Стенд для исследования биологических протезов клапанов сердца

СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОТЕЗОВ
КЛАПАНОВ СЕРДЦА
Полезная модель относится к области медицины, а именно, к сердечно-сосудистой хирургии, и может быть использована для медико-биологической оценки влияния материалов и взаимодействия составных частей клапанов сердца на их конечные характеристики.
Проблема разработки новых протезов связана с решением комплекса сложных медико-биологических и технических задач, одной из которых является исследование гидродинамических характеристик протеза клапана в условиях, максимально приближенных к реальным.
Известен стенд для иммитации работы сердца, содержащий аортальную и предсердную камеры с испытуемыми клапанами и боковыми отводами, соединенные с трупным сердцем, копрессорными 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, с.65). Основным недостатком этого стенда является низкая производительность (расход жидкости менее 4 л/мин) естественного, но мертвого и очень регидного желудочка, что требует больших перепадов давления на входе и выходе из компрессора (от 250 до минус 80 мм рт.ст.). Другим недостатком является несоответствие условий испытаний клапанов реальным, в частности исследование возможно проводить только при горизонтальном расположении желудочка и клапана, что существенно ограничивает область применения стенда.
Известен стенд для испытания 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, пневмогидроаккумуляторы, пульт пневмопривода, вентиль трехпозиционный, мерные емкости, напорные трубки, поплавковый и обратный клапаны и 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 испытании аортальных клапанов амплмитуда давления в пневмогидроаккумуляторе составляет 130 или 230 гПа, длительность импульса
давления 0,65 с. При испытании митральных клапанов аналогичные показатели имеют
значение 160 или 280 гПа и 0,35 с.
Основными недостатками известного устройства являются:
жесткая фиксация аортального клапана, особенно бескаркасного, не дает возможности регистрировать адекватные характеристики из-за невозможности увеличивать проходной диаметр в систолу;
-жесткие квадратные стенки основных испытательных камер и ступенчатые переходы гидромагистралей значительно увеличивают сопротивление току жидкости, особенно при увеличении ее вязкости (близкой к вязкости крови), что требует нефизиологических давлений в гидроаккзтлуляторе и снижает расходные характеристики испытуемых клапанов;
-из-за жесткости конструкций стенда и малого объема демпфера невозможно зарегистрировать характеристики при большем интервале частот (от 60 до 120 цикл/мин), так как внутри стенда возникает резонансные стоячие волны и гидроимпульс не в состоянии без значительных потерь пройти весь путь, что значительно сокращает приток жидкости в накопительную емкость и дает неадекватно завышенные результаты при исследовании на обратный переток;
отсутствие высокой чувствительности к притоку в «предсердие (для митральной позиции) приводит к несоблюдению основного физиологического закона Франка Старлинга, что позволяет относиться скептически к полученным результатам; конструкция стенда не позволяет одновременно исследовать два клапана (аортальный и митральный), т.е. для исследования клапана в другой позиции требуется остановить процесс исследования, слить жидкость, переставить клапана в новое место, а лишь затем вновь заполнить жидкостью и выйти на рабочий режим. Предложен стенд для исследования биологических протезов клапанов сердца, содержащий камеру с исследуемым клапаном, пневмопривод, пульс-дупликатор, напорную емкость, соединительные магистрали и контрольно-измерительную аппаратуру.
Отличием предложенного стенда является то, что он снабжен механическим желудочком, гидропневмодемпфером, сливным и дополнительным напорным резервуарами, причем механический желудочек соединен с пневмоприводом, пульс-дупликатором и напорной емкостью, а на выходе его последовательно установлена камера с исследуемым клапаном и гидропневмодемпфером, при этом дополнительный напорный резервуар соединен со сливным резервуаром и искусственной аортой - с гидропневмодемпфером, а сливной резервуар соединен с напорной емкостью.
Для изменения высоты установки дополнительного напорного резервуара искусственная аорта снабжена регуляторами длины, выполненными, например, в виде гофр. Стенд может быть снабжен резервным резервуаром, сообщающимся со сливным резервуаром.
Отличием является также то, что для повышения оперативности исследований стенд снабжен аналогово-цифровым преобразователем, к которому подключены выходы контрольно-измерительной аппаратуры и компьютером, к которому подсоединены указанный преобразователь, а также пульс-дупликатор.
Основной целью создания стенда является исследование гидродинамических характеристик испытуемого биопротеза кланана в условиях максимально приближенных к реальным, происходящим в макроорганизме, с адекватным совмещением неразрешенных до конца проблем создания искусственного сердца с предсердием и модели большого и малого кругов кровообращения. Расположение клапанов на границах искусственного разделения этих систем обуславливает близкое к реальным условиям распределение и направление тока жидкости в согласии с законами, как классической гидродинамики, так и закономерностями и принципами организации гомеостаза многоклеточных систем закрытого типа.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показана принципиальная схема стенда для исследований биологических протезов клапанов сердца.
Одним из основных функциональных элементов стенда является механический желудочек 1 мешочного типа, предназначенный для перекачивания жидкости через испытуемый клапан. В стенде может быть использован механический желудочек, например, по свидетельству на полезную модель JVb 23766. Посредством электропневмоклапанов механический желудочек соединен с пневмоприводом 2 и пульс-дупликатором 3, который через электрическую цепь задает как частотную характеристику, так и распределение фаз «открыто-закрыто. Входной патрубок механического желудочка соединен с напорной емкостью 4, а на выходном отделе желудочка с помощью коннектора 5 закреплена камера 6, в которую помещен испытуемый биопротез аортального клапана. Для измерения давления жидкости на выходе из желудочка, а также с обеих сторон клапана имеются датчики давления 17 и 18, подключенные к аналого-цифровому преобразователю 7 (АЦП). Па выходе камеры 6 установлен гидропневмодемпфер 8 поплавкого или мембранного типа, который с помощью искусственной аорты 9 соединен с дополнительным напорным резервуаром 10. Для обеспечения возможности изменения высоты установки резервуара 10 искусственная аорта снабжена гофрами 11. Сток жидкости из дополнительного напорного резервуара осуществляют в сливной резервуар 12 по шлангу 13 через промежуточную емКОСТЬ 14. Стенд снабжен резервной емкостью 15, нричем резервный н сливной резервуары 15, 12 и напорная емкость 4 соединены между собой как сообщающиеся сосуды. Компьютер 16, соединенный с пульс-дупликатором и АЦП обеспечивает выполнение задания программы управления работой стенда и обработки полученных результатов.
Ниже приведено описание работы стенда. Испытуемый биологический протез аортального клапана помещают в камеру 6 и крепят с помощью манжет и патрубков из эластичного материала к коннектору 5 выходного отдела механического желудочка 1 и к штуцеру гидроппевмодемпфера 8, а с помощью компьютера 16 задают программу проведения исследований. При включении пневмопривода 2 и пульс-дупликатора 3, последний через свои контакты в соответствии с заданной программой запускает механический желудочек 1, при этом жидкость из напорной емкости 4 заполняет желудочек, а затем под действием давления, создаваемого пневмоприводом 2 устремляется в пространство под аортальным клапаном. По сигналу пульс-дупликатора закрывается входной клапан и открывается испытуемый аортальный клапан, при этом жидкость через него поступает в гидропневмодемпфер 8, преодолевая сопротивление, создаваемое им и противодавление жидкости в дополнительном напорном резервуаре 10. Давление в гидропневмодемпфере и высоту установки дополнительного напорного резервуара выбирают, исходя из условий моделирования большого или малого кругов кровообращения. Проходящая через исследуемый клапан жидкость через гидропневмодемпфер 8 и по искусственной аорте 9 поступает в дополнительный напорный резервуар 10 и далее через промежуточную емкость 14 по шлангу 13 сливается в резервуар 12, из которого переходит в напорную емкость 4. Для компенсации повышенного расхода жидкости, например, при увеличении высоты установки (а также при з еличении объема) дополнительного напорного резервуара 10, в стенде имеется резервная емкость 15с жидкостью, сообщающаяся через сливной резервуар 12 с напорной емкостью 4. Весь процесс повторяется, создавая направленное пульсирующее движение жидкости. Результаты измерения давления и расхода жидкости в различных узлах стенда от датчиков поступает в АЦП, где происходит их сбор и обработка, а затем в закодированном виде передаются на компьютер 16 и по программе обработки информация в графическом и цифровом виде выводится на монитор или принтер. Митральный клапан устанавливается между резервуаром 4 и механическим желудочком 1 и работает в противофазе испытуемого аортального клапана. В случае, когда испытуемым клапаном является биологический митральный клапан используются датчики давления в механическом желудочке, при этом датчик 18 переносится в позицию 19, а второй датчик 17 располагается на прежнем месте. Весь механизм гидравлического изменения циклов сохраняется как и в случае с испытуемым аортальным клапаном. Стенд позволяет проводить
исследование одновременно двух испытуемых клапанов. Предложенная рабочая модель стенда позволяет регистрировать в динамике следующие параметры:
Расход жидкости в л/мин (от 0,42 до 15,0);
Ударный объем ( выброс) в мл/цикл ;
Давление в разные моменты времени (мм рт.ст., гПа)
Градиенты давления (максимальный, средний, систолический, диастолический);
Ускорение нарастания кривой давления;
Эффективная гидравлическая площадь (см);
Скорость открытия и закрытия клапана;
Максимальная скорость движения жидкости через клапан (м/сек);
Частота пульсаций (цикл/мин);
Временное соотношение «систола/диастола ;
Проводить скоростную кино и фотосъемку;
Основными преимуществами данной рабочей модели являются:
Возможность исследования сразу двух испытуемых клапанов в разных позициях (аортальной и митральной);
Регулировать давление на аортальный клапан в фазу диастолы от 40 до 200 мм рт.ст.;
Возможность моделирования разных степеней сердечной недостаточности и нарушений ритма.
Директор Государственного учреждения Паучно-производственной лаборатории реконструктивной хирургии сердца и сосудов с клиникой СО РАМП, член-корреспондент РАМ Л.С.Барбараш