Ефимов И.А.

Московский государственный институт электронной техники, Россия

Расходно-напорные и энергетические характеристики имплантируемого осевого насоса крови

Имплантируемый насос крови (ИНК) является важной частью аппарата вспомогательного кровообращения (АВК) левого желудочка сердца (ЛЖС) человека во многом определяющим функциональные характеристики АВК. Одним из основных медико-технических требований к ИНК является заданная производительность при заданном перепаде давлений при относительно небольшом энергопотреблении насоса, поскольку ИНК в основном питается от аккумуляторных батарей. Снятие расходно-напорных и энергетических характеристик проводится с помощью специально сконструированного испытательного стенда.

Значения электрических токов (, А) и напряжений питания (, В) потребляемых испытуемым АВК ЛЖ регистрируются по показаниям лабораторного источника питания постоянного тока. Значения напряжений питания (, В) и электрических токов потребляемых двигателем насоса (, А), заданной частоты (, об/мин) и текущей частоты вращения (, об/мин) импеллера насоса регистрируют по показаниям экстракорпорального блока управления и контроля, входящего в состав аппарата вспомогательного кровообращения.

Рабочий процесс насоса характеризуется его основными параметрами: расходом, напором, полезной гидродинамической мощностью, КПД насоса. Напором называют энергию, сообщаемую единице веса жидкости, проходящей через насос.

С учетом того, что измерение давлений происходит на одном уровне и средние скорости на входе и выходе равны, то напор определяется формулой:

.

Полезная мощность (, Вт) определяется как произведение объемного расхода жидкости на напор: , получаем:

.

Полный КПД насоса представляет собой отношение полезной мощности к подведенной (к мощности на валу): .

Так как текущее значение частоты вращения (, об/мин) ротора двигателя насоса величина переменная относительно заданной (установленной оператором) скорости (, об/мин), то для корректной оценки расходно-напорных характеристик насоса проводится перерасчет значений расхода и напора к значениям заданных скоростей вращения ().

; ; .

Характеристиками насоса являются графические зависимости между основными рабочими параметрами: между напором и расходом , полезной гидравлической мощностью и расходом , КПД насоса и расходом .

Параллельно с определением гидравлических характеристик регистрируют значения параметров токов и напряжений, используя которые определяют следующие величины:

1) мощность, потребляемая электродвигателем: ;

2) полезный момент на валу электродвигателя: ;

3) коэффициент противо-ЭДС электродвигателя: ;

4) полезная электромеханическая мощность: ;

5) мощность, потребляемая системой (насос + блок управления): ;

6) КПД электродвигателя: ;

7) КПД системы: .

Графические зависимости между параметрами: КПД электродвигателя и полезным моментом на валу , потребляемой системой мощностью и расходом позволяют оценить эффективность работы имплантируемого насоса и определить емкость аккумуляторных батарей для обеспечения автономной работы длительностью 8 часов.

Задача исследования расходно-напорных характеристик состоит в определении зависимости между перепадом давления и объемным расходом насоса в зависимости от гидравлического сопротивления при постоянных частотах вращения импеллера насоса. Испытание проводятся для значений частот вращения для серии экспериментов с имплантируемым насосом в диапазоне: (5000, 6000, 7000, 8000, 9000) об/мин. с изменяемой частотой вращения с шагом 1,0 л/мин. При этом для каждого значения расхода определяется давление на входе и выходе насоса и рассчитывается его перепад. Расходно-напорные и энергетические характеристики исследовали на двух рабочих жидкостях: физиологический 0,9% раствор хлорида натрия (условно - «вода») и 40% водный раствор глицерина (условно - «глицерин»).

На рис. 1 представлены две диаграммы с семейством расходно-напорных кривых для рабочих жидкостей (а) - «вода», (б) – «глицерин».

Рис. 1 Расходно-напорные кривые

Расходно-напорные кривые на данных диаграммах непрерывно снижающиеся, стабильные без участков с максимумами, сохраняется параллельность для дискретных значений частот вращения, и нет значимых различий между параметрами для двух рабочих жидкостей. В диапазоне установленных значений частот вращения 5000 – 9000 об/мин насос обеспечивает максимальный по расходу режим - 7 л/мин при перепаде давления 80 мм рт.ст. Диапазон рабочих значений расхода 4-6 л/мин с перепадом давления 80-120 мм рт.ст. характеризуется частотами вращения ротора насоса 7000-8000 об/мин.

На рис. 2 представлены диаграммы зависимостей полезной гидравлической мощности от расхода полученных для двух рабочих жидкостей (а) - «вода», (б) – «глицерин».

Рис. 2 Зависимость полезной гидравлической мощности от расхода

Кривые зависимости полезной гидравлической мощности непрерывно возрастающие с ростом расхода до 4 л/мин, имеющие участок максимума на 4-5 л/мин и далее плавно убывающие. Максимум полезной мощности для двух сред значимо не отличается, среднее значение (1,37±0,06) Вт для диапазона расхода 4-6 л/мин.

На рис. 3 представлены зависимости КПД насоса от расхода полученные для двух рабочих жидкостей (а) - «вода», (б) – «глицерин».

Рис. 3 КПД насоса от расхода

Для всех частот вращения ротора имплантируемого осевого насоса КПД насоса величина, стабильно непрерывно возрастающая к своему максимуму 33,1±2,3 %, который наступает в диапазоне рабочих расходов 4-6 л/мин, как для «воды», так и для «глицерина».

На рис. 4 представлены графические зависимости потребляемой АВК (насос + блок управления) мощности от расхода полученные для двух рабочих жидкостей (а) - «вода», (б) – «глицерин».

Рис. 4 Зависимость потребляемой мощности от расхода

Потребляемая электрическая мощность отличается некоторым образом для рабочих жидкостей. Рабочий диапазон имплантируемого осевого насоса характеризуется двумя точками 4 и 5 л/мин на трех частотах вращения ротора 7000, 8000, 9000 об/мин. Данные величин потребляемой мощности для значимых значений расхода и перепада давления представлены в таблице 1.

На вязкой среде потребление увеличивается на 21,6 ±3,8%, поскольку преодоление вязких сил требует большей мощности двигателя.

Таблица 1

	N, об/мин	Q, л/мин	ΔР, мм рт.ст.	WБП, Вт
«Вода»	7000	4	74	4,2
		5	56	3,6
	8000	4	115	6,3
		5	90	5,6
	9000	4	160	9,1
		5	130	8,8
«Глицерин»	7000	4	74	5,3
		5	56	5
	8000	4	110	7,8
		5	90	7,3
	9000	4	150	11,6
		5	120	10,6

Таким образом, разработанные методики и средства для исследования имплантируемого осевого насоса позволили оценить его основные медико-технические (расходно-напорные и энергетические) характеристики. Полученные характеристики полностью соответствуют медико-техническим требованиям, предъявляемые к насосу.

Литература:

1. Конышева Е.Г., Кудинов В.Л., Дозоров К.Н., Калянин С.А., Кузьмин Г.С.

Стендовые исследования имплантируемого осевого насоса крови // Медицинская техника 2010 №6, Москва.

2. Иткин Г.П. Устройства для вспомогательного кровообращения: прошлое, настоящее и будущее непульсирующих насосов // Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2009. №3 – С. 81-87.

3. Филатов И.А., Иткин Г.П., Адаскин А.В., Конышева Е.Г., Трухманов С.Б., Романов О.В. Исследовательский комплекс для мониторинга и анализа физиологических показателей // В материалах IV Всероссийского съезда трансплантологов. – Москва: ноябрь, 2008. – С. 321-322.

4. Göbel Ch., Eilers R., Reul H., Schwindke P., Jörger M., Rau G.. A new blood pump for cardiopulmonary bypass: the HiFlow centrifugal pump. Artif Organs 1997; 21: 841-5.