DE2124062A1

DE2124062A1 - Einpflanzbare Infusionspumpe

Info

Publication number: DE2124062A1
Application number: DE19712124062
Authority: DE
Inventors: Perry Justin; Dorman Frank D.; Blackshear jun. Perry L. Prof.; Buchwald Henry; Varco Richard L.; Minneapolis Minn. Blackshear (V.St.A.)
Original assignee: The Regents of the University of Minnesota, Minneapolis, Minn. (V.StA.)
Priority date: 1970-05-18
Filing date: 1971-05-14
Publication date: 1971-12-23
Also published as: CA946696A; NL168707C; DE2124062C3; BE766819A; FR2091189A5; DE2124062B2; CH528905A; JPS5130719B1; NL7106828A; SE403257B; NL168707B; GB1345764A

Description

Priorität: 18. Mai 197o, Nr. 38 356 USA

Die Erfindung bezieht sich auf eine Infusionspumpe.

Die bekannten Verfahren für die Infusion machen externe Verbindungen und Rohrleitungen erforderlich.

Die Aufgabe der· vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Infusionspumpe zu schaffen, die für ein permanentes vollkommenes Einpflanzen geeignet und perkutan nachfüllbar ist.

Diese Aufgabe wird bei der Infusionspumpe durch ein Gehäuse, eine erste und eine zweite Kammer in dem Gehäuse, eine flüssigkeitsdichte, dampfdichte und eine Druckverbindung herstellende Zwischenphase, welche die beiden Kammern trennt, durch eine Eintrittsöffnung für die erste Kammer und eine flüssigkeitsdichte und dampfdichte Verschlußeinrichtung für diese Öffnung, durch eine Eintrittsöffnung für die zweite Kammer

109852/1202

und eine flüssigkeitsdichte Verschlußeinrichtung für diese Öffnung, durch wenigstens eine Abgabeöffnung aus der zweiten Kammer und durch ein Strömungsregulierendes Widerstandselement gelöst, das in direkter Fluidverbindung mit der Abgabeöffnung und einer Leitung steht, die zu wenigstens einer Infusionsstelle führt.

Um Flüssigkeiten in einen lebenden Körper infundieren zu können, wird die erfindungsgemäße Pumpe unter der Haut eines Lebewesens eingepflanzt, wobei der Verschluß für die Eintrittsöffnung für die zweite Kammer der Pumpe unter der Haut liegt. Dann stellt man die Verbindung des Leitungselementes mit wenigstens einer Infusionsstelle her. Darauf wird das flüssige, zu infundierende Mittel durch die Haut und durch die Einlaßöffnung in die zweite Kammer injizi3rt. Das Mittel füllt die zweite Kammer, expandiert diese und kondensiert den Dampf in der ersten Kammer. Dieser Dampf dehnt sich durch die Körperwärme aus, so daß die zweite Kammer allmählich zusammengedrückt wird, wodurch das zu infundierende Mittel in der zweiten Kammer durch das die Strömung regulierende Element und die Leitung zur Infusionsstelle gedrückt wird.

Die erfindüngsgemäße Pumpe verwendet eine Energiequelle, die rezyklisierend arbeitet, als Medium Dampf-Flüssigkeit hat und einen konstanten Druck aufweist, wodurch die Nachteile von elektrisch angetriebenen Pumpen, unabhängig davon, ob sie von einer externen oder internen Kraftquelle betrieben werden, von Atomkraft, magnetischer Kraft oder dergleichen betriebenen Pumpen,vermieden werden. Die erfindungsgemäße Pumpe benutzt den zum Füllen der inneren Kammer verwendeten Druck als kinetische Energiequelle zur Speicherung der potentiellen Energie für die chemische Pumpe. Die Tätigkeit der Pumpe hangt von dem physikalischen Grundsatz ab, daß ein Dampf im Gleichgewicht mit seiner Flüssigphase einen konstanten. Dampfdruck bei einer vorgegebenen Temperatur unabhängig vom Volumen ausübt.

109852/1202

_ 3 —

Die erfindungsgemäße Pumpe hat den Vorteil, daß sie für einen dauernden Verbleib einpflanzbar ist, selbstumwälzend bzw. rezyklisierend wirkt, bei konstanten niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten arbeitet, vielfach verwendbar und einfach im Aufbau ist. Sie ist perkutan nachfüllbar und arbeitet ohne irgendeine innere oder äußere elektrische Energiequelle. Sie kann unabhängig vom Gefäßdrmck arbeiten, so daß man eine ununterbrochene gleichförmige Infusionsgeschwindigkeit ex'hält. Arzneimittel und andere chemische Substanzen oder Fluide können intravenös, intraarteriell infundiert oder in einen Körperhohlraum oder in das Gewebe mit niedriger Zuführströmungsgeschwindigkeit bei konstantem Volumen eingeführt werden. Die erfindungsgemäße Pumpe kann beispielsweise für die kontinuierliche Heparinisierung, für das Injizieren von künstlichem Pankreasinsulin, für die chemotherapeutische Infusion in Organe, für die Infusion eines Mittels zur Behandlung hoher Lipoidkonzentrationen im Blut (anti-hyperlipidemic), für die Infusion füx* eine bereichsweise Gefäßerweiterung und dergleichen verwendet werden.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine einpflanzbare Pumpe für das Infundieren von Arzneimitteln oder anderer chemischer Stoffe oder Lösungen in den Körper mit gleichförmiger niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Die Pumpe umfaßt ein Gehäuse, das in zwei Kammern unterteilt ist, die von einem Balg, einem Diaphragma oder einer anderen, eine Druckverbindung herstellenden Zwischenphase getrennt sind. Eine flüchtige Flüssigkeit, die eine Kammer teilweise füllt, sorgt für eine bei konstantem Druck arbeitende Energiequelle, um auf die Zwischenphase einzuwirken, um das flüssige Infusat von der anderen Kammer durch ein Kapillarrohr oder ein Strömungsregulierendes Widerstandselement zur Infusionsstelle zu drücken. Die Infusatkammer wird durch einen Einstiche selbst verschließenden Nachfüllstopfen verschlossen. Wenn die Pumpe eingepflanzt ist, befindet sich der Nachfüllstopfen unter der Haut. Die Pumpe wird periodisch durch Injizieren durch die Haut nachgefüllt.

109852/1202

Anhand "der beiliegenden Zeichnungen wird eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt auseinandergezogen in einer perspektivischen Ansicht teilweise aufgeschnitten, die Bauteile einer einpflanzbaren Infusionspumpe.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Pumpe. ψ Fig. 3 ist eine Unteransicht der Pumpe.

Fig. k ist ein Axialschnitt durch die Pumpe.

Die erfindungsgemäße Infusionspumpe umfaßt ein zylindrisches Außengehäuse Io, das eine Zylinderseitenwand 11, eine kreisförmige Bodenwand 12 und eine ringförmige obere Wand 13 aufweist. In den Raum innerhalb der ringförmigen oberen Wand 13 des Gehäuses ist ein flaches, becherförmiges Teil 14 eingepaßt, dessen Durchmesser geringer ist als der des Gehäuses Io. Das becherförmige Teil 14 ist auf der Obei-seite offen und hat eine zylindrische Seitenwand 15, eine in ihrer Gesamtheit kreisförmige Bodenwand 16 und einen sich nach außen erstreckenden ' Ringflansch 17· Die Bauteile des Gehäuses Io und des becherartigen Teils Ik sind so ausgebildet und aneinander befestigt, daß die Verbindungsstellen flüssigkeits- und dampfdicht sind.

In dem Gehäuse Io ist ein Ba3.g 1.8 angeordnet, der aus einem Stapel von vielen konzentrischen flachen Ringscheiben 19» einer kreisförmigen Bodenwand 2o, einer ringförmigen oberen Wand 21 und einer zylindrischen Öffnung bzw. einem Rand 22 gebildet wird. Der Rand 22 ist an dem Innenumfang der oberen Wand 21 und an dem Flansch 17 des becherförmigen Teils lk flüssigkeits- und dampfdicht befestigt. Benachbarte Ringe 19 sind miteinander abwechselnd an ihren Innen- und Außenumfängen befestigt, wobei der unterste Ring an dem Außcmunfang

109852/1202

_ tr _

der Bodenvrand 2o und der oberste Ring an dem Außenumfang der oberen Wand 21 jeweils flüssigkeits- und dampfdicht auf bekannte Art angebracht ist, so daß ein dehnbarer und zusammenziehbarer Balgaufbau gebildet wird. Der ringförmige- Raum zwischen der Gehäusewand und dem becherartigen Teil bildet eine Ausnehmung, in welche der Balg zusammengedrückt werden kann.

Der Balg 18 unterteilt das Innere des Gehäuses Io in eine Außenkammer 23 und eine Innenkammer 2k von sich änderndem Volumen. Wenn die Kammer 23 durch Kontraktion des Balgs größer wird, wird die Kammer 2k kleiner und umgekehi '. . Die Bodenwand 12 des Gehäuses ist mit einer mittigen Einlaßöffnung für die Kammer 23 und einem Verbindungsstück 25 mit einem Gewinde für ■ die Aufnahme eines Gewindestopfens 26 versehen. Der Kopf 27 des Schraubstopfens 26 ist mit einem Querschlitz 28 auf seiner Außenseite versehen, wodurch das Schließen und Offnen erleichtert wird. Auf seiner Innenfläche hat er einen Ringkanal für die Aufnahme eines elastischen O-Ringes 29 für eine flüssigkeit s- und dampfdichte Dichtung.

Die Bodenwand l6 des becherförmigen Teils ik ist mit einer Mittelöffnung und einem ringförmigen Verbindungsstück 3o versehen, das ein Innengewinde für die Aufnahme des einen Endes 32 eines Rohrstutzens 31 hat. Der Durchmesser des Mittelteils des Rohrstutzens Jl ist größer als der des Gewindeteils 32, Die Form ist zweckmäßigerweise polygonal, vorzugsweise sechseckig. Die Bodenfläche des Rohrstutzens ist mit einer Ringnut oder einem Kanal für die Aufnahme eines O-Ringes 33 versehen, der gegen di'e Oberseite des Verbindungsstückes 30 zusammendrückbar ist, um so eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zu bilden.

Der Durchmesser des oberen Teils 3^ des Rohrstutzens 3I ist etwas größer als der des unteren Teils 32 und ist mit einem

109852/1202

Außengewinde für die Aufnahme einer Rändelkappe 35 mit Innengewinde versehen, die eine in der Mitte liegende obere Öffnung 36 hat. Durch den Rohrstutzen 3I geht ein Längskanal 37 hindurch. Das obere Ende des Kanals 37 nimmt einen Stopfen oder Stöpsel 38 auf, der aus einem elastischen, Einstiche selbst verschließenden Material hergestellt ist. Das obere Ende des Kanals 37 dient als Einläßöffnung für die Kammer 24. Der Stopfen 38 hat eine Oberseite 391 die mit nach außen ragenden Flanschen versehen ist und mit dem oberen Ende des Rohrstutzens 31 in Verbindung steht. Durch Befestigung mit Hilfe eines Rändelrings 35 wird der Stopfen flüssigkeitsdicht befestigt.

Das Verbindungsstück mit dem Kanal 37 kann länglich ausgebildet sein oder gebogen sein, was der Fall ist, wenn die Pumpe selbst etwas unter der Haut, d. h. in einem Körperhohlraum, beispielsweise zwischen zwei Muskelebenen, liegt. Die flüssigkeitsdichte Verschlußeinrichtung 35 bis 39 liegt dann notwendigerweise am Ende dieser Erstreckung direkt unter der Haut, um ein leichtes perkutanes Nachfüllen zu gewährleisten. Diese Verschlußeinrichtung ist nicht auf das genannte Beispiel, nämlich einen Einstiche wieder selbstverschließenden Kautschukstopfen, begrenzt, sondern kann auch durch geeignete, versehiebbareselbstdichtende Einrichtungen ersetzt werden, beispielsweise durch ein Kugelventil.

Die Bezeichnungen "oberer", "unterer", ""Oberseite", "Boden" usw. sind relativ und beziehen sich nur auf die in den Zeichnungen gezeigten Lagen. Diese Beziehung kann sich bei der Verwendung ändern , wenn die Pumpe in den Körper so eingepflanzt wird, daß die Öffnung 36 der Kappe 35 und der Stopfen 38 unter der Haut für das Injizieren von Nachfüllungen der Arzneimittel oder anderer zu infundierender chemischer Stoffe zugänglich sind.

109852/1202

Ein Ende eines dünnen, flexiblen, einen kleinen Durchmesser aufweisenden Kapillarrohres 4o, das vorzugsweise innerhalb eines größeren Schutzrohres angeordnet ist, ist in einem radialen Abgabekanal in dem Körper des Rohrstutzens 3I so befestigt, daß eine direkte Fluidverbindung mit dem Längskanal durch den Stutzen und mit der Kammer 2k hergestellt ist, die für das Abführen aus der Kammer dient. Das Rohr 4o ist primär ein Strömungsregulator, der mit Druckabfall arbeitet, der jedoch beispielsweise dui~ch einen porösen Stopfen oder eine andere Strömungsreguliereinrichtung ersetzt werden kann. Die Länge und der Durchmesser des Rohres können verändert werden. Das Rohr ist um den ^Rohi-stutzen 31 gewickelt und sitzt in dem becherartigen Teil Ik. Es erstreckt sich zur Infusionsstelle, wo der zu infundierende Stoff durch sein anderes Ende abgegeben wird. Die Kapillare ist vorzugsweise in eine größere Polyäthylen- oder Silastikkanüle eingeschlossen, wodurch die Anordnung erleichtert wird.

Das Kapillarrohr ko hat eine zweifache Funktion, nämlich die Funktion als Strömungsregulierendes Widerstandselement und als Abgabeöffnung in die Infusionsstelle. Das Kapillarrohr kann durch eine Kombination von zwei Einrichtungen ersetzt werden, die den gleichen Zweck erreichen. So kann beispielsweise das Widerstandselement ein poröser Metallstopfen, ein Filter oder irgendein anderer Strömungsregulator sein, der in direkter Fluidverbindung mit der Infusionsstelle durch eine Leitung steht, beispielsweise ein Katheter oder eine Kanüle. Anstelle eines Widerstandselements können auch mehrere derartige Elemente angeordnet werden, was beispielsweise der Fall ist, wenn mehrere Infusionsstellen vorhanden sind.

Der Balg l8 stellt eine Ausführungsform einer flüssigkeitsdichten, dampfdichten, eine Druckverbindung schaffenden Zwischenphaseneinrichtung dar, die zur Trennung der beiden Kammern der Pumpe verwendet werden kann. Die Kammern können

109852/1202

jedoch auch durch ein elastisches Diaphragma bzw. durch eine Membran getrennt werden, die sich mit den Substanzen in den Kammern verträgt. Die zweite Kammer kann wenigstens auch teilweise aus einer flexiblen Blase bestehen, die sich mit den Stoffen verträgt und sich unter dem Einfluß des Infusates und des Dampf erzeugenden Stoffes in der ersten Kammer ausdehnen und zusammenziehen kann. Es können jedoch auch andere äquivalente Einrichtungen verwendet werden.

Ein Dampf, der mit seiner flüssigen Phase im Gleichgewicht steht, übt bei einer gegebenen Temperatur unabhängig vom. Volumen einen konstanten Dampfdruck aus. Die äußere Pumpenkammer

23 ist bei Minimalvolumen teilweise mit einer stabilen flüchtigen Flüssigkeit gefüllt, die einen Dampfdruck ausübt, der größer ist als eine Atmosphäre bei Körpertemperatur, also etwa 37 C, wodurch das Dampf-Flüssigkeits-Gemisch der chemischen Energiequelle gebildet wird. Als flüchtige Flüssigkeiten können beispielsweise folgende Verbindungen verwendet werden: Perfluorpentan, Tetramethylsilan, Athyläther, Methylformiat, Äthylmercaptan, Dimethylsulfid, Athylamin, 2-Methylbutan, Zyanwasserstoffsäure, Trichlorfluormethan und Stickstofftetroxyd. Diese Verbindungen müssen sich natürlich mit der Substanz vertragen, die die Kammer 23 bildet. Die Imienkammer

24 enthält das abzugebende bzw. zu verdrängende Infusat. Die Strömungsgeschwindigkeit des Infusates bzw. des zu infundierenden Mittels wird durch die Verwendung dos Kapillarrohrs für den Druckabfall geändert. Es gilt folgende Gleichung:

H -

128

wobei Q der Volumenstrom in ml/sek. D, der Durchmesser in cm, u die Viskosität in Poise, /^P der Druck in dyn /cm und L die Länge in cm ist. Die am leichtesten einstellbaren Parameter sind die Länge und der Durchmesse!' der Kapillaren und die Viskosität des Infusates. Nachfüllunjren des Infusates

109852/1202

werden in die Innenkammer durch den selbstabdichtenden Stopfen 38 injiziert. Der durch diese Injektion erzeugte Druck reicht aus, um die Pumpe rückzustellen,indem die flüchtige Dampfphase in der Außenkammer 23 kondensiert.

Zweckmäßigerweise sind auf der Innenseite der Bodenwand 2o des Balgs oder auf der Bodenwand l6 des becherartigen Teiles ein oder mehrere Distanzstücke 4l vorgesehen, die verhindern, daß die Wandteile 2o und l6 infolge der Oberflächenspannung des Infusates festhaften. Zweckmäßigerweise wird sowohl am Einlaß als auch an der Abströmseite der Pumpe ein Filter angeordnet, um die Möglichkeit d*»r Verunreinigung durch Teilchen zu verringern. Die Pumpe wird aus Materialien gefertigt, die für das Lebewesen, in welches sie eingepflanzt werden, ungiftig sind, und die sich sowohl mit dem Infusat als auch der chemischen Energiequelle vertragen. Das Gehäuse, der Balg, die Verbindungsstücke usw. werden zweckmäßigerweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Alle exponierten Teile der Pumpe werden mit Silastik, Teflon oder einem ähnlichen Material überzogen, das sich mit den Körperfluiden verträgt und das bekanntermaßen für das Überziehen von Einrichtungen verwendet wird, die in den Körper eingepflanzt werden.

In-vitro-Versuche in einem Inkubator bei 37 C haben gezeigt, daß die Infusionsgeschwindigkeiten über verschiedene Zeitinkremente in hohem Ausmaß konstant sind, wenn extrem niedrige Strömungsgeschwindigkeiten eingestellt werden. Beispiele für mittlere eingestellte Strömungsgeschwindigkeiten für verschiedene Zeiträume sind nachstehend aufgeführt, wobei die Fehlergrenzen durch + angegeben sind: 0,078 + o,ool7 ml/h für einen Zeitraum von 39 h. o,lol + o,ooo35 ml/h für eine Versuchszeit von 82 h. 0,183 + o,oo73 ml/h für eine Versuchsdauer von 68 h. 0,363 + o,oo46 ml/h für eine Versuchsdauer von 43 h. o,373 + o,ol3 ml/h für eine Versuchsdauer von kk h und 0,613 + o,o.2o ml/h für eine Versuchdauer von I3 h. Das Fassungsvermögen eines Gerätes, bei welchem das Gehäuse die Abmessungen

109852/1202

von etwa 2,5 χ 7 cm hat, liegt bei 2o ml. Das bedeutet, daß ein langsamer Strom zehn Tage lang aufrechterhalten werden kann, bevor ein Nachfüllen erforderlich wird.

In-vivo-Untersuchungen bei Hunden haben die In-vitro-Pumpenspezifiziei"ungen bestätigt, wobei als Meßparameter eine chro- - nische Heparinisierung benutzt wurde. Die Pumpe wird unter dem externen schrägen Muskel angeordnet, wobei der Abgabekatheter in die untere Hohlvene durch die Oberschenkelvene . eingeschraubt ist. Der Nachfüllstutzen oder Stopfen ist subkutan angeordnet, so daß er leicht für eine perkutane Spritzeninjektion zugänglich ist. Die Infusionsströmungsgeschwindigkeiten werden konstant gehalten, so daß die täglichen Gerinnungszeiten nach Lee White und die Zeiten für die aktivierte partielle Thrombokinase auf doppelten Kontrollwerten blieben.

- Ansprüche -

109852/1202

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Infusionspumpe, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (lo), eine erste und eine zweite Kammer (23, 24) in dem Gehäuse (lo), eine flüssigkeits- und dampfdichte, eine Druckverbindung bildende Zwischenphase (l8), welche die Kammern (23, 24) trennt, eine Eintrittsöffnung in die erste Kammer (23) und eine flüssigkeits- und dampfdichte Verschlußexnrxchtung (26 bis 29) für diese Öffnung, eine Eintrittsöffnung (37) in die zweite Kammer (24) und eine flüssigkeitsdichte Verschlußexnrxchtung (39) für diese Einrichtung, wenigstens eine Abgabeöffnung (4o) aus der zweiten Kammer (24) und ein Strömungsregulierendes Widerstandselement (4o), das in direkter Fluidverbindung mit der Abgabeöffnung und einer Leitung steht, die zu wenigstens einer' Infxisionsstelle führt.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (lo) ein hohlzylindrischer Körper ist, die flüssigkeits- und dampfdichte, eine Druckverbindung bildende Zwischenphase, welche die Kammern (23, 2k) trennt, ein Balg (18) ist, der an seinem einen Ende eine Öffnung (22) und an seinem anderen Ende eine geschlossene Bodenwand (2o) hat, in dem Körper (lo) angeordnet ist und dessen Öffnung (22) flüssigkeits- und dampfdicht befestigt ist, und daß die erste Kammer (23) zwischen den Innenwänden (H, 12, I3) des Gehäuses (lo) und dem Balg (18) und die zweite Kammer (24) in dem Balg (18) liegt.

109852/1202
3· Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Ausnehmung versehenes, becherartiges Teil (l4) in einem Ende des Gehäuses (lo) angeordnet ist und sich in die Öffnung (22) des Balges (18) erstreckt, daß in dem becherförmigen Teil (l4) eine Öffnung vorgesehen ist, in der ein Verbindungsstück (3o, Jl) mit einem Kanal (37) sitzt, der eine Verbindung mit der zweiten Kammer (24) bildet, und daß der Balg (18) in einem Ringraum zwisehen dem becherartigen Teil (l4) und der Gehäusewand (11) zusammendrückbar ist.
4. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußeinrichtung für die Einlaßöffnung (37) in die zweite Kammer (24) ein verschieb- bzw. entfernbares Verschlußteil (38) ist, das in dem Kanal (37) am Außenende des Verbindungsstücks (30, 31) angeordnet ist.
5· Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das auswechselbare Verschlußteil ein elastisches Teil (38) ist und daß an dem Außenende des Verbindungs-Stücks (3o, 3D im Eingriff mit dem elastischen Teil (38) ein Haltering (35) mit einer Mittelöffnung vorgesehen ist.
6. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (lo) in den Körper einpflanzbar ist, das Gehäuse (lo) und das Verbindungsstück (30, 3I) Umrisse haben, die in ihrer Gesamtheit den Umrissen der Einpflanzstelle entsprechen und daß die Abgabeöffnung (4o) aus der zweiten Kammer (24) sich durch das Verbindungsstück (3I) hindurch erstreckt.

109852/1202
7· Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stromungsrogulierende Widerstandselement und die Leitung ein Kapillarrohr (4o) bestimmter Länge ist.
8. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (23) teilweise mit einer stabilen flüchtigen Flüssigkeit gefüllt ist, die einen Dampfdruck ausübt, der größer ist als eine Atmosphäre bei physiologischen Temperaturen.

109852/1202