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 контролируется величина давления воздуха в пневмополости искусственного желудочка и соответственно не производится управление режимами работы обратных пневматических клапанов в процессе работы привода.
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 конфигурацией двух овальных шестерней, фиксировано и может быть изменено только заменой шестерен.
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 уменьшить период работы желудочка и соответственно увеличить частоту его сокращений, 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 переключения 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 переключения 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.
Наличие овальных шестерней усложняет конструкцию, увеличивает потребляемую энергию и уменьшает срок службы элементов конструкции пневматического 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.
Технический результат заключается в:
- управление соотношением фаз систола-диастола;
- увеличении производительности искусственных желудочков сердца;
- уменьшении потребляемой энергии;
- увеличении срока службы элементов конструкции.
Сущность полезной модели состоит в следующем.
Пневматический привод искусственного желудочка сердца содержит электродвигатель, кривошипно-шатунный механизм, поршень и цилиндр. Рабочая полость цилиндра подключена параллельно к пневмополости искусственного желудочка, двум встречно включенным обратным клапанам и датчику давления, связанному с контроллером. Дополнительно пневматический привод содержит двухлинейный электромагнитный распределитель, подключенный к контроллеру. Двухлинейный электромагнитный распределитель соединен с рабочей полостью цилиндра. Двухлинейный электромагнитный распределитель сообщается с атмосферой при прямом ходе поршня после выброса крови и при обратном ходе поршня после заполнения кровью искусственного желудочка.
Вал электродвигателя может быть соединен непосредственно с валом кривошипно-шатунного механизма.
Патентуемая полезная модель поясняется следующей фигурой.
На фиг. 1 изображена функциональная схема пневматического привода, где:
1 - электродвигатель;
2 - кривошипно-шатунный механизм;
3 - поршень;
4 - цилиндр;
5, 6 - встречно включенные обратные клапаны;
7 - датчик давления воздуха;
8 - электромагнитный распределитель;
9 - контроллер.
Пневматический привод искусственного желудочка сердца содержит электродвигатель 1, кривошипно-шатунный механизм 2, поршень 3 и цилиндр 4. Рабочая полость цилиндра 4 подключена параллельно к пневмополости искусственного желудочка, двум встречно включенным обратным клапанам 5, 6 и датчику давления 7. Пневматический привод содержит также двухлинейный электромагнитный распределитель 8, подключенный к контроллеру 9. Датчик давления 7 связан с контролером 9. Двухлинейный электромагнитный распределитель 8 соединен с рабочей полостью цилиндра 4. Двухлинейный электромагнитный распределитель 8 сообщается с атмосферой при прямом ходе поршня после выброса крови и при обратном ходе поршня после заполнения кровью искусственного желудочка.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
Электродвигатель 1 приводит в действие кривошипно-шатунный механизм 2, который с помощью поршня 3 и цилиндра 4, при прямом ходе поршня нагнетает воздух в пневмокамеру искусственного желудочка (фаза систолы), при этом обратный клапан 5 ограничивает максимальную величину положительного давления воздуха, электромагнитный распределитель 8 закрыт (цилиндр отсоединен от атмосферы). По сигналу
датчика давления 7 контроллер 9 дает команду на открытие электромагнитного распределителя 8, цилиндр сообщается с атмосферой, сжатый воздух выходит из цилиндра, наступает фаза диастолы, при этом поршень продолжает двигаться в прямом направлении. В начале движения поршня в обратном направлении электромагнитный распределитель 8 по сигналу контроллера 9 закрывается (цилиндр отсоединяется от атмосферы).
При обратном ходе поршня после заполнения искусственного желудочка кровью электромагнитный распределитель 8 по сигналу контролера 9 открывается, цилиндр заполняется атмосферным воздухом. При этом обратный клапан 6 ограничивает максимальную величину отрицательного давления воздуха.
При начале движения поршня в прямом направлении электромагнитный распределитель 8 по сигналу контроллера 9 закрывается (цилиндр отсоединяется от атмосферы), цикл повторяется.
Были проведены испытания предлагаемого пневматического привода на гидравлическом стенде-имитаторе системы кровообращения.
На фиг. 2 представлены графики зависимости параметров от времени при испытании предлагаемого пневматического привода 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 напряжения на электромагнитном распределителе от времени (1 - распределитель закрыт; 0 - открыт).
Результаты испытаний, графики зависимости параметров от времени представленные на фиг. 2, подтверждают достижение указанного технического результата.
Электромагнитный распределитель позволяет регулировать соотношение фаз систола-диастола, исключить временные паузы в сердечном цикле и увеличить производительность искусственного желудочка.