СПОСОБ ИСКУССТВЕННОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ И АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК A61M1/10 

Изобретение относится к медицине и может быть использовано преимущественно в кардиохирургии для обеспечения искусственного кровообращения во время операций на сердце.

Различные способы искусственного кровообращения и аппараты для их осуществления известны и широко применяются. Упомянутые способы включают подачу крови, кровезаменителя или их смеси в артериальный сосуд под давлением, обеспечивающим поступательное прохождение названных крови, кровезаменителя или их смеси по кровеносной системе. По характеру перфузии крови в артериальный сосуд способы и, соответственно, аппараты подразделяются на два вида: с непрерывной перфузией и с пульсирующей перфузией [Осипов В.П. Основы искусственного кровообращения - М.: Медицина, 1979 г.], причем последние в настоящее время используются в меньшем объеме, так как при пульсирующей перфузии повышается периферическое артериальное сопротивление.

При использовании известных способов и аппаратов возникает большое количество патофизиологических нарушений, вызывающих различные осложнения, поэтому восстановительный период после проведенных операций увеличивается. [Чепкий Л.П., Сидоренко А.А. и др. Опасности и осложнения операций с искусственным кровообращением. - Киев: Здоровья, 1975 г.]

К таким осложнениям, например, относятся:

- нарушение регионарного кровообращения (сердце, головной мозг, легкие, почки, печень);

- метаболический ацидоз смешанного типа (тканевый и клеточный);

- стаз крови в микрососудистом кровеносном русле;

- постперфузионные кровотечения, обусловленные нарушением свертывающей системы крови;

- нарушение газообмена и метаболизма;

- стаз крови в венозном русле;

- гемодилюция:

- гипергидратация, увеличивающая объем внеклеточной жидкости и повышающая интерстициальное давление, приводящая к отеку тканей смешанного типа (клеточной и тканевой);

- нарушение осмотического и коллоидного гомеостаза, ведущее к ухудшению реологии крови из-за сморщивания эритроцитов и повышения периферического сопротивления кровеносных сосудов;

- постперфузионные кровотечения, обусловленные разбавлением факторов свертывания крови;

- развитие в постперфузионном периоде острой сердечно-сосудистой недостаточности.

Вышеперечисленные осложнения возникают в связи с тем, что в известных способах и аппаратах искусственного кровообращения не учитывается специфика работы кровеносных сосудов, они не воспроизводят природный характер движения крови в кровеносном русле. Исследования биомеханики кровообращения, проведенные в последние годы, экспериментально показали, что в кровеносном русле, как и во всей сердечно-сосудистой системе, движение крови имеет не поступательный, как считалось раньше, а вращательно-поступательный характер, причем направление вращения потока крови в большом и малом кругах кровообращения, - противоположное [Багаев С.Н., Захаров В.Н., Орлов В.А. Физические механизмы транспортных систем живого организма (Препринт) - Новосибирск: СО РАН, 1999 г.]

Предпосылки к формированию вращательно-поступательного движения крови заключаются в том, что мышечные элементы миокарда желудочков сердца и кровеносных сосудов имеют спиральную упаковку, их полости представляют собой воронкообразные камеры с асимметрией входа и выхода, а ветвление магистрального артериального и венозного русла - тангенциальное. Установление этих фактов способствовало новому пониманию биомеханики кровообращения и, в частности, привело к идее "распределенного сердца". Поток крови, поступающий в магистральное артериальное русло во время систолы желудочков сердца, изначально имеет вращательно-поступательный характер движения. Поскольку так же, как в миокарде, гладкие миоциты артериальных сосудов спирально упакованы, растяжение стенок сосудов, принимающих систолический выброс крови, приводит к натяжению гладкомышечных элементов и спиральной волне их возбуждения. Далее сложение сил упругой деформации эластического каркаса и активного сокращения гладких миоцитов стенок артерий создает в них волну скручивания, обеспечивающую сохранение закрученного потока, поддерживая не только поступательную составляющую движения крови, но, что важно, и вращательную. За период сердечного цикла сокращение и расслабление активных элементов стенок сосудов происходит поочередно, причем этот процесс распространяется от сердца к периферии магистральных артериальных сосудов. Деятельность каждого участка магистрального артериального сосуда аналогична деятельности желудочка сердца, поскольку имеются фазы спирального сокращения и расслабления мышечного слоя кровеносных сосудов, а в целом деятельность сердца и сосудов синхронизована. С помощью ренгеноконтрастных исследований установлено, что в начальных отделах артериального русла кровеносной системы поступательная энергия приблизительно в два раза меньше вращательной энергии, которая создает дополнительную силу тяги крови. Этот эффект универсальным образом проявляет себя также в многочисленных воронкообразных камерах кровеносной системы. Функциональная роль вращательной составляющей движения крови состоит в преодолении распределенного сопротивления сосудов, величина которого определяется вязким трением. Суммируясь на каждом малом участке кровеносной системы названное сопротивление интегрально становится большим. Показателем этого сопротивления является измеряемое артериальное диастолическое давление.

С позиций новой концепции биомеханики кровообращения становятся ясными причины и следствия патофизиологических процессов и осложнений, возникающих при искусственном кровообращении с поступательным движением крови в сосудах, когда исключена активная роль сосудов в обеспечении кровотока, а для компенсации потерь на трение во время экстракорпорального кровообращения перфузионньм насосом создается избыточное давление в 2-3 раза превышающее физиологический уровень.

Ближайшим аналогом предлагаемого способа искусственного кровообращения является способ нагнетания крови, включающий снабжение кровеносной системы кровью (и/или кровезаменителя), путем ее пульсирующей подачи в артериальный сосуд, обеспечение поступательного ее продвижения по кровеносной системе, и удаление названных крови и/или кровезаменителя из кровеносной системы через венозный сосуд [А.С. СССР № 1320932 МПК А 61 М 1/10]. Этот способ по наибольшему количеству сходных с предлагаемым признаков принят за прототип изобретения. Недостатками прототипа является то, что он не воспроизводит природный характер движения крови в кровеносной системе, что исключает активную работу сосудов и в итоге приводит к различным патофизиологическим процессам в организме, нарушениям и осложнениям, перечисленным выше.

Изобретение решает задачу создания способа и аппарата искусственного кровообращения, воспроизводящего природное, физиологичное движение крови в кровеносной системе, и не вызывающего различных патофизиологических процессов и нарушений в организме, операционных и послеоперационных осложнений.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ искусственного кровообращения, включающий снабжение кровеносной системы кровью и/или кровезаменителем путем пульсирующей подачи названных крови и/или кровезаменителя в артериальный сосуд, удаление названных крови и/или кровезаменителя из кровеносной системы через венозный сосуд, в котором подачу крови и/или кровезаменителя осуществляют таким образом, что они поступают в артериальный сосуд по винтовой траектории.

Поскольку в физиологических условиях живого организма происходит активный возврат крови из венозных магистралей большого круга кровообращения деятельностью правого желудочка сердца, создающего присасывающий эффект для крови в период диастолы желудочка (активная диастола сердца), для избежания гипергидратации (перенасыщения тканей жидкостью) и создания условий, максимально приближенных к естественным, наиболее эффективно осуществлять удаление крови и/или кровезаменителя через венозный сосуд принудительно, таким образом, чтобы объем крови и/или кровезаменителя, подаваемого в кровеносную систему, соответствовал объему названных крови и/или кровезаменителя, удаляемого из названной кровеносной системы.

При искусственном кровообращении возможна постоянная подача в кровеносную систему свежей крови и/или кровезаменителя, однако наиболее экономично осуществлять циркуляцию одного и того же объема крови и/или кровезаменителя, для чего после выхода из венозного сосуда его подвергают оксигенированию - насыщению кислородом, и вновь подают в кровеносную систему.

Оптимальное физиологичное соотношение вращательной и поступательной скоростей винтового потока крови равно соответственно √2:1, а систолического к диастолическому артериальному давлению равно 3:2. Учитывая, что в физиологических условиях кровотока в артериальных сосудах большого круга кровообращения существует винтовой поток с левым направлением вращения крови по потоку, необходимо подавать кровь и/или кровезаменитель в артериальный сосуд большого круга кровообращения с левым направлением вращения.

Для осуществления этого способа предлагается аппарат искусственного кровообращения. Его ближайшим аналогом является аппарат, включающий средство подачи крови и/или кровезаменителя в кровеносную систему в пульсирующем режиме, средство обогащения крови и/или кровезаменителя кислородом, средство соединения аппарата с артериальным сосудом и средство соединения аппарата с венозным сосудом [А.С. СССР № 1320932 МКП А61М 1/10]. Этот аппарат по наибольшему количеству сходных с предлагаемым аппаратом признаков принят за его прототип.

Предлагаемый аппарат содержит средство подачи крови и/или кровезаменителя в кровеносную систему в пульсирующем режиме, средство обогащения крови и/или кровезаменителя кислородом, средство соединения аппарата с артериальным сосудом и средство соединения аппарата с венозными сосудами, причем средство соединения аппарата с артериальным сосудом выполнено таким образом, что кровь и/или кровезаменитель поступает в названный артериальный сосуд в форме винтового потока.

Аппарат может быть снабжен также средством принудительного удаления крови и/или кровезаменителя из венозного сосуда, которое обеспечивает выведение названной крови и/или кровезаменителя из кровеносной системы таким образом, что скорость удаления крови из кровеносной системы соответствует скорости подачи крови в кровеносную систему.

Средство соединения аппарата с артериальным сосудом может быть выполнено в форме канюли, концевая часть которой, вводимая в артериальный сосуд, имеет форму полой спирали, причем наружный диаметр названной спирали равен внутреннему диаметру артериального сосуда.

В качестве средства подачи крови и/или кровезаменителя в кровеносную систему в пульсирующем режиме может использоваться пульсирующий насос.

В качестве средства обогащения крови и/или кровезаменителя кислородом может использоваться оксигенатор.

В качестве средства принудительного удаления крови и/или кровезаменителя из венозных сосудов может использоваться насос.

Физиологичность работы аппарата искусственного кровообращения достигается также тем, что производительность насоса принудительного удаления крови и/или кровезаменителя из венозного сосуда соответственно равна производительности пульсирующего перфузионного насоса, нагнетающего кровь и/или кровезаменитель в артериальный сосуд. Поскольку минутный объем кровообращения индивидуальный у каждого пациента, насосы имеют регулируемую производительность, что дает возможность настраивать их индивидуально для каждого пациента.

Способ искусственного кровообращения осуществляют посредством аппарата следующим образом.

На фиг.1 изображен аппарат искусственного кровообращения. Он содержит: перфузионный пульсирующий насос 1, оксигенатор 2, артериальную канюлю 3, венозные канюли 4, резервуар для сбора крови 5, коронарный дренаж 6, желудочковый дренаж 7, воздушный фильтр 8 и дополнительный насос 9. Венозные канюли 4 вводят в верхнюю и нижнюю полые вены, а артериальную канюлю 3 - в артериальный сосуд. Дополнительный насос 9 соединен с оксигенератором 2, который также соединен с воздушным фильтром 8. Воздушный фильтр 8 имеет две трубки, одна из которых соединена с резервуаром для сбора крови 5, а другая - с перфузионным насосом 1. В резервуар для сбора крови 5 введены коронарный дренаж 6 и желудочковый дренаж 7. Перфузионный насос 1 соединен с артериальной канюлей.

При подключении аппарата к пациенту венозные канюли 4 вводят в верхнюю и нижнюю полые вены, а артериальную канюлю 3 - в аорту, как показано на фиг.2. Дополнительный насос 9 активно осуществляет возврат крови из венозного отдела большого круга кровообращения и одновременно откачивает кровь из резервуара для сбора крови 5, в который собирают кровь коронарньм дренажем 6 и желудочковым дренажем 7. Дополнительный насос 9 направляет кровь в оксигенератор 2, где происходит насыщение крови кислородом.

Оксигенированная кровь поступает в перфузионный насос 1 через воздушный фильтр 8, предупреждающий газовую эмболию. Пузырьки газа в случае их возникновения отводятся соединительной трубкой в резервуар для сбора крови 5, где имеется воздушный уровень и кровь. Перфузионный насос 1 создает пульсирующую подачу крови в артериальный сосуд через артериальную канюлю 3, концевая часть которой, введенная в названный сосуд, имеет вид спирали, причем наружный диаметр спиралевидной части канюли равен внутреннему диаметру названного сосуда, что обеспечивает устойчивое положение канюли в нем и подачу крови в него по винтовой траектории. Определенный шаг винтовой траектории обеспечивает строгое соотношение вращательной скорости винтового потока крови и поступательной его скорости, равное √2:1. Такое соотношение скоростей винтового потока крови обеспечивает оптимальный уровень соотношения систолического и диастолического артериального давления, который в начальном отделе аорты в норме равен 3/2. Кроме того, вращательный компонент движения винтового потока крови обеспечивает распределенный диастолический градиент, направленный на преодоление распределенного сосудистого сопротивления и достижения главной цели - эффективность микроциркуляции.

Применение аппарата исключает проведение гемодилюции, не требует создания избыточного давления перфузионным насосом, а также позволяет применять минимум донорской крови и фармакологических средств.

Таким образом, предлагаемые способ искусственного кровообращения и аппарат для его осуществления обеспечивают физиологичность кровотока в кровеносной системе, что в свою очередь устраняет многочисленные нарушения, операционные и послеоперационные осложнения у прооперированных больных.

Изобретение относится к медицине и может использоваться преимущественно в кардиохирургии для обеспечения искусственного кровообращения во время проведения операций на сердце. Способ включает пульсирующую подачу крови и/или кровезаменителя в артериальный сосуд по винтовой траектории и удаление названных крови и/или кровезаменителя из венозных сосудов. Аппарат содержит средство подачи крови и/или кровезаменителя в кровеносную систему в пульсирующем режиме, средство обогащения крови и/или кровезаменителя кислородом, сосудом и средство соединения аппарата с венозными сосудами, средство соединения аппарата с артериальным сосудом, которое выполнено таким образом, что кровь и/или кровезаменитель поступают в названный артериальный сосуд в форме винтового потока. Технический результат заключается в воспроизведении природного физиологического движения крови в кровеносной системе. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ искусственного кровообращения, включающий снабжение кровеносной системы кровью и/или кровезаменителем путем пульсирующей подачи названных крови и/или кровезаменителя в артериальный сосуд и удаление названных крови и/или кровезаменителя из кровеносной системы через венозные сосуды, отличающийся тем, что подачу крови и/или кровезаменителя осуществляют таким образом, что они поступают в артериальный сосуд по винтовой траектории.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление крови и/или кровезаменителя через венозные сосуды осуществляют принудительно и таким образом, чтобы объем крови и/или кровезаменителя, подаваемых в кровеносную систему, соответствовал объему крови, удаляемой из названной кровеносной системы.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что кровь и/или кровезаменитель после их удаления из кровеносной системы подвергают оксигенированию и вновь подают в названную кровеносную систему.4. Аппарат искусственного кровообращения, включающий средство подачи крови и/или кровезаменителя в кровеносную систему в пульсирующем режиме, средство обогащения крови и/или кровезаменителя кислородом, средство соединения аппарата с артериальным сосудом и средство соединения аппарата с венозными сосудами, отличающийся тем, что средство соединения аппарата с артериальным сосудом выполнено таким образом, что кровь и/или кровезаменитель поступают в названный сосуд в форме винтового потока.5. Аппарат по п.4, отличающийся тем, что он содержит средство принудительного удаления крови и/или кровезаменителя из венозных сосудов, которое обеспечивает выведение названной крови и/или кровезаменителя из кровеносной системы таким образом, что средняя скорость удаления крови из кровеносной системы соответствует скорости подачи крови и/или кровезаменителя в кровеносную систему.6. Аппарат по п.4, отличающийся тем, что средство соединения аппарата с артериальным сосудом выполнено в форме канюли, концевая часть которой, вводимая в названный сосуд, выполнена в форме полой спирали, причем наружный диаметр названной спирали равен внутреннему диаметру артериального сосуда.7. Аппарат по п.4, отличающийся тем, что средство подачи крови и/или кровезаменителя в кровеносную систему в пульсирующем режиме выполнено в форме пульсирующего насоса.8. Аппарат по п.4, отличающийся тем, что средство обогащения крови и/или кровезаменителя кислородом выполнено в форме оксигенатора.9. Аппарат по п.4, отличающийся тем, что средство принудительного удаления крови и/или кровезаменителя из венозного сосуда выполнено в форме насоса.