Способ определения механических характеристик поддерживающего устройства желудочков сердца

Изобретение относится к механике и трибологии и может быть использовано для диагностики разрушения поверхностных слоев материала при действии контактной нагрузки. Производят нагружение образца путем создания гидростатического давления в размещенном внутри образца упругом элементе. Производят регистрацию радиального перемещения точек наружной поверхности образца в момент разрушения. В качестве упругого элемента используют оболочку, гидростатическое давление создают путем сжатия дополнительной оболочки, размещенной между опорными плитами пресса и гидравлически соединенной с упругим элементом. Производят нагружение упругого элемента в отсутствии образца до значения перемещения, полученного в момент разрушения образца. Разрывную нагрузку определяют в виде разности значений нагрузок при наличии и отсутствии образца на упругом элементе, соответствующих указанному радиальному перемещению. Разрывное удаление определяют по зависимости U_θ=πU_r, где U_θ - разрывное удлинение; U_r - радиальное перемещение поверхности образца. Изобретение обеспечивает возможность проектирования имплантатов сердца для хирургического лечения аневризм желудочков. 6 ил.

 

Изобретение относится к биомеханике и может быть использовано для оценки деформационно-прочностных характеристик кардиоимплантатов.

Ряд заболеваний приводит к прогрессирующей дилатации полостей сердца и хронической сердечной недостаточности. В целях хирургического лечения предложены поддерживающие устройства желудочков сердца (ПУЖС) [Chaudhry Р.А., Paone G., Sharov V.G., et al. Passive ventricular constraint with the acorn prosthetic jacket prevents progressive left ventricular remodeling and functional mitral regurgitation in dogs with moderate heart failure // AATS 79^th Annual Meeting Program. - 1999. - P.66.; Buckberg G.D. The structure and function of the healthy helical and failing spherical heart, overview: the ventricular band and its surgical implications // Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery, Vol.13. No 4, 2001, pp.298-300.; Magovern J.A. Experimental and Clinical Studies with the Paracor Cardiac Restraint Device // Semin Thorac Cardiovasc Surg. 2005, Vol.17: pp.364-368.] в виде оболочек, размещаемых подобно корсету снаружи дилатирующего желудочка сердца и препятствующего развитию его аневризмы.

Для изготовления указанного средства протезирования используются эластичные сетчатые материалы. После имплантации благодаря развитой пространственной структуре они способны прорастать биотканью с образованием выстилки, обеспечивающей совместимость с организмом.

С целью определения механических характеристик ПУЖС в соответствии с известными способами [ГОСТ 16218.5-93. Изделия текстильно-галантерейные. Метод определения разрывной нагрузки и разрывного удлинения при растяжении] производят одноосное растяжение стандартных образцов материала в виде полосок и регистрируют разрывную нагрузку и разрывное удлинение по шкале или на индикаторе разрывной машины. Известные способы не позволяют определить механические характеристики поддерживающего устройства в условиях, близких к его функционированию после имплантации, когда нагружение ПУЖС обусловлено давлением дилатирующего желудочка сердца. Кроме того, недостатком указанных способов является погрешность определения разрывной нагрузки из-за возможности перекоса и перекусывания захватных частей образцов и разрывного удлинения, обусловленная проскальзыванием образцов в зажимах испытательной машины. Так как применяемые в ПУЖС сетчатые материалы обладают анизотропией механических свойств, необходимо проводить испытания образцов, вырезанных в различных направлениях, что увеличивает трудоемкость и длительность испытаний.

Для определения механических характеристик изделий в виде оболочек, например труб, применяют нагружение образцов внутренним, в частности гидравлическим давлением [Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. Изд. 2-е, перераб. М: Химия, 1975, 246 с, С.218.]

Для обеспечения герметичности вплоть до разрушения внутри испытуемых образцов устанавливаются уплотнительные прокладки. Однако для осуществления нагружения согласно указанному способу требуется очень тщательная обработка внутренней поверхности испытываемого образца.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ определения механических характеристик при растяжении [Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. Изд. 2-е, перераб. М.: Химия, 1975, 246 с, С.219-220 - прототип], согласно которому нагружение образца создается путем создания гидростатического давления в размещенном внутри образца упругом элементе в виде уплотненного вкладыша-подушки. Гидростатическое давление создается путем подачи жидкости из гидросистемы, а регистрируемыми параметрами являются давление и окружная деформация либо радиальное перемещение точек наружной поверхности образца.

Недостатком прототипа является необходимость использования достаточно сложного приспособления для размещения образца и гидравлического оборудования для создания давления, а также невозможность определения механических характеристик ПУЖС в виде сетчатой оболочки различных размеров применительно к условиям функционирования при имплантации.

Задачами изобретения являются:

- определение деформационно-прочностных свойств поддерживающего устройства желудочков сердца в виде сетчатой оболочки различных размеров в условиях, близких к функционированию при имплантации;

- использование стандартного оборудования для механических испытаний материалов и простого приспособления для размещения образца.

Решение указанных задач достигается тем, что согласно заявляемому способу производят нагружение образца путем создания гидростатического давления в размещенном внутри образца упругом элементе, производят регистрацию радиального перемещения точек наружной поверхности образца в момент разрушения, причем в качестве упругого элемента используют сферическую оболочку, гидростатическое давление создают путем сжатия дополнительной оболочки, размещенной между опорными плитами пресса и гидравлически соединенной с упругим элементом, производят нагружение упругого элемента в отсутствии образца до значения радиального перемещения, полученного в момент разрушения образца, разрывную нагрузку определяют в виде разности значений нагрузок при наличии и отсутствии образца на упругом элементе, соответствующих указанному радиальному перемещению, а разрывное удлинение определяют по зависимости U_θ=πU_r, где U_θ - разрывное удлинение; U_r - радиальное перемещение поверхности образца.

На фиг.1 показана схема имплантации и структура ПУЖС в виде сетчатой оболочки, на фиг.2 показана схема испытания ПУЖС; на фиг.3 показана реализация заявляемого способа на машине для статических механических испытаний; на фиг.4 показана диаграмма деформирования, полученная до закрепления образца на упругом элементе; на фиг.5 показана диаграмма деформирования, полученная после закрепления образца на упругом элементе (фиг.1).

Определение механических характеристик образца ПУЖС производят в следующей последовательности. Как показано на фиг.2, образец 1 закрепляют на упругом элементе в виде сферической оболочки 2, в которую нагнетается жидкость 3 по трубопроводу 4 в результате сжатия дополнительной оболочки 5 плитами пресса 6 (фиг.2).

Гидростатическое давление, создаваемое в упругом элементе 2, вызывает его расширение и деформацию связанного с ней образца. Таким образом, используемый упругий элемент в виде оболочки является имитатором желудочка сердца, а дополнительная оболочка играет роль нагнетателя. В процессе нагружения известными способами регистрируют радиальное перемещение точек наружной поверхности образца и нагрузку, прикладываемую к дополнительной оболочке.

Пример использования способа. Определение разрывной нагрузки и удлинения при разрыве ПУЖС производилось в лабораторных условиях с упругим элементом и дополнительной оболочкой сферической формы диаметром 63 мм и 74 мм соответственно. В качестве материала оболочек использовалась резина, имеющая разрывное удлинение, превышающее разрывное удлинение испытуемых ПУЖС. Поддерживающее устройство желудочков сердца в виде сетчатой оболочки закреплялось нитью Пролен 4-0. В качестве нагружающего и силоизмерительного устройства применяли машину INSTRON 5567 (2002). Дополнительная оболочка размещалась между опорными плитами машины и нагружалась в режиме статического сжатия (Фиг.3-5).

Характеристику деформирования образца получали путем вычитания диаграммы деформирования, полученной до закрепления образца на упругом элементе (фиг.4), из диаграммы, полученной после закрепления образца (фиг.5). С использованием полученной результирующей диаграммы, приведенной на фиг.5, определяли разрывную нагрузку в виде разности значений нагрузок при наличии и отсутствии образца на упругом элементе, соответствующих радиальному перемещению при разрушении образца (в примере величина перемещения составила 66 мм (фиг.6).

Разрывное удлинение определяли по геометрическому соотношению для сферической оболочки U_θ=πU_r, где U_θ - разрывное удлинение; U_r - радиальное перемещение поверхности образца.

Использование для изготовления упругого элемента эластомеров типа резины позволяет реализовать большие обратимые деформации и провести испытания ПУЖС различных размеров. Следовательно, применение предлагаемого способа обеспечивает определение механические характеристики поддерживающего устройства желудочков сердца в условиях, близких к функционированию при имплантации. При этом используется стандартное высокоточное оборудование для статических механических испытаний материалов и простое приспособление для размещения образца.

Способ определения механических характеристик поддерживающего устройства желудочков сердца из эластичного сетчатого материала, включающий нагружение образца поддерживающего устройства путем создания гидростатического давления в размещенном внутри образца упругом элементе и регистрацию радиального перемещения точек наружной поверхности образца в момент разрушения, отличающийся тем, что в качестве упругого элемента используют оболочку, гидростатическое давление создают путем сжатия дополнительной оболочки, размещенной между опорными плитами пресса и гидравлически соединенной с упругим элементом, производят нагружение оболочки в отсутствие образца до значения радиального перемещения, полученного в момент разрушения образца, разрывную нагрузку определяют по разности значений нагрузок при наличии и отсутствии образца на упругом элементе, соответствующих указанному радиальному перемещению, а разрывное удлинение определяют по зависимости
U_θ=πU_r,
где U_θ - разрывное удлинение, U_r - радиальное перемещение поверхности образца.