DE2928223A1 - Verfahren und automatisch ueberwachte pumpvorrichtung zur zirkulation von blut oder blutaehnlichen fluiden in gefaesssystemen lebender gewebe - Google Patents

Description

Howrnedica

TER MEER · MÜLLER . STEINMEISTER 1 - GEE

- 12 -

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur überwachung einzelner Paramter innerhalb eines Gefäßsystems eines lebenden Gewebes, in dem eine Zirkulation von Blut oder blutähnlichen Fluiden durch ein automatisch arbeitendes Pumpensystem aufrechterhalten und überwacht wird. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Fluid-Pumpensystem für den genannten Zweck, das sich im Prinzip sowohl als implantiertes System als auch als extrakorporales System als Funktionsersatz oder zur Unterstützung eines lebenden ο Herzens oder im Zusammenhang mit einer Perfusionsvorrichtung eignet.

Es ist bekannt, daß sich die physiologischen Systemparameter innerhalb eines lebenden Gewebes konstant ändern.

Die metabolischen Anforderungen und Voraussetzungen, die Gefäßwiderstände und ihre individuell unterschiedliche Nachgiebigkeit, der Zustand der Hydratisierung sowie eine Reihe von anderen Faktoren ändern sich im Laufe der Zeit und führen dazu, daß eine zuverlässige überwachung eines pulsierend arbeitenden Blutpumpensystems zu einer sehr schwierigen und kritischen Angelegenheit wird. Beispielsweise ist die vaskuläre Dehnbarkeit nichtlinear. Daher kann die Einspeisung eines relativ kleinen Überschußvolumens an Blut zu einem Zeitpunkt, zu dem die Eingangsstelle ihre elastisehe Grenze nahezu erreicht hat, zu einem Anstieg des Blutdrucks auf verheerende Pegelwerte führen mit der Folge, daß das betreffende Blutgefäß bricht. Obwohl sich die heute mehr und mehr gebräuchlichen Rollenpumpen in vieler Hinsicht besser steuern und überwachen lassen, besteht nach wie vor ein erhebliches Bedürfnis für ein pulsierend

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

f-GER

- 13 -

arbeitendes Pumpensystem im genannten Anwendungsbereich, das eine erheblich bessere Anpassung an verschiedene physiologische Effekte ermöglicht. Wie soeben an einem Beispiel erläutert, kann die Überwachung eines solchen pulsierenden Systems sehr kritisch und dieses bei verantwortungsvoller Verwendung nurⁱⁿ;inen begrenzten Einsatzbereich verwendet werden.

Zur Zeit stehen zwei Typen von pulsierend arbeitenden Pumpensystemen zur Verfügung, die in der Fachwelt als Bentley-Pumpe bzw. als Harvard-Pumpe bekannt sind. Die eine benutzt ein -pneumatisch betätigtes System, während die andere eine mechanisch betätigteKolbenpumpe ist. Beide sind sogeannnte Offensysteme, die in bestimmter Wiederholungsfrequenz voreinstellbare Pumpenparameter zur Verfügung stellen ohne Rücksicht darauf, welche A*nderungs effekte dadurch innerhalb des versorgten lebenden Gewebes auftreten. In der Regel wird dabei davon ausgegangen, daß eine Bedienungs- oder Überwachungsperson beim Patienten bleibt, einen Monitor überwacht und gegebenenfalls einzelne Pumpenparameter manueil nachstellt, solange das Kreislaufsystem des Patienten mit der Pumpe verbunden ist. Andere pulsierend arbeitende Pumpensysteme sind beispielsweise in den US-PSen 34 26 743, 34 21 497, 35 92 183 und 38 78 567 beschrieben. Alle diese früheren Vorschläge sind jedoch nicht auf ein Pumpensystem gerichtet, mit dem sich zuverlässig und gleichzeitig eine Mehrzahl von notwendigerweise zu überwachenden physiologischen Parametern einstellen und überwachen läßt. Es handelt sich dort also nicht um wirklich automatische Pumpensysteme, mit denen sich die natürlichen Pumpfunktionen beispielsweise eines menschlichen Herzens einigermaßen genau und zuverlässig über längere Zeiträume nachbilden lassen.

So wird beispielsweise bei dem in den genannten US-PSen

9098 84/08 90

ORIGINAL INSPECTED

Howmedica

£R MEER · MÖLLER · STEINMEISTER ^ -GSR

-u-

34 26 743 und 34 21 497 beschriebenen pulsierenden Pumpsystem die Pumpwiederholungsrate oder Pumpfrequenz mittels der gleichzeitig gemessenen Herzfrequenz überwacht. Obgleich dabei beispielsweise der Pumpenhub erniedrigt wird (um die bei jedem Zyklus gelieferte Blutmenge abzusenken), wenn die Herzfrequenz ansteigt, beruht . die überwachung letztlich nur auf der Berücksichtigung eines physiologischen Parameters, nämlich der Herzfrequenz. Bei dem Pumpensystem nach der US-PS '497 beispielsweise wird der tatsächliche Pumpbetrieb über eine voreinstellbare Zeitverzögerung unter Berücksichtigung eines festgelegten Punkts in einem EKG-Signal getriggert. Die dabei vorzunehmende manuelle Einstellung ist offensichtlich kritisch und es ist eine mehr oder weniger kontinuierliche Nachjustierung während des Pumpenbetriebs erforderlich. In Anbetracht der im Blutsystem unkontrolliert auftretenden Nichtlinearitäten usw. können nicht zulässige und nicht überwachte Änderungen bei anderen wichtigen Parametern auftreten, beispielsweise beim systolischen und/oder beim diastolischen Blutdruckwert.

Auch die genannte US-PS 35 92 183 bezieht sich auf ein vollständig offenes System mit Ausnahme der Wiederholungsrate oder Pumpfrequenz, die auf einen ausgewählten Abschnitt eines EKG-Signals getriggert und mit der Herzfrequenz des Patienten synchronisiert wird. Die ebenfalls bereits genannte US-PS 83 78 567 beschreibt ein künstliches Herz, bei dem der durchschnittliche Blutdruck überwacht wird, um sowohl den Pumpenhub als auch die Pumpfrequenz zu regulieren. Der Hub und die Frequenz steigen offensichtlieh an in Abhängigkeit von einem ermittelten Anstieg des durchschnittlichen Blutdrucks.

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

Howmedica

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER 7

- 15 -

Über die im Augenblick bekannten pulsierenden Systeme hinaus mögen noch weitere ähnliche Pumpsysteme bekannt sein, bei denen jedoch ebenfalls nur ein einziger physiologischer Parameter als Überwachungsfaktor für den Pumpenbetrieb verwendet wird.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein automatisches Verfahren zur Aufrechterhaltung der Zirkulation von Blut oder blutähnlichen Fluiden in Gefäßsystemen lebender Gewebe bzw. ein Fluidpumpensystem für den genannten- Zweck zu schaffen, mit denen sich unter Berücksichtigung einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren physiologischen Parametern eine wesentlich bessere an die natürlichen Verhältnisse angepaßte Gewebeversorgung über längere Zeiträume sicherstellen läßt.

Wie bereits aus den obigen Erläuterungen zum Stand der Technik auf dem Gebiet der pulsierenden Pumpsysteme für die Versorgung von Gefäßsystemen lebender Gewebe mit Blut oder blutähnlichen Substanzen hervorgeht, ergeben sich mindestens nach einiger Zeit immer Schwierigkeiten, wenn die überwachung des Pumpensystems nur unter Berücksichtigung eines physiologischen Parameters erfolgt. Aufgrund dieser festgestellten Schwierigkeiten geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, eine Mehrzahl von meßbaren physiologischen Parametern zur Steuerung und überwachung der pulsierend arbeitenden Pumpe zu verwenden, um diese Mehrzahl; von Parametern gleichzeitg auf einem gewünschten voreinstellbaren Pegelwert zu halten. Es wird ein automatisch arbeitendes geschlossenes Pumpensystem vorgeschlagen, dessen Regel- und überwachungsfunktionen durch vorgegebene oder vorgebbare'logische Funktionen in Abhängigkeit von überwachten und voneinander abhängigen Parametern bestimmt sind.

909884/0890

Original inspected

Howmedica TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER 1 -Q12R

- 16 -

Beim erfindungsgemäßen System wird ein ganzer Bereich von voreinstellbaren physiologischen Parametern berücksichtigt und gleichzeitig überwacht.

Bei einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als physiologische Parameter der systolische Blutdruck (SP), der diastolische Blutdruck (DP), die Herzfrequenz (HR) (oder die Herzperiode HP = 1/HR) oder andere verwandte Parameter gleichzeitig dadurch auf bestimmten Voreinstellwerten gehalten, daß die Pumpenfördergeschwindigkeit (PDS)/ das Pumpenfördervolumen (PDV) und die Pumpenzykluszeit (PCT) oder andere darauf bezogene Pumpenbetriebsparameter unabhängig und automatisch überwacht werden. Das erfindungsgemäße geschlossene Regelsystem unter Berücksichtigung logischer Funktionen im Rückkopplungszweig ermöglicht zum ersten Mal eine vollständig automatische Nachbildung von Herzfunktionen, so daß ein wirklicher Ersatz der Herzfunktionen durch eine Maschine möglich wird. Es lassen sich dabei für die unterschiedlichsten Situationen verschiedene Sätze von physiologischen Parametern wählen. Werden bestimmte Bedingungen durch Sensoren ermittelt, so kann es wünschenswert sein, den Satz von überwachten Parametern zu ändern und/oder die logischen Funktionen, die bei der Überwachung Anwendung finden.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in beispielsweisen Ausfuhrungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipblockschaltbild eines erfindungs-

gemäßen Pumpensystems; Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Pulsations-

909 8 84/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

Howmedica 1 -GER

-17 -

pumpe, die sich für den erfindungsgemäßen. Einsatz eignet;

Fig. 3 bis 20 in graphischen Schaubildern den Verlauf des Blutdrucks und von Pumpenfördermengen dargestellt in Abhängigkeit von verschiedenen

physiologischen Parametern und Pumpenparametern für unterschiedliche Betriebsbedingungen;

Fig. 21 und 22 zusammen ein Blockschaltbild einer exemplarischen Ausführungsform von elektronisehen Schaltkreisen zur Verwendung bei einem

erfindungsgemäßen Pumpensystem;

Fig. 23 den Verlauf einer Blutdruckwelle relativ zum Zeitverlauf bestimmter Steuersignale, die innerhalb des Systems der elektronischen Schal^tung nach den Fig. 21 und 22 auftritt und

Fig. 24 bis 35 Einzelbild-Blockschaltbilddarstellungen bestimmter Funktionsblöcke innerhalb der Schaltung nach den Fig. 21 und 22.

Das erfindungsgemäße Pumpensystem mit geschlossener Regelschleife ist allgemein in Fig. 1 gezeigt. Eine steuerbare pulsierend arbeitend= Blutpumpe 10 ist in bekannter Weise über Leitungen beispielsweise Schläuche 12 und 14 an das Gefäßsystem eines Patienten 16 angeschlossen und bewirkt die Blutzirkulation oder dient zur Unterstützung der in bestimmten Situationen nicht mehr einwandfrei arbeitenden Herzfunktion. Falls ein bestimmtes Organ zu durchströmen ist, kann auch eine blutähnliche Substanz wie etwa Plasma zirkuliert werden.

Mehrere physiologische Parameter werden in bekannter Weise durch einen oder mehrere Sensoren 18 abgefragt, die am Patienten angebracht oder in geeigneter Weise diesem

90 98 84/08 90

ORIGINAL· INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER _Λ OWTtiedica

! — Ixt K

- 18 -

zugeordnet sind, um eine entsprechende Mehrzahl von elektrischen Signalen zu erzeugen, die über einzelne Leiter eines Kabels 20 abgeführt werden. Der Sensor 18 kann einen Komplex eines elektrischen Signals liefern, das beispielsweise einer Blutdruckwelle , einem Herzausgangssignal, der Herzausstoßzeit, bestimmten Stoffwechselgrößen, dem Sauerstoffverbrauch, bestimmten Herzarbeitsfunktionen usw. entspricht und das später weiterverarbeitet wird, um daraus eine Mehrzahl elektrischer Signale zu gewinnen, die jeweils einem bestimmten aktuellen physiologischen Parameter entsprechen _t der überwacht werden soll. Dazu alternativ können, falls sich dies als zweckmäßiger herausstellen sollte, einzelne Sensoren für jeden physiologischen Parameter verwendet werden. Diese Sensoren werden in bekannter herkömmlicher Weise am Patienten befestigt. Bei der Darstellung von Fig. 1 ist nur ein einziger Sensor gezeigt, der am Arm des Patienten 16 befestigt ist.

Gewünschte Werte einer Mehrzahl von physiologischen Parametern werden sodann an Eingängen 22-1, 22-2, ... 22-n durch eine qualifizierte Bedienungsperson voreingestellt. Je nach der speziellen Anwendung können bestimmte Rückkopplungs- oder messend überwachte Parameter innerhalb gewisser Grenzen und bis zu vernünftigen Grenzwerten "floaten". Andere gewünschte Parameter können konstant gehalten werden oder es können ihnen Zielwerte zugeordnet werden. Die Auswahl von Parametern, für die ein Floaten zulässig ist, oder die andererseits konstant gehalten werden müssen, müssen innerhalb des Systems zulässig sein und es diesem ermöglichen, auf ein vorgegebenes gewünschtes "Ziel" zuzulaufen. Obgleich die Auswahl dieser Parameter je nach den unterschiedlichen An-

909884/0890

ORIGINAL-INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Howmedica ■- 1-GEBr

- 19 -

wendungsfällen differieren kann, müssen die "Ziel"- und "Konstant"-Parameter so gewählt werden, daß sie' in bezug aufeinander nicht eingeschränkt sind. Bei der zur Zeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die physiologischen Parameter "systolischer Druck" (SP) und "Herzfrequenz" (HR) als "Ziel"-Parameter angesehen, während der "diastolische Druck" (DP) konstant gehalten wird.

Sind einmal die Zielparameter, die Parameter, für die ein Floaten zulässig ist und die konstanten Parameter hins.ichtlich ihrer zulässigen Werte festgelegt, so lassen

sie sich am System über die Eingänge 22-1, 22-2, 22-n

durch die Bedienungsperson voreinstellen. Diese Voreinstellwahl führt außerdem zu einer Aktivierung einer entsprechenden Schaltung innerhalb der Überwachungseinheit 24, die die notwendigen Steuersignale für die geschlossene Rückkopplungsschleife des Pumpensystems über ein Kabel 26 liefert. Für eine bestimmte vorgegebene Konfiguration von "Ziel"-, "Float"- und "Konstant"-Parametern wird ein bestimmter Satz von logischen Regeln angewendet, um über das Kabel 26 die für die Pumpenüberwachung erforderlichen Signale zu erzeugen. Wird das Pumpensystem beispielsweise nur für eine einzige Anwendungsart benötigt, so kann die Überwachungseinheit bereits beim Hersteller programmiert werden, und zwar beispielsweise für nur einen einzigen geeigneten Satz von logischen Regeln.

Obgleich bei einer Ausführungsform des nachfolgend in Einzelheiten beschriebenen Pumpensystems die logische überwachungsfunktion mit festverdrahteten elektrischen Schaltkreisen verwirklicht ist, ist es für den Fachmann ersichtlich, daß eine vollständig äquivalente Überwachung auch mit einem geeignet programmierten Allzweckrechner oder

909884/0890 ORIGINAL INSPECTED

Howmedica

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER 1"GER

- 20 -

einer programmierbaren Uberwachungseinheit möglich ist. Mit zunehmendem Fortschritt der Technologie von Kleinrechnern und Mikrocomputern kann es aus Gründen der besseren Anpassung an verschiedene Meßzwecke aber auch aus wirtschaftlichen Gründen zweckmäßig erscheinen, bei der praktischen Verwirklichung einen solchen programmierbaren Allzweckkleinrechner einzusetzen.

Das System nach Fig. 1 arbeitet im wesentlichen wie folgt:

Je nach den physiologischen Kennwerten des Patienten und/oder des zu versorgenden Organs wählt der Bedienende gewünschte zu überwachende oder konstant zu haltende Werte aus. Die aktuellen oder tatsächlichen Werte dieser physiologischen Parameter gelangen dann vom Patienten, vom betreffenden Organ usw. sowohl auf ein Anzeigepaneel 28 zur unmittelbaren Patientenüberwachung als auch auf den Vergleichs- und Überwachungsmodul 24. Die Rückkopplungssignale werden dann durch den Bedienenden gegen gewünsch- te Werte verglichen und sodann wird ein Satz von Steuersignalen erzeugt, die zur Steuerung auf die Pumpe 10 gelangen. Die durch die Pumpenüberwachungseinheit 24 vollständig bestimmte Pumpeneinheit 10 liefert das betreffende Fluid zum Patienten oder zum zu versorgenden Organ 16.

Die physiologischen Signale vom Patienten, vom Organ usw. werden kontinuierlich an das Anzeigepaneel 28 sowie auf den Vergleichs- und Überwachungsmodul 24 geliefert und der Prozeß läuft automatisch ab, ohne daß einEingreifen der Bedienunsperson erforderlich wird. Dies wird durch konstante Überwachung der physiologischen Zustandsphasen und durch Anpassungsänderungen in der Pumpeneinheit 10 erreicht, so daß sich die tatsächlichen physiologischen Parameter konstant den voreinstellbaren gewählten Werten rnnähern. Auf diese Weise kann ein ganzer Satz von ge-

909884/0890

ORfGINAL INSPECTED

wünschten physiologischen Parametern aufrechterhalten werden trotz sich ändernder Bedingungen am Patienten oder im jeweils versorgten Organ.

Der Kolben, der Zylinder, die Ventile und andere Merkmale der Pumpe 10 können im allgemeinen von bekannter Bauart sein. Die Fig. 2 verdeutlicht eine zu bevorzugende Konstruktion zur Änderung des Ausstoßvolumens der Pumpe

Bei der Darstellung der Fig. 2 ist ein Kolben 36 der Pumpe 10 schwenkbar mit einer Verbindungsstange 38 ver bunden. Das andere Ende der Stange 38 ist schwenkbar an einem Block 40 angelenkt, der innerhalb von schematisch angedeuteten Führungen 41 gleiten kann. Am Block 40 ist außerdem ein Ende einer weiteren Verbindungsstange 42 schwenkbar angelenkt, deren anderes Ende schwenkbar mit einer Spindelmutter 44 verbunden ist. Die Spindelmutter

sitzt auf einer Schraubspindel 47, deren eines Ende mit der Abtriebswelle eines Motors 310 verbunden ist, durch den eine Volumenänderung ermöglicht ist. Der für die VoIumenmenge zuständige Motor 310 ist auf einem rotierenden Antriebsrad 48 fest montiert, welches üblicherweise über eine Kupplungs-Bremse 304 auf einen Motor 358 schaltbar ist. Der Motor 310 ist so angeordnet, daß die Spindel parallel zur Ebene des Antriebsrads 48 liegt. Die Spindel 47 wird durch eine geeignete Haltevorrichtung 49 geführt, so daß eine seitliche Verschiebung verhindert ist. Der für die Volumenänderung zuständige Motor 310 ist über bekannte elektrische Verbindungsglieder (nicht gezeigt) mit dem Ausgang eines Treibermoduls 308 verbunden. Ist der Motor 310 in Betrieb, so wird die Spindelmutter 44 entlang der Spindel 47 verschoben, wobei die Verschieberichtung

909884/089Q ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER _Λ °!!fi® ^CS

I—V EiSr.

- 22 -

durch die vom Treibermodul 308 vorgegebene Drehrichtung des Motors 310 bestimmt ist. Wird der Pumpenmotor 358 ein geschaltet, so beginnt sich das Rad 48 zu drehen und verursacht über die Verbindungsglieder 38, 40, 42 und die Spindelmutter 44 eine hin- und hergehende Bewegung des Pumpenkolbens 36. Der Hub des Kolbens 36 ist bestimmt durch die jeweilige Position der Spindelmutter 44 auf dem Antriebsrad 48. Wird eine maximale Hublänge für den Kolben 36 erforderlich, so wird die Spindelmutter 44 durch den Volumenänderungsmotor 310 in eine Position in der Nähe der Peripherie des Rads 48 verschoben. Ein minimaler Hub des Kolbens 36 wird dann erreicht, wenn die Spindelmutter 44 nahe der Mitte des Rads 48 steht.

Die Fig. 3 zeigt in idealisierter Darstellung eine typische pulsierende Blutdruckwelle PW. Die Welle PW weist aufeinanderfolgende Maxima oder Peaks auf, die als systolischer Druckwert SP bezeichnet sind und die dazwischenliegenden Einbuchtungen oder Minima werden als diastolischer Druck DP bezeichnet. Die Zeit zwischen zwei entsprechenden Punkten aufeinanderfolgender Wellen entspricht der Herzperiode HP. Das Reziproke davon ist die Herzfrequenz HR. Dies sind einige der physiologischen Parameter, die im Zusammenhang mit der Erfindung von Interesse sein können.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Peaks SP als Maß für die Herzperiode HP verwendet. Die Herzperiode HP läßt sich in zwei Abschnitte unterteilen. Der erste Abschnitt liegt zwischen dem diastolischen Druck DP und dem systolischen Druckwert SP. Diese erste Zeitpariode ist die systolische (Ausstoß-)Zeit, die mit SET bezeichnet ist.

909 8 8 4/0890

ORfGiNAL INSPECTED

Howmedica

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER 1-GE¹R

23 -

Der zweite Abschnitt vom Peak SP zum Minimum DP wird als systolische (Auslauf-)Zeit mit ROT bezeichnet.

Bei der nachfolgenden Erläuterung der Betriebsparämeter und des Betriebsverhaltens der Pumpe ist das pro Hub gelieferte Fluidvolumen als "Pumpenliefervolumen" PDV bezeichnet. Ein zweiter Pumpparameter ist die mit PDS bezeichnete "Pumpenfordergeschwindigkeit". Das Reziproke davon ist die "Pumpenförderzeit" PDT. Die Zeit zwischen einander entsprechenden Punkten zweier aufeinanderfolgender .Pumpenzyklen ist als "Pumpenzykluszeit" PCT bezeichnet: Das Reziproke davon ist die mit PRR bezeichnete "Pumpfrequenz" Beim Schaubild der Fig. 4 entspricht die Fläche unter der Kurve der Fluidfördermenge dem Pumpenausstoßvolumen, das mit PEV bezeichnet ist;

Es ist in der Regel wünschenswert, die physiologischen Parameter SP, DP und HR auf den normalen Herzwerten zu halten. Mit der Erfindung ist es erstmalig möglich, dieses Ziel sowohl für extrakorporale als auch intrakorporale Herzunterstützung oder für Perfusionsvorrichtungen einzusetzen. Das System enthält eine Steuer- und überwachbare Vorrichtung zur Förderung eines Fluids, welches bei der bevorzugten Ausführungsform Blut ist, das in das vaskuläre System eines Patienten eingespeist wird.

Es gibt einige physiologische Parameter, die ungefähr einigen der Pumpenparameter entsprechen. So entspricht das physiologische systolische Ausstoßvolumen SEV ungefähr der Größe PDV. Der physiologische Parameter SET entspricht etwa der Größe PDT. Der physiologische Parameter HR entspricht etwa der Größe PRR und schließlich entspricht HP etwa der Größe PCT.

909884/0890 ORIGINAL INSPECTED

Howmedica

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER 1 -GKR

- 24 -

Die Übereinstimmung dieser Parameter ist natürlich nicht im Maßstab 1:1 gegeben. So führen beispielsweise Änderungen der Pumpenförderkurve bei konstantem PDT zu unterschiedlichen systolischen Druckwerten bei gleichem PDV. Dies läßt sich gut aus den Fig. 4a und 4b ersehen.

Der physiologische Parameter SET gibt nicht an, welcher Kurvenverlauf gewünscht, erhalten oder tatsächlich vorliegt. In einigen Fällen, wenn eine kurze Pumpenforderzeit PDT gewünscht wird, könnte eine schlagartige Beschleunigung besonders günstig sein, während bei langsamerer Folge ein-sinusförmiger-, zykloidenförmiger-oder anderer mehr oder weniger zufälliger Kurvenverlauf von Vorteil sein könnte, um beispielsweise die Gefahr von Hämolyse zu vermeiden.

Grundsätzlich gilt, daß physiologische Systeme sich fortlaufend ändern. So können sich beispielsweise die Anforderungen des Stoffwechselsystems, der vaskuläre Widerstand und die Gefäßdehnbarkeit im Zustand der Hydratisierung als auch andere Faktoren im Laufe der Zeit ändern, so daß die Verwendung eines Systems mit geschlossener Regelschleife erwünscht oder erforderlich ist, um bestimmte physiologische Parameter auf gewünschten Werten zu halten. Dies sind bei der bevorzugten Ausführungsform und im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung die Größen SP, DP und HR.

Die Fig. 5 verdeutlicht den Effekt eines ansteigenden Pumpenfördervolumens PDV bei konstanter PDT- und PDS-Kurve. Die Größe SP steigt beispielsweise um den Betrag A SP an. Dies beruht darauf, daß das vaskuläre System bei der bevorzugten Ausführungsform bei gleichbleibender PDT-

9 0 9 8 8 4/0890

ORIGINAL INSPECTED

nowmedica TER meer ■ Müller · steinmeister 1 -CER

- 25 -

bzw. PDS-Kurve ein höheres Pluidvolumen liefert. Da die Auslauf- oder Ablinkgeigenschaften des vaskulären Systems gleichzeitig relativ unverändert bleiben, muß der physiologische Druck höher sein. In diesem Zustand gibt es nun zu Beginn des nächsten Zyklus mindestens zwei Alternativen. Wird DP konstant gehalten, so steigt HP an (d.h. HR fällt ab). Bleibt dagegen HR konstant, so steigt DP an.

umgekehrt verdeutlicht die Fig. 6 den Effekt eines abnehmenden PDV-Werts bei konstantem PDT. SP fällt um einen Betrag Δ SP ab. Auch in diesem Fall gibt es zu Beginn des nächsten Zyklus zumindest zwei mögliche Alternativen. Wird DP konstant gehalten, so fällt HP ab (d.h. HR steigt an). Verbleibt HR konstant, so steigt DP an.

15

Die Fig. 7 zeigt den Effekt bei abfallendem PDT-Wert (d.h. bei ansteigendem PDS-Wert) bei konstantem PDV. SP steigt um einen Betrag Δ SP an. Dies folgt aus einer ansteigenden Fluidfördermenge. Der in dem System entstehende Druck, das mit dieser Fördermenge versorgt wird, steigt an, da die abklingenden Werte sich nur relativ langsam ändern. Auch in diesem Fall gibt es mindestens zwei mögliche Alternativen zu Beginn des nächsten Zyklus. Wird DP konstant gehalten, so fällt HP ab (d.h. HR steigt an).

Soll HR konstant bleiben, so muß DP abnehmen.

Umgekehrt zeigt die Fig. 8 den auftretenden Effekt eines ansteigenden PDT-Werts bei konstantem PDV. SP fällt um einen Betrag Δ SP ab. Auch hier gibt es zu Beginn des nächsten Zyklus mindestens zwei mögliche Alternativen. Soll DP konstant gehalten werden, so steigt HP an (d.h. HR fällt ab). Soll HR dagegen konstant gehalten werden, so muß DP ansteigen.

9 098 84/08 90 ORIGINAL INSPECTED

Howmedica TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER „ 1

- 26 -

Fig. 9 zeigt den Effekt eines ansteigenden diastolischen Drucks bei konstantem PDT und PDV. SP erhöht sich im nächsten Zyklus um einen Betrag ΔSP. HP fällt ab (d.h. HR steigt an).

Fig. 10 zeigt den Effekt eines absinkenden diastolischen Drucks bei konstantem PDT und PDV. SP nimmt im nächsten Zyklus um einen Betrag ^SP ab und HP steigt an, (d.h. HR sinkt).

- Die Fig. 11 zeigt den Effekt eines absinkenden PCT-Werts bei konstantem PDV und PDT. Soll PCT beim nächsten Hub kürzer werden (d.h. soll PRR anteigen), so erhöht sich SP um einen Betrag Δ SP. Auch der Wert DP für den nächsten Kolbenhub steigt um einen Betrag Δ DP an.

Fig. 12 zeigt die zur Fig. 11 umgekehrte Situation. Erhöht sich PCT während eines Hubs (d.h. fällt PRR ab), dann verändert sich während dieses ersten Hubs als einziger Parameter die Größe DP, die um einen Betrag .Δ DP abfällt. Bei den nächsten Kolbenhüben nimmt auch die Größe SP um einen Betrag Δ SP ab.

Fig. 13 zeigt den Effekt bei sich ändernder Pumpenauslauf- oder -abklingzeit (PROT) bei konstanten PDV- und PDT-Werten. Sinkt PROT ab, so steigt beim nächsten Hub SP um einen Betrag ÄSP an. Bereits beim ersten Hub erhöht sich DP um einen Betrag ä DP.

Die Fig. 14 zeigt die zur Darstlelung der Fig. 13 umgekehrte Situation. Steigt PROT bei konstantem PDV und PDT an, so würde SP beim nächsten Hub uir einen

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

Howmedica

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER _Λ ---,τ.

- 27 -

Betrag Δ SP absinken, während DP beim ursprünglichen Hub um einen Betrag Δ DP absinkt.

Die Fig. 15 zeigt den Effekt bei konstant gehaltenem SP. Der nächste Zyklus kann mit der Variablen PROT ausgelöst werden. Fällt PROT ab, so sinkt auch PCT ab (d.h. PRR fällt ab) .

Umgekehrt verdeutlicht die Fig. 16 den Effekt bei konstant gehaltenem SP und ansteigendem PROT. Steigt PROT an,, so erhöht sich auch PCT (d.h. PRR würde absinken) .

Die Fig. 17 und 18 zeigen den Effekt bei konstant gehaltenem SP bei Auslösung eines nächsten Zyklus bei verändertem DP. Erhöht sich DP beispielsweise, so sinkt PCT ab {d.h. PRR würde ansteigen, was sich aus Fig. 17 ersehen läßt). Die umgekehrte Situation verdeutlicht die Fig. 18-.

Die Fig. 19 und 20 zeigen den Effekt bei sich ändernder Pumpenfördergeschwindigkeit, während die Größen PDV und PDT konstant bleiben. In diesem Fall erhöht sich SP, da das Fluid in einer kürzeren Zeitperiode geliefert wird. Dieser Effekt sollte bei der Optimierung des pulsierenden Pumpensystems berücksichtigt werden.

25

Bei älteren Pumpensystemen dieser Art und bekanntgewordenen Vorschlägen zur Steuerung und überwachung eines pulsierenden Pumpsystems wird immer davon ausgegangen, daß sich für Zwecke der Überwachung immer nur eine einzige Variable ändert. Typischerweise wird auch nur ein einziger Pumpenparameter, etwa die Größe PRR und im besten Fall die mit der Größe PDV verbundene Größe PRR überwacht. Es ist auch im zweitgenannten Fall kein Vorschlag bekanntgeworden,

909884/0890
ORIGINAL INSPECTED

Howmedi.ca

IR MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTER ' -3ER

- 28 -

die beiden genannten Variablen unabhängig voneinander zu verändern. Um ein Rückkopplungssystem mit einer Mehrzahl von Freiheitsgraden gewährleisten zu können, muß auch die Möglichkeit bestehen, eine Mehrzahl von Eingangsgrößen verändern zu können.

Mit dem erfindungsgemäßen Pumpsystein mit geschlossener Rückkopplungsschleife lassen sich die Herzfunktionen und die dafür maßgeblichen Werte vergleichsweise sehr gut annähern. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden die Größen PDT und PDV bei konstantem DP unabhängig verändert, um gewünschte Voreinstellwerte SP und HR als auch DP zu erhalten. Es sei jedoch betont, daß dies nur ein spezieller Anwendungsfall des der Erfindung zugrundeliegenden allgemeinen Prinzips darstellt. Es gibt eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten für die erwähnten physiologischen Parameter, Pumpparameter und andere Größen (von denen einige redundant sein mögen), die zur Regulierung des Perfusionsmechanismus mit automatischer Rückkopplungsschleife entsprechend einem Satz von vorgebbaren logischen Regeln verwendet werden können.

Im allgemeinsten Fall würden einer adaptiv lernfähigen Maschine alle möglichen Pumpenvariablen eingegeben, so beispielsweise die gewünschten Werte für HR, SP und DP als auch eine Reihe anderer physiologischer Parameter. Die Maschine würde dann nach einem System Versuch und Irrtum eine günstige Lösung ermitteln. Durch gleichzeitiges Messen und überwachen der eigenen Wirkung würde die lernende Maschine ihren eigenen jeweils optimalen Satz von logischen Regeln für einen vorgegebenen Satz von Bedingungen ermitteln. Aber selbst dieser verallgemeinerte Typ

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

einer Lösungsmöglichkeit wäre eine Kombination der allgemeinen logischen Regeln, die hier zugrundeliegen und in einer nachfolgend beschriebenen Weise Anwendung finden können.
5

Aus den obigen Erläuterungen der Fig. 3 bis 20 dürfte ersichtlich sein, daß ermittelte Abweichungen bei einer Mehrzahl von physiologischen Parametern gleichzeitig durch angemessene Änderungen einer Mehrzahl unabhängig voneinander änderbarer Pumpenbetriebsparameter korrigierbar sind. Muß beispielsweise SP erhöht und HP erniedrigt werden, so kann PDV vergrößert werden bei gleichzeitiger Verringerung von PCT (beispielsweise durch Verkürzung der Pumpenausstoßzeit PET oder der Größe PROT). Dazu alternativ würde bei diesem Beispiel eine Verminderung von PET allein in der Tendenz zu einer korrekten Änderung sowohl von SP als auch von HP führen. Je nach der Wahl der physiologischen Parameter und der Pumpenparameter sind praktisch unendliche Kombinationen logischer Regeln formulierbar, um für die Regelschleife die Bedingungen eines geschlossenen Regelkreises korrekt festzulegen und um die gleichzeitige Konvergenz einer Mehrzahl physiologischer Parameter auf die Zielwerte zu erreichen. Um jedoch in allen Fällen eine Mehrzahl von physiologischen Parametern handhaben zu können, muß eine Mehrzahl von unabhängig einstellbaren Pumpenparametern zur Verfügung stehen.

Werden als physiologische Parameter die bevorzugten Größen SP, DP und HP (oder HR) verwendet und PDS, PDV und PCT als Pumpenparameter, so läßt sich der in der nachfolgenden Tabelle summarisch zusammengefaßte Satz logischer Regeln als ein mögliches Beispiel angeben, um die Pumpvorrichtung so zu überwachen, daß die gewünschten physiologischen

909884/0890 ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER

Howmedica 1-GER

- 30 -

Parameter beibehalten werden. In dieser Tabelle ist mit "f " eine "Erhöhung", mit "I " eine "Erniedrigung" und mit "-" angedeutet, daß "keine Veränderung" auftritt, während mit "=" ein konstanter Festparameter angegeben ist.

10

Ermittelte Abweichung der Größen SP, DP und/oder HP von gewünschten Normalwerten

Mögliche überwachte Änderung der Größen PDS, PDV und/oder PCT zur Korrektur einer ermittelten physiologischen Abweichung

SP-

DP

HR(l/HP) PDS

PDV

PCT

t

20

25

30

t f

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER -j -q

- 31 -

Nachfolgend wird ein Herz-Pumpsystem gemäß der Erfindung unter Bezug auf die Fig. 21 und 22 in Einzelheiten beschrieben:

Das System enthält eine Herzpumpe 10 (siehe Fig. 1 und 2), die in physiologisch geeigneter Weise an das Gefäßsystem eines Patienten angeschlossen ist. Die Bedeutung einiger in dem Blockschaltbild verwendeter Symbole erläutert die nachfolgende Tabelle:

Q= ein Signal, das den Betriebszustand "Füllen"

angibt;

Q - ein Signal, das den Betriebszustand "Start"

angibt;

Q = ein Signal, das die Betriebsart "Lauf" angibt;

Q= ein Signal, das entweder die Betriebsart "Start"

oder "Lauf" anzeigt.

Üblicherweise wird Q- zunächst, und zwar selbst noch vor dem Signal Q erzeugt. Unmittelbar anschließend werden

die Signale Q und Q erzeugt. Q liegt vor, wenn entweder 9fl sr ρ

Q oder Q vorhanden sind. Die Beduetung weiterer in der

- S J-

Darstellung verwendeter Symbole erschließt sich dem Leser im Verlauf der weiteren Beschreibung.

Das Überwachungssystem enthält eine Schaltkreisan-Ordnung zur überwachung des Patientenblutdrucks und umfaßt einen üblichen Druckwandler 101, der ein dem Blutdruck proportionales Spannungssignal abgibt, einen weitgehend driftfreien Verstärker 104 mit hoher Gleichtaktunterdrükkung zur Verstärkung des Ausgangssignals des Wandlers 102 und ein Vierpol-Tiefpaßfilter 106 vom Butterworth-Typ, dem das Ausgangssignal des Verstärkers 104 zugeführt wird. Der Wandler 102 und der Verstärker 104 sind herkömmlicher Bauart und entsprechen beispielsweise den Modellen Statham

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTER -

- 32 -

P 23DB bzw. dem Modell Burr-Brown Nr. 3625B. Der Wandler 102 enthält außerdem die notwendige Stromversorgungseinheit, die je nach dem speziell gewählten Wandlertyp bestimmten Anforderungen genügen muß. Die Kennwerte des Filters 106 werden so gewählt, daß der 3dB-Dämpfungswert für das Aus-' gangssignal des Filters 106 bei 20 Hz liegt.

Ein Komparator 110 vergleicht das Ausgangssignal P des Filters 106 mit einem Spannungssignal DP , welches ein Wähler 112 für den diastolischen Druckwert abgibt. Dieser manuell einstellbare Eingangswert entspricht dem für einen bestimmten Patienten gewünschten diastolischen Druckwert DP. Ein Komparatormodul 114 vergleicht den Ausgang P gegen ein Spannungssignal SP^, das von einem Wähler 116 für den systo-

lischen Druckwert bereitgestellt wird, welcher auf einen für einen bestimmten Patienten gewünschten systolischen Druckwert SP eingestellt wird.

Ein Schwellenwert für den Komparator 110 wird so eingestellt, daß ein Ausgangssignal P erzeugt wird, solange der Pegel des Ausgangs P größer ist als ein Vorgabewert, der geringfügig höher ist als der Pegel des Signals DP,. Der Vorgabe oder Schwellenwert für den Komparator 110 wird vorzugsweise so eingestellt, daß der Kolben der Pumpe 10 mit dem Antriebsmotor gekoppelt wird kurz bevor der gewünschte Druckwert DP erreicht wird und andererseits so, daß der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht, sobald der gewünschte Druckwert DP erreicht ist. Dies wird nachfolgend in weiteren Einzelheiten beschrieben. 30

" In ähnlicher Weise liefert der Komparator 114 zwei Ausgangssignale. Das erste dieser Signale tritt auf, wenn das Signal P um einen vorgegebenen Wert größer ist als das Signal SP, und das zweite Signal erscheint, wenn das Signal P um einen vorgebbaren Wert unter dem Pegel des Signals SP-,

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER Howmedxca

- 33 -

auftritt. Dies bedeutet, daß der Komparatormodul 114 kein Signal abgibt, wenn das Signal P innerhalb eines vorwählbaren Bereichs ober- oder unterhalb des Pegels des Signals SP_d liegt.
5

Die Wähler 112 und 116 können als herkömmliche manuell einstellbare Spannungsteiler verwirklicht sein; beispielsweise können die unter der Bezeichnung "Digivider" von der Firma Digitran Co. angebotenen Teilerbausteine verwendet werden. Als Druckanzeige 108 dient ein herkömmliches Digitalvoltmeter (DVM), welches das Signal P als Druck anzeigt, wenn es in der nachfolgend beschriebenen Weise durch einen Taktimpuls T . getastet wird. Da der Impuls T . am unteren Totmm ^c mm

punkt des Hubs der Pumpe 101 auftritt, zeigt die Anzeige den momentanen tatsächlichen diastolischen Druckwert DP des Patienten an. Eine herkömmliche Spitzenwert-Prüfschaltung ermittelt die Maxima oder Peaks im Signal P, welche dem Druckwert SP des Patienten entsprechen und liefert zugeordnete Ausgangssignale, die mittels eines herkömmlichen DVM als systolische Blutdruckwerte auf einer Anzeige 122 angezeigt werden.

Verriegelungsglieder 118 herkömmlicher Bauart für den systolischen Druckwert liefern Kontrollsignale P„_T und P_TT.

ÜJj JjJj

Diese als Modul ausgeführten Verriegelungsglieder 118 enthalten zwei herkömmliche RS-Flip-Flops, die durch das Betriebsart-Überwachungssignal Q getastet und durch den Zeitimpuls T__in rückgesetzt werden. Im Rücksetzzustand sind die Ausgänge beider RS-Flip-Flops niedrig, unabhängig von der jeweiligen Betriebsart. Ist das Signal Q vorhanden, so werden die Ausgänge des !Comparators 114 auf die Setz-Eingänge der zugeordneten Flip-Flops im Modul 118 getastet. Liefert der Komparator 114 das P -Ausgangssignal, so wird ein Flip-

909 8 8 4/0890
ORIGINAL INSPECTED

Howmedica TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER 1 -GER

- 34 -

Flop gesetzt und gibt das Signal P„_T ab. Liefert der Modul 114 das Ausgangsssignal P , so wird das andere Flip-Flop gesetzt und erzeugt das Signal P_LL. Erzeugt der Komparator 114 weder das Ausgangssignal P„ noch das Signal P_, so verbleiben beide Flip-Flops in Rücksetzbedingung, d.h. sie geben kein Ausgangssignal ab. Die Signale P„_T und P _ entsprechen damit den Bedingungen, unter denen der momentane oder tatsächliche Blutdruck des Patienten außerhalb tolerierbarer Abweichungen von einem gewünschten Druckwert SP^ liegen.

Ein Taktgebermodul 200 mit einer nachgeordneten Teilerschaltung 202 liefert synchronisierte Taktsignale von 1 KHz 100 Hz, 10 Hz und 1 Hz, die in verschiedenen Baugruppen des Überwachungssystems benötigt werden. Jenachdem, ob das System auf automatischen Betrieb (AUTO) oder manuellen Betrieb (MAN) steht, wählt ein herkömmlicher Zyklus-Zeit-Taktgebermodul 204 zwischen einem 1-KHz-und einem 10-Hz-Taktsignal, das auf den Eingang eines Zykluszeitzählers 206 gelangt, der Zähler und Verriegelungsglieder bekannter Bauart enthält.

In der Betriebsart AUTO wird der Taktgebermodul 204 durch ein die Betriebsart anzeigendes Signal A . gesteuert, welches das 1 KHz-Taktsignal kontinuierlich in den Zähler 206 tastet und welches außerdem die Zählrichtung "aufwärts" für die Zähler im Modul 206 festlegt. In der Betriebsart MAN werden zwei manuell einstellbare Signale +HR und -HR zur Steuerung des Moduls 204 bereitgestellt, so daß das 1O-Hz-Taktsignal in die Zähler im Modul 206 nur dann eingetastet wird, wenn das Signal +HR oder -HR aktiviert ist.

Zusätzlich bestimmten die Signale +HR und -HR die Zählrichtung der Zähler im Modul 206.

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

Der Zähler 206 wird außerdem durch drei Signale

Q , T und T . gesteuert, die von nachfolgend noch in max resets

beschriebenen anderen Modulen geliefert werden. In der Betriebsart AUTO tastet der Impuls T den Modul 206, der damit augenblicklich freigegeben wird, wodurch die Ausgangsglieder auf den zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Wert der Zähler gesetzt werden, welcher der Periode des vorhergehenden Betriebszyklus entspricht. Der Impuls ^T _reset/ der kurz nach dem Impuls T auftritt, bewirkt die Rücksetzung der Zähler im Modul 206, so daß diese für den nächsten Zyklus bereitstehen. In der Betriebsart MAN tastet das Betriebsart-Steuersignal Q die Ausgangsverriegelungsglieder kontinuierlich/ so daß der Ausgang des Moduls 206 zu jedem Zeitpunkt dem Zählwert in den Zählern entspricht.

Der digitale Ausgangswert am Modul 206 wird durch einen herkömmlichen Digital/Analog-Umsetzermodul 208 in ein Spannungssignal V _t umgesetzt, welches die Herz-

frequenz HR des Patienten angibt. Das vom Modul 208 gelieferte Signal V . wird durch ein herkömmliches PVM-Herzfrequenzanzeigegerät 212 angegeben, welches also den Wert HR anzeigt. Das Signal V gelangt außerdem auf den Eingang eines Komparatormoduls 216 üblicher Bauart. Der Komparator 216 vergleicht das Herzfrequenzsignal V gegen ein Signal HR,, welches der gewünschten Herzfrequenz entspricht und an einem Wähler 214 für die Herzschlagfolgefrequenz einstellbar ist. Der Wähler 112 ist dem oben beschriebenen Wähler 116 ähnlich. Der Komparator 216 liefert ein Ausgangssignal R„, wenn das verstärkte Signal V . um einen vorgebbaren Betrag größer ist als das Signal

Cu

HR,; er liefert außerdem ein Aus gangs signal L, falls das verstärkte Signal V . um einen festgelegten Betrag kleiner

90 3 884/0890
ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

Howmedica 1-GER

- 36 -

10

ist als das Signal HR,.

Ein Steuermodul 300 für die Betriebsart "Start" enthält ein RS-Flip-Flop üblicher Bauart. Der Modul 300 liefert fünf Steuer-Tastsignale
Versionen Q-, Q ,

von drei manuell vorgebbaren Eingabegrößen FILL, START und AUTO/MANUAL sowie des Signals P vom Komparator 110. Ein Signal TDR aktiviert den Steuermodul 300 beim ersten Einschalten des Systems.

Q und Q (sowie deren In-

JL S

Q , Q und Q ), und zwar in Abhängigkeit

Ein Kupplungs-Steuermodul 302 umfaßt eine Tor- oder Tastschaltung üblicher Bauart, welche in Abhängigkeit von einem Taktimpuls T (vom Impulsgenerator 502) und von Tast-Signalen Q_£, Q~ und Q vom Betriebsartsteuermodul 300 ein Ausgangssignal R abgibt. Der Modul 302 liefert das Ausgangssignal R außerdem in Abhängigkeit von einem manuell eingebbaren Eingangssignal MANUAL START. Ein Motor 358 treibt den Kolben der Pumpe 10 an, sobald durch die Kupplungs-Bremsvorrichtung 304 eine mechanische Verbindung hergestellt ist. Der Ausgang R vom Modul 302 steuert die Aktivierung der Kupplungs-Bremsvorrichtung 304. In den Betriebsarten FILL-AUTO oder START-AUTO wird das Ausgangssignal R kontinuierlich erzeugt, so daß die Kupplungs-Bremsvorrichtung 304 kontinuierlich erregt ist.

In den Betriebsarten RUN-AUTO oder MAN wird das Ausgangssignal R in Form eines Impulses geliefert, und zwar in Abhängigkeit vom Impuls T , was dazu führt, daß die Kupplungs-Bremsvorrichtung 304 nur während einer vorgebbaren Dauer erregt ist und dann automatisch entregt wird, bis der nächste Ausgangsimpuls R auftritt. Die vorgebbare Dauer für die Wirksamkeit der Kupplungs-Bremsvorrichtung

909884/0 890

ORIGINAL INSPECTED

Howmedica TER MEER · MÜLLER-STEtNMEISTER 1-GER

2925223

- 37 -

ist so gewählt, daß die Pumpe 10 außer Eingriff mit dem Motor 358 steht, sobald derKolben 36 den oberen Totpunkt passiert hat oder kurz danach und wird weiterhin so gewählt, daß der Kolben 36 den unteren Totpunkt vor seinem Stillstand nicht durchläuft, selbst wenn er durch den Motor 358 mit maximaler Geschwindigkeit angetrieben wird. Die automatische Entregung der Kupplungs-Bremsvorrichtung 304 zu bestimmten Phasen des Pumpenbetriebs läßt sich in bekannter Weise erreichen, beispielsweise durch nockengesteuerte Schalter.

Die Hublänge des Kolbens 36 kann verändert werden, um die Größe PDV zu verändern. Die Verkopplung, mit der sich die Hublänge ändern läßt, wird durch den oben bereits erwähnten Volumenänderungsmotor 310 in herkömmlicher Weise betätigt. Ein Logikmodül 306 für die Änderung des Fördervolumens umfaßt herkömmliche Tastschaltungen und einen monostabilen Multivibrator. Dieser Modul liefert Volumenänderungssignale +Vj und -V-j zur Steuerung der Treiberschaltung 308 für den Motor 310 entsprechend den verschiedenen angegebenen Steuereingangssignalen.

In der Betriebsart FILL-AUTO bewirkt das Tastsignal Q_f die kontinuierliche Erzeugung des Signals -V-,, welches andererseits dazu führt, daß der Motor 310 den Wert PDV kontinuierlich vermindert, bis ein Minimumwert erreicht ist. In der Betriebsart START-AUTO oder RUN-AUTO werden entweder das Signal +V-, oder das Signal -V, erzeugt, wenn die Tastung durch das Taktsignal T während einer Dauer erfolgt, die festgelegt ist durch die Zeitkonstante des monostabilen Multivibrators im Modul 306 und außerdem davon abhängt, ob entsprechende Steuersignale + &V bzw. -AV vorhanden sind, die durch einen Logikbaustein 510 geliefert werden. In der

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER

Howmedica 1-GER

- 38 -

Betriebsart MAN aktiviert das Signal Q die manuell vorgebbaren Eingangssignale +V und -V, die zur Erzeugung der Signale + V- bzw. -V, während einer Dauer führen, die den Signalen +V bzw. -V entsprechen. Das 1-KHz-Taktsignal steht für den Modul 306 mit monostabilem Multivibrator zur Verfügung.

Die Drehzahl der Motors 358 wird durch einen Logikmodul 350 zur Geschwindigkeitsüberwachung im Zusammenwirken mit einem Zählermodul 352, einem Digital/Analog-(D/A)Wandler 354- und einem steuerbaren Gleichrichter 356 (SCR) festgelegt. Der für die Zuführgeschwindigkeit, d.h. die Größe PDS zuständige Modul 350 umfaßt damit übliche Tastschaltungen, die durch den Taktimpuls T und die vom Modul 300 gelieferten Betrxebsartsteuersignale Q und Q steuerbar sind. Liegt das Signal Q nicht vor, so löst der Impuls T das Steuersignal - falls vorhanden - aus, welches dann durch den Logikbaustein 510 geliefert wird, um die Zähler im Modul 352 schrittweise zu erhöhen (Signal - ΔΝ) oder zu erniedrigen (Signal +AN) und um damit die Drehzahl des Motors 358 zu erniedrigen oder zu erhöhen. Ist das Signal Q vorhanden, so werden die manuell steuerbaren Signale +N und -N aktiviert und der Impuls T bewirkt dann, daß

max

das jeweilige Signal +N oder -N zur schrittweisen Erniedrigung oder Erhöhung des Inhalts der Zähler 352 und damit zur Veränderung der Drehzahl des votors 358 führt. Das Signal Q aktiviert den Modul 350; ist dieses Signal nicht vorhanden, so werden die Steuersignale +ΔΝ, - Δ N, +N und -N blockiert, d.h. sie bleiben ohne Einfluß auf den Zählermodul 352.

909884/0890

ORfGlNAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER 1-GER

- 39 -

Der D/A-Wandlermodul 354 enthält einen üblichen D/A-Umsetzer und ein Diodennetzwerk zur Signalformung. Dieser Modul wandelt den Zählwertausgang des Zählermoduls 352 in ein Analogsignal um, welches über die erwähnte SCR-Motorsteuerung 356 die Geschwindigkeitssteuerung des Motors bewirkt.

Der Kolben 36 ist über herkömmliche mechanische Kupplungsglieder 360 mechanisch mit dem Stellglied eines Schiebe- potentiometers (Pot) 400 verbunden, welches über eine Spannungsteilerschaltung ein Spannungsausgangssignal liefert, das der jeweiligen Position des Kolbens entspricht. Der Ausdgang von Pot 400 wird durch einen Spitzendetektor 402 abgefragt, welcher ein Spannungssignäl abgibt, das der Länge des Kolbenhubs entspricht und damit direkt proportional ist zur Größe PDV. Der Ausgang des Detektors 402 wird in üblicher Weise durch ein DVM 404 angezeigt, welches durch das Taktsignal T getastet wird.

Ein optischer Positionsdetektor 520 enthält einen drehenden Lichtzerhacker oder Lichtchopper, der mit der Kolbenstange verbunden ist und eine Fotozelle tastet, den oberen Totpunkt (TDC) und den unteren Totpunkt (BDC) des Pumpenkolbens während der hin- und hergehenden Hubbewegung ab. Die beiden Taktimpulse T_ra^_v bzw. T . . die der TDC-

max mm

Position des Pumpenkolbens bzw. der BDC-Position des Kolbens entsprechen, werden durch eine I .pulsschaltung 522 herkömmlicher Bauart geliefert. Das Signal T __v wird durch einen Impulsgenerator 524 weiterverarbeitet, der in sequentieller Folge zwei weitere Taktimpulssignale T . und T liefert, die gegen den Zeitpunkt des Signals T „ verzögert

max

sind.

909884/0890 ORIGINAL INSPECTED

TLK MLiI-K ■ MυLLUK · ö I UINMUIÖ I UK 1-GER

- 40 -

Die Signale T . und T werden damit während der Abkling- oder Auslaufzeit, also während des PROT-Abschnitts . jedes Pumpenzyklus erzeugt. Die Funktonen der verschiedenen Taktimpulse werden nachfolgend im Zusammenhang mit den durch diese Signale gesteuerten Systemkomponenten beschrieben.

Ein Impulsgeneratormodul 502 liefert den Taktimpuls T , welcher im übrigen System zur Auslösung jedes Pumpenzyklus während der Betriebsart RUN-AUTO verwendet wird, sowie ein Signal A . , welches als internes Steuersignal die Betriebsart AUTO anzeigt. In der Betriebsart AUTO liefert der Generator 502 das Signal T , wenn der Ausgang P vom Komparator 110 auf Pegel "niedrig" umschaltet oder auch automatisch, wenn innerhalb einer vorgebbaren Zeitgrenze der diastolische Druckwert DP einen vorgegebenen Pegelwert nicht erreicht, der geringfügig höher liegt als der gewünschte Wert DP,, bei dem der Ausgang des Komparators 110 umschaltet. In der Betriebsart MAN bildet ein von einem spannungssteuerbaren Oszillator (VCO) 500 geliefertes Signal T das Signal T . Der VCO-Modul 500 weist einen Spannungssteuereingang auf, an dem die Ausgangsspannung V . vom Digital/Analog-Wandlermodul 208 zuführbar ist und die Frequenz bestimmt, mit der T erzeugt wird. Bei der Umschaltung von der Betriebsart AUTO auf MAN wird T mit der gleichen Frequenz erzeugt, die zuvor das Signal T bevor auf manuellen Betrieb umgeschaltet wurde, und zwar solange, bis eine manuell eingebbare schrittweise Erhöhung oder Erniedrigung stattfindet, wie nachfolgend beschrieben. In der Betriebsart AUTO inhibiert das Steuersignal A den VCO-Modul 500. In der Fig. 23 ist der Zusammenhang zwischen dem Maximum und Minimum des Pumpenhubs, den Taktsignalen ^Tmax' ^Tmin ^{und T}o dargestellt.

909884/0890 ORIGINAL INSPECTED

-IIMIVH-IvJ J

- 41 -

Der Logikbaustein 510, der eine logische Verknüpfungsschaltung enthält, stellt das Herz des Pumpensteuer- und -Überwachungssystems dar. Dieser Baustein erzeugt die PDV-Steuersignale + Δν und -Δν und die PET-Steuersignale + Δ.Ν und - Δ N in Abhängigkeit von den Eingangssignalen P„ , P-j-T/ Rj₁ und R_ entsprechend der nachfolgenden logischen Entscheidungstabelle:

LL

SP gleich dem Voreinsteilwert

HL

HR gleich
dem Vöreinstellwert

+ Δ N	+ ΔΝ -&V	- AV
+Δν +Δ ν	nichts	- Δ. N -Δ V
+ Δν	-Δ N + Δν	-Δ.Ν

TABELLE 1

Dabei werden die nachfolgend angegebenen Bool'sehen Verknüpfungsgleichungen angewendet:

- ^PLL^RH ^{+ R}L^PHL ΔΝ = P_LLR_H + P^

= ^RH^?HL

(Gleichung 1)

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

Howemdica 1 -GEH

- 42 -

10

Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt die erforderlichen vom System zu veranlassenden Aktionen in Abhängigkeit davon, ob die Eingangssignale R„ oder R vorhanden sind bzw. ob beide

ti L·

Eingangssignale R„ und R nicht vorhanden sind, was einer zu hohen, zu niedrigen oder richtigen Herzfrequenz HR entspricht, oder in Abhängigkeit davon, ob Eingangssignale P„_ oder P__T vorhanden oder beide Eingangssignale Pr₁,.,.

XlJj XiLl UXjJ-!

und P_TT nicht vorhanden sind, was einem zu hohen, zu nie-

J-I Il

drigen bzw. befriedigenden systolischen Druckwert SP entspricht. Dabei wird angenommen, daß DP auf einem konstanten Wert zu halten ist.

15

20

SPf SP SP

befriedigend

PDT^	PDT i	PDV 1
PDTl PDVf	keine Änderung	PDT ♦ PDV {
PDV	PDT ♦ PDV t	PDT I

HR t

HR

zufriedenstellend

HRt

25 (Anmerkung: f - "Erhöhung" und

(Gleichung 2)

Erniedrigung")

Es sei bemerkt, daß N der Geschwindigkeit eines Fluidausstoßes im systolischen Bereich (oder der Pumpenzuführgeschwindigkeit PDS) entspricht und nicht der Dauer des Fluidausstoßes im systolischen Bereich. N entspricht damit dem Reziproken der oben erwähnten Größe PDT. Der Logikbaustein 510 liefert ein weiteres Ausgangssignal OK, wenn

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

Howmedica

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER 1 - GEH

- 43 -

sowohl der systolische Druckwert SP als auch die Herzfrequenz HR beide befriedigend sind. Tastsignale Q und Q sperren entweder die Eingangssignale zum oder inhibieren die Ausgangssignale vom Logikbaustein 510, wenn das System in seinen verschiedenen möglichen Betriebsarten betrieben wird.

Ein Zählermodul 526 zur Ermittlung der Fluidausstoß-

zeit wird durch die Signale T „ bzw. T . gesperrt und

max mm ^{J c}

durch das 1OO-Hz-Taktsignal vom Teiler 202 beaufschlagt und liefert ein digitales Ausgangssignal, das der Größe PDT der Pumpe entspricht und damit der Ausstoßzeit im systolischen Bereich der Blutdruckwelle. Die Größe PDT wird mittels eines DVM 528 angezeigt.

Drei Alarmschaltungen 600, 602 und 604 enthalten Tore, Zähler und Flip-Flops und überwachen die-verschiedenen Betriebszustände des Überwachungssystems; sie liefern hörbare und/oder sichtbare Alarmsignale X, Y bzw. Z entweder wenn vorgebbare Bedingungen durch das Pumpensystem nicht erreicht werden, oder wenn das System von gewünschten Betriebswerten langer als eine vorwählbare Zeit abweicht.

Das Zusammenwirken der verschiedenen Baugruppen des Systems wird nachfolgend aus der Erläuterung der Arbeitsweise noch besser verständlich.

■ Während die einzelnen Funktionsblocks der Fig. 21 und als herkömmliche Digital- und Analogschaltkreise beschrieben wurden, kann mindestens für einige der digitalen und Zeitfunktionsgruppen ein herstellerseits programmierter Mikrocomputer eingesetzt werden. Auch ein programmierbarer kleiner Allzweckrechner kann verwendet werden.

9 09884/0890 ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER ■ "

- _. TrGER..

- 44 -

Nachfolgend wird die Arbeitsweise des hinsichtlich seiner einzelnen Komponenten beschriebenen Pumpensystems • erläutert:

Wie bereits erwähnt, kann das Pumpensystem in einer von drei automatischen Betriebsarten (AUTO) betrieben werden oder auf manuelle Steuerung eingestellt werden (MAN). Die drei Betriebsarten AUTO sind durch die Stichworte FILL, START und RUN gekennzeichnet.

Wird das Pumpensystem nach Einschalten der Stromversorgung am Stromversorgungsschalter 242 erregt, so daß das System auf die Stromversorgung 244 geschaltet wird, so liefert ein Zeitverzögerungsrelais 340 zunächst ein Signal PDR, welches die verschiedenen Zähler 206, 352 und 526 auf Anfangswerte und die Verriegelungen im Betriebsartsteuermodul 300 auf den Zustand FILL setzt. In diesem Fall sind alle Betriebsartensteuersignale Q-_# Q , Q-ι Q und Q vorhanden. Die Wähler 112, 116 und 214 werden durch die Bedienungsperson auf gewünschte Werte für den diastolischen Druck DP^, den systolischen Druck SP, bzw. die Herzfrequenz HR-, voreingestellt. Ist das Pumpensystem in dieser Weise auf den Ausgangszustand eingestellt, so bewirkt die Aktivierung des FILL-Eingangs die Erzeugung des Betriebsartsteuersignals Q_f, was folgende Betriebsabläufe auslöst:

(1) Der Kupplungs-Steuermodul 302 liefert das Ausgangssignal R kontinuierlich. Als Folge davon wird die Kupplungs-Bremsvorrichtung 304 kontinuierlich erregt.

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

(2) Da die Ausgangssignale +ΔΝ und -ΔΝ des Logikbausteins 510 blockiert sind und also durch Abwesenheit des Signals Q während des FILL-Zustands keinen Einfluß auf den Zuführgeschwindigkeits-Steuerzähler 352 haben und diese Zähler somit zunächst im Ausgangszustand verbleiben, läuft der Pumpenmotor 358 auf konstanter minimaler Drehzahl.

(3) Der Volumenänderungsmotor 310 vermindert den Wert PDV, bis ein Minimumwert erreicht ist. Zu diesem

Zeitpunkt wird der FILL-Eingang unwirksam bzw. entregt.

Als Folge der Betriebsart FILL läuft die Pumpe 10 an.

Steht das Überüberwachungssystem in der Betriebsart AUTO, d.h. ist der AUTO/MAN-Eingang noch nicht erregt worden, so kann der START-Eingang aktiviert werden. Dies führt zur Erzeugung des Betriebsartsteuersignals Q mit dem folgenden Ergebnis:

(1) Das Steuersignal Q , welches als internes Steuersignal die Betriebsart START bzw. RUN angibt, steht auf Pegel "hoch". Mit hohem Signal Q wird der FILL-Eingang unwirksam geschaltet, so daß eine unbeabsichtigte Betätigung verhindert wird und eine Unter

brechung im Betriebsablauf des Überwachungssystems während der Zustände START oder RUN ausgeschlossen ist.

(2) -Die Signale R und R^ vom Komparatormodul 216 werden als Eingangssignale für den Logikbaustein 510

blockiert. Da in diesem Zustand der systolische Druck SP des Patienten niedrig ist, liefern die Druckverriegelungsschaltungen 118 das Signal P .

90988A/0890
ORIGINAL INSPECTED

Howmedica TER MEER · FÜLLER · STEINMEISTER 1 -£

- 46 -

Damit erzeugt der Logikbaustein 510 beide Ausgangssignale + AV und +ΔΝ (vgl. Tabelle 1) und die Bedingung P- und HR entspricht dem Voreinsteilwert. Der Logikmodul 350 für die Zuführgeschwindigkeit wird auf getastet und das Signal +^N gelangt auf den

Zählermodul 352, wenn dieser durch die Taktimpulse

T aufgetastet ist. Der Logikbaustein 306 für max

eine Volumenänderung liefert die +V,-Signale, wenn die Triggerung durch die Taktimpulse T gegeben ist.

(3) Der Kupplungs-Steuermodul 302 erzeugt das Ausgangssignal R kontinuierlich, d.h. die Kupplungs-Bremsvorrichtung 304 wird kontinuierlich erregt.

(4) Unter Ansteuerung durch die Ausgangssignale +AV

und +ΔΝ vom Logikbaustein 510 bewirkt die Pumpensteuerlogik 350 eine Erhöhung der Drehzahl des Pumpenmotors 358, was eine Erniedrigung der Größe PET zur Folge hat und den Volumenänderungsmodul 310 veranlaßt, den Hub des Kolbens 736 zu erhöhen, was eine Erhöhung des Werts PEV zur Folge hat. Bei konstant erregter Kupplungs-Bremsvorrichtung 304 läuft die Pumpe 10 kontinuierlich ohne abzuwarten, ob der diastolische Druckwert DP, im Zirkulationssystem des Patienten erreicht ist.

Steigt der diastolische Druck DP des Patienten über den gewünschten Vorgabewert DP, an, was durch die Umschaltung des Signals P auf Pegel "niedrig" angezeigt wird, so schaltet das Pumpensystem automatische auf den Zustand RUN um.

Es sei bemerkt, daß der Wert PEV auf Minimum stehen muß und die Eingänge FILL und AUTO/MANUAL nicht erregt sein dürfen, damit der START-Schalter wirksam ist.

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER

- 47 -

Schaltet das Pumpensystem in den Zustand RUN um, so wird das Steuersignal Q erzeugt mit dem folgenden Ergebnis:

(1) Keines der Eingangs- oder Ausgangssignale des Logikbausteins 510 ist blockiert. Der Logikbaustein 510

erzeugt damit die Ausgangssignale zur Steuerung der Pumpe 10 auf der Basis, welches der Signale P__ , P„_T , R₁. bzw. R,_T tatsächlich an den Eingängen

J-iL· tlij Jj Π.

vorhanden ist entsprechend der obigen Entscheidungstabelle 1 .

(2) Der Taktimpuls T_Q ist nicht blockiert, d.h. eine Steuerung des Kupplungssteuermoduls 302 ist möglich. Wie oben erläutert, wird der Ausgang R in Form eines Impulses geliefert, was zur Erregung der Kupplungs-Bremsvorrichtung 304 während eines vorgegebenen

Zeitintervalls führt. Während dieses Zeitintervalls wird die Kupplungs-Bremsvorrichtung 304 erregt und die Pumpe 101 stößt ein bestimmtes Blutvolumen während einer Zeitperiode aus, die bestimmt ist durch die vom Logikbaustein 510 während des vorher

gehenden Zyklus gelieferten Steuersignales. Während dieses Zeitintervalls ist die Kupplungs-Bremsvorrichtung 304 vor dem Auftreten des nächsten Taktimpulses T erregt und das Signal T_{m χ} ⁺ triggert falls erforderlich - die Änderungen für die Pumpen

werte SET und SEV für den nächsten Pumpenzyklus entsprechend den vom Logikbaustein 510 gelieferten Signalen.

Wie oben erwähnt, ist der Schwellenwert für den Komparator 110 so gewählt, daß das Ausgangssignal P auf Pegel "niedrig" umschaltet unmittelbar bevor der gewünschte diastolische Druckwert DP, tatsächlich erreicht ist und der

90988A/0890

ORIGINAL INSPECTED

Howmedica TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER 1-G2R

- 48 -

Impuls T wird ebenfalls kurz vor Erreichen des Druckwerts DP, erzeugt. Dies löst einen Vorschub des Kolbens 36 aus der Ruheposition aus, die während des vorhergehenden Zyklus in der BDC-Position im Anschluß an die Entregung der Kupplungs-Bremsvorrichtung 304 erreicht wurde, so daß der Kolben seiner BDC-Position steht, wenn der gewünschte diastolische. Druckwert DP-, erreicht wird.

Sowohl in der START- oder der RUN-Stufe der Betriebsart AUTO kann die Bedienungsperson das Pumpensystem auf manuellen Betri-eb, d.h. auf die Betriebsart MAN durch Erregung des Eingangs AUTO/MAN umschlaten.

Eine Erregung des Eingangs AUTO/MAN führt zur Erzeugung des Betriebsartsteuersignals Q_m mit dem folgenden Ergebnis: 15

1. Das Signal A . wird blockiert und hat keinen Einfluß auf den Betriebsablauf des Systems.

2. Alle AusgangssignaIe des Logikbausteins 510 stehen auf Pegel "niedrig". Als Folge davon arbeitet die Pumpe 10 mit gleicher Ausstoßgeschwindigkeit und gleichem Fördervolumen, welches bei der Betriebsart AUTO unmittelbar vor der Erregung des Eingangs AUTO/ MAN erreicht wurden, es sei denn, es wird eine Ändetung von Hand vorgenommen.

3. Die manuell einstellbaren Signale +V, -V, +N, -N, +HR und -HR werden erregt und ermöglichen der Bedienungsperson eine manuelle schrittweise Erhöhung oder Erniedrigung des Ausstoßvolumens (PEV) und der Fördergeschwindigkeit (PDS) der Pumpe 10 sowie des Intervalls

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

zwischen den Taktimpulsen T um einen bestimmten Wert wie oben erläutert.

Die Einstellwerte der Wähler 116, 112 bzw. 214 für einen gewünschten systolischen Druck SP-,, diastollschen Druck DP, und eine gewünschte Herzfrequenz HR, können jederzeit während des Betriebs des Pumpensystems in der Betriebsart AUTO geändert werden. Soll beispielsweise der Wert für DP-, so ge- ändert werden, daß der Taktimpuls T nicht normal erzeugt wird, so erfolgt die Erzeugung automatisch wie oben beschrieben. Außerdem kann die Kupplungs-Bremsvorrichtung beispielsweise in Notfällen manuell erregt werden, und zwar durch Erregung des Eingangs MAN-START zum Kupplungssteuermodul 304.

Während des Betriebs wird das Alarmsignal Y durch den Modul 602 erzeugt, wenn die zum Erreichen des Betriebszustands RUN erforderliche Zeit nach Auslösen der Stufe START um ein vorgebbares Zeitintervall überschritten wird. In ähnlicher Weise wird das Alarmsignal Z durch den Modul 604 geliefert, wenn die zum Erreichen der vorgegebenen Betriebsparameter erforderliche Zeit einen bestimmten Betrag überschreitet. Schließlich wird das Signal X durch den Modul erzeugt, wenn das System die vorgeschriebenen Betriebsparameter einmal erreicht hat, jedoch von diesen Parametern für länger als eine vorgebbare Zeitperiode abweicht.

Da die einzelnen Baugruppen der zusammengehörigen Schalter der Fig. 21 und 22 im wesentlichen nur aus herkömmlichen Torschaltungen, Flip-Flops, Zählern usw. bestehen, deren Aufbau und Funktion soweit erforderlich ausführlich

909884/0890 ORIGINAL INSPECTED

Howmedica TER MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTER 1-3ER

- 50 -

beschrieben wurde, dürften für den Fachmann die Einzel-ίchaltbilder wesentlicher Baugruppen nach den Fig. 24 bis 35 aus sich heraus verständlich sein.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind einige Änderungen und Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsform möglich. Beispielsweise kann das Pumpensystem so ausgelegt und betrieben werden, daß der systolische Druck SP des Patienten konstant gehalten wird. In diesem Fall werden der diastolische Druckwert DP und die Herzfrequenz HR des Patienten als Eingangsgrößen eines entsprechenden logischen Schaltkreises verwendet. In ähnlicher Weise kann auch vorgesehen sein, die Herzfrequenz HR auf einem gewünschten Vorgabewert zu halten. In diesem Fall dienen der diastolische und der systolische Druckwert des Patienten als Eingangsgrößen für einen anderen geeigneten Logikbaustein. In jedem Fall würden die peripheren Steuerkreise für den Logikbaustein 510 entsprechend anzupassen sein. Erwähnt sei auch, daß andere Kombination und Änderungen der überwachten physiologischen und unabhängig steuerbaren Pumpenparameter als die hier beschriebenen verwirklicht werden können.

Das erfindungsgemäße pulsierend arbeitende Pumpensystem zur Zirkulation von Blut oder einer blutähnlichen Substanz im Gefäßsystem eines lebenden Gewebes und das zugrundeliegende Verfahren sind herkömmlichen Pumpsystemen mit Rollenpumpe erheblich überlegen, da mehrere Parameter eines Patienten oder eines Organs berücksichtigt und auf bestimmten Werten gehalten werden. Das System eignet sich zur intrakorporalen und extrakorporalen Verwendung, zur Unterstützung der Herztätigkeit, als Perfusionsvorrichtung oder für andere pulsierende Blutpumpsysteme zur Zirkulation

909884/0890

ORiGINAL INSPECTED

iiowmeaica

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER _η „„_,

- 51 -

von Blut oder einer blutähnlichen Substanz innerhalb eines lebenden Gewebes mit automatischer Überwachung. Durch ein Rückkopplungssystem mit geschlossener Regelschleife lassen sich die ausgewählten Parameter auf gewünschten Voreinstellwerten halten. Die Voreinstellwerte können für das System manuell vorgegeben werden, das anschließend vollautomatisch arbeitet und die tatsächlichen Parameterwerte auf die gewünschten Werte bringt bzw. auf diesen Werten hält.

909884/0890 ORIGINAL INSPECTED

-SI-

e e r s e

ite

Claims (18)

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandataires agrios pres !Office europeen des brevets Dipl.-Qhem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister TrifteSse* J!' ^"^ Siekerwall 7, D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1 Mü/vL/hm 12. Juli 1979 HOWMEDICA, INC. 235 East 42nd Street, New York, N.Y., U.S.A. Verfahren und automatisch überwachte Pumpvorrichtung zur Zirkulation von Blut oder blutähnlichen Fluiden in Gefäßsystemen lebender Gewebe. Priorität: 14. Juli 1978 - U.S.A. - No. 924 567 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur pulsierenden Zirkulation von Blut oder blutähnlichen Fluiden innerhalb des Gefäßsystems eines lebenden Gewebes unter automatischer Überwachung einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren physiologischen Parametern, dadurch gekennzeichnet, daß

- einerseits die Mehrzahl der vorgegebenen oder vorgebbaren physiologischen Parameter des lebenden

909884/0890

ORfGlNAL INSPECTED

TER MEER · tv. JLLER ■ STEINMEISTER ¹ -GER

Gewebes gleichzeitig überwacht wird und

- andererseits eine Mehrzahl von unabhängigen Pumpenparametern eines pulsierenden Fluidpumpsystems entsprechend einer vorgebbaren logischen Funktion der Mehrzahl von physiologischen Parametern gleichzeitig so überwacht wird, daß alle dieser physiologischen Parameter im wesentlichen auf entsprechend zugeordneten Vorgabewerten gehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Abtastung einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren physiolgischen Parametern innerhalb des lebenden Gewebes,

- manuelle Einstellung einer Vorgabe für jeden der Mehrzahl von physiologischen Parametern auf einen gewünschten Vorgabewert,

- Vergleichen der Mehrzahl von abgetasteten physiologischen Parameterwerten gegen die entsprechenden gewünschten Vorgabewerte und Erzeugen einer entsprechenden Mehrzahl von Ausgangssignalen die die jeweiligen Abweichungen anzeigen und

- Einstellung und überwachung einer Mehrzahl von Pumpenparametern in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Iqgischen Funktion der ermittelten Abweichungen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2_t dadurch gekennzeichnet, daß zu den physiologischen Parametern der systoliqche Druck, der diastolische Drück und die Wiederholungsrate oder Frequenz einer Druckwelle des Bluts gehören, die in dem Gefäßsystem des lebenden Gewebes erzeugt werden.

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die unabhängigen Pumpenparameter, die Vor- bzw. Rückschubgeschwindigkeit, die Hublänge und die Wiederholungsrate oder Frequenz eines hin- und hergehenden Kolbens umfassen.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die physiologischen Parameter den systolischen Druck (SP), den diastolischen Druck (DP) und die Wiederholungsrate oder Frequenz (HR) der Druckwelle des Bluts umfassen, die in dem Gefäßsystem des lebenden Gewebes erzeugt werden,

- zu den unabhängigen Pumpenparametern die für die Pumpe erforderliche Förderzeit (PDT) gehören, um ein bestimmtes Speisevolumen an Fluid (PDV) auszustoßen und

- die Pumpe so steuerbar ist, daß ein neuer Betriebszyklus jedesmal dann einsetzt, wenn ein vorgebbarer gewünschter DP-Pegel abgetastet wird, wobei gleichzeitig die Parameter PDT und PDV entsprechend der nachfolgenden logischen Funktionstabelle angepaßt werden, um die Parameter SP und HR auf vorgegebenen gewünschten Werten zu halten:

zur Erhöhung
von SP SP
befriedigend zur Erniedrigung
von SP zur Erhöhung
von HR erhöhe
PDT erniedrige PDT
erniedrige PDV erniedrige PDV HR befriedi
gend erniedrige
PDT keine
.änderung erhöhe PDT
erniedrige PDV zur Erniedrigung
von HR erhöhe
PDV erhöhe PDT
erhöhe PDV erhöhe PDT

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

Howmedica 1-GER

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Zuführgeschwindigkeit (PDS) der zyklisch arbeitenden Pumpe bei Einspeisung eines Fluids so einstellbar ist, daß in das Gefäßsystem des Gewebes ein überwachtes festgelegtes Speisevolumen (PDV) an Fluid

pro Pumpenzykluszeit (PCT) einspeisbar ist,

- eine Mehrzahl von festgelegten physiologischen Parametern innerhalb des Gewebes überwacht und eine entsprechende Mehrzahl von ersten elektrischen Signalen erzeugt wird , die den aktuellen Augenblickswerten dieser Parameter im Gewebe entsprechen,

- eine Mehrzahl von zweiten elektrischen Signalen vorgegeben wird, die jeweils einem gewünschten Wert eines zugeordneten der vorgegebenen physiologischen Parameter entsprechen, und

- die aktuellen Augenblickswerte mit den zugeordneten entsprechenden Vorgabewerten verglichen und zwei oder mehrere der Pumpenparameter PDS₇ PDV und PCT entsprechend einer/dem Vergleich abgeleiteten Funktion eingestellt werden, so daß die aktuellen Werte entsprechend den ermittelten Abweichungen auf die gewünschten Werte hin korrigiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß zwei oder mehrere der Pumpenparameter PDS, PDV bzw. PCT als Funktion der ermittelten Änderungen eines oder mehrerer der physiologischen Parameter, zu denen der systolische Fluiddruck (SP), der diastolische Fluiddruck (DP) bzw. die Wiederholungsperiode der Druckwelle oder die Herzschlagperiode (HP) gehören entsprechend der nachfolgenden Funktionstabelle eingestellt wird, in der mit "^" eine "Erhöhung", mit "4·" eine "Erniedrigung" und mit "-" "keine Änderung" des betreffenden Werts bezeichnet sind:

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

Howmedica 1 -GER

Ermittelte Abweichung der Größe SP₇ Mögliche überwachte Ände-DP und/oder HP vom gewünschten Nor- rung von PDS, PDV und/oder malwert PCT zur Korrektur bei fest

gestellter physiologischer Abweichung .

SP

DP

HR (1/HP)

PDS

PDV

PCT

4,

8, Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet / daß die Mehrzahl der überwachten physiologischen Parameter mindestens zwei Parameter umfaßt, zu denen der systolische Blutdruck, der diastolische Blutdruck und/oder die Herzschlagfrequenz gehören.

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

*.J.-^S TO JAtW \Λ -L. \*> ti

1-GER TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

— Ό —

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der vorgegebenen oder vorgebbaren physiologischen Parameter überwacht und visuell angezeigt wird.

10/ Pumpvorrichtung zur Zirkulation von Blut oder blutähnlichen Fluiden in Gefäßsystemen lebender Gewebe unter automatischer überwachung einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren physiologischen Parametern,
gekennzeichnet durch

- eine an das Gefäßsystem anschließbare pulsierend arbeitende Pumpe (10;36-49), die hinsichtlich einer Mehrzahl von Pumpenparametern während der Betriebs-

' zyklen der Pumpe unabhängig steuerbar ist und

- eine Abtast- und überwachungsexnheit (18-28; Fig.21,22) zur gleichzeitigen Überwachung der Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren physiologischen Parametern des lebenden Gewebes einerseits und zur Steuerung und Überwachung der Mehrzahl von unabhängigen Pumpenparametern entsprechend einer vorgegebenen logischen Funktion der physiologischen Parameter andererseits, um alle der physiologischen Parameter im wesentlichen auf jeweils vorgegebenen oder vorgebbaren Werten zu halten.

11. Pumpvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Überwachungseinheit folgende Baugruppen umfaßt:

- eine Sensorvorrxchtung (18) zur Abtastung einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren physiologischen Parametern innerhalb des lebenden Gewebes,

- eine Eingabeeinheit (22) zur Voreinstellung jedes der Mehrzahl von physiologischen Parametern auf einen gewünschten Vorgabewert,

909884/0890

ORiGJNAL INSPECTED

Howmedica 1 "-

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER

- eine Komparatoreinheit (24), die die Mehrzahl von abgetasteten physiologischen Parameterwerten gegen die entsprechenden gewünschten Vorgabewerte vergleicht und eine entsprechende Mehrzahl von AusgangsSignalen liefert, die die jeweiligen Abweichungen anzeigen und

- eine Einstell- und Überwachungseinheit zur Einstellung und Überwachung einer Mehrzahl von Pumpenparametern

in Abhängigkeit von einer vorgebbaren logischen Funktion der ermittelten Abweichungen.

12. Pumpvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu den physiologischen Parametern der systolische Druck der diastolische Druck und die Folgefrequenz der Druckwelle im Blut gehören, die in dem Gefäßsystem des lebenden Gewebes erzeugt werden.

13. Pumpvorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zu den unabhängigen Pumpenparametern die Vorschub- bzw. Rückohlgeschwindigkeit, die Hublänge und die Wiederholungsfrequenz eines hin- und hergehenden Kolbens in der Pumpe gehören.

14. Pumpvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß

- die physiologischen Parameter den systolischen Druck (SP), den diastolischen Druck (DP) und die Wiederholungsrate oder Frequenz (HR) der Druckwelle des

• Bluts umfassen, die in dem Gefäßsystem des lebenden Gewebes erzeugt werden,

- zu den unabhängigen Pumpenparametern_r die für die Pumpe erforderliche Förderzeit (PDT) gehören, um ein bestimmtes Speisevolumen an Fluid (PDV) auszustoßen und

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER ■ MÜLLER . STEINMEISTER

Howmedica 1-TER

- die Pumpe durch die Abtast- und Überwachungseinheit ■so steuerbar ist, daß ein neuer Betriebszyklus jedesmal dann einsetzt, wenn ein vorgebbarer gewünschter DP-Pegel abgetastet wird, wobei gleichzeitig die Parameter PDT und PDV entsprechend der nachfolgenden logischen Funktionstabelle angepaßt werden, um die Parameter SP und HR auf vorgegebenen gewünschten Werten zu halten:

zur Erhöhung
von SP SP
befriedigend zur Erniedrigung
von SP zur Erhöhung
von HR erhöhe
PDT erniedrige PDT
erniedrige PDV erniedrige PDV HR befriedi
gend erniedrige
PDT keine
Änderung erhöhe PDT
erniedrige PDV zur Erniedrigung
von HR erhöhe
PDV erhöhe PDT
erhöhe PDV erhöhe PDT

15. Pumpvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Zuführgeschwindigkeit (PDS) der zyklisch arbeitenden Pumpe bei Einspeisung eines Fluids so einstellbar ist, daß in das Gefäßsystem des lebenden Gewebes ein überwachtes festgelegtes Speisevolumen (PDV) an Fluid pro Pumpenzykluszeit (PCT) einspeisbar ist,

- wenigstens ein in einer Rückkopplungsschaltung (20, 24,26,10,14) liegender Sensor (18) eine Mehrzahl von festgelegten physiologischen Parametern innerhalb des Gewebes überwacht und eine entsprechende Mehrzahl von ersten elektrischen Signalen abgibt, die den

• aktuellen Augenblickswerten dieser Parameter im Gewebe entsprechen,

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

Howmedica TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER ¹ -GER

- eine Mehrzahl von manuell einstellbaren EingabeSteuereinheiten (22-1, 22-2, ... 22-n) vorhanden ist, über die eine Mehrzahl von zweiten elektrischen Signalen vorgebbar ist, die jeweils einem gewünschten Wert eines zugeordneten der vorgegebenen physiologischen Parameter entsprechen, und

- die ersten und zweiten elektrischen Signale einer Steuer- und überwachungsschaltung zuführbar sind, die die aktuellen Augenblickswerte mit den zugeordneten entsprechenden Vorgabewerten vergleicht und zwei oder mehrere der Pumpenparameter PDS, PDV und PCT entsprechend einer aus dem Vergleich abgeleiteten Funktion so einstellt, daß die ermittelten Abweichungen der aktuellen Werte von den gewünschten Werten korrigiert werden.

16. Pumpvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch

gekennzeichnet, daß die Steuer-

und Überwachungsschaltung zwei oder mehrere der Pumpenparameter PDS, PDV bzw. PCT als Funktion der ermittelten Änderungen eines oder mehrerer der physiologischen Parameter, zu denen der systolische Fluiddruck (SP), der diastolische Fluiddruck (DP) und die Wxederholungsperiode der Druckwelle oder die Herzschlagperiode (HP) gehören, entsprechend der nachfolgenden Funktionstabelle einstellt, in der mit "t" eine Erhöhung, mit "·*·" eine Erniedrigung und mit "-" keine Änderung des betreffenden Wertes bezeichnet sind:

90988A/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

Howmedica 1-GER

- 10 -

Ermittelte Abweichung der Größe SP, Mögliche überwachte Ände-DP und/oder HP vom gewünschten Nor- rung von PDS, PDV und/oder malwert PCT zur Korrektur bei fest

gestellter physiologischer Abweichung

SP

DP

HR (1/HP)

PDS

PDV

PCT

17. Pumpvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Mehrzahl der überwachten physiologischen Parameter mindestens zwei Parameter umfaßt, zu denen der systolische Blutdruck, der diastolische Blutdruck und/oder die Herzschlagfrequenz gehören.

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER ¹ "

18. Pumpvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 10 bis 17, gekennzeichnet durch eine Sichtanzeigevorrichtung zur Überwachung und sichtbaren Anzeige von Indikatoren oder Hinweisen, die sich auf die Mehrzahl der vorgegebenen oder vorgebbaren physiologischen Parameter beziehen.

909884/0890

ORIGINAL INSPECTED