DE2337497C3 - Artificial heart - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein künstliches Herz mit zwei im wesentlichen identischen Herzhälften, von denen jede einen durch einen flexiblen Membransack in zwei gegeneinander abgedichtete Räume aufgeteilten Vorhof und eine durch einen flexiblen Membransack in zwei gegeneinander abgedichtete Räume aufgeteilte Herzkammer umfaßt, wobei der oberhalb des Membransack: liegende Raum des Vorhofs einen Anschlußstutzen zuit Anschluß an das venöse Herzempfängersystem aufweis' und über ein Rückschlagventil mit dem oberhalb de; Membransacks liegenden Herzkammerraum in Verbin dung steht, der einen mit einem Rückschlagvcnti versehenen Anschlußsiutzen zum Anschluß an da: arterielle Herzempfängersystem aufweist während die beiden unterhalb der Membransäcke liegenden unc voneinander getrennten Räume des Vorhofes und deThe invention relates to an artificial heart with two essentially identical halves of the heart, each of which comprises an atrium divided by a flexible membrane sack into two mutually sealed spaces and a heart chamber divided into two mutually sealed spaces by a flexible membrane sac, the one above the membrane sac: lying Space of the atrium a connection piece zuit connection to the venous heart receiver system aufweis' and a check valve with the above de; Membrane sack lying ventricular space is in connection, which is provided with a non-return valve for connection to the arterial heart receiving system, while the two spaces below the membrane sack and separated from each other, the atrium and the
Herzkammer jeweils für sich an einen Pumpenraum ;ines durch einen angetriebenen ferromagnetischen Kolben in zwei Pumpenräume aufgeteilten, Hydraulik-Flüssigkeit aufnehmenden Pumpengehäuses angeschlossen sind, wobei der Vorhof und die Herzkammer in einem gemeinsamen, auch das Pumpengehäuse aufnehmenden Herzgehäuse untergebracht sind.Chamber of the heart in each case to a pump chamber; one driven by a ferromagnetic Piston connected into two pump chambers, hydraulic fluid receiving pump housing are, whereby the atrium and the heart chamber in a common, also the pump housing receiving heart casing are housed.
Ein aus der DT-OS 22 02 953 bekanntes künstliches Herz dieser Art wird mittels eines Surling-Motors angetrieben, und zwar unter Zwischenschaltung einer Kolbenpumpe. Das bei dem bekannten künstlichen Herz verwendete Antriebsaggregat setzt sich aus einer Vielzahl von beweglichen Einzelteilen, wie Regenerator des Stirling-Motors, mehreren Kolben mit Gleitführungen, Klinken und Rasten und Ventilen u. dgl. zusammen, so daß auf Grund der vielen möglichen Störquellcn der Unsicherheitsfaktor wahrend des BctricDCs außerordentlich hoch ist.An artificial heart of this type known from DT-OS 22 02 953 is powered by a surling motor driven, with the interposition of a piston pump. That with the well-known artificial one The drive unit used by the heart consists of a large number of moving parts, such as the regenerator of the Stirling engine, several pistons with sliding guides, pawls and notches and valves and the like together, so that due to the many possible sources of interference the uncertainty factor during the BctricDC is extraordinary is high.
Bei einem aus der US-PS 30 97 366 bekannten künstlichen Herz ist ein außen am Körper des Herzempfängers befestigter, batteriegespeister Motor mit Getriebe und eine durch eine künstliche Öffnung in das Körperinnere geführte Welle vorgesehen, die zum Antrieb eines Exzenternockens dient, der innerhalb des künstlichen Herzgehäuses zum Verschwenken einer Druckplatte dient, die auf einen elastischen Balg einwirkt, der in einen Vorhof und eine Herzkammer unterteilt ist. Der Vorhof ist mit einem Anschlußstutzen zum Anschluß an das venöse Herzempfängersystem und die Herzkammer mit einem Anschlußstutzen zum Anschluß an das arterielle Herzempfängersystem versehen. Durch Verschwenken der schwenkbar gelagerten Druckplatte mittels des Exzenternockens wird jeweils nur der die Herzkammer bildende Teil des flexiblen Balges mechanisch vergrößert und verkleinert, so daß ein Pumpeffekt im Bereich der Herzkammer auftritt. Abgesehen von der räumlichen Trennung zwischen dem eigentlichen Herzgehäuse und dem Antriebsaggregat ist bei dem bekannten künstlichen Herz auch das Antriebsübertragungssystem innerhalb des Herzgehäuses mittels des Exzenternockens und der schwenkbaren Druckplatte aufwendig und störanfällig.In a known from US-PS 30 97 366 artificial heart is an outside of the body of the Heart receiver attached, battery-powered motor with gear and one through an artificial opening in the inside of the body guided shaft provided, which is used to drive an eccentric cam, which is within the artificial heart housing for pivoting a pressure plate is used, which is on an elastic bellows acts, which is divided into an atrium and a heart chamber. The forecourt is with a connecting piece for connection to the venous heart receiver system and the heart chamber with a connecting piece for Provide connection to the arterial heart receiving system. By pivoting the pivotably mounted Pressure plate by means of the eccentric cam is only the part of the heart that forms the heart chamber flexible bellows mechanically enlarged and reduced, so that a pumping effect in the area of the heart chamber occurs. Apart from the spatial separation between the actual heart casing and the In the known artificial heart, the drive unit is also the drive transmission system within of the heart housing by means of the eccentric cam and the pivoting pressure plate is complex and prone to failure.
Bei einem in der US-PS 35 68 214 beschriebenen künstlichen Herzen ist es bekannt, eine mit Blut verträgliche, ungiftige Hydraulik-Flüssigkeit und ein von einer Steuerelektronik aktivierbares, eine zyklische magnetische Polarisation erfahrendes Pumpsystem zu verwenden. Weiterhin ist es aus dieser Druckschrift bekannt, die Räume des Vorhofs und der Herzkammer jeweils oberhalb eines Membransacks anzuordnen. Das genannte Pumpsystem umfaßt eine elektromagnetische Pumpe, die mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, wie beispielsweise Quecksilber, zusammenwirkt. Die Verwendung einer elektrisch leitenden Flüssigkeit in Form von Quecksilber stellt jedoch für den Fall einer Beschädigung des die elektrisch leitende Flüssigkeit aufnehmenden Behälters ein nicht tolerierbares Sicherheitsrisiko dar.In an artificial heart described in US Pat. No. 3,568,214, it is known to have one with blood Compatible, non-toxic hydraulic fluid and a cyclic one that can be activated by control electronics use a pump system that experiences magnetic polarization. It is also from this publication known to arrange the spaces of the atrium and the heart chamber each above a membrane bag. The called pumping system comprises an electromagnetic pump, which with an electrically conductive liquid, such as mercury, interacts. The use of an electrically conductive liquid in However, the form of mercury provides in the event of damage to the electrically conductive liquid receiving container represents an intolerable safety risk.
Bei einer aus der US-PS 30 48 165 bekannten Pumpe für ein künstliches Herz sind fünf Antriebsaggregate, die jeweils einen magnetisierbaren Kolben, eine den Kolben umgebende Erregerwicklung und eine mit einem Ritzel zusammenwirkende, an dem Kolben befestigte Zahnstange umfassen, sternförmig um ein Sonnenrad angeordnet. Bei Beaufschlagung der Erregerspuien mit Strom werden die einzelnen Kolben gegen die Kraft einer Rückstellfeder in Richtung auf den MittelDunkt der sternförmigen Anordnung nach innen gezogen, wobei von den einzelnen Kolben Membranen, die das Pumpengehäuse abdichtend nach außen abschließen, nach innen gezogen werden, wodurch das Innenvolumen des Gehäuses verkleinert wird. Innerhalb des Pumpengehäuses sind zwei Membransäcke angeordnet, die bei dem Einwärtshub der Kolben durch eine innerhalb des Pumpengehäuses angeordnete Hydraulik-Flüssigkeit zusammengedrückt werden, wodurch eine weitere sich innerhalb der Membransäcke befindliche Hydraulik-Flüssigkeit aus den Membransäkken herausgefördert wird. Wenn die Erregerspulen stromlos gemacht werden, werden die Kolben von den Rückstellfedern wieder nach außen gezogen, wodurch auch die das Pumpengehäuse nach außen hin abschließenden Membranen nach außen bewegt werden, so daß sich das Innenvolumen innerhalb des Pumpengehauses vergrößert und auf die beiden Membransäcke ein Saugeffekt ausgeübt wird, der die beiden Metnbransakke expandiert, so daß die zweite Hydraulik-Flüssigkeit wieder in die Meinbransäcke eingesaugt wird. Die beiden Membransäcke können über Rückschlagventile aufnehmende Leitungen an ein künstliches Herz angeschlossen werden, wobei die mittels der beiden Membransäcke bewegte zweite Hydraulik-Flüssigkeit als Pumpflüssigkeit für den Betrieb des künstlichen Herzens dient.In a known from US-PS 30 48 165 pump for an artificial heart are five drive units that one magnetizable piston, one excitation winding surrounding the piston and one with a pinion co-operating, on the piston attached rack comprise, star-shaped around a Arranged sun gear. When current is applied to the excitation spool, the individual pistons become against the force of a return spring in the direction of the center point of the star-shaped arrangement inwards pulled, with diaphragms of the individual pistons that seal the pump housing to the outside be pulled inwards, reducing the internal volume of the housing. Inside Two membrane bags are arranged on the pump housing, which through the inward stroke of the piston a arranged within the pump housing hydraulic fluid are compressed, whereby another hydraulic fluid from the membrane bags located inside the membrane bags is promoted. When the excitation coils are de-energized, the pistons are removed from the Return springs are pulled outwards again, which also closes off the pump housing from the outside Diaphragms are moved outwards, so that the internal volume within the pump housing enlarged and a suction effect is exerted on the two membrane sacs, which the two Metnbransakke expands so that the second hydraulic fluid is sucked back into the Meinbran sacks. the Both membrane bags can be connected to an artificial heart via non-return valves are connected, the second hydraulic fluid moved by means of the two membrane bags serves as a pump fluid for the operation of the artificial heart.
Auch diese bekannte Pumpe für ein künstliches Herz setzt sich aus einer Vielzahl von beweglichen Einzelteilen, wie mehrere Kolben, Zahnstangen, Zahnritzel, Sonnenrad u.dgl., zusammen, so daß auf Grund der vielen möglichen Störquellen der Unsicherheitsfaktor während des Betriebes außerordentlich hoch ist. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß zwei Hydrauliksysteme mit der entsprechenden Vielzahl von Membranen bzw. Membransäcken benötigt werden, abgesehen davon, daß diese US-PS 30 48 865 keine näheren Angaben bezüglich der Gestaltung des künstlichen Herzens selbst enthält.This well-known pump for an artificial heart also consists of a large number of moving parts, such as several pistons, racks, pinions, sun gear and the like., Together, so that due to the many possible sources of interference, the uncertainty factor during operation is extremely high. A Another disadvantage of this arrangement is that two hydraulic systems with the corresponding plurality of membranes or membrane bags are required, apart from the fact that this US-PS 30 48 865 does not contain any details regarding the design of the artificial heart itself.
Eine Zusammenfassung der bisherigen Kunstherzforschung und -entwicklung wurde vom kanadischen Department of Surgery und dem Surgical-Medical Research Institut der Universität Alberta in Edmontc Kanada, herausgegeben und am 4. September 1971 im »Canadian Medical Association Journal« unter dem Titel »Experiences with a Sac-type Artificial Heart« veröffentlicht.A summary of previous artificial heart research and development has been given by the Canadian Department of Surgery and the Surgical-Medical Research Institute of the University of Alberta in Edmontc Canada, published September 4, 1971 in the Canadian Medical Association Journal under the Title "Experiences with a Sac-type Artificial Heart" published.
Dort werden folgende Forderungen an die Arbeitsweise eines Kunstherzens gestellt:There the following demands are made on the way an artificial heart works:
Das Kunstherz soll die Funktion des natürlichen Herzens möglichst getreu nachahmen und dabei zu hohe oder zu niedrige arterielle Drücke vermeiden, die zu Lungenödem, ungenügendem Venenblutrückfluß und Luftembolien führen können.The artificial heart should imitate the function of the natural heart as faithfully as possible and thereby increase Avoid high or low arterial pressures, which can lead to pulmonary edema, insufficient venous blood return and Air embolism.
Ferner sollen folgende Punkte bei einer Kunstherzkonstruktion erfüllt sein:Furthermore, the following points should be met with an artificial heart construction:
1. zwei separate gleiche Herzhälften, die linke und die rechte Herzhälfte;1. two separate identical halves of the heart, the left and right halves of the heart;
2. Pumpleistung 5 bis 10 Liter pro Minute je Herzhälfte;2. Pump output 5 to 10 liters per minute per half of the heart;
3. Bereich des arteriellen Aortendruckes 120 bi: 180 mm Hg; Bereich des arteriellen Pulmonaldruk kes 20 bis 80 mm Hg;3. Area of arterial aortic pressure 120 bi: 180 mm Hg; Area of pulmonary arterial pressure kes 20 to 80 mm Hg;
4. Abmessungen derart, daß ein einfaches chirurgi sches hinsetzen möglich ist;4. Dimensions such that a simple chirurgi cal sit down is possible;
5. geringes Gewicht;5. light weight;
6. ein Minimum an Geräusch und Vibration;6. a minimum of noise and vibration;
7. Wärmeabgabe weniger als 25 Watt;7. Heat dissipation less than 25 watts;
8. minimale Erythrocytenhämolyse;8. minimal erythrocyte hemolysis;
9. inertes Verhalten zu den im Körper enthaltenden chemischen Stoffen.9. Inert behavior to the chemical substances contained in the body.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein betriebssicheres, lange haltbares künstliches Herz zu schaffen, das die vorstehenden Forderungen weitgehend erfüllt und gegenüber den bekannten oben beschriebenen künstlichen Herzen weniger raumaufwendig und störanfällig ist, indem die Zahl der mechanisch bewegten und unbewegten Elemente auf ein Minimumbeschränkt ist.The invention is based on the object of providing an operationally reliable, long-lasting artificial heart create that largely meets the above requirements and compared to the known above described artificial heart is less space-consuming and prone to failure by the number of mechanically moving and still elements is limited to a minimum.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Herz erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Vorhof und die Herzkammer durch eine vertikale, auf dem horizontalen Oberteil des Pumpengehäuses befestigte Scheidewand voneinander getrennt sind, daß die Membransäcke ringförmig an der Wand des Herzgehäuses und der Scheidewand befestigt sind, daß in dem oberen Teil der Scheidewand eine Öffnung für das zwischen den beiden oberhalb der Membransäckc liegenden Räumen des Vorhofes und der Herzkammer angebrachte Rückschlagventil vorgesehen ist, daß die Hydraulik-Flüssigkeit mit Blut verträglich und ungiftig ist und daß der Kolben zwischen zwei als Brückenmagneten ausgebildeten Dauermagneten, die sich mit den Flächen ihrer ungleichnamigen Pole mit Abstand gegenüberliegen, hin- und herbewegbar und von einer stationären Erregerwicklung umgeben ist, die durch eine in einem Raum unterhalb des Pumpengehäuses angeordnete Steucrelektronik aktivierbar ist und den Kolben zyklisch magnetisch polarisiert.To solve this problem, the initially mentioned heart is characterized according to the invention in that the atrium and the ventricle by a vertical, on the horizontal upper part of the pump housing attached septum are separated from each other, that the membrane bags are annular on the wall of the Heart casing and the septum are attached that in the upper part of the septum an opening for that between the two spaces of the atrium and the heart chamber lying above the membrane bag Attached check valve is provided that the hydraulic fluid is compatible with blood and non-toxic is and that the piston between two permanent magnets designed as bridge magnets, which are with the Faces of their opposite poles are opposite at a distance, can be moved back and forth and of one stationary excitation winding is surrounded by a in a space below the pump housing arranged control electronics can be activated and the piston is magnetically polarized cyclically.
Der wesentliche Vorteil eines derartigen Herzens ist in seiner kompakten Bauweise und dem praktisch nur ein einziges bewegliches Teil, nämlich den ferromagnetischen Kolben, aufweisenden Antriebs- und Pumpenaggregats zu sehen, das in direkter Verbindung mit den Vorhöfen und Hauptkammern steht, so daß Verbindungsleitungen innerhalb des künstlichen Herzens praktisch fortfallen.The main advantage of such a heart is in its compact design and that practically only a single moving part, namely the ferromagnetic one Piston, having drive and pump assembly to see that in direct connection with the Atria and main ventricles stands so that connecting lines within the artificial heart practically disappear.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird in abgewandelter Ausführungsform bei einem künstlichen Herzen mit zwei Herzhälften, von denen jede eine durch einen flexiblen Membransack in zwei gegeneinander abgedichtete Räume aufgeteilte Kammer umfaßt, mit durch Rückschlagventile verschließbaren Anschlußstutzen zum Anschluß der auf der einen Seite der Membransäckc liegenden beiden Räume an das venöse bzw. das arterielle System des Herzempfängers und mit einem Pumpengehäuse, dessen beide durch einen angetriebenen ferromagnetischen Kolben voneinander getrennte, Hydraulik-Flüssigkeit enthaltende Pumpenräume jeweils einzeln an die auf der anderen Seite der Membransäckc liegenden Räume der beiden Kammern angeschlossen sind, wobei die beiden Herzhälften zusammen mit dem Pumpengehäuse in einem gemeinsamen Herzgehäuse untergebracht sind, dadurch gelöst, daß die beiden Herzhälften durch eine vertikale, auf dem horizontalen Oberteil des Pumpengehäuses befestigte Scheidewand voneinander getrennt sind, daß die Membransäcke ringförmig an der Wand des Hcrzgehäuses und der Scheidewand befestigt sind, daß jede Kammer der beiden Herzhälften jeweils einen zweiten Ansehlußsiulzen zum Anschluß jeder der beiden Kammern zusätzlich an das venöse bzw. an das arterielle llcr/empfängersystem aufweist, daß die Hydraulik-Flüssigkeit mit I)IiM verträglich und ungiftig ist und daß der Kolben /wischen zwei als Brückenmagneien ausgebildeten Dauermagneten, die sich mil ilen Iliic'liiMi ihrer tiML'k'irhnamitK'M Pule mil Abstand gegenüberliegen, hin- und herbewegbar und von einer stationären Erregerwicklung umgeben ist, die durch eine in einem Raum unterhalb des Pumpengehäuses angeordnete Steuerelektronik aktivierbar ist und den Kolben zyklisch magnetisch polarisiert.The object on which the invention is based is achieved in a modified embodiment in the case of an artificial one Hearts with two halves of the heart, each one of which is separated from each other by a flexible membrane sac Sealed spaces divided chamber includes, with closable by non-return valves connecting pieces to connect the two spaces on one side of the membrane bag to the venous or the arterial system of the heart recipient and with a pump housing, both of which by a driven ferromagnetic piston from each other, hydraulic fluid containing pump chambers each individually to the spaces of the two chambers lying on the other side of the membrane bag are connected, the two halves of the heart together with the pump housing in a common Heart housing are housed, solved in that the two halves of the heart by a vertical, on the horizontal upper part of the pump housing attached septum are separated from each other that the Membrane bags are attached in a ring to the wall of the heart housing and the septum that each Chamber of the two halves of the heart each have a second connector for connecting each of the two Chambers additionally to the venous or to the arterial llcr / receiver system that the Hydraulic fluid compatible with I) IiM and non-toxic is and that the piston / wipe two as bridge magnesia formed permanent magnets, which are mil ile Iliic'liiMi their tiML'k'irhnamitK'M Pule mil distance opposite, reciprocable and surrounded by a stationary excitation winding, which is through a control electronics arranged in a space below the pump housing can be activated and the Piston cyclically magnetically polarized.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 8 angegeben.Advantageous further developments of the invention are specified in claims 3 to 8.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigtThe invention is described in more detail with reference to the drawings. It shows
Fig. 1 eine schematischc Darstellung der Vorderansicht der linken Herzhälfte bei der Füllung des linken Vorhofes (Atrium) und der Entleerung der linken Herzkammer (Ventrikel) in die Aorta,Fig. 1 is a schematic representation of the front view the left half of the heart when filling the left atrium and emptying the left Heart chamber (ventricle) into the aorta,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorderansicht der linken Herzhälfte bei der Umfüllung des linken Vorhofes (Atrium) in die linke Herzkammer (Ventrikel),Fig. 2 is a schematic representation of the front view the left half of the heart when the left atrium is filled into the left ventricle,
Fig. 3 eine von oben gesehene schematische Darstellung des gesamten, aus linker und rechter Herzhälftc bestehenden Kunstherzen,3 shows a schematic representation of the whole, seen from above, from the left and right Half of existing artificial hearts,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Vorderansicht eines magnetischen Klappenventils undFig. 4 is a schematic representation of the front view a magnetic flap valve and
Fi g. 5 eine schematischc Darstellung der Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform des künstlichen Herzens.Fi g. 5 is a schematic representation of the front view another embodiment of the artificial heart.
Das künstliche Herz ist aus zwei im wesentlichen identischen Herzhälften gebildet, von denen nachstehend die linke Herzhälfie beschrieben wird:The artificial heart is made up of two substantially identical halves of the heart, of which are shown below the left hemisphere is described:
Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, besteht das künstliche Herz aus einem Herzgehäuse 17, das mit zwei Anschlußstutzen 18.7, 19a sowie den darin befindlichen Klappenventilen 18, 19 zur Verbindung mit der Pulmonalvcne und der Aorta versehen ist. Bei Verwendung eines elastischen Kunststoffs zur Herstellung des Vorhofgehäuses oder der Verwendung der natürlichen Vorhöfe des Trägers entfällt das Klappenventil. Das Herzgehäuse besteht aus einem gewebe- und blutverträglichen Kunststoff oder einem ebensolchen Metall; wichtig ist, daß das gewählte Material keine Immunreaktionen oder Antikörperbildung auslöst, die eine Hämolyse zur Folge haben. Eine Umwachsung mit Bindegewebe ist dagegen für die Funktion des künstlichen Herzens ohne Nachteil.As can be seen from FIGS. 1 and 2, the artificial heart consists of a heart housing 17, which has two Connection pieces 18.7, 19a and those located therein Flap valves 18, 19 are provided for connection to the pulmonary vein and the aorta. at Use of an elastic plastic for the production of the atrial housing or the use of the natural atria of the wearer eliminates the flap valve. The heart casing consists of a tissue and blood compatible plastic or metal; What is important is that the material chosen does not have any Triggers immune reactions or the formation of antibodies that result in hemolysis. A growth with Connective tissue, on the other hand, has no disadvantage for the function of the artificial heart.
Das Herzgehäuse wird durch eine vertikale Scheidewand 3, die sich auf dem horizontalen Oberteil eines Pumpengehäuses 8 abstützt, in zwei Hohlräume unterteilt, von denen der linke Hohlraum 4 den linken Herzvorhof (Atrium) und der rechte Hohlraum 4;i die linke Herzkammer (Ventrikel) bildet. Im oberen Teil enthält die Scheidewand 3 eine geräumige öffnung, durch die der Vorhof und die Herzkammer miteinander in Verbindung stehen und die durch ein Atrioventrikularklappenvcntil 2 (Mitralklappc) verschlossen werden kann. In der Scheidewand 3 ist ein freier Raum 6 ausgespart, in dem z. B. ein Schrittmacher-Sensor untergebracht werden kann. Sowohl der Herzvorhof 4 als auch die Herzkammer 4n enthalten jeweils eine flexible Membran (Mcn\bransack) 1, die an der Herzgehäusewand 17 und der Seheidewand 3 ringförmig in horizontaler Ebene befestigt ist. Durch die Membran werden der Vorhof und die Herzkammer dicht gegen den darunter befindlichen Teil des Herzgehäuses abgeschlossen. Größe und Befestigung der Membranen sind so gewählt, daß die Membranen bei der Ausbauchung nach oben nahezu die obere Wand des llerzgehäuses 17 und bei der Ausbauchung nach unten nahezu den horizontalen Oberteil des Pumpengehäuses 8 erreichen. Die Membranen berühren jedoch das I ler/gi'hiiuse bzw. das Piimpengehäiisi· nichl, weil eineThe heart casing is divided into two cavities by a vertical partition 3, which is supported on the horizontal upper part of a pump housing 8, of which the left cavity 4 is the left atrium and the right cavity 4; i the left heart chamber (ventricle). forms. In the upper part, the septum 3 contains a spacious opening through which the atrium and the heart chamber are connected to one another and which can be closed by an atrioventricular valve valve 2 (mitral valve). In the partition 3, a free space 6 is recessed, in which z. B. a pacemaker sensor can be accommodated. Both the atrium 4 and the ventricle 4n each contain a flexible membrane (Mcn \ bransack) 1, which is attached to the heart housing wall 17 and the diaphragm 3 in a ring in a horizontal plane. The membrane closes off the atrium and the heart chamber tightly against the part of the heart housing located below. The size and fastening of the diaphragms are chosen so that the diaphragms almost reach the upper wall of the ore housing 17 when they bulge upwards and almost the horizontal upper part of the pump housing 8 when they bulge downwards. However, the membranes touch the ler / gi'hiiuse or the Piimpengehäiisi · nichl because one
solche Berührung zur Thrombusbildung oder Hämolyse führen könnte.such contact could result in thrombus formation or hemolysis.
Im unteren Teil des Herzgehäuses 17 ist ein Pumpengehäuse 8 angeordnet, das aus einem Material besteht, das eine magnetische Abschirmung der in dem Pumpengehäuse befindlichen Bauteile gewährleistet. Als Material kommt z. B. mit Kunststoff überzogenes Stahlblech in Frage. In dem Pumpengehäuse 8 sind mit Abstand voneinander zwei Dauermagnete 13 in Form von Brückenmagneten untergebracht, die sich mit den Flächen der ungleichnamigen Pole gegenüberliegen, so daß ein ringförmiger, geschlossener Magnetfluß erzielt wird. Zwischen den Magneten 13 ist ein Pumpenkolben 11 aus ferromagnetisehem Material vorgesehen, der sich mit Kugellagern 14 auf Gleitsläben 15 bewegen kann und der am Oberteil und Boden des Pumpengehäuses 8 dichtend anliegt. Zwischen den Dauermagneten 13 ist eine Erregerwicklung 12 stationär so angeordnet, daß sie den Pumpenkolben 11 ringförmig umschließt. Die Erregerwicklung 12 ist durch Leiter (nicht eingezeich- *o net) mit einer Steuerelektronik (nicht eingezeichnet) verbunden, die in dem Raum 16 des Herzgehäuses untergebracht ist, der von dem Herzgehäuse 17 und dem Pumpengehäuse 8 begrenzt wird.In the lower part of the heart housing 17, a pump housing 8 is arranged, which is made of a material exists, which ensures a magnetic shielding of the components located in the pump housing. As a material z. B. plastic coated sheet steel in question. In the pump housing 8 are with Distance from each other two permanent magnets 13 housed in the form of bridge magnets that deal with the Opposite faces of the opposite poles, so that an annular, closed magnetic flux is achieved will. Between the magnets 13 a pump piston 11 made of ferromagnetic material is provided, which can move with ball bearings 14 on sliding blocks 15 and on the top and bottom of the pump housing 8 fits tightly. Between the permanent magnets 13, an excitation winding 12 is arranged in a stationary manner so that it surrounds the pump piston 11 in a ring shape. The excitation winding 12 is through conductors (not shown- * o net) connected to control electronics (not shown), which are located in space 16 of the heart housing which is delimited by the heart housing 17 and the pump housing 8.
Um ein mögliches Anschlagen des Pumpenkolbens 11 »5 an die Magneten 13 sicher zu verhindern, wird die Bewegung des Pumpenkolbens 11 durch eine rechtzeitige magnetische Umpolung des Pumpenkolbens 11 im Kraftfeld der Dauermagnete abgebremst und ohne Anschlag in die entgegengesetzte Richtung umgekehrt; zusätzlich wird der Pumpenkolben durch Stoßdämpferfedern 10 begrenzt, die an den Magneten 13 angebracht sind und die Gleitstäbe 15 umgeben.To prevent the pump piston 11 »5 to prevent the magnet 13 safely, the movement of the pump piston 11 by a timely Magnetic polarity reversal of the pump piston 11 braked in the force field of the permanent magnets and without Reversed stop in the opposite direction; In addition, the pump piston is supported by shock absorber springs 10, which are attached to the magnets 13 and surround the slide bars 15.
Die Dauermagnete 13 bestehen z. B. aus einer Cobalt-Seltene-Erdmetall-Legierung, beispielsweise einer Cobalt-Samarium-Legierung. Diese Legierungen enthalten als Hauptbestandteil intermetallische Verbindungen vom Typ RC05, worin R ein seltenes Erdmetall ist.The permanent magnets 13 consist, for. B. from a cobalt rare earth alloy, for example a cobalt-samarium alloy. These alloys contain intermetallic compounds as their main constituent of type RC05, where R is a rare earth metal.
Das Pumpengehäuse 8 und der Raum zwischen der oberen Trennwand des Raumes 16 und den Membranen 1 ist mit einer Hydraulik-Flüssigkeit gefüllt, die in den Fig. 1 und 2 durch Punkte angedeutet ist. Diese Hydraulik-Flüssigkeit soll mit Blut verträglich und auch allgemein ungiftig sein, damit im Fall eines Risses der Membranen keine akute Lebensgefahr eintritt.The pump housing 8 and the space between the upper partition of the space 16 and the membranes 1 is filled with a hydraulic fluid, which is indicated in FIGS. 1 and 2 by dots. This Hydraulic fluid should be compatible with blood and also generally non-toxic, so in the event of a rupture Membranes no acute danger to life occurs.
Die rechte Herzhälfie ist mit der linken Herzhälfte grundsätzlich identisch und braucht daher nicht näher beschrieben zu werden. Der bei der linken Herzhälfte zum Anschluß der Pulmonalvene dienende Stutzen wird bei der rechten Herzhälfte mit der größeren oberen und unteren Hohlvene, der dem Aortenstutzen entsprechende Stutzen mit der Pulmonalarterie verbunden.The right half of the heart is basically identical to the left half of the heart and therefore does not need any further details to be described. The connecting piece for the pulmonary vein in the left half of the heart is in the right half of the heart with the larger upper and lower vena cava, the one corresponding to the aortic tube Port connected to the pulmonary artery.
Fi g. 3 zeigt den Aufbau des gesamten Kunstherzens von oben. Eine aus den zwei Gehäusen 17 zu einem Stück fest verbundene Trennwand 17,/ (Septum) scheidet beide Herzhälften.Fi g. 3 shows the structure of the entire artificial heart from above. A partition wall 17, / (septum) firmly connected to one piece from the two housings 17 separates both halves of the heart.
Das künstliche Her/, arbeitet wie folgt: Wenn der Stromkreis der Erregerwicklung 12 geschlossen wird, bewirkt das Magnetfeld der Erregerwicklung 12 eine magnetische Polarisierung des beweglichen ferromagnetischen Pumpenkolben 11. Dies hat zur Folge, daß der Pumpenkolben 11 von dem Dauermagneten IJ angezogen wird, dessen Pole zu den Polen dos magnetischen Pumpenkolben* It ungleichartig sind. Wird beispielsweise der Pumpenkolben 11 so polarisiert, daö in F i g. 1 sein Nordpol sich am oberen Ende befindet, so wird der Pumpenkolben 1 i von dem rechten Dauermagneten 13, dessen Südpol sich am oberen Ende befindet, angezogen und von dem gegenüberliegenden Dauermagneten 13, dessen Nordpol sich am oberen Ende befindet, abgestoßen. Um die Magnetisierung des Pumpenkolbens 11 und damit den Pumpvorgang zu bewirken, braucht die Erregerwicklung 12 nur von einem kurzen Stromstoß durchflossen zu werden, wobei die elektrische Spannung verhältnismäßig gering sein kann. Wird der Stromfluß in der Erregerwicklung 12 umgekehrt, so wird der Pumpenkolben magnetisch umgepolt; aus einem Nordpol wird ein Südpol und umgekehrt. Infolgedessen wird nun der Pumpenkolben 11 von dem Dauermagneten 13, der ihn bisher anzog, abgestoßen und von dem gegenüberliegenden Dauermagneten 13 angezogen, so daß sich daraus ein Pumpvorgang ergibt.The artificial Her /, works as follows: If the Circuit of the excitation winding 12 is closed, the magnetic field of the excitation winding 12 causes a magnetic polarization of the movable ferromagnetic pump piston 11. This has the consequence that the pump piston 11 is attracted by the permanent magnet IJ, the poles of which to the poles dos magnetic pump plunger * It are dissimilar. For example, if the pump piston 11 is polarized so that daö in Fig. 1 its north pole is at the top is located, the pump piston 1 i is from the right Permanent magnet 13, the south pole of which is at the upper end, attracted and from the opposite one Permanent magnet 13, the north pole of which is at the upper end, repelled. To the magnetization of the To effect the pump piston 11 and thus the pumping process, the excitation winding 12 only needs from a short current surge to be flowed through, the electrical voltage being relatively low can. If the current flow in the field winding 12 is reversed, the pump piston becomes magnetic reversed; a north pole becomes a south pole and vice versa. As a result, the pump piston is now 11 repelled by the permanent magnet 13, which previously attracted it, and by the opposite permanent magnet 13 tightened, so that there is a pumping process.
Bei jeder Pumpbewegung des Kolbens 11 wird durch die Hydraulik-Flüssigkeit auf eine der Membranen 1 ein positiver und auf die andere Membran ein negativer Druck ausgeübt. Bewegt sich beispielsweise, wie in Fig. 1 dargestellt,der Pumpenkolben 11 von links r\ach rechts, so wird die Hydraulik-Flüssigkeit unter die Membran der Herzkammer 4a gedruckt, die dadurch nach oben ausgebaucht wird und das in der Herzkammer befindliche Blut in die Aorta drückt. Zugleich entsteht an der Membran des Herzvorhofs 4 ein Unterdruck, durch den die Membran in ihre untere Lage gezogen wird und Blut aus der Pulmonalvene in den Herzvorhof fließen kann. Das Atrioventrikulatorklappenventil 2 in der Scheidewand 3 ist durch den auf ihm lastenden Druck geschlossen, so daß kein Blut aus dem sich füllenden Herzvorhof in die Herzkammer oder aus der sich entleerenden Herzkammer in den Vorhof strömen kann. Dieser Vorgang entspricht der Systole beim natürlichen Herzen. Bewegt sich der Pumpenkolben 11 dagegen von rechts nach links, so wird, wie in Fig.2 dargestellt, die Membran des Herzvorhofs4 durch die Hydraulik-Flüssigkeit unter Druck gesetzt und ausgebaucht, so daß das Blut im Vorhof das Atrioventrikularklappenventil 2 in der Scheidewand 3 öffnet und durch die Öffnung in der Scheidewand in die Herzkammer Aa strömt (Diastole). Ein erhöhter Rückfluß des Vorhofbluts in die Pulmonalvene wird durch das nur bedingt benötigte Klappenventil 18 im Pulmonalanschlußstutzen verhindert. Ein Weiterfließen des Blutes aus der Herzkammer 4a in die Aorta wird durch das im Aortenanschlußstutzen befindliche Aortenklappenventil 19 (Semilunarklappe) verhindert, das erst öffnet, wenn der Druck in der Herzkammer 4« einen bestimmten Wert überschreitet, der beim Füllvorgang der Herzkammer nicht erreicht wird. Das Aortenklappenvcntil 19 wird zunächst durch den auf ihm lastenden arteriellen Druck geschlossen gehalten; daneben ist noch eine magnetische Sicherung eingebaut, die im folgenden beschrieben wird.With each pumping movement of the piston 11, the hydraulic fluid exerts a positive pressure on one of the membranes 1 and a negative pressure on the other membrane. If, for example, as shown in FIG. 1, the pump piston 11 moves from the left to the right, the hydraulic fluid is pressed under the membrane of the heart chamber 4a, which is then bulged upwards and the blood in the heart chamber into the Aorta presses. At the same time, a negative pressure arises on the membrane of the atrium 4, by means of which the membrane is drawn into its lower position and blood can flow from the pulmonary vein into the atrium. The atrioventricular valve 2 in the septum 3 is closed by the pressure on it, so that no blood can flow from the filling auricle into the heart chamber or from the emptying heart chamber into the atrium. This process corresponds to the systole in the natural heart. If, on the other hand, the pump piston 11 moves from right to left, the diaphragm of the atrium 4 is pressurized and bulged by the hydraulic fluid, as shown in FIG and flows through the opening in the septum into the heart chamber Aa (diastole). An increased backflow of the atrial blood into the pulmonary vein is prevented by the flap valve 18 in the pulmonary connection piece, which is only required to a limited extent. The aortic valve 19 (semilunar valve) located in the aortic connection piece prevents the blood from flowing further from the heart chamber 4a into the aorta. The aortic valve valve 19 is initially kept closed by the arterial pressure on it; In addition, a magnetic fuse is installed, which is described below.
Fig. 3 zeigt in einer Ansicht von oben die zwei separaten Herzpumpen beim gegenläufigen Pumpvorgang. Die Magnetpumpe der linken Herzhälfte ist mil der Magnetpumpe der rechten Herzhälfte elektrisch se in Serie geschaltet, daß immer ein gcgenläufigei Pumpvorgang gewährleistet ist und damit cventuel auftretende Drehmomente und andere Kräfte gegensei tig aufgehoben werden.3 shows, in a view from above, the two separate heart pumps during the pumping process in opposite directions. The magnetic pump of the left half of the heart is electric with the magnetic pump of the right half of the heart connected in series so that a reciprocal pumping process is always guaranteed and thus cventuel occurring torques and other forces are mutually canceled.
Fig. 4 zeigt ein die natürlichen Herzklappen crsct zcndes Klappcnrückschlagvcntil. Zwei Vcntilklappen 2; :uis einem blutverträglichen Material sind auf Drehbol /cn 22 so angebracht, dall sie sich nur in eine Richtun] drehen können. Dies wird dadurch erreicht, daß eiFig. 4 shows the natural heart valves crsct igniting flap check valve. Two valve flaps 2; : uis a blood-compatible material are attached to the pivot pin 22 in such a way that they are only in one direction can turn. This is achieved in that ei
709 637/2·)709 637/2)
1010
Anschlagmagnet 20 mit einer Stoßdämpferfeder 25 eine Weiterdrehung entgegen der Fließrichtung des zu pumpenden Mediums verhindert. Erhöht sich der Druck in Fließrichtung auf eine durch die magnetische Anziehungskraft des in den Ventilklappen 23 jeweils fest eingebauten Klappenmagneten 26 bestimmte Höhe, so öffnen sich die Ventilklappen 23 bis zu einer Weite, die durch einen weiteren Anschlag 21 begrenzt wird. Wenn der Druck in Fließrichtung abnimmt oder seine Richtung sich umkehrt, tritt durch die magnetische Abstoßung zwischen Klappenmagnet 26 und dem gleichpoligen Anschlagmagneten 21 sowie ebenfalls durch die magnetische Anziehungskraft zwischen Klappenmagnet 26 und Anschlagmagnet 20 ein sofortiges Schließen der Ventilklappen 23 ein.Stop magnet 20 with a shock absorber spring 25 a further rotation counter to the direction of flow of the pumping medium prevented. The pressure in the direction of flow increases to one due to the magnetic Attraction force of the flap magnet 26 fixedly built into the valve flaps 23 at a certain height, the valve flaps 23 open up to a width which is limited by a further stop 21. When the pressure in the direction of flow decreases or its direction reverses, the magnetic passes through Repulsion between the flap magnet 26 and the homopolar stop magnet 21 and also by the magnetic force of attraction between flap magnet 26 and stop magnet 20 immediate closing of the valve flaps 23.
Um ein Eindringen des zu pumpenden Mediums in das Ventilgehäuse 27 zu verhindern, werden die Ventilklappen 23 und die anliegende Gehäusewand 27 äußerlich mit einer elastischen Kunststoffhaut 24 überzogen.In order to prevent the medium to be pumped from penetrating into the valve housing 27, the Valve flaps 23 and the adjacent housing wall 27 with an elastic plastic skin 24 on the outside overdrawn.
Fig.5 zeigt eine weitere Ausbildung des im Prinzip gleichen künstlichen Herzens, bei der eine einzige Magnetpumpe das komplette Herz, also beide Herzhälften versorgt. Jede Herzhälfte besteht im Gegensatz zum vorher beschriebenen Herzen nur aus einer einzigen Kammer, die abwechselnd Herzvorhof und Herzkammer ist. Diese Konstruktion bietet wichtige Vorteile, wie geringeres Gewicht, geringeres Volumen, geringerer Energieverbrauch, hat allerdings auch einen Nachteil. Im Gegensatz zur vorher beschriebenen Kunstherzkonstruktion, die die Pumpweise des natürlichen Herzens nachahmt, indem sie gleichzeitig Blut in den großen und kleinen Kreislauf pumpt, fördert diese Kunstherzkonstruktion das Blut abwechselnd einmal in den großen das nächste Mal in den kleinen Kreislauf.Fig.5 shows a further development of the principle same artificial heart, in which a single magnetic pump covers the entire heart, i.e. both halves of the heart provided. In contrast to the heart described above, each half of the heart consists of only one half Chamber, which is alternately auricle and ventricle. This construction offers important advantages such as lower weight, lower volume, lower energy consumption, however, also has a disadvantage. In contrast to the artificial heart construction described above, which uses the natural heart imitates this by pumping blood into the large and small circulation at the same time, encourages this artificial heart construction the blood alternately once in the large circulation the next time in the small circulation.
Eine weitere Möglichkeit für den Einsatz des künstlichen Herzens gemäß der Erfindung besteht darin, dem Empfänger des Herzens die Vorhöfe des natürlichen Herzens, wie bei Herztransplantationen üblich, zu belassen und lediglich die Herzkammern durch die Pumpvorrichtung mit den Membranen zu ersetzen. In diesem Fall könnten die im Sinusknoten des rechten Vorhofs erzeugten Reize der elektronischen Steuerungsvorrichtung des künstlichen Herzteils zugeleitet und zur zusätzlichen Regulierung des Pumpvorgangs herangezogen werden.Another possibility for the use of the artificial heart according to the invention consists in to the recipient of the heart, the atria of the natural heart, as in heart transplants usual to leave and only the heart chambers through the pumping device with the membranes substitute. In this case, the stimuli generated in the sinus node of the right atrium could be the electronic Control device of the artificial heart part supplied and for additional regulation of the pumping process can be used.
Für den Antrieb des künstlichen Herzens stehen folgende Möglichkeiten zur Verfügung:The following options are available to drive the artificial heart:
Von einer außerhalb des Herzempfängers befindlichen Induktionsspule wird ein den Körper des Trägers durchdringendes magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in der teilweise an der Oberfläche des Kunstherzens befindlichen Induktionsspule 7 einen elektrischen Strom induziert. Dieser elektrische Strom wird in dem für dieAn induction coil located outside the heart receiver becomes the wearer's body A penetrating alternating magnetic field is generated, which is partially on the surface of the artificial heart Induction coil 7 located induces an electric current. This electric current is used in the for the
ίο Antriebs- und Steuerungsvorrichtung vorgesehenen Raum 16, z. B. durch eine Gleichrichterdiodenschaltung, gleichgerichtet und in die Speicherzellen 9 für elektrische Ladung geleitet. Weiterhin kann in dem freien Raum 6 der Scheidewand 3 ein Schrittmacher-Sensor untergebracht werden, dessen Meßwerte an die Elektronik im Raum 16 weitergeleitet werden, die die Herzfrequenz und das Herzschlagvolumen regelt. In dieser Ausführung sind Antrieb und Regelung des künstlichen Herzens von dem regelmäßigen Nachladen der Speicherzellen abhängig. Die Speicherzellen 9 sowie die Induktionsspule 7 können natürlich auch andererorts im Körper des Trägers mit Verbindung zum Raum 16 eingepflanzt werden. Falls jedoch eine andere Energiequelle, z. B. eine mit dem Isotop Plutonium-238 betriebene Energiequelle, gewählt wird, entfallen die Speicherzellen und die Induktionsspule.ίο Drive and control device provided Room 16, e.g. B. by a rectifier diode circuit, rectified and passed into the storage cells 9 for electrical charge. Furthermore, in the free Space 6 of the septum 3 accommodates a pacemaker sensor, the measured values of which are sent to the Electronics in room 16, which regulate the heart rate and the heartbeat volume. In In this version, the artificial heart is driven and regulated by regular recharging the memory cells dependent. The memory cells 9 and the induction coil 7 can of course also be planted elsewhere in the body of the wearer with connection to space 16. But if another Energy source, e.g. B. an energy source operated with the isotope plutonium-238 is selected, the Storage cells and the induction coil.
Das Kunstherz ist so verläßlich konstruiert, daß eine schnelle Abnutzung oder gar eine Betriebsunterbrechung fast unmöglich sind. Selbst bei einem Riß einer der Membranen würde ein allmählicher Ersatz der blutverträglichen hydraulischen Flüssigkeit durch Blut eintreten, was aber den Träger nicht in eine akut bedrohliche Lage bringen würde. Das in den Pumpraum eingedrungene Blut würde zwar durch den Pumpvorgang mit der Zeit langsam geschädigt, doch bliebe mehr als genug Zeit für einen chirurgischen Eingriff und eine Instandsetzung oder Auswechslung der Membran.The artificial heart is constructed so reliably that it can wear out quickly or even interrupt its operation are almost impossible. Even if one of the membranes ruptured, the blood-compatible hydraulic fluid can enter through blood, but this does not turn the wearer into an acute one would bring threatening situation. The blood that has penetrated into the pumping chamber would indeed be caused by the pumping process slowly damaged over time, but there would be more than enough time for one surgical procedure and one Repair or replacement of the membrane.
Um einen etwaigen Membrananriß leichter diagnostizieren zu können, läßt sich der jeweiligen Hydraulik-Flüssigkeit ein Erkennungsfarbstoff beimengen, wie etwa grün für die eine und blau für die andere Herzhälfte. Der psychologische Schrecken eines Kunstherzversagens wäre mit dieser Konstruktion genommen. To more easily diagnose a possible cracked membrane to be able to add a recognition dye to the respective hydraulic fluid, such as about green for one and blue for the other half of the heart. The psychological horror of artificial heart failure would be taken with this construction.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (8)
Applications Claiming Priority (3)
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Publications (3)
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DE2337497B2 DE2337497B2 (en) | 1977-02-03 |
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Family
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