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Die Erfindung betrifft eine Präzisionsdosiervorrichtung zum Befördern eines Fluids nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Regeleinheiten für Infusionspumpen. Im Feld der apparativen Infusionsgeräte haben sich im Laufe der vergangenen Jahrzehnte zwei grundsätzliche Pumpentypen herauskristallisiert. Es handelt sich dabei um die Klasse der Spritzenpumpen und die Klasse der Schlauchpumpen. Beide Pumpentypen haben sich in mannigfaltigen Bauformen bewährt und dominieren hausübergreifend den Markt der Infusionsgeräte. Mit dem allgemeinen technischen Fortschritt sind die Anforderungen an diese Pumpen stetig gewachsen. Verkauft werden überwiegend „Alleskönner", die große Ratenbereiche bei gleichzeitig höchster Anforderung an die Fördergenauigkeit abdecken.
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Die Beobachtung des technischen Fortschritts bei solchen aktiven makroskopischen „Alleskönnern“ wirft die Frage auf: „sind in diesem Bereich noch maßgebliche Innovationen zu erwarten oder ist diese Technik nahe ihrer derzeitigen Leistungsgrenze angelangt?". Vor Klärung dieser Frage muss sich der seriöse Entwickler allerdings zuerst der Frage stellen: „welchen Vorteil hat die Verbesserung dieser Technik überhaupt noch für den Anwender/Patienten — ist der derzeitige technische Stand nicht bereits ausreichend?". Man muss der Tatsache ins Auge blicken, dass eine noch so präzise Förderung bzw. ein noch so schneller Notabschaltmechanismus durch die Distanz zum Patienten/zur Infusionsstelle gemindert wird. Üblich sind 1,5m–2m lange Schläuche mit Innendurchmessern in der Größenordnung von bis zu 3mm. Das heißt, im Schlauch befinden sich bis zu 14ml Flüssigkeit. Dieses Volumen kann bereits durch Höhenverlagerung oder durch versehentliches Quetschen des Schlauches als Bolus ungewollt in den Patienten befördert werden. Verglichen mit Fördergenauigkeiten in der Größenordnung einiger Prozent von 0,1ml/h ist dieses Fehlvolumen gigantisch.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Abgabe von Fluid an einen Patienten so störungsfrei und gleichmäßig zu machen, wie möglich. Insbesondere soll die Fluidabgabe an die inzwischen erreichbare Fördergenauigkeit angepasst werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Präzisionsdosiervorrichtung zum Befördern eines Fluids nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Erfindung liegt die folgenden Überlegung zugrunde. Um die Divergenz zwischen Fördergenauigkeit und Fehlvolumen zu verkleinern gibt es drei Möglichkeiten: Verkürzung der Schläuche, kleinere Innendurchmesser oder Förderkontrolle direkt an der Infusionsstelle. Bei der Förderkontrolle direkt an der Infusionsstelle ergeben sich aufgrund der Nähe zum Patienten zahlreiche weitere Vorteile. Die Förderkontrolle direkt an der Infusionsstelle widerspricht zudem einer Verkürzung der Schläuche oder kleineren Innendurchmessern nicht, alle drei Maßnahmen lassen sich im besten Fallkombinieren.
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Eine Pumpe nächstmöglich der Infusionsstelle, also z.B. an einem Armband am Patienten, muss offensichtlich klein und handlich sein. Es gibt zahlreiche Ansätze für Mikropumpen. Unabhängig von der Frage, ob diese die geforderten hohen Flussraten bewerkstelligen können, ist hier jeweils die Energiezufuhr ein kritischer Punkt. Diese müsste entweder über ein Extra-Kabel zugeführt werden oder via Akku – die Baugröße würde dann primär durch die Akkugröße nach unten limitiert. Begrenzte Akkulaufzeiten wären zudem im Alltag recht lästig.
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Erfindungsgemäß wird statt einer Spezialpumpe unmittelbar vor der Infusionsstelle eine Volumenkammer vorgesehen, die entkoppelt von Pumpe und Patient als Zwischenreservoir dient und so eine genaue Dosierung ermöglicht.
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Eine erfindungsgemäße Präzisionsdosiervorrichtung zum Dosieren eines Fluids weist eine elastische Volumenkammer mit einem Einlassventil und einem Auslassventil und eine Steuervorrichtung zum Betätigen des Einlassventils und des Auslassventils auf. Wenn die Steuervorrichtung das Einlassventil öffnet und das Auslassventil schließt, nimmt das Fluidvolumen in der Volumenkammer (VK) aufgrund eines durch einen vorgelagerten Kompressor bereitgestellten Fluiddrucks zu und dehnt sich die elastische Volumenkammer aus. Wenn die Steuervorrichtung das Einlassventil schließt und das Auslassventil öffnet, wird das Fluid über das geöffnete Auslassventil abgegeben. Erfindungsgemäß ist die maximale Ausdehnung der elastischen Volumenkammer begrenzt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung weisen als eines oder mehrere der folgenden Merkmale auf, dass
- – die elastische Volumenkammer durch einen elastischen Schlauchabschnitt gebildet wird, der in einer volumenveränderlichen Kammer aufgenommen ist, deren Volumen durch einen federvorgespannten Kolben begrenzt wird;
- – eine Position des Kolbens mit einer Positionssensorik erfasst wird;
- – die elastische Volumenkammer durch eine Kammer gebildet wird, die durch eine elastische Membran in zwei Hälften geteilt ist, wobei jede Hälfte einen ventilgesteuerten Zu- und Ablauf hat, die im Wechsel geschaltet werden;
- – die Ventile der beiden Kammerhälften umschalten, wenn das in die ein Kammerhälfte eingeströmte Fluid die Membran vollständig in die andere Kammerhälfte ausgedehnt hat;
- – mehrere Volumenkammern parallel verbunden sind, so dass ein kontinuierlicher Volumenstrom erzeugt wird;
- – die Präzisionsdosiervorrichtung in einem Armband für einen Infusionspatienten integriert ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat u.a. die folgenden Vorteile. Die erfindungsgemäße Präzisionsmess-, -dosier- und -regelkammer bietet die Präzision von Spritzenpumpen bei gleichzeitig lediglich durch die Containergröße beschränkter Fördermenge bei Schlauchpumpen, vereint somit die Vorteile beider Pumpentypen. Zwei weitere Vorteile sind maßgeblich: die Vorrichtung kann aufgrund ihrer Baugröße und ihres Funktionsprinzips nahe der tatsächlichen Infusionsstelle installiert werden, und die Förderenergie bezieht sie über die Schlauchleitung. Es handelt sich demnach um ein modulares Konzept.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnung.
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1 zeigt schematisch das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Präzisionsdosiervorrichtung;
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Präzisionsdosiervorrichtung mit einer Positionssensorik; und
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3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Präzisionsdosiervorrichtung mit einer Membran-Doppelkammer.
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Anhand der 1 wird im Folgenden das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Präzisionsdosiervorrichtung 8 erläutert. Ein (nicht gezeigter) Kompressor stellt einen permanenten ausreichenden Überdruck in einem Container-Schlauchsystem zur Verfügung. Dieser Druck muss nicht präzise eingestellt sein, er muss vielmehr lediglich oberhalb einer benötigten Minimalschwelle liegen und unterhalb jenem Druckmaximum, für das das Container/Schlauchsystem ausgelegt ist. Es kann sich demnach z.B. um eine in jedem Krankenhaus vorhandene mechanische „Container-Klemme" handeln.
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In Schritt 1 wird – soweit das noch nicht der Fall ist – ein Auslassventil 12 Va einer Volumenkammer 10 VK geschlossen. Damit sind sowohl das Auslassventil 12 Va wie auch ein Einlassventil 11 Ve geschlossen und die Volumenkammer VK vom übrigen Drucksystem abgekoppelt (Schritt 2).
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Wird das Einlassventil „Ve" des Container-Schlauchsystems bei gleichzeitig geschlossenem Auslassventil „Va" geöffnet (Schritt 3), sorgt der nun bis zum Auslassventil weitergeleitete Überdruck dafür, dass die zwischen den Ventilen liegende Volumenkammer „VK" sich gegen eine Rückstellkraft (F) bis zum Kräftegleichgewicht ausdehnt (Schritt 4).
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Container-Schlauchsystem um einen speziellen Einmalartikel, der im Bereich der Volumenkammer sehr flexibel („Luftballon") und in seiner Ausdehnung durch eine Gerätemembran oder/und durch einen Kolben gegen die Kraft einer Feder in der Ausdehnung begrenzt wird.
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Die Ausdehnung der Volumenkammer VK kann nun entweder von einer entsprechenden Mechanik bei jedem Zyklus auf ein fixes Volumen begrenzt werden, und/oder das Volumen kann via Membran/Kolbenstand sehr exakt gemessen werden. Sowohl für die Bauform mit Membran, als auch für jene mit Kolben gibt es sehr einfache Vermessungsverfahren bis in den Nanometerbereich hinein.
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Nun wird das Einlassventil geschlossen (Schritt 5), und das Auslassventil geöffnet (Schritt 6).
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Die gespeicherte Rückstellenergie der Feder fördert das Volumen der Volumenkammer VK nun in den Patienten, so dass das Volumen der Volumenkammer mit der Zeit wieder abnimmt (Schritt 7). Der Minimal- und Maximaldruck, mit dem dieser Vorgang abläuft, könnte via „Federvorspannung" und „Volumenbegrenzung" vom Anwender jeweils recht exakt gewählt werden.
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Danach beginnt der Zyklus von vorne.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Kolben-Bauform der Präzisionsdosiervorrichtung mit Positionssensorik gezeigt.
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Eine Volumenkammer VK wird durch drei Komponenten A, B und C gebildet. Die Volumenkammer VK wird durch einen beweglichen Kolben IV abgeschlossen. Die Präzisionsdosiervorrichtung nach 2 weist darüber hinaus als Element auf: einen Arretierungsnippel 0 am Einmalartikel, ein Einlassventil I für das Fluid, ein Auslassventil II für das Fluid, mehrere Entlüftschlitze bzw. Sogarretierung III, den Kolben IV, einen Pleuel V, einen Kraftsensor VI, einen Abstandsmesser VII sowie Sensoren A, B, C im „Zylinderkopf“ VIII.
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Die Präzisionsdosiervorrichtung erfüllt damit gleichzeitig die Erfordernisse für eine Präzisionsmesseinheit, eine Präzisionsdosiereinheit und eine Präzisionsregeleinheit.
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Bei der Präzisionsdosiervorrichtung kann der Einmalartikel über „A" vorgespannt eingelegt werden und durch die Arretiernippel „0" fixiert werden. Zum Kolben hin hat der Einmalartikel vorzugsweise eine flexiblere Oberfläche, d.h. eine „Ballonstruktur". Diese presst sich bei Überdruck im Schlauch automatisch und optimal an die Kolbenfläche „IV", was durch die Entlüftungsschlitze „III" ermöglicht wird. Diese Kolbenfläche ist insbesondere zwecks gleichmäßiger Druckaufnahme konkav ausgeformt, wie es in 2 gezeigt ist.
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Der Kolben ist zur Bewegungskontrolle und/oder Energieaufnahme mit einer Pleuelmechanik verbunden. Die Ballonauflagen bieten viel Platz für allerlei Sensoren. Insbesondere wird als der einfachste und gleichzeitig präziseste Sensor ein Positionssensor „VII" verwendet. Dieser ermöglicht genauesten Einblick in den Volumenverlauf in der durch „A", „B" und „C" geformten Volumenkammer und bietet daher die Möglichkeit zur hochpräzisen Förderung und zu zahlreichen zusätzlichen Plausibilitätskontrollen.
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Eine Alternative zu der Kolben-Bauform der Präzisionsdosiervorrichtung mit Positionssensorik ist in 3 gezeigt. Hierbei handelt es sich um eine Membran-Doppelkammer als Beispiel für eine Einmalartikelbauform.
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Eine beispielsweise kugelförmige Kammer 10 wird durch eine flexible Membran 13 in zwei Hälften geteilt. Jede Hälfte besitzt jeweils einen ventilgesteuerten Zu- und Ablauf. Jeweils die gegenüberliegenden Zu- und Ablaufventile werden gleichzeitig gleichphasig angesteuert. Damit bewirkt der am Einlass 11 liegende Kompressordruck, dass Flüssigkeit in die eine Kugelhälfte gepresst wird, die Membran sich in die andere Kugelhälfte wölbt und dabei deren Flüssigkeit durch deren Ablauf 12 presst. Beispielsweise der Membrananschlag kann durch Sensoren 14 detektiert werden und zum Schalten in die komplementäre Phase genutzt werden. Sensoren und Aktuatoren können einer wiederverwendbaren Einheit zugeordnet werden. Sie würden dann mitsamt der äußeren und hier dunkelgrau dargestellten Hülle, dem Einmalartikel lediglich „aufgesteckt". Der Einmalartikel könnte demnach aus lediglich zwei Kunststoffhälften bestehen, zwischen die die Membran geklemmt/geklebt wird. Dieselbe oder zusätzliche Membranen könnten die Verbindung zur Sensorik/Aktuatorik darstellen. Neben der einfachen und sehr kostengünstigen Bauweise deckt diese Variante bauartbedingt zudem das Bedürfnis nach einem kontinuierlichen Volumenstrom ab. Die beiden Kugelhälften fördern ja eben wechselseitig, insgesamt also ununterbrochen.
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Für den Fachmann ergeben sich damit die folgenden offensichtlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Präzisionsdosiervorrichtung:
Die Präzisionsdosiervorrichtung lässt sich direkt am Patienten, d.h. an der Infusionsstelle anbringen, so dass nur ein geringstes Fehlvolumen entstehen kann und ein direkter Notabschaltweg gewährleistet ist, wobei alle Schlauchdimensionierungen im davor liegenden System möglich sind, die allenfalls vom Kompressordruck abhängig sind.
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Es ist eine kompakte Bauform z.B. in Form eines Armbands möglich, so dass sich eine optimale Transportabilität und Verbreiterung des optimalen Einsatzgebietes über die Klinik hinaus z.B. bei einem Notfall, in der Ambulanz, im Niedergelassenenbereich, im Privatsektor etc. ergibt.
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Eine eigene Hauptenergieversorgung ist nicht notwendig. Stattdessen kann Energie aus dem Druck des sich am anderen Ende des Schlauches befindlichen Kompressors gewonnen werden. Dadurch lässt sich ein großer Akku vermeiden, werden kleinste Bauformen denkbar, entfällt lästiges Aufladen, lässt sich das Konzept auf ein Modulkonzept mit verschiedenen Kompressortypen erweitern.
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Als Kompressor können primitivste Bauformen verwendet werden, beispielsweise ein einfaches Gewicht oder die in Kliniken vorhandenen Beutelklemmen, da nur geringste Anforderungen an die Druckpräzision gestellt werden müssen.
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Eine Volumenstrommessung und -regelung lässt sich hochpräzise durch einfachste Weglängenmessung bewerkstelligen.
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Auch im Hinblick auf die Betriebsmodi sind vielerlei Varianten denkbar:
So kann in einer „Rollenklemmenanalogie" eine permanente Volumenstrommessung erfolgen, wobei mittels Abstandsmesser VII die Öffnungswinkel der Ventile I und II aktiv geregelt werden.
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In einer Art „Volumenstromdigitalisierung" wird die Volumenkammer Vk auf ein festes Volumen begrenzt. Der Volumenstrom ist dann das Produkt aus Kolbenhüben und diesem Volumen. Die Ventile kennen lediglich den Zustand Auf und Zu. Die Pausen bestimmen den effektiven Volumenstrom.
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Ferner ist eine analoge Pulsbreitenmodulation denkbar, bei der das Volumenkammervolumen von Zyklus zu Zyklus adaptiert wird, z.B. über die Ventilöffnungszeit. Die bekannte Dynamik des Systems wird dafür genutzt.
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Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass sich die obigen Verfahren durch Ventilöffnungswinkeladaption, Ventilöffnungszeitenadaption und Volumenkammerbegrenzungsadaption kombinieren lassen.
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In Bezug auf Drücke und Förderraten gibt es praktisch keine Einschränkungen, sie hängen lediglich vom Kompressor und der Schlauchdimensionierung ab.
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Aufgrund der platzsparenden Bauweise steht viel Platz zur Verfügung für zusätzliche Sensorik („Ballonkammer").
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Als Schlauchinnendurchmesser können geringste Werte gewählt werden, so dass auch eine sequentielle Infusion denkbar wird.
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Neben den oben genannten Elementen lassen sich Gas-/Spülflüssigkeitsabscheider, Filter und sonstige Apparaturen zusätzlich montieren, und zwar direkt und kompakt am Patienten, was Auswirkungen auf eine mögliche sequentielle Infusion hat.
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Die Bauform lässt sich einfach halten, wobei nur feinmechanische oder mikromechanische Kenntnisse benötigt werden. Da Kolben- und/oder Membranprinzipien lange bekannt und gut beherrschbar, lassen sie sich billig und stabil einsetzen.
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Die Bauform ermöglicht Erweiterungen zu Mehrkammersystemen, beispielsweise zur Etablierung eines kontinuierlichen Volumenstromes.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Auslassventil Va der Volumenkammer VK geschlossen
- 2
- Einlassventil Ve geschlossen
- 3
- Einlassventil Ve öffnen
- 4
- Volumenkammer VK gegen Rückstellkraft ausgedehnt
- 5
- Einlassventil geschlossen
- 6
- Auslassventil geöffnet
- 7
- Volumen der Volumenkammer reduziert
- 8
- Präzisionsdosiervorrichtung
- 9
- beweglicher Kolben
- 10
- Volumenkammer VK
- 11
- Einlassventil Ve
- 12
- Auslassventil Va
- 13
- Membran
- 14
- Dehnungssensor
- 0
- Arretierungsnippel
- I
- Einlassventil
- II
- Auslassventil
- III
- Entlüftschlitze bzw. Sogarretierung
- IV
- Kolben
- V
- Pleuel
- VI
- Kraftsensor
- VII
- Abstandsmesser
- VIII
- Sensoren A, B, C
