RU210144U1 - DISC PUMP OF LEFT VENTRICULAR BYPASS TO SUPPORT MECHANICAL HEART WORK - Google Patents

Abstract

Заявляемая полезная модель относится к медицине, к искусственным имплантируемым органам, таким как насосы для перекачки биологических жидкостей, в частности крови. Целью заявляемой полезной модели является достижение такого технического результата, как повышение надежности функционирования дискового насоса за счет уменьшения образования застойных и турбулентных зон тока крови. Поставленная цель достигается следующим образом: дисковый насос левожелудочкового обхода для поддержания механической работы сердца, содержащий полый корпус, снабженный патрубками входного и выходного потоков, статоры с обмотками и ротор с параллельными дисками и постоянными магнитами, объединенные магнитопроводом, где диски скреплены друг с другом фиксирующими элементами, при этом статоры закреплены на корпусе симметрично друг относительно друга, ротор размещен в полости корпуса, а обмотки статора и постоянные магниты ротора расположены с наклоном к плоскости дисков, характеризующийся тем, что патрубок выходного потока имеет спиралевидную форму и расположен в плоскости, перпендикулярной оси входного патрубка, а фиксирующие элементы в разрезе имеют каплевидную форму. Заявляемый насос может найти широкое применение в современной кардиологии. Изготавливается на специализированных предприятиях на базе научно-технических центров.The claimed utility model relates to medicine, to artificial implantable organs, such as pumps for pumping biological fluids, in particular blood. The purpose of the claimed utility model is to achieve such a technical result as improving the reliability of the disk pump by reducing the formation of stagnant and turbulent blood flow zones. This goal is achieved as follows: a left ventricular bypass disk pump to maintain the mechanical work of the heart, containing a hollow body equipped with nozzles for inlet and outlet flows, stators with windings and a rotor with parallel disks and permanent magnets, united by a magnetic circuit, where the disks are fastened to each other by fixing elements , while the stators are fixed on the housing symmetrically relative to each other, the rotor is placed in the cavity of the housing, and the stator windings and permanent magnets of the rotor are located with an inclination to the plane of the disks, characterized in that the outlet flow pipe has a spiral shape and is located in a plane perpendicular to the axis of the input branch pipe, and the locking elements in the section have a teardrop shape. The inventive pump can be widely used in modern cardiology. It is manufactured at specialized enterprises based on scientific and technical centers.

Description

Заявляемая полезная модель относится к медицине, к искусственным имплантируемым органам, таким как насосы для перекачки биологических жидкостей, в частности крови.The claimed utility model relates to medicine, to artificial implantable organs, such as pumps for pumping biological fluids, in particular blood.

Очевидно, что одним из важнейших органов для функционирования человеческого организма является сердце. Поэтому к числу необходимых исследований в области здравоохранения относятся различные заболевания этого органа. В зависимости от заболевания может назначаться медикаментозная, либо хирургическая терапия, вплоть до частичной и полной механической замены сердца. К сожалению, несмотря на то, что работа сердца на данный момент хорошо изучена, не существует достаточно качественного искусственного имплантата, выполняющего сердечную функцию. Так, основными проблемами известных устройств, являются низкая производительность, высокая травматичность форменных элементов крови, низкие надежность и долговечность имплантируемых устройств.Obviously, one of the most important organs for the functioning of the human body is the heart. Therefore, various diseases of this organ are among the necessary research in the field of health. Depending on the disease, medical or surgical therapy can be prescribed, up to partial and complete mechanical replacement of the heart. Unfortunately, despite the fact that the work of the heart is currently well studied, there is no sufficiently high-quality artificial implant that performs cardiac function. So, the main problems of known devices are low productivity, high traumatism of blood cells, low reliability and durability of implanted devices.

К примеру, известен насос, используемый для перекачки крови (патент US 10166318, опубликован 01.01.2019), использующий ротор, подвешиваемый током крови и магнитным полем статора.For example, a pump used for pumping blood is known (patent US 10166318, published on 01/01/2019), using a rotor suspended by blood flow and the magnetic field of the stator.

Недостатком известного насоса для перекачки крови является низкая надежность функционирования, за счет образования застойных зон, а также зон турбулентности тока крови.A disadvantage of the known pump for pumping blood is the low reliability of operation, due to the formation of stagnant zones, as well as zones of turbulence in the blood flow.

Наиболее близким, является дисковый насос (патент РФ 2716100, опубликован 05.03.2020), содержащий полый корпус, снабженный патрубками входного и выходного потоков, статор с обмотками и ротор с параллельными дисками и постоянными магнитами, где диски скреплены друг с другом фиксирующим элементом; при этом статор закреплен на корпусе, а ротор помещен в полость корпуса. Насос дополнительно содержит второй статор с обмотками, расположенный симметрично относительно плоскости дисков, а ротор состоит из двух частей, которые также симметричны относительно плоскости дисков; при этом обмотки статора и постоянные магниты ротора расположены с наклоном к плоскости дисков.The closest is a disk pump (RF patent 2716100, published on 03/05/2020), containing a hollow body equipped with inlet and outlet pipes, a stator with windings and a rotor with parallel disks and permanent magnets, where the disks are fastened to each other by a fixing element; in this case, the stator is fixed on the housing, and the rotor is placed in the cavity of the housing. The pump additionally contains a second stator with windings, located symmetrically with respect to the plane of the discs, and the rotor consists of two parts, which are also symmetrical with respect to the plane of the discs; in this case, the stator windings and permanent magnets of the rotor are located with an inclination to the plane of the disks.

Тем не менее, известная конструкция также не исключает образование застойных зон, а также возникновения турбулентности потока и, соответственно, обладает низкой надежностью функционирования.However, the known design also does not exclude the formation of stagnant zones, as well as the occurrence of turbulence in the flow, and, accordingly, has a low reliability of operation.

Целью заявляемой полезной модели является устранение выявленного недостатка для достижения следующего технического результата: повышение надежности функционирования дискового насоса, за счет уменьшения образования застойных и турбулентных зон тока крови.The purpose of the claimed utility model is to eliminate the identified drawback to achieve the following technical result: improving the reliability of the disk pump, by reducing the formation of stagnant and turbulent blood flow zones.

Поставленная цель достигается следующим образом: дисковый насос левожелудочкового обхода для поддержания механической работы сердца, содержащий полый корпус, снабженный патрубками входного и выходного потоков, статоры с обмотками и ротор с параллельными дисками и постоянными магнитами, объединенные магнитопроводом, где диски скреплены друг с другом фиксирующими элементами, при этом статоры закреплены на корпусе симметрично друг относительно друга, ротор размещен в полости корпуса, а обмотки статора и постоянные магниты ротора расположены с наклоном к плоскости дисков, характеризующийся тем, что патрубок выходного потока имеет спиралевидную форму и расположен в плоскости, перпендикулярной оси входного патрубка, а фиксирующие элементы в разрезе имеют каплевидную форму.This goal is achieved as follows: a left ventricular bypass disc pump to maintain the mechanical work of the heart, containing a hollow body equipped with nozzles for inlet and outlet flows, stators with windings and a rotor with parallel disks and permanent magnets, united by a magnetic circuit, where the disks are fastened to each other by fixing elements , while the stators are fixed on the housing symmetrically with respect to each other, the rotor is placed in the cavity of the housing, and the stator windings and permanent magnets of the rotor are located with an inclination to the plane of the disks, characterized in that the outlet flow pipe has a spiral shape and is located in a plane perpendicular to the axis of the input branch pipe, and the locking elements in the section have a teardrop shape.

Дисковый насос в частности может характеризоваться тем, что фиксирующие элементы каплевидной формы изогнуты вдоль корпуса.A disk pump can in particular be characterized in that the drop-shaped locking elements are curved along the housing.

Дисковый насос в частности может характеризоваться тем, что патрубок выходного потока в сечении имеет круглую форму.A disk pump can be characterized in particular by the fact that the outlet flow nozzle has a circular cross section.

Дисковый насос в частности может характеризоваться тем, что патрубок выходного потока в сечении имеет овальную форму.A disk pump may in particular be characterized by the fact that the outlet flow pipe has an oval cross section.

Дисковый насос в частности может характеризоваться тем, что спиралевидная форма патрубка выходного потока выполнена в виде участка спирали Архимеда, сопрягаемой с корпусом насоса.The disk pump can be characterized in particular by the fact that the helical shape of the outlet flow pipe is made in the form of an Archimedean spiral section mating with the pump housing.

На Фиг. 1 схематично представлена конструкция насоса, в продольном разрезе, на Фиг. 2 условно показан поперечный разрез, в плоскости дисков ротора насоса, на Фиг. 3 условно показан насос, внешний вид; где цифрами обозначено следующее:On FIG. 1 schematically shows the design of the pump, in longitudinal section, in Fig. 2 conventionally shows a cross-section, in the plane of the pump rotor discs, in Fig. 3 conditionally shows the pump, appearance; where the numbers indicate the following:

1. Корпус;1. Housing;

2. Патрубок входного потока;2. Branch pipe of an entrance stream;

3. Патрубок выходного потока;3. Outlet pipe;

4. Статор;4. Stator;

5. Обмотки статора;5. Stator windings;

6. Постоянные магниты;6. Permanent magnets;

7. Магнитопровод;7. Magnetic core;

8. Диски ротора;8. Rotor discs;

9. Ротор;9. Rotor;

10. Разделительные втулки;10. Dividing sleeves;

11. Фиксирующие элементы;11. Fixing elements;

12. Вывод электропитания и управления.12. Power supply and control output.

Представленный на фигурах дисковый насос левожелудочкового обхода для поддержания механической работы сердца устроен следующим образом.Presented in the figures disc pump left ventricular bypass to maintain the mechanical work of the heart is arranged as follows.

Полый корпуса (1) содержит патрубок входного потока (2) и патрубок выходного потока (3). На корпусе, сверху и снизу, расположены статоры (4), представляющие собой катушки индуктивности с обмотками (5). Ротор (9) располагается внутри корпуса и представляет собой совокупность плоских дисков (8), соединенных общими фиксирующими элементами (11). Диски имеют центральное отверстие. Разделение дисков между собой происходит при помощи разделительных втулок (10), насаженных на фиксирующие элементы (11). Ротор содержит закрепленные на нем, при помощи фиксирующих элементов (11) вершину и основание, в углублениях, которых закреплены постоянные магниты (6), объединенные общим магнитопроводом (7), расположенные так, что плоскость их поверхности параллельна соответствующим статорам. Сами же постоянные магниты, помещенные в углублениях основания и вершины ротора, располагаются под углом к плоскости поверхности дисков ротора.The hollow body (1) contains an inlet flow pipe (2) and an outlet flow pipe (3). On the body, above and below, there are stators (4), which are inductors with windings (5). The rotor (9) is located inside the housing and is a set of flat disks (8) connected by common fixing elements (11). Discs have a central hole. The discs are separated from each other by means of dividing bushings (10) mounted on the fixing elements (11). The rotor contains a top and a base fixed on it by means of fixing elements (11), in the recesses, in which permanent magnets (6) are fixed, united by a common magnetic circuit (7), located so that their surface plane is parallel to the corresponding stators. The permanent magnets themselves, placed in the recesses of the base and top of the rotor, are located at an angle to the plane of the surface of the rotor discs.

Оценка эффективности конструкции насоса определяется отсутствием застойных зон, турбулентных течений, высоких сдвиговых напряжений, а также созданием необходимого потока крови и необходимого давления на выходе насоса. Учитывая, что кровь - это жидкость со сложной реологией, большое внимание уделяется вопросам течения крови в механической конструкции насоса. На этапе разработки и проектирования большое внимание уделяется вопросам течения крови в конструкции насоса. При перекачивании через насос в отдельных фрагментарных частях насоса кровь может обладать признаками ламинарного или турбулентного течения. При ламинарном течении кровь перемещается между слоями потока, не перемешиваясь. При турбулентном течении потока кровь начинает испытывать по мере перемещения вращательное движение относительно вектора направления, при котором образуются области завихрения или так называемые фрактальные зоны.Evaluation of the effectiveness of the pump design is determined by the absence of stagnant zones, turbulent flows, high shear stresses, as well as the creation of the necessary blood flow and the necessary pressure at the pump outlet. Considering that blood is a liquid with a complex rheology, much attention is paid to the issues of blood flow in the mechanical design of the pump. At the development and design stage, much attention is paid to the issues of blood flow in the design of the pump. When pumping through the pump in separate fragmentary parts of the pump, the blood may show signs of laminar or turbulent flow. In laminar flow, blood moves between layers of flow without mixing. With a turbulent flow, the blood begins to experience, as it moves, a rotational motion relative to the direction vector, in which swirling areas or so-called fractal zones are formed.

В случае проектирования насоса для перекачивания крови турбулентный поток является крайне нежелательным, поскольку его появление в отдельных фрагментарных частях насоса приводит к разрушению форменных клеток крови к увеличению индекса гемолиза, в результате разрушения мембраны эритроцитов. Указанные факторы приводят к рискам тромбообразования в сердечнососудистой системе человека. Для целей проектирования конструкция насоса подвергается гидродинамическому компьютерному моделированию и фактическому исследованию на гидродинамических стендах, имитирующих большой круг кровообращения.In the case of designing a pump for pumping blood, a turbulent flow is extremely undesirable, since its appearance in separate fragmentary parts of the pump leads to the destruction of blood cells and an increase in the hemolysis index, as a result of the destruction of the erythrocyte membrane. These factors lead to the risks of thrombosis in the human cardiovascular system. For design purposes, the pump design is subjected to hydrodynamic computer simulation and actual study on hydrodynamic stands simulating the systemic circulation.

В случае строения конструкции насоса с прямым выходным патрубком (например, RU 2716100), наблюдаются завихрения турбулентного течения, на выходе насоса. С целью исключения и уменьшения турбулентных течений, была выбрана спиралевидная форма выходного патрубка. По результатам гидродинамических исследований потока крови в проблемной зоне патрубка было достигнуто существенное уменьшение турбулентного потока. При этом форма участка выходного патрубка, может быть в виде спирали Архимеда, сопрягаемой с корпусом насоса. Данная форма спирали обеспечивает наиболее равномерный ток перекачиваемой крови. Таким образом, обеспечивается наиболее оптимальное соотношение размеров выходного патрубка, с целью обеспечения снижения завихрений турбулентности выходящего потока крови. Патрубок выходного потока в сечении может иметь круглую, или овальную формы, что также исключает образование застойных и турбулентных мест.In the case of a pump design with a straight outlet pipe (for example, RU 2716100), turbulent flow eddies are observed at the pump outlet. In order to eliminate and reduce turbulent flows, a spiral shape of the outlet pipe was chosen. According to the results of hydrodynamic studies of blood flow in the problem area of the branch pipe, a significant reduction in turbulent flow was achieved. In this case, the shape of the outlet pipe section may be in the form of an Archimedes spiral, mated with the pump casing. This form of spiral provides the most uniform flow of pumped blood. Thus, the most optimal ratio of the dimensions of the outlet pipe is provided, in order to ensure a reduction in the turbulence of the turbulence of the outgoing blood flow. The branch pipe of the outlet flow in cross section can have a round or oval shape, which also eliminates the formation of stagnant and turbulent places.

Также, с целью обеспечения надежности функционирования насоса, заключающейся в обеспечении равномерного тока жидкости крови, фиксирующие элементы дисков выполняются каплевидной в разрезе формы. Такая форма сводит к минимуму образование турбулентных завихрений, возникающих непосредственно за фиксирующими элементами, при движении в токе жидкости. Кровь сталкивается с округлой формой элемента и начинает огибать его, при этом двигаясь по поверхности, которая, уплощается, переходя в заострение к концу. Отсутствует попадание в разряженную область, за счет этого сохраняется равномерный ток крови. Для наибольшей эффективности и надежности перекачки крови, вследствие геометрических особенностей строения корпуса насоса, таких как цилиндрическая внутренняя поверхность, каплевидные элементы могут быть изогнуты вдоль корпуса. Плоскость поверхности фиксирующего элемента, на протяжении уплощения, выполняется вогнутой с одной стороны и выпуклой с противоположной стороны. Таким образом, удается снизить завихрения потока, при движении фиксирующих элементов по радиусу.Also, in order to ensure the reliability of the functioning of the pump, which consists in ensuring a uniform flow of blood fluid, the fixing elements of the disks are made teardrop-shaped in the form of a cut. This shape minimizes the formation of turbulent eddies that occur directly behind the fixing elements when moving in a fluid flow. The blood collides with the rounded shape of the element and begins to go around it, while moving along the surface, which flattens out, turning into a sharp point towards the end. There is no hit in the discharged area, due to this, a uniform blood flow is maintained. For the greatest efficiency and reliability of blood pumping, due to the geometric features of the pump housing structure, such as a cylindrical inner surface, teardrop-shaped elements can be bent along the housing. The surface plane of the fixing element, throughout the flattening, is concave on one side and convex on the opposite side. Thus, it is possible to reduce the turbulence of the flow, when the locking elements move along the radius.

Также, отсутствие явлений турбулентности и наличия застойных зон, положительно сказываются на надежности конструкции. Поскольку, например, в случае наличия застойных зон - существуют высокие риски тромбообразования, которые будут вносить дополнительные препятствия тока крови, возможно возникновение эффекта кавитации, которая, в свою очередь, может разрушать высокоточную механику функционирования вспомогательного сердечного насоса. Таким образом, долговечность и надежность устройства могут снижаться. Также, турбулентность потока жидкости, способна в течение срока эксплуатации нанести механические повреждения внутренним составляющим дискового насоса. Исключая или уменьшая вероятность возникновения указанных процессов, повышается надежность и долговечность насоса, в целом.Also, the absence of turbulence phenomena and the presence of stagnant zones have a positive effect on the reliability of the structure. Since, for example, in the presence of stagnant zones, there are high risks of thrombosis, which will introduce additional obstacles to blood flow, a cavitation effect may occur, which, in turn, can destroy the high-precision mechanics of the functioning of an auxiliary heart pump. Thus, the durability and reliability of the device may be reduced. Also, the turbulence of the fluid flow is capable of causing mechanical damage to the internal components of the disc pump during the service life. Eliminating or reducing the likelihood of these processes, increases the reliability and durability of the pump as a whole.

Представленный на фигурах дисковый насос левожелудочкового обхода для поддержания механической работы сердца действует следующим образом.Presented in the figures disc pump left ventricular bypass to maintain the mechanical work of the heart operates as follows.

Учитывая специфику работы насоса как вспомогательного средства для перекачивания крови, он хирургическим путем имплантируется в грудную клетку пациента, способствуя осуществлению его кровообращения. После подключения обмоток статора к блоку питания (на рисунках не показан), через выводы электропитания и управления (12), возникает магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянными магнитами ротора, заставляет ротор оттолкнуться от внутренних стенок корпуса, создавая эффект левитации ротора. При этом ток крови, возникающий при заходе в патрубок входного потока, попадая во внутреннюю полость насоса, взаимодействует с дисками ротора и за счет возникающей центробежной силы направляется на патрубок выходного потока. За счет, формы которого, а также формы фиксирующих элементов, отмечается отсутствие застойных зон и зон ламинарного и турбулентного потока.Given the specifics of the pump as an aid for pumping blood, it is surgically implanted in the patient's chest, facilitating his blood circulation. After connecting the stator windings to the power supply (not shown in the figures), a magnetic field arises through the power supply and control leads (12), which, interacting with the permanent magnets of the rotor, causes the rotor to repel from the inner walls of the housing, creating the effect of rotor levitation. In this case, the blood flow that occurs when entering the inlet flow pipe, entering the internal cavity of the pump, interacts with the rotor disks and, due to the centrifugal force that occurs, is directed to the outlet flow pipe. Due to the shape of which, as well as the shape of the fixing elements, there is a lack of stagnant zones and zones of laminar and turbulent flow.

Входной патрубок опытного образца подключается через канюлю к верхушке левого желудочка, выходной к аорте. Условно, насос систолическую и диастолическую функцию левого желудочка берет на себя. При работе опытного образца левый желудочек через насос осуществляет «условный выброс» крови в аорту, с которой начинается большой круг кровообращения. В большинстве клинических случаев левый желудочек при острой сердечной недостаточности не способен выполнять систолическую и диастолическую функцию, и при подключении аппарата вспомогательного кровообращения выполняет функцию промежуточного резервуара.The inlet of the prototype is connected through a cannula to the apex of the left ventricle, the outlet to the aorta. Conventionally, the pump takes over the systolic and diastolic function of the left ventricle. During the operation of the prototype, the left ventricle through the pump carries out a “conditional ejection” of blood into the aorta, from which the systemic circulation begins. In most clinical cases, the left ventricle in acute heart failure is not able to perform systolic and diastolic function, and when a circulatory assist device is connected, it acts as an intermediate reservoir.

Если проследить поток крови далее по сердечно-сосудистой системе, то пройдя большой круг кровообращения, кровь протекает в правое предсердие по верхней и нижней полой вене, из правого предсердия кровь поступает в правый желудочек, правый желудочек выбрасывает кровь в легочный ствол, от которого начинается малый круг кровообращения, пройдя через малый круг, обогащенная кислородом кровь протекает в левое предсердие по четырем легочным венам, из левого предсердия кровь вновь поступает в левый желудочек.If we trace the blood flow further through the cardiovascular system, then after passing through the systemic circulation, the blood flows into the right atrium through the superior and inferior vena cava, from the right atrium the blood enters the right ventricle, the right ventricle ejects blood into the pulmonary trunk, from which the small the circle of blood circulation, having passed through the small circle, oxygen-enriched blood flows into the left atrium through four pulmonary veins, from the left atrium the blood again enters the left ventricle.

Таким образом, применение в заявляемом дисковом насосе левожелудочкового обхода для поддержания механической работы сердца, выходного патрубка спиралевидной формы, а также фиксирующих элементов каплевидной формы, позволяет достигать заявляемый технический результат, а именно - повышение надежности функционирования дискового насоса, за счет уменьшения образования застойных и турбулентных зон тока крови.Thus, the use of the inventive disk pump of a left ventricular bypass to maintain the mechanical work of the heart, a spiral outlet, as well as drop-shaped fixing elements, allows achieving the claimed technical result, namely, increasing the reliability of the disk pump, by reducing the formation of stagnant and turbulent areas of blood flow.

Промышленная применимость.Industrial applicability.

Заявляемый насос может найти широкое применение в современной кардиологии. Изготавливается на специализированных предприятиях на базе научно-технических центров.The inventive pump can be widely used in modern cardiology. It is manufactured at specialized enterprises based on scientific and technical centers.

Claims (3)

1. Дисковый насос, содержащий полый корпус, снабженный патрубками входного и выходного потоков, статоры с обмотками и ротор с параллельными дисками и постоянными магнитами, объединенные магнитопроводом, при этом диски скреплены друг с другом фиксирующими элементами, статоры закреплены на корпусе симметрично, ротор размещен в полости корпуса, а обмотки статора и постоянные магниты ротора расположены с наклоном к плоскости дисков, отличающийся тем, что патрубок выходного потока выполнен в виде участка спирали Архимеда, сопряженной с корпусом, и перпендикулярен входному патрубку, а фиксирующие элементы имеют каплевидную форму, изогнуты вдоль цилиндрической внутренней поверхности корпуса по току крови и выполнены вогнутыми с одной стороны и выпуклыми - с противоположной. 1. A disk pump containing a hollow body equipped with inlet and outlet pipes, stators with windings and a rotor with parallel disks and permanent magnets, united by a magnetic circuit, while the disks are fastened to each other by locking elements, the stators are fixed to the body symmetrically, the rotor is placed in body cavity, and the stator windings and permanent magnets of the rotor are inclined to the plane of the disks, characterized in that the outlet flow pipe is made in the form of a section of the Archimedean spiral conjugated with the body and is perpendicular to the inlet pipe, and the fixing elements have a drop-shaped shape, bent along a cylindrical inner surface of the body along the blood flow and are made concave on one side and convex on the opposite side. 2. Дисковый насос по п. 1, отличающийся тем, что патрубок выходного потока имеет круглое сечение. 2. Disc pump according to claim. 1, characterized in that the outlet pipe has a circular cross section. 3. Дисковый насос по. 1, отличающийся тем, что патрубок выходного потока имеет овальное сечение. 3. Disc pump po. 1, characterized in that the outlet pipe has an oval cross section.

Images