DE2558921B2 - DRIVE FOR A PNEUMATIC OR HYDRAULIC PULSE PUMP - Google Patents
DRIVE FOR A PNEUMATIC OR HYDRAULIC PULSE PUMPInfo
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Description
2525th
JOJO
Die Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb für eine pneumatische oder hydraulische Pulspumpe, insbesondere Blutpumpe beim künstlichen Herz oder intraaortale Ballonpumpe für die Kreislaufunterstützung, zur Erzeugung vorgewählter, sich aus Stoß- und Saugphase zusammensetzender Pumpzyklen mit einem Unterdruckspeicher für ein Pumpenantriebsmedium sowie einer Mediumförderpumpe, die jeweils während der Stoßphase über Leitungsanschlüsse eingangsseitig mit dem Unterdruckspeicher und ausgangsseitig mit der Pulspumpe verbunden ist, und mit einer steuerbaren Schaltvorrichtung für die Mediumforderpumpe.The invention relates to a drive for a pneumatic or hydraulic pulse pump, in particular Blood pump in the artificial heart or intra-aortic balloon pump for circulatory support, for Generation of preselected pump cycles consisting of a surge phase and a suction phase with a vacuum accumulator for a pump drive medium and a medium feed pump, each during the Shock phase via line connections on the input side with the vacuum accumulator and on the output side with the Pulse pump is connected, and with a controllable switching device for the medium need pump.
In der biomedizinischen Technik besteht das Problem, Antriebe für im Pulsbetrieb arbeitende Pumpen zu entwickeln. Dabei kommt es darauf an, daß derartige Antriebe im Bauvolumen einerseits so klein sind, daß sie insbesondere bei Verwendung für Blutpumpen beim künstlichen Herz implantierbar sind, daß aber andererseits eine genügend große Ausgangsleistung »am Blut« erbracht wird, so daß das Herz oder der Kreislauf bo wirkungsvoll entlastet wird. Da die genannten Kerngrößen sich gegeneinander beeinflussen, d. h. die zu erbringende höhere Leistung ein entsprechend großes Bauvolumen bedingt bzw. ein vorgebbares kleineres Bauvolumen nur eine beschränkte Leistung zu erbringen vermag, müssen für Einzelprobleme Kompromißlösungen gesucht werden. Weiterhin soll der Wirkungsgrad derartiger Antriebe, d. h. das Verhältnis der Ausgangsleistung zur aufgenommenen Leistung, möglichst groß sein, weil nicht zur Mediumförderung verbrauchte Leistung als Wärme im Körper frei wird und außerdem die Energiequelle unnötig belastet.In biomedical technology there is the problem of providing drives for pumps operating in pulse mode to develop. It is important that such drives are on the one hand so small in terms of volume that they are implantable especially when used for blood pumps in the artificial heart, but that on the other hand a sufficiently large output power is produced "on the blood" so that the heart or the circulatory system bo is effectively relieved. Since the core sizes mentioned influence each other, i. H. the to The higher performance that provides a correspondingly large construction volume or a predeterminable smaller one Building volume is only able to provide a limited service, compromise solutions must be found for individual problems to be searched for. Furthermore, the efficiency of such drives, i. H. the ratio of Output power to the power consumed should be as large as possible, because not for conveying the medium The power consumed is released as heat in the body and, moreover, the energy source is unnecessarily burdened.
Durch den Aufsatz »Development of an Electrohydraulic Energy Sour e to Power and Control Circulatory Assist Devices« von N. Griffith und W. Burne, abgedruckt in den Berichten zur »Artifical Heart Program Conference Proceedings«, Washington D. C. June 9-13, 1969, US Department of Health Education and Welfare, Seiten 953 bis 967, insbesondere 964 und 966, ist ein Antrieb der eingangs genannten Art für eine Blutpumpe beim künstlichen Herz vorbekannt, bei dem als Mediumförderpumpe eine Kreiselpumpe verwendet ist. Dieser bekannte Antrieb arbeitet dabei in der Weise, daß während der »Systole«, d. h. während der Stoßphase der Blutpumpe, durch die Kreiselpumpe das Antriebsmedium aus dem Unterdruckspeicher in die Blutpumpe gepumpt wird. Mit Beginn der »Diastole«, d. h. der Saugphase der Blutpumpe, wird unter Abschaltung der Blutpumpe vom Kreiselpumpenausgang durch die Leitungsumschaltvorrichtung (Umschaltventil) und Anschaltung der Blutpumpe an eine separate Speicherleitung das in der Blutpumpe befindliche Antriebsmedium durch den auf Unterdruck befindlichen Unterdruckspeicher wieder in den Speicher zurückgesaugt.Through the article “Development of an Electrohydraulic Energy Source to Power and Control Circulatory Assist Devices «by N. Griffith and W. Burne, reprinted in the reports on the Artifical Heart Program Conference Proceedings, Washington D.C. June 9-13, 1969, US Department of Health Education and Welfare, pp. 953 to 967, particularly 964 and 966, a drive of the type mentioned for a blood pump in the artificial heart is previously known in which a centrifugal pump is used as the medium feed pump. This well-known drive works in the way that during the "systole", i.e. H. during the surge phase of the blood pump, through the centrifugal pump that Drive medium is pumped from the vacuum reservoir into the blood pump. With the beginning of the "diastole" d. H. the suction phase of the blood pump is switched off from the centrifugal pump outlet through the line switching device (switching valve) and connecting the blood pump to a separate storage line the drive medium located in the blood pump through the negative pressure vacuum accumulator located is sucked back into the accumulator.
Eine Modifizierung der von Griffith und Burne vorgescnlagenen Lösung besteht darin, in der Saugphase, d. h. nach Abschalten der Kreiselpumpe, das Antriebsmedium aus der Blutpumpe durch die Kreiselpumpe durchsaugen zu lassen. Dadurch wird das Bauvolumen eines derartigen Antriebes wesentlich verringert.A modification of that of Griffith and Burne The proposed solution consists in the suction phase, i. H. after switching off the centrifugal pump, the To let drive medium from the blood pump suck through the centrifugal pump. This will make that The structural volume of such a drive is significantly reduced.
Nachteilig bei den beiden genannten Antrieben ist, daß die hydraulische Ausgangsleistung, d. h. die Pumpleistung am Blut, mit steigender Pumpfrequenz rasch abfällt. Dies wird durch die verhältnismäßig großen Strömungswiderstände während der Suagphase verursacht, die eine entsprechend große Saugkapazität der Unterdruckspeicher bedingen.The disadvantage of the two mentioned drives is that the hydraulic output power, d. H. the Pumping power in the blood, which decreases rapidly with increasing pumping frequency. This is due to the proportionate large flow resistances caused during the Suagphase, which a correspondingly large suction capacity the vacuum accumulator.
Aus der DT-OS 23 22 103 ist nun ein Antrieb für eine Blutpumpe bekannt, bei dem der Behälter für das Antriebsmedium ein mit seinem Innendruck den Außendruck während eines gesamten Pumpzyklus nicht unterschreitender Volumenspeicher ist, wobei dem Volumenspeicher eine Leitungsumschaltvorrichtung zur Umschaltung des Behälters vom Förderpumpeneingang an den Förderpumpenausgang und der Pulspumpe vom Förderpumpenausgang an den Förderpumpeneingang zugeordnet ist. Darüber hinaus wurde auch schon vorgeschlagen (DT-OS 23 22 104), neben dem Unterdruckspeicher einen Überdruckspeicher vorzusehen, der während des gesamten Pumpzyklus mit dem Ausgang der Förderpumpe verbunden ist, und die Leitungsumschaltvorrichtung zur Anschaltung des Förderpumpeneingangs an die Pulspumpe durch einen Taktgeber jeweils zu Beginn und für die Zeitdauer einer Saugphase auszubilden. Die beiden letztgenannten Antriebe liefern zwar eine genügend große Ausgangsleistung, sind aber vergleichsweise kompliziert aufgebaut und haben dementsprechend große Bauvolumina.From the DT-OS 23 22 103 is now a drive for a Blood pump known, in which the container for the drive medium with its internal pressure External pressure during an entire pumping cycle is not falling below the volume storage, with the Volume storage a line switching device for switching the container from the feed pump inlet to the feed pump output and the pulse pump from the feed pump output to the feed pump input assigned. In addition, it has already been proposed (DT-OS 23 22 104), in addition to the vacuum accumulator to provide an overpressure accumulator which is connected to the output of the feed pump during the entire pumping cycle, and the Line switching device for connecting the feed pump input to the pulse pump through a To train clock generator at the beginning and for the duration of a suction phase. The latter two Drives deliver a sufficiently high output power, but they are comparatively complex in structure and accordingly have a large construction volume.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb der eingangs genannten Art aufzubauen, der bei kleinstem Bauvolumen trotzdem eine genügend große Leistung erbringt.The invention is based on the object of building a drive of the type mentioned at the outset, which is in Even with the smallest construction volume, it still provides a sufficiently large performance.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenenThis object is achieved according to the invention by what is stated in the characterizing part of claim 1
Merkmale gelöst. Der Erfindung gingen umfangreiche Untersuchungen und Überlegungen voraus, warum es bisher unmöglich war, kleinvolumige Antriebe mit hoher Ausgangsleitung zu realisieren. Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, daß nicht Jie absolute Leistungsabgabe das Maß für die Abwendbarkeit eines Antriebes darstellt, sondern ein mit Leistung, Wirkungsgrad und Massenvolumen bewichteter Bewertungsfaktor. Dieser ist folgendermaßen definiert:Features solved. The invention was preceded by extensive research and considerations as to why it Up until now it was impossible to realize small volume drives with a high output line. It has Surprisingly shown that the absolute power output is not the measure of the avertability of a Drive, but an evaluation factor weighted with power, efficiency and mass volume. This is defined as follows:
E = A^-[W/kg],E = A ^ - [W / kg],
wobei Ph die mittlere »am Blut« abgegebene hydraulische Leistung, μ der Wirkungsgrad und G das ιϊ Volumengewicht des gesamten Antriebes bedeuten. Ein derartiger Bewertungsfaktor berücksichtigt insbesondere die gegenseitige Abhängigkeit von Leistung und Bauvolumen, die zu optimieren ist. Praktische Experimente haben nun bestätigt, daß im Vergleich mit den 2» obenstehend beschriebenen Antrieben des Standes der Technik der Antrieb nach vorliegender Erfindung die besten Ergebnisse liefert.where Ph is the mean hydraulic power delivered "on the blood", μ the efficiency and G the ιϊ volume weight of the entire drive. Such an evaluation factor takes into account, in particular, the mutual dependence of performance and construction volume, which is to be optimized. Practical experiments have now confirmed that in comparison with the drives of the prior art described above, the drive according to the present invention delivers the best results.
Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, als Ventil ein Klappenventil zu wählen, das bei geringster Leistungsaufnahme hohe Schaltfrequenzen und einen großen Strömungsdurchsatz ermöglicht. Weiterhin können auch passive, selbststeuernde Ventile verwendet werden. Da bei dem Antrieb nach der Erfindung der Gesamtströmungswiderstand des Systems, insbesonde- jo re in der Rücksaugphase, minimiert ist, kann die Rückstellkraft im Unterdruckspeicher sehr gering bemessen sein, was wiederum eine entsprechend geringere Leistungsaufnahme des Pumpenantriebsmotors zuläßt. v-, In the context of the invention, it is advantageous to choose a flap valve as the valve which enables high switching frequencies and a large flow rate with the lowest power consumption. Furthermore, passive, self-regulating valves can also be used. Since in the drive according to the invention the total flow resistance of the system, in particular in the back suction phase, is minimized, the restoring force in the vacuum accumulator can be very small, which in turn allows a correspondingly lower power consumption of the pump drive motor. v-,
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.Further details of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment based on the drawing in conjunction with the subclaims.
Es zeigtIt shows
F i g. 1 das Ausführungsbeispiel im Prinzipaufbau,
Fig.2 eine graphische Darstellung von Bewertungsfaktoren von Antrieben in Abhängigkeit von der
Pumpfrequenz.F i g. 1 the embodiment in principle structure,
2 shows a graphic representation of evaluation factors of drives as a function of the pump frequency.
In der Fig. 1 ist mit 1 eine Blutpumpe nach dem Membrantyp bezeichnet, die durch eine bewegliche Membran 2, z. B. aus Kunststoff, in einen Raum 3 für das Blut und einen Raum 4 für das Antriebsmedium, z. B. Wasser, unterteilt ist. Sie besitzt einen arteriellen Anschluß 5 sowie einen venösen Anschluß 6. Mit 7 und 8 r>o sind die die Herzklappen nachbildenden Ventile bezeichnet. Die Richtung der. Ventilspitze zeigt die jeweilige Bewegungsrichtung des zu pumpenden Blutes an. Mit 9 ist ein Unterdruckspeicher für das Αηίΐ iebsmedium bezeichnet. Der Unterdruckspeicher 9 ist an seinem unteren Ende fixiert, z. B. am implantierten Gehäuse für den Antrieb befestigt, und an seinem oberen Ende frei beweglich. Der Unterdruckspeicher 9 besteht aus einem im geleerten oder teilweise geleerten Zustand mit einer Druckfeder 11 vorgespannten bo Kunststoffaltenbalg 10. Mit 12 ist eine Kreiselpumpe zur Förderung des Antriebsmediums für die Blutpumpe 1 bezeichnet. Diese ist mit dem Unterdruckspeicher 9 durch die Leitung 13 und mit der Blutpumpe durch die Leitung 14 verbunden. Über die Leitungen 15 und Ib ist der Kreiselpumpe 12 ein Bypaß mit dem steuerbaren Schaltventil 17 parallelgesehnltet. Zum Antrieb der Kreiselpumpe 12 dient der Motor 18. Ein Steuerglied 19 mit vorgeschaltetem Stellglied 20 steuert abwechselnd Motor 18 und Ventil 17 ;in.In Fig. 1, 1 denotes a blood pump according to the membrane type, which is driven by a movable membrane 2, for. B. made of plastic, in a space 3 for the blood and a space 4 for the drive medium, z. B. water, is divided. It has an arterial connection 5 and a venous connection 6. The valves which simulate the heart valves are designated with 7 and 8 r> o. The direction of the. The valve tip shows the direction of movement of the blood to be pumped. With a vacuum reservoir for the Αηίΐ iebsmedium is designated. The vacuum accumulator 9 is fixed at its lower end, for. B. attached to the implanted housing for the drive, and freely movable at its upper end. The vacuum accumulator 9 consists of a plastic bellows 10 which is prestressed in the emptied or partially emptied state with a compression spring 11. A centrifugal pump for conveying the drive medium for the blood pump 1 is designated by 12. This is connected to the vacuum reservoir 9 through the line 13 and to the blood pump through the line 14. A bypass with the controllable switching valve 17 is paralleled to the centrifugal pump 12 via the lines 15 and 1b. The motor 18 serves to drive the centrifugal pump 12. A control element 19 with an upstream actuator 20 controls the motor 18 and valve 17 in alternation.
Die Wirkungsweise des in der Figur angegebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung ergibt sich wie folgt:The mode of operation of the exemplary embodiment of the invention shown in the figure results as follows follows:
In der systolischen Phase ist das Ventil 17 geschlossen, und die Kreiselpumpe 12 pumpt aus dem Unterdruckspeicher 9 das Antriebsmedium in den Raum 4 der Blutpumpe 1. Dabei wird der Unterdruckspeicher 9 aufgeladen. In der diastolischen Phase wird das Ventil 17 geöffnet. Der Unterdruckspeicher 9 saugt dann das im Raum 4 der Blutpumpe 1 befindliche Antriebsmedium über die Leitungen 13 bis 16 in den Unterdruckspeicher zurück. Dabei wird das Antriebsmedium im Hauptstrom durch das geöffnete Ventil 17, aber auch zum Teil durch die Kreiselpumpe 12 in den Speicher zurückgesaugt. Der durch die Leitungen gebildete Gesamtströmungswiderstand ist dabei minimiert. Im Leistungsdiagramm ist die aufgenommene Leistung als Funktion der Zeit dargestellt. Diese geht in der systolischen Phase jeweils zu Spitzenwerten und fällt in der diastolischen Phase auf einen sehr kleinen Wert ab. Das Verhältnis zwischen Pumpenleistung zu vom Schaltventil aufgenommener Leistung beträgt ca. 10:1.In the systolic phase, valve 17 is closed, and the centrifugal pump 12 pumps the drive medium from the vacuum reservoir 9 into the space 4 of the Blood pump 1. The vacuum reservoir 9 is charged. In the diastolic phase, the valve 17 opened. The vacuum reservoir 9 then sucks in the drive medium located in the space 4 of the blood pump 1 via the lines 13 to 16 back into the vacuum accumulator. The drive medium is in the main flow through the open valve 17, but also partly sucked back into the memory by the centrifugal pump 12. The total flow resistance created by the lines is minimized. In the performance diagram the power consumed is shown as a function of time. This goes on in the systolic phase peaks and drops to a very small value in the diastolic phase. The relation between The pump output to the output absorbed by the switching valve is approx. 10: 1.
Versuche mit dem Antrieb nach der Erfindung haben ergeben, daß die Frequenzabhiingigkeit der Ausgangsleistung gering ist. Trotz geringen Bauvolumens wurde bei »in vitro«-Versuchen eine genügende Ausgangsleistung erzielt, die zumindest zu einer Entlastung des Herzens ausreicht.Tests with the drive according to the invention have shown that the frequency dependence of the output power is low. Despite the small volume of construction in "in vitro" tests a sufficient output is achieved that at least relieves the load on the Enough from the heart.
Die F i g. 2 zeigt die Überlegenheit des erlindungsgemäßen Antriebs. Dargestellt sind die Ergebnisse von »in vitro«-Versuchen am »Kolffs Mock«-Modell im Vergleich zu den mit bekannten Konzepten gemessenen· Werten. Dabei bedeuten die Kurve 21 den durch Gleichung (I) definierten Bewertungsfaktor des erfindungsgemäßen Antriebs als Funktion der von dem Pumpenantrieb zu erbringenden Pumpfrequenz, die Kurven 22 und 23 die entsprechende Größe eines nach DT-OS 23 22 !04 konzipierten bzw. eines modifizierten Antriebs nach N. Griffith und W. B u r η e. Der interessierende Frequenzbereich liegt zwischen 60 und 120 pro Minute, der Förderdruck ist jeweils 120 mm Hg. Die Kurven 21 und 23 haben mit steigender Pumpfrequenz eine fallende, die Kurve 22 eine steigende Tendenz. Bis zu einer Frequenz von ca. 90 pro Minute liegt der erfindungsgemäße Antrieb weitaus am günstigsten. Bei höheren Frequenzen wird der Bewertungsfaktor für den Antrieb nach der DT-OS 23 22 104 günstiger, was im wesentlichen durch die wesentlich größere Ausgangsleistung bedingt ist. Allerdings haben die »in vivo«-Experimente am Kalb gezeigt, daß diese höhere Leistung durch die Blutpumpe nicht ausgenutzt werden kann und daher keine Vorteile im Vergleich zum erfindungsgemäßen Antrieb erbringt.The F i g. 2 shows the superiority of the invention Drive. The results of “in vitro” tests on the “Kolffs Mock” model are shown in comparison to the values measured with known concepts. The curve 21 mean the through Equation (I) defined evaluation factor of the drive according to the invention as a function of the Pump drive to be provided pump frequency, the curves 22 and 23 the corresponding size of a according to DT-OS 23 22! 04 designed or a modified drive according to N. Griffith and W. B u r η e. Of the The frequency range of interest is between 60 and 120 per minute, the delivery pressure is 120 mm Hg in each case. Curves 21 and 23 have a falling pumping frequency, while curve 22 has a falling frequency upward trend. Up to a frequency of about 90 per minute, the drive according to the invention is far on cheapest. At higher frequencies, the weighting factor for the drive according to DT-OS 23 22 104 cheaper, which is essentially due to the much greater output power. However have the "in vivo" experiments on the calf showed that this higher output due to the blood pump was not exploited can be and therefore brings no advantages compared to the drive according to the invention.
Natürlich sind derartige Antriebssysteme neben der Anwendung in der biomedizinischen Technik auch in technischen Apparaturen, bei denen ein gepulstes Medium benötigt wird und ein hoher Wirkungsgrad erfordert wird, einsetzbar.Of course, such drive systems are not only used in biomedical technology, but also in technical equipment that requires a pulsed medium and a high degree of efficiency is required, can be used.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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ID=5965790
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2558921A Expired DE2558921C3 (en) | 1975-12-29 | 1975-12-29 | Drive for a pneumatic or hydraulic pulse pump |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE2558921C3 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2608927B1 (en) * | 1986-12-30 | 1996-12-20 | Sagem | INFLATION SYSTEM, PARTICULARLY FOR HEART ASSISTANCE |
GB9404321D0 (en) * | 1994-03-04 | 1994-04-20 | Thoratec Lab Corp | Driver and method for driving pneumatic ventricular assist devices |
-
1975
- 1975-12-29 DE DE2558921A patent/DE2558921C3/en not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2558921C3 (en) | 1978-09-21 |
DE2558921A1 (en) | 1977-07-07 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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