PL B BUP 16/03. Kosowski Bronisław,Kożuchów,PL WUP 10/09 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. A61M 1/10 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Układ sterowania sztucznym sercem przeznaczonym do implantacji (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 16/03 (76) Uprawniony i twórca wynalazku: Kosowski Bronisław,Kożuchów,PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/09 PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest układ sterowania sztucznym sercem przeznaczonym do implantacji, zadaniem którego jest sterowanie sztucznym sercem lub inaczej protezą serca w sposób elastyczny zmieniając rzut minutowy protezy serca w zależności od stanu dynamicznego (wysiłku) pacjenta, jak również wpływów humoralnych, emocjonalnych, dzięki czemu pacjent nie odczuwa pod względem funkcjonalnym posiadania sztucznej pompy. Układ ten służyć może głównie tym odmianom protez serca, w których zespoły pompujące posiadają system okalających je pneumatycznych pierścieni bezpośrednio je napędzających, wymuszających ruch i wyrzut krwi w protezie serca w oparciu o zjawisko ruchu robaczkowego występujące w jelitach, rozpatrywane w kategoriach przesłanek Bioniki. Być może ze względu na prostotę rozważanego układu doprowadzoną do granic możliwości, która zresztą jak podaje literatura fachowa (Akutsu) jest podstawą konstrukcji układów sterowania protezami serca - tego typu układ sterowania o podobnej konfiguracji schematu blokowego i funkcji spełnianych przez poszczególne jego bloki praktycznie nie występuje w technice. Pierwiastkiem wspólnym z rozwiązaniem według wynalazku jest pneumatyczny układ napędowy protezy serca podany w polskim opisie patentowym nr , ale jest to układ spełniający jedynie rolę układu wykonawczego, nieposiadający sterującego nim układu elektronicznego. Składa się on z zamkniętego obwodu pneumatycznego, w którym krąży stała porcja gazu ruchem okrężnym, wymuszanym przez miniaturową sprężarkę tłokową poruszaną miniaturowym silniczkiem elektrycznym. W tym układzie pneumatycznym na obwodzie rozmieszczone są: pierścienie pneumatyczne zespołów pompujących sztucznego serca, dwa zbiorniczki kompensacyjne, w których w jednym sprężany jest gaz, a w drugim rozprężany, dzielnik gazu rozprowadzający sekwencyjnie gaz po pneumatycznych pierścieniach zespołów pompujących i posiadający dwa kanały rozdziału gazu, w których po jednym w każdym przemieszczają się tłoczki rozdzielające gaz na pierścienie pneumatyczne zespołów pompujących, poruszane ruchem posuwisto zwrotnym przez dwa miniaturowe silniczki liniowe. Następnie dalej znajduje się miniaturowa sprężarka tłokowa wymuszająca ruch gazu dookoła obwodu pneumatycznego poprzez dwa zbiorniczki kompensacyjne, dwa kanały rozdziału gazu dzielnika gazu i pierścienie pneumatyczne napędzające bezpośrednio zespoły pompujące. Jest to jedynie część wykonawcza, pneumatyczny układ napędowy protezy serca, pozbawiony sterowania elektronicznego. W rozwiązaniu według wynalazku układ sterowania pracą protezy serca zawiera nie tylko wyżej wspomniany układ wykonawczy, lecz również sterującą nim część elektroniczną, bez której proteza serca nie jest w stanie pracować w sposób racjonalny i prawidłowy, zaspokajając wymagania i potrzeby układu naczyniowego i ustroju pacjenta. Cały układ sterowania posiada pętlę sprzęgającą go z układem humoralnym, neuro-hormonalnym ustroju pacjenta wpływającym na pracę naturalnego serca w warunkach naturalnych, sprzężenie to polega na elektrycznym połączeniu z układem bodźcotwórczym naturalnego serca (węzłem zatokowo-przedsionkowym) poprzez zbieranie potencjałów czynnościowych z części prawego przedsionka pozostawionej po usunięcie niesprawnego już serca, w taki sposób, aby zawierała ona nienaruszony węzeł zatokowo-przedsionkowy mogący prawidłowo pracować i aby była odpowiednio unaczyniona i odżywiana, zapewniając jednocześnie swoimi rozmiarami możliwość umieszczenia elektrod zbierających rozprzestrzeniające się po niej potencjały czynnościowe podczas wyładowań węzła zatokowo-przedsionkowego i aby węzeł zatokowo-przedsionkowy połączony był z nerwami łączącymi wyższe poziomy hierarchii sterowania jego pracą. Pętla współpracuje z dwiema pętlami sprzężeń zwrotnych. Z pętlą sprzężenia zwrotnego, która realizuje częstością pracy zespołów pompujących Prawo Starlinga-Franka przez protezę serca i jeszcze dalej drugą pętlą sprzężenia zwrotnego, która wpływa na utrzymanie odpowiednich wartości przepływu gazu i jego ciśnienia w obwodzie pneumatycznego układu napędowego, czyli układu wykonawczego, dodając swój sygnał w węźle sumacyjnym do sygnału zasilania podawanego na miniaturowy silniczek elektryczny napędzający miniaturową sprężarkę tłokową. Pętla sprzęgająca układ sterowania z układem nerwowym (bodźcotwórczym) posiada wzmacniacz, człon całkujący i uśredniający, człon, który w oparciu o sygnał z członu całkującego i uśredniającego oraz w oparciu o sygnały o wartościach parametrów napływu krwi do protezy serca określone przez człony proporcjonalne w pętli realizującej Prawo Starlinga-Franka wypracowujący sygnały sterujące miniaturowymi silniczkami liniowymi i wypracowuje sygnał dodający się w węźle sumacyjnym z sygnałem zasilającym o stałej w czasie wartości z członu służącego do zasilania bezpośrednio miniaturowego silniczka elektrycznego napędzającego miniaturową sprężarkę

3 PL B1 3 tłokową i służącego jeszcze do wstępnego ustawienia punktu pracy całego układu sterowania protezą serca. Dzięki pętli, która sprzęga układ sterowania z układem nerwowym (bodźcotwórczym) istnieje możliwość elastycznego sterowania akcją protezy serca w różnych sytuacjach pacjenta (wysiłek, oddziaływanie humoralne) w sposób nieodczuwalny funkcjonalnie faktu posiadania sztucznej pompy. Układ sterowania jest skrajnie prosty przez co niezawodny, zawiera tylko kilka nieskomplikowanych konstrukcyjnie członów, a sterowanie protezą serca sprowadza się nieomal tylko do sterowania pracą dwóch miniaturowych silniczków liniowych obsługujących krążenie małe i duże. Mikroskopijne wręcz jego rozmiary ułatwiają w sposób bezproblemowy umieszczenie go w obrębie tułowia pacjenta. Wprawdzie rozwiązanie według wynalazku podaje opis matematyczny tylko niektórych członów układu sterowania, dla pozostałych podając ideę funkcji przez nich spełnianych, ale podanie na podstawie rozważań teoretycznych takich zależności jest niemożliwe, wymaga ono bowiem stanowiska eksperymentalnego dla protezy serca ze symulowanym układem naczyniowym i badań eksperymentalnych połączonych z modelowaniem analogowym i cyfrowym, oraz doświadczeń na zwierzętach. Rys. przedstawia schemat blokowy realizacji układu sterowania protezą serca sprzęgającą go elektrycznie z układem bodźcotwórczym naturalnego serca pętlą, wraz z wchodzącym w skład układu sterowania układem wykonawczym w postaci pneumatycznego układu napędowego, oraz dwie pętle sprzężeń zwrotnych układu sterowania współpracujące w realizacji przez układ sterowania kolejno - jedna Prawo Starlinga-Franka - druga utrzymania wymaganej wartości przepływu gazu i ciśnienia w układzie wykonawczym podczas pracy protezy serca. Układ sterowania protezą serca łączy w sobie jednocześnie część wykonawczą stanowiącą pneumatyczny układ napędowy protezy serca i nim sterującą część elektroniczną. Układ wykonawczy posiada zamknięty obwód pneumatyczny wokół, którego krąży cyrkulacyjnie stała porcja gazu. Po obwodzie pneumatycznym układu wykonawczego rozmieszczone są pierścienie pneumatyczne i napędzające zespoły pompujące 2, miniaturowa sprężarka tłokowa 3 gazu, wymuszająca ruch gazu w całym pneumatycznym układzie napędowym, poruszana miniaturowym silniczkiem elektrycznym 4. Ze sprężarką współpracuje dzielnik gazu i w zależności od wykonania z komorami sprężania 5 i rozprężania 6, bądź samodzielne zbiorniczki kompensacyjne pełniące taką samą funkcję co komory sprężania 5 i rozprężania gazu 6 w dzielniku gazu. Dzielnik gazu posiada dwa miniaturowe silniczki liniowe 7 poruszające w dwóch kanałach 8 rozdziału gazu dzielnika gazu dwa tłoczki 9 rozprowadzające gaz na pierścienie pneumatyczne i zespołów pompujących 2 protezy serca. Układ sterowania sprzężony jest z ustrojem 10 pacjenta i ustrój 10 pacjenta za jego pośrednictwem steruje pracą protezy serca poprzez zarówno bioprądy generowane w układzie sterowania przez potencjały czynnościowe występujące w układzie krążenia jak również poprzez zmiany napływu krwi do protezy serca - na podstawie pomiarów wartości parametrów, których to, układ sterowania wypracowuje sterowanie protezą serca. Potencjały czynnościowe zbierane są z części 11 prawego przedsionka pozostawionej po usunięciu niesprawnego już serca, w taki sposób, aby część ta zawierała nieuszkodzony i nienaruszony węzeł zatokowo-przedsionkowy mogący prawidłowo pracować i aby była odpowiednio unaczyniona i odżywiana zapewniając jednocześnie swoimi rozmiarami możliwość umieszczenia elektrod zbierających rozprzestrzeniające się po niej potencjały czynnościowe podczas wyładowań węzła zatokowo-przedsionkowego i aby węzeł zatokowo-przedsionkowy miał łączność z nerwami łączącymi wyższe poziomy 12 hierarchii sterowania jego pracą. Układ sterowania posiada pętlę łączącą go elektrycznie z układem bodźcotwórczym serca odgrywającą główną rolę w elastycznym sterowaniu protezą serca współpracującą z pętlą sprzężenia zwrotnego realizującą częstością pracy zespołów pompujących Prawo Starlinga-Franka przez protezę serca, oraz współpracującą z pętlą sprzężenia zwrotnego regulującą obroty miniaturowego silniczka elektrycznego 4 napędzającego miniaturową sprężarkę tłokową 3 i utrzymującą odpowiednią wartość przepływu gazu i ciśnienia w obwodzie pneumatycznym układu wykonawczego. Pętla sprzęgająca układ sterowania protezą serca z układem bodźcotwórczym naturalnego serca zawiera wzmacniacz 13 wzmacniający potencjały czynnościowe zbierane z części 11 prawego przedsionka, oraz człon 14 całkujący i uśredniający je za odpowiednio dobrany okres czasu T. Tak obrobiony sygnał podawany jest dalej w rozważanej pętli obróbce przez człon 15, który w oparciu o ten sygnał i sygnały o wartościach parametrów napływu określone przez dwa człony proporcjonalne 16 w pętli realizującej Prawo Starlinga-Franka, wypracowuje sygnały sterujące dwoma miniaturowym silniczkami liniowymi 7 poruszającymi dwa tłoczki 9 w kanałach 8 rozdziału gazu dzielnika gazu, oraz wypracowuje sygnał dodający się w węźle sumacyjnym 17 z sygnałem o stałej w czasie wartości z członu 18 służącego do

4 4 PL B1 zasilania bezpośrednio miniaturowego, elektrycznego silniczka 4 napędzającego miniaturową sprężarkę tłokową 3 i wstępnego ustawienia 19 punktu pracy całego układu sterowania protezą serca. Zastrzeżenia patentowe 1. Układ sterowania pracą sztucznego serca przeznaczonego do implantacji zabudowany całkowicie w tułów pacjenta łączący sobą część elektroniczną i sterowany przez nią układ wykonawczy będący pneumatycznym układem napędowym o zamkniętym obwodzie pneumatycznym, w którym wokół krąży cyrkulacyjnie stała porcja gazu, a po jego obwodzie rozmieszczone są kolejno; pneumatyczne pierścienie napędzające zespoły pompujące protezy serca, miniaturowa sprężarka tłokowa gazu wymuszająca ruch okrężny gazu w całym pneumatycznym obwodzie napędowym poruszana miniaturowym, elektrycznym silniczkiem i umieszczony dalej jest współpracujący z nią dzielnik gazu w zależności od wykonania z komorami sprężania i rozprężania gazu, bądź samodzielnie występujące dwa zbiorniczki kompensacyjne pełniące taką samą funkcję co komory sprężania i rozprężania gazu dzielnika gazu, przy czym z dzielnikiem gazu współpracują dwa miniaturowe silniczki liniowe poruszające w dwóch kanałach rozdziału gazu dzielnika gazu dwa tłoczki rozprowadzające gaz na pierścienie pneumatyczne napędzające bezpośrednio zespoły pompujące, przy czym cały układ sterowania sprzężony jest całkowicie z ustrojem pacjenta i jest sterowany głównie przez potencjały czynnościowe występujące w układzie krążenia, znamienny tym, że posiada pętlę łączącą go elektrycznie z układem nerwowym i bodźcotwórczym naturalnego serca odgrywającą główną rolę w sterowaniu pracą sztucznego serca, współpracującą z dwiema pętlami sprzężeń zwrotnych - z pętlą sprzężenia zwrotnego, która realizuje częstością pracy zespołów pompujących (2) Prawo Starlinga-Franka przez protezę serca i jeszcze dalej drugą pętlą sprzężenia zwrotnego, która wpływa na utrzymanie odpowiednich wartości przepływu gazu i jego ciśnienia w obwodzie pneumatycznego układu napędowego, czyli układu wykonawczego dodając swój sygnał w węźle sumacyjnym (17) do sygnału zasilania podawanego przez człon (18) na miniaturowy silniczek elektryczny (4) napędzający miniaturową sprężarkę tłokową (3). 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że potencjały czynnościowe zbierane są przez pętlę łączącą układ sterowania elektrycznie z układem bodźcotwórczym naturalnego serca z części (11) prawego przedsionka, pozostawionej po usunięciu niesprawnego już serca, w taki sposób, aby część ta (11) zawierała nieuszkodzony i nienaruszony węzeł zatokowo-przedsionkowy i aby węzeł zatokowo-przedsionkowy miał łączność funkcjonalną z nerwami łączącymi go z wyższymi poziomami (12) hierarchii sterowania jego pracą. 3. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pętla łącząca układ sterowania elektrycznie z układem bodźcotwórczym naturalnego serca zbierająca potencjały czynnościowe z części (11) prawego przedsionka naturalnego serca zawiera: wzmacniacz (13), człon (14) całkujący i uśredniający je dalej za odpowiednio dobrany okres czasu T i człon (15), który w oparciu o sygnał z członu całkującego i uśredniającego (14), oraz w oparciu o sygnały o wartościach parametrów napływu krwi do protezy serca określone przez człony proporcjonalne (16) w pętli realizującej Prawo Starlinga-Franka - wypracowuje sygnały sterujące dwoma miniaturowymi silniczkami liniowymi (7), poruszającymi dwa tłoczki (9) dzielnika gazu w dwóch kanałach gazu (8) rozdziału gazu dzielnika gazu i wypracowuje sygnał dodający się w węźle sumacyjnym (17) z sygnałem zasilającym o stałej w czasie wartości z członu (18) służącego do zasilania bezpośrednio miniaturowego silniczka elektrycznego (4) napędzającego miniaturową sprężarkę tłokową (3) i służącego jeszcze do wstępnego ustawienia (19) punktu pracy całego układu sterowania protezą serca.

5 PL B1 5 Rysunek

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.