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Implantierbare Strömungsmaschine (hydraulischer Widder) zur
Blutkreislaufunterstützung beim Herzversagen.
Einführung und Stand der Technik
Ein hydraulischer Widder ist eine Maschine, welche im Gegensatz zu den Pumpen zu den
sogenannten Strömungsmaschinen gehört, wie zum Beispiel eine Turbine, die vom strömenden
Wasser angetrieben wird.
erzeugen Strömungsenergie, während Strömungsmaschinen Energie aus der vorhandenen
Strömung entnehmen.
Wie aus dem Artikel der höheren technischen Bundeslehranstalt Salzburg aus dem Jahre 2000
hervorgeht, wird mit dem dort beschriebenen und hergestellten hydraulischen Widder ein
Springbrunnen betrieben. Der hydraulische Widder wird dort dazu verwendet, die Wasser- Fontäne
eines Springbrunnen dauernd in die Höhe zu treiben. (Siehe auch die Erklärungen zu den beiden
Abbildungen auf den folgenden Seiten)
Der hydraulische Widder ist eine Strömungsmaschine, die in manchen Lexika als älteste Maschine der
Welt bezeichnet wird. Der hydraulische Widder wurde von dem Engländer Whitehurst erfunden. Seine
Art der Ausführung der Maschine bedurfte allerdings der Umschaltung des Sperrventils per Hand. Erst
als 1797 Josef Mongolfier (einer der Brüder Mongolfier, die den bekannten Heißluft-Ballon ebenfalls
erfanden) das Sperrventil derartig konstruierte, dass es automatisch öffnete und schloss, wurde der
hydraulische Widder an vielen Orten gebaut und eingesetzt, und arbeitet jahrzehntelang wartungsfrei
...
Allgemeine Beschreibung des hydraulischen Widder
Im Prinzip fordert der hydraulische Widder durch die Verwendung vorhandener Strömungsenergie
Wasser auf ein gewünschtes höheres Niveau.: In den technischen Einzelheiten geschieht dies
folgendermaßen:
der hydraulische Widder besteht allgemein aus einem Rohr, in welches oben Wasser hinein fließt und
am Ende des Rohres durch zwei Ventile wieder heraus fließt, wobei ein Teil des einströmenden
Wassers, durch das Sperrventil wieder in den Bach zurückströmt, während durch das Förderventil
(auch Druckventil genannt) der andere Teil Wasser auf ein höher liegendes Niveau gepumpt wird. In
den folgenden zwei Abbildungen und Beschreibungen sieht man die Anordnung der Ventile einmal so,
dass das Sperrventil vor dem Druckventil und das andere Mal so, dass das Druckventil vor dem
Sperrventil angeordnet ist. Diese starre Maschine hat also als bewegliche Teile lediglich diese beiden
Ventile.
Die beiden folgenden Bilder und ihre Beschreibungen verdeutlichen die Funktionsweise und ihre
Verwendung zum Betreiben eines Springbrunnen.
Funktionsprinzip:
Ein Hydraulischer Widder nutzt zum Betrieb das Prinzip des sogenannten
Druckstoßes.
Durch die Zulaufleitung fließt das Wasser, das von einem
stehenden oder fließenden Gewässer stammt, zum Widder.
Dieses fließt durch den Widder hindurch und strömt durch
das Stoßventil wieder aus. Durch den Volumenstrom des
Wassers wird der Stössel nach oben bewegt, bis er
schließlich den Durchfluss absperrt. Dadurch wird eine
Druckwelle ausgesendet, ein Druckstoß findet statt. Der
Druckstoß bewirkt, dass der Druck im Widder und in der
Druckleitung schlagartig ansteigt. Durch den hohen Druck
öffnet sich das Flatterventil (im Ausgangszustand ist es
geschlossen), welches im Prinzip ein Überdruckventil ist.
Das Wasser strömt nun aufgrund der vorhandenen
Druckdifferenz und der noch vorhandenen Strömung in den
Druckkessel. Dadurch gleicht sich das vorhandene
Ungleichgewicht teilweise aus. Da am oberen Ende der
Steigleitung Atmosphärendruck herrscht und im
Druckkessel ein entsprechend höherer Druck vorhanden
ist, ergibt sich auch hier wiederum eine Strömung. Ein Teil
des Wasser wird durch die Steigleitung zum Hochbehälter
gefördert. Wenn der Druck, der am Stoßventil anliegt
wieder abnimmt, sinkt dieses durch sein Gewicht nach
unten. Der Strömungsquerschnitt wird wieder freigegeben
und das Wasser strömt wieder aus, wobei auch der Stössel
wiederum nach oben bewegt wird und der Vorgang von
neuem beginnt. Ein Hydraulischer Widder eignet sich neben
seiner historischen Anwendung auch dazu kleinere
Apparate anzutreiben.
Zur Erklärung übernommen aus
http://home.pages.at/s-az/widder/funktionsprinzip.htm
Der allgemeine Anspruch auf das Patent ist dadurch gekennzeichnet, dass das Prinzip des
hydraulischen Widders für den Blutkreislauf genutzt wird, um das rechte und linke Herz zu
unterstützen, wenn es so schwach ist, das heutzutage eine Herztransplantation oder der Einsatz
durch eine künstliche Pumpe durchgeführt wird. Der Patentanspruch besteht also
1.
allgemein darin, dass der hydraulische Widder derartig modifiziert wird, das das Sperrventil nicht
mehr durch die Schwerkraft geöffnet wird sondern durch die Strömungen, also unabhängig
von der Position, unabhängig von der momentanen Lage, geöffnet und geschlossen wird.
2.
ist der hydraulische Widder derartig modifiziert, das der Einstrom und der Ausstrom aus dem
hydraulischen Widder kurz-geschlossenen wird d. h. der sonst offene hydraulische Widder
wird zu einem geschlossenen Hydraulischen Widder modifiziert.
3.
Um nun die Muskelnenergie des Brustkorbes des Zwerchfelles und der Bauchwandmuskulatur
während der Ein- und Aus -Atmung zu nutzen ist der hydraulische Widder weiterhin derartig
modifiziert, das durch ein System von weichen Schläuchen der Druck in der Umgebung aufgenommen
werden kann, im Prinzip nachgeahmt dem Gefäßsystem der Venen, oder einer Vene, die z. B. in
der Bein- Muskulatur verläuft und von außen bei der Muskelbewegung komprimiert, zusammen
gedrückt, wird, wodurch der Blutstrom in der Vene beschleunigt wird.
Im Folgenden wird allgemein beschrieben, wie der hydraulische Widder modifiziert wird, damit der
Blutkreislauf sowohl für das rechte Herz durch die Lunge als auch für das linke Herz durch den großen
Kreislauf angetrieben werden kann.
Der ganz allgemein formulierte Anspruch auf ein Pat. besteht also darin, das der hydraulische
Widder derartig modifiziert wird, das er in die Brusthöhe und Bauchhöhle implantiert werden
kann. Der hydraulische Widder wird dann zum Antrieb für den kleinen und großen Kreislauf
genutzt.
Ein gewöhnlicher hydraulischer Widder ist fest auf einer horizontalen Ebene montiert und ist ein
starres Gerät, welches als bewegliche Teile nur 2 Ventile hat: das Förderventil oder Druckventil und
das Sperrventil. Das Staurohr, in welches das Wasser aus der eventuell auch starren Fallleitung
einläuft, ist starr, ebenso der Windkessel und die Steigleitung, in welche hinein gefördert wird, um das
Wasser in die gewünschte Höhe hinaufzubringen. Nur im so genannten Wind-Kessel ist durch die dort
vorhandene Luftblase die Möglichkeit einer inneren Kompression des dortigen Volumens dieser LuftBlase möglich.
Im Speziellen ist die neue modifizierte hier dargestellte Strömungsmaschine ist dadurch
gekennzeichnet, dass
1. am Sperrventil durch zwei Schläuche das ausströmende Volumen wieder zurück in den
Hydraulischen Widder geleitet wird. (Kurzschlussströmung durch die Rückstrom Schläuche)
2. wird die Geschlossenheit des hydraulischen Widders im weiteren dadurch hergestellt,
dass die durch das Förderventil geförderte Menge in dasselbe System zurück gefördert
wird, aus dem der hydraulische Widder gespeist wird. (Nämlich in das Blutgefäßsystem,
Körperschlagader, Aorta, bzw. Lungenschlagader, arteria pulmonalis).
Der allgemeine Pat. Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Widder so
modifiziert wird, das er dazu dient, den kleinen und großen Blutkreislauf anzutreiben. Dazu wird der
hydraulische Widder für den großen und kleinen Kreislauf modifiziert und weiterhin dahingehend
modifiziert je nachdem ob der hydraulische Widder aus dem linken oder rechten Vorhof in die Brust
(Lungenschlagader) fördert oder aus dem linken Vorhof in den Bauch (Bauch Schlagader).
Der wie oben beschriebene hydraulische Widder ist eine starre Strömungsmaschine mit zwei
beweglichen Ventilen. Er ist in der horizontalen Ebene fest montiert. Durch das Sperrventil fließt
Wasser aus dem hydraulischen Widder heraus, durch das Förderventil am Ende des hydraulischen
Widders wird Wasser auf eine höhere Ebene gepumpt.
Die hier dargestellten neuen Modifikationen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Implantierbare
hydraulische Widder nicht starr ist sondern beweglich. Alle in den Stauwidder hineinführenden
Schläuche sind dehnbar und komprimierbar. Der beim herkömmlichen Hydraulischen Widder starre
Zulauf (Widder- Rohr oder Staurohr) ist derartig modifiziert, also dadurch gekennzeichnet, dass es
nicht dehnbar, also nicht komprimierbar ist, aber beweglich, ähnlich einem harten Gartenschlauch.
Der ansonsten offene hydraulische Widder ist nun hier dadurch gekennzeichnet das er geschlossen
ist. Das aus dem hydraulischen Widder austretende Volumen, welches durch das offene Sperrventil
austritt, läuft in zwei komprimierbare Schläuche. Der eine dieser beiden Schläuche dient als
Zwischenspeicher und führt wieder zurück, im Bauch, zum Anfang des Widder Schlauches. Der zweite
am Sperrventil abgehende Schlauch ist nicht komprimierbar und führt zum Zwerchfell, um dort in
einen komprimierbaren Schlauch überzugehen, der in einer Schleife durch den Brustkorb läuft und
zurückführt zum Durchtritt durch das Zwerchfell. Dieser dient im Brustkorb als Zwischenspeicher. .
Dieser Schlauch führt dann wieder durch das Zwerchfell (etwa hinter dem Brustbein) in den
gemeinsamen Zwischenspeicher im Bauch, in den auch der Zulauf aus dem linken Vorhof einmündet.
Anfang und Ende des Stauwidders sind damit über den Zwischenspeicher im Bauch und den
Zwischenspeicher im Brustkorb kurz geschlossen
Der Antrieb in den Hydraulischen Widder erfolgt durch den Druck im Vorhof, jeweils linken oder
rechten Vorhof, und durch 1. die Atemmuskulatur im Brustkorb (Intercostalmuskulatur, ) durch das
Zwerchfell und durch die Atemmuskulatur des Bauches (Bauchwandmuskulatur).
Um einen Anhaltspunkt zu haben leistet das System in Ruhe für die rechte Seite 0,05 Watt, wenn ein
Liter pro Minute mit einem Druck von 25 Millimeter Quecksilbersäule (Torr) in die Lungenschlagader
gefördert werden beziehungsweise 0,2 Watt wenn ein Liter pro Minute mit einem Druck von 100 Torr
in die Aorta in der Brust beziehungsweise in die Bauch-Aorta gefördert werden. Der Antrieb wird
willkürlich gesteuert, wenn man sich angestrengt und dadurch kräftiger atmet. Die Steuerung, nämlich
wie viel mit welchem Druck gefördert wird , erfolgt also jeweils nach dem Sauerstoff bedarf und
Sauerstoffverbrauch, wie sonst auch durch die Atmung. Man kann sagen die Maschine wird biologisch
gesteuert willkürlich und unwillkürlich. Dadurch wird sofort momentan sowohl die Steuerung der Höhe
des Volumenstromes geregelt als auch die Höhe des Druckes je nach den momentan wechselnden
Druckverhältnissen im Lungenkreislauf und im arteriellen Körperkreislauf. Steigt also plötzlich der
arteriellen Druck in der Aorta (z. B. bei Anstrengung) steigt auch sofort der Druck, mit dem der
hydraulische Widder ein bestimmtes Volumen fördert. Andererseits: strömt mehr Volumen in den
Hydraulischen Widder ein, wird auch sofort mehr Volumen gefördert (nachdem es eventuell kurzzeitig
in den weichen Schläuchen zwischengespeichert wurde). Durch die sofortige Steuerung der Regelung
des Druckes und es geförderten Volumen Stromes in der Anpassung an die wechselnden
Verhältnisse im Organismus ist es auch möglich zwei Systeme gleichzeitig zu implantieren: zur
Unterstützung des rechten Herzens und des Lungenkreislaufs sowie des linken Herzens und des
gesamten Körperkreislaufs
Der Patentanspruch ist also dadurch gekennzeichnet, dass
1. aus dem offenen Hydraulischen Widder
ein geschlossener Hydraulischer Widder fabriziert wird und das
2. die einzelnen Abschnitte des hydraulischen Widders, das sind: Speicher- Becken , FallLeitung oder Zulauf-Rohr, Sperrventil, Förderventil mit Wind-Kessel und Steig-Leitung so
modifiziert werden, also dadurch gekennzeichnet sind: dass sie in den Organismus
implantiert werden können. Das gesamte System ist dabei wieder jeweils dadurch
gekennzeichnet, dass es in der Lage ist, einmal 1. vom rechten Vorhof in die
Lungenschlagader zu fördern oder 2. das gleiche System vom linken Vorhof in die
Brustaorta fördert oder 3. das entsprechend modifizierte System vom linken Vorhof in
die Bauch Schlag Ader (Bauchaorta) fördert. (Siehe die dazugehörigen Filme auf der
CD)
3. Im Besonderen das Sperrventil, ( welches sonst durch die Schwerkraft geöffnet wird , zur
Öffnung herunterfällt, und nur die Schließung durch die Strömung bewirkt wird), nunmehr hier
derartig modifiziert wird, also speziell
dadurch neuartig gekennzeichnet ist, dass es unabhängig von der Position geöffnet und
geschlossen wird. Die Öffnung und Schließung dieses neu konstruierten Ventils erfolgt also
durch die im Stauwidder in der Nähe des Ventils herrschenden Strömungs- und
Druckverhältnisse, also unabhängig von der Schwerkraft. (Wie es z. B. auch bei einem FlatterVentil der Fall ist). Von diesem Ventil werden zwei Arten vorgeschlagen: ein mehr
biologisches Sackventil oder Ballonventil, welches weniger Hämolyse erzeugt, und
welches strömungsdynamisch günstig zum Förderventil gelegen ist (in der Gesamtzeichnung
integriert dargestellt) und ein ganz anders konstruiertes Sperrventil, welches durch ein
frei bewegliches rundes Plätchen charakterisiert ist, welches durch die Strömungen
geschlossen wird, indem das Plätchen auf die Öffnung für den Rückstrom geschwemmt wird
und dadurch absperrt und am Ende der Förderung wieder von der Öffnung für den Rückstrom
abgezogen wird, wodurch ein neuer Rückstrom beginnt. (Siehe extra eigenen Film für Klappe
am Sperrventil)
Allgemeine Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren:
1. das eigene Herz bleibt in seiner Funktionsfähigkeit beziehungsweise mit seiner
momentanen Restleistung voll erhalten. Das Anbringen eines Schlauches am Vorhofohr von
etwa einem Zentimeter Durchmesser ist ein verhältnismäßig kleiner Eingriff gegenüber einer
Herztransplantation, bei der das Herz entfernt werden muss und des Spenderherz neu
eingenäht werden muss. Das Gleiche gilt für künstliche Motor getriebene
Unterstützungssysteme.
2. falls sich das Herz erholen sollte kann das System wieder entfernt werden
3. die Steuerung des hydraulischen Widders erfolgt autogen d. h.: erfolgt durch die eigene
Muskelaktivität während der Ein- und Aus- Atmung.
d. h.: der Einstrom in den hydraulischen Widder wird bestimmt durch die Höhe des Druckes und die
Höhe der Füllung im linken und rechten Vorhof. Weiterhin erfolgt auch autogen: d. h. durch die Kraft
der Muskulatur bei der Ein -und Aus -Atmung wieviel Druck der hydraulische Widder erzeugt und
wieviel Volumen momentan pro Schlag gefördert wird.
4. die Versorgung nach der Operation besteht lediglich, wie etwa nach einem
Herzinfarkt, in einer Hemmung der Blutgerinnung (Marcumar-Tablette)
Kurze Beschreibung der drei Filme auf der CD:
System für das linke und rechte Herz:
Es wird die Verbindung zwischen dem linken Vorhof und der Bauchaorta beziehungsweise dem
rechten Vorhof und der Lungenschlagader dargestellt: es handelt sich im Prinzip um ein flüssiges
Schwungrad, welches durch die Vorhofmuskulatur, also den Druck im rechten und linken Vorhof
gefüllt wird. Durch die Brustmuskulatur , das Zwerchfell und die Bauchmuskulatur während der Einund Aus-Atmung wird dieses flüssige Schwungrad " gedreht": während der Einatmung strömt Blut aus
dem Bauch in den Brustkorb und während der Ausatmung vom Brustkorb in dem Bauch nach
Maßgabe des durch die Muskulatur erzeugten Druck-Gefälles. Durch die Klappen jeweils am Ende
eines Abschnittes wird ein Rückstrom verhindert, sodass das Blut nur in einer Richtung strömen kann.
Das Blut wird dadurch in den nicht dehnbaren Schlauch getrieben. (Dieser Schlauch entspricht beim
hydraulischen Widder dem Stau-Rohr.) Am Ende dieses Stau-Schlauches befinden sich vier Ventile:
1. das Sperrventil (ein Ballon-Ventil, welches im aufgeblasenen Zustand plötzlich absperrt, damit die
Förderung einleitet und am Ende der Förderungen gelehrt wird, wodurch der Weg für den Rückstrom
wieder freigegeben wird), 2. direkt darunter das Förder-Ventil (oder auch Druck Ventil genannt) durch
welches in die Aorta gefördert wird und welches wie eine Aortenklappe geformt ist, 3. und 4. die
beiden Rücklaufventile, durch welche das nicht geförderte Volumen während der Ein - und Ausatmung
in die weichen Zwischenspeicherschläuche strömt.
Es wird jeweils nur eine Förderung dargestellt (wenn die Pfeile rot werden) während der Einatmung
ununabhängig d eine Förderung während der Ausatmung. Eingezeichnet ist ein Ballonventil, welches
besonders schonend für die roten Blutkörperchen sein soll. Wenn der Ballon voll ist findet die
Absperrung statt. Gleichzeitig wird der Zustrom aus dem linken Vorhof angedeutet sowie die Füllung,
der Rückstrom und die Entleerung der Schläuche während Ein- und Aus-Atmung dargestellt. In
Wirklichkeit finden viele Förderungen statt, z. B. drei pro Sekunde (mit sechs Milliliter pro Schlag),
wenn etwa ein Liter pro Minute gefördert wird. Eine Erhöhung des Fördervolumens kommt durch die
Erhöhung des pro Schlag geförderten Volumens und eine Erhöhung der Anzahl der Förderungen pro
Sekunde zustande.
System für das rechte Herz: entsprechende Darstellung wie für das linke Herz nur das jetzt die
Verbindung von dem rechten Vorhof über den geschlossenen hydraulischen Widder in die
Lungenschlagader stattfindet (prinzipiell entsprechend einem Fontane-Conduit, welcher hier durch
einen hydraulischen Widder verstärkt ist). Zusätzlich ist in diesem Film jeweils eine Diastole und
Systole des rechten Vorhofs und der rechten Kammer mit dargestellt. Außerdem eine zusätzliche nicht
komprimierbare Schlauchverbindung , welche den Durchtritt durch das Zwerchfell mit dem Beginn des
Stauwidder -Schlauches verbindet und welches die Förderung begünstigt.
Allgemeiner Angaben zu den Dimensionen: die optimalen Dimensionen müssen durch ein Modell
festgestellt werden. (Z. B. hätte der Stauwidderschlauch einer Länge von einem Meter und einem
Durchmesser von zwei Zentimeter beim erwachsenen Menschen). Die tatsächliche Anpassung an die
individuelle Größe eines einzelnen Menschen, der Längen und der Durchmesser, erfolgt dann durch
die Dimensionsanalyse. Bei den implantierten Materialien kann weitgehend auf die Erfahrung der
bisherigen Implantationsmedizin zurückgegriffen werden (z. B. die y Prothese für die Bauchaorta, die
dann eine Doppel y Prothese ist).
Technische Klappe: an Stelle des Ballon-Ventils wird hiermit ein weiteres mehr technisches Ventil
vorgeschlagen: ebenso wie das Ballonventil wird auch hier das Plättchen durch die Strömung geöffnet
und geschlossen und wird von der Schwerkraftrichtung von der Strömung bewegt.
Zusammenfassung
Die implantierbare Strömungsmaschine zur Unterstützung des rechten und linken Herzens beim
Herzversagen ist ein modifizierter hydraulischer Widder, der von der Kraft der Muskulatur der Vorhöfe
beziehungsweise von dem Druck in den Vorhöfen gefüllt und angetrieben wird. Die Kraft der
Muskulatur des Brustkorbes, des Zwerchfells und der gesamten Bauchwandmuskulatur treiben
während der Ein - und Ausatmung die Strömung je nach Bedarf an, sodass je nach Sauerstoffbedarf
über ein System von weichen Schläuchen im Brustkorb und Bauchraum das Fördervolumen und der
Druck , mit welchem gefördert wird , jeweils aktuell angepasst werden.