DE69732906T2 - Vorrichtung zum umwandeln eines drehmomentes in eine axialkraft - Google Patents

Vorrichtung zum umwandeln eines drehmomentes in eine axialkraft Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Energieumwandlungsvorrichtung, die eine Magnetkopplung zum Umwandeln von Drehmoment in Axialkraft oder Axialkraft in Drehmoment benutzt. Eine bedeutende Anwendung des Energieumwandlungsmechanismus ist auf dem Gebiet von künstlichen Herzen, wobei der Mechanismus in einem Aktuator für eine Ventrikel-Unterstützungsvorrichtung (VAD) oder zum Pumpen von Blut von einem oder zwei Ventrikeln eines total künstlichen Herzens (TAH) benutzt werden kann.
  • Hintergrund der Technik
  • Implantierbare Blutpumpen oder künstliche Herzen waren das Thema bedeutender Arbeiten für mehrere Jahrzehnte. Obwohl viel Fortschritt erzielt wurde, hat keine Vorgehensweise die hohe Zuverlässigkeit demonstriert, die für einen Aktuator benötigt wird. Im Allgemeinen benutzen die meisten existierenden Vorgehensweisen die Umwandlung der Bewegung eines rotierenden elektrischen Motors in die Linearbewegung einer Pusher-Plate, um Blut aus Ventrikeln von Gummityp zu drücken. Einige benutzen einen hydraulischen Kolben, um das Fluid aus den Ventrikeln zu drücken, während einige direkt auf die Ventrikel ohne Hydraulik drücken. Derartige Dreh-Linear-Umwandlungsmechanismen einschließlich Führungsschrauben, Zahnradpumpen und eine Vielzahl von anderen Ausgestaltungen sind alle gegen Verschleiß und Ausfall des primären Bauteils anfällig. Somit weisen die meisten, wenn nicht alle, existierenden Aktuator-Vorgehensweisen damit zugeordnete unerwünschte Zuverlässigkeitsanliegen auf. Tatsächlich beinhalten die meisten Aktuator-Vorgehensweisen ein Haupthindernis beim Erreichen einer hochzuverlässigen leichten Prothese.
  • Eine Art eines künstlichen Herzens ist in 1, 2a und 2b dargestellt. Dieses total künstliche Herz (TAH) 10, das von der Cleveland-Klinik bereitgestellt wird, umfasst Bluteinfluss-Ports und Ventile 12 und Blutausfluss-Ports und Ventile 14. Wie am besten in 2a und 2b gezeigt ist, umfasst das TAH 10 zwei Blutpumpen, eine rechte Blutpumpe oder Ventrikel 20 und eine linke Blutpumpe oder Ventrikel 22 in einem Gehäuse 18. Jede Blutpumpe 20 und 23 umfasst eine umkehrbare Membran 21 bzw. 23, die mechanisch mit einer entsprechenden Pusher-Plate 21' und 23' gekoppelt ist, die von einem interventrikulären Energiewandler oder Aktuator 26 angetrieben wird. Der Aktuator 26, der einen an der Pusher-Plate 21' befestigten Führungsstift 25 und einen an der Pusher-Plate 23' befestigten Führungsstift 27 führt, erzeugt eine axiale Hin- und Herbewegung, die während des Ausstoßmodus eine Pusher-Plate 21' oder 23' zu dem Gehäuse 18 des TAH 10 hin treibt.
  • Das Herz wird durch Reaktion auf venösen Druck gesteuert, da mehr Strömung erforderlich ist, wenn der Druck ansteigt. Der Folgeantrieb ist nicht direkt mit einer der beiden Pusher-Plates gekoppelt. Somit ist, während Blut von einer Blutpumpe ausgestoßen wird, die andere frei, sich mit der Füllrate abhängig von dem venösen Rückdruck zu füllen. Während des Füllens kann jeder Führungsstift innerhalb des Aktuators frei gleiten, sodass die Membranenfüll-Zyklusbewegung durch venösen Druck und nicht durch die Aktuatorrate bestimmt wird. Eine Steuerlogik fühlt die Geschwindigkeit oder die Position der Membran ab und hält eine Aktuatorgeschwindigkeit aufrecht, die ausreicht, um einen Füllzykluskontakt zwischen der Pusher-Plate und dem Aktuator zu vermeiden, ohne so schnell zu laufen, dass der Wirkungsgrad oder der Betrieb der gegenüberliegenden Pumpe beeinflusst wird. Eine ventrikuläre Hilfsvorrichtung arbeitet auf ähnliche Art und Weise, mit der Ausnahme, dass nur eine Pumpe beteiligt ist.
  • Das TAH 10 kann äquivalent durch eine Anzahl unterschiedlicher, existierender interventrikulärer Aktuatoren betrieben werden. Beispielsweise könnten die meisten existierenden elektromechanischen Aktuatoren benutzt werden. Das TAH vom Cleveland-Klinik-Typ benutzt herkömmlicherweise eine elektrohydraulische Energieumwandlungsvorrichtung. Diese Vorrichtung umfasst einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der eine Zahnradpumpe dreht, die hydraulische Strömung bei etwa 100 psi liefert. Eine interne Ventilbaugruppe steuert die Strömung zu einem hydraulischen Aktuator mit zwei Enden. Um sicherzustellen, dass das System hermetisch dicht ist, ist der Aktuatorkolben tatsächlich ein Stapel von Magneten, die in dem Zylinder laufen, wobei ein Folgemagneten außerhalb des Zylinders ist, um mit der Kolbenbewegung übereinzustimmen. Die Folgemagne ten sind an einem Translationselement befestigt, das gegen eine Pusher-Plate drückt, die die Gummimembran ablenkt. Für weitere Information über diesen Aktuator siehe: Massiello u.a., „The Cleveland Clinic – Nimbus Total Artificial Heart", Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery, Band 108, Nr. 3, Seiten 412 – 419 (1994); und Harasaki u.a., „Progress in Cleveland Clinic – Nimbus Total Artificial Heart Development", ASAIO Journal, M494–M498 (1994).
  • Die US 3 777 587 offenbart eine Schraubenantriebsvorrichtung. Eine aus einem paramagnetischen Material hergestellte, sich kontinuierlich windende Antriebsschraube ist magnetisch in einer Mutter umgeben, die radial beabstandet ist, um eine bestimmte, umkehrbare, nicht in Eingriff nehmende Bewegung von einem Monat mit Bezug auf die andere durch die Rotation der Antriebsschraube zu betreiben. Diese Mutter ist genauso wie die Antriebsschraube gewindet und umfasst mindestens zwei magnetische Polstücke, die durch ein entsprechendes Mittel erregt werden können. Die bekannte Vorrichtung ist bestimmt, in einer Positionierungsvorrichtung einer Herstellungsmaschine, d.h. in einem Arbeitstisch oder einem Frästisch, verwendet zu werden.
  • Die US 5 456 134 offenbart eine ähnliche Vorrichtung, d.h. einen magnetischen Übertragungsmechanismus zum Umwandeln einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung. Diese Vorrichtung umfasst ein internes und externes Kopplungselement, die zusammenarbeitende Systeme mit doppeltem Gewinde aufweisen, die aus einem magnetisierbaren Material hergestellt sind. Die bekannte Vorrichtung ist bestimmt, in einer Positionierungsvorrichtung für die Herstellung von Halbleitersubstraten verwendet zu werden.
  • Die JP 08051755 A offenbart einen Antirutschmechanismus für eine Schraubenwelle eines Umwandlungsmotors mit Direktantrieb. Bei der bekannten Vorrichtung wird die Rotationsbewegung durch einen Stator von der Vorrichtung zu ihrer Welle übertragen.
  • In der US 5 300 111 wird ein total künstliches Herz mit einem Gehäuse beschrieben, das ein erstes und zweites Ventrikel aufweist. Ferner werden eine erste Membran und eine zweite Membran zum Pumpen von Blut von den jeweiligen Ventrikeln bereitgestellt. Um die Membranen zu betätigen, umfasst das total künstliche Herz ferner einen linearen elektrischen Motor, einen so genannten Schwingspulenmotor mit sich doppelt bewegenden Magneten.
  • Die JP 58217857 offenbart einen kontaktlosen Antriebsmechanismus, bei dem ein Paar von Magneten auf der antreibenden und angetriebenen Seite ein angetriebenes Element veranlassen, eine Nachführbewegung als Reaktion auf die Hin- und Herbewegung eines antreibenden Elements durchzuführen, die durch die Vorwärts- und Rückwärtsrotation eines Motors verursacht wird. Das angetriebene Element wird kontaktlos mit einer Führung durch Magnetkräfte gehalten, sodass sich keine Reibung herausbildet.
  • Die EP 0 601 185 A1 beschreibt einen Aktuator, indem die Rotationsbewegung in eine Drehbewegung durch eine einfache Schraubenwelle umgewandelt wird.
  • Obwohl existierende Energieumwandlungs-Vorgehensweisen in unterschiedlichen Ausmaßen erfolgreich waren, würde der Stand der Technik durch einen Aktuator der nächsten Generation für implantierbare pulsierende ventrikuläre Hilfsvorrichtungen und/oder total künstliche Herzen vorangebracht werden, was die magnetische Verknüpfung zwischen den hauptsächlichen Dreh-Linear-Bewegungsumwandlungselementen verbessert. Die Erfindung liefert diese Weiterentwicklung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Kurz zusammengefasst umfasst die Erfindung eine Drehmoment-Axialkraft-Energieumwandlungsvorrichtung, die ein drehbares Element und ein verschiebbares Element umfasst. Eine Magnetkopplung wird zwischen dem drehbaren Element und dem verschiebbaren Element zum Umwandeln eines Drehmoments des drehbaren Elements in eine Axialkraft an dem verschiebbaren Element bereitgestellt. Die Magnetkopplung umfasst Permanentmagneten, einschließlich eines ersten Permanentmagneten, der einen Teil des drehbaren Elements umfasst, und eines zweiten Permanentmagneten, der einen Teil des verschiebbaren Elements umfasst. Der erste Permanentmagnet umfasst verschachtelte, wendelförmige Magnetabschnitte von abwechselnden Polaritäten, wie es der zweite Permanentmagnet tut. Diese wendelförmigen Strukturen weisen die gleiche Steigung auf.
  • Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt das verschiebbare Element mindestens teilweise in dem drehbaren Element, und die Vorrichtung umfasst einen Mechanismus, um die Rotation des verschiebbaren Elements zu verhindern, sodass das Drehmoment des ersten Permanentmagneten in Axialbewegung des zweiten Permanentmagneten und somit des verschiebbaren Elements umgewandelt wird. Die Vorrichtung, um dem drehbaren Element Drehmoment zu verleihen, umfasst einen Permanentmagneten-Drehmotor, der dem drehbaren Element eine oszillierende Bewegung verleiht, wodurch ein oszillierendes Drehmoment an dem ersten Permanentmagneten erzeugt wird, das seinerseits eine axiale Hin- und Herbewegung in dem zweiten Permanentmagneten und somit dem verschiebbaren Element erzeugt.
  • Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein total künstliches Herz gemäß Anspruch 6. Bevorzugte Ausführungsformen sind der Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Kurzbeschreibung von Zeichnungen
  • Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, wird besonders hervorgehoben und deutlich in dem abschließenden Abschnitt der Beschreibung beansprucht. Die Erfindung kann jedoch sowohl hinsichtlich der Organisation als auch der Verfahren der Praxis zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen derselben am besten mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen zeigen:
  • 1 ein Aufriss eines total künstlichen Herzens (TAH) vom Cleveland-Klinik-Typ, um einen Aktuator in Übereinstimmung mit der Erfindung zu benutzen;
  • 2a und 2b Querschnittdarstellungen des TAH von 1, die entlang der Linie 2AB-2AB genommen sind, wobei in 2a der Aktuator Kraft an die linke Blutpumpe und in 2b Kraft an eine rechte Blutpumpe angelegt hat;
  • 3 ein Aufriss einer Ausführungsform einer Magnetkopplung zwischen einem drehbaren Element und einem verschiebbaren Element in Übereinstimmung mit der Erfindung;
  • 3a eine Teilquerschnittsansicht der Magnetelemente von 3, die entlang der Linie 3a-3a genommen ist;
  • 4 einen Aufriss der Magnetelemente von 3, wobei das drehbare Element verschoben wurde, wodurch eine Kraft an das verschiebbare Element angelegt wird;
  • 4a eine Teilquerschnittsansicht der Magnetelemente von 4, die entlang der Linie 4a-4a genommen ist;
  • 5 eine teilweise weggeschnittene, teilweise explodierte perspektivische Ansicht eines Drehmoment-Axialkraft-Energieumwandlungs-Aktuators in Übereinstimmung mit der Erfindung für ein TAH oder eine VAD;
  • 6 ein Aufriss des Drehmoment-Axialkraft-Energieumwandlungs-Aktuators von 5; und
  • 6a eine Teilquerschnittsansicht des Aktuators von 6, die entlang der Linie 6a-6a genommen ist.
  • Beste Betriebsart zum Ausführen der Erfindung
  • Konzeptionell ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Drehmoment-Axialkraft(oder Axialkraft-Drehmoment)-Energieumwandlungskopplung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung einer mechanischen Schraubenkopplung analog, wobei das mechanische Gewinde durch ein „magnetisches Gewinde" ersetzt wird, das weder Kontakt, Verschleiß noch Reibung zwischen den sich bewegenden Elementen der Magnetkopplung aufweist. Ein Beispiel dieser magnetischen Gewindekopplung wird beispielhaft in 3 und 3a dargestellt. Bei dem Aufriss von 3 sei angenommen, dass ein erstes Magnetelement 30 der Magnetkopplung eine zylindrische Struktur umfasst, in der ein zweites Magnetelement 32, ebenfalls eine zylindrische Struktur, liegt. Das erste Magnetelement 30 umfasst verschachtelte Magnetabschnitte oder genauer gesagt ein magnetisches Gewinde, das aus einem spiralförmig gewickelten Paar 31 von radial polarisierten Magneten entgegengesetzter Polarität besteht. Auf ähnliche Weise umfasst ein zweites Magnetelement 32 ein spiralförmig gewickeltes Paar 33 von radial polarisierten Magneten von entgegengesetzter Polarität.
  • Die äußeren Oberflächen des Magnetpaars 33 (d.h. die dem Magnetelement 30 gegenüberliegenden Oberflächen) definieren einen glatten Zylinder ohne ineinander greifende Kämme, während die inneren Oberflächen des Magnetpaars 33 (d.h. die von dem paarenden Magnetelement 30 wegliegenden Oberflächen) durch eine glatte zylindrische Struktur 36 unterstützt werden (3a), die aus Stahl oder einem anderen Fluss-tragenden Material hergestellt ist, das einen Flussrückkehrpfad definiert. Das Magnetelement 30 weist eine ähnliche Magnetstruktur auf und ist dimensioniert, sodass die ersten und zweiten Magnetelemente konzentrisch ineinander passen, ohne physikalischen Kontakt herzustellen. Die innere Oberfläche des Magnetelements 30 umfasst das spiralförmig gewickelte Paar 31 von radial polarisierten Magneten entgegengesetzter Polarität, während eine äußere Oberfläche desselben von einem rückwärtigen Eisen 34 umgeben wird (3a), um Magnetfluss zurückzugeben, wie in der in 3a gezeigten teilweisen Vergrößerung dargestellt ist.
  • Die Magnetpaare 31 und 33 der Magnetelemente 30 bzw. 32 neigen dazu, sich selbst auszurichten, sodass sich Magnetflüsse miteinander ausrichten. Eine ausgerichtete Magnetkopplung ist in 3 und 3a dargestellt. Wie am besten in der Vergrößerung von 3a gezeigt ist, alternieren die Polaritäten, wenn man sich an der Magnetkopplung nach unten bewegt. Wenn die beiden Elemente so ausgerichtet sind, existiert weder ein Drehmoment noch eine Axialkraft zwischen ihnen. Dies ist die Nullkraftposition oder die relative Position, zu der die Magnetkopplung zurückkehrt, wenn an keinem der beiden Elemente externe Kräfte wirken.
  • 4 stellt den Fall dar, in dem Magnetelemente 30 und 32 mit Bezug aufeinander in der Tangentialrichtung, z.B. durch das Drehelement 30, verschoben sind und eine relative Kraft zwischen den beiden Elementen erzeugt wird, die dazu neigt, sie zu der Nullposition zurückzuführen. Bei diesem Beispiel umfasst diese Kraft eine Axialkraft an dem Element 32 in der durch den Pfeil gezeigten Richtung. Diese Axialkraftkomponente der Magnetkopplung wird die Kraft umfassen, die ein Aktuator an eine der Blutpumpen anlegt. Die Tangentialkomponente der Axialkraft erzeugt das Drehmoment, das der Drehantriebsmotor überwinden muss, um die Magnetkopplung zu aktivieren.
  • Wie in 4 und 4a gezeigt ist, kann die Magnetkopplung entweder als eine Drehmoment-Axialkraft-Energieumwandlungskopplung oder eine Axialkraft-Drehmoment-Energieumwandlungskopplung dienen. Wann immer ein Drehmoment oder eine Kraft an ein Magnetelement der Kopplung angelegt wird, wird das andere Magnetelement reagieren, indem es versucht der Bewegung des Magnetelements zu folgen, an das das Drehmoment oder die Kraft angelegt ist.
  • Dies kann mit Bezug auf den vergrößerten Abschnitt von 4a verstanden werden, wobei beispielsweise die Anlegung eines Drehmoments an ein erstes Magnetelement 30 zu dem gezeigten Versatz zwischen den beiden Magnetelementen führt, sodass sich das zweite Magnetelement 32 drehen oder verschieben möchte, um sich mit dem ersten Magnetelement auszurichten. Somit wird durch Einschränken der Linearbewegung des ersten Magnetelements 30 und der Rotationsbewegung des zweiten Magnetelements 32 eine Drehmoment-Axialkraft-Energieumwandlungskopplung erreicht. Umgekehrt wird durch Einschränkung der Rotationsbewegung des Elements 30 und der Linearbewegung des Elements 32 dann eine Axialkraft-Drehmoment-Energieumwandlungskopplung erreicht, wobei angenommen wird, dass die Energie an das Magnetelement 30 angelegt wird.
  • Drei Parameter, die sich auf die Ausgestaltung der Magnetkopplung auswirken, sind ihr Durchmesser, ihre Beabstandung und ihr Spielraum zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Magnetelemente. Die Auswahl des zweiten Magnetelementdurchmessers basiert auf einem Kompromiss zwischen der Oberfläche des zweiten Magnetelements (und somit der maximalen Kraftbelastbarkeit) und, bei einer Aktuator-Ausgestaltung, dem Volumen, das für den Antriebsmotor und das lineare Lager verfügbar ist (nachstehend weiter erläutert). Ein Verringern der Magnetelementdurchmesser erhöht das für den Drehmotor und die Drehlager verfügbare Volumen. Die Auswahl der Magnetelement-Beabstandung basiert auf einem Kompromiss zwischen der Betätigungsdrehmoment des Drehmotors und der Motordrehgeschwindigkeit (und somit der Torsionsträgheits- und Kreisel-Effekte). Ein Erhöhen der Beabstandung erhöht das Motorbetätigungsdrehmoment und somit den Motorspulenverlust, verringert jedoch die maximale Motorgeschwindigkeit und somit die Torsionsträgheits- und Kreisel-Effekte. Die Auswahl des Spielraums zwischen dem ersten Magnetelement und dem zweiten Magnetelement basiert auf einem Kompromiss zwischen mechanischer Ausgestaltungsbetrachtungen (Herstellungs- und Zusammenbautoleranzen) und der Magnetkopplungskraftbelastbarkeit. Ein Verringern des Spielraums zwischen den sich paarenden Teilen erhöht die Kraftbelastbarkeit der Magnetkopplung, insbesondere bei niedrigen Werten der Beabstandung.
  • Ein bedeutender Vorteil der hier präsentierten Magnetkopplung ist wiederum eine vollständige Eliminierung von Verschleiß und Verlust von primären Ak tuator-Elementen. Verschleiß und Verlust existieren noch in sekundären Mechanismen, wie beispielsweise Dreh- und Axiallagern, die nachstehend erläutert sind. Diese Lager sind im Allgemeinen jedoch viel weniger belastet als die primären Mechanismen und können folglich für eine viel längere Lebensdauer ausgestaltet werden. Ausgestaltungsbetrachtungen beim Benutzen einer Magnetkopplung, wie hier präsentiert, umfassen die Krafterzeugungsfähigkeit und die relativ niedrige mechanische Steifigkeit zwischen den sich paarenden Magnetelementen. Diese beiden Überlegungen implizieren, dass die Magnetkopplung besonders gut für eine Ventrikel-Hilfsvorrichtung (VAD) oder einen Aktuator für ein total künstliches Herz (TAH) geeignet ist, da eine primäre Anforderung derselben eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit ist, und dass die Kraftanforderung innerhalb der Belastbarkeit der Magnetkopplung liegt, während eine Präzisionspositionierung nicht erforderlich ist. Tatsächlich ist die Befolgung in dem Aktuator tatsächlich wünschenswert.
  • 5, 6 und 6a stellen die Verwendung des Magnetkopplungskonzepts in einem allgemein mit 50 bezeichneten Aktuator dar, der für ein total künstliches Herz (TAH) vom Cleveland-Klinik-Typ ausgestaltet ist, wie in 1, 2 und 2a gezeigt ist. Wie am besten in 6 gezeigt ist, ist der Aktuator 50 geformt (und dimensioniert), um in das TAH vom Cleveland-Klinik-Typ zu passen, wie hier zusammengefasst und ausführlicher in dem anfangs referenzierten Artikel erläutert ist. Der Aktuator 50 hat in dem interventrikulären Raum in dem TAH zu liegen, wobei Kanäle 52 benachbart geflanschter Enden 53 definiert sind, die ausgestaltet sind, um durch O-Ringe hervorzustehen, die Öffnungen 19 in dem TAH umgeben, um den Aktuator an Ort und Stelle mit Bezug auf das TAH-Gehäuse zu halten. Ein Kolben 55 ist an dem sich linear bewegenden zweiten Magnetelement 32 der Magnetkopplung befestigt. Der Kolben 55 umfasst eine erste Öffnung 54 und eine zweite Öffnung 56, von denen jede dimensioniert ist, um einen jeweiligen Führungsstift 27 und 25 unterzubringen, die mit den Pusher-Plates gekoppelt sind. Mit der Orientierung des Aktuators 50, wie in 6 gezeigt ist, kann die Magnetkopplung benutzt werden, eine hin- und hergehende lineare Auf/Ab-Bewegung mit dem Kolben 55 zu erreichen, der abwechselnd gegen die erste Pusher-Plate 21' und die zweite Pusher-Plate 23' drückt (2a und 2b).
  • Hauptbestandteile des Aktuators 50 umfassen: die sich drehenden und verschiebenden Magnetelemente 30 bzw. 32 der Magnetkopplung; ein rotierendes Radial- und Drucklager 80 für das Drehelement 30; eine Axial- und Antirotations-Lagervorrichtung 90 zum Verschieben des Magnetelements 32; einen bürstenloser Permanentmagnetenantriebsmotor 100 zum Anlegen eines Drehmoments an das sich drehende Magnetelement 30; ein Aktuator-Gehäuse 51; und eine dünne Druckbehälterwand 70 zwischen dem sich drehenden Element 30 und dem sich verschiebenden Element 32, das eine hermetische Abdichtung des Drehantriebssystems erlaubt. Die sich drehenden und verschiebenden Magnetelemente der Magnetkopplung werden oben zusammengefasst, während die verbleibenden Komponenten des Aktuators nachstehend ausführlicher erläutert werden.
  • Eine Axial- und Antirotations-Lagervorrichtung 90 ist ein bedeutendes Bauteil der Aktuator-Ausgestaltung. Eine Hauptanforderung für das Lager 90 ist eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit in einer nicht geschmierten Umgebung mit niedriger Temperatur und hoher Feuchtigkeit. Ein Schlüssel, um diese Ausgestaltungsanforderung zu erreichen, besteht in einer niedrigen Lagerlast und Geschwindigkeit und geeigneter Auswahl von Lagermaterialien, die von einem Fachmann durchgeführt werden kann. Die Lasten an den Axiallagern 62 und Antirotations-Lagern 63 können in primäre Lasten und sekundäre Lasten aufgeteilt werden. Primäre Lasten sind diejenigen Lasten, die durch die fundamentalen Krafterzeugungsprozesse bestimmt werden. Diese Lasten können durch Variieren der Ausgestaltungsparameter des Aktuators 50 gesteuert werden. Ein Beispiel einer primären Last ist die Drehmomentlast an den Antirotations-Lagern 63 zwischen dem sich verschiebenden Element 32 und einem unbeweglichen Arm 64, der mechanisch mit dem Gehäuse 51 gekoppelt ist. Der Arm 64 ist mit einem Dorn 60 verbunden, um eine Translation des Elements 32 zu ermöglichen, während eine Rotation desselben verhindert wird. Dies ist möglich, da, wie gezeigt, das Element 32 länglich mit einem C-förmigen transversalen Querschnitt ist, und der Arm 64 von der Öffnung in dem C-förmigen Querschnitt abhängt, um mit dem Dorn 64 verbunden zu werden. Das Verhältnis des Drehmoments zu der Axialkraft wird lediglich durch den Abstand des Magnetelements bestimmt. Zusätzlich zu der primären Last ist das lineare Lager 90 ebenfalls sekundären Lasten unterworfen. Eine sekundäre Last ist eine Last, die nicht aus dem fundamentalen Krafterzeugungsprozess sondern vielmehr aus Ungenauigkeiten bei der Herstellung oder beim Zusammenbau oder als ein Ergebnis absichtlicher Fehlausrichtung oder Systemkomponenten entsteht. Eine zweite sekundäre Last, die bei dem linea ren Lager aufgetreten ist, ist der magnetische Seitenzug zwischen den sich paarenden Magnetelementen der Magnetkopplung. Bei dieser Ausführungsform sind die linearen und Antirotations-Lager wiederum ausgestaltet, um dem zweiten Magnetelement 32 nur eine Translationsbewegung zu ermöglichen, um sich in der interventrikulären Kammer des TAH 10 hin und her zu bewegen, um abwechselnd Druck auf die Pusher-Plates 21' und 23' auszuüben (2a und 2b).
  • Wenn mit der Beschreibung von der Mitte nach außen fortgefahren wird, ist ersichtlich, dass eine dünne Druckbehälterwand 70, die am besten in der Vergrößerung von 6 gezeigt ist, die inneren und äußeren Baugruppen des Aktuators 50 isoliert. Die beiden Magnetelemente 30 und 32 sind ausgestaltet, um von der Wand 70 beabstandet zu sein, um ihre Strukturintegrität nicht zu beeinträchtigen. Wie bemerkt, ermöglicht die Wand 70, dass die äußeren Baugruppen von den inneren Baugruppen isoliert sind, sodass nur die innere Baugruppe der interventrikulären Umgebung des TAH ausgesetzt sein muss. Dies ermöglicht, dass Schmierung zu den äußeren Baugruppen, einschließlich dem ersten Magnetelement 30, dem drehbaren Radial- und Drucklager 80 und dem Drehantriebsmotor ungeachtet dessen hinzugefügt wird, dass die Wand 70 nur 5–10 mil dick sein kann.
  • Das sich drehende Magnetelement 30 und das rückwärtige Eisen 34 werden zusammen mit dem Drehmotor 100 durch Radiallager 80 getragen. Die Radiallager 80 dienen ebenfalls dazu, die Axialdrucklast an dem sich drehenden Element 30 zu absorbieren. Die primäre Last an dem Lager ist der Axialdruck, und eine Schlüsselanforderung für das Radiallager besteht darin, diese Last für die erforderliche Aktuator-Lebensdauer und mit dem erforderlichen Niveau von Aktuator-Zuverlässigkeit zu tragen. Die Auswahl des Radiallagers basiert auf einem Kompromiss zwischen Lagerlebensdauer und Zuverlässigkeit und dem für den Motor verfügbaren Volumenraum. Ein Reduzieren der Lagergröße verringert die Lagerzuverlässigkeit für eine vorgegebene Lebensdauer, wobei jedoch das Motorvolumen vergrößert und die Motorauswahlaufgabe vereinfacht wird.
  • Um es erneut zu formulieren, umfasst die Erfindung im Allgemeinen eine Drehmoment-Axialkraft (oder Axialkraft-Drehmoment)-Energieumwandlungsvorrichtung, wobei eine bedeutende Anwendung derselben einen Aktuator für ein total künstliches Herz (TAH) oder für eine Ventrikel-Hilfsvorrichtung (VAD) umfasst. Ein Aktuator in Übereinstimmung mit dieser Erfindung benutzt eine Magnetkopplung, die Kontakt, Verschleiß und Reibung zwischen den Hauptbewegungselementen des Aktuators vollständig eliminiert. Die Magnetkopplung, die aus einem wendelförmig gewickelten Paar von radial polarisierten Magneten entgegengesetzter Polarität besteht, findet durch eine dünne Isolationswand statt, die ermöglicht, dass bedeutende Lagerbauteile und ihre Schmiermittel abgedichtet werden können. Diese Bauteile werden somit zusammen mit dem Antriebsmotor ebenfalls von dem feuchten Zwischenpumpenraum isoliert. Vom neuen Aktuator wird erwartet, dass er eine viel längere Lebensdauer, eine niedrigere Wärmeerzeugung und erhöhte Zuverlässigkeit verglichen mit existierenden Systemen bereitstellt. Kombiniert mit einem neuen elektrischen Motor, der Nutzen aus dem neuesten Magnetmaterialien und Ausgestaltungs-Technologie zieht, wird der Aktuator kompakter als gegenwärtige elektromechanische Aktuatoren sein, wobei eine verbesserte anatomische Passung bereitgestellt wird.

Claims (11)

  1. Aktuatorvorrichtung für eine Ventrikel-Unterstützungsvorrichtung (VAD) oder ein total künstliches Herz (TAH), wobei die Aktuatorvorrichtung umfasst: ein drehbares Element (30) und ein verschiebbares Element (32); Antriebsmittel (100), um dem drehbaren Element Drehmoment zu verleihen; und eine magnetische Kopplung zum Umwandeln des Drehmoments des drehbaren Elements in eine Axialkraft an dem verschiebbaren Element, wobei sich das verschiebbare Element innerhalb der Aktuatorvorrichtung hin und her bewegt und die magnetische Kopplung einen ersten Permanentmagneten, der einen Teil (31) des drehbaren Elements umfasst, und einen zweiten Permanentmagneten, der einen Teil (33) des verschiebbaren Elements umfasst, umfasst, wobei der erste Permanentmagnet (31) verschachtelte wendelförmige Magnetabschnitte alternierender Polaritäten und der zweite Permanentmagnet (33) verschachtelte wendelförmige Magnetabschnitte alternierender Polaritäten umfasst.
  2. Aktuatorvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das verschiebbare Element (31) mindestens teilweise in dem drehbaren Element (30) liegt und die Aktuatorvorrichtung Antirotationsmittel (90) zum Verhindern der Rotation des verschiebbaren Elements umfasst, während dessen axiale Bewegung zugelassen wird, wobei das Drehmoment des ersten Permanentmagneten (31) in eine axiale Bewegung des zweiten Permanentmagneten (33) und somit des verschiebbaren Elementn (32) umgewandelt wird, wobei die axiale Bewegung benutzt wird, um eine Ventrikelmembran der Ventrikel-Unterstützungsvorrichtung oder des total künstlichen Herzens zu betätigen.
  3. Aktuatorvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Aktuatorvorrichtung ausgestaltet ist, um interventrikulär in einem total künstlichen Herzens zu liegen, das eine erste Membran (21) an einem ersten Ventrikel (20) und eine zweite Membran (23) an einem zweiten Ventrikel (22) aufweist, und wobei das Antriebsmittel (100), um dem drehbaren Element (30) Drehmoment zu verleihen, einen Permanentmagneten-Drehmotor umfasst, der dem drehbaren Element eine Pendelbewegung verleiht, die ein schwingendes Drehmoment an dem ersten Permanentmagneten erzeugt, das seinerseits eine axiale Hin- und Herbewegung in dem zweiten Permanentmagneten (33) und folglich in dem verschiebbaren Element (32) erzeugt, wobei die axiale Hin- und Herbewegung benutzt wird, um die erste Membran des ersten Ventrikels und die zweite Membran des zweiten Ventrikels alternierend zu betätigen.
  4. Aktuatorvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das drehbare Element (30) und das verschiebbare Element (32) durch eine Isolierwand (70) getrennt sind, wobei die Isolierwand die Schmierung des drehbaren Elements ermöglicht.
  5. Aktuatorvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der das verschiebbare Element (32) ein längliches Element mit einem C-förmigen transversalen Querschnitt umfasst, wobei sich das verschiebbare Element bezogen auf und getrennt von einem Dorn (60) bewegt, wobei das verschiebbare Element und der Dorn durch Axiallager (90) getrennt sind, und wobei das Antirotationsmittel (90) einen Arm (64) umfasst, der sich in das verschiebbare Element mit dem C-förmigen transversalen Querschnitt erstreckt, wobei das verschiebbare Element und der Arm durch Antirotationslager (63) getrennt sind.
  6. Total künstliches Herz (TAH) mit: einem Gehäuse (18) mit einem ersten Ventrikel (20) und einem zweiten Ventrikel (22); einer ersten Membran (21), die mit dem ersten Ventrikel zum Pumpen von Blut daraus gekoppelt ist, wenn sie zu dem Gehäuse hin betätigt wird, und einer zweiten Membran (23), die mit dem zweiten Ventrikel gekoppelt ist, um Blut daraus zu pumpen, wenn sie zu dem Gehäuse hin betätigt wird; und einer Aktuatorvorrichtung (50) gemäß Anspruch 1 zum Betätigen mindestens einer Membran von der ersten Membran und der zweiten Membran, wobei die axiale Kraft an dem verschiebbaren Element (32) des Aktuators (50) benutzt wird, um mindestens eine Membran von der ersten Membran und der zweiten Membran zu betätigen, wobei sich das verschiebbare Element zwischen der ersten Membran (21) und der zweiten Membran (22) hin und her bewegt.
  7. Total künstliches Herz (TAH) gemäß Anspruch 6, bei dem der erste Permanentmagnet (31) verschachtelte wendelförmige Magnetabschnitte alternierender Polaritäten umfasst, die einen Teil des drehbaren Elements (30) umfassen, und der zweite Permanentmagnet (33) verschachtelte wendelförmige Magnetabschnitte alternierender Polaritäten umfasst, die einen Teil des verschiebbaren Elements (32) umfassen.
  8. Total künstliches Herz (TAH) gemäß Anspruch 7, bei dem der Aktuator (50) alternierend die erste Membran (21) und die zweite Membran (23) betätigt, und wobei der Aktuator einen Kolben (55) aufweist, der an dem verschiebbaren Element (32) befestigt ist, wobei der Kolben (55) eine erste Öffnung (54) zum Unterbringen eines ersten Führungsstifts (25), der mit der ersten Membran gekoppelt ist, und eine zweite Öffnung (56) zum Unterbringen eines zweiten Führungsstifts (27), der mit der zweiten Membran gekoppelt ist, aufweist, wobei der mit der ersten Membran gekoppelte erste Führungsstift und der mit der zweiten Membran gekoppelte zweite Führungsstift jeweils frei sind, in dem Kolben zu schweben, wenn sie nicht durch den Aktuator gegen den ersten Ventrikel bzw. den zweiten Ventrikel gezwungen werden, sodass ermöglicht wird, wenn der Aktuator Blut pumpt, dass sich der erste Ventrikel und der zweite Ventrikel abwechselnd ohne Einfluss des Aktuators füllen können.
  9. Total künstliches Herz (TAH) gemäß Anspruch 7, bei dem die verschachtelten wendelförmigen Magnetabschnitte alternierender Polaritäten des ersten Permanentmagneten (31) ein spiralförmiges gewickeltes Paar radial polarisierter Permanentmagneten entgegengesetzter Polarität umfassen, und wobei die verschachtelten wendelförmigen Magnetabschnitte alternierender Polaritäten des zweiten Permanentmagneten (35) ein spiralförmig gewickeltes Paar radial polarisierter Permanentmagneten entgegengesetzter Polarität umfassen.
  10. Total künstliches Herz (TAH) gemäß Anspruch 7, bei dem das verschiebbare Element (32) mindestens teilweise in dem drehbaren Element (30) liegt und der Aktuator (50) eine Antirotationsvorrichtung (90) aufweist, um die Drehung des verschiebbaren Elements zu verhindern, während dessen axiale Bewegung für die Hin- und Herbewegung des verschiebbaren Elements zwischen der ersten Membran (21) und der zweiten Membran (23) zugelassen wird, wobei das Drehmoment des ersten Permanentmagneten (31) in axiale Bewegung des zweiten Permanentmagneten (33) und somit des verschiebbaren Elements umgewandelt wird.
  11. Total künstliches Herz (TAH) gemäß Anspruch 7, bei dem das drehbare Element (30) und das verschiebbare Element (32) jeweils zylindrisch geformt sind und das verschiebbare Element mindestens teilweise in dem drehbaren Element liegt, wobei das drehbare Element und das verschiebbare Element durch eine Isolierwand (70) getrennt sind, wobei weder das drehbare Element noch das verschiebbare Element die Isolierwand kontaktieren, wobei die Isolierwand die Schmierung von nur einem von dem drehbaren Element und dem verschiebbaren Element ermöglicht.
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