RU2665179C1

RU2665179C1 - Artificial heart

Info

Publication number: RU2665179C1
Application number: RU2018104530A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Готье; Георгий Пинкусович Иткин
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2018-08-28

Abstract

FIELD: medicine.SUBSTANCE: invention relates to medical technology, namely to extracorporeal and implantable devices of mechanical blood circulation support, based on the use of rotary blood pumps. Artificial heart contains left and right rotary blood pumps, each of which is connected to the pump control unit, which provides a constant speed of rotation of the pump impeller. In parallel to each pump, from one side to the inlet part of the pump main, and on the other hand to the outlet part of the pump main there is connected a separate channel for controlled recirculation of the blood, containing the valve. Each valve is connected to the valve control unit, which includes a frequency and duty cycle unit independently for each valve. Valve control unit has ability to independently regulate the blood flow of each blood-recycling channel with partial or complete overlap and the opening of its lumen.EFFECT: technical result consists in ensuring stability of intranasal hemodynamics and minimizing the trauma of blood, thrombosis, regurgitation in the diastolic phase.3 cl, 2 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к экстракорпоральным и имплантируемым устройствам механической поддержки кровообращения (МПК), основанным на применении роторных насосов (РН) крови (насосы непульсирующего потока (ННП)).The invention relates to medical equipment, namely to extracorporeal and implantable devices for mechanical support of blood circulation (IPC), based on the use of rotary pumps (RN) of blood (non-pulsating flow pumps (NNP)).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Метод МПК с использованием РН, построенных на принципе центробежных, осевых и роликовых устройств, занял ведущее направление (94%) в мировой клинической практике для лечения больных с терминальной сердечной недостаточностью (ТСН). Это связано с существенными преимуществами данных насосов по сравнению с пульсирующими насосами, обусловленными, прежде всего, их малыми размерами, высокой энергетической эффективностью, большей надежностью и ресурсом. Данная технология успешно применяется при изолированной левожелудочковой недостаточности с высоким процентом выживаемости пациентов (85% в первый год имплантации).The MPC method using pH, built on the principle of centrifugal, axial and roller devices, has taken a leading direction (94%) in world clinical practice for the treatment of patients with terminal heart failure (TSN). This is due to the significant advantages of these pumps compared to pulsating pumps, due primarily to their small size, high energy efficiency, greater reliability and resource. This technology is successfully used in isolated left ventricular failure with a high percentage of patient survival (85% in the first year of implantation).

Однако более чем в 30% случаев больные с ТСН имеют двусторонюю сердечную недостаточность и процент выживаемости этих пациентов значительно снижен. Поэтому решение данной проблемы состоит либо в бивентрикулярном обходе, либо в имплантации искусственного сердца (ИС) (Sunagawa G, Horvath D.J., Karimo J.H., Moazami N. et al. Future Prospects for the Total Artificial Heart //J Expert Review of Medical Device 2016 p 1-29).However, in more than 30% of cases, patients with TSN have bilateral heart failure and the survival rate of these patients is significantly reduced. Therefore, the solution to this problem consists in either biventricular bypass or implantation of an artificial heart (IS) (Sunagawa G, Horvath DJ, Karimo JH, Moazami N. et al. Future Prospects for the Total Artificial Heart // J Expert Review of Medical Device 2016 p 1-29).

В настоящее время в клинической практике единственным устройством искусственного сердца является SynCardia ТАН (CardioWest Inc), представляющее собой два имплантируемых искусственных желудочка сердца с внешними электропневмоприводом и системой энергопитания. Широкое внедрение данной технологии ограничивается теми же недостатками данной системы, что и поставило на второй план системы вспомогательного кровообращения с помощью РН: относительно большие габариты ИС, которые не позволили создать полностью имплантируему систему ИС, более низкая надежнсть и ресурс.Currently, in clinical practice, the only artificial heart device is SynCardia TAN (CardioWest Inc), which is two implantable artificial cardiac ventricles with external electric air drive and an energy supply system. The widespread introduction of this technology is limited by the same drawbacks of this system, which has put on the back burner the secondary circulatory system using pH: the relatively large dimensions of the IC, which did not allow the creation of a fully implantable IP system, lower reliability and resource.

С другой стороны, клиническое применение имплантируемого электромеханического пульсируещего ИС Abiocor™ ТАН (Abiomed Inc) ограничивалось несколькими случаями. Одной из причиной этого была высокая стоимости системы. Поэтому в последние годы внимание разработчиков ИС было направлено на использование РН в силу их преимуществ перед насосами пульсирующего потока. При этом при создании ИС на основе правого и левого РН могли располагаться в одном корпусе и приводиться от одного бесконтактного двигателя постоянного тока. Не менее важным является относительно более низкая стоимость такого ИС.On the other hand, the clinical use of the Abiocor ™ TAN implantable electromechanical pulsating IC (Abiomed Inc) has been limited to a few cases. One reason for this was the high cost of the system. Therefore, in recent years, the attention of IS developers has been focused on the use of LV due to their advantages over pulsating flow pumps. At the same time, when creating ICs based on the right and left LVs, they could be located in one housing and be driven by a single non-contact DC motor. Equally important is the relatively lower cost of such an IP.

Первые применения в качестве имплантируемого ИС двух РН, которые работали в неспульсирующем режиме, также не получили клинического внедрения, создавая в организме нефизиологический непульсирующий поток.The first applications as an implantable IC of two PHs that worked in a non-pulsating mode also did not receive clinical introduction, creating a non-physiological non-pulsating flow in the body.

Известно устройство ИС (US 2014172087, А1) центробежного типа, ротор электрического двигателя которого вращает два рабочих колеса для подачи крови в большой и малый круг кровообращения.A device is known IP (US 2014172087, A1) of a centrifugal type, the rotor of an electric motor which rotates two impellers for supplying blood to the large and small circles of blood circulation.

Известно устройство ИС (US 2013331934, А1) центробежного типа. Устройство имеет крыльчатку с одной стороны импеллера и соответственно крыльчатку с другой стороны импеллера. Учитывая, что периферическое сопротивление большого и малого кругов кровообращения значительно отличаются в данном изобретении описан метод управления системой и конструкция крыльчатки для левого и правого канала.A known device IP (US 2013331934, A1) centrifugal type. The device has an impeller on one side of the impeller and, accordingly, an impeller on the other side of the impeller. Given that the peripheral resistance of the large and small circles of blood circulation are significantly different in this invention describes the method of controlling the system and the design of the impeller for the left and right channel.

Известно устройство ИС (US 9192702, В2), в котором раскрыта технология управления ИС с помощью встроенного микроконтроллера, который регулирует скорость двигателя в ответ на гемодинамические изменения артериального давления, физическую активность пациента.An IP device is known (US 9192702, B2), which discloses an IP control technology using a built-in microcontroller that controls the engine speed in response to hemodynamic changes in blood pressure, physical activity of the patient.

Известно устройство ИС (US 8870951, В1), в котором обеспечивается автоматическое регулирование потоком крови для левого и правого насосов и поддержание баланса давлений за счет минимизации градиентов давлений при использовании высокой чувствительности потока крови к давлению в РН.An IP device is known (US 8870951, B1), which provides automatic regulation of the blood flow for the left and right pumps and maintaining a pressure balance by minimizing pressure gradients when using high sensitivity of the blood flow to the pressure in the pH.

Описаны и другие системы РН, которые могут быть использованы для ИС с модуляцией скорости вращения рабочего колеса (US 2011178361, Al; US 9579435, В2; US 9345824, В2).Other LV systems that can be used for IS with modulation of the impeller rotation speed are described (US 2011178361, Al; US 9579435, B2; US 9345824, B2).

В качестве прототипа нами выбрано устройство и способ управления РН, описанные в US 8864644, В2. Устройство-прототип содержит насос роторного типа. В состав устройства входит привод, который периодически изменяет частоту вращения ротора насоса.As a prototype, we have chosen a device and a method for controlling the pH described in US 8864644, B2. The prototype device contains a rotary pump type. The device includes a drive that periodically changes the speed of the pump rotor.

Недостатком описанных выше устройств, включая прототип, является периодическое изменение скорости вращения рабочего колеса насоса, которое может привести к травме крови. Кроме того, в данных устройствах из-за малой пульсации потока имеются проблемы, связанные с образованием тромбов в правым насосе, поскольку гидралическое сопротивление малого круга в несколько раз меньше гидравлического сопротивления большого круга, а левый и правый насос имеют один привод, то последовательо с правым насосом вводят дополнительное гидравлическое сопротивления для выравнивания расходов крови по двум кругам кровообращения. Данная стратегия принята и при подключении в качестве ИС двух независимых РН. При этом из-за меньшего перпада давлений на правом насосе согласно расходно-напорной характеристике РН в правом насосе снижается пульсация, что приводит к повышенному тромбообразованию в правом насосе по сравнению с левым насосом.The disadvantage of the above devices, including the prototype, is the periodic change in the speed of rotation of the impeller of the pump, which can lead to blood injury. In addition, in these devices, due to small flow pulsation, there are problems associated with the formation of blood clots in the right pump, since the hydraulic resistance of the small circle is several times lower than the hydraulic resistance of the large circle, and the left and right pumps have one drive, then sequentially with the right an additional hydraulic resistance is introduced by the pump to equalize blood flow rates in two circles of blood circulation. This strategy was adopted when two independent LVs were connected as IP. At the same time, due to the lower pressure drop on the right pump, according to the flow-pressure characteristic of the pH in the right pump, the pulsation decreases, which leads to increased thrombosis in the right pump compared to the left pump.

Кроме того, при использовании в качестве ИС существующих РН, разработанных ранее для левожелудочкового обхода с применением режима переменной скорости вращения требуются существенная переработка, доработка блоков управления насосами.In addition, when using existing LVs developed earlier for left ventricular bypass with the use of variable rotation speed mode as IS, significant processing and refinement of pump control units are required.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Предложено искусственное сердце, содержащее левый и правый роторный насосы крови, каждый из которых связан с блоком управления насосом, обеспечивающим поддержание заданной скорости вращения рабочего колеса насоса постоянной. К каждому из насосов параллельно входной и выходной магистралям подключен отдельный канал регулируемой рециркуляции крови, содержащий клапан. Клапаны связаны с блоком управления клапанами, включающим блок задания частоты и скважности работы раздельно для каждого клапана. Блок управления клапанами имеет возможность независимого регулирования потоком крови каждого канала рециркуляции с частичным или полным перекрытием и открытием его просвета.An artificial heart is proposed that contains left and right rotary blood pumps, each of which is connected to a pump control unit, which ensures that the pump rotor speed is kept constant. A separate adjustable blood circulation channel containing a valve is connected to each pump parallel to the inlet and outlet lines. The valves are connected to the valve control unit, including a unit for setting the frequency and duty cycle separately for each valve. The valve control unit has the ability to independently control the blood flow of each recirculation channel with partial or complete closure and opening of its lumen.

В искусственном сердце может быть использован электромеханический клапан.In an artificial heart, an electromechanical valve can be used.

Канал регулируемой рециркуляции крови может быть подключен к входной и выходной магистралям насоса через тройники.The adjustable blood recirculation channel can be connected to the inlet and outlet lines of the pump through tees.

Для реализации режима искусственного сердца общие вход и выход правого насоса с каналом регулируемой рециркуляции крови подключены экстракорпорально или интракорпорально по схеме «правое предсердие-легочная артерия», а левого насоса с каналом регулируемой рециркуляции крови - по схеме «левое предсердие-аорта».To implement the artificial heart regime, the common input and output of the right pump with a channel for controlled blood recirculation are connected extracorporeally or intracorporeally according to the “right atrium-pulmonary artery” circuit, and the left pump with a channel for controlled blood recirculation is connected according to the “left atrium-aorta” circuit.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в:The technical result achieved by the implementation of the present invention is:

- обеспечении стабильности внутринасосной гидродинамики, минимизации травмы крови в системах ИС на базе РН за счет генерации ими на выходе из системы насос-шунт физиологического пульсирующего потока без изменения скорости вращения рабочего колеса насоса;- ensuring the stability of the internal pump hydrodynamics, minimizing blood trauma in the IP systems based on the pH due to the generation of a physiological pulsating flow at the outlet of the pump-shunt system without changing the speed of rotation of the pump impeller;

- улучшении условий внутринасосной гидродинамики правого насоса за счет увеличения пульсационной составляющей, что способствует снижению вероятности его тромбоза;- improving the conditions of the internal pump hydrodynamics of the right pump by increasing the pulsation component, which reduces the likelihood of thrombosis;

- предотвращении условий появления опасного режима разрежения и регургитации в диастолической фазе;- preventing the occurrence of a dangerous rarefaction and regurgitation regime in the diastolic phase;

-реализации ИС на основе разработанных ранее конструкций ННП, предназначенных для левожелудочкового обхода.-realization of IP based on previously developed designs of NNP, designed for left ventricular bypass.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ Существо изобретения поясняется на фигурах, где на фиг. 1 показана схема генерации пульсирующего потока в ИС с применением РН и канала рециркуляции (КР) с управляемым клапаном;BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention is illustrated in the figures, where in FIG. 1 shows a diagram of the generation of a pulsating flow in an IC using a PH and a recirculation channel (RC) with a controlled valve;

на фиг. 2 показана показана диаграмма давлений и расходов, полученных на двухкруговом гидродинамическом стенде, при работе левого и правого РН в пульсирующем с помощью системы насос-шунт режимах.in FIG. Figure 2 shows a diagram of pressures and flows obtained at a two-circle hydrodynamic test bench during operation of the left and right launch vehicles in pulsating modes using a pump-shunt system.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Патентуемое устройство содержит левый и правый РН 1, 2 (осевой или центробежный), при этом выход и вход каждого насоса через первый и второй тройники соединены с КР 3, 4 в виде трубок определенного сечения с установленным на нем электромагнитными клапанами 5,6 соединенными с блоком управления 7, обеспечивающим заданную частоту и скважность сокращений по левому и правому каналам.The patented device contains left and right pH 1, 2 (axial or centrifugal), while the output and input of each pump through the first and second tees are connected to KR 3, 4 in the form of tubes of a certain section with installed on it solenoid valves 5,6 connected to a control unit 7, providing a given frequency and duty cycle of contractions along the left and right channels.

При подключения КР 3, 4 к правому и левому РН 1, 2 клапаны 5, 6 частично или полностью их перекрывают, увеличивая поток крови на выходе системы в систолическую фазу, а в диастолическую фазу частино или полностью открывают КР 3, 4, уменьшая поток крови в аорту 8 и легочную артерию 9. В свою очередь входы систем РН 1, 2-КР 3, 4 подключены к левому 10 и правому 11 предсердиям. Таким образом, на выходе системы РН 1, 2-КР 3, 4 т.е. в аорте 8 и легочной артерии 9 формируется близкая к физиологической пульсация давления.When KP 3, 4 is connected to the right and left RN 1, 2, valves 5, 6 partially or completely shut them off, increasing the blood flow at the system exit to the systolic phase, and KP 3, 4 partially or completely open in the diastolic phase, reducing the blood flow into the aorta 8 and the pulmonary artery 9. In turn, the inputs of the pH 1, 2-KR 3, 4 systems are connected to the left 10 and right 11 atria. Thus, at the output of the pH 1, 2-KR 3, 4 system i.e. in the aorta 8 and pulmonary artery 9, a pressure pulsation close to physiological is formed.

Кроме того, режим работы систем РН 1, 2-КР 3, 4 в диастолической фазе способствует устранению опасного режима, связанного с возникновением разрежения на входе насоса при работе РН в непульсирующем режиме при высоких оборотах рабочего колеса.In addition, the operating mode of the pH 1, 2-KR 3, 4 systems in the diastolic phase helps to eliminate the dangerous mode associated with the occurrence of a vacuum at the pump inlet when the LV is in non-pulsating mode at high speeds of the impeller.

С другой стороны работа системы РН 1, 2-КР 3, 4 устраняет опасный режим обратной регургитации крови из артерии в желудочек, который имеет место при работе РН в непульсирующем рнжиме при малых оборотах ротора РН. Таким образом, на выходе заявляемой системыOn the other hand, the operation of the pH 1, 2-KR 3, 4 system eliminates the dangerous regime of reverse regurgitation of blood from the artery to the ventricle, which occurs when the pH is operating in a non-pulsating mode at low RP rotor speeds. Thus, the output of the claimed system

ИС генерируется физиологический пульсирующий поток жидкости по правому и левому каналам при постоянной скорости вращения ротора за счет импульсной работы клапанов 5,6, которые управляют потоком жидкости (крови) в КР 3, 4.The IS generates a physiological pulsating fluid flow through the right and left channels at a constant rotor speed due to the pulsed operation of valves 5.6, which control the flow of fluid (blood) in KR 3, 4.

Для реализации режима ИС сердца левая и правая системы РН 1, 2 - КР 3, 4 могут располагаться экстракорпорально или интракорпорально.To implement the regime of cardiac IP, the left and right systems of pH 1, 2 - CR 3, 4 can be located extracorporeal or intracorporeal.

Для реализации режима ИС правый и левый насосы с каналами регулируемой рециркуляции крови подключены по схеме «правое предсердие-легочная артерия» для правого насоса с каналом регулируемой рециркуляции крови и по схеме «левое предсердие-аорта» для левого канала регулируемой рециркуляции крови.To implement the IP mode, the right and left pumps with channels of controlled blood recirculation are connected according to the “right atrium-pulmonary artery” circuit for the right pump with a channel of controlled blood recirculation and according to the “left atrium-aorta” circuit for the left channel of controlled blood recirculation.

В качестве подтверждения возможности реализации заявленного назначения и достижения указанного технического результата приводим следующие экспериментальные данные.As confirmation of the possibility of realizing the claimed purpose and achieving the specified technical result, we present the following experimental data.

В качестве насосов в эксперименте на гидродинамическом стенде были использованы отечественные детские осевые насосы ДОН3 при расходе или минутном объеме сердца 1,8-1,9 л/мин, который соотвествует детям в возрасте 3-5 лет. При этом аортальный и легочные резервуары, имитирующие соотвественно аорту и легочную артерию, представляют собой емкости, заполненные жидкостью с воздушной подушкой, определяющей их эластичность (для легочного артерии эластичность равна 5,7 мл/мм рт.ст и для аорты эластичность аортального резервуара равна 2 мл/мм рт.ст). В качестве периферического сопротивления использовались гидравлические сопротивления (для малого круга кровообращения 0,4 мм рт.ст./мл/с и для большого круга кровобращения 1,2 мм. рт.ст/мл/с). Левое и правое предсердия имитировались открытыми резервуарами. При этом средний расход жидкости по левому каналу был больше среднего расхода жидкости по правому каналу на 0,1 л/мин с учетом бронхиального сброса. В условиях работы ИС данная разница расходов необходима для предотвращения отека легких.As pumps in the experiment at the hydrodynamic bench, DON3 domestic children's axial pumps were used at a flow rate or a cardiac output of 1.8-1.9 l / min, which corresponds to children aged 3-5 years. In this case, the aortic and pulmonary reservoirs, which respectively simulate the aorta and pulmonary artery, are containers filled with liquid with an air cushion that determines their elasticity (for the pulmonary artery, the elasticity is 5.7 ml / mmHg and for the aorta, the elasticity of the aortic reservoir is 2 ml / mmHg). As the peripheral resistance, hydraulic resistances were used (for a small circle of blood circulation 0.4 mm Hg / ml / s and for a large circle of blood circulation 1.2 mm Hg / ml / s). The left and right atria were simulated by open reservoirs. At the same time, the average fluid flow rate in the left channel was greater than the average fluid flow rate in the right channel by 0.1 l / min taking into account bronchial discharge. Under IP conditions, this cost difference is necessary to prevent pulmonary edema.

Таким образом, работа системы РН 1, 2-КР3, 4 в гидродинамическом стенде по левому и правому каналам создает условия повышенного систолического потока крови и минимизирует диастолический поток, генерируя при этом физиологический поток жидкости крови по большому и малому кругам кровооьращения.Thus, the operation of the pH 1, 2-KP3, 4 system in the hydrodynamic stand along the left and right channels creates conditions for increased systolic blood flow and minimizes diastolic flow, while generating a physiological blood fluid flow in the large and small circles of blood circulation.

Полученный эффект работы системы РН 1, 2 - КР 3, 4 показан на диаграмме (фиг. 2).The obtained effect of the pH 1, 2 - KR 3, 4 system is shown in the diagram (Fig. 2).

Как видно из диаграммы в имитаторах аорты и легочной артерии создаются физиологическое пульсирующее давление АД (давление в аортальном резервуаре 92/66 мм. рт.ст) и ЛА (давление в легочном резервуаре 19/13 мм рт.ст) при пульсации потока жидкости в большом круге кровообращения ΔQл=2 л/мин и ΔQп=0.6 л/мин в малом круге кровообращени, что способствует созданию условий для внутринасосной гидродинамики, препятствующей образовнию в полостях левого 1 и правого 2 РН зон стагнации и рециркуляции.As can be seen from the diagram in the simulators of the aorta and pulmonary artery, a physiological pulsating pressure is created for blood pressure (pressure in the aortic reservoir 92/66 mm Hg) and LA (pressure in the pulmonary tank 19/13 mm Hg) with pulsating fluid flow in large blood circulation ΔQl = 2 l / min and ΔQп = 0.6 l / min in the small circle of blood circulation, which contributes to the creation of conditions for internal pump hydrodynamics, which prevents the formation of stagnation and recirculation zones in the cavities of the left 1 and right 2 pH.

Для специалистов в области кардиологии должно быть очевидно, что в настоящее изобретение могут быть внесены различные модификации и изменения, не отступая от сущности или объема формулы изобретения, которые не нашли отражения в приведенном примере осуществления изобретения.For specialists in the field of cardiology, it should be obvious that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the essence or scope of the claims, which were not reflected in the example embodiment of the invention.

Claims

1. An artificial heart containing left and right rotary blood pumps, each of which is connected to a pump control unit that provides a predetermined rotation speed of the impeller of the pump constant, while parallel to each pump from one side to the input part of the pump line, and from the other to the output part of the pump line is connected to a separate channel for adjustable blood recirculation containing a valve; each valve is connected to a valve control unit, including a unit for setting the frequency and duty cycle independently for each valve, while the valve control unit has the ability to independently control the blood flow of each blood recirculation channel with partial or complete closure and opening of its lumen.

2. The artificial heart of claim 1, wherein the valve is used with an electromechanical actuator.

3. The artificial heart according to claim 1, wherein the channel for controlled blood recirculation is connected to the input and output parts of the pump line through tees.