DE19609281C1 - Magnetofluidunterstützter elektromagnetischer Antrieb für eine Blutpumpe zur Unterstützung oder zum teilweisen bis totalen Ersatz des Herzens - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem magnetofluid­ unterstützten elektromagnetischen Antrieb für eine Blutpumpe zur Unter­ stützung oder zum teilweisen bis totalen Ersatz des Herzens, welcher aus einem oder mehreren Elektromagneten und kraftumformenden Einrichtungen besteht, wie er aus der US 4650485 bekannt ist.

In den letzten Jahren werden zunehmend externe und implan­ tierbare Herzunterstützungssysteme als Überbrückung bis zur Transplantation eines Spenderherzens eingesetzt. Die Erfahrungen mit solchen Herzunterstützungssystemen haben erneut Überlegungen ausgelöst, solche Unterstützungssysteme nicht nur für die Überbrückung bis zur Transplantation eines Spenderherzens einzusetzen, sondern auch als Lang­ zeitmaßnahme. Hierfür sprechen mehrere Aspekte. Die für eine Transplantation zur Verfügung stehenden Organe sind knapp. Der Einsatz eines künstlichen Unterstützungssystems kann den Zustand des Patienten stabilisieren und bessern, so daß die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Transplan­ tation günstiger sind. Das Hauptproblem der Transplantation von Spenderorganen, nämlich die Abstoßungsreaktion, entfällt bei künstlichen Unterstützungssystemen. Unter Umständen kann ein künstliches Unterstützungssystem auch zu einer Erholung des geschädigten Herzens führen, so daß der Patient wieder mit seinem nativen Herzen weiterleben kann.

Es werden verschiedene Unterstützungssysteme erprobt und eingesetzt, die sich im wesentlichen nur in der Art des Antriebes unterscheiden. Elektromagnetische Systeme bestehen aus einem Elektromagneten, der über eine Mechanik einen Blutsack ausquetscht, um das Blut zu fördern. Eine solche Anordnung ist im einzelnen in der US 3874002 beschrieben. Elektromechanische Systeme erzeugen mit Hilfe eines Elektromotors eine Rotationsbewegung, die in eine Pumpbewe­ gung umgesetzt wird. Weiter sind elektrohydraulische und elektropneumatische Systeme bekannt, bei welchen mittels einer Hydraulikpumpe oder eines Kompressors eine Flüssig­ keit bzw. ein Gas in eine Kammer gepumpt wird, um eine flexible Membran für das Fördern des Blutes zu bewegen.

Auch wurde versucht, magnetofluidgetriebene Systeme zu entwickeln, wie aus der eingangs erwähnten US 46 50 485 bekannt sind. Bei dieser bekannten Blutpumpe soll die Membran der Blutkammer direkt durch ein Magnetofluid bewegt werden, welches durch ein Magnetfeld dazu angeregt wird. Leider vermag eine solche Anordnung ohne entsprechend groß gewählte Erregerspulensy­ steme nicht den Pumpdruck zu erzeugen, der für ihren Einsatzzweck notwendig ist. Deshalb ist diese Blutpumpe für die Implantation ungeeignet.

Magnetofluide sind stabile Dispersionen mit superparamagne­ tischen Eigenschaften. Sie bestehen aus single domain Teilchen, die mit Hilfe von grenzflächenaktiven Stoffen in wählbaren Lösungsmitteln homogen verteilt vorliegen. Die homogene Verteilung bleibt auch in starken Magnetfeld (-gradienten) erhalten. Die DD 1 60 532 beschreibt im einzelnen ein solches Magnetofluid. Magnetofluide mit Anfangspermeabili­ täten bis 4 und Sättigungsmagnetisierungen bis 100 mT sind beschrieben.

Wegen ihres einfachen Aufbaus und der damit verbundenen Robustheit haben sich vor allem elektromagnetische Antriebe durchgesetzt. Bei den bekannten Systemen dieser Art besteht eine starke Diskrepanz zwischen Bauform und -größe auf der einen Seite und dem Wirkungsgrad mit den damit verbundenen Aufwendungen für die Energieversorgung auf der anderen. Das sind Faktoren, die von akustischen Störungen abgesehen, wesentliche Belastungen für den ohnehin schon strapazierten Patienten darstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für eine Blutpumpe zur Unterstützung oder zum teilweisen bis totalen Ersatz des Herzens zu schaffen, die in ihrem Gewicht sowie ihrer Energiedichte dem natürlichen Herzen weitgehend entspricht, und sich besonders für eine Implantierung eignet, wobei eine Verkleine­ rung des Gesamtsystems gegenüber bekannten Systemen unter gleichzeitiger Verbesserung des Wirkungsgrades ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Der Anspruch 2 gibt eine Ausführungsart der Erfindung an.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, daß die Wirkung des Zwischenraumes durch das eingebrachte Magnetofluid (Ferrofluid, Magnetflüssigkeit) wegen seiner höheren Permeabilität verstärkt wird. Das gelingt deshalb, weil der Übergang vom hochpermeablen Rückschluß zum Fluid eine Krafterhöhung (Maxwellsche Spannung) zur Folge hat. Außerdem kann unter bestimmten Umständen der Unterdruck des Magnetofluids genutzt werden, der dadurch entsteht, daß an seiner freien Oberfläche (zum Beispiel zu Luft) unter Wirkung eines Magnetfeldes Kraftdichten entstehen, welche aus dem Magnetofluid heraus gerichtet sind. Letztendlich genügen für die Erzeugung des notwendigen Pumpdruckes geringere Erregungen. Das erlaubt eine Verrin­ gerung der Größe des Antriebs und senkt die Verluste. Diese Verbesserung ist direkt mit der Größe der Anfangspermeabilität und der Sättigungsmagnetisierung verknüpft.

Durch das Magnetofluid wird auch zwischen den Polen der mechanischen Stoß am Ende des Anzugvorganges gedämpft.

Der Antrieb kann auf eine Blutpumpe in ihrer einfachsten Ausführung als Einkammersystem direkt aufgesetzt sein. In aufwendigeren Ausführungen ist auch eine zweikammerige oder vierkammerige Ausbildung möglich. Der Antrieb ist deshalb in einfachen Herz-Kreislauf-Unterstützungen verwendbar oder kann in einer möglichst naturgetreuen Nachbildung der Herzfunktion als teilweiser oder sogar totaler Ersatz des Herzens Einsatz finden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert. Es zeigt

Fig. 1 Querschnitt des Kunstherzantriebs bei zusammengedrückter Kammer,

Fig. 2 Querschnitt des Kunstherzantriebs während des Ansaugvorganges,

Fig. 3 Querschnitt des Kunstherzantriebs nach Abschluß des Ansaugvorganges,

Fig. 4 Antrieb im Längsschnitt,

Fig. 5 Blutkammer im Schnitt.

In Fig. 1 ist das Prinzip des Antriebs schematisch für ein Einkammersystem im Schnitt dargestellt. Das Kammervolumen 10 wird von der Kammerwand 9 dicht umschlossen. Die Wand 9 ist als biegeelastische Membran ausgebildet und besitzt Ein- und Ausströmrohre 11 nebst Ventrikel 12. Die Flexibilität der Kammerwand 9 erlaubt ein Zusammendrücken des Kammervolumens 10 durch den Antrieb 1 bis 6. Die notwendige Kraftübertragung ist durch den Direktkontakt der oberen Kammerwand 9 mit der unteren Kernhälfte 2 gewährleistet. Die Fixierung der ruhenden Teile findet durch das Gehäuse 8 statt, welches zum einen mit der unteren Kammerwand 9 und zum anderen mit der oberen Kernhälfte 1 schlüssig verbunden ist.

Der Raum zwischen Kammerwand 9 und Gehäuse 8, der neben dem Antrieb 1 bis 6 noch verbleibt, ist mit einem gasförmigen Stoff 7 ausgefüllt. Dieser ermöglicht eine offene und eine geschlossene Variante, bei der ersten erfolgt ein einstell­ barer Druckausgleich über 14, bei der zweiten bewirkt eine Volumenänderung der Kammer 10 eine Druckänderung des Gases 7.

Wenn das durch die Spulenpaare 3 und Kernhälften 1 und 2 gebildete Magnetsystem erregt wird, entsteht ein Magnetfeld im wesentlichen zwischen den Polen 6 der Kernhälften 1 und 2. Dieses bewirkt, daß das Magnetofluid 5 beginnt, den Raum zwischen den Polen 6 auszufüllen, falls es sich durch den vorhandenen Restmagnetismus nicht ohnehin schon dort befindet. Das Magnetofluid 5 erhöht die Kraftwirkung zwischen den Polen 6 entsprechend dem oben Beschriebenen. Die beiden Kernhälften 1 und 2 schließen sich indem auch das Magnetofluid 5 aus dem magnetorheologischen Kontrakti­ onsraum entweicht. Gleichzeitig werden für die Austreibphase die Federn 4 gespannt. Im Anschluß an diesem Vorgang findet aufgrund der Elastizitätskräfte der Kammer­ wand 9 eine Vergrößerung des Kammervolumens 10 und damit verbunden, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Ansaugvorgang über das geöffnete Einlaßventrikel 12 statt.

Während der Füllphase werden die Spulen durch im Kanal 14 verlaufende Zuleitungen von außen gespeist.

Das Ende der Füllphase ist in Fig. 3 dargestellt. Die Erregung entfällt und die Kernhälften 1 und 2 beginnen, sich aufgrund der Spannkraft der Feder 4 zu trennen. Die Blutkammer 10 wird zusammengedrückt und das Blut durch das Auslaßventrikel 12 herausgepreßt.

Claims (2)

1. Magnetofluidunterstützter elektromagnetischer Antrieb für eine Blutpumpe zur Unterstützung oder zum teilwei­ sen bis totalen Ersatz des Herzens, bestehend aus einem oder mehreren Elektromagneten und kraftumformenden Ein­ richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum mindestens eines Elektromagnetkreises vollständig oder teilweise mit Magnetofluid gefüllt ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet dadurch, daß die Pole des oder der Elektromagnete dauermagnetische Eigenschaften besitzen.