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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Pumpe oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Mit einer Rollenpumpe kann eine scherempfindliche Flüssigkeit wie beispielsweise Blut gepumpt werden. Bei der Rollenpumpe klemmen an einem Umfang einer runden Scheibe angeordnete Rollen einen Schlauch in bestimmten Abständen gegen ein kreisbogenförmiges Widerlager ab, um Kammern in dem Schlauch zu bilden. Durch eine Rotation der Scheibe rollen die Rollen auf dem Schlauch ab und schieben so die Kammern entlang des Schlauchs vorwärts. Die Flüssigkeit in den Kammern wird so in einer Förderrichtung durch den Schlauch gepresst.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Pumpe für ein Fluid, weiterhin ein Herzunterstützungssystem, sowie schließlich ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Pumpe gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Pumpe möglich.
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An ein Herzunterstützungssystem werden hinsichtlich Baugröße und hydraulischem Output hohe Anforderungen gestellt. Zusätzlich ist es wünschenswert, das gepumpte Blut so wenig wie möglich mechanisch zu belasten. Näherungsrechnungen auf Basis der klassischen Turbomaschinenauslegung lassen die Vermutung zu, dass diese Anforderungen prinzipbedingt nur schwer mit einem Kreiselpumpenkonzept erfüllt werden können. Eine Kreiselpumpe kann in Blut nur bis zu einer begrenzenden Drehzahl betrieben werden. Hier wird ein Alternativkonzept auf peristaltischer Basis vorgestellt.
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Da eine Rollenpumpe prinzipbedingt Bauraum für eine Rollenscheibe beziehungsweise einen Rollenträger benötigt, um eine Peristaltik in einem Pumpkanal zu bewirken, ist die Rollenpumpe für eine minimalinvasive Anwendung wenig geeignet. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird die Peristaltik durch eine entlang eines Kanals für ein Fluid angeordnete Antriebseinheit ausgelöst. Durch die Ausdehnung der Antriebseinheit entlang des Kanals kann die hier vorgestellte Pumpe schlauchförmig ausgeführt sein. Dadurch kann die Pumpe minimalinvasiv verwendet werden.
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Durch die peristaltische Pumpe kann das gepumpte Fluid schonend behandelt werden. Insbesondere bei Blut wird eine Schädigung von Blutzellen beziehungsweise Blutkörperchen verringert.
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Der hier vorgestellte Ansatz kann als Mikropumpe, als minimalinvasives Herzunterstützungssystem, als Pumpe generell, als Pumpe in verschiedenen Baugrößen für schwer zugänglichen Einsatzraum, beispielsweise als Sonde, als Pumpe für Mehrphasen/Mehrkomponenten Strömungen und für scherempfindliche Materialien, beispielsweise Blut verwendet werden.
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Es wird ein konzeptionell neues Herzunterstützungssystem beschrieben, das enge und teils gegenläufige Anforderungen erfüllen kann. Dabei weist die hier vorgestellte Pumpe einen geringen Bauraum auf, was sie für eine minimalinvasive Anwendung prädestiniert. Die hier vorgestellte Pumpe ist flexibel und für einen Langzeiteinsatz geeignet. Die Pumpe weist einen hohen hydraulischen Output auf.
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Es wird eine Pumpe für ein Fluid vorgestellt, wobei die Pumpe die folgenden Merkmale aufweist:
eine schlauchförmige oder röhrenförmige Außenhülle;
einen Pumpkanal, der von der Außenhülle umgeben ist, wobei ein Strömungsquerschnitt des Pumpkanals lokal veränderbar ist; und
eine Antriebseinrichtung, die entlang des Pumpkanals angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, den Strömungsquerschnitt, beispielsweise peristaltisch oder fortlaufend, lokal zu verändern, um das Fluid durch den Pumpkanal zu pumpen.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben der Pumpe vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Verändern des Strömungsquerschnitts in einem ersten Teilbereich des Pumpkanals unter Verwendung der Antriebseinrichtung, um eine Engstelle im Pumpkanal auszubilden; und
Verschieben der Engstelle in einer gewünschten Pumprichtung entlang des Pumpkanals unter Verwendung der Antriebseinrichtung, um das Fluid in die Pumprichtung zu pumpen.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Ferner wird ein Herzunterstützungssystem zum minimalinvasiven Implantieren in ein Herz vorgestellt, wobei das Herzunterstützungssystem die folgenden Merkmale aufweist:
eine Pumpe gemäß dem hier vorgestellten Ansatz zum Pumpen von Blut, wobei die Außenhülle auf zumindest einer Seite der Pumpe verlängert ist; und
eine in der verlängerten Außenhülle angeordnete Einpassstelle zum Anordnen im Bereich einer Herzklappe des Herzens, wobei im Bereich der Einpassstelle der Strömungsquerschnitt geringer ist, als im Bereich der Pumpe und/oder im Bereich der Einpassstelle der Strömungsquerschnitt eine unrunde Querschnittsform der Einpassstelle vorliegt.
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Unter einem Pumpkanal kann ein Hohlraum für das Fluid verstanden werden. Der Pumpkanal ist durch Grenzflächen zu anderen Bestandteilen der Pumpe begrenzt. Der Pumpkanal befindet sich innerhalb der Außenhülle. Die Antriebseinrichtung ist unter Verwendung eines Steuersignals betreibbar. Das Steuersignal kann von einer Steuerlogik bereitgestellt werden. An der Einpassstelle weist die Außenhülle, beispielsweise in der Form einer Engstelle, einen geringeren Außendurchmesser auf, als im Bereich der Pumpe. Alternativ oder zusätzlich richtet sich die Einpassstelle nach den anatomischen Gegebenheiten des Patienten. Ziel ist, ein Optimum aus kleinem Strömungsverlust (keine Engstelle) und gutem Abdichten der Herzklappe zu erreichen. Dies könnte bei gleichem Strömungsquerschnitt auch durch eine unrunde (z. B. dreieckige oder abgerundete 3-Sternform) Querschnittsform der Einpassstelle, die der Form der schließenden Aortenklappensegel angepasst ist, erreicht werden.
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Der Pumpkanal kann durch einen flexiblen Schlauch ausgebildet sein. Die Antriebseinrichtung kann zwischen dem Schlauch und der Außenhülle angeordnet sein. Die Antriebseinrichtung kann mit der Außenhülle und dem Schlauch mechanisch gekoppelt sein. Der Schlauch kann leicht verformbar sein. Der Schlauch kann aus einem fluidresistenten Material bestehen. Die Antriebseinrichtung kann den Schlauch umschließen. Dann kann das Fluid mit einem geringen Hub der Antriebseinrichtung gepumpt werden.
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Die Antriebseinrichtung kann zumindest teilweise durch einen flexiblen Schlauch umschlossen sein. Alternativ oder ergänzend kann der Pumpkanal zwischen dem Schlauch und der Außenhülle ausgebildet sein. Der Schlauch kann die Antriebseinrichtung vor dem Fluid schützen. Durch die Antriebseinrichtung in der Mitte kann ein großer Strömungsquerschnitt erreicht werden. Dadurch kann ein hoher Volumenstrom bewegt werden.
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Eine Innenseite der Außenhülle kann den Pumpkanal ausbilden. Die Außenhülle kann durch die Antriebseinrichtung verformbar sein. Die Antriebseinrichtung kann neben der Außenhülle angeordnet sein. Dadurch kann ein einfacher Aufbau erreicht werden.
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Die Antriebseinrichtung kann eine Vielzahl von entlang des Pumpkanals nebeneinander angeordneten Aktoren umfassen. Jeder Aktor kann dazu ausgebildet sein, den Strömungsquerschnitt des Pumpkanals im Bereich des Aktors zu verändern. Die Aktoren können gleichartig sein. Die Aktoren können einzeln ansteuerbar sein. Die Aktoren können beispielsweise mechanisch, fluidisch oder elektrisch betätigt werden.
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Ein Aktor kann eine elektromagnetische Spule und ein relativ zu der Spule bewegliches Gegenstück aufweisen. Die Spule und alternativ oder ergänzend das Gegenstück kann mit dem Pumpkanal gekoppelt sein. Der Aktor kann dazu ausgebildet sein, ansprechend auf ein elektrisches Signal durch Anziehung oder Abstoßung eine auf den Pumpkanal übertragbare Relativbewegung zwischen der Spule dem Gegenstück bereitzustellen. Das Gegenstück kann ebenfalls eine Spule sein. Die Spule und das Gegenstück können baugleich sein. Das Gegenstück kann die Spule des nächsten Aktors sein.
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Die Außenhülle kann flexibel sein. Die Außenhülle kann in Umfangsrichtung versteift sein. Durch die flexible Außenhülle kann die Pumpe biegsam sein. Durch eine Versteifung kann ein Druck in dem gepumpten Fluid aufgebaut werden.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Darstellung eines menschlichen Herzens mit einem Herzunterstützungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine Darstellung einer Pumpe mit schlauchförmigem Pumpkanal gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine Darstellung einer Pumpe mit ringschlauchförmigem Pumpkanal gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4 eine Darstellung eines Aktors zum Bereitstellen einer Strömungsquerschnittsänderung unter Verwendung eines Koppelgestänges gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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5 eine Darstellung eines Aktors zum Bereitstellen einer Strömungsquerschnittsänderung unter Verwendung einer Schraubenfeder gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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6 eine Darstellung eines Aktors zum Bereitstellen einer Strömungsquerschnittsänderung unter Verwendung einer Spule mit Gegenstück und Gestänge gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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7 eine Darstellung eines Aktors zum Bereitstellen einer Strömungsquerschnittsänderung unter Verwendung von Spulen mit geführten Gegenstücken gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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8 eine Darstellung einer Pumpe mit einer magnetisch verformbaren Außenhülle gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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9 eine Schnittdarstellung einer Pumpe mit einer magnetisch verformbaren Außenhülle gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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10 eine Schnittdarstellung einer Pumpe mit einer magnetisch verformbaren Außenhülle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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11 eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer Pumpfrequenz und einem Volumenstrom in Abhängigkeit von einem Innendurchmesser einer Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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12 eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer Pumpfrequenz und einem Volumenstrom in Abhängigkeit von einem Außendurchmesser einer Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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13 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Darstellung eines menschlichen Herzens 100 mit einem Herzunterstützungssystem 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist eine Skizze des linken Ventrikels 104 mit der aufsteigenden und absteigenden Aorta 106. Das Herz 100 pumpt Blut aus dem linken Ventrikel 104 in den Bulbus der Aorta 106. Im Bulbus zweigen die Koronarien von der Aorta 106 ab. Im Aortenbogen zweigen die Karotiden ab. Das linke Ventrikel 104 wird über die Mitralklappe aus dem linken Atrium mit Blut gefüllt.
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Das Herzunterstützungssystem 102 ist hier minimalinvasiv platziert und weist eine Pumpe 108 gemäß dem hier vorgeschlagenen Pumpenkonzept auf. Das Herzunterstützungssystem 102 kann als Ventricular Assist Device (VAD) beziehungsweise Kunstherz bezeichnet werden. Hier ist die Pumpeinheit 108 aufgrund des größeren Platzangebots beispielhaft im Ventrikel 104 platziert. Eine Platzierung in der Aorta 106 ist ebenfalls möglich. Dann wird ein Herzunterstützungssystem 102 mit einem Einlassschlauch in den Ventrikel 104 verwendet, da ein Druckaufbau vom Ventrikel 104 in den unteren Teil der Aorta 106 stattfinden sollte. Dadurch kann die Koronarversorgung sichergestellt werden. Die Durchführung durch die Aortenklappe 110 erfolgt hier mit einem möglichst kleinen Querschnitt, um das Schließverhalten der Klappe 110 so wenig wie möglich zu beeinträchtigen. Daher weist das Herzunterstützungssystem 102 einen stromab liegenden Diffusor 112 auf, der einen Druckrückgewinn und einen gleichmäßigeren Ausströmstrahl beziehungsweise Ausströmstrahlen realisiert. Die Verengungsstelle 114 ist dabei so ausgelegt, dass sie keine zu starke Drosselung der Pumpe 108 verursacht.
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Es gibt Herzunterstützungssystem-Pumpenkonzepte im minimalinvasiven Bereich, bei denen ein sogenanntes Mikroaxial- oder Mikrodiagonalpumpen-Konzept angewendet wird.
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Das peristaltische Prinzip wird bei Rollenpumpen, wie beispielsweise bei Herz-Lungen-Maschinen oder hydraulisch/pneumatisch aktuierten Konzepten angewendet.
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Bisher bekannte Lösungen können die geforderten Voraussetzungen für eine minimalinvasive Langzeitunterstützung nicht erfüllen: Sowohl die Verdrängerpumpenkonzepte als auch die bisherigen peristaltischen Pumpen sind zu groß. Die Kreiselpumpenkonzepte sind aus strömungsmechanischer Sicht geeignet, müssen jedoch bei der geforderten Baugröße mit sehr hohen Drehzahlen betrieben werden, um die geforderte hydraulische Leistung zu erreichen. Dadurch besteht die Gefahr einer strömungsinduzierten Blutschädigung durch hohe Scherkräfte auf Blutplättchen und rote Blutkörperchen.
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Das minimalinvasiv zu implantierende Pumpsystem 102 wird per Katheter durch die Arteria femoralis eingeführt und über die Aorta 106 und die Aortenklappe 110 im linken Herzventrikel 104 platziert, sodass aus dem Ventrikel 104 Blut angesaugt und in den unteren Teil der Aorta 106 ascendens ausgeworfen wird. Das System 102 ist am Einsatzort verankert, sodass der Katheter wieder entfernt werden kann, um offene Stellen und eine Infektionsgefahr von diesen zu verhindern. Dadurch ist das System 102 gut geeignet für den Langzeiteinsatz.
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Das System 102 kann eine körperlich verträgliche Länge von ca. 10 mm bis 100 mm aufweisen und ist dabei flexibel beziehungsweise biegbar, sodass eine Implantation und Platzierung per Katheter möglich ist. Das Problem der Blutschädigung, das bei Kreiselpumpen u.a. durch zu hohe Drehzahlen verursacht wird, wird durch Anwendung des hier vorgeschlagenen peristaltischen Konzeptes vermindert.
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Über das peristaltische Konzept ist ein blutschonender Fluidtransport bei gegebener Baugröße möglich. Verglichen mit Verdrängerpumpen gibt es keine Totpunkte und keine extra Phasen der Wiederbefüllung der Verdrängerräume, dies geschieht kontinuierlich. Dadurch, dass das Gesamtsystem flexibel biegbar ist, gibt es keine begrenzende "starre" Länge von Bauteilen, die eine Implantation über den Aortenbogen 106 limitiert. Es ergibt sich die Möglichkeit eines Langzeiteinsatzes. Wenn das System 102 mit einer extrakorporalen Driveline verbunden ist, kann die Pumpe 108 nach einer vorbestimmten Zeit wieder aus dem Körper entfernt werden.
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2 zeigt eine Darstellung einer Pumpe 108 mit schlauchförmigem Pumpkanal 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Pumpe 108 kann beispielsweise in dem Herzunterstützungssystem in 1 verwendet werden. Die Pumpe 108 weist eine Außenhülle 202 und eine Antriebseinrichtung 204 auf. Der Pumpkanal 200 ist hier durch einen flexiblen und fluiddichten Schlauch 206 ausgebildet. Die Antriebseinrichtung 204 ist zwischen der Außenhülle 202 und dem Schlauch 206 angeordnet. Die Antriebseinrichtung 204 kann mit der Außenhülle 202 und alternativ oder ergänzend mit dem Schlauch 206 mechanisch gekoppelt sein. Die Außenhülle 202 ist schlauchförmig beziehungsweise röhrenartig. Die Außenhülle 202 ist im Bereich der Antriebseinrichtung 204 durch ein spiralförmiges Versteifungselement 208 beziehungsweise ringförmige Versteifungselemente 208 gegen eine Durchmesseränderung versteift. Die Außenhülle 202 überragt die Antriebseinrichtung 204 beidseitig. Mit anderen Worten ist die Antriebseinrichtung 204 kürzer, als die Außenhülle 202. In den überragenden Bereichen ist die Außenhülle 202 ohne das Versteifungselement 208 ausgeführt.
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Die Antriebseinrichtung 204 weist hier beispielsweise sechs in einer Reihe entlang des Pumpkanals 200 angeordnete Aktoren 210 auf. Jeder Aktor 210 ist einzeln ansteuerbar. Hier dehnen sich die Aktoren beim Anlegen eines Betätigungssignals aus und drücken dabei den Schlauch 206 zu einer Einpassstelle 212 zusammen. Dabei wird in der Form einer Engstelle ein Strömungsquerschnitt 214 beziehungsweise eine Strömungsquerschnittsfläche 214 des Pumpkanals 200 verringert.
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In einem Ausführungsbeispiel ziehen sich die Aktoren 210 beim Anlegen des Betätigungssignals zusammen und vergrößern den Strömungsquerschnitt 214 zu einer Blase oder Beule. Im Bereich entspannter Aktoren 210 bildet sich somit die Einpassstelle 212 aus.
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Das Betätigungssignal kann beispielsweise elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch bereitgestellt werden. In den 4 bis 7 sind Ausführungsbeispiele für unterschiedliche, hier verwendbare Aktoren 210 dargestellt.
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Hier wird die Einpassstelle 212 symmetrisch ausgebildet. Dabei sind die Flanken der Engstelle 212 im Wesentlichen gleich steil. Die Einpassstelle 214 kann aber auch asymmetrisch ausgebildet sein. Generell ist die Form und Anzahl der Einpassstelle(n) bzw. Engstellen durch die Anzahl und Ansteuerung der Aktoren nahezu beliebig einstellbar.
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Um einen Volumenstrom zu erzeugen, werden die Aktoren 210 so angesteuert, dass die Engstelle 212 in eine gewünschte Flussrichtung wandert. Dadurch wird ein Fluid im Pumpkanal 214 vor der Engstelle 212 in der Flussrichtung beziehungsweise Förderrichtung hergeschoben. Hinter der Engstelle wird weiteres Fluid in den Pumpkanal 214 eingesaugt. Um die Engstelle 212 wandern zu lassen, werden die Aktoren 210 schrittweise angesteuert, wobei die Engstelle 212 pro Schritt zumindest durch einen Aktor 210 ausgebildet ist. Der Strömungsquerschnitt wird vor der Engstelle 212 verkleinert und nach der Engstelle 212 vergrößert. Von Schritt zu Schritt wird auf der Seite der Engstelle 212 in Flussrichtung zumindest ein Aktor 210 so betätigt, dass der Strömungsquerschnitt 214 verkleinert wird. Auf der anderen Seite der Engstelle 212 wird eine entsprechende Anzahl Aktoren 210 so betätigt, dass der Strömungsquerschnitt 214 vergrößert wird. Damit wandert die Engstelle mit einer Anzahl von Aktoren pro Zeiteinheit in der Flussrichtung.
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Mit anderen Worten ist in 2 das peristaltische Prinzip mit innen liegendem Fluidbereich 200 mit kreisförmigen beziehungsweise ovalförmigen Querschnitten dargestellt. Die Aktoren 210 können hier gleichmäßig über den Umfang verteilt oder lediglich oben und unten angebracht sein. Auch ein Weglassen der unteren Aktorreihe ist möglich, sodass die Verdrängung nur von einer Seite geschieht; dies außerdem bei gleichem Fluidvolumen Bauraum mit dem Faktor (Da – Di)/2 einsparen. Die Pumpe 108 weist eine flexible Gehäusewand 102 beispielsweise mit Drahtwicklung 208 zum Erhöhen der Umfangssteifigkeit auf. Mittig angeordnet ist ein flexibler Schlauch 206. Die Pumpe 108 weist eine Länge l, einen Innendurchmesser Di und einen Außendurchmesser Da auf.
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3 zeigt eine Darstellung einer Pumpe 108 mit schlauchförmigem Pumpkanal 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Pumpe 108 entspricht im Wesentlichen der Pumpe in 2. Im Gegensatz dazu ist die Antriebseinrichtung 204 hier innerhalb des Schlauchs 206 angeordnet. Damit ist der Pumpkanal 200 zwischen der Außenhülle 202 und dem Schlauch 206 angeordnet. Der Pumpkanal 200 weist damit eine ringförmige Strömungsquerschnittsfläche 214 auf und die Antriebseinrichtung 204 ist in der Mitte des Rings angeordnet.
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Um die Engstelle 212 auszubilden, dehnt sich zumindest ein Aktor 210 im Wesentlichen kreisförmig oder ringförmig aus. Die Engstelle 212 entsteht zwischen einer Innenseite der Außenhülle 202 und dem Schlauch 206 über dem ausgedehnten Aktor 210.
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In 3 ist das peristaltische Prinzip mit außen liegendem Fluidbereich 200 mit ringförmigen Querschnitten dargestellt, wobei die Aktuatoren 210 auf der Innenseite angeordnet sind. Hier ist es vorteilhaft, wenn die Aktoren radial in alle Richtungen verdrängen können.
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Mit anderen Worten ist der hier vorgestellte Ansatz durch ein peristaltisches Prinzip gekennzeichnet, das in seiner Konfiguration unterschiedlich ausgeprägt sein kann. Dabei wird die Peristaltik eines beliebig geformten fluidgefüllten Querschnitts- oder Volumenbereichs 200, im Folgenden als Schlauch oder Ringkanal 200 bezeichnet, oder Bereich 200 zwischen einem Schlauch 206 und einem weiteren umgebenden flexiblen Schlauch 202 mit hoher Umfangssteifigkeit, welche beispielsweise durch eine Drahtwicklung 208 realisiert werden kann, durch eine Vielzahl von hintereinander positionierten Aktoren 210 derart realisiert, dass die Aktoren 210 den Schlauch 206 in einer bestimmten Abfolge drücken oder dehnen und damit lokal den Fluidquerschnitt 214 verringern. Dabei kann insbesondere der innere Schlauch 206 der in 3 dargestellten Variante eine geringe Umfangssteifigkeit besitzen. Das Schlauchmaterial kann ein Elastomer oder ein anderes stark dehnbares und biegbares Material sein. Vorzugsweise werden die Aktoren 210 zeitlich so aktiviert, dass es zu einer fortschreitenden Welle der beschriebenen Querschnittsverengung 212 kommt, welche eine Förderwirkung auf das Fluid gemäß des generellen peristaltischen Prinzips bewirkt. Durch die lokalen Einzelplatzierungen der Aktoren 210 ist gewährleistet, dass das Gesamtsystem flexibel und bis zu einem gewissen Grad biegbar ist.
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Bei dem minimalinvasiven Prinzip ist es erforderlich, dass ein bestimmter Blutvolumenstrom durch einen physiologisch kleinen Querschnitt transportiert wird. Die hier dargestellten Ausführungsbeispiele von Pumpen 108 können beispielsweise durch Torsion in ihrem Durchmesser auf ca. Da – Di verkleinert werden. Ebenso kann die Pumpe 108 durch Wringen oder Zusammendrücken verkleinert werden. Das Ganze kann in eine dünne, feste Hülle geschoben werden. Nach einer Positionierung kann dann die Hülle entfernt werden, sodass sich das eigentliche Bauteil 108 in der Aorta oder dem linkem Ventrikel auf die alte Größe "entfaltet". Auf diese Weise sind größere Querschnitte realisierbar, als durch die Limitierung zum minimalinvasiven Einbringen.
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Es kann auch nur ein Teil der Aktoren 210 genutzt werden, um die Funktion zu erfüllen. Um eine eventuelle thermische Belastung der Aktoren 210 zu reduzieren, können diese wechselhaft angesteuert werden, um so Abkühlzeiten für pausierende Aktoren 210 zu schaffen. Bei Ausfall einiger Aktoren 210 ist die Funktion des Gesamtkonzepts nicht grundsätzlich gefährdet, was ein relevanter Sicherheitsaspekt als medizintechnisches, implantiertes Konzept ist.
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Durch die Realisierung der Peristaltik durch lokale Einzelaktoren 210 ist eine Anzahl von Fluidverdrängungsräumen, eine Pulswellengeschwindigkeit sowie eine instationäre Stromform leicht einstellbar. Es kann so auch ein physiologischer Puls moduliert werden, der für das Gefäßsystem sowie zahlreiche Endorgane gerade im Hinblick auf den Langzeiteinsatz von Bedeutung ist.
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4 zeigt eine Darstellung eines Aktors 210 zum Bereitstellen einer Strömungsquerschnittsänderung unter Verwendung eines Koppelgestänges 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Aktor 210 kann beispielsweise in einer Pumpe, wie sie in den 2 und 3 dargestellt ist, verwendet werden. Der Aktor 210 weist ein drehbares, ringförmiges Innenteil 402 auf. Das Innenteil 402 ist mittig in einem ringförmigen Querschnitt der Pumpe angeordnet.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Aktor 210 wie in 2 innerhalb des Schlauchs 206 angeordnet. Das Innenteil 402 weist einen geringeren Durchmesser als der Schlauch 206 auf. Das Innenteil 402 weist eine Mehrzahl an Koppelstellen 404 zu den Koppelstangen des Koppelgestänges 400 auf. Hier weist das Koppelgestänge 400 sieben Koppelstangen auf. Die Koppelstangen sind im dargestellten Zustand des Aktors 210 näherungsweise tangential zu dem Innenteil 402 ausgerichtet und überbrücken einen Zwischenraum zwischen dem Innenteil 402 und einer Innenseite des Schlauchs 206. Auf einer, dem Schlauch 206 zugewandten Seite der Koppelstangen 400 ist jeweils eine Druckplatte 406 beziehungsweise Druckfläche 406 angeordnet, die an dem Schlauch 206 anliegt.
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Wenn das Innenteil 402 gedreht wird, verändert sich ein Winkel zwischen den Koppelstangen 400 und dem Innenteil 402. Damit wird der Schlauch 206 radial nach außen gerückt oder radial nach innen gezogen, wenn die Druckflächen 406 mit dem Schlauch 206 verbunden sind. Durch eine Hin- und Herbewegung des Innenteils 402 kann damit ein Durchmesser des Schlauchs 206 lokal vergrößert oder verkleinert werden.
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In einem Ausführungsbeispiel überbrücken die Koppelstangen 400 einen Zwischenraum zwischen dem Innenteil 402 und einer flexiblen Außenhülle 202. Dabei wird die Außenhülle 202 durch die Drehbewegung des Innenteils 402 geweitet oder zusammengezogen.
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Mit anderen Worten zeigt 4 einen mechanischen Aktor 210 als Übersetzung zwischen Rotations- u. Translationskinematik beziehungsweise einen mechanischer Aktor 210 als Kurbeltrieb.
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5 zeigt eine Darstellung eines Aktors 210 zum Bereitstellen einer Strömungsquerschnittsänderung unter Verwendung einer Schraubenfeder 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Aktor entspricht im Wesentlichen dem Aktor in 4. Im Gegensatz dazu ist das Koppelgestänge durch die Schraubenfeder 500 ersetzt. Die Schraubenfeder 500 ist auf der einen Seite mit dem Schlauch 206 beziehungsweise der Außenhülle 202 verbunden auf der anderen Seite ist die Schraubenfeder 500 mit dem Innenteil 402 verbunden. Durch die Drehbewegung vergrößert oder verkleinert sich der Durchmesser der Feder 500. Torsion bewirkt dabei eine Querschnittsänderung.
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Mit anderen Worten zeigt 5 einen mechanischen Aktor 210 als Feder 500.
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6 zeigt eine Darstellung eines Aktors 210 zum Bereitstellen einer Strömungsquerschnittsänderung unter Verwendung einer Spule 600 mit Gegenstück 602 und Gestänge 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Aktor 210 ist an einem Ausschnitt einer Pumpe 108, wie sie in den 1 bis 3 dargestellt ist, gezeigt. Das Gestänge besteht wie in 4 aus Koppelstangen 400, die die Spule 600 und das Gegenstück 602 mit dem Schlauch 206 koppeln. Dabei sind die Koppelstangen 400 am Schlauch 206 in einem gemeinsamen Lagerbereich 604 so gelagert, dass die Spule 600 und das Gegenstück 602 beabstandet voneinander angeordnet sind. Wenn ein elektrisches Signal an die Spule 600 angelegt wird, wird das Gegenstück 602 angezogen. Dann spreizen sich die Koppelstangen 400 zwischen dem Schlauch 206, der Spule 600 und dem Gegenstück 602 ein und vergrößern in dem Lagerbereich 604 einen Umfang des Schlauchs 206.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das Gegenstück 602 ebenfalls eine Spule. Dann kann entsprechend einer Stromrichtung in den Spulen 600, 602 eine Anziehung oder eine Abstoßung zwischen den Spulen 600, 602 hervorgerufen werden. Wenn die Spulen einander abstoßen, wird der Schlauch 206 im Lagerbereich 604 zusammengezogen.
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Es ist ein Aktor 210 über Querkontraktion dargestellt. Axialausdehnung verringert dabei den Durchmesser. Der Aktor 210 kann auch über Materialquerkontraktion oder ein mechanisches Getriebe umgesetzt werden. Kraft und Hub können über den Winkel des Gestänges 400 eingestellt werden. Mit anderen Worten zeigt 6 einen mechanischen Aktor 210, bei dem eine axiale Translation durch beispielsweise Elektromagnete (M) 600, 602 zu einer Durchmesseränderung führt.
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7 zeigt eine Darstellung eines Aktors 210 zum Bereitstellen einer Strömungsquerschnittsänderung unter Verwendung von Spulen 600 mit geführten Gegenstücken 602 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Aktor 210 ist wie in 6 an einem Ausschnitt einer Pumpe 108, wie sie in den 1 bis 3 dargestellt ist, gezeigt. Mehrere Spulen 600 oder Gegenstücke 602 sind auf einer Außenseite der Außenhülle 202 angeordnet. Insbesondere sind die Spulen 600 oder Gegenstücke 602 ringförmig angeordnet. Mehrere Gegenstücke 602 oder Spulen 600 sind an einer Innenseite des Schlauchs 206 angeordnet. Zwischen den Spulen 600 und den Gegenstücken 602 sind Führungsstangen 700 angeordnet. Die Führungsstangen 700 kreuzen den Pumpkanal 200. Die Führungsstangen 700 greifen in Führungen an den Gegenstücken 602 oder Spulen 600 im Schlauch 206 ein und führen diese im Wesentlichen radial zu der Außenhülle 202 beziehungsweise zum Schlauch 206. Wenn die Gegenstücke 602 von den Spulen 600 ansprechend auf das Betätigungssignal angezogen werden, wird der Schlauch 206 gedehnt und der Strömungsquerschnitt 214 im Bereich des Aktors 210 verengt.
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Mit anderen Worten zeigt 7 eine Schlauchdeformation direkt durch über Stifte 700 beziehungsweise einen Führungsstift 700 geführte Magnete (M) 600, 602.
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Die Aktoren 210 können als sich gegenseitig anziehende oder abstoßende Elektromagneten 600, 602 realisiert werden, die separat angesteuert werden können. Dabei kann eine Abstoßrichtung beziehungsweise Anziehrichtung in radialer beziehungsweise vertikaler Richtung oder in Umfangsrichtung ausgerichtet sein. Dies hat bei guter Verteilung über den Umfang dann eine Umfangsvergrößerung beziehungsweise Umfangsverkleinerung zur Folge, mit der die erwünschte Querschnittsveränderung einhergeht. Dies ist insbesondere für die in 7 dargestellte Variante vorteilhaft, allerdings ist hier ein großer Aktorhub notwendig, da ΔU/ΔD = π.
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Ebenso können gegebenenfalls Piezoaktoren mit großem Hub verwendet werden. Als Aktor 210 können gegebenenfalls auch elektroaktive Polymere (EAP) verwendet werden.
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8 zeigt eine Darstellung einer Pumpe 108 mit einer magnetisch verformbaren Außenhülle 202 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Pumpe 108 kann beispielsweise in einem Herzunterstützungssystem wie in 1 verwendet werden. Hier ist die Außenhülle 202 ein Schlauch und bildet den Pumpkanal 200 aus. Die Außenhülle 202 ist zumindest teilweise ferromagnetisch und wirkt dadurch als Gegenstück zu außen an der Außenhülle 202 angeordneten Magnetspulen 600. Die Magnetspulen 600 sind wie die Aktoren in den 2 und 3 nebeneinander entlang des Pumpkanals 200 angeordnet. Wenn einer oder mehrere nebeneinanderliegende Magnetspulen 600 aktiviert werden, wird die Außenhülle 202 von den aktivierten Magnetspulen 600 angezogen und zusammengezogen. Dadurch wird der Strömungsquerschnitt verengt und eine Engstelle entsteht. Wenn fortschreitend weitere in der Pumprichtung beziehungsweise Förderrichtung an die Engstelle angrenzende Magnetspulen 600 aktiviert werden, wandert die Engstelle entlang des Pumpkanals 200. Wenn eine oder mehrere entgegen der Förderrichtung an die Engstelle angrenzende Magnetspulen 600 deaktiviert werden, dehnt sich die Außenhülle 202 dort wieder aus und weiteres Fluid wird in den Pumpkanal 200 angesaugt. Hierzu sollte die Biegesteifigkeit des Schlauchmaterials in Umfangsrichtung geeignet gewählt werden, um ein Wiederaufrichten des Schlauches mit der erforderlichen Kraft zu ermöglichen.
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Die Magnetspulen 600 sind in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen Hohlzylindersegmente, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser der Außenhülle 202 entspricht. Die Magnetspulen 600 umschließen die Außenhülle 202 hier etwa bis zur Hälfte.
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9 zeigt eine Schnittdarstellung einer Pumpe 108 mit einer magnetisch verformbaren Außenhülle 202 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Pumpe 108 entspricht im Wesentlichen der Pumpe in 8. Im Gegensatz dazu ist die Außenhülle 202 hier längs geschlitzt. In der Aussparung der Außenhülle 202 ist die Antriebseinrichtung 204 angeordnet. Die Antriebseinrichtung kann sich auch direkt unterhalb eines geschlossenen (ungeschlitzten) Schlauches befinden, wenn dies aus Fertigungssicht vorteilhafter ist. Der Pumpkanal weist in entspanntem Zustand einen ovalen beziehungsweise abgeflacht kreisförmigen Strömungsquerschnitt auf. Die Außenhülle ist hier unterschiedlich stark ferromagnetisch, sodass ein, der Antriebseinrichtung 204 beziehungsweise den Magnetspulen 600 gegenüberliegender Teilbereich der Außenhülle 202 stärker angezogen wird, als ein Wölbungsbereich der Außenhülle 202. In aktiviertem Zustand der Magnetspule 600 resultiert so ein stark abgeflachter, verengter Strömungsquerschnitt.
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10 zeigt eine Schnittdarstellung einer Pumpe 108 mit einer magnetisch verformbaren Außenhülle 202 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Pumpe 108 entspricht im Wesentlichen der Pumpe in 9. Im Gegensatz dazu weist die entspannte Außenhülle 202 und damit der unverengte Strömungsquerschnitt eine Ω-förmige Kontur auf. Dadurch wird eine gezielte Verengung des Strömungsquerschnitts erreicht.
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Mit anderen Worten ist in den 8, 9, 10 eine direkte Schlauchdeformation durch magnetisches Schlauchmaterial 202 dargestellt. Dabei wird ein mit magnetischen beziehungsweise metallischen Elementen versetzter flexibler Schlauch 202 durch in axialer Richtung segmentweise angeordneter Spulen 600 beziehungsweise Spulenelemente 600 segmentweise verformt. Der verformte Schlauch 202 bei Aktivierung einer Spule 600 ist gestrichelt dargestellt. Die Verteilung des magnetischen Anteils im Schlauch 202 kann unterschiedlich ausgeführt werden, was in 9 durch helle und dunkle Punkte dargestellt ist. In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in axialer Ansicht dargestellt, wobei eine Querschnittsform des Schlauches 202 derart ist, dass es zu einem sukzessiven Einfallen des Schlauches 202 kommt.
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Der Schlauch 102 kann bereits bei der Herstellung mit metallischen beziehungsweise magnetischen Zusätzen, wie Metallpulver oder Metallfasern versetzt werden, sodass er nicht nur Behälter/Verdränger ist, sondern gleichzeitig Bestandteil des Aktors 210. Auf Spulensegmenten 600 angebracht kann so die segmentweise Querschnittsänderung des Schlauchs 200 direkt durch Ansteuerung der entsprechenden Spulen 600 geschehen.
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11 zeigt eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer Pumpfrequenz und einem Volumenstrom in Abhängigkeit von einem Innendurchmesser einer Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Zusammenhang ist in einem Diagramm angetragen, das auf der Abszisse den Innendurchmesser in Millimetern und auf der Ordinate den Volumenstrom in Litern pro Minute aufgetragen hat. In dem Diagramm ist eine Kurvenschar für verschiedene Pumpfrequenzen angetragen. Dabei beziehen sich die Kurven 1100 auf einen kreisförmigen Strömungsquerschnitt beziehungsweise Fluidquerschnitt.
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12 zeigt eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer Pumpfrequenz und einem Volumenstrom in Abhängigkeit von einem Außendurchmesser einer Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Zusammenhang ist in einem Diagramm angetragen, das auf der Abszisse den Außendurchmesser in Millimetern und auf der Ordinate den Volumenstrom in Litern pro Minute aufgetragen hat. In dem Diagramm ist eine Kurvenschar für verschiedene Pumpfrequenzen angetragen. Dabei beziehen sich die Kurven 1200 auf einen ringförmigen Strömungsquerschnitt beziehungsweise Fluidquerschnitt.
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Mit anderen Worten zeigen die 11 und 12 abgeschätzte Volumenströme in Abhängigkeit der Durchmesser und Frequenzen bei konstanter Länge (hier 100 mm) auf Basis der sich leckagefrei ergebenden Fluidsäulen. Dabei sind in 11 die Kurven 1100 für Iso-Frequenzen [Hz] an Konturen für Kreisquerschnitte dargestellt. In 12 sind die Kurven 1200 für Iso-Frequenzen [Hz] Konturen für Ringquerschnitte bei Innendurchmesser sechs Millimeter dargestellt. Die Kurven 1100 repräsentieren einen Volumenstrom Q [l/min] bei einem Innendurchmesser Di [mm] bei der jeweiligen Frequenz. Die Kurven 1200 repräsentieren den Volumenstrom Q [l/min] bei einem Außendurchmesser Da [mm] bei der jeweiligen Frequenz.
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Das hier vorgestellte System weist beispielsweise eine Pumpleistung von ca. 7,5 l/min auf. Das System weist dabei einen Gesamtdurchmesser von kleiner 10 mm und eine starre Länge von kleiner 20 mm auf. Durch das peristaltische Prinzip ergeben sich geringe Scherbelastungen auf das Fluid während der Pumpaktion.
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Die genannten beispielhaften Anforderungen können mittels anderer Lösungen nur schwer oder nicht erreicht werden, da beispielsweise bei Rotordurchmessern von ca 6 mm mehr als 30000 U/min für den hydraulischen Auswurf nötig werden, die oft hohe Scherkräfte nach sich ziehen.
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In erster Näherung wird angenommen, dass der Volumenstrom dieser Konfigurationen mittels der Pulswellengeschwindigkeit der Peristaltik multipliziert mit dem nicht aktuierten Fluidquerschnitt abgeschätzt werden kann. Dabei kann die Pulswellengeschwindigkeit als Multiplikation der axialen Länge mit der Frequenz ermittelt werden.
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Die sich daraus ergebenden Volumenströme für die zwei den 2 und 3 gezeigten Konfigurationen für eine Beispiellänge von 100 mm sind in den 11 und 12 für verschiedene Durchmesser und Frequenzen aufgetragen. Die Länge kann also bei gleichen Pulswellengeschwindigkeiten mit der Frequenz kompensiert werden. Für eine feste Länge ist erkennbar, dass bei der Konfiguration in 3 aufgrund der verglichen mit den Kreisquerschnitten größeren Ringquerschnitte wesentlich kleinere Frequenzen und damit Pulswellengeschwindigkeiten notwendig sind, wodurch diese Variante im Hinblick auf die geforderte verminderte Bluttraumatisierung Vorteile aufweist. Allerdings sind dort die Aktoren innen platziert und jeder Einzelaktor erfordert einen größeren Hub, als in der in 2 dargestellten Konfiguration.
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Mit der Schlauchlänge und der Anzahl der durch die Aktoren geschaffenen Engstellen bzw. Einpassstelle 212 und damit Verdrängerräume, die durch lokale Einzelaktoren leicht einstellbar ist, lässt sich eine Druck-/Volumenstrom-Kennlinie einstellen, da der Druckaufbau im Wesentlichen von der Pulswellengeschwindigkeit und dem Leckagequerschnitt sowie dessen Anzahl abhängt.
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Weiterhin kann in dem in 3 dargestellten Fall zusätzlich über eine Steigung beziehungsweise Winkel der Gehäusewand eine Steilheit dieser Kennlinie beeinflusst werden.
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13 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1300 zum Betreiben einer Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1300 weist einen Schritt 1302 des Veränderns und einen Schritt 1304 des Verschiebens auf. Das Verfahren kann an einer Pumpe, wie sie in den vorhergehenden Figuren dargestellt ist, ausgeführt werden. Im Schritt 1302 des Veränderns wird der Strömungsquerschnitt in einem ersten Teilbereich des Pumpkanals unter Verwendung der Antriebseinrichtung verändert, um eine Engstelle im Pumpkanal auszubilden. Im Schritt 1304 des Verschiebens wird die Engstelle in einer gewünschten Pumprichtung entlang des Pumpkanals unter Verwendung der Antriebseinrichtung verschoben, um das Fluid in die Pumprichtung zu pumpen.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
