EP2704763A1 - Austauscher-vorrichtung - Google Patents

Austauscher-vorrichtung

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EP2704763A1
EP2704763A1 EP12719665.7A EP12719665A EP2704763A1 EP 2704763 A1 EP2704763 A1 EP 2704763A1 EP 12719665 A EP12719665 A EP 12719665A EP 2704763 A1 EP2704763 A1 EP 2704763A1
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EP
European Patent Office
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medium
inlet
chamber
exchanger
pump
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12719665.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schmitz-Rode
Ulrich Steinseifer
Jutta Arens
Peter SCHLANSTEIN
Ralf BORCHARDT
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Dritte Patentportfolio Beteiligungs GmbH and Co KG
Original Assignee
Dritte Patentportfolio Beteiligungs GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Dritte Patentportfolio Beteiligungs GmbH and Co KG filed Critical Dritte Patentportfolio Beteiligungs GmbH and Co KG
Publication of EP2704763A1 publication Critical patent/EP2704763A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A61M60/853—Valves the valve being formed by a flexible tube element which is clamped for restricting the flow

Definitions

  • the invention relates to an exchanger device for effecting a material and / or energy exchange between a first and second medium, having a first inlet and outlet of the first medium and having the first medium through which chamber in which at least one fabric and / or energy-permeable exchanger hollow fiber, preferably a plurality of mass and / or energy-permeable exchanger hollow fibers, which is connected at one end to a second inlet and at the other end to a second outlet of the second medium and from the second Medium can be flowed through and flowed around by the first medium is / are, wherein in the chamber at least one pumping element is arranged, by means of which the first medium can be pulsed out of the chamber displaceable and sucked into the chamber and having an elastically deformable element.
  • Such generic devices find their field of use, for example, in medical technology and in particular in the applications of blood purification, such. Dialysis, blood separation or artificial lungs
  • the oxygenators In the field of application of the oxygenators, it is provided to allow the blood to flow as a first medium through a chamber in which at least one material and / or energy-permeable hollow fiber, in a preferred embodiment, a plurality of material and / or energy-permeable Hollow fibers is arranged, which is flowed through by the second medium, in particular oxygen, and is flowed around by the first medium.
  • Hollow fiber modules for this purpose are described in WO 2011/023605 Al.
  • Partial pressures of oxygen and C0 2 on the two sides of the material and / or energy-permeable hollow fiber a mass transfer in the sense that C0 2 from the Blood is removed and this is enriched with oxygen from the hollow fibers.
  • a mass transfer in the sense that C0 2 from the Blood is removed and this is enriched with oxygen from the hollow fibers.
  • an oxygenator d. H. an artificial lung
  • d. H. an artificial lung is described in more detail, this is not to be construed as a limitation, but only as an exemplary application.
  • the device described here can in principle be used for the material or energy exchange between any media and not only in medical technology, but also in other industrial applications.
  • the said principle requires that in the generic devices and the pump used externally results in a significant volume, which must be filled by the first medium, such as in this application, the blood.
  • the invention has for its object to provide a further improved device of this kind, which provides particular advantages in terms of work and patient safety. This object is achieved by an exchanger device having the features of claim 1.
  • the invention also includes the idea of at least one separate inlet for that as a drive medium for the
  • a plurality of elastically deformable pump hollow fibers are arranged as pumping elements in the chamber, and these are connected to the third inlet.
  • the second medium is oxygen, and accordingly, an oxygen storage or an oxygen source is connected to the second inlet of the device.
  • the third medium can be used in a particularly simple and cost-effective manner air, in which case then set up for the corresponding (third) inlet for pulsation operation
  • Air pump is connected.
  • the essential for the pumping pulsating expansion and contraction of the pumping element or especially the plurality of elastically expandable hollow fibers can be achieved here advantageously with a pump element closed on one side or hollow fibers sealed on one side; So in this version, there is no flow for the third medium.
  • the chamber on the one hand to the third inlet and on the other hand, the entrance of the pump hollow fiber or the
  • a liquid in particular physiological saline solution, serves as the third medium, and it is a corresponding one
  • Liquid reservoir provided.
  • this embodiment is associated with the mass transfer function of an energy exchange function, for example, to be enriched with oxygen blood of a patient at the same time to maintain body temperature.
  • the pumping element or the pumping hollow fibers are open on both sides and integrated into a fluid circuit of the third medium, to which a heat source for heating the third medium is assigned.
  • a sensible functional subdivision of the exchanger device provides that the chamber has a first sub-chamber adjacent to the third inlet on the one hand and the inlet of the pumped hollow fiber or the inlets of the pumped hollow fibers, a second sub-chamber adjacent to the second inlet. Chamber, one of the first inlet and outlet adjacent and the exchange hollow fiber or exchanger hollow fibers receiving third part chamber and on the one hand the output of the pump hollow fiber or the outputs of the pump hollow fibers and on the other hand, the third sequence adjacent fourth part chamber having.
  • a further embodiment of the invention provides that the first inlet and outlet for the first medium, each with a controllable valve for timed interruption of the inflow or outflow of the second medium are provided.
  • the controllable valves are preferred as
  • the apparatus comprises a pump and valve control unit adapted to synchronously control the pump for the third medium and the valves at the first inlet and outlet for effecting delivery of the first medium through the chamber from the inlet to the outlet.
  • a flow sensor at the first inlet and / or outlet, which is in particular connected to a sensor signal input of the pump and valve control and / or the heat source in the circuit of the third medium.
  • a further embodiment which can advantageously be combined with the aforementioned, comprises a bubble detector at the first outlet, which is in particular connected to a sensor signal input of the pump and valve control unit. With such a sensor, the precision of the control and the patient safety of the proposed device can be further improved.
  • the exchanger device has a cylindrical or prismatic housing, wherein in particular the first and second inlet in a peripheral wall and the third inlet are arranged in an end face and the or each exchanger hollow fiber substantially perpendicular to the cylinder axis or longitudinal extent the prism and the or each pumping element substantially parallel to the cylinder axis or
  • Circumferential wall arranged.
  • the exchanger device according to the invention is a blood oxygenator.
  • Another important design or use is as a dialysis machine.
  • the device may be at least partially implantable in both applications.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an arrangement in which an inventive
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional representation of an embodiment of the device according to the invention
  • Fig. 3 shows a schematic cross-sectional representation of a further embodiment, with identification of different functional areas.
  • the oxygenator arrangement 1 shown in FIG. 1 for realizing an "artificial lung" on a patient P comprises as its core an exchange device (oxygenator) 3 which supplies oxygen-poor blood Bi from the patient P via hose lines (not separately designated) the oxygen-rich blood B 2 is withdrawn and returned to the patient for supplying the blood Bi, the exchanger device 3 has a first inlet 5a, and the
  • Derivation of the oxygen-enriched blood B 2 it has a first sequence 5b. At the first inlet 5a, a first controllable valve 7a is arranged, and at the first outlet 5b, a second controllable valve 7b is arranged.
  • the exchanger device 3 Via a second inlet 9a, the exchanger device 3 is supplied with oxygen O 2 , and via a second outlet 9b it is introduced
  • the exchanger device 3 is operated with physiological saline solution S as a drive medium, which is supplied to it via a third inlet I Ia and is discharged from the device via a third outlet I Ib.
  • the saline solution S is pulsed by a suitable liquid pump 13 in a liquid circulation through the exchanger device 3, including a third valve I Ia and third drain Ib each have a controllable valve 15a and 15b is provided.
  • a heater 17 the saline solution can be suitably tempered to an additional heat exchanger function of
  • a pump and valve control unit 19 is provided with integrated heating control function, which has conventional (not shown) input and programming means.
  • the pump and valve control unit 19 is connected on the input side to a blood flow sensor 21 on the first inlet 5a and a bubble detector 23 on the first outlet 5b and for processing sensor signals of these sensors 21, 23 for suitable control of the pump 13 and the controllable valves for setting a adequate delivery and to avoid bubbles formed in the oxygen-enriched blood B 2 .
  • sampling and / or sensory detection of the blood oxygen saturation can also be provided on the blood and blood flow, and the signals of corresponding sensors or analysis results can also be stored in the pump and valve control unit suitable control regime of the arrangement 1 are evaluated.
  • Fig. 2 shows a schematic cross-sectional view of the exchanger device 3 in its internal structure. Parts already shown in FIG. 1 and already described above are designated by the same numbers as in FIG. 1 and will not be explained again here. The embodiment differs from that shown in FIG. 1 insofar as no controllable valves are present or shown at the third inlet and outlet I Ia, I Ib.
  • the functional core of the exchanger device 3 is a bundle of gas-permeable hollow fibers 31, which are arranged in a cylindrical housing 33 of the exchanger device substantially in the direction of the cylinder axis and whose one ends adjacent to the second inlet (for oxygen supply) 9a and the other Ends adjacent to the second drain (for oxygen / carbon dioxide discharge) 9b lie. Oxygen is introduced into these hollow fibers 31 and flows through them to their opposite end.
  • the "chamber" 35 of the exchanger device 3 are the central region of the interior (the "chamber") 35 of the exchanger device 3.
  • Hollow fibers 31 flow around the blood supplied via the first inlet 5a, and there is an oxygen enrichment and at the same time carbon dioxide depletion in the blood; the hollow fibers 31 thus act as exchange hollow fibers.
  • a pulsatile pumping movement is realized in the exchanger device 3 , by pulsating supply of saline S in a group of substantially along the cylinder axis arranged pump hollow fibers (silicone tubes) 37, which elastic
  • the pump hollow fibers 37 are designed in particular coiled, for example, fibers with a diameter of 2 mm and a
  • Wall thickness of 0.15 mm and can be wound using (temporarily introduced) AI cores. Their jerky expansion as a result of the pulsating supply of saline S as a drive medium, in conjunction with a correspondingly controlled actuation of the valves 7a, 7b on the Blututz- and -ablauf 5a, 5b, the desired conveying operations.
  • Groups of hollow fibers 31 and 37 are connected via suitable connectors 31a and 37a to the respective inlets and outflows 9a, 9b and IIa, IIb, respectively.
  • circulation can be dispensed with and the third sequence (IIb in FIG. 2) can be omitted, in which case modified, remote from the inlet of the third medium Ends sealed pump hollow fibers are used.
  • the second outlet for the used exchange gases
  • the second outlet can then also be placed on the lower end face of the housing of the exchanger device.
  • the essential functional areas in the interior of the exchanger device 3 ' can be a first, adjacent to the third inlet I Ia sub-chamber 35th, a second, the second inlet 9a adjacent part-chamber 35.2' and finally a third, the first and outlet 5a, 5b adjacent partial chamber 35.3 '
  • the drive medium here the air A
  • the second sub-chamber 35.2 takes place the oxygen supply and distribution
  • the third sub-chamber 35.3' finally carried the passage of the blood through the exchanger device, connected to the functionally essential gas exchange and if necessary (as described above in connection with FIG. 2) one
  • expandable pump hollow fibers or at least substantial portions of the same.
  • the device described operates with continuous oxygen supply via the second inlet 9a and the third inlet I Ia supplied air pressure pulses, which can be supplied in an expedient embodiment between 20 and 140 pulses / min and a pressure difference of up to 600 mm Hg, wherein the
  • Ratio between systolic and diastolic phase can be varied between 0.2 and 0.8; All of these are merely convenient example values.
  • Air pressure pulses cause a periodic expansion and contraction of the pump hollow fibers and in combination with a timely controlled opening and closing of the blood circulation and drainage 5a, 5b via the there arranged valves 7a, 7b, a conveying blood through the third part-chamber 35.3 ', associated with the desired oxygenation over the in the

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Abstract

Austauscher-Vorrichtung zum Bewirken eines Stoff- und/oder Energieaustauschs zwischen einem ersten und zweiten Medium, mit einer einen ersten Zulauf und Ablauf des ersten Mediums aufweisenden und vom ersten Medium durchströmbaren Kammer, in der wenigstens eine Stoff- und/oder energie-permeable Austauscher-Hohlfaser, bevorzugt eine Vielzahl von Stoff- und/oder energie-permeablen Austauscher-Hohlfasern, angeordnet ist, welche an einem Ende an einen zweiten Zulauf und am anderen Ende an einen zweiten Ablauf des zweiten Mediums angeschlossen und von dem zweiten Medium durchströmbar sowie von dem ersten Medium umströmbar ist/sind, wobei in der Kammer wenigstens ein Pumpelement angeordnet ist, mittels dessen das erste Medium pulsierend aus der Kammer verdrängbar und in die Kammer hinein saugbar ist und das ein elastisch verformbares Element aufweist und an einen dritten Zulauf eines als Antriebsmedium dienenden dritten Mediums angeschlossen und von dem dritten Medium aufweitbar ist.

Description

Austauscher-Vorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Austauscher-Vorrichtung zum Bewirken eines Stoff- und/oder Energieaustauschs zwischen einem ersten und zweiten Medium, mit einer einen ersten Zulauf und Ablauf des ersten Mediums aufweisenden und vom ersten Medium durchströmbaren Kammer, in der wenigstens eine Stoff- und/oder energie- permeable Austauscher-Hohlfaser, bevorzugt eine Vielzahl von Stoff- und/oder energie-permeablen Austauscher-Hohlfasern, angeordnet ist, welche an einem Ende an einen zweiten Zulauf und am anderen Ende an einen zweiten Ablauf des zweiten Mediums angeschlossen und von dem zweiten Medium durchströmbar sowie von dem ersten Medium umströmbar ist/sind, wobei in der Kammer wenigstens ein Pumpelement angeordnet ist, mittels dessen das erste Medium pulsierend aus der Kammer verdrängbar und in die Kammer hinein saugbar ist und das ein elastisch verformbares Element aufweist.
Derartige gattungsgemäße Vorrichtungen finden ihr Einsatzgebiet beispielsweise in der Medizintechnik und hier insbesondere bei den Anwendungen der Blutreinigung, wie z.B. der Dialyse, der Bluttrennung oder auch der künstlichen Lungen
(Oxygenatoren).
Im Anwendungsgebiet der Oxygenatoren ist es dabei vorgesehen, das Blut als ein erstes Medium durch eine Kammer strömen zu lassen, in der wenigstens eine stoff- und/oder energie-permeable Hohlfaser, in bevorzugter Ausführung eine Vielzahl von stoff- und/oder energie-permeablen Hohlfasern angeordnet ist, die von dem zweiten Medium, insbesondere hier Sauerstoff, durchströmbar ist und von dem ersten Medium umströmt wird. Hohlfaser-Module für diesen Zweck sind in der WO 2011/023605 AI beschrieben.
Wird aus dem Körper eines Lebewesens stammendes mit C02 angereichertes Blut durch die Kammer gepumpt, so ergibt sich durch die unterschiedlichen
Partialdrücke von Sauerstoff und C02 auf den beiden Seiten der stoff- und/oder energie-permeablen Hohlfaser ein Stoffaustausch in dem Sinne, dass C02 aus dem Blut entfernt und dieses mit Sauerstoff aus den Hohlfasern angereichert wird . So kann eine derartige Vorrichtung als künstliche Lunge arbeiten und beispielsweise die Lungenfunktion eines Patienten teilweise oder auch vollständig übernehmen.
Soweit in dieser Erfindungsbeschreibung ein Oxygenator, d. h. eine künstliche Lunge, näher beschrieben wird, ist dies nicht als Einschränkung, sondern lediglich als beispielhafte Anwendung zu verstehen. Die hier beschriebene Vorrichtung kann grundsätzlich für den Stoff- bzw. Energieaustausch zwischen beliebigen Medien eingesetzt werden und dies nicht nur in der Medizintechnik, sondern auch bei anderen industriellen Anwendungen.
Zur Erzielung adäquater und definierter Flussraten eines ersten Mediums durch die genannte Kammer, insbesondere des Blutes durch die Kammer, werden
üblicherweise externe Pumpen eingesetzt. Im Anwendungsbereich der
Oxygenatoren bedeutet dies, dass zusätzlich zu der gattungsgemäßen Vorrichtung eine Pumpe vorgesehen sein muss, mit der Blut aus dem Körper eines Patienten durch die Vorrichtung und sodann zurück in den Körper des Patienten gepumpt wird .
Das genannte Prinzip bedingt, dass in der gattungsgemäßen Vorrichtungen sowie der extern eingesetzten Pumpe sich ein erhebliches Volumen ergibt, welches durch das erste Medium, wie in dieser Anwendung beispielsweise das Blut, gefüllt werden muss.
In der WO 2008/104353 AI wird eine Austauscher-Vorrichtung der o.g . Art vorgeschlagen, die über eine integrierte Pumpfunktion verfügt und daher keine externen Pumpen-Volumina benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weiter verbesserte Vorrichtung dieser Art bereitzustellen, welche insbesondere Vorteile hinsichtlich der Arbeitsund Patientensicherheit erbringt. Diese Aufgabe wird durch eine Austauscher-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des erfindungsgemäßen
Gedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird davon abgegangen, eines der beiden an dem Stoff- oder Energieaustausch beteiligten Medien zugleich als das Medium zur Reduzierung der Pumpfunktion zu benutzen, und diese Funktion wird mit einem zusätzlichen (dritten) Medium realisiert. Daher gehört zur Erfindung zugleich der Gedanke, mindestens einen separaten Zulauf für jenes als Antriebsmedium für die
Pumpfunktion dienendes Medium vorzusehen.
In einer Ausführung der Erfindung ist in der Kammer eine Mehrzahl von elastisch verformbaren Pump-Hohlfasern als Pumpelemente angeordnet, und diese sind mit dem dritten Zulauf verbunden.
In der im medizinischen Einsatz besonders bedeutsamen Ausführung der
Vorrichtung als Oxygenator handelt es sich beim zweiten Medium um Sauerstoff, und entsprechend ist an den zweiten Zulauf des Gerätes ein Sauerstoffspeicher bzw. eine Sauerstoffquelle angeschlossen. Als drittes Medium kann in besonders einfacher und kostengünstiger Weise Luft eingesetzt werden, wobei dann an den entsprechenden (dritten) Zulauf eine für Pulsations-Betrieb eingerichtete
Luftpumpe angeschlossen ist. Die für die Pumpfunktion wesentliche pulsierende Aufweitung und Kontraktion des Pumpelements bzw. speziell der Mehrzahl von elastisch aufweitbaren Hohlfasern kann hierbei vorteilhaft mit einem einseitig verschlossenen Pumpelement bzw. einseitig versiegelten Hohlfasern erreicht werden; in dieser Ausführung gibt es also keinen Ablauf für das dritte Medium.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kammer eine einerseits dem dritten Zulauf und andererseits dem Eingang der Pump-Hohlfaser oder den
Eingängen der Pump-Hohlfasern benachbarte erste Teil-Kammer, eine dem zweiten Zulauf benachbarte zweite Teil-Kammer und eine dem ersten Zu- und Ablauf benachbarte und die Austauscher-Hohlfaser oder Austauscher-Hohlfasern aufnehmende dritte Teil-Kammer aufweist. Diese Unterteilung des Geräteinneren ist im Sinne einer klaren Funktionszuordnung und -abgrenzung, speziell bei der sinnvollen Verteilung der Medien über das verfügbare Innenvolumen der
Vorrichtung zur Gewährleistung einer optimierten Pump- und Austauschfunktion.
In einer anderen Ausführung dient eine Flüssigkeit, insbesondere physiologische Kochsalzlösung, als drittes Medium, und es ist ein entsprechendes
Flüssigkeitsreservoir vorgesehen. In einer Ausgestaltung dieser Ausführung wird mit der Stoffaustausch-Funktion einer Energieaustausch-Funktion verknüpft, um beispielsweise mit Sauerstoff anzureicherndes Blut eines Patienten zugleich auf Körpertemperatur zu halten. In dieser Ausgestaltung sind das Pumpelement bzw. die Pump-Hohlfasern beidseits offen und in einen Flüssigkeitskreislauf des dritten Mediums eingebunden, dem eine Wärmequelle zur Erwärmung des dritten Mediums zugeordnet ist.
Eine sinnvolle Funktionsunterteilung der Austauscher-Vorrichtung sieht in diesem Falle vor, dass die Kammer eine einerseits dem dritten Zulauf und andererseits dem Eingang der Pump-Hohlfaser oder den Eingängen der Pump-Hohlfasern benachbarte erste Teil-Kammer, eine dem zweiten Zulauf benachbarte zweite Teil- Kammer, eine dem ersten Zu- und Ablauf benachbarte und die Austauscher- Hohlfaser oder Austauscher-Hohlfasern aufnehmende dritte Teil-Kammer sowie eine einerseits dem Ausgang der Pump-Hohlfaser oder den Ausgängen der Pump- Hohlfasern und andererseits dem dritten Ablauf benachbarte vierte Teil-Kammer aufweist.
Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der erste Zulauf und Ablauf für das erste Medium mit je einem steuerbaren Ventil zum zeitlich gesteuerten Unterbrechen des Zu- oder Abstroms des zweiten Mediums versehen sind. Hierbei sind in besonders vorteilhafter Weise, die das Vorsehen eines Schließkörpers in der Zu- bzw. Ableitung vermeidet, die steuerbaren Ventile bevorzugt als
Schlauchklemmventile ausgebildet. Die Vorrichtung umfasst insbesondere eine Pumpen- und Ventilsteuereinheit, die zur synchronisierten Steuerung der Pumpe für das dritte Medium und der Ventile am ersten Zu- und Ablauf zum Bewirken eines Förderns des ersten Mediums durch die Kammer vom Zulauf zum Ablauf ausgebildet ist. Eine weitere Ausführung zeichnet sich aus durch einen Durchflusssensor am ersten Zulauf und/oder Ablauf, der insbesondere mit einem Sensorsignaleingang der Pumpen- und Ventilsteuerung und/oder der Wärmequelle im Kreislauf des dritten Mediums verbunden ist. Eine weitere Ausführung, die mit der vorgenannten vorteilhaft kombinierbar ist, umfasst einen Blasendetektor am ersten Ablauf, der insbesondere mit einem Sensorsignaleingang der Pumpen- und Ventilsteuereinheit verbunden ist. Mit einer derartigen Sensorik lässt sich die Präzision der Steuerung sowie die Patientensicherheit der vorgeschlagenen Vorrichtung weiter verbessern.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat die Austauscher-Vorrichtung ein zylindrisches oder prismatisches Gehäuse, wobei insbesondere der erste und zweite Zulauf in einer Umfangswandung und der dritte Zulauf in einer Stirnfläche angeordnet sind und die oder jede Austauscher-Hohlfaser im Wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse oder Längserstreckung des Prismas und das oder jedes Pumpelement im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse oder
Längserstreckung des Prismas ausgerichtet sind. In einer Ausgestaltung dieser Gehäusekonstruktion ist der erste Ablauf in der Umfangswandung des Gehäuses, insbesondere gegenüber dem ersten Zulauf, und der zweite Ablauf in der dem Anschluss für das dritte Medium gegenüberliegenden Stirnfläche oder nahe dieser, versetzt gegenüber dem ersten Zulauf und dem ersten Ablauf, in der
Umfangswandung angeordnet.
In einer bedeutsamen Ausführung bzw. Verwendung handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Austauscher-Vorrichtung um einen Blut-Oxygenator. Eine weitere bedeutsame Ausführung bzw. Verwendung ist eine solche als Dialysegerät. Grundsätzlich kann das Gerät in beiden Applikationen mindestens teilweise implantierbar ausgeführt sein.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und -aspekten anhand der Figuren. Von diesen zeigen: Fig . 1 eine Prinzipskizze einer Anordnung, in der eine erfindungsgemäße
Austauscher-Vorrichtung bei einer wichtigen medizinischen Anwendung eingesetzt wird,
Fig . 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig . 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform, mit Kennzeichnung verschiedener Funktionsbereiche.
Die in Fig. 1 gezeigte Oxygenator-Anordnung 1 zur Realisierung einer„künstlichen Lunge" an einem Patienten P umfasst als Kernstück eine Austauscher-Vorrichtung (Oxygenator) 3, der über (nicht gesondert bezeichnete) Schlauchleitungen sauerstoffarmes Blut Bi vom Patienten P zugeführt und aus der sauerstoffreiches Blut B2 abgeleitet und dem Patienten wieder zugeführt wird. Zur Zuführung des Bluts Bi hat die Austauscher-Vorrichtung 3 einen ersten Zulauf 5a, und zur
Ableitung des sauerstoff-angereicherten Blutes B2 hat sie einen ersten Ablauf 5b. Am ersten Zulauf 5a ist ein erstes steuerbares Ventil 7a angeordnet, und am ersten Ablauf 5b ist ein zweites steuerbares Ventil 7b angeordnet.
Über einen zweiten Zulauf 9a wird der Austauscher-Vorrichtung 3 Sauerstoff 02 zugeführt, und über einen zweiten Ablauf 9b wird aus ihr ein
Sauerstoff/Kohlendioxid-Gemisch 02/C02 abgeleitet. In der gezeigten Ausführung wird die Austauscher-Vorrichtung 3 mit physiologischer Kochsalzlösung S als Antriebsmedium betrieben, die ihr über einen dritten Zulauf I Ia zugeführt und aus der Vorrichtung über einen dritten Ablauf I Ib abgeleitet wird . Die Kochsalzlösung S wird durch eine geeignete Flüssigkeitspumpe 13 in einem Flüssigkeitskreislauf pulsierend durch die Austauscher-Vorrichtung 3 geführt, wozu auch am dritten Zulauf I Ia und dritten Ablauf I Ib jeweils ein steuerbares Ventil 15a bzw. 15b vorgesehen ist. Durch eine Heizeinrichtung 17 kann die Kochsalzlösung geeignet temperiert werden, um über eine zusätzliche Wärmetauscherfunktion der
Austauscher-Vorrichtung 3 Wärmeverluste des Bluts B2 während der
Sauerstoffanreicherung auszugleichen. Zur Steuerung des Betriebs der Förderpumpe 13, der Heizeinrichtung 17 und der steuerbaren Ventile 7a, 7b, 15a und 15b ist eine Pumpen- und Ventilsteuereinheit 19 mit integrierter Heizsteuerfunktion vorgesehen, die über übliche (nicht dargestellte) Eingabe- und Programmierungsmittel verfügt. Die Pumpen- und Ventilsteuereinheit 19 ist eingangsseitig im Übrigen mit einem Blutdurchflusssensor 21 am ersten Zulauf 5a und einem Blasendetektor 23 am ersten Ablauf 5b verbunden und zur Verarbeitung von Sensorsignalen dieser Sensoren 21, 23 zur geeigneten Steuerung der Pumpe 13 und der steuerbaren Ventile zur Einstellung einer angemessenen Förderleistung und zur Vermeidung von Blasen im sauerstoffangereicherten Blut B2 ausgebildet. In einer modifizierten (nicht dargestellten) Ausführung kann am Blutzu- und -ablauf jeweils auch eine Probenahme und/oder eine eingriffsfreie sensorische Erfassung der Blutsauerstoffsättigung vorgesehen sein, und auch die Signale entsprechender Sensoren bzw. Analyseergebnisse können in der Pumpen- und Ventilsteuereinheit zur Festlegung eines geeigneten Steuerregimes der Anordnung 1 ausgewertet werden.
Fig . 2 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung die Austauscher- Vorrichtung 3 in ihrem inneren Aufbau. In Fig. 1 gezeigte und weiter oben bereits beschriebene Teile sind mit den gleichen Ziffern wie in Fig. 1 bezeichnet und werden hier nicht nochmals erläutert. Die Ausführung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten insoweit, als am dritten Zu- und Ablauf I Ia, I Ib jeweils keine steuerbaren Ventile vorhanden bzw. gezeigt sind .
Funktionales Kernstück der Austauscher-Vorrichtung 3 ist ein Bündel gas- permeabler Hohlfasern 31, die in einem zylindrischen Gehäuse 33 der Austauscher- Vorrichtung im Wesentlichen in Richtung der Zylinderachse angeordnet sind und deren eine Enden benachbart zum zweiten Zulauf (zur Sauerstoffzufuhr) 9a und deren andere Enden benachbart zum zweiten Ablauf (zur Sauerstoff/Kohlendioxid- Ableitung) 9b liegen. In diese Hohlfasern 31 wird Sauerstoff eingeleitet, und dieser durchströmt sie bis zu ihrem gegenüberliegenden Ende. Im mittleren Bereich des Innenraumes (der„Kammer") 35 der Austauscher-Vorrichtung 3 werden die
Hohlfasern 31 von dem über den ersten Zulauf 5a zugeführten Blut umströmt, und es findet eine Sauerstoffanreicherung und zugleich Kohlendioxidabreicherung im Blut statt; die Hohlfasern 31 wirken also als Austauscher-Hohlfasern. Zum Fördern der in Gasaustausch zu bringenden Medien, also des Bluts Bi/B2 (weiter oben auch bezeichnet als erstes Medium) und des Sauerstoffs 02 (weiter oben auch bezeichnet als zweites Medium) wird in der Austauscher-Vorrichtung 3 eine pulsatile Pumpbewegung realisiert, und zwar durch pulsierende Zuführung der Kochsalzlösung S in eine Gruppe von im Wesentlichen längs der Zylinderachse angeordneten Pump-Hohlfasern (Silikonschläuchen) 37, welche elastisch
aufweitbar sind. Die Pump-Hohlfasern 37 sind insbesondere gewendelt ausgeführt, wobei beispielsweise Fasern mit einem Durchmesser von 2 mm und einer
Wanddicke von 0,15 mm eingesetzt und unter Einsatz von (vorübergehend eingeführten) AI-Kernen gewendelt werden können. Ihre stoßartige Aufweitung in Folge der pulsierenden Zuführung der Kochsalzlösung S als Antriebsmedium bewirkt in Verbindung mit einer entsprechend gesteuerten Betätigung der Ventile 7a, 7b am Blutzu- und -ablauf 5a, 5b die gewünschten Fördervorgänge. Die
Gruppen von Hohlfasern 31 bzw. 37 sind über geeignete Konnektoren 31a bzw. 37a mit den entsprechenden Zu- bzw. Abläufen 9a, 9b bzw. IIa, IIb verbunden.
Wird, abweichend von der dargestellten Ausführung, als Antriebsmedium der Austauscher-Vorrichtung, Druckluft eingesetzt, so kann auf eine Kreislaufführung verzichtet werden und der dritte Ablauf (IIb in Fig. 2) entfallen, wobei dann modifizierte, an ihrem dem Zulauf des dritten Mediums abgewandten Enden versiegelte Pump-Hohlfasern eingesetzt werden. Bei einer solchen Ausführung kann dann auch der zweite Ablauf (für die verbrauchten Austausch-Gase) auf der unteren Stirnfläche des Gehäuses der Austauscher-Vorrichtung platziert sein.
Eine solche modifizierte Austauscher-Vorrichtung 3' ist - wiederum in
schematischer Querschnittsdarstellung - in Fig. 3 gezeigt. Auch hier ist die
Bezeichnungsweise an Fig. 1 und 2 angelehnt, und bereits weiter oben
beschriebene Teile bzw. Bereiche werden nicht nochmals erläutert. Die erwähnte Versiegelung der vom dritten Zulauf IIa für die hier als Antriebsmedium dienende Luft A abgewandten Enden der Pump-Hohlfasern 37' ist hier durch Endpfropfen 37b realisiert. Die Versiegelung der Faserenden kann beispielsweise mittels eines handelsüblichen Zwei-Komponenten-Silikons unter Einsatz einer Zentrifuge erfolgen. Es ist zu erkennen, dass der dritte Ablauf entfallen und an seiner Stelle der zweite Ablauf 9b' platziert ist.
Als wesentliche Funktionsbereiche im Innenraum der Austauscher-Vorrichtung 3' lassen sich eine erste, zum dritten Zulauf I Ia benachbarte Teil-Kammer 35. , eine zweite, zum zweiten Zulauf 9a benachbarte Teil-Kammer 35.2' und schließlich eine dritte, dem ersten Zu- und Ablauf 5a, 5b benachbarte Teil-Kammer 35.3'
unterscheiden. In der ersten Teil-Kammer wird das Antriebsmedium (hier die Luft A) zugeführt und„zwischengespeichert", in der zweiten Teilkammer 35.2' erfolgt die Sauerstoffzuführung und -Verteilung, und in der dritten Teil-Kammer 35.3' erfolgt schließlich das Hindurchfördern des Blutes durch die Austauscher- Vorrichtung, verbunden mit dem funktionswesentlichen Gasaustausch und ggfs. (wie weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben) einem
Wärmeaustausch. In der dritten Teil-Kammer liegen auch die elastisch
aufweitbaren Pump-Hohlfasern oder zumindest wesentliche Abschnitte der selben.
Die beschriebene Vorrichtung arbeitet mit kontinuierlicher Sauerstoffzufuhr über den zweiten Zulauf 9a und über den dritten Zulauf I Ia zugeführte Luftdruck-Pulse, die in einer zweckmäßigen Ausführung zwischen 20 und 140 Pulse/min und einer Druckdifferenz von bis zu 600 mm Hg zugeführt werden können, wobei das
Verhältnis zwischen systolischer und diastolischer Phase zwischen 0,2 und 0,8 variiert werden kann; all dies sind lediglich zweckmäßige Beispielwerte. Die
Luftdruckpulse bewirken ein periodisches Ausdehnen und Zusammenziehen der Pump-Hohlfasern und in Kombination mit einem zeitlich geeignet gesteuerten Öffnen und Schließen des Blutzu- und -ablaufs 5a, 5b über die dort angeordneten Ventile 7a, 7b ein Hindurchfördern von Blut durch die dritte Teil-Kammer 35.3', verbunden mit der erwünschten Sauerstoffanreicherung über den in den
Austauscher-Hohlfasern 31, die vom Blut umspült werden, vorhandenen Sauerstoff.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern auch in einer Vielzahl von
Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Austauscher-Vorrichtung zum Bewirken eines Stoff- und/oder
Energieaustauschs zwischen einem ersten und zweiten Medium, mit einer einen ersten Zulauf und Ablauf des ersten Mediums aufweisenden und vom ersten Medium durchströmbaren Kammer, in der wenigstens eine Stoff- und/oder energie-permeable Austauscher-Hohlfaser, bevorzugt eine Vielzahl von stoff- und/oder energie-permeablen Austauscher-Hohlfasern, angeordnet ist, welche an einem Ende an einen zweiten Zulauf und am anderen Ende an einen zweiten Ablauf des zweiten Mediums angeschlossen und von dem zweiten Medium durchströmbar sowie von dem ersten Medium umströmbar ist/sind, wobei in der Kammer wenigstens ein Pumpelement angeordnet ist, mittels dessen das erste Medium pulsierend aus der Kammer verdrängbar und in die Kammer hinein saugbar ist und das ein elastisch verformbares Element aufweist und an einen dritten Zulauf eines als Antriebsmedium dienenden dritten Mediums angeschlossen und von dem dritten Medium aufweitbar ist.
2. Austauscher-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in der Kammer eine Mehrzahl von elastisch verformbaren Pump-Hohlfasern als Pumpelemente angeordnet und mit dem dritten Zulauf verbunden sind.
3. Austauscher-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem an den zweiten Zulauf angeschlossenen Sauerstoffspeicher als Quelle des zweiten Mediums und einer an den dritten Zulauf angeschlossenen, für Pulsations-Betrieb eingerichteten Luftpumpe als Quelle des dritten Mediums.
4. Austauscher-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kammer eine einerseits dem dritten Zulauf und andererseits dem Eingang der Pump-Hohlfaser oder den Eingängen der Pump-Hohlfasern benachbarte erste Teil-Kammer, eine dem zweiten Zulauf benachbarte zweite Teil-Kammer und eine dem ersten Zu- und Ablauf benachbarte und die Austauscher-Hohlfaser oder Austauscher-Hohlfasern aufnehmende dritte Teil-Kammer aufweist.
5. Austauscher-Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die vom dritten Zulauf abgewandten Enden der Pump-Hohlfasern verschlossen sind .
6. Austauscher-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem an den zweiten Zulauf angeschlossenen Sauerstoffspeicher als Quelle des zweiten Mediums und einer an den dritten Zulauf angeschlossenen, für Pulsations-Betrieb eingerichteten und mit einem Flüssigkeitsreservoir verbundenen
Flüssigkeitspumpe als Quelle des dritten Mediums.
7. Austauscher-Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Kammer einen dritten Ablauf aufweist, die Pump-Hohlfasern beidseits offen und sie in einen
Flüssigkeitskreislauf des dritten Mediums eingebunden sind, dem eine
Wärmequelle zur Erwärmung des dritten Mediums zugeordnet ist.
8. Austauscher-Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei im
Flüssigkeitsreservoir und optional Flüssigkeitskreislauf Kochsalzlösung enthalten ist.
9. Austauscher-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Kammer eine einerseits dem dritten Zulauf und andererseits dem Eingang der Pump- Hohlfaser oder den Eingängen der Pump-Hohlfasern benachbarte erste Teil- Kammer, eine dem zweiten Zulauf benachbarte zweite Teil-Kammer, eine dem ersten Zu- und Ablauf benachbarte und die Austauscher-Hohlfaser oder Austauscher-Hohlfasern aufnehmende dritte Teil-Kammer sowie eine einerseits dem Ausgang der Pump-Hohlfaser oder den Ausgängen der Pump-Hohlfasern und andererseits dem dritten Ablauf benachbarte vierte Teil-Kammer aufweist.
10. Austauscher-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Zulauf und Ablauf für das erste Medium mit je einem steuerbaren Ventil zum zeitlich gesteuerten Unterbrechen des Zu- oder Abstroms des zweiten Mediums versehen sind .
11. Austauscher-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die steuerbaren Ventile als Schlauchklemmventile ausgebildet sind.
12. Austauscher-Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, mit einer Pumpen- und Ventilsteuereinheit, die zur synchronisierten Steuerung der Pumpe für das dritte Medium und der Ventile am ersten Zu- und Ablauf zum Bewirken eines Förderns des ersten Mediums durch die Kammer vom Zulauf zum Ablauf ausgebildet ist.
13. Austauscher-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Durchflusssensor am ersten Zulauf und/oder Ablauf, der insbesondere mit einem Sensorsignaleingang der Pumpen- und Ventilsteuerung und/oder der Wärmequelle im Kreislauf des dritten Mediums verbunden ist.
14. Austauscher-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Blasendetektor am ersten Ablauf, der insbesondere mit einem
Sensorsignaleingang der Pumpen- und Ventilsteuereinheit verbunden ist.
15. Austauscher-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem zylindrischen oder prismatischen Gehäuse, wobei der erste und zweite Zulauf in einer Umfangswandung und der dritte Zulauf in einer Stirnfläche angeordnet sind und die oder jede Austauscher-Hohlfaser im Wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse oder Längserstreckung des Prismas und das oder jedes
Pumpelement im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse oder
Längserstreckung des Prismas ausgerichtet sind.
16. Austauscher-Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der erste Ablauf in der
Umfangswandung des Gehäuses, insbesondere gegenüber dem ersten Zulauf, und der zweite Ablauf in der dem Anschluss für das dritte Medium
gegenüberliegenden Stirnfläche oder nahe dieser, versetzt gegenüber dem ersten Zulauf und dem ersten Ablauf, in der Umfangswandung angeordnet ist.
17. Austauscher-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
ausgebildet als, insbesondere mindestens teilweise implantierbarer, Blut- Oxygenator.
18. Austauscher-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, ausgebildet als, insbesondere mindestens teilweise implantierbares, Dialysegerät.
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