Разработка микронасосной системы для поддержки кровообращения

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. Разработка малоинвазивной микронасосной системы для поддержки кровообращения.

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. 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. 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.

1. Иткин Г. П. Механическая поддержка кровообращения: проблемы, решения и новые технологии // Вестн. трансплантологии и искусственных органов. 2014. Т. 16, № 3. С. 76–84. doi: 10.15825/1995-1191-2014-3-76-84

2. 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 / 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: 10.1177/2048872619894254

3. The 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/jcm11072022

4. Long-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.14816

5. Первый 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: 10.21688/1681-3472-2019-1-26-32

6. Miniaturization 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.x

7. Use 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-0032-1324736

8. Successful 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.2014.07.013

9. 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 / 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.0b013e31823ba622

10. First-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.27857

11. Улюмджиева Г. В., Гельманова М. О. CFD как альтернатива экспериментальному моделированию. Достоинства и недостатки // Intern. Scientific Review. 2016. № 18 (28). С. 51–52.

12. Морозов Д. Программы для численного решения задач обтекания и теплообмена // Наука и инновации. 2017. № 167. С. 29–32.

13. Лукьянов И. И. Современные подходы к моделированию турбулентных течений // Символ науки. 2016. № 12-1. С. 12–14.

14. 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/math10050731

15. Разработка 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.

16. 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: 10.5772/67883

17. Боярский 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: 10.18698/0236-3941-2021-3-135-145

18. Boyarsky G. G., Nevzorov A. M., Khaustov A. I. A Micropump for Left Ventricular Support // Biomedical Engineering. 2021. Vol. 55. P. 153–156.