DE3144552A1

DE3144552A1 - Stroemungsangepasster dialysatordeckel

Info

Publication number: DE3144552A1
Application number: DE19813144552
Authority: DE
Inventors: Jan Erik Dr. 4052 Basel Sigdell; Joseph H. Dr.-Ing. Prof. 6123 Bad König Spurk
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-11-10
Filing date: 1981-11-10
Publication date: 1983-05-19

Description

Strömungsangeqasster Dialysatordeckel
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Deckel für Hohlfaserdialysatoren mit zentraler Blutanströmung, die eine der Hämodynamik angepasste Form hat und dadurch die Tendenz zur Gerinnung des Blutes herabsetzt.
Zylindrische Hohlfaserdialysatoren mit Vollbündel haben ein zylindrisches Gehäuse, worin ein Bündel von Hohlfasern - in der Grössenordnung von 10 ûDO Stück - eingeschoben ist. Zur Abdichtung zwischen den Hohl fasern an den Gehäuseenden, ist das Bündel hier, an beiden Enden, mit einem Kunstharz. ausgegossen. Um an den Stirnseiten des Zylinders die Hohlfasern zu öffnen, so dass ihr Inneres zugänglich wird, wird hier das Harz quer zur Dialysatorachse durchgeschnitten. Die somit entstehende kreisrunde, ebene Schnittfläche hat eine Vielfalt von runden Löchern, durch die inneren Hohlräume der durchgeschnittenen Hohlfasern gebildet, worin das Blut eingeführt werden soll. Um dies zu erreichen, wird ein Deckel auf das Zylinderende montiert, der einen zentralen Stutzen (für den Schlauchanschluss) hat, und von hier das Blut radial über die Faseröffnungen verteilt. Die konventionelle Gestaltung, bis zum Datum der Erfindung auch die einzige auf dem Markt vorkommende mit zentralem Stutzen, ist in Abb. # -dargestellt.
Die Bedeutung des Strömungszustandes im Deckelraum für die Blutgerinnung ist bisher meistens weitgehend übersehen. Der erste der aktuellen Erfinder hat in eigener Arbeit an den sog. "Hemoflow" -Dialysator, der keine zentrale Zuführung zum Deckel hat, sondern eine tangentielle Blutzuführung, ein für die Blutgerinnung bedeutend günstigeren Strömungszustand erzeugt, wodurch in der Praxis die daraus folgende Verringerung der Gerinnungsneigung erwiesen wurde. Bei der vorliegenden Erfindung ist (in späterer und unabhängiger Arbeit) eine hämodynamische richtigere Gestaltung von Deckel mit zentraler Zuführung erreicht, wodurch sich auch für diese Deckelart eine geringere Gerinnungsneigung ergibt.
Deckel konventioneller Gestaltung weisen die folgenden Zonen geringerer Strömungsgeschwindigkeit des Blutes auf: - der Staupunkt auf der Schnittfläche gegenüber dem Stutzen, - die Randzone.
Es ist auch hier, wo man bevorzugt Gerinnsel im Deckelraum findet, wenn Gerinnungen auftreten. Dementsprechend gerinnt auch das Blut in den Hohlfasern, die von diesen Zonen ausgehen.
Der Grund dafür ist, dass die Thrombozyten des Blutes in solchen Zonen geringerer Strömungsgeschwindigkeit eine grössere Kontaktzeit mit der Fremdfläche hat, und somit die grössere Chance zum Anhaften auf dieser Fläche, wodurch dann eine Gerinnselbildung angefangen wird. Zu Beobachtungen hierzu: siehe Agishi et al., Proc. EDTA Sol.12, S. 535-550.
Eine Rolle spielt hierbei auch die Ablösung der Strömung von der Innenfläche des Deckels, die bei Blutviskosität bei allen vorkommenden konventionellen Deckel nachgewiesen werden kann (z.B.
durch Injektion von Farbstoff, zur Sichtbarmachung, in die Strömung einer 33 %-igen Glyzerinlösung bei 37 Or welche die Blutviskosität nachbildet). Dadurch entstehen unerwünschte Wirbelbildungen im Deckelraum, meistens als konzentrische Wirbelringe.
In der vorliegenden Erfindung hat der erstgenannte Erfinder ein neues Gestaltungsprinzip aufgestellt, das durch den zweitgenannten Erfinder überprüft wurde, gleichzeitig mit berechnungen zur Lösung der Gleichungen. Dadurch kann die Ablösung, bei der Umlenkung der Strömung von der axialen Stutzenströmung auf die radiale Strömung über die Schnittfläche, verringert oder vermieden werden. Weiter wird eine höhere Strömungsgeschwindigkeit im Randbereich erreicht, und die Auswirkung der Stauzone im Zentrum verringert. Im Prinzip wird die Deckelkontur dadurch Stromliniengeformt.
Zur Gestaltung des Deckels werden zwei rotationssymmetrische Strömungen überlagert, und die Stromlinie des sich daraus ergebenden Strömungsfeldes, welche durch den Rand der Schnittfläche geht, als Deckelkontur gewählt. Diese Strömungen sind: - die rotationssymmetrische Staupunktströmung, - die Senkenströmung einer ausgebreiteten (gleichmässig verteilten) kreisrunden Senke.
(Vgl.J.H. Spurk: Vorlesung Strömungslehre II, T.H. Darmstadt, 1975).
Das Strömungspotential der rotationssymmetrischen Staupunktströmung ist wo r die Radialkoordinate und z die Achsialkoordinate, vom Staupunkt aus, sind. a ist eine Konstante. Das Strömungspotential der ausgebreiteten, gleichmässig verteilten Senkenströmung in eine kreisrunde Senke vom Radius R ist wo r und z die gleiche Bedeutung wie oben haben (von dem Mittpunkt des Senkenkreises aus), p und ç Integrationsvariabeln sind und E eine Konstante ist.
Ueberlagert man nun diese beiden Strömungen, erfolgt eine Differentialgleichung für die Strömungslinien: worin E(k) und K(k) vollständige elliptische Integrale 2.
bzw. 1. Art sind: und k ein Parameter; ~ist hier eine Konstante und r' ein Integrationsvariabel.
In dieser Formel wurde R = 1 gesetzt, d.h. der Radius der Kreissenke als Längen einheit gewählt.
Eine Kontur dieser Art, bei oC= 25, ist in Abb. 2 gezeigt. Sie ist durch numerische Lösung der obengenannten Differentialgleichung gewonnen. Durch Anpassung einer kontinuierlichen Funktion, findet man, dass eine sehr gute Annäherung an die exakte Lösung durch gegeben ist. Deshalb sei die Lösung gem. Abb. 2 nur hierdurch gegeben, einfachheitshalber, statt einer aufwendigen Tabelle für die exakte Lösung.
Bei diesen Berechnungen wurde die Reibung der Strömung an die Deckelkontur vernachlässigt, weil eine exakte Lösung der Navier-Stokesschen Gleichungen in diesem Fall einen enormen Computeraufwand erfordert. Die Reibung in der Randzone wirkt sich auf das Strömungsfeld aus. Ein Ausgleich hierfür kann allerdings experimentell vorgenommen werden, durch Entfernung des Deckels um einen geringen Betrag von der Schnittfläche weg. Versuche mit verschiedenen Zwischenlagen ergaben, dass die vorteilhafte Randströmung bis zu einer Achsialverschiebung des Deckels um ca. 0,5mm gut erhalten bleibt. Die Einwirkung der Randströmung auf die zentrale Strömung wird aber erst bei einer Verschiebung um 1-2 mm vernachlässigbar.
Die Wahl eines Abstandes von 0,5-1 mm erweist sich allerdings als ein guter Kompromiss.
Eine bessere Kontur lässt sich mit ~ = 1000 finden, wobei die Lösung angenähert durch gegeben ist. Diese Kontur erfüllt durch Anpassung der axialen Deckelposition leichter die beiden Erfordernisse eines geringen Abfalles der radialen Strömungsgeschwindigkeit, und einer vom Randzustand ungestörten zentralen Strömung. Sie ist in Abb. 3 gezeigt.
Es ist klar, dass verschiedene Verbesserungen dieser Konturberechnung, mit entsprechendem Aufwand, möglich sind, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen. Eine exakte Lösung der Navier-Stokesschen Gleichungen, ausgehend vom erwünschten Strömungszustand, um die entsprechende Kontur zu finden, ist aus Gründen des Aufwandes praktisch unmöglich. Es ist dagegen möglich, ein iteratives Verfahren anzuwenden, wobei man von einer vorgegebenen Kontur ausgeht, der sich ergebende Strömungszustand unter Berücksichtigung der Reibung ausrechnet, und an Hand der Ergebnisse die Kontur korrigiert. Mit der so korrigierten Kontur wird dieser Vorgang wiederholt, bis keine Korrektur mehr nötig ist.
Auch dieses Verfahren erfordert einen gewissen Aufwand und es war uns deshalb bis jetzt nicht möglich, mit uns zur Verfügung stehenden Mitteln, dies durchzuführen, obwohl der Vorgang theoretisch vorliegt und das Verfahren klar ist. Deshalb können so weit hier nur von der experimentell durchgeführten Korrektur, durch Anpassung der axialen Deckellage, Ergebnisse angegeben werden.
Eine weitere Alternative ist eine angenäherte Berücksichtigung der Reibung, z.B. nach dem Osén-Verfahren.
Es ist klar, dass auf diese Art stromliniengeformte Deckel für alle Arten von Geräten für den extrakorporalen Kreislauf geeignet sind, wie Hämoperfusionskartuschen, Hämofilter, Plasmafilter, Dialysatoren u.s.w.. Es ist auch klar, dass kontinuierliche Annmherungsformeln nicht nur, wie oben, durch Anpassung an numerisch errechnete exakte Lösungen gewonnen werden können, sondern auch durch angenäherte analytische Lösungen der vorkommenden Gleichungen.
Angegebene Werte des Parameters M stellen hier nur Beispiele dar.
Es kann im Prinzip jeden Wert hierfür gewählt werden.
Erläuterungen zu den Abbildungen: Abbildung 1 zeigt im Querschnitt eine Prinzipskizze eines konventionellen Deckels mit einem Zulaufstutzen (oben), der sich (nach unten) in einen Verteilungsraum erweitert, der über der mit Hohlfaseröffnungen versehenen Schnittfläche liegt (diese nicht eingezeichnete Schnittfläche schliesst den Deckel unten unmittelbar an).
Abbildung 2 zeigt in einem halben Querschnitt eine Deckelgestaltung mit einer Innenkontur, die erfindungsgemäss bei a = 25 und R = 1 errechnet wurde. Die Aussenkontur ist einfachheitshalber durch geradlinige Stücke dargestellt. Die im Text erwähnte axiale Verschiebung zur Korrektur für Reibungsverluste ist in der Zeichnung nicht mit berücksichtigt (die Zeichnung zeigt die Kontur ohne diese Verschiebung). Ein zylindrisches Koordinatensystem (r,h) ist auch eingezeichnet, mit der h-Achse im Zentrum des Deckels.
Abbildung 3 ist im Prinzip die gleiche wie Abb. 2, aber mit «= 1000. Hier wurde allerdings die Kontur ab z = 0,5 senkrecht (parallel zur z-Achse) fortgesetzt, zwecks Ausbildung eines Stutzens.

Claims

Patentansprüche 1. Deckel für ein Gerät zur extrakorporalen Blutbehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel einen stromliniengeformten Uebergang von einer zentralen Stutzenströmung auf eine radiale Verteilungsströmung auweist, dessen Kontur aus der Randstromlinie bei Ueberlagerung einer Staupunktströmung mit einer ausgebreiteten Senkenstrdmung errechnet wird.
2. Deckel nach#Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur für die Einwirkung der Reibung experimentell korrigiert ist.
3. Deckel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur für die Einwirkung der Reibung rechnerisch korrigiert ist, mit Hilfe der Gleichungen von Navier-Stokes, in exakter oder angenäherter Lösung.
4. Deckel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur durch ein iteratives Verfahren korrigiert ist, so dass für eine gegebene Kontur der entsprechende Strömungszustand errechnet wird, die Kontur demnach korrigiert wird um sich dem erwünschten Zustand anzunähern, und dieser Vorgang wiederholt wird, bis eine weitere Korrektur nicht mehr notwendig ist.
5. Deckel nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur durch eine kontinuierliche Annäherungsformel gegeben ist, durch Anpassung einer kontinuierlichen Funktion an die numerische Lösung gewonnen.
6. Deckel nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur durch eine kontinuierliche Annäherungsformel gegebe#n ist, durch analytische Annäherungslösung der aktuellen Gleichungen gewonnen.
7. Deckel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur durch eine kontinuierliche Annäherungsformel gegeben ist, die dadurch gewonnen wird, dass die für die Berechnung des Strömungszustandes vorgegebene Kontur, gegebenenfalls korrigiert, durch eine kontinuierliche Funktion definiert wird.