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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Flüssigkeitspumpen in medizinischen Behandlungsvorrichtungen.
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Stand der Technik
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Medizinische Behandlungsvorrichtungen sind insbesondere Blutbehandlungsvorrichtungen. Blutbehandlungsvorrichtungen umfassen Dialysemaschinen, die in Hämodialysemaschinen und Maschinen zur Durchführung von automatisierten Peritonealdialysen unterteilbar sind.
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Die Dialyse ist ein Verfahren zur Blutreinigung von Patienten mit akuter oder chronischer Niereninsuffizienz. Grundsätzlich unterscheidet man hierbei Verfahren mit einem extrakorporalen Blutkreislauf, wie die Hämodialyse, die Hämofiltration oder die Hämodiafiltration (im Folgenden unter dem Begriff Hämodialyse zusammengefasst) und der Peritonealdialyse, die keinen extrakorporalen Blutkreislauf aufweist.
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Das Blut wird bei der Hämodialyse in einem extrakorporalen Kreislauf durch die Blutkammer eines Dialysators geleitet, die über eine semipermeable Membran von einer Dialysierflüssigkeitskammer getrennt ist. Die Dialysierflüssigkeitskammer wird von einer die Blutelektrolyte in einer bestimmten Konzentration enthaltenen Dialysierflüssigkeit durchströmt. Die Stoffkonzentration der Dialysierflüssigkeit entspricht der Konzentration des Blutes eines Gesunden. Während der Behandlung werden das Blut des Patienten und die Dialysierflüssigkeit an beiden Seiten der Membran im Allgemeinen im Gegenstrom mit einer vorgegebenen Flussrate vorbeigeführt. Die harnpflichtigen Stoffe diffundieren durch die Membran von der Blutkammer in die Kammer für Dialysierflüssigkeit, während gleichzeitig im Blut und in der Dialysierflüssigkeit vorhandene Elektrolyte von der Kammer höherer Konzentration zur Kammer niedrigerer Konzentration diffundieren. Wird an der Dialysemembran ein Druckgradient von der Blutseite zur Dialysatseite aufgebaut, beispielsweise durch eine Pumpe, die flussabwärts des Dialysefilters auf der Dialysatseite Dialysat aus dem Dialysatkreislauf entzieht, tritt Wasser aus dem Patientenblut über die Dialysemembran in den Dialysatkreislauf über. Dieser Vorgang der Ultrafiltration führt zu einer gewünschten Entwässerung des Patientenbluts.
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Bei der Hämofiltration wird dem Patientenblut durch Anlegen eines Transmembrandrucks im Dialysator Ultrafiltrat entzogen, ohne dass Dialysierflüssigkeit auf der dem Patientenblut gegenüber liegenden Seite der Membran des Dialysators vorbeigeführt wird. Zusätzlich kann dem Patientenblut eine sterile und pyrogenfreie Substituatslösung zugesetzt werden. Je nachdem, ob diese Substituatslösung stromaufwärts des Dialysators zugesetzt wird oder stromabwärts, spricht man von Prä- oder Postdilution. Der Stoffaustausch erfolgt bei der Hämofiltration konvektiv.
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Die Hämodiafiltration kombiniert die Verfahren der Hämodialyse und der Hämofiltration. Es findet sowohl ein diffusiver Stoffaustausch zwischen Patientenblut und Dialysierflüssigkeit über die semipermeable Membran eines Dialysators statt, als auch eine Abfiltrierung von Plasmawasser durch einen Druckgradienten an der Membran des Dialysators.
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Die Plasmapherese ist ein Verfahren, wonach Blutplasma von korpuskularen Blutbestandteilen (Zellen) getrennt wird. Das abgetrennte Blutplasma wird gereinigt oder durch eine Substitutionslösung ersetzt und dem Patienten zurückgegeben.
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Bei der Peritonealdialyse wird die Bauchhöhle eines Patienten über einen durch die Bauchdecke geführten Katheter mit einer Dialyseflüssigkeit befüllt, die ein Konzentrationsgefälle gegenüber den körpereigenen Flüssigkeiten aufweist. Über das als Membran wirkende Bauchfell (Peritoneum) treten die im Körper vorliegenden Giftstoffe in die Bauchhöhle über. Nach einigen Stunden wird die sich in der Bauchhöhle des Patienten befindliche, nunmehr verbrauchte Dialyseflüssigkeit ausgetauscht. Durch osmotische Vorgänge kann Wasser aus dem Blut des Patienten über das Bauchfell in die Dialyseflüssigkeit übertreten und den Patienten somit entwässern.
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Die Verfahren zur Dialyse werden in der Regel mit Hilfe von automatischen Dialysegeräten, wie sie beispielsweise von der Anmelderin unter der Bezeichnung 5008 oder sleep.safe vertrieben werden, durchgeführt.
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Zur Förderung von Flüssigkeiten in medizinischen Behandlungsvorrichtungen werden Pumpen unterschiedlicher Ausgestaltung verwendet. Bei Geräten mit extrakorporalem Blutkreislauf, wie beispielsweise Hämodialysegeräten, werden oftmals peristaltische Schlauchrollenpumpen verwendet. Diese Schlauchrollenpumpen finden häufig in der Medizintechnik Anwendung, da mit ihnen ein kontaktloser Transport einer Flüssigkeit möglich ist. Darüber hinaus liefern sie theoretisch einen zur Drehzahl proportionalen Fluss in weiten Bereichen unabhängig von den Flusswiderständen stromauf und stromab der Pumpe. Bei einer Blutpumpe in extrakorporalen Behandlungsverfahren bezeichnet man die zuführende (Saug-) Seite als arterielle Seite mit einem sich einstellenden Unterdruck von typisch ca. -100 bis -300 mm Quecksilbersäule gegenüber Außendruck, und die abführende Seite als venöse Seite mit einem sich einstellenden Überdruck gegenüber dem Außendruck.
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Die
DE3326785A1 zeigt eine typische Ausgestaltung für eine solche okkludierende Schlauchrollenpumpe, wonach das Fördermedium mittels eines periodisch okkludierten Schlauches bewegt wird.
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Von der Grundkonzeption her weist eine Rollenpumpe einen Stator und einen Rotor auf. Der Stator ist an dem Pumpengehäuse ausgebildet und weist eine Vertiefung auf, an deren stetig verlaufender senkrechter Wand ein Pumpenschlauch anliegt. Der Bereich, an dem der Pumpenschlauch an der Wand anliegt, bildet das Pumpenbett, das die Kontur eines Kreisausschnittes hat.
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Durch den Mittelpunkt dieses Kreisausschnittes verläuft die Drehachse eines Rotors, der an seinen freien Enden drehbar gelagerte Rollen aufweist. Bei Drehung des Rotors in Arbeitsrichtung gelangen die Rollen mit dem Pumpenschlauch, der an der Kreiskontur des Pumpenbettes anliegt, in Berührung und drücken ihn bei weiterlaufender Drehung so weit zusammen, dass er flüssigkeitsdicht (okkludierend) abschließt.
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Durch ein weiteres Abrollen der Rollen auf dem Pumpenschlauch wird das im Pumpenschlauch befindliche Fördermedium weitern transportiert. In der Mehrzahl der Fälle weist eine derartige Rollenpumpe zwei Rollen auf, die so an dem Rotor angebracht sind, dass die Verbindungslinie durch ihre Drehachsen am Rotor durch die Drehachse des Rotors verläuft.
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Andere Pumpentypen, die zum Einsatz kommen können, sind beispielsweise Zentrifugalpumpen, Membranpumpen oder Zahnradpumpen.
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Der Pumpentyp ist maßgeblich für die Beanspruchung des zu fördernden Mediums. Dies ist insbesondere bei einem extrakorporalen Blutkreislauf von Bedeutung, denn durch das Pumpen kann das Blut geschädigt werden, insbesondere kann es zur Zerstörung der Erythrozyten, also der roten Blutblättchen kommen (Hämolyse).
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Dies kann insbesondere mechanisch, beispielsweise durch die Quetschung innerhalb eines Blutschlauchs, als auch durch zu hohe Drücke geschehen.
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Charakteristisch für eine Schlauchrollenpumpe ist der pulsatile, nicht stetige Fluss, der durch den fortwährenden Eingriff der Rollen in das Pumpenschlauchsegment hervorgerufen wird. Beim Eingriff der Rollen in das Schlauchsegment wird der Schlauch zusammengequetscht und dabei Flüssigkeit verdrängt. Diese Flüssigkeit wird in sowohl in als auch gegen die Flussrichtung verdrängt. Stromaufwärts der Rolle überlagert sich die verdrängte Flüssigkeit im laufenden Betrieb mit dem Fluss in Richtung Pumpe und führt somit zu einer kurzzeitigen Netto-Verringerung des Flusses, wodurch der arterielle Druck weniger negativ wird, solange bis der Schlauch komplett okkludiert ist. Danach beschleunigt sich die Flüssigkeit im Schlauch wieder, und der arterielle Druck sinkt wieder. Stromabwärts der Schlauchrollenpumpe entsteht ein plötzlicher Druckabfall sobald die Rolle aus dem Pumpensegment austritt, und es zu einem Druckausgleich zwischen dem Unterdruck im bislang eingeschlossenen Segment zwischen den Rollen und dem Überdruck stromabwärts der Pumpe kommt.
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Dabei können Druckspitzen (bzw. Flussspitzen) im Bereich der Punktionsstelle der Nadel, die das extrakorporale Blut einem Patienten zurückgibt aufteten und Scherkräfte hervor rufen, welche im Extremfall zur Thrombosierung (Gerinselbildung) an den Gefäßwänden und zu Hämolyse führen können. Stromaufwärts der Pumpe kann es beim Ausgleich zwischen Hoch- und Niederdrucksystem ebenfalls zu hohen Scherkräften kommen.
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Darüber hinaus werden Schlauchrollenpumpen im Bereich der Hämodialyse auch zur Zugabe von blutverdünnenden Substituatflüssigkeiten verwendet. Die hierdurch erzeugten Druckpulse beeinflussen das zu verdünnenden Blut wenn auch in geringerem Maße als bei der Blutpumpe zumindest an der Stelle, wo das Substituat und das Blut vermischt werden.
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Ein anderer eingesetzter Pumpentyp ist die Impeller- oder Zentrifugalpumpe. Zentrifugalpumpen enthalten im Wesentlichen ein Gehäuse zur Aufnahme eines Flügelrades, mit dem ein Magnet fest verbunden ist. Der Magnet kann durch einen in einer feststehenden Basis enthaltenen zweiten rotierenden Magneten gedreht werden, wodurch das Flügelrad in Rotation gebracht wird und die im Gehäuse befindliche Flüssigkeit von einem Flüssigkeitseingang zu einem Flüssigkeitsausgang bewegt wird. Durch das Wirkprinzip liefern Zentrifugalpumpen einen konstanten Volumenstrom, wobei der Ausgangsdruck der gepumpten Flüssigkeit vom Eingangsdruck, der Viskosität der Flüssigkeit und der Drehzahl abhängt. Druckpulse in der geförderten Flüssigkeit wie bei den peristaltischen Pumpen kommen bei Zentrifugalpumpen im Normalbetrieb mit konstanter Drehgeschwindigkeit des Flügelrads nicht vor. Hierdurch wird Hämolyse, die durch pulsatile Blutförderung verursacht wird, vermieden.
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Bei Anwendung im extrakorporalen Blutkreislauf, insbesondere bei Hämodialysebehandlungen, ist es oftmals notwendig, dem Blut kontrolliert Medikamente zuzusetzen. Eine typische Medikation ist das Hinzumischen von Antikoagulanzien wie Heparin bei Hämodialysebehandlungen, um die Gerinnung des Blutes im extrakorporalen Blutkreislauf zu verhindern und so das Zusetzen der feinen Hohlfasern des Dialysfiltersfilters zu vermeiden.
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Hierzu sind oftmals Spritzenpumpen vorgesehen, die dem Blut stromaufwärts eines Dialysefilter Heparin oder ein anderes Antikoagulanzmittel (z.B. Citrat) zusetzen. Es ist aber auch vorgesehen, dem Blut eine Medikation zuzusetzen, in dem diese durch eine spezielle Vorrichtung in eine Tropfkammer geleitet wird.
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Die
EP2386324A1 offenbart eine solche Vorrichtung. Dort wird eine Medikamentendosierungsapparatur vorgeschlagen, die aufgrund von Druckpulsen in einer Tropfkammer Dosen eines Medikaments in die Tropfkammer entlässt. Die Druckpulse werden hierbei durch die pulsatile, nicht stetige Arbeitsweise einer peristaltischen Pumpe erzeugt, die eine Flüssigkeit, bevorzugt Blut in die Tropfkammer fördert. Innerhalb der Tropfkammer entsteht somit über dem Flüssigkeitspegel ein pulsierender Luftdruckverlauf im Takt der peristaltischen Pumpe, der zu regelmäßigen Abgaben von Medikamententropfen in die Tropfkammer führt.
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Bislang ist es bei der Verwendung von stetig fördernden peristaltischen Pumpen nicht möglich, die Medikamentendosierung variabel zu steuern, d.h. auszusetzen oder zeitweise vermehrt auftreten zu lassen. Mit Zentrifugalpumpen ist es bislang überhaupt nicht möglich, aufgrund der fehlenden Druckschwankungen, die in der
EP2386324A1 vorgeschlagene Medikamentendosierungsapparatur zu betreiben.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Vorrichtungen und Verfahren zu schaffen, die eine peristaltische Pumpe mit einem Rotor oder eine Zentrifugalpumpe so steuern, dass das Auftreten von Druck- und/oder Flussspitzen im Fördermedium der Pumpe vermieden wird, oder dass sie einem vorgegebenen Profil folgen, um so die Abgabe der Medikamentendosis zu kontrollieren.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtungen der Anspruchs 1 und dem Verfahren des Anspruchs 7. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
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Demnach ist vorgesehen, den Arbeitspunkt einer peristaltischen Pumpe in Abhängigkeit des Winkels, den der Rotor mit einem beliebigen feststehenden Punkt einschließt, zu ändern. Weiterhin ist vorgesehen, den Arbeitspunkt einer Zentrifugalpumpe, die eine Medikamentendosiervorrichtung antreibt, einem Profil folgend zu ändern, das zumindest einen Wechsel von einem ersten Arbeitspunkt zu einem zweiten Arbeitspunkt und einen Wechsel von dem zweiten Arbeitspunkt zu dem ersten oder einem dritten Arbeitspunkt beinhaltet, wobei der zweite Arbeitspunkt zumindest einen Betriebsparameter umfasst, der größer oder kleiner ist als dieser Betriebsparameter des ersten und dritten Arbeitspunkts.
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Unter dem Arbeitspunkt einer peristaltischen Pumpe oder einer Zentrifugalpumpe wird zumindest einer der Betriebsparameter der Pumpe verstanden. Betriebsparameter sind insbesondere Eingangs- und Ausgangsdruck in gepumpten Flüssigkeit, Förderraten der gepumpten Flüssigkeit am Eingang und am Ausgang der Pumpe, Winkelgeschwindigkeit des Rotors der peristaltischen Pumpe, Winkel, den der Rotor der peristaltischen Pumpe mit einem beliebigen feststehenden Punkt einschließt, Umdrehungsgeschwindigkeit des Flügelrades der Zentrifugalpumpe und Versorgungsspannung, Versorgungsstrom, sowie Leistungsaufnahme des die Pumpe antreibenden Elektromotors.
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Wesentlich ist, dass die aufgezählten Betriebsparameter nicht unabhängig voneinander beeinflussbar sind. Durch das Verändern des Arbeitspunkts mittels Verändern zumindest eines Betriebsparameters, wird eine Vielzahl anderer Betriebsparameter automatisch mitgeändert. So hat die Erhöhung der Umdrehungszahl einer Zentrifugalpumpe in der Regel sowohl eine höhere Flussrate am Ein- und Ausgang der Pumpe zur Folge, als auch einen höheren Differenzdruck zwischen Ein- und Ausgang in der geförderten Flüssigkeit. Ebenfalls erhöht sich die Leistungsaufnahme der Pumpe.
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Nachfolgend werden für die peristaltische Pumpe und die Zentrifugalpumpe Ausführungsformen, bei denen bestimmte Betriebsparameter verändert werden, beschrieben. Dem Fachmann ist klar, dass sich die Erfindung ohne weiteres Zutun auf Ausführungsformen, bei denen andere Betriebsparameter verändert werden, übertragen lässt. Wesentlich ist, welche Folgen das Verändern des Arbeitspunktes der Pumpe durch das Verändern des einen oder der Betriebsparameter hat.
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Für die Vorrichtung mit peristaltischer Pumpe ist es eine Ausführungsform, dass die Winkelgeschwindigkeit des Rotors der peristaltischen Pumpe periodisch moduliert wird, um die auftretenden Spitzen des Flüssigkeitsdruck, die hervorgerufen werden durch die in das Pumpenbett ein- und austretenden Rollen, abzumildern, oder im Idealfall vollständig zu unterdrücken. Bauartbedingt bildet das Pumpenbett, in dem der Schlauch einliegt, annähernd einen Halbkreis, wodurch die Interaktion der Schlauchrollen mit dem Schlauch jeweils während einer halben Umdrehung geschieht.
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Idealerweise wird die Winkelgeschwindigkeit des Rotors der peristaltischen Pumpe derart moduliert, dass es zu einem konstanten Flüssigkeitsdruck kommt. Ist hingegen ein Druckpuls in der Flüssigkeit erwünscht, um beispielsweise in einer flussabwärts angeordneten Vorrichtung aus Tropfkammer und Dosierungsvorrichtung wie in der
EP 2 386 324 A1 beschrieben eine kontrollierte Abgabe eines Medikamentes zu veranlassen, kann eine zweite Modulation der Winkelgeschwindigkeit der ersten überlagert werden, um einen kontrollierten Druckpuls in der Flüssigkeit zu erzeugen.
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Die Winkelgeschwindigkeit des Rotors der peristaltischen Pumpe wird dabei in einer Ausführungsform abhängig von der aktuellen Stellung des Rotors, also des Winkels, den der Rotor mit einem beliebigen feststehenden Punkt einschließt, verändert.
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Im Unterschied zu peristaltischen Pumpen erzeugen Zentrifugalpumpen im Betrieb keine Druckpulse im geförderten Fluid. Näherungsweise sind Zentrifugalpumpen Konstantdruckquellen, deren Ausgangsdruck dem Eingangsdruck addiert mit einem von der Pumpe erzeugten Druck entspricht. Dieser von der Pumpe erzeugte Druck ist abhängig von der Viskosität des geförderten Fluids und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Flügelrads der Zentrifugalpumpe.
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Ist bei einer Anwendung, beispielsweise bestehend aus einer Zentrifugalpumpe mit einer flussabwärts betriebenen Vorrichtung aus Tropfkammer und Dosierungsvorrichtung wie in der
EP2386324A1 beschrieben, die Erzeugung kontrollierter Druckpulse erwünscht, kann der Arbeitspunkt des Flügelrades entsprechend moduliert werden, um solche Druckpulse zu erzeugen.
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Hierbei ändert sich der Arbeitspunkt im Wesentlichen pulsförmig. D.h. der Arbeitspunkt, der zumindest durch einen Betriebsparameter gekennzeichnet ist, beispielsweise durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Flügelrates, wird zunächst größer und nach vergleichsweiser kurzer Zeit wieder kleiner. Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass der Arbeitspunkt zunächst kleiner und danach wieder größer wird. Wird statt einer Zentrifugalpumpe auf eine peristaltische Pumpe angewandt, ist der Arbeitspunkt durch den Winkel, den der Rotor mit einem beliebigen feststehenden Punkt einschließt, gekennzeichnet.
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Je nach Pumpenausführung und eingelegtem oder angeschlossenem Schlauch reagieren Ein- und Ausgangsdruck bzw. die Pumpraten unterschiedlich auf sich verändernde Arbeitspunkte. So unterliegen sowohl die Pumpe selbst, als auch die darin eingelegten oder damit verbundenen Schläuche herstellungsbedingten Varianzen.
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Hierdurch variieren beispielsweise die Winkel des Rotors einer Schlauchrollenpumpe, unter denen die Schlauchrollen in den Schlauch eingreifen und wieder von ihm abheben.
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Darüber hinaus variiert auch die Schlauchstärke und mit dieser die Nachgiebigkeit des Schlauches von Schlauchtyp zu Schlauchtyp, aber auch innerhalb desselben Schlauchtyps durch herstellungsbedingte Varianzen.
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Die Nachgiebigkeit des Schlauches ist für die Rückstellkraft des Schlauches unter Anderem von Bedeutung. Die Rückstellkraft des Schlauches ist wiederrum für die Zeitspanne bedeutend, die ein Schlauch für die Wiederherstellung seiner ursprünglichen Form benötigt, nachdem er beispielsweise durch eine Schlauchrollenpumpe zusammengedrückt worden war. Somit hängt der zeitliche Verlauf des Flüssigkeitsdruckes innerhalb des Schlauches unter anderem auch von der variierenden Rückstellkraft des Schlauches ab.
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Für jede konkrete Pumpe und einliegendem oder angeschlossenem Schlauch kann deshalb ein Kalibiervorgang vorgesehen sein. In einem solchen Kalibriervorgang variiert eine Steuereinheit den Arbeitspunkt der Pumpe einem Kalibrierprofil folgend und nimmt zumindest einen Betriebsparameter, wie beispielsweise den Flüssigkeitsdruck oder die Pumprate am Ein- oder Ausgang der Pumpe, auf und ordnet den mindestens einen Betriebsparameter dem jeweilig aktuellen Arbeitspunkt zu.
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Beispielsweise kann die Winkelgeschwindigkeit (in Abhängigkeit des Rotorwinkels) oder die Drehzahl des Rotors bzw. der Pumpe, gezielt verändert werden und die jeweilige Winkelgeschwindigkeit (in Abhängigkeit des Rotorwinkels) bzw. Drehzahl einem Flüssigkeitsdruck am Ein- und/oder Ausgang der Pumpe zugeordnet werden.
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Somit kann jede Kombination aus Pumpe und einliegendem oder angeschlossenem Schlauch in einer Kalibrierphase vermessen werden, um eine eindeutige Beziehung zwischen Arbeitspunkt, bzw. Arbeitspunktveränderung und denen von diesem Arbeitspunkt bzw. der Arbeitspunktveränderung abhängigen Parameter bzw. deren Veränderung, wie beispielsweise Flüssigkeitsdrück flussauf- oder flussabwärts der Pumpe oder Pumprate, zu erhalten.
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Der gewonnene Zusammenhang kann beispielsweise in Form einer Tabelle in einem Speicher abgelegt werden. Aus dieser Tabelle kann durch eine mathematische Operation eine Funktion, die die Tabelle abbildet, gebildet werden. Diese Funktion kann in einer Regelschaltung dazu benutzt werden, den für die jeweiligen gewünschten Parameter, wie beispielsweise den Flüssigkeitsdruck am Pumpenausgang, notwendigen Arbeitspunkt zu bestimmen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein System aus mindestens zwei Pumpen, die in denselben Flüssigkeitskreislauf fördern. Solche Systeme aus mehreren Pumpen, die in denselben Flüssigkeitskreislauf fördern, sind aus der Dialyse bekannt. So ist oftmals stromabwärts einer peristaltischen Blutpumpe in einer Hämodialysevorrichtung eine Pumpe zum Fördern von Blutersatzflüssigkeit (Substituat) angeordnet. Diese Pumpe kann als Spritzenpumpe ausgeführt sein, wobei der Kolben der Spritze durch einen steuerbaren Antrieb (elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch) vor und zurück verfahrbar ist.
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Andere Ausführungsformen für Substituatpumpen umfassen beispielsweise Zahnradpumpen, Membranpumpen, Schlauchrollenpumpen oder auch Zentrifugalpumpen.
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Die Substituatpumpe kann das Substituat beispielsweise direkt in eine venöse Tropfkammer fördern, an die eine Medikamentendosiervorrichtung angeschlossen sein kann. Ein solches System aus Blutpumpe und Substituatpumpe fördert jeweils ein unterschiedliches Fluid in einen Flüssigkeitskreislauf.
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Es sind aber auch Systeme aus hintereinander angeordneten Pumpen denkbar, bei denen Pumpen gleichen oder unterschiedlichen Typs zum Einsatz kommen und dasselbe Fluid fördern. So ist es vorstellbar, dass nach einer peristaltischen Blutpumpe eine zweite Pumpe, beispielsweise als Zentrifugalpumpe ausgeführt, angeordnet ist.
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Unabhängig davon, wie die Pumpen gegeneinander angeordnet sind, ist wesentlich für die Erfindung, dass der Arbeitspunkt jeder Pumpe auf den Flüssigkeitsdruck und/oder die Förderrate an zumindest einem einzigen Punkt eines Flüssigkeitskreislaufes wirkt.
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So kann erreicht werden, dass mit der Modulation des Arbeitspunktes zumindest einer Pumpe der Flüssigkeitsdruck und/oder die Förderrate an zumindest diesem einen Punkt einstellbar ist.
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Beispielsweise kann durch entsprechende Ansteuerung des Kolbens der Substituatspumpe der Druck in der venösen Tropfkammer auf einen beliebigen Verlauf eingestellt werden, unabhängig davon, ob die Blutpumpe, die ebenfalls in die venöse Tropfkammer fördert, Druckpulse erzeugt oder nicht.
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Einem von einer Blutpumpe stromaufwärts erzeugten Druckanstieg kann beispielsweise dadurch entgegengewirkt werden, indem der Kolben einer als Spritzenpumpe ausgeführten Substituatpumpe, die stromabwärts der Blutpumpe in denselben Flüssigkeitskreislauf fördert, synchron zurückgefahren wird.
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Vorstellbar ist auch, dass bei strömungstechnisch hintereinander angeordneten Pumpen gleichen oder unterschiedlichen Typs, die dasselbe Fluid fördern, die Arbeitspunkte jeder Pumpe individuell moduliert werden. So kann beispielsweise bei einem System aus einer Schlauchrollenpumpe und einer stromabwärts gelegenen Zentrifugalpumpe die Schlauchrollenpumpe derart moduliert werden, dass an deren Pumpenausgang Druckschwankungen minimiert werden und der Arbeitspunkt der nachfolgenden Zentrifugalpumpe derart moduliert werden, dass an deren Pumpenausgang Druckpulse zur Ansteuerung einer Medikamentendosiervorrichtung in schon beschriebener Weise erzeugt werden.
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Es sind Kombinationen jedes denkbaren Pumpentyps mit mindestens zwei Pumpen denkbar, wobei die Arbeitspunkte jeder eingesetzten Pumpe analog eines Profils modulierbar sind.
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Die Ausführungsformen der Erfindung werden in der detaillierten Figurenbeschreibung weiter dargelegt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die folgenden Figuren dienen dem besseren Verständnis der Erfindung bzw. zeigen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
- Die 1 zeigt anhand dreier Phasen den Pumpvorgang bei Verwendung einer herkömmlichen peristaltischen Schlauchrollenpumpe.
- Die 2 zeigt anhand zweier Diagramme beispielhaft die Änderung des Arbeitspunktes einer Schlauchrollenpumpe durch die Modulation der Winkelgeschwindigkeit einer Schlauchrollenpumpe.
- Die 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Regelsystem zur Bestimmung einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit des Rotors einer Schlauchrollenpumpe.
- Die 4 zeigt eine erfindungsgemäße Medikamentendosierungsvorrichtung in einer beispielhaften Ausführungsform.
- Die 5 zeigt die Profile des Ausgangsdrucks bzw. der Umdrehungsgeschwindigkeit der Zentrifugalpumpe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Die 1 ist unterteilt in drei Phasen A, B und C, die jeweils eine peristaltische Schlauchrollenpumpe 100 mit einliegendem Schlauch 104 zeigen. Die peristaltische Pumpe umfasst einen Rotor 103 mit drehbar gelagerten Rollen 102, die in den elastischen Schlauch 104 eingreifen und durch die Rotation des Rotors (in 1 gegen den Uhrzeigersinn) die Flüssigkeit innerhalb des Schlauchs 104 fördern.
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Die Phasen A, B und C der 1 unterscheiden sich jeweils durch die Stellung des Rotors. Links neben der Schlauchrollenpumpe ist jeweils ein Diagramm angeordnet, welches den Ausgangsdruck 112 und den Eingangsdruck 111, die innerhalb des Schlauches 104 flussabwärts bzw. flussaufwärts herrschen, gegenüber dem Stellungswinkel α des Rotors aufträgt.
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Die vertikale unterbrochene Linie kennzeichnet hierbei jeweils den aktuellen Stellungswinkel des Rotors 103. Links dieser Linie sind die vergangenen Druckverläufe gezeichnet, rechts dieser Line sind unterbrochen die zukünftigen Verläufe dargestellt.
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Da der Pumpvorgang durch die Geometrie der Schlauchrollenpumpe innerhalb einer halben Umdrehung des Rotors geschieht, endet die Abzissenbeschriftung bei 180 (Grad). Die Ordinate zeigt den Flüssigkeitsdruck in mm Quecksilbersäule gegenüber dem Außendruck. Nach einer halben Umdrehung beginnt der Pumpvorgang erneut, die vormals voreilende Schlauchrolle, also die Schlauchrolle, die in Strömungsrichtung näher zum Pumpenausgang ist, ist dann die aktuell nacheilende und umgekehrt.
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Wesentlich für das Verständnis der Erfindung sind die Druckverläufe stromauf- und stromabwärts der Pumpe. In Phase A okkludiert die rechte Rolle 102 den Schlauch vollständig und schiebt die Flüssigkeit, die sich im Schlauchabschnitt 106 befindet gegen den Uhrzeigersinn zum Pumpenausgang. Die Flüssigkeit im Schlauchabschnitt 105 wird durch den sich in seine ursprüngliche Form zurückbewegenden Schlauch ebenfalls in Richtung Pumpenausgang gefördert.
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Im Schlauchabschnitt 106 steigt der Flüssigkeitsdruck linear an, während im Schlauchabschnitt 105 der Flüssigkeitsdruck linear abnimmt.
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In Phase B greift die nacheilende, untere Schlauchrollenpumpe erstmals ins Pumpenbett ein und quetscht den Schlauch an der Stelle 110. Somit findet dort eine Volumenverdrängung statt, die sich im sprunghaften Druckanstieg 109 im Schlauchabschnitt 105 auswirkt. Der Schlauchabschnitt 106 ist von dieser Volumenverdrängung nicht betroffen, da die voreilende Schlauchrolle den Schlauch vollständig okkludiert.
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In Phase C hebt die voreilende Rolle vom Pumpenbett ab und gibt den Schlauch 104 an der Stelle 108 frei. Es findet somit ein Druckausgleich zwischen dem Schlauchabschnitt 105 und 106 statt. Dies wirkt sich in dem Druckabfall 110 aus.
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Dieser Vorgang wiederholt sich bei jeder halben Umdrehung, es findet also ein periodischer, pulsatiler Flüssigkeitstransport statt mit denen in 1 gezeigten Druckpulsen. Druck und Flüssigkeitsfluss sind einander proportional, wobei der Flüssigkeitsfluss umso höher ist, je höher der Druck und je niedriger der Flusswiderstand ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, diese Druckpulse zu verringern, oder idealerweise vollständig zu unterdrücken.
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Die 2 verdeutlicht anhand zweier Diagramme die erfindungsgemäße Modulation der Winkelgeschwindigkeit des Rotors einer Schlauchrollenpumpe wie in 1 gezeigt, um einen konstanten Flüssigkeitsdruck bzw. einen konstanten Flüssigkeitsfluss zu erzeugen.
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Das Diagramm 200 zeigt den Verlauf des Flüssigkeitsdrucks P am Pumpenausgang bzw. den Flüssigkeitsfluss Q bei konstanter Winkelgeschwindigkeit ω. Es zeigt sich der typische pulsatile Verlauf von Druck und Fluss analog zu den Diagrammen in 1.
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Das Diagramm 201 zeigt im Unterschied dazu, den Flüssigkeitsdruck P am Pumpenein- oder -ausgang bzw. den Flüssigkeitsfluss Q, wenn die Winkelgeschwindigkeit erfindungsgemäß moduliert wird. Prinzipiell folgt hierbei die Änderung der Winkelgeschwindigkeit im Diagramm 201 einem Profil, das invers zur Änderung des Flüssigkeitsdrucks P bzw. den Flüssigkeitsfluss Q in Diagramm 200 verläuft. D.h. steigen Druck bzw. Fluss in Diagramm 200, sinkt entsprechend die Winkelgeschwindigkeit im Diagramm 201 und umgekehrt.
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Somit hängt die Winkelgeschwindigkeit erfindungsgemäß von dem Drehwinkel des Rotors der Schlauchrollenpumpe ab. Der Winkel des Rotors kann durch beliebige Sensoren einer Steuervorrichtung bekannt gemacht werden, die aufgrund des dann bekannten Winkel eine entsprechende Winkelgeschwindigkeit des Rotors veranlasst. Beispielhafte Ausführungsformen für die Sensoren zur Erkennung des Drehwinkels des Rotors sind Potentiometer, deren Widerstand vom Drehwinkel abhängt oder Hallsensoren, die dem Drehwinkel entsprechende Signale abgeben.
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Vorstellbar ist aber auch, dass die Schlauchrollenpumpe von einem Schrittmotor angetrieben wird, der definierte Winkel bei entsprechender elektrischer Ansteuerung dreht. Somit ist der Drehwinkel jederzeit durch eine Steuereinrichtung erfahrbar. Lediglich ein Startpunkt des Drehwinkels muss der Steuereinrichtung bekannt gemacht werden.
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Zusätzlich zur Konstanthaltung des Flüssigkeitsdrucks oder der Flüssigkeitsflusses können erfindungsgemäß diese Größen auf ein beliebiges vorgegebenes Profil eingeregelt werden, in dem eine zweite Modulation der Winkelgeschwindigkeit des Rotors der ersten, die zu konstantem Flüssigkeitsdruck bzw. -fluss führt, überlagert wird. Dies kann beispielsweise dann erwünscht sein, wenn flussabwärts der Pumpe eine Medikamentendosiervorrichtung, die von der peristaltischen Pumpe angetrieben wird, vorhanden ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass alternativ zum Drehwinkel oder zusätzlich zum Drehwinkel weitere Größen gemessen und der Steuereinrichtung zugeführt werden. Diese weiteren Größen können der Flüssigkeitsdruck und/oder der Flüssigkeitsfluss am Pumpeneingang und/oder am Pumpenausgang sein; vorstellbar ist auch die Rückführung des elektrischen Pumpenstroms, also der Strom, der dem Antriebsmotor der Pumpe zugeführt wird. Die Steuervorrichtung regelt hierbei aufgrund der weiteren Größen die Winkelgeschwindigkeit des Rotors der Schlauchrollenpumpe so, dass der Druck bzw. der Fluss gewünschte Werte annehmen.
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Die 3 zeigt eine entsprechende Regelschaltung, bei der Eingangs und Ausgangsdruck mit entsprechenden Sollwerten verglichen werden und aus diesen eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit bestimmt wird.
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Eine mögliche zusätzliche oder ausschließliche Größe, die der Regelschaltung nach 3 zuführbar ist, ist der Motorstrom der Schlauchrollenpumpe. Es hat sich nämlich gezeigt, dass der Motorstrom und insbesondere der Ausgangsdruck der Schlauchrollenpumpe zueinander proportional sind.
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In der in 3 gezeigten Regelschaltungen wird zumindest eine der weiteren Größen Eingangsdruck Pin, Ausgangsdruck Pout und elektrischer Pumpenstrom Ipump mit den Sollwerten Pin-!, Pout-! und Ipump-! verglichen und die Regelabweichung einer Steuervorrichtung 301 zugeführt. Der Steuereinrichtung 301 wird somit zumindest ein Betriebsparameter der Pumpe zugeführt. Diese Steuervorrichtung errechnet auf Basis der Regelabweichung eine entsprechende aktuelle Winkelgeschwindigkeit und führt ein entsprechendes Signal der Pumpe 302 zu, welches die Pumpe dazu veranlasst, sich mit der errechneten Winkelgeschwindigkeit zu drehen. Optional und in 3 gestrichelt dargestellt, wird zusätzlich auch der Drehwinkel α des Pumpenrotors der Steuereinrichtung 301 zugeführt. Hierbei werden die weiteren Größen durch geeignete Sensoren, wie beispielsweise Drucksensoren, Flussratensensoren, elektrische Sensoren (Strommessung, Spannungsmessung) gemessen.
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Die Steuereinrichtung 301 kann bei der Bestimmung eines Arbeitspunktes für die Pumpe auf die in einer Kalibrierphase bestimmten Daten zurückgreifen. Aus diesen Kalibrierdaten, die repräsentativ für das Verhalten der Pumpenparameter in Abhängigkeit des Arbeitspunkts sind, errechnet die Steuereinrichtung den jeweiligen aktuellen Arbeitspunkt, der zur Einhaltung der Sollwerte führt. Dazu kann die Steuereinrichtung auf eine hinterlegte Tabelle mit unterschiedlichen Arbeitspunkten und ihnen zugeordneten Pumpenparametern, beispielsweise Ausgangsdruck für einen bestimmte Winkelgeschwindigkeit und einen bestimmten Rotorwinkel, oder Ausgangsdruck für eine bestimmte Drehzahl, zurückgreifen.
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Alternativ kann diese Zuordnung aber auch über eine mathematische Funktion, die aus den Daten aus der Kalibrierphase gewonnen wird, erstellt werden.
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Ersetzt die Rückkopplung der weiteren Größen die Rückkopplung des Drehwinkels des Rotors, werden in vorteilhafter Weise entsprechende Sensoren für den Drehwinkel eingespart.
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Ergänzt die Rückkopplung der weiteren Größen die Rückkopplung des Drehwinkels des Rotors kann durch die Kenntnis sowohl des Flüssigkeitsdruckes (oder -flusses) als auch des Drehwinkels auf potentiell gefährliche Situationen geschlossen werden.
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Eine solch potentiell gefährliche Situation ist beispielsweise die Okklusion des Schlauches flussabwärts der Schlauchrollenpumpe. Eine solche Okklusion kann beispielsweise dann auftreten, wenn flussabwärts der Pumpe ein Filter, beispielsweise ein Dialysefilter verstopft. Bauartbedingt okkludiert die Schlauchrollenpumpe den Schlauch im Normalbetrieb. Steigt der Flusswiderstand aufgrund einer Okklusion steigt auch der Druck am Pumpenausgang stark an und kann zum Platzen des Schlauchs führen, oder zum Aufplatzen von Hohlfasern eines Dialysefilters, durch die das Blut eines Patienten strömt. In beiden Fällen kommt es zu einem Blutverlust des Patienten.
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Um dies zu verhindern sind Schlauchrollenpumpen häufig mit in Richtung der Rotordrehachse federnd gelagerten Rollen ausgerüstet. Die Rollen werden hierbei über Federn mit einer bestimmten Federkraft (Okklusionskraft) gegen den Schlauch gedrückt. Übersteigt der Flüssigkeitsdruck im Schlauch diese Federkraft bewegen sich die Rollen in Richtung der Rotordrehachse. Infolgedessen okkludieren sie den eingelegten Schlauch nicht mehr vollständig, und es kommt zu einer Druckbegrenzung in der geförderten Flüssigkeit.
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Die erfindungsgemäße Ausführungsform mit beispielsweise rückgekoppeltem Flüssigkeitsdruck oder Flüssigkeitsfluss am Pumpenausgang bietet eine zusätzlich Sicherheit, um Schäden zu vermeiden. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß aber auch auf Undichtigkeiten im Schlauch flussabwärts der Schlauchrollenpumpe geschlossen werden. Kommt es beispielsweise durch Materialfehler im Schlauch oder in mit diesem strömungstechnisch verbundenen Vorrichtungen wie Dialysefiltern zu Undichtigkeiten flussabwärts der Schlauchrollenpumpe weicht der Druck und/oder der Flüssigkeitsfluss von erwarteten Werten ab. Ebenso kann durch die Überwachung des Motorstroms der Schlauchrollenpumpe auf anormale Situationen geschlossen werden, beispielsweise erfährt der Motorstrom bei einer pumpenausgangsseitigen Okklusion eine unerwartete Überhöhung.
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Weiterhin kann auch auf andere potentiell gefährliche Situationen geschlossen werden. Kommt es beispielsweise zu einem Totalabriss der Verbindung des Schlauches mit einem Dialysefilter stromabwärts der Schlauchrollenpumpe sinkt der Flüssigkeitsdruck schlagartig, und die Flussgeschwindigkeit steigt plötzlich. Der Pumpenstrom erfährt in einer solchen Situation durch den plötzlich reduzierten Flusswiderstand einen Abfall auf unerwartete Werte.
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In einer solchen Situation kann die Steuervorrichtung die Schlauchrollenpumpe sofort stoppen und weitere Maßnahmen initiieren, wie Alarmmeldung an das behandelnde medizinische Personal und Abkoppeln des Patienten vom extrakorporalen Blutkreislauf durch entsprechende Aktoren wie Schlauchklemmen.
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Die
4 zeigt eine bespielhafte Ausführungsform einer Medikamentendosiervorrichtung, die von einer Schlauchrollenpumpe angetrieben wird. Diese Vorrichtung wird in der europäischen Offenlegungsschrift
EP 2 386 324 A1 ausführlich beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Die
4 umfasst eine Tropfkammer 410, in der eine Flüssigkeit 408, beispielsweise Patientenblut, auf einem gewissen Flüssigkeitspegel gehalten wird. Oberhalb dieses Pegels befindet sich Luft 407. Die Tropfkammer 410 hat einen Zulauf 406, durch den angetrieben von einer Flüssigkeitspumpe die Flüssigkeit 408 in die Tropfkammer gelangt. Durch den Ablauf 409 wird die Flüssigkeit aus der Tropfkammer entfernt.
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Weiterhin umfasst die Tropfkammer 410 einen weiteren Schlauchanschluss 405, der die Dosiervorrichtung 401 druckdicht mit der Tropfkammer verbindet. In der Dosiereinrichtung 401 wird ein Medikamentenbehälter 402 mit flüssigem Medikament 403 vorgehalten.
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Wesentlich für den Dosiervorgang ist der Druckverlauf, der im Bereich 407 der Tropfkammer herrscht und über die Schlauchverbindung 405 auf die Dosiereinrichtung 401 wirkt.
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Die Dosiereinrichtung ist mit zwei hier nicht näher dargestellten Rückschlagventilen ausgestattet, deren Durchlassrichtung gegeneinander gedreht ist, und die die Schlauchverbindung 405 mit dem Inneren des Medikamentenbehälters 402 verbinden. Erhöht sich der Druck in der Tropfkammer um einen bestimmten Betrag, beispielsweise durch die Druckimpulse einer in die Tropfkammer fördernden Schlauchrollenpumpe, öffnet sich das Rückschlagventil, das von der Schlauchleitung 405 in den Medikamentenbehälter 402 leitet. Entsprechend wird ein Luftbläschen 404 aus der Tropfkammer in den Medikamentenbehälter 402 gedrückt. Der Druck innerhalb des Medikamentenbehälters 402 steigt demnach.
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Sinkt der Druck in der Tropfkammer wieder um einen bestimmten Betrag, was bei der Verwendung von Schlauchrollenpumpen zur Förderung in die Tropfkammer normal ist, schließt sich das vormals geöffnete Rückschlagventil wieder und das zu diesem um 180 Grad gedrehte Rückschlagventil öffnet sich. Entsprechend werden Tropfen 411 des Medikaments 403 aus dem Medikamentenbehälter 402 in die Tropfkammer gefördert und zwar so lange, bis der Druckunterschied zwischen Medikamentenbehälter und Tropfkammer nicht mehr zum Offenhalten des Rückschlagventils ausreicht.
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Durch die periodischen Druckschwankungen, die eine Schlauchrollenpumpe in schon beschriebener Art und Weise produziert, wird bei deren Verwendung als Flüssigkeitspumpe, die Flüssigkeit über die Schlauchleitung 406 in die Tropfkammer fördert, periodisch eine Medikamentengabe aus dem Medikamentenbehälter 402 verursacht.
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Diese periodische Medikamentengabe ist oftmals unerwünscht. Erwünscht ist hingegen, die Medikamentengabe kontrolliert zu verursachen. Dies gelingt, in dem erfindungsgemäß bei der Verwendung von Schlauchrollenpumpen die Winkelgeschwindigkeit des Rotors in schon beschriebener Weise geregelt wird.
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Wird für die Förderung der Flüssigkeit hingegen eine Zentrifugalpumpe verwendet, stellt sich nicht das Problem unerwünschter Druckschwankungen in der geförderten Flüssigkeit, da Zentrifugalpumpen bei konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit keine Druckpulse erzeugen.
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Wird eine Zentrifugalpumpe mit einer Medikamentendosiervorrichtung wie in 4 gezeigt verwendet stellt sich hingegen die Aufgabe, kontrolliert Druckpulse durch entsprechende Ansteuerung der Zentrifugalpumpe zu erzeugen, um eine kontrollierte Medikamentengabe zu verursachen.
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Dies gelingt erfindungsgemäß durch die Veränderung des Arbeitspunktes der Zentrifugalpumpe einem Profil folgend. Es hat sich gezeigt, dass die für medizinische Zwecke gebräuchlichen Zentrifugalpumpen auf die sprunghafte Veränderung des Ansteuersignals innerhalb ausreichend niedriger Zeit mit einer Veränderung der Drehzahl und damit einhergehend auch mit einer Veränderung des Flüssigkeitsdrucks reagieren.
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Die 5 zeigt hierfür zwei Beispiele. Das in 5 obere Diagramm zeigt den Verlauf des Ausgangsdrucks einer für medizinische Zwecke häufig verwendeten Zentrifugalpumpe, wenn deren Drehzahl plötzlich pulsartig verändert wird. Der Betrag der Veränderung ist für die Kurven, die durch die Buchstaben A, B, C, 0 gekennzeichnet sind, jeweils unterschiedlich. Wesentlich ist, dass eine Änderung des Ausgangsdruckes und der damit verbundenen Förderrate innerhalb von Sekundenbruchteilen möglich ist.
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Im unteren Diagramm der 5 ist ein erfindungsgemäßes Profil aufgetragen, anhand dessen der Ausgangsdruck einer Zentrifugalpumpe verändert werden kann. Die Ordinate ist in Umdrehungen pro Minute aufgetragen. Diese Kenngröße einer Zentrifugalpumpe ist mit dem Ausgangsdruck und der Förderrate proportional, wenn die Viskosität der geförderten Flüssigkeit konstant bleibt. Im unteren Diagramm der 5 ist die durchgezogene Linie das Ansteuerungsprofil für die Zentrifugalpumpe und die unterbrochen gestrichelte und gepunktete Linie die tatsächliche Drehzahl der mit diesem Profil beaufschlagten Zentrifugalpumpe.
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Die pulsartige Veränderung des Ausgangsdrucks kann von jedem beliebigen Basisniveau erfolgen, wie das untere Diagramm durch die beiden Basisniveaus bei 6000 Umdrehungen pro Minute und bei 8000 Umdrehungen pro Minute zeigt.
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In Verbindung mit einer Medikamentendosiervorrichtung analog zur 4 können durch diese Ansteuerung in der Tropfkammer 410 kontrollierte Druckpulse erzeugt werden, die zur kontrollierten Medikamentenabgabe der Medikamentendosiervorrichtung 401 führen.
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Die für die Schlauchrollenpumpe weiter oben beschriebenen Regelmechanismen sind ohne Einschränkung auch für die Zentrifugalpumpe anwendbar. So können auch hier Ein- und Ausgangsdruck, sowie Stromaufnahme der Zentrifugalpumpe überwacht und einer Regelschaltung nach 3 zugeführt werden.
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Es ist somit durch die Erfindung möglich, gleichzeitig blutschonende Pumpvorgänge zu erzeugen und darüber hinaus kontrollierte Druckpulse zu generieren, die in Verbindung mit einer dadurch gesteuerten Medikamentendosiervorrichtung zur kontrollierten Abgabe von Medikamenten führt.
