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DE2355966A1 - Pumpenanordnung, insbesondere fuer blutpumpen - Google Patents

Pumpenanordnung, insbesondere fuer blutpumpen

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Publication number
DE2355966A1
DE2355966A1 DE2355966A DE2355966A DE2355966A1 DE 2355966 A1 DE2355966 A1 DE 2355966A1 DE 2355966 A DE2355966 A DE 2355966A DE 2355966 A DE2355966 A DE 2355966A DE 2355966 A1 DE2355966 A1 DE 2355966A1
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DE
Germany
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pump
memory
arrangement according
pump arrangement
program
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Ceased
Application number
DE2355966A
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English (en)
Inventor
Horst Peter Dipl Ing Heimes
Helmut Dr Reul
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Medac Gesellschaft fuer Klinische Spezialpraeparate mbH
Original Assignee
Medac Gesellschaft fuer Klinische Spezialpraeparate mbH
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Publication date
Application filed by Medac Gesellschaft fuer Klinische Spezialpraeparate mbH filed Critical Medac Gesellschaft fuer Klinische Spezialpraeparate mbH
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Priority to US05/471,057 priority patent/US3966358A/en
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    • F04B9/105—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid having only one pumping chamber reciprocating movement of the pumping member being obtained by a double-acting liquid motor
    • A—HUMAN NECESSITIES
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Description

UL & STOuBER3 PATENTANWÄLTE
2 HAMBuROä 52
Sesellschaft für " »«^.
klinische Spezialpräparate mbH dr. ulrich graf stolberq;
2 Hamburg 36 dipi.„ng. Jürgen suchantke
Bleichenbrücke 10 ,.nn_,.
(10936)
Hamburg, 5. November 1ST3
Pumpenanordnung, insbesondere für Blutpumpen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Pumpenanordnung mit einer Pumpe mit einem extern steuerbaren. Volumen- und/oder Druck-Zeit-Verhalten für das von der Pumpe zu fördernde Fluid, insbesondere für Blutpumpen.
Pumpen mit extern steuerbarem. Volumen- und/oder Druck-Zeit-Verhalten sind beispielsweise für die Kraftstoffzufuhr zu Verbrennungsmotoren bekannt. Bei diesen Pumpenanordnungen erfolgt die Steuerung des Volumen- und/ oder Druck-Zeit-Verhaltens üblicherweise rein mechanisch, und eine Steuerung ist üblicherweise nur in Abhängigkeit von. der Drehzahl des Verbrennungsmotors möglich.
Es gibt jedoch viele Anwendungsfälle, bei denen während eines Arbeitszyklus der Pumpe eine bestimmte Pörder- oder Druckkurve erwünscht ist. Ein derartiger Anwendungsfall ergibt sich beispielsweise bei einer Blutpumpe, die insbesondere dann, wenn sie mit einem künstlichen Herzen zusammenarbeitet, möglichst genau die "'Pumpcharakteristik;11
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des natürlichen Herzens nachahmen soll. Ferner sind derartige Pumpanordnungen unter anderem für Beatmungsgeräte, Dialysegeräte, Herz-Lungen-Maschinen u.a. sowie auch für andere technische Gebiete erwünscht.
Um bei einer Pumpanordnung der eingangs erwähnten Art ein gewünschtes Volumen- und/oder Druck-Zeit-Verhalten innerhalb des jeweiligen Zyklus der Pumpe, also eine bestimmte Pumpencharakteristik zu erreichen, ist die Pumpe erfindungsgemäß mit einem programmierbaren Speicher gekoppelt, der entsprechend dem gewünschten Volumen- und/oder Druck-Zeit-Verhalten programmiert und zeitlich gesteuert abtastbar ist.
In einen programmierbaren Speicher, der beispielsweise ein Halbleiterspeicher sein oder der eine Anzahl von nacheinander ansteuerbaren Widerständen enthalten kann, deren Dimensionierung dem Programm entspricht, wobei die Widerstände nacheinander von einem Demultiplexer ansteuerbar sind, dem in zeitlicher Folge Ausgangssignale von einem Binärzähler zuführbar sind,, läßt sich die gewünschte Pumpencharakteristik eingeben, so daß die Pumpe das zu fördernde Fluid innerhalb eines Arbeitszyklus entsprechend dem ein- . gespeicherten Programm fördert.
Für die Steuerung einer Blutpumpe läßt sich dadurch die Pumpcharakteristik des Herzens sehr genau nachahmen, so daß
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die sonst möglichen Schädigungen der Mikrozirkulation (vgl. NAS Publication No. 1283) vermieden werden.
Die zu verwendende Pumpe kann hydraulisch antreibbar und mit einem Servoventil verbunden sein, das der Pumpe in Abhängigkeit vom gespeicherten Programm Hydraulikflüssigkeit zuführt.-
Es ist jedoch auch möglich, die Pumpe von einem entsprechend dem gespeicherten Programm steuerbaren Schrittmotor antreiben zu lassen, oder eine Kolbenpumpe zu verwenden, deren Kolben von einem entsprechend dem gespeicherten Programm steuerbaren Linearmotor antreibbar ist.
Um das Programm des Speichers in dem gewünschten zeitlichen Ablauf auslesen und zur Steuerung der Pumpe verwenden zu können, kann ein steuerbarer Zeitgenerator vorgesehen sein, der über einen Adreßzähler zur zeitlichen Abtastung des gespeicherten Programms mit dem Speicher verbunden ist.
Zur Erzielung des gewünschten Zeitablaufes können dem Zeitgenerator besondere Steuersignale zugeführt werden, die z.B. aus Meßwerten gewonnen werden. Bei einer Blutpumpe können die Meßwerte aus dem Sauerstoffgehalt des Blutes und dem
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Vorhofdruck des künstlichen Herzens gewonnen werden, so daß auf diese Weise der zeitliche Ablauf des gespeicherten Programms beeinflußt und verändert werden kann.
Gegebenenfalls kann der Speicher auch verschiedene Programme für das Volumen- und/oder Druck-Zeit-Verhalten aufweisen, und es kann auf das gewünschte Programm geschaltet werden. In diesem Fall kann in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Speichers, beispielsweise beim Null-Durchgang des Ausgangssignals, auf ein anderes Programm im Speicher umgeschaltet werden.
Wird eine hydraulisch antreibbare und mit einem Servoventil verbundene Pumpe benutzt, so kann dem Speicher ein Digital-Analog-Wandler nachgeschaltet sein, dessen Ausgangssignal im wesentlichen das Servoventil steuert.
Das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers kann einem Maximum-Dekodierer zur Erzeugung eines Signals beim auftreten der maximalen Amplitude des Ausgangssignals zugeführt werden. Ein derartiges Signal ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Pumpenanordnung im Zusammenhang mit einer Blutpumpe zur Unterstützung des natürlichen Blutkreis-
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laufs benutzt wird, da dann das Signal zu einer Anpassung des Betriebs der beiden Pumpmechanismen dienen kann.
Die Erfindung wird im- folgenden anhand der schematischen Ausführungsbeispiele zeigenden Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt in einem Blockschaltbild eine Pumpenanordnung gemäß der Erfindung mit einer Blutpumpe mit Servoventil.
Figur 2 zeigt schematis-eh die Pumpe- mit dem mit ihr ver- t bundenen Servoventil.
Figur 3 zeigt in einem Blocksehaltbild eine andere Pumpenanordnung gemäß der Erfindung, ■" ' ·
Figur 4 zeigt die dem Speicher nachgeschalteten-Elemente für eine Abwandlung der Pumpenanordnung gemäß Figur 3.
Figur 5 zeigt in einem Blockschaltbild die Änderungen in der Pumpenanordnung gemäß Figur J bei Verwendung einer von einem Linearmotor-angetriebenen. Kolbenpumpe./ - "■-"
Figur G zeigt.schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen
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in der Pumpenanordnung verwendbaren, programmierbaren Speicher.
■In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist eine Pumpenanordnung mit einer Blutpumpe 1 gezeigt, die von einem Servoventil 2 über einen Servozylinder 3 und eine Fluidpumpe 1I getrieben wird. Der Aufbau dieses mechanischen Teils wird anhand von Figur 2 erläutert werden. Das Servoventil 2 und der Servozylinder 3 sind außerdem mit einer Quelle 5 für Hydraulikfluid verbunden.
Zur Steuerung der Blutpumpe dient als wesentliches Element ein programmierbarer Speicher 6, der von bekannter Bauart sein kann, also z.B. ein Halbleiterspeicher, ein Kernspeicher o.a. In diesen Speicher wird der gewünschte Verlauf des Volumen- und/oder Druck-Zeit-Verhaltens der Pumpe eingespeichert, so daß die Pumpe durch Auslesen des Speichers 6 entsprechend gesteuert werden kann. Um den programmierten Speicher in zeitlicher Abhängigkeit auszulesen, ist ein Zeitgenerator 7 vorgesehen y der über einen Adreßzähler 8 und eine X--Anzeige 9 den Speicher in vom Zeitgenerator vorgegebener Zeitfolge abfragt und so entsprechend dieser Zeitfolge den programmierten Verhaltensverlauf über eine Y-Anzeige 10 an einen Digital-Analog-Wandler 11 gibt.
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Das aus sich unstetig ändernden Größen bestehende Ausgangssignal dieses Wandlers 11 wird zur Erzeugung eines sich nicht sprunghaft ändernden Kurvenlaufes einem Interpolator 12 zugeführt, dessen Ausgangssignal über einen Regelverstärker .13 zur Steuerung des Servoventils 2 dient.
Bei Verwendung eines Ventils,wie es schematisch in Figur 2 dargestellt ist, ergibt sich dann die folgende Arbeitsweise. Das mit der Pumpe 1 verbundene Servoventil 2 führt von der Quelle 5 (Figur 1) entsprechend der Ansteuerung vom Regelverstärker 13 (Figur 1) dem Servozylinder 3 über den Verbindungskanal l6 oder 17 Hydraulikfluid zu, so daß der Pumpenkolben 1J in Figur 2 nach rechts oder links verschoben wird. Nimmt man hierzu an, daß ausgehend von der Darstellung in Figur 2 Hydraulikfluid über den Kanal 17 zugeführt wird, so bewegt sich der Kolben 4 nach rechts und mit ihm der mit zwei gegeneinander geschalteten Rollmembranen 14 und 15 abgedichtete Kolben· der Blutpumpe 1, d.h. es erfolgt ein Ansaugvorgang. Diese Bewegung des Kolbens 4 nach rechts erfolgt entsprechend dem im Speicher 6 (Figur 1) enthaltenen Programm, d.h. die Bewegung des Kolbens nach rechts kann sich zeitlich ändern, also in einzelnen Abschnitten schneller oder langsamer erfolgen, was durch eine entsprechende Zufuhr von Hydraulikfluid erreicht wird. Als Folge davon bewegt sich auch der
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Kolben der Blutpumpe entsprechend dem Programm im Speicher 6. Wie ohne weiteres klar ist, läßt sich ein entsprechender Bewegungsablauf auch bei einer Bewegung des Kolbens H nach links erreichen, indem das Hydraulikfluid vom Servoventil 2 gesteuert mittels des Programms aus dein Speicher 6 über den Kanal 16 zugeführt wird.
Im allgemeinen muß überwacht werden, ob die Bewegung des Kolbens im Servozylinder auch entsprechend dem vorgegebenen Programm erfolgt, d.h. ob der Ist-Wert mit dem Soll-Werfc übereinstimmt. Hierzu kann der Servozylinder 3 niit einem Weggeber 18 (Figur 1 und 2) verbunden sein, dessen Ausgangssignal dem Regelverstärker zugeführt wird, so daß bei Abweichung des Ist-Wertes vom Soll-Wert eine Regelung in Richtung auf den Soll-Wert, also eine Korrektur erfolgt.
Wie bereits erwähnt, kann die Pumpenanordnung gemäß Figur 1 in Zusammenhang mit einer Blutpumpe benutzt werden. Hierbei können besondere Betriebsfälle auftreten, die in der Pumpenanordnung berücksichtigt werden sollten.
So ändert sich das Verhältnis der systolischen Zeit zur diastolischen Zeit des Herzens mit wachsender-Schlagfrequenz
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in Richtung zu kürzeren Diastolerizeiten, d.h. das im Speicher 6 enthaltene Programm muß an die Schlagfrequenz angepaßt bzw. mit dieser geändert werden. Hierzu kann man dem .Zeitgenerator 7 der Schlagfrequenz entsprechende Signale sowie Signale entsprechend der Systole und der Diastole zuführen, so daß die zeitliche Abtastung des Speichers 6 mittels des Zeitgenerators 7 entsprechend der Schlagfrequenz geändert wird, also bei wachsender Schlagfrequenz eine Berücksichtigung, der sich verkürzenden Diastolenzeiten erfolgt. Es ist daher nicht erforderlich, das Programm im Speicher zu ändern, sondern es genügt, wenn die zeitliche Ansteuerung des Speichers 6 zur Auslesung des Programms entsprechend verändert wird.
Die Blutpumpenanordnung gemäß der Erfindung kann auch benutzt werden, um die Blutpumpe unterstützend für den natürlichen Blutkreislauf einzusetzen. Hierzu kann ein Elektrokardiogramm dienen, das über einen Differenzverstärker 19, einen Trigger 20 und eine Verzögerungsstufe 21 auf den Zeitgenerator 7 arbeitet und so den zeitlichen Ablauf der Auslesung des Programms im Speicher 6 steuert.
Für Modelluntersuchungen o.a. ist es häufig erwünscht, zwischen verschiednen Programmen für den Betrieb der Pumpe umschalten
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zu können, wobei vorzugsweise die verschiedenen Programme bereits im Speicher 6 enthalten sind. Für diese Umschaltung ist ein Programmschalter 22 vorgesehen, bei dessen Betätigung von einem Programm zu einem anderen Programm übergegangen wird.
Um jedoch zu verhindern, daß dieser übergang zu einer sprunghaften Zustandsänderung im Pumpkreislauf führt, kann an den Digital-Analog-Wandler 11 ein Nullpunktsdetektor 23 angeschlossen sein, der den Nulldurchgang des Ausgangssignals vom Speicher 6 feststellt, d.h. den Totpunkt im Betrieb der Pumpe ermittelt und dann bei diesem Totpunkt über einen Zwischenspeicher 2*1 die Programmumschaltung im Speicher β bewirkt, falls der Programmschalter 22 zuvor betätigt wurde.
Figur 3 zeigt in einem Blockschaltbild ein etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei wiederum eine Blutpumpe in Abhängigkeit von einem im Speicher 6 gespeicherten Prgramm gesteuert wird. Diese Blutpumpe 1' wird in diesem Fall von einem Schrittmotor 25 angetrieben, der sich in Abhängigkeit vom Programm schrittweise bewegt und so ein entsprechendes Volumen- und/oder Druck-Zeit-Verhalten der Pumpe hervorruft.
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Zum gesteuerten Betrieb des Schrittmotors 25 entsprechend dem gespeicherten Programm werden die aus dem Speicher ausgelesenen, binär kodierten Signale einem Parallel-Serien-Umsetzer 26 zugeführt, dessen Ausgangs-Seriensignale in einen Impulswandler 27 gelangen, um dann über die Endstufe den Schrittmotor 25 zu treiben.
Um die Drehrichtung des Schrittmotors 25 entsprechend dem Programm festzulegen, ist an den Speicher 6 eine Drehrichtungskennung 29 angeschlossen, die über einen elektronischen Schalter 30 auf den Impulswandler 27 arbeitet und die richtige Drehrichtung des Schrittmotors 25 sicherstellt.
Abweichungen des Schrittmotors von der Ist-Stellung werden über die Schrittzählerkontrolle 31 und die Schrittfehlerkompensation .32 an den Adreßzähler 8 gegeben, der eine entsprechende Korrektur über die Abtastung des Speichers bewirkt.
Wird die Blutpumpe 1' für den Betrieb eines künstlichen Herzens eingesetzt, 'so müssen die Systole und die Diastole bestimmt werden.
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Zur Steuerung der Dauer der Systole wird ein Sauerstoff-Fühler 33 verwendet, der über einen Verstärker 3^ auf einen Frequenzschalter 35 arbeitet. Dieser Frequenzschalter bestimmt die Schlagfrequenz in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Sauerstoff-Fühlers 33-
Ein Druckfühler 36 kontrolliert den Druck im Vorhof des künstlichen Herzens und steuert über den Frequenzschalter den Zeitgenerator f an, so daß der Vorhofdruck nicht negativ werden kann.
Der Steuerteil der Pumpenanordnung gemäß Figur 3 läßt sich, wie gestrichelt angedeutet, in Form einer integrierten Schaltung aufbauen, die von einer Energiequelle 37 gespeist wird, welche außerdem den Schrittmotor 25 erregt.
In Abwandlung der Pumpenanordnung gemäß Figur 3 kann dem Speicher 6 auch ein Generator 126 mit digitaler Frequenzwahl nachgeschaltet werden, wie dies in Figur 4 angedeutet ist. Dieser Generator erzeugt entsprechend den binär kodierten Ausgangssignalen des Speichers 6 unterschiedliche Frequenzen, die dem Impulswandler 127 zugeführt werden, der mit seinen Ausgangsimpulsen den Schrittmotor treibt.
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Eine weitere Antriebsmöglichkeit für die Pumpe besteht in der Verwendung eines unmittelbar auf den Pumpenkolben 2ol arbeitenden Linearmotors 225> Der gegenüber Figur 3 abgeänderte Teil der Anordnung ist in Figur 5 schematisch gezeigt. In dieser Anordnung werden die Ausgangssignale des Speichers 6 einem Generator 226 mit digitaler Frequenzwahl zugeführt, dessen sich ändernde Ausgangsfrequenzen einen Drehstromgenerator 227 steuern, der über die Endstufe 228 den Linearmotor 225 treibt. Zur Steuerung der Bewegungsrichtung des Linearmotörs dient ein Phasenschalter 230, der mit dem Speicher 6 gekoppelt ist.
Während vorstehend davon ausgegangen wurde, daß der Speicher 6 ein digitaler Speicher ist, der im wesentlichen digitale bzw. binär kodierte Ausgangssignale liefert, kann der Speicher auch so aufgebaut sein, daß sein Ausgangssignal im wesentlichen analoge Form hat. Ein Beispiel hierfür ist in Figur 6 dargestellt.
Dieser in Figur 6 schematisch dargestellte Speicher hat die Form eines Funktionsgenerators und enthält eine Anzahl von Widerständen Rp1 bis Rpm> die vorzugsweise regelbar sind; Diese Widerstände liegen mit einem Ende an einer Spannungsquelle und mit dem anderen Ende am Ausgang eines Demultiplexers 300, dessen Eingänge mit den Ausgängen eines-Biriärzählers· 301 verbunden sind:
. 50 9 821/00 5,9
, - 14 -
Bei Verwendung dieses Speichers in einer Pumpenanordnung für eine Blutpumpe wird der Binärzähler 301 mit einer Eingangsfrequenz
f ' =_!_ ·_!_ ■
ein" t m
betrieben,
wobei t die Dauer der Herzsehlagperiode und m die Anzahl der Widerstände Rp ist. Der Zähler 301 liefert dann während einer Schlagperiode m Zählerstände, die dem Demultiplexer 300 zugeführt werden, der nacheinander über seine Ausgänge die Widerstände Rp1 bis Rp an Spannung legt. Der Spannungsabfall an diesen Widerständen wird über einen für jeden Widerstand gesondert vorgesehenen Widerstand R„ einem Integrator 302 zugeführt, dessen Ausgangssignale dann dem mittels der Widerstände Rp eingestellten Programm entspricht.
Ein Speicher gemäß Figur 6 kann benutzt werden, um beispielsweise ohne Verwendung eines Digital-Analog-Wandlers das Servoventil in der Pumpenanordnung gemäß Figur 1 zu steuern.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1.) Pumpenanordnung mit einer Pumpe mit einem extern steuerbaren Volumen- und/oder Druck-Zeit-Verhalten für das von der Pumpe zu fördernde Fluid, insbesondere für Biutpumpen, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (1,1') mit einem programmierbaren Speicher (6) gekoppelt ist, der entsprechend dem gewünschten Volumen- und/oder Druck-Zeit-Verhalten programmiert und zeitlich gesteuert abtastbar ist.
    2. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (1) hydraulisch antreibbar und mit einem Servoventil (2) verbunden ist, das der Pumpe (1) in Abhängigkeit vom gespeicherten Programm Hydraulikfluid zuführt.
    3. Pumpenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Speicher (6) ein Digital-Analog-Wandler (11) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal im wesentlichen das Servoventil (2) steuert.
    k. Pumpenanordnung nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers (11) einem Maximum-Dekodierer (12') zur Erzeugung eines Signals ' beim Auftreten der maximalen Amplitude des Ausgangssignals zuführbar- ist.
    . 509821/005 9
    , ■ - 16 -
    5. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (lf) von einem entsprechend dem gespeicherten Programm steuerbaren Schrittmotor (25) antreibbar ist.
    6. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine Kolbenpumpe ist, deren Kolben (201) von einem entsprechend dem gespeicherten Programm steuerbaren Linearmotor (225) antreibbar ist.
    7. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen steuerbaren Zeitgenerator (7), der über einen Adreßzähler (8) zur zeitlichen Abtastung des gespeicherten Programms mit dem Speicher (6) verbunden ist.
    8. Pumpenanordnung nach den Ansprüchen 4 und 73 dadurch gekennzeichnet, daß das Signal dem Zeitgenerator (7) zuführbar ist.
    9- Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ist-Pumpenstellung mit der Soll-Pumpenstellung vergleichbar ist und daß das ermittelte Vergleichssignal zur Steuerung der Pumpe entgegen einer Abweichung von der Soll-Pumpenstellung verwendbar ist.
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    10. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche Ibis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (6) ein Halbleiterspeicher ist.
    11. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9}
    • dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher eine Anzahl von nacheinander ansteuerbaren Widerständen CRp1 ·· .Rp1n), enthält, deren Dimensionierung dem Programm entspricht, und daß die -Widerstände nacheinander von einem Demultiplexer (300) ansteuerbar sind, dem in zeitlicher Folge Ausgangssignale von einem Binärzähler (301) zuführbar sind,
    12. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (fi) verschiedene Programme für das Volumen- und^der'Druck-Zeit-Verhalten enthält und auf das gewünschte Programm schaltbar ist.
    13. Pumpenanordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Nullpunkt-Detektor (23) für das Ausgangssignal des Speichers (6), dessen Ausgang zur Umschaltung auf ein anderes Programm im Speicher (6) mit diesem gekoppelt ist. ■
    su:cm
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DE2355966A 1973-11-09 1973-11-09 Pumpenanordnung, insbesondere fuer blutpumpen Ceased DE2355966A1 (de)

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US05/471,057 US3966358A (en) 1973-11-09 1974-05-17 Pump assembly

Applications Claiming Priority (1)

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Publications (1)

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DE2355966A Ceased DE2355966A1 (de) 1973-11-09 1973-11-09 Pumpenanordnung, insbesondere fuer blutpumpen

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DE (1) DE2355966A1 (de)

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