Оценка эффективности новой системы генерации пульсирующего потока в роторных насосах вспомогательного кровообращения. Исследование на математической модели

Цель работы: на математической модели исследовать влияние устройства генерации пульсирующего потока (ГПП) на основные гемодинамические параметры системы кровообращения.

Результаты. В результате моделирования показано значительное (76%) увеличение пульсового давления в аорте при использовании ГПП. Предложенная математическая модель адекватно описывает динамику системы кровообращения и метаболизма (кислородный долг) на физическую нагрузку в условиях нормы и сердечной недостаточности и применения непульсируюшей и пульсирующей системы вспомогательного кровообращения. На математической модели показано также, что применение устройства ГПП блокирует развитие разрежения в полости левого желудочка, связанного с несоответствием притока и оттока крови в диастолической фазе, при необходимости увеличения системного кровотока за счет повышения скорости роторного насоса.

1. Kirklin JK, Naftel DC, Pagani FD, Kormos RL, Stevenson LW, Blume ED et al. INTERMACS annual report: 15,000 patients and counting. J Heart Lung Transplant. 2015; 34: 1495–1504.

2. Slaughter SM, Rogers JG, Milano CA, Russell SD, Conte JV et al. Advanced heart failure treated with continuous-flow left ventricular assist device. N Engl J Med. 2009; 361: 2241–2251.

3. Rogers JG, Aaronson KD, Boyle AJ, Russell CA, Milano SD, Pagani FD et al. Continuous flow left ventricular assist device improves functional capacity and quality of life of advanced heart failure patients. J Am Coll Cardiol. 2010; 55: 1826–1834.

4. Saito S, Westaby S, Piggot D, Dudnikov S, Robson D, Catarino PA et al. End-organ function during chronic nonpulsatile circulation. Annals of Thoracic Surgery. 2002; 74: 1080–1085.

5. Crow S, John R, Boyle A, Shumway S, Liao K, Colvin- Adams M et al. Gastrointestinal bleeding rates in recipients of nonpulsatile and pulsatile left ventricular assist devices. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2009; 137: 208–215.

6. Letsou GV, Connelly JH, Delgado RM 3rd, Myers TJ, Gregoric ID, Smart FW et al. Is native aortic valve commissural fusion in patients with long-term left ventricular assist devices associated with clinically important aortic insufficiency. Journal of Heart and Lung Transplantation. 2006; 25: 395–399.

7. Nishimura T, Tatsumi E, Takaichi S, Taenaka Y, Wakisaka Y, Nakatani T et al. Prolonged nonpulsatile left heart bypass with reduced systemic pulse pressure causes morphological changes in the aortic wall. Artificial Organs. 1998; 22: 405–410.

8. Birks EJ, George RS, Hedger M, Bahrami T, Wilton P, Bowles CT et al. Reversal of severe heart failure with a continuous-flow left ventricular assist device and pharmacological therapy: a prospective study. Circulation. 2011; 123: 381–390.

9. Birks EJ, George RS, Firouzi A, Wright G, Bahrami T, Yacoub MH et al. Long-term outcomes of patients bridged to recovery versus patients bridged to transplantation. J Thorac Cardiovasc Surg. 2012; 144: 190–196.

10. Wang S, Evenson A, Chin BJ, Kunselman AR, Undar A. Evaluation of conventional non-pulsatile and novel pulsatile ECLS systems in a simulated pediatric ECLS model. Artificial Organs. 2015; 39: 1–9.

11. Wang S, Kunselman AR, Clark JB, Undar A. In vitro hemodynamic evaluation of a novel pulsatile ECLS system: impact of perfusion modes and circuit components on energy loss. Artificial Organs. 2015; 39: 59–66.

12. Ising MS, Sobieski MA, Slaughter MS, Koenig SC, Giridharan GA. Feasibility of pump speed modulation for restoring vascular pulsatility with rotary blood pumps. ASAIO J. 2015; 61 (5): 526–532.

13. Vandenberghe S, Segers P, Antaki JF, Meyns B, Verdonck PR. Rapid Speed Modulation of a Rotary Total Artificial Heart Impeller. Artificial Organs. 2016; 40:824–833.

14. Soucy KG, Giridharan GA, Choi Y, Sobieski MA, Monreal G, Cheng A. et al. Rotary pump speed modulation for generating pulsatile flow and phasic left ventricular volume unloading in a bovine model of chronic ischemic heart failure. J Heart Lung Transplant. 2015; 34: 122–131.

15. Иткин ГП, Дробышев АА, Бучнев АС, Кулешов АП, Носов МС. Устройство управления потоком крови в экстракорпоральных системах вспомогательного кровообращения. Патент RU 201911. Патентообладатель: ФГБУ «НМИЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова» Минздрава России. 2020. № 201911 от 21.01.2021 г.

16. Сырбу АИ, Иткин ГП, Кулешов АП, Гайдай НА. Математическая модель нейрогуморальной регуляции системы кровообращения. Медицинская техника. 2021; 4: 41–44.

17. Ferreira A, Chen S, Simaan MA, Boston JR, Antaki JF. A nonlinear state-space model of a combined cardiovascular system and a rotary pump. In Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control. 2005; 15: 897–902.

18. LaRose JA, Tamez D, Ashenuga M, Reyes C. Design concepts and principle of operation of the HeartWare ventricular assist system. ASAIO J. 2010; 56 (4): 285–289.

19. Yuhki A, Hatoh E, Nogawa M, Miura M, Shimazaki Y, Takatani S. Detection of suction and regurgitation of the implantable centrifugal pump based on the motor current waveform analysis and its application to optimization of pump flow. Artificial Organs. 1999; 23: 532–537.

20. Gohean JR, George MJ, Pate TD, Kurusz M, Longoria RG, Smalling RW. Verification of a computational cardiovascular system model comparing the hemodynamics of a continuous flow to a synchronous valveless pulsatile flow left ventricular assist device. ASAIO J. 2013; 59: 107.

21. Horvath DJ, Horvath DW, Karimov JH, Kuban BD, Miyamoto T, Fukamachi K. A simulation tool for mechanical circulatory support device interaction with diseased states. Artificial Organs. 2020; 14: 1–9.

22. Hambrecht R, Gielen S, Linke A, Fiehn E, Yu J, Walther C, Schoene N, Schuler G. Effects of exercise training on left ventricular function and peripheral resistance in patients with chronic heart failure: a randomized trial. Jama. 2000; 283 (23): 3095–3101.

23. Tchantchaleishvili V, Jessica GY, Luc JGY, Cohan CM, Phan K, Hübbert L et al. Clinical implications of physiological flow adjustment in continuous-flow left ventricular assist devices. ASAIO J. 2017; 63: 241–250.

24. Шумаков ВИ, Иткин ГП, Штенгольд ЕШ, Егоров ТЛ. Исследование шунтирования левого желудочка сердца в условиях дозированной сердечной недостаточности на математической модели. Scripta medica. 1973; 48: 475–489.