CC BY
39
УДК 624.8
Л. В. Беляев, аспирант,
Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых (ВлГУ)
Лабораторно-стендовые установки для комплексной оценки характеристик аппаратов вспомогательного кровообращения и искусственного сердца
Ключевые слова: имплантируемые системы, вспомогательное кровообращение, искусственное сердце, мехатронный модуль, комплексные лабораторно-стендовые испытания.
Key words: implantable system, auxiliry circulation, artificial heart, mechatronic module.
В статье проведен обзор конструкций лабо-раторно-стендовых установок для комплексной оценки характеристик аппаратов вспомогательного кровообращения и искусственного сердца на базе мехатронных модулей. Приведены взаимосвязи между основными элементами, входящими в состав систем вспомогательного кровообращения и искусственного сердца, и стендовыми установками для исследования их свойств. Предложена конструкция стенда для проведения комплексных лабораторно-стендовых испытаний
Оценка характеристик имплантируемых аппаратов вспомогательного кровообращения (ВК) и искусственного сердца (ИС) обычно осуществляется в два этапа:
1) испытания на специализированных стендовых установках (in-vitro tests);
2) проведение комплексных медико-биологических экспериментов (in-vivo studies).
На 1-м этапе происходит исследование технических, физических и медико-биологических процессов, протекающих при работе разработанных систем ВК и ИС. В настоящее время на данном этапе используются следующие группы стендов:
— для оценки эффективности насосной функции систем ИС и ВК;
— для изучения гидродинамических характеристик;
— для оценки гемолиза;
— для определения длительности безотказной (непрерывной) работы;
— для исследования тепловых характеристик приводов ИС и ВК.
В общем случае состав системы ВК следующий:
1) имплантируемый блок-насос, состоящий из привода, искусственного желудочка сердца (ИЖС) и камеры воздушного компенсатора;
2) система питания, состоящая из основного и резервного источников питания, системы передачи энергии;
3) система управления (СУ).
Взаимосвязи между стендовыми установками и основными элементами имплантируемого блока-насоса, входящего в состав систем ВК и ИС, можно представить в виде схемы (рис. 1). Стендовые установки для анализа функционирования и соответствия системы управления и системы питания требованиям ГОСТ и технического задания на схеме не показаны, так как не имеют специфических требований к конструкции и методике проведения эксперимента.
Рис. 1
Схема взаимосвязи между стендовыми установками для испытаний систем ИС ВК и основными элементами, входящими в состав этих систем
биотехносфера
| № 4(1Б)/2Ш
Стенды для оценки эффективности насосной функции систем ИС и ВК
Целью проведения испытаний на данных стендах является определение производительности при заданных значениях противодавления, аналог артериального давления (до 120 мм. рт. ст.), частоты пульсации и отношения длительности фаз систолы и диастолы (Тс/Тд). Обычно конструкции этих стендов представляют собой два резервуара (венозный и артериальный), имитирующих большой и малый круги кровообращения и соединенных между собой с помощью трубок, длина и диаметр
которых идентичны тем, которые применяются при шунтировании естественного сердца. Для измерения требуемых параметров и их изменений в конструкции стендов предусматриваются места для крепления регистрирующей аппаратуры или установки датчиков, которые будут отправлять сигналы системам сбора данных. Для регистрации производительности обычно используются ротаметры (поплавковые, электромагнитные), а для регистрации противодавления — датчики давления, устанавливаемые на выходе. Уменьшение или увеличение значения противодавления осуществляется за счет уменьшения или увеличения гидравлического со-
а)
12
б)
г)
Рис. 2
Конструкции стендов для определения производительности насосов крови:
а — схема гидродинамического стенда для испытания ИЖС (ФНЦ трансплантологии и искусственных органов им. акад. В. И. Шумакова, РФ):
1, 3 — венозный и артериальный резервуары; 2 — осциллограф; 4 — демпфер; 5 — дроссель; 6 — система управления; 7, 10 — трубки; 8 — испытываемый ИЖС; 9 — датчики давлений; 11 — трубка Холта; 12 — расходомер;
б — фотография универсального гидродинамического стенда для испытания ИЖС (ФНЦ трансплантологии и искусственных органов им. акад. В. И. Шумакова, РФ):
1 — легочный резервуар; 2 — правое предсердие; 3 — артериальный резервуар; 4 — левое предсердие; 5 — поплавковый расходомер; в — схема гидродинамического стенда для испытания ИЖС (институт ИеЬткоЫг, КпЬетЪет В, 1992, Германия): 1 — артериальный резервуар; 2 — манометр; 3 — регулятор гидравлического сопротивления; 4 — венозный резервуар; г — схема гидродинамического стенда для испытания ИС (Донован Ф., 1975, США):
1 — артериальный резервуар; 2 — регулируемое гидравлическое сопротивление; 3 — поплавок; 4 — венозный резервуар; 5 — ИЖС
4
4
2
1
Экспериментальные и клинические исследования
противления соответственно. Жидкость, циркулирующая в стендовой установке, может представлять собой либо дистиллированную воду, либо водно-глицериновую смесь с вязкостью, близкой к вязкости крови при температуре 37 °С. При использовании дистиллированной воды для получения реальной производительности следует применять пересчет на кровь по следующей зависимости [3]:
а)
14 1
Як = 0,2 + 8,0 Яв,
(1)
где Як — расход крови, мл; Яв — расход воды, мл.
Типовые конструкции стендов для определения производительности представлены на рис. 2, а—г.
Рассмотрим конструкцию стенда для испытания насосов крови на примере определения производительности ИЖС пневматического типа на стенде ФНЦ трансплантологии и искусственных органов имени акад. В. И. Шумакова (см. рис. 2, а).
Стенд содержит венозный 1 и артериальный 3 резервуары; дроссель 5, имитирующий периферическое сопротивление; расходомер 12; демпфер 4, сглаживающий пульсацию рабочей жидкости на входе в расходомер. На входе испытываемого ИЖС 8 установлена трубка Холта 11, имитирующая эластичность сосудов. Работа ИЖС осуществляется от системы управления 6, позволяющей изменять частоту рабочих циклов, значения давлений в пнев-мополости желудочка в период систолы (Рс) и диастолы (Рд), а также соотношение времени действия этих давлений — Тс/Тд. Для регистрации давлений на входе и выходе (Рвх и Рвых) ИЖС используются индуктивные датчики давлений 9 и осциллограф 2. В качестве рабочей жидкости применяется водно-глицериновая смесь с вязкостью, близкой к вязкости крови. Испытываемые ИЖС подключали к венозному и артериальному резервуарам с помощью трубок 7 и 10 длиной 30 см и внутренним диаметром 10 мм, т. е. идентичных тем, которые используются при шунтировании естественного сердца.
За рубежом, в частности в США и Германии, наибольшее распространение вследствие своей простоты и удобства применения получили стенды, разработанные В. КшегЬет (см. рис. 2, в) и Ф. До-нованом и В. Кольфом (см. рис. 2, г) [1].
Стенды для изучения гидродинамических характеристик потока крови
Данная категория стендов предназначена для экспериментального исследования гидродинамических характеристик ИЖС и искусственных клапанов сердца (ИКС) в условиях модельного физиологического потока. Необходимо определить такие важные характеристики течения жидкости (крови), как наличие и размер застойных зон, положение
к
£
16
13 4
13
Ъ,
.17
15
\10 - 111 --12
б)
в)
Рис. 3
Стенды для изучения гидродинамических характеристик систем ИС и ВК:
а — схема лазерной установки для изучения гидродинамики ИКС:
1, 2 — рубиновые призмы; 3, 5 — кварцевые призмы; 4 — сечение гидроканала; 6 — осветитель; 7 — тепловой фильтр; 8 — рассеивающий экран; 9 — самописец; 10 — генератор импульсов; 11 — источник временных сдвигов; 12 — пульт управления; 13 — цилиндрические кварцевые линзы; 14-16 — фотодиоды; 17 — кинокамера;
б — схема стенда для визуализации течения жидкости через систему ИеагЬта1е II:
1 — резервуар с прокачиваемой жидкостью; 2 — расходомер; 3 — блок обработки и визуализации сигналов с датчиков давления; 4 — датчики давления; 5 — система управления системой ВК; 6 — высокоскоростная видеокамера; 7 — оптический фильтр; 8 — Система ВК ИеаНтаЬе II; 9 — ЭВМ; 10 — лазер; 11 — источник питания лазера; 12 — пневматическое устройство имитации работы естественного сердца; 13 — лучепровод;
в — стенд для изучения гидродинамических характеристик ИС АСсог:
1 — ЭВМ с программным обеспечением; 2 — высокоскоростная камера; 3 — стенд для оценки эффективности насосной функции; 4 — испытываемая система ИС АСсог
8
6
2
биотехносфера
| № 4(1Б)/2011
точек отрыва потока, характер реверсивного течения, структуру сдвигового слоя, области смешения между основными и рециркуляторными потоками. Эти характеристики определяют, в первую очередь, гемодинамические характеристики искусственного кровообращения. Для регистрации указанных выше характеристик может быть применен метод фотохромной визуализации (ФХВ). В основу этого метода положено явление фотохромизма в жидких фотохромных растворах. В потоке фотохромной жидкости, моделирующей кровоток в ИЖС или через клапан, под действием лазерного излучения создаются цветовые метки. Движение цветовых меток в потоке регистрируется скоростной кинокамерой. По результатам скоростной киносъемки определяются гидродинамические характеристики потока.
Примерами конструкций стендов для определения гидродинамических характеристик могут служить стенды, используемые в ФНЦ трансплантологии и искусственных органов им. акад. В. И. Шумакова — изучение характеристик искусственных клапанов сердца, стенд для визуализации потоков жидкости, протекающей через устройство вспомогательного кровообращения, не пульсирующего типа, американской фирмы Thoratec Heartmate II, а также стенд немецкой фирмы для исследования гидродинамических характеристик ИС АСсог (рис. 3) [1, 2]. Особенностью стенда для исследования системы Heartmate II является наличие пневматического устройства, имитирующего работу естественного человеческого сердца.
Стенды для оценки гемолиза и тромбообразования
Оценка уровня гемолиза является одной из важнейших задач при проведении экспериментальных исследований. Основная травма крови при работе систем ИС и ВК происходит на клапанах (ИКС). Для оценки уровня гемолиза, вызываемого ИКС, могут быть использованы две методики.
Первая методика включала эксперименты на донорской крови, при второй методике кровь заменялась пластмассовым заполнителем. Результаты исследований, проведенных с помощью этих методик, оказались идентичными. Примером стендовой установки может служить стенд, схема которого изображена на рис. 4 [4]. Установка включает два замкнутых контура I, II, включающие мягкий резервуар 1, 2; искусственный желудочек сердца 3, 4, двухканальный пневматический привод 5; гидравлическое сопротивление 6, 7; систему соединительных трубок. В каждый искусственный желудочек устанавливаются на вход и выход ИКС 8, 9. Величина гемолиза крови определялась методом спектрофотометрии центрифугированных проб крови. Для оценки уровня гемолиза использовался модифицированный индекс гемолиза М!Н.
Рис. 4
Схема экспериментальной установки для оценки уровня гемолиза, вызываемого работой ИКС
Стенды для исследования тепловых характеристик приводов ИС и ВК
Известно, что в ткани, окружающие имплантируемое ИС, можно без каких-либо последствий сбрасывать до 6...7 Вт тепловой энергии, а в кровяной поток с последующим рассеиванием через выделительные системы — до 20.40 Вт при производительности систем ИС и ВК от 2 до 5 л/мин. Поэтому при разработке автономных систем большое значение приобретает определение допустимых и экстремальных параметров теплового сброса, а также способов рассеивания не утилизированной энергии.
Известны различные способы отведения тепла от имплантируемых систем ИС и рассеивания их в организме. Для этого используют теплообменники, реализующие воздушное охлаждения через гортань, трахею и легкие и осуществляющие отвод тепла через мочевыделительные органы, а также в окружающие ткани или непосредственно в циркулирующую кровь. Однако наиболее эффективным теплоотведением является комбинация нескольких указанных методов. Поэтому в свое время наибольшее распространение получили тканевые и сосудистые теплообменники, которые либо располагаются в окружающих тканях на непосредственно избранном органе, либо помещаются в кровоток.
Таким образом, одной из важнейших проблем при создании имплантируемых систем вспомогательного кровообращения является обеспечение продолжительной непрерывной работы механической системы без нагрева выше 40 °С в условиях ограниченного теплоотвода. Целью эксперимента, проводимого на установках этого типа, является определение тепловых характеристик моноблочных приводов ИС и ВК, а также проверка пригодности
Таблица 1
Характеристики стендовых установок для определения основных параметров систем ИС и ВК
Группа стендовых установок
Определяемая величина
Устройства для регистрации данных
Метод измерения
Стенды для оценки эффективности насосной функции систем ИС и ВК
Производительность Q, л/мин
Расходомеры на основе различных физических явлений
Прямой, косвенный
Стенды для изучения гидродинамических характеристик потока крови
Наличие и размер застойных зон; положение точек отрыва потока; характер реверсивного течения; структура сдвигового слоя; области смешения между основными и рециркуляторными потоками
Скоростные видеокамеры
Прямой
Стенды для оценки гемолиза и тромбообразования
Уровень гемолиза
Косвенный с применение MIH, NIH
Стенды для исследования тепловых характеристик приводов ИС и ВК
Температура работы приводов систем ИС и ВК, °С
Термодатчики и термопары
Прямой, косвенный
разработанной конструкции в качестве исполнительных приводов ИС и ВК. В общем случае стендовые установки для исследования тепловых характеристик приводов ИС и ВК состоят из регистрирующей аппаратуры (термодатчики), блока согласования и обработки сигналов, системы управления приводами, а также системы для создания силовых нагрузок, которым будут подвергаться приводы систем ВК и ИС при перекачивании крови. Для реализации последней задачи можно выделить два возможных пути ее решения:
1) применение стендов для определения эффективности насосной функции систем ИС и ВК;
2) применение специализированных конструкций для имитации силовых воздействий, которым подвергаются системы ИС и ВК при работе.
Методика проведения эксперимента является общей для обоих подходов и заключается в определении температуры (либо поля температуры) приводов систем ИС и ВК (либо их составных частей, обеспечивающих максимальный тепловой поток). Примером стенда, выполненного с применением второго подхода, может служить стенд для испытания имплантируемых систем ВК и ИС, разработанный во ВлГУ рис. 5 [5].
Рис. 5
Схема экспериментального стенда:
1 — рама; 2 — регулировочный винт; 3, 5 — опоры; 4 — нагрузочное устройство; 6 — моноблочный привод; 7 — металлополимерный термочувствительный датчик
Таким образом, базовым компонентом для всех стендовых установок является стенд для оценки эффективности насосной функции. В табл. 1 приведены определяемые параметры стендовых установок при проведении испытаний, устройства и датчики для регистрации данных и метод измерения.
Автором предлагается конструкция стенда для проведения комплексных лабораторных испытаний, включающих оценку эффективности насосной функции систем ИС и ВК [6], исследование тепловых характеристик приводов ИС и ВК, а также изучение гидродинамических характеристик потока крови. Такую конструкцию можно реализовать на базе систем для сбора данных фирмы «National Instruments» (США).
Определение производительности систем ИС и ВК предлагается проводить на двухконтурном гидродинамическом стенде, имитирующем большой и малый круги кровообращения. Каждый контур состоит из двух резервуаров, один из которых заполняется дистиллированной водой (либо водно-глицериновой смесью), в другом резервуаре создается вакуум с целью обеспечения начального противодавления. Для визуального контроля процесса стенд выполнен из прозрачного материала (оргстекла). Также в состав стенда входят входная и выходная магистрали переменного гидравлического сопротивления, регистрирующая аппаратура (датчики давления, электромагнитные расходомеры) и система сбора данных с применением программного и аппаратного обеспечения фирмы «National Instruments». Для анализа температурных режимов работы системы устанавливаются термодатчики. При необходимости исследования наличия и размера застойных зон, положения точек отрыва потока, характера реверсивного течения, структуры сдвигового слоя, области смешения между основными и рециркуляторными потоками предлагается применять отечественную лазерную установку на парах меди модели CVL-10 (Я = 510 нм) и также отечественную высокоскоростную видеокамеру модели CCD-SMOS VS-FAST
| № 4(16)/20П
биотехносфера
1
(скорость съемки 5000 к/с). Основными преимуществами предлагаемой конструкции являются:
— универсальность конструкции, позволяющая исследовать характеристики как систем ВК и ИС;
— наличие современных систем сбора данных, позволяющих регистрировать данные как в режиме «on-line», так и записывать их для последующего анализа.
| Литература |
1. Kwant P. B. Implantable electromechanical displacement blood pumps: systematic design and validation methods., 2007. 157 p. (http://darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/ volltexte/2008/2380/pdf/Kwant_Paul.pdf)
5.
6.
Snyder T. A. Preclinical biocompatibility assessment of cardiovascular devices., 2006. 169 p. (http://etd.library.pitt.edu/ ETD/available/etd-04062006-102142/unrestricted/snyderta_ etd2006_v2.pdf )
Шумаков В. И., Толпекин В. Е., Попов Т. А. Атлас вспомогательного кровообращения. Алма-Ата: Гылым, 1992. 208 с.
Шумаков В. И., Толпекин В. Е., Шумаков Д. В. Искусственное сердце и вспомогательное кровообращение. М.: Янус-К, 2003. 376 с.
Морозов В. В. и др. Имплантируемая система вспомогательного кровообращения на базе мехатронных модулей. Владимир: изд-во ВлГУ 2006. 134 с.
Морозов В. В., Жданов А. В., Беляев Л. В. Разработка мехатронного модуля имплантируемой системы искусственного сердца и его лабораторно-стендовые испытания // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 5. С. 58-61.
(Г
^X
Научно-практический журнал "Биомедицинская химия" (до 2003 г. - "Вопросы медицинской химии") один из старейших отечественных научных журналов (издаётся с 1955 г.).
Журнал публикует оригинальные статьи и обзоры по наиболее актуальным проблемам биомедицинской химии. Основные рубрики: геномика, протеомика, постгеномные технологии, биоинформатика, нанобиотехнология, компьютерное конструирование лекарств, биохимическая фармакология, молекулярная медицина, клиническая биохимия.
Журнал входит в список изданий, рекомендуемых ВАК для публикации результатов диссертационных работ, включён в Российский индекс научного цитирования и представлен в следующих информационно-справочных изданиях: Реферативный журнал и база данных ВИНИТИ, "Ulrich's Periodicals Directory", PubMed, Scopus (Elsevier). Выходит 6 раз в год. Подписной индекс "Роспечать": 81621. С 2007 статьи, получившие наиболее высокую оценку при рецензировании, также издаются на английском языке в виде Biochemistry (Moscow) Supplement series В: Biomedical Chemistry (Springer МАИК-Наука Интерпериодика).
Адрес редакции: 119121 Москва, ул. Погодинская 10, ИБМХ РАМН, журнал "Биомедицинская химия". Телефон редакции: +7-495-708-38-12; эл. почта: [email protected]; адрес в Интернете:
http ://www.ibmc .msk.m/pbmc/wdefault.htm
4=
J>
