УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ КРОВОТОКА В ОБЛАСТИ БИФУРКАЦИИ МАГИСТРАЛЬНОЙ АРТЕРИИ

Полезная модель относится к области медицины, а именно к нормальной и патологической физиологии, и может быть использована в экспериментальных доклинических исследованиях для изучения изменений характера внутриартериального кровообращения в области бифуркации магистральной артерии при различных заданных условиях: при нормальном правильном сердечном ритме, при гемодинамически значимом и незначимом стенозах области бифуркации, при имплантации внутрисосудистого эндопротеза в область бифуркации, при нарушениях сердечного ритма.
Известно устройство для моделирования кровообращения, представляющее собой имитатор сосудов в виде прозрачных трубок с установленными насосом и системой регистрации давления. Замкнутая сеть имитаторов сосудов обеспечивает возможность моделирования артериального и венозного кровотока и выполнена в виде прозрачных силиконовых трубок с изменением их диаметров по длине, соответствующих диаметрам кровеносных сосудов. В трубки с помощью тройников вмонтированы датчики давления и перистальтический насос, имеющий возможность регулирования мощности, компенсации потерь давления и обеспечения пульсаций моделирующей кровь жидкости. В качестве имитатора крови используется раствор сывороточного альбумина человека с концентрацией 100÷300 мкМ в фосфатном буфере (1). Недостатком данной модели является отсутствие возможности применения ее в области бифуркации магистральной артерии, при стенозах, эндопротезах, установленных в области бифуркации, и нарушениях сердечного ритма.
Известно устройство - стенд для исследования течения жидкости в трубопроводе, представляющее собой замкнутую систему с блоками: блок для исследования течения на самотечных участках трубопроводов, блок для исследования процессов накопления и выноса воды в трубопроводе, блок для исследования нестационарных процессов в трубопроводе, блок моделирования работы насосных станций, блок для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами, блок емкостей и блок локальной системы автоматизации стенда, причем блок для исследования течения на самотечных участках трубопроводов включает в себя трубную обвязку с измерительной линией из прозрачного материала, выполненную с возможностью изменения профиля, регулируемый насос и насосы для создания дополнительного разрежения, подключенные к измерительной линии, баллон с инертно-газовой смесью, компрессорную установку, запорную и регулирующую арматуру, камеры подачи и приема поршня, вихревой расходомер, датчики давления и температуры (2). Недостатком данной модели является отсутствие возможности применения ее в области бифуркации магистральной артерии, при стенозах, эндопротезах, установленных в области бифуркации, и нарушениях сердечного ритма.
Известно устройство для моделирования внутриартериального кровообращения, включающее полую стеклянную прозрачную емкость в виде усеченного конуса с входным диаметром 20 мм, выходным диаметром 16,5 мм, толщиной стенки 2,5 мм; емкость размещена между двумя стальными удерживателями с фиксированными к ним резиновыми прокладками; между собой удерживатели соединены четырьмя металлическими стержнями, проходящими в соответствующих сквозных отверстиях; стержни имеют наружную резьбу на концах для их фиксации гайками; удерживатели и резиновые прокладки имеют сквозные отверстия, диаметры которых соответствуют входному и выходному диаметрам емкости; резиновые прокладки имеют вырезки в месте прохождения четырех стержней; удерживатель со стороны расширенной приводящей части емкости имеет двухходовой штуцер с резиновым клапаном для соединения с приводящей силиконовой трубкой; удерживатель со стороны суженной отводящей части емкости имеет штуцер для соединения с отводящей силиконовой трубкой; приводящая и отводящая трубки соединены с электрическим насосом с аккумулятором; удерживатели устройства фиксированы болтово-гаечными соединениями к металлическим уголкам, которые, в свою очередь, фиксированы к опоре с помощью шурупов; со стороны удерживателя расширенной приводящей части емкости к опоре фиксирован дополнительный металлический уголок, имеющий сквозное отверстие, расположенное в проекции резинового клапана двухходового штуцера (3). Данное устройство взято за прототип.
Недостатком устройства является то, что оно не может быть использовано для изучения процессов кровообращения в области бифуркации магистрального сосуда.
Технический результат полезной модели - создание устройства для моделирования кровотока в области бифуркации магистральной артерии.
Этот результат достигается тем, что устройство включает в себя брусок в форме параллелепипеда из полимерного прозрачного стекла с продольной цилиндрической полостью диаметром 20 мм, длиной 20 см, далее расходящейся под углом 60° на две цилиндрические полости диаметром 8 мм, длиной 12 см каждая; брусок в форме параллелепипеда располагается горизонтально на горизонтальной ровной поверхности; с входного конца бруска располагается двухходовой штуцер, установленный герметично с помощью силиконовой прокладки в продольную цилиндрическую полость диаметром 20 мм; к двухходовому штуцеру герметично сбоку прикреплена приводящая силиконовая трубка, соединенная свободным концом с водяным насосом обладающим свойствами функционирования при имитации правильного сердечного ритма и нарушений ритма: экстрасистолии и фибрилляции предсердий; насос соединен с регулятором расхода жидкости; с другой стороны в двухходовой штуцер установлен полый зонд, соединенный с датчиком пульсации давления; показания с датчика пульсации давления передаются и фиксируются осциллографом; свободные отверстия двух цилиндрических полостей диаметром 8 мм каждая герметично соединены с двумя отводящими силиконовыми трубками, присоединенными к водяному насосу.
Применение бруска в форме параллелепипеда из полимерного прозрачного стекла с продольной цилиндрической полостью диаметром 20 мм, длиной 20 см, далее расходящейся под углом 60° на две цилиндрические полости диаметром 8 мм, длиной 12 см каждая обеспечивает имитацию бифуркации магистральной артерии.
Применение двухходового штуцера, соответствие диаметров отверстий входной и выходной части емкости диаметрам отверстий резиновых прокладок и силиконовых трубок, позволяет обеспечить надежность функционирования устройства, сохранить герметичность замкнутого контура течения жидкости по нему. В то же время простота конструкции устройства позволяет легко его разбирать для моделирования тех или иных ситуаций с размещением в емкости соответствующих конкретной патологии элементов (см. примеры использования устройства).
Применение двухходового штуцера позволяет вводить внутрь цилиндрической полости различные вещества (например, канцелярскую тушь) или устанавливать шелковую нить для визуализации процессов кровообращения в области бифуркации при проведении необходимых экспериментов.
Устройство включает в себя брусок в форме параллелепипеда из полимерного прозрачного стекла с продольной цилиндрической полостью диаметром 20 мм, длиной 20 см, далее расходящейся под углом 60° на две цилиндрические полости диаметром 8 мм, длиной 12 см каждая; брусок в форме параллелепипеда располагается горизонтально на горизонтальной ровной поверхности; с входного конца бруска располагается двухходовой штуцер, установленный герметично с помощью силиконовой прокладки в продольную цилиндрическую полость диаметром 20 мм; к двухходовому штуцеру герметично сбоку прикреплена приводящая силиконовая трубка, соединенная свободным концом с водяным насосом обладающим свойствами функционирования при имитации правильного сердечного ритма и нарушений ритма: экстрасистолии и фибрилляции предсердий; насос соединен с регулятором расхода жидкости; с другой стороны в двухходовой штуцер установлен полый зонд, соединенный с датчиком пульсации давления; показания с датчика пульсации давления передаются и фиксируются осциллографом; свободные отверстия двух цилиндрических полостей диаметром 8 мм каждая герметично соединены с двумя отводящими силиконовыми трубками, присоединенными к водяному насосу.
Полезная модель поясняется графическим материалом. На Фигуре 1 изображена схема предлагаемого устройства, которое содержит брусок в форме параллелепипеда из полимерного прозрачного стекла 1 с продольной цилиндрической полостью диаметром 20 мм, длиной 20 см, далее расходящейся под углом 60° на две цилиндрические полости диаметром 8 мм, длиной 12 см каждая. С входного конца цилиндрической полости расположен двухходовой штуцер 2. В него закреплен зонд 3 и приводящая силиконовая трубка 4, соединенная с водяным насосом 5. К насосу присоединен регулятор расхода жидкости 6. Зонд 3 соединен с датчиком пульсации давления 7, который передает данные на осциллограф 8. От двух полых цилиндрических полостей с выходного конца закреплены две отводящие силиконовые трубки 9, соединенные свободными концами с водяным насосом 5.
Устройство используют следующим образом. Насос 5, соединенный с приводящей силиконовой трубкой 4 и отводящими трубками 9, размещают в емкости с жидкостью, по вязкости соответствующей крови человека, например, водном растворе глицерина. После этого емкость с данной жидкостью герметично закрывают. Насос 5 подключают к аккумулятору. При этом по приводящей трубке 2 в контур устройства начинает поступать жидкость, проходя через продольную цилиндрическую полость, далее область ее деления на две цилиндрические полости и поступает в две отводящие силиконовые трубки. Насос 5 за счет смены режимов обеспечивает постоянную и прерывистую циркуляцию водного раствора глицерина по замкнутой системе. Далее приступают к выполнению конкретных поставленных задач по изучению циркуляции жидкости в области бифуркации магистрального сосуда.
Для простого наблюдения за областью бифуркации магистрального сосуда в устройстве используют зонд 3, через который вводится канцелярская тушь, а также на конце которого может быть закреплена шелковая нить (Фигура 2). За счет колебаний нити при одновременном введении через клапан штуцера 2 канцелярской туши оценивают направление и характер потока циркулирующей жидкости внутри цилиндрической полости бруска 1.
Для изучения области бифуркации магистральной артерии в устройстве при особых условиях используют иные приемы. Перед началом работы устройства отсоединяют двухходовой штуцер 2 от основной цилиндрической полости и извлекают зонд 3. Через отверстие входной части пинцетом внутрь цилиндрической полости бруска 1 могут быть поочередно установлены диафрагмы, имитирующие сужение просвета сосуда. Используют пластиковые диафрагмы с наружным диаметром 20 мм, длиной 20 мм и внутренним просветом, составляющим соответственно 50% от общего диаметра, 30% от общего диаметра, 10% от общего диаметра и эксцентричным просветом, составляющим 30% от общего диаметра для создания ограничения потока циркулирующей жидкости. После введения диафрагм (-мы) выполняют герметичную фиксацию двухходового штуцера 2 и установку зонда 3. Включают насос 5, выполняя аналогичные вышеописанные действия.
С помощью введения через зонд 3 канцелярской туши и шелковой нити на конце зонда оценивают гемодинамику в области бифуркации магистральной артерии до места установки диафрагмы, в месте установки диафрагмы и за местом установки диафрагмы. С помощью прикрепленного к зонду датчика пульсации давления 7, присоединенного к устройству регистрации давления - осциллографу 8, проводят измерения давления внутри полости до уровня диафрагмы, в зоне диафрагмы и за диафрагмой (Фигура 3).
Для изучения кровотока в области бифуркации магистральной артерии при стентировании для имитации установленного в сосуде стента используют внутрисосудистый эндопротез, имеющий цилиндрическую форму, представляющий собой сетку со спиралевидно закрученными балками, с толщиной балок 0,8 мм, диаметром 8 мм и длиной 40 мм. Введение эндопротеза в продольную цилиндрическую полость бруска в форме параллелепипеда 1 проводят аналогично, продвигая дистальнее области бифуркации магистральной артерии в одну из равнозначных ветвей, устанавливая сразу после деления основного просвета цилиндра. После чего внутрь эндопротеза поочередно заводят диафрагмы. Первую диафрагму с внутренним просветом 10% устанавливают по начальному краю эндопротеза с частичным вхождением внутрь него. Вторую диафрагму с внутренним просветом 30% устанавливают в средней части тела эндопротеза. В случае необходимости вместо второй диафрагмы устанавливают диафрагму с внутренним просветом 50% в конечной части эндопротеза с частичным выходом за него или устанавливают диафрагму с эксцентричным внутренним просветом 30%. После аналогичной фиксации и герметизации элементов устройства включают водяной насос 5. Выполняют аналогичные исследования кровотока в области бифуркации магистральной артерии до места установки первой диафрагмы, между первой и второй диафрагмой в зоне эндопротеза и за местом установки второй диафрагмы (Фигура 4).
После окончания каждого эксперимента электрический насос 5 отсоединяют от питания. После этого от штуцера 2 отсоединяют приводящую трубку 4, а от равнозначных цилиндрических отверстий отсоединяют отводящие 9 силиконовые трубки. Жидкость из частей устройства сливается обратно в емкость.
Использование устройства иллюстрируется следующими примерами.
1. Аспиранту-кардиологу было дано задание провести наблюдение за особенностями кровотока в области бифуркации магистральной артерии на фоне правильного сердечного ритма и на фоне нарушения ритма -фибрилляции предсердий. Для выполнения данной задачи он использовал предложенное нами устройство для моделирования кровотока в области бифуркации магистральной артерии, основу которого составил брусок в форме параллелепипеда из полимерного прозрачного стекла с продольной цилиндрической полостью диаметром 20 мм, длиной 20 см, далее расходящейся под углом 60° на две цилиндрические полости диаметром 8 мм, длиной 12 см каждая. Водяной насос, благодаря разным режимам работы, обеспечил переменную циркуляцию водного раствора глицерина по замкнутой системе, имитирующую правильный сердечный ритм и фибрилляцию предсердий. Через двухходовой штуцер аспирант ввел шелковую нить в продольную цилиндрическую полость диаметром 20 мм, длиной 20 см, закрепленную одним концом на дистальной его части, и за счет колебания нити при одновременном введении через клапан двухходового штуцера синей канцелярской туши оценил направление и характер потока циркулирующей жидкости внутри устройства при разных режимах работы водяного насоса - на фоне правильного сердечного ритма и на фоне нарушения ритма - фибрилляции предсердий. Аспирант наблюдал появление турбулентного характера тока жидкости, а также появление отраженных и стоячих волн в области двух цилиндрических полостей диаметром 8 мм, длиной 12 см каждая при прохождении первой пульсовой волны после длительной паузы при фибрилляции предсердий.
2. Аспиранту-кардиологу было дано задание провести наблюдение за особенностями кровотока в области бифуркации магистральной артерии на фоне правильного сердечного ритма и на фоне нарушения ритма -фибрилляции предсердий при наличии гемодинамически значимого стеноза 70%. С помощью предложенного устройства, основу которого составил брусок в форме параллелепипеда из полимерного прозрачного стекла с продольной цилиндрической полостью диаметром 20 мм, длиной 20 см, далее расходящейся под углом 60° на две цилиндрические полости диаметром 8 мм, длиной 12 см каждая, после установки необходимой диафрагмы в просвет продольной цилиндрической полости сразу в области двух цилиндрических полостей диаметром 8 мм, длиной 12 см каждая аспирантом была смоделирована ситуация наличия бляшки с гемодинамически значимым стенозом 70% с асимметричным расположением бляшки. С помощью работы водяного насоса применялась переменная подача жидкости, имитирующая правильный сердечный ритм и нарушение ритма сердца - фибрилляцию предсердий. В результате наблюдений были получены следующие данные: возрастание скорости потока произошло в 2,3 раза в месте установки диафрагмы с внутренним просветом 30% в сравнении с достенотическим уровнем при правильном сердечном ритме и в 3,3 раза при фибрилляции предсердий при прохождении первой пульсовой волны после длительной паузы. При наблюдении за движением нити и канцелярской туши характер потока был турбулентным, визуализировались отраженные и стоячие волны о стенки цилиндра за диафрагмой, особенно при фибрилляции предсердий.
3. Аспиранту-кардиологу было дано задание провести наблюдение за особенностями кровотока в области бифуркации магистральной артерии на фоне правильного сердечного ритма и на фоне нарушения ритма -фибрилляции предсердий при наличии гемодинамически значимого стеноза 70% и стента. С помощью предложенного устройства, основу которого составил брусок в форме параллелепипеда из полимерного прозрачного стекла с продольной цилиндрической полостью диаметром 20 мм, длиной 20 см, далее расходящейся под углом 60° на две цилиндрические полости диаметром 8 мм, длиной 12 см каждая, после установки в просвет продольной цилиндрической полости диаметром 20 мм эндопротеза и соответствующей диафрагмы аспирантом была смоделирована заданная ситуация. Применялась переменная подача жидкости, имитирующая нарушение ритма сердца - фибрилляцию предсердий. В результате наблюдения были получены следующие данные: возрастание скорости потока жидкости произошло в 3 раза в продольной цилиндрической полости в месте установки диафрагмы с внутренним просветом 30% в сравнении с достенотическим уровнем. При наблюдении за движением нити и канцелярской туши характер потока был турбулентным, визуализировались отраженные и стоячие волны о стенки цилиндра за диафрагмой, особенно при фибрилляции предсердий. Аспирант наблюдал интенсивное механическое воздействие волн жидкости на эндопротез, усиливающееся при переменной подаче жидкости, имитирующей кровоток при фибрилляции предсердий.
Использование предлагаемого устройства позволяет моделировать процессы, происходящие внутри области бифуркации магистральных артериальных сосудов при правильном сердечном ритме, нарушениях ритма (экстрасистолии, фибрилляции предсердий) и при формировании стенозов, вызванных атеросклеротическим поражением артерий, а также в случае имплантации внутрисосудистых эндопротезов и развитии внутрипротезных повторных стенозов. Предлагаемое устройство возможно и целесообразно использовать для выполнения доклинических научных исследований в кардиологии, хирургии, биофизике.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Патент RU 2633944 С2 «Устройство для моделирования кровообращения» от 19.10. 2017.
2. Патент RU 2678712 С1 «Стенд для исследования течения жидкости в трубопроводе» от 31.01.2019.
3. Патент №202780 «Устройство для моделирования внутриартериального кровообращения» от 05.03.2021.