DE3853298T2

DE3853298T2 - Zentrifugaltrenner.

Info

Publication number: DE3853298T2
Application number: DE3853298T
Authority: DE
Inventors: Claude Edgar Berthe; Donald Walter Schoendorfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-01-13
Filing date: 1988-01-12
Publication date: 1995-11-09
Anticipated expiration: 2008-01-13
Also published as: DE3853237T2; JPH0669491B2; AU604843B2; AU1181288A; EP0299032A1; DE3853298D1; EP0432147A3; WO1988005332A1; EP0432147B1; EP0299032B1; DE3853237D1; EP0299032A4; JPH01502093A; CA1321986C; EP0432147A2

Description

Zentrifugation ist wohlbekannt als Technik zum Trennen der Bestandteile einer flüssigen Suspension, wobei die Bestandteile geringe Dichteunterschiede aufweisen. Zentrifugationsvorrichtungen werden für biomedizinische Anwendungen vielfach eingesetzt, wobei eine der wichtigsten Anwendungen die Fraktionierung der Bestandteile von Blut ist, das eine empfindliche und komplexe Substanz ist, die suspendiertes Zellmaterial und andere Substanzen mit relativ kleinen Dichteunterschieden trägt. Wenn Blutproben entnommen werden, werden sie häufig unter hohen Fliehkräften durch Rotation mit extrem hohen Drehgeschwindigkeiten wie etwa 83,33 U/s (5000 U/min) und mit hohen Trennkräften wie etwa 5000 g für 5 bis 10 min aufgetrennt. Das führt in der Probe zu einer Schichtung von roter und weißer Zellsubstanz mit der höchsten Dichte relativ zu dem Bestandteil mit der geringsten Dichte, nämlich Plasma, und dazwischen einer dünnen Schicht (manchmal als "Leukozytenmanschette" bzw. "buffy coat" bezeichnet) aus Thrombozyten bzw. Plättchen und Leukozyten. Spezifische Zelltypen können aus einem zentrifugierten Beutel entfernt werden, indem die getrennten Zonen in Einzelbehälter exprimiert werden.
Zentrifugation wird zwar allgemein als Chargenverfahren durchgeführt, es gibt aber viele allgemein verwendete kontinuierliche Zentrifugationsvorrichtungen, wobei allerdings die für die Handhabung von Blut geeigneten Vorrichtungen für diesen Zweck speziell ausgebildet sind. Wenn ein Bestandteil mittlerer Dichte in einem kontinuierlichen Verfahren extrahiert werden soll, kann eine Sonde oder eine Schneide an der richtigen Position zum Abtrennen einer ausgewählten Schicht in einer kontinuierlichen Zentrifugationsmaschine verwendet werden. Solche Systeme sind komplex, und zwar besonders, wenn die Schicht mittlerer Dichte nur in einem geringen Anteil anwesend ist. Chromatographische Techniken, die Bestandteile zeitlich nacheinander trennen, sind ebenfalls bekannt, sind aber wiederum komplex.
Zur Extraktion von Plättchen aus Vollblut ist vor einiger Zeit eine verbesserte Vorrichtung entwickelt worden, die den Gegenstand von WO-A-86/01426 bildet. Gemäß dieser Vorrichtung und Methode wird plättchenreiches Plasma von Blut in einem ersten Schritt getrennt, bei dem Bluut in eine biologisch geschlossene Konstruktion eingeleitet wird, die einen inneren doppelwandigen Rotor in einem konzentrischen Gehäuse hat. Die bevorzugte Durchflußbahn ist zwischen den Wandungen des Rotors im Gegensatz zu der Bahn zwischen der Außenseite des Rotors und dem Gehäuse, so daß eine Zentrifugalschichtbildung und Trennung von plättchenreichem Plasma in dem Rotor erfolgt. Das plättchenreiche Plasma kann dann in einer Rotationsmembranvorrichtung auf die gewünschte Plättchenendkonzentration filtriert werden, wobei Plasma als zusätzliches Produkt erhalten wird. Größe, Wirkungsgrad und Einfachheit dieser Vorrichtung ermöglichen die Herstellung der mechanischen Teile als kostengünstige Einmalteile. Die Vorrichtung ist außerdem während eines Spendevorgangs in Echtzeit zu betreiben, um das Plättchenkonzentrat zu extrahieren, während die übrigen Bestandteile des Bluts an einen Patienten oder Spender zurückgeleitet werden. Die zu der vorliegenden Erfindung führende Arbeit wurde durchgeführt, um wichtige Vorteile in bezug auf Plättchenkonzentratpegel, Wirkungsgrad und Durchsatz zu erzielen.
Der Erhalt von Blutplättchenkonzentrationen ist ein besonders kritisches Beispiel des Problems der Extraktion einer Substanz mittlerer Dichte aus sowohl leichteren wie auch dichteren Stoffen in einer flüssigen Suspension. Blutplättchen werden für analytische, therapeutische und andere Zwecke eingesetzt. Bei modernen Anwendungen ist es sehr erwünscht, plättchenarmes Blut erneut in einen Spender zu infundieren, und zwar in einem Vorgang, bei dem Einmal-Separatoren verwendet werden und ein minimaler Zeitaufwand entsteht. Automatische oder halbautomatische Plättchenpherese-Vorrichtungen wie etwa das Modell V-50 von Haemonetics Corporation, I.B.M. 2997 von Cobe Laboratories und CS3000 von Fenwal Laboratories arbeiten mit diesen Mitteln. Diese Vorrichtungen sind jedoch teuer und kompliziert im Betrieb. Da Plasma eine Dichte von 1,0269 g/ul hat und Plättchen eine Dichte von 1,03 g/ul haben (Erythrozyten haben eine Dichte von 1,10 g/ul), hat die Schwierigkeit der Fraktionierung bisher die Verwendung von erheblich einfacheren und billigeren Systemen verhindert. Daher wird immer noch die manuelle Plättchenpherese angewandt, die seit mehr als 25 Jahren angewandt wird. Dabei wird ein diskontinuierliches Zweistufen-Zentrifugationsverfahren angewandt, das mit einzelnen Bluteinheiten arbeitet, und zwar mit einem ersten Schleuderschritt niedrigerer Geschwindigkeit, um plättchenreiches Plasma zu gewinnen, und dann mit einem zweiten Schleuderschritt höherer Geschwindigkeit, um die Plättchen zu konzentrieren. Das erfordert nicht nur eine manuelle Handhabung, sondern Vorräte von einzelnen Spendern müssen vermischt werden, um eine adäquate Menge Plättchen für die Plättchentransfusion zu erhalten.
Menschliches Blut besteht normalerweise aus ca. 50 % Plasma und erheblich weniger als 1 % Plättchen in einer Konzentration von ungefähr 250.000 Plättchen je Mikroliter Vollblut. Wenn daher Plasma aus dem Blut gemeinsam mit im wesentlichen sämtlichen Plättchen abgetrennt wird, erhält man 500.000 bis 550.000 Plättchen je Mikroliter Vollblut (die "Norm"). Von Plättchenkonzentrat wird gewöhnlich angenommen, daß es ungefähr 1,1 Millionen Plättchen oder mehr je Mikroliter Plasma enthält. Der Erhalt von Plasma, das über die Norm hinaus plättchenreich sowie frei von Hämolyse ist, und die Durchführung auf kontinuierlicher Basis, die mit Spender- Durchflußraten (typischerweise ca. 0,83 ml/s (50 ml/min)) kompatibel ist, ist daher ein sehr erstrebenswertes Ziel. Erythrozyten und etwas Plasma können gleichzeitig zum Spender rückgeführt werden, während das plättchenreiche Plasma aufbewahrt oder anderweitig zur Plättchentransfusion oder für sonstige Zwecke verfügbar gemacht wird. Wenn ein hohes Plättchenkonzentrat (z. B. 4.000.000 Plättchen/ul) auf Echtzeitbasis gewünscht wird, kann ein In-line-Rotationsmembranfilter verwendet werden, wie in der oben erwähnten Anmeldung von Schoendorfer et al. beschrieben ist.
Ein Einschrittverfahren zur Extraktion von plättchenreichem Plasma aus Vollblut löst ein sehr schwieriges Problem, und das Verfahren sollte außerdem zur Verwendung in anderen Anwendungsfällen ausgebildet sein, wo es erwünscht ist, einen Bestandteil oder ein Zielmaterial sowohl aus schwereren als auch leichteren Stoffen in einer Suspension selektiv zu extrahieren.
Der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert auf WO-A-86/01426, und die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung sind im Kennzeichenteil von Anspruch 1 angegeben.
Ein Merkmal der Erfindung liegt in der Anwendung von internen Pumpen innerhalb der Zentrifugationszone und der internen Rückführung von teilweise abgetrennter Substanz zurück zu der Zentrifugationszone, so daß das Trennverfahren vermehrt genutzt wird, während abgetrennte Substanzen an verschiedenen Öffnungen extrahiert werden.
Bei einem speziellen Beispiel we'ist die Rotorkonstruktion einen Doppelwandkörper auf, der einen Zentrifugationsspalt definiert und in einem Gehäuse drehbar ist, das von dem kleinen Spalt, der der Rückführung dient, beabstandet ist. Eine Reihe von Öffnungen in der Außenwand des Rotors erzeugt nichttraumatische, lokalisierte Konvektionsmuster oder Nachläufe in dem vergleichsweise stationären Vollblut, das in dem Rückführungsspalt eingegrenzt ist. Diese Muster laufen den Öffnungen in im allgemeinen Umfangsrichtung 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 sind die lokalisierten Wiedervermischungsmuster nicht in Umfangsrichtung, sondern im wesentlichen axial entlang dem Rotor gerichtet, und sie Pflanzen sich außerdem entgegen der Hauptdurchflußrichtung fort. Diese Rückwärtsfortpflanzung ist in bezug auf die Länge durch einen schmalen Dämpfungsspalt in der Anfangszone des Rotors vor der Zentrifugationszone begrenzt. Wegen der Schwierigkeit, kleine innere Strömungsmuster in der Rotorkonstruktion zu beobachten, versteht man derzeit nicht ganz, ob eine schwerere äußere Schicht oder Lage intern vermischt wird, um die Verfügbarkeit von Plättchen zu verbessern, oder ob eine leichtere innere Schicht so vermischt wird, daß ein plättchenreicher Mantel- oder Oberflächeneffekt erzielt wird, oder ob eine andere Erklärung richtig ist. Nichtsdestoweniger wurde gezeigt, daß eine unerwartet hohe Plättchenzahl/Volumeneinheit erhalten wird, ohne daß in den abgegebenen Plättchen Erythrozyten, Leukozyten oder Hämolyse vorhanden wäre.
Erhebliche Pumpkräfte werden dadurch erzeugt, daß die Blutauslaßöffnungen auf einem größeren Radius relativ zu der Mittelachse als die Bluteinlaßöffnungen liegen. Außerdem ist der Abstand zwischen den Doppelwänden des Rotors nicht gleichmäßig, sondern definiert, ausgehend von einem Einlaß an einem Ende, zuerst die als enger Spalt ausgebildete Dämpfungszone, dann einen breiteren Zentrifugationsspalt, dessen Außengrenze hinsichtlich des Radius größer wird, während sich Substanz vom Einlaß- zum Auslaßende bewegt, und anschließend eine konvergente Wiedervermischungs- und Auslaßzone. Die Divergenz des Zentrifugationsspalts sorgt für einen Differenzdruck oder eine Pumpwirkung zwischen Einlaß und Auslaß.
Der Rückführungsspalt hat einen viel höheren Durchflußwider stand als der Zentrifugationsspalt aufgrund seiner kleinen Spaltdimension und großen Länge. Der Rückführungsdurchfluß ist bei diesem Beispiel so ausgelegt, daß er in der gleichen Größenordnung wie die Eingangsdurchflußrate liegt, und ist für den Durchsatz und die Plättchenkonzentration sehr bedeutsam, weil die Rückführung der Komponenten des Massenstroms einen größeren Zutritt von Plättchen und Plasma zu der Dynamik des Trennvorgangs bietet.
Auslaßöffnungen in der Außenwand des Rotors führen in den Rückführungsspalt und von dort entweder in die Rückführungsbahn oder zu der Auslaßöffnung, wohingegen 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 sind auf Anzahl, Größe und Position der Öffnungen in der Innenwand des Rotors bezogen, wobei eine axiale Ausfluchtung beibehalten ist. Der Spalt und die axiale Verlagerung dieser Öffnungen und Mündungen sind für ein optimiertes Betriebsverhalten ebenfalls von Wichtigkeit, weil die Wiedervermischungsmuster über die Plasmaöffnungen in der Innenwand verlaufen. Die radiale Dimension des Spalts entlang den Wiedervermischungszonen ist sowohl konisch verjüngt als auch größenmäßig begrenzt, um eine Hämolyse zu minimieren, die aufgrund von übermäßiger innerer Zirkulation auftreten könnte.
Diese Vorrichtung eignet sich besonders für Anwendungen bei der Echtzeit-Plättchenpherese, wobei gerinnungsgehemmtes Blut von einem Spender in einen Bodeneinlaß zugeführt und entlang einem vertikal angeordneten Rotorsystem gepumpt wird. Ein spezielles Beispiel einer Plättchenpheresevorrichtung arbeitet mit einer Drehzahl von 2000 bis 3800 U/min, einem Rotoraußendurchmesser von 46 mm (1,8") und enthält einen Zentrifugationsspalt, der mit einem engen Dämpfungsspalt von 0,13 mm (0,005") am unteren Bereich beginnt. Der Kern wird schmaler, und die Gehäusewand ist nach außen verjüngt, so daß sich der Zentrifugationsspalt entlang seiner Hauptlänge zwischen ca. 3,1 bis 3,7 mm (0,125" bis 0,145") ändert, 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 ist ein solches inneres Volumen vorhanden, daß die mittlere Verweildauer länger als 30 s ist. Bei dieser Konfiguration sind Blutauslaßöffnungen in der Außenwand, die 1,6 mm (0,063") breit mal 1,6 mm (0,063") hoch sind, um ungefähr 30º voneinander entfernt, wobei insgesamt zwölf Öffnungen vorhanden sind. Eine gleiche Anzahl Plättchenkonzentrat-Auslaßöffnungen in der Innenwand des Rotors sind in Axialrichtung ausgefluchtet, aber um 11,8 mm (0,465") versetzt, und sind 0,9 mm (0,035") breit mal 1,9 mm (0,075") hoch. Der Konizitätsgrad, das innere Blutaufnahmevolumen, die Größen und die relativen Positionen der Öffnungen werden sämtlich genutzt, um eine überlegene Kombination von Durchflußrate und Wirkungsgrad zu erhalten. Die Gesamtdurchflußrate für einen spezifischen Zweck oder für die allgemeine Anwendung kann geändert werden durch Anwendung eines geeigneten Formfaktors auf Dimensionen und Volumen, während gleichzeitig die Spalte auf ungefähr der gleichen Größe gehalten werden.

Kurze Erläuterung der Zeichnungen

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich durch Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; in den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Perspektivansicht eines zum Einmalgebrauch bestimmten Plättchenabscheiders;
Fig. 2 eine seitlichen Schnittansicht des Abscheiders von Fig. 1;
Fig. 3 ei)ne Kombination aus Blockdiagramm und vereinfachter Perspektivansicht einer Vorrichtung zur Plättchenpherese nach der Erfindung;
Fig. 4 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung eines Bereichs des Einlaßendes des Abscheiders von Fig. 1 und 2;
Fig. 5 eine teilweise geschnittene Teilperspektivansicht eines Bereichs des Auslaßendes des Abscheiders von Fig. 1;
Fig. 6 eine Draufsicht von unten auf den oberen Bereich der Rotorkernkonstruktion; und
Fig. 7 eine seitliche Schnittansicht des oberen Kernbereichs des Rotors entlang der Linie 7-7 von Fig. 6, gesehen in Richtung der eingefügten Pfeile.
Das System und die Vorrichtung der Fig. 1-7, auf die nachstehend Bezug genommen wird, befassen sich mit den vielen Schwierigkeiten, die durch die Aufgabe gegeben sind, Plättchenkonzentrat direkt aus Vollblut zu extrahieren. Dies ist nur ein Beispiel des Problems, eine Konzentration eines eine Zwischendichte aufweisenden Bestandteils oder eines Zielbestandteils aus sowohl schwereren als auch leichteren Bestandteilen in einem homogenen Durchfluß zu erhalten. Ungewöhnlich schwerwiegende Probleme, die dieser Aufgabe bei Anwendung auf Plättchenpherese innewohnen, ergeben sich aus Faktoren wie der viskosen Eigenschaft von Blut, der zerbrechlichen Beschaffenheit seiner Zellbestandteile, dem sehr geringen Prozentsatz von Plättchen in Vollblut, dem niedrigen Dichtedifferential zwischen Plasma, Plättchen, Erythrozyten und Leukozyten, dem Wunsch nach Rückführung aller nützlichen Blutbestandteile zum Spender, und zwar im wesentlichen gleichzeitig mit der Abtrennung und innerhalb einer annehmbaren Zeit. Außerdem sollen diese Funktionen mit einer billigen, zum Einmalgebrauch bestimmten, leicht installierbaren, einfach betätigbaren und biologisch geschlossenen Einrichtung durchgeführt werden, die ungeachtet von Änderungen in dem Blut von verschiedenen Spendern effizient arbeitet. Alle diese Forderungen werden von Vorrichtungen und Systemen gemäß der Erfindung erfüllt.
Die Einmal-Abscheidevorrichtung 10 ist in den verschiedenen Ansichten der Fig. 1, 2 und 4 bis 7 gezeigt, während die Hauptelemente eines kompletten Abscheidesystems in Fig. 3 gezeigt sind. Um den Zusammenhang und die spezifische Anwendung zu erläutern, wird zuerst das System allgemein beschrieben.
Gemäß Fig. 3 hat die Blutabscheidevorrichtung 10 ein Gehäuse 11, das zwischen einen unteren Halter 12 und eine davon beabstandete magnetische Antriebseinrichtung 14 eingefügt ist, die an einem Konsolenfeld 15 angebracht ist. Die magnetische Antriebseinrichtung 14 nimmt das obere Ende des Abscheiders 10 auf und dreht seinen Innenmechanismus durch Kuppeln eines drehenden Magnetfelds mit einem inneren magnetischen Element, wie im einzelnen beschrieben wird. Vollblut, das von einem Spender mit einer einzigen Nadel 16 entnommen wird (alternativ kann ein Zweinadelsystem verwendet werden), wird durch Antikoagulans von einer Quelle 18 durch eine Pumpe 19 gerinnungsgehemmt. Diese Pumpe und weitere Pumpen in dem System sind bevorzugt vom peristaltischen Typ. Das gerinnungsgehemmte Blut wird dann von einer umsteuerbaren Blutpumpe 20 in einen Einlaß des Abscheiders 10 gepumpt, um einen Druck von ca. 5,07 x 10&sup4;&sup4; Pa bis 5,33 x 10&sup4; Pa (380 bis 400 mmHg) auszubilden, um die Schwerkraft und Druckabfälle in der Vorrichtung zu überwinden. Die drehbare Abscheidevorrichtung 10 erhält das Blut an einem unteren tangentialen Einlaß 21 zum 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 befindet sich ungefähr auf Umgebungsdruck und wird aufgrund der Schwerkraft durch einen flexiblen Schlauch abwärts zu einem Plättchenreservoir 23 geleitet. In dieser Bahn passiert das ausfließende plätttchenreiche Plasma einen Hämoglobindetektor 25 und eine flexible Abzweigleitung 26. Sowohl die Abzweigleitung 26 als auch der Auslaßschlauch können selektiv von einer auf ein Signal ansprechenden Klemme 27 bzw. 28 geschlossen werden. Das aus dem Auslaß 24 ausfließende Blut hat einen hohen positiven Druck (typischerweise 4,00 x 10&sup4; bis 5,33 x 10&sup4; Pa (300 bis 400 mmHg)) und wird in eine Seite eines Reservoirs 30 durch eine steuerbare Pumpe 29 geleitet, die normalerweise nur ausreichenden differentiellen Druck an das Reservoir abgibt (ca. 1,33 x 10&sup4; bis 2,67 x 10³ (10 bis 20 mmHg)), um eine konstante gewählte Durchflußrate aufrechtzuerhalten. Aus dem Blutreservoir 30 wird plättchenarmes Blut von der Blutpumpe 20 zu der Einzelnadel 16 in zeitlich gesteuerten Phasen, die von den Entnahmephasen getrennt sind, überführt.
Die Beibehaltung eines positiven Drucks des Blutes ist theoretisch nicht notwendig, weil differentielle Drücke die Durchflußraten bestimmen und das plättchenreiche Plasma unter negativem Druck abgepumpt werden könnte. In der Praxis kann jedoch ein erheblicher negativer Druck zu einsetzender Verdampfung führen, und das sollte vermieden werden.
Da der Einzelnadelbetrieb im Hinblick auf das Wohlbefinden des Spenders allgemein bevorzugt wird, wird Blut in alternierenden Phasen entnommen und rückgeleitet, wobei das Reservoir 30 als Puffer für diesen Zweck dient. Bei einem ausreichend großen Reservoir braucht nur ein vollständiger Zyklus vorgesehen zu werden, obwohl im allgemeinen mehrere Zyklen angewandt werden, um die Gesamtmenge an Vollblut, die zu einem Zeitpunkt von dem Spender entnommen wird, zu begrenzen. Um den Einsatz einer einzigen Blutpumpe 20 zu ermöglichen, werden signalbetätigte Klemmen 32 und 34 in der Einlauf- bzw der Rücklaufleitung verwendet, um diese Leitungen zu öffnen und zu schließen.
Jede einer Vielzahl von anderen Systemkonfigurationen kann verwendet werden. Beispielsweise könnte mit einer Einzelnadel ein Doppelkammerreservoir verwendet werden, und plättchenarmes Blut könnte aus dem ersten Reservoir mit konstanter Rate zu dem zweiten gepumpt werden.
Eine herkömmliche Form von Steuersystem 36 ist mit den verschiedenen Pumpensensoren und Klemmen im System gekoppelt, um Betriebszustände zu erfassen und Durchflußraten, Durchflußbahnen und Durchflußdauern zu regeln sowie Anzeigen des stabilen Zustands oder von Alarmzuständen zu liefern. Soweit diese Funktionen derzeit an einer Reihe von bekannten Hämapheresesystemen verwendet werden, die Blut von einem Spender entnehmen und es reinfundieren, sind der Einfachheit und Kürze halber die meisten davon weder gezeigt noch im einzelnen beschrieben Eine manuelle Steuerung der verschiedenen Einrichtungen ist zwar praktisch möglich, wird aber für den allgemeinen Gebrauch nicht bevorzugt. Einmal- Schläuche werden verwendet, um Fluide in diesem System zu übertragen, und zwar gemeinsam mit Einmal-Reservoiren 28, 30 und dem Einmal-Abscheider 20, so daß keine Kreuzkontaminierung zwischen Patienten resultieren 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 Ablaufleitung für plättchenreiches Plasma. Wenn in der Ablaufleitung von dem Detektor 25 ein Hämoglobinwert über einem vorbestimmten Pegel erfaßt wird, wird die Abzweigleitung 26 durch Lösen der Klemme 27 geöffnet, und die Hauptleitung wird von der Klemme 28 geschlossen. Die Durchflußbedingungen können dann eingestellt werden, bis wieder plättchenreiches Plasma fließt, woraufhin ein Bediener oder das Steuersystem 36 die Klemmen 27, 28 erneut verstellt. Das Steuersystem 36 bestimmt auch die Förderrichtung der Pumpe 20, um Blut aus dem Blutreservoir 30 zur Reinfusion in den Spender durch die Nadel 16 rückzuleiten. Zur Reinfusion von plättchenarmem Blut zum Spender wird die Pumpe 20 in der richtigen Richtung gedreht, und die Rückleitungsklemme 34 wird geöffnet, während die Klemme 32 der Einlaufleitung geschlossen wird. Dieser Vorgang wird durchgeführt, nachdem eine ausreichende Menge an plättchenreichem Plasmakonzentrat gesammelt worden ist, oder wenn der Inhalt des Reservoirs 23 einen vorbestimmten Pegel oder eine vorbestimmte Masse erreicht. Einrichtungen zur Mengenerfassung in dem Blutreservoir 30 und in dem Reservoir 23 für plättchenreiches Plasma sind der Einfachheit halber weggelassen worden.
Der Abscheider 10, der im einzelnen in den Fig. 1, 2 und 4 bis 7 gezeigt ist, auf die nunmehr speziell Bezug genommen wird, haltert das zylindrische Gehäuse 11 auf einer im allgemeinen vertikalen Achse. Damit ist die Volibluteiniauföffnung 21 in dem Gehäuse 11 tangential nahe dem Unterende des Gehäuses positioniert, da sie zulaufendes Blut von dem Spender liefert. Ein innerer doppelwandiger Rotor 42 ist in dem Gehäuse 11 drehbar angeordnet und konzentrisch mit der Mittelachse des Abscheiders 10, die charakteristisch vertikal ist. Eine Gruppe von magnetischen Elementen 44, 45, 46 ist in dem oberen Ende des Rotors 42 angeordnet und damit gekoppelt und in der magnetischen Antriebseinrichtung 14 positioniert, wenn der Abscheider 10 in der Betriebsstellung angebracht ist. Ein drehendes Magnetfeld in der Antriebseinrichtung 14 ist mit dem Rotor gekoppelt, um eine gewünschte Drehgeschwindigkeit im Bereich von 33,3 bis 63,3 U/s (2000 bis 3800 U/min) und im vorliegenden Fall von 60 U/s (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 angeordnet 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 eine Substanz, die durch die zentrale Bohrung in dem unteren Drehzapfen 50 geht, durch Schwerkraftdurchfluß in das Plättchenreservoir 23 liefert. Unter zusätzlicher Bezugnahme auf die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Einzelheiten ist die innere Konstruktion des Abscheiders 10 von großer Wichtigkeit für die durchzuführenden Funktionen. Der doppelwandige Rotor 42 übergreift die axiale Länge zwischen der Bluteinlaß- und -auslaßöffnung 21 bzw. 24 und hat in diesem Bereich im allgemeinen zylindrische äußere Gestalt. Er umfaßt eine innere zylindrische Wand oder einen Kern 52 mit veränderlichem Profil, der eine im wesentlichen kontinuierliche Oberfläche hat mit Ausnahme von in Umfangsrichtung 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 eine nach innen verjüngte Länge 55, die 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 Öffnungen 58 für plättchenreiches Plasma mit Viereckgestalt, die 0,9 mm (0,035") breit mal 1,9 mm (0,075") hoch sind, führen nach radial innen an dem Oberende der Wand 56. An einem oberen Abschnitt 60 des Kerns 52 oberhalb der Öffnungen 58 weist der Rotorkern 52 eine nach außen verjüngte 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.
Für die Zwecke des kostengünstigen Formpressens wird der Rotorkern 52 vorteilhaft in zwei Teilen gefertigt, die an der Ebene zusammengefügt sind, die den unteren Rand der Plättchenkonzentratöffnungen 58 schneidet. Dieser obere Abschnitt 60 ist in den Ansichten der Fig. 6 und 7 am besten zu sehen.
Wie aus den Fig. 2 und 6 am besten ersichtlich ist, weist der separate obere Abschnitte 60 radiale Kanäle 67 auf, die von den Plättchenkonzentratöffnungen 58 nach innen in einen zentralen Verteilerbereich 68 führen, der über ein zentrales hohles Rohr 69 mit dem koaxialen Plättchenkonzentratauslaß 22 über den hohlen unteren Drehzapfen 50 in Verbindung ist. Der obere Abschnitt 60 des Rotorkerns 52 weist eine Wand 70 mit kleinerem Durchmesser auf, die engpassend in einem durchmesserkleineren oberen Ende des Gehäuses 11 angeordnet ist und vertikale innere Vorsprünge 71 aufweist, um die ungefähr sternförmigen magnetischen Elemente 44 bis 46 passend aufzunehmen. Der obere Abschnitt 60 ist von einer Endkappe 72 abgeschlossen, die eine koaxiale Aussparung 73 zur Festlegung des unteren Endes des oberen Drehzapfens 48 hat. Die Endkappe 72 weist ferner einen nach unten ragenden zentralen Dorn 78 auf, der in zentrale Öffnungen in den magnetischen Elementen 44 bis 46 eingreift.
Eine Außenwand 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 Abschnitt 60 des Kerns verbunden und ist mit der Mittelachse konzentrisch. Die Innenfläche des Mantels 80 ist jedoch konisch verjüngt, um einen konstanten nach außen divergierenden Aspekt in dem Zentrifugationsspalt 65 (in Aufwärtsdurchflußrichtung) in bezug auf den geraden Abschnitt 56 des Kerns 52 zu ergeben. Bei diesem Beispiel ist der Abstand 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 entlang einer Länge von ca. 5,3 cm (2,09") zu erweitern. Die nach außen verlaufende Verjüngung des oberen Abschnitts 60 des Rotorkerns 52 verkleinert den Spalt erneut, während eine Annäherung an die Umfangslippe 62 in Aufwärtsrichtung erfolgt. Die radiale Dimension des Spalts über den Öffnungen 58 ist durch den konvergierenden Abschnitt größenverringert, um innere Zirkulationsbewegungen in dem Blut und eine Tendenz zu Hämolyse in dieser Zone zu begrenzen. Außerdem bewegen sich in dem Blut etwa vorhandene Blasen innerhalb der Strömung nach oben und auch nach innen, so daß sie das System durch die Plättchenkonzentratöfffnungen 58 verlassen.
Symmetrisch angeordnete Ausschnitte 82 in der Unterseite der Lippe 62 (Fig. 2, 6 und 7) grenzen an Ausschnitte 84 (Fig. 1 und 2) in dem oberen Rand der Schale 80 an und sind diesen zugewandt, um Blutauslaßöffnungen 85 für Blut zu bilden, das aus dem Spalt 65 zwischen dem Rotorkern 52 und dem Mantel 80 fließt. Die Außenfläche des Mantels 80 ist von der Innenfläche des Gehäuses 11 durch einen Durchfluß- oder Rückführungsspalt 90 getrennt, der hier entlang dem größten Teil seiner Länge 0,15 mm (0,006") ist. Dieser Rückführungsspalt 90 ist jedoch am unteren und oberen Ende des Mantels 80 geringfügig größer gemacht durch Verringern des Außendurchmessers des Mantels 80 an seinen axialen Enden, um Zulauf - und Ablaufdurchflüsse an dem unteren bzw. dem oberen Ende aufzunehmen.
Der Raum zwischen dem Rotorkern 52 und dem Mantel 80 ist in Kommunikation mit einer Reihe 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. Die Differenz der Radien resultiert in einer erheblich höheren Geschwindigkeit an den Auslaßöffnungen, was eine beträchtliche Pumpkraft auf das Blut in Aufwärtsrichtung ergibt. Das meiste Blut, das durch die Blutauslaßöffnung 85 geht, tritt in die Rückführungsbahn ein und wird relativ rasch nach unten zum Unterende gepumpt, um erneut in die Einlaßöffnungen 92 einzutreten. Bei diesem Beispiel ergeben die relativen Öffnungsgrößen und das Innenvolumen (ca. 30 ml) einen Rückführungsdurchfluß, der ungefähr gleich den Einlaufdurchfluß ist, und eine mittlere Verweildauer in der Größenordnung von 20 s. Insbesondere die mittlere Verweildauer des Bluts bei diesem beispielhaften Abscheider 10 ist durch das Verhältnis des Innenvolumens, 30 ml, zu der Einlaufdurchflußrate (0,83 ml/s (50 ml/min)) plus der Rückführungsdurchflußrate (0,83 ml/s (50 ml/min) oder 18 s bestimmt.
Die Antriebskraft, die zum Pumpen von Blut vom Auslaßende w (dem oberen Ende) zurück zum Einlaßende (dem unteren Ende) der Vorrichtung 10 verfügbar ist, ist der Differenzdruck (ΔP oder P&sub2; - P&sub1;), der aufgebracht wird, weil die Durchflußöffnungen auf verschiedenen Radien liegen, wobei R&sub0; (Ablauf) bei ca. 2,225 cm (1,75") und Ri (Zulauf) bei ca. 2,074 cm (1,1633") liegen. Die Beziehung zwischen der Rotation und resultierenden Drücken als Funktion des Radius ist wie folgt:
= 1/2 ω² (R&sub0;² - Ri²) = P&sub2; - P&sub1;
mit = Dichte, und zwar hier ca. 1,06 für Blut mit einem Zwischen-Hämatokrit zwischen niedrigem (1,04) Eingangshämatokrit und hohem (1,09) Ausgangshämatokrit
und ω = 377 rad/s bezogen auf eine Rotation von 3600 U/min.
Mit diesen Werten wird ein ΔP (P&sub2; - P&sub1;) von 48087,6 dyn/cm² erhalten, was in 248 kPa (0,7 psi oder 36 mmHg) umzurechnen ist. Um den theoretischen Massendurchfluß pro Zeiteinheit W zu berechnen, kann man die Formel benutzen, die sich auf den Druckabfall in einer kreisförmigen Leitung bezieht und auf Seite 5-25 von Perry, Chemical Engineer's Handbook, 5. Auflage, McGraw Hill Book Company, New York (1973) angegeben ist, und zwar insbesondere
D&sub2; = 45,72 mm [1,800" (0,15')]
D&sub1; = 45,29 mm [1,783" (0,1486')]
Gc = 32,17 (Dimensionskonstante)
L = 82,55 mm [3,25" (0,27')]
ω = 0,04 Poise (2,69 x 10&supmin;³ lb/ft.sec)
Das ergibt einen Massendurchfluß W von 1,054 x 10&supmin;³ lb/s oder ca. 32 ml/min als einen theoretischen Wert. Die tatsächlichen Rückführungsdurchflußraten werden aber durch volumetrische Beziehungen und die Dimensionen der Zu- und Ablauföffnungen stark beeinflußt. Die Größenordnung der Durchflußrate wurde geprüft durch Messung des Druckabfalls durch den ringförmigen Spalt zwischen einem Rotor und einem Gehäuse mit ähnlichen Dimensionen wie den oben angegebenen, jedoch ohne Zentrifugationsspalt im Rotor. Sowohl Kochsalzlösung als auch Blut mit einem Hämatokrit von 40 wurden durchgeleitet, und es wurde gefunden, daß bei einem Durchfluß von 100 ml/min ein Druckabfall von 497 kPa (72 mmHg) für Kochsalzlösung sowohl bei 0 als auch bei 3600 U/min auftrat. Die gleiche Durchflußrate im Fall von Blut ergab einen gemessenen Druckabfall von 518 kpa (75 mmHg). Unter Nutzung dieser Beziehungen zusammen mit dem ΔP von 248 kPa (36 mmHg), wie oben berechnet, ist die Rückführungsdurchflußrate in der Vorrichtung ca. 50 bis 60 ml/min. Dies 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 abgeführt wird, ist daher die Netto-Rückführungsrate ca. 50 ml/min, und der Durchfluß durch den Zentrifugationsspalt ist ca. 100 ml/min. Infolgedessen wird ein Blutinkrement ungefähr zweimal in der Zentrifugationszone verarbeitet, bevor es die Vorrichtung verläßt.
Mit Blut als dem Zirkulationsmedium stellt sich eine zusätzliche Einschränkung ein, weil, wie unten gesagt wird, ein zu kleiner Rückführungsspalt Hämolyse in dem Blut induziert. Es ist jedoch klar, daß die zusätzliche Zentrifugationszeit und eventuell der erhöhte Hämatokrit des plättchen- und plasmaarmen Blutes, das rückgeführt wird, erheblich zu dem Wirkungsgrad der Plättchenabscheidung beitragen. Die Rückführungsfunktion ist durch die Tatsache charakterisiert, daß sowohl die Pumpquellen als auch die Rückführungsströme in dem Gehäuse liegen, und ferner durch die Tatsache, daß die Auslaßströme nach Erreichen eines Stabilitätszustands konstant extrahiert werden.
Vollblut, das tangential in das Volumen zwischen dem Gehäuse 11 und dem Rotor 42 eingeleitet wird, findet daher eine bevorzugte Bahn in die Zentrifugationszone 65 durch den Raum zwischen der Bodenwand 94 des Rotormantels 80 und der Bodenwand des Gehäuses 11, dann durch die Bluteinlaßöffnungen 92 und den Spalt zwischen der Wirbeldämpfungswand 55 des Kerns 52 und dem Mantel 80. Die bevorzugte Bahn nach oben liegt im wesentlichen vollständig innerhalb des Rotors 42 aufgrund des Pumpeffekts und weil der Durchflußwiderstand, der durch den langen Rückführungsspalt 90 gegeben ist, viel größer als der des Zentrifugationsspalts 65 ist. Die weitere Pumpwirkung, die durch die Divergenz im Zentrifugationsspalt 65 gegeben ist, trägt ebenfalls zur Ausbildung dieses Durchflusses bei.
Am oberen Ende liegt der Blutauslaß 24 aus dem Gehäuse 11 in derselben Horizontalebene wie die Blutauslaßöffnungen 85 in dem Mantel des Rotors 42. Die Blutauslaßöffnungen 85 im Rotor 42 liegen in einer Horizontalebene, die um 11,811 mm (0,465") von der Horizontalebene der Plättchenkonzentratöffnungen 58 getrennt ist. Die Blutauslaßöffnungen 85 sind von gleicher Anzahl (zwölf) und befinden sich an gleichen Umfangspositionen, jeweils um 30º entfernt, relativ zu den Plättchenkonzentratöffnungen 58. Jede Blutauslaßöffnungen 85 hat bei diesem Beispiel die Dimensionen von 1,60 mm (0,063") breit mal 1,60 mm (0,063") hoch.
Wie in Fig. 2 am besten zu erkennen ist, weist die obere Wand des unteren Abschnitts des Rotorkerns 52 eine nach unten gerichtete zentrale Nabe 96 auf, während die Mantelbodenwand 94 eine nach oben weisende zentrale Nabe 97 aufweist. Das zentrale Hohlrohr 69 sitzt an 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, gerinnungsgehemmten Blutstrom mit normalem Hämatokrit mit ungefähr 0,83 ml/s (50 ml/min) innerhalb von 50 bis 60 min, um ein großes Volumen an plättchenreichem Plasma mit signifikanten Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik zu erhalten. Die Produktdurchflußrate ändert sich zwar umgekehrt mit dem Hämatokritwert, wie zu erwarten ist, aber in 50 bis 60 min Betrieb bei Eröffnung einer Vene werden bei einem typischen Beispiel mehr als 3 x 10" Plättchen in 500 bis 600 ml plättchenreichem Plasma gewonnen. Das stellt einen Durchfluß von mehr als 600.000 Plättchen je Mikroliter sicher und ermöglicht den Erhalt praktisch jedes gewünschten Konzentratpegels durch einen weiteren Membranfiltrationsschritt, wobei Plasma als Nebenprodukt gewonnen wird.
Diese Resultate werden in einer stabilen, unkritischen Betriebsart mit nur minimaler Hämolyse und Leukozytenanteil in dem abgegebenen Produkt erreicht. Es ist trotzdem zu beachten, daß das System auf Durchflußgeometrien und einer Dynamik der flüssigen Körper beruht, die einen Komplex von Wechselwirkungen vorteilhaft nutzen, um einen zugänglichen Durchfluß von Träger zu erhalten, der mit dem gewünschten Bestandteil angereichert ist. Was das Konzept betrifft, so können Dimensionen und physikalische Beziehungen in einem weiten Bereich für verschiedene Anwendung variieren. Bei jeder spezifischen Anwendung wird jedoch durch die relativen Größen von Elementen und Abstände innerhalb des Abscheiders und die Dichten und Viskositäten der Bestandteile der eingeführten Masse die optimale Geometrie zur Erzielung einer gegebenen Durchflußrate, Konzentration und Wirkungsgrads beeinflußt. Aus diesem Grund sind oben verschiedene spezifische Dimensionen und Abstandsbeziehungen für die spezielle und kritische Anwendung bei Blut, die als das spezifische Beispiel beschrieben wird, angegeben worden.
Eine Vorrichtung zur Extraktion von plättchenreichem Plasma aus Vollblut ist durch bestimmte inhärente Anforderungen beschränkt, die die Konstruktion beeinflussen, beispielsweise die Notwendigkeit der Kompatibilität mit Spenderzuführungsraten. Die Vorrichtung sollte außerdem eine Beschädigung des Fluidsystems vermeiden, eine billige, sterile Einmalgebrauch-Vorrichtung aufweisen, um die Gefahr einer Kreuzkontaminierung zu minimieren, und sollte ein steriles, geschlossenes System bilden. Diese Faktoren beeinflussen nicht nur die Größen und Geometrien, sondern beeinflussen auch die Wahl der verwendbaren Materialien.
Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen kann man sagen, daß ein Hauptaspekt der Erfindung die kontinuierliche Bewegung einer zentrifugierten Masse in einer Richtung entlang einer und um eine Zentrifugierachse herum sowie innerhalb dieser Strömung in der Gegenrichtung von lokalisierten kontrollierten Wiedervermischungsbewegungen umfaßt, die bevorzugt einen gewählten Bestandteil mit einem Dichtezwischenwert beeinflussen. Die Abscheidung wird unterstützt durch Rückführung eines Hauptanteils der Zentrifugiermasse, und bessere Kontrolle der lokalisierten Bewegungen wird erhalten durch Dämpfen der umgekehrten Fortpflanzung.
Unter spezieller Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 4 findet in dem System der einlaufende Blutstrom durch den Bluteinlaß 21 in den unteren Bereich des Durchflußspalts 90 zwischen dem Gehäuse 11 und dem Rotormantel 80 die bevorzugte Bahn in den Zentrifugationsspalt 65 durch die Bluteinlaßöffnungen 92 in der Bodenwand 94 des Mantels. Der durch den relativ langen schmalen Rückführungsspalt 90 gegebene Durchflußwiderstand ist viel größer als der der Bahn durch den Zentrifugationsspalt 65 innerhalb des Rotors 42, und zwar selbst mit dem schmalen, aber relativ kurzen Wirbeldämpfungsbereich. Eine Aufwärtspumpwirkung wird durch die Differenz in bezug auf die radialen Positionen relativ zu der Mittelachse zwischen den Bluteinlaßöffnungen 92 und den Blutauslaßöffnungen 85 eingeführt. Auf das Blut wirkende Fliehkräfte tendieren dazu, wegen der größeren Radien der Auslaßöffnungen 85 gegenüber den Einlaßöffnungen 92, die Blutmasse innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 nach oben und innerhalb des Rückführungsspalts 90 nach unten zu pressen. Das Aufwärtspumpen wird außerdem durch die konstante Vergrößerung des sich erweiternden Zentrifugationsspalts 65 mit dem Fortbewegen des Bluts in Axialrichtung unterstützt. Wenn der Zentrifugationsspalt 65 gefüllt ist, was innerhalb einiger Sekunden der Fall ist, beginnen sich die Durchflußraten zu stabilisieren, und eine Reihe von verschiedenen Durchflußbeziehungen wird ausgebildet, so daß der Trennvorgang begonnen wird, der einige Sekunden später vollständig stabilisiert ist.
Bei Betrieb im stabilen Zustand dreht der Rotor 42 mit 60 U/s (3600 U/min), und die auf das Blut in dem Zentrifugationsspalt 65 wirkende Fliehkraft bei einem Rotoraußendurchmesser von 45,72 mm (1,8") und einer dünnen Mantelwand für den Rotor 42 ist ungefähr 330 g. Ein nichtturbulenter Durchfluß wird in dem unteren Bereich des Zentrifugationsspalts 65 ausgebildet durch anfängliche Stabilisierung innerhalb des schmalen Spalts entlang der Wirbeldämpfungswand 54. Ein relativ nichtturbulenter 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 nichtturbulenter Durchfluß" bedeutet, daß eine Schichtenbildung auftritt, daß aber die Dynamik des Betriebs auch andere Bewegungen umfaßt, die für das Blut jedoch nichttraumatisch sind. Der Durchfluß erreicht den vollen stabilen Zustand, nachdem der Zentrifugationsspalt 65 und die Plättchenkonzentratöffnungen 58 gefüllt sind und das Blut sich durch die Blutauslaßöffnungen 65 in dem Mantel 80 nach außen bewegt, um den Rückführungsspalt 90 zu füllen, wonach es abwärts zum Boden innerhalb des Gehäuses geht und sich mit eingeleitetem Vollblut erneut vermischt. Durchfluß im stabilen Zustand umfaßt auch den Ablauf einer bestimmten Fraktion von plättchen- und plasmaarmem Blut aus dem oberen Blutauslaß 24, während plättchenreiches Plasma durch die Plätchenkonzentratöffnungen 58 in dem Rotorkern 52 zu dem zentralen Bereich und zu dem koaxialen Auslaß 22 geführt wird. Die mittlere Verweildauer von ungefähr 20 s in dem Abscheider 10 sowie der nach unten gehende Rückführungsdurchfluß wird als ungefähr gleich dem Einlaufdurchfluß zum Abscheider geschätzt. Das typische Inkrement der Blutmasse wird wenigstens einmal durch den Abscheider 10 im Kreislauf rückgeführt und hat daher verlängerten Zugang zu der Trenndynamik innerhalb der Vorrichtung. Es wird ein erheblicher Rückführungspegel angewandt, obwohl Testläufe zeigen, daß mehr als 500 % für Blut zu viel wäre. Wenn sichtbare Blasen in dem Rückführungsmedium mitgerissen werden, sieht man, wie sie sehr rasch zum Boden der Vorrichtung zurückkehren, was bestätigt, daß ein Hauptanteil des Blutstroms rückgeführt wird. Das Blut in dem Spalt 65 wird ständig vermischt, weil in diesem Raum kleine Taylorsche Wirbel erzeugt werden.
Die bevorzugte Plättchenabscheidung ergibt sich 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 umgebenden bewegten Blut in dem Rückführungsspalt 90 induziert eine Reihe von lokalisierten Nachläufen oder sekundären Mustern, während die Randdiskontinuitäten an den Öffnungen 85 mit dem in Umfangsrichtung langsamer werdenden Blut, das den Rotor 42 umgibt, in Wechselwirkung gelangen. Dabei sollte besonders auf Fig. 5 Bezug genommen werden. Diese lokalisierten Nachläufe in dem Rückführungsspalt 90 laufen jeder Öffnung 85 in Umfangsrichtung nach, während sich der Rotor 42 dreht. Von solchen sekundären Mustern wird angenommen, daß sie zirkulatorischer Natur sind, daß sie aber nichttraumatisch und nichtzerstörend für das Blut sind. Sie sind zwar wegen des schmalen Spalts sehr schwer zu untersuchen, aber Anordnung und Stärke können sehr wohl zur Ausbildung von Taylorschen Wirbeln mit Durchmessern, die dem Spaltabstand entsprechen, führen. Die lokalisierten Nachläufe oder Zirkulationen sind nur als verallgemeinerte Bewegungsabläufe in Fig. 5 gezeigt.
Die dynamischen Kräfte dieser äußeren nachlaufenden Wirbel induzieren auch, was wichtig ist, systematische Wiedervermischung-, möglicherweise zirkulatorische Effekte innerhalb des Zentrifugationsspalts 65, indem sie Druck- und Bewegungsschwankungen zurück durch die Blutauslaßöffnungen 85 übertragen. Innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 breitet sich eine Reihe von solchen lokalisierten Wiedervermischungsmustern in Axialrichtung nach unten aus, und zwar entgegengesetzt zu dem relativ nichtturbulenten Aufwärtsstrom von Blut in dem Zentrifugationsspalt 65. Die Gesamtlänge dieser zerstörenden Muster ist in Fig. 5 als sich an den Plättchenkonzentratöffnungen 58 vorbei erstreckend gezeigt. Betriebsergebnisse und Untersuchungen mit sichtbaren Medien, und zwar sowohl während des Betriebs als auch durch Untersuchung von Ablagerungen nach dem Abschalten und der Demontage, zeigen, daß die axialen zirkulatorischen Muster sich wenigstens so weit erstrecken. Manchmal können sie sich nach unten nahezu durch den gesamten Zentrifugationsspalt 65 ausbreiten. Der anfängliche Turbulenzdämpfungsbereich, der durch den schmalen Spalt gegenüber der Wand 54 definiert ist, wirkt jedoch der Gesamtlänge der axialen Ausbreitung entgegen und begrenzt sie.
Infolgedessen wird die zentrifugale Abscheidung und Schichtung von Plasma, Plättchen und Erythrozyten, die in dem Hauptdurchflußbereich des Zentrifugationsspalts 65 stattfindet, systematisch in lokalisierten Sektoren in andere Strömungsmuster übertragen. Teilweise oder vollständig geschichtete Plasma- und Zellsubstanzschichten werden ausgebildet, bis die nach oben bewegte zentrifugierte Masse an den Plättchenkonzentratöffnungen 58 vorbeiströmt. Substanzen in der Schichtungszone werden jedoch lokal entlang den in Umfangsrichtung getrennten, in Axialrichtung verlaufenden Bereichen wiedervermischt durch die dynamischen Kräfte, die sich relativ zu der Aufwärtsbewegung der zentrifugierten Masse nach rückwärts ausbreiten. Diese Wirkung ist derart, daß mit Plättchen angereichertes Plasma an den Öffnungen 58 in dem Rotorkern 52 vorliegt. Die axialen Wiedervermischungsmuster sind zwar unbegrenzt und in der Umfangsrichtung nicht durch eine Struktur physisch begrenzt, aber sie sind nichtsdestoweniger stabil.
Die bevorzugte Abscheidung wird bedeutend verbessert durch die Rückführung von Blut aus dem Inneren des Zentrifugationsspalts 65 nach unten durch den Rückführungsspalt 90. Somit befindet sich der größte Teil der Blutmasse in dem Zentrifugationsspalt 65, und der innere Durchfluß hat einen signifikant höheren Massenfluß als die relativ gleichgemachten Abgabe-Durchflüsse. Die momentanen räumlichen Muster, die in dem Zentrifugationsspalt 65 verteilt sind, sind in Fig. 5 nur in angenommener Form dargestellt, und ihre Ausbildung und Beibehaltung werden weiter unten erörtert.
Man muß erkennen, daß die Muster in dem Zentrifugationsspalt 65 nicht ohne weiteres analysierbar sind. Die Resultate des Trennvorgangs werden jedoch hier angegeben, um die Effektivität des Systems zu unterstreichen. Ein Eingangsdurchfluß von 0,83 ml/s (50 ml/min) erzeugt einen Plättchenkonzentratdurchfluß an den Plättchenkonzentratöffnungen 58 und somit am Auslaß 22 von ca. 0,15 bis 0,2 ml/s (9 bis 12 ml/min). Dieses Plättchenkonzentrat hat etwa 600.000 Plättchen/ul oder mehr, im wesentlichen ohne Hämolyse, wobei das Trägerplasma im wesentlichen frei von Leukozyten ist. Das plättchenarme Blut tritt aus dem Blutauslaß 24 mit der differentiellen Rate von ca. 0,63 bis 0,683 ml/s (38 bis 41 ml/min) aus. Somit kann zu dem Reservoir 30 geleitetes plättchenarmes Blut schließlich über die zweite Pumpe 20 zum Spender rückgeleitet werden. Es tritt keine Kontamination von externen Quellen auf, weil sämtliche Auslaßöffnungen feststehend sind und keine drehenden Dichtungen zur Umgebung offen sind.
Plättchenreiches Plasma mit Plättchenkonzentrationen im Bereich von 500.000/ul wird routinemäßig in diskontinuierlichen Schleuderverfahren gemäß dem Stand der Technik gewonnen. Diese weisen jedoch die betriebsmäßigen Nachteile auf, die bereits angegeben wurden. Es gibt jedoch keine bekannte Technologie mit Ausnahme der vorher erwähnten Anmeldung von Schoendorfer et al. zur Erzeugung von Plättchenkonzentrationen, die höher als diese sind, in einer kontinuierlichen Durchflußbetriebsart ohne die Anwendung weiterer Mittel zum Trennen von Plättchen von Plasma.
Die Anmelder haben im Verlauf der Analyse der komplexen Strömungsmuster in dem Abscheider 10 Untersuchungen durchgeführt, um die wichtigsten Geometrien und Beziehungen zu ermitteln. Das Vorhandensein von lokalisierten Konvektions-, Wirbelbildungs- oder Wiedervermischungsmustern sowohl außerhalb als auch innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 ist in begrenztem Umfang durch ein transparentes Gehäuse 11 nachweisbar, betrachtet unter stroboskopischem Licht, das mit der Drehung des Rotors 42 synchronisiert ist. Die Anwesenheit, Position und in gewissem Umfang der Charakter der lokalisierten Konvektionsmuster wurde besser verdeutlicht durch Anwendung von Hilfsmitteln vom handelsüblichen Typ zur Sichtbarmachung der Strömung (sichtbare teilchenförmige Stoffe in Suspension). Wenn solche Fluidgemische durch den Separator 10 geschickt werden, bilden sich an der Innenseite des Gehäuses 11 und an Oberflächen des Rotors 42, an denen die Strömung durch die Fliehkraft über der Turbulenz dominiert wurde, Ablagerungen. Die bei dem vorliegenden Beispiel beobachteten Restmuster befinden sich an den Innenflächen des Rotormantels 80. Die beobachteten Muster zeigen im allgemeinen 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 geringe Welligkeit entlang der Vertikalrichtung, aber die sekundären Muster laufen an den Plättchenkonzentratöffnungen 58 in deren Nähe vorbei.
Die Existenz von solchen Konvektionsmustern und sekundären Bewegungen wird durch Videoaufnahmen bestätigt, die unter Beleuchtung mit stroboskopischem Licht durch ein transparentes Gehäuse 11 gemacht wurden, wobei sich Suspensionen mit teilchenförmigen Hilfsstoffen zur Sichtbarmachung in dem Abscheider 10 befinden. Die in der zentrifugierten Masse rückwärts (d. h. nach unten) sich ausbreitenden Muster sind axial, obwohl eine gewisse, zeitlich veränderliche Welligkeit vorliegt. Bei dem gezeigten Beispiel enden sie vor dem Mittelbereich der Zentrifugationszone 65.
Wie Fig. 5 zeigt, kann man also daraus schließen, daß ein langgestrecktes konvektives Wirbel- oder Drallmuster in dem Zentrifugationsspalt 65 zwischen jeder der Blutauslaßöffnungen 85 und der linear damit ausgefluchteten Plättchenkonzentratöffnung 58 verläuft. Der dynamische Wiedervermischungsvorgang, der in jedem solchen Muster erfolgt, ist gleichbleibend, aber komplex. Bei der axialen Trennung um 11,811 mm (0,465") zwischen ausgefluchteten Paaren dieser Öffnungen ist die induzierte zirkulatorische oder Drallbewegung, wie aus stroboskopischen Untersuchungen und abgelagerten Strukturen der Sichthilfsmittel hervorgeht, axial und sehr schmal. Dann kann sich die zirkulatorische Bewegung etwas ausbreiten und in eine eher umfangsmäßig verlaufende Richtung abgelenkt werden, möglicherweise durch die Massenaufwärtsbewegung von Blut zwischen Einlaß und Auslaß. Es wird bei einigen Testeinheiten beobachtet, daß die lokalisierten zirkulatorischen konvektiven Muster über eine gewisse Strecke (etwa 2/3 der Rotorlänge) entgegen dem relativ nichtturbulenten Durchfluß sich weiter nach unten, wenn auch abnehmend, fortsetzen können.
Anscheinend gibt es einen Gradienten der Plättchenkonzentration durch jedes dieser lokalisierten Wiedervermischungsmuster. Es wird angenommen, daß die Plättchenkonzentration hauptsächlich Dichteunterschiede widerspiegelt, daß sie aber auch durch die Größe und Gestalt der verschiedenen Blutbestandteile beeinflußt wird. Beispielsweise unterscheiden sich Plättchen nur geringfügig von Plasma hinsichtlich der Dichte, haben aber wegen ihrer Größe erheblich verschiedene Widerstands- und Beschleunigungsfaktoren aufgrund der lokalisierten zirkulatorischen Bewegungen gegenüber Plasma und anderen Blutzellen. Kräfte, die nach radial außen in den lokalisierten Mustern nahe den Plättchenkonzentratöffnungen 58 wirken, können die Tendenz haben, Plättchen von allen übrigen Zellen auf der Basis von Größe und/oder Widerstandsprofil weiter zu differenzieren. Nach dieser Hypothese wären die Kräfte auf zellförmige Substanz am größten nahe der inneren Oberfläche des Mantels 80 und nähmen näher an der inneren zylindrischen Wand 56 ab, wodurch sie wirksam sind, Plättchen von schwereren Erythrozyten und Leukozyten zu trennen. Wenn die Bewegungen und Spalte richtig angeordnet sind, kann angenommen werden, daß Plättchen bevorzugt in Plasma nahe den Öffnungen 58 konzentriert werden.
Alternativ kann es sein, daß die lokalisierte Bewegung innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 auf die schwerere zellförmige Substanz an der außenseitigen Wand wirkt, nachdem die Zentrifugation eine gewisse Schichtung erzeugt hat. Sie kann dann zirkulieren und die zellförmige Substanz bewegen, wobei Plättchen in der radial inneren Plasmaschicht aufgefüllt werden, während Bestandteile aus den Plättchenkonzentratöffnungen 58 abgezogen werden. Die erneute Zuführung von Plättchen und Plasma würde auch durch den Rückführungsdurchfluß unterstützt werden. In jedem Fall resultiert die hohe Plättchenkonzentration aus dem nach radial außen erfolgenden Durchtritt sowohl von etwas Plasma mit niedrigerer Dichte als auch Zellsubstanz mit höherer Dichte, wobei dieser Effekt vollkommen unerwartet ist.
Die Anwesenheit eines deutlichen, wenn auch nicht diskreten, Übergangs zwischen geschichteter Zellsubstanz und plättchenreichem Plasma wird bestätigt durch die Anwendung von Betriebsvariablen wie Pumpenraten, um die Abgabe von Plasma, Plättchen und Zellbestandteilen zu verändern. Indem die Blutauslaßpumpe 29 anfangs auf einer Rate gleich der Einlaufpumpe 20 gehalten wird, ergibt sich im wesentlichen nur ein gerader Durchfluß aus dem Zentrifugationsspalt 65. Eine Verlangsamung der Auslaßpumpe 29 relativ zu der Einlaufpumpe 20 ermöglicht einen differentiellen Durchfluß, der aus den Plasmaauslaßöffnungen 58 austritt. Der Grad dieses Differentials, der für eine hohe Plättchenextraktion erforderlich ist, ist bei verschiedenen Spendern verschieden, und zwar hauptsächlich aufgrund von Unterschieden im Hämatokritwert. Durch Einstellen der differentiellen Durchflußrate so, daß sie auf oder nahe einem Maximum ist, ohne daß Hämoglobin in dem Durchfluß vorhanden ist, werden überlegene Plättchenzahlen erreicht. Man kann dies als den Schichtbildungsübergang zwischen dichterer Zellsubstanz an der Außenwand des Zentrifugationsspalts 65 und dem inneren Volumen, in dem die Wiedervermischung stattfindet, definieren. Wenn der Einwärtsstrom von Plasma zu groß ist, wird Hämoglobin aus der äußeren Schicht von Zellsubstanz mit eingetragen. Wenn der Einwärtsstrom zu gering ist, wird Plasma mit niedrigen Plättchenzahlen erhalten. Mit dem richtigen Durchfluß wird jedoch eine ungewöhnliche Zahl von Plättchen nach radial innen transportiert, obwohl die Plättchen eine geringfügig höhere Dichte als das Plasma haben.
Somit kann das vorliegende System nur durch Abgleichen der Durchflüsse die Bestandteile in dem Ausfluß verändern, um Material mit einer Zwischendichte gegenüber sowohl leichteren als auch schwereren Substanzen zu differenzieren.
Ein praktisches Beispiel einer Sequenz von Durchflußänderungen, die bei der Optimierung von Plättchenzahlen in Plasma aus Vollblut angewandt wurden, ist folgendes: Wenn die Einlaßpumpe 20 auf 0,83 ml/s (50 ml/min) eingestellt ist, wird die Auslaßpumpe 29 ursprünglich auf den gleichen Wert eingestellt, wird jedoch dann verlangsamt, um 0,55 ml/s (33 ml/min) zu liefern, so daß man 0,283 ml/s aus der Plasmaleitung erhält, die typischerweise Hämoglobin enthält, nachdem stabile Bedingungen erreicht sind (dabei kann ein Erstreservoir von plättchenreichem Plasma vorhanden sein). Dann wird die Auslaßpumpe 29 auf 0,667 ml/s (40 ml/min) erhöht, wourch typischerweise der Plasmadurchfluß von ca. 0,167 ml/s (10 ml/min) geklärt wird. Dann kann ein höherer Blutauslaßdurchfluß von beispielsweise 0,6 ml/s (36 ml/min) versucht werden, um zu bestimmen, ob Hämoglobin in dem Plasma abwesend ist, und so weiter.
Eine Reihe von Faktoren ist in bezug auf jede gegebene Produktkonfiguration wichtig beim Erhalt einer maximalen Abgabe, ohne daß Erythrozyten in das Plättchenkonzentrat transportiert werden. Der Trennprozeß ist zwar stabil, aber ein kurzer Zeitraum, typischerweise in der Größenordnung von 60 s, vergeht, bevor die Durchflußbeziehungen in den stabilen Zustand gelangen. Die mittlere Verweildauer von Substanz in dem oben beschriebenen Abscheider liegt zwar bei 20 s, aber es wird Zeit benötigt, um den Zentrifugationsspalt 65 zu füllen, dann das Vollblut durch die Blutauslaßöffnungen 85 und durch den schmalen Rückführungsspalt 90 in der Rückführungsbahn zum Boden des Rotors 42 zu pumpen. Wegen des schmalen Rückführungsspalts und des infolgedessen höhereren Durchflußwiderstands als in dem Zentrifugationsspalt ist das Rückführungsvolumen nur ein kleiner Anteil des Gesamtdurchflusses. Die Rückführungsdurchflußrate ist aber ungefähr gleich derjenigen der Einlaßdurchflußrate und ist sehr nützlich für den Betrieb des Abscheiders im stabilen Zustand. Experimente mit verschiedenen Anzahlen und relativen Abständen von Blutauslaßöffnungen haben gezeigt, daß bei dieser Konfiguration zwölf gleichbeabstandete Öffnungen 85 der angegebenen Größe sehr gute Resultate ergeben. Die Ausfluchtung der Plättchenkonzentratöffnungen 58 in Axialrichtung und mit einem erheblichen axialen Abstand zwischen ihnen wurde ebenfalls als an optimale Ergebnisse angenähert bestätigt. Das ist in Übereinstimmung mit der Vorstellung, daß die lokalisierten Wirbelströme sich aus jeder Blutauslaßöffnung 85 in dem Zentrifugationsspalt zu der ausgefluchteten Plättchenkonzentratöffnung 58 im wesentlichen nach unten bewegen.
Durch Ändern von einzelnen Variablen über einen Bereich, während gleichzeitig andere Variablen im System konstant gelassen werden, wurden andere Beziehungen erkannt, die für die Erzielung eines maximalen Wirkungsgrads wichtig sind. Der Wirkungsgrad widerspiegelt in diesem Fall das kumulative Ergebnis, und zwar im wesentlichen als Gesamtplättchen, die in einem bestimmten Zeitraum gewonnen werden, so daß sowohl die Plättchenkonzentration als auch die Durchflußrate des Plättchenkonzentrats betroffen sind. Diese beiden Faktoren ändern sich häufig in entgegengesetzte Richtungen, so daß die Wahl der wirkungsvollsten Arbeitsbeziehungen häufig einen Ausgleich der beiden dazu beitragenden Faktoren erfordert.
Eine Reihe von Tests wurde durchgeführt mit Einheiten, bei denen der Divergenzgrad der Außenwand relativ zu der Innenwand des Rotors 42 (d. h. die Konizität des Zentrifugationsspalts 65 in Fig. 2) von insgesamt 0,889 mm (0,035") auf 2,032 mm (0,080") geändert wurde. Das Plättchenkonzentrat fiel durch diesen Bereich ab, aber die Abgabedurchflußrate Qpc stieg mit einer schnelleren Rate. Infolgedessen erhöhte sich der Abscheidungswirkungsgrad, weil die Durchflußrate der vorherrschende Faktor war. Eine Konizität mit einer differentiellen Beabstandung von 2,032 mm (0,080") wurde in anschließenden Unterschungen verwendet. Diese Tests wurden jedoch mit einem Rotor von 25,4 mm (1") und einem Zentrifugationsspalt geringerer Größe als bei dem Rotor von 45,72 mm (1,8") durchgeführt. Der Zentrifugationsspalt wurde zwar vergrößert und die Konizität verringert bei dem hier beschriebenen Rotor von 45,72 mm (1,8 "), aber das aufgestellte Prinzip bleibt korrekt, daß nämlich eine optimale Konizität für jede Gruppe von Variablen existiert.
In gesonderten Untersuchungen wurde der Außendurchmesser des Rotorkerns 42 relativ zu dem Hauptteil der verjüngten Länge des Außenmantels geändert. Kleine Spalte mit konstanter Abmessung wurden in dem untersten Einlaßbereich zu Dämpfungszwecken vorgesehen. So wurden die mittleren Größen und die End- bzw. Grenzgrößen des Zentrifugationsspalts in dem konischen Bereich geändert, wodurch auch das Geesamtvolumen von Blut geändert wurde, das in dem Zentrifugationsspalt eingeschlossen ist. Wenn die konische Ausbildung zwischen ihren Grenzwerten ein Differential von 2,032 mm (0,080") hatte, hatten sowohl das Plättchenkonzentrat als auch die Durchflußrate ihren Höchstwert bei ca. 18,288 mm (0,720") Kerndurchmesser relativ zu einem Außendurchmesser des Mantels von 25,4 mm (1,000"), was einen mittleren Spalt von 2,032 mm (0,080") ergab. Der Wirkungsgrad war in demselben Bereich maximiert. Die festgestellte Charakteristik war, daß sowohl die Durchflußrate als auch die Rate des Plättchenkonzentrats an beiden Enden des Bereichs von Spalten abfielen.
So wurde ein mittlerer Spalt von ca. 3,429 mm (0,13511) verwendet, wobei der Mantel einen Außendurchmesser von 45,72 mm (1,8") hatte.
Die Tiefe des Spalts zwischen der verjüngten Wand 61 an dem oberen Ende des Kerns 42 und der gegenüberstehenden Innenwand des Mantels 80 kann eine Wirkung auf die lokalisierten Bewegungen in dem Zentrifugationsspalt 65 haben. Plättchenkonzentrat fiel mit abnehmender Spaltgröße etwas ab, aber die Durchflußrate erhöhte sich. Es wurde gefunden, daß der optimale Wirkungsgrad mit gesicherter Abwesenheit von mitgerissenen Erythrozyten bei einem Oberende des Kerns lag, das in Aufwärtsrichtung divergierte, wobei ein konvergentes Ende des Zentrifugationsspalts gegeben war. Wenn der Spalt zu klein war, war das durch die Plättchenkonzentratöffnungen abgegebene Produkt im wesentlichen nur klares Plasma. Wenn dagegen der Spalt zu groß war, gab es die Tendenz, daß Erythrozyten in dem Plasma anwesend waren. Ein zu großer Spalt in diesem Bereich scheint eine zu starke innere Bewegung zuzulassen, so daß Erythrozyten erscheinen und Hämolyse resultiert. Ein zu kleiner Spalt scheint kein oder unwirksames Vermischen in den geschichteten Lagen zu ergeben, so daß die Tendenz besteht, daß nur Plasma, der Bestandteil mit der niedrigsten Dichte, an den Plättchenkonzentratöffnungen 58 erscheint. Wenn das Kernoberende in Aufwärtsrichtung divergent gemacht wird, trägt das auch dazu bei, sämtliche Luft in dem Abscheider zu den Plättchenkonzentratöffnungen 58 zu leiten. Dadurch wird die Erstbehandlung bzw. das Priming des Abscheiders erheblich vereinfacht.
Bei der gezeigten optimalen Einheit, die für eine Eingangsdurchflußrate von Vollblut von 0,833 ml/s (50 ml/min) ausgelegt war, wurde gefunden,daß der Wirkungsgrad bei einem Zulauf von 50 ml/min am größten war, obwohl auch höhere Durchflußraten möglich sind. Bei höheren Eingangsdurchflußraten ändert sich die Konzentratdurchflußrate nicht wesentlich, und das Plättchenkonzentrat steigt zwar leicht an, aber die Ausgangsdurchflußrate ist vorherrschend, und das Nettoergebnis ist eine Abnahme des Wirkungsgrads. Außerdem sind in der Praxis Spenderdurchflußraten auf den Bereich von 50,833 bis 1,0 ml/s (50 bis 60 ml/min) begrenzt.
Schließlicch ist die Beziehung zwischen dem Spalt, der zwischen dem Rotor und dem Gehäuse besteht, und dem resultierenden Durchfluß von Plättchenkonzentrat von Bedeutung. Bei der gegebenen Geschwindigkeit von 60 U/s (3600 U/min) und dem oben angegebenen Rotorradius wird die Hämolyse bei Rückführungsdurchfluß-Spalten unterhalb von 0,1016 mm (0,004") meßbar. Bei über 0,254 mm (0,010") zunehmender Spaltgröße nimmt die Durchflußrate von plättchenreichem Plasma ab. Die derzeitige Hypothese ist, daß die Wirkung auf die Dominanz der Amplitude des Rückführungsstroms an der Trennzone zurückgeht.
Ferner wird der Fachmann erkennen, daß es ohne weiteres möglich ist, das System in umgekehrter Beziehung zu betreiben, wobei der Vollblut-Einlaufdurchfluß am Oberende erfolgt, die Konizität nach unten divergiert, und Plättchenkonzentratöffnungen nahe dem unteren Ende des Rotors liegen, um so eine kürzere Durchflußbahn zu der koaxialen Auslaßöffnung zu haben. Vorrichtungen mit dieser Konfiguration sind gebaut und mit zufriedenstellenden Ergebnissen betrieben worden, aber die in den Fig. 1 bis 7 gezeigte Anordnung scheint sich rascher zu stabilisieren und eine etwas bessere Abscheidewirkung zu haben.
Es ist ersichtlich, daß auf der Basis dieser Erläuterungen die bevorzugte Abscheidung von vielen anderen Bestandteilen mit niedrigerem und auf einem Zwischenpegel liegenden Gewicht in einem Träger oder einer flüssigen Suspension praktikabel ist, wenn die Prinzipien der Erfindung an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. Die Rückwärtsausbreitung von lokalisierten inneren Bewegungen in einer vorwärtsschreitenden zentrifugierten Masse kann eine größere oder geringere Erstdämpfung und einen Rückführungsdurchfluß erfordern, um die gewünschte Kombination aus Durchsatz und Wirkungsgrad zu erzielen. Viskositäten, Teilchengrößen, Dichtedifferentiale und eine Vielzahl weiterer Faktoren müssen möglicherweise bei der Entwicklung einer optimalen Konstruktion berücksichtigt werden. Für viele Anwendungen können jedoch erheblich höhere Drehzahlen und Durchflußraten angewandt werden, ohne daß die Gefahr eines traumatischen Effekts auf die Substanzen besteht, und die Konzepte können in solchen Fällen mit wesentlich weniger Einschränkungen genutzt werden, als das bei einem so fragilen Medium wie Vollblut der Fall ist.

Claims

1. Zentrifugalabscheider, der einen Rotor aufweist, der in einem Gehäuse zur Drehung um eine Achse angebracht ist, wobei das Gehäuse (11) einen Einlaß (21) zur Aufnahme eines zu trennenden Fluids und einen Auslaß (24) hat, der in Axialrichtung von dem Einlaß beabstandet ist, der Rotor (42) eine innere (56) und eine äußere (80) Wand hat, wobei ein erster Spalt (65) zwischen der inneren und der äußeren Wand des Rotors definiert ist und ein zweiter Spalt (90) zwischen der äußeren Wand (80) des Rotors und dem Gehäuse (11) definiert ist, wobei die äußere Wand des Rotors mindestens eine Einlaßöffnung (92) an einer Stelle hat, die dem Gehäuseeinlaß (21) näher ist als dem Gehäuseauslaß (24), um das zu trennende Fluid aus dem zweiten Spalt (90) durch die äußere Wand (80) des Rotors (42) in den ersten Spalt (65) zu leiten, die äußere Wand (80) des Rotors mindestens eine Auslaßöffnung (85) an einer Stelle hat, die dem Gehäuseauslaß (24) näher ist als dem Gehäuseeinlaß (21), um eine erste Fraktion des zu trennenden Fluids aus dem ersten Spalt (65) durch die äußere Wand des Rotors in den zweiten Spalt (90) und zu dem Gehäuseauslaß (24) zu leiten, der Rotor einen Durchgang (69) hat, der mit einem in Radialrichtung inneren Bereich (68) des ersten Spalts in Verbindung steht, um eine zweite Fraktion des zu trennenden Fluids aus dem ersten Spalt (65) zu entfernen, die Auslaßöffnung (85) relativ zu dem Einlaß (92) positioniert ist, um Fluiddurchfluß in dem ersten Spalt (65) in einer Richtung zu fördern, die von der Einlaßöffnung (92) und in Richtung der Auslaßöffnung (85) verläuft, DADURCH GEKENNZEICHNET, daß der zweite Spalt (90) mit der Einlaßöffnung in Fluidverbindung ist, um einen Kreislaufrückführungsdurchfluß mindestens eines Teils der ersten Fraktion durch den zweiten Spalt (90) von der Auslaßöffnung (85) in einer Richtung zu der Einlaßöffnung (21) zu schaffen, wobei der zweite Spalt (90) einen höheren Fluidströmungswiderstand hat als der erste Spalt (65).

2. Zentrifugalabscheider nach Anspruch 1, wobei die äußere wand (80) des Rotors mit einer Vielzahl von umfangsmäßig beabstandeten Auslaßöffnungen (85) versehen ist.

3. Zentrifugalabscheider nach Anspruch 1 oder 2, wobei die äußere Wand (80) des Rotors mit einer Vielzahl von umfangsmäßig beabstandeten Einlaßöffnungen (92) versehen ist.

4. Zentrifugalabscheider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Spalt (90) zwischen dem Bereich der äußeren Wand (80), der die Einlaßöffnung (92) hat, und dem Bereich der äußeren Wand, der die Auslaßöffnung (85) hat, an Breite zunimmt.

5. Zentrifugalabscheider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zur Verwendung mit vertikaler Drehachse ausgebildet ist, wobei die Einlaßöffnung oder -öffnungen (92) angrenzend an das untere Ende des Rotors vorgesehen sind.

6. Zentrifugalabscheider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchflußrate in dem zweiten Spalt (90) ungefähr gleich der Durchflußrate an dem Einlaß (21) ist.

7. Zentrifugalabscheider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Spalt (65) einen konisch verjüngten Abschnitt zwischen dem in Radialrichtung inneren Bereich (68) und der Auslaßöffnung oder den Auslaßöffnungen (85) aufweist und in der Richtung zu der Auslaßöffnung oder den Auslaßöffnungen (85) konvergiert.

8. Zentrifugalabscheider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der erste Spalt (65) von ungefähr 0,1 mm (0,004 inch) in dem Bereich der Einlaßöffnung oder -öffnungen (92) zu ungefähr 3,7 mm (0,145 inch) in dem Bereich des in Radialrichtung inneren Bereichs (68) ändert.

9. Zentrifugalabscheider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußere Wand (80) einen Durchmesser von 46 mm (1,80 inch) hat und zwölf umfangsmäßig beabstandete Auslaßöffnungen (85), deren radiale Breite und axiale Höhe jeweils 1,6 mm (0,063 inch) ist, und eine entsprechende Anzahl von umfangsmäßig beabstandeten Öffnungen (58) in der inneren Wand (56) an dem in Radialrichtung inneren Bereich (86) vorhanden sind, um die zweite Fraktion zu entfernen, wobei jede Öffnung (58) eine radiale Breite von 0,9 mm (0,035 inch) und eine axiale Höhe von 1,9 mm (0,075 inch) hat, der entlang der Achse gemessene Abstand von den Auslaßöffnungen (85) 12,5 mm (0,493 inch) beträgt und die Auslaßöffnungen (85) mit jeweiligen Öffnungen (58) in Axialrichtung ausgefluchtet sind.

10. Verwendung des Zentrifugalabscheiders nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Trennen von Vollblut, wobei die zweite Fraktion Thrombozyten aufweist.

11. Verwendung des Zentrifugalabscheiders nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Trennen von Vollblut, wobei die zweite Fraktion Plasma aufweist.