DE3448191C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Be­ treiben eines medizinischen Geräts, wie z. B. eines künst­ lichen Herzens, gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Wenn eine derartige Kunstherz-Antriebseinrichtung an einem beispielsweise elektrisch betriebenen Rollstuhl angebracht wird, eröffnet dies selbst Patienten mit einem Kunstherzen eine enorme Bewegungsfreiheit.

Herkömmliche Kunstherz-Antriebseinrichtungen haben aller­ dings einen beträchtlichen Platzbedarf, weil eine große Anzahl von Solenoidventilen, Behältern, Druckquellen und anderen wichtigen Komponenten erforderlich ist, um das künstliche Herz zeitlich genau und der Momentansituation des Patienten angepaßt zu steuern. Eine derartige An­ triebseinrichtung ist beispielsweise in der noch veröffentlichten US-PS 45 46 760 beschrieben.

Aus der Zeitschrift "Medizinal-Markt/ACTA MEDICOTECHNICA, 19. Jahrgang, Nr. 10/1971, Seiten 70 bis 77", ist eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Ähnliche Einrichtungen zeigt der Stand der Tech­ nik gemäß SU 81 22 95, in der eine Prinzipschaltung eines Steuersystems für ein derartiges künstliches Herz offen­ bart ist. Um zu verhindern, daß bei der Druckbeaufschla­ gung der Arbeitskammer des künstlichen Herzens, die durch die Betätigung des Druckabgabeventils eingeleitet wird, Verzögerungen hinsichtlich des Druckaufbaues auftreten, die darauf zurückzuführen sind, daß das Volumen der druckmittelführenden Leitungen stromab des Druckabgabeven­ tils auf das erwünschte Druckniveau gebracht werden muß, hat man bislang Akkumulatoren, d. h. Strömungsmittel- Zwischenspeicher, vorgesehen. Mit derartigen Akkumulatoren gelingt es nicht nur, einen gleichmäßig hohen Arbeitsdruck auch bei Belastung aufrecht zu erhalten, sondern darüber hinaus eine ausreichend steile Druckaufbau-Kennlinie zu erreichen. Derartige Akkumulatoren sind allerdings ver­ hältnismäßig großvolumige Behälter, die den Einbau eines Kunstherz-Antriebsmechanismus in ein fahrbares Gerät, wie z. B. einen Rollstuhl, erschweren. Man hat zwar versucht, auf derartige Akkumulatoren bzw. Strömungs­ mittel-Zwischenspeicher oder -Behälter zu verzichten, was jedoch dazu führte, daß nunmehr die Abmessungen der Sole­ noidventile zur Regelung des Drucks vergrößert werden mußten, um die erwünschte Drucksteuerungskurve zu er­ reichen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Betreiben eines medizinischen Geräts, insbesondere eines künstlichen Herzens der eingangs be­ schriebenen Art zu schaffen, die mit einem möglichst klei­ nen Bauvolumen eine schnelle und genau steuerbare Druck­ änderung in der Arbeitskammer ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Danach wird einem herkömmlichen Solenoidventil ein Bypassventil parallel geschaltet, das synchron mit einer Betriebszeitsteuerung des medizinischen Geräts der­ art gesteuert wird, daß letztlich die Geschwindigkeit des Druckanstiegs in der Arbeitskammer angehoben wird, obwohl auf Zwischenspeicher bzw. Akkumulatoren vollkommen ver­ zichtet werden kann. Bei Betätigung des Druckabgabeventils wird der an dessen Eingang auftretender Druckabfall durch Öffnen des Bypassventils kompensiert. Dabei hat sich ge­ zeigt, daß in jeder Betriebsphase des medizinischen Geräts genügend Zeit verbleibt, das Bypassventil zu einem Zeitpunkt zu schließen, daß der vom ersten Druckregulier­ ventil eingeregelte Arbeitsdruck nicht überschritten wird. Das Volumen der Strömungsmittel-Steuereinrichtungen kann auf diese Weise erheblich reduziert werden, wodurch sich der zusätzliche Vorteil ergibt, daß das Steuersystem generell schneller anspricht und eine geringere Eigendyna­ mik entwickelt. Hierdurch wird die Steuerungsgenauigkeit im gesamten Betriebsspektrum des künstlichen Herzens ange­ hoben. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Einrich­ tung zum Betreiben des medizinischen Geräts, wie z. B. des künstlichen Herzens, sehr einfach in eine fahrbare Einheit kleiner Abmessungen eingegliedert werden, wodurch die Bewegungsfreiheit des Patienten zusätzlich vergrößert werden kann.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine weitere Verringerung des in Anspruch genommenen Bau­ volumens ergibt sich mit der Weiterbildung gemäß Patentan­ spruch 2, da auf diese Weise auch im Unterdruckbereich auf Akkumulatoren bzw. Strömungsmittel-Ausgleichsbehälter oder -Zwischenspeicher verzichtet werden kann.

Mit den Weiterbildungen gemäß Patentansprüche 3 bis 6 ergeben sich Vereinfachungen hinsichtlich der zeitlichen Steuerung der Ventile und dabei auch eine Vereinfachung der Schaltungsanordnung.

Wenn die Ventile der Einrichtung zum Betreiben eines medi­ zinischen Geräts von Solenoidventilen gebildet sind, kann eine wartungsarme elektronische Zeitsteuerung Verwendung finden, wodurch die Betriebszuverlässigkeit der Einrich­ tung auf ein sehr hohes Niveau angehoben werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines elektrisch betriebenen Rollstuhls, in den die erfin­ dungsgemäße Einrichtung zum Betreiben eines medi­ zinischen Geräts eingebaut werden kann;

Fig. 2a und 2b schematische Explosions-Ansichten von Teilen des Rollstuhls nach Fig. 1 zusammen mit Steuerelementen des me­ dizinischen Geräts;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Ventileinheit 73 nach Fig. 2b.

Fig. 4a, 4b, 4c und 4d eine Draufsicht, eine rechte Seitenansicht, eine linke Seitenansicht bzw. eine vergrößerte Längsschnittansicht eines bei dem Aus­ führungsbeispiel der Einrichtung zum Betreiben des medizinischen Geräts verwendeten Solenoidventils;

Fig. 5 eine Blockdarstellung, die schematisch den Systemaufbau der Einrichtung zum Betreiben des medizinischen Geräts und des Rollstuhls nach Fig. 1 zeigt;

Fig. 6 ein Blockschaltbild des Kunstherz-Antriebs­ mechanismus 300 nach Fig. 5;

Fig. 7a und 7b Blockschaltbilder der Kunstherz- Steuereinheit 400 nach Fig. 5;

Fig. 7c ein Zeitdiagramm, das die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 7a veranschaulicht;

Fig. 8 ein Blockschaltbild, das den Aufbau von Mikro­ computern CPU 1 und CPU 2 zeigt;

Fig. 9 den Aufbau des Bedienungsfelds 600;

Fig. 10a und 10b Ablaufdiagramme, die eine Betriebsab­ lauf-Übersicht für die Mikrocomputereinheit CPU 1 zeigen; und

Fig. 11a und 11b Ablaufdiagramme, die eine Betriebsab­ lauf-Übersicht für die Mikrocomputereinheit CPU 2 zeigen.

Die Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines elektrisch betriebenen Rollstuhls, der mit einer Einrichtung zum Betreiben eines Kunstherzens, d. h. einer Kunstherz-Antriebsein­ richtung ausgestattet ist. Der elektrisch betriebene Rollstuhl ist mit vier Rä­ dern versehen, nämlich mit Vorderrädern 51 a, die verhältnis­ mäßig klein sind und als Schwenkrollen gestaltet sind, und mit Hinterrädern 51 b, die verhältnismäßig groß sind und ge­ sondert durch voneinander unabhängige Motoren über (nicht gezeigte) Untersetzungsgetriebemechanismen angetrieben wer­ den. An der linken und rechten Seite sind jeweils Armlehnen 52 L bzw. 52 R angebracht. Mit 53 ist eine Fußstütze bezeich­ net, während mit 54 eine Rückenlehne bezeichnet ist.

Mit 56 ist nahe dem Fuß einer Tragsäule 55 für die linke Armlehne 52 L eine Abdeckung für eine Öffnung für die Auf­ nahme von Röhren zum Betreiben des künstlichen Herzens be­ zeichnet. Mit TV ist ein klein bemessener Überwachungsbildschirm an dem vorderen En­ de der Oberfläche der linken Armlehne 52 L bezeichnet. Aus dem vorderen Ende der Oberfläche der rech­ ten Armlehne 52 R kann ein abnehmbarer Steuerhebel für das Fahren des Rollstuhls vorstehen.

Ferner sind die Arm­ lehnen 52 L und 52 R um die Tragsäulen 52 jeweils um 90° hori­ zontal schwenkbar (nämlich entgegen dem Uhrzeigersinn bei der Armlehne 52 L und im Uhrzeigersinn bei der Armlehne 52 R). Schalter, die jeweils an den Unterseiten der Armlehnen 52 L bzw. 52 R angebracht sind, dienen zum Befeh­ len des Entriegelns der Armlehnen.

Die Fig. 2a und 2b sind jeweils perspektivische Explosions-Ansichten des Rollstuhls nach Fig. 1. In diesen Figuren sind kleinere Teile weggelassen. Die Fig. 2a zeigt hauptsächlich das Gehäuse des Rollstuhls, während die Fig. 2b ein Chassis des Rollstuhls und Haupt­ komponenten der Antriebseinrichtung für das künstliche Herz zeigt. Diese Hauptkomponenten der Antriebseinrichtung für das künstliche Herz und der elektrisch betriebene Rollstuhl werden nun anhand der Fig. 2a und 2b beschrieben.

Mit 71 ist ein Kompressor, mit 72 eine Un­ terdruckpumpe, mit 73 eine Ventileinheit, mit 74 ein Schalldämpfer, mit 75 eine Steuereinheit für die Antriebsmotoren des Roll­ stuhls, mit 76 a und 76 b Batterien der An­ triebseinrichtung für das künstliche Herz und mit 77 a und 77 b Batterien für den Antrieb des Roll­ stuhls bezeichnet. M 1 und M 2 sind Motoren für den An­ trieb des rechten bzw. des linken Hinterrads. Diese Motoren sind Gleichstrommotoren. 78 bezeichnet eine Aufwickelvorrichtung mit einer Trommel zum Aufrollen der Röhren für den Antrieb des künstlichen Herzens.

Der Kompressor 71 und die Unterdruckpumpe 72 sind vorzugsweise in einem Lärmschutzgehäuse angeordnet und stehen mit der Umgebungsluft über einen Schalldämpfer 74 in Verbindung. Beide Seitenteile und ein Oberteil des Gehäuses, das den Kompressor 71 und die Unterdruckpumpe 72 einschließt, sind aus Gummi hergestellt. Da durch die von dem Kompressor 71 und der Unterdruckpumpe 72 bzw. Saugpumpe erzeugte Wärme die Temperatur im Inneren des Gehäuses ansteigt, liegt der Strömungseinlaß des Kompressors 71 bei diesem Ausführungs­ beispiel gegenüber dem Innenraum so frei, daß die aus einer Öffnung des Schalldämpfers 74 zugeführte Luft niedriger Temperatur in dem Innenraum zirkulieren kann. Die Unter­ druckpumpe 72 ist mit dem Schalldämpfer 74 über ein (nicht gezeigtes) Rohr verbunden. Die Auslässe des Kompressors 71 und der Unterdruckpumpe 72 sind über Rohre mit der Ventileinheit 73 verbunden. Mit 81 und 82 (Fig. 3) sind Druck­ auslässe für die Kunstherz-Antriebseinrichtungen zweier Systeme bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind alle elektrische Steuereinrichtungen mit Ausnahme der Steuerein­ heit 75 für die Rollstuhl-Antriebsmotoren im Inneren (an der Rückseite) der Rückenlehne 54 angebracht.

Die äußere Gestaltung der Ventileinheit 73 ist in der Fig. 3 gezeigt. Gemäß der Darstellung in Fig. 8 weist die Ven­ tileinheit 73 eine Anzahl von Solenoidventilen und Druck­ fühlern auf. Im Inneren eines kastenähnlichen Gehäuses sind verschiedenerlei Bohrungen zur Strömungsverbindung von Durchlässen ausgebildet, wodurch die Erfordernis von Rohren entfällt, welche zum Verbinden der Durchlässe für die einzelnen Solenoidventile verwendet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden zwölf Solenoidventile gleichen Aufbaus verwendet. Obzwar dies in der Fig. 3 nicht darge­ stellt ist, werden vier Druckfühler verwendet. Mit 73 a ist ein Unterdruckeinlaß bezeichnet, mit 73 b ist ein Überdruck­ einlaß bezeichnet und mit 81 und 82 sind die Druckauslässe für die unabhängigen Systeme bezeichnet. Die an diese Aus­ lässe angeschlossenen Rohre sind ihrerseits mit Öffnun­ gen eines Röhrenaufwickelmechanismus verbunden.

Ferner ist die Ventileinheit 73 an dem nicht dargestellten Teil mit weiteren Auslässen für die Druckabgabe aus den gleichen Systemen wie denjenigen für die Auslässe 81 und 82 versehen. Die an diese weiteren Auslässe angeschlossenen Rohre sind ihrerseits unter Umgehung des Röhrenaufwickel­ mechanismus direkt mit einem Luftrohr­ anschluß für Notfälle verbunden. Dieser Anschluß wird dann benutzt, wenn irgendeine Anormalität an den zum künstlichen Herzen führenden Rohren die nachfolgend Versorgungsröhren bezeichnet werden sollen, wobei der Auslaß für diesen Anschluß normalerweise ge­ schlossen ist.

Die Fig. 4a bis 4d zeigen eine Draufsicht, eine rechte Seitenansicht, eine linke Seitenansicht und eine vergrößerte Längsschnittansicht eines der vielen in Fig. 3 gezeigten Solenoidventile (elektromagnetischen Steuer­ ventile). Gemäß den Fig. 4a bis 4d hat jedes Sole­ noidventil ein Ventilgehäuse 11, in dem ein erster Durch­ laß 12 und ein zweiter Durchlaß 13 ausgebildet sind. Der Innenraum des Gehäuses 11 ist durch einen Ventilsitz 14 in eine erste Innenkammer 15 in Verbindung mit dem ersten Durchlaß 12 und eine zweite Innenkammer 16 in Verbindung mit dem zweiten Durchlaß 13 aufgeteilt. An dem Ventilge­ häuse 11 ist über ein Dichtungsmaterial 17 ein Spulenge­ häuse 18 aus magnetischem Material befestigt.

In das Spulengehäuse 18 ein Spulenkörper 20 eingesetzt, um den eine Wicklung 19 gewickelt ist und der von einem Paar Sockel 21 und 22 aus magnetischem Material getragen ist. An dem Sockel 21 ist ein feststehender Kern 23 aus magne­ tischem Material befestigt. Der Kern 23 hat einen mittigen Hohlraum, durch den hindurch sich eine Führungsstange 24 aus nichtmagnetischem Material erstreckt. An der Führungs­ stange 24 ist ein bewegbarer Kern 25 aus magnetischem Ma­ terial befestigt. Ein Ende der Führungsstange 24 wird durch eine Schraubenfeder 26 nach links gedrückt. Das andere Ende der Führungsstange 24 tritt durch ein Lager 27 und einen Balgen bzw. eine Manschette 28 hindurch, während an seinem äußersten Endteil ein Ventilkörper 29 befestigt ist. Der Innenraum des Balgens 28 steht über kleine Öffnungen 30 und 37 mit der ersten Innenkammer 15 (bei dem dargestellten Zu­ stand) oder mit der zweiten Innenkammer 16 (bei der Verstel­ lung der Führungsstange 24 nach rechts) in Verbindung.

Wenn die Wicklung 19 erregt wird, bewirkt dies einen Ma­ gnetfluß auf dem Kreis Kern 23 - Kern 25 - Sockel 22 - Ge­ häuse 18 - Sockel 21 - Kern 23, so daß an dem Kern 25 eine Kraft wirkt, die den Kern 25 zu dem Kern 23 zieht; dadurch wird die Führungsstange 24 nach rechts bis zu einer Stelle bewegt, an der diese Anziehungskraft durch die Abstoßkraft der Schraubenfeder 26 ausgeglichen wird. Infolgedessen wird der Ventilkörper 29 von dem Ventilsitz 14 um eine Strecke entfernt, die der Anziehungskraft entspricht. Eine Stirn­ fläche 23 a des Kerns 23 hat W-artige Form, während eine Stirnfläche 23 a des Kerns 25 eine zur Aufnahme des mittleren Vorsprungs der gegenüberliegenden Stirnfläche 23 a vertiefte Form hat. Ferner sind innere Seitenflächen 23 b der beiden Randvorsprünge bei der W-artigen Form verjüngt. Durch diese verjüngten bzw. konischen Formen wird das Verhältnis eines Erregungswerts zu einer Bewegungsstrecke der Führungsstange 24 (nämlich einem Spalt zwischen den Stirnflächen 23 a und 25 a) so gestaltet, daß in einem weiteren Bereich ein pro­ portionaler Zusammenhang besteht. Ferner hat das Solenoid­ ventil dieser Art ein gutes Ansprechvermögen hinsichtlich seines bewegbaren Teils, was eine schnelle Steuerung des Öffnens und Schließens erlaubt.

Die Fig. 5 zeigt eine schematische Funktionsdarstellung der Einrichtung zum Betreiben des künstlichen Herzens das aus zwei Herzen 1 R und 1 L besteht. Wenn an diese künst­ liche Herzen 1 R und 1 L abwechselnd Überdruck und Unterdruck angelegt wird, wird eine darin angeordnete Membran impuls­ artig versetzt, um damit Blut in einer bestimmten, durch die Wirkung von Ventilen festgelegten Richtung zu befördern. Zum Anlegen der Drücke an die künstlichen Herzen 1 R und 1 L verwendete Röhren 2 a und 2 b werden über auf ihre Enden auf­ gesetzte Verbindungsstücke mit den oben erwähnten Versorgungsröhren verbunden.

Ein Kunstherz-Antriebsmechanismus 300 für das Zuführen der Luft unter vorbestimmtem Druck zu den künstlichen Herzen 1 R und 1 L wird elektrisch mittels einer Steuereinheit 400 für die künstlichen Herzen gesteuert. Eine Anzeigesteuer­ einheit 500 erzeugt ein zusammengesetztes Videosignal für die Darstellung von Informationen aus der Steuereinheit 400 an dem Bildschirm TV. Die Anzeigesteuereinheit 500 kann durch eine im Handel erhältliche Einheit gebildet sein, welche einen Anzeigesignalspeicher, einen Zeichengenerator (Festspeicher), integrierte Schaltungen zur Anzeigesteuerung usw. enthält. Ein Bedienungsfeld 600 ist ein Schalterfeld für das Ändern und Befehlen von verschiedenerlei Ansteue­ rungsparametern für das künstliche Herz und ist an die Steuereinheit 400 anschließbar. Es ist anzumerken, daß in einem Festspeicher in der Steuereinheit 400 als Ansteuerungs­ parameter von vorneherein Optimalwerte eingespeichert wer­ den und praktisch keine Notwendigkeit besteht, das Schal­ terfeld zu benutzen.

Eine Steuereinheit 75 für die Rollstuhl-Antriebsmotoren dient zum Steuern der Gleichstrommotoren M 1 und M 2, die be­ triebsmäßig mit den Hinterrädern 51 b des Rollstuhls verbunden sind. Eine Systemsteuereinheit 200 liest Schaltzustände von verschiedenerlei Schaltern ein, sendet ein Signal an die Kunstherz-Steuereinheit 400 und steuert das Ein- und Ausschalten der Steuereinheit 75, des Bildschirms TV usw.

Die Einzelheiten des in Fig. 5 gezeigten Antriebsmechanis­ mus 300 für die künstlichen Herzen sind in der Fig. 6 ge­ zeigt. Gemäß Fig. 6 stehen der Kompressor 71 und die Un­ terdruckpumpe 72 mit der Außenluft über den Schalldämpfer 74 in Verbindung. An die Druckauslässe des Kompressors 71 und der Unterdruckpumpe 72 ist eine Anzahl von Solenoid­ ventilen usw. angeschlossen, wobei diese Bauteile in zwei Systeme aufgeteilt sind. Ein System dient für den Antrieb des rechten künstlichen Herzens 1 R, während das andere System zum Antrieb des linken künstlichen Herzens 1 L dient.

Zuerst wird das rechte System beschrieben. Mit 131 ist ein erstes Druckregulierventil für das Einstellen des an das künstliche Herz anzulegenden Oberdrucks bezeichnet, das hinsichtlich seines Öffnens und Schließens entsprechend einem Ausgangs­ signal eines Druckfühlers PS 1 gesteuert wird, welcher an dem Auslaß des Ventils angeordnet ist. Mit 132 ist ein als Druckabgabeventil fungierendes So­ lenoidventil bezeichnet, das zur Ein- und Ausschaltsteue­ rung für das Anlegen des durch das erste Druckregelventil 131 usw. bestimmten Überdrucks an das künstliche Herz 1 R dient. Ein zu dem Druckregelventil 131 parallel geschaltetes Solenoid-Bypass­ ventil 135 dient zum Kompensieren einer Druckverringerung, die bei dem Anstieg des an das künstliche Herz angelegten Drucks auftritt. Gleichermaßen wird mit einem als zweites Druckregulierventil fungierendes Solenoidven­ til 133 der Unterdruck eingeregelt, während ein als Druckentlastungsventil dienendes Solenoid­ ventil 134 die Ein- und Ausschaltsteuerung des an das künst­ liche Herz angelegten Unterdrucks herbeiführt und ein Bypass-Sole­ noidventil 136 eine Druckverringerung kompensiert. Ein Druckfühler PS 3 erfaßt den Unterdruck in diesem System. Das linke System ist auf gleichartige Weise gestaltet. D. h., Solenoidventile 137, 138 und 141 sind jeweils ein Druckre­ gulierventil, ein Druck-Einschalt/Ausschaltventil bzw. Druckabgabeventil und ein Druckkompensationsventil und Bypassventil für das Überdrucksystem, während Solenoidventile 139, 140 und 142 jeweils ein Druckregulier­ ventil, ein Druck-Einschalt/Ausschaltventil bzw. ein Druckentlastungsventil und ein Druck­ kompensationsventil bzw. Bypassventil für das Unterdrucksystem sind. Druck­ fühler PS 2 und PS 4 dienen zum Erfassen des Drucks in dem Oberdrucksystem bzw. dem Unterdrucksystem.

Die Gestaltung der in Fig. 5 gezeigten Steuereinheit für die künstlichen Herzen ist in den Fig. 7a und 7b gezeigt. Dieser Schaltungsaufbau führt zunächst gemäß Fig. 7a die Druckeinstellsteuerung bzw. Druckregelung aus. Im einzelnen wird jeweils entsprechend den beiden Signalen aus den Druck­ fühlern PS 1, PS 2, PS 3 und PS 4 und vorgewählten Druckwerten das Öffnen und Schließen der Solenoidventile 131, 137, 133 und 139 gesteuert. Dieser Schaltungsaufbau selbst wird durch eine Mikrocomputereinheit CPU 1 gesteuert.

Analogsignale RPP, LPP, RNP und LNP aus den Druckfühlern PS 1, PS 2, PS 3 und PS 4 werden über ein Verbindungsteil J 5 an einen Analog/Digital-Wandler Z 16 angelegt. Der A/D- Wandler Z 16 ist mit acht Eingangskanälen ausgestattet und hat ein Auflösungsvermögen von 12 Bits. Mit EOC ist ein Ausgangsanschluß für ein Signal zur Anzeige des Abschlusses der Umsetzung bezeichnet, mit STROBE ist ein Eingangsan­ schluß für die Eingabe des Befehls zur Umsetzung bezeichnet, mit EN 1, EN 2 und EN 3 sind Eingangsanschlüsse zum Steuern der Ausgangsfreigabe oder Ausgangssperrung der umgesetzten digitalen Daten bezeichnet und mit A 1, A 2, A 4 und A 8 sind Eingangsanschlüsse zum Bestimmen der Eingangskanäle be­ zeichnet. Der A/D-Wandler Z 16 ist über ein Verbindungs­ teil J 4 mit der Mikrocomputereinheit CPU 1 verbunden.

Die Solenoide der Druckregelventile 131, 137, 133 und 139 sind an ein Verbindungsteil J 3 angeschlossen. Mit SSR 1, SSR 2, SSR 3 und SSR 5 sind Festkörperrelais für das Ein- und Ausschalten der Erregung dieser Solenoide bezeichnet, wo­ bei diese Relais durch Ausgangssignale der Mikrocomputer­ einheit CPU 1 über eine Pufferstufe Z 15 gesteuert werden. Ein Teil der Signalleitungen aus dem Bedienungsfeld 600 ist an ein Verbindungsteil J 1 angeschlossen. Die an das Verbindungsteil J 1 angelegten Signale werden ihrerseits über einen Puffer BF 1 und eine Entprellschaltung CH 1 an die Eingänge des Mikrocomputers CPU 1 angelegt. An einen Teil der Eingänge der Mikrocomputereinheit CPU 1 werden die Signale aus der Systemsteuereinheit 200 angelegt. An andere Kanäle der Mikrocomputereinheit CPU 1 ist die Anzeige­ steuereinheit 500 angeschlossen.

Der in Fig. 7b dargestellte Schaltungsaufbau dient zur Steuerung der Solenoidventile 132, 138, 134 und 140 für das Ein- und Ausschalten des Drucks sowie der Solenoid­ ventile 135, 141, 136 und 142 für die Druckkompensation. Dieser gesamte Schaltungsaufbau wird durch eine Mikrocom­ putereinheit CPU 2 gesteuert. Die Erregung der Solenoide der Solenoidventile 132, 138, 134 und 140 wird jeweils durch Festkörperrelais SSR 5, SSR 6, SSR 7 und SSR 8 gesteuert, welche ihrerseits durch entsprechende Ausgangssignale der Mikrocomputereinheit CPU 2 gesteuert werden.

An die zur Steuerung der Festkörperrelais SSR 5, SSR 6, SSR 7 und SSR 8 verwendeten Ausgänge der Mikrocomputereinheit CPU 2 sind jeweils parallel Treiberschaltungen DV 1, DV 2, DV 3 bzw. DV 4 angeschlossen. Die Treiberschaltungen DV 1 bis DV 4 ha­ ben alle den gleichen Aufbau.

Ein Teil der Signalleitungen aus dem Bedienungsfeld 600 ist an ein Verbindungsteil J 6 angeschlossen. Die an das Ver­ bindungsteil J 6 angelegten Signale werden ihrerseits über einen Puffer BF 2 und eine Entprellschaltung CH 2 an die Ein­ gänge der Mikrocomputereinheit CPU 2 angelegt. Andere Ein­ gänge bzw. Anschlüsse der Mikrocomputereinheit CPU 2 sind mit der Systemsteuereinheit 200 und der Anzeigesteuerein­ heit 500 verbunden.

Es wird nun die Treiberschaltung DV 1 beschrieben. Mit TG ist eine Triggerschaltung für das Erfassen des Abfallens eines Eingangssignals bezeichnet, während mit TM 1 und TM 2 Zeitgeber bezeichnet sind.

Die Betriebszeiten usw. der Treiberschaltung DV 1 sind in der Fig. 7c dargestellt. Gemäß Fig. 7c wird unter einer vorbestimmten Periode das Festkörperrelais SSR 5 wiederholt ein- und ausgeschaltet und dementsprechend das zur Druckabgabe dienende Solenoid­ ventil 132 geöffnet und geschlossen. Durch das Abfallen des Signals für die Steuerung des Festkörperrelais SSR 5 werden die Zeitgeber TM 1 und TM 2 getriggert. Durch das Triggern wird der Ausgangspegel des Zeitgebers TM 1 auf den Pegel H umgeschaltet und von dieser Umschaltung an für eine Dauer T 1 auf diesem Pegel H gehalten. Der Zeitgeber TM 2 wird gleichfalls zum Umschalten auf den Pegel H ge­ triggert und hält dann für eine Zeitdauer T 2 den Pegel H fest. Die Zeiten T 1 und T 2 werden so gewählt, daß T 1 < T 2 gilt.

Das Festkörperrelais SSR 9 zum Steuern des Bypass-Solenoidventils 135 wird dann eingeschaltet, wenn das Ausgangssignal des Zeitgebers TM 1 den Pegel L und das Ausgangssignal des Zeit­ gebers TM 2 den Pegel H hat, nämlich nur während einer Zeit T 3 = T 2 - T 1. Die Zeit T 3 liegt im Zeitraum des Abschaltens des Festkörperrelais SSR 5, nämlich des Schließens des So­ lenoidventils 132, so daß der höhere Druck aus dem Kompres­ sor 71 niemals direkt an das künstliche Herz angelegt wird. Obzwar der Druck an dem Auslaß des ersten Druckregulier-Solenoidventils 131 nach dem Öffnen des Bypass-Solenoidventils 135 etwas höher als der ein­ gestellte Druck wird, wird der Druck an dem künstlichen Herzen niemals höher als der eingestellte Druck, da der Auslaßdruck des Solenoidventils 131 unmittelbar nach dem darauffolgenden Öffnen des Druckabgabe-Solenoidventils 132 unter den vorbestimmten Druck abgesenkt wird. Bei diesem Ausführungs­ beispiel ist somit kein Zwischenspeicher bzw. Akkumulator an den Druckauslässen der Druckregulierventile 131, 137, 133 und 139 vorgesehen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß die Solenoidventile 135, 141, 136 und 142 unter ei­ ner vorbestimmten Zeitsteuerung während der Schließdauer der Solenoidventile 132, 138, 134, bzw. 140 geöffnet werden, wo­ durch an dem künstlichen Herzen eine Druckanstiegskurve mit steiler Kennlinie gemäß Fig. 7c auftritt. Falls die Druckkompensations-Solenoidventile 135, 141, 136 und 142 nicht geöffnet werden, wird der Anstieg der Druck­ kurve gemäß der strichpunktier­ ten Linie verlangsamt. Bei dem dargestellten Ausführungsbei­ spiel sind zwar die Druckkompensations-Solenoidventile so­ wohl im Überdrucksystem als auch im Unterdrucksystem vor­ gesehen. Es wurde festgestellt, daß in der Praxis ein zufriedenstellendes Ergebnis auch dann erzielt werden kann, wenn diese Solenoidventile nur im Überdrucksystem vor­ gesehen werden.

Die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Mikrocompu­ tereinheiten CPU 1 und CPU 2 sind Einzelplatinen-Mikrocompu­ tereinheiten. Die gesamte Gestal­ tung der Mikrocomputereinheit ist in der Fig. 8 gezeigt. Gemäß Fig. 8 weist jede Einheit einen Mikropro­ zessor 6802, Eingabe/Ausgabeeinheiten, Zeitgeber, Schreib/ Lesespeicher, Festspeicher usw. auf.

Die Fig. 9 zeigt den Aufbau des Bedienungsfelds 600. Gemäß Fig. 9 dienen Schalter SW 1′, SW 2′, SW 3′, SW 4′, SW 5′, SW 6′, SW 7′ und SW 8′ zur Abgabe von Befehlen für die Druckeinstel­ lung, und zwar zum Befehlen des Anhebens des Überdrucks links, des Absenkens des Überdrucks links, des Anhebens des Unterdrucks links, des Absenkens des Unterdrucks links, des Anhebens des Überdrucks rechts, des Absenkens des Über­ drucks rechts, des Anhebens des Unterdrucks rechts bzw. des Absenkens des Unterdrucks rechts. Schalter SW 9′, SW 10′, SW 11′ und SW 12′ dienen zum Einstellen des an dem künstlichen Herzen angewandten Einschaltverhältnisses des Überdrucks zu dem Unterdruck, und zwar zum Befehlen der Erhöhung des Einschaltverhältnisses links, der Absenkung des Einschalt­ verhältnisses links, der Erhöhung des Einschaltverhältnis­ ses rechts bzw. der Absenkung des Einschaltverhältnisses rechts. Mit SW 13′ und SW 14′ sind Schalter zum Befehlen des Steigerns bzw. Verringerns des Herztaktes bezeichnet.

Die Fig. 10a und 10b geben eine Übersicht über die Funktion der Mikrocomputereinheit CPU 1 nach Fig. 7a. Die Fig. 10a zeigt ein Hauptprogramm, während die Fig. 10b ein Unter­ brechungsprogramm zeigt.

Zuerst werden beim Einschalten der Stromversorgung die ein­ zelnen Ausgänge auf ihre Anfangswerte eingestellt, während der Inhalt des Schreib/Lesespeichers gelöscht wird und zur Einstellung von Anfangswerten von Parametern die im voraus in dem Festspeicher gespeicherten Daten ausgelesen werden. Die Parameter für die Mikrocomputereinheit CPU 1 sind ein rechter Überdruck-Sollwert P 1, ein rechter Unterdruck-Soll­ wert P 2, ein linker Überdruck-Sollwert P 3, ein linker Unter­ druck-Sollwert P 4 usw. Bei diesem Ausführungsbeispiel wer­ den diese Druck-Anfangswerte P 1, P 2, P 3 und P 4 jeweils auf +4, -4, +13,33 bzw. -6,67 kPa eingestellt (+30, -30, +100 bzw. -50 mmHg).

Nach dieser Verarbeitung wird die Unterbrechung zulässig. Bei diesem Ausführungsbeispiel treten die Unterbrechungen periodisch durch den internen Zeitgeber mit der Periode 4ms auf. Nach dem Abwarten der Unterbrechungsanforderung werden die Druckdaten abgefragt. Es werden vier Parameter, nämlich die Ausgangssignale RPP, RNP, LPP und LNP der vier Druck­ fühler, und wegen der Bitanzahl 12 der Daten wird die Lese­ verarbeitung zweimalig für jede Abfrage ausgeführt.

Die abgefragten Druckdaten werden geprüft, um das Vorliegen oder Fehlen von anormalen Daten zu ermitteln. D. h., wenn der erfaßte Druck abnormal von dem Sollwert abweicht, wird dies als Abnormalität bewertet. Es ist anzumerken, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Druckkompensations-Solenoid­ ventile 135, 141, 136 und 142 vorgesehen sind, was zu der Möglichkeit führt, daß der Druck zeitweilig im Verhältnis zu groß wird, wobei aber diese Möglichkeit dadurch maskiert bzw. berücksichtigt wird, daß mehrmalig abgefragt wird und der Mittelwert der dermaßen abgefragten mehreren Druckdaten gebildet wird.

Sollte irgendeine Abnormalität auftreten, werden die abnor­ malen Daten in Zahlencodedaten umgesetzt. Danach werden an die Anzeigesteuereinheit 500 Abnormalitätsanzeigedaten zur Anzeige der Zahlencodedaten und der Stelle des Auftretens der Abnormalität abgegeben, um diese auf dem Bildschirm TV anzuzeigen. Ferner werden Codedaten über das Auftreten der Abnormalität in der Form serieller Daten an den Mikrocompu­ ter CPU 44 in der Systemsteuereinheit gesendet.

Wenn keine Abnormalität vorliegt, wird der Mittelwert aus den letzten m Druckdaten gebildet, die in dem Schreib/Lese­ speicher gespeichert worden sind. Die gemittelten Daten wer­ den in den Zahlencode umgesetzt, der an die Anzeigesteuer­ einheit 500 gesendet wird. Wenn der Mikrocomputer CPU 44 der Systemsteuereinheit Daten sendet, werden diese Daten emp­ fangen und die empfangenen Daten gleichfalls zu der Anzei­ gesteuereinheit 500 gesendet. Bei angeschlossenem Bedie­ nungsfeld 600 wird der Zustand von Tasten eingelesen. Wenn irgendein Tasteneingabevorgang vorliegt, wird entsprechend der betätigten Taste der rechte Überdruck-Sollwert P 1, der rechte Unterdruck-Sollwert P 2, der linke Überdruck-Sollwert P 3 oder der linke Unterdruck-Sollwert P 4 schrittweise um je­ weils eine vorbestimmte Größe aufgefrischt bzw. fortge­ schrieben. Da hierbei eine obere und untere Grenze vorge­ wählt sind, ist es unmöglich, eine Druckeinstellung außer­ halb des Bereichs in diesen Grenzen vorzunehmen.

Es wird nun das in Fig. 10b gezeigte Unterbrechungsprogramm beschrieben. Zuerst wird der Überdruck RPP in dem Antriebs­ system für das rechte künstliche Herz geprüft. Wenn der Überdruck niedriger als der Solldruck P 1 ist, wird das erste Druckregulierventil 131 geöffnet, während es ansonsten geschlos­ sen wird. Darauffolgend wird der Unterdruck RNP im Antriebs­ system für das rechte künstliche Herz geprüft. Wenn der Ab­ solutwert des Unterdrucks RNP niedriger als der Solldruck P 2 ist, wird das zweite Druckregelventil 133 geöffnet, während andernfalls dieses Druckregelventil 133 geschlossen wird. Als nächstes werden der Überdruck LPP und der Unterdruck LNP im Antriebssystem für das linke künstliche Herz mit den Solldrücken P 3 bzw. P 4 verglichen und dementsprechend die Druckregelventile 137 bzw. 139 geöffnet oder geschlossen. D. h., das Ausführungsbeispiel ist so gestaltet, daß das ent­ sprechende Druckregelventil nur dann geöffnet wird, wenn der ermittelte Druck (als Absolutwert) niedriger als der Solldruck ist.

Die Funktionsübersicht für die Mikrocomputereinheit CPU 2 nach Fig. 7b ist in den Fig. 11a und 11b dargestellt. Die Fig. 11a zeigt ein Hauptprogramm, während die Fig. 11b ein Unterbrechungsprogramm zeigt.

Zuerst schaltet beim Einschalten der Stromversorgung die Mikrocomputereinheit CPU 2 die Ausgänge auf ihre Anfangs­ pegel, während der Inhalt des Schreib/Lesespeichers gelöscht wird und zum Einstellen von Parametern auf ihre Anfangswer­ te die im voraus im Festspeicher gespeicherten Werte ausge­ lesen werden.

Die Parameter für die Mikrocomputereinheit CPU 2 sind ein Herztakt PR, ein Einschalt- bzw. Tastverhältnis DL für das linke künstliche Herz, ein Tastverhältnis DR für das rech­ te künstliche Herz und so weiter. Bei diesem Ausführungs­ beispiel werden die Anfangswerte dieser Parameter PR, DL und DR auf 100 min^-1, 45% (Zeitdauer 270 ms) bzw. 55% (Zeitdauer 330 ms) eingestellt.

Darauffolgend führt die Mikrocomputereinheit CPU 2 eine Pro­ grammschleife aus, die Verarbeitungsvorgänge wie das Abwar­ ten einer Unterbrechungsanforderung, das Ermitteln einer Tasteneingabe an dem Bedienungsfeld, die Parameteranzeige usw. enthält. Falls irgendeine Tasteneingabe vorliegt, wird die Art der Eingabetaste ermittelt, der Vergleich des er­ wünschten Werts des zu ändernden Parameters mit einem oberen und einem unteren Grenzwert sowie die Berechnung des Para­ meters ausgeführt und die arithmetische Verarbeitung der mit dem geänderten Parameter zusammenhängenden Parameter vorgenommen. Diese Verarbeitungsschritte werden unter Aus­ führung betreffender verschiedenartiger Unterprogramme durchlaufen.

Es wird nun das Unterbrechungsprogramm bcschrieben. Für ein jedes Unterbrechungsprogramm werden Werte von zwei Zählern COR und COL jeweils hochgezählt. Wenn der Zählwert den Wert PR (als Parameter für die durch den Herztakt bestimmte Zeit) erreicht, wird der Zählwert auf "0" gelöscht. Wenn der Zählwert im Zähler COR zu "0" wird werden die Druckabgabe- bzw. Druck­ entlastungsventile 132 und 134 jeweils geöffnet bzw. geschlossen (Überdruck- Beaufschlagung). Wenn der Wert des Zählers COR gleich dem Wert DR des Tastverhältnis-Parameters wird, werden die Ven­ tile 132 und 134 geschlossen bzw. geöffnet (Unterdruck- Beaufschlagung). Nach dieser Verarbeitung zählt der Zähler COR hoch.

Gleichermaßen werden bei dem Wert "0" des Zählers COL die Ventile 138 und 140 geöffnet bzw. geschlossen (Überdruck- Beaufschlagung), während dann, wenn der Wert des Zählers COL gleich dem Wert DL des Tastverhältnis-Parameters wird, die Ventile 138 und 140 geschlossen bzw. geöffnet werden (Unterdruck-Beaufschlagung).

Claims (9)

1. Einrichtung zum Betreiben eines medizinischen Geräts durch abwechselndes Verbinden einer Arbeitskammer des medizinischen Geräts mit Hoch- und Niederdruck; mit:
einer Überdruckquelle (71), die an ein erstes Druckregulierventil (131) angeschlossen ist,
einer ersten Druckerfassungseinrichtung (PS 1) zum Ermitteln des Drucks an einem Ausgangsanschluß des ersten Druckregulierventils (131),
einem Druckabgabeventil (132) mit einem Eingangsan­ schluß, der mit dem Ausgangsanschluß des ersten Druckre­ gulierventils (131) in Verbindung steht, und einem Aus­ gangsanschluß, der mit der Arbeitskammer verbunden ist,
einer mit einem zweiten Druckregulierventil (133) verbundenen Unterdruckquelle (72),
einer zweiten Druckerfassungseinrichtung (PS 3) zum Erfassen des Drucks an einem Eingangsanschluß des zweiten Druckregulierventils (133),
einem Druckentlastungsventil (134), das einen mit einem Eingangsanschluß des Druckregulierventils (133) verbunde­ nen Ausgangsanschluß und einen mit der Arbeitskammer ver­ bundenen Eingangsanschluß hat, und
einer elektronischen Steuereinrichtung (400) zum Steuern des Öffnens und Schließens des Druckabgabe- und des Druckentlastungsventils (132, 134) in vorgegebener Zeitfolge sowie des ersten Druckregulierventils (131) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal von der ersten Druckerfassungseinrichtung (PS 1) und des zweiten Druckre­ gulierventils (133) in Abhängigkeit von einem Ausgangs­ signal von der zweiten Druckerfassungseinrichtung (PS 3), gekennzeichnet durch
ein Bypassventil (135) mit einem an die Überdruck­ quelle (71) angeschlossenen Eingangsanschluß und einem Aus­ gangsanschluß, der an die Druckleitung zwischen dem Aus­ gangsanschluß des ersten Druckregulierventils (131) und der Arbeitskammer angeschlossen ist, sowie dadurch, daß
das Öffnen und Schließen des Bypassventils (135) derart gesteuert ist, daß die Geschwindigkeit des Druckan­ stiegs in der Arbeitskammer angehoben ist, indem ein bei Betätigung des Druckabgabeventils (132) an dessen Eingang auftretender Druckabfall durch Öffnen des Bypassventils (135) kompensiert wird und der vom ersten Druckregulierventil (131) eingeregelte Arbeitsdruck durch Schließen des By­ passventils (135) unterschritten bleibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites Bypassventil (136), das einen an die Unter­ druckquelle (72) angeschlossenen Ausgangsanschluß und einen Eingangsanschluß hat, der an eine Druckleitung zwischen dem Eingangsanschluß des zweiten Druckregulier­ ventils (133) und der Arbeitskammer angeschlossen ist, sowie dadurch, daß das Öffnen und Schließen des zweiten Bypassventils (136) durch die elektronische Steuerein­ richtung (400) derart gesteuert ist, daß die Geschwindig­ keit des Druckabfalls in der Arbeitskammer angehoben ist, indem die Zeitverzögerung des Druckabfalls bei Betätigung des Druckentlastungsventils (134) kompensiert ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (400) das erste Bypassventil (135) zu einem immer gleichen Zeitpunkt, gemessen ab dem Beginn der Schließphase des Druckabgabeventils (132), in den Öffnungszustand schaltet.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerein­ richtung (400) das zweite Bypassventil (136) zu einem immer gleichen Zeitpunkt, gemessen ab dem Beginn der Schließphase des Druckentlastungsventils (134), in den Öffnungszustand schaltet.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (400) nach Verstreichen eines vorbestimmten Zeitintervalls vom Schließen des Druckabgabeventils (132) an das erste Bypassventil (135) für eine vorbestimmte Zeit öffnet, die kürzer ist als die Schließzeit des Druckabgabeventils (132).

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (400) nach Verstreichen eines vorbestimmten Zeitintervalls vom Schließen des Druckentlastungsventils (134) an das zweite Bypassventil (136) für eine vorbestimmte Zeit öff­ net, die kürzer ist als die Schließzeit des Druckentla­ stungsventils (134).

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsanschluß des er­ sten Bypassventils (135) an den Ausgangsanschluß des er­ sten Druckregulierventils (131) angeschlossen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsanschluß des zwei­ ten Bypassventils (136) an den Eingangsanschluß des zwei­ ten Druckregulierventils (133) angeschlossen ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile Solenoidventile sind.