SE445943B - Peristaltikpump - Google Patents

Description

8103353-2 2_ Den ovan beskrivna peristaltikpumpen arbetar enligt roller- principen, dvs. en rotor pressar samman ett ledningssystem mot en mothållsbana och vid sin rörelse föres det i ledningssystemet inneslutna mediet framåt. Denna typ av pumpanordning är en mycket vanligt förekommande pumptyp, bl.a. för blodpumpning i hjärt-lung- maskiner och dialysapparater. Konventionella pumpar har emeller- -tid alla den nackdelen att de uppvisar blodförstörande egenskaper (hemolys och trombocytaggregation) samt att de producerar ett pulsatilt flöde, där pulsationsfrekvensen är relaterad till pumpens varvtal.

Syftet med föreliggande uppfinning har varit att eliminera denna nackdel och detta åstadkommes enligt uppfinningen genom att den inledningsvis beskrivna peristaltikpumpen erhållit de känne- tecken, som framgår av efterföljande patentkrav l.

V Den uppfinningsenliga peristaltikpumpen producerar ett icke-pulsatilt flöde vid konstant varvtal och är relativt blod- vänlig. Densamma är därför speciellt lämpad att styras via en återkopplingskrets och även att utnyttjas för pumpning av blod i samband med djurexperimentell forskning, där krav på exakta flö- den och trycknivåer samt tryckvariationämmfigurationer skall kunna erhållas i kombination med låg hemolys. Då peristaltikpumpen genom sin konstruktion är relativt blodvänlig, lämpar den sig även som pump i hjärt-lungmaskiner och dialysapparater, men har även många andra användningsområden på laboratorier och inom industrin.

'I var och en av peristaltikpumpens parallellkopplade led- ningsgrenar produceras ett ungefärligt sinusformat flöde, vilka flöden produceras sinsemellan symmetriskt förskjutna, och vilka överlagrade på varandra ger ett icke-pulsatilt flöde. Genom att låta peristaltikpumpen styras av t.ex. en normal hjärttryckskurva kan den därvid pumpproducerade tryckkurvan fås att nästan helt efterlikna en normal hjärttryckkurva. Peristaltikpumpen tillåter alltså såväl normal pulsatil som konstant tryckperfusion samt icke-pulsatil konstantflödesperfusion vid önskad flödes- respek- tive trycknivå. Även andra tryckkonfigurationer såsom sinus, triangel, impuls, etc. kan erhållas genom att låta pumpen styras av en funktionsgenerator med dylika kurvspänninqsvariationer.

Denna peristaltikpump är genom sina karaktäristika lämplig för bruk i de flesta djurexperimentella undersökningar inom perifer cirkulationsfysiologi, men även lämplig som infusionspump med konstant flödeshastighet och då även för mycket små flöden, vil- * s1ossss-2 ket uppnås genom att välja små diametrar i ledningsgrenarna. Peris- taltikpumpen är dessutom, som nämnts, blodvänlig enligt den spe- ciella utformning som beskrives nedan.

Uppfinningen skall nedan närmare beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig. l är en principbeskrivning av en peristaltikpump enligt uppfinningen.med i detta fall tre parallella rotorenheter; fig. 2 är ett snitt lagt genom fig. l vinkelrät mot rotor- axeln och visande mothållsbanans utformning; fig. 3 och 4 är en planvy respektive sidovy av det genom peristaltikpumpen gående ledningssystemet; fig. 5 är en principskiss av peristaltikpumpen och dess regler- enheter för åstadkommande av konstanttryck eller konstantflödes- perfusion; och fig. 6 visar originalregistreringar av pumpproducerade tryck- kurvor. *K ' Principuppbyggnaden av en peristaltikpump av s.k. rollertyp innebär att medium ledes genom ett flexibelt rör utan att någon annan del av peristaltikpumpen kommer i kontakt med mediet. En rulle ockluderar röret mot en mothållsbana och rullen för mediet framför sig under rotation. Det därvid producerade flödet är pul- satilt och dess medelhastighet ungefärligen proportionell mot rotorns varvtal.

Den principiella uppbyggnaden av en dylik peristaltikpump visas i fig. l. Peristaltikpumpen 24 har här försetts med tre paral- lellt anordnade rotorenheter l vilka var och en uppvisar tre i förhållande till varandra och till rotoraxeln 2 symmetriskt place- rade tryckdon, som vid rotorns rotation rör sig utmed en mothålls- bana 4 och genom formförändring av ett mediumförande lednings- system 5 förflyttar mediet i detsamma (se även fig. 2). Tryck- donen 3, vilka respektive utgöres av en roterbart lagrad trissa, är således i respektive rotorenhet placerade symmetriskt, dvs. i detta fall med 1200 vinkel relativt varandra. Tryckdonen 3 hos en rotorenhet l är dessutom förskjutna i förhållande till tryckdonen 3 hos en annan rotorenhet l, så att de sammanlagt nio tryckdonen 3 är placerade symmetriskt med 400 vinkel mellan respektive tryck- don.

Ledningssystemet 5 som t.ex. medelst skruvförband 28 är mon- terat på mothållsbanan 4 innefattar i visat utförande tre paral- lellkopplade ledningsgrenar 6 (se fig. 3 och 4), vilka var och en är tillordnad en rotorenhet l. Ledningsgrenarna 6 är dessutom 8103353-2 förenade till ett gemensamt utlopp 7. Till utloppet 7 matas medium genom att tryckdonen 3 bildar mediuminnehållande utrymmen 8 i led- ningsgrenarna 6, förflyttar nämnda utrymmen i riktning mot utlop- pet 7 under successiv ökning av deras volym, öppnar nämnda ut- rymmen successivt i riktning mot.utloppet och tillsluter nämnda utrymmen i riktning mot ledningsgrenarnas inlopp 9.

Ovannämfla successiva ökning av de mediuminnehållande utrymme- nas 8 volym, samt deras gradvisa öppnande mot utloppet 7 och stäng- ning mot inloppet 9, åstadkommes genom mothållsbanans 4 speciella utformning. En första del l0 av mothållsbanan 4 är nämligen cirku- lär, förlöper på konstant avstånd från rotoraxeln 2 och har en längd lika med eller något överstigande avståndet mellan två när- liggande tryckdon. Den cirkulära bandelen l0 övergår därefter i riktning mot utloppet 7 i en bakre del ll, vilket innebär att den intialt ytterst långsamt men successivt ökar sitt avstånd till rotoraxeln 2 men snabbare allteftersom den närmar sig utloppet för att successivt och i början i mycket ringa omfattning per för- _flyttningsgrad mot utloppet öppna nämnda utrymmen 8 men snabbare i slutet tills de är helt öppna när tryckdonet 3 lämnar mothålls- banan 4. Denna bakre bandel göres företrädesvis elliptisk. För att förhindra bakåtflöde vid någon tidpunkt utgöres således i det illustrerade utförandet åtminstone de första 1200 av mothålls- banan 4 av den cirkulära främre delen 10, i vilken del total kompression dvs. occlusion av ledningsgrenarna 6 uppnås. Det där- vid gradvisa släppet av tryckdonet 3 från mothållsbanan 4 i banans elliptiska del ll, åstadkommer flödesoscillationer från varje rotorenhet l som är ungefärligen sinusformade. Mothålls- banans 4 båge omfattar företrädesvis totalt ca. l8OO (se fig. 2), men längre båge är givetvis möjlig.

Vid utloppet 7 producerar varje ledningsgren 6 alltså ett ungefärligen sinusformat flöde, ql, q2 och q3 respektive, med en fasförskjutning G9 sinsemellan om 3600 dvs. 1200. Om man antar ett rent sinusoidalt flöde med amplituden qp och medelflöde qm från varje rotorenhet l, kan därvid gl, q2 och q3 uttryckas som: gl = qm + qp sin wt, qz = qm + qp sin (wt + 69); Q3 = qm + qp sin (w1-.+ ze) ' och det totala flödet ( Q ) som: Q=ql+qz+q3r vilket ger -Pl = Pm + pp 8103353-2 Q = 3qm + qp sin wt + sin (wt + EB) + sin (wt + 2 69) = = 3qm+qp Vl+ 4 (cos9+cos26) ' sin (wt+6).

Insältning avê = 1200 ger Q = 3qfi/ dvs. ett icke pulsatilt flöde. pl, pz och p3 representerar trycken i respektive lednings- gren 6 och p4 trycket i utloppet 7. Rl, R2 och R3 representerar flödesresistensen i respektive ledningsgren 6 från det främre totalt ockluderande tryckdonet 3 fram till det gemensamma utloppet 7. R4 representerar flödesresistensen vid utloppet 7 distalt om de tre parallella ledningsgrenarnas föreningsställe inkluderande den perfunderade kärlbädden. p4 kan nu uttryckas som: P P P + Ä + -+ 1 R2 3 4 Ledningsgrenarna 6 är så konstruerade att Ri, R2 och R3 kan P4: Whfl WH* kilt* anses lika i storlek och små jämfört med R4, varför p4 kan förenk- las tilh _ P1 + P2 + P3 P4 _ ***~'§-_-“-_-y- Med ett medeltryck pm och en pulsuttrycksamplitud pp för alla tre rotorenheterna l, kan pl, p2 och p3 uttryckas som: sin wt; pz = pm + p hp sin (wt +e9); p3 = pm + pp sin (wt + 2 EB) och med G9 = 1200 P4 Z pm? dvs. ett icke pulsatilt tryck. 7 För att kunna styra det pumpproducerade trycket eller flödet via en negativ âterkopplingskrets och skapa exakta pulskonfigura- tioner måste pumpen producera ett jämnt och i stort sett icke- -pulsatilt flöde vid en konstant motorhastighet. Om man antog att flödesoscillationerna från varje rotorenhet 1 är sinusformade, vilket har eftersträvats och ungefärligen åstadkommits med före- liggande peristaltikpump följer från de matematiska beräkningarna ovan att pumpen kommer att ge ett flöde och tryck, vilket är i stort sett konstant i utloppet 7 vid konstant rotorvarvtal. Denna design uppfyller alltså bl.a. kriterier för att tillåta servo- kontroll av pumpen via en negativ återkopplingskrets som medger 8103353-2 “ att pumpen kan ge inte bara ett exakt konstant medeltryck eller konstant flödesperfusion inom ett stort tryck- eller flödesom- råde, utan även alla tänkbara typer av tryck och flödesfigura- tioner. 7 Det är ett välkänt faktum att pumpperfusion av blod kan skada blodcellerna. Nedbrytningen av röda blodceller, benämnd hemolys, men även graden av trombocytförstöring kan tagas som ett mått på sådan blodförstöring. De faktorer som anses orsaka denna vid användande av pumpar av s.k. rollertyp har visats vara relaterade till valet av ledningsgrenmaterial, jämnheten i led- ningsgrenarnas inre yta, för höga blodflödeshastigheter, för små ledningsgrendiametrar, för hög rotorhastighet och frekvens av ledningsgrenocklusioner. Blodskadande inflytande av dessa fak- torer har minimerats i föreliggandeçxuïstaltflqnmp 24 genom föl- jande speciella utformning. Ledningsgrenarna 6 är gjorda av ett blodvänligt elastiskt material t.ex. silikongummi, med en inre yta belagd av ett än mer vävnadsvänligt ämne. Ledningsgre- narna är gjutna i en enhet 5 med inloppet 9, som delar sig i slu- tet av mothållsbanan och tömmer sig i det gemensamma utloppet 7.

Detta utlopp 7 innefattar även en lämplig anordning 12 för regist- rering av trycket hos mediet i utloppet 7 (se fig. 2). Anordningen 12, som innefattar en tryckmätare 25, består av ett sidoutlopp 26 till utloppet 7 med liten diameter för att i så liten omfatt- ning som möjligt inteferera med fluiden. Alla ledningsgrenar 6 som kommer i kontakt med blod är gjutna på ett sådant sätt att man får ytterst jämna innerytor. Flödeshastighet och frekvensen av ledningsgrenocklusioner har minimerats genom att välja en rela- tivt sett.stor rotordiannæer (70 mm i denna utformning) och en stor inre diameter på ledningsgrenarna (6 mm), varvid man får en mycket långsam rotorhastighet. Pumpanordningen ger med denna ut- formning en mycket låg hemolys vid flöden upp till ca. 40 ml/min., närmare bestämt ( 0.008 g/1 hemoglobin tillfört till plasma vid varje passage av blodet genom pumpen, vilket skall jämföras med ett värde på } 0.14 g/1 med en konventionell blodperfusionspump (Harvard Variable Speed Peristaltic Pump, Model 1210) vid en och samma givna försöksuppställníng.

De fysiologiska kriterier som är uppställda ovan, uppfyllas av den här beskrivna pumpanordningen för blodflöden upp till ca. 40 ml/min. Maximalt flöde är dock ca. 300 ml/min, men vid dessa flöden är graden av blodförstöring större.

Fig. 5 är ett blockdiagram av peristaltikpumpen 24 och dess 8103353-2 reglerenheter för konstanttryck och konstantflödesperfusion. Kons- tantflödesperfusion åstadkommes genom att ställa en omkopplare 13 i position l, innebärande summering av en signal som är propor- tionell mot rotorhastigheten och en signal som representerar det önskade blodflödet. Den resulterande signalen inmatas i en PID- -regulator l4. Rotorhastighetssignalen erhålles från en tacho- generator 15, som är placerad på rotorns drivaxel. Summan av en signal som är proportionell mot det pumpproducerade trycket (er- hållet från en separat trycktransducer 16) och en signal som rep- resenterar det önskade artärtrycket ger då en insignal vid PID- regulatorn 14 och en förstärkare 17 till motorenheten 18, vilken kan innefatta en växellåda 19 och vilken alstrar en rotorhastig- het som i varje ögonblick kommer att hålla trycket vid den inställ- da konstanta nivån. Önskat blodflöde eller trycknivå kan därvid erhållas genom manuell variation av en referenssignal. Genom att separera referenssignalen i en DC- och en AC-komponent, kan ett konstant medeltryck eller konstant flöde (DC-komponent) av önskad storlek produceras oberoende av ett överlagrat pulstryck (AC-kompo- nent). Vid lämpligt val av motor och utväxling är denna pumpanord- ning kapabel att återge den normala artärtryckskurvan med stor noggrannhet både för dess uppgång och nedgång. Den snabba tryck- nedgången under diastoliska fasen av pulstryckkurvan kan emeller- tid inte erhållas bara genom ett omedelbart stopp av rotorn. För att erhålla detta måste rotorn för ett kort ögonblick ändra rikt- ning. En sådan övergående bakåtrotation erhålles med hjälp av en speciell elektronisk enhet 20, vilken består av ett högpassfil- ter kombinerat med en likriktare.

Genom den ovan beskrivna konstruktionen har peristaltikpumpen 24 förmåga att reproducera den normala artärtryckskurvan upp till en frekvens av ca. 4 Hz genom att använda de normalt odämpade hjärt- pulsationerna (registrerade via en separat trycktransducer från en kateter i en systemartär) som AC-komponent i referenssignalen.

Andra typer av AC-signaler kan utnyttjas som alternativ, som t.ex. sinus, triangel, impulser, stegfunktioner etc., vilket lämpligen erhålles från en funktionsgenerator.

Fig. 6 illustrerar några exempel på hur den här beskrivna peristaltikpumpen 24 har reproducerat olika konfigurationer av tryckkurvor. Panel A, den övre kurvan, visar det normala odämpade systemartärtrycket registrerat från en brachialartär på katt med en Statham trycktransducer. Den lägre kurvan i Panel A illustrerar den simulerade kurvan producerad med perfusionspumpanordningen.

Claims (2)

1. 8103353-2 Notera den stora likheten mellan dess två kurvor, både för lång- samma andningsvariationer och de hjärtinducerade pulstrycksvaria- tionerna. Panel B visar hur pumpen kan användas för att producera en sinustryckkurva, Panel C en positiv och en negativ tryckimpuls och Panel D positiv och negativ tryckstegsfunktion. Det är för fackmannen uppenbart att föreliggande uppfinning ej är begränsad till det ovan beskrivna utföringsexemplet. Således är den beskrivna pumpanordningen tillverkad för blodperfusion vid djurexperimentell forskning, men pumpen kan användas för all typ av perfusion, inte bara blodperfusion i hjärt-lungmaskiner och dialysapparater, utan även för perfusion av andra flöden än blod inom alla flödesområden. En variant av ovanstående pump 3 ml/min. Peris- har konstruerats för så små konstantflöden som l-10- taltikpumpen kan innefatta två eller flera än tre rotorenheter 1 och kan respektive rotorenhet uppvisa två eller flera än tre tryck- don 3. Dessutom kan naturligtvis då ledningssystemet 5 bestå av två eller flera än tre ledningsgrenar 6. Mothållsbanans 4 längd kan variera och likaså banans cirkelformade respektive elliptiska delar l0, ll. För att kunna reglera tryckdonens 3 tryck på ledningsgre- narna 6 och tillse att respektive tryckdon trycker med samma kraft på ledningsgrenarna vid varje given punkt utmed mothållsbanan 4 är vidare rotorenheterna l med hjälp av inställningsanordningar 22 ccrfzs av lämplig konstruktion inställbara i sidled, i höjd- led och i olika lutningslägen i förhållande till mothållsbanan 4. Inställningen i höjd- och sidled utföres därvid med exempelvis i långhål.2l förskjutbara skruvanordningar 22 och lutningsläget regleras företrädesvis även med skruvar 23. Patentkrav: l. Peristaltikpump av det slag, som omfattar a. minst två elastiskt hoptryckbara slangledningar (6) med vardera en inloppsände och en utloppsände och med sinsemellan lika tvärsektion; b. ett mothåll för var och en av slangledningarna (6), Vil- ket mothåll har en krökt yta (4) som är identisk för slangled- ningarna (6) och mot vilken tillhörande slangledning (6) anligger med åtminstone en del av sin längd; 'c. minst två synkront drivna rotorenheter (1), en för varje slangledning (6), vilka rotorenheter (l) är försedda med samma antal, minst två, symmetriskt placerade och på inbördes lika av- stånd från rotoraxeln (2) verksamma tryckdon (3) för lokal samman- 8105353-2 pressning av den mot varje rotorenhet (l) svarande slangledningen (6) mot tillhörande mothålls krökta yta (4), varvid antalet tryckdon (3) på var och en av rotorenheterna (1) och utsträckningen av den krökta ytan (4) på varje slanglednings (6) mothâll räknat i slangledningens (6) längdriktning är så in- bördes avpassade, att ständigt ett av tryckdonen (3) på varje rotorenhet (1) håller motsvarande slangledning (6) sammanpressad för att hindra vätskeströmning mot rotorenhetens (1) rotations- riktning genom slangledningen (6), k ä-n n e t e c k n a d a v att åtminstone utloppsändarna av de i pumpen ingående slang- ledningarna är (på i och för sig känt sätt) förenade till ett gemensamt utlopp (7); _ att de synkront drivna rotorenheterna (l) är vinkelförskjutna relativt varandra på sådant sätt, att deras tryckdon (3) arbetar med fasförskjutning på respektive slangledningar (6), varigenom de i varje slangledning (6) uppträdande flödespulsationerna kom- mer att åtminstone till väsentlig del upphäva varandra vid slang- 'ledningarnas (6) gemensamma utlopp (7); att mothållets krökta yta (4) för varje slangledning (6) är an- ordnad att successivt öka sitt avstånd i förhållande till rotor- axeln (2) och i riktning mot utloppet (7) åtminstone vad gäller dess närmast utloppet (7) belägna delar för erhållande av ett successivt ökande utsläpp ur slangledningarna (6); och att mothållets krökta yta (4) för varje slangledning (6) har en cirkulär och med rotoraxeln (2) centrerad del, som i rotor- enhetens (1) rotationsriktning övergår i en elliptisk del.
2. 2. Peristaltikpump enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k- n a d a v att den uppvisar tre rotorenheter (l) av vilka var och en samverkar med en slangledning (6) och av vilka var och en har tre tryckdon (3), varvid tryckdonen (3) i varje rotorenhet (l) är vinkelförskjutna med 1200 vinkel i förhållande till var- andra, varjämte närliggande tryckdon (3) hos intillvarandra be- lägna rotorenheter (l) är vinkelförskjutna med 400 vinkel i för- hållande till varandra.