автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Биотехническая система мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови

На правах рукописи

Дозоров Константин Николаевич

БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ РОТОРНЫМ НАСОСОМ КРОВИ

05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2009

003464506

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете).

Научный руководитель: к.т.н., д.б.н., профессор йткин Г.П.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Парашин В.Б.

д.т.н., профессор Истомина Г.В.

Ведущая организация: Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Защита состоится "/£_" СШ/Х^^Л 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д '2*12.141.14 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана в зале Ученого Совета по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская улица, д. 5.

Ваш отзыв в одном экземпляре просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан "_£_" А/-с^у1~с, 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Заболевания сердечно-сосудистой системы являются наиболее распространенными среди всех остальных. Хроническая сердечная недостаточность является одной из основных причин заболевания и смерти в промышленно развитых странах. В США этот диагноз ставится у 6-10% лиц старше 65 лет, а ежегодное количество летальных исходов и госпитализаций из-за хронической сердечной недостаточности устойчиво увеличивалось за прошлое десятилетие, достигнув почти 900000 госпитализаций и 300000 летальных исходов в год.

На терминальной стадии сердечной недостаточности наиболее эффективной мерой лечения является трансплантация сердца. Однако дефицит донорских органов делает практически невозможным оказание помощи всем больным, нуждающимся в подобной операции. Подсчитано, что в США ежегодно требуется трансплантация 20000 пациентов, в то время как возможности получения донорского сердца ограничиваются 2000. Как следствие, 90% пациентов не может быть проведена трансплантация сердца.

В настоящее время период ожидания донорского сердца может быть увеличен за счет двухэтапной операции по замене сердца с помощью систем искусственного сердца (ИС) или вспомогательного кровообращения (ВК). ВК помогает насосной функции сердца, снижая нагрузку на левый желудочек (ЛЖ), и обеспечивает достаточный кровоток для гарантированной адекватной перфузии органов и тканей.

Если на первых этапах решения проблемы двухэтапной пересадки сердца использовались громоздкие системы ИС и ВК, которые исключали использование вне стен клиники, то на данной стадии развития техники появились компактные автономные системы, которые могут обеспечить для пациента условия жизни, близкие к нормальным (нахождение вне клиники и полная подвижность). Но применяемые в клинической практике устройства не имеют биологической обратной связи (БОС), их алгоритм управления основан на поддержании постоянного режима работы привода на уровне, определяемом оператором, и может не соответствовать текущим потребностям организма (HeartMate 2, Jarvik 2000, Incor). Аппараты такого типа должны разрабатываться на основе принципов проектирования биотехнических систем (БТС): обеспечение согласования биологических объектов с техническими компонентами, управление техническими средствами в соответствии с потребностями живых систем.

В связи с трудностями исследования работы насосного устройства на животных и пациентах возникает задача анализа работы аппарата при помощи математического моделирования в широком диапазоне изменений внешних условий. Среди существующих математических моделей системы кровообращения можно отметить модели Н.М. Амосова, J. Beneken, De Wit, Ю.В. Солодянникова, Г.П. Иткина. Для использования в данной работе была модифицирована модель Г.П. Иткина.

С 2006 года сотрудниками Московского авиационного института и Научно-исследовательского института трансплантологии и искусственных органов ведутся совместные работы по исследованию аппарата вспомогательного кровообращения (АВК) на базе роторных насосов крови и разработке системы управления, математического и программно-алгоритмического обеспечения для его функционирования. Исследования проводятся в рамках государственной программы фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, проект №7660, тема «Разработка и исследование имплантируемого роторного насоса для поддержания функции сердца»,

Дель работы

Разработка и исследование биотехнической системы мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови для повышения качества жизни пациентов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить рабочие характеристики используемых роторных насосов крови;

- разработать структуру биотехнической системы мониторинга и управления;

- разработать комплексную модель биотехнической системы, включающую математические модели системы кровообращения и аппарата вспомогательного кровообращения на базе роторного насоса;

- разработать алгоритмы косвенного определения расходно-напорных параметров аппарата вспомогательного кровообращения и гемодинамических параметров системы кровообращения организма;

- на основе разработанных алгоритмов создать систему управления аппаратом вспомогательного кровообращения;

- оценить метрологические характеристики измерительного модуля биотехнической системы.

Методы исследований

Поставленные задачи решались с использованием теории математического моделирования, теории биотехнических систем, методов цифровой обработки сигналов.

Научная новизна работы:

- разработана биотехническая система мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови, использующая метод косвенных измерений для определения гемодинамических параметров организма и текущего состояния насоса;

- разработана система управления аппаратом вспомогательного кровообращения, регулирующая производительность насоса крови при изменении физиологического состояния организма и функционального состояния сердца;

- синтезирована уточненная математическая модель биотехнической системы, включающая систему кровообращения человека и вспомогательный насос крови, разработанная с использованием результатов

экспериментальных исследований и позволяющая оценить эффективность алгоритмов измерения и управления. Практическое значение работы:

- использование разработанной биотехнической системы в клинико-экспериментальной практике после проведения комплекса испытаний;

- применение косвенных методов измерений позволит оценивать работу биотехнической системы при изменении состояния пациента и предупреждать о возможных неполадках в системе и методах их устранения;

- использование математической модели СК в качестве обучающей системы для студентов в учебном процессе кафедры 901 МАИ для подготовки инженеров по медицинской технике.

Положения, выносимые на защиту

- Эффективное управление роторным насосом при помощи метода косвенных измерений по значениям потребляемого тока и скорости вращения рабочего колеса насоса осуществляется по вектору параметров состояния АВК (расход насоса крови, индекс амплитуды тока) и СК (частота сердечных сокращений, ударный объем, объемный кровоток).

- Принципы управления биотехнической системой поддержки кровообращения не допускают перехода в критические режимы. Реализованная система управления реагирует на изменение состояния организма и поддерживает основные гемодинамические параметры СК на уровне, соответствующем здоровому организму.

- Разработанная модель БТС упрощает исследование роторных насосов и алгоритмов измерительно-управляющей системы.

Апробация работы

Апробация работы проведена на базе НИИ трансплантологии и искусственных органов, Московском авиационном институте.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на российских и международных научно-технических конференциях (Зеленоград, The 4th Russian-Bavarian Conference on Bio-Medical Engineering, 2008 г.) и семинарах (Алушта, Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации, 2004 г., 2006 г.; МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 г.; МАИ, 2006 г., 2007 г.). Внедрение

Результаты диссертационной работы использованы при разработке аппарата вспомогательного кровообращения в Научно-исследовательском институте трансплантологии и искусственных органов РФ, что подтверждается соответствующим актом. Разработанные модели СК и АВК прошли процедуру регистрации в ФГУ ФИПС (Роспатент), что подтверждается соответствующими свидетельствами. Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 3 в изданиях, зарегистрированных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 102 наименований, и приложений. Основное содержание работы изложено на 130 страницах, содержит 52 рисунка и 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится обобщение данных о существующих методах вспомогательного кровообращения, рассмотрены основные направления получения информации о состоянии системы ВК с помощью косвенных измерений. Представлены варианты формирования управляющих сигналов для систем ВК, отмечены достоинства и недостатки тех или иных вариантов.

Для механической поддержки кровообращения используется метод обхода левого желудочка, а именно подключение насоса по схеме «левый желудочек -аорта». В качестве насоса крови используется роторный насос (РН). В отличие от пульсирующих насосов, РН имеют следующие особенности, которые необходимо учитывать при проектировании системы управления:

- не имеют запорных клапанов;

- непрерывно забирают кровь из ЛЖ, вне зависимости от текущей фазы сердечного цикла;

- при слишком низкой скорости вращения рабочего колеса возникает обратный кровоток (ограничение на минимально допустимую скорость вращения);

- при слишком высокой скорости вращения рабочего колеса насос дренирует больше крови, чем поступает в желудочек (ограничение на максимально допустимую скорость вращения).

Дополнительным требованием была необходимость отказаться от использования датчиков давления и потока, т.к. они снижают надежность системы в целом, необходимо использовать косвенные методы измерений требуемых параметров.

Проведенный анализ существующих методов косвенных измерений расхода и напора РН крови показал, что методы получения информации о состоянии насоса построены на одних и тех же принципах - определении потребляемой мощности (или тока) и скорости вращения рабочего колеса насоса, и расчет требуемых значений. Для этого необходимы экспериментальные исследования для каждого конкретного типа насоса, т.к. величины механических и гидравлических потерь уникальны для насоса. Различия заключаются в используемых подходах - это может быть получение экспериментальной зависимости между измеряемыми и рассчитываемыми величинами или использование математических моделей, для которых экспериментально определяются коэффициенты.

Результаты проведенного анализа принципов управления насосами крови свидетельствует о разнообразии подходов к управлению. Из положения, что

изменение снабжения тканей организма кислородом происходит за счет изменения периферического кровотока, сделан вывод, что необходимо изменение кровотока при изменении нагрузки на СК. Соответственно, нежелательно стабилизировать расход АВК на некотором фиксированном значении.

Во второй главе разработана БТС мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови и представлена ее обобщенная структура.

Биотехническая система мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови разрабатывалась для оказания поддержки СК и разгрузки ЛЖ при сердечной недостаточности (СН). Предлагаемая БТС имеет следующую структуру и связи между компонентами (рис. 1).

АВК состоит из следующих компонентов: бесколлекторный двигатель постоянного тока, центробежный насос, блок косвенных измерений требуемых параметров, система управления.

птреб

Основная характеристика центробежного насоса (ЦН) (связь расхода, напора и скорости вращения рабочего колеса насоса):

ЬРршр = Кх<02 - К2СОрриМр - КгГримр; (1)

где ДРримр - напор, создаваемый насосом, мм.рт.ст.; Бримр - расход насоса, мл/с; со - скорость вращения ротора двигателя, об/с; коэффициенты К], Кг, К3 определены по результатам экспериментов с использованием метода регрессионного анализа.

Для осевого насоса (ОН) основная характеристика представлена выражением (2):

ДРримр = Со®2 - С^римр®, (2)

где С0, С) - постоянные коэффициенты для данного насоса, определяемые экспериментально.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока описан известным выражением (3):

^ = ТМ-Ва>-ТША1), (3)

где I - момент инерции, кг м2; Тм - момент, развиваемый двигателем, Н м; В - коэффициент вязкого трения на валу двигателя, Н м с; Т[^оао — момент сопротивления нагрузки, Н м.

Момент сопротивления нагрузки пропорционален напору и расходу насоса, и обратно пропорционален скорости вращения рабочего колеса насоса (4):

г _ Рримр&РРШГ,

*1оло--» (.4)

щ

где г| - КПД насоса, отн. ед.

Для управления АВК в соответствии с физиологическими потребностями организма необходима следующая информация о состоянии насоса и организма:

- расход РН, Бримр, мл/с;

- частота сердечных сокращений, уд/мин;

- ударный объем, мл;

- соотношение кровотока, протекающего через насос и выбрасываемого

сердцем (степень поддержки СК).

Для исследования алгоритмов косвенных измерений и демонстрации результатов функционирования измерительно-управляющей системы разработана математическая модель БТС, включающая систему кровообращения человека и АВК. Исходя из анализа рассмотренных моделей СК и физиологии СК, при разработке математической модели СК использованы следующие допущения:

- модель имеет сосредоточенные параметры;

- кровь рассматривается как ньютоновская жидкость с постоянной вязкостью;

- модель СК включает в себя только большой круг кровообращения;

- сердце представлено однокамерным резервуаром (ЛЖ);

- все кровеносные сосуды объединены в несколько обобщенных резервуаров

(артериальный, венозный и капиллярный).

Разработанная математическая модель БТС состоит из 7 основных блоков, ее обобщенная структурная схема представлена на рис. 2.

Модели обобщенного артериального резервуара, обобщенного венозного резервуара, кислородного обмена и нейро-гуморального управления разработаны в соавторстве.

В модели сердце является однокамерным и выполняет функцию левого желудочка. Полая вена (обобщенный венозный резервуар) соединена непосредственно к входу желудочка, т.к. левое предсердие в модели отсутствует.

Для блоков артериального и венозного резервуаров входными параметрами являются кровоток на входе и выходе блока, а выходными - давление в данном резервуаре. Входными величинами сердца и обобщенного капиллярного резервуара являются давления на входе и выходе резервуара.

Нейрогуморальное управление

Кислородный обмен

I

1

Рис. 2. Структурная схема БТС кровообращения Сердце и обобщенный капиллярный резервуар описаны следующими зависимостями для связи объема резервуара, кровотока и давления:

У, = Р,_в,-^_оитЛ 5)

р , (7)

Л1 т

_р,-рм

г,

оит ■

я

I оит

",(8)

где VI - объем 1-го блока, мл; Р( ^ - кровоток на входе 1-го блока, мл/с; Р^оит - кровоток на выходе ¡-го блока, мл/с; Р; - давление в ¡-м блоке, мм.рт.ст.; У; II - ненапряженный объем ¡-го блока, мл; в/ - жесткость стенок ¡-го блока, мм.рт.ст./мл; - сопротивление на входе ¡-го блока, мм.рт.ст.с/мл; ^ оит -сопротивление на выходе ¡-го блока, мм.рт.ст.с/мл.

Обобщенный артериальный и венозный резервуары описаны выражениями

(5, 6).

Блок кислородного обмена по заданному относительному потреблению кислорода (зависящему от физической нагрузки организма) позволяет получить кислородный долг.

Целью блока нейро-гуморального управления является поддержание на необходимом уровне частоты сердечных сокращений (ЧСС) и величины артериального и венозного давлений.

Вход роторного насоса подключен в ЛЖ, а выход к аорте, это представлено на рис. 2.

Напор насоса определяется как разность давлений в обобщенном артериальном резервуаре и сердце:

АР = РА~Рьу, (9)

где РА - давление в артериальном резервуаре, мм.рт.ст.; РЬу - давление в ЛЖ, мм.рт.ст.

Для исследования СК было проведено моделирования при следующих стандартных воздействиях (РН не подключен):

1. организм без нарушений СК в состоянии покоя;

2. организм без нарушений СК при физической нагрузке различной

интенсивности;

3. стимуляция сердца при помощи электрокардиостимулятора (ЭКС)

(состояние покоя);

4. СН (состояние покоя);

По результатам моделирования основные гемодинамические показатели модели СК (давление в артериальном и венозном резервуарах, давление в ЛЖ, минутный объем, ударный объем, ЧСС) соответствуют среднестатистическим данным.

В третьей главе проведено исследование биотехнической системы кровообращения.

В связи с необходимостью отказа от использования датчиков потока и давления жидкости, требуется реализовать систему косвенных измерений этих параметров. В качестве величин, подвергаемым прямым измерениям, используются потребляемый двигателем насоса электрический ток и скорость вращения ротора двигателя. Скорость вращения ротора двигателя определяется по информации об изменении состояния датчиков положения ротора (датчики, построенные на эффекте Холла). Скорость вращения обратно пропорциональна времени переключения датчиков положения.

Измерение тока, потребляемого двигателем насоса, возможно или с помощью амперметра, установленного в разрыв цепи питания двигателя, или посредством измерения падения напряжения на активном сопротивлении, включенном в разрыв цепи питания двигателя. В используемой схеме измерялось падение напряжения на сопротивлении, включенном в разрыв цепи питания двигателя.

Фактические характеристики роторных насосов отличаются от расчетных и зависят от вязкости перекачиваемой жидкости, что свидетельствует о необходимости проведения исследований этих характеристик. Для определения действительных расходно-напорных характеристик насоса были проведены эксперименты с жидкостями различной вязкости:

1) вода; 2) водный раствор 30 % глицерина; 3) водный раствор 40 % глицерина; 4) водный раствор 45 % глицерина; 5) кровь.

Вязкость крови составляет ц = 4*10'3 кг*м"1*с"1, и по вязкости водный раствор 40% глицерина соответствует крови.

Исследование проведено на экспериментальном комплексе НИИТиИО сектора медицинской техники лаборатории телемедицины, информационных технологий и медицинской техники, представленном на рис. 3.

По результатам измерений потока и давления были построены расходно-напорные характеристики РН. Расходно-напорные характеристики ЦН представлены в тексте диссертационной работы. Расходно-напорные характеристики ОН представлены на рис. 4.

Динамическая характеристика используемых РН характеризуется постоянной времени т = 0,01 с. Влияние динамической составляющей характеристики ОН на создаваемый поток и измерительную систему

незначительно, т.к. длительность фаз сердечного цикла значительно больше создаваемых задержек, и измерениям подвергаются средние значения расхода и напора, а не мгновенные.

Чувствительность используемых РН (ЦН - 0,163-, ОН -

мин • мм.ртгт.

0,044-^-) значительно меньше (в 5-20 раз) чувствительности сердца

мин ■ мм.ртдт.

человека (0,846 ---), если рассматривать ее как коэффициент насосной

мин • мм.ртгт.

способности сердца (изменение кровотока по отношению к изменению давления). Но РН испытывает большие изменения давления, чем сердце, и функционирует преимущественно в пульсирующем режиме за счет сокращений сердца. Зависимость чувствительности РН к преднагрузке (давлению в ЛЖ) представлена на рис. 5.

При исследовании установившихся режимов было определена зависимость расхода насоса от скорости вращения рабочего колеса РН и потребляемого двигателем тока:

Fpvsip = + К2сошм, + Къ(0гМЕАц +К41тлN +K5llfEAN +К613иш ,(Ю)

л

где Рримр - определенное косвенным методом среднее значение расхода насоса, мл/с; Jmean - среднее значение амплитуды потребляемого двигателем насоса тока, А; cümean - среднее значение скорости вращения рабочего колеса ЦН, об/с; К], К2, К3, К4, К5 - постоянные коэффициенты.

Расход РН

Давление ЯЖ

Время, с

Рис. 5. Зависимость чувствительности РН к преднагрузке Относительная погрешность измерения расхода насоса косвенным методом в установившемся режиме не превышает 1%. Наибольшая погрешность наблюдается при резком изменении скорости вращения рабочего колеса насоса или функционального состоянии организма (относительная погрешность в таких случаях может достигать 30%).

Для получения оценки среднего напора РН была использована формула (11) (для ЦН):

^Рримр = К\СОШАх + К2СОМЕАЦРршр + К3Еримр _ (11) Так как проводятся измерения средних величин, а коэффициенты уравнения (1) рассчитаны для мгновенных значений, их необходимо скорректировать для уменьшения погрешности. Характер изменения погрешностей напора РН такой же, как и в случае измерений расхода насоса.

Для измерения частоты сердечных сокращений используется преобразование Фурье, примененное к измеренным значениям потребляемого двигателем насоса тока. Основная составляющая частотного представления тренда тока соответствует частоте пульсаций естественного сердца. Относительная погрешность измерений составляет менее 3 %.

Обратный кровоток через РН, означающий слишком низкую производительность насоса, и создание разряжения в ЛЖ, что свидетельствует о слишком высокой производительности насоса, определены как критические режимы работы АВК. Для обеспечения безопасного функционирования системы переход в эти режимы не допустим.

Для решения задачи определения критических режимов введен параметр 1САш (12):

ЮАо>=1млх~1мш со. (12)

Превышение полученным значением установленного уровня ГСАшмах сигнализирует о том, что АВК не обеспечивает достаточной производительности и в период систолы происходит обратный ток крови через насос в ЛЖ. При значении ниже установленного уровня 1САа>шч РН обеспечивает чрезмерную производительность, забирая из ЛЖ больше крови, чем в него поступает, т.е. состояние всасывания. Нахождение полученного индекса в промежутке между этими значениями свидетельствует о нормальной работе насоса. Кроме того, параметр 1САш позволяет определить качественную степень поддержки СК, а именно, оказывает ли АВК полную поддержку системе кровообращения и перекачивает весь объем крови, или работает параллельно с естественным сердцем, забирая часть кровотока.

В случае полной поддержки значение объемного кровотока равно значению расхода насоса, т.е.

^тотаь ~ Рримр. (13)

Значение эффективного ударного объема, т.е. объема, выбрасываемого сердцем за одно сокращение, можно определить как отношение расхода крови к ЧСС. Это не изменение объема ЛЖ в данных условиях, а величина, характеризующая совместную деятельность сердца и АВК.

ЕГР ял ял ' (4)

Когда АВК переходит в режим неполной поддержки и Рримр ^ ^тотм , объемный кровоток определен следующим образом. Общий кровоток и ЧСС изменяются незначительно, т.к. уменьшение расхода насоса контролируется СУ и компенсируется повышением насосной деятельности сердца, и выражение (14) преобразовано в (15):

Рюш ~ Я^ерТ 'НК (15)

Т.о. определен кровоток в организме и при полной, и при частичной поддержке СК, за исключением критических состояний. Относительная погрешность измерений не превышает 3 %.

Существенным отличием ЦН и ОН является следующее: в критических режимах для ОН возможно определение при помощи косвенных измерений состояния насоса крови (расход, напор РН) и СК (ЧСС). Для используемого ЦН получение этой информации в критических режимах невозможно.

Требования к системе управления АВК, составленные исходя из физиологических ограничений человеческого организма:

- кислородный долг организма должен быть минимизирован;

- при сокращающемся с некоторой достаточной производительностью сердцем относительная производительность насоса не должна постоянно составлять 100%, сердце должно иметь возможность прокачивать кровь в

- давление в артериальном резервуаре должно адекватно изменяться с изменением физиологического состояния организма, в состоянии покоя среднее аортальное давление должно составлять 95-105 мм.рт.ст.;

- необходимо учитывать не только физическую нагрузку, но и нервную (например, и спортивные упражнения, и волнение).

АВК может взаимодействовать с системой кровообращения в двух режимах: полной поддержки СК и частичной поддержки. При частичной поддержке в качестве параметра состояния используются расход РН, эффективный ударный выброс, ЧСС и коэффициент степени поддержки СК 1САа>. При изменении ЧСС более чем на 10 % АВК переходит в режим полной поддержки ЛЖ на 40-60 секунд для уточнения управляющего воздействия. Во время использования полной поддержки СУ проводит измерения объемного кровотока, эффективного ударного выброса и ЧСС, также производится уточнение производительности насоса, необходимой для организма в данных условиях. Затем РН снова переходит в режим частичной поддержки. Если значение оценки объемного кровотока (или сердечного индекса) меньше установленного предела по причине значительного поражения СК (ХСН, кровопотеря и др.), то АВК постоянно работает в режиме полной поддержки ЛЖ и измерения объемного кровотока и эффективного ударного выброса производятся постоянно.

Для реализации управления в качестве координат объекта управления выбраны:

- нейро-гуморальный фактор у^ (может быть представлен через ЧСС);

- коэффициент, характеризующий степень поддержки СК, 1САсо;

- ударный объем БУ;

- расход РН Бримр.

Единственным управляющим параметром является скорость вращения рабочего колеса РН со.

Сигналы рассогласования координат объекта управления умножаются на весовые коэффициенты, и формируют требуемое изменение скорости вращения рабочего колеса насоса:

аорту;

Ьтк=[!САа-1САо>г БГ ■ у ы - Рримр уп-у„г К,

ся

(16)

о)к+1=о)к + Асок

'К+1

(17)

В четвертой главе проведена разработка аппаратного и программного обеспечения БТС мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови, а также исследование БТС.

Исследование БТС при подключенном АВК проводилось для следующих физиологических воздействий:

1. СН (состояние покоя, бодрствование);

2. СН (состояние сна);

3. СН (состояние легкой физической нагрузки);

4. стимуляция сердца при помощи ЭКС (состояние покоя);

На рис. 6 представлены результаты исследования БТС при условии СН для состояния легкой физической нагрузки.

. i« ь

t 120 100 S во

юогоозооюошоколювоо

¿ 2СО

£

] 100

í с

100 203 ЭСО 400 600 600 700 000

юогооэооюзхетлпооо

Время, с

Рис. 6. Результаты исследования при СН и физической нагрузке

Исследование БТС показало, что при СН и стимуляции сердца при помощи ЭКС в состоянии покоя и легкой физической нагрузки значения основных гемодинамических показателей приближаются к значениям для организма без патологий.

Разработанная структура АВК приведена на рис. 7. Аппаратные составляющие АВК включают: имплантируемую часть (насос, двигатель, соединительные элементы), три носимых блока (блок управления, основной блок аккумуляторов, резервный блок аккумуляторов) и дополнительное оборудование (компьютер, мобильный телефон).

Блок управления представляет собой корпус, в котором размещены 2 печатные платы: «силовая» и «логическая». «Силовая» плата содержит драйвер и набор мощных транзисторов и осуществляет непосредственное управление

двигателем (и насосом). На «логической» печатной плате находятся два микроконтроллера (МК), в которых запрограммированы алгоритмы проведения косвенных измерений и управления с использованием БОС. Для измерения тока используется АЦП AD7684 (Analog Devices).

Рис. 7. Структура АВК

Для ввода информации от пользователя (врача или пациента) блок управления имеет набор клавиш на корпусе блока и интерфейс USB. В качестве средства вывода информации имеются: жидкокристаллический экран на корпусе блока управления, звуковой сигнал, интерфейс USB, беспроводная сотовая сеть GSM. Доступ в сеть сотовой связи осуществляется при помощи GSM модуля SIMCOM SIM300C. Он позволяет совершать голосовые вызовы и отправлять SMS автоматически, без участия пациента. Для дальнейшего анализа тренды измеряемых параметров записываются на карту памяти формата Secure Digital (SD Card).

В целях снижения энергопотребления и увеличения длительности автономного использования неиспользуемые в текущий момент модули отключаются.

Программное обеспечение (ПО) БТС можно разделить на два слоя: «нижний», реализующий алгоритмы косвенных измерений параметров БТС, управления, взаимодействия с периферийными устройствами (жидкокристаллический экран, клавиатура, USB-порт, GSM модуль), и «верхний», в задачи которого входит отображение на экране компьютера необходимой информации и передачи измененных параметров на «нижний» слой.

Подача управляющих воздействий на двигатель роторного насоса осуществляется при помощи драйвера. «Нижний» слой ПО физически размещен в блоке управления, реализован в виде кода МК C8051F340, и выполняется постоянно. «Верхний» слой существует на компьютере в среде ОС MS Windows, вызывается по мере необходимости.

На жидкокристаллическом экране блока управления отображается текстовая информация: текущие значения ЧСС, кровотока, скорости вращения

рабочего колеса РН, режим работы системы вспомогательного кровообращения. На экране компьютера отображаются в текстовом и графическом виде значения измеренных гемодинамических параметров, а также звуковая индикация различной тональности. Лечащий врач имеет возможность изменять режим работы биотехнической системы и получает информацию о результатах текущих измерений и записанных на карту памяти ранее.

После прохождения клинических испытаний, разработанная БТС повысит качество жизни пациентов, перенесших заболевания сердца, за счет определения необходимой на данный момент производительности АВК, и позволит улучшить условия работы врачей, предоставив им дополнительный источник информации о состоянии пациента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования центробежного и осевого насосов на гидродинамическом стенде для получения расходно-напорных характеристик. Результаты исследований использованы в разработанном математическом и программно-алгоритмическом обеспечении биотехнической системы мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови.

2. Получены оценки средних значений расхода и напора роторных насосов с помощью метода косвенных измерений по информации о потребляемом токе и скорости вращения рабочего колеса насоса. Относительные погрешности оценок расхода и напора в установившемся режиме составляют менее 1% для центробежного насоса и менее 4% для осевого насоса.

3. Разработаны алгоритмы получения информации о состоянии СК без использования датчиков, контактирующих с кровью. С помощью косвенного метода измерений получены оценки ЧСС, общего кровотока, степени поддержки СК. Относительные погрешности оценок ЧСС и общего кровотока в установившемся режиме не превышают 3 %.

4. По величине тока, потребляемого двигателем насоса, определен параметр, характеризующий наличие или отсутствие критических режимов функционирования РН, а именно обратного кровотока и разрежения ЛЖ (свидетельствующих о чрезмерно низкой и чрезмерно высокой производительности насоса, соответственно).

5. Предложены принципы управления системой СК+АВК, включающие недопустимость перехода АВК в критические режимы, обнаружение изменения физиологического состояния организма, необходимость работы ЛЖ при условии достаточного общего кровотока.

6. Разработана математическая модель биотехнической системы, включающая модель СК и модель АВК на основе роторного насоса крови, с целью упрощения проведения исследований РН и разработки алгоритмов работы измерительно-управляющей системы.

7. Разработана обобщенная структура аппаратно-программного комплекса биотехнической системы, произведен анализ и выбор компонентов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Имитационная модель управления системой искусственного кровообращения на основе принципов нечеткой логики / К.Н. Дозоров, С.П. Кузьмин, В.Г. Осипов, Д.А. Сурков // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Сборник трудов XIII международного научно-технического семинара. - 10-17 сентября 2004 г., Алушта. - М., 2004. - С. 21-22.

2. Дозоров К.Н. Программный комплекс контроля и управления силовой частью привода системы вспомогательного кровообращения нового поколения // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2006. - №1. - С. 2628.

3. Анализ параметров аппарата вспомогательного кровообращения нового поколения при помощи методов математического моделирования / К.Н. Дозоров, Г.П. Иткин, В.Г. Осипов, Д.А. Сурков // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Сборник трудов XV международного научно-технического семинара. -18-25 сентября 2006 г., г. Алушта. - М., 2006. - С. 82-83.

4. Дозоров К.Н., Иткин Г.П., Сурков ДА. Алгоритм управления аппаратом вспомогательного кровообращения, базирующийся на косвенном методе измерения физиологических параметров сердечно-сосудистой системы // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2007. - №2. - С. 52-53.

5. Дозоров К.Н., Иткин Г.П., Романов О.В. Анализ принципов неинвазивной оценки параметров имплантируемых роторных насосов крови // Вестник трансплантологии и искусственных органов. - 2007. -№2 (34).-С. 34-39.

6. Современные проблемы механической поддержки кровообращения /В.И. Шумаков, Г.П. Иткин, К.Н. Дозоров и др. // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2007. - № 8. - С. 34-40.

7. Дозоров К.Н. Анализ принципов управления центробежными насосами аппаратов вспомогательного кровообращения // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: Тезисы докладов XIII международного симпозиума им. А.Г. Горшкова. -М.: Изд-во МАИ, 2007. - С. 94-95.

8. Иткин Г.П., Дозоров К.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008614453. Модель аппарата вспомогательного кровообращения на основе роторного насоса (Модель АВК РН). Дата регистрации 09.10.2008.

9. Иткин Г.П., Дозоров К.Н., Сурков Д.А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008614676. Модель сердечно-сосудистой системы человека (Модель СССЧ). Дата регистрации 29.09.2008.

10.Dozorov K.N., Itkin G.P., Surkov D.A, Mathematical model of human cardiovascular system for implantable rotor blood pump research //Proceedings of the 4th Russian-Bavarian Conference on Bio-Medical Engineering. - Moscow, 2008. - P. 216-220.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 24.02.09. Тираж 120 экз. Усл. п.л. 1,13 Печать авторефератов (495) 730-47-74,778-45-60

Список сокращений

Введение

Глава 1. Обзор существующих методов и принципов вспомогательного кровообращения

1.1. Обзор методов вспомогательного кровообращения, классификация существующих типов АВК

1.1.1. Классификация методов механической поддержки кровообращения

1.1.2. Шунтирование желудочка сердца

1.2. Основные проблемы управления роторными насосами (РН)

1.3. Обзор принципов получения информации о параметрах работы АВК на базе насосов роторного типа и о состоянии сердечнососудистой системы

1.3.1. Прямое измерение напора и расхода

1.3.2. Косвенное измерение напора и расхода

1.3.3. Определение частоты сокращений естественного сердца, индекса пульсаций, индекса пульсационного отношения

1.4. Обзор систем управления АВК на базе насосов роторного типа

1.5. Медицинские биотехнические системы

Выводы

Глава 2. Разработка теоретических основ биотехнической системы кровообращения

2.1. Постановка задачи разработки биотехнической системы

2.2. Обзор математических моделей системы кровообращения

2.3. Общая структура математической модели системы кровообращения человека

2.4. Исследование модели СК

2.4.1. Организм без нарушений СК в состоянии покоя

2.4.2. Организм без нарушений СК при физической нагрузке различной интенсивности

2.4.3. Стимуляция сердца при помощи ЭКС (состояние покоя)

2.4.4. СН (состояние покоя)

Выводы

Глава 3. Исследование биотехнической системы кровообращения

3.1. Общие положения по применению роторных насосов в поддержке системы кровообращения

3.2. Описание используемого центробежного насоса крови

3.3. Описание используемого осевого насоса крови

3.4. Экспериментальное определение характеристик насосов

3.4.1. Описание экспериментального комплекса

3.4.2. Исследование расходно-напорных характеристик центробежного насоса

3.4.3. Исследование расходно-напорных характеристик осевого насоса

3.4.4. Исследование гидравлического сопротивления подводящих каналов насоса

3.5. Косвенное измерение параметров БТС кровообращения

3.5.1. Измерения тока и скорости вращения рабочего колеса РН

3.5.2. Косвенные измерения напора и расхода РН

3.5.3. Косвенные измерения ЧСС

3.5.4. Определение критических режимов работы АВК и степени поддержки СК

3.5.5. Определение ударного объема и объемного кровотока

3.6. Управление БТС

Выводы

Глава 4. Реализация и тестирование биотехнической системы кровообращения

4.1. Исследование объединенной модели БТС

4.1.1. СН (состояние покоя, бодрствование)

4.1.2. СН (состояние сна)

4.1.3. СН (состояние легкой физической нагрузки)

4.1.4. Стимуляция сердца при помощи ЭКС (состояние покоя и легкой физической нагрузки)

4.2. Реализация БТС кровообращения

4.2.1. Аппаратное обеспечение БТС

4.2.2. Программное обеспечение БТС

Выводы

Актуальность проблемы: Заболевания сердечно-сосудистой системы являются наиболее распространенными среди всех остальных. Хроническая сердечная недостаточность является одной из основных причин заболевания и смерти в промышленно развитых странах. В США этот диагноз ставится у 6-10% лиц старше 65 лет. Ежегодное количество смертных случаев и госпитализаций из-за хронической сердечной недостаточности устойчиво увеличивалось за прошлое десятилетие, достигнув почти 900000 госпитализаций и 300000 смертных случаев в год. Ожидается, что со старением населения доля хронической сердечной недостаточности среди общего количества больных шодей будет увеличиваться с каждым годом [32].

Статистические данные о заболеваемости и смертности от хронической сердечной недостаточности в России за конец 1990-х - начало 2000-х отсутствуют. По заявлению директора НЦ сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева РАМН JI.A. Бокерия, на 2007 г. 23 млн. россиян страдают от сердечно-сосудистых заболеваний [88], а смертность ежегодно составляет 1.3 млн. человек [78, 4].

Несмотря на большие успехи в развитии новой лекарственной базы в последнее десятилетие, смертность из-за сердечно-сосудистых заболеваний по-прежнему очень высока. Особенно остро обстоит дело с лечением тяжелых форм сердечной недостаточности (СН). И сегодня на терминальной стадии сердечной недостаточности основной эффективной мерой лечения является трансплантация сердца.

Однако дефицит донорских органов делает практически невозможным оказание помощи всем больным, нуждающимся в подобной операции. Посчитано, что в США ежегодно требуется трансплантация 20,000 пациентов, в то время как возможности получения донорского сердца ограничиваются 2000 [32]. Как следствие 90% пациентам не может быть проведена трансплантация сердца.

В настоящее время период ожидания донорского сердца может быть увеличен за счет двухэтапной операции по замене сердца с помощью систем искусственного сердца (ИС) или вспомогательного кровообращения (ВК) [32]. В течение проведения ВК состояние пациента может стабилизироваться и даже улучшиться.

Применение ВК в необходимых количествах позволяет исключить иммунносупресшо и отторжение и может обеспечить помощь потенциально практически неограниченному количеству пациентов, которые могли бы умереть, не дождавшись донорского сердца. Кроме того, многие пациенты, страдающие СН и отвечающие на фармакологическую терапию, также могли бы быть излечены от болезни. Эти группы включают пациентов, подвергшихся кардиогенному шоку после сердечной хирургии и инфаркта миокарда. Они составляют 2-10% от всех пациентов, которые подверглись хирургии на открытом сердце. ВК помогает насосной функции сердца, снижая нагрузку на левый желудочек сердца (ЛЖ), и обеспечивает достаточный кровоток для гарантированной адекватной перфузии органов и тканей. Временное подключение аппарата вспомогательного кровообращения (АВК) позволяет в 25% случаев восстановить сердечную деятельность, и впоследствии отключить его [53].

Кроме того, возможно восстановление миокарда после продолжительного ВК у пациентов с конечной стадией СН. Это подтверждает, что ВК не только стабилизирует пораженный миокард, но также становится альтернативной терапией для лечения СН, длительная работа ВК способствует восстановлению сократительной способности собственного миокарда, что позволяет в конечном итоге отключить от организма вспомогательный насос без необходимости проведения второго этапа - пересадки сердца [45].

Если на первых этапах решения проблемы двухэтапной пересадки сердца использовались достаточно громоздкие системы искусственного сердца и ВК, которые исключали использование этих систем вне стен клиники, то на данной стадии развития техники появились достаточно компактные и эффективные системы, которые могут обеспечить для пациента условия жизни, близкие к нормальным (нахождение вне клиники и полная подвижность, благодаря компактности и автономности системы). Но применяемые в клинической практике устройства не имеют биологической обратной связи (БОС) - их принцип управления основан на поддержании постоянного режима работы привода на уровне, определяемом оператором, который может не соответствовать текущим потребностям организма.

Аппараты такого типа должны разрабатываться на основе принципов биотехнических систем (БТС) - объединяющих живой организм и техническое устройство — обеспечения согласования биологических объектов с техническими компонентами, управление техническими средствами в соответствии с потребностями живых систем [3, 30].

В связи с трудностями исследования работы насосного устройства на животных и пациентах, возникает задача анализа работы аппарата при помощи математического моделирования в широком диапазоне изменений внешних условий.

Среди существующих математических моделей системы кровообращения можно отметить модели Н.М.Амосова, J.Beneken, De Wit, Ю.В.Солодянникова. Отказ от использования этих моделей обусловлен тем, что модель Н.М.Амосова имеет непульсирующий характер, модель J.Beneken и В. De Wit не включает в себя нейро-гуморальный контур управления, динамические реакции модели Ю.В. Солодянникова в ответ на ряд физиологических возмущений не соответствуют реальным данным.

С 2004 года сотрудниками Московского авиационного института и Научно-исследовательского института трансплантологии и искусственных органов ведутся совместные работы по исследованию аппарата вспомогательного кровообращения на базе роторных насосов крови и разработки системы управления, математического и программно-алгоритмического обеспечения для его функционирования.

Цель работы: Разработка и исследование биотехнической системы мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови для повышения качества жизни пациентов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить рабочие характеристики используемых роторных насосов крови;

- разработать структуру биотехнической системы мониторинга и управления;

- разработать комплексную модель биотехнической системы, включающую математические модели системы кровообращения и аппарата вспомогательного кровообращения на базе роторного насоса;

- разработать алгоритмы косвенного определения расходно-напорных параметров аппарата вспомогательного кровообращения и гемодинамических параметров системы кровообращения организма;

- на основе разработанных алгоритмов создать систему управления аппаратом вспомогательного кровообращения;

- оценить метрологические характеристики измерительного модуля биотехнической системы.

Методы исследований: поставленные задачи решались с использованием теории математического моделирования, теории биотехнических систем, методов цифровой обработки сигналов.

Научная новизна работы:

- разработана биотехническая система мониторинга и управления вспомогательным роторным насосом крови, использующая метод косвенных измерений для определения гемодинамических параметров организма и текущего состояния насоса;

- разработана система управления аппаратом вспомогательного кровообращения, регулирующая производительность насоса крови при изменении физиологического состояния организма и функционального состояния сердца;

- синтезирована уточненная математическая модель биотехнической системы, включающая систему кровообращения человека и вспомогательный насос крови, разработанная с использованием результатов экспериментальных исследований и позволяющая оценить эффективность алгоритмов измерения и управления.

Объект исследования: система механической поддержки кровообращения.

Предмет исследования: измерительно-управляющая система аппарата вспомогательного кровообращения на базе роторного насоса крови. Практическое значение работы:

- использование разработанной биотехнической системы в клинико-экспериментальной практике после проведения комплекса испытаний;

- применение косвенных методов измерений позволит оценивать работу биотехнической системы при изменении состояния пациента и предупреждать о возможных неполадках в системе и методах устранения их;

- использование математической модели СК в качестве обучающей системы для студентов в учебном процессе кафедры 901 МАИ для подготовки инженеров по медицинской технике.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием методов теории биотехнических систем, методов цифровой обработки сигналов, а также тщательным тестированием разработанных алгоритмов при помощи математического моделирования и лабораторных экспериментов.

Внедрение: Результаты диссертационной работы использованы при разработке аппарата вспомогательного кровообращения в Научно-исследовательском институте трансплантологии и искусственных органов РФ, что подтверждается соответствующим актом. Разработанные модели СК и АВК прошли процедуру регистрации в ФГУ ФИПС (Роспатент), что подтверждается соответствующими свидетельствами [43, 44].

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 3 в изданиях, зарегистрированных ВАК РФ.

Структура работы:

В первой главе приведен обзор существующих АВК, их классификация, обзор принципов управления АВК и получения информации об их текущем состоянии. Дано обоснование необходимости разработки нового АВК с использованием биологической обратной связи.

Во второй главе разработана БТС поддержки кровообращения и представлена ее математическая модель.

В третьей главе проведена идентификация БТС кровообращения для используемых РН, исследованы алгоритмы получения косвенным методом информации о состоянии АВК и организма человека, алгоритма управления АВК.

В четвертой главе проведено исследование БТС поддержки кровообращения, реализовано аппаратное и программное обеспечение БТС.

Автор выражает глубокую благодарность руководителям работы — заведующему сектором искусственного сердца и вспомогательного кровообращения НИИТ и ИО к.т.н., д.б.н., профессору Иткину Г.П. и заведующему кафедрой «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы» МАИ к.т.н., доценту Осипову В.Г.

Часть представленного исследования выполнена на базе лаборатории вспомогательного кровообращения и искусственного сердца НИИТ и ИО. Автор признателен сотрудникам лаборатории ВК и ИС за помощь при проведении стендовых экспериментов.

Общие выводы

1. Проведены исследования центробежного и осевого насосов на гидродинамическом стенде для получения расходно-напорных характеристик. Результаты исследований использованы в разработанном математическом и программно-алгоритмическом обеспечении биотехнической системы кровообращения.

2. Получены оценки средних значений расхода и напора РН с помощью метода косвенных измерений по информации о потребляемом токе и скорости вращения рабочего колеса насоса. Относительные погрешности оценок расхода и напора в установившемся режиме составляют менее 1% для центробежного насоса и менее 4% для осевого насоса.

3. Разработаны алгоритмы получения информации о состоянии СК без использования датчиков, контактирующих с кровью. С помощью косвенного метода измерений получены оценки ЧСС, общего кровотока, степени поддержки СК. Относительные погрешности оценок ЧСС и общего кровотока в установившемся режиме не превышают 3 %.

4. По величине тока, потребляемого двигателем насоса, определен параметр, характеризующий наличие или отсутствие критических режимов функционирования РН, а именно обратного кровотока и разрежения ЛЖ (свидетельствующих о чрезмерно низкой и чрезмерно высокой производительности насоса, соответственно).

5. Предложены принципы управления системой СК+АВК, включающие недопустимость перехода АВК в критические режимы, обнаружение изменения физиологического состояния организма, необходимость работы ЛЖ при условии достаточного общего кровотока.

6. Разработана математическая модель биотехнической системы под держки кровообращения, включающая модель СК и модель АВК на основе роторного насоса крови, с целью упрощения проведения исследований РН и разработки алгоритмов работы измерительно-управляющей системы.

7. Разработана структура аппаратно-программного комплекса биотехнической системы, произведен анализ и выбор компонентов.

1. Амосов Н.М, Палец Б. Л., Агапов Б.Т. Теоретическое исследование физиологических систем. Математическое моделирование / Под ред. Н.М. Амосова. Киев: Наукова думка, 1977. - 248 с.

2. Биотехнические системы: Теория и проектирование. Учебное пособие /В.М. Ахутин, Е.П. Попечителев, А.П. Немирко и др.; Под ред. В.М. Ахутина. Л.: Изд-во ЛГУ, 1981.-220 с.

3. Бокерия Л.А., Шаталов К.В., Свободов А.А. Системы вспомогательного и заместительного кровообращения. — М.: Изд-во НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН, 2000. 196 с.

4. Ван Цзыси. Разработка и исследование биотехнической системы регулирования частоты сердечных сокращений для коррекции функционального состояния человека: Дис. . канд. техн. наук: 05.11.17. Москва, 2002. - 226 с.

5. Вашуркин Д.В. Разработка методологии проектирования и создания осевого насоса имплантируемой системы вспомогательного кровообращения: Дис. . канд. техн. наук: 05.11.17. Москва, 2007. -198 с.

6. Гайтон А. Физиология кровообращения. Минутный объём сердца и его регуляция / Пер. с англ. -М.: Медицина, 1969. 472 с.

7. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. СПб.: Корона-принт, 2001.-320 с.

8. ГОСТ 8.563.1-97. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. М.: Издательство стандартов, 1998. - 65 с.

9. Ю.Григорян Р.Д. Математическая модель сердечно-сосудистой системы человека // Биологическая медицинская кибернетика и бионика. Киев, 1984. -№2. - С. 34-38.

10. П.Гультяев А.К. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. СПб.: Корона-принт, 1999. - 288 с.

11. Дегтярев Ю.И. Системный анализ и исследование операций. М.: Высшая школа, 1996. - 335 с.

12. Дозоров К.Н. Программный комплекс контроля и управления силовой частью привода системы вспомогательного кровообращения нового поколения // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. — №1. -С. 26-28.

13. Дозоров К.Н., Иткин Г.П., Романов О.В. Анализ принципов неинвазивной оценки параметров имплантируемых роторных насосовкрови // Вестник трансплантологии и искусственных органов. — 2007. — №2 (34).-С. 34-39.

14. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления / Пер. с англ. Копылова Б.И. -М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. 832 с.

15. Евлахов В.И., Поясов И.З. Использование флоуметрии в острых экспериментах на животных // Методология флоуметрии. — 1999. — №3. -С. 181-187.

16. Емельянов С.В., Коровин С.К. Стабилизация неопределенных динамических объектов с непрерывным временем // Новые методы управления сложными системами. М.: Наука, 2004. - С. 87-148.

17. Иткин Г.П. Разработка и исследование систем управления протезами сердца с помощью математического моделирования: Дис. . канд. техн. наук: 05.1117. Москва, 1974. - 157 с.

18. Калекин А.А. Гидравлика и гидравлические машины. М.: Мир, 2005. -512 с.

19. Калинин С.А. Управление биотехническими системами: Элементы проектирования биотехнических систем управления: Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 36 с.

20. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1987. - 247 с.

21. Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б.В. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М.: Машиностроение, 1985. — 128 с.

22. Кушнир Ф.В. Радиотехнические измерения: Учебник для техникумов связи. -М.: Связь, 1980. 176 с.

23. Лищук В.А. Математическая теория кровообращения. — М.: Медицина, 1991.-256 с.

24. Лищук В.А., Сахно Ю.Ф., Газизова Д.Ш. Изучение механизмов сердечно-сосудистой недостаточности на основе клинико-математического подхода: Учебное пособие. М.: ЦОЛИУВ, 1985. — 29 с.

25. Лощилов В.И., Щукин С.И., Иванцов В.И. Принципы анализа и синтеза биотехнических систем: Учебное пособие / Под ред. В.И. Лощилова. -М.: МВТУ, 1988.-64 с.

26. Меерсон Ф.З. Адаптация сердца к большой нагрузке и сердечная недостаточность. -М.: Наука, 1975. 263 с.

27. Механическая поддержка кровообращения при двухэтапной трансплантации сердца / М.Ш. Хрубутия, Д.В. Шумаков, И.М. Ильинский и др. // Вестник трансплантологии и искусственных органов. -2003. №2. - С. 51-58.

28. Моделирование физиологических систем организма / В.И. Шумаков, В.Н. Новосельцев, М.П. Сахаров, Е.Ш. Штенгольд М.: Медицина, 1971.-352 с.

29. Морман Д., Хеллер Л. Физиология сердечно-сосудистой системы. — СПб: Издательство Питер, 2000. 256 с.

30. Несукай Е.Г. Структурно-функциональная перестройка левого желудочка сердца у больных с аортальным стенозом при различныхтипах нарушения гемодинамики // Украшсысий кардюлопчний журнал.- 2004. -№ 3. С. 66-71.

31. Зб.Нормальная физиология человека: учеб. для студентов мед. вузов / Под ред. Б.И. Ткаченко. Изд. 2-е, испр. и доп. -М.: Медицина, 2005. - 927 с.

32. Овсянников Б.В. Теория и расчет насосов жидкостных ракетных двигателей, М.: Оборонгиз. 1960. - 246 с.

33. Парашин В.Б., Иткин Г.П. Биомеханика кровообращения: Учебное пособие / Под ред. С.И. Щукина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.-224 с.

34. Рангайян P.M. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход / Пер. с англ. под ред. А.П. Немирко. М.: Физматлит, 2007. -440 с.

35. Регирер С.А., Ружкевич И.М., Усик П.И. Модель сосудистого тонуса. — // Механика полимеров. 1975. - №4. - С. 585-589.

36. Саморегуляция сердца / Н.М. Амосов, С.А. Лшцук, С.А. Пацкина и др. -Киев: Наукова думка, 1969. 159 с.

37. Сахаров М.П. О выходных характеристиках сердца // Некоторые проблемы биокибернетики, применение электроники в биологии и медицине: труды семинара. Киев, 1969. - С. 52-55.

38. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008614453. Модель аппарата вспомогательного кровообращения на основе роторного насоса (Модель АВК РН) / Г.П. Иткин, К.Н. Дозоров.- Дата регистрации 09.10.2008.

39. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008614676. Модель сердечно-сосудистой системы человека (Модель СССЧ) / Г.П. Иткин, К.Н. Дозоров, Д.А. Сурков. Дата регистрации 29.09.2008.

40. Современные проблемы механической поддержки кровообращения /В.И. Шумаков, Г.П. Иткин, К.Н. Дозоров и др. // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. - № 8. - С. 34-40.

41. Солодянников Ю.В. Элементы математического моделирования и идентификация системы кровообращения / Науч. ред. Г.П. Иткин. -Самара: Самарский университет, 1994. 315 с.

42. Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем / Под ред. А.С. Юрьева. СПб: АНО НПО. Мир и семья, 2001. - 1154 с.

43. Уорнер Х.Р. Некоторые методы изучения системы кровообращения с применением вычислительных машин // Вычислительные устройства в биологии и медицине. М.: Мир, 1967. - С. 19-23.

44. Физиология сердца: Учебное пособие / С.В. Барабанов, В.И. Евлахов, А.П. Пуговкин и др.; Под ред. Б.И. Ткаченко. СПб.: СпецЛит, 2001. -128 с.

45. Физиология человека: В 3 томах. Т. 2 / Под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. -М.: Мир, 2004.-314 с.

46. Хахулин Г.Ф. Основы конструирования имитационных моделей: Учебное пособие. М.: МАИ, 2001. - 209 с.

47. Шумаков В.И., Толпекин В.Е., Шумаков Д.В. Искусственное сердце и вспомогательное кровообращение. -М.: Янус-К, 2003. 376 с.

48. Шумаков Д.В. Механическая поддержка кровообращения в клинике: дис. докт. мед. наук : 14.00.41, 14.00.44. -М., 2000.-250 с.

49. A blood pressure sensor for long-term implantation / E. Bullister, S. Reich, N. d'Entremont, J. Sluetz//Artificial Organs. -2001. -№25. P. 376-379.

50. A Bridge from Short-term to Long-term Left Ventricular Assist Device -Experimental Verification of a Physiological Controller / Yi Wu, Paul E. Allaire, Don B. Olsen et al. // Artificial Organs. 2004. - №10. - P. 927932.

51. A New Control Method That Estimates the Backflow in a Centrifugal Pump /К. Nakata, G. Ohtsuka, M. Yoshikawa et al. // Artificial Organs. 1999. -№6.-P. 538-541.

52. A Sensorless Approach to Control of a Turbodynamic Left Ventricular Assist System / Seongjin Choi, James F. Antaki, J. Robert Boston, Douglas Thomas // IEEE Transactions On Control Systems Technology. 2001. -№3. — P. 473—482.

53. Application of Indirect Flow Rate Measurement Using Motor Driving Signals to a Centrifugal Blood Pump with an Integrated Motor / T. Tsukiya, Y. Taenaka, T. Nishinaka et al. // Artificial Organs. 2001. - №9. - P. 692696.

54. Ауге P.J., Lowell N.H., Woodard J.C. Non-invasive flow estimation in an implantable rotary pump: a study considering non-pulsatile and pulsatile flow // Physiological Measurement. 2003. - №24. - P. 179-189.

55. Beneken. J.E.W., DeWit. B. A physical approach to hemodynamic aspects of the human cardiovascular system // Physical Bases of Circulatory Transport: Regulation and Exchange / E.B. Reeve, A.C. Guyton, Eds. — Philadelphia, Pa.: Saunders, 1967. P. 1-45.

56. Bullister E, Reich S., Sluetz J. Physiologic Control Algorithms for Rotary Blood Pumps Using Pressure Sensor Input // Artificial Organs. 2002. -№11.-P. 931-938.

57. Chronic survival of calves implanted with the DeBakey ventricular assist device /T.W. Fossum, D. Morley, R. Benkowski et al. //Artificial Organs. -1999. -№23. -P. 802-806.

58. Clinical application of newly development autoflow control system for the Terumo centrifugal pump: from external control to built-in direct control /Н. Nishida, T. Nishinaka, H. Koyanagi et al. // Artificial Organs. — 1966. — №20.-P. 625-631.

59. Control strategy for biventricular assistance with mixed-flow pumps / G. Endo, K. Araki, M. Oshikawa et al. // Artificial Organs. 2000. - №8. -P. 594-599.

60. Control Strategy for Rotary Blood Pumps / Katsuhiro Ohuchi, Daiki Kikugawa, Kiyofumi Takahashi et al. // Artificial Organs. 2001. — №5. — P. 366-370.

61. Development and clinical application of the MicroMed DeBakey VAD /G.P. Noon, D. Morley, S. Irwin, R. Benkowski // Current Opinion in Cardiology.-2000.-№5.-P. 166-171.

62. Development of a Flow Estimation and Control System of an Implantable Centrifugal Blood Pump for Circulatory Assist / Yoshinari Wakisaka, Yasuki Okuzono, Yoshiyuki Taenaka et al. // Artificial Organs. 1998.№6.-P. 488-492.

63. Development of a pivot bearing supported sealless centrifugal pump for ventricular assist / T. Nakazawa, K. Makinouchi, Y. Ohara et al. // Artificial Organs. 1996. -№6. - P. 485-489.

64. Development of built-in type and noninvasive sensor system for smart artificial heart / H. Yamagishi, Y. Sankai, T. Jikuya, T. Tsutsui // ASAIO Journal. -2003. -№49. P. 265-270.

65. Dozorov K.N., Itkin G.P., Surkov D.A. Mathematical model of human cardiovascular system for implantable rotor blood pump research //Proceedings of the 4th Russian-Bavarian Conference on Bio-Medical Engineering. Moscow, 2008. - P. 216-220.

66. Establishment of flow estimation for an implantable centrifugal pump / Y. Wakisaka, Y. Okuzono, Y. Taenaka et al. // ASAIO Journal. 1997. -№43. -P. 2659-2662.

67. Estimation of Left Ventricular Recovery Level Based on the Motor Current Waveform Analysis on Circulatory Support with Centrifugal Blood Pump /К. Takahashi, M. Uemura, N. Watanabe et al. // Artificial Organs. -2001.-№9.-P. 713-718.

68. First clinical experience with the Incor left ventricular assist device / C. Schmid, T.D. Tjan, C. Etz et al. // Journal of Heart and Lung Transplantation. 2005. - №9. - P. 1188-1194.

69. Flow rate and pressure head estimation in a centrifugal blood pump / A. Funakibo, S. Ahmed, I. Sakuma, Y. Fukui // Artificial Organs. 2002. -№26. - P. 985-990.

70. Fluid dynamic characterization of operating conditions for continuous flow pumps / Z. Wu, J.F. Antaki, G.W. Burgreen et al. // ASAIO Journal. 1999. -№45.-P. 442-449.

71. Goldowsky M.P. Magnevad world's smallest magnetic bearing turbopump // Artificial Organs. 2004. - №28. - P. 945-952.

72. Guruprasad A. Giridharan, Mikhail Skliar. Control Strategy for Maintaining Physiological Perfusion with Rotary Blood Pumps // Artificial Organs. -2003. -№7.-P. 639-648.

73. Guruprasad A. Giridharan, Mikhail Skliar. Physiological Control of Blood Pumps Using Intrinsic Pump Parameters: A Computer Simulation Study //Artificial Organs. -2006. №4. - P. 301-307.

74. Hemolysis. A comparative study of four nonpulsatile pumps / T. Oku, H. Harasaki, W. Smith, Y. Nose // Journal of Heart and Lung Transplantation. -2006.-№25.-P. 181-186.

75. John McLeod. PHYSBE . a physiological simulation benchmark experiment// Simulation. 1966. -№7. - P. 324-329.

76. Kenneth L. Franco. New Devices for Chronic Ventricular Support // Journal of Cardiac Surgery. 2001. - 161. - P. 178-192.

77. Modeling and Control of a Brushless DC Axial Flow Ventricular Assist Device / Guruprasad A. Giridharan, Mikhail Skliar, Donald B. Olsen, George M. Pantalos // ASAIO Journal. 2002. - №3. - P. 272-289.

78. Noninvasive monitoring of rotary blood pumps: Necessity, possibilities, and limitations / H. Schima, W. Trubel, A. Moritz et al. // Artificial Organs. -1992.-№6.-P. 195-202.

79. Nonivasive pump flow estimation of a centrifugal blood pump / Y. Wakisaka, Y. Okuzono, Y. Taenaka et al. // Artificial Organs. 1997. -№21.-P. 651-654.

80. Physical Model-Based Indirect Measurements of Blood Pressure and Flow Using a Centrifugal Pump / Tadashi Kitamura, Yuhei Matsushima, Torn Tokuyama et al. // Artificial Organs. 2000. - №8. - P. 589-593.

81. Pickering W.D., Nikiforuk P., Merriman J.E. Analogue computer model of the human cardiovascular control system // Engineering in Medicine and Biology. 1969. - №4. - P. 401-410.

82. Preload sensitivity of the Jarvik 2000 and HeartMate II left ventricular assist devices / H.A. Khalil, W.E. Cohn, R.W. Metcalfe, O.H. Frazier // ASAIO Journal. -2008. -№3. P. 245-248.

83. Robinson D. Quantitative analysis of the control of cardiac output in the isolated left ventricle // Circulation Research. 1965. -№17. - P. 207-221.

84. Shao Hui Chen. Baroreflex-based physiological control of a left ventricular assist device. Ph.D. thesis. University of Pittsburgh, 2006. 155 p.

85. Shumakov V.I., Itkin G.P. Control of heart assistive devices // Control aspects of biomedical engineering. London: Pergamon Press, 1987. — P. 139-145.

86. Stergiopulos N., Meister J.-J., Westerhof N. Determinants of stroke volume and systolic and diastolic aortic pressure // American Journal of Physiology Heart and Circulatory Physiology. - 1996. - №6. - P. 2050-2059.

87. The index of motor current amplitude has feasibility in control for continuous flow pumps and evaluation of left ventricular function / G. Endo, K. Araki, K. Kojima et al. // Artificial Organs. 2001. - №9. - P. 697-702.

88. The meaning of the turning point of the index of motor current amplitude curve in controlling a continuous flow pump or evaluation of left ventricular function / G.J. Endo, K. Kojima, K. Nakamura et al. // Artificial Organs. -2003.-№3.-P. 272-276.

89. Thierry G. Mesana. Rotary Blood Pumps for Cardiac Assistance: A "Must"? // Artificial Organs. 2004. - №2. - P. 218-225.

90. Topam W.S., Warner H.R. The control of cardiac output during axersic // Physical Bases of circulatory Transport / E.B. Reeve Eds. -Phyladelphia: Saunders, 1967. P. 77-90.