微型轴流式血泵的优化非恒速控制方法
2019-11-22

微型轴流式血泵的优化非恒速控制方法

微型轴流式血泵的优化非恒速控制方法属于人工器官控制技术领域,其特征为:它是建立在由目标函数、控制参数、限制条件组成的调节血泵转速的优化模型之上的方法。此非恒速控制方法的控制参数为:可选择7种速度的血泵高低转速以及高低速持续运转时间;优化模型的目标函数:代表心脏生理健康状况,由五个独立心脏辅助生理参量的隶属函数加权相加构成;优化控制方法是通过实体实验,利用医疗仪器测出计算得到心输出量、心肌供氧量与耗氧量比值,主动脉最高收缩和最低舒张压,利用控制参数计算得到血泵平均转速这样共五个独立参量计算隶属函数经加权后组成目标函数,选取各种速度匹配方案的优化方案比较得到的。它适应性强,使用安全,血泵能耗也低。

它是一种建立在由目标函数,控制参数和限制条件组成的调节血泵转速的优化模型之上的微型轴流式血泵的优化非恒速控制方法;它依次含有以下几个步骤:(1)设定名为Hemopump的微型轴流血泵的工作方式,以一个心拍为单位计,其控制参数如下:该名为Hemopump的微型轴流式血泵共有7种速度可选,第一级为17000转/分,邻级间隔1500转/分,VB为高速,VA为低速;tAB为从VA到VB的转换时刻;tBA为从VB到VA的转换时刻;Tpb为微型轴流式血泵以VA持续运转的时间,Tpe为微型轴流式血泵以VB持续运转的时间;设转换过程时间可不计。每一控制方案对应四个控制参数:VA,VB,Tpb,Tpe;(2)根据设定的名为Hemopump的微型轴流式血泵的控制方案,通过实体实验,利用医疗仪器测出或控制参数计算一个心拍内五个表征心脏辅助状况的独立生理参量,为:利用医疗仪器测出每搏心输出量、心肌供氧量与耗氧量的比值、主动脉最大收缩压和最小舒张压,利用控制参数计算该微型轴流式血泵在一个心拍内的平均转速;各独立参量的测量和计算方法如下:每搏心输出量,即SV:三维B超可以测出一个心拍内心室容积变化,每搏心输出量为心室舒张末期容积与收缩末期容积之差;心肌供氧量与耗氧量之比,即Vop:所述的心肌供氧量与耗氧量分别用心血管功能测试仪测出;主动脉最大收缩压,即Paps和最小舒张压,即Pamd:有创血压计跟踪测出;微型轴流式血泵在一个心拍内的平均转速,即Speed:speed‾=VA*Tpb+VB*TpeT;Tpb=T-tBA+tAB;Tpe=tBA-tAB.]]>T为一个心拍的持续时间,近似为:Tpb+Tpe;(3)把上述SV,Vop,Paps,Pamd四个生理参数和Speed投射到【0,1】的区域,用它们的隶属函数去反映参数在不同范围内取值时的生理状况;(4)计算各参数的隶属函数并按权重相加得到一组Tpb、Tpe下的目标函数值Tf:Tf=w1*u(SV)+w2*u(Vop)+w3*u(Paps)+w4*u(Pamd)+w5*u(Speed);其中u(SV)、u(Vop)、u(Paps)、u(Pamd)和u(Speed)分别代表每博心输出量SV、心肌供氧量与耗氧量的比值Vop、主动脉最高收缩压Paps、主动脉最低舒张压Pamd和血泵平均转速Speed的隶属函数;w1-w5为相应各参数的权重;(5)改变Tpb和Tpe,重复以上步骤,得到一组VA,VB下目标函数最大值及其相应的Tpb、Tpe;(6)改变VA,VB,Tpb,Tpe,重复以上步骤,得到各种速度组合下目标函数的最大值及相应的Tpb、Tpe;(7)从各种速度搭配的最大值中找一个最大值,其VA,VB,Tpb,Tpe即为最优方案。

所述目标函数的权重因子是通过构造各参数的成对比较矩阵及它的最大特征值得到的。

Description

目前,微型轴流式血泵在临床应用时主要是工作在恒定转速。据临床实验和动物实验观察,这种工作方式目前尚存在以下几个问题:1)在临床应用中,轴流式血泵的转速越高,产生的心输出量越大。但是,泵的转速过高时会导致左心室“塌陷现象”,从而引起血泵的引流导管前端与心室壁接触,妨碍泵的入流状况,甚至可能伴随心律不齐的产生,对左心室产生很大的破坏作用。同时,高速旋转的叶片会产生较大的剪切力,从而对红细胞产生较大的破坏作用。这就提出了这样一个问题:对于某一病人特定的生理状况来说,如何确定轴流式血泵的最佳转速?2)尽管Yokihiko在动物实验中曾经证明长期非脉动的双心辅助不会产生有害的生理效果,但是近期的研究结果显示:长期的非脉动左心血流可能会对主动脉形态和功能产生一系列的影响,包括血管壁的厚度、血管壁平滑肌的结构和血管收缩功能的改变等。因此,考虑到微型轴流式血泵用于长期的循环辅助的可能性,可以尝试让血泵工作在非恒速工作状态,从而得到与自然生理状况相似的脉动血流。

试验证明:这种优化非恒速控制方法在舒张期后期才提高泵的转速,而在左心室体积较小时则减小泵的转速,确保了回心血量能满足血泵的流量供给,从而避免心塌陷现象的发生,同时也减小对红细胞的破坏作用。

名为Hemopump的微型轴流式血泵平均转速的隶属函数确定,设旋转叶片对血细胞的破坏作用与泵的转速大小成线性关系,转速0时无破坏,隶属度为1,泵的转速为最大转速的两倍(52000转/分,实验观察得出),叶片对血细胞的破坏已被认为不可接受,隶属度为0,这样,得到隶属函数为:即结论(5)五个隶属函数均可运用于实体实验。

其中(1)(2)(5)由自己确定,(3)(4)(参考已发表:高血压患者健康状况评估方法的研究/杨德超,白净,王苏中,崔树起——《北京生物医学工程》2002.9第21卷第3期(187))的工作,隶属函数的确定简单介绍如下,以(1)为例,(2)和(5)也同样得出。

名为Hemopump的微型轴流式血泵平均转速的隶属函数确定,设旋转叶片对血细胞的破坏作用与泵的转速大小成线性关系,转速0时无破坏,隶属度为1,泵的转速为最大转速的两倍(52000转/分,实验观察得出),叶片对血细胞的破坏已被认为不可接受,隶属度为0,这样,得到隶属函数为:即结论(5)五个隶属函数均可运用于实体实验。