Введение к работе
Актуальность темы. В современной медицине одной из актуальных задач является создание перфузионных систем, в частности, для экстракорпорального кровообращения и для проведения перфузий и инфузий биологических жидкостей, различных лекарственных препаратов и растворов с возможностью обеспечения точности дозировки и контроля процесса.
Перфузионные насосы нашли применение в лечебных учреждениях, лабораториях и научно-исследовательских центрах, фармацевтических предприятиях. Аппараты циркуляции используются для проведения экстракорпоральных методов лечения, таких как гемосорбция, плазмаферез, плазмосорбция, ликворосорбция, ликворофильтрация, ультрафильтрация, реинфузия крови и т.д. В разные годы такими учеными, как В. И. Шумаков, В. Е. Толпекин, И. А. Гуськов, Г. П. Иткин, А. Е. Куваев, А. А. Писаревский, В. И. Севастьянов, Е. Ш. Штенгольд, А. Я. Кормер, С. П. Драгачев, В. Н. Еремин, В. П. Демихов и другими проводились исследования разнообразных медицинских приборов и устройств, использующих в своем составе различные виды биологических жидкостей.
В медицине для перекачки и циркуляции крови наибольшее применение получили шланговые насосы перистальтического действия. В таких насосах перекачивание жидкости осуществляется за счет вращающихся роликов, прижимающих кровеносные шланги к внутренней цилиндрической поверхности. При деформировании упругоэластич- ных шлангов со стороны роликов прилагается весьма значительное усилие, распределение которого по сечению шланга неравномерно вследствие механических неточностей и неодинаковых условий взаимодействия, что приводит к травме форменных элементов крови, особенно при длительном функционировании насоса.
В связи с этим перспективным направлением является использование упругих магнитожидкостных элементов для создания низконапорных клапанов и электрогидравлического насоса. Подтверждением актуальности тематики является то, что изучение физических и химических свойств магнитных жидкостей, а также их реакции на воздействие электромагнитного поля в настоящее время является одним из приоритетных направлений научных исследований. При использовании магнитной жидкости в упругой оболочке в качестве рабочего органа клапанов и насоса возникает задача разработки способов и средств электромагнитного управления. При этом бегущее электромагнитное поле создается последовательным включением секций катушки индуктивности, управляемых микроконтроллерной системой. Система обладает спецификой, которая заключается в улучшении качественных показателей крови (снижение травматики формообразующих элементов) за счет замены трения скольжения в перекачивающем устройстве на трение качения.
При перекачивании существует возможность получения реологического эффекта, т.е. увеличения текучести крови или другой биологической жидкости под воздействием магнитного поля. Биологические жидкости обладают магнитной восприимчивостью и под воздействием электромагнитного поля могут приобретать новые свойства и изменять такие параметры, как: плотность, вязкость, прозрачность, теплопроводность, электрическую проводимость, адсорбцию, скорость химических реакций, текстурирование, текучесть, растворяющую способность, активность кислорода и других газов, скорость прохождения звука, рН, биологическую активность, энергоемкость, бактерицидность, поверхностное натяжение. Большой перечень восстановленных после омагни- чивания свойств такой биологической жидкости, как кровь, может в значительной степени нормализовать всю систему кровообращения.
Решение задачи управления циркуляцией биологической жидкости является актуальной не только в области медицины, но и в промышленности, где возникают особые требования к транспортировке жидкости без гидравлических ударов (например, в случае работы с агрессивными или взрывоопасными жидкостями).
Целью работы является разработка модели и средств электромагнитного управления магнитожидкостными элементами для осуществления циркуляции биологических жидкостей, обеспечивающих уменьшение их травматичности в системах медицинского назначения.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
-
анализ существующих генераторов распределенных электромагнитных полей, выявление их недостатков и обоснование конструкции генератора электромагнитного поля для циркуляции биологических жидкостей посредством воздействия на магнитожидкостные элементы;
-
разработка способа электромагнитного управления магнито- жидкостными элементами для осуществления циркуляции биологических жидкостей в системах медицинского назначения;
-
построение математической модели электромагнитного управления магнитожидкостными элементами для перекачки биологических жидкостей;
-
обоснование структуры системы управления электромагнитным приводом, обеспечивающим заданные режимы функционирования электрогидравлического пульсатора и клапанов аппаратов циркуляции биологических жидкостей;
-
экспериментальное подтверждение целесообразности использования электромагнитного управления электрогидравлическим насосом и клапанами с магнитожидкостными элементами;
-
формулировка рекомендаций к внедрению разработанного принципа циркуляции биологических жидкостей в отделениях реанимации, пунктах переливания крови медицинских учреждений, в различных системах дозирования (фармацевтические предприятия, лаборатории, промышленные отрасли), а также в учебном процессе.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на базе физических основ синтеза пространственно-распределенных электромагнитных полей, теории дифференциальных уравнений в частных производных для описания магнитных полей. Экспериментальные исследования электромагнитной управляющей оболочки проведены с использованием средств микропроцессорного управления, электротехнических измерений и видеосъемки.
Научная новизна:
-
-
Разработан способ управления принципиально новыми магнитожидкостными элементами аппарата циркуляции биологических жидкостей с целью снижения гемолиза путем уменьшения травматических факторов при перекачивании их в системах медицинского назначения.
-
Обоснована модель с максимальной крутизной характеристики управления магнитожидкостными рабочими органами, базирующаяся на анализе взаимодействия перекрестных управляющего электромагнитного и гидродинамического полей с упругим элементом, заполненным магнитной жидкостью.
-
Предложена математическая модель процесса электромагнитного управления аппаратами циркуляции биологической жидкости в системах медицинского назначения.
-
Разработана микроконтроллерная система управления, регулирующая производительность электрогидравлического насоса, осуществляющего перекачивание биологической жидкости без гидравлических ударов.
Практическая значимость и реализация результатов
Научные и практические результаты использованы в плановых госбюджетных научно-исследовательских работах 2008-2012 гг., выполняемых на кафедре «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники, технологии и управления (филиал) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина» по направлению «Векторно-энер- гетический анализ и синтез электромагнитной генерирующей оболочки».
Разработанная система управления электромагнитной генерирующей оболочкой рекомендована к внедрению на предприятиях: филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Балаковская атомная станция», ОАО «Волжский дизель им. Маминых», ОАО «Балаково-атом- энергоремонт».
Экспонат «Электромагнитная управляющая оболочка для магни- тожидкостных регулирующих элементов» был представлен на шестой специализированной выставке «Образование, карьера, занятость-2012» (г. Саратов, Выставочный центр «Софит-Экспо») и прошел маркетинговую рыночную экспертизу с положительными экспертными оценками, что подтверждено соответствующим сертификатом.
Разработанный экспериментальный стенд, демонстрирующий принцип действия аппарата искусственного кровообращения на основе электромагнитного управления перекачиванием биологических жидкостей, используется в учебном процессе.
На защиту выносятся:
-
-
-
Теоретическое и конструктивное обоснование системы электромагнитного управления циркуляцией биологических жидкостей в системах медицинского назначения, способствующей снижению травматики формообразующих элементов за счет замены трения скольжения в перекачивающем устройстве на трение качения.
-
Математическая модель процесса управления магнитожидкост- ным элементом электрогидравлического насоса с учетом воздействия электромагнитного поля на его поверхность.
-
Методика расчета электромагнитного поля для управления циркуляцией биологической жидкости, позволяющая увеличить крутизну характеристики управления магнитожидкостным элементом.
Достоверность полученных результатов обусловлена непротиворечивостью и полнотой исходных предпосылок, корректным использованием аналитических и расчетных методов, сопоставимостью результатов теоретического исследования и моделирования с экспериментальными данными.
Апробация результатов исследования. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкостей» (Санкт-Петербург, 2009, 2012); XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24 ШМУ-16 и программы У.М.Н.И.К. (Саратов, 2011); межвузовской российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Балаково, 2009-2011).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 20 статьях и тезисах докладов, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Общий объем составляет 201 страницу, работа содержит 81 рисунок, 21 таблицу, список литературы, включающий 104 наименования.
Похожие диссертации на Средства электромагнитного управления циркуляцией биологических жидкостей
-
-
-
