Способ искусственного кровообращения и устройство для его осуществления
ARTIFICIAL CIRCULATION METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области медицины - кардиохирургии, к аппаратам искусственного и вспомогательного кровообращения, непосредственно касается средств и способов приведения в действие систем искусственного пульсирующего кровообращения, и может быть использовано в качестве носимого искусственного сердца, неимплантированного в грудную полость пациента.
Известны различные способы искусственного кровообращения и аппараты для их осуществления известны и широко применяются. Упомянутые способы включают подачу крови, кровезаменителя или их смеси в артериальный сосуд под давлением, обеспечивающим поступательное прохождение названных крови, кровезаменителя или их смеси по кровеносной системе. По характеру перфузии крови в артериальный сосуд способы и, соответственно, аппараты подразделяются на два вида: с непрерывной перфузией и с пульсирующей перфузией (Осипов В.П. Вспомогательное кровообращение // Справочник по анестезии и реаниматологии. / Под ред. АА. Бунятяна. - М., 1982. - С.79-81). Недостатком известных способов вспомогательного и искусственного кровообращения является необходимость использования электромеханических пульсаторов для организации кругооборота крови в кровеносной системе человека.
Известно устройство искусственного сердца, содержащего эластичную кровяную камеру и электромеханический привод, включающий электродвигатель и преобразователь вращательного движения в поступательное в виде несоосной винтовой передачи с толкателем, в котором в целях уменьшения травмы окружающих тканей при его имплантации и усиления активного воздействия на гемодинамику путем регулирования объема вытесняемой крови во время рабочего цикла, используются два электромеханических привода цилиндрической формы, располагаемых соосно так, что их толкатели обращены друг к другу, а между ними располагается эластичная кровяная камера (Заявка на изобретение РФ №96120827, опубл. 20.10.1997). Недостатком данного технического решения является сложное конструктивное исполнение устройства искусственного сердца, необходимость использования внешней электрической энергии для электромеханического привода искусственного сердца, а также необходимость его имплантации в грудную клетку человека.
Известно имплантируемое электрогидравлическое искусственное сердце, выполняющее функцию насоса и содержащее левый и правый искусственные желудочки, а также цилиндрическую рабочую камеру, соединенную своими торцами с помощью патрубков с соответствующими желудочками, и осевой насос с электродвигателем, размещенные в рабочей камере, которая заполнена рабочей жидкостью, причем система управления размещена вне рабочей камеры (Журнал "Медицинская техника" №5, 1990 г. - С. 25-28). Это изобретение обладает существенным недостатком, а именно сложностью в обеспечении физиологической частоты сокращения сердца из-за необходимости применения реверсивного приводного устройства вращения ротора.
Известно устройство объемной машины, которая функционально представляет собой насос и содержит сферический разъемный герметичный корпус с окнами и расположенный в нем ротор, образованный из вала и двух шарнирно соединенных дисков, каждый из которых состоит из полудисков, причем один диск ведущий, другой - ведомый, делят объем корпуса на рабочие камеры, образуемые соответствующими упомянутыми полудисками с впускным и выпускным окнами, а вал ротора одним концом выходит за пределы корпуса для соединения его с приводом вращения, при этом ведомый диск снабжен регулирующим кольцом с цапфами, выведенными за пределы корпуса (Патент СССР №1555521, опубл. 07.04.1990, Бюл. №13). Однако к недостаткам данного технического решения можно отнести следующее: трудности в применении в качестве насоса искусственного сердца и особенно имплантируемого, так как необходимо через корпус пропускать кровь, что приведет к ее разрушению ротором; большие габариты, так как привод вращения ротора надо располагать вне корпуса и обеспечивать соответствующей кинематической связью с валом вращения ротора.
Известен пульсатор (бесклапанный насос) для вспомогательного кровообращения, подключенный к артериальной магистрали непульсирующего источника потока крови (В.И. Шумаков, В.Е. Толпекин, Т.А. Попов. Атлас вспомогательного кровообращения. - Алма-Ата: Гылый. 1992, с. 135, рис. 209). В этом случае пульсации генерируются за счет изменения его проходного сечения при изменении давления внутри баллончика. Недостатком этого решения является обязательное наличие сложных регулировочных устройств, а также источника давления и вакуума.
Известен искусственный желудочек сердца на основе пневмопривода, содержащий пневмополость, которая попеременно подключается к источникам пневмодавления и разрежения с помощью электроклапана, и систему управления электроклапаном (Искусственное сердце. Монография. В.И. Шумаков, Н.К. Зимин, Г.П. Иткин, Л.И. Осадчий. - Л.: Наука, Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 63-64). К недостаткам такого искусственного желудочка сердца следует отнести его большие габариты и массу, худшую управляемость пневмоприводом из-за сжимаемости рабочего газа по сравнению с гидравлическими и механическими приводами.
Известно устройство искусственного сердца, содержащего корпус, в котором размещена рабочая камера для крови и электромеханический привод, при этом камера для крови отделена диафрагмой, соединенной с преобразователем перемещения и снабжена входным и выходным клапанами, электромеханический привод содержит неподвижно установленный в корпусе статор и перемещаемый в осевом направлении ротор (А.С. СССР №950401, опубл. 15.08.1982). Недостатком прототипа является большое энергопотребление, что требует использование источника питания повышенной мощности, а это, в свою очередь, приводит к увеличению габарита электромагнита и к выделению им значительной тепловой энергии, что ведет к росту температуры. «Жесткая система передач» силы, используемая в преобразователе перемещений, приводит к травмированию крови.
Известно устройство манжеты, которая представляет собой камерообразный покрывной элемент, который имеет внутреннюю полость с текучей средой для создания давления. Манжету оборачивают вокруг части тела человека для проведения измерений (Патент РФ №2556539, опубл. 10.07.2015, Бюл. №19). Однако данное устройство манжеты пригодно для оборачивания небольших частей тела человека, например плеча.
Известно устройство манжеты с системой накачки манжеты текучей средой, блоком регулирования давления и объема манжеты в процессе накачивания (Патент РФ №2515860, опубл. 20.05.2014, Бюл. №14). Однако для накачки текучей среды используется электромеханический привод с питанием от внешнего энергоисточника.
Известно устройство для перекачивания крови с компенсационной камерой, содержащей сильфон (эластичную оболочку), который расположен и совершает возвратно-поступательные движения в полости жесткого корпуса под действием пульсаций газовой среды от мембранного насоса (Патент РФ №2360704, опубл. 10.07.2009, Бюл. №19). Однако данное устройство для перекачивания крови обладает следующими недостатками: сложность устройства; необходимость электромеханического привода с внешним источником электроснабжения.
Известен способ замены поврежденного сердца на искусственное сердце, имплантируемого больному, при этом корень аорты изъятого пораженного сердца подсоединяют к соединительному аортальному протезу искусственного сердца, а легочную артерию пораженного сердца подсоединяют к правому предсердному протезу искусственного сердца (Заявка на изобретение РФ №2002104417, опубл. 10.03.2004).
Известен способ искусственного кровообращения, состоящего из генерации пульсирующего давления рабочей жидкости в задающем элементе, расположенном а теле пациента, передачу пульсирующего давления рабочей жидкости от задающего элемента к исполнительному элементу, подсоединение исполнительного элемента к кровеносной системе человека, преобразование в исполнительном элементе пульсирующего давления рабочей жидкости в пульсацию кровеносного давления, за счет которого обеспечивается прокачивание потока крови через кровеносную систему человека.
Устройство для осуществления данного способа содержит задающий и исполнительный элементы, соединенные посредством соединительного шланга, задающий элемент представляет собой источник пульсирующего давления рабочей жидкости с электромагнитом, совершающим возвратно-поступательные движения, и автономной системой электроснабжения, при этом источник пульсирующего давления рабочей жидкости не имплантирован в грудную полость человека и расположен на теле человека, а исполнительный элемент имплантирован в грудную полость человека, соединен с кровеносной системой человека и преобразует пульсацию рабочей жидкости в пульсацию кровеносного потока, обеспечивая движение крови по кровеносной системе человека (Патент РФ №2297850, опубл. 20.07.2007, Бюл. №20). Недостатком данного способа и устройства для его осуществления является необходимость имплантации исполнительного элемента в грудную полость человека, использование автономной системы электроснабжения (например, батареек) для привода источника пульсирующего давления рабочей жидкости, а также применение сложной системы управления задающим элементом за счет применения электронного коммутирующего устройства, высокая стоимость устройства и невысокий срок непрерывной работы без дозарядки автономной системы электроснабжения.
Технический результат, который может быть получен при применении данного изобретения, заключается в повышении надежности и срока непрерывной работы, а также снижении стоимости системы искусственного кровообращения человека.
Для достижения данного технического результата в предлагаемом способе искусственного кровообращения, состоящего из генерации пульсирующего давления рабочей жидкости в задающем элементе, расположенном на теле человека, передачи пульсирующего давления рабочей жидкости от задающего элемента к исполнительному элементу, подсоединения исполнительного элемента к кровеносной системе человека, преобразования в исполнительном элементе через разделительную поверхность пульсирующего давления рабочей жидкости в пульсацию кровеносного давления и обеспечение за счет данной пульсации прокачивания потока крови в кровеносной системе человека, согласно изобретению задающий элемент плотно фиксируют на грудной клетке человека, пульсирующее давление рабочей жидкости в задающем элементе формируется за счет изменения объема грудной клетки в процессе «вдох-выдох» при естественном дыхании человека, исполнительный элемент располагают на теле человека, а его конструктивное исполнение позволяет преобразовывать периодически меняющееся давление рабочей жидкости, соответствующее кинематике дыхательного цикла человека, в импульсы давления, передаваемых потоку крови кровеносной системы человека, при этом обеспечивается круговорот движения крови по кровеносной системе человека через исполнительный элемент, а регулирование работы системы искусственного кровообращения осуществляется за счет саморегулирования объема выталкиваемой из задающего элемента рабочей жидкости вследствие изменения частоты дыхания и объема грудной клетки в процессе «вдох-выдох» при интенсификации или уменьшении нагрузки человека.
Введение в предлагаемый способ искусственного кровообращения плотно фиксируемого на грудной клетке человека задающего элемента, в котором пульсирующее давление рабочей жидкости формируется за счет изменения объема грудной клетки в процессе «вдох-выдох» при естественном дыхании человека, и преобразования в исполнительном элементе, расположенном на теле человека, периодически меняющегося давления рабочей жидкости, соответствующего кинематике дыхательного цикла человека, в импульсы давления, передаваемые потоку крови кровеносной системы человека, за счет чего обеспечивается круговорот движения крови по кровеносной системе человека через исполнительный элемент, что позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности независимого саморегулирующего функционирования системы искусственного кровообращения от посторонних источников энергии и систем управления, исключения и отказа от использования дорогостоящего механического оборудования внешней автономной системы электроснабжения со сложной системой управления для генерации колебаний давления и организации движения потока крови в искусственной системе кровообращения человека, а также исключения процедуры замены или дозарядки автономной системы электроснабжения, которая необходима для традиционных систем искусственного кровообращения с электромеханическим приводом задающего давление элемента, что обеспечивает в совокупности повышение надежности и срока непрерывной работы, а также снижение стоимости системы искусственного кровообращения человека.
Предлагаемый способ искусственного кровообращения может быть осуществлен в описываемом ниже устройстве.
Устройство для осуществления данного способа содержит задающий и исполнительный элементы, соединенные посредством соединительного шланга, задающий элемент представляет собой источник пульсирующего давления рабочей жидкости с механизмом возвратно-поступательного движения, при этом источник пульсирующего давления рабочей жидкости не имплантирован в грудную полость человека и расположен на теле человека, а исполнительный элемент соединен с кровеносной системой человека и преобразует пульсацию рабочей жидкости в пульсацию кровеносного потока, обеспечивая движение крови по кровеносной системе человека, устройство снабжено задающим элементом, выполненным в виде полой манжеты, внутренняя полость которой заполнена рабочей жидкостью, при этом манжета плотно фиксируется вокруг грудной клетки человека, манжета имеет патрубок с клапаном для заполнения ее рабочей жидкостью и патрубок для подсоединения соединительного шланга, неимплантированным в грудную полость человека исполнительным элементом, выполненным в виде замкнутого цилиндрического корпуса, заполненного буферной жидкостью, внутри которого размещены сильфоны разного диаметра, один из которых, большего диаметра, заполнен рабочей жидкостью, а другой, меньшего диаметра, - кровью, при этом торцовая часть корпуса с основанием сильфона, заполненного рабочей жидкостью, имеет патрубок для подсоединения с манжетой через соединительный шланг, а торцовая часть корпуса с основанием сильфона, заполненного кровью, имеет два патрубка с обратными клапанами, один из которых подсоединен выходящим шлангом к артерии кровеносной системы человека, а другой подсоединен входящим шлангом к вене кровеносной системы человека, образующих круговой поток крови в кровеносной системе человека через исполнительный элемент.
На фиг. 1 изображено устройство для осуществления данного способа искусственного кровообращения (принципиальная схема устройства).
Устройство содержит задающий элемент, выполненный в виде полой манжеты 1, внутренняя полость 2 которой заполнена рабочей жидкостью, при этом манжета 1 плотно фиксируется вокруг грудной клетки человека (не показано). Манжета 1 имеет патрубок 3 с клапаном 4 для заполнения ее рабочей жидкостью и патрубок 5 для подсоединения соединительного шланга 6. В устройство также входит исполнительный элемент, выполненный в виде сильфонов 7 и 8 разного диаметра, разделенных буферной жидкостью 9 и размещенных в замкнутом цилиндрическом корпусе 10. Сильфон 7, большего диаметра, заполнен рабочей жидкостью, а сильфон 8, меньшего диаметра, - кровью. Торцовая часть корпуса 10 с основанием сильфона 7 (заполненного рабочей жидкость) имеет патрубок 11 для подсоединения соединительного шланга 6, а торцовая часть корпуса 10 с основанием сильфона 8 (заполненного кровью) снабжена патрубком 12 с обратным клапаном 13 и выходящим шлангом 14 для подсоединения к артерии 19 и патрубком 15 с обратным клапаном 16 и входящим шлангом 17 для подсоединения к вене человека 20. Из сильфона 8 кровь по выходящему шлангу 14 и артерии 19 поступает в кровеносную систему человека 18 и возвращается по вене 20 и входящему шлангу 17 в сильфон 8.
Предлагаемый способ искусственного кровообращения осуществляют в описанном устройстве следующим образом.
Внутренняя полость 2 манжеты 1, через патрубок 3 с клапаном 4 и сильфон 7, через соединительный шланг 6, надетый на патрубки 5 и 11, заполняются рабочей жидкостью. Затем манжета 1 фиксируется на груди (и части брюшины) человека.
Известно, что при дыхании человека грудная клетка совершает возвратно-поступательное движение с амплитудой в диапазоне 2-8 мм, в зависимости от физической нагрузки человека. При вдохе человека, за счет расширения грудной клетки и давления на внутреннюю полость 2 манжеты 1, рабочая жидкость частично выдавливается из внутренней полости 2 манжеты 1 в сильфон 7, что приводит к его расширению и увеличению объема. При выдохе за счет уменьшения объема грудной клетки человека и разрежении во внутренней полости 2 манжеты 1, из сильфона 7 рабочая жидкость частично возвращается во внутреннюю полость 2 манжеты 1, что приводит к уменьшению объема и сжатию сильфона 7. В результате периодического увеличения и уменьшения объема сильфона 7, в зависимости от ритма и нагрузки человека, происходит возвратно-поступательное движение сильфона 7, которое преобразуется через буферную жидкость 9 внутри замкнутого корпуса 10 в возвратно-поступательное движение сильфона 8.
При заполнении сильфона 8 кровью, а также подсоединения к сильфону 8 артерии 19, через патрубок 12 с обратным клапаном 13 и выходящий шланг 14, и вены 20, через патрубок 15 с обратным клапаном 16 и входящий шланг 17, данное устройство начинает функционировать как система искусственного кровообращения следующим образом.
Возвратно-поступательное движение сильфона 7, полученное за счет изменения объема сильфона 7 при пульсации рабочей жидкости вследствие мышечной энергии дыхательного процесса человека «вдох-выдох», через буферную жидкость 9 преобразуется в периодическое сжатие и расширение (возвратно-поступательное движение) сильфона 8.
При сжатии сильфона 8 кровь выталкивается из сильфона 8, через патрубок 12 с обратным клапаном 13 и выходящий шланг 14, в артерию 19 и далее в кровеносную систему человека 18. При этом обратный клапан 16 закрыт.
При расширении сильфона 8 кровь откачивается из кровеносной системы человека 18 по вене 20, через патрубок 15 с обратным клапаном 16 и входящий шланг 17, обратно в сильфон 8. При этом обратный клапан 13 закрыт.
В результате периодического сжатия и расширения сильфона 8 и наличия обратных клапанов 13 и 16 подача крови в кровеносную систему человека 18 осуществляется в пульсирующем круговом режиме.
При изменении нагрузки на человека (например, увеличении при беге или уменьшении во время сна) регулирование работы системы искусственного кровообращения осуществляется за счет саморегулирования объема выталкиваемой из манжеты 1 рабочей жидкости вследствие изменения частоты и объема грудной клетки в процессе «вдох-выдох» при интенсификации или уменьшении нагрузки человека, что приводит к изменению количества подаваемой из сильфона 8 крови в кровеносную систему человека 18, пропорциональному меняющейся нагрузке.
3
3
Размер манжеты 1 должен составлять площадь не менее 2400 см, что соответствует, например, окружности груди пациента 80 см и высоте манжеты 1 около 30 см. При таких характеристиках при вдохе и выдохе человека, приводящего к изменению окружности его грудной клетки на 0,2-0,4 см, количество перекачиваемой через систему искусственного кровообращения крови составляет более 400 см за цикл «вдох-выдох» или около 5 л за одну минуту при 15 вдохах. Такой поток полностью обеспечивает все органы человека в кровоснабжении.
С целью снижения кровяного давления на грудную область человека и его комфортное длительное пребывание с системой искусственного кровообращения исполнительный элемент выполнен в виде сильфонов разного диаметра 7 и 8, расположенных в корпусе 10, заполненном буферной жидкостью 9, которая передает усилие от сильфона с рабочей жидкостью большего диаметра 7 с меньшим давлением и ходом к сильфону с кровью меньшего диаметра 8 с большим давлением и ходом, при этом объемы перекачиваемой рабочей жидкости и крови равны и постоянны.
Данное конструктивное исполнение, с учетом большого объема манжеты, позволяет использовать исполнительный элемент в качестве усилителя. Эффект усиления образуется за счет разности объемов сильфонов 7 и 8, которые выбираются пропорционально разности давлений в манжете 1, которое составляет 30-50 мм рт.ст., и в кровеносной системе человека 18, которое должен быть не менее 100-120 мм рт.ст.
Источники информации
1. Осипов В.П. Вспомогательное кровообращение //Справочник по анестезии и реаниматологии. / Под ред. АА. Бунятяна. - М., 1982. - С. 79-81.
2. Заявка на изобретение РФ №96120827, опубл. 20.10.1997.
3. Журнал "Медицинская техника" №5, 1990 г. - С. 25-28.
4. Патент СССР №1555521, опубл. 07.04.1990, Бюл. №13.
5. В.И. Шумаков, В.Е. Толпекин, Т.А. Попов. Атлас вспомогательного кровообращения. - Алма-Ата: Гылый. 1992, с. 135, рис.209.
6. Искусственное сердце. Монография. В.И. Шумаков, Н.К. Зимин, Г.П. Иткин, Л.И. Осадчий. - Л.: Наука, Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 63-64.
7. А.С. СССР №950401, опубл. 15.08.1982.
8. Патент РФ №2556539, опубл. 10.07.2015, Бюл. №19.
9. Патент РФ №2515860, опубл. 20.05.2014, Бюл. №14.
10. Патент РФ №2360704, опубл. 10.07.2009, Бюл. №19.
11. Заявка на изобретение РФ №2002104417, опубл. 10.03.2004.
12. Патент РФ №2297850, опубл. 20.07.2007, Бюл. №20 - прототип.