Пневмоуправляемый искусственный желудочек сердца Советский патент 1990 года по МПК A61M1/10 

о

о о

VI

ю

ственный желудочек сердца содержит основной и дополнительный насосные блоки 1 и 15, камеры 3 и 17 которых подключены параллельно, а их пнёвмоп- риводные полости (ППП) 4 и 18 через направляющий пневмораспределитель (ПР) 8 - к пневмолиниям (ПЛ) 9 и 10 высокого и низкого давлений в противофазах, а в последних установлены пороговые датчики расходов, выполненные в виде элементов 23 и 32 сравнения жиклеров 24 и 33 и дросселей 25, 26, 34 и 35. Дополнительный

ПР подключает ППП 4 и18 к ПЛ 10. Скорость нарастания давления в ППП 4 и 18 в такте нагнетания, а следовательно, и крутизна фронта нарастания давления в аорте регулируется редукционным клапаном 13. Величина артериального давления может задаваться пороговыми датчиками расхода. Для обеспечения двухконтурного кровообращения с различными артериальными давлениями в контурах используется устройство с левым и правым желудочками. 2 ил.

Изобретение может быть использовано в системах искусственного кровообращения. Цель изобретения - предотвращение травмы крови при изменении в широком диапазоне поступающего в насосный блок расхода крови, а кроме того, согласование расходов по большому и малому кругам кровообращения. Пневмоуправляемый искусственный желудочек сердца содержит основной и дополнительный насосные блоки 1 и 15, камеры 3, 17 которых подключены параллельно, а их пневмоприводные полости (ППП) 4 и 18 через направляющий пневмораспределитель (ПР) 8 - к пневмолиниям (ПЛ) 9 и 10 высокого и низкого давлений в противофазах, а в последних установлены пороговые датчики расходов, выполненные в виде элементов 23 и 32 сравнения жиклеров 24 и 33 и дросселей 25, 26, 34, 35. Дополнительный ПР подключает ППП 4 и 18 к ПЛ 10. Скорость нарастания давления в ППП 4 и 18 в такте нагнетания, а следовательно и крутизна фронта нарастания давления в аорте регулируется редукционным клапаном 13. Величина артериального давления может задаваться пороговыми датчиками расхода. Для обеспечения двухконтурного кровообращения с различными артериальными давлениями в контурах используется устройство с левым и правым желудочками. 2 ил.

Изобретение относится к медицине, а именно к системам искусственного сердца, и может найти применение в системах кровообращения.

Целью изобретения является предотвращение травмы крови при изменении в широком диапазоне поступающего в насосный блок расхода крови, а Kpoiwie того, согласование расходов по большому и малому кругам кровообращения.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема с одним желудочком сердца; на фиг. 2 - Принципиальная схема с левым и правым ж1елудочками и самонастраивающейся системой управления.

Пневмоуправляемый искусственный желудочек сердца (фиг. 1) содержит основной насосный блок 1, выполненный в виде установленных в корпусе 2 с образованием камеры 3 желудочка и пневмоприводной полости 4 мембраны 5 и впускного и выпускного клапанов 6, 7, направляющий пневмораспределитель 8, подключенный к пневмолиниям 9,10 высокого и низкого давлений и к пневмоприводной полости 4 пнев- м олинией 11.. Пневмолиния 9 высокого давления подключена к источнику 12 избы- т.очного давления через редукционный клапан 13, а пневмолиния 10 низкого дай- ления - к источнику 14 вакууМа. Кроме того, искусственный желудочек сердца снабжен дополнительным насосным блоком 15, выполненным в виде установленных в корпусе 16с образованием камеры 17 желудочка и пневмоприводной пОлости 18 мембраны 19 и впускного и выпускного клапанов 20, 21. Камера 17 подключена к камере 3 параллельно, а пневмоприводная полость 18 - к направляющему пневмораспределителю 8 пневмолинией 22.. В пневмолинии 9 высокого давления установлен пороговый датчик расхода, выполненный 8 виде элемента 23 сравнения, жиклера 24, дросселей 25, 26. Элемент 23 сравнения включает камеры 27- 30. Параллельно жиклеру 24 в пневмолинии

9 установлен обратный клапан 31. В пневмолинии 10 низкого давления установлен пороговый датчик расхода, выполненный в виде элемента 32 сравнения, жиклера 33.

дросселей 34, 35. Элемент 32 сравнзния включает камеры 36-39.

Устройство содержит также систему управления, включающую дополнительный направляющий пневмораспределитель 40,

основной логический элемент И, выполненный в виде пневмореле 41, триггер 42 со счетным входом 43 и выходами 44, 45. Управляющий вход 46 дополнительного направляющего пневмораспределителя 40

сообщен с выходом 47 элемента 23 сравнения, управляющий вход 48 - со счетным входом 43 триггера 42, а его выход 49 через усилитель 50 - с камерой 51 пневмореле 41. Выход 52 элемента 32 сравнения сообщен с

камерой 53, которая сообщена с камерой 54 и входом 43 триггера 42, выходы 44, 45 которого подключены через усилители 55, 56 к управляющим входам 57. 58 направляющего пневмораспределителя 8.

На фиг. 2 представлена пневматическая принципиальная схема искусственного левого и правого желудочков сердца, где искусственный желудочек и его система управления, показанная на фиг. 1, дополнена вторым правым желудочком, содержащим основной насосный блок 59, выполненный в виде установленных в корпусе 60 с образованием камеры 61 желудочка и пневмоприводной полости 62

.-мембраны 63 и впускного и выпускного кла- панов 64, 65. Направляющий пневмораспределитель 66 подклю чен к пневмолиниям 67,68 высокого и низкого давлений и к пневмоприводной полости 62 пневмолинией 69.

Пневмолиния 67 высокого давления под- ключена к источнику 12 высокого давления через редукционный клапан 70, а пневмолиния 68 низкого давления - к источнику 71 вакуума. Правый искусственный желудочек

сердца также снабжен дополнительным насосным блоком 72, выполненным в виде установленных в корпусе 73 с образованием камеры 74 желудочка и пневмоприводной полости 75 мембраны 76 и впускного и выпускного клапанов 77, 78. Камера 74 подключена к камере 61 параллельно, а пневмоприводная полость 75 к направляющему пневмораспределителю 66 пнёвмоли- нией 79. В пневмолинии 67 высокого давления также установлен пороговый датчик расхода, выполненный в виде элемента 80 сравнения, жиклера 81, дросселей 82, 83. Элемент 80 сравнения имеет камеру 84-87. Параллельно жиклеру 81 в пневмолинии 67 установлен обратный клапан 88. К пневмолинии 68 низкого давления подключен пороговый датчик расхода, выполненный в виде элемента 89 сравнения, жиклера 90, дросселей 91, 92. Элемент 89 сравнения имеет камеры 93-96. В систему управления правого желудочка также входит дополнительный направля19щий пневмораспреде- литель 97, управляющий вход 98 которого сообщен с выходом 99 элемента 80 сравнения, а управляющий вход 100 - со счетным входом 43 триггера 42, причём его выход 101 через усилитель 102 подключен к камере 53 пн.евмореле 41. Выход 103 элемента 89 сравнения сообщен с камерой 104 логического элемента ИЛИ, выполненного на базе пнермореле 105 и имеющего также камеры 106, 107, 108. К камере 108пневмо- реле 105 подключен выход 52 элемента 32 сравнения порогового датчика расхода пневмолинии высокого давления левого желудочка. Для обработки выходных сигналов логического элемента И на базе пневмореле 41 и логического элемента ИЛИ на базе пневмореле 105 в системе управления имеется дополнительный логический элемент И, выполненный на базе пневмореле 109, имеющего камеры 110, 111, 112. Выход 113 пневмореле 105 подключен к камере 111, а выход 114 пневмореле 41 - к камере 110 пневмореле 109. Выход 115 пневмореле 109 сообщен с управляющим входом 48 дополнительного направляющего пневмораспре- делителя 40 и со счетным входом 43 триггера 42, выходы 44, 45 которого через усилители 55, 56 подключены к управляющим входам 57, 116 и 58, 117 направляющих пневмораспределителей 8, 66.

В систему управления также входит линейное пневматическое сопротивление 118, имеющее камеры 119-122, и пневмоем- кость 123. Камеры 119, 120 соединены с выходом 115 логического элемента пневмореле. Выход камеры 122 посредством пневмолинии 124 через дроссель 125 соединен с управляющими входами 126, 127 редукционных клапанов 13, 70 и через дроссель 128 - с атмосферой.

Схема по фиг. 1 работает следующим образом.

Посредством редукционного клапана

13 устанавливается необходимое давление газа в пиевмолинии 9 высокого давления, поступающее от источника 12. Включается питание системы управления.

0 Направляющий пневмораспределитель 8 находится в позиции, показанной на фиг. 1, так как при включении питания системы управления на входе 43 триггера 42 отсутствует сигнал управления и только на его

5 выходе 44 имеется сигнал управления, который усиленный по мощности усилителем 55 и воздействующий на управляющий вход 57 удерживает направляющий пневмораспределитель 8 в данной позиции. Газ

0 из пневмолинии 9 высокого давления, пройдя через дополнительный направляющий пневмораспределитель 40, жиклер 24, направляющий пневмораспределитель 8, пневмолинию 11, поступает в пневмопри5 водную полость 4 насосного блока 1 и, со- здавая там давление, перемещает мембоану 5. При этом кровь из камеры 3 желудочка через выпускной клапэн 7 поступает в аорту. В результате течения газа че0 рез жиклер 24 на нем создается перепад давления. До жиклера 24 давление будет больше, чем после него. Большее Давление до жиклера 24 поступает через дроссель 25 в камеру 28 элемента 23 сравнения, а мень5 шее давление после него - в камеру 29. Под действием перепада давлений.в камерах 28, 29 выход 47 элемента 23 сравнения соединен с атмосферой, сигнал на управляющем входе 46 дополнительного направляющего

0 пневмораспределителя 40 отсутствует.

По мере заполнения пневмоприводной полости 4 и приближения мембраны 5 к корпусу 2 насосного блока 1 давление газа в пневмолинии 11 и, следовательно, в камере

5 29 элемента 23 сравнения увеличивается почти до уровня давления в пневмолинии 9 высокого давления. В камере 29 давление превысит давление в камере 28, установленное дросселем 26. Элемент 23 сравнения

0 переключится, соединив выход 47 через камеру 30 с питанием элемента 23 сравнения. На управляющий вход 46 поступит сигнал управления и дополнительный направляю- .щий пневмораспределитель 40 переключит5 ся. При этом пневмоприводная полость 4 через пневмолинию 11, направляющий пневмораспределитель 8 сообщается в атмосферой. Опорожнение пневмоприводной полости 4 происходит через жиклер 24 и обратный клапан 31, что уменьшает сопротивление пневмолинии и сокращает время истечения газа из пневмоприводной полости 4. В камеру 3 желудочка будет поступать кровь через впускной клапан 6. Пневмоли- ния 9 при этом соединена с усилителем 50 и с его выхода усиленный сигнал управления поступит в камеру 51 пневмореле 41. Под действием давления в камере 51 пневмореле 41 переключится. После частичного истечения газа .из пневмоприводной полости 4 давление в камере 28 элемента 23 ния вновь станет больше, чем а камере 29. Элемейт 23 сравнения переключится в исходное положение, соообщив выход 47 через камеру 27 с атмосферой. Сигнал управления с управляю щего входа 46 дополнительного направляющего распределителя 40 будет снят, но он останется в прежнем положении до появления сигнала на его другом управляющем входе 48.

Одновременно с процессом выброса крови в основном насосном .блоке 1, в дополнительном насосном блоке 15 происходит заполнение камеры 17 желудочка через впускной клапан 20. Источник 14 вакуума через пневмолинию 10, жиклер 33, направляющий пневмораспределитель 8 и пневмолинию 22 отбирает газ из пневмоприводной полости 18. Мембрана 19,.перемещаясь под действием разрежения в пневмоприводной полости 18, увеличивает обьем камеры 17 желудочка. .При этом на жиклере.ЗЗ вследствие течения газа образуется перепад давления, В пневмолинии 22 ив камере 37 элемента 32 сравнения давление будет больше, чем в пневмолинии 10и камере 38. Усилие от большего давления в камере 37 удерживает элемент 32 сравнения в положении, при котором на его выходе 52 сигнал управления OTcyTCTBveT. Как только перемещение, мембраны 19 прекратится и камера 17 желудочка будет заполнена, расход газа через жиклер 33 снизится до нуля. Давление в камере 37 элемента 32 сравнения станет меньше.чем в камере 38, так как в эту камеру осуществляется подсос воздуха из атмосферы через дроссель 35, а дроссель 34 ограничивает отбор газа источником 14 вакуума. Сила от большего давления в камере 38 переключит элемент 32 сравнения и давление питания поступит на его выход 52 и .далее в камеру 53 пневмореле 41. В результате наличия обоих сигналов управления на пневмореле 41, поступивших с пороговых датчиков расхода и указывающих о выбросе крови из основного насосного блока 1 и заполнения дополнительного насосного блока 15, на его выходе также появится сигнал, который придет на счетный вход 43 триггера 42. Триггер 42 переключится, на

его выходе 44 давление управления станет равным нулю, усилитель 55 снимет сигнал с управляющего входа 57 направляющего пневмораспределителя 8. На выходе 45

триггера 42 появится давление управления, которое, усиленное по мощности усилителем 56, будет подано на управляющий вход 58. Направляющий пневмораспределитель 8 переключится, сЬединив пнев0 моприводную полость 4 основного насосного блока 1 с источником 14 вакуума, а пнеамоприводную полость 18 дополнительного насосного блока 15 с пневмолинией 9 высокого давления.

5 Одновременно с подачей сигнала управления на счетный вход 43 триггера 42 этот сигнал от пневмореле 41 поступит и на управляющий вход 48 дополнительного направляющего пневмораспределителр 40;

0 при. этом он переключится в исходное по- . ложение, как показано на фиг. 1, обеспечив поступление газа от источника 12 избыточного давления по пневмолинии 9, через жиклер 24, направляющий пневмо5 распределитель 8, пневмолинию 22 в пнее- моприврдную полость 18.

После выброса крови через выпускной клапан 21 из дополнительного.насосного, блока 15 и заполнения камеры 3 хелудачка

0 основного насосного блока 1 с элементов 23, 32 сравнения вновь поступят сигналы, управления на пневмореле 41 и далее на счетный вход 43 триггера 42, который изменит значения сигналов на противополож5 ные на своих выходах 44, 45 и переключит направляющий пневмораспределитель 8 в исходное положение.

Таким образом,.происходит единичный полный цикл перекачивания крови основ0 ным и дополнительным насосными блоками 1,15. Процесс перекачивания крови продолжается до тех пор, пока счетный вход 43 триггера 42 не будет отключен от пневморе- ле41.

5 Скорость нарастания давления в пнев- моприводных полостях 4, 18 а также нагнетания, а следовательно, и крутизна фронта нарастания давления в аорте регулируется редукционным клапаном 13. Величина арте0 риального давления может задаваться пороговыми датчиками расхода.

Для обеспечения двухконтурного кровообращения с различными артериальными давлениями в контурах используется уст5 .ройство (фиг. 2) с левым и правым желудочками. К правому желудочку отдельно по пневмолинии 67 подводится от общего источника 12 избыточного давления газ под давлением, которое устанавливается своим редукционным клапаном 70. Правый желудочек имеет также свой источник 71 вакуума. Он необходим, если требуется другая скорость заполнения желудочка.

При подключении пневмолиний 9, 67 к источнику 12 избыточного давления, пневмолиний 10, 68 к источникам 14, 71 вакуума и подаче давления питания к элементам системы управления на счетном входе 43 триггера 42 отсутствует сигнал уп равления, так как ни один пороговый датчик расхода не имеет выходного сигнала, указывающего о выбросе крови из камер 3, 61 и заполнения камер 17, 74 желудочков. С выхода 44 триггера 42 сигнал, усиленный по мощности усилителем. 55, удерживает направляющие пневмораспределители 8, 66 в положении, показанном на фиг. 2. На выходе 45 тркгге ра 42 сигнал управления отсутствует..Газ от источника 12 избыточного давления, отрегулированный по давлению редукционными клапанами 13, 70, поступает по пневмоли- ниям 9, 6.7 через дополнительные направляющие пневмораспределители 40, 97, жиклеры 24, 81, направляющие пневмораспределители 8, 66, по пнеамолиниям 11, 69 в пмевмоприводные полости 4, 62 левого и правого желудочка. Из пневмолиний 9 через дроссель 25 газ поступа.ет в камеру 28 эле- .мента 23 сравнения. Уровень давления в ней устанавливается дросселем 26, через который часть газа стравливается в атмосферу. Давление в камере 28 является опорным и под действием его силы элемент-23 сравнения удерживается в положении, когда камеры 27, 30 и выход 47 сообщены с атмосферой. По мере перемещения мембраны 5 и выброса крови из камеры 3 левого желудочка через выпускной клапан 7 в аорту давление, в пневмоприводнрй полости 4 и камере 29 элемента 23 сравнения возрастает. Как только оно превысит опорное давление в камере 28, элемент 23 сравнения переключится. Давление питания элемента 23 сравнения поступит через камеру 30 на его выход 47 и управляющий вход 46 дополнительного направляющего пневмораспре- делителя 40. Он переключится, соединив .пневмоприводную полость 4 с атмосферой. Ее опорожнение будет происходить через жиклер 24 и обратный клапан 31, обеспечивая св.ободное поступление венозной крови через впускной клаг1ан 6 в камеру 3 левого желудочка. Как только давление в камере 29 станет меньше давления в камере 28, элемент 23 сравнения вновь переключится и снимет сигнал управления с дополнительного направляющего пневмораспределите- ля 40, который останется в прежнем состоянии, имея фиксацию и отсутствие давления на его другом управляющем входе

ния, поступает в камеры 85, 86 элемента 80 сравнения. В начале течения

газа давление в камере 85, настраиваемое дросселем 82, больше чем в камере 86. На выходе 99 давление равно атмосферному.

По мере заполнения пневмоприводной полости давление в ней и в камере 86 возрастает. Как только оно превысит давление в камере 85, элемент 80 сравнения переключится и на его выходе 99 и управляющем

входе 98 дополнительного направляющего пневмораспределителя 97 появится давление управления. Последний переключится, соединив пневмоприводную полость 62 через пневмолинию 69, направляющий пневмораспределитель 66, жиклер 81 и обратный клапан 88 с атмосферой, а пнев- молийию 67 высокрго давления с усилите- ле.м 102, который подает сигнал управления в камеру 53 пневмореле 41. Если на пневмореле 41 пришли оба сигнала с пороговых датчиков расхода элементов 23, 80 сравнения, то под действием давления в камере 51 пневмореле 41 переключится и давление от усилителя 102 через камеру 53 поступит на

выход 114 и р камеру .110 пневмореле 109. Одновременно с этим источники 14, 71 вакуума через пневмолиний 10, 68, жиклеры 33, 90, направляющие пневмораспределители 8, 66 и пневмолиний 22, 79 отбирают

газ из пневмоприводных полостей 18, 75 дополнительных насосных блоков 15, 72, осуществляя режим заполнения камер 17, 74 кровью через впускные клапаны 20, 78. До момента подключения пневмоприводных полостей 18, 75 к источникам 14, 71 вакуума давление в них больше или р;авно атмосферному в зависимости от венозного подтока крови. В камерах 37, 94 злeмeнfoв 32, 89 сравнения давление уакже больше,

чем в камерах 38, 95, где давление ниже атмосферного за счет подключения их к источникам 14, 71 вакуума через дроссели 34, 92. Уровни давлений в камерах 38, 95, являющиеся опорными, устанавливаются срответственно дросселями 35, 91, через которые осуществляется подсос воздуха из атмосферы. По мере заполнения камер 17, 74 левого и правого желудочков и приближения давления в пневмоприводных полостях 18,75 к давлению источников 14; 71 вакуума

давление в камерах 38, 95 становится больше, чем в камерах 37, 94. Элементы 32, 89 сравнения переключаются и их давление питания поступает на их выходы 52, 103. Сигнал управления с элемента 89 сравнения поступает в камеру 104 и, преодолев подпор в камере 107, переключает пневмореле 105, и давление питания из камеры 106 поступает на выход 113. Если сигнал управления.с выхода 52 элемента 32 сравнения появится раньше на пневмореле 105, то он, пройдя через камеру 108, также поступит на выход 113. Давление управления, преодолев давление подпора,переключитпневмореле109 и давление с выхода 114, пройдя через камеру 110, поступит на выход 115 и счетный вход 43 триггера 42. Триггер 42 инвертирует значения своих выходных сигналов. Давление с выхода 45 через усилитель 56 будет подано на управляющие входы 58, 117, а с управляющих входов 57,116 направляющих пневмораспределителей 8, 66 давления управления будут сняты. Направляющие пнев- мораспределители 8, 66 переключатся, соединив пневмоприводные полости 4, 62 с источником 12 избыточного давления. Одновременно с приходом сигнала управления с выхода 115 на счетный вход 43 триггера, 42 он поступает также и на управляющие входы 48, 100 дополнительных направляющих пневмораспределителей 40, 97 и переключает их, обеспечив подачу избыточного давления от источника 12 в пневмоприводные полости 18, 75 дополнительных насосных блоков 15, 72. Давление управления с выхода 115 а то же время приходит в камеры 119, 120 линейного пневматического сопротивления 118. Преодолев подпоры, это давление прекращает доступ давления питания через камеру 121 в пнев- моемкость 123 и сообщает последнюю с камерой 122. При этом газ под давлением вытекает из пневмоемкости 123 через камеру 122 в пневмолинию 124 и далее через дроссель 125 поступает на управляющие входы 126, 127 редукционных клапанов 13, 70. Часть газа через дроссель 128 истекает в атмосферу. При снятии давления управления с камер 119, 120 пневмоемкость 123 отключается от пневмолинии 124 и она вновь заполняется газом давления питания. С увеличением частоты работы желудочков, например в результате увеличенного венозного подтока или уменьшающегося артериального противодавления кровеносной системы, увеличивается частота поступления сигналов управления на линейное пнев- матическое сопротивление 118, В пневмолинии 124 пропорционально частоте срабатываний увеличивается давление, которое заставляет редукционные клапаны 13, 70 повысить давление в пневмолиниях 9, 67 высокого давления, в результате возрастает скорость нарастания давления в пневмоприводных полостях левого и правого желудочков. Желудочки приспосабливаются к работе кровеносных контуров, к которым они подключены. Одновременную корректировку давлений в пневмолиниях 9, 67 осу0 ществляют посредством изменения проводимости дросселя 128 и, следовательно, давления на управляющих входах 126, 127. Дроссель 125 сглаживает пульсации давления, поступающие с линейного пнев5 матического сопротивления 118 на управляющие входы 126, 127 редукционных клапанов 13, 70.

Пневмоуправляемый искусственный желудочек сердца позволяет обеспеч вать

0 кровообращение по обоим кровеносным контурам человека, раздельно регулировать артериальное давление, предотвращает травму крови в результате адаптации системы при изменении производительности в

5 щироком диапазоне расхода крови. Формула изобретения

0 корпусе с образованием камеры желудочка и пневмоприводной полости мембраны, направляющий пневмораспределитель, подключенный к пневмолиниям высокого и низкого давлений и к. пневмоприводной

5 полости, управляющие входы которого связаны с системой управления, отличающийся тем, что, с целью предотвращения травмы крови при изменении в широком диапазоне поступающего в насосный

0 блок расхода крови, он снабжен дополнительным насосным блоком, камера желудочка которого подключена к камере желудочка основного блока параллельно, а его пневмоприводная полость - к на5 правляющему пневмораспределйтелю, выполненному с возможностью сообщения пневмоприводных полостей основного и дополнительного блоков к пневмолиниям высокого и низкого давлений в противофа0 зах, в последних установлены пороговые датчики расходов и дополнительный направляющий пневмораспределитель с возможностью сообщения пневмоприводных полостей к пневмолинии низкого давления,

5 при этом выходы датчиков подключены к системе управления.

давления, связан с входами логическогоэлемент И.

5