DE60118540T2

DE60118540T2 - Adjustable microvalve and method of adjustment and actuation

Info

Publication number: DE60118540T2
Application number: DE2001618540
Authority: DE
Inventors: Alec Ginggen
Original assignee: Medos International SARL
Current assignee: Medos International SARL
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-10-06
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2021-10-07
Also published as: DE60118540D1; ATE322625T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung und/oder Betätigung eines multistabilen Ventils, das in fluidischen oder mikrofluidischen Anwendungen verwendet wird. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein einstellbares, multistabiles Ventil zur Verwendung in medizinischen Vorrichtungen, die in einen menschlichen Körper implantiert sind.The The present invention relates to a method of adjustment and / or actuation a multistable valve used in fluidic or microfluidic Applications is used. Another object of the invention is an adjustable, multi-stable valve for use in medical devices, in a human body are implanted.

Konkreter bezieht sich die Erfindung auf ein Mikroventil, das bei der Betriebstemperatur zumindest zwei stabile Zustände besitzt. Jedem Zustand des Ventils entsprechen ein Öffnungsdruck und ein Strömungswiderstand. Das Ventil kann dank einer äusseren Vorrichtung nichtinvasiv betätigt werden, zum Beispiel vermittels Telemetrie, wodurch ein Ventil mit einstellbarem Öffnungsdruck oder alternativ eine Ventilanordnung mit einstellbarem Strömungswiderstand zur Verfügung gestellt wird.concretely The invention relates to a microvalve operating at the operating temperature at least two stable states has. Each state of the valve corresponds to an opening pressure and a flow resistance. The valve can thanks to an external Device non-invasively actuated be, for example by means of telemetry, whereby a valve with adjustable opening pressure or alternatively a valve arrangement with adjustable flow resistance to disposal is provided.

Das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellende Ventil besitzt einen breiten Anwendungsbereich auf verschiedenen Gebieten (Medizin, Hydraulik, Mikromechanik usw.). Zum Beispiel ist es auf dem mit der Behandlung von Hydrocephalus-Patienten befassten Gebiet der Medizin erforderlich, ein Shuntsystem einzubauen, das die überschüssige Flüssigkeit vom Hirn zum Bauchfell oder einer anderen Körperhöhle des Patienten ableitet. Einige existierende Shuntsysteme umfassen ein einstellbares Ventil, durch das der Chirurg nach der Implantation den Öffnungsdruck des Ventils nichtinvasiv abändern kann. Mit diesen existierenden implantierbaren Ventilen für die Behandlung von Hydrocephalus-Patienten konnte erfolgreich gezeigt werden, dass das Merkmal, das es dem Chirurgen ermöglicht, den Öffnungsdruck nach der Implantation nichtinvasiv einzustellen, äusserst nützlich ist. Dennoch gibt es einige Nachteile, die Vorrichtungen dieses Typs anhaften und die wie folgt zusammengefasst werden können.The has the object of the present invention performing valve a wide range of applications in various fields (medicine, hydraulics, Micromechanics, etc.). For example, it is on the with the treatment of hydrocephalus patients medical field required to install a shunt system, that the excess liquid from the brain to the peritoneum or other body cavity of the patient. Some existing shunt systems include an adjustable valve, by the surgeon after implantation noninvasively the opening pressure of the valve can change. With these existing implantable valves for treatment of hydrocephalus patients could be successfully demonstrated that the feature that allows the surgeon the opening pressure non-invasively after implantation, extremely useful is. Nevertheless, there are some disadvantages to the devices of this Adhere type and can be summarized as follows.

Diese bekannten Implantate liefern dem Benutzer keine Rückmeldung während oder nach der Einstellung des Öffnungsdrucks des Ventils. Daher ist es eventuell erforderlich, zur Überprüfung der Ventileinstellung ein Röntgenbild aufzunehmen. Des Weiteren kann das Ventil durch starke Magnetfelder wie die, die durch einen Dauermagneten erzeugt werden, wie er zum Beispiel in der Magnetresonanzbildgebung zu finden ist, verstellt werden.These known implants provide the user with no feedback while or after adjusting the opening pressure of the valve. Therefore, it may be necessary to review the Valve setting an X-ray image take. Furthermore, the valve can be activated by strong magnetic fields those that are generated by a permanent magnet, like him for example in magnetic resonance imaging is to be adjusted.

Schliesslich werden die existierenden Ventile manchmal durch eine Ansammlung von biologischen Substanzen auf den mechanischen Teilen des Ventilmechanismus blockiert.After all Sometimes the existing valves are going through a collection of biological substances on the mechanical parts of the valve mechanism blocked.

Einige andere bekannte elektromechanische oder pneumatische Ventile erfordern Energie, um in einer oder mehreren Arbeitsstellungen zu bleiben, und sind wegen ihrer Grösse und/oder mangelnder Abdichtung für eine Implantation in Menschen oder Tiere ungeeignet.Some require other known electromechanical or pneumatic valves Energy to stay in one or more jobs, and are because of their size and / or lack of sealing for an implantation in humans or animals unsuitable.

In den Dokumenten WO 99/39118 und US 5 619 177 werden Ventile beschrieben, die aus einem Formgedächtnislegierungs-(FGL-)Material bestehen und zwei unterschiedliche, dauerhafte Formen annehmen, wenn sie auf zwei verschiedene, im Voraus bestimmte Temperaturen abgekühlt oder erwärmt werden.In the documents WO 99/39118 and US 5,619,177 For example, valves made of a shape memory alloy (FGL) material that assume two distinct, durable shapes when cooled or heated to two different, predetermined temperatures are described.

Durch das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Ventil werden die oben dargestellten Probleme überwunden, indem ein Mikroventil zur Verfügung gestellt wird, das bei der Betriebstemperatur zumindest zwei stabile Zustände besitzt. Das erfindungsgemässe Ventil benötigt im normalen Betrieb im Ruhezustand keine Energie und ist durch seine Auslegung gegenüber Magnetfeldern unempfindlich. Da die Ventileinstellung ohne mechanische Bewegung irgendwelcher Teile angepasst werden kann, ist das Ventil gegenüber einer Blockierung durch Ansammlung biologischen Materials weniger empfindlich.By become the subject of the present invention forming valve overcome the problems outlined above, by having a microvalve available is placed, which at the operating temperature at least two stable conditions has. The inventive Valve needed in normal operation at rest no energy and is by his Interpretation opposite Insensitive to magnetic fields. Because the valve setting without mechanical Movement of any parts can be adjusted, is the valve across from a blockage by accumulation of biological material less sensitive.

Das Betätigungskonzept beruht auf Temperaturveränderungen oberhalb und unterhalb der Körpertemperatur. Energie ist nur für den Wechsel des Ventils von einem Zustand zum anderen erforderlich. Ventile für die Behandlung von Hydrocephalus-Patienten sowie Ventile für alle Arten von implantierbaren Pumpen bilden Hauptanwendungen dieses Konzepts, das auf andere Gebiete ausgedehnt werden kann.The operating concept is based on temperature changes above and below body temperature. Energy is only for The change of the valve from one condition to another is required. valves for the Treatment of hydrocephalus patients and valves for all types of implantable pumps are major applications of this concept, which can be extended to other areas.

Durch ein Verfahren zur Einstellung eines implantierbaren Ventils, wie es in Anspruch 1 definiert wird, sowie durch ein Mikroventil, das die in Anspruch 7 genannten Eigenschaften besitzt, werden die oben erwähnten Nachteile behoben.By a method of adjusting an implantable valve, such as it is defined in claim 1, and by a microvalve, the has the properties mentioned in claim 7, the above-mentioned disadvantages Fixed.

Weitere Merkmale und andere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden eingehenden Beschreibung erhellen, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, die in einer schematischen, nicht einschränkenden Weise drei Aus führungsformen eines erfindungsgemässen multistabilen Mikroventils veranschaulichen und in denen:Further Features and other objects and advantages of this invention will become apparent to illuminate the following detailed description, by reference on the attached Drawings are done in a schematic, non-limiting Way three embodiments an inventive illustrate multistable microvalve and in which:

1 eine graphische Darstellung ist, die die typische Temperaturhysterese einer Formgedächtnislegierung (FGL) zeigt. 1 is a graph showing the typical temperature hysteresis of a shape memory alloy (SMA).

2 ist eine graphische Darstellung, die eine typische Spannungs-Dehnungs-Kennlinie einer Formgedächtnislegierung in jedem ihrer Zustände zeigt. 2 Fig. 12 is a graph showing a typical stress-strain characteristic of a shape memory alloy in each of its states.

3 ist eine schematische, perspektivische Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Mikroventils. 3 is a schematic, perspective top view of a first embodiment of a microvalve according to the invention.

4 ist eine perspektivische Unteransicht nach der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform. 4 is a perspective bottom view according to the in 3 shown first embodiment.

5 ist eine Querschnittsansicht der ersten Ausführungsform des in 3 gezeigten Ventils. 5 is a cross-sectional view of the first embodiment of the in 3 shown valve.

6 ist eine perspektivische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Mikroventils. 6 is a perspective top view of a second embodiment of a microvalve according to the invention.

7 ist eine perspektivische Unteransicht der in 6 abgebildeten zweiten Ausführungsform. 7 is a perspective bottom view of the in 6 illustrated second embodiment.

8 ist eine schematische Querschnittsansicht der in 6 abgebildeten zweiten Ausführungsform. 8th is a schematic cross-sectional view of in 6 illustrated second embodiment.

9 ist eine schematische perspektivische Draufsicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Mikroventils. 9 is a schematic perspective plan view of a third embodiment of a microvalve according to the invention.

10 ist eine perspektivische Unteransicht der in 9 abgebildeten dritten Ausführungsform. 10 is a perspective bottom view of the in 9 illustrated third embodiment.

11 ist eine perspektivische Draufsicht einer implantierbaren Baugruppe, die ein erfindungsgemässes Ventil enthält, wobei die obere Abdeckung abgehoben dargestellt ist. 11 is a perspective top view of an implantable assembly containing a valve according to the invention, wherein the top cover is shown lifted.

12 ist eine perspektivische Ansicht der in 11 abgebildeten Baugruppe, wobei die untere Abdeckung weggezogen dargestellt ist. 12 is a perspective view of the in 11 shown assembly, wherein the lower cover is shown pulled away.

13 ist eine perspektivische Unteransicht der in 11 und 12 gezeigten Baugruppe. 13 is a perspective bottom view of the in 11 and 12 shown assembly.

14 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer implantierbaren Pumpe, die ein erfindungsgemässes Ventil enthält. 14 is an exploded perspective view of an implantable pump containing a valve according to the invention.

In der folgenden Offenbarung wird auf Formgedächtnislegierungen Bezug genommen, die im Folgenden als FGL-Materialien bezeichnet werden. Die Eigenschaften und Merkmale solcher Materialien werden im Folgenden kurz beschrieben.In the following disclosure refers to shape memory alloys, hereinafter referred to as FGL materials. The properties and features of such materials are briefly described below.

Ein FGL-Material ist durch umkehrbare metallurgische Phasenumwandlungen gekennzeichnet, die entweder durch eine Temperaturveränderung oder durch induzierte Spannung aktiviert werden. Unterhalb eines Übergangstemperaturbereichs befindet sich das Material im martensitischen Zustand, während es sich oberhalb dieses Temperaturbereichs im austenitischen Zustand befindet. Die Umwandlung erfolgt über einen Bereich von Temperaturen, die üblicherweise A_s (start = Anfang) und A_f (finish = Ende) für die Umwandlung vom martensitischen in den austenitischen Zustand sowie M_s (start – Anfang) und M_f (finish = Ende) für die Umwandlung vom austenitischen in den martensitischen Zustand genannt werden, wie in 1 vermerkt. Diese Umwandlungen sind umkehrbar, so dass das Material so behandelt werden kann, dass es in jeder der beiden Phasen eine andere Form annimmt, und umkehrbar zwischen den beiden Formen wechseln kann, wenn es sich von dem einen in den anderen Zustand umwandelt. Üblicher ist es, wenn das Material so behandelt wird, dass es nur zu einer Form zurückkehrt, nachdem es sich in die austenitische Phase umwandelt, während eine gegen das FGL-Material wirkende Vorspannkraft dieses nach Umwandlung in die martensitische Phase zu seiner anderen Form zurückbringt.An FGL material is characterized by reversible metallurgical phase transformations that are activated by either a temperature change or induced voltage. Below a transition temperature range, the material is in the martensitic state, while it is in the austenitic state above this temperature range. The conversion occurs over a range of temperatures, typically A _s (start = start) and A _f (finish = end) for the martensitic / austenitic state transition, and M _s (start - start) and M _f (finish = end ) for the transformation from the austenitic to the martensitic state, as in 1 noted. These transformations are reversible, so that the material can be treated to take a different form in each of the two phases, and reversibly switch between the two forms as it transforms from one to the other state. It is more common for the material to be treated to return to one shape only after it transforms to the austenitic phase, while a biasing force against the FGL material returns it to its other form upon transformation into the martensitic phase.

Die meisten Temperaturzyklen von FGL-Materialien besitzen eine Hysterese ΔT, wie in der graphischen Darstellung der 1 veranschaulicht.Most temperature cycles of FGL materials have a hysteresis ΔT, as in the graph of FIG 1 illustrated.

Der Elastizitätsmodul des FGL-Materials hängt von seinem metallurgischen Zustand ab. 2 zeigt typische Spannungs-Dehnungs-Kurven eines FGL-Materials in beiden Zuständen. Es wird deutlich, dass der austenitische Zustand einen höheren Elastizitätsmodul als der martensitische Zustand besitzt. Bei der anfänglichen Belastung verläuft die Spannungs-Dehnungs-Kurve grob linear, und der Elastizitätsmodul entspricht der Neigung der Kurve im Bereich der anfänglichen Belastung. Wenn das Material, das bei Temperaturen gerade oberhalb der Temperatur A_f geprüft wird, über diesen anfänglichen Belastungsbereich hinaus weiter verformt wird, erfährt es eine durch Spannung induzierte martensitische Umwandlung. Der Punkt auf der Spannungs-Dehnungs-Kurve, bei dem die spannungsinduzierte martensitische Umwandlung beginnt, kann M_s ^σ genannt werden.The modulus of elasticity of the FGL material depends on its metallurgical state. 2 shows typical stress-strain curves of a FGL material in both states. It becomes clear that the austenitic state has a higher elastic modulus than the martensitic state. At the initial load, the stress-strain curve is roughly linear, and the modulus of elasticity corresponds to the slope of the curve at the initial stress level. If the material, tested at temperatures just above the temperature A _f , is further deformed beyond this initial stress region, it experiences stress-induced martensitic transformation. The point on the stress-strain curve at which stress-induced martensitic transformation begins can be called M _s ^σ .

Im martensitischen Zustand ist der Elastizitätsmodul kleiner als im austenitischen Zustand, und das entsprechende M_s ^σ (in diesem Falle die Spannung, die erforderlich ist, um die schon vorhandene martensitische Phase umzuordnen) ist ebenfalls niedriger.In the martensitic state, the elastic modulus is smaller than in the austenitic state, and the corresponding M _s ^σ (in this case, the stress required to rearrange the already existing martensitic phase) is also lower.

In dieser Erfindung wird die Veränderung der mechanischen Eigenschaften (hauptsächlich des Elastizitätsmoduls) einer Anordnung von Stellgliedern aus FGL-Material genutzt, die auftritt, wenn ein Übergang zwischen den beiden metallurgischen Zuständen stattfindet.In This invention becomes the change the mechanical properties (mainly the modulus of elasticity) used an array of actuators made of FGL material, the occurs when a transition takes place between the two metallurgical states.

Für implantierbare medizinische Vorrichtungen wird das FGL-Material bevorzugt unter FGL-Materialien ausgewählt, die eine der zwischen M_s und A_s liegenden Körpertemperatur entsprechende Arbeitstemperatur besitzen. In diesem Fall ist das Material in beiden Zuständen im Ruhezustand stabil. Erwärmung des Materials auf eine Temperatur oberhalb von A_f führt zu seiner Umwandlung in Austenit (Material mit dem höheren Modul). Abkühlung des Materials auf eine Temperatur unterhalb von M_f führt zu seiner Umwandlung in Martensit (Material mit dem niedrigeren Modul). Obwohl der Effekt bei Einsatztemperaturen zwischen M_s und A_s am ausgeprägtesten ist, kann er in einem gewissen Ausmass bei einer Anzahl von Temperaturen im breiteren Bereich zwischen M_f und A_f beobachtet werden.For implantable medical devices, the FGL material is preferably selected from FGL materials that operate at a body temperature between M _s and A _s own temperature. In this case, the material is stable in both states at rest. Heating the material to a temperature above A _f results in its transformation to austenite (higher modulus material). Cooling the material to a temperature below M _f results in its transformation to martensite (lower modulus material). Although the effect is most pronounced at operating temperatures between M _s and A _s , to a certain extent it can be observed at a number of temperatures in the broader range between M _f and A _f .

Zum Beispiel ist TiNi (Nitinol) eine gute Wahl für die Betätigungselemente eines erfindungsgemässen Ventils, da es biologisch verträglich ist. Des Weiteren kann TiNi so hergestellt werden, dass die Körpertemperatur zwischen M_s und A_s liegt. Ein TiNi-Material, das unter Beachtung dieses Kriteriums hergestellt wurde, könnte die folgenden Eigenschaften aufweisen: martensitische Umwandlung: M_f = 24°C, M_s = 36°C, austenitische Umwandlung: A_s = 54°C, A_f = 71°C, mit einer Hysterese ΔT von etwa 35°C. Man beachte, dass sich die Umwandlungstemperaturen für ein bestimmtes Material auch mit der Spannung ändern, so dass die Temperaturen des Ausgangsmaterials so gewählt werden müssen, dass sie die Veränderlichkeit durch die Betriebsbeanspruchungen der konkreten Anwendung in geeigneter Weise auffangen.For example, TiNi (Nitinol) is a good choice for the actuators of a valve according to the invention because it is biocompatible. Furthermore, TiNi can be prepared so that the body temperature is between M _s and A _s . A TiNi material prepared in compliance with this criterion could have the following properties: martensitic transformation: M _f = 24 ° C, M _s = 36 ° C, austenitic transformation: A _s = 54 ° C, A _f = 71 ° C, with a hysteresis ΔT of about 35 ° C. Note that the transformation temperatures for a particular material also change with the voltage, so the temperatures of the starting material must be chosen to suitably accommodate the variability due to the operating stresses of the particular application.

Eine Feinabstimmung des Temperaturzyklus und der mechanischen Eigenschaften kann erreicht werden, indem die chemische Zusammensetzung und die thermomechanische Verarbeitung des Materials variiert werden.A Fine tuning of the temperature cycle and mechanical properties can be achieved by the chemical composition and the thermomechanical processing of the material can be varied.

Wie unter Bezugnahme auf die Figuren im Einzelnen zu beschreiben sein wird, umfasst das den Gegenstand der Erfindung darstellende Mikroventil eine Anordnung von Stellgliedern, die aus FGL-Material hergestellt sind und entweder direkt mit dem Flüssigkeitspfad oder mit einem elastischen Element wechselwirken, dessen Spannung durch diese Anordnung von FGL-Stellgliedern abgewandelt wird.As be described in detail with reference to the figures , the microvalve embodying the subject invention comprises a Arrangement of actuators made of FGL material and either directly with the fluid path or interact with an elastic element whose tension is modified by this arrangement of FGL actuators.

Das FGL-Material wird so gewählt, dass es zwei stabile metallurgische Zustände bei der Einsatztemperatur besitzt, also zum Beispiel bei Körpertemperatur. Der metallurgische Zustand kann entweder durch Abkühlung oder durch Erwärmung des FGL-Stellgliedes verändert werden. Einer der metallurgischen Zustände besitzt einen höheren Elastizitätsmodul, während der andere Zustand einen niedrigeren Elastizitätsmodul besitzt.The FGL material is chosen that there are two stable metallurgical states at the operating temperature owns, so for example at body temperature. The metallurgical state can either by cooling or by heating of the FGL actuator changed become. One of the metallurgical states has a higher modulus of elasticity, while the other state has a lower modulus of elasticity.

Die Erwärmung wird erreicht, indem ein Strom durch das FGL-Material oder dessen Umgebung geleitet wird (Joulesche Wärme). Die Abkühlung wird mit einer Peltier-Zelle oder einer Anordnung von Peltier-Zellen erreicht, die in der Nähe der FGL-Stellglieder in die Basisplatte des Ventils integriert sind.The warming is achieved by passing a current through the FGL material or its Environment is passed (Joule heat). The cooling will with a Peltier cell or an array of Peltier cells reaching near the FGL actuators are integrated in the base plate of the valve.

Unter Bezugnahme auf 3, 4 und 5 wird dort eine erste Ausführungsform eines Mikroventils mit einstellbarem Öffnungsdruck veranschaulicht.With reference to 3 . 4 and 5 There is illustrated a first embodiment of a microvalve with adjustable opening pressure.

Der Flüssigkeitspfad quert eine Basisplatte 2 mit einer Anordnung von Öffnungen 3, die durch das freie Ende einer entsprechenden Anordnung von Stellgliedern 1 verschlossen werden. Die Basisplatte 2 besteht vorzugsweise aus einem glasartigen Material wie zum Beispiel Pyrex. Die Geometrie der Öffnungen 3 ist über die Anordnung hinweg identisch, wodurch gewährleistet ist, dass der Widerstand gegenüber der Flüssigkeit bei jeder einzelnen Öffnung 3 gleich ist. Die Anordnung von Stellgliedern 1 umfasst in dieser Ausführungsform einen länglichen Körper, aus dem sich senkrecht verlängerte Stellglieder erstrecken. Einige andere Konfigurationen sind natürlich möglich. Die Stellglieder 1 bestehen aus FGL-Material, bevorzugt TiNi, und ihre Geometrie ist so gewählt, dass jeder Flüssigkeitspfad 3 als versperrt betrachtet werden kann, wenn sich das entsprechende Stellglied 1 im austenitischen Zustand befindet, und als offen, wenn im martensitischen Zustand.The liquid path traverses a base plate 2 with an array of openings 3 passing through the free end of a corresponding array of actuators 1 be closed. The base plate 2 is preferably a glassy material such as Pyrex. The geometry of the openings 3 is identical across the array, which ensures that the resistance to the liquid at each individual opening 3 is equal to. The arrangement of actuators 1 in this embodiment comprises an elongated body from which extend perpendicularly elongated actuators. Of course, some other configurations are possible. The actuators 1 consist of FGL material, preferably TiNi, and their geometry is chosen so that each fluid path 3 can be considered locked when the corresponding actuator 1 is in the austenitic state, and as open, if in the martensitic state.

Eine Peltier-Zelle 4 ist in die Basisplatte 2 integriert und ermöglicht bei Energieeinspeisung die Abkühlung der Anordnung von Stellgliedern 1.A Peltier cell 4 is in the base plate 2 integrated and allows for energy supply, the cooling of the arrangement of actuators 1 ,

Jedes Stellglied 1 kann individuell erwärmt werden, indem ein elektrischer Strom durch die Anschlüsse 5 geschickt wird, die mit jedem der Stellglieder 1 verbunden sind.Each actuator 1 Can be heated individually by applying an electrical current through the connections 5 is sent with each of the actuators 1 are connected.

Die Ventileinstellung wird auf die folgende Weise verändert. Zuerst wird die Temperatur der Anordnung von FGL-Stellgliedern 1 auf einen wesentlich unterhalb von M_s (bevorzugt unterhalb von M_f) gelegenen Wert abgesenkt, indem die Peltier-Zelle 4 mit Energie versorgt wird. Dadurch werden alle oder ein Teil der Stellglieder 1 in den martensitischen Zustand umgewandelt (niedrigerer Modul). Dann wird zumindest ein Stellglied innerhalb der Anordnung ausgewählt, und die Temperatur aller Stellglieder 1 ausser dem vorher ausgewählten wird auf einen Wert angehoben, der wesentlich höher als A_s (und bevorzugt höher als A_f) liegt. Dies wird erreicht, indem ein elektrischer Strom durch die Anschlüsse 5 geschickt wird, die mit den Stellgliedern 1 verbunden sind. Nachdem die höhere Temperatur erreicht ist, befinden sich alle oder ein Teil der Stellglieder 1 im austenitischen Zustand (höherer Modul), und zwar mit Ausnahme des ausgewählten Stellgliedes, das ganz oder teilweise im martensitischen Zustand verbleibt, wodurch der Öffnungsdruck des Ventils festgelegt wird.The valve timing is changed in the following way. First, the temperature of the assembly of FGL actuators 1 lowered to a value substantially below M _s (preferably below M _f ) by the Peltier cell 4 is energized. This will make all or part of the actuators 1 converted to the martensitic state (lower modulus). Then, at least one actuator within the assembly is selected, and the temperature of all the actuators 1 except the one selected previously is raised to a value substantially higher than A _s (and preferably higher than A _f ). This is achieved by applying an electrical current through the connections 5 is sent, with the actuators 1 are connected. After the higher temperature is reached, all or part of the actuators are located 1 in the austenitic state (higher modulus), with the exception of the selected actuator, which remains wholly or partially in the martensitic state, whereby the opening pressure of the valve set becomes.

Wechselweise kann die Anordnung von FGL-Stellgliedern zuerst auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der eine austenitische Umwandlung stattfindet, und dann wird zumindest ein ausgewähltes Stellglied auf eine Temperatur abgekühlt, bei der eine martensitische Umwandlung stattfindet. Um dieses wechselweise Verfahren zu implementieren, wird eine Anordnung von Peltier-Zellen vorgesehen. Dabei befindet sich jede Peltier-Zelle der Anordnung in der Nähe eines Stellgliedes, so dass die individuelle Abkühlung jedes Stellgliedes ermöglicht wird.alternatively, For example, the array of FGL actuators may first be at a temperature heated where an austenitic transformation takes place, and then will be at least one selected Actuator cooled to a temperature at which a martensitic Transformation takes place. To implement this alternate procedure is an arrangement of Peltier cells is provided. It is located every Peltier cell the arrangement nearby an actuator, so that the individual cooling of each actuator is made possible.

Die Grösse und Geometrie jedes Stellgliedes 1 der Anordnung kann so eingestellt werden, dass je nachdem, welches Stellglied im martensitischen Zustand verbleibt, ein anderer Öffnungsdruck vorgegeben wird.The size and geometry of each actuator 1 The arrangement can be adjusted so that, depending on which actuator remains in the martensitic state, another opening pressure is specified.

6, 7 und 8 illustrieren eine weitere Ausführungsform eines Ventils mit einem einstellbaren Öffnungsdruck. Die Basisplatte 2 besitzt nur eine Öffnung 3, durch die die Flüssigkeit strömen kann. Eine Kugel 6 wird durch ein elastisches Element wie zum Beispiel eine biegsame Flachfeder 7 im Lager der Öffnung 3 gehalten. Die Feder 7 braucht nicht aus FGL-Material zu bestehen. 6 . 7 and 8th illustrate another embodiment of a valve with an adjustable opening pressure. The base plate 2 has only one opening 3 through which the liquid can flow. A ball 6 is made by an elastic element such as a flexible flat spring 7 in the warehouse of the opening 3 held. The feather 7 does not need to consist of FGL material.

Eine Anordnung von FGL-Stellgliedern 1 ist senkrecht zur Feder 7 ausgelegt, und das freie Ende jedes Stellgliedes 1 steht mit der Feder 7 in Wechselwirkung. Je nach dem metallurgischen Zustand der FGL-Stellglieder 1 wird die frei bewegliche Länge der Feder begrenzt. Die auf die Kugel wirkende Kraft wird durch die Spannung der Feder 7 bestimmt, die sich mit dem metallurgischen Zustand der Stellglieder 1 verändert.An array of FGL actuators 1 is perpendicular to the spring 7 designed, and the free end of each actuator 1 stands with the spring 7 in interaction. Depending on the metallurgical condition of the FGL actuators 1 the free moving length of the spring is limited. The force acting on the ball is determined by the tension of the spring 7 determined, which deals with the metallurgical condition of the actuators 1 changed.

Eine Peltier-Zelle ist in der Nähe der FGL-Anordnung von Stellgliedern 1 in die Basisplatte 2 integriert. Nach ihrer Aktivierung kühlen die Peltier-Zellen die Anordnung, und alle Stellglieder 1 wechseln in den martensitischen Zustand. Jedes der Stellglieder 1 kann dann individuell auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der eine austenitische Umwandlung stattfindet. Dadurch wird die Aktivierungslänge der Feder 7 und daher der Öffnungsdruck des Ventils festgelegt.A Peltier cell is in the vicinity of the FGL array of actuators 1 in the base plate 2 integrated. Once activated, the Peltier cells cool the assembly, and all the actuators 1 switch to the martensitic state. Each of the actuators 1 can then be heated individually to a temperature at which an austenitic transformation takes place. This will change the activation length of the spring 7 and therefore set the opening pressure of the valve.

Unter Bezugnahme auf 9 und 10 wird eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Ventils offenbart. Diese Ausführungsform liefert ein Ventil mit einem einstellbaren Strömungswiderstand. Eine kreisförmige Basisplatte 9 umfasst an ihrer Peripherie eine Anordnung von Öffnungen 10, durch die eine Flüssigkeit fliessen kann. Eine Anordnung von Stellgliedern 11 ist so auf der Basisplatte 9 ausgelegt, dass das freie Ende jedes Stellgliedes 11 eine entsprechende Öffnung 10 der Basisplatte verschliesst. Die FGL-Stellglieder 11 erstrecken sich bevorzugt von der Mitte der Basisplatte 9 zu ihrer Peripherie.With reference to 9 and 10 a third embodiment of a valve according to the invention is disclosed. This embodiment provides a valve with adjustable flow resistance. A circular base plate 9 includes at its periphery an array of openings 10 through which a liquid can flow. An arrangement of actuators 11 is so on the base plate 9 designed that the free end of each actuator 11 a corresponding opening 10 the base plate closes. The FGL actuators 11 preferably extend from the center of the base plate 9 to their periphery.

In dieser Ausführungsform besitzen alle Stellglieder 11 die gleiche Geometrie, aber die Geometrie der Öffnungen 10 kann unterschiedlich sein, um einen Bereich unterschiedlicher Strömungswiderstände zur Verfügung zu stellen. Eine Peltier-Zelle oder eine Anordnung von Peltier-Zellen ist vorzugsweise in der Mitte der Basisplatte 9 in diese Platte integriert, um eine Kühlung der gesamten Anordnung von FGL-Stellgliedern 11 zu ermöglichen.In this embodiment, all actuators have 11 the same geometry, but the geometry of the openings 10 may be different to provide a range of different flow resistances. A Peltier cell or an array of Peltier cells is preferably in the center of the base plate 9 integrated into this plate to provide cooling of the entire array of FGL actuators 11 to enable.

Die Einstellung bzw. die Betätigung des Ventils ist ähnlich der unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform in 3 bis 5 offenbarten.The adjustment of the valve is similar to that with reference to the first embodiment in FIG 3 to 5 disclosed.

11, 12 und 13 veranschaulichen ein implantierbares Ventil mit einstellbarem Öffnungsdruck. Das implantierbare Ventil umfasst eine Ventilbaugruppe 12 nach der ersten oder zweiten, oben offenbarten Ausführungsform. Eine obere Abdeckung 13 mit einem Flüssigkeitsausgang 14 ist dafür eingerichtet, die Ventilbaugruppe 12 aufzunehmen. Eine Antenne 17 sowie die elektronischen Komponenten 18, die erforderlich sind, um die Ventilbaugruppe vermittels Telemetrie mit Energie zu versorgen und zu steuern, sind auf dem Boden der Basisplatte der Ventilbaugruppe 12 integriert. Eine untere Abdeckung 15 mit einem Flüssigkeitseingang 16 und einem wasserdichten Abteil 19 zum Schutz der elektronischen Komponenten schliesst den Aufbau ab. 11 . 12 and 13 illustrate an implantable valve with adjustable opening pressure. The implantable valve includes a valve assembly 12 according to the first or second embodiment disclosed above. A top cover 13 with a liquid outlet 14 is set up for the valve assembly 12 take. An antenna 17 as well as the electronic components 18 required to power and control the valve assembly by telemetry are at the bottom of the base plate of the valve assembly 12 integrated. A lower cover 15 with a fluid inlet 16 and a watertight compartment 19 to protect the electronic components completes the structure.

Der Benutzer kann dann die Baugruppe vermittels Telemetrie mit Energie versorgen und den Öffnungsdruck nichtinvasiv von ausserhalb des Körpers auswählen, indem er zuerst die FGL-Anordnung von Stellgliedern 11 abkühlt und dann durch Joulesche Wärme selektiv eines oder mehrere der Stellglieder 11 erwärmt. In die elektronischen Komponenten 18 ist ein Rückkopplungsmechanismus integriert, der verwendet werden kann, um zu bestätigen, dass das richtige Stellglied 11 bzw. die richtige Anordnung von Stellgliedern erwärmt worden ist.The user can then power the assembly by telemetry and noninvasively select the opening pressure from outside the body by first selecting the FGL array of actuators 11 Cools and then by Joule heat selectively one or more of the actuators 11 heated. In the electronic components 18 a feedback mechanism is integrated that can be used to confirm that the correct actuator 11 or the correct arrangement of actuators has been heated.

Ein erfindungsgemässes Ventil kann auch in einer implantierbaren Drug-Delivery-Pumpe (Medikamentenabgabepumpe) verwendet werden. Dank einer externen Programmiereinheit ist es in einigen wenigen der existierenden, einstellbaren implantierbaren Pumpen für den Verwender (Patient und/oder Arzt) möglich, die Ausflussgeschwindigkeit von zu injizierenden chemischen Stoffen nichtinvasiv zu wählen. Die existierenden Vorrichtungen lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: aktive und passive Pumpmechanismen. Im ersten Fall wird eine Pumpe durch eine Batterie gespeist und reguliert die Ausflussgeschwindigkeit von chemischen Stoffen. Im zweiten Fall „drückt" ein Druckbehälter die chemischen Stoffe aus der Pumpe. Letzteres Konzept ist sehr elegant, da das Pumpen keine Energie erfordert. Der Flüssigkeitsstrom wird jedoch durch ein Ventil gewährleistet, dessen Öffnung von der dem Ventil zur Verfügung gestellten Leistung abhängt. Daher ist immer noch eine Batterie erforderlich.A valve according to the invention may also be used in an implantable drug delivery pump. Thanks to an external programming unit, in a few of the existing adjustable implantable pumps, it is possible for the user (patient and / or physician) to non-invasively select the outflow rate of chemicals to be injected. The existing devices can be divided into two main categories: active and passive pumping mechanisms. In the first case, a pump is powered by a battery and regulates the flow rate of chemicals. In the second case, a pressure vessel "pushes" the chemi substances from the pump. The latter concept is very elegant because pumping does not require energy. However, the liquid flow is ensured by a valve whose opening depends on the power provided to the valve. Therefore, a battery is still required.

Durch das erfindungsgemässe Ventil wird das Problem des Energieverbrauchs gelöst, das sich bei Verwendung in einer einstellbaren implantierbaren Pumpe stellt, da Energie nur erforderlich ist, um die Durchflusseinstellung der Pumpe zu verändern.By the inventive Valve will solve the problem of energy consumption when used in an adjustable implantable pump As energy is only needed to adjust the flow rate to change the pump.

In derzeitigen Erzeugnissen ist Energie dafür erforderlich, das Ventil dauernd geöffnet zu halten. Eine einstellbare passive, unter Druck stehende Pumpe, in die ein erfindungsgemässes Ventil eingebaut ist, wird nun unter Bezugnahme auf 14 offenbart.In current products, energy is required to keep the valve open all the time. An adjustable passive, pressurized pump incorporating a valve according to the present invention will now be described with reference to FIG 14 disclosed.

Die implantierbare Pumpe umfasst einen Druckbehälter 20, der die zu verabreichende medizinische Substanz enthält. Eine Ventilanordnung 21, wie sie unter Bezugnahme auf die in 9 und 10 gezeigte dritte Ausführungsform beschrieben wurde, stellt das Pumpenventil mit einstellbarem Strömungswiderstand dar. Der Boden der Basisplatte der Ventilanordnung 21 enthält elektronische Bauteile sowie eine Antenne, die verwendet werden, um das Ventil vermittels Telemetrie nichtinvasiv mit Energie zu versorgen und zu steuern. Eine wasserdichte Abdeckung 22 schützt die Unterseite der Basis platte und die elektronischen Bauteile, indem eine Berührung mit der im Reservoir 20 enthaltenen, unter Druck stehenden Flüssigkeit vermieden wird. Eine obere Abdeckung 23 mit einem Flüssigkeitsausgang 24 schliesst den Aufbau ab.The implantable pump includes a pressure vessel 20 containing the medicinal substance to be administered. A valve arrangement 21 as stated with reference to in 9 and 10 has been described, represents the pump valve with adjustable flow resistance. The bottom of the base plate of the valve assembly 21 contains electronic components and an antenna that are used to non-invasively power and control the valve via telemetry. A waterproof cover 22 protects the underside of the base plate and the electronic components by making contact with the in the reservoir 20 contained, pressurized liquid is avoided. A top cover 23 with a liquid outlet 24 completes the construction.

Der Benutzer kann den Widerstand des Ventils von aussen mit einer fest zugeordneten Ableseeinheit wählen und regelt daher den Ausfluss der im Druckbehälter enthaltenen chemischen Stoffe.Of the User can set the resistance of the valve from the outside with a fixed Select assigned meter reading unit and therefore regulates the outflow of chemicals contained in the pressure vessel Substances.

Viele Vorteile werden mit einem erfindungsgemässen Ventil erzielt. Erstens ist, da das Ventil multistabile Zustände besitzt, Energie nur erforderlich, um von einem Zustand in einen anderen zu schalten. Zur Erhaltung eines ausgewählten Zustands wird keine Energie benötigt. Jeder Zustand kann je nach der Anwendung entweder einem ausgewählten Öffnungsdruck oder einem Strömungswiderstand entsprechen.Lots Advantages are achieved with a valve according to the invention. First because the valve has multi-stable states, energy is only required to switch from one state to another. To preserve a selected one In the state no energy is needed. Each state can be either a selected opening pressure depending on the application or a flow resistance correspond.

Zweitens können die Ventileinstellungen ohne Bewegung irgendeines Teiles angepasst werden. Nur der Elastizitätsmodul des Materials wird verändert, und daher ist das Ventil gegenüber einer Blockierung durch Gerinnsel und andere biologische Substanzen weniger empfindlich.Secondly can adjusted the valve settings without moving any part become. Only the modulus of elasticity the material is changed, and therefore the valve is opposite a blockage by clots and other biological substances less sensitive.

Die Energie, die erforderlich ist, ist die für die Energieversorgung einer Peltier-Zelle und die zur Erwärmung der Stellglieder benötigte Energie. Diese Energie kann der implantierbaren Vorrichtung vermittels Telemetrie geliefert werden, wodurch der Einsatz von Batterien vermieden wird.The Energy that is needed is the one for energy supply Peltier cell and the warming up needed the actuators Energy. This energy may be imparted to the implantable device Telemetry can be supplied, thereby avoiding the use of batteries becomes.

Für medizinische Anwendungen und insbesondere für implantierbare einstellbare Ventile oder Pumpen, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, ist die Wahl des FGL-Materials wichtig. Die Wahl muss unter FGL-Materialien getroffen werden, die bei einer Temperatur nahe der Körpertemperatur zwei stabile Zustände besitzen. Weiter sollte das FGL-Material idealerweise die folgenden Bedingungen erfüllen: M_s < T < A_s, wo T die Temperatur des menschlichen Körpers ist, sowie eine Hysterese ΔT mit einem Wert zwischen 10 und 40 Grad Celsius. Ein Material, das diese Erfordernisse erfüllt und auch biologisch verträglich ist, ist TiNi (Nitinol).For medical applications, and in particular for implantable adjustable valves or pumps as described above, the choice of the FGL material is important. The choice must be made among FGL materials that have two stable states at a temperature close to body temperature. Further, the FGL material ideally should meet the following conditions: M _s <T <A _s , where T is the temperature of the human body, and a hysteresis ΔT of between 10 and 40 degrees Celsius. A material which meets these requirements and is also biocompatible is TiNi (Nitinol).

Der Fachmann wird zu würdigen wissen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben offenbarten Punkte beschränkt ist, insbesonders nicht bezüglich des Einsatzgebiets des Ventils, das in andere Fluidikvorrichtungen integriert werden kann. Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung Kombinationen und Unterkombinationen der verschiede nen offenbarten Merkmale sowie Abwandlungen und Erweiterungen einschliessen, die in den Umfang der folgenden Ansprüche fallen.Of the Professional will be appreciated know that the present invention is not limited to those disclosed above Limited points is not, in particular, not the field of use of the valve, which in other fluidic devices can be integrated. Furthermore, the present invention Combinations and subcombinations of the various disclosed Features as well as modifications and extensions that include fall within the scope of the following claims.

Claims

Method for adjusting an adjustable microvalve with an array of actuators made from a shape memory alloy (FGL) material ( 1 ), characterized in that the FGL material has a hysteresis loop between a first and a second temperature (Mf, Af) and is selected so that an ambient temperature for the use of the valve falls within this hysteresis loop, so that the FGL material at this ambient temperature for use has a first and a second stable state and a modulus of elasticity that is lower in the first state than in the second state, the method comprising the step of at least one actuator ( 1 ) to switch from one to the other state by temperature changes.

Method according to claim 1, characterized in that the switching step comprises the following steps: - cooling the arrangement of actuators ( 1 ) from the ambient temperature for use to a temperature at or below a temperature (M _s ; M _f ) at which a conversion from the second to the first state occurs, so that the entire arrangement of actuators ( 1 ) either whole or partially in the first state, - selecting at least one of the actuators ( 1 ), which corresponds to a predetermined opening pressure or flow resistance, - individual heating of each of the actuators ( 1 ) other than the preselected member, to a temperature at or above a temperature (A _s ; A _f ) at which a conversion from the first to the second state occurs.

A method according to claim 1, characterized in that the switching step comprises the steps of: - heating the array of actuators ( 1 ) from the ambient temperature for use to a temperature at or above a temperature (A _s ; A _f ) at which a conversion from the first to the second state occurs, so that the entire arrangement of actuators (A 1 ) is either completely or partially in the second state, - selecting at least one of the actuators ( 1 ) Corresponding to a predetermined opening pressure or resistance to flow, - cooling individually the selected actuating members to a temperature at or below a temperature (M _s; M _f) at which a transformation from the second occurs in the first state.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the named ambient temperature for use is the body temperature is.

Method according to claim 4, characterized in that that the FGL material has a hysteresis between 10 and 40 degrees Celsius has.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the FGL material is the same in the first and second states Has shape.

Adjustable microvalve with a base element ( 2 ) with at least one passage ( 3 ) for the liquid flow, at least one arrangement of actuators made of an SMA material, which are located on an outer side of the base element ( 2 ), means ( 4 ) for cooling the actuators and means ( 5 ) for heating the actuators, characterized in that the FGL material has a hysteresis loop between a first and a second temperature (Mf, Af) and is selected so that an ambient temperature for the use of the valve falls within this hysteresis loop, so that the Thus, FGL material at this ambient temperature for use has a first and a second stable state and a modulus of elasticity which is lower in the first state than in the second state.

Adjustable microvalve according to claim 7, characterized characterized in that the FGL material in the first and second state has the same shape.

Adjustable microvalve according to claim 7 or 8, characterized in that it further comprises an elastic element ( 7 ) comprising a ball ( 6 ) in the bearing of an opening ( 3 ), and in that the actuators ( 1 ) are designed so that their respective free ends with the elastic element ( 7 ), whereby its elasticity can be changed.

Adjustable microvalve according to claim 7 or 8, characterized in that the actuators ( 1 . 11 ) are designed so that their respective free ends corresponding openings ( 3 ; 10 ) in the base element ( 2 ; 9 ) close.

Adjustable microvalve according to one of claims 7 to 10, characterized in that the cooling means of at least one Peltier cell ( 4 ) close to the array of FGL actuators ( 1 ) into the base element ( 2 ) is integrated.

Adjustable microvalve according to one of claims 7 to 11, characterized in that the actuators ( 1 ) are made of TiNi.

Implantable microvalve with an adjustable opening pressure, characterized in that it has an upper cover ( 13 ) with a liquid outlet ( 14 ) and a lower cover ( 15 ) with a liquid inlet ( 16 ) and a microvalve ( 12 ) according to one of claims 7 to 12, and in that it further comprises electronic means ( 18 ) and an antenna ( 17 ) for power supply and for controlling the actuation of the valve ( 12 ) by means of telemetry via an external unit.

Implantable pump, characterized in that it comprises an upper cover ( 23 ) with a liquid outlet ( 24 ), a pressurized reservoir ( 20 ), a valve group ( 21 ) according to claim 7 and that it further comprises electronic means and an antenna for power supply and for controlling the pump operation by means of telemetry via an external unit.