心臟輔助與替代裝置中血泵的控制及監(jiān)測方法

【作 者】張濤，胡兆燕,，陳正龍，侯曉蓓

1 上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海市，200093

2 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海市，200093

3 上海醫(yī)療器械高等專科學(xué)校醫(yī)療器械工程系，上海市，200093

0 引言

心臟手術(shù)被認(rèn)為是最重要的醫(yī)學(xué)進(jìn)步之一，據(jù)中國體外循環(huán)學(xué)會的資料統(tǒng)計，截止到2008年底，我國開展心臟手術(shù)的醫(yī)院達(dá)到671家，2008年全年開展的心臟手術(shù)數(shù)量約為14萬例。用體外循環(huán)實(shí)現(xiàn)心肺轉(zhuǎn)流是順利完成心臟手術(shù)的先決條件，體外循環(huán)(如圖1)是把人體內(nèi)靜脈血液引流出人體外至人工心肺機(jī)內(nèi)，進(jìn)行氧合和排出二氧化碳，然后再由血泵輸入人體內(nèi)，以維持周身血液循環(huán)的過程。血泵是體外循環(huán)裝置中關(guān)鍵的組成部件，并且在心臟直視手術(shù)、心臟手術(shù)的術(shù)后恢復(fù)、心臟移植的等待期以及心力衰竭患者后期等都需要使用機(jī)械輔助循環(huán)，其主要作用是代替心室的搏出功能和術(shù)中失血的回收或用于心臟停搏液的灌注等。因此，在血泵的研制與臨床應(yīng)用過程中，對血泵流量和壓力等流體力學(xué)參數(shù)的檢測，控制方法的研究，生物相容性的檢測以及穩(wěn)定性可靠性等的評價都至關(guān)重要。本文主要介紹血泵控制策略、監(jiān)測方法方面的研究現(xiàn)狀及其未來可能的發(fā)展方向。

圖1 體外循環(huán)原理Fig.1 The principle of extracorporeal circulation

1 血泵的控制方法

血泵流量能否滿足受體的生理需求,除泵體結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還取決于血泵的控制系統(tǒng)，如能源提供、控制策略等。其中血泵控制策略是關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)樗婕暗窖秒姍C(jī)驅(qū)動的反饋信號，是否需要傳感器等，并最終決定血泵的輸出流量和壓力[1]。目前，常直接利用血壓和血流量作為被控對象來直接調(diào)節(jié)血泵驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并已在臨床中得到應(yīng)用。此外，還出現(xiàn)了利用心率、心室功、血流輔助指數(shù)等基于生理參數(shù)來調(diào)節(jié)血泵轉(zhuǎn)速的控制算法，并都已取得良好的應(yīng)用效果。

1.1 基于血流量和血壓的血泵控制方法

由于臨床應(yīng)用中的血泵要求其流量可調(diào)，早期的血泵控制系統(tǒng)主要利用動脈血流量和血壓作為控制變量來調(diào)節(jié)血泵轉(zhuǎn)速以此響應(yīng)患者的生理變化[2-4]，并且經(jīng)過體外實(shí)驗(yàn)、動物實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用證明這些控制算法都可以取得良好的臨床應(yīng)用效果。

付霆等[5]設(shè)計的離心式血泵控制系統(tǒng)在檢測到壓力值過大時自動降低驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速等方面來保證運(yùn)行；常宇等[6]提出了全程滑膜變結(jié)構(gòu)控制器來實(shí)現(xiàn)期望的血泵流量，該控制算法提高了控制器的魯棒性。但是由于采用動脈血流量和血壓作為控制變量常需要采用有創(chuàng)的測量方式，因此，并不適合用于如人工心臟等長期循環(huán)輔助中。

1.2 基于心率的血泵控制方法

在人體的血液循環(huán)系統(tǒng)中，心輸出量反映了人體的生理需求，心輸出量與心率之間存在函數(shù)關(guān)系，在心率較低的情況下，心輸出量隨心率的增大而增大，所以心率能反映人體對血流量的需求[7]。因此，除了上述直接利用血壓、血流量作為被控對象的算法之外，還可以設(shè)計出基于心率的血泵流量控制算法來調(diào)節(jié)血泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2006年，Vollkron等[8]提出一種將血泵轉(zhuǎn)速設(shè)定成心率的線性函數(shù)的控制算法，該策略根據(jù)患者的平均心率來計算血泵的參考流量，并根據(jù)該流量值來調(diào)整血泵的工作狀態(tài)。類似地，在Karantonis等[9]的設(shè)計中，泵轉(zhuǎn)速被設(shè)計成與心率的活動水平指數(shù)和三軸加速度計的函數(shù)。以上這些控制算法都是人為地設(shè)計了心率和血泵轉(zhuǎn)速之間的直接映射關(guān)系。但是由于人體的心率同時受到神經(jīng)體液等多方面因素的影響，這種簡單的映射關(guān)系并不能很好地根據(jù)患者的生理變化來控制血泵。為了達(dá)到改善心率控制算法精確度的目的，高斌等[10]提出利用心率作為控制變量的模糊控制器以及基于非參數(shù)模型自適應(yīng)控制算法的控制器來跟蹤期望的心率。數(shù)值模擬、體外模擬實(shí)驗(yàn)、動物實(shí)驗(yàn)等都表明可以響應(yīng)受體灌注需求的變化并能夠產(chǎn)生足夠的血流量。

比較典型的基于心率的血泵流量控制策略如谷凱云等[11]提出的控制算法，其具體實(shí)現(xiàn)方法是針對主動脈血泵的控制，通過分析心率與流量之間的相互關(guān)系，從而建立心率與血流量之間的關(guān)系模型，再運(yùn)用PID控制算法對血泵輸出流量進(jìn)行控制，并根據(jù)人體心率和流量的關(guān)系驗(yàn)證血泵流量模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：基于心率的血泵流量模型能夠反映人體血液流量的需求，通過控制血泵的運(yùn)轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)滿足人體生理需求的流量輸出，并可以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的響應(yīng)。

1.3 基于心室功的血泵控制方法

心臟泵血功能的評定，通?？梢杂脝挝粫r間內(nèi)心臟輸出的血流量及心臟所做的功表示。自然心臟的心室功分為內(nèi)功、外功兩類[12]：內(nèi)功表示在心臟活動中為克服心室自身的能量消耗所作的功；外功是指心室推動血液運(yùn)動時所作的功。根據(jù)能量守恒原理，血泵所作的功等效于心室外功。從評價心臟泵血功能的指標(biāo)考慮，只要做到血泵的輸出功率（即血泵輸出的流量和壓力的乘積）與心室功率相符，就能說明滿足受體的生理要求。因此，用心室功作為血泵的控制目標(biāo)，既可以模擬人體心臟的調(diào)節(jié)機(jī)制，又可以為血泵動力源的設(shè)計提供理論依據(jù)。

由血泵的工作原理可知，血泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速決定血泵的轉(zhuǎn)速。因此，只要控制血泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以控制血泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制血泵功率輸出的目的?；谛氖夜Φ难每刂葡到y(tǒng)如圖2[13]所示。

圖2 基于心室功的血泵控制系統(tǒng)框圖Fig.2 The block diagram of blood pump’s control system based on ventricular work

其中，內(nèi)反饋中的信號I、U0分別表示血泵電機(jī)的相電流與血泵電機(jī)轉(zhuǎn)子位置過零點(diǎn)時的反電勢，U0用于確定血泵驅(qū)動電機(jī)的相序；P表示體外循環(huán)的壓力，Q為血液流量。控制系統(tǒng)的外反饋起監(jiān)控作用，如果當(dāng)血泵輸出的流量和壓力不符合循環(huán)系統(tǒng)的需求時，就會對目標(biāo)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚＝Y(jié)果表明：血泵驅(qū)動電機(jī)的輸出量與控制目標(biāo)模型相符，控制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)滿足血泵控制系統(tǒng)的臨床應(yīng)用要求；同時，不論是常態(tài)還是病態(tài)，主動脈瓣處的仿真壓力與臨床數(shù)據(jù)基本符合。

基于心室功的血泵控制算法，主要是分析自然心臟和心臟替代裝置之間的做功關(guān)系，從而建立用于驅(qū)動血泵電機(jī)的控制模型，并根據(jù)受體的常態(tài)生理參數(shù)，對血泵的控制模型進(jìn)行計算和實(shí)驗(yàn)。與恒壓或者恒速控制方法相比，此類血泵控制系統(tǒng)電機(jī)大部分時間運(yùn)行在低速階段，因此可以避免系統(tǒng)升溫所導(dǎo)致的血液破壞，同時可以很好的滿足受體的血流量需求。

1.4 基于血流輔助指數(shù)的血泵控制方法

為達(dá)到調(diào)節(jié)左心室輔助設(shè)備( left ventricular assist device，LVAD)和自然心臟能量分配的目的，將血流輔助指數(shù)（blood assist index，BAI)定義為左心室輔助設(shè)備（LVAD）輸出能量與心血管系統(tǒng)的總能量之比[14]，并將血流輔助指數(shù)作為控制對象來設(shè)計血泵的控制算法。該方法是將血流輔助指數(shù)作為控制對象來設(shè)計基于非參數(shù)模型自適應(yīng)控制算法的血泵控制算法。運(yùn)用非參數(shù)模型自適應(yīng)控制算法設(shè)計控制器來調(diào)節(jié)血泵轉(zhuǎn)速，因?yàn)榉菂?shù)模型自適應(yīng)控制算法可以只利用控制設(shè)備的輸入-輸出數(shù)據(jù)來設(shè)計控制器而不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型[15]，這滿足了由于心血管系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性和干擾等造成的很難推導(dǎo)出一個精確模型來設(shè)計控制器的特征[16]。通過調(diào)節(jié)實(shí)際測量得到的血流輔助指數(shù)來跟蹤期望血流輔助指數(shù)。

實(shí)際的血流輔助指標(biāo)BAIm是根據(jù)動脈壓力Paop(t)、得到的動脈血流量Faop(t)、血泵供電電壓U(t)和繞組電流值I(t)計算得到的。然后將測量血流輔助指標(biāo)BAIm和期望BAId作為控制器的輸入來調(diào)節(jié)血泵的轉(zhuǎn)速。其具體的控制策略實(shí)現(xiàn)方式如圖3[14]所示。

圖3 基于血流輔助指數(shù)的血泵控制策略Fig.3 The control strategy of blood pump based on blood assist index

其仿真結(jié)果表明: 基于血流輔助指數(shù)的控制算法能夠自動提高血泵速度來響應(yīng)外周阻力的減少；當(dāng)提高心肌收縮能力來模擬左心室恢復(fù)時，血流速會自動地增加到相適應(yīng)的流量值。該基于血流輔助指數(shù)的控制算法可以通過調(diào)節(jié)血泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)左心室輔助設(shè)備和自然心臟之間的能量分配，有利于促進(jìn)左心室的逆重構(gòu)，從而達(dá)到血泵的臨床應(yīng)用要求[14]。

2 血泵的檢測方法

血液流量是血泵的輔助效果指標(biāo)，也是血泵控制的重要依據(jù)；而壓力則是反映血泵和人體血液循環(huán)系統(tǒng)之間相互作用的重要指標(biāo)，只有當(dāng)血泵輸出端壓力高于動脈壓力，才能實(shí)現(xiàn)血泵的功能輔助，同時出口壓力又不能太大。無論采用哪種控制策略，其最終目的都是要控制血泵輸出一定的壓力和流量，使其滿足受體的生理需求。因此，不管是在研發(fā)階段還是在臨床應(yīng)用過程中，對血泵輸出液體的流量、壓力參數(shù)檢測至關(guān)重要。根據(jù)開發(fā)研究階段的不同，分為體外模擬裝置測量、動物實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用等階段。對于體外裝置模擬適宜采用直接測量法，而在動物實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用過程中，由于使用環(huán)境的特殊性，適宜選用間接測量法。

2.1 直接測量法

在血泵研發(fā)階段，為達(dá)到加快開發(fā)進(jìn)度和降低成本的目的，常采用體外心血管模擬循環(huán)系統(tǒng)來直接測量血泵的狀態(tài)參數(shù)。在國外，血泵體外試驗(yàn)臺的研究熱點(diǎn)主要是建立能模擬受體生理特征的循環(huán)試驗(yàn)臺，這種試驗(yàn)臺的主要特征是能夠模擬血泵在人體內(nèi)運(yùn)行的環(huán)境，通過模擬試驗(yàn)來測試血泵的流體力學(xué)性能[17-20]。

圖4[21]建立了一種可以模擬部分生理特征的軸流血泵體外循環(huán)試驗(yàn)臺，同步測試的指標(biāo)包括: 不同血流量工況點(diǎn)的輸入電流、輸入電壓、流量、出口壓力、入口壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速等，通過計算分析測試結(jié)果，獲得軸流血泵的功率、效率、流體力學(xué)特性等。因此，可完成對血泵的血流量和出、入口壓力等性能參數(shù)的快速直接測量。該測試系統(tǒng)由上、下兩層組成。其中，上面一層的設(shè)備主要是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（包括計算機(jī)和二次儀表記錄儀等）；低層的設(shè)備由血泵、管路、儲液槽、保溫裝置、供電系統(tǒng)、測量單元、調(diào)節(jié)裝置、傳感器等組成。測試介質(zhì)選用40%的甘油水溶液，前后負(fù)荷分別用閥門和液柱高度調(diào)節(jié)桿來控制，轉(zhuǎn)速與流量則由血泵控制器來控制，這樣就能夠獲得不同前后壓力與流量工況下的數(shù)據(jù)測量。

圖4 體外循環(huán)試驗(yàn)臺Fig.4 The test-bed for extracorporeal circulation

其中：1為計算機(jī)；2為流量傳感器；3為液柱高度調(diào)節(jié)桿；4為儲液槽；5為恒溫箱；6為前負(fù)荷調(diào)節(jié)閥；7為入口壓力傳感器；8為血泵；9為出口壓力傳感器。

由于體外模擬測量并不能代替動物實(shí)驗(yàn)和臨床研究中對血泵狀態(tài)的檢測或監(jiān)測，且傳感器應(yīng)盡量避免與血液和機(jī)體組織的接觸，從而減少對生物組織的危害。因此，在動物實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用過程中，采用直接法測量時傳感器需要使用醫(yī)用傳感器，從而達(dá)到避免炎癥、毒性等對生物組織的危害；對于完全植入人體的人工心臟輔助的血泵檢測，還需要考慮傳感器的大小、形狀、重量、能源供應(yīng)與人體組織或血液的接觸情況，以及傳感器本身的可靠性等。

2.2 間接測量法

在血泵的動物實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用過程中，為了盡量避免與血液、人體組織的接觸，達(dá)到減小對生物組織的危害的目的，除了可以使用醫(yī)用傳感器進(jìn)行直接測量外，還可采用間接測量方法對血泵血流量和壓力進(jìn)行監(jiān)測，間接測量法有設(shè)計制作非直接接觸的測量傳感器和利用血泵的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行換算的公式法等。

設(shè)計制作非直接接觸的測量傳感器進(jìn)行血泵輸出流量、壓力的測量是一個非常有效的測量方法，可以有效避免由于與機(jī)體組織接觸所造成的感染等問題。日本學(xué)者Yamagishi H等[22]成功設(shè)計制作了非直接接觸的壓力測量傳感器。這個血液壓力傳感器是由附著在磷青銅金屬片上的應(yīng)變片組成。由于磷青銅金屬片附著在血泵的連接管道上，當(dāng)管道收縮或膨脹時，就會引起應(yīng)變片的收縮或伸長，這時應(yīng)變計的輸出可以反映管內(nèi)液體壓力的變化。

相對于血泵的壓力測量而言，由于超聲測量與血液不接觸，測量探頭可以直接挾持在人工心臟連接管路上或埋入到人工心臟血泵的入口處進(jìn)行流量的測量。因此，多普勒超聲流量計是實(shí)現(xiàn)血泵流量無創(chuàng)間接連續(xù)測量的重要方法。

利用血泵驅(qū)動電機(jī)參數(shù)換算血泵流量和壓力已成為一個重要的監(jiān)測方法。在這方面，曾培等[23-24]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于血泵的輸出流量和壓力的測量，其原理是輸入功率P和轉(zhuǎn)速n是決定輸出流量Q及壓力差H的最主要因素，即電機(jī)的驅(qū)動參數(shù)與血泵工況之間存在著某種確切的函數(shù)關(guān)系

因此，該方法選擇輸入轉(zhuǎn)速n及功率P作為輸入元，流量及壓力作為輸出元，并以此來組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其測量精度已經(jīng)可以達(dá)到95%。該方法與傳統(tǒng)的測量方法相比較，具有無創(chuàng)性和結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，不會對血液造成破壞并減少感染的機(jī)會，同時省去了壓力表和流量計等輔助裝置。

另外，Kitamura T等[25]采用人工心臟瓣膜上的壓力流量模型、隔膜泵的彈性物理模型、極大似然算法等建立氣動左心輔助裝置的在線壓力估測模型，再利用氣動左心輔助裝置中的空氣壓力和空氣驅(qū)動器的活塞位置，來估測血泵的出口、入口壓力。

3 展望與結(jié)論

隨著醫(yī)療器械及其臨床應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，血泵不僅在心臟手術(shù)中的應(yīng)用更為普及，相信在不久的將來，人工心臟完全取代自然心臟的應(yīng)用也會成為現(xiàn)實(shí)，同時，也會對血泵的控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)提出了更高的要求。為此，應(yīng)從以下幾方面加強(qiáng)對血泵控制技術(shù)及監(jiān)測方法的研究：

(1)基于生理機(jī)制的控制是血泵比較理想的控制策略，這樣可以使血泵的輸出更大限度地滿足受體生理需求，提高受體的生活質(zhì)量，應(yīng)該是未來血泵控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

(2)由于人體生理系統(tǒng)是一個復(fù)雜的時變系統(tǒng)，簡單而單一的基于心率、心室功或血流輔助指數(shù)的流量控制算法并不能最大限度地滿足人體正常生理需求，因此，還應(yīng)該從多方面因素考慮血泵的控制算法，從而，提出更為精確的生理控制算法。

(3)血泵的檢測技術(shù)是一個薄弱環(huán)節(jié)，原因是人體組織和血液的生物兼容性限制著傳感器與血液的直接接觸，因此，研制與人體組織兼容性更好的傳感器是重要的一個方向。

(4)血泵狀態(tài)參數(shù)的間接測量或通過已有參數(shù)進(jìn)行預(yù)測或估計，將是血泵參數(shù)檢測中一個很有發(fā)展前途的方向。

(5)要使血泵正常工作，同時最大限度地滿足受體復(fù)雜的生理需求，除了要監(jiān)測血泵狀態(tài)參數(shù)外,還需要監(jiān)測血泵對受體主要評價指標(biāo)的影響,只有這樣，才能對血泵是否正常工作做出正確的判斷。

綜上，控制和監(jiān)測系統(tǒng)作為血泵使用過程中密切相關(guān)的系統(tǒng)，對血泵的臨床應(yīng)用都起到關(guān)鍵性的作用。受體、血泵、控制和監(jiān)測系統(tǒng)組成了一個完整的相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體，為了讓血泵達(dá)到協(xié)調(diào)而又便捷的工作效果，除了對血泵的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出要求外，控制系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到滿足受體生理變化的需求，而監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該向與受體組織無接觸和便于測量的方向發(fā)展，只有這樣，才能夠達(dá)到更好地服務(wù)于受體的目的。

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