Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
БЕЛЯЕВ ЛЕОНИД ВИКТОРОВИЧ
СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ ИСКУССТВЕННОГО СЕРДЦА ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ТИПА
Специальность 05.02.05 Ц | Роботы, мехатроника и робототехнические системы |
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Владимир 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых на кафедре Технология машиностроения
Научный руководитель | Ц доктор технических наук, профессор Морозов Валентин Васильевич |
Научный консультант | Ц кандидат технических наук, доцент Жданов Алексей Валерьевич |
Официальные оппоненты: | Ц доктор технических наук, доцент Татмышевский Константин Вадимович Ц кандидат технических наук Захаров Алексей Вадимович |
Ведущее предприятие | Ц Федеральное государственное бюджетное учреждение Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова Минздравсоцразвития РФ (ФГБУ ФНЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова Минздравсоцразвития РФ) |
Защита диссертации состоится л25 мая 2012 г. в 1300 на заседании диссертационного совета Д.212.025.05 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, корпус 1, аудитория 335.
Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ГОУ ВПО ВГУ, диссертационный совет Д.212.025.05, тел./факс: 8(4922) 47-99-24, e-mail: tms@vlsu.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых.
Автореферат размещен на сайте ВГУ www.vlsu.ru и ВАК РФ www.vak.ed.gov.ru и разослан л24 апреля 2012 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
к.т.н., доцент Е.А. Новикова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время в России смертность от сердечно-сосудистых заболеваний составляет более 50% от общей смертности. При ишемической болезни сердца и дилатационной кардиомиопатии единственным методом лечения является пересадка сердца, широкому внедрению которого препятствует труднность подбора донорского сердца. В связи с этим, одним из основных направлений применения аппаратов искусственного сердца (ИС) является его использование в качестве так называемого моста к трансплантации сердца. Это означает, что ИС берет на себя функцию естественного органа и поддерживает адекватную гемодинамику у больных на период их нахождения в листе ожидания.
Кроме того, существует категория пациентов, у которых применение систем ИС является единственным способом продления жизни. К ним относятся пациенты, которые имеют сопутствующие заболевания, являющиеся противопоказаниями к трансплантации сердца, и не могут быть реципиентами.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями российских и зарубежных ученых в разное время занимавшихся проблемой создания ИС пульсирующего типа, в частности, В.П. Демиховым, В.И. Шумаковым, В.Е. Толпекиным, T. Akutsu, D. Liotta, R. Jarvik и другими, доказана возможность создания и успешного клинического применения данных систем.
Получение качественно новых характеристик систем механической поддержки кровообращения возможно путем создания систем обхода левого желудочка сердца на основе мехатронного модуля (ММ). Данные системы были разработаны в России (ФГБУ ФНЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова, МАИ-РЭЛМА, ВГУ) и за рубежом (Hershey Medical Center, США). Результатом такой компоновки является значительное снижение массы и габаритов устройства, значительное упрощение сборки и монтажа за счет высокой встраиваемости его элементов, причем не только электронных компонентов, но и силовых узлов - электрических машин и механических передач. Все перечисленные факторы позволяют приблизить массу и габариты разрабатываемых систем к параметрам естественного сердца.
Однако, указанные системы берут на себя лишь часть насосной функции естественного сердца. Поэтому, рассматриваемая в диссертации задача по созданию отечественных имплантируемых систем ИС, обеспечивающих полное замещение насосной функции сердца на базе ММ, является чрезвычайно актуальной.
Целью работы является повышение эффективности работы систем ИС пульсирующего типа за счет создания методики проектирования элементов ММ.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
Ц провести анализ динамики ММ искусственного сердца. На основе проведенного анализа сформулировать энергетические требования к ММ искусственного сердца;
Ц провести анализ изменения гидродинамических характеристик во время работы ММ искусственного сердца пульсирующего типа, который позволит создать конструкцию искусственного желудочка сердца (ИЖС) для работы без образования тромбов и допустимым индексом гемолиза;
Ц провести экспериментальные исследования с целью проверки работоспособности и удовлетворения МТТ, предъявляемым к системам ИС;
Ц разработать инженерную методику проектирования ММ ИС, удовлетворяющего условиям имплантации и длительно замещающего насосную функцию естественного сердца, отвечающего заданным гидродинамическим свойствам имплантируемой системы ИС и МТТ.
Методы исследований. Поставленные задачи решались на основе теории математического моделирования физических процессов гидродинамики с использованием теории дифференциальных уравнений и численных методов, методов компьютерного моделирования и проектирования, а также методов определения и исследования гидродинамических характеристик с использованием программных комплексов (Pro/Engineer, ANSYS, MATLAB, LabVIEW).
Научная новизна работы заключается в следующем:
Ц математическая модель динамики ММ искусственного сердца пульсирующего типа и ее динамические характеристики;
Ц математическая модель гидродинамики ММ искусственного сердца пульсирующего типа;
Ц методика проектирования ММ искусственного сердца с заданными гидродинамическими свойствами, удовлетворяющего МТТ, предъявляемым к системам ИС.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Ц разработана и спроектирована конструкция ИЖС с заданными гидродинамическими свойствами для ММ искусственного сердца;
Ц создан опытный образец системы ИС, защищенный патентом РФ на полезную модель № 104461.
Реализация результатов. Полученные результаты использовались при разработке и изготовлении ряда конструкций имплантируемых систем ИС и вспомогательного кровообращения по заказу ФГБУ ФНЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова Минздравсоцразвития РФ, г.аМосква.
Результаты работы использованы при выполнении ряда госбюджетных НИР: ГБО-655 Теоретические и экспериментальные исследования имплантируемых мехатронных систем вспомогательного кровообращения и искусственного сердца пульсирующего типа; ГБО-657 Теоретические основы синтеза автономных мехатронных систем искусственного сердца пульсирующего типа; ГБ-461 Разработка теории и методов проектирования мехатронных приводов и технологической оснастки для создания гемосовместимых искусственных желудочков сердца.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Ц IX Международная научно-техническая конференция Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии (Суздаль, 2010 г.);
Ц III Международная конференции Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества 4Ц 8 октября 2010 г. Суздаль;
Ц II ШУМАКОВСКИЕ ЧТЕНИЯ, ФНЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова Минздравсоцразвития РФ, г. Москва (2011 г.);
Ц V съезд трансплантологов, ФНЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова Минздравсоцразвития РФ, г. Москва (2010 г.);
Ц I Межвузовская Конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации 17-19 марта 2009 г. г. Братск.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ в журналах и сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций, в том числе 5 в журналах из Перечня ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ; получен патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложения. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, включая приложения, и содержит 78 рисунков и графиков, 17 таблиц, а также список литературы из 93 наименований. Приложение содержит акты внедрения результатов работы на 2 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована научная новизна работы и практическая значимость.
В первой главе проведен анализ требований предъявляемых к системам ИС пульсирующего типа, дан обзор существующих систем, показано место систем ИС в общей классификации устройств механической поддержки кровообращения, приведена классификация систем ИС пульсирующего типа. Проведенный обзор литературы позволил сформулировать цель и определить основные задачи исследований.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили системы ИС американского производства: Jarvik-7 (Jarvik Heart Inc.), оснащенная электропневматическим приводом и AbioCor, AbioCor II (ABIOMED Inc.) с электрогидравлическим приводом. Применение систем с электропневматическим приводом характерно для стационарных систем с малой мобильностью, т. к. требуют наличия дополнительных устройств и являются неполностью имплантируемыми. Электромеханические системы являются полностью имплантируемыми, обладают высокими динамическими показателями при высокой надежности и большом сроке службы.
Среди электромеханических устройств наибольший интерес представляют системы ИС с бесконтактными моментными двигателями постоянного тока, обладающими высокой полезной мощностью и работающими в реверсивном режиме с планетарными преобразователями движения, которые обеспечивают возвратно-поступательное движение мембран ИС. Планетарные механизмы, встраиваемые в полый ротор электродвигателя, обладают большой редукцией и трансформируют движение от двигателя к рабочим органам ММ ИС, изменяя скорость вращения и крутящий момент.
Сравнительный анализ существующих конструкций систем ИС показал, что электромеханические приводы представляют наиболее перспективное решение для трансплантологии. Это объясняется более высоким КПД, меньшими массой и габаритами. Применение электромеханических приводов позволяет создавать полностью имплантируемые, компактные системы ИС вместо стационарных центров.
Создание ММ ИС требует решения целого ряда задач в области исследования и проектирования. В частности, решение задачи синтеза механических, энергетических, электронных и информационных компонент в единую систему, удовлетворяющую жестким МТТ. Медико-технические требования ставят задачу создания ИС, содержащего системы управления (СУ) и питания, ИЖС 1 и электромеханический привод, приводящий в движение мембрану ИЖС 2 (рис.1).
Рис.1. 3D-модель ММ ИС без СУ и питания |
ИЖС не должен содержать зон застоя, рециркуляции потоков крови, турбулентности и т.д. Мембрана не должна касаться корпуса. Объем заполнения - 60Е80амл. Электромеханический привод ИЖС, входящий в состав ММ ИС, должен обеспечивать требуемые динамические показатели работы системы: ход мембраны - 18Е22амм, частота колебаний мембраны - 40Е120 минЦ1, средняя скорость нарастания давления в кровяной камере не более 2500амм. рт.аст./с., нагрев при работе не более 42 С.
Во второй главе исследуются динамические и тепловые характеристики ММ ИС. Объектом исследования является ММ поступательного перемещения, структурная схема которого показана на рис 2. Встраиваемая конструкция вентильных двигателей с полым ротором позволяет создавать приводы в виде единого модуля, когда ротор устанавливается на ведущем звене исполнительного механизма. Возвратно-поступательное движение обеспечивает ролико-винтовой механизм (РМВ), входное звено которого встроено в ротор, а выходное - толкает мембрану.
Рис.2. Структурная схема ММ ИС |
Динамика ММ ИС исследована на основе двухмассовой математической модели. Первая масса (входное звено исполнительного механизма) жестко связана с ротором двигателя и описывается переменными состояния (угол поворота) и (угловая скорость), а вторая масса (выходное звено) поступательно перемещает нагрузку (мембраны ИЖС) и описывается переменными состояния x (перемещение мембраны) и (скорость перемещения мембраны).
Если пренебречь силами вязкого трения, то модель динамики ММ ИС сводится к системе дифференциальных уравнений:
Модель динамики ММ ИС сводится к системе дифференциальных уравнений:
(1)
с краевыми условиями:
; ; ; ; ;
; ;
; ; . (2)
где , - время диастолы и систолы соответственно; - идеальная скорость нагрузки при управлении uа=аudia; - эквивалентная скорость нормального систолического давления psys; - постоянная времени, вызванная растяжимостью камеры ИЖС; - идеальная скорость нагрузки при управлении uа=аusys; - эквивалентная скорость нормального давления pdia; - электромеханическая постоянная времени ММ; - идеальная скорость движения нагрузки; аЦ отношение управляющего напряжения к номинальному; , - КПД, пусковой момент двигателя; - передаточная функция исполнительного механизма.
Цикл начинается с фазы диастолы в левом ИЖС. При этом давление в камере левого ИЖС снижается, аортальные клапаны закрываются, а венозная кровь начинает заполнять камеру. По окончании фазы диастолы начинается изоволюметрическая фаза систолы в правом желудочке - нагнетания давления при закрытом клапане. Модуль под действием некоторого постоянного управления uа=аusys начинает перемещать мембрану в условиях возрастающего давления. Окончание изоволюметрической фазы (xа=аHc) характеризуется открытием клапана и началом изгнания крови из камеры правого ИЖС. При этом модуль продолжает разгоняться под действием uа=аusys, преодолевая постоянное давление psys. В фазу изгнания привод должен пройти ход Hsys, достаточный для обеспечения ударного выброса V, придя в крайнее положение H с нулевой скоростью. Для этого следует в некоторый момент времени tsys осуществить переключение управления на uа=аЦ udia. Поэтому при tа>аtsys наступает фаза, когда модуль продолжает двигаться с положительной скоростью, но новое управление тормозит движение.
Механическая мощность, затрачиваемая приводом на перемещение мембраны ИЖС, изменяется с течением времени по закону:
. (3)
На рис.а3 представлены графики выходного перемещения, скорости, расхода и максимальной мощности для ММ ИС.
а) | б) |
в) | г) |
Рис.а3. Диаграммы: а) выходного перемещения мембраны; б) выходной скорости мембраны; в) расхода крови из ИЖС; г) изменения мощности ММ ИС | |
При анализе графика расхода видно, что модуль обеспечивает экспоненциальный закон выброса в фазу систолы, что соответствует закону расхода естественного сердца. В табл.1 приведены расчетные значения показателей динами ММ ИС, полученные при различных частотах работы модуля и для различной жесткости материала ИЖС.
Таблица 1
Сравнительные результаты расчетных показателей динамики ММ ИС
Параметр | Значение | ||||
f = 1 Гц | f = 2 Гц | ||||
с=20Н/мм | с=50Н/мм | с=20Н/мм | с=50Н/мм | ||
Время сердечного цикла tц, с | 0,998 | 0,998 | 0,498 | 0,498 | |
Время изоволюметрической фазы tc, с | 0,02 | 0,006 | 0,023 | 0,006 | |
Время систолы tsys, с | 0,230 | 0,244 | 0,102 | 0,119 | |
Время диастолы tdia, с | 0,748 | 0,748 | 0,373 | 0,373 | |
Объем выброса, мл | 80 | 80 | 80 | 80 | |
Систолический ход штока Hsys, мм | 13,689 | 12,724 | 13,644 | 12,598 | |
Диастолический ход штока Hdia, мм | 12,540 | 12,540 | 12,502 | 12,502 | |
Изоволюметрический ход штока Hc, мм | 1,582 | 0,572 | 1,747 | 0,634 | |
Полный ход штока H, мм | 26,846 | 26,801 | 26,847 | 26,780 | |
Максимальная систолическая скорость, мм/с | 219 | 224 | 276 | 281 | |
Максимальная диастолическая скорость, мм/с | 17,512 | 17,512 | 36,653 | 36,653 | |
Максимальная мощность Pmax, Вт | 22,844 | 22,306 | 28,558 | 28,114 | |
Из таблицы видно, что режим с большей жесткостью камеры ИЖС является энергетически выгодным. Это объясняется тем, что приводу в изоволюметрическую фазу требуется пройти меньший ход Нс, необходимый для создания давления psys. Так же необходимо отметить, что заданные и расчетные значения циклов работы ММ ИС отличаются на 1Е2%, что объясняется отсутствием учета в модели вязких сил трения жидкости.
Полученные результаты позволяют проводить синтез ММ ИС.
Другой важной проблемой в создании ММ ИС является обеспечение продолжительной, непрерывной работы в условиях ограниченного теплоотвода. Температура корпуса не должна превышать 40С, а перегрев до 42С допустим лишь в кратковременных режимах. Поэтому для обоснования возможности применения ММ ваимплантируемых системах был проведен анализ теплообмена, происходящего при работе ММ ИС, и получены количественные температурные характеристики. Максимальные температуры соответствуют установившемуся режиму работы ММ ИС, для которого параметры теплообмена постоянны. Для решения данной задачи проводился численный анализ теплового состояния ММ ИС на основе результатов решения стационарной задачи теплопроводности методом конечных элементов (КЭ).
Метод КЭ, с использованием вариационных принципов, сводит решение задачи теплопроводности к минимизации функционала на множестве узловых значений температур. Функционал имеет вид:
, (4)
где V - область интегрирования; Sq, S - площади поверхностей, для которых заданы граничные условия второго и третьего рода соответственно. Функционал системы КЭ представляется суммой функционалов отдельных элементов:
, (5)
где n - число элементов, на которое разбито тело.
В результате минимизации функционала:
(6)
для стационарной постановки задачи получаем систему линейных уравнений:
, (7)
где , - глобальные матрицы теплопроводности и теплоёмкости; - глобальный вектор тепловой нагрузки.
Стационарная постановка задачи упрощает вычислительный процесс, так как сводит решение к системе линейных уравнений вида:
Проведенный анализ установившегося теплового состояния ММ ИС при различной мощности тепловых потерь (5; 8; 10 Вт) показал отсутствие перегрева поверхности корпуса ММ ИС и мембраны ИЖС выше критической температуры Ткр = 42 0С при длительной работе и принципиальную возможность применения разработанной конструкции ММ ИС вакачестве имплантируемой системы (рис. 4). Однако, полученные результаты позволяет дать лишь предварительную оценку температуры (например, отвергнуть заведомо неприемлемые решения) и вопрос о применимости ММ для имплантации может быть решен только в ходе экспериментальных исследований.
В третьей главе для проверки соответствия гидродинамических характеристик ИЖС медико-техническим требованиям, во время работы ММ ИС проведено математическое моделирование трехмерного вязкого течения крови с использованием современных методов вычислительной гидродинамики (CFD-метод) на основе компьютерного программного комплекса КЭ анализа ANSYS.
Математическое моделирование основано на решении дифференциальных уравнений течения жидкости в заданной области с определенными краевыми условиями. Основными уравнениями, описывающими течение несжимаемой ньютоновской вязкой жидкости, являются уравнение неразрывности (8) и система уравнений движения сплошной среды (уравнения Навье-Стокса) (9).
(8)
, (9)
где ux, uy, uz - составляющие (проекции) вектора скорости U; Р - давление; - эффективная динамическая вязкость; - кинематическая вязкость; - плотность; X, Y, Z - составляющие (проекции) вектора F внешней массовой силы; - оператор Лапласа.
Для замыкания системы уравнений использована k- модель турбулентности. Для описания турбулентных величин в ней используется система двух нелинейных дифференциальных уравнений - для кинетической энергии турбулентности - k (10) и для скорости диссипации турбулентной энергии - (11).
(10)
, (11)
где ;
; ,
здесь t - турбулентная динамическая вязкость; lam - динамическая вязкость ламинарного потока. C1 = 1,44, C2 = 1,92, C = 0,09, = 1,3, k = 1 - эмпирические константы k- модели турбулентности.
КЭ модель внутреннего объема ИЖС учитывает реальную геометрию основного тела, клапанов, радиусов и переходов. Для упрощения модели и сокращения машинного времени при расчетах рассматривалась геометрия только рабочего патрубка и клапанной системы. Начальные условия обеспечивали подвижность стенки ИЖС со стороны толкателя ММ: в фазе диастолы - 21 мм/с; в фазе систолы - 10,5 мм/с. Временные интервалы фаз диастолы и систолы были приняты одинаковыми, а именно 0,5 с, то есть частота сокращений ИЖС составила 1 Гц. В процессе решения интервал разбивался на 50 шагов. Граничные условия - непроницаемая стенка, скорость движения жидкости на которой равна 0, то есть реализуется условие прилипания жидкости к стенке. В результате проведенного моделирования были получены следующие результаты: скорость и давление потока, зоны торможения и закручивания потока, касательные напряжения Рейнольдса, рассчитан по известной методике нормализованный индекс гемолиза, который составил 0,0037 г/100л.
Картина распределения полей скоростей внутри камеры ИЖС для ММ искусственного сердца в начальный и конечный момент времени фаз выброса и заполнения свидетельствует об отсутствии застойных зон и локальных зон закручивания потока (рис. 5). Выраженное закручивание потока в сторону противоположенного патрубка в фазу диастолы способствует хорошей омываемости внутренней полости камеры ИЖС и снижает возможность образования тромбов.
а) | б) |
в) | г) |
Рис. 5. Поля векторов скоростей внутри камеры ИЖС в фазу систолы (а, б) и в фазу диастолы (в, г) | |
На рис. 6 приведена сравнительная диаграмма нормализованного индекса гемолиза NIH для различных систем. Показатель NIH спроектированной конструкции ИЖС ММ хорошо коррелирует с аналогичными показателями других систем, уже применяемых в клинической практике. Таким образом, разработанная конструкция ИЖС ММ ИС обеспечивает требуемые показатели гидродинамики и обеспечивает отсутствие застойных зон.
Рис.6. Показатель NIH для различных конструкций ИЖС: 1 - ИЖС Ясень с клапаном типа ЭМИКС; 2 - центрифужный насос CentriMagо; 3 - центрифужный насос Medtronic BP-80; 4 - центрифужный насос GYROо; 5 - разработанная конструкция ММ ИС 6 - Электромеханическое ИС TAH (Япония); |
В четвертой главе проведен комплекс экспериментальных исследований для проверки работоспособности и оценки эффективности насосной функции ММ ИС.
Для проведения экспериментальных исследований был разработан гидродинамический стенд, оснащенный регистраторами давления, скорости потока, устройствами сбора и обработки экспериментальных данных LabVIEW DAQmx (рис.а7, а). Для этой цели в среде LabVIEW разработаны виртуальные приборы для измерения производительности и давления. Экспериментальный образец ММ ИС содержит спроектированные левый и правый ИЖС с дисковыми клапанами МИКС, ММ на базе РВМ, систему управления и энергообеспечения. Система управления ММ ИС построена на микроконтроллере (МК) MSP430F2274 компании Texas Instruments. Он соединяется с ПК по интерфейсу UART через преобразователь UART<>USB CP2102. Микроконтроллер управляет драйвером трехфазного двигателя L6234PD компании ST. Используя управляющую программу ПК можно изменять скорость и направление вращения двигателя. Программа ПК посылает команды микроконтроллеру, алгоритм которого в свою очередь выполняет действия по управлению двигателем. Считывая состояния датчиков Холла, МК изменяет состояние выходов управления в соответствии с заданной таблицей переключения. Поскольку система предусматривает вращение двигателя в двух направлениях, то МК также учитывает текущее направление движения и переключает выходы управления в соответствии с заданным алгоритмом движения. Изменение скорости вращение производится при помощи подачи сигналов широтно-импульсного модулятора на драйвер двигателя. Направление вращения изменяется при помощи изменения порядка включения обмоток двигателя. На индикацию выводится информация о режимах работы ММ ИС, значения параметров управления.
Результаты гидродинамических испытаний показали, что разработанный ММ ИС обеспечивает требуемую производительность, удовлетворяющую МТТ при всех режимах нагрузки (рис.а7, б).
| |
а) | б) |
Рис. 7. Гидродинамические испытания ММ ИС: а) фотография стенда; б) результаты испытаний: - давление на выходе 60 мм.рт.ст.; - давление на выходе 80 мм.рт.ст.; - давление на выходе 100 мм.рт.ст.; - давление на выходе 120 мм.рт.ст.; | |
Производительность ММ ИС прямо пропорционально зависит от частоты пульса и изменяется от 2,5 л/мин до 5,5 л/мин. Максимальное значение наблюдается при частоте 100 уд/мин и значении противодавления - 60 мм. рт. ст. Результаты проведенных испытаний свидетельствуют, что разработанная конструкция обладает требуемыми характеристиками и удовлетворяет МТТ.
Для подтверждения гидродинамических свойств ИЖС ММ ИС и оценки работоспособности системы в реальных условиях имплантации проводились медико-биологические испытания. В качестве экспериментального образца использовали разработанный ИЖС с пневматическим приводом. Было выполнено 3 эксперимента на животных.
В пятой главе представлена методика проектирования с обратными связями на основе программного обеспечения, относящегося к системам автоматизированного проектирования и графическим языкам программирования (рис. 8), по которой созданы опытные образцы ММ ИС (рис. 9). Сравнение технических характеристик спроектированного ММ ИС и известных аналогов представлено в табл. 2.
Рис. 8. Методика проектирования ММ ИС, с заданными гидродинамическими характеристиками на основе программного обеспечения с обратными связями |
Рис. 9. Внешний вид ММ ИС без системы управления и питания: 1 - имплантируемый блок ММ, 2 - ИЖС, 3 - кабель для подключения системы управления, 4 - толкатель, 5 - мембрана ИЖС |
Таблица 2
Сравнительные характеристики ММ ИС, ACcor и AbioCor
Характеристика | Разработанный | Аналог | |
Наименование | ММ ИС на базе РВМ | ACcor | AbioCor |
Систола/диастола | 1:1, 1:2, 1:3 | 1:1, 1:2, 1:3 | 1:1, 1:2, 1:3 |
Макс. частота, мин-1 | 120 | 140 | 150 |
Шум, дБ | 50 | н/д | н/д |
Ударный объем выброса, мл | 62 | 65 | 60 |
Производительность, л/мин | 5,5 | 8 | 10 |
Масса (с СУ), кг | 0,75 | 0,77 | 0,8 |
Габариты модуля, мм | 90150115 | 94115104 | 85120105 |
Потребляемая мощность, Вт | 25Е30 | 10 | 22 |
В заключении сформулированы основные результаты и выводы по работе.
Основные результаты и выводы по работе
В результате теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе, и практической реализации разработана методика расчета и проектирования элементов ММ ИС позволяющая повысить эффективность работы системы.
Получены следующие основные результаты:
- Проведенный анализ литературных источников позволил сделать вывод о том, что создание ММ ИС пульсирующего типа с полным замещением насосной функции сердца на базе моментного двигателя и РВМ позволит удовлетворить всем МТТ, предъявляемым к ММ ИС;
- Исследование, разработанной математической модели динамики ММ ИС показали, что для соответствия МТТ ММ ИС должен обладать рабочей мощностью 28Е30 Вт при мощности тепловых потерь не более 10аВт.
- Исследование, разработанной математической модели гидродинамики ИЖС с учетом трехмерного вязкого течения крови, подвижного толкателя мембраны и сопротивления току крови клапанной системы, с использованием современных методов вычислительной гидродинамики (CFD-метод), позволили создать конструкцию ИЖС, отвечающую МТТ, предъявляемым к ММ ИС. Индекс гемолиза NIH = 0,0037 г/100л;
- Проведенный анализ установившегося теплового состояния ММ ИС при мощности тепловых потерь 10 Вт показал принципиальную возможность его длительной работы при имплантации вследствие отсутствия перегрева выше критической температуры Ткр = 42 0С;
- Проведенные лабораторно-стендовые исследования показали, что разработанный ММ ИС обеспечивает требуемую МТТ производительность в 5,5 л/мин при противодавлении psys = 120 мм. рт. ст. Проведенные медико-биологические испытания подтвердили эффективность работы, созданных конструкций ИЖС.
- Разработана инженерная методика проектирования ММ ИС на базе систем автоматизированного проектирования и графического языка программирования, удовлетворяющего условиям имплантации и длительно замещающего насосную функцию естественного сердца, отвечающего заданным гидродинамическим свойствам и МТТ, предъявляемым к системам ИС, позволяющая создавать конкурентоспособные аналоги.
- Результаты диссертационной работы внедрены во Всероссийском научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники (г. Москва), а так же в учебный процесс (курс Протезы и искусственные органы), что подтверждено актами внедрения.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Морозов, В.В. Разработка мехатронного модуля имплантируемой системы искусственного сердца и его лабораторно-стендовые испытания [Текст] / В.В. Морозов, А.В. Жданов, Л.В. Беляев // Мехатроника, автоматизация, управление / М.: Новые технологии. Ц 2009. - № 5 (98). - С. 58-61. - ISSN 1584-6427.
2. Беляев, Л.В. Обоснование конструкций лабораторных стендов для исследования характеристик систем вспомогательного кровообращения и искусственного сердца [Текст] / Л.В. Беляев, В.В. Морозов, А.В. Жданов // Мехатроника, автоматизация, управление / М.: Новые технологии. - 2010. - № 2 (107). - С. 51-55. - ISSN 1584-6427.
3. Беляев, Л.В. Использование методов компьютерного моделирования в разработке искусственных желудочков сердца [Текст] / Л.В.Беляев, А.В.Жданов // Вестник трансплантологии и искусственных органов Т.13. / М. Триада. - 2011 - №4. С. 97-100. - ISSN 1995-1191.
4. Беляев, Л.В. Уточнение и корректировка моделей гемодинамики искусственного желудочка сердца с учетом движения мембраны [Текст] / Л.В. Беляев, И.В. Волкова // Биотехносфера / СПб.: Политехника. - 2011. - № 4 (16). С. 31-34. - ISSN 2073-4824.
5. Беляев, Л.В. Лабораторно-стендовые установки для комплексной оценки характеристик аппаратов вспомогательного кровообращения и искусственного сердца [Текст] / Л.В. Беляев // Биотехносфера / СПб.: Политехника. - 2011. - № 4 (16). С. 51-56. - ISSN 2073-4824.
В других изданиях
6. Пат. 104461 Российская Федерация, MПK5 A 61 M 1/10. Электромеханический привод искусственного сердца [Текст] / Беляев Л.В., Жданов А.В., Морозов В.В. ; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет. - № 2010149967/14; заявл. 06.12.2010 ; опубл. 20.05.2011 Бюл. № 14. - 147 с.
7. Morozov, V.V., Belyaev, L.V., Zhdanov, A.V. [Text] / V.V. Morozov, L.V. Belyaev, A.V. Zhdanov. // Application of functional hemocompatibility coatings for the implantable devices of artificial heart // The International Journal of Artificial Organs. - 2010. - Vol.а33. - №а7. - P.а148. - ISSN 0391-3988.
8. Morozov, V.V., Belyaev, L.V., Zhdanov A.V. [Text] / V.V. Morozov, L.V. Belyaev, A.V. Zhdanov. // Application of CAD/CAE-technologies for working out of a universal design of an artificial ventricle of heart // The International Journal of Artificial Organs. - 2011. - Vol.а34. - №а8. - P.а708. - ISSN 0391-3988.
Подписано в печать а23.04.12.
Формат 60х84/16. Бумага для множит. техники. Гарнитура Таймс.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.
Заказ
Редакционно-издательский комплекс
Владимирского государственного университета.
600000, Владимир, ул.аГорького, 87
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям