基於心血管最佳化耦合原理的左心輔助生理控制研究

《基於心血管最佳化耦合原理的左心輔助生理控制研究》是依託江蘇師範大學，由黃歡擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於心血管最佳化耦合原理的左心輔助生理控制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：黃歡
• 依託單位：江蘇師範大學

項目摘要

葉輪式左心輔助裝置（LVADs）廣泛套用於終末期心衰的治療和心肌功能的恢復，為了提高使用者的生存質量，搏動轉速控制逐漸取代恆定轉速控制成為近年來研究的熱點。但是由於目前沒有針對心血管系統的切換性開展深入研究，LVAD控制指標的選擇一直缺乏理論依據。本項目首次提出利用切換系統理論研究心血管最佳化耦合原理的思想，進而建立能夠維持左右心室做功均衡的生理控制指標。主要研究內容包括：（1）利用心肌力的切換特性構建一種新的雙心耦合動力學模型；（2）利用時間尺度變換法、駐留時間法等研究左心室的搏動規律和心血管系統的切換穩定性；（3）基於左心室最小功原理和雙心耦合模型，利用龐特里亞金極大值原理和智慧型最佳化算法研究轉速控制規律。本項目旨在利用切換系統理論和最優控制理論為LVAD的搏動轉速控制建立統一的理論框架；為研究心血管最佳化耦合問題提供一種新的思路；從血泵控制的角度為解決左心輔助右心衰問題提供更有效的方案。

結題摘要

在心臟病診斷和左心輔助裝置控制領域，很多生理問題與控制系統理論存在聯繫。例如，高血壓下的血壓波動本質上屬於系統穩定性問題；心率的調節規律滿足心血管系統最佳化耦合規律；左心輔助後的右心衰與系統能控性存在聯繫；左心輔助裝置的生理控制可以利用自適應控制思想進行設計。現有的心臟集中參數模型包括時變彈性腔模型和心肌力學模型。前者雖然結構簡單，卻是非解析的，且具有強非線性。後者具有高階、強非線性，包含經驗方程等缺點。因此，現有的心臟模型很難用控制和系統辨識理論進行分析。 本研究旨在建立一個解析的、具有可辨識結構的心臟集中參數模型，並利用控制理論定量地對心血管系統進行分析。主要研究內容包括：1. 利用心臟核磁共振研究了左心房室平面縱向位移與心衰之間的關係，並對房室平面的擬活塞運動進行驗證；2. 基於切換系統方法建立了心臟的集中參數模型，並對該模型的最大順應性進行研究；3. 利用臨床的壓力-容積數據對左心活塞泵模型參數進行辨識；4. 基於離散李雅譜諾夫函式方法分析了體循環系統的穩定性；5. 在嵌入式系統中實現了模糊PID、最小方差控制、自校正自適應控制、擴展卡爾曼濾波等算法。 研究證明：1. 心衰時左心房室平面位移小於正常值，可以作為評價心室功能的一項指標；2. 基於房室平面活塞運動思想，左心模型可以表示成一個線性切換系統，該模型可以較好地描述左心的動力學特徵，其最大順應性對前後負載不敏感，符合臨床觀測結果；3. 參數辨識結果證明該模型的某些參數是可辨識的，其中左心室的順應性約為0.3 ml/mmHg，擬活塞模型的機械時間常數約為0.1s；4. 穩定性分析證明，系統穩定性對某些參數非常敏感，這些參數的改變可能引起系統穩定性的降低。 傳統的心室功能評估方法需要多個心動周期的壓力-容積數據，本研究提供了一種利用單周期數據對心室功能進行定量分析的方法。此外，該模型建立了心室壓力和房室平面速度的關係，因此可以利用後者代替前者實現心室功能的非介入式診斷。