一种人工心脏智能生理控制系统的制作方法

本发明涉及一种人工心脏智能生理控制系统，属于生物医学工程领域。

背景技术：

1、人工心脏是治疗危重心血管疾病，挽救心力衰竭患者生命的关键医疗设备，而其工作状态是否与患者生理状态相适应直接决定人工心脏的治疗效果与患者的远期预后。控制系统的性能是决定人工心脏临床辅助效果的关键装置。为了提高人工心脏的临床效果，研究者在人工心脏控制器方面开展了系统研究。李俊杰等提出的一种基于生物医学工程的人工心脏智能控制系统及方法cn202210266278，虽然能够根据患者的生理参数自动调整人工心脏的转速。但是该控制器需要预先设定患者的理想生理参数范围，而危重心血管疾病患者的生理参数大多数偏离正常值因此很难获得理想的控制效果。中国科学院电工研究所提出的一种人工心脏泵用电机无传感器控制方法cn202210196151，虽然能够通过观测人工心脏的转子位置，进而实现对于人工心脏的闭环控制。但是该控制器的输入参数中不包括患者的生理参数，因此无法针对患者的生理状态变化做出正确反应。北京工业大学提出的一种基于物联网边缘计算的人工心脏控制系统及运行方法cn202011391615，虽然通过物联网与边缘计算方法将人工智能算法与人工心脏的实时控制结合在一起，但是该控制系统并未考虑到人工心脏与患者的长期相互作用，因此无法为患者心脏功能的恢复创造最佳的环境。

技术实现思路

1、为了能够满足人工心脏长期的临床需求，在针对使用过程中患者可能出现的各种并发症，如心室抽吸，心脏过度卸载以及肺淤血等，做出快速有效的响应的同时，还能够针对患者心脏与血管的功能变化调整人工心脏的工作状态，为患者的心脏功能恢复以及保证血管功能的正常创造最佳的环境，本发明提供一种人工心脏智能生理控制系统，根据患者短期、中长期以及长期的生理状态调整人工心脏的工作状态。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案：一种人工心脏智能生理控制系统，系统包括机电生理参数检测模块、心脏功能评估模块、血管生物力学评估模块、智能生理决策模块以及人工心脏的驱动模块，其特征在于：

3、所述机电生理参数检测模块能够采集并检测人工心脏运行过程中的机电信号以及患者的生理参数；

4、所述心脏功能评估模块根据患者的生理参数评估患者当前的心脏功能指数；

5、所述血管生物力学评估模块根据采集的机电信号计算血流旋动指数；

6、所述智能生理决策模块能够根据心脏功能指数与血流旋动指数的变化作出决策，确定当前人工心脏的最佳工作水平；据此确定人工心脏的当前设定转速值；随后据此调整人工心脏的工作电流与转子转速。

7、作为优选，所述患者的生理参数包括患者的平均动脉压、心动周期、心电信号、心排量数据，其中通过患者心电信号提取患者的心动周期信号，并计算其随时间的变化；采用平均动脉压信号与心排量信号计算平均动脉压随时间的变化。

8、作为优选，所述心脏功能评估模块根据式：

9、

10、tc——心动周期

11、t——时间

12、map——平均动脉压

13、brs——心脏功能指数。

14、作为优选，所述机电信号包括：人工心脏的转速、输出血流量、人工心脏的出入口压力差、转子震动幅度、输入电流，其中根据人工心脏的转速，输出血流量、人工心脏的出入口压力差、转子振动幅度与输入电流计算出血泵输出在血管内的血流速度的空间分布规律；根据血流速度的空间分布计算血流涡量分布，进而根据血流速度与血流涡量计算血管内血流旋动强度，用血流旋动指数表征。

15、作为优选，所述血管生物力学评估模块根据式：

16、

17、

18、

19、u——血流速度

20、ω——血流涡量

21、t—时间

22、p—血压

23、ρ—血液密度

24、μt—血液的湍流粘度

25、lnh——血流旋动指数。

26、作为优选，所述智能生理决策模块为三层串行决策结构：

27、外层为功能状态决策层，其根据心脏功能评估模块与血管生物力学评估模块的结果判断当前患者的心脏功能与主动脉血管功能是否处于最佳状态，如果偏离最佳状态超过设定阈值，则做出对人工心脏的工作水平做出调整，人工心脏工作水平包括人工心脏的最佳工作转速、最佳工作转矩与最佳输入功率；

28、中间层为生理状态决策层，其将功能决策层确定的人工心脏工作水平作为输入，根据人工心脏出入口压力差、输出血流量、输入电流水平等机电信号计算人工心脏的卸载水平，卸载水平采用bai指标来衡量，当发生心室抽吸(bai>100％)、过度卸载(80％<bai<100％)或肺淤血(bai<20％)等异常生理状态时，该层控制策略及时做出响应，调整人工心脏的当前设定转速；

29、内层为机电状态决策层，其将功能状态决策层确定的人工心脏的当前设定转速作为输入信号，根据人工心脏的实际转速、输入电流以及转子震动幅度信号构建人工心脏的实际状态观测器，当实际机电状态与理想状态发生偏离时，该层控制策略主动调整工作电流与转子转速以保证人工心脏机电系统运行的稳定性与可靠性。

30、作为优选，所述智能生理决策模块——功能决策层根据式：

31、

32、x1——输入信号的跟踪信号

33、v(k)—输入信号

34、x2—输入信号的导数

35、γ——功能决策层算法跟踪收敛速度变量

36、h——积分步长。

37、作为优选，所述智能生理决策模块——生理状态决策层根据式：

38、

39、

40、

41、bai——人工心脏的卸载水平

42、u(k)——人工心脏的当前设定转速。

43、本发明的有益效果：

44、(1)本发明生理状态决策层算法采用非参数模型自适应控制理论构建控制率，将人工心脏的心室卸载水平作为控制变量，当发现实际心室卸载水平偏离预设值过高时，会调整人工心脏的工作转速。

45、(2)本发明当决策模块根据患者与人工心脏的实时工作状态确定人工心脏的工作转速后，其会将工作转速发送到驱动模块，驱动模块会调节人工心脏定子磁场，实现响应的速度调整。

46、(3)本发明的智能生理控制策略通过搜索心脏功能指数与血流旋动指数的极值来确定促进心脏功能恢复以及保持血管正常功能最佳的工作状态。

47、(4)本发明的智能生理控制策略采用非参数模型自适应控制策略构建生理状态决策算法，根据调整人工心脏的卸载水平。

技术特征：

1.一种人工心脏智能生理控制系统，系统包括机电生理参数检测模块、心脏功能评估模块、血管生物力学评估模块、智能生理决策模块，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种人工心脏智能生理控制系统，其特征在于：所述患者的生理参数包括患者的平均动脉压、心动周期、心电信号、心排量数据，其中通过患者心电信号提取患者的心动周期信号，并计算其随时间的变化；采用平均动脉压信号与心排量信号计算平均动脉压随时间的变化。

3.根据权利要求2所述的一种人工心脏智能生理控制系统，其特征在于：所述心脏功能评估模块根据式：

4.根据权利要求1所述的一种人工心脏智能生理控制系统，其特征在于：所述机电信号包括：人工心脏的转速、输出血流量、人工心脏的出入口压力差、转子震动幅度、输入电流，其中根据人工心脏的转速，输出血流量、人工心脏的出入口压力差、转子振动幅度与输入电流计算出血泵输出在血管内的血流速度的空间分布规律；根据血流速度的空间分布计算血流涡量分布，进而根据血流速度与血流涡量计算血管内血流旋动强度，用血流旋动指数表征。

5.根据权利要求4所述的一种人工心脏智能生理控制系统，其特征在于：所述血管生物力学评估模块根据式：

6.根据权利要求5所述的一种人工心脏智能生理控制系统，其特征在于：所述智能生理决策模块为三层串行决策结构：

7.根据权利要求6所述的一种人工心脏智能生理控制系统，其特征在于：所述智能生理决策模块——功能决策层根据式：

8.根据权利要求6所述的一种人工心脏智能生理控制系统，其特征在于：所述智能生理决策模块——生理状态决策层根据式：

技术总结
一种人工心脏智能生理控制系统，属于生物医学工程领域，包括机电生理参数检测模块、心脏功能评估模块、血管生物力学评估模块、智能生理决策模块，机电生理参数检测模块用于检测人工心脏的机电信号以及患者的生理信号，心脏功能评估模块用于计算患者心脏功能指数；血管生物力学评估模块用于计算血液旋动指数；智能生理决策模块将上述两个指数作为控制输入，根据患者与人工心脏的实时状态确定人工心脏的工作转速，并且通过人工心脏驱动模块进行调节。上述控制策略能够在保证人工心脏稳定工作的同时快速对于心室抽吸、过度卸载以及肺淤血等异常事件做出响应，并且能够判断对患者心脏功能恢复以及维持血管正常功能最有利的人工心脏工作水平。

技术研发人员：常宇,高斌
受保护的技术使用者：利为惠德无锡医疗科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12