專利名稱：微型軸流式血泵的優(yōu)化非恒速控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
微型軸流式血泵的優(yōu)化非恒速控制方法屬于人工器官控制技術(shù)領(lǐng)域。
目前，微型軸流式血泵在臨床應(yīng)用時主要是工作在恒定轉(zhuǎn)速。據(jù)臨床實驗和動物實驗觀察，這種工作方式目前尚存在以下幾個問題1)在臨床應(yīng)用中，軸流式血泵的轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的心輸出量越大。但是，泵的轉(zhuǎn)速過高時會導(dǎo)致左心室“塌陷現(xiàn)象”，從而引起血泵的引流導(dǎo)管前端與心室壁接觸，妨礙泵的入流狀況，甚至可能伴隨心律不齊的產(chǎn)生，對左心室產(chǎn)生很大的破壞作用。同時，高速旋轉(zhuǎn)的葉片會產(chǎn)生較大的剪切力，從而對紅細(xì)胞產(chǎn)生較大的破壞作用。這就提出了這樣一個問題對于某一病人特定的生理狀況來說，如何確定軸流式血泵的最佳轉(zhuǎn)速？2)盡管Yokihiko在動物實驗中曾經(jīng)證明長期非脈動的雙心輔助不會產(chǎn)生有害的生理效果，但是近期的研究結(jié)果顯示長期的非脈動左心血流可能會對主動脈形態(tài)和功能產(chǎn)生一系列的影響，包括血管壁的厚度、血管壁平滑肌的結(jié)構(gòu)和血管收縮功能的改變等。因此，考慮到微型軸流式血泵用于長期的循環(huán)輔助的可能性，可以嘗試讓血泵工作在非恒速工作狀態(tài)，從而得到與自然生理狀況相似的脈動血流。
本發(fā)明的特征在于它是一種建立在由目標(biāo)函數(shù)，控制參數(shù)和限制條件組成的調(diào)節(jié)血泵轉(zhuǎn)速的優(yōu)化模型之上的微型軸流式血泵的優(yōu)化非恒速控制方法；它依次含有以下幾個步驟(1)設(shè)定微型軸流血泵Hemopump的工作方式，以一個心拍為單位計，其控制參數(shù)如下Hemopump共有7種速度可選，第一級為17000轉(zhuǎn)/分，鄰級間隔1500轉(zhuǎn)/分，VB為高速，VA為低速；tAB為從VA到VB的轉(zhuǎn)換時刻；tBA為從VB到VA的轉(zhuǎn)換時刻；Tpb為Hemopump以VA持續(xù)運轉(zhuǎn)的時間，Tpe為Hemopump以VB持續(xù)運轉(zhuǎn)的時間；設(shè)轉(zhuǎn)換過程時間可不計。每一控制方案對應(yīng)四個控制參數(shù)VA，VB，Tpb，Tpe；(2)根據(jù)設(shè)定的Hemopump控制方案，通過實體實驗，利用醫(yī)療儀器測出或控制參數(shù)計算一個心拍內(nèi)五個表征心臟輔助狀況的獨立生理參量，為利用醫(yī)療儀器測出每搏心輸出量(一個心拍內(nèi)的心臟搏血量)、心肌供氧量與耗氧量的比值、主動脈最大收縮壓和最小舒張壓，利用控制參數(shù)計算Hemopump在一個心拍內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速；各獨立參量的測量和計算方法如下每搏心輸出量(SV)三維B超可以測出一個心拍內(nèi)心室容積變化，每搏心輸出量為心室舒張末期容積與收縮末期容積之差；心肌供氧量與耗氧量(Vop為兩者之比)可用新型心血管功能測試儀測出；主動脈最大收縮壓(Paps)和最小舒張壓(Pamd)有創(chuàng)血壓計跟蹤測出；Hemopump在一個心拍內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速(Speed)speed‾=VA*Tpb+VB*TpeT;Tpb=T-tBA+tAB;Tpe=tBA-tAB.]]>T為一個心拍的持續(xù)時間，近似為Tpb+Tpe；(3)把上述SV，Vop，Paps，Pamd四個生理參數(shù)和Speed投射到0，1的區(qū)域，用它們的隸屬函數(shù)去反映參數(shù)在不同范圍內(nèi)取值時的生理狀況；(4)計算各參數(shù)的隸屬函數(shù)并按權(quán)重相加得到一組Tpb、Tpe下的目標(biāo)函數(shù)值TfTf＝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)分別代表每博心輸出量SV、心肌供氧量與耗氧量的比值Vop、主動脈最高收縮壓Paps、主動脈最低舒張壓Pamd和血泵平均轉(zhuǎn)速Speed的隸屬函數(shù)；W1-W5為相應(yīng)各參數(shù)的權(quán)重；
(5)改變Tpb和Tpe，重復(fù)以上步驟，得到一組VA，VB下目標(biāo)函數(shù)最大值及其相應(yīng)的Tpb、Tpe；(6)改變VA，VB，Tpb，Tpe，重復(fù)以上步驟，得到各種速度組合下目標(biāo)函數(shù)的最大值及相應(yīng)的Tpb、Tpe；(7)從各種速度搭配的最大值中找一個最大值，其VA，VB，Tpb，Tpe即為最優(yōu)方案。
所述各參數(shù)SV，Vop，Paps，Pamd和Speed的隸屬函數(shù)如下
所述目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重因子是通過構(gòu)造各參數(shù)的成對比較矩陣及它的最大特征值得到的。
試驗證明這種優(yōu)化非恒速控制方法在舒張期后期才提高泵的轉(zhuǎn)速，而在左心室體積較小時則減小泵的轉(zhuǎn)速，確保了回心血量能滿足血泵的流量供給，從而避免心塌陷現(xiàn)象的發(fā)生，同時也減小對紅細(xì)胞的破壞作用。
圖2.優(yōu)化控制方案設(shè)計程序流程框圖。
圖3.微型軸流式血泵速度轉(zhuǎn)換時間的不同組合。
圖4.左心室30％質(zhì)量心肌缺血，右心正常時，各種控制方案下目標(biāo)函數(shù)的比較。
2)優(yōu)化控制利用有關(guān)模糊理論，構(gòu)造一個目標(biāo)函數(shù)，使得這個函數(shù)可以正確反應(yīng)心臟輔助效果，函數(shù)值的大小反應(yīng)效果好壞。選擇效果作用的各種參量要求作用結(jié)果是單一的，經(jīng)分析，最后選中每博心輸出量SV、心肌供氧量與耗氧量的比值Vop、主動脈最高收縮壓Paps和主動脈最低舒張壓Pamd這四個生理參數(shù)以及血泵的平均轉(zhuǎn)速Speed，由于各個參數(shù)代表不同的生理量，以及不同的單位和取值范圍，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)時必須對參數(shù)實行歸一化，采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)的概念，將參數(shù)投射到0，1的區(qū)域，各參數(shù)的隸屬函數(shù)反映了參數(shù)在不同范圍內(nèi)取值所反映的生理狀況。
3)將各項隸屬函數(shù)值代入式(6)定義的目標(biāo)函數(shù)，計算得到某一控制方案所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)的取值；(6Tf＝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)分別代表每博心輸出量SV、心肌供氧量與耗氧量的比值Vop、主動脈最高收縮壓Paps、主動脈最低舒張壓Pamd和血泵平均轉(zhuǎn)速Speed的隸屬函數(shù)；W1-W5為權(quán)重因子，表示各個參量在整個目標(biāo)函數(shù)中所起作用的大小，各隸屬函數(shù)以及權(quán)重因子的推導(dǎo)和確定見后式(1)-式(5)及注釋。
4)比較各種控制方案下得到的目標(biāo)函數(shù)的取值，目標(biāo)函數(shù)的最大值即對應(yīng)著最優(yōu)的控制方案。
本優(yōu)化非恒速控制方法能夠很好的區(qū)分處于不同健康水平下的使用者對輔助劑量的不同需求，實現(xiàn)最佳輔助效果。
本發(fā)明實施例中針對使用者(犬)所處于的不同的生理狀況，設(shè)計出各種情況分別所對應(yīng)的最優(yōu)控制方案。具體操作過程為1.確定各參量每博心輸出量SV、心肌供氧量與耗氧量的比值Vop、主動脈最高收縮壓Paps、主動脈最低舒張壓Pamd和血泵平均轉(zhuǎn)速Speed的隸屬函數(shù)，分別如下式(1)-式(5)所示； 其中(1)(2)(5)由自己確定，(3)(4)(參考已發(fā)表高血壓患者健康狀況評估方法的研究/楊德超，白凈，王蘇中，崔樹起——《北京生物醫(yī)學(xué)工程》2002.9第21卷第3期(187))的工作，隸屬函數(shù)的確定簡單介紹如下，以(1)為例，(2)和(5)也同樣得出。
隸屬度的含義是代表自然心臟生理狀況的正常水平，隸屬度的確定依據(jù)隸屬度與代表心臟生理狀況的變量相關(guān)，隸屬度的變化必須符合實際的生理系統(tǒng)的變化情況，在理想狀態(tài)下為1，最不理想狀態(tài)為0。
心輸出量的隸屬函數(shù)為例，心室缺血心肌與正常心肌的最大彈性系數(shù)比值越大(理想為1)，心臟越正常，左右心室對比，左心室起作用更大，加一指數(shù)為心肌缺血率(缺血心肌質(zhì)量占總心肌質(zhì)量比率，可以用體積比率近似)，心肌缺血率越高，心臟越不正常，這樣設(shè)立如下函數(shù)U0(sv)=(EesEes0)*(Ees2Ees1)Rm]]>Rm為心肌缺血率，可通過冠狀動脈造影技術(shù)觀測冠脈的堵塞情況，Rm＝堵塞冠脈體積/冠脈總體積；Ees，Ees0為衰竭和正常的右心室心肌的最大彈性系數(shù)，Ees2，Ees1為左心室缺血區(qū)域和正常區(qū)域心肌的最大彈性系數(shù)，均可通過三維B超測量近似可取對應(yīng)區(qū)域收縮末期的壓強(qiáng)/收縮末期區(qū)域體積即為最大彈性系數(shù)。
利用醫(yī)療儀器測量計算不同條件下的SV，利用醫(yī)療儀器測量SV對應(yīng)的Rm、Ees0、Ees、Ees1、Ees2以計算U0(sv)，然后根據(jù)最小誤差平方和的準(zhǔn)則對心輸出量的隸屬函數(shù)以心輸出量為唯一自變量進(jìn)行擬合，得出最后結(jié)論(1)。
心肌供氧量與耗氧量比值Vop的隸屬函數(shù)，右心缺血時，心肌供氧量和耗氧量的比值不能正確的反映心臟的生理狀況(心肌供氧量減少可能比心肌耗氧量減少慢，比值可能增加)，心肌供氧量與耗氧量比值越大，心臟越正常，所以，只考慮右心正常的數(shù)據(jù)，左心室缺血心肌的最大彈性系數(shù)與正常心肌比值越大，缺血區(qū)域越少，心臟越正常，設(shè)立隸屬函數(shù)為U0(Vop)=(Ees2Ees1)Rm,]]>利用醫(yī)療儀器測量心肌供氧量與耗氧量計算不同條件下的Vop，利用醫(yī)療儀器測量Ees2、Ees1和Rm計算U0(Vop)，然后根據(jù)最小誤差平方和的準(zhǔn)則對隸屬函數(shù)以心肌供氧量與耗氧量比值Vop為唯一自變量進(jìn)行擬合，得出最后結(jié)論(2)。
Hemopump平均轉(zhuǎn)速的隸屬函數(shù)確定，設(shè)旋轉(zhuǎn)葉片對血細(xì)胞的破壞作用與泵的轉(zhuǎn)速大小成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速0時無破壞，隸屬度為1，泵的轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的兩倍(52000轉(zhuǎn)/分，實驗觀察得出)，葉片對血細(xì)胞的破壞已被認(rèn)為不可接受，隸屬度為0，這樣，得到隸屬函數(shù)為 即結(jié)論(5)五個隸屬函數(shù)均可運用于實體實驗。
2.確定在右心正常和右心衰竭兩種不同的生理狀況下，目標(biāo)函數(shù)權(quán)重因子的取值分別如式(6)-式(7)[w1w2w3w4w5]＝
(6)[w1w2w3w4w5]＝
(7)確定方法如下右心健康時，可構(gòu)造各參量的成對比較矩陣A如下u(SV)u(Vop)u(Paps)u(Pamd)u(Speed)13 5 5 3 u(SV)1/3 1 3 3 1 u(Vop)1/5 1/3 1 1 1/3 u(Paps)1/5 1/3 1 1 1/3 u(Pamd)1/3 1 3 3 1 u(Speed)其中aij代表元素i對元素j的相對重要性。各種重要性對應(yīng)的數(shù)值大小如下
相對重要程度 定義1重要程度相等3略微更重要5非常重要7明顯重要9絕對的重要2，4，6，8 介于相鄰的兩個判斷之間上述數(shù)值的倒數(shù) j對i相對重要度為i對j相對重要度的倒數(shù)可求得A的最大特征值為5.05564，一致性因數(shù)(CI)和一致性比值(CR)如下CI＝(5.05564-n)/(n-1)；RI＝1.12(n＝5)；CR＝CI/RI＝0.01242＜10％CR表示關(guān)系矩陣對于一致性的偏離程度，若是小于10％，認(rèn)為矩陣A對一致性的偏離程度是可以接受的，計算其主特征向量(即矩陣最大的特征值所對應(yīng)的特征向量)并歸一，即得(6)。
右心衰竭時，心肌供氧量對耗氧量的比值不能正確反應(yīng)心臟的生理狀況，所以目標(biāo)函數(shù)中去掉Vop，并適當(dāng)提高心輸出量的權(quán)重，得到其成對比較矩陣B為u(SV)u(Paps)u(Pamd)u(Speed)15 2 9 u(SV)1/5 1 1/33 u(Paps)1/2 3 1 5 u(Pamd)1/9 1/31/51 u(Speed)按照右心正常時的算法同樣計算可得(7)。
3.改變4個控制參數(shù)的取值，組合得到17199種不同的控制方案。分別計算在各種控制方案下對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)的取值。其中，改變各控制參數(shù)得到17199種不同控制方式的過程如下(1)速度A在Hemopump的7檔速度速度1-速度7之間選擇；
(2)當(dāng)速度A確定時，速度B在速度1-速度7之間選擇；(3)速度A和速度B都確定后，改變一個心動周期中速度A到速度B的轉(zhuǎn)換時間tAB。tAB的取值可以從心臟收縮期開始時刻t0變化至心臟舒張期結(jié)束時刻t0+T(其中T為一個心動周期的持續(xù)時間，當(dāng)心率設(shè)為120搏/分時，T對應(yīng)0.5秒)，變化間隔為0.02秒；(4)當(dāng)速度A、速度B和tAB都確定時，改變一個心動周期中速度B到速度A的變化時間tBA。tBA的取值可以從tAB變化到t0+T，變化間隔同樣為0.02秒。這樣在速度A和速度B的任一種組合下，tAB和tBA共有351種組合，如說明書附2中所示。
圖2是本發(fā)明提出的優(yōu)化非恒速控制方法的設(shè)計程序流程框圖。
通過對圖4的分析，可以得到該生理狀態(tài)下目標(biāo)函數(shù)最大時對應(yīng)的控制方案。tAB是一個心拍中，軸流泵轉(zhuǎn)速由VA轉(zhuǎn)到VB的時刻；tBA是一個心拍中，軸流泵轉(zhuǎn)速由VB轉(zhuǎn)到VA的時刻，見

圖1。由圖4知tAB＝220毫秒，tBA＝380毫秒時，目標(biāo)函數(shù)值最大，為0.9098。
當(dāng)左心輕度缺血時(30％心肌缺血)，生理系統(tǒng)需要的輔助劑量也較小(速度1和速度3的組合)。同時，由于此時左心自身的收縮功能還會對Hemopump的泵流量產(chǎn)生一定的影響，因此，在速度1和速度3的組合下，最佳的轉(zhuǎn)換時刻是在收縮末期由低轉(zhuǎn)速(速度1)轉(zhuǎn)換為高轉(zhuǎn)速(速度3)，在舒張后期由速度3轉(zhuǎn)回為速度1，以減小左心室收縮時的后負(fù)荷。這一結(jié)果與主動脈內(nèi)氣囊反博的最佳充、排氣時間相近。
類似的，可以得到不同的49種速度搭配下的各種控制方案的目標(biāo)函數(shù)的比較，從而選出各自的最優(yōu)方案，最后，將所得49個最優(yōu)方案進(jìn)行比較，得到最終解，此心臟生理狀態(tài)下的最優(yōu)控制方案；圖3是一部分速度匹配方法。
權(quán)利要求
1.微型軸流式血泵的優(yōu)化非恒速控制方法，其特征在于它是建立在由目標(biāo)函數(shù)，控制參數(shù)和限制條件組成的調(diào)節(jié)血泵轉(zhuǎn)速的優(yōu)化模型之上的微型軸流式血泵的優(yōu)化非恒速控制方法；它依次含有以下幾個步驟(1)設(shè)定微型軸流血泵Hemopump的工作方式，以一個心拍為單位計，其控制參數(shù)如下Hemopump共有7種速度可選，第一級為17000轉(zhuǎn)/分，鄰級間隔1500轉(zhuǎn)/分，VB為高速，VA為低速；tAB為從VA到VB的轉(zhuǎn)換時刻；tBA為從VB到VA的轉(zhuǎn)換時刻；Tpb為Hemopump以VA持續(xù)運轉(zhuǎn)的時間，Tpe為Hemopump以VB持續(xù)運轉(zhuǎn)的時間；設(shè)轉(zhuǎn)換過程時間可不計，每一控制方案對應(yīng)四個控制參數(shù)VA，VB，Tpb，Tpe；(2)根據(jù)設(shè)定的Hemopump控制方案，通過實體實驗，利用醫(yī)療儀器測出或控制參數(shù)計算一個心拍內(nèi)五個表征心臟輔助狀況的獨立生理參量，為利用醫(yī)療儀器測出每搏心輸出量(一個心拍內(nèi)的心臟搏血量)、心肌供氧量與耗氧量的比值、主動脈最大收縮壓和最小舒張壓，利用控制參數(shù)計算Hemopump在一個心拍內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速；各獨立參量的測量和計算方法如下每搏心輸出量(SV)三維B超可以測出一個心拍內(nèi)心室容積變化，每搏心輸出量為心室舒張末期容積與收縮末期容積之差；心肌供氧量與耗氧量(Vop為兩者之比)可用新型心血管功能測試儀測出；主動脈最大收縮壓(Paps)和最小舒張壓(Pamd)有創(chuàng)血壓計跟蹤測出；Hemopump在一個心拍內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速(Speed)speed‾=VA*Tpb+VB*TpeT;Tpb=T-tBA+tAB;Tpe=tBA-tAB.]]>T為一個心拍的持續(xù)時間，近似為Tpb+Tpe；(3)把上述SV，Vop，Paps，Pamd四個生理參數(shù)和Speed投射到0，1的區(qū)域，用它們的隸屬函數(shù)去反映參數(shù)在不同范圍內(nèi)取值時的生理狀況；(4)計算各參數(shù)的隸屬函數(shù)并按權(quán)重相加得到一組Tpb、Tpe下的目標(biāo)函數(shù)值TfTf＝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)分別代表每博心輸出量SV、心肌供氧量與耗氧量的比值Vop、主動脈最高收縮壓Paps、主動脈最低舒張壓Pamd和血泵平均轉(zhuǎn)速Speed的隸屬函數(shù)；W1-W5為相應(yīng)各參數(shù)的權(quán)重；(5)改變Tpb和Tpe，重復(fù)以上步驟，得到一組VA，VB下目標(biāo)函數(shù)最大值及其相應(yīng)的Tpb、Tpe；(6)改變VA，VB，Tpb，Tpe，重復(fù)以上步驟，得到各種速度組合下目標(biāo)函數(shù)的最大值及相應(yīng)的Tpb、Tpe；(7)從各種速度搭配的最大值中找一個最大值，其VA，VB，Tpb，Tpe即為最優(yōu)方案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型軸流式血泵的優(yōu)化非恒速控制方法，其特征在于，所述各參數(shù)SV，Vop，Paps，Pamd和Speed的隸屬函數(shù)加下
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型軸流式血泵的優(yōu)化非恒速控制方法，其特征在于所述目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重因子是通過構(gòu)造各參數(shù)的成對比較矩陣及它的最大特征值得到的。
全文摘要
微型軸流式血泵的優(yōu)化非恒速控制方法屬于人工器官控制技術(shù)領(lǐng)域，其特征為它是建立在由目標(biāo)函數(shù)、控制參數(shù)、限制條件組成的調(diào)節(jié)血泵轉(zhuǎn)速的優(yōu)化模型之上的方法。此非恒速控制方法的控制參數(shù)為可選擇7種速度的血泵高低轉(zhuǎn)速以及高低速持續(xù)運轉(zhuǎn)時間；優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)代表心臟生理健康狀況，由五個獨立心臟輔助生理參量的隸屬函數(shù)加權(quán)相加構(gòu)成；優(yōu)化控制方法是通過實體實驗，利用醫(yī)療儀器測出計算得到心輸出量、心肌供氧量與耗氧量比值、主動脈最高收縮和最低舒張壓，利用控制參數(shù)計算得到血泵平均轉(zhuǎn)速這樣共五個獨立參量計算隸屬函數(shù)經(jīng)加權(quán)后組成目標(biāo)函數(shù)，選取各種速度匹配方案的優(yōu)化方案比較得到的。它適應(yīng)性強(qiáng)，使用安全，血泵能耗也低。
文檔編號G06F17/00GK1446592SQ03121948
公開日2003年10月8日 申請日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月18日
發(fā)明者白凈, 張永紅, 李熊, 夏東棟 申請人:清華大學(xué)