ИСКУССТВЕННЫЙ ЖЕЛУДОЧЕК СЕРДЦА И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
ARTIFICIAL HEART VENTRICLE AND ITS OPERATION MODE

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к аппаратам, предназначенным для замены насосной функции сердца при частичном или полном обходе естественных желудочков сердца, и может использоваться в имплантируемых системах вспомогательного кровообращения.
В патенте США №3974825 (МПК-2: A61F 1/24, опубликован 17.04.1976) описан искусственный желудочек сердца, включающий в свой состав корпус, в котором размещен мембранный насос с пневмоприводом, систему регистрации положения мембраны насоса, входной и выходной патрубки, входной и выходной клапаны рабочей камеры насоса. Дистанционная регистрация положения гибкой мембраны насоса и, соответственно, объема перекачиваемой крови осуществляется с помощью емкостного датчика, встроенного в корпус желудочка, который подключен к системе обработки сигнала, соединенной с системой управления насоса. Обкладки емкостного датчика образованы металлическими покрытиями на внутренней поверхности газовой полости насоса.
Данная система измерения имеет достаточно сложную конструкцию и требует изолированных электрических выводов, через которые емкостной чувствительный элемент датчика подключается к системе обработки сигнала. При этом требуется размещение элементов измерительной цепи в непосредственной близости от имплантируемого искусственного желудочка. Кроме того, на внешней поверхности камеры насоса наносится специальное металлическое покрытие, которое необходимо для экранирования насоса и обеспечения линейного согласования элементов электрической цепи измерительного устройства, в том числе между измерительной емкостью и выходом датчика. Следует также отметить, что используемый емкостной датчик чувствителен к влажности воздуха, заполняющего газовую полость мембранного насоса. Вследствие этого измеряемые параметры могут не соответствовать действительному положению мембраны насоса.
В другом варианте конструкции искусственного желудочка сердца, описанном в патенте США №4781715 (МПК-4: A61F 2/22, опубликован 01.11.1988), управление приводом мембранного насоса производится посредством измерения давления в жидкостной полости мембранного насоса, заполненной кровью. Для измерения давления применяется датчик давления, встроенный в стенку корпуса желудочка. Такое расположение датчика также требует специальной изоляции в теле пациента электрической цепи, соединяющей чувствительный элемент датчика с блоком обработки сигнала. Вместе с тем установка чувствительного элемента датчика в полости, через которую осуществляется кровоток, приводит к образованию тромбов в области стыка чувствительного элемента с внутренней поверхностью рабочей камеры насоса. Развитие тромбоза, в свою очередь, ограничивает допустимое время функционирования имплантированного искусственного желудочка сердца, снижая тем самым общий ресурс аппарата.
К искусственным желудочкам сердца, приводимым в движение пневмоприводом, относится устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР №1806755 (МПК-5: А61М 1/10, опубликовано 07.04.1993). Пневмопривод устройства содержит две газовые камеры, разделенные гибкой мембраной, приводимой в движение штоком электромеханического привода. Каждая газовая камера привода сообщена с газовой полостью мембранного насоса одного из двух искусственных желудочков сердца. Расход крови через желудочки и текущее положение гибких мембран в желудочках косвенно могут быть определены с помощью датчика положения гибкой мембраны общего двухлинейного пневмопривода.
Средство определения положения гибкой мембраны пневмопривода состоит из двух частей: постоянного магнита, установленного на поршне толкателе электромеханического привода, и датчика Холла, размещенного на корпусе пневмопривода. При изменении положении гибкой мембраны изменяется расстояние между постоянным магнитом и датчиком Холла, вследствие чего изменяется величина тока, протекающего через датчик. Сигнал с датчика Холла усиливается, сравнивается с пороговыми значениями и затем поступает в систему управления, обеспечивающую открытие и закрытие управляемых электромагнитных пневмораспределителей, с помощью которых устанавливается требуемое давление в камерах мембранных насосов левого и правового желудочка в фазах систолы и диастолы.
Однако данная система измерения и регистрации положения мембраны пневмопривода не позволяет точно определить положение гибких мембран в каждом искусственном желудочке из-за влияния на результат измерения разветвленной пневмосистемы, соединяющей пневмопривод с газовыми полостями мембранных насосов желудочков.
Известен также искусственный желудочек сердца, конструкция которого раскрыта в описании к авторскому свидетельству СССР №1801497 (МПК-5: А61М 1/10, опубликовано 15.03.1993). Устройство содержит мембранный насос с электромеханическим приводом, корпус желудочка, линии подвода и отвода перекачиваемой среды. В качестве средства измерения положения гибкой мембраны в процессе работы желудочка используются контактные датчики.
Первый датчик установлен на вытеснителе, жестко связанном со штоком выходного звена электромеханического привода. В качестве датчика положения мембраны применяется контактный датчик с нормально открытыми контактами, которые замыкаются при соприкосновении вытеснителя с мембраной и размыкаются при отходе вытеснителя от мембраны.
Второй контактный датчик используется в качестве датчика крайнего диастолического положения мембраны. С помощью второго датчика осуществляется измерение промежутка времени, в течение которого осуществляется перемещение мембраны из крайнего, близлежащего к приводу вытеснителя, положения до момента встречи с мембраной. Датчик крайнего диастолического положения позволяет исключить влияние ложных сигналов о положении мембраны в промежуточном положении на работу искусственного желудочка.
Датчики связаны со входами блока измерения положения мембраны, который соединен через функциональный преобразователь и схему сравнения с блоком управления приводом вытеснителя. В процессе работы желудочка, в конце фазы систолы (опорожнения искусственного желудочка), вытеснитель находится в крайнем положении. Момент отхода вытеснителя от мембраны и начала фазы диастолы (заполнения искусственного желудочка) фиксируется первым контактным датчиком. В фазе диастолы вытеснитель перемещается в обратном направлении в крайнее исходное положение, которое фиксируется с помощью второго датчика. По сигналам, поступающим с датчиков в блоке измерения, осуществляется измерение периода движения вытеснителя. Далее с помощью функционального преобразователя и схемы сравнения устанавливается рассогласование между реальным режимом работы искусственного желудочка и заданным физиологическим режимом. В зависимости от знака и величины рассогласования блок управления вырабатывает управляющий сигнал для регулировки частоты перемещения вытеснителя, обеспечивая тем самым требуемый расход крови через желудочек и заданный физиологический режим работы искусственного желудочка.
Для реализации способа работы данного устройства требуется достаточно сложная система управления и использование дополнительных изолированных кабелей, соединяющих датчики, установленные непосредственно в корпусе имплантируемого искусственного желудочка, с внешней системой измерения и управления. Расположение датчика в перемещаемом толкателе электромеханического привода существенно усложняет конструкцию устройства, поскольку в этом случае требуется применение гибких токоподводов, работающих в режиме сжатие-растяжение с частотой сердечных сокращений.
Наиболее близкий аналог изобретения раскрыт в описании к патенту РФ на полезную модель №45618 (МПК-7: A61F 2/24, опубликован 27.05.2005). Имплантируемый искусственный желудочек сердца содержит корпус, в котором размещен мембранный (диафрагмовый) насос с эластичной мембраной (диафрагмой), электромеханический привод, включающий в свой состав реверсивный вентильный электродвигатель, преобразователь движения, датчик положения эластичной мембраны и воздушную компенсационную камеру. Выходное звено преобразователя движения связано через шток с толкателем мембраны.
К корпусу устройства присоединены входной и выходной патрубки, которые сообщены с полостью мембранного насоса, заполняемой кровью. В патрубках соответственно установлены впускной и выпускной клапаны. Корпус снабжен также двумя штуцерами со стороны газовой технологической полости, в которой размещен электромеханический привод желудочка сердца. Первый штуцер служит для ввода электропроводов систем питания, управления и измерения в газовую полость корпуса. Через второй штуцер газовая полость корпуса соединена с воздушной компенсационной камерой, с помощью которой обеспечивается поддержание постоянного давления воздуха в газовой полости в процессе работы мембранного насоса.
Датчик положения эластичной мембраны мембранного насоса состоит из двух частей: источника сигнала и чувствительного элемента датчика. Источник сигнала, выполненный в виде постоянного магнита, установлен на гибкой мембране. В качестве чувствительного элемента датчика используется датчик Холла, установленный на внешней торцевой поверхности корпуса электродвигателя напротив источника сигнала. В зависимости от расстояния между постоянным магнитом и датчиком Холла изменяется величина тока, протекающего в измерительной электрической цепи.
Способ работы искусственного желудочка сердца осуществляется периодически повторяющимися кратковременными циклами, согласованными с работой естественного сердца. Каждый цикл работы желудочка включает систолическую и диастолическую фазы. В момент начала фазы систолы жидкостная полость мембранного насоса полностью заполнена. Мембрана находится в крайнем положении вблизи корпуса электродвигателя. По сигналу датчика Холла, фиксирующему крайнее положение мембраны, система управления формирует сигнал на включение электродвигателя. Толкатель привода перемещает эластичную мембрану из одного крайнего положения в противоположное крайнее положение, при котором постоянный магнит находится на максимальном расстоянии от датчика Холла. Величина тока в измерительной цепи снижается до нижнего порогового значения. Кровь под давлением мембраны, перемещаемой толкателем, вытесняется из камеры насоса через открытый выпускной клапан и выходной патрубок в систему вспомогательного кровообращения. Требуемое постоянное давление воздуха в газовой полости, в которой размещен электродвигатель, поддерживается за счет поступления воздуха из компенсационной камеры.
В момент начала диастолы система управления по сигналу датчика Холла формирует сигнал на переключение электродвигателя в режим реверса. Толкатель привода перемещается в обратном направлении вместе с эластичной мембраной, на которой установлен постоянный магнит. Воздух из газовой полости мембранного насоса вытесняется в компенсационную камеру. Жидкостная полость мембранного насоса заполняется венозной кровью через входной патрубок и открытый впускной клапан при закрытом выпускном клапане. После завершения фазы диастолы полный цикл работы искусственного желудочка сердца повторяется.
Данный способ работы искусственного желудочка позволяет управлять положением эластичной мембраны насоса с целью осуществления заданного физиологического режима работы желудочка, характеризуемого частотой пульсаций давления, расходом и давлением крови в системе кровообращения. Однако использование для регистрации положения мембраны насоса измерительных элементов, встроенных в корпус желудочка или непосредственно в мембрану насоса, приводит к ряду нежелательных явлений. В частности, работа встроенного датчика перемещения мембраны обеспечивается с помощью ряда дополнительных электротехнических элементов, встраиваемых в имплантируемый аппарат. К таким элементам относится дополнительная измерительная электрическая цепь, которая должна быть изолирована и экранирована от внешних электромагнитных воздействий.
Вместе с тем наличие встроенного элемента в тонкой эластичной мембране значительно изменяет ее упругие свойства: нарушается однородность мембраны по толщине и равномерность прогиба по площади рабочей поверхности мембраны. В области размещения источника сигнала (постоянного магнита) требуется специальное упрочнение и/или утолщение мембраны. Вследствие этого изменяется профиль прогиба мембраны при ее многократных циклических перекладках между крайними положениями. В области установки встроенных элементов, из-за нарушения профиля кривизны мембраны, в процессе работы искусственного желудочка образуются тромбы. Данное явление связано с тем, что в области неравномерного прогиба мембраны снижается подвижность крови, формируется застойная зона и развивается тромбоз. При дальнейшей эксплуатации желудочка происходит расширение зоны тромбообразования за счет осаждения тромбов из потока прокачиваемой крови на участке мембраны, имеющей повышенную жесткость по отношению к окружающей однородной по толщине части мембраны.
Изобретение направлено на упрощение конструкции имплантируемого искусственного желудочка сердца за счет исключения необходимости размещения средств измерения положения эластичной мембраны и токоподводов датчиков непосредственно в корпусе желудочка, имплантируемого в тело пациента, а также на предотвращение развития тромбоза на поверхности эластичной мембраны, контактирующей с потоком прокачиваемой крови. Решение перечисленных задач дает возможность увеличить ресурс имплантируемого искусственного желудочка сердца и в целом упростить конструкцию устройства.
Данные технические результаты достигаются за счет использования искусственного желудочка сердца следующей конструкции.
Искусственный желудочек сердца содержит корпус, размещенный в корпусе мембранный насос с герметичной эластичной мембраной, электромеханическим приводом и толкателем, выполненным с возможностью контакта с эластичной мембраной, входной патрубок с впускным клапаном, выходной патрубок с выпускным клапаном, средство измерения положения эластичной мембраны, соединенное с системой управления электромеханического привода, и внешнюю компенсационную камеру. Эластичная мембрана разделяет внутреннюю полость корпуса на жидкостную полость мембранного насоса, соединенную с входным и выходным патрубками, и газовую полость, в которой установлен электромеханический привод с толкателем. Компенсационная камера соединена с газовой полостью мембранного насоса для обеспечения постоянства давления.
Согласно изобретению компенсационная камера содержит герметичную эластичную оболочку и снабжена датчиком перемещения эластичной оболочки, выполняющим функцию средства измерения положения эластичной мембраны мембранного насоса.
Перечисленные выше существенные признаки в общей совокупности обеспечивают возможность использования искусственного желудочка сердца, в котором функцию средства измерения положения эластичной мембраны имплантируемого мембранного насоса выполняет датчик, установленный вне корпуса желудочка сердца. Для контроля положения эластичной мембраны используется вспомогательный элемент конструкции - компенсационная камера, основное назначение которой заключается в поддержании постоянного давления в газовой (технологической) полости мембранного насоса.
Перенесение чувствительных элементов средства измерения положения эластичной мембраны из жидкостной полости мембранного насоса во вспомогательное оборудование, которое можно не имплантировать в тело пациента, дает возможность, с одной стороны, точно определять текущее положение эластичной мембраны искусственного желудочка сердца, а с другой стороны, - использовать эластичную мембрану желудочка с однородными упругими свойствами, обеспечивающими равномерный прогиб мембраны без образования застойных зон в жидкостной полости. В этом случае на поверхности мембраны, контактирующей с потоком крови, не развивается тромбоз.
В эластичной мембране отсутствуют зоны упрочнения, которые требуются для крепления чувствительных элементов датчиков. Такие области эластичной мембраны являются причиной неоднородного распределения упругих свойств мембраны по ее поверхности. Кроме того, отпадает необходимость применения в конструкции аппарата токоподводов, которые необходимы для соединения датчика с системой электропитания и системой регистрации сигнала.
Перечисленные свойства, проявляемые при использовании изобретения, позволяют в целом увеличить допустимое время подключения искусственного желудочка к пациенту (ресурс имплантируемого желудочка) за счет предотвращения тромбообразования на поверхности мембраны и упростить конструкцию имплантируемой части устройства.
В предпочтительном варианте выполнения искусственного желудочка сердца в качестве электромеханического привода используется реверсивный вентильный электродвигатель с механическим преобразователем вращательного движения вала электродвигателя в возвратно-поступательное перемещение толкателя.
Для исключения преждевременного износа эластичной мембраны насоса на поверхности толкателя со стороны эластичной мембраны мембранного насоса устанавливается специальная металлическая накладка с полированной поверхностью.
Размеры и материал эластичной оболочки компенсационной камеры предпочтительно выбираются из условия отсутствия пластической деформации материала эластичной оболочки при изменении ее объема, вызванного перемещением эластичной мембраны мембранного насоса между двумя крайними положениями, соответствующими окончанию периода заполнения кровью жидкостной полости мембранного насоса и окончанию периода вытеснения крови из жидкостной полости мембранного насоса. Данное условие определяет возможность сохранения упругих свойств эластичной оболочки компенсационной камеры в процессе циклического изменения ее объема при периодическом вытеснении крови и заполнения кровью жидкостной полости мембранного насоса, отделенной от газовой полости мембранного насоса герметичной эластичной мембраной. Сохранение упругих свойств эластичной оболочки компенсационной камеры позволяет, в свою очередь, дополнительно увеличить ресурс искусственного желудочка сердца в целом.
Внешняя компенсационная камера преимущественно содержит жесткий корпус, сообщенный с внешней атмосферой через патрубок. Эластичная оболочка в этом случае размещается в полости жесткого корпуса таким образом, что внутренняя полость эластичной оболочки изолирована от патрубка жесткого корпуса. Использование жесткого корпуса обеспечивает свободное перемещение эластичной оболочки в полости корпуса, защищающего эластичную оболочку от внешних воздействий.
В качестве датчика перемещения эластичной оболочки компенсационной камеры может использоваться датчик Холла с источником сигнала, выполненным в виде постоянного магнита, который устанавливается на стенке эластичной оболочки. В этом случае датчик Холла встраивается в стенку жесткого корпуса компенсационной камеры.
В качестве датчика перемещения эластичной оболочки компенсационной камеры может также использоваться контактный датчик, встраиваемый в торцевую стенку жесткого корпуса компенсационной камеры.
Возможно также выполнение датчика перемещения эластичной оболочки компенсационной камеры в виде светодиода с источником излучения, между которыми размещается эластичная оболочка компенсационной камеры.
Указанные выше технические результаты достигаются также при реализации способа управления работой искусственного желудочка сердца, который включает вытеснение крови из жидкостной полости мембранного насоса через выпускной клапан в фазе систолы с помощью толкателя, контактирующего с эластичной мембраной в газовой полости мембранного насоса и перемещаемого с помощью электромеханического привода. Заполнение кровью жидкостной полости мембранного насоса осуществляют через впускной клапан в фазе диастолы при перемещении толкателя в обратном направлении с помощью электромеханического привода. Циклы вытеснения крови и заполнения кровью жидкостной полости мембранного насоса периодически повторяются. В процессе работы искусственного желудочка определяют положение эластичной мембраны и управляют электромеханическим приводом толкателя в зависимости от зафиксированного положения эластичной мембраны мембранного насоса. При перемещении эластичной мембраны постоянное давление в газовой полости мембранного насоса поддерживается с помощью внешней компенсационной камеры, соединенной с газовой полостью мембранного насоса.
Согласно изобретению при реализации способа используют компенсационную камеру с герметичной эластичной оболочкой. Положение эластичной мембраны мембранного насоса определяют по изменению объема эластичной оболочки компенсационной камеры с помощью датчика перемещения эластичной оболочки. Включение электромеханического привода для перемещения толкателя в направлении, обеспечивающем вытеснение крови из жидкостной полости мембранного насоса, осуществляют при максимальном объеме эластичной оболочки компенсационной камеры. Переключение режима работы электромеханического привода для перемещения толкателя в обратном направлении в момент начала заполнения кровью жидкостной камеры мембранного насоса осуществляют при минимальном объеме эластичной оболочки компенсационной камеры.
Способ работы искусственного желудочка сердца в совокупности перечисленных выше существенных признаков обеспечивает функционирование имплантируемого аппарата, при котором положение эластичной мембраны мембранного насоса определяют без использования каких-либо датчиков, размещенных в имплантируемой части устройства. Положение мембраны определяют по изменению объема эластичной оболочки компенсационной камеры, предназначенной для поддержания постоянного давления в газовой полости мембранного насоса. При этом используют датчик перемещения, установленный в компенсационной камере, а не на самой мембране в полости корпуса искусственного желудочка. Вследствие этого мембрана обладает требуемой однородностью упругих свойств по всей ее поверхности. Равномерный прогиб мембраны в процессе ее циклического перемещения между крайними положениями исключает возможность образования застойных зон и, следовательно, в этом случае отсутствуют причины для развития тромбоза. Из конструкции устройства исключаются токоподводы, которые необходимы для соединения датчика с системой электропитания и системой регистрации сигнала.
Перечисленные свойства, проявляемые при реализации способа работы искусственного желудочка сердца согласно изобретению, позволяют увеличить ресурс имплантируемого искусственного желудочка сердца за счет исключения возможности развития тромбоза на поверхности мембраны и упростить конструкцию имплантируемой части устройства.
Размеры и материал компенсационной камеры предпочтительно выбирают из условия отсутствия пластической деформации материала эластичной оболочки компенсационной камеры при изменении ее объема. Такое изменение объема эластичной оболочки вызвано перемещением эластичной мембраны мембранного насоса между двумя крайними положениями, соответствующими окончанию периода заполнения кровью рабочей жидкостной полости мембранного насоса и окончанию периода вытеснения крови из жидкостной полости мембранного насоса. Указанное условие при работе искусственного желудочка сердца обеспечивает сохранение эластичной оболочкой своих упругих свойств в течение всего срока эксплуатации устройства.
Для осуществления способа также может применяться компенсационная камера с жестким корпусом, сообщенным с внешней атмосферой, который защищает перемещающуюся эластичную оболочку от внешних воздействий и повреждений.
В качестве датчика перемещения эластичной оболочки компенсационной камеры может использоваться датчик Холла с источником сигнала, выполненным в виде постоянного магнита, контактный датчик, светодиод с источником излучения либо любой иной тип датчика, обеспечивающий измерение перемещения эластичной оболочки.
Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров реализации искусственного желудочка сердца и способа управления его работой.
На прилагаемых чертежах изображено следующее:
на фиг.1 - схематичное изображение конструкции искусственного желудочка сердца, в котором положение эластичной мембраны соответствует началу периода вытеснения крови из жидкостной полости мембранного насоса в фазе систолы (данный момент времени соответствует окончанию периода заполнения кровью жидкостной полости мембранного наоса в фазе диастолы);
на фиг.2 - схематичное изображение конструкции искусственного желудочка сердца, в котором положение эластичной мембраны соответствует началу периода заполнения кровью жидкостной полости мембранного насоса в фазе диастолы (данный момент времени соответствует окончанию периода вытеснения крови из жидкостной полости насоса в фазе систолы).
Выполненный согласно изобретению искусственный желудочек сердца, конструкция которого изображена на фиг.1 и 2, включает в свой состав следующие узлы и элементы.
В корпусе 1 искусственного желудочка сердца размещен мембранный насос с герметичной эластичной мембраной 2, выполненной из полиуретана. Эластичная мембрана 2 разделяет внутреннюю полость корпуса 1 на жидкостную (кровяную) полость 3 и газовую (технологическую) полость 4 мембранного насоса. Жидкостная полость 3 соединена с одной стороны с входным патрубком 5, в котором установлен впускной клапан 6, а с противоположной стороны - с выходным патрубком 7, в котором установлен выпускной клапан 8.
В газовой полости 4 мембранного насоса расположен электромеханический привод толкателя 9, который контактирует с поверхностью эластичной мембраны 2. Толкатель 9 выполняется из алюминиевого сплава. На поверхности толкателя 9 размещена накладка 10, выполненная из нержавеющей стали, с полированной внешней поверхностью. Полированная поверхность накладки 10 непосредственно контактирует с эластичной мембраной 2, что исключает возможность повреждения эластичной мембраны 2 при давлении на нее толкателя 9.
Электромеханический привод включает в свой состав реверсный вентильный электродвигатель 11 с полым ротором и механический преобразователь вращательного движения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение толкателя 9. Выходным звеном механического преобразователя движения является ходовой винт 12, находящийся в сцеплении с толкателем 9. На корпусе 1 имеется штуцер 13, через который проходят токоподводы электродвигателя 11 и токоподводы системы управления. Величина средней механической мощности электромеханического привода мембранного насоса составляет 10 Вт. КПД привода не менее 80%. Напряжение электропитания электродвигателя и системы управления равно 12 В. Максимальный ход толкателя 9, обеспечиваемый электромеханическим приводом, составляет 20 мм.
Газовая полость мембранного насоса соединена через штуцер 14 корпуса 1 и гибкий трубопровод 15 с внутренней полостью герметичной эластичной оболочки 16 компенсационной камеры. В состав компенсационной камеры входит также жесткий корпус 17 с патрубком 18, через который внутренний объем жесткого корпуса 17 сообщается с внешней атмосферой.
Размеры и материал эластичной оболочки 16 выбраны из условия отсутствия пластической деформации материала эластичной оболочки 16 при изменении ее объема, вызванном перемещением эластичной мембраны 2 мембранного насоса, газовая полость 4 которого соединена с внутренней полостью эластичной оболочки 16. Изменение объема эластичной оболочки 16 определяется как объем жидкостной полости 3 мембранного насоса между двумя крайними положениями эластичной мембраны 2, соответствующими окончанию периода заполнения кровью жидкостной полости 3 мембранного насоса и окончанию периода вытеснения крови из жидкостной полости 3 мембранного насоса.
3
3
В рассматриваемом примере выполнения аппарата величина изменения объема эластичной оболочки 16 составляет 80 см при максимальном перемещении эластичной мембраны 2, величина которого равна 20 мм. В качестве материала эластичной оболочки 16 используется полиуретан. Размеры эластичной оболочки выбираются таким образом, чтобы механическое напряжение, возникающее в эластичной оболочке 16 при ее перемещении из максимально сжатого состояния, соответствующего моменту окончания фазы систолы, до максимально растянутого состояния, соответствующего моменту окончания фазы диастолы, было менее предела упругости полиуретана. Для обеспечения запаса упругой деформации эластичной оболочки 16 максимально допустимое изменение ее объема в пределах, определяемых условием сохранения ее упругих свойств, выбирается равным 90 см.
Эластичная мембрана 2 должна соответствовать ряду требований, в частности: мембрана не должна оказывать сопротивления притоку крови в жидкостную полость мембранного насоса и не должна создавать дополнительное снижение давления во время наполнения жидкостной полости в фазе диастолы. Механические свойства мембраны и ее податливость, то есть способность к расслаблению, определяют импеданс притока крови в искусственный желудочек сердца.
В компенсационной камере установлен датчик перемещения эластичной оболочки 16, выполняющий функцию средства измерения положения мембраны 2 мембранного насоса. В качестве датчика перемещения эластичной оболочки 16 в рассматриваемом примере реализации изобретения применяется датчик Холла 19 с источником сигнала, выполненным в виде постоянного магнита 20. Датчик Холла 19 встроен в торцевую стенку жесткого корпуса 17, а постоянный магнит 20 установлен на стенке эластичной оболочки 16, обращенной к датчику Холла 19. Выход измерительной цепи датчика Холла соединяется через цепь обработки сигнала, включающую усилитель, преобразователь сигнала и схему сравнения сигналов, с системой управления электромеханическим приводом.
В других вариантах выполнения изобретения в качестве датчика перемещения эластичной оболочки 16 может использоваться любой иной тип датчика, который пригоден для такого рода измерений. Так, например, для измерения перемещения эластичной оболочки 16 может применяться контактный датчик или светодиод с источником излучения. В последнем случае светодиод и источник излучения соосно устанавливаются с противоположных сторон относительно направления перемещения эластичной оболочки 16.
Работа искусственного желудочка сердца, изображенного на фиг.1 и 2, осуществляются следующим образом.
Искусственный желудочек сердца, являющийся частью имплантируемой системы вспомогательного кровообращения, подключается в обход естественного сердца. Функционирование искусственного желудочка сердца происходит периодически повторяющимися кратковременными циклами, согласованными с работой естественного сердца. Каждый цикл работы искусственного желудочка сердца состоит из фазы систолы и фазы диастолы. Количество циклов в минуту может изменяться от 40 до 120. Соответственно частота выброса крови из искусственного желудочка составляет от 40 до 120 ударов в минуту.
Перед началом фазы систолы жидкостная камера 3 мембранного насоса полностью заполнена кровью под действием венозного давления. Данное положение мембранного насоса изображено на фиг.1. Камера заполняется через входной патрубок 5 и впускной клапан 6. Выпускной клапан 8 выходного патрубка 7 при заполнении жидкостной камеры 3 находится в закрытом положении. Толкатель 9 электромеханического привода находится в крайнем нижнем положении и отведен от эластичной мембраны 2. В данном положении жидкостная камера 3 полностью заполнена кровью, а эластичная мембрана 2 максимально выгнута в сторону газовой полости 4 мембранного насоса. Положение эластичной мембраны 2 в момент полного заполнения, когда скорость ее перемещения практически равна нулю, фиксируется с помощью датчика перемещения эластичной оболочки 16 компенсационной камеры.
В качестве датчика перемещения используется датчик Холла 19, неподвижно установленный на торцевой стенке компенсационной камеры, с источником сигнала - постоянным магнитом 20, который перемещается вместе с торцевой стенкой эластичной оболочки 15. При изменении расстояния между постоянным магнитом 20 и датчиком Холла 19 изменяется величина тока в измерительной цепи датчика. Эластичная оболочка 16 перемещается в полости жесткого корпуса 17 под действием увеличивающегося давления газа в газовой полости 4 мембранного насоса, связанной через гибкий трубопровод 15 с внутренней полостью эластичной оболочки 16. При перемещении эластичной оболочки 16 в жестком корпусе 17 происходит вытеснение воздуха из его полости через патрубок 18.
При равной температуре корпуса 1 искусственного желудочка сердца и жесткого корпуса 17 компенсационной камеры требуемая величина давления в газовой полости 4 автоматически установится при условии равенства изменений объема газовой полости 4 и внутренней полости эластичной оболочки 16. Данное условие следует из зависимости между давлением, объемом и температурой идеальных газов. Величина давления в связанных между собой газовой полости 4 и полости эластичной оболочки 16 установится равным атмосферному давлению, поскольку внутренний объем жесткого корпуса сообщен с окружающей атмосферой через патрубок 18.
В рассматриваемом примере реализации изобретения датчик Холла 19, измеряющий сигнал, пропорциональный перемещению эластичной оболочки 16, выполняет функцию средства измерения положения эластичной мембраны 2 мембранного насоса. Каждому текущему пространственному положению эластичной мембраны 2 соответствует определенное значение объема газовой полости 4, которому, в свою очередь, соответствует определенное положение эластичной оболочки 16, регистрируемое с помощью датчика Холла 19.
Сигнал измерительной цепи датчика Холла 19 усиливается и преобразуется с помощью функционального преобразователя, после чего сигнал сравнивается с пороговыми значениями, характеризующими максимально растянутое и максимально сжатое состояния эластичной оболочки 16, которые соответствуют двум крайним положениям эластичной мембраны 2 в корпусе 1. После сравнения с пороговыми значениями система управления электромеханического привода вырабатывает управляющий сигнал, направляемый в блок управления электромеханического привода.
В начальном положении, показанном на фиг.1, при полном заполнении жидкостной камеры 3 венозной кровью датчик Холла 19 регистрирует перемещение эластичной оболочки 16 до максимально растянутого состояния. После сравнения с пороговым значением сигнала система управления вырабатывает управляющий сигнал на включение реверсивного вентильного электродвигателя 11 в заданном режиме работы. Вращение вала электродвигателя 11 преобразуется с помощью механического преобразователя движения в поступательное движение толкателя 9 с помощью ходового винта 12, находящегося в сцеплении с толкателем 9. Перемещение толкателя 9 осуществляется до выполнения ротором электродвигателя 11 заданного количества оборотов, которое контролируется блоком управления электромеханического привода.
При включении электродвигателя 11 в режим фазы систолы толкатель 9 перемешается к эластичной мембране 2 до контакта с ней. Дальнейшее поступательное движение толкателя 9 обеспечивает перемещение эластичной мембраны 16 из нижнего крайнего положения в верхнее крайнее положение (см. фиг.2), наиболее удаленное от электромеханического привода. Повреждение эластичной мембраны 2 при контакте толкателем 9 исключается за счет использования накладки 10, выполненной из нержавеющей стали, с полированной поверхностью, обращенной к мембране.
В процессе вытеснения крови из жидкостной полости 3 мембранного насоса в фазе систолы кровь поступает в аорту при артериальном давлении до 120 мм рт.ст. В данном режиме работы кровь вытесняется из жидкостной полости 3 мембранного насоса через выходной патрубок 7 и выпускной клапан 8. В процессе работы в фазе систолы впускной клапан 6 находится в закрытом положении.
При перемещении эластичной мембраны 2 в крайнее верхнее положение (см. фиг.2), наиболее удаленное от электродвигателя 11, происходит увеличение объема газовой полости 4 мембранного насоса и, соответственно, снижение давления газа. Постоянное давление в газовой полости 4 поддерживается с помощью компенсационной камеры, сообщенной через гибкий трубопровод 15 и штуцер 14 с полостью корпуса 1, в которой установлен электромеханический привод. Газ (в рассматриваемом примере воздух) поступает в газовую полость 4 из внутренней полости эластичной оболочки 16 под действием атмосферного давления окружающей среды, с которой сообщается внутренняя полость жесткого корпуса 17 компенсационной камеры через патрубок 18. Вследствие уменьшения объема эластичная оболочка 16 перемещается вместе с постоянным магнитом 20, установленным на ее торцевой стенке в направлении от неподвижного датчика Холла 19.
В процессе изменения расстояния между датчиком Холла 19 и постоянным магнитом 20 (источником сигнала) величина тока в измерительной цепи уменьшается и при достижении порогового значения сигнала система управления вырабатывает управляющий сигнал, подаваемый в блок управления электромеханического привода. По команде блока управления электродвигатель 11 переключается в режим работы с вращением вала электродвигателя в противоположном направлении, и, соответственно, ходовой винт 12 и связанный с ним толкатель 9 перемещаются в обратном направлении - в сторону размещения электромеханического привода.
При движении толкателя 9 в обратном направлении начинается фаза диастолы. При открытом впускном клапане 6 и закрытом выпускном клапане 8 кровь под действием венозного давления от 5 до 20 мм рт.ст. заполняет жидкостную полость 3. Воздух из газовой полости 4, по мере заполнения жидкостной полости 3, вытесняется в полость эластичной оболочки 16 через штуцер 14 и соединенный с ним гибкий трубопровод 15.
Фаза диастолы продолжается до полного заполнения жидкостной полости 3 мембранного насоса, при котором эластичная мембрана 2 занимает крайнее нижнее положение, максимально приближенное к электромеханическому приводу. В данном положении скорость перемещения мембраны практически становится равной нулю. При этом положение эластичной мембраны 2 фиксируется с помощью датчика перемещения эластичной оболочки 16 компенсационной камеры. По окончании фазы диастолы эластичная оболочка 16 перемещается в полости жесткого корпуса 17 до достижения максимального объема.
Перемещение эластичной оболочки 16 регистрируется с помощью датчика Холла 19. Следует отметить, что способ работы искусственного желудочка может быть реализован при использовании иных типов датчиков, позволяющих регистрировать перемещение эластичной оболочки. Так, в частности, могут применяться контактные датчики положения или светодиоды с источником излучения.
При возрастании электрического тока в измерительной цепи датчика Холла 19 вследствие приближения к нему постоянного магнита 20 регистрируемый сигнал достигает порогового значения, при котором система управления вырабатывает управляющий сигнал, передаваемый в блок управления электромеханического привода для переключения режима работы электродвигателя 11. Вал электродвигателя 11 начинает вращаться в противоположном направлении, перемещая ходовой винт 12 и связанный с ним толкатель 9 в направлении, при котором обеспечивается вытеснение крови из жидкостной полости 3, и снова начинается фаза систолы. Перемещение толкателя 9 осуществляется до выполнения ротором электродвигателя 11 заданного количества оборотов, которое контролируется блоком управления электромеханического привода.
После завершения фазы диастолы описанный выше цикл работы искусственного желудочка сердца повторяется с заданной периодичностью.
Представленное выше описание примера реализации изобретения и проведенные испытания искусственного желудочка сердца, выполненного согласно изобретению, подтверждают возможность измерения с требуемой точностью положения эластичной мембраны 2 мембранного насоса посредством измерения перемещения эластичной оболочки 16 компенсационной камеры, расположенной вне имплантируемого корпуса аппарата. Данное конструктивное выполнение искусственного желудочка сердца и способ его работы позволяют упростить устройство за счет исключения необходимости включения в имплантируемый орган дополнительных датчиков перемещения, кабелей систем электропитания и регистрации сигналов.
Кроме того, на эластичной мембране не требуется устанавливать какие-либо элементы системы измерения, которые могут вызвать неравномерный прогиб мембраны во время ее циклического перемещения в жидкостной полости мембранного насоса. Вследствие однородности упругих свойств эластичной мембраны по всей ее поверхности, контактирующей с потоком прокачиваемой крови, в процессе работы искусственного желудочка не образуются застойные зоны, приводящие к развитию тромбоза. Образование таких застойных зон связано с возникновением неравномерного прогиба эластичной мембраны при ее циклических перемещениях.
Достижение перечисленных выше технических результатов обуславливает возможность использования изобретения в имплантируемых системах вспомогательного кровообращения, включаемых частично или полностью в обход естественных желудочков сердца.