DE4007867A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen oxygenation von blut - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuier­ lichen Oxygenation von Blut, bei dem das Blut in filmartiger Verteilung über die inneren Oberflächen eines in einer Drehbewegung um seine Achse befind­ lichen Rotationskörpers geführt und der Einwirkung einer Sauerstoffströmung ausgesetzt wird.

Ein solches Verfahren ist bekannt aus "Oxygenator" von Yukihiko Nose, 1973, Mosby Verlag, St. Louis, USA, Chapter 5, Bubble and Film Oxygenators. Es hat den Zweck, einen kontinuierlichen Austausch des in venösem Blut enthaltenen Kohlendioxids gegen Sauerstoff zu bewirken und bedient sich der Verwen­ dung mehrerer, um eine horizontale Achse rotierender Scheiben, die mit dem unterhalb der Achse befindli­ chen Bereich in ein das zu behandelnde Blut enthal­ tendes Gefäß eintauchen und oberhalb der Achse mit Sauerstoff beaufschlagt sind. Während der Drehbewe­ gung lagert sich an den untergetauchten Zonen der Scheiben ein frischer Blutfilm kontinuierlich an, der anschließend durch die den Sauerstoff enthaltende Zone hindurchgeführt, mit Sauerstoff angereichert und beim erneuten Eintauchen durch zu behandelndes Blut ersetzt wird. Die mit dem Verfahren erreichte Oxy­ genation ist nicht exakt zu steuern und der Wirkungs­ grad wenig befriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren derart weiter zu entwickeln, daß sich eine Beschleunigung hinsichtlich des Gasaustausches ergibt sowie die Möglichkeit, die Sauerstoffanreicherung des Blutes in präziser Weise festzulegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfah­ ren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Blut den Oberflächen im Bereich der Achse des Rotationskörpers kontinuierlich zugeführt und im Bereich des Außenumfanges kontinuierlich entzogen wird und daß der Sauerstoff den Oberflächen im Bereich des Außenumfanges des Rotationskörpers kontinuierlich zugeführt und im Bereich der Achse entzogen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Gegenstromverfahren, das sich hinsichtlich seiner Wirksamkeit in allen Details sehr präzise steuern läßt. Neben einer Verbesserung der Effektivität ergibt sich hierduch eine Möglichkeit, den Grad der erzielten Sauerstoffanreicherung fein­ fühlig zu steuern.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorge­ sehen, daß das Blut durch Ausnutzung der durch die Drehbewegung des Rotationskörpers verursachten Flieh­ kräfte vom Innenumfang der Oberflächen in Richtung des Außenumfanges gefördert wird. Die praktische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist hier­ durch besonders einfach insofern, als sich eine Ver­ wendung von sekundären Pumphilfsmitteln erübrigt und eine besonders gleichmäßige Anreicherung des Blutes mit Sauerstoff ergibt.

In der eingangs genannten Druckschrift wird eine Vor­ richtung zur Durchführung der Oxygenation von Blut beschrieben, umfassend ein Gehäuse mit einer Gehäuse­ wandung, die von Ein- und Auslaßöffnungen für das Blut und den Sauerstoff sowie einen in dem Gehäuse um eine Achse rotierenden Rotationskörper, der von Hohl­ räumen radial durchdrungen und im Bereich seiner achsialen Begrenzungsflächen flüssigkeitsudurch­ lässig abgeschlossen ist. Die Vorrichtung ist kompliziert gebaut und ihre Verwendung setzt einen erheblichen Wartungsaufwand voraus.

Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dieser Art zu zeigen, welche bei vermindertem Herstellaufwand und vereinfachter Bedienbarkeit eine präzise definierbare Leistung bei der Oxygenation von Blut aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotationskörper mit einer achsial nur in einer Richtung geöffneten, konzentrischen Ausnehmung versehen ist, in die die Hohlräume des Rotationskör­ pers münden sowie mit einem die Mündung der Ausneh­ mung umschließenden, kragenartig ausgebildeten Ringvorsprung, der die Gehäusewandung achsial durch­ dringt, daß die Einlaßöffnung für das Blut von einem Rohr umschlossen ist, das unter Freilassung eines radialen Zwischenraumes den Ringvorsprung in axialer Richtung durchdringt und in der Ausnehmung mündet, daß die Auslaßöffnung für den Sauerstoff durch den Zwischenraum zwischen dem Rohr und dem Ringvorsprung gebildet ist, daß die Einlaßöffnung für den Sauer­ stoff radial außerhalb der Auslaßöffnung für den Sauerstoff die Gehäusewandung durchdringt und daß die Auslaßöffnung für das Blut radial außerhalb der Aus­ laßöffnung für den Sauerstoff an der tiefsten Stelle des Gehäuses vorgesehen ist. In der Vorrichtung befindet sich während ihrer Verwendung stets nur diejenige Menge Blut, die unmittelbar der Einwirkung des Sauerstoffs ausgesetzt ist. Sie kann dadurch klein und handlich gebaut werden, was die Verwendung am Bett des Patienten vereinfacht. Die Reinigung ist problemlos möglich.

Die Vorrichtung wird mit Sauerstoffüberschuß betrie­ ben, der der Einlaßöffnung für den Sauerstoff in reiner Form zugeführt wird. Während seiner Ver­ weildauer in der Vorrichtung wird ein Teil des Sauerstoffs durch das dem Blut entzogene Kohlendioxid ersetzt und das erhaltene Gasgemisch anschließend über eine Auslaßöffnung abgeleitet, welche in den vorliegenden Unterlagen aus Vereinfachungsgründen als Auslaßöffnung Sauerstoff bezeichnet ist.

Der Rotationskörper kann aus zwei einen axialen Abstand voneinander aufweisenden, flüssigkeitsun­ durchlässigen Scheiben bestehen, sowie aus wenigstens zwei einander radial gegenüberliegenden ersten Leit­ schaufeln, die sich achsparallel erstrecken und die Scheiben zwischen der Ausnehmung und dem Außenumfang des Rotationskörpers verbinden. Neben einer gleich­ mäßigen Blutfilmbildung auf den Oberflächen der ersten Leitschaufeln wird hierduch eine gleichmäßige Blutströmung in allen Teilbereichen gewährleistet, was für die Erzielung eines ausgeglichenen Sauer­ stoffaustausches von großem Vorteil ist. Die ersten Leitschaufeln können in dem Zwischenraum zwischen der Ausnehmung und dem Außenumfang des Rotationskörpers spiralig verlaufend ausgebildet sein. Hierdurch wird nicht nur eine Verbesserung der Pumpwirkung erzielt sondern darüberhinaus eine besonders schonende Behandlung der Blutkörperchen.

Der Ringvorsprung kann die Gehäusewandung mit radialem Spiel durchdringen, wobei der durch das Spiel gebildete Freiraum die Einlaßöffnung für den Sauerstoff bildet. Neben einer Vereinfachung des Gesamtaufbaus wird hierduch die Reinigungsfähigkeit der Vorrichtung vereinfacht.

Der Rotationskörper kann radial außerhalb des Ring­ vorsprunges mit einer sich im wesentlichen parallel zu seiner Stirnfläche erstreckenden, flüssigkeitsun­ durchlässigen Stirnplatte verbunden sein, wobei die Stirnplatte einen axialen Abstand von der Stirnfläche aufweist und wobei der durch den Abstand gebildete Ringspalt in der Einlaßöffnung in axialer Richtung und im Bereich des Außenumfanges in radialer Richtung offen ist. Der durch den Radialspalt zugeführte Sauerstoff wird hierdurch vor seinem Auftreffen auf den Blutfilm in eine Drehbewegung versetzt, die der­ jenigen des Blutfilmes entspricht. Störungen der laminaren Strömungsbewegung des Blutfilmes und insbesondere einer Schaumbildung wird hierduch begegnet.

Eine weitere gegenseitige Anpassung der beidersei­ tigen Relativgeschwindigkeiten des Sauerstoffes und des Blutfilmes im Bereich der Zone des gegenseitigen Aufeinandertreffens läßt sich erreichen, wenn in dem Radialspalt zweite Leitschaufeln angeordnet sind. Diese können den Leitschaufeln der Laufräder von Radialpumpen entsprechend gestaltet sein, wobei es sich als zweckmäßig erwiesen hat, wenn die zweiten Leitschaufeln den ersten Leitschaufeln entsprechend ausgebildet sind. Bezogen auf die auf den Sauerstoff ausgeübte Förderwirkung heben sich die Wirkungen der ersten und der zweiten Leitschaufeln bei einer sol­ chen Ausbildung gegenseitig auf. Die Steuerung der dem Blutfilm je Zeiteinheit zugeführten Sauerstoff­ menge wird hierdurch stark vereinfacht.

Der Rotationskörper kann im Bereich der Stirnplatte und im Bereich des von der Stirnplatte abgewandten, axialen Endes mit radial nach außen weisenden Ring­ fortsätzen versehen sein, wobei die Ringfortsätze im Bereich ihres Außenumfanges in axialer Richtung bis auf einen geringen Abstand aneinander angenähert sind. Dem Austreten von Schaumblasen wird hierdurch vorgebeugt und eine gute Pumpwirkung erzielt. Die Auslaßöffnung für das Blut ist zweckmäßig radial außerhalb der Ringfortsätze in der Gehäusewandung angeordnet.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand de in der Anlage beigefügten Zeichnung weiter ver­ deutlicht. Es zeigen

Fig. 1 eine beispielhafte Vorrichtung in längsge­ schnittener Darstellung,

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 quergeschnitten entlang der Ebene A-A,

Fig. 3 die Vorrichtung nach Fig. 1 quergeschnitten entlang der Ebene B-B.

Die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung dient zur kontinuierlichen Oxygenation von Blut. Sie umfaßt ein Gehäuse 3, in dem ein Rotationskörper 1 während der bestimmungsgemäßen Verwendung um eine senkrechte Achse rotiert. Der Rotationskörper 1 ist mit einer axial nach oben geöffneten, konzentrischen Ausnehmung 8 versehen, in die die den Roationskörper 1 in radi­ aler Richtung, d. h. horizontal, ganz durchdringenden Hohlräume 5 innenseitig münden. Die Ausnehmung 8 ist oberseitig von einem kragenartig ausgebildeten Ring­ vorsprung 11 unmittelbar umschlossen, der die Ge­ häusewandung 4 in einem radialen Abstand senkrecht nach oben durchdringt. In ihn ragt senkrecht von oben ein koaxial zu dem Ringvorsprung 11 angeordnetes Rohr 10 hinein, das in der Radialebene der Hohlräume 5 mündet und einen radialen Zwischenraum zu dem Ringvorsprung 11 freiläßt. Der Zwischenraum dient zugleich als Auslaßöffnung 12 für den Sauerstoff (sowie des darin verteilten, dem behandelten Blut entnommenen Kohlendioxids). Die Einlaßöffnung 13 für den Sauerstoff wird durch den radialen Zwischenraum zwischen dem Ringvorsprung 11 und der Gehäusewandung 4 gebildet.

Der Rotationskörper 1 besteht im wesentlichen aus zwei einen axialen Abstand voneinander aufweisenden, flüssigkeitsundurchlässigen Scheiben 6, 7 sowie aus zwei einander radial gegenüberliegenden, ersten Leitschaufeln 15, die sich parallel zu der Achse 2 erstrecken und die Scheiben 6, 7 zwischen der Aus­ nehmung 8 und dem Außenumfang 16 unter einander verbinden. Die ersten Leitschaufeln 15 haben in dem Zwischenraum zwischen der Ausnehmung 8 und dem Außen­ umfang 16 des Roastaionskörpers 1 einen spiraligen Verlauf (Fig. 3).

Der Rotationskörper 1 ist radial außerhalb des Ring­ vorsprunges 11 mit einer sich im wesentlichen parallel zu seiner Stirnfläche erstreckenden, flüssigkeitsundurchlässigen Stirnplatte 17 verbunden, wobei die Stirnplatte 17 einen axialen Abstand von der Stirnfläche des Rotationskörpers 1 aufweist und wobei der durch den Abstand gebildete Radialspalt 18 im Bereich der Einlaßöffnung 13 in axialer Richtung und im Bereich des Außenumfanges 16 in radialer Richtung offen ist. Der durch die Einlaßöffnung 13 eintretende Sauerstoff wird hierin aufgenommen und durch die den Radialspalt in axialer Richtung beid­ seitig begrenzenden, der Drehbewegung des Rotations­ körpers 1 folgenden Flächen während seines Durch­ tretens in Umfangsrichtung beschleunigt, wodurch er bei seinem Austreten aus dem Radialspalt dieselbe Umfangsgeschwindigkeit aufweist wie das aus den Hohlräumen des Rotationskörpers 1 austretende Blut. Zur Unterstützung des diesbezüglichen Effektes sind in dem Radialspalt 18 zweite Leitschaufeln 19 vor­ gesehen, die den ersten Leitschaufeln 15 entsprechend ausgebildet sind (Fig. 2). Der Rotationskörper 1 ist im Bereich der Stirnplatte 17 und im Bereich des von der Stirnplatte 17 abgewandten, axialen Endes mit radial nach außen weisenden Ringfortsätzen 20 ver­ sehen, wobei die Ringfortsätze 20 im Bereich ihres Außenumfanges in axialer Richtung bis auf einen geringen Abstand aneinander und an die Austritts­ öffnung für das Blut angenähert sind. Dieses verläßt den ringförmigen Hohlraum, in dem der Rotationskörper 1 angeordnet ist, in tangentialer Richtung an der tiefsten Stelle (Fig. 1 und 3). Verwirbelungen unbehandelten Blutes mit behandeltem sowie eine Schaumbildung sind dadurch ausgeschlossen.

Zur Funktion ist folgendes auszuführen: Während der bestimmungsgemäßen Verwendung wird das zu oxygenierendende Blut durch die Bluteintrittsöffnung 9 des Rohres 10 in die konzentrische Ausnehmung 8 des Rotationskörpers 1 eingespeist und verteilt sich, ausgehend von der konzentrischen Ausnehmung 8, gleichmäßig auf den Oberflächen der ersten Leit­ schaufeln 15. Diese haben einen spiraligen Verlauf, was dazu führt, daß der anhaftende Blutfilm in Richtung des Außenumfanges beschleunigt und ausein­ andergezogen wird. Hierbei ergibt sich zugleich eine Verminderung der Dicke des Blutfilms. Das Blut ver­ läßt den Rotationskörper 1 im Bereich des Außenum­ fangs in einem in Umfangsrichtung beschleunigten Zustand. Es gelangt danach in die sich tangential anschließende Blutaustrittsöffnung 14, über welche es die Vorrichtung verläßt.

Der die Oxygenierung bewirkende, durch die Sauer­ stoffeintrittsöffnung 13 eingespeiste Sauerstoff passiert die Oberflächen der ersten Leitschaufeln 15 in umgekehrter Richtung, d. h. in radialer Richtung von außen nach innen. Er ist dadurch im Bereich des Außenumfanges der ersten Leitschaufeln in noch völlig reiner Form verfügbar, was die Erzielung eines voll­ ständigen Austauschs des in dem Blut enthaltenen Kohlendioxids gegen Sauerstoff begünstigt. Mit zunehmender Bewegung nach innen ergibt sich eine zunehmende Anreicherung des Sauerstoffs mit Kohlendioxid, bis das enthaltene Mischgas die Vorrichtung über die Auslaßöffnung 12 verläßt.

Der Rotationskörper 1 ist radial außerhalb der Leitschaufeln 15 in axialer Richtung beiderseits mit Ringfortsätzen 20 versehen, die im Bereich ihres Außenumfangs bis auf einen geringen Abstand anein­ ander angenähert sind. Radial außerhalb der Zone, in der eine Sauerstoffanreicherung des Blutes bewirkt wird, ergibt sich hierdurch eine Druckzone, in der das Blut von ungelösten Gasbestandteilen befreit und eine Pumpwirkung auf das Blut ausgeübt wird. Die Verwendung sekundärer Wasch- und Pumpeinrichtungen kann dadurch entfallen.

Der Grad der erreichten Oxygenation läßt sich anhand der Drehzahl des Rotationskörpers und des Sauerstoff­ partikeldrucks relativ leicht verändern. Auch besteht die Möglichkeit, den Rotationskörper 1 bedarfsweise durch eine andere Ausführung zu erset­ zen, beispielsweise eine Ausführung mit einer geänderten Anzahl oder Form der ersten und/oder zweiten Leitschaufeln oder anderen bei Zentrifugen gebräuchlichen Fördermitteln.

Claims (11)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Oxygenation von Blut, bei dem das Blut in filmartiger Verteilung über die inneren Oberflächen eines in einer Drehbewegung um seine Achse befindlichen Rotationskörpers hinweg­ geführt und der Einwirkung einer Sauerstoffströmung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Blut den Oberflächen im Bereich der Achse (2) des Rota­ tionskörpers (1) kontinuierlich zugeführt und im Bereich des Außenumfanges (16) entzogen wird und daß der Sauerstoff den Oberflächen im Bereich des Außen­ umfanges (16) des Rotationskörpers (1) kontinuier­ lich zugeführt und im Bereich der Achse (2) entzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blut durch Ausnutzung der durch die Dreh­ bewegung verursachten Fliehkräfte von dem Bereich der Achse (2) in Richtung des Außenumfanges (16) des Rotationskörpers (1) gefördert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 2, umfassend ein Gehäuse mit einer Gehäusewandung, die von Ein- und Auslaßöffnungen für das Blut und den Sauerstoff sowie einen in dem Ge­ häuse um eine Achse rotierenden Rotationskörper, der von Hohlräumen radial durchdrungen und im Bereich seiner axialen Begrenzungsflächen flüssigkeitsun­ durchlässig abgeschlossen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Rotationskörper (1) mit einer axial nur in einer Richtung geöffneten, konzentrischen Ausneh­ mung (8) versehen ist, in die die Hohlräume (5) münden sowie mit einem die Mündung der Ausnehmung (8) umschließenden, kragenartig ausgebildeten Ringvor­ sprung (11), der die Gehäusewandung (4) axial durch­ dringt, daß die Einlaßöffnung für das Blut von einem Rohr (10) umschlossen ist, das unter Freilassung eines radialen Zwischenraumes den Ringvorsprung (11) axial durchdringt und in die Ausnehmung (8) mündet, daß die Auslaßöffnung (12) für den Sauerstoff durch den radialen Zwischenraum zwischen dem Rohr (10) und dem Ringvorsprung (11) gebildet ist, daß die Einlaß­ öffnung (13) für den Sauerstoff radial außerhalb der Auslaßöffnung (12) für den Sauerstoff die Gehäusewan­ dung (4) axial durchdringt und daß Auslaßöffnung (14) für das Blut radial außerhalb der Einlaßöffnung (13) für den Sauerstoff an der tiefsten Stelle des Gehäu­ ses (3) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (1) aus zwei einen axialen Abstand voneinander aufweisenden, flüssigkeitsun­ durchlässigen Scheiben (6, 7) besteht sowie aus wenigstens zwei einander gegenüberliegenden ersten Leitschaufeln (15), die sich parallel zu der Achse (2) erstrecken und die Scheiben (6, 7) zwischen der Ausnehmung (8) und dem Außenumfang (16) des Rota­ tionskörpers verbinden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Leitschaufeln (15) in dem Zwischen­ raum zwischen der Ausnehmung (8) und dem Außenumfang (16) des Rotationskörpers (3) spiralig verlaufend ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ringvorsprung (11) die Gehäusewan­ dung (4) mit radialem Spiel durchdringt und daß der durch das Spiel gebildete Freiraum die Einlaßöffnung (13) für den Sauerstoff bildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (1) radial außerhalb des Ringvorsprunges (11) mit einer sich im wesentlichen parallel zu seiner Stirnfläche erstreckenden, flüssigkeitsundurchlässigen Stirnplatte (17) ver­ bunden ist, daß die Stirnplatte (17) einen axialen Abstand von der Stirnfläche aufweist und daß der durch den Abstand gebildete Radialspalt (18) im Bereich der Einlaßöffnung (13) des Freiraums in axialer Richtung und im Bereich des Außenumfanges (16) in radialer Richtung offen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Radialspalt (18) zweite Leit­ schaufeln (19) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Leitschaufeln (19) den ersten Leit­ schaufeln (15) entsprechend ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotationskörper (1) im Bereich der Stirnplatte (17) und im Bereich des von der Stirn­ platte (17) abgewandten, axialen Endes mit radial nach außen weisenden Ringfortsätzen (20) versehen ist und daß die Ringfortsätze (20) in Richtung ihres Außenumfanges zunehmend in axialer Richtung anein­ ander angenähert sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (14) für das Blut radial außerhalb der Ringfortsätze (20) angeordnet ist.