Устройство для управления искусственным сердцем

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 9) (61 0 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 8-МЮЗИКЕБ,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР(71) Особое конструкторское бюробиологической и медицинской кибернетики Ленинградского электротехнического института им, В,И.Ульянова(54) УСТРОЙСТВО 11 ЛЯ УПРАВЛЕНИЯИСКУССТВЕННЬР СЕРД 1 ЕМ(57) Изобретение относится к медициской технике, а именно к аппаратамискусственного кровообращения, Пельизобретейия - поддержание адекватного кровообращения при измененияхсопротивления сосудистой системыи уменьщение травмы крови и сосудовза счет поддержания на постоянномуровне заданной величины давлениявсасывания, Устройство содержит искусственный желудочек 1, первый задатчик 3 дапления,блок 4 управления1477418 работой желудочка н диастолу, второйэадатчик 6 давления, блок 7 управления работой желудочка в систолу,механопненмопреобразонатель 9, электропривод 10, датчик 11 крайних положений мембраны желудочка триггер14, датчик 15 давления, измеритель20 давления, первый блок 29 памяти,второй блок 31 памяти. Состояниетриггера 14 определяет фазу (систолуили диастолу) работы устройства. Переход триггера 14 из одного состояния в другое производится по сигналам, вырабатываемым датчиком 11,Измеритель 20 давления вырабатываетсигналы, соответствующие мгновеннымзначениям систолического и диастолического давлений и средним значениямдавлений всасывания и нагнетания,В блоке 29 памяти хранится среднее Изобретение относится к медицин-.ской технике, а именно к аппаратам1искусственного кровообращения.Цель изобретения - поддержаниеадекватного кровообращения при изменениях сопротивления сосудистой системы и уменьшение травмы крови и сосудов путем поддержания на постоянном уровне заданной величины давле- Ония всасывания,На фиг, изображена функциональ -ная схема устройства для управленияискусственным сердцем; на фиг,2 -функциональная схема датчика крайних 15положений мембраны желудочка; наАиг.З в . функциональная схема электропривода; на фиг.4 - временные диаграммы работы устройства,Устройство для управления искусственным сердцем содержит искусст-.венный желудочек 1, первый задатчик2 скорости изменения объема, первыйзадатчик 3 давления, блок 4 управления работой желудочка в диастолу,второй задатчик 5 скорости измененияобъема, второй задатчик 6 давления,блок 7 управления работой желудочкав систолу, поршень 8, механопневмопреобразователь 9, электропривод 10, 30датчик 11.крайних положений мембраны,желудочка, нторой триггер 12 первый значение давления нагнетания, вычисленное н предыдущем цикле работыустройства, В блоке 31 памяти хранится среднее значение давления нса(сынания, вычисленное н предыдущемцикле работы устройства. Задатчик 3служит для задания требуемого значения давления нагнетания, а задатчик6 - для задания требуемого значениядавления всасывания, Блоки 4 и 7 нь 1 рабатывают сигналы для управленияэлектроприводом 10, скорректированные по сигналам, поступающим с задатчиков 3, 6 и с блоков памяти 29 и31, таким образом, чтобы в текущемцикле работы устройства значения давлений всасывания и нагнетания равнялись соответствующим значениям,вырабатываемым задатчиками 3 и 6,4 ил. коммутатор 13, первый триггер 14,датчик 15 давления, первый ключ 16,первый блок 17 измерения среднегозначения давления, второй ключ 18,второй блок 19 измерения среднегозначения давления, измеритель 20давления, первый компаратор 21, первый сумматор 22, первый потенциометр23, третий триггер 24, второй коммутатор 25, второй компаратор 26,второй сумматор 27, второй потенциометр 28, первый блок 29 памяти,Веерный формирователь 30 импульсовзаписи, второй блок 31 памяти, второйформирователь 32 импульсов записи,первый 33 и второй 34 инверторы,Датчик 11 крайних положений мембраны желудочка содержит задатчик 35систолического объема, регулятор 36перемещения поршня, сумматор 37, датчик 38 конечнодиастолического положения мембраны, датчик 39 перемещения поршня и компаратор 40,Злектропривод 10 содержит преобразователи 41 и 42 напряжение - частота, схемы И 43 и 44, схему ИЛИ 45,схему И 46, триггер 47, схему ИЛИ48, схему И 49, коммутатор 50, блок51 усилителей мощности и электродвигатель 52., 1477418На Лиг.1 приняты следующие обозначения: Р, - мгноненное значение диастолического давления; Р - мгновенное значение систолического давления; Р - среднее значение давления нсасы- Ьнания; Рк - среднее значение давления нагнетания; Р- заданное значение давления всасывания; Рн заданное значение давления нагнета- НИЯ; 11- СИГНал, о пр едел Яюг 1 ИЙ скорость спада диастолического давления; р - сигнал, определяющий скорость нарастания систолического давления,Устройство работает следующим образом.При настройке режимов оператором после заполнения желудочка 1 кровью устанавливаются посредством задатчиков 2 и 3 блока 7 управления работой желудочка в систолу и задатчиков 5 и 6 блока 4 управления работой желудочка в диастолу значения величин 11 о 1 Рнзсо и Рн соответственно, которые выбраны с 11 четом особенностей перфузируемого обьекта и его потребностей в кровообращении.11 11После подачи сигнала Пуск по цепи (диаграмма а , фиг.4) поршень 8 механопневмопреобразонателя 9 под воздействием рабочего органа электро- привода 10 перемещается в сторону конечнодиастолического положения поршня 8 и мембраны желудочка.При достижении поршнем 8 конечнодиастолического положения на первом выходе датчика 11 крайних положений мембраны появляется сигнал (диаграмма Я , фиг.4) . При пост 11 плении этого сигнала на первый вход триггера 12 на его выходе устанавливается уровень логического "0" (диаграммаЛиг.4), который обеспечивает прохождение на выход коммутатора 13 сигнала с задатчика 2. При поступлении сигнала с первого выхода датчика 11 на первый вход триггера 14 на его первом выходе устанавливается уровень логической "1" (диаграмма ф Лиг.4), который при поступлении на второй вход электропривода 10 обеспечивает перемещение поршня 8 в :сторону конечносистолического положения со скоростью, определяемой величиной сигнала. При этом воздух н механопневм опреобразователеи последующему изгнанию крови иэ желудочка.Гигнал с датчика 15 давления поступает на инАормационные входы первого ключа 16, первого блока 17 измерения среднего значения давления (нагнетания), второго ключа 18, второго блока 19 измерения среднего значения давления (всасывания) измерителя 20 давления, При этом на выходе ключа 16 измерителя 20 появляется сигнал Р возрастающий по величине, В тот момент, когда сигнал Р достигнет величины сигнала Рсна выходе компара.ора 21 появляется сигнал (диаграмма е , фиг,4), который поступает на второй вход триггера 12, устанавливая на его выходе уровень логической "1", который обеспечивает прохождение на выход коммутатора 13 сигнала (диаграмма р, , фиг.4) с задатчика 3 через с 11 мматор 22 и по-. тенциометр 23. Установление равенства Р и Р достигается посредствомвзпотенпиметра 23, Посредством потенциометра 23 измеряют величину сигнала на четвертом входе электропривода 10, что приводит к изменению скорости перемещения поршня 8 и, тем самым, изменению величины Р,При достижении поршнем 8 конечносистолического положения на втором выходе датчика 11 появляется сигнал ( диаграмма 1 к, фиг,4), который, поступив на вход триггера 24, устанавливает на его выходе уровень ло - гического "0" (диаграмма , фиг.4), обеспечивающий прохождение на выход коммутатора 25 сигнала (диаграмма ц Фиг.4) с задатчика 5, Поступление сигнала с второго выхода датчика 11 на первый вход электропривода 1 О обусловливает поступпение на второй вход триггера 14 с выхода электро- привода 10 сигнала, устанавливающего на втором выходе триггера 14 уровень логической "1" (диаграмма к , фиг,4), который при поступлении на третий вход электропривода 10 обеспечивает перемещение поршня 8 в сторону конечнодиастолического положения со скоростью, определяемой величиной сигнала ЧспО 5 20 25 30 35 40 45 50 55 9 сжимается и его давление увеличивается, Одновременно увеличиваетсядавление крови н желудочке 1, чтоприводит к закрытию входного клапана,а затем к открытию выходного клапана40 Подготовка блока 17 к следующемуизмерению происходит по сигналу свыхода компаратора 26(диаграмма йфиг.4). С появлением сигнала на вй-,ходе компаратора 26, который поступа 14774При этом давление воздуха в механопневмопреобразователе 9 снижается,Одновременно снижается давлениекрови в желудочке 1, что приводитвначале к закрытию его выходногоклапана, а затем к открытию входного.клапана и последующему наполнениюжелудочка 1 кровью. На выходе ключа18 измерителя 20 при этом появляется 10сигнал Р , уменьшающийся по величине. В тот момент, когда сигнал Рдостигнет величины Р, на выходекомпаратора 26 появляется сигналдиаграмма ь , фиг,4), который посту-. 15пает на второй вход триггера 24,устанавливая на его выходе уровеньлогической "1", который обеспечиваетпрохождение на выход коммутатора 25сигнала (диаграмма ц , фиг,4) с задатчика 6 через сумматор 27 и потенциометр 28, Установление равенствамежду величинами Р, и Р достигается посредством потенциометра 28.Посредством потенциометра 28 изменяют величину сигнала на пятом входеэлектропривода 10, что приводит кизменению скорости перемещения поршня 8 и, тем самим, изменению величины Р, При достижении поршнем 8 30конечнодиастолического положенияцикл работы завершается,С появлением сигнала на выходекомпаратора 21 (диаграмма е , фиг4),который поступает на второй вход 35блока 17 измерения среднего значениядавления, в последнем начинаетсяпроцесс измерения среднего значениядавления нагнетания Р, Сигнал, соответствующий Р , с выхода блока 17нпоступает на третий вход блока 29памяти. В момент появления сигнала(диаграмма ж , фиг,4) на втором выходе датчика 11, соответствующегоокончанию опорожнения желудочка 1, 45по второму входу блока 29 производится сброс результата измерения Р впредыдущем цикле работы, а по первому входу через формирователь 30 импульсов записи поступает команда на 50запоминание результата измерения Ряполученного-в текущем цикле работыжелудочка 18 6ет на второй вход блока 19, в последнем наминается процесс измерениясреднего значения давления всасывания Р , Сигнал, соответствующийР , с вихода блока 19 поступает натретий вход блока 31 памяти, В момент появления сигнала на первомвыходе датчика 11, соответствующего1окончанию наполнения желудочка 1,по второму входу блока 31 памятипроизводится сброс результата измерения Р в предыдущем цикле работы, апо первому входу через формирователь32 импульсов записи поступает команда на запоминание результата измерения Р , полученного в текущем циклеработи желудочка 1.Подготовка блока 19 к следующемуизмерению происходит по сигналу свыхода компаратора 21 (диаграмма е,фиг,4).Изменение сопротивления артериальной части сосудистой системы перфузируемого объекта, связанное с изменением его потребностей в кровообращении,. приводит к изменению Р,Сигнал, получаемый в результате измерения среднего значения давлениянагнетания в предыдущем цикле работыжелудочка, с блока 29 памяти черезинвертор 33 поступает на третий входсумматора 22, на первый и второй входы которого поступает сигнал Р сзадатчика 3. На выходе сумматора 22формируется сигнал, соответствующийвеличине Р + йР где йР, = Рн- Ря . Изменение величины сигнала навыходе сумматора 22 приводит к изменению скорости перемещения поршня 8при опорожнении желудочка 1 до величины, обеспечивающей равенство величин Рн и РнъПричем увеличение сигнала Р впредыдущем цикле работы желудочка 1ведет к снижению скорости перемещенияпоршня 8 в текущем цикле, а уменьпение сигнала Р ведет к увеличениюскорости перемещения поршня,Изменение сопротивления венознойчасти сосудистой системы перфузируемого объекта, связанное с изменениемего потребностей в кровообращении,приводит к изменению Р . Сигнал, полученный в результате измерения. среднего значения давления всасивания впредыдущем цикле работы желудочка,с выхода блока 31 памяти поступаетна третий вход сумматора 27, на пер1477418 ннй вход которого поступает сигналР с задатчика 6 непосредственно1а на второй вход сигнал Р постуьэпает через инвертор 34. В результате5на выходе сумматора 27 Формируетсясигнал, соответствующий величиневз + егРг ф где ДР = Р - Рнз, Изменение величины сигнала на выходесумматора 27 приводит к изменениюскорости перемещения поршня при наполнении желудочка до величины, обеспечивающей равенство величин Р н и Рвэ,Причем увеличение сигнала 1 а в превдыдущем цикле работы желудочка 1 ведет к увеличению скорости перемения поршня 8 в текущем цикле, ауменьшение сигнала Р ведет к сниженнию скорости перемещения поршня,Прекращение работы искусственного 20сердца осуществляется подачей по цепй сигнала 11 Стоп 11 на седьмой входэлектропривода 10, который вызываетостанов двигателя,Элементы датчика 11 в процессе 25работы устройства взаимодействуютследующим образом. На задатчике 35устанавливают число, соответствующеесистолическому объему, Код этого числа определяет перемещение поршня 81; 30необходимое для вытеснения объема,соответствующего систолическомуобъему. На регуляторе 36 устанавливают число, код которого определяет перемещение поршня 8, необходимое длясжатия воздуха в механопневмопреобразователе 9 до объема, при которомдостигается давление, обеспечивающееоткрытие выходного клапана желудочка1, Суммирование чисел, установленных 40на задатчике 35 и регуляторе 36,происходит на сумматоре 37. В моментдостижения поршнем его конечнодиастолического положения на выходе датчика 38) первый выход датчика 11 (появляется импульс (диаграмма о 1", Фиг.4)На выходе датчика 39, вал которогомеханически связан с поршнем, Формируется дискретный сигнал в виде кода, соответствующего величине перемещения поршня 8, В момент сравнениякодов на выходе компаратора 40 (второй выход датчика 11) появляется импульс (диаграмма ж , Фиг.4).Электропривод 10 работает следующим образом, Аналоговые сигналы свыходов коммутаторов 13 и 25 поступают на входы преобразователей 41 и42.соответственно, На выходах преоб-,разонателей 41 и 42, соединенных с первыми входами схем И 43 и 44 соответственно, д 1 ормируится последовательности импульсов (диаграммы м и н , Фиг.4) с частотой следования, пропорциональный величинам аналоговых сигналон, поступающих на входи преобразонателей 41 и 42, Б зависимости от состояния триггера 14, первый выход которого соединен с вторым входом схемы И 43 и второй выход соединен с вторым входом схемы И 44, один из сигналов ( диаграммы о и яь фиг,4) с выходов преобразователей 41 и 42 поступает на первый вход схемы И 46, второй выход которой соединен с выходом триггера 47, Триггер 47 переводится в состояние 1 110 при поступлении по линии ги гн ал а " Г топ" , и в состояние " 1 " и ри пог т уплении по линии сигнала " Пуск" , Когда на выходе триггера 4 7 пр и с утс т в ует сигнал ло ги ч е ско й " 1 " , н а вход коммутатора 5 О поступает последовательность импульсов с выходасхемы 45. С выхода коммутатора 50импульсы через усилители мощностиблока 51 поступают на обмотки электродвигателя 52Двигатель 52 страбатывает дискретные линейные перемещения, величина которых пропорциональна количеству импульсов, поступивших на коммутатор 50. Частотапоступления импульсов на коммутатор50 определяет скорость перемещенияпоршня 8, Наличие сигнала, соотнетствующего уровню логической "1", напервом выходе триггера 14 обеспечивает прохождение на коммутатор 50последовательности импульсов с выхода преобразователя 41 и определяетнаправление движения поршня 8 и сторону конечносистолического положениямембраны. Наличие сигнала, соответствующего уровню логической "1", навтором выходе триггера 14 обеспечива.ет прохождение на коммутатор 50 последовательности импульсов с выходапреобразователя 42 и опрепеляе лагргв.ление движения поршня 8 н сторонуконечнодиастолического положениямембраны. сигиаи гсгаиг (диаграмма г , Фиг.11 на втором входе триггера 47 устанавливает на его выходе уровень логи- ЧЕСКОГО "0" (ДИаГРаЛ 1 Л 1 а т а ФИГ,4, поэтому прекращается поступлениеимпульсов с выхода схемы 45 черезсхему 46 на коммутатор 50, что ведетк останову двигателя и прекращениюработы искусственного сердца.5Формула изобретенияУстройство для управления искусственным сердцем, содержащее электро привод, рабочий орган которого механически связан с механопневмопреобразователем, искусственный желудочек, датчик давления, датчик крайних положений мембраны желудочка, блок 15 измерения среднего значения давления, первый и второй компараторы, .триггер, первый и второй блоки памяти, первый и второй инверторы, первый и второй формирователи импульсов. записи, 20 при этом пневмовыход механопневмопреобразователя соединен с искусственным желудочком и с входом датчика давления, выход датчика давления соединен с входом блока измерения 25 среднего значения давления, выход первого блока памяти соединен с входом первого инвертора, выходы первого и второго формирователей импульсов записи соединены с первыми 30 входами соответственно первого и вто, рого блоков памяти, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью поддержания адекватного кровообращения при изменениях сопротивления сосудис- З 5 той системы и уменьшения травмы крови и сосудов путем поддержания на постоянном уровне заданной величины давления всасывания, оно снабжено вторым задатчиком давления, первым 40 и вторым задатчиками скорости изменения объема, первым и вторым коммутаторами, вторым и третьим триггерами, вторым блоком измерения среднего значения давления, первым и вторым 45 ключом, вторым компаратором, первым и вторым сумматорами, первым и вторым потенцометрами, при этом первый выход датчика крайних положений мембраны желудочка соединен с первым входом первого триггера, первым входом второго триггера, входом второго триггера, входом второго формирователя импульсов записи и вторым входом второго блока памяти, второй выход датчика крайних положений мембраны желудочка соединен с первым входом. третьего триггера, первым входом электропривсда, входом первого формирователя импульсов записи и вторым входом первого блока памяти, первый выход первого триггера соединен с вторым входом электропривода и управляющим входом первого ключа, второйвыход первого триггера соединен с третьим входом электропривода и управляющим входом второго ключа, второй вход первого триггера соединен с восьмым входом электропривода, выход первого задатчика скорости изменения объема соединен с первымвходом первого коммутатора, выход второго задатчика скорости изменения объема соединен с первым входом второго коммутатора, выход первого задатчика давления соединен с первым входом первого компаратора, первым и вторым входами первого сумматора, выход второго задатчика давлениясоединен с первым входом второго компаратора,первым входом второго сумматора и входом второго инвертора, выход датчика давления соединен с информационными входами первого и второго ключей, и с информационным входом второго блока измерения среднего значения давления, выход первого ключа соединен с вторым входом первого компаратора, выход второго ключа соединен с вторым входом второго компаратора, выход первого компаратора соединен с вторым входом второго триггера, вторым входом первого блока измерения среднего значениядавления, первым входом второго блокаизмерения среднего значения давления, выход второго компаратора соединен с вторым входом третьего триггера, первым входом первого блока измерения среднего значения давления, вторым входом второго блока измерения среднего значения давления, выход второго триггера соединен с третьим входом первого коммутатора, выход третьего триггера соединен с третьим входом второго коммутатора, выход первого блока измерения среднего значения давлениясоединен с третьим входом первогоблока памяти, выход второго блокаизмерения среднего значения давлениясоединен с третьим входом второгоблока памяти, выход второго блока памяти соединен с третьим входом второго сумматора, выход первого инвертора соединен с третьим входом первого сумматора, выход второго инвертора соединен с вторым входом второгосумматора, выход первого сумматорачерез первый потендиометр соединен свторым входом первого коммутатора,выход второго сумматора через второй5потенциометр соединен с вторым входом второго коммутатора, выход первого коммутатора соединен с четвертымвходом электропривода, выход второгокоммутатора соединен с пятым входомэлектропривода.1477418 едактор 11,Тупица Техред Л.Сердюкова Корректор С,Патрунев Г оиэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 Заказ 2186/9 Тираж 52ВНИИПИ Государственного комитета по изо113035, Москва, Ж, Р одписноеетениям и открытиямшская наб., д. 4/5