Перфузионный насос для перекачивания крови Российский патент 2022 года по МПК A61M60/00 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к насосам для перекачивания крови - перфузионным насосам, и может быть использовано для организации искусственного кровообращения - перфузии при сердечном протезировании - создании искусственного сердца.

Известен перистальтический насос, предназначенный для использования в аппаратах искусственного кровообращения (перфузионный насос) , содержащий статор с подвижным рабочим элементом и примыкающей к его внутренней поверхности эластичной трубкой, размещенной в полости статора, причем на валу привода размещен ротор с роликами, установленными на осях с возможностью контакта с эластичной трубкой, где подвижный рабочий элемент установлен с возможностью возвратно-поступательного движения в направлении, перпендикулярном оси вращения ротора, и шарнирно соединен с одним концом шатуна, другой конец которого шарнирно соединен с кривошипом-защелкой, установленным на оси с возможностью поворота относительно стенки корпуса насоса, а механизм управления окклюзией (Окклюзия (англ. occlusion от лат. occlusio «сокрытие») - термин, который указывает на какое-либо состояние, которое обычно открыто, а в определённый момент времени полностью закрыто.) выполнен в виде регулируемого эксцентрикового упора, размещенного в корпусе с возможностью контакта с другим концом шатуна ниже прямой линии, соединяющей центр оси кривошипа-защелки с центром шарнирного соединения шатуна с подвижным рабочим элементом [1].

Известный перистальтический насос предназначен для использования в аппаратах искусственного кровообращения, однако периодическое сжимание эластичной трубки роликами ротора, особенно при наиболее приближенном положении подвижного рабочего элемента к ротору, влечет за собой риск гемолиза - травмирования крови с частичным разрушением эритроцитов [2], то есть не обеспечивает «щадящего» режима транспортировки данной субстанции. Учитывая то, что при искусственном кровообращении кровь должна многократно проходить через данный насос, указанное воздействие усиливается, что в конечном итоге приводит к недопустимому ухудшению ее структуры.

Известно также устройство для перекачивания крови - перфузионный насос (искусственное сердце), выбранное нами в качестве прототипа, включающее корпус, снабженный патрубками, клапанами и разделенный мембраной на камеру для крови и рабочую камеру, при этом на внутренней поверхности камеры для крови выполнены углубления рогообразной формы для закручивания потока крови в направлении выходного клапана, а в патрубках корпуса установлены каркасы искусственных входного и выходного клапанов с дисковыми запирающими элементами [3].

В известном устройстве привод разделительной мембраны осуществляют при помощи пневмосистемы (в прототипе не описана), которая по своей сложности будет существенно выше предложенного устройства, поскольку необходимы надежные коммутационные элементы, переключающие газовые потоки, и соответствующая система управления этими элементами. Более того, регулировка объема перекачиваемой крови и периодичность срабатывания предлагаемого устройства также связаны с возможностями используемой пневмосистемы, что значительно увеличивает ее сложность и соответственно снижает надежность.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и упрощение устройства.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве для перекачивания крови - перфузионном насосе (искусственном сердце), включающем корпус с входным и выходным патрубками, снабженными клапанами, эластичную мембрану, взаимодействующую с пневмоприводом и образующую рабочую камеру и камеру для крови, корпус выполнен в виде герметичного тела вращения с возможностью создания в нем регулируемой величины разряжения, внутри которого установлен ротор с одним или более фигурным углублением, а эластичная мембрана размещена в зазоре между корпусом и ротором и выполнена с диаметрально противоположно расположенными внутренними полостями, образующими при взаимодействии с углублением (углублениями) ротора рабочие камеры, при этом входной патрубок смонтирован на дополнительной камере, примыкающей к внешней поверхности корпуса, и оснащенной дополнительной эластичной мембраной, закрепленной на ее внутренней поверхности и разделяющей последнюю на две полости - одна из которых, образованная стенками дополнительной камеры и мембраной, сообщается с одной из полостей эластичной мембраны, размещенной в зазоре между ротором и корпусом, а другая - образует внутреннее пространство дополнительной камеры и сообщается через клапан со второй полостью эластичной мембраны, размещенной в зазоре между ротором и корпусом, которая в свою очередь сообщается с выходным патрубком.

Сущность изобретения состоит в том, что корпус выполнен в виде герметичного тела вращения. Такая форма корпуса наиболее технологична при изготовлении и эксплуатации устройства, а также упрощает конструкцию и монтаж других элементов, размещаемых в корпусе.

Возможность создания корпуса, а следовательно, и в углублении ротора, регулируемой величины разряжения (вакуумирования) позволяет менять силу взаимодействия между ротором, а точнее - между углублением (углублениями) ротора, и эластичной мембраной без каких-либо механических приспособлений, чем достигается упрощение устройства при сохранении возможности регулирования его производительности.

Размещение внутри герметичного корпуса ротора с одним или более фигурным углублением позволяет сформировать, при выбранной величине разряжения (вакуумирования), внутри углубления ротора соответствующую деформацию эластичной мембраны, необходимую для перистальтического перекачивания крови без недопустимых воздействий как на кровь, так и на мембрану, что повышает надежность устройства. При наличии нескольких углублений на роторе удается при неизменной частоте вращения последнего увеличивать циклическую частоту (пульс) работы устройства кратно количеству углублений.

Размещение эластичной мембраны, которая выполнена с диаметрально противоположно расположенными внутренними полостями, в зазоре между корпусом и ротором дает возможность активного взаимодействия углубления (углублений) ротора с мембраной, образуя при этом рабочие камеры, являющиеся элементами насосной системы. При этом диаметрально противоположные полости мембраны функционально разделяют последнюю на полость «всасывания» и полость «нагнетания», что упрощает конструкцию устройства без применения дополнительных средств разделения потоков.

Использование дополнительной камеры, примыкающей к внешней поверхности корпуса, дает возможность сформировать «порцию» крови, всасываемую через входной патрубок, смонтированный на дополнительной камере.

Наличие дополнительной эластичной мембраны, закрепленной на внутренней поверхности дополнительной камеры, позволяет разделить последнюю на две полости - одна из которых, образованная стенками дополнительной камеры и мембраной, сообщается с одной из полостей эластичной мембраны, размещенной в зазоре между ротором и корпусом, образуя таким образом «всасывающую» часть насосной системы, а другая - образует внутреннее пространство дополнительной камеры и сообщается через клапан со второй полостью эластичной мембраны, размещенной в зазоре между ротором и корпусом, создавая тем самым «нагнетающую» часть общей насосной системы, синхронизируемой вращающимся ротором устройства. При этом, через выходной патрубок, сообщающийся с «нагнетающей» частью такой насосной системы, осуществляется пульсирующая подача крови, разовый объем которой определяется степенью разряжения во внутреннем пространстве углубления ротора, а частота пульсаций - частотой вращения ротора устройства.

Изобретение поясняется рисунками.

Для примера форма корпуса в данном описании принята цилиндрической, хотя корпус может быть выполнен в виде любого тела вращения.

На рис.1а, b схематично показан общий вид предлагаемого устройства в сечениях при отсутствии разряжения внутри корпуса.

На рис.2 a, b, c, d показано сечение С-С по рис.1а в различных фазах работы предлагаемого перфузионного насоса при наличии пониженного давления в корпусе.

Предлагаемый перфузионный насос (искусственное сердце) (см.рис.1a,b) состоит из герметичного корпуса 1, внутри которого размещен ротор 2 с фигурным углублением 3 (здесь и далее речь идет об одном углублении). В зазоре между ротором 2 и внутренней поверхностью корпуса 1 установлена эластичная мембрана 4 с диаметрально расположенными внутренними полостями 5 и 6. К боковой поверхности корпуса 1 примыкает дополнительная камера 7 с входным патрубком 8. Внутри дополнительной камеры 7 размещена дополнительная мембрана 9, разделяющая дополнительную камеру 7 на две полости 10 и 11. Первая из них (10) сообщается каналом 12 с полостью 6 мембраны 4, а вторая (11) - через клапан 13 с полостью 5 мембраны 4, которая в свою очередь сообщается с выходным патрубком 14. При этом входной 8 и выходной 14 патрубки снабжены клапанами 15 и 16. В крышке 17 корпуса 1 выполнен канал 18 для подключения вакуумного насоса (на рисунках не показан), создающего заданное разряжение внутри корпуса 1, а следовательно, внутри углубления корпуса 3. Канал 19, выполненный в теле ротора 2 улучшает условия создания разряжения внутри углубления 3 при работе устройства. На нижней крышке 20 корпуса 1 смонтирован электромотор 21, являющийся приводом ротора 2.

Работает предлагаемый перфузионный насос следующим образом. Предполагается, что перед началом работы давления во всех его полостях равны, например, атмосферному давлению, а ротор вращается против часовой стрелки с заданной частотой. Через канал 18 откачивают воздух для создания необходимой величин разряжения внутри корпуса 1, а следовательно, и в углублении 3 ротора 2 через канал 19 (см. рис.1). При этом возникает разность давлений между внутренними полостями 5,6 эластичной мембраны 4 и углублением 3 ротора 2. За счет возникшей таким образом разности давлений, стенки эластичной мембраны 4, прилегающие к углублению 3 ротора 2, начинают деформироваться (см.рис.2), стремясь заполнить углубление 3. При положении ротора 2, показанного на рис.2а, объем полости 6 эластичной мембраны 4 резко увеличивается. Давление в полости 6 снижается, что приводит к снижению давления в полости 10 между дополнительной мембраной 9 и внутренними стенками дополнительной камеры 7, поскольку полость 10 сообщается через канал 12 с полостью 6. Дополнительная мембрана 9 стремится «прилипнуть» к стенкам дополнительной камеры 7, увеличивая тем самым объем полости 11, где давление также падает. При этом клапан 15 во входном патрубке открывается, а клапан 13, разделяющий полости 11 и 5 закрывается. Происходит заполнение полости 11 через входной патрубок 8 и клапан 15 кровью.

По мере дальнейшего поворота ротора 2 против часовой стрелки (см.рис.2b) происходит «выдавливание» образовавшегося вздутия (деформированного участка) полости 6 мембраны 4 на границе полостей 6 и 5. При этом давление в полости 6 повышается, а следовательно, повышается давление и в полости 10, сообщающейся с полостью 6 каналом 12. Дополнительная мембрана 9 начинает занимать свое первоначальное положение. Однако, углубление 3 ротора 2 начинает взаимодействовать со стенкой полости 5 мембраны 4, которая, деформируясь увеличивает объем полости 5, снижая в ней давление. При этом через клапан 13 кровь интенсивно перетекает из полости 11 дополнительной камеры 7 в увеличенный объем полости 5. Поскольку давление в полости 5 оказывается пониженным, клапан 16 в выходном патрубке 14 находится в закрытом состоянии, а через клапан 15 входного патрубка 8 происходит «подпитка» полости 11 кровью.

При дальнейшем перемещении ротора 2 (против часовой стрелки) (см.рис.2с) происходит полное заполнение кровью увеличенного объема полости 5 мембраны 4. Давление в полостях 5 и 11 стабилизируется и становится равным атмосферному. Приток крови в полость 11 через входной патрубок 8 прекращается. На этом этапе происходит транспортировка порции крови деформированной полостью 5 к выходному патрубку 14.

При приближении углубления 3 ротора 2 к выходному патрубку 14 (см.рис.2 d) происходит «выдавливание» порции крови из образовавшегося вздутия стенки полости 5 в выходной патрубок 14. Давление в полости 5 повышается, клапан 13 закрывается, а клапан 16 выходного патрубка 14 открывается. Порция крови поступает в кровеносную систему.

Дальнейший поворот ротора 2 приводит к повторению всего цикла работы насоса.

Особенностью предложенного устройства является то, что при любом положении ротора 2 и при любой степени снижения давления в углублении 3 ротора 2, не возникает каких-либо недопустимых механических воздействий на кровь, что гарантирует сохранность ее компонентов при многократных циркуляционных циклах. Помимо этого, изменяя скорость вращения ротора 2 и степень снижения давления в углублении 3 ротора 2, в процессе работы устройства, удается легко менять ритм подачи и разовый объем перекачивания крови, что дает возможность оперативно в широких пределах корректировать параметры системы кровообращения.

Источники информации

1. Патент RU 2017502, Перистальтический насос (Аналог).

2. Уразбахтин Р.Р., Вавилов В.Е. Искусственное сердце и искусственные желудочки сердца // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 2 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2017/02/78875.

3. Патент RU 127315, Устройство для перекачивания крови (Искусственное сердце) (Прототип).

Изобретение относится к медицинской технике. Перфузионный насос для перекачивания крови включает корпус с входным и выходным патрубками, снабжёнными клапанами, и эластичную мембрану. Крышка корпуса снабжена каналом для подключения вакуумного насоса. Дополнительная камера примыкает к внешней поверхности корпуса и оснащена дополнительной эластичной мембраной. Корпус выполнен в виде герметичного тела вращения с возможностью создания в нём регулируемой величины разряжения. Внутри корпуса установлен ротор с углублением и каналом для создания разряжения в углублении. Эластичная мембрана размещена в зазоре между корпусом и ротором и выполнена с диаметрально противоположно расположенными внутренними полостями, образующими при взаимодействии с углублением ротора рабочие камеры. Входной патрубок смонтирован на дополнительной камере, оснащённой дополнительной эластичной мембраной, закреплённой на внутренней поверхности дополнительной камеры и разделяющей дополнительную камеру на две полости, одна из которых, образованная стенками дополнительной камеры и дополнительной эластичной мембраной, сообщена с одной полостью эластичной мембраны, размещённой в зазоре между ротором и корпусом, другая образует внутреннее пространство дополнительной камеры и сообщена через клапан со второй полостью эластичной мембраны, размещённой в зазоре между ротором и корпусом. Вторая полость эластичной мембраны сообщена с выходным патрубком. Технический результат состоит в снижении механический воздействий на кровь. 2 ил.

Перфузионный насос для перекачивания крови, включающий корпус с входным и выходным патрубками, снабжёнными клапанами, и эластичную мембрану, отличающийся тем, что содержит крышку корпуса с каналом для подключения вакуумного насоса и дополнительную камеру, примыкающую к внешней поверхности корпуса и оснащённую дополнительной эластичной мембраной, корпус выполнен в виде герметичного тела вращения с возможностью создания в нём регулируемой величины разряжения, внутри корпуса установлен ротор с углублением и каналом для создания разряжения в углублении, эластичная мембрана размещена в зазоре между корпусом и ротором и выполнена с диаметрально противоположно расположенными внутренними полостями, образующими при взаимодействии с углублением ротора рабочие камеры, при этом входной патрубок смонтирован на дополнительной камере, оснащённой дополнительной эластичной мембраной, закреплённой на внутренней поверхности дополнительной камеры и разделяющей дополнительную камеру на две полости, одна из которых, образованная стенками дополнительной камеры и дополнительной эластичной мембраной, сообщена с одной полостью эластичной мембраны, размещённой в зазоре между ротором и корпусом, другая образует внутреннее пространство дополнительной камеры и сообщена через клапан со второй полостью эластичной мембраны, размещённой в зазоре между ротором и корпусом, а вторая полость эластичной мембраны сообщена с выходным патрубком.