DE19645725C1 - Implantierbares und steuerbares Ventil für medizinische Anwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein implantierbares und steuerbares Ventil für medizinische Anwendungen, insbesondere zur bedarfsgesteuerten Ableitung von Hirnwasser bei Hydrozephalus-Patienten.

In medizinischen Anwendungen besteht ein Bedarf, eine bestimmte Fluidmenge in Abhängigkeit von örtlichen Druckverhältnissen abzuleiten. Zum Beispiel wird bei Patienten mit einem Wasserkopf (Hydrozephalus) eine Schlauchverbindung mit einem Überdruckventil implantiert. Dieses sog. Shunt-System leitet Gehirnwasser (Liquor) bei Ansteigen des Hirndrucks über einen festgelegten Wert in die Bauchhöhle ab, so daß ein Überdruck im Gehirn vermieden wird.

Von der Firma Bess Medizintechnik GmbH, Berlin wird ein Shunt-System ("BEVERLY-Referenzventil") angeboten, das allein über den Ventrikeldruck gesteuert ist. Ein gleichartiges Ventil ist auch in der US-PS 4,551,128 beschrieben. Der Überdruck am Ventileingang wird hierzu auf eine großflächige Membran übertragen und öffnet unter Überwindung einer durch eine Feder ausgeübten Gegenkraft einen Auslaßkolben. Das Ventil muß bei der Herstellung eingestellt werden, so daß eine definierte Druck-Fluß-Charakteristik erzeugt wird.

In der DE-PS 23 40 617 C2 ist ein Ventil beschrieben, bei dem eine Feder zum druckabhängigen Öffnen des Ventils mit einer Fühlervorrichtung zum variablen Vorspannen der Feder verbunden ist. Die Fühlervorrichtung hat eine fluidgesteuerte Ventilblase, die mit der Feder zusammenwirkt. Diese Anordnung ist durch das Zusammenspiel zwischen Feder und Ventilblase schwer justierbar und weist Toleranzen im Betrieb auf.

In der DE-OS 27 52 087 wird ebenfalls die Durchführung einer Ventilsteuerung mittels von außen eingeleiteten Steuerdrucks vorgeschlagen. Dabei ist in der Ventilöffnung eine Kugel vorgesehen, die an einem Hebelarm befestigt ist. Der Hebelarm wird durch den Steuerdruck betätigt, so daß das Ventil ferngesteuert geöffnet und geschlossen werden kann. Die Fertigung dieser Anordnung erfordert eine sehr hohe Präzision. Zudem ist eine aufwendige Fluidsteuerung mit entsprechenden Leitungen für den Steuerdruck erforderlich.

Ein weiteres Shunt-System "Precision Flow" wird von der Firma Cordis® angeboten, bei dem ein Fluidstrom durch Kanäle in einen Durchlaßraum geleitet wird, der durch ein Membran abgeschlossen ist. In der Mitte der Membran verläuft ein Stift, dessen Oberfläche eingekerbt ist. Die Membran gleitet je nach Fluiddruck am Stift entlang und vergrößert den Durchlaß im Durchlaßraum und am Stift entlang. Die Druck- Fluß-Charakteristik ist ebenfalls werksseitig voreingestellt. Ein hierzu nahezu gleichartiges System ist auch in der US-PS 5,437,627 beschrieben.

In den US-PS 5,167,615 und EP 0 688 575 A1 sind programmierbare Shunt-Systeme beschrieben, bei denen die Druck-Fluß-Charakteristik mit einem Magneten von außen einstellbar sind. Damit kann die abgeleitete Fluidmenge den Patientenbedürfnissen nachträglich ohne eine weitere Operation angepaßt werden. Hierzu wird eine Feder, welche auf eine Kugel zum Schließen eines Ventils einwirkt, durch Verdrehung eines Auflagers vorgespannt. Das Auflager trägt Permanentmagnete und kann damit mit einem extrakorporalen Magnetpaar verdreht werden. Der Patient muß sich jedoch von Magnetfeldern fernhalten, um ein unbeabsichtigtes Verstellen des Shunt-Systems zu vermeiden. Außerdem muß die Lage des Auflagers nach dem Justieren radiologisch kontrolliert werden.

Die Firma Cordis® hat ein Differenzdruck-Ventilsystem entwickelt, das nach dem Kugel-Konus-Prinzip arbeitet. Ein derartiges System ist auch in der DE-PS 30 20 991 C2 beschrieben. In einem konusförmigen Kanal befindet sich eine Kugel, die durch eine mechanische Feder vorgespannt ist. Bei einer Erhöhung des Fluiddrucks auf die Kugel wird die Feder weggedrückt, so daß die Kugel nicht mehr in den Konus gepreßt wird und einen Durchlaß für das Fluid freigibt. Das Problem dieser Anordnung besteht in der außerordentlich aufwendigen feinmechanischen Fertigung, die absolute Präzisionsarbeit erfordert. Dadurch ist der Preis des Ventils relativ hoch. Außerdem ist die Druck-Fluß-Charakteristik von der Feder abhängig und muß bereits bei der Herstellung eingestellt werden. Eine nachträgliche Anpassung der Charakteristik an die Belange des Patienten ist nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung war es, ein implantierbares und steuerbares Ventil für medizinische Anwendungen mit einem Kanal für Fluid, einem verschieblichen Schließkörper in dem Kanal zur Steuerung des Fluiddurchflusses und einem auf den Schließkörper einwirkenden Federelement zur Steuerung des Fluidstroms in Abhängigkeit des auf das Federelement einwirkenden Drucks zu schaffen, dessen Druck-Fluß- Charakteristik von außen auch noch nach der Implantation einstellbar ist. Das Ventil sollte zuverlässig, klein und kostengünstig sein. Zur Steuerung des Ventils sollte ein geringer Leistungsbedarf und eine geringe Steuerspannung erforderlich sein.

Die Aufgabe wird durch das Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das auf den Schließkörper des Ventils einwirkende Federelement besteht aus mindestens einer dehnbaren Platte, die mit einer Fläche auf einer zweiten Platte fest verbunden ist und sich in Abhängigkeit einer Spannung bzw. eines Stroms in unterschiedlichem Maße ausdehnt.

In einem Ausführungsbeispiel wird anstelle einer mechanischen Feder ein sehr preiswerter piezokeramischer Aktor verwendet. Dieser kann als monomorphes, bimorphes, trimorphes oder multimorphes Element ausgeführt sein. Das Ventil ist wesentlich günstiger zu produzieren, da auf eine aufwendige feinmechanische Fertigung und Montage einer Feder verzichtet werden kann.

Piezokeramische Aktoren sind als Sensoren bekannt und weisen als mikrosystemtechnische Bauelemente sehr kleinen Dimensionen auf. Die Erfindung sieht nunmehr vor, die Piezokeramik als Aktor zu verwenden. Die Piezokeramik wirkt dabei als Biegefeder, wobei die Vorspannung durch Änderung einer an der Piezokeramik anliegenden Spannung einstellbar ist. Die Piezokeramik hat einen fast unendlich hohen Widerstand, so daß im statischen Zustand trotz konstant anliegender Spannung keine Energie verbraucht wird. Das Ventil ist somit leicht steuerbar und es entfällt die Anpassung und Einstellung des Ventils bei der Fertigung.

Die Erfindung wird mit der beigefügten Zeichnung erläutert, die ein Ventil mit einem piezokeramischen Aktor zeigt.

Die Erfindung wird mit Hilfe der Zeichnung erläutert, in der ein Ventil 1 für ein Shunt-System mit einem bimorphen piezokeramischen Aktor 2 dargestellt ist. Das Ventil 1 weist einen Kanal 3 für das Fluid auf. Das Fluid kann z. B. Liquor (Hirnflüssigkeit), Blut oder Urin sein. Als bevorzugte Anwendung für das Ventil 1 wird jedoch die Hydrozephalusbehandlung vorgestellt.

Der Kanal 3 weist einen Konus 4 auf, in dem sich eine Kugel 5 zum Verschließen des Kanals 3 befindet. Die Kugel 5 wird durch den bimorphen piezokeramischen Aktor 2 vorgespannt. Dieser wirkt als Biegefeder, deren Biegung durch eine Spannung an den Spannungsklemmen 6 einstellbar ist.

In der Zeichnung ist der bimorphen piezokeramische Aktor 2 schematisch dargestellt. Er besteht aus zwei Keramikplatten 7, 8, die aufeinanderliegend befestigt sind und jeweils eine andere Ausdehnungscharakteristik in Abhängigkeit von der angelegten Spannung aufweisen. Auf den Außenseiten der Keramikplatte sind dünne Metallschichten aufgetragen, die als erste und zweite Elektrode für die Spannungsklemmen 6 dienen. Bei einer Spannungsänderung dehnt sich eine Keramikplatte weniger aus als die andere, so daß aufgrund der Verbindung der Keramikplatten 7, 8 miteinander eine Verbiegung des piezokeramischen Aktors 2 auftritt. Bei einer Spannung in der Größenordnung von ca. 5 V liegt der durch die Biegung erzeugte Hub bei herkömmlichen Abmessungen der Piezokeramik im µm-Bereich.

Bei piezokeramischen Aktoren 2 kann der sogenannte Hystereseeffekt ausgenutzt werden. Zunächst wird die Versorgungsspannung an den Elektroden erhöht und damit eine bestimmte Vorspannung eingestellt. Wenn nun die Versorgungsspannung wieder verringert wird, nimmt die Vorspannung nicht mehr linear ab, so daß auch ohne bzw. mit geringerer Versorgungsspannung eine Restvorspannung des Aktors 2 erhalten bleibt. Dadurch kann die Versorgungsspannung im Betrieb geringer gehalten werden, als normalerweise notwendig ist. Das Ventil schließt aufgrund des Hystereseeffekts auch bei einem Ausfall der Versorgungsspannung noch ausreichend zuverlässig.

Der piezokeramische Aktor kann auch als monomorpes Element aufgebaut sein, indem eine einzige Keramikplatte verwendet wird, die auf einer Metallplatte befestigt ist. Die Metallplatte dient dabei als erste Elektrode. Als zweite Elektrode dient eine dünne Metallschicht auf der anderen Seite der Keramikplatte. Der Aktor 2 kann aber auch ein trimorphes Element sein, das zwischen den Keramikplatten ein aktives oder nicht aktives Element aufweist. Entsprechend kann der Aktor 2 auch aus einer Vielzahl von Schichten bestehen. Ein derartiges Element wird multimorpher Aktor genannt.

Das Ventil 1 kann in Shunt-Systemen eingesetzt und unter die Haut z. B. im Schädel- oder im Brustbereich implantiert werden. Zur Steuerung des Ventils ist eine extrakorporale Steuerungsschaltung vorgesehen. Diese kann z. B. mit intrakorporalen Drucksensoren zur Aufnahme des Hirndrucks verbunden sein.

Claims (7)

1. Implantierbares und steuerbares Ventil für medizinische Anwendungen mit einem Kanal (3) für Fluid, einem verschieblichen Schließkörper (5) in dem Kanal (3) zur Steuerung des Fluiddurchflusses und einem auf den Schließkörper (5) einwirkenden Federelement (2) zur Steuerung des Fluidstroms in Abhängigkeit des auf das Federelement (2) einwirkenden Drucks, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Federelement (2) aus mindestens einer dehnbaren Platte (8) besteht,
• - die Platte (8) mit einer Fläche auf einer zweiten Platte (7) fest verbunden ist und
• - sich die Platte (8) in Abhängigkeit einer Spannung bzw. eines Stroms in unterschiedlichem Maße ausdehnt.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Platte (7) in Abhängigkeit einer Spannung bzw. eines Stroms in unterschiedlichem Maße ausdehnt.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Steuerung der Spannung an den Platten (8, 7) in Abhängigkeit von dem Druck des Fluids am Ventileingang.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement eine Piezokeramik ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement eine bimorphe Piezokeramik ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement eine monomorphe Piezokeramik ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement eine multimorphe Piezokeramik ist.