BLUTBEHANDLUNGSVORRICHTUNG SOWIE VERFAHREN ZU DEREN STEUERUNG

Die Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe zum Fördern von medizinischen

Flüssigkeiten, die über eine Pumpenkammer und einen Verdrängerkörper verfügt, und eine Blutbehandlungsvorrichtung mit einer Verdrängerpumpe. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Verdrängerpumpe zum Fördern von medizinischen Flüssigkeiten.

Die bekannten Verdrängerpumpen verfügen über eine Pumpenkammer und einem

Verdrängerkörper. Die Förderung der Flüssigkeit erfolgt infolge der durch die Bewegung des Verdrängerkörpers in der Pumpenkammer hervorgerufenen Volumenänderung. Bei den bekannten Kolbenpumpen ist der Verdrängerkörper ein in einem Holzylinder geführter Kolben, der von einer Antriebseinheit betätigt wird.

Zur Förderung von medizinischen Flüssigkeiten finden in der Medizintechnik

Membranpumpen Verwendung. Der Vorteil von Membranpumpen liegt in der Trennung der Antriebseinheit von der zu fördernden Flüssigkeit durch eine Membran. In der

Medizintechnik werden an Membranpumpen hohe Anforderungen gestellt. Die

Membranpumpen sollen eine hohe Fördergenauigkeit haben. Membranpumpen mit einer hohen Fördergenauigkeit finden beispielsweise in der Dialyse Verwendung.

In Dialysegeräten werden Membranpumpen eingesetzt, die über eine geräteseitige

Baugruppe und eine nur zur einmaligen Verwendung bestimmte Baugruppe verfügen, die als eine Kassette (Disposable) ausgebildet sein kann. Die Kassette weist eine

Pumpenkammer auf, die von einer elastischen Membran verschlossen ist. Die geräteseitige Baugruppe umfasst einen Betätigungskörper, mit dem die Membran verformt wird, so dass eine Volumenänderung in der Pumpenkammer erfolgt, wodurch die medizinische

Flüssigkeit gefördert wird. In der Saugphase wird der Auslass der Pumpenkammer von einem Auslassventil verschlossen, während der Einlass der Pumpenkammer in der Druckphase von einem Einlassventil verschlossen wird. Die disposableseitige Baugruppe der Membranpumpe kann an die geräteseitige Baugruppe angekoppelt werden, so dass der Betätigungskörper die Membran verformen kann.

Aufgrund der zweiteiligen Ausführung der Membranpumpe ist eine dauerhafte

Verbindung zwischen dem Betätigungskörper und der Membran nicht möglich.

Aus dem Stand der Technik sind zur Erzeugung hoher Drücke in Arbeitsmaschinen Kolben-Membranpumpen bekannt, bei denen die Membran über einen Arbeitsraum in Wirkverbindung steht, der mit Hydrauliköl als Arbeitsfluid befüllt ist. Dadurch soll die Membran entlastet und deren Lebensdauer erhöht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängerpumpe für die Verwendung in der Medizintechnik zum Fördern medizinischer Flüssigkeiten zu schaffen, die eine Trennung von einer geräteseitigen und einer disposableseitigen Baugruppe erlaubt.

Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängerpumpe in einer zweiteiligen Bauweise zum Fördern medizinischer Flüssigkeiten mit einer hohen

Fördergenauigkeit zu schaffen. Darüber hinaus ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Blutbehandlungsvorrichtung mit einer Verdrängerpumpe bereitzustellen und ein Verfahren zum Steuern einer Membranpumpe anzugeben, wobei eine Trennung der

Verdrängerpumpe in eine geräteseitige und eine disposableseitige Baugruppe möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der

unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe für medizinische Flüssigkeiten verfügt über eine Pumpenkammer, einen Verdrängerkörper, einen mit dem Verdrängerkörper in

Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers zum Fördern der Flüssigkeit in die Pumpenkammer bzw. aus der Pumpenkammer und eine Antrieb seinrichtung zum Verfahren des Betätigungskörpers. Zum Ansteuern der Antrieb seinrichtung und des Einlassventils und Auslassventils ist eine Steuereinheit vorgesehen. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass in der Saugphase das Einlassventil geöffnet und das Auslassventil geschlossen und in der Druckphase das Einlassventil geschlossen und das Auslassventil geöffnet ist.

Der Verdrängerkörper kann grundsätzlich unterschiedlich ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verdrängerpumpe eine Membranpumpe, die als Verdrängerköper eine verformbare Membran aufweist, die eine Pumpenkammer verschließt. Der Verdrängerkörper kann aber auch ein Kolben in einem Hohlzylinder sein.

Bei der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpe ist der Betätigungskörper nicht fest mit dem Verdrängerkörper verbunden, sondern der Betätigungskörper steht mit dem

Verdrängerkörper über eine mit Gas befüllte Arbeitskammer, die ein abgeschlossenes Volumen hat, in Wirkverbindung. Da eine feste Verbindung zwischen Betätigungskörper und Verdrängerkörper nicht besteht, erlaubt die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe eine zweiteilige Bauweise mit einer geräteseitigen und einer zur einmaligen Verwendung bestimmten disposableseitigen Baugruppe.

Bei einer Bewegung des Betätigungskörpers wird das in der Arbeitskammer

eingeschlossene Gasvolumen verdrängt, so dass über das Gasvolumen der

Verdrängerkörper betätigt wird. Das von dem Betätigungskörper verdrängte Gasvolumen entspricht dem Volumen an Flüssigkeit, die von dem Verdrängerkörper aus der

Pumpenkammer verdrängt wird.

Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe sieht eine geräteseitige Betätigungseinrichtung und eine disposableseitige Pumpeneinrichtung vor, wobei die Antrieb seinrichtung, der Betätigungskörper und die Arbeitskammer Bestandteil der geräteseitigen

Betätigungseinrichtung und der Verdrängerkörper und die Pumpenkammer Bestandteil der disposableseitigen Pumpeneinrichtung sind. Es ist aber auch möglich, dass eine geräteseitige Betätigungseinrichtung und eine disposableseitige Pumpeneinrichtung nicht vorgesehen sind.

Bei der Ausführungsform mit der geräteseitigen Betätigungseinrichtung und der disposableseitigen Pumpeneinrichtung sind die geräteseitige Betätigungseinrichtung und die disposableseitige Pumpeneinrichtung vorzugsweise derart ausgebildet, dass die disposableseitige Pumpeneinrichtung an die geräteseitige Betätigungseinrichtung ankoppelbar ist. Wenn die Pumpeneinrichtung an die Betätigungseinrichtung angekoppelt ist, wird über das in der Arbeitskammer eingeschlossene Volumen an Gas eine

Wirkverbindung zwischen dem Betätigungskörper und dem Verdrängerkörper hergestellt, so dass der Betätigungskörper den Verdrängerkörper betätigen kann, beispielsweise verfahren oder verformen kann.

Die Arbeitskammer kann unterschiedlich ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die

Arbeitskammer ein Zylinderkörper (Hohlzylinder), in dem ein Kolben als

Betätigungskörper geführt ist. Bei einer Bewegung des Kolbens in dem Hohlzylinder wird das in dem Hohlzylinder eingeschlossene Gasvolumen verdrängt, so dass über das Gasvolumen der Verdrängerkörper betätigt wird.

Die Antrieb seinrichtung weist zum Antrieb des Betätigungskörpers vorzugsweise einen Elektromotor auf, der von der Steuereinheit angesteuert wird.

Zur genauen Einstellung der Fördermenge bzw. Förderrate sieht die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe bei der Kopplung von Betätigungskörper und Verdrängerkörper über ein in einer Arbeitskammer eingeschlossenes Gasvolumen, insbesondere Luftvolumen, eine besondere Ausbildung der Steuereinheit vor.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinheit eine

Druckmesseinrichtung zum Messen des Drucks in der Arbeitskammer auf, beispielsweise einen elektronischen Drucksensor. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass in der Druckphase das Auslassventil in Abhängigkeit von dem mit der Druckmesseinrichtung gemessenen Druck derart angesteuert wird, dass der Druck p in der Arbeitskammer beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt. Dabei wird vorausgesetzt, dass sich auch die Temperatur T nicht verändert, wovon in der Praxis ausgegangen werden kann.

Darüber hinaus ist die Steuereinheit vorzugsweise derart ausgebildet, dass die

Antrieb seinrichtung derart angesteuert wird, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll-Fördermenge oder die Förderrate einer vorgegebenen Soll-Förderrate entspricht. In der Druckphase, d. h. wenn der Verdrängerkörper die Flüssigkeit aus der Pumpenkammer verdrängt, ist der Ist-Druck in der Arbeitskammer konstant, so dass sich das geförderte Volumen an Flüssigkeit aus dem Verfahrweg des Betätigungskörpers ergibt. Für die Förderung einer bestimmten Soll-Fördermenge gibt die Steuereinheit eine bestimmte Wegstrecke vor, um die der Betätigungskörper verfahren wird, während die Steuereinheit zur Einstellung einer bestimmten Soll-Förderarte für die Bewegung des Verdrängerkörpers eine bestimmte Geschwindigkeit vorgibt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich der Soll-Fluss über den Verfahrweg des Betätigungskörpers einstellen lässt, wobei zur Einstellung des konstanten Drucks in der Arbeitskammer nicht der Betätigungskörper, sondern das Auslassventil von der Steuereinheit entsprechend angesteuert wird.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht einen Wegsensor zum Messen des Verfahrweges des Betätigungskörpers vor, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass auf der Grundlage des gemessenen Verfahrweges des Betätigungskörpers die Ist- Fördermenge oder Ist-Förderarte berechnet und die Antriebeinrichtung derart ansteuert wird, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder Ist-Förderrate der Soll- Förderrate entspricht.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass in der Druckphase nicht das Auslassventil, sondern die Antrieb seinrichtung in Abhängigkeit von dem mit der Druckmesseinrichtung gemessenen Druck derart angesteuert wird, dass der Druck in der Arbeitskammer beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt. Darüber hinaus ist die Steuereinheit vorzugsweise derart ausgebildet, dass das

Auslassventil derart angesteuert wird, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder Ist-Förderarte der Soll-Förderrate entspricht. Bei der alternativen Ausführungsform wird der Druck durch die Steuerung der Bewegung des Betätigungskörpers konstant gehalten. Die Bewegung des Betätigungskörpers bestimmt den Ist-Fluss. Die Einstellung des Soll-Flusses erfolgt bei dieser Ausführungsform dadurch, dass von der Steuereinheit das Auslassventil entsprechend angesteuert wird.

Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe findet insbesondere als Membranpumpe in medizintechnischen Geräten zum Fördern einer medizinischen Behandlungsflüssigkeit Verwendung, beispielsweise in einer Blutbehandlungsvorrichtung (Dialysevorrichtung) zur genauen Dosierung einer Antikoagulanzlösung.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Verdrängerpumpe für medizinische Flüssigkeiten, die über eine Pumpenkammer, einen Verdrängerkörper, einen mit dem Verdrängerkörper in Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers, eine Antrieb seinrichtung zum Verfahren des

Betätigungskörpers und ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Verdrängerkörper von dem Betätigungskörper über ein

abgeschlossenes Volumen an Luft, das in einem Arbeitsraum eingeschlossen ist, betätigt wird.

Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Auslassventil in Abhängigkeit von dem Druck in dem Arbeitsraum derart angesteuert, dass der Druck in dem Arbeitsraum beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt, und der Betätigungskörper wird derart verfahren, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll- Fördermenge oder die Förderarte einer vorgegebenen Soll-Förderarte entspricht.

Bei einer zweiten alternativen Ausführungsform wird der Betätigungskörper in

Abhängigkeit von dem Druck in dem Arbeitsraum derart angesteuert, dass der Druck in dem Arbeitsraum beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt, und das Auslassventil wird derart angesteuert, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll- Fördermenge oder die Förderarte einer vorgegebenen Soll-Förderarte entspricht.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpe in vereinfachter schematischer Darstellung, Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung einer ersten Ausführungsform für die Steuerung des Auslassventils und des Betätigungskörpers der Verdrängerpumpe und

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung einer zweiten Ausführungsform für die Steuerung des Auslassventils und des Betätigungskörpers der Verdrängerpumpe .

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine medizinische

Behandlungsvorrichtung, insbesondere Dialysevorrichtung, die über die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe 1 verfügt. Die Dialysevorrichtung weist einen extrakorporalen

Blutkreislauf 2 auf, der nur schematisch dargestellt ist. Mit der Verdrängerpumpe 1 wird eine medizinische Flüssigkeit für die Durchführung der Behandlung gefördert, die in einem Behältnis 3 bereitgestellt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dem extrakorporalen Blutkreislauf 2 mit der Verdrängerpumpe 1 eine

Antikoagulanzlösung zugeführt.

Die Verdrängerpumpe 1 weist eine Pumpeneinrichtung 4 mit einer Pumpenkammer 5 auf, die Bestandteil einer zur einmaligen Verwendung bestimmten Kassette 6 (Disposable) ist, die in eine Aufnahmeeinheit 7 der Dialysevorrichtung eingesetzt wird. Die

Pumpenkammer 5 weist einen Einlass 8, an den eine Einlassleitung 9 angeschlossen ist, und einen Auslass 10 auf, an den eine Auslassleitung 11 angeschlossen ist. Die

Einlassleitung 9 ist mit dem Behältnis 3 für die Behandlungsflüssigkeit, insbesondere Antikoagulanzlösung, und die Auslassleitung 11 ist mit dem extrakorporalen Blutkreislauf 2 verbunden. Der Zufluss von Flüssigkeit, insbesondere der Antikoagulanzlösung, in die Pumpenkammer 5 wird mit einem Einlassventil 12 und der Abfluss von Flüssigkeit aus der Pumpenkammer 5 mit einem Auslassventil 13 reguliert. Das Einlassventil 12 und das Auslassventil 13, die als elektromagnetische oder pneumatische Ventile ausgebildet sein können, werden von einer Steuereinheit 14 angesteuert, die Bestandteil der zentralen Steuereinheit der Behandlungsvorrichtung sein kann. Die Pumpenkammer 5, die einen zylindrischen Pumpenraum haben kann, ist von einer flexiblen Membran 15 dicht verschlossen, die auf die Oberseite der Kassette 6 aufgebracht ist.

Darüber hinaus weist die Verdrängerpumpe 1 eine geräteseitige Betätigungseinrichtung 16 auf, an die die disopsableseitige Pumpeneinrichtung 4 abdichtend angekoppelt werden kann. Die Abdichtung erfolgt über einander gegenüberliegende Anlageflächen 17, 18 der Pumpeneinrichtung 4 und der Betätigungseinrichtung 16.

Die Betätigungseinrichtung 16 weist eine Arbeitskammer 19 auf, die einen zylindrischen Arbeitsraum haben kann, der an die Pumpenkammer 5 der Betätigungseinrichtung 4 abdichtend angekoppelt werden kann. In der Arbeitskammer 19 ist ein Betätigungskörper 20 längsverschiebbar geführt, der ein Kolben sein kann. Der Antrieb des

Betätigungskörpers 20 erfolgt mit einer Antrieb seinrichtung 21, die einen Elektromotor 22 aufweisen kann, der den Kolben über einen nicht dargestellten Kopplungsmechanismus betätigt.

Wenn die Pumpeneinrichtung 16 an die Betätigungseinrichtung 4 angekoppelt ist, wird in der Arbeitskammer 19 der Betätigungseinrichtung zwischen dem Betätigungskörper 20, d.h. der Stirnfläche des Kolbens, ein Luftvolumen eingeschlossen, so dass eine

Hubbewegung des Kolbens zu einer Verformung des Verdrängerkörpers (Membran) 15 führt, wodurch Flüssigkeit aus der Pumpenkammer 5 verdrängt wird. Dabei entspricht das von dem Kolben verdrängte Luftvolumen dem Volumen an aus der Pumpenkammer verdrängter Flüssigkeit.

Die Steuereinheit 14 zur Ansteuerung der Antrieb seinrichtung 21 sowie des Ein- und auslassventils 12, 13 kann beispielsweise einen allgemeinen Prozessor, einen digitalen Signalprozessor (DSP) zur kontinuierlichen Bearbeitung digitaler Signale, einen

Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), einen aus Logikelementen bestehenden integrierten Schaltkreis (FPGA) oder andere integrierte Schaltkreise (IC) oder Hardware-Komponenten aufweisen, um die einzelnen

Verfahrensschritte zur Regelung des Drucks oder Flusses auszuführen. Auf den Hardware- Komponenten kann zur Durchführung der Verfahrensschritte ein

Datenverarbeitungsprogramm (Software) laufen.

Die Steuereinheit 21 steuert das Einlass- und Auslassventil 12, 13 derart an, dass in der Saugphase das Einlassventil 12 geöffnet und das Auslassventil 13 geschlossen ist und in der Druckphase das Einlassventil 12 geschlossen und das Auslassventil 13 geöffnet ist.

In Fig. 1 sind sämtliche Bauteile nur schematisch dargestellt. Auch die Einlass- und Auslassventile können disposableseitige und geräteseitige Bauteile aufweisen.

Zur Einstellung einer genauen Fördermenge bzw. Förderrate sieht die Steuereinheit 14 folgende Steuerung (Regelung) für die Antrieb seinrichtung 21 des Betätigungskörpers 20 und für das Einlassventil 12 und Auslassventil 13cvor.

Die Erfindung beruht auf der thermischen Zustandsgieichung idealer Gase (p V = n R _m T, wobei p der Druck, V das Volumen, n die Stoffmenge, R _m die molare Gaskonstante und T die Temperatur ist). Wenn der Druck p und die Temperatur T in der Arbeitskammer 19 konstant gehalten wird, verändert sich nach der allgemeinen Gasgleichung bei der Hubbewegung des Betätigungskörpers (Kolben) das in dem Arbeitsraum eingeschlossene Luftvolumen nicht. Daher wird der Druck konstant gehalten. Die Steuereinheit 14 weist eine Druckmesseinrichtung 23, beispielsweise einen elektronischen Drucksensor auf, der den Ist- Druck in der Arbeitskammer 19 misst.

Nachfolgend werden zwei alternative Ausführungsformen der Steuerung beschrieben. Die Figuren 2 und 3 veranschaulichen die Regelung des Druckes und des Flusses. Die einzelnen Bauteile sind in den Figuren 2 und 3 mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen, wobei Pumpenkammer 19 und Arbeitskammer 5 stark vereinfacht dargestellt sind.

Bei der ersten Ausführungsform ist die Steuereinheit 14 derart konfiguriert, dass die Steuereinheit in der Druckphase das Auslassventil 13 in Abhängigkeit von dem mit dem Drucksensor 23 gemessenen Druck derart ansteuert, dass der Druck p in der Arbeitskammer 19 bei der Hubbewegung des Kolbens 20 konstant bleibt. Dabei misst die Steuereinheit 14 den Ist- Druck pi _St mit dem Drucksensor 23 und vergleicht den Ist- Druck mit dem Soll-Druck p _so ii, der konstant gehalten werden soll. Zur Erhöhung bzw.

Verringerung des Ist- Drucks wird der Ventilkörper des Auslassventils 13 entsprechend geöffnet bzw. geschlossen, so dass der Druck konstant ist.

Die Fördermenge der Verdrängerpumpe wird bei der ersten Ausführungsform über den Verfahrweg des Betätigungskörpers geregelt, der mit einem Wegsensor 24 gemessen wird. Die Steuereinheit 14 ist derart konfiguriert, dass auf der Grundlage des gemessenen Verfahrweges des Betätigungskörpers die Ist-Fördermenge oder Ist-Förderrate berechnet wird. Das verdrängte Luftvolumen, das der Fördermenge entspricht, berechnet sich aus dem Produkt von dem mit dem Wegsensor 24 gemessenen Verfahrweg x und der

Querschnittsfläche der Arbeitskammer 19 bzw. Stirnfläche des Kolbens 20. Die

Steuereinheit 14 steuert die Antriebeinrichtung 21 derart an, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder die Ist-Förderrate Qi _St der Soll-Förderrate Q _so ii entspricht.

Bei der alternativen Ausführungsform ist die Steuereinheit 14 derart konfiguriert, dass in der Druckphase die Antrieb seinrichtung 21 in Abhängigkeit von dem mit dem

Drucksensor 23 gemessenen Druck derart angesteuert wird, dass der Druck p in der Arbeitskammer beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt. Zur Erhöhung bzw. Verringerung des Ist-Drucks pi _St auf den konstanten Soll-Druck p _so ii erhöht bzw. verringert die Steuereinheit 14 die Vorschubgeschwindigkeit des Betätigungskörpers. Hierzu kann die Drehzahl des Elektromotors 22 erhöht bzw. verringert werden. Dabei wird das Auslassventil 13 von der Steuereinheit 14 derart angesteuert, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder Ist-Förderrate Qi _St der Soll-Förderrate Q _so ii entspricht. Zur Erhöhung bzw. Verringerung der Fördermenge bzw. Förderrate wird das Auslassventil weiter geöffnet bzw. geschlossen.