На правах рукописи

БЫКОВ

Илья Викторович

ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ КРОВООБРАЩЕНИЕ

НА БАЗЕ ОСЕВЫХ НАСОСОВ

(МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ)

14.01.24 - Трансплантология и искусственные органы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва – 2014

Работа выполнена в ФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова» Минздрава России.

Научный руководитель:

Доктор биологических наук, профессор Иткин Георгий Пинкусович

Официальные оппоненты:

Коротеев Алексей Васильевич доктор медицинских наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», заместитель директора медицинского научнообразовательного центра Куликов Николай Иванович доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», заместитель заведующего кафедрой электроэнергетических, электромеханических и биотехнических систем

Ведущая организация: ФГБУ «Новосибирский научно-исследовательский институт патологии кровообращения имени академика Е.Н. Мешалкина» Минздрава России.

Защита диссертации состоится «16» сентября 2014 г. в 15:00 часов на заседании Диссертационного Совета (Д.208.055.01) ФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов им. академика В.И. Шумакова»

Минздрава России, по адресу 123182, г. Москва, ул. Щукинская, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов им. академика В.И. Шумакова»

Минздрава России и на сайте http://www.transpl.ru

Автореферат диссертации разослан «_»_ 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д.208.055. доктор медицинских наук Шаршаткин Алексей Вячеславович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время заболевания сердечно-сосудистой системы (ССС) являются ведущей причиной инвалидизации и смертности среди взрослого населения. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) число смертельных исходов при данной патологии прогнозируется с 17 миллионов в 2008 году до 30 миллионов к 2030 году.

Основным и наиболее эффективным методом лечения для пациентов, страдающих наиболее тяжелыми формами сердечной недостаточности (ТФСН) в терминальной стадии, является трансплантация донорского сердца. В ФГБУ «ФНЦ трансплантологии и искусственных органов им. ак. В.И. Шумакова» Минздрава России в 2013 году в России было произведено 102 трансплантации сердца, при минимальной потребности в стране не менее тысячи пересадок.

Методы механической поддержки кровообращения (МПК) для лечения пациентов с ТФСН в последнее десятилетие стали одним из наиболее эффективных средств помощи пораженному миокарду и приняты в качестве стандартной терапии во многих мировых центрах. В нашей стране использование систем МПК ограничено, в основном, высокой стоимостью данных систем. Однако, в последние годы успешно развивается программа создания отечественного аппарата АВК-Н для длительной поддержки кровообращения на базе имплантируемого осевого насоса (ИОН). Предварительные эксперименты на животных с выживаемостью 60-112 дней, показали высокую надежность аппарата и возможность его клинического применения. В июне 2012 года была проведена первая апробация аппарата в клинике у пациента с тяжелой формой дилатационной кардиомиопатии. Пациент был выписан из клиники со значительным улучшением органных функций, что позволило ему вести активный образ жизни. Через 9 месяцев использования аппарата пациенту было успешно трансплантировано донорское сердце.

Несмотря на первые успехи, до сих пор остаются малоизученными многие вопросы применения систем вспомогательного кровообращения (СВК), связанные с большим многообразием форм хронической сердечной патологии. Одним из наиболее важных вопросов, с точки зрения уменьшения рисков применения СВК, является оптимизация выбора пациентов для проведения данной операции на основании предварительного моделирования условий, возникающих при подключении имплантируемого насоса к ССС и определения исходных режимов его работы. На данный момент возможности предварительной оценки рисков применения СВК с точки зрения адекватности поддержки кровообращения достаточно ограничены. Одной из возможных причин этого является отсутствие экспериментальных исследований взаимодействия ССС и ИОН в условиях моделирования ТФСН, включающей как уменьшение сократительной способности миокарда, так и ряд сопутствующих заболеваний, таких как, например, пороки клапанов сердца. Работы по данному направлению крайне редки, что связано с трудностями воспроизведения данных патологий в эксперименте на животных, повторяемости результатов моделирования и чрезвычайной дороговизной этих исследований.

Цель исследования заключается в создании методов и средств оценки взаимодействия ССС с насосом непрерывного потока (ННП) в условиях изменения сократимости миокарда, клапанной патологии, а также выбора оптимального режима работы ННП на основе построения математической модели (ММ) этого взаимодействия.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

С использованием методов математического моделирования разработать модель биотехнической системы, включающей в себя ССС и СВК.

Определить характеристики насосов непрерывного потока крови во всем динамическом диапазоне пост- и преднагрузок.

Разработать методику косвенного определения выходных параметров насоса – расхода и напора с использованием управляющих ННП сигналов.

Провести на ММ исследования по оценке взаимодействия ССС c ННП в условиях снижения сократимости миокарда, клапанных патологий и определить алгоритм прогнозирования эффективности применения СВК при выборе пациента с ТФСН.

Провести анализ адекватности моделируемых процессов на основе сравнения результатов моделирования ССС с известными усредненными показателями гемодинамики человека.

Разработать на основании полученных данных алгоритм определения неблагоприятных режимов взаимодействия ССС и ННП (постоянное закрытие аортального клапана, присасывание входной канюли насоса и режим обратного кровотока через насос). Оценить влияние недостаточности митрального клапана при работе ННП.

Разработать требования к расходно-напорным характеристикам (РНХ) ННП с учетом динамического диапазона их функционирования, в частности при правожелудочковом обходе. С использованием ММ определить режимы работы правого и левого насосов при бивентрикулярном обходе.

Методы исследований. Поставленные задачи решались с использованием методов математического моделирования сложных биотехнических систем, данных, полученных на гидродинамических стендах и в экспериментах на животных с применением методов цифровой обработки.

Научная новизна исследования. Синтезирована комплексная математическая модель, описывающая взаимодействие двухкруговой ССС и ННП с возможностью изменения основных параметров сердца от нормы к патологии, включая моделирование клапанных пороков, объемных показателей желудочков и коронарного кровотока.

Определена общая стратегия управления ННП на всех этапах применения системы СВК с использованием методов математического моделирования.

Разработаны принципы получения требуемых характеристик ННП с точки зрения наибольшей эффективности во всем динамическом диапазоне их применения. Разработан метод косвенной оценки расхода и напора ННП (для аппарата АВК-Н), на базе которого реализован метод детекции стагнации кровотока за аортальным клапаном и обратного кровотока через ННП.

Предмет исследования. Математическая модель, отражающая взаимодействие биотехнической системы ННП и ССС в широком диапазоне изменения параметров сердца от нормы к патологии.

Результаты проведенного исследования внедрены:

при разработке методов и средств для оценки взаимодействия ССС с ННП в экспериментальной и клинической практике ФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов им. ак. В.И. Шумакова», Минздрава России;

при разработке конструкций ИОН в ООО «ДОНА-М»;

при разработке систем управления ИОН и блока косвенных измерений в ООО «БИОСОФТ-М»;

для проведения лабораторных работ в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет (медицинский институт)».

Апробация диссертации. Основные положения диссертации доложены на:

VI Всероссийском съезде трансплантологов, 24-27 сентября, Москва, 2012; 1-ой РусскоГерманской конференции Биомедицинской инженерии, 23-26 октября, Ганновер, 2013;

XIX Всероссийском съезде сердечно-сосудистых хирургов России, 24-27 ноября, Москва, 2013; VII Всероссийском съезде трансплантологов, 28-30 мая, Москва, 2014.

Апробация диссертации состоялась 11 июня 2014 года на заседании объединенной научной конференции клинических, экспериментальных отделений и лабораторий ФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова» Минздрава России.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК; получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (№2014615629 от 29.05.2014).

Объем и структура диссертации.

Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, включая библиографический перечень, титульную страницу и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, результатов собственных исследований, заключения, выводов и практических рекомендаций. Библиографический указатель включает источников (50 – на русском языке и 55 на иностранных языках). Работа содержит графиков, диаграмм и рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ КРОВООБРАЩЕНИЕ КАК СРЕДСТВО ТЕРАПИИ НА

ТЕРМИНАЛЬНЫХ СТАДИЯХ СЕРДЕЧНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ

СВК являются эффективным средством лечения сердечной недостаточности.

Сердечная недостаточность (СН) является синдромом, который выражается в ослабевании насосной функции сердца. По локализации СН, выделяются три основных типа: 1) левожелудочковая СН, приводящая к застою крови в малом круге кровообращения, ухудшению перфузии жизненно важных органов; 2) правожелудочковая СН, приводящая к застою крови в большом круге кровообращения;

3) двусторонняя СН, которая подразумевает дисфункцию обоих желудочков сердца.

Перечисленные типы СН нередко сопровождаются сопутствующими пороками клапанов (стеноз аортального, недостаточность митрального клапанов). Применение средств МПК подразумевает использование большого разнообразия методов нормализации гемодинамики при помощи различных экстра- и интракорпоральных механических устройств. Все современные МПК различаются как по методам подключения к ССС, так и по типу воздействия на миокард. Основа применения практически всех методов МПК заключается в разгрузке миокарда (за счет снижении противодавления сердечному выбросу, или за счет снижения объема перемещаемой миокардом кров), нормализации коронарного и системного кровотока.

Методы обхода левого желудочка (ОЛЖ) используются для снижения механической нагрузки на миокард и, чаще всего, используются при наличии у пациента изолированной левожелудочковой недостаточности. Основными предикторами