способ электрохимической регенерации диализирующего раствора при гемодиализе и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ электрохимической регенерации диализирующего раствора при гемодиализе путем электролиза, в процессе которого отделяют, очищают сорбентом и удаляют в атмосферу газы, из жидкой части диализирующего раствора удаляют сорбентами и ионитами остатки органических метаболитов и побочные продукты электролиза и возвращают очищенный диализирующий раствор в гемодиализатор, отличающийся тем, что из регенерируемого диализирующего раствора перед его электролизом с помощью катионита полностью удаляют ионы кальция и магния, а в очищенном диализирующем растворе восстанавливают концентрацию ионов кальция и магния до концентрации этих ионов в регенерируемом диализирующем растворе путем введения в него раствора хлоридов кальция и магния с расходом, пропорциональным расходу диализирующего раствора.

2. Устройство электрохимической регенерации диализирующего раствора при гемодиализе, содержащее последовательно соединенные электролизер, газожидкостный сепаратор, сорбционную колонку, проточный холодильник и блок контроля параметров диализирующего раствора, информационный выход которого соединен с информационным входом блока управления, первый и второй управляющие выходы которого соединены с управляющими входами электролизера и проточного холодильника, отличающееся тем, что устройство снабжено насосом-дозатором, резервуаром корректирующего раствора и катионообменной колонкой, вход которой является входом отработанного диализирующего раствора, а ее выход сообщен с входом электролизера, выход насоса-дозатора сообщен с выходом сорбционной колонки и с входом проточного холодильника, вход насоса-дозатора соединен с резервуаром корректирующего раствора, а управляющий вход насоса-дозатора соединен с третьим управляющим выходом блока управления, при этом сорбционная колонка содержит количество катионита, пропорциональное количеству удаляемого калия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к аппаратам для гемодиализа, и найдет применение в нефрологии, хирургии, реанимации и медицине катастроф для замещения утраченной функции выведения метаболитов и токсических веществ из организма.

Известен способ электрохимической регенерации диализирующего раствора в гемодиализных аппаратах по авт. свид. СССР 1515451, МКИ А 61 М 1/00, 1989 г. , согласно которому диализирующий раствор подвергают электролизу, удаляют образующиеся при этом газы, из жидкой части диализирующего раствора сорбентами удаляют остатки органических метаболитов и побочные продукты электролиза.

Недостатками известного способа электрохимической регенерации диализирующего раствора в гемодиализных аппаратах являются:

- снижение эффективности регенерации в течение процедуры гемодиализа вплоть до полной негодности электролизера вследствие отложения нерастворимых солей кальция и магния на рабочих поверхностях электролизера, которые могут быть удалены только механической очисткой рабочих поверхностей последнего;

- неопределенное в количественном отношении снижение содержания ионов кальция и магния в регенерированном диализирующем растворе, которое зависит от многих параметров: от режима работы электролизера, содержания метаболитов, в частности фосфатов, в диализирующем растворе, от вида применяемых сорбентов. При этом становится невыполнимой задача регулируемого удаления ионов калия из диализирующего раствора вследствие того, что при удалении калия катионитами (цеолитами: морденит, клиноптилолит или катионообменными смолами КУ2-8) кальций и магний являются конкурирующими ионами и удаляются из раствора лучше, чем калий.

Способ электрохимической регенерации диализирующего раствора может быть реализован известным устройством для регенерации жидкостей, загрязненных органическими веществами, содержащим последовательно соединенные по жидкости: электролизер, колонку с активированным углем и колонку с цеолитным сорбентом для жидкости, проточный холодильник, а также систему удаления газов в атмосферу через сорбционный фильтр для газа и блок управления (Международная заявка WО 95/02559, МПК С 02 F 9/00, 13.07.94).

Существенным недостатком известного устройства является снижение эффективности регенерации в течение процедуры гемодиализа вплоть до полной негодности электролизера вследствие отложения нерастворимых солей кальция и магния на рабочих поверхностях электролизера, а также неопределенное в количественном отношении снижение содержания ионов кальция и магния в регенерированном диализирующем растворе, что приводит к нарушению метаболизма этих ионов в крови пациента.

Наиболее близким по технической сущности решением к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ электрохимической регенерации диализирующего раствора в гемодиализных аппаратах и устройство для его осуществления, описанные в патенте РФ 2110283, А 61 М 1/14, 1998, согласно которому диализирующий раствор подвергают электролизу, сепарируют, очищают и удаляют образующиеся при этом газы, из жидкой части диализирующего раствора сорбентами удаляют остатки органических метаболитов и побочные продукты электролиза.

Проведенный заявителем анализ показывает, что и для данного способа очистки диализирующего раствора характерны существенные недостатки. Так, в частности, при реализации данного способа происходит снижение эффективности регенерации в течение процедуры гемодиализа вплоть до полной негодности электролизера вследствие отложения нерастворимых солей кальция и магния на рабочих поверхностях электролизера.

Способ очистки диализирующего раствора, описанный в патенте РФ 2110283, осуществляют с использованием известного по этому патенту устройства, которое содержит последовательно соединенные по жидкости: электролизер, колонку с активированным углем и колонку с цеолитным сорбентом для жидкости, проточный холодильник, а также систему удаления газов в атмосферу через сорбционный фильтр для газа и блок управления.

Известное по патенту РФ 2110283 устройство обладает конструктивными и технологическими недостатками, снижающими его эксплуатационные характеристики, в частности при эксплуатации этого устройства происходит снижение эффективности регенерации в течение процедуры гемодиализа вплоть до полной негодности электролизера вследствие отложения нерастворимых солей кальция и магния на рабочих поверхностях электролизера, а также неопределенное в количественном отношении снижение содержания ионов кальция и магния в регенерированном диализирующем растворе, что приводит при отсутствии соответствующей коррекции состава диализирующего раствора к нарушению метаболизма этих ионов в крови пациента.

Настоящие изобретения решают задачу повышения эффективности регенерации диализирующего раствора, а именно регулируемого удаления калия и органических метаболитов и стабилизации ионного состава диализирующего раствора, а также задачу повышения срока службы электролизера.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе электрохимической регенерации диализирующего раствора при гемодиализе путем электролиза, в процессе которого отделяют, очищают сорбентом и удаляют в атмосферу газы, из жидкой части диализирующего раствора удаляют сорбентами и ионитами остатки органических метаболитов и побочные продукты электролиза и возвращают очищенный диализирующий раствор в гемодиализатор, согласно настоящему изобретению перед электролизом из диализирующего раствора с помощью катионита полностью удаляют ионы кальция и магния, а в очищенном диализирующем растворе восстанавливают концентрацию ионов кальция и магния до концентрации этих ионов в регенерируемом диализирующем растворе путем введения в него раствора хлоридов кальция и магния с расходом, пропорциональным расходу диализирующего раствора.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что устройство электрохимической регенерации диализирующего раствора при гемодиализе, содержащее последовательно соединенные электролизер, газожидкостный сепаратор, сорбционную колонку, проточный холодильник и блок контроля параметров диализирующего раствора, информационный выход которого соединен с информационным входом блока управления, первый и второй управляющие выходы которого соединены с управляющими входами электролизера и проточного холодильника, согласно настоящему изобретению снабжено насосом-дозатором, резервуаром корректирующего раствора и катионообменной колонкой, вход которой является входом отработанного диализирующего раствора, а ее выход сообщен с входом электролизера. Выход насоса-дозатора сообщен с выходом сорбционной колонки и с входом проточного холодильника. Вход насоса-дозатора соединен с резервуаром корректирующего раствора.

Управляющий вход насоса-дозатора соединен с третьим управляющим выходом блока управления, при этом сорбционная колонка содержит количество катионита, пропорциональное количеству удаляемого калия.

Технический результат патентуемых изобретений заключается в том, что полное удаление из регенерируемого раствора ионов калия и магния до электролиза этого раствора и последующее возмещение удаленного количества ионов калия и магния в составе диализирующего раствора перед его повторным использованием позволяет исключить осаждение на пластинах электролизера нерастворимых солей кальция и магния и одновременно позволяет после электролиза удалить в сорбционной колонке заданное количество ионов калия с помощью замещения ионов калия ионами натрия на катионите, количество которого пропорционально удаляемому количеству калия. Это, в свою очередь, существенно увеличивает время работоспособного состояния дорогостоящего электролизера (его основную эксплуатационную характеристику) и, кроме того, позволяет стабилизировать состав очищенного диализирующего раствора, а следовательно, и плазмы крови пациента по концентрации в нем калия, магния и кальция.

Изложенная сущность изобретения поясняется описанием реализации способа электрохимической регенерации диализирующего раствора при гемодиализе, конкретным примером выполнения устройства электрохимической регенерации диализирующего раствора и чертежами, на которых представлены:

на фиг. 1 - блок-схема устройства электрохимической регенерации диализирующего раствора,

на фиг.2 - блок-схема блока 6 контроля параметров диализирующего раствора,

на фиг.3 - блок-схема блока 9 управления,

на фиг.4 - укрупненная блок-схема алгоритма управления устройством электрохимической регенерации диализирующего раствора.

Патентуемый способ электрохимической регенерации диализирующего раствора при гемодиализе реализуют с помощью устройства, которое содержит (фиг.1) последовательно соединенные катионообменную колонку 1, электролизер 2, газожидкостный сепаратор 3, сорбционную колонку 4, проточный холодильник 5, блок 6 контроля параметров диализирующего раствора. Устройство содержит также насос-дозатор 7 и резервуар 8 корректирующего раствора и блок 9 управления. Вход катионообменной колонки 1 является входом отработанного диализирующего раствора, а ее выход сообщен с входом электролизера 2. Выход насоса-дозатора 7 соединен с выходом сорбционной колонки 4 и с входом проточного холодильника 5. Вход насоса-дозатора 7 соединен с резервуаром 8 корректирующего раствора, при этом сорбционная колонка 4 содержит количество катионита, пропорциональное количеству удаляемого калия.

В зависимости от количества калия, которое необходимо удалить у конкретного пациента, лечащий врач определяет количество засыпаемого катионита.

Катионообменная колонка 1 и сорбционная колонка 4 представляют собой цилиндрический вертикально расположенный резервуар диаметром от 4 до 8 см, имеющий фильтры-сетки на входе и выходе диализирующего раствора, а также между слоями заполняющих резервуар сорбентов и/или ионообменных смол. Конструктивно колонки 1 и 4 могут быть выполнены, например, в соответствии с "Теплотехническим справочником". - М.: Энергия, 1975, т. 1, с. 633-636.

Электролизер 2 конструктивно состоит из секций, соединенных гидравлически последовательно. Каждая секция снабжена газоотводным каналом, подсоединена к независимому регулируемому источнику питания постоянного тока (на фиг.1 и 2 не показан) и имеет 12 электродов: 6 анодов и 6 катодов, и устроена по принципу монополярного электролизера, т.е. каждый электрод имеет электрический контакт и может работать либо анодом (+), на котором идет окисление органических продуктов диализа, либо катодом (-), на котором происходит выделение водорода. Межэлектродное расстояние составляет 1 мм. Каждый электрод имеет титановую подложку с двухсторонним платиновым покрытием толщиной 7 мкм. Активная (двухсторонняя) поверхность электрода составляет 0,0216 м. Конструктивно электролизер 2 может быть выполнен, как описано в книге "Водоподготовка. Процессы и аппараты". Под ред. О.И. Мартыновой. - М.: Атомиздат, 1977, с. 251, 252.

Газожидкостный сепаратор 3 предназначен для отделения газа от жидкости и выполнен в виде резервуара с разнесенными по уровню выходами жидкости и газа, при этом выход сепаратора по жидкости расположен ниже входа газожидкостнои смеси, а выход сепаратора по газу расположен выше уровня газожидкостной смеси и входа газожидкостной смеси (Водоподготовка. Процессы и аппараты. Под ред. О.И.Мартыновой. - М.: Атомиздат, 1977, с. 285).

Проточный холодильник 5 представляет собой стандартный холодильный абсорбционный агрегат с теплообменником, описанный в "Теплотехническом справочнике". - М.: Энергия, 1975, т. 1, с. 427, 428.

Блок 6 контроля параметров диализирующего раствора (фиг.2) обеспечивает измерение и контроль параметров, в частности температуры, проводимости и рН (водородного показателя) регенерированного диализирующего раствора и содержит комплект датчиков: температуры - 10, проводимости - 11 и рН - 12, установленных в проточном резервуаре 13, а также содержит усилители: сигнала температуры - 14, сигнала проводимости - 15 и сигнала рН - 16, комутатор сигналов 17 и аналого-цифровой преобразователь 18 (АЦП) (например, документация на блок регенерации ИВФП.942516.000 Электромеханического завода "Авангард", г. Саров, Нижегородская область РФ).

Насос-дозатор 7 обеспечивает перемещение корректирующего раствора и выполнен в виде шлангового насоса (А.М. Кац, А.С. Канторович. Мерные и дозирующие устройства для клинико-диагностических лабораторий. - Ленинград: Медицина, 1970, с. 98) либо в виде мембранного объемного насоса-дозатора типа компрессора.

Резервуар 8 корректирующего раствора представляет собой герметизируемый полиэтиленовый резервуар вместимостью не менее 0,5 л.

Блок управления 9 устройством регенерации (фиг.3) предназначен для управления исполнительными устройствами (управляющий выход 1 - для управления мощностью электролизера 2, управляющий выход 2 - для управления включением/выключением проточного холодильника 5 и управляющий выход 3 - для управления производительностью насоса-дозатора 7 в соответствии с алгоритмом управления.

Алгоритм управления в общем виде представлен на фиг.4. При включении устройства электрохимической регенерации блок 9 управления на время тестирования отключает контроль аварий, тестирует свои составные части, производит инициализацию (определение начального состояния) каналов измерения, экрана, осуществляет запоминание состояния всех элементов системы (системные установки). Затем блок управления входит в рабочий режим, характеризующийся повторением замкнутого цикла операций, основными из которых являются: прием данных о температуре, проводимости и рН диализирующего раствора с информационного входа блока 9 управления, обработка этой информации, опрос клавиатуры (для получения информации, вводимой оператором, например врачом), обработка аварий, т.е. определение выхода какого-либо из измеренных параметров из допустимых пределов, на основании чего результаты измерения и аварийные сигналы отображаются на экране (визуальная сигнализация) и при аварии включается звуковая сигнализация, выключенная при нормальной работе блока регенерации. Далее происходит задание режимов работы исполнительных устройств и цикл работы блока управления возобновляется. Задание режимов работы исполнительных устройств в зависимости от данных, поступивших с информационного выхода блока 6 контроля параметров диализирующего раствора или по прямому указанию оператора с клавиатуры блока 9 управления, осуществляется через управляющие выходы:

1 - для увеличения или уменьшения мощности электролизера путем подключения или отключения секций электролизера 2,

2 - для включения или выключения проточного холодильника 5, который, обладая достаточно большой инерционностью по холодопроизводительности, позволяет охлаждать на 3-5^oС диализирующий раствор, нагретый электролизером. При этом автоматически поддерживается температура диализирующего раствора, заданная оператором,

3 - для увеличения или уменьшения производительности насоса-дозатора 7.

Управляющие входы соединены с усилителями мощности, конструктивно расположенными на входе управления каждого перечисленного исполнительного устройства.

Блок 9 управления реализован на основе промышленного встраиваемого компьютера типа PCA-6359V Pentium MMX266 PCI/ISA-bus full-size CPU card with VGA/LCD CHIPSET INTEL 430ТХ, BIOS AWARD 2 Mb, SDRAM 256 Mb, содержащего не менее одного информационного входа и не менее трех управляющих выходов (например, документация на блок управления ИВФП.942516.009 Электромеханического завода "Авангард", г. Саров, Нижегородская область РФ).

Реализацию патентуемого способа электрохимической регенерации диализирующего раствора поясним на примере описания работы устройства электрохимической регенерации.

На вход устройства электрохимической регенерации диализирующего раствора при гемодиализе поступает отработанный диали-зирующий раствор, содержащий помимо исходных компонентов чистого диализирующего раствора мочевину, креатинин, другие органические продукты почечного метаболизма, калий, фосфаты и другие неорганические продукты метаболизма.

Этот раствор последовательно перемещается через катионообменную колонку 1, где по механизму ионного обмена из раствора в катионит сорбируются преимущественно ионы кальция, магния и калия, а в раствор из катионита поступают вытесненные ионы натрия и частично калия.

Далее диализирующий раствор поступает в электролизер 2, где происходит электрохимическое окисление мочевины, креатинина и других органических продуктов почечного метаболизма, в результате образуется газо-жидкостная смесь, в которой содержатся газы: водород, аммиак, хлор, кислород, азот, оксид углерода и двуокись углерода. Раствор содержит помимо исходных компонентов чистого диализирующего раствора фосфаты, гипохлорит, нитраты, нитриты, продукты недостаточного и избыточного окисления органических веществ. При этом происходит нагрев раствора на 3-5^oС.

В газожидкостном сепараторе 3 происходит отделение и очищение газовой фазы раствора, которая затем удаляется в атмосферу.

Жидкая составляющая газожидкостной смеси проходит через сорбционную колонку 4, в которой с помощью катионита в натриевой форме, например гелевого сильнокислотного марки КУ-2-8чС, или цеолита, например клиноптилолита, удаляют заданное врачом количество калия, а с помощью сорбентов, например активированного угля, удаляют преимущественно гипохлорит натрия и продукты недостаточного и избыточного окисления органических веществ, с помощью анионита - преимущественно нитраты и нитриты.

Далее в очищенный диализирующий раствор насосом-дозатором 7 из резервуара 8 корректирующего раствора подают концентрат хлоридов кальция и магния с расходом, пропорциональным расходу диализирующего раствора, чем достигается физиологическая норма концентрации этих компонентов в диализирующем растворе.

Затем очищенный диализирующий раствор перемещают через проточный холодильник 5, где температура раствора снижается до заданного оператором (например, врачом) уровня.

Далее в блоке 6 происходит контроль параметров диализирующего раствора. Информация о температуре, проводимости и рН диализирующего раствора в форме цифрового кода с информационного выхода блока 6 согласно фиг.1 поступает на информационный вход блоком 9 управления, подающего на управляющие входы 1-3 сигналы, которые задают соответственно рабочую мощность электролизера 2, заданное снижение температуры проточным холодильником 5, производительность насоса-дозатора 7.

При положительных результатах контроля параметров очищенный диализирующий раствор поступает для повторного использования в аппарате для гемодиализа. Таким образом, повышается эффективность регенерации диализирующего раствора: при обеспечении регулируемого удаления калия и органических метаболитов из плазмы крови пациента через диализирующий раствор и при стабилизации ее ионного состава обеспечивается эффективная работа электролизера как в течение процедуры гемодиализа, так и в течение эксплуатационного ресурса устройства регенерации диализирующего раствора, при этом объем диализирующего раствора в аппарате для гемодиализа составляет не более 5 литров.