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DC-Motoren von FAULHABER treiben hocheffiziente tragbare Infusionspumpe an

Den meisten Menschen ist vielleicht nicht bewusst, dass der menschliche Körper zu 85% aus Wasser bestehen kann. So wundert es nicht, dass zu den Erstlinienbehandlungen bei Traumapatienten wie verwundeten Soldaten der kontrollierte Flüssigkeitsaustausch gehört, der oft in großen Mengen erfolgt. Das Problem ist, dass herkömmliche Infusionspumpen in der Regel so ausgelegt sind, dass sie kleine Flüssigkeitsmengen von 100 ml mit hoher Genauigkeit über eine Stunde oder mehr abgeben, was für eine Traumabehandlung aber bei Weitem nicht ausreicht. Als die U.S. Army auf der Suche nach einem kompakten, tragbaren Feldgerät war, das mit einer Fördermenge von 100 ml/min betrieben werden konnte, setzte Infusion Dynamics (jetzt Zoll Medical Corp.) bei der Antwort auf eine Motion-Control-Lösung mit effizienten, drehmomentstarken DC-Motoren von FAULHABER.

Das System besteht aus einer modularen Pumpe, auf deren Oberseite eine Einwegkartusche angeordnet ist. Das Gerät wird mit sechs AAA-Batterien betrieben, die insgesamt 9 V liefern. Die Zielvorgabe der Army lautete, dass ein Satz Batterien für die Infusion eines Patienten ausreicht. Das fertige Gerät ist so effizient, dass es acht bis zehn Stunden lang die volle Fördermenge liefern kann, so dass ein einziger Batteriesatz ausreicht, um mehrere Patienten zu infundieren.

DC-Motoren von FAULHABER treiben hocheffiziente tragbare Infusionspumpe an
Ein Bügel, der von einem rotierenden Exzenternocken hin- und herbewegt wird, komprimiert zuerst einen Schlauch und dann den anderen, um Flüssigkeiten zu pumpen. (Mit freundlicher Genehmigung von Zoll Medical)
DC-Motoren von FAULHABER treiben hocheffiziente tragbare Infusionspumpe an
The Power Infuser consists of a base pump unit topped by a disposable cartridge. (Courtesy of Zoll Medical)

Wirkungsgrad geht vor

Der mechanische Teil der Pumpeneinheit besteht aus einem eloxierten Aluminiumrahmen, auf dem ein Bügel mit zwei Flanschen an der Unterseite in einer Gabelkonfiguration sitzt. Die Einwegkartusche oben auf dem Bügel besteht im Wesentlichen aus zwei parallelen, durchsichtigen Kunststoffschläuchen mit passiven Rückschlagventilen an den gegenüberliegenden Enden, die beim Zusammendrücken der Schläuche eine unidirektionale Durchfluss bewirken. Zwischen den Zinken der Gabel auf der Unterseite des Bügels rotiert ein Exzenternocken, der sie zum Hin- und Herpendeln bringt. Dabei drückt ein Vorsprung auf jeder Seite den Schlauch der darüber liegenden Kartusche zusammen. Dadurch wird die Flüssigkeit aus dem Kartuschenschlauch in den Infusionszugang des Patienten geleitet.

Um die Batterielebensdauer zu maximieren, konzentrierte sich das Entwicklerteam zunächst auf den Wirkungsgrad. Jedes Mal, wenn einer der Schläuche zusammengedrückt wird, speichert er potenzielle Energie. Sobald die Flüssigkeit ausgestoßen ist, wandelt sich die potentielle Energie in kinetische Energie um, da die Ausdehnung des leeren Schlauches das Pendeln des Bügels zur anderen Seite verstärkt und damit beginnt, den anderen Schlauch zusammenzudrücken. „Das ist unglaublich effizient,“ sagt Michael Loughnane, heute Präsident von Instech Labs und einer der Entwickler des Geräts. „Würde man nur einen Schlauch verwenden, dann würde man bei einer bestimmten Leistung eine bestimmte Fördermenge erhalten. Fügt man den zweiten Schlauch hinzu, steigt der Leistungsbedarf nur geringfügig an, aber die Durchflussmenge verdoppelt sich. Wir machen uns diese symmetrische Pumpwirkung zunutze, um den optimalen Wirkungsgrad aus dem Mechanismus herauszuholen.“

Die Pumpe wurde so konstruiert, dass die Bewegung niemals einen Schlauch vollständig verschließt. Eine solche vollständige Sperrung, wie sie in Peristaltik-Pumpen zu finden ist, verbraucht Energie, sowohl für die Kompression als auch für die Regulierung des Rückflusses. In den Kartuschenkörper ist ein separater Luftausschlussfilter eingebaut, der aus einer hydrophilen und einer hydrophoben Membran besteht. Durch die hydrophobe Membran wird Luft nach außen gepresst. Dieser Teil der Kartusche stellt sicher, dass keine Luftblasen in den Infusionszugang gelangen. „Man könnte tatsächlich den Beutel auf den Boden fallen lassen. Dann wird die gesamte Luft herausgepumpt und anschließend die im Beutel befindliche Flüssigkeit gepumpt,“ sagt Mitentwickler Kenneth Cook.

Als Antrieb für den Bügel benötigte das Team einen DC-Motor, der ein ausreichend hohes Drehmoment zum Zusammendrücken der Schläuche liefern konnte, jedoch in einem Gehäuse, das klein genug war, um den Größenbeschränkungen der Pumpe Rechnung zu tragen. Vor allem aber musste er einen hohen Wirkungsgrad haben. „Anhand eines mathematischen Modells haben wir das beste Übersetzungsverhältnis und die beste Drehzahl ermittelt und dann einen geeigneten Getriebemotor und passende Getriebeübersetzungen ausgewählt, um diese Kriterien zu erfüllen,“ sagt Loughnane. Die Wahl fiel auf einen DC-motor mit 13 mm Durchmesser und 31 mm Länge von FAULHABER, der mit einem Getriebe mit 15 mm Durchmesser ausgestattet ist und ein Untersetzungsverhältnis von 76:1 hat. „Wir haben uns auch die Produkte einiger anderer Unternehmen angesehen,“ so Loughnane weiter. „Dabei haben wir festgestellt, dass von den getesteten Motoren die Produkte von FAULHABER die höchsten Wirkungsgrade hatten.“

Das Team baute seine ersten Prototypen noch mit 9-V-Motoren, entdeckte aber bald, dass beim Einsatz eines 12-V-Modells unterhalb der maximalen Stromaufnahme eine effizienterer Betrieb möglich ist. „Die Stromaufnahme des Motors ist in der Regel besser, wenn man nicht am oberen Ende der Leistungsgrenzen arbeitet,“ sagt Loughnane. „Es ist eine effizientere Lösung als eine, die bei 9 V funktioniert und mit vollen 9 V betrieben wird.“ Das Team nahm eine Modifikation am Getriebemotor vor und fügte am distalen Wellenende ein externes Lager hinzu, um eine zusätzliche Abstützung zu schaffen.

DC-Motoren von FAULHABER treiben hocheffiziente tragbare Infusionspumpe an
Die Motion-Control-gestützt arbeitende Infusionspumpe (eine vom Patienten am Handgelenk getragene schwarze Box) kann bei Trauma-Patienten Flüssigkeiten mit einer Rate von 100 ml/min austauschen.

Kontrolle behalten

Nachdem die mechanische Konstruktion nun abgeschlossen war, war das nächste Problem die Steuerung. Das Gerät sollte keine elektromagnetische Störstrahlung aussenden, so dass die Verwendung eines herkömmlichen Mikroprozessors ausgeschlossen war. Stattdessen entschied sich das Team für eine diskrete Logik und eine analoge Steuerung mit Gegen-EMK-Rückkopplung. Der Wahlschalter, mit dem die Fördermenge der Pumpe eingestellt wird, legt eine Spannung fest, welcher die verstärkte Gegen-EMK des Motors entsprechen muss. Die Analogschaltung variiert das an den Motor gelieferte Ansteuersignal in Abhängigkeit von den Ergebnissen, so dass ein geschlossener Drehzahlregelkreis entsteht.

„Über die Gegen-EMK-Konstante können wir bestimmen, wie schnell der Motor läuft,“ sagt Loughnane. „Eines der Dinge, die uns an den Motoren von FAULHABER gefallen, ist die Tatsache, dass die Gegen-EMK-Konstanten deutlich innerhalb der spezifizierten 10% liegen; sie sind sogar noch viel besser. Würde dieser Wert von Motor zu Motor variieren, wäre das ein Problem, aber er hat sich als sehr gut und konsistent erwiesen.“

Um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, steuert die Drehzahlregelung den Motor nur in Vorwärtsrichtung an. Sie versucht nicht, die Drehzahl des Motors über den gesamten Zyklus hinweg konstant zu halten. Stattdessen ermöglicht die Schaltung eine Art elektrisches Freilaufverhalten, wenn der Motor nach einer Spitzenlast beim Zusammendrücken der Schläuche aufgrund der gespeicherten potentiellen Energie etwas schneller läuft.

Ein vorteilhafter Nebeneffekt dieses Steuerungskonzepts besteht darin, dass der zum Ansteuern des Motors erforderliche Strom direkt mit dem Verschlussgrad der Schläuche verknüpft ist. Wenn der Strom über einen bestimmten Schwellenwert steigt, weil die Pumpe verstopft ist, schaltet sich das Gerät automatisch ab. Eine Abschaltung erfolgt auch, wenn der Infusionszugang an eine unterdimensionierte Nadel angeschlossen ist, die einen Rückflussdruck bewirkt. Laut Loughnane sind Nadeln der Größe 18 das Optimum für Traumapatienten; die automatische Abschaltung kann einen Fehler verhindern.

Das System umfasst außerdem ein Paar Edelstahlstifte, die in der Flüssigkeitspassage die Leitfähigkeit messen. Sollte durch ein Versagen des Eliminationsfilters Luft in den Schlauch gelangen, steigt der Widerstand, und die Pumpe bleibt stehen. Der Arzt muss dann die Luft entfernen und die Pumpe neu starten. Das Leitfähigkeits-Messgerät kann auch erkennen, ob die richtige Flüssigkeit verwendet wird - eine Kochsalzlösung oder eine andere Lösung mit einer physiologischen Salzkonzentration.

FAULHABER SR
1331 ... SR
Edelmetallkommutierung
Datenblatt (PDF)
Eckdaten
Durchmesser:
8 ... 22 mm
Länge:
15.8 ... 32.2 mm
Nennspannung:
3 ... 36 V
Drehzahl bis:
17000 min⁻¹
Dauerdrehmoment bis:
10 mNm
Dauerleistung bis:
8.5 W
Produktdetails

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