RU2815528C1 - Air separator for extracorporeal circulation system - Google Patents
Air separator for extracorporeal circulation system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2815528C1 RU2815528C1 RU2023127912A RU2023127912A RU2815528C1 RU 2815528 C1 RU2815528 C1 RU 2815528C1 RU 2023127912 A RU2023127912 A RU 2023127912A RU 2023127912 A RU2023127912 A RU 2023127912A RU 2815528 C1 RU2815528 C1 RU 2815528C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blood
- gas
- tube
- blood flow
- conical
- Prior art date
Links
- 230000004087 circulation Effects 0.000 title claims abstract description 9
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 claims abstract description 80
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims abstract description 80
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 claims abstract description 33
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 208000005189 Embolism Diseases 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 abstract description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 238000002618 extracorporeal membrane oxygenation Methods 0.000 description 7
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000002612 cardiopulmonary effect Effects 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 238000011477 surgical intervention Methods 0.000 description 2
- 208000010378 Pulmonary Embolism Diseases 0.000 description 1
- 229920000249 biocompatible polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 210000000601 blood cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000010241 blood sampling Methods 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 229920005570 flexible polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000010412 perfusion Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000013022 venting Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИTECHNICAL FIELD
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к системам экстракорпорального кровообращения (ЭК), в том числе к аппаратам искусственного кровообращения (АИК), системам экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО) и может быть использовано при проведении операций с использованием искусственного кровообращения (ИК).The invention relates to medical equipment, namely to extracorporeal circulatory systems (EC), including cardiopulmonary bypass (CPB), extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) systems, and can be used during operations using artificial circulation (CPB).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ Операция на открытом сердце, а также другие современные хирургические процедуры требует применения систем и аппаратов ИК. Существует проблема попадания воздуха в контур циркуляции крови. В артериальное русло могут попадать, как макро (более 200 мкм), так и микропузырьки (МП) воздуха (менее 200 мкм), наличие которых повышает риск эмболии мелких сосудов (капилляров), что особенно опасно при закупорке мелких сосудов головного мозга. Это связано с массивным перемешиванием дренируемой крови с воздухом во всех элементах системы дренирования.BACKGROUND OF THE INVENTION Open heart surgery, as well as other modern surgical procedures, require the use of infrared systems and devices. There is a problem with air getting into the blood circuit. Both macro (more than 200 µm) and microbubbles (MP) of air (less than 200 µm) can enter the arterial bed, the presence of which increases the risk of embolism of small vessels (capillaries), which is especially dangerous when small vessels of the brain are blocked. This is due to the massive mixing of drained blood with air in all elements of the drainage system.
Для предупреждения этих осложнений в магистрали возврата крови к пациенту размещают фильтр с тонкой сеткой, который используется для улавливания пузырьков газа до того, как они попадут в организм пациента. Так, в АИК применяются артериальные фильтры с целью сепарации фракции воздуха. Современные фильтры способны эффективно удалять пузырьки диаметром от 40 мкм и частично снижать количество пузырьков газа в диапазоне размеров от 25 до 40 мкм [Dynamic bubble trap can replace an arterial filter during cardiopulmonary bypass surgery / S. Goritz, H. Schelkle, J-G. Rein, S. Urbanek // Perfusion. - 2006. - №21. - P. 367-371. Post-arterial filter gaseous microemboli activity of five integral cardiotomy reservoirs during venting: an in vitro study JECT / G. J. Myers, C. Voorhees, R. Haynes, B. Eke // The Journal of Extracorporeal Technology. - 2009. - №41. - P. 20-27.]. Это связано с размерами применяемых в фильтрах улавливающих сеток.To prevent these complications, a fine mesh filter is placed in the blood return line to the patient, which is used to catch gas bubbles before they enter the patient's body. Thus, in AIC, arterial filters are used to separate the air fraction. Modern filters can effectively remove bubbles with a diameter of 40 microns and partially reduce the number of gas bubbles in the size range from 25 to 40 microns [Dynamic bubble trap can replace an arterial filter during cardiopulmonary bypass surgery / S. Goritz, H. Schelkle, J-G. Rein, S. Urbanek // Perfusion. - 2006. - No. 21. - P. 367-371. Post-arterial filter gaseous microemboli activity of five integral cardiotomy reservoirs during venting: an in vitro study JECT / G. J. Myers, C. Voorhees, R. Haynes, B. Eke // The Journal of Extracorporeal Technology. - 2009. - No. 41. - P. 20-27.]. This is due to the size of the catching meshes used in the filters.
На практике не рационально применять сетки фильтров с размерами пор менее 40 мкм, ввиду чрезмерного увеличения сопротивления потоку. Это приведет к очень высокому перепаду давления на сетке и возникновению застоя крови. С учетом изложенного ясно, что пузырьки диаметром всего в несколько микрометров невозможно удалить с помощью обычной технологии фильтрации [Can the Oxygenator Screen Filter Reduce Gaseous Microemboli? / D. Johagen, M. Appelblad, S. Svenmarker // The Journal of Extracorporeal Technology. - 2014. - Vol. 46. - Iss. 1. - P. 60-66. Massive pulmonary embolism requiring extracorporeal life support treated with catheterbased interventions / R. Munakata, T. Yamamoto, Y. Hosokawa [et al.] // International heart journal. - 2012. - №53. - P. 370-374.]. Однако присутствие даже очень маленьких МП нежелательно при использовании ИК [Generation of microbubbles in extracorporeal life support and assessment of new elimination strategies / F. Born, F. Konig, J. Chen [et al.] // Artificial Organs. - 2020. - №44. -P. 268-277.]In practice, it is not rational to use filter meshes with pore sizes less than 40 microns, due to an excessive increase in flow resistance. This will lead to a very high pressure drop across the mesh and blood stagnation. Given the above, it is clear that bubbles only a few micrometers in diameter cannot be removed using conventional filtration technology [Can the Oxygenator Screen Filter Reduce Gaseous Microemboli? / D. Johagen, M. Appelblad, S. Svenmarker // The Journal of Extracorporeal Technology. - 2014. - Vol. 46. - Iss. 1. - P. 60-66. Massive pulmonary embolism requiring extracorporeal life support treated with catheterbased interventions / R. Munakata, T. Yamamoto, Y. Hosokawa [et al.] // International heart journal. - 2012. - No. 53. - P. 370-374.]. However, the presence of even very small MPs is undesirable when using IR [Generation of microbubbles in extracorporeal life support and assessment of new elimination strategies / F. Born, F. Konig, J. Chen [et al.] // Artificial Organs. - 2020. - No. 44. -P. 268-277.]
По этим причинам существует необходимость в совершенствовании технологии улавливания МП.For these reasons, there is a need to improve MP capture technology.
Известна динамическая пузырьковая ловушка для удаления воздуха из потока крови (US 5824212, А). Устройство, представленное в данном изобретении, вставляется во внешний круг кровообращения таким образом, что кровь прокачивается через нее тем же насосом, что и основной поток циркулирующей крови. Устройство располагают сразу перед выходной канюлей в качестве замены фильтра для удаления МП непосредственно перед тем, как происходит доставка крови пациенту. Пузырьковая ловушка разделяет основной поток крови на два потока. Первый поток не содержит пузырьков и полностью доставляется пациенту. Второй поток меньше и содержит МП, удаленные из основного потока крови. Второй поток выводится за пределы ловушки по системе дополнительной дегазации. Поток течет через ловушку из одного конца в другой, поэтому поток является преимущественно осевым по направлению. Внутри устройства поток подвергается большому радиальному ускорению, придающему также большую радиальную скорость потоку. Специальная винтовая разделительная камера используется для придания этого радиального ускорения.A dynamic bubble trap for removing air from the blood stream is known (US 5824212, A). The device presented in this invention is inserted into the outer circulation in such a way that blood is pumped through it by the same pump as the main flow of circulating blood. The device is placed immediately in front of the exit cannula as a filter replacement to remove MP immediately before blood is delivered to the patient. The bubble trap divides the main blood stream into two streams. The first stream contains no bubbles and is completely delivered to the patient. The second stream is smaller and contains MPs removed from the main blood stream. The second flow is discharged outside the trap through an additional degassing system. The flow flows through the trap from one end to the other, so the flow is predominantly axial in direction. Inside the device, the flow is subjected to high radial acceleration, which also imparts high radial velocity to the flow. A special helical separation chamber is used to impart this radial acceleration.
Однако винтовая камера создает недостаточные условия для воздействия на газовую фракцию, ввиду чего центровка МП происходит не сразу после шнека, а в зависимости от размера МП, на некотором расстоянии от него, которое находится намного дальше, чем трубка вывода МП. Результатом этого является низкая фильтрация МП, что является недостатком данной системы.However, the screw chamber creates insufficient conditions for influencing the gas fraction, due to which the centering of the MP does not occur immediately after the screw, but depending on the size of the MP, at a certain distance from it, which is much further than the MP output tube. The result of this is low MP filtering, which is a disadvantage of this system.
Известно устройство, направленное на достижение минимального содержания газа в крови при минимальном перепаде давления на устройстве (US 6478962, В1). Предлагаемое устройство позволяет значительно уменьшить контакт дренируемой крови с воздухом. В нем кровь поступает в закручивающее устройство, после которого под действием центробежных сил МП размещаются в центре потока и самотеком выводятся через специальную трубку. Кроме того, при существующем конструктивном исполнении, а именно при известном расположении отводящей трубки, удаление пузырьков размером менее 50 мкм самотеком не осуществимо в требуемом количестве и вызывает закупорку капилляров.A device is known aimed at achieving a minimum gas content in the blood with a minimum pressure drop across the device (US 6478962, B1). The proposed device can significantly reduce the contact of drained blood with air. In it, blood enters a twisting device, after which, under the influence of centrifugal forces, the MPs are placed in the center of the flow and are discharged by gravity through a special tube. In addition, with the existing design, namely with the known location of the outlet tube, removal of bubbles less than 50 microns in size by gravity is not feasible in the required quantity and causes blockage of the capillaries.
Известно устройство динамической фильтрации МП для систем ИК (Разработка конструкции и ЗЭ-модели устройства динамической фильтрации микропузырьков для систем искусственного кровообращения / А.П. Кулешов, А.С. Бучнев, А.А. Дробышев, Г.П. Иткин // Вестник трансплантологии и искусственных органов. - 2021. - Т. 23. - №4. - С. 79-85.) (1), которое выбрано нами в качестве прототипа.A device for dynamic filtration of MPs for IR systems is known (Development of the design and electronic model of a device for dynamic filtration of microbubbles for artificial circulation systems / A.P. Kuleshov, A.S. Buchnev, A.A. Drobyshev, G.P. Itkin // Vestnik transplantology and artificial organs. - 2021. - T. 23. - No. 4. - P. 79-85.) (1), which we chose as a prototype.
Известное устройство динамической фильтрации представляет собой цилиндрическую трубку из биосовместимого полимера, в просвет которой помещен шнек, закручивающий поток крови вдоль оси устройства. На определенном расстоянии от шнека вдоль центральной осевой линии размещена улавливающая трубка отвода МП.The known dynamic filtration device is a cylindrical tube made of a biocompatible polymer, in the lumen of which a screw is placed, twisting the blood flow along the axis of the device. At a certain distance from the auger along the central center line there is a catching tube for MP removal.
Недостатком данного устройства является то, что трубкой отвода МП пузырьки захватываются пассивным способом и выводятся в венозный резервуар за счет перепада давления в контуре циркуляции, что может сопровождаться потерями МП при отводе газосодержашей крови, учитывая низкую скорость ее отвода по сравнению со скоростью основного потока крови в системе ЭК. Кроме того, отсутствие цельной конструкции трубки отвода и завихрителя затрудняет в процессе производства центрирование отверстия трубки отвода газосодержащей крови относительно оси устройства. Дефекты центрирования трубки снижают соосность потока МП и отверстия трубки, снижается эффективность центрирования и соответственно забора МП.The disadvantage of this device is that the bubbles are captured passively by the MP drainage tube and removed into the venous reservoir due to the pressure drop in the circulation circuit, which may be accompanied by losses of MP during the drainage of gas-containing blood, given the low speed of its drainage compared to the speed of the main blood flow in EC system. In addition, the absence of a one-piece design of the outlet tube and the swirler makes it difficult during the production process to center the hole of the gas-containing blood outlet tube relative to the axis of the device. Defects in tube centering reduce the coaxiality of the MP flow and the tube opening, reducing the efficiency of centering and, accordingly, MP intake.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF INVENTION
Нами поставлена задача - разработать воздушный сепаратор для систем ЭК, обеспечивающий эффективное удаление воздуха (газа), в том числе фракции МП малого диаметра, при проведении хирургических вмешательств, лечебных процедур с использованием искусственного кровообращения.We have set the task of developing an air separator for EC systems that ensures effective removal of air (gas), including small-diameter MP fractions, during surgical interventions and medical procedures using artificial circulation.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается вThe technical result achieved by implementing the present invention is
- надежной профилактике эмболии мелких сосудов за счет повышения эффективности забора МП воздуха из системы ЭК путем повышения плотности концентрации МП в сепараторе в результате сочетанного использования системы отдельного насоса при отводе газосодержащей крови, увеличения общей площади сечения трубки, через которую происходит забор фракции крови с МП, за счет ее перфорирования и оптимизации расположения зоны забора газосодержащей крови по отношению к области концентрации МП;- reliable prevention of embolism of small vessels by increasing the efficiency of MP air intake from the EC system by increasing the MP concentration density in the separator as a result of the combined use of a separate pump system for the removal of gas-containing blood, increasing the total cross-sectional area of the tube through which the blood fraction with MP is collected, due to its perforation and optimization of the location of the gas-containing blood sampling zone in relation to the MP concentration area;
- упрощении изготовления воздушного сепаратора к системе ЭК за счет удобства центрирования отверстия трубки отвода газосодержащей крови относительно оси устройства путем разработки цельной конструкции трубки отвода газосодержащей крови и завихрителя потока крови.- simplifying the manufacture of an air separator for the EC system due to the convenience of centering the hole of the gas-containing blood drain tube relative to the axis of the device by developing a one-piece design of the gas-containing blood drain tube and a blood flow swirler.
Таким образом, преимущества предлагаемого воздушного сепаратора заключаются в создании более плотной зоны концентрации МП, большего количества путей забора МП за счет перфораций в трубке и большего градиента давлений ввиду использования внешнего насоса.Thus, the advantages of the proposed air separator are the creation of a denser zone of MP concentration, a greater number of MP intake paths due to perforations in the tube and a greater pressure gradient due to the use of an external pump.
Единство, цельность конструкции трубки отвода крови с МП и завихрителя упрощает в процессе производства центрирование относительно оси устройства отверстия указанной трубки.The unity and integrity of the design of the blood drainage tube with MP and the swirler simplifies the centering of the hole of the said tube relative to the axis of the device during the production process.
Нами установлен диапазон значений входного угла винтовой лопасти, обеспечивающий максимально центральное положение МП в трубке их забора. Как показали наши исследования, острые углы до 10 градусов создают из лопасти преграду и повышают турбулентность на входе и выходе завихрителя, снижая эффективность сепаратора за счет чрезмерного воздействия на МП. Увеличение входного угла винтовой лопасти более 20 градусов сопровождается повышением линейной составляющей скорости потока после завихрителя и снижением градиента от вращения. Значения выше 20 градусов более чем на 6% увеличивают расстояние центрирования, тем самым дополнительно увеличивая габариты газового сепаратора.We have established a range of values for the input angle of the helical blade, ensuring the maximum central position of the MP in their intake tube. As our studies have shown, sharp angles of up to 10 degrees create an obstacle from the blade and increase turbulence at the inlet and outlet of the swirler, reducing the efficiency of the separator due to excessive impact on the MP. An increase in the input angle of the helical blade by more than 20 degrees is accompanied by an increase in the linear component of the flow velocity after the swirler and a decrease in the gradient from rotation. Values above 20 degrees increase the centering distance by more than 6%, thereby further increasing the dimensions of the gas separator.
Использование отдельного насоса позволило нам внесли изменения в расположение трубки отвода газосодержащей крови - приблизить ее к завихрителю относительно прототипа.The use of a separate pump allowed us to make changes to the location of the gas-containing blood drainage tube - to bring it closer to the swirler relative to the prototype.
Применение насоса для отвода фракции крови с МП позволило нам внести другие изменения в конструкцию сепаратора и повысить эффективность удаления МП из потока крови благодаря поддержанию силы всасывания на всем диапазоне возможных режимов работы основного артериального насоса системы ЭК.The use of a pump to remove the blood fraction from MP allowed us to make other changes to the separator design and increase the efficiency of MP removal from the blood stream by maintaining suction force over the entire range of possible operating modes of the main arterial pump of the EC system.
За счет боковых перфораций на трубке отвода удалось увеличить общую площадь сечения, через которую происходит забор фракции крови с МП воздуха, что в совокупности с всасывающей силой насоса отвода - повысило эффективность экстракции.Due to the side perforations on the outlet tube, it was possible to increase the total cross-sectional area through which the blood fraction is taken from the air MP, which, together with the suction force of the outlet pump, increased the extraction efficiency.
Сущность изобретения заключается в следующем.The essence of the invention is as follows.
Предложен воздушный сепаратор к системе ЭК, выполненный с возможностью встраивания в выходной контур системы ЭК. Он содержит трубчатый корпус, завихритель потока крови и трубку для отвода газосодержащей крови. Трубчатый корпус включает цилиндрическую часть, связанные с ней конусные входную и выходную части для забора и отвода потока крови соответственно. Завихритель потока крови установлен в цилиндрической части корпуса и выполнен в виде конусного тела с винтовыми лопастями, расположенными по спирали на его внешней поверхности. При этом трубка для отвода газосодержащей крови закреплена по оси конусного тела завихрителя потока крови, ее входной конец перфорирован и выступает в просвет выходной конусной части корпуса на расстояние равное 1-5 диаметрам завихрителя потока крови. Причем выходной конец трубки для отвода газосодержащей крови выведен через стенку входной части трубчатого корпуса и выполнен с возможностью присоединения к резервуару крови системы ЭК через насос системы отвода газосодержащей крови. Входной угол винтовой лопасти составляет 10-20 градусов.An air separator for the EC system is proposed, designed to be built into the output circuit of the EC system. It contains a tubular body, a blood flow swirler and a tube for draining gas-containing blood. The tubular body includes a cylindrical part and associated conical inlet and outlet parts for collecting and discharging the blood flow, respectively. The blood flow swirler is installed in the cylindrical part of the body and is made in the form of a conical body with helical blades arranged in a spiral on its outer surface. In this case, the tube for draining gas-containing blood is fixed along the axis of the conical body of the blood flow swirler, its input end is perforated and protrudes into the lumen of the output conical part of the body at a distance equal to 1-5 diameters of the blood flow swirler. Moreover, the output end of the tube for removing gas-containing blood is brought out through the wall of the inlet part of the tubular body and is configured to be connected to the blood reservoir of the EC system through the pump of the gas-containing blood removal system. The input angle of the helical blade is 10-20 degrees.
Приводим краткое описание фигур, поясняющих изобретение.Here is a brief description of the figures illustrating the invention.
На фиг. 1 представлена схема, показывающая поперечное сечение воздушного сепаратора к системе ЭК;In fig. 1 is a diagram showing a cross-section of the air separator to the EC system;
На фиг. 2 представлена схема общего вида завихрителя;In fig. 2 shows a general view of the swirler;
На фиг. 3 представлен гидродинамический стенд с возвратным контуром, воспроизводящий работу воздушного сепаратора в условиях работы АИК;In fig. Figure 3 shows a hydrodynamic stand with a return circuit, reproducing the operation of an air separator under operating conditions of an air flow control system;
На фиг. 4 представлена биотехническая схема контура ЭКМО, включающего воздушный сепаратор.In fig. Figure 4 shows a biotechnical diagram of an ECMO circuit, including an air separator.
На фигурах обозначены следующие позиции:The figures indicate the following positions:
1 - трубчатый корпус воздушного сепаратора;1 - tubular housing of the air separator;
101 - цилиндрическая часть корпуса;101 - cylindrical part of the body;
102 - конусная входная часть корпуса для забора потока крови;102 - conical inlet part of the housing for collecting blood flow;
103 - конусная выходная часть корпуса для отвода потока крови;103 - conical outlet part of the housing for diverting blood flow;
2 - завихритель;2 - swirler;
3 - входное отверстие воздушного сепаратора;3 - air separator inlet;
4 - выходное отверстие воздушного сепаратора;4 - outlet of the air separator;
5 - трубка отвода газосодержащей крови с МП;5 - tube for draining gas-containing blood from MP;
6 - осевое отверстие забора газосодержащей крови с МП;6 - axial hole for collecting gas-containing blood from MP;
7 - конусное центральное тело завихрителя;7 - conical central body of the swirler;
8 - лопасть завихрителя;8 - swirler blade;
9 - отдел трубки отвода газосодержащей крови с МП с перфорациями;9 - section of the tube for draining gas-containing blood from MP with perforations;
10 - боковые перфорации для отвода газосодержащей крови с МП;10 - lateral perforations for draining gas-containing blood from the MP;
11 - резервуар забора жидкости с МП;11 - fluid intake tank with MP;
12 - воздушный сепаратор;12 - air separator;
13 - отводящий насос контура забора МП;13 - discharge pump of the MP intake circuit;
14 - основной насос системы ЭК;14 - main pump of the EC system;
15 - резервуар крови системы ЭК;15 - blood reservoir of the EC system;
16 - оксигенатор;16 - oxygenator;
17 - артериальный фильтр;17 - arterial filter;
18 - пациент;18 - patient;
α - входной угол винтовой лопасти;α is the input angle of the helical blade;
D - диаметр завихрителя потока крови.D is the diameter of the blood flow swirler.
Предлагаемый воздушный сепаратор крови (фиг. 1), содержит трубчатый корпус 1, который включает цилиндрическую 101 часть корпуса, а также связанные с ней конусную входную 102 и конусную выходную 103 части для забора и отвода потока крови соответственно.The proposed air blood separator (Fig. 1) contains a tubular body 1, which includes a cylindrical 101 part of the body, as well as an associated conical inlet 102 and conical outlet 103 parts for collecting and discharging the blood flow, respectively.
Воздушный сепаратор имеет продольную ось, входное 3 и выходное 4 отверстие для впуска и выпуска потока крови. Причем входное 3 отверстие расположено на свободном конце входной 102 конусной части для забора крови, противоположном концу, соединенному с цилиндрической 101 частью корпуса, а выходное 4 отверстие на конце выходной 103 конусной части для отвода потока крови. Цилиндрическая 101 часть корпуса расположена между входной 102 и выходной 103 конусными частями корпуса.The air separator has a longitudinal axis, an inlet 3 and an outlet 4 for the inlet and outlet of blood flow. Moreover, the inlet 3 hole is located at the free end of the inlet 102 conical part for collecting blood, the opposite end connected to the cylindrical 101 part of the body, and the outlet 4 hole is located at the end of the outlet 103 cone part for diverting the blood flow. The cylindrical 101 part of the housing is located between the input 102 and output 103 conical parts of the housing.
В цилиндрической 101 части корпуса установлен завихритель 2 (фиг. 2), который состоит из лопастей 8, соединенных с коническим осесимметричным и радиально симметричным центральным телом 7. В зависимости от количества лопастей 8 образуется от одного до трех спиральных проточных каналов, которые используются для придания крови вращательного движения. Каналы плавно сходятся для сведения к минимуму разрушения клеток крови.In the cylindrical 101 part of the body there is a swirler 2 (Fig. 2), which consists of blades 8 connected to a conical axisymmetric and radially symmetrical central body 7. Depending on the number of blades 8, from one to three spiral flow channels are formed, which are used to impart blood rotational movement. The channels converge smoothly to minimize blood cell destruction.
Форма лопасти, зависит от входного угла винтовой лопасти α - угла между касательной, проведенной к точке начала образующей спирали лопасти, и линией перпендикулярной оси завихрителя. Входной угол лопастей имеет постоянное значение по всей длине тела завихрителя. Входной угол винтовой лопасти α составляет 10-20 градусов. Лопасти 8 составляют номинальный диаметр D завихрителя.The shape of the blade depends on the input angle of the helical blade α - the angle between the tangent drawn to the starting point of the blade's spiral generatrix and the line perpendicular to the swirler axis. The input angle of the blades has a constant value along the entire length of the swirl body. The input angle of the helical blade α is 10-20 degrees. The blades 8 make up the nominal diameter D of the swirler.
Входное 3 и выходное 4 отверстия корпуса имеют одинаковое круглое поперечное сечение, центрированное на продольной оси устройства.The inlet 3 and outlet 4 openings of the housing have the same circular cross-section, centered on the longitudinal axis of the device.
Жесткая тонкостенная полая трубка 5 для отвода газосодержащей крови с МП встроена в завихритель 2 и закреплена по оси конусного центрального тела 7 завихрителя потока крови (фиг. 1). Трубка 5 выступает со стороны своего входного конца (то есть со стороны выходного конца конусного центрального тела 7 завихрителя в просвет выходной 103 конусной части корпуса на расстояние равное 1-5 диаметрам D завихрителя потока крови и заканчивается осевым отверстием 6 забора газосодержащей крови с МП. Выступающий в просвет выходной 103 конусной части корпуса отдел 9 трубки 5 перфорирован отверстиями на равном расстоянии друг от друга со стороны отверстия 6. Длина перфорированного отдела 9 может составлять 1/3 длины выступающей в просвет части трубки 5. На фиг.1 показаны боковые перфорации 10 для отвода газосодержащей крови с МП в отделе 9 трубки 5.A rigid thin-walled hollow tube 5 for draining gas-containing blood from the MP is built into the swirler 2 and fixed along the axis of the conical central body 7 of the blood flow swirler (Fig. 1). Tube 5 protrudes from the side of its inlet end (that is, from the side of the outlet end of the conical central body 7 of the swirler into the lumen of the outlet 103 conical part of the body at a distance equal to 1-5 diameters D of the blood flow swirler and ends with the axial hole 6 for collecting gas-containing blood from the MP. Protruding into the lumen of the outlet 103 conical part of the body, the section 9 of the tube 5 is perforated with holes at equal distances from each other on the side of the hole 6. The length of the perforated section 9 can be 1/3 of the length of the part of the tube 5 protruding into the lumen. Figure 1 shows the side perforations 10 for drainage of gas-containing blood from MP in section 9 of tube 5.
Выходной конец трубки 5 для отвода газосодержащей крови с МП выведен через стенку входной 102 конусной части трубчатого корпуса. Выходной конец трубки 5 для отвода газосодержащей крови с МП выполнен с возможностью присоединения к резервуару крови системы ЭК через насос системы отвода газосодержащей крови. К трубке 5 присоединена гибкая полимерная трубка малого диаметра (1/4 дюйма - 6 мм), проложенная через отводящий насос и подключенная к резервуару крови (на фигурах не показаны).The output end of the tube 5 for draining gas-containing blood from the MP is brought out through the wall of the input 102 conical part of the tubular body. The output end of the tube 5 for removing gas-containing blood from the MP is designed to be connected to the blood reservoir of the EC system through the pump of the gas-containing blood removal system. Attached to tube 5 is a flexible polymer tube of small diameter (1/4 inch - 6 mm) routed through a bleed pump and connected to a blood reservoir (not shown in the figures).
Оптимальные размеры предлагаемого сепаратора и его составных частей, обеспечивающие эффективное центрирование МП (в том числе, длина и диаметр корпуса, завихрителя, диаметр трубки отвода газосодержащей крови, число лопастей, параметры перфораций, включая их количество, расстояние между ними) могут быть подобраны с учетом известных приемов конструирования, математического моделирования и математических расчетов с учетом скорости потока крови, (например, 1).The optimal dimensions of the proposed separator and its components, ensuring effective centering of the MP (including the length and diameter of the body, swirler, diameter of the gas-containing blood drainage tube, number of blades, parameters of perforations, including their number, distance between them) can be selected taking into account known design techniques, mathematical modeling and mathematical calculations taking into account blood flow speed (for example, 1).
Номинальная скорость потока (расход) через воздушный сепаратор составляет в диапазоне 3-5 литров в минуту для взрослого человека и 0,5-2 литра в минуту для детей. В зависимости от расхода диаметр входного и выходного отверстий может варьироваться от 6 до 10 мм.The nominal flow rate (flow) through the air separator is in the range of 3-5 liters per minute for an adult and 0.5-2 liters per minute for children. Depending on the flow rate, the diameter of the inlet and outlet openings can vary from 6 to 10 mm.
В насосе системы отвода газосодержащей крови (отводящем насосе контура забора МП) рекомендуется настроить расход не более 10% от общего потока крови, проходящей через воздушный сепаратор.In the pump of the gas-containing blood removal system (the removal pump of the MP intake circuit), it is recommended to set the flow rate to no more than 10% of the total blood flow passing through the air separator.
Как правило, внутренний диаметр составляет не менее 70% от наружного диаметра трубки 5 для отвода газосодержащей крови, а наружный диаметр трубки 5 составляет не более 20% от диаметра завихрителя 2 потока крови.As a rule, the inner diameter is at least 70% of the outer diameter of the tube 5 for draining gas-containing blood, and the outer diameter of the tube 5 is no more than 20% of the diameter of the blood flow swirler 2.
Предпочтительно размер перфорации должен составлять не более 50% от внутреннего диаметра трубки 5 для отвода газосодержащей крови. Перфорации могут быть расположены на 1/3 длины трубки 5 (часть 9 с перфорациями) на равном расстоянии друг от друга.Preferably, the size of the perforation should be no more than 50% of the inner diameter of the tube 5 for draining gas-containing blood. The perforations can be located at 1/3 of the length of the tube 5 (part 9 with perforations) at an equal distance from each other.
Воздушный сепаратор к системе ЭК помещают в выходной контур системы ЭК, то есть на выходе артериальной линии системы ЭК, например АИК или ЭКМО. Предлагаемый воздушный сепаратор может быть вставлен в выходной контур АИК последовательно после артериального фильтра или вместо него. Фракция крови, содержащей МП, может быть выведена в венозный резервуар ЭКМО или в кардиотомный резервуар АИК для дегазации и последующего возврата в экстракорпоральный контур.The air separator to the EC system is placed in the output circuit of the EC system, that is, at the exit of the arterial line of the EC system, for example, AIC or ECMO. The proposed air separator can be inserted into the output circuit of the AIK in series after the arterial filter or instead of it. The fraction of blood containing MP can be withdrawn into the venous ECMO reservoir or into the cardiotomy reservoir of the AIK for degassing and subsequent return to the extracorporeal circuit.
Поток крови, попадающий на вход сепаратора, содержит микропузырьки разного диаметра. Входной штуцер переходит в коническое расширение, что позволяет создать достаточную центростремительную силу в потоке крови. Трубка на конце имеет боковые отверстия и отверстие на выходе, через которые МП захватываются и удаляются из контура посредством работы внешнего насоса, который усиливает градиент давления на МП.The blood flow entering the separator inlet contains microbubbles of different diameters. The inlet fitting turns into a conical extension, which allows you to create sufficient centripetal force in the blood flow. The tube at the end has side holes and an outlet through which MPs are captured and removed from the circuit through the operation of an external pump, which enhances the pressure gradient across the MP.
В предлагаемом воздушном сепараторе МП центрируются вблизи продольной оси корпуса сепаратора, создавая две зоны с различным содержанием МП. Первая зона полностью свободна от МП и доставляется пациенту через выходное отверстие сепаратора. Вторичный, поток в центрируемой осевой зоне меньше и содержит большое количество МП различного диаметра. Этот поток удаляется из экстракорпорального контура в резервуар крови для дополнительной дегазации и возвращения обратно в контур.In the proposed air separator, MPs are centered near the longitudinal axis of the separator body, creating two zones with different MP contents. The first zone is completely free from MP and is delivered to the patient through the outlet of the separator. The secondary flow in the centered axial zone is smaller and contains a large number of MPs of various diameters. This flow is removed from the extracorporeal circuit into the blood reservoir for additional degassing and returned back to the circuit.
Кровь протекает через сепаратор из конца в конец, таким образом, это в основном осевое направление. Внутри сепаратора кровь с помощью завихрителя подвергается радиальному ускорению, так что на выходе завихрителя создается градиент давления, который смещает МП в осевую зону устройства.Blood flows through the separator from end to end, so it is mainly axial. Inside the separator, the blood is subjected to radial acceleration with the help of a swirler, so that a pressure gradient is created at the outlet of the swirler, which shifts the MP to the axial zone of the device.
Через боковые отверстия и отверстие на выходе трубки для отвода газосодержащей крови МП захватываются и удаляются из контура посредством работы внешнего насоса, который усиливает градиент давления на МП.Through the side openings and the hole at the outlet of the tube for draining gas-containing blood, MPs are captured and removed from the circuit through the operation of an external pump, which enhances the pressure gradient across the MP.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯEXAMPLES OF IMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Пример 1.Example 1.
Принцип работы воздушного сепаратора можно увидеть на схеме испытательного стенда, представленной на фигуре 3.The operating principle of the air separator can be seen in the test bench diagram shown in Figure 3.
Кровь поступает в воздушный сепаратор 12 из резервуара 11 забора жидкости с МП через входное отверстие под действием напора экстракорпорального насоса 14 (основного насоса системы ЭК). На выходе завихрителя входной поток крови разделяется на два потока: свободный от пузырьков и насыщенный пузырьками, готовый для рециркуляции. Насыщенный МП поток формируется на оси устройства под действием градиента давления, возникающего при формировании центробежного течения при выходе потока из завихрителя, в то время как насос 13 (отводящий насос контура забора МП) создает вакуум, под действием которого часть крови с большой концентрацией МП попадает в резервуар 15 (резервуар крови системы ЭК) для отстаивания (удаления микропузырьков) с последующим возвратом в экстракорпоральный контур. Свободная от МП фракция крови возвращается в резервуар 11. Насос 13 рекомендуется настроить на расход не более 10% от общего потока, проходящего через сепаратор.Blood enters the air separator 12 from the reservoir 11 for collecting liquid from MP through the inlet under the pressure of the extracorporeal pump 14 (the main pump of the EC system). At the exit of the swirler, the incoming blood stream is divided into two streams: free of bubbles and saturated with bubbles, ready for recirculation. A flow saturated with MP is formed on the axis of the device under the influence of a pressure gradient that occurs during the formation of a centrifugal flow when the flow exits the swirler, while pump 13 (outlet pump of the MP intake circuit) creates a vacuum, under the influence of which part of the blood with a high concentration of MP enters reservoir 15 (blood reservoir of the EC system) for settling (removing microbubbles) with subsequent return to the extracorporeal circuit. The MP-free blood fraction is returned to reservoir 11. Pump 13 is recommended to be set to a flow rate of no more than 10% of the total flow passing through the separator.
Эффективность патентуемого воздушного сепаратора подтверждается следующими стендовыми исследованиями.The effectiveness of the patented air separator is confirmed by the following bench studies.
Нами проведены стендовые испытания со схемой, представленной на фиг.3 сWe have carried out bench tests with the circuit shown in Fig. 3c
- использованием воздушного сепаратора с параметрами, указанными в примере 1, входным углом винтовой лопасти 10 градусов и длиной трубки, выступающей в просвет выходной конусной части корпуса равной 1 диаметру завихрителя потока крови (вариант 1);- using an air separator with the parameters specified in example 1, the input angle of the helical blade is 10 degrees and the length of the tube protruding into the lumen of the output conical part of the body is equal to 1 diameter of the blood flow swirler (option 1);
- использованием воздушного сепаратора с параметрами, указанными в примере 1, входным углом винтовой лопасти 20 градусов и длиной трубки, выступающей в просвет выходной конусной части корпуса равной 5 диаметрам завихрителя потока крови (вариант 2).- using an air separator with the parameters specified in example 1, the input angle of the helical blade is 20 degrees and the length of the tube protruding into the lumen of the outlet conical part of the body is equal to 5 diameters of the blood flow swirler (option 2).
В варианте 1 были использованы следующие параметры воздушного сепаратора: входной угол винтовой лопасти 10 градусов, три лопасти завихрителя, диаметр D завихрителя 18 мм, длина выступающей части трубки отвода газосодержащей крови с МП 18 мм, ее внутренний диаметр 3 мм, 6 перфораций, распределенных равномерно по 1/3 длины выступающей части трубки от осевого отверстия забора газосодержащей крови с МП.In option 1, the following parameters of the air separator were used: the input angle of the helical blade is 10 degrees, three swirler blades, swirler diameter D is 18 mm, the length of the protruding part of the gas-containing blood drainage tube with MP is 18 mm, its internal diameter is 3 mm, 6 perforations distributed evenly 1/3 of the length of the protruding part of the tube from the axial hole for collecting gas-containing blood from MP.
В варианте 2 параметры воздушного сепаратора: входной угол винтовой лопасти 20 градусов, три лопасти завихрителя, диаметр D завихрителя 18 мм, длина выступающей части трубки отвода газосодержащей крови с МП 5D=90 мм, ее внутренний диаметр 3 мм, 18 перфораций, распределенных равномерно по 1/3 длины выступающей части трубки от осевого отверстия забора газосодержащей крови с МП.In option 2, the parameters of the air separator are: the input angle of the helical blade is 20 degrees, three swirler blades, swirler diameter D is 18 mm, the length of the protruding part of the gas-containing blood drainage tube with MP 5D = 90 mm, its internal diameter is 3 mm, 18 perforations distributed evenly over 1/3 of the length of the protruding part of the tube from the axial hole for collecting gas-containing blood from MP.
Эффективность работы воздушного сепаратора оценивали, сравнивая количество МП в контуре до и после сепаратора.The operating efficiency of the air separator was assessed by comparing the amount of MP in the circuit before and after the separator.
В варианте 1 число МП диаметром более 50 мкм сократилось на 99,0±0,5%, диаметром от 10 до 50 мкм на 91±5%, диаметром менее 10 мкм на 81±8% в диапазоне расхода жидкости от 0,5 до 5 л/мин.In option 1, the number of MPs with a diameter of more than 50 µm was reduced by 99.0±0.5%, with a diameter from 10 to 50 µm by 91±5%, with a diameter of less than 10 µm by 81±8% in the fluid flow range from 0.5 to 5 l/min.
В варианте 2 число МП диаметром более 50 мкм сократилось на 98,0±0,8%, диаметром от 10 до 50 мкм на 89±3%, диаметром менее 10 мкм на 86±12% в диапазоне расхода жидкости от 0,5 до 5 л/мин.In option 2, the number of MPs with a diameter of more than 50 µm was reduced by 98.0±0.8%, with a diameter from 10 to 50 µm by 89±3%, with a diameter of less than 10 µm by 86±12% in the fluid flow range from 0.5 to 5 l/min.
С учетом данных испытаний по двум сепараторам (вариант 1 и вариант 2) по сравнению с прототипом, предлагаемый сепаратор также эффективно удаляет МП диаметром более 50 мкм, МП диаметром от 10 до 50 мкм на 15±3% эффективнее, МП диаметром менее 10 мкм на 22±5% эффективнее в диапазоне расхода от 0,5 до 5 л/мин.Taking into account the test data for two separators (option 1 and option 2) in comparison with the prototype, the proposed separator also effectively removes MP with a diameter of more than 50 microns, MP with a diameter from 10 to 50 microns is 15±3% more effective, MP with a diameter less than 10 microns 22±5% more efficient in the flow range from 0.5 to 5 l/min.
Пример 2.Example 2.
Схема установки предлагаемого сепаратора в контуре ЭКМО показана на фигуре 4.The installation diagram of the proposed separator in the ECMO circuit is shown in Figure 4.
Кровь из венозного русла пациента 18, поступает в венозный резервуар 15 (резервуар крови системы ЭК). Далее основной насос 14 системы ЭК подает кровь в оксигенатор 16. Сепаратор 12 может заменить фильтр 17 или встроиться в магистраль после него. Насос 13 (отводящий насос контура забора МП) перекачивает кровь с МП обратно в венозный резервуар 15, где кровь освобождается от газа. Прямой стрелкой показан путь фракции крови без МП, а прерывистой стрелкой показан путь фракции крови с МП.Blood from the venous bed of the patient 18 enters the venous reservoir 15 (blood reservoir of the EC system). Next, the main pump 14 of the EC system supplies blood to the oxygenator 16. The separator 12 can replace the filter 17 or be built into the line after it. Pump 13 (outlet pump of the MP intake circuit) pumps blood from the MP back to the venous reservoir 15, where the blood is freed from gas. The straight arrow shows the path of the blood fraction without MP, and the broken arrow shows the path of the blood fraction with MP.
Таким образом, разработанный нами воздушный сепаратор для систем ЭК обеспечивает эффективное удаление воздуха (газа), в том числе фракции МП малого диаметра, при проведении хирургических вмешательств, лечебных процедур с использованием искусственного кровообращения.Thus, the air separator we developed for EC systems ensures effective removal of air (gas), including small-diameter MP fractions, during surgical interventions and medical procedures using artificial circulation.
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2815528C1 true RU2815528C1 (en) | 2024-03-18 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2180859C1 (en) * | 2001-02-06 | 2002-03-27 | Зао "Вниимп - Вита" | Artificial kidney apparatus |
| EP1203592A1 (en) * | 2000-11-06 | 2002-05-08 | Convergenza Ag | Blood conditioning device |
| US6478962B1 (en) * | 1995-12-13 | 2002-11-12 | Alexander Brockhoff | Dynamic bubble trap |
| JP2006034378A (en) * | 2004-07-22 | 2006-02-09 | Terumo Corp | Bubble removing device |
| JP2008068151A (en) * | 2007-12-07 | 2008-03-27 | Jms Co Ltd | Extracorporeal circuit system for circulating blood and method therefor |
| RU2799360C2 (en) * | 2017-10-12 | 2023-07-05 | Вивоник Гмбх | Device and method for degassing dialysis concentrates in mixing machines |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6478962B1 (en) * | 1995-12-13 | 2002-11-12 | Alexander Brockhoff | Dynamic bubble trap |
| EP1203592A1 (en) * | 2000-11-06 | 2002-05-08 | Convergenza Ag | Blood conditioning device |
| RU2180859C1 (en) * | 2001-02-06 | 2002-03-27 | Зао "Вниимп - Вита" | Artificial kidney apparatus |
| JP2006034378A (en) * | 2004-07-22 | 2006-02-09 | Terumo Corp | Bubble removing device |
| JP2008068151A (en) * | 2007-12-07 | 2008-03-27 | Jms Co Ltd | Extracorporeal circuit system for circulating blood and method therefor |
| RU2799360C2 (en) * | 2017-10-12 | 2023-07-05 | Вивоник Гмбх | Device and method for degassing dialysis concentrates in mixing machines |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.П.Кулешов и д. Вестник трансплантологии и искусственных органов 2021 т.23 N4 стр.79-85. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0128556B1 (en) | Apparatus for removing bubbles from a liquid | |
| US9162022B2 (en) | Oxygenator with integrated arterial filter including filter frame | |
| JPH09508564A (en) | Blood filter having concentric folds and method of using the same | |
| CN103648542B (en) | Dual chamber blood reservoir | |
| US8318092B2 (en) | Oxygenator with integrated arterial filter | |
| JP6200470B2 (en) | Oxygenator with integrated arterial filter | |
| EP2448615B1 (en) | Bubble reducer for eliminating gas bubbles from a flow | |
| RU2815528C1 (en) | Air separator for extracorporeal circulation system | |
| US20230052266A1 (en) | Blood reservoir with blood-handling assembly | |
| EP2465554B1 (en) | Oxygenator with integrated arterial filter including filter frame | |
| US11872338B2 (en) | Air trap chamber and extracorporeal circulation circuit | |
| EP1225931A1 (en) | Fluid control conduit | |
| EP1203592B1 (en) | Blood conditioning device | |
| JP6539379B1 (en) | Air trap chamber and extracorporeal circulation circuit | |
| JP2023501834A (en) | Air removal device for extracorporeal blood treatment | |
| JPH09253199A (en) | Blood circuit |