Насос для перекачивания жидких сред

Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к устройствам для перекачки крови. Насос содержит эластичный цилиндрический корпус, ограниченный с торцов жесткими перегородками и герметично с ними соединенный, впускное и выпускное отверстия, выполненные с возможностью перекрытия. Жесткий цилиндрический пустотелый пенал на торцах герметично закрыт заглушками. Внутри жесткого цилиндрического пустотелого пенала размещен электронный блок управления, снабженный переключаемыми источниками питания. Искусственные мышцы связаны с электронным блоком управления с возможностью сокращения при подаче управляющих сигналов. Искусственные мышцы встроены в оболочку эластичного цилиндрического корпуса, выполнены в виде кольцевых полосок, концы которых сходятся с изолирующим промежутком к шине для передачи управляющих сигналов и имеют возможность сокращать стенку эластичного корпуса для выдавливания жидкости. Технический результат состоит в повышении компактности конструкции насоса. 4 ил.

Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к устройствам для перекачки крови, и может быть использовано в имплантируемых искусственных органах, обеспечивающих кровообращение в живом организме, а также в кардиологии в качестве аппарата искусственное сердце, то есть выполнять функцию насоса в широком понимании.

Конструктивная схема насоса позволяет его использовать в химической промышленности, в сельском хозяйстве и бытовых условиях.

Известна роторная машина, выполняющая функции насоса, содержащая образованный из полусфер шаровой корпус с впускными и выпускными окнами, рабочий орган в виде ротора, образованного из вала и двух дисков, занимающих постоянное положение относительно друг друга на упомянутом валу, а также приводное устройство вращения ротора, расположенное вне корпуса и имеющее кинематическую связь с упомянутым валом, выходящим за пределы корпуса (патент США 1880131, кл. 418-68,1930). Это известное изобретение обладает существенными недостатками:

- неприменимостью в качестве насоса искусственного, в том числе имплантируемого, сердца, так как невозможно организовать амплитудные движения жидкости в рабочих камерах из-за конструктивных особенностей их исполнения;

- ограниченностью в управлении цикличностью работы машины, что вызвано постоянством положения дисков относительно друг друга;

- большими габаритами, так как приводное устройство вращения ротора расположено вне корпуса.

Известно имплантируемое электрогидравлическое искусственное сердце, выполняющее функцию насоса и содержащее левый и правый искусственные желудочки, а также цилиндрическую рабочую камеру, соединенную своими торцами с помощью патрубков с соответствующими желудочками, и осевой насос с электродвигателем, размещенные в рабочей камере, которая заполнена рабочей жидкостью, причем система управления размещена вне рабочей камеры (журнал «Медицинская техника», 1990 г., 5, с. 25-28).

Это известное изобретение обладает существенным недостатком, а именно сложностью в обеспечении физиологической частоты сокращения сердца из-за необходимости применения реверсивного приводного устройства вращения ротора.

Известен насос искусственного сердца, который включает сферический разъемный герметичный корпус с окнами и расположенный в нем ротор, образованный из диска и шарнирно соединенного с ним полудиска, причем диск делит корпус на две полусферы, из которых одна имеет упомянутые окна, а полудиск делит ее на рабочие камеры. 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 (патент РФ 2091086 C1, A61M 1/10, 1994 г.).

Данное изобретение обладает по нашему мнению следующими недостатками:

- требует значительных энергозатрат на работу приводных электродвигателей;

- насос не исключает дросселирование жидкости, а значит и появление пузырей, то есть разрыва потока;

- применение двух электродвигателей значительно снижает надежность системы и усложняет ее;

- отсутствует автоматизированная система управления.

Также известен плоский линейный индукционный насос, содержащий тонкостенный канал с гофрами и охватывающий его механизм деформации в виде раздвижной рамы, на подвижных частях которой закреплены индукторы (авторское свидетельство СССР 225019, F04B 43/04, 1968).

Недостатками известного насоса являются следующее.

Наличие раздвижной рамы и подвижных индукторов делает механизм деформации сложным в изготовлении и ненадежным в работе. Кроме того, на перемещение подвижных частей рамы с индукторами затрачивается большое количество энергии, что резко снижает КПД насоса, а из-за большого зазора между индукторами происходит большая потеря энергии, что также снижает КПД насоса.

В качестве прототипа выбран насос, содержащий эластичную камеру с токопроводящим покрытием и механизм деформации в виде катушки индуктивности с магнитопроводами, имеющими форму эллипса в поперечном сечении. Через обмотку катушки индуктивности пропускают электрический ток, а через токопроводящее покрытие камеры поочередно пропускается электрический импульс в прямом и обратном направлениях для выполнения насосом тактов нагнетания и всасывания (патент РФ 2065995 C1, F04B 43/04, 1992 г.).

Вместе с тем, насос, выбранный в качестве прототипа, имеет следующие недостатки:

- использование электромагнитов в постоянном режиме внутри живого организма невозможно;

- значительные энергетические затраты на работу насоса;

- наличие клапанов не исключает дросселирование потока жидкости.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания искусственного органа для живого организма, например человеческого или животного, которому в случае поражения сердца, или необходимости проведения операции на нем путем его отключения, то для поддержания жизнедеятельности живой организм можно было бы подключить к искусственному сердцу в виде предлагаемого насоса. Искусственное сердце должно обладать, в том числе, свойством быть имплантируемым в организм человека или животного и создать движение рабочей жидкости в диапазоне физиологической частоты сокращений сердца при постоянном направлении потока, создаваемого пульсирующими сокращениями насосного механизма, а также иметь компактную малогабаритную конструкцию, которая может менять систолический и минутные объемы качаемой крови, согласуя их с потребностями организма человека или животного, в который он имплантирован.

Поставленная задача решается тем, что в насосе, содержащем цилиндрический или другой замкнутой формы эластичный корпус, ограниченный жесткими перегородками с торцев и герметично с ними соединенных, впускное и выпускное отверстия с возможностью их перекрытия, указанный насос снабжен искусственными кольцеобразными, например, пластинчатыми мышцами, встроенными в эластичный корпус, жесткого пустотелого пенала с электронным блоком управления и переключаемыми источниками питания, размещенными во внутренней полости его корпуса, при этом электронный блок взаимосвязан электрически с кольцевыми мышцами через шины для передачи управляющих сигналов.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез насоса в статическом состоянии; на фиг. 2 - то же в положении первого цикла сжатия; на фиг. 3 - внешний вид насоса, состоящего из двух корпусов; на фиг. 4 - место I на фиг. 1 узла присоединения концов мышцы к шине.

Насос содержит жесткий цилиндрический пустотелый пенал 1, внутри которого размещен электронный блок управления 2, пенал 1 по торцам герметически закрывается заглушками 3. Внешний цилиндрический пустотелый корпус 4 выполнен из эластичного материала, в оболочку 5 которого встраивают множество кольцевых полосок 6, 7, 8, 9, выполняющих функцию кольцевых искусственных мышц.

Жесткие, центрирующие распорки 10 соединяются с переходными устройствами 11 и обеспечивают соосность корпуса 4 и пенала 1, переходные устройства 11 плотно соединяются по торцам с эластичным корпусом 4 насоса. Электронный блок управления 2 посредством проводников 12 присоединяется к сборной шине 13, по которой передаются управляющие сигналы к полоскам 6, 7, 8, 9 насоса. Сборная шина 13 располагается в общем жгуте с проводниками 14, которые встроены в распорку 10 и присоединяются к герметическому разъему 15. Проводники 14 пристыковываются с одной стороны к герметическому разъему 15, а с другой стороны выводятся наружу и служат для присоединения, в случае надобности, внешнего источника питания и тестирующих устройств. На внешний эластический корпус 4 надевается защитная спираль 16, фиксируемая на нем и служит для исключения взаимного влияния работающего насоса и окружающих его органов. Начала и концы полосок 6, 7, 8 и 9 искусственных мышц сходятся внахлест через изолирующий промежуток 17 к сборной шине 13 (на фиг.4). Вход 18 и выход 19 насоса снабжены средствами перекрытия отверстий посредством кранов 20 и 21, связанных со средствами управления (на чертеже не показаны).

Возможен вариант параллельной работы двух насосов одновременно, используемый, например, для замены насоса, не обеспечивающего требуемые параметры перекачки, без остановки кровообращения, с использованием переходных средств подсоединения 22 и 23. Для стыковки насоса (насосов) с системой кровообращения устанавливаются сращиваемые и прошедшие период отторжения узлы 24 и 25, имеющие шаровые краны (на чертеже не показаны) со своими узлами управления 26. В стенках узлов 11 устанавливаются датчик потока 27 и датчик давления 28 (их расположение показано условно).

Информацию о работе сердца можно получить путем не контактного подключения специального тестирующего прибора. Электронный блок управления 2 содержит два комплекта источников питания, на чертежах они не показаны, их переключение осуществляется автоматически, после чего программа вырабатывает специальный сигнал и передает его на мобильный телефон хозяина для принятия мер по зарядке разряженного источника питания.

Насос работает следующим образом.

В начальный момент запуска насоса (фиг.2) подается управляющий сигнал от электронного блока управления 2 на свободные концы полоски 6 искусственной мышцы. Вследствие этого последняя начинает сокращаться, увлекая при этом за собой эластичную стенку 5 корпуса 4, и плотно, по всему периметру прижимает ее к цилиндрической поверхности пенала 1. До момента касания оболочки к поверхности пенала 1 сжимающаяся эластичная стенка 5 разделяет поток жидкой среды и выполняет функцию поршня, а после прижатия ее к пеналу 1 она выполняет функцию обратного клапана. Далее из электронного блока 2 подается сигнал на включение в работу следующей мышцы 7, при этом с мышцы 6 управляющий сигнал еще не снимается и она удерживает стенку 5, прижатой к поверхности пенала 1, до прижатия стенки 5 мышцей 7, после прижатия стенки 5 мышцей 7 с мышцы 6 управляющий сигнал снимается, происходит, таким образом, постепенное выдавливание жидкой среды из пространства между поверхностями пенала 1 и корпуса 4, тем самым создается бегущая волна выдавливания жидкости. Для предотвращения вздутия эластичной оболочки 5 в процессе выдавливания и исключения взаимного влияния работающего насоса на окружающие органы устанавливается спираль 16.

Учитывая высокую скорость срабатывания искусственных мышц, предлагаемое устройство насоса может обеспечить широкий диапазон перекачки жидкой среды. За счет этого создается движение рабочей жидкости в диапазоне физиологической частоты сокращений сердца при постоянном направлении потока, создаваемого пульсирующими сокращениями насосного механизма. Простейший расчет показывает, что при наружном диаметре пенала 1, равном 20 мм, внутреннем диаметре корпуса 4 в 40 мм и длине насоса примерно 70 мм, за один цикл перекачивается примерно 66 мл жидкости, а так как конструкция устройства предполагает параллельную работу, то за один цикл можно перекачать примерно 132 мл жидкости.

Чтобы обеспечить максимальное количество жидкости, равное, примерно, 15 л в минуту, частота повторения циклов увеличится до 112 в минуту. Поскольку в насосе отсутствует клапанная система, то дросселирование исключается и основная характеристика потока жидкости - число (Рейнольдса) Re << 2300. В нашем случае оно в пределах 300-400.

Конструкция насоса позволяет параллельную работу (см. фиг. 3), это дает возможность приспосабливать геометрические размеры насоса к месту их установки.

Синхронность работы насосов регулируется электронным блоком управления 3 (см. фиг. 2), хотя конструкция насоса позволяет и режим несинхронной работы. Особенностью параллельной работы насосов является возможность замены насоса, имеющего отклонения от установленного режима работы, не останавливая циркуляцию в системе кровоснабжения. При этом используются имеющиеся шаровые краны как в самих насосах, так и в узлах присоединения к кровеносной системе (см. фиг. 3). У каждого насоса в электронном блоке управления устанавливаются по два источника питания: основной и резервный. Переключения с одного источника питания на другой осуществляются автоматически, при этом в электронном блоке управления вырабатывается специальный сигнал и направляется на мобильный телефон хозяина для принятия мер по зарядке выведенного из работы источника через проводники 14 (см. фиг. 2).

Формула изобретения

Насос для перекачивания жидких сред, содержащий эластичный цилиндрический корпус, ограниченный с торцов жесткими перегородками и герметично с ними соединенный, впускное и выпускное отверстия, выполненные с возможностью перекрытия, отличающийся тем, что содержит жесткий цилиндрический пустотелый пенал, на торцах герметично закрытый заглушками, размещенный внутри жесткого цилиндрического пустотелого пенала электронный блок управления, снабженный переключаемыми источниками питания, и искусственные мышцы, связанные с электронным блоком управления с возможностью сокращения при подаче управляющих сигналов, при этом искусственные мышцы встроены в оболочку эластичного цилиндрического корпуса, выполнены в виде кольцевых полосок, концы которых сходятся с изолирующим промежутком к шине для передачи управляющих сигналов и имеют возможность сокращать стенку эластичного корпуса для выдавливания жидкости.

РИСУНКИ