NL9001953A - Optische bloed-debietmeter voor kunsthartsystemen. - Google Patents

Description

OPTISCHE BLOED-DEBIETMETER VOOR KUNSTHARTSYSTEMEN Beschrijving.

De uitvinding betreft een techniek en een instrument voor het meten van het bloed-volumedebiet in kunstharten ("heart assist devices"), verder "systemen" genoemd. Normaliter bestaan deze systemen uit een of meerdere min of meer bolvormige vaten (fig. 1), elk verdeeld in twee ongeveer gelijke delen (kamers), waarvan één deel gevuld is met het te verpompen bloed en het andere deel met perslucht, en waarin de scheiding tussen de twee delen bestaat uit een flexibel membraan, dat in staat is om te bewegen van de ene wand (in het bloed-deel) naar de andere (in het lucht-deel), indien onderworpen aan een geschikt variërende persluchtdruk, en waaraan twee éénrichtingskleppen bevestigd zijn, één voor de inlaat van bloed (meer algemeen: vloeistof) en de andere voor de uitlaat. Het onderhavige instrument bestaat uit een optisch systeem voor de meting van de positie van het membraan gedurende de boven beschreven pompwerking, waarbij gebruik wordt gemaakt van de verstrooiing en/of reflectie van licht door het membraan en het volume bloed, door het lucht-deel van het kunsthart heen, samen met de desbetreffende electronische signaalverwerking en de analyserende computersoftware. Het licht wordt verschaft door kleine lichtbronnen (diodelasers of LED’s) en gedetecteerd door kleine fotodiodes, beide bevestigd aan de buiten- of binnenkant van de wand vein het lucht-deel van het kunsthart.

Het is bij kunstharten, of meer algemeen hart-assistentie systemen ("heart assist devices") noodzakelijk informatie te verkrijgen over het bloed-debiet als functie van de tijd, teneinde in staat te zijn de werking van het systeem te regelen en de bloedtoevoer naar de patient te controleren. Aangezien voor de regeling een methode moet worden gebruikt die volledig onafhankelijk werkt van de methode die voor het pompen wordt gebruikt, en vermits bij de systemen als boven beschreven perslucht (of een ander gas) wordt gebruikt om de pompwerking te bewerkstelligen door middel van de beweging van het membraan, kunnen de thermodynamische grootheden van het gas niet voor dit doel worden gebruikt. Er moet een andere, onafhankelijke methode worden toegepast. Bovendien, de methode moet zodanig onafhankelijk zijn dat de pompwerking op geen enkele wijze beïnvloed of verstoord wordt. Er mag geen contact met het bloed optreden. Daarom zijn alleen die methoden toepasbaar die in staat zijn het debiet te meten vanaf de buitenzijde van het kunsthart, door de wanden heen, door middel van het meten vein de positie van het pompende membraan als een functie van de tijd. Uit de verkregen gegevens en met kennis van de relevante apparaatconstanten (zoals de afmetingen van het membraan en van de twee delen van het systeem) kan het bloeddebiet worden afgeleid, als een functie van de tijd.

Een geschikte manier om informatie te verkrijgen over de positie van het membraan bestaat uit het gebruik van licht, geprojecteerd in het kunsthartsysteem door de (transparante) wand van het lucht-deel heen, verstrooid of gereflecteerd aan het membraan of het bloed onmiddellijk achter het membraan, terugwaarts door de genoemde wand naar lichtdetectoren, geplaatst op geschikte posities voor het opvangen van het verstrooide licht. Deze methode is nog niet in de literatuur gepubliceerd. Een bij dergelijke kunsthartsystemen vaak optredend probleem is de tamelijk onvoorspelbare en in-de-tijd variërende manier (met opzet, om barsten door materiaalmoeheid te voorkomen) van buiging van het membraan, op weg tussen de uiterste standen aan de twee wanden van het systeem. Daarom is het niet genoeg om de positie van één punt van het membraan alleen te meten. Het onderhavige instrument maakt dan ook gebruik van meerdere lichtbronnen (halfgeleiderlasers of LED’s), bevestigd in een symmetrische opstelling (symmetrisch met betrekking tot de cilindrische symmetrieas van het kunsthartsysteem) aan de buitenkant van de wand van het systeem, en van meerdere fotodetectoren (bijvoorbeeld diodes), volgens dezelfde symmetrie bevestigd (fig.2). De intensiteit van het licht dat op de detectoren valt is een functie van de afstand tussen de lichtbronnen en het membraan enerzijds en van de afstand tussen het membraan en de detectoren anderzijds. Het fun c ti e verband wordt beschreven door de fysische wetten van verstrooiing en reflectie van licht. Uit deze relatie tussen de intensiteit en de genoemde afstanden kan de positie van het membraan worden bepaald, hetzij globaal (ofwel gemiddeld over het oppervlak), hetzij lokaal (onder gebuik van een twee-dimensionale numerieke benaderende beschrijving van het membraanoppervlak door gebruikmaking van de gemeten punten en van de vaste membraanomtrek), als een functie van de tijd, door middel van een snel algoritme. Deze opzet leidt tot bevredigende resultaten, zoals te zien is in fig 3, waarin het gemiddelde detectorsignaal (verkregen door samenvoegen van de signalen van de fotodiodes) dat de positie van het membraan aangeeft, is uitgezet als functie van de tijd enerzijds (fig.3A), en tegen het volume van het bloed-deel van het systeem (gemeten in-vitro via een volumetrische methode) anderzijds (fig.3B).

Voor een geschikte en energetisch efficiënte werking van een kunsthartsysteem is het nodig om de hoeveelheid energie, benodigd voor de pompwerking, te minimaliseren. Aangezien de energie wordt toegevoerd via perslucht, moeten de werkingstijd ("duty cycle") van de luchttoevoer en de hoeveelheid lucht worden geregeld, als functie van de tijd. Deze regelfunctie kan door middel van het onderhavige instrument worden uitgevoerd, omdat de detectie en de signaalverwerkingselectronica snel genoeg kunnen worden uitgevoerd (door gebruik van snelle data-acquisitie-electronlca met een personal computer, of door middel van "stand-alone hardware-based dedicated processing electronics") om de positie van het membraan, en van een voldoende aantal punten op het membraan, te kunnen volgen als functie van de tijd met voldoende tijdresolutie. Daardoor kunnen de tijdstippen waarop het membraan de uiterste standen aan de twee wanden zal bereiken (aan de lucht-zijde en aan de bloed-zijde), welke tijdstippen worden gebruikt als regelpunten voor de toevoer van perslucht, gemakkelijk worden bepaald, door het aanbrengen van geschikte "vensters" over de resulterende signaalniveaus.

Het ruimtelijke oplossend vermogen van het licht, geprojecteerd op het membraan en teruggeleid naar de diodes, kan worden verbeterd, indien dat noodzakelijk wordt geacht, door collimatie van het licht uitgezonden door de bronnen en/of van het licht op weg naar de detectoren. In de huidige opzet bleek dit voor het verkrijgen van een signaal dat de gemiddelde positie van het membraan aangeeft niet noodzakelijk.

Claims (10)

1. Een instrument voor het meten van de positie van het membraan in kunsthartsystemen (heart assist devices; verder "systemen" genoemd) van het type (fig.l) bestaande uit een bijna bolvormig vat, door een flexibel membraan in twee ongeveer gelijke delen verdeeld, waarin één deel gevuld is met het te verpompen bloed en het andere deel met perslucht om het membraan te verplaatsen, waaraan twee inrichtingskleppen zijn bevestigd, één voor de inlaat van bloed en één voor de uitlaat, en waarin de pompwerking wordt verkregen door het membraan te verplaatsen van de ene uiterste positie (aan of bij de wand van het lucht-deel van het systeem) naar de andere (aan of bij de wand van het bloed-deel), door middel van een geschikt variërende luchtdruk, welk instrument gebruik maakt van de hoeveelheid licht, uitgezonden door één of meerdere kleine lichtbronnen bevestigd aan de buitenzijde van de (transparante) wand van het lucht-deel van het systeem, terugwaarts verstrooid of gereflecteerd door het membraan of het bloed onmiddellijk achter het membraan en gedetecteerd door één of meerdere fotodetectoren (zoals fotodiodes), geplaatst aan de buitenzijde van genoemde wand van het systeem, teneinde de afstand van het membraan tot deze buitenwand te bepalen, om daaruit de stand van het membraan te bepalen en daaruit het volume van het bloed-deel van het systeem als functie van de tijd en daaruit het bloeddebiet van het systeem (fig.2).

2. Een instrument als beschreven in conclusie 1, met de karakteristiek dat als lichtbronnen kleine halfgeleiderlasers of LED’s (light emitting diodes) worden gebruikt, uitgerust met collimatoren indien noodzakelijk om voldoende ruimtelijk oplossend vermogen te verkrijgen, en geplaatst aan de buitenwand van het lucht-deel van het systeem (aan de binnen- of de buitenzijde) in een symmetrische (met betrekking tot de cilindrische symmetrieas van het systeem) of elke andere opstelling geschikt om informatie te verschaffen door middel van lichtverstrooiing of -reflectie zoals beschreven in conclusie 1 over de gemiddelde en over de lokale (ruimtelijk opgeloste) positie van het membraan en de buigingskarakteristieken ervan.

3. Een instrument als beschreven in de conclusies 1 en 2, waarin voor de detectie van het licht één of meerdere kleine fotodiodes worden gebruikt, vast bevestigd aan de buitenwand van het systeem, op dezelfde wijze als beschreven in conclusie 2 voor de lichtbronnen.

4. Een instrument als in conclusies 1 t/m 3, waarin alle lichtbronnen samen een zodanige lichtintensiteit op het membraan veroorzaken dat de intensiteit van het licht dat de fotodetectoren bereikt volgens een éénduidig verband, hetzij omgekeerd lineair, hetzij omgekeerd kwadratisch, hetzij met een mengvorm van deze verbanden (alle afhankelijk van de verstrooiings- en reflectieeigenschappen van het membraan en het achterliggende bloed, en theoretisch of experimenteel via calibratie te bepalen) afhangt van de afstand van het membraan tot de detector(en), voor de specifieke positie op het membraan die door de detectoren elk apart wordt "gezien".

5. Een instrument als in conclusies 1 t/m 3, waarin de lichtbronnen elk lichtbundels produceren, ruimtelijk voldoende gescheiden om het membraan elk op een verschillende positie te verlichten, waardoor de intensiteit van het licht dat de fotodetector(en) binnentreedt volgens een éénduidig theoretisch (als in conclusie 4 vermeld) of experimenteel (met behulp van een geschikte volumetrische calibratiemethode) te bepalen relatie is gerelateerd aan de afstand bron-membraan, en volgens een analoge relatie is gerelateerd aan de afstand membraan-detector (afhankelijk van de in conclusie 4 genoemde eigenschappen van het membraan).

6. Een instrument als in conclusies 1 t/m 5, waarin één lichtbron, bevestigd aan de buitenwand op een positie op de genoemde symmetrie a s, wordt gebruikt, samen met een ring van fotodetectoren, eveneens bevestigd aan deze buitenwand.

7. Een instrument als in conclusies 1 t/m 5, waarin een ring van lichtbronnen tegelijk met één fotodetector, symmetrisch geplaatst, worden gebruikt, op dezelfde wijze bevestigd als in conclusie 6 vermeld.

8. Het gebruik van snelle analoog/digitaal conversie (hardware en software), teneinde van elke detector apart (in de tijd) of samengevoegd, en met elke lichtbron apart (gescheiden in de tijd) of alle tegelijk, een signaal evenredig met de gedetecteerde lichtintensiteit te verkrijgen, waaruit numeriek de positie van het membraan, ruimtelijk opgelost of gemiddeld, kan worden bepaald, gebruik makend van de relaties genoemd in de conclusies 4 en 5, waaruit het volume van het bloed-deel van het systeem kan worden bepaald als functie van de tijd, waarmee het volumedebiet kan worden bepaald.

9. Het gebruik van een electronische stuureenheid bij het instrument beschreven in conclusies 1 t/m 8, waarin elke lichtbron apart en gescheiden in de tijd (gepulst) wordt gevoed, en waarbij elke fotodetector achtereenvolgens wordt "uitgelezen", waardoor een periodieke reeks in de tijd gescheiden signalen ontstaat, waarvan het aantal gelijk is aan het aantal bronnen maal het aantal detectoren, zodat achtereenvolgens elke detector achtereenvolgens van elke bron licht ontvangt, of omgekeerd, waardoor een optimaal ruimtelijk beeld kan worden verkregen, en waardoor een eventueel hinderlijke warmteontwikkeling in en om de lichtbronnen kan worden verminderd.

10. Het gebruik van in de tijd variërende voedingssignalen voor de bronnen, en van detectieapparatuur die met dezelfde frequentie en in fase wordt gestuurd, teneinde fasegevoelige detectie toe te kunnen passen in het instrument genoemd in conclusies 1 t/m 9, waardoor de gevoeligheid van het instrument kan worden vergroot.