Пневматический привод искусственного желудочка сердца

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к аппаратам вспомогательного кровообращения и искусственного сердца, и может быть использована в качестве носимого автономного привода пневматических искусственных желудочков.
Известен пневматический привод искусственного желудочка сердца (Akihiko Homma et al. Development of a compact wearable pneumatic drive unit for a ventricular assist device. // Artif Organs (2008) 11:182-190), который содержит электродвигатель, кривошипно-шатунный механизм, поршень и цилиндр. На выходе пневматического привода установлены обратные пневматические клапаны, которые ограничивают величину давления в пневмополости в фазу систолы и диастолы соответственно.
Недостатком этого пневматического привода является то, что в процессе его работы не производится управление длительностью фаз систола-диастола. Кривая зависимости давления воздуха в пневмополости желудочка от времени практически совпадает с синусоидой (повторяет зависимость положения поршня кривошипно-шатунного механизма от времени). В то время как соотношение фаз систола-диастола в естественном сердце составляет 1:2 и меняется в зависимости от величины венозного и артериального давления.
Наиболее близким к патентуемой модели является пневматический привод искусственного желудочка сердца, известный из следующего источника информации, который принят нами за прототип (JP 2006346440 (A) - 2006-12-28).
В прототипе электродвигатель с помощью двух овальных шестерней приводит в действие кривошипно-шатунный механизм, который посредством поршня и цилиндра через пневмошланг нагнетает воздух в пневмокамеру искусственного желудочка (фаза систолы) и разряжает воздух в пневмокамере (фаза диастолы). На выходе цилиндра установлены два встречно включенных обратных клапана, соединенных с атмосферой, и два датчика давления, соединенных с контроллером. Имеются компараторы и индикатор показания датчиков. Величина максимального положительного и минимального отрицательного давления, исходя из показаний индикатора, регулируется оператором с помощью вмонтированных в обратные клапаны органов управления («ручек» - «knob»).
При этом соотношение фаз систола-диастола жестко определено конструкцией двух овальных шестерней, а сама длительность фаз систолы и диастолы не регулируется.
Вследствие того, что соотношение фаз систола и диастола в процессе работы пневматического привода не регулируется, возникает ситуация, когда кровь полностью поступает из искусственного желудочка в аорту, а давление воздуха в цилиндре при этом продолжает увеличиваться (должна наступить фаза диастолы, но она не наступает).
Возникающая временная пауза не позволяет переключить фазу систолы на фазу диастолы и соответственно увеличить частоту сокращений желудочка, что приводит к снижению производительности работы искусственного желудочка (величины потока крови). Аналогичная ситуация возникает и в фазу диастолы.
Недостатками прототипа является также следующее.
После полного выброса крови из желудочка не происходит переключение фазы систолы на диастолу, поршень продолжает движение в прямом направлении, объем воздуха в пневмокамере перестает расти, а противодавление на поршень резко возрастает, что приводит к перегрузке работы привода и пневмокамеры, соответственно, к росту потребляемой энергии, а также к уменьшению срока службы элементов конструкции пневматического привода и искусственного желудочка. Аналогично в фазу диастолы, после наполнения искусственного желудочка кровью не происходит переключение фазы диастолы на систолу, поршень продолжает движение в обратном направлении, объем воздуха в пневмокамере перестает уменьшаться, а величина отрицательного давления растет, что приводит к перегрузке работы привода.
Нами поставлена задача: разработать пневматический привод искусственного желудочка сердца для аппаратов вспомогательного кровообращения и искусственного сердца, позволяющий управлять длительностью фаз сердечного цикла при увеличении производительности искусственного желудочка сердца, уменьшении величины потребляемой энергии и увеличении срока службы элементов путем за счет усовершенствования электромеханической части привода.
Технический результат заключается в повышении производительности искусственного желудочка сердца при уменьшении потребляемой энергии за счет управления соотношением длительности фаз систола-диастола путем усовершенствования электромеханической части привода.
Сущность полезной модели состоит в следующем.
Пневматический привод искусственного желудочка сердца содержит электродвигатель, кривошипно-шатунный механизм, поршень и цилиндр, рабочая полость которого подключена к пневмополости искусственного желудочка, двум встречно включенным обратным клапанам и датчику давления, связанному с контроллером.
Дополнительно привод содержит подключенную к контроллеру электромагнитную муфту с возможностью механического соединения с ее помощью вала электродвигателя с валом кривошипно-шатунного механизма при прямом ходе поршня в фазу систолы и при обратном ходе поршня в фазу диастолы. Электромагнитная муфта обеспечивает механическое разъединение (рассоединение) вала электродвигателя с валом кривошипно-шатунного механизма при прямом ходе поршня после полного выброса крови из желудочка и после окончания заполнения желудочка кровью при обратном ходе поршня.
Таким образом, цикл работы электромагнитной муфты состоит из четырех временных интервалов:
- фаза систолы: вкл., выкл.;
- фаза диастолы вкл., выкл.
Патентуемая полезная модель поясняется следующей фигурой.
На фиг. 1 изображена функциональная схема пневмопривода,
где:
1 - электродвигатель;
101 - вал электродвигателя;
2 - кривошипно-шатунный механизм;
21 - вал кривошипно-шатунного механизма;
22 - шатун кривошипно-шатунного механизма;
3 - поршень;
4 - цилиндр;
5, 6 - встречно включенные обратные клапаны;
7 - датчик давления воздуха;
8 - электромагнитная муфта;
9 - контроллер.
100 - камера искусственного желудочка.
На фиг. 2 представлены графики зависимости параметров от времени при испытании предлагаемого пневмопривода на гидравлическом стенде-имитаторе системы кровообращения,
где:
10 - график зависимости величины хода поршня от времени (синусоида);
11 - график фаз систола-диастола (нагнетание, заполнение) в зависимости от времени;
12 - график зависимости величины давления воздуха в пневмокамере желудочка от времени;
13 - график зависимости величины потребляемой мощности электродвигателя от времени.
Пневматический привод искусственного желудочка сердца содержит электродвигатель 1, кривошипно-шатунный механизм 2, поршень 3 и цилиндр 4. Рабочая полость цилиндра 4 подключена к пневмополости искусственного желудочка, двум встречно включенным обратным клапанам 5, 6 и датчику давления 7. Датчик давления 7 связан с контроллером 9, который подсоединен к электромагнитной муфте 8. Электормагнитная муфта 8 по команде контроллера 9 механически соединяет или разъединяет вал 101 электродвигателя 1 с валом 21 кривошипно-шатунного механизма 2 при прямом ходе поршня в фазу систолы и при обратном ходе поршня в фазу диастолы.
Патентуемая полезная модель работает следующим образом.
Электромагнитная муфта 8 по сигналу контроллера 9 механически соединяет вал 101 электродвигателя 1 с валом 21 кривошипно-шатунного механизма 2, который с помощью поршня 3 и цилиндра 4, при прямом ходе поршня нагнетает воздух в камеру 100 искусственного желудочка (фаза систолы), при этом обратный клапан 5 ограничивает максимальную величину положительного давления воздуха («стравливая» излишки воздуха из системы).
После полного выброса крови из искусственного желудочка по сигналу датчика давления 7 контроллер 9 дает команду электромагнитной муфте 8 механически отсоединить вал 101 электродвигателя 1 от вала 21 кривошипно-шатунного механизма 2, давление сжатого воздуха снижается, наступает фаза диастолы, при этом поршень 3 останавливает свое движение в прямом направлении и под действием противодавления воздуха (величина которого составляет около 200 мм ртутного столба) начинает движение в обратную сторону. В это время воздух перестает поступать в камеру искусственного желудочка 100, наступает фаза диастолы.
По сигналу контроллера 9 электромагнитная муфта 8 в фазу диастолы механически соединяет вал 101 электродвигателя 1 с валом 21 кривошипно-шатунного механизма 2, продолжается фаза диастолы, после заполнения искусственного желудочка кровью по сигналу датчика давления 7 контроллер 9 дает команду электромагнитной муфте 8 механически отсоединить вал 101 электродвигателя 1 от вала 21 кривошипно-шатунного механизма 2. При этом обратный клапан 6 ограничивает максимальную величину отрицательного давления воздуха и обеспечивает заполнение системы атмосферным воздухом, восполняя потери воздуха в случае срабатывания обратного клапана 5. Далее цикл повторяется.
Были проведены испытания предлагаемого пневматического привода на гидравлическом стенде-имитаторе системы кровообращения.
Результаты испытаний (графики зависимости параметров от времени представлены на фиг. 2) подтверждают достижение указанного технического результата.
Электромагнитная муфта позволяет регулировать соотношение фаз систола-диастола, исключить временные паузы в сердечном цикле и увеличить производительность искусственного желудочка. При этом сокращается мощность потребляемой электроэнергии. Патентуемое устройство расширяет арсенал средств - пневматических приводов искусственного желудочка сердца, обеспечивающих управление соотношением длительности фаз систола-диастола.