RU2775347C1

RU2775347C1 - Artificial heart

Info

Publication number: RU2775347C1
Application number: RU2021114410A
Authority: RU
Inventors: Алексей Елезарович Медведев; Юрий Михайлович Приходько; Владислав Павлович Фомичев; Василий Михайлович Фомин; Вячеслав Павлович Чехов
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-06-29

Abstract

FIELD: medical equipment.

SUBSTANCE: artificial heart comprises a body with two, left and right, mutually isolated centrifugal rotary pumps acting as the left and right ventricles, an engine installed between the centrifugal rotary pumps on a common shaft therewith, and two circulating fluid circuits for the left and right centrifugal rotary pumps, with separate inputs and outputs. The centrifugal rotary pumps constitute disk pumps, have an equal amount of disks configured to ensure equal flow rate of the circulating fluid in the right and left circuits, and are installed with the same inter-disk distances. The diameter of the disks of the left centrifugal rotary pump is larger than the diameter of the disks of the right centrifugal rotary pump and is related to the diameter of the disks of the right centrifugal rotary pump by the ratio

and the pressures in the right and left circulating fluid circuits correlate as P_right = σ·P_left, wherein dright is the diameter of the disks of the right centrifugal rotary pump, d_left is the diameter of the disks of the left centrifugal rotary pump, P_right is the pressure in the right circulating fluid circuit, P_left is the pressure in the left circulating fluid circuit, σ is a magnitude determined by the medical and biological requirements.

EFFECT: ensured stability of intra-pump haemodynamics and minimised blood trauma and thrombosis.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к экстракорпоральным и имплантируемым устройствам механической поддержки кровообращения, основанным на применении роторных насосов крови.The invention relates to medical equipment, namely to extracorporeal and implantable mechanical circulatory support devices based on the use of rotary blood pumps.

Искусственное сердце может использоваться для поддержания жизни пациента, как в качестве постоянной замены, так и в качестве моста для последующей пересадки донорского сердца. Искусственное сердце включает в себя центробежный насос, который приводит в движение кровь через систему кровообращения пациента. Учитывая физиологическую важность системы кровообращения, совершенствование технологии искусственного сердца может непосредственно привести к улучшению результатов лечения пациентов и качества их жизни.An artificial heart can be used to keep a patient alive, either as a permanent replacement or as a bridge for a subsequent donor heart transplant. The artificial heart includes a centrifugal pump that propels blood through the patient's circulatory system. Given the physiological importance of the circulatory system, improvements in artificial heart technology can directly lead to improved patient outcomes and quality of life.

Известно искусственное сердце (патент RU 2665179, МПК А61М 1/10 2006.01). Изобретение основано на применении роторных насосов крови и содержит левый и правый роторные насосы крови, каждый из которых связан с блоком управления насосом, обеспечивающим заданную скорость вращения рабочего колеса насоса. Параллельно каждому насосу с одной стороны к входной части магистрали насоса, а с другой - к выходной части магистрали насоса подключен отдельный канал регулируемой рециркуляции крови, содержащий клапан. Каждый клапан связан с блоком управления, включающим блок задания частоты и скважности работы независимо для каждого клапана. Блок управления клапанами имеет возможность независимого регулирования потока крови каждого канала рециркуляции с частичным или полным перекрытием и открытием его просвета. Недостатком данного изобретения является наличие двух шнековых насосов, каждый из которых соединен с устройством регулировки числа оборотов. Так как насосов два и регулирующих устройств тоже два, то необходимо еще третье устройство, синхронизующее работу двух насосов для поддержания равенства расходов жидкости в двух контурах кровообращения.An artificial heart is known (patent RU 2665179, IPC A61M 1/10 2006.01). The invention is based on the use of rotary blood pumps and contains left and right rotary blood pumps, each of which is connected to a pump control unit that provides a given speed of rotation of the pump impeller. In parallel to each pump, on one side, to the inlet part of the pump line, and on the other hand, to the outlet part of the pump line, a separate channel of regulated blood recirculation is connected, containing a valve. Each valve is connected to a control unit, which includes a unit for setting the frequency and duty cycle independently for each valve. The valve control unit has the ability to independently regulate the blood flow of each recirculation channel with partial or complete blocking and opening of its lumen. The disadvantage of this invention is the presence of two screw pumps, each of which is connected to a speed control device. Since there are two pumps and two control devices, a third device is also needed to synchronize the operation of the two pumps in order to maintain equality of fluid flow rates in the two circulatory circuits.

Известен, также патент US 2014172087, МПК A61M 1/10; F04D 15/00, 2014-06-19. Система искусственного сердца, включающая в себя: электродвигатель, соединенный с ротором, который несет первое и второе рабочие колеса на противоположных его концах, где: первое рабочее колесо сообщается с системой сосудистой сети пациента; второе рабочее колесо сообщается с легочной сосудистой системой пациента; источник питания; контроллер, соединенный с источником питания и насосом. Контроллер запрограммирован для привода ротора с помощью двигателя, чтобы перемещать кровь от первого рабочего колеса через сосудистую сеть во второе рабочее колесо, легочную систему и обратно к первому рабочему колесу. Определяют электрическую мощность, подаваемую на двигатель, и определяют сопротивление сосудистой системы на основе первого параметра двигателя, который является функцией электрической мощности, подаваемой на двигатель. Определяют скорость потока через сосудистую сеть на основе второго параметра двигателя, который является функцией электрической мощности, подаваемой на двигатель, и позволяет варьировать, по меньшей мере, один операционный параметр искусственного сердца, чтобы поддерживать предварительно определенную взаимосвязь между системным кровотоком и сопротивлением сосудистой системы. Недостатком данного изобретения является наличие двух лопаточных роторов, отличающихся повышенным отрицательным механическим воздействием на кровь из-за использования в роторах лопаток, создающих динамические силы, характеризующиеся относительно большим уровнем тангенциальных сдвиговых напряжений на поверхности лопаток, что создает травмирование крови.Known, also patent US 2014172087, IPC A61M 1/10; F04D 15/00, 2014-06-19. An artificial heart system, including: an electric motor connected to a rotor that carries the first and second impellers at opposite ends thereof, where: the first impeller communicates with the patient's vasculature; the second impeller communicates with the patient's pulmonary vasculature; source of power; controller connected to power supply and pump. The controller is programmed to drive the rotor with a motor to move blood from the first impeller through the vasculature to the second impeller, the pulmonary system, and back to the first impeller. The electrical power supplied to the motor is determined, and the resistance of the vascular system is determined based on the first parameter of the motor, which is a function of the electrical power supplied to the motor. The flow rate through the vasculature is determined based on the second motor parameter, which is a function of the electrical power supplied to the motor and allows at least one operating parameter of the artificial heart to be varied in order to maintain a predetermined relationship between systemic blood flow and vascular resistance. The disadvantage of this invention is the presence of two bladed rotors, which are characterized by an increased negative mechanical effect on the blood due to the use of blades in the rotors that create dynamic forces characterized by a relatively high level of tangential shear stresses on the surface of the blades, which creates blood injury.

Описано искусственное сердце с центробежными роторными насосами (патент US 2013331934, A61F 2/24), которое выбрано за прототип. Искусственное сердце включает корпус, имеющий полые оболочки и расположенные напротив друг друга вокруг кольцевого разделителя. Искусственное сердце в таком исполнении это двухнасосное устройство, в котором насосы в оболочках получают кровь из входов и вытесняют ее из выходов. Насос расположен внутри оболочки корпуса для перекачивания крови через одну сторону искусственного сердца, а второй насос расположен внутри другой оболочки для перекачивания крови через другую сторону. Насос включает рабочее колесо, которое вращается во время работы, чтобы вызвать поток крови между входом и выходом из корпуса. Лопатки на передней части крыльчатки ускоряют поступление крови из входного отверстия и направляют кровь в радиальном направлении наружу к диффузорным лопаткам на диске. Диффузорные лопасти в целом повышают КПД насоса и регулируют давление потока в канале текучей среды, ведущем к выходу. Изменение характеристик выходного потока регулируют изменением положения лопаток.Described is an artificial heart with centrifugal rotary pumps (patent US 2013331934, A61F 2/24), which is selected as a prototype. The artificial heart includes a body having hollow shells and located opposite each other around an annular spacer. An artificial heart in this design is a two-pump device in which pumps in the shells receive blood from the inputs and displace it from the outputs. The pump is located inside the housing shell for pumping blood through one side of the artificial heart, and the second pump is located inside the other shell for pumping blood through the other side. The pump includes an impeller that rotates during operation to cause blood flow between the inlet and outlet of the housing. The vanes on the front of the impeller accelerate the flow of blood from the inlet and direct the blood radially outward to the diffuser vanes on the disc. Diffuser vanes generally improve pump efficiency and control flow pressure in the fluid channel leading to the outlet. The change in the characteristics of the output flow is controlled by changing the position of the blades.

Недостатком данного изобретения является отрицательное механическое воздействие на кровь из-за использования в роторах профилированных лопаток, которые создают динамические силы, характеризующиеся относительно большим уровнем тангенциальных сдвиговых напряжений на поверхности лопаток, создающих травмы крови. Кроме того, функция регулирования положения лопаток предполагает использование специального регулирующего устройства, что значительно усложняет конструкцию.The disadvantage of this invention is the negative mechanical effect on the blood due to the use of profiled blades in the rotors, which create dynamic forces characterized by a relatively high level of tangential shear stresses on the surface of the blades that create blood injuries. In addition, the function of adjusting the position of the blades involves the use of a special control device, which greatly complicates the design.

Задачей предлагаемого изобретения является: обеспечение стабильности внутри насосной гемодинамики и минимизации травмы крови (минимизация разрушения эритроцитов) и тромбоза.The objective of the invention is to ensure stability within pumping hemodynamics and minimize blood injury (minimize the destruction of red blood cells) and thrombosis.

Для достижения указанного результата предлагается использовать не лопаточные, а дисковые роторы, работающие за счет сил вязкого трения, что уменьшает отрицательное механическое воздействие на кровь из-за относительно низкого сдвигового напряжения на поверхности вращающихся дисков, что уменьшает травму крови.To achieve this result, it is proposed to use not bladed, but disc rotors operating due to viscous friction forces, which reduces the negative mechanical effect on the blood due to the relatively low shear stress on the surface of the rotating discs, which reduces blood trauma.

Поставленная задача решается благодаря конструктивному решению, а именно, искусственное сердце содержит корпус с двумя изолированными друг от друга центробежными роторными насосами, размещенными на одном валу с установленным между ними двигателем, и два контура циркуляции жидкости (крови) для левого и правого роторных насосов (желудочков) с раздельными входами и выходами жидкости. Согласно изобретению, используют дисковые центробежные роторные насосы с равным, по крайней мере количеством дисков, установленных с одинаковым меж дисковым расстоянием, как в правом так и в левом контурах циркулирующей жидкости, а сами диски в правом и левом контуре выполнены с различными диаметрами, которые обеспечивают при одинаковом расходе циркуляции жидкости, требуемое (биологически необходимое) давление в правом Р_прав и левом Р_лев контурах циркулирующей жидкости, при этом размеры диаметров дисков связаны соотношением

где σ определяется медико-биологическими требованиями и равно условию Р_прав=σ⋅Р_лев. Величина междискового расстояния в обоих контурах циркулирующей жидкости обусловлена индивидуальными характеристиками крови пациента, например ее вязкости.The problem is solved thanks to a constructive solution, namely, an artificial heart contains a housing with two centrifugal rotary pumps isolated from each other, placed on the same shaft with an engine installed between them, and two fluid (blood) circulation circuits for the left and right rotary pumps (ventricles). ) with separate fluid inlets and outlets. According to the invention, disk centrifugal rotary pumps are used with at least the same number of disks installed with the same distance between the disks, both in the right and left circuits of the circulating fluid, and the disks themselves in the right and left circuits are made with different diameters, which provide at the same fluid circulation flow rate, the required (biologically necessary) pressure in the right Р _right and left Р _left circuits of the circulating liquid, while the dimensions of the disk diameters are related by the relation

where σ is determined by biomedical requirements and is equal to the condition R _right = σ⋅R _left . The value of the interdiscal distance in both circuits of the circulating fluid is due to the individual characteristics of the patient's blood, for example, its viscosity.

На череже схематично изображен общий вид искусственного сердца.The sketch shows a general view of the artificial heart.

Искусственное сердце включает корпус 1, имеющий полые изолированные друг от друга камеры 2 и 3, в которых размещены дисковые центробежные роторные насосы 4 и 5 (аналоги левого и правого желудочков сердца), расположенные на общем валу, и размещенный между ними двигатель 6, приводящий в движение оба центробежных ротора. Двухнасосное искусственное сердце имеет два контура циркуляции жидкости (крови), для выполнения функций левого и правого желудочков. Насосы 4 и 5 получают жидкость (кровь) из входов 7 для левого и 8 для правого контуров циркуляции жидкости и вытесняют ее соответственно из выходов 9 и 10. Центробежные роторные насосы 4 и 5 выполнены, по крайней мере, с равным количеством дисков в правом и левом контурах циркулирующей жидкости, установленных на валу с одинаковыми междисковыми расстояниями, выбранными для обоих роторов из условия оптимизации характеристик насосов и ускоряющих жидкость за счет сил вязкого трения и центробежных сил. Диаметры дисков в роторных насосах 4 и 5 разные, для левого желудочка диаметры дисков ротора 4 больше, чем диаметр дисков ротора 5 для правого желудочка. Это позволяет получить в системе кровообращения пациента при равном расходе правого и левого желудочков, давление крови больше для левого желудочка и меньше для правого, как это происходит в системе кровообращения человека.The artificial heart includes a body 1 having hollow chambers 2 and 3 isolated from each other, in which disc centrifugal rotary pumps 4 and 5 (analogues of the left and right ventricles of the heart) are placed, located on a common shaft, and an engine 6 placed between them, leading to movement of both centrifugal rotors. A double-pump artificial heart has two fluid (blood) circulation circuits to perform the functions of the left and right ventricles. Pumps 4 and 5 receive liquid (blood) from inlets 7 for the left and 8 for the right fluid circulation circuits and displace it, respectively, from outlets 9 and 10. Centrifugal rotary pumps 4 and 5 are made with at least an equal number of disks in the right and the left circuits of the circulating fluid, installed on the shaft with the same inter-disc distances, selected for both rotors from the condition of optimizing the characteristics of the pumps and accelerating the fluid due to the forces of viscous friction and centrifugal forces. The disc diameters in rotary pumps 4 and 5 are different, for the left ventricle the diameters of rotor discs 4 are larger than the diameter of rotor discs 5 for the right ventricle. This makes it possible to obtain in the patient's circulatory system with an equal flow rate of the right and left ventricles, the blood pressure is greater for the left ventricle and less for the right, as is the case in the human circulatory system.

Искусственное сердце, выполненное с двумя центробежными роторными насосами, работает следующим образом. Левый желудочек сердца соединяется с входом 7 насоса, а правый желудочек - с входом 8 насоса. Выход 9 соединяется с аортой, а выход 10 - с легочной артерией (на чертеже не показано). При работе искусственного сердца оба центробежных роторных насоса 4 и 5 жестко закреплены на одном валу и приводятся в движение двигателем 6. Разные давления для роторных насосов 4 и 5 определяются геометрическими размерами дисков в каждом роторе. Диски роторного насоса 4, вращаясь, создают движение крови, забирая ее из левого желудочка сердца через входной патрубок 7, и выбрасывают в аорту через выход 9. Одновременно с этим, диски роторного насоса 5, вращаясь, создают движение крови, забирая ее из правого желудочка сердца через входной патрубок 8, и выбрасывая в легочную артерию через выход 10. При этом кровь проходит сквозь зазор между дисками роторных насосов 4 и 5 с минимальными сдвиговыми напряжениями.Artificial heart, made with two centrifugal rotary pumps, works as follows. The left ventricle of the heart is connected to the input 7 of the pump, and the right ventricle - to the input 8 of the pump. Output 9 is connected to the aorta, and output 10 - with the pulmonary artery (not shown). During the operation of the artificial heart, both centrifugal rotary pumps 4 and 5 are rigidly fixed on the same shaft and driven by a motor 6. Different pressures for rotary pumps 4 and 5 are determined by the geometric dimensions of the disks in each rotor. The disks of the rotary pump 4, rotating, create the movement of blood, taking it from the left ventricle of the heart through the inlet 7, and eject it into the aorta through the outlet 9. At the same time, the disks of the rotary pump 5, rotating, create the movement of blood, taking it from the right ventricle heart through the inlet pipe 8, and ejecting into the pulmonary artery through the outlet 10. In this case, the blood passes through the gap between the disks of the rotary pumps 4 and 5 with minimal shear stresses.

Положительный эффект предложенного устройства заключается в том, что дисковые роторные насосы уменьшают отрицательное механическое воздействие на кровь оперированного пациента.The positive effect of the proposed device lies in the fact that disc rotary pumps reduce the negative mechanical effect on the blood of the operated patient.

Источники информацииSources of information

1. Патент RU 2665173, МПК А61М 1/10.1. Patent RU 2665173, IPC A61M 1/10.

2. Патент US 2014172087, МПК А61М 1/10, 2014-06-19.2. Patent US 2014172087, IPC A61M 1/10, 2014-06-19.

3. Патент US 2013331934, A61F 2/24 – прототип.3. Patent US 2013331934, A61F 2/24 - prototype.

Claims

An artificial heart containing a housing with two left and right centrifugal rotary pumps isolated from each other, performing the functions of the left and right ventricles, an engine installed between the centrifugal rotary pumps on a common shaft with them, and two circulating fluid circuits for the left and right centrifugal rotary pumps having separate inlets and outlets, characterized in that centrifugal rotary pumps are disc pumps, have an equal number of discs with the ability to provide equal flow in the right and left circuits of the circulating fluid and are installed with the same inter-disc distances, while the diameter of the discs of the left centrifugal rotary pump greater than the diameter of the disks of the right centrifugal rotary pump and is related to the diameter of the disks of the right centrifugal rotary pump by the ratio

and the pressures in the right and left circuits of the circulating fluid are related as

Р _right = σ⋅Р _left ,

where d is _right - the diameter of the disks of the right centrifugal rotary pump,

d _lion - the diameter of the disks of the left centrifugal rotary pump,

P _right - pressure in the right circuit of the circulating fluid,

P _lev - pressure in the left circuit of the circulating fluid,

σ is a value determined by biomedical requirements.