НАСОС ИСКУССТВЕННОГО СЕРДЦА Российский патент 1997 года по МПК A61M1/10 

Изобретение относится к медицине, в частности к искусственным, в том числе имплантируемым, органам человека или животного, обеспечивающим кровообращение в живом организме, а также может быть использовано в гидравлических системах с пульсирующим потоком и амплитудным колебательным процессом.

Известна роторная машина, выполняющая функции насоса, содержащая образованный из полусфер шаровой корпус с впускным и выпускным окнами, рабочий орган в виде, ротора, образованного из вала и двух дисков занимающих постоянное положение относительно друг друга на упомянутом валу, а также приводное устройство вращения ротора, расположенное вне корпуса и имеющее кинематическую связь с упомянутым валом, выходящим за пределы корпуса (патент США N 1880131, кл. 418-68, 1930).

Это известное изобретение обладает существенными недостатками:
неприменимостью в качестве насоса искусственного, в том числе имплантируемого сердца, так как невозможно организовать амплитудные движения жидкости в рабочих камерах из-за конструктивных особенностей их исполнения;
ограниченностью в управлении цикличностью работы машины, что вызвано постоянством положения дисков относительно друг друга;
большими габаритами, так как приводное устройство вращения ротора расположено вне корпуса.

Известно имплантируемое электрогидравлическое искусственное сердце, выполняющее функцию насоса и содержащее левый и правый искусственные желудочки, а также цилиндрическую рабочую камеру, соединенную своими торцами с помощью патрубков с соответствующими желудочками, и осевой насос с электродвигателем, размещенные в рабочей камере, которая заполнена рабочей жидкостью, причем система управления размещена вне рабочей камеры (журнал "Медицинская техника", 1990 г. N5, с. 25-28).

Это известное изобретение обладает существенным недостатком, а именно сложностью в обеспечении физиологической частоты сокращения сердца из-за необходимости применения реверсивного приводного устройства вращения ротора.

В качестве прототипа выбрано известное изобретение объемной машины, которая функционально представляет собой насос и содержит сферический разъемный герметичный корпус с окнами и расположенный в нем ротор, образованный из вала и двух шарнирно соединенных дисков, каждый из которых состоит из полудисков, причем один диск ведущий, другой ведомый, делят объем корпуса на рабочие камеры, образуемые соответствующими упомянутыми полудисками с впускным и выпускным окнами, а вал ротора одним концом выходит за пределы корпуса для соединения его с приводом вращения, при этом ведомый диск снабжен регулирующим кольцом с цапфами, выведенными за пределы корпуса (патент СССР N 1555521, F 01 C 3/00, БИ-13-1990 г.).

Прототип устраняет отдельные недостатки известных аналогичных устройств, в частности в нем есть возможность устанавливать требуемое положение дисков относительно друг друга. Кроме того исключена необходимость применения реверсивного приводного устройства ротора.

Однако и прототип имеет существенные недостатки, а именно:
трудности в применении в качестве насоса искусственного сердца и особенно имплантируемого, так как необходимо через корпус пропускать кровь, что приведет к ее разрушению ротором;
большие габариты, так как привод вращения ротора надо располагать вне корпуса и обеспечивать соответствующей кинематической связью с валом вращения ротора.

Задачей настоящего изобретения является создание нового насоса искусственного сердца, обладающего в том числе свойством быть имплантируемым в организм человека или животного и создавать колебательное движение рабочей жидкости в диапазоне физиологической частоты сокращений сердца при постоянном направлении вращения ротора, причем также иметь компактную конструкцию, которая может менять систолический и минутный объемы качаемой крови, согласуя их с потребностями организма человека или животного, в которой он имплантирован.

Поставленная задача решена так, что в известном насосе искусственного сердца, включающем сферический разъемный герметический корпус с окнами и расположенный в нем ротор, образованный из диска и шарнирно соединенного с ним полудиска, причем диск делит корпус на две полусферы, из которых одна имеет упомянутые окна, а полудиск делит ее на рабочие камеры, согласно настоящему изобретению, в корпусе по линии разъема его полусфер выполнен кольцевой паз, в котором установлен диск ротора с возможностью движения в нем, а полусфера с окнами заполнена рабочей жидкостью и ее окна расположены в плоскости перекрытия их полудиском, при положении в котором он перпендикулярен диску, и герметично закрыты упругой или сверхупругой мембраной, причем со стороны другой полусферы в центральной части шарнирного соединения диска с полудиском имеется углубление со стержнем, установленным перпендикулярно продольной оси упомянутого шарнирного соединения и шарнирно соединенным с водилом, образующим кинематическую связь ротора с установленным в этой полусфере приводным устройством вращения ротора и изменения угла наклона полудиска к диску.

Такое новое техническое решение всей ранее неизвестной совокупностью существенных признаков позволяет создать насос искусственного сердца, в том числе имплантируемого в организм человека или животного, который имеет физиологическую частоту сокращений и одновременно задает системе кровообращения упомянутого организма амплитуд требуемой пульсации крови.

Это обеспечивается тем, что ротор имеет постоянное вращение в одну сторону, а его полудиск может изменять угол своего наклона к диску в процессе вращения ротора и одновременно перекрывать окна в рабочих камерах, что позволяет создавать пульсацию рабочей жидкости в рабочих камерах, а следовательно и соответствующую деформацию мембран на окнах рабочих камер, и менять объемы рабочих камер.

Ни в патентной, ни в научно-технической информации заявитель не обнаружил известность предлагаемой совокупности и существенных признаков. Однако, отдельные из них известны в другой совокупности существенных признаков. Например, известны окна в рабочих камерах (см. например, прототип). В нем каждое окно является выпускным, либо впускным. В нашем случае каждое окно работает и как впускное и как выпускное. Причем они расположены так, что обеспечивают пульсацию в работе насоса. Известны различные приводные устройства вращения ротора (см. например, прототип, аналоги). В нашем случае приводное устройство расположено внутри корпуса и за рабочими камерами, что существенно отличается от известных случаев установок подобных устройств в насосах искусственного сердца. Кроме того в нашем случае приводное устройство вращения ротора изменяет угол наклона полудиска к диску, причем в процессе вращения ротора. Таким образом, настоящее изобретение можно считать новым.

Предлагаемое изобретение повышает изобретательский уровень, так как оно для специалиста является неочевидным и логически не следует из известного научно-технического уровня, а скорее противоречит в нем тенденциям развития подобных устройств. Например, впервые можно синхронно изменять частоту и амплитуду колебаний мембран на окнах в процессе работы насоса.

На фиг.1 показан вид насоса сверху (в разрезе); на фиг.2 аналогичный вид насоса при положении полудиска перпендикулярно диску; на фиг.3 сечение насоса по А-А; на фиг.4 вид ротора в аксонометрии; на фиг.5 принципиальная схема насоса; на фиг.6 график изменения объемов рабочих камер и смены фаз за один оборот ротора.

Предлагаемый насос искусственного сердца состоит из двух полусфер 1 и 2, соединенных герметично и с возможностью разъемов. При этом они образуют корпус 3 в виде шара (фиг. 1-3, 5). Такое соединение может быть выполнено за счет винтов или пайки, либо иным средством или способом (на чертеже не показаны). Герметичность этого соединения может быть обеспечена как введением соответствующей прокладки между контактирующими поверхностями полусфер 1, 2 в месте их сопряжения, так или иным средством или способом (на чертеж не показаны).

Внутри корпуса 3 расположен ротор 4 (фиг.1, 3, 4), который образован из диска 5 и шарнирно соединенного с ним полудиска 6. Их соединение может быть выполнено в виде петлевого шарнира, например путем выполнения за одно целое его отдельных частей с диском 5 и полудиском 6 (фиг.2). Обод диска 5 расположен во внутреннем кольцевом пазу 7, выполненном по разъемной части полусфер 1 и 2, и в нем движется при вращении ротора 4, разделяя корпус 3 на две упомянутые полусферы. Причем, в полусфере 1 имеются два окна 8 и 9, которые расположены в плоскости, при совпадении с которой полудиск 6 перпендикулярен диску 5 и одновременно перекрывает эти окна, а образованные им рабочие камеры в полусфере 1 оказываются равными по объему (фиг.3). Окна 8 и 9 герметично закрыты упругими или сверхупругими мембранами 10 (фиг.5), выполненными, например, из резины. Подбирая упругие свойства мембран можно задавать допустимое усилие воздействия на них рабочей жидкостью, а также ограничивать пульсационный режим воздействия на кровь, для которой важно обеспечить пульсирующий поток с соответствующим значением амплитуды колебаний и в требуемом объеме (на чертеже не показаны).

Как отмечалось ранее, полудиск 6 в полусфере 1 образует две рабочие камеры, которые динамично переходят друг в друге при вращении ротора 4 (фиг. 1, 3, 5, 6). Полусфера 1 заполнена рабочей жидкостью 11, например, силиконовой. Причем допустимо аналогичное заполнение и полусферы 2, в которой установлено приводное устройство 12 вращения ротора 4 и изменения угла наклона полудиска 6 к диску 5 (фиг.5). Изменяя скорость вращения ротора 4, можно изменять частоту пульсации крови в желудочке сердца (на чертеже не показано). Меняя угол между полудиском и диском 5 можно изменять объем наполнения камер.

Приводное устройство 12 может быть установлено на направляющей 13, по которой оно способно перемещаться, например, за счет своего двигателя или привода (на чертеже не показано) и изменять угол между полудиском 6 и диском 5, перемещая полудиск 6 относительно диска 5. Для этого со стороны полусферы 2 в центральной части шарнирного соединения диска 5 с полудиском 6 выполнено углубление 14, в котором перпендикулярно продольной оси упомянутого шарнирного соединения установлен стержень 15, шарнирно соединенный с водилом 16. Последнее образует кинематическую связь ротора 4 с приводным устройством 12, например валом электродвигателя. Допустимо выполнение приводного устройства 12 в виде двух двигателей, установленных один на другой и связанных одним корпусом. Один двигатель двигатель вращения ротора 4, а другой предназначен для изменения угла наклона между полудиском 6 и диском 5. Допустимо введение системы управления и электропитания, которые могут быть расположены в полусфере 2 (на чертеже не показано).

Настоящий насос искусственного сердца работает следующим образом.

Предположим, что исходным положением ротора 4 в корпусе 3 является положение его полудиска 6 в полусфере 1, при котором рабочая камера I имеет максимальный объем и мембрана 10 на ее окне 9 вогнута в рабочую камеру, а камера II имеет минимальный объем и мембрана 10 на ее окне 8 выгнута из рабочей камеры (фиг. 5, 6). Включают приводное устройство 12, предварительно задав угол между полудиском 6 и диском 5. Ротор 4 начинает вращаться, например, по часовой стрелке и его диск 5 начинает скользить по пазу 7 в разъеме полусфер 1 и 2, вращаясь с полудиском 6. При этом объем рабочей камеры I начинает уменьшаться, находящаяся в ней рабочая жидкость II начинает вытесняться из камеры и поднимать мембрану 10 на окне 9. В это же время объем камеры II начинает увеличиваться и рабочая жидкость II из-под мембраны 8 начинает поступать в камеру II и мембрана 10 на окне 8 начинает опускаться. При перемещении полудиска 6 в плоскость расположения окон 8 и 9 последние перекрываются. При этом полудиск оказывается перпендикулярен диску и своей кромкой закрывает упомянутые окна. Дальнейший поворот ротора 4 приводит к открытию полудиском 6 окон 8 и 9 и к динамичному переходу камеры I в камеру II, и, соответственно, наоборот. В результате объем камеры I продолжает уменьшаться, но ее рабочая жидкость II начинает выдавливать мембрану 10 на окне 8, а объем камеры II продолжает увеличиваться и ее рабочая жидкость II начинает пополняться рабочей жидкостью II из под мембраны 10 на этом окне 9. При повороте полудиска 6 на 180 градусов цикл повторяется очередным динамическим переходом камер I и II друг в друга с соответствующим изменением направление изгиба мембран на их окнах (фиг.6).

Использование: в медицине, в имплантируемых искусственных органах, обеспечивающих кровообращение в живом организме. Сущность изобретения: насос включает сферический разъемный герметичный корпус с окнами и расположенный в нем ротор, образованный из диска и шарнирно соединенного с ним полудиска, причем диск делит корпус на две полусферы, из которых одна имеет упомянутые окна, а полудиск делит ее на рабочие камеры. Новым является то, что ведомый элемент представляет собой полудиск, ведущий диск установлен в кольцевом пазу, выполненном по линии разъема полусфер, с возможностью вращения, рабочие камеры заполнены рабочей жидкостью, окна герметично перекрыты упругими мембранами и расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости диска, в другой полусфере расположено приводное устройство вращения ротора и изменения угла наклона полудиска к диску, соединенное с ротором при помощи шарнира, состоящего из водила и стержня и расположенного в углублении, находящемся в центре шарнирного соединения ротора. 6 ил.

Насос искусственного сердца, выполненный в виде сферического разъемного герметичного корпуса и содержащий установленный в корпусе ротор из шарнирно соединенных ведущего диска и ведомого элемента, при этом диск делит корпус на две полусферы, в одной из которых выполнены два окна и которая делится ведомым элементом на две рабочие камеры, отличающийся тем, что ведомый элемент представляет собой полудиск, ведущий диск установлен в кольцевом пазу, выполненном по линии разъема полусфер, с возможностью вращения, рабочие камеры заполнены рабочей жидкостью, окна герметично перекрыты упругими мембранами и расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости диска, в другой полусфере расположено приводное устройство вращения ротора и изменения угла наклона полудиска к диску, соединенное с ротором при помощи шарнира, состоящего из водила и стержня и расположенного в углублении, находящемся в центре шарнирного соединения ротора.