DC-Motoren von FAULHABER treiben hocheffiziente tragbare Infusionspumpe an

Es war von Anfang an ein herausforderndes Projekt; Feldärzte müssen schnell zur Stelle sein. Die Armee wollte eine batteriebetriebene Pumpe, die weniger als ein Pfund wiegt, keine elektromagnetische Strahlung aussendet und möglichst geräuscharm arbeitet, um ein Aufspüren zu verhindern. Um diese Anforderungen zu erfüllen, musste bei der Entwicklung der Wirkungsgrad im Auge behalten werden. Das Ergebnis war der Power Infuser, ein 12,7x10,1x5,8 cm großes Gerät mit einem Gewicht von nur 270 g. Das Gerät kann nicht nur mit der beachtlichen Fördermenge von 100 ml/min pumpen, sondern auch im Bolusmodus arbeiten, wobei es 250 ml in einem einzigen Schub verabreicht und dann anhält, bis ein anderer Befehl gegeben wird.

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.

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 Übersetzung

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