CN113476737B - 一种提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法、装置及存储介质，所述方法包括以下步骤：建立心血管循环系统和人工心脏泵的耦合模型；针对脉压差设计具有模糊PI控制器的闭环控制系统和双闭环控制系统；通过周期性地调制人工心脏泵转速，将平均主动脉压和脉压差都稳定在设定值，在每一次△PH、△PL和△PHm、△PLm相互转换期间，控制系统产生主动脉压差，为人体循环系统提供生理灌注。本发明提供的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，能够满足心衰患者植入人工心脏泵后在不同的生理活动状态及高血压、低血压、血容量过高、血容量不足等病理条件下对不同心排量的需求。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程领域，具体涉及一种提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法、装置及存储介质，尤其涉及一种能够满足不同心排量需求的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法、装置及存储介质。
背景技术
心力衰竭是当今世界共同面临的一个难题，当心脏虚弱并且未能达到与人体各器官、组织需求相称的生理速率泵血时，则会被归类为不同程度的心衰。目前全球范围内心力衰竭的患病形势极其严峻，患病数量超过2600万，且增长速度持续攀升。除了心脏移植，心衰目前还没有通过药物根治的办法，由于心脏病的高发病率和供体心脏的不足，人工心脏成了众多患者延长生存期最后的希望和最有效的途径。在过去的半个多世纪里，对人类衰竭心脏进行人工机械替换的需求一直激励着科学家和临床医生探索人工心脏的研究，经过不懈努力，人工心脏已步入临床应用，挽救了许多重症的心衰患者。
人工心脏泵在医疗辅助供血上应用广泛，但目前98％以上的人工心脏泵都采用非仿生搏动性的恒流供血模式。而搏动是人类心血管系统最基本的内在属性，研究表明仿生搏动性血流在各方面均优于非仿生搏动性血流灌注。一方面，对于衰竭心脏的恢复和支持，仿生搏动性血流也更具优势。另一方面，仿生搏动性血流可以很好地保持血管的弹性，预防动脉硬化，从而在很大程度上地减少心脑血管疾病的发生。由此可见，仿生搏动性血流比连续性血流更满足生理要求，更适于长期循环供血。第三代人工心脏泵可以通过周期性地调制人工心脏泵转速，从而获得仿生搏动性血流灌注，这对心衰患者而言是巨大的福利，能够维持正常的生理功能，对受损心脏后期的治疗也有好处。因此，在心脏泵研制过程中提高其仿生搏动性是未来人工心脏泵一个很好的发展趋势。
CN112121249A公开了一种体外离心式磁悬浮人工心脏泵及使用方法，属于医疗器械技术领域，该人工心脏泵包括壳体结构，所述壳体结构的顶部设有血液进口通道，在所述壳体外壁面上设有血液出口通道，在所述壳体内部中心位置设有悬浮且可转动地叶轮底座，所述壳体内部在血液出口通道的下方设有导流锥；所述叶轮底座的外壁面圆周方向上均匀设有若干个永磁体，在所述壳体的底部圆周方向均匀设有若干个与所述壳体相连接的定子铁芯，所述定子铁芯上设有线圈。该人工心脏泵有利于减少溶血和血栓的发生的同时，可以模拟输出搏动式血流。
由于在心脏泵研制过程中提高其仿生搏动性对于心衰患者具有很大的帮助。因此，如何提供一种在心脏泵研制过程中提高其仿生搏动性，成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法、装置及存储介质，尤其提供一种能够满足不同心排量需求的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法、装置及存储介质。本发明提供的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，能够满足心衰患者植入人工心脏泵后在不同的生理活动状态及高血压、低血压、血容量过高、血容量不足等病理条件下对不同心排量的需求。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，所述方法包括以下步骤：
建立心血管循环系统和人工心脏泵的耦合模型；
针对脉压差设计具有模糊PI控制器的闭环控制系统，根据主动脉压与左心室压的实际压差△P设定两个相互转换的高低参考值△PH和△PL，将△PH和△PL分别输入至模糊PI控制器1中，控制器输出为电机的调制转速wP。
为了避免脉压过大、过小或变化过快，在上述闭环控制系统中引入平均主动脉压模糊PI控制器，形成双闭环控制系统，根据主动脉压与左心室压的平均压差△Pm设定两个相互转换的高低参考值△PHm和△PLm，将△PHm和△PLm输入至模糊PI控制器2中，控制器输出为电机的调制转速wm。
通过周期性地调制人工心脏泵转速，将平均主动脉压和脉压差都稳定在设定值，在每一次△PH、△PL和△PHm、△PLm相互转换期间，控制系统产生主动脉压差，为人体循环系统提供生理灌注。
上述方法通过将平均主动脉压和脉压差稳定在设定值，在能保证左心室有充足的血流注入主动脉的同时，显著提高其血管仿生搏动性，为人体循环系统提供足够的生理灌注。
优选地，所述模糊PI控制器1调整所述闭环控制系统的输入，使得当压差参考值为△PH时，控制系统的输出逼近△PH，人工心脏泵流量增大并且主动脉压力明显大于左心室压力，此时左心室的负载减弱；随后控制系统将参考值由△PH自动转换为△PL，人工心脏泵流量减少，此时主动脉压力小于左心室压力；所述模糊PI控制器2的控制原理与所述模糊PI控制器1的控制原理一致。
通过使平均压差先逼近其中一个参考值后立即向另一个参考值逼近的方式，使得血流的仿生搏动性得到显著提高。
优选地，所述模糊PI控制器1和模糊PI控制器2的隶属函数采用三角形隶属函数。
优选地，所述方法提供至少3个反映循环系统中血液仿生搏动性的表征指标，包括残余血流动力能SHE、搏动率PR与搏动衰减指数PAI。
优选地，所述残余血流动力能SHE表征血液流动中用来产生搏动的能量，由于血液仿生搏动性主要受到能量梯度影响，因此该指标能够准确反映循环系统中的血液仿生搏动性。
优选地，所述搏动率PR表征血压仿生搏动性的变化，定义为动脉血压峰值与平均值之比。
优选地，所述搏动衰减指数PAI表征血流通过人工心脏泵前后的血液仿生搏动性的损失，定义为动脉血压的峰值与主动脉血压的峰值之比。
优选地，所述耦合模型包含人工心脏泵从左心室连接至主动脉的整个部分，采用等效电路的形式，主要考虑左心室的功能，而省略肺循环、右心房和右心室，模型假设右心房、右心室和肺循环系统是正常的，即人工心脏泵对于这几部分的影响可以忽略不计。
优选地，所述方法由MATLAB进行仿真测试，测试心衰下循环系统的血液动力学状态及仿生搏动性提高的效果。
第二方面，本发明提供了一种提高人工心脏泵血流仿生搏动性的装置，所述装置包括系统监控界面、计算机、控制器、人工心脏泵、流量计、压力传感器、阻力调节器。
所述计算机执行如上所述的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法。
第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如上所述的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，通过将平均主动脉压和脉压差稳定在设定值，在能保证左心室有充足的血流注入主动脉的同时，显著提高其血管仿生搏动性，为人体循环系统提供足够的生理灌注；通过使平均压差先逼近其中一个参考值后立即向另一个参考值逼近的方式，使得血流的仿生搏动性得到显著提高；本发明还提供一种提高人工心脏泵血流仿生搏动性的装置，可对人工心脏泵以不同频率周期性搏动供血，对心衰患者维持正常的生理功能以及对受损心脏后期的治疗具有很大的帮助。
附图说明
图1是实施例中提高人工心脏泵血流搏动性的方法的示意图；
图2是实施例中人工心脏泵的结构示意图；
图3是实施例中心血管循环系统和人工心脏泵的简化耦合模型示意图；
图4是实施例中主动脉压的模糊PI控制器示意图；
图5是心衰状态下未使用提高人工心脏泵血流搏动性方法的动脉血压响应曲线图；
图6是心衰状态下使用了提高人工心脏泵血流搏动性方法的动脉血压响应曲线图；
图7是实施例中提高人工心脏泵血流搏动性的装置的结构示意图；
图8是恒转速模式下的动脉血流量响应曲线图；
图9是搏动模式下的动脉血流量响应曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例
本实施例提供了一种提高人工心脏泵血流搏动性的方法，其中方法的示意图如图1所示，人工心脏泵的结构示意图如图2所示，具体如下：
首先，建立心血管循环系统和人工心脏泵的简化耦合模型，示意图如图3所示，为研究循环系统与离心泵的耦合，心血管循环模型将主要考虑左心室的功能，而省略肺循环、右心房和右心室，其中人工心脏泵(LVAD)并联在左心室和主动脉之间。图3中CR和Ct表示左心房和左心室的顺应性，血管壁是有弹性的，顺应性用来表征血管容积随血压的变化而改变的程度；二极管DM和DA分别代表二尖瓣和主动脉瓣；RM和RA分别为二尖瓣流阻和主动脉瓣流阻；RC和CS分别表示外周阻力和动脉顺应性；左心室顺应性Ct是一个实变参数；LS表示血液的惯性；RS表示血流阻力。利用基尔霍夫定理，可将耦合后的电网络模型转化成5阶线性状态方程组的形式：
其中，
式中，x1-x5分别表示左心室血压、左心房血压、动脉血压、主动脉压、动脉血流速率；C(t)表示左心室的顺应性，与Ct含义一致，此处为更好地表示实变；x1-x4分别表示左心室血压、左心房血压、动脉血压、主动脉压；r(xi-xj)表示xi和xj之间的血流阻力，i为1、2或4，Q(ω,H)表示人工心脏泵的流量，取决于转速和压差。
下一步，针对平均主动脉压和实际脉压差设计具有两个模糊PI控制器的双闭环控制系统，具体步骤如下：
(1)首先针对脉压差设计具有模糊PI控制器的闭环控制系统，根据主动脉压与左心室压的实际压差△P设定两个相互转换的高低参考值△PH和△PL，将△PH和△PL分别输入至模糊控制器1中，控制器输出为电机的调制转速wP；
(2)其次，为了避免脉压过大、过小或变化过快，在上述闭环控制系统中引入平均主动脉压模糊PI控制器，形成双闭环控制系统，根据主动脉压与左心室压的平均压差△Pm设定两个相互转换的高低参考值△PHm和△PLm，将△PHm和△PLm输入至模糊控制器2中，控制器输出为电机的调制转速wm；
(3)最后通过周期性地调制人工心脏泵转速，将平均主动脉压和脉压差都稳定在设定值。
图4是主动脉压的模糊PI控制器示意图，如图4所示，比例和积分的系数根据模糊推理规则灵活调整，偏差e、偏差变化率de/dt、比例修正值和积分修正值的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，模糊控制器的隶属函数采用三角形隶属函数；通过模糊控制器调整PI控制器的比例系数和积分系数，即△Kp和△Ki；将实时的主动脉压与主动脉压设定值(△PH/△PL)的差值分别输入给模糊PI控制器中，当系统出现干扰或者系统的参数变化时，控制器会调整控制系统的输入i(t)，进而控制电机的调制转速ωt；当参考值为△PH时，控制系统的输出即实际△P值逼近△PH，人工心脏泵流量增大并且主动脉压力明显大于左心室压力，此时左心室的负载减弱；而后控制系统将参考值由△PH自动转换为△PL，人工心脏泵流量减少，此时主动脉压力小于左心室压力，使得平均主动脉压和脉压差都稳定在设定值(△PH/△PL)上。平均主动脉压差模糊PI控制器的设计过程和原理与上述设计过程和原理一致，据此可依次完成具有两个模糊PI控制器的双闭环控制系统的设计，随后通过试凑，将两个模糊PI控制器调节到最佳状态。
下一步，采用能反映循环系统中血液搏动性的表征指标：残余血流动力能(SHE)、搏动率(PR)与搏动衰减指数(PAI)，验证本实施例提供一种提高人工心脏泵血流搏动性方法的有效性，具体如下：
(1)残余血流动力能(SHE)反映的是血液流动中用来产生搏动的能量，由于血液搏动性主要受到能量梯度影响，能够准确反映循环系统中的血液搏动性，其公式如下：
式中，Fap表示动脉血流量速率，L/min；Pap表示动脉血压，mmHg；MAP表示平均动脉血压，mmHg。
(2)搏动率(PR)表征血压搏动性的变化，被定义为动脉血压峰峰值与平均值之比，其公式如下：
式中，PapMAX和PapMIN分别表示动脉血压的最大值和最小值，mmHg。
(3)搏动衰减指数(PAI)反映的是血流通过人工心脏泵前后的血液搏动性的损失，被定义为动脉血压的峰峰值与主动脉血压的峰峰值之比，其公式如下：
式中，PapMAX和PapMIN分别表示一个心动周期内动脉血压的最大值和最小值，mmHg；PaoMAX和PaoMIN分别表示整个心动周期内动脉血压的最大值和最小值，mmHg。
下一步，采用MATLAB分别计算正常状态、心衰状态下未使用本发明提高人工心脏泵血流搏动性方法和心衰状态下使用本发明提高人工心脏泵血流搏动性方法三种情况下SHE、PR和PAI数值及动脉血流量响应曲线(见图5-6，图5为心衰状态下未使用提高人工心脏泵血流搏动性方法的动脉血压响应曲线，图6为心衰状态下使用了提高人工心脏泵血流搏动性方法的动脉血压响应曲线)，从数值模拟上测试心衰下循环系统的血液动力学状态及搏动性提高的效果，结果如下：
| 状态 | SHE | PR | PAI(％) |
| 正常状态 | 8593.0 | 0.361 | 86.9 |
| 心衰状态 | 4918.0 | 0.322 | 68.4 |
| 心衰状态下使用本发明提高人工心脏泵血流搏动性方法后的状态 | 8105.0 | 0.349 | 86.0 |
以上结果可以看出，心衰状态下使用本发明提高人工心脏泵血流搏动性方法的SHE、PR和PAI数值与正常状态接近，而未使用本发明提高人工心脏泵血流搏动性方法SHE、PR和PAI数值与正常状态相差较大，说明使用本发明提高人工心脏泵血流搏动性方法具有较好的效果。从图5-6可以看出使用本发明提高人工心脏泵血流搏动性方法下大幅度提升了循环系统动脉血压平均值，可为对受损心脏提高足够的血压。
为了实现上述提高人工心脏泵血流搏动性的方法，本实施例提供一种提高人工心脏泵血流搏动性的装置，结构示意图如图7所示，具体而言：
如图7所示，该装置包括系统监控界面、计算机、控制器、人工心脏泵、流量计、压力传感器、阻力调节器等部分，各部分之间协调作业，共同完成提高人工心脏泵血流搏动性方法的实验过程，具体步骤如下：
第一步，将人工心脏泵接入血液模拟循环系统，其中实验采用的离心式血人工心脏泵由无轴承永磁薄片电机驱动，改变电机转速可调节血泵辅助后的主动脉压。其转速调节的原理如下：
控制系统采用PWM调节转速，STM32控制器对压力传感器信号进行AD采样和数字滤波，模糊PI控制器输出PWM脉冲占空比可调的驱动信号，输入给直流电机驱动芯片，PWM的占空比越大，驱动电机的电压就越大，从而调整电机的转速，实现对血泵转速的调制。
第二步，先控制电机工作在恒转速模式，工作稳定后输出主动脉压图；
第三步，切换电机工作模式至搏动模式，通过模糊PI控制器控制血泵转速，稳定后，输出主动脉压结果；
第四步，从图8-9(图8为恒转速模式下的动脉血流量响应曲线图，图9为搏动模式下的动脉血流量响应曲线图)可以看出，本发明提高人工心脏泵血流搏动性方法能够显著增加动脉血流量，改善循环系统血液灌注情况，对比两种模式的主动脉压结果，得出本发明提高人工心脏泵血流搏动性方法具有较好的效果，仿生搏动性得到了显著提高。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法、装置及存储介质，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (10)
1.一种提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
建立心血管循环系统和人工心脏泵的耦合模型；
针对脉压差设计具有模糊PI控制器的闭环控制系统，根据主动脉压与左心室压的实际压差△P设定两个相互转换的高低参考值△PH和△PL，将△PH和△PL分别输入至模糊PI控制器1中，控制器输出为电机的调制转速wP；
在上述闭环控制系统中引入平均主动脉压模糊PI控制器，形成双闭环控制系统，根据主动脉压与左心室压的平均压差△Pm设定两个相互转换的高低参考值△PHm和△PLm，将△PHm和△PLm输入至模糊PI控制器2中，控制器输出为电机的调制转速wm；
通过周期性地调制人工心脏泵转速，将平均主动脉压和脉压差都稳定在设定值，在每一次△PH、△PL和△PHm、△PLm相互转换期间，控制系统产生主动脉压差，为人体循环系统提供生理灌注；
所述模糊PI控制器1和模糊PI控制器2的隶属函数采用三角形隶属函数。
2.根据权利要求1所述的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，其特征在于，所述模糊PI控制器1调整所述闭环控制系统的输入，使得当压差参考值为△PH时，控制系统的输出逼近△PH，人工心脏泵流量增大并且主动脉压力明显大于左心室压力，此时左心室的负载减弱；随后控制系统将参考值由△PH自动转换为△PL，人工心脏泵流量减少，此时主动脉压力小于左心室压力；所述模糊PI控制器2的控制原理与所述模糊PI控制器1的控制原理一致。
3.根据权利要求1所述的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，其特征在于，所述方法提供至少3个反映循环系统中血液仿生搏动性的表征指标，包括残余血流动力能SHE、搏动率PR与搏动衰减指数PAI。
4.根据权利要求3所述的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，其特征在于，所述残余血流动力能SHE表征血液流动中用来产生搏动的能量。
5.根据权利要求3所述的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，其特征在于，所述搏动率PR表征血压仿生搏动性的变化，定义为动脉血压峰值与平均值之比。
6.根据权利要求3所述的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，其特征在于，所述搏动衰减指数PAI表征血流通过人工心脏泵前后的血液仿生搏动性的损失，定义为动脉血压的峰值与主动脉血压的峰值之比。
7.根据权利要求1所述的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，其特征在于，所述耦合模型包含人工心脏泵从左心室连接至主动脉的整个部分，采用等效电路的形式。
8.根据权利要求1所述的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法，其特征在于，所述方法由MATLAB进行仿真测试，测试心衰下循环系统的血液动力学状态及仿生搏动性提高的效果。
9.一种提高人工心脏泵血流仿生搏动性的装置，其特征在于，所述装置包括系统监控界面、计算机、控制器、人工心脏泵、流量计、压力传感器、阻力调节器；
所述计算机执行权利要求1-8中任一项所述的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1-8中任一项所述的提高人工心脏泵血流仿生搏动性的方法。
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