EP2291210A1

EP2291210A1 - Universell anwendbares optimiertes perfusionssystem

Info

Publication number: EP2291210A1
Application number: EP09749639A
Authority: EP
Inventors: Oliver MÖLLENBERG; Frank Stickel; Rudolf Kober; Ulrich Haag; Mathias Nakel
Original assignee: Maquet Cardiopulmonary GmbH
Current assignee: Maquet Cardiopulmonary GmbH
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2011-03-09
Also published as: DE102008024835A1; JP2011520584A; WO2009141149A1; CN102036701A; US20110098646A1; KR20110025177A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, in einem Perfusionssystem mindestens zwei voneinander unabhängig regelbare Kreisläufe, die über mindestens zwei Knotenpunkte miteinander verbunden sind und die im wesentlichen dasselbe Fluid, insbesondere Blut, Blutplasma oder Elektolytlösungen enthalten, mit zwei voneinander unabhängig regelbaren Pumpen zu etablieren und zu optimieren. Das Perfusionssystem kann alle gängigen Vorrichtungen wie z.B. zur Förderung, Weiterleitung, Fluß- oder Druckregelung, Filterung, Blasenabscheidung, Stoff- und Energieaustausch oder Messung von physikalisch-chemischen Parametern dieser Fluide aufweisen.

Description

Universell anwendbares optimiertes Perfusionssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, in einem Perfusionssystem mindestens zwei voneinander unabhängig regelbare Kreisläufe, die über mindestens zwei frei wählbare Knotenpunkte miteinander verbunden sind und die im wesentlichen dasselbe Fluid, insbesondere Blut, Blutplasma oder Elektolytlösungen enthalten, mit zwei voneinander unabhängig regelbaren Pumpen zu etablieren und zu optimieren. Diese beiden Kreisläufe sind der Patientenkreislauf mit dem Patientenblutfuss, also dem Blutfluss, der aus dem Patienten entnommen wird und wieder zum Patienten zurückgeführt wird, und der Behandlungskreislauf mit dem Behandlungsblutfluss, der den Blutfluss durch die blutbehandelnde Anordnung von Vorrichtungen aufweist. Das Perfusionssystem kann alle gängigen Vorrichtungen wie z. B. zur Förderung, Weiterleitung, Fluss- oder Druckregelung, Filterung, Blasenabscheidung, Stoff- und Energieaustausch oder Messung von physikalisch-chemischen Parametern dieser Fluide aufweisen.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Vorrichtungen, die mindestens ein erfindungsgemäßes Perfusionssystem aufweisen.

Hintergrund

Bekannte Perfusionssysteme verwenden für Transport und Behandlung eines Fluidtyps jeweils eine gemeinsame Pumpe, wodurch in bestimmten Situationen Nachteile gegenüber einer optimalen Lösung entstehen. Beispielsweise sollte der Blutfluss durch einen Oxygenator (Gerät zur Sauerstoffanreicherung von Blut) einen bestimmten Minimalwert nie unterschreiten, um die Bildung von Clots (Blutgerinnseln) zu minimieren. Soll der Blutfluss zum Patienten gestoppt werden müssen, hat das bei Systemen nach dem Stand der Technik (siehe unten) auch einen Stopp des Flusses durch den Oxygenator zur Folge. Durch die Aufteilung von Perfusionssystemen in einen Patientenblutfluss und einen Behandlungsblutfluss mit eigenen von einander unabhängigen Antrieben (Pumpen) lassen sich in diesen Situationen, wie beispielhaft in den Ausführungsbeispielen der Erfindung gezeigt, optimale Verhältnisse erreichen.

Stand der Technik

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Im Stand der Technik sind Perfusionssysteme, auch mit mehreren Zweigen, seit längerem bekannt, wie beispielsweise bei H. Frerichs: Extrakorporale Zirkulation in Theorie und Praxis, veröffentlicht von Rudolf J. Tschaut, Pabst Science Publishers, 2005, Seite 289, Abb. 3 und 4.

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Bei Herzoperationen kommen üblicherweise folgende zwei Standardsysteme zur Anwendung:

1. Geschlossenes System

2. Offenes System. i5 Bei einem geschlossenen System wird das patientenseitig entnommene venöse Blut über ein Weichbeutelreservoir den weiteren Vorrichtungen zur extrakorporalen Behandlung zugeführt. Dabei kann das extrakorporale System zur Atmosphäre abgeschlossen werden. Beim offenen System wird dagegen ein Hartschalenreservoir verwendet, wobei zum Druckausgleich immer eine offene Verbindung zwischen dem Inneren des Reservoirs und

20 der Atmosphäre bestehen muss.

Über diese aufgeführten Systeme hinaus sind auch Anordnungen denkbar, die zusätzlich einen z. B. durch Ventile oder Klemmen regelbaren arterio-venösen Shunt aufweisen. Damit kann eine teilweise Entkopplung des Patientenblutflusses vom 25 Behandlungsblutfluss erreicht werden, wobei aber die sich einstellenden Flussverhältnisse nur im Rahmen der vorliegenden A/V-Druckverhältnisse und des Strömungswiderstandes beeinflussbar sind. Auf diese Weise sind Patientenblutfluss und Behandlungsblutfluss nicht stabil regelbar, und je nach vorliegenden Druckverhältnissen kann der Patientenfluss zum Erliegen kommen bzw. sogar seine Richtung ändern.

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Im Falle von hintereinander geschalteten blutführenden Produkten ist der Blutfluss durch alle diese Produkte gleich hoch und entspricht dem gesamten Blutfluss (Patientenblutfluss). Daher ist nur eine Überwachung des Blutflusses und nur eine regulierbare Pumpe zum Antrieb erforderlich. Allerdings bedeutet dies für die Leistung der verwendeten Vorrichtungskomponenten und die Blutschädigung immer einen Kompromiss, und im Falle des Clottings einer Komponente kommt der gesamte Blutfluss zum Erliegen. Als Alternative existiert im Stand der Technik nur der teilweise oder vollständige Bypass einzelner Gerätekomponenten, die diesen gesamten Blutfluss nicht benötigen, nicht aber ein höherer Fluss als der Gesamtfluss in einer oder mehreren Vorrichtungs- bzw. Gerätekomponenten.

Bei der bekannten Perfusionstechnik sind außer dem kardiopulmonaren Bypass auch noch zwei weitere angekoppelte unabhängig voneinander regelbare Kreisläufe Stand der Technik, nämlich der Kardioplegiekreislauf und der Saugerkreislauf. In Einzelfällen können auch noch weitere zusätzliche Kreisläufe etabliert werden, wie dies von D. Schwartz: Schlauchsysteme - Sichtweise der Industrie, Extrakorporale Zirkulation in Theorie und Praxis, veröffentlicht von Rudolf J. Tschaut, Pabst Science Publishers, 2005, Seite 294, Abb. 4, beschrieben wird.

Diese Kreisläufe, die jeweils über eine eigene Pumpe angetrieben werden, sind aber jeweils nur über einen Knotenpunkt mit dem kardiopulmonaren Kreislauf verbunden, der zweite Kontakt zum Patientenkreislauf erfolgt über den Katheter / die Kanüle bzw. über den Sauger.

Diese bekannten Perfusionssysteme haben aber allesamt den Nachteil, dass alle unabhängigen Kreisläufe getrennte Zugänge für die Zu- oder Abfuhr z. B. des Patientenblutes benötigen und damit teilweise zusätzliche Kanülen/Katheter und Schlauchsysteme benötigt werden. Dies bedeutet höheres Primingvolumen und stärkere Beeinträchtigung des Patienten durch die zusätzlichen Wundflächen. Zusätzlich müssen in diesem Fall alle unabhängigen Kreisläufe separat überwacht werden.

Weiterhin sind nach dem Stand der Technik beispielsweise Verfahren und Vorrichtungen zur kombinierten Hämodialyse und Cθ₂-Eliminierung bekannt, die eine oder mehrere Pumpen enthalten. EP 1 522 323 A1 offenbart eine Vorrichtung, die aus einem in ein Gehäuse integrierten Oxygenator mit nachgeschaltetem Dialysator besteht. In EP 1522 323 A1 , EP 1 524 000 A8 und EP 1 698 362, und auch in WO 2005/075007 A1 wird die Anwendung einer solchen Vorrichtung in einem System zur kombinierten Hämodialyse und CO2- Eliminierung offenbart. Dabei offenbart WO 2005/075007 A1 einen zweiten durch eine regelbare Pumpe regelbaren Kreislauf, der über zwei Knotenpunkte Ultrafiltrat vom Ultrafiltratauslass zurück zum Bluteinlass des Oxygenators führt und damit die Möglichkeit einer Verdünnung des durch den Oxygenator fließenden Blutes bietet. Allerdings ist dieser Kreislauf weder unabhängig vom Patientenblutfluss, weil das Ultrafiltrat nur maximal einen Bruchteil des passierten Blutes darstellen kann, noch befindet sich im Patientenkreislauf und im Behandlungskreislauf im wesentlichen das gleiche Fluid (Blut bzw. Ultrafiltrat).

US 5,411 ,706 A (Hubbard et al.) beschreibt ein System bestehend aus einer Pumpe und einem Oxygenator, wobei über den Auslass des Oxygenators und eine Rezirkulationsleitung zum Einlass der Pumpe ein durch mehr oder weniger starkes Abklemmen der Rezirkulationsleitung reduzierbarer interner Kreislauf bewirkt werden kann. Durch diese partielle Rezirkulation und die damit bewirkte mehr als einmalige Passage des Oxygenators soll eine bessere Oxygenatorleistung erreicht werden. Der Patientenblutfluss ist aber nicht unabhängig vom Behandlungsblutfluss regulierbar, wobei der maximale Patientenblutfluss bei vollkommenem Verschluss der Rezirkulationsleitung erreicht wird und dann gleich dem Behandlungsblutfluss ist. In allen anderen öffnungszuständen der Rezirkulationsleitung ist der Patientenblutfluss kleiner als der Behandlungsblutfluss. Ein zusätzlicher Nachteil dieses Systems ist, dass das einmal durch Klemmung eingestellte Verhältnis von Patientenblutfluss zu Behandlungszufluss nicht konstant bleibt, sondern sich je nach vorliegenden Strömungswiderständen in der venösen oder arteriellen Linie verändern kann. Im Extremfall, z. B. bei relativ weit geöffneter Rezirkulationsleitung und einem sich steigernden Gefäßwiderstand des Patienten, kann der Patientenblutfluss sogar zum Erliegen kommen.

US 3,890,969 (Fischel) beschreibt ein Perfusionssystem, das das venöse Blut in einem Beutelreservoir aufnimmt und von dort mit einer Oxygenationspumpe über einen Membranoxygenator und Wärmetauscher in ein zweites Beutelreservoir leitet. Vom zweiten Beutelreservoir wird dann das Blut über die Hauptpumpe arteriell zum Patienten zurückgeleitet. Dabei existiert eine Rezirkulationslinie vom zweiten Reservoir zum ersten Reservoir, die ein Überströmen überschüssigen Blutes ermöglicht und damit ein Platzen des zweiten Reservoirs verhindert. Die Oxygenationspumpe wird in Abhängigkeit von der Hauptpumpe über einen Regelmechanismus von Levelsensor, Verstärker und Servomotor geregelt.

Die ganze Anordnung ist dazu vorgesehen, Probleme aufgrund unzureichenden Blutvolumens zu vermeiden. Daher muss einerseits dafür gesorgt werden, dass der arterielle Fluss dem passiven venösen Rückfluss so nachgeregelt wird, dass beide Flüsse gleich sind. Zusätzlich muss aber auch die Oxygenationspumpe immer etwas mehr Blut fördern als die Hauptpumpe, damit das zweite Reservoir nie leer gepumpt werden kann, wobei Kavitation, Blasenbildung und Hämolyse des Blutes auftreten können. Beide Pumpen und damit beide Kreisläufe stehen in Abhängigkeit zueinander, sind unter Zwischenschaltung je eines Beutelreservoirs in Reihe geschaltet, und das System hat wegen der zusätzlichen Reservoire und Schlauchlinien ein hohes Primingvolumen. Wegen der kollabierbaren Beutelreservoire muss bei Verringerung des Blutvolumens Flüssigkeit nachdosiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die im Stand der Technik gesehenen Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für ein universelles Perfusionssystem bereitzustellen, das die unabhängige Regelung von einem Patientenfluidfluss und Behandlungsfluidfluss ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung und den dazu formulierten Patentansprüchen vollkommen gelöst.

Im erfindungsgemäßen Perfusionssystem werden zwei unabhängig voneinander regelbare Pumpen angewandt. Die erste Pumpe bewirkt den Patientenblutfluss, also den gewünschten venösen und arteriellen Fluss. Die zweite Pumpe kann Teile des Perfusionssystems gezielt mit einem für die jeweilige Anwendung optimierten Fluss (Behandlungsblutfluss) bzw. Druck durchströmen. Durch Abkoppelung von Komponenten aus der üblichen Reihenschaltung und neues Einfügen der Ein- und Austritte an die frei wählbaren, jeweils günstigsten Knotenpunkte und regelbares Durchströmen dieses getrennten Kreislaufs mittels einer regelbaren Pumpe können für alle Anforderungen bezüglich Primingvolumen, Produktleistung, Behandlungsblutfluss, Patientenblutfluss und Blutschädigung jeweils optimierte Bedingungen realisiert werden. Dabei sind keine zusätzlichen Kanülen/Katheter und damit keine zusätzlichen chirurgischen Eingriffe notwendig, und nur der sicherheitsrelevante Patientenblutfluss muss wie bisher überwacht werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann der Behandlungsblutfluss und damit zusammenhängende Parameter beliebig hoch und damit höher als der Patientenblutfluss gewählt werden. Da in dem erfindungsgemäßen Perfusionssystem nicht notwendigerweise expandierbare oder kollabierbare Fluidbehandlungs-vorrichtungen enthalten sind und der venöse Fluss nicht rein passiv erfolgen muss, sind beide Flüsse bei flüssigkeitsgefülltem System aufgrund der Inkompressibilität von Flüssigkeiten und der Dichtigkeit des Systems auch ohne einen regelungstechnischen Abgleich gleich groß. Dabei können durch die unabhängige Regelung der Pumpen die festgelegten Parameter sicher konstant gehalten werden.

Bei diesem System muss die erste Pumpe, die den Patientenblutfluss bewirkt und nach dem Stand der Technik bekannt ist, nicht von vornherein in dem erfindungsgemäßen Perfusionssystem enthalten sein. Auch durch die Kombination eines konventionellen Perfusionssystems mit einer Pumpe für den Patientenkreislauf und des offenbarten Systems mit unabhängig davon regelbarer Pumpe für den Behandlungskreislauf kann das erfindungsgemäße Perfusionssystem zusammengesetzt sein.

Dies schließt auch Anwendungen ein, die das Patientenherz als unabhängig vom Behandlungskreislauf regelbare Pumpe für den Patientenkreislauf nutzen.

Da der Pumpantrieb des Patientenherzens bzw. die A-V-Druckdifferenz medikamentös beeinflussbar und damit regelbar ist, kann auch das Patientenherz als unabhängig regelbare Pumpe fungieren. Allerdings kann diese Unabhängigkeit nur dann voll ausgenutzt werden, wenn über angeschlossene Fluidbehandlungsvorrichtungen und mindestens eine Pumpe die lebenserhaltenden Funktionen wie z. B. Gasaustausch und Patientenkreislauf teilweise oder vollständig übernommen werden können. Nur in diesem Fall kann das Patientenherz über einen längeren Zeitraum beispielweise auf Pumpleistung null heruntergeregelt werden, ohne den Tod des Patienten zu verursachen. Zusätzlich sind zur Erfindung gehörend auch gängige extrakorporale Blutbehandlungsmethoden wie z. B. Dialyse eingeschlossen, die zur Funktion eine integrierte Blutpumpe benötigen. Auch an ein solches an sich bekanntes System kann durch erfindungsgemäßes Ankoppeln einer unabhängig regelbaren Pumpe und weiterer Blutbehandlungsvorrichtungen das erfindungsgemäße Perfusionssystem mit allen seinen Vorteilen genutzt und eingesetzt werden.

Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich im Falle der erfindungsgemäßen Ankopplung weiterer Blutbehandlungsvorrichtungen mit unabhängig regelbarer Pumpe an ein bereits im Einsatz befindliches Blutbehandlungssystem für den Patienten, dass keine zusätzlichen Kanülen / Katheter notwendig sind.

Darüber hinaus können durch die mögliche Kombination zweier bauartlich unterschiedlicher Pumpen, z. B. einer okklusiven Rollerpumpe und einer nichtokklusiven Zentrifugalpumpe, deren unterschiedliche Pumpenkennlinien und sonstige Eigenschaften wie z. B. maximale Druckerzeugung, Drehzahl, Baugröße, elektrische Eigenschaften, Eignung für Langzeiteinsatz etc. vorteilhaft eingesetzt und deren Nachteile, je nach den vorliegenden Anforderungen, vermieden werden.

Das durch eine solche vorteilhafte Kombination von unterschiedlichen Pumpen entstehende Eigenschaftsprofil ist gegenüber dem bekannter einzelner Pumpen überlegen, ermöglicht neue Behandlungsmöglichkeiten und ist dabei variabel an die jeweilige Anforderung anpassbar.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Im Folgenden werden in allen Ausführungen und Abbildungen zur Vereinfachung die notwendigen Kanülen bzw. Katheter nicht mit aufgeführt.

Fig. 1 zeigt das Schema eines am Patienten befindlichen minimierten geschlossenen Systems, das einfachste denkbare pumpengetriebene Perfusionssystem. Das Schema des minimierten extrakorporalen Bypasses am Patienten ist stark vereinfacht dargestellt. In Fig. 1 ist als Fluidbehandlungsvorrichtung ein Oxygenator eingezeichnet, es sind in dieser Anordnung aber auch andere Fluidbehandlungsvorrichtungen, wie beispielweise Dialysatoren, denkbar. Die Anordnung der Fluidbehandlungsvorrichtung nach der Pumpe ist wie in der üblichen Praxis skizziert, was die nachfolgende Offenbarung der Erfindung aber nicht auf diesen Fall einschränkt. Im allereinfachsten Fall, der in der Praxis normalerweise nicht auftritt, kann die Pumpe auch ohne weitere Fluidbehandlungsvorrichtungen, nur durch das Schlauchsystem das Fluid zum Patienten zurückbefördern (Unterstützung der Pumpfunktion des Herzens). Meist ist es aber auch dann sinnvoll, z. B. einen Oxygenator zur Unterstützung der Lungenfunktion oder z. B. einen Filter zur Vermeidung von Embolien in den Pumpkreislauf zu integrieren. Die in der Figur dargestellte venöse und arterielle Linie sind Schlauchverbindungen vom Patienten zur Pumpe und vom Oxygenator zum Patienten. Eine weitere Möglichkeit ist, die Pumpfunktion des Patientenherzen bzw. die dadurch bewirkte arterio-venöse (A-V) Druckdifferenz als Antrieb des extrakorporalen Kreislaufes zu nutzen. In diesem Falle sind im extrakorporalen Kreislauf nur Fluidbehandlungsvorrichtungen nötig, der Patientenblutfluss wird durch die A-V- Druckdifferenz bewirkt.

In Fig. 2 ist der schematische Aufbau eines bekannten minimierten Perfusionssystems skizziert. Daraus abgeleitet sind erfindungsgemäß die in Fig. 4 beschriebenen Knotenpunkte für Ein- und Auslässe möglich. Dabei wurde die Anordnung immer in Richtung des Patientenflusses betrachtet. Es versteht sich, dass jeder mögliche Einlass mit jedem möglichen Auslass kombiniert werden kann.

Fig. 2 zeigt einen Standardkreislauf, wobei der Patientenblutfluss gleich dem Behandlungsblutfluss ist. Der in der Figur gezeigte Oxygenator steht stellvertretend für beliebige Fluidbehandlungsvorrichtungen. Fig. 3 zeigt einen Standardkreislauf mit Möglichkeit der Reduzierung des Patientenblutflusses über einen regelbaren Shunt. Dabei ist der Patientenblutfluss immer kleiner gleich dem Behandlungsblutfluss.

Fig. 4 zeigt die Standardkreisläufe aus Fig. 2 und Fig. 3 erweitert mit erfindungsgemäßen Knotenpunkten, wobei die Knotenpunkte 1 , 3 und 5 mögliche Bluteinlässe und die Knotenpunkte 2, 4 und 6 mögliche Blutauslässe darstellen. Der Patientenblutfluss ist dabei gleich dem Behandlungsblutfluss. Die Tatsache, dass in Fig. 2 und Fig. 4 nur minimierte Systeme aufgeführt wurden, ist nur durch die klarere Darstellungsmöglichkeit bedingt und nicht als Einschränkung auf minimierte Systeme zu verstehen.

In allen skizzierten konventionellen Perfusionssystemen können zusätzlich zu den an den skizzierten Positionen befindlichen Fluidbehandlungsvorrichtungen weitere beliebige Fluidbehandlungsvorrichtungen an jeder beliebigen Position der konventionellen Perfusionssysteme enthalten sein.

Die Weiterbildung des bekannten Perfusionssystems durch Ankopplung mit einem zweiten Perfusionssystem, bestehend aus mindestens einer unabhängig regelbaren Pumpe und mindestens einer Fluidbehandlungsvorrichtung, über mindestens zwei frei wählbare Knotenpunkte, führt (immer in Flussrichtung des Patientenflusses betrachtet) zu dem erfindungsgemäßen Perfusionssystem mit 6 möglichen Varianten bezüglich der verwendeten zwei Knotenpunkte für Ein- bzw. Auslass: - Variante 1 (Anordnung von Pumpe und Fluidbehandlungsvorrichtung zwischen

Knotenpunkt 1 und 2)

- Variante 2 (Anordnung von Pumpe und Fluidbehandlungsvorrichtung zwischen Knotenpunkt 1 und 4)

- Variante 3 (Anordnung von Pumpe und Fluidbehandlungsvorrichtung zwischen Knotenpunkt 1 und 6)

- Variante 4 (Anordnung von Pumpe und Fluidbehandlungsvorrichtung zwischen Knotenpunkt 3 und 4)

- Variante 5 (Anordnung von Pumpe und Fluidbehandlungsvorrichtung zwischen Knotenpunkt 3 und 6) - Variante 6 (Anordnung von Pumpe und Fluidbehandlungsvorrichtung zwischen

Knotenpunkt 5 und 6)

Falls wie bei der Beschreibung von minimierten Systemen aufgeführt, das bekannte Perfusionssystem nur aus einer in das Schlauchsystem integrierten Pumpe bestehen sollte, ist naturgemäß die Vielfalt der Knotenpunkte auf 4 reduziert, was in diesem Falle nur zu 3 verschiedenen Varianten führt. Auch bei Anwendungen, die das Patientenherz als unabhängig regelbare Pumpe für den Patientenkreislauf einsetzen, sind nach diesem Schema nur 4 zugängliche Knotenpunkte vorhanden, von denen sich je zwei vor und nach der Fluidbehandlungsvorrichtung befinden, was ebenfalls zu nur 3 verschiedenen Varianten führt.

Nachdem die möglichen Knotenpunkte ermittelt sind, können die erfindungsgemäß möglichen Anordnungen von Pumpe und Fluidbehandlungsvorrichtung betrachtet werden. Fig. 5 zeigt die 6 möglichen unterschiedlichen Anordnungen a) bis f) von Pumpe und Fluidbehandlungsvorrichtung und die jeweilige Flussrichtung in der jeweiligen Anordnung, immer in Flussrichtung (Ein -→ Aus) betrachtet.

Auch hier wurde der klareren Darstellung wegen nur die Mindestkonfiguration (unabhängig regelbare Pumpe und eine Fluidbehandlungsvorrichtung) skizziert. Erfindungsgemäß können aber darüber hinaus beliebig viele weitere Fluidbehandlungsvorrichtungen an beliebigen Positionen in diesen Anordnungen enthalten sein. In den Anordnungen a) bis f) ist der links in den Figuren gezeigte Knotenpunkt immer als Bluteinlass gewählt und der rechts dargestellte Knotenpunkt als Blutauslass. Der Behandlungsblutfluss kann bei allen gezeigten Anordnungen a) bis f) unabhängig vom Patientenblutfluss gewählt werden. Die Knotenpunkte aus Fig. 5 entsprechen den Knotenpunkten aus Fig. 4.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, was beispielsweise durch Ankopplung der erfindungsgemäßen Anordnung a an die Knotenpunkte 5 und 6 resultiert. Es versteht sich, dass alle erfindungsgemäßen Anordnungen möglich sind und Fig. 6 nur eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele darstellt. Der Behandlungsblutfluss kann vom Patientenblutfluss unabhängig gewählt werden.

Andere mögliche Ausführungsbeispiele sind durch Kombination der in Fig. 4 und

Fig. 5 skizzierten Anordnungen abzuleiten.

(Insgesamt 6 Knotenpunktvarianten ^*6 Anordnungsvarianten = 36

Ausführungsmöglichkeiten.)

Daher kann für jede vorliegende Anforderung, unter freier Wahl der jeweils günstigsten Knotenpunkte und Anordnung der Fluidbehandlungsvorrichtungen, das Perfusionssystem vom Funktionsaufbau und über die voneinander unabhängigen Fluidflüsse die Leistung der Fluidbehandlungsvorrichtungen wie z. B. der Wärme- oder Stofftransfer oder die Blutschonung optimiert werden.

Eine Reihe von Vorteilen ergibt sich beispielsweise in folgenden Situationen, die keineswegs die Anwendbarkeit des Verfahrens auf diese Fälle eingrenzen sollen:

Ein beliebiges Perfusionssystem mit einem erfindungsgemäß integrierten Produkt:

- Oxygenator: Jederzeit kann z. B. der Patientenblutfluss bis auf null verringert werden, etwa wenn ein Eingriff am Herzen beendet ist und die Herzfunktion überprüft wird, während der Oxygenator mit beispielsweise 21/min. rezirkuliert wird. Auf diese Weise wird stagnierendes Blut im Oxygenator vermieden, und auch im Falle schwieriger Entwöhnung von der HLM und damit verbundener längerer Stillstandzeit des Patientenflusses ein Clotting im Oxygenator vermieden, sodass das System für einen Notfall wie plötzlich auftretender Herzunterfunktion jederzeit zur Verfügung steht.

- Oxygenator: Jederzeit kann z. B. der Behandlungsblutfluss bis auf 0 verringert werden, z. B. wenn ein Oxygenator ausgetauscht werden muss. Dabei kann der

Patientenblutfluss weiter laufen, sodass kein Kreislaufstillstand während des Abklemmens und Wechsels des Oxygenators notwendig ist.

- Oxygenator: Vor allem im Anwendungsbereich von ECMO bietet das erfindungsgemäße Verfahren Vorteile. Beispielsweise ist von völligem Herz- Lungen-Funktionsersatz des Patienten bei einem hohen Patientenblutfluss und einem hohen Blutfluss durch den Oxygenator bis zu vollständiger Entwöhnung des Patienten von der Maschine bei einem sehr geringen Patientenblutfluss und einem funktionserhaltendem Blutfluss durch den Oxygenator jeder anteilige Zwischenzustand regelbar. Auf diese Weise kann deshalb mit geringstem Risiko für den Patienten eine Herz-/Lungen-Erholung realisiert, längere Zeit aufrecht erhalten und nach der Erholung des Patienten risikolos davon entwöhnt werden. Im Falle von Herz-/Lungenversagen kann jederzeit die volle Herz-/Lungenfunktion ersetzt werden.

- Oxygenator: Es kann von Vorteil sein, den Blutfluss durch den Oxygenator höher zu 5 wählen als den Patientenblutfluss. Dadurch sind stabile und für die Funktion optimale Flussverhältnisse im Oxygenator möglich, wobei eine mehr als einmalige Passage des Blutes im Oxygenator stattfindet oder ausschließlich eine interne Rezirkulation stattfindet. Dabei können z. B. Mikroblasen durch mehrfache Passage des Oxygenators besonders effektiv abgeschieden oder der Gasaustausch, wenn lo gewünscht, näher in Richtung der Gleichgewichtseinstellung verschoben werden.

- Oxygenator: Ganz besonders vorteilhaft können die erfindungsgemäßen Perfusionssysteme durch Verwendung von integrierten Produkten (Blasenfalle, Zentrifugalpumpe, Oxygenator, Wärmetauscher, Filter) realisiert werden, wobei z. i5 B. das Primingvolumen, der Wärmeverlust und die Blutschädigung gegenüber diskreter Bauweise deutlich verbessert werden kann.

- Arterieller Filter, Blasenfalle: Es kann von Vorteil sein, den Blutfluss durch den arteriellen Filter oder eine Blasenfalle höher zu wählen als den Patientenblutfluss.

20 Dadurch sind für die Funktion optimale Flussverhältnisse im Produkt möglich, wobei eine mehr als einmalige Passage des Blutes im Produkt oder ausschließlich eine interne Rezirkulation stattfinden kann. Dabei können z. B. Mikroblasen durch mehrfache Passage des arteriellen Filters oder einer Blasenfalle besonders effektiv abgeschieden werden.

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- Blutkonzentrator, Dialysator: Der Blutfluss durch einen Blutkonzentrator oder Dialysator kann für den Anwendungszweck optimal gewählt werden. Auch der Druck des Blutes und damit die Produktleistung sind separat für den Behandlungszweig regelbar. Dadurch ist optimale Produktleistung bei

3o bestmöglicher Blutschonung in diesem Behandlungskreislauf möglich. - Dialysator: Bei apparativ überwachter Dialyse können fehlerbedingte Maschinenstopps und damit der Stopp der Pumpe und damit des Patientenblutflusses auftreten. Wenn zusätzlich noch andere Fluidbehandlungen an dieses System angekoppelt sind, ist die Gefahr von Clotting wegen des stagnierenden Blutes gegeben. Erfindungsgemäß wird durch die zweite Pumpe im

Behandlungskreislauf ein Behandlungsblutfluss aufrecht erhalten, sodass keine Stagnation und damit Gefahr von Clotting besteht. Dadurch wird die Funktion der angekoppelten Fluidbehandlung selbst im Störungsfalle nicht beeinträchtigt.

- Dialysator: Der Patientenblutfluss bei einem Dialysesystem liegt im Bereich von etwa 100-500 ml/min. Wenn zusätzlich noch andere

Fluidbehandlungsvorrichtungen, die für höhere Flüsse optimiert sind, an dieses System angekoppelt werden, ist die Gefahr von schlechter Produktleistung bzw. Clotting wegen des in Randzonen (der Fluidbehandlungsvorrichtungen) teilweise stagnierenden Blutes gegeben. Erfindungsgemäß wird durch die zweite unabhängig regelbare Pumpe im Behandlungskreislauf ein unabhängig regelbarer Behandlungsblutfluss aufrecht erhalten, sodass keine Stagnation und damit Gefahr von Clotting besteht. In Fällen, wo beispielsweise das Annähern des behandelten Fluids an einen Gleichgewichtszustand nach Passage der Behandlungsvorrichtung(en) möglichst gut erzielt werden soll, können

Fluidbehandlungsvorrichtungen mit großer aktiver Fläche, die zur sicheren Funktion höhere Behandlungsflüsse als den gegebenen Patientenblutfluss benötigen, verwendet werden. Auf diese Weise ist beispielsweise die nahezu vollständige CO₂-Eliminierung eines verhältnismäßig geringen gegebenen Dialyse - Blutflusses bei einfacher

Handhabung (keine zusätzlichen Kanülen / Katheter, Dialyse - Blutfluss braucht nicht verändert zu werden) und trotz des geringen Patientenblutflusses somit ein hoher systemischer Cθ₂-Eliminierungseffekt möglich.

Das letztgenannte Anwendungsbeispiel unterscheidet sich deutlich vom Stand der Technik: Während US 5.411.706A (Hubbard et al.) vorschlägt, einen gegebenen Oxygenator maximal auszulasten (um kleinere Dimensionen zu erreichen), ist hier die Zielsetzung, die für den Anwendungsfall ideale Fluidbehandlungsvorrichtung mit den zur Funktion erforderlichen Flussbedingungen zu versorgen. Bei erwünschter Annäherung an Gleichgewichtszustände bedeutet das den Einsatz von Vorrichtungen mit möglichst großer und effektiver Austauschfläche (d. h. beispielsweise möglichst große Dimensionen). Gleichgewichtszustände sind z. B. bei der Blutoxygenierung im Stand der Technik nicht das Ziel, sondern das Aufrechterhalten von physiologisch erforderlichen Gaspartialdrucken. Dabei wird über einen hohen Partialdruck von Sauerstoff im Versorgungsgas über den hohen vorliegenden Gradienten zwischen pO₂ in der Gasphase und im Blut eine hohe Transferleistung bewirkt, wenn ein physiologischer Sauerstoff- Partialdruck gefordert wird.

Würde das Blut mit diesem Versorgungsgas ins Gleichgewicht gebracht, würden extrem hohe und damit unphysiologische Sauerstoff-Partialdrucke erzielt werden. Auch die Eliminierung von CO₂ bei der Blutoxygenierung soll im Stand der Technik zu physiologischen Konzentrationen am Ausgang des Oxygenators führen und nicht zur möglichst vollständigen Eliminierung. Daher wird bei der Zielsetzung von physiologischen Verhältnissen im Stand der Technik mit hohem Gradienten der durch Behandlung zu verändernden physikalischen, chemischen oder biologischen Parameter und relativ kleiner und damit kostengünstiger Austauschfläche gearbeitet und die Gleichgewichtseinstellung gar nicht erst als Ziel angesehen.

Unter der obigen Formulierung „im wesentlichen dasselbe Fluid" ist zu verstehen, dass es sich in den unabhängigen Teilkreisläufen um jeweils gleichartiges Fluid handelt, welches aber in physikalischer, chemischer oder biologischer Hinsicht durch die passierten Vorrichtungen oder anderweitig durchgeführte Manipulationen gewisse Unterschiede gegenüber einem anderen Teilkreislauf aufweisen kann.

Zum Beispiel werden nach Passage eines Hämokonzentrators bzw. Dialysators höhere HCT-Werte des behandelten Blutes bewirkt; es handelt sich aber im Zulauf als auch im Ablauf um Blut. Das erhaltene Permeat hingegen stellt ein anderes Fluid dar, das zellfrei und nahezu proteinfrei ist und daher nicht als mit Blut gleichartig anzusehen ist. Nach Passage eines Leukozytenfilters weist ein derartig behandeltes Blut sehr wenige oder keine Leukozyten auf. Trotzdem ist das mehr oder weniger leukozytenhaltige Blut immer noch als gleichartig mit dem ursprünglichen Blut anzusehen. Im Falle von Apherese wird nach dem Stand der Technik aus dem Blut die zellfreie Flüssigkeit (Plasma) kontinuierlich abfiltriert und dann z. B. über Adsorptionskolonnen geleitet, die toxische Substanzen adsorbieren sollen. Danach wird das toxinfreie Plasma dem an zellulären Bestandteilen angereicherten Blut wieder zugegeben.

Hier ist klar zwischen Blut (mit mehr oder weniger zellulären Bestandteilen) und Plasma als verschiedenartigen Fluiden zu unterscheiden, wohingegen Plasma mit oder ohne enthaltene toxische Stoffe als gleichartige Fluide angesehen wird. In den Zweigen des BluWPIasmastromes ist das erfindungsgemäße Verfahren daher nicht offenbart, weil der Blut- und der Plasmastrom nicht im Wesentlichen dasselbe Fluid enthalten. Innerhalb des Blutstromes jedoch, vor und nach Passage des Plasmafilters, unter Betrachtung von im wesentlichen des gleichen Fluids Blut unterschiedlichen HCT, liegen wiederum gleichartige Fluide und damit die Bedingungen für das erfindungsgemäße Verfahren vor. Das gleiche gilt für die Betrachtung innerhalb des Plasmastromes, wobei nach Passage z. B. von Adsorbern toxinfreies Plasma resultiert. Auch dort sind die Bedingungen für das erfindungsgemäße Verfahren gegeben.

Die für die Funktion des erfindungsgemäßen Perfusionssystems mindestens zwei notwendigen Knotenpunkte der mindestens zwei Kreisläufe stellen in der Praxis die Grenzen einer Mischstrecke von Patientenkreislauf und Behandlungskreislauf dar. Zum Erreichen eines Behandlungseffektes ist zumindest eine sehr geringe Zumischung behandelten Fluids im Patientenkreislauf notwendig.

Bei nur einem idealen Knotenpunkt des Behandlungskreislaufes, also ohne Knotenfläche als Verbindung mit dem Patientenkreislauf, ist keine Vermischung des Fluids beider Kreisläufe gegeben. Daher müssen mindestens zwei Knotenpunkte mit zumindest einem sehr geringen Abstand voneinander vorliegen, um über die Zumischung behandelten Fluids einen Effekt im Patientenkreislauf bewirken zu können.

Umgekehrt ist daher auch die entstandene Vermischung von Fluid aus dem Patienten- und Behandlungskreislauf als Nachweis des Vorhandenseins dieser mindestens zwei Knotenpunkte zu werten. Dieser Fall ist zutreffend, wenn in erfindungsgemäßen Perfusionssystemen bzw. -Vorrichtungen optisch bzw. geometrisch die Lage der Knotenpunkte nicht oder nicht genau zu erkennen ist. In integrierten Produkten, die miteinander verbundene Fluidbehandlungsvorrichtungen in Kombination mit einer Pumpe enthalten, kann z. B. nur ein Einlass und ein Auslass zugänglich sein, wobei aber intern mittels der Pumpe und mindestens einer Fluidbehandlungsvorrichtung ein erfindungsgemäßer unabhängig regelbarer Behandlungskreislauf vorliegt. Wenn durch die Ankopplung z. B. dieses integrierten Produktes mit mindestens zwei internen Knotenpunkten an einen unabhängig regelbaren Patientenkreislauf mit enthaltener unabhängig regelbarer Pumpe, in diesem Falle also in Reihenschaltung, das , Verfahrensprinzip der zwei voneinander unabhängig regelbaren Kreisläufe realisiert wird, liegt auch in diesem Fall ein erfindungsgemäßes Perfusionssystem vor.

Das offengelegte Verfahren und die Fluidbehandlungsvorrichtungen wurden in den Beispielen im Zusammenhang mit Patienten (online - Fluidbehandlung) erläutert. Es versteht sich, dass sowohl das erfindungsgemäße Verfahren als auch die Vorrichtungen auch bei offline Fluidbehandlungen ohne Patient vorteilhaft angewandt werden können, wobei der Begriff „Patienten kreislauf" dann sinngemäß anzuwenden ist.

Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Perfusionssystem auch steuerungs- und regelungstechnische Komponenten wie Sensoren für zu regelnde Parameter sowie Regelkreise und Stellglieder zusätzlich zu den offenbarten Pumpen enthalten, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, in einem Perfusionssystem mindestens zwei voneinander unabhängig regelbare Kreisläufe, die über mindestens zwei Knotenpunkte miteinander verbunden sind und die im wesentlichen dasselbe Fluid, insbesondere Blut, Blutplasma oder Elektolytlösungen enthalten, mit zwei voneinander unabhängig regelbaren Pumpe zu etablieren und zu optimieren. Das Perfusionssystem kann alle gängigen Vorrichtungen wie z. B. zur Förderung, Weiterleitung, Fluss- oder Druckregelung, Filterung, Blasenabscheidung, Stoff- und Energieaustausch oder Messung von physikalisch-chemischen Parametern dieser Fluide aufweisen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren für ein universell verwendbares Perfusionssystem mit mindestens zwei Pumpen, dadurch gekennzeichnet, dass

die mindestens zwei Pumpen unabhängig voneinander geregelt werden und dass mindestens zwei unabhängig voneinander regelbare Blutkreisläufe, die über mindestens zwei gemeinsame Knotenpunkte verbunden sind, die im Wesentlichen dasselbe Fluid, vorzugsweise Blut, Blutplasma oder Elektrolytlösungen enthalten, betrieben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

zu einem Perfusionssystem mit mindestens einer enthaltenen unabhängig regelbaren Pumpe ein zweites Perfusionssystem mit mindestens einer enthaltenen unabhängig regelbaren Pumpe so zugefügt wird, dass

mindestens zwei unabhängig voneinander regelbare Blutkreisläufe, die über mindestens zwei gemeinsame Knotenpunkte verbunden sind, die im Wesentlichen dasselbe Fluid, vorzugsweise Blut, Blutplasma oder Elektrolytlösungen enthalten, betrieben werden.

3. Vorrichtung für ein universell verwendbares Perfusionssystem mit mindestens zwei Pumpen zum Betreiben des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

mindestens zwei unabhängig voneinander regelbare Pumpen und mindestens zwei unabhängig voneinander regelbare Blutkreisläufe, die über mindestens zwei gemeinsame Knotenpunkte verbunden sind, die im Wesentlichen dasselbe Fluid, vorzugsweise Blut, Blutplasma oder Elektrolytlösungen enthalten, vorgesehen sind.

4. Vorrichtung für ein universell verwendbares Perfusionsverfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorrichtung zur Kombination mit einer weiteren Perfusionsvorrichtung mit mindestens einer unabhängig regelbaren Pumpe vorgesehen ist, wobei in der Kombination

mindestens zwei unabhängig voneinander regelbare Blutkreisläufe, die über mindestens zwei gemeinsame Knotenpunkte verbunden sind, die im wesentlichen dasselbe Fluid, vorzugsweise Blut, Blutplasma oder Elektrolytlösungen enthalten, vorgesehen sind.