Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор существующих методов и принципов вспомогательного кровообращения 13
1.1. Обзор методов вспомогательного кровообращения, классификация существующих типов АВК 13
1.1.1. Классификация методов механической поддержки кровообращения 13
1.1.2. Шунтирование желудочка сердца 14
1.2. Основные проблемы управления роторными насосами (РН) 17
1.3. Обзор принципов получения информации о параметрах работы АВК на базе насосов роторного типа и о состоянии сердечнососудистой системы 26
1.3.1. Прямое измерение напора и расхода 26
1.3.2. Косвенное измерение напора и расхода 27
1.3.3. Определение частоты сокращений естественного сердца, индекса пульсаций, индекса пульсационного отношения 30
1.4. Обзор систем управления АВК на базе насосов роторного типа 32
1.5. Медицинские биотехнические системы 34
Выводы 36
Глава 2. Разработка теоретических основ биотехнической системы кровообращения 38
2.1. Постановка задачи разработки биотехнической системы 38
2.2. Обзор математических моделей системы кровообращения 40
2.3. Общая структура математической модели системы кровообращения человека 44
2.4. Исследование модели СК 48
2.4.1. Организм без нарушений СК в состоянии покоя 49
2.4.2. Организм без нарушений СК при физической нагрузке различной интенсивности 51
2.4.3. Стимуляция сердца при помощи ЭКС (состояние покоя) 54
2.4.4. СН (состояние покоя) 55
Выводы 57
Глава 3. Исследование биотехнической системы кровообращения 58
3.1. Общие положения по применению роторных насосов в поддержке системы кровообращения 58
3.2. Описание используемого центробежного насоса крови 59
3.3. Описание используемого осевого насоса крови 61
3.4. Экспериментальное определение характеристик насосов 64
3.4.1. Описание экспериментального комплекса 64
3.4.2. Исследование расходно-напорных характеристик центробежного насоса 67
3.4.3. Исследование расходно-напорных характеристик осевого насоса 73
3.4.4. Исследование гидравлического сопротивления подводящих каналов насоса 79
3.5. Косвенное измерение параметров БТС кровообращения 82
3.5.1. Измерения тока и скорости вращения рабочего колеса РН 83
3.5.2. Косвенные измерения напора и расхода РН 84
3.5.3. Косвенные измерения ЧСС 93
3.5.4. Определение критических режимов работы АВК и степени поддержки СК 95
3.5.5. Определение ударного объема и объемного кровотока 97
3.6. Управление БТС 99
Выводы 103
Глава 4. Реализация и тестирование биотехнической системы кровообращения 105
4.1. Исследование объединенной модели БТС 105
4.1.1. СН (состояние покоя, бодрствование) 105
4.1.2. СН (состояние сна) 107
4.1.3. СН (состояние легкой физической нагрузки) 108
4.1.4. Стимуляция сердца при помощи ЭКС (состояние покоя и легкой физической нагрузки) 109
4.2. Реализация БТС кровообращения 111
4.2.1. Аппаратное обеспечение БТС 111
4.2.2. Программное обеспечение БТС 113
Выводы 116
Общие выводы 117
Список литературы 119
Приложение 131
- Обзор принципов получения информации о параметрах работы АВК на базе насосов роторного типа и о состоянии сердечнососудистой системы
- Общая структура математической модели системы кровообращения человека
- Исследование расходно-напорных характеристик центробежного насоса
- Стимуляция сердца при помощи ЭКС (состояние покоя и легкой физической нагрузки)
Введение к работе
Актуальность проблемы: Заболевания сердечно-сосудистой системы являются наиболее распространенными среди всех остальных. Хроническая сердечная недостаточность является одной из основных причин заболевания и смерти в промышленно развитых странах. В США этот диагноз ставится у 6-10% лиц старше 65 лет. Ежегодное количество смертных случаев и госпитализаций из-за хронической сердечной недостаточности устойчиво увеличивалось за прошлое десятилетие, достигнув почти 900000 госпитализаций и 300000 смертных случаев в год. Ожидается, что со старением населения доля хронической сердечной недостаточности среди общего количества больных людей будет увеличиваться с каждым годом [32].
Статистические данные о заболеваемости и смертности от хронической сердечной недостаточности в России за конец 1990-х - начало 2000-х отсутствуют. По заявлению директора НЦ сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева РАМН Л.А. Бокерия, на 2007 г. 23 млн. россиян страдают от сердечно-сосудистых заболеваний [88], а смертность ежегодно составляет 1.3 млн. человек [78, 4].
Несмотря на большие успехи в развитии новой лекарственной базы в последнее десятилетие, смертность из-за сердечно-сосудистых заболеваний по-прежнему очень высока. Особенно остро обстоит дело с лечением тяжелых форм сердечной недостаточности (СН). И сегодня на терминальной стадии сердечной недостаточности основной эффективной мерой лечения является трансплантация сердца.
Однако дефицит донорских органов делает практически невозможным оказание помощи всем больным, нуждающимся в подобной операции. Посчитано, что в США ежегодно требуется трансплантация 20,000 пациентов, в то время как возможности получения донорского сердца ограничиваются 2000 [32]. Как следствие 90% пациентам не может быть
7 проведена трансплантация сердца.
В настоящее время период ожидания донорского сердца может быть увеличен за счет двухэтапнои операции по замене сердца с помощью систем искусственного сердца (ИС) или вспомогательного кровообращения (ВК) [32]. В течение проведения ВК состояние пациента может стабилизироваться и даже улучшиться.
Применение ВК в необходимых количествах позволяет исключить иммунносупресиго и отторжение и может обеспечить помощь потенциально практичесіш неограниченному количеству пациентов, которые могли бы умереть, не дождавшись донорского сердца. Кроме того, многие пациенты, страдающие СН и отвечающие на фармакологическую терапию, также могли бы быть излечены от болезни. Эти группы включают пациентов, подвергшихся кардиогенному шоку после сердечной хирургии и инфарісга миокарда. Они составляют 2-10% от всех пациентов, которые подверглись хирургии на открытом сердце. ВК помогает насосной функции сердца, снижая нагрузку на левый желудочек сердца (ЛЖ), и обеспечивает достаточный кровоток для гарантированной адекватной перфузии органов и тканей. Временное подключение аппарата вспомогательного кровообращения (АВК) позволяет в 25% случаев восстановить сердечную деятельность, и впоследствии отключить его [53].
Кроме того, возможно восстановление миокарда после продолжительного ВК у пациентов с конечной стадией СН. Это подтверждает, что ВК не только стабилизирует пораженный миокард, но также становится альтернативной терапией для лечения СН, длительная работа ВК способствует восстановлению сократительной способности собственного миокарда, что позволяет в конечном итоге отключить от организма вспомогательный насос без необходимости проведения второго этапа - пересадки сердца [45].
Если на первых этапах решения проблемы двухэтапнои пересадки сердца использовались достаточно громоздкие системы искусственного
8 сердца и ВК, которые исключали использование этих систем вне стен іслиники, то на данной стадии развития техники появились достаточно компактные и эффективные системы, которые могут обеспечить для пациента условия жизни, близіше к нормальным (нахождение вне іслиники и полная подвижность, благодаря компактности и автономности системы). Но применяемые в клинической праісгике устройства не имеют биологической обратной связи (БОС) - их принцип управления основан на поддержании постоянного режима работы привода на уровне, определяемом оператором, который может не соответствовать текущим потребностям организма.
Аппараты такого типа должны разрабатываться на основе принципов биотехнических систем (БТС) - объединяющих живой организм и техническое устройство — обеспечения согласования биологических объектов с техническими компонентами, управление техническими средствами в соответствии с потребностями живых систем [3, 30].
В связи с трудностями исследования работы насосного устройства на животных и пациентах, возникает задача анализа работы аппарата при помощи математического моделирования в широком диапазоне изменений внешних условий.
Среди существующих математических моделей системы кровообращения можно отметить модели Н.М.Амосова, J.Beneken, De Wit, Ю.В.Солодянникова. Отказ от использования этих моделей обусловлен тем, что модель Н.М.Амосова имеет непульсирующий характер, модель J.Beneken и В. De Wit не включает в себя нейро-гуморальный контур управления, динамические реакции модели Ю.В. Солодянникова в ответ на ряд физиологических возмущений не соответствуют реальным данным.
С 2004 года сотрудниками Московского авиационного института и Научно-исследовательского института трансплантологии и искусственных органов ведутся совместные работы по исследованию аппарата вспомогательного кровообращения на базе роторных насосов крови и
9 разработіш системы управления, математического и программно-алгоритмического обеспечения для его функционирования.
Цель работы: Разработка и исследование биотехнической системы мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови для повышения качества жизни пациентов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
определить рабочие характеристики используемых роторных насосов крови;
разработать структуру биотехнической системы мониторинга и управления;
разработать комплексную модель биотехнической системы, включающую математические модели системы кровообращения и аппарата вспомогательного кровообращения на базе роторного насоса;
разработать алгоритмы косвенного определения расходно-напорных параметров аппарата вспомогательного кровообращения и гемодинамических параметров системы кровообращения организма;
на основе разработанных алгоритмов создать систему управления аппаратом вспомогательного кровообращения;
оценить метрологические характеристики измерительного модуля биотехнической системы.
Методы исследований: поставленные задачи решались с использованием теории математического моделирования, теории биотехнических систем, методов цифровой обработки сигналов.
Научная новизна работы:
- разработана биотехническая система мониторинга и управления
вспомогательным роторным насосом крови, использующая метод
10 косвенных измерений для определения гемодинамических параметров организма и текущего состояния насоса;
разработана система управления аппаратом вспомогательного кровообращения, регулирующая производительность насоса крови при изменении физиологического состояния организма и функционального состояния сердца;
синтезирована уточненная математическая модель биотехнической системы, включающая систему кровообращения человека и вспомогательный насос крови, разработанная с использованием результатов экспериментальных исследований и позволяющая оценить эффективность алгоритмов измерения и управления.
Объект исследования: система механической поддержки кровообращения.
Предмет исследования: измерительно-управляющая система аппарата вспомогательного кровообращения на базе роторного насоса крови.
Практическое значение работы:
использование разработанной биотехнической системы в клинико-экспериментальной практике после проведения комплекса испытаний;
применение косвенных методов измерений позволит оценивать работу биотехнической системы при изменении состояния пациента и предупреждать о возможных неполадках в системе и методах устранения их;
использование математической модели СК в качестве обучающей системы для студентов в учебном процессе кафедры 901 МАИ для подготовки инженеров по медицинской технике.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием методов теории биотехнических систем, методов цифровой обработки сигналов, а также тщательным тестироваїшем разработанных алгоритмов при помощи математического моделирования и лабораторных экспериментов.
Внедрение: Результаты диссертационной работы использованы при разработке аппарата вспомогательного кровообращения в Научно-исследовательском институте трансплантологии и искусственных органов РФ, что подтверждается соответствующим актом. Разработанные модели СК и АВК прошли процедуру регистрации в ФГУ ФИПС (Роспатент), что подтверждается соответствующими свидетельствами [43, 44].
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 3 в изданиях, зарегистрированных ВАК РФ.
Структура работы:
В первой главе приведен обзор существующих АВК, их классификация, обзор принципов управления АВК и получения информации об их текущем состоянии. Дано обоснование необходимости разработки нового АВК с использованием биологической обратной связи.
Во второй главе разработана БТС поддержки кровообращения и представлена ее математическая модель.
В третьей главе проведена идентификация БТС кровообращения для используемых РН, исследованы алгоритмы получения косвенным методом информации о состоянии АВК и организма человека, алгоритма управления АВК.
В четвертої! главе проведено исследование БТС поддержки кровообращения, реализовано аппаратное и программное обеспечение БТС.
Автор выражает глубокую благодарность руководителям работы -заведующему сектором искусственного сердца и вспомогательного кровообращения НИИТ и ИО к.т.н., д.б.н., профессору Иткину Г.П. и заведующему кафедрой «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы» МАИ к.т.н., доценту Осипову В.Г.
12 Часть представленного исследования выполнена на базе лаборатории вспомогательного кровообращения и искусственного сердца НИИТ и ИО. Автор признателен сотрудникам лаборатории ВК и ИС за помощь при проведении стендовых экспериментов.
Обзор принципов получения информации о параметрах работы АВК на базе насосов роторного типа и о состоянии сердечнососудистой системы
В течение многих лет многие исследовательские группы пытались использовать в имплантируемых устройствах прямое измерение давления с контактом с кровью. В работе [55] описан прототип имплантируемого датчика для измерения давления на входе и выходе насоса. Датчик встроен в изогнутую стенку круглой канюли и, следовательно, мало был подвержен образованию тромбов. Авторы сообщали о малом дрейфе и отсутствии тромбов при проведении острых экспериментов. В другой работе [72] авторы представили датчик давления, установленный на входе и выходе экстракорпоральной трубки насоса с магнитной подвеской. Они сообщали о 10% ошибке при испытаниях устройства in vivo в течение 4 дней. Тем не менее, получить более длительную и надежную информацию о перепаде давления на входе и выходе насоса не удается.
Поэтому усилия большинства разработчиков имплантируемых роторных насосов направлены на получение исходной информации об основных параметрах работы насоса косвенными методами.
Одним из способов решения проблемы косвенной оценки параметров работы насоса состоит в предварительном получении на гидродинамическом стенде расходно-напорные характеристики насоса при различных скоростях вращения двигателя со. Затем кривые аппроксимируют соответствующими уравнениями. Для центробежного насоса Terumo Capiox [65], работающего как артериальный насос в системе сердечно-легочного обхода, авторы определили, что где кь к2 - коэффициенты пропорциональности, со - скорость вращения ротора двигателя, F - расход, АР - напор. Первый успешный метод вычисления расхода насоса (F pump) нашли [58, 89] в стендовых экспериментах с кровью при гематокрите Hct 21-42% и соответствующей ему вязкости 2.5 - 5.1 сР. Они показали, что Fpump может быть вычислен на основании оценки мощности двигателя W, ю и Hct. F Pump был линейно зависим с W при всех Hct, но F pump варьировался с Hct при одних значениях W и со. Позже Y. Wakisaka с соавт. вычислили общий кровоток F [74] в организме при проведении длительных имплантаций насоса (свыше 40 дней) по формуле: где Т-температура тела. Вычисленная зависимость F была линейна по отношению к измеренным значениям с ошибкой 0.5 л/мин в пределах от 2.3 до 8.1 л/мин. Данные вычисления Fpump из измерений со, Ар получали из расходно-напорных кривых насоса. Kitamura с соавт. [90] при исследованиях возможности косвенного определения переменных центробежного насоса Terumo, подключенного по схеме «левое предсердие-аорта», составили систему уравнений, описывающих: Модель артериального резервуара уравнения Франка: где ДР - перепад давления левое предсердие-аорта, F - расход насоса, Fh -сердечный выброс, R - общее периферическое сопротивление, С -эластичность аортального резервуара. Модель центробежного насоса: где со - скорость вращения импеллера насоса, ср -инерционность входной и выходной канюли и сі, с2, к2- параметры, зависящие от вязкости. и модель двигателя: где I - ток двигателя, J - инерция вращающихся частей, Сз, с4 - параметры, зависящие от вязкости, и TR - константа момента двигателя. Затем в испытаниях на стенде, заполненным смесью глицерина с водой, коэффициенты (Кі, Сі) были определены при разных значениях вязкости. При этом Сі, Сз были линейной функцией кинематической вязкости как в пределах изменения вязкости v =2-4 сР. При этом другие параметры уравнений от вязкости не зависели. A. Funakibo с соавт. [77] вычисляли среднее значение Fpump и Ар для ЦН Kyocera С1ЕЗ по измерению скорости и момента. В их модели Fpump было функцией Imotor и со, а Ар функцией только со. Разные коэффициенты были необходимы для вязкостей 2,3 и 4 сР. Вычисленное Fpump отличался от измеренного на 2% в среднем и на 0.56 л/мин максимум. Вычисленное Ар отличалось от измеренного на 5.8% и максимум на 30.7 мм.рт.ст. В эксперименте с центробежным насосом Ауге с соавт. [60] перепроверили алгоритм вычислений на непульсирующем и пульсирующем гидродинамическом стенде при гематокрите Hct 30% на крови и на 18% растворе глицерина с водой (ц=2.5 сР). Средний расход вычисляли по уравнению: при этом величины со и W усредняли по нескольким циклам. Другое направление вычисления Ар и Fpump было реализовано при разработке центробелшого насоса (фирма Levitronics) и осевого насоса Гпсог (фирма Berlin Heart AG) на магнитной подвеске ротора. Для этого Schmid С. с соавт. использовали датчик положения ротора. Положение ротора менялось при изменении Ар, менялся ток, требуемый для поддержания ротора в среднем положении, и при анализе изменения тока рассчитывался напор насоса. Зная скорость оборотов ротора и расходо-напорные характеристики, вычислялась производительность насоса Fpump [71, 76]. Этот же принцип был использован в осевом насосе с магнитной подвеской MagneVAD [79]. Как и в случае получения усредненных переменных насоса, метод определения мгновенных значений расхода и перепада давления на насосе также основан на экспериментально полученной зависимости между производительностью насоса, потребляемой двигателем насоса мощностью и угловой скоростью вращения рабочего колеса насоса.
Общая структура математической модели системы кровообращения человека
На первом этапе рассмотрим статические характеристики системы кровообращения. Как известно, статической характеристикой называется зависимость между параметрами системы в установившемся режиме. Для СК в качестве статической характеристики можно рассматривать связь между кровотоком и давлением на входе ЛЖ, определяющую насосную функцию ЛЖ. Для РН, используемого в составе системы вспомогательного кровообращения, статической характеристикой является зависимость между расходом перекачиваемой насосом жидкости и создаваемой им разностью давлений, называемая расходно-напорной характеристикой.
Количественная оценка статической характеристики сердца выполнена с помощью такого параметра, как насосный индекс левого желудочка сердца (НИЛЖ) [28, 29]. Этот индекс отражает действие закона Старлинга, который отражает почти линейную при НИЛЖ = const, зависимость кровотока из вен в артерии через левое сердце от венозного давления и функционального состояния соответствующего желудочка. Можно записать (2.1): Рв - венозное давление, мм рт.ст.; BSA - площадь поверхности тела, м . НИЛЖ часто используется как усредненный за несколько секунд параметр, и, так как венозное давление является слабопульсирующим, можно сказать что НИЛЖ характеризует средний кровоток, создаваемый ЛЖ.
Согласно исследованиям, которые провел В.А. Лнщук [28, 29], НИЛЖ зависит от свойств сердца (или левого желудочка), определяющего его насосную функцию (2.2): где Т — период сокращения, т - длительность фазы сокращения, ес -жёсткость миокарда во время систолы, отражает сократимость, ед — жёсткость миокарда во время диастолы, отражает диастолическую активность, р — проводимость клапана, UTC- тонус систолический, итд — тонус диастолический.
Оценка динамических характеристик СК представлена в исследовании Ван Цзыси [5]. Согласно приведенным результатам, передаточная функция сердца организма человека в упрощенном виде может быть представлена через апериодическую функцию первого порядка с запаздыванием (2.3): где т = 3.2 с — постоянная времени; 9 = 1.6 с -чистое запаздывание;
Но, т.к. запаздывание определяется временем реакции участника эксперимента на подаваемые сигналы, для данного исследования передаточную функцию (2.3) можно переписать в следующем виде:
Описываемая модель СК относится к классу моделей сердечного выброса. Функциональная схема регуляции сердечно-сосудистой системы составлена согласно физиологии системы кровообращения, рассмотренной в работах [1, 7, 22,48, 51] и др.
При разработке математической модели системы кровообращения человека использовались следующие допущения [84, 86, 95, 102]: Модель имеет сосредоточенные параметры; Большинство физических параметров модели линейны; Кровь рассматривается как Ньютоновская жидкость с постоянной вязкостью; Модель СК включает в себя только большой круг кровообращения; Все кровеносные сосуды объединены в несколько обобщенных резервуаров (артериальный, венозный и капиллярный); Сердце представлено однокамерным резервуаром (левый желудочек сердца); Длительность открытия и закрытия клапанов сердца считается бесконечно малой, регургитация (обратный кровоток) не рассматривается.
Принятые допущения и ограничения позволяют существенно упростить разветвлённую систему кровообращения, рассматривая её обобщённо. Разработанная математическая модель состоит из 6 основных блоков [73]: однокамерное сердце (левый желудочек сердца), обобщенный артериальный резервуар, обобщенный капиллярный резервуар, обобщенный венозный резервуар, блок кислородного обмена, контур нейро-гуморального управления [48].
Управляющие блоки не описывают деятельность сердца или сосудов, но влияют на работу этих органов. Резистивные блоки характеризуются входным и выходным сопротивлением, жесткостью, начальным объемом и ненапряженным объемом. Нерезистивные блоки характеризуются жесткостью, начальным объемом и ненапряженным объемом.
В модельном представлении венозный возврат крови поступает непосредственно в левый желудочек сердца. При этом активная роль предсердий опосредована через диастолическую активность желудочка. Сердечный выброс производится в артериальный резервуар большого круга.
Модели обобщенного артериального резервуара, обобщенного венозного резервуара, кислородного обмена и нейро-гуморального управления разработаны в соавторстве. Модель разработана в среде Simulink программного комплекса Matlab R2007a (Mathworks Inc.). Подробное описание модели представлено в приложении 1. Основными критериями, которым должна удовлетворять математическая модель, являются адекватность и точность [12, 52]: В общем случае под адекватностью модели понимают меру соответствия ее целей и выполняемых функций целевому предназначению моделируемого объекта [12]. Для случая математической модели адекватность может быть связана с ее эффективностью, применимостью результатов моделирования в аспекте объекта моделирования. Точность модели - это соответствие отображаемого свойства модели свойству объекта, причем мера точности может быть различной. Целью создания комплексной математической модели СК и модели АВК являлась возможность с помощью моделирования детально изучить сущность работы АВК и его влияние на систему кровообращения, а также разработка и проверка алгоритма управления АВК. Для анализа модели СК были получены результаты моделирования при следующих условиях типовых физиологических воздействий: 1. организм без нарушений СК в состоянии покоя; 2. организм без нарушений СК при физической нагрузке различной интенсивности; 3. стимуляция сердца при помощи ЭКС (состояние покоя); 4. СН (состояние покоя.
Исследование расходно-напорных характеристик центробежного насоса
Центробежный насос используется в качестве замены насосной функции сердца. Длительность обхода может быть по показаниям от нескольких часов до нескольких месяцев. Основным рабочим элементом, контактирующим с кровью, является насосная головка. Вращение рабочему колесу (импеллеру) от привода передается через магнитную муфту, выполненную на постоянных магнитах.
Задача исследования состоит в определении зависимости между противодавлением и производительностью насоса в зависимости от скорости вращения импеллера и периферического сопротивления системы.
После проведения калибровки всех датчиков, устанавливалось значение скорости вращения насоса из рабочего диапазона (500 1600 об/мин). При постоянной скорости вращения изменялось гидравлическое сопротивление для регистрации дискретных значений расхода. При этом для каждого значения расхода определялось давление на входе и выходе насоса. Измерялись значения параметров для ряда значений скорости вращения, установленных с постоянным шагом. Данные вносились в таблицы и строились графики зависимости перепада давления на насосе в зависимости от расхода для каждого значения скорости насоса. Перепад давления рассчитывался как разница между давлением на выходе и на входе насоса.
Эксперимент проводился на четырёх видах жидкости с различной вязкостью: 1. Соленая вода (необходимо для получения показаний электромагнитного расходомера)) с вязкостью (при 20 С) ц= 1,0 10-3кг м_1 с-1. 2. Водный раствор 30% глицерина с вязкостью (при 20 С) 3. Водный раствор 40% глицерина с вязкостью (при 20 С) 4. Водный раствор 45% глицерина с вязкостью (при 20 С) При этом вязкость крови составляет ц. = 4 10 кг м" с", т.е. водный раствор 40% глицерина наиболее соответствует параметрам крови.
Например, рассмотрим давление на входе насоса при п=1600 об/мин, в качестве рабочей жидкости - вода. Затем рассчитывали среднее значение и стандартное отклонение каждого измерения расхода или давления на входе и на выходе. Т.к. в качестве рабочей жидкости использовались растворы с различной степенью вязкости, то полученные результаты представлены в приложении в табл. П. 1-4. Можно выявить несколько причин, влияющих на результат измерения (рис. 3.3): прохождение сигнала через АЦП (аналого-цифровой преобразователь), использование длинных проводов, влияние расходомера, неустановившееся движение жидкости. Под влиянием этих факторов компьютер выдаёт динамическое изменение параметра. Также возможно снимать значения давления на входе и на выходе непосредственно с регистрирующего прибора. Эти данные приведены в приложении в табл. П.5-8. По полученным средним значениям для водного раствора 40% глицерина) строим характеристики ЦН (рис. 3.5). асходно-напорные характеристики насоса Расходно-напорные характеристики при различной вязкости используемой жидкости при частоте вращения ротора п=1600 об/мин представлены на рис. 3.6, числовые данные для построения графиков приведены в у естественного Для расчетной скорости вращения рабочего колеса со = 1600 об/мин и расхода насоса FPUMp = 3 л/мин чувствительность составит S = 6,12 мм рт.ст. мин/л. По сравнению с чувствительностью сердца человека, это мин мм.рт.ст. у ЦН). Но насос испытывает большие значение у ЦН значительно ниже (0,846 сердца и 0,163 мин мм.рт.ст. изменения давления, чем сердце, и функционирует преимущественно в пульсирующем режиме за счет сокращений сердца, что компенсирует низкую чувствительность. При изменении полного периферического сопротивления СК изменится рабочая точка насоса (расход, напор), и для поддержания предыдущего состояния РН или установления нового необходимо изменить скорость для перехода на требуемую характеристику. Важной характеристикой РН при использовании в качестве насоса крови является чувствительность к преднагрузке, т.е. к изменению левожелудочкового давления [92]. РН при увеличении преднагрузки повышает объем перекачиваемой жидкости. На рис. 3.8 вверху представлен расход РН, внизу давление ЛЖ, видно, что насос адекватно реагирует на изменение преднагрузки.
Стимуляция сердца при помощи ЭКС (состояние покоя и легкой физической нагрузки)
Схема изменения физической нагрузки (через потребление кислорода тканями организма) представлена на рис. 4.6. Стимуляция осуществляется на постоянной частоте сокращений 60 уд/мин. Результаты моделирования в сравнении с показателями организма без стимуляции сердца представлены на С точки зрения аппаратных составляющих, БТС включает: имплантируемую часть (насос, двигатель, соединительные элементы), три носимых блока (блок управления, основной блок аккумуляторов, резервный блок аккумуляторов) и дополнительное оборудование (компьютер, мобильный телефон). Имплантируемая часть, аккумуляторы и дополнительное оборудование используются готовые, необходимо разработать блок управления БТС поддержки кровообращения.
Блок управления представляет собой корпус, в котором размещены 2 печатные платы: «силовая» и «логическая». «Силовая» плата содержит драйвер и набор мощных транзисторов и осуществляет непосредственное управление двигателем (и насосом) через перекоммутацию его обмоток при получении сигналов от «логической» платы. На «логической» печатной плате находятся два микроконтроллера (МК), в которых запрограммированы алгоритмы проведения косвенных измерений и управления с использованием БОС. Для измерения тока используется АЦП AD7684 (Analog Devices). Его основные характеристики представлены в табл. 21.
Микроконтроллеры выбраны одной серии, Silicon Labs C8051F340. Их характеристики указаны в табл. 22. Необходимость использования двух МК вызвана вычислительной сложностью алгоритма измерений.
В качестве источника ввода информации от пользователя (врача или пациента) блок управления имеет несколько каналов: набор клавиш на корпусе блока, интерфейс USB. В качестве средства вывода информации имеются: жидкокристаллический экран на корпусе блока управления, звуковой сигнал, интерфейс USB, беспроводная сотовая сеть GSM.
Доступ в сеть сотовой связи осуществляется при помощи GSM модуля SIMCOM SIM300C. Он позволяет совершать голосовые вызовы и отправлять SMS автоматически, без участия пациента.
Для дальнейшего анализа тренды измеряемых параметров могут быть записаны на карту памяти формата Secure Digital (SD Card).
В целях снижения энергопотребления и увеличения длительности автономного использования неиспользуемые в текущий момент модули отключаются. Структура аппаратного обеспечения представлена на схеме рис. 4.8. На схеме представлены сокращения: МК - микроконтроллер; ЗУ - запоминающее устройство; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ПК - персональный компьютер; GSM - глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи; USB - последовательный интерфейс передачи данных. Программное обеспечение (ПО) БТС поддержки кровообращения можно разделить на два слоя: «нижний», реализующий алгоритмы косвенных измерений параметров БТС, управления, взаимодействия с периферийными устройствами (жидкокристаллический экран, клавиатура, USB, GSM модуль), и «верхний», в задачи которого входит отображение на экране компьютера необходимой информации и передачи измененных параметров на «нижний» слой. «Нижний» слой ПО физически размещен в блоке управления, реализован в виде кода МК C8051F340, и выполняется постоянно, пока АВК работает. «Верхний» слой существует на компьютере в среде ОС MS Windows, вызывается по мере необходимости изменить режим системы управления, отобразить на экране текущее состояние системы или записанные ранее тренды. Изображение монитора состояния, предназначенного для информирования пациента, представлено на рис. 4.9. Монитор пациента На мониторе пациента отображаются: скорость вращения рабочего колеса насоса крови, об/мин, общий кровоток, л/мин, кровоток через АВК, л/мин, частота сердечных сокращений, уд/мин, наличие или отсутствие опасных состояний и режим работы. Список возможных опасных состояний следующий: остановка АВК - скорость вращения ротора двигателя равна нулю независимо от значения напряжения питания; низкий уровень кровотока - общий кровоток соответствует СИ 2,5 л/мин/м ; ЧСС = 0 - ЧСС не удается определить в течении 30 секунд (возможна остановка сердца). При появлении этих событий кроме сообщений на экране ПК также на блоке управления включается световая и звуковая индикация. При этом БТС отправляет врачу текстовые сообщения по каналу GSM (SMS) с описанием события. После прохождения клинических испытаний, рассмотренная БТС повысит качество жизни пациентов, перенесших заболевания сердца, за счет определения необходимой на данный момент производительности АВК, и позволит улучшить условия работы врачей, предоставив им дополнительный источник информации о состоянии пациента.
