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Vorrichtung zum Betrieb automatisch gesteuerter Kreislaufpumpen
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Betrieb automatisch gesteuerter
Kreislaufpumpen, bestehend aus einer Energiequelle, einer zur Kreislaufpumpe führenden
Energieübertragungseinrichtung und einer innerhalb dieser liegenden Dosiereinrichtung.
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Die Probleme beim automatischen Betrieb künstlicher Kreislaufpumpen
lassen sich in drei Gruppen teilen: 1. Einstellung der Steuerzeiten, 2. Einstellung
der Antriebsgrößen und 3. Regelung eines, eventuell zweier Kreislaufparameter.
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Nur bei der unter Punkt 3 genannten Gruppe ist es per definitionem
notwendig, biologische Kreislaufgrößen meßtechnisch zu verarbeiten. Betrachtet man
den Stand der Technik, so sind Leistungen insbesondere in der nach Punkt 1 genannten
Gruppe zu erkennen. Die automatische Regelung der Steuerzeiten - das englische Schlagwort
lautet Timlng - wird aus mehreren Gründen bevorzugt durchgeführt. Zunächst ist in
der Praxis der Bedienungsaufwand einer Anlage für den Betrieb von künstlichen Kreislaufpumpen
insbesondere durch die ständige Einstellung der Steuerzeiten bedingt. Weiters ist
für die wissenschaftliche Forschung gerade die Erarbeitung der Regelprozesse im
Körper von besonderer Bedeutung und schließlich gibt es Unterstützungsmethoden des
Kreislaufes, deren Funktion notwendigerweise von der richtigen Einstellung der Steuerzeiten
abhängt. Letztgenannte Gruppe betrifft Methoden
der ~Gegenpulsation",
die insbesondere durch Einführung des intraaortalen Ballons besondere Bedeutung
gewonnen hat. So beschreibt beispielsweise die AT-PS-Nr. 287175 eine spezielle Vorrichtung
in Zusammenhang mit einer Ballonpumpe. Die Methode der Gegenpulsation ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Aktion der Pumpe während der Erschlaffungsphase des Herzens,
der sogenannten Diastole, erfolgt. Daher ist es notwendig, eine solche Pumpe mit
der natürlichen Herzaktion zu synchronisieren. Zu dem Zweck wird fast ausschließlich
der QRS-Komplex aus dem EKG analysiert (siehe beispielsweise die AT-PS 334518).
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Zur automatischen Regelung einer solchen synchronisierten Steuerung
sind Lo#sungsvorschläge bekannt, beispielsweise durch die AT-PS 333938. Freilaufende,
also mit dem natürlichen Herz nicht synchronisierte Kreislaufpumpen müssen jedoch
auch geregelt werden, einerseits aus Gründen der Effizienz solcher Pumpen - Totzeiten
sollen vermieden werden - andererseits als Anpassung an die Notwendigkeit der Kreislaufversorgung,
insbesondere dann, wenn das natürliche Herz entfernt wird. Zur automatischen Steuerung
solcher freilaufender Kreislaufpumpen wurde in den letzten Jahren ein System entwickelt,
bei dem Füll- und Auswurfdauer vom jeweiligen Abschlußwiderstand abhängen. Die Pumpe
wird zyklisch stets voll gefüllt und entleert, eine fixe Pumpfrequenz gibt es dabei
nicht. Diese Methode, die in der AT-PS 352 858 beschrieben wird. ist Voraussetzung
für die vorliegende Erfindung, sie wird im folgenden als "Optimalsteuerung" bezeichnet.
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Zu der unter Punkt 2 genannten automatischen Einstellung von Antriebsgrößen
gibt es wesentlich weniger Ideen. Eine Vorrichtung zur Druckversorgung ventilgesteuerter
Kreislaufpumpen wird beispielsweise in der AT-PS 289290 beschrieben. Automaten sind
jedoch weitgehend unbekannt. Es entspricht jedoch dem Stand der Technik, daß die
Leistung einer solchen Pumpe durch Verringerung der Energie variiert wird. Bei elektrischen
oder elektrohydraulischen Antrieben wird die Energie ganz einfach durch Regelung
des elektrischen Stromes durchgeführt, bei den pneumatischen oder hydraulischen
Antriebssystemen läßt sich die Energie durch Variation des Treibdruckes dosieren.
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Die unter Punkt 3 angegebene Problematik bei der automatischen Regelung
wird von fast allen Arbeitsgruppen bearbeitet.
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Voraussetzung ist dabei die Meßmöglichkeit eines oder mehrerer Kreislaufparameter.
Es entspricht dies der physiologischen Realität, da bekanntlich im Körper Druckrezeptoren
insbesondere zur Registrierung des arteriellen Druckes bekannt sind. Da die Ankoppelung
an ein biologisches Objekt grundsätzlich mit schweren Problemen verbunden ist, sind
solche Forschungen in der Praxis noch wenig wirksam geworden. Es muß daher als besonderer
Vorteil gelten, wenn Automaten in diesem Bereich o h n e Messung eines Kreislaufparameters
arbeiten können.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine einfache Vorrichtung zur
optimalen Eiinstellung der Antriebsgrößen einer
künstlichen Kreislaufpumpe
anzugeben, die ohne Messung eines Kreislaufparameters auskommt. Das zitierte Optimum
ist schon aus plausiblen Gründen so zu verstehen, daß mit minimalem Energieaufwand
und damit geringster mechanischer Belastung der künstlichen Blutpumpe ein maximaler
Effekt erzeugt wird. Diese Aussage läßt sich wie folgt physikalisch definieren.
Betrachtet man den Zusammenhang zwischen der Auswurfdauer einer künstlichen Kreislaufpumpe
und der den Auswurf erzeugenden Energie, beispielsweise repräsentiert durch den
Pumpdruck, so ist gemäß Fig. 1 ein hyperbelähnlicher Zusammenhang zwischen den beiden
Parametern zu erkennen. Die Pumpenergie wirkt letztlich an die Membran der Kreislaufpumpe,
die Energie ist notwendig, um das Pumpmembran zu bewegen und diese Kraft hängt bekanntlich
von der Größe des Kreislauf widerstandes ab. Obwohl es, wie schon im letzten Absatz
beschrieben, verschiedene Möglichkeiten der Aufbringung von Energie auf die Pumpmembran
gibt (mechanische, hydraulische, pneumatische), gilt die im letzten Satz gesagte
Aussage und damit der Bereich der im folgenden beschriebenen Erfindung für a 1 1
e Antriebsmethoden. Die Fig. 1 zeigt, daß je nach Höhe des Kreislaufwiderstandes
unterschiedliche Energie zur Erzielung der gleichen Auswurfdauer erforderlich ist.
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Demgemäß ist der erzielte Kreislaufdruck dann natürlich größer oder
kleiner. In Kenntnis des in Fig. 1 angegebenen Zusammenhanges über die Dauer der
Systole und der dafür notwendigen Energie kann es als unökonomisch bezeichnet werden,
wenn eine Pumpe im fast waagrecht verlaufenden Teil
des Zusammenhanges
liegt. Das Kriterium der optimalen Energie liegt demgemäß in der Kenntnis des Anstieges
(Tangens Alpha) im Zusammenhang zwischen Systolendauer und Pumpdruck. Die Erfindung
besteht daher in einer Vorrichtung zur Konstanthaltung dieses Anstieges, repräsentiert
durch den Differenzenquotienten zwischen Änderung der Systolendauer und Änderung
der Pumpenergie mit Hilfe einer einfachen Regelungseinrichtung.
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Die Erfindung ist zunächst gekennzeichnet durch die schon zitierte
Optimalsteuerung der Pumpe, weiters durch sowohl einen Teilzeitmesser zur Messung
der Dauer der Füll-und/oder Auswurfphase, als auch ein elektrisches Meßgerät zur
Messung der an der Pumpe wirksamen Energie. Diese beiden Meßwerte werden einer Rechnerschaltung
zur Bildung des Differenzenquotienten zugeführt. Die Erfindung besteht weiters aus
einem Regelkreis, bestehend aus einem Sollwertgeber zur manuellen Wahl eines bestimmten
Differenzenquotiente einem den Sollwert mit dem Wert des gemessenen Differenzenquotienten
vergleichenden Komparators, dessen Ausgänge die Dosiereinrichtung bei zu großem
Differenzenquotienten hinsichtlich einer Energieerhöhung, bei zu kleinem Differenzenquotienten
hinsichtlich einer Energieerniedrigung regeltechnisch steuern.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen zunächst darin, daß zur Realisierung
kein biologischer Parameter gemessen werden muß. Die vom Objekt dem Rechner mitgeteilte
Information verläuft
über die Dauer der FU oder Auswurfphase der
Pumpe.
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Bei gegebener Energie ist verständlicherweise die Auswurfdauer dann
größer, wenn der Widerstand im Kreislauf hoch ist und die Fülldauer dann groß, wenn
zur Füllung der Kreislaufpumpe wenig Blut am Eingang vorhanden ist. Ein weiterer
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung sowohl für die Optimierung
der Energie bei der Füllung als auch bei der Entleerung der Pumpe anwendbar ist.
Eine Kreislaufpumpe läßt sich bekanntlich beispielsweise durch Über-und Unterdruck
betreiben. Somit wird die im folgenden zitierte Dosiereinrichtung die Regelung der
Auswurfenergie durch Variation der positiven Drucke beeinflussen, bei der Füllung
der Pumpe wird der gegenüber Atmosphäre negative Druck geregelt. Ein besonderer
Vorteil ist schließlich durch die Einfachheit gegeben. Die Erfindung wird durch
elektronische Schaltungen realisiert, deren Organisation mit Hilfe eines Mikroprozessors
sehr platzsparend durchgeführt werden kann. Sieht man von der Messung der Membranstellung
ab, so besteht der einzige mechanische Teil der Erfindung aus der Dosiereinrichtung,
die bei pneumatischer oder hydraulischer Energie aus einem elektrisch steuerbaren
Druckregler besteht. Eine weitere .Erleichterung ergibt sich beim direkten elektrischen
oder elektrohydraulischen Antrieb.
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Bei diesen Methoden kann die Dosiereinrichtung durch einen elektronischen
Regler der Stromstärke realisiert werden. Es besteht daher insgesamt die Möglichkeit,
die Erfindung so klein zu bauen, daß sie letztlich im Objekt implantiert werden
kann.
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Die Erfindung wird in zwei Zeichnungsfiguren beschrieben.
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Fig.2 zerfällt in 2 Teilfire a und b, welche das Blockschema einer
Anord ng, diy für jeden beliebiaeri Antrieb gilt, zeigen. Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit
der Realisierung des Differenzenquotientenrechners mit nachfolgendem Regler. In
der Zeichnung werden die Funktionen anhand von Blöcken angegeben. Aus dem funktionellen
Zusammenhang der einzelnen Blöcke kann von einem einschlägigen Fachmann selbstverständlich
auch ein Programm für einen Mikroprozessor entwickelt werden.
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Die Erfindung besteht aus der zitierter Optimalsteuerung, einem Teilzeitmesser
zur Messung der Auswurf-und/oder Fülldauer der Kreislaufpumpe, einem Meßgerät zur
Messung der Pumpenergie, einem Rechner zur Berechnung des jeweiligen Differenzenquotienten
zwischen Teilzeit und Energie sowie einem Regler zur regeltechnischen Beeinflussung
der Dosiereinrichtung, bestehend aus einem Komperator und einem Sollwertgeber.
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Im folgenden wird eine beispielsweise Ausführungsform sowie Funktion
anhand der zitierten Zeichnungsfiguren beschrieben: Die in der Energiequelle -1-
gespeicherte Energie wird über die Energieübertragungseinrichtung -11- der Pumpmembran
-10-zugeführt. Dazwischen liegt die Dosiereinrichtung -2- bzw.
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-7-. Die Pumpmembran unterliegt einer Gegenkraft, hervorgerufen durch
den Kreislaufwiderstand. Alle bekannten Antriebs methoden enthalten die bisher zitierten
Merkmale. Als Energiequelle kann ein pneumatischer oder hydraulischer
Über-
oder Unterdruckbehälter verwendet werden. Demgemäß ist die Übertragungseinrichtung
-11- ein Schlauch. Die Pumpmembran -10- bewegt das Blutvolumen der Blutkammer -13-,
die im Normalfall über Ventile zur Richtung des Blutstromes mit dem Kreislauf (Körper)
-14- verbunden ist. Die Energiequelle -1- kann auch aus einem Akkumulator zur Speicherung
-elektrischer Energie bestehen, dann ist die tJbertragungseinrichtung -11- naturgemäß
eine elektrische Leitung, zur Bewegung des Pumpmembrans -10- ist ein elektromechanischer
Wandler (Motor) notwendig. Die Dosiereinrichtung -2-, -7-, besteht bei der elektrischen
Übertragung aus einem elektronisch steuerbaren Stromregler, beim pneumatischen oder
hydraulischen Betrieb besteht die Dosiereinrichtung aus zwei meist voneinander unabhängigen
Teilen, erstens aus einem Druckregler >2- und zweitens aus einem Schaltventil
-7-, welches meist als Elektromagnetsventil ausge#ührt xst.
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die Steuerung dieses Elektromagnetventils oder zent Stromreglers erfolgt
folgendermaßen: Ein Membranstellungsmesser -8- mißt die jeweiligen Endpositionen
der Pumpmembran -10-, diese Endstellungen steuern die sogenannte "Optimalsteuerung"
-9-.
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Diese Optirnalsteuerung 9 bestehe im einfachsten Fall aus einer Triggerstufe
-17-, einer bistabilen Umschaltung -18-, und einem eletrischen Verstärker -19-,
beispielsweise zwecks Antrieb des Elektromagnetventils beim pneumatischen Betrieb.
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Jede Endposition der Pumpmembran betätigt den bistabilen Umschalter,
der über den Verstärker das Elektromagnetventil direkt @@@@@@@@@. In der jeweiligen
Endposition des Membrans,
beispielsweise am Ende der Füllung, entsteht
ein Triggerimpuls, welcher über die bistabile Umschaltung das Elektromagnetventil
in die entgegengesetzte Arbeitsphase (Füllen auf Entleeren und umgekehrt) umschaltet.
Die Arbeitsphase (Dauer von Auswurf und Dauer von Füllung) hängt vom Gegendruck
bzw. Angebot des Blutes am Eingang der Blutpumpe ab. Diese Dauer wird in Teilzeitmesser
-12- gemessen, die gemessenen Werte über einige Zyklen gemittelt (Mittelwertrechner
-15-) und dem Rechner über die Leitung -29- zugeführt. Der Rechner hat die Aufgabe
der Berechnung des Differenzenquotienten zwischen Teilzeit und Energie. In Fig.
2 ist die Teilzeit als Systolendauer (SD), die Energie als Pumpdauer (PD) symbolisch
dargestellt. Die Energie wird über ein Energiemeßgerät -3-, beispielsweise ein Druckmesser,
fortlaufend gemessen, die gemessenen Werte werden unter Umständen ebenfalls gemittelt
(Mittelwertrechner -15-) und danach über die Leitung -28- dem zweiten Eingang des
Rechners -4- zugeführt. Der Ausgang des Rechners -4- enthält den jeweiligen Differenzenquotienten,
der auf den einen Eingang des Komperators -5- gelegt wird. Der zweite Eingang des
Komparators ist wie üblich vom Sollwert, welcher im Sollwertgeber -6- vorgewählt
wurde, beschaltet. Der Ausgang des Komparators besteht aus zwei Leitungen, die Leitung
-23-beeinflußt die Dosiereinrichtung hinsichtlich Vergrößerung einer Energie, die
Leitung -24- beeinflußt die Dosiereinrichtung hinsichtlich einer Verringerung der
Energie. Um den Regelprozeß bei Auftreten von Artefakten in Grenzen zu
halten,
ist ein Energie-Grenzwertwächter -16- vorgesehen, welcher bei Uberschreitung vorgewählter
Energiewerte Alarm gibt. Der Rechner samt Regler wird in Fig. 3 beschrieben. Die
in Fig. 3 zitierten Nummern korrespondieren mit denen der Fig. 2. In Fig. 3 wird
als Beispiel die Regelung des Treibdruckes besprochen, demgemäß erscheint am Eingang
-29- das Signal der Auswurfphase. Bei Regelung des Vakuums würde am Eingang die
Dauer der Füllphase aufscheinen. Jedes Setzen der bistabilen Umschaltung -21- löst
den Speichervorgang des Speichers -20- zur Speicherung der Dauer der Auswurfphase
aus. Der gemessene Wert wird in dem den Sollwertgeber repräsentierenden Multiplizierglied
-6-mit einem Faktor über 1, beispielsweise 1,1 multipliziert, und dem invertierenden
Eingang des Komperators -5- zugeführt.
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Aktuelle Werte der Auswurfdauer stehen jeweils am nicht invertierenden
Eingang des Komperators. Bei Gleichheit der Spannungen am Komperator wird die bistabile
Umschaltung -21-zurückgesetzt, der invertierende Ausgang führt über die Leitung
-23- zur Dosiereinrichtung zwecks Erhöhung des Treibdruckes. Die Umschaltung am
invertierenden Ausgang der bistabilen Umschaltung -21- betreibt auch einen monostabilen
Multivibrator -27- zwecks Speicherung der vom Druckmesser kommenden Spannungen.
Analog dem Vergleich der Auswurfdauer wird im Komperator -5- der jeweils ankommende
Treibdruck mit dem im Speicher gespeicherten Wert verglichen. Bei Spannungsgleichheit
wird die bistabile Umschaltung -21-gesetzt, der nicht invertierende Ausgang öffnet
das UND-
gatter -25-. Dadurch können Impulse des astabilen Multivibrators
-22- der Leitung -24- zugeführt werden, die die Dosiereinrichtung -2- mit der vom
astabilen Multivibrator -22- vorgegebenen Frequenz hinsichtlich einer schrittweisen
Verkleinerung des Treibdruckes beeinflussen.
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Voraussetzung für das Durchschalten der Impulse am UND-gatter ist
noch der Ablauf der im monostabilen Multivibrator -26- vorgegebenen Zeit von etwa
10 Sekunden.
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Während dieser Zeit ist keine Treibdruckerniedrigung möglich.
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Die Notwendigkeit dieses monostabilen Multivibrators -26-ergibt sich
aus dem Phänomen, daß nach einer Treibdruckerhöhung zunächst ein Ausgleich im Kreislauf
zufolge dieser Erhöhung notwendig ist, bevor der nächste Regelungssrhritt beginnt.
Der invertierende Ausgang des monostabilen Multivibrators -26- betreibt darüber
hinaus auch die Ansteuerung des zur Speicherung notwendigen monostabilen Multivibrators
-27-. Im Grenzwertwächter -16- werden die ankommenden Druckwerte mit den eingestellten
Werten verglichen, b«^i Überschreitung der Grenzwerte wird ein Alarm generiert.
#um besseren Verständnis der Schaltung, die wie schon erwähnt, auch durch einen
Mikroprozessor organisiert werden kann, wird abschließend festgehalten, daß die
in Fig. 3 erklärte Schaltung über den invertierenden Ausgang der bistabilen Umschaltung
-21- den Treibdruck solange erhöht, bis am Komparator -5- ein Gleichgewicht zwischen
dem gespeicherten und dem aktuellen Druckwert besteht. Dieser Vorgang ist zeitlich
nicht limitiert und erfolgt sehr rasch.
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Die Verringerung des Treibdruckes erfolgt jedoch nur schrittweise
in Zyklen von einigen Sekunden, gemäß der SchaItun# solange, bis der zugehörige
Komparator -5- gleich hohe Elngansssignale registriert.
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