DE2322103C3 - Antrieb für eine pneumatische oder hydraulische Pulspumpe - Google Patents

Antrieb für eine pneumatische oder hydraulische Pulspumpe

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb für eine pneumatische oder hydraulische Pulspumpe, insbesondere Blutpumpe beim künstlichen Herz oder intraaortale Ballonpumpe für die Kreislaufunterstützung, zur Erzeugung vorwählbarer, sich aus Stoßphase und Saugphase zusammensetzender Pumpzyklen, mit einem Behälter für das Antriebsmedium der Pulspumpe sowie einer Mediumförderpumpe, die jeweils während der Stoßphase über Leitungsanschlüsse eingangsseitig mit Gern Behälter und ausgangsseitig mit der Pulspumpe verbunden ist, und mit einer steuerbaren Leitungsumschaltvorrichtung. Neben der bereits erwähnten Blutpumpe beim künstlichen Herz oder intraaortalen Ballonpumpe für die Kreislaufstützung sollen unter »pneumatische oder hydraulische Pulspumpe« auch Koiben-Zyünder-Mechanismen z.B. zum Betrieb von Prothesen od. dgL bzw. Manschettenpumpen zur Kreislaufstützung verstanden werden. Auch sollen unter diesen Begriff Pumpvorrichtungen fallen, wie sie z. B. zum Betrieb von Herz-Lungenmaschinen oder künstlichen Nieren verwendet werden.
Sollen als Antriebsmedium für Pulspumpen lediglich kompressible Gase benutzt werden, so läßt sich der Antrieb für die Pulspumpe in einfacher Weise durch Umschaltung des Antriebsgases von einem Überdruckzu einem Unterdruckvorratsbehälter realisieren. Der notwendige Überdruck bzw. Unterdruck des Antriebsgases wird dabei beispielsweise durch eine zwischen die Vorratsbehälter angeordnete Membranpumpe erzeugt. Derartige Antriebssysteme für intraaortale Ballonpumpen mit externem Antrieb sind in »Biomedizinische Technik« 16 (1971) Seiten 9 bis 21 beschrieben. Insbesondere im Hinblick auf den Einsatz der Pulspumpe für den Total-Herzersatz soll nun aber der Antrieb der Blutpumpe auch im Patientenkörper inplantierbar ausgebildet sein. Für minimierten Raumund Energiebedarf sowie optimalen Wirkungsgrad eines solchen Antriebs ist es dabei notwendig, eine Förderpumpe für das Pumpenantriebsmedium zu verwenden, die jeweils während der erwünschten Stoßphase über Leitungsanschlüsse eingangsseitig mit dem Behälter und ausgangsseitig mit der Pulspumpe verbunden ist
Durch den Aufsatz »Development of an Electrohydraulic Energy Source to Power and Control Circulatory Assist Devices« von N. G r i f f i t h und W. B u r η e, abgedruckt in »Artifical Heart Program Conference Proceedings«, Washington D. C, 9. bis 13. Juni 1969, US Department of Health Education and Welfare, Seiten 953 bis 967, insbesondere Seiten 964 und 966, ist nun ein Antrieb der eingangs genannten Art für eine Blutpumpe beim künstlichen Herz vorbekannt, bei dem als Mediumförderpumpe eine Kreiselpumpe und als Behälter für das Pumpenantriebsmedium 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 vorgegeben ist), erfährt der Förderpumpenmotor während der »Systole« eine Qberstarke Spitzenbelastung, die zu einer nicht unterheblichen Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades des Antriebssystems führt Dies? Belastungsart erfordert außerdem bei den angestrebten Ausgangsleistungen (mindestens 3 Watt) eine Überdimensionierung des Förderpumpaggregats, d.h. relativ großv&Iumige und schwergewichtige Aggregate. Die hydraulische Ausgangsleistung, d. h. die Pumpleistung am Blut, fällt mit steigender Pumpfrequenz überproportional 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 13 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 ji 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.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Behälter für das Antriebsmedium ein Volumenspeicher ist, der wechselweise jeweils mit der von der Pulspumpe abgeschalteten Seite der Mediumförderpumpe verbunden wird und dessen Innendruck den Außendruck während eines gesamten Pumpzyklus nicht so unterschreitet, und daß die Leitungsumschaltvorrichtung zur Umschaltung des Behälters vom Eingang (E) an den Ausgang (A) der Förderpumpe und der Pulspumpe vom Ausgang (A) an den Eingang (E) der Förderpumpe mit Beginn und für die Zeitdauer der Saugphase ausgebildet ist, wobei die Leitungsumschaltvorrichtung durch einen Taktgeber im Takt der vorgewählten Phasenschaltzeitpunkte gesteuert wird.
Der erfindungsgemäße Antrieb hat gegenüber dem Antrieb mit Unterdruckspeicher den Vorteil, daß die w 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 br> laufenden Förderpumpe an den jeweils erwünschten Energiebedarf anpassen. Hierdurch ergibt sich über die gesamte Pumpperiode gesehen ein günstigerer Energieausgleich zwischen Stoß- und Saugphase, 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 Überdimensionierung 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 Pumpzyklus 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 arbeit :nden Überdruckspeicher, z. B. im gefüllten Zustand mit Zugfeder vorgespannten Kunststoffaltenbalg, zu verwenden. Ein solcher Überdruckspeicher vermindert in der StopKihase zusätzlich den Energieaufwand an der Förderpumpe. Durch die erforderliche Aufladung des Überdruckspeichers 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 Überdruckwert 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 dem Membrantyp 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, 2. 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 Ii 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 elektroniscn kommutierter Spaltrohr-Gleichstrommotor, der dichtungs- und kupplungsfrei mit der Pumpe verbunden ist Pumpen- und Motoi läufer rotieren gemeinsam in der Antriebsflüssigkeit.
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 Eder Kreiselpumpe 10 hydraulisch verbindet. Das Ventil 13 verbindet umgekehrt in der systolischen Phase den Behälter 9 über eine Leitung 15 mit dem Eingang Eder 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 «ines Taktgebers 18, der den Systolen-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 03 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 Pumpfrequenz).
Der Behälter 9 kann ein rückstellkraftfreier Volumenspeicher, z. B. Gummifaltenbalg, sein. Er kann jedoch gemäß F i g. 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 für 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 systolischen Ausstoß der Blutpumpe 1 energiemäßig unterstützt. Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 befindet sich dieser Unterdruckspeicher 23 ζ. 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 F i g. 1 kann ferner gemäß F i g. 4 zwischen
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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 F i g. 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 cks 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. I bringt demnach die Kreiselpumpe iö die Energie fur 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 Kreiselpumpenausgangsleiüung 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 F i g. 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 F i g. 1 gilt speziell für Antriebe, bei denen als Voluinenspeicher ein rückstellkraftfreier Speicher, z. B. Gummifaltenbalg, verwendet ist. Wird anstelle eines derartigen Speichers ein Überdruckspeicher gemäß Fig.2 eingesetzt, so kann
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 Ausgangsleistungsverhältnisse am zu pumpenden Blut
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Antrieb für eine pneumatische oder hydraulische Pulspumpe, insbesondere Blutpumpe beim künstlichen Herz oder intraaortale Ballonpumpe for die Kreislaufunterstützung, zur Erzeugung vorwählbarer, sich aus StoBphase und Saugphase zusammensetzender Pumpzyklen, mit einem Behälter für das Antriebsmedium der Pulspumpe sowie einer Mediumförderpumpe, die jeweils während der StoBphase ι ο über Leitungsanschlüsse eingangsseitig mit dem Behälter und ausgangsseitig mit der Pulspumpe verbunden ist, und mit einer steuerbaren Leitungsumschaltvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (9) für das Antriebsmedium ein Volumenspeicher ist, der wechselweise jeweils mit der von der Pulspumpe (1) abgeschalteten Seite der Mediumförderpumpe (10) verbunden wird und dessen Innendruck den Außendruck während eines gesamten Pumpzyklus nicht unterschreitet, und daß die Leitungsumschaltvorrichtung (12, i3) zur Umschaltung des Behälters (9) vom Eingang (E) an den Ausgang (A) der Förderpumpe (10) und der Pulspumpe (1) vom Ausgang (A) an den Eingang (E) der Förderpumpe (10) mit Beginn und für die Zeitdauer der Saugphase ausgebildet ist, wobei der Leitungsumschaltvorrichtung (12, 13) durch einen Taktgeber (18) im Takt der vorgewählten Phasenumschaltzeitpunkte gesteuert wird.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenspeicher (9) während des gesamten Pun.pzyklus konstant einen dem Außendruck entsprechenden lnnendre.-k aufweist
3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenspeicher (9! gin rückstellkraftfreier Faltenbalg, ζ. B. Gummifaltenbalg, ist
4. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenspeicher ein zu Beginn einer jeden Pumpstoßphase auf einem gegenüber dem Außendruck höheren Innendruck arbeitender -to Oberdruckspeicher (20), z. B. im gefüllten Zustand mit Zugfeder (21) vorgespannter Kunststoffaltenbalg (22), ist
5. Antrieb nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Oberdruckspeicher (20), 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 Überdruckwert anhebbar ist.
6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem pulspumpenseitigen Ventil (12) als Teil der Leitungsum- « schaltvorrichtung (12, 13) und der Pulspumpe (1) oder innerhalb der Pulspumpe (1) ein Unterdruckspeicher, z. B. ein im leeren oder teilweise geleerten Zustand mit Druckfeder vorgespannter Kunststofffaltenbaig (23), vorhanden ist &o
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. Μ
8. Antrieb nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung zwischen Pulspumpe (J) und Förderpumpe (10) ein hydraulisch-pneumatischer Wandler (24) vorhanden ist
DE2322103A 1973-05-02 1973-05-02 Antrieb für eine pneumatische oder hydraulische Pulspumpe Expired DE2322103C3 (de)

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