Разработка носимого блока управления осевым насосом системы вспомогательного кровообращения
Носимый аппарат вспомогательного кровообращения АВК-Н
Название:Разработка носимого блока управления осевым насосом системы вспомогательного кровообращения
Авторы:А.В. Адаскин, К.Н. Дозоров, А.Н. Стиценко, И.А. Филатов, Г.П. Иткин, Е.Г. Конышева, С.В. Селищев, Г.С. Кузьмин, А.Н. Гусев
Опубликовано:// Биотехносфера. - СПб.: "Политехника", 2011. ISBN 5-343-00911-5.
Имплантируемая система вспомогательного кровообращения разрабатывается БИОСОФТ-М совместно с ФГУ ФНЦ Трансплантологии и искусственных органов им. В.И. Шумакова, ООО "ДОНА-М" и Московским институтом электронной техники. Конечной целью разработки является создание портативной, безопасной и автономной системы искусственного левого желудочка сердца, отвечающей самым высоким требованиям к производству и эксплуатации носимых аппаратов вспомогательного кровообращения (АВК). Освещены вопросы структурной, схемотехнической и программной реализации НБУ ОН АВК. Рассмотрены меры повышения надежности НБУ ОН, реализация интерфейса оператора.
Ключевые слова: медицинские аппараты; искусственные органы; имплантируемые насосы; роторные насосы крови; кровообращение.
Список сокращений
- АВК – аппарат вспомогательного кровообращения;
- НБУ - носимый блок управления;
- ОН - осевой насос;
- КБИУ - компьютерный блок информации и управления.
Задача создания носимого АВК на базе ОН подразделяется на две составляющих: разработка собственно имплантируемого насоса и разработка носимого блока управления (НБУ) с системой энергопитания, которая также включает в себя стационарный компьютерный блок информации и управления. В данной статье приводится описание конструкции НБУ, его функциональных характеристик, системы энергопитания и компьютерного блока информации и управления. В штатном режиме эксплуатации НБУ должен поддерживать заданную оператором или пациентом скорость вращения ротора имплантируемого ОН.
На рис. 1 представлен внешний вид разработанного НБУ ОН.
Основная задача НБУ состоит в стабилизации скорости вращения ротора насоса в диапазоне от 5000 до 12000 об./мин и ручной регулировке требуемого значения в зависимости от состояния пациента (покой, физическая нагрузка, сон). Дополнительно, реализуется отображение информации о работе ОН (скорость вращения ротора насоса, потребляемая мощность, степени заряда модулей энергопитания), а также выдача пациенту аварийных сообщений при отказах системы, запись сбоев на встроенный модуль памяти, отображение заряда аккумуляторов и их переключение, обеспечение связи со специализированным компьютером для мониторинга и настройки АВК.
На рис. 2 представлена структура НБУ ОН, в состав которой входят центральная, двигательная и интерфейсная подсистемы, обеспечивающие основные и вспомогательные режимы функционирования НБУ. Кроме них в блок управления входят подсистемы энергопитания и интерфейса оператора (пациента). Каждая подсистема реализует специфицированный набор функций СВК и имеет законченное схемотехническое решение.
Центральная подсистема выполняет:
- отображение информации о потребляемой мощности и требуемой скорости вращения ротора ОН на цифровом индикаторе НБУ;
- индикацию активного источника питания и уровня заряда модулей энергопитания;
- получение фактической скорости вращения ротора ИОН и текущего состояния двигательной подсистемы;
- передачу требуемой скорости и конфигурационных параметров на двигательную подсистему;
- измерение тока и напряжения, потребляемых имплантированным насосом;
- обработку нажатия кнопок;
- использование энергонезависимой памяти для сохранения и загрузки требуемой скорости вращения и конфигурационных параметров;
- передачу информации о состоянии СВК в интерфейсную подсистему;
- прием и обработку команд от интерфейсной подсистемы;
- определение отказа двигательной подсистемы;
- часы реального времени (RTC);
- чтение и запись данных на карту памяти.
Двигательная подсистема осуществляет стабилизацию скорости вращения рабочего колеса ОН в условиях переменной (пульсирующей) нагрузки и при изменении уровня питающего напряжения. Кроме того она осуществляет обмен данными с центральной подсистемой, сигнализацию о сбоях в работе насоса и центральной подсистемы.
Двигательная подсистема выполняет:
- первоначальную раскрутку двигателя ОН в шаговом режиме;
- вращение (переключение обмоток) ротора насоса по сигналам противоЭДС;
- измерение фактической скорости вращения ротора;
- стабилизацию фактической скорости на заданном уровне;
- обмен данными с центральной подсистемой;
- определение отказа вращения ротора двигателя;
- определение отказа центральной подсистемы;
- сохранение параметров в энергонезависимой памяти для загрузки в случае сбоя и отказа центральной подсистемы.
Интерфейсная подсистема осуществляет обмен данными между центральной подсистемой и КБИУ.
Интерфейсная подсистема выполняет:
- получение команд от КБИУ;
- передача команд от КБИУ в центральную подсистему;
- получение данных от центральной подсистемы;передача пакета данных специализированного формата на КБИУ для отображения результатов мониторинга рабочих характеристик СВК в графическом, цифровом и текстовых форматах;
- передача запрошенных архивных данных с карты памяти центральной подсистемы в виде файла.
Связь между интерфейсной подсистемой и КБИУ осуществляется по интерфейсу USB 2.0, протоколы HID и MS (Human Interface Device – класс устройств взаимодействия с человеком, Mass Storage – класс устройств хранения данных).
Модуль автономного энергопитания должен обеспечивать не менее чем 10-часовое функционирование НБУ ОН. Для обеспечения автономности энергопитания НБУ предусмотрено 4 источника питания: 1-й и 2-й модули энергопитания, сетевой источник питания от сети 220 В и резервный аккумулятор.
1-й и 2-й модули энергопитания являются идентичными взаимозаменяемыми портативными источниками энергии. При разряде или отключении одного из модулей энергопитания происходит переключение на другой модуль энергопитания.
Резервный аккумулятор предназначен для питания центральной подсистемы в случае отключения всех остальных источников энергии. При подключении резервного аккумулятора НБУ ОН осуществляет только звуковую и светодиодную сигнализацию о необходимости подключения или замены основных источников питания. Функционирование ОН в данном случае не осуществляется.
Переключение между источниками питания и определение используемого источника реализовано при помощи основного и резервирующего супервизоров.
Подсистема интерфейса оператора (пациента) состоит из светодиодов, звуковых генераторов, кнопок. Индикация НБУ ОН может функционировать в четырех режимах: режим ожидания, рабочий режим, режим изменения скорости, режим тестирования индикации.
Светодиодные индикаторы делятся на следующие группы: индикаторы подсистемы энергопитания, индикатор тревоги, индикаторы потребляемой мощности и требуемой скорости вращения ротора.
В режиме ожидания все светодиодные индикаторы выключены. При наличии отказа какого-либо элемента системы в режиме ожидания будет активен индикатор тревоги. В рабочем режиме на цифровом индикаторе отображается значение мгновенной мощности (Вт), потребляемой двигателем ОН, и включен индикатор размерности «Вт». В режиме изменения скорости на цифровом индикаторе отображается значение требуемой скорости вращения ротора насоса (в 1000 об/мин.). В режиме тестирования индикации в течение 5 с активны все светодиодные индикаторы, поочередно включатся и выключатся оба звуковых генератора.
Одной из основных задач разработки НБУ ОН было обеспечение высокой надежности устройства. Были реализованы следующие меры повышения надежности за счет применения как аппаратных, так и программных решений:
- многоуровневая аппаратно-программная структура;
- подтверждение передаваемых команд;
- проверка контрольной суммы принятых команд и данных;
- использование тестирующих пакетов;
- определение отключения или остановки ОН;
- периодические попытки повторного запуска ОН в случае его остановки;
- автоматическое переключение между доступными источниками питания;
- проверка функционирования системы световой и звуковой сигнализации;
- использование энергонезависимой памяти для сохранения и загрузки параметров;
- проверка правильности загруженных из энергонезависимой памяти параметров;
- действия оператора сопровождаются включением рабочего режима индикации и звуковыми сигналами;
- резервирование звуковых генераторов.
Для повышения качества сервисного обслуживания НБУ ОН в систему управления была включена SD карта памяти, на которую центральная подсистема осуществляет постоянную запись данных и событий, как для штатных, так и для аварийных условий эксплуатации.
КБИУ представляет собой персональный компьютер с предустановленной специализированной программой «Pumpax», решающей следующие задачи:
- Первоначальный запуск и задание параметров АВК системы после имплантации ОН: заданной скорости вращения ротора ОН.
- Мониторинг функциональных характеристик СВК в течение интенсивного и рекуперативного лечения пациента, а также для его периодического контроля в ходе выполнения клинических или амбулаторных процедур. На рис. 3 показано окно мониторинга, отображающее графики мгновенных текущих значений потребляемого тока и числа оборотов двигателя ОН, цифровую индикацию рабочих параметров ОН и системы энергопитания, диагностические сообщения;
- Получение информации о параметрах и режимах функционировании насоса и аппарата в целом за определенный период эксплуатации.
В результате проведенных исследований была разработана система управления имплантируемым насосом левого желудочка сердца. Выполненная в виде носимого блока, система реализует управление имплантируемым насосом и модулями автономного энергопитания, индикацию состояния его систем, запись событий на встроенный модуль памяти и мониторинг всех рабочих характеристик СВК.
В ходе разработки получены новые оригинальные решения, обеспечившие простоту эксплуатации, развитые функциональные возможности и удобство технического обслуживания СВК. Результаты испытаний показали высокую надежность и физиологичность управления ИОН, отвечающего лучшим мировым образцам СВК.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (государственный контракт № 02.522.12.2010 от 2009 г).