Способ управления протезом сердца с активным предсердием и устройство для реализации способа

(51)М. Хл.3 А 61 М 1/03 с присоединением заявки МГосударственный комитет СССР по делам изобретений н открытийДата опубликования описания 230980(54). СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗОМ СЕРДЦА С АКТИВНЫМ ПРЕДСЕРДИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Изобретение относится к сердечной хирургии и может быть использовано при полном замещении естественного сердца и при вспомогательном крово 5 обращении.Известен способ управления протезом сердца, заключающийся в подаче давления в пневмокамеры желудочка протеза сердца 1).10Известно устройство дляф реализации способа 11, содержащее сервомеханизм давления и вакуума, генератор функции с программным заданием Формы волны и с Ручным заданием частоты, 15 датчик объема крови в желудочке, задатчик уровня и подключенный к Входу сервомеханизм, интегратор, образующей обратную связь по объему крови в желудочке, датчик давления крови 20 в предсердии, задатчик давления, усилитель-интегратор, электронный умно- житель, подключенйый к амплитудному выходу генератора функ ни и к выходу усилителя-интегратора, при этом вы ход электронного умножителя подключен к входу сервомеханнзма давления и вакуума.В известном устройстве величину давления и вакуума Формируют по ус 30 редненной веЛичине давления в предсердии.Реализация способа затруднена изэа отсуствия надежных в работе датчиков давления крови в предсердии.Известен способ управления протезом сердца с активным предсердием путем изменения давления в пневмокамерах предсердия и желудочка 2,Известно устройство для реалиэа" ции способа, содержащее источник давления, соединенный через пневмораспределитель с пневмокамерами предсердия и желудочка и блок управления 2).В известном устройстве зависимость между давлением и объемом крови в предсердии носит нелинейныйхарактер. В условиях чрезмерно высокихи низких давлений в предсердии в моменты приближения диафрагмы предсердия к стенке корпуса пневматической камеры возникают пульсации давления и расхода крови. Это приводит к нестабильности производительности, к неустойчивой работе протеза сердца, следовательно, к неадекватности, расходных характеристик характеристикам естественного сердца.В системе имеется эадатчик уровня 22, задатчик 23 програмы формы волны и эадатчик частоты 24. Сигнал формируется генератором Функции 25.Выход датчика 21 объема крови предсердия 3 подключен к входу функционального регулятора 17. Последний выполнен в виде двух нелинейных звеньев 26, 27, коэффициенты усиления отарых .решены в сбответствии с хаактеристикой взаимосвязи между давлением и объемом крови в предсердии. Выход нелинейного звена 27 и значение уставки задатчйков давления 28 сравниваются между собой. Суммарный выход подключен к входу усилителя- интегратора 29, предназначенного для формирования входного сигнала требуемой крутизны. Выход усилителя-интегратора 29 и амплитудный выход гене- ратора функции 25 подключены к входу электронного умножителя 30.Усилитель-интегратор 29, генератор функции и электронный умножитель 30 образуют блок управления 31.В системе предусмотрена оптимизация давления, поданного в пневмокамеру 7 желудочка 2, реализуемая датчиком 20 объема крови в желудочке 2, задатчиком уровня 22 и интегратором. 32.Таким образом, для реализации способа используется нелинейная .система, инвариантная по отношению к входйым и выходным возмущениям.Способ заключается в следующем.Давление в пневмокамерах 7, 8 желудочка 2 и.предсердия изменяют по закону.РК 2.Чп ф 30 15 Пневмокамера 7 желудочка 2 сообщена с пневмораспределителем 16 давленияи вакуума, выполненным в видесервомеханизма." В системе имеется функциональный регулятор 17, формирующий закон упра.нтения. 55" Для задания (выбранных по характеристике взаимосвязи между давлением и объемом) граничных значений объ-. емов в. системе имеются задатчики ма- лыХ 18 и предельных 19 объемов предсердия ,:60Контроль объема крови в"желудочке производят датчиком 20 объема крови в желудочке 2, Объем крови в предсердии контролируют датчиком 21 объема крови.65.Цель иэобретеййя- приближение расходных характеристик к характеристикам естественного сердца.Поставленная цель достигается тем, что давление изменяют по закону Р К Ч 5В 2 ЛРгде Рп - давление в пневмополостипредсердия;Р, - давление в пневмополости" желудочкасопв ;К - соответствует крутизне нак 2лона статической характеристики предсердия;Чп - объем предсердия.Устройство снабжено датчиком объема крови в предсердии и функциональ" ным регулятором; при этом датчик объема крови связан через функциональ ный регулятор с пневмораспределителем пневматической камеры предсердия и блоком управления.На фиг. 1 Представлено устройство, реализующее предлагаемый способ; на Фиг. 2 - характеристика взаимосвязи между объемом и давлением крови в предсердии.Протез.1 сердца выполнен в виде. четырехкамерной модели, каждая половина которой содержит желудочек 2 и предсердие 3, разделенные подвижными диафрагмами 4 на кровяные камеры 5,6 и пневмокамеры 7,8. Входной патрубок 9 протеза сердца предназначен для связи венозного русла с кровяной камерой 6 предсердия 3.Выходной патрубок 10 предназначен для связи кровяной камеры 5 желудочка 2 с артериальным руслом пациента.Кровяные камеры 5,6 желудочка 2 40 ипредсердия 3 разделены перегородкой 11 со встроенными входными клапанами 12. Штуцера 13 и 14 служат для подачи давления в пневмокамеры 7,8.Сигнал давления в пневмокамеру 8 пРедсердия 3 подводят от пневмораспределителя 15. где Р - давление в пневмополостийпредсердия;Р - давление в пнвмополостижелудочка;сопв 1;К - соответствует крутизне на 2клона статической характеристикй предсердия;Ч, - объем предсердия.Для получения зависимости (1) снимают характеристику взаимосвязи между давлением и объемом крови в предсердии 3 протеза 1 (см. Фиг. 2). Эта зависимость представляет собой нелинейную кривую третьего порядка.Линеаризовав эту кривую, получают три прямолйнейных участка с разной крутизной наклона.Величина линейной зоны зависит от параметров диафрагмы предсердия площади, толщины, величины рабочего хода и упругости, которые подбираются так, чтобы линейная. эона была максимальной.Рраничные значения линейной зоны определяют уставки объемов предсердия, при которых производят подачу20 25 35 45 40 50 55 сигналов в пневмокамеры 7, 8 желудочка 2 и предсердия 3.Взаимосвязь, представленная на фиг. 2, определяется статической жесткостью диафрагмы, предсердия, смещенной по оси ординат на величину сопротивления магистрали, сообщающей Йневмокамеру 8 предсердия 3 с атмосферой. Это значит, что зная сопротивление магистрали, сообщающей пневмокамеру предсердия с атмосферой, давления крови в предсердии можно определить, контролируя объем кровив предсердии с помощью датчика 21 объема крови предсердия 3. Для получения устойчивой работы протеза сердца необходимо, чтобы зависимоСть между объемом крови и давлением носила линейный характер.Это может быть достигнуто путем подачи сигнала давления в пневмокамеру 8 предсердия в систолу и путем изменения вакуума, подводимого в пневмокамеру 7 желудочка в соответствии с характеристикой (по фиг, 2) . В этом случае можно либо остановить диафрагму предсердия при достижении объемов, соответствующих граничным значениям линейной эоны, либо, при соответствующем выборе объема пневмокамеры предсердия обеспечить полный ход диафрагмы, Во втором случае в пневмокамеру предсердия подается давление в соответствии с характеристикой по фиг. 2. Закон управления в этом случае выражен в виде отрезка прямой, симметричной характеристике относительно линии, параллельной оси абцисс и смещенной по оси ординат на величину давления, соответствующего предельно большому граничному значению объема линейной части.Иа основе характеристики взаимосвязи между давлением и объемом формируют закон управления, заложенный в функциональном регуляторе 17.При работе протеза 1 сердца кровь из венозного русла через входной патрубок 9 поступает в кровяную камеру б предсердия 3 и в диастолическом режиме - через входные клапаны 12 в желудочек 2.Далее происходит ударный выброс крови из желудочка.Величина вакуума при диастолическом наполнении желудочка и давления, при систолическом выбросе формируются по сигналу об объеме крови, кон-. тролируемому датчиком 21 объема крови предсердия 3.Сигнал с датчика 21 поступает на вход функционального регулятора 17, выполненного в виде двух нелинейных .звеньев 26 и 27, коэффициенты усиления которых решены в соответствии с зонами для малых илипределных объемов характеристики предсердия (см. фиг 2). На выходе Функционального ре(гулятора 17 формируется сигнал, про-. порциональный давлению в предсердии. Коэффициент усиления нелинейного звена 26 равен (, коэффициент усиления нелинейного звена 27 соответствует величине ККогда уравнение ведется в пределам линейной эоны, электрический сигнал на выходе нелинейного звена 27 сравнивается с уставкой давления, эадава емой задатчиком.давления 28. Уставха соответствует вел)чине давления при нулевой производительности. Полученный сигнал рассогласования поступает ва вход усилителя-интегратора 29, ко-. эффициент усиления которого соответствует крутизне зависимости проиэво(5 дительного сердечного насоса от входного предсердного давления. Выходной сигнал усилителя-интегра- тора 29 и амплитудное значение заданной функции от генератора функции 25 перемножаются на электронном умножителе 30. Сформированный таким образом сигнал управляет величиной и вакуума, подводимого в пневмокамеру желудочка.Нелинейное, звено 26, подключенное к выходу датчика 21, задает коэффи-циент усиления на пневмораспределитель 15, подключенный к пневмокамере предсердия 3.Если на выходе датчика объема крови в предсердии присутствуетсигнал, соответствующий линейной зоне характеристики по фиг. 2, то пневмораспределитель 15 сообщает пневмокамеру предсердия с атмосФерой.В пневмокамеру желудочка поступает сигнал вакуума во время. диастолы, сформированный по линейной зависимости от давления на входе.При этом величины наполнения и ударного выброса зависят от усреднен"ного значения входного давления. Частота подачи сигналов (время систолы и время диастолы) задается при этом вручную.Величина давления оптимизируется с помощью обратной связи по объему крови в желудочке, выполненной в виде датчика 20 объема крови в желудочке 2, интегратора 32 и задатчика уровня 22 блока управления 31,Прй чрезмерно низких входных давлениях для объемов предсердия, границы которых определяютсязадатчиком малых объемов 18 (см. Фиг. 2, зонухарактеристики до линейной), коэффициент .усиления нелинейного звена 27 логического блока 17 изменяет величину, становясь равным по величине и противоположным по знаку крутизне характеристики предсердия для объемов предсердия до уставки малых объемов. Подводимиый в пневмокамеру же" лудочка 2 от пневмораспределителя 16 вакуум уменьшается по величине, от-.жимая диафрагму предсердия от пере-, городки 11 с входными клапанами 12.Таким образом устраняется соприкосновение диафрагмы"предсердия с перегородкой и спадениевенозного русла;",Управление наполнением желудочка приэтом не выходит за линейную зону.С физиологической точки зрения этозначит, что при денонировании кровии снижении венозного притока уменьшается величина диастологического-. наполнения желудочка,В случае увеличения входного давления до величины, большей уставки пре ОдеЛьных объемов, т.е. в случае повышенного венозного возврата, пневмораспределитель 15 по сигналу эадатчика предельных объемов 19 прерываетсообщение пневматической камеры предсердия с атмосферой и от пненмораспределителя 15 в пневматическую камеру Поступает пневмосигнал давления.Коэффициент усиления по давлению,задаваемый нелинейным звеном 26 ло Огического блока 17, симметричен (относительно оси абцисс или прямой,параллельной оси абцисс) крутизненаклона характеристики (см. Фиг, 2)после уставки предельных объемовТаким образом зависимость междудавлением и объемом при любом веноэном возврате становитсялинейной.Способ может быть реализован с .помощью регуляторов давления или вакуума с пропорцибнальным илй программным управлением. Это может быть ре гулятор гира сопло - заслонка, соплакоторого сообщены с источниками давления и вакуума, а угол поворота заслонки управляется электромагнитным 35преобразователем.Предложенный способ обеспечиваетвыбор максимальной рабочей зоны (линейной) управления по веноэному воз" врату и, как следствие, повышениечувствительности к венозному возврату. Это приводит к стабильной инадежной работе сердечного насоса иего высокой пРоизводительности. Формула изобретения1. Споооб управления протезом сердца с активным предсердием путемизменения давления в пневмокамерахпредсердия и желудочка, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью приближения расходных характеристик к характеристикам естественного сердца,давление изменяют по закону.Ря К 1 Ч фРж = КдЧ,где Рп - давление в пневмополостииредсердия 1. Р. - давление в пневмополосхижелудочка;К - сопя т.1К 2 - соответствует крутизне наклона статической характер ристики предсердия;Чп - объем предсердия;.2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее источникдавления, соединенный через пневмораспределитель с пневмокамерами предсердия и желудочка и блок управления,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оноснабжено датчиком объема крови впредсердии и Функциональным регулятором, при этом датчик объема кровисвязан через функциональный регулятор с пневмораспределителем пневмокамеры предсердия и блоком управления.Источники информации,прийятые во внимание при экспертизе1. СагЖас Епд 1 пеег 1 пд. КросбиУправление искусственным сердцем,1970, с. 89 - 114.2. Авторское свидетельство СССРФ 520010, кл. А 61 И 1/03,1974.764680 ди Составитель В. Корельскедактор П. Горькова Техред Т.йаточкавШ юорректор В. Бутяга Подписи д. 4/5 филиал ППППа Проектная т, г, Ужгород аказ 6379/5 ВНИИПИ Госуда по делам и 113035, Москва, Тираж твенного бретений -35, Рауш 3омитета Соткрытийкая наб.