DE2658104A1 - Vorrichtung zum automatischen betrieb kuenstlicher kreislaufpumpen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum automatischen Betrieb künstlicher Kreis-
• aufpumpen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum automatischen Betrieb künstlicher Kreislaufpumpen zum Eransport des Blutes mit einer von einem hydraulischen oder pneumatischen Energiespeicher betriebenen Membranpumpe.
• Für die automatische Regelung künstlicher Herzen gibt es zwei im Prinzip unterschiedliche Wege: 1. Wach einer, beispielsweise von einem Rechner, vorgegebenen Vorschrift werden alle Pumpparameter so variiert, dass der gewünschte Effekt erreicht wird.
• Diese Methode wird im folgenden als statistisch} bezeichnet.
• 2. Nach einem logischen Konzept wird die Arbeit der Pumpe fortlaufend optimiert und nach Kenntnis dieses Leistungsoptimums wird die Pumpleistung auf den gewünschten Wert reduziert. Dies wird im folgenden als ~Optimalsteuerung11 bezeichnet.
• Gemeinsam beiden Lösungswegen ist der geschlossene Regelkreis. Die Kreislaufgrösse (z.B. der Ereislaufdruck) wird hinsichtlich ihres Sollwertes untersucht. Ist der Sollwert nicht erreicht, so erfolgt eine Änderung des Pumpparameters.
• Der Effekt dieser änderung wird gemessen und regeltechnisch mit dem Sollwert verglichen.
• Aus der Literatur sind nur wenige Lösungsvorschläge bekannt.
• Während alle bisher realisierten Lösungsvorschläge sich nur mit der Regelung einzelner Kreislaufparameter, in der Hauptsache des Kreislaufdruckes, beschäftigen, wobei ein automatischer Betrieb praktisch nicht zu verwirklichen ist, ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen solchen automatischen Betrieb zu ermöglichen. Hierfür muß nicht nur das Optimum der Pumplieferung bekannt sein und die Regelung auf den gewünschten Parameter durchgeführt werden, sondern es muß auch bei Auftreten von Störungen eine automatische Umschaltung auf Fixbetrieb unter Alarm durchgeführt werden. Erst dann kann von einem automatischen Betriebssystem gesprochen werden.
• Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die Erfindung nützt die Tatsache, daß Füllung und Auswurf der Membranpumpe bei gegebenen Betriebsbedingungen ausschließlich eine Funktion des Einfluss- und Ausflusswiderstandes sind. Die Frequenz der Pumpe ergibt sich daher aus der Füllungszeit plus der Austreibungszeit. Diese Optimalfrequenz ist von Schlag zu Schlag verschieden, Die Pumpe ist danigefüllt bzw. entleert, wenn die Pumpmembran in ihrer jeweiligen Endstellung steht, wobei der Treibfluss gleich Null ist. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist es, daß die Pumpe immer mit der niedrigst möglichen Brequenz pumpt. Ein höheres Angebot von Blut am Eingang der Pumpe hat eine raschere Füllung zur Folge, wodurch die Pumpe schneller zu schlagen beginnt. Dadurch passt die Pumpe sich den Erfordernissen automatisch an. Ein ganz besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß kein Kreislaufparameter gemessen werden muß. Da die so definierte Optimalsteuerung immer maximale Leistungen bringt, ist es notwendig, in einem zweiten Schritt pro Pumpe jeweilseinen Kreislaufparameter zu regeln. Besonders schonend ist die Regelung über die Variation des Treibdruckes.
• Der Vorteil der automatischen Umschaltung von Optimalsteuerung auf Fixfrequenzbetrieb besteht darin, daß der Regelkreis, welcher zur Aufrechterhaltung des Pumpzyklus dauernd geschlossen sein muß, immer wieder angestoßen wird.
• Auch hier ist ein besonderer Vorteil der Erfindung dadurch gegeben, daß schließlich nach einer einstellbaren Zahl von Umschaltungen die Maschine resigniert (Lernmechanismus).
• Die Umschaltung ist ja nur bei Störungen notwendig. Treten Störungen häufig auf, so muß das Bedienungspersonal durch Alarm gerufen werden. Schließlich besteht noch ein Vorteil der Erfindung in der einfachen Möglichkeit, stets das Minutenvolumen der Pumpe auf einfachste Weise berechnen zu können. Da nämlich das Schlagvolumen der Pumpe bekannt ist und die Pumpe immer voll gefüllt und ganz entleert wird, ergibt sich das Minutenvolumen durch Multiplikation von Pumpfrequenz mit dem Schlagvolumen.
• Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in 4 Figuren beschrieben. Figur 1 zeigt das Blockschema der Optimalsteuerung, jedoch ohne Start- und Umschaltautomatik. Figur 2 zeigt die SEzze einer Originalregistrierung beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 3 zeigt die technische Realisierung der Optimalsteuerung mit automatischer Umschaltung. Figur 4 zeigt schließlich eine Möglichkeit der Regelung auf Sollwert durch Verringerung des Pumpdruckes.
• Der hydraulische oder pneumatische Energiespeicher 3 beaufschlagt über das Elektromagnetventil 4 die Membran der Pumpe 6. Der in die Leitung vom Ventil 4 zur Pumpe eingeschaltete Membranstellungsmesser 5 - vorzugsweise eine Thermistorsondeliefert sein Signal an den Trigger 1. Da die Thermistorsonde keine Strömungsrichtung erkennt, wird im einfachsten Fall der Triggerpegel auf Null gestellt. Der Ausgang des Triggers betreibt den bistabilen Umschalter 2, der seinerseits das Elektromagnetventil 4 schaltet.
• Figur 2 zeigt den Vorgang an Hand von Registrierkurven. Die Rückkehr des von der Thermistorsonde registrierten Strömungsl verlaufs 7 gegen Null löst in dem Trigger 1 den Impuls 8 aus. Dieser bewirkt in dem bistabilen Umschalter 2 den Umschaltimpuls 9, wodurch das Elektromagnetventil 4 umschaltet. Wenn die Membran der Pumpe in die Endstellung gelangt, in der sie nicht mit Treibmittel beaufschlagt ist, verbindet das Ventil 4 die Pumpe mit dem Energiespeicher 3.
• Ist dagegen die Membran in der anderen Endstellung, stellt das Ventil eine Verbindung zu einer Vakuumquelle (beispielsweise 38 in Figur 4) oder der Umgebungsluft her.
• Bei der Verbindung des Ventils 4 mit der Energiequelle 3 entsteht ein Druckimpuls 10, welcher wiederum einen Strömungsimpuls 7 zur Folge hat. Man beachte, daß das Thermistorsignal stets positiv ist. Auf der Abszisse 11 ist die Zeit s angegeben.
• Gemäß Figur 3 wird der Zustand der "Strömung gleich Null1' über den Trigger 1 signalisiert und der Triggerimpuls über einen monostabilen Multivibrator 12 auf 0,2 s normiert.
• Unter der Annahme, daß die beiden UND-Gatter 13 und 14 geöffnet sind, gelangen die Impulse auf den bistabilen Umschalter 2. Dessen Ausgangsimpuls muß zum Betrieb des elektromagnetischen Ventils 4 nur mehr über den Impedanzwandler 18 verstärkt werden.
• Der beschriebene Vorgang ist ein Kreisprozess. Dieser Kreisprozess muß sowohl gestartet als auch fortlaufend kontrolliert werden, da beispielsweise schon der Ausfall der Treibmittelversorgung durch einen geknickten Zuführungsschlauch zum Stillstand des Kreisprozesses führen würde. Bricht der Kreisprozess zusammen, so übernimmt ein astabiler Multivibrator 20 den Betrieb über das vor dem bistabilen Umschalter 2 gezeichnete ODER-Gatter 17. Das UND-Gatter 21 ist immer dann geöffnet, wenn vom Trigger 27 keine Impulse abgegeben werden. Die vom Trigger 1 kommenden Impulse werden über einen Impedanzwandler 23 verstärkt und laden zyklisch ein RO-Glied 25,26 auf. Die am Kondensator 25 stehende Spannung ist demgemäß üblicherweise positiv, der Trigger 27 zeigt an seinem Ausgang ein positives Signal, das UND-Gatter 14 ist daher geöffnet und das UND-Gatter 21 gesperrt. Fallen die vom Trigger 1 kommenden Impulse aus, so entlädt sich das RC-Glied und nach etwa 4 bis 5 s geht der Trigger 27 auf Null, das UND-Gatter 14 wird gesperrt, während das UND-Gatter 21 öffnet, so daß die Impulse des astabilen Multivibrators 20 auf den bistabilen Umschalter 2 gelangen können. Tritt ein solcher Alarmfall ein, so wird der Alarm bei 59 zunächst signalisiert. Führen die vom astabilen Multivibrator 20 abgegebenen Impulse zu einer ausreichenden Strömung, so arbeitet der Trigger 1 wieder und der Alarm wird automatisch gelöscht.
• In dem System ist noch ein ~Lernmechanismus" eingebaut, da jede Umschaltung von Automatik auf Fixfrequenz einen Zeitraum von ca. 5 s benötigt, die permanente Umschaltung daher auf längere Sicht gesehen zu einer Minderversorgung des Kreislaufs führen würde. Die Anzahl der Umschaltungen wird vom Zähler 29 fortlaufend gezählt. Dieser Zähler gibt nach einer wählbaren Zahl von erfolglosen Umschaltungen (beispielsweise 6) ein Signal an seinen Ausgang ab, welches unter Alarmgabe in dem Alarmgeber 58 weitere Umschaltversuche über das UND-Gatter 13 verhindert. Die Optimalsteuerung wird durch Betätigung des Schalters 19 ausgelöst, da über die logische Verneinung 16 bei geschlossenem Schalter am UND-Gatter-13 jeweils eine positive Spannung auftritt. Beim Einschalten des Systems wird über einen monostabilen Multivibrator 22 auch der Zähler 29 jeweils zurückgestellt. Zwecks Errechnung des Minutenvolumens wird vom Frequenzmesser 60 die Anzahl der Umschaltungen angezeigt.
• Die Regelung des Sollwertes eines Kreislaufparameters zeigt Figur 4. Der Betriebsdruckspeicher 3 betreibt über das Elektromagnetventil 4 die Membranpumpe 6. Dieser Speicher wird von einem zentralen Druckspeicher 31 über ein weiteres Elektromagnetventil 32 mit Druckmittel versorgt. Der Druck im Betriebsspeicher wird elektronisch gemessen mit einem Druckmesser 37 und in einem Differenzverstärker 34 mit dem an dem Potentiometer 33 eingestellten Sollwert verglichen. Je nach Potentiometerstellung öffnet der Trigger 35 über den Impedanzwandler 36 das Elektromagnetventil 32 so lange, bis der Druck den Sollwert erreicht hat. Die Regelung des Betriebsdruckes erfolgt auf Grund von Messungen von Kreislaufparametern des Kreislaufsystems mit dem Messgerät 41. Steigt beispielsweise der Aortendruck über den am Sollwertgeber So manuell eingestellten Wert, so entsteht im Differenzverstärker 43 ein positiver Ausschlag, der Trigger 44 wird angestoßen und je nach Stellung des Schalters 46 wird entweder das UND-Gatter 53 oder das UND-Gatter 4 geöffnet.
• Durch diese UND-Gatter gelangen Impulse des astabilen Multivibrators 51 mit einer Periodendauer von etwa 5 s und einer taktzeit des monostabilen Multivibrators 52 von etwa 0,5 s über jeweils einen der Impedanzwandler 49,54 zu dem Motor 40 des Motorpotentiometers 40,33 und steuern das Potentiometer entweder nach positiver oder negativer Richtung. Die kurzen Impulse bewirken am Motorpotentiometer eine Drehung von jeweils 5°.
• Durch Wenden des Schalters 46 kann jeder gemittelte Kreislaufparameter zur Regelung verwendet werden Steigt beispielsweise der Aortendruck über den am Sollwertgeber 50 eingestellten Sollwert an, so wird der Trigger 44 positiv, das UND-Gatter 53 wird geöffnet, das Motorpotentiometer geht in Richtung kleinerer Betriebsdrucke.
• Diese Drucksenkung wird erst dann korrigiert, wenn auf Grund des niedrigen Betriebsdruckes der Aortendruck sinkt und der Sollwert unterschritten wird.
• L e e r s e i t e

Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zum automatischen Betrieb kiinstlicher Kreislaufpumpen zum Transport des Blutes mit einer von einem hydraulischen oder pneumatischen Energiespeicher betriebenen Membranpumpe, gekennzeichnet durch einen in beiden Endlagen der Membran einen entsprechenden Impuls abgebenden Membranstellungsmesser (5), einen vom Membranstellungsmesser betriebenen Trigger (1) zur Signalisierung der Endstellung der Membran, einen vom Trigger (1) betriebenen bistabilen Umschalter (2) sowie ein vom bistabilen Umschalter betriebenes Elektromagnetventil (4) in der Leitung vom Energiespeicher (5) zur Membranpumpe (6).
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nembranstellungsmesser (5) eine zwischen dem Elektromagnetventil (4) und der Membranpumpe (6) im Treibmittelstrom liegende Thermistorsonde ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Elemente vorgesehen sind: einastabiler Multivibrator (20) mit der doppelten Freauenz der gewunschten Fixfrequenz, ein zwischen dem Ausgang des astabilen Multivibrators (20) und dem Eingang des bistabilen Umschalters (2) in Serie liegendes UND-Gatter (21) sowie ein ODER-Gatter (17), ein dem bistabilen Umschalter (2) nachgeschalteter Impedanzwandler (18) zum Betrieb des nachfolgenden Elektromagnetventils (4), eine im Treibmittelstrom liegende Thermistorsonde (5), ein den Treibmittelstrom Null signalisierender Trigger (1), ein dem Trigger nachgeschalteter monostabiler Multivibrator (12) mit einer Taktzeit von ca.

   0,2 s zwecks Austastung von doppelten Triggerimpulsen, ein dem monostabilen Multivibrator (12) nachgeschaltetes UND-Gatter (13), dessen mittlerer Eingang bei Einschalten des Schalters (19) über die logische Verneinung (16) stets hochgeschaltet ist, dessen unterer Eingang über eine weitere Verneinung (30) im Normalfall ebenfalls hochgeschaltet ist, ein von den Ausgangsimpulsen des UND-Gatters (13) über einen Impedanzwandler (23) und eine Diode (24) aufladbarer Speicherkondensator (25) nebst Entladewiderstand (26), ein dem Speicherkondensator (25) nachgeschalteter Trigger (27), dessen Ausgang über eine logische Verneinung (28) bei Auftreten von Treibmittelimpulsen das UND-Gatter (21) und damit die Fixfrequenz sperrt, ein weiteres UND-Gatter (14), welches eingangsseitig einerseits von den Treibmittelimpulsen, andererseits vom Ausgang des Triggers (27) betrieben wird, und dessen Ausgang über das OI)ER-Gatter (17) den bistabilen Umschalter (2) aufgrund von Treibmittelimpulsen betreibt.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur näherungsweisen Berechnung des Minutenvolumens der Blutpumpe ein von dem bistabilen Umschalter (2) betriebener Frequenzmesser (60) vorgesehen ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Blockierung der automatischen Umschaltung von Fixfrequenz auf Optimalsteuerung ein die Anzahl der Umschaltimpulse registrierender, vorwählbarer Zähler (29) mit nachfolgender logischer Verneinung (30) vorgesehen ist und daß ein vom Einschalter (19) aktivierter monostabiler Multivibrator (22) zwecks Rückstellung des Zählers (29) sowie eine von der logischen Verneinung (30) zum UND-Gatter (13) führende Leitung (55) zwecks Blokkierung der lreibmittelimpulse des Triggers (27) vorgesehen sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur regeltechnischen Verringerung der Pumpleistung nach Einschalten der Optimalsteuerung infolge einer Verringerung des Pumpdruckes der Druck des Druckspeichers (3) von einem Druckmesser (37) kontinuierlich meßbar ist, dessen Ausgang zu dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (34) führt, dessen nicht invertierender Eingang mit dem Schleifer eines MotorpoteitLo-meters (33, 40) verbunden ist und dessen Ausgang einen Trigger (35) betreibt, wobei ein Elektromagnetventil (32) zum Nachfüllen des Betriebsdruckspeichers (3) aus einem vorgeschalteten Druckspeicher (31), ferner ein vom Trigger (35) betriebener Impedanzwandler (36) zur Steuerung des Elektromagnetventils (32), ein Druckmesser (41) zur Messung des Druckes im Kreislaufsystem (39), ein dem Druckmesser (41) nachgeschaltetes Tiefpassfilter (42), ein einstellbarer Sollwertgeber (50) sowie ein Regler (56) zur regeltechnischen Beeinflussung des Motorpotentiometers (33, 40) vorgesehen sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (56) einen vom Kreislaufdruckmesser (41) und vom Sollwertgeber (50) gesteuerten Differenzverstärker (43), einen dem Differenzverstärker nachgeschalteten Trigger (44), eine dem Trigger (44) nachgeschaltete logische Verneinung (45), einen Umschalter (46) zur wahlweisen Weiterleitung von invertierenden oder nicht invertierenden Impulsen des Triggers (44) an das UND-Gatter (53) und an eine logische Verneinung (47), einen astabilen Multivibrator (51) mit einer Taktzeit von ca. 5 s, einen dem astabilen Multivibrator (51) nachgeschalteten monostabilen Multivibrator (52) mit einer taktzeit von ca. 0,2 s, dessen Ausgang sowohl zum UND-Gatter (53) als auch zu einem weiteren UND-Gatter (48) führt, eine von der logischen Verneinung (47) zum zweiten Eingang des UND-Gatters (48) führende Leitung (57) sowie zwei Impedanzwandler (49, 54) zur Verstärkung der kurzen elektrischen Stellimpulse, von denen je einer den UND-Gattern (48 und 53) nachgeschaltet ist, aufweist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen vom Ausgang des Zählers (29) betriebenen Alarmgeber (58) sowie eine Anzeigeeinheit (59) zur Anzeige der Stellung des Triggers (27).