Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в России смертность от сердечно-сосудистых заболеваний составляет более 50% от общей смертности. При ишемической болезни сердца и дилатационной кардиомиопа-тии единственным методом лечения является пересадка сердца, широкому внедрению которого препятствует трудность подбора донорского сердца. В связи с этим, одним из основных направлений применения аппаратов искусственного сердца (ИС) является его использование в качестве так называемого «моста» к трансплантации сердца. Это означает, что ИС берет на себя функцию естественного органа и поддерживает адекватную гемодинамику у больных на период их нахождения в листе ожидания.
Кроме того, существует категория пациентов, у которых применение систем ИС является единственным способом продления жизни. К ним относятся пациенты, которые имеют сопутствующие заболевания, являющиеся противопоказаниями к трансплантации сердца, и не могут быть реципиентами.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями российских и зарубежных ученых в разное время занимавшихся проблемой создания ИС пульсирующего типа, в частности, В.П. Демиховым, В.И. Шумаковым, В.Е. Толпекиным, Т. Akutsu, D. Liotta, R. Jarvik и другими, доказана возможность создания и успешного клинического применения данных систем.
Получение качественно новых характеристик систем механической поддержки кровообращения возможно путем создания систем обхода левого желудочка сердца на основе мехатронного модуля (ММ). Данные системы были разработаны в России (ФГБУ «ФНЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова», МАИ-РЭЛМА, ВлГУ) и за рубежом (Hershey Medical Center, США). Результатом такой компоновки является значительное снижение массы и габаритов устройства, значительное упрощение сборки и монтажа за счет высокой встраиваемости его элементов, причем не только электронных компонентов, но и силовых узлов - электрических машин и механических передач. Все перечисленные факторы позволяют приблизить массу и габариты разрабатываемых систем к параметрам естественного сердца.
Однако, указанные системы берут на себя лишь часть насосной функции естественного сердца. Поэтому, рассматриваемая в диссертации задача по созданию отечественных имплантируемых систем ИС, обеспечивающих полное замещение насосной функции сердца на базе ММ, является чрезвычайно актуальной.
Целью работы является повышение эффективности работы систем ИС пульсирующего типа за счет создания методики проектирования элементов ММ.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ динамики ММ искусственного сердца. На основе проведенного анализа сформулировать энергетические требования к ММ искусственного сердца;
провести анализ изменения гидродинамических характеристик во время работы ММ искусственного сердца пульсирующего типа, который позволит создать конструкцию искусственного желудочка сердца (ИЖС) для работы без образования тромбов и допустимым индексом гемолиза;
провести экспериментальные исследования с целью проверки работоспособности и удовлетворения МТТ, предъявляемым к системам ИС;
разработать инженерную методику проектирования ММ ИС, удовлетворяющего условиям имплантации и длительно замещающего насосную функцию естественного сердца, отвечающего заданным гидродинамическим свойствам имплантируемой системы ИС и МТТ.
Методы исследований. Поставленные задачи решались на основе теории математического моделирования физических процессов гидродинамики с использованием теории дифференциальных уравнений и численных методов, методов компьютерного моделирования и проектирования, а также методов определения и исследования гидродинамических характеристик с использованием программных комплексов {Pro/Engineer, ANSYS, MATLAB, Lab VIEW).
Научная новизна работы заключается в следующем:
- математическая модель динамики ММ искусственного сердца пульси
рующего типа и ее динамические характеристики;
- математическая модель гидродинамики ММ искусственного сердца
пульсирующего типа;
- методика проектирования ММ искусственного сердца с заданными гид
родинамическими свойствами, удовлетворяющего МТТ, предъявляемым к
системам ИС.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработана и спроектирована конструкция ИЖС с заданными гидродинамическими свойствами для ММ искусственного сердца;
создан опытный образец системы ИС, защищенный патентом РФ на полезную модель № 104461.
Реализация результатов. Полученные результаты использовались при разработке и изготовлении ряда конструкций имплантируемых систем ИС и вспомогательного кровообращения по заказу ФГБУ «ФНЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова» Минздравсоцразвития РФ, г. Москва.
Результаты работы использованы при выполнении ряда госбюджетных НИР: ГБО-655 «Теоретические и экспериментальные исследования имплантируемых мехатронных систем вспомогательного кровообращения и искусственного сердца пульсирующего типа»; ГБО-657 «Теоретические основы синтеза автономных мехатронных систем искусственного сердца
пульсирующего типа»; ГБ-461 «Разработка теории и методов проектирования мехатронных приводов и технологической оснастки для создания гемосовместимых искусственных желудочков сердца».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
IX Международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Суздаль, 2010 г.);
III Международная конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» 4- 8 октября 2010 г. Суздаль;
II ПРИМАКОВСКИЕ ЧРЕНИЯ, ФНЦ РИО им. ак. В.И. Шумакова» Мин-здравсоцразвития РФ, г. Москва (2011 г.);
V съезд трансплантологов, ФНЦ РИО им. ак. В.И. Шумакова» Мин-здравсоцразвития РФ, г. Москва (2010 г.);
I Межвузовская Конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Молодая мысль: Наука. Рехнологии. Инновации» 17-19 марта 2009 г. г. Братск.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ в журналах и сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций, в том числе 5 в журналах из Перечня ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ; получен патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложения. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, включая приложения, и содержит 78 рисунков и графиков, 17 таблиц, а также список литературы из 93 наименований. Приложение содержит акты внедрения результатов работы на 2 страницах.
