Создание и исследование мехатронного модуля имплантируемой системы вспомогательного кровообращения

• Автор: Новикова, Юлия Александровна
• Шифр специальности: 05.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Владимир
• Количество страниц: 124 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
Сердечно-сосудистые заболевания занимают первое место среди причин смерти. Современная кардиология все настойчивее ставит вопрос о расширении применения технических средств и устройств частично или полностью, временно или постоянно замещающих насосную функцию пораженного сердца. В последние десятилетия параллельно с трансплантацией бурно развивается одно из новых направлений в технике и медицине -создание искусственных органов.
В решении этой проблемы можно выделить два основных направления: (1) постоянная замена естественного органа протезом, полностью заменяющим насосную функцию сердца и способного длительные годы поддерживать кровообращение - искусственное сердце; (2) временная замена функции на период лечения сердца до восстановления его функциональной способности. К последнему направлению относятся методы временной помощи сердцу и замены его нагнетательной функции механическими устройствами, объединенными понятием «вспомогательное кровообращение» (ВК).
Вспомогательное кровообращение основано на лечении сердечной недостаточности с помощью механических устройств, подключаемых к сердечно-сосудистой системе и функционирующих параллельно с естественным сердцем. После восстановления адекватной сократительной способности миокарда ВК прекращается.
В последние годы в мире наблюдается тенденция увеличения количества операций по имплантации механических аппаратов, поддерживающих сердечную деятельность, так как пересадка донорского органа связана со многими неразрешимыми биологическими и социальными проблемами и не может обеспечить всех нуждающихся. Сегодня полностью удовлетворить потребность в донорских сердцах не удается, поэтому чрезвычайно актуальной является задача по созданию автономных имплантируемых систем вспомогательного кровообращения (ИСВК) и искусственного сердца.
Работы в этом направлении проводили Бокерия Л.А., Шаталов К.В., Свободов A.A. [10], КапелькоВ.И. [17,18], Морозов В.В, Жданов A.B., КостеринА.Б. [30-39], Шумаков Д.В. Толпекин B.C., Ганин В.П. [73-76]. Владимирский государственный университет на протяжении 12 лет сотрудничает с НИИ трансплантологии и искусственных органов М3 РФ (НИИТиИО, г. Москва) по тематике создания приводов искусственного сердца, имплантируемой системы вспомогательного кровообращения, искусственных желудочков сердца. В результате предложены принципиаль-

но новые конструкции исполнительных устройств ИС и ИСВК, защищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ (а.с. СССР № 1570072 «Искусственный желудочек сердца» от 1992 г., патент РФ №2180858 «Вживляемый искусственный желудочек сердца» от 27.03.2002 г.), в 2002 г. получено положительное решение по заявке на патент РФ «Вживляемый искусственный желудочек сердца».
Однако в известных работах не ставились задачи построения математической модели динамики мехатронного моноблочного привода в составе ИСВК и исследования ее динамических характеристик, создания закона управления мехатронным приводом, обеспечивающие требуемую динамику сердечного выброса, разработки методики синтеза привода ИСВК, включающая методики синтеза по минимуму потребляемой мощности, синтеза законов управления и синтеза схемы исполнительного механизма.
Таким образом, исследование мехатронного модуля поступательного перемещения как исполнительного устройства имплантируемой системы вспомогательного кровообращения является важной и актуальной задачей при создании имплантируемых систем вспомогательного кровообращения в соответствии с медико-техническими требованиями и позволяющих проводить синтез мехатронных моноблочных приводов портативных систем управления.
Работа состоит из пяти глав, введения и заключения.
В первой главе сформулированы требования к имплантируемой системе вспомогательного кровообращения, дан обзор существующих систем ВК, проведено обоснование моноблочных мехатронных конструкций. Сравнительный анализ существующих конструкций систем ВК показал, что электромеханические приводы представляют наиболее перспективное решение для трансплантологии. Это объясняется более высоким КПД, меньшими массой и габаритами, большей надежностью и долговечностью по сравнению с гидро- и пневмоустройствами. Применение электромеханических приводов позволяет создавать автономные компактные системы искусственного кровообращения вместо стационарных центров.
Во второй главе исследуются динамические и тепловые характеристики мехатронного модуля в составе ИСВК. Качество динамики модуля ИСВК определяется его функциональным назначением: обеспечить за заданное время систолы требуемый объем выброса V. Построение математической модели деятельности сердца (повторяющихся циклов: систолы и диастолы) показало, что модуль ИСВК обеспечивает закон расхода в фазу выброса, соответствующий расходу естественного сердца. Из этого следует, что управление по ступенчатому закону обеспечивает требуемый закон выброса при условии, что электромеханическая постоянная времени модуля соответствует постоянной времени естественного сердца. Оценка

тепловых режимов была основана на методе теплового баланса. Проведенные расчеты позволили определить ограничения на мощность электрических потерь и показали принципиальную возможность длительной работы модуля без перегрева выше 0кр = 40°С. Показано, что для обеспечения длительной работы без перегрева модуль должен быть оптимизирован по критерию минимума потребляемой энергии.
В третьей главе рассматривается задача синтеза моноблочного меха-тронного модуля имплантируемой системы вспомогательного кровообращения. Синтез мехатронного модуля проводится в несколько этапов: силовой синтез и оптимизация КПФ по минимуму потребляемой мощности; выбор схемы исполнительного механизма с заданной редукцией; синтез закона микропроцессорного управления мехатронным модулем. Проведенные в гл. 2 исследования, показав принципиальную возможность создания модуля ИСВК в соответствии с медико-техническими требованиями, позволили уточнить силовые и энергетические требования * В четвертой главе проведен комплекс экспериментальных исследо-
ваний для проверки адекватности предложенных моделей и методик проектирования, а также оценки имплантируемое и эффектавноста насосной функции.
Результаты проведенных тепловых и гидродинамических испытаний свидетельствуют, что разработанные конструкции удовлетворяют медикотехническим требованиям, а предложенные методики позволяют создавать ИСВК с заданными характеристиками, что позволяет переходить к этапу клинических испытаний.
В пятой главе представлена методика проектирования, по которой созданы опытные образцы, которые были внедрены в НИИТиИО. Технические характеристаки конструкции мехатронного модуля ИСВК на базе » РВМ.
На защиту автором выносятся следующие основные положения:
• математическая модель динамики моноблочного мехатронного модуля (МТМ) в составе имплантируемой системы вспомогательного кровообращения, замещающей насосную функцию естественного сердца;
• анализ динамики моноблочного мехатронного модуля в составе ИСВК, силовые и энергетические требования к модулю ИСВК;
• закон управления мехатронным модулем, обеспечивающий требуемую динамику сердечного выброса, алгоритм цифрового управления в соответствии с полученными законами;
• исследование температурных режимов в длительно работающей ИСВК, методика синтеза модулей с минимальным тепловыделением;
• инженерная методика проектирования ИСВК, удовлетворяющей условиям имплантации и длительно замещающей насосную функцию есте-

2.2. Математическая модель динамики привода ИСВК
2.2.1. Вывод уравнений динамики привода ИСВК
Динамика привода ИСВК исследуется на основе двухмассовой математической модели. Первая масса (входное звено исполнительного механизма (ИМ)) жестко связана с валом двигателя и описывается переменными состояния <р (угол поворота) и со = ф (угловая скорость), а вторая масса (выходное звено ИМ) поступательно перемещает нагрузку (мембрану искусственного желудочка (ИЖ)) и описывается переменными состояния х (перемещение мембраны) и V = х (скорость перемещения мембраны).
В качестве исполнительного механизма, в зависимости от схемного решения, может быть выбран роликовинтовой механизм (РВМ) или планетарный редуктор с рейкой. Кинематической передаточной функцией (КПФ) ИМ является отношение:
5*=-. (2.13)

Для роликовинтового механизма 5т представляет собой КПФ по определению, для планетарного редуктора с рейкой - 5^ = г/і, где г - радиус реечного колеса; і - передаточное число планетарного редуктора.
Уравнение механической характеристики вентильного двигателя имеет вид:
(2.14)
юхх Мп и
где сохх - угловая скорость холостого хода двигателя; М - момент на валу двигателя; Мп - пусковой момент двигателя; II - управляющее напряжение; {7о = 12 В - номинальное напряжение двигателя.
Момент на валу двигателя определяется как сумма момента инерции вала двигателя и момента нагрузки, приведенного к валу двигателя
М = сЬ] + — 5Х(^Н + т2$), (2-15)

где J] - момент инерции ведущего звена ИМ (вместе с ротором двигателя);
г) - КПД ИМ; Рц - силы нагрузки, действующие на выходное звено; т
масса выходного звена (вместе с массой мембраны ИЖ).
После подстановки выражений (2.13) и (2.15) в уравнение (2.14) и приведения к нормальному виду относительно скорости выходного перемещения V уравнение (2.14) примет вид
7’т« + у = тхх(и-/н), (2.16)