Hintergrund der Erfindung
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Die Zentrifugation ist wohlbekannt als eine Technik zum
Trennen der Bestandteile einer flüssigen Suspension, in der
die Bestandteile geringe Dichteunterschiede haben.
Zentrifugiersysteme werden für biomedizinische Anwendungen in großem
Umfang angewandt, und eine der wichtigsten Anwendungen
betrifft die Fraktionierung der Bestandteile von Blut, das
eine empfindliche und komplexe Substanz ist, die
suspendiertes Zellmaterial und anderes Material mit relativ geringen
Dichteunterschieden trägt. Wenn Blutproben entnommen werden,
werden sie häufig unter hohen Zentrifugalkräften getrennt,
indem mit extrem hohen Drehgeschwindigkeiten wie etwa
5000 U/min (r.p.m.) und hohen Trennkräften wie etwa 5000 g
für 5 bis 10 min geschleudert wird. Das erzeugt in der Probe
eine Schichtung der dichtesten roten und weißen
Zellsubstanzen relativ zu dem Bestandteil geringster Dichte, nämlich
Plasma, mit einer dünnen Schicht (manchmal als "buffy coat"
bzw. Leukozytenmanschette bezeichnet) aus Thrombozyten und
Leukozyten dazwischen. Spezifische Zelltypen können aus
einem zentrifugierten Beutel entnommen werden, indem die
getrennten Zonen in Einzelbehälter abgepreßt werden.
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Die Zentrifugation wird zwar gewöhnlich als
diskontinuierlicher Vorgang durchgeführt, es sind aber viele
kontinuierliche Zentrifugationssysteme in allgemeinem Gebrauch, obwohl
die zur Handhabung von Blut geeigneten Systeme speziell für
diesen Zweck ausgebildet sind. Wenn ein Bestandteil mit
einer Zwischendichte in einem kontinuierlichen Verfahren
extrahiert werden soll, kann eine Sonde oder eine Schneide
an der entsprechenden Position zum Trennen einer gewählten
Schicht in einer kontinuierlichen Zentrifugationsmaschine
verwendet werden. Solche Systeme sind komplex, und zwar
besonders dann, wenn die Schicht mit Zwischendichte nur in
einem geringen Anteil anwesend ist. Chromatographische
Techniken, die Bestandteile nacheinander über die Zeit
voneinander trennen, sind ebenfalls bekannt, aber wiederum
komplex.
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Zur Extraktion von Thrombozyten bzw. Blutplättchen aus
Vollblut ist vor einiger Zeit ein verbessertes System entwickelt
worden, das den Gegenstand von WO-A-86/01426 bildet. Gemäß
diesem System und Verfahren wird plättchenreiches Plasma von
Blut durch einen ersten Schritt getrennt, bei dem Blut in
eine biologisch geschlossene Konstruktion geleitet wird, die
einen inneren doppelwandigen Rotor in einem konzentrischen
Gehäuse hat. Die bevorzugte Durchflußbahn ist zwischen den
Wänden des Rotors im Gegensatz zu der Bahn zwischen der
Außenseite des Rotors und dem Gehäuse, so daß eine durch die
Zentrifugation bewirkte Schichtung und Trennung von
plättchenreichem Plasma in dem Rotor ausgebildet wird Das
plättchenreiche Plasma kann dann in einem
Rotationsmembransystem auf die gewünschte endgültige Plättchenkonzentration
filtriert werden, wobei Plasma als ein Zusatzprodukt
gewonnen wird. Größe, Wirkungsgrad und Einfachheit dieses Systems
ermöglichen die Herstellung der operativen Teile als billige
Einmalteile. Das System ist außerdem im Echtzeitbetrieb
während eines Blutspendevorgangs betreibbar, um das abgegebene
Plättchenkonzentrat zu extrahieren, während die
verbleibenden Blutbestandteile zu einem Patienten oder Spender
rückgeleitet werden. Die zu der vorliegenden Erfindung führenden
Arbeiten wurden durchgeführt, um wichtige Fortschritte in
bezug auf Plättchenkonzentratwerte, Wirkungsgrad und
Durchsatz zu erreichen.
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Der Erhalt von Blutplättchen-Konzentrationen ist ein
besonders kritisches Beispiel für das Problem der Extraktion
einer Substanz mittlerer Dichte aus leichteren und dichteren
Substanzen in einer flüssigen Suspension. Blutplättchen
werden für analytische, therapeutische und andere Zwecke
eingesetzt
Bei heutigen Anwendungen ist es hocherwünscht,
plättchenarmes Blut in einen Spender zu reinfundieren, und
zwar in einem Vorgang unter Verwendung von
Einmal-Trenneinrichtungen und mit einem Minimum an Zeitaufwand.
Automatische oder halbautomatische Plättchenpheresesysteme wie etwa
das Modell V-50 von Haemonetics Corporation, das I.B.M.
2997, das von Cobe Laboratories vertrieben wird, und das
CS3000, das von Fenwal Laboratories vertrieben wird,
arbeiten auf diese Weise. Diese Systeme sind jedoch teuer und
kompliziert zu betreiben. Da Plasma eine Dichte von 1,0269
hat und Blutplättchen eine Dichte von 1,03 haben
(Erythrozyten haben eine Dichte von 1,10), hat die schwierige
Fraktionierung bisher die Verwendung von erheblich einfacheren
und billigeren Systemen ausgeschlossen. Daher wird die
manuelle Plättchenpherese, die seit mehr als 25 Jahren angewandt
wird, immer noch angewandt. Dabei wird ein
diskontinuierliches Zweistufen-Zentrifugationsverfahren angewandt, das an
einzelnen Bluteinheiten wirksam ist, und zwar mit einer
ersten niedrigeren Schleudergeschwindigkeit, um
plättchenreiches Plasma zu gewinnen, und dann mit einer zweiten
höheren Schleudergeschwindigkeit, um die Plättchen zu
konzentrieren. Das erfordert nicht nur eine umfangreiche manuelle
Handhabung, sondern von einzelnen Spendern erhaltene Mengen
müssen vermischt werden, um eine ausreichende Plättchenmenge
für eine Plättchentransfusion zu erhalten
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Humanblut besteht normalerweise aus ca. 50 % Plasma und sehr
viel weniger als 1 % Blutplättchen in einer Konzentration
von ungefähr 250.000 Plättchen pro Mikroliter Vollblut. Wenn
daher Plasma gemeinsam mit im wesentlichen sämtlichen
Plättchen von dem Blut getrennt wird, gibt es 500.000 bis
550.000 Plättchen pro Mikroliter Plasma (die "Norm").
Plättchenkonzentrat wird gewöhnlich als ungefähr 1,1 Millionen
Plättchen oder mehr pro Mikroliter Plasma aufweisend
angesehen. Die Gewinnung von Plasma, das über die Norm hinaus
plättchenreich sowie frei von Hämolyse ist, und die
Durchführung dieses Vorgangs auf einer kontinuierlichen Basis,
die mit Spenderdurchflußraten (typischerweise ca. 50 ml/min)
kompatibel ist, ist daher ein sehr erstrebenswertes Ziel.
Erythrozyten und etwas Plasma können gleichzeitig zum
Spender rückgeleitet werden, während das plättchenreiche Plasma
gelagert oder anderweitig für die Plättchentransfusion oder
sonstige Zwecke verfügbar gemacht wird. Wenn eine hohe
Plättchenkonzentration (z. B. 4.000.000 Plättchen/ml) auf
Echtzeitbasis erwünscht ist, dann kann ein
In-Line-Rotationsmembranfilter verwendet werden, wie in WO-A-86/01426
beschrieben wird.
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Ein Einzelschrittverfahren zur Extraktion von
plättchenreichem Plasma aus Vollblut löst ein sehr schwieriges Problem,
und das Verfahren sollte außerdem zum Einsatz auf anderen
Anwendungsgebieten anpaßbar sein, wobei es erwünscht ist,
einen Bestandteil oder ein Zielmaterial aus schwereren sowie
leichteren Substanzen in einer Suspension selektiv zu
extrahieren.
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Der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert auf WO-A-86/01426,
und die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung sind im
Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegeben.
Zusammenfassung der Erfindung
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Systeme und Verfahren gemäß der Erfindung bilden eine
ursprünglich teilweise oder vollständige Schichtströmung in
einer Zentrifugationszone aus, leiten aber dann
lokalisiertes Rückvermischen ein, das sich aus der entgegengesetzten
Richtung ausbreitet. Die lokalisierten
Rückvermischungsbereiche sind kontrolliert und hinsichtlich ihrer Position in
der Zentrifugationszone vorhersagbar und bilden die Basis
für eine verbesserte Trennung von Bestandteilen. Eine
Rückvermischung wird durch Wechselwirkungen erzeugt, die
zwischen Fluid in einer inneren Zentrifugationszone innerhalb
eines doppelwandigen Rotors und einer äußeren, differentiell
bewegten Rezirkulationszone, die die Zentrifugationszone
umschließt, etabliert werden. Wenn Blut die zu trennende
Fluidsuspension ist, wird plättchenreiches Plasma nach innen
durch Öffnungen extrahiert, die an die lokalisierten
Rückvermischungsbereiche angrenzen, wohingegen schwerere und
leichtere Bestandteile sich nach radial außen durch
Blutauslaßöffnungen in dem Rotor bewegen. Das System ist biologisch
geschlossen, und wenn Vollblut die Eingangssubstanz ist,
wird damit Plasma erhalten, das über die Norm hinaus reich
an Plättchen ist, während gleichzeitig der plättchenarme
Blutfluß zu einem Spender rückgeleitet wird.
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Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß bei der
kontinuierlichen Extraktion von Substanzen Durchflußraten
einstellbar sind, um die Bestandteile zu ändern, die die
Produktsubstanz geringerer Dichte aus der Vorrichtung
bilden. Die Trennung von wenigstens teilweise geschichtetem
Material innerhalb der Zentrifugationszone scheint daher an
Bereichen stattzufinden, die entweder näher an oder weiter
von einer Übergangszone zwischen Material geringer und
größerer Dichte liegen. Infolgedessen können, wenn Blut das
zu trennende Medium ist, Ausgangsmengen ausschließlich durch
die Einstellung von Durchflußraten erhalten werden, die
entweder plättchenreiches Plasma maximieren oder einerseits
mehr reines Plasma oder andererseits Blutzellbestandteile
ergeben.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft die Anwendung
eines inneren Pumpvorgangs innerhalb der Zentrifugationszone
und die interne Rezirkulation von teilweise getrennten
Stoffen zurück zu der Zentrifugationszone, so daß eine
gesteigerte Ausnutzung des Trennvorgangs stattfindet, während
gleichzeitig getrennte Substanzen an verschiedenen Öffnungen
abgezogen werden.
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Bei einem speziellen Beispiel weist die Rotorkonstruktion
einen doppelwandigen Körper auf, der einen
Zentrifugationsspalt definiert und innerhalb eines Gehäuses rotiert, das
über den zur Rezirkulation genutzten kleinen Spalt im
Abstand angeordnet ist. Eine Reihe von Öffnungen in der
Außenwand des Rotors erzeugen nichttraumatische lokalisierte
konvektive Muster oder Schleppströmungen in dem
vergleichsweise stationären Vollblut, das in dem Rezirkulationsspalt
eingeschlossen ist. Diese Muster laufen den Öffnungen in
einer im allgemeinen umfangsmäßigen Richtung nach und
erzeugen dynamische Kräfte, die sich durch die Öffnungen in
der Außenwand und dann in das geschichtete Material in der
Zentrifugationszone zwischen den Rotorwänden fortpflanzen.
In der Zentrifugationszone jedoch verlaufen die
lokalisierten Rückvermischungsmuster nicht in Umfangsrichtung, sondern
im wesentlichen in Axialrichtung entlang dem Rotor, und
außerdem breiten sie sich entgegen der
Hauptdurchflußrichtung aus. Diese Rückwärtsausbreitung ist hinsichtlich der
Länge durch einen engen Dämpfungsspalt in dem Anfangsbereich
des Rotors vor der Zentrifugationszone begrenzt. Es wird
derzeit nicht vollständig verstanden, und zwar wegen der
Schwierigkeit, kleine innere Strömungsverläufe innerhalb der
Rotorkonstruktur zu beobachten, ob eine leichtere innere
Schicht so vermischt wird, daß ein plättchenreicher Schalen-
oder Oberflächeneffekt erhalten wird, oder ob eine andere
Erklärung richtig ist. Trotzdem ist erwiesen, daß eine
unerwartet hohes Plättchenzahl/Volumeneinheit ohne
Erythrozyten, Leukozyten oder Hämolyse in den gewonnenen Plättchen
erzielt wird.
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Gemäß weiteren nützlichen Merkmalen der Erfindung wird die
strömende Masse zwischen Einlaß und Auslaß gepumpt.
Erhebliche Pumpkräfte werden erzeugt, indem die
Blutauslaßöffnungen relativ zu der Mittelachse auf einem größeren Radius
als die Bluteinlaßöffnungen vorgesehen sind. Außerdem ist
der Abstand zwischen den Doppelwänden des Rotors nicht
gleichmäßig, sondern definiert, ausgehend von einem Einlaß
am einen Ende, zuerst die als schmalen Spalt ausgebildete
Dämpfungszone, dann einen breiteren Zentrifugationsspalt,
wobei der Radius seiner äußeren Grenze mit der Bewegung von
Substanz vom Einlaßende zum Auslaßende größer wird, und dann
eine konvergente Rückmisch- und Auslaßzone. Die Divergenz
des Zentrifugationsspalts sorgt für eine differentielle
Druck- oder Pumpwirkung zwischen Einlaß und Auslaß.
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Der Rezirkulationsspalt hat einen viel höheren
Durchflußwiderstand als der Zentrifugationsspalt, und zwar aufgrund
seiner kleinen Spaltdimension und großen Länge. Der
Rezirkulationsfluß ist bei diesem Beispiel so ausgelegt, daß er
von der gleichen Größenordnung wie die Eingangsdurchflußrate
ist, und ist für Durchsatz und Plättchenkonzentration sehr
bedeutsam, weil durch Kreislaufrückführung der Komponenten
des Massenstroms Plättchen und Plasma der
Entmischungsdynamik in größerem Maß ausgesetzt werden.
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Auslaßöffnungen in der Außenwand des Rotors führen in den
Rezirkulationsspalt und von dort entweder in die
Rezirkulationsbahn oder zu der Auslaßöffnung, während in
Axialrichtung ausgefluchtete Konzentratöffnungen in der Innenwand
des Rotors vorgesehen sind und durch innere Leitungen in dem
Rotor zu einer Konzentratöffnung entlang der Mittelachse
führen. Anzahl und Größe der Öffnungen in der Außenwand
stehen in Beziehung zu der Anzahl, Größe und Position der
Öffnungen in der Innenwand des Rotors, wobei die axiale
Ausfluchtung beibehalten wird. Der Spalt und die axiale
Verlagerung dieser Öffnungen und Durchlässe sind für ein
optimiertes Betriebsverhalten ebenfalls von Bedeutung, weil die
Rückmischstrukturen sich über die Plasmadurchlässe in der
Innenwand erstrecken. Die radiale Dimension des Spalts
entlang den Rückmischbereichen ist sowohl konisch verjüngt als
auch größenmäßig begrenzt, um Hämolyse zu minimieren, die
aus einer zu starken inneren Zirkulation resultieren könnte.
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Dieses System ist besonders ausgebildet für die
Plättchenpherese-Anwendungen in Echtzeit, wobei antikoaguliertes Blut
von einem Spender in einen unteren Einlaß zugeführt und
entlang einem vertikal angeordneten Rotorsystem gepumpt wird.
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Ein spezielles Beispiel eines Plättchenpherese-Systems
verwendet eine Drehzahl von 2000 bis 3800 U/min, einen
Rotoraußendurchmesser von 46 mm (1,8") und hat einen
Zentrifugationsspalt, der am unteren Bereich mit einem engen
Dämpfungsspalt von 0,13 mm (0,005") beginnt. Der Kern ist
verengt, und die Gehäusewand ist nach außen kegelig, so daß der
Zentrifugationsspalt entlang seiner Hauptlänge sich von ca.
3,1 bis 3,7 mm (0,125" bis 0,145") verändert, während der
Spalt zwischen dem Rotor und dem Gehäuse eine Dimension von
ungefähr 0,15 mm (0,006") hat. Bei einem Bluteinlaßdurchfluß
von ungefähr 50 ml/min hat man ein solches Innenvolumen, daß
die mittlere Verweilzeit länger als 30 s ist. Bei dieser
Konfiguration liegen in der äußeren Wand vorgesehene
Blutauslaßdurchlässe, die 1,6 mm (0,062") breit mal 1,6 mm
(0,063") hoch sind, um ungefähr 300 voneinander entfernt,
wobei insgesamt zwölf Öffnungen vorgesehen sind. Eine
gleiche Anzahl von Plättchenkonzentrat-Auslaßöffnungen in der
Innenwand des Rotors sind in Axialrichtung ausgefluchtet,
aber um 11,8 mm (0,465") verlagert, und sind 0,9 mm (0,035")
breit mal 1,9 mm (0,075") hoch. Der Konizitätsgrad, das
innere Bluteinschlußvolumen, die Größen und die relativen
Positionen der Öffnungen werden sämtlich genutzt, um eine
überlegene Kombination aus Durchflußrate und Wirkungsgrad zu
erzielen. Die Gesamtdurchflußrate für einen speziellen Zweck
oder zur allgemeinen Anwendung kann geändert werden, indem
ein geeigneter Formfaktor für Dimensionen und Volumina
angewandt wird, während gleichzeitig die Spalte mit ungefähr der
gleichen Größe beibehalten werden.
Kurze Erläuterung der Zeichnungen
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Die Erfindung ergibt sich im einzelnen unter Bezugnahme auf
die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den
beigefügten Zeichnungen; die Zeichnungen zeigen in:
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Fig. 1 eine teilweise weggebrochene Perspektivansicht
eines Einmal-Plättchenseparators;
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Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht des Separators von
Fig. 1;
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Fig. 3 eine Kombination aus Blockdiagramm und
vereinfachter Perspektivansicht eines Systems zur
Plättchenpherese gemäß der Erfindung;
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Fig. 4 eine vergrößerte teilweise Schnittansicht eines
Bereichs des Einlaßendes des Separators der Fig. 1
und 2;
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Fig. 5 eine teilweise weggebrochene Teilperspektivansicht
eines Bereichs des Auslaßendes des Separators von
Fig. 1;
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Fig. 6 eine Unteransicht des oberen Bereichs der
Rotorkernkonstruktion; und
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Fig. 7 eine seitliche Schnittansicht des oberen
Kernbereichs des Rotors entlang der Linie 7-7 in Fig. 6,
gesehen in der Richtung der eingefügten Pfeile.
Genaue Beschreibung der Erfindung
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Das System und die Vorrichtung der Fig. 1 bis 7, auf die
nachstehend Bezug genommen wird, sind mit den vielen
Schwierigkeiten konfrontiert, die sich aus dem Ziel der Extraktion
von Plättchenkonzentrat direkt aus Vollblut einstellen. Dies
ist nur ein Beispiel des Problems der Erzielung einer
Konzentration einer mittleren Dichte oder eines
Zielbestandteils aus sowohl schwereren wie auch leichteren
Bestandteilen in einem homogenen Durchfluß. Ungewöhnlich
schwerwiegende Probleme, die diesem Ziel bei Anwendung auf die
Plättchenpherese innewohnen, ergeben sich aus Faktoren wie dem
viskosen Charakter von Blut, der Bruchempfindlichkeit seiner
Zellbestandteile, dem sehr niedrigen Plättchenprozentsatz in
Vollblut, dem geringen Dichtedifferential zwischen Plasma,
Plättchen, Erythrozyten und Leukozyten sowie dem erwünschten
Vorteil der Rückführung aller brauchbaren Blutbestandteile
zu dem Spender, und zwar im wesentlichen gleichzeitig mit
der Trennung und innerhalb einer annehmbaren Zeit. Außerdem
besteht ein Bedarf, diese Funktionen mit einer billigen, zum
Einmalgebrauch geeigneten, leicht installierbaren, einfach
betreibbaren und biologisch geschlossenen Vorrichtung
durchzuführen, die ungeachtet von Abweichungen des Bluts von
verschiedenen Spendern wirkungsvoll ist. Alle diese
erwünschten Eigenschaften werden von Einrichtungen und
Systemen gemäß der Erfindung erreicht.
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Die Einmal-Trennvorrichtung 10 ist in den verschiedenen
Ansichten der Fig. 1, 2 und 4 bis 7 gezeigt, während die
Hauptelemente eines kompletten Trennsystems in Fig. 3
gezeigt sind. Das System wird zuerst allgemein beschrieben,
um den Zusammenhang und die spezifische Anwendung
aufzuzeigen.
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Gemäß Fig. 3 hat die Bluttrennvorrichtung 10 ein Gehäuse 11,
das zwischen einen unteren Halter 12 und einen davon
beabstandeten magnetischen Antrieb 14 einsetzbar ist, der an
einer Bedienungsplatte 15 angebracht ist. Die magnetische
Antriebseinrichtung 14 nimmt das obere Ende der
Trennvorrichtung 10 auf und dreht ihren inneren Mechanismus durch
Ankoppeln eines magnetischen Drehfeldes an ein inneres
magnetisches Element, wie nachstehend im einzelnen beschrieben
wird. Von einem Spender durch eine Einzelnadel 16 erhaltenes
Vollblut (alternativ kann ein Doppelnadelsystem verwendet
werden) wird mit Antikoagulans von einer Quelle 18 durch
eine Pumpe 19 antikoaguliert. Diese Pumpe und weitere Pumpen
im System sind bevorzugt vom peristaltischen Typ. Das
antikoagulierte Blut wird dann von einer umsteuerbaren Blutpumpe
20 in einen Einlaß der Trennvorrichtung 10 gefördert, um
einen Druck von ca. 2,62 bis 2,76 MPa (380 bis 400 mmHg)
auszubilden, um die Schwerkraft und Druckabfälle in der
Vorrichtung zu überwinden. Die rotierende Trennvorrichtung
10 empfängt das Blut an einem unteren tangentialen Einlaß 21
in das Gehäuse 11 und leitet plättchenreiches Plasma durch
einen koaxialen Auslaß 22 aus, während gleichzeitig
plättchenarmes Blut an einem oberen tangentialen Auslaß 24
austritt. Das plättchenreiche Plasma hat ungefähr
Umgebungsdruck und wird mittels Schwerkraft durch einen flexiblen
Schlauch abwärts zu einem Plättchenreservoir 23 geleiteet.
Auf dieser Bahn durchläuft das abfließende plättchenreiche
Plasma einen Hämoglobindetektor 25 und eine flexible
Bypassleitung 26. Die Bypassleitung 26 und der Ausflußschlauch
können jeweils selektiv von einer auf ein Signal
ansprechenden Klemme 27 bzw. 28 verschlossen werden. Die Blutmenge aus
dem Auslaß 24 hat einen hohen positiven Druck von
typischerweise 2,1 bis 2,76 MPa (300 bis 400 mmHg) und wird in eine
Seite eines Reservoirs 30 durch eine steuerbare Pumpe 29
gefördert, die normalerweise nur einen ausreichenden
differentiellen Ausgangsdruck an das Reservoir (ca. 69 bis 138 kPA
(10 bis 20 mmHg)) liefert, um eine konstante gewählte
Durchflußrate aufrechtzuerhalten. Aus dem Blutreservoir 30 wird
plättchenarmes Blut von der Blutpumpe 20 zu der Einzelnadel
16 überführt, und zwar in zeitlich gesteuerten Phasen, die
von den Entnahmephasen getrennt sind.
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Die Beibehaltung eines positiven Drucks auf das Blut ist
theoretisch insofern nicht notwendig, als differentielle
Drücke die Durchflußraten ausbilden und das plättchenreiche
Plasma unter negativem Druck herausgepumpt werden könnte. In
der Praxis kann jedoch ein erheblicher negativer Druck zu
beginnender Verdunstung führen, und das sollte vermieden
werden.
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Da mit Rücksicht auf den Spender der Einzelnadelbetrieb im
allgemeinen bevorzugt wird, wird Blut in alternierenden
Phasen entnommen und rückgeleitet, wobei das Reservoir 30
als Puffer für diesen Zweck dient. Bei einem Reservoir
ausreichender Größe braucht nur ein vollständiger Zyklus
abzulaufen, obwohl im allgemeinen mehrere Zyklen angewandt
werden, um die Gesamtmenge von Vollblut, die dem Spender
jeweils entnommen wird, zu begrenzen. Um den Einsatz einer
einzigen Blutpumpe 20 zu ermöglichen, werden signalbetätigte
Klemmen 32 und 34 an der Einlaß- bzw. der Rückleitung
verwendet, um diese Leitungen zu öffnen und zu schließen.
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Jede einer Vielzahl von anderen Systemkonfigurationen kann
angewandt werden. Beispielsweise könnte mit einer
Einzelnadel ein Doppelkammerreservoir verwendet werden, und
plättchenarmes Blut könnte aus dem ersten Reservoir mit einer
konstanten Rate in das zweite gepumpt werden.
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Eine herkömmliche Form von Steuersystem 36 ist mit den
verschiedenen Pumpensensoren und Klemmen im System verbunden,
um Betriebszustände zu erfassen und Durchflußraten, -bahnen
und -dauern zu regeln sowie Anzeigen für den stabilen
Zustand und einen Alarmzustand zu liefern. Insoweit diese
Funktionen heute an einer Reihe von bekannten
Hämapheresesystemen vorgesehen sind, die einem Spender Blut entnehmen
und es reinfundieren, sind die meisten dieser Funktionen der
Einfachheit und Kürze halber weder gezeigt noch im einzelnen
beschrieben. Eine manuelle Einstellung der verschiedenen
Einrichtungen ist zwar praktikabel, wird aber für den
allgemeinen Gebrauch nicht bevorzugt. Einmalschläuche werden
verwendet, um Fluide innerhalb dieses Systems zu überführen,
und zwar gemeinsam mit Einmalreservoiren 28, 30 und der
Einmaltrennvorrichtung 10, so daß keine Kreuzkontaminierung
zwischen Patienten stattfinden kann. Die Klemmen 32 und 34
in den Leitungen zu der Nadel 16 werden von dem Steuersystem
36 betätigt ebenso wie die Klemmen 27, 28 in der
Ausflußleitung für plättchenreiches Plasma. Wenn der Detktor 25 in der
Auslaßleitung ein Überschreiten eines vorbestimmten
Hämoglobinpegels erfaßt, wird die Bypassleitung 26 durch Lösen der
Klemme 27 geöffnet, und die Hauptleitung wird von der Klemme
28 geschlossen. Die Durchflußbedingungen können dann
eingestellt werden, bis erneut plättchenreiches Plasma fließt,
und zu diesem Zeitpunkt werden die Klemmen 27, 28 von einem
Bediener oder von dem Steuersystem 36 rückgestellt. Das
Steuersystem 36 bestimmt außerdem die Arbeitsrichtung der
Pumpe 20, um Blut aus dem Blutreservoir 30 zur Reinfusion in
den Spender durch die Nadel 16 rückzuleiten. Zum
Reinfundieren von plättchenarmem Blut in den Spender wird die Pumpe 20
in der richtigen Richtung gedreht, und die Klemme 34 der
Rücklaufleitung wird geöffnet, während gleichzeitig die
Klemme 32 der Einlaßleitung geschlossen wird. Dieser Vorgang
wird durchgeführt, nachdem sich eine ausreichende Menge von
plättchenreichem Plasmakonzentrat angesammelt hat oder wenn
der Inhalt des Reservoirs 23 einen vorbestimmten Pegel oder
eine vorbestimmte Masse erreicht. Einrichtungen zum Erfassen
der Menge in dem Blutreservoir 30 und in dem Reservoir 23
für plättchenreiches Plasma sind der Einfachheit halber
weggelassen.
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Die Trennvorrichtung 10, die im einzelnen in den Fig. 1, 2
und 4 bis 7 gezeigt ist, auf die nunmehr speziell Bezug
genommen wird, stützt das zylindrische Gehäuse 11 auf einer
allgemein vertikalen Achse ab. Daher ist die
Vollbluteinlaßöffnung 21 in das Gehäuse 11 tangential nahe dem
Unterende des Gehäuses positioniert, da durch sie Blut vom
Spender eingeführt wird. Ein innerer doppelwandiger Rotor 42 ist
in dem Gehäuse 11 drehbar angeordnet und mit der Mittelachse
der Trenneinrichtung 10, die typischerweise vertikal ist,
konzentrisch. Eine Gruppe von magnetischen Elementen 44, 45,
46 ist in dem oberen Ende des Rotors 42 angeordnet und damit
gekoppelt und innerhalb der magnetischen Antriebseinrichtung
14 positioniert, wenn die Trenneinrichtung 10 in der
Betriebsposition angebracht ist. Ein magnetisches Drehfeld in
der Antriebseinrichtung 14 ist mit dem Rotor gekoppelt, um
eine gewünschte Drehzahl im Bereich von 2000 bis 3800 U/min
und im vorliegenden Fall 3600 U/min auszubilden. Die
entgegengesetzten Enden des Rotors 42 sind mit reibungsarmen
Halterungen in Eingriff, die einen oberen Drehzapfen 48 und
einen unteren, hohlen Drehzapfen 50 aufweisen, die in
entgegengesetzten Enden des Gehäuses 11 aufgenmmen sind (siehe
insbesondere Fig. 2). Angrenzend an das obere Ende des
Gehäuses 11 liefert die tangentiale Blutauslaßöffnung 24
plättchenarmes Blut durch die Pumpe 26 zu dem Blutreservoir
30, während der koaxiale Plättchenkonzentratauslaß 22 am
Unterende des Gehäuses 11 Material, das durch die zentrale
Bohrung in dem unteren Drehzapfen 50 geleitet wird, durch
die Schwerkraft in das Plättchenreservoir 23 fördert. Unter
zusätzlicher Bezugnahme auf die in den Fig. 4 und 5
gezeigten Einzelheiten ist die innere Ausbildung der
Trenneinrichtung 10 von erheblicher Bedeutung für die auszuführenden
Funktionen. Der doppelwandige Rotor 24 erstreckt sich über
die axiale Länge zwischen der Bluteinlaß- und der
Blutauslaßöffnung 21 bzw. 24 und hat in diesem Bereich allgemein
zylindrische äußere Gestalt. Er umfaßt eine innere
zylindrische Wand oder einen Kern 52 mit veränderlichem Profil,
das eine im wesentlichen kontinuierliche Oberfläche hat mit
Ausnahme von auf dem Umfang angeordneten
Plättchenkonzentratöffnungen 58 nahe seinem oberen Ende. An seinem unteren
Ende hat der Rotorkern 52 einen geraden
Dämpfungswandabschnitt 54 mit einem Durchmesser von 4,15 cm (1,634") und
einer Länge von 0,64 cm (0,25") angrenzend an einen nach
innen verjüngten Abschnitt 55, der zu einem geraden
Hauptwandabschnitt 56 mit einem Durchmesser von 3,53 cm (1,390")
und einer Länge von 9,04 cm (3,560") führt. Zwölf
gleichbeabstandete Durchlässe 58 für plättchenreiches Plasma, die
Viereckgestalt haben, sind 0,9 mm (0,035") breit mal 1,9 mm
(0,075") hoch und führen an dem Oberende der Wand 56 nach
radial innen. An einem oberen Abschnitt 60 des Kerns 52
oberhalb der Durchlässe 58 weist der Rotorkern 52 eine nach
außen konische oder divergente Wand 61 auf, die zu einer
Umfangslippe 62 führt. Diese divergente Wand 61 und die
darunter befindliche gerade Wand 56 definieren eine
Zentrifugationszone 65 innerhalb der Außenwand des Rotors 42.
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Zur vorteilhaften Herstellung im kostengünstigen
Preßformverfahren ist der Rotorkern 52 aus zwei Teilen hergestellt,
die an der Ebene miteinander verbunden sind, die den unteren
Rand der Plättchenkonzentratöffnungen 58 schneidet. Dieser
obere Abschnitt 60 ist am besten in den Ansichten der Fig. 6
und 7 zu sehen.
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Wie die Ansichten der Fig. 2 und 6 am besten zeigen, weist
der gesonderte obere Abschnitt 60 radiale Kanäle 67 auf, die
von den Plättchenkonzentratöffnungen 58 nach innen in einen
zentralen Verteilerbereich 68 führen, der über ein zentrales
Hohlrohr 69 mit dem koaxialen Plättchenkonzentratauslaß 22
durch den unteren hohlen Drehzapfen 50 in Verbindung ist.
Der obere Abschnitt 60 des Rotorkerns 52 weist eine Wand 70
mit kleinerem Durchmesser auf, die engpassend in einem
durchmesserverringerten Oberende des Gehäuses 11 sitzt und
vertikale innere Vorsprünge 71 aufweist, um die ungefähr
sternförmigen magnetischen Elemente 44 bis 46 passend
aufzunehmen. Der obere Abschnitt 60 ist mit einer Endkappe 72
abgeschlossen, die eine koaxiale Ausnehmung 73 aufweist, um
das untere Ende des oberen Drehzapfens 48 festzulegen. Die
Endkappe 72 weist außerdem einen nach unten vorspringenden
zentralen Dorn 78 auf, der mit zentralen Öffnungen in den
magnetischen Elementen 44 bis 46 in Eingriff gelangt.
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Eine äußere Wand oder ein Mantel 80 des doppelwandigen
Rotors 42 hat einen Außendurchmesser von 4,57 cm (1,799"),
ist mit der Umfangslippe 62 in dem oberen Kernabschnitt 60
verbunden und mit der Mittelachse konzentrisch. Die innere
Oberfläche des Mantels 80 ist jedoch konisch verjüngt, um in
dem Zentrifugationsspalt 65 (in der
Aufwärtsdurchflußrichtung) einen konstanten nach außen divergierenden Aspekt
in bezug auf den geraden Abschnitt 56 des Kerns 52 zu
schaffen. Bei diesem Beispiel ist der Zwischenraum zwischen
der Dämpfungswand 54 des Kerns 52 und der Innenwand des
Mantels 80 0,013 mm (0,0005"). Der Abstand divergiert dann
(unter einem Winkel von ca. 0,5º) in der Zentrifugationszone
65, um den kleinsten Spalt von ungefähr 3,2 mm (0,125")
unmittelbar über dem konischen Abschnitt 55 auf ungefähr
3,7 mm (0,145") an dem oberen Ende gegenüber den
Plättchenkonzentratöffnungen
58 zu erweitern, und zwar entlang einer
Länge von ca. 5,3 cm (2,09"). Die Außen-Konizität des oberen
Abschnitts 60 des Rotorkerns 52 verkleinert den Spalt erneut
bei Annäherung an die Umfangslippe 62 in der
Aufwärtsrichtung. Die Größe der radialen Dimension des Spalts über den
Öffnungen 58 wird durch den konvergierenden Abschnitt
verringert, um die inneren zirkulatorischen Bewegungen in dem
Blut und die Hämolysetendenz in diesem Bereich zu begrenzen.
Außerdem bewegen sich in dem Blut etwa vorhandene Blasen mit
der Strömung nach oben und auch nach innen, so daß sie aus
dem System durch die Plättchenkonzentratöffnungen 58
austreten.
-
Symmetrisch angeordnete Ausschnitte 82 in der Unterseite der
Lippe 62 (Fig. 2, 6 und 7) sind Ausschnitten 84 (Fig. 1 und
2) in dem oberen Rand des Mantels 80 zugewandt und diesen
benachbart, um Blutauslaßöffnungen 85 für Blut zu bilden,
das aus dem Spalt 65 zwischen dem Rotorkern 52 und dem
Mantel 80 fließt. Die äußere Oberfläche des Mantels 80 ist von
der inneren Oberfläche des Gehäuses 11 durch einen
Durchfluß- oder Rezirkulationsspalt 90 getrennt, der hier 0,15 mm
(0,006") entlang dem Hauptteil seiner Länge beträgt. Dieser
Rezirkulationsdurchflußspalt 90 ist jedoch am unteren und
oberen Ende des Mantels 80 an seinen axialen Enden etwas
größer ausgebildet, um den Einlaß- bzw. Auslaßdurchfluß an
den unteren bzw. oberen Enden aufzunehmen.
-
Der Raum zwischen dem Rotorkern 52 und dem Mantel 80 ist in
Verbindung mit einer Serie von sechs gleichbeabstandeten
Bluteinlaßöffnungen 92 (5,8 mm mal 1,6 mm (0,228" mal
0,062")) in einer unteren Wand 94 des Mantels 80. Diese
Einlaßöffnungen 92 liegen auf einem Radius von 2,0 cm
(0,785") von der Mittelachse, wohingegen die
Blutauslaßöffnungen auf einem Radius von 2,3 cm (0,889") liegen. Der
Unterschied der Radien resultiert in einer wesentlich
größeren Geschwindigkeit an den Auslaßöffnungen, was für eine
erhebliche Pumpkraft in Äufwärtsrichtung auf das Blut sorgt.
-
Das meiste Blut, das durch die Blutauslaßöffnungen 85 geht,
tritt in die Rezirkulationsbahn ein und wird relativ rasch
abwärts zum unteren Ende gepumpt, um erneut in die
Einlaßöffnungen 92 einzutreten. Bei diesem Beispiel ergeben die
relativen Öffnungsgrößen und das Innenvolumen (ca. 30 ml)
einen Rezirkulationsdurchfluß, der ungefähr gleich dem
Einlaßdurchfluß ist, und eine mittlere Verweildauer in der
Größenordnung von 20 s. Insbesondere wird die mittlere
Verweildauer von Blut in dieser beispielhaften Trenneinrichtung
10 bestimmt durch das Verhältnis des Innenvolumens von 30 ml
zu der Eingangsdurchflußrate (50 ml/min) plus der
Rezirkulationsdurchflußrate (50 ml/min) bzw. ist 18 s.
-
Die zum Pumpen des Bluts von dem Auslaßende (oberen Ende)
zurück zum Einlaßende (unteren Ende) der Einrichtung 10
verfügbare Antriebskraft ist der Differenzdruck (DP oder
P&sub2;-P&sub1;), der aufgebracht wird, weil die Durchflußöffnungen
auf verschiedenen Radien liegen, wobei Ro (Auslaß) auf ca.
2,225 cm (1,75") und Ri (Einlaß) auf ca. 2,074 cm (1,1633")
liegt. Die Beziehung zwischen der Rotation und den
resultierenden Drücken als eine Funktion des Radius kann wie folgt
dargestellt werden:
-
1/2 qx² (Ro² - Ri²) = P&sub2; - P&sub1;
-
mit q = Dichte, und zwar hier ca. 1,06 für Blut mit einem
mittleren Hämatokrit zwischen niedrigem (1,04)
Eingangs-Hämatokrit und hohem (1,09) Ausgangs-
Hämatokrit, und
-
x = 377 rad/s bezogen auf eine Rotation von
3600 U/min
-
Mit diesen Werten wird ein DP (P&sub2; - P&sub1;) von 48087,6 dyn/cm²
erhalten, was umgerechnet 248 kPa (0,7 psi oder 36 mmHg)
ist. Zum Berechnen des theoretischen Massendurchflusses W
pro Zeiteinheit kann man die Formel benutzen, die sich auf
den Druckabfall in einem ringförmigen Kanal bezieht und auf
Seite 5-25 von Perry, Chemical Engineer's Handbook, 5th
Edition, Mcgraw Hill Book Company, New York (1973) angegeben
ist, insbesondere
-
D&sub2; = 45,72 mm (1,800" (0,15'))
-
D&sub1; = 45,24 mm (1,783" (0,1486'))
-
Gc = 32,17 (Dimensionskonstante)
-
L = 82,55 mm (3,25" (0,27'))
-
x = 0,04 Poise (2,69 x 10&supmin;³ lb/ft.sec).
-
Das ergibt einen Massendurchfluß W von 1,054 x 10&supmin;³lb/s oder
ca. 32 ml/min als theoretischem Wert. Tatsächliche
Rezirkulationsdurchflußraten werden jedoch von volumetrischen
Beziehungen und den Dimensionen der Eingangs- und
Ausgangsöffnungen stark beeinflußt. Die Größenordnung der
Durchflußrate wurde bestätigt durch Messung des Druckabfalls durch
den ringförmigen Spalt zwischen einem Rotor und einem
Gehäuse mit gleichen Dimensionen wie die oben angegebenen,
jedoch ohne Zentrifugationsspalt in dem Rotor. Man ließ
sowohl Kochsalzlösung als auch Blut mit einem Hämatokrit von
40 durchlaufen, und es wurde gefunden, daß bei einem
Durchfluß von 100 ml/min ein Druckabfall von 96175 dyn/cm²
(72 mmHg) für Kochsalzlösung sowohl bei 0 als auch bei
3600 U/min erfolgte. Die gleiche Durchflußrate für Blut
ergab einen gemessenen Druckabfall von 100182 dyn/cm²
(75 mmHg). Unter Nutzung dieser Beziehungen in Verbindung
mit dem DP von 48088 dyn/cm² (36 mmHg), wie oben berechnet,
ist die Rezirkulationsdurchflußrate in der Einrichtung ca.
50-60 ml/min. Das ist die gleiche Größenordnung wie der oben
angegebene berechnete Wert. Bei dem vorliegenden Beispiel,
bei dem Blut mit ca. 50 ml/min eingeleitet und
plättchenarmes Blut mit 38 ml/min abgezogen wird, ist also die Netto-
Rezirkulationsrate ca. 50 ml/min, und der Durchfluß durch
den Zentrifugationsspalt ist ca. 100 ml/min. Infolgedessen
wird eine Einzelmenge Blut ungefähr zweimal in der
Zentrifugationszone verarbeitet, bevor sie aus der Einrichtung
austritt.
-
Bei Blut als dem zirkulierenden Medium besteht eine
zusätzliche Einschränkung, weil, wie nachstehend angegeben wird,
ein zu kleiner Rezirkulationsspalt Hämolyse in dem Blut
induziert. Es ist aber ersichtlich, daß die zusätzliche
Zentrifugationsdauer und vielleicht der erhöhte Hämatokrit
des plättchen- und plasmaarmen Bluts, das rezirkuliert wird,
erheblich zu dem Wirkungsgrad der Plättchentrennung
beitragen. Die Rezirkulationsfunktion ist durch die Tatsache
gekennzeichnet, daß sowohl die Pumpquellen als auch die
Rücklaufströme innerhalb des Gehäuses sind, sowie auch durch die
Tatsache, daß Produktströme ständig extrahiert werden,
nachdem ein Stabilitätszustand erreicht worden ist.
-
Vollblut, das tangential in den Raum zwischen dem Gehäuse 11
und dem Rotor 42 eingeleitet wird, findet daher eine
bevorzugte Bahn in die Zentrifugationszone 65, und zwar durch den
Raum zwischen der Bodenwand 94 des Rotormantels 80 und der
Bodenwand des Gehäuses 11, weiter durch die
Bluteinlaßöffnungen 92 und den Spalt zwischen der Wirbeldämpfungswand 55
des Kerns 52 und dem Mantel 80. Die bevorzugte Aufwärtsbahn
liegt im wesentlichen vollständig in dem Rotor 42 aufgrund
des Pumpeffekts und weil der in dem langen
Rezirkulationsspalt 90 bestehende Durchflußwiderstand viel größer als
derjenige des Zentrifugationsspalts 65 ist. Die weitere
Pumpwirkung, die durch die Divergenz im Zentrifugationsspalt
65 gegeben ist, trägt außerdem zur Ausbildung dieses
Durchflusses bei.
-
An dem oberen Ende ist der Blutauslaß 24 aus dem Gehäuse 11
in derselben Horizontalebene wie die Blutabgabeöffnungen 85
in dem Mantel des Rotors 42. Die Blutabgabeöffnungen 85 in
dem Rotor 42 liegen in einer Horizontalebene, die um 11,8 mm
(0,465") von der Horizontalebene der
Plättchenkonzentratöffnungen 58 getrennt ist. Die Anzahl (zwölf) der
Blutauslaßöffnungen 85 ist gleich derjenigen der
Plättchenkonzentratöffnungen 58, und sie sind relativ zu den Öffnungen 58 in
gleichen Positionen auf dem Umfang um jeweils 30º
voneinander entfernt. Jede Blutauslaßöffnung 85 ist bei diesem
Beispiel 1,60 mm (0,063") breit mal 1,60 mm (0,063") hoch.
-
Wie Fig. 2 am besten zeigt, weist die obere Wand des unteren
Abschnitts des Rotorkerns 52 eine nach unten verlaufende
zentrale Nabe 96 auf, während die Mantelbodenwand 94 eine
nach oben verlaufende zentrale Nabe 97 aufweist. Das
zentrale Hohlrohr 69 sitzt mit seinen entgegengesetzten Enden
in zentralen Öffnungen in diesen beiden Naben 96, 97. Die
untere Nabe 97 ist außerdem ausgebildet, um ein Lager 99
aufzunehmen, das mit dem unteren hohlen Drehzapfen 50 an
einer inneren Schulter in Eingriff ist und das Gewicht des
Rotors 42 abstützt.
-
Im Betrieb verarbeitet dieses System einen frischen
antikoagulierten Blutstrom mit normalem Hämatokrit bei ungefähr
50 ml/min innerhalb von 50-60 min, um ein hohes Volumen an
plättchenreichem Plasma zu gewinnen, und zwar mit deutlichen
Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik. Die
Produktdurchflußrate ändert sich zwar umgekehrt mit dem Hämatokrit,
wie zu erwarten ist, aber in 50 bis 60 min des Betriebs bei
Eröffnen einer Vene werden bei einem typischen Beispiel mehr
als 3 x 10" Plättchen in 500 bis 600 ml plättchenreichem
Plasma gewonnen. Das sichert einen Durchfluß von mehr als
600.000 Plättchen pro Mikroliter und ermöglicht die
Gewinnung praktisch jedes gewünschten Konzentratwerts durch einen
weiteren Membranfiltrationsschritt, wobei Plasma als ein
Nebenprodukt gewonnen wird.
-
Diese Ergebnisse werden in einer stabilen, nichtkritischen
Betriebsart mit minimaler Hämolyse und minimalem
Leukozytenanteil in dem Produkt erreicht. Es sollte jedoch klar sein,
das das System auf Strömungsgeometrie und Strömungsdynamik
beruht, die einen Komplex von Wechselwirkungen vorteilhaft
nutzen, um einen erreichbaren Durchfluß von Trägersubstanz,
die reich an dem gewünschten Bestandteil ist, zu erhalten.
Vom Konzept her können die Dimensionen und physikalischen
Beziehungen für verschiedene Anwendungsfälle weitgehend
abgewandelt werden. Für jeden bestimmten Anwendungsfall wird
jedoch die optimale Geometrie zur Erzielung einer gegebenen
Durchflußrate, Konzentration und eines gegebenen
Wirkungsgrads von den relativen Größen von Elementen und Abständen
innerhalb der Trenneinrichtungen sowie von den Dichten und
Viskositäten der Bestandteile des zugeführten Materials
beeinflußt. Aus diesem Grund sind vorstehend verschiedene
spezifische Dimensionen und Beziehungen von Abständen
zueinander angegeben zum Zweck der speziellen und kritischen
Anwendung bei Blut, die als das spezielle Beispiel
beschrieben wurde.
-
Eine Einrichtung zur Extraktion von plättchenreichem Plasma
aus Vollblut ist durch bestimmte inhärente Forderungen
eingeschränkt, die die Konstruktion beeinflussen,
beispielsweise die Notwendigkeit der Kompatibilität mit
Spenderabgaberaten. Die Einrichtung sollte außerdem eine Beschädigung
des Fluidsystems vermeiden, eine für den Einmalgebrauch
geeignete, billige, sterile Einmaleinrichtung sein, um die
Gefahr von Kreuzkontamination zu minimieren, und ein
steriles, geschlossenes System darstellen. Diese Faktoren wirken
sich nicht nur auf die Größen und die Geometrien aus,
sondern beeinflussen auch die Wahl der verwendbaren Werkstoffe.
-
Unter Berücksichtigung dieser Forderungen kann man sagen,
daß ein wesentlicher Aspekt der Erfindung die
kontinuierliche Bewegung einer zentrifugierten Masse in einer Richtung
entlang einer und um eine Zentrifugationsachse und die
Ausbreitung
lokalisierter Rückmischbewegungen in dieser
Strömung in der entgegengesetzten Richtung umfaßt, wobei diese
Rückmischbewegungen bevorzugt einen Bestandteil einer
ausgewählten mittleren Dichte beeinflussen. Die Trennung wird
durch Rezirkulation eines Hauptanteils der zentrifugierten
Masse unterstützt, und eine bessere Kontrolle der
lokalisierten Bewegungen wird durch Dämpfen der umgekehrten
Ausbreitung erreicht.
-
Unter spezieller Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 4 findet
in dem System der Eingangsblutstrom durch den Bluteinlaß 21
in den unteren Bereich des Durchflußspalts 90 zwischen
Gehäuse 11 und Rotormantel 80 die bevorzugte Bahn in den
Zentrifugationsspalt 65 durch die Bluteinlaßöffnungen 92 in der
Bodenwand 94 des Mantels Der von dem relativ langen engen
Rezirkulationsspalt 90 gebotene Durchflußwiderstand ist viel
größer als derjenige der Bahn durch den Zentrifugationsspalt
65 innerhalb des Rotors 42, und zwar selbst mit dem engen,
aber relativ kurzen Wirbeldämpfungsbereich. Eine aufwärts
gerichtete Pumpwirkung wird durch den Unterschied der
radialen Positionen der Bluteinlaßöffnungen 92 und der
Blutauslaßöffnungen 85 relativ zu der Mittelachse eingeführt.
Zentrifugalkräfte, die auf das Blut wegen der größeren Radien
der Auslaßöffnungen 85 im Gegensatz zu den Einlaßöffnungen
92 wirken, haben die Tendenz, die Blutmasse innerhalb des
Zentrifugationsspalts 65 nach oben und in dem
Rezirkulationsspalt 90 nach unten zu pressen. Eine aufwärts
gerichtete Pumpwirkung wird außerdem durch die konstante Zunahme
des sich erweiternden Zentrifugationsspalts 65 unterstützt,
während das Blut in Axialrichtung fließt. Wenn der
Zentrifugationsspalt 65 gefüllt ist, was innerhalb weniger
Sekunden der Fall ist, beginnen sich die Durchflußraten zu
stabilisieren, und eine Reihe von verschiedenen
Strömungsbeziehungen wird ausgebildet, die den Trennvorgang einleiten, der
sich einige Sekunden später vollständig stabilisiert.
-
Im stabilen Betrieb wird der Rotor 42 mit 3600 U/min
gedreht, und die auf das Blut in dem Zentrifugationsspalt 65
aufgebrachte Fliehkraft bei einem Außendurchmesser des
Rotors von 4,57 cm (1,8") und einer dünnen Mantelwand des
Rotors 42 ist ungefähr 330 g. Ein wirbelfreier Durchfluß
wird in dem unteren Bereich des Zentrifugationsspalts 65
ausgebildet durch die anfängliche Stabilisierung innerhalb
des engen Spalts entlang der Wirbeldämpfungswand 54. Ein
relativ wirbelfreier Durchfluß existiert entlang dem
Hauptbereich des Zentrifugationsspalts 65 entlang der Länge
der geraden Wand 56 und der oberen divergenten Wand 61 des
Rotorkerns 52. "Relativ wirbelfreier Durchfluß" bedeutet,
daß zwar eine Schichtung oder Schichtbildung eintritt, daß
aber die Dynamik des Betriebs auch andere Bewegungen umfaßt,
die jedoch für das Blut nichttraumatisch sind. Der Durchfluß
erreicht den vollständig stabilen Zustand, nachdem der
Zentrifugationsspalt 65 und die Plättchenkonzentratöffnungen 58
gefüllt sind und Blut sich durch die Blutauslaßöffnungen 85
in dem Mantel 80 nach außen bewegt, um den
Rezirkulationsspalt 90 zu füllen, wobei es abwärts zum Boden innerhalb des
Gehäuses fließt und mit einströmendem Vollblut erneut
vermischt wird. Ein stabiler Durchfluß umfaßt außerdem das
Ausströmen einer bestimmten Fraktion aus plättchen- und
plasmaarmem Blut aus dem oberen Blutauslaß 24, während
plättchenreiches Plasma durch die Plättchenkonzentratöffnungen 58 in
dem Rotorkern 52 zu dem zentralen Bereich und zu dem
koaxialen Auslaß 22 geleitet wird. Die mittlere Verweildauer
von ungefähr 20 s in der Trenneinrichtung 10 und der abwärts
verlaufende Rezirkulationsfluß sind schätzungsweise ungefähr
gleich dem Eingangsdurchfluß zu der Trenneinrichtung. Der
typische Zuwachs an Blutmasse wird wenigstens einmal im
Kreislauf durch die Trenneinrichtung 10 geführt und hat
somit erweiterten Zugang zu der Trenndynamik innerhalb der
Einrichtung. Ein erhebliches Maß an Rezirkulation wird
angewandt, obwohl Testläufe zeigen, daß mehr als 500 % für Blut
zu viel wäre. Wenn sichtbare Blasen in der
Rezirkulationseinrichtung eingeschlossen sind, so ist erkennbar, daß sie
sehr rasch zum Unterende der Einrichtung zurückkehren, was
beweist, daß ein Hauptanteil der Blutmasse rezirkuliert
wird. Das Blut in dem Spalt 65 wird ständig vermischt, weil
sich in diesem Raum kleine Taylorsche Wirbel ausbilden.
-
Die bevorzugte Plättchentrennung erfolgt aufgrund von
Wirkungen und Beziehungen in dem oberen Bereich des Rotors 42.
Die relative Bewegung zwischen den Blutauslaßöffnungen 85 in
dem Mantel 80 und dem umschließenden bewegten Blut in dem
Rezirkulationsspalt 90 induziert eine Reihe von
lokalisierten Wirbelschleppen oder Sekundärverläufen, während die
Diskontinuitäten am Rand der Öffnungen 85 mit dem in
Umfangsrichtung langsamer werdenden Blut, das den Rotor 42 umgibt,
in Wechselwirkung gelangen. Hierbei sollte insbesondere auf
Fig. 5 Bezug genommen werden. Diese lokalisierten
Wirbelschleppen in dem Rezirkulationsspalt 90 laufen jeder Öffnung
85 in Umfangsrichtung nach, während sich der Rotor 42 dreht.
Es wird angenommen, daß solche Sekundärverläufe
zirkulatorische Beschaffenheit haben, daß sie aber für das Blut
nichttraumatisch und nichtzerstörend sind. Sie sind zwar
wegen des engen Spalts nur sehr schwer zu untersuchen, aber
Lage und Stärke können sehr wohl Taylorsche Wirbel
ausbilden, deren Durchmesser dem Spaltabstand entsprechen. Die
lokalisierten Wirbelschleppen oder Zirkulationen sind nur
als verallgemeinerte Bewegungsverläufe in Fig. 5 gezeigt.
-
Wichtig ist, daß die dynamischen Kräfte dieser äußeren
Wirbelschleppen auch systematische Rückmisch- und vielleicht
zirkulatorische Effekte in dem Zentrifugationsspalt 65
induzieren, indem sie Druck- und Bewegungsschwankungen zurück
durch die Blutauslaßöffnungen 85 übertragen. Innerhalb des
Zentrifugationsspalts 65 breitet sich eine Reihe von solchen
lokalisierten Rückmischverläufen in Axialrichtung nach unten
aus, und zwar entgegen dem relativ nichtturbulenten
Aufwärtsdurchfluß von Blut in dem Zentrifugationsspalt 65. Die
Gesamtlänge dieser zerstörenden Muster ist in Fig. 5 als an
den Plasmakonzentratöffnungen 58 vorbeiverlaufend gezeigt.
-
Betriebsergebnisse und Untersuchungen mit sichtbaren Medien,
und zwar sowohl im Betrieb als auch durch Untersuchung von
Ablagerungen nach Abschaltung und Demontage, zeigen, daß die
axialen zirkulatorischen Muster sich mindestens so weit
erstrecken. Manchmal können sie sich nach unten durch nahezu
den gesamten Zentrifugationsspalt 65 ausbreiten. Der die
Anfangsturbulenz dämpfende Bereich, der durch den engen
Spalt gegenüber der Wand 54 gebildet ist, wirkt jedoch der
axialen Ausbreitung entgegen und begrenzt ihre Gesamtlänge.
-
Infolgedessen geht die zentrifugale Trennung und Schichtung
von Plasma, Plättchen und Erythrozyten, die in dem
Hauptdurchflußbereich in dem Zentrifugationsspalt 65 stattfindet,
systematisch in lokalisierten Sektoren in andere
Strömungsverläufe über. Teilweise oder vollständig geschichtete Lagen
von Plasma und Zellmaterial sind ausgebildet, bis die nach
oben bewegte zentrifugierte Masse die
Plättchenkonzentratöffnungen 58 passiert. Material in der Schichtungszone wird
jedoch entlang den in Umfangsrichtung getrennten, axial
verlaufenden Bereichen lokal rückvermischt durch die
dynamischen Kräfte, die relativ zu der Aufwärtsbewegung der
zentrifugierten Masse sich nach rückwärts ausbreiten. Diese
Wirkung ist derart, daß an den Öffnungen 58 in dem Rotorkern
52 plättchenreiches Plasma ankommt. Die axialen
Rückvermischungsverläufe sind zwar in der Umfangsrichtung unbegrenzt
und nicht durch Strukturen physisch eingeengt, sie sind aber
trotzdem stabil.
-
Die bevorzugte Trennung wird durch die Rezirkulation von
Blut aus dem Inneren des Zentrifugationsspalts 65 zurück
nach unten durch den Rezirkulationsspalt 90 erheblich
verbessert. Somit befindet sich der größte Teil der Blutmasse
in dem Zentrifugationsspalt 65, und die innere Strömung hat
eine signifikant höhere Massendurchflußrate als die relativ
ausgeglichenen Produktströme. Die innerhalb des
Zentrifugationsspalts 65 verteilten momentanen räumlichen Muster sind
in Fig. 5 nur als Mutmaßungen dargestellt, und ihre
Ausbildung
und Aufrechterhaltung werden nachstehend weiter
erörtert.
-
Es ist zu beachten, daß die Verläufe in dem
Zentrifugationsspalt 65 nicht ohne weiteres zu analysieren sind. Die
Ergebnisse des Trennvorgangs werden jedoch hier angegeben, um die
Wirksamkeit des Systems zu unterstreichen. Ein
Eingangsdurchfluß von 50 ml/min erzeugt einen
Plättchenkonzentratstrom an den Plättchenkonzentratöffnungen 58 und damit am
Auslaß 22 von ca. 9 bis 12 ml/min. Dieses
Plättchenkonzentrat hat ca. 600.000 Plättchen/ul oder mehr praktisch
ohne Hämolyse, wobei der Plasmaträger im wesentlichen frei
von Leukozyten ist. Das plättchenarme Blut tritt aus dem
Blutauslaß 24 mit der differentiellen Rate von ca. 38 bis
41 ml/min aus. Somit kann dem Reservoir 30 zugeführtes
plättchenarmes Blut zum richtigen Zeitpunkt durch die zweite
Pumpe 20 zu dem Spender rückgeführt werden. Es gibt keine
Kontamination von äußeren Quellen, weil sämtliche
Auslaßöffnungen fixiert und keine drehenden Dichtungen zur Umgebung
offen sind.
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Plättchenreiches Plasma mit Plättchenkonzentrationen im
Bereich von 500.000 pro Mikroliter wird routinemäßig in
diskontinuierlichen Schleuderverfahren gemäß dem Stand der
Technik erzeugt. Diese haben jedoch die eingangs genannten
operativen Nachteile. Es gibt aber mit Ausnahme der eingangs
erwähnten Anmeldung von Schoendorfer et al. keine bekannte
Technologie zur Erzeugung von Plättchenkonzentrationen, die
höher als die angegebenen sind, in einem kontinuierlichen
Durchflußbetrieb ohne die Anwendung zusätzlicher Mittel zum
Trennen der Plättchen von dem Plasma.
-
Die Anmelderin hat im Verlauf der Analyse der komplexen
Strömungsverläufe in der Trenneinrichtung 10 Untersuchungen
durchgeführt, um die wichtigsten Geometrien und Beziehungen
zu bestimmen. Die Existenz von lokalisierten Konvektions-,
Wirbelbildungs- oder Rückmischmustern sowohl außerhalb als
auch innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 kann in
begrenztem Umfang durch ein transparentes Gehäuse 11 nachgewiesen
werden, das unter stroboskopischem Licht synchron mit der
Rotation des Rotors 42 betrachtet wird. Die Anwesenheit,
Position und in gewissem Umfang der Charakter der
lokalisierten Konvektionsmuster ist verdeutlicht worden durch
Anwendung von handelsüblichen Hilfsmitteln zur
Sichtbarmachung des Durchflusses (sichtbare teilchenförmige Stoffe in
Suspension). Wenn solche Fluidgemische durch die
Trenneinrichtung 10 geschickt werden, bilden sich Ablagerungen an
der Innenseite des Gehäuses 11 und an Oberflächen des Rotors
42, an denen die Strömung durch die Fliehkraft gegenüber der
Turbulenz dominiert wird. Die bei dem vorliegenden Beispiel
beobachteten zurückbleibenden Muster liegen an den inneren
Oberflächen des Rotormantels 80. Die beobachteten Muster
zeigen eine allgemein axiale (d. h. vertikale) Bewegung in
Ausfluchtung mit den einzelnen Blutauslaßöffnungen 85 in dem
Mantel 80 und den Plättchenkonzentratöffnungen 58 in dem
Kern 52. Es gibt eine leichte Welligkeit entlang der
Vertikalrichtung, aber die sekundären Verläufe passieren die
Plättchenkonzentratöffnungen 58 in naher Beziehung dazu.
-
Die Existenz von solchen Konvektionsverläufen und
Sekundärbewegungen wird durch Videoaufnahmen bestätigt, die unter
Beleuchtung mit einem Blitzgerät durch ein transparentes
Gehäuse 11 gemacht wurden, wenn sich Suspensionen mit als
Sichtbarmachungshilfe dienenden Partikeln in der
Trenneinrichtung 10 befinden. Die nach rückwärts (d. h. nach unten)
sich ausbreitenden Verläufe in der zentrifugierten Masse
sind axial, obwohl eine gewisse zeitlich veränderliche
Welligkeit existiert. Bei dem gezeigten Beispiel enden sie vor
dem Hälftenbereich der Zentrifugationszone 65.
-
Wie Fig. 5 zeigt, kann man daher mutmaßen, daß sich ein
langgestrecktes konvektives Wirbel- oder Drallmuster in dem
Zentrifugationsspalt 65 zwischen jeder der
Blutauslaßöffnungen 85 und den linear ausgefluchteten
Plättchenkonzentratöffnungen
58 erstreckt. Die dynamische Rückmischwirkung,
die in jedem derartigen Muster auftritt, ist konsistent,
aber komplex. Bei der axialen Trennung von 11,81 mm (0,465")
zwischen miteinander ausgefluchteten Paaren dieser Öffnungen
ist die induzierte zirkulatorische oder Drallbewegung axial
und sehr schmal, wie aus stroboskopischen Untersuchungen und
abgelagerten Mustern von Sichthilfesubstanzen hervorgeht.
Dann kann sich die zirkulatorische Bewegung etwas ausbreiten
und zu einer stärker umfangsmäßigen Richtung umgeleitet
werden, und zwar vermutlich durch die Massenaufwärtsbewegung
von Blut zwischen Einlaß und Auslaß. Es wird bei einigen
Testeinheiten beobachtet, daß die lokalisierten
zirkulatorischen konvektiven Muster sich, wenn auch unter Verringerung,
weiter nach unten über eine gewisse Strecke (ungefähr 2/3
der Rotorlänge) entgegen dem relativ nichtturbulenten
Durchfluß fortsetzen können.
-
Anscheinend gibt es einen Plättchenkonzentrationsgradienten
durch jedes dieser lokalisierten Rückmischmuster. Es wird
angenommen, daß die Plättchenkonzentration primär
Dichteunterschiede widerspiegelt, daß sie aber auch von der Größe
und Gestalt der verschiedenen Blutbestandteile beeinflußt
wird. Beispielsweise unterscheiden sich Plättchen
hinsichtlich ihrer Dichte nur geringfügig von Plasma, haben aber
wegen ihrer Größe erheblich verschiedene Widerstands- und
Beschleunigungsfaktoren aufgrund der lokalisierten
zirkulatorischen Bewegungen gegenüber sowohl Plasma als auch
anderen Blutzellen. Kräfte, die in den lokalisierten Mustern
nahe den Plättchenkonzentratöffnungen 58 nach radial außen
wirken, können dazu tendieren, Plättchen von allen übrigen
Zellen auf der Basis der Größe und/oder des
Widerstandsprofils weiter zu differenzieren. Entsprechend dieser Hypothese
wären die auf Zellmaterial wirkenden Kräfte nahe der inneren
Oberfläche des Mantels 80 am größten und nehmen näher an der
inneren zylindrischen Wand 56 ab, so daß sie wirksam sind,
um Plättchen von schwereren Erythrozyten und Leukozyten zu
trennen. Wenn die Bewegungen und Zwischenräume richtig
angeordnet sind, können Plättchen als bevorzugt im Plasma nahe
den Öffnungen 58 konzentriert angenommen werden.
-
Alternativ kann es sein, daß die lokalisierte Bewegung
innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 auf das schwerere
Zellmaterial an der außenseitigen Wand wirkt, nachdem die
Zentrifugation eine gewisse Schichtung erzeugt hat. Sie kann
dann zirkulieren und das Zellmaterial bewegen, so daß
Plättchen in der radial inneren Plasmaschicht aufgefülltt
werden, während die Bestandteile aus den
Plättchenkonzentratöffnungen 58 abgezogen werden. Eine Neuzuführung von
Plättchen und Plasma würde ebenfalls durch den
Rezirkulationsfluß unterstützt werden. In beiden Fällen resultiert
die hohe Plättchenkonzentration aus dem nach radial außen
gerichteten Verlauf sowohl von etwas Plasma geringerer
Dichte als auch Zellmaterial höherer Dichte; dieser Effekt
ist vollständig unerwartet.
-
Die Anwesenheit eines deutlichen, wenn nicht diskreten,
Übergangs zwischen geschichtetem Zellmaterial und
plättchenreichem Plasma wird durch die Anwendung von
Betriebsvariablen wie Pumpenraten zum Ändern der Entnahme von Plasma,
Plättchen und Zellbestandteilen bestätigt. Indem die
Blutauslaßpumpe 29 ursprünglich auf einer Rate gleich derjenigen
der Einlaßpumpe 20 gehalten wird, besteht im wesentlichen
nur ein gerader Durchfluß aus dem Zentrifugationsspalt 65.
Eine Verlangsamung der Auslaßpumpe 29 relativ zu der
Einlaßpumpe 20 ermöglicht den Austritt eines differentiellen
Stroms aus den Plasmaauslaßöffnungen 58. Der Grad dieser
Differenz, der für eine hohe Plättchenextraktion notwendig
ist, ändert sich mit verschiedenen Spendern, und zwar
hauptsächlich aufgrund von Unterschieden im Hämatokrit.
Durch Einstellen der differentiellen Durchflußrate derart,
daß sie bei oder nahe einem Maximum liegt, ohne daß
Hämoglobin in dem Durchfluß anwesend ist, werden jedoch
überlegene Plättchenzahlen erhalten. Man kann das als den
Schichtungsübergang zwischen dichterem Zellmaterial an der
Außenwand des Zentrifugationsspalts 65 und dem Innenvolumen,
in dem die Rückmischung stattfindet, interpretieren. Wenn
der nach innen gerichtete Plasmadurchfluß zu groß ist, wird
Hämoglobin von der äußeren Schicht des Zellmaterials mit
eingetragen. Wenn der nach innen gerichtete Durchfluß zu
gering ist, wird Plasma mit geringer Plättchenzahl erhalten.
Aber mit dem richtigen Durchfluß wird eine ungewöhnlich hohe
Zahl Plättchen nach radial innen transportiert, obwohl die
Plättchen eine geringfügig größere Dichte als das Plasma
haben.
-
Daher kann das vorliegende System einfach durch den
Ausgleich zwischen Durchflüssen die Bestandteile im Ausfluß
variieren, um Material einer mittleren Dichte gegenüber
sowohl leichterem als auch schwererem Material bevorzugt zu
erhalten.
-
Ein praktisches Beispiel einer Abfolge von
Durchflußänderungen, die bei der Optimierung von Plättchenzahlen im
Plasma aus Vollblut angewandt werden, ist wie folgt Wenn
die Einlaßpumpe 20 auf 50 ml/min eingestellt ist, wird die
Auslaßpumpe 29 ursprünglich ebenso eingestellt, aber dann
verlangsamt, um 33 ml/min zu fördern, so daß 17 ml/min aus
der Plasmaleitung austreten, die typischerweise Hämoglobin
enthalten, nachdem stabile Bedingungen erreicht worden sind
(es kann ein Anfangsreservoir für plättchenreiches Plasma
vorhanden sein). Dann wird die Auslaßpumpe 29 auf 40 ml/min
erhöht, wodurch der Plasmadurchfluß charakteristisch auf ca.
10 ml/min zurückgestellt wird. Dann kann ein höherer
Blutauslaßdurchfluß von beispielsweise 36 ml/min versucht
werden, um zu bestimmen, ob Hämoglobin in dem Plasma abwesend
ist, usw.
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Eine Reihe von Faktoren ist bedeutsam in bezug auf jede
gegebene Produktkonfiguration beim Erhalt eines maximalen
Ertrags, ohne daß Erythrozyten in das Plättchenkonzentrat
eingetragen werden. Der Trennprozeß ist zwar stabil, aber
eine kurze Zeitdauer von typischerweise etwa 60 Sekunden
läuft ab, bevor die Strömungsverhältniss in den stabilen
Zustand gebracht werden. Die mittlere Verweildauer von
Material in der oben beschriebenen Trenneinrichtung liegt
zwar in der Größenordnung von 20 s, aber es wird Zeit
benötigt, um den Zentrifugationsspalt 65 zu füllen, und auch
zum Pumpen des Vollbluts durch die Blutauslaßöffnungen 85
und durch den engen Rezirkulationsspalt 90 in der
Rezirkulationsbahn zum unteren Ende des Rotors 42. Infolge des
engen Rezirkulationsspalts und des dementsprechend höheren
Durchflußwiderstands gegenüber dem Zentrifugationsspalt ist
das Rezirkulationsvolumen nur ein kleiner Anteil des
Gesamtdurchflusses. Die Rezirkulationsdurchflußrate ist jedoch
ungefähr gleich derjenigen der Eintrittsdurchflußrate und
ist sehr nützlich für den Betrieb der Trenneinrichtung im
stabilen Zustand. Versuche mit unterschiedlichen Anzahlen
und relativen Abständen zwischen Blutauslaßöffnungen haben
gezeigt, daß bei dieser Konfiguration zwölf
gleichbeabstandete Öffnungen 85 der angegebenen Größe überlegene
Resultate erbringen. Die Ausfluchtung der
Plättchenkonzentratöffnungen 58 in Axialrichtung mit einem erheblichen axialen
Abstand zwischen ihnen ist ebenfalls als den optimalen
Resultaten angenähert bestätigt worden. Das ist in
Übereinstimmung mit der Vorstellung, daß die lokalisierten
Wirbelströmungen in dem Zentrifugationsspalt sich von jeder
Blutauslaßöffnung 85 im wesentlichen abwärts zu der
ausgefluchteten Plättchenkonzentratöffnung 58 bewegen.
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Durch eine Änderung von einzelnen Variablen über einen
Bereich, wohingegen andere Variablen in dem System konstant
belassen wurden, sind andere Beziehungen identifiziert
worden, die für die Erzielung eines maximalen Wirkungsgrads
signifikant sind. Der Wirkungsgrad reflektiert in diesem
Fall das kumulative Ergebnis, und zwar im wesentlichen in
Form von Gesamtplättchen, die in einem gegebenen Zeitraum
gewonnen wurden, so daß sowohl die Plättchenkonzentration
als auch die Durchflußrate von Plättchenkonzentrat betroffen
sind. Diese beiden Faktoren sind häufig zueinander
entgegengesetzt veränderlich, so daß die Wahl der wirkungsvollsten
operativen Beziehungen häufig einen Ausgleich zwischen den
beiden dazu beitragenden Faktoren verlangt.
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Eine Reihe von Durchläufen wurde mit Einheiten durchgeführt,
bei denen das Maß der Divergenz der Außenwand relativ zu der
Innenwand des Rotors 42 (d. h die Konizität des
Zentrifugationsspalts 65 in Fig. 2) von insgesamt 0,89 mm (0,035") bis
insgesamt 2,03 mm (0,080") geändert wurde. Das
Plättchenkonzentrat fiel durch diesen Bereich ab, aber die
Ausgangsdurchflußrate Qpc stieg mit einer höheren Geschwindigkeit
an. Infolgedessen stieg der Trennwirkungsgrad, weil die
Durchflußrate der bestimmende Faktor war. Eine Konizität mit
einer differentiellen Beabstandung von 2,03 mm (0,080")
wurde in anschließenden Untersuchungen verwendet. Diese
Tests wurden jedoch mit einem Rotor von 2,54 cm (1") und
einem Zentrifugationsspalt geringerer Größe als bei dem
Rotor von 4,57 cm (1,8") durchgeführt. Obwohl bei dem hier
beschriebenen 1,8"-Rotor der Zentrifugationsspalt vergrößert
und die Konizität verringert waren, bleibt das etablierte
Prinzip richtig, daß nämlich für jedes Set von Variablen
eine optimale Konizität existiert.
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In getrennten Untersuchungen wurde der Außendurchmesser des
Rotorkerns 42 relativ zu dem Hauptteil der konischen Länge
des äußeren Mantels verändert. Kleine Spalte mit konstanter
Dimension wurden in dem untersten Einlaßbereich zu
Dämpfungszwecken vorgesehen. Somit wurden die mittleren und die
endgültigen Grenzgrößen des Zentrifugationsspalts in dem
konischen Bereich geändert, wodurch auch das
Gesamtblutvolumen geändert wurde, das in dem Zentrifugationsspalt
eingeschlossen ist. Wenn die Konizität eine Differenz von
2,03 mm (0,080") zwischen ihren Grenzwerten hat, hatten
sowohl das Plättchenkonzentrat als auch die Durchflußrate
einen Peak bei ca. 18,29 mm (0,720") Kerndurchmesser relativ
zu einem Mantelaußendurchmesser von 25,4 mm (1,000"), was
einen durchschnittlichen Spalt von 2,03 mm (0,080") ergibt.
Der Wirkungsgrad wurde in diesem selben Bereich maximiert.
Die beobachtete Charakteristik war, daß sowohl die
Durchflußrate als auch die Rate des Plättchenkonzentrats an
beiden Enden des Bereichs von Spalten abfielen. Somit wurde
ein durchschnittlicher Spalt von ca. 3,43 mm (0,.135") mit
einem Mantel, der einen Außendurchmesser von 4,57 cm (1,8")
hat, verwendet.
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Die Tiefe des Spalts zwischen der konischen Wand 61 an dem
oberen Ende des Kerns 42 und der gegenüberstehenden
Innenwand des Mantels 80 kann eine Auswirkung auf die
lokalisierten Bewegungen innerhalb des Zentrifugationsspalts 65
haben. Das Plättchenkonzentrat fiel mit abnehmender
Spaltgröße etwas ab, aber die Durchflußrate stieg an. Der
optimale Wirkungsgrad, bei dem gesichert ist, daß keine
Erythrozyten mitgerissen werden, ergab sich bei einem
Kernoberende, das in Aufwärtsrichtung divergent war, so daß
ein konvergentes Ende des Zentrifugationsspalts erhalten
wurde. Wenn der Spalt zu klein war, war das Produkt aus den
Plättchenkonzentratöffnungen 58 im wesentlichen nur klares
Plasma. Wenn andererseits der Spalt zu groß war, bestand
eine Tendenz zur Anwesenheit von Erythrozyten in dem Plasma.
Ein zu großer Spalt in diesem Bereich scheint eine
übermäßige innere Bewegung zuzulassen, so daß Erythrozyten
erscheinen und Hämolyse resultiert. Ein zu kleiner Spalt
scheint kein oder ein unwirksames Vermischen innerhalb der
geschichteten Lagen zu ergeben, so daß die Tendenz besteht,
daß nur Plasma, der Bestandteil mit der geringsten Dichte,
an den Plättchenkonzentratöffnungen 58 erscheint. Die
Ausbildung des Kernoberteils derart, daß es in Aufwärtsrichtung
divergiert, unterstützt auch das Leiten der gesamten Luft in
der Trenneinrichtung zu den Plättchenkonzentratöffnungen 58.
Dadurch wird die Erstvorbereitung (Priming) der
Trenneinrichtung stark vereinfacht.
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Bei der gezeigten optimalen Einheit, die für eine
Eingangsdurchflußrate von 50 ml/min Vollblut ausgebildet war, wurde
gefunden, daß der Wirkungsgrad bei 50 ml/min Eingangsmenge
am größten war, obwohl auch höhere Durchflußraten möglich
sind. Bei höheren Eingangsdurchflußraten ändert sich die
Durchflußrate des Konzentrats nicht erheblich, und das
Plättchenkonzentrat steigt zwar etwas an, aber die
Ausgangsdurchflußrate ist ausschlaggebend, und das
Nettoergebnis ist eine Verringerung des Wirkungsgrads. Außerdem
sind in der Praxis Spenderdurchflußraten auf den Bereich von
50 bis 60 ml/min beschränkt.
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Schließlich ist die Beziehung zwischen dem Spalt zwischen
dem Rotor und dem Gehäuse sowie dem resultierenden Durchfluß
von Plättchenkonzentrat bedeutsam. Bei den gegebenen
3600 U/min und dem oben angegebenen Rotorradius wird die
Hämolyse bei Rezirkulationsdurchflußspalten unter 0,10 mm
(0,004") meßbar. Wenn der Spalt 0,25 mm (0,010")
überschreitet, verringert sich die Durchflußrate von
plättchenreichem Plasma. Die derzeitige Hypothese ist, daß die
Auswirkung auf die dominierende Charakteristik der Amplitude
des Rezirkulationsdurchflusses an der Trennzone zurückgeht.
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Fachleute werden außerdem erkennen, daß es ohne weiteres
praktikabel ist, das System in einer umgekehrten Beziehung
zu betreiben, wobei der Vollbluteingangsstrom sich am oberen
Ende befindet, der Konus nach unten divergiert und die
Plättchenkonzentratöffnungen an das untere Ende des Rotors
angrenzen, so daß sie eine kürzere Durchflußbahn zu der
koaxialen Ausgangsöffnung haben. Vorrichtungen mit dieser
Konfiguration sind gebaut und mit zufriedenstellenden
Ergebnissen in Betrieb genommen worden, aber die in den Fig. 1
bis 7 gezeigte Anordnung scheint sich schneller zu
stabilisieren und eine etwas bessere Trennwirkung zu bieten.