RU2807240C1 - Устройство для исследования гидромеханических свойств протезов трубчатых кровеносных сосудов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройству для исследования гидромеханических свойств протезов трубчатых кровеносных сосудов. Устройство состоит из последовательно соединенных в замкнутый контур пневмогидроаккумулятора с подключенными к нему воздушным насосом, датчиком давления воздуха и запорной арматуры, обратным клапаном, насосом вспомогательного кровообращения, управляемым блоком пневмопривода, выполненным с возможностью питания компрессором. Далее в контур подключены обратный клапан, регулирующая арматура, датчик расхода жидкости, блок терморегуляции, датчик температуры, гнездо первого переходника, соединенное через динамометр с главным суппортом, размещенным на направляющих станины и снабженным фиксатором. Управляемый блок пневмопривода выполнен с возможностью перемещения по направляющим станины вдоль оси протеза трубчатого кровеносного сосуда, для задания натяжения исследуемого протеза трубчатого кровеносного сосуда, контролируемого показаниями динамометра. В гнезде первого переходника находится первый переходник с каналом отбора давления, к которому подключен датчик давления рабочей жидкости с электрическим аналоговым выходом и исследуемый протез трубчатого кровеносного сосуда, соединенный с противоположного конца со вторым переходником, находящимся в гнезде второго проводника, закрепленным на направляющих станины. В контур введен датчик температуры рабочей жидкости, за которым находится регулирующая арматура, соединенная с пневмогидроаккумулятором. На направляющих станины также расположены два вспомогательных суппорта, выполненных с возможностью стопорения фиксаторами, на которых установлены лазерные датчики расстояния с электрическим аналоговым выходом, выполненные с возможностью измерения радиального перемещения стенки исследуемого протеза трубчатого кровеносного сосуда, с возможностью перемещения относительно оси размещения исследуемого протеза трубчатого кровеносного сосуда по трем взаимно перпендикулярным осям. Одна из осей параллельна оси размещения исследуемого протеза трубчатого кровеносного сосуда, для расположения оси лазерного луча перпендикулярно оси размещения исследуемого протеза трубчатого кровеносного сосуда. Все четыре датчика подключены через аналого-цифровой преобразователь к компьютеру. Техническим результатом является повышение производительности устройства для исследования гидродинамических свойств протезов трубчатых кровеносных сосудов и обеспечение полноты исследований за счет увеличения количества измеряемых параметров; повышение качества измерений, приближение условий измерений к физиологическим. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области медицины, а именно к испытательному и исследовательскому оборудованию, и предназначенному для исследования гидродинамических свойств как трубчатых кровеносных сосудов, так и их искусственных и биологических протезов.

Наибольшим количеством сходных признаков, а также близостью технической сущности к заявляемому изобретению, обладает устройство (Khlif, Н. Development of a test bench assessing the hydrodynamic compliance of vascular prostheses / Н. Khlif, S. Dhouib, N. Maatoug, S.B. Abdessalem, F. Sakli // Journal of Textile Engineering & Fashion Technology. - 2018. - V. 4, №. 3. - P. 244-252), выбранное в качестве прототипа. В данной работе описано устройство, предназначенное для изучения гидромеханических свойств искусственных трубчатых сосудистых протезов. Конструкция образует замкнутый контур, в который последовательно включены выход роторного насоса, регулирующая арматура, переходник с каналом отбора давления со стенки гидродинамического канала к которому подключен механический датчик давления жидкости, исследуемый трубчатый сосудистый протез, внутрь которого помещена резиновая трубка, подключаемая в контур вместо протеза, переходник, регулирующая арматура, электромагнитный клапан, резервуар, вход роторного насоса. Данные узлы образуют гидродинамический канал. При этом роторный насос оснащен управляющим реле давления. Регулирующие арматуры, датчик давления и переходники закреплены на двух устройствах, ориентирующих образуемые приведенными узлами прямые гидродинамические каналы соосно, и задающие расстояние между входным и выходным срезами отверстий переходников. Натяжение сосуда обеспечивается посредством перемещения ориентирующих устройств вдоль оси размещения сосуда. Ориентирующие устройства с закрепленными на них узлами размещаются в емкости со сливной трубкой, предотвращающей аварии, связанные с нарушением герметичности системы. Измерение деформации сосуда производится при помощи датчика с контактным зондом, преобразующего собственное перемещение в электрический сигнал, передаваемый на компьютер через вспомогательную систему, при этом корпус датчика закреплен на штативе, позволяющем перемещать датчик в любой плоскости относительно оси размещения сосуда. Систолическое давление в контуре задается реле давления, подключенным к роторному насосу, при помощи которого оно поддерживается. Частота пульсаций задается двумя таймерами с заданными временами срабатывания, которые управляют электромагнитным клапаном. Для исследования гидродинамических свойств, на переходниках размещается и фиксируется исследуемое изделие с помещенной внутрь резиновой трубкой, создаются необходимое натяжение и расположение протеза перемещением ориентирующих устройств. Контактный зонд приводится в соприкосновение с внешней стенкой исследуемого протеза. Управляющему реле давления задается необходимое поддерживаемое насосом значение, переключением таймеров выбирается частота срабатывания электромагнитного клапана, открываются обе арматуры, запускается насос, включается электромагнитный клапан. Радиальное перемещение стенки протеза при помощи датчика с контактным зондом регистрируется вспомогательной системой и передается на компьютер. Давление регистрируется посредством наблюдения за показаниями датчика давления. По окончании измерения, насос останавливается, отключается электромагнитный клапан, закрываются обе арматуры. Датчик с контактным зондом отводится в сторону, протез снимается с переходников. Из полученных данных вычисляются необходимые параметры.

Описанное устройство имеет ряд недостатков, заключающихся в следующем.

Создание пульсовой волны в исследуемом сосуде обеспечивается срабатыванием электромагнитного клапана, периодически открывающего и закрывающего гидродинамический канал, в который насосом нагнетается давление. При этом электромагнитный клапан находится после исследуемого сосуда по направлению движения рабочей жидкости. Такой способ задания пульсовой волны не обеспечивает имитацию физиологической инцизуры в исследуемом сосуде вследствие принудительного перекрытия гидродинамического канала и невозможности движения рабочей жидкости в обратном направлении, обусловленной механизмом работы роторного насоса. Наблюдаемые на приведенных в работе сфигмограммах минимумы и максимумы после плато обусловлены затухающими колебаниями резиновой трубки внутри сосуда. Данные колебания проявляются вследствие инерционного движения стенок эластичной трубки, находящейся внутри сосуда, в радиальном направлении к оси трубки после прекращения приложения к ним силы, растягивающей их.

Сообщение системы с атмосферой через открытый резервуар не позволяет задавать любые желаемые значения систолического и диастолического давления, которые в данном случае одновременно имеют зависимость только от степени перекрытия канала регулирующей арматурой, и временем нахождения электромагнитного клапана в открытом состоянии. При изменении времени удержания электромагнитного клапана в открытом состоянии, изменятся ритм пульсаций и объем выброса рабочей жидкости, что приведет к отклонению параметров системы от физиологических значений.

Помещение резиновой трубки внутрь исследуемого сосуда, и ее подключение в контур вместо сосуда, значительно искажает результаты измерений. Трубка создает дополнительное сопротивление радиальному растяжению, что искажает значение податливости исследуемого сосуда. Кроме того, ее наличие приводит к появлению колебаний стенок трубки в радиальном направлении после прекращения приложения к ним силы, растягивающей их, что затрудняет определение положения внешней стенки сосуда при диастолическом давлении.

Отсутствие датчика расхода жидкости в контуре не позволяет определить объем выброса рабочей жидкости в цикле имитации сердечного сокращения.

Рабочая жидкость и сосуд не подвергаются терморегуляции, и измерения происходят при комнатной температуре, что отодвигает условия функционирования сосудов от физиологических.

Применение стрелочного механического датчика давления в качестве основного делает невозможным регистрацию кривой давления жидкости в исследуемом сосуде и ее сопоставление со сфигмограммой, что приводит к увеличению количества ошибок и снижению достоверности измерений.

Применение единственного датчика радиального перемещения стенки исследуемого сосуда не позволяет определить скорость распространения пульсовой волны в этом сосуде.

Использование датчика с контактным зондом для измерения радиального перемещения стенки исследуемого сосуда увеличивает время подготовки к измерению за счет необходимости привести зонд в механический контакт со стенкой сосуда с сохранением его натяжения. Кроме того, такой датчик подвержен влиянию вибраций, неизбежно возникающих при взаимодействии субъекта, проводящего измерения, с окружающим миром, что приводит к появлению помех.

Отсутствие направляющих ориентирующих устройств осложняет обеспечение соосности переходников, что затрудняет работу с системой и увеличивает время, затрачиваемое на проведение измерений.

Отсутствие механизма измерения натяжения сосуда не позволяет задать необходимое натяжение сосуда и исключить его провисание или излишнее растяжение, которые приводят к недостоверности проводимых измерений.

Техническими результатами предлагаемого устройства являются: повышение производительности устройства для исследования гидродинамических свойств протезов трубчатых кровеносных сосудов;

обеспечение полноты исследований за счет увеличения количества измеряемых параметров; повышение качества измерений, приближения условий измерений к физиологическим.

Указанные результаты достигаются тем, что в устройстве:

- для измерения радиального перемещения стенки исследуемого сосуда применяются два лазерных датчиков расстояния, удерживающие и ориентирующие сосуд устройства помещены на станину, датчики радиального перемещения стенки исследуемого сосуда механически связаны со станиной; автоматизирован процесс регистрации данных;

- между насос вспомогательного кровообращения (НВК) и блоком терморегуляции через регулирующую арматуру в контур интегрирован датчик расхода жидкости, до и после исследуемого сосуда по направлению движения рабочей жидкости расположены датчики температуры рабочей жидкости, исследуемый сосуд связан с суппортом через динамометр, радиальное перемещение стенки исследуемого сосуда измеряется двумя датчиками, взаимно разнесенными по оси сосуда на заданное расстояние;

- направленное движение рабочей жидкости в контуре обеспечивается НВК с входным и выходным обратными клапанами, управляемого блоком пневмопривода, питаемого компрессором, в контур вместо открытого резервуара включен пневмогидроаккумулятор с датчиком давления газа и воздушным насосом, перед исследуемым сосудом по направлению движения рабочей жидкости включен блок терморегуляции; натяжение исследуемого сосуда задается под контролем показаний динамометра, исследуемый сосуд подключается непосредственно в гидродинамический канал; датчики радиального перемещения стенки исследуемого сосуда, датчик давления рабочей жидкости и датчик расхода жидкости через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) подключены к компьютеру.

В конструкции заявляемого устройства в качестве насоса используется НВК с обратными клапанами на входе и выходе, обеспечивающими одностороннее движение рабочей жидкости, управляемый блоком пневмопривода, питаемого компрессором, что позволяет создавать наиболее близкий к физиологическому характер движения жидкости в контуре, получая корректный профиль сфигмограмм исследуемых сосудов.

Управление сообщением системы с атмосферой посредством запорной арматуры пневмогидроаккумулятора, а так же возможность задания давления воздуха в пневмогидроаккумуляторе при помощи воздушного насоса и датчика давления газа, позволяет задавать любые значения систолического и диастолического давления в сосуде в пределах измерений применяемых датчиков, обеспечивая необходимые для исследований параметры.

Фиксация сосуда через сменные переходники, устанавливаемые в гнезда, одно из которых зафиксировано в станине, а другое через динамометр присоединено к подвижному вдоль оси размещения сосуда по направляющим станины главному суппорту, позволяет проводить испытания всей номенклатуры сосудов как биологического, так и искусственного происхождения, а так же задавать натяжение сосудов, обеспечивая необходимые для исследований параметры.

Включение в контур датчика расхода жидкости с аналоговым электрическим выходом позволяет определить объем жидкости, проходящей через исследуемый в сосуд в течение цикла пульсации, обеспечивая полноту исследований.

Применение в качестве датчиков перемещения стенки сосуда в радиальном направлении двух лазерных датчиков расстояния с аналоговым электрическим выходом, размещенных на двух суппортах, подвижных по направляющим станины, обеспечивающих перемещение датчиков по трем взаимно перпендикулярным осям относительно оси размещения сосуда, одна из которых параллельна оси размещения сосуда, позволяет измерить скорость распространения пульсовой волны внутри исследуемого сосуда, обеспечивая полноту исследований, упростить работу с устройством, обеспечив бесконтактные измерения и исключив необходимость ориентирования датчиков по одной из трех осей при каждом новом измерении.

Использование датчика давления с аналоговым электрическим выходом в качестве датчика давления рабочей жидкости в сосуде позволяет записывать кривую давления и сопоставлять ее с показаниями датчиков расстояния и датчика расхода жидкости, обеспечивая полноту исследований и достоверность результатов.

Непосредственное включение исследуемого сосуда в контур обеспечивает отсутствие его паразитных колебаний, отражаемых на сфигмограммах, и достоверность измерений вследствие отсутствия лишнего сопротивления радиальному растяжению сосуда.

Включение в контур блока терморегуляции перед сосудом по направлению движения рабочей жидкости, а так же помещение в контур чувствительных элементов датчиков температуры до и после сосуда, позволяет проводить исследования при температурах сосуда и рабочей жидкости, приближенных к температуре внутри организма, обеспечивая достоверность исследований.

Регистрация данных, полученных датчиками, в компьютере, позволяет получать измеряемые величины в высоком временном разрешении, сопоставлять их и быстро обрабатывать, что упрощает работу с устройством и повышает его производительность.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения от прототипа является следующее:

1) вместо открытого резервуара в контур включен пневмогидроаккумулятор с подключенными к нему воздушным насосом, датчиком давления и запорной арматурой, сообщающей его с атмосферой;

2) для придания рабочей жидкости направленного движения применяется НВК с обратными клапанами на входе и выходе, управляемый блоком пневмопривода, питающимся от компрессора;

3) после регулирующей арматуры, находящейся перед исследуемым сосудом по направлению движения рабочей жидкости, в контур последовательно включены датчик расхода жидкости с аналоговым электрическим выходом, подключенный через АЦП к компьютеру, блок терморегуляции и датчик температуры жидкости;

4) между исследуемым сосудом и запорной арматурой, располагающейся перед пневмогидроаккумулятором по направлению движения рабочей жидкости, в контур включен датчик температуры рабочей жидкости;

5) для фиксации исследуемого сосуда и задания его натяжения используется станина с направляющими и емкостью сбора жидкости под осью размещения сосуда со сливным отверстием, а установка сосуда осуществляется на переходники с соответствующим сосуду посадочным диаметром, причем переходник, располагаемый перед сосудом по направлению движения рабочей жидкости имеет канал отбора давления со стенки гидродинамического канала, и устанавливается в посадочное гнездо, соединенное через динамометр с главным суппортом, размещенным на направляющих станины, а второй переходник устанавливается в гнездо, жестко закрепленное на станине;

6) для получения сфигмограмм исследуемого сосуда используются два лазерных датчика расстояния с аналоговыми электрическими выходами, подключенными через АЦП к компьютеру, которые закрепляются на вспомогательных суппортах, размещаемых на направляющих станины, обеспечивающих перемещение датчиков по трем взаимно перпендикулярным осям, причем одна из осей параллельна оси размещения исследуемого сосуда;

7) в качестве датчика измерения давления рабочей жидкости используется датчик с аналоговым электрическим выходом, подключенный через АЦП к компьютеру.

Сущность изобретения поясняется прилагаемой фигурой. На Фиг. 1 показана общая схема устройства.

Устройство включает в себя пневмогидроаккумулятор 1, к которому подключены воздушный насос 2 и датчик давления воздуха 3. 1 сообщается с атмосферой через запорную арматуру 4. Из 1 рабочая жидкость двигается через обратный клапан 5 в насос вспомогательного кровообращения (НВК) 6, который управляется блоком пневмопривода (БПП) 8, питаемым компрессором 9. В 6 при поступательном движении мембраны под действием избыточного давления воздуха, поданного из блока пневмопривода, в сторону рабочей жидкости, в НВК возрастает давление, 5 закрывается, и жидкость двигается через обратный клапан 7 к регулирующей арматуре 10. Минуя 10, рабочая жидкость проходит датчик расхода жидкости с электрическим аналоговым выходом 11. После 11, жидкость попадает в блок терморегуляции 12, где нагревается, и после которого расположен датчик температуры рабочей жидкости 13, которым контролируется температура жидкости, поступающей в исследуемый сосуд. После 13 находится гнездо переходника 16, соединенное через динамометр 17 с главным суппортом 15, размещенным на направляющих станины 14. 15 может перемещаться по направляющим станины 14 вдоль оси размещения сосуда. В 16 помещается переходник с каналом отбора давления 18, к которому подключается датчик давления рабочей жидкости с электрическим аналоговым выходом 19. К 18 подсоединяется исследуемый протез трубчатого кровеносного сосуда 24, соединенный с противоположного конца с переходником 25, помещенным в гнездо переходника 26, закрепленным на 14. После 26 в гидродинамический канал включен датчик температуры рабочей жидкости 27, за которым расположена регулирующая арматура 28, соединенная с 1. На направляющих станины 14 так же расположены два вспомогательных суппорта 20 и 22, на которых установлены лазерные датчики расстояния с электрическим аналоговым выходом 21 и 23 соответственно, которые могут перемещаться относительно оси размещения сосуда по трем взаимно перпендикулярным осям, причем одна из осей параллельна оси размещения сосуда, измеряющие радиальное перемещение стенки исследуемого протеза трубчатого кровеносного сосуда 24, 11, 19, 21 и 23 подключаются через АЦП 29 к компьютеру 30, где полученная информация хранится и обрабатывается. Главный суппорт 15 имеет фиксатор 31.

Заявляемое устройство для изучения гидромеханических свойств трубчатых сосудов работает следующим образом.

В нерабочем состоянии устройства, 24 отсутствует, 8, 9, 11, 12, 13, 21, 23, 27, 29 и 30 отключены, 10 и 28 закрыты, 4 открыт, 18 и 25 находятся отдельно от 16 и 26 соответственно, 18 отсоединен от 19, а фиксатор 31 ослаблен. Для проведения исследования гидромеханических свойств трубчатых сосудов и их протезов включают 30, 29, 23, 21, 19, 11, 13 и 27, 25 помещают в 26, а 18 помещают в 16. 24 помещают на 18 и 25, тем самым замкнув контур. 19 подключается к 18. Если необходимо, в 1 добавляется рабочая жидкость. 10 и 28 открывают, контур заполняют рабочей жидкостью так, чтобы исключить наличие в нем пузырьков газа. 15 перемещают по направляющим станины 14 так, чтобы задать 24 необходимое натяжение, контролируя показания 17, после чего 15 стопорится фиксатором, показания 17 записывают.21 и 23 при помощи 20 и 22 перемещаются так, чтобы ось лазерного луча располагалась перпендикулярно оси размещения сосуда, 20 и 22 стопорятся фиксаторами. Перекрывают 4, включают сначала 9, после него 8. При помощи 8 частоту импульсов НВК, при помощи 2, 3, 8, 10 и 28 задают необходимые систолическое и диастолическое давление, контролируя показания 19 через 30. Включают и настраивают 12, ожидают установление необходимых значений температуры на 13 и 27. В течение требуемого промежутка времени записывают показания 11, 19, 21 и 23 на 30. Окончив измерения, отключают 12, ожидают не менее минуты до остывания нагревательного элемента. Отключают 8 и 9, открывают 4, перекрывают 10 и 28. Снимают 24 с 18 и 25, рабочая жидкость из гидродинамического канала отводится в слив, главный суппорт 15, вспомогательные суппорты 20 и 22 ослабляют. При необходимости, на имеющиеся 18 и 25 устанавливают другой 24, или же меняют 18 и 25 на необходимый для проведения исследования размер, и устанавливают 24 другого размера, повторяют описанные операции.

По окончании измерений, отключают 11, 13, 27, 19, 21, 23, 29 и 30. Полученные и записанные данные обрабатывают.

Пример.

Было изготовлено устройство для исследования гидромеханических свойств протезов трубчатых кровеносных сосудов и были проведены испытания протеза кровеносного сосуда «Экофлон». В процессе испытаний было установлено: что сосудистый протез легко устанавливается для проведения исследований. Наличие датчиков перемещения, расхода, давления, температуры и осуществление синхронной записи всех параметров позволило провести комплексное исследование протеза кровеносного сосуда, включая измерение скорости распространения пульсовой волны, что повышает точность испытаний и исследований и сокращает время проведения испытаний. Наличие терморегуляции и применение НВК в качестве задатчика перемещения испытательной жидкости приблизило условия проведения испытаний к условиям в организме человека.

Claims (1)

1. Устройство для исследования гидромеханических свойств протезов трубчатых кровеносных сосудов, состоящее из последовательно соединенных в замкнутый контур пневмогидроаккумулятора с подключенными к нему воздушным насосом, датчиком давления воздуха и запорной арматуры, обратным клапаном, насосом вспомогательного кровообращения, управляемым блоком пневмопривода, выполненным с возможностью питания компрессором, далее в контур подключены обратный клапан, регулирующая арматура, датчик расхода жидкости, блок терморегуляции, датчик температуры, гнездо первого переходника, соединенное через динамометр с главным суппортом, размещенным на направляющих станины и снабженным фиксатором, и с возможностью перемещения по направляющим станины вдоль оси протеза трубчатого кровеносного сосуда, для задания натяжения исследуемого протеза трубчатого кровеносного сосуда, контролируемого показаниями динамометра, в гнезде первого переходника находится первый переходник с каналом отбора давления, к которому подключен датчик давления рабочей жидкости с электрическим аналоговым выходом и исследуемый протез трубчатого кровеносного сосуда, соединенный с противоположного конца со вторым переходником, находящимся в гнезде второго проводника, закрепленным на направляющих станины, далее в контур введен датчик температуры рабочей жидкости, за которым находится регулирующая арматура, соединенная с пневмогидроаккумулятором, а на направляющих станины также расположены два вспомогательных суппорта, выполненных с возможностью стопорения фиксаторами, на которых установлены лазерные датчики расстояния с электрическим аналоговым выходом, выполненные с возможностью измерения радиального перемещения стенки исследуемого протеза трубчатого кровеносного сосуда, с возможностью перемещения относительно оси размещения исследуемого протеза трубчатого кровеносного сосуда по трем взаимно перпендикулярным осям, причем одна из осей параллельна оси размещения исследуемого протеза трубчатого кровеносного сосуда, для расположения оси лазерного луча перпендикулярно оси размещения исследуемого протеза трубчатого кровеносного сосуда, все четыре датчика подключены через аналого-цифровой преобразователь к компьютеру.

Images