Искусственный желудочек сердца

Полезная модель относится к медицинским аппаратам, предназначенным для замены насосной функции сердца при частичном или полном обходе естественных желудочков сердца, и может использоваться в имплантируемых системах вспомогательного кровообращения.

В корпусе (1) искусственного желудочка сердца размещен мембранный насос с герметичным мембранным разделителем, электромеханическим приводом и толкателем (11), который является исполнительным органом привода. Толкатель (11) механически связан с ходовым винтом (14), соединенным с ротором электродвигателя (13). На поверхности толкателя (11) со стороны мембранного разделителя установлена металлическая накладка (12) с полированной поверхностью. Мембранный разделитель разделяет полость корпуса (1) на жидкостную полость (2) и газовую полость (3). С жидкостной полостью (2), служащей рабочей камерой мембранного насоса, соединен входной патрубок (7) с впускным клапаном (8) и выходной патрубок (9) с выпускным клапаном (10). Под действием толкателя (11) мембранный разделитель совершает возвратно-поступательное движение. Мембранный разделитель состоит из двух эластичных мембран (4 и 5), разделенных полостью (6), заполненной жидким полидиметилсилоксаном. Внутренняя мембрана (4) расположена со стороны жидкостной полости (2). Внешняя мембрана (5) установлена со стороны газовой полости (3). Мембраны (4 и 5) выполнены из полиуретана. Толщина внешней мембраны (5) превышает толщину внутренней мембраны (4).

Технический результат заключается в повышении надежности имплантируемого искусственного желудочка сердца, увеличении ресурса аппарата и обеспечении безопасности пациента при длительной эксплуатации системы вспомогательного кровообращения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к медицинской технике, а более конкретно - к аппаратам, предназначенным для замены насосной функции сердца при частичном или полном обходе естественных желудочков сердца, и может использоваться в имплантируемых системах вспомогательного кровообращения.

Известны различные типы конструкций имплантируемых искусственных желудочков сердца, которые предназначены для использования в системах обхода естественного желудочка сердца. В качестве насосов вспомогательного кровообращения, в частности, применяются мембранные насосы, обеспечивающие более низкую травму перекачиваемой крови по сравнению с другими типами насосов. Передача механической энергии на исполнительный орган мембранного насоса в малогабаритных аппаратах вспомогательного кровообращения осуществляется с помощью электромеханических приводов. В таких аппаратах привод обеспечивает возвратно-поступательное движение исполнительного органа (толкателя), который взаимодействует с герметичным мембранным разделителем.

Так, например, известен искусственный желудочек сердца, включающий в свой состав высокоскоростной электродвигатель, механический преобразователь с винтовой передачей и рабочую камеру мембранного насоса крови с герметичным мембранным разделителем (Куликов Н.И., Толпекин В.Е. Вспомогательное кровообращение и основы системного подхода к проектированию имплантируемых технических средств с пульсирующим кровотоком. - М: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009, с.90). На валу ротора электродвигателя установлена гайка винтовой пары преобразователя движения. Ходовой винт преобразователя движения служит исполнительным органом привода, который взаимодействует с мембранным разделителем. Электромеханический привод мембранного насоса снабжен датчиком положения ротора электродвигателя. С помощью данного датчика определяется пространственное положение мембранного разделителя.

Для исключения разрушения и разгерметизации мембранного разделителя при длительной эксплуатации аппарата в области взаимодействия с ходовым винтом-толкателем на поверхности гибкой мембраны установлена контактная опора. При использовании такой опоры предотвращается взаимодействие толкателя непосредственно с поверхностью упругой мембраны и истирание поверхности мембраны в области контакта. Однако применение контактной опоры усложняет конструкцию мембранного разделителя, снижает ее гибкость и повышает сопротивление при циклических возвратно-поступательных перемещениях в течение ресурса системы вспомогательного кровообращения. Кроме того, несмотря на исключение возможности прямого взаимодействия толкателя с поверхностью мембраны, при работе аппарата не предотвращается возможность образования трещин и нарушения герметичности гибкой мембраны за пределами области размещения контактной опоры.

Наиболее близким аналогом полезной модели является искусственный желудочек сердца, описанный в патенте RU 45618 (МПК A61F 2/24, опубликован 27.05.2005). Аппарат содержит мембранный насос крови с жестким корпусом, в котором установлен эластичный мембранный разделитель и датчик, регистрирующий пространственное положение разделителя.

Электромеханический привод устройства включает в свой состав реверсивный вентильный электродвигатель, датчики положения ротора электродвигателя, преобразователь движения с винтовой парой и толкатель, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения. Гайка преобразователя движения соединена с ротором электродвигателя, а винт преобразователя - с толкателем. На корпусе аппарата расположены два штуцера, один из которых служит для ввода проводов системы электропитания и системы управления и измерения, а второй - для связи газовой полости мембранного насоса с компенсатором давления. Рабочая камера мембранного насоса снабжена входным (всасывающим) и выходным (напорным) патрубками. На указанных патрубках соответственно установлены впускной (всасывающий) и выпускной (нагнетательный) клапаны

В данной конструкции искусственного желудочка сердца отсутствует механическая связь между толкателем и мембранным разделителем в виде локальной опоры. Сферическая поверхность толкателя взаимодействует при контакте с мембранным разделителем с большей частью его поверхности, обеспечивая максимальную площадь контакта. Центрирование перемещаемого толкателя осуществляется с помощью соосно установленной антифрикционной втулки.

Снижение вероятности повреждения эластичного мембранного разделителя в процессе длительной эксплуатации системы вспомогательного кровообращения обеспечивается за счет применения амортизаторов рабочего и обратного хода толкателя и гладкой накладки толкателя. При использовании амортизаторов движения толкателя исключаются ударные нагрузки, действующие на эластичный мембранный разделитель, которые могут привести к разрыву мембранного разделителя. Размещение на поверхности толкателя, контактирующей с поверхностью мембранного разделителя, гладкой накладки позволяет снизить трение между контактирующими поверхностями и обеспечить требуемый ресурс аппарата за счет снижения истирания тонкого (~0,5 мм) мембранного разделителя.

Однако применение амортизаторов движения толкателя и гладкой поверхности контакта с мембранным разделителем не исключает возможности повреждения и разгерметизации мембранного разделителя в результате воздействия циклических механических нагрузок, эффекта старения материала мембраны и химического взаимодействия разнородных сред и материалов. Возможность повреждения и разгерметизации мембранного разделителя может привести не только к снижению ресурса искусственного желудочка сердца, но и к необратимым последствиям в случае попадания газа из газовой полости мембранного насоса в систему кровообращения пациента.

Полезная модель направлена на исключение возможности нарушения герметичности мембранного разделителя насоса в течение заданного ресурса имплантированного искусственного желудочка сердца. Решение данной технической задачи позволит повысить надежность имплантируемого искусственного желудочка сердца, увеличить его ресурс и обеспечить необходимую безопасность для пациента при длительной эксплуатации системы вспомогательного кровообращения.

Технический результат достигается при использовании искусственного желудочка сердца, который содержит корпус, мембранный насос с герметичным мембранным разделителем, электромеханическим приводом и толкателем, выполненным с возможностью контакта с мембранным разделителем, входной патрубок с впускным клапаном, выходной патрубок с выпускным клапаном. Мембранный разделитель выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения и разделяет внутреннюю полость корпуса на жидкостную полость, соединенную с входным и выходным патрубками, и газовую полость, в которой установлен электромеханический привод и толкатель.

Достижение технического результата обусловлено конструкцией мембранного разделителя, которая обеспечивает сохранение герметичности разделителя в течение заданного ресурса устройства Мембранный разделитель выполнен в виде двух эластичных мембран, одна из которых расположена со стороны жидкостной полости, а вторая - со стороны газовой полости. При этом полость между близлежащими поверхностями эластичных мембран заполнена жидким наполнителем.

Выбор конкретного вещества в качестве жидкого наполнителя полости между эластичными мембранами связан с выполнением условия биосовместимости жидкого наполнителя с кровью, заполняющей жидкостную полость мембранного насоса. Данное условие необходимо для продолжения работы системы вспомогательного кровообращения в случае разгерметизации эластичной мембраны, расположенной со стороны жидкостной полости. Кроме того, жидкий наполнитель, заполняющий межмембранную полость, должен обладать свойствами смазочного вещества для снижения трения между двумя эластичными мембранами. С учетом указанных требований в качестве жидкого наполнителя целесообразно применять жидкие синтетические силиконовые материалы. Наиболее предпочтителен выбор жидкого полидиметилсилоксана в качестве наполнителя межмембранной полости.

Эластичные мембраны могут быть выполнены из полиуретана. Толщины эластичных мембран могут быть различными. В частности, для увеличения ресурса аппарата целесообразно, чтобы толщина эластичной мембраны, расположенной со стороны газовой полости, превышала толщину эластичной мембраны, расположенной со стороны жидкостной полости, в 2-3 раза.

Для снижения коэффициента трения между контактирующими поверхностями толкателя и мембранного разделителя на поверхность толкателя устанавливается металлическая накладка с полированной поверхностью.

Далее полезная модель поясняется описанием примера выполнения искусственного желудочка сердца.

На прилагаемых чертежах изображено следующее:

на фиг.1 - искусственный желудочек сердца, в котором положение эластичной мембраны соответствует началу периода вытеснения крови из жидкостной полости мембранного насоса в фазе систолы (данный момент времени соответствует окончанию периода заполнения кровью жидкостной полости в фазе диастолы);

на фиг.2 - искусственный желудочек сердца, в котором положение эластичной мембраны соответствует началу периода заполнения кровью жидкостной полости мембранного насоса в фазе диастолы (данный момент времени соответствует окончанию периода вытеснения крови из жидкостной полости в фазе систолы).

В корпусе 1 искусственного желудочка сердца размещен мембранный насос с герметичным мембранным разделителем, который разделяет внутреннюю полость корпуса на жидкостную полость (рабочую камеру) 2 и газовую (технологическую) полость 3. Мембранный разделитель содержит внутреннюю эластичную мембрану 4 и внешнюю эластичную мембрану 5. Эластичные мембраны 4 и 5 выполнены из полиуретана. Толщина внутренней эластичной мембраны 4 составляет 0,2 мм, а толщина внешней эластичной мембраны 5-0,5 мм.

Между эластичными мембранами образована полость 6, заполненная жидким наполнителем, в качестве которого в рассматриваемом примере используется жидкий полидиметилсилоксан. Расстояние между близлежащими поверхностями эластичных мембран 4 и 5 составляет - 0,5 мм.

Размеры и свойства эластичных мембран 4 и 5 выбираются на основании ряда требований, к числу которых относятся следующие:

- мембраны не должны оказывать сопротивления притоку крови в жидкостную полость мембранного насоса;

- мембраны не должны создавать дополнительное снижение давления во время наполнения жидкостной полости в фазе диастолы.

Жидкостная полость 2 соединена с одной стороны с входным патрубком 7, в котором установлен впускной клапан 8, а с противоположной стороны - с выходным патрубком 9, в котором установлен выпускной клапан 10.

В газовой полости 3 мембранного насоса расположен электромеханический привод толкателя 11, контактирующего с поверхностью внешней эластичной мембраны 5. Толкатель 11 выполняется из алюминиевого сплава. На поверхности толкателя 11 установлена накладка 12, выполненная из нержавеющей стали, с полированной внешней поверхностью. Полированная поверхность накладки 12 непосредственно контактирует с поверхностью эластичной мембраной 5, что исключает возможность ее повреждения при циклическом возвратно-поступательном перемещении вместе с толкателем 11.

Электромеханический привод включает в свой состав реверсный вентильный электродвигатель 13 с полым ротором и механический преобразователь вращательного движения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение толкателя 11. Выходным звеном механического преобразователя движения является ходовой винт 14, который механически связан с толкателем 11. В состав электромеханического привода входят датчики системы измерения, регистрирующие положение ротора электродвигателя 13 в текущий момент времени.

Корпус 1 снабжен штуцерами 15 и 16. Через штуцер 15 проходят токоподводы электродвигателя 13 и токоподводы системы управления и системы измерения. Величина средней механической мощности электромеханического привода мембранного насоса составляет -10 Вт при максимальном ходе толкателя 11-20 мм. Газовая полость 3 мембранного насоса соединена через штуцер 16 с компенсатором давления.

Работа искусственного желудочка сердца, изображенного на фиг.1 и 2 чертежей, осуществляются следующим образом.

Искусственный желудочек сердца, являющийся частью имплантируемой системы вспомогательного кровообращения, подключается в обход естественного сердца. Функционирование искусственного желудочка сердца происходит периодически повторяющимися кратковременными циклами, согласованными с работой естественного сердца. Каждый цикл работы искусственного желудочка сердца состоит из фазы систолы и фазы диастолы. Количество циклов в минуту может изменяться от 40 до 120. Соответственно частота выброса крови из искусственного желудочка составляет от 40 до 120 ударов в минуту.

Перед началом фазы систолы жидкостная полость 3 мембранного насоса полностью заполнена кровью под действием венозного давления. Данное положение мембранного насоса изображено на фиг.1 чертежей. Камера заполняется через входной патрубок 7 и впускной клапан 8. Выпускной клапан 10 выходного патрубка 9 при заполнении жидкостной полости 3 находится в закрытом положении. Толкатель 11 электромеханического привода находится в крайнем нижнем положении и отведен от мембранного разделителя. В данном положении жидкостная камера 2 полностью заполнена кровью, а эластичные мембраны 4 и 5 максимально выгнуты в сторону газовой полости 3. Положение мембранного разделителя в момент полного заполнения, когда скорость ее перемещения практически равна нулю, фиксируется с помощью датчика перемещения разделителя (на чертеже не показан).

В фазе систолы при включении электродвигателя 13 толкатель 11 под действием ходового винта 14 перемешается к внешней эластичной мембране 5. При дальнейшем поступательном движении толкателя 11 устанавливается контакт между поверхностью накладки 12 толкателя и поверхностью внешней эластичной мембраны 5. После этого происходит перемещение мембранного разделителя из нижнего крайнего положения в верхнее крайнее положение (см. фиг.2). Вероятность повреждения эластичной мембраны 5 при контакте с толкателем 11 сокращается за счет использования накладки 12 с полированной поверхностью.

В процессе вытеснения крови из жидкостной полости 2 в фазе систолы кровь поступает в аорту. В данном режиме работы кровь вытесняется из жидкостной полости 2 через выходной патрубок 9 и выпускной клапан 10. В фазе систолы впускной клапан 8 находится в закрытом положении.

При перемещении мембранного разделителя в крайнее верхнее положение (см. фиг.2) происходит увеличение объема газовой полости 4. Постоянное давление в газовой полости 4 поддерживается с помощью компенсатора давления (на чертеже не показан), который подключается к корпусу 1 через штуцер 16.

При достижении мембранным разделителем крайнего верхнего положения система управления вырабатывает сигнал на переключение режима работы электродвигателя 13. Ротор электродвигателя 13 начинает вращаться в противоположном направлении, и толкатель 11, приводимый в движение с помощью ходового винта 14, перемещается в направлении к газовой полости 3. При движении толкателя 11 в обратном направлении начинается фаза диастолы. При открытом впускном клапане 8 и закрытом выпускном клапане 10 кровь под действием венозного давления заполняет жидкостную полость 2. Воздух из газовой полости 3 вытесняется в компенсатор давления через штуцер 16.

Фаза диастолы продолжается до полного заполнения кровью жидкостной полости 2 насоса. Мембранный разделитель занимает крайнее нижнее положение, в котором скорость перемещения мембранного разделителя становится равной нулю. После завершения фазы диастолы цикл работы искусственного желудочка сердца повторяется с заданной периодичностью.

При циклическом возвратно-поступательном перемещении мембранного разделителя в течение срока службы системы вспомогательного кровообращения происходит изменение свойств эластичного мембранного разделителя вследствие деградации свойств материала мембраны при воздействии знакопеременных механических нагрузок и в результате химического взаимодействия различных сред и материалов. При воздействии механических и химических факторов на мембранный разделитель на поверхности эластичных мембран могут образовываться локальные повреждения и усталостные трещины, что в конечном итоге приводит к нарушению герметичности мембран.

За счет использования в качестве мембранного разделителя двух эластичных мембран 4 и 5, разделенных полостью 6, заполненной жидким наполнителем, практически исключается возможность разгерметизации мембранного разделителя при условии нормального (штатного) функционирования всех остальных систем и узлов искусственного желудочка сердца. Данное свойство мембранного разделителя обусловлено тем, что основную механическую нагрузку при работе мембранного насоса несет внешняя эластичная мембрана 5, толщина которой может в 2-3 раза превышать толщину внутренней эластичной мембраны 4. За счет данного конструктивного выполнения полностью исключается трение между эластичной мембраной 4, непосредственно контактирующей с потоком крови, и толкателем 11.

Жидкий наполнитель, заполняющий межмембранную полость 6, выполняет функцию смазочного вещества, исключающего трение между поверхностями эластичными мембранами 4 и 5. При эксплуатации аппарата истиранию подвергается лишь внешняя эластичная мембрана 5 при взаимодействии с полированной поверхностью накладки 12, которая установлена на толкателе 11. Заданный ресурс внешней эластичной мембраны 5 обеспечивается за счет выбора ее толщины и класса чистоты поверхности накладки 12, взаимодействующей с поверхностью мембраны.

В случае повреждения и разгерметизации внутренней эластичной мембраны 4 в процессе длительной эксплуатации аппарата в перекачиваемый поток крови не попадают газовые включения, поскольку межмембранная полость 6 заполнена жидким наполнителем, который биосовместим с кровью. В рассматриваемом примере реализации в качестве жидкого наполнителя используется жидкий полидиметилсилоксан, наиболее оптимально сочетающий в себе свойства жидкого смазочного вещества и материала, биосовместимого с кровью.

При повреждении и разгерметизации внешней эластичной мембраны 5 в газовую полость 3 мембранного насоса может попасть жидкий наполнитель, обладающий смазочными свойствами. В данном случае также не исключается возможность продолжения работы аппарата. Необходимый для работы насоса уровень давления в газовой (технологической) полости 3 поддерживается с помощью компенсатора давления, подключаемого к корпусу 1 через штуцер 16.

Таким образом, заданный ресурс и надежность работы мембранного разделителя в составе искусственного желудочка сердца обеспечивается за счет возможности нормального функционирования аппарата в случае повреждения и нарушения герметичности одной из двух эластичных мембран, входящих в состав мембранного разделителя. Вместе с тем применение мембранного разделителя с двумя эластичными мембранами обеспечивает необходимую безопасность для пациента при длительной эксплуатации имплантированного искусственного желудочка сердца.

Следует отметить, что импеданс притока крови в искусственный желудочек сердца, определяемый податливостью мембранного разделителя, при использовании двухслойной схемы мембранного разделителя с жидким наполнителем увеличивается незначительно по сравнению с мембранным разделителем, состоящим из одной прочной эластичной мембраны.

За счет увеличения ресурса мембранного разделителя и повышения надежности имплантируемого искусственного желудочка сердца гарантийный срок службы системы вспомогательного кровообращения увеличивается с 3000 часов (при использовании однослойной схемы мембранного разделителя) до 10000 часов (при использовании двухслойной схемы мембранного разделителя с жидким наполнителем). Данный результат позволяет использовать созданное техническое решение в имплантируемых системах вспомогательного кровообращения, включаемых в обход естественных желудочков сердца.

Вышеописанный пример осуществления полезной модели основывается на конкретной предпочтительной форме выполнения искусственного желудочка сердца, однако это не исключает возможности достижения технических результатов и в других частных случаях реализации полезной модели. В частности, в зависимости от конкретных задач и условий может выбираться материал и толщина эластичных мембран, а также химический состав жидкого наполнителя, заполняющего межмембранную полость.

1. Искусственный желудочек сердца, содержащий корпус, мембранный насос с герметичным мембранным разделителем, электромеханическим приводом и толкателем мембранного разделителя, входной патрубок с впускным клапаном, выходной патрубок с выпускным клапаном, мембранный разделитель выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения и разделяет внутреннюю полость корпуса на жидкостную полость, соединенную с входным и выходным патрубками, и газовую полость, в которой установлены электромеханический привод и толкатель, отличающийся тем, что мембранный разделитель выполнен в виде двух эластичных мембран, одна из которых расположена со стороны жидкостной полости, а вторая - со стороны газовой полости, при этом полость между близлежащими поверхностями эластичных мембран заполнена жидким наполнителем.

2. Искусственный желудочек сердца по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого наполнителя использован жидкий полидиметилсилоксан.

3. Искусственный желудочек сердца по п.1, отличающийся тем, что эластичные мембраны выполнены из полиуретана.

4. Искусственный желудочек сердца по п.1, отличающийся тем, что толщина эластичной мембраны, расположенной со стороны газовой полости, превышает толщину эластичной мембраны, расположенной со стороны жидкостной полости.

5. Искусственный желудочек сердца по п.1, отличающийся тем, что на поверхности толкателя установлена накладка с полированной поверхностью.