Теоретические основы проектирования аппарата "Искусственная почка" с регулированием скорости фильтрации по данным состава диализата

Размещено на http://www.allbest.ru

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

Самостоятельная работа по дисциплине

«Теоретические основы биотехнических систем»

«Теоретические основы проектирования аппарата «Искусственная почка» с регулированием скорости фильтрации по данным состава диализата»

Выполнила:

Студентка гр. БМТ1-91

Румянцева А.А.

Проверил:

Ершов Ю.А.

Москва 2013 г.



Оглавление

Введение

1. Определение цели проекта и моделирование БТС

1.1 Формулировка актуальности, определение цели проектирования БТС, новизна

1.2 Схема взаимодействия технического объекта (ТО) с биологическим объектом (БО) и получения информации о состоянии БО

1.3 Определение класса БТС

1.4 Создание вербальной модели БО и базы данных о свойствах БО

1.5 Количественный анализ БО, выбор вектора состояния и метода количественного описания БО

1.6 Создание физической и математической моделей БО

1.7 Элементы управления БТС и модели управления

1.8 Определение функции доза воздействия - эффект (учет главного компонента биоадекватности БТС: минимальное вредное действие ТО на БО)

1.9 Конструирование целевой функции

2. Регуляризация (проверка правильности) и параметрическая идентификация

3. Описание структуры и проектирование БТС

3.1 Структурная схема БТС (инженерный этап - решение конкретных задач разработки технических средств)

Заключение

Литература



Введение

Искусственные органы - технические устройства, предназначенные для временной или постоянной замены функции того или иного внутреннего органа человека. Возможность создания искусственного органа связана как с прогрессом биологии и медицины, так и с успехами физики, химии, математики, а также технических наук.

Создание искусственного органа обусловлена также тем, что трансплантация не сможет полностью решить проблему замены нефункционирующих жизненно важных органов человека, т.к. количество пригодных для пересадки донорских органов намного меньше числа больных, нуждающихся в этой операции. Искусственные органы не всегда полностью заменяют функцию естественного органа, особенно когда он обладает рядом сложных функций, как, например печень, сердце. Чаще искусственные органы заменяют не весь орган, а наиболее важную часть (например, искусственные клапаны сердца, предназначенные для обеспечения однонаправленного тока крови, электрокардиостимуляторы, применяемые при нарушении проводящей системой сердца).

Искусственные органы можно разделить на неимплантируемые в организм и на частично и полностью имплантируемые.

Полностью имплантируемым искусственным органом является такое устройство которого размещены внутри организма. Примером этого является электрокардиостимуляторы и искусственное сердце такой конструкции, где все узлы (насосы для крови, привод, система управления им, источник энергопитания) имплантируются внутрь организма.

Примером частично имплантируемого искусственного органа, применяемого лишь только в эксперименте, может служить искусственное сердце. искусственный орган гемодиализный биотехнический

Примером неимплантируемого искусственного органа является широко распространенная в клинической практике искусственная почка - аппарат для выведения из организма токсических продуктов обмена и экзогенных ядов, а также для регуляции электролитно-водного баланса и кислотно-щелочного равновесия посредством диализа и ультрафильтрации крови. Искусственная почка временно замещает функции почек по поддержанию гомеостаза, но не моделирует почечные процессы (клубочковую фильтрацию, канальцевую реабсорбцию и секрецию) и инкреторную функцию. Гемодиализ - освобождение крови кристаллоидов благодаря избирательной диффузии веществ через полупроницаемую мембрану. Эта мембрана отделяет стерильную кровепроводящую систему от нестерильной системы, проводящей диализирующий раствор. В зависимости от проницаемости мембраны, ее площади, конструкции аппарата, температуры раствора, разности концентрации веществ по обе стороны мембраны, размера и формы их молекул и другой диализ разных веществ в различных типах. Искусственная происходит неодинаково быстро. Ультрафильтрация - удаление из организма воды вследствие разницы гидростатического и осмотического давления по обе стороны полупроницаемой мембраны. Необходимый для ультрафильтрации градиентов давления достигается в искусственных почках главным образом за счет положительного давления в кровепроводящей системе диализирующего раствора. Процесс удаления воды можно усилить, увеличив осмотическое давление осматически активных веществ (глюкоза, маннитол).

По времени функционирования искусственные органы можно разделить аппараты, поддерживающие жизнедеятельность организма только при непрерывной их работе (например, искусственное сердце), и аппараты, обеспечивающие жизнедеятельности организма при их прерывистом (дискретном) подключении (например, искусственная почка).



1. Определение цели проекта и моделирование БТС

1.1 Формулировка актуальности, определение цели проектирования БТС, новизна

Актуальность: Гемодиализная терапия сопровождается осложнениями, которые могут быть вызваны неоптимальными изменениями объема крови и нарушениями взаимного равновесия вне- и внутриклеточного секторов организма.

Наиболее распространены осложнения: гипертензия, судороги, последиализный период гипертензии, избыток жидкости, неадекватная скорость ультрафильтрации.

Цель работы: ТО проектирования блока контроля и управления скоростью ультрафильтрации в процессе гемодиализа.

Новизна: Разработка биотехнической системы гемодиализного аппарата с регулированием скорости ультрафильтрации по данным состава диализата.

1.2 Схема взаимодействия технического объекта (ТО) с биологическим объектом (БО) и получения информации о состоянии БО

B - венозная кровь,

D - датчик (диализатор, к которому подключены датчики давления, температуры, скорости и расходомер)

Р - блок обработки данных,

М - монитор,

FB - управление скоростью ультрафильтрации,

Z - удаление диализата,

л(t) - уровень концентрации ионов натрия,

л*(t) - изменение уровня концентрации натрия,

x(t) - сигнал.

1.3 Определение класса БТС

1.4 Создание вербальной модели БО и базы данных о свойствах БО

Вербальная модель - информационная модель в мысленной или разговорной форме.

Информационная модель - совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром.

БО - венозная кровь.

Венозная кровь движется к сердцу по венам. За исключением крови в лёгочных венах, венозная кровь лишена кислорода и обогащена углекислым газом в результате тканевого газообмена. ВК обычно теплее артериальной, имеет более низкий pH, содержит меньшее количество глюкозы и других питательных веществ, и больше конечных продуктов метаболизма (мочевина и др.). ВК получают в результате венопункции. Большинство медицинских лабораторных исследований крови проводится именно с ВК. ВК имеет тёмно-красную с синеватым оттенком окраску.

Свойства

Физико-химические: вязкость, относительная плотность, осмотическое и онкотическое давление, реакция рН.

Реологические (обусловлены эритроцитами): кровь - 2-х фазная жидкость, несущая фаза - плазма (раствор солей и белков), РОЭ, СОЭ, Н - показатель Гематокрита.

1.5 Количественный анализ БО, выбор вектора состояния и метода количественного описания БО

Состояние БО описывается вектором состояния. Чтобы полно описать организм человека необходимо оперировать с вектором состояния, содержащем огромное число компонент (n~10⁴). Но для решения конкретных задач анализа и синтеза БТС такое число характеристик не требуется. Поэтому проводят минимизацию числа компонент вектора состояния.

На данном этапе рассматриваются лишь те свойства биологического объекта, которые необходимо регистрировать, исходя из целевого назначения данного типа БТС. После минимизации числа компонент вектора состояния практически используемое число m характеристик биообъекта существенно уменьшается: m<<n.

Например, при помощи Искусственной почки (аппарат гемодиализа) производится контроль над несколькими компонентами вектора состояния организма: содержание аммиака (f1), мочевины (f2), мочевой кислоты (f3), креатинина (f4), концентрацию ионов Nа (f5), объем крови (f6), объем плазмы (f7), сульфаты (f8), фосфаты (f9).

Расчет комплекса наблюдаемых параметров проводят в соответствии с видом искусственного очищение крови.

Вектор состояния БО определяется следующими компонентами

1.6 Создание физической и математической моделей БО

Математическая модель

Одной из основных задач гемодиализа является удаление избытка жидкости из организма больного. Эту задачу выполняет процесс, происходящий одновременно с диффузией во время гемодиализа и называемый ультрафильтрацией.

Ультрафильтрация обусловлена трансмембранным давлением, (TMP) которое равно сумме онкотического и гидростатического давления:

ТМР = Рonc + Phydr. (2.1)

Онкотическим давлением можно пренебречь:

ТМР=Phydr. (2.2)

Во время гемодиализа ультрафильтрация происходит благодаря созданию управляемого трансмембранного гидростатического давления, которое обусловлено давлением крови и диализата на мембрану.

Трансмембранное давление складывается:

TMP = Phydr = Pb - Pd (2.3)

Pb - среднее давление крови на мембрану;

Pd - среднее давление диализата на мембрану.

Обычно на диализаторах указывают максимально допустимое трансмембранное давление, обусловленное механической прочностью мембраны. Этот предел, как правило, не превышает 500 мм рт.ст.

Среднее давление крови на мембрану Pb вычисляется по формуле:

(2.4)

где Pbi - давление крови на входе в диализатор;

Pbo - давление крови на выходе из диализатора.

Дело в том, что внутри гемодиализатора давление крови снижается практически линейно.

Аналогичным образом вычисляется и среднее давление диализата Pd:

(2.5)

где Pdi - давление диализата на входе, Pdo - давление диализата на выходе.

Способность гемодиализной мембраны к ультрафильтрации характеризуется ее гидравлической проницаемостью, которая выражается в миллилитрах жидкости, пропускаемой мембраной за 1 ч при трансмембранном давлении 1 мм рт.ст. и площади мембраны 1 м2. Способность гемодиализатора пропускать воду из крови характеризуется коэффициентом ультрафильтрации (Кuf), измеряемом в мл/ч/мм рт. ст. Для обычных гемодиализных мембран с помощью коэффициента ультрафильтрации можно определить, какое трансмембранное давление необходимо для получения требуемой скорости ультрафильтрации:

(2.6)

Скорость гемодиализной ультрафильтрации вычисляется по формуле:

(2.7)

где dW - избыточный вес; t - время.

Физическая модель

Физическая модель имеет ту же природу, что исследуемый объект. Например, течение крови по сосудам моделируется движением жидкости по трубам (жестким или эластичным). Для изучения процессов проницаемости ионов через биологические мембраны реальная мембрана заменяется искусственной (например, липосомой). Липосома - физическая модель биологической мембраны. Физические устройства, временно заменяющие органы живого организма, также можно отнести к физическим моделям: искусственная почка - модель почки, кардиостимулятор.

Рис. 1. Физическая модель.

1.7 Элементы управления БТС и модели управления

Для рассматриваемой БТС укажем:

1. Вектор состояния системы F;

2. Вектор управления системой U;

3. Теоретический вектор выхода системы Y;

4. Экспериментальный вектор выхода системы.

Пусть F=Y=Y_ЭКС

Из вектора состояния БТС выделим вектор, относящийся к БО, и вектор, относящийся к БТС: F=[S_БО,S_БТС].

Воздействие характеризуется следующими основными параметрами:

1. Длительность воздействия t;

2. Объем диализата v;

3. Давление P;

4. Скорость ультрафильтрации х.

Тогда вектор управления U=( t, v, P, х).

1.8 Определение функции доза воздействия - эффект (учет главного компонента биоадекватности БТС: минимальное вредное действие ТО на БО)

Гемодиализ проводится от 4 до 12 ч; в течение этого времени, чтобы кровь не свёртывалась, в неё вводят противосвёртывающие вещества (гепарин). При острой почечной недостаточности гемодиализ повторяют через 3 -- 6 дней до восстановления функции почек; при хронической недостаточности, когда его необходимо проводить 2 -- 3 раза в неделю в течение нескольких месяцев или лет, между лучевой артерией и поверхностной веной предплечья устанавливают тефлоновый шунт, с которым и соединяют искусственную почку. В этом случае кровь может поступать в диализатор без использования насоса.

1.9 Конструирование целевой функции

Построение целевой функции позволяет упорядочить и формализовать сравнение альтернатив. Использование этой функции позволяет сравнивать альтернативы не только при проектировании новой БТС, но и при выборе конкретного аппарата.

Введем дополнительные критерии:

з - КПД аппарата;

r - надежность аппарата;

m - масса аппарата;

с - стоимость аппарата.

При наличии n критериев целевую функцию можно записать в виде:

, (2.7)

где Wi - вес i - ого критерия.

Пусть x_i - реальная техническая характеристика гемодиализного аппарата, x_i^* - идеальная техническая характеристика аппарата.

Тогда целевая функция может быть построена как оценка отклонения реальных характеристик от идеальных.

t* - желаемая длительность воздействия;

v* - желаемый объем диализата;

P* - желаемое давление;

х * - желаемая скорость ультрафильтрации;

К* - желаемый вектор конструктивных параметров мембраны

з* - желаемый КПД аппарата;

r* = ? - желаемая надежность аппарата;

m* = 0 - желаемая масса аппарата;

с* = 0 - желаемая стоимость аппарата.

Определим Wi каждого критерия. Будем использовать нормированные веса, чтобы

W_Дt + W_Дv + W_Дp + W_х + W_з + W_r + W_m + W_c + W_k = 1 (2.8)

Не будем учитывать малый вес, Построим приблизительную функцию 

(2.9)

(2.10)

(2.11)

Так как ни один желаемый параметр не равен нулю, то проведем нормировку каждой целевой функции F по i - му критерию на идеальное значение x_i^* этого критерия.

(2.12)

(2.13)

(2.14)

Полученная целевая функция является безразмерной. Это упрощает дальнейший анализ.



2. Регуляризация (проверка правильности) и параметрическая идентификация модели БТС

Гемодиализную мембрану можно представить в виде решета с ультратонкими порами, сравнимыми с размером молекул. Кровь и диализат (диализирующий раствор) разделены между собой полупроницаемой мембраной.

Рис. 2. Принцип диффузии через полупроницаемую мембрану.

Одной из основных задач гемодиализа является удаление избытка жидкости из организма больного. Эту задачу выполняет процесс, происходящий одновременно с диффузией во время гемодиализа и называемый ультрафильтрацией.

Решение

Ультрафильтрация обусловлена трансмембранным давлением, онкотическим давлением можно пренебречь (Рис. 3).

Во время гемодиализа ультрафильтрация происходит благодаря созданию управляемого трансмембранного TMP гидростатического давления, которое обусловлено давлением крови и диализата на мембрану.

Трансмембранное давление складывается из Pb - среднее давление крови на мембрану и Pd - среднее давление диализата на мембрану (Рис. 4).

В настоящее время при проведении стандартного гемодиализа обычно используют равномерную ультрафильтрацию. Но если вы не уверены в точности определения «сухого» веса, то в конце гемодиализа можно снизить скорость удаления избыточной жидкости (Рис. 5).

ТМР = Рonc + Phydr (3.1)

ТМР=Phydr(3.2)

Рис. 3. Зависимость скорости ультрафильтрации от трансмембранного давления.

TMP = Phydr = Pb - Pd (3.3)

Рис. 4. Эффект обратной фильтрации при использовании мембран хай-флакс.



Трансмембранное давление необходимое для получения требуемой скорости ультрафильтрации:

(3.4)

Скорость гемодиализной ультрафильтрации вычисляется по формуле:

(3.5)

где dW - избыточный вес; t - время.

Рис. 5. Стандартные профили ультрафильтрации.

Долгое время диализные фирмы предлагали изощренные профили ультрафильтрации, доказывая их якобы лучшую гемодинамическую переносимость (Рис. 6).

Рис. 6. Профилированная ультрафильтрация во время

Нередко профилирование ультрафильтрации сочетают с синхронным профилированием натрия в диализате. Чаще всего применяют принцип так называемого «зеркального» профилирования, когда повышение уровня натрия в диализате соответствует высокой скорости ультрафильтрации и наоборот (Рис. 7).

Рис. 7. Принцип зеркального профилирования натрия и ультрафильтрации.

3. Описание структуры и проектирование БТС

3.1 Структурная схема БТС (инженерный этап - решение конкретных задач разработки технических средств)

Рис. 8. Блок-схема гемодиализного аппарата.

Принцип работы данной схемы.

У пациента из вены берут кровь. Между лучевой артерией и поверхностной веной предплечья устанавливают тефлоновый шунт, с которым и соединяют искусственную почку. В этом случае кровь может поступать в диализатор без использования насоса. Скорость поступления регулируется. Далее венозная кровь поступает в блок диализатора, где и происходит очищение от продуктов метаболизма. После очищения так же регулируется скорость, но еще и давление, температура и количество использованного диализата. Все это время кровь и диализат поддерживают при необходимой температуре. Чтобы вернуть очищенную кровь в артерию - необходимо удалить диализат, воздух. Для этого так же используют насосы. Перед самым введением крови в артерию пациента еще раз измеряется давление крови. И уже очищенная кровь, при необходимой температуре и необходимом делении поступает в артерию пациента.



Заключение

Гемодиализная терапия сопровождается осложнениями, которые частично могут быть вызваны неоптимальными изменениями объема крови, изменениями концентрации натрия в плазме крови и нарушениями взаимного равновесия вне- и внутриклеточного секторов организма. Наиболее распространены осложнения, связанные с неадекватной скоростью ультрафильтрации.

В данной самостоятельной работе была предпринята попытка улучшить гемодиализный аппарат, а именно: регулирование скорости ультрафильтрации по данным состава диализата, учитывающие состояние системы аппарат - пациент.

Для этого разработали математическую модель БТС диализного очищения крови и добавили блок контроля скорости в блок-схему аппарата.



Литература

1. Ершов Ю.А., Курс лекций по дисциплине «Теоретические основы БТС».

2. Егоров, А. К вопросу о разработке биоуправляемой медицинской аппаратуры / А. Егоров // Известия ОрелГТУ. Машиностроение и приборостроение. - 1999. - № 4 - 120с.

3. Ершов Ю.А. , Щукин С.И. , Основы анализа биотехнических систем. Теоретические основы БТС // МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 2011 г. 528 с.

4. Диагностика и лечение заболеваний - URL: http://www.allsurgery.ru

Размещено на Allbest.ru

...