PRZENOŚNY STEROWNIK PNEUMATYCZNYCH KOMÓR WSPOMAGANIA SERCA POLPDU-501


Mirosław Czak
Roman Kustosz
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii


Rosnące zapotrzebowanie na zastosowanie komór wspomagania serca POLVAD w leczeniu niewydolności serca, nowe konstrukcje tych komór w tym komory implantowalnej pozwalające na wydłużenie procesu wspomagania, kreują potrzebę i możliwość prowadzenia wspomagania serca w warunkach poza szpitalnych. Dla jej zrealizowania koniecznym było zaprojektowania nowej konstrukcji sterownika dla tych urządzeń. Podstawowym zadaniem jakie postawili sobie konstruktorzy było zmniejszenie wagi i gabarytów urządzenia tak aby stało się ono w dużo większym stopniu mobilne w stosunku do swojego poprzednika - sterownika wewnątrz szpitalnego POLPDU-402. Stały postęp w elektronice konstrukcji źródeł zasilania, a także technologii materiałowej zainspirował konstruktorów do zaprojektowania konstrukcji walizkowej. Rezultatem wysiłków badaczy i konstruktorów pracowni Sztucznego Serca Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii jest POLPDU-501 - jednostka nazywana potocznie "walizkową". Urządzenie to, podobnie jak poprzednie konstrukcje jest specjalizowanym generatorem elektropneumatycznym, który wytwarza kontrolowaną co do amplitudy, częstotliwości i kształtu, falę pneumatyczną napędzającą komory POLVAD. W istotny sposób zmienił się jednak sposób wytwarzania tej fali. O ile w poprzednich konstrukcjach była ona wytarzana ze stałych źródeł zasilania pneumatycznego (nadciśnienie i podciśnienie) o wartościach wyższych od wymaganych dla napędu komór przez specjalizowany układa przetwornika elektropneumatycznego (działający w układzie wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym) o tyle w nowej konstrukcji ciśnienie zasilające tylko nieznacznie przewyższa ciśnienie wymagane dla napędu komór. Układ przetwornika zaś odpowiada jedynie za kształtowanie zbocza fali elektropneumatycznej, a nie za stabilizację ciśnień wyjściowych jak to miało miejsce w poprzednich konstrukcjach. Nowy sposób sterowania przyczynił się do zwiększenia sprawności urządzenia, a co za tym idzie wydłużenia jego czasu pracy z baterii, które stanowią istotny unowocześniony w stosunku do poprzednich konstrukcji element urządzenia. Zastosowano dwie (redundantne) baterie wykonane z ogniw LIFePO4 każda o pojemności 13,4 Ah pozwalające na ok. 2,5 godzinną pracę urządzenia z maksymalnymi nastawami sterowania dwóch komór. W przypadku stosowania mniejszych nastaw sterujących pracą komór czas ten można proporcjonalnie wydłużyć nawet do 4 lub pięciu godzin. Istotną cechą zastosowanych baterii jest bardzo duża ilość gwarantowanych cykli ich ładowania (nie niższa niż 1500) a opracowany sterowany numerycznie układ ładowania zapewnia możliwość szybkiego ich naładowania - z głębokiego rozładowania do pełnej pojemności w około 1,3 h. Istotną cechą nowych akumulatorów jest również waga, dużo mniejsza w stosunku do wcześniej używanych akumulatorów żelowych. Konstrukcja mechaniczna urządzenia w tym zbiorników pneumatycznych została wykonana z kompozytów węglowych, przez co uzyskano istotne zmniejszenie wagi w stosunku do analogicznych konstrukcji metalowych.

POLPDU- 501 może pracować jako sterownik wspomagania jedno lub dwukomorowego. Dwa zupełnie niezależne tory mogą pracować jako w pełni redundantny układ wspomagania jednokomorowego lub nierezerwowany układ wspomagania dwukomorowego. Brak pełnej redundancji torów nie oznacza jednakże braku zabezpieczenia. Każdy z torów wyposażony jest w dwa kompresory z których każdy jest w stanie zapewnić wydajność na poziomie 80% maksymalnych nastaw.

Elektronika sterująca urządzenia została zaprojektowana od podstaw z wykorzystaniem najnowocześniejszych 32 bitowych energooszczędnych mikroprocesorów w architekturze ARM. Ogromną wagę nałożono na aspekty kontroli stanu oraz ładowania baterii oraz na funkcje komunikacyjne urządzenia. Ładowanie i rozładowywanie baterii jest w 100% kontrolowane przez specjalizowany zespół układów miernika ładunku sprzężonego z dedykowaną ładowarką, przez co aktualny stan baterii jest zawsze znany z bardzo dużą dokładnością. Dodatkowo, dzięki temu baterie można ładować prądem rzędu 10 A, co istotnie skraca czas ich naładowania. Stan każdego toru urządzenia jest wyświetlany na małych, graficznych ekranach LCD. Nastawy urządzeń można zmieniać prze funkcje ekranu dotykowego lub za pomocą okrągłego zespołu pięciu przycisków. W ten sposób możliwość zmiany nastaw może być ograniczana przez wewnętrzne oprogramowanie nadzorujące bezpieczeństwo pracy urządzenia. Funkcje interfejsu użytkowania oraz komunikacyjne są nadzorowane przez dedykowany mikrokomputer pracujący pod kontrolą systemu operacyjnego Linux - każdy tor niezależnie. Mikrokomputery te poprzez łącze Ethernet komunikują się bądź to z Internetem lub z dedykowanym oprogramowaniem na komputerze PC pełniącym rolę specjalizowanej konsoli. Konsola służy do obsługi lekarskiej i serwisowej. Zaplanowano również wykorzystanie łączności GPRS dla zdalnego nadzorowania urządzenia. Prace nad tą zdalnym nadzorem i komunikacją ze sterownikiem są prowadzone w ramach oddzielnego zadania przedsięwzięcia P02, przez zespół prof. Janiszowskiego z Politechniki Warszawskiej. Urządzenie jest także zaprojektowane dla współpracy z komorą POLVAD implantowalną - będzie mogło odczytywać stan czujników komory.

Urządzenie ważące ok. 20kg (w stosunku do ponad 100kg poprzednika POLPDU-402) nie jest wyposażone w koła, a jedynie w rączkę do przenoszenia. Przewidziano dla niego kilka możliwości wspomagających mobilność - dedykowane wózki przede wszystkim kliniczny i spacerowy.

Pierwszy egzemplarz prototypu sterownika POLPDU-501 został poddany laboratoryjnym badaniom eksploatacyjnym oraz badaniom bezpieczeństwa elektrycznego i kompatybilności elektromagnetycznej. Dwa kolejne egzemplarze prototypowe sterownika zostały przekazane do prób klinicznych. Praktyka kliniczna pozwoli na sprawdzenie zastosowanych w urządzeniu rozwiązań. Cały czas trwają prace nad modyfikacją oprogramowania wewnętrznego urządzenia w celu usprawnienia interfejsu użytkownika oraz zwiększenia jego niezawodności pracy, szczególnie w zastosowaniach poza klinicznych. Pacjent wspomagany POLPDU-501 mógłby opuścić klinikę i pozostawać w domu. Jest to jeden z celów jaki postawili sobie konstruktorzy urządzenia. Jego realizacja wymaga wielu miesięcy badań niezawodności pracy urządzenia, jednakże jego osiągnięcie będzie stanowiła zmianą jakościową w podejściu do leczenia pacjentów z wykorzystaniem komór POLVAD.

Opracowanie ergonomicznej konstrukcji zewnętrznej i wewnętrznej urządzenia oraz jego osprzętu powierzono grupie młodych projektantów stylistyki przemysłowej, zorganizowanej przez współpracującą z Pracownią Sztucznego Serca firmą technologiczną "Perfect Sobierajski".