ОСЕВОЙ НАСОС ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ

Область техники

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при перекачивании однофазных или многофазных жидкостей, например для перекачивания крови без существенного воздействия на нее (температурного, сдвигового), т.е. подвижные части, контактирующие с кровью, не вызывают высоких градиентов сдвиговых напряжений.

Уровень техники

Кровь - полидисперсная система (суспензия форменных элементов (эритроцитов, тромбоцитов, лейкоцитов) в плазме). Система кровообращения в организме человека является замкнутой, что препятствует взаимодействию крови с окружающей средой и, вследствие этого, изменению ее свойств. По результатам исследований известно, что кровь чувствительна к контакту с чужеродными материалами или силовому (сдвиговому) воздействию. При таких контактах в крови происходит гемолиз (разрушение эритроцитов с последующим выделением избыточного гемоглобина) и образование тромбов. Формирование тромбов может привести к закупорке малых сосудов и повлиять на мехатронные устройства вспомогательного кровообращения, что, в свою очередь, может привести к летальному исходу. При гемолизе происходит повышенное выделение гемоглобина в кровь, что приводит к поражению органов.

За последние 20 лет достигнут огромный прогресс в разработке систем вспомогательного кровообращения. Устройства вспомогательного кровообращения позволяют частично заместить или полностью заменить насосную функцию сердца. По последним данным INTERMACS количество установленных имплантируемых систем вспомогательного кровообращения в США с каждым годом растет. В 2013 году этот показатель по США достиг уровня в 1052 имплантации. В России количество имплантаций отечественного насоса АВК-Н за три года составляет 19 (в 2013 - 3 имплантации, в 2014 - 7 имплантаций, в 2015 - 9 имплантаций). Для сравнения, за последние 20 лет в США проводится от 2300 до 2500 пересадок сердца в год. В России этот показатель за последние 2-3 года находится на уровне около 160 операций в год.

В известном уровне техники выделяется несколько направлений по разработке насосов вспомогательного кровообращения: пульсирующие насосы и насосы постоянного потока. В свою очередь, насосы постоянного потока делятся на осевые, центробежные и диагональные. В основе проектирования лежат критерии физиологического перепада давления (по сравнению со здоровым сердцем), расхода, минимизации зон застоя и рециркуляции, максимизации кпд.

Из уровня техники известен осевой насос вспомогательного кровообращения (Патент США US 4779614), который состоит из двух неподвижных частей (направляющих блоков) и одного рабочего колеса. Для обеспечения вращения и удержания рабочего колеса в заданном положении в конструкции предусмотрены активные магнитные опоры. Вращение обеспечивается посредством магнитов, установленных в теле рабочего колеса (роторная часть) и на внешней трубке (статорная часть). Стоит отметить, что установка внешних магнитов вне проточной части требует увеличения габарита всего изделия, также такая схема установки налагает существенные требования к расстоянию между магнитами: с одной стороны, передача момента будет эффективнее при малом расстоянии между магнитами ротора и статора, но при уменьшении расстояния происходит уменьшение площади проходного сечения потока, что приводит к увеличению градиента скорости движения частиц. Кроме того, малый зазор между лопатками рабочего колеса и корпусом приводит к увеличению сдвиговых напряжений, что может привести к возрастанию гемолиза в проточной части насоса. Рабочее колесо, представленное в заявке, из-за своей формы ненадежно закреплено в осевом направлении. Также стоит отметить громоздкость схемы с двумя электродвигателями.

Известна иная реализация осевого насоса вспомогательного кровообращения (Патент № US 5951263, США). Проточная часть состоит из рабочего колеса на подшипниках скольжения и двух направляющих блоков. В осевом направлении ротор зафиксирован в опорах скольжения. Вращение рабочего колеса осуществляется посредством магнитов, встроенных в тело рабочего колеса (роторная часть), и внешних магнитов, вынесенных на внешнюю трубку (статор). Эффективность такого двигателя существенно зависит от зазора между магнитами, при расположении ротора в статоре с большим зазором внешний габарит (диаметр) статора должен быть достаточно большим. Уменьшить зазор между ротором и статором в данной схеме не представляется возможным без существенного повреждения форменных элементов крови.

В патенте РФ №2430748 предлагается конструкция осевого насоса вспомогательного кровообращения по предыдущей схеме компоновки проточной части, но с несколько измененной геометрий спрямителя и диффузора, а также ротора с лопатками, сопряженными отрезками логарифмической спирали. Осевое удерживание рабочего колеса осуществляют подшипники скольжения. В теле рабочего колеса расположены постоянные магниты, которые приводятся в движение статорной обмоткой, вынесенной за пределы проточной части насоса для исключения контакта обмоток с кровью. Вынесение статорной части также ведет к увеличению полного габарита всего изделия, что налагает существенные ограничения на размер полости в организме человека для длительной имплантации насоса.

Известно устройство для вспомогательного кровообращения (Патент №2266141, Россия), принятое за прототип. Осевой насос вспомогательного кровообращения состоит из трубчатого полого корпуса, внутри которого установлен с возможностью вращения нагнетательный элемент с лопатками, ориентированный вдоль оси и образующий зазор между нагнетательным элементом и полым корпусом, и направляющие блоки с лопатками, жестко закрепленные на внутренней стенке корпуса и расположенные спереди и позади нагнетательного элемента Проточная часть насоса состоит из неподвижных направляющих блоков, снабженных лопатками. В направляющих блоках и рабочем колесе расположены постоянные магниты. Магниты обеспечивают удержание ротора в осевом направлении и расположены напротив друг друга с намагниченностью противоположной полярности. Такое выполнение насоса с выступающей центральной частью не является оптимальным с точки зрения габаритов изделия, размещение большого количества магнитных опор требует большей сложности системы управления и большего энергопотребления всего изделия.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение габарита насоса, уменьшение травмы крови в процессе прохождения потока через проточную часть устройства, снижение энергопотребления.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что осевой насос вспомогательного кровообращения состоит из трубчатого полого корпуса, внутри которого установлен с возможностью вращения нагнетательный элемент с лопатками, ориентированный вдоль оси и образующий зазор между нагнетательным элементом и полым корпусом, и направляющие блоки с лопатками, жестко закрепленные на внутренней стенке корпуса и расположенные спереди и позади нагнетательного элемента, при этом электродвигатель размещен в одном из направляющих блоков, а нагнетательный элемент установлен на валу ротора и выполнен в виде рабочего колеса

Кроме того:

- направляющие блоки выполнены с разъемными крышками, имеющими сферическую, коническую или эллипсоидальную форму;

- рабочее колесо выполнено тонкостенным с выполнением между ним и направляющими блоками лабиринтного уплотнения;

- провода электродвигателя выведены через лопатки направляющих элементов;

- число лопаток рабочего колеса не равно и не кратно количеству лопаток направляющих блоков;

- зазор между лопатками рабочего колеса и внутренней поверхностью корпуса насоса находится в диапазоне 0,1-1 мм;

- зазор между торцевыми поверхностями рабочего колеса и направляющими блоками находится в диапазоне 0,2-1 мм;

- корпус насоса выполнен разъемным.

Технический результат изобретения достигается тем, что для размещения двигателя используется внутренняя полость стационарных элементов проточной части, таким образом, конструкция упрощается за счет исключения магнитных опор для удержания ротора в осевом положении. Обмотки двигателя могут при этом располагаться друг относительно друга с минимальным зазором и быть достаточно компактными.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что увеличивается проходное сечение насоса для уменьшения скорости вращения рабочего колеса, что приводит к уменьшению травмы крови в процессе прохождения потока через проточную часть устройства при сохранении малого габарита всего устройства по сравнению с аналогами, а отказ от осевой стабилизации за счет магнитных опор позволяет уменьшить энергопотребление.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведен вариант установки насоса при операции обхода левого желудочка, где

1 - выходное колено

2 - крышка направляющего блока

3 - направляющий блок

4 - рабочее колесо

5 - направляющий блок

6 - крышка направляющего блока

7 - входное колено

8 - направление потока крови из сердца

9 - вывод питающих и управляющих проводов

10 - электродвигатель

На фиг. 2 показана конструкция насоса вспомогательного , где

2 - крышка направляющего блока

3 - направляющий блок

4 - рабочее колесо

5 - направляющий блок

6 - крышка направляющего блока

8 - направление потока крови из сердца

10 - электродвигатель

11 - прижимная гайка

12 - штуцер

13 - корпус насоса

14 - подшипниковая опора

15 - уплотнение

16 - вал электродвигателя

На фиг. 3 показана конструкция насоса вспомогательного кровообращения с тонкостенным рабочим колесом, где

2 - крышка направляющего блока

3 - направляющий блок

4 - рабочее колесо

5 - направляющий блок

6 - крышка направляющего блока

8 - направление потока крови из сердца

10 - электродвигатель

11 - прижимная гайка

12 - штуцер

13 - корпус насоса

14 - подшипниковая опора

15 - уплотнение

16 - вал электродвигателя

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показан вариант выполнения устройства. Электродвигатель 10, расположенный в одном из направляющих блоков 5 или 3 с лопатками, передает крутящий момент на вал 16, проходящий через как минимум одну подшипниковую опору 14 с уплотнением 15. Уплотнение 15 или система уплотнений изолирует электродвигатель 10 от попадания крови в камеру электродвигателя. На выходе из направляющего блока 5 или 3 на вал 16 устанавливается рабочее колесо 4 с лопатками. Второй опорой вала электродвигателя 16 служит противоположный направляющий блок 3 или 5 с подшипником 14 и уплотнением 15, либо системой уплотнений для лучшей изоляции внутренней полости направляющего блока 3 или 5. Оба направляющих блока 3 и 5 жестко скреплены с корпусом насоса 13 через лопатки. Рабочее колесо 4 закреплено только на валу электродвигателя 16.

Предлагаемый осевой насос работает следующим образом.

Перекачиваемая кровь поступает из камеры желудочка через колено 7 к рабочему колесу 4. Проходя через лопатки направляющего блока 3 или 5, поток захватывается лопатками на рабочем колесе 4, при том что на направляющем блоке на входе лопатки проектируются из соображений безударного набегания потока для повышения эффективности насоса. Рабочее колесо 4 придает потоку энергию и разгоняет его. Попадая на лопатки направляющего блока на выходе, поток тормозится, активно взаимодействуя с лопатками, тем самым достигается необходимый перепад давления между входом в насос и выходом из него. Для минимизации завихрений между торцами направляющих блоков и рабочего колеса устанавливается минимально возможный зазор от 0,2 до 1 мм, что особенно важно для второго экспериментального варианта устройства, где используется тонкостенное рабочее колесо 4, т.к. минимальный зазор между торцами позволяет реализовать эффективное лабиринтное уплотнение и лучше изолировать полость с электродвигателем 10. Тонкостенное рабочее колесо 4 представляет собой цилиндр с переменным диаметром, при этом в одном из исполнений конфигурация тонкостенного рабочего колеса выполняется в виде тонкостенного цилиндра (толщина как минимум в 10 раз меньше диаметра), переходящего в толстостенный цилиндр для посадки на вал (длина посадки выбирается из условий надежной фиксации рабочего колеса на валу). Толстостенная часть, в свою очередь, переходит в тонкостенную часть.

Для исключения дополнительных возмущений потока количество лопаток рабочего колеса 4 не равно и не кратно количеству лопаток направляющих блоков. Ширина зазора между лопатками рабочего колеса 4 и внутренней частью корпуса 13 может быть выбрана в диапазоне 0,1-1 мм. Зазор выбирается из условия минимизации сдвиговых напряжений по отношению к критическому значению при сохранении достаточного гидравлического коэффициента полезного действия насоса, т.к. основное повреждение крови происходит именно в зазорах. На выходе из направляющего блока 5 кровь попадает в выходное колено 1, которое соединено с одним из крупных сосудов системы кровообращения.

Питание и сигналы на электродвигатель 10 передаются посредством питающих и управляющих проводов 9 в изолирующей обмотке и экранирующей оболочке. Крышки направляющих блоков 6 и 2, установленные на направляющие блоки посредством резьбового соединения, по посадке или вклеенные, позволяют монтировать электродвигатель, подшипники и уплотнения и обеспечивают сборку всего изделия. Колено 1 и 7, представляющее собой в одном из вариантов исполнения гибкую или жесткую трубку, надетую на штуцер. При сборке штуцер 12 вставляется в корпус насоса 13 и плотно закрепляется прижимной гайкой 11, после вставки штуцера 12 во внутреннюю часть корпуса вставляется направляющий блок с электродвигателем, подшипником, уплотнением и фиксируется в определенном осевом положении посредством измерительного приспособления в виде стержня, устанавливаемого на штуцер во время сборки. После фиксации направляющего блока 3 или 5 с электродвигателем на вал электродвигателя надевается рабочее колесо 4. После этого на вал двигателя 16 заводится другой направляющий блок 5 или 3 и фиксируется в определенном положении. Фиксация происходит измерительным приспособлением, описанным выше. Для удобства в качестве одного из вариантов исполнения можно использовать не цельный корпус насоса, а разъемный.

Данное устройство предусматривает имплантацию в тело человека при операции обхода желудочка, когда насос забирает кровь из вершины желудочка и перекачивает ее непосредственно в обход клапана сердца в восходящий отдел аорты. Поток по канюле (гибкой или жесткой трубке) попадает в проточную часть насоса: сначала поток проходит через область направляющего аппарата с прямыми или повернутыми лопатками для регуляризации потока, т.е. для уменьшения окружной составляющей скорости входного потока, безударного (или близкого к безударному) набегания потока на лопатки рабочего колеса. Далее поток попадает в область рабочего колеса, где энергия вращения ротора передается набегающему потоку. После этого ускоренный поток попадает в область другого направляющего блока, изогнутые лопатки которого за счет изменения проходного сечения преобразуют кинетическую энергию потока в энергию давления. Лопатки рабочего колеса, диффузора и спрямителя потока проектируются посредством математического моделирования работы насоса при физиологических условиях потока (перепад давления в зависимости от режима работы 80-180 мм рт.ст., расход в зависимости от режима работы от 2 до 6 л/мин), минимизации зон стагнации и рециркуляции, максимизации гидравлического коэффициента полезного действия, минимизации скорости вращения рабочего колеса, т.к. это основной фактор инициации процесса гемолиза. Электродвигатель может быть расположен в одном из направляющих блоков. Направляющие блоки являются стационарными частями насоса, крепление их осуществляется посредством точечной сварки к корпусу или посредством рассверливания отверстий и крепления к корпусу винтами либо вклейкой. Перед установкой стационарной части (направляющий блок) с электродвигателем на вал двигателя надеваются подшипниковая опора (подшипник качения или скольжения) и уплотнение для изоляции полости с приводом от контакта с рабочей жидкостью, также может быть предусмотрена установка нескольких уровней уплотнений (одно за другим) для более надежной изоляции полости двигателя. После установки опоры с двигателем и монтажа уплотнений и подшипника на вал двигателя насаживается рабочее колесо по посадке или с использованием нагревания. После установки рабочего колеса монтируется другой направляющий блок, в котором также предусмотрены посадочные места под уплотнение и подшипник либо под тандем уплотнений. Особенность изготовления направляющих блоков в том, что они изготавливаются из двух элементов: непосредственно втулка с лопатками и крышка, которая может вклеиваться, привариваться или иметь резьбовое крепление к втулке.

Такая конструкция опор позволяет обеспечить простой монтаж двигателя, уплотнений и подшипника при сборке насоса.

Для достижения указанного результата (уменьшение габаритов конечного изделия, уменьшения энергопотребления и упрощения монтажа) электродвигатель рабочего колеса размещается внутри одного из направляющих блоков. Отказ от осевой стабилизации за счет магнитных опор позволяет уменьшить энергопотребление, уменьшить количество выводных проводов для платы управления, упростить саму плату управления в связи с уменьшением управляющих сигналов (требуется управлять только двигателем, а осевая стабилизация обеспечивается за счет соосного исполнения рабочего колеса и вала двигателя).

Изобретение позволяет уменьшить размер насоса вспомогательного кровообращения по сравнению с аналогами при сохранении физиологических параметров потока (расход, перепад давления) для более удобного длительного размещения насоса в организме пациента. Простота конструкции достигается за счет использования схемы с подшипниками скольжения/качения и составных направляющих блоков с крышками.

Таким образом, заявленное изобретение решает проблему механической поддержки кровообращения для пациентов, которым либо невозможно имплантировать живое сердце от донора, либо донорских органов недостаточно для удовлетворения спроса. В некоторых случаях устройство позволяет отказаться от пересадки донорского органа, а в некоторых - восстановить здоровую функцию сердца. Известны случаи, когда разгруженный миокард (главная сердечная мышца) восстанавливался с течением времени, что позволяло удалить насос вспомогательного кровообращения.

Предложенное устройство является миниатюрным насосом поддержки кровообращения, которое за счет своих размеров может быть удобно размещено в малых полостях организма человека, тем самым обеспечивая мобильность и лучшее качество жизни пациента.