Разработка методов проектирования и создание механотронной системы поддержки кровообращения для лечения детей с тяжёлыми формами сердечной недостаточности

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-15-00283

НазваниеРазработка методов проектирования и создание механотронной системы поддержки кровообращения для лечения детей с тяжёлыми формами сердечной недостаточности

Руководитель Готье Сергей Владимирович, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова" Министерства здравоохранения Российской Федерации , г Москва

Конкурс №11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11)

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-701 - Медицинская техника

Ключевые слова Терминальная сердечная недостаточность у детей, механическая поддержка кровообращения, имплантируемый вспомогательный насос, компьютерное моделирование потоков крови в насосе, гидродинамические стенды-имитаторы системы кровообращения, биосовместимость, гемолиз.

Код ГРНТИ76.13.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность данного исследования подтверждается значительным ростом тяжелых форм заболеваний сердца у новорожденных и детей младшего возраста с врожденными и приобретенными пороками сердца. Кроме того, в нашей стране в настоящее время широко обсуждается необходимость законодательного рассмотрения возможности трансплантации сердца у детей. Для обеспечения двухэтапной трансплантации сердца маленьким пациентам необходимо иметь возможность проведения первого этапа – механической поддержки кровообращения (МПК) на период поиска донорского органа. В мировой практике наиболее распространенным методом лечения детей с помощью МПК является метод экстракорпоральной мембранной оксигенации, однако данный метод может использоваться кратковременно от нескольких дней до нескольких недель и пациенты должны находиться в стационарных условиях. Для МПК у детей, обеспечивающей длительную работу систем вне клиники, в США и Европе используются паракорпоральные пульсирующие мембранные насосы EXCOR (Berlin Heart AEG) c пневматическим приводом. Данные системы имеют ограниченный ресурс и надежность и не обеспечивают необходимое качество жизни маленьких пациентов. Вместе с тем, остаются востребованными новые технологии построения насосов для детей в имплантируемом варианте, которые отвечают требованиям, удовлетворяющим полному размерному ряду для детей от 1 года до 12 лет с сохранением необходимых расходно-напорных характеристик и минимальным воздействием на окружающие ткани, минимальным гемолизом и тромбообразованием. Такие системы могли бы обеспечить высокое качество жизни детей. В последнее десятилетие системы МПК эффективно используются для лечения взрослых пациентов с тяжелыми формами сердечной недостаточности. В последние 5-7 лет в клинической практике наибольшее распространение получили насосы непульсирующего потока (более 94%). К сожалению, данные системы МПК не могут быть использованы у детей, прежде всего, из-за ограничений, связанных с трудностями размещения этих насосов в грудной или абдоминальной области. С другой стороны, как показывают многочисленные исследования, восстановление миокарда у детей на фоне вспомогательного кровообращения (ВК) происходит быстрее, чем у взрослых, особенно у детей с наиболее часто встречающейся формой сердечной недостаточности, развивающейся вследствие инфекционного миокардита. Поэтому новые технологии и реализация миниатюрных имплантируемых насосов, обеспечивающих длительную МПК, являются одним из приоритетных направлений в развитии ВК у детей. В данном проекте предлагается разработка новой конструкции насоса с учётом требований запланированных анатомо-морфологических исследований. Разработка будет выполнена на основе структурного синтеза по определяющим критериям (эргономичности, надежности, безопасности), для чего будут выполнены теоретические расчёты течения жидкости, а также многокритериальная оптимизация геометрии проточной части насоса (максимизация коэффициента полезного действия (КПД), минимизация гемолиза, минимизация зон застоя) при помощи программных пакетов вычислительной гидродинамики. На основе результатов выполненного моделирования будут изготовлены макетные образцы имплантируемых детских насосов. Будет разработана электронная система управления и энергообеспечения для педиатрического насоса, включая специализированное программное обеспечение для непрерывного мониторинга и управления параметрами состояния насоса. Важной характеристикой насоса, влияющей на его функциональные свойства, является наношероховатость его внутренних рабочих поверхностей. Для оценки влияния этого параметра на гемолиз, тромбообразование и функциональные параметры насоса во время стендовых испытаний будут выполнены исследования наношероховатости поверхностей методами сканирующей зондовой микроскопии. Также будут выполнены сравнительные исследования наношероховатости поверхностей подвижных и статичных частей насоса. Для испытаний макетных образцов насосов будут разработаны методики гидродинамического моделирования одноконтурной и двухконтурной систем кровообращения и выполнены исследования по оценке взаимодействия левого желудочка сердца с вспомогательным насосом, подключенным по схеме «левый желудочек – аорта», в условиях моделирования нормы и сердечной недостаточности. Также будет проведена оценка взаимодействия правого желудочка сердца с вспомогательным насосом, подключенным по схеме «правый желудочек – легочная артерия», в условиях моделирования нормы и патологии правого желудочка. Будут проведены исследования на разработанном двухконтурном гидродинамическом стенде-имитаторе системы кровообращения бивентрикулярного обхода сердца. Будут проведены гемолизные исследования макетов проектируемых изделий in vitro. Предполагается достичь следующие параметры имплантируемых насосов: 1) габаритные размеры насоса - диаметр не более 25 мм, длина не более 70 мм (без входных и выходных штуцеров), 2) вес: не более 120 г, 3) расход крови в диапазоне 1-3 л/мин при противодавлении 80 мм рт.ст., 4) значение нормализированного индекса гемолиза NIH не более 0,04 г/ л.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Иткин Г.П., Сырбу А.И. Mathematical Modeling of Operation of Rotary Blood Pumps in Pulsatile and Non-Pulsatile Modes Biomedical Engineering, Vol. 52, No. 3, pp. 186-189 (год публикации - 2018)
10.1007/s10527-018-9810-3

2. Иткин Г.П., Дмитриева О.Ю., Бучнев А.С., Дробышев А.А., Кулешов А.П., Волкова Е.А., Халилулин Т.А. Results of experimental studies of the children’s axial pump «Don-3» Vestnik Transplantologii i Iskusstvennykh Organov, Т. 20, № 2, С. 61-68 (год публикации - 2018)
10.15825/1995-1191-2018-2-61-68

3. Иткин Г.П., Готье С.В. The problems and the optimization of non-pulsating pumps of the assisted blood circulation Vestnik Transplantologii i Iskusstvennykh Organov, Т. 20, № 1, С. 138-143 (год публикации - 2018)
10.15825/1995-1191-2018-1-138-143

4. Козлов В.А., Дмитриева О.Ю., Иткин Г.П., Иванов А.С., Кулешов А.П., Волкова Е.А., Говорова Т.Н. The optimization of an accomodation in the thoracic cavity child the axial pump DON-3 (the mathematical model research) Vestnik Transplantologii i Iskusstvennykh Organov (год публикации - 2018)
10.15825/1995-1191-2018-3-40-44

5. Кулешов А.П., Иткин Г.П., Дмитриева О.Ю. Geometry of pediatric implantable axial pump impeller (DON-3) optimization Proceedings - 2016 International Conference on Engineering and Telecommunication, EnT 2016, Номер статьи 7810763, С. 95-98 (год публикации - 2017)
10.1109/EnT.2016.27

6. Готье С.В., Кулешов А.П., Ефимов А.Е., Агапов И.И., Иткин Г.П. Optimization of implantable axial pump to increase efficiency of mechanical circulatory support Vestnik Transplantologii i Iskusstvennykh Organov, Том 19, № 2, С. 61-68 (год публикации - 2017)
10.15825/1995-1191-2017-2-61-68

7. Готье С.В., Иткин Г.П., Дмитриева О.Ю., Козлов В.А. Mechanical circulation support of the treatment for children with end-stage chronic heart failure Vestnik Transplantologii i Iskusstvennykh Organov, Том 19, № 3, С. 93-103 (год публикации - 2017)
10.15825/1995-1191-2017-3-93-103

8. Дмитриева О.Ю., Бучнев А.С., Дробышев А.А., Иткин Г.П. Hemolysis research of implantable axial flow pump for two-step heart transplantation in children Vestnik Transplantologii i Iskusstvennykh Organov, Том 19, № 1, С. 22-27 (год публикации - 2017)
10.15825/1995-1191-2017-1-22-27

9. Адаскин А.В., Дозоров К.Н., Филатов И.А., Иткин Г.П. Remote monitoring of patients with long-term mechatronic circulatory support system Vestnik Transplantologii i Iskusstvennykh Organov, Том. 18, № 2, С. 65-73 (год публикации - 2016)
10.15825/1995-1191-2016-2-65-73

10. Готье С.В., Иткин Г.П., Шевченко А.О., Халилулин Т.А., Козлов В.А. Durable mechanical circulation support as an alternative to heart transplantation Vestnik Transplantologii i Iskusstvennykh Organov, Том 18, № 3, c.128-136 (год публикации - 2016)
10.15825/1995-1191-2016-3-128-136

Публикации