Искусственное сердце с мембранно-клапанным насосом и способ настройки гармонических колебаний мембраны
ARTIFICIAL HEART WITH MEMBRANE-VALVE PUMP AND METHOD OF ADJUSTING HARMONIC VIBRATIONS OF MEMBRANE

Предлагаемое изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для перекачивания крови и в частности к имплантируемым искусственным сердцам.
Рассматриваемое сердце состоит из накопительных ресиверов (предсердий) отдельно для венозной и обогащенной артериальной крови, из которых кровь с помощью встроенного в него насоса перекачиваются в нагнетательные камеры (желудочки), откуда под давлением направляется для обогащения из венозного желудочка в легочный ствол, а из другого желудочка обогащенная кровь, поступившая из легких, направляется в артерии. Перекачка осуществляется с помощью всасывающих клапанов из ресиверов и нагнетательных клапанов из желудочков. Наибольшее применение в качестве привода насоса нашли электромеханические и электромагнитные устройства.
Известно также устройство искусственного сердца [1], содержащее камеры для крови в виде эластичного баллона, размещенные в его концах входной и выходной клапаны, нажимные элементы и соединенный с ними электромагнитный привод, состоящий из постоянных магнитов и обмоток привода. Недостатком этой конструкции является прекращение притока крови в момент опорожнения камер и для последующего заполнения камер необходим возврат прижимных пластин в исходное положение, а это требует дополнительного затрата энергии. Устройство имеет большие габариты.
Известно также устройство искусственного сердца [2], содержащее камеры для крови в виде эластичного баллона, размещенные в его концах входной и выходной клапаны, нажимные элементы и соединенный с ними электромагнитный привод, состоящий из постоянных магнитов и обмоток привода. В устройстве предусмотрено размещение вспомогательного электропитания и блока управления, которые в течение систолы (сжатия жидкости) подают ток в обмотки электромагнитного привода. Предусмотрено также размещение датчика окончания цикла систолы и основное внешнее питание по кабелю. Недостатком данного устройства являются большие габариты и масса, нет возможности использования как вспомогательно вживляемого сердца, мал ресурс вспомогательного питания и неудобство использования кабеля внешнего питания для электромагнитного привода. Величина сжатия баллона в режиме систолы определяется ходом нажимного элемента, а частота колебаний блоком управления. Такое устройство можно использовать в качестве прототипа.
Задачей предлагаемого изобретения является использовать в насосе сердца колебательный элемент - мембрану в гармоническом режиме. Это означает, что при гармонических колебаниях по синусоидальной зависимости мембрана имеет двухстороннее отклонение от нулевого положения, что позволяет увеличить рабочий ход мембраны насоса в два раза. Также предлагается применить автономное пьезоэлектричество, а в качестве мембраны использовать биморфный пьезоактюатор, представляющий собой слоистую пленку толщиной примерно 0,5 мм. Свойство биморфного пьезоактюатора заключается в его прогибе в одну сторону при подаче на его обкладки разницы электрического потенциала, а при изменении знака потенциала также изменяется направление прогиба. Использование этого свойства позволит уменьшить массу колебательного элемента (мембраны) более чем на порядок. При этом задачей является сохранение основных параметров сердца: производительности насоса, давление крови, скорость выталкивания крови.
Для достижения цели в поставленной задаче в устройстве искусственное сердце с мембранно-клапанным насосом, содержащее оболочку, внутри которой размещены камеры ресиверов и камеры сжатия с рабочей жидкостью, к разделенные перегородками по парам с клапанами всасывания и нагнетания, на прием венозной и обогащенной крови, и вблизи их установлены упругие элементы, а также источник электроэнергии, который может воздействовать на упругий элемент, выполняющий функции насоса, в нем:
- оболочка изготовлена в виде несущего корпуса трубчатого четырехгранного прямоугольного профиля, имеющего внутри камеру, закрытую с одной стороны глухим дном, а с другой стороны закрытую съемной крышкой;
- камера разделена вдоль большой стороны перегородкой на одинаковые ресиверы венозной и артериальной крови;
- на дне установлены по одному всасывающему клапану с выходом из ресиверов и размещены в утолщенных стенках меньшей стороны профиля по одному нагнетательному клапану с выходом в легочный ствол и артерии, а снаружи профиля установлены по периферии входные патрубки для крови;
- в обе стороны от дна и крышки ресиверов по модульному принципу на шипованных по периферии торцах профиля присоединены секции камер сжатия, в которых в стенках профиля на упругих опорах установлена мембрана - пластинчатый изгибный пьезоактюатор, разделяющий камеру пополам;
- также на расстоянии амплитуды отклонения пьезоактюатора к секциям камер сжатия подсоединены секции пластинчатых пьезогенераторов, с камерами давления и закрытые с внешней стороны резиновой пластиной, аналогично с другой стороны размещен второй пъезогенератор, увеличивающий суммарную мощность электричества;
- для сообщения жидкости между желудочками в утолщенной стенке ресивера выполнены каналы, перпендикулярные дну и крышке основания, причем нагнетательные клапаны своими входами подведены к каналам;
- в центрах пьезоактюаторов и пьезогенераторов выполнены сообщающие отверстия для прохода крови к пъезоактюаторам и резиновой пластине;
- крепление секций камер и крышек на стенках профиля выполнено с помощью шипованных торцов на клею и стяжек из капролонового стержня с термофиксацией на его концах.
Для достижения поставленной цели в способе настройки гармонических колебаний мембраны насоса сердца, заключающемся в выборе величины хода и частоты колебаний мембраны, в нем:
- требуемую частоту колебаний настраивают в режиме свободных колебаний мембраны-пьезоактюатора по известному соотношению  где с/m - отношение жесткости пьезоактюатора к его массе;
- массу (m) корректируют присоединением к массе пьезоактюатора (mp) добавочной, сосредоточенной в центре мембраны массы (ms), также по известной формуле m=mp+2ms/L, где L - длина пьезоактюатора;
- воздействуют на пьезоактюатор и пьезогенераторы давлением жидкости синхронно, например, посредством электрической схемы с использованием резисторов, конденсаторов и микросхем;
- ход пьезоактюатора с учетом настроенной частоты обеспечивают выбором электрических и конструктивных параметров пьезоактюатора и пьезогенераторов для заданной производительности насоса, например, 5 литров в минуту.
Сущность предлагаемого изобретения пояснена на чертежах, где:
- на фиг. 1 показан вид А сечения А-А на фиг. 2 по плоскости симметрии нагнетательных клапанов и штуцеров вен и аорт, где также показаны накопительные камеры и поперечные сечения всасывающих клапанов;
- на фиг. 2 показан вид В сечения В-В на фиг. 1 по оси симметрии ресивера и камеры сжатия, по поперечному сечению нагнетательного клапана и по плоскости симметрии всасывающего клапана;
- на фиг. 3 показан вид С сечения С-С на фиг. 2 - ее поперечное сечение;
- на фиг. 4 - разрез D-D на фиг. 1 и вид на электромонтаж и каналы, соединяющее камеры давления и выход к нагнетательному клапану.
Искусственное сердце состоит из оболочки 1 (фиг. 1) которая изготовлена из нейтрального материала, например, капролона (полиамид-6) в виде несущего корпуса трубчатого четырехгранного прямоугольного профиля, имеющего внутри камеру, закрытую с одной стороны глухим дном 2 (фиг. 2), а с другой стороны закрытую съемной крышкой 3. Камера разделена вдоль большой стороны перегородкой 4 (фиг. 1) на одинаковые ресиверы 5 венозной и артериальной крови. На дне установлены по одному всасывающему клапану 6 с выходом из ресиверов и размещены в утолщенных стенках меньшей стороны профиля по одному нагнетательному клапану 8 с выходом в легочный ствол и артерии, а снаружи профиля установлены по периферии входные патрубки 7 для крови.
В обе стороны от дна и крышки ресиверов по модульному принципу на шипованных по периферии торцах профиля присоединены секции нагнетательных камер 14 (фиг. 2) мембраной пластинчатого изгибного пьезоактюатора 15 на упругих опорах 18 в стенках профиля. А также подсоединены камеры давления 12 с пластинчатыми пьезогенераторами 13, закрытыми с внешней стороны резиновой пластиной 11.
Для сообщения жидкости между камерами сжатия в утолщенной стенке ресивера выполнены каналы 9 (фиг. 1, фиг. 4), причем нагнетательные клапаны своими входами подведены к каналам, а в центрах пьезоактюаторов и пьезогенераторов выполнены отверстия 16 и 17 (фиг. 2) для выравнивания давления в камерах и под резиновой пластиной 11 за счет ее вздутия.
Электромонтаж всех пьезоактюаторов и пьезогенераторов выполнен в наружном пазу 10 (фиг. 1, фиг. 4) оболочки, который введен под резиновую пластину 11 на монтажную плату 19 (фиг. 4) и заполнен герметиком. В центре пьезоактюаторов 15 (фиг. 2) размещены добавочные грузы 20 (фиг. 3), которые позволяют обеспечивать подбором его величины корректировать собственную частоту колебаний пьезоактюатора. Крепление секций камер и крышек на стенках коробки выполнено с помощью шипованных торцов 21 на клею и стяжек из капролонового стержня 22 с термофиксацией на его концах. Такая конструкция позволяет осуществить секционную сборку. Базой для сборки является закрытый крышкой корпус, с размещенными внутри ресиверами, всасывающими и нагнетательными клапанами и штуцерами 7 (фиг. 1) по периферии стенок корпуса. После настройки и проверки последовательно устанавливаются другие секции - камеры сжатия с пьезоактюаторами и камеры давления с пьезогенераторами, закрытые резиновыми пластинами.
Гармонические колебания пьезоактюатора происходят из-за его свойств изгибаться под действием знакопеременного электрического потенциала, вырабатываемого пьезогенератором, на который воздействует одновременно знакопеременное давление жидкости при движении пьезоактюатора. Настройка гармонических колебаний мембраны насоса сердца должна быть приведена в первую очередь к заданной частоте и в соответствии с приведенной выше формулой будет уменьшаться с увеличением массы пьезоактюатора (m) и уменьшением его жесткости (с). Это вызывает необходимость снижать его толщину и увеличивать длину L.
Для толщины мембраны (0,4-0,5) мм по результатам расчета при проектировании частота собственных колебаний f имеет величину не более 9 Гц, при этом его длина L, исходя из допустимых габаритов, выбрана максимально возможной. Значительное снижение частоты колебаний пьезактюатора до (1-3) Гц может быть достигнуто за счет размещения в центре сосредоточенной массы (примерно 10 г при массе мембраны 4 г).
Настройку работы насосов в желудочках целесообразно проводить до окончательной сборки. В процессе настройки необходимо обеспечит одинаковую частоту колебаний и ход всех пьезоактюаторов за счет подбора дополнительных масс на актюаторах и выходных напряжений на пьезогенераторах.
Универсальность конструкции, имеющей модульную возможность наращивать секции с пластинчатыми изгибными актюаторами, позволяет получить необходимую производительность насоса даже при небольших частотах колебаний мембраны и усиливать мощность пьезогенераторов.
Теоретической и практической основами реализации предлагаемого изобретения являются обширные исследования в области пьезоэлектричества. Так, например, профессор Панич А.Е. выложил в интернете учебное пособие: Пьезокерамические актюаторы, ЮФУ, Ростов-на-Дону, 2008. 159 с. Пособие предназначено для специалистов в области прецизионных устройств оптики, фотоники, нанометрологии, микробиологии, медицине. Особенно интересно в пособии описание перспектив совершенствования пьезобиморфов. Показано, что проводятся испытания волоконно-композитного актюатора на основе пьезокерамики ЦТС. Эти актюаторы имеют повышенные характеристики по величине прогиба под действием потенциала электричества.
Также АО НИИ "ЭЛПА" рекламирует ряд биморфных пьезоактюаторов, которые освоены в производстве и выпускаются большими партиями, и принимает заказы на их изготовление.
Библиографические данные.
1. Патент RU №2007191, кл. Ф61М 1/10 1998 - аналог.
2. Патент RU №2387457 С1 от 23.10.2008 - прототип.