RU2051614C1

RU2051614C1 - Catheter for hydrodynamic measurements of blood stream in cardiovascular system

Info

Publication number: RU2051614C1
Authority: RU
Inventors: Б.С. Акулов; Н.П. Галич; И.А. Иванова; Ю.П. Лаптев; З.Д. Федорова
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Гранит"
Priority date: 1987-08-07
Filing date: 1987-08-07
Publication date: 1996-01-10

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: catheter comprises a flexible tube ending in a converter which consists of a cylindrical housing accommodating a revolving impeller and two Hall's sensors. The impeller is made of a nonmagnetic material with magnetic inserts installed on the edges of its blades, the magnetic poles of said inserts being directed radially so that the polarity of the end of one blade is opposite to that of the other blade ends. Installed on the internal surface of the housing are an electromagnet and Hall's sensors coated with a layer of sealant. EFFECT: improved design. 2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и предназначено для определения гидродинамических параметров потока крови в сердечно-сосудистой системе (ССС) живого организма. The invention relates to medicine and medical equipment and is intended to determine the hydrodynamic parameters of the blood flow in the cardiovascular system (CVS) of a living organism.

Замена не способных к функционированию клапанов сердца протезами, а также операции на сердце и сердечных сосудах, требуют точных данных о некоторых параметрах потоков крови, циркулирующего в ССС живого организма. К числу таких параметров относятся скорость, направление и угол закрутки, тангенциальная составляющая и степень турбулизации потока. Replacing incapable of functioning of the heart valves with prostheses, as well as operations on the heart and heart vessels, require accurate data on some parameters of the blood flow circulating in the CVS of a living organism. These parameters include speed, direction and swirl angle, tangential component and degree of flow turbulization.

Известно устройство для определения параметров потока крови, дающее возможность установить температуру и давление в различных участках ССС [1] Но это устройство не определяет гидродинамические параметры потока. A device for determining the parameters of the blood flow, which makes it possible to set the temperature and pressure in various sections of the CCC [1] But this device does not determine the hydrodynamic parameters of the flow.

Наиболее близким из известных технических решений по технической сущности и достигаемому результату является катетер для гидродинамических измерений в сердце [2] принятый за прототип. The closest known technical solutions for the technical nature and the achieved result is a catheter for hydrodynamic measurements in the heart [2] adopted as a prototype.

Указанное устройство представляет собой катетер с преобразователем на рабочем конце. Преобразователь содержит основание, четырехлопастную крыльчатку из магнитного материала, два датчика Холла и цилиндрический кожух, на стенках которого выполнено нечетное число продольных прорезей. The specified device is a catheter with a transducer at the working end. The converter contains a base, a four-blade impeller made of magnetic material, two Hall sensors and a cylindrical casing, on the walls of which an odd number of longitudinal slots are made.

Кожух закреплен на основании, на котором также закреплены два датчика Холла через угол 90^о. Прохождение лопастей около датчиков сопровождается усилением снимаемых сигналов. Скорость вращения крыльчатки определяют по числу сигналов за оборот, а по известной скорости вращения определяют скорость потока и угол закрутки.The casing is fixed on the base, on which two Hall sensors are also fixed through an angle of 90 ^about . The passage of the blades near the sensors is accompanied by an amplification of the recorded signals. The impeller rotation speed is determined by the number of signals per revolution, and the flow velocity and the swirl angle are determined by the known rotation speed.

Недостатками известного устройства являются невысокая точность и достоверность определения гидродинамических параметров измеряемого потока, обусловленные его деформацией при прохождении через продольные прорези кожуха, и сложность реализации. Последнее объясняется тем, что определение двух неизвестных скорости потока и направления закрутки производится на основании измерения только одного параметра скорости вращения крыльчатки. Следовательно, при измерениях необходимо применение эквивалента, который дает возможность путем сравнения одну из величин исключить из решения задачи. Применение же эквивалента сопряжено с необходимостью изменять градуировку измерений при изменении условий обтекания преобразователя. The disadvantages of the known device are the low accuracy and reliability of determining the hydrodynamic parameters of the measured flow, due to its deformation when passing through the longitudinal slots of the casing, and the complexity of implementation. The latter is explained by the fact that the determination of two unknown flow velocities and the swirl direction is based on the measurement of only one impeller rotation speed parameter. Therefore, in measurements it is necessary to use an equivalent, which makes it possible by comparison to exclude one of the values from the solution of the problem. The use of the equivalent is associated with the need to change the calibration of measurements when changing the flow conditions of the transducer.

Технический результат изобретения повышение точности измерения гидродинамических параметров потока крови и достоверности получаемых результатов с одновременным упрощением методики измерения. The technical result of the invention is to increase the accuracy of measuring the hydrodynamic parameters of the blood flow and the reliability of the results, while simplifying the measurement procedure.

Технический результат достигается за счет создания устройства, действие которого основано на процессах, описываемых дифференциальным управлением из теории колебаний для вращающейся системы, помещенной в поток жидкости [3]
J

+ B

+CΦ=X
(1) где Х суммарный момент сил, действующих на вращающуюся систему;
I момент инерции вращающейся системы;
Φ- угол закрутки потока;
В постоянная демпфирования;
С сила пружины, создающей вращающий момент системы.The technical result is achieved by creating a device whose action is based on the processes described by differential control from the theory of oscillations for a rotating system placed in a fluid flow [3]
J

+ B

+ CΦ = X
(1) where X is the total moment of forces acting on the rotating system;
I moment of inertia of the rotating system;
Φ - flow swirl angle;
In constant damping;
With the force of the spring creating the system's torque.

Поскольку ламинарные потоки в организме отсутствуют, на вращающуюся систему будут действовать тангенциальные силы, вызванные закруткой кровотока. Определив суммарный момент сил, обозначенный в уравнении (1) через Х, можно найти угол закрутки потока Φ. Since there are no laminar flows in the body, tangential forces caused by swirling of blood flow will act on the rotating system. Having determined the total moment of forces indicated in equation (1) by X, we can find the swirl angle Φ.

Затем легко найти скорость потока крови из соотношения (2), известного из источника [4]
C

v²ρkS
(2) где v скорость измеряемого потока;
ρ- плотность жидкости;
k гидродинамический коэффициент вращающейся системы;
S площадь, на которую действует набегающий поток.Then, it is easy to find the blood flow rate from relation (2), known from the source [4]
C

v ² ρkS
(2) where v is the velocity of the measured flow;
ρ is the fluid density;
k hydrodynamic coefficient of a rotating system;
S is the area over which the incident flow acts.

Такое устройство не нуждается в дополнительной градуировке и применении эквивалента при изменении условий обтекания и дает возможность измерять параметры потока непосредственно. Such a device does not need additional calibration and the use of an equivalent when changing flow conditions and makes it possible to measure flow parameters directly.

Сущность изобретения заключается в том, что в катетер, содержащий гибкую трубку с преобразователем на конце, состоящим из цилиндрического кожуха, установленной в нем с возможностью вращения крыльчаткой и двух датчиков Холла, введен электромагнит, установленный, как и датчики Холла, на внутренней стенке кожуха, покрытой слоем герметизирующего вещества, крыльчатка выполнена из немагнитного материала, а вдоль краев лопастей установлены магнитные вкладыши с радиальной направленностью магнитных полюсов так, что торец одной лопасти имеет полярность, противоположную полярности остальных торцев. The essence of the invention lies in the fact that in the catheter containing a flexible tube with a transducer at the end, consisting of a cylindrical casing, mounted in it with the possibility of rotation of the impeller and two Hall sensors, an electromagnet is installed, installed, like Hall sensors, on the inner wall of the casing, covered with a layer of sealing substance, the impeller is made of non-magnetic material, and along the edges of the blades are magnetic liners with a radial direction of the magnetic poles so that the end face of one blade has polarity opposite to the polarity of the other ends.

Осевые поперечные электромагнита и датчиков Холла находятся в одной плоскости поперечного сечения кожуха, а углы между радиусами, соединяющими центр окружности сечения кожуха с геометрическими центрами указанных элементов, отличаются от углов между лопастями крыльчатки для уменьшения их взаимного влияния. Внутренний диаметр цилиндрического кожуха с учетом толщины слоя герметизирующего материала, покрывающего внутренние станки кожуха, больше наружного диаметра крыльчатки и гибкой трубки, через которую проходят электрические выводы для связи электромагнита и датчиков Холла с измерительной схемой, что создает благоприятные условия для свободного протекания потока через преобразователь катетера без заметного нарушения его структуры. The axial transverse electromagnet and Hall sensors are in the same plane of the cross section of the casing, and the angles between the radii connecting the center of the circumference of the casing section with the geometric centers of these elements differ from the angles between the impeller blades to reduce their mutual influence. The inner diameter of the cylindrical casing, taking into account the thickness of the layer of sealing material covering the inner machines of the casing, is larger than the outer diameter of the impeller and the flexible tube through which the electrical leads pass through to connect the electromagnet and Hall sensors to the measuring circuit, which creates favorable conditions for the free flow of the stream through the catheter transducer without noticeable violation of its structure.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид; на фиг.2 поперечное сечение устройства в плоскости осевого сечения датчиков и электромагнита; на фиг.3 эпюры напряжений, снимаемых с датчиков при вращении крыльчатки по часовой стрелке (фиг.2); на фиг.4 эпюры напряжений, снимаемых с датчиков при вращении крыльчатки против часовой стрелки (фиг.2); на фиг.5 эпюры напряжений, снимаемых с датчиков турбулентного потока; на фиг.6 структурная схема измерительного устройства; на фиг.7 схема размещения катетера при измерении потока в аорте. In FIG. 1 shows a device, a General view; figure 2 is a cross section of the device in the plane of the axial section of the sensors and the electromagnet; figure 3 plots of stresses removed from the sensors when the impeller rotates clockwise (figure 2); figure 4 plots of stresses removed from the sensors when the impeller rotates counterclockwise (figure 2); figure 5 plots of stresses taken from the turbulent flow sensors; Fig.6 is a structural diagram of a measuring device; Fig.7 layout of the catheter when measuring flow in the aorta.

Устройство содержит цилиндрический кожух 1 (см.фиг.1) из немагнитного материала, например, титана, с перемычками в открытых торцах. Крыльчатка 3 из немагнитного материала шарнирно закреплена в кожухе 1 с возможностью вращения вокруг осей 4, опирающихся на перемычки 2. Вдоль края каждой лопасти крыльчатки 3 закреплен (например, приклеен) магнитный вкладыш 5 радиальной направленностью магнитного поля так, что торцы трех лопастей имеют одноименную полярность, противоположную полярности четвертого торца. The device contains a cylindrical casing 1 (see figure 1) of a non-magnetic material, for example, titanium, with jumpers in the open ends. The impeller 3 of non-magnetic material is pivotally mounted in the casing 1 with the possibility of rotation around the axles 4, supported by jumpers 2. Along the edge of each blade of the impeller 3 is fixed (for example, glued) a magnetic insert 5 with a radial direction of the magnetic field so that the ends of the three blades have the same polarity opposite the polarity of the fourth end.

На внутренней стенке кожуха 1 расположены электромагнит 6 и два датчика Холла 7 и 8 (см.фиг.2). Выводы 9 от электромагнита 6 и датчиков 7 и 8 проведены к оси и далее в гибкую трубку 10 к наружным подключениям. An electromagnet 6 and two Hall sensors 7 and 8 are located on the inner wall of the casing 1 (see Fig. 2). The conclusions 9 from the electromagnet 6 and the sensors 7 and 8 are conducted to the axis and then to the flexible tube 10 to the external connections.

Структурная схема измерительного устройства, показанная на фиг.6, содержит датчики Холла 7 и 8, на которые постоянно поступает напряжение генератора синусоидального напряжения 12. Датчики 7 и 8 соединены с детекторами 13, которые, в свою очередь, соединены с усилителями 14. Усилители 14 соединены с согласующими устройствами 15, имеющими выход на регистрирующее устройство 16. В качестве усилителей и генератора могут быть использованы стандартные приборы, например, усилитель типа У4-12 и генератор Г3-36. Данные, записанные регистрирующим устройством 16, например, самописцем, после расшифровки могут быть поданы на ЭВМ. The structural diagram of the measuring device shown in Fig.6, contains Hall sensors 7 and 8, which constantly receives the voltage of the sinusoidal voltage generator 12. Sensors 7 and 8 are connected to the detectors 13, which, in turn, are connected to amplifiers 14. Amplifiers 14 connected to matching devices 15 having an output to a recording device 16. Standard devices, for example, an amplifier of type U4-12 and generator G3-36, can be used as amplifiers and a generator. The data recorded by the recording device 16, for example, a recorder, after decryption, can be submitted to the computer.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Через разрез (см. фиг.7) в сосуд, например, аорту, вводят предлагаемое устройство преобразователем (т.е. цилиндрическим кожухом 1 с крыльчаткой 3) навстречу измеряемому потоку. Преобразователь фиксируется лигатурами 17, а разрез закрывают сплошным швом. Поток крови проходит по аорте через полость цилиндрического кожуха 1, воздействуя на лопасти крыльчатки 3. Поскольку исследуемый поток имеет тангенциальную составляющую, лопасти крыльчатки 3 испытывают давление, направленное по нормали к плоскости лопасти, и крыльчатка 3 начинает вращаться. Направление вращения совпадает с направлением закрутки потока. Through the incision (see Fig. 7), the proposed device is introduced into a vessel, for example, by an aorta (i.e., a cylindrical casing 1 with an impeller 3) towards the measured flow. The Converter is fixed by ligatures 17, and the incision is closed with a continuous seam. The blood flow passes through the aorta through the cavity of the cylindrical casing 1, affecting the impeller blades 3. Since the studied flow has a tangential component, the impeller blades 3 experience pressure directed normal to the plane of the blade, and the impeller 3 begins to rotate. The direction of rotation coincides with the direction of flow swirl.

Для определения угла закрутки на катушку электромагнита 6 подают постоянное напряжение, при этом электромагнитное поле катушки взаимодействует с магнитным полем вкладышей 5. Изменяя величину напряжения, можно затормозить вращение крыльчатки 3 до остановки в положении, когда лопасть с магнитным вкладышем 5 располагается строго под электромагнитом 6, что означает равенство усилий электромагнитного поля катушки и давления измеряемого потока, действующего по нормали к лопасти. Располагая зависимостью напряжения на катушке электромагнита 6 и момента на крыльчатке 3, можно определить величину момента Х (см.уравнение 1). В рассматриваемом случае в уравнении (1) момент инерции вращающийся системы I момент инерции крыльчатки 3, которым можно пренебречь, так как он проявляется только в момент пуска устройства, а постоянная демпфирования В момент трения в опорах вращения осей 4 крыльчатки 3, которым также можно пренебречь, так как перед установкой крыльчатка подвергается статической балансировке из расчета, что момент трения должен быть на порядок меньше ожидаемого момента вращения крыльчатки 3. Величина С в рассматриваемом случае сила давления тангенциальной составляющей потока по нормали к лопасти крыльчатки 3 может быть найдена по скорости вращения крыльчатки 3, определяемой, в свою очередь, по числу сигналов, снимаемых с датчиков Холла при прохождении мимо них вкладышей 5. Таким образом, решая уравнение (1), можно найти величину угла закрутки потока, а затем из соотношения (2) скорость потока v. Площадь S, на которую действует набегающий поток, в данном случае площадь проекции лопасти. Она определяется из соотношения S=S_о·sinΦ, где S_о геометрическая площадь лопасти.To determine the twist angle, a constant voltage is applied to the coil of the electromagnet 6, while the electromagnetic field of the coil interacts with the magnetic field of the liners 5. By changing the voltage, you can slow down the rotation of the impeller 3 until it stops at the position when the blade with the magnetic liner 5 is located strictly under the electromagnet 6, which means the equality of the efforts of the electromagnetic field of the coil and the pressure of the measured flow, acting normal to the blade. Having the dependence of the voltage on the coil of the electromagnet 6 and the moment on the impeller 3, it is possible to determine the magnitude of the moment X (see equation 1). In the case under consideration in equation (1), the moment of inertia of the rotating system I is the moment of inertia of the impeller 3, which can be neglected, since it manifests itself only at the time of starting the device, and the damping constant At the moment of friction in the bearings of rotation of the axles 4 of the impeller 3, which can also be neglected , since before installation the impeller is subjected to static balancing on the basis that the friction moment should be an order of magnitude less than the expected moment of rotation of the impeller 3. The value C in the case under consideration is the tangential pressure force of the flow component normal to the impeller blade 3 can be found by the speed of rotation of the impeller 3, which, in turn, is determined by the number of signals taken from the Hall sensors when inserts 5 pass by them. Thus, solving equation (1), we can find flow swirl angle, and then from relation (2) the flow velocity v. The area S on which the incident flow acts, in this case the projection area of the blade. It is determined from the relation S = S _о · sinΦ, where S _{о is the} geometric area of the blade.

Направление закрутки потока определяется при помощи датчиков Холла, с которых под воздействием постоянного магнитного поля вкладышей 5 снимаются соответственно электрические сигналы U₂ и U₁. На каждый датчик подают сигналы разного уровня и снимают также сигналы разного уровня. При приближении к датчикам Холла 7 и 8 вкладыша 5 амплитуда синусоидального напряжения, поступающего на них от генератора 12 (см.фиг.6) увеличивается. В результате c датчиков снимаются сигналы, имеющие вид закругленных пикообразных импульсов. Далее, сигналы детектируются детекторами 13, усиливаются усилителями 14, и подаются на согласующие устройства 15, разделяющие их во времени. После этого сигналы поступают на регистрирующее устройство 16, чаще всего самописец, который дает наглядное представление о взаимном расположении импульсов. При вращении крыльчатки 3 по часовой стрелке (на фиг.2) эпюры снимаемых напряжений соответствуют изображенным на фиг.3, т.е. если вкладыш 5 проходит вначале мимо датчика 8, а затем мимо датчика 7, то регистрирующее устройство 16 фиксирует опережение сигналом U₁ сигнала U₂. При вращении крыльчатки против часовой стрелки (фиг.2) эпюры напряжений соответствуют изображенным на фиг. 4, где видно, что сигнал U₂ опережает сигнал U₁. Во избежание сбоев в индикации, например, появления ложных сигналов при заторможенной крыльчатке 3, один из магнитных вкладышей 5 закреплен так, что создает сигнал обратной полярности, который одновременно может служить и для начала отсчета при определении скорости вращения крыльчатки 3.The direction of the swirling flow is determined using Hall sensors, from which under the influence of a constant magnetic field of the liners 5 are removed, respectively, the electrical signals U ₂ and U ₁ . Signals of a different level are supplied to each sensor and signals of a different level are also taken. When approaching the Hall sensors 7 and 8 of the insert 5, the amplitude of the sinusoidal voltage supplied to them from the generator 12 (see figure 6) increases. As a result, signals having the form of rounded peak-like pulses are recorded from the sensors. Further, the signals are detected by detectors 13, amplified by amplifiers 14, and fed to matching devices 15, which separate them in time. After that, the signals are fed to the recording device 16, most often a recorder, which gives a visual representation of the relative position of the pulses. When the impeller 3 rotates clockwise (in FIG. 2), the diagrams of the removed stresses correspond to those depicted in FIG. 3, i.e. if the insert 5 first passes by the sensor 8, and then by the sensor 7, then the recording device 16 detects the advance signal U _{1 of the} signal U ₂ . When the impeller rotates counterclockwise (FIG. 2), the stress plots correspond to those depicted in FIG. 4, where it can be seen that the signal U _{2 is} ahead of the signal U ₁ . In order to avoid malfunctions in the display, for example, the appearance of false signals when the impeller 3 is inhibited, one of the magnetic inserts 5 is fixed so that it creates a signal of reverse polarity, which can also serve as a reference for determining the speed of rotation of the impeller 3.

Чувствительность крыльчатки 3 дает возможность отмечать турбулизацию измеряемого потока. При завихрениях в потоке появляется несимметричность давления на лопасти, что отмечается неравномерностью вращения крыльчатки 3. Эпюры напряжения, снимаемые с датчиков 7 и 8, в этом случае имеют вид, показанный на фиг.5. По величине амплитуды и частоте колебаний можно судить о величине турбулизации измеряемого потока. В большинстве случаев подобные измерения оказываются достаточными для получения представления о степени завихрений. The sensitivity of the impeller 3 makes it possible to note the turbulization of the measured flow. When there is turbulence in the flow, pressure asymmetry appears on the blades, which is noted by the uneven rotation of the impeller 3. The voltage plots taken from the sensors 7 and 8, in this case, have the form shown in Fig. 5. By the magnitude of the amplitude and frequency of oscillations, one can judge the magnitude of the turbulization of the measured flow. In most cases, such measurements are sufficient to gain an idea of the degree of turbulence.

Таким образом, катетер позволяет повысить точность определения параметров потока и достоверность результатов измерения благодаря прохождению потока через торцевое отверстие кожуха, что повышает чувствительность крыльчатки, и отсутствию деформации потока при прохождении его через внутреннюю полость кожуха. Thus, the catheter can improve the accuracy of determining the flow parameters and the reliability of the measurement results due to the passage of the stream through the end opening of the casing, which increases the sensitivity of the impeller, and the absence of deformation of the stream when it passes through the inner cavity of the casing.

Расположение одного из магнитных вкладышей так, что его полярность противоположна полярности остальных, увеличивает достоверность определения направления вращения потока. The location of one of the magnetic liners so that its polarity is opposite to the polarity of the others increases the reliability of determining the direction of rotation of the stream.

Устройство не нуждается в дополнительной градуировке и применении эквивалента при изменении условий обтекания преобразователя и дает возможность упростить методику измерений. The device does not need additional calibration and the use of an equivalent when changing the flow conditions around the converter and makes it possible to simplify the measurement procedure.

Катетер можно использовать для измерения параметров кровотока и его структуры "in vivo" в качестве нового инструмента для диагностики и обследования в области искусственного кровообращения и сердечно-сосудистой хирургии. The catheter can be used to measure blood flow parameters and its in vivo structure as a new tool for diagnosis and examination in the field of cardiopulmonary bypass and cardiovascular surgery.

Claims

1. A CATHETER FOR HYDRODYNAMIC MEASUREMENTS OF BLOOD FLOW IN A CARDIOVASCULAR SYSTEM, comprising a flexible tube with a transducer at the end, consisting of a cylindrical casing installed in it with the possibility of rotation of the impeller and two Hall sensors, characterized in that the impeller is made of non-magnetic material, on the edges of its blades have magnetic inserts with the radial orientation of the magnetic poles so that the end face of one blade has a polarity opposite to that of the other ends, and on the inside ozhuha mounted electromagnet and the Hall sensors.

2. The catheter according to claim 1, characterized in that the inner surface of the casing, the electromagnet and the Hall sensors are coated with a layer of a sealing substance.