DE2251644B2 - Gerät zum Behandeln von Blut - Google Patents

Gerät zum Behandeln von Blut

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Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Behandeln von Blut mit einem hohlzylindrischen Rotor, mit einer die Mantelfläche desselben umgebenden permeablen Membran, mit einem in den Innenraum des Rotors mündenden Einlaß für ein Blutbehandlungsfluid und mit einem Statorgehäuse, in dem der Rotor gelagert ist und in das ein Bluteinlaß und ein Blutauslaß münden.
Es sind bereits Vorrichtungen dieser Art bekannt zur Sauerstoffbeladung von Blut sowie zur Blutwäsche. Ein typischer Oxygenator umfaßt einen in einem Statorgehäuse drehbaren horizontalen Hohlzylinder, dessen Mantelfläche von einer semipermeablen Membran umgeben ist. Diese taucht außen in eine das Blut
so enthaltende Wanne ein, wobei das Blut sodann von der Zylinderoberfläche mitgenommen und dabei dem Sauerstoffgas ausgesetzt wird, welches aus dem Innenraum des rotierenden Zylinders durch die Membran diffundiert Zusätzlich sind rohrförmige Sprühvorrichtungen vorgesehen, um Blut auf die Außenwand der zylindrischen Membran zu sprühen, wodurch die Beladungsgeschwindigkeit erhöht wird (US-PS 30 26 871). Ein derartiges Gerät erfordert zusätzliche Pumpeinrichtungen und hat nur eine begrenzte Beladungskapazität. Außerdem neigt dieses Gerät zur Schaumbildung.
Bei einem anderen bekannten Gerät sind eine Reihe von aus Drahtgeflecht gefertigten konzentrischen Zylindern um eine exzentrisch in einem horizontalen Zylinder angeordnete Achse drehbar in einem horizontalen Behälter angeordnet, wobei die Zylinder in Drehung versetzt werden und der horizontale Behälter lediglich in seinem unteren Bereich das mit Sauerstoff zu
sättigende Blut enthält Dieses Gerät weist zwar eine höhere Beladungskapazität auf als das vorhergehende beschriebene, läßt sich jedoch nur äußerst umständlich reinigen und erfordert ebenfalls eine zusätzliche Pumpe (AT-PS 2 39 956).
Schließlich ist noch ein Oxygenator bekannt, bei dem um einen feststehenden, mit Längsnuten an der Oberfläche versehenen Zylinder eine geeignete Membran umläuft Auch hierbei ergibt sich keine Pumpenwirkung (Med. & biolog. Engng. VoL 9, pp. 237-245. Pergamon Press, 1971, Printed in Great Britain).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einfach aufgebaut ist und zugleich als Pumpe wirkt
Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß der Rotor exzentrisch zum Innenraum des Statorgehäuses gelagert ist daß die Exzentrizität und die Drehzahl des Rotors derart gewählt sind, daß in dem Bereich des mit Blut gefüllten Ringraumes zwischen Rotor und Statorgehäuse mit der kleinsten Spaltdicke einr. laminare Strömung herrscht, daß in dem die größte Dicke aufweisenden Bereich des Ringraumes eine mindestens teilweise turbulente Strömung herrscht daß der Bluteinlaß und der Blutauslaß in den Laminarströmungsbereich münden und daß der zylindrische Rotor an seiner Mantelfläche eine Anzahl Nuten aufweist, durch die das Behandlungsfluid geleitet wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.
F i g. 1 ist ein Axialschnitt durch das Gerät zum Behandeln von Blut;
F i g. 2 ist eine Schnittansicht des in in F i g. 1 eingekreisten Bereichs 2, und
F i g. 3 ist ein Schnitt längs der Linie 3-3 von F i g. 1.
Das in den Figuren dargestellte Gerät 10 umfaßt eine rohrförmige WtUe 11, welche sich zentral über praktisch die ganze Länge des Geräts 10 erstreckt Die Welle 11 ist mit einer konzentrischen Bohrung 12 versehen und an dem einen Wellenende 16 mit einer Keilriemenscheibe 13 über einen Splint 13a verkeilt. Um dieses Wellenende ist eine erste Dichtung 14 gelegt und um das andere Wellenende 17 eine zweite Dichtung 15. Auf diesen Dichtungen sitzen rohrförmige Haltenippel 18 bzw. 19, die auch dazu dienen, ein Blutbehandlungsfluid in das Gerät 10 zu leiten. Die Flußrichtung des Blutbehandlungsfiaids ist durch den Pfeil 20 gekennzeichnet In der Nähe der Wellenenden 16 und 17 befindet sich jeweils ein Wellenlager 21 bzw. 22, die in genauen Stellungen auf der Welle 11 befestigt sind und in üblicher Weise von dieser abnehmbar verriegelt sind. Das Gerät umfaßt ferner ein festes, rohrförmiges Gehäuseteil 23 mit einem genau eingehaltenen Innendurchmesser 35, welches das Statorgehäuse bildet. Das Gehäuseteil 23 weist genau geschnittene Gewindebohrungen 28 und 29 auf, in die Präzisionsschrauben 24 und 25 eingeschraubt sind, die zum Befestigen der Wellenlager 21 und 22 dienen. Ein zweiter Satz Schrauben, der in der Figur nicht sichtbar ist, dient zum Befestigen der auf der gegenüberliegenden Stirnseite befindlichen Wellenlager.
Zwischen den Wellenlagern 21 und 22 und dem Gehäuseteil 23 befindet sich jeweils ein Exzentrizitätsausgleichteil 30 bzw. 31, die von den Präzissionsschrauben 34 und 35 mitgehalten werden und eine genaue exzentrische Abweichung 32 der Welle 11 parallel zur Symmetrieachse 33 des Innenraumes des Gehäuseteils 23 einzustellen ermöglichen. Als Exzentrizitätsausgleichsteile können Metallscheiben verwendet sein oder andere bekannte Einrichtungen. Die Achse der Welle 11 befindet sich oberhalb der Achse des Statorgehäuses, kann In gleicher Weise jedoch auch irgendeine andere Höhenstellung haben. Anstelle der Metallscheiben können auch beispielsweise Befestigungszapfen, genau bearbeitete Vorsprünge oder Nuten usw. verwendet
ίο werden.
Auf der Welle sitzt eine feste, zylindrische Rotorhülse 34, die einen Außendurchmesser 108 aufweist der um eben genau festgelegten Betrag kleiner ist als der Innendurchmesser 35 des Gehäuseteils 23. In der Rotorhülse 34 sind in der äußeren Mantelfläche 37 eine Anzahl flacher Nuten 36 eingearbeitet die sich vom Eingangsstirnbereich 38 zum Ausgangsstirnbereich 39 der Rotorhülse erstrecken. Die Nuten 36 verlaufen parallel zur Längsachse der Welle 11 und sind durch Vorsprünge 105 voneinander getrennt
Die äußere Mantelfläche 37 der Rotorhülse 34 ist durch eine dünne, für das Blutbehandlungsfluid permeable Membran 40 vollständig umgeben. Diese Membran bildet eine Abdeckung für die Nuten 36 und ist gemäß F i g. 2 über die Stirnenden der Rotorhülse 34 gespannt und mittels Preßringen 41 bzw. 42 festgeklemmt Die aus der Rotorhülse 34, der Membran 40 und den Preßringen 41 und 42 bestehende Baugruppe bildet eine fabrikatorische Einheit die sich in dem Gerät leicht ersetzen läßt
Jeder Preßring 40,41 spannt die Membran 40 an dem betreffenden Stirnbereich 38, 39 des Rotors fest. Anstelle der dargestellten Preßringe können natürlich auch andere Befestigungseinrichtungen für die Membran verwendet werden.
An den Stirnbereichen 38 und 39 sitzt abnehmbar jeweils eine Stirnscheibe 44 bzw. 45, die in den Innenraum der Rotorhülse genau eingepaßt sind und sich innen durch die Preßringe 41 bzw. 42 erstrecken. Die Stirnscheiben sind mittels Sicherungsschrauben 46 und 47 bzw. 48 und 49 festgeschraubt in Strömungsleitscheiben 62 bzw. 63, die weiter unten noch erläutert sind. Zum Abdichten der Stirnscheiben 44 und 45 gegen den Austritt von Blut während des Betriebes sind ein Paar Fluiddichtungen 50 bzw. 51 vorgesehen, die innen an dem Gehäuseteil 23 anliegen und mittels Spanneinrichtungen 52 bzw. 53 gegen die Stirnscheiben gedrückt sind. Die Spanneinrichtungen 52 und 53 umfassen einen Stützring 54 bzw. 55, der durch einen herausnehmbaren Sprengring 56 bzw. 57 in der richtigen Lage gehalten ist
so und Federführungszapfen 58 bzw. 59 trägt, auf denen jeweils eine Druckfeder 60 bzw. 61 sitzt
Die feststehenden Stirnscheiben 44 und 45 sowie die Strömungsleitscheiben 62 und 63 sind dauernd koaxial zur Achse der Welle 11 und ergeben ein Paar genau festgelegter Bezugsorte. Die feststehende Strömungsleitscheibe 62 liegt in dem Eingangsstirnbereich 38, und die feststehende Strömungsleitscheibe 63 in dem Ausgangsstirnbereich 39. Beide Strömungsleitscheiben sind mit der Welle 11 durch Schweißstellen 64 bzw. 65 verbunden. Die Strömungsleitsclieibe 62 weist wenigstens einen Radialkanal 66 auf, der als Strömungsmitteleinlaß für das Blutbehandlungsfluid von der hohlen Welle 11 durch mindestens eine Bohrung 67 in derselben bis in eine Verteilernut 68 in der Rotorhülse 34 dient.
Die Gesamtheit der Nuten 36 bildet einen Strömungsweg 74, von dem aus das Blutbehandlungsfluid in eine Verteilernut 71 und sodann über mindestens einen Radialkanal 69 in der Strömungsleitscheibe 63 und
durch eine Bohrung 70 in der Welle 11 in die konzentrische Bohrung 12 derselben fließt. Der die Membran 40 umgebende Ringraum 74 kann eine gegensinnige Strömung führen.
Gemäß den F i g. 1 und 3 ist das Gehäuseteil 23 von einem Wärmeaustauschmantel 82 umgeben, der von mehreren Durchlaßkanälen 83 durchquert wird, die radial innen in dem Ringraum 74 enden und radial außen in dem durch Verteilennantel 81 begrenzten Raum. An den Verteilermantel 81 ist ein Bluteinlaßstutzen 80 ι α angesetzt. Durch den Verteilermantel 81 wird das in den Bluteinlaßstutzen 80 einströmende Blut auf die einzelnen Durchlaßkanäle 83 und von diesen in eine Einlaßnut 108 verteilt, von wo das Blut in den Ringraum 74 gelangt wie in Fig.3 dargestellt ist. Wenn der Rotorblock 43 sich in Richtung des Pfeiles 77 dreht, wird über den Laminarströmungssektor 75 zwischen den Stutzen 80 und 86 über die Länge des Rotorblocks 43 eine Laminarströmung 76 erzeugt, da der Ringraum 74 aufgrund der Exzentrizität der Welle 11 in dem Laminarströmungssektor 75 verhältnismäßig eng ist. Die Strömungsschicht hat an dieser Stelle eine Dicke t, die durch den Außendurchmesser des Rotorblocks 43, den Innendurchmesser 35 des Gehäuseteils 23 und durch die Exzentrizität gegeben ist. Die Reynoldzahl für die Strömung in diesem Raum läßt sich noch genauer ersetzen durch die Reynold-Couettezahl für ein Koaxialzylinderviskosimeter, welche ist:
30
worin ρ die Blutdichte, ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotorblocks, t die Spaltdicke des Laminarströmungssektors 75 und μ die wirksame dynamische Viskosität des Blutes ist. Bei niedrigen Werten von Rc ist die Strömung zwischen dem Rotorblock 43 und dem Gehäuseteil 23 laminar. Bei hohen Werten von Rc treten örtliche Wirbelströmungen in einem Teil des Ringraumes auf. Dadurch ergibt sich in dem Winkelbereich 78 eine innige Verwirbelung des Blutes. Die Dicke 79 des Ringraumes in dem Winkelbereich 78 beträgt etwa 1,27 mm und die Dicke des Laminarströmungssektors etwa 0,25 mm.
Der Laminarströmungssektor 75 setzt sich noch weiter fort in den Laminarströmungsbereich 113, an den Übergangsbereiche 111 und 112 angrenzen, in welchen der Strömungszustand nicht genau definiert ist In Fig.3 ist der Druckverlauf 110 im Bereich des Blutauslaßstutzens 86 als Kurve dargestellt Man erkennt daraus die Lage, die der Blutauslaßstutzen 86 haben muß, damit ein möglichst hoher Druck an demselben auftritt Mit diesem Auslaßstutzen ist ein Verteilerkanal 87 verbunden, der achsparallel entlang der äußeren Oberfläche des Wärmeaustauschmantels 82 verläuft und im Aufbau dem Verteilermantel 81 entspricht Es sind ferner Durchlaßkanäle 88 vorgesehen, die sich durch den Wärmeaustauschmantel 82 von dem Verteilerkanal 87 in eine Auslaßnut 109 erstrecken. An den Wärmeaustauschmantel 82 ist ein Einlaßstutzen 89 und ein Auslaßstutzen 90 angesetzt, welche eine Zirkulation eines Wärmeübertragungsmittels in dem Wärmeaustauschmantel ermöglichen.
In der Strömungsleitscheibe 62 sind Ringnuten 91 und 92 zur Aufnahme von Dichtungsringen 93 bzw. 94 vorgesehen, die eine Leckströmung des Blutbehandlungsfluids verhindern. In einer Haltenut 96 sitzt ein Sprengring 95, der eine genaue Lage des Rotorblocks sicherstellt. Am gegenüberliegenden Ende des Geräts 10 befinden sich in der Strömungsleitscheibe 63 Ringnuten 97 und 98, in denen Dichtungsringe 99 bzw. 100 liegen, die auch zum Verhindern einer Leckströmung dienen. In einer Haltenut 102 sitzt ein Sprengring 101, der die zweite axiale Fixierung für den Rotorblock bildet. Es sind ferner noch Dichtungsringe 103 und 104 in den Fluiddichtungen 50 bzw. 51 vorgesehen.
Das Gehäuseteil 23 geht in einen Statorgehäuseansatz 106 über, der genügend lang ausgebildet sein kann, um eine leichte Montage und Demontage des Geräts zu ermöglichen. Die innere Oberfläche des Gehäuseteils 23 mit dem Innendurchmesser 35 kann mit einem mit Blut verträglichen Überzug versehen sein, etwa mit Polyurethan. An dem Gerät ist ein Geräteständer 107 befestigt.
Das dargestellte Gerät läßt sich zur Sauerstoffbeladung von Blut oder alternativ auch zur Blutdialyse verwenden.
Bei Verwendung des Geräts 10 zur Sauerstoffbeladung von Blut wird für die dünne Membran 40 eine für Sauerstoff und Kohlendioxid permeable Membran verwendet
Bei Verwendung des Geräts als Blutdialysevorrichtung wird eine dünne Membran 40 verwendet welche für wässrige Dialyselösungen und für die Abfallprodukte aus dem Blut durchlässig ist.
Für beide Anwendungsarten hat die Membran gewöhnlich eine Stärke von 0,05 bis 0,08 mm.
Die Rotorhülse 34, die gewünschte Membran 40 und die Preßringe 41 und 42 werden bereits in der Fabrik als Rotorblock zusammengebaut Dieser Rotorblock 43 läßt sich dann leicht in ein Statorgehäuse einsetzen und erforderlichenfalls durch einen anderen Rotorblock ersetzen.
Bei Verwendung der Pumpe als Blutdialysevorrichtung wird eine Membran 40 aus Zelluloseacetat verwendet. Das aus der Hand, dem Arm oder Bein eines Patienten entnommene arterielle Blut gelangt in den Bluteinlaßstutzen 80 in der vorstehend beschriebenen Weise durch die Saugwirkung an dieser Stelle des Geräts und tritt aus dem Blutauslaßstutzen 86 aus und wird wieder in den Körper des Patienten geleitet Das Blut das sich in dem Gerät in Berührung mit der Membran 40 befindet wird einer Diffusionswäsche mittels eines als Dialyseflüssigkeit dienenden Blutbehandlungsfluids unterzogen, welches durch den Ringraum 74 fließt Es lassen sich an sich bekannte Blutdialyseflüssigkeiten als Behandlungsfluid verwenden zum Abtransport der Schadstoffe in dem Blut des Patienten. Das Dialyseverfahren läßt sich eine erforderliche Zeit lang durchführea Das Gerät wird dabei aui einer Temperatur von 37° C gehalten, was durch eint Wärmeregulierungsflüssigkeit erreicht wird, die durcr den Wärmeaustauschmantel 82 geschickt wird. Sie laß sich zum Speichern zwischen aufeinanderfolgender Dialysevorgängen kühlen, so daß das Gerät nicht nacl jedem Gebrauch wieder gesäubert werden muß.
Bei Verwendung des Geräts zur Sauerstoffbeladunj von Blut wird eine übliche semipermeable Silikongum mimembran verwendet welche für Sauerstoff unc Kohlendioxid durchlässig ist Es können auch ander« Materialien für die Membran verwendet werden, etwi ein Dimethylsilikonpolykarbonatblock-Mischpolymer Als Blutbehandlungsfluid wird üblicherweise Sauerstoff gas verwendet mit einem Anteil Kohlendioxid. De: Blutkreislauf durch das Gerät erfolgt in gleicher Weist wie bei der Blutdialyse. Da die Membran für Sauerstof und Kohlendioxidgas frei durchlässig ist tritt Sauerstof
durch die Membran in das Blut ein, und Kohlendioxid wird von diesem in den Ringraum 74 abgegeben.
Mit einem Rotorblock 43 von etwa 10 cm Durchmesser und einer Länge von 20 cm ergibt sich eine genügende Membranfläche, um bei einem Erwachsenen bei einer Drehzahl des Rotors von 100 U/min eine kontinuierliche Blutwäsche durchzuführen.
Eine derart große Maschine läßt sich bei Verwendung zur Sauerstoffbeladung von Blut vorbereitend für Transplationen verwenden, etwa eines Herzens oder einer Niere. Erforderlichenfalls kann das Blut mit Wasser oder Freon auf gewöhnlich 28° C abgekühlt
werden. Natürlich läßt sich auch wärmeres Wasser verwenden, um erforderlichenfalls das Blut wieder anzuwärmen. Das Gerät speichert geringe Mengen des Blutes eines Patienten, was von Vorteil ist, da dadurch
-) der Blutverlust in kritischen Situationen gering gehalten wird. Man kann auch die permeable Membran 40 am Ende einer Behandlung etwas ausdrücken, um den Blutverlust weiter zu verringern.
Das Gerät nach der Erfindung läßt sich durch
in Austauschen der Rotorhülse 43 schnell für verschiedene Anwendungsgebiete herrichten und wirkt zugleich als Pumpe.
Hierzu 2 Blatl Zeichiniiiücn

Claims (16)

Patentansprüche:
1. Gerät zum Behandeln von Blut, mit einem hohlzylindrischen Rotor, mit einer die Mantelfläche desselben umgebenden permeablen Membran, mit einem in den Innenraum des Rotors mündenden Einlaß für ein Blutbehandlungsfluid und mit einem Statorgehäuse, in dem der Rotor gelagert ist und in das «in Bluteinlaß und ein Blutauslaß münden, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (43) exzentrisch zum Innenraum des Statorgehäuses (23, 35) gelagert ist, daß die Exzentrizität und die Drehzahl des Rotors derart gewählt sind, daß in dem Bereich des mit Blut gefüllten Ringraumes zwischen Rotor und Statorgehäuse mit der kleinsten Spaltdikke eine laminare Strömung herrscht, daß in dem die größte Dicke aufweisenden Bereich des Ringraumes eine mindestens teilweise turbulente Strömung herrscht, daß der Bluteinlaß (80,81,83,118) und der Blutauslaß (86, 87, 88, 109) in den Laminarströmungsbereich münden und daß der zylindrische Rotor (43) an seiner Mantelfläche eine Anzahl Nuten (36) aufweist, durch die das Behandlungsfluid geleitet wird.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten als Längsnuten ausgebildet sind.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine Rotorhülse (34) umfaßt, in deren Mantelfläche die Nuten (36) eingearbeitet sind, und daß im Bereich der Enden der Nuten Strömungsleitscheiben (62, 63) mit der Rotorhülse (34) dichtsitzend verbunden sind und auf einer Welle (11) befestigt sind und daß die Strömungsleitscheiben mindestens einen mit einer nach außen führenden Bohrung (12) in der Welle (11) in Verbindung stehenden Radialkanal (66, 69) aufweisen und daß die Bohrungen den Einlaß bzw. Auslaß für das Blutbehandlungsfluid bilden.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitscheiben (62,63) an ihrem äußeren Umfang Dichtungsringe (93, 94; 97, 98) tragen, die innen an der Rotorhülse (34) anliegen.
5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Strömungsleitscheibe (62,63) außen eine Stirnscheibe (44 bzw. 45) befestigt ist, die an der Stirnkante der Rotorhülse (34) fest anliegt.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (40) über die Stirnbereiche (38, 39) der Stirnscheiben (44,45) gespannt und durch in die Innenwand der Rotorhülse (34) eingepaßte Preßringe (41 bzw. 42) festgespannt ist
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz für die Preßringe (41, 42) aus der Wand der Rotorhülse (34) ausgeschnitten ist und daß die innere Mantelfläche der Preßringe (41, 42) bündig mit der inneren Mantelfläche der Rotorhülse (34) ist
8. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (U) als Hohlwelle ausgebildet ist, die an mindestens einer Stelle mit einer Sperrwand (72,73) versehen ist.
9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Fluiddichtungen (50, 51), die in einer Durchmesserebene des Rotors mit Druck an den angrenzenden Stirnbereichen des Rotors anliegen und mit ihrer Mantelfläche gegen das Statorge
häuse abdichten.
10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche der Fluiddichtung (50,51) einen Dichtungsring (103,104) trägt
11. Gerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluiddichtungen (50, 51) über Federn (60,61) jeweils an einem gehäusefesten und herausnehmbaren Stützring (54 bzw. 55) unter Spannung gehalten sind.
12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützringe (54, 55) durch Sprengringe (56,57) in ihrer Lage gehalten sind.
13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß das Statorgehäuse von einem Wärmeaustauschmantel (82) umgeben ist der mit einem Einlaß und einem Auslaß für ein Wärmetransportmittel versehen ist
14. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß die Innenfläche des Statorgehäuses (23) mit zwei achsparallelen Verteilernuten (118,109) versehen ist und daß die eine Verteilernut (118) mit einem Bluteinlaßstutzen (80) und die andere Verteilernut (109) mit einem Blutauslaßstutzen (86) verbunden ist
15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß die Verteilernuten (118, 109) über mehrere Rohrstutzen (83 bzw. 88) mit einem Verteilerkanal (81 bzw. 87) verbunden sind.
16. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch Verstelleinrichtungen (24, 26, 28,30) für die Exzentrizität des Rotors.
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