Устройство для управления искусственным сердцем Советский патент 1989 года по МПК A61M1/10 

1

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 путем поддержания на постоянном уровне заданной величины давле- ния всасывания.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для управления искусственным сердцем; на фиг.2 - функциональная схема датчика крайних положений мембраны желудочка; на Лиг.З - функциональная схема электропривода; на фиг.4 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство для управления искус- 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, механопневмо- преобразователь 9, электропривод 10, датчик 11 крайних положений мембраны желудочка, второй триггер 2 первый

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, Йервый формирователь 30 импульсов записи, второй блок 31 памяти, второ 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.

Электропривод 10 содержит преобразователи 4 и 42 напряжение - час- тота, схемы И 43 и 44, схему ИЛИ 45, схему И 46, триггер 47, схему ИЛИ 48, схему И 49, коммутатор 50, блок 51 усилителей мощности и электродвигатель 52, .

314

На фиг.1 приняты следующие обозначения: Р. - мгновенное значение диа- столического давления; РС - мгновенное значение систолического давления Р& - среднее значение давления всасывания; рц - среднее значение давления нагнетания; Рвз - заданное значение, давления всасывания; РН5 заданное значение давления нагнета- ния; Vсп - сигнал, определяющий скорость спада диастолического давления; VHp - сигнал, определяющий скорость нарастания систолического давления.

Устройство работает следующим образом.

При настройке режимов оператором после заполнения желудочка 3 кровью устанавливаются посредством задатчи- ков 2 и 3 блока 7 управления работой желудочка в систолу и задатчиков 5 и 6 блока 4 управления работой желудочка в диастолу значения величин VHP нз vcn и рвз соответственно, которые выбраны с учетом особенностей перфузируемого объекта и его потребностей в кровообращении.

После, подачи с. Пуск по цепи (диаграмма а , фиг.4) поршень 8 механопневмопреобразователя 9 под воздействием рабочего органа электропривода 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 Ј , фиг.4). При поступлении этого сигнала на первый вход триггера 12 на его выходе устанавливается уровень логического О (диаграмма Ь , Фиг.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 $ фиг.4), который при поступлении на второй вход электропривода 10 обеспечивает перемещение поршня 8 в сторону конечносистолического поло- жения со скоростью, определяемой величиной сигнала V . При этом воздух в механопневмопре.обраяователе

Q c

Q 5

5

0

с

84

9 сжимается и его давление увеличивается. Одновременно увеличивается давление крови в желудочке 1, что приводит к закрытию входного клапана, а затем к открытию выходного клапана и последующему изгнанию крови из желудочка.

Сигнал с датчика 15 давления поступает на информационные 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 РС , возрастающий по величине. В тот момент, когда сигнал РС достигнет величины сигнала РИ , на выходе компаратора 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 г , фиг.4) с задатчика 3 через сумматор 22 и потенциометр 23. Установление равенства Р h и Рн достигается посредством потенгиметра 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 конечно- систолического положения на втором выходе датчика 11 появляется сигнал ( диаграмма к , фиг.4), который, поступив на вход триггера 24, устанавливает на его выходе уровень логического О (диаграмма , Фиг.4), обеспечивающий прохождение на выход коммутатора 25 сигнала (диаграмма Ц-, Фиг.4) с задатчика 5. Поступление сигнала с второго выхода датчика 11 на первый вход электропривода 10 обусловливает поступление 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 Vcn

При этом давление воздуха в меха- нопневмопреобразователе 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

.сигнал Рд , уменьшающийся по величине. В тот момент, когда сигнал Р, достигнет величины Рез, на выходе компаратора 26 появляется сигнал (диаграмма л , фиг.4), который посту пает на второй вход триггера 24,. устанавливая на его выходе уровень логической 1, который обеспечивает Прохождение на выход коммутатора 25 сигнала.(диаграмма и , фиг.4) с за- датчика 6 через сумматор 27 и потенциометр 28. Установление .равенства

между величинами Рвч и Рв 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 самым, изменению величины Р&. При достижении поршнем 8 конечнодиастолического положения цикл работы завершается.

С появлением сигнала на выходе компаратора 21 (диаграмма е , фиг.4) который поступает на второй вход блока 17 измерения среднего значения давления, в последнем начинается процесс измерения среднего значения давления нагнетания РН. Сигнал, соответствующий РН , с выхода блока 17 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, по второму входу блока 29 производится сброс результата измерения Рн в предыдущем цикле работы, а по первому входу через формирователь 30 импульсов записи поступает команда на запоминание результата измерения РЧ полученного - в текущем цикле работы желудочка 1.

Подготовка блока 17 к следующему измерению происходит по сигналу с выхода компаратора 26 (диаграмма Л; фиг.4). С появлением сигнала на выходе компаратора 26, который поступа

ет на второй вход блока 19, в последнем наминается процесс измерения среднего значения давления всасываг

5

0

ни я

Р,

в

Сигнал, соответствующий

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

окончанию наполнения желудочка 1, по второму входу блока 31 памяти производится сброс результата измерения РВ в предыдлтцем цикле работы, а по первому входу через формирователь 32 импульсов записи поступает команда на запоминание результата измерения , полученного в текущем цикле работы 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 перфу5 зируемого объекта, связанное с изменением его потребностей в кровообращении, приводит к изменению Ph . Сигнал, получаемый в результате измерения среднего значения давления

0 нагнетания в предыдущем цикле работы желудочка, с блока 29 памяти через инвертор 33 поступает на третий вход сумматора 22, на первый и второй вхо

ды которого поступает сигнал Рнэ с задатчика 3. На выходе сумматора 22 формируется сигнал, соответствующий величине Рн- + UP, , где &Р,

Риз5

0

5

- Рн. Изменение величины сигнала на выходе сумматора 22 приводит к изме- Q нению скорости перемещения поршня 8 при опорожнении желудочка 1 до величины, обеспечивающей равенство величин Рн и Р, .

Причем увеличение сигнала Рн в предыдущем umcrfe работы желудочка 1 ведет к снижению скорости перемещения поршня 8 в текущем цикле, а уменьп е- ние сигнала РН ведет к увеличению скорости перемещения поршня.

Изменение сопротивления венозной части сосудистой системы перфузируе- мого объекта, связанной с изменением его потребностей в кровообращении, приводит к изменению РВ. Сигнал, по- лученный в результате измерения среднего значения давления всасывания в предыдущем цикле работы желудочка, с вьрсода блока 31 памяти поступает на третий вход сумматора 27, на первый вход которого поступает сигнал Рв, с задатчика 6 непосредственно, а на второй вход сигнал PBJ поступает через инвертор 34. В результате на выходе сумматора 27 формируется сигнал, соответствующий величине рв, + Ьр2 где &Р2 Рв - Рвз . Изменение величины сигнала на выходе сумматора 27 приводит к изменению скорости перемещения поршня при наполнении желудочка до величины, обеспечивающей равенство величин Ръ и Рвз„ Причем увеличение сигнала Т в предыдущем цикле работы желудочка I ве- дет к увеличению скорости переменил поршня 8 в текущем цикле, а уменьшение сигнала Р& ведет к снижению скорости перемещения поршня.

Прекращение работы искусственного сердца осуществляется подачей по цепи сигнала Стоп на седьмой вход электропривода 10, который вызывает останов двигателя.

Элементы датчика 11 в процессе работы устройства взаимодействуют следующим образом. На задатчике 35 устанавливают число, соответствующее систолическому объему. Код этого числа определяет перемещение поршня 8i, необходимое для вытеснения объема, соответствующего систолическому объему. На регуляторе 36 устанавливают число, код которого определяет перемещение поршня 8, необходимое для сжатия воздуха в механопневмопреобра- зователе 9 до объема, при котором достигается давление, обеспечивающее открытие выходного клапана желудочка 1. Суммирование чисел, установленных на задатчике 35 и регуляторе 36, происходит на сумматоре 37. В момент достижения поршнем его конечнодиа- столического положения на выходе датчика 38 первый выход датчика 11 (появляется импульс (диаграмма К , фиг.4 На выходе датчика 39, вал которого механически связан с поршнем, формируется дискретный сигнал в виде кода, соответствующего величине переме- щения поршня 8. В момент сравнения кодов на выходе компаратора 40 (второй выход датчика 11) появляется импульс (диаграмма ж , фиг.4).

Электропривод 10 работает следую- щим образом. Аналоговые сигналы с выходов коммутаторов 13 и 25 поступают на входы преобразователей 41 и 42 соответственно. На выходах преоб-

разоиателей 41 и 42, соеднненнмх с первыми входами схем И 43 и 44 соответственно, Формируются ПООЛРДПВЯ- тельностн импульсов (диаграммы м и н , Фиг.4) с частотой следования, пропорциональный величинам аналоговых сигналов, поступающих на входы преобразователей 41 и 42. В зависимости от состояния триггера 14, пер вый 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 rt фиг.4) с выходов преобразователей 41 и 42 поступает на первый вход схемы И 46, второй выход которой соединен с выходом триггера 47. Триггер 47 переводится в состояние О при поступлении по линии сигнала , 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 отрабатывает дискретные линейные перемещения, величина которых пропорциональна количеству импульсов, поступивших на коммутатор 50. Частота 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 сторону конечносистолического положения мембраны. Наличие сигнала, соответствующего уровню логической 1, на втором выходе триггера 14 обеспечивает прохождение на коммутатор 50 последовательности импульсов с выхода преобразователя 42н определяем напраление движения поршня 8 в сторону конечнодиастолического положения мембраны.

Сигнал Стоп (диаграмма с , фиг. на втором входе триггера 47 устанавливает на его выходе уровень логического О (диаграмма т , фиг.4), поэтому прекращается поступление

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 искусмирователя 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,

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.

ственным сердцем, содержащее электро- ю второй вход первого триггера соеди- привод, рабочий орган которого механически связан с механопневмопреоб- разователем, 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 механопневмо- преобразователя 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 30 входами соответственно первого и второго блоков памяти, отличающееся тем, что, с целью под- . держания адекватного кровообращения

нен 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 задатчика 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 второпри изменениях сопротивления сосудис- 35 го триггера, вторым входом первого

той системы и уменьшения травмы крови и сосудов путем поддержания на постоянном уровне заданной величины давления всасывания, оно снабжено вторым задатчиком давления, первым и вторым задатчиками скорости изменения объема, первым и вторым коммутаторами, вторым и третьим триггерами, вторым блоком измерения среднего значения давления, первым и вторым ключом, вторым компаратором, первым и вторым сумматорами, первым и вторы потенцометрами, при этом первый выхо 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 электропривода, входом первого фор

второй вход первого триггера соеди

нен 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 задатчика 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 втор05

0

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

сумматора, выход первого сумматора через первый потенциометр соединен с вторым входом первого коммутатора, выход второго сумматора через второй потенциометр соединен с вторым входом второго коммутатора, выход первого коммутатора соединен с четвертым входом электропривода, выход второго коммутатора соединен с пятым входом электропривода.

//

фиг.2

U

8 в

г д

е

ж з

и

к

л м н о п

р с

т

п.

JL

JL

JL

-э -

и.

г

JL

Л

П

Г

л

л.

IIIIHIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

II

И I I I I I I I I IIIIIIIII II 11.111 г

i i i I .1 i i

тип

I I IIIIIIIII III I ПИШИ МИМ

I I И I 1-1

ли

JL

JL

-э -

г

Л

П

Г

л.

тип

I I И I 1-1

ли

Фиг.Ч