radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2022-25-5-104-112radioelectronics-682Research ArticleПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙMEDICAL DEVICES, ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIAL AND PRODUCTРазработка микронасосной системы для поддержки кровообращенияDesigning of a Micropump System for Circulatory Supporthttps://orcid.org/0000-0003-2131-751XХаустовА. И.KhaustovA. I.

Хаустов Александр Иванович– доктор технических наук (1999), профессор (2000), профессор кафедры "Экология, системы жизнеобеспечения и безопасность жизнедеятельности"

Волоколамское ш., д. 4, Москва, 125080

Alexander I. Khaustov, Dr Sci. (Eng.) (1999), Professor (2000) Professor of the Department of Ecology, life support systems and life safety

4, Volokolamsk Highway, Moscow 125080

sinna286@mail.ruБоярскийГ. Г.BoyarskyG. G.

Боярский Глеб Геннадьевич– магистр по специальности "Биотехнические системы и технологии", аспирант кафедры "Экология, системы жизнеобеспечения и безопасность жизнедеятельности"

Волоколамское ш., д. 4, Москва, 125080

Gleb G. Boyarsky, Master in "Biotechnical Systems and Technologies" (2018), Postgraduate Student of the Department of Ecology, life support systems and life safety

4, Volokolamsk Highway, Moscow 125080

glebboyarsky@gmail.comКротовК. В.KrotovK. V.

Кротов Кирилл Владимирович – бакалавр по специальности "Биотехнические системы и технологии", инженер

Волоколамское ш., д. 4, Москва, 125080

Kirill V. Krotov, Bachelor in "Biotechnical Systems and Technologies", Engineer

4, Volokolamsk Highway, Moscow 125080

krotovkv@mai.ruМосковский авиационный институт (МАИ)РоссияMoscow Aviation Institute (MAI)Russian Federation202228112022255104112Copyright © Хаустов А.И., Боярский Г.Г., Кротов К.В., 20222022Хаустов А.И., Боярский Г.Г., Кротов К.В.Khaustov A.I., Boyarsky G.G., Krotov K.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/682Введение

Введение. В современной кардиохирургии для обеспечения частичной или полной, постоянной или временной замены функции сердца применяются системы поддержки, имеющие размеры, требующие проведения серьезной хирургической операции. Для обеспечения малой инвазивности требуется существенно уменьшить размеры имплантируемой части системы, что позволит вводить эти устройства через бедренную артерию.

Цель работы

Цель работы. Разработка малоинвазивной микронасосной системы для поддержки кровообращения.

Материалы и методы

Материалы и методы. На основе анализа технологии применения системы поддержки кровообращения (МСПК) разработан ее состав, принцип работы, спроектированы основные ее узлы и элементы. При проектировании микронасоса как узла, определяющего массогабаритные параметры всей системы, используются численные и экспериментальные методы оптимизации его проточной части из условия минимизации травмы крови и тромбообразования. При разработке системы смазки и охлаждения решалась термодинамическая задача по обеспечению отвода тепла. Электронный блок управления разработан на основании накопленного опыта проектирования и эксплуатации блоков управления клинически применяемых систем вспомогательного кровообращения.

Результаты

Результаты. Спроектирован микронасос диаметром 6,5 мм и длиной 43 мм с требуемыми гемо- и гидродинамическими параметрами, обеспечивающий минимальную травму и тромбообразование. Определены основные параметры и спроектированы узлы и элементы МСПК (электроприводы, система смазки и охлаждения). Разработан состав и принцип работы электронного блока управления (ЭБУ), который представляет собой микропроцессорную систему управления МСПК с обратной связью. Встроенное программное обеспечение ЭБУ позволяет управлять частотой вращения электроприводов микронасоса и насоса подачи охлаждающей жидкости в требуемом диапазоне, измерять, отображать, регистрировать режимные параметры работы МСПК, а также осуществлять контроль их работы в требуемых диапазонах, обмениваться данными между ЭБУ и компьютером.

Заключение

Заключение. Подготовлена документация на узлы и элементы МСПК, обеспечивающие требуемые гидро- и гемодинамические параметры, необходимые для применения микронасосной малоинвазивной системы, что позволяет перейти к сборке и отладке узлов и элементов МСПК в целом.

Introduction

Introduction. Support systems currently used in modern cardiac surgery to provide partial or complete, permanent or temporary replacement of cardiac function are frequently characterized by large dimensions, thus requiring major surgical interventions. Low invasiveness can be ensured by reducing the size of the implanted part of such systems, allowing these devices to be inserted through the femoral artery.

Aim

Aim. Development of a minimally invasive micropump system to support blood circulation.

Materials and methods

Materials and methods. Based on the analysis of implementation of micropump circulatory support systems (MCSS), the configuration, operational principles and main components of such a system were determined. When designing a micropump, as a unit defining the weight and size parameters of the entire system, numerical and experimental methods were used to optimize its flow path based on the condition of minimizing blood injury and thrombus formation. The lubrication and cooling system was developed by solving the thermodynamic problem of heat removal. The electronic control unit was developed on the basis of accumulated experience in the design and operation of control units for circulatory support systems.

Results

Results. A micropump with a diameter of 6.5 mm and a length of 43 mm with the required hydro- and hemodynamic parameters was designed. The device ensures minimal trauma and thrombus formation. The main MCSS parameters, as well as its main components (electric drives, lubrication and cooling systems), were defined. The configuration and operational principles of the electronic control unit (ECU), consisting in a microprocessor-based control system with feedback, were developed. The ECU built-in software manages the rotational speed of the electric drives of the micropump and coolant supply pump in the required range. In addition, the software is used to measure, display and register the MCSS operational parameters, as well as to monitor their operation in the required ranges and to exchange data between the ECU and the PC.

Conclusion

Conclusion. All the necessary documentation for the MCSS nodes and components was prepared. These nodes and components ensure the hydro- and hemodynamic parameters required for the use of the developed minimally invasive micropump system. Future work will address the stages of MCSS assembly and debugging.

поддержка кровообращенияпроектированиемикронасосэлектронный блок управлениясистема смазки и охлажденияcirculatory supportdesignmicropumpelectronic control unitlubrication and cooling systemРабота выполнена при поддержке ФГБУ "Фонд содействия инновациям" (договор № 3052ГС1/44987 от 04 июня 2019 г.).The work was supported by the FSBI Innovation Promotion Fund (Agreement No. 3052GS1/44987 dated June 04, 2019).ReferencesИткин Г. П. Механическая поддержка кровообращения: проблемы, решения и новые технологии // Вестн. трансплантологии и искусственных органов. 2014. Т. 16, № 3. С. 76–84. doi: 10.15825/1995-1191-2014-3-76-84Itkin G. P. Mechanical Circulatory Support: Problems, Solutions and New Directions. Russian J. of Transplantology and Artificial Organs. 2014, vol. 16, no. 3, pp. 76–84. (In Russ.) doi: 10.15825/1995-1191-2014-3-76-84Acute Cardiovascular Care Association position statement for the diagnosis and treatment of patients with acute myocardial infarction complicated by cardiogenic shock: A document of the Acute Cardiovascular Care Association of the European Society of Cardiology / U. Zeymer, H. Bueno, C. B. Granger, J. Hochman, K. Huber, M. Lettino, S. Price, F. Schiele, M. Tubaro, P. Vranckx, D. Zahger, H. Thiele // Eur. Heart J. Acute Cardiovasc. Care. 2020. Vol. 9, iss. 2. P. 183–197. doi: 10.1177/2048872619894254Zeymer U., Bueno H., Granger C. B., Hochman J., Huber K., Lettino M., Price S., Schiele F., Tubaro M., Vranckx P., Zahger D., Thiele H. Acute Cardiovascular Care Association Position Statement for the Diagnosis and Treatment of Patients with Acute Myocardial Infarction Complicated by Cardiogenic Shock: A Document of the Acute Cardiovascular Care Association of the European Society of Cardiology. Eur. Heart J. Acute Cardiovasc. Care. 2020, vol. 9, iss. 2, pp. 183–197. doi: 10.1177/2048872619894254The History of Durable Left Ventricular Assist Devices and Comparison of Outcomes: HeartWare, HeartMate II, HeartMate 3, and the Future of Mechanical Circulatory Support / C. Berardi, C. A. Bravo, S. Li, M. Khorsandi, J. E. Keenan, J. Auld, S. Rockom, J. A. Beckman, C. Mahr // J. of Clinical Medicine. 2022. Vol. 11, iss. 7. P. 20–22. doi: 10.3390/jcm11072022Berardi C., Bravo C. A., Li S., Khorsandi M., Keenan J. E., Auld J., Rockom S., Beckman J. A., Mahr C. The History of Durable Left Ventricular Assist Devices and Comparison of Outcomes: HeartWare, HeartMate II, HeartMate 3, and the Future of Mechanical Circulatory Support. J. of Clinical Medicine. 2022, vol. 11, iss. 7, pp. 20–22. doi: 10.3390/jcm11072022Long-term biventricular support following myocardial infarction from anterior descending coronary artery damage due to stabbing: A case report / A. Chernyavskiy, A. Fomichev, T. Ruzmatov, A. Khaustov // J. of Cardiac Surgery. 2020. Vol. 35, iss. 9. P. 222–242. doi: 10.1111/jocs.14816Chernyavskiy A., Fomichev A., Ruzmatov T., Khaustov A. Long-Term Biventricular Support Following Myocardial Infarction from Anterior Descending Coronary Artery Damage Due to Stabbing: A Case Report. J. of Cardiac Surgery. 2020, vol. 35, iss. 9, pp. 222–242. doi: 10.1111/jocs.14816Первый опыт использования системы механической поддержки левого желудочка "АВК-Н" в кардиохирургической клинике / А. М. Чернявский, Д. В. Доронин, А. В. Фомичев, А. М. Караськов // Патология кровообращения и кардиохирургия. 2019. Т. 23, № 1. P. 26–32. doi: 10.21688/1681-3472-2019-1-26-32Chernyavskii A. M., Doronin D. V., Fomichev A. V., Karas'kov A. M. The Initial Experience of Implantation of the Left Ventricular Assist Device "Sputnik" at a Cardiac Surgery Center. Patologiya krovoobrashcheniya i kardiokhirurgiya [Circulatory Pathology and Cardiac Surgery]. 2019, vol. 23, no. 1, pp. 26–32. (In Russ.) doi: 10.21688/1681-3472-2019-1-26-32Miniaturization of mechanical circulatory support systems / G. A. Giridharan, T. J. Lee, M. Ising, M. A. Sobieski, S. C. Koenig, L. A. Gray, M. S. Slaughter // Artificial Organs. 2012. Vol. 36, № 8. P. 731–758. doi: 10.1111/j.1525-1594.2012.01523.xGiridharan G. A., Lee T. J., Ising M., Sobieski M. A., Koenig S. C., Gray L. A., Slaughter M. S. Miniaturization of Mechanical Circulatory Support Systems. Artificial Organs. 2012, vol. 36, no. 8, pp. 731–758. doi: 10.1111/j.1525-1594.2012.01523.xUse of impella ventricular assist device in patients with severe coronary artery disease presenting with cardiac arrest / V. K. Mukku, Q. Cai , S. Gilani, K. Fujise, A. Barbagelata // The Intern. j. of angiology: official publication of the Intern. College of Angiology. 2012. Vol. 21, iss. 3. P. 163–166. doi: 10.1055/s-0032-1324736Mukku V. K., Cai Q., Gilani S., Fujise K., Bar-bagelata A. Use of Impella Ventricular Assist Device in Patients with Severe Coronary Artery Disease Presenting with Cardiac Arrest. The Intern. J. of Angiology: official publication of the Intern. College of Angiology. 2012, vol. 21, iss. 3, pp. 163–166. doi: 10.1055/s-0032-1324736Successful use of the Impella Recover LP 5.0 device for circulatorysupport during off-pump coronary artery bypass grafting / P. Pepino, G. Coronella, P. Oliviero, M. Monaco, V. Schiavone, F. Finizio, G. Biondi-Zoccai, G. Frati, A. Giordano // Intern. J. of Surgery. 2014. Vol. 5, iss. 11. P. 803–805. doi: 10.1016/j.ijscr.2014.07.013Pepino P., Coronella G., Oliviero P., Monaco M., Schiavone V., Finizio F., Biondi-Zoccai G., Frati G., Giordano A. Successful Use of the Impella Recover LP 5.0 Device For Circulatory Support During Off-Pump Coronary Artery Bypass Grafting. Intern. J. of Surgery. 2014, vol. 5, iss. 11, pp. 803–805. doi: 10.1016/j.ijscr.2014.07.0132011 ACCF/AHA/SCAI guideline for percutaneous coronary intervention: A report of the American College of Cardiology Foundation/American Heart Association task force on practice guidelines and the Society for Cardiovascular Angiography and Interventions / G. N. Levine, E. R. Bates, J. C. Blankenship, S. R. Bailey, J. A. Bittl, B. Cercek, C. E. Chambers, S. G. Ellis, R. A. Guyton, S. M. Hollenberg, U. N. Khot, R. A. Lange, L. Mauri, R. Mehran, I. D. Moussa, D. Mukherjee, B. K. Nallamothu, H. H. Ting // Circulation. 2011. Vol. 124, № 23. P. e574–e651. doi: 10.1161/CIR.0b013e31823ba622Levine G. N., Bates E. R., Blankenship J. C., Bailey S. R., Bittl J. A., Cercek B., Chambers C. E., Ellis S. G., Guyton R. A., Hollenberg S. M., Khot U. N., Lange R. A., Mauri L., Mehran R., Moussa I. D., Mukherjee D., Nallamothu B. K., Ting H. H. 2011 ACCF/AHA/SCAI Guideline for Percutaneous Coronary Intervention: A Report of the American College of Cardiology Foundation/American Heart Association Task Force on Practice Guidelines and the Society for Cardiovascular Angiography and Interventions. Circulation. 2011, vol. 124, no. 23, pp. e574–e651. doi: 10.1161/CIR.0b013e31823ba622First-inhuman experience with Aortix intraaortic pump / A. N. Vora, J. W. Schuyler, A. D. DeVore, A. Ebner, W. Clifton, M. R. Patel // Catheter Cardiovasc Interv. 2019. Vol. 93, iss. 3. P. 428–433. doi: 10.1002/ccd.27857Vora A. N., Schuyler J. W., DeVore A. D., Ebner A., Clifton W., Patel M. R. First-in-Human Experience with Aortix Intraaortic Pump. Catheter Cardiovasc Interv. 2019, vol. 93, iss. 3, pp. 428–433. doi:10.1002/ccd.27857Улюмджиева Г. В., Гельманова М. О. CFD как альтернатива экспериментальному моделированию. Достоинства и недостатки // Intern. Scientific Review. 2016. № 18 (28). С. 51–52.Uljumdzhieva G. V., Gel'manova M. O. CFD kak al'ternativa jeksperimental'nomu modelirovaniju. Dostoinstva i nedostatki [CFD as an Alternative To Experimental Modeling. Advantages and Disadvantages]. International Scientific Review. 2016, no. 18 (28), pp. 51–52. (In Russ.)Морозов Д. Программы для численного решения задач обтекания и теплообмена // Наука и инновации. 2017. № 167. С. 29–32.Morozov D. Programmy dlja chislennogo reshenija zadach obtekanija i teploobmena [Programs for Numerical Solution of Flow and Heat Transfer Problems ]. Nauka i innovacii [Science and innovation]. 2017, no. 167, pp. 29–32. (In Russ.)Лукьянов И. И. Современные подходы к моделированию турбулентных течений // Символ науки. 2016. № 12-1. С. 12–14.Luk'janov I. I. Sovremennye podhody k modelirovaniju turbulentnyh techenij [Modern Approaches to Modeling Turbulent Flows]. Simvol nauki [Science Symbol]. 2016, no. 12-1, pp. 12–14. (In Russ.)An Optimal H-Infinity Controller for Left Ventricular Assist Devices Based on a Starling-like Controller: A Simulation Study / M. Bakouri, A. Alassaf, K. Alshareef, S. Abdelsalam, H. F. Ismail, A. Ganoun, A.-H. Alomari // Mathematics. 2022. Vol. 10, iss. 5. P. 731. doi: 10.3390/math10050731Bakouri M., Alassaf A., Alshareef K., Abdelsalam S., Ismail H. F., Ganoun A., Alomari A.-H. An Optimal H-Infinity Controller for Left Ventricular Assist Devices Based on a Starling-like Controller: A Simulation Study. Mathematics. 2022, vol. 10, iss. 5, p. 731. doi: 10.3390/math10050731Разработка носимого блока управления имплантируемым осевым насосом системы вспомогательного кровообращения / А. В. Адаскин, К. Н. Дозоров, А. Н. Стиценко, И. А. Филатов, Г. П. Иткин, Е. Г. Конышева, С. В. Селищев, Г. С. Кузьмин, А. Н. Гусев // Биотехносфера. 2011. № 4 (16). С. 24–27.Adaskin A. V., Dozorov K. N., Stitsenko A. N., Filatov I. A., Itkin G. P., Konysheva E. G., Selishchev S. V., Kuz'min G. S., Gusev A. N. Razrabotka nosimogo bloka upravleniya implantiruemym osevym nasosom sistemy vspomogatel'nogo krovoobrashcheniya [Development of a Wearable Control Unit for an Implantable Axial Pump of the Circulatory Assist System] Biotekhnosfera [Biotechnosphere]. 2011, no. 4 (16), pp. 24–27. (In Russ.)Peripheral Ventricular Assist Devices in Interventional Cardiology: The Impella® Micro-Axial Pump / T. Becher, S. Baumann, F. Eder, C. Fastner, M. Behnes, D. Lossnitzer, C. Doesch, M. Borggrefe // Interventional Cardiology. IntechOpen, 2017. doi: 10.5772/67883Becher T., Baumann S., Eder F., Fastner C., Behnes M., Lossnitzer D., Doesch C., Borggrefe M. Peripheral Ventricular Assist Devices in Interventional Cardiology: The Impella® Micro-Axial Pump. Interventional Cardiology. IntechOpen, 2017. doi: 10.5772/67883Боярский Г. Г., Хаустов А. И. Анализ течения вязкой жидкости в элементах микронасоса для систем вспомогательного кровообращения // Вестн. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2021. № 3 (138). С. 135–145. doi: 10.18698/0236-3941-2021-3-135-145Khaustov A.I., Boyarskii G.G. Analysis of Viscous Fluid Flow in Micropump Elements for Circulatory Support Systems. Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Mechanical Engineering. 2021, no. 3 (138), pp. 135–145. (In Russ.) doi: 10.18698/0236-3941-2021-3-135-145Boyarsky G. G., Nevzorov A. M., Khaustov A. I. A Micropump for Left Ventricular Support // Biomedical Engineering. 2021. Vol. 55. P. 153–156.Boyarsky G. G., Nevzorov A. M., Khaustov A. I. A Micropump for Left Ventricular Support. Biomedical Engineering. 2021, vol. 55, pp. 153–156.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.