Устройство для формирования пульсирующих потоков в фантомах кровеносных сосудов

Предлагаемое техническое решение (полезная модель) относится к области научных, медицинских и математических моделей, в частности к устройствам для формирования турбулентных потоков в фантомах кровеносных сосудов, посредством оказания соответствующих воздействий на ламинарные потоки текучей среды, и может быть использовано в медицине и ветеринарии, а также в физике, например, при проведении измерений или испытаний оптических и акустических приборов.
Известны три основных направления для практического применения фантомов в медицине и ветеринарии. Использование фантомов является эффективным способом обучения медицинского персонала диагностике тех или иных отклонений в структуре и функциях исследуемого биологического объекта или его отдельной части. Фантомы - безопасное и доступное решение для тестирования и отладки медицинских диагностических систем. Проведение научных исследований, особенно в области фармацевтики требует высокой достоверности получаемых результатов, специальные фантомы позволяют не просто проверить, как протекает та или иная биохимическая реакция, а сделать это в условиях приближенных к реальным.
По патенту US 8926333 В2, МПК G09B 23/28 и G09B 23/30, опубл. 06.01.2015 г. известны устройство, система и способ для моделирования потоков крови. Устройство для моделирования потоков крови содержит анатомический блок и генератор колебаний специальной формы, причем анатомический блок включает в себя герметичный корпус, предназначенный для воспроизведения анатомических условий в организме человека, а генератор колебаний специальной формы включает в себя насос, способный перекачивать текучую среду через, по меньшей мере, одну линию течения жидкости (трубку для жидкости), таким образом, чтобы форма волны заданная генератором колебаний специальной формы передавалась с течением жидкости. Известны варианты устройства для моделирования потоков крови, в которых: совокупность линий течения жидкости расположена внутри и снаружи анатомического блока; имеется точка бифуркации, способная разбивать каждую линию течения жидкости на две или множество линий течения жидкости, при этом совокупность линий течения жидкости содержит как минимум основную линию течения жидкости и параллельную линию течения жидкости; имеется множество клапанов способных, по меньшей мере, частично перекрывать поток жидкости; множество клапанов включает в себя, по меньшей мере, два пережимных клапана и, по меньшей мере, один пропорциональный клапан; основная линия течения жидкости и параллельная линия течения жидкости включают в себя по одному из, по меньшей мере, двух пережимных клапанов; основная линия течения жидкости включает в себя, по меньшей мере, один пропорциональный клапан; один из, по меньшей мере, двух пережимных клапанов способен динамически модулировать падение давления на пропорциональном клапане; по меньшей мере, один пропорциональный клапан способен модулировать статическое сопротивление колебаниям жидкости в, по меньшей мере, одной линии течения жидкости. Система для моделирования потоков крови содержит: вариант устройства для моделирования потоков крови, резервуар для жидкости, систему управления работой линий течения жидкости, ультразвуковой аппарат и воздушный карман, причем этот карман пересекает все линии течения жидкости на выходе из анатомического блока, таким образом, чтобы скрыть блоки системы для моделирования потоков крови расположенные ниже воздушного кармана от аппарата для ультразвуковых исследований.
Устройство и система для моделирования потоков крови предназначены для обучения медицинского персонала проведению ультразвуковых исследований и пониманию связи получаемых при этом структурных изображений и доплеровских картограмм с формой потока крови, т.е. устройство предназначено для образовательных целей. Техническим результатом использования устройства и системы для моделирования потоков крови является разнообразие возможных вариантов потоков в линиях течения жидкости.
Недостатком устройства и системы для моделирования потоков крови является низкая точность формирования пульсирующих потоков, вызванная отсутствием блоков или элементов позволяющих имитировать имеющие место в реальных живых объектах частичные пережатия (деформации) и вибрации стенок кровеносных сосудов, которые возникают в результате физической активности, рабочей деятельности, проблем с тонусом сосудов и т.п.
По патенту CN 101974405 А, МПК С12 M1/00, С12 M1/36, С12М 1/34 и C12N 5/071, опубл. 16.02.2011 г. известно устройство для моделирования кровотока содержащее: резервуар для жидкости, перистальтический насос, камеру для моделирования и обратный клапан последовательно соединенные друг с другом в замкнутый контур с проточным каналом, причем камера для моделирования может иметь форму кровеносного сосуда размещенного в, по меньшей мере, одном герметичном эластичном мешке со стенкой имеющей два воздушных мешка, эти воздушные мешки соединены друг с другом трубкой с электромагнитными клапанами, дополнительная трубка соединяет одну из камер с вакуумным насосом, часть камеры для моделирования в форме кровеносного сосуда выполнена из эластомерного материала, а эластичный мешок из мембранного материала. Известны варианты устройства, в которых: дополнительно содержится датчик давления и датчика потока, необходимые для сбора информации о давлении потока и расходе жидкости, и использовании этой информации при управлении работой устройства; часть камеры для моделирования в форме кровеносного сосуда изготавливается с использованием технологий тканевой инженерии и представляет собой совокупность эндотелиальных клеток и клеток гладкой мускулатуры.
Устройство для моделирования кровотока предназначено для научных целей, в первую очередь связанных с проведением исследований в области тканевой инженерией и культивирования живых клеток стенок кровеносных сосудов в условиях приближенных к физиологическим. Техническим результатом использования устройства для моделирования кровотока является имитация воздействия крови на стенки кровеносного сосуда.
Недостатком устройства для моделирования кровотока является низкая точность формирования пульсирующих потоков, вызванная отсутствием блоков или элементов позволяющих имитировать вибрации стенок кровеносных сосудов, которые возникают в результате физической активности, рабочей деятельности, проблем с тонусом сосудов и т.п.
По патенту CN 103805511 А, МПК С12М 3/00, С12М 1/00 и G01N 33/68, опубл. 21.05.2014 г. известно микрогидродинамическое устройство для моделирования артерий и артериального кровотока с возможностью непосредственного наблюдения за ними, содержащее четыре прозрачных элемента: блок микроканалов для микропотоков, эластичную мембрану для этих каналов, блок формирования отрицательного давления и покровное стекло, причем эластичная мембрана, блок формирования отрицательного давления и покровное стекло последовательно уложены друг на друга, каждый микроканал в блоке микроканалов снабжен впускными и выпускными отверстиями для жидкости, эти отверстия позволяет микроканалам сообщаться с внешним пространством, блок формирования отрицательного давления сконструирован с полыми канавками таким образом, чтобы деформировать эластичную мембрану, которая в свою очередь деформирует стенки микроканалов. Известны варианты микрогидродинамического устройства для моделирования артерий и артериального кровотока с возможностью непосредственного наблюдения за ними в которых: эластичная мембрана, блок формирования отрицательного давления и покровное стекло последовательно соединены с использованием технологии плазменного оксидирования; впускные и выпускные отверстия для жидкости адаптированы для подключения полиэтиленовых трубок; впускные и выпускные отверстия для жидкости представляют собой круглые отверстия диаметром 0.5 мм; эластичная мембрана, блок формирования отрицательного давления и блок микроканалов для микропотоков выполнены из полидиметилсилоксанового материала; на стенки микроканалов нанесены специальные биологически активные вещества.
Микрогидродинамическое устройство для моделирования артерий и артериального кровотока с возможностью непосредственного наблюдения за ними предназначено для фармацевтических исследований в области патогенеза сосудистых заболеваний и скрининга лекарственных веществ биологическими наборами для их обнаружения. Техническим результатом использования устройства является имитация условий артериального кровотока для изучения биохимических процессов в сосудах.
Недостатком микрогидродинамического устройства для моделирования артерий и артериального кровотока с возможностью непосредственного наблюдения за ними является низкая точность формирования пульсирующих потоков, вызванная отсутствием блоков или элементов позволяющих имитировать вибрации стенок кровеносных сосудов, которые возникают в результате физической активности, рабочей деятельности, проблем с тонусом сосудов и т.п.
Ближайшим аналогом (прототипом) разработанной полезной модели является устройство для моделирования динамически изменяющегося пульса (US 8241042 В2, МПК G09B 23/28, опубл. 14.08.2012 г. ), содержащее: исполнительный механизм с валом, неподвижную основу, расположенную на заданном расстоянии от исполнительного механизма и гибкую трубку, первый конец которой сочленен с валом, а второй с неподвижной основой, причем исполнительный механизм сконструирован таким образом, чтобы вращать вал и вместе с ним скручивать часть гибкой трубки, а затем позволять ей вернуться к первоначальному положению. Известны варианты устройства для моделирования динамически изменяющегося пульса, в которых: исполнительный механизм соединен с блоком управления вращением вала и, соответственно, деформацией трубки; блок управления представляет собой контроллер, выполненный с возможностью управления углом, продолжительностью и скоростью вращения вала; исполнительный механизм представляет собой электромотор или роторный шаговый электродвигатель; диапазон вращения вала составляет от 45 до 315 градусов.
Устройство для моделирования динамически изменяющегося пульса предназначено для нужд тестирования работоспособности медицинской техники, в первую очередь прикроватных мониторов. Техническим результатом использования устройства является снижение стоимости и габаритов имитатора динамически изменяющегося пульса.
Недостатком устройства для моделирования динамически изменяющегося пульса является низкая точность формирования пульсирующих потоков, вызванная отсутствием блоков или элементов позволяющих имитировать вибрации стенок кровеносных сосудов, которые возникают в результате физической активности, рабочей деятельности, проблем с тонусом сосудов и т.п.
Технической задачей полезной модели является повышение точности формирования пульсирующих потоков, за счет учета имеющих место в реальных живых объектах частичных пережатий и вибраций стенок кровеносных сосудов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройстве для формирования пульсирующих потоков в фантомах кровеносных сосудов, так же, как и в устройстве, которое является ближайшим аналогом, содержатся электромотор с валом, неподвижная основа, расположенная на заданном расстоянии от электромотора, гибкая трубка, сочлененная с валом, причем электромотор соединен с блоком управления, который выполнен с возможностью управления углом, продолжительностью и скоростью вращения вала, электромотор сконструирован таким образом, чтобы вращать вал и вместе с ним скручивать часть гибкой трубки, а затем позволять ей вернуться к первоначальному положению.
Новым в разработанном устройстве для формирования пульсирующих потоков в фантомах кровеносных сосудов является то, что на концах гибкой трубки имеются впускной и выпускной клапаны, впускной клапан посредством участка гибкой трубки гидравлически связан с насосом с регулируемым потоком, который сконфигурирован таким образом, чтобы сформировать ламинарный поток жидкости, насос с регулируемым входным потоком электрически связан с блоком управления, участок гибкой трубки с ламинарным потоком последовательно жестко сочленен с валом первого электромотора, эксцентриком вибромотора и валом второго электромотора, причем первый электромотор сконструирован таким образом, чтобы его вал двигался по часовой стрелке, а второй электромотор сконструирован таким образом, чтобы его вал двигался против часовой стрелки, первый электромотор, вибромотор и второй электромотор электрически связаны с блоком управления, участок гибкой трубки после жесткого сочленения с валом второго электромотора гидравлически связан с выходным клапаном, блок управления сконфигурирован таким образом, чтобы варьировать характеристики ламинарного потока в участке гибкой трубки после насоса с регулируемым потоком, но до места жесткого сочленения этой трубки с валом первого электромотора, и варьировать характеристики турбулентного потока в участке гибкой трубки после места ее жесткого сочленения с валом первого электромотора, причем для управления характеристиками турбулентного потока, и обеспечения его пульсирующей формы, блок управления также электрически связан с ультразвуковым расходомером, который бесконтактно контролирует поток в участке гибкой трубки после места жесткого сочленения этой трубки с валом второго электромотора до выпускного клапана.
На фиг. 1 представлена схема устройства для формирования пульсирующих потоков в фантомах кровеносных сосудов в соответствии с формулой полезной модели. Перечень элементов на этой фигуре: 1 - впускной клапан, 2 - насос с регулируемым потоком, 3 - гибкая трубка, 4 - электромотор для деформаций гибкой трубки по ходу часовой стрелке, 5 - вибромотор, 6 - электромотор для деформаций гибкой трубки против хода часовой стрелки, 7 - ультразвуковой расходомер, 8 - выпускной клапан, 9 - блок управления работой устройства, 10 - источник питания.
На фиг. 2 представлена обобщенная схема места полезной модели в экспериментах с фантомами кровеносных сосудов. Перечень элементов на этой фигуре: А - емкость с кровеимитирующей жидкостью, Б - устройство для формирования пульсирующих потоков в фантомах кровеносных сосудов, В - фантом кровеносного сосуда в толще тканеиммитатора, Г - подставка для фиксации фантома кровеносного сосуда, Д - емкость для отработанной кровеимитирующей жидкости.
Для удобства понимания принципа работы полезной модели, рассмотрим схемы по фиг. 1 и фиг. 2 совместно. В ситуациях, когда возникает необходимость формирования пульсирующего потока в тканеимитирующем фантоме, содержащем в своем составе полые модели кровеносных сосудов, этот фантом фиксируется в специальной подставке. Полая модель кровеносного сосуда одним своим концом с помощью гибкой трубки соединяется с выходным клапаном разработанной полезной модели устройства для формирования пульсирующих потоков в фантомах кровеносных сосудов. Второй конец полой модели кровеносного сосуда с помощью другой гибкой трубки соединяется с емкостью для отработанной кровеимитирующей жидкости. Входной клапан разработанной полезной модели устройства для формирования пульсирующих потоков в фантомах кровеносных сосудов с помощью еще одной гибкой трубки соединяется с емкостью, в которой имеется достаточный запас кровеимитирующей жидкости. Производится включение блока управления полезной модели устройства для формирования пульсирующих потоков в фантомах кровеносных сосудов. Запускается насос с регулируемым потоком, который обеспечивает прокачку кровеимитирующей жидкости через гибкую трубку из емкости с кровеимитирующей жидкостью в виде ламинарного потока. Комбинация из также запустившихся электромотора для регулируемых деформаций гибкой трубки по ходу часовой стрелке, вибромотора для формирования регулируемых вибраций стенок гибкой трубки и электромотора для регулируемых деформаций гибкой трубки против хода часовой стрелки обеспечивает трансформацию ламинарного потока кровеимитирующей жидкости в гибкой трубке в турбулентный поток. Ультразвуковой расходомер бесконтактно контролирует поток перед выпускным клапаном. В случае если характеристики потока нуждаются в корректировке блок управления посылает электрические сигналы насосу с регулируемым расходом, электромоторам для деформаций гибкой трубки и вибромотору для динамического изменения параметров их работы. Турбулентный поток через выходной клапан и гибкую трубку доставляется в полые модели кровеносных сосудов в составе тканеимитирующего фантома, проходит сквозь них и через еще одну гибкую трубку вытекает в емкость для отработанной кровеимитирующей жидкости.
Важно отметить, что сочетание насоса с регулируемым расходом, двух электромоторов, деформирующих гибкую трубку в разных направлениях на регулируемое количество градусов, через регулируемые интервалы времени и на регулируемые интервалы времени, а также вибромотора, обеспечивающего колебания стенок гибкой трубки с регулируемой амплитудой через регулируемые интервалы времени и на регулируемые интервалы времени позволяет имитировать пульсации жидкости в гибких трубках по аналогии с пульсациями кровотока, вызванными работой клапанов сердца. Например, гибкая трубка может быть пережатой (посредством деформации на 300 градусов) основную продолжительность времени, а каждые 0.9 секунду на 0.1 секунды разжиматься имитируя раскрытие митрального клапана сердца, такое действие может сопровождаться заданным уровнем вибраций стенок гибкой трубки и частичным ее пережатием в другом месте (например, деформация на 100 градусов, как имитация неполной проходимости сосуда).
Серия физических экспериментов с устройством для формирования пульсирующих потоков в фантомах кровеносных сосудов показала повышение точности формирования пульсирующих потоков за 34%, что свидетельствует о достижении поставленной задачи.
Предлагаемое устройство для формирования пульсирующих потоков в фантомах кровеносных сосудов может использоваться совместно с фантомами оптических и механических свойств мягких биологических тканей, а также устройствами эндоскопической оптической когерентной томографии, эндоскопических ультразвуковых исследований и инвазивного измерения параметров кровотока для обучения медицинского персонала работе с современными методами медицинской диагностики и визуализации, а также для разработки, тестирования и отладки медицинских диагностических систем и промышленных систем неразрушающего контроля, предназначенных для оценки параметров потоков.