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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.98.2020.tde-26042016-094019
Document
Author
Full name
Tarcisio Fernandes Leão
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2015
Supervisor
Committee
Andrade, Aron Jose Pazin de (President)
Bock, Eduardo Guy Perpétuo
Cardoso, Jose Roberto
Rossi Neto, João Manoel
Title in Portuguese
Técnica de controle automático da rotação de bombas de assitência ventricular
Keywords in Portuguese
Bombas para suporte cardíaco
Controle automático
Insuficiência cardíaca
Lógica fuzzy
Abstract in Portuguese
Dispositivos de Assistência Ventricular (DAV) têm sido utilizados para o tratamento de pacientes com Insuficiência Cardíaca (IC), seja como ponte para o transplante ou como terapia de destino. As bombas de sangue centrífugas (BSC) representam a 3ª geração de DAV, sendo composta por: fonte de alimentação (baterias), controlador, motor BLDC (BrushLess Direct Current) e rotor da bomba. Com o aumento da exigência de desempenho do DAV utilizado para terapia de destino, o controle passou a ter elevada importância na interação entre o dispositivo e o coração. A Técnica de Controle Automático (TCA) propõe um sistema que ajuste a rotação de forma harmoniosa com o sistema fisiológico, sem o uso de sensores, e que considere o estado clínico e o nível de atividade do paciente. Três camadas compõem a TCA: 1ª) controle de rotação do motor BLDC; 2ª) controle de fluxo da BSC; 3ª) sistema Fuzzy que possui como variáveis de entrada: frequência cardíaca (FC), pressão arterial média (PAM), fluxo mínimo da bomba, nível de atividade (paciente) e estado clínico (definido pelo médico). O sistema Fuzzy ajusta o fluxo da 2ª camada, que por sua vez ajusta a rotação da bomba. Um pulso modulado de rotação permite a abertura intermitente da válvula aórtica, visando mitigar os efeitos de insuficiência e/ou estenose aórtica ocasionados pela assistência prolongada. O fluxo da BSC, a PAM e a FC são estimados a partir de parâmetros do acionamento do motor BLDC. O estimador é objeto de processo de pedido de patente. A avaliação da TCA foi realizada em um circuito hidrodinâmico e em um Simulador Híbrido do Sistema Cardiovascular (SHSC). O SHSC é uma ferramenta que permite a conexão física de um DAV ao sistema cardiovascular, em condições fisiológicas ou com alteração de alguns parâmetros cardiovasculares para simular a IC: fração de ejeção (FE) (15 - 40%) e FC (50 - 110 bpm). A Bomba de Sangue Ápico-Aórtica (BSAA) foi utilizada na validação da TCA. O estimador de fluxo apresentou erro de 0,23 L/min (p=0,9416; ?=0,05). O estimador de PAM apresentou erro de 3 mmHg (p=0,7647; ?=0,05). O estimador de FC apresentou erro de 1,1 bpm (p=0,9098; ?=0,05). A TCA foi capaz de manter a PAM e o débito cardíaco (DC) em nível fisiológico, em situações de variação de FE, FC e resistência vascular sistêmica. A TCA foi capaz de ajustar a rotação acompanhando a evolução clínica simulada do paciente. Não se observou refluxo através da BSAA durante os ensaios. Para mitigar a insuficiência e/ou estenose valvar, a TCA permitiu a abertura da válvula aórtica sem comprometer a PAM e o DC.
Title in English
Automatic control technique of rotational speed for ventricular assist pump
Keywords in English
Automatic control
Estimator
Fuzzy system
Heart failure
Left ventricular assist device
Abstract in English
Left Ventricular Assist Devices (LVAD) have been used to treat patients with heart failure (HF) as a Bridge to Transplantation or as Destination Therapy. Centrifugal Blood Pumps (CBP) represent the 3rd generation of LVAD, composed of: power supply (batteries), controller, BLDC motor, and pump impeller. Destination Therapy requires LVAD high performance, thus control is important for interaction between the heart and LVAD. Automatic Control Technique (ACT) proposes a system that harmoniously adjusts pump speed to physiological regulation system, without sensors, and considering patient clinical condition and activity. Three layers composed ACT: 1st) speed control of BLDC; 2nd) CBP flow control; 3rd) Fuzzy system that has as input variables: heart rate (HR), mean arterial pressure (MAP), minimum pump flow, level of activity (patient) and medical condition (data from physician). Fuzzy system adjusts flow of 2nd layer, which adjusts pump speed. A modulated speed pulse allows intermittent opening of aortic valve, to mitigate aortic insufficiency and/or stenosis caused by prolonged assistance. CBP Flow, MAP and HR are estimated from the BLDC drive parameters. Estimators are in patent process. The evaluations of ACT were performed in a hydrodynamic circuit and a Hybrid Simulator of Cardiovascular System (HSCS). HSCS is a tool that allows the physical connection of a LVAD to cardiovascular system under physiological conditions or under changes of some cardiovascular parameters to simulate HF: ejection fraction (EF) (15-40%) and HR (50-110 bpm). Apical Aortic Blood Pump (AABP) was used for ACT validation. Flow estimator error is 0.23 L/min (p = 0.9416; ? = 0.05). MAP estimator error is 3 mmHg (p = 0.7647; ? = 0.05). HR estimator error is 1.1 bpm (p = 0.9098; ? = 0.05). TCA was able to maintain MAP and cardiac output (CO) in physiological level, even under variation of: EF, HR and systemic vascular resistance. TCA was able to adjust the rotation following the simulated clinical condition. Reverse flow was not observed through BSAA during tests. To mitigate valvar insufficiency or stenosis, ACT allowed opening aortic valve without decreasing MAP and CO.
 
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Release Date
2018-04-26
Publishing Date
2020-03-04
 
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