DE19827408A1

DE19827408A1 - Fluidpumpenanordnung

Info

Publication number: DE19827408A1
Application number: DE19827408A
Authority: DE
Inventors: Richard Freyer; Juergen Uhlemann; Christine Thiele; Roland Weis; Vladimir Ermel
Original assignee: ROLAND ERNST STIFTUNG fur GES
Current assignee: ROLAND ERNST STIFTUNG fur GES
Priority date: 1998-06-19
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 1999-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpenanordnung zum vorzugsweisen Einsatz in medizinischen Bereichen, bei der eine pulsierende Fluidförderung durch Bewegung des Pumpenmechanismus mittels einer Antriebseinheit erreicht wird und die wenigstens ein Ventil zur Festlegung der Förderrichtung aufweist. DOLLAR A Die Aufgabenstellung, die darin besteht, eine Fluidpumpenanordnung anzugeben, die konstruktiv einfach aufgebaut und sicher handhabbar sowie kostengünstig in Herstellung und Materialeinsatz ist und die bei Einsatz in medizinischen Bereichen das Blut des Patienten mit geringem Hämolyserisiko transportiert und die natürliche Funktion des Herzens vollständig ersetzen kann, wird dadurch gelöst, daß das wenigstens eine Ventil als Rückschlagventil (2, 19) ausgebildet ist, daß das Ventil (2, 19) mit wenigstens einem flexiblen Schlauch (5, 6, 18) verbunden ist und daß das Ventil (2, 19) derart fixiert ist, daß es im angetriebenen Zustand mit seiner Längsachse (11) eine Kreisschubbewegung ausführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpenanordnung zum vorzugs weisen Einsatz in medizinischen Bereichen, bei der eine pul sierende Fluidförderung durch Bewegung des Pumpenmechanismus mittels einer Antriebseinheit erreicht wird und die wenigstens ein Ventil zur Festlegung der Förderrichtung aufweist.

Derartige Fluidpumpen werden beispielsweise als extrakorporale Blutpumpen in der Herzchirurgie eingesetzt. Mögliche Einsatz gebiete sind aber auch außerhalb der Medizintechnik denkbar, beispielsweise in geschlossenen Systemen der Biotechnologie, chemischen Industrie und Labortechnik.

Für Operationen am offenen Herzen ist in der Regel dessen Stillegung für die Dauer der Operation notwendig. Der Kreis lauf des Patienten wird in dieser Zeit maschinell aufrecht erhalten. Die Funktion des Herzens übernimmt eine Blutpumpe, die Funktion der Lunge ein Membranoxygenator. Das Blut wird in Schläuchen aus dem Körper durch die Maschine zurück zum Kör per des Patienten geführt. Dieser extrakorporale Kreislauf wird durch eine Herz-Lungenmaschine realisiert. Bisher bekannt gewordene Blutpumpen können dabei als technische Einrichtung die natürliche Funktion des Herzens jedoch nur bedingt er setzen. Sie verursachen, vor allem bei einem mehrstündigen Einsatz, Schäden am Blut. Bei den gegenwärtig eingesetzten Blutpumpen sind trotz eines hohen technischen Entwicklungs standes die Auswirkungen der Blutschädigungen auf den Patien ten nicht zu vernachlässigen.

So werden seit Jahren beispielsweise Blutpumpen eingesetzt, die als Rollenpumpen nach dem Verdrängerprinzip arbeiten. Ein in ein Gehäuse eingelegter Silikonschlauch wird durch exzen trisch drehbar gelagerte Rollen fortlaufend gequetscht. Die Blutförderung erfolgt quasikontinuierlich in Bewegungsrichtung der Rollen. Der Volumenstrom ist durch Wahl des Schlauchdurch messers, der Drehzahl der Rollenführungseinrichtung und des Grades der Schlauchquetschung einstellbar.

Nachteilig an dieser Lösung ist, daß Rollenpumpen, die sich zwar durch einfache Anwendung und geringe Betriebskosten aus zeichnen, bezüglich der Hämolyse problematisch sind. Einer seits führt die Okklusion des Schlauches zu einer erheblichen Scherbeanspruchung des Blutes mit der Folge, daß Erythrozyten zerquetscht werden, andererseits kommt es aufgrund der erheb lichen Walkbelastung des Schlauchmaterials zu einer Migration von Schlauchpartikeln, wie Muschelbruch, in die Blutbahn des Patienten. Bereits nach einer Einsatzdauer von etwa drei Stun den bewirkt die Rollenpumpe ein erhöhtes Risiko für den Patienten.

Andere bekannte Blutpumpen arbeiten als Zentrifugalpumpen. Die Förderung des Blutes erfolgt dabei entweder durch ein beschau feltes oder ein unbeschaufeltes Laufrad. Hierzu sind unter schiedliche Ausführungsformen bekannt geworden, die jedoch in den meisten Fällen ebenfalls Nachteile aufweisen. So wird bei diesen Pumpen die Hämolyse des Blutes durch Überschreiten der Grenzscherspannungen der Erythrozyten aufgrund hoher Geschwin digkeitsgradienten zwischen Rotor und ruhendem Gehäuse sowie von Turbulenzen in der Pumpe verursacht. Außerdem ist die Einsatzdauer durch die Gefahr der Thrombenbildung begrenzt, die unter anderem durch eine örtlich erhöhte Temperaturbela stung des Blutes infolge von Reibungswärme an Lagerstellen in Verbindung mit mangelhaftem Auswaschverhalten entsteht.

Nachteilig ist des weiteren, daß sich bewegte Teile, Lager oder Dichtungen innerhalb des Pumpengefäßes befinden, die zur Schädigung des Blutes führen können. Die Herstellung solcher Pumpenmechanismen hat sich außerdem für eine nur einmalige Verwendung als sehr kostenaufwendig erwiesen.

Die Druckschrift DE 38 74 392 T2 offenbart eine Fluidpumpe, die zumindest einige der benannten Mängel ausschließen soll. Sie beschreibt eine Drehfaßpumpe, die aus einem drehbaren Behälter, der einen mittigen Einlaß und ein dazu in tangen tialer Richtung am äußeren Umfangsbereich des Behälters an geordneten Auslaß aufweist und mit einer Vorrichtung verbunden ist, die den Behälter um eine Achse dreht. Im Behälter ist eine hornförmige Membran aus einem flexiblen Kunststoff so angeordnet, daß ein zwischen Behälter und Membran eingebrach tes Gas dicht eingeschlossen ist. Aufgrund der Eigendrehung des Behälters wird die Flüssigkeit, die über den Einlaß in den Behälter fließt, in eine Drehbewegung versetzt, wodurch eine zentrifugale Strömung entsteht, so daß die Flüssigkeit ent sprechend der Rotationsgeschwindigkeit des Behälters aus der Auslaßöffnung herausfließen kann. Da die Flüssigkeit somit weitestgehend von der Außenumgebung abgeschlossen ist, ist sie auch nahezu frei von eindringenden Keimen.

Nachteilig hierbei ist, daß die eingesetzte Membran - um Ge fahrenquellen, wie Rißbildung oder Brechen auszuschließen - als Doppelkammermembran ausgebildet sein muß, was sich ins besondere unter dem Aspekt des einmaligen Einsatzes des dreh baren Gefäßes ungünstig auf die Herstellungskosten auswirkt. Außerdem muß eine dauerhafte, 100%ige Dichtheit zwischen dem mit einem Gas gefüllten Hohlraum und dem mit Blut gefüllten Pumpraum gewährleistet sein, da bereits wenige Milliliter Gas zu einer tötlichen Embolie des Patienten führen kann. Diese Abdichtung wirkt sich wiederum ungünstig auf die Herstellungs kosten aus.

Schließlich beschreibt das US Patent 5,266,012 eine soge nannte Vibrationspumpen, bei der ein Schlauch oder eine Lei tung mit darin angeordnetem Ventil abstandsweise zu diesem mittels Haltevorrichtungen fixiert ist und über eine Antriebs einrichtung eine lineare Vor- und Rückwärtsbewegung ausführt. Dabei sind zum Längenausgleich zumindest Abschnitte des Schlauches oder der Leitung faltenbalgartig ausgebildet.

Nachteilig an dieser Lösung ist, daß die lineare Vor- und Zurückbewegung durch den ständigen Wechsel zwischen Beschleu nigung und Abbremsung des Antriebes aus energetischer Sicht ungünstig ist. Die faltenbalgartige Ausbildung des Schlauches oder der Leitung stellt außerdem eine Quelle für Blutschädi gungen dar, da Bereiche innerhalb des Schlauches entstehen können, in denen das Blut nicht kontinuierlich befördert wird. Von Nachteil ist des weiteren die durch die konstruktive Aus führung bedingte Größe der Fluidpumpe.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Fluidpumpenanordnung anzugeben, die konstruktiv einfach aufgebaut und sicher hand habbar sowie kostengünstig in Herstellung und Materialeinsatz ist und die bei Einsatz in medizinischen Bereichen das Blut des Patienten mit geringem Hämolyserisiko transportiert und die Pumpenfunktion des Herzens ersetzen kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das wenigstens eine Ventil als Rückschlagventil ausgebildet ist, daß das Ventil mit wenigstens einem flexiblen Schlauch verbun den ist und daß das Ventil derart fixiert ist, daß es im an getriebenen Zustand mit seiner Längsachse eine Kreisschubbewe gung ausführt.

Diese erfindungsgemäße nicht okklusiv arbeitende Fluidpumpen anordnung verhindert bei Einsatz in der Herzchirurgie weitest gehend die Schädigung des Blutes, da die Zerstörung der roten Blutkörperchen reduziert wird und auch keine Schadstoffe ins Blut gelangen können, die dieses verunreinigen. Der einfache Aufbau der Fluidpumpe sichert außerdem eine kostengünstige Herstellung, da weder aktiv bewegte Teile noch Dichtungen oder Lager im Fluidbereich vorhanden sind.

In der weiteren Ausgestaltung der Fluidpumpenanordnung ist die erfindungsgemäße Lösung im wesentlichen in zwei unterschied lichen Ausführungsformen vorteilhaft realisierbar.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausführung ist das Ventil ortsfest unmittelbar im Auslaßbereich eines Pumpengefäßes angeordnet, das Pumpengefäß rotationssymmetrisch ausgebildet und weist einen Ein- und einen dazu nahezu rechtwinklig an geordneten Auslaß auf, an dem jeweils ein flexibler Schlauch angeordnet ist. Das Pumpengefäß ist einlaßseitig in einer kardanischen Aufhängung gelagert und auslaßseitig gelenkig mit der Antriebseinheit verbunden. Die Längsachse des Pumpenge fäßes verläuft dabei exzentrisch zur Längsachse der An triebseinheit und führt im angetriebenen Zustand eine die Mantelfläche eines Kegels beschreibende Taumelbewegung aus.

Die Pumpwirkung wird dadurch erreicht, daß die zeitlich schwankenden Drücke im Fluid, die durch die Taumelbewegung des Pumpengefäßes entstehen, in Zusammenspiel mit den dynamischen Eigenschaften des Ventiles, dessen Öffnen und Schließen ver ursachen. Dadurch wird eine pulsierende Förderung erreicht. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der nichtrotierenden Bewegung und der geometrischen Dimensionierung des Pumpenge fäßes sowie der Zu- und Ableitungen sind Durchflußmenge und Druck steuerbar.

Nach einer vorzugsweisen Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Auslenkung der Längsachse des Pumpengefäßes in bezug auf die Längsachse der Antriebseinheit einstellbar aus gebildet.

Auf diese Art und Weise können die Leistungsparameter der Fluidpumpenanordnung den tatsächlichen Erfordernissen angepaßt werden.

Dadurch, daß die Antriebswelle der Antriebseinheit gelenkig und lösbar mit dem Pumpengefäß verbunden ist und zentrisch am auslaßseitigen Ende des Pumpengefäßes angeordnet ist, wird zum einen erreicht, daß ein schnelles und sicheres Auswechseln des nur einmal verwendbaren Pumpengefäßes erfolgen kann. Zum ande ren wird in Verbindung mit der kardanischen Aufhängung er reicht, daß das Pumpengefäß die vorgesehene Taumelbewegung durchführt.

Nach einer einfachen und kostengünstigen Ausführung der Fluidpumpenanordnung ist die Antriebswelle als Kardanwelle, die über ein Kreuzgelenk mit dem Antriebsmotor verbunden ist, ausgebildet und am Pumpengefäß mittels lösbarer Verbindung befestigt.

Nach einer weiteren vorteilhaften und kostengünstigen Fort bildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Pumpengefäß rohr förmig ausgebildet.

Um die Herzfunktion auf möglichst natürliche Art und Weise ersetzen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Größe des Pumpengefäßes an den Mengendurchsatz des Fluides angepaßt ist.

Des weiteren ist aus Kostengründen von Vorteil, wenn das wenigstens eine Ventil als Segelklappen- oder Kugelventil ausgebildet ist.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt dabei in

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung der Fluidpumpenanordnung gemäß Anspruch 2,

Fig. 2 die Seitenansicht auf eine Fluidpumpenanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung gemäß Schnitt A-A aus Fig. 2,

Fig. 4 prinzipielle Darstellung des kreisschubbewegten Venti les,

Fig. 5 eine weitere Ausführung der Fluidpumpenanordnung gemäß Anspruch 6 und

Fig. 6 eine prinzipielle Darstellung zur Veranschaulichung der Taumelbewegung des Pumpengefäßes nach Fig. 5.

Nach den Fig. 1 bis 3 besteht die Fluidpumpenanordnung aus der Antriebseinheit 1, dem als Segelklappenventil ausgebildeten Rückschlagventil 2, an dessen Ein- und Auslaß 3 und 4 jeweils ein Schlauch 5 und 6 angeschlossen ist. Die Schlauchenden umfassen dabei den Einlaß 3 und den Auslaß 4 formschlüssig und dicht, so daß keine Flüssigkeit austreten kann. Am Ventil 2 ist ein Ansatz ausgebildet, durch den die Antriebswelle 7 geführt und über eine einfache Schraubverbindung 8 am Ventil 2 befestigt wird. Zur Ausführung der Kreisschubbewegung und zur Halterung des Ventiles 2 ist die Antriebswelle 7 über Wellengelenke 9 fest in einer Halterung 10 angeordnet. Das Ventil 2 ist so mit der Antriebswelle 7 verbunden, daß seine Längsachse 11 in der Kreisebene der Kreisschubbewegung liegt. Dadurch, daß das Ventil 2 eine Kreisschubbewegung ausführt, wird zum einen ein kontinuierlicher Antrieb des Ventiles und zum anderen ein natürliches, pulsierendes Fördern des Fluides erreicht. Dieses kommt dadurch zustande, daß über dem Ventil eine Druckdifferenz auftritt, bedingt durch phasenverschobenen schwankenden Druck an den umlaufenden Schlauchenden. Das Rück schlagventil 2 wird dadurch periodisch geöffnet und geschlos sen, wobei Fördermenge und Förderhöhe der Fluidpumpenanordnung vom Umlaufradius, der Drehzahl und den dynamischen Eigenschaf ten sowie von den Strömungswiderständen im Kreislauf abhängig sind. Die Schläuche 5 und 6 sind mittels einfacher Schlauchbe festigungen 12 in einem solchen Abstand vom Ventil 2 fixiert, daß die Kreisschubbewegung problemlos - beispielsweise mit Hilfe eines Kurbelgetriebes - ausführbar ist. Fig. 4 veran schaulicht die Kreisschubbewegung in prinzipieller Weise.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Fluidpumpenanordnung. Hiernach besteht die Fluid pumpenanordnung aus der Antriebseinheit 13, einem rohrförmig ausgebildeten Pumpengefäß 14, welches einen Einlaß 15 und einen dazu rechtwinklig angeordneten Auslaß 16 aufweist, die jeweils mit flexiblen Schläuchen 17 und 18 verbunden sind. Das als Kugelventil ausgebildete Rückschlagventil 19 ist unmittel bar im Auslaßbereich des Pumpengefäßes ortsfest angeordnet. Das Pumpengefäß 14 ist einlaßseitig in einer kardanischen Aufhängung 20 befestigt und auslaßseitig am Ende des nicht abgewinkelten Pumpengefäßteils über ein Kreuzgelenk 21 mit der Kardanwelle 22 der Antriebseinheit 13 lösbar verbunden. Das Pumpengefäß ist dabei so zwischen kardanischer Aufhängung 20 und Kreuzgelenk 21 angeordnet, daß die Längsachse 23 des Pum pengefäßes 14 exzentrisch zur Längsachse 24 der Antriebsein heit 13 verläuft, wobei der Winkel der Auslenkung der Längs achse 23 des Pumpengefäßes 14 verstellbar ausgebildet ist. Einfache Schraubverbindungen 25 gestatten die Justage der Vorrichtung.

Im angetriebenen Zustand führt das Pumpengefäß 14 eine die Mantelfläche eines Kegels beschreibende Taumelbewegung aus. Fig. 6 veranschaulicht die Taumelbewegung des Pumpengefäßes 14 und zeigt, daß durch die Anordnung des Ventiles 19 im abgewin kelten Auslaß 16 dieses eine ebensolche Kreisschubbewegung ausführt, wie in der Fluidpumpenanordnung nach Fig. 1.

Bezugszeichenliste

1

Antriebseinheit

2

Rückschlagventil

3

Einlaß

4

Auslaß

5

Schlauch

6

Schlauch

7

Antriebswelle

8

lösbare Verbindung

9

Wellengelenk

10

Halterung

11

Längsachse des Ventiles

12

Schlauchbefestigung

13

Antriebseinheit

14

Pumpengefäß

15

Einlaß

16

Auslaß

17

Schlauch

18

Schlauch

19

Rückschlagventil

20

kardanische Aufhängung

21

Kreuzgelenk

22

Kardanwelle

23

Längsachse des Pumpengefäßes

24

Längsachse der Antriebseinheit

25

Schraubverbindung

Claims

1. Fluidpumpenanordnung zum vorzugsweisen Einsatz in medizi nischen Bereichen, bei der eine pulsierende Fluidförderung durch Bewegung des Pumpenmechanismus mittels einer An triebseinheit erreicht wird und die wenigstens ein Ventil zur Festlegung der Förderrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Ventil als Rückschlagventil (2, 19) ausgebildet ist, daß das Ventil (2, 19) mit wenigstens einem flexiblen Schlauch (5, 6, 18) verbunden ist und daß das Ventil (2, 19) derart fixiert ist, daß es im angetriebenen Zustand mit seiner Längsachse (11) eine Kreisschubbewegung ausführt.

2. Fluidpumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (2) direkt mit den Enden von zwei flexiblen Schläuchen (5, 6) verbunden ist, daß beidseitig des Ventils (2) die Schläuche (5, 6) in wenigstens einer Fixiereinrichtungen (12) gehaltert werden, wobei die jeweilige Schlauchlänge zwischen Ventil (2) und Fixiereinrichtung (12) in Abhängigkeit vom Um laufradius der auszuführenden Kreisschubbewegung des angetriebenen Ventils (2) variabel einstellbar ist.

3. Fluidpumpenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisschubbewegung durch ein Kurbelgetriebe erzeugt wird.

4. Fluidpumpenanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußschläuche (5, 6) aus einem dehnbaren Material bestehen.

5. Fluidpumpenanordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fixierung der Schläuche (5, 6) übliche Schlauchbefestigungen, wie Schellen (12) oder dgl. eingesetzt werden.

6. Fluidpumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (19) ortsfest unmittelbar im Auslaßbereich (16) eines Pumpengefäßes (14) angeordnet ist, daß das Pumpengefäß (14) rotationssymme trisch ausgebildet ist, einen Ein- und einen dazu nahezu rechtwinklig angeordneten Auslaß (15 und 16) aufweist, an dem jeweils ein flexibler Schlauch (17, 18) angeordnet ist, daß das Pumpengefäß (14) einlaßseitig in einer karda nischen Aufhängung (20) befestigt ist und auslaßseitig ge lenkig mit der Antriebseinheit (13) verbunden ist und daß die Längsachse (23) des Pumpengefäßes (14) exzentrisch zur Längsachse (24) der Antriebseinheit (13) verläuft und im angetriebenen Zustand eine die Mantelfläche eines Kegels beschreibende Taumelbewegung ausführt.

7. Fluidpumpenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung der Längs achse (23) des Pumpengefäßes (14) in bezug auf die Längs achse (24) der Antriebseinheit (13) einstellbar ausge bildet ist.

8. Fluidpumpenanordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (22) der Antriebseinheit (13) gelenkig und lösbar mit dem Pum pengefäß (14) verbunden ist und zentrisch am auslaßsei tigen Eride des Pumpengefäßes (14) angeordnet ist.

9. Fluidpumpenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (22) als Kardanwelle, die über ein Kreuzgelenk (21) mit dem An triebsmotor verbunden ist, ausgebildet ist und am Pumpen gefäß (14) mittels lösbarer Verbindung befestigt ist.

10. Fluidpumpenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Pum pengefäß (14) rohrförmig ausgebildet ist.

11. Fluidpumpenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Pumpengefäßes (14) an den Mengendurchsatz des Fluides angepaßt ist.

12. Fluidpumpenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das wenig stens eine Ventil (2, 19) als Segelklappen- oder Kugelven til ausgebildet ist.