چکیده:

تجهيزات کمکي بطن چپ(LVAD)، پمپ­هاي مکانيکي است که به کمک عمل جراحي در بدن بيماراني که  در مراحل خطرناک و نهايي نارسايي تراکمي قلب هستند، قرار مي­گيرد و به ادامه يافتن جريان خون همچون حالت طبيعي از قلب بيمار کمک مي­نمايد. پمپ­هاي نوع روتاري يا چرخان، ميزان جريان خون عبوري از LVAD را به کمک کنترل سرعت متغير پره­هاي پمپ کنترل مي­نمايد.

يکي از چالش هاي مهم در بکار بردن اين تجهيزات، اجتناب از پمپاژ بيش از اندازه خون از بطن چپ (که به عنوان پديده مکش يا Suction شناخته مي­شود) مي­باشد، که باعث تخريب قلب بخاطر سرعت بالاي پمپ مي­شود. يکي از نوآوري­هاي اين سيستم کنترلي، کنترل سرعت براي اجتناب از قرارگيري در اين محدوده مي­باشد.

در اين پايان نامه، ابتدا مدار ترکيبي مدل غير خطي متغير با زمان،  LVADبا سيستم قلبي- عروقي مورد بررسي قرار خواهد گرفت. با استفاده از اين مدل، مشخصه مکش (Suction Index) براي تشخيص حالت مکش مورد آزمايش قرار مي­گيرد. در پايان، سيستمي کنترلی، بر پايه منطق فازي و مدل پيشگويانه ارائه خواهد شد که سيگنال جريان پمپ را براي تنظيم سرعت پمپ بر اساس مشخصه مکش و آستانه مربوطه تنظيم مي­کند. هدف اين روش کنترلي، بروزرساني و متناسب­سازي سرعت چرخش پمپ براي تطابق با تغييرات فيزيولوژيکي بيمار در کمترين زمان و بدون رخداد پديده مکش مي­باشد.

نتايج شبيه­سازي براي شرايط مختلف و سطح فعاليت­هاي مختلف بيمار ارائه خواهد شد و قدرتمندي کنترلر در کاهش اثرات نويز نيز مورد بحث و بررسي قرار خواهد گرفت.

فهرست مطالب:

 مقدمه 1

1. کليات. 1
2. تجهيزات کمکي بطن چپ(LVADs) 2
3. پدیدههای مهم در LVADها. 3
4. تاريخچه و سير تحول آشکارسازی پديده مکش. 4
5. تاريخچه و سير تحول طراحی کنترلرهای مربوطه. 5
6. سير بررسي مطالب. 7

1. سیستم قلب و مدل مربوط به آن 9
   1. قلب و سيستم گردش خون. 10

2-1-1- قلب. 10

2-1-2- سيستم گردش خون. 12

1. سيکل قلبي. 15

2-2-1- بررسي برخي از مفاهيم اصلي. 15

2-2-2- چرخه قلبي. 18

1. مدل قلب. 23

2-3-1- مدل مداري قلب. 23

2-3-2- معادلات حالت. 28

2-3-3- نتايج شبيه سازي. 31

1. مدل قلب- پمپ. 34

4-2-1- مدل قلب- LVAD.. 35

4-2-2- معادلات حالت. 38

4-2-3- شبيه­سازي حلقه باز. 41

1. مساله آشکارسازي حالت مکش در LVAD 48
   1. ديده مکش در LVAD.. 50
   2. آناليز شاخصهاي مکش با استفاده از دبی عبوري از پمپ   54
   3. شبيه سازي به همراه مدل قلب-LVAD.. 60
2. طراحی کنترلر تلفيقي Fuzzy-MPC برای سیستم قلب-LVAD 63
   1. ساختار کنترلرهای مدل پیشبین. 64
   2. طراحی کنترلر تلفیقی پیشبین- فازی (Fuzzy-MPC) 66

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

1. شبیه­سازی. 73

4-3-1- شبیه­سازی برای قلب بیمار. 73

1. بررسی میزان مقاومت کنترلر . 78

1. نتیجه­گیری و اهداف آینده. 83
   1. نتیجه­گیری. 83

5-1-1- مدل قلب و قلب - LVAD.. 84

5-1-2- آشکارساز حالت مکش. 84

5-1-3- کنترلر مدل پیش­بین- فازی. 84

5-1-4- شبیه­سازی­ها. 85

5-1-5- محدودیت­ها. 85

1. اهداف آینده. 86

فهرست جداول

عنوان                                                                                                     صفحه

جدول2-1- متغیرهای حالت مدل قلب 355

جدول2-2- مقادیر پارامترهای مربوط به مدل مداری قلب. 36

جدول2-3- فازهای سیکل قلبی. 38

جدول2-4- متغیرهای حالت مدل تركيبي 477

جدول2-5- مقادیر پارامترهای مربوط به مدل مداری LVAD.. 48

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                         صفحه

شکل2- 1- نماهای جلویی و عقبی قلب. 23

شکل2- 2- ساختار اصلی قلب. 23

شکل2- 3- بلوک دیاگرام و چرخه سیستمی و تنفسی فرآیند گردش خون انسان. 25

شکل2- 4- فاز خالی شدگی بطن. 27

شکل2- 5- فاز پرشدگی بطن. 27

شکل2- 6- تغییرات LVP, AoP, AP و LVV در طی یک سیکل قلبی   30

شکل2- 7- مدل مداری قلب. 35

شکل2- 8- تابع الاستیسیته E(t) 38

شکل2- 9- نتايج شبيه‌سازي پارامترهاي هموديناميكي براي يك قلب طبيعي و سالم. 42

شکل2- 10- يك LVAD روتاري به همراه تجهيزات جانبي. 46

شکل2- 11- مدار مدل تركيبي قلب- LVAD روتاري. 47

شکل2- 12- پاسخ مدل قلب-LVAD به ورودی پله. 53

شکل2- 13- پاسخ مدل قلب-LVAD به ورودی شیب. 55

شکل2- 14- سیگنال جریان خون عبوری از پمپ (الف- 5/0RS= و ب-2/1RS=)   57

شکل3- 1- کیسه بطنی در دو حالت طبیعی و مکش. 59

شکل3- 2- نتایج شبیه­سازی در یک آزمایش ورودي-خروجي متغير   62

شکل3- 4- نتایج شبیه­سازی­های آزمایش ورودی-خروجی متغیر برای LVP و PIP. 65

شکل3- 5- اطلاعات استخراج شده از آزمایشهای ورودی-خروجی متغیر   67

شکل3- 6- نتایج شبیهسازی اندیس مکش. 69

شکل3- 7- بلوک دیاگرام سیستم آشکارساز حالت مکش. 70

شکل3- 8- مقادیر سرعت چرخش پمپ و شاخص مکش mmHg.s/ml)0/1 (RS=  71

شکل3- 9- مقادیر سرعت چرخش پمپ و شاخص مکش mmHg.s/ml)2/1 (RS=   72

شکل4- 1- بلوک دیاگرام کنترلر پیشبین (MPC) 76

شکل4- 2- فلوچارت نحوه بروزرسانی سرعت چرخش پمپ. 80

شکل4- 3- طرح کنترلر پمپ-LVAD.. 81

شکل4- 4- نتایج شبیه­سازی برای میزان مقاومت سیستمی ثابت   84

شکل4- 5- تغییرات RS در طول زمان شبیه­سازی. 85

شکل4- 6- نتایج شبیه­سازی برای میزان مقاومت سیستمی متغیر   86

شکل4- 7- نتایج شبیه­سازی در شرایط بدون اغتشاش. 88

شکل4- 8- نتایج شبیه­سازی برای شرایط همراه با اغتشاش (SNR=10dB) 89

شکل4- 9- تاثیرات اغتشاشات بر روی دبی عبوری از یک کنترلر باروفلکس. 90