DE3325509C2 - - Google Patents
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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.
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