CN108671296A - 一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统。包括安全监测模块、血流动力学参数控制模块和辅助控制模块且均连接到血泵最终转速变量输出模块。安全监测模块为根据传感器测得的血泵电机电流、血泵运转声音、血泵流量和工作温度判断血泵工作状态是否发生异常；血流动力学参数控制模块为根据传感器测得的主要血流动力学参数调整血泵转速，实现主动脉压控制；辅助控制模块为根据传感器测量得到的心率、运动加速度和呼吸频率调整血泵转速。本发明能在预防血泵出现各种非正常工况的同时，让血泵灌注满足人体多种生理状态的需求。

Description

一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统

技术领域

本发明属于生物医学工程领域的人工心脏控制范畴，具体涉及了一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统。

背景技术

旋转血泵的理想控制系统必须实时感知人体生理变化满足人体生理需求。现阶段，国内外有许多基于压力控制方法、基于流量控制方法、基于心率控制方法，控制目标比较单一。由于人体生理系统是个复杂的非线性时变系统，目标单一的控制方法不能最大限度满足多变的生理需求。

在实际情况中，随着患者活动状态的变化，会产生一个加速度，作用力的方向和人的纵横方向平行，这将引起血液流动，从而使血液循环各部分之间的正常压强差发生变化，影响人们的健康。因此，不论是坐电梯或者坐车，当发生变速运动时，人体会产生一个加速度，健康人的心脏会自动调整供血量，而心脏病患者就会面临重大危害。

此外，血泵植入人体后，当转速过高时，心室会发生抽吸；当转速过低时，血泵输出压力低于主动脉压力，导致反流现象的产生，严重会危及患者生命。

国内现有的血泵控制设备，通过采集血泵前的血压信号、血泵后的血压信号、血液温度信号、血泵外表面温度信号、心率信号、血泵叶片转速信号、血泵电压信号、血泵电流，根据信号值通过血流量控制算法控制血泵的功率，从而实现血泵输出流量与人体所需流量相平衡，但缺少重要生理参数的采集，且并未对血泵出现的异常情况进行监测及反馈控制。

无论采用哪种控制策略，其最终目的都是要控制血泵输出一定的压力和流量，使其满足人体的生理需求。因此，现有技术中缺少多方面考虑血泵的控制，将影响心脏血流、血压的参数都加入到血泵控制中，控制精确性不高。

发明内容

针对上述的不足，为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统，多方面考虑血泵控制，将影响心脏血流、血压的参数都加入控制中，提高控制的精确性。

本发明采用以下技术方案：

包括安全监测模块、血流动力学参数控制模块和辅助控制模块，安全监测模块、血流动力学参数控制模块和辅助控制模块均连接到血泵最终转速变量输出模块；

所述安全监测模块，配置为根据传感器测得的血泵电机电流、血泵运转声音、血泵流量和工作温度判断血泵工作状态是否发生异常，若发生异常，则增加或者减少血泵转速；

所述血流动力学参数控制模块，配置为根据传感器测得的主要血流动力学参数及人体正常生理指标调整血泵转速，实现主动脉压控制；

所述辅助控制模块，配置为根据传感器测量得到的心率(HR)、人体运动加速度(a)和呼吸频率(HF)调整血泵转速，使血泵输出的流量最大程度满足人体更高层次的静息和运动生理状态需求。

在本发明所设计的控制系统中，安全监测模块为第一层级，具有最高优先级，需要优先满足；血流动力学参数控制模块为第二层级，旨在让血泵达到基本的血流动力学辅助要求；辅助控制模块为第三层级，可满足人体静息和运动等多种生理状态下血泵辅助的要求。从而使得所述安全监测模块满足人体正常血液的基本生理需求，所述血流动力学参数控制模块满足人体正常血液的脉压灌注生理需求，所述辅助控制模块满足人体多种静息和运动生理状态需求。

所述安全监测模块根据传感器测得的血泵电机电流、血泵运转声音、血泵流量和工作温度判断监测血泵的倒流、血泵引发的心室吸空、血泵温度异常、血泵发生血栓的四种异常工作状况，具体为：

所述血泵的倒流，配置为根据血泵上安置的流量传感器测得的流量Q，若流量Q>0，则血泵发生未倒流，若流量Q＝0，则血泵处于将倒流状态，若流量Q<0，则血泵发生倒流，得到倒流下血泵转速的第一需调整变量Δω_倒来调整血泵转速；

所述血泵引发的心室吸空，配置为根据血泵上安置的电流传感器和声音传感器测得的声音信号和电流信号进行判断，判断血泵处于已吸空、将吸空、未吸空的三种状态，得到吸空下血泵转速的第二需调整变量Δω_吸来调整血泵转速；

采集大量样品的电流和声音以及已知的血泵吸空情况，通过神经网络离线训练学习形成训练好的模型；然后利用训练好的模型应用于心室吸空的判断，通过声音、电流的输入经过模型的判断血泵的吸空状态。本发明通过考虑了电流、声音两种信号作为共同依据能提高判别的准确性。

所述血泵温度异常，配置为根据血泵上安置的温度传感器测得的温度判断，判断血泵温度是否超过45℃，若温度未超过45℃，则血泵温度正常，若温度超过45℃，则血泵温度异常，得到温度下血泵转速的第三需调整变量Δω_温来调整血泵转速；

所述血泵发生血栓，配置为根据血泵上安置的声音传感器测得的声音信号通过经过训练的样本进行故障判断，声音信号采集的是血泵电机和叶轮运转的声音，当发出刺耳声音则认为发生血栓，通过报警系统报警。

出现血泵发生倒流、血泵发生吸空、血泵温度异常、发生血栓的情况认为血泵发生异常工作状况。

所述安全监测模块输出的用于调整血泵转速的需调整变量为：

若四种异常工作状况均未出现，则安全监测模块输出的总需调整变量为Δω_安＝0；

若出现有异常工作状况，则通过综合上述的四种异常工作状况得到安全监测模块输出的需调整变量为Δω_安＝Δω_倒+Δω_吸+Δω_温。

所述血流动力学参数控制模块包含主动脉压控制。

所述血流动力学参数控制模块中的所述主动脉压控制，配置为根据人体主动脉压力传感器所测的主动脉压(AOP)计算得出主动脉平均压和主动脉脉压，分别与预先设定值进行比较，根据血液动力学特性控制血泵调整主动脉压，得到主动脉压下血泵转速的第四需调整变量Δω_Hemo。

所述血流动力学参数控制模块中还配置有设定固定时间间隔，每隔固定时间间隔通过降低血泵转速，以使得定期打开左心室与动脉之间的瓣膜，防止主动脉瓣长时间闭合导致周边区域的血栓形成。

每隔固定时间间隔通过降低血泵转速具体措施是：设定固定的时间间隔T＝12h，每隔12h将血泵转速降低至最低转速，最低转速为前一个安全监测模块输出的转速。

所述辅助控制模块配置为根据人体的心率(HR)、运动加速度(a)和呼吸频率(HF)，调整血流动力学参数控制模块中主动脉平均压和主动脉脉压，具体是采用公式计算主动脉平均压和主动脉脉压的脉压需调整变量，主动脉平均压和主动脉脉压的脉压需调整变量相同，在血流动力学参数控制模块的基础上调整血泵转速，使得在血流动力学参数控制模块调整后测得的主动脉平均压和主动脉脉压作出脉压需调整变量的改变，使血泵输出的流量和压力最大程度满足人体不同生理状态的需求：

ΔP_set＝K*(a1*HR+a2*a+a3*HF)

其中，ΔP_set为脉压需调整变量，HR为心率，a为运动加速度，HF为呼吸频率，a₁、a₂、a₃分别为心率、运动和呼吸系数，K表示比例系数。

本发明的辅助控制模块根据人体的不同生理状态，例如静息、爬楼、跑步等，需要不同的压力和流量来满足相应的生理需求，调节血泵转速满足患者日常生活的各种需求，进一步完善血泵生理控制系统，实现佩戴心室辅助装置的病人可以更舒适自如地生活。

所述血泵最终转速变量输出模块，配置为安全监测模块、血流动力学参数控制模块、辅助控制模块输出的用于调整血泵转速的需调整变量综合判断输出最终血泵转速变量Δω_总：

如果安全监测模块输出的需调整变量Δω_安≠0，则血流动力学参数控制模块和辅助控制模块停止工作，最终血泵转速变量Δω_总为Δω_总＝Δω_安。

如果安全监测模块输出的需调整变量Δω_安＝0，则血流动力学参数控制模块和辅助控制模块起作用，并且辅助控制模块辅助血流动力学参数控制模块起作用，最终血泵转速变量Δω_总为Δω_总＝Δω_Hemo，同时血流动力学参数控制模块在通过最终血泵转速变量Δω_总调整血泵转速后，再通过辅助控制模块脉压获得的脉压需调整变量ΔP_set调整血泵转速使得主动脉压发生脉压需调整变量ΔP_set的变化。

本发明的有益效果：

本发明将影响心脏血流、血压的参数都加入控制中，提高控制算法的精确性。

考虑优先级，能够在保证人体正常生活的情况下，能够更好地人体的更高层次的生理需求。

附图说明

图1为本发明方法的总体组成示意图；

图2为安全监测模块组成示意图；

图3为血流动力学参数控制模块组成示意图；

图4为辅助控制模块组成示意图；

图5为血泵转速控制组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例中的方案做具体描述。

如图1所示，本发明具体实施包括血泵、安全监测模块、血流动力学参数控制模块和辅助控制模块，安全监测模块、血流动力学参数控制模块和辅助控制模块均连接到血泵最终转速变量输出模块。

安全监测模块，配置为根据传感器测得的血泵电机电流、血泵运转声音、血泵流量和工作温度判断血泵工作状态是否发生异常，若发生异常，则增加或者减少血泵转速；安全监测模块的传感器包括安置于血泵上的电流传感器、声音传感器、流量传感器和温度传感器。

血流动力学参数控制模块，配置为根据传感器测得的主要血流动力学参数及人体正常生理指标调整血泵转速，实现主动脉压控制；血流动力学参数控制模块的传感器包括连接在人体上的人体主动脉压力传感器，人体主动脉压力传感器测得主动脉压(AOP)，并计算主动脉平均压和主动脉脉压，作为主要血流动力学参数。

辅助控制模块，配置为根据传感器测量得到的心率(HR)、人体运动加速度(a)和呼吸频率(HF)调整血泵转速，使血泵输出的流量最大程度满足人体更高层次的静息和运动生理状态需求。辅助控制模块的传感器包括安置于人体上的心率传感器、运动传感器和呼吸传感器。

本发明的具体实施及其实施过程如下：

参照图2所示，图2为安全监测模块组成示意图。安全监测模块根据传感器测得的血泵电机电流、血泵运转声音、血泵流量和工作温度判断监测血泵的倒流、血泵引发的心室吸空、血泵温度异常、血泵发生血栓的四种异常工作状况，具体为：

A)血泵的倒流，配置为根据血泵上安置的流量传感器测得的流量Q，若流量Q>0，则血泵发生未倒流，若流量Q＝0，则血泵处于将倒流状态，若流量Q<0，则血泵发生倒流，得到倒流下血泵转速的第一需调整变量Δω_倒来调整血泵转速；

B)血泵引发的心室吸空，配置为根据血泵上安置的电流传感器和声音传感器测得的声音信号和电流信号进行判断，判断血泵处于已吸空、将吸空、未吸空的三种状态，得到吸空下血泵转速的第二需调整变量Δω_吸来调整血泵转速；

具体实施采集大量样品的电流和声音以及已知的血泵吸空情况，通过神经网络离线训练学习形成训练好的模型；然后利用训练好的模型应用于心室吸空的判断，通过声音、电流的输入经过模型的判断血泵的吸空状态。本发明通过考虑了电流、声音两种信号作为共同依据能提高判别的准确性。

C)血泵温度异常，配置为根据血泵上安置的温度传感器测得的温度判断，判断血泵温度是否超过45℃，若温度未超过45℃，则血泵温度正常，若温度超过45℃，则血泵温度异常，得到温度下血泵转速的第三需调整变量Δω_温来调整血泵转速；

D)血泵发生血栓，配置为根据血泵上安置的声音传感器测得的声音信号进行故障判断，当发出刺耳声音则认为发生血栓，通过报警系统报警。

出现血泵发生倒流、血泵发生吸空、血泵温度异常、发生血栓的情况认为血泵发生异常工作状况。

安全监测模块输出的用于调整血泵转速的需调整变量为：

若四种异常工作状况均未出现，则安全监测模块输出的总需调整变量为Δω_安＝0；

若出现有异常工作状况，则通过综合上述的四种异常工作状况得到安全监测模块输出的需调整变量为Δω_安＝Δω_倒+Δω_吸+Δω_温。

参照图3所示，图3为血流动力学参数控制模块组成示意图。血流动力学参数控制模块包含主动脉压控制。血流动力学参数控制模块中的主动脉压控制配置为根据人体主动脉压力传感器所测的主动脉压(AOP)计算通过滤波器得出主动脉平均压和主动脉脉压，分别与预先设定值进行比较，根据血液动力学特性控制血泵调整主动脉压，得到主动脉压下血泵转速的第四需调整变量Δω_Hemo。

血流动力学参数控制模块中还配置有设定固定时间间隔，每隔固定时间间隔通过降低血泵转速，具体为：设定固定的时间间隔T＝12h，每隔12h将血泵转速降低至最低转速，最低转速为前一个安全监测模块输出的转速。

参照图4所示，图4为辅助控制模块组成示意图。辅助控制模块配置为根据人体的心率(HR)、运动加速度(a)和呼吸频率(HF)，调整血流动力学参数控制模块中主动脉平均压和主动脉脉压，具体是采用公式计算主动脉平均压和主动脉脉压的脉压需调整变量，主动脉平均压和主动脉脉压的脉压需调整变量相同，在血流动力学参数控制模块的基础上调整血泵转速，使得在血流动力学参数控制模块调整后测得的主动脉平均压和主动脉脉压作出脉压需调整变量的改变，使血泵输出的流量和压力最大程度满足人体不同生理状态的需求：

ΔP_set＝K*(a1*HR+a2*a+a3*HF)

其中，ΔP_set为脉压需调整变量，HR为心率，a为运动加速度，HF为呼吸频率，a₁、a₂、a₃分别为心率、运动和呼吸系数，K表示比例系数。

参照图5所示，图5为血泵最终转速变量输出模块组成示意图。血泵最终转速变量输出模块，配置为安全监测模块、血流动力学参数控制模块、辅助控制模块输出的用于调整血泵转速的需调整变量综合判断输出最终血泵转速变量Δω_总。

如果安全监测模块输出的需调整变量Δω_安≠0，则血流动力学参数控制模块和辅助控制模块停止工作，最终血泵转速变量Δω_总为Δω_总＝Δω_安。

如果安全监测模块输出的需调整变量Δω_安＝0，则血流动力学参数控制模块和辅助控制模块起作用，并且辅助控制模块辅助血流动力学参数控制模块起作用，最终血泵转速变量Δω_总为Δω_总＝Δω_Hemo，同时血流动力学参数控制模块在通过最终血泵转速变量Δω_总调整血泵转速后，再通过辅助控制模块脉压获得的脉压需调整变量ΔP_set调整血泵转速使得主动脉压发生脉压需调整变量ΔP_set的变化。

最后使得血泵最终转速为：

ω_总＝ω₀+Δω_总

其中，ω₀为血泵的初始转速。

Claims (8)

1.一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统，其特征在于，

包括安全监测模块、血流动力学参数控制模块和辅助控制模块，安全监测模块、血流动力学参数控制模块和辅助控制模块均连接到血泵最终转速变量输出模块；

所述安全监测模块，配置为根据传感器测得的血泵电机电流、血泵运转声音、血泵流量和工作温度判断血泵工作状态是否发生异常，若发生异常，则增加或者减少血泵转速；

所述血流动力学参数控制模块，配置为根据传感器测得的主要血流动力学参数调整血泵转速，实现主动脉压控制；

所述辅助控制模块，配置为根据传感器测量得到的心率(HR)、人体运动加速度(a)和呼吸频率(HF)调整血泵转速，使血泵输出的流量满足人体静息和运动生理状态需求。

2.根据权利要求1所述的一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统，其特征在于：所述安全监测模块根据传感器测得的血泵电机电流、血泵运转声音、血泵流量和工作温度判断监测血泵的倒流、血泵引发的心室吸空、血泵温度异常、血泵发生血栓的四种异常工作状况，具体为：

所述血泵的倒流，配置为根据血泵上安置的流量传感器测得的流量Q，若流量Q>0，则血泵发生未倒流，若流量Q＝0，则血泵处于将倒流状态，若流量Q<0，则血泵发生倒流，得到倒流下血泵转速的第一需调整变量Δω_倒来调整血泵转速；

所述血泵引发的心室吸空，配置为根据血泵上安置的电流传感器和声音传感器测得的声音信号和电流信号进行判断，判断血泵处于已吸空、将吸空、未吸空的三种状态，得到吸空下血泵转速的第二需调整变量Δω_吸来调整血泵转速；

所述血泵温度异常，配置为根据血泵上安置的温度传感器测得的温度判断，若温度未超过45℃，则血泵温度正常，若温度超过45℃，则血泵温度异常，得到温度下血泵转速的第三需调整变量Δω_温来调整血泵转速；

所述血泵发生血栓，配置为根据血泵上安置的声音传感器测得的声音信号进行故障判断。

3.根据权利要求1所述的一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统，其特征在于：出现血泵发生倒流、血泵发生吸空、血泵温度异常、发生血栓的情况认为血泵发生异常工作状况。

4.根据权利要求1所述的一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统，其特征在于：所述安全监测模块输出的用于调整血泵转速的需调整变量为：

若四种异常工作状况均未出现，则安全监测模块输出的总需调整变量为Δω_安＝0；

若出现有异常工作状况，则通过综合上述的四种异常工作状况得到安全监测模块输出的需调整变量为Δω_安＝Δω_倒+Δω_吸+Δω_温。

5.根据权利要求1所述的一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统，其特征在于：所述血流动力学参数控制模块中，配置为根据人体主动脉压力传感器所测的主动脉压(AOP)计算得出主动脉平均压和主动脉脉压，分别与预先设定值进行比较，根据血液动力学特性控制血泵调整主动脉压，得到主动脉压下血泵转速的第四需调整变量Δω_Hemo。

6.根据权利要求1所述的一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统，其特征在于：所述血流动力学参数控制模块中还配置有设定固定时间间隔，每隔固定时间间隔通过降低血泵转速。

7.根据权利要求1所述的一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统，其特征在于：所述辅助控制模块配置为根据人体的心率(HR)、运动加速度(a)和呼吸频率(HF)，调整血流动力学参数控制模块中主动脉平均压和主动脉脉压，具体是采用公式计算主动脉平均压和主动脉脉压的脉压需调整变量，在血流动力学参数控制模块的基础上调整血泵转速，使得在血流动力学参数控制模块调整后测得的主动脉平均压和主动脉脉压作出脉压需调整变量的改变：

ΔP_set＝K*(a1*HR+a2*a+a3*HF)

其中，ΔP_set为脉压需调整变量，HR为心率，a为运动加速度，HF为呼吸频率，a₁、a₂、a₃分别为心率、运动和呼吸系数，K表示比例系数。

8.根据权利要求1所述的一种多层级多目标左心室辅助血泵生理控制系统，其特征在于：所述血泵最终转速变量输出模块，配置为安全监测模块、血流动力学参数控制模块、辅助控制模块输出的用于调整血泵转速的需调整变量综合判断输出最终血泵转速变量Δω_总：

如果安全监测模块输出的需调整变量Δω_安≠0，则血流动力学参数控制模块和辅助控制模块停止工作，最终血泵转速变量Δω_总为Δω_总＝Δω_安；

如果安全监测模块输出的需调整变量Δω_安＝0，则血流动力学参数控制模块和辅助控制模块起作用，并且辅助控制模块辅助血流动力学参数控制模块起作用，最终血泵转速变量Δω_总为Δω_总＝Δω_Hemo，同时血流动力学参数控制模块在通过最终血泵转速变量Δω_总调整血泵转速后，再通过辅助控制模块脉压获得的脉压需调整变量ΔP_set调整血泵转速使得主动脉压发生脉压需调整变量ΔP_set的变化。