DE1932817A1 - Rueckflussverhinderndes Ventil - Google Patents

Rueckflussverhinderndes Ventil

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Bellhouse Francis Hewitt
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BELLHOUSE FRANCIS HEWITT
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Description

F-ATE NT AMW* Ct. S.
DR. I. MAAS . DR. W. PFEIFFER DR. F. VOITHENLEITNER
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BRIAN JOHN BELLHOUSE, !slip, Oxford FRANCIS HEWITT BELLHOUSE, Old Woodstock, Oxfordshire KENNETH GRANT REID, Old Woodstock, Oxfordshire
Rückflußverhinderndes Ventil
SSSSS.S SSS S S SSS SSSS SSSSSS SS SS
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf rückflußverhindernde Ventile» die insbesondere als Prothesen geeignet sind.
Mit verschiedenen Methoden durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, daß der Aortaklappen- oder Ventilmechanismus des Herzens Anpassungen aufweist, welche von der Natur geschaffen wurden, um den Anforderungen im Herzen zu genügen, aber auch tinter anderen Verhältnissen Anwendung finden können, in wel-
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chen ein Rückschlagventil in Übereinstimmung mit einem pulsierenden Fluß öffnen und schließen muß, in welchem eine geringe Turbulenz wiohtig ist und die Schließung des Ventils, wenn der Pluß umgekehrt pulsiert, nicht nur sehr rasch mit einem minimalen Rückfluß auftritt, sondern sogar einem Rückfluß oder einem erheblichen Rückfluß vorangehen kann. Wenn das Pluidum aus Blut besteht, ist die Geringhaltung der Turbulenz ein Erfordernis, um das Risiko der Anämie oder von Thromben im Blutfluß zu verkleinern. Erfordernisse ähnlicher Art können auch bei anderen Flüssigkeiten auftreten, wenn diese turbulenzempfindlich sind, wie z.B. Milch, so daß die Erfindung auch in Melkapparaten oder Milchverarbeitungsanlagen Verwendung finden kann.
Es ist durch Untersuchungen festgestellt worden, daß Ventil- oder Klappenprothesen oder Ersatzventile, wie sie in der Herzchirurgie verwendet werden, gewisse Mängel aufweisen, welche auf die Länge nachteilige Wirkungen auf den Patienten ausüben, und daß solche Mängel ihre Ursachen in der Vernachlässigung hydrodynamischer Phänomene besitzen,-"-■■ welche durch Konstruktion und Einpflanzung der Ventil- oder" Klappenprothesen verursacht werden. Bestehende Ventile für diesen Gebrauch sind solcher Art, daß sie Turbulenz verursachen und Auswirkungen besitzen, welche als Ursachen von Anämien und Thromben im Blutstrom erkannt wurden. Verschiedene Untersuchungen der Lage, visuelle einematographlsche Inspektionen von durchsichtigen Simulationsmodellen eingeschlossen, bestätigen, daß die natürliche Ausbildung der Passagen in Herzklappen oder -ventilen nicht nur die richtige Betätigung der Ventilelemente (der Klappen) selbst bewirken, sondern auch eine minimale schädliche Turbulenz bewirken.
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Die Erfindung befaßt eich als Resultat solcher Untersuchungen mit der Schaffung eines künstlichen Ventils» welches sich in der Weise einer natürlichen animalischen dreizipfligen Klappe, einer sogenannten Trikuspidalklappe, verhält, die aber als Artefakt auch in anderen Situationen, wo ahn·» liehe Erfordernisse bestehen, verwendet werden kann. Es ist von Leonardo da Vinci bei seinen beachtenswerten Studien der Anatomie und ohne Kenntnis des vaskularen Kreislaufes beobachtet worden» daß die Aortaklappe*dee Herrens eine dreizipflige Anordnung besitzt, und daß Jeder dieser Zipfel einer Ausbuchtung (sinus) von lappenähnlicher Form im Ventilteil des Blutgefäßes entspricht« Da Vinci sagte auch voraus, daß sich hirtter den Zipfeln oder Klappen in der Ausbuchtung Wirbel bilden würden. Ein Hinweis auf die Voraussage Da Vinci*s findet sich im Werk von K.D. Keeler "Leonardo Da Vinci on Movement of the Heart and Blood", S. 81, publiziert bei Harvey and Blythe, Limited» London 1952. Es scheint aber, daß diese hydrodynamische Feststellung unbeachtet gelassen oder übersehen wurde. Die gegenwärtigen Erfinder haben die Wirkungsweise der Trikuspidalklappe mit Hilfe von modernen Methoden geprüft und durch Untersuchungen festgestellt, was gemacht werden muß, um ein dreizipfliges Ventil zuverlässig, wirksam und bei seiner beabsichtigten Anwendung betriebsfähig zu machen; sie haben jedoch ihre Feststellungen in praktischer Weise angewendet. Die nachstehend beschriebene Erfindung ist das Resultat solcher Untersuchungen.
Es ergibt sich dann, daß Sin Ventil gemäß der Erfindung nicht nur als chirurgische Prothese brauchbar ist, sondern auch beispielsweise zum Pumpen von Flüssigkeiten verwendet Werden
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kann, welche aus dem einen oder anderen Grund in gewöhnlicher Weise schwierig zu behandeln sind. Das Ventil kann beispielsweise verwendet werden, um den Fluß einer Flüssigkeit zu steuern, die turbulenzempfindlich ist, z.B. eine gerinnende Flüssigkeit (wobei Blut vielleicht das beste -Beispiel darstellt; Milch ist ein anderes Beispiel) oder eine Flüssigkeit, die eine schlammige oder feste Suspension enthält.
Als Prothesen verwendete Kugelventile haben verschiedene Nachteile, wie dies auch für Ventile mit gelenkig gelagerten Klappen zutrifft. Bei keiner dieser Arten entsteht ein'Fluß, welcher stromabwärts vom Ventil nicht erheblich turbulent wäre. Es scheint, daß bei diesen Ventilen und auch bei einem vorbekannten dreizipfligen Biegungsventil von früheren Beobachtern, Da Vinci eingeschlossen, angeSmmen wurde,- daß das Ventil im Ruhezustand geschlossen sein soll, und daß ein Kriterium für seinen Betrieb ein geringer öffnungsdruck sein soll. Nach unseren Feststellungen ist diese Annahme irrig. Wir nehmen an, und dies ist von grundlegender Bedeutung bei der vorliegenden Erfindung, daß das Ventil in der Ruhelage offen sein soll, wenn auch nicht notwendigerweise völlig offen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines künstlichen aortischen Herzventils, welches mechanisch und hydrodynamisch wirksamer und leistungsfähiger ist als bekannte Prothesen.
Eine andere Aufgabe ist die Schaffung eines künstlichen Herzventils, das mit einem minimalen Wiederzurückfließen schließt, wobei die Schließung nicht einzig durch die Flußumkehr des Häuptflußes durch das Ventil bewirkt wird, sondern durch eine' sekundäre hydrodynamische Ursache.
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Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines Steuerventils, das in Abhängigkeit von Pulsationen in einem Fluidumfluß arbeitet und eine sehr geringe Turbulenz verursacht, wenn es offensteht.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung einer Konstruktion eines künstlichen Rückschlagventils, das wirtschaftlich in einer sehr zuverlässigen Form von großer Lebensdauer hergestellt und leicht in lebendes Gewebe eingepflanzt werden kann»
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein rückflußverhinderndes Ventil oder Rückschlagventil für die Verwendung in einem pulsierenden Fluß in einer Leitung drei flexible Klappen, welche zusammen in der Ruhelage ungefähr die Gestalt eines praktisch koaxial zur Leitung angeordneten Zylinders annehmen, wobei hinter jeder Klappe eine Ausbuchtung (sinus) oder Wirbelkammer in der Wandung der mit dem Ventil versehenen Leitung vorgesehen ist, und jede solche Kammer derart mit der Leitung strömungstechnisch verbunden ist, daß
a) sie einen Stagnationspunkt in der Gegend ihrer flußabwärts liegenden Seite erzeugt und einen Wirbel aufnimmt, der durch den PIuS in der Leitung erzeugt wird und durch den maximalen Fluß in der Leitung auf ein Maximum gebracht wird,
b) dieser hydrodynamische Effekt, welcher nach dem Abklingen dss Maximalflußes in der Leitung aufrecht erhalten wird, die Schließung des Ventils einleitet (4.h. durch die Verursachung einer nach innen wirkenden Druckdifferenz durch die Klappe und nach ü&m öadurch erfolgten Versehieben der Klappe nach dem Leitungsinnern versichert, daß ein geringer Rückfluß in der fetitung als StehlieAung des Ytntils
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beendet, und (wenn die Erfindung als künstliches Aortaventil verwendet wird)
c) der hohe Druck in den Ausbuchtungen (sinus) verwendet werden kann, um einen Blutstrom in künstliche Koronararterien fließen zu lassen.
Die Erfindung umfaßt daher in erster Linie, eine dreizipflige Klappe oder Ventil (valvula tricuspidalis), bei welchem hinter jedem Zipfel oder jeder Klappe eine Ausbuchtung in der Leitungswandung angeordnet ist, wobei die drei Klappen zusammen, wenn sie entspannt sind, ungefähr am geometrischen Ort eines Zylinders liegen. Daher ist das Ventil in der Ruhelage offen.
Nach einem anderen Aspekt sind die Klappen mit ihren stromabwärts gelegenen oder distalen Bereichen als 120° Bogen eines Kreises ausgebildet, der ungefähr dan Durchmesser der mit dem Ventil versehenen Leitung aufweist, und diese Bereiche sind frei und flexibel. Sie sind vorteilhaft etwas länger (linear) als der so umschriebene Bogen in dem μ -Verhältnis, 3O daß sie sich, wenn sie zusammengezogen in ihrer geschlossenen Lage sind, entlang von drei in Abständen von 120° angeordneten Radien treffen und eine solche Länge haben, daß sie sich nicht nur treffen, sondern noch eine überflüssige Länge besitzen, so daß sie sich um einen geringen Betrag biegen müssen, wodurch versichert wird, daß sie aneinanderMiegen. Dies wird aus der nachfolgenden Beschreibung besser verständlich werden»
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besitzt das Ven~ . til ein beinahe zylindrisches Gefüge aus biegsamem Material,
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(welches leicht konisch sein kann, aber.als zylindrisch bezeichnet werden wird) in welcher die zylindrische Form "entlang drei axial angeordneten Linien in einem Abstand von 120° in Bezug auf die Zylinderachse getragen wird, so daß die drei bogenförmigen distalen Bereiche, (welche Zipfel oder Klappen sind) ausgebreitet werden, um einen ' ungefähren Kreis zu bilden, und zusammengezogen werden können, damit jeder Bereich zwischen zwei benachbarten Radien liegt, wobei dann die drei Bereiche zusammen einen totalen Versnhluß der Leitung bilden, von der der Zylinder ursprünglich einen Teil bildete. Die Wurzel oder der flußaufwärtsgelegene, d.h. proximale Bereich des zylindrischen Gefüges ist vorteilhafterweise an einem Ring befestigt, der in die mit dem Ventil versehene· Leitung paßt. Im Falle eines Herzventils bildet dieser Ring einen Nahtring und kann ausgeschnitten sein, wie dies aus der äußeren Ansicht ersichtlich ist, mit drei Lappen, welche den Ventilklappen entsprechen. Dieser Ring kann eine Basis aus rostfreiem Metall oder aus Kunststoff aufweisen, und die Basis selbst trägt vorteilhafterweise drei axial eich erstreckende Arme, an welche der flexible Zylinder in Abständen von 120° befestigt ist.
Im Falle des Herzventils kann die.„Basis des Zylinders einfach ein Nahtring sein, und die drei Befestigungslinien, Vielehe die drei Klappen begrenzen, können Versteifungen sein, von denen jede eine Öffnung für eine Naht an ihrem flußabwärtsliegenden Ende aufweist.
Als Beispiel einer Variation innerhalb des Bereiches und : der Idee der Erfindung kann das Ventil ursprünglich auf einem relativ steifen Skelett gebildet werden, damit der Chirurg es einpflanzen kann; und das Skelett oder wenig-" stens dessen ringförmiger Unterteil kann dann nach dem
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Einnähen des Ventils entfernt v/erden oder es kann im Blutstrom harmlos auflösbar sein.
• Die Erfindung kann auch die Form einer Ventileinheit zum Einsetzen in eine Leitung besitzen, welche bereits drei Ausbuchtungen (sinus) aufweist. In diesem Falle muß es natürlich so angebracht werden, daß die Zipfel oder Klappen mit den Ausbuchtungen übereinstimmen. Das Ventil kann aber auch so ausgebildet werden, daß es als kompletter Abschnitt in eine Rohrlänge paßt, wobei die eigene V/andung fe mit Ausbuchtungen versehen ist. Die letztere Form wird das ~ Ventil normalerweise aufweisen, wenn es für andere Zwecke als zur Einpflanzung verwendet wird, z.B. in Verbindung mit dem vorher erwähnten Melkapparat.
Ein Ausführungsbeispiel des Ventils, welches zur ständigen Einpflanzung im Kerzen vorgesehen ist, wird nun mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, welche das aus einer'biegsamen Folie bestehende Ventilelement in rudimentärer Form zeigt;
Ψ Fig. 2 das Ventilelement, wie"es zur Herstellung vorgeschlagen wird, als eine flache Ausbildung in einer unwirklichen, aber veranschaulichenden perspektivischen Weise;
Fig. 3 in flacher Ausführung ein Metall- oder Kunststoffskelett, das relativ steif ist, um das Element von Fig. 2 zu tragen;
Fig. 4 einen Querschnitt durch das in einer Leitung, z.B. der Aorta, eingesetzte Ventil, wobei seine Lage zu
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den Valsalva-Sinus oder Ausbuchtungen gezeigt wird und
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen einer Ventilklappe (in offener und geschlossener Stellung) und der Leitungswandung, welche die entsprechende Ausbuchtung enthält.
Das Ventilelement 1 besitzt eine praktisch' zylindrische 7orr:.. Die eingezeichneten Pfeile zeigen die Richtung des BlutStromes, Das Element 1 besteht vorteilhaft aus "Terylene", Mylon oder Polypropylen mit einem überzug aus Silikongummi. Es ist in drei Platten IA, 13 und IC aufgeteilt, welche Klappen bilden. Jede Platte umschließt 120° des zylindrischen Querschnitts. Wie Fig. 2 zeigt, ist der flußaufwärts gelegene oder proximale Bereich jeder Klappe bei ID ausgeschnitten. Das Element 1 wird durch ein Metall- oder Kunststoffskelett 2 getragen, welches in Fig. ^3 in der Abwicklung dargestellt wird. Das Skelett 2 bildet einen lappenförmigen Ring 2A und durch Aufbiegen aus diesem Ring werden drei Arme in Form von Haarnadeln 2B, 2C und 2D gebildet. Die bei 3 gezeigten Falten im Element 1 erstrecken sich radial nach außen und sind in den Armen 23, 2C und 2D eingeklemmt, welche die Fugen des Herzventils darstellen. Diese Konstruktion gestattet, daß die freien flußabwärtsgelegenen oder distalen Bereiche der Xuppe IA, IB, IC etwas länger sind als der tatsächliche kreisförmige Bogen wäre, wenn das Ventil ganz zylindrisch wäre. In der Theorie sollte der Bereich jeder Kuppendes Ventildurchmessers betragen, damit die drei distalen Bereiche ganz zusammentreffen, wenn das Ventil geschlossen ist, wie dies mit punktierten Linien in Fig. 4 gezeigt wird. In der Praxis wird jedoch die extra Länge etwas länger gemacht als theoretisch erforderlieh, damit die drei Klappen immer ganz aneinanderstoßen und zusammen
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- 10 - ■:-■'■■"■.
einen .Abschluß'.bilden. Der stromaufwärts gelegene Bereich des Elementes 1 ist am ringförmigen Teil'2A "des Skeletts 2 vorteilhafterweise- dadurch.angebracht, da5 es den Teil 2A ganz umschließt und dann geheftet und genäht ist. Der ringförmige Teil, wird dann außen mit einem Mahtring versehen, damit er mit der Leiüungs- oder Ge fä/iwanduns "verbunden werden Kann, wie dies bei 4 in Pig, 5 gezeigt wird.· Der Nahtring besteht beispielsweise aus "Terylene"-Velour. Die Arme 2B, 2C, 2D bilden oder besitzen Bogen oder Löcher an ihren distalen Enden, um ein Annähen an die Gefäßwar.du.r.g zwischen den Ausbuchtungen (sinus) zu ermöglichen.
Die Erfindung ist nicht auf diese "Herstellungsart begrenzt. Das Ventil kann auch als eine einzige Einheit aus einer, einzigen Stück Material, z.B.~aus Polypropylen oder einer: Zweiphasen-Materialj, wie z.B. Polypropylen-Silastik gefertigt werden.
Aus den Figuren A und 5 ist das Verhältnis zwischen den Klappen und den Ausbuchtungen ersichtlich. In Pig. 1J sind die Wände der drei Ausbuchtungen strichpunktiert mit 5 dargestellt, und eine V/and 5 wird im Längsschnitt in Fig. 5 gezeigt. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß eine Klappe IB, die in ihrer offenen Ruhelage ausgezogen eingezeichnet ist, beinahe die entsprechende Ausbuchtung verdeckt, daß jedoch ein Spalt6 zwischen dem distalen Bereich der Klappe IB und der Kante 7 der Ausbuchtung besteht. Die geschlossene Stellung der Klappe IB ist in Fig. 5 schematisch mit einer punktierten Linie dargestellt. Die natürliche Ruhelage des ! Ventils ist die geöffnete Stellung (ausgezogene Linie in den # Figuren 4 und .5), und dies stellt ein Merkmal der vorliegen- i den Erfindung dar. Bei einem Maxinalfluß durch das Ventil .J wird ein starker Wirbel in der Ausbuchtung erzeugt, wie
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dies durch den Pfeil in Pig. 5 dargestellt wird. Wenn dann
die Flußgeschwindigkeit absinkt, drückt der bestehende Wirbel die Klappe; nach innen und diese ist beinahe geschlossen in Zeitpunkt, wo eine tatsächliche Flußumkehr in der Leimung auftritt und die Schließung des Ventils beendet. Das Yerrcil würde unmittelbar geöffnet werden, wenn kein Druckunterschied an diesen bestehen würde. Tatsächlich" is"; at er der r.ächa'ce
Strönungspuls möglicherweise noch von größerer Wirkung beiir. öffnen des Ventils. Die axiale Länge der Klappen beträft
ungefähr einen Leitungsdurchir.esser.
Das so beschriebene Ventil ist zum Einpflanzen in eine Leitung oder ein Gefäß bestimr.ζ} welches Ausbuchtungen (sinus) aufweist. Die Erfindung schließt jedoch auch die Verwendung eines solchen Ventils ein, bei welchem bereits eine Rchrlilnge mit sinusförmigen Lappen oder Ausnehmungen versehen isu, so daß die gesamte Einheit in eine Leitung eingebaut werden kann, sei es auf dem Wege der Einpflanzung oder für ganz andere externe Strömungssteuerungsaufgaben. In einem solchen Falle ist die maximale radiale Tiefe der Ausbuchtungen vorzugsweise ungefähr gleich dem Radius der Ventilleitung..Ein solches Ventil kann, "wenn es als Aortaersatz: verwendet wird, künstliche Kranzarterien aufweisen, die an die Ausbuchtungen angeschlossen sind. '"'-"..■"--."■
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Claims (1)

  1. Pa ten t a η s ρ r ü c h e
    Ventil, gekennzeichnet durch ein praktisch zylindrisches Gefüge aus biegsamem Material mit einer axialen Länge, die größer ist als sein Radius· ein Gerüst, welches das zylindrische Gefüge längs drei axial ausgerichteten Linien, die in einem Abstand von etwa 120° rund um den Zylinder angeordnet sind, trägt und diesen in drei Klappen teilt; und ein relativ steifes Gerüst, welches daseine Ende des zylindrischen Gefüges ringförmig stützt und einen Durchmesser besitzt, der ungefähr jenem der mit einem Ventil zu versehenden Leitung entspricht.
    2. Ventil nach Anspruch 1- zur Einpflanzung, gekennzeichnet durch einen Nahtring, der peripher am zylindrischen StützgefÜge angebracht ist oder einen Teil desselben darstellt. - '
    3· Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß das zylindrische Gefüge aus biegsamer Kunststoffolie besteht, und-daß die beiden Gerüste" durch ein ringförmig ausgebildetes Skelettelement aus Metall oder Kunststoffdraht gebildet v/erden, das drei haarnadelähnliches axial ausgerichtete Arme aufweist, welche den Fugen einer natürlichen Trikuspidalklappe entsprechen. :
    k. Ventil nach Anspruch'-3* dadurch gekennzeichnet, daß das Skelettelement an seinem ringförmigen Ende ausgeschnitten ist. .""""-■■.■.".
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    -Ϊ3 - ;■■'■■.'
    5·-Ventil-nach" Anspruch 1,·dadurch gekennzeichnet, daß die Totallänge» -von der Drehkante her gemessen, etwas mehr als der dreifache Durchmesser des vom Ventil be- ; stimmten Ringes betrügt.
    6". Ventil nach Anspruch 3 zur Einpflanzung als Prothese, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme an ihren distalen Enden zum Anbringen von Nähten ausgebildet sind.
    T· Ventil nach Anspruch 1 zur Einpflanzung als Prothese, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Klappen geringer ist als die maximale axiale Abmessung der Ausbuchtungen, welchen sie entsprechen.
    8. Aortaklappenprothese, gekennzeichnet durch einen praktisch steifen röhrenförmigen Körper mit ungefähr kreisförmigem Querschnitt mit drei Ausbuchtungen in der Wandung desselben; ein praktisch zylindrisches, biegsames Gefüge aus einer Folie, die in der Nähe eines Endes und innerhalb des Körpers befestigt ist und eine geringere axiale Länge als die Ausbuchtung besitzt; ein verhältnismäßig steifes Gefüge, welches an das biegsame Gefüge drei symmetrisch angeordnet en ax^al ausgerichteten Linie^^^ ist, die natürliche Fugen darstellen, und auch einen an das biegsame Gefüge am proximalen Ende desselben angebrachten Ring bilden, wobei das steife Gefüge das biegsame Gefüge derart plaziert, daß jede Klappe desselben mit der Lage einer Ausbuchtung übereinstimmt; und durch einen Nahtring, welcher die Ringanordnungumgibt oder einen Teil derselben darstellt. : :
    9. Ventil nach Anspruch 83 dadurch gekennzeichnet, daß das verhältnismäßig steife Oefüge dort» wo es den Ring bildet, schuppenfösTOge Lappen aufweist, ; ?
    :■--.■ ... :■■.■. . -"■■■- i4..-.;·■■■ ■■'..: Λ - : . r.
    - 10, Steuerventil zur Verwendung in einer Leitung, die eine
    pulsierende Flüssigkeit transportiert, dadurch gekenn- ~, zeichnet, daß es aus einem biegsamen, praktisch zylindrischen Element besteht, das entlang axial verlaufenden Linien, die in einem Abstand von 120° voneinander um die Achse der Leitung angeordnet sind-, -getragen wirdaund eine solche axiale Länge aufweist, daß es"in der Lage ist, die Querschnittfläche der Leitung su verschließen, um einen Fluß durch dieselbe in· einer Richtung zu verhindern; und daß das Element im Ruhezustand eine Querschnittfläche aufweist, welche der offenen Leitung entspricht, und daß jede Fläche des Elementes eine Klappe darstellt, ■ welche der Lage einer Ausbuchtung in der Leitungswandung entspricht, so daß ein in diesen Ausbuchtungen bewirkter Wirbel nach einem maximalen Flüssigkeitsfluß in der Leitung in einer Richtung aufrechterhalten wird.
    11. Ventil nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Röhrenlänge, an welche das Element innen befestigt ist, wobei die Wandung der Röhre drei Ausbuchtungen bildet und das * ausgebogene Ende der Ausbuchtungen immer in offener Verk bindung mit der Flüssigkeit in der Leitung steht.
    J5 :: Le erse rte
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