Косвенные измерения в управлении роторным насосом

Название: Система косвенных измерений для задач управления роторными насосами крови

Авторы: К.Н. Дозоров, Г.П. Иткин, А.В. Адаскин

Опубликовано: // МЕДИЦИНСКАЯ ТЕХНИКА. 2010. №6(264)

Управление роторными насосами крови по стабилизации скорости вращения рабочего колеса может не соответствовать потребностям организма. Для физиологичного управления роторными насосами крови необходимо получать информацию о состоянии системы кровообращения. Так как использование датчиков, контактирующих со средой организма, недопустимо, предложена система косвенных измерений. Рассмотренная система использует данные о значениях потребляемого тока и фактической скорости вращения рабочего колеса насоса. С использованием системы косвенных измерений получена информация о ряде параметров системы кровообращения и насоса крови.

Система вспомогательного кровообращения, параметры крови, косвенные методы.

В последнее десятилетие для механической поддержки сердца значительно возросло использование роторных насосов крови (РНК). Это связано, прежде всего, с уменьшением массо-габаритных показателей, большим ресурсом и меньшей стоимостью в по сравнению с пульсирующими насосами крови. С точки зрения управления такими насосами в отличие от пульсирующих насосов единственным управляющим параметром является скорость вращения рабочего колеса. В большинстве используемых в клинике РНК применяется схема стабилизации скорости вращения рабочего колеса. Как правило, основные параметры, характеризующие работу насоса, являются напор, расход и потребляемая мощность. В свою очередь эти параметры определяются скоростью вращения рабочего колеса (которая определяется по сигналам противоЭДС) и параметрами крови (вязкость). Потребляемую мощность можно определить на основании измерения тока и напряжения питания. В свою очередь напор можно измеритья при помощи датчиков давления, установленных на входном и выходном патрубках, а расход при помощи датчика расхода жидкости. Однако, использование датчиков давления недопустимо, поскольку датчик контактирует с кровью, и его чувствительность изменяется со временем из-за белковых отложений на мембране сенсора. Кроме того, повышается вероятность образования на ней тромбов. Датчики расхода, хотя и не имеют прямого контакта с кровью, также нецелесообразно использовать, поскольку они увеличивают массо-объемные характеристики имплантируемой системы и снижают надежность системы. Поэтому необходимость получения информации о работе насоса стимулирует поиск путей непрямых измерений с использованием информации, снимаемой непосредственно с двигателя насоса. Для этого предлагаются различные способы косвенного определения гемодинамических параметров (перепада давления и расход насоса) из анализа параметров состояния двигателя насоса (скорости вращения ротора, потребляемой мощности, тока и напряжения питания). Цель нашей работы состоит в создании биотехнической системы (БТС) управления РНК, которая на основании косвенно вычисляемых параметров обеспечивает адекватный режим работы насоса в условиях физиологической активности организма.

При построении системы управления РНК исходили не только из определения режима работы насоса в соотвествии с изменениями физической активности пациента, но также с необходимостью ограничения его производительности в экстремальных условиях, т.е. определения верхней и нижней границы производительности. Ниже сформулированы основные требования к системе управления РНК:

определение минимально допустимой скорости вращения рабочего колеса, ниже которой наступает обратный ток крови;определения максимально допустимую скорость вращения рабочего колеса РНК, выше которой в левом желудочке образуется разрежение, что приводит к коллапсу сердечных камер и неустойчивой работе насоса;поддержание скорости вращения рабочего колеса РНК, необходимую для обеспечения производительность насоса в соответствии с потребностями организма.

На рис. 1 представлена структурная схема БТС управления РНК.

Пунктирной линией на рис. 1 выделены элементы, относящиеся к микроконтроллерному блоку управления и косвенных измерений, где МК ИС – микроконтроллер измерительной системы, МК СУ – микроконтроллер системы управления. Измерительная система блока управления проводит измерения потребляемого приводом РНК тока и фактической скорости вращения рабочего колеса. Измеренные параметры как результат работы МК ИС передаются в систему управления, которая формирует новое управляющее воздействие, а именно уточненное значение скорости вращения. Так как РНК и пациент, как техническая и биологическая части БТС, оказывают взаимное влияние друг на друга, параметры РНК могут быть использованы как исходные величины для определения состояния организма.

На основе анализа кривой потребляемого тока и скорости вращения рабочего колеса РНК предложены эвристические алгоритмы косвенной оценки напора и расхода [8, 9]. Т.к. кривая тока, например, в условиях сокращающегося желудочка периодически изменяется, то с помощью спектрального анализа можно получить зависимость между током и давлением в ЛЖ. Аналогично на основании электромеханических параметров двигателя (скорость вращения рабочего колеса, напряжение питания, потребляемый ток) можно получить информацию о расходно-напорных характеристик насоса. Получение данной информации может быть использовано для более физиологичного управления РНК, изменяющего производительность насоса в зависимости от состояния пациента. В качестве индикаторов состояния организма и соответствия производительности РНК этому состоянию исследователи выделяют следующие [4, 5, 6, 7, 8]:

Индексы пульсаций тока определяют на основании измеренных максимальных, минимальных и средних значений потребляемого приводом РНК тока, или на основании преобразования Фурье мгновенных значений тока. С помощью индексов пульсаций оценивают соотношение производительности РНК и естественного сердца, разрежение ЛЖ и обратный кровоток, сократимость ЛЖ.

В рамках проведенного исследования были использованы методы компьютерного математического моделирования, проведены испытания на гидродинамическом стенде пульсирующего и непрерывного потока. Математическое моделирование проведено в среде Mathworks Matlab и Simulink. Разработан комплекс математического и программно-алгоритмического обеспечения для выполнения моделирования и проведения анализа и обработки результатов математических и стендовых исследований. Лабораторные исследования проведены с использованием гидродинамического стенда с возможностью создания пульсирующего или непрерывного потока, разработанного ФГУ ФНЦТИО им. В.И. Шумакова. Структура гидродинамического стенда, его состав, условия проведения исследований представлены в статье «Разработка блока управления и системы питания имплантируемым насосом системы вспомогательного кровообращения» (А.В. Адаскин, К.Н. Дозоров, А.Н. Стиценко, И.А. Филатов, Е.Г. Конышева, А.Н. Гусев). Регистрируемые параметры экспортированы в среду Mathworks Matlab для анализа и отображения. Разработанные программные средства позволяют выполнять импорт результатов мониторинга в среду Matlab, вычислять необходимые производные величины, формировать систему отображения результатов испытаний. На рис. 2 и 3 представлены осциллограммы следующих измеренных величин: напор (мм рт. ст.) РНК (обозначен «RP pressure differential»), потребляемый электрический ток (А) (обозначен «RP motor current»), фактическая скорость вращения рабочего колеса РНК (об./мин.) (обозначена «RP rotational speed»).

Частота сердечных сокращений левого желудочка сердца для осциллограмм на рис. 3 была установлена на значении 60 уд./мин. Отметим, что, несмотря на непульсирующий характер потока роторных насосов, пульсации левого желудочка сердца (периодическое изменение давления, на рис. 3 осциллограмма «RP input») формируют соответствующие периодические изменения значений параметров роторного насоса (на рис. 3 осциллограммы перепада давлений «RP pressure differential», потребляемого приводом насоса электрического тока «RP motor current», фактической скорости вращения рабочего колеса насоса «RP rotational speed»). На основании системы косвенных измерений были определены значения вектора состояния БТС, включающего следующие элементы:

Таким образом, рассмотренная система косвенных измерений предоставляет информацию о параметрах состояния БТС, таких как расход РНК, напор РНК, ЧСС, давление ЛЖ, наличие обратного кровотока и разрежения ЛЖ. Разработка системы косвенных измерений основана на принципах БТС, взаимодействии и взаимозависимости технической системы и живого организма. Эти же принципы определяют необходимость учитывать при реализации управления состояние не только технической, но и биологической составляющей БТС. Перечисленные параметры могут быть использованы для корректировки системы управления с целью более физиологичного взаимодействия РНК и организма.

Указанные в статье результаты получили своё развитие при создании медицинского изделия "Комплекс универсальный для механической поддержки насосной функции левого и правого желудочков сердца "СТРИМ КАРДИО", уоторое с успехом используется в современной клинической практике ведущих центров здравоохранения России.