ДИСКОВЫЙ НАСОС ЛЕВОЖЕЛУДОЧКОВОГО ОБХОДА ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ РАБОТЫ СЕРДЦА

Заявляемая полезная модель относится к медицине, к искусственным имплантируемым органам, таким как насосы для перекачки биологических жидкостей, в частности крови.
Очевидно, что одним из важнейших органов для функционирования человеческого организма является сердце. Поэтому к числу необходимых исследований в области здравоохранения относятся различные заболевания этого органа. В зависимости от заболевания может назначаться медикаментозная, либо хирургическая терапия, вплоть до частичной и полной механической замены сердца. К сожалению, несмотря на то, что работа сердца на данный момент хорошо изучена, не существует достаточно качественного искусственного имплантата, выполняющего сердечную функцию. Так, основными проблемами известных устройств, являются низкая производительность, высокая травматичность форменных элементов крови, низкие надежность и долговечность имплантируемых устройств.
К примеру, известен насос, используемый для перекачки крови (патент US 10166318, опубликован 01.01.2019), использующий ротор, подвешиваемый током крови и магнитным полем статора.
Недостатком известного насоса для перекачки крови является низкая надежность функционирования, за счет образования застойных зон, а также зон турбулентности тока крови.
Наиболее близким, является дисковый насос (патент РФ 2716100, опубликован 05.03.2020), содержащий полый корпус, снабженный патрубками входного и выходного потоков, статор с обмотками и ротор с параллельными дисками и постоянными магнитами, где диски скреплены друг с другом фиксирующим элементом; при этом статор закреплен на корпусе, а ротор помещен в полость корпуса. Насос дополнительно содержит второй статор с обмотками, расположенный симметрично относительно плоскости дисков, а ротор состоит из двух частей, которые также симметричны относительно плоскости дисков; при этом обмотки статора и постоянные магниты ротора расположены с наклоном к плоскости дисков.
Тем не менее, известная конструкция также не исключает образование застойных зон, а также возникновения турбулентности потока и, соответственно, обладает низкой надежностью функционирования.
Целью заявляемой полезной модели является устранение выявленного недостатка для достижения следующего технического результата: повышение надежности функционирования дискового насоса, за счет уменьшения образования застойных и турбулентных зон тока крови.
Поставленная цель достигается следующим образом: дисковый насос левожелудочкового обхода для поддержания механической работы сердца, содержащий полый корпус, снабженный патрубками входного и выходного потоков, статоры с обмотками и ротор с параллельными дисками и постоянными магнитами, объединенные магнитопроводом, где диски скреплены друг с другом фиксирующими элементами, при этом статоры закреплены на корпусе симметрично друг относительно друга, ротор размещен в полости корпуса, а обмотки статора и постоянные магниты ротора расположены с наклоном к плоскости дисков, характеризующийся тем, что патрубок выходного потока имеет спиралевидную форму и расположен в плоскости, перпендикулярной оси входного патрубка, а фиксирующие элементы в разрезе имеют каплевидную форму.
Дисковый насос в частности может характеризоваться тем, что фиксирующие элементы каплевидной формы изогнуты вдоль корпуса.
Дисковый насос в частности может характеризоваться тем, что патрубок выходного потока в сечении имеет круглую форму.
Дисковый насос в частности может характеризоваться тем, что патрубок выходного потока в сечении имеет овальную форму.
Дисковый насос в частности может характеризоваться тем, что спиралевидная форма патрубка выходного потока выполнена в виде участка спирали Архимеда, сопрягаемой с корпусом насоса.
На Фиг. 1 схематично представлена конструкция насоса, в продольном разрезе, на Фиг. 2 условно показан поперечный разрез, в плоскости дисков ротора насоса, на Фиг. 3 условно показан насос, внешний вид; где цифрами обозначено следующее:
1. Корпус;
2. Патрубок входного потока;
3. Патрубок выходного потока;
4. Статор;
5. Обмотки статора;
6. Постоянные магниты;
7. Магнитопровод;
8. Диски ротора;
9. Ротор;
10. Разделительные втулки;
11. Фиксирующие элементы;
12. Вывод электропитания и управления.
Представленный на фигурах дисковый насос левожелудочкового обхода для поддержания механической работы сердца устроен следующим образом.
Полый корпуса (1) содержит патрубок входного потока (2) и патрубок выходного потока (3). На корпусе, сверху и снизу, расположены статоры (4), представляющие собой катушки индуктивности с обмотками (5). Ротор (9) располагается внутри корпуса и представляет собой совокупность плоских дисков (8), соединенных общими фиксирующими элементами (11). Диски имеют центральное отверстие. Разделение дисков между собой происходит при помощи разделительных втулок (10), насаженных на фиксирующие элементы (11). Ротор содержит закрепленные на нем, при помощи фиксирующих элементов (11) вершину и основание, в углублениях, которых закреплены постоянные магниты (6), объединенные общим магнитопроводом (7), расположенные так, что плоскость их поверхности параллельна соответствующим статорам. Сами же постоянные магниты, помещенные в углублениях основания и вершины ротора, располагаются под углом к плоскости поверхности дисков ротора.
Оценка эффективности конструкции насоса определяется отсутствием застойных зон, турбулентных течений, высоких сдвиговых напряжений, а также созданием необходимого потока крови и необходимого давления на выходе насоса. Учитывая, что кровь - это жидкость со сложной реологией, большое внимание уделяется вопросам течения крови в механической конструкции насоса. На этапе разработки и проектирования большое внимание уделяется вопросам течения крови в конструкции насоса. При перекачивании через насос в отдельных фрагментарных частях насоса кровь может обладать признаками ламинарного или турбулентного течения. При ламинарном течении кровь перемещается между слоями потока, не перемешиваясь. При турбулентном течении потока кровь начинает испытывать по мере перемещения вращательное движение относительно вектора направления, при котором образуются области завихрения или так называемые фрактальные зоны.
В случае проектирования насоса для перекачивания крови турбулентный поток является крайне нежелательным, поскольку его появление в отдельных фрагментарных частях насоса приводит к разрушению форменных клеток крови к увеличению индекса гемолиза, в результате разрушения мембраны эритроцитов. Указанные факторы приводят к рискам тромбообразования в сердечнососудистой системе человека. Для целей проектирования конструкция насоса подвергается гидродинамическому компьютерному моделированию и фактическому исследованию на гидродинамических стендах, имитирующих большой круг кровообращения.
В случае строения конструкции насоса с прямым выходным патрубком (например, RU 2716100), наблюдаются завихрения турбулентного течения, на выходе насоса. С целью исключения и уменьшения турбулентных течений, была выбрана спиралевидная форма выходного патрубка. По результатам гидродинамических исследований потока крови в проблемной зоне патрубка было достигнуто существенное уменьшение турбулентного потока. При этом форма участка выходного патрубка, может быть в виде спирали Архимеда, сопрягаемой с корпусом насоса. Данная форма спирали обеспечивает наиболее равномерный ток перекачиваемой крови. Таким образом, обеспечивается наиболее оптимальное соотношение размеров выходного патрубка, с целью обеспечения снижения завихрений турбулентности выходящего потока крови. Патрубок выходного потока в сечении может иметь круглую, или овальную формы, что также исключает образование застойных и турбулентных мест.
Также, с целью обеспечения надежности функционирования насоса, заключающейся в обеспечении равномерного тока жидкости крови, фиксирующие элементы дисков выполняются каплевидной в разрезе формы. Такая форма сводит к минимуму образование турбулентных завихрений, возникающих непосредственно за фиксирующими элементами, при движении в токе жидкости. Кровь сталкивается с округлой формой элемента и начинает огибать его, при этом двигаясь по поверхности, которая, уплощается, переходя в заострение к концу. Отсутствует попадание в разряженную область, за счет этого сохраняется равномерный ток крови. Для наибольшей эффективности и надежности перекачки крови, вследствие геометрических особенностей строения корпуса насоса, таких как цилиндрическая внутренняя поверхность, каплевидные элементы могут быть изогнуты вдоль корпуса. Плоскость поверхности фиксирующего элемента, на протяжении уплощения, выполняется вогнутой с одной стороны и выпуклой с противоположной стороны. Таким образом, удается снизить завихрения потока, при движении фиксирующих элементов по радиусу.
Также, отсутствие явлений турбулентности и наличия застойных зон, положительно сказываются на надежности конструкции. Поскольку, например, в случае наличия застойных зон - существуют высокие риски тромбообразования, которые будут вносить дополнительные препятствия тока крови, возможно возникновение эффекта кавитации, которая, в свою очередь, может разрушать высокоточную механику функционирования вспомогательного сердечного насоса. Таким образом, долговечность и надежность устройства могут снижаться. Также, турбулентность потока жидкости, способна в течение срока эксплуатации нанести механические повреждения внутренним составляющим дискового насоса. Исключая или уменьшая вероятность возникновения указанных процессов, повышается надежность и долговечность насоса, в целом.
Представленный на фигурах дисковый насос левожелудочкового обхода для поддержания механической работы сердца действует следующим образом.
Учитывая специфику работы насоса как вспомогательного средства для перекачивания крови, он хирургическим путем имплантируется в грудную клетку пациента, способствуя осуществлению его кровообращения. После подключения обмоток статора к блоку питания (на рисунках не показан), через выводы электропитания и управления (12), возникает магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянными магнитами ротора, заставляет ротор оттолкнуться от внутренних стенок корпуса, создавая эффект левитации ротора. При этом ток крови, возникающий при заходе в патрубок входного потока, попадая во внутреннюю полость насоса, взаимодействует с дисками ротора и за счет возникающей центробежной силы направляется на патрубок выходного потока. За счет, формы которого, а также формы фиксирующих элементов, отмечается отсутствие застойных зон и зон ламинарного и турбулентного потока.
Входной патрубок опытного образца подключается через канюлю к верхушке левого желудочка, выходной к аорте. Условно, насос систолическую и диастолическую функцию левого желудочка берет на себя. При работе опытного образца левый желудочек через насос осуществляет «условный выброс» крови в аорту, с которой начинается большой круг кровообращения. В большинстве клинических случаев левый желудочек при острой сердечной недостаточности не способен выполнять систолическую и диастолическую функцию, и при подключении аппарата вспомогательного кровообращения выполняет функцию промежуточного резервуара.
Если проследить поток крови далее по сердечно-сосудистой системе, то пройдя большой круг кровообращения, кровь протекает в правое предсердие по верхней и нижней полой вене, из правого предсердия кровь поступает в правый желудочек, правый желудочек выбрасывает кровь в легочный ствол, от которого начинается малый круг кровообращения, пройдя через малый круг, обогащенная кислородом кровь протекает в левое предсердие по четырем легочным венам, из левого предсердия кровь вновь поступает в левый желудочек.
Таким образом, применение в заявляемом дисковом насосе левожелудочкового обхода для поддержания механической работы сердца, выходного патрубка спиралевидной формы, а также фиксирующих элементов каплевидной формы, позволяет достигать заявляемый технический результат, а именно - повышение надежности функционирования дискового насоса, за счет уменьшения образования застойных и турбулентных зон тока крови.
Промышленная применимость.
Заявляемый насос может найти широкое применение в современной кардиологии. Изготавливается на специализированных предприятиях на базе научно-технических центров.