Программно-аппаратный комплекс для анализа технических
advertisement
На правах рукописи БАЗАЕВ Николай Александрович ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АНАЛИЗА ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ДИАЛИЗНОГО ОЧИЩЕНИЯ КРОВИ 05.13.01 – системный анализ, управление и обработка информации (приборостроение) Автореферат диссертации на соискание учѐной степени кандидата технических наук Москва – 2011 2 Работа выполнена на кафедре биомедицинских систем Московского государственного института электронной техники (технического университета) Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор Селищев С.В. Нефѐдкин С.И. Тимошенков С.П. Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение «Всероссийский научноисследовательский и испытательный институт медицинской техники» Защита состоится "___" ______________ 2011 года в ___ часов ___ минут на заседании диссертационного совета Д.212.134.02 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ Автореферат разослан "___" ______________ 2011 года Соискатель Базаев Н.А. Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, доцент Гуреев А.В. 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В России на 1 млн. жителей приходится более 500 человек, страдающих почечной недостаточностью. Помимо операции по пересадке почки, единственным способом поддержания их жизнедеятельности является регулярное использование систем диализного очищения крови. На данный момент в гемодиализных центрах, отделениях клиник и больниц России эксплуатируются около 3000 гемодиализных аппаратов (ГДА), из них 99 % зарубежного производства, половина которых являются технически устаревшими. Потребность российского здравоохранения в современных гемодиализных аппаратах удовлетворена сегодня не более чем на 20 %. ГДА является сложной технической системой, которой необходимо собирать, анализировать и визуализировать физиологические параметры пациента (давление, гематокрит, объѐм жидкости в организме и др.), параметры процедуры диализного очищения крови (артериальное, венозное, трансмембранное и системное давления, расходы крови, диализирующего раствора, гепарина и замещающей жидкости, состав и температуру диализата и пр.), а также поддерживать и контролировать программный диализ. Качество и продолжительность жизни пациентов с почечной недостаточностью зависит, прежде всего, от эффективности диализного лечения, которая обусловлена двумя факторами: контроль технических характеристик диализного очищения крови и подбор оптимальной схемы лечения. В связи с этим, актуальной является проблема разработки программно-аппаратного комплекса для контроля и оптимизации диализного очищения крови. Цель работы – проектирование и создание программноаппаратного комплекса для анализа технических характеристик и повышения эффективности функционирования систем диализного очищения крови. Основные задачи. 1. Разработка модели биотехнической системы диализного очищения крови для анализа и совершенствования функционирования гемодиализных аппаратов. 2. Разработка метода и алгоритма оптимизации процессов диализного очищения крови. 4 3. Разработка проблемно-ориентированного программноаппаратного комплекса для анализа технических характеристик и повышения эффективности функционирования систем диализного очищения крови. 4. Разработка специализированного модуля, методов и алгоритмов для обучения медицинского персонала работе с системой диализного очищения крови Ренарт 200. Научная новизна. 1. Разработана новая математическая модель биотехнической системы диализного очищения крови для анализа и оптимизации управления процессами гемодиализа, гемофильтрации и гемодиафильтрации. 2. Разработаны методы и алгоритмы оптимизации процессов диализного очищения крови. 3. Разработан программно-аппаратный комплекс для анализа технических характеристик и оценки эффективности, качества и надѐжности систем диализного очищения крови. 4. Разработаны методы и алгоритмы усовершенствования методики и процесса обучения медицинского персонала эксплуатации гемодиализного аппарата Ренарт 200. Практическая значимость работы. 1. Разработан программно-аппаратный комплекс для анализа технических характеристик и повышения эффективности функционирования систем диализного очищения крови. 2. Разработана методика идентификации эффективности функционирования систем диализного очищения крови. 3. Разработан программный модуль для обучения персонала работе с ГДА Ренарт 200. Достоверность результатов обуславливается использованием типовых способов и поверенных приборов для регистрации физических величин, подтверждается положительными результатами лабораторных испытаний, а также соответствием общепринятым теоретическим и экспериментальным фактам, согласием эксперимента с теорией. Внедрение результатов. 1. Результаты диссертационной работы были использованы при реализации следующих проектов кафедры биомедицинских систем МИЭТ: 5 – ОКР в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме «Разработка технологий управления процессами бикарбонатного гемодиализа, гемодиафильтрации и выпуск опытных образцов интеллектуального гемодиализного аппарата для систем жизнеобеспечения человека» (2008-2010 г.г., руководитель: д.ф.м.н., профессор С.В. Селищев). – НИР в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме «Разработка математической модели конвективного массопереноса в гемодиализных аппаратах» (20092010 г.г., руководитель: Н.А. Базаев). 2. Разработанный программно-аппаратный комплекс был использован при проведении пуско-наладочных, технических приѐмочных и Государственных приѐмочных испытаний опытной партии гемодиализных аппаратов Ренарт 200, разработанных на кафедре биомедицинских систем МИЭТ. 3. Результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе для разработки курса «Гемодиализные системы» для магистров кафедры биомедицинских систем МИЭТ, обучающихся по направлению 201000 «Биотехнические системы и технологии», программа — «Биомедицинская инженерия искусственных органов». Положения, выносимые на защиту. 1. Разработанная модель биотехнической системы диализного очищения крови позволяет анализировать, совершенствовать и повышать эффективность функционирования гемодиализных аппаратов. 2. Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет анализировать технические характеристики гемодиализных аппаратов, проводить оценку их эффективности, качества и надѐжности, а также оптимизировать управление системами диализного очищения крови. 3. Разработанный обучающий модуль позволяет усовершенствовать методику и процесс обучения медицинского персонала эксплуатации гемодиализного аппарата Ренарт 200 (МИЭТ). Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: – XV и XVI всероссийские межвузовские научно-технические конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 2009, 2010); 6 – VI всероссийская межвузовская конференция молодых учѐных (Санкт-Петербург, 2009); – 4th, 5th, 6th Russian-Bavarian Conference on Bio-Medical Engineering (Moscow 2008, 2010, Munich 2009); – итоговые конференции по результатам мероприятий за 2008 и 2009 годы в рамках приоритетного направления ―Живые системы‖ ФЦП ―Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы‖ (Москва, 2008, 2009). Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 7 статей в журналах из списка ВАК РФ и 8 – в материалах конференций. Личный вклад автора. В основу диссертации легли результаты работ, выполненных автором на кафедре биомедицинских систем Московского государственного института электронной техники. Объѐм и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и списка литературы, содержит 117 страниц текста, 41 рисунок и 11 таблиц. Список литературы включает 116 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе представлен краткий обзор современного состояния систем диализного очищения крови. Искусственное очищение крови – это совокупность лечебных мероприятий по выведению из организма токсинов и продуктов жизнедеятельности человека путѐм экстракорпорального воздействия на него управляющей среды. Диализные методы искусственного очищения крови основаны на избирательном пропускании веществ полупроницаемыми мембранами. Процесс диализа крови состоит в заборе и транспортировании крови пациента через массообменное устройство (диализатор), в котором происходит воздействие на неѐ управляющей среды (диализирующего раствора) и возврате очищенной крови пациенту с добавлением при необходимости замещающего раствора (рис. 1). Основным методом диализного очищения крови является гемодиализ – переход низкомолекулярных соединений крови в диализирующий раствор под 7 действием градиента их концентрации, а также излишка жидкости вследствие разности давлений между полостями по крови и по диализирующему раствору. Гемодиализный аппарат представляет собой сложную техническую систему, предназначенную для проведения диализного очищения крови. В нѐм можно выделить модуль, контролирующий и регулирующий ток крови по магистралям, и модуль, предназначенный для приготовления и перемещения диализирующего и замещающего растворов (рис. 2). Рис. 1. Схема диализного очищения крови Перфузионным насосом гемодиализного аппарата кровь перемещается по экстракорпоральному контуру и с заданным расходом подаѐтся в диализатор, который представляет собой полый цилиндр с расположенными внутри него полыми волокнами. При диализе через волокна прокачивается кровь, а снаружи они омываются диализирующим раствором. Стенки волокон представляют собой полупроницаемые мембраны, через поры которых осуществляется диффузный и/или конвективный массоперенос низкои среднемолекулярных веществ из крови в диализирующий раствор. После диализатора очищенная кровь проходит через ловушку воздуха, а затем возвращается пациенту. 8 Диализирующий раствор приготавливается жидкостным модулем ГДА из воды, прошедшей специальную систему очистки и концентрата диализирующего раствора. К другим функциям этого модуля относятся приготовление замещающего раствора, регулирование расхода, температуры и состава диализирующего раствора, а также его перемещение через диализатор. Рис. 2. Схема лицевой панели гемодиализного аппарата Возможности гемодиализных аппаратов определяются набором программ и технических средств для проведения процедур диализного очищения крови. Вторая глава посвящена моделированию биотехнической системы диализного очищения крови (БТС ДОК), схема которой приведена на рис. 3. Представим организм человека в виде эквивалентного объѐма жидкости V w , в котором ионы и органические продукты обмена веществ равномерно распределены и их концентрации изменяются таким же образом, как и в крови (рис. 1). Допустим, что при диализе в единицу времени в области венозного возврата происходит 9 перемешивание объѐма крови V V1 V2 , где V1 – объѐм крови, транспортируемый в единицу времени по сердечнососудистой системе пациента (в интракорпоральном контуре), а V2 – объѐм крови, прошедший через экстракорпоральный контур в единицу времени. Рис. 3. Схема биотехнической системы диализного очищения крови Если концентрация i -го метаболита крови в объѐмах V1 и V2 равна, соответственно, c1( i ) и c 2( i ) , то после перемешивания установившаяся концентрация ceq в объѐме V будет определяться следующим образом: c eq с1( i ) Q1 с 2( i ) Q2 , Q1 Q2 (1) где Q1 и Q2 - скорости интракорпоральной и экстракопоральной перфузии, соответственно. С учѐтом того, что клиренс K (i ) характеризует объѐм крови, полностью очищенный в диализаторе от i -го метаболита, а время прохождения эквивалентного объѐма жидкости через диализатор – 10 Vw , временная зависимость концентрации метаболитов в V f организме человека во время диализа запишется в виде: T t K (i ) T , (2) c (t ) c 1 Q 1 Q 2 (i ) где f - средняя частота сердцебиений, а c HB и c B( i0) - концентрация i -го метаболита в организме человека во время и в момент начала очищения крови, соответственно. На рис. 4 представлена такая зависимость для человека массой m 93 кг с использованием диализатора Polyflux 140H при расходе крови Q2 200 мл/мин в сравнении с результатами эксперимента на модельном растворе. (i ) HB (i ) B0 Рис. 4. Изменение концентрации мочевины при гемодиализе Выделим вокруг каждого полого волокна диализатора цилиндр с R радиусом окружности Rc , где R - радиус диализатора, N N количество полых волокон в диализаторе. 11 Для описания потоков крови и диализирующего раствора воспользуемся уравнением Навье-Стокса и уравнением непрерывности. С учѐтом особенностей системы выберем цилиндрическую систему координат и усредним уравнения непрерывности для i -ого компонента крови и диализирующего раствора по радиальной составляющей. Представив потоки i -ого компонента крови при гемодиализе в осевом (i ) (i ) направлении в виде: jBz cB(i ) u B , jDz cD(i ) u D , где u B , u D - скорости потоков крови и диализирующего раствора в экстракорпоральном контуре, соответственно, а также пренебрегая слагаемым VB VB в уравнении Навье-Стокса, получим модель БТС ДОК: t (i ) T K c ( i ) (t ) c ( i ) 1 B0 HB Q1 Q2 VB B V 1 p B B t B B VD D V 1 p D D t D D c ( i ) (i ) B u B( i ) cB K1 cB( i ) cD( i ) t z (i ) c ( i ) (3) D u ( i ) cD K c ( i ) c ( i ) D 2 B D t z Rp2 pB z pD z vu f 8 B d B во ды 7,73 10 6 c p 1 2,5 H 0,0735 H 2 B п л 1 H 1090 H 1 Bi VBi VB i B V 1 Di VDi D D i где VD VD (r, , z) v D ,0, u D , VBi VBi (r, , z) v Bi ,0, u Bi , векторы скоростей потоков VDi VDi (r, , z) v Di ,0, u Di диализирующего раствора, i -го компонента крови и диализирующего раствора, соответственно; Bi , Di - плотность i -го компонента крови и диализирующего раствора, соответственно; D - динамическая 12 вязкость диализирующего раствора; H - гематокрит крови; c Di концентрации i -го компонента диализирующего раствора; cp - концентрация белка в плазме крови; K 1 и K 2 - функции, вид которых зависит от метода диализного очищения крови и характеристик диализатора. Пусть концентрации метаболитов на входе в диализатор для крови и диализирующего раствора заданы и определяют граничные условия: c B(i ) z 0 C B(i ) , c D(i ) z L 0 . При постоянных значениях скоростей потоков крови и диализирующего раствора стационарное решение системы уравнений (3) имеет вид: K u (i ) C B( i ) 2 (Bi ) exp L exp z K1 u D c ( i ) (i ) Bs K2 uB exp L 1 K 1 u D( i ) , (4) K 2 u B( i ) (i ) CB exp L exp z (i ) K 1 u D( i ) c Ds K 2 u B( i ) exp L 1 K 1 u D( i ) K K 2 D (i ) 2 D (i ) где 1 2 , K 1 , K2 , C B(i ) , R d R R d d u u m c m D B концентрация i -ого компонента крови на входе в диализатор. Рис. 5 отражает зависимость (4) для крови. При этом, клиренс диализатора по i -ой компоненте определяется выражением: exp L 1 K (i ) (i ) QB . (5) uB K2 exp L 1 u D( i ) K 1 Таблица 1 содержит паспортные значения клиренсов наиболее распространѐнных диализаторов и значения клиренсов, рассчитанных по выражению (5). Поскольку процессы при гемодиализе протекают достаточно (i ) медленно, принимаем c HB C B( i ) . В этом случае приближѐнное пространственно-временное решение системы (3) с учѐтом (2) можно представить в виде: 13 Рис. 5. Сравнение результатов моделирования БТС ДОК и потоковой модели Таблица 1. Погрешность расчѐта клиренса диализаторов по выражению (5) Серия диализаторов Моделей в серии ELISTO Surelyzer PES PureFlux 8 Sureflux Polyflux Xevonta Diacap 18 12 47 10 12 10 Материал мембраны полинефрон полиэфирсульфон полиэфирсульфон триацетат целлюлозы полиамид амембрис полисульфон Относительная погрешность, % Средняя Максимальная 3,2 7,3 2,0 5,7 1,0 1,8 1,8 2,7 3,5 1,2 3,4 6,1 5,3 9,1 14 t T K u (i ) K 2 (Bi ) exp L exp z c B( i0) 1 Q B Q2 K 1 u D c Bs( i ) (i ) K2 uB exp L 1 K 1 u D( i ) . (6) t T K 2 u B( i ) K (i ) c B 0 1 exp L exp z Q B Q2 K 1 u D( i ) (i ) c Ds K 2 u B( i ) exp L 1 K 1 u D( i ) Из проекции уравнения Навье-Стокса на ось z с учѐтом, что скорость ультрафильтрации определяется выражением R p2 p B z p D z , где - пористость мембран диализатора, v BW 8 B d R p - средний радиус пор, а распределение давлений вдоль диализатора по полости крови и диализирующего раствора линейное, при условии u B r Rm 0 можно получить функцию скорости потока крови в виде: BW R p2 p Dout p Bin p Bout p Din p B 2 2 uB r Rm r Rm , (7) 4 L B 8 B B d L где p B p Bin p Bout , p Bin , p Din , p Bout , p Dout - давление крови и диализирующего раствора на входе в диализатор и на выходе из него, соответственно, BW - плотность плазмы крови. Поскольку средний радиус пор полых волокон, используемых для гемодиализа, составляет 10-20 Ǻ, то BW R p2 p Dout p Bin p Bout p Din p B r 2 Rm2 r Rm . (8) 4 L B 8 B B d L Следовательно, при гемодиализе ультрафильтрация не оказывает существенного влияния на распределение скоростей потока крови и диализирующего раствора по координате r . Транспортирование крови по экстракорпоральному контуру осуществляется с помощью роликового насоса. За один полный оборот роликовым насосом перемещается так называемый ударный объѐм перфузата. Внутренний объѐм насосного сегмента представляет собой половину тора с внешним радиусом Rn h , где R n - радиус ложа, h - 15 толщина магистрали и внутренним радиусом R . На рис. 6 представлена половина насосного сегмента, деформированного головкой роликового насоса таким образом, что ударный объѐм достигает своего максимального значения. Поскольку ударный объѐм определяется объѐмом жидкости, перекачиваемым роликовым насосом за один полный оборот, то его величина может быть представлена следующим образом: V (9) VB 4 A Vd , 2 где Vd - объѐм деформированной части насосного сегмента 0; A . Рис. 6. Чертѐж части насосного сегмента, деформированного роликом перфузионного насоса Аппроксимацией выражение: Vd 4 R Rn h 2 ударного объѐма является следующее sin d A c A 2 Rr h Rn Rr 2 h d R 0,0023 1 1 Rn h 2 Rn 0,002 sin(e A ) n sin e A sin 3 e A 2 e 3 16 57 Rn d , e . 1 4,8 Rn 2,15 Полученное выражение позволяет получить значение ударного объѐма перфузионного роликового насоса гемодиализных аппаратов ведущих компаний с погрешностью не более 7,5 %. Экспериментальные исследования на модельных растворах показали, что при одной и той же частоте вращения головки роликового насоса существенное влияние на создаваемый им расход оказывает вакуумметрическое давление. Для оценки влияния артериального давления на расход роликового насоса, были исследованы две магистрали компании GAMBRO Medical (Швеция) и получена следующая аппроксимация: 1 2 (10) VB Vнач k p A 1,05 , 146 где Vнач - начальный ударный объѐм, k 1 / 50 (мм.рт.ст.)-1. где c Rn h Rr h Rn Rr 2 h , d 2 2 2 Рис. 7. Аппроксимация зависимости расхода перфузионного роликового насоса гемодиализного аппарата от артериального давления В диапазоне давлений p A 100;250 мм.рт.ст. отклонение фактического расхода от заданного не превышает 10 %. 17 Кинетическая - 2 Потоковая – + + – – + – – – + – + – – – – – + – – – + – + + + – – + + + – + + – – – – – – – – – + + + + – – – – – – – – – + – + + – – – – – – – – – – – – – – – + + + БТС ДОК Кинетическая - 1 Временная завистимость концентрации метаболитов в организме во время диализа Пространственное распределение концентрации метаболитов в диализаторе Пространственно-временная зависимость концентрации метаболитов в диализаторе Описание гемодиализа Описание гемофильтрации Описание гемодиафильтрации Описание ультрафильтрации Описание явления резкого скачка концентрации метаболитов в крови после диализа Описание гидродинамики Описание вклада пульсаций в потоке крови Описание реологии крови Перемешивание крови в организме Описание процесса управления ультрафильтрацией Диффузионная Возможности математических моделей ДОК Течение вязкой жидкости В третьей главе проведѐн критический анализ и сравнение разработанной модели БТС ДОК с существующими подходами к моделированию диализного очищения крови (Табл. 2). Таблица 2. Сопоставление возможностей разработанной БТС ДОК и существующих моделей Существующие модели 18 Для определения динамики концентрации мочевины во время гемодиализа, был поставлен эксперимент на модельном растворе. В бак из нержавеющей стали, объѐмом 120 л, налита очищенная вода, добавлена мочевина в определѐнной концентрации и полученный модельный раствор нагрет до температуры 37 °С. После чего производится удаление мочевины из модельного раствора методом гемодиализа и отслеживается изменение концентрации мочевины каждые 30 минут. Прогнозирование динамики БТС ДОК оказалась эффективнее кинетической модели с одним резервуаром – относительная погрешность прогнозирования кинетической модели составила 18,4 %, в то время как относительная погрешность прогнозирования БТС ДОК составила 11,8 %; относительная погрешность прогнозирования результата гемодиализа составила 9 % для кинетической модели и 5,2 % для модели БТС ДОК. На собранной базе данных диализаторов, содержащей более ста наименований с различными параметрами и материалами мембран, средняя относительная погрешность прогнозирования клиренса составляет 7,5 % для потоковой модели и 1,9 % для модели БТС ДОК. Как видно из табл. 2, разработанная модель БТС ДОК обеспечивает комплексный подход к описанию процессов диализного очищения крови и легко адаптируется под гемодиализ, гемофильтрацию, гемодиафильтрацию и изолированную ультрафильтрацию. Четвѐртая глава посвящена разработке аппаратного комплекса и методики анализа технических характеристик систем диализного очищения крови (стенд проверки ГДА). Целью идентификации и анализа технических характеристик ГДА является определение погрешностей в работе его основных узлов и их соответствие техническим условиям аппарата. На рис. 8 ГДА представлен в виде схематично разнесѐнных узлов его лицевой части и включает: насос инфузионный (для введения гепарина), насос перфузионный артериальный для транспортирования крови и насос перфузионный для транспортирования замещающей жидкости (НИ, НПА, НПЗ), датчики давления в артериальной и венозной магистралях, а также датчик давления в системе (ДДА, ДДВ, ДДС), блокираторов магистралей (Б1, Б2), ловушки воздуха (ЛВ), ультразвукового детектора уровня жидкости в ловушке крови (ДУ) и оптического детектора крови (ДО). 19 Стенд проверки ГДА представляет собой совокупность измерительных приборов (измерители давления, расхода, проводимости и температуры, мерные цилиндры), резервуаров с жидкостью, электромагнитных клапанов, гидрофобных фильтров, дросселей, тройников, магистралей и разделительных резервуаров (аппаратов Боброва). Рис. 8. Схема подключения гемодиализного аппарата к стенду проверки: СПА – стенд проверки аппарата: АБ1…АБ3 – аппараты Боброва; Б1 – бюретка 1–1–2–25–0,1; ДР1…ДР4 – дроссели (иглы фистульные); ДРР1, ДРР2 – дроссели регулируемые; ИАД, ИВД – измеритель артериального и венозного давления соответственно; ИПТ – измеритель проводимости и температуры; ИР – индикатор расхода; ИРД – измеритель расхода диализата; ИДД – измеритель давления в диализате; К1…К6 – клапаны электромагнитные (нормально закрытые); КН1 – КН9 – коннекторы; 20 МКА, МКВ – магистрали кровопроводящие артериальная и венозная соответственно; Ф1, Ф2 – гидрофобные фильтры; Ц – цилиндр, номинальной вместимостью 2000 мл; Ш – шприц; ШДР1, ШДР2 – штуцеры диализирующего раствора; 1, 2 – трубопроводы магистрали МКА; 3…5 – трубопроводы магистрали МКВ; 6 и 7 – трубопроводы, 8 – трубка ПМ-1/42 2,0×1,0 при гемодиализе и трубка ПМ-1/42 4,0×1,5 при гемофильтрации, насосы перфузионные артериальный – НПА и замещающий – НПЗ. Взаимодействие между блоками стенда и гемодиализным аппаратом осуществляется с помощью насосов, электромагнитных клапанов и блокираторов магистралей. Электромагнитные клапаны активируют соответствующие блоки стенда проверки и представляют собой совокупность соленоида с сердечником и клапана с проходным отверстием, которое может перекрываться диском. Сердечник соленоида механически соединѐн с диском и непосредственно открывает или закрывает проходное отверстие при включении или выключении соленоида. Роликовые перфузионные насосы обеспечивают ток жидкости по магистралям ГДА. Блоки стенда соединены с аппаратом коннекторами. Магистрали ГДА могут автоматически пережиматься блокираторами КБ1 и КБ2, в то время, как магистрали стенда проверки могут перекрываться только вручную электромагнитными клапанами К1-К6. Технические характеристики измерительных устройств, входящих в состав стенда проверки, представлены в табл. 3. Таблица 3. Измерительные устройства стенда проверки Прибор Марка Диапазон измерений Кондуктометр МАРК-602 0,02…20000 мкСм/см Термометр ТЦМ 9410/М2 -50…+200 °С Измеритель давления TESTO 312-3 0…6000 гПа Расходомер РС-СПА-М 0,005-0,25 м3/ч Проверка ГДА представляет собой серию испытаний с целью определения погрешности работы его функциональных узлов и их соответствие техническим условиям. Методика проверки технических характеристик ГДА детально описывает последовательность действий для подготовки стенда и аппарата, их подключения и переключения с 21 целью определения соответствия между задаваемыми и измеряемыми величинами расходов насосов, давлений и пр. В результате проведѐнных исследований разработан аппаратный комплекс и методика проверки ГДА, позволяющие проводить измерения технических характеристик большинства современных гемодиализных аппаратов. Разработанный аппаратный комплекс (рис. 9а) соответствует требованиям ГОСТ 27422-87 и был использован при проведении пуско-наладочных, технических приѐмочных и Государственных приѐмочных испытаний опытной партии гемодиализных аппаратов Ренарт 200 (рис. 9б). Рис. 9. Аппаратный комплекс проверки систем диализного очищения крови (а) и гемодиализный аппарат Ренарт 200 (б) Гемодиализные аппараты Ренарт 200 успешно прошли медицинские испытания в ФГУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова» и в Российском научном центре хирургии имени академика Б.В. Петровского РАМН и рекомендованы к серийному производству и применению в медицинской практике. 22 В настоящее время гемодиализный аппарат Ренарт 200 проходит процедуру государственной регистрации в Федеральной службе по надзору в сфере здравоохранения и социального развития. Пятая глава посвящена разработке программного модуля для повышения эффективности функционирования систем диализного очищения крови, позволяющего: - прогнозировать результаты ДОК по вводимым данным о пациенте, используемом аппарате, диализаторе и магистрали, а также параметрах ДОК, задаваемых оператором; - корректировать расход перфузата в соответствии с конструктивными и эксплуатационными параметрами роликового насоса ГДА; - производить подбор параметров процедуры и диализатора для достижения требуемой дозы диализа. Также разработан графический интерфейс пользователя, отражающий лицевую панель управления гемодиализного аппарата Ренарт 200 и обеспечивающий поэтапное обучение работе с ним. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана новая математическая модель биотехнической системы диализного очищения крови для анализа и совершенствования управления процессами гемодиализа, гемофильтрации и гемодиафильтрации. Модель биотехнической системы диализного очищения крови позволяет контролировать и прогнозировать процессы очищения, протекающие в пациенте и в диализаторе. 2. Разработаны методы и алгоритмы оптимизации процессов диализнного очищения крови. Разработан программный модуль для подбора оптимальных параметров процедуры диализного очищения крови, таких как характеристики диализатора, перфузионной системы используемого ГДА, и др. для достижения требуемой дозы диализа. 3. Разработан проблемно-ориентированный программноаппаратный комплекс для анализа технических характеристик и повышения эффективности функционирования систем диализного очищения крови. 4. Разработан специализированный модуль, методы и алгоритмы для обучения медицинского персонала работе с системой диализного очищения крови Ренарт 200. 23 Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: I. Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ: 1. Базаев Н.А., Гринвальд В.М., Селищев С.В. Моделирование процесса массопереноса в гемодиализаторе // Медицинская техника.– 2008.– № 6.– С. 31-35. 2. Базаев Н.А., Гринвальд В.М., Селищев С.В. Распределѐнная модель массопереноса в гемодиализаторе // Медицинская техника.– 2009.– №3.–С. 1-5. 3. Базаев Н.А., Гринвальд В.М., Селищев С.В. Математическая модель биотехнической системы гемодиализа // Медицинская техника.– 2010.– № 3.– С. 1-7. 4. Базаев Н.А. Конвективный массоперенос метаболитов в диализаторах // Вестник Московского государственного областного университета.– 2010.– №3.– С. 9-15. 5. Базаев Н.А., Гринвальд В.М., Лазарев В.В. Электронная система тестирования технических характеристик гемодиализных аппаратов // Известия высших учебных заведений. Электроника.– 2010– № 4.. – С. 80-85. 6. Базаев Н.А., Гринвальд В.М. Программный обучающий модуль для работы с гемодиализным аппаратом ―РЕНАРТ 200‖ // Медицинская техника.– 2010.– № 6. –С 32-34. 7. Базаев Н.А., Гринвальд В.М. Аналитическая модель расхода перфузионного роликового насоса гемодиализаного аппарата // Приборы. –2010.– № 11. –С. 45-48 II. Публикации в научных изданиях, не входящих в список ВАК РФ: 8. Bazaev N.A., Grinvald V.M. Mathematical model of a biotechnical hemodialysis system. Proceedings of the 6th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering. – Moscow: BMSU.– 2010. – P.51–54. 9. Bazaev N.A., Grinvald V.M., Eventov V.L., Selishev S.V. Hemodialysis with using biological regeneration of dialysis fluid. // 4th Russian-Bavarian Conference on Bio-Medical Engineering.– 2008.– P. 221225. 24 10. Базаев Н.А. Математическая модель гемодиализа с линейным приближением потоков // Сборник трудов конференции молодых учѐных. Выпуск 2. Биомедицинские технологии, мехатроника и робототехника.– СПб.– 2009.– С. 13-18. 11. Базаев Н. А. Влияние основных параметров и конструктивных особенностей гемодиализатора на его клиренс // 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов ―Микроэлектроника и информатика-2009‖.– С. 273 12. Bazaev N.A., Grinvald V.M., Selishev S.V. Modeling of mass transfer in hemodialyzer. Proceedings of the 5th Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering. – Munich: TUM.– 2009. – Р. 87–89. 13. Базаев Н.А. Математическая модель биотехнической системы гемодиализа. 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов ―Микроэлектроника и информатика-2010‖.– С. 274. 14. Базаев Н.А., Беспалов В.А., Бухтияров И.В., Гринвальд В.М., Иткин Г.П., Микитась А.В., Рыженков С.П., Рыгалин Б.Н., Селищев С.В., Строков А.Г., Эвентов В.Л. Разработка технологий управления процессами бикарбонатного гемодиализа, гемодиафильтрации и выпуск опытных образцов интеллектуального гемодиализного аппарата для систем жизнеобеспечения человека. //Итоговая конференция по результатам выполнения мероприятий за 2008 год в рамках приоритетного направления ―Живые системы‖ ФЦП ―Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-1012 годы‖. Сборник тезисов. Москва. – 2008. – C. 241-242. 15. Базаев Н.А.,Беспалов В.А., Бухтияров И.В., Гринвальд В.М., Иткин Г.П., Микитась А.В., Рыженков С.П., Рыгалин Б.Н., Селищев С.В., Строков А.Г., Эвентов В.Л. Разработка технологий управления процессами бикарбонатного гемодиализа, гемодиафильтрации и выпуск опытных образцов интеллектуального гемодиализного аппарата для систем жизнеобеспечения человека. // Итоговая конференция по результатам выполнения мероприятий за 2009 год в рамках приоритетного направления ―Живые системы‖ ФЦП ―Исследования и 25 разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-1012 годы‖. Сборник тезисов. Москва. – 2009. – С. 242-243. Тираж 100 экз. Формат 60х84 1/16. Уч-изд.л. Заказ Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ 124498, Москва, МИЭТ.
