Введение к работе
Актуальность работы. Проблема замены жизненно важных органов искусственными является одной из наиболее актуальных в современной медицине и затрагивает широкий круг вопросов медицинского и медико-технического характера. В настоящее время для мехатронных модулей медицинского оборудования становятся наиболее важными вопросы повышения надежности, безопасности и эффективности. Важной проблемой функционирования искусственного сердца и вспомогательного кровообращения является создание надежного мехатронного модуля, обеспечивающего непрерывный кровоток. Одним из главных требований к мехатронному модулю в составе имплантируемой системы искусственного сердца и вспомогательного кровообращения в процессе эксплуатации становится высокая надежность.
Сегодня в Российской Федерации работы по созданию и клинической апробации имплантируемых систем искусственного сердца и вспомогательного кровообращения ведутся в нескольких институтах, среди которых наиболее известны НИИТиИО, НЦССХ им. А.Н. Бакулева, Национальный исследовательский университет Московский авиационный институт, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых. Важным направлением исследований является также разработка подходов к моделированию надежности мехатронных модулей. За рубежом работы по данной тематике ведутся в Университете Анже, Франция (методы функционального анализа модулей); Королевском технологическом институте, Стокгольм, Швеция (составление условных диаграмм систем управления); Миланском политехническом университете, Италия (модульное представление систем в имитационном моделировании); Университете Карнеги-Меллон, Питтсбург, США (использование в моделировании линейных графов) и др. В нашей стране предложены основные принципы моделирования комплексных технологических систем, такие как модульное представление систем, составление блок-схем (Подураев Ю.В., Кудояров Р.Г., Дурко Е.М., Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К. и др.).
Основными недостатками данных методов применительно к моделированию надежности систем искусственного сердца и вспомогательного кровообращения является отсутствие в модели информации о возможных отказах и значительное усложнение математической модели после увеличения размерности рассматриваемой системы. Высокие требования к надежности медицинского оборудования не позволяют использовать указанные выше методы. В связи с этим возникает необходимость использования новых подходов, одним из которых является применение сетевых структур. Сети Петри позволяют представить систему в удобном графическом виде, описать ее функциональное поведение после отказов. В этом аспекте данный метод является чуть ли не единственным. Система, представленная в виде сети Петри, легко может быть обработана
автоматически программными имеющимися средствами. Поэтому анализ вероятности безотказной работы на базе сетей Петри и развитие методов совершенствования компонентов мехатронных модулей является актуальной проблемой.
Целью диссертационной работы является разработка методики совершенствования мехатронных модулей искусственного сердца.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи:
Разработка математической модели безотказности мехатронных модулей на базе сетей Петри.
Экспериментальные исследования вероятности безотказной работы мехатронных модулей искусственного сердца, проверка адекватности разработанной модели безотказности мехатронных модулей.
Разработка методики повышения безотказности мехатронных модулей искусственного сердца на стадии проектирования.
Методы исследования. Поставленные задачи решались на основе теории математического моделирования технических систем, теории надежности, аппарата сетей Петри, а также методов прогнозирования. Компьютерное моделирование и расчет проводился с использованием программного пакета MATLAB.
Научную новизну работы составляют:
математическая модель безотказности мехатронного модуля искусственного сердца на базе сетей Петри;
аналитические зависимости для определения вероятности безотказной работы на базе созданной модели;
методика повышения безотказности мехатронных модулей медицинского оборудования.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
исследованные математические модели безотказности на базе сети Петри и проведенные эксперименты выявили основные причины отказов мехатронных модулей имплантируемой системы искусственного кровообращения;
разработанные инженерные методики повышения безотказности на базе созданной математической модели позволяют проектировать модули с заданными динамическими характеристиками и надежностью.
Реализация результатов. Результаты использовались в учебном процессе кафедры ТМС для магистров направления 150900 в курсах «Моделирование динамики мехатронных приводов» и «Диагностика и надежность технологического оборудования». Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., проекта «Разработка и создание
станочных систем повышенной точности и надежности на базе структур с параллельной кинематикой и мехатронных модулей движения», Госконтракт № П2146 (руководитель), а также проектов «Разработка и создание интеллектуальных мехатронных систем и компонентов управления подвижными объектами», Госконтракт № П724; «Теоретические основы синтеза автономных мехатронных систем искусственного сердца пульсирующего типа» Госконтракт № П1172; «Теоретические и экспериментальные исследования имплантируемых мехатронных систем вспомогательного кровообращения и искусственного сердца пульсирующего типа», Госконтракт № П697; «Теоретические основы расчеты и проектирования планетарных зубчато-винтовых механизмов и мехатронных приводов на их основе», Госконтракт № П591 (исполнитель).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IX Международной научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (Пенза, 28-29 октября 2009 г.); IV Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 19-21 октября 2009 г.); Научной конференции «Исследование, проектирование, испытание и эксплуатация информационно-измерительных устройств военной техники» (Владимир, 6-8 октября 2010г.); IV Международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 24-25 ноября 2010г.); XI Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 28 февраля 2011г.).
Публикации. Основные результаты работы представлены в 8 публикациях, в том числе в 3 статьях в рецензируемых изданиях из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 2-х приложений. Общий объем 120 страниц машинописного текста, включая 50 рисунков и графиков, 7 таблиц. Список литературы содержит 100 наименований.
