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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulierung der Herzfunktion durch eine Verdrängerpumpenkombination arbeitend als pulsatiles System oder die als künstliches Herz einsetzbar ist.
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Herzunterstützungssysteme sind bekannt. Unter der Marke INCOR®, eingetragene deutsche Marke der Berlin Heart AG, wird eine Pumpe angeboten, die aus Titan besteht und eine Länge von 12 cm bei einem Durchmesser von 3 cm aufweist.
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In der Pumpe dreht sich ein Rotor ca. 5.000 bis 10.000 Mal pro Minute. Dieser axiale Rotor wird allein durch magnetische Kräfte in Position gehalten. Dieses soll das Linksherzunterstützungssystem einzigartig machen. Aufgrund der magnetischen Lagerung entsteht keine Reibung und damit keine Wärme. Die Pumpe kann theoretisch unendlich lange laufen. Zudem soll sie absolut geräuschfrei arbeiten.
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Das vom Herzen kommende Blut strömt in die Axialpumpe ein und passiert zunächst das Vorleitrad. Dieses sorgt durch die speziell ausgerichteten Schaufeln dafür, dass das Blut in das Laufrad – also in den drehenden Rotor – einströmt. Ein Nachleitrad hinter dem Rotor nimmt dann wieder die Drehbewegung aus dem rotierenden Blut, baut dabei zusätzlich Druck auf und leitet das Blut über die Auslasskanüle zur Körperschlagader weiter. Die notwendige Elektrizität für den Antrieb der Pumpe wird durch ein Kabel geleitet, das auf der rechten Seite durch die Haut geführt wird. Das Kabel ist an eine kleine Steuereinheit angeschlossen. Die Steuereinheit überwacht und steuert das gesamte System.
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Nachteilig bei dieser Pumpe ist, dass sie nur eine Herzhälfte bedient und ein kontinuierliches Pumpen erfolgt.
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Ein anderes Herzunterstützungssystem wird unter dem Markennamen EXCOR®, eingetragene deutsche Marke der Berlin Heart AG, vertrieben. Hier findet eine Verdrängungspumpe Anwendung, die in einem gleichbleibenden Rhythmus arbeitet. Es handelt sich somit um ein pulsatiles System.
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Die Pumpe besteht aus zwei Kammern: Eine Luftkammer und eine Blutkammer. Diese beiden Kammern sind durch eine Dreifachmembran voneinander getrennt. Die Kammer, die mit dem Blut in Berührung kommt, ist mit Heparin (einem Medikament zur Herabsetzung der Gerinnungsfähigkeit) beschichtet. Die Pumpe hat einen Einlass- und einen Auslassstutzen. An diesen Stutzen werden die Kanülen befestigt, die wiederum an das Herz und die Gefäße angeschlossen werden. Um sicher zu stellen, dass das Blut auch in die richtige Richtung fließt, hat die Pumpe zwei Klappen, die wie Ventile funktionieren.
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Das sauerstoffarme Blut fließt aus dem Körper in den rechten Vorhof. Wenn die rechte Herzkammer nicht in der Lage ist, das Blut in die Lungenschlagadern zu pumpen, wird das Blut vom rechten Vorhof über eine Kanüle in die rechte Pumpe gesaugt und von ihr mit leichtem Druck über eine weitere Kanüle an der Lungenschlagader in die Lunge gepumpt.
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Das sauerstoffreiche Blut, das aus der Lunge zurück zum Herzen fließt, gelangt in den linken Vorhof. Wenn die linke Herzkammer nicht in der Lage ist, das Blut in die Hauptschlagader zu pumpen, wird das Blut vom linken Vorhof über eine Kanüle in die linke Pumpe gesaugt und von ihr mit hohem Druck über eine weitere Kanüle an der Hauptschlagader in den Körper gepumpt. Die Pumpe oder die Pumpen befinden sich außerhalb des Körpers.
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Nachteilig bei diesem System ist der Steuerantrieb mittels Luft, die bei einem Defekt in den Blutkreislauf gepumpt werden könnte. Ebenso sind zwei Steuerantriebe aufgrund der unterschiedlichen Drücke notwendig.
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Weiter ist aus der
WO 1998/042984 A1 ein Herzunterstützungssystem bekannt, das als Verdrängerpumpe mit einem Antrieb ausgebildet ist. Die Verdrängerpumpe besteht dabei aus einem zylinderähnlichen Gehäuse mit parallelen Seitenflächen und einer kurvenförmigen Mantelfläche innen. Im Gehäuse, senkrecht zu den Seitenflächen, ist außermittig eine Rotorblattwelle angeordnet, die mit dem Antrieb verbunden ist und die Mantelfläche flächig berührt. Ein Rotorblatt ist in der Rotorblattwelle verschiebbar und stützt sich beidseitg an der Mantelfläche mittels Rollen dichtend ab. Zudem gibt es einen Einlass und einen Auslass, die mit dem lebenden Körper zu verbinden sind.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist insbesondere die flächige Anlage der Rotorwelle an der Mantelfläche, was zu erhöhter Reibung und damit zu unerwünschter Wärme führt.
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Das künstliche Herz nach der
DE 2 819 851 A1 verwendet zwei Verdrängerpumpen, die hintereinander geschaltet sind und dabei eine gemeinsame Antriebswelle nutzen. Auf diese Weise wird ein ganzes künstliches Herz zusammengesetzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herzunterstützungssystem vorzuschlagen, das eine reduzierte Reibung zwischen der Rotorwelle und der Mantelfläche des Rotorgehäuses aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Herzunterstützungssystem oder das künstliche Herz besteht aus mindestens zwei Verdrängerpumpen, die einen gemeinsamen Antrieb aufweisen, wobei jede Verdrängerpumpe aus einem zylinderähnlichen Gehäuse mit parallelen Seiteflächen und einer kurvenförmigen Mantelfläche innen besteht, aus einer im Gehäuse senkrecht zu den Seitenflächen und außermittig bezogen auf die Mantelfläche angeordneten Rotorblattwelle, die mit dem Antrieb verbunden ist und die die Mantelfläche linienförmig direkt berührt, aus einem Rotorblatt, das in der Rotorblattwelle verschiebbar und beidseitig sich an der Mantelfläche abstützend angeordnet und gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist und aus Ein- und Auslässen aus dem jeweiligen Gehäuse, die mit dem lebenden Kreislauf verbunden sind, wobei ein Einlass und ein Auslass unmittelbar vor bzw. nach der Berührungslinie der Rotorblattwelle mit der Mantelfläche angeordnet sind und ein weiterer Einlass und ein weiterer Auslass im Bereich einer Lage des Rotorblattes, in der die Kammervolumen im Bereich der Mantelfläche beidseitig der Berührungslinie gleichgroß und am kleinsten sind.
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In einer vorteilhaften Ausführung sind die Verdrängerpumpen hintereinander angeordnet und weisen eine gemeinsame durchgehende Rotorblattwelle auf. Dabei können die Verdrängerpumpen durch eine gemeinsame starre Scheidewand voneinander getrennt sein.
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Ein derartig aufgebautes System mit zwei hintereinander angeordneten Verdrängerpumpen gewährleistet einen stabilen Kreislaufbetrieb, wenn eine Pumpe mit dem Körper-Lungenkreislauf eine in den Lungen-Körperkreislauf gekoppelt wird. Bedingt durch die Pumpenausbildung arbeitet das System als pulsatiles System.
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Die Rotorblattwelle ist bei einer bevorzugten Ausführung geschlitzt ausgebildet und im jeweiligen Schlitz ist das Rotorblatt verschiebbar angeordnet. Die Lagerung sollte im Hinblick auf die Lebensdauer und eine mögliche Wärmeentwicklung reibungsarm erfolgen.
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Da der Außenumfang der Rotorblattwelle die Mantelfläche in einer Linie berührt, werden die Förderräume so an dieser Stelle voneinander getrennt und jeweils gegenüber der Mantelfläche abgedichtet. Zur Dichtung kann auch noch eine zusätzliche Dichtung eingesetzt werden.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Mantelfläche sehen vor, dass im Bereich zwischen den Ein- und Auslässen, beidseitig von der Berührungslinie die Mantelfläche spiegelgleich kreisförmig ausgebildet ist und die Mantelfläche daran anschließend spiegelgleich geoidförmig. Die Länge des Rotorblattes und die Mantelfläche können so aufeinander abgestimmt sein, dass ein einteiliges Rotorblatt beidseitig an der Mantelfläche anliegt. Um den Gestaltungsspielraum für die Mantelfläche zu erhöhen, sieht eine weitere Ausgestaltung vor, dass das Rotorblatt ineinander und auseinander schiebbar ist und so gewährleistet wird, dass es sich beidseitig an der Mantelfläche abstützt und gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist. Ebenso kann das Rotorblatt außen einen verschiebbare Abstreifschiene oder elastische Dichtungen aufweisen, die das Abstützen und/oder Abdichten übernehmen.
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Natürlich kann die gesamte Mantelfläche auch als ein Kreis ausgebildet sein.
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Bei einer speziellen Ausführung ist vorgesehen, dass anstelle von zwei nur eine Verdrängerpumpe genutzt wird, die einen Antrieb aufweist. Der Aufbau erfolgt ansonsten analog dem vorbeschriebenen.
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Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen erläutert werden.
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Es zeigen:
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1: die Anordnung der Verdrängerpumpe im Kreislauf des Körpers,
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2: den Aufbau einer Pumpe,
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3: den Antrieb von zwei Verdrängerpumpen in der Seitenansicht,
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4: zwei zusammenwirkende Verdrängerpumpen und
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5: Dichtungsausführungen.
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1 zeigt die Anordnung von zwei erfindungsgemäß ausgebildeten Pumpenverdrängern 1.1, 1.2 im Körperkreislauf. Im Einsatzfall werden die beiden Verdrängerpumpen 1.1, 1.2 als kompakte Baueinheit ausgeführt. Durch die Verdrängerpumpe 1.1 wird sauerstoffangereichertes Blut in die Aorta und damit in die Körperschlagader gepumpt.
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Das über die Hohlvenen kommende verbrauchte Blut wird durch die Verdrängerpumpe 1.2 in die Lunge gepresst. In 2 ist der Aufbau einer Verdrängerpumpe 1 dargestellt. Die Verdrängerpumpen besteht aus einem zylinderähnlichen Gehäuse 5 mit parallelen Seitenflächen und einer kurvenförmigen Mantelfläche (5.1, 5.2) innen.
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Im Gehäuse 5 ist senkrecht zu den Seitenflächen und außermittig bezogen auf die Mantelfläche 5.1, 5.2 die Rotorblattwelle 2 angeordnet, die mit dem Antrieb 12 verbunden ist. Das Rotorblatt 3 ist in der Rotorblattwelle 2 verschiebbar, stützt sich beidseitig an der Mantelfläche 5.1, 5.2 ab und ist gegenüber dem Gehäuse 5 abgedichtet. Dazu kann hier eine elastische Lippe oder eine federbelastete Abstreifschiene 7 angeordnet sein. Ebenso ist eine Zylinderrolle geeignet.
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Die Ein- und Auslässe 8, 9 aus dem Gehäuse 5 sind mit dem lebenden Kreislauf 17, 18 verbunden. In der dargestellten Ausführung ist die Rotorblattwelle 2 geschlitzt ausgebildet und im Schlitz ist das Rotorblatt 3 verschiebbar angeordnet. Dabei wird eine reibungsarme Lagerung des Rotorblattes 3 in der Rotorblattwelle 2 gewährleistet.
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Die Rotorblattwelle 2 ist so angeordnet, dass ihr Außenumfang die Mantelfläche 5.1 in einer Linie berührt und hier eine Abdichtung zwischen Rotorblattwelle 2 und Mantelfläche 5.1 besteht.
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Beidseitig von der Berührungslinie sind die Einlässe 8a, 8b und die Auslässe 9a, 9b angeordnet.
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Dabei befindet sich ein Einlass 8a und ein Auslass 9b auf der Höhe der Verschiebelinie (a-b) des Rotorblattes 3 in der Position „kleinstes und gleiches Volumen” im Auslass- und Einlassbereich und ein weiterer Einlass 8b und Auslass 9a unmittelbar vor bzw. hinter der Position „größtes und gleiches Volumen” im Auslass- und Einlassbereich (Stellung in 2).
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Durch diese Anordnung wird der Aufbau von unerwünschten Unter- bzw. Überdruck im Einlass/Auslassbereich Mantelflächenbereich 5.1 vermieden.
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Würde nur der Einlass 8a vorhanden sein, so entstünde bei der Drehung des Rotorblattes 3 zwischen der Berührungslinie der Rotorblattwelle 2 mit der Mantelfläche 5.1 ein Unterdruck. Dieser wird jetzt durch einströmendes Blut durch den Einlass 8b verhindert.
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Ähnlich verhält es sich auslassseitig. Wäre nur der Auslass 9b vorhanden, würde die Pumpe stehen bleiben, denn im Bereich der Mantelfläche 5.1 nach dem Auslass 9b müsste das Blut verdichtet werden.
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Wäre nur der Einlass 8b vorhanden, könnte kein Blut mehr in die sich nach Überschreiten des Einlasses 8b vergrößernde untere Kammer gelangen, deren Volumen am größten ist in der gestrichelt eingezeichneten Position (a-b) des Rotorblattes 3.
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Wäre auslassseitig nur Auslass 9a vorhanden, würde nach dem überschreiten der Position (a-b) durch die sich verkleinernde untere Kammer hier ein Überdruck aufgebaut werden, d. h. die Pumpe bliebe ebenfalls stehen.
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Die Mantelfläche 5.1, 5.2 der Verdrängerpumpe 1 ist bezogen auf eine Mittellinie, die durch den Drehpunkt der Rotorwelle 2 und der Berührungslinie zwischen Rotorwelle 2 und Mantelfläche 5.1 symmetrisch ausgebildet, im 1. Abschnitt 5.1 als Kreis und im daran anschließenden Abschnitt 5.2 als Geoid.
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Die Rotorblattlänge kann deshalb starr ausgebildet werden. Im Falle einer Kreisform auch von Abschnitt 5.2 muss eine veränderbare Rotorblattlänge vorgesehen werden. Dies kann ein ineinanderschilebbares Rotorblatt 2 mit nach außen wirkender Federkraft belastet, sein. Das bedeutet, die beiden Rotorblattteile werden nach außen gegen die Mantelfläche 5.1, 5.2 gepresst.
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Auch eine derartige Ausbildung wird aber als Ausbildung für diesen Anwendungsfall nicht favorisiert, da zusätzlich sich bewegende und dauerbelastete Teile auf ein Minimum reduziert sein sollten.
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3 zeigt eine Seitenansicht mit zwei hintereinander angeordneten Verdrängerpumpen 1.1, 1.2.
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Die beiden Verdrängerpumpen 1.1, 1.2 sind durch eine gemeinsame starre Scheidewand voneinander getrennt und haben eine gemeinsame, durchgehende Rotorblattwelle 2.
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Die Rotorblattwelle 2 wird durch einen Antrieb 12, 13, 14 angetrieben, wobei mit Ziffer 12 ein Zapfen der Rotorblattwelle 2 bezeichnet ist, auf dem das Antriebszahnrad 13 oder der Antriebsmotor 14 angeordnet ist. Die Rotorblattwelle 2 selbst ist so dimensioniert, dass eine stabile Lage und Führung des Rotorblattes 3 gewährleistet ist.
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Diese kompakte Einheit aus den beiden Verdrängerpumpen 1.1, 1.2 und dem Antrieb 12, 13, 14 ist implantierbar, oder auch als eine Einheit außerhalb des Körpers anzuordnen.
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4 zeigt nochmals eine detailliertere Ansicht der Anordnung der beiden Verdrängerpumpen 1.1, 1.2 im Körperkreislauf.
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In 5 sind alternative Dichtungen zwischen den Mantelflächen 5.1, 5.2 und dem Rotorblatt 3 dargestellt, einmal als Abstreifschiene 7 oder auch als Rolle.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdrängerpumpe
- 1.1
- Verdrängerpumpe
- 1.2
- Verdrängerpumpe
- 2
- Rotorblattwelle
- 3
- Rotorblatt
- 4
- Lager
- 5
- Gehäuse
- 5.1
- Mantelfläche (Abschnitt 1)
- 5.2
- Mantelfläche (Abschnitt 2)
- 6
- Scheidewand
- 7
- Abstreifschiene(-rolle)
- 8
- Einlass
- 9
- Auslass
- 10
- Vorhof
- 11
- Kammer
- 12
- Zapfen der Rotorblattwelle/Antrieb
- 13
- Getriebe)
- 14
- Antriebsmotor)
- 15
- Seitenansicht) bei Doppelpumpe
- 16
- Vorderansicht) bei Doppelpumpe
- 17
- Lunge) Kreislauf
- 18
- Körper)
- 19
- Aorta)
- 20
- Vene)
