Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
12.03.2016

Электромеханический блок систем вспомогательного кровообращения на базе высокоскоростного вентильно-индукторного двигателя на постоянных магнитах

Трофимов Вадим Велерьевич
магистрант, электромеханика, ФАВИЭТ Уфимский государственный авиационный технический университет Уфа, Россия
Пашали Диана Юрьевна
доцент, кандидат технических наук, кафедра Электромеханика, факультет авионики, энергетики и инфокоммуникаций Уфимский государственный авиационный технический университет г. Уфа, Россия
Аннотация: Объектом исследования является роликовый насос вспомогательного кровообращения на основе вентильно-индукторного двигателя на постоянных магнитах. Цель – разработка нового типа упрощенного, компактного роликового насоса на основе вентильно-индукторного электропривода для обеспечения жизнеобеспечения пациента, который находится в состоянии операции или процедуры.
Ключевые слова: насос, двигатель, сердце, операции
Электронная версия
Скачать (947.6 Kb)

Сердечная недостаточность ухудшает течение сердечно-сосудистых заболеваний у 5 % населения развитых стран; при повышенной ее степени летальность в течение нескольких последних лет достигает 80 %. Расходы на лечение растут из-за дороговизны обследования и лечения, 1–2 % бюджета здравоохранения стран Европы. Проблема хирургического лечения сердечной недостаточности занимает одну из ведущих научных позиций в современной кардиологии [1]. Перспективным методом хирургического лечения, является использование механических систем вспомогательного кровообращения (СВК), полностью или частично замещающих функцию пораженного сердца. Под системой «вспомогательного кровообращения» следует понимать механические системы, производящие перемещение крови с целью снижения работы миокарда и/или увеличения его энергоснабжения [2]. Исходя из этого задачи СВК сводятся к следующему: снижение работы миокарда (за счет подключения СВК) и увеличение снабжения его и других органов кислородом (за счет улучшения коронарной и системной перфузии, т.е. системный кровоток складывается из суммы естественного выброса сердца и выброса насоса) [3].

Одним из перспективных современных подходов к построению СВК, является использование в них электромеханических приводов (ЭМП) и мембранных насосов крови – искусственного желудочка сердца.

Авторами разработана электромеханический блок СВК имплантируемого подключения, включающий: высокоскоростной вентильно-индукторный двигатель; роликовый насос показан на рисунке 2 для перекачки крови; систему управления, контроля и диагностики состояния пациента; резервный источник питания, на базе генератора возвратно-поступательного движения. Электрическая структурная такой СВК показана на рисунке 1, и в таблице приведены основные технические характеристики СВК.

Для регулирования режимов работы ЭМП, выполненного на базе высокоскоростного вентильного-индукторного двигателя (ВВИД) с возбуждением от постоянных магнитов, используется система управления, требуемое энергопотребление обеспечивают основной и резервный источники питания в случае аварии. Благодаря высокоскоростным характеристикам, позволяет аппарату быстрое включение в работу, легкость управления, надежность работы. В пазах статора ВВИД размещена диаметрально сосредоточенная трехфазная обмотка c целью преобразования вращательного движения ротора в возвратно-поступательное движение штока, вал ротора выполнен полым с таким расчетом, чтобы ротор составлял единую интегральную конструкцию с преобразователем вида движения.

Рис. 1. Роликовый двухтактный насос

Рис. 1. Роликовый двухтактный насос

Таблица.Технические характеристики электромеханического блока системы вспомогательного кровообращения

Техническая характеристикаНасос крови
Мощность, кВт7
Напряжение питания, В380
Номинальная частота вращения,об/мин4200
Номинальный КПД0,9

Рис. 2. Электрическая структурная схема СВК
Рис. 2. Электрическая структурная схема СВК

В электромеханическом блоке СВК использован роликовый насос (РН). Его основное функциональное назначение в СВК: для создания потока крови в аорте пациента; для введения кардиоплегического раствора; для дренажа крови из операционной раны и полостей сердца. Если кровеносная магистраль будет пережата зажимом или перегнута РН создают высокие уровни положительного или отрицательного давления. Для предотвращения разрыва кровеносных магистралей и коннекторов следует проверить их на наличие перегибов (окклюзий) на всех участках, включая стерильные части на операционном столе, исправить найденные проблемы или снизить скорость работы РН.

РН имеет недостатки: из-за высокого давления, когда ролик прокатывается по заданному сегменту, то позади ролика создается низкое давление, а впереди высокое. Поэтому происходит некая «пульсация», которая может сказаться не только на работе самого аппарата, но и на самой процедуре.

Авторами предложена оригинальная усовершенствованная конструкция четырехтактного РН, показанная на рисунке 3, имеющие следующие преимущества:

- повышенную надежность за счет возможности ручного управления насосом при аварийном отключении электроэнергии Ручное управление РН осуществляется с помощью антибактериальной алюминиевой ручки с пластиковой накладной.

- в конструкции ручки управления и другие органы управления и конструктивные части, обладающей особой гладкостью поверхности, стойкости к химическому воздействию и возможности легко удалять загрязнения, что позволяет использовать их в помещениях, требующих стерильной чистоты. Основой технологии производства является система, в которой поверхность содержит фермент, безопасный в использовании, не ведущий к развитию резистентности, не вымывающийся в окружающую среду и не засоряющийся клеточным мусором. Контактирующие с такой поверхностью бактерии MRSA (метициллин-резистентный золотистый стафилококк) погибают. Покрытие сочетает в себе углеродные нанотрубки с лизостафином, существующим в природе ферментом, используемым непатогенными штаммами стафилококковых бактерий для защиты от золотистого стафилококка, включая MRSA.

- компактность, универсальное использование в области каридохирургии, процедурах связанные с деализом и других процедурах.

В составе электромеханического блока в качестве НК, для повышения надежности устройства, авторами предложена оригинальная конструкция роликового насоса для перекачки крови, которая содержит сферический разъемный герметичный корпус 1 с окнами и расположенный в нем ротор 4. Ротор 4 образован из диска и шарнирно соединенного с ним полудиска. Диск ротора делит корпус на две полусферы (на рисунке не показаны), из которых одна имеет упомянутые окна, а полудиск делит ее на рабочие камеры (на рисунке не показаны). Ведомый элемент представляет собой полудиск. Ведущий диск установлен в кольцевом пазу, выполненном по линии разъема полусфер, с возможностью вращения. Рабочие камеры заполнены рабочей жидкостью, окна герметично перекрыты упругими мембранами и расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости диска, в другой полусфере расположено приводное устройство вращения ротора и изменения угла наклона полудиска к диску, соединенное с ротором при помощи шарнира, состоящего из водила и стержня и расположенного в углублении, находящемся в центре шарнирного соединения ротора. Насос 2, выполняющий функцию вращательного движения против часовой стрелки, с помощью вала 4 ВВИД. Удерживающие щупы 3 для крепления, медицинского комплекта силиконовых трубок. Датчик 5,7 для подтверждения закрывания крышки насоса, и щупов крепления трубок. Механизм 6, служит для работы системы ручном режиме. Насос включает систему управления (на рисунке не показана). При отключении электроэнергии конструкция позволяет использовать ручной режим управления насосом.

Рис. 3. Оригинальная усовершенствованная конструкция четырехтактного РН

Рис. 3. Оригинальная усовершенствованная конструкция четырехтактного РН

Особенностью разработанного ВВИД является оперативное включение в работу, что обеспечивает выполнение моментальных работ по спасению человека, в том числе пациентов в состоянии кардиогенного шока.

Оригинальная конструкция управляемого роликового насоса для перекачки крови позволяет повысить надежность системы за счет возможности ручного управления насосом при аварийном отключении электроэнергии, установки для мобильности в отдаленных округах, в транспортных средствах (скорая помощь).

Список литературы:

1. Бокерия Л.А., Шаталов К.В., Свободов А.А. Системы вспомогательного и заместительного кровообращения. – М.: НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН, 2000. – 196 с

2. Мороз, В. В. Имплантируемая система вспомогательного кровообращения на базе мехатронных модулей: монография / В.В. Мороз [и др.]. Владим. гос. ун-т – Владимир. Изд-во Владимир. гос. ун-та. 2006. 134 с.

3. Шумаков, В. И. Искусственное сердце и вспомогательное кровообращение / В. И. Шумаков, В. Е. Толпекин, Д. В. Шумаков. – М.: Янус-К, 2003. – 376 с.