Modeling the action of pulsatile heart assist

Alicja Siewnicka

Abstract

The aim of this work was to derive a description that yields the blood flow rate estimation of the pneumatically controlled, pulsatile ventricular assist device. An adequate flow rate is crucial for the effectiveness of the therapy. Unfortunately, during clinical heart support, neither blood flow nor pressures can be measured from the device. In general, the flow rate depends on the device control and patient conditions. However, the patient’s hemodynamic parameters are not constantly monitored. For this reason, there was a need for development of a method of blood flow evaluation which would base on the standard measurements from the device control unit. For this purpose, an analysis of the device construction was carried out, the problems were identified and the directions of the necessary experimental work were defined. Three research experiments have been conducted for the different control units and various operating conditions of the cardiac assist system. Based on all signals available under the experimental conditions, preliminary tests were conducted to identify the most effective modeling method. A solution was proposed in the form of analytical model of the device based on the signal, which can contain information about the blood flow rate. It has been observed that this may be a signal of the air flow in the supply drain or a value of difference between supply pressure during assist and idle run. In the first case, a model with a high accuracy was defined but the additional measurements on the pneumatic side of the device were required. In the second approach a two-stage model was proposed. The first-stage model estimates the value of air supply pressure for the idle run. Its output signal is used in a second-stage model to estimate the blood flow in the normal operation of the device. In this way, a model based solely on the measurement signals available in the control unit was obtained. The achieved accuracy is comparable to all tested control and load conditions and is independent from the level of the device filling. An analysis of the utility of the developed model was carried out due to the purpose of device stroke volume estimation and the automatic detection of the extreme filling conditions. The obtained results have confirmed the utility of the developed model. The final conclusions from the conducted research were formulated and possible directions of the further research on the clinical use of the model were presented.
Rodzaj dyplomuPraca doktorska
Autor Alicja Siewnicka (WM / IAR)
Alicja Siewnicka
- Instytut Automatyki i Robotyki
Tytuł w języku polskimModelowanie działania pulsacyjnego zespołu wspomagania pracy serca
Językpl polski
Jednostka dyplomującaWydział Mechatroniki (WM)
Dyscyplina naukibudowa i eksploatacja maszyn / dziedzina nauk technicznych / obszar nauk technicznych
Data rozpoczęcia01-10-2001
Data obrony15-11-2017
Data zakończenia 29-11-2017
Promotor Krzysztof Janiszowski (WM / IAR)
Krzysztof Janiszowski
- Instytut Automatyki i Robotyki
Recenzenci zewnętrzni Jacek Kluska - Wydział Elektrotechniki i Informatyki (WEII) [Politechnika Rzeszowska (PRZ)]
Jacek Kluska
-

Marek Darowski - Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza PAN (IBIB) [Polska Akademia Nauk (PAN)]
Marek Darowski
-
Paginacja 122
Słowa kluczowe w języku polskimmodelowanie, estymacja przepływu, wspomaganie serca, VAD
Słowa kluczowe w języku angielskimmodelling, flow estimation, ventricular assist device, VAD
Streszczenie w języku polskimCelem pracy było wyznaczenie opisu umożliwiającego oszacowanie wartości przepływu objętościowego krwi w sterowanym pneumatycznie, pulsacyjnym urządzeniu wspomagania pracy serca. Wartość realizowanego wydatku urządzenia jest kluczowa dla skuteczności prowadzonej terapii. W praktyce klinicznej nie ma jednak możliwości wykonania pomiaru jego wielkości czy wartości ciśnień w urządzeniu. Wartość realizowanego przepływu zależna jest od warunków sterowania, ale również od wydolności krążeniowej pacjenta, która nie jest monitorowana w sposób ciągły. Z tego względu istniała potrzeba opracowania metody estymacji wartości przepływu krwi w oparciu o standardowe pomiary z jednostki sterującej urządzenia. W tym celu przeprowadzono analizę budowy urządzenia, zidentyfikowano występujące problemy i wyznaczono kierunki niezbędnych prac eksperymentalnych. Przeprowadzono trzy eksperymenty badawcze dla różnych jednostek sterujących urządzenia i różnych warunków pracy zespołu wspomagania. Na podstawie wszystkich sygnałów pomiarowych, dostępnych w warunkach eksperymentu, przeprowadzono badania wstępne, mające na celu wskazanie najskuteczniejszej metody modelowania. Zaproponowano rozwiązanie w postaci modelu analitycznego urządzenia wykorzystującego sygnał niosący w sposób pośredni informację o wielkości realizowanego przepływu. Zaobserwowano, że może to być sygnał przepływu powietrza w drenie zasilającym lub różnica wartości ciśnienia sterującego w warunkach wspomagania i w przypadku biegu jałowego. W pierwszym przypadku wyznaczono model cechujący się wysoką dokładnością, lecz wymagający zastosowania dodatkowych elementów pomiarowych znajdujących się po stronie pneumatycznej urządzenia. W drugim podejściu zaproponowano model o strukturze dwustopniowej. Model pierwszego stopnia estymuje wartości ciśnienia zasilania dla biegu jałowego. Jego sygnał wyjściowy wykorzystywany jest w modelu drugiego stopnia, umożliwiającym estymację wartości przepływu krwi w warunkach pracy urządzenia. W ten sposób otrzymano model bazujący wyłącznie na sygnałach pomiarowych dostępnych w jednostce sterującej. Uzyskana dokładność jest porównywalna dla wszystkich przebadanych warunków sterowania i obciążenia oraz niezależna od stopnia napełnienia urządzenia. Przeprowadzono analizę użyteczności wyznaczonego modelu do celów oszacowania wartości wydatku minutowego i automatycznej detekcji skrajnych stanów napełnienia komory krwistej urządzenia. Otrzymano rezultaty potwierdzające użyteczność wyznaczonego modelu. Opracowano wnioski i przedstawiono planowane kierunki dalszych badań w zakresie klinicznego wykorzystania modelu.
Plik pracy
doktorat_A_Siewnicka_MCHTR.pdf z dnia 06-11-2017
4.69 MB

Pobierz odnośnik do tego rekordu

Powrót