Биотехническая система мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови 05. 11. 17 Приборы, системы и изделия медицинского назначения
|
|
Скачать 230.48 Kb.
|
|
Содержание
Общая характеристика работыСодержание работы Основные результаты и выводы Основные публикации по теме диссертации К.Н. Дозоров |
|
На правах рукописи Дозоров Константин Николаевич БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ РОТОРНЫМ НАСОСОМ КРОВИ 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2009 Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете). Научный руководитель: к.т.н., д.б.н., профессор Иткин Г.П. Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Парашин В.Б. д.т.н., профессор Истомина Т.В. Ведущая организация: Московский государственный институт электронной техники (технический университет) Защита состоится "15" __апреля__ 2009 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.14 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана в зале Ученого Совета по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская улица, д. 5. Ваш отзыв в одном экземпляре просим выслать по указанному адресу. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автореферат разослан "___" ___________ 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент ________________ Самородов А.В. ^ 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, а ежегодное количество летальных исходов и госпитализаций из-за хронической сердечной недостаточности устойчиво увеличивалось за прошлое десятилетие, достигнув почти 900000 госпитализаций и 300000 летальных исходов в год. На терминальной стадии сердечной недостаточности наиболее эффективной мерой лечения является трансплантация сердца. Однако дефицит донорских органов делает практически невозможным оказание помощи всем больным, нуждающимся в подобной операции. Подсчитано, что в США ежегодно требуется трансплантация 20000 пациентов, в то время как возможности получения донорского сердца ограничиваются 2000. Как следствие, 90% пациентов не может быть проведена трансплантация сердца. В настоящее время период ожидания донорского сердца может быть увеличен за счет двухэтапной операции по замене сердца с помощью систем искусственного сердца (ИС) или вспомогательного кровообращения (ВК). ВК помогает насосной функции сердца, снижая нагрузку на левый желудочек (ЛЖ), и обеспечивает достаточный кровоток для гарантированной адекватной перфузии органов и тканей. Если на первых этапах решения проблемы двухэтапной пересадки сердца использовались громоздкие системы ИС и ВК, которые исключали использование вне стен клиники, то на данной стадии развития техники появились компактные автономные системы, которые могут обеспечить для пациента условия жизни, близкие к нормальным (нахождение вне клиники и полная подвижность). Но применяемые в клинической практике устройства не имеют биологической обратной связи (БОС), их алгоритм управления основан на поддержании постоянного режима работы привода на уровне, определяемом оператором, и может не соответствовать текущим потребностям организма (HeartMate 2, Jarvik 2000, Incor). Аппараты такого типа должны разрабатываться на основе принципов проектирования биотехнических систем (БТС): обеспечение согласования биологических объектов с техническими компонентами, управление техническими средствами в соответствии с потребностями живых систем. 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, Г.П. Иткина. Для использования в данной работе была модифицирована модель Г.П. Иткина. С 2006 года сотрудниками Московского авиационного института и Научно-исследовательского института трансплантологии и искусственных органов ведутся совместные работы по исследованию аппарата вспомогательного кровообращения (АВК) на базе роторных насосов крови и разработке системы управления, математического и программно-алгоритмического обеспечения для его функционирования. Исследования проводятся в рамках государственной программы фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, проект №7660, тема «Разработка и исследование имплантируемого роторного насоса для поддержания функции сердца». 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:
Методы исследований Поставленные задачи решались с использованием теории математического моделирования, теории биотехнических систем, методов цифровой обработки сигналов. Научная новизна работы:
Практическое значение работы:
Положения, выносимые на защиту
Апробация работы Апробация работы проведена на базе НИИ трансплантологии и искусственных органов, Московском авиационном институте. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на российских и международных научно-технических конференциях (Зеленоград, The 4th Russian–Bavarian Conference on Bio–Medical Engineering, 2008 г.) и семинарах (Алушта, Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации, 2004 г., 2006 г.; МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 г.; МАИ, 2006 г., 2007 г.). 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. Публикации По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 3 в изданиях, зарегистрированных ВАК РФ. Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 102 наименований, и приложений. Основное содержание работы изложено на 130 страницах, содержит 52 рисунка и 22 таблицы. ^ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту. В первой главе проводится обобщение данных о существующих методах вспомогательного кровообращения, рассмотрены основные направления получения информации о состоянии системы ВК с помощью косвенных измерений. Представлены варианты формирования управляющих сигналов для систем ВК, отмечены достоинства и недостатки тех или иных вариантов. Для механической поддержки кровообращения используется метод обхода левого желудочка, а именно подключение насоса по схеме «левый желудочек – аорта». В качестве насоса крови используется роторный насос (РН). В отличие от пульсирующих насосов, РН имеют следующие особенности, которые необходимо учитывать при проектировании системы управления:
Дополнительным требованием была необходимость отказаться от использования датчиков давления и потока, т.к. они снижают надежность системы в целом, необходимо использовать косвенные методы измерений требуемых параметров. Проведенный анализ существующих методов косвенных измерений расхода и напора РН крови показал, что методы получения информации о состоянии насоса построены на одних и тех же принципах – определении потребляемой мощности (или тока) и скорости вращения рабочего колеса насоса, и расчет требуемых значений. Для этого необходимы экспериментальные исследования для каждого конкретного типа насоса, т.к. величины механических и гидравлических потерь уникальны для насоса. Различия заключаются в используемых подходах – это может быть получение экспериментальной зависимости между измеряемыми и рассчитываемыми величинами или использование математических моделей, для которых экспериментально определяются коэффициенты. Результаты проведенного анализа принципов управления насосами крови свидетельствует о разнообразии подходов к управлению. Из положения, что изменение снабжения тканей организма кислородом происходит за счет изменения периферического кровотока, сделан вывод, что необходимо изменение кровотока при изменении нагрузки на СК. Соответственно, нежелательно стабилизировать расход АВК на некотором фиксированном значении. Во второй главе разработана БТС мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови и представлена ее обобщенная структура. Биотехническая система мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови разрабатывалась для оказания поддержки СК и разгрузки ЛЖ при сердечной недостаточности (СН). Предлагаемая БТС имеет следующую структуру и связи между компонентами (рис. 1). АВК состоит из следующих компонентов: бесколлекторный двигатель постоянного тока, центробежный насос, блок косвенных измерений требуемых параметров, система управления.  Рис. 1. Структура БТС Основная характеристика центробежного насоса (ЦН) (связь расхода, напора и скорости вращения рабочего колеса насоса):  , (1)где ΔPPUMP – напор, создаваемый насосом, мм.рт.ст.; FPUMP – расход насоса, мл/с; ω – скорость вращения ротора двигателя, об/с; коэффициенты K1, K2, K3 определены по результатам экспериментов с использованием метода регрессионного анализа. Для осевого насоса (ОН) основная характеристика представлена выражением (2):  , (2)где C0, C1 – постоянные коэффициенты для данного насоса, определяемые экспериментально. Бесколлекторный двигатель постоянного тока описан известным выражением (3):  , (3)где J – момент инерции, кг м2; ТМ – момент, развиваемый двигателем, Н м; B – коэффициент вязкого трения на валу двигателя, Н м с; TLOAD – момент сопротивления нагрузки, Н м. Момент сопротивления нагрузки пропорционален напору и расходу насоса, и обратно пропорционален скорости вращения рабочего колеса насоса (4):  , (4)где η – КПД насоса, отн. ед. Для управления АВК в соответствии с физиологическими потребностями организма необходима следующая информация о состоянии насоса и организма:
Для исследования алгоритмов косвенных измерений и демонстрации результатов функционирования измерительно-управляющей системы разработана математическая модель БТС, включающая систему кровообращения человека и АВК. Исходя из анализа рассмотренных моделей СК и физиологии СК, при разработке математической модели СК использованы следующие допущения:
Разработанная математическая модель БТС состоит из 7 основных блоков, ее обобщенная структурная схема представлена на рис. 2. Модели обобщенного артериального резервуара, обобщенного венозного резервуара, кислородного обмена и нейро-гуморального управления разработаны в соавторстве. В модели сердце является однокамерным и выполняет функцию левого желудочка. Полая вена (обобщенный венозный резервуар) соединена непосредственно к входу желудочка, т.к. левое предсердие в модели отсутствует. Для блоков артериального и венозного резервуаров входными параметрами являются кровоток на входе и выходе блока, а выходными – давление в данном резервуаре. Входными величинами сердца и обобщенного капиллярного резервуара являются давления на входе и выходе резервуара.  Рис. 2. Структурная схема БТС кровообращения Сердце и обобщенный капиллярный резервуар описаны следующими зависимостями для связи объема резервуара, кровотока и давления:  , (5)  , (6) , (7)  , (8)где Vi – объем i-го блока, мл; Fi_IN – кровоток на входе i-го блока, мл/с; Fi_OUT – кровоток на выходе i-го блока, мл/с; Pi – давление в i-м блоке, мм.рт.ст.; Vi_tl – ненапряженный объем i-го блока, мл; Gi – жесткость стенок i-го блока, мм.рт.ст./мл; Ri_IN – сопротивление на входе i-го блока, мм.рт.ст.с/мл; Ri_OUT – сопротивление на выходе i-го блока, мм.рт.ст.с/мл. Обобщенный артериальный и венозный резервуары описаны выражениями (5, 6). Блок кислородного обмена по заданному относительному потреблению кислорода (зависящему от физической нагрузки организма) позволяет получить кислородный долг. Целью блока нейро-гуморального управления является поддержание на необходимом уровне частоты сердечных сокращений (ЧСС) и величины артериального и венозного давлений. Вход роторного насоса подключен в ЛЖ, а выход к аорте, это представлено на рис. 2. Напор насоса определяется как разность давлений в обобщенном артериальном резервуаре и сердце:  , (9)где PA – давление в артериальном резервуаре, мм.рт.ст.; PLV – давление в ЛЖ, мм.рт.ст. Для исследования СК было проведено моделирования при следующих стандартных воздействиях (РН не подключен):
По результатам моделирования основные гемодинамические показатели модели СК (давление в артериальном и венозном резервуарах, давление в ЛЖ, минутный объем, ударный объем, ЧСС) соответствуют среднестатистическим данным. В третьей главе проведено исследование биотехнической системы кровообращения. В связи с необходимостью отказа от использования датчиков потока и давления жидкости, требуется реализовать систему косвенных измерений этих параметров. В качестве величин, подвергаемым прямым измерениям, используются потребляемый двигателем насоса электрический ток и скорость вращения ротора двигателя. Скорость вращения ротора двигателя определяется по информации об изменении состояния датчиков положения ротора (датчики, построенные на эффекте Холла). Скорость вращения обратно пропорциональна времени переключения датчиков положения. Измерение тока, потребляемого двигателем насоса, возможно или с помощью амперметра, установленного в разрыв цепи питания двигателя, или посредством измерения падения напряжения на активном сопротивлении, включенном в разрыв цепи питания двигателя. В используемой схеме измерялось падение напряжения на сопротивлении, включенном в разрыв цепи питания двигателя. Фактические характеристики роторных насосов отличаются от расчетных и зависят от вязкости перекачиваемой жидкости, что свидетельствует о необходимости проведения исследований этих характеристик. Для определения действительных расходно-напорных характеристик насоса были проведены эксперименты с жидкостями различной вязкости: 1) вода; 2) водный раствор 30 % глицерина; 3) водный раствор 40 % глицерина; 4) водный раствор 45 % глицерина; 5) кровь. Вязкость крови составляет μ = 4*10-3 кг*м-1*с-1, и по вязкости водный раствор 40% глицерина соответствует крови. Исследование проведено на экспериментальном комплексе НИИТиИО сектора медицинской техники лаборатории телемедицины, информационных технологий и медицинской техники, представленном на рис. 3. По результатам измерений потока и давления были построены расходно-напорные характеристики РН. Расходно-напорные характеристики ЦН представлены в тексте диссертационной работы. Расходно-напорные характеристики ОН представлены на рис. 4. Динамическая характеристика используемых РН характеризуется постоянной времени τ = 0,01 с. Влияние динамической составляющей характеристики ОН на создаваемый поток и измерительную систему незначительно, т.к. длительность фаз сердечного цикла значительно больше создаваемых задержек, и измерениям подвергаются средние значения расхода и напора, а не мгновенные.  Рис. 3. Блок-схема экспериментального комплекса Чувствительность используемых РН (ЦН – 0,163  , ОН – 0,044 ) значительно меньше (в 5-20 раз) чувствительности сердца человека (0,846 ), если рассматривать ее как коэффициент насосной способности сердца (изменение кровотока по отношению к изменению давления). Но РН испытывает большие изменения давления, чем сердце, и функционирует преимущественно в пульсирующем режиме за счет сокращений сердца. Зависимость чувствительности РН к преднагрузке (давлению в ЛЖ) представлена на рис. 5. Рис. 4. Расходно-напорные характеристики ОН (40% водный раствор глицерина) При исследовании установившихся режимов было определена зависимость расхода насоса от скорости вращения рабочего колеса РН и потребляемого двигателем тока:  , (10)где  – определенное косвенным методом среднее значение расхода насоса, мл/с; IMEAN – среднее значение амплитуды потребляемого двигателем насоса тока, А; ωMEAN – среднее значение скорости вращения рабочего колеса ЦН, об/с; K1, K2, K3, K4, K5 – постоянные коэффициенты. Рис. 5. Зависимость чувствительности РН к преднагрузке Относительная погрешность измерения расхода насоса косвенным методом в установившемся режиме не превышает 1%. Наибольшая погрешность наблюдается при резком изменении скорости вращения рабочего колеса насоса или функционального состоянии организма (относительная погрешность в таких случаях может достигать 30%). Для получения оценки среднего напора РН была использована формула (11) (для ЦН):  . (11)Так как проводятся измерения средних величин, а коэффициенты уравнения (1) рассчитаны для мгновенных значений, их необходимо скорректировать для уменьшения погрешности. Характер изменения погрешностей напора РН такой же, как и в случае измерений расхода насоса. Для измерения частоты сердечных сокращений используется преобразование Фурье, примененное к измеренным значениям потребляемого двигателем насоса тока. Основная составляющая частотного представления тренда тока соответствует частоте пульсаций естественного сердца. Относительная погрешность измерений составляет менее 3 %. Обратный кровоток через РН, означающий слишком низкую производительность насоса, и создание разряжения в ЛЖ, что свидетельствует о слишком высокой производительности насоса, определены как критические режимы работы АВК. Для обеспечения безопасного функционирования системы переход в эти режимы не допустим. Для решения задачи определения критических режимов введен параметр ICAω (12):  . (12)Превышение полученным значением установленного уровня ICAωMAX сигнализирует о том, что АВК не обеспечивает достаточной производительности и в период систолы происходит обратный ток крови через насос в ЛЖ. При значении ниже установленного уровня ICAωMIN РН обеспечивает чрезмерную производительность, забирая из ЛЖ больше крови, чем в него поступает, т.е. состояние всасывания. Нахождение полученного индекса в промежутке между этими значениями свидетельствует о нормальной работе насоса. Кроме того, параметр ICAω позволяет определить качественную степень поддержки СК, а именно, оказывает ли АВК полную поддержку системе кровообращения и перекачивает весь объем крови, или работает параллельно с естественным сердцем, забирая часть кровотока. В случае полной поддержки значение объемного кровотока равно значению расхода насоса, т.е.  . (13)Значение эффективного ударного объема, т.е. объема, выбрасываемого сердцем за одно сокращение, можно определить как отношение расхода крови к ЧСС. Это не изменение объема ЛЖ в данных условиях, а величина, характеризующая совместную деятельность сердца и АВК.  . (14)Когда АВК переходит в режим неполной поддержки и  , объемный кровоток определен следующим образом. Общий кровоток и ЧСС изменяются незначительно, т.к. уменьшение расхода насоса контролируется СУ и компенсируется повышением насосной деятельности сердца, и выражение (14) преобразовано в (15): (15)Т.о. определен кровоток в организме и при полной, и при частичной поддержке СК, за исключением критических состояний. Относительная погрешность измерений не превышает 3 %. Существенным отличием ЦН и ОН является следующее: в критических режимах для ОН возможно определение при помощи косвенных измерений состояния насоса крови (расход, напор РН) и СК (ЧСС). Для используемого ЦН получение этой информации в критических режимах невозможно. Требования к системе управления АВК, составленные исходя из физиологических ограничений человеческого организма:
АВК может взаимодействовать с системой кровообращения в двух режимах: полной поддержки СК и частичной поддержки. При частичной поддержке в качестве параметра состояния используются расход РН, эффективный ударный выброс, ЧСС и коэффициент степени поддержки СК ICAω. При изменении ЧСС более чем на 10 % АВК переходит в режим полной поддержки ЛЖ на 40-60 секунд для уточнения управляющего воздействия. Во время использования полной поддержки СУ проводит измерения объемного кровотока, эффективного ударного выброса и ЧСС, также производится уточнение производительности насоса, необходимой для организма в данных условиях. Затем РН снова переходит в режим частичной поддержки. Если значение оценки объемного кровотока (или сердечного индекса) меньше установленного предела по причине значительного поражения СК (ХСН, кровопотеря и др.), то АВК постоянно работает в режиме полной поддержки ЛЖ и измерения объемного кровотока и эффективного ударного выброса производятся постоянно. Для реализации управления в качестве координат объекта управления выбраны:
Единственным управляющим параметром является скорость вращения рабочего колеса РН ω. Сигналы рассогласования координат объекта управления умножаются на весовые коэффициенты, и формируют требуемое изменение скорости вращения рабочего колеса насоса:  (16) (17)В четвертой главе проведена разработка аппаратного и программного обеспечения БТС мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови, а также исследование БТС. Исследование БТС при подключенном АВК проводилось для следующих физиологических воздействий:
На рис. 6 представлены результаты исследования БТС при условии СН для состояния легкой физической нагрузки.  Рис. 6. Результаты исследования при СН и физической нагрузке Исследование БТС показало, что при СН и стимуляции сердца при помощи ЭКС в состоянии покоя и легкой физической нагрузки значения основных гемодинамических показателей приближаются к значениям для организма без патологий. Разработанная структура АВК приведена на рис. 7. Аппаратные составляющие АВК включают: имплантируемую часть (насос, двигатель, соединительные элементы), три носимых блока (блок управления, основной блок аккумуляторов, резервный блок аккумуляторов) и дополнительное оборудование (компьютер, мобильный телефон). 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). 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).  Рис. 7. Структура АВК Для ввода информации от пользователя (врача или пациента) блок управления имеет набор клавиш на корпусе блока и 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 записываются на карту памяти формата Secure Digital (SD Card). В целях снижения энергопотребления и увеличения длительности автономного использования неиспользуемые в текущий момент модули отключаются. Программное обеспечение (ПО) БТС можно разделить на два слоя: «нижний», реализующий алгоритмы косвенных измерений параметров БТС, управления, взаимодействия с периферийными устройствами (жидкокристаллический экран, клавиатура, USB-порт, GSM модуль), и «верхний», в задачи которого входит отображение на экране компьютера необходимой информации и передачи измененных параметров на «нижний» слой. Подача управляющих воздействий на двигатель роторного насоса осуществляется при помощи драйвера. «Нижний» слой ПО физически размещен в блоке управления, реализован в виде кода МК C8051F340, и выполняется постоянно. «Верхний» слой существует на компьютере в среде ОС MS Windows, вызывается по мере необходимости. На жидкокристаллическом экране блока управления отображается текстовая информация: текущие значения ЧСС, кровотока, скорости вращения рабочего колеса РН, режим работы системы вспомогательного кровообращения. На экране компьютера отображаются в текстовом и графическом виде значения измеренных гемодинамических параметров, а также звуковая индикация различной тональности. Лечащий врач имеет возможность изменять режим работы биотехнической системы и получает информацию о результатах текущих измерений и записанных на карту памяти ранее. После прохождения клинических испытаний, разработанная 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. ^
^
|
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям