Физическое моделирование внутриартериального кровообращения с использованием экспериментального стенда

Cite as: Germanova O.A., Germanov V.A., Shchukin Y.V., Germanov A.V., Burmistrov A.E., Yusupov R.Y., Prokhorenko I.O. Physical simulation of intra-arterial circulation using an experimental bench Bulletin of the Medical Institute Reaviz. Rehabilitation, Doctor and Health. 2020;6(48):133–139.

На сегодняшний день медицинская наука немыслима без экспериментальной части. Для подтверждения выдвигаемых теорий и гипотез применение экспериментальных моделей имеет первостепенную необходимость во многих случаях. В клинической практике, в частности в кардиологии при доказательстве своих теорий зачастую исследователь сталкивается с некоторыми трудностями. Экспериментальный раздел работы оказывается невозможным для проведения, и многие смелые и перспективные теории оказываются недостаточно обоснованными с точки зрения принципов доказательной медицины.

Опыт изучения особенностей функционирования артериальной части системы кровообращения позволяет изучать особенности изменения параметров кинетики магистральных артерий при различных нарушениях ритма [1, 2]. Для этой цели нами создано оригинальное экспериментальное устройство для моделирования внутриартериального кровообращения, с помощью которого возможно было бы вос- произвести и изучить гемодинамические процессы, происходящие внутри артерий как при правильном ритме, так и при различных нарушениях ритма.

Цель: оценить перспективы использования оригинального устройства для моделирования внутриартериального кровообращения и обосновать возможности его дальнейшего использования.

Материал и методы

Основной задачей в создании устройства для моделирования внутриартериального кровотока было имитировать артериальный сосуд, подобрать максимально близкую по вязкости к вязкости крови жидкость, а также обеспечить функционирование кровотока внутри, максимально соответствующее прохождению пульсовых волн, возникающих при работе сердца как при правильном ритме, так и при различных нарушениях сердечного ритма.

На рисунке 1 представлена схема разработанного нами оригинального устрой- ства для моделирования внутриартериального кровообращения.

Конструкция модели представлена в виде конусовидно суженного стеклянного цилиндра (1) длиной 365 мм с входным диаметром 20 мм, выходным – 16,5 мм и толщиной 2,5 мм. Параллельно цилиндру зафиксированы четыре стальных стержня (2) длиной 365 мм, диаметром 1 см, с резьбой с обеих сторон протяженностью 2 см. Фиксация стеклянной трубки и стержней достигается прикреплением их с обеих сторон гайками по резьбе стержня к двум стальным муфтам (3), квадратной формы со скругленными краями, толщиной 1 см. Для дополнительной фиксации стальных стержней используются две муфты округлой формы с отверстиями под стеклянный цилиндр и выемками под стальные стержни (4). Толщина муфт 5 мм. К фиксирующим муфтам с внешних сторон через резиновые прокладки толщиной 1 мм посредством болтово-гаечных соединений прикрепляются два стальных цилиндра (5) диаметром 10 см, с резьбой посередине, в которые с входной стороны ввернут двухходовой штуцер (6) с резиновым клапаном. С обеих сторон от цилиндра прикрепляются гибкие силиконовые трубки (7), другим концом прикрепляющиеся к электрическому водяному насосу (8). Водяной насос соединен с аккумулятором 12 Вольт (9).

Все устройство крепится болтами к горизонтальной лакированной доске (10) с помощью трёх стальных уголков (11). В одном из внешних уголков на уровне штуцера находится отверстие под иглу (12) для введения красящих веществ (канцелярской туши) (13) и проводника с шелковой нитью (14) через клапан штуцера в стеклянную трубку.

Замкнутый контур заполняется раствором глицерина, по вязкости соответствующим крови. Силиконовые трубки свободными концами подключаются к электрическому насосу, который присоединяется к переносному аккумулятору 12 Вольт. Электрический насос обеспечивает постоянную и прерывистую циркуляцию раствора глицерина по замкнутой системе. По мере движения жидкости через резиновый клапан штуцера в стеклянный цилиндр до места установки диафрагмы, в место установки диафрагмы и за местом установки диафрагмы вводится шелковая нить, закрепленная одним концом на металлической игле, и за счет колебаний нити при одновременном введении через клапан штуцера канцелярской туши оценивается направление и характер потока циркулирующей жидкости внутри стеклянного цилиндра. В дальнейшем, после извлечения иглы с нитью из стеклянной трубки через резиновый клапан, в него осуществляют введение пластикового гибкого катетера и установку его до уровня диафрагмы, в зоне диафрагмы и за диафрагмой. Внешний конец катетера присоединяют к датчику давления, который, в свою очередь, присоединяется к устройству регистрации давления – осциллоскопу.

Во время эксперимента осуществляется визуальное наблюдение за направлением потока жидкости и производится измерение давления жидкости в различных точках системы.

Результаты

В основе предложенного нами устройства – стеклянная прозрачная трубка ротаметра с разным диаметром на входе и выходе. Переменный диаметр трубки имитирует естественный ход артериальных сосудов, где дистальная часть является более узкой по сравнению с проксимальной. То, что трубка является абсолютно прозрачной, очень важно для экспериментальной части, поскольку это позволяет беспрепятственно проводить различные наблюдения и видеть гемодинамические процессы, происходящие внутри трубки.

Стеклянную трубку мы прочно закрепили стальными держателями, муфтами и болтово-гаечными соединениями к горизонтальной поверхности. Таким образом, конструкция была надежно зафиксирована.

Следующим этапом было создание замкнутого контура для возможности непрерывной циркуляции жидкости внутри системы. Для этого к входному и выходному концам трубки мы прикрепили силиконовые трубки таким образом, чтобы места прикрепления были герметичны. Свободные концы силиконовых трубок закрепили с электрическим насосом, работающим от аккумулятора с напряжением 12 Вольт, который имел возможность работы в пульсовом режиме, имитирующим работу сердца и создание пульсовой волны.

В качестве жидкости, заполняющей систему, мы выбрали водный раствор гли- церина, который по вязкости соответствовал вязкости плазмы крови. Применение глицерина позволило сделать эксперимент максимально наглядным (глицерин прозрачен), а также приближенным к условиям функционирования артериальной системы.

После полной сборки системы мы имитировали пульсовые волны, возникающие при правильном сердечном ритме, а также при экстрасистолии и фибрилляции предсердий.

На рисунке 2 представлено фото устройства для моделирования внутриартериального кровообращения в собранном виде.

Рис. 1. Схема устройства для моделирования внутриартериального кровообращения

Рис. 2. Устройство для моделирования внутриартериального кровообращения в собранном виде

Итоговые параметры работы устройства представлены в таблице 1.

На рисунках 3, 4 представлены фото основной трубки устройства для моделирования внутриартериального кровообращения во время работы. При имитации экс-трасистолической аритмии мы наблюдали турбулентный поток жидкости при прохождении волны первого постэкстрасистоли- ческого сокращения вслед за установленной диафрагмой.

На рисунке 5 представлены данные с осциллоскопа, при применении внутрисосудистого датчика давления и имитации экстрасистолической аритмии. При прохождении волны первого постэкстрасисто-лического сокращения уровень давления внутри трубки повышен.

Таблица 1. Основные параметры устройства для моделирования внутриартериального кровообращения

№ п/п	Тип диафр.	D тр. , мм	d д. , мм	S тр. , мм 2	S д. , мм 2	(S д./ 3 тр ) x 100 %	Сужение, %	V потока , м/c
1	1	17,96	6	253,21	28,26	11,16	88,84	8,96
2		18,01	10	254,62	78,50	30,83	69,17	3,24
3		18,09	12,5	256,89	122,66	47,75	52,25	2,09
4	2	18,19	10	259,74	78,5	30,22	69,78	3,31

Примечание: D тр. – внутренний диаметр трубки в сечении соответствующем середине (по длине) установленной диафрагмы; d д. – диаметр отверстия диафрагмы; S тр. – площадь сечения трубки, соответствующая середине (по длине) установленной диафрагмы; S д. – площадь сечения отверстия диафрагмы; V потока = D тр.² / d д. ² – скорость потока для идеальной жидкости в отверстии диафрагмы при скорости потока в неперекрытом сечении 1 м/с; 1 тип диафрагмы – с симметричным внутренним отверстием; 2 тип диафрагмы – с асимметричным внутренним отверстием.

Рис. 3. Возникновение турбулентного потока жидкости за диафрагмой при имитации экстрасистолической аритмии (индикатор – шелковая нить)

Рис. 4. Возникновение турбулентного потока жидкости за диафрагмой при имитации экстрасистолической аритмии (индикатор – синяя тушь)

Рис. 5. Данные с экрана осциллоскопа устройства для моделирования внутриартериального кровообращения при имитации экстрасистолической аритмии

Применение предложенного нами устройства возможно в широком спектре экспериментов.

Пример. Экспериментатору поставлена задача провести наблюдение за особенностями внутриартериального кровообращения на фоне правильного сердечного ритма и на фоне нарушения ритма – экстрасистолии. Для выполнения данной задачи он использовал предложенное нами устройство для моделирования внутриартериального кровообращения. Контур устройства экспериментатор заполнил раствором глицерина, соответствующего по вязкости плазме крови, убедившись в отсутствии пузырьков воздуха. После этого приводящую и отводящую силиконовые трубки свободными концами он подключил к электрическому насосу, который присоединил к переносному аккумулятору 12 Вольт. Электрический насос обеспечил прерывистую циркуляцию раствора глицерина по замкнутой системе, имитирующую правильный сердечный ритм и экстрасистолию. Через клапан штуцера экспериментатор ввел шелковую нить, закрепленную одним концом на металлической игле, и за счет колебаний нити при одновременном введении через клапан штуцера канцелярской туши оценил направление и характер потока циркулирующей жидкости внутри стеклянного усеченного конуса. Таким образом, в результате применения устройства для моделирования внутриартериального кровообращения была решена поставленная задача – осуществить наблюдение за особенностями внутриартериального кровообращения на фоне правильного сердечного ритма и на фоне нарушения ритма – экстрасистолии.

Выводы

1. Использование предлагаемого устройства позволяет моделировать процессы, происходящие внутри артериальных сосудов при правильном ритме, а также ментальной части научно-исследовательских при различных нарушениях ритма (экстра- работ.

систолия, фибрилляция предсердий).                На данное устройство для моделиро-

2. Устройство для моделирования вания внутриартериального кровообраще-

внутриартериального кровообращения      ния получен патент РФ на полезную модель просто в конструкции и надежно в работе. от 04.02.2021 г.

3. Предлагаемое устройство целесооб разно использовать для проведения экспери-