Центробежный насос для механической поддержки кровообращения
CENTRIFUGAL PUMP FOR MECHANICAL BLOOD CIRCULATION SUPPORT

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к имплантируемым устройствам для механической поддержки кровообращения, может быть использовано для лечения больных с терминальной стадией сердечной недостаточности, а также в качестве основного насоса в системах вспомогательного экстраракорпорального кровообращения.
Применение логарифмической кривой описано в устройстве для перекачивания крови (RU 2430748, С2), однако в известном устройстве оно описано для профилирования лопасти осевого насоса.
Известно устройство для механической поддержки кровообращения RotaFlow, описанное WO 2012034569 А2. Данное устройство представляет собой центробежный насос, состоящий из камеры, на вход которого подается жидкость и при вращении 4-х лопаточного ротора закрытого типа за счет центробежных сил жидкость перекачивается в выходной тракт, создавая расход жидкости и перепад давления, обеспечивая тем самым поддержку кровообращения. Вращение ротора обеспечивается за счет вращения внешнего магнитного поля.
Из-за несовершенной формы лопаток рабочего колеса минимизация вихреобразования является недостаточной, следствием чего является гемолиз и тромбоз крови при заданных параметрах производительности. Недостаток данного устройства заключается в гемолизирующем эффекте, который во многом связан с лопастной конструкцией вращающегося элемента (ротора). Ввиду этого насос можно использовать только для кратковременной поддержки кровообращения.
Техническая проблема состоит в создании малотравматичного устройства для перекачивания крови в виде центробежного насоса, обеспечивающего пониженную травму форменных элементов крови за счет снижения турбулентности и вихреобразования потока крови.
Медико-технический результат заключается в снижении гемолиза и вероятности образования тромбоза в устройствах центробежного типа для перекачивания крови при заданных параметрах расхода крови за счет снижении турбулентности и вихреобразования потока крови путем обеспечения условий ламинарного течения крови с отсутствием зон застоя при использовании роторов центробежных насосов канального типа за счет использования в них оригинальной геометрии каналов.
Таким образом, медико-техническим результатом заявляемого изобретения является минимизации гемолиза форменных элементов крови и вероятности образования тромбов в насосе, возникающих при движении крови в центробежном насосе при заданных параметрах расхода и перепада давления за счет снижения сдвиговых напряжений и времени экспозиции крови в критических областях.
Наиболее эффективно применение данного устройства для разработки при проектировании малогабаритных медицинских устройств, перекачивающих кровь, а также в насосах, где требуется минимальная деструкция перекачиваемого продукта.
Предлагаемое изменение геометрии проточной зоны ротора центробежного насоса позволяет формировать ламинарный поток крови в насосе, включая выходной тракт насоса, снижая интенсивность и объем вихревых зон и зон стагнации крови, в результате чего минимизируется гемолиз и тромбоз крови.
Сущность изобретения заключается в следующем.
В диске ротора центробежного насоса для перекачивания крови с наружным диаметром 20-70 мм сформированы (вырезаны) 2-8 трубчатых канала постоянного сечения с диаметром 1-6 мм. Каналы закручены по логарифмической кривой на 0.4-10 витков так, что угол выхода каждого канала из ротора, образованный касательной к соответствующей логарифмической кривой и касательной к наружной окружности диска ротора в точке пересечения упомянутых кривых составляет 1-15 градусов.
Каналы в частном случае имеют одинаковый диаметр постоянного сечения для каждого канала.
Каналы могут иметь различный диаметр, варьирующий от 1 до 6 мм.
В частном случае в диске ротора с наружным диаметром 46 мм сформированы (вырезаны) 4 канала с сечением 5 мм каждый, закрученных на 0.6 витка так, что угол выхода каждого канала из ротора, составляет 9 градусов.
Патентуемое изобретение представляет собой усовершенствованную модель построения проточной области ротора насоса центробежного типа. Главной особенностью модели является формирование трубчатых спиралевидных каналов с постоянным диаметром в элементе вращения с вариативной геометрией закрутки.
Изобретение поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 изображен общий изометрический внешний вид ротора устройства центробежного типа для перекачивания крови с 4 каналами; на фиг. 2 - чертеж геометрии построения логарифмической кривой трубчатого канала ротора (вид сверху), фиг. 3-ротор с 5 каналами; фиг. 4 - ротор с 4 каналами; фиг. 5 - ротор с 3 каналами, где:
1 - ротор;
2 - трубчатый канал;
3 - касательная к наружному диаметру диска ротора в точке выхода потока;
4 - касательная к логарифмической кривой в точке выхода потока;
α - угол выхода канала из ротора, который определяется касательной между вектором скорости потока в точке выхода из канала и касательной к вектору радиальной скорости в той же точке;
к
D - диаметр трубчатого канала.
Логарифмическая кривая характеризуется следующими параметрами:
θ - угол отклонения от нуля;
r - радиус-вектор точки спирали;
R - радиус-вектор точки выхода канала из ротора.
Вращающейся элемент (ротор) (1) содержит проточную зону, сформированную каналами (2) постоянного кругового сечения, сформированного по направляющей кривой.
Канал по диаметру представляет собой сформированное по логарифмической спирали круглое сечение. Использование логарифмической спирали, определяется одним из ее свойств, которое состоит в том, что угол, составляемый касательной в произвольной точке кривой по отношению к радиус-вектору r точки касания, является постоянным. Это позволяет при заданном диаметре канала получить постоянную скорость движения жидкости в нем.
Угол выхода канала из ротора, составляемый касательными к окружности диска ротора (3) и касательной к логарифмической кривой (4) в точке их пересечения α, должен стремится к нулю. Это обеспечит максимальное сопряжение потока жидкости при переходе из ротора в выходную магистраль (улитку и диффузор).
к
in
Диаметр сечения канала D и количество каналов n зависит от суммарной площади сечений выхода всех каналов, которая должна быль не меньше площади входа S в ротор, а также от размера боковой (радиальной) стенки ротора h. Диаметр конкретного канала может варьировать при соблюдении следующего условия. Условие соблюдения размеров:
Количество витков спирали, образующей канал, предполагает плавное протекание единицы объема жидкости за счет создания ламинарного течения в канале постоянного сечения.
В общем случае трубчатый канал ротора имеет перпендикулярный оси ротора вход, в котором угол выхода α равен 90 градусов.
Угол α канала ротора может достигать минимального значения в 1 градус.
Канал имеет тангенциальный или касательный вход относительно внутреннего проточного цилиндрического входного отверстия ротора.
Количество каналов может варьировать от 2 до 8.
а
Параметры спирали, такие как угол отклонения от нуля θ, коэффициент радиуса витков  и коэффициент расстояния между витками b варьируют в зависимости от заданных габаритных параметров ротора и канала, при соблюдении пунктов проектирования.
В ходе разработки насоса был изготовлен центробежный насоса с ротором, проточная часть которого состоит из четырех каналов, закрученных по логарифмической кривой. Сечение каналов имеет диаметр 5 мм. Вход в канал имеет касательное расположение к входному внутреннему диаметру ротора. Угол α составляет 9 градусов.
Гидродинамический макет центробежного насоса с ротором канального типа испытан на специальном стенде. Проведенные гидродинамические испытания и испытания моделируемого образца в системах автоматизированного проектирования, которые заключались в сравнении гидродинамических параметров насосов с канальным ротором и лопаточным ротором RotaFlow при одинаковом числе лопаток и каналов, а также соблюденными условиями построения каналов подтвердили снижение турбулентного потока и уменьшения максимального значения касательного напряжения на поверхностях ротора и центробежного насоса до 50 Па при использовании предлагаемого канального ротора.
Исследования в системах автоматизированного проектирования вариации угла выхода канала α из ротора показали снижение коэффициента турбулентности при значениях, близких к нулю.
Результаты математического моделирования и разработки опытного образца показали, что за счет конструирования проточной зоны ротора центробежного насоса в виде трубчатых каналов получено численное снижение показателей гемолиза по сравнению с лопаточным при соблюдении равнозначности по габаритам и функциональным характеристикам конструкции.
Апробация центробежного насоса in vitro с ротором канального типа в экспериментах по исследованию гемолиза с использованием донорской крови показала минимизацию травмы форменных элементов крови по сравнению с коммерческими центробежными насосами Biopump (Medtronic Inc), Rotaflow (Maquet).
Заявляемое изобретение представляет собой новое техническое решение, относящееся к классу имплантируемых технических средств, используемых для перекачивания крови и являющееся промышленно применимым, поскольку предлагаемый ротор может быть изготовлен предприятиями медицинской промышленности и не имеет высокой сложности изготовления.