Устройство для испытаний искусственных клапанов сердца Советский патент 1990 года по МПК A61F2/24 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для испытаний протезов клапанов сердца.

Цель изобретения - повышение точности измерений гидродинамических параметров клапанов путем приближения условий испытаний к естественным при одновременном сокращении времени испытаний.

На фиг. 1 приведена схема устройства для испытаний искусственных клапанов сердца; на фиг. 2 - кинематическая схема электромеханического привода; на фиг. 3 - структурная схема пульта автоматической калибровки; на фиг. 4 - схема автомата давления; на фиг. 5 - схема блока управления скоростью вращения электродвигателя привода.

Устройство для испытаний искусственных клапанов сердца содержит оппозитно расположенные в торцах корпуса 1 с шунтирующим каналом 2 поршни 3 и 4, являющиеся рабочими элементами. Поршни 20 уплотнены трубчатыми манжетами 5 и 6, каждая из которых закреплена одним концом на соответствующем поршне, а другим i:a гильзах поршневых групп 7 и 8, приперемещения. Автомат 42 давления электрически соединен с блоком 24 автоматической калибровки, пневмонасосом 19 и электромеханическим приводом 28.

-Блок автоматической калибровки содержит усилитель 43 индикации уровней эта- ланного манометра 23. Входы этих усилителей соединены с контактными группами манометра, а выходы со световыми индикаторами 44 и цифровыми входами ЭВМ.

Ю Дифференциальные усилители 45, 46, 47 являются усилителями каналов преобразования давления и расхода. На вход этих усилителей включены электрические датчики 25 и 26, а также датчики 41 перемещения, выходы усилителей соединены со стрелочными индикаторами 48-50 уровней сигналов и входами ЭВМ. Кроме того, выход усилителя 46 соединен с автоматом 42 давления.

Автомат 42 давления содержит два электромагнитных реле 51 и 52. Обмотка реле 51 через регулируемое добавочное сопротивление 53 соединена с выходом дифференциального усилителя 46. Обмотка реле 52 зашунтирована конденсатором 54 и соединена с одним концом с выходом диффе15

крепленных к корпусу 1. Поршни 3 и 4 „ ренциального усилителя 46, а другим с общим концом переключающего контакта этого же реле. Нормально замкнутый и нормально разомкнутые контакты реле через регулируемые добавочные сопротивления 55 и 56 соединены с выходом дифференцисвязаны между собой струной 9, проходящей внутри шунтирующего канала 2. В этом же канале установлен подпружиненный обратный клапан 10. Корпус 1 содержит испытательную камеру 11, внутри которой между двумя прозрачными соосными зо ального усилителя 46. Нормально замкнутрубками 12 и 13, вставленными в коак- сиально расположенную третью трубку 14, зажата манжета, что образует узел крепления испытуемого клапана 15. Калибровочное устройство содержит буферную емтый контакт реле 51 соединен с сетевым проводом электропитания и общим концом второй контактной группы реле 52. Нормально разомкнутый контакт этой группы соединен с пневмонасосом, а нормально замкнутый

40

кость 16 с разделительной мембраной 17, 35 контакт - с блоком 32 управления ско- сосдиненную через гидроклапан 18 с шунти- ростью вращения электродвигателя гидро- рующим каналом 2, пневмонасос 19, соединен- привода.

ный через жиклер 20 с газовой полостьюБлок 32 управления скоростью вращения

накопительной емкости 21, гидрополость которой соединена через гидроклапан 22 с шунтирующим каналом 2, эталонный манометр 23 с контактными группами и блок 24 автоматической калибровки. Датчики 25 и 26 давления электрически связаны с блоком 24 автоматической калибровки и установлены на корпусе 1. Поршень 3 (на 45 электроды тиристоров соединены с комму- схеме правый) через шток 27 кинемати- татором ЭВМ.

электродвигателя гидропривода содержит источник 57 питания постоянного тока, включенный последовательно с роторной обмоткой двигателя 30 и группой параллельно включенных балластных сопротивлений 58, каждое из которых включено последовательно с тиристором 59, а управляющие

0

перемещения. Автомат 42 давления электрически соединен с блоком 24 автоматической калибровки, пневмонасосом 19 и электромеханическим приводом 28.

Блок автоматической калибровки содержит усилитель 43 индикации уровней эта- ланного манометра 23. Входы этих усилителей соединены с контактными группами манометра, а выходы со световыми индикаторами 44 и цифровыми входами ЭВМ.

Дифференциальные усилители 45, 46, 47 являются усилителями каналов преобразования давления и расхода. На вход этих усилителей включены электрические датчики 25 и 26, а также датчики 41 перемещения, выходы усилителей соединены со стрелочными индикаторами 48-50 уровней сигналов и входами ЭВМ. Кроме того, выход усилителя 46 соединен с автоматом 42 давления.

Автомат 42 давления содержит два электромагнитных реле 51 и 52. Обмотка реле 51 через регулируемое добавочное сопротивление 53 соединена с выходом дифференциального усилителя 46. Обмотка реле 52 зашунтирована конденсатором 54 и соединена с одним концом с выходом диффе

ренциального усилителя 46, а другим с общим концом переключающего контакта этого же реле. Нормально замкнутый и нормально разомкнутые контакты реле через регулируемые добавочные сопротивления 55 и 56 соединены с выходом дифференцитый контакт реле 51 соединен с сетевым проводом электропитания и общим концом второй контактной группы реле 52. Нормально разомкнутый контакт этой группы соединен с пневмонасосом, а нормально замкнутый

контакт - с блоком 32 управления ско- ростью вращения электродвигателя гидро- привода.

электроды тиристоров соединены с комму- татором ЭВМ.

электродвигателя гидропривода содержит источник 57 питания постоянного тока, включенный последовательно с роторной обмоткой двигателя 30 и группой параллельно включенных балластных сопротивлений 58, каждое из которых включено последовательно с тиристором 59, а управляющие

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для испытаний искусственных клапанов сердца. Цель изобретения - повышение точности измерений гидродинамических параметров клапанов путем приближения условий испытаний к естественным при одновременном сокращении времени испытаний. Устройство содержит два оппозитно расположенных поршня 3 и 4, связанных между собой струной 9, шунтирующий канал 2 с обратным клапаном 10, испытательную камеру 11 с испытуемым клапаном 15, датчики 25, 26 давления, датчик мгновенного расхода в виде потенциометра 41, кинематически связанного с одним из поршней, эталонный водяной манометр 23, буферную 16 и накопительную 21 емкости, пневмонасос 19, гидроклапаны 18, 22, блок 24 автоматической калибровки, автомат 42 давления, блок 32 управления скоростью вращения двигателя гидропривода и электромеханический привод 28, содержащий синусный механизм, позволяющий изменять величину ударного выброса от нуля до конструктивно заданной величины в процессе работы устройства. Устройство измеряет перепад давления на испытуемом клапане и мгновенный расход через него. Весь цикл испытаний клапана производится автоматически, включая обработку гидродинамической информации, которая выводится на печать в виде стандартного протокола и графиков. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

чески связан с электромеханическим приводом 28, содержащим корпус 29, электродвигатель 30, электрически связанный через контакты реле 31 времени с блоком 32

Устройство работает следующим образом.

После нажима кнопки «Пуск на блоке 24 автоматической калибровки включаются и сауправления скоростью его вращения. Элект- 50 моблокируются обмотки гидроклапанов 18 родвигатель 30 кинематически связан с бара- и 22, которые соединяют с шунтирующим

баном 33, в котором установлено коническое солнечное колесо 34 с возможностью осевого перемещения с помощью фиксатора 35, конический сателлит 36, который через червячный редуктор 37 связан с диском 38, 55 снабженным поводком 39, соединенным с кулисой 40 синусного механизма. Со штоком 27 привода кинематически связан датчик 41

каналом 2 буферную емкость 16 и накопительную емкость 21. Одновременно включается пневмонасос 19, соединенный через жиклер 20 с накопительной емкостью 21. При работе пневмонасоса 19 давление в воздушной камере накопительной емкости 21 медленно возрастает. Скорость нарастания давления определяется сопротивлением жикканалом 2 буферную емкость 16 и накопительную емкость 21. Одновременно включается пневмонасос 19, соединенный через жиклер 20 с накопительной емкостью 21. При работе пневмонасоса 19 давление в воздушной камере накопительной емкости 21 медленно возрастает. Скорость нарастания давления определяется сопротивлением жиклера 20 и подбирается таким образом, чтобы нарастание и спад происходил в течение 1,5-2 мин. Это необходимо для исключения динамических явлений в гидросистеме, которые могут быть причинами оши- 5 бок при калибровке датчиков давления. Так как накопительная емкость 21 соединена с полостью корпуса 1 и с буферной емкостью 16 эталонного водяного манометра 23, давление в корпусе 1 и буферной емкости 16 также возрастает. При ™ повышении давления жидкость в накопительной емкости 21 через шунтирующий канал 2 заполняет нижнюю часть буферной емкости 16 и вытесняет электропроводящую

метр 23) и включит пневмонасос 19. При работе пневмонасоса 19 давление в корпусе устройства возрастает, поршни 3 и 4 раздвигаются, натягивая струну 9. Когда давление в стенде достигает заданной величины, сигнал с датчика 25 давления через блок 24 автоматической калибровки выключает гидроклапан 22, отсекая накопительную емкость 21 от внутренней полости чстрейства, через автомат 42 давления выключает пневмонасос 19 и включает электродвигатель привода 28.

Электродвигатель 30 через передачу вращает барабан 33. При вращении барабана 33 поводок 39, установленный на диск 38,

жидкость, которая отделена от жидкости, 15 перемещает кулису 40 синусного механизма, находящейся в корпусе, разделительнойсвязанную со штоком 27 поршня 3.

мембраной 17. Вытесняемая жидкость запол-Когда солнечное колесо 34 сцеплено с саняет трубку эталонного манометра 23, со-теллитом 36 и барабан 33 вращается, садержащую электрические контактные труп-теллит 36 обегает неподвижное солнечное

пы, расположенные на ее стенке. Когда дав-колесо 34 и через червячный редуктор 37

ление возрастет настолько, что столб жид- 20 поворачивает диск 38 с поводком 39 во- кости в эталонном манометре 23 подниметсякруг своей оси. При этом положение поводка 39 относительно оси вращения барабана 33 постоянно изменяется (изменяется радиус вращения поводка 39 относительно

до предельной, заранее заданной отметки, замыкается его последний контакт. Сигнал от включения этого контакта поступает на

блок 24 автоматической калибровки, кото- 25 оси вращения барабана 33). Закон движения

рый выдает на пневмонасос 19 команду «Стоп. После остановки пневмонасоса 19 жидкостной столб манометра медленно (в течение 1,5-2 мин) опускается, выдавливая рабочую жидкость через гидроклапаны 18 и 22 в накопительную емкость 21. Время 30 падения давления (от максимума до нуля) определяется сопротивлением жиклера 20 и выбирается таким, чтобы процесс изменения давления можно было считать статическим. Опускающийся в манометре столб жидкости последовательно отключает контакты эталон- 35 ных уровней. Импульсы отключения через блок 24 автоматической калибровки поступают в ЭВМ, в которую также через блок калибровки постоянно поступают электрические потенциалы, пропорциональные давлению внутри корпуса устройства, с датчиков 25 и 26 давления. В момент отключения контакта уровня (что соответствует давлению столба жидкости определенной высоты) ЭВМ регистрирует и запоминает величину потенциала соответствующего датчика давления и присваивает этому потенциалу величину давления, равную эталонному уровню. Эталонный манометр 23 содержит несколько заданных уровней ( в описываемом манометре 20 уровней). Таким образом датчики 25 и 26 давления калибруются 50 по 20 точкам, что позволяет откалибро- вать каналы давления и учесть нелинейность каналов давления.

40

поршня при таком движении описывается следующим выражением

L 2Rcosjf(-cosQt),

где L.- перемещение поршня;

R - расстояние между осями барабана

и диска;

Q - угловая скорость вращения барабана;

i - передаточное отношение от барабана к диску.

Как видно из выражения (1), амплитуда колебаний поршня изменяется по гармоническому закону, определяемому членом cosQt, и модулирована длинноиериодным колебанием, определяемым членом cos-

Сл t

Таким образом механизмы привода фор- 45 мируют гидродинамические колебания поршня с частотой О, причем амплитуда движения поршня в каждом последующем

- Ј цикле с частотой .

В разработанном приводе полый цикл изменения амплитуды от 0 до 2R, где R - расстояние между осями барабана и диска происходит за 25 циклов движения поршня.

После того как столб жидкости опустится до последнего нижнего контакта, сигнал о его размыкании поступит на блок 24 автоматической калибровки, выключит гидроклапан 18 (отключив эталонный манометр 23) и включит пневмонасос 19. При работе пневмонасоса 19 давление в корпусе устройства возрастает, поршни 3 и 4 раздвигаются, натягивая струну 9. Когда давление в стенде достигает заданной величины, сигнал с датчика 25 давления через блок 24 автоматической калибровки выключает гидроклапан 22, отсекая накопительную емкость 21 от внутренней полости чстрейства, через автомат 42 давления выключает пневмонасос 19 и включает электродвигатель привода 28.

Электродвигатель 30 через передачу вращает барабан 33. При вращении барабана 33 поводок 39, установленный на диск 38,

поршня при таком движении описывается следующим выражением

L 2Rcosjf(-cosQt),

где L.- перемещение поршня;

R - расстояние между осями барабана

и диска;

Q - угловая скорость вращения барабана;

i - передаточное отношение от барабана к диску.

Как видно из выражения (1), амплитуда колебаний поршня изменяется по гармоническому закону, определяемому членом cosQt, и модулирована длинноиериодным колебанием, определяемым членом cos-

Сл t

Таким образом механизмы привода фор- мируют гидродинамические колебания поршня с частотой О, причем амплитуда движения поршня в каждом последующем

- Ј цикле с частотой .

В разработанном приводе полый цикл изменения амплитуды от 0 до 2R, где R - расстояние между осями барабана и диска происходит за 25 циклов движения поршня.

Если при вращающемся (или неподвижном) барабане 33 разомкнуть сателлит 36 с солнечным колесом 34 путем осевого перемещения последнего с помощью фиксатора 35, то описанный механизм, расположенный внутри барабана 33, перестанет

работать и благодаря свойству самоторможения червячного редуктора 37 радиус вращения поводка 39 относительно оси барабана 33 останется неизменным. Это состояние привода обеспечивает давление поршня 3 с постоянной амплитудой по закону

(- cosQt), где .

Таким образом, электромеханический привод 28 имеет два режима работы. Первый режим обеспечивает постепенное изменение амплитуды движения поршня, а значит, при заданном сечении поршня, ударного выброса от нуля до конструктивно заданного максимального значения и снова до нуля. Изменение амплитуды повторяется с большим периодом. В разработанном приводе период изменения ударного выброса в 25 раз больше периода движения поршня. Второй режим обеспечивает работу привода с постоянным ударным выбросом.

Привод позволяет изменять ударный вы- брос в диапазоне от 0 до 4RS, где S - поперечное сечение поршня, во время работы устройства путем размыкания солнечного колеса 34 с сателлитом 36 в нужный момент времени.

При работе привода в любом из режимов после включения электродвигателя 30 поршень 3, связанный со штоком 27 привода, начинает перемещаться. Перемещение поршня в направлении, показанном на (фиг. 1) стрелкой I, приводит к перетека- нию жидкости в корпусе 1. Жидкость перетекает через испытательную камеру 11 с испытуемым клапаном 15 и заполняет пространство у поршня 4. При этом течение жидкости по шунтирующему каналу 2 невозможно, так как такому течению пре- пятствует обратный клапан 10. Синхронное перемещение обеих поршней 3 и 4 обеспечивается за счет передачи давления через жидкость. После окончания фазы движения поршней в направлении I усилие, приложенное к поршню 3 со стороны привода, меняет знак, поршень 3 начинает двигаться в направлении, показанном на (фиг. 1) стрелкой II, и через струну 9 (а не за счет разрежения) увлекает поршень 4. В ту же сторону начинается движение жидкости. Пока испытуемый клапан 15 не закроется, течение жидкости происходит через испытательную камеру И, так как клапан 10 подпружинен и при открытом клапане 15 давление в шунтирующем канале 2 недостаточно для открытия клапана 10. Тече- ние жидкости через испытательную камеру 11 при закрытии клапана 15 имитирует режим регургитации. После закрытия клапана 15 давление в корпусе 1 возрастает, клапан 10 открывается и жидкость начинает течь по шунтирующему каналу 2 в пространство у поршня 3 до тех пор, пока не закончится движение поршня 3 в направлении II. Затем цикл повторяется.

Одновременно с началом работы электродвигателя 30 включается реле 31, соединенное со статорной обмоткой электродвигателя 30, и начинается отсчет времени. В изготовленном устройстве использовано электромеханическое реле ЭМРВ-27-1.

В процессе работы устройства непрерывно с помощью двух датчиков 25 и 26 давления, включенных через пульт 24 автоматической калибровки на вход ЭВМ, измеряется перепад давления на испытуемом клапане 15. Одновременно регистрируется напряжение, считываемое с датчиком 41 положения, которое пропорционально функции мгновенного расхода жидкости в магистрали устройства. Это напряжение также через блок автоматической калибровки поступает на ЭВМ. Поступающая на ЭВМ информация обрабатывается, выводится на печать в виде стандартного протокола испытаний и графиков.

После выдержки времени, необходимой для съема информации, реле 31 времени отключает электродвигатель 30. На этом цикл испытаний заканчивается и устройство готово к следующему запуску.

Для защиты элементов устройства от перегрузки по давлению служит автомат 42 давления (фиг. 4), электрически связанный через пульт 24 автоматической калибровки с электроманометром. Автомат отключает электродвигатель 30 привода, если давление в корпусе 1 ниже или выше заданных пороговых значений. Для этой цели автомат 42 давления содержит два электромагнитных реле 51 и 52, напряжение срабатывания и отпускания которых регулируется с помощью добавочных сопротивлений 53, 55, 56. Если давление в системе в норме, то напряжение на входе автомата давления (точки «а и «б схемы фиг. 4), поступающее с датчика 25 давления через пульт 24 автоматической калибровки, недостаточно для срабатывания реле 51. В этом режиме реле 51 находится в состоянии, показанном на фиг. 4. Если давление в системе окажется ниже нормы, то напряжение на точках «а и «б схемы станет недостаточным для удержания якоря реле 52 в притянутом состоянии и контакт к P2/i переключится на сопротивление 55. При этом контакты к через блок 32 разомкнут цепь электродвигателя 30, включают пневмонасос 19 и гидроклапан 22. Вследствие работы пневмонасоса 19 давление в системе восстанавливается и, когда оно достигнет нормы, реле 52 переключается в первоначальное состояние, указанное на фиг. 4. Конденсатор 54 необходим для ликвидации дребезга реле 52 в момент переключения контактов к Рц. При превышении давления в системе выше порогового значения (что может быть следствием неисправности устройства), срабатывает реле 51, размыкая контактами к ,Р цепи пневмонасоса 19 и электродвигателя 30. Электромеханический привод 28 останавливается и будет запущен после устранения неисправности.

Для изменения скорости вращения электродвигателя 30 привода, которая определяет частоту испытаний клапана 15 (пульс), устройство содержит блок 32 управления скоростью вращения двигателя (фиг. 5). Изменение скорости достигается включением в цепь ротора электродвигателя 30 балластных сопротивлений 58. Включение балластных сопротивлений осуществляется тиристорами 59 путем подачи на управляющий электрод соответствующего тиристора сигнала с коммутатора ЭВМ. Выключение тиристоров осуществляется кратковременным отключением источника 57 питания постоянного тока с помощью коммутатора ЭВМ.

Эластичные трубчатые манжеты 5 и 6 (фиг. 1) полностью герметизируют устройство, обеспечивая возможность поступательного движения поршней 3 и 4. Каждая из манжет закреплена на соответствующем поршне -одним концом, охватывая его по диаметру, и -другим на корпусе 1 (на гильзе поршневой группы), также охватывая его по диаметру. Манжеты 5 и 6 плотно прижаты к поршню гильзы бандажом. При повышении давления в корпусе 1 манжеты 5 и 6 расправляются, образуя то- рообразные гофры, которые при движении поршней 3 и 4 перекатываются по поршню и гильзе, не создавая трения скольжения.

Работа эталонного манометра 23 основана на замыкании и размыкании контактных групп, расположенных на его внутренней стенке, при соприкосновении жидкости с контактами. Дистиллированная вода или смесь воды с глицерином, которой обычно заливают корпус устройства, обладает большим электрическим сопротивлением, поэтому, чтобы получить приемлемый для работы усилителя ток, через контактную группу манометра 23 (фиг. 1) приходится повышать напряжение, приложеное к контактам. Это ведет к выделению газа на электродах за счет электролиза воды и приводит иногда к ложным срабатываниям контактных групп. В предлагаемом техническом решении эталонный манометр 23 заполнен электролитом, что уменьшает электрическое сопротивление жидкости и позволяет уменьшить, напряжение на контактных группах до величины, меньшей потенциала разложения воды. Разделительная мембрана 17 служит для разделения жидких сред, находящихся в корпусе устройства и в манометре 23.

Формула изобретения

том, испытательную камеру с креплением для искусственного клапана, шунтирующий канал с обратным клапаном, электромеханический привод, отличающееся тем, что,

5 с целью повышения достоверности результатов измерений гидродинамических параметров клапанов путем приближения условий испытаний к естественным и сокращения времени испытаний, оно содержит накопительную емкость с гидро- и пневмополос- тями, автомат давления, блок автоматической калибровки, блок управления, пневмонасос, эталонный манометр с контактными группами, реле времени, датчики давления, гидроклапаны и второй рабочий

5 элемент в виде поршня, который кинематически связан с первым элементом, выполненным в виде поршня, и датчиком перемещения, поршни упдотнены эластичными трубчатыми манжетами так, что один конец каждой манжеты закреплен на соответст0 вующем поршне, а другой - на корпусе, при этом электромеханический привод содержит синусный механизм с кулисой, фиксатор, на котором установлено коническое солнечное колесо с возможностью осевого

5 перемещения и кинематически соединенное с коническим сателлитом, установленным в барабане и связанным через червячный редуктор с диском, несущим поводок, соединенный с кулисой синусного механизма, диск расположен эксцентрично относительно

0 оси барабана на расстоянии, равном плечу поводка, причем эталонный манометр, первый гидроклапан, шунтирующий канал, второй гидроклапан и жидкостная полость накопительной емкости соединены последовательно, а газовая полость накопительной

5 емкости пневматически соединена через жиклер с пневмонасосом, крепление искусственного клапана состоит из двух соосных трубок, коаксиально расположенных в третьей трубке, блок автоматической калибров0 ки,- входы которого соединены с контактными группами эталонного манометра, датчиками давления и перемещения, выходы соединены с пневмонасосом, гидроклапанами и автоматом давления, выходы которого соединены с пневмонасосом и электроме5 ханическим приводом, который через реле времени соединен с блоком управления, вход которого является входом устройства, один из выходов блока автоматической калибровки является выходом устройства.

5

27 39 40

38

33

36

Фиг. 2

От 6

а

56

/SJ0

SB 59

KPi

ШигА