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闭环自动胸外按压心肺复苏优化控制研究

作　者: 张广
导　师: 吴太虎
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 生物医学工程
关键词: 胸外按压 闭环控制 呼吸末二氧化碳分压 胸骨弹性模量 权衡
分类号: TP273
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


目的：自从1960年，Kouwenhoven等人揭示了胸外按压能够在心室纤颤期间维持患者血液循环的重要作用以来，胸外按压技术就一直被作为抢救心脏骤停患者的核心急救措施和心肺复苏技术中的关键一环。胸外按压通过增加胸内压或直接挤压心脏产生血液流动，使血液流向肺脏，并辅以适当的呼吸，为脑和其他重要器官提供相当量的氧气以便进行电除颤。为提高胸外按压血流灌注，近年来，胸外按压深度的重要性被再次提及。甚至，2010年国际心肺复苏指南（2010AHA）重新定义了胸外按压深度，将按压深度从4-5cm提高到>5cm。尽管提高胸外按压深度有利于促进患者的血流灌注，但是在增加按压深度的同时也增加了患者胸骨骨折的风险。过深的胸外按压将会导致患者胸骨发生骨折，从而使得胸腔失去泵血功能，极大地影响心肺复苏效率。更严重的是胸肋骨的骨折将会导致严重的肺部、肝脏和其他脏器器官的损伤，威胁患者生命。我们必须认识到，胸外按压是一把双刃剑，具有利弊的两面性。因此，只有综合患者血流灌注程度和胸骨骨折危险性才能得到满足患者个体特征的最佳胸外按压深度。但是，遗憾的是目前国际上缺乏对胸外按压利弊权衡问题的关注。尽管2010AHA对胸外按压深度提出了要求（>5cm），但是并未明确地指出胸外按压深度的数值或范围，大部分急救人员仅仅依靠临床急救经验实施胸外按压。此外，众多自动胸外装备的按压深度恒定，并不能根据患者的个体差异进行按压利弊权衡后的优化胸外按压。权衡胸外按压利弊的机制尚未建立。综上所述，有必要对胸外按压利弊权衡优化自控制策略和算法进行探索和研究，实现在自动胸外按压过程中提高血液循环灌注的同时降低胸骨骨折风险的目标。方法与内容：本课题基于胸外按压复苏理论和智能控制理论，以权衡血流灌注与骨折风险为目标，以“血流灌注与骨折风险辨识—闭环自动胸外按压优化控制策略与算法—闭环自动胸外按压心肺复苏系统研制—实验论证”时序为研究主线，分四个阶段开展了闭环自动胸外按压心肺复苏优化控制研究：（1）血流灌注与骨折风险的监测与辨识：我们对反映血流灌注和骨折风险的各项生理指标进行了充分调研，分析了闭环自动胸外按压复苏技术的总体需求，筛选出呼吸末二氧化碳分压（partial pressure of end-tidal CO2, PETCO2）和胸骨弹性模量（chest stiffness, Kchest）作为心肺复苏中评估血流灌注程度和胸骨骨折危险程度的生理指标；对PETCO2与血流灌注、Kchest与骨折危险程度相关性进行了分析，挖掘了关键特征值，建立了有效的血流灌注和骨折危险程度评价规则和辨识方法；构建了心肺复苏计算机仿真生理模型，总结了胸外按压过程中关键生理参数的变化规律，为闭环自动胸外按压优化控制算法的建立提供了理论基础。（2）自动胸外按压优化策略与闭环优化控制算法研究：利用血流灌注、骨折风险辨识算法与心肺复苏生理模型，结合胸外按压临床经验和模糊控制算法，形成了一套自动权衡血流灌注与骨折风险利弊的高鲁棒性、高适应性的闭环胸外按压优化控制算法。闭环自动胸外按压优化控制算法包含信号预处理、输入饱和处理、模糊控制决策、输出饱和处理和模糊PID自动调节五个部分，分别完成输入信号的滤波放大处理、输入信号范围的限定饱和处理、闭环胸外按压的模糊控制决策、输出信号范围的限定饱和处理和按压深度的模糊PID自动调节。（3）闭环自动胸外按压心肺复苏系统的研制：本课题采用虚拟仪器的设计理念，设计研制了以LabVIEW虚拟仪器为系统控制平台的闭环自动胸外按压心肺复苏系统。系统包括生理信号检测处理模块、LabVIEW虚拟仪器控制平台、自动胸外按压控制器和胸外按压机构，利用生理信号检测处理模块采集患者PETCO2和Kchest，应用LabVIEW虚拟仪器控制平台计算处理得到优化的按压深度，通过自动胸外按压控制器驱动直流无刷电机带动胸外按压机构完成优化的闭环自动胸外按压。（4）实验论证：为验证闭环自动胸外按压优化控制算法与系统的有效性，我们搭建了计算机仿真模型，并开展了计算机仿真实验，对闭环优化控制算法的性能进行了分析测试，验证了优化控制结果；为进一步探索验证实际自动胸外按压心肺复苏情况下的闭环自动胸外按压优化控制性能，我们构建了自动胸外按压生理仿真模型，搭建了实物仿真平台，并开展了基于心肺复苏模拟人的仿真实验（实物模型仿真实验），对比了闭环自动胸外按压心肺复苏控制系统与传统气动胸外按压器Thumper的胸外按压利弊权衡控制性能。结果：为了验证闭环优化控制算法的有效性和可靠性，我们基于计算机仿真模型和实物仿真模型进行了实验验证。（1）计算机仿真实验：在九组胸骨弹性模量不同的计算机仿真实验中，闭环优化控制自动胸外按压（简称优化按压）的有益危险综合指数BRI在大部分情况下要比传统机械胸外按压（简称传统按压）高（6/9）。相比传统按压，优化按压有效提升了心输出量（cardiac output, CO）和PETCO2（6/9）。优化按压的平均BRI、CO和PETCO2分别为5.69、1.45L/min和15.51mmHg；传统按压的平均BRI、CO和PETCO2分别为4.76、1.18L/min和13.26mmHg。（2）实物模型仿真实验：实物模型仿真实验取得了与计算机仿真实验相似的结果。在九组胸骨弹性模量不同的实物仿真实验中，基于闭环自动胸外按压心肺复苏系统的优化胸外按压（简称优化按压）的有益危险度综合指数BRI在大部分情况下要比基于Thumper的传统机械胸外按压（简称传统按压）高（7/9）。相比传统按压，优化按压有效提升了血流量（cardiac out, CO）和PETCO2（6/9）。优化按压的平均BRI、CO和PETCO2分别为6.08、1.35L/min和15.7mmHg；传统按压的平均BRI、CO和PETCO2分别为5.21、1.14L/min和13.76mmHg。综上所述，计算机仿真实验和实物模型仿真实验均表明，优化按压比传统按压获得了更高的CO、PETCO2、BRI，同时避免了胸骨骨折极端危险情况的发生，表现出了优秀的利弊权衡性能。相比之下，传统按压由于按压深度单一，尽管能够维持一定的血液循环，但是却在胸骨柔软时错过了进一步提高血流灌注的机会，更重要的是在胸骨较硬的时候（γ=14N/cm2,15N/cm2），有害因子RF达到了极端危险水平，非常容易导致胸骨骨折。结论：相比传统按压，优化按压具有更加优秀的胸外按压利弊权衡性能。优化按压可以在胸骨柔软的时候，提高按压深度，在保证安全的情况下，获得较好的血流灌注；在胸骨较硬的时候，降低按压深度，在维持必要血流灌注的同时，降低胸骨骨折的风险。闭环自动胸外按压优化控制策略可为自动胸外按压装备提供一套智能化的闭环自动胸外按压心肺复苏解决方案，辅助急救人员进行高效安全的胸外按压，不仅对提高突发事件环境下心肺复苏效率，增加伤员生存率有着重要意义，而且在推动心肺复苏自动化研究方面将发挥重要作用。

全文目录


目录  3-6
缩略词表  6-7
摘要  7-10
ABSTRACT  10-14
第1章 前言  14-26
  1.1 心脏骤停与心肺复苏  14-18
    1.1.1 心脏骤停  14
    1.1.2 心肺复苏  14-15
    1.1.3 胸外按压  15-17
    1.1.4 2010 国际心肺复苏指南  17-18
  1.2 自动胸外按压装备  18-21
    1.2.1 气动式自动胸外按压装备  18-20
    1.2.2 电动式自动胸外按压装备  20-21
  1.3 医疗闭环自动控制技术的国内外应用现状  21-23
    1.3.1 医疗闭环自动控制技术  21-22
    1.3.2 经典医疗闭环自动控制系统  22-23
  1.4 当前胸外按压中存在的主要问题  23-24
    1.4.1 缺乏有效的胸外按压质量反馈监测手段  23
    1.4.2 缺乏有效的胸外按压利弊权衡控制机制  23-24
  1.5 闭环自动胸外按压优化控制解决方案  24-26
    1.5.1 血流灌注与骨折风险的监测与辨识  24-25
    1.5.2 自动胸外按压优化策略与闭环控制算法研究  25
    1.5.3 闭环自动胸外按压心肺复苏系统研制  25
    1.5.4 实验论证  25-26
第2章 血流灌注、骨折风险辨识与心肺复苏生理模型  26-44
  2.1 血流灌注与骨折风险辨识生理指标筛选  26-28
    2.1.1 血流灌注程度辨识生理指标筛选  26-28
    2.1.2 骨折风险辨识生理指标筛选  28
  2.2 血流灌注与骨折风险辨识与评价规则  28-32
    2.2.1 有益因子 BF  29-30
    2.2.2 危险因子 RF  30-32
    2.2.3 有益危险度综合指数 BRI  32
  2.3 心肺复苏生理模型  32-44
    2.3.1 建立心肺复苏生理模型的重要意义  32-33
    2.3.2 心肺复苏血液循环模型  33-42
    2.3.3 胸骨弹性模量模型  42-44
第3章 闭环自动胸外按压优化控制关键算法  44-60
  3.1 闭环自动胸外按压优化控制算法整体设计  44-46
    3.1.1 信号预处理  44
    3.1.2 输入饱和处理  44-46
    3.1.3 模糊控制决策  46
    3.1.4 输出饱和处理  46
    3.1.5 模糊 PID 自动调节  46
  3.2 模糊控制决策算法  46-54
    3.2.1 FC 的原理与结构  47-48
    3.2.2 FC 的设计与算法实现  48-54
  3.3 模糊 PID 自动调节算法  54-60
    3.3.1 确定量化因子和比例因子  55-56
    3.3.2 模糊化  56
    3.3.3 模糊规则设计  56-58
    3.3.4 模糊推理及解模糊化  58-60
第4章 闭环自动胸外按压心肺复苏系统设计  60-85
  4.1 系统设计方案与技术指标  60-63
    4.1.1 整机设计方案  60-62
    4.1.2 主要技术指标  62-63
  4.2 信号检测模块与自动胸外按压器  63-79
    4.2.1 信号检测模块与自动胸外按压控制器硬件设计  63-73
    4.2.2 自动胸外按压控制器软件设计  73-77
    4.2.3 LUCAS 机电结构改装  77-79
  4.3 虚拟仪器控制平台  79-83
    4.3.1 虚拟仪器的概念与原理  79
    4.3.2 虚拟仪器控制平台的硬件构成  79-80
    4.3.3 虚拟仪器控制平台的软件设计  80-83
  4.4 系统样机的整机结构  83-85
第5章 实验与讨论  85-101
  5.1 基于计算机模型的验证实验  85-91
    5.1.1 计算机仿真模型  85-87
    5.1.2 实验参数设置  87-88
    5.1.3 实验结果  88-91
  5.2 基于心肺复苏模拟人的验证实验  91-98
    5.2.1 自动机械胸外按压生理模型  91-93
    5.2.2 实验平台搭建  93-94
    5.2.3 实验参数设置  94-95
    5.2.4 实验结果  95-98
  5.3 小结与讨论  98-101
第六章 总结和展望  101-104
参考文献  104-116
附录 Charles F. Babbs 血液循环模型 MATLAB 程序  116-123
文献综述  123-135
  参考文献  133-135
在学期间取得的成果及发表的代表性论文（全文）  135-148
  1 代表性成果  135-136
    1.1 发表论文  135
    1.2 获得专利  135
    1.3 发表论著  135-136
    1.4 参与科研项目  136
  2 代表性论文  136-148
作者简历  148-149
致谢  149-150

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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