CN112870480A - 模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统 - Google Patents

模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统，其包括监控仪模块、远程控制模块、智能输注泵模块和手持设备模块；监控仪模块与远程控制端相连，负责监控麻醉药注射对象输液情况和采集脑电等原始信号并转化成可监测镇静深度指标传输到远程控制面板；远程控制面板包括控制器模块、药代模型模块、麻醉药注射对象数据库模块和监测软件模块，可以将计算出的注射速率发送到智能注射泵和手持设备上；远程控制端与智能输注泵相连，智能泵模块包括通信装置、电源管理装置、注射器装置和报警装置，根据控制面板和手持设备发送的指令完成注射任务。本发明能实时交换输液信息，实现输注泵的远程智能化控制。

Description

模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统
技术领域
本发明涉及麻醉控制领域和医疗器械领域，具体来说就是一种智能化模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统。
背景技术
据统计，注射泵广泛应用于ICU、CCU、儿科、心胸、脑外科、普外科等患者的治疗和护理，特别是一些重要的手术，需要精确地给药以此来保障麻醉药注射对象的生命安全。从而对麻醉中精准用药提出了更高要求。
由于麻醉药注射对象个体年龄、体重、身高等方面的差异，每个人的注射速率会有差异，这就需要医护人员随时监控麻醉药注射对象的输注情况，加重了他们的负担。而且由于药量的波动可严重影响患者的生命体征，另外，比如一些突发情况包括断电导致麻醉药注射对象注射药量数据丢失等问题，都会给麻醉药注射对象带来严重的后果。
因此，一种智能化远程控制输液泵以及可以报警的系统，既能提高工作效率，又能减轻医护人员的工作强度，是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对输液泵的不足，提供一种模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统，能够通过采集脑电信号，提取相关镇静深度指标，以丙泊酚药物为主，实现麻醉手术中的远程智能化控制，同时能对一些突发状况进行报警提示。为实现上述目的，采用了以下技术方案：
本发明提供一种模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统，其包括监控仪模块、远程控制面板模块、输注泵模块和手持设备模块，
所述监控仪模块具有信号采集模块，监控仪上的信号采集模块采集人体原始脑电信号，所述监控仪模块与远程控制面板模块相连，并且将上述信号转化为参数指标传输到控制面板上，所述远程控制面板模块控制根据上述参数指标控制麻醉药注射对象的输注情况并监控突发事件的发生，远程控制面板模块具有PID控制器模块，其控制输注泵模块的输注动作，根据三房室模型进行计算得到注射速率，根据注射速率更新镇静指标值，并与镇静深度指标理想值对比，实时反馈PID控制器模块，从而控制整个麻醉过程中药物的注射速率，具体控制方法如下：
S1.根据在医院采集到的生理信息、麻醉剂使用剂量等数据，通过三房室模型计算出该麻醉药注射对象准确的效应室浓度值Ce(需要说明的是，通过计算和BIS负相关性高于70％，因此可作为镇静指标值)，作为镇定深度理想值，并设置丙泊酚药物的初始速度(PKPD的输入)为0mg/min。
效应室浓度值Ce由药效药代动力学模型(PKPD)计算得出，PKPD模型由一个四阶微分方程表示，公式如下：
Figure BDA0002912536660000021
Figure BDA0002912536660000022
Figure BDA0002912536660000024
Figure BDA0002912536660000023
式中，式中，x1、x2、x3和x4分别代表中央房室、周围两个房室的药物浓度以及效应室浓度，u(t)/(mg/kg/h)为药物输注速率，kij(i≠j)为房室i与房室j之间的药物传输速率；
S2.将通过PKPD模型计算出来的效应值浓度值和理想值的差值作为模糊自适应PID控制器的输入，得到手术中需要丙泊酚的注射速率；
S3.采用模糊自适应PID控制器，kp，ki，kd为PID的比例、积分和微分系数，将系统误差e，即期望效应室浓度与控制系统计算得效应室浓度的差值和误差变化率de/dt，用ec表示，e、ec、kp、ki、kd模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，然后定义模糊集上的论域，e,ec,kd＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}，kp＝{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}，ki＝{-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06}，设e，ec和kp，ki，kd均服从正态分布，选择三角形、Z型和S型隶属度函数，得到各模糊子集的隶属度，见图4；
S4.根据IF e isNB andec isNB，THEN kp is PB等49条模糊规则,建立kp、ki、kd的模糊规则表，见后述的表1、表2、表3。根据制定的模糊规则，可以得到模糊关系集合R。需要获得的控制量(kp、ki、kd)即为模糊控制的输出控制量，由偏差矩阵e模糊和关系矩阵R合成得到；
S5.最后得到的控制量(kp、ki、kd)是矩阵，需要解释为实际中的特定行为，即反模糊化操作。这里通过采用重心法进行反模糊化完成对PID三个参数的在线调整；
重心法：
Figure BDA0002912536660000031
其中，z0为模糊控制器PID三个参数解模糊后的精确值，zi为模糊控制量论域内的值，μc(zi)为zi的隶属度值；
S6.将步骤S2算出的注射速率作为PKPD模型的输入值，计算相应的效应室浓度值，重复步骤S2，一直循环，直到算出整个手术过程需要的注射速率；
输注泵模块用于接收远程控制面板模块的指令，注射速度可调整地进行麻醉药物注射，
手持设备模块用于现场直接操作输注泵模块，手持设备与监控仪模块、远程控制面板模块实时进行数据交换。
在本发明的优选实施方式中，所述麻醉药物可以为任何静脉滴注的麻醉药物，优选为丙泊酚。
在本发明的优选实施方式中，所述控制面板模块还包含药代动力学模型库、麻醉药注射对象数据库和监测软件模块；所述的药代动力学模型库包扩不同人群建立的三房室动力学模型，根据不同的人群提供基础药物注射；所述的麻醉药注射对象数据库为建立和保存麻醉药注射对象数据信息。
在本发明的优选实施方式中，远程控制面板模块是采用无线/有线可切换的模式与监控仪模块、输注泵模块连接，手持设备通过GPRS/蓝牙与智能输注泵进行信号传输。
在本发明的优选实施方式中所述监控仪模块、远程控制面板模块、输注泵模块、手持设备模块之间的通信总线采用CAN总线控制，采用CANopen协议。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.现有的PID参数是通过手动调节的，耗时耗力，过程比较复杂。为了得到最优的控制结果，本发明采用模糊自适应PID，不但更加准确、能够大大提高护士的工作效率又能减轻工作强度，提高手术的安全性并保障麻醉药注射对象的生命安全。
2.系统控制器能够快速响应，鲁棒性好，准确性高，可以使系统更快到达稳定范围之内，稳定性能很好。
附图说明
图1是本发明的模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统的结构框图；
图2是本发明的模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统的报警处理流程图；
图3是本发明的模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统的麻醉闭环控制结构框图；
图4是描述本发明的模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统的隶属度函数的图；
图5是本发明的模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统的在线调整PID参数的流程图；
图6a～图6d是描述本发明模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统的实施例的相关参数的图。
具体实施方式
下面结合附图对实施例的操作方法进一步说明。
实施例1
如图1所示，本发明的模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统包括麻醉药注射对象、监控仪模块、远程控制面板模块、智能输注泵模块和手持设备模块，手持设备模块用于现场直接操作输注泵模块。他们可以互相交换信息，实现远程输液。
其中，智能输注泵和麻醉药注射对象相连，可以实现每个麻醉药注射对象佩戴一个，多个输注泵的信息都可以在控制面板上查询，根据远程控制面板和手持设备发送指令完成注射。医生可以通过控制面板和手持设备设置每个麻醉药注射对象的输注速率以及开始或停止输液命令。
麻醉药注射对象和监控仪模块相连，监控仪上的信号采集模块用来采集人体原始脑电信号等，并且将上述信号转化为可以监测到的参数指标传输到控制面板上，同时能够实时监控麻醉药注射对象的输注情况以及突发事件的发生，并将这些信息传输到控制面板，实现远程监控。
远程控制面板包括控制器模块、药代模型模块、麻醉药注射对象数据库模块和监测软件模块。远程控制面板是输液数据的交换中心，可以实现和泵以及手持设备的信息交互，实时更新输注速率数据，实现远程输注控制。药代模型是根据不同年龄段建立的三房室动力学模型，包括老人、成年(肥胖)、小孩，可以根据不同的人群实现个体化的药物注射；麻醉药注射对象数据库为建立和保存麻醉药注射对象数据信息；监测软件能够实时记录并保存输注泵的注射量，是有记忆功能的，不会在断电后丢失。
控制器为PID闭环控制器，此处的所谓闭环控制器一般是指，脑电数据采集装置的信号采集端获取脑电数据，之后脑电信号预处理装置将预处理后的脑电数据传送到分析装置中；分析装置与控制系统相连并对预处理后的数据进行分析，得到期望的麻醉深度指标值，并将期望的麻醉深度指标值传送到控制系统中；闭环控制系统与注射装置相连并控制其工作，闭环控制系统计算出下一步麻醉剂输注速度，注射装置接收到信号后，注射装置完成麻醉剂输注速度的实时控制。
本发明的特点在于，从实用性和准确性考虑，如图3所示，PID闭环控制器采用的是模糊自适应PID控制器，控制策略如下：
S1.根据在医院采集的其中一名18千克、108厘米的5岁男孩麻醉药注射对象数据，诱导期120mg/min，维持期5mg/min，通过三房室模型计算出该小孩准确的效应室浓度值Ce(图6a-.线)，并作为镇定深度理想值，先设置丙泊酚药物的初始速度(PKPD的输入)为0mg/min；
S2.将通过PKPD模型计算出来的效应值浓度值Ce和理想值的差值e作为模糊自适应PID控制器的输入，得到手术中需要丙泊酚的注射速率u(t)；
S3.采用模糊自适应PID控制器，kp，ki，kd为PID的比例、积分和微分系数，将系统误差e，即期望效应室浓度与控制系统计算得效应室浓度的差值和误差变化率de/dt，用ec表示，e、ec、kp、ki、kd模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，然后定义模糊集上的论域，e,ec,kd＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}，kp＝{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}，ki＝{-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06}，设e，ec和kp，ki，kd均服从正态分布，选择三角形、Z型和S型隶属度函数，得到各模糊子集的隶属度，见图4；
S4.建立kp、ki、kd的模糊规则表，见表1/2/3。根据制定的模糊规则，可以得到模糊关系集合R。需要获得的控制量(kp、ki、kd)即为模糊控制的输出控制量，由偏差矩阵e模糊关系矩阵R合成得到；
此处模糊规则参照表1、表2、表3，每个参数kp、ki、kd都有49条模糊规则，汇总在表1、表2、表3这样的7×7表格中。表1中的内容，即表示基本规则，例如表1中e横栏为NB，ec纵栏为NB时的交叉的格为PB，代表模糊规则为当e为NB且ec为NB，则kp为PB(即IF e isNBandec isNB，THEN kp is PB)。
表1 kp的模糊规则表
Figure BDA0002912536660000061
表2 ki的模糊规则表
Figure BDA0002912536660000062
表3 kd的模糊规则表
Figure BDA0002912536660000071
S5.最后得到的控制量(kp、ki、kd)是矩阵，需要解释为实际中的特定行为，即反模糊化操作。这里通过采用重心法进行反模糊化完成对PID三个参数的在线调整(图6d)；
重心法：
Figure BDA0002912536660000072
其中，z0为模糊控制器PID三个参数解模糊后的精确值，zi为模糊控制量论域内的值，μc(zi)为zi的隶属度值；
S6.将步骤S2算出的注射速率u(t)作为PKPD模型的输入值，计算相应的效应室浓度值Ce，重复步骤S2，一直循环，直到算出整个手术过程需要的注射速率(图6c)；
图6a‘-.’线是目标效应值浓度，‘--’线是模糊自适应PID输出的效应室浓度曲线，可以看出能很好跟踪目标值。图6b是系统误差，可见系统准确性能很好，图6c是计算模糊控制器计算的注射速率，图6d是模糊控制器在控制过程中自动调整PID三个参数，使系统具有良好的动、静态性能。
在本发明中，智能输注泵在输液过程中，将麻醉药注射对象的输液信息实时的上传到监控仪模块上，监控仪上的信号采集模块根据采集的信息转化成可以监测的镇静指标以及输液信息，通过总线发送到远程控制面板上，控制面板通过闭环控制计算出相应的输注速率直接通过总线发送到智能泵，或者通过手持设备发送指令。
如图2所示，当监控仪检测到输注泵有突发情况，将报警信息发送到控制面板上，或者输注泵直接发送报警信息到手持设备上，由控制面板和手持设备做出措施，比如停止输液命令等。同时报警模块会发发挥其作用，提醒医护人员快速做出下一步的动作。
智能输注泵包括通信装置、电源管理装置、注射器装置和报警装置。
通信装置是输注泵将输液信息通过GPRS/蓝牙发送到监控仪和手持设备，同时获取指令，完成指定的动作。
注射器装置是输注泵肿的步进电机按照医护人员设置的输液参数进行转动，将液体挤压完成注射，它通过与控制面板模块建立CANopen通信协议，将控制面板模块运算出药物注射速度信息传递给输注泵对麻醉药注射对象进行药物注射。
电源管理装置可以为智能输注泵提供电，保持其处于稳定的工作状态。所用电池锂电池，电源管理装置可以为输注泵充电。
报警装置包括显示报警模块和声音报警模块。显示报警模块是将报警信息显示到控制面板上，警报信息是将异常的注射情况突出显示，例如指示灯改变其显示颜色，便于医护人员快速判断注射的异常情况，并能及时对异常情况做出应急反应；声音报警模块为蜂鸣器，蜂鸣器连接于控制电路中，当注射速度与预设的速度不一致或者注射完成时，控制器模块控制蜂鸣器发出声音，提醒医护人员做出相应措施。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种模糊控制远程控制麻醉药物输液泵系统，其包括监控仪模块、远程控制面板模块、输注泵模块和手持设备模块，其特征在于：
所述监控仪模块具有信号采集模块，监控仪上的信号采集模块采集人体原始脑电信号，所述监控仪模块与远程控制面板模块相连，并且将所述人体原始脑电信号转化为效应室浓度Ce指标传输到控制面板上，
所述远程控制面板模块控制根据上述参数指标控制麻醉药注射对象的输注情况并监控突发事件的发生，远程控制面板模块具有PID控制器模块，其控制输注泵模块的输注动作，根据三房室模型进行计算得到注射速率，根据注射速率更新镇静指标值，并与镇静深度指标理想值对比，实时反馈PID控制器模块，从而控制整个麻醉过程中药物的注射速率，具体控制方法如以下S1～S6步骤：
S1.根据在医院采集的数据计算出该麻醉药注射对象准确的效应室浓度值Ce，作为镇定深度理想值，并设置麻醉药物的初始速度为0mg/min；
效应室浓度值Ce由药效药代动力学模型PKPD计算得出，PKPD模型由一个四阶微分方程表示，公式如下：
Figure FDA0002912536650000011
Figure FDA0002912536650000012
Figure FDA0002912536650000013
Figure FDA0002912536650000014
式中，式中，x1、x2、x3和x4分别代表中央房室、周围两个房室的药物浓度以及效应室浓度，u(t)/(mg/kg/h)为药物输注速率，kij(i≠j)为房室i与房室j之间的药物传输速率；
S2.将通过PKPD模型计算出的效应值浓度值和理想值的差值作为模糊自适应PID控制器的输入，得到手术中需要的麻醉药物的注射速率；
S3.采用模糊自适应PID控制器，kp，ki，kd为PID的比例、积分和微分系数，将系统误差e，即期望效应室浓度与控制系统计算得效应室浓度的差值和误差变化率de/dt，用ec表示，e、ec、kp、ki、kd模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，然后定义模糊集上的论域，e,ec,kd＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}，kp＝{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}，ki＝{-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06}，设e，ec和kp，ki，kd均服从正态分布，选择三角形、Z型和S型隶属度函数，得到各模糊子集的隶属度；
S4.建立kp、ki、kd的模糊规则表，根据制定的模糊规则表，得到模糊关系集合R，需要获得的控制量(kp、ki、kd)即为模糊控制的输出控制量，由偏差矩阵e和模糊关系矩阵R合成得到；
S5.最后得到的控制量(kp、ki、kd)的矩阵，通过采用重心法进行反模糊化完成对PID三个参数的在线调整；
重心法：
Figure FDA0002912536650000021
其中，z0为模糊控制器输出量(kp、ki、kd)解模糊后的精确值，zi为模糊控制量论域内的值，μc(zi)为zi的隶属度值；
S6.将步骤S2算出的注射速率作为PKPD模型的输入值，计算相应的效应室浓度值，重复步骤S2一直循环，直到算出整个手术过程需要的麻醉药物注射速率；
输注泵模块用于接收远程控制面板模块的指令，注射速度受到调整进行麻醉药物注射，手持设备模块用于现场直接操作输注泵模块，手持设备与监控仪模块、远程控制面板模块实时进行数据交换。
2.根据权利要求1所述的输液泵系统，其特征在于：所述麻醉药物为丙泊酚。
3.根据权利要求1所述的输液泵系统，其特征在于：所述控制面板模块还包含药代动力学模型库、麻醉药注射对象数据库和监测软件模块；所述的药代动力学模型库包括不同人群建立的三房室动力学模型，根据不同的人群提供基础药物注射；所述的麻醉药注射对象数据库为建立和保存麻醉药注射对象数据信息。
4.根据权利要求1所述的输液泵系统，其特征在于：远程控制面板模块是采用无线/有线可切换的模式与监控仪模块、输注泵模块连接，手持设备通过GPRS/蓝牙与智能输注泵进行信号传输。
5.根据权利要求1所述的输液泵系统，其特征在于：所述监控仪模块、远程控制面板模块、输注泵模块、手持设备模块之间的通信总线采用CAN总线控制，采用CANopen协议。
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