CH684879A5

CH684879A5 - Herzunterstützende oder herzersetzende Blutpumpe.

Info

Publication number: CH684879A5
Application number: CH978/92A
Authority: CH
Inventors: Wilhelm Servis
Original assignee: Wilhelm Servis
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1992-03-27
Publication date: 1995-01-31

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine herzunterstützende oder herzersetzende Blutpumpe, gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Das menschliche Herz (Fig. 1, Pos. 13) ist eine organische vierkammerige Blutpumpe bestehend aus zwei Vorhöfen (30 und 31), zwei Kammern (26 und 27) und vier Klappen (K). Der Blutstrom (3a und 3b) durch das Herz (13) wird mit vier Herzklappen (K) gesteuert. Zwei Herzklappen befinden sich zwischen den Vorhöfen und Kammern, sie lassen das Blut nur in Richtung der Vorhöfe zu den Kammern strömen. Die beiden anderen Herzklappen befinden sich am Ausgang der Kammern, von wo das Blut nur in Richtung zu den Arterien, d.h. in die Lungen-Arterie (16) und in die Körper-Arterie = Aorta (17) einströmen kann. Der linke Vorhof (31) und die linke Herzkammer (27) fördern frisches, aus den Lungen kommendes Blut (3b) in die Aorta (17). Der rechte Vorhof (30) und die rechte Herzkammer (26) fördern venöses, aus dem Körper (Körper-Vene 14) kommendes Blut (3a) in die Lungen-Arterie (16) und in die Lungen, von wo es als frisches Blut wieder zum linken Vorhof kommt und weitergefördert wird. Das Herz fördert das Blut durch die abwechselnden Kontraktionen seiner Kammern, wodurch ein Überdruck produziert wird und durch das Erschlaffen der Herzkammer, welche dann eher passiv mit Blut gefüllt werden. Die Vorhöfe dienen als elastische Blutakkumulatoren und ermöglichen dadurch eine gleichmässigere Blutförderung des Herzens.

Durch angeborene oder durch von Krankheiten verursachte Herzfehler können diverse Unregelmässigkeiten bei der Blutförderung des Herzens eintreten. Diese Unregelmässigkeiten manifestieren sich als akute oder chronische Verminderungen des Blutfördervolumens, als akute oder chronische Verminderung des Blutförderdruckes oder in der Kombination von beiden. Solche Unregelmässigkeiten in der Körperblutversorgung können sehr ernste Folgen für die Gesundheit des Menschen haben. Sehr oft sind die erwähnten Unregelmässigkeiten anfänglich schwach und werden mit der Zeit, wenn keine Herzbehandlung stattfindet, immer stärker und verursachen zuletzt oft den Tod des herzkranken Patienten.

Bei grossen Herzfehlern hilft nur noch eine operative Korrektur oder die Auswechslung des betroffenen defekten Herzteiles z.B. der Herzklappen mit Spender-Herzklappen oder des Herzens mit einem Spender-Herz, was als Herztransplantation bezeichnet wird.

Es ist eine bewiesene Tatsache, dass es weltweit bedeutend mehr Herztransplantationsanwärter als Herzspender gibt. Dieser Zustand ist besonders in entwickelten Ländern, wegen grösserem Anteil der Herzkrankheiten zu beobachten. Dadurch sterben viele herzkranke Menschen, weil es keine Spender-Herzen für sie gibt.

Jedes organische Implantat verursacht sehr starke Körperabwehrreaktionen des Immunsystems. Diese werden mit Medikamenten bekämpft, wodurch wiederum Komplikationen durch die dadurch provozierte Immunschwäche auftreten.

Bei den meisten operativen Eingriffen am Herz,

muss das Herz selbst für eine Weile stillgelegt werden. Während dieser Zeit muss das Blutsystem weiter mit richtig aufbereitetem Blut versorgt werden, z.B. mit Hilfe einer Herz-Lungenmaschine, deren wichtigste Komponente die Blutpumpe ist.

Die fehlenden organischen Spender-Herzen könnten mit Vorteilen mit geeigneten mechanischen Blutpumpen ersetzt werden. Obwohl eine solche Blutpumpe auch gewisse Probleme nach der Implantation im Körper verursachen kann, z.B. Infektionen, Blutschädigung usw., ist ihr wesentlicher Vorteil, dass sie in genügender Anzahl und nach Bedarf beispielsweise implantiert werden kann, von massgebender Bedeutung.

Deswegen wird weltweit nach einer herzersetzenden Blutpumpe bzw. nach einer herzunterstützenden Blutpumpe gesucht.

Alle bekannten Blutpumpen haben nebst meistens voluminösem Gehäuse mindestens einen an die Pumpe angebauten Antriebsmotor, wodurch sich das Einbauvolumen der Pumpe in etwa verdoppelt. Die meisten Blutpumpenantriebe müssen eine mechanische Untersetzung vom hochdrehenden Elektromotor zur sich langsam bewegenden Pumpenteilen haben, mit der Folge starker Defektanfälligkeit und Wirkungsgradeinbussen. Die Energieversorgung von Motoren von im Körper implantierten Blutpumpen wird entweder mit Kabeldurchführungen durch die Haut oder induktiv durch die Haut ausgeführt.

Die durch das Pumpen verursachten Blutbeschädigungen der bekannten Blutpumpen sind, abhängig von ihrem Funktionsprinzip, oft beträchtlich und somit ein grosses Hindernis für ihre Anwendung.

Die meisten von den bekannten Blutpumpen in Entwicklung z.B. die Blutpumpe von R. K. Jarvik von der Universität Utah in USA, simulieren das mit ca. 70 Schlägen pro Minute diskontinuierlich arbeitende und als Mechanismus eher komplizierte Blutförderungsprinzip des menschlichen Herzens. Weil die so arbeitenden Blutpumpen ca. 40 Millionen Schläge pro Jahr während mindenstens fünf Jahren aushalten müssen, werden sie mit enormer Abnützungsgefährdung konfrontiert.

Ausser diskontinuierlich arbeitenden Blutpumpen, gibt es auch kontinuierlich fördernde Blutpumpen in Entwicklung bzw. auf dem Markt.

Bis heute ist es, wegen der erwähnten Schwierigkeiten, noch nicht gelungen eine annehmbare, im Körper oder ausserhalb des Körpers zuverlässig und zufriedenstellend funktionierende Blutpumpe herzustellen.

Auf dem Markt existiert gegenwärtig noch kein etabliertes Blutpumpen-System.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Blutpumpe zu schaffen, mit welcher alle Körperanforderungen weitgehend erfüllt werden, welche möglichst wenig Blutschädigungen verursacht, mit welcher möglichst kleine Einbauvolumen und damit eine viel einfachere Implantation erzielt werden kann, mit welcher die hohen Wirkungsgrade, die hohe Lebensdauer, die hohe Zuverlässigkeit, einfache Steuerung, einfache Anpassung an die Bedürfnisse des Körpers, einfache Energieversorgung und relativ tiefe Herstellungskosten erzielt werden.

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Eine solche Blutpumpe muss auch als im Körper nicht implantierte, herzunterstützende oder als herzersetzende Pumpe, bei Herzoperationen oder anderen Operationen verwendet werden können.

Diese Blutpumpe muss den vom Körper benötigten Blutvolumenstrom von ca. 7 Liter pro Minute bei einem Blutförderdruck von bis ca. 120 mm Hg (Quecksilbersäule) bei Bedürfnis über die Jahre hinweg zuverlässig, ohne das Blut selber zu schädigen, liefern und dabei mit möglichst hohem Wirkungsgrad arbeiten können.

Zusammenfassend, diese Blutpumpe soll alle obigen Anforderungen erfüllen und dabei entweder afs «disposabie pump» (d.h. wegwerfbare Pumpe), als «reusable pump» (d.h. wiederverwendbare Pumpe) oder als «continuous rated pump» (d.h. die Pumpe für Dauerbetrieb) benützt werden können.

Diese Aufgabe wird mit einer Blutpumpe nach Patent-Anspruch 1 bis 10 gelöst.

Bei dieser Blutpumpe:

a) wird durch die Anwendung des Prinzips der Reibungsturbomaschinen die medizinische Anforderung nach kleinem Einbauvolumen und nach wenig Blutschädigungen erfüllt.

Das Prinzip der Reibungsturbomaschinen, welches im bereits abgelaufenen USA-Patent (Jahr 1910) vom Nikola Tesla näher beschrieben ist, erfüllt wegen der überwiegend laminären Strömung des Blutes durch den Pumpenrotor die Anforderungen nach wenig Blutschädigung. Die Wirkung dieser Pumpen verbessert sich bei der Erhöhung der Viskosität des zu pumpenden Mediums.

b) durch die Anwendung des von der Pumpe getrennten magnetischen oder elektromagnetischen Drehfeldantriebes (z.B. die Pumpe ist im Körper und der Antrieb ist ausserhalb des Körpers), welcher beispielsweise in einem Leibchen ausserhalb des Körpers getragen wird und welcher auf den metallischen oder metallisierten Rotor der Pumpe einwirkt und ihn wegen des durch die Induktion der Wirbelströme entstandenen Magnetfeldes zum Drehen zwingt, wird eine sehr einfache, unempfindliche und wirksame Drehmomentübertragung erreicht. Allfällig auftretende Pannen dieses Antriebes können sofort und ohne operative Eingriffe behoben werden.

c) durch die Montage der Pumpe im Körper z.B. auf der Brustwand oder zwischen den Rippen, unmittelbar unter der Haut, wird die medizinische Anforderung nach einfacher und leichter Implantation erfüllt.

d) durch die Tatsache, dass eine solche Pumpe das Herz in einem sehr breiten Druck/Volumenstrom-Bereich unterstützen kann (wegen der einfachen Förderleistungsregelung), wird das Konzept «der herzunterstützenden Blutpumpe» (bei diesem Konzept wird die Pumpe parallel oder in Serie an dem im Körper verbleibenden Herz angeschlossen) oder das Konzept der «herzersetzenden Blutpumpe» (bei diesem Konzept ersetzt eine implantierte Blutpumpe völlig das Herz) erfüllt.

e) Ausserdem zeigt die Pumpe:

- sehr hohe Lebensdauer,

- sehr hohe Zuverlässigkeit und

- sehr niedrige Herstellungskosten.

Figuren-Legende

Aufzählung der Figuren (Fig. 1 bis 8)

Fig. 1: Darstellung des menschlichen Herzens Fig. 2: Schematische, geschnittene Ansicht einer erfindungsgemässen Blutpumpe

Fig. 3: Schematische, geschnittene Draufsicht einer erfindungsgemässen Blutpumpe

Fig. 4: Darstellung des menschlichen Herzens mit an linkem Herz angeschlossener Blutpumpe

Fig. 5: Darstellung des menschlichen Herzens mit an rechtem Herz angeschlossener Blutpumpe

Fig. 6: Darstellung des menschlichen Herzens mit an Aorta angeschlossener Blutpumpe

Fig. 7: Schematische, geschnittene Ansicht einer erfindungsgemässen Blutpumpe mit eingebauter Rückschlagklappe

Fig. 8: Darstellung eines erfindungsgemässen Körperleibchens mit eingebautem Drehfeldantrieb, Batterie-Lade-Netzgerät und Batterien in der Gürtel-partie des Leibchens

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen (Fig. 1 bis 8), welche die möglichen Ausführungsbeispiele einer solchen Blutpumpe zeigen, näher erläutert:

Fig. 1

Das menschliche Herz (Fig. 1, Pos. 13) ist eine organische vierkammerige Blutpumpe bestehend aus zwei Vorhöfen (30 und 31), zwei Kammern (26 und 27) und vier Klappen (K). Der Blutstrom (3a und 3b) durch das Herz (13) wird mit vier Herzklappen (K) gesteuert. Zwei Herzklappen befinden sich zwischen den Vorhöfen und Kammern, sie lassen das Blut nur in Richtung der Vorhöfe zu den Kammern strömen. Die beiden anderen Herzklappen befinden sich am Ausgang der Kammern, von wo das Blut nur in Richtung zu den Arterien, d.h. in die Lungen-Arterie (16) und in die Körper-Arterie = Aorta (17) einströmen kann. Der linke Vorhof (31) und die linke Herzkammer (27) fördern frisches, aus den Lungen kommendes Blut (3b) in die Aorta (17). Der rechte Vorhof (30) und die rechte Herzkammer (26) fördern venöses, aus dem Körper (Körper-Vene 14) kommendes Blut (3a) in die Lungen-Arterie (16) und in die Lungen, von wo es als frisches Blut wieder zum linken Vorhof kommt und weiter gefördert wird.

Fig. 2

Eine schematische, geschnittene Ansicht einer erfindungsgemässen Blutpumpe. Im Gehäuse (1) ist ein Rotor (2), bestehend aus Rotorwelle (18) und Rotorscheiben (19) gelagert. Das Gehäuse (1) hat eine nichtmetallische Wand (T) und je einen Blutzuführungsstutzen (5) und Blutabführungsstutzen (6). Im Blutzuführungsstutzen (5) ist eine Strömungs-Drallvorrichtung (8) eingebaut, wodurch das Blut (3) einen Vordrall bekommt und der Wirkungsgrad der Pumpe erhöht wird. Im Blutabführungsstutzen (6) ist ein Strömungsgleichrichter (7) eingebaut, wodurch das Blut (3) beruhigt in den Blutkreislauf zurückkehrt. Die Rotorlager (L) sind z.B. Axialspitzeniager. Die Spalten (S) zwischen den Rotorscheiben (19) selbst und zwischen dem Rotor (2) und dem Gehäuse (1 und T) sind relativ klein z.B. 1 mm. Die

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äussere, zur Wand (T) stehende Rotorscheibe (19) ist beispielsweise aus Metall oder aus metallisiertem Kunststoff hergestellt. Die anderen Rotorscheiben bestehen z.B. aus Kunststoff. Die Rotorscheiben (19) haben in ihrer Mitte kreisförmige Ausschnitte (A). Der elektromagnetische Drehfeldantrieb (4) ist beispielsweise im Leibchen (20) eingebaut und wird durch denselben in richtige Position zu dem im Körper unter der Haut implantierten Pumpengehäuse (1) gehalten.

Fig. 3

Das Gehäuse (1) hat in seinem Inneren eine Blutströmungsführung (10), durch welche ein Diffu-sor (D) gebildet wird, wodurch der Wirkungsgrad der Blutpumpe verbessert und die Blutbeschädigung vermindert wird. Die Haltevorrichtung (11) besteht aus beispielsweise zwei an das Pumpengehäuse befestigten gegenüberliegenden U-Profilen in welche die Rippen (12) eingeschoben und mit den hier nicht gezeigten Schrauben fixiert werden. Die äussere, zur Wand (T) stehende Rotorscheibe (19) kann auch nur aus Kunstoff hergestellt werden, aber dann muss sie Permanentmagnete (25) zwecks der Drehmomentübertragung an sich befestigt haben. Die im Gehäuse (1) eingebauten Sensoren (24) werden z.B. zur Erfassung der Rotordrehzahl verwendet.

Fig. 4

Schematische Verbindung einer Blutpumpe (Fig. 2) parallel zur linken Herzkammer (27). Paralleler Anschluss der Blutpumpe ans Herz (13) ermöglicht einen teilweisen oder völligen Ersatz (Überbrückung) des linken Herzens.

Fig. 5

Schematische Verbindung einer Blutpumpe parallel zur rechten Herzkammer (26). Paralleler Anschluss der Blutpumpe ans Herz (13) ermöglicht einen teilweisen oder völligen Ersatz (Überbrückung) des rechten Herzens.

Fig. 6

Schematische Verbindung einer Blutpumpe in Serie zur linken Herzkammer (27). Serieller Anschluss der Blutpumpe ans Herz (13) ermöglicht eine wirkungsvolle Unterstützung (Entlastung) des Herzens.

Fig. 7

Eine im Blutabführungsstutzen (6) eingebaute Rückschlagklappe (9) verhindert die Blutrückströmung, wenn der maximale Druck der Herzaustreibungsphase bei paralleler Verbindung der Blutpumpe an die linke Herzkammer (27) höher als der Förderdruck der Pumpe ist.

Fig. 8

Beispiel einer Anwendung mit einem Körper-Leibchen (20), welches dem Oberkörper so angepasst ist, dass es nicht oder nur geringfügig verrutschen kann. Das Leibchen (20) hat im Bereich vis-ä-vis der im Körper eingebauten Blutpumpe den elektromagnetischen Drehfeldantrieb (4) in sich integriert. In der Gürtelpartie des Leibchens sind ausserdem das Batterie-Lade-Netzgerät (22) und die Batterien (21), welche den (hier nicht näher beschriebenen) elektromagnetischen Drehfeldantrieb (4) und seine Steuerung (23) mit dem Gleichstrom versorgen, integriert. Die Steuerung (23) des elektromagnetischen Antriebs (hier nicht näher beschrieben) bewirkt einerseits die Umsetzung des Gleichstromes in rotierendes elektromagnetisches Feld und steuert bzw. kontrolliert gleichzeitig mit ihren Sensoren (24) z.B. die eingestellte Drehzahl bzw. die Drehrichtung der Blutpumpe.

Bei im Körper nicht eingebauten Blutpumpen, kann der Drehfeldantrieb auch durch die Verwendung des Netz-Wechselstromes (z.B. 220V, 50 Hz) und entsprechender (hier nicht näher beschriebenen) Steuerung erzielt werden.

Liste der Bezeichnungen in Fig. 1 bis 8

1 Gehäuse

2 Rotor

3 Blut

3a Venöses Blut 3b Frisches Blut

4 Drehfeldantrieb

5 Blutzuführungsstutzen

6 Blutabführungsstutzen

7 Strömungsgleichrichter

8 Strömungs-Drallvorrichtung

9 Rückschlagklappe

10 Blutströmungsführung

11 Haltevorrichtung

12 Rippe

13 Herz

14 Körper-Vene

15 Lungen-Vene

16 Lungen-Arterie

17 Körper-Arterie (Aorta)

18 Rotorwelle

19 Rotorscheibe

20 Körperleibchen

21 Wiederaufladbare Batterien

22 Netzgerät

23 Steuerung

24 Sensoren

25 Permanentmagnete

26 Rechte Herzkammer

27 Linke Herzkammer

28 Hilfselektroenergiequelle

29 Haut

30 Rechter Vorhof

31 Linker Vorhof

A Kreisförmiger Ausschnitt an 19 a-a Rotorachse D Diffusor K Herzklappe L Lager S Spalt

T Gehäuse-Wand

Claims

Patentansprüche

1. Herzunterstützende oder herzersetzende Blutpumpe, mit mindestens einem in einem Gehäuse (1) eingelagerten Rotor (2) zum Fördern von Blut (3) zwecks Herzunterstützung oder Herzersetzung und mit mindestens einem elektromagnetischen Drehfeldantrieb (4) für die Blutpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektromagnetischer Drehfeldantrieb (4) ausserhalb des Körpers

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und unmittelbar über der im Körper direkt unter der Haut (29) implantierten Blutpumpe mit dem Rotor (2) mit mindestens einer metallischen oder metallisierten Rotorscheibe (19) oder einer Rotorscheibe (19) mit angebauten Magneten (25) im Gehäuse (1) angeordnet ist, wobei der Drehfeldantrieb (4) nicht direkt mit dem Gehäuse (1) verbunden ist.

2. Blutpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) im wesentlichen in seinem Inneren zylindrisch ausgebildet ist und es mindestens einen Blutzuführungsstutzen (5) hat, welcher in seinem Inneren eine Strömungsdrall-Vorrichtung (8) und einen Blutabführungsstutzen (6) hat, welcher in seinem Inneren einen Strömungsgleichrichter (7) oder/und ein als Rückschlagklappe funktionierendes Strömungs-Steuerorgan (9) hat und dass das Gehäuse (1) in seinem Inneren mindestens einen durch mindestens eine Blutströmungsführung (10) gebildeten Diffusor (D) aufweist.

3. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) in Gehäuse (1) konzentrisch oder nicht konzentrisch zu seinem inneren gelagert ist und um seine Achse (a-a) in beiden Richtungen drehbar ist.

4. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Wand (T) des Gehäuses (1) nicht metallisch und nicht stromführend z.B. aus Glas ist.

5. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) mit einer derartigen Haltevorrichtung (11) versehen ist, mit welcher sie z.B. an der Brustwand oder an den Rippen (12) oder an einem anderen Körperteil unter der Haut (29) gehalten werden kann.

6. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie entweder aus nur einem Gehäuse (1), nur einem Rotor (2) und nur einem Drehfeldantrieb (4) besteht, und dass sie mit ihren Stutzen (5) und (6) derartig zur linken Herzkammer (27) oder zur rechten Herzkammer (26) des Herzens (13) geschaltet ist, dass sie dabei, je nach Schaltung entweder unterstützend oder ersetzend arbeitet, oder dass sie z.B. aus zwei Gehäusen (1) und zwei Rotoren (2) und zwei Drehfeldantrieben (4) besteht und dass dabei eine der beiden Blutpumpen z.B. als Ersatz für die rechte Herzkammer und die andere als Ersatz für die linke Herzkammer arbeitet.

7. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) eine Rotorwelle (18) mit Lagern (L) und mindestens eine kreisförmige aus dünnem Metall bestehende oder mit einem Metall beschichtete Rotorscheibe (19) aufweist und so im Gehäuse (1) eingebaut ist, dass zwischen den Rotorscheiben (19) selbst und zwischen der äussersten Rotorscheibe (19) und der flachen Gehäusewand (T) ein kleiner, z.B. 1 mm grosser Spalt (S) vorhanden ist, wodurch durch die Wirkung des Drehfeldantriebes (4) die Wirbelströme im Metall oder in der Metallschicht der Rotorscheiben (19) induziert werden und folglich die Drehmomentübertragung erzielt wird.

8. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehfeldantrieb (4) entweder mit Gleichstrom aus wiederaufladba-

ren Batterien (21) über ein Netzgerät (22) oder direkt mit dem Netz-Wechselstrom angetrieben werden kann und dass die Drehgeschwindigkeit und die Drehrichtung des durch den Drehfeldantrieb (4) erzeugten Drehfeldes entweder nur einschaltbar oder mit einer Steuerung (23) zwecks der Drehzahl-und Drehrichtungsteuerung ausgerüstet ist und dass der Drehfeldantrieb so gestaltet ist, dass er z.B. mit Hilfe eines Körperleibchens (20) auf der Höhe des Rotors am Körper in richtiger Position zur Pumpe gehalten werden kann.

9. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehfeldantrieb (4) der Blutpumpe mit einer derartigen Energieversorgung versehen ist, dass sie ausser durch Batterien (21) mit dazugehörendem Netzgerät (22) bzw. direktem Netzanschluss, auch bei Bedarf durch eine z.B. manuelle Hilfselektro-Energiequelle (28) angetrieben werden kann.

10. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass entweder ein elektromagnetischer Drehfeldantrieb (4) auf den Rotor (2) durch Wirbelstrominduktion in metallischen Rotorscheiben oder auf am Rotor (2) befestigte Permanentmagnete (25) wirkt.

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