RU2115439C1

RU2115439C1 - Artificial heart ventricle

Info

Publication number: RU2115439C1
Application number: RU96120827A
Authority: RU
Inventors: В.И. Шумаков; В.П. Ганин; В.Е. Толпекин
Original assignee: Научно-исследовательский институт трансплантологии и искусственных органов МЗ и МП РФ
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-07-20

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has two cylindrical electromechanical drives. Each drive is designed as a whole unit having electromotor and rotation-to-translation motion converter. The latter has non-coaxial helical transmission used as rotor of the electromotor with pusher mounted on outlet screw. Both electromechanical drives are coaxially arranged so that their pushers face each other and flexible blood chamber is placed between them. EFFECT: reduced level of traumatic injuries of surrounding tissues caused during implantation; active stimulation of hemodynamic behavior. 3 dwg

Description

Изобретение относится к кардиохирургии, в частности к механической помощи сердцу. The invention relates to cardiac surgery, in particular to mechanical assistance to the heart.

Известен желудочек сердца, включающий эластичную кровяную камеру, электромеханический привод цилиндрической формы и преобразователь движения в виде несоосной винтовой передачи [1]. В этом устройстве винтовая передача является частью конструкции ротора электродвигателя привода, а весь электропривод выполнен в форме цилиндра и расположен соосно с сердечным насосом. Компоновочное решение этого устройства таково, что приводит к ряду недостатков при имплантации его в организм в целях вспомогательного кровообращения. Известно, что при имплантации искусственного желудочка сердца в целях вспомогательного кровообращения с применением левожелудочкового обхода, механическое устройство помощи сердцу рационально располагать в абдоминальной полости организма [2]. Из приведенного материала видно, что для уменьшения травмы прилегающих к имплантируемому искусственному сердцу биотканей, его форма должна быть симметрична относительно плоскости диафрагмы сердечного насоса, поскольку одностороннее расположение привода приводит к перегибу подводящих кровяных магистралей, а также является причиной нежелательных механических воздействий работающего механизма на биоткани. Указанные требования учтены при проектировании искусственного желудочка сердца фирмы Novacor (HEART ASSIST SYSTEM N100) [3]. Компановка этого устройства такова, что его механизм симметричен относительно плоскости кровяной камеры и предусматривает двухстороннее воздействие на нее с помощью специальных пружинных толкателей, взводимых электромагнитом при пропускании через него кратковременного электрического импульса большой мощности. При этом динамические характеристики устройства (перемещение толкателей по времени, скорость толкателей по времени) не регулируются во время эксплуатации устройства, а обеспечиваются предварительно заданной настройкой. Это является существенным недостатком этого механизма. Как показала практика применения этого класса устройств, адекватная гемодинамика обеспечивается при наличии возможности воздействия на параметры движения толкателя в процессе эксплуатации. Действительно, отсутствие такой регулировки в прототипе не позволяет обеспечить такие физиологические параметры, как отношение времени систолы к времени диастолы, частоту пульсаций в широком диапазоне, фронт нарастания давления, а как следствие, невозможность активно воздействовать на кровоток и устойчиво поддерживать гомеостаз. Known ventricle of the heart, including an elastic blood chamber, an electromechanical cylindrical drive and a motion converter in the form of an off-axis helical gear [1]. In this device, a helical gear is part of the design of the rotor of the drive motor, and the entire drive is made in the form of a cylinder and is aligned with the heart pump. The layout solution of this device is such that it leads to a number of disadvantages when it is implanted into the body for the purpose of auxiliary circulation. It is known that during implantation of an artificial ventricle of the heart for the purpose of auxiliary circulation using left ventricular bypass, it is rational to place a mechanical device to help the heart in the abdominal cavity of the body [2]. It can be seen from the above material that in order to reduce the trauma of biological tissues adjacent to the implanted artificial heart, its shape must be symmetrical with respect to the plane of the diaphragm of the heart pump, since the unilateral arrangement of the drive leads to the bending of the blood supply lines, and also causes undesirable mechanical effects of the working mechanism on biological tissues. These requirements were taken into account when designing the Novacor artificial heart ventricle (HEART ASSIST SYSTEM N100) [3]. The arrangement of this device is such that its mechanism is symmetrical relative to the plane of the blood chamber and provides for two-sided impact on it with the help of special spring pushers cocked by an electromagnet while passing through it a short-term electrical pulse of high power. In this case, the dynamic characteristics of the device (the movement of the pushers in time, the speed of the pushers in time) are not regulated during operation of the device, but are provided with a predefined setting. This is a significant drawback of this mechanism. As the practice of using this class of devices has shown, adequate hemodynamics is ensured if there is a possibility of influencing the parameters of the pusher movement during operation. Indeed, the lack of such adjustment in the prototype does not allow to provide such physiological parameters as the ratio of systole time to diastole time, pulsation frequency in a wide range, pressure rise front, and as a result, the inability to actively influence the blood flow and to sustain homeostasis steadily.

Целью изобретения является уменьшение травмы окружающих тканей при имплантации искусственного желудочка сердца и усиление активного воздействия на гемодинамику. The aim of the invention is to reduce the trauma of surrounding tissues during implantation of an artificial ventricle of the heart and increase the active effect on hemodynamics.

Поставленная цель достигается тем, что используются два электромеханических привода цилиндрической формы, располагаемых соосно так, что их толкатели обращены друг другу, а между ними располагается эластичная кровяная камера. This goal is achieved by the use of two electromechanical actuators of cylindrical shape, arranged coaxially so that their pushers are facing each other, and between them is an elastic blood chamber.

На фиг. 1 приведен чертеж общего вида устройства; на фиг. 2 - боковой вид устройства; на фиг. 3 иллюстрируются возможности регулирования перемещения толкателей во время рабочего цикла. In FIG. 1 is a drawing of a General view of the device; in FIG. 2 is a side view of the device; in FIG. 3 illustrates the possibilities of controlling the movement of the pushers during the working cycle.

Эластичная кровяная камера 1 с входным клапаном 2 и выходным клапаном 3 расположены в корпусе 4. К корпусу 4 жестко крепятся электромеханический привод 5 с толкателем 6, снабженным ограничителями вращения 7 и электромеханический привод 8 с толкателем 9, снабженным ограничителями вращения 10. Ограничитель вращения 7 имеет возможность скользить в отверстиях 11 корпуса электродвигателя 12, а ограничитель вращения 10 имеет возможность скользить в отверстиях 13 корпуса электродвигателя 14. Каждый из электроприводов содержат статорные обмотки электродвигателя 15, 16, установленные в корпусах электродвигателя 12, 14. Электромеханический привод 5 имеет ротор 17, снабженный несоосной винтовой передачей 18, выходной винт 19 которой жестко связан с толкателем 6 и обмотку 20. Электромеханический привод 8 имеет ротор 21, снабженный несоосной винтовой передачей 22, выходной винт 23 которой жестко связан с толкателем 9 и обмотку 24. Электродвигатели идентичны и выполнены в виде реверсивного вентильного электродвигателя постоянного тока. An elastic blood chamber 1 with an inlet valve 2 and an outlet valve 3 is located in the housing 4. An electromechanical drive 5 with a pusher 6 equipped with rotation limiters 7 and an electromechanical drive 8 with a pusher 9 equipped with rotation limiters 10 are rigidly attached to the housing 4. The rotation limiter 7 has the ability to slide in the holes 11 of the motor housing 12, and the rotation limiter 10 has the ability to slide in the holes 13 of the motor housing 14. Each of the electric drives contains stator windings of the electrode wiggles 15, 16 installed in the motor housing 12, 14. The electromechanical drive 5 has a rotor 17 provided with an off-axis helical gear 18, the output screw 19 of which is rigidly connected to the pusher 6 and the winding 20. The electromechanical drive 8 has a rotor 21 equipped with an off-axis helical gear 22, the output screw 23 of which is rigidly connected to the pusher 9 and the winding 24. The electric motors are identical and are made in the form of a reversible DC DC motor.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При подаче электрического напряжения на статорные обмотки электродвигателя 15 и 16, роторы 17 и 21 начинают вращаться, при этом выходные винты 19 и 23 выдвигаются из тела несоосных винтовых передач 18 и 22, а толкатели 6 и 9 сжимают эластичную кровяную камеру 1 и вытесняют кровь через клапан 3 в кровяную магистраль (фаза систолы). При смене полярности напряжения на статорных обмотках электродвигателя 15 и 16, происходит реверс электродвигателей, при этом выходные винты 19 и 23 втягиваются в тело несоосных винтовых передач 18 и 22, а толкатели 6 и 9 освобождают эластичную кровяную камеру 1. За счет внутрикровяного давления происходит наполнение эластичной кровяной камеры 1 через клапан 2 кровью (фаза диастолы). When applying voltage to the stator windings of the electric motor 15 and 16, the rotors 17 and 21 begin to rotate, while the output screws 19 and 23 are pulled out of the body of the misaligned screw gears 18 and 22, and the pushers 6 and 9 compress the elastic blood chamber 1 and displace the blood through valve 3 into the blood line (systole phase). When the polarity of the voltage changes on the stator windings of the electric motor 15 and 16, the electric motors are reversed, while the output screws 19 and 23 are drawn into the body of the misaligned screw gears 18 and 22, and the pushers 6 and 9 release the elastic blood chamber 1. Due to the blood pressure, filling occurs elastic blood chamber 1 through valve 2 with blood (diastole phase).

Изобретение позволяет создать малогабаритную конструкцию искусственного желудочка сердца, симметричную относительно плоскости кровяной камеры, что обеспечивает удачную его имплантацию в абдоминальную полость организма без существенной деформации биотканей. Созданная при этом система электромеханических приводов дает возможность активно управлять динамикой движения толкателей в процессе работы устройства, что позволяет адекватно изменять гемодинамику, в зависимости от состояния пациента. Это видно из представленных кривых, при этом приняты следующие обозначения. The invention allows to create a small-sized design of an artificial ventricle of the heart, symmetrical with respect to the plane of the blood chamber, which ensures its successful implantation into the abdominal cavity of the body without significant deformation of biological tissues. The system of electromechanical drives created at the same time makes it possible to actively control the dynamics of the pushers in the process of the device, which allows you to adequately change the hemodynamics, depending on the condition of the patient. This can be seen from the presented curves, with the following notation.

T_с - время систолы искусственного желудочка сердца;
T_д - время диастолы искусственного желудочка сердца;
S₁ - перемещение толкателя первого электродвигателя по времени;
τ₁ - время выбега первого электродвигателя при систоле;
τ₂ - время работы первого электродвигателя при систоле;
ΔT - задержка включения второго электродвигателя;
τ₃ - время торможения первого электродвигателя при систоле;
τ₄,τ₅,τ₆ - соответствующие параметры при диастоле;

, S₂ - соответствующие параметры для второго электродвигателя;
S - суммарное перемещение толкателей.T _with - systole time of the artificial ventricle of the heart;
T _d - diastole time of the artificial ventricle of the heart;
S ₁ - movement of the pusher of the first electric motor in time;
τ ₁ - the coasting time of the first electric motor with systole;
τ ₂ - the operating time of the first electric motor with systole;
ΔT is the delay in turning on the second electric motor;
τ ₃ - braking time of the first electric motor with systole;
τ ₄ , τ ₅ , τ ₆ are the corresponding parameters for diastole;

, S ₂ are the corresponding parameters for the second electric motor;
S - total movement of the pushers.

Из представленных иллюстраций видно, что суммарное перемещение толкателей, а следовательно, объем вытесняемой из кровяной камеры крови зависит от технических параметров электродвигателя - мощности, скорости вращения и от момента его включения и выключения. Поскольку все эти параметры для каждого электродвигателя можно менять в процессе работы, величину изменения объема вытесняемой крови по времени можно менять в широких пределах. From the presented illustrations it is seen that the total movement of the pushers, and therefore the volume of blood displaced from the blood chamber, depends on the technical parameters of the electric motor - power, rotation speed and the moment it is turned on and off. Since all these parameters for each electric motor can be changed during operation, the amount of change in the volume of displaced blood over time can be changed over a wide range.

Литература
1. Авторское свидетельство СССР N 1570072 кл. A 61 M 1/10.Literature
1. Copyright certificate of the USSR N 1570072 class. A 61 M 1/10.

2. CARDIAC SURGERY; State of the Art Reviews. October 1989. Vol.3. Nb.3. Pp. 521-542. HANLEY & BELFUS, INC. Philadelphia. USA. 2. CARDIAC SURGERY; State of the Art Reviews. October 1989. Vol. 3. Nb. 3. Pp. 521-542. HANLEY & BELFUS, INC. Philadelphia USA

3. PST/US83/01891. INT. CL. F 04 B 43/04. WO 84/02164. 3. PST / US83 / 01891. INT. CL. F 04 B 43/04. WO 84/02164.

Claims

An artificial ventricle of the heart, containing an elastic blood chamber and an electromechanical drive, including two pushers, an elastic blood chamber is located between the pushers, characterized in that two electromechanical drives are used, having a cylindrical shape, each electromechanical drive includes an electric motor and a translational rotational motion converter in the form of an uncoaxial helical gear with a pusher, and the pushers of electric drives are facing each other.