DE102023102145A1 - Blood treatment device for gas exchange - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Blutbehandlungsvorrichtung 100 zum Gasaustausch über eine Gasaustauscheinheit 300, die zwei durch eine Membran getrennte Bereiche aufweist, wobei der eine Bereich von Blut und der andere Bereich von Spülgas durchströmt wird, und wobei die Blutbehandlungsvorrichtung 100 eine Pumpeinrichtung für Blut 101, Sensoren zur Messung von mindestens zwei Behandlungsparametern, eine Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter 404 und eine Steuereinheit 500 umfasst, welche verbunden ist mit der Pumpeinrichtung für Blut 101, den Sensoren zur Messung von mindestens zwei Behandlungsparametern und der Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter 404, und derart konfiguriert ist, dass sie die Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter 404 in Abhängigkeit der mindestens zwei Behandlungsparameter steuert. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter 404 und/oder einer mechanischen Beatmungseinheit 600 in der erfindungsgemäßen Blutbehandlungsvorrichtung 100.The invention relates to a blood treatment device 100 for gas exchange via a gas exchange unit 300, which has two areas separated by a membrane, wherein blood flows through one area and flushing gas flows through the other area, and wherein the blood treatment device 100 comprises a pumping device for blood 101, sensors for measuring at least two treatment parameters, a device for changing at least one flushing gas parameter 404 and a control unit 500, which is connected to the pumping device for blood 101, the sensors for measuring at least two treatment parameters and the device for changing at least one flushing gas parameter 404, and is configured such that it controls the device for changing at least one flushing gas parameter 404 depending on the at least two treatment parameters. The invention further relates to a method for controlling the device for changing at least one flushing gas parameter 404 and/or a mechanical ventilation unit 600 in the blood treatment device 100 according to the invention.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Blutbehandlungsvorrichtung zum Gasaustausch über eine Gasaustauscheinheit gemäß Anspruch 1 und auf ein Verfahren zur Steuerung der Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter gemäß Anspruch 12.The present invention relates to a blood treatment device for gas exchange via a gas exchange unit according to
Hintergrundbackground
Die zentrale Aufgabe der Lunge ist es, den Körper mit Sauerstoff (O2) zu versorgen bzw. das durch den Stoffwechsel entstehende Kohlenstoffdioxid (CO2) aus dem Körper zu entfernen. Während der Einatmung strömt sauerstoffhaltige Luft in die Lunge ein. Der Sauerstoff diffundiert über die Lunge ins Blut und zirkuliert im Körper, um die Organe zu versorgen. Das durch den Stoffwechsel entstehende CO2 wird mit dem Blut zur Lunge transportiert, wo es über die Ausatmung aus dem Körper eliminiert wird. Über die Atembewegung und das zirkulierende Blut findet somit ein kontinuierlicher Austausch von O2 und CO2 zwischen der Umgebungsluft, der Lunge und dem Blut statt.The main task of the lungs is to supply the body with oxygen (O2) and to remove the carbon dioxide (CO2) produced by metabolism from the body. During inhalation, oxygen-containing air flows into the lungs. The oxygen diffuses through the lungs into the blood and circulates in the body to supply the organs. The CO2 produced by metabolism is transported by the blood to the lungs, where it is eliminated from the body through exhalation. Through the respiratory movement and the circulating blood, a continuous exchange of O2 and CO2 takes place between the ambient air, the lungs and the blood.
Ist die Lunge derart geschädigt, dass sie ihre Gasaustauschfunktion nicht mehr hinreichend ausüben kann, sind medizinische Maßnahmen erforderlich, welche die Versorgung des Körpers mit O2 und/oder den Abtransport von CO2 aus diesem ersetzen beziehungsweise unterstützen.If the lungs are so damaged that they can no longer adequately perform their gas exchange function, medical measures are required to replace or support the body's supply of O2 and/or the removal of CO2 from it.
Die extrakorporale Lungenunterstützung hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen, und dies nicht zuletzt aufgrund der Covid19-Pandemie, sondern auch aufgrund der weiter steigenden Bedeutung der dauerhaft, d.h. chronisch atemwegsverengenden Lungenerkrankungen (Chronic Obstructive Pulmonary Disease, COPD).Extracorporeal lung support has become increasingly important in recent years, not least due to the Covid19 pandemic, but also due to the ever-increasing importance of chronic obstructive pulmonary disease (COPD).
Bei hyperkapnischen Patienten, beispielsweise bei solchen, die unter einer COPD leiden, ist vor allem der Abtransport von CO2 gestört. Um CO2 effektiv aus den drei Kompartimenten des Körpers, Blut, Gewebe und Knochen, entfernen zu können, erhalten diese Patienten in der Regel eine Maskenbeatmung mit hohem Gasdruck. Da diese Behandlung jedoch für den Patienten sehr einschränkend ist und als unangenehm empfunden wird, wird sie in der Regel nur schlecht toleriert.In hypercapnic patients, such as those suffering from COPD, the removal of CO2 is particularly impaired. In order to effectively remove CO2 from the three compartments of the body - blood, tissue and bone - these patients usually receive mask ventilation with high gas pressure. However, since this treatment is very restrictive for the patient and is perceived as unpleasant, it is usually poorly tolerated.
Auf eine maschinelle Beatmung, die ein Intubieren zum Einbringen von Gas in die Lunge unter hohem Druck erfordert, wird bei hyperkapnischen Patienten möglichst verzichtet, da auf diese Weise einerseits das CO2 nicht ausreichend entfernt werden kann und andererseits die Beatmung mit beachtlichen Einschränkungen für den Patienten durch die erforderliche Sedierung sowie mit Neben- und Spätwirkungen insbesondere für das Lungengewebe einhergeht.Mechanical ventilation, which requires intubation to introduce gas into the lungs under high pressure, is avoided if possible in hypercapnic patients, since on the one hand the CO2 cannot be sufficiently removed in this way and on the other hand the ventilation is associated with considerable restrictions for the patient due to the required sedation as well as side effects and long-term effects, particularly for the lung tissue.
Als weitere Möglichkeit für eine Behandlung von hyperkapnischen Patienten steht das Verfahren der extrakorporalen Lungenunterstützung (Extracorporeal Lung Support, ECLS) zur Verfügung. Dabei wird Blut in einem extrakorporalen Kreislauf durch eine Gasaustauschvorrichtung, beispielsweise einen Membranoxygenator oder einen Dialysator geleitet. Die Gasaustauschvorrichtung übernimmt die Gasaustauschfunktion der Lunge. Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise eines Membranoxygenators und eines Dialysators sind aus dem Stand der Technik bekannt. Als Spülgas wird Umgebungsluft, reiner Sauerstoff oder ein Gemisch von Luft mit Sauerstoff, Stickstoff und/oder Edelgasen verwendet. Der Anteil der einzelnen Gasbestandteile des Spülgasgemisches kann dabei variieren.Another option for treating hypercapnic patients is the extracorporeal lung support (ECLS) procedure. In this procedure, blood is passed through a gas exchange device, such as a membrane oxygenator or a dialyzer, in an extracorporeal circuit. The gas exchange device takes over the gas exchange function of the lungs. The basic structure and functioning of a membrane oxygenator and a dialyzer are known from the state of the art. Ambient air, pure oxygen or a mixture of air with oxygen, nitrogen and/or noble gases is used as the purge gas. The proportion of the individual gas components of the purge gas mixture can vary.
Die Höhe der Blutflussrate bei einer ECLS-Behandlung bestimmt, ob therapeutisch relevant überwiegend Sauerstoff zugeführt (Extracorporeal Membrane Oxygenation, ECMO) und gleichzeitig Kohlenstoffdioxid entzogen wird oder überwiegend nur Kohlenstoffdioxid entzogen wird (Extracorporeal CO2 Removal, ECCO2R). Üblicherweise sind für eine ECMO hohe Blutflussraten von mehr als 1,5 l/min. erforderlich. Für die Entfernung von überschüssigem CO2 (ECCO2R) ist jedoch ein niedriger Blutfluss ausreichend, dieser kann weniger als 1,5 I /min oder sogar weniger als 500 ml /min betragen, so dass eine Behandlung mit einem kleineren Katheter für den Gefäßzugang als bei der ECMO, beispielsweise wie er auch für die Dialyse verwendet wird (z.B. Shaldon Katheter, 11-13,5 Fr), durchgeführt werden kann. Auch die Menge des verwendeten Antikoagulationsmittels, wie beispielsweise Heparin oder Citrat, ist bei dieser Behandlung geringer. Vorteilhafterweise kann der hyperkapnische Patient mit einer ECCO2R-Behandlung „minimalinvasiv“ aber dennoch effektiv behandelt werden.The level of blood flow rate during ECLS treatment determines whether therapeutically relevant oxygen is predominantly supplied (extracorporeal membrane oxygenation, ECMO) and carbon dioxide is simultaneously removed, or whether carbon dioxide is predominantly removed (extracorporeal CO2 removal, ECCO2R). High blood flow rates of more than 1.5 l/min are usually required for ECMO. However, a low blood flow is sufficient for the removal of excess CO2 (ECCO2R), which can be less than 1.5 l/min or even less than 500 ml/min, so that treatment can be carried out with a smaller catheter for vascular access than with ECMO, for example as used for dialysis (e.g. Shaldon catheter, 11-13.5 Fr). The amount of anticoagulant used, such as heparin or citrate, is also lower with this treatment. Advantageously, the hypercapnic patient can be treated with ECCO2R treatment in a “minimally invasive” but still effective manner.
Bei allen extrakorporalen Blutbehandlungssystemen und insbesondere auch bei Lungenunterstützungsverfahren kommt es jedoch zwangsläufig zu einem Wärmeverlust des Blutes durch eine Wärmestrahlung und -leitung über die Oberfläche des Blutschlauchsystems und des Gehäuses der Behandlungseinheit und insbesondere auch durch eine Wärmeströmung über die Gasaustauschmembran der Behandlungseinheit. Dies führt zu einer unerwünschten Verringerung der Körpertemperatur des Patienten.However, in all extracorporeal blood treatment systems and especially in lung support procedures, there is inevitably a loss of heat from the blood due to heat radiation and conduction across the surface of the blood tubing system and the housing of the treatment unit and in particular due to heat flow across the gas exchange membrane of the treatment unit. This leads to an undesirable reduction in the patient's body temperature.
Daher sind die meisten Oxygenatoren mit einem Wärmetauscher ausgestattet, der beispielsweise durch ein externes Heiz-/Kühlaggregat mit temperiertem Wasser versorgt wird und auf diese Weise dafür sorgt, dass die Bluttemperatur während der Behandlung weitgehend konstant bleibt.Therefore, most oxygenators are equipped with a heat exchanger, which can be heated by an external heating/cooling unit with tempered water, thus ensuring that the blood temperature remains largely constant during the treatment.
Vorrichtungen für die ECCO2R-Behandlung sind jedoch aus Kosten- und Platzgründen in der Regel nicht mit einem Wärmetauscher oder einer alternativen Lösung zur Temperaturregelung ausgestattet. Zwar ist die Blutflussrate bei der ECCO2R-Behandlung niedriger als bei der ECMO-Behandlung, jedoch findet auch bei geringen Blutflüssen ein nicht zu vernachlässigender Wärmeverlust statt.However, due to cost and space constraints, ECCO2R treatment devices are usually not equipped with a heat exchanger or an alternative solution for temperature control. Although the blood flow rate during ECCO2R treatment is lower than during ECMO treatment, a significant amount of heat loss occurs even at low blood flows.
Darüber hinaus ist bei einer ECCO2R-Behandlung das Verhältnis von Spülgasfluss zu Blutfluss mit ca. 15:1 oder 5:1 wesentlich größer als bei einer ECMO-Behandlung, weshalb es zu im Verhältnis sogar stärkeren Wärmeverlusten kommt. Es besteht demnach die Notwendigkeit, den Wärmeverlust des Blutes auch während einer ECCO2R-Behandlung aktiv zu beeinflussen bzw. auszugleichen.In addition, the ratio of purge gas flow to blood flow is significantly higher in ECCO2R treatment at around 15:1 or 5:1 than in ECMO treatment, which is why heat loss is even greater in proportion. It is therefore necessary to actively influence or compensate for the heat loss of the blood during ECCO2R treatment.
Während einer Behandlung müssen daher zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise die Verwendung von Wärmedecken, getroffen werden, um einer Auskühlung des Patienten entgegenzuwirken. Diese Maßnahmen werden jedoch vom Patienten oft als störend empfunden, sind darüber hinaus aufwändig und unterbrechen den Klinikbetrieb.During treatment, additional measures must therefore be taken, such as the use of heated blankets, to prevent the patient from cooling down. However, these measures are often perceived as disturbing by the patient, are also time-consuming and interrupt clinical operations.
Aus dem Stand der Technik sind weitere Faktoren bekannt, die einen Einfluss auf den Wärmeverlust des Blutes haben, wie beispielsweise die Flussrate, die Temperatur und die Feuchtigkeit des während einer ECLS-Behandlung verwendeten Spülgases.Other factors that influence blood heat loss are known from the state of the art, such as the flow rate, temperature and humidity of the purge gas used during ECLS treatment.
Was den Faktor der Flussrate anbelangt, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass der Wärmeverlust mit steigendem Spülgasfluss ansteigt.Regarding the flow rate factor, it is obvious to the skilled person that the heat loss increases with increasing purge gas flow.
Auch ist vorstellbar, dass bei der Verwendung von kaltem Spülgas ein stärkerer Wärmeaustausch zwischen dem wärmeren Blut und kälteren Spülgas stattfindet als bei der Verwendung eines erwärmten Spülgases, denn verschiedene Mechanismen der Wärmeübertragung sorgen dafür, dass es zwischen einem kalten und einem warmen Medium stets zu einem Austausch von Wärme kommt. Bei einem auf Bluttemperatur erwärmten Spülgas ist daher während einer Behandlung kein Austausch von Wärme zwischen Blut und Spülgas zu vermuten.It is also conceivable that when using cold purge gas, a stronger heat exchange takes place between the warmer blood and the colder purge gas than when using a heated purge gas, because various heat transfer mechanisms ensure that there is always an exchange of heat between a cold and a warm medium. When the purge gas is heated to blood temperature, no exchange of heat between the blood and the purge gas is to be expected during treatment.
Es ist darüber hinaus einleuchtend, dass trockenes Spülgas dem Blut vergleichsweise mehr Wärme entzieht als feuchtes Spülgas, denn aufgrund der Dampfdruckdifferenz als treibende Kraft tritt beim Gasaustausch Wasser in Form von Dampf aus dem von Blut durchströmten Bereich des Gasaustauschers über die Membran auf den vom Spülgas durchströmten Bereich des Gasaustauschers über. Der Wasserdampf kondensiert auf der anderen Seite der Membran und wird von dem vorbeistreichenden Spülgas aufgenommen. Dieser Vorgang führt über die Entstehung von „Verdunstungskälte“ zu einem Wärmeverlust.It is also obvious that dry purge gas removes comparatively more heat from the blood than moist purge gas, because due to the difference in vapor pressure as the driving force, water in the form of vapor passes from the area of the gas exchanger through which blood flows, across the membrane to the area of the gas exchanger through which purge gas flows. The water vapor condenses on the other side of the membrane and is absorbed by the purge gas passing by. This process leads to heat loss through the creation of "evaporative cooling."
Aus dem Stand der Technik ist die Anwendung von Maßnahmen, welche die oben genannten Faktoren beeinflussen, bereits bekannt.The application of measures that influence the above-mentioned factors is already known from the state of the art.
So offenbart beispielsweise das europäische Patent
In der US-Patentschrift
Insgesamt kann festgehalten werden, dass sich durch das Verringern des Spülgasflusses oder das Erwärmen oder Befeuchten des Spülgases der bei einer ECLS Behandlung entstehende Wärmeverlust vermindern lässt.Overall, it can be stated that the heat loss resulting from ECLS treatment can be reduced by reducing the purge gas flow or by heating or humidifying the purge gas.
Allerdings hat sich gezeigt, dass bei Anwendung der vorgenannten Maßnahmen der Gasaustausch selbst an Effektivität abnimmt, weil beispielsweise weniger CO2 aus dem Blut entfernt wird. In der Folge muss entweder die Behandlungsfrequenz oder die Behandlungsdauer oder beides erhöht werden, was wiederum zu einer stärkeren Auskühlung des Patienten führt.However, it has been shown that when the above measures are applied, the effectiveness of gas exchange itself decreases because, for example, less CO2 is removed from the blood. As a result, either the frequency or duration of treatment or both must be increased, which in turn leads to the patient cooling down more.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu überwinden, indem eine verbesserte Blutbehandlungsvorrichtung vorgeschlagen wird, die es ermöglicht, die Blutbehandlung derart zu optimieren, dass der Patient einen möglichst geringen Temperaturabfall erleidet, jedoch eine möglichst effektive Behandlung erhält, unerheblich, ob O2 zugeführt und/oder CO2 entfernt wird.The present invention is therefore based on the object of overcoming this disadvantage by proposing an improved blood treatment device which makes it possible to optimize the blood treatment in such a way that the patient suffers as little temperature drop as possible, but receives as effective treatment as possible, regardless of whether O2 is supplied and/or CO2 is removed.
Die erfindungsgemäße Aufgabe kann durch eine Blutbehandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst werden. Die Unteransprüche enthalten zudem jeweils vorteilhafte Ausführungen der Erfindung.The object according to the invention can be achieved by a blood treatment device having the features of
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die erfindungsgemäße Blutbehandlungsvorrichtung zum Gasaustausch über eine Gasaustauscheinheit umfasst eine Pumpeinrichtung für Blut, die das Blut entlang einer Blutleitung im extrakorporalen Kreislauf fördert, Sensoren zur Messung von mindestens zwei Behandlungsparametern, sowie eine Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter.The blood treatment device according to the invention for gas exchange via a gas exchange unit comprises a pumping device for blood, which conveys the blood along a blood line in the extracorporeal circuit, sensors for measuring at least two treatment parameters, and a device for changing at least one flushing gas parameter.
Ferner umfasst die Blutbehandlungsvorrichtung eine Steuereinheit, die mit der Pumpeinrichtung für Blut, den Sensoren zur Messung von mindestens zwei Behandlungsparametern und der Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter verbunden ist. Die Steuereinheit ist derart konfiguriert, dass sie die Einrichtung zur Änderung von zumindest einem Spülgasparameter in Abhängigkeit der mindestens zwei Behandlungsparameter steuert. Die Steuereinheit kann als reine Steuervorrichtung oder als Regelvorrichtung dienen und die Ausführung aller oder im Wesentlichen aller Verfahrensschritte veranlassen.The blood treatment device further comprises a control unit which is connected to the pumping device for blood, the sensors for measuring at least two treatment parameters and the device for changing at least one purge gas parameter. The control unit is configured such that it controls the device for changing at least one purge gas parameter depending on the at least two treatment parameters. The control unit can serve as a pure control device or as a regulating device and can initiate the execution of all or essentially all method steps.
Der Begriff Gasaustausch umfasst die Entfernung von CO2 aus dem extrakorporalen Blutkreislauf oder die Zufuhr von O2 in den extrakorporalen Blutkreislauf oder beides.The term gas exchange includes the removal of CO2 from the extracorporeal bloodstream or the addition of O2 to the extracorporeal bloodstream, or both.
Die Gasaustauscheinheit besteht aus einem Gehäuse, welches Hohlfaserbündel enthält. Die Hohlfaserbündel bilden eine semipermeable Membran, welche die Gasaustauscheinheit in zwei Bereiche trennt. So strömt das Blut - zumeist im Gegenstromverfahren - beispielsweise innerhalb der Hohlfasern, das Spülgas außerhalb, oder umgekehrt.The gas exchange unit consists of a housing that contains hollow fiber bundles. The hollow fiber bundles form a semi-permeable membrane that separates the gas exchange unit into two areas. For example, the blood flows - usually in countercurrent - inside the hollow fibers, the flushing gas outside, or vice versa.
Die Gasaustauscheinheit kann ein handelsüblicher Membranoxygenator oder Dialysator sein. Die Hohlfaserbündel der Gasaustauscheinheit bestehen vorzugsweise aus einer hydrophilen, mikroporösen Hohlfaser, beispielsweise aus Polysulfon oder Polyethersulfon, enthaltend einen Anteil an Polyvinylpyrrolidon (PVP). Die Hohlfaser kann auch aus Polymethylpenten (PMP) bestehen, wenn die Geometrie eine Befeuchtung zulässt ohne, dass sich die Membran durch eine Ansammlung von Kleinstwassertropfen verschließt.The gas exchange unit can be a commercially available membrane oxygenator or dialyzer. The hollow fiber bundles of the gas exchange unit preferably consist of a hydrophilic, microporous hollow fiber, for example of polysulfone or polyethersulfone, containing a proportion of polyvinylpyrrolidone (PVP). The hollow fiber can also consist of polymethylpentene (PMP) if the geometry allows humidification without the membrane becoming closed by an accumulation of tiny water droplets.
Unter den Begriff Behandlungsparameter fallen beispielsweise die Patiententemperatur, der Kohlenstoffdioxidpartialdruck (pCO2) oder die Blutflussrate. Die Patiententemperatur kann mittels eines geeigneten Sensors entweder in der Blutleitung oder direkt am Patienten gemessen werden oder auch über eine Datenschnittstelle zum Klinikdatensystem eingelesen werden. Der pCO2, der die Menge des im arteriellen Blut gelösten CO2 widerspiegelt, kann mittels eines geeigneten Sensors vorzugsweise stromab der Gasaustauscheinheit im Spülgas, oder im Blut, beispielsweise mittels einer Blutgasanalyse, gemessen werden. Die Blutflussrate kann über einen in der Pumpeinrichtung für Blut integrierten Sensor oder über einen Flusssensor, der sich in der arteriellen oder venösen Leitung im extrakorporalen Blutkreislauf befindet, gemessen werden.The term treatment parameters includes, for example, the patient temperature, the carbon dioxide partial pressure (pCO2) or the blood flow rate. The patient temperature can be measured using a suitable sensor either in the blood line or directly on the patient, or it can be read in via a data interface to the clinical data system. The pCO2, which reflects the amount of CO2 dissolved in the arterial blood, can be measured using a suitable sensor, preferably downstream of the gas exchange unit in the flushing gas, or in the blood, for example using a blood gas analysis. The blood flow rate can be measured using a sensor integrated in the blood pumping device or using a flow sensor located in the arterial or venous line in the extracorporeal blood circuit.
Die Spülgasparameter umfassen die Temperatur, die Feuchtigkeit oder die Flussrate des Spülgases. Auch diese Parameter können über geeignete Sensoren, die sich in der Spülgasleitung, und dort vorteilhafterweise stromauf des Gasaustauschers, befinden, gemessen werden.The purge gas parameters include the temperature, humidity or flow rate of the purge gas. These parameters can also be measured using suitable sensors located in the purge gas line, preferably upstream of the gas exchanger.
Die Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter kann eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Spülgases oder eine Befeuchtungseinrichtung zum Befeuchten des Spülgases oder eine Pumpeinrichtung sein, die das Spülgas entlang der Spülgasleitung fördert. Die Pumpeinrichtung kann aus einem oder mehreren aktiven Elementen zur Erzeugung eines Flusses bestehen, wie beispielsweise einer Pumpe. Sie kann jedoch auch ein passives Element sein oder mit diesem verbunden sein, durch welches der Fluss festgelegt oder einstellbar ist, wie beispielsweise eine Drossel oder ein Ventil.The device for changing at least one purge gas parameter can be a heating device for heating the purge gas or a humidification device for humidifying the purge gas or a pumping device that conveys the purge gas along the purge gas line. The pumping device can consist of one or more active elements for generating a flow, such as a pump. However, it can also be or be connected to a passive element by which the flow is fixed or adjustable, such as a throttle or a valve.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuereinheit mit einem Benutzereingabemodul (User Interface) für die Eingabe und/oder Speicherung wenigstens eines Behandlungszieles verbunden. Der Benutzer kann somit unter Berücksichtigung der konträren Ziele eines minimalen Wärmeverlustes bei einer maximalen CO2-Entfernung ein individuelles Behandlungsziel auswählen und/oder den Behandlungsablauf durch Eingabe von Parametern beeinflussen.In some embodiments, the control unit is connected to a user input module (user interface) for entering and/or storing at least one treatment goal. The user can thus select an individual treatment goal and/or influence the treatment process by entering parameters, taking into account the contradictory goals of minimal heat loss and maximum CO2 removal.
Das Benutzereingabemodul kann ferner mit einem Entscheidungsunterstützungssystem (Decision Support System) verbunden sein, welches dem Benutzer situationsangemessen Parameter zur Eingabe vorschlägt. Alternativ oder unterstützend können Parameter aus einem Datenspeichersystem, beispielsweise solche, die aus vorherigen Behandlungen stammen, verwendet werden.The user input module can also be connected to a decision support system, which suggests parameters to the user for input that are appropriate to the situation. Alternatively or in support, parameters from a data storage system, for example those from previous treatments, can be used.
Alternativ oder zusätzlich ist die Anwendung eines Skripts denkbar, also eines Quelltextes, der eine Liste von Befehlen enthält und basierend auf den erfassten Werten für die Patiententemperatur und den pCO2 automatisiert einen Behandlungsmodus mit einem minimalen Wärmeverlust und einer maximalen CO2-Entfernung vorgibt.Alternatively or additionally, the use of a script is conceivable, i.e. a source text that contains a list of commands and, based on the recorded values for the patient temperature and pCO2, automatically specifies a treatment mode with minimal heat loss and maximum CO2 removal.
In manchen Ausführungsformen ist die Blutbehandlungsvorrichtung über ein Schlauchset mit dem Patienten und der Gasaustauscheinheit verbunden. Sie kann auch mit mindestens einer weiteren Blutbehandlungseinheit verbunden sein, mit welcher in einem gemeinsamen extrakorporalen Blutkreislauf auf das Blut eingewirkt werden kann. Die Wirkung kann dabei eine mechanische, chemische, physikalische oder sonstige Wirkung sein. Eine solche Kombinationstherapie kommt vor allem dann zur Anwendung, wenn die Behandlungstechniken vorteilhafte Synergien aufweisen. Die weitere Blutbehandlungseinheit kann beispielsweise ein Dialysator zur Nierenersatztherapie, eine Adsorberkartusche zur therapeutischen Apherese oder auch eine diagnostische Einheit sein, welche verschiedene Parameter des Bluts bestimmen kann zur Feststellung von pathologischen Veränderungen des Bluts. Auf diese Weise kann gleichzeitig eine ECMO- oder ECCO2R-Behandlung beispielsweise mit einer Dialyse- und/oder Adsorptionsbehandlung kombiniert werden. Die Behandlungseinheiten sind in beliebiger Reihenfolge beispielsweise als serielle Anordnung kombinierbar.In some embodiments, the blood treatment device is connected to the patient and the gas exchange unit via a tube set. It can also be connected to at least one other blood treatment unit, with which the blood can be influenced in a common extracorporeal blood circuit. The effect can be a mechanical, chemical, physical or other effect. Such a combination therapy is used primarily when the treatment techniques have advantageous synergies. The additional blood treatment unit can, for example, be a dialyzer for renal replacement therapy, an adsorber cartridge for therapeutic apheresis or a diagnostic unit that can determine various parameters of the blood to determine pathological changes in the blood. In this way, an ECMO or ECCO2R treatment can be combined with a dialysis and/or adsorption treatment at the same time, for example. The treatment units can be combined in any order, for example as a serial arrangement.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Blutbehandlungsvorrichtung zusätzlich zur Gasaustauscheinheit eine mechanische Beatmungseinheit umfassen, die den 02- und CO2-Austausch unterstützt. Eine mechanische Beatmung kann entweder nicht-invasiv über eine Maske oder invasiv über einen Endotrachealtubus, der durch die Nase oder den Mund eingeführt wird, bzw. über eine Trachealkanüle, die über ein Stoma in die Luftröhre eingeführt wird, erfolgen. Die Steuereinheit ist derart konfiguriert, dass sie auch die mechanische Beatmungseinheit in Abhängigkeit der mindestens zwei Behandlungsparameter steuert.In a further embodiment, the blood treatment device can comprise, in addition to the gas exchange unit, a mechanical ventilation unit that supports the O2 and CO2 exchange. Mechanical ventilation can be carried out either non-invasively via a mask or invasively via an endotracheal tube that is inserted through the nose or mouth, or via a tracheostomy tube that is inserted into the trachea via a stoma. The control unit is configured such that it also controls the mechanical ventilation unit depending on the at least two treatment parameters.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Wesentlichen oder vollständig von der Steuereinheit ausgeführt werden, insbesondere können jene Schritte von der Steuereinheit ausgeführt werden, welche ein menschliches Zutun und/oder ein Bereitstellen nicht erfordern oder betreffen.The method according to the invention can be carried out essentially or completely by the control unit; in particular, those steps which do not require or involve human intervention and/or provision can be carried out by the control unit.
Bei dem Verfahren zur Steuerung der Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter und/oder der mechanischen Beatmungseinheit werden zunächst die Behandlungsparameter, d.h. die Patiententemperatur und/oder der pCO2 und/oder die Blutflussrate durch die Sensoren erfasst und an die Steuereinheit übermittelt. Ein oder mehrere Behandlungsparameter können über die Benutzerschnittstelle eingegeben werden oder voreingestellt sein.In the method for controlling the device for changing at least one purge gas parameter and/or the mechanical ventilation unit, the treatment parameters, i.e. the patient temperature and/or the pCO2 and/or the blood flow rate, are first recorded by the sensors and transmitted to the control unit. One or more treatment parameters can be entered via the user interface or can be preset.
Die Steuereinheit führt ein Abgleich der erfassten Behandlungsparameter (Istwerte) mit durch den Benutzer eingegebenen und/oder mit voreingestellten Werten (Sollwerte) durch und berechnet Stellgrößen zur Konfigurierung der Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter.The control unit compares the recorded treatment parameters (actual values) with values entered by the user and/or with preset values (setpoints) and calculates control variables for configuring the device to change at least one purge gas parameter.
Basierend auf den berechneten Werten steuert die Steuereinheit die Heiz-, Befeuchtungs- und/oder die Pumpeinrichtung, so dass das Spülgas erwärmt und/oder befeuchtet wird und/oder die Flussrate des Spülgases erhöht oder erniedrigt wird.Based on the calculated values, the control unit controls the heating, humidification and/or pumping device so that the purge gas is heated and/or humidified and/or the flow rate of the purge gas is increased or decreased.
Es ist außerdem vorstellbar, anhand des erfassten pCO2 eine Berechnung und/oder Bilanzierung der Gesamtmenge des entfernten CO2 durchzuführen. Unter der Annahme, dass der Gehalt an CO2 am Eingang des Spülgases gleich oder nahezu gleich Null ist, erfolgt eine Multiplikation von Gehalt CO2 in Prozent mit der Flussrate des Spülgases.It is also conceivable to calculate and/or balance the total amount of CO2 removed based on the pCO2 measured. Assuming that the CO2 content at the purge gas inlet is equal to or almost equal to zero, the CO2 content in percent is multiplied by the purge gas flow rate.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten bezeichnen, exemplarisch erläutert. Es gilt:
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1 zeigt ein Verfahrensbild der erfindungsgemäßen Blutbehandlungsvorrichtung in einer vereinfachten Darstellung -
2 zeigt eine CO2-Entfernungskurve in Abhängigkeit des Spülgasflusses -
3 zeigt den Kohlenstoffdioxidpartialdruck bei verschiedenen Konditionierungen des Spülgases über die Zeit -
4 zeigt die erfindungsgemäße Behandlungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung -
5 zeigt die Bluttemperatur bei verschiedenen Konditionierungen des Spülgases
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1 shows a process diagram of the blood treatment device according to the invention in a simplified representation -
2 shows a CO2 removal curve depending on the purge gas flow -
3 shows the carbon dioxide partial pressure for different purge gas conditioning over time -
4 shows the treatment device according to the invention in a schematic representation -
5 shows the blood temperature under different purge gas conditioning conditions
Die arterielle und die venöse Blutleitung 201 und 202 weisen optional eine arterielle 203 und eine venöse Klemme 204 auf, mit Hilfe derer die jeweilige Blutleitung geschlossen werden kann.The arterial and
Die Blutbehandlungsvorrichtung 100 umfasst eine Pumpeinrichtung für Blut 101, die das Blut entlang der arteriellen Blutleitung 201 in Richtung zur Gasaustauscheinheit 300 und entlang der venösen Blutleitung 202 zurück zum Patienten fördert. Die Pumpeinrichtung für Blut 101 kann beispielsweise eine Membranpumpe und vorzugsweise eine okkludierende Pumpe, wie beispielsweise eine Rollenpumpe, sein. Bei der Rückführung kann das Blut eine venöse Blutkammer 205, die optional eine Entlüftungseinrichtung 206 aufweist, durchströmen. Die Pumpeinrichtung für Blut 101 kann auch mit einer Drossel oder ein Ventil zur Einstellung des Flusses verbunden sein.The
Die Gasaustauscheinheit 300 besitzt einen Spülgaseinlass 301 und einen Spülgasauslass 302. Sie kann als Gasaustauscher, Membranoxygenator, CO2-Entferner (z.B. multiECCO2R der Firma EUROSETS S.r.l., Medolla (MO), Italien) oder Dialysator ausgebildet sein. Die Gasaustauscheinheit 300 ist durch Hohlfaserbündel, die zusammen eine semipermeable Membran bilden, in einen von Blut durchströmten und einen von Spülgas durchströmten Bereich getrennt (hier nicht gezeigt). In der Gasaustauscheinheit 300 findet eine Entfernung von CO2 aus dem oder die Zufuhr von O2 in den extrakorporalen Blutkreislauf 200 oder beides statt. Die Membran kann mit Silikon oder einer Silikonlösung beschichtet sein, wobei vorzugsweise die Blutseite der Hohlfasern beschichtet ist.The
Stromab der Pumpeinrichtung für Blut 101, jedoch stromauf der Gasaustauscheinheit 300 kann eine Zugabestelle 207 für ein Fluid, wie beispielsweise eine Substitutionslösung, Medikamente oder ein die Blutgerinnung hemmendes Antikoagulans, vorgesehen sein. Das Antikoagulans ist vorzugsweise ein systemisch wirkendes Antikoagulans wie beispielsweise Heparin, kann aber auch ein lokal wirksames Antikoagulans, wie beispielsweise Citrat, sein.An
Weiterhin können im extrakorporalen Kreislauf 200 Drucksensoren vorgesehen sein, beispielsweise wie in der vereinfachten Darstellung angedeutet, ein arterieller Drucksensor PS1, der den Druck in der arteriellen Blutleitung 201 stromauf der Pumpeinrichtung für Blut 101 misst, ein arterieller Drucksensor PS2, der den Druck in der arteriellen Blutleitung 201 stromab der Pumpeinrichtung für Blut 101 und stromauf der Gasaustauscheinheit 300 misst und ein venöser Drucksensor PS3, der den Druck in der venösen Blutleitung 202 stromab der Gasaustauscheinheit 300 misst.Furthermore, pressure sensors can be provided in the
In der venösen Blutleitung 202 stromab der Gasaustauscheinheit 300 befindet sich außerdem ein Temperatursensor TS, der die Temperatur des Blutes als einen Behandlungsparameter misst. Alternativ oder zusätzlich kann ein Temperatursensor auch direkt am Patienten vorgesehen sein, wobei auf der Basis der dort gemessenen Werte auf die Temperatur des Blutes geschlossen werden kann.In the
Darüber hinaus kann mindestens ein Sensor zur Messung der Blutflussrate im extrakorporalen Kreislauf in einer Blutleitung (201, 202) stromauf und/oder stromab des Gasaustauschers 300 vorgesehen oder in die Pumpeinrichtung für Blut (101) integriert sein (hier nicht gezeigt).In addition, at least one sensor for measuring the blood flow rate in the extracorporeal circuit can be provided in a blood line (201, 202) upstream and/or downstream of the
Neben der Gasaustauscheinheit 300 kann die Blutbehandlungsvorrichtung 100 auch eine oder mehrere weitere Blutbehandlungseinheiten umfassen, wie beispielsweise einen Dialysator, eine Adsorberkartusche oder eine diagnostische Einheit (hier nicht gezeigt). Auf diese Weise können mehrere Behandlungstechniken miteinander kombiniert werden.In addition to the
Die Gasaustauscheinheit 300 ist einerseits über einen Spülgaseinlass 301 und einen Spülgasauslass 302 mit dem Spülgaskreislauf 400 und andererseits über einen Blutleinlass 303 beziehungsweise -auslass 304 mit dem extrakorporalen Blutkreislauf 200 verbunden.The
Das Gas strömt aus einer Spülgasquelle 401 über einen ersten Leitungsabschnitt für die Spülgaszufuhr 402 in die Gasaustauscheinheit 300 hinein und über einen zweiten Leitungsabschnitt für die Spülgaszufuhr 403 aus dieser heraus.The gas flows from a
Der zweite Leitungsabschnitt für die Spülgaszufuhr 403 kann einen Sensor PS4 zur Messung des Kohlenstoffdioxidpartialdrucks (pCO2) und/oder zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks (pO2) aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann ein solcher Sensor auch in der venösen Blutleitung 202 stromab der Gasaustauscheinheit 300 vorgesehen sein (hier nicht gezeigt). Die Messung des pCO2 oder pO2 kann jedoch anstatt mittels des Sensors PS4 auch über eine Blutgasanalyse, bei der eine Blutprobe an einer dafür vorgesehenen Entnahmestelle aus dem extrakorporalen Kreislauf 200 entnommen wird, erfolgen.The second line section for the
Der Spülgaskreislauf 400 kann aus einem Schlauchset bestehen, welches aus hygienischen Gründen als medizinischer Wegwerfartikel (Disposable) ausgebildet sein kann.The
Der Spülgaskreislauf 400 weist ferner eine Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter 404 auf. Diese beinhaltet eine Spülgaspumpe 405 oder alternativ einen beispielsweise drosselbasierten Flussregler, die das Spülgas aus der Spülgasquelle 401, welche frisches Spülgas, bestehend aus Raumluft, Sauerstoff oder einer Mischung aus Sauerstoff und anderen Gasen, wie beispielsweise Edelgase oder Stickstoff, herstellt oder bereitstellt, entlang des ersten Leitungsabschnitts für Spülgas 402 über den Spülgaseinlass 301 in die Gasaustauscheinheit 300 hinein- und entlang des zweiten Leitungsabschnitts für Spülgas 403 über den Spülgasauslass 302 wieder herausfördert. Die Spülgasquelle 401 kann das Spülgas in einem Behältnis, wie beispielsweise einer Gasflasche bereitstellen oder mit einer Gasleitung verbunden sein, aus der kontinuierlich Spülgas zugeführt wird. Bei der Verwendung von Raumluft kann die Spülgasquelle 401 einen Partikelfilter aufweisen oder mit diesem verbunden sein, um möglichst von schädlichen Partikeln, wie beispielsweise Staub, befreites Spülgas bereitzustellen.The
Die Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter 404 beinhaltet weiterhin optional eine Heizeinrichtung 406 zur Erwärmung des Spülgases (beispielsweise ProLUNG Meter der Firma ESTOR, welches das Spülgas erwärmt und gleichzeitig den Spülgasfluss steuert) sowie optional eine Befeuchtungseinrichtung 407 (z.B. Bennet Cascade Humidifier der Firma Robin Medical Ltd. oder Atemgasbefeuchter und -erwärmer Aircon der Firma WILAmed) zur Befeuchtung des Spülgases.The device for changing at least one
Der Spülgaskreislauf 400 kann, vorzugsweise stromauf der Gasaustauscheinheit 300, Sensoren zur Feststellung von Spülgasparametern, wie beispielsweise der Spülgastemperatur, Spülgasfeuchte und Spülgasflussrate aufweisen (hier nicht gezeigt).The
Die Blutbehandlungsvorrichtung 100 umfasst ferner eine Steuereinheit 500, die konfiguriert ist, die Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter 404 zu regeln oder zu steuern. Hierzu kann sie mit jeder der vorher genannten Komponenten, insbesondere mit der Pumpeinrichtung für Blut 101, dem Temperatursensor TS, dem Sensor PS 1 und/ oder PS2 zur Messung des pCO2 und/oder pO2, der Spülgasquelle 401, und mit den einzelnen Komponenten der Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter 404 in kabelgebundener oder kabelloser Signalverbindung stehen.The
Dabei ist die Steuereinheit 500 ausgebildet, die Spülgaspumpe 405 mit elektrischer Leistung zu betreiben, um die Flussrate des Spülgases zu regulieren. Die Steuereinheit 500 ist ferner ausgebildet, die Heizeinrichtung 406 und Befeuchtungseinrichtung 407 mit elektrischer Leistung zu betreiben, um die um die Temperatur und die Feuchtigkeit des Spülgases zu regulieren.The
Mittels der Geräteelektronik kann die Leistung der Spülgaspumpe 405, der Heizeinrichtung 406 oder der Befeuchtungseinrichtung 407 in Abhängigkeit von einem oder mehreren durch den oder die Sensoren erfassten Werten gesteuert, geregelt, gespeichert und/oder angezeigt werden.By means of the device electronics, the performance of the purge gas pump 405, the
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so im Wesentlichen oder vollständig von der Steuereinheit 500 ausgeführt werden, insbesondere können jene Schritte von der Steuereinheit ausgeführt werden, welche ein menschliches Zutun und/oder ein Bereitstellen nicht erfordern oder betreffen.The method according to the invention can thus be carried out essentially or completely by the
In einer weiteren Ausführungsform kann die Blutbehandlungsvorrichtung 100 zusätzlich eine mechanische Beatmungseinheit 600 umfassen, mit welcher ebenfalls ein CO2- und O2-Austausch durchgeführt werden kann. Eine mechanische Beatmung kann entweder nicht-invasiv mittels eines Helmes oder einer Maske 601 oder invasiv mittels eines Endotrachealtubus 602, der über Nase oder Mund eingeführt wird, bzw. über eine Trachealkanüle, die über ein Stoma in die Luftröhre eingeführt wird, erfolgen (in
Bei dem Verfahren zur Steuerung der Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter 404 und/oder der mechanischen Beatmungseinheit 600 werden zunächst zumindest Werte für die Behandlungsparameter, wie beispielsweise die Patiententemperatur und/oder den pCO2 und/oder die Flussrate durch die Sensoren erfasst (Istwerte) und an die Steuereinheit 500 übermittelt.In the method for controlling the device for changing at least one
Die Steuereinheit 500 führt einen Abgleich der erfassten Werte mit den durch den Benutzer eingegebenen und/oder mit voreingestellten Werten (Sollwerte) durch und berechnet Stellgrößen für die Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter.The
Basierend auf den berechneten Stellgrößen steuert die Steuereinheit 500 die Spülgaspumpe 405 und/oder die Heizeinrichtung 406 und/oder die Befeuchtungseinrichtung 407 derart, dass die Flussrate des Spülgases erhöht oder erniedrigt wird und/oder das Spülgas erwärmt und/oder befeuchtet wird. Die Spülgaspumpe 405, die Heizeinrichtung 406 und die Befeuchtungseinrichtung 407 sind hierbei unabhängig voneinander aktivierbar oder deaktivierbar.Based on the calculated control variables, the
Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen näher ausgeführt werden.In the following, the method according to the invention will be explained in more detail using exemplary embodiments.
Wie anfangs ausgeführt, sind die Flussrate, die Temperatur und die Feuchtigkeit des während einer ECLS-Behandlung verwendeten Spülgases Faktoren, welche einen Einfluss sowohl auf die CO2-Entfernungsrate als auch auf den Wärmeverlust des Blutes haben.As stated initially, the flow rate, temperature and humidity of the purge gas used during ECLS treatment are factors that influence both the CO2 removal rate and the heat loss from the blood.
Beispielsweise bewirkt eine hohe Spülgasflussrate eine hohe Entfernung von CO2. Jedoch erhöht sich mit steigender Spülgasflussrate auch der Wärmeverlust, dieser erfährt sogar eine proportionale Steigerung.For example, a high purge gas flow rate results in a high removal of CO2. However, as the purge gas flow rate increases, the heat loss also increases, and even increases proportionally.
Es ist daher wünschenswert, die Behandlungsparameter derart zu steuern, dass diese an den Zustand des Patienten und Behandlungsstatus angepasst und für das Behandlungsziel optimal eingestellt sind.It is therefore desirable to control the treatment parameters in such a way that they are adapted to the patient's condition and treatment status and are optimally adjusted for the treatment goal.
Bei einem Verhältnis von Spülgasfluss zu Blutfluss von 15:1, also beispielsweise einem Blutfluss von 0,5 l/min und einem maximalen Spülgasfluss von 7,5 l/min, ist die CO2-Entfernungsrate am größten. Für das Behandlungsziel der maximalen CO2-Entfernung ist die Einstellung mit einem Verhältnis von Spülgasfluss zu Blutfluss von 15:1 optimal.The CO2 removal rate is greatest at a purge gas flow to blood flow ratio of 15:1, for example a blood flow of 0.5 l/min and a maximum purge gas flow of 7.5 l/min. For the treatment goal of maximum CO2 removal, the setting with a purge gas flow to blood flow ratio of 15:1 is optimal.
Wird die Spülgasflussrate reduziert und damit gleichzeitig das Verhältnis von Spülgasfluss zu Blutfluss geändert, verringert sich der Wärmeverlust, aber auch die Menge des entfernten CO2.If the purge gas flow rate is reduced and thus the ratio of purge gas flow to blood flow is changed, the heat loss is reduced, but also the amount of CO2 removed.
Bei einem Verhältnis von Spülgasfluss zu Blutfluss von 5:1, also beispielsweise einem Blutfluss von 0,5 l/min und einem Spülgasfluss von 2,5 l/min, verringert sich die CO2 Entfernung um nur 10%. Bei einer weiteren Verringerung des Spülgasflusses wird die Kurve steiler, was bedeutet, dass die CO2-Entfernungsrate stärker abnimmt. Für das Behandlungsziel des minimalen Wärmeverlustes ist daher die Einstellung mit einem Verhältnis von Spülgasfluss zu Blutfluss von 5:1 optimal.With a purge gas flow to blood flow ratio of 5:1, for example a blood flow of 0.5 l/min and a purge gas flow of 2.5 l/min, the CO2 removal is reduced by only 10%. If the purge gas flow is further reduced, the curve becomes steeper, which means that the CO2 removal rate decreases more. For the treatment goal of minimal heat loss, a setting with a purge gas flow to blood flow ratio of 5:1 is therefore optimal.
Wie bereits vorstehend beschrieben, haben auch die Spülgastemperatur und - feuchte einen Einfluss auf die Höhe des Wärmeverlustes des Patienten.As already described above, the purge gas temperature and humidity also influence the amount of heat lost by the patient.
Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass kaltes und zugleich trockenes Spülgas (in der Abbildung als gepunktete Linie dargestellt) im Vergleich die höchste CO2-Entfernungsrate besitzt.From the figure it can be seen that cold and dry purge gas (shown as a dotted line in the figure) has the highest CO2 removal rate in comparison.
Kaltes und trockenes Spülgas verursacht jedoch auch den höchsten Wärmeverlust. Durch Erwärmen und Befeuchten des Spülgases verringert sich der Wärmeverlust, gleichzeitig sinkt wiederum die CO2-Entfernungsrate.However, cold and dry purge gas also causes the highest heat loss. By warming and humidifying the purge gas, the heat loss is reduced, while at the same time the CO2 removal rate is reduced.
Die CO2-Entfernungsrate verringert sich jedoch nicht proportional: durch Erwärmen des Spülgases (in der
In einer weiteren Ausführungsform kann eine Berechnung und/oder Bilanzierung der Gesamtmenge des entfernten CO2 basierend auf dem erfassten pCO2 erfolgen.In a further embodiment, a calculation and/or accounting of the total amount of CO2 removed may be performed based on the detected pCO2.
Die Berechnung kann beispielsweise durch Multiplikation der CO2-Konzentration im ausströmenden Spülgas (z.B. in %) mit der Spülgasflussrate (ml/min) erfolgen.The calculation can be done, for example, by multiplying the CO2 concentration in the outflowing purge gas (e.g. in %) by the purge gas flow rate (ml/min).
Handelsübliche pCO2-Sensoren berücksichtigen dabei auch bereits die Feuchte der gemessenen Luft. Dabei wird angenommen, dass die CO2 Konzentration des Spülgases gleich Null ist, oder wenigstens bekannt und nahe Null wie bei Luft.Commercially available pCO2 sensors also take the humidity of the measured air into account. It is assumed that the CO2 concentration of the purge gas is zero, or at least known and close to zero, as is the case with air.
In einer weiteren Ausführungsform kann bei einer gleichzeitig stattfindenden mechanischen Beatmung über eine elektronische Schnittstelle die CO2 Gesamtentfernungsrate durch die Steuervorrichtung berechnet werden. Die Berechnung erfolgt durch Addition der Entfernungsrate der natürlichen Lunge aus dem Beatmungsgerät und der Entfernungsrate der Membranlunge.In a further embodiment, the total CO2 removal rate can be calculated by the control device via an electronic interface when mechanical ventilation is taking place at the same time. The calculation is carried out by adding the removal rate of the natural lung from the ventilator and the removal rate of the membrane lung.
Mittels eines zusätzlichen CO2-Sensors am Ausgang der nichtinvasiven (Masken-) Beatmungseinheit ist zusammen mit der Spülgasflussrate O(CO2-Anteil im Spülgas multipliziert mit der Flussrate des Spülgases) die Bildung einer Gesamtbilanz für entferntes CO2 analog zu einer mechanischen Beatmungsvorrichtung möglich. Dabei werden die die beiden ermittelten Entfernungsraten (natürliche Lunge und Membranlunge) addiert.By means of an additional CO2 sensor at the outlet of the non-invasive (mask) ventilation unit, together with the purge gas flow rate O(CO2 content in the purge gas multiplied by the flow rate of the purge gas), it is possible to create an overall balance for removed CO2 analogous to a mechanical ventilation device. both determined removal rates (natural lung and membrane lung) are added.
Was bezüglich der einzelnen Komponenten zu
So zeigt
Die Hard- und Softwareeinheit 700 kann beispielsweise eine Benutzeroberfläche (User Interface) 701 aufweisen.The hardware and
Die Benutzeroberfläche 701 kann beispielsweise als graphische Benutzeroberfläche ausgebildet sein. Über eine Tastatur, eine Maus oder einen Berührungseingabebildschirm (Touch Screen) kann der Benutzer ein Behandlungsziel auswählen oder ändern.The
Erfindungsgemäß erfolgt die Auswahl des Behandlungsziels hinsichtlich der konträren Ziele Maximierung der CO2-Entfernung und Minimierung des Wärmeverlusts bei unterschiedlichen Einstellungen der Spülgasparameter.According to the invention, the treatment objective is selected with regard to the contradictory objectives of maximizing CO2 removal and minimizing heat loss at different settings of the purge gas parameters.
Anhand der Vorgabe des Benutzers B für ein Behandlungsziel führt die Steuereinheit 500 vorbestimmte Vorgänge einzeln oder in Kombination aus. Eine Eingabe auf der Benutzeroberfläche 701 durch den Benutzer kann beispielsweise eine Änderung der Spülgastemperatur, der Spülgasfeuchte und der Spülgasflussrate jeweils einzeln oder in Kombination auslösen.Based on the user B's specification for a treatment goal, the
Auf diese Weise kann die Blutbehandlungsvorrichtung 100 je nach Zielvorgabe des Benutzers über eine Steuerung der Einrichtung zur Änderung von mindestens einem Spülgasparameter 404 durch die Steuereinheit 500 basierend auf dem eingegebenen Behandlungsziel und in Abhängigkeit der mindestens zwei Behandlungsparameter pCO2 und/oder Bluttemperatur und/oder Blutflussrate auf das jeweilige Behandlungsziel eingestellt werden.In this way, the
Alternativ oder zusätzlich kann die Zielvorgabe auch automatisiert durch ein Skript 704 bzw. durch den automatisierten Ablauf verschiedener vorgegebener Schritte erfolgen.Alternatively or additionally, the target setting can also be automated by a
Alternativ oder zusätzlich kann die Zielvorgabe auch aus einem datenbasierten Entscheidungsunterstützungssystem (Decision Support System) 702 stammen, das Daten aus mindestens einer Datenquelle 703, wie beispielsweise einem Klinikdatensystem, berücksichtigt und diese dem Benutzer B zur Auswahl für die Zielvorgabe vorschlägt. Dabei können die Daten beispielsweise ein physiologischer Parameter oder ein Sollwert für Spülgas- oder Behandlungsparameter sein.Alternatively or additionally, the target specification can also originate from a data-based
Nach Bestätigung oder Änderung dieser Zielvorgabe werden die Daten an die Steuereinheit 500 übermittelt. Letztere löst eine jeweils unterschiedliche Kombination der Spülgasflussrate und/oder Spülgastemperatur und/oder Spülgasfeuchte aus.After confirmation or modification of this target, the data is transmitted to the
Dabei sind mindestens 33 Kombinationen denkbar, unter Verwendung einzelner Abstufungen der Erwärmung, Befeuchtung und Flussrate sogar wesentlich mehr. At least 3 combinations are conceivable, and even more using individual gradations of heating, humidification and flow rate.
Hierbei sind einige Kombinationen möglicherweise häufiger, andere jedoch eher seltener. Beispielsweise wird aufgrund des höheren Aufwands eine Befeuchtung in der Regel nur kombiniert mit einer Erwärmung des Spülgases erfolgen. Umgekehrt kann eine Erwärmung des Spülgases zwar auch ohne Befeuchtung zu einer Reduzierung des Temperaturverlustes beisteuern, gemäß der Enthalpie von Gasen führt die bloße Erwärmung eines Gases jedoch lediglich zu einem geringen Anstieg des spezifischen Wärmegehalts. Eine zusätzliche Befeuchtung erhöht die Enthalpie sprunghaft.Some combinations may be more common, but others are less common. For example, due to the higher effort involved, humidification is usually only carried out in combination with heating of the purge gas. Conversely, heating the purge gas can help reduce temperature loss even without humidification, but according to the enthalpy of gases, simply heating a gas only leads to a small increase in the specific heat content. Additional humidification increases the enthalpy dramatically.
Beispielsweise steigt der spezifische Wärmegehalt bei einer Erwärmung eines zunächst trockenen Spülgases von 20° Celsius (10% relative Feuchte) auf 37° Celsius (5% relative Feuchte) von 23,8 kJ pro kg trockene Luft auf 42,2 kJ pro kg trockene Luft. Wird das Spülgas mit der Erwärmung gleichzeitig befeuchtet, steigt der spezifische Wärmegehalt auf 142,8 kJ pro kg trockene Luft.For example, when an initially dry purge gas is heated from 20° Celsius (10% relative humidity) to 37° Celsius (5% relative humidity), the specific heat content increases from 23.8 kJ per kg of dry air to 42.2 kJ per kg of dry air. If the purge gas is humidified at the same time as it is heated, the specific heat content increases to 142.8 kJ per kg of dry air.
Dies macht deutlich, dass der größere Anteil der Erwärmung durch eine Befeuchtung des Spülgases vor dem Gasaustauscher bewirkt wird, denn letzteres verringert maßgeblich die Dampfdruckdifferenz über die Membran als treibende Kraft für den Übertritt des Wasserdampfs, was die an der Membran verdunstende Wassermenge und damit den Wärmeverlust (Verdunstungskälte) reduziert.This makes it clear that the greater part of the heating is caused by humidification of the purge gas before the gas exchanger, because the latter significantly reduces the vapor pressure difference across the membrane as the driving force for the transfer of water vapor, which reduces the The amount of water evaporating and thus the heat loss (evaporative cooling) is reduced.
Als schwarze, fette Linie ist die Bluttemperatur über eine gewisse Zeitspanne ohne Behandlung dargestellt. Diese liegt relativ gleichbleibend bei 36,5°C.The black, bold line shows the blood temperature over a certain period of time without treatment. It remains relatively constant at 36.5°C.
Als graue, durchgehende Linie ist die Bluttemperatur über eine gewisse Zeitspanne während einer extrakorporalen Behandlung ohne Verwendung eines Spülgases dargestellt. Es ist ein Wärmeverlust von etwa 0,5°C erkennbar, der durch Wärmestrahlung und -leitung über die Oberfläche des extrakorporalen Blutschlauchsystems entsteht.The blood temperature is shown as a gray, continuous line over a certain period of time during an extracorporeal treatment without the use of a purge gas. A heat loss of about 0.5°C can be seen, which is caused by heat radiation and conduction across the surface of the extracorporeal blood tubing system.
Als graue, gestrichelte Linie ist die Bluttemperatur über eine gewisse Zeitspanne während einer ECLS bei Verwendung eines Spülgases bei Raumtemperatur, d.h. ohne eine zusätzliche Erwärmung und Befeuchtung dargestellt. Es ist erkennbar, dass sich die Bluttemperatur zu Beginn der Behandlung mit rund 35,7°C auf einem vergleichsweise niedrigeren Niveau befindet und während der Behandlung weiter abfällt, bis sie sich bei 35,5 einpendelt.The gray, dashed line shows the blood temperature over a certain period of time during ECLS using a flushing gas at room temperature, i.e. without additional heating and humidification. It can be seen that the blood temperature at the beginning of the treatment is at a comparatively lower level of around 35.7°C and continues to fall during the treatment until it levels off at 35.5.
Als schwarze gestrichelte Linie ist die Bluttemperatur über eine gewisse Zeitspanne während einer ECLS unter Verwendung von Spülgas dargestellt, welches lediglich erwärmt, jedoch nicht befeuchtet wird. Es ist erkennbar, dass sich die Bluttemperatur zu Beginn der Behandlung auf einem sehr niedrigen Niveau bei 35,4°C befindet, dann steigt und sich auf ein gleichbleibendes Temperaturniveau bei 35,5°C einpendelt.The black dashed line shows the blood temperature over a certain period of time during ECLS using purge gas, which is only heated but not humidified. It can be seen that the blood temperature is at a very low level of 35.4°C at the beginning of the treatment, then rises and settles at a constant temperature level of 35.5°C.
Als dünne, schwarze Linie ist die Bluttemperatur über eine gewisse Zeitspanne während einer ECLS bei Verwendung von erwärmtem und befeuchtetem Spülgas dargestellt. Zu Beginn der Behandlung befindet sich die Temperatur bei 36°C und ist damit etwas erniedrigt, fällt jedoch nicht weiter ab.The blood temperature over a certain period of time during ECLS using warmed and humidified purge gas is shown as a thin black line. At the beginning of the treatment, the temperature is 36°C and is therefore slightly lower, but does not fall any further.
Zusammenfassend ist erkennbar, dass warmes und befeuchtetes Spülgas eine ähnlich geringe Temperaturerniedrigung verursacht wie ausgeschaltetes Spülgas. Der Einfluss, den die Verwendung von Spülgas auf die Temperatur im Sinne einer Erniedrigung besitzt, kann somit durch Erwärmen und Befeuchten auf nahezu Null reduziert werden.In summary, it can be seen that warm and humidified purge gas causes a similarly small reduction in temperature as purge gas that is switched off. The influence that the use of purge gas has on the temperature in terms of a reduction can therefore be reduced to almost zero by heating and humidifying.
Insgesamt lässt sich sagen, dass bei der Reduzierung des Wärmeverlustes die Steuerung der Spülgasfeuchte eine besondere Relevanz besitzt.Overall, it can be said that controlling the purge gas humidity is particularly relevant for reducing heat loss.
Es ist vorstellbar, dass der Benutzer die Zielvorgabe im Verlauf einer Behandlung ändert. So kann es beispielsweise sinnvoll sein, zu Beginn der Behandlung für eine gewisse Zeitspanne eine schnelle Absenkung des pCO2 im Blut zu erreichen. Im weiteren Verlauf steht dann für eine größere Zeitspanne die Vermeidung des Wärmeverlusts im Vordergrund. Zwischenziele sind ebenfalls denkbar. Über die Benutzeroberfläche kann der Benutzer die geänderte Zielvorgabe eingeben.It is conceivable that the user changes the target during the course of treatment. For example, it may be useful to achieve a rapid reduction in the pCO2 in the blood for a certain period of time at the beginning of the treatment. As the treatment progresses, the focus is then on avoiding heat loss for a longer period of time. Intermediate targets are also conceivable. The user can enter the changed target via the user interface.
Ein Skript mit bewährten Abfolgen von Behandlungsschritten, z.B. schnelles initiales Absenken des Patienten pCO2 und anschließender moderater CO2-Entfernung bei gleichzeitiger Kompensation des Wärmeverlusts durch Erwärmung und Anfeuchtung des Spülgases kann zur Steuerung der Vorrichtung dienen. In Behandlungssituationen, in welchen keine Befeuchtung und Erwärmung zur Verfügung steht, kann an deren Stelle auch die Absenkung des Spülgasflusses treten.A script with proven sequences of treatment steps, e.g. rapid initial lowering of the patient's pCO2 and subsequent moderate CO2 removal while simultaneously compensating for heat loss by heating and humidifying the purge gas, can be used to control the device. In treatment situations in which humidification and heating are not available, lowering the purge gas flow can also be used instead.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- BlutbehandlungsvorrichtungBlood treatment device
- 101101
- Pumpeinrichtung für BlutPumping device for blood
- 200200
- extrakorporaler Blutkreislaufextracorporeal blood circulation
- 201201
- arterielle Blutleitungarterial blood flow
- 202202
- venöse Blutleitungvenous blood supply
- 203203
- arterielle Klemmearterial clamp
- 204204
- venöse Klemmevenous clamp
- 205205
- venöse Blutkammervenous blood chamber
- 206206
- EntlüftungseinrichtungVentilation device
- 207207
- Zugabestelle für ein FluidAddition point for a fluid
- 300300
- GasaustauscheinheitGas exchange unit
- 301301
- SpülgaseinlassPurge gas inlet
- 302302
- SpülgasauslassPurge gas outlet
- 303303
- BluteinlassBlood intake
- 304304
- BlutauslassBlood outlet
- 400400
- SpülgaskreislaufPurge gas circuit
- 401401
- SpülgasquellePurge gas source
- 402402
- erster Leitungsabschnitt für Spülgaszufuhrfirst line section for purge gas supply
- 403403
- zweiter Leitungsabschnitt für Spülgasabfuhrsecond pipe section for purge gas removal
- 404404
- Einrichtung zur Änderung von mindestens einem SpülgasparameterDevice for changing at least one purge gas parameter
- 405405
- SpülgaspumpePurge gas pump
- 406406
- HeizeinrichtungHeating device
- 407407
- BefeuchtungseinrichtungHumidification device
- 500500
- SteuereinheitControl unit
- 600600
- mechanische Beatmungseinheitmechanical ventilation unit
- 601601
- Maskemask
- 602602
- TubusTube
- 700700
- Hard- und SoftwareeinheitHardware and software unit
- 701701
- Benutzeroberflächeuser interface
- 702702
- EntscheidungsunterstützungssystemDecision support system
- 703703
- DatenquelleData Source
- 704704
- Skript Script
- BB
- Benutzeruser
- PP
- Patientpatient
- PS1, PS2PS1, PS2
- arterieller Drucksensorarterial pressure sensor
- PS3PS3
- venöser Drucksensorvenous pressure sensor
- PS4PS4
- Sensor zur Messung des pCO2Sensor for measuring pCO2
- TSTS
- TemperatursensorTemperature sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2736557 B1 [0019]EP 2736557 B1 [0019]
- US 3927981 [0020]US3927981 [0020]
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Also Published As
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| WO2024160560A1 (en) | 2024-08-08 |
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