一种人工心脏泵多目标生理控制方法、系统、装置及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种人工心脏泵多目标生理控制方法、系统、装置及存储介质。所述方法包括：建立心血管循环系统和人工心脏泵的耦合模型；采用遗传粒子群算法优化滑模控制器的参数；以心率、平均动脉压、最小泵流量、身体活动水平和临床状况为输入量，输入变论域模糊控制器，输出血流量最佳目标值；将所述血流量最佳目标值与血流量输入血流量自适应PI反馈控制器进行计算，输出信号，并将信号输入优化后滑模控制器中，通过滑模控制器控制人工心脏泵的电机转速，控制血流量的动态变化。将人工心脏泵复杂的控制系统通过分层思想简单化，每一层各尽其职，可以根据患者状态动态调整泵转速，进而提高患者的生活质量。进而提高患者的生活质量。进而提高患者的生活质量。

【技术实现步骤摘要】
一种人工心脏泵多目标生理控制方法、系统、装置及存储介质


[0001]本专利技术属于生物医学工程
，涉及一种人工心脏泵多目标生理控制 方法、装置及存储介质。

技术介绍

[0002]心力衰竭是当今医学界共同面临的难题，心脏移植是心衰最好的解决方法， 但每年可移植的心脏数量极少，且受匹配的影响也很大。人工心脏泵自问世以 来顺利用作心脏移植的桥梁，成了众多心衰患者延长生存期的有效途径。在心 衰治疗过程中，尽可能维持心衰患者正常生理特征是治疗成功与否的关键。能 够根据身体的新陈代谢需求进行调整的控制系统的发展称为生理控制。人工心 脏泵控制的目的是在维持适当压力灌注的同时提供足够的心输出量，并有效提 高生物相容性，因此研究人员提出了生理控制的新方法。为了实现这一目标， 国内外学者已经开展了大量研究和开发，比如基于速度调制的反馈控制、基于 流量、主动脉压反馈的控制、基于心率调制的反馈控制等。近年来，随着心血 管与生物医学工程的快速发展，越来越多人工心脏泵采用了更为先进的仿生模 式，对生理控制方法的性能也提出了更高的要求。
[0003]目前大部分生理控制方法在设计时都会加入传感器，来获得血流动力学信 息，如CN114588532A公开一种基于生物医学工程的人工心脏智能控制方法， 该智能控制方法具体如下：步骤一：信号获取，通过内部采集模块和外部传感 模块获取泵体状态信号和人体生理信号；步骤二：信号预处理及数据提取，对 所述泵体状态信号和人体生理信号进行差分放大和滤波修正，并对其进行计算， 得到计算结果，同时提取存储于微机存储模块中人体生理信号的正常阈值区间， 以及在正常阈值区间内的泵体状态信号；步骤三：阈值判断，判断所述计算结 果是否处于正常阈值区间内，若处于，则跳到步骤四，反之，则跳到步骤六； 步骤四：时长判断，判断所述计算结果是否处于正常时长区间内，若处于，则 跳到步骤五，反之，则跳到步骤六；步骤五：线性控制，基于所述正常阈值区 间内的泵体状态信号对人工心脏泵体进行恒流控制；步骤六：非线性控制，基 于深度学习模型对人工心脏泵体进行动态非线性控制。但传感器的存在会让控 制系统变得复杂，同时也会增加感染的风险。另一方面，影响人工心脏泵生理 控制性能的因素很多，而目前大部分研究仅针对单一变量和稳定状态进行控制， 这可能会因忽略其他因素和动态变化的影响而无法实现最优控制。而且，各个 因素的综合控制和最终控制对象——泵用电机的转速之间是相互联系的，在设 计控制系统的时候也应该考虑到这一点。
[0004]综上所述，如何提供一种高效仿生的人工心脏泵控制方法，是人工心脏泵 领域亟需解决的问题之一。

技术实现思路

[0005]针对现有技术不足和实际需求，本专利技术提供一种人工心脏泵多目标生理控 制方法、系统、装置及存储介质，基于分层控制的思想，将人工心脏泵复杂的 控制系统通过分层
思想简单化，每一层各尽其职，共同工作满足心衰患者血流 灌注的需要。
[0006]为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种人工心脏泵多目标生理控制方法，所述方法包 括：
[0008]建立心血管循环系统和人工心脏泵的耦合模型；
[0009]采用遗传粒子群算法优化滑模控制器的参数；
[0010]以心率、平均动脉压、最小泵流量、身体活动水平和临床状况为输入量， 输入变论域模糊控制器，输出血流量最佳目标值；
[0011]利用主动脉压和血流量滑模观测器分别计算主动脉压和血流量，将所述血 流量最佳目标值与血流量输入血流量自适应PI反馈控制器进行计算，输出信号， 并将信号输入优化后滑模控制器中，通过滑模控制器控制人工心脏泵的电机转 速，控制血流量的动态变化。
[0012]本专利技术中，基于分层控制的思想，将人工心脏泵控制过程分为三层：电机 速度控制层、心脏泵流量反馈控制层、多目标生理控制层。所述多目标生理控 制层以心率、平均动脉压、最小泵流量、身体活动水平和临床状况为输入，心 脏泵流量反馈控制层的目标值为输出，设计了变论域模糊控制器，获得了考虑 到患者自身状态和临床情况的最佳流量目标值；所述心脏泵流量反馈控制层引 入了流量自适应PI反馈调节机制，将血流量稳定在最佳目标值；所述电机速度 控制层采用基于遗传粒子群算法的电机双闭环滑模控制方法，使得泵转速能快 速响应，以提供稳定血流量输出，将人工心脏泵复杂的控制过程通过分层思想 简单化，每一层各尽其职，共同工作满足心衰患者血流灌注的需要，可以根据 患者状态动态调整泵转速，进而提高患者的生活质量。
[0013]本专利技术中，采用了基于遗传粒子群(GAPSO)算法的人工心脏泵用电机滑 模控制方法，通过引入非奇异终端滑模控制器，提高人工心脏泵用电机的转速 性能，并利用遗传粒子群算法优化滑模控制器的性能参数，使得电机转速更好 地匹配血流量的动态变化。
[0014]本专利技术中，结合电网络等效理论，建立出心血管循环系统电网络模型，在 心血管的电网络系统中将人工心脏泵从左心室连接至主动脉，形成心血管循环 系统与人工心脏泵耦合模型。
[0015]优选地，心血管循环系统与人工心脏泵耦合模型的状态方程有如下的总体 格式：
[0016][0017][0018][0019]其中，ω(t)代表人工心脏泵的转速，b是一个常数向量，r(x)为斜坡函数， 该函数用于表征瓣膜处的血流量，当心脏处于充盈期时心房压力x2大于心室压 力x1，二尖瓣开启后心房到心室的流量为r(x2‑
x1)/R
M
，其余时间关闭，同理， 当处于射血期时心室压力x1会持续增加，直到超过主动脉压力x4，主动脉瓣膜 开启，流入主动脉的流量为r(x1‑
x4)/R
A
。
[0020]优选地，所述人工心脏泵的转矩T
e
表达式为：
[0021][0022]式中，u表示初始相位角；λ1表示悬浮绕组电流初相角；I
d
、I
q
分别表示转 矩绕组电流在d、q轴的分量；ω表示转子转速；L
d
、L
q
分别表示等效电感在d、 q轴的分量；u
d
、u
q
分别表示等效电压在d、q轴的分量；R表示转矩绕组上的 等效电阻；J表示转动惯量；F表示负载力；T
m
表示负载转矩；N表示转矩绕组 的线圈匝数；p表示转矩绕组极对数；ψ
F
表示永磁体和转矩绕组的磁链幅值。
[0023]优选地，所述滑模控制滑模控制器包含滑模面设计和控制律设计两个部分。
[0024]本专利技术中，选择非奇异滑模面作为人工心脏泵用电机滑模控制器的滑模面， 其公式为：
[0025][0026]式中，β>0，p和q(p>q)为正奇数，且1<p/q<2。
[0027]此时控制系统从任意初始状态到达平衡状态的时间可表示为：
[0028][002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人工心脏泵多目标生理控制方法，其特征在于，所述方法包括：建立心血管循环系统和人工心脏泵的耦合模型；采用遗传粒子群算法优化滑模控制器的参数；以心率、平均动脉压、最小泵流量、身体活动水平和临床状况为输入量，输入变论域模糊控制器，输出血流量最佳目标值；利用主动脉压和血流量滑模观测器分别计算主动脉压和血流量，将所述血流量最佳目标值与血流量输入血流量自适应PI反馈控制器进行计算，输出信号，并将信号输入优化后滑模控制器中，通过滑模控制器控制人工心脏泵的电机转速，控制血流量的动态变化。2.根据权利要求1所述的人工心脏泵多目标生理控制方法，其特征在于，所述方法还包括采用心率自适应控制策略控制人工心脏泵心率；优选地，所述心率自适应控制策略采用非参数模型自适应控制理论；优选地，所述人工心脏泵多目标生理控制方法还包括采用搏动辅助控制算法控制主动脉压差；优选地，所述搏动辅助控制算法包括：A.以主动脉压为变量设计滑模控制器，并设定反馈调节机制：引入两个相互转换的主动脉压高低参考值，通过使主动脉压在两极限值之间跳动，将主动脉压差稳定在高低参考值范围内；B.根据心衰患者的实际情况设定平均主动脉压目标值，并以该目标值设计滑模控制器，控制平均主动脉压。3.根据权利要求1或2所述的人工心脏泵多目标生理控制方法，其特征在于，所述人工心脏泵的电机为无轴承永磁电机。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的人工心脏泵多目标生理控制方法，其特征在于，所述方法还包括将最小左心室压力x
1min
＜1作为发生抽吸判断标准，设定左心室压力反馈机制。5.一种人工心脏泵多目标生理控制系统，其特征在于，所述系统基于心血管循环系统和人工心脏泵的耦合模型，所述系统包括多目标生理控制模块、心脏泵流量反馈控制模块和电机速度控制模块；所述多目标生理控制模块用于执行包括：以心率、平均动脉压、最小泵流量、身体活动水平和临床状况为输入量，输入变论域模糊控制器，输出血流量最佳目标值；所述心脏泵流量反馈控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲洪一，刘鑫，孟令伟，王聪，王秋良，
申请(专利权)人：中国科学院赣江创新研究院，
类型：发明
国别省市：