Экспериментальное исследование асимметричной бесклапанной помпы для выяснения стратегий увеличения внесосудистого кровотока у детей

Sep 05, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22165 (2022) Цитировать эту статью

730 Доступов

Подробности о метриках

Асимметричная накачка — это подкатегория бесклапанной накачки, при которой гибкая трубка ритмично сжимается в плоскости поперечной симметрии. За счет возникающей асимметрии между всасывающей и нагнетательной трубами достигается чистый напор нагнетания. Асимметричная накачка рассматривается как один из основных механизмов, ответственных за эффект Либау, помимо импедансной накачки. Тем не менее, по-прежнему недостаточно исследований, посвященных определяющим параметрам асимметричной накачки. Здесь мы провели экспериментальное исследование производительности асимметричного насоса с целью оценить его потенциал для увеличения внесосудистого потока. Для этой цели были разработаны специальная гибкая латексная трубка и экспериментальная платформа. Мы протестировали трубки различной толщины и частоты сжатия. Наши результаты показывают, что производительность находится в пределах физиологических требований для детских устройств кровообращения (~ 1 л/мин и < 30 мм рт. ст.). Мы пришли к выводу, что из-за отсутствия обратного потока и его механической простоты чистая асимметричная накачка перспективна для избранных сердечно-сосудистых применений с меньшей сложностью, чем другие бесклапанные методы.

Категория бесклапанной перекачки включает в себя явления, которые могут генерировать контролируемый однонаправленный поток без клапанов. Одним из наиболее широко изученных механизмов бесклапанной накачки является эффект Либау1. Насос Либау представляет собой небольшое устройство, состоящее из прямой эластичной трубки с двумя дифференцированными сегментами: более широким и более растяжимым сегментом и узким жестким сегментом. При циклическом сжатии более широкого сегмента чистый поток достигается в направлении более узкого сегмента. Эффект Либау можно объяснить суперпозицией двух различных механизмов накачки: импедансной и асимметричной накачки2.

Импедансная накачка происходит в цепи, где податливая трубка соединена с жесткими трубами, создавая резкую разницу в импедансе. Благодаря этому волны давления сильно отражаются от обоих податливых концов трубы. Кроме того, пинчер не располагается в плоскости симметрии податливой трубки. В результате сжатия к жидкости добавляется механическая энергия, главным образом в виде давления. Эти волны давления движутся от области защемления к обоим концам податливой трубки, где отражаются. Поскольку пинчер не находится на равном расстоянии от обоих концов, отраженные волны давления не нейтрализуют друг друга, создавая поле давления, создающее эффект накачки3.

И наоборот, при асимметричной накачке привод расположен в плоскости симметрии податливой трубки, и, таким образом, отраженные волны давления гасят друг друга. Основная особенность асимметричной перекачки состоит в том, что для достижения перекачки необходима асимметрия гидравлического сопротивления жестких труб. Чтобы проиллюстрировать эту классификацию, на рис. 1 длина рассматривается как единственный асимметричный параметр и включен пример, в котором не достигается накачка (рис. 1d). В более широком смысле, асимметрия может быть достигнута путем изменения диаметра, материала или конструкции податливой трубки. Во всех случаях эффект накачки создается пульсирующими волнами давления, распространяющимися по системе. Асимметрия приводит к чистому градиенту осевого давления4.

Импеданс и асимметричная накачка, иллюстрирующая асимметрию длины податливой трубки. (а) смешанная (эффект Либау), (б) импедансная, (в) асимметричная и (г) системы без накачки. SP = плоскость симметрии.

С момента его открытия в середине двадцатого века многочисленные исследования описали механизм насоса Либау — механически простого устройства с динамически сложным механизмом. Практическое применение насоса Либау разнообразно: от сердечно-сосудистой помощи до электроники. Чтобы проанализировать фундаментальные принципы, управляющие этим явлением, Хикерсон и др. 5 экспериментально продемонстрировали чувствительность накачки Либау к различным параметрам, включая изменения положения пинчера, размера и частоты сжатия, трансмурального давления, системного сопротивления и материалов в замкнутом контуре. Хикерсон и Гариб6 продолжили эти эксперименты, чтобы показать волновую механику, необходимую для создания давления и чистого потока. Ультразвуковые измерения переходных и резонансных свойств использовались для связи объемных реакций с механикой насоса. Вэнь и др.7 провели экспериментальное исследование насоса Либау для управления температурой высокопроизводительных электронных систем, показав его пригодность для электронного охлаждения. С точки зрения аналитического и компьютерного моделирования, несколько исследований изучали это явление8,9,10,11, часто используя одномерные подходы для решения баланса импульса и массы и сравнивая экспериментальные и аналитические результаты. Примечательно, что Авраами и Гариб4 провели полное моделирование взаимодействия жидкости со структурой насоса Либау, которое всесторонне объяснило физические явления, лежащие в основе волновой накачки. С точки зрения применения Пахлеван и Гариб2 провели исследование in vitro потенциального эффекта волновой накачки в аорте человека, продемонстрировав разницу в асимметричной и импедансной накачке и сделав вывод, что распространение и отражение волн может привести к возникновению механизма накачки в податливой аорте. . Недавно Давтян и Сарвазян12 подтвердили физиологическую осуществимость накачки на основе Либау в экспериментальной установке с использованием сосудов анатомического размера, продемонстрировав производительность накачки, сравнимую с производительностью перистальтических насосов аналогичного размера.