DE3325509C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Betätigen und Steuern ei­ ner Herzprothese nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus "Biomed. Technik, Band 19 (1974), Nr. 6, S. 217-224 ist eine derar­ tige, in den menschlichen Körper implantierbare Vorrichtung bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist einem starren Gehäuse ein elastischer Dom zugeordnet. Dort ist ein Trennmittel zwischen dem hydraulischen Speicher und dem Volumen unter dem elastischen Dom als Rollmembran vorgesehen, wobei als Arbeitsmedium eine Antriebsflüssigkeit vorgesehen ist. Die Antriebsflüssigkeit hat einen wesentlichen Nachteil, der darin besteht, daß elektrische Schaltkreise besonders ge­ schützt werden müssen, was in der Regel zu einem erhöhten baulichen Aufwand führt.

Neben dieser bekannten Lösung sind andere Lösungen be­ kannt, etwa aus der US-PS 41 73 796. Implantierbare Blut­ pumpen anderer Bauart sind z. B. in der "Biomedizinischen Tech­ nik" Band 19, (1974) Nr. 6 S. 208-216 vorbeschrieben. Eine zu steuernde Prothese ist z. B. in der französischen Patentanmeldung FR 79 01 529 (publiziert unter der Nummer 24 46 631) und der Zusatzanmeldung FR 79 29 365 (publi­ ziert unter der Nummer 24 70 593) beschrieben.

Gegenüber den bekannten Lösungen ist es Aufgabe der Erfin­ dung, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art dahin­ gehend weiterzuentwickeln, daß die elektrischen Schaltkrei­ se keinen besonderen Schutz vor dem Antriebsmedium benöti­ gen und ihre Umgebung als Reservoir für das Arbeitsmedium zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Dies führt zu einer ausgespro­ chen kompakten Bauweise, da das Gesamtvolumen, soweit Hohl­ räume vorhanden sind, als für das Antriebsmedium zur Verfü­ gung stehendes Reservoir benutzt werden kann. Der Reser­ voirbeutel wird in Öffnungsstellung gehalten, wobei die dafür vorgesehenen Mittel eine zusätzliche Funktion über­ nehmen, nämlich diejenigen der Aufnahme der ohnehin notwen­ digen elektrischen Schaltkreise.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben.

Die starre oder halbstarre Zwischenwand verhin­ dert dabei, daß der Beutel bei einem geringen Füllstand so kolla­ biert, daß er nicht mehr in ausreichendem Maße geöffnet werden kann.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Betätigen und Steuern einer Herzprothese,

Fig. 2-5 Schaltschemata in unterschiedlich möglichen Va­ rianten der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und in

Fig. 6 ein Blockschaltbild der elektronischen Steuerein­ richtung, die ein Teil des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2 darstellt.

In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur fortlaufenden pneumatischen Steuerung 1 dazu bestimmt, durch Verbindun­ gen mit Hilfe einer pneumatischen Leitung 2 und einer Steuerleitung 3 eine Herzprothese 4 mit pneumatischer Be­ tätigung zu steuern, bei der es sich um eine totale Herz­ prothese handeln kann, gebildet von einem aus einem Stück bestehenden, zweikammerigen Komplex mit pneumatischem Be­ trieb.

Die Steuervorrichtung 1 ist in einer luftdichten Einheit 10 untergebracht, die dazu geeignet ist (insbesondere was ihre Form und ihre Natur des Materiales angeht, aus der sie besteht), in den menschlichen Körper implantiert zu werden, genauso wie die Herztotalprothese 4. Aus diesem Grund muß die Dichte der Einheit Vorrichtung-Gehäuse in etwa derselben entsprechen, wie der Körperregion (Lungen­ zone), in welche sie implantiert wird.

Die Vorrichtung 1 wird mit elektrischer Energie versorgt durch eine zwischengeschaltete Leitung 6, die von einer elektrischen Energiequelle 7 ausgeht, die außerhalb des menschlichen Körpers sein sollte, für den Fall, daß sie von Batterien oder einer herkömmlichen Akkumulatorbatte­ rie gebildet wird, deren Gewicht relativ hoch ist (höher als um in das Innere eines Körpers implantiert zu werden) und im Inneren des menschlichen Körpers für den Fall sein kann, wenn sie aus Generatorelementen besteht, die ein sehr geringes Gewicht aufweisen.

Um das Funktionieren der Vorrichtung 1 zur fortwährenden pneumatischen Steuerung zu ermöglichen, ist es notwendig, diesem ein Reservoir des Gasmotors zuzuordnen. Um den allgemeinen Raumbedarf der Vorrichtung zu verringern und seine Implantation in den menschlichen Körper zu verein­ fachen, ist, wie in Fig. 1 dargestellt, vorgesehen, die einstückige Einheit 10 in einem Teil mit einem starren Gehäuse 11 auszubilden und im anderen Teil mit einer nach­ giebigen Wand oder einem geschmeidigen Beutel 12, die gegenseitig gasdicht einer an dem anderen verbunden sind. Anders ausgedrückt, benutzt man den freien zur Verfügung stehenden Raum, der im Inneren des offenen Gehäuses zur nachgiebigen Wand zur Verfügung steht, auf diese Art und Weise als Reservoir des Gasmo­ tores.

Es sei angemerkt, daß es wünschenswert ist, daß die nach­ giebige Wand 12 sich leicht verformen kann, selbst nach ei­ ner längeren Betriebsperiode, in welcher das Reservevolumen wenig variiert wurde (z. B. wenn der Träger der Prothese in einer gleichbleibenden Höhe verweilt). Zu diesem Zweck ist ein Tragelement vorgesehen, welches sich im Inneren des nachgiebigen Teiles erstreckt. Beispielsweise ist es in­ teressant, wie in Fig. 1 gezeigt, um die Anzahl der Vor­ richtungskomponenten nicht zu vergrößern und nicht sein Gewicht zu erhöhen, daß jedes Tragelement einfach von ei­ ner Platte 13 gebildet sein kann, insbesondere um die gan­ ze oder Teile dieser Scheibe als gedruckte Schaltkreise auszubilden, die auf dem mechanischen Teil der Vorrichtung 1 zur fortlaufenden pneumatischen Steuerung befestigt sind und alle elektronischen Elemente 14 tragen und evtl. noch andere Organe, die notwendig sind zur Kontrolle und/oder zur Steuerung der Vorrichtung 1.

Nachfolgend wird nun eine gewisse Anzahl von speziellen Ausführungsbeispielen beschrieben, die in den Fig. 2 bis 5 dargestellt sind, die Varianten des Realisationsbeispieles nach Fig. 1 darstellen.

In den Fig. 2 bis 5 ist daher die Vorrichtung in einer einstückigen Einheit 10 mit einem steifen Wandbereich 11 und einem elastischen Wandbereich 12 untergebracht, die das Reservoir das Gasmotors bilden, welcher dauernd dem Innendruck des Körpers dank der elastischen Wand 12 unter­ worfen ist. Um die Zeichnungen zu vereinfachen und die funktionelle Darstellung gewisser Kontrolleinheiten und/ oder Steuereinheiten, insbesondere der elektronischen, zu ermöglichen, die, wie bereits oben erwähnt, vorzugsweise auf einer gedruckten Leiterplatte 13 untergebracht sind, die gleichzeitig das Traghilfsmittel für die elastische Wand 12 darstellt, ist diese gedruckte Leiterplatte nicht dargestellt worden.

In den Fig. 2 bis 5 sind diejenigen Elemente, die mit den­ jenigen der Fig. 1 identisch sind, mit den gleichen Bezugs­ ziffern versehen.

Was zunächst die Fig. 2 angeht, so weist der elektronische Teil 14 an erster Stelle eine elektrische Speisung 15 auf, die einmal mit der externen Quelle 7 (nicht dargestellt) und zum anderen mit einer internen Hilfsquelle 16 verbun­ den ist. Da die externe Quelle 7 ganz unterschiedliche Charakteristika aufweisen kann (Gleichstromquelle, Wechsel­ stromquelle sowie ein Stromnetz mit der Frequenz von 50 bis 60 Hz), umfaßt die Versorgung 15 alle Gleichrichter­ mittel, alle Spannungssenkmittel, alle automatischen Wandler­ mittel, kontinuierliche Quelle,/alternative Quelle und ex­ terne Quelle/interne Hilfsquelle, die notwendig sind, um dauernd und feinfühlig ohne Diskontinuität die Versorgung von elektrischer Energie, die ausreichend zur Funktion der Vorrichtung nach der Erfindung ist, sicherzustellen.

Vorzugsweise umfaßt die Versorgung 15 in gleicher Weise eine Ladeeinrichtung für die Batterie, die mit der Quelle 16 verbunden ist und hält diese in einem vollen Ladezustand, während die elektrische Energie von einer aus der externen Quelle geliefert wird.

Der Ausgang der Versorgungseinrichtung 15 ist mit dem Leistungseingang einer elektronischen, fortlaufenden Steuereinheit verbunden, welche außerdem drei Informations­ eingänge aufweist: Zwei Eingange, die mit der totalen Herzprothese durch Leistungen 3 a und 3 b verbunden sind, die die Druckinformationen empfangen, entsprechend der rechten oder linken Herzkammer der Prothese, und der drit­ te Eingang empfängt die Druckinformationskammer (die als Referenzdruck dient) aus dem Gasmotorreservoir, wobei die­ se Information von einem Sensor 18 geliefert wird.

Der pneumatische Teil 1 der Vorrichtung gemäß der Erfin­ dung umfaßt eine pneumatische Pumpe 19, die von einem Elektromotor 20 angetrieben wird. Ein pneumatischer Dreh- Verteiler 21 mit zwei Positionen (direkte Verbindung oder Kreuzverbindung) und mit zwei Kreisen, angetrieben von ei­ nem Elektromotor 22, verbindet die Pumpe 19 einerseits durch einen der Kreise mit dem Reservoir des Gasmotors (Leitung 23) und auf der anderen Seite über eine andere Leitung mit der Herzprothese 4 (Leitung 24).

Der Elektromotor 20 der Pneumatikpumpe 19 und der Elektro­ motor 22 des Dreh-Verteilers 21 sind mit den entsprechen­ den Ausgängen des elektronischen fortlaufenden Steuerele­ mentes 17 verbunden.

Das elektronische fortlaufende Steuerelement 17 liefert die elektrische Energie an die Motoren 20 und 22 fortlau­ fend als Funktion der Informationen, die an seinen Ein­ gängen erscheinen, derart, daß der Funktionsrythmus der Herzprothese in gleicher Weise gesteuert wird, entsprechend den Lebensnotwendigkeiten des Trägers der Prothese ange­ paßt (physische Erfordernisse, Änderungen in der Höhe­ etc.).

Die gerade beschriebene Vorrichtung, die in der Fig. 2 dargestellt ist, weist lediglich eine einzige Benutzungs­ art auf, entsprechend der Steuerung einer Herzprothese des monoaktiven Typs, d. h., in welcher die beiden Herzkam­ mern eine gemeinsame Wand aufweisen, die von einer gemein­ samen Membrane gebildet wird und auf diese Art und Weise eine einzige Aktivierungsquelle benötigt.

Im Gegensatz hierzu werden nunmehr, bezogen auf die Fig. 3 bis 5, Vorrichtungen nach der Erfindung beschrieben, die zur Steuerung einer Herztotalprothese des biaktiven Typs bestimmt sind, d. h. bei denen die beiden Herzkammern jede eine eigene Aktivierungsmembran aufweisen, was daher zwei Aktivierungsquellen in entgegengesetzter Phasenlage not­ wendig macht.

Diese in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Vorrichtungen be­ sitzen eine im wesentlichen analoge Hauptstruktur, wie diejenige Einrichtung der Fig. 2; die gleichen Bezugszif­ fern werden daher herangezogen, um die identischen Organe zu bezeichnen. Die unterschiedlichen Strukturorgane, welche aber funktionell identisch sind, erhalten die gleichen Be­ zugsziffern mit einem ′, ′′, ′′′ entsprechend auf den Fig. 3, 4 und 5.

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung umfaßt einen Dreh­ verteiler 21′ mit zwei Positionen (direkt und gekreuzt) und mit zwei Kreisen und im Mittelpunkt mit dem Behälter (dem Reservoir des Gasmotores) verbunden; diese beiden Kreise verbinden die Pumpe jeweils entsprechend mit den beiden Pneumatikkammern, die entsprechend den beiden Herz­ kammern der biaktiven Herzprothese angeordnet sind (Lei­ tungen 24′ a und 24′ b).

Die Einrichtung, die in Fig. 4 dargestellt ist, weist einen Drehverteiler 21′′ mit zwei Positionen auf (direkt und ge­ kreuzt) und zwei Kreisen, die die Pumpe 19 entsprechend über die Leitungen 24′ a und 24′ b mit den beiden Pneumatik­ kammern der biaktiven Herzprothese 4′ verbinden.

Ein zweiter Drehverteiler 25, getrieben von einem Motor 26, ist parallel zum Drehverteiler 21′′ montiert mit be­ grenzten Eingängen und im Ausgang der Pumpe 19 mit darü­ ber hinaus einer neutralen Mittelstellung. Des weiteren weist das elektronische fortlaufende Steuergerät 17′′ einen dritten Ausgang auf, der mit dem Motor 26 verbunden ist des zweiten Verteilers, um diesen fortlaufend zu steuern.

Der pneumatische Verteiler 25 hat die Aufgabe, zyklisch den Eingang oder den Ausgang der Pumpe 19 in Verbindung mit dem Gasreservoir zu bringen, derart, um einen leichten Überdruck über das Niveau der Herzkammermembranen zu er­ zeugen, um den Eintritt des Blutes in die Herzprothese zu erleichtern.

Schließlich weist die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung dieselbe Art auf wie diejenige nach Fig. 4 mit der Aus­ nahme, daß der Verteiler 21′′ in der Fig. 4 hier durch zwei Verteiler 27 und 28 ersetzt ist, die entsprechend auf den beiden Verbindungsleitungen der Pumpe 19 zur Herzprothese zugeordnet sind. Unter der Berücksichtigung des realisierten Schemas können die drei Verteiler 25, 27 und 28 identisch sein und bestehen aus Drehverteilern mit zwei Positionen, wobei die Verteiler 27 und 28 von zwei Motoren 29 und 30 entsprechend angetrieben werden, die mit zwei unterschiedlichen Ausgängen der elektronischen sequentiellen Steuereinrichtung 17′′′ entsprechend verbun­ den sind.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei allen Ausführungsva­ rianten, die beschrieben wurden, die Drehverteiler teil­ weise oder vollständig durch Zugverteiler ersetzt werden können. Die Wahl wird von unterschiedlichen Faktoren, wie Leichtigkeit, entsprechender Preis und das sich Annähern der Funktion möglichst nahe an die Natur etc., beeinflußt.

Was nun die elektronische Einrichtung zur fortlaufenden Steuerung betrifft (Vorrichtung 17 in der Fig. 2, 17′ in der Fig. 3, 17′′ in der Fig. 4 und 17′′′ in der Fig. 5), so hängt ihr Betrieb von der Herzprothese, die eingesetzt wird, ab; aber, wie auch immer, auch von dem folgenden:

• - sie mißt die Differenz zwischen dem Druck jeder Herz­ kammer und dem umgebenen Referenzdruck,
• - sie vergleicht diese Druckunterschiede mit Maximal- und Minimalwerten, die sie gespeichert hat,
• - sie bestimmt die Geschwindigkeit des Motores 20 der Pumpe 19 und die Position des Motores 22 des Verteilers 21.

Beispielsweise zeigt zum Zwecke der Veranschaulichung die Fig. 6 ein Schaltschema eines Realisierungsbeispieles der elektronischen Einrichtung zur fortlaufenden Steuerung 17 nach Fig. 2.

Die Vorrichtung 17 umfaßt zwei Subtrahierer 31, 32, die je zwei Eingänge aufweisen: Die Eingänge des Subtrahierers 31 empfangen entsprechend die elektrischen Signale, die dem Druck P _D in der rechten Herzkammer entsprechend und dem Re­ ferenzdruck P _ref ebenso, wie die Eingänge des Subtrahie­ rers 32 die entsprechenden elektrischen Signale, die dem Druck P _G in der linken Herzkammer und dem Referenzdruck P _ref entsprechen.

Die Vorrichtung 17 umfaßt in gleicher Weise einen Speicher 33, der die zulässigen Minimal- und Maximalwerte für die Drücke in den linken und rechten Herzkammern speichert.

In gleicher Weise sind vier Vergleicher 34-37 vorgese­ hen, die geeignet sind, die Druckunterschiede mit den ge­ speicherten Werten zu vergleichen; anders gesagt:

• - die beiden Eingänge des Vergleichers 34 sind entsprechend mit dem Ausgang des Subtrahierers 31 und mit der Ausgangs­ klemme des Speichers 33, welche einen entsprechenden zu­ lässigen Maximaldruck der rechten Herzkammer P _Dmaxi reprä­ sentiert, verbunden;
• - die beiden Eingänge des Vergleichers 35 sind entsprechend mit dem Ausgang des Subtrahierers 31 und der Ausgangsklemme des Speichers 33, die ein entsprechendes zulässiges Mini­ maldrucksignal in der rechten Herzkammer P _Dmini liefert, verbunden;
• - die beiden Eingänge des Vergleichers 36 sind entsprechend mit dem Ausgang des Subtrahierers 32 und der Ausgangsklemme des Speichers 33, die ein entsprechendes zulässiges Maxi­ maldrucksignal in der linken Herzkammer P _Gmaxi liefert, verbunden;
• - die beiden Ausgänge des Vergleichers 37 sind verbunden entsprechend mit der Ausgangsklemme des Subtrahierers 32 und der Ausgangsklemme des Speichers 33, die ein ent­ sprechendes zulässiges Minimaldrucksignal in der linken Herzkammer liefert P _Gmini .

Schließlich sind die Ausgänge der Vergleicher 34 und 35 entsprechend mit zwei Eingängen eines Leistungsverstärkers 38 verbunden, dessen Ausgang 20 und die Pumpe 19 steuert, ebenso wie die beiden Ausgänge des Vergleichers 36, 37 ent­ sprechend verbunden sind mit zwei Eingängen eines Leistungs­ verstärkers 39, dessen Ausgang den Motor 22 des pneuma­ tischen Verteilers 21 steuert.

Claims (3)

1. In den menschlichen Körper implantierbare Vorrichtung zum Betätigen und Steuern einer Herzprothese (4, 4′) durch ein Arbeitsmedium, aufweisend elektrische Schaltkreise (14) und eine Umhüllung, die von einem starren Gehäuse (11) gebildet ist, das mit einem dem Innendruck des mensch­ lichen Körpers unterworfenen geschmeidigen Beutel (12) dicht verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium Luft ist, daß das Gehäuse (11) und der Beutel (12) in für das Arbeitsmedium offener Verbin­ dung miteinander stehen, daß ein Tragelement (13) vorgese­ hen ist, um den geschmeidigen Beutel (12) dann geöffnet zu hal­ ten, wenn die Menge des in dem von Gehäuse (11) und Beutel (12) gemeinsam gebildeten Reservoir befindlichen Gases ge­ ring ist, und daß die elektrischen Schaltkreise (14) der Vorrichtung von diesem Tragelement (13) gehalten sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragelement (13) für den geschmeidigen Beutel (12) des Reservoirs eine starre oder halbstarre Zwischenwand aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Schaltkreise (14) in Form einer Plat­ te mit aufgedruckten Schaltkreisen, getragen von der Zwi­ schenwand, ausgebildet sind.