Создание и исследование мехатронного модуля имплантируемой системы вспомогательного кровообращения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат технических наук Новикова, Юлия Александровна

• Новикова, Юлия Александровна
• кандидат технических наук
• 2003

Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Новикова, Юлия Александровна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе, и практической реализации разработаны методы расчета и проектирования мехатронных модулей имплантируемых систем вспомогательного кровообращения.

Получены следующие основные результаты:

1.Исходя из известных клинических данных, предложена математическая модель сердечного выброса.

2.Разработана математическая модель динамики мехатронного модуля в составе имплантируемой системы вспомогательного кровообращения, замещающей насосную функцию естественного сердца, которая учитывает упругость камеры искусственного желудочка, нелинейности сил вязкого трения.

3.Анализ динамики модуля ИСВК позволил определить закон управления для обеспечения сердечного выброса с объемом 80 мл и частотой 40. 120 мин"1, уточнить и количественно сформулировать силовые и энергетические требования, предъявляемые к имплантируемой системе вспомогательного кровообращения.

4.Разработана методика силового синтеза модуля ИСВК, учитывающая конструктивные особенности и влияние инерционности системы. Предложена методика определения тепловых режимов в длительно работающей системе. Показано, что модуль, оптимизированный по минимуму потребляемой энергии, обеспечивает продолжительное функционирование ИСВК без перегрева выше 40° С.

5.Разработан алгоритм цифрового управления мехатронным модулем ИСВК, обеспечивающий требуемую динамику сердечного выброса с программируемой частотой сердечных сокращений и отношением систола/диастола. Имитационное моделирование работы алгоритма показало его эффективность и быстродействие.

6.Экспериментальные исследования тепловых режимов и производительности насосной функции ИСВК показали, что разработанные конструкции удовлетворяют медико-техническим требованиям, и подтвердили эффективность предложенных методик проектирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Новикова, Юлия Александровна, 2003 год

1. Абакумов M.B., Ашметков И.В., Есикова Н.Б. и др. Методика математического моделирования сердечно-сосудистой системы. М.: Диалог-МГУ, 1999.-11 с.

2. Алешкевич В.А., Деденко Л.Г., Караваев В.А. Механика сплошных сред. Лекции. М: МГУ, 1998. - http://www.nature.ru/db/msg.html?mid= 1164708&uri=lect4-4.html.

3. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления. М.: Высш. шк., 1989. -447 с.

4. Баутин H.H., Леонтович Е.А. Методы и приемы качественного исследования динамических систем на плоскости. М.: Наука, 1990. - 488 с.

5. БашаринА.В., Постников Ю.В. Примеры расчета автоматизированного привода на ЭВМ. Д.: Энергоатомиздат, 1990. - 512 с.

6. Беленький Ю.М., Зеленков Г.С., Минеров А.Г. Опыт разработки и применения бесконтактных моментных приводов. JI.: ЛДНТП, 1987. -28 с.

7. Беленький Ю.М., Минеров А.Г. Выбор и программирование параметров бесконтактного моментного привода. Л.: ЛДНТП, 1990. - 24 с.

8. Бесекерский В.А. Динамический синтез систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1970. - 576 с.

9. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 768 с.

10. БокерияЛ.А., Шаталов К.В., Свободов A.A. Системы вспомогательного и заместительного кровообращения. М.: НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН, 2000.- 196 с.

11. Бутурлин А.И., Гладков Ю.К, Миненко В.Г. Система микроэлектронных преобразователей теплофизических параметров среды на основе металлополимерного терморезистора // Датчики на основе микроэлектроники: Материалы семинара. М., 1983. - С. 27-29.

12. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высш. шк., 1998. 479 с.

13. Зелъченко В.Я., Шарое С.Н. Расчет и проектирование автоматических систем с нелинейными динамическими звеньями. Л.: Машиностроение, 1986. -174 с.

14. Искусственное сердце (В.И.Шумаков, И.К.Зимин и др.) / Отв. ред. Б.В. Петровский. — JT: Наука, 1980. 371 с.

15. Каган В.Г. Электроприводы с предельным быстродействием для систем воспроизведения движений. М.: Энергия, 1975. - 240 с.

16. Капелько В.И. Гидродинамические основы кровообращения // Со-росовский образовательный журнал. 1996. - № 6. - С. 44-50.

17. Капелько В.И. Работа сердца // Соросовский образовательный журнал. 1999. - № 4. - С. 28-34.

18. Карташев А.П., Рождественский Б.Л. Обыкновенные дифференциальные уравнения и основы вариационного исчисления. М.: Наука, 1980.-288 с.

19. Кинематика, динамика и точность механизмов: Справочник. Под ред. Г.В.Крейнина. М.: Машиностроение, 1984. - 224 с.

20. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергия, 1977. - 320 с.

21. Козлов В.Н., Куприянов В.Е., Заборовский B.C. Вычислительные методы синтеза систем автоматического управления. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989.-224 с.

22. Коловский М.З. Динамика машин. Л.: Машиностроение, 1989. -263 с.

23. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1982. - 832 с.

24. Кочергин В.В. Следящие системы с двигателем постоянного тока. -Л.: Энергоатомиздат, 1988. 168 с.26 .Ландау Л.Д, Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988. -736 с.

25. Лойцянский Л.Г., Лурье A.M. Курс теоретической механики. В 2-х тт. М.: Наука, 1982. - Т. 2: Динамика. - 514 с.

26. Медико-технические требования на создание электромеханической имплантируемой системы обхода левого желудочка сердца. М.: НИИТиИО, 2001. - 10 с.

27. Михайлов О.П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1989. - 224 с.

28. Морозов В.В, Толпекин B.C., Жданов A.B. и др. Моделирование гемодинамики и проектирование искусственных желудочков сердца в CAD/CAM/CAE-системах // Трансплантология и искусственные органы. -2003. (в печати).

29. Морозов В.В. Механотронные исполнительные устройства систем управления // Перспективные направления развития технических и естественных наук: Сб. науч. тр. ВВО АИН РФ / Владим. гос. ун-т. Владимир, 1997.-С. 107-119.

30. Морозов B.B. Планетарные исполнительные механизмы с винтовыми звеньями и моноблочные приводы на их основе // Теория и практика зубчатых передач: Труды Междунар. конф. Ижевск: ИжГТУ, 1998. -С.331-336.

31. Морозов В.В., ГанинВ.П. Планетарная передача / Патент РФ № 2162177. Бюл. № 2 от 20.01.2001.

32. Морозов В. В., ГанинВ.П., Носатое С.П., Дробышев A.A. Искусственное сердце/A.c. СССР№ 1818100.-БИ № 20 от 30.05.93.

33. Морозов В. В., ГанинВ.П., Носатое С.П., Копии В. К. Искусственный желудочек сердца / A.c. СССР № 1570072.

34. Морозов В.В., Костерин А.Б., Новикова Е.А. Плавность динамических звеньев электромеханических приводов / Владим. гос. ун-т. Владимир, 1999. - 158 с.

35. Морозов В.В., Новикова Е.А., Костерин А.Б. Механотронные модули поступательного и вращательного движений // Экстремальная робототехника: Материалы 9-й науч.-техн. конф. СПб: СПбГТУ-ЦНИИ РТК, 1998. -С. 387-391.

36. Морозов В.В., Новикова Ю.А. Биотехнические проблемы создания трансплантируемого искусственного сердца // Актуальные проблемы машиностроения: Материалы I Междунар. науч.-техн. конф. / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2001. - С. 199-202.

37. Морозов В.В., Панюхин В.И., Зуева Е.В., Батовский A.B. Планетарная передача / Патент РФ № 2017030. Бюл. № 14 от 30.07.94.

38. Морозов В.В., Панюхин В.И., Панюхин В.В. Зубчато-винтовые передачи для преобразования вращательного движения в поступательное / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2000. - 160 с.

39. Морозов В.В., Панюхин В.И., Панюхин В.В. Механические передачи: КПД и самоторможение / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2002. - 164 с.

40. Новикова Е.А., Морозов В.В. Модульная технология автоматизированного проектирования и исследования мехатронных моноблочных приводов // Мехатроника. 2001. - № 5. - С. 24-28.

41. Новикова Ю.А., Морозов В.В. Моделирование сердечной деятельности для создания трансплантируемого искусственного сердца // Материалы Третьей междунар. молодежной школы-семинара БИКАМП-01. -СПб.: СПбГУАП, 2001. С. 122-124.

42. Новицкий П.В. Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. JT.: Энергоатомиздат, 1985.

43. Новоселов Б.В., БушенинД.В. Проектирование механических передач следящего привода. Владимир: ВСНТО, 1980. 174 с.

44. Олсон Г., ПианиДж. Цифровые системы автоматизации управления. СПб.: Невский Диалект, 2001. - 557 с.

45. Петров Б.И., Полковников В.А. Динамические возможности следящих электроприводов. -М.: Энергия, 1976. -215 с.

46. Полковников В.А., Сергеев A.B. Расчет основных параметров исполнительных механизмов следящих приводов летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1988. 192 с.

47. Понтрягин JI.C. Обыкновенные дифференциальные уравнения. -М.: Наука. 1982.-332 с.

48. Проектирование следящих систем / Под ред. JI.B. Рабиновича. -М.: Машиностроение, 1969. 500 с.

49. Проектирование следящих систем малой мощности / Под ред. В.А. Бесекерского. -М.: Машиностроение, 1958. 508 с.

50. Проектирование следящих систем с помощью ЭВМ / Под общ. ред. Е.П. Попова. -М.: Машиностроение, 1979. 367 с.

51. Разработка привода имплантируемой системы вспомогательного кровообращения // Отчет о НИР по теме № 2076/98 / Владим. гос. ун-т. -Владимир, 1998. 44 с.

52. Следящие приводы / Под ред. Б.К. Чемоданова. В 2-х кн. М.: Энергия, 1976. -Кн. 1: 480 е.; Кн. 2: 384 с.

53. СмелягинА.И. Синтез и исследование машин и механизмов с электромагнитным приводом. Новосибирск: Наука, 1991. - С. 216-226.

54. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. A.A. Красовского. М.: Наука, 1987. - 712 с.

55. Теория автоматического управления. Ч. 2. Теория нелинейных и специальных систем автоматического управления / Под ред. A.A. Воронова. М.: Высш. шк., 1986. - 504 с.

56. Теория автоматического управления: Нелинейные системы, управления при случайных воздействиях / Под ред. А.А. Нетушила. М.: Высш. шк, 1983.-432 с.

57. Физиология системы крови / Под ред. А.Я. Ярошевского. Л.: Наука, 1968.-280 с.

58. Чиликин М.Г., Ключ ев В. И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979. - 616 с.

59. Шумаков В.В., Толпекин В.Е., Попов Т.А. Атлас вспомогательного кровообращения. Алма-Ата: Гылым, 1992. - 208 с.

60. Шумаков В.К, Ганин В.П., Морозов В.В. и др. Вживляемый искусственный желудочек сердца / Патент РФ №2180858. Бюл. №9 от 27.03.2002.

61. Шумаков В.И., Морозов В.В., Новикова Ю.А. и др. Синтез меха-тронного модуля имплантируемой системы вспомогательного кровообращения // Трансплантология и искусственные органы. 2003. - (в печати).

62. Шумаков В.И., Толпекин В.Е., Морозов В.В. и др. Разработка и исследования имплантируемой системы вспомогательного кровообращения на базе электромеханического привода / Трансплантология и искусственные органы. 1998. - № 4. - С. 95.

63. Электропривод летательных аппаратов / Под ред. В.А. Полков-никова. М.: Машиностроение, 1990. - 352 с.

64. Эрроусмит Д., ПлейсК. Обыкновенные дифференциальные уравнения. Качественная теория с приложениями. М.: Мир, 1986. - 243 с.

65. LVAS. Operator's Manual. Baxter Corp. 1996.

66. Maxon Motor 2001: High precision drives and systems. Catalog. -Maxon Motor ag, 2001. 246 p.

67. Morozov V. V., Kosterin A.B., Novikova Yu.A. Synthesis of control law for mechatronic drive of left ventricle assist device // XXX ESAO Congress. -Aachen (Германия), (3-6 сентября) 2003. (в печати)

68. Morozov V. V., Kosterin А. В., Zhdanov A.V. Thermal processes in implantable systems of artificial heart // The International Journal of Artificial Organs. 1999. - Vol. 22. - № 6. - P. 398.

69. Morozov V. V., Kosterin A.B., Zhdanov A. V., Mamaev D.V. Drive of implantable systems of auxiliary blood circulation with lower power consumption // The International Journal of Artificial Organs. 2000. - Vol. 23. - № 8. -P. 573.

70. Morozov V. V., Zhdanov A. V. Electromechanical unit helps artificial heart / International journal of Artificial Organs. 1996. - Vol. 19. - № 9.

71. Morozov V.V., Zhdanov A. V. Electromechanical unit helps artificial heart / Artificial Organs. 1997. - Vol. 21. - № 6. - P. 487.

72. Morozov V. V., Zhdanov A. V. Electromechanical unit helps artificial heart / Artificial Organs. 1998. -Vol. 22. - № 3. - P. 260-262.

73. Morozov V.V., Zhdanov A. V., Novikova Yu.A. Simulation of hemodynamics and design of artificial heart ventricles in CAD/CAM/CAE-systems // The International Journal of Artificial Organs. 2002. - Vol. 25. - № 7. -P. 695.

74. Morozov V. V., Zhdanov A. V., Novikova Yu.A. The drive with planetary gearbox and rack improves an implantable left ventricle assist device // Proceedings of 2nd European Medical & Biological Engineering Conference (EMBEC'02). Vienna (Austria), 2002.

75. Okamoto K., Fukuoka S.-I., Momoi M. u dp. FEM and CAD/CAM technology applied for the implantable LVAD //Journal of Congestive Heart Failure and Circulatory Support. 2001. - Vol. 1. - No. 4. - P. 391-398.

76. Pierce M. Rollerscrew gives beat to artificial heart / Machine Design. -1989.-Vol. 5.-P. 49-50.

77. Thoratec Ventricular Assist Device. Direction for Use, 1998.