Катетер для гидродинамических измерений потока крови в сердечно-сосудистой системе

 

Использование: в медицинской технике для определения гидродинамических параметров потока крови в сердечно-сосудистой системе живого организма. Сущность изобретения: катетер содержит гибкую трубку с преобразователем на конце, состоящим из цилиндрического кожуха, установленной в нем с возможностью вращения крыльчатки и двух датчиков Холла. Крыльчатка выполнена из немагнитного материала, на краях ее лопастей установлены магнитные вкладыши с радиальной направленностью магнитных полюсов так, что торец одной лопасти имеет полярность, противоположную полярности остальных торцов. С внутренней стороны кожуха установлены электромагнит и датчики Холла и покрыты слоем герметизирующего вещества. 1 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и предназначено для определения гидродинамических параметров потока крови в сердечно-сосудистой системе (ССС) живого организма.

Замена не способных к функционированию клапанов сердца протезами, а также операции на сердце и сердечных сосудах, требуют точных данных о некоторых параметрах потоков крови, циркулирующего в ССС живого организма. К числу таких параметров относятся скорость, направление и угол закрутки, тангенциальная составляющая и степень турбулизации потока.

Известно устройство для определения параметров потока крови, дающее возможность установить температуру и давление в различных участках ССС [1] Но это устройство не определяет гидродинамические параметры потока.

Наиболее близким из известных технических решений по технической сущности и достигаемому результату является катетер для гидродинамических измерений в сердце [2] принятый за прототип.

Указанное устройство представляет собой катетер с преобразователем на рабочем конце. Преобразователь содержит основание, четырехлопастную крыльчатку из магнитного материала, два датчика Холла и цилиндрический кожух, на стенках которого выполнено нечетное число продольных прорезей.

Кожух закреплен на основании, на котором также закреплены два датчика Холла через угол 90^о. Прохождение лопастей около датчиков сопровождается усилением снимаемых сигналов. Скорость вращения крыльчатки определяют по числу сигналов за оборот, а по известной скорости вращения определяют скорость потока и угол закрутки.

Недостатками известного устройства являются невысокая точность и достоверность определения гидродинамических параметров измеряемого потока, обусловленные его деформацией при прохождении через продольные прорези кожуха, и сложность реализации. Последнее объясняется тем, что определение двух неизвестных скорости потока и направления закрутки производится на основании измерения только одного параметра скорости вращения крыльчатки. Следовательно, при измерениях необходимо применение эквивалента, который дает возможность путем сравнения одну из величин исключить из решения задачи. Применение же эквивалента сопряжено с необходимостью изменять градуировку измерений при изменении условий обтекания преобразователя.

Технический результат изобретения повышение точности измерения гидродинамических параметров потока крови и достоверности получаемых результатов с одновременным упрощением методики измерения.

Технический результат достигается за счет создания устройства, действие которого основано на процессах, описываемых дифференциальным управлением из теории колебаний для вращающейся системы, помещенной в поток жидкости [3] J + B +Cϕ=X (1) где Х суммарный момент сил, действующих на вращающуюся систему; I момент инерции вращающейся системы; ϕ- угол закрутки потока; В постоянная демпфирования; С сила пружины, создающей вращающий момент системы.

Поскольку ламинарные потоки в организме отсутствуют, на вращающуюся систему будут действовать тангенциальные силы, вызванные закруткой кровотока. Определив суммарный момент сил, обозначенный в уравнении (1) через Х, можно найти угол закрутки потока ϕ.

Затем легко найти скорость потока крови из соотношения (2), известного из источника [4] C v²ρkS (2) где v скорость измеряемого потока; ρ- плотность жидкости;
k гидродинамический коэффициент вращающейся системы;
S площадь, на которую действует набегающий поток.

Такое устройство не нуждается в дополнительной градуировке и применении эквивалента при изменении условий обтекания и дает возможность измерять параметры потока непосредственно.

Сущность изобретения заключается в том, что в катетер, содержащий гибкую трубку с преобразователем на конце, состоящим из цилиндрического кожуха, установленной в нем с возможностью вращения крыльчаткой и двух датчиков Холла, введен электромагнит, установленный, как и датчики Холла, на внутренней стенке кожуха, покрытой слоем герметизирующего вещества, крыльчатка выполнена из немагнитного материала, а вдоль краев лопастей установлены магнитные вкладыши с радиальной направленностью магнитных полюсов так, что торец одной лопасти имеет полярность, противоположную полярности остальных торцев.

Осевые поперечные электромагнита и датчиков Холла находятся в одной плоскости поперечного сечения кожуха, а углы между радиусами, соединяющими центр окружности сечения кожуха с геометрическими центрами указанных элементов, отличаются от углов между лопастями крыльчатки для уменьшения их взаимного влияния. Внутренний диаметр цилиндрического кожуха с учетом толщины слоя герметизирующего материала, покрывающего внутренние станки кожуха, больше наружного диаметра крыльчатки и гибкой трубки, через которую проходят электрические выводы для связи электромагнита и датчиков Холла с измерительной схемой, что создает благоприятные условия для свободного протекания потока через преобразователь катетера без заметного нарушения его структуры.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид; на фиг.2 поперечное сечение устройства в плоскости осевого сечения датчиков и электромагнита; на фиг.3 эпюры напряжений, снимаемых с датчиков при вращении крыльчатки по часовой стрелке (фиг.2); на фиг.4 эпюры напряжений, снимаемых с датчиков при вращении крыльчатки против часовой стрелки (фиг.2); на фиг.5 эпюры напряжений, снимаемых с датчиков турбулентного потока; на фиг.6 структурная схема измерительного устройства; на фиг.7 схема размещения катетера при измерении потока в аорте.

Устройство содержит цилиндрический кожух 1 (см.фиг.1) из немагнитного материала, например, титана, с перемычками в открытых торцах. Крыльчатка 3 из немагнитного материала шарнирно закреплена в кожухе 1 с возможностью вращения вокруг осей 4, опирающихся на перемычки 2. Вдоль края каждой лопасти крыльчатки 3 закреплен (например, приклеен) магнитный вкладыш 5 радиальной направленностью магнитного поля так, что торцы трех лопастей имеют одноименную полярность, противоположную полярности четвертого торца.

На внутренней стенке кожуха 1 расположены электромагнит 6 и два датчика Холла 7 и 8 (см.фиг.2). Выводы 9 от электромагнита 6 и датчиков 7 и 8 проведены к оси и далее в гибкую трубку 10 к наружным подключениям.

Структурная схема измерительного устройства, показанная на фиг.6, содержит датчики Холла 7 и 8, на которые постоянно поступает напряжение генератора синусоидального напряжения 12. Датчики 7 и 8 соединены с детекторами 13, которые, в свою очередь, соединены с усилителями 14. Усилители 14 соединены с согласующими устройствами 15, имеющими выход на регистрирующее устройство 16. В качестве усилителей и генератора могут быть использованы стандартные приборы, например, усилитель типа У4-12 и генератор Г3-36. Данные, записанные регистрирующим устройством 16, например, самописцем, после расшифровки могут быть поданы на ЭВМ.

Устройство работает следующим образом.

Через разрез (см. фиг.7) в сосуд, например, аорту, вводят предлагаемое устройство преобразователем (т.е. цилиндрическим кожухом 1 с крыльчаткой 3) навстречу измеряемому потоку. Преобразователь фиксируется лигатурами 17, а разрез закрывают сплошным швом. Поток крови проходит по аорте через полость цилиндрического кожуха 1, воздействуя на лопасти крыльчатки 3. Поскольку исследуемый поток имеет тангенциальную составляющую, лопасти крыльчатки 3 испытывают давление, направленное по нормали к плоскости лопасти, и крыльчатка 3 начинает вращаться. Направление вращения совпадает с направлением закрутки потока.

Для определения угла закрутки на катушку электромагнита 6 подают постоянное напряжение, при этом электромагнитное поле катушки взаимодействует с магнитным полем вкладышей 5. Изменяя величину напряжения, можно затормозить вращение крыльчатки 3 до остановки в положении, когда лопасть с магнитным вкладышем 5 располагается строго под электромагнитом 6, что означает равенство усилий электромагнитного поля катушки и давления измеряемого потока, действующего по нормали к лопасти. Располагая зависимостью напряжения на катушке электромагнита 6 и момента на крыльчатке 3, можно определить величину момента Х (см.уравнение 1). В рассматриваемом случае в уравнении (1) момент инерции вращающийся системы I момент инерции крыльчатки 3, которым можно пренебречь, так как он проявляется только в момент пуска устройства, а постоянная демпфирования В момент трения в опорах вращения осей 4 крыльчатки 3, которым также можно пренебречь, так как перед установкой крыльчатка подвергается статической балансировке из расчета, что момент трения должен быть на порядок меньше ожидаемого момента вращения крыльчатки 3. Величина С в рассматриваемом случае сила давления тангенциальной составляющей потока по нормали к лопасти крыльчатки 3 может быть найдена по скорости вращения крыльчатки 3, определяемой, в свою очередь, по числу сигналов, снимаемых с датчиков Холла при прохождении мимо них вкладышей 5. Таким образом, решая уравнение (1), можно найти величину угла закрутки потока, а затем из соотношения (2) скорость потока v. Площадь S, на которую действует набегающий поток, в данном случае площадь проекции лопасти. Она определяется из соотношения S=S_о˙sinϕ, где S_о геометрическая площадь лопасти.

Направление закрутки потока определяется при помощи датчиков Холла, с которых под воздействием постоянного магнитного поля вкладышей 5 снимаются соответственно электрические сигналы U₂ и U₁. На каждый датчик подают сигналы разного уровня и снимают также сигналы разного уровня. При приближении к датчикам Холла 7 и 8 вкладыша 5 амплитуда синусоидального напряжения, поступающего на них от генератора 12 (см.фиг.6) увеличивается. В результате c датчиков снимаются сигналы, имеющие вид закругленных пикообразных импульсов. Далее, сигналы детектируются детекторами 13, усиливаются усилителями 14, и подаются на согласующие устройства 15, разделяющие их во времени. После этого сигналы поступают на регистрирующее устройство 16, чаще всего самописец, который дает наглядное представление о взаимном расположении импульсов. При вращении крыльчатки 3 по часовой стрелке (на фиг.2) эпюры снимаемых напряжений соответствуют изображенным на фиг.3, т.е. если вкладыш 5 проходит вначале мимо датчика 8, а затем мимо датчика 7, то регистрирующее устройство 16 фиксирует опережение сигналом U₁ сигнала U₂. При вращении крыльчатки против часовой стрелки (фиг.2) эпюры напряжений соответствуют изображенным на фиг. 4, где видно, что сигнал U₂ опережает сигнал U₁. Во избежание сбоев в индикации, например, появления ложных сигналов при заторможенной крыльчатке 3, один из магнитных вкладышей 5 закреплен так, что создает сигнал обратной полярности, который одновременно может служить и для начала отсчета при определении скорости вращения крыльчатки 3.

Чувствительность крыльчатки 3 дает возможность отмечать турбулизацию измеряемого потока. При завихрениях в потоке появляется несимметричность давления на лопасти, что отмечается неравномерностью вращения крыльчатки 3. Эпюры напряжения, снимаемые с датчиков 7 и 8, в этом случае имеют вид, показанный на фиг.5. По величине амплитуды и частоте колебаний можно судить о величине турбулизации измеряемого потока. В большинстве случаев подобные измерения оказываются достаточными для получения представления о степени завихрений.

Таким образом, катетер позволяет повысить точность определения параметров потока и достоверность результатов измерения благодаря прохождению потока через торцевое отверстие кожуха, что повышает чувствительность крыльчатки, и отсутствию деформации потока при прохождении его через внутреннюю полость кожуха.

Расположение одного из магнитных вкладышей так, что его полярность противоположна полярности остальных, увеличивает достоверность определения направления вращения потока.

Устройство не нуждается в дополнительной градуировке и применении эквивалента при изменении условий обтекания преобразователя и дает возможность упростить методику измерений.

Катетер можно использовать для измерения параметров кровотока и его структуры "in vivo" в качестве нового инструмента для диагностики и обследования в области искусственного кровообращения и сердечно-сосудистой хирургии.

Формула изобретения

1. КАТЕТЕР ДЛЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ПОТОКА КРОВИ В СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЕ, содержащий гибкую трубку с преобразователем на конце, состоящим из цилиндрического кожуха, установленной в нем с возможностью вращения крыльчатки и двух датчиков Холла, отличающийся тем, что крыльчатка выполнена из немагнитного материала, на краях ее лопастей установлены магнитные вкладыши с радильной направленностью магнитных полюсов так, что торец одной лопасти имеет полярность, противоположную полярности остальных торцов, а с внутренней стороны кожуха установлены электромагнит и датчики Холла.

2. Катетер по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность кожуха, электромагнит и датчики Холла покрыты слоем герметизирующего вещества.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7