DE2612810B2 - Herzklappenprothese - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Herzklappenprothese mit einem Ventilring und einem scheibenförmigen Schließkörper, der im Ventilring drehbar gelagert ist und bei der die Mantelfläche des Schließkörpers mit der Innenkuntur des Ventilringes eine auf dem Schließkörperumfang umlaufende Dichtfläche bildet.

Herzklappenprothese haben in den letzten Jahren für die Herzchirurgie in zunehmendem Maße an Bedeutung gewonnen. Vom Standpunkt der Biophysik werden dabei hohe Anforderungen gestellt. Im Vordergrund stehen Probleme der Hämolyse und der Biokompatibilität.

In der DE-OS 20 13 866 wird eine Herzklappe beschrieben, die aus einem Ventilring mit kreisförmigem Öffnungsquerschnitt besteht, in den eine kreisförmige Schließkörperscheibe eingesetzt ist. Um ein Klemmen der Kreisscheibe in der kreisförmigen öffnung des Ventilringes zu vermeiden, muß zwischen Ventilring und Auüendurchmesser der Kreisscheibe ein Spalt verbleiben. Dieser Spall wirkt sich jedoch im Hinblick auf die strömungsbedingte Blutschädigung sehr nachteilig aus.

Eine Herzklappenprothese mit einem Ventilring und einem darin drehbar gelagerten scheibenförmigen Schließkörper ist z.B. in der US-PS 34 48 465 beschrieben. An der Innenkonlur des Ventilringes sind hier schräg geneigte, den Ventilsitz bildende Dichtflächen angeformt. Abgesehen davon, daß ein derartiger Ventilsitz schwierig herzustellen ist, weist diese Klappe slrömungstechnische Nachteile auf (Querschnittsverengung durch den Ventilsitz) und kann — bedingt durch das Aufschlagen des Schließkörpers und dem Ventilsitz — zu hämolytischen Komplikationen führen.

In den Arbeiten von C. J. Knight, D. M. Taylor und N. MacLeod (s. insbesondere GB-PS 13 27 371 und DE-OS 23 42 102) werden unter anderem die geometrischen Voraussetzungen zur Erzielung einer umlaufenden Dichtfläche am Schließkorper erläutert. Es wird ausgeführt, daß der Schließquerschnitt des Ventilringes in der Weise konisch ausgebildet sein muß, daß er sich in Strömungsrichtung gesehen erweitert Der Schließkörper wird in diesem Querschnitt außermittig gelagert Der Schließkörpergrundriß hat die Form einer Ellipse. Der Schließkorper kann scheibenförmig ausgeführt werden oder ähnlich einem Tragflügelprofil profiliert sein. Die Lagerung des Schließkörpers erfolgt mit Madenschrauben, die durch den Venturing in ilen Schließkorper in Drehachsenrichtung eingeschraubt werden.

Anhand von einleuchtenden geometrischen Überlegungen wird dargestellt daß die gewünschte Dichtwirkung nur dann erreicht werden kann, wenn der Ventilring kegelig ausgeführt ist Anhand einer Skizze wird gezeigt daß ein Schließkorper mit elliptischem Grundriß in einem zylindrischen Ventilring nur dann rotieren kann, wenn die Drehachse mit der kurzen Halbachse übereinstimmt Dies trifft allerdings nur für in Durchströmungsrichtung sehr ausgedehnte Ventilringe zu, die aber gerade aus medizinischen Gründen bei künstlichen Herzklappen vermieden werden sollten.

Ein wesentlicher Nachteil der zuletzt beschriebenen Herzklappe besteht darin, daß der Schließkorper nicht aus einem Zylinder, sondern aus einem Kegel durch Schrägschnitt gewonnen wird. Dadurch verkompliziert sich die Herstellung. Das gleiche trifft fur den Ventilring zu. Auch beim Ventilring wird die mechanische Bearbeitung der Dichtfläche durch die geforderte Konizität erheblich erschwert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Herzklappenprothese zu entwickeln, deren geometrisches Grundkonzept eine umlaufende streifenförmige Dichtfläche bei möglichst einfacher Herstellung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der eingangs beschriebenen Herzklappe dadurch gelöst, daß der Ventilring durch einen unter einem Winkel a_v gegenüber dem Querschnitt leicht geneigten Schrägschnitt eines Hohlzylinders und der Schließkorper durch einen unter einem demgegenüber etwas größeren Winkel«, geneigten Schrägschnitt durch einen Kreiszylinder hergestellt ist, der der Kernzylinder des Hohlzylinders ist. Die Außenfläche des Schließkörpers ist also aus dem gleichen Kreiszylinder ausgeschnitten, dessen Mantelfläche die Innenfläche des Ventilringes bildet, wobei aber die Neigung der Zylinderachse in bezug auf die Normale, auf der Schließkörpermittelebene etwas größer ist als die Neigung zwischen der erwähnten Zylinderachse und der Senkrechten auf der Stirnfläche des Ventilringes. Dabei bildet die Mantelfläche des Schließkörpers mit der Innenkontur des Ventilringes eine umlaufende Dichtfläche, obwohl der Ventilring und der Schließkörperquerschnitt annähernd kreisförmig sind.

Bei kleiner Winkeldifferenz «_s—x, ist die untere Grenze für den Winkel «,.durch die Selbsthemmung des Schließkörpers im Hohlzylinder gegeben. Die Selbsthemmung und damit der Winkel λ» hängen von dem verwendeten Material ab. In der Praxis beträgt «,-α, nur wenige Grad (maximal 10°). Die optimalen Werte können leicht auf emprischem Wege bestimmt werden.

Bei schmaler Ausführung der umlaufenden Dichtfläche ist die Lagerung des Schließkörpers vorteilhaft außerhalb der Dichtfläche angeordnet.

Mit der Herzklappe nach der Erfindung werden die Vorteile der Herzklappe gemäß DEOS 20 13 866 voll verwirklicht und gleichzeitig der nachteilige umlaufende

Leckspalt vermieden. Dieser Leckspalt wird zwar auch bei der Herzklappe gemäß DE-OS 23 42 102 vermieden, aber in diesem Falle durch eine sehr komplizierte Herstellung erkauft Bei der Herzklappe nach der Erfindung gelingt es, die Vorteile der bekannten Herzklappenprothese zu verwirklichen, ohne daß die erwähnten Nachteile auftretea Insbesondere wird bei der erfindungsgemäßen Herzklappe eine einwandfreie streifenförmige Abdichtung erreicht und dennoch bei der öffnung des Schließkörpers der volle Schließquerschnitt freigegeben. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Schließflächen aus Kreiszylinderfläcben ausgeschnitten sind, die bekanntlich selbst bei engen Toleranzen einfach und kostengünstig herzustellen sind. Dadurch ist es möglich, zur Herstellung der künstlichen Herzklappe Materialien zu verwenden, die zwar von den biologischen Anforderungen her äußerst günstig, aber mechanisch schwierig zu bearbeiten sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, d*ß die exakte streifenförmige Dichtung ohne Gefahr eines Verklemmens des Schließkörpers im Ventilring erreicht wird (Selbsthemmung). Schließlich ermöglicht die erfindungsgemäße Ausführung, den Schließkörper strömungsgünstig derart zu gestalten, daß durch die an dem Schließkörper während der Füllungsphase angreifenden Strömungskräfte bereits eine Schließbewegung gegen Ende der Herzfüllungsphase eingeleitet w^;rd. Dies ist außerordentlich wichtig, um die Rückströnung aus der Herzkammer in den Herzvorhof möglichst klein zu halten. Durch die Schrägstellung der Schließebene in dem Kreiszylinder, dessen Mantelfläche die Innenfläche des Ventilringes bildet, wird zudem erreicht, daß der Schließkörper auf die Dichtfläche nicht hart aufschlägt, wie dies bei den bisher üblichen Herzklappenprothesen der Fall ist, bei denen der Schließkörper eine Ruckbewegung ausführt. Die Herzklappe nach der Erfindung ist daher auch in hämolytischer Hinsicht besonders g'instig.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Herzklappe,

Fig.2 die geometrische Beziehung zwischen Venturing und Schließkörper,

Fig. 3 einen Querschnitt mit verschiedenen Stellungen des Schließkörpers und

Fig.4a—4c verschiedene Möglichkeiten zur Lagerung des Schließkörpers.

Die Herzklappenprothese gemäß Fig. 1 besteht aus dem Ventilring 1, dem Schließkörper 2 und den Gelenken 3 zur Lagerung des Schließkörpers 2. Die Gelenke 3 sind einerseits im Venturing I und andererseits im Schließkörper 2 eingelassen. Der Ventilring I kann aus Kunststoff oder einem geeigneten Metall, z. B. Titan, hergestellt werden. Er ist in üblicher Weise noch von einem textlien Nahtring eingefaßt, der hier nicht dargestellt ist. Die Innenkontur des Ventilringes I und damit die Dichtfläche 5 ist von den beiden parallelen Ebenen 8 und 9, die zugleich die Stirnflächen des Ventilringes I bilden, aus der Mantelfläche eines Kreiszylinders ausgeschnitten, dessen Achse um die Mittellinie 7 um wenige Grad &, im Uhrzeigersinn gekippt ist.

Der Schließkörper 2 hat eine scheibenähnliche Form und kann aus Kunststoff, Metall oder Kohlenstoff hergestellt sein. Die Außenfläche 4 des Schlteßkörpers 2 ist aus dem gleichen Kreiszylinder ausgeschnitten, dessen Mantelfläche die Innenfläche S des Ventilringes bildet Dabei ist jedoch die Neigung α* der Zylinderachse in bezug auf die Senkrechte auf der Schließkörpermittelebene um einige Grad höher als die Neigung «» zwischen der erwähnten Zylinderachse und der Senkrechten auf der Stirnfläche 8 des Ventilringes. Abhängig vom Material bzw. von der Kombination der Materalien für Schließkörper und Ventilring wird die Neigung x_r der Achse des Kreiszylinders, aus dessen Mantelfläche die Innenfläche 5 und die Außenfläche 4 herausgeschnitten sind, so in bezug auf die Ebenen 8 und die Mittelebene des Schließkörpers 2 abgestimmt, daß bei geschlossenem Ventilkörper und somit bei der linienhaften Berührung (Dichtungslinie) der Flächen 5 und 4 keine Selbsthemmung auftritt

Die oben beschriebene, räumlich geometrische Relation zwischen Ventilring 1 und Schließkörper 2 läßt sich anhand von Fig.2 verdeutlichen. Der Ventilring 1 wird mit Hilfe eines Schrägschnittes (V/inkel ei,) durch einen kreisförmigen Hohlzylinder 10 mit der Wandstärke d gewonnen. Den Schließkörper 2 erhält man durch einen Schrägschnitt {Winkel «_s) durch den Kern ti des Hohlzylinders 10. Die unterschiedliche Neigung der Schrägschnitte für Ventilring 1 und Schließkörper 2

-⁵ entspricht der Winkeldifferenz <x_s—x_v. Wichtig ist, daß die Außenfläche 4 des Schließkörpers 2 mit der Innenfläche 5 des Ventilringes 1 konform ist, da die beiden Flächen 4 und 5 demselben Kreiszylinder It angehören.

^J(l In Fig.3 sind verschiedene Stellungen des Schließkörpers 2 und seine Lagerung gezeigt. Wie ersichtlich, ist der Schließkörper 2 mittels der im Ventilring 1 eingelassenen Zapfen 3 exzentrisch gelagert. Die Lagerung ist als halboffenes Drehgelenk ausgebildet.

^r> Der Bügel 12 dient als Anschlag für den Schließkörper 2 in geöffnetem Zustand. In geschlossenem Zustand erkennt man das Grundprinzip der Dichtung. Aufgrund der Verschiedenheit der Winkel a_s und x_v ergibt sich eine periphere Schnittlinie zwischen der Ventilringfläehe 5 und der Mantelfläche 4 des Schließkörpers 2. Da die Winkel x_s und <Xv jedoch nur wenig voneinander abweichen, ergibt sich ein schleifender Schnitt, d. h. die Schnittlinie (Dichtungslinie) 13 ist zu einer ringförmigen, sich über den Schließkörperumfang erstreckenden

Dichtungszone erweitert. Die Größe dieser Dichtungszone hängt von den Winkeln und den Materialeigenschaften (Verformbarkeit) ab.

Wie in Fig.3 gezeigt, sind die Kanten an dem Umfang des Schließkörpers 2 abgerundet. Dies wirkt

sich strömungsgünstig aus.

In den F i g. 4a bis 4c sind verschiedene Möglichkeiten für die Lagerung des Schließkörpers 2 dargestellt. Außerdem wird das tragflügelähnliche Profil des Schließkörpers 2 gezeigt. Die Zapfenlagerung gemäß

Fig. 4a entspricht der in Fig. 1 dargestellten Lagerung. Die Gelenke können als einfache zylindrische Stifte ausgeführt werden, die durch den Ventilring 1 hindurch in den Schließkörper 2 eingesteckt werden. Die Gelenkachse 6 verläuft parallel zur Halbachse des

^bn Ventilringquerschnittes 7. Die Drehachse liegt nicht in der durch die Dichtzone definierten Fläche 14, sondern ist zur Öffnungsseite hin verschoben. Die in Fig.4b «ezeigte halboffene Geienklagerung entspricht annähernd der Ausführung gemäß F i g. 3. Auf der Schließsei-

^M te ist hier ein Stift 15 in cien Ventilring 1 eingelassen. Dieser Stift verhindert eine Verschiebung des Schließkörpers zur Schließseite hin und dient gleichzeitig als Anschlag für den Schließkörper in geöffnetem Zustand.

Die geometrische Lage der Stifte 3 und 15 muß so gewählt werden, daß in jeder Stellung des Schließkörpers a < b erfüllt ist.

Die F i g. 4c stellt einen Spezialfall einer halboffenen Gelenklagerung dar. Der Gelenkzapfen 3 greift hier in eine relativ flache Mulde 16 ein, die auf der Öffnungsseite in den Schließkörper 2 eingearbeitet iüt. Diese Ausführung ist strömungstechnisch besonders günstig. Auf der Gegenseite befindet sich wieder ein Anschlagstift 15. Analog zu der Ausführung gemäß F i g. 4b gilt für die Lage der Stifte 3 und 15 a < b. Der Winkel «, der die Flankensteilheit der Mulde 16 angibt, darf einen gewissen Grenzwert «*_r nicht unterschreiten. Bei α = dir tritt Selbsthemmung ein. «*_r hängt von der Geometrie der Mantelfläche 4 des Schließkörpers und der Innenfläche 5 des Ventilringes 1 sowie von der Art der verwendeten Materialien ab und muß empirisch bestimmt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Herzklappenprothese mit einem Ventilring und einem scheibenförmigen Schließkörper, der im Ventilring drehbar gelagert ist und die Mantelfläche des Schließkörpers mit der Innenkontur des Venülringes eine auf dem Schließkörperumfang umlaufende Dichtfläche bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilring (1) durch einen unter einem Winkel «, gegenüber dem Querschnitt leicht geneigten Schrägschnitt eines Hohlzylinders (10) und der Schließkorper (2) durch einen unter einem demgegenüber etwas größeren Winkel <x_s geneigten Schrägschnitt durch einen Kreiszylinder hergestellt ist, der der Kernzylinder (11) des Hohlzylinders (10) ist

2. Herzklappenprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei kleiner Winkeldiffercnz Xs- oc_r für die beiden Schrägschnitte die untere Grenze für den Winkel x_v durch die Selbsthemmung des Schließkörpers (2) im Hohlzylinder gegeben ist

3. Herzklappenprothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß bei schmaler Ausführung der umlaufenden Dichtfläche die Lagerung des Schließkörpers (2) außerhalb der Dichtfläche angeordnet ist