W niniejszym artykule zaprezentowano przykłady laminarnie przepływowych oraz pulsacyjnych urządzeń wspomagających pracę ludzkiego serca oraz całkowicie sztucznych serc. Przykłady tych urządzeń rozpatrywane były pod kątem modelowania kształtu sztucznych komór krwi oraz napędu elektromagnetycznego tych urządzeń. Opisano ogólną zasadę działania oraz wady i zalety wynikające z budowy danej konstrukcji.
EN
This article presents examples of laminar blood flow and pulsatile blood flow devices for human heart assist and the total artificial hearts. The presented examples of these heart assist devices were considered for modeling the shape of the artificial blood chamber, and the electromagnetic drive of these devices. This article describes the general principle of artificial heart devices and his advantages and disadvantages resulting from the construction.
2
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
In this article is shown the research process of electromagnetically driven blood micropump winding shape as well the configuration of magnetic circuit influence on its generated electromagnetic torque. Analysis of the winding shape is intended to increase the electromagnetic torque values generated by the micropump and to assure more smooth torque characteristic versus angular displacement of blood chamber. This analysis is based on a spatial field model of an electromagnetically driven pulse micropump and have been made using the finite element method.
PL
W niniejszym artykule przedstawiono proces analizy wpływu kształtu uzwojeń oraz konfiguracji obwodu magnetycznego napędu mikropompy do przetaczania krwi na generowany moment elektromagnetyczny. Celem tej analizy jest zwiększenie wartości generowanego momentu elektromagnetycznego napędu mikropompy oraz uzyskanie charakterystyki o stałym momencie w zależności od kąta położenia części ruchomej komory krwi. Analizę momentu elektromagnetycznego napędu mikropompy przeprowadzono na bazie przestrzennego modelu polowego.
3
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Model of electromagnetically driven pulsating micropump and control system of the drive are presented in this paper. The task of the micropump is to pump liquid (blood) in accordance with natural cycle of the human heart. Two classical examples of rotary assist pumps (LVAD type) and two examples of fully artificial heart designs are presented in section II (Devices assisting performance of left ventricle and fully artificial hearts). Spatial design and description of the proposed innovative drive design are presented in section III (Design of innovative pulsating micropump with electromagnetic drive). Field analysis of this devised novel micropump drive for two proposed modes of operation is described in section IV (Field model of pulsating electromagnetically driven micropump). On the basis of analysis results, the pros and cons of the proposed design of micropump drive are discussed.
PL
W niniejszej pracy zaproponowano model mikropompy pulsacyjnej napędzanej elektromagnetycznie oraz opracowanego algorytmu sterowania napędem. Zadaniem mikropompy pulsacyjnej jest przetaczanie cieczy (krwi) zgodnie z naturalnym cyklem ludzkiego serca. W rozdziale II (Istniejące rozwiązania urządzeń wspomagających pracę lewej komory oraz całkowicie sztuczne serca) przedstawiono dwa klasyczne przykłady pomp rotacyjnych wspomagających typu LVAD, oraz dwa przykłady całkowicie sztucznych serc. W rozdziale III (Konstrukcja innowacyjnej mikropompy napędzanej elektromagnetycznie) zaprezentowano przestrzenny projekt oraz opis budowy innowacyjnego napędu. Na podstawie omawianej konstrukcji w rozdziale IV (Model polowy napędu mikropompy pulsacyjnej napędzanej elektromagnetycznie) przeprowadzono analizę polową napędu mikropompy dla proponowanych dwóch typów sterowania. Na podstawie wyników analizy omówione zostały wady i zalety wynikające z zaproponowanej konstrukcji napędu mikropompy.
W niniejszym artykule przedstawiono projekt mikropompy pulsacyjnej napędzanej elektromagnetycznie będącej urządzeniem sztucznego serca typu TAH. Zaproponowano algorytm sterowania który umożliwia uzyskanie dowolnego kształtu ciśnień wylotowych i w tym charakterystyki ciśnień zbliżonych do naturalnego cyklu hemodynamicznego.
EN
In this article is shown the construction and the algorithm of control system of the electromagnetically driven blood micropump. The discussed micropump is a device of an TAH device type. The blood flow pressure characteristic of the micropump drive can be modeled by using the proposed control algorithm, and the humans natural hemodynamic cycle can be generated.
5
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W niniejszym artykule zaproponowano model mikropompy pulsacyjnej napędzanej elektromagnetycznie oraz opracowanego algorytmu sterowania napędem. Zadaniem mikropompy pulsacyjnej jest przetaczanie cieczy (krwi) zgodnie z naturalnym cyklem ludzkiego serca. W rozdziale 2 (Istniejące rozwiązania urządzeń wspomagających pracę lewej komory oraz całkowicie sztuczne serca) przedstawiono dwa klasyczne przykłady pomp rotacyjnych wspomagających typu LVAD, oraz dwa przykłady całkowicie sztucznych serc. W rozdziale 3 (Konstrukcja innowacyjnej mikropompy napędzanej elektromagnetycznie) zaprezentowano przestrzenny projekt oraz opis budowy innowacyjnego napędu. Na podstawie omawianej konstrukcji w rozdziale 4 (Model polowy napędu mikropompy pulsacyjnej napędzanej elektromagnetycznie) przeprowadzono analizę polową napędu mikropompy dla proponowanych dwóch typów sterowania. Na podstawie wyników analizy omówione zostały wady i zalety wynikające z zaproponowanej konstrukcji napędu mikropompy.
EN
In this paper are proposed the model of electromagnetic driven micropump and the control system of the drive. The purpose of the micropump is the transfusion of liquid (blood) according to the natural cycle of the human heart. In Chapter 2 (Existing solutions of the left ventricular assist devices and a completely artificial heart) are presented two classic examples of the type of rotary pumps supporting the LVAD, and two examples of completely artificial hearts. In Chapter 3 (The construction of innovative electromagnetic driven micropump) are presented the spatial design and a description of the construction of the innovative drive. In Chapter 4 (The field model of the electromagnetic driven micropump drive) an field model analysis of the micropump drive for the proposed two types of control system have been made, based on the micropump construction. Based on the results of the analysis were discussed the disadvantages and advantages of the proposed construction of the micropump drive.
The stroke volume of pulsatile ventricular assist device (VAD) is one of the key clinical indicators to evaluate the adequacy of the process of mechanical heart assistance and ensuring the patient’s safety. In order to evaluate the volume changes in VAD blood chamber, a bioimpedance method was applied, based on volumetric electric conductivity of the blood. Periodic changes in VAD volume during its operation result in a pulsatile impedance waveform; its amplitude in the subperiods of filling and ejection correlates with blood volume in the chamber. The paper presents the method of analysis of the bioimpedance signal recorded in VAD blood chamber with a reference to the classical method of analysing the cardioimpedance signal from the patient’s thorax. The paper also presents the results of determining stroke volume of blood chamber based on an empirical formula that has been developed.
Niniejszy artykuł zawiera opis przeprowadzonego eksperymentu identyfikacyjnego dla sztucznej komory serca POLVAD-MEV oraz opracowanych algorytmów wykrywania stanu całkowitego napełnienia oraz wyrzutu z komory krwistej tego urządzenia. Przedstawiono metody diagnostyczne bazujące na różnych sygnałach wejściowych oraz ich implementację w programie symulacyjnym PExSim. Zawarto oraz omówiono uzyskane wyniki oraz opracowano wnioski dotyczące poszczególnych metod wyznaczania stanów granicznych napełnienia komory.
EN
The paper presents an identification experiment for the POLVAD-MEV artificial heart and the developed detection algorithms for complete filling and full emptying the device blood chamber. In Section 1 the subject is presented and the problem of thrombus formation, as a result of incomplete range of the assist device membrane motion, is discussed. Section 2 presents the research methodology. In Subsection 2.1 the ventricle assist device construc-tion (Fig. 1) and the test bench are described. The stand consists of a hybrid model of the circulatory system [10] with attached POLVAD device and the following measuring equipment: ultrasonic flow measurements at the inlet and outlet cannula, pressure sensors at the inlet and outlet of the blood chamber and the air pressure in pneumatic drain. In Subsection 2.2 the impact of complete filling and full ejection on the transients of the measured values is dis-cussed (Fig. 2). Two algorithms for detection of complete filling and full ejection are presented. One of them is based on the analysis of pressure changes in the cannulas and pneumatic drain, the second one is based only on the pneumatic pressure variation. Section 3 presents the results of the diagnostic algorithm examination. The effectiveness of the proposed methods is compared. In the last section the obtained results are summarized and some proposals for further improvements are given when focusing on the development of diagnostic features based on analysis of the pneumatic pressure variation only.
Information about the level how well arterial blood is saturated with oxygen, i.e. the overall patient saturation, in particular a patient with a ventricular assist device (VAD) inoculated, is very important for efficient and dependable course of blood circulation support. The paper presents the method for measurement of blood saturation with oxygen that is carried out with use of a commercially available pulse oximetric sensor upon necessary modifications and installed directly on a outflow connector of the VAD. Operability of the presented solution has been verified by experiments on a flow control test bench with use of animal blood. The final validation of the measuring circuit was carried out during experiments with an animal. The completed experiments demonstrated that both the blood saturation with oxygen as well as artificial pulse rate can be measured with accuracy. Unfortunately, similar measurements for venous blood proved infeasible.
Volumetric parameters of operation of the pulsatile ventricular assist device (VAD) are the key clinical indicators for the evaluation of adequacy of the process of mechanical heart assistance and ensuring the patient's safety. The bioimpedance method has been proposed to evaluate blood volume changes of the VAD. The method is based on volume electric conductivity of the blood. A change in VAD volume involves changes in impedance. Periodic changes in VAD volume during its operation result in a pulsatile impedance wave; its amplitude in the subperiod of filling and ejection correlates with the volume of blood in the VAD. The paper presents the way of acquisition of the bioimpedance signal. It also presents the results of experimental studies, that were carried out with the use of the flow test stand, and an approach to analysing the bioimpedance signal to evaluate the stroke volume.
This paper presents a general description of the platform for remote monitoring and supervision of heart assist devices (POLPDU). To facilitate a more in-depth understanding of this system and its development, firstly, a brief discussion on severe heart failure problem are given. Then, the short description of the core modules of the system is included. The main emphasis is placed on the communication between the heart assist devices and the central platform server. Finally, the directions of development of the system are discussed.
11
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Zbadano właściwości zmęczeniowe nowych, syntezowanych nanokompozytów elastomerowych. Osnowę polimerową stanowił elastomer multiblokowy poli(alifatyczno/aromatyczny ester) (PET/DLA) o twardości porównywalnej do twardości poliuretanów stosowanych obecnie w konstrukcjach sztucznych komór wspomagania pracy serca, w roli napełniacza zaś zastosowano nanometryczne cząstki węglowe (30 nm) (CNP). Właściwości zmęczeniowe określano metodą pętli histerezy mechanicznej, w której dokonuje się oceny kolejnych stanów naprężenia-odkształcenia materiału podczas deformacji cyklicznej. Obciążając sinusoidalnie materiał w cyklach niesymetrycznych wyznaczono wartości „pełzania dynamicznego” otrzymanego kopolimeru i nanokompozytów zawierających 0,2 lub 0,6 % mas. nanocząstek węgla. Wyniki wskazują, że bardzo mały udział nanocząstek nie wpływa w istotnym stopniu na wzrost odporności na płynięcie materiału w czasie (100 tys. cykli, częstotliwość 1,33 Hz) i stałym obciążeniu. Mimo to jednak badane materiały poliestrowe (z i bez udziału nanocząstek) wykazują ponad sześciokrotnie większą odporność na płynięcie pod obciążeniem niż dostępny w handlu poliuretan stosowany w kardiochirurgii.
EN
The results of studies on the fatigue properties of synthesized novel elastomeric nanocomposites have been presented. An elastomeric multiblock poly(aliphatic/aromatic ester) — PET/DLA of a hardness comparable to that of biomedical polyurethanes used for cardiovascular applications was applied as polymeric matrix and carbon nanoparticles (CNP, 30 nm) used as fillers (Fig. 1). The fatigue properties were determined by the "mechanical hysteresis loop method”, in which the subsequent stress-strain behavior was evaluated during cyclic deformations (Fig. 2, Table 1). The dynamic creep values of the copolymers and the synthesized nanocomposites containing 0.2 or 0.6 wt. % of the carbon nanoparticles was determined by sinusoidal deformation of the material in unsymmetrical cycles (Figs. 3—9, Table 2). The obtained results indicate that a small percentage per weight composition of the nanoparticles does not cause an increase in the creep resistance of the material in any significant manner over a long testing period (100 thousand cycles, 1.33 Hz frequency) under constant loading. Moreover, the studied polyester materials (with and without the nanofillers) exhibited an over six-fold increase in the creep resistance under loading in comparison with biomedical polyurethane currently applied in cardiovascular devices.
Information about blood pressure at the inflow and outflow connectors as well as inside a Ventricular Assist Device (VAD) supplemented with information about pressures inside the pneumatic part enables to adjust operational parameters of the VAD in the optimum manner. Practical implementation of a method that makes it possible to measure blood pressure at plurality of points is a really sophisticated task in terms of technical and technological issues. On one hand it is mandatory to assure appropriate metrological properties of the entire measurement path, on the other hand the measuring transducers must be reliably separated from blood. Internal surfaces of these VAD parts that come in direct contact with blood must be smooth and uniform; it is extremely essential due to a risk of blood coagulation on any unevenness of surfaces. The paper presets the solution for measurements of blood pressure inside the VAD, where the suggested solution meets the assumed metrological criteria as well as very stringent safety requirements.
13
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
A Ventricular Assist Device (VAD) is used in case of severe heart illnesses when the natural heart supplies the body with an insufficient volume of blood. Any damage or improper fiinctioning of the VAD can result in the patienfs death. This implies the constant need to improve the design of VADs and artificial valves which are crucial parts of the device. The authors used the latest Computer Aided Design and Computational Fluid Dynamics software to analyze the flow in the pneumatic Ventricular Assist Device designed at the Foundation of Cardiac Surgery Development and eąuipped with two different types of valves. In the study, a single-disc mechanical artificial heart valve based on the invention of Prof. J.J. Moll, modified at the Institute of Turbomachinery, TU Lodz, was compared with a three-leaflet polyurethane artificial heart. A comparison was made on the basis of the flow visualization inside the VAD chamber and the size of stagnation regions where the flowing blood may coagulate. An angular position of the disc valve was determined on the basis of the previous studies. A steady state simulation was performed on the assumption that walls of the assist device, adapters and valves were rigid. Dynamie viscosity of blood was defined on the basis on the Non-Newtonian Power Law. Simulations were preformed for systole and diastole conditions. The Ansys CFX vi2 code was used to perform preprocessing, solving and postprocessing stages. Deformations of the three-leaflet polyurethane valve were obtained in SolidWorks 2009 and imported to Ansys ICEM v. 12. On the basis of the preformed analysis, it has been proven that the disc mechanical heart valve generates better flow conditions inside the heart chamber, especially if a risk of coagulation is concerned. Moreover, the flow observed inside the chamber when the disc valve was used is more homogenous and a single swirl occurring in the central part enables good washing of the connection of the diaphragm and chamber regions.
PL
Gdy lewa komora serca nie pracuje prawidłowo, to jest zastępowana protezą - pulsacyjną komorą wspomagania pracy serca (VAD, z ang. ventricular assist device), którą często wykonuje się z poliuretanu (PU) i naniesionej za pomocą metody PLD (osadzenie laserem impulsowym) biokompatybilnej powłoki TiN. Otrzymywane duże wartości ściskających naprężeń własnych, są najwyższe ze wszystkich mierzonych, gdy powłokę TiN nanosi się metodą PLD. Celem niniejszej pracy jest opracowanie programu komputerowego wykorzystującego metodę elementów skończonych (MES) do wieloskalowego modelowania stanu odkształceń i naprężeń dla komory krwistej zbudowanej z PU/TiN, który to program będzie wykorzystywany do określania najbardziej niebezpiecznych miejsc ze względu na możliwe uszkodzenia materiału powierzchni komory, jakie mogą się pojawiać w warunkach pracy komory. Algorytmy wykorzystywane do tworzenia siatki elementów skończonych, implementacja warunków brzegowych i otrzymane rozwiązanie numeryczne zaprezentowano w niniejszej pracy. Opracowany kod MES jest oparty na nowym podejściu do symulowania materiałów wielopowłokowych otrzymywanych metodą PLD. Model w skali mikro zawiera dwa składniki: model naprężeń własnych (naprężeń początkowych) powstałych w procesie nanoszenia powłok i model obciążeń zadawanych w komorze krwistej VAD. Przewidywane w modelu rozkłady naprężeń i odkształceń pomagają określić dokładnie te strefy komory krwistej, które można zdefiniować, jako obszary będące źródłem jej uszkodzeń
Polyurethanes (PU) are nowadays one of the most widely used types of polymers for biomedical applications. The segmented nature of these materials enables to obtain both flexibility and mechanical strength within the same material. However, there is a need to modify a surface of PU in order to produce highly hemocompatible materials that can be used in fabrication of permanent blood-contacting devices such as vascular implants, valves or hearts. Among many types of modifications, hydrogel coating appears to be very promising. Such modification increases the hydrophilicity of PU which in turn causes an increase in the bio- and hemocompatibility of the material. The aim of presented study was to create a polyvinylpyrrolidone (PVP) hydrogel coating onto a surface of polyurethane. A possibility of using a free radical polymerization reaction was investigated. The obtained materials were analyzed in terms of durability, swelling ratio and contact angle. The FTIR-ATR analysis confirmed that polyurethane surfaces have been successfully coated with PVP.
The phenomenon of blood coagulation on the surfaces of implantable devices such as artifi cial blood vessels, valves or hearts is the major problem that has to be taken into consideration during the construction of such devices. Since the main factor that has an infl uence on clotting of blood is the surface of the material the device is made of, numerous attempts has already been undertaken to modify surfaces of existing materials in order to provide necessary protection against clot formation, very often by coating the materials with bio-active substances. The aim of presented study was to create a coating of phosphatidylcholine that would mimic natural cell outer membrane on the surface of polyurethane — a material already in use in construction of cardiovascular implants. The obtained coated materials have been evaluated with the use of FT-IR/ATR spectroscopy. The change in contact angle of modifi ed material was also investigated. Finally in vitro cytotoxicity tests were performed in order to examine biocompatibility of obtained material.
16
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Protezy służące do wspomagania serca są rozwijane w Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu. Ich głównym zadaniem jest przyspieszenie leczenia mięśnia sercowego pacjentów, u których zdiagnozowano choroby serca i układu krwionośnego. Zastosowanie protezy wspomagającej pracę serca pozwala na znaczne przyspieszenie leczenia chorego serca lub w przypadkach ostatecznych - na oczekiwanie na przeszczep serca. W publikacji zamieszczono analizę metod pomiarowych do zastosowania w protezach serca typu POLVAD (Polish Ventricular Assistant Device). Praca dotyczy zagadnienia bezinwazyjnej metody pomiarowej pozwalające na pomiar ciśnienia krwi w ustalonych miejscach, umieszczonych na protezie oraz wewnątrz protezy sztucznego serca.
EN
In this paper methods analysis for pressure measurement for using in the POLVAD (Polish Ventricular Assistant Device) are introduced. Work is focused on the noninvasive methods for blood pressure measurement in crucial points around heart prosthesis. Mechanical prosthesis used for heart support, are developed by the Foundation of Cardiac Surgery Development in Zabrze. Their main purpose is to aid the heart healing process in patients with cardiac problems. Use of the POLVAD prosthesis helps with speeding up heart recovery process in patients or is being or supports patient waiting for heart transplant.Conducted research is part of “Polish Artificial Heart” program. Main goal of this part of project is introduction of functional noninvasive blood pressure measurement system for POLVAD device and in future for fully artificial heart. Two sensing methods are being introduced: fiber pressure sensor and piezoelectric pressure measurement with. Preliminary results are included, and choice of best method for future development is being pointed out.
Synchronization of operation of an artificial chamber supporting the sick heart of a patient has a crucial meaning for the effectiveness of support. To make the synchronized operation possible, the information on patient's heart activity should be fed to a controller of the supporting chamber. To this end, the QRS complex detector operating on ECG signal is necessary. The signal must be acquired from a patient's heart. Appropriate signal quality at long-term support may be assured only in a case the signal is acquired with epicardial electrodes. In the paper, the concept of hardware construction of a QRS complex detector has been presented, based on a field programmable analog array FPAA. The results of verification of the developed detector include the correct operation while using the epicardial signals recorded from patients which undergone the cardiosurgical operations.
18
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W sytuacji zagrożenia ciągłości pracy serca życie ludzkie jest narażone na olbrzymie niebezpieczeństwo. Na potrzeby wspomagania pracy tego narządu oraz w celu jego zastąpienia zbudowano wiele różnych typów urządzeń. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki symulacji przepływu w pompie pulsacyjnej zasilanej pneumatycznie, która została stworzona na potrzeby wspomagania pracy serca pacjenta. W oparciu o metody numeryczne możliwe jest przeprowadzanie symulacji pracy komory wspomagania pracy serca z różnymi modyfikacjami konstrukcyjnymi. Przeprowadzone badania ilustrują wpływ ustawienia kątowego zastawek wlotowej i wylotowej na charakter przepływu w czaszy krwistej. Celem badań jest znalezienie takiego położenia kątowego zastawek, dla którego zminimalizowane zostanie ryzyko wykrzepiania krwi.
EN
Life is highly threaded in case of a failure of heart continuous and proper work. Artificial heart prostheses as well as heart assisting devices were built to protect and solve different problems connected with heart diseases. The present work is dedicated to the numerical experiment showing flow characteristics in the pneumatically driven pulsating blood pump used as a heart assisting device. Computational Fluid Dynamics methods allow one to simulate operation of the device with different structure modifications. The research was made to show an influence of changing angle of the artificial valve in the inlet and outlet channel on the flow parameters inside of the blood diving part of the device. The aim of the study is to find out positions of the valves that minimize blood coagulation risk
20
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W niniejszym artykule zamieszczono analizę metod pomiarowych, możliwych do zastosowania w protezach sztucznego serca POLVAD (Polish Ventricular Assistant Device). Mechaniczne protezy służące do wspomagania serca rozwijane w Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu mają za zadanie wspomagać leczenie mięśnia sercowego u pacjentów ze zdiagnozowanymi chorobami serca i układu krwionośnego. Zastosowanie protezy wspomagającej pracę serca pozwala na znaczne przyspieszenie leczenia. Artykuł opisuje zagadnienia związane z wyborem bezinwazyjnej metody pomiarowej pozwalające na określenie ciśnienia krwi w określonych miejscach protezy sztucznego serca. Warunkiem koniecznym, jaki musi spełnić układ pomiarowy, jest całkowita separacja czujnika od środowiska krwistego. Wynika to z potrzeby unikania destrukcji składników krwi oraz powstawania zakrzepów. W pracy opisano dwie możliwe metody pomiarowe - systemy zbudowane przy wykorzystaniu folii piezoelektrycznej oraz metod optycznych.
EN
Methods for pressure measurement to be used in the POLVAD artificial heart prostheses are described in this paper. The mechanical prostheses used for heart support are developed by the Foundation of Cardiac Surgery Development in Zabrze. Their main purpose is to aid the heart muscle recovery of patients with cardiac problems. Use of the POLVAD prosthesis speeds up the healing process. The paper covers the recent research into the possible pressure sensing methods for use in the noninvasive blood pressure measurement in required places around the prosthesis. The main requirement for the developed methods is lack of contact with blood to avoid the destruction of blood elements and minimise influence on the blood flow. Two sensing methods are presented: one based on a fiber pressure sensor, the other on piezoelectric pressure measurements. The preliminary results are included, and choice of the best method for future development is pointed out.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.