ES2784447A1 - Cardiothoracic Surgery Simulator (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
SIMULADOR DE CIRUGÍA CARDIOTORÁCICACARDIOTORACTIC SURGERY SIMULATOR
CAMPO DE LA INVENCIÓNFIELD OF THE INVENTION
La presente invención pertenece al campo de los dispositivos y sistemas para simulación quirúrgica. Más concretamente, la invención se refiere a dispositivos y sistemas para simular el funcionamiento cardiaco, cardiopulmonar o cardiotorácico, tanto en estado normal como en estado de enfermedad.The present invention belongs to the field of devices and systems for surgical simulation. More specifically, the invention relates to devices and systems for simulating cardiac, cardiopulmonary or cardiothoracic functioning, both in a normal state and in a disease state.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Los sistemas cardiovasculares en mamíferos están formados por un corazón para bombear sangre por todo el cuerpo y por un conjunto vascular formado por arterias, venas y demás conductos para distribuir la sangre al y desde el corazón.The cardiovascular systems in mammals are formed by a heart to pump blood throughout the body and by a vascular set formed by arteries, veins and other conduits to distribute blood to and from the heart.
Las operaciones quirúrgicas cardiotorácicas son normalmente muy complejas y de larga duración. Por ello, a menudo no es posible simultanear la propia cirugía con labores de entrenamiento a cirujanos, enfermeros y resto de personal médico inexperto. Por ello, los simuladores cardiopulmonares son necesarios para entrenar a cirujanos y equipos quirúrgicos en técnicas y escenarios complejos.Cardiothoracic surgical operations are normally very complex and long-lasting. For this reason, it is often not possible to combine the surgery itself with training tasks for surgeons, nurses and other inexperienced medical personnel. For this reason, cardiopulmonary simulators are necessary to train surgeons and surgical teams in complex techniques and scenarios.
R. W. Morris et al ha propuesto (“Orpheus" Cardiopulmonary Bypass Simulation System, The Journal of The American Society of Extra-Corporeal Technology, JECT, 2007; 39: 228-233) un sistema de simulación de perfusión para administración de fármacos para el entrenamiento de perfusionistas. El sistema está formado por un simulador hidráulico, una interfaz electrónica y un ordenador para el control del sistema. El simulador hidráulico consiste en un circuito electrónico dispuesto sobre una placa base. El simulador hidráulico no interactúa con un bloque cardiopulmonar, ya sea orgánico o inorgánico, es decir, no interactúa con ningún tejido.RW Morris et al have proposed ( "Orpheus" Cardiopulmonary Bypass Simulation System, The Journal of The American Society of Extra-Corporeal Technology, JECT, 2007; 39: 228-233) a perfusion simulation system for drug administration for training of perfusionists. The system consists of a hydraulic simulator, an electronic interface and a computer to control the system. The hydraulic simulator consists of an electronic circuit arranged on a base plate. The hydraulic simulator does not interact with a cardiopulmonary block, either organic or inorganic, that is, it does not interact with any tissue.
A su vez, Paul S. Ramphal et al han propuesto un simulador de cirugía cardiaca (Paul S. Ramphal et al, A high fidelity tissue-based cardiac surgical simulator, European Journal of Cardio-thoracic Surgery 27 (2005) 910-916), que incluye un corazón porcino que, para simular su pulsatilidad o latido, incorpora en los ventrículos derecho e izquierdo sendos globos conectados a una bomba neumática controlada por ordenador. Este simulador incluye además una línea de perfusión por la que circula de forma continua a lo largo de las arterias coronarias, venas coronarias y cavidades del corazón, un líquido que simula sangre. Esta circulación de líquido -realizada por una bomba hidráulica- se mantiene constante, carece de pulsatilidad, por lo que no reproduce de forma realista el funcionamiento del sistema vascular.In turn, Paul S. Ramphal et al have proposed a cardiac surgery simulator ( Paul S. Ramphal et al, A high fidelity tissue-based cardiac surgical simulator, European Journal of Cardio-thoracic Surgery 27 ( 2005) 910-916) , which includes a porcine heart that, to simulate its pulsatility or beat, incorporates in the right and left ventricles both balloons connected to a computer controlled pneumatic pump. This simulator also includes a perfusion line through which a liquid that simulates blood circulates continuously through the coronary arteries, coronary veins and cavities of the heart. This fluid circulation - carried out by a hydraulic pump - remains constant, it lacks pulsatility, so it does not realistically reproduce the functioning of the vascular system.
Por otra parte, el documento de patente WO-2016/019331-A1 divulga un simulador cardiovascular que, entre otros, comprende un módulo simulador cardiaco, y dos circuitos cerrados, uno hidráulico y un otro neumático, configurados para simular el funcionamiento cardiovascular de un humano u otro mamífero.On the other hand, patent document WO-2016/019331-A1 discloses a cardiovascular simulator that, among others, comprises a cardiac simulator module, and two closed circuits, one hydraulic and the other pneumatic, configured to simulate the cardiovascular functioning of a human or other mammal.
El documento de patente WO-2017/165969-A1 divulga un aparato para simular un sistema cardiovascular basado en un sistema de circulación de fluido en circuito cerrado.Patent document WO-2017/165969-A1 discloses an apparatus for simulating a cardiovascular system based on a closed-circuit fluid circulation system.
Por tanto, hay una necesidad de desarrollar un nuevo sistema simulador cardiotorácico que proporcione mayor realismo que los dispositivos y sistemas convencionales, especialmente que proporcione pulsatilidad en el sistema vascular. Es también deseable conseguir un sistema simulador cardiotorácico que sea reutilizable y sencillo en su construcción.Therefore, there is a need to develop a new cardiothoracic simulator system that provides greater realism than conventional devices and systems, especially that provides pulsatility in the vascular system. It is also desirable to achieve a cardiothoracic simulator system that is reusable and simple to construct.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente divulgación proporciona un nuevo simulador de cirugía cardiotorácica que supera los inconvenientes de los dispositivos y sistemas de simulación de cirugía cardiotorácica convencionales, aportando considerable realismo en las funciones pulsátiles.The present disclosure provides a new cardiothoracic surgery simulator that overcomes the drawbacks of conventional cardiothoracic surgery simulation devices and systems, providing considerable realism in pulsatile functions.
El problema planteado por las soluciones existentes en el mercado queda resuelto mediante el simulador de cirugía cardiotorácica de la presente invención, que mediante la conjunción de un bloque cardiopulmonar (puede ser orgánico o artificial) y un circuito hidráulico controlado que reproduce parte sustancial del sistema cardiovascular, proporciona una percepción de realismo por parte de los usuarios que utilicen el simulador en la recreación de los movimientos y funciones de los tejidos que componen el bloque cardiopulmonar. The problem posed by the existing solutions on the market is solved by the cardiothoracic surgery simulator of the present invention, which through the conjunction of a cardiopulmonary block (can be organic or artificial) and a controlled hydraulic circuit that reproduces a substantial part of the cardiovascular system , provides a perception of realism by users who use the simulator in the recreation of the movements and functions of the tissues that make up the cardiopulmonary block.
En un primer aspecto de la presente divulgación, se proporciona un simulador de cirugía cardiotorácica que comprende:In a first aspect of the present disclosure, a cardiothoracic surgery simulator is provided comprising:
- un bloque cardiopulmonar, que comprende al menos un corazón inerte y dos pulmones inertes; y,- a cardiopulmonary block, comprising at least one inert heart and two inert lungs; Y,
- un circuito hidráulico cerrado, configurado para reproducir una parte de un sistema cardiovascular que comprende:- a closed hydraulic circuit, configured to reproduce a part of a cardiovascular system comprising:
- un depósito de fluido;- a fluid reservoir;
- un elemento de bombeo en conexión fluida con dicho depósito, estando configurado el elemento de bombeo para producir un flujo continuo de dicho fluido desde el depósito hacia dos circuitos:- a pumping element in fluid connection with said tank, the pumping element being configured to produce a continuous flow of said fluid from the tank towards two circuits:
- un primer circuito principal que atraviesa el bloque cardiopulmonar y que comprende un primer elemento de control de flujo situado aguas arriba del bloque cardiopulmonar y un segundo elemento de control de flujo situado aguas abajo del bloque cardiopulmonar, retornando este primer circuito principal al depósito de fluido aguas abajo del segundo elemento de control de flujo;- a first main circuit that passes through the cardiopulmonary block and comprising a first flow control element located upstream of the cardiopulmonary block and a second flow control element located downstream of the cardiopulmonary block, this first main circuit returning to the fluid reservoir downstream of the second flow control element;
- un segundo circuito auxiliar, paralelo al primer circuito principal con retorno al depósito de fluido, y que comprende un tercer elemento de control de flujo;- a second auxiliary circuit, parallel to the first main circuit with return to the fluid reservoir, and comprising a third flow control element;
donde el simulador de cirugía cardiotorácica además comprende medios de control configurados:where the cardiothoracic surgery simulator also comprises configured control means:
- para actuar alternativamente sobre el primer elemento de control de flujo y el tercer elemento de control de flujo produciendo un flujo pulsante entre el primer circuito, circuito principal, y el segundo circuito, circuito auxiliar, evacuando la parte sobrante del fluido por el circuito auxiliar, siendo el flujo pulsante que circula por el primer circuito, principal, en una proporción de entre el 25% y el 40% del flujo total y por el segundo circuito, auxiliar, el resto del flujo, es decir, entre un 60% y un 75%. y- to act alternately on the first flow control element and the third flow control element producing a pulsating flow between the first circuit, main circuit, and the second circuit, auxiliary circuit, evacuating the excess part of the fluid through the auxiliary circuit , the pulsating flow that circulates through the first, main circuit, in a proportion of between 25% and 40% of the total flow and through the second, auxiliary circuit, the rest of the flow, that is, between 60% and 75%. Y
- para actuar desfasadamente sobre el primer elemento de control de flujo y sobre el segundo elemento de control de flujo produciendo un pulso de presión dentro del bloque cardiopulmonar;- to act out of phase on the first flow control element and on the second flow control element producing a pressure pulse within the cardiopulmonary block;
de forma que mediante este control dual se produce un flujo pulsátil del fluido a través del corazón y pulmones inertes del bloque cardiopulmonar.so that through this dual control, a pulsatile flow of fluid is produced through the inert heart and lungs of the cardiopulmonary block.
Gracias a este desdoblamiento del flujo continuo del elemento de bombeo en el primer circuito principal y el segundo circuito auxiliar se consigue reproducir un flujo pulsátil en el bloque cardiopulmonar.Thanks to this doubling of the continuous flow of the pumping element in the first main circuit and the second auxiliary circuit, it is possible to reproduce a pulsatile flow in the cardiopulmonary block.
En el presente simulador de cirugía cardiotorácica se puede modificar esta relación de presión entre el primer circuito principal y el segundo circuito auxiliar en función de las características del bloque cardiopulmonar, adaptándolo para conseguir el mejor grado de realismo posible. Esto se realiza programando adecuadamente los medios de control. Es decir, la relación de presión entre circuitos se realiza mediante el software de control, actuando sobre las características variables de los elementos dispuestos en los circuitos, de forma que se pueden modificar los parámetros de funcionamiento.In the present cardiothoracic surgery simulator, this pressure relationship between the first main circuit and the second auxiliary circuit can be modified according to the characteristics of the cardiopulmonary block, adapting it to achieve the best possible degree of realism. This is done by properly programming the control means. In other words, the pressure relationship between circuits is carried out by means of the control software, acting on the variable characteristics of the elements arranged in the circuits, so that the operating parameters can be modified.
Los medios de control configurados para actuar desfasadamente sobre el primer elemento de control de flujo y sobre el segundo elemento de control de flujo pueden tener un desfase de entre 100 y 250 milisegundos. Estos tiempos de actuación desfasada pueden ser ajustados en función de las características del bloque cardiopulmonar (en especial tamaño y rigidez). Esto se realiza programando adecuadamente los medios de control. El software de control permite establecer diferencias de tiempo en la secuencia de apertura de los elementos de control de flujo y así poder regular el desfase en función del grupo cardiotorácico, teniendo en cuenta el tamaño y la fisiología variable del mismo.The control means configured to act out of phase on the first flow control element and on the second flow control element may have an offset of between 100 and 250 milliseconds. These delayed actuation times can be adjusted according to the characteristics of the cardiopulmonary block (especially size and rigidity). This is done by properly programming the control means. The control software allows establishing time differences in the opening sequence of the flow control elements and thus being able to regulate the lag depending on the cardiothoracic group, taking into account its size and its variable physiology.
El fluido puede ser un fluido con viscosidad y densidad similares a las de la sangre, para mejor reflejar el comportamiento real de un sistema cardiovascular. El fluido puede tener una densidad entre 1040 y 1070 g/ml, y preferiblemente entre 1053 y 1060 g/ml.The fluid can be a fluid with a viscosity and density similar to that of blood, to better reflect the actual behavior of a cardiovascular system. The fluid can have a density between 1040 and 1070 g / ml, and preferably between 1053 and 1060 g / ml.
Gracias a esta combinación de circuito hidráulico cerrado y control dual del simulador de cirugía cardiotorácica se genera un flujo pulsátil en el bloque cardiopulmonar, consiguiendo reproducir en un corazón y pulmones muertos (o artificiales) el efecto de palpitación así como la pulsatilidad y el llenado de vasos sanguíneos con gran realismo, de forma que el entrenamiento sea en un escenario lo más aproximado a la realidad. Es decir, se recrea la circulación a través del corazón y pulmones inertes, consiguiéndose trabajar con el corazón y los pulmones inertes como si funcionaran, recreando en ellos la circulación y pulsatilidad del flujo sanguíneo. La circulación a través del corazón y pulmones inertes es importante, entre otras razones, por la incidencia del líquido en el parénquima pulmonar, que tiene una influencia determinante sobre el inflado y desinflado del tejido pulmonar, en la recreación de la ventilación pulmonar. Además, este movimiento de los pulmones -inflado y desinflado- aumenta el grado de realismo del simulador al afectar con su movimiento al posicionamiento del resto del bloque cardiopulmonar.Thanks to this combination of closed hydraulic circuit and dual control of the cardiothoracic surgery simulator, a pulsatile flow is generated in the cardiopulmonary block, achieving the reproduction of the palpitation effect as well as pulsatility and filling of the heart in a dead (or artificial) heart and lungs. blood vessels with great realism, so that the training is in a scenario as close to reality. In other words, circulation is recreated through the inert heart and lungs, managing to work with the inert heart and lungs as if they were working, recreating in them the circulation and pulsatility of blood flow. Circulation through the inert heart and lungs is important, among other reasons, due to the incidence of fluid in the lung parenchyma, which has a determining influence on the inflation and deflation of lung tissue, in the recreation of lung ventilation. In addition, this movement of the lungs - inflated and deflated - increases the degree of realism of the simulator by affecting with its movement the positioning of the rest of the cardiopulmonary block.
En algunas realizaciones los primer, segundo y tercer elementos de control de flujo están implementados como válvulas todo o nada (por ej., mediante válvulas solenoidales). De esta forma se permite un control preciso de la circulación de líquido, y además un accionamiento frecuente, lo cual es especialmente útil en el presente simulador, pues permite generar diferentes grados de frecuencia cardiaca simulando diferentes situaciones clínicas.In some embodiments the first, second, and third flow control elements are implemented as all or nothing valves (eg, by solenoid valves). In this way, precise control of the fluid circulation is allowed, as well as frequent actuation, which is especially useful in the present simulator, since it allows the generation of different degrees of heart rate simulating different clinical situations.
El elemento de bombeo puede ser una bomba de desplazamiento positivo, lo cual permite proporcionar un caudal de fluido con gran exactitud, independientemente de la presión del fluido por el circuito hidráulico cerrado; además, es ventajoso para hacer circular fluidos con cierta viscosidad, como puede ser la sangre. Este elemento de bombeo puede regularse con diferentes rangos de presiones y pulsatilidad como los del cuerpo humano.The pumping element can be a positive displacement pump, which makes it possible to provide a fluid flow with great accuracy, regardless of the fluid pressure through the closed hydraulic circuit; moreover, it is advantageous to circulate fluids with a certain viscosity, such as blood. This pumping element can be regulated with different ranges of pressures and pulsatility like those of the human body.
En algunas realizaciones el simulador de cirugía cardiotorácica además comprende un cuarto elemento de control de flujo proporcional en el segundo circuito auxiliar, aguas debajo del tercer elemento de control de flujo, y dos sensores de presión situados respectivamente en el primer circuito principal y en el segundo circuito auxiliar. Este cuarto elemento de control de flujo proporcional permite variar el grado de apertura según la presión medida por los sensores de presión (ej. si hay una fuga en el bloque cardiopulmonar), y de esta forma, la presión de trabajo del simulador. También ayuda a que los circuitos principal y auxiliar funcionen adecuadamente.In some embodiments, the cardiothoracic surgery simulator further comprises a fourth proportional flow control element in the second auxiliary circuit, downstream of the third flow control element, and two pressure sensors located respectively in the first main circuit and in the second. auxiliary circuit. This fourth element of proportional flow control allows the degree of opening to be varied according to the pressure measured by the pressure sensors (eg if there is a leak in the cardiopulmonary block), and thus, the working pressure of the simulator. It also helps the main and auxiliary circuits work properly.
Como se ha mencionado, programando adecuadamente los medios de control se puede modificar la relación de presión entre el primer circuito principal y el segundo circuito auxiliar en función de las características del bloque cardiopulmonar. Más concretamente, por ejemplo, si se modifican los tiempos de apertura del primer y segundo elementos de control de flujo y el grado de apertura del cuarto elemento de control de flujo, se pueden modificar las condiciones de funcionamiento del equipo de bombeo (caudal y presión) y de los circuitos hidráulicos que conforman el simulador, amoldándose de esta forma a la fisiología del grupo cardiotorácico empleado.As mentioned, by suitably programming the control means, the pressure relationship between the first main circuit and the second auxiliary circuit can be modified as a function of the characteristics of the cardiopulmonary block. More specifically, for example, if the opening times of the first and second flow control elements and the opening degree of the fourth flow control element are modified, the operating conditions of the pumping equipment can be modified (flow and pressure ) and of the hydraulic circuits that make up the simulator, adapting in this way to the physiology of the cardiothoracic group used.
En algunas realizaciones, para favorecer el movimiento cardiaco y dar más realismo, el simulador de cirugía cardiotorácica además comprende un sistema pulsátil de aire para bombear aire en el corazón inerte. El sistema pulsátil de aire está regulado por los medios de control para producir un flujo de aire pulsátil sincronizado con la actuación sobre el primer elemento de control de flujo y el tercer elemento de control de flujo. De esta forma se consigue favorecer el movimiento de las paredes del corazón, mejorando la percepción de realismo del movimiento del corazón. Este sistema pulsátil de aire puede comprender un balón de oclusión introducible en el corazón inerte, normalmente en el ventrículo derecho. Es decir, el sistema pulsátil de aire actúa directamente por la pared interna cardiaca.In some embodiments, to promote heart movement and give more realism, the Cardiothoracic surgery simulator further comprises a pulsatile air system to pump air into the inert heart. The pulsating air system is regulated by the control means to produce a pulsatile air flow synchronized with the actuation of the first flow control element and the third flow control element. In this way, it is possible to favor the movement of the walls of the heart, improving the perception of realism of the movement of the heart. This pulsatile air system may comprise an occlusion balloon that can be inserted into the inert heart, usually the right ventricle. That is, the pulsatile air system acts directly on the inner wall of the heart.
El simulador de cirugía cardiotorácica puede comprender además un ventilador pulmonar para dotar de más movimiento a los dos pulmones inertes (o dos elementos que simulan sendos pulmones), mejorando la percepción del usuario en el movimiento del bloque cardiopulmonar.The cardiothoracic surgery simulator can also comprise a pulmonary ventilator to provide more movement to the two inert lungs (or two elements that simulate both lungs), improving the user's perception of the movement of the cardiopulmonary block.
Gracias al simulador de cirugía cardiotorácica de la presente invención se reduce el impacto animal asociado a este tipo de prácticas, puesto que pueden realizarse varias intervenciones con cada bloque cardiopulmonar. De esta forma, se permiten varias prácticas diversas en una misma sesión.Thanks to the cardiothoracic surgery simulator of the present invention, the animal impact associated with this type of practice is reduced, since several interventions can be performed with each cardiopulmonary block. In this way, several different practices are allowed in the same session.
Por otra parte, este simulador posibilita trabajar en un amplio rango de escenarios de simulación de gran complejidad. No es solo un montaje para la perfusión o para partes de procedimientos más complejos, la validación experimental sin duda muestra la posibilidad de su utilización para escenarios complejos.On the other hand, this simulator makes it possible to work in a wide range of highly complex simulation scenarios. It is not just a setup for perfusion or for parts of more complex procedures, experimental validation certainly shows the possibility of its use for complex scenarios.
En el simulador de cirugía cardiotorácica de la presente invención el corazón inerte y los pulmones inertes, pueden ser modelos inorgánicos de material elasto-plástico, es decir, que ante una deformación puedan no recuperar su forma original, y que tengan un comportamiento no lineal. También puede ser que ambos sean modelos orgánicos (ex vivo); están muertos, pero han estado vivos. También es posible que el corazón sea orgánico y los pulmones inorgánicos, o viceversa.In the cardiothoracic surgery simulator of the present invention, the inert heart and inert lungs can be inorganic models of elasto-plastic material, that is, in the event of a deformation they may not recover their original shape, and have a non-linear behavior. It may also be that both are organic models (ex vivo); They are dead, but they have been alive. It is also possible that the heart is organic and the lungs inorganic, or vice versa.
Los medios de control pueden conectarse a una interfaz de entrada/salida amigable que permite modificar fácilmente los parámetros de funcionamiento de los distintos elementos del simulador, en función, por ejemplo, de las características del bloque cardiopulmonar. The control means can be connected to a user-friendly input / output interface that makes it possible to easily modify the operating parameters of the different elements of the simulator, depending, for example, on the characteristics of the cardiopulmonary block.
Los diferentes aspectos y realizaciones de la invención definidos anteriormente pueden combinarse entre sí, siempre que sean mutuamente compatibles.The different aspects and embodiments of the invention defined above can be combined with each other, provided they are mutually compatible.
Ventajas y características adicionales de la invención serán evidentes a partir de la descripción detallada que sigue y se señalarán particularmente en las reivindicaciones adjuntas.Additional advantages and features of the invention will be apparent from the detailed description that follows and will be pointed out particularly in the appended claims.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de figuras en el que con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to an example of a practical embodiment thereof, a set of figures is attached as an integral part of the description, in which with character Illustrative and not limiting, the following has been represented:
La figura 1 muestra esquemáticamente los principales elementos del simulador de cirugía cardiotorácica de la presente invención.Figure 1 schematically shows the main elements of the cardiothoracic surgery simulator of the present invention.
La figura 2 muestra más detalladamente los diferentes elementos del simulador de cirugía cardiotorácica de la presente invención, según una posible realización del mismo.Figure 2 shows in more detail the different elements of the cardiothoracic surgery simulator of the present invention, according to a possible embodiment thereof.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓNDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
La descripción que sigue no debe tomarse en un sentido limitado, sino que se proporcionan solamente con el propósito de describir principios amplios de la invención. Las siguientes realizaciones de la invención se describirán a modo de ejemplo, con referencia a las figuras arriba citadas, que muestran aparatos y resultados de acuerdo con la invención.The description that follows is not to be taken in a limited sense, but is provided solely for the purpose of describing broad principles of the invention. The following embodiments of the invention will be described by way of example, with reference to the figures cited above, which show apparatus and results according to the invention.
Como se muestra en la Figura 1, el simulador de cirugía cardiotorácica 100 de la presente invención comprende un bloque cardiopulmonar 10, que puede ser orgánico o inorgánico; una instalación electrohidráulica 11, y un sistema de control 50 para controlar la instalación electrohidráulica. La flecha con origen en la instalación electrohidráulica 11 y destino en el bloque cardiopulmonar 10 representa el flujo pulsátil de entrada al bloque cardiopulmonar 10. La flecha con origen en el bloque cardiopulmonar 10 y destino en la instalación electrohidráulica 11 representa el drenaje de salida. La flecha con origen en la instalación electrohidráulica 11 y destino en el sistema de control 50 representa las señales de entrada al sistema de control 50. La flecha con origen en el sistema de control 50 y destino en la instalación electrohidráulica 11 representa las señales de salida del sistema de control 50.As shown in Figure 1, the cardiothoracic surgery simulator 100 of the present invention comprises a cardiopulmonary block 10, which can be organic or inorganic; an electro-hydraulic installation 11, and a control system 50 for controlling the electro-hydraulic installation. The arrow originating from the electrohydraulic installation 11 and destined for the cardiopulmonary block 10 represents the pulsatile inflow to the cardiopulmonary block 10. The arrow originating from the cardiopulmonary block 10 and destined for the electrohydraulic installation 11 represents the outlet drain. The arrow originating in the electrohydraulic installation 11 and destined for the control system 50 represents the input signals to the control system 50. The arrow originating in the control system 50 and destined for the electrohydraulic installation 11 represents the output signals of the control system 50.
El bloque cardiopulmonar 10 es un bloque cardiopulmonar convencional. Puede ser orgánico o artificial, y en el ejemplo aquí referido incluye (no ilustrado) un corazón orgánico exvivo (puede ser, por ej., de cerdo o de oveja), dos pulmones, también por ejemplo exvivo, por ejemplo de cerdo o de oveja, correspondientemente conectados. La instalación electrohidráulica 11 se conecta al bloque cardiopulmonar 10, concretamente a la vena cava y arteria aorta, no ilustradas, del mismo. El bloque cardiopulmonar 10 tiene también un árbol traquebronquial, no ilustrado, conectable a un ventilador 80 en el caso de que se use un ventilador.The cardiopulmonary block 10 is a conventional cardiopulmonary block. It can be organic or artificial, and in the example referred to here it includes (not illustrated) an exvivo organic heart (it can be, for example, pig or sheep), two lungs, also for example exvivo, for example pig or of sheep, correspondingly connected. The electrohydraulic installation 11 is connected to the cardiopulmonary block 10, specifically to the vena cava and aorta artery, not illustrated, thereof. The cardiopulmonary block 10 also has a trachebronchial shaft, not illustrated, connectable to a ventilator 80 in the event that a ventilator is used.
Como se muestra en la Figura 2, la instalación electrohidráulica comprende unos circuitos hidráulicos alimentados por una bomba 30 de desplazamiento positivo; esta bomba está conectada a un depósito 20 abierto que abastece a los circuitos hidráulicos de un líquido similar a la sangre. Por ej., se utiliza como fluido una mezcla de glicerina y colorante, aunque otras realizaciones son posibles. La bomba 30 realiza la función de bombeo que en un corazón vivo realiza el corazón.As shown in Figure 2, the electro-hydraulic installation comprises hydraulic circuits fed by a positive displacement pump 30; This pump is connected to an open reservoir 20 that supplies the hydraulic circuits with a liquid similar to blood. For example, a mixture of glycerin and dye is used as the fluid, although other embodiments are possible. Pump 30 performs the pumping function that the heart performs in a living heart.
Esta bomba 30 de desplazamiento positivo produce un flujo continuo de dicho líquido desde el depósito 20 hacia un conducto con una bifurcación 40a en dos circuitos hidráulicos:This positive displacement pump 30 produces a continuous flow of said liquid from the reservoir 20 towards a conduit with a branch 40a in two hydraulic circuits:
- un circuito principal 41, y- a main circuit 41, and
- un circuito auxiliar 42.- an auxiliary circuit 42.
Para la gestión de los parámetros de funcionamiento de esta bomba 30 se incluye un variador de frecuencia 70. Al variar la velocidad de trabajo de la bomba 30, se actúa sobre el caudal y, por tanto, sobre la presión.To manage the operating parameters of this pump 30, a frequency variator 70 is included. By varying the working speed of the pump 30, the flow rate and, therefore, the pressure is acted upon.
El circuito principal 41 conecta la bomba 30 con el corazón del bloque cardiopulmonar 10 a través de unas conducciones que culminan en una sonda de Foley 13 que se conecta a la vena cava del bloque cardiopulmonar. Es decir, la sonda de Foley 13 se introduce en el interior de la aurícula derecha del corazón (no ilustrado). Tras atravesar el interior del corazón y pulmones de forma similar a como lo hace el flujo sanguíneo en un mamífero, el líquido se drena por la arteria aorta del bloque cardiopulmonar hasta la salida 12 de éste, dirigiendo de nuevo el flujo hacia el depósito 20.The main circuit 41 connects the pump 30 with the heart of the cardiopulmonary block 10 through conduits that culminate in a Foley catheter 13 that is connected to the vena cava of the cardiopulmonary block. That is, the Foley catheter 13 is inserted into the right atrium of the heart (not shown). After passing through the interior of the heart and lungs in a similar way to how the blood flow does in a mammal, The fluid is drained through the aorta artery of the cardiopulmonary block until its outlet 12, directing the flow back to the reservoir 20.
El circuito principal 41 incluye una primera válvula V1 aguas arriba del bloque cardiopulmonar 10 y una segunda válvula V2 aguas abajo del bloque cardiopulmonar 10. Ambas válvulas V1 y V2 son válvulas solenoidales todo o nada, de forma que se controla la entrada de líquido en el bloque cardiopulmonar 10 y su evacuación.The main circuit 41 includes a first valve V1 upstream of the cardiopulmonary block 10 and a second valve V2 downstream of the cardiopulmonary block 10. Both valves V1 and V2 are all-or-nothing solenoidal valves, so that the entry of liquid into the cardiopulmonary block 10 and its evacuation.
El circuito auxiliar 42 permite la circulación del líquido con retorno directo al depósito 20 por una línea paralela al circuito principal 41 cuando en el bloque cardiopulmonar 10, y concretamente en el corazón, se tenga que producir el alivio de presión.The auxiliary circuit 42 allows the circulation of the liquid with direct return to the reservoir 20 along a line parallel to the main circuit 41 when in the cardiopulmonary block 10, and specifically in the heart, pressure relief has to be produced.
En el circuito auxiliar 42 se dispone una tercera válvula V3 (también es una válvula solenoidal todo o nada), aguas abajo de la bifurcación 40a; aguas abajo de esta tercera válvula V3 se dispone una cuarta válvula V4 proporcional. Gracias a esta cuarta válvula V4 proporcional se puedan generar condiciones análogas en ambos circuitos 41, 42 por medio del control del estrangulamiento del paso a través de la misma, consecuentemente logrando la subida de la presión nominal dentro del simulador, pudiendo controlar la presión dentro de las cavidades cardiacas y pulmones.In the auxiliary circuit 42 a third valve V3 is arranged (it is also an all or nothing solenoid valve), downstream of the branch 40a; downstream of this third valve V3 a fourth proportional valve V4 is arranged. Thanks to this fourth proportional valve V4, analogous conditions can be generated in both circuits 41, 42 by controlling the throttling of the passage through it, consequently achieving the rise of the nominal pressure inside the simulator, being able to control the pressure within the heart chambers and lungs.
El sistema de control 50 actúa alternativamente sobre las primera y tercera válvulas V1 y V3, es decir, cuando la primera válvula V1 está abierta, la tercera válvula V3 está cerrada, y viceversa. De esta forma, se logra dotar de pulsatilidad al flujo sin necesidad de modificar el funcionamiento de la bomba 30, que puede mantener el flujo continuo de líquido. El sistema de control 50 está configurado para que, en cada ciclo, la proporción de apertura de las primera y tercera válvulas sea aproximadamente de 1/3-2/3 (si bien, lógicamente, otra proporción es aceptable), de forma que la mayor parte del tiempo el líquido circule por el circuito auxiliar 42. De esta forma se reproduce el funcionamiento real de un corazón, en el cual aproximadamente dos tercios de la duración total del ciclo corresponden a la diástole y un tercio a la sístole.The control system 50 acts alternately on the first and third valves V1 and V3, that is, when the first valve V1 is open, the third valve V3 is closed, and vice versa. In this way, it is possible to provide the flow with pulsatility without the need to modify the operation of the pump 30, which can maintain the continuous flow of liquid. The control system 50 is configured so that, in each cycle, the opening ratio of the first and third valves is approximately 1 / 3-2 / 3 (although, of course, another ratio is acceptable), so that the most of the time the liquid circulates through the auxiliary circuit 42. In this way, the real functioning of a heart is reproduced, in which approximately two thirds of the total duration of the cycle corresponds to diastole and one third to systole.
Por otra parte, para lograr una subida de la presión dentro del corazón la apertura de la segunda válvula V2 se realiza de manera desfasada con respecto a la primera válvula V1 para poder tener un pulso de presión: el sistema de control actúa sobre la primera válvulaOn the other hand, to achieve a rise in pressure within the heart, the opening of the second valve V2 is done in a phase out of phase with respect to the first valve V1 in order to have a pressure pulse: the control system acts on the first valve
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V1, abriéndola, y entre 100 y 250 milisegundos después abrir la válvula V2 para aliviar la presión y dejar circular el líquido de vuelta al depósito.V1, opening it, and between 100 and 250 milliseconds later open the valve V2 to relieve the pressure and let the liquid circulate back to the reservoir.
De esta forma, partiendo de un flujo continuo de líquido que sale de la bomba 30, se logra hacer que el flujo sea pulsátil, lo que se traduce en llenado y pulsatilidad de vasos sanguíneos y tejidos de los pulmones. Esto facilita la simulación de un sangrado en el transcurso de una intervención.In this way, starting from a continuous flow of liquid that leaves the pump 30, it is possible to make the flow pulsatile, which translates into filling and pulsatility of blood vessels and tissues of the lungs. This facilitates the simulation of a bleeding during an intervention.
En este ejemplo de realización, el control de la apertura y cierre de las primera, segunda y tercera válvulas V1, V2, V3, se realiza con circuitos conmutadores donde se controla la posición del vástago interno de la válvula a partir de relés. El control del grado de apertura de la cuarta válvula V4 proporcional se realiza de forma convencional a partir de señales de salida de un microcontrolador (en este caso, mediante un microcontrolador Arduino Mega 2560); a partir de señales digitales de tensión de un valor entre, por ejemplo, 0 y 10 V se establece el grado de apertura de la válvula.In this exemplary embodiment, the control of the opening and closing of the first, second and third valves V1, V2, V3, is carried out with switching circuits where the position of the internal valve stem is controlled from relays. The control of the opening degree of the fourth proportional valve V4 is carried out in a conventional way from output signals of a microcontroller (in this case, by means of an Arduino Mega 2560 microcontroller); From digital voltage signals with a value between, for example, 0 and 10 V, the degree of opening of the valve is established.
En la realización mostrada, el simulador de cirugía cardiotorácica 100 de la presente invención además comprende un par de sensores de presión S1, S2, situados respectivamente en el circuito principal 41 y en el circuito auxiliar 42. El primer sensor de presión S1 está posicionado en paralelo al bloque cardiopulmonar 10 para proporcionar una lectura aproximada de la presión en el interior del mismo; el segundo sensor de presión S2 se encuentra en el circuito auxiliar 42 aguas arriba de la cuarta válvula V4 proporcional para dar una lectura similar a la del circuito principal 41 y determinar de esta manera si es correcto el ajuste de presión entre los circuitos principal y auxiliar para lograr un funcionamiento análogo.In the embodiment shown, the cardiothoracic surgery simulator 100 of the present invention further comprises a pair of pressure sensors S1, S2, located respectively in the main circuit 41 and in the auxiliary circuit 42. The first pressure sensor S1 is positioned at parallel to the cardiopulmonary block 10 to provide an approximate reading of the pressure therein; the second pressure sensor S2 is located in the auxiliary circuit 42 upstream of the fourth proportional valve V4 to give a reading similar to that of the main circuit 41 and thus determine if the pressure setting between the main and auxiliary circuits is correct to achieve analogous operation.
La toma de datos de presión de estos primer y segundo sensores se realiza por parte del sistema de control 50. Para esta lectura de las señales de los sensores de presión se emplean un circuito estándar para acondicionar la señal de, por ejemplo, 4-20 mA proporcionada por los sensores de presión en una señal adecuada para su lectura a través de las entradas analógicas de Arduino.The pressure data collection of these first and second sensors is carried out by the control system 50. For this reading of the pressure sensor signals, a standard circuit is used to condition the signal of, for example, 4-20 mA provided by the pressure sensors in a signal suitable for reading through the Arduino's analog inputs.
El simulador de cirugía cardiotorácica 100 de la Figura 2 además comprende un sistema pulsátil de aire 60 que comprende una jeringuilla y un actuador lineal conectados a un catéter o balón de oclusión Fogarty que se introduce de forma retrógrada por la arteria aorta del bloque cardiopulmonar 10 y se deja en el ventrículo izquierdo. El aire que infla el balón de oclusión actúa directamente sobre la pared interna cardiaca. De esta forma se favorece el movimiento de las paredes cardiacas, mediante el hinchado y vaciado de este balón producido por el movimiento lineal alternativo del actuador. El actuador lineal incorpora un servomotor controlado por el sistema de control 50 que permite controlar su giro. De esta forma, gracias a este contacto directo entre el catéter de oclusión y la pared cardiaca se pueden transmitir esfuerzos que generen deformaciones, es decir, movimientos en el corazón a partir de la presión interna en forma de aire que tiene el catéter.The cardiothoracic surgery simulator 100 of Figure 2 further comprises a pulsatile air system 60 comprising a syringe and a linear actuator connected to a Fogarty occlusion catheter or balloon that is retrogradely introduced through the artery. aorta from cardiopulmonary block 10 and left in the left ventricle. The air that inflates the occlusion balloon acts directly on the inner wall of the heart. In this way, the movement of the heart walls is promoted, by means of the inflation and emptying of this balloon produced by the alternative linear movement of the actuator. The linear actuator incorporates a servomotor controlled by the control system 50 that allows its rotation to be controlled. In this way, thanks to this direct contact between the occlusion catheter and the heart wall, efforts can be transmitted that generate deformations, that is, movements in the heart from the internal pressure in the form of air that the catheter has.
Finalmente, se emplea un ventilador pulmonar 80 para dotar de movimiento al tejido de los pulmones; si bien no se tiene la función de oxigenación de la sangre sí que se dota del movimiento apropiado al conjunto dado que la morfología del bloque cardiopulmonar 10 hace que el corazón repose sobre los pulmones y que el movimiento de estos también le afecte.Finally, a lung ventilator 80 is used to give movement to the lung tissue; Although it does not have the function of oxygenation of the blood, it does provide the whole with the appropriate movement since the morphology of the cardiopulmonary block 10 makes the heart rest on the lungs and that their movement also affects it.
En el presente caso, parte de los elementos del simulador de cirugía cardiotorácica (o incluso su totalidad) está introducida en el interior de una carcasa, diseñada y construida específicamente mediante impresión 3D. La carcasa tiene forma antropomórfica en su exterior, e incluyendo orificios y sistemas de enganche para poder realizar las intervenciones. La carcasa está dotada de orificios laterales de unas dimensiones suficientes para poder intervenir y disponer los útiles necesarios, así como, un par de orificios de menor tamaño para posibilitar la introducción de las cámaras empleadas en las cirugías mínimamente invasivas. En la parte superior se incluye un orificio de forma rectangular asemejando a la apertura que se realiza para las intervenciones cardiacas.In the present case, part of the elements of the cardiothoracic surgery simulator (or even all of it) is inserted inside a housing, specifically designed and constructed by 3D printing. The casing has an anthropomorphic shape on the outside, and includes holes and hooking systems to be able to carry out interventions. The casing is equipped with lateral holes of sufficient dimensions to be able to intervene and provide the necessary tools, as well as a pair of smaller holes to allow the introduction of the cameras used in minimally invasive surgeries. The upper part includes a rectangular-shaped hole, similar to the opening made for cardiac interventions.
En este texto, el término "comprende” y sus derivaciones (tal como "comprendiendo”, etc.) no deben entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deben ser interpretados como que excluyen la posibilidad de que lo que se describe y se define pueda incluir elementos, etapas adicionales, etc.In this text, the term "comprises" and its derivations (such as "comprising", etc.) should not be understood in an exclusive sense, that is, these terms should not be interpreted as excluding the possibility that what is described and it is defined to include elements, additional stages, etc.
En el contexto de la presente invención, el término "aproximadamente” y términos de su familia (como "aproximado”, etc.) deben interpretarse como indicando valores muy cercanos a aquellos que acompañan a dicho término. Es decir, una desviación dentro de límites razonables con respecto a un valor exacto deberían aceptarse, porque un experto en la materia entenderá que tal desviación con respecto a los valores indicados puede ser inevitable debido a imprecisiones de medida, etc. Lo mismo aplica a los términos "unos”, "alrededor de” y "sustancialmente”.In the context of the present invention, the term "approximately" and terms of its family (such as "approximate", etc.) should be interpreted as indicating values very close to those that accompany said term. That is, a deviation within reasonable limits from an exact value should be accepted, because an expert In the field you will understand that such a deviation from the indicated values may be unavoidable due to measurement inaccuracies, etc. The same applies to the terms "about", "about" and "substantially".
La invención no se limita obviamente a la(s) realización(es) específica(s) descrita(s), sino que abarca también cualquier variación que pueda ser considerada por cualquier experto en la materia (por ejemplo, con relación a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención como se define en las reivindicaciones.The invention is not obviously limited to the specific embodiment (s) described, but also encompasses any variation that may be considered by any person skilled in the art (for example, in relation to the choice of materials, dimensions, components, configuration, etc.), within the general scope of the invention as defined in the claims.
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Claims (12)
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Also Published As
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