Введение к работе
Актуальность проблемы. Сердечно-сосудистые заболевания являются самыми массовыми среди всех остальных. Ежегодное количество смертных случаев и госпитализаций из-за хронической сердечной недостаточности устойчиво увеличивалось за прошлое десятилетие, достигнув почти 900 000 госпитализаций и 300 000 смертных случаев в год. Из-за нехватки доноров, для спасения жизни больных стали применять двухэтапную трансплантацию сердца, при которой на первом этапе осуществляется медикаментозная или механическая поддержка кровообращения. Она проводится вплоть до появления подходящего донора, а на втором этапе, когда состояние больного стабилизируется, осуществляется трансплантация сердца. Механическая поддержка кровообращения применяется не только как «мост» к трансплантации, но и для восстановления сократительной способности сердечной мышцы (миокарда) у больных после операции на сердце. Механическая поддержка кровообращения производится с помощью аппаратов вспомогательного кровообращения (АВК), способных частично восполнить или полностью заменить насосную функцию сердца.
В настоящее время в России разрабатывается аппарат вспомогательного кровообращения нового поколения, который позволит пациенту вести активный образ жизни вне больничного стационара, чего не позволяли предшествующие аналоги. АВК, используемые за рубежом, являются дорогостоящими, так, стоимость одного аппарата составляет порядка 300-400 тыс. долларов. В связи с этим разработка отечественного АВК является актуальной задачей.
Основными отличительными особенностями разрабатываемого АВК по сравнению с предшествующими аналогами являются:
Автоматический режим работы - такой режим работы, при котором АВК обеспечивает необходимый кровоток в условиях физической активности организма.
Автономность работы. Возможность длительной работы от носимых аккумуляторных батарей.
Электромеханический способ преобразования энергии.
Пульсирующий характер работы.
Возможность имплантации.
При разработке АВК наиболее трудной задачей является задача адекватного управления, т.к. длительная неадекватная работа может привести к необратимым изменениям в организме.
В связи с трудностями исследования работы АВК на животных и малом объёме данных по применению на пациентах возникает задача анализа работы АВК в системе кровообращения пациента с использованием средств математического моделирования.
Цель диссертационной работы - разработать и исследовать комплексную модель, алгоритм управления и программно-аппаратное обеспеченье биотехнической системы (на примере аппарата вспомогательного кровообращения), позволяющие обоснованно выбирать параметры блоков её технической части.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
- разработать на базе системного подхода серий моделей,
обеспечивающих достаточно адекватное описание исследуемого
объекта:
модели системы кровообращения;
обобщённой модели системы кровообращения + АВК пульсирующего типа;
- выбрать и разработать алгоритм управления АВК, обеспечивающего
свойства системы, адекватные показателям среднестатистического
организма в условиях типовых физиологических состояниях.
- разработать программное и аппаратное обеспечение для АВК
пульсирующего типа с электромеханическим приводом;
- провести испытание разработанной биотехнической системы на
гидродинамическом стенде. Методы исследования: В работе использовался метод математического моделирования. Научная новизна:
Разработана обобщённая математическая модель системы кровообращения.
Разработана и исследована комплексная математическая модель, в состав которой входят: математическая модель системы кровообращения и математическая модель аппарата вспомогательного кровообращения.
Предложен способ и устройство для контроля функционального состояния сердечной мышцы при использовании АВК.
Практическое значение:
Разработан алгоритм управления АВК, реализованный в блоке управления аппаратом.
Оценено влияние параметров насоса для повышения качества работы системы АВК.
Исходя из предварительного анализа работы АВК, предложен оптический датчик для контроля положения мембраны камеры насоса, необходимый для реализации требуемого алгоритма управления АВК. Показано, что используемый в составе системы управления датчик может быть использован для анализа функционального состояния сердечной мышцы, работоспособность которого подтверждена стендовыми испытаниями.
Разработанная комплексная модель достаточно наглядна и может быть использована в системе обучения как студентов-медиков, так и биоинженеров.
Внедрение: Основные результаты диссертационной работы использованы при разработке аппарата вспомогательного кровообращения нового поколения и внедрены в лабораториях Научно-Исследовательском Институте Трансплантологии и Искусственных Органов (НИИТиИО).
Апробация работы: Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: ежегодный Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации» (г. Алушта 2002-2005 г.).
Основные положения диссертации, которые выносятся на защиту:
комплексная модель биотехнической системы, включающая в себя модель системы кровообращения и модель АВК.
анализ основных параметров насосной камеры АВК при различных уровнях физической активности организма с целью улучшения качества работы АВК
реализация эвристического алгоритма управления АВК
Публикации: Базовые положения и результаты исследований отражены
в 6 публикациях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на
