CN108025122A - 用于心脏泵的控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于心脏泵(3)的控制装置(10、10a、10b)，该控制装置包括用于在心室中建立舒张末期充盈压力(19)的装置和用于将泵的输送速率(尤其是泵速度或电动泵容量)与所建立的舒张末期充盈压力相关联的装置。通过考虑舒张末期充盈压力，创建类似于生理控制的心脏泵的鲁棒操作选项。

Description

用于心脏泵的控制装置和方法

本发明处于电气工程领域并且可以尤其有利地用于医疗技术领域。具体地，本发明涉及用于心脏泵的控制装置并且涉及对旨在形成控制基础的测量变量的检测。

在下文中，用于旋转泵的控制系统的应用将被认为是本发明的特定示例，因为这种类型的泵就输送能力而言可以被尤其容易地控制。然而，这并不旨在排除利用就其输送能力而言可以被控制的其它泵类型的应用。

旋转血泵通常以恒定的速度操作，以便不断减轻患者心脏上的负担。然而，尤其是当患者进行体力活动或身体负担过重时，这往往导致患者体内的减少的血液供应和/或心脏超负荷。因此，患者的身体表现受到不利影响。

文献中已经讨论了针对这种心脏泵的各种控制可能性，其中，检测到的泵的操作参数通常形成控制操作的基础。这些可能性在实践中尚未实现。

文献US6623420B2公开了一种用于血液泵的控制装置，所述血液泵包括心室中的压力传感器。这里，测量最小左心室充盈压力，并且控制系统将该充盈压力保持在一定范围内。在此，存在尤其是针对最小心室压力的绝对控制范围很小的问题，因为它通常位于舒张末期压力/容积曲线的平坦区域中。为了保持该恒定，最小心室压力的小变化将导致泵速的大变化。这也意味着压力测量中的小误差对泵速的变化有很大影响。由于压力传感器通常会受到漂移的影响，因此仅传感器的该漂移就可能会导致不合适的速度控制范围。

此外，根据上述美国文献中的现有技术，存在的缺点是最小心室压力被控制为目标值。这不符合Frank-Starling效应的生理学原理。该机制由于预负荷的增加而确保了心输出量的增加。然而，该预负荷不被心脏控制为某一值，而是相反例如在身体活动和高心输出量的情况下显著增加。由于右心室后负荷的增加，左心室预负荷的这种增加也限制了心输出量。因此，该机制平衡了右心室和左心室的心输出量。

在现有技术的背景下，本发明的目的是为心脏泵创建一种开头所述类型的控制系统，该控制系统尽可能不敏感地对所使用的压力传感器的漂移作出响应并且包括生理控制系统的尽可能多的元素。

该目的利用根据权利要求1所述的发明的特征来实现。权利要求2至9指定了本发明的有利实施方式。权利要求10涉及用于实现本发明的计算机程序产品，权利要求11指定了用于控制心脏泵的方法，并且权利要求12和13指定了用于控制心脏泵的方法的特定实施方式。

该保护权的另一个主题是心脏泵或心脏泵系统(即，心脏泵加上外围设备(诸如，电源等))，其可以包含权利要求以及以下描述和附图的所有特征(例如，参见权利要求14和15)。

权利要求1指定了用于心脏泵的控制装置形式的发明，包括用于在心室中建立舒张末期充盈压力的装置和用于将操作参数的值(尤其是泵的输送速率，更尤其是泵速度或电动泵容量)与所建立的舒张末期充盈压力相关联的装置。

因此，控制装置的一部分是用于在心室中建立舒张末期充盈压力的装置，该装置为此目的通常具有压力传感器，该压力传感器不仅可以静态地测量各个压力值，而且还能够建立心室中的压力分布。心率期间心脏的通常压力分布是已知的。它根据心室中的舒张末期充盈压力的分布来确定。这是在心室收缩之前舒张期之后在所述心室中占优势的压力。舒张末期压力具有比最小心室压力更大的变化范围(大约0至30mmHg)，并且因此对于小的测量误差或传感器漂移不太敏感。

基于当达到舒张末期充盈压力时达到的压力值，控制装置确定用于泵的操作的参数，尤其是要实现的输送能力或泵速度。

为了实现本发明，尤其是规定将控制装置连接到布置在心室中的绝对压力传感器或连接到另一个压力测量装置。这里，另外还可以规定，提供用于考虑所确定的大气压力来校正测量的绝对压力的装置。借助于另外的校正装置(例如，在布置在心脏外部的另外的压力传感器的帮助下)，可以消除将影响充盈压力的测量的患者体外的压力波动。

根据本发明的控制装置的特征在于，目标压力以可变的方式尤其是取决于泵的速度/输送速率、心脏的输送速率或两个变量的关联。这里，尤其重要的是，泵的输送速率或容量不集中于达到舒张末期充盈压力的某一值，并且因此舒张末期充盈压力的某一目标值可以根据当前和个人的生理状况来设置。这使得根据本发明的控制系统中的生理控制系统的方面的整合成为可能。

例如，可以规定，控制装置包括比例控制器。因此，可以故意不提供P/I控制器(比例/积分控制器)，该控制器将启动校正措施(所述校正措施取决于所建立的舒张末期充盈压力与目标值的差距)，使得某些固定的充盈压力值在此过程之后被设置。健康循环系统中的生理控制系统不同地运行，使得根据负荷达到舒张末期充盈压力的不同值。

然而，原则上不排除在本发明范围内使用P/I控制器。

本发明原则上还允许以集中于达到心室的舒张末期压力的某一目标压力值的方式来控制泵。

尤其是，控制装置可以这样设计，使得控制装置包括存储装置，在该存储装置中，所建立的舒张末期充盈压力的各个范围分别与特定控制器增益相关联。

也可以规定，控制装置包括存储装置，在该存储装置中，所建立的舒张末期充盈压力的各个值在各种情况下与表征泵的输送速率的值(尤其是泵的速度或电容量或泵的另一个操作参数的值)相关联。

这里，根据本发明的实施方式，可以另外规定，在存储装置中存在压力值与控制器增益和/或泵的速度和/或输送速率之间的非线性关系。

在最简单的情况下，本发明可以通过计算机程序产品来实现，该计算机程序产品包括计算泵的速度/输送速率并且将泵的速度/输送速率与所建立的心室中的舒张末期充盈压力相关联并将该泵控制到该输送速率的程序。当然，该计算机程序产品也可以被设计成使得所述计算机程序产品实现下文中描述的、用于控制心脏泵的方法。

本发明还涉及一种上述类型的控制装置和一种计算机程序产品，并且涉及一种用于考虑心室中的血压的测量值来控制心脏泵的方法，其中，该控制基于心室中的舒张末期充盈压力，并且尤其是借助于绝对压力传感器来测量心室中的压力。

这里，该方法的特定实施方式规定，舒张末期充盈压力以控制的目标变量的形式可变并且尤其是取决于心脏的输送速率、或泵的速度/输送速率、或两个值的关联。为此，尤其是可以规定，控制系统在考虑心脏或泵的输送速率、或泵的速度、或这些值的关联的情况下建立目标压力。

为此，一个实施方案规定控制是比例控制。尤其是，该控制可以在没有积分控制器的情况下被实现。

在该方法的另一实施方案中也可以规定，控制系统借助于存储装置在各情况下将表征泵的输送速率的值(尤其是，泵速度或泵容量)与所测得的或所建立的舒张末期压力值相关联。

另外，还可以规定，控制装置包括存储装置，在该存储装置中，所建立的舒张末期充盈压力的各个范围分别与控制器增益相关联。

本发明的另一实施方案可以规定多个压力值根据尤其是非线性关系的关系分别与泵的输送速率或泵的其它操作参数值相关联。

在下文中，本发明的示例性实施方式将基于附图示出并且将在下面被进一步说明。在附图中：

图1示意性地示出了包括控制装置的心脏泵装置，

图2示意性地示出了根据本发明的控制概念的流程图，

图3示意性地示出了心动周期期间的压力分布图，

图4示意性地示出了在具有不同的舒张末期充盈压力的三个标准案例中压力和心室容积在心动周期期间的呈现。

图1示意性地示出了患者的身体1和待辅助的心脏2以及被布置在心脏上的旋转泵3。该泵3借助于入口插管4连接到患者的心脏2并从右心室抽吸血液，以便将该血液传送到泵出口5并通过出口插管6进入主动脉7中。

压力传感器8被设置在心脏内部作为控制装置的元件并且借助于线路9连接到控制装置的处理装置10。该处理装置10在考虑到压力测量的结果的情况下电控制泵3。为此，装置10a首先将泵的操作参数的值(例如，泵的输送速度或泵速度)与舒张末期充盈压力相关联。为此目的，装置10a连接到存储装置10b。

这里的一个问题是患者体内血流速率需求的变化。通常，随着身体负荷增加，患者的身体的许多点处需要更强烈的血液循环，这意味着更多的血液经由静脉系统被输送回心脏(静脉回流)。心脏辅助系统的生理控制必须提供措施以便泵出从右心室输送的血量。在无辅助的生理功能的心脏中，心室射血量随着舒张末期心室压力的增加而增加，以便能够泵出增加的输送血量(Frank-Starling效应)。可以借助于所提出的发明来复制类似的控制系统，即，不会故意地保持舒张末期充盈压力恒定，但是仍然对舒张末期充盈压力的变化作出响应的控制系统。

为此，首先基于图2总体上描述控制系统的机制。图2描述了一种控制电路，在该控制电路中，在输入端11处指定舒张末期充盈压力的目标值。在方法步骤12中，被布置在处理装置10中的微控制器例如根据当前舒张末期充盈压力来指定输送速率的速度作为泵的参数。控制器包括存储装置，在该存储装置中，泵的目标速度或目标传送速率与某一控制变量(诸如，电流强度或另一电控制变量)相关联，借助于该控制变量来控制泵(步骤13)。基于此，在心室中建立某一压力(步骤14)。这通过传感器测量15来连续地测量，并且在方法步骤16中，从压力分布中识别周期性心脏活动的舒张末期充盈压力。然后可以在过滤步骤17中执行信号平滑操作，并且实际获得的舒张末期充盈压力与控制回路的输入端11处的目标压力一起被提供。

图2没有提供关于控制的性质的任何细节；例如，不必需是控制使实际建立的舒张末期充盈压力与舒张末期充盈压力目标值之间的差最小化的情况。然而，可以在控制器中处理当前舒张末期充盈压力与目标值的偏差以提供泵的某些控制值。

基于图3总体上示意性地示出了左心室中的压力分布。这里，以秒为单位的时间被绘制在横轴上，而以毫米汞柱为单位的压力被绘制在纵轴上。考虑应该在11.2秒后立即(时间t₁处)开始，此时左心室中的压力下降(即，心室松弛)。在主动松弛期之后，心室的充盈期开始，并且心室压力达到其绝对最小值，这由第一标记圆圈18来强调。随着心室充盈，心室压力缓慢升高，直到左心室在收缩期收缩为止。在收缩开始时，在等容收缩期中，压力突然升高。在舒张期缓慢上升和收缩期快速上升之间的过渡期，可以找到被标记为圆圈19的舒张末期充盈压力。

在患者的生理负荷改变的情况下，最小舒张压18和舒张末期充盈压力19二者都改变。经验表明，舒张末期充盈压力19以绝对单位比最小舒张压力更大程度地变化，并且因此基于舒张末期充盈压力的控制系统比从建立最小舒张压力开始的控制系统更不敏感。以这种方式，传感器漂移和测量误差的权重显著减小。

图4通过示例的方式并示意性地示出了靶向控制系统如何与生理控制的心脏类似地起作用。为此，左心室的充盈量被绘制在横轴上，而心室中的压力被绘制在纵轴上。在第一种情况下，血液从曲线图的点20开始流入左心室，使得量和压力沿箭头21的方向改变直至点28。点28表示给定量处的舒张末期充盈压力。从那里，压力沿着箭头22的方向沿着线25上升，并且沿着箭头23的量由于血液的喷射而减少。然后，压力沿着箭头24回落到起点20。

如果现在从右心室系统沿左心室方向输送更多的血液，则量增加至点29，这也与有所增加的舒张末期压力对应。压力沿着线26相应地增加，并且沿着箭头23从左心室泵送更多的量。

当充盈到点30时，对于左心室中的甚至进一步增加的血量也是如此。在这种情况下，压力沿着线27增加，并且甚至进一步增加的射血量(Frank-Starling效应)从心室被压出。

借助于所示的示例，应能证明生理控制系统决不会控制为恒定的舒张末期充盈压力，而是相反对该充盈压力作出响应。在射血量和舒张末期充盈压力之间没有相关性，并且因此相应的控制机制可以被称为P控制器。在所提出的发明的帮助下，这种类型的控制可以被类似地复制。

可以使用超声心动图手段来确定左心室的最佳排空，以便最佳地设置控制装置。如果以例如7500转每分钟建立泵的速度的形式的最佳输送速率，并且如果利用该操作给出12.5mmHg的舒张末期充盈压力，则可以例如以如下方式设置控制曲线：对于舒张末期充盈压力增长的每增加一毫米汞柱，泵的速度增加200转每分钟或另一个指定值。在减小的舒张末期充盈压力值的情况下，相应地也适用，其中舒张末期充盈压力增加和泵速变化之间的关系可以是非线性的。这里，应寻求尽可能最大限度地利用关于泵的转速的工作范围。

可以借助于心室的输送量的超声心动图测量来定期调整控制。

因此，本发明可以使得能够实现对血泵的输送能力的准生理控制，并且因此患者可以获得更大的体力或提高生活质量。

Claims (15)

1.一种用于心脏泵(3)的控制装置，所述控制装置包括用于在心室中建立舒张末期充盈压力的装置(8、10)和用于将操作参数与所建立的舒张末期充盈压力相关联的装置(10a)，所述操作参数尤其是所述泵的输送速率，更尤其是泵速度或电的泵容量。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置被连接到布置在心室中的绝对压力传感器(8)或连接到另一个压力测量装置。

3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，提供用于在考虑所确定的大气压力的情况下校正所测量的绝对压力的装置。

4.根据权利要求1或以下权利要求中任一项所述的控制装置，其特征在于可变目标压力，该可变目标压力尤其取决于所述泵的所述速度/输送速率、所述心脏的所述输送速率、或这两个变量的关联。

5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述目标压力是心室的所述舒张末期压力。

6.根据权利要求1或以下权利要求中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括比例控制器。

7.根据权利要求1或以下权利要求中的任一项所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置(10)包括存储装置(10b)，在所述存储装置(10b)中，所建立的舒张末期充盈压力的各个范围分别与特定控制器增益相关联。

8.根据权利要求1或以下权利要求中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括存储装置(10b)，在所述存储装置(10b)中，所建立的舒张末期充盈压力(19)的各个值在各种情况下与表征所述泵(3)的所述输送速率的值相关联，尤其是与所述泵的速度或电容量相关联。

9.根据权利要求7或8所述的控制装置，其特征在于，在所述存储装置(10b)中存在压力值与控制器增益和/或所述泵(3)的速度和/或输送速率之间的非线性关系。

10.一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括程序，所述程序计算泵(3)的速度/输送速率并且将所述泵(3)的所述速度/输送速率与心室中所建立的舒张末期充盈压力相关联并利用该输送速率控制所述泵。

11.一种用于在考虑心室中的血压的测量值的情况下控制心脏泵的方法，其特征在于，所述控制基于所述心室中的舒张末期充盈压力(19)，并且尤其在于，所述心室中的所述压力借助于绝对压力传感器(8)来测量。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述舒张末期充盈压力(19)在其作为所述控制的目标变量的功能中是可变的，并且尤其取决于所述心脏的输送速率或泵(3)的速度/输送速率、或这两个值的关联，

其中优选地，所述控制系统在考虑所述心脏(3)或所述泵的所述输送速率或所述泵的所述速度或这些值的关联的情况下建立目标压力。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述控制是比例控制，和/或

其特征在于，所述控制装置(10)借助于存储装置(10b)在各种情况下将所测量的舒张末期压力值(19)与表征所述泵(3)的所述输送速率的值相关联，所述值尤其表征泵速度或泵容量，和/或

其特征在于，所述控制装置(10)包括存储装置(10b)，在所述存储装置(10b)中，所建立的舒张末期充盈压力的各个范围分别与控制器增益相关联，其中优选地，

在所述存储装置(10b)中，多个压力值根据一定关系分别与所述泵的输送速率相关联，所述关系尤其是非线性关系。

14.一种包含根据权利要求1至9中任一项所述的控制装置的心脏泵或心脏泵系统。

15.一种被设计为由根据权利要求10所述的计算机程序产品进行控制和/或被设计为根据权利要求11至13中任一项所述的方法进行操作的心脏泵或心脏泵系统。