DE19645725C1 - Implantable and controllable valve for medical use - Google Patents

Implantable and controllable valve for medical use

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    • A61M27/002—Implant devices for drainage of body fluids from one part of the body to another
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Abstract

The implantable valve has a channel (3) for fluid. A displaceable closure (5) in the channel (3) controls the flow of fluid through the channel. A spring element (2) acts on the closure (5) to control the fluid flow in dependence on the pressure acting on the spring element (2). The spring element (2) has at least one expandable plate (8). The plate (8) has a surface fixedly connected to a second plate (7). The plate (8) expands by different amounts in dependence on a voltage or a current. The second plate may also expand by different amounts in dependence on a voltage or a current. The valve may also have a circuit to control the voltage applied to the plates in dependence on the pressure of the fluid at the valve input. The spring element (2) may be a piezoceramic element. It may be a bimorphous, monomorphous or multimorphous piezoceramic element.

Description

Die Erfindung betrifft ein implantierbares und steuerbares Ventil für medizinische Anwendungen, insbesondere zur bedarfsgesteuerten Ableitung von Hirnwasser bei Hydrozephalus-Patienten.The invention relates to an implantable and controllable Valve for medical applications, especially for on-demand drainage of brain water Hydrocephalus patients.

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.There is a need in medical applications, one certain amount of fluid depending on local Derive pressure conditions. For example, at Patients with a water head (hydrocephalus) one Hose connection implanted with a pressure relief valve. This so-called shunt system conveys brain water (liquor) Brain pressure rises above a set value in the Abdominal cavity so that overpressure in the brain is avoided.

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.From the company Bess Medizintechnik GmbH, Berlin a Shunt system ("BEVERLY reference valve") offered that alone is controlled by the ventricular pressure. A similar one Valve is also described in U.S. Patent 4,551,128. Of the Overpressure at the valve inlet is reduced to a large area Membrane transmits and opens by overcoming one a spring exerted counterforce an exhaust piston. The Valve must be adjusted during manufacture so that a defined pressure-flow characteristic is generated.

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 DE-PS 23 40 617 C2 a valve is described in which a spring for pressure-dependent opening of the valve with a Sensor device for variable preloading of the spring connected is. The sensor device has a fluid-controlled one Valve bubble that interacts with the spring. This arrangement is due to the interaction between the spring and the valve bladder difficult to adjust and has tolerances in operation.  

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.DE-OS 27 52 087 also carries out a Valve control by means of control pressure introduced from the outside suggested. There is a ball in the valve opening provided that is attached to a lever arm. The lever arm is actuated by the control pressure, so that the valve can be opened and closed remotely. The Manufacturing this arrangement requires a very high one Precision. In addition, a complex fluid control is included appropriate lines for the control pressure required.

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.Another shunt system "Precision Flow" is from the company Cordis® is offered, in which a fluid flow through channels in a passage space is passed through a membrane is completed. A runs in the middle of the membrane Pen with a notched surface. The membrane slides depending on the fluid pressure along the pin and increases the Passage in the passage space and along the pin. The printing Flow characteristics are also preset at the factory. An almost identical system for this is also in the US PS 5,437,627.

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.In U.S. Patents 5,167,615 and EP 0 688 575 A1 programmable shunt systems described in which the Pressure-flow characteristics with a magnet from the outside are adjustable. So that the derived amount of fluid Subsequent patient needs without another Operation to be customized. For this purpose, a spring, which is on a ball acts to close a valve Prestressed torsion. The support carries Permanent magnets and can be used with an extracorporeal Magnet pair can be rotated. However, the patient has to get away from Keep magnetic fields away to prevent unintentional adjustment to avoid the shunt system. In addition, the location of the  Support checked radiologically after adjustment will.

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.The Cordis® company has a differential pressure valve system developed that works on the ball-cone principle. On Such a system is also in DE-PS 30 20 991 C2 described. There is one in a conical channel Ball that is biased by a mechanical spring. At an increase in the fluid pressure on the ball becomes the spring pushed away so that the ball is no longer pressed into the cone and opens a passage for the fluid. The problem this arrangement consists in the extremely complex precision engineering, the absolute precision work required. As a result, the price of the valve is relatively high. In addition, the pressure-flow characteristic is from the spring dependent and must be set during production will. A subsequent adjustment of the characteristics the patient's concerns are not possible.

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. The object of the invention was to provide an implantable and controllable valve for medical applications with one Channel for fluid, a sliding closing body in the Channel to control the fluid flow and one on the Closing body acting spring element for controlling the Fluid flow depending on the spring element to create acting pressure, the pressure flow Characteristics from the outside even after implantation is adjustable. The valve should be small, reliable and be inexpensive. To control the valve should be a low power consumption and a low control voltage to be required.  

Die Aufgabe wird durch das Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The task is performed by the valve with the characteristics of the Claim 1 solved.

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.The one acting on the closing body of the valve Spring element consists of at least one stretchable plate, which is firmly attached to a surface on a second plate and is dependent on a voltage or a current expands to different degrees.

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.In one embodiment, instead of a mechanical Used a very inexpensive piezoceramic actuator. This can be monomorphic, bimorphic, trimorphic or multimorph element. The valve is much cheaper to produce because of a complex precision mechanical manufacturing and assembly of a spring dispensed with can be.

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.Piezoceramic actuators are known and have sensors as very small microsystem components Dimensions. The invention now provides that Piezoceramic to use as an actuator. The piezoceramic works here as a spiral spring, the preload due to change a voltage applied to the piezoceramic can be set is. The piezoceramic has an almost infinitely high Resistance, so that in the static state despite constant applied voltage no energy is consumed. The The valve is therefore easy to control and there is no need for Adjustment and adjustment of the valve during production.

Die Erfindung wird mit der beigefügten Zeichnung erläutert, die ein Ventil mit einem piezokeramischen Aktor zeigt.The invention is explained with the accompanying drawing, which shows a valve with a piezoceramic actuator.

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.The invention is explained with the aid of the drawing, in which a valve 1 for a shunt system with a bimorphic piezoceramic actuator 2 is shown. The valve 1 has a channel 3 for the fluid. The fluid can e.g. For example, cerebrospinal fluid, blood or urine. However, hydrocephalus treatment is presented as the preferred application for valve 1 .

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.The channel 3 has a cone 4 , in which there is a ball 5 for closing the channel 3 . The ball 5 is biased by the bimorphic piezoceramic actuator 2 . This acts as a spiral spring, the bending of which can be adjusted by a voltage at the voltage terminals 6 .

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.In the drawing, the bimorphic piezoceramic actuator 2 is shown schematically. It consists of two ceramic plates 7 , 8 which are fastened one on top of the other and each have a different expansion characteristic depending on the voltage applied. Thin metal layers are applied to the outside of the ceramic plate, which serve as first and second electrodes for the voltage terminals 6 . In the event of a change in voltage, one ceramic plate expands less than the other, so that the piezoceramic actuator 2 bends due to the connection of the ceramic plates 7 , 8 to one another. With a voltage of the order of magnitude of approximately 5 V, the stroke generated by the bend is in the µm range with conventional dimensions of the piezoceramic.

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.In the case of piezoceramic actuators 2 , the so-called hysteresis effect can be used. First of all, the supply voltage at the electrodes is increased and thus a certain bias voltage is set. If the supply voltage is then reduced again, the bias voltage no longer decreases linearly, so that a residual bias voltage of the actuator 2 is maintained even without or with a lower supply voltage. As a result, the supply voltage during operation can be kept lower than is normally necessary. Due to the hysteresis effect, the valve closes reliably even if the supply voltage fails.

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.The piezoceramic actuator can also be constructed as a monomorphic element by using a single ceramic plate which is attached to a metal plate. The metal plate serves as the first electrode. A thin metal layer on the other side of the ceramic plate serves as the second electrode. The actuator 2 can also be a trimorphic element that has an active or non-active element between the ceramic plates. Accordingly, the actuator 2 can also consist of a multiplicity of layers. Such an element is called a multimorph actuator.

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.The valve 1 can be used in shunt systems and z. B. implanted in the skull or in the chest area. An extracorporeal control circuit is provided to control the valve. This can e.g. B. connected to intracorporeal pressure sensors for recording the intracranial pressure.

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.
1. Implantable and controllable valve for medical applications with a channel ( 3 ) for fluid, a displaceable closing body ( 5 ) in the channel ( 3 ) for controlling the fluid flow and a spring element ( 2 ) acting on the closing body ( 5 ) for controlling the Fluid flow as a function of the pressure acting on the spring element ( 2 ), characterized in that
  • - The spring element ( 2 ) consists of at least one stretchable plate ( 8 ),
  • - The plate ( 8 ) with a surface on a second plate ( 7 ) is fixedly connected
  • - The plate ( 8 ) expands to different extents depending on a voltage or a current.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Platte (7) in Abhängigkeit einer Spannung bzw. eines Stroms in unterschiedlichem Maße ausdehnt.2. Valve according to claim 1, characterized in that the second plate ( 7 ) expands depending on a voltage or a current to different degrees. 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.3. Valve according to claim 1 or 2, characterized by a circuit for controlling the voltage on the plates ( 8 , 7 ) depending on the pressure of the fluid at the valve inlet. 4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement eine Piezokeramik ist.4. Valve according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the spring element is a piezoceramic is. 5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement eine bimorphe Piezokeramik ist. 5. Valve according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the spring element is a bimorph Piezoceramic is.   6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement eine monomorphe Piezokeramik ist.6. Valve according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the spring element is a monomorphic Piezoceramic is. 7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement eine multimorphe Piezokeramik ist.7. Valve according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the spring element is a multimorph Piezoceramic is.
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