DE10311547B4

DE10311547B4 - Verfahren zur Bestimmung der Effektivität eines Filters und Filteranordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10311547B4
Application number: DE10311547A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Kaufm. Pippert; Uwe Dipl.-Ing. Hildmann; Lars Dr.-Ing. Breuel
Original assignee: Asm Anlagen Syst Med Tech; Asm Anlagen und Systeme fur Medizintechnik
Current assignee: Asm Anlagen Syst Med Tech; Asm Anlagen und Systeme fur Medizintechnik
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: WO2004082743A1; DE10311547A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Effektivität eines Filters, der von einer Membran in ein von einer Primärflüssigkeit durchströmtes Primärkompartiment und ein von einer Sekundärflüssigkeit in entgegengesetzter Richtung durchströmtes Sekundärkompartiment unterteilt ist, wobei das Primärkompartiment in eine Primärleitung und das Sekundärkompartiment in eine Sekundärleitung eingeschaltet sind und wobei wenigstens ein membrangängiger Stoff durch die Membran hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration wenigstens eines nicht-membrangängigen Stoffes in der Primärflüssigkeit und/oder der Sekundärflüssigkeit an verschiedenen Stellen und/oder zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen wird, wobei die Differenz zwischen zusammengehörenden Meßwerten ein Maß für die Durchlässigkeit der Membran ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Effektivität eines Filters, der von einer Membran in ein von einer Primärflüssigkeit durchströmtes Primärkompartiment und ein von einer Sekundärflüssigkeit in entgegengesetzter Richtung durchströmtes Sekundärkompartiment unterteilt ist, wobei das Primärkompartiment in eine Primärleitung und das Sekundärkompartiment in eine Sekundärleitung eingeschaltet sind und wobei wenigstens ein membrangängiger Stoff durch die Membran hindurchtritt
Außerdem betrifft die Erfindung eine Filteranordnung zur Durchführung des Verfahrens.

An allen semipermeablen Membranen bzw. Filtern, die im Gegenstromprinzip betrieben werden und bei denen ein Druckaufbau durch die Fließgeschwindigkeit erfolgt, findet ein Stoffaustausch statt. Aus diesem Grund werden Filteranordnungen der hier betrachteten Art auf vielen Gebieten eingesetzt, auf denen einer Flüssigkeit eine oder mehrere Substanzen entzogen werden sollen. Solche Filteranordnungen werden beispielsweise auf dem Gebiet der Lebensmittel, der Wasseraufbereitung und auf dem medizinischen Gebiet eingesetzt, wobei zu letzterem die Hämodialyse und die extrakorporale Blutreinigung von Albumin gebundenen Toxinen bei Leberversagen genannt seien. Es versteht sich, daß die genannten Anwendungsgebiete nur beispielhaft aufgeführt sind.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel der Blutreinigung bei Leberversagen beschrieben. Das Blut-Plasma-Reinigungssystem kann dabei in Reihe zu einem herkömmlichen extrakorporalen Blutkreislauf eines Dialysegerätes geschaltet sein. In dem einen Kompartiment des Albuminfilters zirkuliert das Blut des Patienten, während auf der anderen Seite ein Plasmakreislauf durch eine Plasmapumpe aufrecht erhalten wird. Eine Blutpumpe fördert das Blut durch den Albuminfilter und durch den Dialysator, bevor das Blut durch einen weiteren Blutschlauch zum Patienten zurückkehrt.

Durch die Fließgeschwindigkeiten baut sich sowohl auf der Blut- als auch auf der Plasmaseite der Membran ein entsprechender Druck auf.

Aufgrund der Druckverhältnisse in dem Albuminfilter kommt es zu einem Stoffaustausch an der Membran. An dem einen Endbereich des Albuminfilters, an dem blutseitig ein höherer Druck als plasmaseitig besteht, tritt Plasma von dem Blut zur Plasmaseite über die Membran über. An dem anderen Endbereich des Albuminfilters, wo plasmaseitig ein höherer Druck als blutseitig besteht, wird Plasma zurück in das Blut gedrückt. Dieser Fluß über die Membran paßt sich den Druckverhältnissen über die Membran an.

Da dem Blutfluß entlang des Albuminfilters zunächst Plasma entzogen wird, das (in Strömungsrichtung des Blutstroms gesehen) in dem nachfolgenden Filterbereich allmählich wieder in den Blutstrom eintritt, findet entlang des Albuminfilters zunächst eine Aufkonzentration und dann eine Verringerung der Konzentration der nicht membrangängigen roten Blutkörperchen statt.

Das Plasma wird in dem Plasmakreislauf durch Adsorber geleitet, die die Albumine von Toxinen reinigen.

Die Effektivität dieses Systems wird durch die Durchlässigkeit des Albuminfilters und die Kapazität der Adsorber und deren Auslastung bestimmt. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Problem, die Effektivität des Albuminfilters zu erfassen. Wenn sich eine Sekundärmembran durch Ablagerungen aus dem Blut über der Albuminfiltermembran aufbaut, besteht nicht mehr die Möglichkeit, daß ausreichend Plasma in den Plasmakreislauf übertritt, so daß trotz vorhandener Adsorberkapazität in diesem Fall keine Detoxifikation des Blutes mehr durchgeführt wird.

Die Ausbildung solcher Sekundärmembranen wird bisher nur im Labor untersucht, wobei hiermit nur nach der Behandlung festgestellt werden kann, ob sich eine solche Sekundärmembran gebildet hat. Auf diese Weise kann nicht festgestellt werden, wie sich die Effektivität der Membran bzw. des Filters während der Behandlung entwickelt hat und ob und wann die Behandlung damit uneffektiv geworden ist.

DE 693 05 438 T2 offenbart im Zusammenhang mit einem Verfahren zur Funktionsprüfung von Sensoren an einem Dialyse-Flüssigkeitskreislauf die Messung der Konzentration des membrangängigen Natriums oder anderer in der Dialysierflüssigkeit vorhandener membrangängiger Stoffe. Auch DE 198 06 900 C1 offenbart ein Verfahren, bei dem die Konzentration einer am Stoffaustausch des Dialysators beteiligten membrangängigen Substanz gemessen wird.

WO 97/11771 A1 offenbart ein Verfahren zur Erfassung von Blutleckagen in einem Dialysator, bei dem die Ultrafiltratrate über eine vorbestimmte Zeitspanne erhöht wird, damit gegebenenfalls Blut durch die Membran fließen kann.

DE 31 100 22 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung steriler Flüssigkeiten mit einem Rohr, in das quer zur strömungsrichtung der Flüssigkeit wenigstens ein Filter eingesetzt ist, vor dem Stromaufwärts eine Vielzahl von Teilchen vorgesehen ist. Tritt in dem Filter ein Leck auf, werden die Teilchen durch den Filter geschwemmt, woraufhin eine Detektorvorrichtung ein Alarmsignal auslöst.

US 4,737,276 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von Liposomen, die einen Sensor aufweist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Filterleistung eines Filters bzw. einer Membran während eines Behandlungsvorgangs erfaßt werden kann, so daß einer Bedienungsperson rechtzeitig ein Hinweis gegeben wird, einen uneffektiv gewordenen Filter auszutauschen. Außerdem soll eine Filteranordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 8 und 9 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

An dem in Strömungsrichtung vorderen Bereich des Filters wird der Flüssigkeit des Primärkreislaufs eine Substanz entzogen, die durch die Membran auf die Sekundärseite übertritt. Im Falle eines Albuminfilters wird demnach am Anfangsbereich der Membran der Primärflüssigkeit Blutplasma entzogen, das in den Sekundärkreislauf, den Plasmakreislauf, übertritt. Damit steigt im Bereich der ersten Hälfte des Albuminfilters der Hämatokrit, d.h. der Anteil der roten Blutkörperchen nimmt in diesem Blutanteil zu. In der zweiten Hälfte des Albuminfilters tritt Plasma wieder in den primären Blutkreislauf über, so daß hier der Anteil der roten Blutkörperchen wieder allmählich zurückgeht.

Die Erfindung sieht vor, wenigstens einen, bevorzugt zwei oder mehr Sensoren in oder an der Strömungsbahn der Primärflüssigkeit und/oder der Sekundärflüssigkeit anzuordnen, die in der Lage sind, die Konzentration einzelner Stoffe in der Primärflüssigkeit und/oder Sekundärflüssigkeit zu bestimmen. Hierbei kann es sich beispielsweise um photometrische, Ultraschall- oder ähnliche Sensoren handeln, die das Adsorbtionsverhalten, das Reflektionsvermögen, die Dichte o.ä. der Flüssigkeit erfassen und hieraus Konzentrationswerte ableiten können. Zur Konzentrationsbestimmung kann ein Zusatzstoff in den Primärkreis und/oder den Sekundärkreis gegeben werden.

Erfindungsgemäß kann wenigstens ein Sensor, bevorzugt wenigstens zwei Sensoren längs der Filtermembran befestigt sein, mit denen die Konzentration eines Stoffes in der Primärflüssigkeit, beispielsweise des Blutes, gemessen werden kann, womit eine Aufkonzentration und/oder eine Rückkonzentration nachgewiesen werden können. Dabei kann auch vorgesehen sein, daß wenigstens ein Sensor in der Leitung vor dem Filter und/oder nach dem Filter angeordnet ist, der die Konzentration wenigstens eines Stoffes in der Primärflüssigkeit und/oder Sekundärflüssigkeit erfaßt.

Die Messung der Konzentration kann auch so durchgeführt werden, daß die Sekundärflüssigkeit durch Abschalten der zugehörigen Pumpe schlagartig angehalten wird, wodurch aufkonzentrierte Primärflüssigkeit aus dem Filter in die nachfolgende Leitung bzw. das nachfolgende Schlauchsystem gefördert wird, wo über einen dort angeordneten Sensor die Aufkonzentration nach dem Ausströmen aus dem Filter nachgewiesen werden kann.

Es kann auch eine Aufkonzentration im Filter dadurch erfaßt werden, daß an einem Ende des Primärkompartiments eine Lichtquelle angeordnet wird, die das Faserbündel in Längsrichtung des Kompartiments durchstrahlt, und daß das Licht von einem am anderen Ende des Kompartiments angeordneten Sensor empfangen und ausgewertet wird.

Wenn die Messung der Sensoren ergibt, daß keine Aufkonzentration, beispielsweise der roten Blutkörperchen im Blutkompartiment des Filters, stattgefunden hat, kann daraus geschlossen werden, daß eine Sekundärmembran den Stoffaustausch verhindert, so daß zur Fortführung des Behandlungsvorgangs der Filter ausgetauscht werden muß.

Die beigefügte Abbildung zeigt schematisch einen Filter, der nach dem Gegenstromprinzip betrieben wird, die darin herrschenden Druckverhältnisse mit dem zugehörigen Fluß durch die Membran und die Konzentration nicht-membrangängiger Substanzen der Primärseite und der Sekundärseite des Filters.

Der schematisch dargestellte Filter 1 ist von einer mittig angeordneten Filtermembran 2 in zwei Kammern unterteilt, und zwar in ein Primärkompartiment 3, durch das eine Primärflüssigkeit wie z.B. Blut fließt, und ein Sekundärkompartiment 4, durch das beispielsweise Plasma in Gegenrichtung zirkuliert. An den Filter 1 sind entsprechende Schläuche angeschlossen, die den Blutkreislauf und den Plasmakreislauf bilden. Die Flußrichtungen der beiden Flüssigkeiten sind in der Abbildung mit A und B angedeutet.
Außerdem ist schematisch angedeutet, daß die beiden in den Kammern 3 und 4 befindlichen Flüssigkeiten membrangängige Substanzen 5 und Substanzen 6 und 7 enthalten, die die Membran 2 nicht passieren können.
Bei der Filtration an der Membran 2 kommt es aufgrund der unterschiedlichen Filtrationsraten der einzelnen Inhaltsstoffe zu Verschiebungen ihrer Konzentrationsanteile. Die Flußgeschwindigkeiten führen zu einem Druckgefälle sowohl an der Primärseite 3 als auch an der Sekundärseite 4. Der daraus resultierende Druckgradient über dem Filter führt zu einem Fluß der membrangängigen Substanzen durch die Membran, der in der Abbildung mit Pfeilen angedeutet ist. Der Druck nimmt an der Primärseite von der Eintrittsöffnung 8 zu der Austrittsöffnung 9 der Primärflüssigkeit hin ab, während der Druck der Sekundärseite in derselben Richtung (d.h. von der Austrittsöffnung 10 zu der Eintrittsöffnung 11 der Sekundärflüssigkeit) hin zunimmt.
Der Druckgradient über dem Filter führt zu einem Fluß der membrangängigen Substanzen 5 durch die Membran, während die nicht-membrangängigen Stoffe 6, 7 zurückgehalten werden. Je nach Flußrichtung durch die Membran 2 kommt es so zu einer Konzentrationserhöhung bzw. Konzentrationserniedrigung dieser Stoffe, die – bei konstanten Fließgeschwindigkeiten auf der Primär- und Sekundärseite sowie durch die Membran – nach einer gewissen Zeit jeweils ortskonstant bleibt. Die Konzentration nicht-membrangängiger Substanzen auf der Sekundärseite und der Primärseite ist in der Abbildung mit den Kurven 12 bzw. 13 dargestellt.
Die Konzentrationen werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch Meßsensoren beispielsweise fotometrisch in der Primärflüssigkeit und/oder in der Sekundärflüssigkeit vor und nach dem Filter 1 sowie über die aktive Filterlänge erfaßt. Ist der Fluß der Primär- bzw. Sekundärflüssigkeit bekannt, kann über die Konzentrationsänderung einzelner Stoffe über die Filterlänge die Effektivität des Filters für andere Stoffe bestimmt werden. Es gilt:

K₁: – Konzentration am Punkt 1
K_Q: – Ausgangs-Konzentration (vor dem Filter)
Q_P: – Fluss auf der Primärseite
Q₁: – (Gesamt-) Fluss über die Membran bis zum Punkt 1

Daraus ergibt sich:
Wenn die Konzentration nicht direkt am Filter gemessen werden kann, läßt sich die Konzentrationsänderung über die Filterlänge bestimmen, in dem der Fluß auf der jeweils anderen Filterseite variiert wird. Dadurch ändert sich der Druckgradient über der Membran und somit auch der Fluß durch die Membran.
Bleibt die Fließgeschwindigkeit auf der anderen Membranseite konstant, werden die nicht-membrangängigen Stoffe – in Abhängigkeit von Ihrer Position bei Flußänderung auf der anderen Membranseite – durch den veränderten Fluß über die Membran beim Austritt aus dem Filter eine andere Konzentration haben. Über die Kenntnisse von Konzentrationen K_PO, Fluß K_P, Fluß Q_SO und Q_S1 und dem Verlauf der Konzentrationen K_P(t) nach Flußänderung des Sekundärflusses kann der Fluß durch die Membran berechnet werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Effektivität eines Filters, der von einer Membran in ein von einer Primärflüssigkeit durchströmtes Primärkompartiment und ein von einer Sekundärflüssigkeit in entgegengesetzter Richtung durchströmtes Sekundärkompartiment unterteilt ist, wobei das Primärkompartiment in eine Primärleitung und das Sekundärkompartiment in eine Sekundärleitung eingeschaltet sind und wobei wenigstens ein membrangängiger Stoff durch die Membran hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration wenigstens eines nicht-membrangängigen Stoffes in der Primärflüssigkeit und/oder der Sekundärflüssigkeit an verschiedenen Stellen und/oder zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen wird, wobei die Differenz zwischen zusammengehörenden Meßwerten ein Maß für die Durchlässigkeit der Membran ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanten Fließgeschwindigkeiten der Primärflüssigkeit und der Sekundärflüssigkeit die Konzentration wenigstens eines nicht-membrangängigen Stoffes während des Filtervorgangs durch wenigstens einen ersten Sensor in dem Primärkompartiment und/oder dem Sekundärkompartiment, und durch wenigstens einen in Strömungsrichtung zu dem wenigstens einen ersten Sensor versetzten weiteren Sensor gemessen wird, der außerhalb des Filters in der Primärleitung oder Sekundärleitung angeordnet sein kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit der Primärflüssigkeit oder der Sekundärflüssigkeit während des Filtervorgangs geändert wird, und daß die Konzentration wenigstens eines nicht-membrangängigen Stoffes durch einen Sensor vor und nach der Änderung der Fließgeschwindigkeit in der Primärleitung oder der Sekundärleitung gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit in der Primärleitung oder der Sekundärleitung schlagartig auf Null reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine eventuelle Aufkonzentration wenigstens eines nicht-membran-gängigen Stoffes im Filter dadurch erfaßt wird, daß an einem Ende des Primärkompartiments eine Lichtquelle angeordnet wird, die das Faserbündel in Längsrichtung des Kompartiments durchstrahlt, und daß das Licht von einem am anderen Ende des Kompartiments angeordneten Sensor empfangen und ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß durch die Membran in Abhängigkeit von den gemessenen Konzentrationswerten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konzentrationsbestimmung ein Zusatzstoff in den Primärkreislauf und/oder Sekundärkreislauf eingegeben wird.
Filteranordnung mit einem Filter, der von einer Membran in ein von einer Primärflüssigkeit durchströmtes Primärkompartiment und ein von einer Sekundärflüssigkeit in entgegengesetzter Richtung durchströmtes Sekundärkompartiment unterteilt ist, wobei das Primärkompartiment in eine Primärleitung und das Sekundärkompartiment in eine Sekundärleitung eingeschaltet sind und wobei wenigstens ein membrangängiger Stoff durch die Membran hindurchtritt, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Sensoren in dem Primärkompartiment und/oder dem Sekundärkompartiment über die aktive Filterlänge verteilt sind.
Filteranordnung mit einem Filter, der von einer Membran in ein von einer Primärflüssigkeit durchströmtes Primärkompartiment und ein von einer Sekundärflüssigkeit in entgegengesetzter Richtung durchströmtes Sekundärkompartiment unterteilt ist, wobei das Primärkompartiment in eine Primärleitung und das Sekundärkompartiment in eine Sekundärleitung eingeschaltet sind und wobei wenigstens ein membrangängiger Stoff durch die Membran hindurchtritt, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Sensor im Bereich des Filters (1) und wenigstens ein weiterer Sensor in der Leitung in Fließrichtung vor oder hinter dem Filter (1) angeordnet sind.
Filteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung Bestandteil eines Blut-Plasma-Reinigungssystems ist und daß der Filter ein Albuminfilter ist.