Разработка и исследование имплантируемого осевого насоса для вспомогательного кровообращения Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 615.47-114:616-07-08

Г. П. Иткин, д-р биол. наук, проф., Е. Г. Конышева, канд. биол. наук,

ФГУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов им. акад. В. И. Шумакова» С. В. Селищев, д-р физ.-мат. наук, проф.,

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

A. М. Невзоров,

B. А. Мальгичев, ООО «Дона-М»

И. А. Филатов, ООО «БИОСОФТ-М»

Разработка и исследование имплантируемого осевого насоса для вспомогательного кровообращения

Ключевые слова: вспомогательное кровообращение, роторные насосы крови, сердечная недостаточность, имитатор системы кровообращения, скорость вращения импеллера.

Key words: assisted circulation, rotary blood pump, cardiac failure, mock circulation, nonpulsatile pump, implantable centrifugal and axial pump, impeller rate of rotation.

В статье представлены результаты по созданию системы ВК, позволяющие надеяться, что разработанная конструкция будет не только отвечать всем необходимым медико-техническим требованиям, но и станет первым шагом на пути создания первой отечественной имплантируемой системы вспомогательного кровообращения непульсирующего типа, которая в ближайшие годы после экспериментальных исследований может быть рекомендована для клинического применения.

По статистике тяжелые формы сердечной недостаточности (ТФСН) поражают около 1 % взрослого населения. В нашей стране количество смертей по причине ТФСН составляет приблизительно 100 человек на 100 000 населения, что значительно больше, чем смертность от других тяжелых болезней. Даже несмотря на улучшение качества жизни и выживаемость пациентов с ТСФН за счет современной медицинской терапии, средняя продолжительность жизни составляет 1,7 года у мужчин и 3,2 года у женщин, а 5-летняя продолжительность жизни таких больных — менее 50 %.

Использование циклоспорина в 80-е годы прошлого столетия определило трансплантацию сердца как эффективное лечение для ТФСН с 10-летней выживаемостью после трансплантации 10 % пациентов. Однако реально имеются большие ограничения трансплантации, связанные с дефицитом донорских органов, и большинство больных умирают,

не дождавшись пересадки. Так, в США пересадку сердца ожидают не менее 40 тысяч человек, а ежегодное число пересадок — приблизительно 2200. Поэтому для решения проблемы потребовался поиск методов, альтернативных трансплантации сердца. Одним из таких многообещающих направлений послужило создание систем частичной или полной замены сердца на искусственный аналог.

В настоящее время наибольшее распространение в клинической практике для лечения больных ТФСН получило использование систем вспомогательного кровообращения (ВК), особенно длительно работающих носимых аппаратов ВК.

Системы ВК по виду исполнительного механизма подразделяются на пульсирующие (электропневматические, электромагнитные, электромеханические, электрогидравлические) и непульсирующие роторные (центробежные, осевые) насосы. По последним данным [1], пульсирующие и непульсирующие системы используются приблизительно в соотношении 1:1. Тем не менее тенденция применения непульсирующих насосов в последние годы показывает лучшую динамику. Это связано с большими преимуществами непульсирующих систем по сравнению с пульсирующими: это пониженное энергопотребление, большая надежность. За счет значительно меньших размеров и массы непульсирующие системы могут использоваться на пациентах с небольшой массой тела, в частности на детях. Сравнительные данные, проведенные на относительно больших группах пациентов, по оценке выживаемости с пульсирующими (ИеаНМаЪе УЕ) и

биотехносфера

| № 4(16)/2Ш

непульсирующими (НеагЪМ^е II) системами, показали, что пациенты с НеагЪМ^е II живут в 1,5— 2,0 раза дольше, чем пациенты с НеагЪМ^е УЕ насосом [2].

К сожалению, применение импортных систем в нашей стране ограничено их высокой стоимостью (200—300 тыс. дол. США). В связи с этим перед нами была поставлена задача создания отечественного носимого аппарата ВК для длительного подключения к системе кровообращения пациента на период поиска донорского сердца или до восстановления работы собственного сердца.

Используя опыт предыдущих разработок роторных насосов (центробежного и осевого), было принято решение разработать носимый аппарат ВК на базе осевого насоса (ОН), поскольку благодаря большей скорости вращения он имеет меньшие размеры и более высокий КПД.

Как известно, одним из важнейших узлов осевого насоса является подшипниковый узел, который во многом определяет срок службы и надежность насоса. Поэтому в зависимости от реализации подшипникового узла имеется три основных генерации, которые определяют тип насоса (табл. 1) [3].

В 1-й генерации вращение от двигателя к рабочему колесу передается через подшипниковый узел, который устанавливается в самом двигателе, а вал отделяется от кровяной камеры насоса через уплотнение или сальник. Поэтому основная трудность состоит не в разработке подшипника, а в создании длительно работающего уплотнения, отделяющего кровяную камеру насоса от приводного вала.

Одним из перспективных направлений решения данной проблемы является использование магнитно-жидкостного уплотнения [4]. Однако вопрос о том, как долго может функционировать такое уплотнение, остается малоизученным. Как показали наши исследования, даже при использовании биосовместимых магнитных жидкостей, магнитные свойства которых сохраняются несколько лет, функционирование такого уплотнителя во многом определяется технологическими ограничениями создания таких систем [5].

2-я генерация основана на том, что ротор насоса подвешен в магнитном поле. С одной стороны, это кажется идеальным решением проблемы, так как в системе насоса отсутствуют какие-либо трущиеся поверхности. А следовательно, время работы такого насоса не ограничено. Однако такое решение

Таблица 1 1 Генерации подшипникового узла

Тип подшипникового узла Номер генерации

Передача вращения через вал 1

с уплотнением

Магнитный подшипник 2

Подшипник, погруженный в кровь 3

проблемы сопряжено с увеличением массы и габаритных размеров системы, а также с некоторым дополнительным увеличением входной мощности. Кроме того, надежность насоса из-за повышения общей сложности системы управления снижается, а поломка магнитного подвеса может привести к фатальному результату.

3-я генерация основана на использовании подшипникового узла, погруженного в кровь. Здесь так же как и в конструкции 2-й генерации, ротор двигателя совмещен с импеллером. При этом конструкция подшипникового узла может быть достаточно проста, так как не требуется дополнительного контура промывания. Однако за этим скрывается ряд новых проблем, связанных с минимизацией трения в данном узле и возможным заклиниванием. Кроме того, данный узел может стать потенциально опасным с точки зрения образования тромбов. Поэтому при проектировании подшипникового узла, погруженного в кровь, необходимо прежде всего оптимизировать конструкцию подшипника, а также выбирать материалы, мало подверженные износу и имеющие минимальный коэффициент трения. Важными требованиями являются точность изготовления подшипниковой пары, балансировка ротора, центровка, отсутствие вибраций и минимальная скорость износа.

Рассматривая модели имплантируемых роторных насосов систем ВК 3-й генерации, следует отметить, что именно эти системы получили наиболее широкое распространение в клинической практике. Первым роторным насосом, получившим разрешение на клиническое применение, стал ОН MicroMed БеВакеу [6], разработанный совместно с NASA по типовой схеме осевого насоса (рис. 1).

Основным элементом ОН является шнек, который служит для передачи энергии вращения потоку крови. Шнек входит в состав рабочего колеса и находится на вращаюшейся втулке, внутри которой расположены магниты ротора приводного двигателя. Перед шнеком находится направляющий аппарат, функция которого свести к минимуму вращение потока до входа на лопатки шнека, так как оно может

Рис. 1

Типовая схема имплантируемого ОН:

1 — направляющий аппарат; 2 — корпус; 3 — лопатки шнека; 4 — статор двигателя; 5 — лопатки спрямляющего аппарата; 6 — опоры скольжения; 7 — ротор двигателя

4

№ 4(1Б)/2011~[

биотехносфера

Перспективные разработки

вызвать дополнительные потерн энергии. Для преобразования кинетической энергии вращения крови на выходе шнека в потенциальную энергию давления в стационарной области насоса устанавливается диффузор, или спрямляющий аппарат, который, как правило, представляет собой крыльчатку, направление лопаток которой противоположно направлению вращающегося потока крови. Основное требование к подшипниковому узлу в таких конструкциях — минимизация трения и износа подшипниковой пары. Корпус ОН поддерживает все стационарные элементы, в него же вмонтирован статор бесконтактного двигателя постоянного тока.

Данная конструкция была взята за основу проектирования собственной конструкции ОН. На первых этапах проектирования был проведен анализ существующих в мире разработок, который позволил определить основные тенденции и направления в развитии подобных насосов.

Помимо разработки надежного и длительно работающего подшипникового узла, основная проблема при проектировании ОН состоит в минимизации травмы крови, создаваемой насосом, и тромбообразо-вания. Основные причины, ведущие к травме крови и тромбообразованию, имеют разнонаправленную природу: механическую, биологическую и гидродинамическую. В результате проведенного исследования были выбраны оптимальные рабочие элементы отобранных конструкций и синтезирована структура конструкции осевого насоса крови. На основании классической теории расчета насосных агрегатов были получены геометрические параметры основных элементов ОН. Для исследования характера течения крови в межлопаточных каналах насоса, а также для определения и синтеза оптимальной геометрии лопаток шнека и спрямляющего аппарата было проведено математическое моделирование процессов течения внутри рабочих элементов проектируемого ОН с использованием современных компьютерных методов вычислительной гидродинамики, так называемых методов СЕБ.

Моделированием по критерию наименьших гидравлических потерь была определена оптимальная геометрия шнека и спрямляющего аппарата, на основании которой в компьютерных инженерных

У г.,?:?.;,;

Ш

\/о1ите РгасИоп ofPhase 2

Рис. 2

Рис. 3 I Макетный прототип ОН

Рис. 4 I Опытный образец ОН

программных комплексах была спроектирована трехмерная твердотельная модель шнека и спрямляющего аппарата (рис. 2).

По полученной модели проведено комплексное моделирование физических процессов течения крови, в результате которого определены оптимальные геометрические параметры рабочих элементов конструкции ОН.

На основании данных исследований и разработок бесконтактного двигателя постоянного тока специальной конструкции были изготовлены макетные прототипы (рис. 3) и опытные образцы ОН (рис. 4).

Проведенные испытания гидродинамических характеристик ОН (рис. 5), показали полное соответствие медико-техническим требованиям. В част-

250

3 200 -

Н ■ Я

^ 150 -

р

Щ 100

50

2 3 4 5 Расход, л/жни

5000

■ 6000

7000

■ 8000

9000

Кожпъютерная трехжерная жоделъ шнека и спряжляющего аппарата

Рис. 5 I Расходно-напорные характеристики ОН

0

1

6

7

биотехносфера

| № 4(16)/2011

Перспективные разработки

ности, контрольная рабочая точка, соответствующая расходу 5 л/мин при перепаде давления 100 мм рт. ст., была получена при скорости вращения ротора 8600 об/мин.

Полученные результаты по созданию системы ВК позволяют надеяться, что разработанная конструкция будет не только отвечать всем необходимым медико-техническим требованиям, но и станет первым шагом на пути создания первой отечественной имплантируемой системы вспомогательного кровообращения непульсирующего типа, которая в ближайшие годы после экспериментальных исследований может быть рекомендована для клинического применения.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (государственный контракт № 02.522.12.2010 от 2009 г.).

| Литература

1. Kirklin J. K., Naftel D. C., Kormos R. L. Second INTERMACS report % More than 1000 primary left ventricle assist device implants // J. Heart Lung Transpl. 2010. 1:1-10.

2. Slaughter M. S., Rogers J. G., Milano C. A., et al. Advanced heart failure treated with continuous-flow left ventricular assist device // The New England Journal of Medicine. 2009. 361: 2241-2251.

3. Hoshi H., Shinshi T., Takatani S. Third-generation blood pumps with mechanical noncontact magnetic bearings // Artificial organs. 2006. 30(5): 324-338.

4. Yamazaki K., Okamoto E., Yamamoto K., et al. The valvo-pump, an axial blood pump implanted at the heart valve position: concept and initial results // Artificial organs. 1992. 16(3): 297-299.

5. Конышева E. Г., Иткин Г. П., Дробышев А. А., Романов О. В. Результаты исследования на гемолиз новых имплантируемых центробежных насосов // Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2007. 4: 41-46.

6. DeBakey M. E. A Development of a ventricular assist device // Artificial organs. 1997. 21: 1149-1153.

<r

ОАО «Издательство "ПОЛИТЕХНИКА

предлагает:

»

С. М. Аполлонский, Т. В. Кал яда, Б. Е. Синдаловский

БЕЗОПАСНОСТЬ! ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ" ЧЕЛОВЕКА

в электромагнитных полях

С. М. Аполлонский, Т. В. Коляда, Б. Е. Синдаловский

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ Учебное пособие

ISBN 5-7325-0854-6 Объем 263 с. Формат 60x90 V16 Тираж 1000 экз.

Рассматриваются медико-биологические основы безопасности жизнедеятельности человека в электромагнитных полях. Описаны и систематизированы источники электромагнитного поля искусственного происхождения в области неионизирующих излучений, рассмотрена электромагнитная обстановка в помещениях и в окружающей среде, изложены концепции механизмов биологического воздействия электромагнитного поля и клинико-физиологические аспекты проявления этого действия, указаны методы и средства защиты человека от воздействия электромагнитного поля, средства измерения параметров электромагнитного поля и рекомендованы методы проведения мониторинга.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, преподавателей, аспирантов, научных и технических работников, а также широкого круга читателей, интересующихся проблемами безопасности человека в электромагнитных полях.

Для приобретения книги по издательской цене обращайтесь в отдел реализации:

Тел.: (812) 571-61-44, 312-53-90; тел./факс: (812) 312-44-95;

e-mail: sales@polytechnics.ru, gfm@polytechnics.spb.ru, через сайт: www.polytechnics.ru

К,

JJ

№ 4(1Б)/2011 |

биотехносфера