Стенд для испытания атриовентрикулярных биопротезов клапанов сердца

СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ АТРИОВЕНТРИКУЛЯРНЫХ БИОНРОТЕЗОВ КЛАНАНОВ СЕРДЦА
Полезная модель относится к области медицины, а именно, к кардиохирургии и может быть использована для медико-биологической оценки материалов и влияния взаимодействия составных частей клапанов сердца на их конечные характеристики.
Проблема разработки новых протезов клапанов сердца связана с комплексным решением сложных медико-биологических и технических задач, одной из которых является исследование гидродинамических характеристик протеза в режимах адекватно иммитирующих физиологические условия их функционирования.
Известен стенд для иммитации работы сердца, содержащий аортальную и предсердную камеры с испытуемыми клапанами и боковыми отводами, соединенные с трупным сердцем, компрессорными установками, электронными блоками пневматики, датчиками давления, расходомерами, пневмокардиомассажером, предсердным резервуаром и соединительными магистралями (В.И.Шумаков и др. «Атлас вспомогательного кровообращения, г.Алма-Ата, «Гылым, 1992 г.; с.65).
Основным недостатком этого стенда является низкая производительность естественного, но мертвого и очень ригидного желудочка. Другим недостатком является несоответствие условий испытания клапанов реальным, в частности, исследование можно проводить только при горизонтальном расположении желудочка и клапана, что существенно ограничивает область применения стенда.
Известен стенд для испытаний аортального и митрального клапанов сердца на пропускную способность и обратный переток, содержащий испытательные камеры для митральных и аортальных клапанов с посадочными диаметрами от 14 до 40 мм, напорную емкость, пневмогидроаккумулятор, пульт пневмопривода, пульс-дупликатор, вентиль трехпозиционный, мерные емкости, напорные трубки, поплавковый и обратный клапаны, соединительные гидромагистрали (ГОСТ 26997-86 «Клапаны сердца искусственные. Общие технические условия. Государственный комитет СССР по стандартам, М., 1986, с.24-26). Пульт пневмопривода обеспечивает циклическое создание пульсирующего давления с частотой 1,0 или 1,1 Гц в пневмогидроаккумуляторе. При испытаниях аортальных клапанов амплитуда давления в пневмогидроаккумуляторе составляет 130 или 230 гПа, длительность импульса давления 0,65 с. При испытании митральных клапанов аналогичные показатели имеют значения, соответственно, 160 или 280 гПа и 0,35 с.
Основными недостатками известного устройства являются:
жесткая фикасация аортального кланана, особенно бескаркасного, не дает возможности регистрировать характеристики в широком диапазоне из-за невозможности увеличивать проходной диаметр в фазу «систолы ;
жесткие квадратные стенки основных испытательных камер и ступенчатые переходы гидромагистралей значительно увеличивают сопротивление току жидкости, особенно при увеличении ее вязкости, что требует нефизиологических давлений в гидроаккумуляторе и снижает расходные характеристики испьггуемых клапанов;
отсутствие механизма иммитирующего «систолу предсердия для митральной позиции не позволяет получить адекватную (физиологическую) кривую давления на протяжении цикла;
невозможность создания условий иммитирующих трикуспидальную позицию клапана сердца;
отсутствие регулируемого периферического сопротивления, и т.д.
Указанные недостатки в конструкции известного стенда оказывают существенное влияние на достоверность полученных результатов оценки или исключают возможность проведения на нем ряда видов испытаний протезов клапанов сердца.
Предложен стенд для исследований биологических атриовентрикулярных клапанов сердца, содержащий канал для установки исследуемого клапана, пневмопривод, пульсдупликатор, напорные емкости, соединительные магистрали и контрольно-измерительную аппаратуру. Сущность полезной модели заключается в том, что стенд снабжен дополнительно желудочком с мембранным насосом, предсердием с дополнительной напорной емкостью, гидропневмодемпфером с мембраной, дополнительным компрессором, накопительной емкостью и пневмоаккумулятором с вакуумным постом. Предсердие соединено с желудочком через канал с исследуемым клапаном, а дополнительная напорная емкость снабжена патрубками сброса давления и соединена с предсердием через управляемый электроклапан - с блоком управления пульс-дупликатора и с пневмоприводом. Накопительная емкость соединена с предсердием через электровентиль, управляемый пульсдупликатором, и с помощью механического клапана и дополнительной гидромагистрали с желудочком. Мембранный насос через электроклапаны, управляемые пульсдупликатором, соединен, соответственно, с вакуумным постом пневмоаккумулятора и с дополнительным компрессором. Стенд может быть снабжен, для моделирования малого круга кровообращения, второй дополнительной напорной емкостью, установленной на высоте ниже напорной емкости и сообщающейся через тройник с вентилями с гидромагистралью, соединяющей гидропневмодемпфер с напорной емкостью, а через сливной патрубок - с накопительной емкостью. Для визуального контроля работы исследуемого клапана может быть использована цифровая видеокамера.
Основными преимуществами стенда являются:
возможность исследования протеза клапана в митральном или трикуспидальном режимах, при различных частотах, не извлекая протез из стенда;
проведение исследований работы протеза в условиях, иммитирующих патологию в системе кровообращения;
измерение перетока жидкости через закрытый протез (показатель несостоятельности створчатого аппарата клапана);
возможность осуществления критической нагрузки на створчатый аппарат для выявления допустимых пределов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема стенда, на фиг.2 - установка исследуемого клапана в канале, на фиг.З моделирование большого и малого путей кровообращения. Стенд для исследований биологических атриовентрикулярных протезов клапанов сердца содержит корпус 1, в котором имеется канал 2 для установки исследуемого клапана 3, желудочек 4 с мембранным насосом 5 и предсердие 6, которое может сообщаться с желудочком 4 через исследуемый клапан 3. Ток жидкости из желудочка 4 в гидропневмодемфер 7 осуществляется через конусовидное отверстие, в котором укреплен неподвижно сменный механический протез аортального клапана 8. Выход аортального клапана в гидропневмодемпфер выполнен под мембрану 9, которая разделяет воздушную и гидравлическую фазы. Выход жидкости из гидропневмодемпфера происходит по гидромагистрали 10, оборудованной тройником 11 с шаровыми вентилями 12 и 13, осуществляющими распределение потоков жидкости по большому, через напорную емкость 14, и малому, через одну из дополнительных напорных емкостей 15, путей, моделирующих соответствующие круги кровообращения. Напорные емкости обеспечивают постоянное минимальное давление на жидкость в гидропневмодемпфере 7. Выходы из указанных напорных емкостей осуществлены через сливные патрубки 16 и 17 в накопительную емкость 18, которая сообщается с предсердием 6 через электромагнитный вентиль 19, управляемый с помощью блока управления 20 пульсдупликатора 21. Кроме этого, накопительная емкость 18 соединена с желудочком 4 через механический клапан 22 с помощью дополнительной гидромагистрали 23, оборудованной вентилем 24, трехходовым вентилем 25 и сливным патрубком 26. Указанная связь предназначена для измерения обратного перетока при закрытом испытуемом протезе клапана сердца 3 в фазу «систолы желудочка. Трехходовой вентиль 25 служит для слива жидкости по окончании процесса исследования.
c ;rQ3/o / fв канале 2 с помощью уплотнительных колец 27 различного диаметра установлена втулка 28 с испытуемым клапаном 3 и смотровым стеклом 29. Пневматическая часть стенда содержит мембранный насос 5 с тройником 30, к которому через электроклапаны 31 и 32 подсоединены, соответственно, аккумулятор вакуумного поста 33 и пневмопривод 34. Управление электроклапанами осуществляют блоком 20 пульс-дупликатора 21. Пневматическая часть включает также дополнительную напорную емкость 35, содержащую электроуправляемый клапан 36 и патрубки 37 для сброса отработанного воздуха или жидкости. Электроклапан 36 управляется блоком 20 пульс-дупликатора и предназначен для индукции пневмоимпульса из дополнительного компрессора 38, с которым он соединен пневмомагистралью.
Для регистрации характеристик и визуализации работы испытуемых протезов стенд снабжен электрическими датчиками давления 39, цифровой видеокамерой 40, подсветкой 41, компьютером 42, блоком аналого-цифрового преобразования 43 и блоками давления 44.
Ниже приведено описание работы стенда в режиме испытания митрального клапана.
Испытуемый биологический протез митрального клапана 3 помещают во втулку 28, которую затем устанавливают в испытательном канале 2 и фиксируют, например, с помощью резьбовой муфты. Накопительную емкость 18 заполняют рабочим раствором, который через открытый электровентиль 19 перетекает в предсердие 6 и далее через испытуемый клапан 3 - в желудочек 4. После установки необходимых электрических параметров в блоке управления 20 происходит включение пневмопривода 33 и компрессора 38, а также вакуумного поста 33. При первом пневматическом испульсе («систолы) давления происходит заполнение раствором подмембранной части гидродемпфера 7. В начальную фазу формирования «систолы в блоке управления 20 происходит формирование электрического сигнала, который поступает на управляемый электрический клапан 32, в результате чего он открывается и давление от пневмопривода 34 поступает в мембранный насос 5. В результате этого мембрана насоса совершает радиально-вертикальное перемещение и создает импульс гидравлического давления в желудочке 4. Следствием этого является закрытие испытуемого протеза 3 и жидкость под действием избыточного нарастающего давления открывает механический аортальный клапан 8. Импульс давления достигает подмембранного пространства гидропневмодемпфера 7, где расходует часть своей энергии на сжатие надмембранного воздущного объема. Жидкость по гидромагистрали 10 через вентиль 12 поднимается до верхней напорной емкости 14, т.е. по длинному пути, и стекает по сливному патрубку 16 в накопительную емкость 18. Этим процессом заканчивается фаза «систолы желудочка 4 и начинается фаза «диастолы. Она начинается с формирования электрического импульса в блоке управления 20 пульс-дупликатора, который поступает в электроклапан 31 и открывает его, одновременно электроклапан 32 закрывается. Избыточное давление из мембранного насоса 5 сбрасывается через электроклапан 31 в аккумулятор вакуумного поста 33, при этом происходит возврат мембраны насоса в исходное положение. Следствием снижения давления в желудочке 4 является закрытие механического аортального клапана 8. В блоке управления 20 пульс-дупликатора происходит формирование электрического импульса, который поступает в электровентиль 19 и открывает его. Указанный вентиль выравнивает давление между накопительной емкостью 18 и предсердием 6 путем масс-переноса объема рабочей жидкости. Вследствии возникшего перепада давления между предсердием 6 и желудочком 4 происходит пассивное открытие испытуемого протеза клапана 3, при этом жидкость перетекает из предсердия в желудочек и оказывает давление на мембрану насоса. Одновременно вакуумный пост 33 создает отрицательное давление в подмембранном пространстве насоса, что способствует прогибу мембраны и увеличивает приток жидкости в желудочек 4. В последней трети цикла «диастолы из пульс-дупликатора передается управляющий электроимпульс на электроклапан 36 для его открытия. Из дополнительного компрессора 38 избыточное давление передается в воздушную часть дополнительной напорной емкости 35 и создает гидравлический импульс давления в предсердии 6 и желудочке 4, который регистрируется датчиками давления 39. Для сброса избыгочного давления воздуха в верхней части емкости 35 имеются патрубки 37. По окончании сброса давления через патрубок 37 и поступлении электроимпульса из пульс-дупликатора на электроклапан 32 при одновременном обесточивании электроклапана 31 считается законченным полный пикл работы стенда. Для регистрации основных гидродинамических характеристик используют методы прямой регистрации расхода жидкости (л/мин). Давление и его градиенты в реальном времени измеряют с помошью электрических датчиков давления 39 непосредственно в предсердии и желудочке. Преобразование электрических сигналов от блоков давления 44 осуществляют с помощью блока аналого-цифрового преобразователя 43, сопряженный с компьютером 42 и может быть представлено как динамическим графиком кривой давления, так и в цифровом выражении. Для визуального контроля работы клапана используют жестко фиксированную на втулке 28 цифровую видеокамеру 40. Изображение может передаваться непосредственно в компьютер 42, либо сначала записывается на электронный носитель, а впоследствии транслироваться в компьютерную систему с возможностью математической обработки с прямым измерением плошади открытия протеза, скоростных параметров процессов и т.д.
Для исследования функционирования этого же протеза в режиме «трикуспидальной позиции необходимо изменить задаваемые электрические характеристики в блоке управления 20 пульс-дупликатора, изменить соответственно давления в пневмоприводе 34 и вакуумном посту 33, а также закрыть вентиль 12 и открыть вентиль 13. В результате этого изменяется длина пути жидкости и остаточное напорное давление в гидродемпфере 7, при этом давление в желудочке 4 в фазу «систолы снижается в 2,5 раза, но за счет более короткого пути жидкости и меньшего системного сопротивления и увеличения времени «систолы желудочка на 1/3 показатели расхода жидкости меняются незначительно. Электрический, пневматический и гидравлические импульсы меняются по такому же алгоритму как и в предьвдущем режиме.
Для прямого измерения перетока жидкости через закрытый испытуемый клапан из желудочка 4 в предсердие 6 в фазу «систолы стенд имеет дополнительную гидромагистраль 23 с механическим клапаном 22, соединяющую накопительную емкость 18 с желудочком 4. Измерение осуществляют следующим образом. В блоке управления 20 пульсдупликатора выбирают режим, в котором необходимо провести исследование протеза клапана 3. Производят отключение электроклапана 36, дополнительной напорной емкости 35, электровентиля 19 и отключением компрессора 38 и вакуумного поста 33. Открывают трехходовой вентиль 25 и шаровой вентиль 24 и через механический клапан 22 сообщают накопительную емкость 18 с желудочком 4. Во время «систолы желудочка измеряют протекающую через закрытый протез клапана жидкость в предсердие и выходящую через патрубок 45. Рабочая жидкость проходит путь из накопительной емкости 18 в желудочек через механический клапан 22 по дополнительной гидромагистрали 23, минуя предсердие и электровентиль 19 и во время «систолы желудочка поднимается в гидропневмодемпфер 7 и далее по заданному пути в накопительную емкость 18. Таким образом, показатели расхода жидкости и другие показатели не отличаются существенно от предыдущих режимов.
Предложенная конструкция стенда позво.11яет регистрировать в динамике следующие параметры:
расход жидкости, л/мин;
ударный объем (аортальный выброс), мл/цикл;
давление в разные моменты времени, гПа, мм рт.ст.;
градиенты давления (максимальный, средний, систолический, диастолический);
максимальная скорость движения жидкости через клапан, м/с; частота пульсации, цикл/мин; временное соотношение фаз «систола/диастола ; обратный переток, мл/цикл.
Заявители: « - Л.С.Барбараш -f о, ОУ.З,РО
. И.А.КЛИМОВ O.
///2 И.Ю.Журавлева / е. Д И.//
,, Н.П.Алешкевич f f. Р-У    В.В.Борисов