DE2342102A1 - Stroemungssteuerventil, vorzugsweise zur verwendung als kuenstliche herzklappe - Google Patents

Description

N. 213

Augsburg, den 20. August 1973

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London, S.W»1, England

Strömungssteuerventil, vorzugsweise zur Verwendung als künstliche Herzklappe

Die Erfindung betrifft ein Strömungssteuerventil, vorzugsweise zur Verwendung als künstliche Herzklappe, mit einem ringförmigen, einen Strömungsweg begrenzenden und den Ventilsitz bildenden Teil und mit einer innerhalb desselben drehbar angeordneten Ventilklappe.

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Gemäß der Erfindung ist ein solches Ventil dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe in der Draufsicht der Innenquerschnittsform des den Ventilsitz bildenden Teils entspricht, daß ferner die Drehachse die Ventilklappe in eine schmalere Hälfte und eine breitere Hälfte unterteilt und daß die Ventilklappe einen senkrecht zur Drehachse verlaufenden unsymmetrischen Tragflügelprofilquerschnitt aufweist, dessen Vorderkante an der schmaleren Klappenhälfte und dessen Hinterkante an der breiteren Klappenhälfte gelegen ist.

Normalerweise konvergiert das den Ventilsitz bildende Teil in axialer Richtung und die Ventilklappe weist in der Draufsicht eine im wesentlichen elliptische Form auf. Ferner ist der Tragflügelquerschnitt vorzugsweise so ausgebildet, daß sein Schwerpunkt in der Drehachse liegt. Eine derartige Form erfordert normalerweise eine konkave Klappengegenfläche des den Ventilsitz bildenden Teils.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beispielsweise beschrieben. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine

bevorzugte Ausführungsform des

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erfindungsgemäßen Ventils,

die Fig. 2a und 2b eine Draufsicht und eine Untersicht

der Ventilklappe des in Pig. I dargestellten Ventils zur Verdeutlichung der Herstellung der Ventilklappe,

die Fig. 3 und 4 jeweils eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 5 eine noch weitere Ausführungsform

einer Ventilklappe des erfindungsgemäßen Ventils.

Das in Fig. 1 dargestellte Ventil weist einen Rohrkörper 1 mit einem konischen Strömungskanal 2 auf, welcher eine Klappe 3 beherbergt. Die Klappe 3 liegt, wenn das Ventil gemäß Fig» 1 geschlossen ist, in einem im wesentlichen elliptischen Querschnitt des Strömungskanals 2. Die Klappe ist mit einem Tragflügelprofilquerschnitt versehen und aus einem Rohling hergestellt, der in Fig. 1 durch zwei parallele strichpunktierte Linien angedeutet ist. Die Klappe eines Prototyps des erfindungsgemäßen Ventils wurde durch spanab-

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hebende Bearbeitung eines solchen Rohlings an den in den Fig. 2a und 2b schattierten Flächenbereiche hergestellt. In Fig. 2a ist die Klappe dabei von der divergierenden Seite des Strömungskanals und in Fig. 2b von der konvergierenden Seite des Strömungskanals aus gesehen. Diese Formgebung kann selbstverständlich zur Folge haben, daß die Klappe einen nicht absolut elliptischen Umfang aufweist, jedoch kann die Klappe trotzdem eine abdichtende Stellung einnehmen, sofern ihr Umfang durch den Umfang des ursprünglichen Rohlings bestimmt ist.

Die Klappe 3 ist um eine Achse 4 drehbar im Strömungskanal befestigt, wobei die Achse 4 parallel zur kurzen Ellipsenachse der Klappe verläuft, jedoch zur konvergierenden Seite des Strömungskanals und zur Tragflügelprofilvorderkante der Klappe von dieser kurzen Ellipsenachse entfernt ist. Die Drehachse teilt also die Klappe in eine schmalere und eine breitere Hälfte. Während eine Drehbewegung einer solchen Klappe in die dargestellte Schließstellung und aus derselben heraus bei einem zylindrischen Strömungskanal nicht möglich wäre, ist eine solche Drehbewegung beim dargestellten konischen Strömungskanal wegen der konvergenten Form desselben und der relativen Stellung der Klappe zu demselben möglich.

Im folgenden soll die Funktionsweise des erfindungsgemäßen

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Ventils mit Bezug auf eine Strömungsmittelströmung durch den Strömungskanal 2 in Richtung des Pfeiles 5 mehr im einzelnen betrachtet werden.

Der Versatz der Drehachse 4 relativ zur kleinen Ellipsenachse der Klappe führt zu einem Strömungsmitteldruckunter schied, der auf die Klappe ein Drehmoment im Uhrzeigersinn ausübt und daher das Ventil öffnet, wobei diese Drehbewegung der Klappe 3 wegen der Tatsache möglich ist, daß die breitere Klappenhälfte unterhalb der Drehachse in den divergierenden Teil des Strömungskanals 2 hineinschwenken kann. Wenn das Ventil geöffnet ist und sich eine Strömung eingestellt hat, wird dieses Drehmoment, das ursprünglich durch den Strömungsmitteldruck entstanden ist, wegen der Sog- und Auftriebswirkung noch vergrößert. Der Auftrieb entsteht durch den Tragflügelprofilquerschnitt der Klappe, der eine solche Form aufweisen sollte, daß das Druckzentrum der dynamischen Strömungsmittelkräfte mit Bezug auf den Drehzapfen immer korrekt ausgerichtet ist, damit sichergestellt ist, daß die Auftriebskraft (die in Pig. 1 aufwärts gerichtet ist) die Ventilöffnung in jeder Winkelstellung der Klappe unterstützt. Infolgedessen kann die Klappe eine Stellung einnehmen, die parallel oder fast parallel zur Strömungsrichtung (in Pig. I also

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horizontal) verläuft, wobei der Tragflügelquerschnitt außerdem vorteilhaft ist, da er eine verhältnismäßig stromlinienförmige Strömung ermöglicht.

Wenn die Strömungsrichtung umgekehrt wird, so ergibt sich infolge des Tragflügelquerschnitts der Klappe eine entgegengesetzt gerichtete Auftriebskraft, deren Druckzentrum aber mit Bezug auf den Drehzapfen auf der gleichen Seite wie vorher liegt, so daß eine Drehung der Klappe im Gegenuhrzeigersinn erzeugt wird. Diese Drehung wird durch den Sog weiter unterstützt, wenn sich die Klappe weiter in ihre Schließstellung bewegt. Nachdem die Strömung durch das Schließen des Ventils unterbrochen worden ist, wird die Abdichtung der Klappenränder mit der Gehäusewandung durch den hydrostatischen Differenzdruck über der Klappe unterstützt, dessen Resultierende ein begrenztes Moment um die versetzte Drehachse herum aufweist. Das Ventil blockiert also durch seine Punktionsumkehrung eine Rückströmung.

Während das eben beschriebene Ventil bei vielen Anwendungsfällen vorteilhaft arbeitet, ist es wegen seinen Abmessungen nicht unmittelbar als künstliche Herzklappe einsetzbar. Das dargestellte Ventil bildet jedoch durch Verwendung des die Klappe umschließenden Teils eine Grundlage

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für eine künstliche Herzklappe.

Fig. 3 zeigt das auf diese Weise verkürzte Ventil nach Fig. 1, wobei das sich ergebende ringförmige, den Ventilsitz bildende Teil 6 an seinem Innenumfang zur Herstellung eines günstigen hydrodynamischen Übergangs in Axialrichtung abgerundet und an seinem Außenumfang mit einer Umfangsnut versehen ist, die der Befestigung eines Ringes 7 zum Einnähen der Anordnung dient.

Es muß bemerkt werden, daß das Ventil nach Fig. 3 normalerweise eine elliptische Form aufweist und besonders zur Verwendung als künstliche Mitralklappe geeignet ist, da die natürliche Mitralklappe ebenfalls eine im wesentlichen elliptische Form_% aufweist. Das Größenverhältnis der langen zur kurzen Ellipsenachse liegt normalerweise im Bereich von 1 bis 1,3 und ähnliche Ellipsenproportionen lassen sich durch Ausbildung des ringförmigen Ventilteils mit einer Neigung von etwa 45 bezüglich der Längsachse des konischen Strömungskanals erreichen, von welchem die Geometrie des den Ventilsitz bildenden Teils abgeleitet ist.

Während im wesentlichen die gleiche Ventilform auch bei anderen künstliche Herzklappen betreffende Anwendungs-

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fällen geeignet ist, wird eine abgewandelte Ausführungsform vorzugsweise für eine andere, wahrscheinlich am meisten interessierende Klappe verwendet, nämlich die Aortenklappe. Der Grund dafür liegt darin, daß die Aortenklappe im wesent lichen kreisförmig ist.

Es ist einzusehen, daß die Ableitung eines Ventils mit kreisförmiger Gesamtform aus der Fig. 1 die Betrachtung eines im wesentlichen achssenkrechten Querschnitts zum Umfassen der Klappe erfordert. Außerdem kann die Neigung der Klappe zu einer bezüglich der Achse des Ventilsitzes senkrechten Ebene in der Schließstellung der Klappe nicht groß sein, da die Axialausdehnung des Ventils im Verhältnis zu seinem Gesamtdurchmesser klein sein soll. Daraus folgt, daß der Divergenzwinkel des konischen Ventilsitzes klein sein muß. Diese Bedingungen führen zu einer Situation, in welcher eine auf der Fig. 1 basierende Aortenklappe eine Anordnung der Klappe im Ventilsitz derart erfordern kann, daß das Schließen der Klappe mittels einer Dichtfläche erfolgt, die in einem begrenzten Bereich nahezu parallel zur Längsachse des Ventils verläuft. Der Ventilsitz ist dann nahezu zylindrisch und seine Erzeugenden Schneiden die Klappe unter Winkeln, die an keiner Stelle stark von 90° verschieden sind. Die zum öffnen der Klappe

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erforderlichen Spielräume sind folglich entsprechend klein und dürften bei der Massenfertigung angesichts normaler Herstellungstoleranzen schwierig erzielbar sein.

Unter diesen Umständen wird vorzugsweise eine abgewandelte Geometrie für den Ventilsitz verwendet, wobei die Innenfläche von einem Hyperboloid abgeleitet ist« Eine solche Anordnung ist in Fig. k dargestellt, bei welcher das den Ventilsitz bildende Teil 8 von einem mit strichpunktierten Linien 9 angedeuteten Hyperboloid abgeleitet ist.Die Klappe 3 ist wiederum bezüglich der Längsachse des Ventils geneigt und weist daher normalerweise eine elliptische Form auf. Die Klappe besitzt wiederum einen Tragflügelprofilquerschnitt und ist um eine Achse 4 drehbar in der bereits beschriebenen Weise gelagert. Ein Unterschied gegenüber der konischen Ableitung nach Fig. 3 besteht im Falle der Fig. ^ jedoch darin, daß die Klappe 3 so angeordnet ist, daß sie einen kleinen Winkel mit dem achssenkrechten Querschnitt mit dem hyperbolischen Strömungskanal bildet, wenn sie denselben verschließt, während die Klappe gleichzeitig die Erzeugenden des Strömungskanals beinahe an ihrem gesamten Umfang unter Winkeln schneidet, die von 90° wesentlich verschieden sind. Die Spielräume, welche die Drehung der Klappe innerhalb des Strömungskanals ermöglichen,

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können folglich verhältnismäßig groß sein. Die Klappe kann grundsätzlich in der Einschnürung eines Strömungskanals mit hyperbolischer Mantelfläche angeordnet sein, so daß sowohl die breitere als auch die schmalere Hälfte der Klappe aus der Schließstellung heraus in divergierende Bereiche des Strömungskanals schwenken, jedoch bietet dies ernsthafte Fertigungsschwierigkeiten. Außerdem bedingt die Ableitung von einem Hyperboloid unbedingt ein gewisses Maß einer Abrundung in Axialrichtung und eines hydrodynamischen Übergangs an der Innenwandung des den Ventilsitz bildenden Teils.

Unabhängig von der Form des erfindungsgemäßen Ventils erfordert eine Anwendung desselben als künstliche Herzklappe die Auswahl von medizinisch und mechanisch gleichermaßen geeigneten Materialien. Gegenwärtig werden für diesen Zweck das den Ventilsitz bildende Teil und die Klappe aus glasiger Kohle oder aus einem Substrat, beispielsweise Graphit, welches mit pyrolytischer Kohle überzogen ist, hergestellt, wobei diese speziellen Werkstoffe jedoch die Verwendung anderer möglicher Werkstoffe nicht ausschließen.

Nachstehend sollen die Vorteile der Erfindung bei ihrer Anwendung auf künstliche Herzklappen betrachtet werden«

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Es sind für diesen Zweck schon verschiedene andere Ventilformen vorgeschlagen worden, jedoch weisen die aus den am meisten athrombischen und dauerhaftesten Werkstoffen, die bisher bekannt sind und bei denen es sich zufällig um starre Werkstoffe handelt, hergestellten Herzklappen verschiedene Nachteile auf. Zu diesen Nachteilen gehören eine Neigung zur Förderung der Thrombenbildung und Hämolyse, wahrscheinlich infolge des Auftretens von stehenden Zonen und Bereichen niedrigen Druckes in der Strömung stromab des Ventils, ferner das Erfordernis eines übermäßig großen Öffnungsdruckes, 'weiter ein schwerfälliges öffnen wegen der großen Trägheit, was die erforderliche Herzleistung vergrößert, fernerhin ein übermäßiger Strömungswiderstand gekoppelt mit einer ungenügenden Ventilöffnung oder einer ungünstigen Form des Strömungskanals, und verzögertes oder unvollständiges Schließen des Ventils, was einen Rückfluß verursacht. Die bisher vorgeschlagenen Ventile können diese Schwierigkeiten höchstens vermindern.

Die Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Ventils sind folgende:

1. Die Wandungen des Strömungskanals können glatt und kontinuierlich sein und werden nicht von irgendwelchen Vorsprüngen unterbrochen, welche

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schädliche tote Zonen oder Druckverluste stromab des Ventils verursachen;

2. Das Ventilelement bzw. die Klappe ist so ausgebildet, daß sie in ganz geöffnetem Zustand nur einen geringen Strömungswiderstand oder geringe Störungen der Strömung hervorruft, und daß es aber durch große mechanische Flüssigkeitskräfte betätigt wird, wenn sich die Klappe im geschlossenen oder teilweise geschlossenen Zustand befindet.

Die durch die Strömung oder das Druckgefälle hervorgerufenen Kräfte bringen das Ventil schnell in seine vollständig geöffnete Stellung. Die bei einem Rückstrom entstehenden Kräfte bewirken ein schnelles und festes Schließen des Ventils.

Der erforderliche öffnungsdruck ist offensichtlich niedrig, da der einzige durch den Differenzdruck zu überwindende Widerstand durch das Trägheitsmoment der Klappe um ihre Drehachse herum und die Reibung in einem Teil der umgebenden Flüssigkeit und in der Klappenlagerung gebildet sind. Der Strömungswiderstand braucht nicht groß zu sein, da das Tragflügelprofil der Klappe eine stromlinienförmige

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Strömung unterstützt, und der Strömungskanal braucht nicht durch das Vorsehen von Nuten zur Erleichterung der Drehung der Klappe oder durch Vorsprünge zur Verbesserung der Dichtung bei geschlossenem Ventil von seiner regelmäßigen Form abzuweichen. Außerdem strömt die Strömung vom Ventil aus in die Richtung, in welcher der Strömungskanal divergiert, was zu einem vergrößerten Druck führt und daher ist es unwahrscheinlicher, daß Sauerstoff oder ein anderes Gas aus der Lösung frei wird. Schließlich ist das Schließen des Ventils nicht verzögert oder langsam, da die Trägheit des beweglichen Ventilteils klein und das wirksame Drehmoment groß gemacht werden können. Die Schließwirkung ist nicht unbefriedigend, da die Dichtfläche kontinuierlich ist und beliebig groß gemacht werden kann, d.h. es besteht zwischen der Klappe und dem Ventilsitz weniger eine Linienberührung, sondern eine Flächenberührung.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen und auch nicht auf die Anwendung als künstliche Herzklappen. Das erfindungsgemäße Ventil kann selbstverständlich bei mit künstlichen Herzklappen in Zusammenhang stehenden Anwendungsfällen Verwendung finden, beispielsweise bei Einrichtungen zur Herzumströmung, bei Blutoxydationseinrichtungen oder ähnlichen Einrichtungen

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zur Behandlung von Körperflüssigkeiten, und die Anforderungen an die Gesamtform können dann dahingehend erleichtert werden, daß die beispielsweise in Fig. 1 dargestellte Ventilform abgewandelt werden kann. Ebenso wie die Geometrie des den Ventilsitz bildenden Teils ist auch das Tragflügelprofil der Klappe variabel und andere geeignete Formen, welche die gewünschten Funktionseigenschaften ermöglichen, können beispielsweise an der Vorderkante einen in Fig. 5 mit 10 bezeichneten Speuler anstelle der üblicheren Tragflügelform aufweisen, wie sie in den anderen Figuren dargestellt sind und glatte konvexe und konkave Flächen erfordern.

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Claims (10)

Patentansprüche

1... Strömungssteuerventil, vorzugsweise zur Verwendung als künstliche Herzklappe, mit einem ringförmigen, einen Strömungsweg begrenzenden und den Ventilsitz bildenden Teil und mit einer innerhalb desselben drehbar angeordneten Ventilklappe, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe (3) in der Draufsicht der Innenquerschnittsform des den Ventilsitz bildenden Teils (1) entspricht, daß ferner die Drehachse (4) die Ventilklappe in eine schmalere Hälfte und eine breitere Hälfte unterteilt und daß die Ventilklappe einen senkrecht zur Drehachse verlaufenden unsymmetrischen Tragflügelprofilquerschnitt aufweist, dessen Vorderkante an der schmaleren Klappenhälfte und dessen Hinterkante an der breiteren Klappenhälfte gelegen ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (2) konvergierend ausgebildet ist und daß die Ventilklappe (3) in der Draufsicht eine im wesentlichen elliptische Form aufweist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (2) konisch ist,

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4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (2) an seinen beiden Enden in zueinander im wesentlichen parallelen Ebenen endigt, welche zur Strömungskanalachse schräg geneigt sind, und daß die Ventilklappe (3) in ihrer Schließstellung etwa parallel zu diesen Ebenen liegt.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Ebenen unter etwa 45° zur Strömungskanalachse geneigt sind.

6. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung des Strömungskanals (2) im Längsschnitt im wesentlichen hyperbolisch ist (Fig. 4).

7· Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (2) an seinen beiden Enden in zueinander im wesentlichen parallelen Ebenen endigt, welche senkrecht zur Strömungskanalachse verlaufen, und daß die Ventilklappe (3) in ihrer Schließstellung etwa parallel zu diesen Ebenen steht.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Ventils kleiner als sein Gesamtdurchmesser ist und daß an seinem Umfang

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ein Ring (7) zum Einnähen vorgesehen ist.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (4) etwa durch den Schwerpunkt der Ventilklappe (3) verläuft.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Fläche der tragflügeiförmigen Ventilklappe (3) dem engeren Teil des Strömungskanals (2) zugewandt ist.

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