NO830248L - Peristaltikkpumpe. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en peristaltikkpumpe av den type som omfatter minst to elastisk sammentrykkbare slangeledninger med hver sin innløps-ende og utløpsende og med innbyrdes like tverrsnitt, og en bæredel for hver av slangeledningene som omfatter et krummet flateparti som er identisk for slangeledningene og hvorimot den angjeldende slangeledning befinner seg i anlegg over i hvert fall en del av sin lengde, og minst to synkront drevne rotorer, en for hver slangeledning, samt minst to symmetrisk plasserte trykkorganer som virker i innbyrdes lik avstand fra rotoraksen og som tjener for lokal sammentrykking av hver rotors tilknyttede slangeledning mot den krumme flate på den tilhørende bæredel, hvor antallet trykkorganer på hver enkelt rotor og utstrekningen, i slangeledningens lengderetning, av bueflaten på hver slangelednings bæredel er slik avpasset i forhold til hverandre at et av trykkorganene'på hver rotor holder den motsvarende slangeledning sammentrykket for å hindre væskestrømning mot rotorens rotasjonsretning gjennom slangeledningea

Peristaltikkpumper av denne type frembringer en pulserende væskestrøm, hvor puls frekvensen avhenger av pumpens omdreiningstall. I visse tilfeller vil imidlertid en pulserende strømning være ytterst ufordelaktig, for eksempel fordi peristaltikkpumper med pulserende strømning har blodødeleggende virkning (hemolyse og blodplateopphopning) når de anvendes for blodpumping i hjerte-lungemaksiner og dialyseapparater. Persistaltikkpumper med pulserende strøm-ning er heller ikke egnet til jevn fordeling av visse materialer, eksempelvis sparkelmasser, over visse flater, for eksempel gulvflater.

Formålet ved foreliggende oppfinnelse er å eliminere disse ulemper og frembringe en peristaltikkpumpe som vil gi en ikke-pulserende strømning. Ifølge oppfinnelsen er dette i hovedsak oppnådd ved at i hvert fall utløpsendene av slangeledningene som inngår i pumpen er forent til et felles utløp, og at de synkront drevne rotorer er vinkelforskjøvet innbyrdes på slik måte at de til-hørende trykkorganer virker med faseforskyvning på de respektive slangeledninger, slik at de strømpulser som opptrer i hver av slangeledningene vil oppheve hverandre, i det minste i vesentlig grad, ved slangeledningenes felles utløp. Peristaltikkpumpen ifølge oppfinnelsen vil ved konstant turtall frembringe en ikke-pulserende strømning, og er relativt blodvennlig. Pumpen er derfor særlig egnet for å styres gjennom en gjenkoplingskrets og likeledes for å utnyttes til pumping av blod i forbindelse med dyreeksperimentell forskning, hvorved krav på eksakte strømningsmengder og trykknivåer samt trykkvariasjonsmønstre skal kunne oppfylles i forening med lav hemolyse. Da pumpen på grunn av sin konstruksjon er relativt blodvennlig, er den også egnet som pumpe i hjerte-lungemaskiner og dialyseapparater, men kan også finne anvendelse på - mange andre områder på laboratorier og i industriea

I hver enkelt av de parallellkoplede ledningsgrener frembringes et tilnærmelsesvis sinusformet strømningsmønster hvor strømningene er innbyrdes symmetrisk forskjøvet og derved, plassert ovenpå hverandre, gir en ikke-pulserende strøm-ning. Hvis pumpen blir styrt eksempelvis av en normal hjertetrykkurve, vil den frembringe en trykkurve som praktisk talt fullstendig likner en normal hjertetrykkurve. Pumpen tillater således såvel normal pulserende som konstant trykk-perfusjon samt ikke-pulserende konstantstrømningsperfusjon ved ønsket strøm-nings- og trykknivå. Det kan også oppnås andre trykkrnønstre, såsom sinus, triangel, impuls og så videre ved å la pumpen styres av en funksjonsgenerator med slike kurvespenningsvariasjoner. Grunnet sine egenskaper er denne pumpe egnet for anvendelse ved de fleste dyreeksperimentelle undersøkelser innenfor perifer sirkulasjonsfysiologi, men den er også egnet som infusjonspumpe med konstant strømningshastighet og i så fall også for meget små strømningsmeng-der, hvilket lar seg gjennomføre ved å velge liten diameter for ledningsgrenene. Som tidligere nevnt, er pumpen dessuten blodvennlig ifølge den spesielle utførelsesform som er beskrevet i det nedenstående.

Oppfinnelsen er næremere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et perpektivriss av en peristaltikkpumpe ifølge oppfinnelsen som i dette tilfelle er utstyrt med tre parallelle rotorenheter.

Fig. 2 viser et snitt gjennom fig. 1 rettvinklet mot rotoraksea

Fig. 3 og 4 viser henholdsvis et planriss og et sideriss av et ledningsystem som går gjennom peristaltikkpumpea Fig. 5 viser en prinsippskisse av pumpen med tilhørende reguleringsenheter for opprettholdelse av konstanttrykk eller konstantstrømningsperfusjoa Fig. 6 viser original registre ringe r av trykkurver som er frembrakt av pumpea Fig. 7 viser et perspektivriss av deler i en peristaltikkpumpe ifølge oppfinnelsen med to parallelle rotorenheter. Fig. 8 viser et snitt av en alternativ utførelsesform av pumpen ifølge oppfinnelsen.

Fig. 9 viser et snitt langs linjen IX-IX i fig. 8.

En peristaltikkpumpe er i prinsippet av en konstruksjon hvori et medium ledes gjennom et fleksibelt rør uten å bringes i berøring med noen annen del av pumpen. Et trykkorgan som lukker røret mot en krum flate på en bæredel, fører mediet foran seg under rotasjon. Den derved frembrakte strømning er pulserende med en middelhastighet som er tilnærmelsesvis proporsjonal med rotorens turtall.

Prinsippet ved konstruksjonen av en peristaltikkpumpe ifølge oppfinnelsen frem-går av fig. 1. Denne pumpe 24 er utstyrt med tre parallelt anordnet rotorenheter 1 som hver for seg innbefatter tre trykkorganer 3 som er plassert symmetrisk innbyrdes og i forhold til rotorakselen 2, og som, når rotoren roterer, beveger seg langs en bueflate 4 på bæredelen og derved, ved formforandring av et mediumførende ledningsystem 5, forflytter mediet i systemet (se også fig. 2). Trykkorganene 3 består av dreibart opplagrede trinser som i hver rotorenhet er symmetrisk fordelt om rotorakselen 2, hvilket innebærer at når det er anordnet tre trykkorganer 3 i hver rotorenhet 1, er vinkelen mellom hvert par trykkorganer 120 o. Trykkorganene 3 i en rotorenhet 1 er dessuten forskjøvet i forhold til trykkorganene 3 i en annen rotorenhet 1, slik at de i alt ni trykkorganer 3 er plassert symmetrisk med 40° vinkel mellom de respektive trykkorganer.

Ledningsystemet 5 som eksempelvis ved hjelp av en skrueforbindelse 2 8 er montert på bæredelen, omfatter i den viste utførelsesform tre parallellkoplede ledningsgrener 6 som hver for seg er anordnet i tilknytning til en rotorenhet 1. Ledningsgrenene 6 er dessuten forenet til et felles utløp 7. Medium frem-mates til utløpet 7 under innvirkning av trykkorganene 3 som danner kamre 8 med innhold av medium i ledningsgrenene 6, forflytter disse kamre i retning mot utløpet 7 under gradvis øking av kammervolumene, åpner kamrene suksessivt i retning mot utløpet og lukker kamrene i retning mot ledningsgrenenes innløp 9.

Ledningsgrenene 6 i ledningsystemet 5 består av elastisk sammentrykkbare slangeledninger med innbyrdes like tverrsnitt hvor hver ledningsgren 6 befinner seg, i hvert fall over en del av sin lengde, i anlegg mot en bueflate 4 som er identisk for ledningsgrenene 6. Rotorenhetene 1 drives synkront og enhetenes symmetrisk plasserte trykkorganer 3, som virker i innbyrdes like avstander fra rotorakselen 2, tillater lokal sammentrykking av den angjeldende ledningsgren i motsvarighet til den enkelte rotorenhet 1 mot den tilhørende bueflate 4, idet antallet trykkorganer 3 på hver av rotorene og utstrekningen av bueflaten 4, i lengderetningen for ledningsgrenen 6, er innbyrdes avpasset på slik måte at et av trykkorganene 3 på hver rotorenhet 1 holder motsvarende ledningsgren 6 sammentrykket og derved hindrer væskestrømning gjennom ledningsystemet 5 mot rotasjonsretningen for rotorenheten 1.

Ved at i hvert fall utløpsendene av ledningsgrenene 6 er forenet til det felles utløp 7 og de synkront drevne rotorenheter 1 er vinkel forskjøvet innbyrdes på ovennevnte måte slik at enhetens trykkorganer 3 virker med faseforskyvning på respektive ledningsgren, vil de strømningspulser som opptrer i hver av ledningsgrenene oppheve hverandre, i det minste i vesentlig grad, ved ledningsgrenens felles utløp 7.

Den suksessive økning av de mediumopptakende kamres 8 volum, og kamrenes gradvise åpning mot utløpet 7 og lukking mot innløpet 9, oppnås ved en spesiell utforming av bueflaten 4. Et første parti 10 av bueflaten 4 kan således være sirkulær, forløpe i konstant avstand fra rotorakselen 2 og ha en lengde som er lik eller noe større enn avstanden mellom to nærliggende trykkorganer. Det sirkulære parti 10 kan deretter (i retning mot utløpet 7) gå over i et bakre parti 11, hvis avstand til rotorakselen 2 øker gradvis i retning mot utløpet 7. Som følge av at bueflaten 4 innledningsvis øker sin avstand ytterst langsomt men gradvis til rotorakselen 2, men hurtigere etter hvert som den nærmer seg utløpet, vil de før nevnte kamre 8 åpnes suksessivt, i begynnelsen i meget liten omfatning pr. forflyttingsgrad og hurtigere i sluttfasen, til de er helt åpne idet trykkorganet 3 forlater bueflaten 4. Det bakre parti 11 av bueflaten 4 er fortrinnsvis elliptisk, men kan også være utformet på annen måte. For å hindre at det på noe tidspunkt oppstår tilbakestrømning, utgjøres således i den viste versjon i det minste de første 120° av bueflaten 4 av det sirkulære fremre parti 10 hvori det forekommer fullstendig sammentrykking, det vil si lukking av ledningsgrenene 6. Den påfølgende gradvise frigjøring av trykkorganet 3 fra bueflaten 4 i det elliptiske parti 11 fremkaller tilnærmelsesvis sinusformede strømningssvingninger fra hver rotorenhet 1. Bueflaten 4 omfatter fortrinnsvis totalt ca.. 180 o(se fig. 2) men kan selvsagt være lengre.

Ved utløpet 7 vil således fra hver av ledningsgrenene 6 utgå en tilnærmelsesvis si nusf o rm e t ^ strø mn ing henholdsvis q^, q£og q^med en innbyrdes faseforskyvning 0 av 3 , det vil si 120 . Under antakelse av en rent sinusformet strøm-ning med amplitude qp og middelstrømning qmfra hver rotorenhet 1 vil qj, q£og q3kunne uttrykkes som:

og totalstrømningen (Q) som: hvilket gir:

o

Innsetting av © = 120 gir:

det vil si en ikke-pulserende strømning.

Pl»P2 °6 P3representerer trykkene i respektive ledningsgren 6 og P4trykket i utløpet 7. Rj, R2og R3representerer strømningsmotstanden i respektive ledningsgren 6 fra det fremre, totalt stengende trykkorgan 3 og frem til det felles utløp 7. R4representerer strømningsmotstanden ved utløpet 7 lengst fra de tre parallelle ledningsgreners foreningspunkt med innbefatning av den forut-støpte formbunn.P4kan således uttrykkes som:

Ledningsgrenene 6 er slik konstruert at Rj, R2og R3kan betraktes som like i størrelse og små i forhold til R4, slik atP4kan forenkles til:

Med et middeltrykk pm og en pulsuttrykksamplitude Pp for samtlige tre rotorenheter 1, kan<p>j,<p>£ ogP3uttrykkes som:

og med B = 120

P4<=>Pm'

det vil si et ikke-pulserende trykk.

For å kunne styre trykket eller strømningen fra pumpen gjennom en negativ tilbakekoplingskrets og fremkalle nøyaktige pulsmønstre, er det nødvendig at pumpen frembringer en jevn og stort sett ikke-pulserende strømning ved en konstant rotorhastighet. Under antakelse av at strømningssvingningene fra hver rotorenhet 1 er sinusformet slik det er tilstrebet og tilnærmelsesvis oppnådd med den foreliggende pumpe, vil det av de ovenstående matematiske beregnin-ger fremgå at pumpen vil gi en strømning og et trykk som er stort sett konstant i utløpet 7 ved konstant rotorturtall. Denne konstruksjon oppfyller følge-lig blant annet kriterier som muliggjør servostyring av pumpen gjennom en negativ tilbakekoplingskrets, hvorved pumpen blir i stand til ikke bare å gi et nøyaktig konstant middeltrykk eller en konstant strømningsperfusjon innenfor et stort trykk- eller strømningsområde, men også alle tenkelige typer av trykk-og strømningsmønstre.

Det er et velkjent faktum at pumpeperfusjon av blod kan beskadige blodcel-lene. Nedbrytingen av røde blodlegemer, betegnet som hemolyse, men også graden av blodplateødeleggelse kan tjene som mål på en slik blodødeleggelse. De faktorer som ansees å forårsake denne ødeleggelse ved anvendelse av pum-per av såkalt valsetype, har vist seg å ha tilknytning til valget av lednings-grenmateriale, jevnheten av ledningsgrenenes innerflate, for høye blodstrøm - ningshastigheter, for små ledningsgrendiametre, for høy rotorhastighet og ledningslukkefrekvens. Den blodskadelige innvirkning av disse faktorer er i den foreliggende pumpe 24 minimalisert ved følgende spesielle utforming. Ledningsgrenene 6 er tilvirket av et blodvennlig elastisk materiale, eksempelvis silikon-gummi, med en innerflate som er belagt med et ennu mer vev-vennlig stoff. Ledningsgrenene er støpt i ett med innløpet 9 til en enhet som deles ved enden av den krumme flate, for å uttømmes i fellesutløpet 7. Dette utløp 7 innbefatter også en egnet anordning 12 for registrering av trykket hos mediet i utløpet 7 (se fig. 2). Anordningen 12, som omfatter en trykkmåler 25, består av en sidegren 26 som er tilkoplet utløpet 7 og som har liten diameter for i minst mulig grad å forstyrre strømningsmønstret. Samtlige ledningsgrene r 6 som bringes i kontakt med blod er støpt på en måte som gir ytterst jevne innerflater. Strømningshastighet og lukkefrekvens for ledningsgrenene er minimalisert ved valg av en relativt stor rotordiameter (70 mm i den viste versjon) og en stor innerdiameter på ledningsgrenene (6 mm), hvorved det oppnås en meget langsom rotorhastighet. I denne utførelsesform fremkaller pumpen en meget lav hemolyse ved strømningsmengder opp til ca. 40 ml/mia, nærmere bestemt < 0.008 g/l hemoglobin tilført til plasma ved hver passasje av blodet gjennom pumpen, hvilket skal jevnføres med en verdi av j^O.14 g/l med en konvensjonell blodperfusjonspumpe (Harvard Variable Speed Peristaltic Pump, Model 1210) ved en og samme gitte forsøksoppstilling.

De ovennevnte fysiologiske kriterier oppfylles av den her beskrevne pumpe for blodstrømningsmengder opp til ca. 40 ml/mia Den maksimale strømningsmeng-de er imidlertid ca. 300 ml/mia, men ved strømningsmengder av slik størrelse øker graden av bl odø de leg gels e.

Fig. 5 viser et blokkdiagram av pumpen 24 med tilhørende reguleringsenheter for konstanttrykk og konstantstrømningsperfusjoa Konstatstrømningsperfusjonen frembringes ved innstilling av en omkopler 13 i posisjon 1, med derav følgende summering av et signal som er proporsjonalt med motorhastigheten og et signal som representerer den ønskede blodstrømningsmengde. Det resulterende signal innmates i en PID-regulator 14. Motorhastighetssignalet overføres fra en tachogenerator 15 som er montert på motordrivakselea Summen av et signal som er proporsjonalt med det pumpeproduserte trykk (overført fra en separat trykktranduktor 16) og et signal som representerer det ønskede arterietrykk, avgir et innsignal gjennom PID-regulatoren 14 og en forsterket 17 til motor-enheten 18 som kan innbefatte en girkasse 19, og som utvikler en motorhas-tighet som på ethvert tidspunkt vil oppretthold trykket på det innstilte kon-stante nivå. Ønsket blodgjennomstrømning eller trykknivå kan oppnås ved manu-ell variering av et referansesignal. Ved atskilling av referansesignalet i en likestrøm- og en vekselstrømkomponent, kan det frembringes et konstant middeltrykk eller en konstant strømning (likestrøm-komponent) av ønsket størrelse, uavhengig av et overliggende pulstrykk (vekselstrøm-komponent). Ved hensiktsmessig valg av motor og utveksling vil pumpen kunne gjengi den normale arterietrykk-kurve med stor nøyaktighet både ved stigning og synking. Det hurtige trykkfall under den diastoliske fase av pulstrykkurven kan imidlertid ikke gjen-gis utelukkende ved umiddelbar stopping av motorea For å oppnå dette må motoren forandre bevegelsesretning for et kort øyeblikk En slik midlertidig bakoverrotasjon fremkalles ved hjelp av en spesiell elektronisk enhet 20 som består av et høypassfilter i kombinasjon med en likeretter.

Grunnet sin konstruksjon som beskrevet i det ovenstående, er pumpen 24 i stand til å reprodusere den normale arterietrykkurve opp til en frekvens av ca. 4 Hz ved anvendelse av de normalt udempede hjertepulser (registrert ved hjelp av en separat trykktransdiktor fra en kateter i en systemarterie) som veksel-strøm-komponent i referansesignalet. Andre typer av vekselstrømsignaler, for eksempel sinus, impulser, trinnfunksjoner og så videre som gjerne overføres fra en funksjonsgenerator, kan alternativt komme til anvendelse.

Fig. 6 viser noen eksempler på trykkurver av ulike former som er gjengitt ved anvendelse av den her beskrevne pumpe 24. Den øvre kurve i felt A angir det normale udempede systemarterietrykk som er registrert med en Statham trykk-transduktor fra en brakialarterie hos en katt. Den nedre kurve i felt A viser den simulerte kurve som er fremkalt med perfusjonspumpeanordningea Den store likhet mellom disse to kurver, såvel for langsomme åndedrettsvariasjoner som for de hjerteinduserte pulstrykkvariasjoner er iøynefallende. Felt B viser hvordan pumpen kan anvendes for frembringelse av en sinustrykkurve, felt C en positiv og en negativ trykkpuls og felt D positiv og negativ trykktrinnfunksjoa

Foreliggende oppfinnelse er ikke begrenset til det utførelseseksempel som er beskrevet i det ovenstående. Således er den beskrevne pumpe tilvirket for blodperfusjon ved dyreeksperimentet! forskning, men pumpen kan anvendes for enhver type av perfusjon, ikke bare blodperfusjon i hjerte-lungemaskiner og dialyseapparater, men også for perfusjon av andre væsker enn blod innenfor samtlige strømningsområder. En variant -3av ovenstående pumpe er konstruert for konstantstrømning helt ned til 1 . 10 ml/mia Pumpen kan omfatte to eller mer enn tre rotorenheter 1 og hver rotorenhet kan være utstyrt med to eller mer enn tre trykkorganer 3. Videre kan ledningsystemet 5 selvsagt bestå av to eller mer enn tre ledningsgrener 6. Bueflatens 4 lengde kan variere i likhet med de sirkulære og elliptiske partier henholdsvis 10 og 11. For å kunne regu-lere trykkorganenes 3 trykk på ledningsgrenene 6 og påse at de angjeldende trykkorganer trykker på ledningsgrenene med samme kraft i hvert gitt punkt langs bueflaten 4, er dessuten rotorenhetene 1 innstillbare i sideretning, i høyderetning og i forskjellige skråstillinger i forhold til bueflaten 4 ved hjelp av justeranordninger 22 og 23 av hensiktsmessig konstruksjoa Innstillingen i høyde- og sideretning kan derved utføres for eksempel ved hjelp av skruean-ordninger 22 som kan forskyves i avlange åpninger 21, og skrå stillingen regule-res fortrinnsvis med skruer 23.

Pumpen som er vist i fig. 8 og 9 er konstruert for pumping av gulvmasser. Pumpen omfatter to rotorenheter 1 som samvirker med hver sin ledningsgren 6 og som hver for seg er utstyrt med to trykkorganer 3 i form av radialt utad- ragende karr.skiver. Vinkelen mellom disse er 180 o, og vinkelen mellom en kamskive på den ene rotorenhet 1 og den nærmestliggende kamskive på den annen rotorenhet 1 er 90°. Pumpen fungerer på samme måte som den pumpe som er vist i fig. 1 og 2.

Claims (4)

1. Peristaltikkpumpe av den type som omfatter a) minst to elastisk sammentrykkbare slangeledninger (6) med hver sin innløps-ende og utløpsende og med innbyrdes like tverrsnitt, b) en bæredel som er anordnet for hver av slangeledningene (6) og utformet med en krum flate (4) som er identisk for slangeledningene og hvorimot den tilhørende slangeledning (6) befinner seg i anlegg over i det minste en del av sin lengde, c) minst to synkront drevne rotorer (l), hvorav én for hver slangledning (6), som er utstyrt med samme antall, minst to, symmetrisk plasserte trykkorganer (3) som virker i innbyrdes samme avstand fra rotorakselen (2), for lokal sammentrykking av slangeledningen (6) i motsvarighet til hver rotor (l) mot den krumme flate (4) på den tilhørende bæredel, hvor antallet trykkorganer (3) på hver enkelt rotor (l) og utstrekningen av den krumme flate (4) på hver slangelednings (6) bæredel er slik avpasset innbyrdes i slangeledningens (6) lengderetning at et av trykkorganene (3) på hver rotor (1) til enhver tid holder motsvarende slangeledning (6) sammentrykket for å hindre veskestrømning gjennom slangeledningen (6) mot rotorens (l) dreieretning, karakterisert ved at i hvert fall utløpsendene av slangeledningene (6) som inngår i pumpen er forenet på i og for seg kjent måte til et felles utløp (7), og at de synkront drevne rotorer (1) er vinkelforskjøvet i forhold til hverandre på slik måte at deres trykkorganer (3) virker med fase forskyvning på respektive slangeledninger (6), hvorved de strømningspulser som opptrer i hver av slangeledningene (6) vil oppheve hverandre, i hvert fall i vesentlig grad, ved slangledningenes (6) felles utløp (7).

2. Peristaltikkpumpe i samsvar med krav 1, karakterisert ved at bæredelens krumme flate (4) for hver slangeledning (6) er slik anordnet at dens avstand til rotorakselen (2) øker gradvis og i retning mot slangeledningenes (6) felles utløp (7), i hvert fall når det gjelder de partier som befinner seg nærmest utløpet (7), for oppnåelse av en suksessivt økende utstrømning fra slangeledningene (6).

3. Peristaltikkpumpe i samsvar med krav 2, karakterisert ved at bæredelens krumme flate (4) for hver slangeledning (6) omfatter et sirkulært parti, konsentrisk om rotorakselen, som i rotorenhetens (l) rotasjonsretning går over i et elliptisk parti.

4. Peristaltikkpumpe i samsvar med ett av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter tre rotorenheter (l) som hver for seg samvirker med en slangeledning (6) og som hver for seg er utstyrt med tre trykkorganer (3), hvor trykkorganene (3) i hver rotorenhet (l) er anordnet med en innbyrdes vinkelforskyvning av 120°, og hvor nærliggende trykkorganer (3) på innbyrdes tilgrensende rotorenheter (1) er anordnet med en vinkelforskyvning av 40 o i forhold til hverandre.