устройство для испытания искусственного клапана сердца в фантоме кровотока

Формула изобретения

Устройство для испытания искусственного клапана сердца в фантоме кровотока, представляющее собой многосекционную, выполненную из прозрачного материала камеру с внутренним каналом, имитирующим форму полости сердца или аорты, и местом для установки клапана, в стенках камеры выполнены отверстия, а выходная ее секция снабжена оптическим окном в торце и отводом, отличающееся тем, что камера состоит из двух секций, в месте соединения секций выполнена выемка для герметичного закрепления клапана с возможностью его поворота, в стенках камеры сделаны дополнительные отверстия, в которых герметично закреплены металлические проволочки - катоды и штуцеры, а в отводе выходной секции установлен электрод - анод, кроме того, устройство дополнительно содержит генератор импульсов, источник временных сдвигов, систему управления фантомом, частотомер, систему освещения, датчики давления и расхода, причем вход генератора через источник временных сдвигов соединен с системой управления фантомом, его первый выход связан с проволочками и электродом, а второй - с частотомером, система освещения закреплена на камере, датчик давления соединен через штуцеры с камеры, а датчик расхода установлен на отводе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для оценки качества искусственного клапана сердца с точки зрения травмирования форменных элементов крови и образования тромбов.

Известен способ определения гемодинамических характеристик искусственного клапана сердца. Устройство для реализации способа содержит искусственный клапан сердца, гидроканал, искусственный желудочек с пневмоприводом, собирающую емкость и насос, кроме того, устройство содержит тензодатчики, блок синхронизации и управления, кинофотокамеры и лазеры. [А.С. SU № 1422423]

Недостатками указанного способа является высокая стоимость применяемого устройства и реактивов, недостаточная точность измерения.

Известно устройство для установки клапана аорты или бескаркасного биопротеза клапана аорты при проведении исследований в пульсирующем потоке. Устройство содержит патрубки для соединения отделов клапана с гидродинамическим контуром, камеру из эластичного материала для размещения в ней клапана аорты или биопротеза клапана аорты и демпфирующее устройство, на котором закреплен один из патрубков с возможность перемещения. [Патент РФ №2237452]

Недостатком устройства является невозможность визуализации потока жидкости в клапане сердца, что не позволяет определить области больших сдвиговых напряжений и застойные зоны в клапане сердца и получить точную оценку гидродинамических характеристик искусственного клапана сердца, а следовательно, оценить качество его работы.

Известен фантом для исследования искусственных клапанов сердца и ультразвукового исследования, выбранный за прототип. Фантом содержит многосекционную выполненную из прозрачного материала камеру с внутренним каналом, имитирующим форму полости сердца или аорты, и местом для установки клапана, в стенке камеры выполнены отверстия. Ряд секций снабжен оптическими окнами в торце и отводами. Входная секция предназначена для установки митрального искусственного клапана сердца, а выходная - для аортального. В выходной секции установлены ультразвуковые датчики для измерения скорости модельной жидкости. Датчики перемещаются по цилиндрическим направляющим, проходящим через отверстия выходной секции. [Патент US № 5052934]

Недостатком устройства является невозможность визуализации потока жидкости в клапане сердца, что не позволяет определить области больших сдвиговых напряжений и застойные зоны в клапане сердца и получить точную оценку гидродинамических характеристик искусственного клапана сердца, а следовательно, оценить качество его работы.

Задачей изобретения является визуализация потока жидкости в клапане сердца, определение областей больших сдвиговых напряжений и застойных зон в искусственном клапане сердца, оценка качества искусственного клапана сердца с точки зрения травмирования форменных элементов крови и образования тромбов.

Для решения задачи предложено устройство для испытания искусственного клапана сердца в фантоме кровотока. Устройство представляет собой двухсекционную камеру, состоящую из входной и выходной секций, выполненных из прозрачного материала, например отшлифованного до прозрачности оргстекла. Стенки камеры выполнены плоскими. Камера имеет внутренний канал, имитирующий форму полости сердца или аорты, и место для установки клапана. В стенках секций камеры выполнены отверстия, в которых герметично закреплены металлические проволочки и штуцеры. Выходная секция камеры снабжена оптическим окном в торце и отводом, в котором установлен электрод. В месте соединения секций выполнена выемка для герметичного закрепления клапана с возможностью его поворота. Кроме того, устройство дополнительно содержит генератор импульсов, источник временных сдвигов, систему управления фантомом кровотока, частотомер, систему освещения, датчики давления и расхода. Вход генератора через источник временных сдвигов соединен с системой управления фантомом кровотока, первый выход генератора связан с металлическими проволочками и электродом, а второй - с частотомером. Система освещения закреплена на камере. Датчик давления соединен пластмассовыми магистралями через штуцеры с секциями камеры, а датчик расхода установлен на отводе выходной секции.

Система освещения включает в себя, например, цилиндрическую линзу, щелевую диафрагму, осветительный и охлаждающий приборы.

В качестве осветительного прибора могут быть использованы, например, импульсный источник света, галогеновая лампа, светодиод, лазер.

В качестве электрода могут быть использованы, например, металлическая пластина или металлическое кольцо.

Металлические проволочки могут быть выполнены, например, из вольфрама, платины и т.д.

Установка специальной камеры - камеры визуализации течения потока раствора в клапане, изготовленной, например, из отшлифованного до прозрачности оргстекла, и определенной внешней формы позволяет минимизировать оптические искажения, обусловленные преломлением света на границе воздуха и оргстекла. Внутренняя форма камеры моделирует синусы Вальсальвы, либо предсердие, либо желудочек сердца, что влияет на размеры и расположение застойных зон и областей больших сдвиговых напряжений, точность получаемых характеристик скоростного поля в клапане. Камера выполнена составной из двух секций для возможности герметичной установки клапана и его поворота относительно оси канала. Возможность поворота обеспечивает установку клапана под разными углами к металлическим проволочкам и электроду, что позволяет определять расположение застойных зон и областей больших сдвиговых напряжений в различных продольных сечениях секций камеры. Металлические проволочки являются катодами, а электрод - анодом, на которые подается импульсное напряжение. При этом в случае использования в качестве модельной жидкости электролита происходит реакция электролиза с выделением водорода у катода. При подаче короткого импульса с проволочки срываются мелкие водородные пузырьки в виде временной линии, движущейся вместе с потоком модельной жидкости, визуализируя таким образом профиль скорости в поперечном сечении, что позволяет оценить качество искусственного клапана сердца с точки зрения травмирования форменных элементов крови и образования тромбов.

Таким образом, только совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу.

На фиг.1 изображено устройство для испытания искусственного клапана сердца в фантоме кровотока.

Устройство содержит искусственный клапан сердца 1, закрепленный в выемке 2 входной секции 3 в месте ее соединения с выходной секцией 4. В секциях выполнены отверстия 5, где герметично закреплены металлические проволочки 6, и отверстия 7 со вставленными в них штуцерами 8, которые через пластмассовые магистрали 9 соединены с датчиком давления 10. Выходная секция имеет в торце оптическое окно 11 и отвод 12, в котором закреплен электрод 13. На отводе установлен датчик расхода 14. Проволочки и электрод соединены с выходом генератора 15, вход которого через источник временных сдвигов 16 соединен с системой управления фантомом кровотока 17. Второй выход генератора 15 соединен с частотомером 18. Снаружи на камере закреплена система освещения, которая состоит из источника света 19, линзы 20, диафрагмы 21. При работе системы может быть использован охлаждающий прибор 22 для охлаждения камеры. При испытании искусственного клапана сердца могут быть использованы видеокамеры 23 и 24 для визуализации движения створок клапана и водородных пузырьков.

Испытание искусственного клапана сердца в устройстве реализуется следующим образом.

Клапан 1 закрепляют в выемке 2 между входной 3 и выходной 4 секциями. Работу клапана контролируют видеокамерой 23. В отверстия 5 герметично закрепляют, например, вольфрамовые проволочки 6 диаметром 10-30 мкм. Устройство герметично соединяют с гидродинамическим контуром фантома кровотока, который заполняют слабым раствором электролита, например сернокислого натрия. С помощью системы управления 17 устанавливают режим работы фантома кровотока, т.е. задают частоту и амплитуду расхода и получают пульсирующий поток раствора в устройстве. Работу фантома кровотока контролируют по показаниям датчика давления 10 и датчика расхода 14. С помощью источника временных сдвигов 16 устанавливают временной сдвиг 0,01-0,50 с между импульсами системы 17 и импульсами генератора 15. Это дает возможность генерировать временные линии водородных пузырьков 25 в различные фазы работы искусственного клапана сердца 1, например, в фазу открытия его запирающего элемента. В генераторе 15 устанавливают амплитуду импульсов 50-150 В, их длительность 1-5 мс и частоту генерации 2-50 Гц временных линий водородных пузырьков 15, контролируя последнюю по частотомеру 18. Включают источник света 19 и запускают генератор 15, причем в последнем выбирают режим генерации импульсов, например, постоянный или однократный - в виде пачки импульсов. Наблюдают или регистрируют с помощью фото- или видеокамеры 24 временные линии водородных пузырьков 25 в клапане сердца.

Пример. Двустворчатый искусственный клапан сердца Мединж закрепляли в устройстве для испытания искусственного клапана сердца, которое устанавливали в фантом кровотока. Заливали в фантом физиологический раствор, в котором растворяли сернокислый натрий необходимой концентрации. Устанавливали вольфрамовые проволочки согласно описанной методики. С помощью системы управления фантомом задавали частоту сокращений 70 уд./мин, длительность систолы 0,3 с, минутный расход 5 л/мин. При этом в качестве источника света использовали галогеновые прожекторы, охлаждали секции центробежным вентилятором. Регистрацию движения водородных пузырьков проводили видеокамерой Sony. Визуализировали течение в четырех плоскостях, параллельных оси канала, и в трех сечениях за клапаном. После поворота клапана на 90° повторяли визуализацию в тех же сечениях.

Изображение временных линий водородных пузырьков (фиг.2а) через плату ввода передают в компьютер, переводят в цифровой вид, рассчитывают мгновенные и осредненные по нескольким циклам пульсирующего потока распределения скорости раствора в искусственном клапане сердца (фиг.2.б) по известным формулам (Lu L.J., Smith C.R. Image processing of hydrogen bubble flow visualization for determination of turbulence statistics and bursting characteristics//Experiments in Fluids, 1985, №3, p.59-74). Большие сдвиговые напряжения вызывают деформацию или разрушение форменных элементов крови, а застойные зоны создают условия для тромбообразования.

По полученным распределениям скорости определяют области больших сдвиговых напряжений и застойные зоны в искусственном клапане сердца (фиг.2в), где 25 - седло клапана; 26 - створка клапана; 27 - струйное высокоскоростное течение; 28 - области вихреобразования с большими сдвиговыми напряжениями; 29 - застойные низкоскоростные зоны с низкими сдвиговыми напряжениями.

На основе полученной структуры потока жидкости в клапане (фиг.2в) формулируют рекомендации по изменению конструкции искусственного клапана сердца, например формы и угла открытия его запирающих элементов для уменьшения степени гемолиза крови и тромбообразования на клапане, а следовательно, улучшения качества жизни пациентов с имплантированным искусственным клапаном сердца.