初探神經(jīng)網(wǎng)絡在電動洗胃中的應用

孫遜

（上海應用技術學院 電氣與電子工程學院，上海 201418）

0 引 言

鑒于電動洗胃過程缺乏工況自判斷和易發(fā)生洗胃致胃損傷等情況［1］，本文研究根據(jù)BP網(wǎng)絡原理改造的DXW-2A洗胃機對模擬胃的洗胃實驗，提出一種成人用智能化洗胃技術。

1 工作原理與過程

為避免洗胃損傷和傳感器置入胃中定點檢測洗胃參數(shù)的操作困難，把軟測量與神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合［2］，傳感器均置于洗胃機內(nèi)，以時間、液位、洗胃壓力、渾濁度和PH值作為易測二次變量予以監(jiān)控，洗胃狀況作為難以直接測量的主導變量，神經(jīng)網(wǎng)絡根據(jù)采樣值和計算值推算洗胃狀況。執(zhí)行元件和檢測元件的安裝位置見圖1。主要工作原理如下：

負壓吸引階段，圖1中電磁閥2通，光電開關1檢測到氣動閥將藥水缸與藥水桶連通，污水缸與胃連通時，即可將胃容物吸入污水缸，藥水桶內(nèi)洗胃液同時吸至藥水缸。當液位傳感器1探測到污水缸滿或壓力傳感器探測到壓力達到設定值時，吸引結(jié)束，切換到正壓灌洗。屆時電磁閥1通，光電開關2檢測到氣動閥使藥水缸與胃連通，污水缸與污水桶連通時，即可把洗胃液注入胃中，同時把污水缸內(nèi)污液向污水桶排放。當液位傳感器2探測到藥水缸排空或壓力傳感器探測到壓力達到設定值時，灌洗結(jié)束，完成一次洗胃循環(huán)。若發(fā)生堵管，則用反壓沖開堵塞物，同時報警。重復上述吸引和灌洗的過程，直至洗胃順暢且渾濁度傳感器和PH傳感器檢測洗胃已清潔后，提示洗胃結(jié)束。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡對洗胃狀態(tài)的分析

2.1 洗胃狀態(tài)分類

根據(jù)胃管流量、洗胃壓力和時間三者之間的非線性函數(shù)關系可區(qū)分洗胃過程中出現(xiàn)的正常、堵塞、不完全堵塞和設備故障四類狀態(tài)，結(jié)合吸出物的渾濁程度和PH值，可判斷是否已洗胃清潔，結(jié)束洗胃。只要能正確判定當前的洗胃狀態(tài)，就能減輕醫(yī)務人員的勞動，實現(xiàn)精確自動控制。

傳統(tǒng)方法常把工作曲線、曲線誤差和對應工況預存于ROM，通過查表進行控制。由于洗胃階段柔性胃在受迫運動時壓力、流量和時間等參數(shù)的函數(shù)關系難以精確獲得，故洗胃測控至今不理想。胃容物是動態(tài)變化的固、液二相流體，文獻［3］未研究其不完全堵塞胃管的問題，而文獻［4］求流量的方法較復雜，尚不利于裝備的小型化。鑒于胃管內(nèi)的流量不易直接測量，本文采用測量圓柱缸內(nèi)液位的方法間接獲得瞬時流量信息。

圖1 主要測控點示意圖

圖2 洗胃壓力曲線

例如，圖2中吸引階段壓力變化率18～30kPa／s或小于零表示管路堵塞，3.0～6.9kPa／s則是正常運行；灌洗階段壓力變化率17.5～90.0kPa／s或小于零是堵塞，0.2kPa／s是正常運行，16.0kPa／s和12.3kPa／s則可能是不完全堵塞，也可能是正常洗胃。本文僅討論用神經(jīng)網(wǎng)絡處理洗胃工況，不涉及對洗胃系統(tǒng)機電故障作詳細分類識別。

把上述值歸一化處理，并考慮各洗胃機之間的機械和測試系統(tǒng)元器件的誤差等因素，曲線的導數(shù)允許±2.5%誤差。于是，吸引階段58.5～100%和-68.3～-71.8%表示堵塞，23.7～58.4%是不完全堵塞，9.75～23.60%是正常洗胃，0～9.74%是故障現(xiàn)象；灌洗階段19～100%和-51.7～-54.3%表示堵塞，0.22～18.90%是不完全堵塞，但其中13.3～14.0%和17.3～18.2%可能是正常洗胃，0.195～0.210%是正常，0～0.194%是故障。

可見僅從壓力曲線獲得數(shù)據(jù)尚不能正確區(qū)分上述狀態(tài)，例如正常灌洗曲線的部分導數(shù)易與不完全堵塞的導數(shù)混淆，故有必要增設液位變量。

由于洗胃機的動力機械結(jié)構基本沿用DXW-2A機型，故正常情況下吸引和灌洗時間9.8s和9s與原機型相同，二缸可容納流體高度為H，則洗胃中液位平均變化速率分別是H和H。同樣考慮±2.5%誤差，并把液位探測器測得的液面高度h（t）的變化率歸一化處理，設定吸引階段污水缸液位每秒升高總高度的0～2.6%為堵塞，2.7～9.8%為不完全堵塞，9.9～10.5%為正常，10.6～100%為故障，而灌洗階段藥水缸液位每秒下降總高度的0～2.9%為堵塞，3.0～10.7%為不完全堵塞，10.8～11.5%為正常，11.6～100%為故障。

吸引和灌洗不會同時發(fā)生，取CPU發(fā)出的吸引和灌洗切換信號flag＝0代表吸引階段，反之灌洗階段。

正常洗胃過程中，達到吸出液體清晰，PH值接近洗胃液時可結(jié)束洗胃［5］。把洗胃液的相對PH值取為50%，取PH傳感器測得吸出物相對PH值為50±2.5%，渾濁度傳感器測得胃容物的渾濁度相對值NTU＜30%時，表示清潔成功，提示醫(yī)護人員可停止洗胃。灌洗階段無胃容物吸出，這時微處理器不接受渾濁度和PH傳感器測量值，在RAM中把相應測量結(jié)果置1處理。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡模型

含有隱層的網(wǎng)絡可以擴大原來輸入模式的范圍，隱層中總會有輸入模式的內(nèi)部表示，當從輸入到足夠大的隱層集合能正確連接，網(wǎng)絡將通過隱層執(zhí)行從輸入到輸出的任何匹配關系［6］。具有單隱層的前饋網(wǎng)絡可以映射所有非線性連續(xù)函數(shù)，故采用含單隱層BP網(wǎng)絡識別洗胃機工作狀態(tài)。

將壓力和液位的變化率及吸出物渾濁度和PH值作為BP網(wǎng)絡研究對象，把實驗數(shù)據(jù)分為二組樣本，一組用來對網(wǎng)絡進行訓練，另一組用于對網(wǎng)絡的泛化能力進行檢驗。樣本中考慮的影響參數(shù)即網(wǎng)絡的輸入?yún)?shù)包括：傳感器所測氣壓變化率、液位傳感器測得液位變化率、渾濁度NTU和標志flag。輸出參數(shù)包括正常、不完全堵塞、堵塞和故障，用二進制的1表示當前有效狀態(tài)。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練與仿真

訓練樣本集如下表1。經(jīng)輸入MATLAB7訓練后，誤差已很小，其結(jié)果曲線如圖4所示。

把表2中的輸入樣本代入神經(jīng)網(wǎng)絡模型仿真，得到的仿真結(jié)果中小于0.5取為零，否則取1，可見該網(wǎng)絡能正確判斷出四種不同工況。

表1 訓練樣本集

表2 仿真樣本集

3 結(jié)束語

目前該機尚在研制之中，試驗中樣本數(shù)據(jù)尚不滿足樣本數(shù)≈權值與閾值總數(shù)

訓練誤差的要求，對具體故障尚不能進行區(qū)別，洗胃訓練樣本尚需改進。

仿真基本成功的意義是，神經(jīng)網(wǎng)絡適用于雙缸循環(huán)沖洗裝置對柔性密閉容器內(nèi)的清洗控制。

圖4 訓練結(jié)果均方誤差曲線

［1］王娟，梅云霞.洗胃研究進展［J］.現(xiàn)代生物醫(yī)學進展，2006，6（9）：116-118.

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