Устройство для изолированной перфузии печени с возможностью определения резистивного индекса перфузии

Полезная модель относится к области медицинской техники для исследования процесса перфузии донорских органов. Она представляет собой гидродинамическое устройство с сенсорными элементами, предназначенное для изучения влияния медико-биологических факторов на процессы перфузии, восстановления функций и поддержания жизнеспособности донорских органов в течение длительного времени.
Устройство может применяться в научных специализированных учреждениях, а также в клиниках для трансплантации изолированных органов.
Известно устройство, защищенное патентом «Способ экстракорпоральной перфузии органов и устройство для его осуществления» [«Procede set moyens de perfusion extracorporelle d'organes», WO 0060936 A1, (2000)], которое состоит из оксигенатора, центробежного насоса, резервуара, вентилей, теплообменника, инвазивных датчиков давления, инвазивных зондов потока жидкости для экстракорпоральной перфузии органов, которые поддерживают жизнеспособность и функции изолированной печени.
Известно устройство «Система заполнения с постоянной температурой для изолированной печени» [«Constant temperature filling system for isolated liver», CN 203087385 U, 2012], которое состоит из контроллера, системы охлаждения с постоянной температурой и контейнера для хранения органа, датчика температуры, центробежного насоса, фильтра.
Известно устройство «Измерительная система с постоянной температурой для изолированного органа» [«Constant temperature measuring system for volume of isolated organ», CN 202255520 U, 2011], которое состоит из контейнера, датчика уровня жидкости, измерительной емкости, жидкости для подогрева до постоянной температуры, блока обработки данных, дисплея.
Известно устройство «Перфузионная система с постоянной температурой для изолированной печени» [«Constan temperature perfusion system forin-vitroliver», CN 202232703, 2012], которое состоит из измерительной системы, контейнера для нормотермической перфузии печени, фильтра, ультразвукового измерителя объема печени, охлаждающей платформы, насоса, термостата.
Вышеперечисленные устройства относятся к классу перфузионных устройств, выполняющих функции восстановления и поддержания жизнеспособности органов. Недостатком данных устройств является отсутствие средств для измерения гидродинамического сопротивления (резистивности) при перфузии изолированного органа.
Также, у данных устройств отсутствует функция детектирования пузырьков воздуха. Это может привести к попаданию пузырьков воздуха в магистрали венозных и артериальных каналов печени и привести к возникновению эмболии.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Автоматизированное устройство для нормотермической перфузии изолированной донорской печени» [RU 172275 U1].
Устройство включает центробежные насосы с высоким КПД, которые создают перфузионный поток с малой травмой форменных элементов крови. Насыщение крови кислородом реализуется с помощью стандартного оксигенатора. Устройство дренажа пузырей и датчик наличия пузырей не допускают блокирование каналов печени пузырями, а встроенный РН-метр при обнаружении высокого содержания углекислоты управляет вводом необходимого медикаментозного препарата в венозную артерию с помощью инфузионного шприцевого дозатора.
Устройство водяного нагрева позволяет регулировать температуру перфузата и поддерживать заданный температурный режим во время всего цикла перфузии.
Наличие воздушного компрессора позволяет осуществлять оксигенацию без применения кислородного баллона.
Недостатком рассмотренного прототипа является отсутствие возможности непосредственного определения гидродинамического сопротивления изолированного органа, так как в устройстве отсутствует измеритель вязкости перфузата, и, следовательно, отсутствует возможность проанализировать гидродинамику перфузии.
Устройство работает следующим образом.
Печень помещают в пластиковый контейнер с необходимым для поддержания жизнедеятельности печени объемом перфузата. Контейнер с печенью помещается в устройство термостатирования. Через систему управления выставляют температуру термостатирования. Терморегулятор, анализируя информацию о температуре внутри устройства термостатирования, полученную с помощью термодатчика, обеспечивает равномерное поддержание заданной температуры внутри всего рабочего объема устройства, что исключает появление газовых пузырей в крови из-за разности температур.
Контроллер центробежного насоса, получая информацию от системы управления, управляет скоростью вращения крыльчатки насоса, которая создает поток перфузата в силиконовых соединительных трубках.
При работе автоматизированного устройства для нормотермической перфузии изолированной донорской печени необходимо установить критерий, который определит степень готовности изолированного органа для последующей трансплантации. В качестве такого критерия целесообразно использовать Резистивный Индекс Перфузии (РИП).
Важно отметить, что РИП зависит как от геометрии капиллярной сети донорской печени, так и от вязкости перфузата, которая может в процессе восстановления медико-биологических характеристик печени изменяться.
Известно, что в процессе восстановления функций печени необходимо доводить перфузат до определенного физико-химического состояния. Для этого перфузат стандартно разбавляют физраствором или гепарином, и тем самым меняют его вязкость.
Следовательно, для разделения факторов, которые определяют изменение РИП, и контроля вязкости перфузата, необходимо использовать постоянно действующий измеритель вязкости (вискозиметр). Отсутствие измерителя вязкости для расчета РИП, приводит к неопределенности в объективной оценке процессов жизнедеятельности печени.
Таким образом, задачей полезной модели является создание устройства для перфузии изолированной печени, с возможностью определения резистивного индекса перфузии и его динамики в процессе восстановления и поддержания жизнедеятельности донорской печени.
Эта задача решается путем включения в состав устройства измерителя вязкости перфузата.
Предложено устройство для исследования процессов восстановления и поддержания жизнедеятельности изолированной печени для трансплантации, включающий в себя: 2 центробежных насоса для перфузии печени, 1 встроенный воздушный компрессор для оксигенации крови, 4 инвазивных канала измерения температуры крови, 8 каналов измерения инвазивного давления, 4 канала определения наличия пузырей, 4 канала измерения расхода жидкости, 1 канал измерения насыщения крови кислородом в режиме работы с центробежным насосом invitro, 1 канал измерения насыщения крови кислородом в режиме работы с биологическим объектом invivo, 2 канала измерения рН (артериальный и венозный), 1 канал измерения вязкости, отдельный модуль для измерения в венозном канале печени температуры, электропроводности и рН крови, измеритель резистивного индекса перфузии (РИП) изолированного органа. Предусмотрена возможность подключения шприцевого дозатора для инфузии лекарственных препаратов, а также возможность подключения блока для автоматического удаления желчи.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства. Устройство содержит центробежные насосы для артериального канала (1) венозного канала (2), контейнер для изолированного органа (3), вискозиметр (4), неинвазивные датчики пузырей (5, 6), неинвазивные расходомеры (7) и (8), инвазивные датчики температуры (9) и (10), датчик рН (11), инвазивные датчики давления (12), (13), (14), (15) и (16), оксигенатор (17), фильтры (18) и (19), панель управления (не показана), воздушный компрессор (20), оксиметр (21). Система термостатирования включает в себя нагреватель мощный (22) и нагреватель маломощный (23), которые нагревают воздух в контейнере. В устройстве действуют два канала циркуляции перфузата: артериальный (А) и венозный (В). Артериальный канал, в отличие от венозного, насыщается кислородом. Датчик температуры измеряет температуру крови в оксигенаторе. Печень лежит в контейнере (3), на выходе ее вены закреплен датчик давления (16). Жидкость самотеком стекает в контейнер, откуда забирается насосами (1) и (2). Общее электрическое питание устройства осуществляется от сети 220В или встроенных аккумуляторных батарей.
Устройство работает следующим образом.
Печень помещают в контейнер вместе с достаточным объемом перфузата. Оператор при помощи панели управления устройства выставляет желаемую температуру, которую устройство термостатирования поддерживает по показаниям датчика температуры при помощи обратной связи. К печени подсоединяют артериальный и венозный каналы кровоснабжения. Для заполнения оператор устанавливает значения скорости двигателей, после заполнения оператор устанавливает желаемое значение объемного потока крови, которое поддерживается системой управления, использующей для обратной связи расходомеры. Система управления регулирует скорость вращения насосов. Крыльчатка насоса создает поток перфузата. Вместе с началом работы системы нагрева начинает работать воздушный компрессор для подачи воздуха в оксигенатор. В процессе работы врач, используя рассчитанное числовое значение Резистивного Индекса Перфузии (РИП) печени может сделать вывод об успешности проведения восстановления жизнедеятельности органа. В дальнейшем этот показатель может быть использован как параметр для автоматизации процесса перфузии.
Для определения РИП печени используется формула Пуазейля [Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - Наука, 1978. - 944 с.]. Течение крови в артериях печени является ламинарным, что определяет возможность применения формулы Пуазейля для расчета РИП. РИП имеет физический смысл гидравлического сопротивления.
На фиг. 2 представлен фрагмент структурной схемы перфузионного устройства, включающий компоненты, участвующие в определении РИП печени, где:
7 - датчик расхода крови в печеночной артерии;
8 - датчик расхода крови в портальной вене;
14 - датчик давления на входе в печеночную артерию;
15 - датчик давления на входе в портальную вену;
16 - датчик давления на выходе из печеночной вены.
Стрелка показывает направление течения крови.
Резистивный индекс перфузии (РИП) для артериального канала определяется по формуле:
Резистивный индекс перфузии для венозного канала определяется по формуле:
а
где Р - давление на входе в печеночную артерию, Па;
ν
P - давление на входе в воротную (портальную) вену, Па;
pν
P - давление на выходе из печеночной вены, Па;
- динамическая вязкость крови, Па⋅с;
a
3
Q - расход крови в печеночной артерии, м/с;
ν
3
Q - расход крови в печеночной вене, м/с.
Пример расчета РИП.
Исходные данные:
5
давление на входе в печеночную артерию - 120 мм. рт. ст. =0.158×10 Па
5
давление на выходе печеночной вены - 20 мм. рт. ст. =0.026×10 Па
-6
3
расход крови в печеночной артерии - 300 мл/мин =5×10 м/с
-3
динамическая вязкость крови (3-4) × 10Па × с
-3
динамическая вязкость воды 0,984 × 10Па × с
а=
5
-6
-3
15
РИП(0,158-0,026)10/(5×10)⋅(3-4)×10=66×10
Экспериментально динамика РИП определялась при перфузии изолированной печени в течение 5 часов. Результаты представлены на фиг. 3.
Технический результат заключается в возможности определения РИП и его динамики, как основного критерия процессов восстановления и поддержания жизнедеятельности печени при многочасовой перфузии.