Разработка носимого блока управления имплантируемым осевым насосом системы вспомогательного кровообращения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

3. Волков Е. Б., Сырыцин Т. А., Мазинг Г. Ю. Статика и динамика ракетных двигательных установок. Кн. II. Динамика. М.: Машиностроение, 1978. 320 с.

4. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1986.

5. Хаустов А. И., Овсянников Б. В. Экспериментальные результаты влияние основных параметров на эффективность

и кавитационную устойчивость насосов // Тр. конф. по ракетным двигателям. М.: МАИ, 1987. С. 40-41.

6. Хаустов А. И., Овсянников Б. В. Результаты разработки лопаточных каналов высокоэффективных насосов // Тр. МАИ. М., 1983. С. 12-15.

7. Казакевич В. В. Автоколебания (помпаж) в компрессорах. М.: Машиностроение, 1974. 264 с.

УДК 615.47-114:616-07-08

А. В. Адаскин, канд. техн. наук, К. Н. Дозоров, канд. техн. наук, А. Н. Стиценко, канд. техн. наук, И. А. Филатов, канд. техн. наук, ООО «БИОСОФТ-М» Г. П. Иткин, д-р биол. наук, проф., Е. Г. Конышева, канд. биол. наук,

ФНЦ Трансплантологии и искусственных органов им. акад. В. И. Шумакова С. В. Селищев, д-р физ.-мат. наук, проф., Г. С. Кузьмин, А. Н. Гусев, канд. техн. наук,

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Разработка носимого блока управления имплантируемым осевым насосом системы вспомогательного кровообращения

Ключевые слова: медицинские аппараты, искусственные органы, имплантируемые насосы, роторные насосы крови, кровообращение.

Key words: medical devices, artificial organs, implantable pums.

В статье рассмотрены результаты исследований по созданию носимого блока управления (НБУ) осевым насосом (ОН) левого желудочка сердца, разрабатываемого совместно ФГУ ФНЦ трансплантологии и искусственных органов им. акад. В. И. Шумакова, Московским институтом электронной техники и ООО «БИОСОФТ-М». Рассмотрены меры повышения надежности НБУ ОН, реализация интерфейса оператора.

Задача создания носимого аппарата вспомогательного кровообращения (АВК) на базе осевого насоса (ОН) подразделяется на две составляющие:

1) разработка собственно имплантируемого насоса;

2) разработка носимого блока управления (НБУ) с системой энергопитания, которая также включает в себя стационарный компьютерный блок информации и управления. В данной статье приводится

описание конструкции НБУ, его функциональных характеристик, системы энергопитания и компьютерного блока информации и управления.

В штатном режиме эксплуатации НБУ должен поддерживать заданную оператором или пациентом скорость вращения ротора имплантируемого ОН.

Носимый блок управления имплантируемым осевым насосом

На рис. 1 представлен внешний вид разработанного НБУ ИОН.

Основная задача НБУ состоит в стабилизации скорости вращения ротора насоса в диапазоне от 5000 до 12000 об/мин и ручном регулировании требуемого значения в зависимости от состояния пациента (покой, физическая нагрузка, сон). Дополнительно реализуется отображение информации о работе ОН

№ 4(16)/2011 |

биотехносфера

Перспективные разработки

2!

Центральная подсистема НБУ

Рис. 11 Внешний вид НБУ ИОН

(скорость вращения ротора насоса, потребляемая мощность, степень заряда модулей энергопитания), а также выдача пациенту аварийных сообщений при отказах системы, запись сбоев на встроенный модуль памяти, отображение заряда аккумуляторов и их переключение, обеспечение связи со специализированным компьютером для мониторинга и настройки ABK.

На рис. 2 приведена структура НБУ ОН, в состав которой входят центральная, двигательная и интерфейсная подсистемы, обеспечивающие основные и вспомогательные режимы функционирования НБУ. Кроме них в блок управления входят подсистемы энергопитания и интерфейса оператора (пациента). Каждая подсистема реализует специфицированный набор функций CBK и имеет законченное схемотехническое решение.

Центральная подсистема выполняет следующие функции:

— отображение информации о потребляемой мощности и требуемой скорости вращения ротора ИОН на цифровом индикаторе НБУ;

— индикацию активного источника питания и уровня заряда модулей энергопитания;

— получение фактической скорости вращения ротора ИОН и текущего состояния двигательной подсистемы;

— передачу требуемой скорости и конфигурационных параметров на двигательную подсистему;

— измерение тока и напряжения, потребляемых имплантированным насосом;

— обработку нажатия кнопок;

— использование энергонезависимой памяти для сохранения и загрузки требуемой скорости вращения и конфигурационных параметров;

— передачу информации о состоянии СВК в интерфейсную подсистему;

— прием и обработку команд от интерфейсной подсистемы;

— определение отказа двигательной подсистемы;

— часы реального времени (КТО);

— чтение и запись данных на карту памяти.

Двигательная подсистема НБУ

Двигательная подсистема осуществляет стабилизацию скорости вращения рабочего колеса ОН в условиях переменной (пульсирующей) нагрузки и при изменении уровня питающего напряжения.

Рис. 2 I Структура НБУ ОН

биотехносфера

| № 4(1Б)/2Ш

Кроме того она осуществляет обмен данными с центральной подсистемой, сигнализацию о сбоях в работе насоса и центральной подсистемы.

Двигательная подсистема выполняет следующие функции:

— первоначальную раскрутку двигателя ОН в шаговом режиме;

— вращение (переключение обмоток) ротора насоса по сигналам противоЭДС;

— измерение фактической скорости вращения ротора;

— стабилизацию фактической скорости на заданном уровне;

— обмен данными с центральной подсистемой;

— определение отказа вращения ротора двигателя;

— определение отказа центральной подсистемы;

— сохранение параметров в энергонезависимой памяти для загрузки в случае сбоя и отказа центральной подсистемы.

Интерфейсная подсистема НБУ

Интерфейсная подсистема осуществляет обмен данными между центральной подсистемой и компьютерным блоком информации и управления (КБИУ).

Интерфейсная подсистема выполняет следующие функции:

— получение команд от КБИУ;

— передачу команд от КБИУ в центральную подсистему;

— получение данных от центральной подсистемы;

— передачу пакета данных специализированного формата на КБИУ для отображения результатов мониторинга рабочих характеристик СВК в графическом, цифровом и текстовых форматах;

— передачу запрошенных архивных данных с карты памяти центральной подсистемы в виде файла.

Связь между интерфейсной подсистемой и КБИУ осуществляется по интерфейсу USB 2.0, протоколы HID и MS (Human Interface Device — класс устройств взаимодействия с человеком, Mass Storage — класс устройств хранения данных).

Подсистема энергопитания НБУ

Модуль автономного энергопитания должен обеспечивать не менее чем 10-часовое функционирование НБУ ОН. Для обеспечения автономности энергопитания НБУ предусмотрено четыре источника питания: 1-й и 2-й модули энергопитания, сетевой источник питания от сети 220 В и резервный аккумулятор.

1-й и 2-й модули энергопитания являются идентичными взаимозаменяемыми портативными источниками энергии. При разряде или отключении одного из модулей энергопитания происходит переключение на другой модуль.

Резервный аккумулятор предназначен для питания центральной подсистемы в случае отключения всех остальных источников энергии. При подключении резервного аккумулятора НБУ ОН осуществляет только звуковую и светодиодную сигнализацию о необходимости подключения или замены основных источников питания. Функционирование ОН в данном случае не осуществляется.

Переключение между источниками питания и определение используемого источника реализовано при помощи основного и резервирующего супервизоров.

Подсистема интерфейса оператора (пациента)

Подсистема интерфейса оператора (пациента) состоит из светодиодов, звуковых генераторов, кнопок. Индикация НБУ ОН может функционировать в четырех режимах: режиме ожидания, рабочем режиме, режиме изменения скорости и режиме тестирования индикации.

Светодиодные индикаторы делятся на следующие группы: индикаторы подсистемы энергопитания, индикатор тревоги, индикаторы потребляемой мощности и требуемой скорости вращения ротора.

В режиме ожидания все светодиодные индикаторы выключены. При наличии отказа какого-либо элемента системы в режиме ожидания будет активен индикатор тревоги. В рабочем режиме на цифровом индикаторе отображается значение мгновенной мощности (Вт), потребляемой двигателем ОН, и включен индикатор размерности «Вт». В режиме изменения скорости на цифровом индикаторе отображается значение требуемой скорости вращения ротора насоса (1000 об/мин). В режиме тестирования индикации в течение 5 с активны все светодиодные индикаторы, поочередно включатся и выключатся оба звуковых генератора.

Обеспечение надежности НБУ

Одной из основных задач разработки НБУ ИОН было обеспечение высокой надежности устройства. За счет применения как аппаратных, так и программных решений, были реализованы следующие меры повышения надежности:

— многоуровневая аппаратно-программная структура;

— подтверждение передаваемых команд;

— проверка контрольной суммы принятых команд и данных;

— использование тестирующих пакетов;

— определение отключения или остановки ОН;

— периодические попытки повторного запуска ОН в случае его остановки;

— автоматическое переключение между доступными источниками питания;

№ 4(1Б)/2011 |

биотехносфера

Перспективные разработки

27

Ритрах г; Гж Петроп В.В., 22я«ыря2011 1

Параметры насоса

\ Л Л Лй л ?

V V V »4/ V * \ • Ч, Ч пз пт

8500 8530

1,А ЧСС, уд/мин

90

1,А

14 5 0.79

1 -л ^ Ц»- ЬЛ^ шЛ '

11.5

ПТ

Ь 13:58

Огиснш режим:

А

фт н. С1' а*» 1 1 г 1 Юспума ■ ЬФ ИаСГрО«)'

Рис. 3 I Рабочее окно программы мониторинга

— проверка функционирования системы световой и звуковой сигнализации;

— использование энергонезависимой памяти для сохранения и загрузки параметров;

— проверка правильности загруженных из энергонезависимой памяти параметров;

— включением рабочего режима индикации и звуковыми сигналами при действиях оператора;

— резервирование звуковых генераторов.

Для повышения качества сервисного обслуживания НБУ ОН в систему управления была включена ЯБ-карта памяти, на которую центральная подсистема осуществляет постоянную запись данных и событий как для штатных, так и для аварийных условий эксплуатации.

Компьютерный блок информации и управления имплантируемым осевым насосом

КБИУ представляет собой персональный компьютер с предустановленной специализированной программой «Ритрах», решающей следующие задачи:

1) первоначальный запуск и задание параметров АВК-системы после имплантации ОН-заданной скорости вращения ротора ОН;

2) мониторинг функциональных характеристик СВК в течение интенсивного и рекуперативного лечения пациента, а также для его периодического контроля в ходе выполнения клинических или амбулаторных процедур (на рис. 3 показано окно мониторинга, отображающее графики мгновенных текущих значений потребляемого тока и числа оборотов двигателя ОН, цифровую индикацию ра-

бочих параметров ОН и системы энергопитания, диагностические сообщения);

3) получение информации о параметрах и режимах функционирования насоса и аппарата в целом за определенный период эксплуатации.

В результате проведенных исследований была разработана система управления имплантируемым насосом левого желудочка сердца. Выполненная в виде носимого блока система реализует управление имплантируемым насосом и модулями автономного энергопитания, индикацию состояния его систем, запись событий на встроенный модуль памяти и мониторинг всех рабочих характеристик СВК.

В ходе разработки получены новые оригинальные решения, обеспечившие простоту эксплуатации, развитые функциональные возможности и удобство технического обслуживания СВК. Результаты испытаний показали высокую надежность и физиологичность управления ИОН, отвечающего лучшим мировым образцам СВК.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (государственный контракт № 02.522.12.2010 от 2009 г.).

| Литература

1. Шумаков В. И. Искусственные органы. М: Медицина, 1990.

2. Бокерия Л. А., Шаталов К. В., Свободов А. А. Системы вспомогательного и заместительного кровообращения. М.: НЦССХ им. А. Н. Бакулева РАМН, 2000.

3. Локшин Л. С., Лурье Г. О., Дементьева И. И. Искусственное и вспомогательное кровообращение в сердечно-сосудистой хирургии. М: НЦХ РАМН, 1998.

биотехносфера

| № 4(16)/2СТ1