قلب، بطن، کنترلر، بیمار، چرخش، شبیه¬سازی، عبوری، روتاری، پمپاژ، آشکارساز، آشکارسازی، پمپ¬های

مجوز دانشگاه دستاوردهای آن را منتشر ننموده و یا در اختیار غیر قرار ندهم. کلیه حقوق این اثر مطابق با آیین¬نامه مالکیت فکری و معنوی متعلق به دانشگاه شیراز است.

نام ونام خانوادگی :
تاریخ و امضا:

سپاسگزاری

اکنون که این رساله به پایان رسیده است بر خود فرض می¬دانم از اساتید ارجمندم جناب آقایان دکتر بوستانی، دکتر مومنی و دکتر پارسایی و سرکار خانم دکتر دهقانی که بنده را در مراحل مختلف این تحقیق یاری رساندند و به خصوص پدر و مادر عزیزم که در تمامی شرایط من را مورد حمایت بی¬شائبه خود قرار دادند، تشکر و قدردانی نمایم و امیدوارم که با انجام این تحقیق، توانسته باشم قدمی کوچک در پیشرفت علمی کشور، به خصوص در زمینه تجهیزات کنترلی در صنعت مهندسی پزشکی نمایم. در نهایت بر خود لازم می¬دانم از تمام عزیزانی که به نوعی در دستیابی به این هدف من را یاری نمودند کمال تشکر را بنمایم.

چکیده

مدل¬سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ¬های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی

به کوشش

حامد کللری

تجهیزات کمکی بطن چپ(LVAD)، پمپ¬های مکانیکی است که به کمک عمل جراحی در بدن بیمارانی که در مراحل خطرناک و نهایی نارسایی تراکمی قلب هستند، قرار می¬گیرد و به ادامه یافتن جریان خون همچون حالت طبیعی از قلب بیمار کمک می¬نماید. پمپ¬های نوع روتاری یا چرخان، میزان جریان خون عبوری از LVAD را به کمک کنترل سرعت متغیر پره-های پمپ کنترل می¬نماید.
یکی از چالش های مهم در بکار بردن این تجهیزات، اجتناب از پمپاژ بیش از اندازه خون از بطن چپ (که به عنوان پدیده مکش یا Suction شناخته می¬شود) می¬باشد، که باعث تخریب قلب بخاطر سرعت بالای پمپ می¬شود. یکی از نوآوری¬های این سیستم کنترلی، کنترل سرعت برای اجتناب از قرارگیری در این محدوده می¬باشد.
در این پایان نامه، ابتدا مدار ترکیبی مدل غیر خطی متغیر با زمان، LVADبا سیستم قلبی- عروقی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. با استفاده از این مدل، مشخصه مکش (Suction Index) برای تشخیص حالت مکش مورد آزمایش قرار می¬گیرد. در پایان، سیستمی کنترلی، بر پایه منطق فازی و مدل پیشگویانه ارائه خواهد شد که سیگنال جریان پمپ را برای تنظیم سرعت پمپ بر اساس مشخصه مکش و آستانه مربوطه تنظیم می¬کند. هدف این روش کنترلی، بروزرسانی و متناسب¬سازی سرعت چرخش پمپ برای تطابق با تغییرات فیزیولوژیکی بیمار در کمترین زمان و بدون رخداد پدیده مکش می¬باشد.
نتایج شبیه¬سازی برای شرایط مختلف و سطح فعالیت¬های مختلف بیمار ارائه خواهد شد و قدرتمندی کنترلر در کاهش اثرات نویز نیز مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت.

فهرست مطالب

عنوان صفحه

مقدمه 1
کلیات 1
تجهیزات کمکی بطن چپ(LVADs) 2
پدیدههای مهم در LVADها 3
تاریخچه و سیر تحول آشکارسازی پدیده مکش 4
تاریخچه و سیر تحول طراحی کنترلرهای مربوطه 5
سیر بررسی مطالب 7
سیستم قلب و مدل مربوط به آن 9
قلب و سیستم گردش خون 10
2-1-1- قلب 10
2-1-2- سیستم گردش خون 12
سیکل قلبی 15
2-2-1- بررسی برخی از مفاهیم اصلی 15
2-2-2- چرخه قلبی 18
مدل قلب 23
2-3-1- مدل مداری قلب 23
2-3-2- معادلات حالت 28
2-3-3- نتایج شبیه سازی 31
مدل قلب- پمپ 34
4-2-1- مدل قلب- LVAD 35
4-2-2- معادلات حالت 38
4-2-3- شبیه¬سازی حلقه باز 41
مساله آشکارسازی حالت مکش در LVAD 48
دیده مکش در LVAD 50
آنالیز شاخصهای مکش با استفاده از دبی عبوری از پمپ 54
شبیه سازی به همراه مدل قلب-LVAD 60
طراحی کنترلر تلفیقی Fuzzy-MPC برای سیستم قلب-LVAD 63
ساختار کنترلرهای مدل پیشبین 64
طراحی کنترلر تلفیقی پیشبین- فازی (Fuzzy-MPC) 66
4-2-1- کنترلر مدل پیش بین (Model Predictive Controller) 67
4-2-2- محاسبه کننده اندیس مکش (SI Calculator) 68
4-2-3- کنترلر فازی (Fuzzy Controller) 68
شبیه¬سازی 73
4-3-1- شبیه¬سازی برای قلب بیمار 73
بررسی میزان مقاومت کنترلر 78
نتیجه¬گیری و اهداف آینده 83
نتیجه¬گیری 83
5-1-1- مدل قلب و قلب – LVAD 84
5-1-2- آشکارساز حالت مکش 84
5-1-3- کنترلر مدل پیش¬بین- فازی 84
5-1-4- شبیه¬سازی¬ها 85
5-1-5- محدودیت¬ها 85
اهداف آینده 86

مطلب مرتبط با این موضوع :  رگرسیون، Chang ،  ، آزمون ، رگرسیوننتیجه، رابطه همانگونه

فهرست جداول

عنوان صفحه

جدول2-1- متغیرهای حالت مدل قلب 355
جدول2-2- مقادیر پارامترهای مربوط به مدل مداری قلب 36
جدول2-3- فازهای سیکل قلبی 38
جدول2-4- متغیرهای حالت مدل ترکیبی 477
جدول2-5- مقادیر پارامترهای مربوط به مدل مداری LVAD 48

فهرست اشکال

عنوان صفحه

شکل2- 1- نماهای جلویی و عقبی قلب 23
شکل2- 2- ساختار اصلی قلب 23
شکل2- 3- بلوک دیاگرام و چرخه سیستمی و تنفسی فرآیند گردش خون انسان 25
شکل2- 4- فاز خالی شدگی بطن 27
شکل2- 5- فاز پرشدگی بطن 27
شکل2- 6- تغییرات LVP, AoP, AP و LVV در طی یک سیکل قلبی 30
شکل2- 7- مدل مداری قلب 35
شکل2- 8- تابع الاستیسیته E(t) 38
شکل2- 9- نتایج شبیه‌سازی پارامترهای همودینامیکی برای یک قلب طبیعی و سالم 42
شکل2- 10- یک LVAD روتاری به همراه تجهیزات جانبی 46
شکل2- 11- مدار مدل ترکیبی قلب- LVAD روتاری 47
شکل2- 12- پاسخ مدل قلب-LVAD به ورودی پله 53
شکل2- 13- پاسخ مدل قلب-LVAD به ورودی شیب 55
شکل2- 14- سیگنال جریان خون عبوری از پمپ (الف- 5/0RS= و ب-2/1RS=) 57
شکل3- 1- کیسه بطنی در دو حالت طبیعی و مکش 59
شکل3- 2- نتایج شبیه¬سازی در یک آزمایش ورودی-خروجی متغیر 62
شکل3- 4- نتایج شبیه¬سازی¬های آزمایش ورودی-خروجی متغیر برای LVP و PIP 65
شکل3- 5- اطلاعات استخراج شده از آزمایشهای ورودی-خروجی متغیر 67
شکل3- 6- نتایج شبیهسازی اندیس مکش 69
شکل3- 7- بلوک دیاگرام سیستم آشکارساز حالت مکش 70
شکل3- 8- مقادیر سرعت چرخش پمپ و شاخص مکش mmHg.s/ml)0/1 (RS= 71
شکل3- 9- مقادیر سرعت چرخش پمپ و شاخص مکش mmHg.s/ml)2/1 (RS= 72
شکل4- 1- بلوک دیاگرام کنترلر پیشبین (MPC) 76
شکل4- 2- فلوچارت نحوه بروزرسانی سرعت چرخش پمپ 80
شکل4- 3- طرح کنترلر پمپ-LVAD 81
شکل4- 4- نتایج شبیه¬سازی برای میزان مقاومت سیستمی ثابت 84
شکل4- 5- تغییرات RS در طول زمان شبیه¬سازی 85
شکل4- 6- نتایج شبیه¬سازی برای میزان مقاومت سیستمی متغیر 86
شکل4- 7- نتایج شبیه¬سازی در شرایط بدون اغتشاش 88
شکل4- 8- نتایج شبیه¬سازی برای شرایط همراه با اغتشاش (SNR=10dB) 89
شکل4- 9- تاثیرات اغتشاشات بر روی دبی عبوری از یک کنترلر باروفلکس 90

فهرست نشانه¬های اختصاری

AoP = Aortic Pressure
CO = Cardiac Output
DA = Discriminant Analysis
EDV = End-Diastolic Volume
EDPVR = End-Diastolic Pressure Volume Relationship
ESA = Extermum Seeking Algoritm
ESPVR = End-Systolic Pressure Volume Relationship
ESV = End-Systolic Volume
HR = Heart Rate
PI= Proportional-Integral
PIP = Pump Inlet Pressure
LVAD = Left Ventricular Assistant Device
LAP = Left Atrial Pressure
LVP = Left Ventricular Pressure
LVV = Left Ventricular Volume
SV = Stroke Volume
SVR = Systemic Vascular Resistance

مطلب مرتبط با این موضوع :  کارگر، نقاله، باشد.، پیت، سقوط،

مقدمه

کلیات

براساس ارزیابی سازمان سلامت جهانی و آمار به دست آمده توسط این سازمان، حدود یک سوم از بیماری¬های رایج در سراسر دنیا، به بیماری¬های قلبی اختصاص دارد. موضوع حائز اهمیت، سیر صعودی ابتلا به این بیماری¬ها بخصوص در زمینه “نارسایی انقباضی بطن چپ” است که یکی ازمهم¬ترین و حادترین انواع بیماری¬های قلبی محسوب می¬شود[1]. عارضه حاصل از این بیماری، پمپاژ نامناسب خون و در نتیجه، نرسیدن میزان کافی خون به ارگان¬ها و اعضای بدن می باشد.
اگرچه، درمان¬های دارویی تاثیر بسزایی در بهبود کیفیت زندگی بیماران نارسایی انقباضی قلب دارد، اما تا زمانی که این نوع درمان برای بلند مدت قابل استفاده نباشد، کاهش آمار بالای مرگ و میر این بیماران امکان پذیر نمی¬باشد. در نتیجه، عملیات پیوند قلب، تنها روش مطمئن و قابل قبول برای درمان موارد جدی نارسایی انقباضی قلب خواهد بود.
عموماً بیماران مبتلا به نارسایی تراکمی قلب، برای دریافت قلب مناسب جهت پیوند، می-بایست مدت زمانی طولانی (حدود یک سال یا حتی بیشتر) در انتظار بمانند، و بدیهی است که در طول این مدت، امکان وخیم¬تر شدن بیماری آنها و اختلال بیشتر در عملیات پمپاژ خون به وسیله قلب وجود دارد. از اینروست که، تجهیزات کمکی بطن چپ(LVADs)، می¬توانند به عنوان پلی برای رسیدن به مرحله جراحی، به کمک قلب ضعیف بیمار آمده و شرایط مساعدی را برایبیمار تا زمان عمل جراحی فراهم نمایند[2].

تجهیزات کمکی بطن چپ(LVADs)

تجهیزات کمکی بطن چپ (LVADs) را بر اساس الگو و روش پمپاژ خون، به دو دسته عمده می¬توان تقسیم کرد:
LVADهای جابجایی مثبت (ضربانی) و LVADهای توربودینامیک (روتاری). نسل اول از این تجهیزات،LVAD های ضربانی بوده که رفتار عملکردی شبیه ضربان قلب داشته و جریان طبیعی خون را به همان شکل تولید می¬نماید. LVADهای روتاری به عنوان نسل جدیدتر این تجهیزات، جریان خون پیوسته¬ای را به جای جریان ضربانی تولید می¬نمایند. بعلاوه، LVADهای روتاری امکان اتصال به قلب و شریان و کاشت زیر پوست را به ما می¬دهند که بطور معمول در حفره درون قفسه سینه و یا فضای اضافی آن کاشته می¬شوند [1]. امروزه LVADهای روتاری به دلیل اندازه کوچکتر، وزن کمتر، بقاء و پایداری بیشتر [3] و راندمان بالاترشان نسبت به نوع ضربانی و معمول آنها، به شکل فراگیرتری در درمان¬های کلینیکی مورد استفاده قرار می¬گیرند.
LVAD روتاری، پمپ مکانیکی است که به کمک عمل جراحی از بطن چپ تا آئورت و مابین آنها، در بدن بیمار قرار می¬گیرد، تا به این وسیله، به تامین جریان خون کافی، که قلب بیمار به تنهایی قادر به فراهم آوردن آن نیست، کمک نماید [2]. پمپ¬های روتاری به کمک تغییر سرعت چرخششان، میزان جریان خون عبوریرا کنترل می¬نمایند. به واسطه کنترل اتوماتیک سرعت چرخش این پمپ¬ها، که بر اساس نیازهای فیزیولوژیکی بیمار تنظیم می¬شود، این امکان به بیمار داده می¬شود که، از پزشک مربوطه، بیمارستان و مراقبت¬های ویژه دور باشد، و تا زمان عمل جراحی پیوند قلب از سطح سلامت قابل قبولی برخوردار باشد.

مطلب مرتبط با این موضوع :  تسمه، فلکه، حفاظ، سوار، سمباده، مکانیکی

پدیده¬های مهم در LVADها

با توجه به سرعت چرخشLVADهای روتاری، دو پدیده مهم در عملکرد آنها اتفاق می¬افتد:
پدیده اول: در صورتی که سرعت چرخش پمپ خیلی پایین باشد، خون از آئورت به بطن چپ برگشته و به عنوان جریان برگشتی (Backflow) شناخته می شود.
پدیده دوم: در شرایطی که سرعت چرخش پمپ بالا باشد، پدیده مکش (Suction) اتفاق می¬افتد،که این رخدادی نامناسب است، چرا که سبب فعالیت بیش از حد پمپ برای پمپاژ میزان خون بیشتری از آنچهدر بطن چپ موجود است، می¬شود و این اتفاق می¬تواند منجر به تخریب و یا آسیب رساندن به بافت¬های قلب شود. بنابراین، آنچه حائض اهمیت است، اجتناب از پیشآمد هر دو پدیده در هنگام عملکرد LVAD می¬باشد، بالاخص پدیده مکش که بمراتب خطرناک¬تر است.
برای این که پدیده مکش رخ ندهد، دو مرحله عملیات می¬بایست انجام شود. مرحله اول، شناسایی و آشکار ساختن پدیده مکش است. در سال¬های اخیر روش¬های مختلفی برای حل مسئله آشکارسازی پدیده مکش پیشنهاد و ارائه شده است. پایه اصلی اغلب این روش¬ها و دستاوردها، آنالیز متغیرهای مشخصی همچون سرعت چرخش پمپ، جریان خون عبوری از پمپ و جریان الکتریکی موتور پمپ می¬باشد. این متغیرها ممکن است در زمان رخداد پدیده مکش به شدت و ناگهانی تغییر کنند.

تاریخچه و سیر تحول آشکارسازی پدیده مکش

آقایان Vollkron و Schima و همکارانشان [5و4]، چندین شاخص را برای آشکارسازی پدیده مکش ارائه کردند. این شاخص¬ها (اندیس¬های مکش) بر پایه آنالیز دامنه زمانی الگوی جریان عبوری از پمپ-که از بدن بیمار در شرایط مختلف فیزیولوزیکی استخراج شده- بدست آمده است. الگوی استخراجی، با نمونه¬های قبلی گرفته شده از جریان عبوری پمپ مقایسه شده و بر اساس تجربیات کلینیکی سه نفر از متخصصان در این زمینه در یک پایگاه داده، طبقه بندی شده است. با مطالعه این داده¬ها است که می¬توان تشخیص داد، پدیده مکش رخ داده یا خیر. اگر چه این روش دارای محدودیت¬هایی نیز می¬باشد [4].
دکتر Voigtبه همراه همکارانش [6]، یک سیستم آشکارساز مکش را با استفاده از سرعت موتور و جریان الکتریکی پمپ به عنوان سیگنال¬های پیوسته¬ی در دسترس ارائه نمودند. هدف از بکارگیری این روش، ارزیابی و اعتبارسنجی پارامترها برای سیستم آشکار ساز مکش می¬باشد. زمانی که این دانشمندان روی الگوریتم آشکارساز مکش فعالیت می¬کردند، اطلاعات و شرایط آزمایشگاهی را نیز مد نظر داشتند و در نهایت، نتایج نشان داد که این روش در شرایط کلینیکی، عملی و امکان¬پذیر خواهد بود.
دکتر Ferreira با کمک همکارانش [7]، یک سیستم متفاوت آشکارساز مکش را ارائه نمودند.