Experimentelle Untersuchung einer asymmetrischen ventillosen Pumpe, um Einblicke in Strategien zur extravaskulären Flusssteigerung bei Kindern zu gewinnen

Sep 05, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 22165 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Asymmetrisches Pumpen ist eine Unterkategorie des ventillosen Pumpens, bei dem ein flexibler Schlauch rhythmisch in der transversalen Symmetrieebene zusammengedrückt wird. Aufgrund der resultierenden Asymmetrie zwischen Saug- und Druckrohr wird eine Nettoförderhöhe erreicht. Asymmetrisches Pumpen gilt neben dem Impedanzpumpen als einer der Hauptmechanismen, die für den Liebau-Effekt verantwortlich sind. Es gibt jedoch weiterhin einen Mangel an Forschung zu den maßgeblichen Parametern des asymmetrischen Pumpens. Hier haben wir eine experimentelle Studie zur Leistung einer asymmetrischen Pumpe durchgeführt, mit dem Ziel, ihr Potenzial für die Steigerung des extravaskulären Flusses zu bewerten. Zu diesem Zweck wurden ein maßgeschneiderter flexibler Latexschlauch und eine Versuchsplattform entwickelt. Wir haben verschiedene Rohrstärken und Quetschfrequenzen getestet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Leistung im Bereich der physiologischen Anforderungen für pädiatrische Kreislaufgeräte liegt (~ 1 l/min und < 30 mmHg). Wir kommen zu dem Schluss, dass reines asymmetrisches Pumpen aufgrund des Fehlens eines Rückflusses und seiner mechanischen Einfachheit vielversprechend für ausgewählte kardiovaskuläre Anwendungen ist und weniger komplex ist als andere ventillose Techniken.

Die Kategorie des ventillosen Pumpens umfasst Phänomene, die ohne Ventile einen kontrollierten, unidirektionalen Fluss erzeugen können. Einer der am häufigsten untersuchten ventillosen Pumpmechanismen ist der Liebau-Effekt1. Eine Liebau-Pumpe ist ein kleines Gerät, das aus einem geraden elastischen Schlauch mit zwei unterschiedlichen Segmenten besteht: einem breiteren und dehnbareren Segment und einem schmalen, steifen Segment. Bei zyklischer Komprimierung des breiteren Segments wird ein Nettofluss in Richtung des schmaleren Segments erreicht. Der Liebau-Effekt kann als Überlagerung zweier unterschiedlicher Pumpmechanismen erklärt werden: Impedanzpumpen und asymmetrisches Pumpen2.

Impedanzpumpen tritt in einem Stromkreis auf, in dem ein nachgiebiger Schlauch mit starren Rohren verbunden ist, wodurch ein starker Impedanzunterschied entsteht. Dadurch werden die Druckwellen an beiden nachgiebigen Rohrenden stark reflektiert. Darüber hinaus ist die Klemme nicht auf der Symmetrieebene des nachgiebigen Rohrs platziert. Durch das Zusammendrücken wird der Flüssigkeit mechanische Energie, hauptsächlich in Form von Druck, zugeführt. Diese Druckwellen wandern vom Quetschbereich zu beiden Enden des nachgiebigen Rohrs, wo sie reflektiert werden. Da die Zange nicht den gleichen Abstand von beiden Enden hat, heben sich die reflektierten Druckwellen nicht gegenseitig auf und erzeugen ein Druckfeld, das den Pumpeffekt erzeugt3.

Umgekehrt befindet sich beim asymmetrischen Pumpen der Aktuator in der Symmetrieebene des nachgiebigen Rohrs und somit heben sich reflektierte Druckwellen gegenseitig auf. Das Hauptmerkmal des asymmetrischen Pumpens besteht darin, dass zum Erreichen des Pumpens eine Asymmetrie des hydraulischen Widerstands der starren Rohre erforderlich ist. Um diese Klassifizierung zu veranschaulichen, betrachtet Abb. 1 die Länge als einzigen asymmetrischen Parameter und enthält ein Beispiel, das kein Pumpen erreichen würde (Abb. 1d). Im weiteren Sinne könnte Asymmetrie durch Variation des Durchmessers, Materials oder Designs des nachgiebigen Rohrs erreicht werden. In allen Fällen wird der Pumpeffekt durch pulsierende Druckwellen erzeugt, die sich durch das System bewegen. Asymmetrie führt zu einem axialen Nettodruckgradienten4.

Impedanz und asymmetrisches Pumpen veranschaulichen die Asymmetrie durch die Länge des nachgiebigen Schlauchs. (a) Gemischte (Liebau-Effekt), (b) Impedanz-, (c) asymmetrische und (d) keine Pumpsysteme. SP = Symmetrieebene.

Seit ihrer Entdeckung Mitte des 20. Jahrhunderts wurde der Mechanismus der Liebau-Pumpe in zahlreichen Studien beschrieben – ein mechanisch einfaches Gerät mit einem dynamisch komplexen Mechanismus. Die praktischen Anwendungen der Liebau-Pumpe sind vielfältig und reichen von der Herz-Kreislauf-Unterstützung bis zur Elektronik. Um die Grundprinzipien dieses Phänomens zu analysieren, haben Hickerson et al. 5 zeigte experimentell die Empfindlichkeit des Liebau-Pumpens gegenüber verschiedenen Parametern, einschließlich Änderungen der Pincher-Position, Größe und Kompressionsfrequenz, transmuralen Druck, systemischem Widerstand und Materialien in einem geschlossenen Kreislauf. Hickerson und Gharib6 setzten diese Experimente fort, um die Wellenmechanik zu zeigen, die für den Aufbau von Druck und Nettoströmung erforderlich ist. Ultraschallmessungen der transienten und resonanten Eigenschaften wurden verwendet, um Massenreaktionen mit der Pumpenmechanik in Beziehung zu setzen. Wen et al.7 führten eine experimentelle Studie einer Liebau-Pumpe für das Wärmemanagement von Hochleistungselektroniksystemen durch und zeigten deren Machbarkeit für die elektronische Kühlung. Aus analytischer und computergestützter Modellierungsperspektive wurde das Phänomen in mehreren Studien untersucht8,9,10,11, wobei häufig eindimensionale Ansätze zur Lösung von Impuls- und Massenbilanzen verwendet und experimentelle und analytische Ergebnisse verglichen wurden. Insbesondere führten Avrahami und Gahrib4 eine vollständige Simulation der Fluid-Struktur-Wechselwirkung einer Liebau-Pumpe durch, die die physikalischen Phänomene, die dem Wellenpumpen zugrunde liegen, umfassend erklärte. Aus anwendungstechnischer Sicht führten Pahlevan und Gharib2 eine In-vitro-Untersuchung eines potenziellen Wellenpumpeffekts in der menschlichen Aorta durch, zeigten den Unterschied zwischen asymmetrischem Pumpen und Impedanzpumpen und kamen zu dem Schluss, dass Wellenausbreitung und -reflexion zu einem Pumpmechanismus in einer nachgiebigen Aorta führen können . Kürzlich bestätigten Davtyan und Sarvazyan12 die physiologische Machbarkeit des Liebau-basierten Pumpens in einem Versuchsaufbau mit Gefäßen anatomischer Größe und zeigten eine Pumpleistung, die mit der von Schlauchpumpen ähnlicher Größe vergleichbar ist.

Obwohl sich mehrere Studien mit der Liebau-Pumpe und ihren möglichen Anwendungen befassen, gibt es weniger Forschung, die die Hauptmechanismen des Pumpens und die anschließende Anwendung zur Herz-Kreislauf-Unterstützung aufklärt. In der vorliegenden Studie schließen wir diese Lücke mit einem maßgeschneiderten modularen Versuchsaufbau, in dem die Liebau-Effekt-Phänomene untersucht werden können, was eine hoch kontrollierbare experimentelle Umgebung ermöglicht. Es umfasst Abmessungen, Durchflussraten und Materialien, die innerhalb des Parameterbereichs arbeiten, der in der kardiovaskulären Pathophysiologie wahrscheinlich anzutreffen ist. Darüber hinaus zeigt dieser Artikel die Leistung eines völlig neuen Pinchers, der auf dem mechanischen Konzept eines Membranverschlusses basiert und ein wesentlich gleichmäßigeres Pinch ermöglicht, was eine bessere theoretische Leistung als flache Pincher4 ermöglicht.

Dieses Papier ist wie folgt aufgebaut; Zunächst erläutern wir unsere Materialien und Methoden, einschließlich der Herstellung und Validierung unserer kundenspezifischen flexiblen Latexschläuche und des asymmetrischen Pumpprüfstands. Zweitens präsentieren wir die Ergebnisse der Pumpleistung als Funktion der Nachgiebigkeit des Latexschlauchs, der Förderhöhen-Durchfluss-Kurven und der Auswirkung der Kompressionsfrequenz auf den Pincher.

Um diese experimentelle Studie durchzuführen, haben wir zwei Versuchsaufbauten gebaut; Der erste dient zur Charakterisierung individuell gefertigter Latexschläuche und der zweite Hydraulikkreislauf zur Bestimmung der Leistung der asymmetrischen Pumpe. Wir haben Verfahren etabliert, um die Wiederholbarkeit und Genauigkeit der Tests sicherzustellen.

Unsere Latexschläuche wurden in unserer Anlage nach Maß gefertigt, Abb. 2. Ein rotierender Aluminiumstab (3 U/min, 40 cm lang, 2 cm Durchmesser) wurde vertikal in ein Glas mit flüssigem Latex auf Ammoniakbasis (Feroca, Spanien) getaucht Container. Als nächstes wurde es extrahiert, um die anhaftende Latexschicht auszuhärten. Dieser Vorgang wurde mehrere Male wiederholt, um die gewünschte Wandstärke (im Bereich von 0,3 mm bis 1,05 mm) zu erreichen, was einige Stunden in Anspruch nahm. Der Prozess wurde zur Reproduzierbarkeit vollständig automatisiert. Der Aufbau wird von einem Arduino Nano gesteuert, der mit einem individuellen Programm für jede Dicke des Latexschlauchs programmiert wird.

Fertigungsstation für Latexschläuche (links) und Aufbau der Compliance-Messung (rechts).

Das Ergebnis des Prozesses war eine 40 cm lange, zylindrische Latexhülle um einen Aluminiumdorn, die nach dem Trocknen des Latex vorsichtig entfernt wurde. Nachdem die Enden entfernt worden waren, wurde der Schlauch in drei identische Latexschläuche mit einer Länge von jeweils 12 cm geschnitten. Die Nachgiebigkeit C der Latexschläuche wurde experimentell gemessen. Compliance wird gemäß Gl. definiert. (1)13,

Dabei sind V, P und V0 jeweils Volumen, Druck und Rohrvolumen im Ruhezustand (V0 = 31,4 ml). Die Compliance wurde gemessen, indem bekannte Volumina Leitungswasser durch eine Spritze in einen an beiden Enden verschlossenen Latexschlauch injiziert und die transmuralen Drücke gemessen wurden; mit einem Druckmessgerät (JUMO dTRANS p30, Deutschland), wie in Abb. 2 dargestellt. Injizierte Volumina und Auslesedrücke wurden bis zu 20 ml bzw. 250 mbar gemessen.

Unser experimenteller asymmetrischer Pumptestkreislauf (Abb. 3a) bestand aus zwei großen Reservoirs (750 cm2 Querschnittsfläche) im Abstand von 4 m, die über ein gerades, horizontales Rohr mit 20 mm Außendurchmesser und 16 mm Innendurchmesser verbunden waren. Der Schlauch bestand aus nicht nachgiebigem Rohr, mit Ausnahme eines 10 cm langen Latexteils und zweier kleiner Silikonschläuche, einer auf jeder Seite des Latexschlauchs, was eine Durchflussmessung mit zwei unidirektionalen Ultraschall-Durchflussmessern (Sonotec Sonoflow CO.55/230H V2) ermöglichte .0, Deutschland). Der Testkreislauf war mit einem Druckmesser (Keller PD-23, Schweiz) im Entladebecken ausgestattet, um die Messung der Wasserhöhe im Becken zu ermöglichen. Die Unsicherheiten hinsichtlich der Durchflussmesser, des Druckmessers und der Compliance betrugen etwa 2 %, 4 % bzw. 0,5 %. Die Unsicherheit für Periode/Häufigkeit betrug bis zu 0,025 %. Das Verhältnis der Druck- zur Saugrohrlänge beträgt λ = 4,33. Das System ist als Plattform konzipiert, die sich auf die Untersuchung des asymmetrischen Pumpens konzentriert und in der Lage ist, sehr unterschiedliche Arten der Unterstützung zu untersuchen.

(a) Rein asymmetrischer Prüfstand mit λ = 4,33 (b) Blendenverschluss-Aktuator im Prüfstand montiert, (c) Blendenverschluss geöffnet, (d) Blendenverschluss geschlossen.

Wir verwendeten einen 3D-gedruckten, pneumatisch angetriebenen Membranverschluss mit sechs Flügeln als Zange, der konzentrisch um den Latexschlauch an der transversalen Symmetrieebene des nachgiebigen Schlauchs platziert wurde (Abb. 3b–d). Das Verschlussdesign stellte in experimentellen Studien eine Verbesserung gegenüber der traditionellen Methode der Flachplattenkompression dar5. Durch den radialen Verschluss zweier Ebenen mit jeweils drei Schaufeln entstand ein 10 mm breiter Kompressionsbereich, Abb. 3d. Das Verhältnis Ab9 ist in Gl. definiert. (2)

Dabei ist A0 die unverformte Rohrquerschnittsfläche und Amin die minimale Verschlussquerschnittsfläche. Ab wurde auf 65 % eingestellt, um den vollständigen Verschluss des Latexschlauchs zu verhindern, Abb. 3d.

Der Kompressionsarbeitszyklus2 wurde auf 33 % festgelegt. Die Frequenz wurde entweder manuell gesteuert oder automatisch angepasst. Im manuellen Modus wurde die Frequenz für den gesamten Test auf einen festen Wert eingestellt. Im automatischen Modus aktualisiert das System selbst die Einklemmfrequenz auf einen optimierten Wert, der als „Resonanzfrequenz“ bezeichnet wird, wenn die Leistung unter solchen Bedingungen ihren Höhepunkt erreicht und abrupt unter diesen Wert fällt14. Um diesen Wert anzupassen, wurde die Kompression zu dem Zeitpunkt ausgelöst, zu dem die Strömungswelle nach der Reflexion am Saugreservoir am Pincher ankommt. Somit kann das Steuersystem die Arbeitsfrequenz während der Tests selbst aktualisieren, um eine optimale Leistung zu erzielen. Die getesteten Frequenzen lagen im Bereich < 5 Hz, mit einer Zeitauflösung von einer Millisekunde. Die Womersley-Zahl (Wo) betrug ungefähr 13, basierend auf Gl. (3)

wobei R, ρ, f und µ Gefäßradius, Dichte, Frequenz bzw. Viskosität sind.

Unter der Annahme einer repräsentativen Durchflussrate von 1 L/min im Aufbau berechnen wir eine Reynolds-Zahl (Re) von etwa 1000, was dem laminaren Strömungsregime entspricht. Wir haben daher einen maximalen Druckverlust15 von weniger als 2 mm geschätzt. Da der beobachtete Höhenunterschied zwischen den freien Oberflächen der Reservoirs im Zentimeterbereich lag, haben wir diesen als Pumpenförderhöhe verwendet und Verluste vernachlässigt. Zu Beginn (bei ruhendem System und Druckhöhe gleich Null) befanden sich beide Behälter in einer Höhe von 15 cm über dem Rohrkreislauf. Als Arbeitsmedium wurde Leitungswasser verwendet und es wurde besonders darauf geachtet, die Luft aus dem Prüfstand zu entfernen.

Das selbstgebaute Datenerfassungssystem basierte auf einem Arduino Due-System und erfasste alle 1 ms Daten sowohl von den Druckmessern als auch von den Durchflussmessern.

Als Steuerungssystem steuerte ein Arduino Nano das Schließen des Blendenverschlusses; Dies kann in zwei verschiedenen Modi eingestellt werden. Im manuellen Modus wird für den gesamten Test eine konstante Arbeitsfrequenz festgelegt. Im automatischen Modus bestimmt das Steuersystem die Resonanzfrequenz aus dem Signal eines der Durchflussmesser und synchronisiert so das Schließen der Membranklappe mit dem Nachfüllen des Latexschlauchs. Bei allen Tests haben wir, sofern nicht anders angegeben, den Automatikmodus verwendet. Abbildung 4 zeigt den Durchflusszeitverlauf, den das Steuersystem verwendet, um den Verschlussauslöser ausgehend von der Spitze der Durchflusskurve festzulegen. In diesem Fall erfolgt eine positive Durchflussrate vom Saug- zum Auslassbehälter. Der Zeitraum wird basierend auf der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Spitzen berechnet.

Software-Trigger zum Auslösen des Schließens der Zange.

Die Daten wurden mit MATLAB verarbeitet und analysiert. Die aufgezeichneten Zeitreihendaten der momentanen Förderhöhe und Durchflussrate wurden mit einem gleitenden Durchschnittsfilter gefiltert, um das Rauschen zu reduzieren. Um Kurven von Druckhöhe und Durchflussrate zu extrahieren, wurden die Werte für jeden Kompressionszyklus gemittelt. Zur Charakterisierung der Leistung wurden sowohl die Förderhöhe als auch die Durchflussrate berücksichtigt – die Förderhöhe verlief hinsichtlich ihres Maximalwerts zeitasymptotisch16,17, während die maximale Durchflussrate zum Zeitpunkt des ersten Kompressionszyklus auftrat, was die Erfassung mit Ultraschall-Durchflussmessern erschwerte. Da die Förderhöhe während des ersten Teils des Experiments (ungefähr 60 Zyklen) ungefähr linear mit der Zeit ist, wurde die maximale Durchflussrate als gepumptes Volumen über die Zeit für die ersten 5 Zyklen berechnet16.

Abbildung 5 zeigt die gemessene Schlauchnachgiebigkeit für mehrere Sätze von Latexschläuchen mit unterschiedlicher Wandstärke (Gewicht). Die Compliance wird auf einer logarithmischen y-Achse aufgetragen. Unsere kundenspezifischen Latexschläuche weisen für jede Wandstärke eine gute Wiederholbarkeit auf, was darauf hindeutet, dass die Eigenschaften entlang der Länge des Schlauchs homogen sind und dass unsere Produktionsmethode konsistent ist. Compliance folgt einer exponentiellen Beziehung zum Druck. Wir gehen davon aus, dass diese deutlich steigende Tendenz auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass mit zunehmendem Volumen die Wandstärke dünner wird und sich der Latexschlauch daher weniger steif verhält. In unseren nachfolgenden Experimenten lag der transmurale Druck im Bereich von 500 bis 3000 Pa, in diesem Druckbereich ist die Compliance für alle Wandstärken ähnlich (Abb. 5).

Konformitätsprüfung mehrerer Rohrsätze mit unterschiedlichen Wandstärken: 0,3, 0,5, 0,7, 1,05 mm.

Unmittelbar nach der Messung ihrer Konformität wurden die Latexschläuche auf dem Prüfstand installiert, um ihre charakteristischen Pumpkurven zu ermitteln. Abbildung 6 zeigt Kurven von Förderhöhe und Durchflussrate für mehrere Latexschläuche mit unterschiedlichen Wandstärken, mit Kompression bei der Resonanzfrequenz (ungefähr 1,72 Hz oder 103 BPM). Diese Kurven zeigen eine gute Wiederholbarkeit. Es ist ersichtlich, dass eine größere Wandstärke die Pumpleistung verbessert. Alle Latexschläuche wurden unmittelbar nach der Konformitätsprüfung verwendet und ihre Haltbarkeit war auf ~ 5.000 Kompressionszyklen begrenzt. In diesem Zeitraum wurde außer zum Zeitpunkt des Ausfalls keine wesentliche Änderung der Pumpleistung beobachtet. Da das Steuerungssystem für diese Tests bei jedem Kompressionszyklus die Resonanzfrequenz berechnete, änderte sich diese während des Experiments. Beim 0,7 mm dicken Latexschlauch konnte mit steigendem Kopf ein progressiver Frequenzanstieg von ca. 5 % beobachtet werden. Dennoch waren Änderungen der Resonanzfrequenz bei Latexschläuchen mit einer Dicke von 0,3 und 0,5 mm vernachlässigbar.

Förderhöhen-Durchflusskurven für verschiedene Wandstärken (Gew.) von Latexschläuchen.

Um das Phänomen des asymmetrischen Pumpens besser zu verstehen, wurde die momentane Durchflussrate untersucht. Abbildung 7 zeigt die momentane Durchflussrate am Saugrohr sowohl für das Anfangs- als auch für das Endexperiment (0,7 mm Dicke, Resonanzfrequenz). Anfangs war die Förderhöhe Null (beide Behälter hatten das gleiche Flüssigkeitsvolumen) und die Pumpe lieferte ihre maximale Fördermenge. Die momentane Durchflussrate zeigte eine vom Kompressionsmuster beeinflusste Wellenform. Negative Durchflussraten entsprechen der Flüssigkeit, die von der Zange zum Saugreservoir verdrängt wird. Sie entstehen, wenn sich der Membranverschluss schließt und das Wasser im Latexschlauch zu beiden Enden hin verdrängt. Positive Durchflussraten entsprechen der eingehenden Durchflusswelle, die den Latexschlauch wieder auffüllt. Die Nettodurchflussrate (oder der zyklusgemittelte Durchfluss) ist die Differenz zwischen den positiven und negativen Teilen der momentanen Durchflusswelle, Abb. 7. Sowohl positive als auch negative Durchflussraten erreichen ihren Höhepunkt etwa eine Größenordnung höher als die maximale Nettodurchflussrate. Das Muster des momentanen Rückflusses scheint konstant zu bleiben; Es besteht jedoch ein Unterschied zwischen dem anfänglichen und dem endgültigen positiven Teil der Wellen der momentanen Durchflussrate. Dementsprechend nimmt das positiv gepumpte Volumen mit zunehmender Förderhöhe während des Experiments ab. Positive und negative Volumina werden als Fläche innerhalb der positiven und negativen Durchflusskurve bzw. der x-Achse berechnet. Wenn die maximale Förderhöhe erreicht ist, sind positive und negative Volumina gleich. Folglich ist die Nettodurchflussrate Null.

Momentaner Durchfluss für den Anfangs- und Endteil der Tests.

Eine Versuchsreihe wurde mit einer festen Kompressionsfrequenz (\(f\)) durchgeführt, die von Frequenzen reichte, die niedrig genug waren, um keine nennenswerte Leistung zu beobachten, bis etwa zum Doppelten der Resonanzfrequenz (\({f}_{r}\)). 0,7 mm dicke Latexschläuche. Eine obere Frequenzgrenze wurde durch mechanische Einschränkungen des Prüfstands, hauptsächlich des Aktuators und der Haltbarkeit der Latexschläuche, auferlegt. Abbildung 8 zeigt die Frequenzspektren der maximalen Förderhöhe und des maximalen Nettodurchflusses. Offensichtlich besteht ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Nettodurchflussrate und der Frequenz. Es lässt sich eine gute Leistung bei der Resonanzfrequenz beobachten, obwohl es bei kleinen Frequenzschwankungen zu einem abrupten Abfall kommt. Der Trend zeigt, dass es ähnlich wie bei anderen frequenzabhängigen Phänomenen einen weiteren signifikanten Leistungspeak bei der zweiten Harmonischen gibt. Trotz schlechter Leistung außerhalb der resonanten Spitzenleistung konnten wir keine Nettorückströmung beobachten, also keine negativen Fallhöhen oder Durchflussraten.

Frequenzspektren der maximalen Förderhöhe und des maximalen Nettodurchflusses.

In der Literatur wurde bereits das reine asymmetrische Pumpen mithilfe einer Kolbenpumpe bewertet8,18 anstelle einer Kombination aus einem flexiblen Schlauch und einer externen Zange. Die Konfiguration einer Kolbenpumpe ist für extravaskuläre Anwendungen ungeeignet, da sie Blutkontakt mit dem Aktuator erfordert. Die meisten Untersuchungen zu ventillosen Pumpen, die auf der Komprimierung flexibler Schläuche basieren, konzentrieren sich auf den Liebau-Effekt, der eine Pincher-Asymmetrie erfordert. Darüber hinaus vermischen viele Studien die Wirkung asymmetrischer Kompression und asymmetrischer Ansaug- und Auslassgeometrien17, was die Komplexität erhöhen kann.

In dieser Studie liefern wir Einblicke in einen asymmetrischen ventillosen Pumpeffekt, bei dem das flexible Element zwar symmetrisch komprimiert, aber nicht symmetrisch im Kreislaufsystem positioniert ist (Abb. 1c). Wir konzentrieren uns auf die gesamte experimentelle Leistung (dh über den Zeitraum gemittelte Förderhöhe und Durchflussrate). Gemäß dieser Konfiguration und basierend auf der vorhandenen Literatur zu diesem Thema haben wir unsere Ergebnisse mit der von Propst11 beschriebenen Gleichung für die periodisch gemittelte mechanische Energie verglichen:

wobei \({\overline{h} }_{D}\) den periodengemittelten Füllstand des Auslassreservoirs darstellt, \({\overline{h} }_{S}\) die gleiche Größe für den Saugreservoir, \ ({\zeta }_{D}\) und \({\zeta }_{S}\) sind die Druckverlustkoeffizienten für die Auslass- und Saugteile des Kreislaufs und \({\overline{w} }_{ D}\) und \({\overline{w} }_{S}\) sind die mittleren periodengemittelten Geschwindigkeiten in jedem Teil der Schaltung. In unseren Experimenten ist dieser Unterschied in Übereinstimmung mit der periodengemittelten Energiebilanz immer positiv. Wasser fließt aufgrund der unterschiedlichen kinetischen Energie beider Zweige vom Saug- zum Auslassreservoir, wie an anderer Stelle dargelegt4,11. Darüber hinaus stimmt das oben beschriebene Arbeiten bei der Resonanzfrequenz mit der theoretischen Arbeit von Jun und Kim überein19. Die zeitliche Phasensynchronisation zwischen der Flüssigkeitsdruckdifferenz und der äußeren Klemmkraft wird beim Arbeiten mit der Resonanzfrequenz erreicht und ermöglicht so die Energiespeicherung im Entladungsreservoir.

Die transmuralen Drücke unter Arbeitsbedingungen (zwischen 500 und 3000 Pa) waren weitaus niedriger als die von unserem Compliance-Prüfstand gemessenen Werte. Daher wird gemäß Abb. 5 die Rohrnachgiebigkeit unter Arbeitsbedingungen für die drei Dicken durch ähnlich niedrige Werte dargestellt. Daher wird die Hypothese aufgestellt, dass unter solchen Bedingungen Unterschiede in der Rohrnachgiebigkeit hinsichtlich der Resonanzfrequenz eine vernachlässigbare Rolle spielen. Da alles andere konstant bleibt, sollte sich die Resonanzfrequenz nicht ändern. Wir behaupten, dass die leichte Abweichung der Resonanzfrequenz zu höheren Werten mit zunehmender Förderhöhe mit der überlegenen Leistung des 0,7 mm dicken Rohrs zusammenhängt. Darüber hinaus scheint die Dicke des Latexschlauchs eine wichtige Rolle für die Leistung zu spielen, da dickere Schläuche mit höheren Förderhöhen und Durchflussraten verbunden sind. Unsere Hypothese ist, dass steifere Schläuche größere Volumina verdrängen, wohingegen flexiblere Schläuche sich außerhalb des Quetschbereichs ausdehnen können, wodurch der Kompressionseffekt gedämpft wird und somit kleinere Volumina verdrängt werden.

Maximale Förderhöhe und Durchflussleistung wurden bei einer bestimmten Frequenz beobachtet, die als Resonanzfrequenz \({f}_{r}\) (oder Vielfache dieser Frequenz) bezeichnet wird. Diese Beobachtung findet sich auch in der Literatur5,6 zum Impedanzpumpen, wo sie mit der Druckwellengeschwindigkeit (c) und der Länge der Saugseite des flexiblen Schlauchs (L) zusammenhängt, wie in Gl. (5).

Allerdings lässt sich die Wellengeschwindigkeit nicht mit der bekannten Moens-Korteweg-Gleichung berechnen, die sie um eine Größenordnung überschätzt12. Obwohl einige Autoren9,13 andere verbesserte analytische Ansätze oder Variationen der Moens-Korteweg-Gleichung vorschlagen, sind Approximationsfehler angesichts der schmalen Resonanzspitzen immer noch alles andere als akzeptabel.

Die Strömungsrichtung in unserer atmosphärischen Prüfstandskonfiguration mit offenem Kreislauf schien nicht von der Frequenz abzuhängen, da bei dem durchgeführten Frequenzdurchlauf keine Rückströmung beobachtet wurde. Obwohl über eine frequenzabhängige Flussrichtung beim asymmetrischen ventillosen Pumpen berichtet wurde2,8,18, kann dies auf erhebliche Unterschiede in der Geometrie und den Randbedingungen wie geschlossenen Kreisläufen oder Kolbenantrieben zurückzuführen sein. Die Bestimmung, unter welchen Randbedingungen ein unidirektionaler Fluss erreicht wird, wäre für extravaskuläre Unterstützungsanwendungen von entscheidender Bedeutung.

Zukünftige Arbeiten werden sich mit den Auswirkungen der Variation der Gesamtrohrlänge, des Verhältnisses von Auslass- zu Sauglänge und der Saughöhe auf die Resonanzfrequenz und Leistung befassen. Zur extravaskulären Pumpunterstützung würde die ventillose Pumpe an ein größeres System gekoppelt, das unter variablen Bedingungen arbeitet14. Die schmale Resonanzspitzenbandbreite unterstreicht die entscheidende Bedeutung der Komprimierung bei der Resonanzfrequenz. Eine Online-Frequenzeinstellung erreichten wir mittels Ultraschall-Durchflussmesser. Für klinische Anwendungen könnten jedoch auch andere, weniger invasive Sensortechniken entwickelt werden. Optische Sensoren (z. B. Herzfrequenzmesser am Handgelenk) oder eingebettete Druckmessgeräte scheinen vielversprechende Techniken zu sein. Die asymmetrische Pumpe zeigte ein erfolgreiches Pumpen durch Erhöhung des Förderdrucks und der Fördermenge. Die aktuelle Ausführungsform ist in der Lage, in einem für die pädiatrische Kreislaufunterstützung geeigneten Bereich mit Drücken von < 30 mmHg (ca. 41 cm H2O) und Flussraten von ca. 1 l/min zu pumpen, was physiologischen Bedingungen entspricht20. Die Betriebsparameter und die Ausführungsform der Pumpe werden weiter verfeinert und optimiert, um künftig verschiedenen hämodynamischen Bedingungen gerecht zu werden. Die Resonanzfrequenz ist physiologisch verträglich (0,5–2,5 Hz)12.

Zusammenfassend legt die Studie nahe, dass reines asymmetrisches Pumpen eine vielversprechende Technologie für den Einsatz in Geräten zur extravaskulären Flusssteigerung ist. Obwohl vor der klinischen Umsetzung eine Verfeinerung erforderlich ist, sind die vorläufigen Ergebnisse ermutigend und die Technik weist erhebliche Vorteile gegenüber alternativen ventillosen Pumptechniken, einschließlich Peristaltik- und Impedanzpumpen, auf. Asymmetrisches Pumpen ist mechanisch einfacher als die anderen Optionen und induziert keinen Rückfluss bei physiologischen Kompressionsfrequenzen, ein wichtiger Gesichtspunkt für den Einsatz bei der extravaskulären Durchblutungssteigerung.

Experimentelle Daten sind auf Anfrage erhältlich. Bitte kontaktieren Sie den entsprechenden Autor unter [email protected].

Liebau, G. On a valveless pump principle (Ger). Naturwissenschaften 327, 1 (1954).

Google Scholar

Pahlevan, NM & Gharib, M. In-vitro-Untersuchung eines möglichen Wellenpumpeffekts in der menschlichen Aorta. J. Biomech. 46, 2122–2129 (2013).

Artikel Google Scholar

Loumes, L., Avrahami, I. & Gharib, M. Resonanzpumpen in einer mehrschichtigen Impedanzpumpe. Physik. Flüssigkeiten. 20, 23103 (2008).

Artikel MATH Google Scholar

Avrahami, I. & Gharib, M. Computerstudien zum Resonanzwellenpumpen in nachgiebigen Röhren. J. Fluid Mech. 608, 139–160 (2008).

Artikel ADS MATH Google Scholar

Hickerson, AI, Rinderknecht, D. & Gharib, M. Experimentelle Untersuchung des Verhaltens einer ventillosen Impedanzpumpe. Exp. Flüssigkeiten 38, 534–540 (2005).

Artikel Google Scholar

Hickerson, AI & Gharib, M. Über die Resonanz eines biegsamen Schlauchs als Mechanismus für ventilloses Pumpen. J. Fluid Mech. 555, 141–148 (2006).

Artikel ADS MATH Google Scholar

Wen, CY, Yeh, SJ, Leong, KP, Kuo, WS & Lin, H. Anwendung einer ventillosen Impedanzpumpe in einem Flüssigkeitskühlsystem. IEEE Trans. Compon. Paket. Hersteller Technol. 3, 783–791 (2013).

Artikel Google Scholar

Takagi, S. & Saijo, T. Studie einer Kolbenpumpe ohne Ventile: 1. Bericht, Über ein Rohr-Kapazitätssystem mit einer T-Verbindung. Stier. JSME. 26, 1366–1372 (1983).

Artikel Google Scholar

Manopoulos, C., Tsangaris, S. & Mathioulakis, D. Nettoflusserzeugung beim ventillosen Pumpen im geschlossenen Kreislauf. Proz. Inst. Mech. Ing. Teil C J. Mech. Ing. Wissenschaft. 234, 2126–2142 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Borzì, A. & Propst, G. Numerical investigation of the Liebau phenomenon. Zeitschrift fur Angew. Math. und Phys. 54, 1050–1072 (2003).

Artikel ADS MathSciNet MATH Google Scholar

Propst, G. Pumpeffekte in Modellen periodisch erzwungener Strömungskonfigurationen. Physik. D Nichtlineares Phänomen. 217, 193–201 (2006).

Artikel ADS MathSciNet MATH Google Scholar

Davtyan, R. & Sarvazyan, NA Ausgabe einer ventillosen Liebau-Pumpe mit biologisch relevanten Gefäßeigenschaften und Kompressionsfrequenzen. Wissenschaft. Rep. 11, 1–10 (2021).

Artikel Google Scholar

Meier, JA Neuartige experimentelle Studie einer ventillosen Impedanzpumpe für Anwendungen in den Größenskalen von Lab-on-Chip-, mikrouidischen und biomedizinischen Geräten. Doktorarbeit (California Institute of Technology, 2011)

Google Scholar

Hickerson, AI Eine experimentelle Analyse des charakteristischen Verhaltens einer Impedanzpumpe. Doktorarbeit (California Institute of Technology, 2005)

Google Scholar

Bringley, TT, Chilress, S., Vandenberghe, N. & Zhang, J. Eine experimentelle Untersuchung und ein einfaches Modell einer ventillosen Pumpe. Physik. Fluids 20, 033602 (2008).

Artikel ADS MATH Google Scholar

Hiermeier, F. & Männer, J. Knicken und Torsion können die Effizienz des ventillosen Pumpens in periodisch komprimierten Rohrleitungen erheblich verbessern. Implikationen für das Verständnis der Form-Funktions-Beziehung embryonaler Herzschläuche. J. Cardiovasc. Entwickler Dis. 4, 19 (2017).

Artikel Google Scholar

Wen, CY & Chang, HT Design und Charakterisierung ventilloser Impedanzpumpen. J. Mech. 25, 345–354 (2009).

Artikel MathSciNet Google Scholar

Takagi, S. & Takahashi, K. Studie einer Kolbenpumpe ohne Ventile (2. Bericht). Stier. JSME 28, 831–836 (1985).

Artikel Google Scholar

Jung, E.-O. & Kim, D.-W. Ventilloses Pumpen im offenen Tanksystem mit energiesparendem Kammermodell. Stier. Koreanische Mathematik. Soc. 49, 961–987 (2012).

Artikel MathSciNet MATH Google Scholar

Itkin, GP, Buchnev, AS, Kuleshov, AP, Drobyshev, AA & Syrbu, AI Eine hydrodynamische Bank zum Testen pädiatrischer Kreislaufunterstützungsgeräte. Biomed. Ing. (NY) 56, 6–10 (2022).

Artikel Google Scholar

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Die Autoren danken der Junta de Castilla y León für die Finanzierung dieser Arbeit im Rahmen des Programms „Subvenciones del programa de apoyo a proyectos de investigación financiados por fundos FEDER“, Projektnummer VA182P20 und eines MISTI-Spain La Caixa-Programms 2019.

Abteilung für Energietechnik und Strömungsmechanik und ITAP, Universität Valladolid, Paseo del Cauce 59, 47011, Valladolid, Spanien

J. Anatol, M. García-Díaz, C. Barrios-Collado, JA Moneo-Fernández, T. Parra, F. Castro-Ruiz und J. Sierra-Pallares

Institut für Medizintechnik und Wissenschaft, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 02139, USA

M. Horvath & ET Roche

Fakultät für Maschinenbau, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 02139, USA

ET Roche

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MG entwickelte die Idee und entwarf die experimentelle Arbeit JAM-F. Erstellung der gesamten verwendeten Software und Elektronik, JAM-F mit CB-CJA und FC baute die Installation und erfasste alle Daten, J. SP konzipierte, analysierte und interpretierte die Daten, ETR und MH interpretierten die Daten. und ETR, TP und JS-P. hat das Manuskript bearbeitet.

Korrespondenz mit J. Sierra-Pallares.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Anatol, J., García-Díaz, M., Barrios-Collado, C. et al. Experimentelle Untersuchung einer asymmetrischen ventillosen Pumpe, um Einblicke in Strategien zur extravaskulären Flusssteigerung bei Kindern zu gewinnen. Sci Rep 12, 22165 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26524-0

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Eingegangen: 15. Juni 2022

Angenommen: 15. Dezember 2022

Veröffentlicht: 22. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26524-0

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