DE19645998A1

DE19645998A1 - Kunstherz mit sensorlosem Motor

Info

Publication number: DE19645998A1
Application number: DE19645998A
Authority: DE
Inventors: William J Weiss
Original assignee: Penn State Research Foundation
Current assignee: Penn State Research Foundation
Priority date: 1995-11-08
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 1997-05-15
Also published as: JPH09253196A; US5751125A

Description

Diese Anmeldung unterliegt dem Government Contract No. N01-HV-38130 mit dem National Heart, Lung und Blood Institu te.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kunstherzanord nung mit einem bürstenlosen DC-Motor (Gleichstrommotor), wel cher eine sensorlose Stellungserkennung anwendet, um die Win kelstellung des Rotors in Bezug zu dem Stator zu ermitteln.

Eine für die Anwendung bei einem Subjekt, wie z. B. einem Tier oder Menschen, gedachte Kunstherzanordnung kann ein vollständiges Kunstherz (TAH - Total Artificial Heart), das für den Ersatz des gesamten Herzens des Subjektes gedacht ist, eine Ventrikel-Unterstützungsvorrichtung (VAD - Ventri cular Assist Device), die für den Ersatz eines Teils des Her zens des Subjektes gedacht ist, oder eine bei dem Subjekt an zuwendende externe Blutpumpe sein.

Ein herkömmliches Herz wurde bisher mit einem DC-Motor zum Antreiben eines Pumpmechanismus für das Pumpen von Blut durch das Kunstherz versehen. Der DC-Motor ist mit einem Sta tor und einem in Bezug auf den Stator drehbaren Permanentma gnetrotor versehen, wobei der Rotor mit einem Koppelelement verbunden ist, um die Drehung des Rotors in eine lineare Be wegung des Blut-Pumpmechanismus umzuwandeln.

Wenn ein derartiger DC-Motor gestartet wird, ist es von Vorteil, die Winkelstellung des Rotors in Bezug zu dem Stator zu kennen, so daß die Wicklungen des Stator mit einem geeig neten Satz von Erregungssignalen versorgt werden können. Es ist auch von Vorteil, die Winkelstellung des Rotors zu ken nen, wenn der Motor in Betrieb ist, so daß Kommutierungs signale zu optimalen Zeitpunkten gegeben werden können. Bei Kunstherzen wurde die Stellung des Rotors bisher unter Ver wendung von Sensoren, wie z. B. Hall-Sensoren, ermittelt. Der Einbau von Sensoren in ein Kunstherz weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf.

Für andere Anwendungen als Kunstherzen wurde die Anwen dung einer sensorlosen Detektion der Rotorstellung bereits vorgeschlagen. Bei dieser Vorgehensweise wird beim Start eine Art Stellungsdetektionsverfahren angewendet, und dann, wenn der Motor eine Schwellendrehzahl erreicht, wird die Rotor stellung auf der Basis des in dem Motor erzeugten Gegen-EMK- Signals detektiert. Das Gegen-EMK-Signal kann bei relativen niedrigen Rotordrehzahlen nicht zur Detektion der Rotorstel lung verwendet werden, da seine Größe proportional zu der Ro tordrehzahl ist, und bei niedrigen Rotordrehzahlen die Größe des Gegen-EMK-Signals für eine zuverlässige Detektion nicht groß genug ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine für die Implan tation in ein Subjekt ausgelegte Kunstherzanordnung, welche ein vollständiges Kunstherz oder eine Ventrikel-Unterstüt zungsvorrichtung sein kann. Die Kunstherzanordnung weist ei nen Bluteinlaßkanal, einen Blutauslaßkanal, einen Pumpmecha nismus zum Pumpen von Blut von dem Bluteinlaßkanal zu dem Blutauslaßkanal und einen sensorlosen, bürstenlosen DC-Motor auf, der für den Betrieb mit dem Pumpmechanismus verbunden ist. Der Motor wird reversibel in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung betrieben, wobei der Motor zwischen der ersten und der zweiten Richtung mit einer Rate von minde stens 30 Malen pro Minute wechselt. Der Motor weist einen Permanentmagnetrotor, einen Stator, der relativ zum bzw. gegen den der Permanent magnetrotor drehbar ist und welcher mehrere elektrisch erreg bare Wicklungen besitzt, und mehrere Motoranschlüsse auf, mit denen die Wicklungen elektrisch verbunden sind.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung kann sich der Rotor in Y möglichen Winkelstellungssektoren in Bezug auf den Stator befinden, wobei Y einen numerischen Wert größer als zwei besitzt, und weist die Kunstherzanordnung eine Einrich tung zum periodischen Anlegen elektrischer Signale an mehrere von den Motoranschlüssen auf, wobei mindestens ein Motoran schluß unerregt bleibt. Die Kunstherzanordnung enthält eine Einrichtung zum Detektieren einer Spannung an dem unerregten Motoranschluß und eine Einrichtung, um auf der Basis der von der Detektionseinrichtung detektierten Spannung zu ermitteln, daß sich der Rotor in einem von X möglichen Winkelstel lungssektoren befindet, wobei X einen numerischen Wert klei ner als der numerische Wert von Y besitzt.

Die Detektionseinrichtung kann die Spannung an dem uner regten Motoranschluß detektieren, während der Rotor in Bezug auf den Stator stillsteht, und die Einrichtung zum Anlegen elektrischer Signale an die Motoranschlüsse kann eine Ein richtung zum Ermitteln dafür aufweisen, wann auf der Basis der Detektion der Spannung an dem unerregten Motoranschluß ein neuer Satz elektrischer Signale an die Wicklungen ange legt werden sollte, um den Motor von einem ersten Winkelstel lungssektor zu einem zweiten Winkelstellungssektor zu bewe gen.

Die Einrichtung für die Ermittlung, daß sich der Rotor in einem von X möglichen Winkelstellungssektoren befindet, kann eine Einrichtung zum Ermitteln eines Induktivitätsver hältnisses auf der Basis der Spannung an dem unerregten An schluß und eine Einrichtung zum Vergleichen des Induktivi tätsverhältnisses mit einem Schwellenwert enthalten.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Kunstherzanordnung mit einer Ermittlungseinrichtung dafür versehen sein, wann auf der Basis der Detektion der Spannung an dem unerregten Motoranschluß ein neuer Satz elektrischer Signale an die Wicklungen angelegt werden sollte, um den Ro tor von dem ersten Winkelstellungssektor zu dem zweiten Win kelstellungssektor zu bewegen.

Die Einrichtung zum Anlegen elektrischer Signale kann ein in der Impulsbreite moduliertes Signal an mindestens ei nen von den Motoranschlüssen anlegen, so daß die Spannung an dem unerregten Motoranschluß mehrere Abschnitte V_H relativ hoher Spannung abwechselnd mit mehreren Abschnitten V_L rela tiv niedriger Spannung aufweist, und die Ermittlungseinrich tung ermitteln kann, wann ein neuer Satz elektrischer Signale auf der Basis eines der Spannungsabschnitte V_L angelegt wer den kann.

Die Einrichtung zum Ermitteln dafür, wann ein neuer Satz elektrischer Signale an die Wicklungen angelegt werden soll te, kann eine Einrichtung zum Ermitteln dafür aufweisen, wann einer der Spannungsabschnitte V_L einen Schwellenwert er reicht, und die Kunstherzanordnung kann ferner eine Einrich tung zum Berechnen einer Spannungsdifferenz ΔV zwischen einem der Spannungsabschnitte V_H und einem der Spannungsabschnitte V_L und eine Einrichtung zum Ermitteln dafür enthalten, wann ein neuer Satz elektrischer Signale basierend darauf, wann die Spannungsdifferenz ΔV einen Schwellenwert erreicht, an die Wicklungen angelegt werden sollte.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer künstlichen Herzanordnung mit einem Bluteinlaßkanal, einem Blutauslaßkanal, einem Pumpmechanismus zum Pumpen von Blut aus dem Bluteinlaßkanal in den Blutauslaßkanal und einem sensorlosen, bürstenlosen DC-Motor, der mit dem Pumpmechanis mus gekoppelt ist und einen Permanentmagnetrotor, einen Sta tor, der relativ zum bzw. dem gegenüber der Rotor drehbar ist und der mehrere elektrisch erregbare Wicklungen enthält, und mehrere Motoran schlüsse aufweist, mit denen die Wicklungen elektrisch ver bunden sind, wobei sich der Rotor von einem ersten Winkel stellungssektor bezogen auf den Stator zu einem zweiten Win kelstellungssektor bezogen auf den Stator bewegen kann. Das Verfahren weist die Schritte auf: (a) periodisches Anlegen elektrischer Signale an mehrere von den Motoranschlüssen, während sich der Rotor relativ zu dem Stator bewegt und wobei mindestens ein Motoranschluß unerregt bleibt; (b) mindestens fünfmaliges Detektieren einer Spannung an dem unerregten Mo toranschluß, während sich der Rotor in einer der Winkelstel lungssektoren befindet; und (c) Ermitteln, wann ein neuer Satz elektrischer Signale an die Wicklungen angelegt werden sollte, auf der Basis der Detektion einer Spannung an dem un erregten Motoranschluß während des Schrittes (b), um den Mo tor von dem ersten Winkelstellungssektor zu dem zweiten Win kelstellungssektor zu bewegen.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann auf diesem Ge biet angesichts der detaillierten Beschreibung der bevorzug ten Ausführungsform offensichtlich, welche unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erfolgt, von denen eine Kurzbeschreibung nachstehend bereitgestellt ist. In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Aus führungsform einer erfindungsgemäßen Kunstherzanord nung, wovon Teile in Schnittansicht dargestellt sind;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines vereinfachten bürsten losen DC-Motors für die Verwendung in dem Kunstherz von Fig. 1;

Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild des Motors von Fig. 2;

Fig. 4 ein Blockschaltbild des elektronischen Abschnittes des Kunstherzens von Fig. 1;

Fig. 5 ein Schaltbild der in Fig. 4 schematisch dargestell ten Treiberschaltung;

Fig. 6A und 6B Erregungstabellen für den DC-Motor von Fig. 1;

Fig. 7 eine Darstellung der Spannung an einer der Motorwick lungen des DC-Motors;

Fig. 8 ein vereinfachtes Wellenformdiagramm der Spannung an einer von den Motorwicklungen;

Fig. 9 ein Flußdiagramm des Gesamtbetriebs des Kunstherzens;

Fig. 10 bis 12 eine Darstellung verschiedener dem Betrieb des DC-Motors zugeordneter Wellenformen;

Fig. 13 ein Flußdiagramm einer in Fig. 9 schematisch darge stellten Startstellungs-Ermittlungsroutine;

Fig. 14 ein Flußdiagramm einer in Fig. 9 schematisch darge stellten Betriebsstellungs-Ermittlungsroutine;

Fig. 15 ein Flußdiagramm einer in Fig. 9 schematisch darge stellten Kommutierungs-Routine; und

Fig. 16 ein Flußdiagramm einer in Fig. 9 schematisch darge stellten Ausgangsstellungs-Routine.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kunstherzanordnung ist als ein Kunstherz 10, das für eine vollständige Implantation in einem Subjekt, wie z. B. in einem Menschen oder einem Tier, und für die Einnahme des Platzes des natürlichen Herzens des Subjektes gedacht ist, in Fig. 1 dargestellt. Das künstliche Herz 10 weist ein aus drei Ab schnitten 12a, 12b, 12c bestehendes Gehäuse 12 auf, welche von einem Paar ringförmiger V-Ringe 14, 16 zusammengehalten werden.

Ein Blutreservoir innerhalb eines in dem Gehäuseab schnitt 12a angeordneten Beutels 18 steht mit einem Blutauslaß in Verbindung, der von einem künstlichen Gefäßtransplantat 20 gebildet wird, das mit dem Gehäuse 12a über ein geschraubtes Verbindungsteil 22 verbunden ist. Das Transplantat 20 ist mit der Pulmonalarterie des Subjektes über eine Nahtlinie 24 ver bunden. Das Blutreservoir 18 steht auch mit einer Bluteinlaß kammer in Verbindung, die von einem künstlichen Implantat 26 gebildet wird, welches mit dem Gehäuseabschnitt 12a über ein geschraubtes Verbindungselement 28 und mit dem rechten Atrium des Subjektes über (eine nicht dargestellte) Nahtlinie verbunden ist. Ein Paar (nicht dargestellter) Einweg-Rück schlagventile sind in dem Bluteinlaß 26 und dem Blutauslaß 20 angeordnet, um sicherzustellen, daß das Blut in der durch Pfeile in Fig. 1 dargestellte Richtung gepumpt wird. Ein Pumpmechanismus in der Form einer Druckplatte 30 steht in Kontakt mit dem Blutsack 18 und verformt diesen periodisch, um Blut aus dem Bluteinlaß 26 in den Blutauslaß 20 zu drücken.

Ein weiterer innerhalb des Gehäuseabschnittes 12c ange ordneter Blutbeutel 38 steht mit einem Blutauslaß in Verbindung der von einem künstlichen Implantat 40 gebildet wird, das mit dem Gehäuseabschnitt 12c über ein geschraubtes Verbin dungselement 42 verbunden ist. Das Transplantat 40 ist mit der Aorta des Subjektes über eine Nahtlinie 44 verbunden. Das Blutreservoir 38 steht auch mit einer Bluteinlaßkammer in Verbindung, die von einem künstlichen Implantat 46 gebil det wird, welches mit dem Gehäuseabschnitt 12c über ein ge schraubtes Verbindungselement 48 und mit dem linken Atrium des Subjektes über (eine nicht dargestellte) Nahtlinie ver bunden ist. Ein Paar (nicht dargestellter) Einweg-Rückschlag ventile sind in dem Bluteinlaß 46 und dem Blutauslaß 40 ange ordnet, um sicherzustellen, daß das Blut in der durch die Pfeile dargestellten Richtung gepumpt wird. Eine Druckplatte 50 steht in Kontakt mit dem Blutbeutel 38 und verformt diesen periodisch, um Blut aus dem Bluteinlaß 46 in dem Blutauslaß 40 zu drücken.

Die Druckplatten 30, 50 werden von einem bürstenlosen DC-Motor seitlich hin und her bewegt, der mit den Druckplat ten 30, 50 über eine Antriebsspindel 54 und einem Kopplungs mechanismus gekoppelt ist, welcher aus mehreren mit einem Ge winde versehenen länglichen Rollen 56 besteht, die innerhalb einer an einem Rotor 60 des Motors 52 befestigten zylindri schen Mutter 58 angeordnet sind. Die Drehung des Rotors 60 bewirkt, daß sich die Mutter 58 und die Rollen 56 drehen, und somit ein lineares Verschieben der Antriebsspindel 54 in ei ner Richtung parallel zu deren Längsmittelachse bewirken. Ei ne Führungsstange 62 stellt ein Verbindung zwischen den zwei Druckplatten 30 und 50 her und verläuft durch eine festste hende Buchse 64, um die Platten am Drehen zu hindern. Es könnten auch andere Mechanismen für die Kopplung des Rotors 60 mit der Antriebsspindel 54 verwendet werden.

Die Drehung des Rotors 60 wird über die elektrische Er regung mehrerer Wicklungen 68 eines Stators 70 (Fig. 2) ge steuert, welcher in einer Drehbeziehung mit dem Rotor 60 über ein Paar zylindrischer Lager 72 verbunden ist. Ein Kabelaus laß 74 ist in dem Gehäuseabschnitt 12b ausgebildet, um den Durchtritt von Anschlußkabeln aus den Wicklungen 68 zu einer internen Steuerung 76 (Fig. 4) zu ermöglichen, welche in ei nem anderen Bereich des Subjektes, wie z. B. in dem Abdomen des Subjektes, implantiert ist.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht des in vereinfachter Form dargestellten Motors 52. Der Rotor 60 weist ein Paar darauf angeordneter Permanentmagnete 78, 80 auf, und der Sta tor 70 ist mit einer entsprechenden Wicklung 68a bis 68c für jede von drei Phasen a, b, c versehen. Obwohl der in Fig. 2 dargestellte Motor 52 zwei Rotormagnete 78, 80 und drei Wick lungen 68 aufweist, wäre ein bevorzugterer Motor ein 14-Pol- Motor (14 Rotormagnete) mit 21 über 15 Schlitze verteilten Wicklungen. Fig. 3 ist ein elektrisches Schaltbild, welches darstellt, daß die Wicklungen 68a bis 68c im Dreieck geschal tet sind.

Kunstherz-Elektronik

Gemäß Fig. 4 enthält die interne Steuerung 76 ein elek tronischen Steuerbaustein 100, welcher ein herkömmlicher in tegrierter Schaltungschip wie z. B. ein Intel 8XC196KD-20 sein kann, der einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 102, ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 104, einen Mikroprozessor 106 und eine herkömmliche Eingangs/Ausgangsschaltung (I/O) 108 auf weist, welche alle über einen Adressen- und Datenbus 110 ver bunden sind. Der Steuerbaustein 100 wird über eine mit der I/O-Schaltung 108 verbundene Batterieenergiequelle V_s mit Energie versorgt. Eine Kommutatorschaltung 112 ist über drei Phasenauswahlleitungen 114a, 114b, 114c, eine Richtungslei tung 116 und eine Impulsbreiten-Steuerleitung 118 mit der I/O-Schaltung 108 verbunden. Als Reaktion auf die auf den Leitungen 114 bis 118 erzeugten elektrischen Signale erzeugt der Kommutator 112 sechs Kommutierungssignale und überträgt diese über Leitungen 122 zu einer Treiberschaltung 120, wel che einen Satz von Erregungssignalen erzeugt und an die Mo toranschlüsse A, B, C überträgt. Ein Schaltbild der Treiber schaltung 120 ist in Fig. 5 dargestellt.

Drei Spannungsmeßleitungen 126a bis 126c sind zum selek tiven Erfassen der Spannungen an den drei Motoranschlüssen A, B, C (wobei jeder Motoranschluß elektrisch mit den Wicklungen von zwei der drei im Dreieck geschalteten Phasen a, b, c ver bunden ist) geschaltet. Jede Meßleitung 126a bis 126c ist mit einem entsprechenden Leitungsauswahlschalter 128a bis 128c verbunden, wovon jeder durch eine entsprechende Leitung 130a bis 130c gesteuert wird. Die Leitungen 126a bis 126c sind mit einem Leitungspaar 132a, 132b verbunden, welches mit der I/O- Schaltung 108 über ein Paar von Leitungsauswahlschaltern 134a, 134b verbunden ist, die von einem Leitungspaar 136a, 136b gesteuert werden.

Fig. 6A und 6B stellen ein Paar von Erregungstabellen für den Antrieb des Rotors 60, eine für eine Drehung im Uhr zeigersinn und die andere für eine Drehung gegen den Uhrzei gersinn für jeden der sechs Sektoren (wovon jeder einem ent sprechendem Segment der Winkelstellung des Rotors 60 ent spricht) über welche der Rotor 60 hinweg angetrieben werden kann, dar. In Fig. 6A und 6B zeigt ein Plus-Zeichen (+) an, daß eine konstante hohe Spannung an den Motoranschluß (z. B. dadurch, daß Q1 in Fig. 5 zum Leiten und Q2 zum Nichtleiten ver anlaßt wird) geliefert wird, ein Minuszeichen (-) zeigt an, daß der Motoranschluß in der Impulsbreite moduliert wird (z. B. durch wiederholtes Umschalten von Q1 und Q2 zwischen leitenden und nicht-leitenden Zuständen), und ein leeres Feld zeigt an, daß der Motoranschluß nicht mit Energie versorgt wird, und somit eine "schwebende" bzw. "schwimmende" Spannung aufweist (wobei in diesem Falle sowohl Q1 und Q2 nicht-leitend wären).

Fig. 7 stellt die erfaßte Spannung an einem der Motoran schlüsse für eine Anzahl von Winkelstellungssektoren dar. Im Sektor A weist der Motoranschluß eine relativ konstante Ver sorgungsspannung V_s auf, in den Sektoren B und E weist der Motoranschluß eine variable schwimmende Spannung auf, und in den Sektoren C und D weist der Motoranschluß eine Spannung auf, welche zwischen V_s und Masse geschaltet oder in der Im pulsbreite moduliert wird.

Gesamtbetrieb

Fig. 9 ist ein Flußdiagramm eines in dem ROM 102 (Fig. 4) gespeicherten und von dem Mikroprozessor 106 ausgeführten Computerprogramms, das den Betrieb des Kunstherzens 10 steu ert. Die Grundfunktion des Computerprogramms besteht darin, den Motor 52 zum Hin- und Herbewegen der Antriebsspindel 54 und der daran befestigten Druckplatten 30, 50 mit einer Ge schwindigkeit zu veranlassen, die dem Herzschlag des Subjek tes (mindestens über 30 mal pro Minute) entspricht, so daß Blut durch das Kunstherz 10 entlang der vorstehend beschrie benen Strömungspfade fließt.

Gemäß Fig. 9 weist das Computerprogramm zwei Grundbe triebsmodi, ein Startmodus und einen Laufmodus auf. Der Startmodus wird nur einmal unmittelbar nach der Implantation des Kunstherzens in das Subjekt ausgeführt, und wird norma lerweise danach nicht mehr (außer in Notfällen, beispielswei se, wenn das Herz "zurückgesetzt wird") ausgeführt. Wäh rend des Startmodus steht der Rotor 60 still und bewegt sich nicht in Bezug auf den Stator 70.

Bei dem Schritt 150 wird eine Ausgangsstellungs-Variable oder -Flag (beispielsweise auf 1) gesetzt, um anzuzeigen, daß anschließend eine Ausgangsstellungs-Routine ausgeführt werden sollte. Die Winkelstellung des Rotors 60, d. h., welche von den sechs Winkelstellungssektoren (Fig. 6A und 6B) des Rotors 60 in Bezug auf den Stator 70 vorliegt, wird mittels einer nachstehend beschriebenen Routine 152 ermittelt. Nach einer kurzen Verzögerung in einem Schritt 154 wird die Winkelstel lung des Rotors 60 ein zweites Mal mittels der Routine 152 ermittelt. Wenn sich der Rotor 60 in demselben Winkelstel lungssektor gemäß Ermittlung beider Durchläufe der Routine 152 befindet, wird angenommen, daß sich der Rotor 60 nicht bewegt, und daß der von der Routine 152 ermittelte Winkel stellungssektor der korrekte Sektor ist. Wenn der Winkelstel lungssektor nicht derselbe ist, verzweigt das Programm zu rück, um die Routine 152 noch einmal auszuführen.

Wenn die Rotorstellung korrekt ermittelt wurde, ver zweigt das Programm zu einem Schritt 160 des Laufmodus, in dem die Statorwicklungen 68 auf der Basis der von der Routine 152 ermittelten Rotorstellung erregt werden, um den Rotor 60 zu einer Bewegung in Bezug auf den Stator 70 zu veranlassen. Beim allerersten Male, bei dem die Statorwicklung 68 in dem Schritt 160 erregt werden, wird der Rotor 60 in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn erregt, um die Antriebsspindel 54 und die Druckplatten 30, 50 zu einer Linksbewegung in Fig. 1 zu veranlassen, da die Ausgangsstellung als die äußert linke Stellung definiert ist, in welche die Druckplatten 30, 50 be wegt werden können.

Die Stellung des Rotors 60, welcher sich nun in Bezug auf den Stator 70 bewegt, wird dann mittels einer nachstehend beschriebenen Routine 162 ermittelt. Wenn im Schritt 164 die Rotorstellung in einen neuen Sektor gewechselt hat, verzweigt dann das Programm zu dem Schritt 166, in dem der Rotor 60 durch Senden eines neuen Satzes von Erregungssignalen an die dem neuen Sektor entsprechenden Wicklungen 68 kommutiert wird.

Wenn im Schritt 168 das Flag für die Ausgangsstellung gesetzt ist, verzweigt das Programm dann zu dem Schritt 170, in dem eine Ausgangsstellungs-Routine ausgeführt wird, um den Rotor 60 zu veranlassen die Druckplatten 30, 50 in eine vor gegebene Ausgangsstellung zu fahren. Die Ausgangsstellungs- Routine wird normalerweise nur ein einziges Mal ausgeführt, wenn das Kunstherz 10 zu ersten Mal nach der Implantation eingeschaltet wird.

Ermittlung der Rotor-Anfangsposition

Die Winkelstellung des Rotors 60 in Bezug auf den Stator 70 wird auf der Basis der in dem Stator 70 abhängig von der Winkelstellung des Rotors 60 erzeugten Phaseninduktivitäten bestimmt. In dem oberen Abschnitt von Fig. 10 ist darge stellt, wie sich die Phaseninduktivitäten L_a, L_b, L_c in den drei Motorphasen a, b, c mit der Winkelposition des Rotors 60 in Bezug auf den Stator 70 verändern. Eine Phaseninduktivität kann jedoch nicht unabhängig von den, anderen gemessen werden, da die Wicklungen 68 im Dreieck verschaltet sind.

Es wurde herausgefunden, daß das Verhältnis von zwei der drei Phaseninduktivitäten der Wicklungen 68 eine Rotorstel lung angibt. Wenn gemäß Fig. 3 eine Erregungsspannung V_s über den Anschlüssen A und C mit einer relativ hohen Frequenz an gelegt wird (und somit ein Überwiegen der Größen den indukti ven Reaktanzen L_b und L_c gegenüber den Widerständen R_b und R_c bewirkt), steht dann die Größe der Spannung Vµ des unerregten Motoranschlusses B, (d. h., die Spannung über den Anschlüssen B und C, welche durch einen Spannungsteilung ermittelt wird in Übereinstimmung mit der nachstehenden Gleichung (unter der Annahme, daß sich der Rotor 60 nicht bewegt und der Gleich strom in dem Stator 70 gleich 0 ist):

Vµ = [L_c/(L_b + L_c)]/V_s

Die vorstehende Gleichung kann gemäß nachstehender Gleichung:

Vµ = α_xy V_s

verallgemeinert werden, wobei das Induktivitätsverhältnis α_xy gleich L_y/(L_x + L_y) ist, wobei L_x und L_y die Induktivitäten der Motorphasen x bzw. y sind, wobei das erste Subskript x von α_xy die obere Motorphase des Spannungsteilers (die mit V_s ver bundene Phase) darstellt und das zweite Subskript y von α_xy die untere Motorphase des Spannungsteilers (die mit Masse verbundene Phase) darstellt.

Die Graphen der Induktivitätsverhältnisse für eine Motor mit drei Phasen a, b, c sind in dem mittleren und unteren Ab schnitt von Fig. 10 in Bezug auf die Winkelposition des Ro tors 60 aufgetragen. Die fett dargestellten Abschnitte der Induktivitätsverhältniskurven sind diejenigen Abschnitte der Kurven, welche durch Erfassen der Spannung an dem unerregten Motoranschluß ermittelt werden können. Die auf den fett dar gestellten Abschnitten der Induktivitätsverhältniskurven dar gestellten Pfeilköpfe zeigen die Drehrichtung an, wobei nach links zeigende Pfeile einer Rotordrehung im Uhrzeigersinn und nach rechts zeigende Pfeile einer Rotordrehung gegen den Uhr zeigersinn entsprechen.

Wenn ein Paar von Motoranschlüssen mit einem in der Im pulsbreite modulierten Erregungssignal erregt wird, oszil liert die Spannung Vµ an dem unerregten Motoranschluß zwi schen einem relativ hohen Wert V_H und einem relativ niedrigem Wert V_L gemäß Darstellung in den Sektoren B und E von Fig. 7 und Fig. 8, welche eine vereinfachte Darstellung eines Ab schnittes der Spannungswellenform in Sektor B von Fig. 7 ist.

Fig. 13 ist ein Flußdiagramm der Routine 152, die ermit telt, in welchem Stellungssektor sich der Rotor 60 befindet, wenn der Rotor 60 stillsteht, bevor das Kunstherz 10 zu pum pen beginnt. Gemäß Fig. 13 wird im Schritt 200 die Versor gungsspannung V_s über die I/O-Schaltung 108 mittels eines (nicht dargestellten) internen A/D-Wandlers gemessen. Im Schritt 202 wird ein Signal an den Kommutator 112 über die Leitung 118 übertragen, um das Tastverhältnis des an die Sta torwicklungen 68 zu liefernden in der Impulsbreite modulier ten Signals auf einen relativ niedrigen Wert von z. B. 20% Tastverhältnis zu setzen, so daß der Rotor 60 zu keiner Bewe gung veranlaßt wird.

Im Schritt 204 werden die Motoranschlüsse C, A mit den Erregungssignalen für eine kurze Zeitdauer von etwa 220 µs erregt, die von der Treiberschaltung 120 gesteuert von dem Kommutator 112 erzeugt werden. Die von der Richtungsleitung 116 in Fig. 4 spezifizierte Richtung ist zu diesem Zeitpunkt unerheblich, da das Tastverhältnis der Erregungssignale und die Anlegedauer zu kurz sind, um eine Bewegung des Rotors 60 zu bewirken.

Im Schritt 206 wird das Induktivitätsverhältnis α_cb durch Messen der Spannung V_L des unerregten Motoranschlusses B und dann durch Division der Größe dieser Spannung V_L durch die Größe der im Schritt 200 gemessenen Versorgungsspannung V_s ermittelt. Um die Spannung V_L zu messen, schließt der Kom mutator 112 den Schalter 128b und öffnet die Schalter 128a, 128c über die Steuerleitungen 130a bis 130c und bewirkt, daß der Schalter 134a nur während des V_L-Abschnittes der Wellen form Vµ von Fig. 8 geschlossen wird.

Im Schritt 208 werden die Motoranschlüsse A, B (der An schluß A mit positiver Polarität und der Anschluß B mit nega tiver Polarität) erregt, und im Schritt 210 wird das Indukti vitätsverhältnis α_ac durch Messen der Spannung V_L an dem uner regten Motoranschluß C und Dividieren der Größe dieser Span nung V_L durch die Größe der Versorgungsspannung V_s ermittelt. Im Schritt 212 werden die Motoranschlüsse B, C erregt, und im Schritt 214 das Induktivitätsverhältnis α_ba durch Messen der Spannung V_L an dem unerregten Motoranschluß A und Dividieren der Größe dieser Spannung V_L durch die Größe der Versorgungs spannung V_s ermittelt.

Wenn im Schritt 216 das Induktivitätsverhältnis α_ba grö ßer als ½ ist, und wenn das Induktivitätsverhältnis α_ac klei ner als ½ ist, verzweigt das Programm dann zu dem Schritt 218 in dem (beliebig) angenommen wird, daß sich der Rotor 60 im Sektor 1 befindet. Die im Schritt 216 ausgeführte Ermittlung beruht auf den Größen der Induktivitätsverhältnisse gemäß Darstellung in Fig. 10. Im unteren Abschnitt von Fig. 10 kann man sehen, daß nur Sektoren, in welchen α_ba immer größer als ½ ist und α_ac immer kleiner als ½ ist, die Sektoren 1 und 4 sind. Folglich kann sich der Rotor 60 entweder in Sektor 1 oder Sektor 4 befinden. Die Annahme im Schritt 218, daß sich der Rotor 60 im Sektor 1 befindet, wird später überprüft, um festzustellen, ob sie korrekt ist.

Wenn im Schritt 220 das Induktivitätsverhältnis α_cb grö ßer als ½ ist und wenn das Induktivitätsverhältnis α_ba klei ner als ½ ist, verzweigt das Programm dann zu dem Schritt 222, in dem angenommen wird, daß sich der Rotor 60 im Sektor 2 befindet. In unteren Abschnitt von Fig. 10 kann man sehen, daß nur Sektoren, in welchen α_cb immer größer als ½ ist und α_ba immer kleiner als ½ ist, die Sektoren 2 und 5 sind. Die Annahme im Schritt 222, daß sich der Rotor 60 im Sektor 2 be findet, wird später überprüft, um festzustellen, ob sie kor rekt ist.

Wenn im Schritt 224 das Induktivitätsverhältnis α_ac grö ßer als ½ ist und wenn das Induktivitätsverhältnis α_cb klei ner als ½ ist, verzweigt das Programm dann zu dem Schritt 226, in dem angenommen wird, daß sich der Rotor 60 im Sektor 3 befindet. In unteren Abschnitt von Fig. 10 kann man sehen, daß nur Sektoren, in welchen α_ac immer größer als ½ ist und α_cb immer kleiner als ½ ist, die Sektoren 3 und 6 sind. Die Annahme im Schritt 226, daß sich der Rotor 60 im Sektor 3 be findet, wird später überprüft, um festzustellen, ob sie kor rekt ist.

Während des Normalbetriebs trifft eine der Überprüfungen der Schritte 216, 220, 224 zu. Für den Fall, daß keine davon zutrifft, verzweigt das Programm vom Schritt 224 aus zu einem Neustart-Modus, in welchem der Betrieb des Kunstherzens 10 neu gestartet wird.

Ermittlung der Position des bewegten Rotors

Der Zeitpunkt, an welchem sich der Rotor 60 von einem Winkelstellungssektor zu dem nächsten Winkelstellungssektor bewegt kann ebenfalls durch Messen der Spannung an dem uner regten Motoranschluß ermittelt werden. Wenn der Rotor 60 den neuen Winkelstellungssektor erreicht, wird ein neuer Satz von Kommutierungssignalen von dem Kommutator 112 über die Leitun gen 122 an die Treiberschaltung 120 gesendet.

Gemäß Fig. 11A variieren die vorstehend diskutierten In duktivitätsverhältnisse über die sechs Winkelstellungssekto ren von einem Maximumwert α_H zu einem Minimumwert α_L Fig. 11A ist aus in Fig. 10 fett dargestellten Induktivitätsverhält niskurven durch Kombination der Kurvenabschnitte gegen den Uhrzeigersinn (den Abschnitten mit von links nach rechts zei genden Pfeilen) in einem Kurvenzug aufgebaut, wobei die fett dargestellten Abschnitte innerhalb ihrer ursprünglichen Sek toren bleiben.

Die Größen (unter Vernachlässigung der Oszillationen der in der Impulsbreite modulierten Signale) der Spannungen V_H und V_L an dem unerregten Motoranschluß sind in Fig. 11B dar gestellten. Der kreuzgestrichelte Abschnitt in Fig. 11B stellt den Bereich dar, in welchem die obere Hälfte des V_H-Signals aufgrund der Dioden der Treiberschaltung 120 begrenzt (und demzufolge unbrauchbar) wird. Die V_L-Spannung erreicht periodisch einen Schwellenwert T₂.

Ein Graph der Spannungsdifferenz ΔV zwischen den V_H- und V_L-Spannungen ist in 11C dargestellt. Der kreuzgestrichelte Bereich von Fig. 11C stellt den Abschnitt des ΔV-Signals dar, der aufgrund des Abschneidens (in Fig. 11B) des oberen Be reichs des V_H-Signals nicht brauchbar ist. Gemäß Darstellung in 11C erreicht das ΔV-Signal periodisch einen Schwellenwert T₁.

Man kann sehen, daß der präzise Zeitpunkt, an welchem sich der Rotor 60 vom Sektor 1 zum Sektor 2, vom Sektor 3 zum Sektor 4 und vom Sektor 5 zum Sektor 6 bewegt, ermittelt wer den kann, indem detektiert wird, wann das in Fig. 11C darge stellte ΔV-Signal den Schwellenwert T₁ erreicht. Es sei fer ner angemerkt, daß der präzise Zeitpunkt, an welchem sich der Rotor 60 vom Sektor 2 zum Sektor 3, vom Sektor 4 zum Sektor 5 und vom Sektor 6 zum Sektor 1 bewegt, ermittelt werden kann, indem detektiert wird, wann das in Fig. 11B dargestell te ΔV-Signal den Schwellenwert T₂ erreicht.

Fig. 11A bis 11C werden dazu genutzt, um die Sektorüber gangszeitpunkte zu ermitteln, wenn der Rotor 60 in der Rich tung gegen den Uhrzeigersinn erregt wird. Fig. 12A bis 12C werden dazu genutzt, um die Sektorübergangszeitpunkte in der derselben Weise wie vorstehend beschrieben zu ermitteln, wenn der Rotor 60 in der Richtung im Uhrzeigersinn erregt wird.

Fig. 14 ist ein Flußdiagramm der Routine 162, welche pe riodisch mit einer relativ hohen Rate, wie z. B. mindestens etwa fünfmal pro Sektorübergang ausgeführt, um zu ermitteln, wann der Rotor 60 einen neuen Winkelstellungssektor erreicht, so daß ein neuer Satz von Kommutierungssignalen von dem Kom mutator 112 über die Leitungen 122 an die Treiberschaltung 120 gesendet werden kann.

Im Schritt 240 wird das Tastverhältnis des von dem Kom mutator 112 erzeugten in der Impulsbreite modulierten Kommu tierungssignals über die Leitung 118 (Fig. 4) dem Kommutator 112 vorgegeben. Im Schritt 242 wird ein Satz von Kommutie rungssignalen über die Leitungen 122 (für die Dauer des aktu ellen Sektors) an die Treiberschaltung 120 übertragen, wobei die Kommutierungssignale auf der gewünschten Richtung und dem aktuellen Sektor (siehe Fig. 6A und 6B) beruhen. Auf der Ba sis der Kommutierungssignale überträgt die Treiberschaltung 120 die Erregungssignale an die Motoranschlüsse.

Im Schritt 244 werden die Größen von V_H und V_L durch Schließen des Schalters 128 für den unerregten Motoranschluß und durch Umschalten der Schalter 134a, 134b mit einer Rate gleich der Rate des in der Impulsbreite modulierten Signals gemessen, so daß immer das V_H-Signal an die I/O-Schaltung 108 (und an den A/D-Wandler) über die Leitung 132b geliefert wird und daß das immer das V_L-Signal an die I/O-Schaltung 108 (und den A/D-Wandler) über die Leitung 132a geliefert wird.

Im Schritt 246 wird die Größe das ΔV-Signals durch Sub traktion der Größe des V_L-Signals von der Größe des V_H-Sig nals berechnet. Wenn im Schritt 248 die Größe des ΔV-Signals gleich oder größer als die Schwelle T₁ ist, tritt der Rotor 60 dann in einen neuen Stellungssektor ein (indem er sich beispielsweise vom Sektor 1 zum Sektor 2, vom Sektor 3 zum Sektor 4, oder vom Sektor 5 zum Sektor 6 - siehe Fig. 11C - be wegt).

Wenn im Schritt 250 ein ΔV-Flag noch nicht gesetzt ist (beispielsweise gleich 1 gesetzt ist), verzweigt das Programm zu dem Schritt 252, in welchem das ΔV-Flag gesetzt wird, was anzeigt, daß der Zeitpunkt für einen neuen Satz von Kommutie rungssignalen gekommen ist, da der Rotor 60 gerade in einen neuen Winkelstellungssektor eingetreten ist. Wenn das ΔV-Flag bereits gesetzt war (was bedeutet, daß die Routine 162 be reits bei einer vorhergehenden Ausführung ermittelt hat, daß der Rotor 60 in einen neuen Sektor eingetreten ist), ver zweigt das Programm dann zu dem Schritt 254, im welchem die Größe des ΔV-Signals mit der Schwelle T₁ minus einer kleinen Konstante C verglichen wird. Wenn das der Fall ist, was be deutet, daß die Größe des ΔV-Signals sich von seinem Maximum wert verkleinert hat, wird dann das ΔV-Flag zurückgesetzt (beispielsweise auf Null gesetzt).

Schritt 254 und 256 verhindern, daß die Routine 162 irr tümlich (aufgrund des Umstandes, das ΔV die T₁-Schwelle bei mehreren Gelegenheiten während sukzessiver Ausführungen der Routine 162 überschreiten kann) ermittelt, daß mehrere Sek torübergänge ausgeführt werden, wenn tatsächlich nur ein Sek torübergang ausgeführt wird.

Wenn im Schritt 258 die Größe des V_L-Signals gleich oder größer als die Schwelle T₂ ist, tritt der Rotor 60 dann in einen neuen Winkelstellungssektor ein (indem er sich bei spielsweise vom Sektor 2 zum Sektor 3, vom Sektor 4 zum Sek tor 5, oder vom Sektor 6 zum Sektor 1 - siehe Fig. 11B - be wegt).

Wenn im Schritt 260 ein V_L-Flag noch nicht gesetzt ist, verzweigt das Programm sann zu dem Schritt 262, in welchem das V_L-Flag gesetzt wird, was anzeigt, daß der Zeitpunkt für einen neuen Satz von Kommutierungssignalen gekommen ist, da der Rotor 60 gerade in einen neuen Winkelstellungssektor ein getreten ist. Wenn das V_L-Flag bereits gesetzt war (was be deutet, daß die Routine 162 bereits bei einer vorhergehenden Ausführung ermittelt hat, daß der Rotor 60 in einen neuen Sektor eingetreten ist) verzweigt das Programm dann zu dem Schritt 264, im welchem die Größe des V_L-Signals mit der Schwelle T₂ minus einer kleinen Konstante C verglichen wird. Wenn das der Fall ist, was bedeutet, daß die Größe des V_L- Signals sich von seinem Maximumwert verkleinert hat, wird dann das V_L-Flag zurückgesetzt (beispielsweise auf Null ge setzt). Schritt 264 und 266 sind Schritten 254 und 256 ähnlich und verhindern, daß die Routine 162 irrtümlich ermittelt, daß mehrere Sektorübergänge ausgeführt werden.

Kommutierungs-Routine

Fig. 15 ist ein Flußdiagramm der in Fig. 9 schematisch dargestellten Kommutierungs-Routine 166. Die Kommutierungs- Routine 166 wird jedesmal nur einmal ausgeführt, wenn der Ro tor 60 in einen neuen Winkelstellungssektor eintritt, was im Schritt 164 von Fig. 9 ermittelt wird, indem ermittelt wird ob entweder das ΔV- oder das V_L-Flag während der letzten Aus führung der Routine 162 gesetzt wurden.

Gemäß Fig. 15 ermittelt das Programm im Schritt 280 die Richtung der tatsächlichen Rotorbewegung unter Anwendung der nachstehend dargestellten Tabelle basierend auf der aktuellen Sektornummer, deren Flag in einem der Schritte 252, 262 ge setzt wurde, und darauf basierend, ob die aktuelle Erregung der Statorwicklungen 68 mit dem Drehmoment in der Richtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn übereinstimmt (wobei die Richtung der tatsächlichen Rotorbewegung auch nicht mit den Erregungssignalen, die an die Statorwicklungen 68 geliefert werden, übereinstimmen kann, wenn beispielsweise ein großer Widerstand gegen die Bewegung auftritt).

Wenn im Schritt 282 der Sektorübergang der erste Über gang war, da das Kunstherz 10 eingeschaltet wurde, verzweigt das Programm dann zum Schritt 284, in welchem die Richtung, in welche sich der Rotor 60 gemäß Ermittlung in Schritt 280 bewegte, mit der Richtung verglichen wird, für welche die Er regungssignale erzeugt wurden. Wenn die tatsächliche Richtung der Rotorbewegung nicht dieselbe wie die beabsichtigte Rich tung ist, ist dann die bei einem der Schritte 218, 222, 226 für den Startstellungssektor getroffene Annahme falsch, und die Sektornummer wird im Schritt 286 korrigiert, indem drei auf die ursprünglich angenommene Sektornummer addiert wird.

Im Schritt 288 wird die Sektornummer dadurch angepaßt, daß sie inkrementiert wird, wenn sich der Rotor 60 (gemäß Er mittlung im Schritt 280) gegen den Uhrzeigersinn bewegte. Im Schritt 290 wird ein neuer Satz von Kommutierungssignalen von der I/O-Schaltung 108 an den Kommutator 112 über die Leitun gen 114a bis 114c übertragen, so daß die Statorwicklungen 68 der neuen Sektornummer entsprechend erregt werden (wobei, wie zuvor beschrieben, die Kommutierungssignale von den in Fig. 6A und 6B dargestellten Erregungstabellen abgeleitet werden).

Wenn sich im Schritt 292 die Sektornummer vom Sektor 6 auf Sektor 1 geändert hat (wobei sich der Rotor 60 gegen den Uhrzeigersinn bewegt), oder vom Sektor 1 auf Sektor 6 geän dert hat (wobei sich der Rotor 60 im Uhrzeigersinn bewegt), wird ein Stellungsindex entweder durch dessen Inkrementierung (wenn sich der Rotor 60 im Uhrzeigersinn dreht) oder durch dessen Dekrementierung (wenn sich der Rotor 60 gegen den Uhr zeigersinn bewegt) angepaßt.

Wenn im Schritt 294 der Wert des Stellungsindexes einen der zwei Endpunktgrenzwerte erreicht hat, beispielsweise wenn der Stellungsindex gleich Null ist (was der äußerst linken Stellung der Antriebsspindel 54 in Fig. 1 entspricht) oder ein vorgegebener höherer Wert ist (was der äußerst rechten Stellung der Antriebsspindel 54 entspricht), wird dann im Schritt 296 die Richtung der Rotorerregung über die mit dem Kommutator 112 verbundene Richtungsleitung umgekehrt.

Im Schritt 298 wird das Tastverhältnis des zu der Trei berschaltung 120 übertragen in der Impulsbreite modulierten Signals über die Leitung 118 zu dem Kommutator 112 übertra gen. Die Tastverhältnisausgangsgröße bei dem Schritt 298 kann für jeden Sektor unter Anwendung eines adaptiven vorwärtsge regelten Geschwindigkeitsregelungsverfahrens neu berechnet werden.

Im Schritt 300 wird V_s gemessen und im Schritt 302 wird die verstrichene Zeit ΔT seit der letzten Ausführung des Schrittes 302 (welche in etwa gleich der Zeit ist, die es dauerte bis der Rotor 60 den vorhergehende Winkelstel lungssektor durchlaufen hat) aus einem (nicht dargestellten) Timer (Zeitmesser) zurückgeholt.

Im Schritt 304 werden die Werte der T₁- und T₂-Schwellen gemäß den nachstehenden Gleichungen berechnet:

T₁ = (1 - α_L) V_s

T₂ = α_HV_s + 0,43K_bα_H(ΔΘ/Δt) - βV_s(α_H - ½)

wobei α_L und α_H in Fig. 11A dargestellt sind, V_s die Versor gungsspannung ist, K_b die Gegen-EMK-Konstante des Motors 52, ΔΘ die Änderung in der Winkelstellung des Rotors 60 gleich einem Sektor, Δt die im Schritt 302 ermittelte Zeit und β das Tastverhältnis des in der Impulsbreite modulierten Erregungs signals (gleich τ/T wie in Fig. 8 dargestellt) ist.

Wenn im Schritt 306 der Rotor 60 in eine neue Richtung gemäß Ermittlung im Schritt 294 gebracht werden soll, ver zweigt dann das Programm zu dem Schritt 308, um eine relativ lange Zeit, wie z. B. 1840 µs zu warten, um einen Abfall des Stroms in den Statorwicklungen 68 zu ermöglichen. Wenn der Rotor 60 nicht in eine neue Richtung bewegt werden soll, war tet das Programm eine relativ kurze Zeit, wie z. B. 200 µs.

Ausgangsstellungs-Routine

Fig. 16 ist ein Flußdiagramm der in Fig. 9 schematisch dargestellten Ausgangsstellungs-Routine 170. Gemäß Fig. 16 wird im Schritt 320 die Zeit, in welcher der Rotor 60 in der aktuellen Stellung war, verglichen, um zu ermitteln ob diese größer als ein maximaler Zeitschwellenwert ist. Wenn dies der Fall ist, wird dann angenommen, daß sich der Rotor 60 nicht mehr bewegt. In dem Schritt 322 wird das Tastverhältnis des in der Impulsbreite modulierten Kommutierungssignals um ein vorgege benes Inkrement erhöht, um dem Motor 52 mehr Drehmoment zu verleihen. Im Schritt 324 wird der (nicht dargestellte) Sek tortimer auf Null zurückgesetzt, und im Schritt 326 wird das Tastverhältnis des aktuellen Erregungssignals verglichen, um zu ermitteln, ob es größer als ein Maximalwert ist. Wenn das der Fall ist, wird dann angenommen, daß die Antriebsspindel 54 und die Druckplatten 30, 50 ihren rechten Endpunkt oder die Ausgangsstellung erreicht haben, da sich der Rotor 60 nicht bewegt (wobei die Sektorzeit gemäß Ermittlung im Schritt 320 größer als die Maximalzeit ist), obwohl das maxi male Drehmoment (gemäß Ermittlung im Schritt 326) an den Mo tor 52 angelegt wird.

Im Schritt 328 wird das Ausgangsstellungs-Flag auf Null gesetzt und auch der Stellungsindex auf Null gesetzt, um an zuzeigen, daß die Antriebsspindel 54 und die Druckplatten 30, 50 an ihrem rechten Endpunkt oder in der Ausgangsstellung an gekommen sind.

Für den Fachmann auf diesem Gebiet werden angesichts der vorstehenden Beschreibung Modifikationen und Alternativen of fensichtlich sein. Diese Beschreibung ist nur zum Zwecke der Darstellung gedacht, und dient dem Zweck, dem Fachmann auf diesem Gebiet die beste Art der Ausführung der Erfindung zu zeigen. Die Details des Aufbaus und des Verfahrens können we sentlich geändert werden, ohne von der Idee der Erfindung ab zuweichen, und der ausschließliche Gebrauch aller Modifika tionen, welche in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen, ist vorbehalten.

Claims

1. Kunstherzanordnung mit einem sensorlosen, bürstenlosen DC-Motor, wobei die Kunstherzanordnung aufweist:
einen Bluteinlaßkanal;
einen Blutauslaßkanal;
einen Pumpmechanismus zum Pumpen von Blut aus dem Bluteinlaßkanal in den Blutauslaßkanal; und
einen sensorlosen, bürstenlosen DC-Motor, der für den Betrieb mit dem Pumpmechanismus verbunden ist, wobei der Motor reversibel in einer ersten Richtung und einer zwei ten Richtung betrieben wird, der Motor zwischen der er sten und der zweiten Richtung mit einer Rate von minde stens 30 Malen pro Minute wechselt und der Motor auf weist:
einen Permanentmagnetrotor;
einen Stator, der relativ zur Permanentmagnetrotor drehbar ist, wobei der Stator mehrere elektrisch erregba re Wicklungen und mehrere Motoranschlüsse aufweist, mit denen die Wicklungen elektrisch verbunden sind, und wobei sich der Rotor in Y möglichen Winkelstellungssektoren in Bezug auf den Stator befinden kann, und Y einen numeri schen Wert größer als zwei aufweist;
eine Einrichtung zum periodischen Anlegen elektri scher Signale an mehrere von den Motoranschlüssen, wobei mindestens ein Motoranschluß unerregt bleibt;
eine Einrichtung zum Detektieren einer Spannung an dem unerregten Motoranschluß; und
eine Einrichtung, um auf der Basis der von der Detek tionseinrichtung detektierten Spannung zu ermitteln, daß sich der Rotor in einer von X möglichen Winkelstel lungssektoren befindet, wobei X einen numerischen Wert kleiner als der numerische Wert von Y aufweist.

2. Kunstherzanordnung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Ermitteln, ob sich der Rotor in einem von X möglichen Winkelstellungssektoren befindet, eine Einrichtung zum Ermitteln eines Induktivitätsverhältnisse auf der Basis der an den unerregten Anschluß gemessenen Spannung auf weist.

3. Kunstherzanordnung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Ermitteln, ob sich der Rotor in einem von X möglichen Winkelstellungssektoren befindet, eine Einrichtung zum Ermitteln eines Induktivitätsverhältnisses auf der Basis der an den unerregten Anschluß gemessenen Spannung und zum Vergleichen des Induktivitätsverhältnisses mit einem Schwellenwert aufweist.

4. Kunstherzanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zum Anlegen elektrischer Signale an die Motoranschlüsse eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung über einem ersten Paar von den Motoranschlüssen während einer ersten Zeitperiode, wobei ein erster Motor anschluß unerregt bleibt, zum Anlegen einer Spannung über einem zweiten Paar von den Motoranschlüssen während einer zweiten Zeitperiode, wobei ein zweiter Motoranschluß un erregt bleibt, und zum Anlegen einer Spannung über einem dritten Paar von den Motoranschlüssen während einer drit ten Zeitperiode, wobei ein dritter Motoranschluß unerregt bleibt, aufweist, und wobei die Detektionseinrichtung ei ne Einrichtung zum Detektieren einer ersten Spannung an dem ersten unerregten Motoranschluß während der ersten Zeitperiode, zum Detektieren einer zweiten Spannung an dem zweiten unerregten Motoranschluß während der zweiten Zeitperiode, und zum Detektieren einer dritten Spannung an dem dritten unerregten Motoranschluß während der drit ten Zeitperiode aufweist.

5. Kunstherzanordnung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum Ermitteln, ob sich der Rotor in einem von X möglichen Winkelstellungssektoren befindet, aufweist:
eine Einrichtung zum Ermitteln eines ersten Indukti vitätsverhältnisses auf der Basis einer von der ersten, zweiten und dritten Spannung an den unerregten Anschlüs sen und eines zweiten Induktivitätsverhältnisses auf der Basis einer anderen von der ersten, zweiten und dritten Spannung an den unerregten Anschlüssen; und
eine Einrichtung zum Vergleichen des ersten Indukti vitätsverhältnisses mit einem Schwellenwert, um zu ermit teln, ob das erste Induktivitätsverhältnis größer als der Schwellenwert ist und zum Vergleichen des zweiten Induk tivitätsverhältnisses mit dem Schwellenwert, um zu ermit teln, ob das zweite Induktivitätsverhältnis kleiner als der Schwellenwert ist.

6. Kunstherzanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche zusätzlich aufweist:
eine erste Membrane, welche eine fluidmäßig mit dem Bluteinlaßkanal und dem Blutauslaßkanal verbundene Blut kammer bildet, wobei der Pumpmechanismus eine Druckplatte aufweist, die in Kontakt mit der ersten Membrane steht, um Blut aus dem Bluteinlaßkanal in den Blutauslaßkanal zu drücken;
einer zweite Membrane, welche eine fluidmäßig mit ei nem zweiten Bluteinlaßkanal und einem zweiten Blutauslaß kanal verbundene zweite Blutkammer bildet; und
eine zweite Druckplatte, die in Kontakt mit der zwei ten Membrane steht, um Blut aus dem zweiten Bluteinlaßka nal in den zweiten Blutauslaßkanal zu bringen.

7. Kunstherzanordnung mit einem sensorlosen, bürstenlosen DC-Motor, wobei die Kunstherzanordnung aufweist:
einen Bluteinlaßkanal;
einen Blutauslaßkanal;
einen Pumpmechanismus zum Pumpen von Blut aus dem Bluteinlaßkanal in den Blutauslaßkanal; und
einen sensorlosen, bürstenlosen DC-Motor, der für den Betrieb mit dem Pumpmechanismus verbunden ist, wobei der Motor reversibel in einer ersten Richtung und einer zwei ten Richtung betrieben wird, der Motor zwischen der er sten und der zweiten Richtung mit einer Rate von minde stens 30 Malen pro Minute wechselt und der Motor auf weist:
einen Permanentmagnetrotor;
einen Stator, der relativ zum Permanentmagnetrotor drehbar ist, wobei der Stator mehrere elektrisch erregba re Wicklungen und mehrere Motoranschlüsse aufweist, mit denen die Wicklungen elektrisch verbunden sind, und wobei sich der Rotor von einem ersten Winkelstellungssektor be zogen auf den Stator zu einem zweiten Winkelstellungssek tor bezogen auf den Stator bewegen kann;
eine Einrichtung zum periodischen Anlegen elektri scher Signale an mehrere von den Motoranschlüssen, wobei mindestens ein Motoranschluß unerregt bleibt;
eine Einrichtung zum periodischen Detektieren einer Spannung an dem unerregten Motoranschluß; und
eine Einrichtung, um auf der Basis der Detektion der Spannung des unerregten Motoranschlusses zu ermitteln, wann ein neuer Satz elektrischer Signale angelegt werden sollte, um den Rotor von dem ersten Winkelstellungssektor zu dem zweiten Winkelstellungssektor zu bewegen.

8. Kunstherzanordnung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung zum Anlegen elektrischer Signale ein in der Impulsbreite moduliertes Signal an mindestens einen von den Motoran schlüssen anlegt, wobei die Spannung an dem unerregten Anschluß mehrere Abschnitte V_H relativ hoher Spannung ab wechselnd mit mehreren Abschnitten V_L relativ niedriger Spannung aufweist, und wobei die Einrichtung zum Ermit teln, wann ein neuer Satz elektrischer Signale an die Wicklungen angelegt werden sollte, eine Einrichtung auf weist, um zu ermitteln, wann einer der Spannungsabschnit te V_L einen Schwellenwert erreicht.

9. Kunstherzanordnung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung zum Anlegen elektrischer Signale ein in der Impulsbreite moduliertes Signal an mindestens einen von den Motoran schlüssen anlegt, wobei die Spannung an dem unerregten Anschluß mehrere Abschnitte V_H relativ hoher Spannung ab wechselnd mit mehreren Abschnitten V_L relativ niedriger Spannung aufweist, zusätzlich eine Einrichtung zum Be rechnen einer Spannungsdifferenz ΔV zwischen einem der Spannungsabschnitte V_H und einem der Spannungsabschnitte V_L aufweist, und wobei die Einrichtung zum Ermitteln, wann ein neuer Satz elektrischer Signale an die Wicklun gen angelegt werden sollte, eine Einrichtung aufweist, um zu ermitteln, wann die Spannungsdifferenzen ΔV einen Schwellenwert erreicht.

10. Kunstherzanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wel che zusätzlich eine Einrichtung zum Verfolgen des von dem Rotor eingenommenen aktuellen Winkelstellungssektors auf weist.

11. Kunstherzanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, welche zusätzlich eine Einrichtung zum Verfolgen der aktu ellen Stellung des Pumpmechanismus aufweist.

12. Verfahren zum Betreiben einer künstlichen Herzanordnung mit einem Bluteinlaßkanal, einem Blutauslaßkanal, einem Pumpmechanismus zum Pumpen zum Pumpen von Blut aus dem Bluteinlaßkanal in den Blutauslaßkanal, und einem sensor losen, bürstenlosen DC-Motor, der mit dem Pumpmechanismus gekoppelt ist und einen Permanentmagnetrotor, einen Sta tor, der relativ zum Rotor drehbar ist und der mehrere elektrisch erregbare Wicklungen und mehrere Motoran schlüsse besitzt, mit denen die Wicklungen elektrisch verbunden sind, aufweist, wobei sich der Rotor von einem ersten Winkelstellungssektor bezogen auf den Stator zu einem zweiten Winkelstellungssektor bezogen auf den Sta tor bewegen kann, und das Verfahren die Schritte auf weist:

(a) periodisches Anlegen elektrischer Signale an meh rere von den Motoranschlüssen während sich der Rotor re lativ zu dem Stator bewegt und wobei mindestens einer von den Motoranschlüssen unerregt bleibt;
(b) mindestens fünfmaliges Detektieren einer Spannung an dem unerregten Motoranschluß während sich der Rotor in einem der Winkelstellungssektoren befindet; und
(c) Ermitteln, wann ein neuer Satz elektrischer Si gnale an die Wicklungen angelegt werden sollte, auf der Basis der Detektion einer Spannung an dem unerregten Mo toranschluß während des Schrittes (b), um den Motor von dem ersten Winkelstellungssektor zu dem zweiten Winkel stellungssektor zu bewegen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt (a) den Schritt des periodischen Anlegens elektrischer Signale an mehrere von den Motoranschlüssen aufweist, während sich der Rotor relativ zu dem Stator bewegt, um den Rotor zu einem abwechselnden Drehen in der ersten und zweiten Richtung mit einer Rate von mindestens 30 Malen pro Minu ten zu veranlassen.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Schritt (a) den Schritt des Anlegens eines in der Impulsbreite modu lierten Signals an mindestens einen von den Motoran schlüssen aufweist und wobei der Schritt (b) die Schritte aufweist:

(b1) Detektieren mehrerer Abschnitte V_H relativ hoher Spannung an dem unerregten Motoranschluß; und
(b2) Detektieren mehrerer Abschnitte V_L relativ nied riger Spannung an dem unerregten Motoranschluß.

15. Verfahren nach Anspruch 14, welches zusätzlich den Schritt der Berechnung einer Spannungsdifferenz ΔV zwi schen einer von den Spannungen V_H und einer von den Span nungen V_L aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt (c) den Schritt der Ermittlung aufweist, wann ein neuer Satz elektrischer Signale an die Wicklungen auf der Basis der Spannungsdifferenz ΔV angelegt werden sollte.