DE2400733B2

DE2400733B2 - Vorrichtung zur automatischen regelung einer kreislaufpumpe

Info

Publication number: DE2400733B2
Application number: DE19742400733
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Priority date: 1973-01-31
Filing date: 1974-01-08
Publication date: 1978-02-16
Also published as: FR2215930A1; FR2215930B1; US4051841A; AT333938B; ATA85173A; DE2400733A1; IT1005338B; DE2400733C3

Description

Pumpaktion, daß eine Leitung von Zähllogik sowohl zur Pumpe als auch zum Rechner führt, daß zur Kontrolle von Amplitude, Rhythmus und Folgefrequenz des EKG und Blutdruckes ein Kontrollsystem vorgest hen ist, und daß eine Ausgangsleitung vom Kontrolkystem zu einer weiteren Blockiereinheit des Reglers führt.

Die Erfindung besteht somit aus einer Vorrichtung /iir automatischen Regelung herzsynchroner Kreislai:fpumpen, welche aus einem Druckanalysator und einem Regler besteh«, der auf Grund der vom Druckanalysator gelieferten Meßgrößen die zeitliche Einstellung des Pumpzyklus fortlaufend auf Optimum regelt; die Regelung enthält einen Pumpimpulsrechner zur Primäreinstellung und untersteht einem Kontrollsystem, welches die Funktion der Abnehmer des Patienten genauso überwacht wie die der Pumpe.

Vorteil der Erfindung ist die erstmals praktische Anwendbarkeit in der Klinik: Das Gerät besitzt nur zwei Schalter, die bedient werden müssen. Einen Einschalter zur Inbetriebnahme des Gerätes und einen weiteren, für das Einschalten der Blutpumpe. Zur Regelung wird nur der Verlauf des arteriellen Blutdruckes benötigt, wobei nicht einmal dessen Absolutwert bekannt sein muß. Es kann sogar die Durchblutungsschwankung beispielsweise im Ohrläppchen an Stelle des arteriellen Blutdruckverlaufes zur Regelung verwendet werden. Besonderer Vorteil dieser für die Klinik konzipierten Vorrichtung ist das Kontrollsystem. Da im biologischen Bereich unvermutete Schwankungen der Kreislaufgrößen insbesondere bei schwerkranken Patienten üblich sind, stoppt das Kontrollsystem die Regelung, wenn nötig sogar die Pumpe, falls nicht analysierbare Änderungen der Kreislaufgrößen die Funktion des Reglers stören. Durch Analyse der Parameter sorgt das Kontrollsystem zugleich für eine perfekte Überwachung des Zustandes des Patienten.

Die Erfindung besteht aus verschiedenen Baugruppen, die in zwei Figuren der Zeichnungen dargestellt sind. Die wesentlichsten Baugruppen sind: der EKG-Verstärker mit Analysator, der Blutdruckmesser mit Analysator, der Regler, der im Prinzip aus zwei vom Regler gesteuerte monostabilen Multivibratoren bestehende Pumpimpulsrechner und die eigentliche Pumpe.

Das Kontrollsystem umfaßt eine Reihe von Baugruppen, beginnend von Grenzwertabnehmern bis zu den aus logischen UND-Gattern bestehenden Blockiereinheiten. F i g. 1 und 2 zeigen geringfügig unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung. In Fig. 1 wird zur Regelung des Pumpbeginns der »Klappenschluß« aus dem Blutdruckverlauf analysiert, zur Regelung des Pumpendes wird der Wert der systolischen Spitze aus dem Blutdruckverlauf verwendet. In der Ausiührungsform nach F i g. 2 wird der Blutdruckverlauf nach spezieller Filterung hinsichtlich der bei der Gegenpulsation auftretenden zwei Maxima analysiert. Der Pumpbeginn wird nach dem Maximum des diastolischen Druckes geregelt, das Pumpende analog zur Ausführung nach Fig. 1 nach dem Wert des systolischen Spitzendruckes.

Fig. 1 zeigt das Blockschema einer beispielsweisen Ausführungsform der Vorrichtung. Das Schema ist für alle Serienpumpen und für alle Methoden der Gegenpulsalion geeignet (Lit.: H.Thο ma: Automatische Steuerung herzsynchroner Kreislaufpumpen. Zeitschrift Biomedizinische Technik 1973, Heft Nr. 3 und 4). Aus dem Druckverlauf, Eingang 1, wird über den Klappenschlußanalysator 2 und dem systolischen Spitzenwertmesser 3, Phase 4, 5 und Amplitude 6, 7 der zur Regelung notwendigen Parameter »Klappenschluß« und »systolischer Blutdruck« bestimmt. Diese Ereignisse stehen in einem bezug zum Beginn des Herzzyklus. Daher werden, vorn Beginn des Herzzyklus (Eingang 8) und von der Pulsfrequenz gesteuert, über zwei monostabile Multivibratoren die Fenster 9, 10 definiert. Nur innerhalb des vom Fensier definierten 'Phasenbereiches kann das gewünschte Ereignis auftreien. Der Triggerimpuls der Herzaklion beireibt auch die Logik 11, welche den Pumpvorgang am Beginn der Regelung nach jeweils einigen Zyklen über die Blockiereinheit 12 für einen oder mehrere Meßzyklen unterbricht. Die Pumpe 35 enthält einen Leistungsverstärker zur Verstärkung der über die Leitung 44 gelangenden Pumpimpulse. Somit können Phase und Amplitude des Klappenschlutidruckes, gesteuert von der Zähllogik 11, einmal mit. einmal ohne Pulsation gespeichert werden. Die Pumpaktion wird über die Leitung 47 blockiert. ErfindungsgemäB werden diese 2x2 Meßgrößen der Speicher 13, 14 im Amplitudendiskriminator 15 verglichen. Der Pumpeinsatz wird durch den Regler 16 verkürzt, wenn die Druckamplitude zum Zeitpunkt des Klappenschlusses ohne Pulsation größer oder gleich der Druckamplitude mit Pulsation ist. Steigt der Druck bei Pulsation in der angegebenen Phase jedoch an, so verlängert der Regler 16 den Pumpeinsatz. Der Rhythmus des Blutdruckverlaufes wird über den Periodendauermesser 17 und dem Arrhytmierechner 18

JO kontrolliert, die Funktion des Reglers wird über die Blockierung 19 mittels Leitung 48 gegebenenfalls unterbrochen. Der Pumpimpulsrechner 20 enthält normalerweise seine Information durch positive oder negative Impulse der Regler. Im Falle der Blockierung bestimmt der Rechner den Pumpimpuls aus der Pulsfrequenz. Zu Beginn der Regelung wird über die »Primäreinstellung« 21 aus gemittelten Werten der vergangenen Herzzyklusdauer ein unkritischer Pumpimpuls definiert. Ein solcher Pumpimpuls muß sicher in der Diastole des Herzens liegen, bezogen auf den Beginn der Herzaktion liegt dieser Impuls daher etwa in einer Phase von 65 bis 85% des zu erwartenden Herzzyklus.

Das Pumpende wird bei kontinuierlicher Pulsation geregelt. Der Regler 22 beginnt aus der »Primäreinstellung« 21, gesteuert von der Zählerlogik 11 mit einer Verlängerung des Pumpimpulses. Diese Verlängerung hängt von der Tendenz der Werte des systolischen Spitzendruckmessers 3 ab. Die Tendenz wird erfindungsgemäß durch Vergleich aktueller, gemittelter Amplitudenwerte aus dem Mittelwertspeicher 23 mit vergangenen Werten, die durch die Verzögerung 24 verzögert werden, ermittelt. 1st die über den Amplitudendiskriminator 25 festgestellte Tendenz gleichbleibend oder fallend, so wird das Pumpende fortlaufend verzögert. Nach optimaler Entlastung der systolischen Spitze ist die Tendenz bei weiterer Verlängerung des Pumpendes steigend, das Pumpende wird nun verkürzt. Die Phase 5 des systolischen Spitzenwertes 3 wird so

w) wie oben über einen Periodendauermesser 17 und einen Arrhytmierechner 18 kontrolliert, auch diese Regelung wird gegebenenfalls geblockt (19). Auf diese Art wird erfindungsgemäß der Pumpbeginn durch Analyse des Blutdruckes so geregelt, daß der Pumpimpuls gerade

»> nach dem Klappenschluß wirksam wird, das Pumpende wird auf ein Minimum des systolischen Spitzendruckes eingeregelt.

Nicht immer ist es möglich, den Klappenschluß direkt.

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beispielsweise durch Frequen/selcktion oder Differentation der Druckkurve, zu erfassen. Im klinischen Bereich stehen häufig nur gedämpfte Druckkurven zur Verfügung. In diesem Fall wird erfindungsgemäß das sogenannte »2/ T Selektionsverfahren« angewendet. Serien- und Gegenpulsationspunipcn bewirken einen doppelgipfeligen Druckverlauf. Die Grundwelle dieser Funktion hat nicht mehr die Frequenz der Periodendauer (T), sondern gerade die doppelte Frequenz (2/ T). Fig. 2 zeigt als beispielsweise Ausführungsform das Blockschema nach diesem Prinzip: Der Druckverlauf, Eingang 1, wird über das 2/T-Filter 27, dessen Mittelfrequenz vom Periodendauermesser 28 gesteuert wird, gesiebt. Dieses Signal hat, bezogen auf die Herzschlagfolge, zwei Maxima, deren Phasen 29, 30 und Amplituden 31, 32 durch die beiden Spitzenmesser 33, 34 gemessen wird. Die Funktion des systolischcn Spitzenmessers 33 und des diastolischen Spitzenmessers 34 wird durch die vom EKG (Eingang 8) gesteuerten Fensterimpulse 36 kontrolliert (vgl. Fig. 1). Die Regelung erfolgt wieder durch Ermittlung der steigenden oder fallenden Tendenz der Mittelwerte von systolischer und diastolischer Spitze. Es bedeuten in F i g. 2 37, 38 die Mittelwertspeicher, welche über die Logik 39 gesteuert werden, 40, 41 die Verzogerungseinheilen und 42, 43 die Amplitudendiskriminatorcn zur Ermittlung der Tendenz von systolischer bzw. diastoli scher Druckspitze. Analog zur Funktion nach Fig. wird über den Regler 16 bei gleichbleibender ode fallender Tendenz des systolischen Spitzenverlaufes ausgehend von der Primäreinslellung 21, das Pumpend« verlängert. Die steigende Tendenz bewirkt wieder ein< Verkürzung des Pumpendes. In derselben Art wird dei Pumpbeginn über den Regler 22 so lange verkürzt, bi: die diastolische Druckspitze, ausgehend von dei Primärcinstellung maximal ist. Der Pumpimpulsrechnei 20 erhält nach erfolgter Primä'reinstellung 21 seini Informationen aus den beiden Reglern 16, 22. Di< Rhythmik der Phasen 29, 30 von systolischer um diastolischer Spitze wird über die Periodendauermesse 17 und die Arrhythmierechner 18 wieder kontrolliert, se daß die Funktion der Regler bei arrhytmischei Impulsfolgen von der Blockeinheit 19 automatiscl unterbrochen wird. Die zuletzt beschriebene Methodi ermöglicht bei hoher Frequenz der Herzschlagfolgi eine optimale Regelung, bei niedrigen Frequenzen is diese Regelung ungenau, da der Zeitpunkt de: Klappenschlusses nicht genau erfaßt wird. Der bcsonde re Vorteil der Methode ist die extreme Unempfindlich keil bei Störungen des Blutdruckverlaufes, insbesonden gegenüber einer Dämpfung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche.

1. Vorrichtung zur automatischen Regelung einer elektropneumatischen herzsynchronen Kreislaufpumpe, bestehend aus einem Eingang für die EKG-Signale des Herzens, dem ein EKG-Verstärker und ein Amplitudendiskriminator nachgeschaltet sind, wobei letzterem ein Periodendauermesser nachgeschaltet ist, weiter aus einer Serienschaltung von zwei monostabilen Multivibratoren, deren Tastzeit über Kennlinienverstärker von der Periodendauer des natürlichen Herzschlages beeinflußbar sind, und einen Leistungsverstärker zur Steuerung der herzsynchronen Pumpe vorzugsweise über ein Elektromagnetventil, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignall des Periodendauermessers (28) einen Rechner (13, 14, 15, 20) speist, zur Abgabe eines unkritischen Impulses in einer Phasenlage von etwa 65 bis 85% der gemittelten vorhergehenden Herzzyklusdauer, bezogen auf den Beginn der Herzaktion, über eine Steuerleitung (44) an die Kreislaufpumpe (35), daß ein Eingang für den Blutdruckverlauf des Kreislaufes (1) vorgesehen ist, dem ein Druckanalysator (2 bis 7, 27, 33,34) zur Ermittlung von Blutdruckparametern, wie z. B. Amplitude und Phase der systolischen Spitze und/oder der diastolischen Senke und/oder des Klappenschlusses nachgeschaltet ist, der diese Parameter mittels Leitungen (50,51) in den Rechner (13, 14, 15, 20) eingibt, daß diese Parameter von mehreren Speichern (29 bis 31, 24 bzw. 40, 41) gespeichert werden, daß diese Parameter in ein oder mehreren Diskriminatoren (25 bzw. 42,43) hinsichtlich ihrer Werte verglichen werden, daß eine weitere Leitung (45) den Rechner mit einem Regler (16, 22) zur Verlängerung oder Verkürzung der Arbeitszyklen der Pumpe verbindet, daß ein Einschalter (49) einen Meßzyklusgeber (11, 21, 39) aktiviert, welcher eine Zähllogik (11,39) enthält, die mit dem Ausgang des Amplitudendiskriminators (26) über eine Leitung (46) verbunden ist, zwecks Blockierung der Pumpe über die Blockiereinheit (12) zur Erlangung von Blutdruckparametern ohne Pumpaktion, daß eine Leitung (47) von der Zähllogik sowohl zur Pumpe (35) als auch zum Rechner (20) führt, daß zur Kontrolle von Amplitude, Rhythmus und Folgefrequenz des EKG und Blutdruckes ein Kontrollsystem (17, 18, 19, 36) vorgesehen ist, und daß eine Ausgangsleitung (48) vom Kontrollsystem zu einer weiteren Blockiereinheit (19) des Reglers (16, 22) führt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittelwertrechner (23 bzw. 37,38), welche die zur Regelung notwendigen Blutdruckparameter über jeweils einige Zyklen gemittelt an den Rechner (20) weitergeben.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur automatischen Regelung einer elektropneumatischen herzsynchronen Kreislaufpumpe, bestehend aus einem Eingang für die EKG-Signale des Herzens, dem ein EKG-Verstärker und ein Amplitudendiskriminator nachgesehallet sind, wobei letzterem ein Periodendauermesser nachgeschaltet ist, weiter aus einer Serienschaltung von zwei monoslabilen Multivibratoren, deren Tastzeit über Kennlinienverstärker von der Periodendauer des natürlichen Herzschlages beeinflußbar sind, und einen Leistungsverstärker zur Steuerung der herzsynchronen Pumpe, verzugsweise über ein Elektromagnetventil.

Erst die langer dauernde klinische Anwendung herzsynchroner Kreislaufpumpen führte auf die Notwendigkeit zur Entwicklung einer automatischen Regelung (E. Wo Inen Die mechanische Kreislauf-

unterstützung in Experiment und Klinik. Wiener klinische Wochenschrift 84, Heft 26,1972). Daher ist der Stand dieser Technik als kaum existent zu bezeichnen. Nur ganz wenige Arbeitsgruppen beschäftigen sich echt mit diesem Problem (Kane G.R., et al: Automatic Control of lntraaortic Balloon Pumping. Trans. Amer. Soc. Artif. Int. Organs, 17, 1971). Der Vorteil einer solchen Regelung besteht darin, daß dieses Gerät betriebsmäßig nicht bedient werden muß. Bedenkt man, daß die mechanische Kreislaufunterstützung bis zu einigen Wochen durchgeführt wird, so erkennt man, daß schon aus organisatorischen und personellen Gründen keine ununterbrochene Überwachung, Bedienung und Kontrolle der Einrichtung möglich ist. Eine über Computer durchgeführte Regelung (s. die zitierte Literaturstelle) ist klinisch betrachtet schon deshalb fragwürdig, da dieser Computer ungleich komplizierter zu bedienen ist als eine konventionelle Steuerung ohne Regler. Zur Regelung benötigt man Parameter, die den Effekt der Aktion charakterisieren. Hier ist ein wesentlicher Nachteil vorhandener Systeme der, daß zur Regelung mehrere im klinischen Betrieb derzeit unmöglich erfaßbare Meßgrößen notwendig sind. So werden beispielsweise die Parameter Herzarbeit, Durchblutung der Herzkranzgefäße und die Vorhofdrucke als Meßgrößen zur Regelung benötigt.

Demgegenüber ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, die betriebsmäßig nicht mehr bedient werden muß, die mit den beim Einsatz zur Verfügung stehenden Kreislaufgrößen — im Prinzip neben dem EKG nur dem arteriellen Blutdruckverlauf — auskommt, und die zur Kontrolle von betriebsbedingten Ausfällen ein Kontrollsystem besitzt, welches die Funktion des gesamten Gerätes, insbesondere des Reglers fortlaufend selbständig kontrolliert.

Die Erfindung besteht bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art darin, daß das Ausgangssignal des Periodendauermessers einen Rechner speist, zur Abgabe eines unkritischen Impulses in einer Phasenlage von etwa 65 bis 85% der gemittelten vorhergehenden Herzzyklusdauer, bezogen auf den Beginn der Herzaktion, über eine Steuerleitung an die Kreislaufpumpe, daß ein Eingang für den Blutdruckverlauf des Kreislaufes vorgesehen ist, dem ein Druckanalysator zur Ermittlung von Blutdruckparametern, wie z. B. Amplitude und Phase der systolischen Spitze und/oder der diastolischen Senke und/oder des Klappenschlusses nachgeschaltet ist, der diese Parameter mittels Leitungen in den Rechner eingibt, daß diese Parameter von mehreren Speichern gespeichert werden, daß diese Parameter in

hu ein oder mehrere Diskriminatoren hinsichtlich ihrer Werte verglichen werden, daß eine weitere Leitung den Rechner mit einem Regler zur Verlängerung oder Verkürzung der Arbeitszyklen der Pumpe verbindet, daß ein Einschalter einen Meßzyklusgeber aktiviert,

i'^r> welcher eine Zähllogik enthält, die mit dem Ausgang des Ampliludendiskriminators über eine Leitung verbunden ist, zwecks Blockierung der Pumpe über die Blockiercinheit zur Erlangung von Bluidruckparametern ohne