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Die Erfindung betrifft ein Kunstherz zum vollständigen Ersetzen des natürlichen Herzens eines Patienten.
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Bei Patienten mit einer unheilbaren Herzerkrankung sind Kunstherzen vor allem aufgrund des Mangels an Spendern und langer Wartezeiten eine Alternative für die Transplantation eines natürlichen Herzens. Es existieren sogenannte Herzunterstützungssysteme (Ventricular Assist Device), die zusätzlich zum natürlichen Herzen des erkrankten Patienten implantiert werden können, um dieses zu unterstützen, wenn eine vorübergehende Herzschwäche vorliegt und eine Erholung des Herzens oder die Transplantation eines natürlichen Herzen eines Spenders absehbar ist. Weiterhin wurden Versuche unternommen, Kunstherzen zum vollständigen Ersatz des Herzen(Total Artificial Heart) eines Patienten zu schaffen.
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Bei derartigen Systemen gelten besondere Anforderungen hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit, weil ein Ausfallen des Kunstherzens den unmittelbaren Tod des Patienten zur Folge haben würde. Insofern stellt die Aufgabe, ein Kunstherz zu schaffen, das möglichst lange, zuverlässig, verschleißarm und störungsfrei betrieben werden kann, eine besondere Herausforderung dar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kunstherz zum vollständigen Ersetzen des natürlichen Herzens eines Patienten bereitzustellen, das zuverlässig und verschleißarm betrieben werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Kunstherz dient dem vollständigen Ersetzen des natürlichen Herzens eines Patienten und umfasst ein Gehäuse. Innerhalb des Gehäuses ist mindestens ein Hohlraum angeordnet, der sich aus zwei in ihrer Größe veränderbaren Teilhohlräumen zusammensetzt.
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Innerhalb des Hohlraums ist ein Verdrängungskörper zum Verdrängen einer in den Hohlraum aufnehmbaren Flüssigkeit angeordnet. Hierbei kann es sich insbesondere um Blut oder eine Hydraulikflüssigkeit handeln. Eine Hydraulikflüssigkeit kann dazu verwendet werden, eine Kompression und Expansion von flexiblen Ventrikeln hervorzurufen, die im Folgenden näher beschrieben werden. Bei der Verwendung von Ventrikeln wird durch den Verdrängungskörper das Blut nicht direkt gefördert. Der Verdrängungskörper ist um ein Lager herum innerhalb des Hohlraums verschwenkbar oder rotierbar. Unter einem Rotieren wird hierbei eine kontinuierliche Drehbewegung in eine Richtung verstanden. Unter einem Verschwenken wird eine oszillierende Bewegung verstanden, die keine vollständige Drehbewegung sein muss und auch in unterschiedliche Richtungen erfolgen kann.
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Der Verdrängungskörper weist eine Ausnehmung mit einer entlang mindestens eines Teils ihres Umfangs verlaufenden Innenverzahnung auf. Diese Verzahnung der jeweiligen Antriebswelle mit dem Verdrängungskörper bestimmt das Übersetzungsverhältnis eines so erzeugten Getriebes, das nach dem günstigsten Verhältnis von Drehmomenten und Antriebsleistungen bevorzugt zwischen 5-fach und 15-fach, meist aber als 10-fach fest gewählt wird.
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Weiterhin sind ein insbesondere elektrischer Antrieb und eine von diesem antreibbare mindestens eine Welle vorgesehen. Diese weist eine entlang ihres Umfangs verlaufende Außenverzahnung auf. Diese Außenverzahnung muss zumindest entlang eines Teils des Umfangs der Welle verlaufen und ist mit der Innenverzahnung der Ausnehmung des Verdrängungskörpers im Eingriff.
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Weiterhin ist die Welle relativ zum Gehäuse ortsfest angeordnet. Der Verdrängungskörper ist relativ zur Welle exzentrisch gelagert.
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Die Welle ist derart innerhalb der Ausnehmung im Verdrängungskörper angeordnet, dass bei einem Antreiben der Welle durch den Antrieb und die Lagerung des Verdrängungskörpers ein Entlangrollen der Welle entlang der Innenverzahnung der Ausnehmung im Verdrängungskörper erfolgt.
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Hierdurch erfolgt ein exzentrisches Verschwenken oder Rotieren des Verdrängungskörpers um eine Achse, insbesondere um eine Welle und relativ zum Gehäuse. Hierdurch erfolgt ein periodisches Vergrößern und Verkleinern der beiden Teilhohlräume, aus denen sich der Hohlraum im Gehäuse zusammensetzt, wodurch ein abwechselndes Verdrängen von Blut oder Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten und zweiten Teilhohlraum erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird unter einer Achse keine mathematische Achse sondern eine gegenständliche Achse verstanden. Im Gegensatz zu einer Achse wird durch eine Welle ein Drehmoment übertragen.
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Durch das beschriebene Kunstherz ist es insbesondere möglich, den Verdrängungskörper kontinuierlich in eine Richtung zu rotieren. Das Vermeiden einer Drehrichtungsumkehr führt zu einem geringeren Verschleiß und zu einer höheren Lebensdauer des Kunstherzens. Beispielsweise ist es hierdurch möglich, wichtige Komponenten des Kunstherzens z.B. den Verdrängungskörper auch aus Kunststoff herzustellen.
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Es ist bevorzugt, dass der Verdrängungskörper im Querschnitt im Wesentlichen oval ist und an seinen zwei diametral gegenüberliegenden Enden im Querschnitt betrachtet jeweils eine Spitze aufweist, die während des Betriebs des Kunstherzens kontinuierlich an der Innenseite des Hohlraums anliegen, so dass durch den Verdrängungskörper ein Aufteilen des Hohlraums in den ersten und zweiten Teilhohlraum erfolgt.
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In einer ersten und dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunstherzens ist es bevorzugt, dass die Ausnehmung im Querschnitt kreisrund ist und die Welle im Querschnitt kreisrund ist und dass die Ausnehmung einen größeren Durchmesser als die Welle aufweist.
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In einer zweiten Ausführungsform des Kunstherzens ist es bevorzugt, dass die Ausnehmung im Querschnitt die Form eines Dreiecks mit abgerundeten Ecken aufweist und das Kunstherz neben der genannten Welle eine weitere Welle oder eine Achse aufweist, die relativ zueinander und zum Gehäuse ortsfest angeordnet sind. Die Achsen weisen einen Abstand zueinander auf, der der Seitenlänge der dreieckförmigen Ausnehmung entspricht. Wird neben der Welle eine Achse verwendet, so wird ausschließlich die Welle und nicht die Achse vom Motor angetrieben. In dieser Ausführungsform ist zum Hin- und Herpumpen des Blutes oder der Hydraulikflüssigkeit eine Drehrichtungsumkehr der Drehrichtung nötig, in der die Welle angetrieben wird.
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Alternativ ist es möglich, dass neben der ersten angetriebenen Welle eine zweite angetriebene Welle verwendet wird. Die beiden Wellen werden in diesem Fall abwechselnd und nicht kontinuierlich angetrieben. Eine Drehrichtungsumkehr ist in dieser Ausführungsform nicht nötig. Weitere Details zu dieser Ausführungsform werden in Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung näher erläutert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse eine erste und zweite Öffnung auf, die jeweils mit dem Hohlraum fluidisch verbunden sind. Aus der Öffnung, die fluidisch mit dem sich verkleinernden Teilhohlraum verbunden ist, erfolgt ein Ausstoßen von Blut oder Hydraulikflüssigkeit, während durch die Öffnung, die fluidisch mit dem sich vergrößernden Teilhohlraum verbunden ist, ein Ansaugen von Blut oder Hydraulikflüssigkeit in den sich vergrößernden Teilhohlraum erfolgt. Die genaue Position der Öffnungen wird in Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung näher erläutert.
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Es ist bevorzugt, dass das Kunstherz auslassseitig einen CO2-Sensor zur Bestimmung des CO2-Anteils im venösen Blut aufweist. Aus dem Signal dieses Sensors wird die Frequenz abgeleitet, mit der das erfindungsgemäße Kunstherz pumpt. Zu diesem Zweck wird das Signal des CO2-Sensors einer elektronischen Steuerung des Kunstherzens zugeführt.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kunstherzens mit einer Welle und ohne Ventrikel,
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2: eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunstherzens mit zwei Wellen und ohne Ventrikel,
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3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunstherzens mit einer Welle und mit Ventrikeln,
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4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunstherzens mit zwei Wellen und mit Ventrikeln.
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Bevorzugt bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kunstherzens ist, dass die Radien der Rundungen des Verdrängungskörpers derart gewählt sind, dass die beiden Spitzen des Verdrängungskörpers auf den Umfang des Hohlraumes derart abgestimmt sind, dass durch sie stets eine Trennung der beiden Teilhohlräume erreicht wird. Ferner sind die Radien der Rundungen des Verdrängungskörpers derart gewählt, dass in einer bestimmten Position des Verdrängungskörpers ein Teilhohlraum vollständig geleert wird und somit in dieser Position nahezu oder vollständig nicht mehr vorhanden ist, während in derselben Position der andere Teilhohlraum seine maximale Größe erreicht hat.
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Es ist möglich, die Toleranzen derart zu wählen, dass Dichtungen zwischen dem Verdrängungskörper und dem Gehäuse des Hohlraums nicht erforderlich sind. Ein geringer Druckverlust über einen kleinen Spalt zwischen den beiden Spitzen der Verdrängungskörpers und dem Gehäuse des Hohlraums wird in Kauf genommen. Hierdurch entsteht eine Gleitdichtung, deren Schmierung durch das Blutplasma beziehungsweise die Hydraulikflüssigkeit erfolgt.
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Zwei grundsätzlich unterschiedliche Ausführungen des Kunstherzens, die sich in der hydraulischen Ausstattung und jeweils zwei verschiedenen Varianten des Pumpmediums unterscheiden, werden im Folgenden betrachtet, die jeweils in den Ausführungen (nach 1 bis 4) nach der Art des rotierenden bzw. oszillierenden Verdrängungskörpers und der Anzahl der Achsen bzw. der Gestaltung der Antriebswellen und deren Verzahnung mit dem Verdrängungskörper sowie der Anzahl und der Ausführung der Motoren unterscheiden.
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Während bei zwei Ausführungsformen in 1 und 2 ohne ein zusätzliches Betriebsmittel, ohne Herzklappen und Vorkammer durch eine Kammer (linke Herzkammer) sauerstoffreiches Blut direkt aus der Lungenvene in die Körperarterie und durch eine über der ersten Kammer angeordneten zweite Kammer (rechte Herzkammer) sauerstoffarmes Blut aus der Körpervene direkt in die Lungenarterie gepumpt wird, benutzen die beiden Ausführungsformen nach 3 und 4 ein Fluid, eine hydraulische Flüssigkeit, die den gesamten Hohlraum sowie jeweils eine linke und eine rechte Vorkammer ausfüllt, aus denen von dem Verdrängungskörper 18 alternierend das Blut aus Ventrikeln verdrängt und durch alternierende Herzklappen eine Pumpwirkung erzeugt wird.
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Während bei den Ausführungsformen nach 1 und 2 ein positives Druckgefälle zwischen dem Zufluss aus der jeweiligen Vene und der zugehörigen Arterie aufgebaut wird, arbeiten die Antriebe mit einer Welle 24 in gleichgerichteter Drehrichtung kontinuierlich bei der Ausführung nach 1 und mit zwei Wellen 24a, b im Wechsel getaktet mit einer s.g. springenden Achse bei der Ausführung nach 2.
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Bei den Ausführungsformen nach 3 und 4 erfolgt der Antrieb bevorzugt über einen mit wechselnder Drehrichtung arbeitenden Schrittmotor mit fester durch das Verhältnis der Verzahnung zwischen der Antriebswelle und des Verdrängungskörpers bestimmten Schrittzahl; bei der Ausführung nach 3 erfolgt der Pumpvorgang über die Verdrängung eines Fluids durch den Wechsel der Drehrichtung des Motors und damit des Verdrängungskörpers 18, bei der Ausführung nach 4 mit einer stehenden Welle 24a und einer Schrittzahl, die ebenso wie bei der Ausführung nach 3 durch das Verhältnis der Verzahnung zwischen Antriebswelle und Verdrängungskörper bestimmt wird. Der Pumpvorgang erfolgt durch den Wechsel der Drehrichtung Antriebs.
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Die Dynamik des Pumpvorganges entsprechend der notwendigen Variation des Herzschlags (Puls) von nominal 50 bis 150 Pumpstößen pro Minute wird durch eine Variation der Drehzahl, eines Wechsels der Drehrichtung und der Variation der Schrittzahl bzw. der Modulation der Richtungen des Antriebs je nach Ausführungsform nach 1 bis 4 bestimmt.
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Die gewünschte Dynamik entsprechend der gewünschten Pulsfrequenz wird durch ein Messsignal eines bevorzugt in der Vorkammer zur Lungenarterie platzierten Sensors, der vorzugsweise die CO2-Anreicherung oder den Sauerstoffmangel aus dem venösen Blut des Körperkreislaufes misst und mit der Elektronik verbunden ist, bestimmt und energietechnisch durch die elektrischen Motoren, die induktiv ohne eine Durchführung mit Strom- und Steuerungssignalen durch ein s.g. TET (Transcutaneous Energy Transfer) versorgt werden, sichergestellt wobei eine Gangreserve für kurzfristige Unterbrechungen der Versorgung ein elektrischer Energiespeicher bereitgestellt wird.
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Der Verdrängungskörper ist als monolithischer Rotationskolben ausgeführt, der für die Ausführungen (nach 1 und 2) geschlitzt ausgeführt wird, um eine Trennung der übereinander angeordneten Pumpkammern für sauerstoffreiches (linke Kammer) und sauerstoffarmes (rechte Kammer) Blut zu realisieren. Ein Überströmen von Blut aus der „linken“ Herzkammer in die rechte Herzkammer und umgekehrt von Blut aus der „rechten“ Herzkammer in die linke Herzkammer wird durch eine mit einer Öffnung versehenen Trennwand verhindert. Die Trennwand ist fest mit dem Gehäuse verbunden und ragt in den geschlitzten Verdränger; sie ist mit einer Öffnung versehen, die den Verdrängungskörper axial führt. Der Pumpvorgang wird durch die kontinuierliche Rotation des Verdrängungskörpers ohne eine Umkehr der Rotationsrichtung pulsierend ohne den Einsatz von künstlichen Herzklappen erreicht.
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Bei der Verwendung von Ventrikeln wird durch den Verdrängungskörper das Blut nicht direkt gefördert. Die Hydraulikflüssigkeit, hier Fluid genannt, kann in den Ausführungen nach 3 und 4 dazu verwendet werden, eine Kompression und Expansion von flexiblen Ventrikeln in den Vorkammern hervorzurufen, die im Folgenden näher beschrieben werden. Die dreizählig ausgeführte Ausnehmung des Verdrängungskörpers 18 ist in der Ausführung nach 3 um ein Lager herum innerhalb des Hohlraums 14 rotierbar geführt. Unter einem Rotieren wird hierbei eine kontinuierliche Drehbewegung des Verdrängungskörpers 18 mit einem periodischen Ansteuerung der vorzugsweise als Schrittmotoren ausgeführten Antriebswellen mit „springender Achse“ Drehrichtung verstanden. Unter einem Verschwenken des Verdrängungskörpers 18 wird eine Bewegung verstanden, die beim Einsatz eines Dreieckskolbens 18 nach 4 mit einer festen Achse 24a und einer rotierenden Achse 24b keine vollständige Drehbewegung darstellt und durch den Richtungswechsel des Antriebs mit unterschiedlichen Bewegungsrichtungen als Pendelbewegung erfolgen kann.
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Der Hohlraum des Verdrängungskörpers wird von dem Fluid, also dem Blutplasma oder Hydraulikflüssigkeit durchströmt. Dazu sind in den Verdrängungskörper kleine Kanäle eingefräst, die eine geringe kontinuierliche Bypass-Strömung verursachen, um eine Schmierung zwischen der/den gezahnten Wellen und der Verzahnung des Verdrängungskörpers sicherzustellen bzw. bei einem direkten Pumpenh von Blut keine Trombenbildung zuzulassen.
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Die elektrischen Motoren werden ins Gehäuse des TAH integriert. Die Antriebe sind vorzugsweise als gesplittetes Spulenpaar eines Stators und berührungslos mit einem magnetischen Läufer ausgeführt. Sie werden als Wechselstrombzw. als Schrittmotoren mit einem dem gewünschten Herzschlag des TAH entsprechenden Wechselstrom bzw. gepulst betrieben. Die Steuerelektronik für die Antriebe wird gekapselt und bevorzugt im Gehäuse integriert oder ans Gehäuse angeschraubt. Die Ausführung der Steuerungselektronik erfolgt spezifisch für die jeweilige Ausführung des TAH entsprechend den Darstellungen 1 bis 4.
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Die Energiezufuhr und die Ansteuerung der Elektronik erfolgt bevorzugt über eine oder mehrere Kabelverbindung zu Antennen, die an geeigneter Stelle unterhalb der Haut des Trägers implantiert werden. Die Versorgung von außerhalb des Körpers erfolgt über ein spezifisches so genanntes TET (Transcutaneous Energy Transfer).
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Im Folgenden wird die Funktion der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren im Detail erläutert.
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1 zeigt im Querschnitt eine Kammer einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunstherzens. Um ein natürliches Herz vollständig zu ersetzen, d.h. für einen Einsatz als ein sogenanntes "Total Artificial Heart" (TAH), ist es notwendig zwei Kammern gemäß 1 vorzusehen. Diese können übereinander angeordnet sein, wie es in 6 dargestellt ist.
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Die in 1 dargestellte Kammer weist ein Gehäuse 12 mit einem hierin angeordneten Hohlraum 14 auf. Im Hohlraum 14 ist der im Wesentlichen ovale Verdrängungskörper 18 angeordnet, der um die Welle 24 rotierbar ist. Der Verdrängungskörper 18 weist eine Ausnehmung 20 auf. Diese weist eine entlang ihres Umfangs verlaufende Innenverzahnung 22 auf, die mit einer Aussenverzahnung 26 der Welle 24 in Eingriff steht. Durch ein Rotieren der Welle 24, das bspw. durch einen Elektromotor hervorgerufen werden kann, erfolgt somit ein gegenläufiges Rotieren des Verdrängungskörpers 18 in eine Richtung, die der Rotationsrichtung der Welle 24 entgegengesetzt ist. Die Welle 24 ist relativ zum Hohlraum 14 in 1 exzentrisch nach oben verschoben, während das Lager, um das der Verdrängungskörper 18 rotiert, ebenfalls exzentrisch gegenüber dem Hohlraum 14 ist. Weitere Details zu der exzentrischen Lagerung des Verdrängungskörpers 18 werden im Zusammenhang mit 6 erläutert.
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Während seiner gesamten Rotation innerhalb des Hohlraums 14 liegen die beiden gegenüberliegenden Enden 18a, b des Verdrängungskörpers 18 an der Innenseite 15 des Hohlraums 14 an, sodass durch sie eine Aufteilung des Hohlraums 14 in einen ersten Hohlraum 14a und einem zweiten Hohlraum 14b erfolgt.
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Auslassseitig weist das Kunstherz 10 einen CO2-Sensor 17 auf, durch den der CO2-Gehalt im venösen Blut bestimmt wird. Basierend auf diesem Signal, das der Steuerelektronik 19 zugeführt wird, wird die Drehzahl eines nicht dargestellten Elektromotors geregelt, durch den die Welle 24 angetrieben wird.
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In 5a sind vier verschiedenen Positionen des Verdrängungskörpers 18 dargestellt, die dieser während verschiedener Phasen der Funktion des erfindungsgemäßen Kunstherzens einnimmt.
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Die erste Abbildung in 5a entspricht der Position des Verdrängungskörpers 18 aus 1. In 5b sind die entsprechenden Druckverhältnisse am Einlass 16a und am Auslass 16b in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des Verdrängungskörpers 18 dargestellt. Hierbei ist ein Überdruck durch einen Verlauf der Kurve nach oben dargestellt, während ein Unterdruck durch einen Verlauf der Kurve nach unten dargestellt ist. Der Verlauf des Überdrucks an der Auslassöffnung 16b ist in 5b gestrichelt dargestellt, während der Verlauf des Unterdrucks an der Einlassöffnung 16a gepunktet dargestellt ist.
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In der ersten Position des Verdrängungskörpers 18 ist der Druck am Einlass 16a und am Auslass 16b jeweils Null.
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In der zweiten Abbildung gemäß 5a hat sich der Verdrängungskörper 18 um 90° im Uhrzeigersinn weiter gedreht. Hierdurch wurde der Gesamthohlraum 14 in einen ersten sich vergrößernden Teilhohlraum 14a und einen zweiten sich verkleinernden Hohlraum 14b aufgeteilt. Der erste Teilhohlraum 14a ist durch die Rotation des Verdrängungskörpers 18 relativ zum Gehäuse 12 erst entstanden, da er in der ersten Position des Verdrängungskörpers 18 noch gar nicht vorhanden war. Bereich B des Verdrängungskörpers 18 zeigt somit im Wesentlichen in Richtung der Auslassöffnung 16b. An dieser herrscht somit zu diesem Zeitpunkt ein Überdruck (siehe 5b). Durch diesen Überdruck erfolgt ein Auswurf des Blutes, das sich im zweiten Teilhohlraum 14b befindet, aus der Auslassöffnung 16b. Gleichzeitig erfolgt durch den Unterdruck, der an der Einlassöffnung 16a herrscht, ein Ansaugen von Blut in den sich vergrößernden ersten Teilhohlraum 14a.
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In der dritten Position wurde der Verdrängungskörper 18 um weitere 90° im Uhrzeigersinn weitergedreht. Der Bereich A des Verdrängungskörpers zeigt somit in Richtung der Auslassöffnung 16b, während der Bereich C in Richtung der Einlassöffnung 16a weist. An der Einlass- und Auslassöffnung 16a, b herrscht in dieser Position des Verdrängungskörpers 18 jeweils ein Druck von Null.
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In der vierten Position gemäß 5a wurde der Verdrängungskörper 18 erneut um weitere 90° im Uhrzeigersinn weiter gedreht, sodass der Bereich B im Wesentlichen in Richtung der Einlassöffnung 16a, während der Bereich D im Wesentlichen in Richtung der Auslassöffnung 16b weist. In dieser Position herrscht erneut ein Überdruck an der Auslassöffnung 16b und ein Unterdruck an der Einlassöffnung 16a.
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In 5b ist erkennbar, dass bei einer vollständigen Umdrehung des Verdrängungskörpers 18 innerhalb des Hohlraums 14 ein zweimaliges Ausstoßen von Blut aus der Öffnung 16b und ein zweimaliges Ansaugen von Blut durch die Öffnung 16a erfolgt, und zwar jeweils einmal im ersten Takt und einmal im zweiten Takt. Pro vollständiger Umdrehung des Verdrängungskörpers 18 erzeugt somit diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunstherzens zwei Herzschläge.
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Der Abstand der einander gegenüberliegenden Enden 18a, b des Verdrängungskörpers 18 ist vorzugsweise derart gewählt, dass er dem größten Abstand zwischen der Einlassöffnung 16a und der Auslassöffnung 16b entspricht. Anders ausgedrückt weisen die beiden Punkte in der Einlassöffnung 16a und der Auslassöffnung 16b, die am weitesten voneinander entfernt sind, denselben Abstand zueinander auf, wie die beiden diametral gegenüber liegenden Enden 18a, b des Verdrängungskörpers 18. Dies führt dazu, dass in der ersten und dritten Position des Verdrängungskörpers gemäß 5a der Verdrängungskörper 18 sowohl die Einlassöffnung 16a als auch die Auslassöffnung 16b verschließt und diese somit nicht mit dem Hohlraum 14 verbunden sind.
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Zu beachten ist, dass der Verdrängungskörper 18 in der Darstellung gemäß 1 und 5a lediglich im oberen Bereich des Hohlraums 14 rotiert. Dies bedeutet, dass in der ersten und dritten Position des Verdrängungskörpers 18 der Hohlraum 14 stets unten angeordnet ist. Die Rotationsgeschwindigkeit des Verdrängungskörpers 18 wird anhand des Pulses des Patienten gesteuert, der bevorzugt aus der CO2-Anreicherung im venösen Blut der rechten Herzkammer oder der Sauerstoffanreicherung im arteriellen Blut in der linken Herzkammer abgeleitet und elektronisch ermittelt wird.
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Wie in 6 dargestellt, ist es bevorzugt, zwei Vorrichtungen gemäß 1 in axialer Richtung übereinander zu verwenden, um die Funktion der linken und rechten Herzkammer zu simulieren. Hierzu ist ein erstes Gehäuse 12 und ein zweites Gehäuse 12' vorgesehen, in denen jeweils ein erster Hohlraum 14 und ein zweiter Hohlraum 14' ausgebildet ist. Diese sind durch einen Membran 28 voneinander getrennt. Diese Membran weist eine kreisrunde Ausnehmung 30 auf. Der Rand dieser Ausnehmung 30 ist in einem ebenfalls kreisrunden Schlitz 32 im Verdrängungskörper 18 geführt, der einen geringfügig größeren Durchmesser als die Ausnehmung 30 aufweist. Durch den Schlitz 32 und der Ausnehmung 30 in der Membran 28 wird eine Gleitdichtung ausgebildet. Die Ausnehmung 30 in der Membran 28 dient somit als Gleitlager für die Rotation des Verdrängungskörpers 18. Insbesondere ist eine weitere Lagerung des Verdrängungskörpers 18 relativ zum Gehäuse 12 nicht mehr notwendig. Wie in 6 erkennbar wird somit für den ersten Hohlraum 14 und den zweiten Hohlraum 14' ein gemeinsamer Verdrängungskörper 18 verwendet, der durch die gemeinsame Welle 24 angetrieben wir. Die Welle 24 wiederum kann von einem in 6 dargestellten Elektromotor 34 angetrieben werden.
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Im Zusammenhang mit 2 wird nun die Funktionsweise einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunstherzens beschrieben. Bei dieser erfolgt ähnlich wie in 1 ebenfalls ein direktes Fördern des im Hohlraum 14 befindlichen Blutes durch den Verdrängungskörper 18. Dieser weist eine Ausnehmung 20 auf, die im Querschnitt die Form eines Dreiecks mit abgerundeten Ecken aufweist. Auch der Verdrängungskörper 18 weist eine im Wesentlichen dreieckförmige Grundform mit abgerundeten Ecken auf, wobei die Abrundung seiner Ecken einen größeren Radius aufweist als die Abrundung der Ecken der dreieckförmigen Ausnehmung 20. Die Ausnehmung 14 im Gehäuse 12 ist im Wesentlichen oval. Abweichend von der Ovalform kann die Ausnehmung 14 zwei Ausbuchtungen 34a, b aufweisen. Die erste Ausbuchtung, die sich abweichend von der Ovalform der Ausnehmung 14 in radialer Richtung nach außen erstreckt, ist im Bereich der Auslassöffnung 16b angeordnet und dient dazu, in der in 2 dargestellten Position des Verdrängungskörpers 18, ein Beschädigen von Blut zu vermeiden, das sich im Bereich der schraffierten Fläche 36 befindet. Durch die Ausbuchtung 34b ist es somit möglich, dieses Blut aus dem Auslass 16b auszuwerfen, ohne dass es zu hohen Scherkräften ausgesetzt und damit mechanisch beschädigt würde.
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Die zweite Ausbuchtung 34b ist in 2 im unteren Abschnitt der Ausnehmung 14 vorzugsweise symmetrisch zur oder zumindest unter der Verlängerung der Linie, die durch den Mittelpunkt der beiden Wellen 24a, b verläuft, angeordnet. Diese zweite Ausbuchtung 34b dient dazu, dass das Blut im Hohlraum 14 nicht beschädigt wird, wenn sich der Verdrängungskörper 18 im Übergang zwischen der Position gemäß 7b und der Position gemäß 7c befindet.
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In diesen 7a bis 7d wird die Funktion dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunstherzens anhand verschiedener Positionen des Verdrängungskörpers 18 erläutert In 7a befindet sich der Verdrängungskörper 18 in der gleichen Position wie in 2. Beim Übergang von 7a zu 7b rotiert die erste Welle 24a im Uhrzeigersinn. Dies erfolgt vorzugsweise durch einen Schrittmotor. Die Schrittlänge wird hierbei derart gewählt, dass sich die Welle vor dem schrittweisen Rotieren in einer ersten Ecke der dreieckförmigen Ausnehmung 20 befindet und sie sich nach einem einmaligen schrittweisen Rotieren in der nächten abgerundeten Ecke der dreieckförmigen Ausnehmung befindet. Diese Position ist in 7c dargestellt. Wie dort erkennbar ist, befindet sich der ursprünglich obere Bereich B des Verdrängungskörpers 18 in 7c auf der rechten Seite. Um zu verhindern, dass beim Übergang zwischen 7b und 7c Blut aus der Einlassöffnung 16a ausgeworfen wird, ist die eben beschriebene Ausbuchtung 34b vorgesehen.
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Beim Übergang zwischen 7c und 7d wird die zweite Welle 24b im Uhrzeigersinn rotiert, sodass der in 7c unten befindliche Bereich C des Verdrängungskörpers 18 in 7d nach links bewegt wird. Hierdurch erfolgt ein Verkleinern des Teilhohlraums 14b, während der Teilhohlraum 14a erst beim Übergang zwischen den 7c und 7d entsteht (da er in 7c nicht vorhanden ist).
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Ein Ansaugen von Blut in den Teilhohlraum 14a und ein Ausstoßen von Blut aus dem Teilhohlraum 14b erfolgt somit beim Übergang der Position des Verdrängungskörpers 18 gemäß 7c und 7d.
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Wie in 2 dargestellt, können in den Kanälen, die sich distal der Einlassöffnung 16a und der Auslassöffnung 16b befinden, Klappen 36a, b angeordnet sein, die verhindern, dass Blut aus der Einlassöffnung ausgestoßen oder durch die Auslassöffnung 16b angesaugt wird.
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Wenn somit gemäß den 7a bis 7d die erste Welle 24a und die zweite Welle 24b jeweils einmal schrittweise angetrieben wurden, so erfolgt ein einmaliges Ansaugen und Auswerfen von Blut in den / aus dem Hohlraum 14.
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An den Ecken A, B, C des dreieckförmigen Verdrängungskörpers 18 kann jeweils eine als Lippe ausgebildete Gleitdichtung angeordnet sein, die gleichzeitig eine Ventilfunktion erfüllt. Dies bedeutet, dass Blut an dieser Gleitdichtung vorbei lediglich in eine Richtung strömen kann. Diese Richtung entspricht der Rotationsrichtung des Verdrängungskörpers 18.
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Auch bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunstherzens ist es bevorzugt, entsprechend der Darstellung gemäß 6 zwei übereinander liegende Kammern vorzusehen, bei denen ein gemeinsamer Verdrängungskörper 18 und zwei gemeinsame Wellen 24a, b verwendet werden. Auch hier weist der Verdrängungskörper 18 einen Schlitz 32 auf, der relativ zum Verdrängungskörper 18 koaxial angeordnet ist.
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Auch bei dieser Ausführungsform ist ferner eine Membran 28 vorgesehen, durch die die beiden Hohlräume 14, 14' voneinander getrennt sind. Diese Membran 28 weist eine kreisrunde Ausnehmung 38 auf, die gegenüber dem Hohlraum 14 konzentrisch angeordnet ist. Der Schlitz 32 im Verdrängungskörper 18 ist ebenfalls kreisrund ausgebildet und weist einen größeren Durchmesser auf als die Ausnehmung 38 in der Trennwand 38, da der Verdrängungskörper 18 innerhalb des Hohlraums 14 exzentrisch rotiert.
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Bevorzugt erfolgt die Rotationsführung des Verdrängungskörpers 18 durch die beiden Wellen 24a, b.
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In der Ausführungsform gemäß 3 sind der Verdrängungskörper 18, die Welle 24 sowie das Gehäuse 12 und die Ausnehmung 14 vorzugweise identisch wie in 1 ausgebildet. Die Welle 24 wird allerdings oszillierend angetrieben. Es findet somit eine Drehrichtungsumkehr des Verdrängungskörpers 18 statt. Dieser verdrängt abwechselnd ein Hydraulikfluid aus dem entstehenden ersten und zweiten Teilhohlraum 14a, b.
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Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß 1 weist das Kunstherz gemäß 3 ein einlassseitiges Ventrikel 40a und ein auslassseitiges Ventrikel 40b auf. Diese werden abwechselnd durch die im Hohlraum 14 befindliche Hydraulikflüssigkeit komprimiert. Diese Ventrikel sind blutgefüllt und werfen somit bei einer Kontraktion das in ihnen befindliche Blut aus. Gleichzeitig werden sie durch die oszillierende Bewegung des Verdrängungskörpers 18 abwechselnd expandiert. Bei einer Expansion der Ventrikel erfolgt ein Ansaugen von Blut. Jedes Ventrikel ist mit einem Einlasskanal 42a und einem Auslasskanal 42b verbunden. Diese weisen vorzugsweise ebenfalls jeweils eine Ventilklappe 44a, b auf.
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In dieser Ausführungsform des erfindungsmäßen Kunstherzens ist es nicht notwendig, zwei übereinander angeordnete Kammern (wie in 6 dargestellt) zu verwenden, da die in 3 dargestellte Ausführungsform ausreicht, um die Funktion der linken und rechten Herzkammer zu ersetzen. Diese Ausführungsform der Erfindung weist den Vorteil auf, dass sich kein Blut in der Pumpmechanik befindet und somit mechanischen Belastungen ausgesetzt werden kann.
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Entsprechend der Funktionsweise des Kunstherzens gemäß 3 kann auch der im Wesentlichen dreieckförmige Verdrängungskörper 18 in einer oszillierenden Betriebsart verwendet werden (siehe 4). Auch hier sind Ventrikel 40a, b vorgesehen, die durch die oszillierende Bewegung des Verdrängungskörpers 18 abwechselnd komprimiert werden. In dieser Ausführungsform der Erfindung genügt es, wenn bspw. die untere Welle 24b angetrieben wird (jeweils pro Takt in unterschiedlicher Richtung), während an der oberen Seite lediglich eine Achse 24a vorgesehen ist, um die der Verdrängungskörper 18 herum verschwenkbar ist. Diese dient somit der Lagerung des Verdrängungskörpers 18.
