DE2322103A1

DE2322103A1 - Antrieb fuer eine pneumatische oder hydraulische pulspumpe

Info

Publication number: DE2322103A1
Application number: DE2322103A
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl Ing Geisselbrecht; Rainer Dipl Phys Dr Haerten
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-05-02
Filing date: 1973-05-02
Publication date: 1974-11-14
Also published as: DE2322103B2; DE2322103C3

Description

Antrieb für eine pneumatische oder hydraulische Pulspumpe Die Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb für eine pneumatisehe oder hydraulische Pulspumpe, insbesondere Blutpumpe beim künstlichen Herz oder intraaortale Ballonpumpe für die Kreislauf stützung, zur Erzeugung vorwählbarer1 sich aus Stoßphase und Saugphase zusammensetzender Pumpzyklen, mit einem Behälter für ein Pumpenantriebsmedium sowie einer Mediumförderpumpe, die jeweils während der erwünschten Stoßphase über Leitungsanschlüsse eingangsseitig mit dem Behälter und ausgangsseitig mit der Pulspumpe verbunden ist und mit einer Leitungsumschaltvorrichtung. Neben der bereits erwähnten Blutpumpe beim künstlichen Herz oder intraaortalen Ballonpumpe für die Kreislaufstützung sollen unter pneumatische oder hydraulische Pulspumpe " auch Kolben-Zylinder-Meehanismen z.B. zum Betrieb von Prothesen od.dgl. bzw. Manschettenpumpen zur Kreislaufstützung verstanden werden. Auch sollen unter diesen Begriff Pumpvorriehtungen fallen, wie sie z.B. zum Betrieb von Herz-Lungenmasehinen oder künstlichen Nieren verwendet werden.
Durch den Aufsatz "Development of an Electrohydraulic Energy Source to Power and Control Circulatory Assist Devices von N.Griffith und W.Burne, abgedruckt in "Artifical Heart Program Conference Proceedings", Washington P.C., June 9 - 13, 1969, US Department of Health Education and Welfare, Seiten 953 bis 967, insbesondere Seiten 964 und 966, ist ein Antrieb der eingangs genannten Art für eine Blutpumpe beim künstlichen Herz vorbekannt, bei dem als Mediumförderpumpe eine Kreiselpumpe und als Behälter für das Pumpenantnebsmedium ein Unterdruckspeicher verwendet ist. Dieser bekannte Antrieb arbeitet dabei in der Weise, daß während der "Systole", d.h. während der Stoßphase der Blutpumpe, durch die Kreiselpumpe das Antriebsmedium aus dem Unterdruckspeicher in die Blutpumpe gepumpt wird. Mit Beginn der "Diastole", d.h. der Saugphase der Blutpumpe, wird unter Blockierung des Kreiselpumpenausganges über eine separate Leitung das in der Blutpumpe befindliche Antriebsmedium durch den auf Unterdruck befindlichen Unterdruckspeicher wieder in den Speicher zurückgesaugt.
Nachteilig bei diesem bekannten Antrieb ist, daß die Mediumförderpumpe, d.h. Kreiselpumpe, die gesamte Energie, die zur systolischen Austreibung des Blutes wie auch zur diastolischen Füllung der Blutpumpe (während der systolischen Austreibung des Blutes aus der Blutpumpe wird gleichzeitig der Unterdruckspeicher geladen) benötigt wird, während der "Systole" bereitstellen muß. Da sich die Dauer der "Systole" nicht uneingeschränkt auf Kosten der "Diastolendauer" verlängern läßt (Mindestdauer der "Diastole" ist durch die Physiologie des Kreislaufes und die physikalischen Eigenschaften des Antriebssystems festgelegt, d.h. durch eine Zeitkonstante, die durch die Federkonstante des Unterdruckspeichers und den Strömungswiderstand des hydraulischen Systems vcrgegebenist),erfährt der Förderpumpenmotor während der "Systole" eine überstarke Spitzenbelastung, die zu einer nicht unerheblichen Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades des Antriebssystems führt. Diese Belastungsart erfordert außerdem bei den angestrebten Ausgangsleistüngen (mindestens 3 Watt) eine Überdimensionierung des Förderpumpaggregats, d.h. relativ großvolumige und schwergewichtige Aggregate. Die hydraulische Ausgangsleistung, d.h. die Pumpleistung am Blut, fällt mit steigender Pumpfrequenz überp=oportional rasch ab. Die mit einem solchen Antrieb erreichbare mittlere hydraulische Leistung am Blut ist - wie Versuche gezeigt haben - für eine Herzunterstützung im allgemeinen gerade noch ausreichend (ca. 1 bis 1,3 Watt). Im Hinblick auf den Antrieb von Blutpumpen für den Totalherzersatz ist diese Leistung jedoch zu gering (erforderlich sind 1 bis 3 Watt).
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antrieb der eingangs genannten Art aufzubauen, der ohne allzu großen technischen Mehraufwand und bei relativ kleinem Volumen und Gewicht einen sehr viel besseren Wirkungsgrad als der bekannte Antrieb aufweist und mit dem insbesondere auch sehr viele höhere mittlere pneumatische oder hydraulische Leistungen an der pneumatischen oder hydraulischen Pulspumpe erreichbar sind. Diese Leistung sollte ferner von der Pumpfrequenz weitgehend unabhängig sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Behälter für das Antriebsmedium ein mit seinem Innendruck den Außendruck während eines gesamten Pumpzyklusses nicht unterschreitender Volumenspeicher ist und daß die Beitungsumschaltvorrichtung zur Umschaltung des Behälters vom Förderpumpeneingang an den Förderpumpenausgang und der Pulspumpe vom Förderptimpenausgang an den Förderpumpeneingang mit Beginn und für die Zeitdauer der Pumpsaugphase ausgebildet ist und ein Taktgeber zur Betätigung der Leitungsumschaltvorrichtung im Takt der vorgewählten Phasenumschaltzeitpunkte vorhanden ist.
Der erfindungsgemäße Antrieb hat gegenüber dem Antrieb mit Unterdruckspeicher den Vorteil, daß die Energie für die Saugphase (bei Blutpumpe diastolische Füllung) nicht mehr während der Stoßphase (bei der Blutpumpe während der Systole) aufgebracht werden muß. Vielmehr läßt sich der jeweilige Energieaufwand während der Stoß- bzw. Saugphase an der dauernd laufenden Förderpumpe an den jeweils erwünschten Energiebedarf anpassen. Hierdurch ergibt sich über die gesamte Pumpperiode gesehen ein günstigerer Energie ausgleich zwischen Stoß- und 5augphase, der auch zu einem sehr viel besseren Antriebswirkungsgrad führt. Praktische #Ausführungen haben ferner gezeigt, daß bei einer vorgegebenen Pumpfrequenz Leistungen an der pneumatischen oder hydraulischen Pulspumpe erreichbar sind, die den Einsatz des erfindungsgemäßen Antriebs auch beim Totalherzersatz erlauben. Außerdem hat sich gezeigt, daß die mittlere Pumpleistung von der Pumpfrequenz praktisch unabhängig ist. Eine Uberdimensionierung des gesamten Pumpaggregats ist ferner nicht mehr notwendig; damit lassen sich beim erfindungsgemäßen Antrieb auch relativ kleinvolumige Aggregate geringen Gewichts einsetzen.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann der Volumenspeicher während des gesamten Pumpzyklusses konstant einen dem Außendruck entsprechenden Innendruck aufweisen. Hierzu kann als Volumenspeicher ein rückstellkraftfreier Faltenbalg, z.B.
Gummifaltenbalg, verwendet werden. Zweckmäßiger ist es jedoch, als Volumenspeicher einen zu Beginn einer jeden Pumpstoßphase auf einem gegenüber dem Außendruck höheren Innendruck arbeitenden Überdruckspeicher, z.B. im gefüllten Zustand mit Zugfeder vorgespannten Kunststoffaltenbalg, zu verwenden. Ein solcher ttberdruckspeicher vermindert in der Stoßphase zusätzlich den Energieaufwand an der Förderpumpe. Durch die erforderliche Aufladung des Uberdruckspeichers in-der Saugphase wird überdies ein weiterer Energieangleich der Saugphase an die Stoßphase erreicht. Dieser Energieangleich wird optimal (konstante Leistungsaufnahme über den gesamten Pumpzyklus), wenn ein Überdruckspeicher verwendet wird, bei dem der Innendruck von dem zu Beginn einer jeden Pumpstoßphase herrschenden Überdruckwert bis Ende dieser Phase kontinuierlich in Richtung auf den Außendruckwert absenkbar und während der sich anschließenden Pumpsaugphase bis zu deren Ende ebenso kontinuierlich wieder auf den anfänglichen oberdruckwert anhebbar ist.
Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand von vier Figuren, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, im folgenden näher erläutert.
In der Fig. 1, die ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebs im Prinzipaufbau zeigt, ist mit 1 eine Blutpumpe nach demMembrantyp bezeichnet, die durch eine bewegliche Membran 2, z.B. aus Kunststoff, in einen Raum 3 für das Blut und in einen Raum 4 für das Antriebsmedium, z.B. Wasser, unterteilt ist. Sie besitzt ferner einen arteriellen Anschluß 5 sowie einen venösen Anschluß 6. Mit 7 und 8 sind die die Herzklappen nachbildenden Ventile bezeichnet. Die Richtung der Ventilspitze zeigt die jeweilige Bewegungsrichtung des zu pumpenden Blutes an.
Mit 9 ist ein Aufbewahrungsbehälter für das Antriebsmedium, d.h.
Wasser, und mit 10 eine von einem Elektromotor 11 angetriebene Kreiselpumpe mit dem Eingang E und dem Ausgang A sowie in Pfeilrichtung verlaufender innerer Pumprichtung bezeichnet. In der praktischen Ausführung ist der Motor 11 ein elektronisch kommutierter Spaltrohr-Gleichstrommotor, der dichtungs- und kupplungsfrei mit der Pumpe verbunden ist. Pumpen- und Motorläufer rotieren gemeinsam in der Antriebsilüssigkeit.
Die Bauelemente 12 und 13 stellen je ein Umschaltventil dar.
Das Ventil 12 ist dabei so gesteuert, daß es in der Stoßphase der Blutpumpe,-d.h. in der Systole s, den Pumpenraum 4 der Blutpumpe 1 über eine Leitung 14 mit dem Ausgang A der Kreiselpumpe 10 und in der Saugphase der Blutpumpe, d.h. in der Diastole d, über eine Leitung 16 mit dem Eingang E der Kreiselpumpe 10 hydraulisch verbindet. Das Ventil 13 verbindet umgekehrt in der systolischen Phase den Behälter 9 über eine Leitung 15 mit dem Eingang -E der Kreiselpumpe 10 und in der diastolischen Phase über eine Leitung 17 mit dem Ausgang der Kreiselpumpe 10. Die periodische Umsteuerung der Ventile 12 bzw. 13 geschieht im Takt eines Taktgebers 18, der den Systölen-Diastolen-Takt vorgibt. Das Glied 19 stellt hierbei ein Einstellglied für die Einstellung unterschiedlicher Pumpfrequenzen mit verschiedenen Tastverhältnissen dar (z.B. Pumpfrequenzen zwischen 40 pro min bis 150 pro min bei Tastverhältnissen von 0,3 bis 0,7). Der Taktgeber 18 steuert auch noch gleichzeitig bei steigender Pumpfrequenz den Motor 11 auf höhere Ausgangsleistungen (automatische Anpassung der Leistung am Blut an die höhere Pumpfreq#enz).
Der Behälter 9 kann ein rückstellkraftfreier Volumenspeicher, z.B. Gummifaltenbalg, sein. Er kann jedoch gemäß Fig. 2 auch als Überdruckspeicher 20, z.B. als im gefüllten Zustand mit einer Zugfeder 21 vorgespannter Kunststoffaltenbalg 22, ausgebildet sein. Bei beiden Ausführungen ist der Behälter an seinem oberen Ende fixiert, z.B. am (nicht gezeichneten) implantierbaren Gehäuse f[i:r den gesamten Antrieb befestigt. Der untere Teil ist frei beweglich.
In einer speziellen Ausführungsform kann in den Leitungen zwischen Kreiselpumpe 10 und Blutpumpe 1 ein Unterdruckspeicher eingebracht sein, der in der Saugphase, d.h.Diastole, geladen wird, und dann in der Stoßphase, d.h. in der Systole, den- systolischenAusstoß der Blutpumpe 1 energiemäßig unterstützt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 befindet sich dieser Unterdruckspeicher 23 z.B. unmittelbar in der Blutpumpe 1. Der Speicher 23 besteht zweckmäßig aus einem im leeren oder teilweise geleerten Zustand mit einer Druckfeder vorgespannten Kunststoffaltenbalg.
In einer weiteren Variation des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 kann ferner gemäß Fig. 4 zwischen Blutpumpe 1 und Umschaltventil 12 ein hydraulisch-pneumatischer Wandler 24 mit einem Faltenbalg 25 (z.B. ebenfalls Unterdruckspeicher) eingeschaltet sein. Ein derartiger Wandler verringert hydraulische Leistungsverluste insbesondere bei langen hydraulischen Verbindungsleitungen. Er kann ebenso auch zur Leistungsanpassung bzw. Einstellung unterschiedlicher Leistungen insbesondere bei Pumpenparallelbetrieb, z.B. Betrieb einer Blutpumpe sowie einer künstlichen Lunge durch ein und denselben Antrieb oder zur Einstellung erwünschter Drücke dienen.
Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispieles nach den Figuren ergibt sich wie folgt: In der systolischen Phase befinden sich die Ventile 12 und 13 gemäß Fig. 1 jeweils in der gezeichneten Stellung s. Die Kreiselpumpe pumpt aus dem Behälter 9 Wasser in den Raum 4 der Blutpumpe 1. Mit zunehmender Füllung dieses Raumes wird vom Raum 3 das Blut über den arteriellen Anschlußstutzen 5 aus der Blutpumpe ausgestoßen. In der diastolischen Phase befinden sich die Ventile 12 und 13 jeweils in der Stellung d. Die Kreiselpumpe 10 saugt die Antriebsflüssigkeit aus dem Raum 4 der Blutpumpe 1 in den Behälter 9 zurück, d.h. die Blutpumpe wird diastolisch gefüllt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bringt demnach die Kreiselpumpe 10 die Energie für die diastolische Füllung der Blutpumpe 1 nicht mehr wie bei herkömmlichen Antrieben während der systolischen Phase zusammen mit der Energie für den systolischen Blutausstoß auf. Vielmehr ist der diastolische Energieaufwand nun in die diastolische Phase verlagert. Eine Überbelastung des Pumpaggregats 10, 11 während der Systole ist hierdurch vermieden. Durch die gleichzeitig erfolgende spezielle Anpassung der Kreiselpumpenausgangsleistung an den systolischen und diastolischen Leistungsbedarf (Anpassungssteuerung Taktgeber 18 und Motor 11) ergibt sich ein gegenüber herkömmlichen Antrieben stark verbesserter Wirkungsgrad. Die Leistungsanpassung zwischen Systole und Diastole ist in einem Diagramm der Fig. 1 durch den relativ glatten pulsierenden Verlauf der Motorleistung ML des Kreiselpumpenmotors 11 in Abhängigkeit von der Zeit t schematisch angedeutet.
Das Diagramm nach der Fig. 1 gilt speziell für Antriebe, bei denen als Volumenspeicher ein rückstellkraftfreier Speicher, z.B. Gummifaltenbalg, verwendet ist. Wird anstelle eines derartigen Speichers ein Überdruckspeicher gemäß Fig. 2 eingesetzt, so kann bei geeigneter Dimensionierung dieses Speichers von pulsierendem Motorbetrieb auf Gleichbetrieb übergegangen werden, d.h. der Motor 11 kann während der gesamten Pumpperiode mit konstanter elektrischer Leistung betrieben werden. Hierdurch ergeben sich optimale hydraulische Ausgangsleistungsverhältniss e am zu pumpenden Blut.

Claims

Patentansprüche

Antrieb für eine pneumatische oder hydraulische Pulspumpe, insbesondere Blutpumpe beim künstlichen Herz oder intraaortale Ballonpumpe für die Kreislaufstützung, zur Erzeugung vorwählbarer, sich aus Stoßphase und Saugphase zusammensetzender Pumpzyklen, mit einem Behälter für ein Pumpenantriebsmedium sowie einer Mediumförderpumpe, die jeweils während der Stoßphase über Leitungsanschlüsse eingangsseitig mit dem Behälter und ausgangsseitig mit der Pulspumpe verbunden ist, und mit einer Leitungsumschaltvorrichtung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Behälter (9) für das Antriebsmedium ein mit seinem Innendruck den Außendruck während eines gesamten Pumpzyklusses nicht unterschreitender Volumenspeicher ist und daß die Leitungsumschaltvorrichtung (12, 13) zur Umschaltung des Behälters (9) vom Förderpumpeneingang (E)an den Förderpumpenausgang (A) und der Pulspumpe (1) vom Förderpumpenausgang (A) an den Förderpumpeneingang (E) mit Beginn und für die Zeitdauer der Saugphase ausgebildet ist und ein Taktgeber (18) zur Betätigung der Leitungsumschaltvorrichtung (12, 13) im Takt der vorgewählten Phasenumschaltzeitpunkte vorhanden ist.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenspeicher (9) während des gesamten Pumpzyklusses konstant einen dem Außendruck entsprechenden Innendruck aufweist.
3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenspeicher (9) ein rückstellkraftfreier Faltenbalg, z.B.

Gummifaltenbalg, ist.
4. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenspeicher ein zu Beginn einer jeden Pumpstoßphase auf einem gegenüber dem Außendrcuk höheren Innendruck arbeitender Überdruckspeicher (20), z0B. im gefüllten Zustand mit Zugfeder(21) vorgespannter Kunststoffaltenbalg (22),ist.
5. Antrieb nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Überdruckspeicher (20), bei dem der Innendruck von dem zu Beginn einer jeden Pumpstoßphase herrschenden Uberdruckwert bis Ende dieser Phase kontinuierlich in Richtung auf den Außendruckwert absenkbar und während der sich anschließenden Pumpsaugphase bis zu deren Ende ebenso kontinuierlich wieder auf den anfänglichen Uberdruckwert anhebbar ist.
6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verbindungsleitungen zwischen Förderpumpe (10) und Pulspumpe (i) oder innerhalb der Pulspumpe (1) ein Unterdruckspeicher, z.B. im leeren oder teilweise geleerten Zustand mit Druckfeder vorgespannter Kunststoffaltenbalg (23), vorhanden ist.
7. Antrieb nach Anspruch 6 zum Betrieb einer Membranpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulspumpe (1) eine Membran (2) aus federndem Material aufweist, die das Federteil des Unterdruckspeichers bildet.
8. Antrieb nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung zwischen Pulspumpe (1) und Förderpumpe (10)ein hydraulisch-pneumatischer Wandler (24) vorhanden ist.