СПОСОБ ОЧИСТКИ ДИАЛИЗИРУЮЩЕГО РАСТВОРА В АППАРАТАХ "ИСКУССТВЕННАЯ ПОЧКА" И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК A61M1/14 

Изобретение относится к области медицины, в частности, к способам и устройствам детоксикации организма, и может быть использовано для очистки диализирующего раствора в аппаратах "искусственная почка" от различных токсических веществ, таких как мочевина, креатинин, мочевая кислота.

В настоящее время в медицинской практике широко распространен проточный гемодиализ, при котором за один сеанс через диализатор пропускают до 200 л диализирующего раствора, который сливают, что требует большого расхода концентрата диализата и воды. Кроме того, наряду с токсинами, из крови удаляется ряд полезных веществ, что приводит к возникновению различных осложнений и требует последующих дополнительных процедур по корректировке состава крови [1].

Более совершенным является гемодиализ с регенерацией диализирующего раствора в замкнутом контуре [2 и 3].

Наиболее близкими (прототипом) к заявляемым способу и устройству являются электрохимический способ регенерации диализирующего раствора по [2]. Способ заключается в пропускании диализирующего раствора через электролизер, в котором электроокисление органических токсинов осуществляется на титановых электродах с окисноплатиновым покрытием 0,5 - 1 мг/см², и процесс ведут при плотности тока 10^-3 - 10^-2 A/см².

Дезодорацию диализирующего раствора осуществляют на фильтре из платинированного угля.

Способ реализуется в устройстве, состоящем из установленных последовательно в замкнутом контуре узлов: диализатора, насоса электролизера, снабженного блоком питания, очистительного фильтра, газожидкостного сепаратора.

Однако в этом способе и устройстве не учитывается образование побочных продуктов в процессе электролиза и их возможное отрицательное воздействие как на работу аппарата, так и на пациента.

В частности, во время электролиза диализирующего раствора образуется гипохлорит натрия, причем его количество никак не регламентируется. В то же время известно, что попадание гипохлорита натрия в кровь в избыточных количествах может привести к нежелательным последствиям [3]. Гипохлорит натрия в высоких концентрациях может также оказывать разрушающее воздействие на конструктивные элементы в циркуляционном контуре устройства. Кроме того, в способе не учитывается изменение pH диализата в процессе электролиза, которое неизбежно будет происходить в результате протекания электрохимических процессов, поскольку одним из продуктов окисления мочевины и других органических токсинов является диоксид углерода.

Таким образом, основными недостатками устройства и способа являются недостаточные надежность и безопасность, связанные с отсутствием мер и специальных элементов для защиты от появления в ходе сеанса лечения возможных разрушающих факторов.

Целью настоящего изобретения являются повышение надежности и безопасности гемодиализа. Для этой цели в процессе циркуляции диализирующего раствора устанавливают время контакта диализирующего раствора с платинированным углем фильтра не менее 10 с, измеряют концентрацию гипохлорита натрия перед фильтром, поддерживая ее на уровне 50±10 мг/л путем регулирования плотности тока питания электролизера, устанавливая в начале сеанса максимальную ее величину, а затем снижая ее так, чтобы концентрация гипохлорита натрия оставалась в указанных допустимых пределах. Кроме того, для коррекции pH в исходный состав диализирующего раствора очистного контура включена дополнительно буферная добавка, например бикарбонат натрия в концентрациях от 3 до 5 мг/л.

Для реализации этого способа в очистном контуре перед фильтром установлен датчик концентрации гипохлорита натрия, а электролизер снабжен источником постоянного тока с командным блоком, связанным с датчиком концентрации гипохлорита натрия системой отрицательной обратной связи для автоматической корректировки электрического питания.

В предлагаемом способе содержится четыре отличительных признака, а в устройстве для реализации этого способа - два. Ниже предлагается анализ этих признаков на их новизну и существенность отличий.

Отличительные признаки способа.

1. Время контакта раствора диализата с платинированным углем фильтра в одном цикле не менее 10 с. В этом признаке известной является необходимость контакта раствора диализата с платинированным углем фильтра для очистки от различных примесей. Однако ранее в литературе не указывалось и не обсуждалось время контакта, необходимое для очистки диализата в фильтре после электролизной обработки. Поэтому указанная величина времени контакта является новым отличительным признаком способа.

2 Измеряют концентрацию гипохлорита натрия перед фильтром, поддерживая ее на уровне 50±10 мг/л. Этот признак ранее нигде в литературе не обсуждался, величина концентрации гипохлорита натрия в циркуляционном контуре регенерации диализата или его элементов никем не регламентировалась. Таким образом, признак является новым для осуществления способа. Но он не является самостоятельным, т.к. реализуется только через два других.

3. Регулируют плотность тока питания электролизера, устанавливая в начале сеанса максимальную ее величину, а затем снижая ее так, чтобы концентрация гипохлорита натрия оставалась в указанных допустимых пределах. В описанных устройствах аппаратов типа "искусственная почка" порядок регулирования тока питания электролизеров на оптимальном уровне не был указан. Поэтому признак новый.

В дополнение к сказанному о признаках 1 - 3 необходимо отметить, что все они, как было отмечено выше, связаны друг с другом, так как объединены одной идеей, направленной на максимальное повышение эффективности процесса электрохимической очистки и связанное с этим повышение надежности и безопасности. И невыполнение любого из них приведет к невозможности реализации способа. Все это говорит о существенности отличий предлагаемого способа.

4. В исходный состав диализирующего раствора очистного контура включена дополнительно буферная добавка, например бикарбонат натрия в концентрациях 3 - 5 г/л. В этом признаке общеизвестным является использование бикарбоната натрия для придания диализирующему раствору буферных свойств. Но рекомендованные для осуществления способа величины концентраций являются ранее неизвестными и специфичными для гемодиализа, а потому существенными.

Отличительные признаки устройства.

1. В очистном контуре перед фильтром установлен датчик концентрации гипохлорита. В этом признаке новым является, во-первых, использование датчика контроля концентрации образующегося при электролизе побочного продукта - гипохлорита натрия и, во-вторых, место установки датчика в этом контуре. Место установки диктуется, с одной стороны, условиями реализации описанного выше способа, а с другой - соображениями надежности его работы. Поэтому данный признак является существенным.

2. Электролизер снабжен источником постоянного тока с командным блоком, связанным с датчиком концентрации гипохлорита натрия системой отрицательной обратной связи для автоматической корректировки электрического тока электролизера. Этот признак раскрывает возможность практической реализации в данном устройстве известных принципов авторегулирования систем и потому существенных отличий не дает.

Первых три отличительных признака способа объединены одной идеей, смысл которой состоит в том, чтобы максимально использовать возможности электрохимического процесса, т. е. , с одной стороны, вести очистку с максимально возможной скоростью, определяемой парциальными токами окисления органических примесей, и, с другой - проводить гемодиализ с максимальной надежностью и безопасностью. Данная проблема обусловлена тем, что при электрохимической очистке диализата электрический ток расходуется на аноде как на окисление органических примесей, так и на образование побочных продуктов, главным образом, таких как гипохлорит натрия, хлор и кислород. Причем образующееся количество этих продуктов зависит, главным образом, от соотношения величин концентрации органических веществ (и в первую очередь мочевины как самой трудноокисляемой примеси) в растворе и плотности электрического тока. Так что по мере снижения концентрации мочевины в процессе очистки целесообразно снижать электрический ток питания электролизера.

Из приведенных данных следует, что способ очистки можно было бы организовать с регулировкой тока, используя эмпирические зависимости оптимальной плотности тока от концентрации мочевины в растворе, если только организовать непрерывный контроль концентрации мочевины. Однако такой способ не является наилучшим решением проблемы, так как в нем трудно учесть возможный разброс минеральных компонентов равновесных составов диализата, устанавливающихся во время процедур с разными пациентами и обусловленных индивидуальными особенностями состава крови больных. Кроме того, более важно контролировать содержание именно ионов гипохлорита, которые в больших концентрациях могут представлять непосредственную опасность для здоровья больного.

Учитывая указанные особенности процесса, нами впервые предлагается осуществлять способ, руководствуясь динамикой изменения концентрации гипохлорита натрия в контуре после электролизера.

Следующие соображения показывают, что этот метод является практически идеальным для оптимизации процесса. Но предварительно следует отметить, что в описанных устройствах аппаратов "искусственная почка" концентрация гипохлорита в контуре циркуляции диализата не контролировалась и даже не регламентировалась. Между тем, нашими исследованиями установлено разрушающее действие больших концентраций гипохлорита натрия (> 500 мг/л) на загрузку фильтра с платинированным углем. Отсюда вытекает необходимость контроля концентрации гипохлорита натрия в целях обеспечения надежности и безопасности процесса.

Известно, что на долю парциального тока образования ионов гипохлорита приходится часть общего тока, за вычетом парциального тока окисления органических примесей (главным образом мочевины) и тока, идущего на выделение кислорода [2] . Быстрый рост концентрации гипохлорита натрия в непроточной ячейке свидетельствует о чрезмерной плотности тока и его непроизводительном расходовании, а ее стабилизация - о возможности увеличить плотность тока для ускорения очистки без заметного увеличения электрических потерь.

На практике же при работе электролизера было установлено, что и при низких токах в раствор всегда поступает до 25 - 35 мг/л гипохлорита натрия, дающее нижний фоновый уровень. При постепенном увеличении тока и достижении им избыточных величин концентрация гипохлорита натрия, начиная от ≈ 40 мг/л, быстро возрастает. Этот результат позволил предложить наиболее простой и надежный пороговый метод контроля для поддержания оптимального режима. Соответственно, нами в формуле способа указан порог или оптимальный уровень поддержания концентрации 50 мг/л с допуском +10 мг/л для 20-процентной точности измерений. И, соответственно, указан порядок его поддержания путем постепенного уменьшения тока питания электролизера при увеличении концентрации гипохлорита.

Поскольку в рассматриваемом способе раствор циркулирует в замкнутом контуре и многократно возвращается в электролизер, то выполнить указанную рекомендацию можно лишь при условии практически полной очистки раствора в каждом цикле от образующегося в электролизере гипохлорита натрия. Эта очистка происходит в фильтре с платинированным углем. Поэтому контроль концентрации гипохлорита натрия следует вести после электролизера и перед этим фильтром, чтобы предотвратить разрушение фильтра гипохлоритом натрия.

Эффективность очистки в фильтре зависит от соотношения расхода циркулирующего раствора и объема фильтра, т.е. от времени контакта, которое определяется отношением объема фильтра и расхода жидкости. Концентрация гипохлорита натрия в растворе после фильтра с платинированным углем с увеличением времени контакта (T_к) уменьшается и при T_к > 10 с практически равна нулю (см. табл. 1).

Таким образом, минимальный объем загрузки фильтра платинированным углем может быть определен по указанному времени контакта и заданному расходу циркуляции раствора. В медицинской практике максимальный используемый расход составляет 500 - 600 мл/мин. Соответственно, минимальный объем загрузки угольного фильтра, пригодного для всех используемых расходов, с учетом порозности угля порядка 50%, составляет 10с•600мл•100/60с/50=200 мл.

Таким образом, все рассмотренные выше три отличительных признака, как уже отмечалось выше, могут быть реализованы только в своей совокупности, они объединены одной идеей и способствуют повышению надежности и безопасности способа.

Определения pH раствора показали постепенное подкисление диализирующего раствора в ходе сеанса за 6 ч от pH ≈ 7 до pH ≈ 4 из-за образования диоксида углерода в ходе электроокисления органических примесей. В литературе известна компенсация или уменьшение величины сдвига pH с помощью ввода в состав раствора буферных добавок. В организме pH крови регулируется за счет соотношения в крови углекислого газа и бикарбонат-иона по уравнению [4]:
pH = [CO₂]/[HCO-3

Поэтому для стабилизации pH диализирующего раствора в процессе электролиза мы использовали добавки в него бикарбоната натрия.

Экспериментально установлено, что введение бикарбоната натрия в концентрациях 3,0 - 5,0 г/л в исходный диализирующий раствор оказывает необходимое стабилизирующее воздействие на его pH в течение 6 ч гемодиализа. Причем концентрация, соответствующая нижнему уровню - 3,0 г/л, pH раствора к концу сеанса сдвигается в кислую сторону до величины pH -6,9, а при концентрации верхнего уровня - 5,0 л щелочность раствора поддерживается, практически, стабильно на уровне pH 7,0 - 7,5. Таким образом, использование добавки бикарбоната натрия в указанных пределах обеспечивает поддержание pH диализата в пределах медицинских показаний, установленных для гемодиализа. Дальнейшее увеличение концентрации бикарбоната натрия нецелесообразно из соображений возможного нарушения изотоничности раствора.

Проведенный анализ показывает, что рассмотренные отличительные признаки (1 - 3 в совокупности и 4 самостоятельно) сообщают предлагаемому способу очистки диализирующего раствора в аппаратах "искусственная почка" новые свойства - более высокую надежность и безопасность и потому соответствуют критерию "существенные отличия".

Отличительные признаки устройства:
в очистном контуре перед фильтром установлен датчик концентрации гипохлорита натрия;
электролизер снабжен источником постоянного тока с командным блоком, связанным с датчиком концентрации гипохлорита натрия системой отрицательной обратной связи для автоматической корректировки электрического питания.

Указанный в признаке датчик необходим для осуществления описанного способа. При его установке следует учесть, что из электролизера, вследствие интенсивного электролиза) в контур поступает газожидкостная смесь с большим количеством пузырьков. Раствор освобождается от этих пузырьков в газожидкостном сепараторе, установленном после электролизера. Поэтому указанное в признаке размещение датчика после газожидкостного сепаратора перед фильтром с платинированным углем способствует повышению достоверности показаний и надежности его работы. Использование для питания электролизера источника постоянного тока, управляемого командным блоком [5], связанным с датчиком концентрации гипохлорита натрия [6] системой отрицательной обратной связи, не требует специальных доказательств, так как целесообразность его очевидна для удобства обслуживания аппарата медицинским персоналом.

На чертеже показана схема аппарата, соответствующего предлагаемым способу и устройству.

Схема состоит из кровяного контура и контура с диализирующим раствором. Кровяной контур в режиме отладки включает в себя емкость 1 с раствором, имитирующим кровь пациента, насос 2 и диализатор 3. Контур с регенерируемым диализирующим раствором включает в себя диализатор 3, насосы 4, электролизер 5, источник питания с блоком управления 6, газожидкостной сепаратор 7, датчик концентрации гипохлорита 8, фильтр с платинированным углем 9, датчик pH 10. Между выходными трактами диализатора 3 установлен манометр II. На выходе газовой фазы сепаратора 7 установлен фильтр 12.

Пример осуществления способа и устройства.

Для проверки работы в аппарате, собранном по приведенной на чертеже схеме, использовался проточный электролизер с неразделенными катодным и анодным пространствами с общей площадью анодов 0,3 м².

Объем кровяного контура с исходной емкостью составлял ≈ 5 л, а диализного - ≈ 2 л.

Диализный раствор имел следующий основной состав:
NaCl - 6,1 г/л, KCl - 0,34 г/л, CaCl₂•2H₂O - 0,42 г/л, MgCl₂•6H₂O - 0,19 г/л.

Дополнительно в раствор добавляли бикарбонат натрия в количестве от 3,0 г/л до 5 г/л.

Исходный состав раствора имитатора в кровяном контуре:
NaCl - 5,85 г/л, KCl - 0,3 г/л, CaCl₂•2H₂O - 0,37 г/л, MgCl₂•6H₂O - 0,15 г/л, мочевина - 3 г/л.

В ходе исследований для контроля и оценки происходящих изменений в диализирующем растворе и работы устройства в режиме авторегулирования проводили отбор проб раствора в разных точках контура с последующим анализом основных компонентов.

Работа начинается с включения насосов 2 и 4, которыми в течение сеанса поддерживаются регламентные расходы в контурах ≈ 150 мл/мин в кровяном и ≈ 500 мл/мин в диализном. Затем устанавливается регламентная разность давлений между контурами 150 мм рт.ст. за счет разности скоростей насосов 4 и контролируется манометром 11.

Затем включается источник питания 6 электролизера 5 настроенный на пусковой (максимальный для источника) электрический ток в 20A. При включенном токе на анодах, омываемых диализирующим раствором, идет процесс окисления органических примесей, который сопровождается и другими электродными процессами. В результате из электролизера 5 бурно поступает газожидкостная смесь, которая подается на сепаратор 7. В нем газовая фаза отделяется от жидкой и далее отводится через фильтр 12 в атмосферу. Фильтр 12 с активированным углем предотвращает попадание в атмосферу ядовитых продуктов электролиза, основным из которых является хлор. Раствор после сепаратора 7 проходит датчик 8 и подается на фильтр с платинированным углем 9. В фильтре раствор доочищается от продуктов электролиза и органических примесей, и на этом заканчивается его регенерация.

В начале сеанса, пока в раствор поступает достаточно большое количество мочевины (в опыте 3,6 г/л), электрический ток электролизера 5 тратится практически на окисление органических примесей и командный блок в источнике 6 никак не реагирует на сигнал датчика 8, что отражает незначительную концентрацию гипохлорита натрия в растворе. По мере проведения диализа происходит уменьшение количества мочевины в результате ее окисления, и все большая часть тока тратится на образование ионов гипохлорита. В проведенных опытах примерно через час диализа током 20A содержание мочевины в растворе падало до ≈ 3400 мг/л, а содержание гипохлорита натрия на выходе из электролизера возрастало доустановленной пороговой величины ≈ 50 мг/л. При этом в ответ на сигнал датчика 8 срабатывал командный блок в источнике 6, и ток уменьшался до 15A. В результате концентрация гипохлорита натрия уменьшается до ≈ 40 мг/л. Далее, еще примерно через час, концентрация мочевины в растворе уменьшалась до ≈ 1700 мг/л, а содержание гипохлорита натрия вновь возрастало до пороговой величины ≈ 50 мг/л, и командный блок снижал электрический ток до 10A. За час при этом токе концентрация мочевины упала до 1400мг/л и вновь на повышение концентрации гипохлорита натрия сработал командный блок, снизив ток до 5A. Таким образом поддерживалась концентрация гипохлорита в заданных пределах, обеспечивая надежность и безопасность процесса, и происходила автоматическая коррекция тока электролизера. Это подтвердили и результаты анализов проб раствора, отобранных после фильтра с платинированным углем, в которых гипохлорита натрия не было обнаружено. Аналогично с описанным выше проходил диализ при настройке командного блока источника питания и на другие, в том числе граничные (40 или 60 мг/л) уровни пороговой величины концентрации гипохлорита натрия.

В описанном примере ток по команде блока управления снижался каждый раз на одну и ту же величину - 5A. На практике снижение тока может быть как дискретным с постоянным или меняющимся шагом, так и плавным. Максимальную величину шагов следует устанавливать так, чтобы после переключений концентрация гипохлорита натрия не опускалась ниже рекомендованной нижней границы.

В процессе электролиза идет элетроокисление мочевины и других органических токсинов до углекислого газа, в результате чего происходит подкисление диализирующего раствора и возможен опасный для пациента сдвиг до pH 4Ж5. В табл. 2 приведены результаты по изменению pH диализата в процессе электролиза в зависимости от добавок бикарбоната натрия.

Как видно из табл. 2, минимальное содержание бикарбонат-иона для поддержания постоянного значения pH не должно быть меньше 3,0 г/л. Концентрации 5, 0 г/л достаточно для практически полной стабилизации pH. С другой стороны, увеличение концентрации бикарбоната выше 5 г/л нецелесообразно, как уже было отмечено выше, в связи с возможным нарушением изотоничности диализирующего раствора.

Приведенные результаты испытаний заявляемых способа и устройства подтверждают достижение целей надежности и безопасности.

Кроме того, продемонстрированное на практике постепенное снижение тока питания во время сеанса электролизера свидетельствует о более рациональном использовании электроэнергии по сравнению с прототипом. Такая экономия может быть особенно ценной в случае создания автономной аппаратуры, работающей на запасах электроэнергии, например, от аккумуляторных батарей. В дополнение к этому рациональное электропитание снижает токовую нагрузку на дорогостоящие платиновые электроды, что при длительной эксплуатации аппарата скажется на увеличении их срока службы и дополнительно будет способствовать снижению удельных расходов на лечение.

Источники информации
1. Пытель А.Я., Голигорский С.Д., Джавад-Заде М.Д., Лопаткин Н.А. Искусственная почка и ее клиническое применение. - М.: Медицина, 1961.-214 с.

2. Васильев Ю. Б. , Эвентов В.Л., Громыко В.А., Гайдадымов В.Б. Итоги науки и техники. Электрохимия, т. 31, с. 55.

3. Yao S. J. , Wolfson S.K., Takarsky J.M., Ahn B.K. / Bioelectrochem. Booenerg. -1974-1-Р.180-186.

4. Ланг Г.Ф. Болезни системы кровообращения. - М.: Медгиз, 1957 г.

5. US Pat 4605473.

6. Нефедкин С.И., Боздярев М.П. А.с. N 1158913, кл. C 01 N 27/48, 1983.

Способ и устройство решают проблемы детоксикации организма и позволяют в аппаратах "Искусственная почка" с регенерацией деализирующего раствора электролизом в замкнутом контуре вести регенерацию с ограничением образования и накопления гипохлорита натрия, а также при постоянном рН раствора, что повышает надежность и безопасность. Раствор, поступающий из диализатора, последовательно пропускают через электролизер с электрокаталитическими платиновыми электродами при плотностях тока на электродах 10^-3-10^-2 А/см², через газожидкостной сепаратор и фильтр с платинированным углем с последующим возвращением раствора на диализатор. При этом концентрацию гипохлорита натрия в контуре после электролизера поддерживают на уровне 50-10 мг/л. Для этого устанавливают время контакта раствора диализата с платинированным углем фильтра в одном цикле не менее 10 с и регулируют ток питания электролизера, устанавливая в начале сеанса максимальную его величину, а затем снижая ее так, чтобы концентрация гипохлорита натрия оставалась в указанных допустимых пределах 50-10 мг/л. Для стабилизации рН в исходный состав раствора диализирующего контура включена дополнительно буферная добавка, например, бикарбонат натрия при концентрациях 3 - 5 г/л. Устройство для реализации способа включает замкнутые последовательно в жидкостной контур диализатор, электролизер, газожидкостной сепаратор, датчик концентрации гипохлорита натрия, фильтр с платинированным углем и насос. Рекомендуется также использовать электролизер, снабженный источником постоянного тока с командным блоком, связанным с датчиком гипохлорита системой отрицательной обратной связи для автоматической корректировки электрического питания. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ очистки диализирующего раствора в аппаратах "искусственная почка" при его циркуляции в очистном контуре, заключающийся в пропускании раствора, поступающего из диализатора последовательно через электролизер с электрокаталитическими платиновыми электродами при плотностях тока на электродах 10^- 3 - 10^- 2 А/см², через газожидкостной сепаратор и фильтр с платинированным углем с последующим возвращением раствора на диализатор, отличающийся тем, что в процессе циркуляции диализирующего раствора устанавливают время контакта диализирующего раствора с платинированным углем фильтра не менее 10 с, измеряют концентрацию гипохлорита натрия перед фильтром, поддерживая ее на уровне 50 ± 10 мг/л путем регулирования плотности тока питания электролизера, устанавливая в начале сеанса максимальную ее величину, а затем снижая ее так, чтобы концентрация гипохлорида натрия оставалась в указанных допустимых пределах. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в исходный состав диализирующего раствора очистного контура включена дополнительно буферная добавка, например бикарбонат натрия в концентрациях 3 - 5 мг/л. 3. Устройство для очистки диализирующего раствора в аппаратах "искусственная почка", включающее замкнутые последовательно в очистном контуре диализатор, электролизер, газожидкостной сепаратор, фильтр с платинированным углем насос, а в кровяном контуре - соединенные последовательно диализатор и насос, отличающееся тем, что в очистном контуре перед фильтром установлен датчик концентрации гипохлорита натрия, а электролизер снабжен источником постоянного тока с командным блоком, связанным с датчиком концентрации гипохлорита натрия системой отрицательной обратной связи для автоматической корректировки электрического питания.