DE2658949C2 - Künstliches Herz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein künstliches Herz zum Anschluß an einen Blutkreislauf über schließbare und zu öffnende Klappen, das zwei elastische Herzkammern und zwei elastische Atrien aufweist die von einem gemeinsamen starren Gehäuse umgeben sind, das zwei Zuflußöffnungen in die Atrien und zwei Ausflußöffnungen in den Herzkammern und im Unterteil zwei nebeneinander angeordnete Zylinder mit je einem Kolben enthält, dessen jede Herzkammer von ihrem Atrium durch ein starres,, eine Zuflußöfinung mit von der Atriumseite zu öffnenden Klappen aufweisendes Septum getrennt ist und eine von der anderen Herzkammer und deren Atrium abgetrennte Herzhälfte bildet.

Ein derartiges künstliches Herz ist aus der US-PS 38 74 002 bekannt. Es wird durch eine einen ferromagnetischen Kolben enthaltende elektromagnetische Pumpe angetrieben, dessen firregerspule von an der Gehäusewand befestigten Batterien gespeist wird. Der Kolben ist längsbeweglich und elastisch an zwei Führungsstangen befestigt, die mit ihren Enden in den Enden von zwei parallel zum ferromagnetischen Kolben angeordneten Dauermagneten fest eingespannt sind, wobei die Pole dieser Dauermagneten zueinander entgegengesetzt angeordnet sind. Die Klappen sind als zweiarmige Hebel ausgebildet und im Gehäuse drehbar gelagert Sie weisen im kürzeren im Gehäuse angeordneten Hebelarm einen Dauermagneten auf. Im Schwenkbereich des kürzeren Hebelarms sind zwei Dauermagneten derart angeordnet, daß der dem Klappenpel entgegengeriehtete Pol des einen Dauermagneten an der Blutabflußseite angeordnet ist und die Schließstellung gewährleistet und der dem Klappenpol gleichnamige Pol des zweiten Dauermagneten an der Blutzuflüßseite an einer Stelle angeordnet ist, bei der die Klappe geöffnet ist.

Der ferromagnetische Kolben bewegt sich in einem mit Flüssigkeit ausgefüllten Raum, im Takt der Polaritätsumschaltung seiner Erregerspule, aufgrund

der Anziehung der entgegengesetzt angeordneten Magnetpole beider Dauermagneten. Dies bewirkt eine Bewegung der Flüssigkeit, einmal unter die bewegliche elastische Wand des Atriums, zum anderen unter die bewegliche elastische Wand der Herzkammer, die jeweils durch die Flüssigkeit nach oben hin verdrängt werden, wodurch im ersten Falle Blut aus dem Atrium in die Herzkammer durch die einteilige Klappe und im zweiten Fall aus der Herzkammer in den Blutkreislauf unter gleichzeitigem Ansaugen von Blut in das Atrium ausgestoßen wird. Die Klappen arbeiten infolge der Zusammenarbeit mit den Dauermagneten derart, daß sie sich unter dem Druck des durchströmenden Blutes, welches die Anziehungskraft der beiden ungleichnamigen Pole überwindet — die die Klappen im geschlossenen Zustand halten — offenen und nachfolgend unter dem Einfluß der Abstoßungskraft der gleichnamigen Pole 'π. der geöffneten Stellung der Klappen bei gleichzeitigem Druckabfall des zuströmenden Blutes aus dem geöffneten Zustand wieder in den geschlossenen übergehen.

Der Nachteil dieses künstlichen Herzens beruht darauf, daß die zwangsläufig begrenzte Kapazität der im Gehäuse angeordneten Batterien zu einer ständigen Aufrechterhaltung der Herztätigkeit nicht ausreicht Es ist daher eine Stromzufuhr von äußeren Spannungsquellen notwendig, um die notwendige hohe Stromstärke zur Überwindung der hydraulischen Widerstände bei den Bewegungen des ferromagnetischen Kolbens zu gewährleisten. Ein grundsätzlicher bei einer Speisung von außen gegebener Nachteil ist die Gefahr einer Infektion entlang der Speiseleitung, was für den Träger eines künstlicher« Herzens eine tödliche Gefahr darstellt. Überdies hinaus erfordert dieses künstliche Herz den Einsatz zusätzlicher Meß- und Auswertungseinheiten sowie einer Steuereinheit, um anhand der gemessenen biochemischphysikalischen Informationen über den jeweiligen Zustand des Trägers, die Tätigkeit des künstlichen Herzens entsprechend zu regulieren.

Aufgabe ^er Erfindung ist es, ein künstliches Herz *o anzugeben, das diese Nachteile nicht aufweist und unabhängig von einer äußeren Energiequelle arbeitet und sich selbständig steuert.

Diese Aufgabe wird mit einem künstlichen Herz zum Anschluß an einen Blutkreislauf über schließbare und zu öffnende Klappen, das zwei elastkche Herzkammern und zwei elastische Atrien aufweist, die von einem gemeinsamen starren Gehäuse umgeben sind, das zwei Zuflußöffnungen in den Atrien und zwei Ausflußöffnungen in den Herzkamiaern und im Unterteil zwei nebeneinander angeordnete Zylinder mit je einem Kolben enthält, dessen jede Herzkammer von ihrem Atrium durch ein starres, eine Zuflußöffnung mit von der Atriumseite zu öffnenden Klappen aufweisendes Septum getrennt ist und eine von der anderen Herzkammer und deren Atrium abgetrennte Herzhälfte bildet, dadurch gelöst, daß das Gehäuse einen vorgewölbten, das Atrium aufnehmenden Oberteil aufweist, der beständig und fest mit einem verzweigten, zur Befestigung an den Rippen ausgebildeten Schaft verbunden ist, und das Gehäuse die Wände der Zylinder bildet, daß die Zylinder den unteren Teil der Herzkammer unigeben, daß auf jeden Zylinder eine längsbewegliche Buchse abgedichtet aufgesetzt ist, die einen nach inneO gerichteten, den Kolben bildenden konkaven Boden aufweist, daß beide Buchsen an einer verzweigten elastischer., hautartigen, fingerförmigen Stütze verbunden befestigt sind, die zur Verbindung mit dem Zwerchfell ausgebildet ist, daß der Kolben als Hohlkolben ausgebildet und mit Kohlendioxid gffüllt ist, daß peripher an der Innenfläche jedes Zylinders und gleichzeitig ebenfalls peripher an der Außenfläche jeder Herzkammer eine elastische bewegliche Membran abgedichtet angeordnet ist, daß im Raum zwischen der beweglichen Membran und dem mit ihr verbundener. Teil der elastischen Herzkammer eine bezüglich Blut isotonische physiologische Flüssigkeit mit einem Zusatz von antithrombotischen Substanzen, und im Raum zwischen dem Kolben und der elastischen, beweglichen Membran eine Flüssigkeit von geringerer Dichte und Viskosität als Wasser eingebracht ist, daß ein ausdehnbarer Raum zwischen dem elastischen Atrium und den es begrenzenden Teilen des Gehäuses und dem Septum vorgesehen ist, daß dieser Raum mit Kohlendioxid unter einem gegenüber dem mit Blut gefüllten Raum niedrigeren Druck gefüllt ist, und daß das Gesamtvolumen der Herzkammern und Atrien etwa viermal so groß wie das durchschnittliche Innenvolu'nen eines gesunden Herzens ist

Das erfindungsgemäße künstliche Herz weist im Vergleich mit bekannten Lösungen den grundsätzlichen Vorteil auf, daß es keine separate Energiequelle und damit auch keine mechanische Verbindung zwischen dem Herz und dieser Quelle erfordert Damit entfällt auch die Gefahr einer Infektion entlang einer derartigen Verbindung.

Erfindungsgemäß wird das künstliche Herz durch die Atmungsmuskulatur des Trägers angetrieben. Dadurch ist auch kein separates Steuerungssystem notwendig, da dessen Funktion automatisch durch das Zentralnervensystem über das Atmungszentrum erfüllt wird. Das Ausstoßvermögen pro Minute des erfindungsgemäßen künstlichen Herzens hängt von der durch das Atmungszentrum regulierten Atmungstiefe und -frequenz des Trägers ab, was den Träger in allen Fällen einer erhöhten Funktionstätigkeit des Organismus, τ-, Β. bei beschleunigtem Schritt, beim Hinaufsteigen von Treppen, bei einem kurzen Lauf oder einer anderen intensiven Anstrengung schützt weil die Vertiefung der Atmung und die Beschleunigung ihrer Frequenz die Tätigkeit des künstlichen Herzens entsprechend ändert

Mit Rücksicht darauf, daß das physiologische Verhältnis der Atmungsfrequenz zur Herschlagzahl eines natürlichen Herzens etwa 1 :4 beträgt ist das Innenvolumen der Kammern und Atrien des künstlichen Herzens annähernd um das Vierfache größer bezüglich des Innenvolumens der Kammern und Atrien eines natürlichen Herzens, was entsprechend dem langsameren Arbeitsrhythmus des künstlichen Herzens einen regelmäßigen Blutkreislauf gewährleistet. Die im Vergleich zum natürlichen Herz geringere Wanddicke des künstlichen Herzens gewährleistet, daß eine wesentliche Vergrößerung seiner Außenabmessungen gegenüber einem natürlichen Herz trotz der Vergrößerung des Innenvolumens nicht erforderlich ist. Eine geringfügige Vergrößerung der Außenabmessungen üb', jedoch keine nachteiligen Folgen aus, da das durch ein künstliches Herz ersetzte kranke Herz meist pathologisch vergrößert ist. Die Tätigkeit des künstlichen Herzens basiert auf der biologischen Steuerung durch das Gehirn und das verlängerte Mark, in dem sich Analysatoren der Blutzusammensetzung befinden, die die Aussendung von entsprechenden Signalen für die Arbeit der Atmungsmuskulatur bewirken, dank denen die natürliche Rückkopplung zum Antrieb des künstlichen Herzens ausgenutzt werden konnte.

Vorzugsweise Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Hälfte eines erfindungsgemäßen künstlichen Herzens im Längsschnitt, in der die elastische Herzkammer in entspannter Lage dargestellt ist,

Fig.2 die gleiche Herzhälfte, in der die elastische Herzkammer in zusammengedrückter Lage dargestellt ist und

F i g. 3 das auf einer Stütze abgestützte Gehäuse des künstlichen Herzens in axonometrischer Darstellung.

Ein gemäß der Erfindung ausgeführtes Beispiel eines künstlichen Herzens besteht aus zwei symmetrischen Hälften, deren Innenräume voneinander getrennt sind und durch ein starres Gehäuse 1 mit vorgewölbtem Oberteil, das zwei Zuf'iuoöffnungen 2 unu zwei Ausflußöffnungen 3 enthält, umfaßt werden. Die Öffnungen 2 und 3 der linken Herzhälfte sind zum Anschluß an die Aorta und die Vena pulmonalis sowie zur Erhaltung des Körperkreislaufs im Organismus des Trägers bestimmt. Die Öffnunungen 2 und 3 der rechten Herzhälfte sind dagegen zum Anschluß an die Venen und an die Lungenarterie sowie zur Erhaltung des kleinen Blutkreislaufs analog wie im natürlichen Herz vorgesehen.

Das Gehäuse 1 ist aus mit Epoxydharz verbundenen Glasfasern hergestellt. Der untere Gehäuseceil ist in Form von zwei, parallel nebeneinander angeordneten Zylinden 4 ausgebildet, auf welche zwei Buchsen 5 aufgeschoben sind. Die Kanten der Buchsen 5 und die Kanten der Zylinder 4 sind gebördelt und überdecken sich derart gegenseitig, daß bei maximal nach unten ausgeschobener Buchse 5 eine Trennung vom Zylinder 4 unmöglich ist. Die Buchsen 5 weisen konvexe Böden auf. die Herzkolben 6 bilden. Um deren Eigengewicht möglichst niedrig zu halten, sind sie innen hohl und mit Kohlendioxid gefüllt. Kohlendioxid schützt den Organismus des Menschens gegen eine irreversible Gasemo- «o bile im Fall einer Undichtigkeit. Oberhalb eines jeden Kolbens 6 befindet sich eine elastische bewegliche Membran 7, die peripher an der Innenfläche des Zylinders 4 befestigt ist. Im Oberteil des Gehäuses 1 befindet sich in der Mitte eine elastische veränderbare -*5 Herzkammer 8 von im entspannten Zustand eiförmiger Gestalt, an der ebenfalls peripher die elastische bewegliche Membran 7 befestigt ist.

Der Oberteil des Gehäuses 1 umschließt auch ein elastisches Atrium 9. Das Atrium 9 ist durch eine öffnung 10 in einem starren, die Räume der Herzkammer 8 und des Atriums 9 voneinander trennenden Septum 11 mit der elastischen Herzkammer 8 verbunden. Die Herzkammer 8 und das Atrium 9 sind aus Polyurethan hergestellt, am Raum 12 zwischen der elastischen beweglichen Membran 7 und dem mit ihr verbundenen Teil der elastischen Herzkammer 8 befindet sich eine gegen Blut isotonische. Heparin enthaltende physiologische Salzlösung, deren Aufgabe darin besteht, den Träger des künstlichen Herzens gegen die Folgen einer Perforation der Herzkammer 8 zu schützen und dem Entstehen von Thromben im Herzinneren vorzubeugen.

Im Raum 13 zwischen dem Kolben 6 und der elastischen beweglichen Membran 7 befindet sich Petroleum, das aufgrund seines gegenüber Wasser geringeren Viskositätskoeffizienten den Erhalt einer niedrigen Reibungszahl ermöglicht und auch infolge seiner bezüglich Wasser geringeren Dichte eine Herabsetzung des Gewichts des künstlicher. Herzens erlaubt.

Die elastische Herzkammer 8 weist mit der Ausflußöffnung 3 im Gehäuse 1 und der im starren Septum 11 angeordneten öffnung 10 zwei überdeckbare und somit schließbare öffnungen auf. Das elastische Atrium 9 weist mit der Zuflußöffnung 2 im Gehäuse 1 und der öffnung 10 zwischen der elastischen Herzkammer 8 und dem Atrium 9 zwei überdeckbare öffnungen auf. Im Raum 14 mit veränderlichem Volumen zwischen dem elastischen Atrium 9 und den ihn begrenzenden starren Teilen des Gehäuses 1 und des starren Septums 11 befindet sich Kohlendioxid unter einem gegenüber dem Blut niedrigeren Druck. Das Kohlendioxid dient dazu, einer irreversiblen Emoblie im Falle einer Perforation des elastischen Atriums 9 vorzubeugen.

Die Abdichtung zwischen der Buchse 5 und dem Zylinder 4 erfolgt durch zwei elastische Rohre 15 und 16 aus Polyurethan, zwischen denen sich Petroleum befindet. Das Innenrohr 15 ist mit einem Ende am Umfang des Kolbens 6 und mit dem anderen Ende an der Innenfläche des Zylinders 4 abgedichtet befestigt. Das Außenrohr 16 ist mit einem Ende am Umfang des Oberteils des Gehäuses 1 und mit dem anderen Ende an der Außenfläche der Buchse 5 ebenfalls abgedichtet befestigt.

Die Öffnungen 2, 3 und 10 des künstlichen Herzens sind mit Klappen 17 zum Schließen dieser öffnungen versehen, die aus zwsi mit den vorstehenden geraden Kanten zueinander gerichteten Lappen, die Ausschnitte einer kreisförmigen Figur bilden, bestehen und die mit den kreisförmigen Kanten an den Wänden der öffnungen 2, 3 und 10 befestigt sind. Jeder Lappen besteht aus zwei Werkstoffschichten 18 und 19 von unterschiedlicher Elastizität, die in diesem Falle aus Polyurethan ausgeführt sind, wobei jede Schicht einen anderen Polymerisationsgrad aufweist. Die Werkstoffschicht 18 mit höherer Elastizität befindet sich an der Seite des Blutzuflusses im Sinne des Blutkreislaufs.

Der vorgewölbte Oberteil des Gehäuses 1 ist mit einem verzweigten Schaft 20 verbunden, der zur Befestigung des Herzens an den ersten Rippen eines Patienten dient. Beide Buchsen 5 sind fest an einer verzweigten, elastischen, hautartigen, fingerförmigen Stütze 21 befestigt, die mit ihrem hautartigen Stützteil 22 zur Abstützung am Zwerchfell des Patienten aufgrund laminarer Ansaugung, und mit dem fingerförmigen Stützteilen 23 zum Befestigen an der elften Rippe bestimmt ist.

Die mit dem Blut in Berührung kommenden inneren Herzflächen sind mit einer glatten Schicht einer künstlichen Herzinnenhaut aus einem Material von — bezüglich einer Wasserstoffelektrode — negativem elektrischen Potential beschichtet, wodurch eine Blutgerinnung im künstlichen Herzen verhindert wird. Die äußeren Herzflächen sind dagegen mit einer glatten Schicht eines künstlichen Perikards aus einem Material — von bezüglich einer Wasserstoffelektrode — elektrischem Nullpotential überzogen.

Die Tätigkeit des künstlichen Herzens basiert auf der Grundlage einer biologisch angetriebenen hydraulischen Membrankolbenpumpe. Den biologischen Antrieb bildet die Bewegung der Atmungsmuskulatur des Tträgers, insbesondere seines Zwerchfells, wodurch deren Bewegung über die verzweigte Stütze 21 auf die sich auf den Zylindern 4 axial beweglichen Buchsen 5 übertragen wird. Während der Verdichtungsphase

bewegt sich dadurch der konvexe Kolben 6 nach oben und drückt die Membran 7 über die physiologische Flüssigkeit im Raum 12 an die elastische Herzkammer 8 an, die dadurch ihre Gestalt von der eiförmigen Form (Fig. 1) in eine halbmondartig, abgeflachte Form (F i g. 2) ändert, wodurch der Ausfluß von Blut aus der Herzkammer 8 und damit auch aus dem Herzen heraus bewbi-! wird. Das elastische Atrium 9 unterliegt in dieser r>hase einer Entspannung, wobei Blut in sein Inneres fließt und die öffnung 10 durch die Klappe 17 geschlossen wird. Die Klappe 17 in der Zuilußöffnung 2 ist dabei offen, offen ist auch die Klappe 17 in der

Ausflußöffnung 3. Während der »Entspannungsphase« bewegt sich der Kolben 6 nach unten zurück; dieser »Zurückstellung« unterliegt gleichzeitig auch die elastische Membran 7, und die Kammer 8 ändert wieder ihre Gestalt von der halbmondartig abgeflachten in die eiförmige Form und wird dabei mit Blut gefüllt, welches ihr aus dem Atrium 9 über die öffnung 10 bei geöffneter Klappe 17 zufließt. In dieser Phase unterliegt das Atrium 9 der Kontraktion, die Klappe 17 in der Zuflußöffnung 2 ist offen, in der Ausflußöffnung 3 dagegen geschlossen, wodurch ein Zurückfließen des vorher ausgestoßenen Blutes in die Herzkammer 8 verhindert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Künstliches Herz zum Anschluß an einen Blutkreislauf über schließbare und zu öffnende Klappen, das zwei elastische Herzkammern und zwei elastische Atrien aufweist, die von einem gemeinsamen starren Gehäuse umgeben sind, das zwei Zuflußöffnungen in den Atrien und zwei Ausflußöffnungen in den Herzkammern und im Unterteil zwei nebeneinander angeordnete Zylinder mit je einem Kolben enthält, dessen jede Herzkammer von ihrem Atrium durch ein starres, eine Zuflußöffnung mit von der Atriumseite zu öffnenden Klappen aufweisendes Septum getrennt ist und eine von der anderen Herzkammer und deren Atrium abgetrennte Herzhälfte bildet, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gehäuse (1) einen vorgewölbten, das Atrium (9) aufnehmenden Oberteil aufweist, der beständig und fest mit tjnem verzweiten, zur Befestigung an den Rippen ausgebildeten Schaft (20) verbunden ist, und das Gehäuse die Wände der Zylinder (4) bildet,
daß die Zylinder (4) den unteren Teil der Herzkammer (8) umgeben,

daß auf jeden Zylinder (4) eine längsbewegliche Buchse (5) abgedichtet aufgesetzt ist, die einen nach innen gerichteten, den Kolben (6) bildenden konkaven Boden aufweist,

daß beide Buchsen (5) an einer verzweigten elastischen, hautartigen, fingerförmigen Stütze (21) befestigt sind, die zur Verbindung mit dem Zwerchfell ausgebildet fei,

daß der Kolben (6) eis Hohlkolben ausgebildet und mit Kohlendioxid gefüllt ist,

daß peripher an der Innenfläche jedes Zylinders (4) und gleichzeitig ebenfalls peripher an der Außenfläche jeder Herzkammer (8) eine elastische bewegliche Membran (7) abgedichtet angeordnet ist,
daß im Raum (12) zwischen der beweglichen Membran (7) und dem mit ihr verbundenen Teii der elastischen Herzkammer (8) eine bezüglich Blut isotonische physiologische Flüssigkeit mit einem Zusatz von antithrombotischen Substanzen, und im Raum (13) zwischen dem Kolben (6) und der elastischen, beweglichen Membran (7) eine Flüssigkeit von geringerer Dichte und Viskosität als Wasser eingebracht ist,

daß ein ausdehnbarer Raum (14) zwischen dem elastischen Atrium (9) und den es begrenzenden Teilen des Gehäuses (1) und dem Septum (11) so vorgesehen ist, daß dieser Raum (14) mit Kohlendioxid unter einem gegenüber dem mit Blut gefüllten Raum niedrigeren Druck gefüllt ist,
und daß das Gesamtvolumen der Herzkammern (8) und Atrien (9) etwa viermal so groß wie das durchschnittliche Innenvolumen eines gesunden Herzens ist.

2. Künstliches Herz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (2, 3, 10) durch an den Wänden der öffnungen (2, 3 und 10) so befestigte Klappen (17) verschließbar sind, die jeweils aus zwei Lappen bestehen, deren freie Ränder gegeneinander gerichtet sind und die Ausschnitte einer kreisformähnlichen Figur darstellen, und daß jeder Lappen aus zwei Werkstoffschichten (18, 19) von verschiedener Elastizität hergestellt ist, deren eine Schicht (18) mit höherer Elastizität jeweils an der Zuflußseite des Blutkreislaufs jeder Öffnung (2,3,10) angeordnet ist

3. Künstliches Herz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung zwischen einer Buchse (5) und einem "Zylinder (4) aus zwei elastischen Rohren (15, 16) besteht, zwischen die eine Flüssigkeit mit geringerer Viskosität als Wasser eingefüllt ist, daß das Innenrohr (15) abgedichtet an einem Ende am Kolben (6) und am anderen Fnde an der Innenfläche des Zylinders (4) und das Außenrohr (16) ebenfalls abgedichtet mit einem Ende am Oberteil des Gehäuses (1) und mit dem anderen Ende an der Außenfläche der Buchse (5) jeweils peripher befestigt ist

Α-. Künstliches Herz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Blut in Berührung kommenden inneren Flächen mit einer glatten Schicht einer künstlichen Herzinnenhaut aus einem Material mit einem in bezug zum elektrischen Potential einer Wasserstoffelektrode negativen Potential beschichtet sind

5. Künstliches Herz nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Herzflächen mit einer glatten Schicht eines künstlichen Perikards aus einem Material mit elektrischem Nullpotential in bezug auf das elektrische Potential einer Wasserstoffelektrode überzogen sind.