DE3587914T2

DE3587914T2 - Blutpumpe.

Info

Publication number: DE3587914T2
Application number: DE3587914T
Authority: DE
Inventors: Stig Lundbaeck
Original assignee: Humanteknik AB
Current assignee: Humanteknik AB
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1985-03-22
Publication date: 1995-03-30
Anticipated expiration: 2005-03-23
Also published as: IE56448B1; FI851280L; PH22038A; ES8608322A1; GB2156443B; AU4026285A; DE3510650A1; JPS60225570A; AU577841B2; MX167073B; IE850700L; CS8501924A2; PL145667B1; NO851293L; IN162447B; KR850006140A; BR8501414A; EP0156781A3; NO172923C; DK126885D0

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist eine Blutpumpe, die entweder für temporären Einsatz außerhalb des Körpers (z. B. als Teil einer Herz-Lungenmaschine) oder als eine in den Körper implantierte temporäre Herzprothese geeignet ist.

Hintergrund der Erfindung

US-Patent Nr. 3,097,366 beschreibt und stellt dar eine Herzpumpe umfassend zwei elastische Beutel, die durch ein Rückschlagventil verbunden sind und in einem Gehäuse enthalten sind. Der Ventrikelbeutel wird periodisch zwischen einer angetriebenen Platte und der Gehäusewandung gequetscht, um das Blut zu pumpen. Der Ventrikelbeutel ist an die angetriebene Platte angeklebt, die federnd in eine Richtung vorgespannt ist, um den Ventrikelbeutel zwischen den Antriebsimpulsen zu expandieren zweckes erzwungener Wiederauffüllung. Der Vorhofbeutel ist größer als der Ventrikelbeutel, so daß das Einströmen während des Pumpenhubs erfolgen kann wegen des Vorhofbeutels während jedes Auströmimpulses. Der einzige Weg, um diese Herzpumpe zu regulieren, ist die Veränderung der Geschwindigkeit des Antriebs (Impuls).
Die Herzpumpe nach US-Patent Nr. 3,656,873, die für zeitweiligen Einsatz bei der Herzchirurgie vorgesehen ist, weist ebenfalls zwei beutelartige flexible Behälter auf mit einem Rückschlagventil am Auslaß des Beutels, der als Ventrikel dient. Jeder flexible Behälter ist in einem getrennten starren Behältnis montiert, so daß die Außenseite eines solchen flexiblen Behälters zyklisch pneumatischem Druck ausgesetzt werden kann. Der Ventrikelbehälter wird intermittierend komprimiert, um eine pulsierende Strömung zu erzeugen.
Der Vorhofbehälter wird Druck oder Unterdruck ausgesetzt, was das Einströmen von Blut bestimmt. In dem Maße, wie der Druck des einströmenden Bluts den Druck außerhalb des Vorhofbehälters übersteigt, wird Blut einströmen. Der Druck außerhalb des Ventrikelbehälters wird variiert und Blut wird aus dem Vorhof eingelassen, wenn der Druck in dem Ventrikel niedriger ist als im Vorhof, in welchem Falle das Rückschlagventil dem Blut das Einströmen ermöglicht, bis die Pulsation bewirkt, daß der Druck im Ventrikelvolumen den Vorhofdruck übersteigt. Es ist offensichtlich, daß diese Konstruktion reguliert werden kann durch Veränderung der Frequenz und des Drucks des pneumatischen Impulses, doch ist keine Einstellung möglich auf eine konstante Festsetzung der Einströmgeschwindigkeit, weil das Vorhofvolumen unabhängig ist von dem Volumen des Ventrikels.
Das UdSSR (russische) Patent Nr. 94 815 (1981) beschreibt und zeigt eine Blutpumpe, die entweder eine Ventrikelkammer umfaßt oder sowohl eine Vorhofkammer als auch eine Ventrikelkammer, jeweils von zwiebelförmiger Gestalt und mit flexiblen Wandungen, aufgenommen in einem Gehäuse. Die Ausführungsform mit zwei Kammern ist mit drei Rückschlagventilen ausgestattet, die im Einlaß zu der Vorhofkammer an der Verbindung zwischen der Vorhofkammer und der Ventrikelkammer bzw. am Auslaß von der Ventrikelkammer vorgesehen sind. Die Ventrikelkammer wird periodisch und wiederholt komprimiert durch Bewegung des Ankers eines elektrischen Linearmotors, der über einen konvex gekrümmten runden Antriebsschuh arbeitet, der mit einer Ventilplatte am Einlaß der Ventrikelkammer verbunden ist. Der Rückhub wird durch eine Feder bewirkt. Die Anordnung ist derart getroffen, daß der Einlaßhub stark durch die Feder beeinflußt wird und daß der Einlaß diskontinuierlich ist. Demgemäß ist die Vorrichtung im wesentlichen eine Zwangsverdrängungspumpe, deren Auslaß nur durch Änderung der Pulsrate variiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung entstand aus der Entdeckung des Erfinders, daß das menschliche Herz nicht in der Art und Weise arbeitet, wie man im allgemeinen annimmt. Da dies einen Teil des Hintergrunds der Erfindung bildet, wird hier eine kurze Erläuterung gegeben, um die Erfindung leichter verständlich zu machen.
Ausgehend von der Beobachtung, die u. a. bei Ultraschalluntersuchungen gemacht wurden, daß das Volumen des Herzens während eines Herzschlags oft nur um weniger als 10% veränderlich ist, zusammen mit der Beobachtung, daß das einströmende Blut nicht merkbar pulsiert und das ausströmende Blut heftig pulsiert, ist es möglich gewesen, vorauszusagen und klinisch zu bestätigen, daß das, was beim Herzschlag geschieht, darrin besteht, daß der Herzmuskel bei der Kontraktion die Trennwandungen am Vorhof einschließlich der Herzventile nach unten in Richtung der Herzspitze zieht. Wenn der Herzmuskel danach erschlafft, wird die Ebene der Ventile nach oben gedrückt, nicht durch Muskelkraft, sondern durch die dynamischen und statischen Kräfte des einströmenden Bluts und durch elastische Komponenten innerhalb und außerhalb des Herzens. Demgemäß nehmen die Volumina der Ventrikel ab und die Volumina der Vorhöfe vergrößern sich während der systolischen Phase und die Summe dieser Volumina nimmt in der systolischen Phase etwas ab und die äußere Form des Herzens verringert sich demgemäß. Mehr Blut als einströmt wird demgemäß während der Systole ausgepumpt. Das Einströmen in die Vorhöfe jedoch setzt sich während der Systole fort durch eine Vergrößerung der Vorhöfe. Während der Diastole schließen sich die Ventile in der Aorta und in der Pulmonararterie und das Einströmen in die Vorhöfe setzt sich fort, da das Herzgesamtvolumen sich etwas vergrößert. Die Ebene der Ventile kehrt nach oben zurück, mehr oder weniger in Abhängigkeit von dem Wiederauffüllvolumen, wodurch das Verdrängungsvolumen in der nachfolgenden ventrikularen Systole bestimmt wird durch die Menge an Blut, die in das Herz während sowohl der Systole als auch der Diastole einströmt. Diese Feststellungen in Verbindung mit einer anderen Entdeckung betreffend die regulierende Funktion des kardialen Septums müssen als eine Überraschung angesehen werden und könnten eine wahre Paradigmenverschiebung innerhalb der betreffenden Wissenschaften induzieren.
Es kann darüberhinaus nun erläutert werden, wie das Herz während der Diastole gefüllt wird, d. h. welche Kraft die Veränderung im Volumen des Herzens bewirkt. Tatsache ist, daß der Herzmuskel in solcher Weise aufgebaut ist, daß er die Fähigkeit zur Kontraktion hat, jedoch nach der Kontraktion durch die Hilfe einer anderen Kraft entspannt werden muß. Nach den Feststellungen des Erfinders ist diese Kraft eine hydrodynamische Kraft vom Impakttyp, hervorgerufen durch kinetische Energie, die auf das Blut im Herzen während der Systole übertragen wird, welche am Ende der Systole und beim Fließen der Aorta- und Pulmonarventile umgesetzt wird in einen Druck mit der Tendenz, das Ventrikularvolumen durch, unter anderem, Pressen der Ventilebene nach oben zu vergrößern.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine selbstregulierende Blutpumpe zu schaffen, die in Übereinstimmung mit den Entdeckungen des Erfinders ein pulsierendes Ausströmen erzeugt, jedoch bei einem im wesentlichen konstanten Einströmdruck. Ein anderes Ziel ist es, eine Pumpe zu schaffen mit einem wirksamen Verdrängungsvolumen, das sich ändert in Abhängigkeit von dem Fülldruck. Ein weiteres Ziel ist es, eine Pumpe zu schaffen, die geeignet ist für den Ersatz oder die Unterstützung der Funktion des natürlichen Herzens in vivo. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, daß sie geeignet sei für den Antrieb durch eine im wesentlichen konstante Kraft, beispielsweise einen getakteten, gestreiften, autologen Muskel, um die Herzprothese mit einer Kraftquelle auszustatten, die von dem Körper erzeugt wird.
Um die oben genannten Ziele zu erreichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Blutpumpe vorgeschlagen, umfassend eine Vorhofkammer begrenzt von flexiblen Wandungen und mit einem Einlaß und einem Auslaß versehen, eine Ventrikelkammer, begrenzt von flexiblen Wandungen und mit einem Einlaß und mit einem Auslaß, einen Durchlaß, der den Auslaß der Vorhofkammer mit dem Einlaß der Ventrikelkammer verbindet, ein erstes Rückschlagventil in dem Durchlaß, ausgebildet zum Zulassen von Blutströmungen nur aus der Vorhofkammer in die Ventrikelkammer, ein zweites Rückschlagventil im Auslaß von der Ventrikelkammer, ausgebildet zum Zulassen von Blutströmung nur aus dem Auslaß aus der Ventrikelkammer heraus, ein Gehäuse mit einer ersten und einer zweiten Öffnung, Mittel zum Verbinden des Vorhofkammereinlasses mit der ersten Öffnung und des Ventrikelkammerauslasses mit der zweiten Öffnung derart, daß die flexiblen Wandungen, welche die Kammern begrenzen, beweglich in dem Gehäuse abgestützt sind und Antriebsmittel für das periodische Bewegen der Wandungen der Ventrikelkammer zum Verringern von deren Volumen und Austreiben von Blut aus ihr, während gleichzeitig die Wandungen der Vorhofkammer derart bewegt werden, daß ihr Volumen bei Einströmen von Blut in ihren Einlaß zunehmen kann, welche Antriebsmittel einen Antriebsring umfassen, welcher den Durchlaß umgibt und mit diesem verbunden ist und hin- und herbeweglich ist mit Antriebs- und Rücklaufhüben, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Antriebsrings mit den Wandungen der Ventrikelkammer über eine Berührungsfläche zwischen dem Antriebsring und den Wandungen der Ventrikelkammer in Anlage bringbar ist, welche Fläche sich ändert entsprechend der Position des Antriebsrings, während der Antriebs- und Rücklaufhübe derart, daß sie zunimmt während des Antriebshubs und abnimmt während des Rücklaufhubs und daß das Antriebsmittel den Antriebsring nur während des Antriebshubs erfaßt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt die folgenden zusätzlichen Merkmale, einzeln oder in Kombination:
1. Das Antriebsmittel löst sich vom Antriebsring und bewegt sich in eine zurückgezogene Position während des Rücklaufhubs der Pumpe.
2. Das Gehäuse ist hermetisch abgedichtet und enthält außerhalb der Kammern ein Gas, dessen Druck sich ändert als eine Funktion der Veränderung des augenblicklichen Gesamtvolumens der Kammern und beeinflußt dadurch das Einströmen von Blut während des Rücklaufhubs. Ein Drucksteuerventil steuert den Druck des Gases in dem Gehäuse.
3. Das Gehäuse und alle Komponenten des Antriebs befinden sich in einer Umhüllung und das Innere des Gehäuses kommuniziert mit der Umhüllung über ein Drucksteuerventil.
4. Die Vorhof- und Ventrikelkammer und der Durchlaß sind Teile eines einstückigen schlauchartigen Bauteils aus flexiblem und im wesentlichen nicht dehnbaren Material.
5. Der Einlaß zur Vorhofkammer und der Auslaß von der Ventrikelkammer befinden sich an generell einander abgekehrten Enden des Gehäuses und liegen auch generell abgekehrt dem Durchlaß zwischen den entsprechenden Kammern.
6. Die Kammern und der Durchlaß sind im wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse, definiert durch eine Linie, welche den Eingang der Vorhofkammer und den Auslaß aus der Ventrikelkammer verbindet. In gleicher Weise sind das Gehäuse und der Antriebsring im wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse, die mit der Symmetrieachse der Kammern und des Durchlasses zusammenfällt.
7. Abschnitte der Wandungen jeder Kammer sind anlegbar während Abschnitten jedes Betriebszyklus zwischen einer Oberfläche des Antriebsrings und einer Innenwandungsoberfläche des Gehäuses und die Oberflächen, die an die entsprechenden Kammerwandungen anlegbar sind, sind tellerförmig und von generell komplementären Formen. Vorzugsweise ist die Oberfläche des Antriebsrings, die sich an eine der Kammern anlegt, konvex und die Oberfläche des Antriebsrings, die sich an die andere Kammer anlegt, ist konkav. Der Flächenbereich des Antriebsrings, der sich an die Ventrikelkammer anlegt, ist wesentlich größer als der Flächenbereich des Antriebsrings, der sich an die Vorhofkammer anlegt, während eines erheblichen Teils des Rücklaufhubs der Pumpe, wodurch das in die Pumpe eingespeiste Blutvolumen zwischen den Antriebshüben eine Funktion der dynamischen und statischen Kräfte des Bluts ist, das in die Kammern während des Rücklaufhubs gelangt.
Wie oben erwähnt, ist es wünschenswert, die die Kammern begrenzenden Wandungen nicht nur flexibel zu machen, sondern auch im wesentlichen undehnbar, beispielsweise durch Verwendung von einlageverstärkten Kunststoffen. Außerdem sollten sie glatt auf der Innenseite sein zum Vermeiden von Koagulationsphänomenen und sollten natürlich aus einem Material bestehen, das sich inert verhält, beispielsweise Silicongummi oder Polyurethan.
Die Erfindung ist eine Einzelpumpe, während das anatomische Herz eine Doppelpumpe ist. In vielen Fällen ist es jedoch möglich, in den Blutkreislauf, der im wesentlichen aus einer geschlossenen Schleife mit zwei verschiedenen Pumpen, die zusammenwirken, besteht, eine einzige Pumpe allein einzusetzen. Die Schleife im Kreislaufsystem, die über die Pulmonararterie, die Lungen und die Pulmonarvene führt, hat natürlich einen relativ niedrigen Druckabfall im Vergleich mit dem Hauptkreislaufsystem, Aorta -- Blutgefäße des Körpers -- venöses System.
Neben anderen Dingen wird die Möglichkeit, eine Pumpe gemäß der Erfindung zu implantieren, während das Herz im Körper verbleibt, präsentiert, wobei ihr Einlaßrohr in den linken Ventrikel eingefügt wird und ihr Auslaß mit der Aorta verbunden wird. Wenn man so vorgeht, kann die Herzbelastung herabgesetzt werden und es besteht eine Möglichkeit, später die Herzprothese zu entfernen nach einer Ausheilperiode für das insuffiziente Herz. Wegen des niedrigen Druckabfalls in den Lungen wird selbst ein insuffizientes Herz das Pumpen in diesem Teil des Kreislaufsystems beherrschen.
Die Herzprothese wird in diesem Fall geeigneterweise in die Bauchhöhle implantiert und angetrieben von einem Linear- oder Rotationselektromotor, gespeist aus einer wiederaufladbaren Speicherbatterie, die während des Schlafs des Patienten geladen werden kann, entweder durch Elektroden, die die Haut durchsetzen oder durch einen transformatorartigen Effekt auf eine implantierte Empfängerspule.
Wegen der Selbstregelung des verdrängten Volumens durch die Pumpe ist es auch möglich, gemäß der Erfindung eine Doppelpumpenanordnung herzustellen, welche die Funktionen sowohl des linken als auch des rechten Herzabschnitts übernimmt. Zwei Vorrichtungen der erwähnten Art, parallel oder separat angetrieben, können für diesen Zweck verwendet werden, wobei das wesentliche Erfordernis darin besteht, daß die gepumpten Mengen pro Zeiteinheit für beide Pumpen einander gleich sind.
Wenn zwei Pumpen des beschriebenen Typs verwendet werden, die im Takt oder außer Takt miteinander arbeiten können und mit demselben oder unterschiedlichen Motoren, wird eine Kopplung der Pumpen über die Strömung erreicht. Die Selbstregelung der Verdrängungsvolumina durch die Pumpen, die eine Funktion des Fülldrucks ist, erfüllt das Erfordernis, daß die Fülldrücke der beiden Systeme nicht merkbar von voreingestellten Werten abweichen dürfen, um eine Akkumulation von Blut im Venensystem zu vermeiden und im Zirkulationssystem der Lungen. Die Strömungswiderstände der Kreislaufsystemschleifen bestimmen, wieviel Wirkung bei den Arbeitshüben der Pumpen ausgeübt wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform und Variationen dieser Ausführungsform, als "zweite" bzw. "dritte" Ausführungsform bezeichnet, bezug genommen, in Verbindung mit den Figuren der beigefügten Zeichnungen.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein von der Seite gesehener Querschnitt der Ausführungsform in einer Rotationssymmetrieachse, wobei einige Komponenten diagrammartig dargestellt sind;
Fig. 2 ist eine Explosionsdarstellung der Ausführungsform und
Fig. 3A bis 3D sind Diagramme der Ausführungsform bei verschiedenen Stufen des Betriebs;
Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung eines Teils einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 5 ist ein seitlicher Querschnitt einer dritten Ausführungsform in einer Rotationssymmetrieachse, wobei einige Komponenten diagrammartig gezeigt sind.

Beschreibung der Ausführungsform

Die in den Zeichnungsfiguren 1 bis 3 dargestellte Ausführungsform, welche nach gegenwärtiger Kenntnis des Erfinders die beste ist, ist ein Laborprototyp, der hergestellt und geprüft wurde. Er basiert auf einem schlauchartigen Bauteil 6, hergestellt aus einem Material, das flexibel jedoch im wesentlichen nicht dehnbar ist, montiert in einem Gehäuse 1, bestehend aus Gehäuseteilen 1a und 1b. Das Bauteil 6, dessen allgemeine Form, wie am besten in Fig. 1 erkennbar, ein Schlauch ist mit einem kleineren Bulbus 6a und einem größeren Bulbus 6v, jeweils generell in Glockenform, wurde in folgender Weise hergestellt -- zuerst wurde eine Paraffinform auf einer Drehbank gedreht und dann durch Wärmeeinwirkung poliert; sie wurde beschichtet mit einem Elastomer, in diesem Falle Silicongummi, in mehreren Lagen, unter Einlage von Verstärkungsmaterial (Gazebänder in der Laborversion) und aushärten gelassen.
In der Einschnürung 9 zwischen den Bulben 6a und 6v ist ein tellerartiger, starrer Antriebsring 10 montiert (zwecks niedrigen Gewichts bestehend aus zwei dünnen metallischen Blechtellern, die miteinander verbunden sind und mit Löchern versehen). Der Antriebsring ist im Gehäuse 1 zusammen mit Ventilen 4 und 5 montiert, in diesem Falle Herzventilen bekannter Bauart, sogenannten Bjork-Shiley-Ventilen. Es ist auch möglich, andere Ventile zu benutzen, beispielsweise jene nach Sant- Jude.
Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, ist das Schlauchbauteil 6 an anderen Teilen der Baugruppe an drei Stellen befestigt, nämlich an dem Ventil 5 in der Einschnürung 9 und außerdem an Öffnungen 7 und 8 im Gehäuse 1. Im Falle der Gehäuseöffnung 7 ist ein Ring 20 mit einer Außennut in das Schlauchbauteil 6 eingefügt und ein elastischer O-Ring 21 ist auf der Außenseite plaziert. Ein mittels Schrauben 31 am Gehäuse 1 festgelegter Haltering 30 klemmt den O-Ring 21 und den Ring 20 an Ort und Stelle. Die Ventile 4 und 5 unterstützen neben ihrer Ventilfunktion auch die Befestigung des Schlauchbauteils 6 am Antriebsring 10 bzw. der Gehäuseöffnung 8. Jedes Ventil hat eine periphere Nut, die einen elastischen O-Ring aufnimmt, wobei das Schlauchbauteil an dem Ventil durch den O-Ring festgeklemmt wird. Die Platten des Antriebsrings 10 werden an dem O-Ring 13 rings um das Ventil 5 festgeklemmt und werden durch Schrauben 32 zusammengehalten. Der O-Ring 14 des Ventils 4 ist an die Gehäuseöffnung 8 durch einen Halteriemen 33, der an dem Gehäuse mittels Schrauben 34 befestigt ist, geklemmt.
Die gesamte Anordnung ist in Fig. 1 in montiertem Zustand gezeigt. Der Antriebsring 10 läuft frei im starren Gehäuse 1 auf und ab, das an seiner Innenoberfläche Nuten aufweist, so daß die Luft frei zwischen den Abschnitten des Gehäuses beidseits des Antriebsrings zirkulieren kann.
Der kleinere Bulbus 6a des Schlauchbauteils 6 begrenzt eine Vorhofkammer (mit "A" bezeichnet) und der größere Bulbus 6v eine Ventrikelkammer (mit "V" bezeichnet). Die Einlaßöffnung der Vorhofkammer A ist mit dem Gehäuse an der Öffnung 7 verbunden.
Die Einschnürung 9 zwischen den beiden Bulben 6a und 6v ist ein Durchlaß, durch den Blut nur von der Vorhofkammer A in die Ventrikelkammer V durch das Rückschlagventil 5 fließen kann. Die Öffnung 8, welche das Rückschlagventil 4 enthält, ist der Auslaß von der Pumpe, durch welche Blut in Impulsen unter Druck abgegeben wird.
Die Volumina in der Vorhof- bzw. Ventrikelkammer der Pumpe an bestimmten Abschnitten während jedes Betriebszyklus werden gesteuert durch das Anliegen der Bulben 6a bzw. 6v, das sie begrenzt zwischen der oberen bzw. unteren Wandung 25 bzw. 26 des Gehäuses und der oberen bzw. unteren Oberfläche 28 bzw. 27 des Antriebsrings 10. Im einzelnen ist die Gehäuseoberfläche 25 konkav (beispielsweise generell konisch), während die Oberfläche 28 des Antriebsrings konvex ist. In ähnlicher Weise wird der Bulbus 6a während eines Teils jedes Zyklus der Pumpe zwischen einer konvexen Oberfläche 26 des Gehäuses und einer konkaven Oberfläche 27 des Antriebsrings gehalten. Mit anderen Worten wird jeder Bulbus gehalten zwischen komplementären, generell tellerförmigen Oberflächen des Gehäuses bzw. des Antriebsrings. Es ist möglich, daß beide Flächen des Antriebsrings konvexe Flächen sind, in welchem Falle die Oberfläche des Gehäuses, an das sich der Bulbus 6a anlegt, konkav wäre, doch ist dies nicht bevorzugt, weil der Durchlaß 9 zwischen den Kammern A und B lang würde und einen unerwünschten Druckverlust einführen würde.
Es ist auch möglich, wenn auch nicht bevorzugt, daß das schlauchartige Bauteil 6 das Gehäuse und der Antriebsring unsymmetrisch sind. Andererseits ist es durchaus möglich, daß der Einlaß- und Auslaßabschnitt des Schlauchbauteils 6 unter stumpfen Winkeln oder senkrecht zu einer (imaginären) Linie lägen, welche die Einlaß- und Auslaßöffnung 7 bzw. 8 verbindet. Ein solches Schlauchbauteil 38 mit Einlaß- und Auslaßöffnungen 39 bzw. 40 ist in Fig. 4 gezeigt. Der untere Teil des Gehäuses wäre dann in einer anderen Form im Vergleich mit dem entsprechenden Teil 1b in Fig. 2 auszuführen. Mit dieser Art von Schlauchbauteil ist es vorteilhaft, die Antriebseinrichtung nahe dem flachen Abschnitt 42 von Teil 41 anzuordnen.
Es ist auch möglich, jene Abschnitte des flexiblen Schlauchbauteils insgesamt oder teilweise wegzulassen, die während des gesamten Pumpzyklus dauernd an der unteren bzw. oberen Wandung 25 bzw. 26 des Gehäuses anliegen, bzw. an der unteren bzw. oberen Fläche 28 bzw. 27 des Antriebsrings 10. Es ist bevorzugt, die Abschnitte des flexiblen Bauteils 6 wegzulassen, die dauernd an der unteren Wandung 25 anliegen und den Teil des flexiblen Bauteils 6 wegzulassen, der dauernd an der oberen Fläche 28 des Antriebsrings 10 anliegt. Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform, die entsprechend modifiziert ist. Die Enden der verbleibenden Teile des flexiblen Schlauchbauteils werden an den Oberflächen 27 bzw. 25 durch konzentrische Halterungen 44, bzw. 45 befestigt, versehen mit einer Anzahl konzentrisch angeordneter Schrauben 46 bzw. 47 und an der peripheren Nut in den Ventilen 4 und 5 wie auch an dem Ring 20 durch Klemmen durch die Wirkung der O-Ringe 14, 13 bzw. 21. Die weggelassenen Abschnitte des flexiblen Schlauchbauteils sind demgemäß ersetzt worden durch Teile der Oberflächen 25 und 27. Diese neuen Oberflächen müssen aus nicht thrombogenem Material hergestellt werden oder müssen modifiziert werden, um sie nicht thrombogen zu machen. Diese zweite Ausführungsform ist vorteilhaft bezüglich der Herstellung der flexiblen Abschnitte des Schlauchbauteils.
Die Pumpe kann durch eine Vielzahl elektrischer oder pneumatischer Antriebseinrichtungen 17 angetrieben werden, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt. Die einseitige Antriebskraft wird auf den Antriebsring 10 in der Ausführungsform durch einen Schiebering 12b übertragen, der von einem Paar diametral einander gegenüber angeordneter Schubstangen 12a getragen wird, die sich aus dem Gehäuse durch Öffnungen in dessen Deckwandung erstrecken und abgedichtet sind durch geeignete Gleitdichtungen (nicht dargestellt) derart, daß das Gehäuse hermetisch abgedichtet ist. Die Schubstangen werden angetrieben durch geeignete Gestänge von einem pneumatischen oder Elektromotor. In der Laborpumpe ist der Motor ein Pneumatikzylinder mit einer eingebauten Rückführfeder. Impulse komprimierter Luft, die dem Zylinder zugeführt werden und die über das Gestänge wirken, schieben den Schiebering 12b nach unten in Eingriff mit dem Antriebsring 10 beim angetriebenen Hub jedes Pumpenzyklus. Am Ende des angetriebenen Hubs lösen sich die Schubstangen und der Schiebering von dem Antriebsring und werden zurückgezogen zur Oberseite des Gehäuses durch die Rückstellfeder des Pneumatikzylinders.
Während jedes Abwärtshubs des Schieberings und Antriebsrings wird das Volumen der Ventrikelkammer verringert, wobei sich demzufolge der Druck des Blutes in der Ventrikelkammer erhöht und bewirkt, daß das Ventil 5 schließt und das Auslaßventil 4 öffnet, so daß Blut aus der Ventrikelkammer gepumpt wird. In der Zwischenzeit nimmt das Volumen der Vorhofkammer A zu, so daß Blut fortlaufend in die Kammer während des angetriebenen Hubs einströmt, d. h. während der systolischen Phase der Pumpe. Am Ende des Abwärtshubs wird der Schiebering 12b zurückgezogen, so daß auf die Ventrikelkammer kein Druck mehr ausgeübt wird. Trotzdem wird weiter Blut aus der Ventrikelkammer durch die Auslaßöffnung 8 abströmen infolge des Momentes, das auf das Blut während des Abwärtshubs des Antriebsrings übertragen wurde. Das Ventil 5 öffnet sich, wenn der Druck in der Ventrikelkammer V abfällt und Blut beginnt aus der Vorhofkammer in die Ventrikelkammer zu fließen. Wenn das Moment, das das Fließen durch das Auslaßventil 4 aufrechterhielt, abklingt, wird das Ventil schließen. Der Druck des einströmenden Bluts zusammen mit dem Moment des Bluts, das aus der Vorhofkammer in die Ventrikelkammer durch das Ventil 5 strömt, erzeugt verbleibende aufwärts gerichtete Kräfte, ausgeübt von dem Ventrikelbulbus 6v gegen die bodenseitige Fläche 28 des Antriebsrings 10, wobei die Eingriffsfläche (normalisiert durch Projektion auf eine imaginäre Ebene senkrecht durch Richtungsachse der Bewegung des Antriebsrings 10) zwischen dem Bulbus 6v und der unteren Oberfläche des Antriebsrings größer ist als die Eingriffsfläche (normalisiert wie oben) zwischen dem Bulbus 6a und der oberen Oberfläche 27 des Antriebsrings. Demgemäß wird der Antriebsring aufwärts gehoben und etwas von dem einströmenden Blut gelangt in die Ventrikelkammer, deren Volumen zunimmt, wenn der Antriebsring sich hebt. Das Maß der Füllung der Ventrikelkammer beim Rückhub der Pumpe und demgemäß der Durchsatz der Pumpe hängen ab vom Druck des einströmenden Bluts.
Es gibt eine Voraussetzung für die Fähigkeit der Erfindung für die Selbstregulierung des Durchsatzes entsprechend dem Druck des einströmenden Bluts. Diese Voraussetzung besteht darin, daß jeder angetriebene Hub beginnt, bevor die Pumpenkammern ihr Maximalvolumen erreichen. Nachdem das Maximalvolumen erreicht ist, kann kein Blut mehr in die Pumpe strömen, der Druck des ankommenden Bluts wird ansteigen und es wird ein Zustand der Hypertension erreicht. Demgemäß wird die Frequenz der Antriebsimpulse der Antriebseinrichtung 17 für die Pumpe so gewählt, daß sichergestellt wird, daß die Kammern der Pumpe nicht Maximalvolumen zwischen den angetriebenen Hüben erreichen. Eine gegebene Antriebsfrequenz kann jedoch die Selbstregulierungsfunktion der Pumpe über einen Bereich von Einströmdrücken und Abfließmengen erfüllen.
Das Ausmaß, mit welchem sich die Pumpenkammern während jedes Betriebszyklus der Pumpe füllen, wird ferner beeinflußt durch den Druck des Gases innerhalb des Gehäuses und außerhalb der Pumpenkammern. Während jedes angetriebenen Hubs der Pumpe nimmt das von dem Gas eingenommene Volumen zu und der Druck des Gases fällt entsprechend ab. Der Abfall des Gasdrucks außerhalb der Kammern erhöht die Nettodruckdifferenz zwischen dem einströmenden Blut und dem äußeren Gasdruck mit der Tendenz, dem Einströmen von Blut Widerstand zu leisten. Während des Rückhubs der Pumpe nimmt das Gesamtvolumen der Kammer zu, das Volumen des Gases in dem Gehäuse nimmt ab und der Druck des Gases in dem Gehäuse nimmt entsprechend zu. Wenn der Druck in dem Gas sich dem Druck des einströmenden Bluts nähert, nimmt die Füllrate der Kammern ab. Es ist deshalb offensichtlich, daß die Druckänderungen, die in dem Gas in dem Gehäuse auftreten, einen regulierenden Effekt auf das Füllen der Pumpe während jedes Zyklus haben. Der in dem Gehäuse vorherrschende Gasdruck wird einerseits bestimmt durch das Verhältnis zwischen dem Verdrängungsvolumen der Pumpe und dem von dem Gas im Gehäuse eingenommenen Volumen an irgendeinem Punkt im Betriebszyklus, was eine Sache der geometrischen Konstruktion der Pumpe ist. Die Menge an Gas in dem Gehäuse kann reguliert werden durch ein Drucksteuerventil, bestehend aus zwei Rückschlagventilen, eingestellt zum Bereitstellen einer oberen und einer unteren Grenze für den Gasdruck in dem Gehäuse.
Fig. 3A bis 3D der Zeichnungen zeigen schematisch die Ausführungsform an vier Punkten des Betriebszyklus. Fig. 3A zeigt die Pumpe am Ende des angetriebenen Hubs, d. h. an dem Punkt, wo der Schiebering 12B am Ende seines Abwärtshubs unter der einseitigen Antriebskraft steht, die auf den Antriebsring ausgeübt wird, wie durch die Pfeile D angedeutet. Während des Abwärtshubs des Schieberings komprimiert der Antriebsring 10 eine Ventrikelkammer V, wodurch Druck auf das Blut ausgeübt wird und Blut aus der Ventrikelkammer herausgepumpt wird nach jenseits des offenen Rückschlagventils 4 durch die Auslaßöffnung 8. Der auf das Blut in der Ventrikelkammer während des angetriebenen Hubs ausgeübte Druck hält das Ventil 5 geschlossen. Der Abwärtshub des Antriebsrings 10 ändert die Geometrie der Vorhofkammer A derart, daß ihr Volumen sich ververgrößern kann, wodurch es dem Blut ermöglicht wird, durch den Einlaß 7 während des Abwärtshubs einzutreten. Das Gesamtvolumen der Kammern A und V nimmt während des Abwärtshubs (angetriebenen Hubs) ab, wodurch das Gasvolumen innerhalb des Gehäuses 1 erhöht wird, was zu einem Gasdruckabfall in dem Gehäuse führt.
Gemäß Fig. 3B zieht die Antriebseinrichtung den Schiebering 12b am Ende des angetriebenen Hubs zurück. Während einer kurzen Zeit nach dem Zurückziehen des Schieberings hält das Moment des durch den Auslaß 8 strömenden Bluts das Ventil 4 offen und ein zusätzliches Ausströmen erfolgt. Der hydrostatische Druck in der Ventrikelkammer wird jedoch abrupt abfallen und das Ventil 5 wird sich öffnen infolge sowohl des hydrodynamischen als auch des hydrostatischen Druck des Bluts, das in die Vorhofkammer eintritt. Demgemäß wird eine Kraft infolge des Drucks von den flexiblen Wandungen der Ventrikelkammer 6v auf die untere Oberfläche 28 des Antriebsrings 10 ausgeübt (natürlich wird eine ähnliche Druckkraft auf alle Oberflächen der Ventrikelkammer ausgeübt). Eine durch Druck erzeugte Kraft, jedoch von geringerer Größe wird ausgeübt von den Wandungen des Vorhofkammerbulbus 6a auf die obere Oberfläche 27 des Antriebsrings 10, doch ist die Geometrie der Bulben und der Antriebsringoberflächen in Anlage an die Bulben derart, daß eine verbleibende aufwärts gerichtete Kraft vorliegt infolge des Drucks, der auf den Antriebsring während eines Teils der Periode zwischen den angetriebenen Hüben einwirkt, was den Antriebsring veranlaßt, sich zu heben.
Die konvexe Oberfläche 26 beeinflußt progressiv die benachbarten Teile des Bulbus 6a, wenn der Antriebsring 10 sich in Richtung dieser Oberfläche bewegt und die differenzielle Volumenabnahme des Bulbus 6a nähert sich der differenziellen Zunahme des Volumens des Bulbus 6v. An einem bestimmten Punkt werden beide gleich. Die Aufwärtsbewegung des Antriebsrings 10 endet dann, unabhängig davon, wie groß die Druckdifferenz zwischen den Kammern und ist einerseits und dem außerhalb dieser Kammern andererseits vorherrschenden Druck. Diese Anordnung der Oberflächen, welche die Kammern und in einer Weise beeinflußt, daß ein Maximum des Gesamtvolumens erreicht wird, bevor der Antriebsring 10 sich bis zu seiner Endlage in Richtung auf den Einlaß zu bewegt hat, hat einen Schutzeffekt auch für das flexible Material des Bulbus 6, was besonders wichtig ist bei kontinuierlichem Einsatz in einer Pumpe, die nicht hermetisch abgedichtet ist und bei beispielsweise Atmosphärendruck arbeitet. Bei Benutzung als Herzunterstützungsvorrichtung oder dergleichen wird die Bewegung des Antriebsrings 10 gesteuert durch die statischen und dynamischen Kräfte des einströmenden Bluts in Wechselwirkung mit den sich ändernden Drücken außerhalb der Kammern und in dem hermetisch abgedichteten Gehäuse, vorausgesetzt, daß der Druck innerhalb des Gehäuses in einer Weise eingestellt wird, daß es den Kammern und nicht möglich ist, ihr maximales Gesamtvolumen zu erreichen und damit auch den Punkt maximalen Drucks innerhalb des Gehäuses.
Wie in Fig. 3C gezeigt, hebt die aufwärts gerichtete Kraft, die auf den Antriebsring einwirkt, diesen und erlaubt die Volumenzunahme der Ventrikelkammer. Die Größe und Geometrie der beiden Kammern sind derart, daß selbst trotz der Tatsache, daß die Größe der Vorhofkammer abnimmt, das Gesamtvolumen von Vorhof- und Ventrikelkammer weiterhin zunimmt, während Blut in die Pumpenkammern strömt. Die Wirkung des Drucks des einströmenden Bluts nimmt jedoch ab, je höher die Position des Antriebsrings 10 ist und je größer das Gesamtvolumen der Kammern ist insofern, als die Flächen des Antriebsrings sich ändern, an denen die Wandungen der entsprechenden Kammern anliegen (s. Fig. 3C) und der Gasdruck in dem Gehäuse zunimmt. Darüberhinaus nimmt der Einfluß des Moments des einströmenden Bluts ab.
Bevor der Antriebsring bis zu einer Position angehoben wird, wo das Gesamtvolumen der Kammern bei einer Maximum ist (Druck innerhalb des Gehäuses konstant) oder wenn der Druck in der Kammer und und der Druck in dem Raum zwischen den Kammern und dem hermetisch abgedichteten Gehäuse 1 gleich geworden ist (Druck innerhalb des Gehäuses beeinflußt durch Veränderung des Gesamtvolumens von und in Abhängigkeit von den statischen und dynamischen Kräften des einströmenden Bluts), wird der nächste antreibende Hub begonnen durch Abwärtsbewegung des Schieberings 12b durch die Kraft der Antriebseinrichtung (die Pfeile D), wie in Fig. 3D gezeigt. Bei höheren Hubfrequenzen ist, wenn die dynamischen Kräfte noch bedeutender werden und ein Gleichgewicht nicht mehr erreicht wird, der Durchsatz immer noch proportional zum Druck des einströmenden Bluts. Für die Anwendung in vivo können das Gehäuse und die Antriebs-
einrichtung 17 in einer Umhüllung angeordnet werden, vorzugsweise in einem Beutel aus beispielsweise Silicongummi von einem solchen Volumen, daß die Gesamtheit eine Dichte von etwa 1 g/cm³ aufweist entsprechend der Dichte des Körpers, was dazu führt, daß das Gewicht der Gesamtheit dem Gewicht des eingenommenen Volumens entspricht. Ein solcher Beutel ist schematisch in gestrichelten Linien in Fig. 1 dargestellt und mit 35 markiert. Das Drucksteuerventil 16, beispielsweise zwei Rückschlagventile, eins in jeder Richtung, sorgen für die Kommunikation zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Gehäuses 1 mit vorbestimmten Öffnungsdrücken für vorteilhafte Druckregulierung.
Eine Sensoreinrichtung kann vorgesehen sein für die Überwachung des höchsten Antriebsrings 10 während eines Hubs. Wenn der Patient infolge Erregung oder aus anderen Gründen mehr Blut durch erhöhten Fluß konsumiert, wird dies merkbar, weil der Antriebsring 10 höher steigt bis in Richtung Maximalvolumen. Es ist dann möglich, eine Steuerschaltung vorzusehen, welche die Hubfrequenz der Antriebseinrichtung erhöht und auf diese Weise wird eine vollständig natürliche Regelung erzielt.
Es ist sehr wahrscheinlich, daß die periphere Resistenz für den kardialen Durchsatz nicht kritisch ist, aber daß der regulierende Faktor an erster Stelle das Einströmen ist. Diese Feststellung wird wahrscheinlich die Ansichten bezüglich der Kardiologie in einer weitreichenden und entscheidenden Weise ändern.
Eine entsprechend den Zeichnungen aufgebaute Laborpumpe mit einem Außendurchmesser von 90 mm, einer Höhe des runden zylindrischen Teils des Gehäuses vom 32 mm und einem Durchmesser der Ventile von 27 mm ergab die folgenden Resultate. Bei einer konstanten Hubfrequenz von 250 Schlägen pro Minute und einem Einströmdruck entsprechend einer 6 cm Wassersäule erhielt man 13,3 l pro Minute. Mit einem Einströmdruck von 6,5 cm Wassersäule wurden 15,8 l pro Minute erreicht. Am Auslaß erhielt man 350 mm Hg (systolisch) bzw. 60 mm Hg (diastolisch). Die Prüfung erfolgte mit Wasser. Das berechnete Verdrängungsvolumen betrug 60 cm³ für die Ventrikelkammer (großer Bulbus 6v) und 28 cm³ für die Vorhofkammer (kleiner Bulbus 6a).
Demgemäß schafft die Erfindung eine Pumpe, bei der die Ventilebene sich hebt, nicht infolge ihrer eigenen Kraft, sondern wegen der einströmenden Flüssigkeit infolge des Drucks der Flüssigkeit und des Momentes, das sich während der systolischen Phase aufbaut. Wenn einmal die Ventilebene sich maximal abwärts bewegt hat und zurückkehrt, weil die Flüssigkeit die Tendenz hat, unvermindert weiterzufließen, wird das Ventil als kollabierbare Wandung arbeiten, deren Position sich entgegen der Einströmung bewegt, bis der nächste angetriebene Hub beginnt. Das Ventil entsprechend der Aortaklappe wird sich schließen, wenn die Strömung durch es endet, was, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, später sein kann als der Augenblick, in welchem die Ventilebene innerhalb der Pumpe die tiefste Position erreicht hat. Es ist sogar vorstellbar, daß das Gegenstück der Aortaklappe offen bleibt während eines Teils der diastolischen Phase, die mit zunehmender Frequenz kürzer und kürzer wird.

Claims

1. Eine Blutpumpe, umfassend eine Vorhofkammer (A) begrenzt von flexiblen Wandungen (6a) und mit einem Einlaß und einem Auslaß versehen, eine Ventrikelkammer (V), begrenzt von flexiblen Wandungen (6v) und mit einem Einlaß und mit einem Auslaß, einen Durchlaß (9), der den Auslaß der Vorhofkammer mit dem Einlaß der Ventrikelkammer verbindet, ein erstes Rückschlagventil (5) in dem Durchlaß, ausgebildet zum Zulassen von Blutströmungen nur aus der Vorhofkammer in die Ventrikelkammer, ein zweites Rückschlagventil (4) im Auslaß von der Ventrikelkammer, ausgebildet zum Zulassen von Blutströmung nur aus dem Auslaß aus der Ventrikelkammer heraus, ein Gehäuse mit einer ersten und einer zweiten Öffnung (7, 8), Mittel (20, 21, 30, 31; 13, 33, 34) zum Verbinden des Vorhofkammereinlasses mit der ersten Öffnung und des Ventrikelkammerauslasses mit der zweiten Öffnung derart, daß die flexiblen Wandungen, welche die Kammern begrenzen, beweglich in dem Gehäuse abgestützt sind und Antriebsmittel (10, 12, 17) für das periodische Bewegen der Wandungen der Ventrikelkammer (5) zum Verringern von deren Volumen und Austreiben von Blut aus ihr, während gleichzeitig die Wandungen der Vorhofkammer (A) derart bewegt werden, daß ihr Volumen bei Einströmen von Blut in ihren Einlaß zunehmen kann, welche Antriebsmittel einen Antriebsring (10) umfassen, welcher den Durchlaß (9) umgibt und mit diesem verbunden ist und hin-und herbeweglich ist mit Antriebs- und Rücklaufhüben, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Antriebsrings (10) mit den Wandungen (6v) der Ventrikelkammer (V) über eine Berührungsfläche (28) zwischen dem Antriebsring (10) und den Wandungen (6v) der Ventrikelkammer (V) in Anlage bringbar ist, welche Fläche sich ändert entsprechend der Position des Antriebsrings (10), während der Antriebs- und Rücklaufhübe derart, daß sie zunimmt während des Antriebshubs und abnimmt während des Rücklaufhubs und daß das Antriebsmittel (10, 12, 17) den Antriebsring (10) nur während des Antriebshubs erfaßt.

2. Eine Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmittel (10, 12, 17) sich von dem Antriebsring löst und während des Rücklaufhubs sich in eine zurückgezogene Position bewegt.

3. Eine Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einander abgekehrte Oberflächen des Antriebsrings (10) an den Wandungen (6v, 6a) der Ventrikel- und Vorhofkammer auf entsprechenden Anlageoberflächen in Anlage bringbar sind.

4. Eine Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) hermetisch abgedichtet ist und außerhalb der Kammern ein Gas enthält.

5. Eine Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie Drucksteuerventilmittel (16) für die Steuerung des Drucks des Gases in dem Gehäuse (1) umfaßt.

6. Eine Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Hülle (35) umfaßt, die das Gehäuse (1) und alle Komponenten der Antriebsmittel aufnimmt und daß das Drucksteuerventilmittel (16) das Innere des Gehäuses mit der Umhüllung kommunizieren läßt.

7. Eine Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammerwandungen (6a, 6b) aus flexiblem und im wesentlichen undehnbarem Material bestehen.

8. Eine Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Abschnitte der Wandungen jeder Kammer (V, A) während Abschnitten jedes Betriebszyklus mit einerseits einer Oberfläche (27, 28) des Antriebsrings (9) und andererseits einer Innenwandungsoberfläche (25, 26) des Gehäuses (1) in Anlage bringbar sind und daß die mit den jeweiligen Kammerwandungen in Anlage bringbaren Oberflächen tellerförmig sind und von generell komplementären Formen.

9. Eine Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (28) des Antriebsrings (10), die sich an die Ventrikelkammer (V) anlegt, konvex ist und die Oberfläche (27) des Antriebsrings, die sich an die Vorhofkammer (A) anlegt, konkav ist.

10. Eine Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenbereich (28) des Antriebsrings (10), der sich an die Ventrikelkammer (V) anlegt, wesentlich größer ist als der Flächenbereich (27) des Antriebsrings, der sich an die Vorhofkammer (A) während eines erheblichen Teils des Rücklaufhubs des Antriebsrings anlegt.

11. Eine Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Wandungen jeder Kammer (A, V), die während eines vollständigen Arbeitszyklus in Eingriff mit einer Oberfläche (27, 28) des Antriebsrings (10) bleiben, vollständig oder teilweise ersetzt sind durch die genannten Oberflächen des Antriebsrings oder Innenwandungen (25) des Gehäuses.

12. Eine Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (28) des Antriebsrings (10), die an die Ventrikelkammer (V) anlegbar ist, konvex ist und daß die Pumpe eine Innenwandungsoberfläche (26) des Gehäuses (1) mit einem konvexen Abschnitt aufweist, an den ein Teil der Vorhofkammer (6a) zwischen den Antriebshüben progressiv anlegbar ist.