Автореферат и диссертация по медицине (14.01.24) на тему:Вспомогательное кровобращение на базе осевых насосов (математическое моделирование процессов управления)

ФГБУ «ФЕДЕРАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ТРАНСПЛАНТОЛОГИИ И ИСКУССТВЕННЫХ ОРГАНОВ ИМЕНИ АКАДЕМИКА В.И. ШУМАКОВА» МИНЗДРАВА РОССИИ

На правах рукописи

04201460530 БЫКОВ

Илья Викторович

ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ КРОВООБРАЩЕНИЕ НА БАЗЕ ОСЕВЫХ НАСОСОВ (МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ)

14.01.24 - Трансплантология и искусственные органы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Г.П. Иткин

Москва-2014

Оглавление

Введение...........................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ КРОВООБРАЩЕНИЕ КАК СРЕДСТВО ТЕРАПИИ НА ТЕРМИНАЛЬНЫХ СТАДИЯХ СЕРДЕЧНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ........................................................9

1.1. Общие сведения об аппаратах вспомогательного кровообращения и практика их применения.................................................................................................9

1.1.1. Область применения вспомогательных насосов крови....................9

1.1.2. Обзор методов механической поддержки кровообращения..........15

1.2. Обход желудочков сердца........................................................................18

1.3. Классификация насосов крови. Статистика применения систем вспомогательного кровообращения............................................................................22

1.4. Предпосылки к созданию математических моделей механической поддержки кровообращения. Постановка задачи разработки модели....................27

1.5. Обзор существующих математических моделей, описывающих сердечно-сосудистую систему и методы косвенной оценки параметров

гемодинамики................................................................................................................29

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ КОМПЛЕКСНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ И НАСОСА НЕПРЕРЫВНОГО ПОТОКА.......................................................................................43

2.1. Определение задач, решаемых с использованием математической модели .................................................................................................................43

2.2. Выбор структурной схемы разрабатываемой математической модели ..

.................................................................................................................44

2.3. Описание использованных методов при реализации модели сердечнососудистой системы......................................................................................................47

2.4. Методика получения расходно-напорных характеристик имплантируемого осевого насоса................................................................................59

2.5. Методика косвенного измерения производительности насоса по расходу .................................................................................................................63

2.6. Алгоритм работы с моделью в рамках темы исследования..................66

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. ОПТИМИЗАЦИЯ СТРАТЕГИИ ПРИМЕНЕНИЯ НАСОСОВ НЕПРЕРЫВНОГО ПОТОКА НА ВСЕХ ЭТАПАХ ИМПЛАНТАЦИИ............................................................................68

3.1. Результаты стендовых исследований характеристик насоса................68

3.1.1. Верификация характеристик насоса, полученных на стенде.........70

3.2. Косвенный метод оценки производительности насоса.........................72

3.3. Результаты моделирования гемодинамики в условиях физиологической нормы ССС. Верификация модели...............................................74

3.4. Результаты моделирования левожелудочковой недостаточности.......78

3.5. Моделирование левожелудочкового обхода..........................................82

3.6. Оценка влияния недостаточности митрального клапана на условия механической поддержки кровообращения с использованием ННП......................85

3.7. Критические режимы взаимодействия ССС и ННП. Алгоритм оценки функционального состояния аортального клапана при МПК с использованием синтезированной модели..............................................................................................89

3.8. Использование модели для оценки обратного ремоделирования миокарда в условиях МПК...........................................................................................94

3.9. Моделирование правожелудочковой недостаточности. Получение на модели требуемых РНХ насоса для правожелудочкового обхода...........................95

3.10. Результаты моделирования бивентрикулярного обхода...................100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................104

ВЫВОДЫ.....................................................................................................................111

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.....................................................................113

Список сокращений....................................................................................................114

Список использованной литературы.........................................................................116

Введение

Актуальность проблемы. В настоящее время заболевания сердечнососудистой системы (ССС) являются ведущей причиной инвалидизации и смертности среди взрослого населения. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) число смертельных исходов при данной патологии прогнозируется с 17 миллионов в 2008 году до 30 миллионов к 2030 году.

Основным и наиболее эффективным методом лечения для пациентов, страдающих наиболее тяжелыми формами сердечной недостаточности (ТФСН) в терминальной стадии, является трансплантация донорского сердца. В ФГБУ «ФНЦ трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова» Минздрава России в 2013 году в России было произведено 102 трансплантации сердца, при минимальной потребности в стране не менее тысячи пересадок.

Методы механической поддержки кровообращения (МПК) для лечения пациентов с ТФСН в последнее десятилетие стали одним из наиболее эффективных средств помощи пораженному миокарду и приняты в качестве стандартной терапии во многих мировых центрах. В нашей стране использование систем МПК ограничено, в основном, высокой стоимостью данных систем. Однако, в последние годы успешно развивается программа создания отечественного аппарата АВК-Н для длительной поддержки кровообращения на базе имплантируемого осевого насоса (ИОН). Предварительные эксперименты на животных с выживаемостью 60-112 дней, показали высокую надежность аппарата и возможность его клинического применения. В июне 2012 года была проведена первая апробация аппарата в клинике у пациента с тяжелой формой дилатационной кардиомиопатии. Пациент был выписан из клиники со значительным улучшением органных функций, что позволило ему вести активный образ жизни. Через 9 месяцев использования аппарата пациенту было успешно трансплантировано донорское сердце.

Несмотря на первые успехи, до сих пор остаются малоизученными многие вопросы применения систем вспомогательного кровообращения (СВК), связанные с большим многообразием форм хронической сердечной патологии. Одним из наиболее важных вопросов, с точки зрения уменьшения рисков применения СВК, является оптимизация выбора пациентов для проведения данной операции на основании предварительного моделирования условий, возникающих при подключении имплантируемого насоса к ССС и определения исходных режимов его работы. На данный момент возможности предварительной оценки рисков применения СВК с точки зрения адекватности поддержки кровообращения достаточно ограничены. Одной из возможных причин этого является отсутствие экспериментальных исследований взаимодействия ССС и ИОН в условиях моделирования ТФСН, включающей как уменьшение сократительной способности миокарда, так и ряд сопутствующих заболеваний, таких как, например, пороки клапанов сердца. Работы по данному направлению крайне редки, что связано с трудностями воспроизведения данных патологий в эксперименте на животных, повторяемости результатов моделирования и чрезвычайной дороговизной этих исследований.

Цель исследования заключается в создании методов и средств оценки взаимодействия ССС с насосом непрерывного потока (ННП) в условиях изменения сократимости миокарда, клапанной патологии, а также выбора оптимального режима работы ННП на основе построения математической модели (ММ) этого взаимодействия.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

1. С использованием методов математического моделирования разработать модель биотехнической системы включающей в себя ССС и СВК.

2. Определить характеристики насосов непрерывного потока крови во всем динамическом диапазоне пост- и преднагрузок.

3. Разработать методику косвенного определения выходных параметров насоса - расхода и напора с использованием управляющих ННП сигналов.

4. Провести на ММ исследования по оценке взаимодействия ССС с ННП в условиях снижения сократимости миокарда, клапанных патологий и определить алгоритм прогнозирования эффективности применения СВК при выборе пациента с ТСФН.

5. Провести анализ адекватности моделируемых процессов на основе сравнения результатов моделирования ССС с известными усредненными показателями гемодинамики человека.

6. Разработать на основании полученных данных алгоритм определения неблагоприятных режимов взаимодействия ССС и ННП (постоянное закрытие аортального клапана, присасывание входной канюли насоса и режим обратного кровотока через насос). Оценить влияние недостаточности митрального клапана при работе ННП.

7. Разработать требования к расходно-напорным характеристикам (РНХ) ННП с учетом динамического диапазона их функционирования, в частности при правожелудочковом обходе. С использованием ММ определить режимы работы правого и левого насосов при бивентрикулярном обходе.

Методы исследований. Поставленные задачи решались с использованием методов математического моделирования сложных биотехнических систем, данных, полученных на гидродинамических стендах и в экспериментах на животных с применением методов цифровой обработки.

Научная новизна исследования:

- синтезирована комплексная математическая модель, описывающая взаимодействие двухкруговой ССС и ННП с возможностью изменения основных параметров сердца от нормы к патологии, включая моделирование клапанных пороков, объемных показателей желудочков и коронарного кровотока;

- определена общая стратегия управления ННП на всех этапах применения системы СВК с использованием методов математического моделирования;

- разработаны принципы получения требуемых характеристик НЫЛ с точки зрения наибольшей эффективности во всем динамическом диапазоне их применения;

- разработан метод косвенной оценки расхода и напора ННП (для аппарата АВК-Н), на базе которого реализован метод детекции стагнации кровотока за аортальным клапаном и обратного кровотока через ННП.

Объект исследования: биотехническая система взаимодействия сердечнососудистой системы, охарактеризованной различной степенью патологии, и системы вспомогательного кровообращения.

Предмет исследования. Математическая модель, отражающая взаимодействие биотехнической системы ННП и ССС в широком диапазоне изменения параметров сердца от нормы к патологии.

Результаты проведенного исследования внедрены:

— при разработке методов и средств для оценки взаимодействия ССС с ННП в экспериментальной и клинической практике ФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов им. ак. В.И. Шумакова», Минздрава России;

- при разработке конструкций ИОН в ООО «ДОНА-М»;

— при разработке систем управления ИОН и блока косвенных измерений в ООО «БИОСОФТ-М»;

- для проведения лабораторных работ в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет (медицинский институт)».

Апробация диссертации. Основные положения диссертации доложены на: VI Всероссийском съезде трансплантологов, 24-27 сентября, Москва, 2012; 1-ой Русско-Германской конференции Биомедицинской инженерии, 23-26 октября, Ганновер, 2013; XIX Всероссийском съезде сердечно-сосудистых хирургов России, 24-27 ноября, Москва, 2013; VII Всероссийском съезде трансплантологов, 28-30 мая, Москва, 2014.

Апробация диссертации состоялась 11 июня 2014 года на заседании объединенной научной конференции клинических, экспериментальных отделений

и лабораторий ФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова» Минздрава России.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК; получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (№2014615629 от 29.05.2014).

Объем и структура диссертации.

Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, включая библиографический перечень, титульную страницу и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, результатов собственных исследований, заключения, выводов и практических рекомендаций. Библиографический указатель включает 105 источников (50 - на русском языке и 55 на иностранных языках). Работа содержит 55 графиков, диаграмм и рисунков и 7 таблиц.

ГЛАВА 1. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ КРОВООБРАЩЕНИЕ КАК СРЕДСТВО ТЕРАПИИ НА ТЕРМИНАЛЬНЫХ СТАДИЯХ СЕРДЕЧНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Общие сведения об аппаратах вспомогательного кровообращения и

практика их применения

1.1.1. Область применения вспомогательных насосов крови

Системы вспомогательного кровообращения являются эффективным средством лечения сердечной недостаточности. Сердечная недостаточность (СН) является синдромом, который выражается в ослабевании насосной функции сердца. На сегодняшний день это одно из наиболее широко распространенных заболеваний и одна из основных причин смерти во всем мире (до 30% в общем числе смертности). Чаще сердечная недостаточность встречается у пожилых пациентов, ее распространенность у лиц до 60 лет составляет около 1%, в то время как в возрастной группе 80-89 лет - 10%; распространенность сердечной недостаточности выше у женщин в силу того, что средняя продолжительность жизни у них выше, чем у мужчин [10]. За последние полвека взгляды специалистов на развитие СН значительно изменились в части основных теорий патогенеза данного заболевания (Таблица 1) [24].

Таблица 1-Теории патогенеза хронической сердечной недостаточности

Годы Модель патогенеза Основные представления и подходы к терапии

1950 -1960 Кардиальная модель (систолическая) ХСН является следствием гемодинамических расстройств, связанных со снижением сократительной способности сердца. Лечение — сердечные гликозиды.

1960 -1970 Кардиоренальная модель ХСН является следствием нарушения функции сердца и почек. Лечение — сердечные гликозиды и диуретики.

1970 -1980 Циркуляторная модель ХСН является следствием дисфункции сердца и периферических сосудов. Лечение - сердечные гликозиды и периферические вазодилататоры.

1980 -1990 Нейрогуморальная модель ХСН является результатом негативного влияния на органы-мишени длительной нейрогормональной гиперактивации. Лечение — иАПФ, (3-блокаторы.

1990 -2000 Миокардиальная модель (систол о-диастолическая) В основе ХСН лежат гемодинамические расстройства, происходящие под влиянием нейрогормонов, и проявляющиеся ухудшением диастолических и систолических свойств. Лечение - ИАПФ, Са2+, [3-блокаторы.

2000 -Н.В.* Современная модель Современная концепция патогенеза ХСН аккумулирует в себе все перечисленные выше теории на основе их взаимодополнения. Расширение представлений об иммунопатологии сердечной недостаточности, роли апоптоза в утрате функционирующих кардиомиоцитов, генетических факторов в развитии систолической и диастолической дисфункции сердца. Разработка перспективных направлений патогенетической терапии.

* и. в. — настоящее время

Таким образом, ХСН - это конечная стадия большинства заболеваний сердечно-сосудистой системы. В качестве основных факторов, стимулирующих развитие СН можно выделить [13]:

- сахарный диабет;

- аритмия;

- кардиомиопатия

- миокардит

- избыточный вес;

- малоподвижный образ жизни;

- ишемическая болезнь сердца;

- злоупотребление алкоголем и курением.

По локализации СН, выделяются три основных типа:

1. Левожелудочковая СН. Развивается, как правило, в результате сужения аорты, инфарктов. Приводит к застою крови в малом круге кровообращения, ухудшению перфузии органов и мозга.

2. Правожелудочковая СН. Приводит к застою крови в большом круге кровообращения и зачастую бывает вызвана перегрузкой правого желудочка в результате легочных заболеваний.

3. Смешанная СН подразумевает дисфункцию обоих желудочков сердца.

Все указанные типы нередко сопровождаются сопутствующей недостаточностью клапанов. Первый тип СН (левожелудочковая недостаточность) является наиболее распространённым, в отличие от второго типа, возникающего, чаще всего, у пациентов с уже имеющейся недостаточностью левого желудочка (ЛЖ).

В другой классификации можно выделить систолическую и диастолическую недостаточность желудочков сердца, проявляющихся в нарушении функции изгнания крови и наполнения соответственно. Скорость развития болезни позволяет разделить СН на острую (ОСН) и хроническую (ХСН).

Острая сердечная недостаточность представляет собой клинический синдром, который характеризуется быстрым появлением или прогрессированием

симптомов СН, требующих немедленного начала специфической т