DE3810660A1 - Blutpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Blutpumpe gemäß dem Ober­ begriff des Hauptanspruchs.

Die erfindungsgemäße Blutpumpe ist sowohl zur Unterstützung der Herztätigkeit als auch als Kunstherz vorgesehen.

Es ist ein implatierbares Kunstherz bekannt, das eine Druckplatte aufweist, die Eintritt und Austritt von Blut in bezug auf eine Pumpenkammer über eine hin- und hergehende Bewegung hervorruft.

Die Druckplatte wird beispielsweise angetrieben durch einen bürstenlosen, umkehrbaren Gleichstrommotor und einen Kurvenmechanismus, durch den die Drehung des Motors in eine hin- und hergehende Bewegung umgesetzt wird (Trans. Am. Soc. Artif Intern Organs Vol. XXX, pp 69-74 (1984)). Mit der selben Zielsetzung wird die Anwendbarkeit einer Stirling-Maschine oder einer Legierung mit Form­ gedächtnis untersucht.

Ein Gleichstrommotor als Antriebsquelle hat den Nachteil, daß es nicht möglich ist, eine größere Leistung zu errei­ chen, ohne beispielsweise die Kapazität der Spule zu erhöhen. Dies führt zu einem erhöhten Gewicht. Der Um­ wandlungs-Wirkungsgrad der Energie steht im Gegensatz zu der Erzielung eines geringeren Gewichts und einer geringe­ ren Größe. Beide Forderungen können nicht gleichzeitig erfüllt werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß elektromagnetische Wellen erzeugt werden, die einen Hall­ effekt-Sensor beeinflussen können, der sich in der Nähe befindet und zur Abtastung der Bewegung der Druckplatte oder des Blutstromes verwendet wird. Die Antriebssteuerung kann also durch Rauschen beeinflußt werden, so daß es zu Fehlfunktionen kommen kann. Weiterhin ist es bei der Leit­ fähigkeit der Motorwelle und der Spulen schwierig, eine vollständige Isolierung gegenüber dem Gehäuse des künstlichen Herzens zu erreichen so daß die Sicherheit in elektrischer Hinsicht problematisch ist.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Blutpumpe zu schaffen, die einen erhöhten Energieumwandlungs-Wirkungs­ grad und eine bessere Steuerbarkeit aufweist, bei der ein Rauschen nicht auftritt, hohe elektrische Sicherheit erreichbar ist, und das Gewicht und die Abmessungen ver­ ringert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Eine erfindungsgemäße Blutpumpe mit einer Pumpenkammer, die Einlaß und Auslaß aufweist und in der Blut zyklisch durch Einlaß und Auslaß angesaugt und ausgestoßen wird, umfaßt als Antriebseinrichtung einen Ultraschall-Motor, der eine hochfrequente Schwingung unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements in eine Drehung umsetzt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Blutpumpe;

Fig. 2 ist eine zugehörige Seitenansicht;

Fig. 3 ist eine teilweise geschnittene Explo­ sionsdarstellung der wesentlichen Teile eines Ultraschall-Motors mit zu­ gehörigen Schaltungsteilen;

Fig. 4 veranschaulicht das Wirkungsprinzip des Ultraschall-Motors;

Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Blutpumpe;

Fig. 6 ist eine teilweise geschnittene Ex­ plosionsdarstellung einer anderen Aus­ führung des Ultraschall-Motors;

Fig. 7 zeigt die Implantation der Blutpumpe in den menschlichen Körper;

Fig. 8 ist ein Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Blutpumpe zusammen mit einem vergrößerten Schnitt eines wichtigen Einzelteils;

Fig. 9 und 10 sind teilweise geschnittene Ansichten weiterer Ausführungsformen der Blutpumpe.

Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, zur Implantation vorgesehenen Blutpumpe mit Druckplatte.

Die Blutpumpe umfaßt ein Gehäuse, das aus einem inneren und einem äußeren Gehäuseteil 7, 8 besteht. Eine Pumpenkammer 1 wird durch das innere Gehäuseteil 7 gebildet. Eine flexible Membran 2 liegt zwischen den Gehäuseteilen 7, 8. Der Umfangs­ rand der Membran 2 ist zwischen den Umfangsbereichen der Gehäuseteile 7, 8 eingespannt. Die Gehäuseteile 7, 8 sind durch Schrauben 9 verbunden. Die Membran 2 wird bewegt durch eine hin- und hergehende Druckplatte 3 und führt eine Bewegung zwischen einer in durchgezogenen Linien darge­ stellten Position und einer strichpunktiert gezeigten Position aus. Dadurch ergibt sich ein sich wiederholender Zyklus, bei dem die Pumpenkammer 1 gefüllt und entleert wird. Blut 4 wird abwechselnd in die Pumpenkammer hineinge­ saugt und ausgestoßen. Die Bewegung der Druckplatte 3 wird erfaßt durch einen Sensor, der auf einem Halleffekt- Element 28 und einem Magneten 29 besteht. Das innere Gehäuseteil 7 weist einen Einlaß 5 und einen Auslaß 6 für die Pumpenkammer 1 auf. Einlaß und Auslaß sind mit nicht gezeigten Rückschlagventilen versehen.

An der Rückseite des äußeren Gehäuseteils 8 ist ein drittes Gehäuseteil 10 mit zylindrischer Form mit Hilfe von Schrauben 11 befestigt. Eine Entlüftungsöffnung 14, die an die Atmosphäre austritt, ermöglicht eine weiche Bewegung der Druckplatte 3.

Ein Ultraschall-Motor 12, der später im einzelnen be­ schrieben werden soll, liegt in dem Gehäuseteil 10. Die Drehung des Motors wird mit Hilfe eines Kugelspindel- Getriebes 13 in eine hin- und hergehende Bewegung der Druckplatte 3 umgewandelt, die die Ausbauchung der Membran 2 bewirkt.

Der Ultraschall-Motor 12 umfaßt gemäß Fig. 3 einen Vibrator oder Stator 17 und eine Gleitscheibe oder einen Rotor 18. Der Stator umfaßt eine flexible Scheibe 15 aus nichtrostendem Stahl, an deren innere Oberfläche ein gezahnter Ring aus einer Anzahl von vibrierenden, elasti­ schen Zähnen 15 a angeformt ist und deren äußere Oberfläche mit einem piezoelektrischen Keramik-Material beschichtet ist, das als piezoelektrisches Element 16 dient. Der Rotor 18 liegt über dem Stator in Berührung mit dem gezahnten Ring. Eine Welle 20 des Rotors 18 erstreckt sich durch eine mittlere Durchgangsbohrung 19 des Stators 17. Das piezoelektrische Element 16 ermöglicht zwei um 90° Phasen verschobene Wellen zur Erregung einer Schwingung höherer Ordnung, so daß Knotenpunkte mit der Amplitude 0 im Mittelpunkt bestimmter Positionen des Umfanges des Stators 17 erscheinen. Die Schwingung führt zur Drehung des Rotors 18 aus nichtrostendem Stahl, die sich aus einem Positionswechsel der Knoten über die Zeit ergibt, und die Drehung wird durch die Welle 20 nach außen übertragen.

Wie sich aus Fig. 3 weiterhin ergibt, sind die Schwingungs­ zähne 15 a paarweise in fester Periode angeordnet. Bezogen auf ein Paar der Zähne, wird das Ausgangssignal eines gemeinsamen Oszillators 21 einerseits direkt zu einem Verstärker 22 geleitet und dort verstärkt und andererseits einem Phasenschieber 23 zugeführt und um 90° phasen­ verschoben und sodann einem anderen Verstärker 24 zuge­ leitet. Dies ist zur Erläuterung nur für ein Paar der elastischen Zähne dargestellt. Daher nehmen die beiden Zähne Signale mit einer Phasenverschiebung von 90° auf. Das selbe geschieht in der Reihenfolge der Anordnung der Zahn-Paare. Auf diese Weise werden die piezoelektri­ schen Elemente 16 in Funktion gesetzt, und dadurch wird eine laufende Welle, die aus Sinus- und Cosinus-Wellen synthetisiert ist, in der durch den Pfeil 25 angezeigten Richtung über den gezahnten Ring hinweg erzeugt, wie Fig. 4 zeigt. Folglich tritt eine Schwingung der Zähne 15 a auf, so daß diese entsprechend der Welle in Richtung des Pfeiles 25 verformt werden.

Andererseits weist der Rotor 18 auf der dem Stator 17 zu­ gewandten Oberfläche einen Ring 26 aus einem Material, wie etwa Verbund-Kunststoff mit hoher Verschleißfestigkeit und hohem Reibungskoeffizienten auf. Der Rotor 18 wird in Gegenrichtung zu der Wellenbewegung der ringförmig ange­ ordneten Zähne 15 a entsprechend dem Pfeil 27 zwangsange­ trieben.

Der Rotor 18 wird den Reibungskräften nur bei Phasen in der Nähe des Amplituden-Maximums ausgesetzt und berührt die Wurzeln der Zähne des Ringes nicht, so daß eine Ausgangsleistung des Motors mit hohem Umwandlungs-Wirkungs­ grad erzielt wird.

Der Ultraschall-Motor läßt sich gut mit elektrischen oder elektronischen Mitteln steuern, da der Rotor 18 hin- und hergehend im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird.

Die Merkmale des Ultraschall-Motors sollen wie folgt zusammengefaßt werden:

• 1) Da eine Spule nicht erforderlich ist, kann die Konstruktion vereinfacht und mit geringer Größe und geringem Gewicht ausgeführt werden. Das Gewicht kann bei­ spielsweise ein Zehntel des Gewichts eines Gleichstrom­ motors mit der selben Ausgangsleistung betragen.
• 2) Durch die Reibungsberührung wird das Ansprechverhalten beschleunigt, und die Bewegungssteuerung wird verbessert.
• 3) Es ergibt sich ein hoher Umwandlungs-Wirkungsgrad bei geringer Drehzahl und hohem Drehmoment.
• 4) Da Magnetismus nicht erzeugt wird, werden magnetische Teile, insbesondere das Halleffekt-Element 28 zur Abtastung der Bewegung der Druckplatte gemäß Fig. 1 nicht beeinflußt, und das in Fig. 3 gezeigte Antriebs­ system erzeugt kein Rauschen, das andernfalls entstehen könnte. Der Antrieb kann in das Gehäuse der Pumpe ein­ gebaut werden. Die Stromquelle kann außerhalb oder in einer geeigneten Position innerhalb des Gehäuses liegen.
• 5) Das erwähnte keramische, piezoelektrische Element 16 erleichtert die Schaffung einer Sicherheits-Isolierung zwischen dem Motor als Antriebselement und dem Blutpumpen- Gehäuse,so daß einehöhere elektrische Sicherheit erreicht wird.

Mit dem Ultraschall-Motor 12 bzw. dessen Ausgangswelle 20 ist ein bekanntes Kugelspindel-Getriebe 13 verbunden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Durch Drehung einer mit Innen­ gewinde versehenen Hülse 30 wird eine mit Außengewinde versehene Spindel 31 verschoben, die ihrerseits die Druck­ platte 3 bewegt. Im Bedarfsfalle werden Stahlkugeln 32 zwischen die Hülse 30 und die Spindel 31 eingefügt. Aus der kontrollierten Drehung des Ultraschall-Motors 12 ergibt sich somit eine hin- und hergehende Bewegung der Druckplatte 3, die ihrerseits die Membran 2 ausbaucht. Daraus ergibt sich eine zyklische Erweiterung und Ver­ kleinerung der Pumpenkammer 1.

Wie bereits erwähnt, ermöglicht die vorliegende Ausführungs­ form bei Verwendung eines Ultraschall-Motors 12 einen hohen Umwandlungs-Wirkungsgrad der Energie, ein geringeres Gewicht, eine einfache Steuerung, einen rauschfreien Betrieb und hohe elektrische Sicherheit. Diese Eigenschaf­ ten sind sehr wertvoll bei einer zu implantierenden Blut­ pumpe.

Fig. 5 und 6 zeigen eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Blutpumpe.

Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform im wesentlichen hinsichtlich der Konstruktion des Ultraschall-Motors und der Kraftüber­ tragung. Ein Ultraschall-Motor 42 umfaßt einen Vibrator, der aus einem gezahnten Ring 45 aus nichtrostendem Stahl mit einer Beschichtung aus einem piezoelektrischen Element 46, wie etwa piezoelektrischem Keramik-Material, auf der äußeren Oberfläche besteht, sowie einen angetriebenen Ring 48 aus nichtrostendem Stahl. Der Ring 48 weist auf seiner Oberfläche, die dem gezahnten Ring 45 zugewandt ist, eine Schicht 56 aus einem verschleißfesten Material mit hohem Reibungs­ koeffizienten, beispielsweise einem Kunststoff-Verbund­ material auf. Der Ultraschall-Motor 42 arbeitet auf die bereits beschriebene Art und Weise. Ein weiterer Unterschied besteht bei dieser Ausführungsform darin, daß der ange­ triebene Ring 48 verbunden ist mit einem zylindrischen Kurvenelement 40, das die Ausgangswelle des Motors 42 bildet. Das Kurvenelement 40 bildet zusammen mit einem Folgeglied eines Stößels 41, der mit der Druckplatte 3 verbunden ist, ein Kurvengetriebe. Der Stößel 41 ist auf einer Seite mit einem Stift 52 versehen, der in Eingriff mit einer Führungsnut 51 des Kurvenelements 40 steht.

Diese Konstruktion ermöglicht es, die Drehung des Ultra­ schall-Motors 42 in eine Richtung über das Kurvengetriebe 43 in eine hin- und hergehende Bewegung der Druckplatte 3 umzusetzen, die ihrerseits die Membran 2 betätigt. Die Verwendung des gezahnten Ringes 47 als Vibrator trägt zur Vergrößerung der Amplitude und zur Verringerung des Gewichts bei.

Die oben beschriebenen Blutpumpen können als Unter­ stützungseinrichtung für den linken Ventrikel implantiert werden, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Bei einem mensch­ lichen Körper wird die Blutpumpe an den Rippen befestigt. Der Auslaß 6 wird mit dem Aorta-Bogen 54 über ein Ver­ bindungsstück 55 aus einer künstlichen Blutleitung ver­ bunden, und der Einlaß 5 steht mit dem linken Ventrikel über ein anderes, nicht gezeigtes Verbindungsstück aus einer künstlichen Blutleitung in Verbindung. Die Belüftungs­ öffnung 14 ist mit der Atmosphäre über einen Schlauch oder mit einer nicht gezeigten Ausgleichskammer verbunden.

Fig. 8 zeigt schematisch eine andere bevorzugte Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Blutpumpe.

Der Stößel 41 der Druckplatte 3 übt die Funktion eines Kolbens in dem Gehäuseteil 10 aus, das als Zylinder dient. Der Kolben wird durch ein Hydrauliksystem betätigt, das aus einer Leitung 66, die mit dem Gehäuseteil 10 verbunden ist, und einem Antrieb 65 besteht, der in die Leitung 66 integriert ist. Die Leitung wird mit einem Öl 62, wie etwa Silikonöl gefüllt und erstreckt sich über den Antrieb 65 hinaus zu einem elastischen Ölbehälter 67. Der Antrieb 65 besteht aus einem Ultraschall-Motor 42 gemäß Fig. 6 und einer ringförmigen Schraube, die mit dem angetriebenen Ring 48 des Motors verbunden ist. Die ringförmige Schraube weist Flügel 61 auf, die innen an einem Rahmen 60 befestigt sind, der durch den Motor 42 angetrieben wird. Mit 64 ist ein Kolben-Kopf und mit 68 ein Lager bezeichnet.

Eine gesteuerte Drehung des Ultraschall-Motors 42 in Uhr­ zeiger- oder Gegenuhrzeigerrichtung wird über das hydrau­ lische System auf den Kolben übertragen. In diesem Fall spricht der Ölbehälter 67 durch eine in durchgezogenen Linien dargestellte Ausdehnung und eine strichpunktiert angedeutete Zusammenziehung an. Der Kolben, der den Stößel 41 der Druckplatte bildet, ruft eine Ausbauchungs- Bewegung der Membran 2 hervor. Dieser Aufbau mit der Schraube 65 und dem Ölbehälter 67 eignet sich für implan­ tierbare Blutpumpen. Die Schraube 65 und der Behälter 67 können in den menschlichen Körper eingepflanzt werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Blutpumpe ist in Fig. 9 gezeigt. Der Rotor 18 trägt eine relativ große, zylindrische Hülse 30, die in Gewindeeingriff steht mit einer als Hohlzylinder ausgebildeten Spindel 31, die mit der Druckplatte 3 verbunden ist. Auf diese Weise wird eine weichere Übertragung des Drehmoments ermöglicht.

Eine ähnliche Verbesserung der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist in Fig. 10 gezeigt, in der der Stößel 41 der Druckplatte 3 in Eingriff mit dem Kurvenelement 40 steht, das in diesem Falle größer dimensioniert ist. Im übrigen wird der Ultraschall-Motor gemäß Fig. 3 benutzt.

Die Erfindung gestattet eine Reihe von Abwandlungen. Beispielsweise kann der Ultraschall-Motor in bezug auf Material, Konstruktion und Arbeitsweise abweichend gestaltet sein. Dies gilt auch für die Form des Über­ tragungsmechanismus oder der Pumpenkammer. Die erfindungs­ gemäße Blutpumpe kann nicht nur zur Unterstützung, sondern auch unmittelbar als künstliches Herz oder als Pumpen- Oxygenator verwendet werden.

Aufgrund der Verwendung eines Ultraschall-Motors als Antrieb können Blutpumpen mit hohem Wirkungsgrad, guter Steuerbarkeit, geringer Größe und geringem Gewicht sowie minimalem elektrischen Rauschen und hoher elektrischer Betriebssicherheit hergestellt werden.

Claims (11)

1. Blutpumpe mit einer Pumpenkammer, die einen Einlaß und einen Auslaß aufweist und zyklisch Blut ansaugt und ausstößt, und mit einem Antrieb, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Antrieb ein Ultraschall- Motor (12, 42) vorgesehen ist, der eine hochfrequente Schwingung unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements (16) in eine Drehung umwandelt.

2. Blutpumpe nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch eine Druckplatte (3) zur Betätigung einer Membran (2), welche Druckplatte durch den Ultraschall- Motor (12) über ein Schraubengetriebe hin- und hergehend antreibbar ist.

3. Blutpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet daß das Schraubengetriebe mit einem Rotor (18) des Ultraschall-Motors (12) verbunden ist.

4. Blutpumpe nach Anspruch 1, gekennzeich­ net mit einer Druckplatte (3) zur Betätigung einer Membran (2), welche Druckplatte hin- und hergehend durch den Ultraschall-Motor (12) mit Hilfe eines Kurvengetriebes (43) antreibbar ist.

5. Blutpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Kurvenelement (40) des Kurvengetriebes mit dem Rotor (18) des Ultraschall-Motors (12) verbunden ist und daß ein Stift (52) auf einem Stößel (41) der Druckplatte in Eingriff mit der Kurve des Kurvenelements steht.

6. Blutpumpe nach Anspruch 1, gekennzeich­ net mit einer Druckplatte (3) zur Betätigung einer Membran (2), welche Druckplatte hin- und hergehend durch den Ultraschall-Motor mit Hilfe eines Kolbens (41, 64) antreibbar ist.

7. Blutpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehung des Ultraschall- Motors (42) in eine hin- und hergehende Bewegung des Kolbens (41, 64) mit Hilfe einer hydraulischen Einrichtung (65) umsetzbar ist.

8. Blutpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Motor (12, 42) einen Vibrator oder Stator (17) und einen Rotor (18) umfaßt, daß der Vibrator aus einer flexiblen Scheibe (15) mit einem piezoelektrischen Element (16) auf der äußeren Oberfläche und einem elasti­ schen, gezahnten Ring (15 a) auf der inneren Oberfläche besteht, und daß der Rotor (18) über dem Vibrator in Berührung mit dem gezahnten Ring angeordnet ist.

9. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Motor (42) aus einem Vibrator (47), bestehend aus einem gezahnten Ring (45) mit einem piezoelektrischen Element (46) auf der äußeren Oberfläche, und einem über dem Vibrator in Berüh­ rung mit diesem angeordneten Rotor (48) besteht.

10. Blutpumpe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rotor einen verschleiß­ festen Belag (56) mit hohem Reibungskoeffizienten auf der dem Vibrator zugewandten Oberfläche aufweist.

11. Blutpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blutpumpe implatierbar ist.