DE19809483A1

DE19809483A1 - Injektomat

Info

Publication number: DE19809483A1
Application number: DE1998109483
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Daum
Original assignee: Daum GmbH
Current assignee: MRI DEVICES DAUM GMBH, 19061 SCHWERIN, DE
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 1999-09-30

Abstract

Batteriebetriebener und portabler Injektomat für die Injektion medizinischer Flüssigkeiten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Problem

Infusionspumpen, Perfusionspumpen oder Kontrastmittelpumpen sind bekannte Hilfsmittel in der insbesondere internistischen oder radiologischen Medizin. Diese sind meist umfangreiche Geräte, die an das Hausnetz des Krankenhauses zur Energieversorgung angeschlossen werden. Es gibt jedoch noch keine automatischen handgehaltenen bzw. batteriebetriebenen medizinischen Pumpen dieser Art z. B. für die Notfallmedizin. Die hier vorgelegte Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, dieses Problem zu lösen.

Lösung

Die Erfindung löst dieses Problem durch den Einsatz elektrochemischer Aktuatoren, die klein sind und eine geringe Stromaufnahme und Arbeitsspannung aufweisen um in ein handgehaltenes System integriert zu werden. Die Erfindung wird in den folgenden Figuren erläutert:

Fig. 1 Schematische Ansicht eines elektrochemischen Aktuators

Fig. 2A Prinzipsansicht eines Injektors ohne Getriebeblock

Fig. 2B Prinzipieller Querschnitt des Injektors aus Fig. 2A

Fig. 3 Ansicht eines Injektors mit Getriebeblock

Fig. 4A Querschnittsansicht eines nach dem Fließprinzip arbeitenden Injektors mit Getriebeblock

Fig. 4B Innenansicht eines nach dem Fließprinzip arbeitenden Injektors mit Getriebeblock

Fig. 5 Elektronischer Blockschaltplan einer Elektronikeinheit.

Die erfundene Lösung für das gestellte Problem wird durch die Nutzung eines elektrochemischen Aktuators (ECA) gelöst. Ein ECA ist bekanntlich ein linear arbeitendes Stellelement. Der mit Gleichstrom betriebene ECA entspricht in seiner Funktionsweise einem Akkumulator. Der bei der Ladung und Entladung gebildete bzw. verbrauchte Wasserstoff bewirkt eine Veränderung des inneren Drucks des Aktuators. Dieser reversibel ablaufende Prozeß wird vom ECA in Bewegung oder eine Änderung der anstehenden Kraft umgesetzt. In seiner Arbeitsweise entspricht der ECA pneumatischen Ausdehnungselementen, wobei der Kraftaufbau proportional zur geflossenen Ladung erfolgt. Der Zeitbedarf für Ausdehnung und Rückstellung des ECAs ist bei gleicher Stromstärke identisch. Eine Rückstellung kann wahlweise durch Zuschalten eines ohmschen Widerstandes oder einer elektronischen Last erfolgen.

Auf Grund seiner elektrochemischen Funktionsweise ist die Stellgeschwindigkeit des ECAs an die Kinetik der Gasentwicklung gekoppelt. Z. Zt. erhältliche ECAs können Stellgeschwindigkeiten im Bereich von 10 Sekunden für den Millimeterstellweg realisieren. In Abhängigkeit von der Baugröße des ECAs werden z. Zt. Endkräfte von 300-3.000 N erreicht.

Der ECA zeigt ein Dreipunkt-Regelverhalten. Bei einer Unterbrechung des Betriebsstroms verbleibt der ECA in seiner aktuellen Position mit einer Weg- oder Kraftstabilität von über 99% pro Stunde. Demgemäß ist der ECA auch bei Stromausfall positions- und kraftstabil.

Die Lebensdauer des ECAs ist vom Beanspruchungsprofil während seines Einsatzes abhängig. Wird der ECA nahezu ohne Gegenkraft über seinen maximalen Stellweg genutzt, können 100.000 Hübe erreicht werden. Auf Grund seiner elektrochemischen Funktionsweise arbeitet der ECA völlig lautlos. Eine Störung durch die bei Steuervorgängen sonst üblichen Geräusche entfällt somit vollständig. Ein solcher ECA kann als stufenloses Ansteuerungselement verwendet werden. Mit entsprechender Meß- oder Regeltechnik können dabei hohe Stellgenauigkeiten realisiert werden. Diese Eigenschaft wird bei der hier erfundenen Lösung genutzt.

Ein ECA zeichnet sich prinzipiell durch hermetische Dichtigkeit und weitgehende Korrosionsbeständigkeit aus. Die im Außenbereich eingesetzten Werkstoffe Edelstahl und Glas bedingen seine hohe chemische Beständigkeit gegen die meisten korrosiven Medien. Demgemäß wird seine Funktionstüchtigkeit durch Feuchtigkeit und Reinigungsmittel nicht beeinträchtigt.

Heutige ECAs arbeiten in einem Einsatztemperaturbereich von -5°C bis +60°C. Mit ECA ist eine gasentwickelnde Zelle z. B. nach dem Prinzip der Patentschriften DE 43 31 763 oder DE 43 31 764 gemeint. Typische Werte für einen ECA sind:
Hub: bis 5 mm
Hubkraft: 300 N
Versorgungsspannung: 12 V (C)
Betriebsstrom: bis 300 mA
Einsatztemperatur: -5°C bis +60°C
Lagertemperatur: -30°C bis +80°C
Gewicht: bis 50 g
Lebensdauer: bis zu 100.000 Hübe oder 10 Jahre
Hubstabilität in Haltestellung: 99% pro Stunde
Dimensionen: Durchmesser 40 mm, Höhe 30 mm.

Ein solch neuartiger kleiner aber kraftvoller Aktuator erlaubt es nun, einen handgehaltenen Injektomaten zu bauen.

Das Prinzip eines elektrochemischen Aktuators ist in Fig. 1 gezeigt. Werden aus der Strom- und Spannungsquelle 5 die Elektroden 3 mit Ladung gespeist, bewirkt das eine Dissoziation des Mediums, welches sich im Innenraum 2 des ECA 1 befindet, so daß sich dieser ausdehnen kann. Wird über einen Widerstand 4 das Elektrodensystem entladen, nimmt der Innendruck im Medium im Innenraum 2 des Aktuators 1 ab, und er zieht sich wieder zusammen. Im Gegensatz zur der in DE 41 21 351 und DE 36 21 846 genutzen sich verbrauchenden Gasentwicklungszelle nach DE 35 32 335, wird in der hier erfundenen Vorrichtung eine Gasentwicklungszelle nach DE 43 31 763 oder DE 43 31 764 mit einer gasbildenen bzw. gasverzehrenden Gasentwicklungszelle als ECA genutzt. Der Prozeß in dem ECA ist also reversibel. Ein ECA nach dieser Art kann ca. 100.000 mal eingesetzt werden. Diese reversible Zyklenzahl ist dann vornehmlich durch Materialermüdung gegeben. Eine so geartete Gasentwicklungszelle ist schon deshalb für eine große Zyklenzahl bestimmt, da sie keinen Gasauslaß wie die der Offenlegungsschrift DE 35 32 335 aufweist, sondern das Gas nicht ausgelassen sondern reversibel verzehrt wird.

Fig. 2 zeigt nun, wie prinzipiell die erfundenen Lösung der Pumpe mit zwei Aktuatoren und ohne Getriebe aussieht. Aktuator 1 und Aktuator 1' sind in Reihe geschaltet. Aktuator 1' und Aktuator 1 brauchen nicht dieselbe Hubgeschwindigkeit zu haben. Dies ist in Fig. 2 dadurch dargestellt, daß Aktuator 1' länger als Aktuator 1 gezeichnet ist. Aktuator 1' kann also zuerst eingeschaltet worden sein oder er hat eine schnellere Hubgeschwindigkeit als Aktuator 1. Beide Aktuatoren wirken auf den Stempel 11 der Injektorspritze 10. An der Rückseite des Aktuators 1 ist die Steuerelektronik 8 für die Aktuatoren angebracht, sowie das Batteriefach 9 zur Strom- und Spannungsversorgung. Eine Halterung 12 hält die Vorrichtung am Aktuator 1 gegen die Spritze und sorgt für den entsprechenden Gegendruck, so daß der Kolben 7, der mit dem Stempel 11 direkt verbunden ist, die Injektionsflüssigkeit aus dem Auslaß 13 der Injektionsspritze drückt. Eine solche Injektionsspritze bildet die eigentliche Kolbenpumpeinheit und kann eine handelsübliche Einmalspritze sein.

Fig. 3 zeigt einen Injektomaten mit einem Getriebeblock 21. Das Batteriefach 9, die Elektronikeinheit 8 und der Aktuator 1 sind mit der Halterung 14 parallel zu einem Mittelbolzen 17 und zur Spritze 10 angebracht. Das Prinzip eines Hebelarmes 16 wird als Getriebeblock 21 genutzt. Das Verhältnis von Hebelarmlänge x zu Hebelarmlänge y bestimmt das Übersetzungsverhältnis. Hier ist x die Entfernung zwischen Drehpunkt 19, befestigt am Adapter 15 des Aktuators, und Drehpunkt 18, befestigt am Mittelbolzen 17. Y ist hier die Entfernung zwischen Drehpunkt 20, befestigt am Stempel 11 der Spritze 10, und Drehpunkt 18, befestigt am Mittelbolzen 17. Mit einem solchen Getriebeblock können x/y-Übersetzungsverhältnisse von ½ bis ⅛ erreicht werden.

Fig. 4 zeigt einen Injektomaten mit einem hydraulischen Getriebeblock. Der Kolben 7 der Spritze 10 wird vom Stempel 11 bewegt. Der Getriebeblock 22 selbst ist ein Hohlraum 23, gefüllt mit einer Flüssigkeit, in der sich der ECA 24 befindet. Wenn sich der ECA 24 ausdehnt, dehnt sich die Flüssigkeit im Hohlraum auch aus und drückt den Rückkolben 25 vorwärts in Richtung der Spritze 10. Eine Dichtung 26 verhindert das Auslaufen der Flüssigkeit. Das Übersetzungsverhältnis wird dann vom Verhältnis der mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Oberfläche des Rückkolbens 25 des Stempels 11 zu der mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Oberfläche 27 des ECA 24 bestimmt. Die Flüssigkeit kann auch als Kühlmittel für den ECA dienen, um dessen Temperatur im vorgegebenen Rahmen zu halten.

Das Gerät besteht im Prinzip aus einer Spritze, einer Anzahl ECAs als Antrieb, einem Getriebeblock, einer Elektronikeinheit, und einer Spannungs- bzw. Stromquelle. Die Spritze kann eine medizinische Standardspritze (Einmalspritze oder Mehrweg) von 10 ml bis zu 200 ml oder einer anderen equivalenten Einheit sein. Sie kann aus Kunststoff, Glas oder Metall bestehen; günstig wäre eine 50 ml Plastikspritze.

Die Spannungsquelle kann ein standardmäßiges oder speziell angefertigtes Batteriefach jeglicher Art beinhalten. AA-Batterien des Types Li/MnO2 sind besonders günstig. Ein typisches Gerät hätte Schalter, um zwischen 10 unterschiedlichen Injektionsvolumen von 5 bis 55 ml in Schritten von 5 ml auszuwählen. In einigen Fällen kann das Fließvolumen auch bis zu einem Liter ansteigen. Es sind auch andere Geräte mit in anderen Schritten auszuwählenden Volumen möglich. Verschiedene Fließgeschwindigkeiten können gewählt werden. Ein typisches Gerät würde von 0,5 ml pro Minute bis zu 2,0 ml pro Minute in Schritten von 0,5 ml pro Minute beinhalten. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Zahlen beschränkt. Es können auch höhere oder niedrigere Fließraten erreicht werden, z. B. von 0,1 ml pro Minute bis zu 99,9 ml pro Minute. Ein typisches Set Batterien würde 100 Minuten halten. Die Batterien können zum Einmalgebrauch oder wiederaufladbar sein. Ein typisches Gerät würde weiterhin einen Hauptschalter zum Ein- und Ausschalten des Gerätes besitzen, einen Schalter zum Ein- und Ausschalten der Injektion, einen Schalter zur Rückstellung der Spritze in ihre Ausgangsposition, sowie ein Display, typischerweise lichtemittierende LED-Dioden, um den Gerätezustand (d. h. Spannungszustand) sowie den Zustand der Injektion (an/aus) und die Ladung der Batterien anzuzeigen. Es könnte auch ein alphanumerisches Display angebracht sein, um den Status anzuzeigen, welches ein Flüssigkeitskristalldisplay (LCD), ein Plasma-Display, oder auch jeder andere Displaytyp sein kann.

Fig. 5 zeigt einen möglichen elektronischen Blockschaltplan der erfundenen Verwirklichung. Das Batteriefach ist mit dem Netzteil verbunden, um das System mit Strom zu versorgen. Das gewünschte Injektionsvolumen wird mit dem Vorwahlschalter zur Volumenauswahl eingestellt. Die Ist-Einstellung wird durch einen elektronischen Vergleich mit dem tatsächlich gemessenen Wert der Spritze oder dem Perfuser mit einem Sensor verglichen. Die Kontrolleinheit umfaßt den Energie An/Aus-Schalter sowie den Start/Stop-Schalter und gibt das Signal zur ECA-Kontrolleinheit. Mit einem Vorwärts/ Stop/Rückwärts-Schalter wird ein Widerstand in den Kreislauf geschaltet, um den ECA umzukehren; oder eine programmierbare Stromquelle wird in den Kreislauf geschaltet zur Vorwärtsbewegung des ECA. Die Fließrate wird mit Fluß-Vorwahlknopf ausgewählt.

Die Vorgehensweise beim Arbeiten mit dem Injektomaten ist folgende:

1. Das Gerät wird am Hauptschalter eingeschaltet.
2. Das Injektionsvolumen wird mit dem Volumenwahlschalter ausgewählt.
3. Die Fließgeschwindigkeit der Injektion wird mit dem Fließgeschwindigkeits-Wahlschalterschalter ausgewählt.
4. Das Gerät wird geladen. Das kann durch folgende alternative Vorgehensweisen geschehen:
- 4A: Eine Spritze mit der medizinischen Lösung wird in das Gerät eingeführt.
- 4B: Die Spritze, welche in das Gerät eingeführt wird und sich in ihrer Kolben-Leer-Position befindet, wird mit ihrem Auslaß z. B. an ein Glas mit medizinischer Lösung verbunden. Der Kolben der Spritze wird dann durch Drücken des "Normal Position" Schalters zurückge schoben, so daß die Spritze sich selbst füllt.
5. Der Schalter "Injektion an" wird gedrückt, um den Injektionsprozeß zu starten.
6. Der Prozeß endet
- 6A: nachdem das gewünschte Volumen injiziert wurde, oder
- 6B: weil der Schalter "Injektion an/aus" in die "Aus"-Position gedrückt wurde, oder
- 6C: weil das System einen Gegendruck von 0,8 bar über Normal wahrnimmt
7. Zuletzt wird der Hauptschalter ausgeschaltet.

Während dieses Prozesses mißt ein Sensor die reellen Volumen- und Fließgeschwindigkeitswerte und vergleicht diese mit den gewünschten und programmierten Einstellungen.

Die Vorrichtung könnte auch so gestaltet sein, daß jeder Aktuator ein eigenes Getriebe aufweist oder alle Aktuatoren zusammen ein gemeinsames Getriebe aufweisen. Das Gleiche gilt für die Steuer- und Regelelektronik oder für das Batteriefach. Eine solche Vorrichtung könnte auch modular aufgebaut sein, so daß man je nach Bedarf und Anwendung die Aktuatoren zur Vorrichtung hinzufügt oder entfernt.

Das Gerät kann auch durch externe Werte oder eine externe Steuerung gesteuert werden. Dies kann z. B. zutreffen, wenn das Gerät als Insulinpumpe genutzt wird, welche durch den Blutzucker geregelt wird. Es könnte eine spezielle Halterung geben, welche den Injektomaten an den menschlichen Körper hält. Dies kann durch einen speziellen Gürtel für Arm, Bein, oder Rumpf geschehen. Das Gerät kann auch in den Körper des Patienten implantiert werden. Ein solches Gerät kann aus Materialien hergestellt werden, welche eine begrenzte magnetische Anziehungskraft bzw. Bildartefakte im MR haben und so MR-kompatibel gemacht werden können. Die Batterieeinheit kann auch durch einen Leistungstransformator ersetzt werden, um Energie von einer externen Energiequelle zu erhalten. Der Injektomat kann auch in anderen Bereichen als dem der Medizin genutzt werden.

Ein solches Gerät kann sehr stabil gebaut werden, da keine rotierenden Motorteile enthalten sind. Dieser Faktor macht das Gerät sehr interessant als ein handgehaltenes oder transportables Gerät für die Notfall- oder Militärmedizin. Zu diesem Zweck könnte das Gerät eine Schnalle oder einen Riemen haben, um es am Patienten zu befestigen.

Ein solcher Injektomat eignet sich insbesondere gut für den Einsatz als PCA-Pumpe (patient controlled-analgesia-pump). In einem solchen Fall könnte die Pumpe vom Arzt derart im weitesten Sinne vorprogrammiert werden, daß sich der Patient in einer gewählten Zeitperiode nur ein gewähltes Gesamtvolumen injezieren kann.

Stand der Technik

In der Offenlegungsschrift DE 36 21 846 ist eine Flüssigkeits-Dosiervorrichtung beschrieben, die mit einer Gasentwicklungszelle nach dem Prinzip der Offenlegungsschrift DE 35 32 335 arbeitet. Hierbei gibt die Gasentwicklungszelle (dort 4) ihr Gas (dort 3) durch eine Öffnung direkt in ein externen Raum auf einen Kolben (dort 2), hinter dem sich die zu dosierende Flüssigkeit befindet. Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht in der begrenzten Lebensdauer der Gasentwicklungszelle. Diese Gasentwicklungszelle hat nach einer gewissen Zeit bzw. nach einigen wenigen Gasentwicklungszyklen ihr Gas verbraucht, da sie nach DE 35 32 335 als z. B. Zink-Luft-Zelle oder oder in einer anderen sich verbrauchenden Opferelektrodentechnologie erstellt ist, und muß gewechselt werden. Die hier vorgelegte Erfindung nutzt eine Gasentwicklungszelle mit einem reversiblen Gasentwicklungsprozeß, so daß die Zelle über einen im technischen Sinne nahezu unendlich langen Zeitraum verglichen mit der üblichen Gebrauchsdauer eines solchen Injektomaten bzw. eine nahezu unendlich lange Gasentwicklungszyklenzahl nutzbar ist. Ferner wird nach dem heutigen Stand der Technik gefordert, daß der Raum, aus dem die zu fördernde Flüssigkeit gedrückt wird samt drückenden Kolben für die meisten medizinischen Flüssigkeiten sterilisiert oder als Einmalprodukt eingesetzt werden kann. Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt diesen Anforderungen gerecht zu werden, indem der gesamte Raum der zu fördernden Flüssigkeit als handelsübliche Einmalspritze auswechselbar ist. Die hier vorgelegte erfindundene Vorrichtung benötigt daher auch nicht das in DE 41 21 351 dargelegten lineare Kraftübertragungselement (dort 6, 16 oder 26) oder Ablaßventil (dort 5). Die in DE 35 32 335 dargelegte Gasentwicklungszelle ist schon daher für die Medizintechnik nicht einsetzbar, da durch die Öffnung (dort 11) Gas in die Umgebung abgegeben wird. Sinnvoll ist es Gasentwicklungszellen mit gasdichtem Gehäuse zu nutzen.

Bezugszeichenliste

1

,

1

' Elektrochemischer Aktuator (ECA)

2

Innenraum des ECA

1

3

Elektroden des ECA

4

Widerstand

5

Spannungs- bzw. Stromquelle

6

Umschalter

7

Kolben der Kolben- bzw. Injektionsspritze

10

8

Elektronikeinheit

9

Batterieeinheit

10

Injektionsspritze

11

Stempel der Injektionsspritze

10

12

Halterung

13

Auslaß der Spritze

14

Halterung

15

Adapter des Aktuators

16

Hebelarm

17

Mittelbolzen

18

Drehpunkt

19

Drehpunkt

20

Drehpunkt

21

Getriebeblock

22

Hydraulischer Getriebeblock

23

Hohlraum

24

ECA

25

Rückkolben des Sempels

11

26

Dichtung

27

Mit der Flüssigkeit in Berührung kommende Oberfläche des ECA

24

Maße und Abkürzungen

°C Grad Celsius
DC Gleichstrom, Gegenteil zu AC = Wechselstrom
g Gramm
mA Milliampere
ml Milliliter
mm Millimeter
N Newton
s Sekunden
V Volt
x, y Hebelarme
AA Größe einer 1,5 Volt-Batterie
ECA Elektrochemischer Aktuator
LED Lichtemittierende Diode
LCD Flüssigkeitsanzeige

Claims

1. Vorrichtung nach dem Kolbenpumpenprinzip zur Injektion einer Flüssigkeit in den menschlichen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein gasdichter, elektrochemischer Aktuator die Kolbenpumpe antreibt.

2. Vorrichtung nach einem oder mehreren der hier genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zahl von in Reihe geschalteten elektrochemischen Aktuatoren die Kolbenpumpe antreibt.

3. Vorrichtung nach einem oderer mehreren der hier genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Aktuatoren mit einem Gesamtgetriebe ausgestattet sind.

4. Vorrichtung nach einem oderer mehreren der hier genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Aktuator ein eigenes Getriebe aufweist.