EDPVR = End-Diastolic Pressure Volume Relationship
ESA = Extermum Seeking Algoritm
ESPVR = End-Systolic Pressure Volume Relationship
ESV = End-Systolic Volume
HR = Heart Rate
PI= Proportional-Integral
PIP = Pump Inlet Pressure
LVAD = Left Ventricular Assistant Device
LAP = Left Atrial Pressure
LVP = Left Ventricular Pressure
LVV = Left Ventricular Volume
SV = Stroke Volume
SVR = Systemic Vascular Resistance
مقدمه
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 می­ شود[۱]. 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 نمی ­باشد. در نتیجه، عملیات پیوند قلب، تنها روش مطمئن و قابل قبول برای درمان موارد جدی نارسایی انقباضی قلب خواهد بود.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

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[۲].

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 می­ دهند که بطور معمول در حفره درون قفسه سینه و یا فضای اضافی آن کاشته می­شوند [۱]. امروزه LVADهای روتاری به دلیل اندازه کوچکتر، وزن کمتر، بقاء و پایداری بیشتر [۳] 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 [۲]. 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 می­ شود، این امکان به بیمار داده می­ شود که، از پزشک مربوطه، بیمارستان و مراقبت­های ویژه دور باشد، و تا زمان عمل جراحی پیوند قلب از سطح سلامت قابل قبولی برخوردار باشد.

پدیده ­های مهم در LVADها
با توجه به سرعت چرخشLVADهای روتاری، دو پدیده مهم در عملکرد آنها اتفاق می­افتد:
پدیده اول: در صورتی که سرعت چرخش پمپ خیلی پایین باشد، خون از آئورت به بطن چپ برگشته و به عنوان جریان برگشتی (Backflow) شناخته می شود.
پدیده دوم: در شرایطی که سرعت چرخش پمپ بالا باشد، پدیده مکش (Suction) اتفاق می­افتد،که این رخدادی نامناسب است، چرا که سبب فعالیت بیش از حد پمپ برای پمپاژ میزان خون بیشتری از آنچهدر بطن چپ موجود است، می­ شود و این اتفاق می ­تواند منجر به تخریب و یا آسیب رساندن به بافت­های قلب شود. بنابراین، آنچه حائض اهمیت است، اجتناب از پیشآمد هر دو پدیده در هنگام عملکرد LVAD می­باشد، بالاخص پدیده مکش که بمراتب خطرناک­تر است.
برای این که پدیده مکش رخ ندهد، دو مرحله عملیات می­بایست انجام شود. مرحله اول، شناسایی و آشکار ساختن پدیده مکش است. در سال­های اخیر روش­های مختلفی برای حل مسئله آشکارسازی پدیده مکش پیشنهاد و ارائه شده است. پایه اصلی اغلب این روش­ها و دستاوردها، آنالیز متغیرهای مشخصی همچون سرعت چرخش پمپ، جریان خون عبوری از پمپ و جریان الکتریکی موتور پمپ می­باشد. این متغیرها ممکن است در زمان رخداد پدیده مکش به شدت و ناگهانی تغییر کنند.

تاریخچه و سیر تحول آشکارسازی پدیده مکش
آقایان Vollkron و Schima و همکارانشان [۵و۴]، چندین شاخص را برای آشکارسازی پدیده مکش ارائه کردند. این شاخص ­ها (اندیس­های مکش) بر پایه آنالیز دامنه زمانی الگوی جریان عبوری از پمپ-که از بدن بیمار در شرایط مختلف فیزیولوزیکی استخراج شده- بدست آمده است. الگوی استخراجی، با نمونه­های قبلی گرفته شده از جریان عبوری پمپ مقایسه شده و بر اساس تجربیات کلینیکی سه نفر از متخصصان در این زمینه در یک پایگاه داده، طبقه بندی شده است. با مطالعه این داده ­ها است که می­توان تشخیص داد، پدیده مکش رخ داده یا خیر. اگر چه این روش دارای محدودیت­هایی نیز می­باشد [۴].
دکتر Voigtبه همراه همکارانش [۶]، یک سیستم آشکارساز مکش را با بهره گرفتن از سرعت موتور و جریان الکتریکی پمپ به عنوان سیگنال­های پیوسته­ی در دسترس ارائه نمودند. هدف از بکارگیری این روش، ارزیابی و اعتبارسنجی پارامترها برای سیستم آشکار ساز مکش می­باشد. زمانی که این دانشمندان روی الگوریتم آشکارساز مکش فعالیت می­کردند، اطلاعات و شرایط آزمایشگاهی را نیز مد نظر داشتند و در نهایت، نتایج نشان داد که این روش در شرایط کلینیکی، عملی و امکان­ پذیر خواهد بود.
دکتر Ferreira با کمک همکارانش [۷]، یک سیستم متفاوت آشکارساز مکش را ارائه نمودند. در این سیستم، اندیس­ها و شاخصه­های مکش بر اساس دامنه زمانی، دامنه فرکانسی و دامنه فرکانسی-زمانی و تلفیق آنها، برای ایجاد تصمیم ­گیری در مورد الگوهای جریان عبوری از پمپ تعیین می­ شود. این الگوها در این سیستم، با بهره گرفتن از روش­های آنالیز تفکیکی (DA)، به طور صحیح دسته بندی می­شوند. این سیستم، به کمک دو سری اطلاعات عملی و مدل شبیه­سازی، آزمایش شده و نتایج خوبی به دست آمده است.
دکتر Mason و همکارانش [۸]، یک آشکارساز حالت مکش مطمئن را پیشنهاد نمودند. این آشکارساز، با بهره گرفتن از هفت دسته اندیس دامنه زمانی از جهش­های مثبت مشاهده شده در شکل موج سرعت چرخش پمپ، به جای سیگنال جریان عبوری از پمپ طراحی شده است. ایشان، محدودیت­ها و دامنه­های متفاوتی از اندیس­های مکش را برای بیماران متفاوت در نظر گرفتند. آزمایش مربوطه، با هر دو اندیس سیگنال مکش و اندیس مزدوج مکش انجام شد و نشانگر این نکته بود که شاخص­ های مزدوج مکش بهتر و مناسب­تر از شاخص سیگنال می­باشند.

تاریخچه و سیر تحول طراحی کنترلرهای مربوطه
پس از عملیات آشکارسازی مکش، مرحله دوم برای جلوگیری از رخداد پدیده مکش در زمان استفاده از LVADهای روتاری، طراحی و ارائه یک کنترلر مناسب به گونه ­ای است که، نه تنها باید توانایی تنظیم اتوماتیک سرعت چرخش پمپ را داشته باشد و همواره آن را پایین­تر از سرعتی که در آن مکش رخ می دهد، قرار دهد، بلکه میزان کافی خروجی قلبی (CO) و فشار لازم برای برآورده شدن نیازهای فیزیولوژیکی بدن بیمار را فراهم کند. دکترYi Wu و چند تن ازهمکارانش [۹]، کنترلر پیشرفته­ای را برای آشکارسازی پدیده مکش ابداع کردند. این کنترلر از نوع تناسبی- انتگرالی (PI) بهینه می­باشد که برای بهینه­سازی توان تابع وزنی غیر خطی ورودی کنترلی (سرعت پمپ) و سیگنال­های خطا (اختلاف بین سیگنال خروجی مرجع و سیگنال خروجی واقعی)، مورد استفاده قرار می­گیرد. با بهره گرفتن از تابع وزنی غیرخطی، مکش به کمک این کنترلر PI توسعه یافته، آشکارسازی خواهد شد. اما این کنترلر، میزانی را برای فشار آئورتی به عنوان مرجع در نظر گرفته است که، در عمل نمی­تواند بطور پیوسته وجود داشته باشد.
دکتر Vollkron به همراه همکارانش [۱۰]، ارائه یک سیستم کنترلی اتوماتیک سرعت را برای پمپ­های خون کاشته شده در بدن انسان مطرح نمودند. سیستمی کامپیوتری، که بتواند کارایی پمپ را براساس اطلاعات عملکردی موجود از آن (همچون دبی عبوری، سرعت، جریان الکتریکی و مصرف توان) آنالیز کند. نتایج عملی نشان داد که این سیستم کنترلی اتوماتیک سرعت، حتی می ­تواند برای بیمارانی با آریتمی شدید و دیواره­ های بسیار نازک، خوب و مناسب، عمل کند.
دکتر Shaohui Chen و همکارانش، طی تلاش­ های مستمر، موفق به ساخت [۱۲و۱۱] یک کنترلر فیدبک بر پایه فشارسنج باروفلکس (Baroflex) شدند،که با یک مدل سیستم قلبی، مرتبط و هماهنگ شده است. نتایج عملی نشان داد که این کنترلر فیدبک می ­تواند سرعت چرخش پمپ را بر اساس مقدار مقاومت سیستمی قلب (SVR) تنظیم کند. این مقدار مقاومت، حاصل ضرب سطح فعالیت بیمار و میزان ضربان (HR) او می­باشد و تحت کنترل است. این کنترلر نشان داد که، قادر است به بیماران دارای نارسایی تراکمی قلبی، تحت شرایط فیزیولوژیکی متغیر و متفاوت، کمک بسزایی نماید. اگرچه، هیچ سیستم آشکارسازی مکشی در این مدل وجود ندارد.
دکتر Ferreira و همکارانش [۱۴و۱۳]، سیستم کنترلی را بر اساس کنترلر منطق فازی (FLC) طراحی کردند. در این سیستم، آشکارساز مکش دو مقدار مجزا را به عنوان خروجی تولید می‌کند که این دو مقدار، به عنوان ورودی‌های کنترلر فازی نیز استفاده می‌شوند. کارایی این سیستم کنترلی در شبیه‌سازی‌هایی که برای مقادیرمختلف مقاومت سیستی قلب انجام شده، مورد آزمایش قرار گرفته است.این شبیه­سازی­ها نشان می­دهد که، این سیستم کنترلی می ­تواند به صورت اتوماتیک، سرعت پمپ را برای اجتناب از رخداد پدیده مکش تنظیم کند، وعملی بودن آن را اثبات نماید. اگرچه، ذکر شده است که وجود باروفلکس در این سیستم، عملکرد مناسب­تر چنین کنترلری را تضمین می­ کند.
دکتر Simman و همکارانش [۱۵]، نوعی کنترلر فیدبکی را بر پایه سیگنال جریان یا همان دبی عبوری از پمپ-که به عنوان تنها متغیر پیوسته قابل اندازه گیری بوده و از تکنولوژی سنسورهای جریانی بهره می­گیرد- را در نظر گرفتند. در این طرح، سرعت چرخش پمپ بر اساس شیب پوش منحنی سیگنال جریان حداقلی عبوری از پمپ در هر سیکل قلبی، بروزرسانی می‌شود. بنابراین، این رهآورد، به عنوان یک الگوریتم دنبالگر اکسترمم (ESA)‌ در نظر گرفته می‌شود. نتایج نشان داد که کنترلر پیشنهاد شده تا زمانی که نسبت سیگنال به نویز خیلی پایین (کمتر از۲۰dB)، به سیگنال جریان عبوری از پمپ اضافه شود، نسبتا خوب عمل می­ کند.

سیر بررسی مطالب
در این پایان نامه هدف این است که از روش آنالیزیشناخته شده با نام Min-Mean-Max بهره گرفته شود. این روش بر طبق مقادیر متوسط، کمینه و بیشینه سیگنال جریان عبوری از پمپ، که تنها متغیری است که می‌تواند به کمک تکنولوژی سنسورهای اندازه گیری جریان، به شکل زمان حقیقی اندازه ­گیری شود، عمل می­ کند.
این معیار برای تست اندیس و شاخص مکش استفاده شده و برای آشکارسازی وجود پدیده مکش بکار می­رود. همچنین محدوده مرتبط با شاخص مکش،مشخص خواهد شد. بعلاوه اینکه اندیس مکش ذکر شده برای بروزرسانی سرعت پمپ به شکل پیوسته و به منظور رفع نیازهای فیزیولوزیکی بدن بیمار بدون رخدادپدیده مکش، مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
روند ارائه مطالب این پایان نامه به شرح زیر است:
فصل دوم؛ این فصل به بررسی برخی مفاهیم پایه‌ای ساختار قلب، مدل مداری پایه‌ای برای قلب و مدل ترکیبی قلب و LVAD خواهد پرداخت و سپس به آنالیز برخی نتایج شبیه سازی مدل ترکیبی قلب و LVAD پرداخته خواهد شد.
فصل سوم؛ آنچه که در این فصل مورد بررسی قرار می­گیرد، روش “کمینه-متوسط-بیشینه” می­باشد. همچنین، آنالیزهای بعدی برای تست شاخص مکش به کمک سیستم آشکارساز مکش و با اطلاعات عملی و مدل شبیه سازی پدیده مکش، انجام خواهد شد.
فصل چهارم؛ در این فصل به مطالعه کنترلر تلفیقی فازی-مدل پیش­بین پرداخته شده و نتایج شبیه سازی آن ارائه خواهد شد. در نهایت قدرتمندی این کنترلر نسبت به نویز مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
فصل پنجم؛ نتیجه ­گیری­های مربوطه و فعالیت­های بعدی نیز دراین فصل، بیان خواهند شد.
سیستم قلب و مدل مربوط به آن
در این فصل، برخی مفاهیم ابتدایی و پایه­ای مرتبط با قلب و همچنین ساختار فیزیولوژیکی آن ارائه خواهد شد. برای درک بهتر مدل ترکیبی قلب-LVAD، اشراف به این مطالب لازم و ضروری می­باشد. شرح مطالب این فصل، بهترتیب زیر خواهد بود.