CN109793954B - 一种基于左心室辅助装置lvad的无差别自适应的生理控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于左心室辅助装置LVAD的无差别自适应的生理控制方法，首先通过测量来自左心室的预负荷(Preload),并作为Frank‑Starling like控制系统的输入值，从而产生患者所需的平均泵流量的参考值(

)和泵流量的搏动值的参考值(Q_plusr)。下一步在信号处理这一模块使用了Savitzky‑Golay(S‑G)滤波器，拓展Kalman滤波器和低通滤波器，对提取的泵转速信号进行除噪处理，同时估计出所需的平均泵流量的测量值(

)和流量的搏动值的测量值(Q_plus)。最后

Q_plusr与

Q_plusr输入PI控制器进行处理，输出的电流信号直接对LVAD进行控制，以达到希望的泵转速。

Description

一种基于左心室辅助装置LVAD的无差别自适应的生理控制 方法

技术领域

本发明涉及医疗器械及设计方法，具体为一种对人工心脏进行控制，并符合人体血液动力学要求的生理控制方法。

背景技术

据国家心血管中心调查，2017年我国心血管病患者的死亡率仍处于城乡居民总死亡原因首位，农村为45.01％，城市为42.61％。心力衰竭(Heart Failure,HF)又称心衰，是各种心血管病的终末阶段，通常指由于自然心脏功能发生障碍，不能将静脉回心血液排出心脏，导致静脉系统血液淤积，动脉系统供血不足，从而引起心脏循环阻碍。由于心脏供体匮乏，左心室辅助装置(LVAD)逐渐成为重症心衰的主要治疗手段之一。

在国外的生理控制系统中，Gaddum等将泵流量作为控制变量，提出Starling like控制器调节LVAD的瞬时流量与幅值的比值。Schrodel等也根据系统的液压提出了PR参数对泵转速进行调节。PR控制策略与Gaddum等人的研究存在同样的不足，虽然它们都能有效地辅助心衰患者泵血以满足正常生理需求，却未引用相关临床数据进行参数设置，缺乏相应的理论依据，仍需进行深入研究。Bozkurt等基于心动周期内主动脉瓣流量信号建立参考模型，确保心脏泵可在每个心动周期内均产生生理性的血流。

国内的生理控制系统的研究较少，主要是北京大学的常宇等人提出了全局滑膜控制以及基于心率的自适应心脏泵的一系列生理控制系统。

发明内容

本发明的目的是实现一个无需设置，系统能够自动追踪患者所需参考值，同时能够避免抽吸和反流现象而满足人体生理灌注要求的控制方法。

针对现有生理控制系统中出现的问题，例如专利——血泵控制系统及血泵系统(专利号：CN104511060)中提到，在控制系统中存在本地处理端和远程处理端，其中本地处理端负责采集关于血泵的电流，电压和转速等参数，同时采集关于人体的一些血液动力学参数，如心率，心室压力，主动脉流量等等参数。

血泵控制系统及血泵系统中使用到了多个流量传感器，压力传感器。基于压力和流量传感器的发展现状，存在着精确度和可操作性的缺陷。同时，对于心脏泵移植后的临床跟踪，传感器的使用会造成血栓和溶血等并发症，大大影响了患者的术后康复。

血泵控制系统及血泵系统中使用到了本地和远程报警模块，当信号采集模块检测得到的泵参数和人体血液动力学参数发送到本地处理端，经过本地处理端与设置参数进行比较后，并通过比较结果对泵状态进行调试。

上述专利中，在本地处理端使用到测量参数与参考值进行比较的过程，参考值是医生根据每位患者不同的生理状况进行评估而设定的，不利于临床的操作，大大增加了医生的工作量，而且随着患者状态的改变，参考值也需有相应的调整。

针对上述问题，本发明制定了一些相应的方案，首先，对于现今传感器的精度和有创性的问题，在移植的人工心脏中，需要尽可能少的出现传感器的使用，本发明中使用到唯一一个传感器，来测量左心室压力。

首先，心衰患者的心脏在不能实现对体循环进行供血或者在生理状态发生变化时，供血不足的情况下使用到了LVAD。本专利中LVAD的入口管道位于左心室,出口管道位于主动脉。

本发明的实现具体通过以下几个步骤：

一种基于左心室辅助装置LVAD的无差别自适应的生理控制方法，该方法包括左心室辅助装置LVAD，左心室辅助装置LVAD能够通过生理控制系统的调节，产生满足人体生理需求的泵转速ω，左心室辅助装置LVAD的入口管道位于左心室,出口管道位于主动脉，包括以下步骤：

步骤1，首先通过测量来自左心室的预负荷Preload,并作为Frank-Starilng like控制系统的输入值；通过Frank-Starilng like控制系统得到患者所需的平均泵流量参考值

和泵流量的搏动值参考值Q_plusr；步骤2，使用Savitzky-Golay滤波器和拓展Kalman滤波器，对提取的泵转速信号进行除噪处理，同时估计出所需的平均泵流量测量值

和泵流量的搏动值测量值Q_plus；步骤3，将参考值与实际测量的值输入PI控制器进行处理，输出的电流信号直接对左心室辅助装置LVAD进行控制，以达到希望的泵转速。

进一步，所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1，在泵的入口套管中，使用一个压力传感器来实时检测左心室的压力，并经过提取和处理，得出每个心动周期的预负荷Preload；

步骤1.2，Frank-Starilng like控制系统根据患者的预负荷Preload得到相应的平均泵流量参考值

和参考流量搏动值Q_plusr，然后根据正常的

和Preload-Q_plusr关系画出参考基线CL，患者的预负荷Preload作为输入值，通过计算，逐步逼近参考基线；通过Frank-Starilng like控制系统得到患者所需的平均泵流量参考值

和泵流量的搏动值参考值Q_plusr。

进一步，压力传感器选用医用级聚碳酸脂、聚氯乙烯作为测压连接管的材料。

进一步，平均泵流量参考值的计算公式如下：

其中，Preload为预负荷及左心室舒张末期压。

进一步，所述步骤2的具体过程为：

步骤2.1，左心室的旋转血泵中使用了一个速度传感器，用来测量血泵中电机的转速，同时，当LVAD植入病人心脏时，泵转速的输出频率具有噪声和不确定的震荡，在输出的泵转速ω中加入白噪声，输入信号是来自LVAD的泵转速，然后对泵转速进行信号处理，此过程包括两个子模块:第一个是对ω进行滤波得到泵流量，并在一个心动周期中取平均值，得到患者的平均泵流量测量值

第二个是对ω进行滤波得到流量的搏动值测量值Q_plus，在此搏动值定义为一个心动周期中峰值和谷值之间的差值；

步骤2.2，在上述第一个子模块中，通过来自LVAD的泵转速ω作为信号处理的输入值，使用了Savitzky-Golay滤波器和拓展Kalman滤波器，Savitzky-Golay滤波器设计成对一个滑动窗口里的17个数据点进行二阶多项式拟合，得到一个滤波后的泵流量，此时的泵流量又作为拓展Kalman滤波器的输入,并在每一个心动周期中对泵流量取平均值，得到平均泵流量的测量值

进一步，为了防止抽吸，泵流量的搏动值测量值Q_plus需要设置的下限必须大于0L/min；LVAD采用轴流泵，为了防止反流，Q_plus需要设置的上限必须小于8L/min。

进一步，在上述第二个子模块中，泵转速ω作为低通巴特沃斯滤波器的输入，通过在100Hz采样频率下采集的噪声泵转速，并通过算法的估算和测量，得到此时泵流量的搏动值测量值Q_plus。

进一步，所述步骤3的具体过程为：

PI控制器的输入是来自Frank-Starling like控制系统的平均泵流量的参考值

泵流量的搏动值的参考值Q_plusr和来自信号处理的平均泵流量的测量值

泵流量的搏动值的测量值Q_plus，PI控制器的输出值是电流I，通过给定合适的比例和积分系数，来跟踪参考值与测量值之间的误差，电流的计算公式如下：

上式中，K_P1,K_P2为比例系数；K_I1，K_I2为积分系数；

Q_plus分别为实际测量的平均泵流量和泵流量的搏动值；

Q_plusr分别为平均泵流量和泵流量的搏动值的参考值；

左心室辅助装置LVAD使用的是无刷直流电机，通过输出的电流信号直接对无刷直流电机的转速进行控制，当患者的生理状态发生变化，预负荷便会发生相应的变化，从而导致最终控制电机转速的电流发生变化，通过调节使得电机泵送的血流量符合人体生理灌注的需求，以达到希望的泵转速。

本发明的有益效果是：

与现有的生理控制方法相比，根据本发明的一种无差别自适应的生理控制模型的优点如下：本发明通过Frank-Starling like控制系统自主的根据患者的生理状况给出相应的参考值，无需医生对每个患者分别进行调试，大大减少了医生的工作量。同时降低了人工调试出现不可避免的误差，对医生的经验要求大大降低。能够通过对流量的限定值来防止抽吸和反流的发生。现有的临床技术大多使用多个流量和压力传感器来测量相应的血液动力学参数。由于现今医用传感器精度的缺陷，同时特别是传感器的有创性会对人体造成血栓和溶血等等并发症，不利于患者的康复，所以应尽量避免较少的使用传感器，本发明使用了一个压力传感器来测量预负荷，大大降低了并发症的产生，同时也降低了无传感器测量算法的延时性。同时本发明还具备小型化，加工的一致性，有利于临床使用和长期移植。

附图说明

图1为基于左心室辅助装置的无差别自适应的生理控制系统的结构示意图

图2为在一些实施方式中Q_plus值的取值方法示意图

图3a是

示意图

图3b是Preload-Q_plusr示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细得说明，但无论如何所述详细说明不得解释为对本发明的限定。

如图1所示控制方法是由三大模块组成：(1)Frank-Starling like控制系统；(2)信号处理系统；(3)调节转速的PI控制器。这三个模块之间相互作用，模仿传统的Frank-Starling控制系统，建立Frank-Starling like控制系统,基于此控制系统来无差别的给患者提供合适的参考值。基于各类滤波器和算法对泵转速信号进行信号处理，基于PI控制器对参考值与实际测量值之间的误差进行追踪以达到期望的泵转速。

步骤1，基于Frank-Starling like控制系统来逐步追踪适合不同患者的参考值，首先通过测量来自左心室的预负荷Preload,并作为Frank-Starilng like控制系统的输入值；通过Frank-Starilng like控制系统得到患者所需的平均泵流量参考值

和泵流量的搏动值参考值Q_plusr；具体实施步骤如下：

步骤1.1，根据医用级别的压力传感器，压力传感器选用医用级聚碳酸脂、聚氯乙烯作为其主体及测压连接管的材料。在每一个心动周期中测量左心室的压力，预负荷是心肌收缩之前所遇到的阻力或负荷，即舒张末期压。所以每一个心动周期中我们可以提取左心室压力波形中的谷值作为预负荷。预负荷作为Frank-Starilng like控制系统输入值。

步骤1.2，Frank-Starilng like控制系统模仿传统的Frank-Starilng曲线，并对其进行相应的改进。本发明中使用的Frank-Starilng like控制系统分别包含

和Preload-Q_plusr控制器。预负荷作为Frank-Starling like控制系统的输入值。

控制系统如图3a所示，CL是稳定状态下

的控制基线。每个心动周期中，提取测量得到的患者的预负荷，通过计算得出平均泵流量和泵流量的搏动值的参考值。其中平均泵流量参考值的计算公式如下：

其中，Preload为预负荷及左心室舒张末期压。

Preload-Q_plusr控制系统如图3b所示，此控制系统根据心衰程度的不同具有不同角度的控制基线，可以通过泵流量的搏动性迭代的方式逐步逼近参考线，已获得参考泵流量的搏动性。

Frank-Starling like控制系统对比于其他控制器能够自发的产生适合患者生理状态的平均泵流量的参考值

和泵流量的搏动值的参考值Q_plusr，并作为PI控制系统的输入值。

步骤2，基于各类滤波器和算法对泵转速信号进行信号处理，主要是选用合适的滤波器并进行调试，来对已有的泵参数ω进行处理，以得到想要的实际测量值。使用Savitzky-Golay滤波器和拓展Kalman滤波器，对提取的泵转速信号进行除噪处理，同时估计出所需的平均泵流量测量值

和泵流量的搏动值测量值Q_plus；具体实施步骤如下：

步骤2.1，左心室的旋转血泵中使用了一个速度传感器，用来测量血泵中电机的转速，同时，当LVAD植入病人心脏时，泵转速的输出频率具有噪声和不确定的震荡，所以在模拟仿真过程中，可以在在输出的ω中加入白噪声来模拟这一现象。对于信号处理系统中，输入信号是来自LVAD的泵转速，然后对泵转速进行信号处理，此过程包括两个子模块:1.对ω进行滤波得到泵流量，并在一个心动周期中取平均值，得到患者的平均泵流量；2.对ω进行滤波得到泵流量的搏动值，在此搏动值定义为一个心动周期中峰值和谷值之间的差值。

步骤2.2，在上述第一个子模块中，通过来自LVAD的泵转速ω作为信号处理的输入值，使用了Savitzky-Golay滤波器和拓展Kalman滤波器。经过Savitzky-Golay滤波器(S-G滤波器)，S-G滤波器设计成对一个滑动窗口里的17个数据点进行二阶多项式拟合，得到一个滤波后的泵流量，此时的泵流量又作为拓展Kalman滤波器(EKF)的输入,选用EKF是因为它具有一种预测校正算法，它递归地对有噪声的输入数据流进行运算，从而产生一个统计上最优的系统状态或参数的实时估计，可以较好的估计得到的LVAD泵流量，并减少滞后性。并在每一个心动周期中对泵流量取平均值，得到平均泵流量的测量值

为了防止抽吸，泵流量的搏动值的测量值Q_plus(取值定义如图2所示)需要设置的下限必须大于0L/min。此实验中，LVAD采用轴流泵，所以为了防止反流，Q_plus需要设置的上限必须小于8L/min。在上述第二个子模块中，泵转速ω也作为低通巴特沃斯(Butterworth)滤波器的输入，通过在100Hz采样频率下采集的噪声泵转速，并通过算法的估算和测量，得到此时泵流量的搏动值。

步骤3，基于PI控制器对参考值与实际测量值之间的误差进行追踪以达到期望的泵转速。将参考值与实际测量的值输入PI控制器进行处理，输出的电流信号直接对左心室辅助装置LVAD进行控制，以达到希望的泵转速。

具体实施步骤如下：

步骤3.1，所述的PI控制系统是运用比例——积分的算法,在一些实施方式中，PI控制模块的输入是来自Frank-Starling like控制系统的平均泵流量的参考值

泵流量的搏动值的参考值Q_plusr和来自信号处理系统的测量值平均泵流量的测量值

泵流量的搏动值的测量值Q_plus。此控制模块通过给定合适的比例和积分系数，来跟踪参考值与测量值之间的误差，电流的计算公式如下：

上式中，K_P1,K_P2为比例系数；K_I1，K_I2为积分系数；

Q_plus为实际测量的平均泵流量和泵流量的搏动值；

Q_plusr为平均泵流量和泵流量的搏动值的参考值。

左心室辅助装置使用的是无刷直流电机，生理控制系统的通过输出的电流信号直接对电机的转速进行控制。PI控制模块的输出值是电流I，来控制LVAD的电机转速，当患者的生理状态发生变化，预负荷便会发生相应的变化，从而导致最终控制电机转速的电流发生变化，从而使得电机泵送的血流量负荷人体生理灌注的需求。

优选实施例

本发明建立一个最优具体实施例：首先，假设一位患者的心衰程度为重度，主动脉处于关闭状态。同时假设此时的Preload的值为10.5mmHg,作为Frank-Starling like控制系统的输入值，经过计算和迭代，可以算出所需要的平均泵流量和泵流量的参考值为7L/min,6.3。此时泵内部的速度传感器测量的实时泵转速作为输入信号，输送给信号处理系统。因为来自人体的信号参数存在各种噪声，选用Savitzky-Golay滤波器和Extended-Kalman滤波器进行预测校正，产生一个统计上最优的系统状态或参数的实时估计。同时，通过低通滤波器可以对泵转速进行滤波，得到比较准确的泵流量的搏动值。需要注意到的是为了防止抽吸和反流等不利情况的出现，对平均泵流量设置上下限0～8L/min。

为了使实际值能够逐步逼近参考值，将参考值与实际值输入PI控制模块，根据泵的类型选用不同的K_P1,K_P2，K_I1，K_I2。根据PI算法计算公式计算出LVAD电机所需要的电流，以得到期望的泵转速。

在使用此控制方法前需现在计算机进行模拟仿真，根据泵的性能和医用器材的不同调试出符合临床使用的参数。

综上，本发明提供了一种对于不同患者的不同生理情况可以自适应的生理控制系统，无需医生对不同患者的左心室辅助装置(LVAD)进行单独调试。控制系统是由三大模块组成：(1)Frank-Starling like控制系统；(2)信号处理系统；(3)调节转速的PI控制器。这三个模块之间相互作用，首先通过测量来自左心室的预负荷(Preload),并作为Frank-Starling like控制系统的输入值，从而产生患者所需的平均泵流量的参考值

和泵流量的搏动值的参考值(Q_plusr)。下一步在信号处理这一模块使用了Savitzky-Golay(S-G)滤波器，拓展Kalman滤波器和低通滤波器，对提取的泵转速信号进行除噪处理，同时估计出所需的平均泵流量的测量值

和流量的搏动值的测量值(Q_plus)。最后

Q_plusr与

Q_plusr输入PI控制器进行处理，输出的电流信号直接对LVAD进行控制，以达到希望的泵转速。本发明中只使用了一个压力传感器来测量预负荷，大大减少了血栓等并发症的形成，为术后康复提供了有利条件，将无创控制技术更加推进了一步。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于左心室辅助装置LVAD的无差别自适应的生理控制系统，该系统包括左心室辅助装置LVAD，左心室辅助装置LVAD能够通过生理控制系统的调节，产生满足人体生理需求的泵转速ω，左心室辅助装置LVAD的入口管道位于左心室,出口管道位于主动脉， 其特征在于，通过测量来自左心室的预负荷Preload,并作为Frank-Starilng like控制系统的输入值；通过Frank-Starilng like控制系统得到患者所需的平均泵流量参考值

和泵流量的搏动值参考值Q_plusr；使用Savitzky-Golay滤波器和拓展Kalman滤波器，对提取的泵转速信号进行除噪处理，同时估计出所需的平均泵流量测量值

和泵流量的搏动值测量值Q_plus；将参考值与实际测量的值输入PI控制器进行处理，输出的电流信号直接对左心室辅助装置LVAD进行控制，以达到希望的泵转速。

2.根据权利要求1所述的一种基于左心室辅助装置LVAD的无差别自适应的生理控制系统，其特征在于，

在泵的入口套管中，使用一个压力传感器来实时检测左心室的压力，并经过提取和处理，得出每个心动周期的预负荷Preload；

Frank-Starilng like控制系统根据患者的预负荷Preload得到相应的平均泵流量参考值

和泵流量的搏动值参考值Q_plusr，然后根据正常的

和Preload-Q_plusr关系画出参考基线CL，患者的预负荷Preload作为输入值，通过计算，逐步逼近参考基线；通过Frank-Starilng like控制系统得到患者所需的平均泵流量参考值

和泵流量的搏动值参考值Q_plusr。

3.根据权利要求2所述的一种基于左心室辅助装置LVAD的无差别自适应的生理控制系统，其特征在于，压力传感器选用医用级聚碳酸脂、聚氯乙烯作为测压连接管的材料。

4.根据权利要求2所述的一种基于左心室辅助装置LVAD的无差别自适应的生理控制系统，其特征在于，平均泵流量参考值的计算公式如下：

其中，Preload为预负荷及左心室舒张末期压。

5.根据权利要求1所述的一种基于左心室辅助装置LVAD的无差别自适应的生理控制系统，其特征在于，左心室的旋转血泵中使用了一个速度传感器，用来测量血泵中电机的转速，同时，当LVAD植入病人心脏时，泵转速的输出频率具有噪声和不确定的震荡，在输出的泵转速ω中加入白噪声，输入信号是来自LVAD的泵转速，然后对泵转速进行信号处理，此过程包括两个子模块:第一个是对ω进行滤波得到泵流量，并在一个心动周期中取平均值，得到患者的平均泵流量测量值

第二个是对ω进行滤波得到流量的搏动值测量值Q_plus，在此搏动值定义为一个心动周期中峰值和谷值之间的差值；

在上述第一个子模块中，通过来自LVAD的泵转速ω作为信号处理的输入值，使用了Savitzky-Golay滤波器和拓展Kalman滤波器，Savitzky-Golay滤波器设计成对一个滑动窗口里的17个数据点进行二阶多项式拟合，得到一个滤波后的泵流量，此时的泵流量又作为拓展Kalman滤波器的输入,并在每一个心动周期中对泵流量取平均值，得到平均泵流量的测量值

6.根据权利要求5所述的一种基于左心室辅助装置LVAD的无差别自适应的生理控制系统，其特征在于，为了防止抽吸，泵流量的搏动值测量值Q_plus需要设置的下限必须大于0L/min；LVAD采用轴流泵，为了防止反流，Q_plus需要设置的上限必须小于8L/min。

7.根据权利要求5所述的一种基于左心室辅助装置LVAD的无差别自适应的生理控制系统，其特征在于，在上述第二个子模块中，泵转速ω作为低通巴特沃斯滤波器的输入，通过在100Hz采样频率下采集的噪声泵转速，并通过算法的估算和测量，得到此时泵流量的搏动值测量值Q_plus。

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