Étude expérimentale d'une pompe asymétrique sans valve pour élucider les stratégies d'augmentation du débit extravasculaire pédiatrique

Sep 05, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22165 (2022) Citer cet article

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Le pompage asymétrique est une sous-catégorie de pompage sans valve dans laquelle un tube flexible est rythmiquement comprimé dans le plan de symétrie transversal. En raison de l'asymétrie résultante entre les tuyaux d'aspiration et de refoulement, une hauteur de pompage nette est obtenue. Le pompage asymétrique est considéré comme l'un des principaux mécanismes responsables de l'effet Liebau en plus du pompage d'impédance. Cependant, il reste peu de recherches sur les paramètres directeurs du pompage asymétrique. Ici, nous avons mené une étude expérimentale des performances d'une pompe asymétrique, dans le but d'évaluer son potentiel d'augmentation du débit extravasculaire. Un tube en latex flexible personnalisé et une plate-forme expérimentale ont été développés à cette fin. Nous avons testé différentes épaisseurs de tube et fréquences de pincement. Nos résultats démontrent que les performances se situent dans la fourchette des exigences physiologiques pour les appareils circulatoires pédiatriques (~ 1 L/min et < 30 mmHg). Nous concluons qu'en raison de l'absence de flux inverse et de sa simplicité mécanique, le pompage asymétrique pur est prometteur pour certaines applications cardiovasculaires avec moins de complexité que d'autres techniques sans valve.

La catégorie des pompages sans clapets englobe les phénomènes pouvant générer un débit unidirectionnel contrôlé sans clapets. L'un des mécanismes de pompage sans valve les plus étudiés est l'effet Liebau1. Une pompe Liebau est un petit appareil constitué d'un tube élastique droit à deux segments différenciés : un segment plus large et plus extensible, et un segment étroit et rigide. Lors de la compression cyclique du segment le plus large, un flux net est réalisé vers le segment le plus étroit. L'effet Liebau peut être expliqué comme la superposition de deux mécanismes de pompage différents : le pompage par impédance et le pompage asymétrique2.

Le pompage d'impédance se produit dans un circuit où un tube conforme est connecté à des tuyaux rigides créant une forte différence d'impédance. De ce fait, les ondes de pression sont fortement réfléchies dans les deux extrémités de tube souples. De plus, la pince n'est pas placée au niveau du plan de symétrie du tube conforme. À la suite du pincement, de l'énergie mécanique est ajoutée au fluide, principalement sous forme de pression. Ces ondes de pression se déplacent de la zone de pincement vers les deux extrémités du tube compliant, où elles sont réfléchies. Comme la pince n'est pas équidistante des deux extrémités, les ondes de pression réfléchies ne s'annulent pas, générant un champ de pression qui crée l'effet de pompage3.

Inversement, en pompage asymétrique, l'actionneur est situé au niveau du plan de symétrie du tube conforme et ainsi les ondes de pression réfléchies s'annulent. La principale caractéristique du pompage asymétrique est qu'une dissymétrie dans la résistance hydraulique des conduites rigides est nécessaire pour réaliser le pompage. Afin d'illustrer cette classification, la Fig. 1 considère la longueur comme le seul paramètre asymétrique, et inclut un exemple qui ne réaliserait pas le pompage (Fig. 1d). Plus largement, l'asymétrie pourrait être obtenue en faisant varier le diamètre, le matériau ou la conception du tube conforme. Dans tous les cas, l'effet de pompage est généré par des ondes de pression pulsées qui traversent le système. L'asymétrie entraîne un gradient net de pression axiale4.

Impédance et pompage asymétrique illustrant l'asymétrie sur toute la longueur du tube conforme. (a) Systèmes mixtes (effet Liebau), (b) à impédance, (c) asymétriques et (d) sans système de pompage. SP = plan de symétrie.

Depuis sa découverte au milieu du XXe siècle, de nombreuses études ont décrit le mécanisme de la pompe Liebau - un dispositif mécaniquement simple avec un mécanisme dynamiquement complexe. Les applications pratiques de la pompe Liebau sont diverses, de l'assistance cardiovasculaire à l'électronique. Pour analyser les principes fondamentaux régissant ce phénomène, Hickerson et al. 5 ont démontré expérimentalement la sensibilité du pompage Liebau à divers paramètres, notamment les changements de position du pinceur, la taille et la fréquence de compression, la pression transmurale, la résistance systémique et les matériaux en boucle fermée. Hickerson et Gharibé ont poursuivi ces expériences pour montrer la mécanique ondulatoire nécessaire à l'établissement de la pression et du débit net. Des mesures ultrasonores des propriétés transitoires et résonnantes ont été utilisées pour relier les réponses globales à la mécanique de la pompe. Wen et al.7 ont réalisé une étude expérimentale d'une pompe Liebau pour la gestion thermique de systèmes électroniques à haute performance, montrant sa faisabilité pour le refroidissement électronique. Du point de vue de la modélisation analytique et informatique, plusieurs études ont examiné le phénomène8,9,10,11, en utilisant souvent des approches unidimensionnelles pour résoudre les bilans de quantité de mouvement et de masse, et en comparant les résultats expérimentaux et analytiques. Notamment, Avrahami et Gahrib4 ont réalisé une simulation complète de l'interaction fluide-structure d'une pompe Liebau, qui a expliqué en détail les phénomènes physiques sous-jacents au pompage des vagues. Du point de vue de l'application, Pahlevan et Gharib2 ont effectué une enquête in vitro sur un effet potentiel de pompage des ondes dans l'aorte humaine, montrant la différence de pompage asymétrique et d'impédance, et concluant que la propagation et la réflexion des ondes peuvent entraîner un mécanisme de pompage dans une aorte conforme. . Récemment, Davtyan et Sarvazyan12 ont confirmé la faisabilité physiologique du pompage basé sur Liebau dans une configuration expérimentale utilisant des vaisseaux de taille anatomique, démontrant des performances de pompage comparables à celles de pompes péristaltiques de taille similaire.

Bien que plusieurs études traitent de la pompe Liebau et de ses applications potentielles, il existe moins de recherches élucidant les principaux mécanismes de pompage et leur application ultérieure à l'assistance cardiovasculaire. Dans la présente étude, nous comblons cette lacune avec une configuration expérimentale modulaire personnalisée, dans laquelle les phénomènes d'effet Liebau peuvent être étudiés, permettant un environnement expérimental hautement contrôlable. Il comprend des dimensions, des débits et des matériaux qui fonctionnent dans la gamme des paramètres susceptibles d'être rencontrés en physiopathologie cardiovasculaire. De plus, cet article montre les performances d'une pince entièrement nouvelle, basée sur le concept mécanique d'un obturateur à diaphragme, pour permettre un pincement beaucoup plus uniforme qui permet une meilleure performance théorique que les pinces de type plat4.

Ce document est organisé comme suit; dans un premier temps, nous expliquons notre matériel et nos méthodes, notamment la fabrication et la validation de nos tubes souples en latex sur mesure et le banc d'essai de pompage asymétrique. Deuxièmement, nous présentons les résultats de la performance de pompage en fonction de la compliance du tube en latex, des courbes de tête en fonction du débit et de l'effet de la fréquence de compression sur la pince.

Pour mener cette étude expérimentale, nous avons construit deux montages expérimentaux ; le premier pour caractériser les tubes en latex fabriqués sur mesure, et le second circuit hydraulique pour déterminer les performances de la pompe asymétrique. Nous avons établi des procédures pour assurer la répétabilité et l'exactitude des tests.

Nos tubes en latex ont été fabriqués sur mesure dans notre usine, Fig. 2. Une barre rotative en aluminium (3 tr/min, 40 cm de long, 2 cm de diamètre) a été immergée verticalement dans un latex liquide à base d'ammoniac (Feroca, Espagne) dans un verre récipient. Ensuite, il a été extrait pour durcir la couche de latex collée. Ce processus a été répété plusieurs fois pour obtenir l'épaisseur de paroi souhaitée (allant de 0,3 mm à 1,05 mm), prenant quelques heures. Le processus a été entièrement automatisé pour la reproductibilité. La configuration est contrôlée par un Arduino Nano, qui est programmé avec un programme personnalisé pour chaque épaisseur du tube en latex.

Station de fabrication de tubes en latex (à gauche) et installation de mesure de conformité (à droite).

Le résultat du processus était une enveloppe cylindrique en latex de 40 cm de long autour d'un mandrin en aluminium, qui a été soigneusement retiré une fois le latex sec. Une fois les extrémités retirées, le tube a été coupé en trois tubes de latex identiques, chacun de 12 cm de long. La compliance, C, des tubes en latex a été mesurée expérimentalement. La conformité est définie selon Eq. (1)13,

où V, P et V0 sont respectivement le volume, la pression et le volume du tube au repos (V0 = 31,4 mL). La compliance a été mesurée en injectant des volumes connus d'eau du robinet à travers une seringue à l'intérieur d'un tube en latex fermé aux deux extrémités et en mesurant les pressions transmurales ; avec un manomètre (JUMO dTRANS p30, Allemagne), comme illustré à la Fig. 2. Volumes injectés et pressions de lecture mesurées jusqu'à 20 mL et 250 mbar, respectivement.

Notre circuit expérimental de test de pompage asymétrique (Fig. 3a) consistait en deux grands réservoirs (section transversale de 750 cm2) distants de 4 m, reliés par un tube droit, horizontal, de 20 mm de diamètre extérieur et de 16 mm de diamètre intérieur. Le tube était constitué d'un tuyau non conforme, à l'exception d'une partie en latex de 10 cm de long et de deux petits tubes en silicone, un de chaque côté du tube en latex, permettant la mesure de débit avec deux débitmètres à ultrasons unidirectionnels (Sonotec Sonoflow CO.55/230H V2 .0, Allemagne). Le circuit d'essai était équipé d'un manomètre (Keller PD-23, Suisse) dans le réservoir de décharge, pour permettre la mesure de la hauteur d'eau dans le réservoir. Les incertitudes concernant les débitmètres, le pressiomètre et la conformité étaient respectivement d'environ 2 %, 4 % et 0,5 %. L'incertitude pour la période/fréquence était jusqu'à 0,025 %. Le rapport de longueur du tuyau de refoulement à aspiration λ = 4,33. Le système est conçu comme une plate-forme pour se concentrer sur l'étude du pompage asymétrique, capable d'étudier des types d'assistance très différents.

(a) Banc d'essai asymétrique pur avec λ = 4,33 (b) actionneur d'obturateur à diaphragme monté dans le banc d'essai, (c) obturateur à diaphragme ouvert, (d) obturateur à diaphragme fermé.

Nous avons utilisé un obturateur à diaphragme à six lames imprimé en 3D et à entraînement pneumatique comme pince, placé concentriquement autour du tube en latex au niveau du plan de symétrie transversale du tube conforme (Fig. 3b – d). La conception de la fermeture était une amélioration par rapport à la méthode traditionnelle de compression à plaque plate dans les études expérimentales5. La fermeture radiale de deux avions à trois pales chacun a entraîné une zone de compression de 10 mm de large, Fig. 3d. Le rapport Ab9 est défini dans l'Eq. (2)

où A0 est la section transversale du tube non déformé et Amin est la section transversale minimale de l'obturateur. Ab a été fixé à 65 % pour empêcher l'occlusion complète du tube en latex, Fig. 3d.

Le rapport cyclique de compression2 a été fixé à 33 %. La fréquence était soit contrôlée manuellement, soit ajustée automatiquement. En mode manuel, la fréquence a été fixée à une valeur fixe pour l'ensemble du test. En mode automatique, le système lui-même met à jour la fréquence de pincement à une valeur optimisée appelée "fréquence de résonance" car les performances atteignent des pics dans de telles conditions et chutent brusquement en dehors de celle-ci14. Afin d'ajuster cette valeur, la compression a été déclenchée au moment où l'onde de débit arrive à la pince, après s'être réfléchie au réservoir d'aspiration. Ainsi, le système de contrôle peut mettre à jour automatiquement la fréquence de travail pendant les tests pour obtenir des performances optimales. Les fréquences testées étaient de l'ordre de < 5 Hz, avec une résolution temporelle d'une milliseconde. Le nombre de Womersley (Wo) était d'environ 13, basé sur l'Eq. (3)

où R, ρ, f et µ sont respectivement le rayon, la densité, la fréquence et la viscosité du vaisseau.

En supposant un débit représentatif de 1 L/min dans la configuration, nous calculons un nombre de Reynolds (Re) d'environ 1000, ce qui correspond au régime d'écoulement laminaire. Nous avons donc estimé une perte de charge maximale15 inférieure à 2 mm. Étant donné que la différence de hauteur observée entre les surfaces libres des réservoirs était de l'ordre du centimètre, nous l'avons utilisée comme tête de pompe et avons négligé les pertes. Initialement (lorsque le système est au repos et que la hauteur de pression est égale à zéro), les deux réservoirs étaient à une hauteur de 15 cm au-dessus du circuit de tubes. L'eau du robinet a été utilisée comme fluide de travail, et un soin particulier a été pris pour purger l'air du banc d'essai.

Le système d'acquisition de données maison était basé sur un système Arduino Due et échantillonnait les données des manomètres et des débitmètres toutes les 1 ms.

Pour le système de contrôle, un Arduino Nano contrôlait la fermeture de l'obturateur du diaphragme ; cela peut être réglé dans deux modes différents. En mode manuel, une fréquence de travail constante est fixée pour l'ensemble du test. En mode automatique, le système de contrôle détermine la fréquence de résonance à partir du signal de l'un des débitmètres et synchronise ainsi la fermeture de l'obturateur à membrane avec le remplissage du tube en latex. Dans tous les tests, sauf indication contraire, nous avons utilisé le mode automatique. La figure 4 montre l'évolution temporelle du débit que le système de contrôle utilise pour régler le déclencheur de fermeture à partir du pic de la courbe de débit. Dans ce cas, le débit positif va de l'aspiration vers les réservoirs de refoulement. La période est calculée en fonction du temps entre les pics consécutifs.

Gâchette logicielle pour déclencher la fermeture de la pince.

Les données ont été traitées et analysées avec MATLAB. Les données de séries chronologiques enregistrées de la hauteur de chute et du débit instantanés ont été filtrées avec un filtre à moyenne mobile afin de réduire le bruit. Pour extraire les courbes de charge en fonction du débit, les valeurs ont été moyennées pour chaque cycle de compression. Pour la caractérisation des performances, la tête et le débit ont été pris en compte - la tête était asymptotique dans le temps en termes de sa valeur maximale16,17 tandis que le débit maximal se produisait au moment du premier cycle de compression, ce qui rendait difficile la capture avec des débitmètres à ultrasons. Comme la tête est approximativement linéaire avec le temps pendant la première partie de l'expérience (environ 60 cycles), le débit maximal a été calculé comme le volume pompé dans le temps pour les 5 premiers cycles16.

La figure 5 montre la conformité mesurée du tube pour plusieurs ensembles de tubes en latex avec une épaisseur de paroi variable (wt). La conformité est tracée sur un axe y logarithmique. Nos tubes en latex personnalisés présentent une bonne répétabilité pour chaque épaisseur de paroi, suggérant que les propriétés sur toute la longueur du tube sont homogènes et que notre méthode de production est cohérente. La compliance suit une relation exponentielle avec la pression. Nous émettons l'hypothèse qu'une tendance à la hausse aussi nette est due au fait que, à mesure que le volume augmente, l'épaisseur de la paroi devient plus mince et donc le tube en latex se comporte de manière moins rigide. Dans nos expériences ultérieures, la pression transmurale variait de 500 à 3000 Pa, dans cette plage de pression, la conformité est similaire pour toutes les épaisseurs de paroi (Fig. 5).

Essai de conformité de plusieurs jeux de tubes d'épaisseurs de paroi différentes : 0,3, 0,5, 0,7, 1,05 mm.

Immédiatement après la mesure de leur compliance, les tubes en latex ont été installés sur le banc d'essai pour connaître leurs courbes caractéristiques de pompe. La figure 6 montre les courbes de tête en fonction du débit pour plusieurs tubes en latex de différentes épaisseurs de paroi, avec une compression à la fréquence de résonance (environ 1,72 Hz ou 103 BPM). Ces courbes montrent une bonne répétabilité. On peut apprécier qu'une plus grande épaisseur de paroi améliore les performances de pompage. Tous les tubes en latex ont été utilisés immédiatement après les tests de conformité et leur durabilité a été limitée à environ 5 000 cycles de compression. Au cours de cette période, aucun changement significatif des performances de pompage n'a été observé, sauf au moment de la panne. Puisque, pour ces tests, le système de contrôle calculait la fréquence de résonance à chaque cycle de compression, cela a changé au cours de l'expérience. Dans le cas du tube en latex de 0,7 mm d'épaisseur, une augmentation progressive de la fréquence d'environ 5 % a été observée au fur et à mesure que la tête montait. Néanmoins, les changements de fréquence de résonance étaient négligeables pour les tubes en latex d'une épaisseur de 0,3 et 0,5 mm.

Courbes de charge en fonction du débit pour plusieurs épaisseurs de paroi de tube en latex (wt).

Le débit instantané a été étudié afin d'aider à comprendre le phénomène de pompage asymétrique. La figure 7 montre le débit instantané au tube d'aspiration pour l'expérience initiale et finale (0,7 mm d'épaisseur, fréquence de résonance). Au départ, la hauteur manométrique était nulle (les deux réservoirs avaient le même volume de liquide) et la pompe délivrait son débit maximum. Le débit instantané affiche une forme d'onde influencée par le modèle de compression. Les débits négatifs correspondent au fluide déplacé de la pince vers le réservoir d'aspiration. Ils se produisent lorsque l'obturateur du diaphragme se ferme et déplace l'eau à l'intérieur du tube en latex vers les deux extrémités. Les débits positifs correspondent à l'onde de débit entrante qui recharge le tube de latex. Le débit net (ou moyen du cycle) est la différence entre les parties positives et négatives de l'onde de débit instantanée, Fig. 7. Les débits positifs et négatifs culminent à environ un ordre de grandeur supérieur au débit net maximal. Le schéma du reflux instantané semble rester constant ; cependant, il existe une différence entre les parties positives initiales et finales des ondes de débit instantanées. En conséquence, le volume pompé positif diminue à mesure que la tête augmente au cours de l'expérience. Les volumes positifs et négatifs sont calculés comme la zone à l'intérieur de la courbe de débit positive et négative et l'axe des x, respectivement. Lorsque la charge maximale est atteinte, les volumes positifs et négatifs sont égaux. Par conséquent, le débit net est nul.

Débit instantané pour les parties initiale et finale des essais.

Une série expérimentale a été exécutée à une fréquence de compression fixe (\(f\)), allant de fréquences suffisamment basses pour qu'aucune performance significative ne soit observée à environ deux fois la fréquence de résonance (\({f}_{r}\)), avec Tubes en latex de 0,7 mm d'épaisseur. Une limite de fréquence supérieure a été imposée par les limitations mécaniques du banc d'essai, principalement l'actionneur et la durabilité des tubes en latex. La figure 8 montre les spectres de fréquence de charge maximale et de débit net maximal. De toute évidence, il existe une relation non linéaire entre le débit net et la fréquence. De bonnes performances à la fréquence de résonance peuvent être observées, bien qu'il y ait une chute brutale avec de petites variations de fréquence. La tendance révèle qu'il existe un autre pic de performance significatif à la deuxième harmonique, similaire à d'autres phénomènes dépendant de la fréquence. Malgré des performances médiocres en dehors des performances de crête de résonance, nous n'avons pas observé de flux inverse net, c'est-à-dire pas de têtes ou de débits négatifs.

Spectres de hauteur manométrique maximale et de débit net maximal.

Le pompage asymétrique pur a déjà été évalué dans la littérature, au moyen d'une pompe à piston8,18, plutôt qu'une combinaison d'un tube flexible avec une pince externe. La configuration d'une pompe à piston n'est pas adaptée aux applications extravasculaires, car elle nécessite un contact sanguin avec l'actionneur. La plupart des recherches concernant les pompes sans soupape basées sur la compression de tubes flexibles se concentrent sur l'effet Liebau, qui nécessite une asymétrie de pincement. De plus, un grand nombre d'études mélangent à la fois l'effet de la compression asymétrique et des géométries asymétriques d'aspiration et de refoulement17, ce qui peut ajouter de la complexité.

Dans cette étude, nous donnons un aperçu d'un effet de pompage asymétrique sans valve, où, bien que l'élément flexible soit comprimé de manière symétrique, il est positionné de manière non symétrique dans le système de circuit (Fig. 1c). Nous nous concentrons sur les performances expérimentales globales (c'est-à-dire la tête et le débit moyennés sur la période). Selon cette configuration, et sur la base de la littérature existante sur le sujet, nous avons comparé nos résultats avec l'équation de l'énergie mécanique moyennée sur la période décrite par Propst11 :

où \({\overline{h} }_{D}\) représente le niveau moyen de la période du réservoir de décharge, \({\overline{h} }_{S}\) la même grandeur pour le réservoir d'aspiration, \ ({\zeta }_{D}\) et \({\zeta }_{S}\) sont les coefficients de perte de charge pour les parties refoulement et aspiration du circuit et \({\overline{w} }_{ D}\) et \({\overline{w} }_{S}\) sont les vitesses moyennes de la période moyenne dans chaque partie du circuit. Dans nos expérimentations, cette différence est toujours positive en accord avec le bilan énergétique moyen de la période. L'eau s'écoule de l'aspiration au réservoir de décharge en raison de la différence d'énergie cinétique des deux branches, comme indiqué ailleurs4,11. De plus, travailler à la fréquence de résonance comme indiqué ci-dessus est en accord avec les travaux théoriques de Jun et Kim19. La synchronisation de phase dans le temps entre la différence de pression du fluide et la force de pincement externe est obtenue en travaillant à la fréquence de résonance, permettant ainsi le stockage d'énergie dans le réservoir de décharge.

Les pressions transmurales en conditions de travail (entre 500 et 3000 Pa) étaient bien inférieures à celles mesurées par notre banc de test de conformité. Par conséquent, selon la figure 5, la compliance du tube dans les conditions de travail pour les trois épaisseurs est représentée par des valeurs également faibles. Par conséquent, on émet l'hypothèse que dans de telles conditions, les différences de compliance des tubes jouent un rôle négligeable en termes de fréquence de résonance. Puisque tout le reste reste constant, la fréquence de résonance ne devrait pas changer. Nous soutenons que la légère dérive observée sur la fréquence de résonance vers des valeurs plus élevées lorsque la tête augmente est liée aux performances supérieures du tube de 0,7 mm d'épaisseur. De plus, l'épaisseur des tubes en latex semble jouer un rôle important dans les performances, car des tubes plus épais sont associés à des têtes et des débits plus élevés. Notre hypothèse est que les tubes plus rigides déplacent des volumes plus importants, tandis que les tubes plus flexibles peuvent se dilater en dehors de la région de pincement, amortissant l'effet de compression et déplaçant ainsi des volumes plus petits.

Les performances de charge et de débit maximales ont été observées à une fréquence particulière, appelée fréquence de résonance \({f}_{r}\) (ou multiples de cette fréquence). Cette observation se retrouve également dans la littérature5,6 pour le pompage par impédance, où elle est liée à la vitesse de l'onde de pression (c) et à la longueur du côté aspiration du tube flexible (L), comme dans l'Eq. (5).

Cependant, la vitesse des vagues ne peut pas être calculée au moyen de l'équation bien connue de Moens-Korteweg, qui la surestime d'un ordre de grandeur12. Bien que certains auteurs9,13 proposent d'autres approches analytiques améliorées ou des variations de l'équation de Moens-Korteweg, les erreurs d'approximation sont encore loin d'être acceptables compte tenu des pics de résonance étroits.

La direction du flux dans notre configuration de banc d'essai atmosphérique en boucle ouverte ne semblait pas dépendre de la fréquence, car aucun flux inverse n'a été observé dans le balayage de fréquence effectué. Bien que la direction d'écoulement dépendant de la fréquence dans le pompage asymétrique sans valve ait été rapportée2,8,18, cela peut être le résultat de différences significatives dans la géométrie et les conditions aux limites telles que les boucles fermées ou les actionneurs à piston. Déterminer dans quelles conditions aux limites un flux unidirectionnel est atteint serait d'une importance vitale pour les applications d'assistance extravasculaire.

Les travaux futurs porteront sur l'effet de la variation de la longueur totale du tube, des rapports de longueur de refoulement sur aspiration et de la tête d'aspiration sur la fréquence de résonance et les performances. Pour l'assistance au pompage extravasculaire, la pompe sans valve serait couplée à un système plus large fonctionnant dans des conditions variables14. La bande passante étroite du pic de résonance met en évidence l'importance cruciale de la compression à la fréquence de résonance. Nous avons réalisé un réglage de fréquence en ligne au moyen d'un débitmètre à ultrasons. Cependant, d'autres techniques de détection moins invasives pourraient être développées pour des applications cliniques. Les capteurs optiques (tels que les moniteurs de fréquence cardiaque au poignet) ou les manomètres intégrés semblent être des techniques prometteuses. La pompe asymétrique a affiché un pompage réussi en augmentant la pression de refoulement et le débit. Le mode de réalisation actuel est capable de pomper dans une plage adaptée à l'assistance circulatoire pédiatrique avec des pressions < 30 mmHg (environ 41 cm H2O) et des débits d'environ 1 L/min qui correspondent aux conditions physiologiques20. Les paramètres opérationnels et le mode de réalisation de la pompe seront encore affinés et optimisés pour faire face à différentes conditions hémodynamiques à l'avenir. La fréquence de résonance est physiologiquement compatible (0,5–2,5 Hz)12.

En conclusion, l'étude suggère que le pompage asymétrique pur est une technologie prometteuse à utiliser dans les dispositifs d'augmentation du débit extravasculaire. Bien qu'un raffinement soit nécessaire avant la traduction clinique, les résultats préliminaires sont encourageants et la technique présente des avantages considérables par rapport aux autres techniques de pompage sans valve, y compris le pompage péristaltique et par impédance. Le pompage asymétrique est mécaniquement plus simple que les autres options et n'induit pas de flux inverse aux fréquences de compression physiologiques, une considération importante pour une utilisation dans l'augmentation du flux sanguin extravasculaire.

Les données expérimentales seront disponibles sur demande, veuillez contacter l'auteur correspondant à [email protected].

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Les auteurs tiennent à remercier la Junta de Castilla y León pour le financement de ce travail dans le cadre du programme "Subvenciones del programa de apoyo a proyectos de investigación financiados por fondos FEDER", numéro de projet VA182P20 et un programme MISTI-Spain La Caixa 2019.

Département d'ingénierie énergétique et de mécanique des fluides et ITAP, Université de Valladolid, Paseo del Cauce 59, 47011, Valladolid, Espagne

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

Institute for Medical Engineering and Science, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 02139, États-Unis

M. Horvath & ET Roche

Département de génie mécanique, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 02139, États-Unis

ET Roche

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MG a élaboré l'idée et conçu le travail expérimental, JAM-F. créer tous les logiciels utilisés et l'électronique, JAM-F avec CB-CJA et FC a construit l'installation et acquis toutes les données, J. SP, conceptualisé, analysé et interprété les données, ETR et MH ont interprété les données. et ETR, TP et JS-P. édité le manuscrit.

Correspondance à J. Sierra-Pallares.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Anatol, J., García-Díaz, M., Barrios-Collado, C. et al. Étude expérimentale d'une pompe sans valve asymétrique pour élucider les stratégies d'augmentation du débit extravasculaire pédiatrique. Sci Rep 12, 22165 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26524-0

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Reçu : 15 juin 2022

Accepté : 15 décembre 2022

Publié: 22 décembre 2022

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

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