Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Разработки и исследования педиатрических систем поддержки кровообращения (обзор литературы).. 12
1.1 Системы механической поддержки кровообращения кратковременного применения 13
1.1.1 Экстракорпоральная мембранная оксигенация 13
1.1.2 Центробежные насосы .15
1.2 Системы механической поддержки кровообращения длительного применения .19
1.2.1 Berlin Heart EXCOR 19
1.2.2 Осевой педиатрический насос PediaFlow 23
1.2.3 Диагональный педиатрический насос PediPump 25
1.2.4 Экстракорпоральная система Ension s Pcas 27
1.2.5 Осевой педиатрический насос Jarvik Infant/ Child .29
1.2.6 Пульсирующий педиатрический насос Penn State VAD 32
1.3 Заключение .35
ГЛАВА 2. Материалы и методы .36
2.1 Метод математического моделирования .36
2.2 Метод стендовых исследований 38
2.2.1 Методика снятия расходно-напорных и энергетических характеристик 38
2.2.2 Методика оценки влияния работы детского осевого насоса на сердечно-сосудистую систему 40
2.2.3 Методика исследования гемолитических характеристик детского осевого насоса in vitro 45
2.3 Методика проведения хронических экспериментов на животном .50
2.4 Методика статистической обработки данных 52
ГЛАВА 3. Разработка имплантируемого детского осевого насоса 53
3.1 Медико-технические требования к имплантируемому детскому осевому насосу 53
3.2 Критерии качества детского осевого насоса 54
3.3 Основные этапы проектирования детского осевого насоса 55
3.4 Построение трехмерной математической модели детского осевого насоса .56
3.5 Разработка и создание основных узлов насоса 61
3.6 Исследования пластикового прототипа насоса с внешним двигателем на гидродинамическом стенде 65
3.7 Разработка эскизной конструкторской документации на макетный образец детского осевого насоса 67
3.8 Разработка технологии изготовления макетного образца детского осевого насоса 69
3.9 Основные параметры и конструктивные особенности блока электронного управления .73
ГЛАВА 4. Стендовые исследования детского осевого насоса .77
4.1 Исследования расходно-напорных и энергетических характеристик макета детского осевого насоса 77
4.2 Исследование чувствительности детского осевого насоса к преднагрузке (по закону Франка-Старлинга) 80
4.3 Исследование взаимодействия детского осевого насоса с левым желудочком сердца при обходе левого желудочка 86
ГЛАВА 5. Исследования гемолитических характеристик детского осевого насоса .90
5.1 Основные понятия механической травмы форменных элементов крови 92
5.2 Методика отмывки насосов крови после экспериментальных исследований .95
5.3 Основные результаты, полученные в ходе выполнения исследования 97
ГЛАВА 6. Исследования детского осевого насоса в эксперименте на животных .99
6.1 Топографо-анатомические исследования по размещению детского осевого насоса в грудной полости животного 100
6.2 Методика проведения эксперимента на животном .102
6.3 Методика запуска детского осевого насоса .105
6.4 Постоперационный период 107
6.5 Результаты 108
Заключение 109
Выводы .112
Список сокращений .113
Список литературы
- Berlin Heart EXCOR
- Методика оценки влияния работы детского осевого насоса на сердечно-сосудистую систему
- Построение трехмерной математической модели детского осевого насоса
- Исследование чувствительности детского осевого насоса к преднагрузке (по закону Франка-Старлинга)
Введение к работе
Актуальность темы
В России болезни системы кровообращения ежегодно уносят жизни более миллиона людей, лидируя на протяжении последних двух десятилетий среди причин смерти.
Ситуация в детском здравоохранении по сердечно-сосудистым патологиям в течение последних двадцати лет характеризуются следующими тенденциями. Наряду со снижением смертности от всех причин у детей до 14 лет смертность от болезней системы кровообращения остается практически на прежнем уровне [Haines, 2009].
При этом все чаще наблюдается терминальная сердечная недостаточность (ТСН) с летальным исходом [Беленкова, 2011].
Согласно данным, опубликованным A. Christianson с соавт. [Christianson, 2006], ежегодно в 193 странах мира рождается порядка 8 миллионов детей с пороками сердца, требующих проведения реконструктивных операций. Только в Соединенных Штатах Америки порядка 40 тыс. хирургических операций проводится подобным пациентам в первые годы жизни [Ashbum, 2003].
Несмотря на то, что в последние десятилетия современная клиническая детская кардиология поднялась на качественно иной уровень, существенного снижения смертности особенно детей с ТСН достигнуть не удалось, несмотря на современную технологию замены сердца донорским органом. К сожалению, трансплантация сердца (ТС), являющаяся «золотым стандартом» лечения ТСН как у взрослых больных, так и у детей ограничена дефицитом донорских сердец.
По-прежнему актуальна проблема врожденных пороков сердца (ВПС) (например, болезнь Фонтена), негативная ее сторона заключается в том, что рост числа больных намного опережает рост хирургической активности, а ранняя дородовая диагностика является не всегда доступной. Более 50% новорожденных с ВПС умирают в первый месяц жизни и 25% не доживают до года [Савельев, 2003].
К числу критических состояний у новорожденных относятся транспозиция крупных сосудов, общий артериальный ствол, тотальный аномальный дренаж легочных вен, большинство форм тетрады Фалло, двойного отхождения сосудов от правого желудочка, коарктации аорты. Но самыми неотложными наряду с транспозицией крупных сосудов являются синдром гипоплазии левого сердца, критический стеноз аорты, критический стеноз легочной артерии. Даже, казалось бы, относительно простые пороки, как дефект межжелудочковой перегородки, общий атриовентрикулярный канал, при определенном стечении обстоятельств также требуют коррекции порока в самом раннем возрасте.
Синдром гипоплазии левого сердца – это анатомическое понятие врожденного порока сердца с главным признаком в виде выраженной гипоплазии или отсутствия левого желудочка (Болезнь Фонтена) и гипоплазии восходящей аорты [Rychik, 2010; Khairy, 2008; Anderson, 2008; Feldt, 1996; Throckmorton, 2008; Morales, 2011]. В результате этого системное кровообращение зависит от проходимости открытого артериального протока и поступления крови из легочных и системных вен в правое предсердие и в правый желудочек. Без хирургической помощи этот порок является летальным, и в первую неделю жизни погибают 25% детей.
Несмотря на значительный опыт, накопленный клиниками США и Европы в лечении детей, летальность остается высокой – 27% госпитальная и 10% в отдаленные сроки [Throckmorton, 2008].
В последние десятилетия для лечения взрослых больных с ТСН в клинической практике стали успешно применяться методы механической поддержки кровообращения (МПК), которые несколько позже начали входить в педиатрическую практику [Brancaccio, 2012; Duncan, 1996; Reiss, 2006; Duncan, 1999; Ibrahim, 2000; Khan, 1996; Hetzer, 1992; Sidiropoulos, 1998; Duncan, 2006; Duncan, 2002; Deng, 2001; Loebe, 1997; Chen, 2012; Brancaccio, 2010; Karimova, 2011; Kirklin, 2008; Pennington, 1993].
Недавно проведенный ретроспективный анализ применения систем МПК у детей показал значительное снижение смертности пациентов (в 2 раза), находящихся в листе ожидания ТС [Zafar, 2015; Coskun, 2007; West, 2006; Morrow, 1997; Morrow, 2000; Nield, 2000; Mital, 2003; Feingold, 2007; Pollock-BarZiv, 2007; Chen, 1996; Allan, 2007; Towbin, 2006; Almond, 2009; Mah, 2009; Rosenthal, 2000].
На сегодняшний день в клинической практике применяют две системы МПК: это система экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО) для кратковременной поддержки и система экстракорпоральных пульсирующих насосов Excor (Berlin Heart, США).
В последние годы в клинической практике применения МПК для взрослых пациентов получили наибольшее распространение насосы непульсирующего потока (ННП) (более 94%) [Kirklin, 2012; Haines, 2009].
Сложность создания подобных систем для маленьких пациентов объясняется, прежде всего, ограничениями, связанными с размещением этих насосов в грудной или абдоминальной области.
Необходимо также отметить увеличение случаев восстановления сократительной функции собственного миокарда на фоне работы системы МПК без необходимости выполнения второго этапа ТС [Moat, 1990; Betit, 2009; El-Banayosy, 2003; Mugford, 2008].
На основе разработанной системы вспомогательного кровообращения АВК-Н для взрослых пациентов, который с 2012 года находится на стадии успешной клинической апробации, началась разработка насоса для МПК у детей на основе малогабаритных насосов осевого типа.
Цель исследования:
Разработать систему механической поддержки кровообращения сердца на базе имплантируемого осевого насоса для детей и провести исследования ее функциональных и медико-биологических характеристик.
Задачи исследования:
-
На основе анализа существующих педиатрических систем МПК определить медико-технические требования к системе и разработать принципы построения и структуру проектируемого насоса.
-
Разработать 3-х мерную математическую модель насоса, на основе которой определить параметры основных узлов осевого насоса, и изготовить экспериментальные образцы детского осевого насоса.
3. Разработать методики и провести стендовые исследования расходно-напорных,
энергетических и гематологических характеристик педиатрического осевого насоса.
4. Разработать методику и провести стендовые исследования взаимодействия детского
осевого насоса с левым желудочком сердца при обходе левого желудочка в условиях
нормального функционирования миокарда левого желудочка сердца и сердечной
недостаточности.
5. Разработать методику и провести исследования педиатрической системы механической поддержки кровообращения в экспериментах на животных.
Научная новизна
1. С помощью компьютерных технологий выбрана оптимальная конструкция
имплантируемого осевого насоса, которая послужила основой для создания
экспериментальных образцов насоса с перспективой их дальнейшей экспериментально-
клинической апробации.
2. Впервые на специально разработанном гидродинамическом стенде сердечно-сосудистой
системы проведены исследования взаимодействия осевого насоса с левым желудочком
сердца для выбора оптимальных режимов работы насоса в условиях нормы и патологии
левого желудочка сердца.
3. Установлено, что оригинальная конструкция детского насоса обеспечивает
необходимые расходно-напорные характеристики и позволяет достичь высокого уровня
полезной эффективности, сохраняя при этом минимальный допустимый уровень травмы
форменных элементов крови.
Практическая значимость исследования
Разработана конструкторская документация и изготовлены образцы имплантируемого детского осевого насоса.
Разработан комплекс гидродинамических стендов для исследования расходно-напорных, энергетических и гематологических характеристик осевого насоса для двухэтапной трансплантации сердца у детей.
Положения, выносимые на защиту:
1. Медико-технические требования, определившие структуру и рабочие параметры
имплантируемого педиатрического осевого насоса: управляемый расход крови от 1 до 3
л/мин при перепаде давления 80±5 мм рт.ст., масса насоса не более 100 гр, диаметр
наружного корпуса не более 25 мм, мощность тепловыделений не более 10 Вт, объем
заполнения кровью не более 10 мл.
-
Оптимальные режимы работы насоса, исключающие режимы присасывания и закрытия аортального клапана (скорость вращения ротора от 13000 до 17000 об/мин, объемный расход от 1 до 3 л/мин, перепад давления от 75 до 85 мм рт.ст.).
-
Исследования разработанной конструкции детского насоса показали, что расходно-напорные, энергетические и гематологические характеристики насоса находятся в допустимых пределах (исследуемая рабочая точка находится в режиме 15000 об/мин, расход 3 л/мин, перепад давления 80 мм рт.ст., при этом насос показал стабильную работу, допустимое энергопотребление - 6 Вт, и отсутствие гемолиза).
4. Исследования педиатрического насоса в экспериментах на животных для оценки
медико-биологических и функциональных характеристик показали высокую
биосовместимость насоса (отсутствие тромбов и незначительный гемолиз).
Методология и методы исследования
В ходе выполнения работы были использованы методы математического моделирования, методы стендовых исследований, методы экспериментальных исследований на животных и методы статистической обработки полученных данных.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность результатов определяется репрезентативным объемом проведенных экспериментальных исследований, использованием современных методов исследования и методов статистической обработки. Работа выполнена в рамках государственных заданий Минздрава России на осуществление научных исследований и разработок по темам: «Разработка медико-технических требований к осевому насосу для двухэтапной трансплантации сердца у детей» (2012-2014 гг.) и «Разработка осевого насоса для двухэтапной трансплантации сердца у детей» (2015-2017 гг.).
Апробация работы состоялась 29.03.2017 г. на заседании объединенной научной конференции клинических, экспериментальных отделений и лабораторий федерального государственного бюджетного учреждения «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова» Министерства Здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ «ФНЦТИО им. ак. В.И. Шумакова» Минздрава России).
Материалы и основные положения работы доложены и обсуждены на межинститутских семинарах ФГБУ «ФНЦТИО им. ак. В.И. Шумакова» Минздрава России (2013 г., 2014 г., 2015 г.), Конференции «Математика. Компьютер. Образование» (МКО), г. Пущино, 26-31 января 2015 г., XIX Ежегодной сессии Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный научно-практический центр сердечно-сосудистой хирургии имени А.Н. Бакулева» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Москва, 17-19 мая 2015 г., VIII Всероссийском съезде трансплантологов ФГБУ «ФНЦТИО им. ак. В.И. Шумакова» Минздрава России, г. Москва, 27-29 июня 2016 г., Congress of the European Society for Artificial Organs (ESAO), г. Долгопрудный, 4-7 сентября 2016 г., Congress of the European Society for Artificial Organs (ESAO), г. Варшава 14-17 сентября 2016 г.
Внедрение в практику
Результаты исследования внедрены в практику лаборатории биотехнических систем Федерального научного центра трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова» Минздрава России (ФГБУ ФНЦТИО им. ак. В.И. Шумакова), на их основе проводятся доклинические испытания.
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в постановке задач исследования и разработке концепции, осуществлял сбор материала для исследования, выполнял стендовые исследования, участвовал в экспериментальных исследованиях на животных. Автором самостоятельно сформирована база данных, проведена статистическая обработка, анализ и интерпретация полученных результатов.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 статьи в центральных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК Минобрнауки РФ, получен патент на полезную модель.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав основного содержания, включая обзор литературы, главы о разработке насоса, стендовых исследований и испытаниях на животных, а также заключения, выводы. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 145 наименований, из них 5 российских и 140 зарубежных источников.
Berlin Heart EXCOR
В 2011 году после 10-летнего клинического применения в Европе эта система получила разрешение U.S. Food and Drag Administration (FDA) (Министерства Здравоохранения США) на применение в клиниках и до сих пор остается единственной официально разрешенной длительной системой МПК для новорожденных и детей младшего возраста [85-98].
Он имеет несколько типоразмеров с ударным выбросом – от 10 до 60 мл (Рисунок 8) и может быть использован не только на детях, но и на взрослых пациентах с площадью тела более 1,3 м2. Рисунок 8. Размерный ряд насосов EXCOR
У EXCOR пневматический привод IKUS, но разрабатывается новое поколение приводов, которое даст большую свободу передвижения пациентам. EXCOR -единственный пульсирующий экстракорпоральный насос, который может быть использован как механическая поддержка левого желудочка сердца (ЛЖС), правого желудочка (ПЖ) или бивентрикулярная (Рисунок 9). Так же при необходимости существует возможность присоединения оксигенатора в случаях обхода ПЖ, создавая, таким образом, цепь ЭКМО. Рисунок 9. Схемы подключения насосной системы Berlin Heart EXCOR для бивентрикулярной поддержки Канюляция для ОЛЖ проводится через левое предсердие (ЛП) или верхушку ЛЖС. Исходя из множества исследований [99-102], сделан вывод, что канюляция через верхушку желудочка связана с меньшими тромботическими осложнениями. Выход насоса соединен с восходящей аортой. Канюли выводятся чрескожно через верхнюю абдоминальную стенку.
Одним из преимуществ внешнего расположения насоса является возможность простой замены насоса в случае его дисфункции.
При имплантации EXCOR детям используют канюли различной конструкции и диаметра в зависимости от размера пациента. Для детей обычно используют канюли с внутренним диаметром 4, 8, 6 и 9 мм. Диаметры взрослых канюль – 12,7 мм (Рисунок 10). Рисунок 10. Канюли для имплантации насоса Berlin Heart EXCOR
У некоторых детей после установки насоса и его работы сердце восстанавливается, и необходимости в дальнейшей поддержке больше нет, насос удаляют.
Однако данная система обладает некоторыми недостатками, присущими системе, построенной на насосе пульсирующего потока, - невысокая надежность и ограниченный ресурс по сравнению с насосами постоянного потока. Поэтому остаются востребованными новые имплантируемые насосы для детей, которые отвечают требованиям полного размерного ряда для детей младшего возраста.
Разработка таких насосов и систем управления требует проведения исследований, которые включают размерный анализ конструкций насоса, оптимизацию потока крови через насос, построение аналитических моделей для оценки концепций управления, разработку макетных образцов и оценку работы этих насосов на гидродинамических имитаторах системы кровообращения.
Конструкция педиатрического имплантируемого насоса PediaFlow PediaFlow Pediatric VAD был разработан для обеспечения поддержки кровообращения для новорожденных, младенцев и детей с массой тела 5кг, которые испытывают СН из-за врожденных и/или приобретенных сердечнососудистых заболеваний.
При разработке первых 2-х конструкции (Модели PF1 и PF2) ученые были сосредоточены на улучшении гемодинамических характеристик, особенно на увеличении максимального расхода до 2,0 л/мин при противодавлении 80 мм рт.ст. Это было достигнуто путем развития оптимизированного 4-х полюсного двигателя, который обеспечил необходимый крутящий момент на валу. Была продемонстрирована стабильность работы насоса при расходе от 0,25 до 2,0 л/мин при противодавлении 80 мм рт.ст [104].
Был также достигнут прогресс в процессе минимизации размера и веса насоса PediaFlow. Благодаря новой конструкции, насос PF2 занимает примерно половину объема (35,5 мл) первого PF1 (63,6 мл). В соответствии с данными PF2 можно будет имплантировать пациентам с массой тела 10 кг, но, к сожалению, он не подходил самым маленьким пациентам.
Конструкция насоса PF3 - последнее усовершенствование в PediaFlow VAD. В данной модификации заметно резкое снижение размера насоса, PF3 занимает менее половины объема предыдущей модели - 16,6 мл.
В ходе программы были проведены эксперименты по имплантации PediaFlow PF3 овцам, начиная от острого их завершения (6 часов работы насоса) до планового (30 и 72 дня бесперебойной работы насоса). На протяжении каждого исследования, были проведены исследования на биосовместимость (Таблица 1).
Почти все измерения гемодинамических, биохимических и параметров биосовместимости были либо ниже стандартных параметров или продемонстрировали практически идентичные показатели.
Методика оценки влияния работы детского осевого насоса на сердечно-сосудистую систему
Кровь в стандартный мешок с цитратом забирают от доноров, имеющих нормальную температуру тела, без физических признаков болезни и имеющие гематологические профили в нормальном приемлемом диапазоне. (Доноры подвергаются стандартным процедурам скрининга донорской крови.) Донор не ест в течение 8 ч или более, чтобы избежать дополнительного гемолиза из-за высокой концентрации липидов в крови. Задержка в сборе крови и тесте на гемолиз не должна превышать 48 ч, а температура хранения крови 2-8 C. В качестве альтернативного источника крови используют кровь животных, но необходимо в любом случае проверять источник крови.
В качестве меры по контролю качества свободный гемоглобин в плазме должен быть в пределах 20-40 мг/дл.
Гидродинамический стенд
Типовая схема гидравлического стенда для гемолизных испытаний представляет собой замкнутый контур, состоящий из венозного резервуара, системы трубок и гидродинамического сопротивления (ГДС), предназначенного для установки перепада давления при заданном расходе насоса. Ранее полагали, что гемолиз дополнительно может быть вызван зажимом для создания ГДС, поэтому в некоторых работах вместо него использовали длинные трубки относительно небольшого диаметра. Однако, в работе Heinrich Schima [118] c соавт. показано незначительное влияние на гемолиз крови, оказываемое разными видами ГДС.
При исследовании гемолиза крови, вызванного работой насоса ВК, используют, как правило, свежую кровь, взятую в день проведения эксперимента (донорская кровь человека, свежая кровь животных - теленок, свинья, овца). Однако травмируемость эритроцитов значительно отличается как от вида субъекта, так и от конкретного донора. Поэтому в ряде работ предлагают для сравнения проводить оценку гемолиза параллельно на двух контурах. В одном устанавливают исследуемый насос, в другом - коммерческий насос Biopump (Medtronic inc., США), который является «золотым стандартом» при проведении гемолизных испытаний [119,120]. При этом типовой режим работы насосов вспомогательного кровообращения в большинстве исследований: 5 л/мин при перепаде давления 100 мм рт. ст.
На основании анализа литературных данных и с учетом особенностей условий работы детского насоса нами были разработаны и реализованы методика и принципиальная схема гидродинамического стенда гемолизных испытаний (Рисунке 25).
Гидродинамический стенд представляет собой замкнутый контур, состоящий из резервуара, соединительных трубок, водяной бани, поддерживающей постояную температуру рабочей жидкости (крови) 37±1С, системы измерения давления и расхода жидкости, гидравлического сопротивления, который представлен в виде винтового зажима, катетера для забора проб крови и испытуемого насоса.
Для удобства перемещения стенд выполнен на тележке с ванной из нержавеющей стали (Рисунок 26).
В ванной располагается стойка, к которой крепится контур с исследуемым насосом, датчиками давления, терморезистором, расходомером и венозным резервуаром. Для нагрева и поддержания заданной температуры жидкости в ванной используется термостат с системой циркуляции нагретой жидкости.
Для измерения величины расхода жидкости используется ультразвуковой расходомер Transonic (Transonic System inc., США) с накидными датчиками расхода TS410.
Система измерения давлений включает в себя датчики давления TruWave (Edwards, США) и универсальный модуль измерения давления Ангиотон (Биософт-М, Россия).
Построение трехмерной математической модели детского осевого насоса
Основываясь на проведенном анализе, исходя из критериев минимума гемолиза и тромбоза, а также из условий получения необходимого расхода насоса при малых габаритах проточной части насоса для расчета была выбрана схема РК с одной лопаткой. Оптимальная геометрия лопатки получена путем теоретического расчета и последующим многовариантным численным моделированиям потоков течения крови. Проектирование лопаток направителя и спрямителя потоков получено таким же образом.
Для нахождения численного решения задачи ММ физических процессов в насосе дискретизируются по пространству и времени. Для дискретизации дифференциальных уравнений используется метод конечных объемов. При этом значения физических переменных рассчитываются и хранятся только в центрах расчетных ячеек, а на гранях этих ячеек рассматриваются потоки массы, импульса и энергии, необходимые для расчета этих значений. При этом пространственные производные аппроксимируются с помощью неявных разностных операторов второго порядка точности.
Чтобы выполнить дискретизацию по пространству, вся расчетная область течения была покрыта расчетной сеткой (РС). Нахождение «оптимальной» РС было проведено на геометрической модели течения внутри прямой трубки постоянного сечения с размерами, соответствующими масштабу исследуемой основной геометрии течения. Внутренний диаметр и длина трубки соответствуют диаметру входного отверстия и длине насоса соответственно (Рисунок 27).
На основании рассчитанных параметров РК, определенных входных углов на периферии и у основания втулки, спроектирована параметрическая трехмерная ММ (Рисунок 28).
Проведенное ММ позволило определить оптимальные геометрические параметры РК проектируемого детского осевого насоса. Углы входа лопатки составляют 50 на периферии и 200 у основания втулки (Рисунок 29). Оптимальный угол выхода лопатки равен 200 . Кроме этого, на основании выбора оптимальных участков профилей по картинам распределения гидродинамических параметров, синтезирована полная геометрия профиля лопатки.
На основании проведенного поэлементного анализа в качестве опорной геометрии СП выбрали минимальное количество коротких лопаток (три). Проектирование геометрии образующей лопатки СП построено на определении окружных и осевых составляющих скорости в плоскостях на выходе синтезированного РК для определения угла потока течения. Построенный по определенным углам потока течения СП показан на Рисунке 30.
Модель полного насосного агрегата состоит из направителя потока, рабочего колеса и спрямителя потока. НП представляет собой втулку-обтекатель, в которой расположены элементы опоры скольжения, и две расположенных под углом к продольной оси насоса лопатки пилона, предназначенные для задания направления потока течения на входе в РК. 3-х мерная математическая модель НП показана на Рисунке 31.
На основе полученных 3-х мерных деталей насоса построена ММ течения жидкости в межлопаточных каналах. На основании данной модели течения сгенерирован ОН, который был загружен в препроцессор вместе с сетками РК и СП для определения начальных и граничных условий расчета (Рисунок 32).
Совместное моделирование обтекания РК и СП в турборежиме соответствует заданным расходно-напорным характеристикам (РНХ) с некоторым запасом по перепаду давления. Это дает все основания полагать, что с учетом потерь на зазорах, РНХ проектируемого насоса будут находиться в диапазоне, заданном в исходных МТТ.
На основе анализа численных результатов и полей распределения потоков сделан вывод об эффективности работы спроектированного РК и отсутствии обратных токов.
Основываясь на анализе всех результатов, принято решение о проектировании и изготовлении натурного прототипа для проведения стендовых испытаний и снятия РНХ. На основе моделей РК, СП и НП были спроектированы все детали конструкции прототипа насоса. Компьютерные модели сборки прототипа показаны на Рисунках 35, 36.
В разработанной конструкции прототипа детского ОН каждый элемент выполнен в виде отдельного модуля с плоскими внешними гранями. При укладывании подобных модулей в специально изготовленную раму происходит выравнивание внутреннего канала по линии вращения. Осевое поджатие необходимо для создания герметичности в насосе. Конструкция прототипа является разборной и позволяет заменять любые детали, что необходимо, например, при исследовании РК с различной геометрией лопаток. Основными опорными поверхностями для вала выступают сквозные продольные цилиндрические отверстия во втулках НП и СП.
Единственным вращающимся элементом опытного образца является РК с лопатками, закрепленными на длинном валу при помощи поперечного штифта. Любой внешний двигатель с необходимой скоростью вращения передает движение РК.
Такие упрощения конструкции стенда дают возможность снять РНХ насоса без использования специального двигателя и сложных высокоточных опор скольжения.
По компьютерным моделям основных конструктивных элементов прототипа были изготовлены все детали. Изготовление деталей произведено одним из методов быстрого прототипирования [121]. На основании компьютерной твердотельной модели, загруженной в специальную установку, из светоотражающихся полимерных смол, послойно выращивается деталь заданной геометрии. Минимальная толщина слоя, а, следовательно, и точность изготовления по твердому материалу для самых современных полимеров составляет 16 мкм. Твердость, температура плавления и другие физические свойства выращенной полимеризованной детали соответствуют свойствам твердых пластмасс, что делает их пригодными для проведения полноценных натурных испытаний. К другим достоинствам быстрого прототипирования можно отнести невысокую стоимость и быстроту изготовления – на изготовление детали РК уходит 1-2 часа. Однозначным преимуществом данного метода является возможность изготовления детали абсолютно любой геометрии с любыми внутренними полостями, изготовление которых невозможно, например, на многокоординатном фрезерном станке с программным управлением.
Исследование чувствительности детского осевого насоса к преднагрузке (по закону Франка-Старлинга)
При разработке электрической схемы блока электронного управления (БЭУ) основное внимание уделялось использованию современной элементной базы. В первую очередь, это программируемые микроконтроллеры AtMega48 фирмы Atmel. Они позволяют реализовать большое количество функций в одной микросхеме, их легко программировать, а малые габариты позволяют уменьшить габариты всего устройства. На данных микроконтроллерах реализован БЭУ двигателем и блок управления жидко-кристаллическим индикатором (ЖКИ).
В качестве силовых ключей VT1...VT3 используются полевые транзисторы. Особенностью этих транзисторов является очень маленькое сопротивление в открытом состоянии. Это позволяет увеличить коэффициент полезного действия (КПД) двигателя и использовать транзисторы с очень малыми габаритами, так как рассеиваемая на них мощность мала.
В качестве ЖКИ использован модуль МТ-12864, особенностью которого является повышенная контрастность изображения и также то, что он имеет встроенную подсветку для работы в темном помещении, а наличие встроенного контроллера упрощает вывод изображения на экран модуля.
Формирователь сигналов положения ротора собран на микросхемах D2-D4. Для сигнализации опасных режимов используется светодиод VD1, расположенный на лицевой панели, и пьезоизлучатель BQ1. В качестве панели управления использована клавиатура AK-103. Она состоит из трех кнопок. Клавиатура обладает большим механическим ресурсом (до 1000000 циклов работы каждого контакта) и выполнена во влагозащищенном варианте, что очень важно для медицинской техники.
Испытания блока управления БУ проводились в комплекте со стендовым двигателем, имеющим возможность установки на нагрузочное устройство. Питание системы производилось от регулируемого блока питания постоянного тока со встроенным вольтметром. Испытания проводились по следующей программе: - проверка работоспособности системы, установки заданной скорости вращения ротора, отображения текущей скорости вращения, автоматического поддержания текущей скорости вращения. На систему подавалось напряжение питания 12В. Устанавливалась скорость вращения ротора 15000 об/мин. Производилась проверка установки заданной скорости ротора по ЖКИ. Далее проводилась проверка текущей скорости вращения ротора по ЖКИ. Проверка повторялась для заданных скоростей вращения ротора 12000 об/мин и 17000 об/мин; - проверка сигнализации об уменьшении напряжения питания менее 10В. На систему подавалось напряжение питания 12В. Затем напряжение питания плавно снижалось до момента срабатывания сигнализации. Проводилась проверка напряжения срабатывания сигнализации по встроенному в блок питания вольтметру; - проверка сигнализации об уменьшении текущей скорости вращения менее 80% от заданной. Стендовый двигатель устанавливался на нагрузочное устройство. На систему подавалось напряжение питания 12В. Устанавливалась скорость вращения ротора 12000 об/мин. Нагрузочным устройством на валу двигателя создавался плавно увеличивающийся момент. При этом скорость двигателя начинала уменьшаться. Процедура выполнялась до момента срабатывания сигнализации. Далее проводилась проверка текущей скорости вращения ротора по ЖКИ. Проверка повторялась для заданных скоростей вращения ротора 9000 об/мин и 12000 об/мин.
В результате оценки заданной и текущей скоростей вращения ротора было показано, что значения скоростей отличаются не более чем на 50об/мин на всем диапазоне заданных скоростей, что соответствует частному медико-техническому заданию на блок управления. Одновременно были проведены краткосрочные испытания (без жидкости) на функционирование блока управления БУ-01 совместно с насосом. Испытания показали, что заданные скорости 12000 и 17000 об/мин выдерживаются с 10% точностью. Было изготовлено 2 образца системы управления насосом с блоком питания. Процесс отладки систем проводился на макетном образце насоса и включал в себя испытания и доводку систем управления с целью повышения стабильности скорости вращения ротора насоса и оптимизации энергопотребления. В результате отладки разность между заданными и измеренными скоростями во всем диапазоне изменения скоростей от 12000 до 17000 об/мин не превышала ± 200 об/мин. Потребляемый ток при питании от автономного источника питания не превышал значения 0,6 А. Данный режим обеспечивался при скорости вращения ротора насоса 15000 об/мин.