DE2400733C3

DE2400733C3 - Vorrichtung zur automatischen Regelung einer Kreislaufpumpe

Info

Publication number: DE2400733C3
Application number: DE2400733A
Authority: DE
Inventors: Herwig Dipl.-Ing. Dr. 8130 Starnberg Thoma
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-01-31
Filing date: 1974-01-08
Publication date: 1978-10-12
Also published as: US4051841A; FR2215930B1; DE2400733A1; DE2400733B2; FR2215930A1; IT1005338B; ATA85173A; AT333938B

Description

Pumpaklion, daß eine Leitung van Zahllogik sowohl zur Pumpe als auch zum Rechner führt, daß zur Kontrolle von Amplitude, Rhythmus und Folgefrequenz des EKG und Blutdruckes ein Kontrollsystem vorgesehen ist, und daß eine Ausgangsleitung vom Kontrollsystem zu einer weiteren Blockiereinheit des Reglers führt,

Die Erfindung besteht somit aus einer Vorrichtung zur automatischen Regelung herzsynchroner Kreislaufpumpen, welche aus einem Druckanalysator und einem Regler besteht, 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 Ohrtäppchen 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. I 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 Ausführungsform nach F i g. 2 wird der Blutdruckverlauf nach spezieller Filterung hinsichtlich der bei derGegenpulsation auftretenden zwei Maxima analysiert. Der Pumpbeginn wird nach dem Maximum des diastolischen Druckes geregelt, das Pumpende analog zur Ausführung naoh F i g. I 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 Gcgenpulsation geeignet (Lit.: H.Thoma: Automatische Steuerung herzsynchroner Kreislaufpumpen. Zeitschrift Biomedizinische Technik 1973, Heft Nr. 3 und 4). Aus dem Druckverlauf, Eingang 1, wird über den Klappenschlußanalysator 7 und dem systolischen Spitzenwertmesser 3, Phase 4,5 und Amplitude 6,1 der zur Regelung notwendigen Parameter »Klappenschluß« und »systolischer Blutdruck« bestimmt. Diese Ereignisse suhen in einem bezug zum Beginn des Herzzyklus. Daher werden, vom Beginn des Herzzyklus (Eingang 8) und von der Pulsfrequenz gesteuert, über zwei monostabile Multivibratoren die Fenster 9, 10 definiert. Nur innerhalb des vom Fenster definierten Phasenbereiches kann das gewünschte Ereignis auftreten. Der Triggerimpuls der Herzaktion betreibt 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 Klappenschlußdruckes, gesteuert von der Zähllogik 11, einmal mit, einmal ohne Pulsation gespeichert werden. Die Pumpaktion wird über die Leitung 47 blockiert. Erfindungsgemäß werden diese 2x2 Meßgrößen der Speicher 13,14 im Amplitudendiskriminator 15 verglichen. Der Pumpeii^atz wird durch den Regler 16 verkürzt, wenn die Druckanvlitude 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, io verlängert der Regler 16 den Pumpeinsatz. Der Rhythmus des Blutdruckverlaufes wird über den Periodendauermesser 17 und dem Arrhytmierechner 18 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 Pumpirnpuls 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 »Primärcinstellung« 21, gesteuert von der Zählerlogik 11 mit e>ner 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. Ist die über den Amplitudendiskriminator 25 festgestellte Tendenz gleichbleibend ooer 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

M) 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

(μ nach dem Klappenschluß wirksam wird, das Pumpende wird auf ein Minimum des systolischen Spitzendruckes eingeregelt.
Nicht immer ist es möglich, den Klappenschluß direkt,

beispielsweise durch Frequenzselektion oder Differcntation 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 Gegenpulsationspumpen 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 Blocksijieni.i nach diesem Prinzip: Der Driickverl.iuf. I mg.mg I. wird über das 2/T-Filter 27. dessen Mitielfrequenz vom Periodendauermesser 28 gesteuert wird, gesiebt Dieses Signal hai. bezogen «nif die I lerzsehlagfolge. /wei Maxima, deren Phasen 29, 30 und l> Amplituden 31. 52 diireh die beiden .Spitzenmesser 33, 34 gemessen wird. Die Funktion des systohschen Sri. ι /i-iinit'iMTs 3 3 Ii iiii ties diiislolivchen Suit /cn messe rs 54 w:ril durch die uiin FKG (F.mgang 8) gesteuerten I cnsterimpulse 3f> kontrolliert (vgl. Fig.!). Die Regelung erfolg! wieder durch Frmittlung der steigen den ode>- !.illenden !enden/ ler Mittelwerte von s\stoi;s_Lher und diaMohscher Spitze. Fs bedeuten in f ¹I.¹.- 37. 38 die Mi'lelwertspeicher. welche über elie Logik 39 gesteuert w e'Jen. 40. 41 die \ er/ogerungsem-¹Hi¹Cn und 42, 43 die Amplitudeiitliskriminatoren zur F.rmittlung 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 Spilz.enverlaufes. ausgehend von der Primäreinstellung 21, das Pumpende verlängert. Die steigende Tendenz bewirkt wieder eine Verkürzung des Pumpendes. In derselben Art wird de Pumpbeginn über den Regler 22 so lange verkürzt, bis die diastolische Druckspitze, ausgehend von de Primäreinstellung maximal ist. Der Pumpimpulsrechne 20 erhält nach erfolgter Primä'reinslellung 21 seine Informationen aus den beiden Reglern 1β, 22. Die Rhythmik tier Phasen 29, 30 von systolischer um diasiolischer Spitze wird über die l'criodendaiiei messe 17 und die Arrhythmierechner 18 wieder kontrolliert, st daß die Funktion der Regler bei arrh\tmischcr Impulsfolgen von tier Filockeinheit 19 automatisch unterbrochen wird. Die zuletzt beschriebene Method ermöglicht bei hoher Frequenz, der Merz.schlagfolg eine optimale Regelung, bei niedrigen Frequenzen is diese Regelung ungenau, da der Zeitpunkt de Klappenschlusses nicht genau erfaßt wird Der besonde re Vorteil der Methode ist die extreme Unempfindlich k'.'it bei Störungen lies Hliitdruckverlaufes. insbesondere gegenüber einer D.impf'.im:.

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 Ausgangssignal 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 nachgeschaket 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 Diskrinunatoren (25 bzw. 42, 43) hinsichtlich ihrer Werte verglichen werden. Jaß eine weitere Leitung (45) den Rechner mit einem Regler (16, 22) zur Verlängerung oder Verkürzung {er 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 Mittelwertrechrrer (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 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,

Erst die langer dauernde klinische Anwendung herzsynchroner Kreislaufpumpen führte auf die Notwendigkeit zur Entwicklung einer automatischen Regelung (E W ο I π e r: Die mechanische Kreislaufunterstützung in Experiment und Klinik. Wivner 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 Intraaortic 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 zj schaffen, die betriebsmäßig nicht mehr bedient werden muß, die mit den beim Einsatz zur Verfügung stehenden Kreislaufgrößen — im Prinzip

■40 neben dem EKG nur dem arteriellen Biutdruckverlauf — 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

so 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

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

h'i welcher eine Zähllogik enthält, die mit dem Ausgang des Amplitudendiskriminators über eine Leitung verbunden ist, zwecks Blockierung der Pumpe über die Blockiereinheit zur Erlangung \on Blutdruckparametern ohne