НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: Bogdanova_P.pdf (871.24Кб)

УДК	Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана НИЦ "Курчатовский"

Рассматривается проблема проектирования устройства механической поддержки/замены работы сердца – искусственного желудочка сердца (ИЖС). Актуальность исследований в этой области обусловлена высоким процентом населения, страдающим заболеваниями сердца. Причиной каждой пятой смерти в мире является сердечная недостаточность. На сегодняшний день создан ряд моделей ИЖС, некоторые из них успешно применяются в медицинской практике. За годы исследований в этой области сформировалась общая концепция разработки устройства ИЖС: установлены требования к системам, выработаны подходы к решению задач, получены определенные результаты и выявлены имеющиеся недостатки систем ИЖС. Стремительно развивающиеся технологии дают все больше возможностей для решения существующих задач. Работа представляет собой анализ состояния проблемы разработки систем ИЖС на сегодняшний день. Систематизированы биомедицинские и технические требования, предъявляемые к системам ИЖС, проведена классификация проблем, возникающих в процессе проектирования, и обсуждены тенденции новых разработок в этой области.

Список литературы

1. Около миллиона россиян ежегодно умирает от сердечной недостаточности // РИА Новости: сайт, 17 May 2013. Режим доступа: http://ria.ru/society/20130517/937886634.html (дата обращения 20.01.2014).
2. Иткин Г.П. Состояние проблемы создания искусственного сердца в России // Проблемы управления. 2006. № 3. С. 57-67.
3. Немецкий кардиологический Центр в Берлине (DHZB): сайт. Режим доступа: http://www.dhzb.ru/ (дата обращения 17.01.2014).
4. Birks E.J. The Comparative Use of Ventricular Assist Device: Differences between Europe and the United States // Texas Heart Institute Journal. 2010. Vol. 37, no. 5. P. 565-567.
5. Thoratec HeartMate II® LVAD. Available at: http://www.mylvad.com/lvad-devices/heartmate-ii-lvad , accessed 10.02.2014.
6. Бокерия Л.А., Николаев Д.А., Фадеев А.А. Протезы клапанов сердца, поддерживающие закрученную структуру потока крови // Клиническая физиология кровообращения. 2009. № 2. С. 47-51.
7. Синтез искусственных желудочков сердца с заданными гемодинамическими характеристиками / В.В. Морозов, А.В. Жданов, Е.И. Шмыгов и др. Владимир: ВлГУ, 2007. 180 p.
8. Apel J., Neudel F., Reul H. Computational Fluid Dynamics and Experimental Validation of a Microaxial Blood Pump // ASAIO Journal. 2001. Vol. 47. P. 552-558.
9. Behbahani M., Behr M., Hormes M., Steinseifer U., Arora D., Coronado O., Pasqualia M. Review of Computational Fluid Dynamics Analysis of Blood Pumps // European Journal of Applied Mathematics. 2009. Vol. 20. P. 363-397.
10. Bartesaghi S., Colombo G. Embedded CFD Simulation for Blood Flow // Computer-Aided Design and Applications. 2013. Vol. 10, no. 4. P. 685-699.
11. Sousa L., Castro C., Antonio C., Chaves R. Computational Techniques and Validation of Blood Flow Simulation // WSEAS Transactions on Biology and Biomedicine. 2011. Vol. 8, iss. 4. P. 145-155.
12. Deparis S. HPC for Blood Flow Simulations: Advancements and Challenges. Ecole Polytechnique Federale De Lausanne, 2012. 40 p.
13. Behnia M., Ohta M., Srinivas K., Nakayama T. Fluid Dynamics of Blood Flow – Modelling and Simulation // Proc. of the 13^th Annual Scientic Meeting and Workshops, 06-11 February 2010, Auckland, New Zealand, 2010. 75 p.
14. Behbahani M. Finite Element Simulation of Blood Flow. RWTH Aachen, 2006. 34 p.
15. Behr M., Arora D., Nosé Y., Motomura T. Performance Analysis of Ventricular Assist Devices Using Finite Element Flow Simulation // International Journal for Numerical Methods in Fluids. 2004. Vol. 46, no. 12. P. 1201-1210. DOI: 10.1002/fld.796
16. Fraser K.H., Taskin M.E., Griffith B.P., Wu Z.J. The use of computational fluid dynamics in the development of ventricular assist devices // Medical Engineering and Physics. 2011. Vol. 33, no. 3. P. 263-80.
17. Quarteroni A., Formaggia L. Mathematical Modelling and Numerical Simulation of the Cardiovascular System. Ecole Polytechnique Federale De Lausanne, 2002. 103 p.
18. Veneziani A., Vergara C. Flow rate defective boundary conditions in hemodynamics simulations // International Journal for Numerical Methods in Fluids. 2005. Vol. 47. P. 803-816. DOI: 10.1002/fld.843
19. Vignon-Clementel I.E. A Coupled Multidomain Method for Computational Modeling of Blood Flow. Stanford University, 2006. 207 p.
20. Yang X.S., Lewis R.W., Zhang H.Y. Finite Element Analysis of Fogelson's Model for Platelet Aggregation // Proc. of the European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, 2004. 5 p.
21. Zhang L., Jia Y., Zhang W., Wang Y., Zhao Q. Numerical Simulation Investigation on Flow Field of Axial Blood Pump // In: Advances in Computer Science and Engineering. Springer Berlin Heidelberg, 2012, pp. 223-229. (Ser. Advances in Intelligent and Soft Computing; vol. 141.). DOI: 10.1007/978-3-642-27948-5_31
22. Беляев Л.В., Иванченко А.Б., Жданов А.В. Гемодинамические аспекты проектирования систем вспомогательного кровообращения и искусственного сердца на базе мехатронных модулей // Современные проблемы науки и образования. 2013. №  3. Режим доступа: http://www.science-education.ru/109-9195 (дата обращения 01.03.2014).
23. Behr M., Arora D., Coronado O., Pasquali M. Models and Finite Element Techniques for Blood Flow Simulation // International Journal for Computational Fluid Dynamics. 2006. Vol. 20. P. 175-181.
24. Doyle M.G. Simulation of Blood Flow in a Ventricular Assist Device with Fluid-Structure Interaction Effects: Degree of Master of Applied Science. University of Ottawa, 2004. 116 p.
25. Bonnemain J., Deparis S., Quarteroni A. Connecting ventricular assist devices to the aorta: a numerical model: MATHICSE Technical Report. Ecole Polytechnique Federale De Lausanne, 2012. 19 p.
26. Разработка комплекса биотехнических систем «искусственное сердце» для замещения/поддержания функции сердца. (Этап 1: Выбор направления исследований. Теоретические и экспериментальные исследования поставленных перед НИР задач): отчет о НИР / НИЦ «Курчатовский институт»; рук. А.В. Коротеев. М., 2013. 80 с.
27. Alemu Y., Bluestein D. Flow Induced Platelet Activation and Damage Accumulation in a Mechanical Heart Valve: Numerical Studies // Artificial Organs. 2007. Vol. 3. P. 677-688. DOI: 10.1111/j.1525-1594.2007.00446.x
28. Arora D., Behr M., Pasquali M. Blood damage measures for ventricular assist device modeling // In: Moving Boundaries VII: Computational Modelling of Free and Moving Boundary Problems / Mammoli A.A., Brebbia C.F., eds. WIT Press, Southampton, UK, 2003. P. 129-138.
29. Goodman P.D., Barlow E.T., Crapo P.M., Mohammad S.F., Solen K.A. Computational Model of Device-Induced Thrombosis and Thromboembolism // Annals of Biomedical Engineering. 2005. Vol. 33, no. 6. P. 780-797. DOI: 10.1007/s10439-005-2951-z
30. Sorensen E.N., Burgreen G.W., Wagner W.R., Antaki J.F. Computational Simulation of Platelet Deposition and Activation: 1. Model Development and Properties // Annals of Biomedical Engineering. 1999. Vol. 27, no. 4. P. 436-448. DOI: 10.1114/1.200
31. Sorensen E.N., Burgreen G.W., Wagner W.R., Antaki J.F. Computational Simulation of Platelet Deposition and Activation: 2. Results for Poiseuille Flow over Collagen // Annals of Biomedical Engineering. 1999. Vol. 27, no. 4. P. 449-458. DOI: 10.1114/1.201
32. Rau G. Research Report 2001/2002. Institute for Biomedical Technologies, Aachen University, 2002. 101 p.
33. Allaire P.E., Kim H.C., Maslen E.H., Bearnson G.B., Olsen D.B. Design of a Magnetic Bearing-Supported Prototype Centrifugal Artificial Heart Pump© // Tribology Transactions. 1996. Vol. 39, no. 3. P. 663-669.
34. Gomez A.D. Control of a magnetically levitated ventricular assist device: Degree of Master of Science in Mechanical Engineering. Rochester Institute of Technology, 2009. 140 p.
35. Noh M.D., Antaki J.F., Ricci M., Gardiner J., Paden D., Wu J., Prem E., Borovetz H., Paden B.E. Magnetic Design for the PediaFlow Ventricular Assist Device // Artificial Organs. 2008. Vol. 32, no. 2. P. 127-135. DOI: 10.1111/j.1525-1594.2007.00501.x
36. Greatrex N.A. Design of Physiological Control and Magnetic Levitation Systems for a Total Artificial Heart: Degree of Doctor of Philosophy. Queensland University of Technology, Faculty of Science and Engineering, 2013. 319 p.
37. Antunes P. Magnetic Suspension of the Rotor of a Ventricular Assistance Device of Mixed Flow Type – Hall Sensor for Rotor Position Measurement – Use of Compensator // ABCM Symposium Series in Mechatronics. Vol. 5: Section 8 - Sensors & Actuators, 2012. P. 1249-1256.
38. Cheng S., Olles M.W., Burger A.F., Day S.W. Optimization of a Hybrid Magnetic Bearing for a Magnetically Levitated Blood Pump via 3-D FEA // Mechatronics (Oxf). 2011. Vol. 21, no. 7. P. 1163-1169. DOI: 10.1016/j.mechatronics.2011.07.010
39. Barbaraci G., Mariotti G.V. Sub-Optimal Control Law for Active Magnetic Bearings Suspension // Journal of Control Engineering and Technology (JCET). 2012. Vol. 2, no. 1. P. 1-10.
40. Bosiers M., Deloose K., Verbist J, Schroe H., Lauwers G., Lansink W., Peeters P. Heparin-bonded expanded polytetraflouroethylene vascular graft for femoropoliteal and femorocrural bypass grafting: 1-years results // Journal of Vascular Surgery. 2006. Vol. 43, no. 2. P. 313-319.
41. Von Segesser L.K. Safety and efficacy of heparin-bonded surfaces in cardiopulmonary bypass // Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2001. Vol. 121. P. 200-201.
42. Gorman R.C., Ziats N., Rao A.K., Gikakis N., Sun L., Khan M.M., Stenach N., Sapatnekar S., Chouhan V., Gorman J.H., Niewiarowski S., Colman R.W., Anderson J.M., Edmunds .LH. Jr. Surface-bound heparin fails to reduce thrombin formation during clinical cardiopulmonary bypass // Journal of Thoracic and cardiovascular surgery. 1996. Vol. 111. P. 1-12.
43. Хенч Л., Джонс Д. Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей: пер. с англ. М.: Техносфера, 2006. 304 с.
44. Kurs A., Moffat R., Soljaĉić M. Simultaneous mid-range power transfer to multiple devices // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96. P. 044102. DOI: 10.1063/1.3284651
45. Kürschner D., Rathge C. Contactless energy transmission systems with improved coil positioning flexibility for high power applications // Proc. of the 39th IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference (PESC '08), Rhodes, Greece, 2008. P. 4326-4332. DOI: 10.1109/PESC.2008.4592639
46. Ricketts D.S., Chabalko M.J., Hillenius A. Experimental demonstration of the equivalence of inductive and strongly coupled magnetic resonance wireless power transfer // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102. P. 053904. DOI: 10.1063/1.4788748
47. Lee W.S. Uniform magnetic field distribution of spatially structured resonant coil for wireless power transfer // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100. P.  214105.  DOI: 10.1063/1.4719585
48. Kurs A., Karalis A., Moffatt R., Joannopoulos J.D., Fisher P., Soljacic M. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances // Science. 2007. Vol. 317, no. 5834. P. 83-86.
49. Bonde P., Sample A.P., Waters B., Cooper E., Toyoda Y., Kormos R.L., Smith J.R. Wireless Power for Ventricular Assist Devices: Innovation with the Free-Range Resonant Electrical Energy Delivery System (FREE-D) for Mechanical Circulatory Assist // AATS 91st Annual Meeting (Pennsylvania Convention Center, Philadelphia, PA, 7-11 May 2011), 2011.
50. Waters H.B., Sample A.P., Bonde P., Smith J.R. Powering a Ventricular Assist Device (VAD) With the Free-Range Resonant Electrical Energy Delivery (FREE-D) System // Proc. of the IEEE. 2012. Vol. 100, no. 1. P. 138-149. DOI: 10.1109/JPROC.2011.2165309
51. Finocchiaro T., Heinke S., Behbahani M., Leßmann M., Laumen M., Steinseifer U., Schmitz-Rode T., Leonhardt S., Behr M., Hamayer K. Methods of design, simulation, and control for the development of new VAD/TAH concepts // Biomedizinische Technik. Berlin, 2009. Vol. 54. P. 269-281.
52. How T.V. Advances in hemodynamics and hemorheology: vol. 1. Connecticut, London: JAI Press Inc., 1996. 449 p.
53. Nobile F. Numerical Approximation of Fluid-Structure Interaction Problems with Application to Hemodynamics: Ph.D. thesis. Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Lausanne, Switzerland, 2001.
54. Reul H.M., Akdis M. Blood pumps for circulatory support // Perfusion. 2000. Vol. 15. P. 295-311.
55. John R. Current Axial-Flow Devices – the HeartMate II® and Jarvik 2000 Left Ventricular Assist Devices // Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2008. Vol. 20, no. 3. P. 264-272. DOI: 10.1053/j.semtcvs.2008.08.001
56. Timms D. A review of clinical ventricular assist devices // Medical Engineering and Physics. 2011. Vol. 33, no. 9. P. 1041-1047.
57. Circulatory and Ventricular Assist Devices (VAD). Available at: http://www.med.umich.edu/cardiac-surgery/patient/adult/ccs/vad.shtml  , accessed 10.02.2014.
58. Беляев Л.В., Жданов А.В.  Особенности современных подходов к проектированию систем искусственного сердца и вспомогательного кровообращения пульсирующего типа с применением ИПИ-технологий // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6. Режим доступа: http://www.science-education.ru/113-11654  (дата обращения 01.03.2014).
59. Жданов А.В., Беляев Л.В., Куликов С.В., Киласев Н.Б., Дробышев А.А. Современный подход к проектированию искусственных желудочков сердца на основе CALS-технологий // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 5. Режим доступа: http://www.science-education.ru/105-7077 (дата обращения 01.03.2014).
60. Жданов А.В., Беляев Л.В., Шевченко А.П. Геометрический синтез пространственного кулачкового механизма мехатронного модуля для систем вспомогательного кровообращения // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 4. Режим доступа: http://www.science-education.ru/110-9708  (дата обращения 01.03.2014).
61. Волкова И.В., Жданов А.В. Проектирование исполнительных механизмов насосных систем вспомогательного кровообращения и искусственного сердца // Научно-технический вестник Поволжья. 2011. № 2. С. 59-63.
62. Heart transplant reunion party celebrates lifesaving milestone. Available at: http://med.stanford.edu/patient_care/spotlight/archive/lvad.html , accessed 28.03.2013.
63. HeartWare® Ventricular Assist System: System Overview Hands-on Practicum. HeartWare, Inc., 2012. 70 p.
64. NASA. Blood Pump. Available at: http://www.nasa.gov/audience/foreducators/informal/features/F_Blood_Pump.html , accessed 28.03.2013.
65. DeBakey M.E. A miniature implantable axial flow ventricular assist device // Annual Thoracic Surgery. 1999. Vol. 68. P. 637-640.
66. Pagani F.D. Continuous-Flow Rotary Left Ventricular Assist Devices "3^rd Generation" Design // Thoracic and Cardiovascular Surgery. 2008. Vol. 20. P. 255-263.
67. Frazier O.H., Khalil H.A., Benkowski R.J. Optimization of axial-pump pressure sensitivity for a continuous-flow rotary left artificial heart // Journal of Heart Lung Transplant. 2010. Vol. 29. P. 687-691.
68. Lim Tau Meng, Cheng Shanbao. Development of Hybrid Magnetic Bearings System for Axial-Flow Blood Pump // In: Advances in Industrial Engineering and Operations Research / Alan H. S. Chan, Sio-Iong Ao, eds. Springer US, 2008. P. 391-400. DOI: 10.1007/978-0-387-74905-1_28
69. Weber D.M., Raess D.H., Henriques J.P.S., Siess T. Principles of Impella cardiac support: The evolution of cardiac support technology toward the ideal assist device // Cardiac Intervention Today. 2009. Suppl. Principles of Hemodynamics. P. 3-16. Available at: http://citoday.com/pdfs/0909_supp.pdf , accessed 01.02.2014.
70. Leão T., Bock E., Uebelhart B., Fonseca J., Silva B., Leme J., Silva C., Andrade A. Study of speed control of the implantable centrifugal blood pump to avoid aortic valve stenosis // Proc. of the 22nd International Congress of Mechanical Engineering (COBEM 2013), 2013. P. 6133-6138. Available at: http://cobem2013.com.br/cd/PDF/1406.pdf , accessed 01.02.2014.
71. Milenin A., Kopernik M. Comparative analysis of ventricular assist devices (POLVAD and POLVAD_EXT) based on multiscale FEM model // Acta of Bioengineering and Biomechanics. 2011. Vol. 13, no. 2. P. 13-23.
72. Handbook of Hemorheology and Hemodynamics / Baskurt O.K., Hardeman M.R., Rampling M.W., Meiselman H.J., eds. IOS Press, 2007. 469 p.
73. ANSYS vs Comsol Multiphysics. Режим доступа: http://dolivanov.ru/node/152 (дата обращения 10.02. 2014).
74. Robertson A.M., Sequeria A., Kameneva M. Hemorheology. Hemodynamical Flows // Modeling, Analysis and Simulation. Oberwolfach Seminars. 2008. Vol. 37. P. 63-120.
75. Goodman P.D., Barlow E.T., Crapo P.M., Mohammad S.F., Solen K.A. Computational Model of Device-Induced Thrombosis and Thromboembolism // Annals of Biomedical Engineering. 2005. Vol. 33, iss. 6. P. 780-797. DOI: 10.1007/s10439-005-2951-z
76. Овсянников Б.В., Селифонов В.С., Черваков В.В. Расчет и проектирование шнекоцентробежного насоса: учеб. пособие. М.: Изд-во МАИ, 1996. 72 с.
77. Carmeda® BioActive Surface: Broshure. Medtronic, Inc., USA, 2010. 12 p.
78. Impella 2.5 with the Impella Console: Circulatory Support System: Instructions for Use and Clinical Reference Manual: Abiomed Europe Gmbh, Document No. 0046-9027 Rev. A., 2010. 140 p.
79. Agarwal S., High K.M. Newer-generation ventricular assist devices // Best Practice and Research Clinical Anaesthesiology. 2012. Vol. 26. P. 117-130.
80. Wu J., Paden B.E., Borovetz H.S., Antaki J.F. Computational Fluid Dynamics Analysis of Blade Tip Clearance on Hemodynаmic Performance and Blood Damage in a Centrifugal Ventricular Assist Device // Artificial Organs. 2010. Vol. 34, iss. 5. P. 402-411. DOI: 10.1111/j.1525-1594.2009.00875.x
81. Dongsheng Z. Development of an enclosed-impeller ventricular assist device using self-bearing motor: Degree of Doctor of Philosophy. School of Mechanical and Aerospace Engineering, 2008. 179 p.
82. Wu Y., Allaire P., Tao G., Olsen D. Modeling, Estimation and Control of Cardiovascular Systems with a Left Ventricular Assist Device // Proc. of the 2005 American Control Conference. Vol. 6. Portland, Oregon, 2005. P. 3841-3846.
83. Tavoularis S., Ahmed N.U., Madrane A., Vaillancourt R. Towards Optimal Control of Blood Flow in Artificial Hearts // Cardiovascular Engineering. 2003. Vol. 8, no. 1-2. P. 20-31.
84. Sherman C., Daly B., Dasse K., Clay W., Szycher M., Handrahan J., Schuder J., Hopkins R., Poirier V., Haudenschild C. Research and Development: Systems for Transmitting Energy through Intact Skin: Final Technical Report No. N01-HV-0-2903-4. National Heart, Lung and Blood Institute, 1984. 211 p.
85. Barteld K.P. Implantable electromechanical displacement blood pumps: systematic design and validation methods: Dissertation. Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, 2007. 157 p.
86. Reesink K.D. Modelling and Control Aspects of Left Ventricular Assist. Technische Universiteit Eindhoven, 2002. 109 p.
87. Созданное с участием МИЭТа отечественное "искусственное сердце" впервые имплантировали человеку. Режим доступа: http://imm.org.ua/mednews/Sozdannoe-s-uchastiem-MIETa-otechestvennoe-iskusstvennoe-serdce-vpervie-implantirovali-cheloveku.html (дата обращения 21.01.2014).
88. 3D-принтеры. Режим доступа: http://habrahabr.ru/hub/3d-printers/ (дата обращения 17. 01.2014).
89. Батогов А. Создан 3D-принтер, способный печатать углеволокном. Режим доступа: http://hi-news.ru/periferiya/sozdan-3d-printer-sposobnyj-pechatat-uglevoloknom.html (дата обращения 01.02.2014).
90. Скляров А.А. Прикладные методы синергетического синтеза иерархического управления роботами: автореф. дис. … канд. техн. наук. Таганрог, 2013. 20 с.
91. Bezuglov A., Kolesnikov A., Kondratiev I., Vargas J. Synergetic Control Theory Approach for Solving Systems of Nonlinear Equations // Proc. of the 9^th World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics, 2005. P. 121-126.
92. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Репин А.А. Методика синтеза системы управления синхронным двигателем на основе синергетического подхода // Вестник Ивановского Государственного Энергетического Университета. 2005. № 3. Режим доступа: http://vestnik.ispu.ru/sites/vestnik.ispu.ru/files/publications/12-15.pdf (дата обращения 01.02.2014). .
93. Глазырин А.С. Бездатчиковое управление асинхронным электроприводом с синергетическим регулятором // Известия Томского политехнического университета. 2012 . Т. 321, № 4: Энергетика. С. 107-111. Режим доступа: http://www.lib.tpu.ru/fulltext/v/Bulletin_TPU/2012/v321/i4/24.pdf (дата обращения 01.02.2014)..
94. Колесников А.Л., Веселов П.Е., Попов А.Л., Колесников Ал.А., Кузыменко А.А. Синергетическое управление нелинейными электромеханическими системами. М.: Испо-Сервис, 2000. 248 с.
95. Santi E., Dougal R., Li D., Monti A., Prodduttur K. Synergetic Control for Power Electronics Applications: A Comparison with the Sliding Mode Approach // Journal of Circuits, Systems, and Computers. 2004. Vol. 13, no. 4. P. 737-760.
96. Синицын А.С., Кузьменко А.А. Использование принципа интегральной адаптации для повышения устойчивости системы возбуждения синхронного генератора // Технологии техносферной безопасности. 2013. № 3 (49). Режим доступа: http://academygps.ru/img/UNK/asit/ttb/2013-3/03-03-13.ttb.pdf (дата обращения 01.02.2014).