Sistema de controle fisiológico para bombas de sangue rotativas.
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2020 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFCG |
Texto Completo: | http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/17330 |
Resumo: | Neste trabalho trata-se do projeto e da implementação de um sistema de controle fisiológico para bombas de sangue rotativas utilizadas como dispositivos de assistência ventricular. O objetivo neste sistema de controle é restaurar a energia hemodinâmica basal de um paciente na condição de insuficiência cardíaca, a partir do cumprimento de requisitos fisiológicos, tais como os índices de pulsatilidade MAP, EEP e SHE. A estrutura de controle proposta contempla uma hierarquia de malhas de controle, com o controle de baixo nível dedicado ao ajuste da corrente elétrica e da velocidade de rotação; e o controle de alto nível direcionado à regulação da diferença de pressão nos terminais da bomba rotativa. O sinal de referência da malha de controle de alto nível é pulsátil, sendo gerado por meio de um algoritmo de busca que considera a restauração individual dos índices MAP, EEP e SHE, de acordo com o requisito fisiológico definido pelo especialista. O projeto dos controladores das malhas de baixo nível e de alto nível é efetuado mediante técnicas analíticas de sintonia baseadas nos modelos matemáticos do sistema cardiovascular humano e da bomba de sangue rotativa. A implementação do sistema de controle fisiológico é validada por meio de testes in silico e in vitro, utilizando um simulador hidráulico e uma bomba de sangue rotativa pediátrica, que foram projetados e fornecidos pelo Instituto do Coração, Hospital das Clínicas, Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (InCor - HCFMUSP). Os modelos matemáticos do simulador hidráulico e da bomba rotativa pediátrica são propostos a partir de procedimentos experimentais de caracterização para a identificação paramétrica. A hierarquia de malhas de controle opera em sistemas embarcados, a qual é acionada e monitorada a partir de um supervisório. Os resultados obtidos em ambos tipos de teste indicaram a viabilidade do sistema de controle fisiológico proposto, uma vez que verificou-se o rastreamento do sinal de referência pulsátil e a consequente restauração dos índices MAP, EEP e SHE para condição basal. |
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Sistema de controle fisiológico para bombas de sangue rotativas.Physiological control system for rotating blood pumps.Rotary blood pumpVentricular assist deviceMathematical modelPhysiological control systemPulsatilityBomba de sangue rotativaDispositivo de assistência ventricularModelo matemáticoSistema de controle fisiológicoPulsatilidadeEngenharia ElétricaNeste trabalho trata-se do projeto e da implementação de um sistema de controle fisiológico para bombas de sangue rotativas utilizadas como dispositivos de assistência ventricular. O objetivo neste sistema de controle é restaurar a energia hemodinâmica basal de um paciente na condição de insuficiência cardíaca, a partir do cumprimento de requisitos fisiológicos, tais como os índices de pulsatilidade MAP, EEP e SHE. A estrutura de controle proposta contempla uma hierarquia de malhas de controle, com o controle de baixo nível dedicado ao ajuste da corrente elétrica e da velocidade de rotação; e o controle de alto nível direcionado à regulação da diferença de pressão nos terminais da bomba rotativa. O sinal de referência da malha de controle de alto nível é pulsátil, sendo gerado por meio de um algoritmo de busca que considera a restauração individual dos índices MAP, EEP e SHE, de acordo com o requisito fisiológico definido pelo especialista. O projeto dos controladores das malhas de baixo nível e de alto nível é efetuado mediante técnicas analíticas de sintonia baseadas nos modelos matemáticos do sistema cardiovascular humano e da bomba de sangue rotativa. A implementação do sistema de controle fisiológico é validada por meio de testes in silico e in vitro, utilizando um simulador hidráulico e uma bomba de sangue rotativa pediátrica, que foram projetados e fornecidos pelo Instituto do Coração, Hospital das Clínicas, Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (InCor - HCFMUSP). Os modelos matemáticos do simulador hidráulico e da bomba rotativa pediátrica são propostos a partir de procedimentos experimentais de caracterização para a identificação paramétrica. A hierarquia de malhas de controle opera em sistemas embarcados, a qual é acionada e monitorada a partir de um supervisório. Os resultados obtidos em ambos tipos de teste indicaram a viabilidade do sistema de controle fisiológico proposto, uma vez que verificou-se o rastreamento do sinal de referência pulsátil e a consequente restauração dos índices MAP, EEP e SHE para condição basal.This work describes the design and implementation of a physiological control system for rotary blood pumps used as ventricular assist devices. The objective in this control system is to restore the basal hemodynamic energy of a patient in the condition of heart failure, based on the fulfillment of physiological requirements, such as the MAP, EEP and SHE pulsatility indices. The proposed control structure includes a hierarchy of control loops, with low-level control dedicated to adjusting the electrical current and rotational speed; and high-level control aimed at regulating the pump differential pressure. The reference signal of the high-level control loop has a pulsatile profile, which is generated by means of a search algorithm that considers the individual restoration of the MAP, EEP and SHE indices, according to the physiological requirement defined by the specialist. The controllers design in low-level loop and high-level loop is done using tuning analytical techniques based on mathematical models of the human cardiovascular system and the rotary blood pump. The implementation of the physiological control system is validated by in silico and in vitro tests, using a hydraulic simulator and a pediatric rotary blood pump, which are designed and provided by the Heart Institute, Clinical Hospital, Faculty of Medicine, University of São Paulo (InCor - HCFMUSP). The mathematical models of the hydraulic simulator and the pediatric rotary blood pump are proposed from experimental characterization procedures for the parametric identification. The hierarchy of control loops operates on embedded systems, which is activated and monitored from a supervisory. The results obtained in both types of test indicated the feasibility of the proposed physiological control system, since it was verified the tracking of the pulsatile reference signal and the consequent restoration of the MAP, EEP and SHE indices to basal condition.CNPqUniversidade Federal de Campina GrandeBrasilCentro de Engenharia Elétrica e Informática - CEEIPÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICAUFCGROCHA NETO, José Sérgio da.ROCHA NETO, J. S.http://lattes.cnpq.br/9085919442313408LIMA, Antonio Marcus Nogueira.LIMA, A. M. 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