左心室輔助裝置體外模擬循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)及生理控制研究.pdf

1、本文針對(duì)左心室輔助裝置的體外模擬循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)以及生理控制開(kāi)展了相關(guān)研究。從兩者的共同點(diǎn)來(lái)說(shuō)，體外模擬循環(huán)系統(tǒng)和生理控制關(guān)注的都是左心室輔助裝置的性能，前者為左心室輔助裝置提供性能測(cè)試的體外平臺(tái)，后者則旨在讓左心室輔助裝置的性能更加優(yōu)異。同時(shí)，體外模擬循環(huán)系統(tǒng)也是生理控制策略開(kāi)發(fā)必不可少的體外驗(yàn)證平臺(tái)?？偟膩?lái)說(shuō)，本論文的研究?jī)?nèi)容是緊密?chē)@左心室輔助裝置“性能”這一關(guān)鍵點(diǎn)展開(kāi)的。
　　論文首先對(duì)左心室輔助裝置的使用環(huán)境血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行

2、了基本生理學(xué)知識(shí)的梳理，詳細(xì)地介紹了循環(huán)系統(tǒng)各主要組成部分的特征和功能，并基于此對(duì)血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，同時(shí)建立了循環(huán)系統(tǒng)主動(dòng)脈壓力反射調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了正常、心衰以及主動(dòng)脈壓力突變等生理情況的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了上述數(shù)學(xué)模型的有效性。其次，在血液循環(huán)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)方式的成人體外模擬循環(huán)系統(tǒng)，采用軟硬件結(jié)合的方法首次在模擬系統(tǒng)中引入主動(dòng)脈壓力反射調(diào)節(jié);同時(shí)針對(duì)小兒血液循環(huán)系統(tǒng)的特殊性，提出了一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的小兒體外模擬

3、循環(huán)系統(tǒng)研制方法，通過(guò)反饋控制實(shí)現(xiàn)了模擬心室對(duì)前后負(fù)荷變化的生理敏感性，并進(jìn)行了小兒左心室輔助裝置的血流動(dòng)力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。最后，設(shè)計(jì)了基于模糊邏輯的左心室輔助裝置生理控制器，在維持主動(dòng)脈平均壓的同時(shí)增強(qiáng)微弱的脈壓到正常生理范圍。生理控制器在血液循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型上進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在模擬循環(huán)系統(tǒng)上進(jìn)行了體外實(shí)驗(yàn)，分別驗(yàn)證了控制器對(duì)生理擾動(dòng)的魯棒性以及在實(shí)際中應(yīng)用的可行性。
　　論文的主要研究工作如下:
　　1.血液循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)建

4、模。采用時(shí)變彈性模型建立了左、右心室以及心房的數(shù)學(xué)模型，使用集中參數(shù)的建模方法建立了動(dòng)脈、外周血管阻力以及靜脈的彈性腔模型，利用流體和電學(xué)理論的相似性，分別用電容、電感和電阻代表順應(yīng)性、慣性和阻力，建立了血液循環(huán)系統(tǒng)的等效電路模型。同時(shí)，通過(guò)對(duì)傳入神經(jīng)通路、傳出神經(jīng)通路和效應(yīng)器這三部分進(jìn)行建模，完成了主動(dòng)脈壓力反射反饋調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型。在計(jì)算機(jī)中對(duì)包含主動(dòng)脈壓力反射調(diào)節(jié)的血液循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了血液循環(huán)系統(tǒng)在正常和心衰生

5、理情況下的血流動(dòng)力學(xué)結(jié)果，驗(yàn)證了主動(dòng)脈壓力反射反饋調(diào)節(jié)對(duì)于維持動(dòng)脈血壓的有效性。該血液循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可以幫助深入理解循環(huán)系統(tǒng)特征，為體外模擬循環(huán)系統(tǒng)建設(shè)提供指導(dǎo)，同時(shí)也為左心室輔助裝置生理控制研究提供了數(shù)值模擬驗(yàn)證的平臺(tái)。
　　2.成人體外模擬循環(huán)系統(tǒng)研究。在深入了解血液循環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提取了循環(huán)系統(tǒng)體循環(huán)各部分的主要特征，采用相應(yīng)的物理流體元件進(jìn)行模擬，建立了脈動(dòng)式的成人體外模擬循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，完成了壓力、流量等血流動(dòng)力學(xué)參

6、量的實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了正常和心衰生理情況下血液循環(huán)系統(tǒng)的血流動(dòng)力學(xué)特征，驗(yàn)證了模擬循環(huán)系統(tǒng)復(fù)制血液循環(huán)系統(tǒng)宏觀血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境的能力。此外，通過(guò)軟硬件結(jié)合的方法，基于主動(dòng)脈壓力反射調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型和實(shí)時(shí)測(cè)量的模擬系統(tǒng)主動(dòng)脈壓力波形，采用反饋和開(kāi)環(huán)控制調(diào)節(jié)模擬系統(tǒng)中相應(yīng)的物理閥門(mén)，完成了主動(dòng)脈壓力反射反饋調(diào)節(jié)功能在模擬循環(huán)系統(tǒng)中的引入，擴(kuò)展了模擬系統(tǒng)在左心室輔助裝置與血液循環(huán)系統(tǒng)交互研究中的能力。
　　3.小兒體外模擬循環(huán)系統(tǒng)

7、研究。針對(duì)小兒血液循環(huán)系統(tǒng)的特殊性，提出了一種新穎的簡(jiǎn)單快速經(jīng)濟(jì)地建造小兒體外模擬循環(huán)系統(tǒng)的方法，利用現(xiàn)成的低成本流體元件巧妙組合的方式模擬出心室的搏動(dòng)功能，同時(shí)采用簡(jiǎn)單的反饋控制方法使模擬心室對(duì)前后負(fù)荷的敏感性更加符合生理情況，完成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理和控制程式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了正常和心衰生理情況下的血流動(dòng)力學(xué)特征，驗(yàn)證了小兒模擬系統(tǒng)能夠提供與血液循環(huán)系統(tǒng)相似的生理環(huán)境。此外，通過(guò)自制小兒左心室輔助裝置與小兒模擬循環(huán)系統(tǒng)的并聯(lián)實(shí)驗(yàn)，完成

8、了小兒左心室輔助裝置輔助循環(huán)能力的測(cè)試，進(jìn)一步證明了小兒體外模擬循環(huán)系統(tǒng)作為小兒左心室輔助裝置測(cè)試平臺(tái)的有效性。
　　4.左心室輔助裝置灌注優(yōu)化生理控制器研究。針對(duì)連續(xù)流旋轉(zhuǎn)血泵式左心室輔助裝置輔助時(shí)主動(dòng)脈脈壓幾乎消失的情況，采用了模糊邏輯控制方法，以維持主動(dòng)脈平均壓并同時(shí)增強(qiáng)微弱的脈壓到正常生理范圍為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于旋轉(zhuǎn)血泵轉(zhuǎn)速調(diào)制的生理控制器，并采用返流避免控制防止血泵中返流的出現(xiàn)。生理控制器以一個(gè)軸流血泵為對(duì)象，結(jié)合血液循環(huán)