DE3720665A1 - Vorrichtung zur haemodialyse und haemofiltration - Google Patents
Vorrichtung zur haemodialyse und haemofiltrationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Hämodialyse und
Hämofiltration, die dazu dient, das Blut eines Patienten in einem
künstlich geschaffenen extrakorporalen Blutkreislauf durch Dia
lyse und/oder Filtration, ggf. kombiniert mit einer Zufuhr von
Infusionslösungen in den Blutkreislauf, so zu behandeln, daß
eine möglichst weitgehende Normalisierung der Zusammensetzung
des Blutplasmas erreicht wird. Vorrichtungen dieser Art sind
geeignet, die Funktion der Niere zu ersetzen und sind auch unter
der Bezeichnung "künstliche Niere" bekannt.
Für den medizinischen Erfolg und für die Verträglichkeit einer
solchen Behandlung ist es bekanntlich von großer Wichtigkeit,
den Netto-Entzug von Flüssigkeit aus dem Blut genau zu erfassen
und durch entsprechende Einstellung der Betriebsparameter von
Hand oder automatisch zu regeln. Für diesen Zweck sind verschie
dene Systeme bekannt.
Ausgehend von der Überlegung, daß der Entzug eines bestimmten
Flüssigkeitsvolumens pro Zeiteinheit zwangsläufig mit einer
entsprechenden Verminderung des zum Patienten pro Zeiteinheit
zurückgeführten Blutvolumens verknüpft ist, wird in der Offen
legungsschrift DE 33 13 421 A1 z. B. vorgeschlagen, bei einer
Dialysevorrichtung den extrakorporalen Blutkreislauf mit einem
Differenzdurchflußmesser auszustatten und die so gewonnene
Information in an sich bekannter Weise zur Steuerung des Flüs
sigkeitsentzuges zu benutzen.
Das hauptsächliche Problem bei der Realisierung einer Messung
des Flüssigkeitsentzuges pro Zeiteinheit besteht jedoch darin,
für die Messung des Blutflusses geeignete Durchflußmesser zur
Verfügung zu haben.
In DE 33 13 421 A1 wurde hierzu vorgeschlagen, vorzugsweise
elektromagnetische Durchflußmesser - vermutlich sind induktive
Durchflußmesser gemeint - zu benutzen, die speziell ausgesuchte
Schläuche mit jeweils zwei eingesetzten Elektroden aufweisen
sollen, an die ein elektromagnetisches Feld angelegt werden
soll, um an ihnen eine der Differenz der Durchflußgeschwindig
keiten proportionale Spannung zu entnehmen. Abgesehen von dieser
fehlerhaften Auffassung des Funktionsprinzips bleibt die Frage
ungelöst, wie die technischen Schwierigkeiten, die der Erzielung
einer für den vorgesehen Zweck ausreichenden Genauigkeit und
Betriebssicherheit entgegenstehen, gelöst werden könnten.
Zur Blutflußmessung nach dem Induktionsprinzip ist es notwendig,
den Strömungskanal in ein quer zur Strömung gerichtetes, mög
lichst homogenes Magnetfeld zu bringen, so daß quer zur
Strömungsrichtung und quer zur Richtung des Magnetfeldes mittels
gegenüberliegend am Strömungskanal angeordneter Elektroden eine
der magnetischen Flußdichte B, dem Elektrodenabstand d und der
mittleren Strömungsgeschwindigkeit v proportionale induzierte
Spannung U abgegriffen werden kann: U = B · d · v. Bei einem kreis
förmigen Strömungsquerschnitt, wie er bei den Blutschläuchen
vorliegt, sind außerdem die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v,
der Blutfluß Q (Volumen pro Zeiteinheit) und der Schlauch-
Innendurchmesser di durch die Beziehung v = 4 · Q/di miteinander
verknüpft. Aus beiden Beziehungen resultiert U = 4 · B · Q · d/di ,
d. h. zur Erlangung einer ausreichenden Genauigkeit genügt es
nicht, die beiden Schlauchdurchmesser di anzugleichen, sondern
es müssen auch die Werte der magnetischen Flußdichte B und des
Elektrodenabstandes d im Rahmen der geforderten Genauigkeit in
Übereinstimmung gebracht werden.
Eine weitere Schwierigkeit beim Einsatz induktiver Durchflußmes
ser für den genannten Zweck ergibt sich daraus, daß die Diffe
renz der induzierten Spannungen außerordentlich gering ist, so
daß bei deren Verarbeitung durch die unvermeidlichen, um mehrere
Größenordnungen höheren Störspannungen zusätzliche Fehler
auftreten. Die Größenordnung der induzierten Spannungen ergibt
sich aus folgender Abschätzung: Der Luftspalt des Magnetsystems
muß mindestens dem Schlauch-Außendurchmesser entsprechen. Dieser
beträgt typischerweise etwa 6 mm. Zur Erlangung eines annähernd
homogenen Magnetfeldes im Bereich der Meßstelle muß die Quer
schnittsfläche des Luftspaltes um ein mehrfaches größer sein als
das Quadrat des Schlauchdurchmessers, beispielsweise 10 mm × 10 mm =
100 mm. Nach üblichen Dimensionierungsregeln für Elektromagnete
kann in einem solchen Luftspalt mit einem Elektromagneten von
noch akzeptabler Größe und Leistungsaufnahme (Gewicht einige
100 g, Leistung einige Watt) eine magnetische Flußdichte in der
Größenordnung von 0,5 mT erzeugt werden. Für den Blutfluß gilt
ein typischer Wert von Q = 200 ml/min. Unter Berücksichtigung
eines Schlauchinnendurchmessers und eines Elektrodenabstandes von
di = d = 4 mm ergibt sich dann an einem der Durchflußmesser eine
induzierte Spannung von nur etwa 50 Mikrovolt. Die Spannungsdif
ferenz zwischen beiden Durchflußmessern ist noch mindestens um
den Faktor 10 geringer, d. h. 5 Mikrovolt. Eine so geringe Meß
spannung unter den bei einem Dialysegerät vorliegenden Bedin
gungen, d. h. an einem offenen, wegen der notwendigen Auswechsel
barkeit aller mit dem Blut in Berührung kommenden Teile nur
begrenzt abschirmbaren System mit ausreichender Genauigkeit zu
verarbeiten, stellt ein schwieriges technisches Problem dar, das
wahrscheinlich nur mit einem unvertretbar hohen Aufwand und mit
erheblichen Einschränkungen für die Handhabung gelöst werden
kann.
Ein induktiver Durchflußmesser hat unabhängig davon bei der
Messung an strömendem Blut den Nachteil, daß das Blut über
Elektroden mit elektrischen Stromkreisen in Verbindung gebracht
werden muß, und daß zur Schaffung dieser Verbindungen zwischen
dem nur zum einmaligen Gebrauch bestimmten, auswechselbaren
Blutschlauchsystem und den Meßstromkreisen entsprechende
elektrische Anschlußvorrichtungen vorgesehen werden müssen,
deren Funktion durch den Betrieb in einer durch die Anwendung
von Desinfektionsmitteln, Infusionslösungen u. dgl. stets
feuchten Umgebung sehr gefährdet wäre.
Zur Messung des Blutflusses ist ferner das Ultraschall-Doppler-
Verfahren bekannt. Dieses Verfahren hat prinzipiell den Vorteil,
daß es sich um eine wirklich nicht-invasive Messung handelt, und
daß insbesondere keine elektrischen Verbindungen zum Meßmedium
hergestellt werden müssen. In dem Buch "Replacement of Renal
Function by Dialysis" (Hrsg. W. Drukker et al., Verlag Martinus
Nÿhoff, den Haag, 1978) wird auf S. 267 dieses Verfahren zur
Überwachung des Blutflusses bei der Hämodialyse in Betracht
gezogen, jedoch insgesamt als zwar theoretisch vorteilhaft aber
nach dem Stand der technischen Entwicklung wenig brauchbar
bewertet. Eine ausführlichere Bewertung eines handelsüblichen
Gerätes zur Messung des Blutflusses nach dem Ultraschall-
Doppler-Verfahren findet sich in dem Buch "Technical Aspects of
Renal Dialysis" (Hrsg. T. H. Frost, Verlag Pittmann Medical,
Tunbridge Wells, 1978). Darin wird die Genauigkeit des Meßge
rätes unter verschiedenen Einflüssen untersucht und als etwa
vergleichbar mit der Luftblasen-Laufzeit-Methode eingestuft.
Diese ist jedoch bekanntermaßen relativ ungenau, so daß auch
aufgrund dieser Bewertung eigentlich nicht erwartet werden
könnte, daß mit Hilfe von zwei nach diesem Prinzip arbeitenden
Durchflußmessern eine genügend genaue Ermittlung des Flüssig
keitsentzuges bei Hämodialyse- und Hämofiltrationsvorrichtungen
möglich wäre.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Hämodialyse- und
Hämofiltrationsvorrichtung mit einer funktionsfähigen
und unter realen Betriebsbedingungen brauchbaren Einrichtung zur
Messung des Flüssigkeitsentzuges durch Differenzbildung der
Ausgangssignale zweier Durchflußmesser zu schaffen, von denen
einer in die vom Patienten zur Dialysator- oder Filteranordnung
führenden Blutleitung und der zweite in die von der Dialysator-
oder Filteranordnung zum Patienten führenden Blutleitung
eingefügt ist.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem an sich bekannten Prinzip
der Blutflußmessung nach dem Ultraschall-Doppler-Verfahren,
dadurch gelöst, daß jeder der beiden hierzu vorgesehenen
Durchflußmesser einen in das Blutschlauchsystem eingefügten
formstabilen Meßeinsatz mit definiertem Strömungsquerschnitt und
seitlichen Ansätzen zur definierten Ein- und Auskopplung und
Führung der Ultraschallwellen aufweist.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sowie weitere
Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Von den zugehörigen Abbildungen zeigt
Fig. 1 ein Schema der Flüssigkeitskreisläufe einer
Hämodialyse- und Hämofiltrationsvorrichtung ent
sprechend der Erfindung,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel in schematischer
Darstellung,
Fig. 3 einen Sensor für die Durchflußmessung,
Fig. 4 eine Draufsicht des Meßeinsatzes für den Sensor,
Fig. 5 eine Seitenansicht des Meßeinsatzes für den Sensor,
Fig. 6 einen Sensor für die Durchflußmessung nach dem Ultra
schall-Doppler-Verfahren bekannter Bauart in schema
tischer Darstellung zum Vergleich,
Fig. 7 ein Blockschema einer Schaltungsanordnung für die
Signalverarbeitung.
In Fig. 1 ist das Schema der Flüssigkeitskreisläufe einer
Hämodialyse- und Hämofiltrationsvorrichtung entsprechend einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das
dem Patienten z. B. über einen Katheter entnommene Blut gelangt
durch die Leitung 10 zum Einlaß der Blutpumpe 12 und wird von
dieser durch die Leitung 14 a, 14 b der Dialysator- oder Filter
anordnung 24 zugeführt. Diese umfaßt einen vom Blut durchström
ten Raum 26 und einem durch eine semipermeable Membran 30 davon
getrennten Raum 28 zur Durchströmung mit der Dialysierflüssig
keit und/oder Abführung von Filtrat, wobei das Filtrat (auch
Ultrafiltrat genannt) unter dem Einfluß einer Druckdifferenz
zwischen den Räumen 26 und 28, des sogenannten Transmembran
druckes, durch die semipermeable Membran 30 aus dem Raum 26 in
den Raum 28 übergeht.
Die Einrichtungen zum Betrieb der Dialysator- oder Filter
anordnung 24, z. B. zur Durchströmung mit Dialysierflüssigkeit
und/oder Abführung von Filtrat, sind in der Betriebseinheit 31
zusammengefaßt. Diese ist in verschiedenen Ausführungen bekannt,
die sämtlich für den vorliegen Zweck geeignet sind. Sie kann
z. B. aus einem Behälter mit Dialysierflüssigkeit und einer
Umwälzpumpe bestehen, oder sie kann eine Einrichtung bekannter
Art zur kontinuierlichen Erzeugung von Dialysierflüssigkeit
aufweisen. Bei reinem Filtrationsbetrieb besteht sie
normalerweise aus einer Saugvorrichtung und einem Sammelgefäß
für das abgesaugte Filtrat. Im einfachsten Falle ist der Raum 28
nur mit einem Sammelgefäß verbunden, wobei das Filtrat lediglich
unter dem Einfluß des im Raum 26 herrschenden Blutdruckes durch
die Membran 30 in den Raum 28 übertritt und in dem Sammelgefäß
aufgefangen wird.
Von der Dialysator- oder Filteranordnung 24 gelangt das Blut
durch die Leitung 32 a zu der Kammer 34, die in bekannter Weise
u. a. der Abscheidung eventuell mitgeführter Luftblasen dient.
Vom unteren Teil der Kammer 34 fließt das Blut durch die Leitung
32 b zurück zum Patienten. In die Leitung 32 b ist stromabwärts von
der Kammer 34 der abflußseitige Durchflußsensor 42 eingefügt,
dessen Gestaltung entsprechend der Erfindung weiter unten
beschrieben wird. Es steht über die elektrische Leitung 44 mit
der Auswertungseinheit 48 in Verbindung.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist
auch in die zur Dialysator- oder Filteranordnung führende Leitung
14 a, 14 b eine Kammer 16 und stromabwärts von dieser der zufluß
seitige Durchflußsensor 22 eingefügt. Das Einfügen der Kammer 16
hat u. a. den Vorteil, daß Luft, die bei Auftreten einer Undich
tigkeit im Bereich der Leitung 10 und des zugehörigen Patienten
anschlusses in den Blutkreislauf eingesaugt werden kann,
abgeschieden wird und somit nicht zu der Dialysator- oder
Filteranordnung gelangt, wo sie sich, insbesondere bei den heute
zumeist verwendeten Kapillardialysatoren oder -filtern, festset
zen und einen Teil der Kapillaren verstopfen oder zumindest den
Strömungsverlauf stören könnte. Dies hätte eine Verminderung der
Effektivität zur Folge und könnte darüber hinaus eine partielle
Gerinnung des Blutes in der Dialysator- oder Filteranordnung
fördern, so daß eine vollständige Rückspülung des Blutes am Ende
der Behandlung nicht möglich wäre. Von besonderer Bedeutung ist
das Einfügen der Kammer 16 in die Leitung 14 a, 14 b und die Anord
nung des Durchflußsensors 22 stromabwärts von der Kammer 16
jedoch darüber hinaus für die Funktion der Durchflußmessung. Wenn
Luft durch Sensor geht, ist das von ihm erhaltene Meßsignal
unbrauchbar, so daß die Messung gestört würde.
Die Kammern 34 und 16 sind mit Einrichtungen zum Entfernen
angesammelter Luft ausgestattet. Gemäß Fig. 1 kann hierzu ein an
den oberen Teil der Kammer angeschlossener Schlauch 36 bzw. 18
vorgesehen werden, der normalerweise mit einem Hahn oder einer
Klemme 38 bzw. 20 verschlossen ist. Außerdem ist es zweckmäßig,
die Kammern mit Einrichtungen zur Überwachung der angesammelten
Luftmenge auszustatten, z. B. mit Füllstandssensoren. Diese sind
in Fig. 1 nicht dargestellt. Ebenfalls nicht dargestellt ist eine
Einrichtung zur Überwachung des Druckes in der rückführenden
Blutleitung, die normalerweise an die Kammer 34 angeschlossen
wird.
Die beiden Durchflußsensoren 22 und 42 stehen über elektrische
Leitungen 46 bzw. 44 mit der Auswertungseinheit 48 in Verbin
dung. In dieser werden die von den Sensoren gelieferten Signale
verarbeitet, u. a. zur Steuerung einer Anzeigevorrichtung 50 für
die Netto-Flüssigkeitsentzugsrate, d. h. für die Flüssigkeitsmen
ge, die dem Patienten pro Zeiteinheit entzogen wird, sowie einer
Anzeigevorrichtung 52 für die entzogene Flüssigkeits-Gesamt
menge. Einzelheiten der Funktion der Auswertungseinheit werden
weiter unten in Verbindung mit Fig. 7 geschrieben.
Eine weitere wichtige Ergänzung des bevorzugten Ausführungsbei
spiels ist die Regelungseinheit 54. Sie steuert aufgrund eines
Vergleichs zwischen dem an einer Einstellvorrichtung 56
vorgewählten Sollwert der Netto-Flüssigkeitsentzugsrate und dem
durch die Auswertungseinheit 48 ermittelten Istwert der Netto-
Flüssigkeitsentzugsrate den Antriebsmotor 58 der Infusionspumpe
60, und zwar in der Weise, daß die Antriebsgeschwindigkeit
zunimmt, wenn der Istwert der Netto-Flüssigkeitsentzugsrate den
Sollwert überschreitet. Die Infusionspumpe fördert aus einer
Versorgungseinrichtung, z. B. einem Vorratsbehälter 62, eine
Infusionslösung durch die Leitung 64 in die Kammer 34, wo sie
sich mit dem zum Patienten zurückgeleiteten Blut vermischt. Die
pro Zeiteinheit zugeführte Flüssigkeitsmenge wird außerdem auf
der Anzeigevorrichtung 66 angezeigt.
Zum Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird an der Ein
stellvorrichtung 56 zunächst der gewünschte Sollwert der Netto-
Flüssigkeitsentzugsrate eingestellt. Solange aufgrund des Trans
membrandruckes in der Dialysator- oder Filteranordnung die aus
dem Blutraum 26 durch die Membran 30 in den Raum 28 übergehende
Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit geringer ist als der Sollwert
der Netto-Flüssigkeitsentzugsrate, steht die Infusionspumpe
entsprechend den Eigenschaften der Regelungseinheit 54 still, da
in diesem Zustand der Istwert der Netto-Flüssigkeitsentzugsrate
kleiner ist als der Sollwert. Nun wird der Transmembrandruck
durch Erhöhung des Druckes im Raum 26 und/oder Absenkung des
Druckes im Raum 28 erhöht. Die Druckerhöhung im Raum 26 kann
mittels einer an der Leitung 32 a angeordneten Drossel 40 bewirkt
werden, die Druckabsenkung im Raum 28 ebenfalls durch Einstel
lung eines entsprechenden Drosselventils oder durch Erhöhung der
Saugleistung einer zu der Betriebseinheit 31 gehörigen Saugvor
richtung 66, z. B. mit einer Pumpe, bewirkt werden.
Sobald durch den gesteigerten Transmembrandruck die pro Zeitein
heit durch die Membran 30 tretende Flüssigkeitsmenge den einge
stellten Sollwert der Netto-Flüssigkeitsentzugsrate übersteigt,
tritt die Infusionspumpe 60 in Funktion, und aufgrund der
Eigenschaften der Regelungseinheit 54 wird durch die Infusions
pumpe 60 pro Zeiteinheit so viel Infusionsflüssigkeit zugeführt,
wie notwendig ist, um den den Sollwert der Netto-Flüssigkeitsent
zugsrate übersteigenden Teil der durch die Membran 30 pro
Zeiteinheit ausgeschiedenen Flüssigkeitsmenge zu ersetzen.
Ausgehend von einer bestimmten Geschwindigkeit des Blutzuflus
ses, die durch den Sensor 22 erfaßt wird, also im Gleichge
wichtszustand durch die Regelung des Antriebes der Infusions
pumpe 60 von dieser so viel Flüssigkeit zugeführt, daß sich die
von dem zweiten Sensor 42 erfaßte Durchflußgeschwindigkeit des
zum Patienten zurückfließenden Blutes um den vorgesehenen
Differenzbetrag, entsprechend der an der Einstellvorrichtung 56
vorgewählten Netto-Flüssigkeitsentzugsrate, unterscheidet.
An der Anzeigevorrichtung 66 ist die pro Zeiteinheit zugeführte
Menge der Infusionsflüssigkeit ablesbar. Unter Beobachtung
dieser Anzeige kann der Transmembrandruck mit Hilfe der Ein
stellvorrichtungen 41 und/oder 68 so einreguliert werden, daß
die pro Zeiteinheit zugeführte Menge Infusionsflüssigkeit in der
gewünschten Größenordnung liegt.
Störungen im Blutkreislauf oder in der Betriebseinheit 31 führen
im allgemeinen zu einer Veränderung des Transmembrandruckes und
beeinflussen somit den Durchtritt von Flüssigkeit durch die
Membran 30. Aufgrund der beschriebenen Eigenschaften des Regel
kreises führt dies automatisch zu einer Korrektur in Form einer
entsprechenden Veränderung der Flüssigkeitszufuhr durch die
Infusionspumpe 60 und des auf dem Anzeigeinstrument 66 angezeig
ten Wertes. Durch Verwendung eines Anzeigeinstruments 66 mit
einstellbaren Alarm-Grenzkontakten, wie in Fig. 1 angedeutet,
oder gleichwertige Einrichtung zur Grenzwertüberwachung besteht
somit die Möglichkeit, eine derartige Störung selbsttätig zu
erkennen. Dies hat den wesentlichen Vorteil, daß die sonst zur
Erkennung solcher Störungen üblichen, sehr aufwendigen und
störanfälligen Druckmeßeinrichtungen zur Überwachung des
Transmembrandruckes bei diesem System entfallen können.
In weiterer Ausgestaltung sieht die Erfindung eine Einrichtung
zur selbsttätigen periodischen Kalibrierung der Durchflußsenso
ren in Verbindung mit der Auswertungseinheit 48 vor. Sie umfaßt
die Kalibrier-Steuererungseinheit 70 und die von dieser gesteuer
ten Ventile 72 und 74, die zum Zwecke der Kalibrierung durch das
entsprechende Steuerungssignal geschlossen werden. Gleichzeitig
wird der Antrieb der Infusionspumpe 60 angehalten. Das Schließen
der genannten Ventile dient dazu, den Raum 28 der Dialysator-
oder Filteranordnung 24 abzusperren, so daß ein weiterer
Durchtritt von Filtrat aus dem Raum 26 durch die Membran 30 in
den Raum 28 verhindert ist. Unter diesen Bedingungen muß in den
beiden Durchflußsensoren 22 und 42 der gleiche Durchfluß
herrschen. Sofern eine Abweichung zwischen den beiden von den
Durchflußsensoren gelieferten Meßwerten besteht, wird diese in
der Auswertungseinheit 48 ermittelt und gespeichert und in der
auf die Kalibrierung folgenden Betriebszeit zur Fehlerkorrektur
verwendet. Auf diese Weise wird eine Nullpunktkorrektur
bezüglich der Differenzbildung zwischen den Meßsignalen der
Durchflußsensoren erreicht und somit der hauptsächliche mögliche
Fehlereinfluß beseitigt.
Ein anderes Ausführungsbeispiel einer Hämodialyse- und Hämofil
trationsvorrichtung entsprechend der Erfindung ist in Fig. 2
schematisch dargestellt. Zur Durchströmung des Raumes 28 der
Dialysator- oder Filteranordnung 24 ist dieser einerseits an
eine Verteilerleitung 80 eines zentralen Versorgungssystems für
Dialysierflüssigkeit angeschlossen, andererseits an einen Abfluß
90. Der Durchfluß wird mit einen Hahn 84 eingestellt. Bei reinem
Filtrationsbetrieb bleibt der Hahn 84 geschlossen.
Der extrakorporale Blutkreislauf umfaßt zwei Durchflußsensoren
22 und 42 in der zuführenden Leitung 14 a, 14 b bzw. in der abfüh
renden Leitung 32 a, 32 b des Raumes 26 der Dialysator- oder
Filteranordnung 24. Sie sind wie bei dem vorhergehenden Ausführ
ungsbeispiel über elektrische Leitungen 44 und 46 mit der Aus
wertungseinheit 48 verbunden, die eine Anzeigevorrichtung 50 für
die Differenz der von den beiden Durchflußsensoren gelieferten
Signale aufweist. Diese Differenz entspricht wegen der für
dieses Ausführungsbeispiel bevorzugten Anordnung der Durchfluß
sensoren unmittelbar stromaufwärts und stromabwärts von dem Raum
26 der Dialysator- oder Filteranordnung derjenigen Flüssigkeits
menge pro Zeiteinheit, die durch Filtration aus dem Raum 26
durch die Membran 30 in den Raum 28 übergeht. Diese entspricht
zugleich der Flüssigkeitsmenge, die dem Patienten pro Zeit
einheit entzogen wird. Zur Anzeige der bis zum jeweiligen
Zeitpunkt insgesamt entzogenen Flüssigkeitsmenge enthält die
Auswertungseinheit 48 eine weitere Anzeigevorrichtung 52.
Die pro Zeiteinheit aus dem Raum 26 durch die Membran 30 in den
Raum 28 übergehende Flüssigkeitsmenge ist von der Druckdifferenz
zwischen den Räumen 26 und 28 abhängig. Zur Einstellung dieser
Druckdifferenz ist an der abführenden Blutleitung eine
einstellbare Drossel 92 vorgesehen. Im einfachsten Falle wird
die Drossel 92 unter Beobachtung der Anzeigevorrichtung 50 von
Hand so eingestellt, daß der gewünschte Flüssigkeitsentzug pro
Zeiteinheit erreicht wird.
Es ist jedoch auch die Möglichkeit vorgesehen, die Drossel 92
durch eine Regelung selbsttätig einzustellen. Hierzu dient die
Regelungseinheit 94, die mit der Einstellvorrichtung 56 zur
Vorwahl des Sollwertes des Flüssigkeitsentzuges pro Zeiteinheit
verbunden ist. Die Regelungseinheit vergleicht diesen mit dem von
der Auswertungseinheit 48 ermittelten Istwert und steuert
entsprechend dem Ergebnis dieses Vergleiches einen Motor 96 zum
Verstellen der Drossel 92.
Von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung ist die Bauart der
für die Durchflußmessung eingesetzten Sensoren 22, 42. Sie ist in
Fig. 3 dargestellt. Die Abbildung ist nur ein Schema, das die
hauptsächlichen Bestandteile und ihr Zusammenwirken veranschau
lichen soll. Die gesamte Anordnung besteht im wesentlichen aus
einem Meßeinsatz 100, der zu dem auswechselbaren und im allge
meinen nur zum einmaligen Gebrauch bestimmten Blutschlauchsystem
gehört, und einer zum festen Bestandteil des Gerätes gehörenden
Halterung 102, 104, in der der Meßeinsatz befestigt wird. Die
Halterung besteht vorzugsweise aus zwei Teilen, die zur Fixie
rung des Meßeinsatzes federnd miteinander verbunden sind. Eine
Seitenansicht und eine Draufsicht des Meßeinsatzes sind in
Fig. 4 bzw. Fig. 5 dargestellt.
Der Meßeinsatz besteht aus einem blutverträglichen, formstabilen
und relativ starren Kunststoffmaterial, das sich nach dem
üblichen Spritzgießverfahren zu Teilen hoher Maßgenauigkeiten und
Gleichmäßigkeit verarbeiten läßt. Der Meßeinsatz wird vorzugs
weise schon im Herstellerwerk in das Blutschlauchsystem einge
fügt, z. B. durch das auch für ähnliche Teile übliche Einkleben
der betreffenden Schlauchabschnitte in die Anschlußteile 108, 110
des Meßeinsatzes. Der Meßeinsatz wird mit dem Schlauchsystem
sterilisiert, und das gesamte zum einmaligen Gebrauch bestimmte
System gelangt so zur Verwendungsstelle, wo es mit der übrigen
Apparatur verbunden wird.
Der Meßeinsatz hat in Fortsetzung der angeschlossenen Leitungs
teile einen durchgehenden Strömungskanal 106. Von besonderer
Wichtigkeit sind die beiden seitlichen Ansätze 112, 114, die auf
den Strömungskanal gerichtet sind und der Ein- bzw. Auskopplung
des Ultraschallsignals dienen und außerdem die Funktion haben,
die Ultraschallwellen zu führen, d. h. die Ausbreitungsrichtung
der eingekoppelten Ultraschallwellen genau zu definieren und
ebenso die Richtung der maximalen Intensität der auskoppelten
Ultraschallwellen exakt festzulegen. Die seitlichen Ansätze
stehen zur Längsachse des Strömungskanals in einem Winkel z. B.
in der Größenordnung von 15-50 Grad. Im Interesse einer hohen
Empfindlichkeit ist ein relativ kleiner Winkel vorteilhaft.
Im oberen Teil 102, 102 a der Halterung sind die beiden Ultra
schallwandler für die Aussendung und den Empfang des Ultra
schallsignals angeordnet, und zwar so, daß ihre Achsen die
gleiche Richtung wie die der Führung der Ultraschallwellen
dienenden Ansätze des Meßeinsatzes haben. Sie bestehen im
wesentlichen aus je einem Wandlerelement 116, 118 und einem
Ankopplungsstück 120, 122. Die Ankopplungsstücke stehen unter
einem gewissen Druck mit den Kopplungsflächen 124, 126 des Meß
einsatzes in inniger Berührung. Die Wandlerelemente sind vor
zugsweise Scheiben aus einem piezoelektrischen keramischem
Material, die in üblicher Art mit Metallbelägen und elektrischen
Anschlüssen ausgestattet sind. Die Ankopplungsstücke bestehen
zumindest in dem Teil, der mit den Kopplungsflächen in Berührung
kommt, vorzugsweise aus einem elastischen Material, z. B. Sili
konkautschuk, so daß sich unter der Wirkung des Anpreßdruckes
eine weitgehend homogene und ausreichend große Berührungsfläche
ausbildet, die sich möglichst über die gesamte Kopplungsfläche
124, 126 erstreckt. Dadurch wird es überflüssig, zur Verbesserung
der Ankopplung besondere Kontaktgelee, wie sonst vielfach üblich,
zu benutzen.
Der untere Teil 104, 104 a der Halterung hat im wesentlichen die
Funktion, den Meßeinsatz 100 zu fixieren. Er ist zu diesem Zweck
in einer geeigneten Führung federnd gegenüber dem oberen Teil
102, 102 a der Halterung gelagert, wie dies in Fig. 3 durch eine
Zugfeder 130 rein schematisch angedeutet ist. Selbstverständlich
muß hierbei die resultierende Kraft in der Symmetrieachse der
Anordnung wirken, was z. B. durch die symmetrische Anordnung von
zwei Federn zu erreichen wäre. Der Meßeinsatz weist zu dem
gleichen Zweck ein z. B. kragenförmig ausgebildetes Stützelement
128 auf, durch das die Kraft von dem unteren Teil der Halterung
auf den Meßeinsatz übertragen wird.
Durch die oben beschriebene definierte Ein- und Auskopplung und
Führung der Ultraschallwellen werden die Voraussetzungen für
eine hohe Genauigkeit bei der Messung der Strömungsgeschwindig
keit geschaffen. Von erheblicher Bedeutung ist außerdem, daß
durch die Gestaltung des Meßeinsatzes das Blut vor und hinter
der eigentlichen Meßstelle über eine längere Strecke, die ein
Mehrfaches des Durchmessers des Strömungskanals beträgt, in
einem definierten, gerade verlaufenden Strömungskanal geführt
wird, so daß Störungen des Strömungsprofils durch Leitungskrüm
mungen vermieden werden.
Zum Vergleich und zur Verdeutlichung der Unterschiede ist in
Fig. 6 die Konstruktion des Durchflußsensors eines bekannten
Blutflußmeßgerätes schematisch dargestellt, auf das sich auch
die bereits erwähnte Veröffentlichung in dem dem Buch "Technical
Aspects of Renal Dialysis" (Hrsg. T. H. Frost, Verlag Pittmann
Medical, Tunbridge Wells, 1978) bezieht. Der Sensor ist hierbei
nach Art einer Klammer ausgebildet, die auf den Blutschlauch
geklemmt wird. Hierzu sind die beiden Wangen der Klammer durch
ein Gelenk 136 und eine Feder 138 verbunden. Der vordere Teil
der Wangen ist in seiner inneren Kontur den Maßen des Blut
schlauches angepaßt und umschließt diesen. Die Wandlerelemente
116, 118 sind im vorderen Teil der Wangen angeordnet und unter
einem Winkel von ca. 45 Grad auf den Blutschlauch ausgerichtet
und durch Einbettung in eine Vergußmasse fixiert.
Eine solche Anordnung hat verschiedene Nachteile, die bei der
zuvor beschriebenen vermieden sind:
- - Der Winkel (alpha) zwischen den Wangen ändert sich in Abhän gigkeit von den Toleranzen des Schlauch-Außendurchmessers sowie bei Druckänderungen im Schlauch und bei temperaturabhängiger Veränderung der Elastizität des Schlauchmaterials. Durch die Veränderung dieses Winkels verändert sich auch der Anstellwinkel der Wandler in Richtung auf den Strömungskanal und damit der für die Kalibrierung maßgebende Proportionalitätsfaktor.
- - Veränderungen der lichten Weite des Schlauches zwischen den Wangen, z. B. infolge von Druckschwankungen oder temperatur abhängiger Veränderung der Elastizität des Schlauchmaterials in Verbindung mit der einwirkenden Federkraft, beeinflussen ebenfalls die Länge der von den Ultraschallwellen im Blut zurückgelegten Strecke und führen somit ebenfalls zu Verände rungen des Meßsignals.
- - Die Haupt-Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen vom sendeseitigen Wandler in den Strömungskanal einerseits und die Richtung der maximalen Empfindlichkeit für die vom Strömungs kanal zum empfängerseitigen Wandler gelangenden Ultraschallwellen andererseits wird von den Übertragungsverhältnissen an der Grenzfläche zwischen der inneren Kontur der Wange und der Außen fläche des Schlauches beeinflußt. Eine ungleichmäßige Druckver teilung und/oder ein unvollständiger Flächenkontakt, insbeson dere aber Schmutzpartikel oder Luftblasen (140 in Fig. 6), die in das zur Verbesserung der Ankopplung verwendete Gel eingeschlos sen sein können, verändern somit ebenfalls in unvorhersehbarer Weise den für die Kalibrierung maßgebenden Proportionalitätsfak tor.
- - Die innere Querschnittsfläche von Schläuchen unterliegt, da diese üblicherweise nach einem Extrusionsverfahren hergestellt werden, erheblichen Toleranzen. Aufgrund des Zusammenhanges zwischen Durchfluß, mittlerer Strömungsgeschwindigkeit und Quer schnittsfläche führt dies zu einer entsprechenden zusätzlichen Meßunsicherheit.
- - Da der Strömungskanal beiderseits der Meßstelle keine vorbestimmte Richtung hat, ergeben sich durch Verlagerung, z. B. Krümmung, des Schlauches Veränderungen des Strömungsprofils, die zu entsprechenden Fehlern führen.
Im Vergleich zu einem induktiven Durchflußmesser, bei dem nicht
nur der Strömungsquerschnitt, sondern auch die magnetische Fluß
dichte und der Elektrodenabstand mit hoher Genauigkeit eingehal
ten werden müssen, beschränken sich diese hohen Anforderungen
bei dem Gegenstand der Erfindung unter der Voraussetzung einer
exakten Führung der Ultraschallwellen im wesentlichen auf die
Genauigkeit des Strömungsquerschnitts und der Anregungsfrequenz.
Durch die Herstellung des Meßeinsatzes als Präzisions-Spritzteil
bzw. Anwendung eines quarzgesteuerten Generators für die Schwin
gungsanregung können beide Anforderungen mit geringem Aufwand
erfüllt werden. Ein weiterer Vorteil der Durchflußmessung nach
dem Ultraschal-Doppler-Prinzip gegenüber der induktiven
Durchflußmessung ergibt sich daraus, daß die Amplitude der Meß
signale eine untergeordnete Rolle spielt. Der Meßeffekt liegt
vielmehr in einer Frequenzänderung, die relativ leicht fehler
frei ausgewertet werden kann.
In Fig. 7 ist ein Blockschema einer Schaltungsanordnung für den
Betrieb der Durchflußsensoren 22 und 42 angegeben, das der
Auswertungsschaltung 48 in Fig. 1 und Fig. 2 entspricht. Die
senderseitigen Ultraschallwandler 116, 116 a werden gemeinsam von
einem Hochfrequenzgenerator 142 mit einer Frequenz in der
Größenordnung von einigen MHz gespeist. Die vom empfängerseiti
gen Ultraschallwandlern 118, 118 a gelieferten Signale enthalten
neben Anteilen der Sendefrequenz das eigentliche Meßsignal in
Form eines Schwingungsanteils, der aufgrund des Dopplereffekts
eine der Strömungsgeschwindigkeit proportionale Frequenzver
schiebung aufweist. Die Verarbeitung dieser Signale erfolgt
getrennt in zwei gleichen Schaltungseinheiten 144, 144 a. Das
Signal wird zunächst durch den Verstärker 146 auf eine ausrei
chende Amplitude gebracht und einer Mischstufe 148 zugeführt, um
die der Strömungsgeschwindigkeit proportionale niederfrequente
Differenzfrequenz f 1 bzw. f 2 zu gewinnen. Diese steht am Ausgang
des nachgeschalteten Tiefpasses 150, getrennt von den übrigen
Frequenzanteilen, zur Verfügung. In einer weiteren Schaltungs
einheit 152 wird aus f 1 und f 2 schließlich die Differenz f 1-f 2
gebildet, die für den Unterschied der Durchflüsse in den beiden
Durchflußsensoren und somit für den Flüssigkeitsentzug pro
Zeiteinheit maßgebend ist.
Zur Anzeige dieser Größe kann das Signal f 1-f 2 z. B. durch einen
Frequenz-Spannungs-Wandler 154 in eine Spannung umgesetzt und
damit das Anzeigeinstrument 50 gesteuert werden. Zur Anzeige der
Gesamtmenge der entzogenen Flüssigkeit wird das Signal f 1-f 2
einem Zähler 156 zugeführt und das jeweilige Zählergebnis auf
der Anzeigevorrichtung 52 angezeigt.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur Hämodialyse und Hämofiltration mit einer
Dialysator- oder Filteranordnung in einem extrakorporalen
Blutkreislauf und Einrichtungen zur Steuerung des Entzuges von
Flüssigkeit aus dem extrakorporalen Blutkreislauf durch die
Dialysator- oder Filteranordnung sowie einem Durchflußmesser zur
Messung des Blutflusses in der vom Patienten zu der Dialysator-
oder Filteranordnung führenden Leitung und einem zweiten
Durchflußmesser zur Messung des Blutflusses in der von der
Dialysator- oder Filteranordnung zum Patienten führenden
Leitung, wobei die beiden Durchflußmesser auf dem Ultraschall-
Dopplereffekt basierende Durchflußsensoren aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder der
beiden Durchflußsensoren (22, 42) einen in das Blutschlauchsystem
eingefügten formstabilen Meßeinsatz (100) mit definiertem
Strömungsquerschnitt und seitlichen Ansätzen (112, 114) zur
definierten Ein- und Auskopplung und Führung der Ultraschall
wellen aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden Durchflußsensoren (22, 42) mit einer Auswertungseinheit
(48) verbunden sind, die eine Einrichtung (152) zur Ermittlung
der Differenz der Durchflüsse und eine Anzeigevorrichtung (50)
zur Anzeige der dem Patienten pro Zeiteinheit entzogenen Flüs
sigkeitsmenge aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine mit den Durchflußsensoren (22, 42)
verbundene Auswertungseinheit (48), die Einrichtungen (152, 156)
zur Bildung des Zeitintegrals der Differenz der Durchflüsse und
eine Anzeigevorrichtung (52) für die dem Patienten insgesamt
entzogene Flüssigkeitsmenge aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch
eine mit der Auswertungseinheit (48) verbundene Regelungseinheit
(54) zur selbsttätigen Regelung der Zufuhr einer Infusionslösung
in den extrakorporalen Blutkreislauf.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Regelungseinheit (54) mit einer Anzeigevorrichtung (56) zur
Anzeige und und Grenzwertüberwachung der Zufuhrgeschwindigkeit
der Infusionslösung verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn
zeichnet durch eine mit der Auswertungseinheit (48) verbundene
Regelungseinheit (94) zur selbsttätigen Einstellung des Trans
membrandruckes.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Regelungseinheit (94) zur selbsttätigen Einstellung des Trans
membrandruckes mit einem Antriebsmotor (96) zur Betätigung einer
an der rückführenden Blutleitung (32 a, 32 b) angeordneten Drossel
(92) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Regelungseinheit (94) mit einer Anzeigevorrichtung (97)
zur Anzeige und Grenzwertüberwachung der der Einstellung des
Transmembrandruckes dienenden Größe verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anzeigevorrichtung (97) zur Anzeige und Grenzwertüber
wachung der Stellung des Antriebsmotors (96) ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur selbsttätigen
periodischen Kalibrierung aufweist, wobei durch eine Kalibrier-
Steuerungseinheit (70) der zur Durchspülung mit Dialysierflüs
sigkeit und/oder Abführung von Filtrat bestimmte Raum (28) der
Dialysator- oder Filteranordnung (24) mittels Ventilen (72, 74)
abgesperrt und die sich dabei einstellende Differenz der Meßsig
nale der beiden Durchflußsensoren (22, 42) durch die Auswertungs
einheit ermittelt wird, und daß die Auswertungseinheit Einrich
tungen zur Speicherung dieser Differenz und zur Nullpunkt
korrektur entsprechend der Größe dieser Differenz für das in der
auf die Kalibrierung folgenden Betriebsphase gebildete Diffe
renzsignal aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Längsachsen der seitlichen Ansätze
(112, 114) des Meßeinsatzes (100) mit der Längsachse des im
Meßeinsatz verlaufenden Strömungskanals (106) einen Winkel in
der Größenordnung von 10-60 Grad, vorzugsweise 30 Grad, bilden.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Halterung (102, 102 a; 104, 104 a) für den
Meßeinsatz (100) Ultraschallwandler mit piezoelektrischen Wand
lerelementen (116, 118) und mit diesen verbundene Ankopplungs
stücken (120, 122) aufweist, die mit den an den Enden der seit
lichen Ansätze (112, 144) befindlichen Kopplungsflächen (124, 126)
unter Druck in Berührung stehen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der mit den Kopplungsflächen (124, 126) in Berührung stehende
Teil der Ankopplungsstücke aus einem gummielastischen Material
besteht.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Halterung für den Meßeinsatz (100) aus
einem Ultraschallwandler enthaltenden feststehenden Teil
(102, 102 a) und einem diesem gegenüber federnd gelagerten Teil
(104, 104 a) zur Fixierung des Meßeinsatzes und zur Erzeugung
der an den Kopplungsflächen wirksamen Anpreßkraft besteht.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung des Ultraschalls dienenden
senderseitigen Ultraschallwandler (116, 116 a) von dem gleichen
Hochfrequenzgenerator (142) gesteuert werden.
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