[发明专利]一种基于无创测量的LVAD无差别自适应的模糊PI控制方法

说明书

本发明提供了一种基于无创测量的LVAD无差别自适应的模糊PI控制方法，首先通过无创测量的遥测系统EMKA测量左心室容积,通过低通滤波器进行滤波处理以及泵功率‑流量查找表得到期望的平均泵流量参考值,估算出所需平均泵流量测量值。进一步将平均泵流量参考值和平均泵流量测量值进行比较得到一个流量偏差值e,将流量偏差(e)以及流量偏差的变化率(de/dt)模糊化得到模糊量E和EC，然后用模糊化方法，根据不同的模糊量E和EC确定出自适应的比例系数和积分系数的变化值Δk_p和Δk_i。最后将流量偏差(e)、比例系数和积分系数的变化值Δk_p和Δk_i输入控制器进行处理，PI控制器输出的电流信号直接对LVAD进行控制，以达到不同生理情况下所需求的泵转速ω。

技术领域

本发明涉及医疗器械及对器械的控制方法，具体为一种对人工心脏泵进行控制，并符合人体血液动力学要求的控制方法。

背景技术

随着社会经济的发展，国民生活方式发生了深刻的变化，尤其是人口老龄化及城镇化进程的加速，中国心血管病的危险因素流行趋势明显，导致了心血管病的发病人数持续增加。今后10年心血管病患病人数仍将快速增长。

目前，心血管病死亡率占城乡居民总死亡原因的首位，据国家2017年心血管中心调查，农村为45.01％，城市为42.61％。心血管病的疾病负担日渐加重，已成为重大的公共卫生问题。心力衰竭(Heart Failure,HF)又称心衰，是各种心血管病的终末阶段，通常指由于自然心脏功能发生障碍，不能将静脉回心血液排出心脏，导致静脉系统血液淤积，动脉系统供血不足，从而引起心脏循环阻碍。由于心脏供体匮乏，左心室辅助装置(LVAD)逐渐成为重症心衰的主要治疗手段之一。

在国外的生理控制系统中，Waters、Allaire等人通过PI控制器调整血泵转速来维持血泵的压差，他们通过数值模拟验证了该控制器，但是这种方法在体循环阻力大幅变化下会使泵流量和转速超出正常范围。Micromed Teclmolog公司提出以血泵流量为控制信号，通过一定的控制方法来控制血泵的工作状态.该控制方法中提出三种控制模式：恒速模式，恒流模式，最大流量模式。此控制系统由于三种控制模式的设计使得在控制的可靠性和灵敏度方面有了很大程度的提高。但是，由于这三种控制模式是以血泵状态为基础的，所以不够直观和方便。wu等人提出了利用血泵参数(电流波形，速度，输入功率等)来间接计算血泵输出流量的自适应控制策。他们设计了基于血泵参数的自适应观测器用以实时计算血泵的输出流量。并将这个计算结果作为反馈信号作用于自适应控制系统来调节血泵的工作状态。体外实验表明，该方法可以比较好地满足人体血流量需求的变化。但是由于人体血液循环系统是一个负载的非线性系统，因此将该控制策略应用于人体循环系统后，发现该系统的效果明显下降，并不能很好地满足人体的血流量需求。

国内的生理控制系统中，主要是北京工业大学的常宇，高斌，师林溪提出了基于PWM的血泵调速控制系统的研究，此控制器能在一定范围内调速，并且调速范围内能满足人体的血流量需求。此种控制方法，虽然实现了转速的精确控制但是由于它不能根据血流量的需求实现转速的自动调节，所以在临床应用上，存在很大的缺陷。谭建平、徐先懂提出了基于心室功的血泵控制策略，该算法是多因素生理信号控制策略，与单因素生理信号控制策略相比，更能适应个体的生理机制，但是其中一些生理参数包括外周阻抗，特性阻抗和血管顺应性却不容易监测，所以其临床实用性的问题值得探讨。谷凯云，高斌等人提出了基于心率的主动脉血泵流量控制针对主动脉血泵的控制,提出了基于心率的血泵流量控制算法。运用PID控制算法对血泵流量进行控制根据心率来调控血泵的工作状态，其目的是为了使血泵的工作能自适应于人体的生理需求，但是仅仅基于心率来调控血泵流量是远远不够的。基于心率的流量控制算法可以满足人体正常生理需求，但由于人体生理系统是一个复杂的时变系统，还应多方面考虑控制算法，比如压力控制、流量控制。