پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی

word 3 MB 32049 104
1392 کارشناسی ارشد پیراپزشکی
قیمت: ۱۳,۵۲۰ تومان
دانلود فایل
  • بخشی از محتوا
  • وضعیت فهرست و منابع
  • پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته­ی مهندسی ابزار دقیق و اتوماسیون در صنایع نفت

    چکیده

     

     

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

     

     

    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.

    کلیات

     

    براساس ارزیابی سازمان سلامت جهانی و آمار به دست آمده توسط این سازمان، حدود یک سوم از بیماری­های رایج در سراسر دنیا، به بیماری­های قلبی اختصاص دارد. موضوع حائز اهمیت، سیر صعودی ابتلا به این بیماری­ها بخصوص در زمینه "نارسایی انقباضی بطن چپ" است که یکی ازمهم­ترین و حادترین انواع بیماری­های قلبی محسوب می­شود[1]. عارضه حاصل از این بیماری، پمپاژ نامناسب خون و در نتیجه، نرسیدن میزان کافی خون به ارگان­ها و اعضای بدن می باشد.

    اگرچه، درمان­های دارویی تاثیر بسزایی در بهبود کیفیت زندگی بیماران نارسایی انقباضی قلب دارد، اما تا زمانی که این نوع درمان برای بلند مدت قابل استفاده نباشد، کاهش آمار بالای مرگ و میر این بیماران امکان پذیر نمی­باشد. در نتیجه، عملیات پیوند قلب، تنها روش مطمئن و قابل قبول برای درمان موارد جدی نارسایی انقباضی قلب خواهد بود.

    عموماً بیماران مبتلا به نارسایی تراکمی قلب، برای دریافت قلب مناسب جهت پیوند، می­بایست مدت زمانی طولانی (حدود یک سال یا حتی بیشتر) در انتظار بمانند، و بدیهی است که در طول این مدت، امکان وخیم­تر شدن بیماری آنها و اختلال بیشتر در عملیات پمپاژ خون به وسیله قلب وجود دارد. از اینروست که، تجهیزات کمکی بطن چپ(LVADs)، می­توانند به عنوان پلی برای رسیدن به مرحله جراحی، به کمک قلب ضعیف بیمار آمده و شرایط مساعدی را برایبیمار تا زمان عمل جراحی فراهم نمایند[2].

     

     

    تجهیزات کمکی بطن چپ(LVADs)

     

    تجهیزات کمکی بطن چپ (LVADs) را بر اساس الگو و روش پمپاژ خون، به دو دسته عمده می­توان تقسیم کرد:

    LVADهای جابجایی مثبت (ضربانی) و LVADهای توربودینامیک (روتاری). نسل اول از این تجهیزات،LVAD های ضربانی بوده که رفتار عملکردی شبیه ضربان قلب داشته و جریان طبیعی خون را به همان شکل تولید می­نماید. LVADهای روتاری به عنوان نسل جدیدتر این تجهیزات، جریان خون پیوسته­ای را به جای جریان ضربانی تولید می­نمایند. بعلاوه، LVADهای روتاری امکان اتصال به قلب و شریان و کاشت زیر پوست را به ما می­دهند که بطور معمول در حفره درون قفسه سینه و یا فضای اضافی آن کاشته می­شوند [1]. امروزه LVADهای روتاری به دلیل اندازه کوچکتر، وزن کمتر، بقاء و پایداری بیشتر [3] و راندمان بالاترشان نسبت به نوع ضربانی و معمول آنها، به شکل فراگیرتری در درمان­های کلینیکی مورد استفاده قرار می­گیرند.

    LVAD روتاری، پمپ مکانیکی است که به کمک عمل جراحی از بطن چپ تا آئورت و مابین آنها، در بدن بیمار قرار می­گیرد، تا به این وسیله، به تامین جریان خون کافی، که قلب بیمار به تنهایی قادر به فراهم آوردن آن نیست، کمک نماید [2]. پمپ­های روتاری به کمک تغییر سرعت چرخششان، میزان جریان خون عبوریرا کنترل می­نمایند. به واسطه کنترل اتوماتیک سرعت چرخش این پمپ­ها، که بر اساس نیازهای فیزیولوژیکی بیمار تنظیم می­شود، این امکان به بیمار داده می­شود که، از پزشک مربوطه، بیمارستان و مراقبت­های ویژه دور باشد، و تا زمان عمل جراحی پیوند قلب از سطح سلامت قابل قبولی برخوردار باشد.

     

    ABSTRACT

     

    MODELLING AND NON-INVASIVE CONTROL OF IMPLANTABLE LVADS FOR FAILURE PATIENT

     

    BY

     

    HAMED KOLLARI

     

     

    The rotary Left Ventricular Assist Device (LVAD) is a mechanical pump surgically implanted in patients with end-stage congestive heart failure to help maintain the flow of blood from the sick heart. The rotary type pumps are controlled by varying the impeller speed to control the amount of blood flowing through the LVAD. One important challenge in using these devices is to prevent the occurrence of excessive pumping of blood from the left ventricle (known as suction) that may cause it to collapse due to the high pump speed. The development of a proper feedback controller for the pump speed is therefore crucial to meet this challenge.

    In this thesis, some theoretical and practical issues related to the development of such a controller are discussed. First, a basic nonlinear, time-varying cardiovascular-LVAD circuit model that will be used to develop the controller is reviewed. Using this model, a suction index is tested to detect suction. Finally we propose a feedback controller that uses the pump flow signal to regulate the pump speed based on the suction index and an associated threshold. The objective of this controller is to continuously update the pump speed to adapt to the physiological changes of the patient while at the same time avoiding suction. Simulation results are presented under different conditions of the patient activities. Robustness of the controller to measurement noise is also discussed.

  • فهرست:

     مقدمه. 1

    1-1-        کلیات   1

    1-2-        تجهیزات کمکی بطن چپ(LVADs) 2

    1-3-        پدیدههای مهم در LVADها 3

    1-4-        تاریخچه و سیر تحول آشکارسازی پدیده مکش... 4

    1-5-        تاریخچه و سیر تحول طراحی کنترلرهای مربوطه. 5

    1-6-         سیر بررسی مطالب.. 7

    سیستم قلب و مدل مربوط به آن.. 9

    2-1-        قلب و سیستم گردش خون. 10

    2-1-1- قلب    10

    2-1-2- سیستم گردش خون. 12

    2-2-        سیکل قلبی.. 15

    2-2-1- بررسی برخی از مفاهیم اصلی.. 15

    2-2-2- چرخه قلبی.. 18

    2-3-        مدل قلب.. 23

    2-3-1- مدل مداری قلب.. 23

    2-3-2- معادلات حالت.. 28

    2-3-3- نتایج شبیه سازی.. 31

    2-4-        مدل قلب- پمپ.. 34

    4-2-1- مدل قلب- LVAD.. 35

    4-2-2- معادلات حالت.. 38

    4-2-3- شبیه­سازی حلقه باز 41

    مساله آشکارسازی حالت مکش در LVAD.. 48

    3-1-        دیده مکش در LVAD.. 50

    3-2-        آنالیز شاخصهای مکش با استفاده از دبی عبوری از پمپ.. 54

    3-3-        شبیه سازی به همراه مدل قلب-LVAD.. 60

    طراحی کنترلر تلفیقی Fuzzy-MPC برای سیستم قلب-LVAD  63

    4-1-        ساختار کنترلرهای مدل پیشبین.. 64

    4-2-        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

    4-3-        شبیه­سازی.. 73

    4-3-1- شبیه­سازی برای قلب بیمار 73

    4-4-        بررسی میزان مقاومت کنترلر 78

    5-        نتیجه­گیری و اهداف آینده 83

    5-1-        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

    5-2-        اهداف آینده 86

     

    منبع:

     

     

    [1] Gu, M. and Qin, Y., “Development of left ventricular assist devices,” Intertional Journal of Cardiovascular Disease, 36(2): 69-71, 2009.

    [2] http://www.americanheart.org/presenter.jhtml?identifier=4599

    [3] Slaughter, M. S., Rogers, J.G., et al, “Advanced heart failure treated with cotinuous-flow left ventricular assist device,” The new England journal of medicine, Nov. 17, 2009.

    [4] Vollkron, M., Schima, H., Huber, L., Benkowski, R., Morello, G., et al, “Development of a suction detection system for axial blood pumps,” Artificial Organs, 28(8): 709-716, 2004.

    [5] Vollkron, M., Schima, H., Huber, L., Benkowski, R., Morello, G., et al, “Advanced suction detection for an axial flow pump,” Artificial Organs, 30(9): 665-670, 2006.

    [6] Voigt, O., Benkowski, R.J. and Morello, G.F., “Suction detection for the micromed debakey left ventricular assist device,” ASAIO Journal, 51(4): 321-328, 2005.

    [7] Ferreira, A., Chen, S., Simaan, M.A., Boston, J.R. and Antaki, J.F., “A discriminant-analysis-based suction detection system for rotary blood pump,” Proceedings of the IEEE EMBC, New York, USA, 5382-5385, 2006.

    [8] Mason, D.G., Hilton, A.K. and Salamonsen, R.F., “Reliable suction detection for patients with rotary blood pumps,” ASAIO Journal, 54(4): 359-366, 2008.

     

    [9] Wu, Y., Allaire, P., Tao, G., Wood, H., Olsen, D. and Tribble, C., “An advanced physiological controller design for a left ventricular assist device to prevent left ventricular collapse,” Artificial Organs, 27(10): 926-930, 2003.

     

    [10] Vollkon, M., Schima, H., Huber, L., Benkowski, R., Morello, G., et al, “Development of a reliable automatic speed control system for rotary blood pumps,” The Journal of Heart and Lung Transplantation, 24(11): 1878-1885, 2005.

    [11] Chen, S., “Baroreflex-based Physiological Control of a Left Ventricular Assist Device,” University of Pittsburgh, 2006.

    [12] Chen, S., Ferreira, A., Simaan, M.A., Boston, J.R. and Antaki, J.F., “Feedback control of an LVAD supporting a failing cardiovascular system regulated by a baroreflex,” Proceedings of the 45th IEEE CDC, San Diego, CA, USA, Dec. 13-15: 655-660, 2006.

    [13] Ferreira, A., “A rule-based controller based on suction detection for rotary blood pumps,” PhD. Thesis, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA, 2007.

    [14] Ferreira, A., Boston, J.R., and Antaki, J.F., “A control system for rotary blood pumps based on suction detection,” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 56(3): 656-665, 2009.

    [15] Simaan, M.A., Ferreira, A., Chen, S., Antaki, J.F. and Galati, D.G., “A Dynamical State Space Representation and Performance Analysis of a Feedback-Controlled Rotary Left Ventricular Assist Device,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, 11(7): 15-28, 2009.

     

    [16] http://www.zgxl.net/sljk/imgbody/xinzang.htm

    [17] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Heart_systole.svg

    [18] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Heart_diastole.png

    [19] http://www.hudong.com/wiki

     

    [20] Suga, H., Sagawa, K., “Instantaneous pressure-volume relationships and their ratio in the excised, supported canine left ventricle,” Circulation Research, 35(1): 117-126, 1974.

    [21] Stergiopulos, N., Meister, J. and Westerhof, N., “Determinants of stroke volume and systolic and diastolic aortic pressure,” American Journal of Physiology, 270(6): 2050-2059, 1996.

    [22] Simaan, M.A., “Modeling and control of rotary heart assist device,” Handbook of Automation, Ed S. Norf, Springer Verlag, 1409-1422, 2009.

    [23] Schima, H., Trubel, W., Moritz, A., et al, “Noninvasive monitoring of rotary blood pumps: necessity, possibilities, and limitations,” Artificial Organs, 16(2): 195-202, 1992.

    [24] Yuhki, A., Hatoh, E., Nogawa, M., Miura, M., Shimazaki, Y. and Takatani, S., “Detection of suction and regurgitation of the imiplantable centrifugal pump based on the motor current waveform analysis and its application to optimization of pump flow,” Artificial Organs, 23(6): 532-537, 1999.

     

    [25] Morello, G.F., “Blood pump system and method of operation,” US Patent: 0215050, 2004.

    [26] Karantonis, D.M., Lovell, N.H., Ayre, P.J., Mason, D.G. and Cloherty, S.L., “Identification and classification of physiologically significant pumping states in an implantable rotary blood pump,” Artificial Organs, 30(9): 671-679, 2006.

    [27] K., M., “Central venous pressure and pulmonary capillary wedge pressure monitoring,” Indian Journal of anaesthesia, 46(4): 298-303, 2002.

    [28] Klabunde, R.E., “Cardiovascular physiology concepts,” Lippincott Williams & Wilkins, 2005

    [29] http://www.doctorsky.cn/surgery/20081029/51524.html

     

     

    [30] George Faragallah*, Yu Wang*, Eduardo Divo+,*, and Marwan A. Simaan*, Fellow, IEEE, “A New Current-Based Control Model of the Combined Cardiovascular and Rotary Left Ventricular Assist Device” 2011 American Control Conference/ June 29 - July 01, 2011.

     

    [31] Abdul-Hakeem H. AlOmari “Non-Invasive Modelling And Controlof Implantable Blood Pumps For Heart Failure Patients” The University of New South Wales (UNSW), Sydney, Australia/ March 2011.


تحقیق در مورد پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, مقاله در مورد پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, پروپوزال در مورد پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, تز دکترا در مورد پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, تحقیقات دانشجویی درباره پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, مقالات دانشجویی درباره پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, پروژه درباره پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, گزارش سمینار در مورد پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, تحقیق دانش آموزی در مورد پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, مقاله دانش آموزی در مورد پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی, رساله دکترا در مورد پایان نامه مدل سازی و کنترل غیر تهاجمی پمپ های خون قابل کاشت در بدن برای بیماران نارسایی قلبی

کارشناسی ارشد تربیت بدنی(گرایش فیزیولوژی ورزشی) چکیده هدف:هدف تحقیق تعیین اثر وابسته به زمان تمرین تناوبی شدید کوتاه مدت بر پویایی جذب اکسیژن دختران بود. روش شناسی: بدین منظور 40 نفر دختران دانشجوی دانشگاه اراک را به طور داوطلب با میانگین سنی 5±25 سال و وزن 390/10 ± 30/54 کیلوگرم و قد 23/10 ± 5/ 162 سانتی متر در این تحقیق شرکت کردند. تحقیق از نوع نیمه تجربی با طرح پیش آزمون- پس ...

کارشناسی ارشد تربیت بدنی(گرایش فیزیولوژی ورزشی) چکیده هدف:هدف تحقیق تعیین اثر وابسته به زمان تمرین تناوبی شدید کوتاه مدت بر پویایی جذب اکسیژن دختران بود. روش شناسی: بدین منظور 40 نفر دختران دانشجوی دانشگاه اراک را به طور داوطلب با میانگین سنی 5±25 سال و وزن 390/10 ± 30/54 کیلوگرم و قد 23/10 ± 5/ 162 سانتی متر در این تحقیق شرکت کردند. تحقیق از نوع نیمه تجربی با طرح پیش آزمون- پس ...

پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته­ی مهندسی پزشکی- بیوالکتریک چکیده ارائه یک روش برای بخش­بندی بطن راست و چپ از تصاویر MRI قلبی بررسی ساختار و عملکرد بطن­های قلب در تصاویر رزونانس مغناطیسی یک گام مهم در مدیریت بسیاری از اختلالات قلبی به حساب می­آید. با اینکه بخش­بندی دستی بطن­های قلب نتایج خوبی را حاصل می کند، اما بخش­بندی دستی بطن ها خصوصا بطن راست به علت هندسه پیچیده آن کار ...

پایان­نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی 1-1-مقدمه همه انسان‌ها می‌دانند که قلب یک عضو حیاتی در بدن انسان است، به­طوری­که بدون داشتن آن نمی‌توانیم زندگی کنیم. اما با یک نگرش صرفاً مکانیکی قلب تنها یک پمپ است؛ یک پمپ بسیار پیچیده و مهم؛ و به لحاظ پمپ بودن همانند تمام پمپ‌ها امکان گرفتگی، خرابی و یا نیاز به تعمیر شدن دارد. این حساسیت قلب به عنوان یک عضو ...

(پایان نامه) جهت دریافت مدرک کارشناسی ارشد آموزش پرستاری (گرایش داخلی- جراحی) چکیده: زمینه و هدف: مداخلات الکتروفیزیولوژیک از جمله روش های جدید در تشخیص و درمان دیس ریتمی ها بوده و مانند هر مداخله تهاجمی دیگر، عوارضی همچون اضطراب را به دنبال دارد. با توجه به اثرات اضطراب بر شاخصهای همودینامیک و ناراحتی بیماران، به کاربردروشهایی ایمن و کم هزینه برای کننرل این مشکل روانشناختی نیاز ...

پایان نامه(رساله) برای دریافت درجه... در رشته تربیت بدنی و علوم ورزشی گرایش فیزیولوژی ورزشی چکیده کارایی و عملکرد دستگاه های مختلف بدن، در قابلیت و توانایی اجرای فعالیت های ورزشی موثر است. از اینرو، هدف از این مطالعه بررسی تاثیر تمرینات استقامتی، قدرتی و موازی در ضربان قلب و فشارخون سیستولی، فشارخون دیاستولی، فاصله PR، در کارگران شرکت پارس خودرو بوده است. جهت اجرای این مطالعه، ...

پایان نامه جهت دریافت مدرک کارشناسی ارشد آموزش پرستاری (گرایش داخلی-جراحی) چکیده مقدمه : تبعیت از رفتار های خود مراقبتی و تعیین عوامل مرتبط با آن در مبتلایان به بیماری های مزمن از اهمیت بسزایی برخوردار است و بیماران می توانند با کسب مهارت های خودمراقبتی، برآسایش، توانایی های عملکردی و فرایندهای بیماری خود تاثیرگذار باشند. هدف : این مطالعه به منظور تعیین عوامل پیش بینی کننده خود ...

پایان نامه: جهت دریافت دکترا چکیده مقدمه:یکی از عوارض نادر انفارکتوس میوکارد که طی هفته‌ها و ماهها بعد از آن اتفاق می‌افتد آنوریسم بطن چپ است که به صورت قطعه ای نازک و گسسته دیواره بطن چپ که هم در طول سیستول و هم در طول دیاستول برآمده است و پایه عریضی دارد تعریف می‌شود . اکثر آنوریسم‌های بطن چپ در دیواره قدامی و اپکس و در تعداد کمی در دیواره خلفی قاعده ای قلب رخ می‌دهد. هدف از ...

پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک -گرایش تبدیل انرژی چکیده شبیه سازی عددی یک میکروسنسور اندازه­گیری جریان در مدل واقعی آئورت انسان بیماری ­های شریانی به خصوص تصلب شریان و اتساع عروق از مهم­ترین علل مرگ­و­میر ناگهانی در جهان به شمار می­روند. روش­های متفاوتی برای تشخیص این بیماری­ها وجود دارد که در این تحقیق به طراحی و تحلیل یک میکروسنسور، که بر مبنای ایده­ای جدید ...

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد(MS.c) گرایش: هسته ای چکیده پایان نامه: در این تحقیق تصویر بردای از عضلۀ قلب به­روش SPECT، روشی غیر تهاجمی برای تشخیص بیماران مشکوک به بیماری عروق کرونر است. یکی از مهمترین آرتیفکت­های حرکتی در تصویربرداری به­روش SPECT، حرکت تنفسی است که سبب کاهش کیفیت تصویر خواهد شد. هدف از این تحقیق، بررسی تأثیر حرکت تنفسی نرمال در ناحیۀ RCA بطن چپ ...

ثبت سفارش