DE3317223A1

DE3317223A1 - Rotationspumpe zur verwendung als blut- und herzpumpe

Info

Publication number: DE3317223A1
Application number: DE19833317223
Authority: DE
Inventors: Walter Mag.rer.nat. 5411 Oberalm Salzburg Schwab
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-05-12
Filing date: 1983-05-11
Publication date: 1983-12-22
Also published as: CA1207189A; EP0094379A1; DE3317223C2; EP0094379B1; US4594060A

Description

Rotationspumpe zur Verwendung als Blut- und Herzpumpe

Die Erfindung betrifft eine Rotationspumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Da die Außenmaße dieser Pumpen gering sind, können sie überall dort eingesetzt werden, wo der minimale Platzbedarf dieser Pumpen eine funktioneile Notwendigkeit darstellt oder diese als wünschenswert erscheinen läßt.

Da diese Rotationspumpen gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung in der Lage sind, auch über berührungslose Dichtstellen das Fördergut in Form einer Spaltdichtung abzudichten, können sowohl Emulsionen als auch Suspensionen bei Pumpfrequenzen von ca. 200 ü/min unter minimalem Streß weitergefördert werden. Diese schonende Pumpweise ergibt eine spezielle Einsatzmöglichkeit solcher Rotationspumpen zu deren Verwendung als Blut- und Herzpumpen. Diese Pumpen können auch als implantierbare Herzpumpen eingesetzt werden, um in Verbindung mit der Erhaltung der Lebensfunktion Blut in einen menschlichen oder tierischen Körper zu pumpen, wobei" eine oder mehrere Pumpfunktionen des Herzens zum Teil oder zur Gänze übernommen werden.

Beim derzeitigen Stand der Herzpumpentechnik besteht die Tendenz zur Entwicklung pulsatil arbeitender und implantierbarer Blutpumpen dahingehend, daß Membranblutpumpen mittels Druckplatten mechanisch betätigt werden, wobei die Kraftübertragung zwischen der Druckplatte und der Pumpenmembran meist hydraulisch erfolgt und die mechanische Bewegung der Druckplatte durch einen elektromechanischen Antrieb erzeugt wird.

Eine weitere derzeitige Entwicklung verfolgt das Ziel, die Membranblutpumpen über Druckplatten mit Hilfe elektromagnetischer Solenoide zu betreiben.

Der Nachteil dieser Entwicklungen liegt darin, daß entweder die Antriebseinheiten zu groß geraten und sinnvoll nicht implantierfähig sind oder daß bei entsprechen-

.,der Kleinheit diese Antriebseinheiten eine zu geringe Purtipleistung. haben.

Weiters ist aus der DE-OS 28 19 851 (ident mit FR-PS 2 389 382 sowie US-PS 4 296 500) eine Rotationsblutpumpe in der Art einer Trochoidkreiskolbenpumpe bekannt, welche analog der Veröffentlichung "Einteilung der Rotationskolbenmaschinen" von F. Wankel eine schon lange bekannte Trochoidkreiskolbenpumpe mit einer 2 : 3 oder einer 1 : 2 übersetzung im Schlupfeingriff mit äußerer ruhender Arbeitsraumwandung und außenliegenden Dichtteilen ist ("Einteilung der Rotationskolbenmaschinen"-Bauformblatt 16). Der Antrieb dieser als "Künstliches Herz" bezeichneten Blutpumpe soll durch einen außerhalb des Pumpengehäuses befindlichen Elektromotor erfolgen. Das Wesen der Erfindung liegt, darin, daß diese Blutpumpe nicht als schnelllaufender Verdichter oder Motor, sondernjals langsamlaufende Herzpumpe vorgesehen ist.

Des weiteren bezieht sich eine Publikation "Pulsatile Flow Blow Pump Based on the Principle of the Wankel Engine" von N.Verbiski et al., Journal of Thoracic & Cardiovascular Surgery, vol. 57, Nr. 5, Mai 1969, pp. 753 756 auf eine 2 : 3 übersetzte Wankelmaschine ("Einteilung der Rotationskolbenmaschinen", Bauformblatt 18).

All diese Rotationspumpen haben für Blutpumpen die negative Eigenschaft, daß sie mindestens eine stationäre Dichtstelle auf der Mantellaufbahn des Gehäusemantels zur vorbeidrehenden Kolbenflanke hin aufweisen, was sich letztlich in einer Schädigung des Blutes auswirkt, da die roten Blutkörperchen zunehmend zerplatzen oder geschädigt werden, wodurch freiwerdendes Hämoglobin in das Blutplasma gelangt und eine krankhafte bis lebensbedrohende Hämolyse eintritt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden. Dies wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale erreicht.

Es kann auch in bevorzugter Weise jedes Kolbeneck von einem in den Kolbenkörper eingesetzten Stift, insbesondere einer Dichtleiste von kreisrundem Querschnitt gebildet werden, Hiebei können die jeweils im Bereich der Kolbenecken in den Kolbenkörper eingesetzten Dichtleisten unter anderem auch zur Gänze oder zum Teil aus einem elastischen Material bestehen, wobei jede Dichtleiste mit der Mantellaufbahn des Gehäuses im wesentlichen abgedichtet nur in Teilbereichen der Mantellaufbahnbreite in gleitender Berührung steht, in anschließenden Bereichen jedoch ein Dichtspalt im μΐΐΐ-Bereich vorhanden ist und der Kreisbogen der Dichtleiste in der Dichtungszone im Bereich des Schwenkwinkels (V) oder auch der ganze Querschnitt der Dichtleiste vom Radius der Äquidistante annähernd bestimmt wird.

Da durch diese Anordnung das Blut nur oder fast nur über berührungslose Dichtstellen in Form einer Spaltdichtung befördert wird, können die roten Blutkörperchen an den Dichtungsstellen nicht zerdrückt werden, wodurch auch keine Hämolyse auftreten kann.

Die erfindungsgemäße Blut- und Herzpumpe läßt sich als Grundtypus zurückverfolgen auf das Bauformblatt 18, 1 : 2 übersetzung der "Einteilung der Rotationskolbenmaschinen" von F. Wankel. Dieser Pumpentyp mit 1 : 2 Obersetzung weist keine stationäre Dichtstelle auf der,kantellaufbahn des Gehäusemantels zur vorbeidrehenden Kolbenflanke hin auf und die Abdichtung der zwei Kolbenkammern erfolgt über die innenliegenden Dichtstellen der beiden Kolbenecken.

Als weiteres erfindungsgemäßes Kennzeichen der Rotationspumpe ist anzusehen, daß die Ansaug- und Ausstoßöffnungen in definierter Lage sowohl als Umfang- als auch als Seiteneinlaß ausgebildet sein können, wie dies beispielsweise aus der DE-OS 22 42 247 und der AT-PS 355 177 hervorgeht, die ebenfalls Rotationskolbenpumpen beziehungsweise Verdichter beschreiben.

Werden die Ansaug- und Ausstoßöffnung als Umfangeinlaß ausgebildet, wird erreicht, daß in Totpunktstellung des Kolbens die beiden Pumpräume je ein maximales und minimales Volumen bilden können, da die Ansaug- und Ausstoß-

öffnungen in Totpunktsteilung des Kolbens direkt gegenüber den Kolbenecken liegen und sich der Kolben über seine Ecken selber absteuert, ohne daß blutschädigende Ventile benötigt werden.

Wird die Ansaugöffnung als Umfangeinlaß und die Ausstoßöffnung als Seiteneinlaß, oder wird die Ansaugöffnung als Seiteneinlaß und die Ausstoßöffnung als Umfangeinlaß ausgebildet, so wird zusätzlich erreicht,daß in Totpunktstellung

des Kolbens ein Rückfluß in der Pumpe dadurch verhindert wird, daß der Seiteneinlaß in Totpunktstellung des Kolbens sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden ,j-Kolbenkante überdeckt wird.

Als ein weiteres erfindungsgemäßes Kennzeichen der Rotationspumpe ist noch anzusehen, daß die Ansaug- und Ausstoßöffnungen nur als Seiteneinlaß ausgebildet sein können. Dabei wird erreicht, daß in Totpunktstellung des Kolbens der eine Seiteneinlaß sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante des einen Kolbeneckes überdeckt wird, während der andere Seiteneinlaß sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante des anderen Kolbeneckes überdeckt wird. Dies bewirkt den Effekt, daß in Totpunktstellung des Kolbens sowohl die Ansaug- als auch die Ausstoßöffnung von den Pumpräumen abgedichtet sind und in der Pumpe selber ein Druckausgleich stattfinden kann.

Weiters ist als erfindungsgemäßes Kennzeichen noch anzusehen, daß zur Erhöhung des Durchsatzvolumens und zur Vermeidung eines unphysiologischen Ansaugunterdruckes die jeweilige Ansaugöffnung einen größeren Querschnitt als die Ausstoßöffnung aufzuweisen hat.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine geometrische Darstellung zur Definition einer um die Äguidistante vergrößerten trochoidenförmigen Mantellaufbahn,

Fig. 2 eine Detailansicht einer Kolbenecke analog dem Wankelmotor,

Fig. 3 eine Detailansicht einer Kolbenecke für Blut- und Herzpumpen,

Fig. 4 eine Trochoidkreiskolbenpumpe im Radialschnitt

mit in Draufsicht gezeigtem, in Totpunktstellung befindlichen Kolben und Umfangeinlässen,

Fig. 5 eine Trochoidkreiskolbenpumpe im Radialschnitt mit in Draufsicht gezeigtem, in Totpunktstellung befindlichen Kolben mit umfang- und Seiteneinlaß/ und

Fig. 6 eine Trochoidkreiskolbenpumpe im Radialschnitt mit in Draufsicht gezeigtem, in Totpunktstellung befindlichen Kolben mit Seiteneinlässen.

In Fig. 1 wird auf die geometrischebarstellung zur De finition einer einbogigen trochoidenförmigen Mantellaufbahn erinnernd hingewiesen. DielGleichung für die einbogige Epitrochoide ist:

%- , y - e . cos.C? + R . cos 4—.

χ = e . sin f + R . sin &- , y - e . cos.0 + R . cos

Eine Dichtleiste, deren Lauffläche genau der Epitrochoide folgen würde, müsste eine Spitze aufweisen. Um eine Dichtfläche endlicher Breite zu erreichen, führt man die Epitrochoide E um einen kleinen, konstanten Abstand a größer aus, wobei a die Äquidistante zur Epitrochoide E darstellt.

Die Gleichung für die um die Äquidistante vergrößerte Trochoide Ä ist:

J V

χ = e . sin ^ + R . sin *— + a . sin (J-

y = e . cos X + R . cos ^u— + a . cos

Dabei tritt der Schwenkwinkel Y auf, es ist dies der Winkel zwischen dem erzeugenden Radius und der Bahnnormalen. Es gilt:

R + 2e .- cos ψ-

arccos

2 2

R + 4e + 4 R . e . cos

jinax ergibt sich, wenn der Winkel bei A ein rechter ist:

2e

in f

sin

max R

Fig. 2 zeigt in Detailansicht eine Kolbenecke 1, deren Radialdichtleiste 2 in bekannterjweise mit einem Radius in der Größe der Äquidistante a versehen ist, wobei diese Dichtleiste 2 auf der um die Äquidistante vergrößerten Trochoidenmantelbahn Ä in ständig gleitender Berührung steht.

Die Art dieser Abdichtung mit Radialdichtleiste 2, Stirnflächeridichtung 3 und Dichtbolzen 4 ist für die Verwendung als Blutpumpe nicht geeignet, da an den berührenden Dichtstellen eine Hämolyse des Blutes provoziert wird.

Untersuchungen haben ergeben, daß der Einsatz für eine direkte Verwendung als Blut- und Herzpumpe möglich ist, wenn das Dichtungsproblem analog der Darstellung in Fig.3 gelöst wird.

Gemäß Fig. 3 sind die Kolbenecken für Blut- und Herzpumperi erfindungsgemäß als Kreisbögen ausgebildet, deren Radius 5 um einen geringen Betrag kleiner ist, als es dem mathematischen Abstand der Ä'quidistante a zwischen der theoretischen Epitrochoide E und der trochoidenförmigen Mänteliaufbahn X entspricht, wobei der Kreismittelpunkt der zu Kreisbögen ausgebildeten Kolbenecken jeweils vom Schnittpunkt der Epitrochoide E und der durch beide Kolbenecken verlaufenden Symmetrieachse gebildet wird oder diesem Schnittpunkt möglichst nahe kommt, sodaß bei umlaufendem Kolben 6 der Kreismittelpunkt der mit Kreisbögen ausgestatteten Kolbenecken eine Bahn beschreibt, welche mit der theoretischen Epitrochoide E ident oder dieser sehr ähnlich ist, wodurch die kreisbogenartigen Kolbenekken zur trochoidenförmigen Mantellaufbahn Ä im wesentlichen einen Abstand in Form einer Spaltdichtung beibehalten, wobei in bevorzugter Weise jede Kolbenecke von einem in den Kolbenkörper 6 eingesetzten Stift, insbesondere von kreisrundem Querschnitt gebildet werden kann.

Desgleichen weisen die Seitenflächen des Kolbens 6 zu den Seitenwänden des Gehäuses 7 jeweils einen konstanten Abstand im um-Bereich auf. Des weiteren sei erwähnt,

daß bei diesen Blut- und Herzpumpen die mit Kreisbögen versehenen Kolbenecken im Vergleich zu den bekannten Wankelmotoren einen relativ großen Radius 5 aufweisen können.

Da keine kontaktfesten Dichtstellen entstehen, kann der Kolben selbst, gleichsam in der Blutflüssigkeit schwebend, langsam mit einer Drehzahl, die der Pulsfrequenz entspricht und daher max. unter 200 U/min liegt, im Pumpengehäuse rotieren.

Fig. 4 bis 6 zeigen eine 1 : 2 übersetzte Trochoidkreiskolbenpumpe mit entsprechend der Fig. 3 ausgebildeten Kolbenecken zu deren Verwendung als Blut- und Herzpumpe.

Laut Fig. 4 weist die erfindungsgemäße Rotationspumpe ein Gehäuse auf, welches aus einem Gehäusemantel 8 mit trochoidenförmiger Mantellaufbahn 9 und zwei Seitenteilen besteht, von denen nur das mit 11 bezeichnete in Fig. 4 sichtbar ist. In dem Gehäuse läuft ein zweieckiger Kolben 12 auf einem Exzenter 13 um, dessen Welle mit 14 bezeichnet ist und welche mindestens einen Seitenteil oder beide Seitenteile 10 und 11 durchsetzt. Die-Bewegung des Kolbens 12 wird von dem Zahnradgetriebe 15 gesteuert.

Fig. 4 zeigt weiters, daß - wie beispielsweise in der DE-OS 22 42 247 beschrieben wird - entsprechende Ansaug- und Ausstoßöffnungen 16 auf dem Gehäusemantel 8 in Form von Längsöffnungen als Umfangeinlässe ausgebildet sein können, wobei die Ansaug- und Ausstoßöffnungen 16 direkt gegenüber den Kolbenecken 17 liegen, wenn sich der Kolben 12 in Totpunktstellung befindet und die beiden Pumpräume 18 je ein maximales und minimales Volumen bilden.

Fig. 5 zeigt - etwa gemäß der AT-PS 355 177 - eine Öffnung in Form einer Längsöffnung als Umfangeinlaß, die andere öffnung 20 hingegen als Seiteneinlaß ausgebildet, wobei der Seiteneinlaß 20 in Totptinktstellung des Kolbens 21 sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante überdeckt wird. Es kann die öffnung 20 vorzugsweise auch beidseitig spiegelbildlich gegenüberlie-

gend in beiden Seitenteilen 22 des Pumpengehäuses untergebracht sein.

Fig. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit, wobei die Ansaug- und Ausstoßöffnungen nur als Seiteneinlaß vorhanden sind. In diesem Fall sind zwei Seiteneinlässe 23 und 23a ausgebildet, deren Lage sich so bestimmt, daß in Totpunktstellung des Kolbens 24 der eine Seiteneinlaß 23 sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante der einen Kolbenecke überdeckt wird, während der andere Seiteneinlaß 23a sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante der anderen Kolbenecke überdeckt wird. Es können die Öffnungen 23 und 23a vorzugsweise auch beidseitig spiegelbildlich gegenüberliegend in beiden Seitenteilen 25 des Pumpengehäuses untergebracht sein.

Entsprechend den Fig. 4 bis Fig. 6 hat zur Erhöhung des Durchsatzvolumens und zur Vermeidung eines unphysiologischen Ansaugunterdruckes die jeweilige Ansaugöffnung einen größeren Querschnitt aufzuweisen als die jeweilige AusstoßÖffnung. Daraus ergibt sich für die Praxis vorzugsweise die Möglichkeit, die verschiedenen Einlaßvarianten derjFig. 4 bis Fig. 6 untereinander in einer einzigen Pumpe - den jeweiligen Erfordernissen entsprechend - zu verwenden. So können in einer Blut- oder Herzpumpe z.B. als Ansaugöffnung ein Umfangeinlaß 19 in Verbindung mit einem oder zwei Seiteneinlässen 23 vorgesehen sein, was einen großen Ansaugguerschnitt.ergibt.

Für den Antrieb dieser erfindungsgemäßen Blut- und Herzpumpen ergeben sich verschiedene Möglichkeiten. Erfolgt der Einsatz dieser Blutpumpen außerhalb des menschlichen oder tierischen Körpers, so ist die Antriebseinheit, bestehend aus einem Elektromotor oder einem Elektromotor mit Getriebe außerhalb der Blutpumpe untergebracht und der Antrieb erfolgt über die Exzenterwelle 14 (Pig. 4).

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Wird eine erfindungsgemäße Herzpumpe jedoch in einem menschlichen oder tierischen Körper implantiert, so ist es aufgrund des geringeren Bauvolumens für Implantate sinnvoller, wenn der Elektromotor samt Getriebe im Inneren des Kolbens 6, 12, 21, 24 untergebracht ist, was energiemäßig möglich ist, da die Pumpleistung einer Herzpumpe je nach Fördervolumen zwischen 3 bis 9 Watt beträgt.

Es kann aber auch der Elektromotor im Inneren des Kolbens und das Getriebe außerhalb der Pumpe, oder das Getriebe innerhalb des Kolbens und der Elektromotor außerhalb der Pumpe untergebracht sein.

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Claims

Patentansprüche ;

ί1/ Rotationspumpe zur Verwendung als Blut- und Herzpumpe, in der Art einer Trochoidkreiskolbenpumpe, die bei einer T : 2 übersetzung mit einer einbogigen trochoidenför migen Mantellaufbahn und einem auf einem Exzenter einer Exzenterwelle umlaufenden zweieckigen Kolben ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenecken als Kreisbögen ausgebildet sind, deren Radius (5) um einen geringen Betrag kleiner ist, als es dem mathematischen Abstand der Äguidistante (a) zwischen der theoretischen Epitrochoide (E) und der trochoidenförmigen Mantellaufbahn (Ä) entspricht, wobei der Kreismittelpunkt der zu Kreisbögen ausgebildeten Kolbenecken jeweils vom Schnittpunkt der Epitrochoide (E) und der durch beide Kolbenecken verlaufenden Symmetrieachse gebildet wird oder diesem Schnittpunkt möglichst nahe kommt, sodaß bei umlaufendem Kolben (6)(12)(21)(24) der Kreismittelpunkt der mit Kreisbögen ausgestatteten Kolbenecken eine Bahn beschreibt, welche mit der theoretischen Epitrochoide (E) ident oder dieser sehr ähnlich ist, wodurch die kreisbogenartigen Kolbenecken zur trochoidenförmigen Mantellaufbahn (A") im wesentlichen einen Abstand in Form einer Spaltdichtung beibehalten und daß die Seitenflächen des Kolbens (6) (12) (21)(24) zu den Seitenwänden des Gehäuses (7)(11)(22) (25) jeweils einen konstanten Abstand im um-Bereich aufweisen.
2. Rotationspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise jeweils eine Ansaug- und eine Ausstoßöffnung (16) auf dem Gehäusemantel (8) in Form von Längsöffnungen als Umfangeinlässe ausgebildet sind, wobei in bekannter Weise die Ansaug- und Ausstoßöffnung (16) direkt gegenüber den Kolbenecken (17) liegen, wenn sich der Kolben (12) in Totpunktstellung befindet und die Pumpräume (18) je ein maximales bzw. minima-

les Volumen bilden.
3. Rotationspumpe nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß in bekannter Weise eine Öffnung (19) im Gehäusemantel in Form einer Längsöffnung als Umfangeinlaß, die andere Öffnung (20) hingegen in einem Seitenteil (22) als Seiteneinlaß ausgebildet ist, wobei in bekannter Weise der Seiteneinlaß (20) in Totpunktstellung des Kolbens (21) sowohl von der "Vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante überdeckt wird, wobei vorzugsweise die Öffnung (20) in bekannter Weise auch beidseitig spiegelbildlich gegenüberliegend in beiden Seitenwänden (22) des Pumpengehäuses vorgesehen ist.
4. Rotationspumpe nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Durchsatzvolumens und zur Vermeidung eines unphysiologisehen Ansaugunterdruckes in bekannter Weise die jeweilige Ansaugöffnung (16; 19 oder 20) einen größeren Querschnitt als die Ausstoßöffnung (16; 19 oder 20) aufweist.
5. Rotationspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Seitenteil (25) zwei Seiteneinlässe (23) und (23a) ausgebildet sind, deren Lage sich so bestimmt, daß in Totpunktstellung des Kolbens (24) der eine Seiteneinlaß (23) sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante des einen Kolbeneckes überdeckt wird, während der andere Seiteneinlaß (23a) sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante des anderen Kolbeneckes überdeckt wird, wobei vorzugsweise die Öffnungen (23) und (23a) auch beidseitig spiegelbildlich gegenüberliegend in beiden Seitenwänden (25) des Pumpengehäuses vorgesehen sind.
6. Rotationspumpe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den jeweiligen Erfordernissen der Praxis entsprechend die verschiedenen Kombinationen von Einlaß-Varianten (16)(19)(20)(23)(23a) in einer Pumpenausführung vorzugsweise vorgesehen sein können.
7. Rotationspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kolbeneck von einem in den Kolbenkörper eingesetzten Stift, insbesondere einer Dichtleiste von kreisrundem Querschnitt, gebildet wird.
8. Rotationspumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils im Bereich der Kolbenecken in den Kolbenkörper eingesetzten Dichtleisten unter anderem auch zur Gänze oder zum Teil aus einem elastischen Material bestehen können, wobei jede Dichtleiste mit der Mantellaufbahn (Ä) des Gehäuses im wesentlichen abgedichtet nur in Teilbereichen der Mantellaufbahnbreite in gleitender Berührung steht, in anschließenden Bereichen jedoch ein Dichtspalt im um-Bereich vorhanden ist und der Kreisbogen der Dichtleiste in der Dichtungszone im Bereich des Schwenkwinkels (γ) oder auch der ganze Querschnitt der Dichtleiste vom Radius (5) der Äguidistante (a) annähernd bestimmt wird.