Система имитации пульсового потока в крупных сосудах для КТ-ангиографических исследований Российский патент 2025 года по МПК G16H50/00 G09B23/28 A61B6/03 

Изобретение (ИЗ) относится к области медицины, в частности к медицинским симуляторам для компьютерной томографической ангиографии (КТА), и может использоваться для оптимизации ангиографических протоколов сканирования, научных исследований гемодинамики крупных сосудов, а также отработки хирургических навыков. Изобретение предназначено для имитации гемодинамики в макете крупного сосуда (в частности аорты) при томографическом исследовании с использованием контрастного вещества (в частности при КТА). Из уровня техники известны устройства для моделирования сердечной деятельности, а также тест-объекты, имитирующие рентгеновские и/или биомеханические свойства сосудов. В качестве прототипа к ИЗ можно рассмотреть систему для имитации внутрисосудистого протезирования брюшного отдела аорты под контролем КТА, представленную в статье Mees и соавт.[2]. Признаки аналога, совпадающие с заявляемым изобретением: наличие тест-объекта, имитирующего биомеханические и рентгеновские характеристики артериального сосуда; наличие генератора пульсовой волны давления.

Недостатки аналога:

1) невозможность генерации пульсовой волны заданной формы - вместо этого имитируется работа сердечной мышцы, что не позволяет подключать отдельный участок сосудистого русла напрямую (без воспроизведения предшествующих сегментов);

2) отсутствие имитации тест-объектом рентгеновских свойств сосуда при КТА: величина рентгеновская плотность тканеимитирующего материла не соответствует значениям, характерным для тканей аорты в артериальную фазу КТА;

3) отсутствие контроля параметров потока.

Существенными отличительными признаками заявляемого изобретения по сравнению с прототипом являются: генератор пульсовой волны, способный создавать пульсовую волну давления, форма и параметры (скорость и давление) которой соответствуют реальным для отдельно взятого сегмента сосудистой системы; тест-объект, одновременно имитирующий биомеханические и рентгеновские свойства крупных артериальных сосудов на КТ-ангиографическом исследовании; система датчиков для динамического контроля параметров потока.

При выборе тканеимитирующего материала для тест-объекта предлагаемого изобретения за основу была взята технология, описанная Kwon и соавт. [3]. Однако Kwon и соавт. не рассматривают рентгеновские характеристики материала, в то время как в предложенном изобретении проанализирована и учтена рентгеновская плотность композиции «силикон и армирующий пластик», позволяющая использовать его для имитации эффекта подсветки [4, 5] сосудистой стенки аорты в артериальную фазу КТ-исследования.

Сущность заявляемого изобретения заключается в конструктивной и функциональной совокупности следующих взаимосвязанных блоков:

1) генератор пульсовой волны, реализованный в виде циркуляционного насоса, управляемого микроконтроллером с помощью преобразователя напряжение-частота;

2) КТ-совместимый блок, содержащий тест-объект, воспроизводящий биомеханические и рентгеновские свойства крупного артериального сосуда;

3) гидроконтур, содержащий датчики давления и скорости потока и регулируемое гидродинамические сопротивление;

4) аппаратный (кнопки и регулятор) и программный интерфейс пользователя, позволяющий напрямую управлять параметрами потока.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение следующих функциональных возможностей:

1) генерация пульсовой волны, профиль которой достоверно коррелирует с управляющим сигналом заданной формы;

2) генерация пульсовой волны со следующим диапазоном параметров (с возможностью двустороннего увеличения диапазона):

2.1) частота - от 0,5 до 1,5 Гц,

2.2) давление - от 30 до 200 мм рт.ст.,

2.3) скорость - от 2 до 8 л/мин;

3) возможность прямого подключения тест-объекта (без необходимости имитации остальных сегментов сосудистой системы);

4) имитация биомеханических свойств биообъекта;

5) имитация рентгеновской плотности сосуда в артериальную фазу КТА (112; 125 единиц Хаунсфилда);

6) динамический мониторинг параметров потока (давление, скорость);

7) прямое управление и динамическая регулировка параметров пульсаций (частота и амплитуда) и, следовательно, параметров потока (частота, давление, скорость).

На Фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема системы имитации пульсирующего потока в крупных сосудах. Типы связей: сплошная линия - вещественный, пунктир - информационный. Генератор пульсовой волны включает в себя следующие элементы: 1 - плата управления, 2 - преобразователь напряжение-частота, 3 - насос, 8 - резервуар. Гидроконтур включает в себя: 4 - байпас, 5 - датчик давления, 6 - датчик скорости, 7 - краны, 9 - аппаратный интерфейс пользователя. Тест-объект обозначен цифрой 10. ПК - персональный компьютер.

На Фиг. 2 представлен вариант осуществления изобретения.

Работает устройство следующим образом: рабочая жидкость циркулирует в замкнутом гидроконтуре между генератором пульсовой волны и тест-объектом (10). Микроконтроллер платы управления (1) в соответствии с заложенной программой (например, полученной от ПК) генерирует аналоговый сигнал профиля потока, поступающий на частотный преобразователь (2), который в свою очередь управляет работой насоса (3). Сгенерированная насосом (3) пульсовая волна посредством гидроконтура поступает в тест-объект (10). Тест-объект (10) представляет собой имитацию крупного сосуда, например, участка брюшного отдела аорты и может быть выполнен в различных вариантах: от упрощенной цилиндрической модели нормального просвета до сложной антропоморфной модели аневризмы аорты. Тест-объект (10) расположен в специальном корпусе, конструкция которого КТ-совместима, т.е. не содержит металлических элементов, вызывающих артефакты томографических изображений, а также эргономична с точки зрения манипуляций с тест-объектом. Гидроконтур содержит краны (7) для регулирования просвета соединительных патрубков (11), имитирующие сопротивление периферических сосудов и предназначенные для настройки параметров системы. В контуре также предусмотрен дополнительный байпас (4) - обходной путь, соединяющий выход насоса (3) и резервуар (8). Он может быть использован не только для дополнительной регулировки потока, но и как система аварийного сброса давления в контуре. Управление и мониторинг работы системы реализованы с помощью USB-интерфейса. Данные с датчиков давления (5) и скорости (6) поступают на микроконтроллер платы управления (1) и затем на компьютер либо иное цифровое устройство. Управление устройством через компьютер также возможно с помощью виртуального СОМ-порта. Помимо программного, реализован базовый аппаратный интерфейс пользователя (9), представленный в виде кнопок запуска, выбора частотного режима и ступенчатого масштабирования сигнала.

В базовой конфигурации системы доступны режимы генерации пульсаций с частотой: «норма» - 1 Гц, «синусовая тахикардия» - 1,5 Гц и «брадикардия» - 0,5 Гц. В качестве рабочей жидкости может быть использован кровезаменитель, например, смесь воды и контрастного вещества.

Изобретение может использоваться для:

1) имитации и анализа пульсирующего кровотока у человека;

2) имитации гемодинамики сосудов на КТ-исследовании;

3) отработки навыков хирургического доступа в околососудистой (например, парааортальной при имитации операций на позвоночнике) либо сосудистой области.

Использование заявляемого изобретения обеспечит получение навыков: работы с пульсирующим сосудом, близким по своим биомеханическим характеристикам к реальному объекту; проведения КТ-исследований сосудов с различными параметрами работы сердечной мышцы.

Источники информации

1. Пат. US 8926333 B2. Device, system, and method for simulating blood flow. / Vozenilek J., Cusack Т., Admani S., Bethke E., Regan M. // URL: https://patents.google.com/patent/US8926333B2/en (дата обращения: 24.02.2023).

2. Meess K.M. et al. 3D printed abdominal aortic aneurysm phantom for image guided surgical planning with a patient specific fenestrated endovascular graft system // Medical imaging 2017: imaging informatics for healthcare, research, and applications. - SPIE, 2017. - T. 10138. - C. 159-172. doi: 10.1117/12.2253902

3. Kwon, J. et al. Mimicking the mechanical properties of aortic tissue with pattern-embedded 3D printing for a realistic phantom / Jaeyoung Kwon, Jun hyeok Ock, Namkug Kim // Materials. - 2020. - Vol. 13, no. 21. - P. 5042.

4. Tanaka, H., Unno, N., Suzuki, Y., Sano, H., Yata, Т., and Urano, Т., 2018. Hypoperfusion of the Aortic Wall Secondary to Degeneration of Adventitial Vasa Vasorum Causes Abdominal Aortic Aneurysms. // Current drug targets, 19(11), 1327-1332. doi: 10.2174/1389450119666180122154409

5. Heistad, D.D., and Marcus, M.L., 1979. Role of vasa vasorum in nourishment of the aorta. // Journal of Vascular Research, 16(5), 225-238.

Изобретение относится к области медицины, в частности к медицинским симуляторам для компьютерной томографической ангиографии, и может использоваться для оптимизации ангиографических протоколов сканирования, научных исследований гемодинамики крупных сосудов, а также для отработки хирургических навыков. Предложенная система содержит: циркуляционный насос, способный создавать пульсирующий поток, профиль и параметры которого определяются управляющим сигналом микроконтроллера с помощью преобразователя частота-напряжение; тест-объект, имитирующий биомеханические и рентгеновские свойства артериального сосуда в артериальную фазу ангиографического исследования; гидроконтур, имеющий систему датчиков и пользовательский интерфейс для динамического мониторинга и управления параметрами потока. Изобретение обеспечивает возможность генерации управляемого пульсирующего потока с заданными характеристиками в тест-объекте, имитирующем биомеханические и рентгеновские свойства крупного артериального сосуда при ангиографическом исследовании. 2 ил.

Система имитации пульсового потока в крупных сосудах для КТ-ангиографических исследований, содержащая КТ-совместимый блок, систему генерации пульсовой волны давления и соединяющий их гидроконтур, включающий датчик давления и датчик скорости; при этом система содержит: циркуляционный насос, генерирующий пульсовую волну давления заданного профиля; преобразователь напряжение-частота, преобразующий аналоговый сигнал заданного профиля пульсовой волны в синусоиды для передачи на обмотки электродвигателя насоса с помощью широтно-импульсной модуляции; тест-объект, выполненный с возможностью имитации рентгеновских свойств сосуда в артериальной фазе КТ-ангиографического исследования; аппаратный и программный интерфейсы пользователя.