УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ КРОВИ
BLOOD PUMPING APPARATUS

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к имплантируемым техническим устройствам для перекачивания крови и может быть использовано в качестве имплантируемого устройства для вспомогательного кровообращения для лечения больных с терминальной стадией сердечной недостаточности, а также в качестве основного насоса в системах вспомогательного интракорпорального кровообращения при недостаточной работе сердца.
Известны устройства, применяемые по указанному назначению, описанные в патентах US 7264606, RU 2430748.
Общим для этих устройств является применение насоса с осевым рабочим колесом в качестве основного элемента для перекачивания крови. При этом лопатки колеса имеют традиционное исполнение и поэтому форма лопаток в описаниях не оговаривается.
Наиболее близким по техническим характеристикам, является решение по патенту США №5951263. Однако, из-за несовершенной формы лопаток рабочего колеса, минимизация вихреобразования и, как следствие, гемолиза и тромбоза крови при заданных параметрах производительности является недостаточной.
Техническая проблема состоит в создании устройства для перекачивания крови с осевым насосом, уменьшающим травму форменных элементов крови за счет снижения турбулентности и вихреобразования потока крови.
Технический результат заключается в профилактике гемолиза и тромбоза в устройствах для перекачивания крови при заданных параметрах производительности за счет снижения турбулентности и вихреобразования потока крови путем обеспечения благоприятных условий для движения крови в следе за выходной кромкой лопастей рабочего колеса, уменьшающих травму форменных элементов крови.
Таким образом, техническим результатом заявляемого изобретения является минимизации гемолиза форменных элементов крови и тромбоза, возникающих при движении крови в осевом насосе при заданных параметрах расхода и перепада давления.
При этом сохраняются минимальные затраты энергии вследствие обеспечения минимальных возмущений в зоне выходной кромки рабочего колеса, а также минимальных сдвиговых напряжений. Наиболее эффективно применение разработки при проектировании малогабаритных медицинских устройств, перекачивающих кровь, а также в насосах, где требуется минимальная деструкция перекачиваемого продукта.
Нами предложено изменить геометрию выходной кромки лопатки рабочего колеса насоса, что позволяет разделить и размыть единый след за выходной кромкой, тем самым снизить интенсивность и объем вихревых зон в осевом насосе для перекачивания крови, в результате чего минимизируется гемолиз и тромбоз крови.
Меньшая интенсивность вихревого потока, достигаемая в предлагаемом устройстве, снижает повреждение крови и, как следствие, снижает вероятность тромбообразования.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Предлагаемое устройство для перекачивания крови включает корпус, ротор, являющийся осевым рабочим колесом с лопатками, имеющими корневые и свободные периферийные части и спрямляющий аппарат, которые размещены внутри статорной обмотки электродвигателя. При этом на выходной части лопаток образованы рассекатели вихреобразования, выполненные в форме вырез или вырезов, ширина которых составляет от 10 до 70% Н, а глубина в направлении оси вращения ротора - от 1 до 150% Н, где Н - высота выходной кромки лопасти.
В частном случае устройство для перекачивания крови имеет 2-9 вырезов в выходной части лопаток.
В частном случае при наличии двух вырезов их ширина составляет 10-40% Н, а глубина каждого выреза - 1-100% Н.
При наличии трех вырезов, ширина вырезов составляет 10-20% Н, а глубина каждого выреза - 1-100% Н.
Вырезы могут иметь прямоугольную или треугольную форму.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен вид осевого насоса в разрезе с измененными выходными кромками лопасти рабочего колеса; на фиг. 2 представлен изометрический внешний вид рабочего колеса устройства для перекачивания крови; на фиг. 3 изображен фронтальный вид рабочего колеса с лопастью (лопаткой), в которой сформирован вырез; на фиг. 4 - геометрические параметры прямоугольного выреза, привязанные к высоте выходной кромки лопасти (лопатки) в конечной выходной точке; на фиг. 5 - геометрические параметры треугольного выреза, привязанные к высоте выходной кромки лопасти (лопатки) в конечной выходной точке, где:
1 - корпус осевого насоса;
2 - входной/выходной штуцер;
3 - втулка;
4 - щит с пилонами;
5 - рабочее колесо (ротор);
6 - спрямляющий аппарат;
7 - лопатки ротора;
8 - постоянный магнит;
9 - вырез на лопасти;
10 - корневые части лопатки;
11 - периферические (периферийные) части лопатки;
а - глубина выреза;
b - ширина выреза;
Н - высота выходной кромки в конечной выходкой точке лопасти.
Патентуемый осевой насос, содержит корпус (1), штуцеры (2), втулки (3), щит с пилонами (4), рабочее колесо (5) и спрямляющий аппарат (6).
Внутри корпуса (1) расположен ротор (5), включающий осевое рабочее колесо с лопатками (7). Лопатки с разрезами или выступами выходной части и кромки, содержащие корневые (10) и свободные периферийные части (11). Под корневой частью лопатки подразумевается часть, закрепленная на рабочем колесе, а под периферийной - не содержащая креплений на максимальной по диаметру ограничивающей поверхности колеса. В центральной осевой части ротора помещен постоянный магнит (8). Причем спрямляющий аппарат (6) расположен непосредственно за лопатками (7) рабочего колеса (5).
Устройство работает следующим образом.
При подаче напряжения на обмотки электродвигателя постоянного тока создается вращающееся магнитное поле, которое при взаимодействии с постоянными магнитами (8), встроенными в ротор (5) насоса, приводит ротор во вращение. Кровь поступает через входной штуцер (2) на пилоны щита (4), который является направителем потока (спрямляет входящий поток), и далее на вход лопатки (7) рабочего колеса (5). Лопатка (7) характеризуется определенными высотой и шириной. Ширина лопатки - параметр (размер), определяющий геометрию лопатки в направлении оси рабочего колеса, высота - параметр (размер), определяющий геометрию лопасти в направлении перпендикулярно оси рабочего колеса. Лопасть имеет входную кромку (начальную точку своей геометрии (in) - один из свободных концов лопасти, на который поступает и на котором захватывается поток жидкости, а также выходную кромку - второй свободный конец лопасти (out), с которого выходит поток жидкости. Проточный тракт формируется также штуцерами (2), щитом (4), втулкой (1) и спрямляющим аппаратом (6).
Выходящий из лопаток (7) закрученный поток попадает на лопатки стационарного спрямляющего аппарата (6), который преобразует кинетическую энергию вращающегося потока в потенциальную энергию, обеспечивая осевое направление потока крови.
В осевом насосе на выходной кромке лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппарата формируют вырезы (9), направленные по ходу потока крови.
Поток жидкости, проходящий через насос, за выходной кромкой лопаток создает единый след с пониженными скоростями, что создает кромочный вихрь. Интенсивность кромочного вихря определяется толщиной и длиной выходной кромки.
Вырезы на выходной кромке выполняют функцию разделения вихря на ряд малых вихрей, меньшей интенсивности. Это явление подобно потоку в области выходной части крыльев птиц, образованной перьями. Именно поэтому, например, ночные совы, летают почти бесшумно, с минимальными возмущениями воздуха и, следовательно, звуковыми колебаниями.
Насос был изготовлен и испытан на специальном стенде. Проведенные испытания заявляемого устройства с вырезами на лопатках для перекачивания крови подтвердили необходимые для медицинского применения расходно-напорные характеристики, производительность насоса и не выявили заметного динамического роста гемолиза и тромбоза крови после прохождения через проточную часть насоса.
Результаты математического моделирования диапазона предлагаемых параметров выреза лопасти показали, что в предлагаемой конструкции лопасти рабочего колеса снижается турбулентность на выходе осевого насоса. Параметр турбулентности потока для двух вырезов при фиксированной глубине выреза 50% от высоты выходной кромки Н снизился по сравнению с результатами для кромки без вырезов.
Снижение вихреобразования имеет следующие улучшения при фиксированной глубине выреза 50% от высоты выходной кромки Н:
- для соотношений ширины выреза к высоте выходной кромки Н лопастей в 10%, турбулентность потока снизилась на 3%.
- для соотношений ширины выреза к высоте выходной кромки Н лопастей в 30%, турбулентность потока снизилась на 6%.
- для соотношений ширины выреза к высоте выходной кромки Н лопастей в 50%, турбулентность потока снизилась на 5%.
- для соотношений ширины выреза к высоте выходной кромки Н лопастей в 70%, турбулентность потока снизилась на 2%.
Данные параметры увеличились при изменении глубины выреза с 50% до 100% и составили:
- для соотношений ширины выреза к высоте выходной кромки Н лопастей в 10%, турбулентность потока снизилась на 4%.
- для соотношений ширины выреза к высоте выходной кромки Н лопастей в 30%, турбулентность потока снизилась на 9%.
- для соотношений ширины выреза к высоте выходной кромки Н лопастей в 50%, турбулентность потока снизилась на 7%.
- для соотношений ширины выреза к высоте выходной кромки Н лопастей в 70%, турбулентность потока снизилась на 3%.
Увеличение числа вырезов с двух до четырех при фиксированном значении глубины вырезов 50% от высоты выходной кромки Н и фиксированном значении ширины вырезов 50% от высоты выходной кромки Н дает снижение турбулентности с 5% до 10%.
При увеличении глубины выреза до 100% от высоты выходной кромки Н, значении суммарной ширины вырезов 50% от высоты выходной кромки Н, при четырех вырезах моделирование показало максимальное снижение турбулентности на 12%.
Стоит отметить, что в случае использования нескольких вырезов, глубина для каждого выреза может быть изменена с учетом удаления от оси ротора в допустимых пределах. Например, для трех вырезов, это предполагает то, что первый вырез от центра имеет глубину 50%, второй - 75%, третий - 100%.
Апробация насоса с 4 вырезами в длительных хронических экспериментах на животных не выявила образований тромбов в полостях насоса. Предлагаемый насос относится к классу имплантируемых технических средств, может быть изготовлен предприятиями медицинской промышленности и не требует дополнительных затрат.