DE2322104A1 - Antrieb fuer eine pneumatische oder hydraulische pulspumpe - Google Patents

Description

• Antrieb für eine pneumatische oder hydraulische Pulspumpe Die Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb für eine pneumatische oder hydraulische Pulspumpe, insbesondere Blutpumpe beim künstlichen Herz oder intraaortale Ballonpumpe für die Kreislauf stützung, zur Erzeugung vorgewählter, sich aus Stoßphase und Saugphase zusammensetzender Pumpzyklen mit einem Unterdruckspeicher für ein Pumpenantriebsmedium sowie einer Mediumförderpumpe, die jeweils während der Stoßphase über teitungsanschlüsse eingangsseitig mit dem Unterdruckspeicher und ausgangsseitig mit der Pulspumpe verbunden ist und mit einer steuerbaren Leitungsumschaltvorrichtung zur Umschaltung der Pulspumpe vom Börderpumpenausgang an den Unterdruckspeicher jeweils zu Beginn und für die Zeitdauer einer Pumpsaugphase. Neben der bereits erwähnten Blutpumpe beim künstlichen Herz oder intraaortalen Ballonpumpe für die Kreislaufstützung sollen unter "pneumatische oder hydraulische Pumpe "auch Kolben-Zylinder-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.
• Durch den Aufsatz "Development of an Electrohydraulic Energy Source to Power and Control Circulatory Assist Devices" von N.Griffithund W.Burne, abgedruckt in den Berichten zur Artifical Heart Program Conference Proceedings, Washington D.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 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 Abschaltung der Blutpumpe vom Kreiselpumpenausgang durch die leitungsumschaltvorrichtung (Umschaltventil) und Anschaltung der Blutpumpe an eine separate Speicherleitung das in der Blutpumpe befindliche Antriebsmedium durch den auf Unterin der Blutpumpe befindliche Antriebmedium 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 vorgegebenist),erf'ährt 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 Ausgangsleistungen (mindestens 3 Watt) eine Überdimensionierung des Förderungsaggregats, d.h. relativ großvolumige 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 Herzunt er stützung 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 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 viel höhere mittlere pneumatische oder hydraulische Leistungen an der pneumatischen oder hydraulischen Pumpe erreichbar sind. Diese Leistung sollte ferner von der Pumpfrequenz weitgehend unabhängig sein.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Überdruckspeicher vorhanden ist, der während des gesamten Pumpzyklusses mit dem Ausgang der Förderpumpe verbunden ist, und daß die Beitungsumschaltvorrichtung zur Anschaltung des Förderpumpeneinganges an die Pulspumpe durch einen Taktgeber jeweils zu Beginn und für die Zeitdauer einer Saugphase ausgebildet ist.
• Beim erfindungsgemäßen Antrieb entlädt sich während der Stoßphase (bei der Blutpumpe während der Systole) der Überdruckspeicher. Er trägt damit einen Teil des gesamten systolischen Energieaufwandes. Starke Spitzenbelastungen der Förderpumpe während der Stoßphase werden somit vermieden. Andererseits wird während der Saugphase (bei der Blutpumpe während der Diastole) ein Teil der Pumpenergie zur Wiederaufladung des Überdruckspeichers verwendet. Hierdurch ergibt sich eine Anpassung des Gesamtenergiebedarfs während Stoß- und Saugphase. Bei geeigneter Dimensionierung der Speicher läßt sich dabei zwischen beiden Phasen ein totaler Ausgleich des Energiebedarfs erreichen, d.h.
• die Förderpumpe kann während des gesamten Pumpzyklusses mit konstanter Leistungsaufnahme betrieben werden. Der Gesamtwirkungsgrad des Pumpsystems wird damit optimal. Praktische Ausführungen haben ferner gezeigt, daß bei einer vorgegebenen Pumpfrequenz Leistungen an der pneumatischen oder hydraulischen Pumpe erreichbar sind, die den Einsatz des erfindungsgemäßen Antriebs auch beim Totalherzersatz erlauben. Außerdem hat sich gezeigt, daß die mittlere Leistung an der Pulspumpe unabhängig von der Pumpfrequenz und der Wahl des Tastverhältnisses ist und somit lediglich eine Funktion der elektrischen Eingangsleistung darstellt. BineUberdimensionierung des gesamten Pumpaggregates ist ferner nicht mehr notwendig; damit lassen sich beim erfindungsgemäßen Antrieb auch relativ kleinvolumige Aggregate geringen Gewichts einsetzen.
• In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Unterdruckspeicher während des gesamten Pumpzyklusses mit dem Eingang der Förderpumpe verbunden und es ist ein einziger Leitungsumschalter für die Anschaltung der Pulspumpe sowohl an den Unterdruckspeicher als auch an den Eingang der Förderpumpe vorhanden. Zweckmäßig ist es hierbei einen Überdruckspeicher zu verwenden, bei dem der Innendruck von dem Beginn einer jeden Pumpstoßphase herrschenden Überdruckwert bis Ende dieser Phase kontinuierlich in Richtung auf den Außendruck absenkbar und während der sich anschließenden Pumpsaugphase bis zu deren Ende ebenso kontinuierlich wieder auf den anfänglichen Überdruckwert anhebbar ist. Der Überdruckspeicher kann dabei ein im gefüllten Zustand mit einer Zugfeder vorgespannter Kunststofffaltenbalg sein.
• Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand von zwei 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, 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 Unterdruckspeicher und mit 10 ein ftberdruckspeicher für das Antriebsmedium bezeichnet. Der Unterdruckspeicher 9 ist an seinem linken Ende fixiert, z.B. am (nicht gezeichneten) implantierbaren Gehäuse für den Antrieb befestigt. Er ist an seinem rechten Ende frei beweglich. Entsprechend ist der Überdruckspeicher 10 an seinem rechten Ende fixiert und an seinem linken Ende frei beweglich. Der Unterdruckspeicher 9 besteht aus einem im geleerten oder teilweise geleerten Zustand mit einer Zugfeder 11 vorgespannten Kunststoffaltenbalg. Als Überdruckspeieher 10 ist entsprechend ein im gefüllten Zustand mit einer Zugfeder 12 vorgespannter Kunststoffaltenbalg verwendet.
• Mit 13 ist eine von einem Elektromotor 14 angetriebene Kreiselpumpe mit dem Eingang E und dem Ausgang A sowie in Pfeilrichtung verlaufender innerer Pumprichtung bezeichnet. In der praktischen Ausführung ist der Motor 14 ein elektronisch kommutierter Spaltrohr-Gleichstrommotor, der dichtungs- und kupplungsfrei mit der Pumpe verbunden ist. Pumpen- und Motorläufer rotieren gemeinsam in der Antriebsflüssigkeit.
• Das Bauelement 15 stellt ein Umschaltventil dar. Dieses Ventil 15 ist dabei so gesteuert, daß es in der Stoßphase der Blutpumpe, d.h. in der Systole s, den Pumpraum 4 der Blutpumpe 1 über eine Leitung 16 mit dem Ausgang A der Kreiselpumpe 13 und dem Überdruckspeicher 10 und in der Saugphase der Blutpumpe, d.h. in der Diastole d, über eine Leitung 17 mit dem Eingang E der Kreiselpumpe 13 bzw. dem Niederdruckspeicher 9 hydraulisch verbindet. Die periodische Umsteuerung des Ventils 15 geschieht dabei im Takt eines Taktgebers 18, der den Systolen-Diastolen-Takt vorgibt. Das Glied 19 stellt ferner ein Einstellglied für die Einstellung unterschiedlicher Pumpfrequenzen mit verschiedenen Tastverhältnissen dar (z.B. Pumpfrequenzen zwischen 40/min bis 150/min bei Tastverhältnissen von 0,3 bis 0,7). Der Taktgeber 18 steuert ferner auch noch gleichzeitig bei steigender Pumpfrequenz den Motor 11 auf höhere Ausgangsleistungen (automatische Anpassung der Leistung am Blut an die höhere Pumpfrequenz).
• In einer speziellen Variation des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 kann ferner gemäß Fig. 2 zwischen Blutpumpe 1 und Umschaltventil 15 ein hydraulisch-pneumatischer Wandler 20 mit einer Membran 21 und den Pumpräumen 22 und 23 eingeschaltet sein. Im Pumpraum 23 des Wandlers 20 befindet sich dabei das Antriebsmedium, z.B. Wasser, im Pumpraum 22 hingegen ein Gas, z.B. Luft. Ein derartiger Wandler verringert hydraulische Leitungsverluste 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 kunstlichen Lunge durch ein und denselben Antrieb, oder zur Binstellung erwünschter Drücke dienen.
• Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispieles nach den Figuren ergibt sich wie folgt: In der systolischen Phase befindet sich das Ventil 15 gemäß Fig. 1 jeweils in der gezeichneten Stellung s. Die Kreiselpumpe 13 pumpt aus dem Niederdruckspeicher 9 Wasser in den Raum 4 der Blutpumpe 1. Während dieses Pumpvorganges wird einerseits der Unterdruckspeicher 9 aufgeladen und der Überdruckspeicher 10 entladen. Der Überdruckspeicher 10 übernimmt damit einen Teil des gesamten systolischen Energieaufwandes. Eine Überbelastung des Pumpaggregats 13, 14 während der Systole wird damit vermieden.
• In der diastolischen Phase befindet sich das Ventil 15 in der Stellung d. Der Unterdruckspeicher 9 saugt das im Raum 4 der Blutpumpe 1 befindliche Antriebsmedium in den Unterdruckspeicher zurück. Gleichzeitig wird über die weiterlaufende Kreiselpumpe 15 der Überdruckspeicher wieder aufgeladen. Auch in der diastolischen Phase ergibt sich somit ein Energieangleich der Diastole an die Systole. Bei entsprechender Bemessung des Überdruckspeichers 10 läßt sich ein totaler Energieausgleich herbeiführen, d.h. der Kreiselpumpenmotor 14 läßt sich während der gesamten Pumpperiode mit konstanter elektrischer Leistung betreiben. Hierdurch ergeben sich optimale hydraulische Ausgangsleistungsverhältnisse am zu pumpenden Blut.
• Die Leistungsanpassung zwischen Systole und Diastole ist in einem Diagramm der Fig. 1 durch den glatten Verlauf der Motorleistung ML des Kreiselpumpenmotors 11 in Abhängigkeit von der Zeit t schematisch angedeutet.

Claims (5)

1. Patentansprüche

   @ Antrieb für eine pneumatische oder hydraulische Pulspumpe, insbesondere Blutpumpe beim künstlichen Herz oder intraaortale Ballonpumpe für die Kreislaufstützung, zur Erzeugung vorgewählter, sich aus Stoßphase und Saugphase zusammensetzender Pumpzyklen mit einem Unterdruckspeicher für ein Pumpenantriebsmedium sowie einer Mediumförderpumpe, die jeweils während der Stoßphase über Leitungsanschlüsse eingangsseitig mit dem Unterdruckspeicher und ausgangsseitig mit der Pulspumpe verbunden ist und mit einer steuerbaren Leitungsumschaltvorrichtung zur Umschaltung der Pulspumpe vom Förderpumpenausgang an den Unterdruckspeicher jeweils zu Beginn und für die Zeitdauer einer Pumpsaugphase, d a d u r c h g e k e n n z ei c h n e t, daß ein Überdruckspeicher (10) vorhanden ist, der während des gesamten Pumpzyklusses mit dem Ausgang (A) der Förderpumpe (13) verbunden ist, und daß die Leitungsumschaltvorrichtung (15) zur Anschaltung des Pörderpumpeneingangs (E) an die Pulspumpe(1) durch einen Taktgeber (18) jeweils zu Beginn und für die Zeitdauer einer Saugphase ausgebildet ist.
2. 2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruckspeicher (9) während des gesamten Pumpzyklusses mit dem Eingang (E) der Förderpumpe (13) verbunden ist und daß ein einziger Leitungsschalter (15) für die Anschaltung der Pulspumpe (1) sowohl an den Unterdruckspeicher (9) als auch an den Eingang (E) der Förderpumpe (13) vorhanden ist.
3. 3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Überdruckspeicher (10), 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 c anfänglichen Überdruckwert anhebbarist.
4. 4. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überdruckspeicher (10) ein im gefüllten Zustand mit einer Zugfeder (12) vorgespannter Kunststoffaltenbalg ist.
5. 5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung zwischen Pulspumpe (1) und Förderpumpe (13) ein hydraulisch-pneumatischer Wandler (20) vorhanden ist.

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