NO128846B - - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en peristaltisk arbeidende pumpe med regulerbart innsugningstrykk, spesielt anvendbart for uttapning av blod på en pasient til en sirkulasjonsanordning plassert utenfor kroppen.

Det er kjent å anvende peristaltisk arbeidende pumper

i sirkulasjonsanordninger utenfor kroppen på grunn av deres enkelhet i funksjon og det faktum, at de e'liminerer enhver kontakt av blodet med friksjonsoverflater som kan forårsake diverse ulykker. De har likevel en alvorlig ulempe som er spesielle for alle fortrengningspumper, nemlig at deres avgivende strøm er en funksjon av deres turtall.

Da en slik pumpe er forbundet med en vene og drives av en motor med konstant hastighet, oppsuger den følgelig blodet i en mengde som er praktisk talt konstant, mens venen tilføres blod i en ukjent mengde pr. tidsenhet. (Denne ukjente mengde avhenger nærmere bestemt av kroppens stilling, det arterielle blodtrykk og det gjennomsnittlige venøse blodtrykk). Om strømmen i venen synker under pumpens kapasitet tømmes venen etter hånden for blod og synker sammen. I verste tilfelle kan avtapningsnålen komme til å skade karveggen.

Man har derfor foreslått reguleringsanordninger, som tilpasser pumpens turtall enten etter det trykkfall som skapes ved pumpens sugeside eller etter nivået for blodet i et kar plassert mellom pasienten og pumpen. Disse anordninger ér følsomme og upå-litelige og har ikke funnet noen større anvendelse.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en peristaltisk arbeidende pumpe, hvis kapasitet er regulerbar avhengig av den tilførte væskes trykk uten endring av pumpens turtall. Pumpen i henhold til oppfinnelsen er karakterisert ved at det elastiske rør som er utsatt for påvirkning av utdrivningsorgan i form av ruller eller lignende, som er virksomme i strømningsretningen har en slik valgt elastisitet at dets fri tverrsnittsareal mellom to på hverandre følgende ruller minsker kontinuerlig ved bøyning av rørveggen, nemlig fra hovedsakelig sirkulær form til hovedsakelig flat form med en bestemt minimumsverdi større enn 0, avhengig av en minskning av trykket i det elastiske rør i pumpen fra en øvre til en nedre forutbestemt grenseverdi.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor figur 1 viser en pumpe ifølge oppfinnelsen an-ordnet mellom en pasient og en bloddialysator, figur 2 viser hvorledes rørseksjonen deformerer seg som en funksjon av forskjellen i innsugningstrykket, figur 3 viser forholdet mellom formen og overflaten av rørets tverrsnitt og figurene 4 og 5 viser karakteristika ved en pumpe ifølge oppfinnelsen.

På fig. 1 på tegningen vises en peristaltisk pumpe 1 ifølge oppfinnelsen, innkoplet mellom en pasient og en behandlings-anordning for denne, eksempelvis et dialyseapparat. Pumpen 1 om-fatter et "peristaltisk" pumperør 2,'utsatt for trykkpåvirkning fra i dette tilfelle tre trykkruller 3, og en innsugningsledning 4 fra pasienten og et utløp 5-

Ved den vanligste anvendelse arbeider pumpen i friluft og trykkforskjellene stammer utelukkende fra variasjoner i det indre trykk. Allikevel er det ikke utelukket å anordne pumpen inns i et hylster med regulerbart trykk, idet trykkforskjellen som da oppstår enten bare har variasjoner i trykket innenfor hylsteret eller variasjoner i såvel det ytre som det indre trykk på røret.

Ved det mest vanlige forekommende tilfelle er likeledes det indre trykk i innsugningsrøret mindre enn det ytre trykk og røret er sylindrisk i hviletilstand. Under disse forhold eksisterer et intervall av trykkforskjeller (såkalte reguleringsintervall), hvori rørets indre eller frie tverrsnitt etter hånden går over fra sirkel-form til etterhvert flatere elipseform. Figur 3 viser hvorledes overflaten S av en elipse varierer ved konstant omkrets, som funksjon av dets lille aksels A lengde i forhold til storakselen. Grense-verdien S = 100% og A = 1 stemmer overens med en sirkel. Et rørs frie tverrsnitt følger omtrent denne funksjon, hvorfra det allikevel avviker ved vesentlige tilflatninger. Røret inntar i såfall en form som kan lignes med et 8-tall eller en manual, idet det gjenstår to strupede passasjer på hver sin side av en midtdel hvor veggene be-rører hverandre. De gjenstående passasjer er meget mindre følsomme for trykkvariasjoner enn det opprinnelige rør og man har vist med stiplede linjer hvorledes rørets frie tverrsnitt i virkeligheten varierer i området for maksimal tilflatning.

Røret kan likeledes være fremstillet med et eliptisk eller spoleformet tverrsnitt i hviletilstand. I dette tilfelle kan det frie tverrsnitt variere såvel under innvirkning av et indre undertrykk som under innvirkning av et indre overtrykk.

I begge disse tilfeller muliggjøres de fri seksjoners variasjoner av en bøyning av rørveggen. Det. frie tverrsnitt kan likeledes varieres ved elastisk tøyning av veggen i omkretsretning idet røret øker i diameter under det indre trykkets virkning. En slik utvidning krever imidlertid meget høyere trykkforskjeller og inntreffer ikke i tilfellet med bøyelige, men ikke tøybare rør. Man foretrekker følgelig de pumper, hvis rør endrer tverrsnittsareal ved bøyning av veggen da dette muliggjør betydelig variasjon av strømmen ved en ubetydelig variasjon i trykket i motsetning til det som skulle være tiliellet med en forandring av tverrsnittet gjennom tøyning.

Det er klart at rørets tilflatning bør skje suksessivt og at kurven for trykket som funksjon av tilflatningen ikke får ha en derivert = 0 eller være dobbel (ha en hysterese) for dette skulle medføre at man får to rørtverrsnitt med to forskjellige strømmer for ett og samme trykk, hvilket tydelig er uforenlig med et regulerings-system.

Disse rørs påvirkningssone varierer som en funksjon av kjente parametre (den indre diameter, veggens tykkelse, elastisitets-modulen) og det er altså lett å bestemme det rør som passer for en bestemt anvendelse, enten ved empirisk forsøk eller ved beregninger. Man kan kaLibrere en gang for alle en rørserie ved å måle rørets tilflatning for forskjellige sugehøyder. Figur 2 viser kalibreringen av tre rør av silikonelastomer med indre- og ytrediameter resp. 9/12, 10/12,6 og 12/1*1 mm. Ordinatene viser rørets tykkelse (ytre lilleaksel) og absissene det indre undertrykk, uttrykt som trykket av innsuget vann, alt i mm. Den med stiplet linje viste forgren-ingen av kurven tilsvarer dannelsen av et tverrsnitt i form av et 8-tall, idet rørets motsatte vegger berører hverandre i midten (det dreier seg ikke om en fordobling, som er spesiell for hysterese).

Med kjennskap til den ønskede middelstrøm hos pumpen

er det lett å velge et rørtverrsnitt som passer til pumpens mekaniske karakteristikk (pulseringsfrekvens og avstand mellom to sammenklem-ningspumper). Man velger altså selve røret som en funksjon av regu-leringsintervallet eller omvendt. Figur 4 viser hvorledes en pumpes maksimumkapasitet varierer ved et bestemt turtall som en funksjon av utmatningstrykket ved forskjellig undertrykk i innsugningsrøret og begge uttrykt i mm. For et gitt utmatningstrykk og et gitt turtall kan man altså regulere den gjennomsnittlige strøm ved enkel endring av pumpens høyde i det formål å plassere det peristaltiske rør i på-virkningssonens mellomste del.

Det peristaltiske rørs indre trykk ved pumpens innløp er summen av tre trykk: Trykket på væsken som pumpes (målt ved avtapningsstedet på pasienten) ,

barometrisk høyde mellom pumpen og en pumpet væske, trykktap ved pumpens sugeside (spesielt ved faste eller regulerbare strupninger som avtapningsnåler, klemmer eller ventiler).

Da det indre trykk befinner seg innen reguleringsinter-vallet fremtrer hver trykkvariasjon hos den pumpede væske i form av en variasjon av trykket i det peristaltiske rør, som fremkaller en endring av rørets tverrsnitt og pumpens strøm. Det skjer altså en krevet og nødvendig selvregulering av strømmen for å opprettholde et nesten konstant trykk på pumpens sugeside.

Denne regulering er ikke helt nøyaktig (som i hver servomekanisme), men er tilstrekkelig i de fleste tilfeller. Det 'skal imidlertid fremholdes at strømningstapene på pumpens sugeside for en bestemt væske og et bestemt ledningssystem varierer som en funksjon av den pumpede mengde. Reguleringen av den pumpede mengde blir følgelig bedre jo mindre strømningstapene og trykkvariasjonene er.

Pumpene ifølge oppfinnelsen egner seg spesielt som pumper som er regulerbare avhengig av pumpens nivå, fordi en økning eller senkning av den pumpede væskes nivå forårsaker en økning resp. minskning av pumpens utmatede strøm. De egner seg likeledes godt ved ekstern blodsirkulasjon (f.eks. for bloddialyse) og meget spesielt i forbindelse med en vene matet via en arteriovenøs fistel.

Man vet nemlig at det gjennomsnittlige trykk i venen ved avtapnings-nålens innløp kan variere. Ved senkning av dette trykk minsker en pumpe ifølge oppfinnelsen sin strømning spontant. Man unngår således å tømme venen helt til fullstendig sammenflatning, hvilket ville kunne fremkalle de tidligere fremholdte ulykker.

Ved en uegnet bevegelse hos pasienten kan dessuten nålens eller det intravenøse kateters spiss komme til å nærme seg karveggen og endre strømningstapet i anordningen. Hvis derved den pumpede mengde ikke avtar meget hurtig kommer spissen av nålen eller kateteret til å punktere karveggen, hvorved pumpningen hindres helt og holdent og karveggen skades.

Enskjønt pumpens mekaniske del teoretisk skulle kunne være passende utformet (med armer med trykkruller og fast stator for avrulling eller uten stator) krever man i praksis en roterende pumpe uten stator. Blant pumper av denne type krever man en pumpe med tre trykkruller som vist på figur 1. Denne pumpe har fordeler som er spesielt verdifulle hvis livet til en pasient står på spill.

Dets rør slites meget mindre enn i pumpene med stator og hvis ut-matningsrøret tilsluttes helt eller delvis virker pumpen som trykkbe-grenser (væsken kan strømme tilbake gjennom det elastiske røret-som tilsluttes bare gjennom dets strekning omkring i det minste en trykk-rulle istedenfor å tilflates mellom to inkompressible organer og pumpen avgir mindre eller ikke noen ting i det hele tatt uten resiko for at røret brister.

Enskjønt pumpen fungerer riktig i hver stilling er det fordelaktig å plassere pumperøret i et ikke horisontalt plan (fortrinnsvis vertikalt), da dets mellomste del befinner seg på et høyere nivå enn dets utløp. Denne utformning tillater at en luft-boble som av en tilfeldighet er kommet inn i rørledningen kan til-bakeholdes i den grad hastigheten av den pumpede væske er lavere enn luftblærens stigningshastighet. Dette er spesielt tilfelle ved bloddialyse hvor blodets strømningshastighet er liten (6,5 til 7 cm/ sekund i et rør med en diameter på omtrent 1 cm).

Ved en fordelaktig utførelsesform, spesielt ved en pumpe for blod sammentrykkes ikke innsugningsrøret helt ved sammenpresnings-organene, dvs. armene eller trykkrullene (i det minste ved den stilling av rotoren, som svarer til en minimal økning av røret under normal drift i tilfellet ved en pumpe uten stator). Røret forblir åpent med et tverrsnitt som utgjøres av mellom 0,01 og 2 mm 2 og fortrinnsvis rundt 1 mm 2. Under disse betingelser er tilbakestrøm-ningen av blodet mot innløpet forsømbart, men tilbakestrømningen av luft blir fullstendig. Pumpen kan altså ikke mate luft i retning mot pasienten. Da pumpen har opplagret tilstrekkelig med luft, opphører den å fungere og det er tilstrekkelig at man slipper ut luft for at den skal begynne å pumpe igjen.

For å unngå rørets fullstendige sammenflatning ved en pumpe med trykkruller og stator er det tilstrekkelig at man mellom disse organer lar det bli et ytre mellomrom som er større enn tykkelsen av et fullstendig sammenflatet rør. En lignende forholds-regel egner seg for en pumpe med organ i form av armer. Hvis man anvender en pumpe med ruller uten stator er det tilstrekkelig at man endrer rørets tøyning. Denne bestemmes som en funksjon av pumpens parametre, dvs. turtall, den avgitte mengde pr. tidsenhet, arbeids-trykket, rørets realtive tykkelse og elastiske egenskaper samt trykkrullenes diameter. Denne bestemmelse gir ikke noen vanskelighet, men det er tilstrekkelig at man suksessivt endrer tøyningen til man får det ønskede resultat.

Ved en annen utførelsesform av pumpen er trykkrullene ikke sylindriske, men har ved det sammenflatede rørs bøyede sidepar-tier en mindre diameter enn ved deres midtdel. Spesielt kan de være dobbeltkoniske eller sylindrisk dobbeltkoniske. Denne form letter regulering av rørets tøyning (som er definert ovenfor) og forbedrer rørets fasthet mot gjentatte bøyninger. Denne form egner seg også for pumpe med stator, spesielt for unngåelse av fullstendig sammenflatning av røret.,

En pumpe uten stator utstyrt med et rør spent ifølge oppfinnelsen har en ekstra fordel. Dets maksimale arbeidstrykk kan nemlig faststilles med en ubetydelig variasjonsmarginal over en betydelig del av dets intervall for den pumpede mengde (se figur 4

og eksempel 2).

Røret i en pumpe ifølge oppfinnelsen kan utformes av

et hvilket som helst elastisk material med tilstrekkelig fasthet mot gjentatte bøyninger, spesielt av elastomere som egner seg for vanlige peristaltisk arbeidende pumper. Silikonelastomere er van-ligvis bra for biologiske væsker og dessuten er deres elastiske egenskaper gode. Videre har et rør ifølge oppfinnelsen en vegg som er meget tynnere enn ved de vanlige pumper, da det må bøye seg som en funksjon av det indre trykkets endringer. Denne minskning av tykkel-sen forbedrer rørets levetid, som er en ytterligere fordel, spesielt ved sirkulasjon utenfor menneskekroppen.

Den peristaltiske pumpe ifølge oppfinnelsen har sentri-fugalpumpens fordeler (variabel kapasitet ved konstant turtall) uten å ha dens ulemper ( nedbrytning og ødeleggelse av formlegemer) og heller ikke ulempene hos fortrengningspumper. Den medfører altså

de beste sikkerhetsgarantier på samme gang for innsugning og for pumpingen samt i tilfelle innførsel av luft under innsugningen.

Følgende eksempler viser forskjellige tilpasninger av oppfinnelsen.

Eksempel 1.

For å sirkulere blodet hos pasienter som er bærere av arteriovenøse fistler og behandles med kronisk bloddialyse, har den pumpe som er vist på figur 1 følgende særtrekk. Dobbeltkoniske trykkruller, 6 mm diameter ved midten, toppvinkel 4°30' samt plassert i 120° vinkel fra hverandre rundt en sirkel med 60 mm radie, rør av silikonelastomer med en indre resp. ytre diameter på 9/12 mm, en Shore-hårdhet på 55 > en tøyning med 10% under en trekkpåkjenning på 1,2 kp, samt en lengde i hviletilstand på 355 mm og en lengde i drift fra 393 til 404 mm (avhengig av trykkrullenes vinkelstilling). Pumpen suger blodet gjennom en avtapningsnål (med en indre diameter på 1,6 mm) og mater det til en bloddialysator som er tilknyttet med egnede rørledninger. Blodet tilbakeføres til blodkaret ved hjelp av en lignende nål.

I praksis velger man en hastighet på omtrent 25 omdrei-ninger/minutt, som tilsvarer 75 pulseringer pr. minutt. For en høyde på ca. 70 cm nedenfor pasienten og med en passelig tilflating av røret

er den avgitte mengde blod omtrent 300 cm 7/minutt.

Eksempel 2..

Pumpen i eksempel 1 modifiseres på følgende måte:

Trykkruller med en sylindrisk mellomdel (lengde 12 mm, diameter

5 mm), som slutter med avstumpede koner (lengde 5 mm, toppvinkel 4°30'). Trykkruller av rustfritt stål lagret i selvsmørende lager.

Røret har for indre- og ytre diameteren 10 resp. 12,6 mm

en lengde i hviletilstand som er 380 mm og en minimal strekkraft av 400 g. Figur 4 viser kurvene for pumpens maksimumkapasitet som en funksjon av dens trykkhøyde for to sugehøyder, nemlig 0 og 50 mm kvikksølv ved 25 omdreininger/minutt. Man ser at for en sugehøyde på 50 mm Hg oppstår kapasiteten bare til 350 til 300 cm^/minutt ved et pumpetrykk fra 0 til 220 mm Hg, men at den faller fra 300 til 0

mellom 220 og ca. 260 mm Hg. En sikkerhet mot for høyt pumpetrykk sikres altså meget hurtig. Minskningen i den utmatede blodmengde mellom 0 og 220 mm Hg tilveiebringes takket være den tilsiktede valgte utetthet ved pumpen. Dets innflytelse er imidlertid ubetydelig innen det trykkintervall som anvendes. Under normaldrift (hastighet 25 omdreininger/minutt, utmatningstrykk 120 mm Hg) er den pumpede mengde 340 cm^/minutt for en sugehøyde på 50 mm Hg og 410 cm^/minutt for sugehøyden null.

Figur 5 viser følgende kurver. A er maksimumpumpe-

trykket (mm Hg) som en funksjon av strekkraften i røret (i gram)

ved 25 omdreininger/minutt, (man har uttegnet rørets prosentuelle forlengning for to grenseverdier for strekkraften), og B viser maksimumpumpetrykket som en funksjon av pumpens turtall (i omdrei-ninger/minutt) for et rør påvirket med en strekkraft på 400 g.

Claims (2)

1. Peristaltisk pumpe, karakterisert ved at et elastisk rør (2) som er utsatt for påvirkning av et utdrivnings-

organ i form av ruller (3) eller lignende, som er virksomme i strømningsretningen, har en slik valgt elastisitet at dets fri tverrsnittsareal mellom to på hverandre følgende ruller (3) minsker kontinuerlig ved bøyning av rørveggen, nemlig fra hovedsakelig sirkulær form til hovedsakelig flat form med en bestemt minimumsverdi større enn null, avhengig av en minskning av trykket i det elastiske røret i pumpen fra en øvre til en nedre forutbestemt grenseverdi.

2. Pumpe ifølge krav 1, karakterisert ved at dels er pumpen av typen med ruller i form av roterbare skiver (3) og uten stator, dels at skivenes sammenklemning av røret (2) ikke er fullstendig, men lar det bli tilbake en åpning av størrelsesorden 0,01-2 mm p og dels at utløpet (5) av det av skivene tilflatede rør (2) ligger lavere enn rørets (2) midtparti.