Устройство для управления искусственным сердцем

 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к аппаратам искусственного кровообращения. Цель изобретения - поддержание адекватного кровообращения при изменениях сопротивления сосудистой системы и уменьшение травмы крови и сосудов за счет поддержания на постоянном уровне заданной величины давления всасывания. Устройство содержит искусственный желудочек 1, первый задатчик 3 давления, блок 4 управления работой желудочка в диастолу, второй задатчик 6 давления, блок 7 управления работой желудочка в систолу, механопневмопреобразователь 9, электропривод 10, датчик 11 крайних положений мембраны желудочка, триггер 14, датчик 15 давления, измеритель 20 давления, первый блок 29 памяти, второй блок 31 памяти. Состояние триггера 14 определяет фазу /систолу или диастолу/ работы устройства. Переход триггера 14 из одного состояния в другое производится по сигналам, вырабатываемым датчиком 11.Измеритель 20 давления вырабатывает сигналы, соответствующие мгновенным значениям систолического и диастолического давлений и средним значениям давлений всасывания и нагнетания. В блоке 29 памяти хранится среднее значение давления нагнетания, вычисленное в предыдущем цикле работы устройства. В блоке 31 памяти хранится среднее значение давления всасывания, вычисленное в предыдущем цикле работы устройства. Задатчик 3 служит для задания требуемого значения давления нагнетания, а задатчик 6 - для задания требуемого значения давления всасывания. Блоки 4 и 7 вырабатывают сигналы для управления электроприводом 10, скорректированные по сигналам, поступающим с задатчиков 3,6 и с блоков памяти 29 и 31, таким образом, чтобы в текущем цикле работы устройства значения давлений всасывания и нагнетания равнялись соответствующим значениям, вырабатываемым задатчиками 3 и 6. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!9) (! !) 1 А1 (5!)4 А 61 M l 10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АBTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2l) 4085973/28-14 (22) 02.07.86 (46) 07.05,89, Бюл. К- 17 (71) Особое конструкторское бюро биологической и медицинской ..кибернетики Ленинградского электротехнического института им. В,И.Ульянова (Ленина) (72) В.М.Ахутин, Н).И.Монахов, З.В.Любарская, И.А.Гуськов и А.Б.Затюрюкин (53) 615.475 (088,8) (56) Патент ФРГ Р 3009012, кл. А 61 М 1/10, 1980. (54) УСТРОЙСТВО 11ЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

ИСКУССТВЕННЬ(М СЕРДПЕМ (57) Изобретение относится к медицин. ской технике, а именно к аппаратам искусственного кровообращения. Пель изобретейия — поддержание адекватного кровообращения при изменениях сопротивления сосудистой системы и уменьщение травмы крови и сосудов за счет поддержания на постоянном уровне заданной величины давления всасывания, Устройство содержит искусственный желудочек 1, первый saдатчик 3 дапления,блок 4 управления

1477418 работой желудочка н диастолу, второй эадатчик 6 давления, блок 7 управления работой желудочка в систолу, механопненмопреобразонатель 9, электропривод 10, датчик 11 крайних положений мембраны желудочка, триггер

14, датчик 15 давления, измеритель

20 давления, первый блок 29 памяти> второй блок 31 памяти. Состояние триггера 14 определяет фазу (систолу или диастолу) работы устройства. Переход триггера 14 из одного состояния в другое производится по сигналам, вырабатываемым датчиком 11, Измеритель 20 давления вырабатывает сигналы, соответствующие мгновенным значениям систолического и диастолического давлений и средним значениям давлений всасывания и нагнетания.

В блоке 29 памяти хранится среднее

Изобретение относится к медицин-. ской технике, а именно к аппаратам

1 искусственного кровообращения.

Цель изобретения — поддержание адекватного кровообращения при изменениях сопротивления сосудистой системы и уменьшение травмы крови и сосудов путем поддержания на постоянном уровне заданной величины давле- !О ния всасывания, . На фиг,! изображена функциональная схема устройства для управления искусственным сердцем; на фиг,2— функциональная схема датчика крайних 15 положений мембраны желудочка; на

Аиг.3 †. функциональная схема электропривода; на фиг.4 — временные диаграммы работы устройства, Устройство для управления искус- 20 ственным сердцем содержит искусственный желудочек 1 первый задатчик

2 скорости. изменения объема, первый задатчик 3 давления, блок 4 управления работой желудочка в диастолу, второй задатчик 5 скорости изменения объема, второй задатчик 6 давления, блок 7 управления работой желудочка в систолу, поршень 8, механопневмопреобразователь 9, электропривод 10, 30 датчик 11.крайних положений мембраны, желудочка, нторой триггер 12» первый значение давления нагнетания, вычисленное н предыдущем цикле работы устройства. В блоке 31 памяти хранится среднее значение давления нса( сынания, вычисленное н предыдущем цикле работы устройства. Задатчик 3 служит для задания требуемого значения давления нагнетания:, а задатчик

6 — для задания требуемого значения данления всасывания. Блоки 4 и 7 вырабатывают сигналы для управления электроприводом 10, скорректированные по сигналам, поступающим с задатчиков 3, 6 и с блоков памяти 29 и .31 таким образом, чтобы в текущем цикле 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 среднего значения давления, второй ключ 18, второй блок 19 измерения среднего значения давления, измеритель 20 давления, первый компаратор 21, первый сумматор 22, первый потенциометр

23, третий триггер 24, второй коммутатор 25, второй компаратор 26, второй сумматор 27, второй потенциометр 28, первый блок 29 памяти, Веерный формирователь 30 импульсов записи, второй блок 31 памяти, второй формирователь 32 импульсов записи, первый 33 и второй 34 инверторы.

Датчик 11 крайних положений мембраны желудочка содержит задатчик 35 систолического объема, регулятор 36 перемещения 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 P 43 и 44, схему ИЛИ 45, схему P.. 46, триггер 47, схему ИЛИ

48, схему И 49, коммутатор 50, блок

51 усилителей мощности и электродвигатель 52., 1477418

На Лиг.1 приняты следующие обозначения: Р, — мгновенное значение диастолического давления; P — мгновенное значение систолического давления;

P — среднее значение давления всасы& вания; Рн — среднее значение давления нагнетания; Р— заданное значение давления всасывания; Р> н заданное значение давления нагнетания; Ч д — сигнал, определяюг,ий скорость спада диастолического давления; жанр — 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

"нГ Рнъ У сп и Рвз соответственно которые выбраны с ° четом особенностей перфузируемого обьекта и его потребностей в кровообращении.

После подачи сигн ла 1 Пуск по цепи (диаграмма а, фиг.4) поршень

8 механопневмопреобразователя 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 b, фиг.4) . При поступлении этого сигнала на первый вход триггера

12 на его выходе устанавливается уровень логического "0" (диаграмма

Лиг.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 фиг.4), который при поступлении на второй вход электропривода 10 обеспечивает перемещение поршня 8 в

:сторону конечносистолического поло1 жения со скоростью, определяемой величиной сигнала н . При этом воздух в механопневм опреобразователе и 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 с величине. В тот момент, когда сигнал

P достигнет ве..личины сигнала Р„ с на 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 z, фиг.4) с задатчика 3 через сумматор 22 и по-. тенциометр 23. Установление равенства Р н и Р„ достигается посредством

МЗ потенциметра 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 к, фцг.4), который, поступив на вход триггера 24, устанавливает на его выходе уровень ло— гического "0" (диаграмма, фиг.4), обеспечивающий прохождение на выход коммутатора ?5 сигнала (диаграмма ц. фиг.4) с задатчика 5. Поступление сигнала с второго выхода датчика 11 на первый вход электропривода 10 обусловливает поступпение на второй вход триггера 14 с выхода электропривода 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 V«, !

15

9 сжимается и егo давление увеличивается. Одновременно увеличиваеTc я давление крови в желудочке 1, что приводит к закрытию входного клапана, а затем к открытию выходного клапана

Подготовка блока 17 к следующему измерению происходит по сигналу с выхода компаратора 26 (диаграмма h фиг.4). С появлением сигнала на вй-, ходе компаратора 26, который поступа

5 14774

При этом давление воздуха в механопневмопреобразователе 9 снижается.

Одновременно снижается давление крови в желудочке 1, что приводит вначале к закрытию его выходного клапана, а затем к открытию входного .клапана и последующему наполнению желудочка 1 кровью. На выходе ключа

18 измерителя 20 при этом появляется 10 сигнал Рд, уменьшающийся по величине. В тот момент, когда сигнал Р достигнет величины Рв, на выходе компаратора 26 появляется сигнал (диаграмма л, фиг.4}, который посту-. 15 пает на второй вход триггера 24,. устанавливая на его выходе уровень логической "1", который обеспечивает

1 прохождение на выход коммутатора 25 сигнала (диаграмма ц, фиг.4) с за- 20 датчика 6 через сумматор 27 и потенциометр 28, Установление равенства между величинами Р,„ и Р достигается посредством потенциометра 28 °

Посредством потенциометра 28 изменяют величину сигнала на пятом входе электропривода 10, что приводит к изменению скорости перемещения поршня 8 и, тем самим, изменению величины Р, При достижении поршнем 8 ЗО конечнодиастолического положения цикл работы завершается, С появлением сигнала на выходе компаратора 21 (диагрaMMa е, фиг ° 4), который поступает на второй вход 35 блока 17 измерения среднего значения давления, в последнем начинается процесс измерения среднего значения давления нагнетания Р„, Сигнал, сооТ ветствующий Р, с выхода блока 17 н поступает на третий вход блока 29 памяти. В момент появления сигнала (диаграмма ж, фиг,4) на втором выходе датчика 11, соответствующего: окончанию опорожнения желудочка 1, 45 по второму входу блока 29 производится сброс результата измерения P„ в предыдущем цикле работы, а по первому входу через формирователь 30 импульсов записи поступает команда на 50 запоминание результата измерения Pц полученного-в текущем цикле работы желудочка 1.

18 6 ет на второй вход блока 19, в последнем наминается процесс измерения среднего значения давления всасывания Р . Сигнал, соответствующий

Р, с вихода блока 19 поступает на третий вход блока 31 памяти. В момент появления сигнала на первом выходе датчика 11, соответствующего

1 окончанию наполнения желудочка 1, по второму входу блока 31 памяти производится сброс результата измерения Р в предыдущем цикле работы, а по первому входу через формирователь

32 импульсов записи поступает команда на запоминание результата измерения Р, полученного в текущем цикле работи желудочка 1.

Подготовка блока 19 к следующему измерению происходит по сигналу с выхода 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 давления нагнетания в предыдущем цикле работы желудочка, с блока 29 памяти через инвертор 33 поступает на третий вход сумматора 22, на первый и второй входы которого поступает сигнал P„> с задатчика 3. На выходе сумматора 22 формируется сигнал, соответствующий величине P„ + P,, где йР, = Р„ —

- Ря . Изменение величины сигнала на выходе сумматора 22 приводит к изменению скорости перемещения поршня 8 при опорожнении желудочка 1 до величины, обеспечивающей равенство величин Рн и Рнъ

Причем увеличение сигнала Р„ в предыдущем цикле работы желудочка 1. ведет к снижению скорости перемещения поршня 8 в текущем цикле, а уменьп!ение сигнала Р ведет к увеличению скорости перемещения поршня.

Изменение сопротивления венозной части сосудистой системы перфузируемого объекта, связанное с изменением его потребностей в кровообращении, приводит к изменению Р . Сигнал, по-. лученный в результате измерения. среднего значения давления всасивания в предыдущем цикле работы желудочка, с выхода блока 31 памяти поступает на третий вход сумматора 27, на пер1477418 внй вход которого поступает сигнал

Р с задатчика 6 непосредственно

1 а на второй вход сигнал P постуьэ пает через инвертор 34. В результате

5 на выходе сумматора 27 формируется сигнал, соответствующий величине

+ Р,, где Р = Р, — Рвз, Изменение величины сигнала на выходе сумматора 27 приводит к изменению скорости перемещения поршня при наполнении желудочка до величины, обеспечивающей равенство величин Р > и Рцз, Причем увеличение сигнала Р в прев дыдущем цикле работы желудочка 1 ве- 15 дет к увеличению скорости перемения поршня 8 в текущем цикле, а уменьшение сигнала P ведет к снижев нию скорости перемещения поршня, Прекращение работы искусственного 20 сердца осуществляется подачей по цепи сигнала ЯСтопп на седьмой вход электропривода 10, который вызывает останов двигателя, Элементы датчика 11 в процессе 25 работы устройства взаимодействуют следующим образом. На задатчике 35 устанавливают число, соответствующее систолическому объему. Код этого чис— ла определяет перемещение поршня 8; 30 необходимое для вытеснения объема, соответствующего систолическому объему. На регуляторе 36 устанавливают число, код которого определяет перемещение поршня 8, необходимое для сжатия воздуха в механопневмопреобразователе 9 до объема, при котором достигается давление, обеспечивающее открытие выходного клапана желудочка

1. Суммирование чисел, установленных 40 на задатчике 35 и регуляторе 36, происходит на сумматоре 37. В момент достижения поршнем его конечнодиастолического положения на выходе датчика 38) первый выход датчика 11 (по- 45 является импульс (диаграмма 5 фиг.4)

На выходе датчика 39, вал которого механически связан с поршнем, формируется дискретный сигнал в виде кода, соответствующего величине перемещения поршня 8. В момент сравнения кодов на выходе компаратора 40 (второй выход датчика 11) появляется импульс (диаграмма >к, фиг.4}.

Электропривод 10 работает следующим образом. Аналоговые сигналы с выходов коммутаторов 13 и 25 поступают на входы преобразователей 41 и

42.соответственно, На выходах преоб-, разователей 41 и 42, соединенных с первыми входами схем И 43 » 44 соответственно, формируются последовательности импульсов (диаграммы м и н, фиг.4) с частотой следования, пропорциональный величинам аналоговых сигналов, поступающих на входы преобразователей 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 я ь фиг,4) с выходов преобразователей

41 и 4? поступает на первый вход схемы И 46, второй выход которой соединен с выходом триггера 47.

Триггер 47 переводится в состояние

f l l I

0 при поступлении по линии сигнала "Стоп", и в состояние "1" при поступлении по линии сигнала "Пуск", Когда на выходе триггера 47 присутствует сигнал логической "1", на вход коммутатора 50 поступает последовательность импульсов с выхода схемы 45. С выхода коммутатора 50 импульсы через усилители мощности блока 51 поступают на обмотки электродвигателя 52 ° Двигатель 52 страбатывает дискретные линейные перемещения, величина которых пропорциональна количеству импульсов, поступивших на коммутатор 50. Настота поступления импульсов на коммутатор

50 определяет скорость перемещения поршня 8. Наличие сигнала, соответствующего уровню логической "1", на первом выходе триггера 14 обеспечивает прохождение на коммутатор 50 последовательности импульсов с выхода преобразователя 41 и определяет направление движения поршня 8 в сТо рону конечносистолического положения мембраны. Наличие сигнала, соответствующего уровню логической "1", на втором выходе триггера 14 обеспечивает прохождение на коммутатор 50 последовательности импульсов с выхода преобразователя 42и определяе нагргвление движения поршня 8 в сторону конечнодиастолического положения мембраны. сигнал стаи" (диаграмма г, фиг.г1 на втором входе триггера 47 устанавливает на его выходе уровень логического "0" (диаграмма т, фиг.4), поэтому прекращается поступление

1477418

10 импульсов с выхода схемы 45 через схему 46 на коммутатор 50, что ведет к останову двигателя и прекращению работы искусственного сердца.

Формула изобретения

Устройство для управления искусственным сердцем, содержащее электро- 1р 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 3р 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- З5 той системы и уменьшения травмы крови и сосудов путем поддержания на постоянном уровне заданной величины давления всасывания, оно снабжено вторым задатчиком давления, первым 4р 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, второй выход 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 первым входом первого коммутатора, выход второго задатчика скорости изменения объема соединен с первым входом второго коммутатора, выход первого за— датчика давления соединен с первым входом первого компаратора, первым и вторым входами первого сумматора, выход второго задатчика давления соединен 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 значения давления, первым входом второго блока измерения 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 давления соединен с третьим входом первого блока памяти, выход второго блока измерения среднего значения давления соединен с третьим входом второго блока 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 второго

71

1477418 ! 2 сумматора, выход первого сумматора через первый потенциометр соединен с вторым входом первого коммутатора, выход второго сумматора через второй

5 потенциометр соединен с вторым входом второго коммутатора, выход первого KoMMvTBTQpG соединен с жтвертым входом электропривода, выход второго коммутатора соединен с пятым входом электропривода.

1477418

8 д

Редактор H.Òóïèöà Техред Л. Сердюкова Корректор С,Патрунева

Заказ 2186/9 Тираж 527 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101