DE2730933B2

DE2730933B2 - Membran-Blutpumpe mit integriertem elektropneumatischem Servoventil

Info

Publication number: DE2730933B2
Application number: DE2730933A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr.-Ing. 5100 Aachen Backe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-08
Filing date: 1977-07-08
Publication date: 1980-04-24
Also published as: DE2730933C3; DE2730933A1

Description

9. Blutpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß HF-Oszillator (22), Strom-Spannungswandler (24) und Spitzenwertgleichrichter (25) zu einer Einheit (E) zusammengefaßt sind, die mit dem Gehäuse (19) der Blutpumpe fA)integriert ist

Die Anmeldung betrifft eine Membran-Blutpumpe

mit integriertem elektropneumatischem Servoventil.

Bekannte Blutpumpen dieser Art werden meist extrakorporal angewendet und über Verdrängereinheiten oder Schaltventile betrieben. Die Größe des Druckanstiegs ergibt sich bei diesen Pumpen duch den

Öffnungsquerschnitt am Steuerventil und das nachgeschaltete Volumen. Die Druckanstiegsgeschwindigkeit im Ventrikel wird durch änderbart Querschnitte am Schaltventil beeinflußt. Siehe hierzu Wallner: »Pneumatischer extrakorporaler Antrieb für eine doppelkammerige Blutpumpe« aus: »Langenbecks Archiv für Chirurgie«, Ba^d 335, Heft 1—3, 1974, S. 41—46, und Fasching, Haider, Horcher, Thoma, Deutsch u. a.: »In-vivo testing of a closed loop driving unit for artificia! hearts« (pneumatischer Antrieb), aus ESAO, Vol.3,

J5 1976, S. 27-30.

Andere Kreislaufunterstützungseinrichtungen arbeiten analog den vorgegebenen Führungsfunktionen extrakorporal über elektropneumatische oder elektrohydraulische translatorische oder rotatorische Stellantriebe mit Kolbenverdränger- eder Flügelzellenpumpen. Die Pumpbewegung der Blutpumpe wird mit Hilfe von langen Verbindungsschläuchen durch ein Übertragungsmittel bewirkt. Siehe hierzu Mertig, Bredenbeck: »Hydropneumatischer Antrieb für zweikammerige Blutpumpen« aus: »Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik«, Erlangen 1973, S. 113—116. Durch die langen Zuleitungen sind die Störeinflüsse auf das Folgeverhalten bei flüssigen oder gasförmigen Übertragungsmitteln durch Massenkräfte bzw. Kompressibilität relativ groß. Zusätzliche Folgeregelungen sind dann notwendig.

Implantierbare Systeme mit Energiezufuhr durch die Haut arbeiten z. B. analog, wie ein elektro-hydraulischer Hochdruckantrieb mit Schrittmotor und drehzahlgere-

gelter Zahnradpumpe, der einen physiologischen Volumen-Zeitverlauf nachbildet; siehe hierzu Reul, Heimes: »Eine elektronisch-hydraulische Antriebseinheit für Blutpumpen mit physiologischem Volumenzeitverlauf« aus: »Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft

M) für Biomedizinische Technik«, Erlangen 1973, S. 105 — 108. Mit diesem Antriebssystem werden zwar vorgebbare Druck- und Volumen-Zeitverläufe in Blutpumpen erreicht, jedoch ist hierzu ein zusätzlicher Antriebszylinder mit Verdrängerkolben notwendig. Außerdem

h^r> müssen die Druck- und Volumenverläufe zuerst elektrisch erfaßt und dann dem Servoverstärker bzw. Linearmotor zur Nachregelung zurückgeführt werden (DD-PSI 12 601).

Zur Ansteuerung des in dieser Patentschrift genannten Antriebszylinders mit Verdrängerkolben (Kolbenantrieb) wird ein Servoventil mit gesteuerter Verschiebung des Steuerschiebers beschrieben (Wegeventil), das stark miniaturisiert ausgeführt ist. Die Erzeugung des Druck-Zeit-Verlaufes in einer angeschlossenen Blutpumpe läßt sich analog einer elektrisch vorgegebenen Sollwertfunktion bei dem beschriebenen Servoventil nur mit einem zusätzlichen Kolbenantrieb und einer elektrischen Regelung durchführen. Eine einfache, mechanische Regelung innerhalb des Servoventils nach dem Druck-Zeit-Verlauf der Blutpumpe läßt sich der Patentschrift nicht entnehmen. Aus der Patentschrift ist daher zu ersehen, daß die Erzeugung des zeitlichen Druckverhaltens in einer Blutpumpe nach einer elektrisch vorgegebenen Druckzeit-Sollwertfunktion bei Verwendung eines Servoventils nur mit hohem, technischem Aufwand, einem komplizierten Antriebsaufbau, elektrischen Regel- und Meßsystem und einem relativ großen Bauvolumen des gesamten Antriebs (Servoventil und Kolbenantrieb) zu erreichen ist

Im Unterschied zu dem in DD-PS 1 12 601 dargestellten Servoventil wird bei dem erfindungsgemäßen Servoventil kein zusätzlicher Kolbenantrieb zur Erzeugung eines Druck-Zeit-Verhaltens in einer angeschlossenen Blutpumpe analog einer elektrisch vorgegebenen Soilwertfunktion benötigt Die Regelung des Druck-Zeit-Verlaufes in einer angeschlossenen Blutpumpe nach der Sollwertfunktion erfolgt beim erfindungsgemäßen Servoventil rein mechanisch über den Steuerschieber des Servoventils. Die Verschiebung des Steuerschiebers erfolgt dabei druckgeregelt (Druckven til) und ohne zusätzliche elektrische Meßwerterfassung oder Regelung des Druckes. Das Servoventil ist ebenfalls stark miniaturisiert ausgeführt. Durch das Entfallen eines zusätzlichen Kolbenantriebes ist das Gesamtbauvolumen des Antriebes geringer als das des in der DD-PS 1 12 601 beschriebenen, und durch die Konstruktion der pneumatischen Druck-Rückführung innerhalb des Servoventils ist auch der meß- und regelungstechnische Aufbau erheblich einfacher.

Andere Antriebe arbeiten umschaltend, wie z. B. ein mit der Blutpumpe integrierter eleketropneumatischer Antrieb mit Luftspeicher gemäß US-PS 34 10 263. Dieser Antrieb hat den Vorteil, daß er zur Pumpenfunktion keinen Verdrängerkolben benötigt und daß die Pumpmembran direkt angesteuert wird. Jedoch arbeitet dieser Antrieb mit Umschaltung durch ein Wegeventil, und es ist keine analoge Rückführung der Regelgröße, nämlich kein Druck- oder Volumensigna! aus der Blutpumpe vorgesehen. Das Wegeventil ist zwar miniaturisiert ausgeführt, doch läßt sich der gesamte Antrieb wegen des notwendigen relativ großen Luftspeichers nicht besonders stark verkleinern.

Bei zwei weiteren Antrieben verbinden Schaltventile die Blutpumpen über Druckwandlerplatten, z. B. wechselweise mit Hoch- und Niederdruckspeichern, die über einen Regeneratorkolben und einen Thermo-Speicher gespeist werden (R. v. Reth: »Deveiopment of an implantable thermal engine as power source for artificial blood pumps« aus: ESAO 1974, Vol. 1, S. 151 — 158), oder mit einer thermonuklearen, implantierbaren Energiequelle (»Totally implantable nuclear heart assist and artificial heart«, Harmison, 1972, Nat. Heart and Lung Institute). Einige dieser implantierbaren oder extrr.korporalen Systeme haben den Nachteil, daß sie ke'nc physiologischen Druck- oder Volumenkurven nachbilden und daher unter Umständen physiologisch unzulässig hohe Blutgeschwindigkeiten in der Blutpumpe verursachen. Die bekannten Systeme mit Energiespeicher bringen große Probleme durch hohen Wärmeanfall oder durch radioaktive Strahlung mit sich. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine derart verbesserte eingangs genannte Membran-Blutpumpe anzugeben, daß sie bei geringem technischen Aufwand ein physiologisches, blutschonendes Verhalten aufweist und auch intrakorporal angewendet werden

ία kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 gegebene Maßnahme gelösu

Aufgrund des servogeregelten Aufbaus des Blutpumpenantriebs wird außerdem eine kontinuierliche Anpassung der Blutpumpe an die verschiedenen Zustände des natürlichen Kreislaufs (Vorhofdruck, Aortendruck, Herzfrequenz) ermöglicht

Zweckmäßige Ausbildungen einer solchen Blutpumpe sind in den Anspruch 2 bis 9 angegeben. Die in dem

M Ansprucli 4 beanspruchte Ausbildung hat den Vorteil, daß ein zusätzlicher elektrischer i«.-nsor zur Kontrolle der Regelgröße (Druck in der Blutpumpe) entbehrlich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung mit einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung der Blutpumpe mit den zum Kreislaufsystem führenden Leitungen sowie dem integrierten Servoventil;

jo F i g. 2 die Blutpumpe und das vergrößert dargestellte Servoventil, jeweils im Längsschnitt, Fig.2a das Servoventil im Teil-Querschnitt nach Linie a-a der F ig. 2;
F i g. 3 das zugehörige Blockschaltbild für die

)5 Erfassung des Schiagvoluniens der Blutpumpe.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist die Blutpumpe A durch die Leitungen ßund Can das Kreislaufsystem anschließbar. Durch das an die Blutpumpe unmittelbar angebaute Servoventil D wird die Zufuhr von Druckluft bzw. Unterdruck als Antriebsmittel zur Blutpumpe gesteuert und nachgeregelt. Ferner ist mit der Blutpumpe eine elektrische Meßeinheit E unmittelbar verbunden, die später erläutert wird. Die Blutpumpe A besteht aus einem annähernd rotationssymmetrischen Kunststoff-

AS gehäuse 19, in dessen Innenraum eine ebenfalls annähernd rotationssymmetrische Membran 32 aus elastischem Werkstoff angeordnet ist. Der Innenraum (Blutraum 32a) der Membran steht mit den Zu- und Ableitungen B und C für das Blut in Verbindung. Der Raum zwischen Membran 32 und Gehäuse 19 (Luftraum 32/»)ist durch eine kurze Leitung 20 mit dem Servoventil D verbunden. Durch die Hubbewegung dieses Ventil; D wird der Luftraum 32b der Pumpe abwechselnd mit Druckluft bzw. Vakuum beaufschlagt, so daß die

v-, dadurch entsprechend bewegte Membran 32 da·» Blut fördert. Zur Bestimmung der Förderrichtuiig des Bluts sind in den Leitungen Sund Cpassive Taschenklappen aus ebenfalls elastischem Werkstoff als Rückschlagventile eingebaut, ciie nicht eigens dargestellt sind.

wi Das Servoventil D ist wie folgt aufgebaut: In die zylindrische Bohrung des Ventilgehäuses 18 ist zwischen einer Trennwand 8 und einem Verschlußstück 15a eine zylindrische Steuerbuchse 12 eingesetzt, in der ein zylindrischer Steuerkolben 11 hin- und herbewegbar

n^r, angeordnet ist. Du-ch die Buchse 12 und die Wand des Ventilgehäuses 18 führende radiale Bohrungen verbinden die Leitungen 21 f> bzw. 21a für Druck bzw. Unterdruck mit entSDrechenden Aiißenrintrnnton 21.·? 1

bzw. 21 fei im Stcucrkolben M. Im zwischen diesen Ringräumen liegenden Bereich ist in der Buchse 12 eine Innenringnut 20a vorgesehen, die mit der zum Luftraum 326 der Blutpumpe führenden Leitung 20 in Verbindung steht. Ein im Bereich der Innenringnut 20a mündender Kanal 13 im Kolben 11 führt zu einer Düse 17, die mit einem Dämpfungsraum 16 in Verbindung steht. Dieser Raum 16 dient in Verbindung mit der Düse 17 als dämpfendes Element für den in den Leitungen 13 und 20 herrschenden Druck. Außerdem enthält der Dämpfungsraum 16 eine Druckfeder 14, die sich einerseits gegen den Kolben 11, andererseits gegen eine Einstellschraube 15 abstützt. Durch Verstellen der Schraube 15 kann die auf den Kolben 11 übertragene Druckkraft der Feder 14 geändert werden. Über die Feder 14 wird die statische Druckdifferenz zwischen dem konstruktiv bedingten Druck im Betriebsarbeitspunkt des Weg-Druckwandlers 6 -H 10 im Raum 9 und dem Druck im Dämpfungsraum 16 ausgeglichen.

Die unter Überdruck stehende Außenringnut 21 b 1 ist durch einen Kanal 186 und eine Düse 10 zu einem Raum 9 geführt, der andererseits von der Trennwand 8 begrenzt wird. Zentrisch in der Trennwand 8 ist eine Düse 7 angeordnet, die den Raum 9 mit einem Raum 7a verbindet, der durch einen Längskanal 18a in der Wand des Ventilgehäuses 18 mit der Unterdruckleitung 21a verbunden ist, so daß durch die Düse 7 tretende Luft abströmen kann.

Gegenüber der Düse 7 ist im Raum 7a eine Prallplatte 6 vorgesehen, die von einer im Ventilgehäuse befestigten Federanordnung 5 gehalten wird. Diese Federanordnung hält außerdem noch eine Führung 4, die einen Spulenkörper 3 aufweist. Die Führung 4 mit dem Spulenkörper 3 umhüllt den zentralen Zapfen la eines Ankers 1, der einen Ringmagneten 2 trägt. Der Spulenkörper 3 mit der von ihm getragenen Spule kann sich im Ringspalt zwischen dem Zapfen la und dem Ringmagneten 2 verschieben. Dabei übt die kreisförmige und dünne Federanordnung 5 infolge ihrer kreuzsymmetrischen, mäanderförmigen Einschnitte 5a in bekannter Weise nur sehr kleine Rückstellkräfte aus.

Die Spule auf dem Spulenkörper 3 erhält elektrische Steuerströme von einem Funktionsgenerator 31. Eine stetige, rückwirkungsfreie Änderung der Druckamplitude, der Schlagfrequenz und des Tastverhältnisses bei analoger oder digitaler Vorgabe einer elektrischen Führungsfunktion, die der Ventrikeldruck-Zeitkurve nachgebildet ist, ist innerhalb physiologisch sinnvoller Grenzen möglich. Eine Beeinflussung des Führungssignals des Funktionsgenerators erfolgt durch die Rückführung der elektrischen Signale physiologischer Meßgrößen aus dem natürlichen Kreislauf. Entsprechend dieser aufgrund einer vorgegebenen Funktion übermittelten Steuerströme verschiebt sich der Spulenkörper mit der Prallplatte 6 hin und her. Infolge dieser Bewegung ändert sich der Durchflußwiderstand der Düse 7 und damit auch der im Raum 9 herrschende Druck. Diese Druckänderung bewirkt eine Verschiebung des Kolbens 11 und damit über die Ringräume 2161 und 21a 1 eine abwechselnde Verbindung der zum Luftraum 326 der Blutpumpe A führenden Leitung 20 mit der Druckleitung 21 b bzw. der Unterdruckleitung 21a

Während der Austreibphase (Systole) wird dem Luftraum des Pumpengehäuses 19 Druckluft zugeführt, die während der Ansaugphase (Diastole) wieder abgesaugt wird. Infolge einer vom Ventil druckkontrollierten Saugwirkung kann auch eine schlaffe Membran

32, d. Ii. eine solche, die keine Federeigenschaften hat, Verwendung finden.

Das Spulenmagnetsystem ist so ausgelegt, daß trotz kleinen Bauvolumens große Führungskräfte erzeugt werden, um die Bewegungen des Spulenkörpers und damit auch der Prallplatte auch bei großer dynamischer Belastung proportional zum Steuerstrom folgen zu lassen.

Der mit dem Ringraum 20a in Verbindung stehende Längskiinal 13 hat zusammen mit dem Dämpfungsraum 16 noch eine weitere wesentliche Funktion. Hierdurch wird nämlich ein Vergleich zwischen dem Steuerdruck im Raum 9 und dem pneumatischen Antriebsdruck zuzüglich der Federkraft von Feder 14 im Dämpfungsraum ll> direkt am Steuerkolben 11 bewirkt. Da der Druckvi;rgleich rein pneumatisch erfolgt, ist ein besonderer elektrischer Sensor zur Erfassung der Regelgröße (Druck in der Blutpumpe) entbehrlich. Wegen der geringrn WirWitanrU- imH Massekräf'.e de; Membran 32 sind der Druck im Blutraum 32a innerhalb der Membran 32 und der Druck im Luftraum 326 zwischen Membran 32 und Gehäuse 19 immer gleich. Der Druck im Blutraum wird daher vom Servoventil D direkt kontrolliert und entsprechend der Regelabweichung zwischen elektrischer Führungsgröße und pneumatisch gemessenem Antriebsdruck (im Luftraum) kontinuierlich nachgeregelt. Die Steuerung des Drucks im Blu'-aum erfordert daher nur einen sehr geringen gerätetechnischen Aufwand.

Neben einer annähernd physiologischen Pumpfunktion der Blutpumpe ist zu einer Meßwertanzeige oder Kontrolle des Fördervolumens der Blutpumpe eine Messung des Schlagvolumens erforderlich. Diese Messung erfolgt durch einen besonderen Meßwertaufnehmer, da der Kolbenweg, wie z. B. bei einer Verdrängereinheit, als äquivalente Meßgröße nicht zur Verfügung steht. Zu diesem Zweck ist ein Meßkondensator 23 in Form von Kupferfolien in die aus Kunststoff bestehende Wand des Gehäuses 19 der Blutpumpe eingegossen. Diese Bauweise vermeidet mit Sicherheit eine Berührung des Meßkondensators 23 mit dem elektrisch leitenden Blut. Eine Änderung des Füllungsverhältnisses Blutvolumen zu Luftvolumen (Änderung des Dielektrikums) in der Pumpe bewirkt eine Änderung der Kapazität des Meßkondensators 23 und damit eine Änderung des Spannungssignals am Ausgang des Strom-Spannungswandlers 24 (F i g. 3), über den der Meßkondensator 23 vom HF-Oszillator 22 her mit Spannung versorgt wird. Der Spitzenwertgleichrichter

25 erzeugt hieraus ein analoges Ausgangssignal, welches in seiner Hubdifferenz ein Maß für das Schlagvol-men der Pumpe ist. Das Signal wird mit Hilfe der Baugruppe

26 verstärkt. Aufgrund des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen dem Hub der Membran 32 und der Feldänderung wird eine Eichvorrichtung 27 der Meßeinrichtung nachgeschaltet, die das gemessene Schlagvolumensignal dem tatsächlichen zuordnet. Der zeitlicht: Verlauf des Meßsignals entspricht somit dem zeitlichen Verlauf des Ventrikelvolumens.

Die mittlere Hubdifferenz des geeichten Ausgangssignals, die das mittlere Schlagvolumen der Pumpe angibt, wird mit Hilfe eines nachgeschalteten Hochpasses 28 und zweier parallel geschalteter Spitzenwertgleichrichter 29 gebildet Das im Verstärker 30 verstärkte Differenzsignal, da^ über ein analoges Verknüpfungsglied 33 dem vorstehend erwähnten Funktionsgenerator 31 zugeführt wird, entspricht dem jeweiligen Schlagvolumen, d. h. dem Schlagvolumen-Ist-

wert der Blutpumpe. Es kann also als Rückliihrungssignal aus dem Kreislauf zur Beeinflussung der Führungsfunktion oder zur Meßwertanzeige verwendet werden. Die zur Bildung des Schlagvolumensignals erforderlichen Glieder 22, 23 und 24 sind zu einer Einheit E zusammengefaßt und ebenfalls mit der Blutpumpe A integriert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Membran-Blutpumpe mit integriertem elektropneumatischem Servoventil, dadurch gekennzeichnet, daß das Servoventil (D) stark miniaturisiert ausgebildet ist und einen in einer ortsfesten Steuerbuchse (12) gleitenden Steuerkolben (11) mit zwei Längskanälen (13 und Mb) aufweist, von denen der eine Längskanal (Mb) über eine Düse (10) in einen Raum (9) mündet, der zum Steuerkolben (11) hin von der Innenseite einer Trennwand (8) begrenzt wird, die eine von Steuerluft durchströmte Düse (7) aufweist, die unter Bildung eines Raumes (7a) einer Prallplatte (6) gegenübersteht, und von denen der andere Längskanal (13) einerseits mit dem zwischen Gehäuse (19) und Membran (32) der Blutpumpe (A) gebildeten Luftraum (32b,) und andererseits über eine Düse (17) mit einem zwischen dem Steuerkolben und einem ortsfesten Verschlußstück (15a,) des Zylinderraumes gebildeten Dämpfungsraum (16) dauernd in Verbindung steht, derart, daß durch die pneumatische Rückführung des erzeugten Pumpendrucks dieser nach einer von einer ebenfalls miniaturisierten elektrischen Einheit (E) vorgegebenen Druck-Zeit-Sollwertfunktion rein mechanisch nachgeregelt wird.

2. Blutpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Längskanal (13) des Steuerkolbens (11) des Servoventil (D) mit einer in der ortsfesten Steuerbuchse (12) ausgebildeten Innenringnut (2Od) dauernd > Verbindung steht, an die eine zum Luftraum (326Jder Blutpumpe f/tj führende Leitung (20) angeschlossen ist.

3. Blutpumpe nach A/ispnrh 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Servoventil (D) ein von einem elektrischen Funktionsgenerator (31) steuerbares Magnetsystem (1, la, 2, 3, 4) aufweist, dessen Spulenkörper (3) von einer dünnen Federanordnung (5) gehalten und mit der Prallplatte (6) verbunden ist.

4. Blutpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Dämpfungsraum (16) des Servoventils (D) eine sich am Steuerkolben (11) abstützende Druckfeder (14) angeordnet ist, deren Vorspannung durch eine Schraube (15) änderbar ist.

5. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (11) des Servoventil (D) in einem Abstand von der Breite der Innenringnut (2Oa^ der Steuerbuchse (12) zwei Außenringnuten (21a 1, 21b I) aufweist, mit deren einer durch die Steuerbuchse hindurch eine Druckluftleitung (21a,) und mit deren anderer eine Unterdruckleitung (216,) dauernd in Verbindung steht.

6. Blutpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Trennwand (8) und Federanordnung (5) gebildete Raum (7a,J über einen Längskanal (Ma) im Gehäuse (18) des Servoventil (D) dauernd mit der Druckluftleitung (21a,) verbunden ist.

7. Blutpumpe nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der aus Kunststoff bestehenden Wand des Gehäuses (19) der Blutpumpe (A) gegen das Blut abgedichtete Metallfolien zur Bildung eines Meßkondensators (23) angeordnet sind, dessen Kapazität sich mit einer Füllungsänderung des Blutraums (32a,)ändert.

8. Blutpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Meßkondensator (23) mit einem Strom-Spannungswandler (24) verbunden ist, der einerseits mit einem HF-Oszillator (22) und andererseits über einen Spitzenwertgleichrichter (25), einen Verstärker (26), eine Eichvorrichtung (27), einen Hochpaß (28), eine Parallelschaltung (29) zweier Spitzenwertgleichrichter und einen Verstärker (30) mit dem Funktionsgenerator (31) in Verbindung steht