دانشکده آموزشهای الکترونیکی

پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته­ی مهندسی ابزار دقیق و اتوماسیون در صنایع نفت

مدلسازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ­های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی

 

چکیده

 

تجهیزات کمکی بطن چپ(LVAD)، پمپ­های مکانیکی است که به کمک عمل جراحی در بدن بیمارانی که  در مراحل خطرناک و نهایی نارسایی تراکمی قلب هستند، قرار می­گیرد و به ادامه یافتن جریان خون همچون حالت طبیعی از قلب بیمار کمک می­نماید. پمپ­های نوع روتاری یا چرخان، میزان جریان خون عبوری از LVAD را به کمک کنترل سرعت متغیر پره­های پمپ کنترل می­نماید.

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 می­شود) می­باشد، که باعث تخریب قلب بخاطر سرعت بالای پمپ می­شود. یکی از نوآوری­های این سیستم کنترلی، کنترل سرعت برای اجتناب از قرارگیری در این محدوده می­باشد.

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 می­گیرد. 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 می­کند. هدف این روش کنترلی، بروزرسانی و متناسب­سازی سرعت چرخش پمپ برای تطابق با تغییرات فیزیولوژیکی بیمار در کمترین زمان و بدون رخداد پدیده مکش می­باشد.

نتایج شبیه­سازی برای شرایط مختلف و سطح فعالیت­های 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 ۱

۲-۱-۱- قلب    ۱۰

۲-۱-۲- سیستم گردش خون. ۱۲

۲-۲-۱- بررسی برخی از مفاهیم اصلی. ۱۵

۲-۲-۲- چرخه قلبی. ۱۸

۲-۳-۱- مدل مداری قلب.. ۲۳

۲-۳-۲- معادلات حالت.. ۲۸

۲-۳-۳- نتایج شبیه سازی.. ۳۱

۴-۲-۱- مدل قلب- LVAD.. 35

4-2-2- معادلات حالت.. ۳۸

۴-۲-۳- شبیه­سازی حلقه باز. ۴۱

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

۴-۳-۱- شبیه­سازی برای قلب بیمار. ۷۳

۵-۱-۱- مدل قلب و قلب – LVAD.. 84

5-1-2- آشکارساز حالت مکش.. ۸۴

۵-۱-۳- کنترلر مدل پیش­بین- فازی.. ۸۴

۵-۱-۴- شبیه­سازی­ها ۸۵

۵-۱-۵- محدودیت­ها ۸۵

 

 

 

 

فهرست جداول

 

 

عنوان                                                                                                     صفحه

 

جدول۲-۱- متغیرهای حالت مدل قلب ۳۵۵

جدول۲-۲- مقادیر پارامترهای مربوط به مدل مداری قلب.. ۳۶

جدول۲-۳- فازهای سیکل قلبی. ۳۸

جدول۲-۴- متغیرهای حالت مدل ترکیبی ۴۷۷

جدول۲-۵- مقادیر پارامترهای مربوط به مدل مداری LVAD.. 48

 

 

فهرست اشکال

 

 

عنوان                                                                                                         صفحه

 

شکل۲- ۱- نماهای جلویی و عقبی قلب.. ۲۳

شکل۲- ۲- ساختار اصلی قلب.. ۲۳

شکل۲- ۳- بلوک دیاگرام و چرخه سیستمی و تنفسی فرآیند گردش خون انسان. ۲۵

شکل۲- ۴- فاز خالی شدگی بطن. ۲۷

شکل۲- ۵- فاز پرشدگی بطن. ۲۷

شکل۲- ۶- تغییرات LVP, AoP, AP و LVV در طی یک سیکل قلبی. ۳۰

شکل۲- ۷- مدل مداری قلب.. ۳۵

شکل۲- ۸- تابع الاستیسیته E(t) 38

شکل۲- ۹- نتایج شبیه‌سازی پارامترهای همودینامیکی برای یک قلب طبیعی و سالم ۴۲

شکل۲- ۱۰- یک LVAD روتاری به همراه تجهیزات جانبی. ۴۶

شکل۲- ۱۱- مدار مدل ترکیبی قلب- LVAD روتاری.. ۴۷

شکل۲- ۱۲- پاسخ مدل قلب-LVAD به ورودی پله. ۵۳

شکل۲- ۱۳- پاسخ مدل قلب-LVAD به ورودی شیب.. ۵۵

شکل۲- ۱۴- سیگنال جریان خون عبوری از پمپ (الف- ۵/۰RS= و ب-۲/۱RS=) 57

شکل۳- ۱- کیسه بطنی در دو حالت طبیعی و مکش.. ۵۹

شکل۳- ۲- نتایج شبیه­سازی در یک آزمایش ورودی-خروجی متغیر. ۶۲

شکل۳- ۴- نتایج شبیه­سازی­های آزمایش ورودی-خروجی متغیر برای LVP و PIP. 65

شکل۳- ۵- اطلاعات استخراج شده از آزمایشهای ورودی-خروجی متغیر. ۶۷

شکل۳- ۶- نتایج شبیهسازی اندیس مکش.. ۶۹

شکل۳- ۷- بلوک دیاگرام سیستم آشکارساز حالت مکش.. ۷۰

شکل۳- ۸- مقادیر سرعت چرخش پمپ و شاخص مکش mmHg.s/ml)0/1 (RS=. 71

شکل۳- ۹- مقادیر سرعت چرخش پمپ و شاخص مکش mmHg.s/ml)2/1 (RS=. 72

شکل۴- ۱- بلوک دیاگرام کنترلر پیشبین (MPC) 76

شکل۴- ۲- فلوچارت نحوه بروزرسانی سرعت چرخش پمپ.. ۸۰

شکل۴- ۳- طرح کنترلر پمپ-LVAD.. 81

شکل۴- ۴- نتایج شبیه­سازی برای میزان مقاومت سیستمی ثابت.. ۸۴

شکل۴- ۵- تغییرات RS در طول زمان شبیه­سازی.. ۸۵

شکل۴- ۶- نتایج شبیه­سازی برای میزان مقاومت سیستمی متغیر. ۸۶

شکل۴- ۷- نتایج شبیه­سازی در شرایط بدون اغتشاش.. ۸۸

شکل۴- ۸- نتایج شبیه­سازی برای شرایط همراه با اغتشاش (SNR=10dB) 89

شکل۴- ۹- تاثیرات اغتشاشات بر روی دبی عبوری از یک کنترلر باروفلکس.. ۹۰

 

فهرست نشانه­های 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

 

12000 تومان – خرید