Способ имитации пульсового потока в крупных артериальных сосудах Российский патент 2024 года по МПК A61M60/178 

Изобретение относится к области медицины, в частности к медицинским симуляторам, и может использоваться для оптимизации ангиографических протоколов сканирования, научных исследований гемодинамики крупных сосудов, а также отработки хирургических навыков. Изобретение предназначено для имитации гемодинамики в макете крупного артериального сосуда. Из уровня техники известен ряд аналогов заявляемого технического решения, в основе которых лежат различные подходы к физическому моделированию сердечной деятельности. В качестве прототипа к изобретению можно рассматривать патент US 8926333 B2, [1], на систему и метод имитации пульсового кровотока с помощью управляемого реверсивного насоса. Признаки аналога, совпадающие с заявляемым изобретением: использование управляемого электрического жидкостного насоса для создания пульсовой волны давления в потоке. Недостатки аналога: избыточная конструктивная сложность системы, реализующей непрямой механизм формирования выходного потока за счет сложной системы воздушных клапанов и использования двух насосов (основного и реверсивного); отсутствие контроля потока; необходимость синхронизации узлов генерации потока по причине использованиям более одного насоса в контуре. Кроме того, представленная документация по патенту [1] не содержит каких-либо данных о способности имитировать пульсовую волну давления с заданным профилем. Существенными отличительными признаками заявляемого изобретения по сравнению с прототипом являются: прямое управление параметрами потока на выходе циркуляционного насоса; динамический мониторинг и управление параметрами потока; простота конструкции, осуществляющей заявляемый способ, за счет использования единого насоса для циркуляции жидкости в контуре.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа генерации пульсовой волны давления жидкости непосредственно на выходе циркуляционного насоса при подаче управляющего сигнала заданной формы на вход микроконтроллера платы управления.

Сущность изобретения заключается в подходе, который позволяет генерировать пульсовую волну давления жидкости на выходе циркуляционного насоса при подаче управляющего сигнала выбранной формы на вход микроконтроллера платы управления. Генерация пульсовой волны осуществляется следующим образом:

1) преобразуют входной сигнал профиля пульсовой волны давления в набор точек с заданной частотой дискретизации с помощью микроконтроллера платы управления;

2) сопоставляют каждой точке сигнала из п. 1. три синусоиды, сдвинутые на 120 градусов друг относительно друга, частота которых пропорциональна ординате точки с помощью преобразователя напряжение-частота;

3) передают синусоиды по п. 2 на обмотки синхронного бесколлекторного электродвигателя циркуляционного насоса, вызывая вращение его импеллера;

4) генерируют выходной поток с пульсациями, форма, давление и скорость которых соответствует (коэффициент корреляции Спирмена 0,96) форме управляющего сигнала, посредством вращения крыльчатки насоса по п. 3;

5) фиксируют текущие параметры потока и передают данные на микроконтроллер с помощью датчиков давления и скорости;

6) осуществляют дополнительную настройку гидродинамического сопротивления системы с помощью системы кранов;

7) осуществляют регуляцию параметров пульсовой волны потока за счет коррекции управляющего сигнала микроконтроллера с помощью аппаратного интерфейса либо виртуального СОМ-порта.

Набор точек (п. 1) представляет собой преобразование исходного аналогового сигнала в последовательность его мгновенных фиксированных значений (отсчетов), выделенных по определенному закону и в совокупности отображающих (с заранее установленной ошибкой) исходный сигнал (определение из БРЭ). Частота взятия отсчетов, т.е. частота дискретизации сигнала определяется исходя из возможности обратного преобразования набора точек в непрерывный сигнал, что согласно теореме Котельникова, должно не менее чем в два раза превышать частоту исходного (дискретизируемого) сигнала. Для приведенного примера (см. Фиг. 1) речь идет о пульсациях артериального давления с максимальной частотой до 1,5 Гц, следовательно, минимальная частота дискретизации должна составлять 3 Гц или 3 измерения в секунду. При этом, сигнал имеет сложную форму в связи с чем рекомендуемое число отсчетов составляет 100 точек в секунду или 100 Гц. Такая частота дискретизации соответствует временным задержкам между отсчетами, равным 0,01 с.

Система координат (п. 2) представляет собой прямоугольную (Декартову) систему координат, где по оси абсцисс отложены временные отсчеты (см. Фиг. 1), а по оси ординат амплитуда сигнала в диапазоне от 0 до 1, что эквивалентно диапазону от 0% до 100% (см. Фиг. 1). Пропорциональность между ординатой сигнала и частотой сопоставляемой ей синусоиды - прямая: кратное увеличение ординаты вызывает равноценное увеличение частоты. Фиг. 1 иллюстрирует характер такого соотношения: участок «а» соответствует области роста амплитуды сигнала и соответствующего ему роста частоты синусоиды, на участке «б» показан локальный спад значений амплитуды и соответствующее снижение частоты синусоиды, участок «в» иллюстрирует общий спад амплитуды и снижение частоты.

На Фиг. 1 представлена пример преобразования сигнала выбранного профиля пульсовой волны давления (1) в управляющий сигнал переменной частоты имеющий форму синусоиды, (sin) частота которой пропорциональна ординате точки сигнала. А также соответствующий такой синусоиде сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для подачи на обмотки электродвигателя циркуляционного насоса.

Изобретение может использоваться для:

1) имитации и анализа пульсирующего кровотока у человека и животных;

2) имитации гемодинамики сосудов на КТ-исследовании;

Работа с изобретением обеспечит получение навыков: имитации пульсового кровенаполнения артериальных сосудов с различными параметрами потока.

Источники информации:

1. Пат. US 892633 B2 USA. Device, system, and method for simulating blood flow. / Vozenilek J., Cusack Т., Admani S., Bethke E., Regan M. // URL: https://patents.google.com/patent/US8926333B2/en.

Изобретение относится к области медицины, в частности к медицинским симуляторам, и может использоваться для оптимизации ангиографических протоколов сканирования, научных исследований гемодинамики крупных сосудов, а также отработки хирургических навыков. Предложен способ, в котором используется преобразование управляющего аналогового сигнала в синусоидальные колебания и передача их на обмотки электродвигателя насоса посредством широтно-импульсной модуляции. Изобретение обеспечивает генерацию управляемого пульсирующего потока с заданными характеристиками в тест-объекте напрямую без необходимости использования дополнительных устройств воздействия на выходную линию. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ имитации пульсового потока в крупных артериальных сосудах, состоящий в том, что преобразуют управляющий аналоговый сигнал заданной формы для генерации профиля пульсовой волны давления потока на выходе насоса, отличающийся тем, что:

- преобразуют входной сигнал профиля пульсовой волны давления потока в набор точек с заданной частотой дискретизации с помощью микроконтроллера платы управления;

- сопоставляют каждой точке преобразованного сигнала три синусоиды, сдвинутые на 120 градусов друг относительно друга, частота которых пропорциональна ординате точки, с помощью преобразователя напряжение-частота;

- передают полученные синусоиды на обмотки синхронного бесколлекторного электродвигателя насоса, вызывая тем самым вращение его крыльчатки;

- генерируют выходной поток с пульсациями, форма, давление и скорость которых соответствует форме управляющего сигнала, посредством вращения крыльчатки насоса;

2. Способ по п. 1, отличающийся тем что дополнительно фиксируют текущие параметры потока и передают данные на микроконтроллер с помощью датчиков давления и скорости;

3. Способ по п. 1, отличающийся тем что дополнительно осуществляют настройку гидродинамического сопротивления системы с помощью системы кранов;

4. Способ по п. 1, отличающийся тем что дополнительно осуществляют регуляцию параметров пульсовой волны потока за счет коррекции управляющего сигнала микроконтроллера с помощью персонального компьютера с использованием виртуального СОМ-порта.