorzugt ist. Dieses Phänomen ist nützlich bei Unter
suchungen der Leitungszeit der Flüssigkeitsproben auf der
Grundlage ihrer Lage innerhalb der Länge des Rohrs. Außerdem
beschleunigt Gas den Durchgang von Flüssigkeitsproben durch das
Leitungsrohr.
Eine Sammelvorrichtung für Flüssigkeit ist in Fig. 2 gezeigt,
die ein Vakuum liefert zur Entfernung des Filtrats und die
Trennung von Flüssigkeitsproben in dem Leitungsrohr 12 aufrecht
erhält. Mit Hilfe einer mathematischen Analyse kann später das
Verhältnis zwischen der Zeit und der Lage der Probe am Ende der
Verwendung des Kollektors bestimmt werden. Wie in Fig. 2 ge
zeigt, umfaßt der Kollektor 22 eine Spirale aus einem flexiblen
Kunststoff 23 mit einem Lager 25, das die Nadel 19 an einem En
de aufnimmt und einer Injektions/Entnahmeöffnung 26 am äußeren
Ende. Das Lager 25 und die Öffnung 26 sind nach bekannter Weise
aufgebaut. Der Schlauch 26 ist auf einer Schicht eines transpa
renten Klebebands 28 aufgerollt und an der anderen Seite mit
einer anderen Schicht Klebeband bedeckt. Das Band stabilisiert
den Schlauch und verringert den Durchgang von Luft in den
Schlauch. Wenn der Kollektor mit dem Leitungsrohr 12 durch
Einsetzen der Nadel 19 in das Lager 25 verbunden ist, kann der
Kollektor mit einer Spritze 30 über die Öffnung 26 evakuiert
werden, um einen negativen Druck zum Abziehen der Flüssigkeit
zu erzeugen. Wenn der Kollektor 22 gefüllt ist, kann er ent
fernt und durch einen neuen Kollektor ersetzt werden, Proben
der Ultrafiltration können aus dem Kollektor entnommen werden
durch die Injektionsöffnung 26.
Die Beziehung zwischen der Lage der Probe innerhalb des schlan
genförmig aufgerollten Schlauchs 23 und der Zeit hängt ab von
dem Verfahren der Vakuumerzeugung. Wenn eine Rollpumpe an dem
Schlauchabschnitt 14 bei offenem Ausgang 26 angewandt wird, ist
der negative Druck gleichmäßig über die Zeit. Das führt zu
einer linearen Beziehung zwischen der Probenstellung und der
Zeit. Wenn die einzige Quelle des negativen Drucks im
Evakuieren der Luft aus dem aufgewickelten Schlauch besteht,
nimmt der Vakuumdruck mit der Zeit ab. Die kleinen
Flüssigkeitsproben werden schneller gesammelt, wenn der
Kollektor zunächst angeschlossen und evakuiert wird und
langsamer, wenn das Vakuum logarythmisch über die Zeit abnimmt.
Die Beziehung zwischen Zeit und Probenlage kann jedoch
mathematisch bestimmt werden.
Zwei unterschiedliche Arten von Ultrafiltrationsfasern wurden
an Labortieren untersucht. Die erste Art waren Polyacrylnitril
(PAN) AN-69-Fasern, wie sie in klinischen Filterdialysatoren von
Rhone Poulenc Industries, Frankreich verwendet werden. Diese
Fasern besitzen homogene Wände mit einem Molekulargewichts-
Schnitt 30 000 Dalton und eine Filtrationsgeschwindikeit von 20
ml/h · m² · mm Hg. Die zweite Art von Fasern, die untersucht
wurden, sind P-100 Polysulfonfasern der Amicon Corporation of
Danvers, MA. Die Amicon-Sulfonfasern kommen in verschiedenen
Dimensionen mit unterschiedlichen Molekulargewichts-Schnitt
vor. Diese Fasern besitzen eine poröse, dünne, 1 bis 2 µm dicke
Haut auf der luminalen (innere) Seite der Fasern und eine porö
se rauhe Außenseite. Aufgrund der Probleme des Brechens bei den
Amicon-Sulfonfasern nach der Implantation sind die PAN-Fasern
bevorzugt. Festere Polysulfonfasern als die Amicon-Polysulfon
fasern, die früher benutzt wurden, und Fasern mit einer glatten
äußeren Haut werden hergestellt von A/G Technology Corporation
of Needham, MA. Es wird angenommen, daß andere Arten von Poly
merhohlfasern ebenfalls angewandt werden können, wie z. B.
Polypropylen- oder Polycarbonatfasern.
Vorzugsweise sollte der Molekulgewichts-Schnitt der Faser
weniger als etwa 300 000 Dalton betragen, um Fibrinogenpro
teinmoleküle von dem Ultrafiltrat auszuschließen, was anderer
seits eine Klumpenbildung in dem Leitungsschlauch fördern
würde. Wenn ein optisches Überwachunssystem zur Messung der
Glukose angewandt wird, sollte der Molekulargewichts- Schnitt
weniger als etwa 60 000 Dalton betragen, um Hämoglobin von dem
Ultrafiltrat auszuschließen. Da das Molekulargewicht von
Glukose etwa 180 beträgt, kann der Molekulargewichts-Schnitt
der Faser so klein wie 1000 bis 2000 Dalton sein, ohne den
Durchgang der Glukose durch die Faser negativ zu beeinflussen.
Bei Molekulargewichts-Schnitten von 30 000 bis 50 000 Dalton
können jedoch andere Moleküle, wie Harnsäure, Vitamin B12,
Insulin usw. in dem Filtrat gemessen werden. Ein Molekularge
wichts-Schnitt im Beriech von 30 000 bis 50 000 Dalton ist aus
diesem Grunde geeignet.
Auf dem Gebiet der Blutfiltration ist es bekannt, daß, wenn
Proteine durch eine Membran ausgeschlossen werden, Schichten
von Protein sich auf der Blutseite der Membran bilden und den
Durchfluß der Flüssigkeit verringern. Die Stabilität der
Geschwindigkeit der Flüssigkeitsentfernung für die bekannten
Vorrichtungen betrug 3 bis 29 Tage von der Implantation an. In
den interstitiellen Körperzwischenräumen dient das Lymphsystem
zur Entfernung von überschüssigem Protein aus der Umgebung um
die Fasern und hält die Durchflußgeschwindigkeit des Filtrats
konstant.
Die Anzahl, Größe und Länge der Fasern kann auch innerhalb be
stimmter Grenzen variieren. Z. B. wurde bei Polysulfonfasern
aufgrund deren Dicke nur eine Faser angewandt. Wenn wesentlich
dünnere Fasern, wie die PAN-Fasern verwendet werden, ist es
möglich, die Anzahl der Fasern, die angewandt werden, zu er
höhen, um die Fließgeschwindigkeit des Ultrafiltrats zu erhöhen
und es noch zu ermöglichen, daß die Fasern über eine Hohlnadel
subkutan implantiert werden. Es wurden Polysulfonfasern mit
Längen von etwa 20 bis 25 cm verwendet. Für die PAN-Fasern hat
es sich gezeigt, daß eine Länge von 17 cm annehmbare Fließge
schwindigkeiten ergibt. Es ist auch möglich, die Konfiguration
des Filters von Hohlfasern zu anderen Konfigurationen, wie
flachen Polymermembranen 16, wie sie in Fig. 9 gezeigt sind,
zu veränderen, die zusammen geklebt oder auf andere Weise ent
lang des Randes miteinander verbunden sind, um zweiseitige
Membranfilter zu ergeben.
Die Fließgeschwindigkeit des Ultrafiltrats hängt von einer
Anzahl Faktoren ab, einschließlich der Größe und Konfiguration
des Filters und der Stärke des angelegten Vakuums. Die erfor
derliche Größe der Ultrafiltratprobe für ein bestimmtes Be
stimmungsverfahren bestimmt die gewünschte Durchflußgeschwin
digkeit und das Vakuum. In einem gewissen Maß hängen die Fak
toren ihrerseits davon ab, ob die Vorrichtung zu Hause zur
periodischen Glukoseüberwachung oder zur kontinuierlichen
Überwachung im Krankenhaus angewandt wird. Da die meisten
Glukoseanalyseverfahren eine Probengröße von mindestens 5 µl
erfordern und da eine kontinuierliche Glukoseüberwachung für
stationäre Patienten, verbunden mit einer automatischen In
sulininfusion es erforderlich macht, mindestens alle 15 min
Proben zu sammeln, ist es vorgesehen, daß (in diesem Falle) die
minimale Durchflußgeschwindigkeit 20 µl/h beträgt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde erfolgreich in vivo bis
zu 39 Tagen an diabetischen Hunden getestet. Glukosegehalte in
dem Ultrafiltrat wurden mit Glukosegehalten im Venenblut ver
glichen und stimmten sehr gut überein. Die Fig. 3 und 4 sind
Diagramme, die die Abhängigkeit zwischen Blutglukose und Fil
tratglukosegehalten zeigen, wie sie bei zwei Versuchshunden
unter Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhalten
wurde. Bei beiden Versuchen wurden PAN-Fasern als Filtermedium
angewandt. Filtratflüssigkeitsproben wurden über 1 1/2 Stunden-
Intervalle gesammelt. Die Blutproben wurden entweder am Ende
der Filtratsammelzeit oder mitten während der Sammelzeit
entnommen. Die Glukose wurde mit Hilfe von Blutglukosetest
streifen und einem Reflektometer bestimmt. Die Regressions
analyse von Glukose im Blut und im Ultrafiltrat ergab Kor
relationskoeffizienten von r=0,840 bis 0,878, p=0,000.
Ein Verfahren des Einsatzes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
für eine Langzeitüberwachung von Blutzucker bei einem Patienten
wird folgendermaßen durchgeführt. Zwei kleine Skalpelleinschnitte
in einem Abstand, der ungefähr der Länge der Fasern entspricht,
werden in der Haut 31 eines lokal anästhesierten Patienten an
einer geeigneten subkutanen Stelle, wie am Bein, der Gesäßbacke,
der Bauchdecke oder dem Arm des Patienten angebracht. Eine
hohle Einführungsnadel 31 wird durch den proximalen Einschnitt
(Fig. 5) vorwärts geschoben und durch das subkutane Gewebe
geführt, bis das distale Nadelende aus der Haut durch den
distalen Einschnitt austritt (Fig. 6). Der Faserfilterteil 11
der Vorrichtung 10 wird dann in das Innere der Hohlnadel 32
eingeführt, bis die Muffe 17 das proximale Ende der Nadel
errreicht. Wenn die Nadel herausgezogen wird, befindet sich das
distale Ende der Muffe nahe der Haut.
Wenn die Fasern einer stärkeren Beanspruchung nicht gewachsen
sind, kann es sein, daß es nicht möglich ist, sie direkt in die
Hohlnadel 32 einzuführen. Es kann jedoch eine Nylonschlinge an
dem distalen Ende der Fasern befestigt werden und ein Nahtfaden
an der Schlinge befestigt werden, um beim Vorwärtstreiben der
Fasern in der Hohlnadel zu helfen. Während die Vorrichtung 10
an der Stelle festgehalten wird, wird die Nadel dann aus der
Haut von dem distalen Einschnitt aus herausgezogen, wobei die
Fasern, die Muffe und der distale Teil des Leitungsschlauchs in
dem subkutanen Gewebe implantiert werden (Fig. 7). Wenn die
Fasern einmal implantiert sind, können das Nahtmaterial und die
Schlaufe abgeschnitten und entfernt werden. Eine Hautnaht hilft
den Einschnitt über der Muffe zu schließen, auf ähnliche Weise
wie für peritoneale Tenckhoff-Katheder. Diese Naht wird ent
fernt, nachdem sich die Lage der Muffe stabilisiert hat durch
Einwachsen von faserigem Gewebe in die Muffe.
Ein alternatives Einsetzverfahren ist für die in Figur 1b
gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
schlingenförmigen PAN-Fasern und einer solchen Muffe möglich,
die es erlaubt, die Vorrichtung ins Innere einer 2,8 µm (11
gauge) dicken, 8 cm langen Hohlnadel einzuführen. Bei dieser
Ausführungsform wird die Nadel subkutan durch einen einzigen
kleinen Einschnitt vorwärts bewegt. Nach vollständigem Ein
dringen in das subkutane Gewebe wird die Nadel entfernt,
während die Vorrichtung an ihrer Stelle bleibt.
Nach der Implantation nach einem der oben beschriebenen Ver
fahren wird eine Vakuum erzeugende Kraft auf den Leitungs
schlauch ausgeübt, entweder mit Hilfe einer Rollpumpe oder
durch Evakuieren der Luft im Inneren eines Probenkollektors mit
einer Spritze (Fig. 2). Dann beginnt Flüssigkeit aus den Blut
kapillaren im Bereich um die Fasern durch Konvektion und Fil
terwirkung in die Fasern einzudringen. Die Ultrafiltratflüssig
keit fließt durch den Hohlraum im Inneren der Fasern und in den
Leitungsschlauch, um außerhalb des Körpers in dem Kollektor 22
gesammelt zu werden. Das Sammeln des Ultrafiltrats zur Messsung
des Glukosegehalts kann nahezu mit jedem üblichen bekanntem
Verfahren zur Messung der Glukosekonzentration in einer Flüs
sigkeit durchgeführt werden. Wenn eine verhältnismäßig geringe
Häufigkeit der Probenentnahme erwünscht ist, wie bei Anwen
dungen zu Hause, können Standardteststreifen für Glukose ange
wandt werden. Bei diesen Meßverfahren wird das Ultrafiltrat auf
einen Papierteststreifen, enthaltend Glukoseoxidase und einen
Chromophor aufgebracht. Die Geschwindigkeit der Farbänderung
des Teststreifens ist eine Funktion der Glukosekonzentration
und wird gemessen durch Transmissionspektrophotometrie mit
einem Reflektometer. In Krankenhäuser können kompliziertere
Meßvorrichtungen zur Verfügung stehen, wie automatische
Glukoseanalysatoren unter Anwendung von spektrophotometrischen
oder elektrokatalytischen Analyseverfahren und diese können
daher angewandt werden.
Die Erfindung, die anhand der Zeichnungen beispielhaft be
schrieben wurde, kann z. B. auch vorteilhaft angewandt werden
zur Überwachung einer ganzen Reihe physiologischer Variablen
entweder zu Hause oder im Krankenhaus. Die klinische Über
wachung kann für viele Variablen durchgeführt werden. Bei
diesen Überwachungen können einzelne Moduln für jede Variable
zur Verfügung gestellt werden. Der Arzt kann bestimmen, welche
Variablen gemessen werden sollen und die entsprechenden Moduln
können in das Flüssigkeit-abziehende System eingebaut werden.
Um die Gefahr des Zurückfließens von Luft in den Schlauch zu
vermeiden, so wie den Eintritt von in der Luft vorhandenen
Bakterien, ist es vorgesehen, daß ein bakteriologisches Filter
angewandt wird, um nur gefilterte Luft in das System eintreten
zu lassen.
Um eine automatische kontinuierliche Analyse von Blutzucker in
dem Filtrat zu ermöglichen, kann eine Vorrichtung entwickelt
werden, um die Glukosekonzentration der filtrierten Flüssigkeit
zu messen. Eine solche Vorrichtung ist sowohl für die Anwendung
zu Hause, als auch in der Klinik geeignet. In einer solchen
Vorrichtung kann eine Rollpumpe angewandt werden, um konti
nuierlich die Flüssigkeit aus der Faser oder dem Sammelreser
voir abzuziehen. Bei Patienten im kritischen Zustand kann das
Kapillarultrafiltrat direkt in eine Analysevorrichtung geführt
werden zur Echtzeit-Glukoseüberwachung. Für den stationären
Patienten, der nicht an′s Bett gefesselt ist, kann die Flüssig
keit in dem Reservoir gesammelt und in beliebigen Intervallen
analysiert werden, um die Entwicklung der Glukosegehalte zu
überwachen (recent history of glucose levels). Diese Informa
tion kann elektronisch auf ein Computerprogramm zur Datenver
arbeitung übertragen werden. Für die Anwendung zu Hause kann
der Patient die Möglichkeit der manuellen Untersuchung der
letzten Probe haben oder das Reservoir kann entfernt und in
einen Glukoseanalysator gegeben werden, den der Patient mit
nach Hause bekommen hat, wodurch er nicht nur den derzeitigen
Glukosegehalt erfährt, sondern auch die Entwicklung der Glu
kosegehalte seit der letzten Analyse oder wahlweise kann der
Patient die Probenkollektoren zum Arzt bringen für eine auto
matische Untersuchung. Sowohl zu Hause als auch in der ärzt
lichen Praxis kann die Information elektronisch festgehalten
werden zur Übertragung der Daten des Patienten auf einen
Computer. Die vorliegende Erfindung liefert wesentlich mehr
Informationen über die chemischen Veränderungen des Patienten
als je bisher durch Blutentnahme aus der Vene oder der Finger
kuppe möglich war. Diese verstärkte Information erlaubt eine
bessere Behandlung und Steuerung vieler klinischer Zustände.
Claims (20)
1. Kapillarfiltrations- und Sammelvorrichtung zur Überwachung
eines physiologischen Bestandteils des Blutes, aus
einem Filtrationsmittel zur Gewinnung eines Plasma-Ultrafil
trats aus Blutkapillaren in einem interstitiellen Raum inner
halb des Körpers, umfassend ein poröses Filter aus einem
Material, das ein Langzeitverweilen im Körper erlaubt, wobei
das Filter innerhalb des Körpers in Flüssigkeitskommunikation
mit Blutkapillaren in dem interstitiellen Raum steht und einer
Porendurchlässigkeit von nicht mehr als etwa 300 000 Dalton
besitzt;
einem Ultrafiltratkollektor, umfassend einen länglichen Schlauch, der mit dem Filter in Flüssigkeitkommunikation verbunden ist und sich nach dem Äußeren des Körpers hin er strecken kann, wenn das Filter innerhalb des Körpers im plantiert ist, und
einem einen negativen Druck erzeugendes Mittel, um das Plasma- Ultrafiltrat durch das Filter zu saugen und in dem Ultrafil tratkollektor zu sammeln.
einem Ultrafiltratkollektor, umfassend einen länglichen Schlauch, der mit dem Filter in Flüssigkeitkommunikation verbunden ist und sich nach dem Äußeren des Körpers hin er strecken kann, wenn das Filter innerhalb des Körpers im plantiert ist, und
einem einen negativen Druck erzeugendes Mittel, um das Plasma- Ultrafiltrat durch das Filter zu saugen und in dem Ultrafil tratkollektor zu sammeln.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Filter eine oder mehrere polymere Hohlfasern umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung mehrere polymere flache Membranen umfaßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Filter 2 bis 7 Fasern umfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Filter 2 Fasern umfaßt, die Schlingen bilden und sich von
dem Ultrafiltratkollektor aus erstrecken.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Filter eine poröse Außenseite mit einer Porendurchlässig
keit von nicht mehr als 100 000 Dalton besitzt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Filtermittel geeignet ist, ein Plasma-Ultrafiltrat und Gas
von den Blutkapillaren in einem interstitiellen Raum innerhalb
eines Körpers abzufiltrieren.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Filter und das einen negativen Druck erzeugende Mittel ge
eignet sind, das Plasma-Ultrafiltrat und Gas durch das Filter
in den Ultrafiltratkollektor mit einem Volumenverhältnis von
Gas zu Ultrafiltrat von ungefähr 10:1 zu filtrieren.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Filter eine Porendurchlässigkeit von nicht mehr als 50 000
Dalton und nicht nicht weniger als 1000 Dalton besitzt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Porendurchlässigkei 30000 bis 50000 Dalton beträgt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
sie zusätzlich aufweist
ein Mittel zur Sicherung der Lage des Filters im Inneren des
Körpers, umfassend eine poröse oder texturierte Muffe, die um
den Schlauch herumgeht und mit dem angrenzenden Körpergewebe
verträglich ist und ein Einwachsen von faserigem Gewebe ermög
licht, wenn sie an dieses angenäht ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Schlauch einen inneren Durchmesser besitzt, der den Durch
gang von Plasma-Ultrafiltrat in einzelnen Flüssigkeitstropfen
erlaubt, die durch Gas voneinander getrennt sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
der innere Durchmesser weniger als 0,3 cm (0,115 inch) beträgt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
das den negativen Druck erzeugende Mittel eine Rollpumpe ist.
15. Verfahren zur kontinuierlichen Langzeitüberwachung des
Gehalts des Blutes an einem physiologischen Bestandteil,
umfassend,
Implantation eines porösen Membranfilters in einen intersti tiellen Raum in Flüssigkeitskontakt mit Blutkapillaren, Gewinnung eines Ultrafiltrats von Blut aus den Kapillaren durch Anlegen eines negativen Drucks auf das poröse Membranfilter, um das Ultrafiltrat aus den Kapillaren durch das Filter mit der gewünschten Fließgeschwindigkeit abzuziehen,
Sammeln des Ultrafiltrats in einem außerhalb des Körpers be findlichen Reservoir und
Untersuchen des Ultrafiltrats zur Messung eines bestimmten physiologischen Bestandteils davon.
Implantation eines porösen Membranfilters in einen intersti tiellen Raum in Flüssigkeitskontakt mit Blutkapillaren, Gewinnung eines Ultrafiltrats von Blut aus den Kapillaren durch Anlegen eines negativen Drucks auf das poröse Membranfilter, um das Ultrafiltrat aus den Kapillaren durch das Filter mit der gewünschten Fließgeschwindigkeit abzuziehen,
Sammeln des Ultrafiltrats in einem außerhalb des Körpers be findlichen Reservoir und
Untersuchen des Ultrafiltrats zur Messung eines bestimmten physiologischen Bestandteils davon.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Glukosegehalt des Blutes gemessen wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Filter- und Sammelstufe das Filtrieren des Ultrafiltrats
zusammen mit Gas und Sammeln im Inneren des Reservoirs in Form
von Flüssigkeitstropfen oder Kugeln umfaßt, die durch das Gas
getrennt sind.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Volumenverhältnis von Gas zu Ultrafiltrat etwa 10:1 be
trägt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Filterstufe mit einer Durchflußgeschwindigkeit von etwa 20
bis 500 µl/h durchgeführt wird.
20. Kapillarfiltrations- und Sammelvorrichtung, aus
einem Filter, umfassend mindestens eine Hohlfaser, die geeignet
ist, lange in einem interstitiellen Raum innerhalb des Körpers
in Flüssigkeitskommunikation mit Blutkapillaren zu verbleiben,
und ein poröse äußere Oberfläche mit Porengröße kleiner etwa
300 000 Dalton besitzt;
einem Ultrafiltratkollektor, umfassend einen Schlauch, der mit dem Filter in Flüssigkeitskommunikation verbunden ist und ge eignet ist, sich nach dem Äußeren des Körpers hin zu erstrek ken, wenn das Filter in einem interstitiellen Körperraum im plantiert ist, und
einem einen negativen Druck entwickelndes Mittel zum Abziehen eines Ultrafiltrats von Blut durch das Filter und in den Ultrafiltratkollektor mit einer gewünschten Fließgeschwin digkeit im Bereich von etwa 20 bis 500 µl/h.
einem Ultrafiltratkollektor, umfassend einen Schlauch, der mit dem Filter in Flüssigkeitskommunikation verbunden ist und ge eignet ist, sich nach dem Äußeren des Körpers hin zu erstrek ken, wenn das Filter in einem interstitiellen Körperraum im plantiert ist, und
einem einen negativen Druck entwickelndes Mittel zum Abziehen eines Ultrafiltrats von Blut durch das Filter und in den Ultrafiltratkollektor mit einer gewünschten Fließgeschwin digkeit im Bereich von etwa 20 bis 500 µl/h.
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