Искусственное сердце

 

3 .-г.: LИЗЯДЯ " -1 . Г-;,, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН1 Я

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5024333/14 (22) 23.0991 (46) 30.1093 Бюл. Йя 39-40 (76) Чинарев Иван Петрович (54) ИСКУССТВЕННОЕ СЕРДЦЕ (57) Ислользоваме: в медицине. в частности в сердечной хирургии. Сущноть изобретения: искусственное сердце содержит четырехкамерный насос, выполненный в виде двух камер, разделенных перегородкой на желудочек и предсердие, снабженные одностронними клапанами, а предсердия и желудочки снабжены коннекторами с установленными в них входными и выходными клапанами соответственно, и связанный с насосом привод Согласно изобретению перегородки в камерах выполнены в (19) RU (11) 2001637 С1 (51) А 1М1 10 виде подвижных мембран, а привод содержит шток, соединяющий центры подвижных мембран с возможностью возвратно — поступательного перемещения. пропущенный через центральные отверстия в правом желудочке и левом предсердии, выполненных в виде торроидов, причем в левом предсердии стенки торроида, закрепленные по периметру и центру подвижной мембран выполнены эластично вялыми, а s правом желудочке эластично вялыми выполнены стенки центрального отверстия торроида при этом шток связан с подвижной мембраной правой камеры через преобразователь усилия, выполненный в виде цилиндрической пружины. 2 зл ф-лы, 2 ип.

2001637

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к протезам внутренних органов.

Известно искусственное сердце, содержащее электропривод и четырехкамерный насос, выполненный в виде пары желудочков и предсердий. Каждая пара желудочекпредсердие разделена перегородкой с односторонним клапаном в виде клапанных отверстий и гибких створок. Каждый из желудочков имеет подвижную внешнюю оболочку, и в каждом желудочке встроены датчики конечных положений и датчики в приводе желудочков. Кроме того, сердце содержит счетно-решающий блок, который управляет сердечным ритмом в диапазоне

50-120 сокращений в 1 мин.

В упомянутом техническом решении основное внимание уделяется счетно-решающему блоку, работа которого приближает гемодинамические характеристики искусственного сердца к характеристикам естественного сердца. Однако соблюдается это только в части числа сокращений сердца в минуту в зависимости от испытываемой пациентом нагрузки. По части же работы самого сердца следует заметить, что в период диастолы оно оперирует фактически с удвоенным количеством крови. Действительно, в начале диастолы под действием распрямляющейся подвижной оболочки желудочка кровь засасывается в желудочек из пассивного предсердия через клапан в неподвижной перегородке. А поскольку поток крови непрерывен, то в это же время в освободившийся объем предсердия засасывается иэ вен столько же крови, сколько перетекает ее в желудочек. Затем в период систолы подвижная оболочка желудочка, двигаясь в сторону неподвижной перегородки, клапан в которой закрывается, выталкивает кровь только из желудочка, Получается, что предсердие всегда заполнено одинаковым количеством крови и в период диастолы, и в период систолы. А это равносильно тому, что каждая пара желудочек-предсердие выполняет функцию как бы желудочка удвоенного размера, который по завершении диастолы заполнен двойным объемом крови. а в период систолы выталкивает кровь в сосуды организма в количестве одного объема, т.е, рассматриваемое искусственное средце как бы выполнено иэ двух >келудочков больших размеров, что нежелательно: во-первых, кровь лишнее время пребывает в предсердии и контактирует с его чужеродным телом, во-вторых, заполненное предсердие является только лишним звеном на пути продвижения крови из вен в желудочек, ибо оно само не посылает кровь в желу5

55 дочек, но и не защищает вены от спадения (слипания) при недостаточном венозном подпоре, если окажется, что вены имеют меньшую упругость в сравнении с повышенной упругостью подвижной оболочки желудочка (нужна дополнительная энергия для продвижения крови через предсердие), По этой причине гемодинамические характеристики известного искусственного сердца в недостаточной степени приближаются к характеристикам естественного сердца.

Целью изобретения является упрощение искусственного сердца и приближение

его гемодинамических характеристик к характеристикам естественного сердца.

Это достигается тем, что перегородки в камерах выполнены в виде упругих подвижных мембран, а привод содержит шток, соединяющий центры подвижных мембран с возможностью возвратно-поступательного их перемещения, пропущенный через центральные отверстия в правом желудочке и левом предсердии, выполненных в виде тороидов, причем в левом предсердии стенки тороида, закрепленные по периметру и центру подвижной мембраны, выполнены эластично-вялыми, а в правом желудочке выполнены эластично-вялыми стенки центрального отверстия тороида, при этом шток связан с подвижной мембраной правой камеры через преобразователь усилия, выполненный в виде цилиндрической пружины, средняя же часть штока выполнена в виде ферромагнитного сердечника, охваченного катушками управляемого соленоида, или же средняя часть штока выtloëнена в виде двухполостного пневмотолкателя, каждая полость которого соединена с одной из двух камер сильфонного пневмопривода, На фиг. 1 и 2 изображено искусственное сердце.

На фиг, 1 схематично изображено искусственное сердце, состоящее из двух насосных камер-левой 1 и правой 2, полости которых разделены упругими подвижными мембранами 3 и 4 соответственно на левое предсердие 5 и левый желудочек 6 и на правое предсердие 7 и правый желудочек 8, Для прикрепления сосудов кровеносной системы к насосным камерам на корпусах левого предсердия 5, левого желудочка 6, правого предсердия 7 и правого желудочка 8 установлены коннекторы 9, 10, 11, 12 соответственно. В коннекторах 9 и 11 встроены входные клапаны К1 и К2, пропускающие кровь соответственно в левое 5 и правое 7 предсердия. В коннекторах 10 и 12 встроены входные клапаны КЗ и К4, выпускающие кровь соответственно иэ левого 6 и правого

2001637

8 желудочков, В мембранах 3 и 4 встроены предсердно-желудочковые клапаны К5 и К6, пропускающие кровь из предсердий в желудочки, Насосные камеры 1 и 2 прикреплены плоскими сторонами корпуса к торцам уг|- 5 равляемого соленоида 13, образуя с ним единую конструкцию. В отверстии соленоида 13 расположен ферромагнитный сердечник 14, от которого отходит левый полый конец штока 15, прикрепленный к центру 10 мел1браны 3, и правый полый конец штока

16, внутри которого расположен преобразо- . ватель усилия, выполненный в виде легкорастягивающейся пружины 17, прикрепленной с одной стороны к центру 15 мембраны 4, а с другой — к ферромагнитному сердечнику 14. Левое предсердие 5 выполнено в виде тороидного мешка, одной стороной которого является подвижная мембрана 3, а остальными — эластично-вя- 20 лые стенки, закрепленные по периметру и центру мембраны 3 и свободно прилегающие к плоскому корпусу, В центре предсердия 5 эластичные стенки образуют отверстие, принимающее форму конуса во 25 время систолы желудочка 6. Через это отверстие пропущен к мембране 3 левый конец штока 15. В правом желудочке 8 по центру выполнено такое же конусное отверстие с эластичными вялыми стенками (а ме- 30 шочного тороида нет), Через это отверстие пропущена и прикреплена к мембране 4 пружина 17 преобразователя усилия, Обе подвижные мембраны установлены в насосных камерах в конечно-систоличе- 35 ском положении, чтобы они во время диастолы запасали энергию деформации, а во время систолы отдавали ее. рассматриваем работу искусственного сердца с момента, когда предсердия 5 и 6 40 заполнены кровью, и мембраны 3 и 4 находятся в исходном конечно-систолическом положении, После систолы наступает диастола, и обе л|ембраны под действием привода одновременно перемещаются в 45 конечно-диастолическое положение от выходных клапанов К3 и К4 в сторону входных клапанов К1, К2, При этом все упомянутые клапаны закрываются, а предсердно-желудочковые к5, К6 открываются, через кото- 50 рые кровь иэ предсердий 5 и 7 вытесняется мембранами в желудочки 6 и 8. Происходит опорожнение предсердий и заполнение желудочков за время 0,3-0,4 с. После заполнения желудочков начинается период 55 систолы. Мембраны меняют направление движения, и при этом входные К1, К2 и выходные КЗ, К4 клапаны открываются, а предсердно-желудочковые клапаны К5, К6 закрываются.

Необходимо отметить, что в период систолы сердца имеется разнг ца в работе левой 1 и правой 2 камер. При систале левой кальдеры 1 мембрана 3 движется под действием 33naceHHGA в ней энергии деформации и штока 15 в сторону выходного клапана КЗ с нарастанием фронта давления, и из желудочка 6 происходит ударный выброс крови в аорту за время порядка 0,15-0,25 с. Хотя одновременнс с выходным клапаном К3 открывается и входной клапан К1, однако интенсивного всасывания крови из легочных вен в предсердие 5 не происходит, т.к. стенки тороидно-мешочного предсердия 5, как упоминалось выше, выполнены эластичновялыми. Их эластичность рассчитана на то. чтобы замедлить заполнение предсердия 5 кровью и не вызвать слипания веноэных стенок. Т.е. в начальный момент систолы эластичные стенки тороида не создают резкого разрежения в полости предсердия 5, ибо после диастолы они находятся еще в деформированном состоянии и перемещаются вслед за мембраной 3. Только по времени где-то в середине периода систолы предсердие 5, увеличиваясь в объеме. начинает всасывать кровь из вен. Заполнение предсердия 5 продолжается и после заьершения систолы порядка 0,2-0,25 с. Сопротивление входного клапана К1 потоку крови также способствует замедлению заполнения предсердия 5, но и не создает проблемы венозного возврата, т,к. предсердие здесь активное, а не пассивное. Эластичные края мембраны 3 играют положительную роль при закрытии входного клапана К3. Они в конце систолы продолжают выравниваться и выталкивать кровь из желудочка 6, снижая постепенно в нем давление крови до уровня противодавления крови из аорты, отчего клапан КЗ не столько резко закрывается и менее травмирует форменнь.е элел|енты крови.

Относительно работы правой насосной камеры следует отметить следующее. В естественном сердце кровь из пра ой половины сердца в легочную артерию нагнетается с меньшим, порядка в 3 раза, давлением, чем из левой половины сердца в аорту большого круга. Поэтому для сохранения такого свойства в предлагаемой модели сердца предусмотрено увели;ение и родол жите л ьности систолы правой насосной камеры 2 с помощью пружины 17 преобразователя усилия, находящейся в полости штока 16, которая в начальный момент систолы растягивается, и тяговое усилие на мембрану 4 ослабляется, Итак, момент начала систолы в обеих насосных камерах наступает одновремен2001637 но, но мембрана 4 правой насосной камеры

2 выталкивает кровь в легочную артерию замедленно за время порядка 0,35-0,45 с в основном за счет энергии деформации мембраны 4. ранее запасенной во время диастолы, и частично за счет сокращения пружины

17, у которой энергия сжатия раза в три меньше тяги штока привода, При замедленном движении мембраны 4 кровь в легочную артерию выталкивается с меньшим давлением 30 — 35 мм, рт. ст. Замедленное движение мембраны 4 обусловлено еще и тем, что одновременно с систолой происходит заполнение кровью предсердия 7. И здесь медленное всасывание крови иэ вен предсердием 7 не приводит к слипанию венозных стенок.

С тем, чтобы при завершении систолы, а также и диастолы не происходило соприкосновения мембран с противолежащими стенками камер, что может повлечь травмирование элементов крови, в обеих насосных камерах созданы гарантированные зазоры между мембранами и стенками камер с помощью заданной рабочей длины штоков 15 и 16, перемещающих мембраны в нужных пределах.

Предлагаемая модель сердца может работать от различных типов приводов. На фиг. 1 приведена модель сердца с управляемым соленоидом, а на фиг. 2 — с сильфонным пневмоприводом, Модель сердца на фиг. 2 изображена условно беэ клапанов для пояснения работы сильфонного пневмопривода. Последний имеет в своем составе источник давления и разрежения воздуха, зто сильфон 18, разделенный перегородкой 19 на две равные полости 20 и 21, и пневмотолкатель штоков 22 также с двумя полостями

23 и 24. Внешние стенки полостей 23 и 24 соответственно выполнены в виде подвижных мембран 25 и 26, на которых укреплены концы штоков, Это те же концы штоков 16 и

15, которые изображены на фиг. 1. Сильфонная полость 20 и полость 23 пневмотолкателя штоков соединены гибким шлангом 27 в единую герметическую замкнутую пневмоцепь. Такую же вторую герметически замкнутую пневмоцепь образуют сильфонная полость 21. полость 24 пневмотолкателя и гибкий шланг 28. Прочность шлангов должна быть достаточной, чтобы при заданном давлении не раздуваться, а при разрежении на слипаться. Сильфон 18 и остальные атрибуты привода, включая автономный источник электропитания и электродвигатель, предполагается выполнить в виде располагаемой вне организма носимой укладки, Работает пневмопривод следующим образом.

45

55

Торцы сильфона 18 закреплены неподвижно, а перегородка 19 может переме- . щаться влево или вправо, создавая в одной из сильфонных полостей высокое давление воздуха, а в другой — разрежение, Так на фиг. 2 перегородка 19 перемещается влево и, создавая в сильфонной полости 20 высокое давление, выталкивает воздух по шлангу 27 в полость 23 пневмотолкателя 22.

Возросшее давление в полости 23 толкает мембрану 25, а укрепленный на ней шток 16 толкает мембрану 4 насосной камеры 2, Одновременно с этим разрежение, образующееся в сильфонной полости 21, засасывает в нее воздух иэ полости 24 пневмотолкателя 22, и в результате мембрана 26, втягиваясь внутрь полости 24, тянет эа собой шток

15 и мембрану 3 насосной камеры 1. Таким образом, мембраны 3 и 4 насосных камер перемещаются практически синхронно в фазе, т.е. одновременно либо влево, либо вправо. также как и при соленоидном электроприводе. Если же возникает необходимость перемещать мембраны 3 и 4 в противофазе, то следует закрепить перегородку 19 и перемещать торцы сильфона 18 в противофазе, Давление и разрежение воздуха в полостях пневмотолкателя штоков осуществляются с целесообразным превышением, чтобы заведомо всегда обеспечивать перемещение штоков и мембран в насосных камерах в строго заданных пределах, поскольку рабочий ход штоков ограничен с обоих концов, и перемещаемые ими мембраны не будут касаться противолежащих стенок камер, Управление работой искусственного сердца сводится только к соблюдению частоты его сокращения в 1 мин. Это касается и варианта с пневмоприводом, поскольку и в нем отсутствуют элементы пневматики,, требующие непрерывно управления, мембраны насосов приводятся в движение такими же штоками.

По поводу перспективного развития искусственного сердца нужно заменить, что ритм его работы можно сравнительно легко менять путем изменения в нужных пределах скорости работы электродвигателя привода. Частоту сокращения сердца нужно изменять в ответ на изменение количества крови, притекающей к предсердиям.т.е, при увеличении венозного подпора частота сокращения сердца увеличивается, а при уменьшении венозного подпора частота сокращения сердца уменьшается. (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N795438,,кл,,А 61 М 1/10, 1981.

2001637

Формула изобретения

1. ИСКУССТВЕННОЕ СЕРДЦЕ, содер/ (жащее четырехкамерный насос, выполнен ный в виде двух - правой и левой - камер, разделенных перегородкой на желудочек и предсердие, связанный с насосом привод, в перегородках камер выполнены отверстия с установленными в них односторонними клапанами. а предсердие и желудочек снабжены коннекторами с установленными в них входным и выходным клапанами соответственно, отличающееся тем, что перегородки выполнены в виде подвижных мембран, а привод содержит шток, соединяющий центры подвижных мембран с возможностью возвратно-поступательного перемещения и пропущенный через центральные отверстия в правом желудочке и левом предсердии, выполненных в виде торроидов, причем в левом предсердии стенки торроида, закрепленные по периметру и центру подвижной мембраны, 5 выполнены эластично-вялыми, а в правом желудочке эластично-вялыми выполнены стенки центрального отверстия торроида, при этом шток связан с подвижной мембраной правой камеры через преобразова10 тель усилия, выполненный в виде цилиндрической пружины.

2. Сердце по п.1, отличающееся тем, что средняя часть штока выполнена в виде ферромагнитного сердечника, охваченного катушками управляемого соленоида.

3. Сердце по п.1, отличающееся тем, что средняя часть штока выполнена в виде двухполостного пневмотолкателя, каждая полость которого соединена с одной из двух камер сильфонного пневмопривода.

2001637 б

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Редактор Л. Павлова

Заказ 3140

Составитель И. Чинарев

Техред М.Моргентал Корректор О, Густи

Тираж . Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5