DE4290659C2 - Verdrängerpumpe zur Reproduktion eines vorbestimmten zyklischen Verdrängungsprofils, insbesondere realistischer arterieller Strömungswellenformen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdrängerpumpe zur Reproduktion eines vorbestimmten zyklischen Verdrängungsprofils, insbesondere realistischer arterieller Strömungswellenformen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, und im allgemeinen auf Fluß- oder Strö­ mungssimulationsvorrichtungen für die physiologische Strömungssimulation

Die Fähigkeit zur Reproduktion realistischer arterieller Strömungswellenformen in vitro ist bei der Untersuchung vaskulärer Hämodynamik bzw. vaskulären Blutdrucks wesent­ lich. In früheren Untersuchungen der Strömungen in arteri­ ellen Modellen mit Gabelungen bzw. Bifurkation und Stenosen wurde im breiten Umfang simulierte pulsierende Strömung eingesetzt. Viele unterschiedliche Techniken wurden zur Messung der Strömungen der Wellen eingesetzt, einschließ­ lich (1) der Laser-Doppler-Anemometrie bzw. Atmungsmessung (Ku, D. N, und Giddens, D. P. (1987): Laser Doppler Anemome­ ter Measurements of Pulsatile Flow in a Model Carotid Bi­ furcation, J. Biomechanics, 20, 407-421), (2) Doppler-Ul­ traschall (Cho, Y. I., Back, L. H., Crawford, D. W., Cuffel, R. F. (1983): Experimental Study of Pulsatile and Steady Flow Through a smooth tube and an Athersclerotic Coronary Artery Casting of Man, J. Biomechanics, 16, 933-946 und Fei D. Y., Billian, C., Rittgers, S. E. (1988): Flow Dyna­ mics in an Stenosed Carotid Bifurcation Model - Teil 1: Basic Velocity Measurements, Ultrasound in Medicine and Biology, 14, 21-31), (3) magnetischer Resonanz (Evans, A. J., Hedlund, L. W., Herfkens, R. J., Utz, J. A., Fram, E. K., (1987): Evaluation of Steady and Pulsatile Flow with Dyna­ mic MRI Using Limited Flip Angles and Gradient Refocused Echoes, Magnetic Resonance Imaging, 5, 475-482); und (4) digitaler Radiographie (Cunningham, I. A., Yamada, S., Hobbs, B. B., Fenster A., (1989): Arterial Flow Characteri­ zation with a Photodiode Array Based Imaging System, Med. Phys., 16, 179-187).

Physiologische pulsierende Strömungswellenformen sind auch bei der Untersuchung der Rolle der Pulsation in Gewebe­ durchströmungen bzw. -durchblutungen erforderlich (Tranmer, B. I., Gross, C. E., Kindt, G. W., Adey, G. R,, (1986): Pulsa­ tile Versus Nonpulsatile Cardiovascular Studies, Med. & Biol. Eng. & Comput., 22, 86-89).

Schließlich ist die Fähigkeit zur Imitierung der arteriel­ len Strömung wesentlich bei der Qualitätssicherstellung und Kalibrierung aller klinischer Techniken der Blutströmungs­ messung, wie etwa bei Doppler-Ultraschall, (McDicken, W. N. (1986): A Versatile Test-object for the Calibration of Ul­ trasonic Doppler Flow Instruments, Ulrasound in Med. & Biol., 26, 245-249); und Shortland, A. P., Cochrane, T., (1989): Doppler Diagnosis of Vascular Diseases, Ultrsound in Med. & Biol., 15, 737-748).

Die meisten der herkömmlichen Techniken für die Untersu­ chung der zeitveränderlichen Strömung erfordern eine vorge­ steuerte Erlangung bzw. Betrachtung vieler Herzschlagzy­ klen, so daß die von Zyklus zu Zykus stattfindende Verände­ rung der Strömungswellenform klein sein muß. Eine Lang­ zeitstabilität ist in gleicher Weise wichtig für Anwendun­ gen unter Qualitätssicherstellung, bei denen die Strömungs­ quelle für die absolute Kalibrierung klinischer Instrumente benutzt werden kann. Daher muß ein Blutströmungssimulator zur Erzeugung eines breiten Bereichs von Volumensrömen im­ stande sein, um die Strömung im peripheren Gefäßsystem zu simulieren, bei dem Durchflußraten von 30 mls^-1 berichtet wurden (Marquis, C., Meister, J.-J., Mooser, E., und Miso­ man, R., (1986): Quantitative Pulsed Doppler Measurement of Common Femoral Artery Blood Flow Variable durch Postocclusive Reaktive Hyperemia, J. Clin. Ultrsound, 14, 165-170). Er muß leicht programmierbar sein, um eine Vielzahl von pulsierenden Wellenformen einschließlich Wellenformen mit Strömungsumkehr zu erzeugen. Der Simulator muß zur Erzeu­ gung einer kontinuierlichen beständigen oder konstanten Strömung imstande sein, die als Grundlage für viele experi­ mentelle Untersuchungen und Kalibrierungsvorgänge gefordert ist. Es ist wichtig, daß ein Pumpmechnismus keine Gasblasen oder Kavitationen erzeugt, da Blasen die hydrodynamischen Eigenschaften des Fluids verändern und ihr Vorhandensein künstliche Meßprodukte bzw. Meßfehler, insbesondere bei Ul­ traschall-Instrumenten, hervorruft. Schließlich sollte eine Vorrichtung zur Simulierung physiologischer Strömung als eine ideale Strömungsquelle arbeiten, die zur Erzeugung ausreichenden Drucks imstande ist, um nicht durch Verände­ rungen im peripheren Widerstand des in der Untersuchung be­ findlichen Gefäß-Modellsystems beeinflußt zu werden.

Viele verschiedene Pumpen wurden zur Erfüllung dieser An­ forderungen vorgeschlagen und Law, Y. F., Cobbold, R. S. C., Johnson, K. W., Bascom, P. A. J., (1987): Computer-controlled Pulsatile Pump System for Physiological Flow Simulation, Med. & Biol. Eng. Comput., 25, 590-595 bietet einen Über­ blick über frühere Arbeiten. Kurz gesagt, können herkömmli­ che Vorrichtungen entsprechend ihrem grundsätzlichen Pum­ pentyp kathegorisiert werden: Getriebe- bzw. Zahnrad-, Pe­ ristaltik- oder Kolbenpumpe.

Getriebe- bzw Zahnradpumpen wurden zur Erzeugung pulsieren­ der Wellenformen benutzt (Issartier, P., Sioffi, M., Pelis­ sier, R., (1978): Simulation of Blood Flow by a Hydrodyna­ mic Generator, Med. Prog. Technol., 6, 39-40). Die Nach­ teile dieses Ansatzes beinhalten allerdings Beschädigungen aufgrund suspendierter Partikel und der Empfindlichkeit ge­ genüber Kavitation aufgrund der Wirkung der Zahnräder.

Zur Simulierung physiologischer Strömungswellenformen mittels mechanischer Manipulation der Rückenplatte oder Compu­ tersteuerung der Walze oder der Rolle wurden modifizierte peristaltische Pumpen benutzt (Douville, Y. Johnston, K. W., Kassam, M., Zuech, P., Cobbold, R. S. C., Jares, A., (1983): An in vitro Model and its Application for the Study of Carotid Doppler Spectral Broadening, Ultrsound in Med. & Biol., 14, 21-31; Law, Y. F., Cobbold, R. S. C., Johnson, K. W., Bascom, P. A. J., (1987): Computer-controlled Pulsatile Pump System for Physiological Flow Simulation, Med. & Biol. Eng. Comput., 25, 590-595). Dieser Ansatz ermöglicht die Erzeugung lediglich eines begrenzten Untersatzes bzw. Aus­ schnitts von Wellenformen und ist zur Erzeugung stationärer Strömung nicht gut geeignet. Es ist bei dieser Technik wei­ terhin schwierig, neue Wellenformen zu programmieren oder eine Umkehrströmung zu produzieren.

Nockenbetriebene Kolbenpumpen wurden zur Simulierung peri­ pherer arterieller Strömung eingesetzt (Kiyose, T. A., Ku­ saba, M, Inokuchi, Y., Takamatsu, U., (1977): Development of a Pump System for Experimental Model Simulation of Blood Flow in Peripheral Artery, Fucuota Acta Med., 68, 86-91; Appugliese R., Jares, A., Kassam, M., Johnston, KW., Cob­ bold, R. S. C., Hummel, R. L., Arato, P. (1980): Pulsatile Vi­ sualization for in-vitro Haemodynamic Studies Related to Doppler Ultrasound, Dig. 8th Can. Biol. Eng. Conf., 3-4: und Poots, K., Cobbold, R. S. C., Johnston, K. W., Appugliese, R., Kassam., M., Zuech, P. E., Hummel, R. L., (1986): A New Pulsatile Flow Visualization Method Using a Photochromic Dye Application to Doppler Ulrasound, Ann. Biomed. Eng., 14, 203-218). Diese Klasse von Pumpen teilt die generellen Nachteile hinsichtlich der Schwierigkeiten bei der Program­ mierung neuer Wellenformen und bei der Erzeugung stationä­ rer Strömung.

Die US 4,990,058 offenbart ein System zum Erzeugen eines konstanten Volumenstroms für Einsatzzwecke in der Öl- und Gasindustrie. Bei diesem werden unter Verwendung eines Rückkopplungssystems im geschlossenen Regelkreis die erfor­ derlichen, exakt konstanten Geschwindigkeiten der gepumpten Flüssigkeiten ermöglicht. Eine komplexe Stömungswellenform kann mit diesem System nicht simuliert werden.

Alle vorstehend beschriebenen Strömungssimulatoren haben einen weiteren signifikanten Nachteil, nämlich die Notwen­ digkeit der Durchführung einer gewissen Form der Strömungs­ überwachung zur Schaffung einer Rückkopplung und zur Be­ stimmung der Ausgangswellenform.

Bei einer Variante eines Strömungssimulators, über die von Weneck, N.; Jones, N. B. und Morgon, J., (1984) in "Flexible Hydraulic Simulator for Cardiovascular Studies", Med & Biol. Eng. & Comput., 22, 86-89, berichtet wird, wird eine servomotorgetriebene Kolbenpumpe benutzt, die als eine ideale Strömungsquelle wirkt. Durch diesen Ansatz werden viele der Beschränkungen herkömmlicher Gestaltungen überwunden, wobei er aber nicht gut an die Erzeugung einer ununterbrochenen konstanten Strömung angepaßt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängerpumpe zur Reproduktion eines vorbestimmten zyklischen Verdrängungsprofils, insbesondere realistischer arterieller Strömungswellenformen zu schaffen, mit der es gelingt, die Nachteile herkömmlicher Einrichtungen zu vermeiden und physiologisch möglichst exakt Blutströmungswellenformen einschließlich umgekehrter Strömung sowie stationärer Strömung für unbeschränkte Zeitperioden nach zu bilden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß gelingt es, die Fluidströmung in den und aus dem Zylinder präzise zu steuern, wobei vorzugsweise ein Computer zum Empfang einer von dem Benutzer eingegebenen Fluidströmungswellenform sowie im Ansprechen darauf zum Steuern des Betriebs des Schrittmotors und des Vier-Wege- Ventils herangezogen wird, um die simulierten physiologischen Strömungswellenformen zu erzeugen.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Am Ende jedes Hubs des Kolbens innerhalb des Zylinders kann das Ventil umgesteuert werden, um die Fluid­ strömungsrichtungen in die und aus den Anschlüssen an den entgegengesetzten Enden des Zylinders umzukehren, wodurch es mit geringem Aufwand gelingt, sowohl eine stationäre Fluidströmung als auch wiederholt kontinuierliche Zyklen der benutzerseitig eingegebenen Fluidströmungswellenform zu realisieren.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichungen näher beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der Verdrängerpumpe gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2a und 2b eine Seitenansicht bzw. eine Rücksei­ tenansicht eines erfolgreichen Prototyps der Pumpe;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Hauptrechners (host com­ puter) und einer Micro-Schritt-Steuereinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4a und 4b - zusammengenommen - einen Ablaufplan, der den Betrieb des Hauptrechners gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiels veranschaulicht;

Fig. 5a und 5b - zusammengenommen - einen Ablaufplan, der den Betrieb einer Micro-Schritt-Steuereinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;

Fig. 6a und 6b graphische Darstellungen, in denen der gemessene Volumenstrom gegenüber dem programmierten Volu­ menstrom bzw. ein Restfehler gegenüber dem programmierten Volumenstrom gezeigt sind;

Fig. 7a die gemessene Blutströmungswellenform in der menschlichen großen Beinschlagader (Arteria femoralis), während Fig. 7b eine simulierte Blutströmungswellenform zeigt, die durch die Pumpe gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt wird;

Fig. 8a die gemessene Blutströmungswellenform aus bzw. in der menschlichen Halsschlagader und Fig. 8b eine durch die Pumpe gemäß vorliegender Erfindung erzeugte simulierte Halsschlagader-Blutströmungswellenform, und

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpe.

In Fig. 1 ist schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel der computergesteuerten Verdrängerpumpe (positive displacement pump) dargestellt. Die Pumpe weist einen Kol­ ben 1 (mit einem Durchmesser von vorzugsweise 6 cm) auf, der durch eine Leitspindel 3 innerhalb eines Acryl-Rohrzy­ linders 5 angetrieben wird. Der Kolben 1 ist gegenüber dem Zylinder 5 durch zwei O-Ringe 7 abgedichtet und gegenüber einer Drehung innerhalb des Zylinders durch eine schmale, achsenversetzte Welle oder Achse 9 gehindert, die durch ei­ ne achsenversetzte Öffnung im Kolben hindurch geht. Die Leitspindel 3 wird mit Hilfe eines computergesteuerten Schrittmotors 11 (Compumotor Corporation, Cupertino, Cali­ fornien) gedreht. Der Motor 11 erzeugt ein Drehmoment von 0,5 Nm bei Drehzahlen bis zu acht Umdrehungen pro Sekunde. Eine Mikro-Schrittmotor-Steuereinrichtung 13 stellt Steuer­ signale für den Motor 11 bereit, wobei jede Achsenumdrehung des Motors 11 in 25000 diskrete Mikroschritte unterteilt ist. Die Teilung bzw. Ganghöhe der Leitspindel 3 ist so ge­ wählt, daß ein Mikroschritt zu einer Verdrängung von 0,198 µl aus dem Pumpenzylinder 5 führt.

Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Zy­ linder 5 durch ein benutzbares Hub- bzw. Verdrängungsvolu­ men von 450 ml charakterisiert, obwohl mit geringfügigen Auslegungsabänderungen auch größere oder kleinere Volumina möglich sind. Die Mikro-Schrittmotor-Steuereinrichtung 13 arbeitet in Verbindung mit einem Hauptrechner 15 für die Steuerung des Betriebs des Schrittmotors 11. Im Einzelnen wird eine benutzerseitig eingegebene Fluidströmungswellen­ form in den Hauptrechner 15 eingegeben. Innerhalb des Hauptrechners 15 wird der Volumenstrom als Funktion der Zeit zunächst digitalisiert und auf ein bekanntes Zeitin­ tervall interpoliert. Die Motor-Steuereinrichtung 13 er­ zeugt dann eine Wellenumdrehung des Schrittmotors 11, die in jedem Zeitintervall das geeignete Fluidvolumen ausstößt. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erlaubt die Steuereinrichtungsarchitektur eine Wahl dieses Intervalls zwischen 2 und 50 Millisekunden. Wenn die Motor-Steuerein­ richtung 13 einmal mit den Wellenformdaten gespeist ist, wiederholt sie die vollständige Wellenform für eine vorge­ gebene Häufigkeit ohne Befehle vom Hauptrechner 15. Die gültigen Wellenformen sind lediglich durch das zur Verfü­ gung stehende Drehmoment des Schrittmotors 11 und das nutz­ bare Volumen des Zylinders 5 beschränkt.

Ein Vier-Wege-Spulen- bzw. Steuerventil 16 (Mark 7, Numa­ tics, Highland, Missouri) wird zum Wechseln bzw. Austau­ schen der Auslaß- und Einlaß-Pfade an entgegengesetzten En­ den des Zylinders 5 benutzt, wenn der Kolben 1 das Ende seines Hubwegs innerhalb des Zylinders erreicht, wodurch der Pumpe eine Wiederauffüllung des Abschnitts des Zylin­ ders 5 an einer Seite des Kolbens 1 ermöglicht wird, wäh­ rend Fluid auf der anderen Seite des Kolbens 1 aus dem Zylinder ausgedrückt wird, um ein Tastverhältnis von nahezu 100% bereitzustellen. Ein aktives Steuerventil ist gegenü­ ber passiven Rückschlagventilen bevorzugt, so daß eine Um­ kehrströmung leicht hervorgerufen werden kann.

Fluid wird dem Zylinder 5 über das Ventil 16 von einem Be­ hälter bzw. Vorratsbehälter 17 zugeführt. Der Behälter 17 umschließt einen magnetischen Rührer 19 (in Fig. 1 schema­ tisch gezeigt), um eine kontinuierliche oder konsistente Mischung des Fluids sicher zu stellen.

Der erfolgreich arbeitende Prototyp der erfindungsgemäßen Pumpe ist unter Bezugnahme auf die Fig. 2a und 2b ge­ zeigt. Das Prototyp-Gerät besteht aus der Pumpenanordnung (einschließlich des Ventils 16 und des Motors 11), der Mo­ tor-Steuereinrichtung 13 und dem Behälter 17 innerhalb ei­ ner Metallumhüllung bzw. eines Metallgehäuses mit den Ab­ messungen 25 × 50 × 50 × cm³. Die Seitenansicht gemäß Fig. 2a zeigt den Vorratsbehälter 17, den magnetischen Rührer 19, das Ventil 16 und die Motor-Steuerungshardware. Der Rührer 19 ist vorzugsweise mit Teflon^R beschichtet und über einem drehbaren Magnet angeordnet, der den Rührer zur kon­ tinuierlichen Drehung und damit zur Mischung des Fluids veranlaßt. In der Rückseitenansicht gemäß Fig. 2b ist die Pumpen-Motor-Anordnung mit einem darüber angeordneten Mo­ tortreiber 45 gezeigt.

In Fig. 3 ist ein Hardware-Blockschaltbild gezeigt, das größere Einzelheiten der Mikro-Schrittmotor-Steuereinrich­ tung 13 und des Computers 15 veranschaulicht. Wie vorste­ hend erörtert, wird die Pumpe durch einen eingebetteten, auf der Basis eines 80386-Prozessors arbeitenden Hauptrechner 15 gesteuert. Der Hauptrechner kommuniziert mit der Motor-Steuereinrichtung (Model PC-23, Compumotor, Corporation, Cupertino, Californien), die mit einem eigenen (on-board) 68008-Mikroprozessor versehen ist. Die Steuereinrichtung 13 erzeugt auch die erforderlichen Steuersignale für das Spulenventil 16 und erzeugt TTL-Logikim­ pulse über Hilfs-I/O-Anschlüsse 21, wodurch eine torge­ steuerte Datengewinnung oder Datenholung ermöglicht ist.

Die benutzerseitig definierten Wellenformdaten können in jeder beliebigen aus einer Vielzahl von Möglichkeiten in den Hauptrechner 15 eingegeben werden. Beispielsweise kön­ nen die Daten direkt in den Hauptrechner 15 über eine Ta­ statur 23 eingegeben werden. Die Daten bestehen aus einer Anzahl von diskreten Strömungspunkten in Einheiten von Mil­ lilitern je Sekunde, die die gewünschte Strömungswellenform repräsentieren. Bis zu 400 Punkten können zur Beschreibung einer Strömungswellenform angegeben werden. Das Zeitinter­ vall wird gleichfalls vom Benutzer eingegeben und liegt im Bereich von 2 Millisekunden bis 50 Millisekunden.

Alternativ können die Wellenformdaten direkt in den Haupt­ rechner 15 über eine in der Hand haltbare LCD-Fernsteuerung 25 eingegeben werden. In diesem Fall werden die die vorste­ hende Information enthaltenden Daten durch den Benutzer auf einem beispielsweise tragbaren Tastaturfeld eingegeben, das mit dem Hauptrechner 15 über eine serielle Leitung 27 kommuniziert.

Gemäß dem erfolgreich arbeitenden Prototyp war das Tasta­ turfeld und die LCD (Flüssigkristallanzeige) Fernsteuerung 25 ein QTERM-II-Fernsteuerungstastaturfeld mit Flüssigkri­ stallanzeige.

Alternativ können die Daten von einem externen Computer über ein magnetisches Medium übertragen werden. In diesem Fall wird eine die vorstehend beschriebene Information ent­ haltende ASCII-Datei durch einen externen Computer auf eine Diskette (floppy disk) geschrieben. Diese Diskette wird dann durch den Hauptrechner über sein Diskettenlaufwerk 29 gelesen.

Als weitere Alternative können die Wellenformdaten über ei­ ne serielle RS-232 Kommunikationsleitung 31 von einem ex­ ternen Gerät übertragen werden. ASCII-Daten, die die vor­ stehend beschriebene Information enthalten, werden durch den Hauptrechner 15 in bekannter Weise aus der seriellen RS-232-Verknüpfung bzw. -Schnittstelle akzeptiert.

Schließlich können die Benutzer-Wellenformdaten direkt in den Hauptrechner 15 in analoger Form über ein Graphik-Ta­ blett oder eine Zeigervorrichtung wie etwa eine Maus (nicht gezeigt) eingegeben werden.

In diesem Fall wird die Wellenform-Gestalt durch den Benut­ zer eingegeben und eine diskrete Repräsentation der Wellen­ form durch den Hauptrechner 15 unter Einsatz bekannter und einfach erhälticher Software erhalten. Der Benutzer kann den gewünschten Volumenstrom und die Zeit-Intervall-Daten eingeben und der Hauptrechner 15 berechnet die korrekte Form in Millilitern je Sekunde.

Zusätzlich zu den diskutierten peripheren Geräten umfaßt der Hauptrechner 15 auch einen Video-Monitor 33 in bekann­ ter Weise. Weiterhin kann ein Druckwandler 35 mit einem Analog-Digital-Wandler 37 verbunden sein, der mit dem Hauptrechner 15 über einen ISA-Bus bzw. eine ISA-Sammellei­ tung für die Rückkopplungssteuerung der Pumpe verbunden sein, wie nachfolgend in größeren Einzelheiten diskutiert wird.

Der Hauptrechner 15 und die in Fig. 1 dargestellte Mikro- Schritt-Steuereinrichtung 13 erfüllen unterschiedliche Auf­ gaben bei der Steuerung der Pumpe. Der Hauptrechner 15 stellt eine Schnittstelle für den Benutzer bereit.

Er steuert die Eingabe- und Ausgabevorrichtungen wie etwa die Tastatur 23, den Monitor 33, die Fernsteuerung 25, das Diskettenlaufwerk 29 und den seriellen RS-232-Anschluß 31.

Zusätzlich wandelt der Hauptrechner 15 die Strömungsdaten von einer ASCII-Format-Datei in einem Milliliter-je-Se­ kunde-Format in Befehle um, die die Mikro-Schritt-Steuer­ einrichtung 13 ausführen kann. Der Hauptrechner 15 kann auch zur Steuerung zusätzlicher Vorrichtungen wie etwa des Analog-Digital-Wandlers 37 für die Erlangung der Druckin­ formation eingesetzt werden, wie nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben.

Andererseits steuert die Mikro-Schritt-Steuereinrichtung 13 die Drehgeschwindigkeit des Schrittmotors 11 und stellt den Zustand des Spulenventils 16, eines EKG-Ausgangs 39 und der Hilfs-I/O-Verbindungen 21 ein. Die Steuereinrichtung 13 steuert weiterhin den Zustand eines linken Grenzschalters 41 und eines rechten Grenzschalters 43, die an entgegenge­ setzten Seiten des Zylinders 5 angeordnet sind, wie nach­ stehend näher diskutiert. Alle die durch die Mikro-Schritt- Steuereinrichtung 13 abgearbeiteten Befehle stammen vom Hauptrechner 15. Das Netto- oder End-Ergebnis besteht darin, daß der Benutzer eine Fluidströmungswellenform über die Tastatur 23 oder eine andere Schnittstelle eingibt und die Pumpe die geeignete Fluidströmung erzeugt, um die ge­ forderte Wellenform zu generieren. In diesem Zusammenhang wandelt eine Mikro-Schritt-Treiberschaltung 45 digitale Be­ fehlssignale der Steuereinrichtung 13 zur Steuerung des Be­ triebs des Motors 11 um. Gemäß dem erfolgreich arbeitenden Prototyp ist die Treiberschaltung 45 eine Compumotor-Mo­ dell-DB-Mikroschritt-Motortreibereinrichtung.

Der Datenfluß und die Befehle durch bzw. im Hauptrechner 15 sind in bezug auf die Strömungskarten bzw. -tabellen oder - darstellungen gemäß der Kombination aus den Fig. 4a und 4b dargestellt. Die hauptsächliche durch den Hauptrechner 15 durchgeführte Aufgabe besteht in der Erlangung bzw. Entgegennahme von Daten und Befehlen vom Benutzer und in der Umwandlung dieser Daten und Befehle in eine Form, die durch die Mikro-Schritt-Steuereinrichtung 13 abarbeitbar ist.

Die wiederum zusammengehörenden Fig. 5a und 5b veranschaulichen, wenn sie über die Schnittstellen zusammengefügt werden, den Fluß der Daten und Befehle durch die bzw. in der Mikro-Schritt-Steuereinrichtung 13. Die Steuereinrichtung 13 erhält alle Befehle vom Hauptrechner 15. Befehle können in zwei Arten abgearbeitet werden, nämlich entweder unmittelbar oder gepuffert. Die Motordrehzahl bzw. -geschwindigkeit, der Ventilzustand, der EKG-Zustand und Hilfs-Statusbefehle werden üblicherweise gepuffert, während Befehle zum Anhalten des Betriebs und zum Einstellen des Zeitintervalls unmittelbar abgearbeitet werden.

Bezugnehmend auf das Ablaufdiagramm in den Fig. 4a und 4b wird zunächst eine benutzerseitig definierte Strömungs­ wellenform in das System über die Tastatur 23, die LCD- Fernsteuerung 25, den RS-232-Anschluß 31 oder eine Maus/ein Graphiktablett eingegeben (Schritt 47). Die Daten sind oder werden als ASCII-Textdatei konfiguriert und enthalten die geforderte Strömungsinformation und die Konfigurationspara­ meter in Ausdrücken von Strömungsdaten in Millilitern je Sekunde und der Zeitbasis in Millisekunden (Schritt 49).

Die im Hauptrechner 15 ablaufenden Programme leiten dann die Holung der Daten und Befehle vom Benutzer und/oder vom Diskettenlaufwerk ein (Schritt 51). Falls der Benutzer ge­ fordert hat, daß die empfangenen Daten gesichert werden sollten, werden die Daten als eine ASCII-Textdatei in einer Diskette im Diskettenlaufwerk 29 gesichert (Schritt 53 und 55).

Wenn andererseits der Benutzer die Einleitung bzw. den Be­ triebsbeginn der Pumpe zur Erzeugung einer benutzerdefi­ nierten Strömungswellenform befohlen hat, werden die ASCII- Daten aus dem Milliliter-je-Sekunde-Format in zwei Datenreihen umgewandelt, die die Anzahl von Mikroschritten je Sekunde der Drehung des Motors 11 enthalten (Schritte 57 und 59). Die erste Datenreihe enthält Daten zur Bewegung des Kolbens 1 von links nach rechts innerhalb des Zylinders 5, während die zweite Datenreihe Daten zum Bewegen des Kol­ bens von rechts nach links enthält.

Im Schritt 61 werden durch den Hauptrechner 15 Befehle er­ zeugt, die für die Mikro-Schritt-Steuereinrichtung 13 spe­ zifisch sind, um den Zustand des Spulen- oder Magnetventils 16, des EKG-Ausgangs 39, des Hilfsanschlusses 21 und die Anzahl von Wiederholungen der Wellenform (d. h. die Wellen­ formschleife) zu steuern.

Weitere Befehle werden dann zur Mikro-Schritt-Steuerein­ richtung 13 zur Aktivierung der Grenzschalter 41 und 43 ge­ sandt (Schritt 63). Wie vorstehend erläutert, hält der Mo­ tor 11 sofort an, wenn die Grenzschalter aktiviert sind und einer der Schalter 41 oder 43 berührt bzw. geschaltet wird.

Als nächstes befiehlt der Hauptrechner 15 der Mikro- Schritt-Steuereinrichtung 13 den Beginn der Drehung des Mo­ tors 11, wodurch der Pumpenkolben zur Bewegung in Richtung des linken Grenzschalters 41 innerhalb des Zylinders 5 ver­ anlaßt wird (Schritt 65). Der Hauptrechner 15 überwacht dann den Zustand der Mikro-Schritt-Steuereinrichtung 13 (Schritt 67), bis die Steuereinrichtung 13 erfaßt, daß der linke Grenzschalter berührt wird bzw. geschaltet hat (Schritt 69). Dieser Ablauf ist für die Initialisierung des Systems erforderlich.

Gemäß dem Schritt 71 werden Befehle durch den Hauptrechner 15 für die Mikro-Schritt-Steuereinrichtung 13 erzeugt, um die Grenzschalter 41 und 43 zu deaktivieren.

Anschließend wird das benutzerseitig definierte Zeitinter­ vall (d. h. von 2 bis 50 Millisekunden) zur Mikro-Schritt- Steuereinrichtung 13 übertragen (Schritt 73).

Dann werden die Wellenformdaten vom Hauptrechner 15 zur Mi­ kro-Schritt-Steuereinrichtung übertragen und in einem Da­ tenpuffer der Steuereinrichtung 13 angeordnet bzw. gespei­ chert (Schritt 75). Diese Daten entsprechen der vorstehend unter Bezugnahme auf den Schritt 59 angesprochenen ersten Datenreihe und führen zu einer Bewegung des Kolbens 1 von der linken Seite des Zylinders 5 zu dessen rechter Seite.

Falls der Hauptrechner 15 bestimmt bzw. ermittelt, daß dies die erste Schleife der Wellenform ist (Schritt 77), wird ein Befehl für die Steuereinrichtung 13 zur Einleitung der Abarbeitung der darin gespeicherten Befehle erzeugt (dies wird in größeren Einzelheiten nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 5b erläutert).

In diesem Zustand führt die Steuereinrichtung 13 die erfor­ derlichen Befehle für die Bewegung des Kolbens 1 von der linken Seite des Zylinders 5 zu dessen rechter Seite in Übereinstimmung mit der benutzerseitig definierten Strö­ mungswellenform aus. Sobald sich der Kolben 1 am Ende sei­ nes Hubs von links nach rechts innerhalb des Zylinders 5 befindet, sendet der Hauptrechner 15 weitere Wellenform­ daten zur Mikro-Schritt-Steuereinrichtung 13, die erneut in dem Datenpuffer der Steuereinrichtung 13 gespeichert werden (Schritt 81). Diese weiteren Daten entsprechen der vorste­ hend unter Bezugnahme auf den Schritt 59 diskutierten zwei­ ten Datenreihe und führen dazu, daß sich der Kolben von der rechten Seite des Zylinders 5 zu dessen linker Seite be­ wegt.

Der Zyklus der Schritte 75, 77 und 81 wird undefiniert bzw. beliebig wiederholt, bis der Benutzer einen Befehl zum Ver­ lassen des Prozesses eingibt (Schritt 83).

Bei Empfang eines solchen Halt- oder Ausstiegsbefehls sendet der Hauptrechner 15 einen Befehl zur Mikro-Schritt- Steuereinrichtung 13 zum Anhalten der Motordrehung und zur Löschung des Befehlspufferspeichers (Schritt 85).

Die gesamte im Hauptrechner ablaufende Programmausstattung ist interruptgesteuert und dauert undefiniert bzw. beliebig an (d. h. bis zur Spannungsabschaltung) (Schritt 86).

In Fig. 5a ist der Softwareprozeß bzw. der Programmablauf innerhalb der Mikro-Schritt-Steuereinrichtung 13 in größe­ ren Einzelheiten gezeigt. Wie auch die im Hauptrechner 15 ablaufende Programmausstattung ist auch die gesteuerte bzw. Steuereinrichtungs-Programmausstattung interruptgesteuert. Die Programmausstattung aktiviert daher kontinuierlich den bei 87 gezeigten Block, bis ein Interrupt empfangen wird (d. h. Schritt 89 oder 97). Die erste durch den Block 87 durchgeführte Funktion besteht in der Überprüfung des Sta­ tus bzw. Zustands der Grenzschalter 41 und 43 (Schritt 89). Falls einer der Grenzschalter geschaltet hat (Schritt 91) und falls die Grenzschalter aktiviert sind (Schritt 93), wird die Motordrehung angehalten (Schritt 95).

Die zweite im Block 87 abgearbeitete Funktion besteht in der Überprüfung im Hinblick auf Befehle seitens des Haupt­ rechners 15 (Schritt 97). Wenn ein Befehl empfangen wird (Schritt 99) und wenn der Befehl in der Form eines Strö­ mungsdatenbefehls vorliegt (Schritt 101), wird der Befehl im Datenpufferspeicher der Steuereinrichtung 13 gespeichert (Schritt 103).

Wenn andererseits der Wirt-Befehl sich auf das EKG, das Ventil 16, oder den Hilfszustand bezieht (Schritt 105), wird dieser Befehl ebenfalls im Befehlspufferspeicher ge­ speichert (Schritt 103). In dem Fall, daß der Wirt-Befehl eine Zustandsanforderung ist (Schritt 107), erzeugt und sendet die Steuereinrichtung 13 ein Statussignal an den Hauptrechner 15 (Schritt 109).

Falls der Befehl vom Hauptrechner 15 sich auf die Einstel­ lung des Zeitintervalls bezieht (siehe Schritt 73), wird das Zeitintervall in der Steuereinrichtung 13 zwischen 2 und 50 Millisekunden eingestellt (Schritte 111 und 113).

Wenn sich der Befehl vom Hauptrechner auf die Beendigung der Motordrehung bezieht (siehe Schritt 85), beendet die Steuereinrichtung 13 die Drehung des Motors 11 (Schritte 115 und 117).

Falls sich der Befehl des Wirts auf die Aktivierung oder Deaktivierung der Grenzschalter 41 und 43 (Schritt 119) be­ zieht, werden die Grenzschalter über die Steuereinrichtung 13 derart programmiert, daß sie entweder durch die Pro­ grammausstattung ignoriert werden (d. h. deaktiviert sind) oder daß sie zum Anhalten der Motordrehung bei Berührung bzw. Schaltung führen (d. h. aktiviert sind), (Schritt 121).

Wenn sich der Wirt-Befehl auf das Starten der Motordrehung bezieht (siehe Schritt 65), leitet die Steuereinrichtung 13 die Drehung des Motors 11 ein, bis der Grenzschalter 41 be­ rührt bzw. geschaltet wird (unter der Annahme, daß der Schalter aktiviert ist), (Schritte 123 und 125).

Wenn sich andererseits, wie in den Schritten 127 und 129 gezeigt, der Wirt-Befehl auf die Abarbeitung von in dem Da­ tenpuffer gespeicherten Befehlen bezieht (siehe Schritt 79), werden die im Block 131 gezeigten gepufferten Befehle abgearbeitet.

Genau gesagt stellt die Steuereinrichtung 13 innerhalb des gepufferten Befehlsblocks 131 die Richtung des Spulenven­ tils bzw. Steuerventils (Steuerschieber) 16 zum Ansteuern einer der Leitungen vom Ventil 16 zum Zylinder 5 als Einlaß und die andere der Leitungen vom Ventil 16 zum entgegenge­ setzten Ende des Zylinders 5 als Auslaß ein (Schritt 133).

Als nächstes wird die Drehzahl des Schrittmotors 11 einge­ stellt (Schritt 135), die ECG-Steuerbits werden gesetzt (Schritt 137) und die Hilfs-Steuerbits werden gesetzt (Schritt 139).

Dann wird die benutzerseitig eingegebene Strömungswellen­ form in Übereinstimmung mit den in der ersten oder der zweiten Datenreihe enthaltenen Daten für eine vorbestimmte Anzahl von Wiederholungen (Schritt 141) abgearbeitet, bis der Kolben 1 das Ende seines Hubs innerhalb des Zylinders 5 erreicht. Die Anzahl der erforderlichen Schleifen oder Wie­ derholungen wird vorab durch den Hauptrechner 15 berechnet. Wenn die Wellenformdaten bezüglich der Bewegung des Kolbens von einer Seite des Zylinders 5 zur anderen abgearbeitet sind, wird die Motordrehung angehalten (Schritt 143).

Dieser Vorgang wird bis zum Erhalt des nächsten Wirt-Be­ fehls wiederholt (z. B. Schritt 75 oder 81), um die zum nächsten Zyklus der Fluid-Strömungswellenform gehörenden Datenreihen abzuarbeiten.

Die erfindungsgemäße Pumpe ist mit einer großen Vielfalt von blutimitierenden Fluiden für Forschung und Kalibrie­ rungsanwendungen kompatibel. Bei dem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel wird eine Ölemulsion (z. B. Syn-cut GP®, eine durch Aera Tech, Mississauga, Ontario, hergestellte halbsynthetische Schneidflüssigkeit für die Bearbeitung) benutzt, die mikrokristalline Zellulose-Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 20 µm enthält. Die Schallgeschwindigkeit und die Viskosität dieses Fluids kann durch Verdünnung mit Wasser gesteuert werden. Eine bevor­ zugte Verdünnung dieser Lösung führt zu einer Schallge­ schwindigkeit von 1550 Metern je Sekunde und einer kinema­ tischen Viskosität von 0,03 Stokes (bei 22°C).

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann eine Mischung aus Glyzerin und Wasser als Arbeitsfluid benutzt werden. Bei geeigneten Anteilen (vier Teile Glyzerin auf fünf Teile Wasser) nähert sich die Viskosität dieser Mi­ schung derjenigen von Blut an (siehe W. N. McDicken (1986): A Versatile Test Object for the Calibration of Ultrasonic Doppler Flow Instruments, Ultrasound in Medicine and Bio­ logy, 26, Seiten 245-249). Der Salzgehalt der Flüssigkeit wird auf normale physiologische Pegel eingestellt (0,9 Ge­ wichtsprozent), um geeignetes Funktionieren des elektroma­ gnetischen Durchflußmessers bzw. Strömungsmessers zu ge­ währleisten. Um ein adäquates Schallsignal zu erzielen, werden mikrokristalline Zellulosepartikel mit einem durch­ schnittlichen Durchmesser von 20 µm hinzugefügt (5 g je Li­ ter). Beim erfolgreich arbeitenden Ausführungsbeispiel sind diese Partikel "Typ 20 Sigmacell®", hergestellt von Sigma Chemical Company, St. Louis, Missouri.

Der Betrieb des erfolgreich arbeitenden Prototyps der Er­ findung wurde bei der Erzeugung sowohl von stationären Vo­ lumenströmen als auch von pulsierenden Wellenformen bestä­ tigt.

In den Fig. 6a und 6b ist der gemessene Ausgangsvolumen­ strom gegenüber dem programmierten Volumenstrom im Bereich von 0,05 bis 30 ml je Sekunde aufgetragen. Der beobachtete Volumenstrom liegt innerhalb von +/-0,08 ml je Sekunde über dem gesamten Betriebsbereich.

Insbesondere ist unter Bezugnahme auf Fig. 6a der gemessene Volumenstrom gegenüber dem programmierten Volumenstrom mit der Linie bester Anpassung gezeigt. In Fig. 6b ist der Restfehler nach Subtraktion der besten Anpassung gemäß Fig. 6a aufgetragen.

Die erfindungsgemäße computergesteuerte Pumpe wurde auch mit klinischen Doppler-Ultraschallgeräten zur Verifizierung der Kompatibilität getestet. In den Fig. 7 und 8 sind die Meßdaten für simulierte Halsschlagader- und Beischlagader(Arteria femoralis)-Wellenformen im Vergleich mit physiologischen In-vivo-Messungen veranschaulicht, wobei in beiden Fällen enge Ähnlichkeiten zwischen den simulierten und den gemessenen physiologischen Wellenformen ersichtlich sind.

Insbesondere ist unter Bezugnahme auf Fig. 7a eine Blutströmungswellenform im Bereich der menschlichen großen Beinschlagader gezeigt, während in Fig. 7b die simulierte Femur-Strömungswellenform veranschaulicht ist, wie sie durch die erfindungsgemäße Pumpe erzeugt wird. In gleicher Weise ist in Fig. 8a eine tatsächliche Blutströmungswellenform aus der menschlichen Halsschlagader gezeigt, während in Fig. 8b die simulierte Halsschlagader- Wellenform dargestellt ist.

Zusammenfassend ist erfindungsgemäß eine Pumpe zur Erzeu­ gung sowohl von pulsierenden als auch von stationären Strö­ mungswellenformen geschaffen. Die erfindungsgemäße Pumpe besitzt Vorteile gegenüber früheren Gestaltungen wie etwa des nahezu hundertprozentigen Tastverhältniszyklus für sta­ tionäre Strömung aufgrund des dualen Einlaß/Auslaß-Aspekts des Zylinders 5 zusammen mit dem Steuerventil 16. Wenn die Pumpe zur Reproduzierung einer für periphere Gefäßsysteme typischen stationären Volumenströmungsrate programmiert ist, beträgt die Zeit zwischen Ventilumschaltungen 12 Se­ kunden, was lang ist im Vergleich zu der beobachteten Dauer der Strömungsunterbrechung. Die bei pulsierenden Wellenfor­ men beobachteten 0,4 Sekunden an Strömungsstörungen sind weniger durchschlagend bzw. disruptiv, da das Schalten des Ventils 16 und die zugehörige Umkehrung des Kolbens 1 bei einem Punkt mit geringer oder keiner Strömung auftreten kann. Weiterhin können die TTL-Ausgangssignale der I/O-Ver­ bindung 21 zur Ausschließung von Strömungsunterbrechungs- oder Strömungsstörungsanomalien aus der Datensammlung be­ nutzt werden. Bei der erfindungsgemäßen Pumpe besteht keine Anforderung an kontinuierliche Rückführung, da das Verhal­ ten mit offener Schleife als extrem stabil für lange Zeit­ intervalle beobachtet wurde. Das Basis-Design der erfin­ dungsgemäßen Pumpe kann weiterhin leicht modifiziert wer­ den, um größere oder kleinere Volumenströme zu ermöglichen, da der maximale Volumenstrom lediglich vom Kolbendurchmes­ ser und dem verfügbaren Motordrehmoment abhängt.

Die erfindungsgemäße Pumpe ist ideal für absolute Kalibrie­ rung von klinischen Doppler-Ultraschall-Geräten und führt zu einer absoluten Strömungsquelle, wodurch die Notwendig­ keit zusätzlicher Geräte zur Messung des wahren Volumen­ stroms beseitigt wird.

Andere Ausführungsbeispiele und Abänderungen der Erfindung sind möglich. Beispielsweise ist in Fig. 9 ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem ein einzelner Kolben 1 und Zylinder 5 durch zwei an einem Gestell montierte Kolben 1a und 1b ersetzt sind, die in horizontal einander gegen­ überliegenden Lucite-(Metacrylharz-)Zylindern 5a und 5b durch den computergesteuerten Schrittmotor 11 angetrieben werden. Die Getriebeverbindung zwischen dem Motor 11 und den Kolben 1a und 1b liegt in der Form einer Zahnstange 8 und eines Ritzels 10 vor. Der Zahnversatz bezüglich der Zahnstangenanordnung ist derart, daß ein Motor-Mikroschritt zu einer Verdrängung von 0,510 µl aus den Pumpenzylindern 5a und 5b führt. Bei der Gestaltung gemäß Fig. 9 besitzt jeder Zylinder 5a und 5b ein nutzbares Hubvolumen von 180 Millilitern, obwohl auch größere oder kleinere Volumen mit minimalen Änderungen möglich sind. In allen anderen Aspek­ ten arbeitet das alternative Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 in gleichartiger Weise wie zuvor unter Bezugnahme auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erläutert.

Andere Alternativen und Abänderungen werden gleichfalls in Betracht gezogen. Beispielsweise kann der durch die Pumpe bereitgestellte Bereich an Volumenströmen mit lediglich geringen Änderungen der Gestaltung des bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels leicht variiert werden. Der Durchmesser des Kolbens 1, die Ganghöhe der Leitspindel 3 und die Größe des Antriebsmotors 11 können so gestaltet werden, daß sie sehr geringe Volumenströme (beispielsweise 0,001 ml je Sekunde bis 0,1 ml je Sekunde) für den Einsatz bei experimentellen Studien des Mikro-Gefäßsystems erzeugen. Alternativ können größere Komponenten eingesetzt werden, um sehr viel höhere Volumenströme (beispielsweise 10 ml je Sekunde bis 200 ml je Sekunde) zu erzeugen, die typisch für Spitzen der Aorta- Blutströmung sind.

Der Acryl-Pumpenantriebszylinder 5 kann auch aus anderem geeignetem Material wie etwa Glas oder rostfreiem Stahl für Anwendungen, die hohe Drücke oder das Ausgesetztwerden geg­ enüber Lösungsmitteln, Ketonen oder schwachen Säuren erfor­ dern, hergestellt sein. Darüberhinaus können der Pumpenzy­ linder 5 und der Behälter 17 durch Widerstandsheizelemente auf konstanter Temperatur bei Einsätzen, die die Abgabe ge­ heizter Fluide erfordern, gehalten werden.

Die Zufügung eines Analog-Digital-Wandlers 37 erlaubt die Steuerung des Pumpenausgangs bzw. der Pumpenausgangslei­ stung aufgrund einer Rückkopplung vom externen Druckwandler 35. Die Pumpe kann in dieser Weise als eine computergesteu­ erte Druckwelle zur Bereitstellung entweder konstanten Drucks oder pulsierender Druckwellenformen betrieben wer­ den. Wenn die Steuerung oder Steuereinrichtung 13 im Be­ trieb einmal Befehle vom Hauptrechner 15 erhalten hat, ar­ beitet die Steuereinrichtung 13 ohne weitere Intervention seitens des Hauptrechners 15 für Zeitintervalle, die von mehreren Sekunden bis Minuten reichen. Während dieser Zeit ist der Hauptrechner 15 frei zur Digitalisierung von vom Wandler 35 erhaltenen Druckdaten und zur Speicherung dieser Daten in einem Hauptspeicher des Computers 15 oder zur Si­ cherung derselben auf einer Platte oder Diskette (d. h. über das Diskettenlaufwerk 29). Diese Daten können dann zur Durchführung von Korrekturen der Befehle benutzt werden, die der Steuereinrichtung 13 zugeführt werden, so daß die resultierende Strömungswellenform während des Betriebs mo­ difiziert werden kann.

Die hochpeglige bzw. auf hoher Ebene stattfindende Compu­ tersteuerung und die anpassungsfähige Architektur der er­ findungsgemäßen Pumpe ermöglicht viele Anwendungen der Pumpe in einer Vielzahl von Bereichen außerhalb der haupt­ sächlichen Anwendung bei Blutströmungssimulation. Eine An­ zahl dieser Anwendungen wird im folgenden beschrieben.

Menschliche Organe erfordern eine Bluttransfusion während des Transports zwischen Krankenhäusern. Gegenwärtig wird dies mit stationärer Strömung erreicht, aber es sind Anzei­ chen vorhanden, daß Blutpulsationen eine Rolle bei der Ge­ webedurchblutung spielen können (siehe Tranmer, B. I., Gross, C. E., Kindt, G. W., Adey, G. R., (1986): Pulsatile Versus Nonpulsatile Blood Flow in the Treatment of Acute Cerebral Ischemia, Neurosurgery, 19, 724-731). Demgemäß kann die erfindungsgemäße Pumpe zur Transfusion von Blut und folglich zur Ausdehnung der Zeitspanne, in der ein Or­ gan lebensfähig bleiben kann, benutzt werden. Die erfin­ dungsgemäße computergesteuerte Pumpe kann zur Durchströmung bzw. Durchblutung herausgeschnittener bzw. herausgenommener Organe wie etwa des Herzens oder der Nieren mittels Blut­ wellenformen eingesetzt werden, die sehr ähnlich denjenigen sind, die in vivo gefunden werden. Die Größe des Geräts kann zur Erleichterung des Transports reduziert werden und das Gerät kann für den Betrieb mit Batteriestromversorgung ausgelegt werden.

Die Entwicklung von künstlichen Herzventil- bzw. Herzklap­ pen-Prothesengeräten erfordert die gesteuerte Testung neuer Gestaltungen. Diese Testung erfolgt derzeit mit Druck- und Strömungssimulatoren und manchmal mit beschleunigten Raten. Die erfindungsgemäße computergesteuerte Pumpe ist zur Durchführung dieser Funktionen imstande und erzeugt einen Bereich an Blutströmungswellenformen, der ähnlich demjeni­ gen ist, der in der menschlichen Aorta gefunden wird. Die zur Erhöhung der Spitzenströmungsrate zur Testung künstli­ cher Herzklappenprothesen erforderlichen Abänderungen sind vorstehend beschrieben.

Die Fähigkeit der erfindungsgemäßen Pumpe zur Erzeugung physiologisch korrekter Blutströmungswellenformen mit ge­ ringen Schäden bei suspendierten Partikeln führt zu einer weiteren möglichen Anwendung als Ventrikel-Gerät. Externe Pumpen zur Verringerung der Belastung eines fehlerhaften Herzens während der Wartezeit des Patienten bis zur Opera­ tion sind bekannt. Die erfindungsgemäße Pumpe ist imstande, auf Änderungen der Herzfrequenz oder des Blutdrucks zu rea­ gieren, wenn sie mit einem geeigneten Druckwandler (35) verbunden ist. Die bei der Konstruktion einer solchen ex­ ternen Herzunterstützungspumpe benutzten Materialien müssen blutkompatibel sein und eine Sterilisation des Geräts er­ lauben. Alle diese Abänderungen können bei der erfindungs­ gemäßen Pumpe leicht durchgeführt werden.

Manche industriellen Prozesse, insbesondere in der chemi­ schen Industrie, erfordern die gesteuerte Injektion von ge­ ringen Mengen an Katalysatoren während der Produktion. Fluide können mit hohem Druck und hoher Temperatur sowie mit hoher Genauigkeit injiziert werden, wenn die computer­ gesteuerte erfindungsgemäße Pumpe benutzt wird. Die Zylin­ der- und Motorgestaltung kann zur Anpassung an den jeweili­ gen Einsatz modifiziert werden, wobei aber die grundsätzli­ che Gestaltung und Softwaresteuerung dieselbe bleibt. Meh­ rere Abgabestationen können mit einer einzigen erfindungs­ gemäßen Pumpe gesteuert werden, da jede Motor-Steuerein­ richtung 13 zur Steuerung dreier Antriebsmotoren imstande ist.

Die hohe Genauigkeit des vorliegenden Geräts (Volumenströme von +/-0,08 ml je Sekunde und die Volumina von +/-0,001 ml) führen zur idealen Eignung für präzise Abgabe von Flui­ den während des Verpackens. Dies gilt insbesondere in der Industrie, wo die Materialkosten hoch sind (d. h. in der pharmazeutischen Industrie). Bei diesen Anwendungen kann die computergesteuerte Abgabe exakter Fluidmengen zu be­ trächtlichen Kosteneinsparungen, verglichen mit gegenwärti­ gen Techniken, führen.

Die erfindungsgemäße computergesteuerte Pumpe mit einem mit dem Ausgang des Ventils 16 verbundenen Hydraulikzylinder kann als präzise Bewegungssteuerung funktionieren. Die hohe Präzision bei der Fluidabgabe setzt sich in hohe Präzision der Bewegungssteuerung um. Kleine Zylinder können zur Be­ reitstellung einer Bewegungssteuerung in beschränkten Räu­ men oder rauhen Umgebungen eingesetzt werden. Wiederum bleibt die Basis-Computersteuersoftware unverändert und bis zu drei Hydraulikzylinder können, wie beschrieben, durch die Steuereinrichtung 13 gesteuert werden.

Claims (19)

1. Verdrängerpumpe zur Reproduktion eines vorbestimmten zy­ klischen Verdrängungsprofils, insbesondere realistischer arterieller Strömungswellenformen, mit:

• a) einem Behälter zum Speichern von Fluid,
• b) einer Zylindereinrichtung mit wenigstens einer Röhre (5) zum Aufnehmen und Ausstoßen von Fluid über deren entgegengesetzte Enden,
• c) einer Kolbeneinrichtung (1) innerhalb der Zylinder­ einrichtung zum zwangsweisen Ein- und Ausbringen des Fluids in die und aus den entgegengesetzten Enden der Zylindereinrichtung,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerpumpe ferner versehen ist mit:

• a) einem Vier-Wege-Ventil (16) mit einem mit dem Behäl­ ter (17) verbundenen Einlaßanschluß, einem Paar von mit den entgegengesetzten Enden der Zylindereinrich­ tung verbundenen bidirektionalen Anschlüssen und ei­ nem Auslaßanschluß, und
• b) einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer von einem Benutzer vorgegebenen Strömungswellenform, die als vorbestimmter Soll-Volumenstrom als Funktion der Zeit ausgedrückt ist, und
  einer Bewegungs- und Ansteuereinrichtung (11, 13, 15), mit der in Abhängigkeit von der vorgegebenen Strömungswellenform der Kolben so bewegt und das Vier-Wege-Ventil so angesteuert wird, daß eine Fluidströmung vom Behälter durch das Ventil in eines der entgegengesetzten Enden der Zylindereinrichtung und aus dem anderen der entgegengesetzten Enden der Zylindereinrichtung durch das Ventil zum Auslaßanschluß gebildet wird, die in Übereinstimmung mit der vom Benutzer vorgegebenen Strömungswellenform ist.

2. Verdrängerpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungs- und Ansteuereinrichtung (11, 13, 15)

• a) einen Schrittmotor (11), der mit der Kolbeneinrich­ tung (1; 1a, 1b) über ein Getriebe (3; 6, 10) zum Umsetzen der Drehbewegung des Schrittmotors in eine lineare Antriebsbewegung der Kolbeneinrichtung ver­ bunden ist, und
• b) eine Steuereinrichtung (13, 15) zum Ansteuern des Vier-Wege-Ventils (16) und zum Digitalisieren und Interpolieren der Benutzer-Strömungswellenform bezüglich eines vorbestimmten Zeitintervalls sowie zum in Abhängigkeit hiervon erfolgenden Erzeugen und Übertragen von Steuersignalen zum Schrittmotor (11) für die Drehung des Schrittmotors mit vorbestimmten Drehzahlen aufweist, wodurch die Kolbeneinrichtung innerhalb der Zylindereinrichtung zum Ausstoßen des Fluids mit dem vorbestimmten Volumenstrom als Funktion der Zeit bewegt wird.

3. Verdrängerpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (13, 15) weiterhin

• a) einen Hauptrechner (15) zum Umwandeln des vorbe­ stimmten Volumenstroms in eine erste Datenreihe, die Mikro-Schritte je Sekunde für im Uhrzeigersinn erfolgende Umdrehung des Schrittmotors darstellt, und eine zweite Datenreihe, die Mikro-Schritte je Sekunde in im Gegenuhrzeigersinn erfolgender Dre­ hung des Schrittmotors (11) repräsentiert, und
• b) eine mit dem Hauptrechner (15), dem Vier-Wege-Ven­ til (16) und dem Schrittmotor (11) verbundene Mi­ kro-Schritt-Steuereinrichtung (13) aufweist, die zum Aufnehmen der ersten Datenreihe und zum Erzeu­ gen und Übertragen eines ersten Ventil-Richtungssi­ gnals zur Konfigurierung des Vier-Wege-Ventils für eine Fluid-Strömung in einer Richtung durch die Zylindereinrichtung und zum Erzeugen und Übertragen eines ersten der Steuersignale zum Schrittmotor für eine im Uhrzeigersinn erfolgende Umdrehung des Schrittmotors in Abhängigkeit von der ersten Daten­ reihe, sowie zum Aufnehmen der zweiten Datenreihe und zum Erzeugen und Übertragen eines zweiten Ven­ til-Richtungssignals für die Konfigurierung des Vier-Wege-Ventils für eine Fluidströmung in einer entgegengesetzten Richtung durch die Zylinderein­ richtung und zum Erzeugen und Übertragen eines zweiten der Steuersignale zum Schrittmotor für die im Gegenuhrzeigersinn erfolgende Drehung des Schrittmotors dient.

4. Verdrängerpumpe nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Paar von Grenzschaltern (41, 43), die mit der Steuereinrichtung (13) verbunden und in der Zylinder­ einrichtung an deren entgegengesetzten Enden für die Erfassung der Bewegung der Kolbeneinrichtung (1) gegen die entgegengesetzten Enden der Zylindereinrichtung so­ wie zum Erzeugen eines Signals für die Steuereinrich­ tung für die unmittelbare Beendigung der Drehung des Schrittmotos (11) angeordnet sind.

5. Verdrängerpumpe nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß jede Umdrehung des Schrittmotors (11) 25000 Mikro-Schritte umfaßt.

6. Verdrängerpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Mikro-Schritt zu einer Verdrängung von 0,198 µl an Fluid führt.

7. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor (11) ein Drehmoment von 0,5 Nm bei Drehzahlen von 0 bis 8 Umdrehungen je Sekunde erzeugt.

8. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Zeitinter­ vall im Bereich von 2 ms bis 50 ms liegt.

9. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (17) einen magnetischen Rührer (19) zum Mischen des Fluids aufweist.

10. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein tragbares Tastaturfeld, eine Computer-Tastatur oder eine mit der Erfassungseinrichtung (15) verbundene digitale Daten- Schnittstelle zum Eingeben der Benutzer- Strömungswellenform.

11. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 10, gekennzeichnet durch einen mit dem Auslaßanschluß verbundenen Druckwandler (35) und einen mit dem Druckwandler und dem Hauptrechner (15) verbundenen Analog-Digital-Wandler (37) zum Bewirken einer Rück­ kopplungssteuerung der Pumpe.

12. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindereinrichtung eine Acryl-Röhre (5), die an ihren entgegengesetzen Enden mit einem jeweiligen der bi-direktionalen Anschlüsse verbunden ist und eine achsenversetzte Achse oder Welle (9) aufweist, die sich zwischen den entgegengesetzten Enden erstreckt.

13. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe eine Leitspindel (3) ist, die mit dem Schrittmotor (11) verbunden ist und sich zwischen den entgegengesetzten Enden der Zylindereinrichtung erstreckt.

14. Verdrängerpumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbeneinrichtung eine kreisförmige Scheibe aufweist, die mit einer zentralen mit Gewinde versehenen Öffnung, durch die die Leitspindel (3) hindurchgeht, und weiter mit einer achsenversetzten Öffnung versehen ist, durch die die achsenversetzte Achse oder Welle (9) zum Verhindern einer Drehung der Kolbeneinrichtung innerhalb der Zylindereinrichtung hindurchläuft.

15. Verdrängungspumpe nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitspindel (3) eine derartige Ganghöhe aufweist, daß ein Mikro-Schritt der Drehung des Schrittmotors (11) zu einer Verdrängung von 0,198 µl Fluid führt.

16. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (5) ein nutzbares Hubvolumen von ungefähr 450 ml aufweist.

17. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindereinrichtung ein Paar von horizontal einander gegenüberliegenden Lucite- Röhren (5a, 5b) aufweist, wobei ein Ende jeder Röhre mit je einem der bi-direktionalen Anschlüsse verbunden ist.

18. Verdrängerpumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß das Getriebe ein Zahnstangengetriebe (8, 10) ist, bei dem das Ritzel (10) zwischen dem Paar von Röh­ ren (5a, 5b) mit dem Schrittmotor (11) verbunden ist.

19. Verdrängerpumpe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kolbeneinrichtung ein Paar von kreisförmi­ gen Scheiben (7) aufweist, die mit entgegengesetzten Enden der Zahnstange (8) verbunden und in je einer des Paars von Röhren angeordnet sind.