多级磁传动式机械辅助循环优化系统技术方案

多级磁传动式机械辅助循环优化系统，属于生物医学工程领域。系统包括检测模块、决策模块和评价模块；检测模块中导入患MRI扫描图像，得到对应的心主动脉、胸部肋骨和体表的分割图像，将分割后的图像和测得的心排量和血压发送至决策模块，将血压波形发送至评价模块；决策模块通过系统基于多目标优化算法计算出多级磁传动机械辅助循环装置各级装置的尺寸；评价模块将量化后的数值基于加权平均算法计算出多级磁传动装置的评价值。具有高稳定性和便携性。

【技术实现步骤摘要】
多级磁传动式机械辅助循环优化系统
本专利技术属于生物医学工程领域，涉及一种多级磁传动式机械辅助循环优化系统，用于优化多级磁传动机械辅助循环装置，具有可靠性以及普适性。
技术介绍
机械辅助循环装置是解决心脏肾脏衰竭患者的有效解决手段，人工心脏是机械辅助循环的一种。目前常用的一体式人工心脏有经皮导线，易发生感染的缺点。北京工业大学体外生命支持实验室采用磁耦合原理设计了人工心脏体外磁驱动系统，专利99126258.1和专利200910089092.4，这两个专利设计的两级传动装置可以提高转矩的传递效率。但是根据基于人体的解剖结构，植入人体的人工心脏的转动轴与放置于体表的驱动装置的转动轴不平行，而是存在30°—60°的夹角，多级磁传动机械辅助循环装置在人体内的位置关系如图1所示，将人工血泵(Bloodpump)(B)置于心主动脉(Aorta)(A)中，将二级传动装置(TransmissionMachine)(T)置于人体胸腔第3-4肋骨间，连接外部电源与控制器的一级驱动装置(DrivingMachine)(D)置于人体躯干表面。鉴于不同心衰患者身体结构及生理状况存在差异性，驱动装置(D)和传动装置(T)、传动装置(T)和人工血泵(B)，三者彼此之间的传动距离具有显著差异，驱动装置(D)和传动装置(T)的尺寸即装置内部圆柱状磁芯的半径和高度，是决定装置传动距离的重要因素。考虑到装置佩戴的便捷性以及减少患者术后并发症的几率，在保证多级磁传动装置稳定性的前提下，驱动装置D和传动装置T的尺寸应尽可能小。针对不同的病人，多级磁传动式人工心脏各级装置(D和T)的尺寸较难确定。为了解决这个问题，本专利技术提出了一种多级磁传动式机械辅助循环优化系统，提出设计一套优化系统，通过系统基于多目标优化算法计算出多级磁传动机械辅助循环装置各级装置的尺寸。
技术实现思路
为了能够根据心衰患者的生理参数优化多级磁传动机械辅助循环装置。本专利技术旨在提供一种多级磁传动式机械辅助循环优化系统装置，为不同患者优化出高稳定性和便携性的多级磁传动机械辅助循环装置。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种多级磁传动式机械辅助循环优化系统，其特征在于：系统包括检测模块、决策模块和评价模块；检测模块中导入患者胸部的MRI扫描图像，通过CAPSULE网络图像模型，得到对应的心主动脉、胸部肋骨和体表的分割图像，基于ICG方法无创采集患者心肺循环生理数据即心排量，基于示波法测量患者血压，同时将患者实时血压拟合成波形，最终检测模块将患者胸部的capsule网络算法分割后的图像和测得的心排量和血压发送至决策模块，将血压波形发送至评价模块；决策模块基于人工心脏多级磁传动模型，根据MRI分割图像和心排量等信息进行决策。首先，根据心排量和血压确定人工血泵(B)的选型；然后利用多目标优化算法，根据现有技术多个不同尺寸驱动装置(D)和传动装置(T)的情况，针对不同尺寸驱动装置(D)和传动装置(T)组合情况，分别求解驱动装置(D)和传动装置(T)之间的稳定传动距离以及传动装置(T)和人工血泵(B)之间的稳定传动距离，以此反向求解或从中选出适合患者身体结构即心主动脉、胸腔第3、4肋骨和人体表的位置关系相匹配的驱动装置(D)尺寸和传动装置(T)尺寸，可以为一组或几组；为保证多级磁传动装置的实际稳定性及安全性，决策模块输出的驱动装置(D)最小尺寸和传动装置(T)最小尺寸的同时，在满足装置稳定传导前提下，分别输出驱动装置(D)和传动装置(T)最接近最小尺寸的两组解；根据决策模块输出的结果，实际制作出三组尺寸的驱动装置(D)和传动装置(T)；评价模块为多级磁传动装置测试试验台，包括用于安装驱动装置(D)且可调节驱动装置(D)位置的装置、可设定位置的传动装置(T)装卡部分以及可替换血泵的简化模拟循环台，其中，将根据决策模块输出结果制作的多个尺寸驱动装置(D)和传动装置(T)自由组合，分别与人工血泵(B)匹配进行实际稳定性测试；依据capsule网络算法分割后的患者胸部MRI图像，确定传动装置(T)在测试试验台的装卡位置，将根据心排量选型的人工血泵装入简化的模拟循环台，依据血压的波形设置循环台的阻尼系统，模拟患者的体循环流量压力，以与传动装置(T)轴线夹角小于45度的范围调节驱动装置(D)传动轴的角度和位置，对人工血泵(B)的转速进行多组数的稳定性测试；在上述的稳定性测试中，对循环系统流量压力的稳定程度、传动装置尺寸和驱动装置尺寸进行量化评分，以三者量化后的数值基于加权平均算法计算出多级磁传动装置的评价值并发送至显示屏，评价值最高的“驱动-传动”组合稳定性和便捷性更好。多级磁传动模型如图2所示，其中11为体外一级驱动装置，22为体内二级传动装置，33为人工磁芯轴流血泵。检测模块模型使用的CAPSULE网络图像模型对患者胸部的扫描图片进行图像分割，检测模块基于ICG方法测量患者的心排量。决策模块以心排量及血压作为重要参考依据，得到患者所需血泵的转速和负载需求，可通过现有不同血泵与转速、负载对应的函数关系确定血泵型号。本专利技术旨在通过深度学习的优化算法，优化D和T的尺寸，尺寸包括半径和长度。决策模块基于患者胸部MRI图像分割后的结果可以得到D-T-B三者的距离。利用多目标优化算法(可以采用神经优化算法即深度学习的优化算法)，以驱动装置(D)和传动装置(T)内圆柱形磁芯的半径和高度为目标进行优化，通过对不同尺寸下磁刚度的计算获得体外驱动装置(D)和体内传动装置(T)的尺寸：设定驱动装置(D)内圆柱形磁芯半径和高度分别为R1和l1，传动装置(T)内圆柱形磁芯半径和高度分别为R2和l2，通过“等效磁荷法”计算不同尺寸与距离下，理论计算驱动装置(D)、传动装置(T)和人工血泵(B)三者在磁系统内所受到的磁力。根据等效磁荷法计算磁系统内两个磁芯之间所受磁力：如图4所示，驱动装置(D)上下端面为端面1和端面2，传动装置(T)上下端面为端面3和端面4；x0为端面1和端面3在x轴方向的距离，x轴与驱动装置(D)圆柱形磁芯轴和传动装置(T)圆柱形磁芯轴平行。以驱动装置(D)和传动装置(T)之间的磁力作用为例，两装置的端面分别为1、2和3、4，通过计算端面上某一点磁荷的磁微元作用力并对其积分，求解出两装置的磁芯作用力。如图5所示，A和B为端面1和端面3上的各一点磁荷，对二者之间的作用力进行微分计算，r1为点磁荷A到端面1圆心处的距离，r2为点磁荷B到端面2圆心处的距离；α为点磁荷A-圆心连线和z轴之间的夹角，β为点磁荷B-圆心连线和z轴之间的夹角；为点磁荷A到点磁荷B的矢量距离；L为两端面圆心在y轴方向上的距离，y轴方向为同一平面驱动装置(D)径面中心和传动装置(T)径面中心的连线方向，z轴垂直y轴和x轴。以驱动装置(D)为参照物，假设其固定不动。求解端面1点磁荷A对于端面3点磁荷B的作用力为(其中的dF13x代表为端面1点磁荷A对于端面3点磁荷B的作用力在x轴向的分力，其他的类似)：...

【技术保护点】
1.多级磁传动式机械辅助循环优化系统，其特征在于：系统包括检测模块、决策模块和评价模块；/n检测模块中导入患者胸部的MRI扫描图像，通过CAPSULE网络图像模型，得到对应的心主动脉、胸部肋骨和体表的分割图像，基于ICG方法无创采集患者心肺循环生理数据即心排量，基于示波法测量患者血压，同时将患者实时血压拟合成波形，最终检测模块将患者胸部的capsule网络算法分割后的图像和测得的心排量和血压发送至决策模块，将血压波形发送至评价模块；/n决策模块基于人工心脏多级磁传动模型，根据MRI分割图像和心排量等信息进行决策。首先，根据心排量和血压确定人工血泵(B)的选型；然后利用多目标优化算法，根据现有技术多个不同尺寸驱动装置(D)和传动装置(T)的情况，针对不同尺寸驱动装置(D)和传动装置(T)组合情况，分别求解驱动装置(D)和传动装置(T)之间的稳定传动距离以及传动装置(T)和人工血泵(B)之间的稳定传动距离，以此反向求解或从中选出适合患者身体结构即心主动脉、胸腔第3、4肋骨和人体表的位置关系相匹配的驱动装置(D)尺寸和传动装置(T)尺寸，可以为一组或几组；为保证多级磁传动装置的实际稳定性及安全性，决策模块输出的驱动装置(D)最小尺寸和传动装置(T)最小尺寸的同时，在满足装置稳定传导前提下，分别输出驱动装置(D)和传动装置(T)最接近最小尺寸的两组解；根据决策模块输出的结果，实际制作出三组尺寸的驱动装置(D)和传动装置(T)；/n评价模块为多级磁传动装置测试试验台，包括用于安装驱动装置(D)且可调节驱动装置(D)位置的装置、可设定位置的传动装置(T)装卡部分以及可替换血泵的简化模拟循环台，其中，将根据决策模块输出结果制作的多个尺寸驱动装置(D)和传动装置(T)自由组合，分别与人工血泵(B)匹配进行实际稳定性测试；/n依据capsule网络算法分割后的患者胸部MRI图像，确定传动装置(T)在测试试验台的装卡位置，将根据心排量选型的人工血泵装入简化的模拟循环台，依据血压的波形设置循环台的阻尼系统，模拟患者的体循环流量压力，以与传动装置(T)轴线夹角小于45度的范围调节驱动装置(D)传动轴的角度和位置，对人工血泵(B)的转速进行多组数的稳定性测试；/n在上述的稳定性测试中，对循环系统流量压力的稳定程度、传动装置尺寸和驱动装置尺寸进行量化评分，以三者量化后的数值基于加权平均算法计算出多级磁传动装置的评价值并发送至显示屏，评价值最高的“驱动-传动”组合稳定性和便捷性更好。/n...

【技术特征摘要】
1.多级磁传动式机械辅助循环优化系统，其特征在于：系统包括检测模块、决策模块和评价模块；
检测模块中导入患者胸部的MRI扫描图像，通过CAPSULE网络图像模型，得到对应的心主动脉、胸部肋骨和体表的分割图像，基于ICG方法无创采集患者心肺循环生理数据即心排量，基于示波法测量患者血压，同时将患者实时血压拟合成波形，最终检测模块将患者胸部的capsule网络算法分割后的图像和测得的心排量和血压发送至决策模块，将血压波形发送至评价模块；
决策模块基于人工心脏多级磁传动模型，根据MRI分割图像和心排量等信息进行决策。首先，根据心排量和血压确定人工血泵(B)的选型；然后利用多目标优化算法，根据现有技术多个不同尺寸驱动装置(D)和传动装置(T)的情况，针对不同尺寸驱动装置(D)和传动装置(T)组合情况，分别求解驱动装置(D)和传动装置(T)之间的稳定传动距离以及传动装置(T)和人工血泵(B)之间的稳定传动距离，以此反向求解或从中选出适合患者身体结构即心主动脉、胸腔第3、4肋骨和人体表的位置关系相匹配的驱动装置(D)尺寸和传动装置(T)尺寸，可以为一组或几组；为保证多级磁传动装置的实际稳定性及安全性，决策模块输出的驱动装置(D)最小尺寸和传动装置(T)最小尺寸的同时，在满足装置稳定传导前提下，分别输出驱动装置(D)和传动装置(T)最接近最小尺寸的两组解；根据决策模块输出的结果，实际制作出三组尺寸的驱动装置(D)和传动装置(T)；
评价模块为多级磁传动装置测试试验台，包括用于安装驱动装置(D)且可调节驱动装置(D)位置的装置、可设定位置的传动装置(T)装卡部分以及可替换血泵的简化模拟循环台，其中，将根据决策模块输出结果制作的多个尺寸驱动装置(D)和传动装置(T)自由组合，分别与人工血泵(B)匹配进行实际稳定性测试；
依据capsule网络算法分割后的患者胸部MRI图像，确定传动装置(T)在测试试验台的装卡位置，将根据心排量选型的人工血泵装入简化的模拟循环台，依据血压的波形设置循环台的阻尼系统，模拟患者的体循环流量压力，以与传动装置(T)轴线夹角小于45度的范围调节驱动装置(D)传动轴的角度和位置，对人工血泵(B)的转速进行多组数的稳定性测试；
在上述的稳定性测试中，对循环系统流量压力的稳定程度、传动装置尺寸和驱动装置尺寸进行量化评分，以三者量化后的数值基于加权平均算法计算出多级磁传动装置的评价值并发送至显示屏，评价值最高的“驱动-传动”组合稳定性和便捷性更好。


2.按照权利要求1所述的多级磁传动式机械辅助循环优化系统，其特征在于：检测模块模型使用的CAPSULE网络图像模型对患者胸部的扫描图片进行图像分割，检测模块基于ICG方法测量患者的心排量。


3.按照权利要求1所述的多级磁传动式机械辅助循环优化系统，其特征在于：决策模块以心排量及血压作为重要参考依据，得到患者所需血泵的转速和负载需求，通过现有不同血泵与转速、负载对应的函数关系确定血泵型号；
通过深度学习的优化算法，优化D和T的尺寸尺寸包括半径和长度；
决策模块基于患者胸部MRI图像分割后的结果得到D-T-B三者的距离；利用多目标优化算法，以驱动装置(D)和传动装置(T)内圆柱形磁芯的半径和高度为目标进行优化，通过对不同尺寸下磁刚度的计算获得体外驱动装置(D)和体内传动装置(T)的尺寸：
设定驱动装置(D)内圆柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：高斌，张万松，李仁鑫，符珉瑞，常宇，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11