DE19827408A1 - Fluidpumpenanordnung - Google Patents
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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.
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 (12)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19827408A DE19827408A1 (de) | 1998-06-19 | 1998-06-19 | Fluidpumpenanordnung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19827408A DE19827408A1 (de) | 1998-06-19 | 1998-06-19 | Fluidpumpenanordnung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19827408A1 true DE19827408A1 (de) | 1999-12-30 |
Family
ID=7871441
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19827408A Withdrawn DE19827408A1 (de) | 1998-06-19 | 1998-06-19 | Fluidpumpenanordnung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19827408A1 (de) |
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- 1998-06-19 DE DE19827408A patent/DE19827408A1/de not_active Withdrawn
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