麻醉药物建模与麻醉深度闭环策略

【摘要】全身麻醉通常指由适量的麻醉药物对中枢神经系统产生的可逆功能性抑制,用来免除病人的疼痛和不适感,以达到进行无痛和无阻碍手术治疗的目的。麻醉药物的具体作用是在术中实现对病人镇痛,催眠,失忆和神经肌肉阻滞。在临床手术过程中,麻醉医师需依据自身的临床经验评估患者的状态,通过调解和控制用药剂量和给用药时间,来实现麻醉药物多种作用间的平衡。从临床的角度来看,传统的麻醉人工输注方法,依赖于麻醉师的个人经验,缺乏量化和统一的标准,难以保证麻醉效果,而高危,繁重,连续的麻醉手术极易导致麻醉师的疲劳、失误,增加病人的手术风险。随着多种麻醉深度指数的出现,人们展开了对麻醉闭环控制的研究,期望通过反馈策略实现自动化药物输注和调整。然而,药物的代谢与效能,和人体之间是一个复杂的非线性系统,其增加了麻醉闭环控制的技术难度。因此,为提高麻醉稳定性和保护病人的安全,缩短诱导和苏醒时间,减轻麻醉师的工作量,提高工作效率,本研究针对麻醉药物的群体药代建模方法,麻醉常规速效药异丙酚、瑞芬太尼的药物模型,麻醉闭环控制进行了深入研究,具有重要的理论和临床意义。本文针对异丙酚、瑞芬太尼的群体药代模型,重点研究了非线性混合效应建模和人工神经网络建模的应用,并在此基础上构建了以大脑状态指数为反馈变量的麻醉深度闭环模糊控制和非线性滑模控制,论文通过理论分析、模拟仿真等手段,围绕麻醉闭环策略开展的研究工作。本文工作的主要内容和创新总结如下：(1)对群体药代动力学的算法原理进行了总结,详尽阐述了目前麻醉药物常用的非线性混合效应模型建模方法。通过改进的SAEM-MCMC算法,对两种临床常见静脉麻醉药物异丙酚、瑞芬太尼群体模型进行了优化,分析了异丙酚、瑞芬太尼的固定效应和随机效应,以及模型的选择依据。(2)针对麻醉药物时变性强,房室结构复杂,血药浓度预测准确度不高的特点,实现了异丙酚、瑞芬太尼的人工神经网络血药浓度预测模型。根据麻醉药物血药浓度的影响因素及其药代模型的特点,系统的研究了人工神经网络构建血药浓度预测模型的具体方案,采用了基于改进型的Elman神经网络构建血药浓度模型,在多组数据中进行了相关验证。(3)构建了以大脑状态指数为反馈变量的麻醉闭环模糊控制系统,提出以粒子群算法优化大脑状态指数误差与输出率之间模糊规则与隶属度函数形状,并进行了仿真研究,获得了良好的控制效果。(4)针对麻醉过程中常出现的随机波动,手术干预等问题,在麻醉闭环模糊控制系统中,引入非线性滑模控制理论,建立自适应积分滑模闭环控制器,以仿真证明了研究结果的有效性,具有较好的鲁棒性。通过以上四个方面的研究表明,改进的非线性混合效应和神经网络方法在对麻醉速效药物建模和血药浓度预测方面,均可达到了较高的精度。而基于大脑状态指数的麻醉闭环模糊控制和非线性滑模控制系统,同时在仿真实验中,都显示出其广阔的应用前景。
【作者】曹扬；
【导师】汤井田；
【作者基本信息】中南大学，生物医学工程，2013，博士
【关键词】麻醉药物群体模型；Multiple-tryMetropolis；人工神经网络；大脑状态指数；模糊控制；滑模控制；

【参考文献】
[1]曹国鑫.石墨烯力学行为的多尺度研究[A].中国力学学会计算力学专业委员会.中国计算力学大会2014暨第三届钱令希计算力学奖颁奖大会论文集[C].中国力学学会计算力学专业委员会:,2014:1.
[2]刘朝华,张英杰,章兢,吴建辉.蚁群算法与免疫算法的融合及其在TSP中的应用[J].控制与决策,2010,05:695-700+705.
[3]吕强,俞金寿.基于混合遗传算法的K-Means最优聚类算法[J].华东理工大学学报(自然科学版),2005,02:219-222.
[4]何珊珊.我国上市公司治理效率评价指标体系研究[D].山东财经大学,会计学,2013,硕士.
[5]方平.基于好友相似度的在线社会网络社区发现算法研究[D].华中科技大学,信息安全,2013,硕士.
[6]王祝炯.滑模变结构控制系统设计方法研究[D].浙江工业大学,2003.
[7]郭璇.全业务竞争环境下的宁夏A公司集团客户关系管理研究[D].宁夏大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[8]淑俊.鲜光嘎查朝鲜族民族文化认同研究[D].内蒙古师范大学,社会学,2012,硕士.
[9]白玉.台湾地区起诉审查制度研究[D].山东大学,诉讼法学,2013,硕士.
[10]尤夏,张艳霞.波动误差结合峰—峰间距法识别变压器励磁涌流[J].电力系统自动化,2012,14:36-40+45.
[11]代杨.雨天车身颜色对行车安全的影响[D].西南交通大学,安全技术及工程,2013,硕士.
[12]李玲.高校学生心理健康信息管理系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[13]关小平,黄嘉正,罗孝宽.重力、地震资料联合反演实例[J].石油地球物理勘探,1995,03:379-385+442.
[14]李小龙.制造企业供应链可靠性指标体系研究[D].西南交通大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[15]蒋昌俊.Petri网的广义笛积运算[J].自动化学报,1993,06:745-749.
[16]林珍坤.控制力矩陀螺框架镶嵌式压电驱动器的研究[D].哈尔滨工业大学,机械工程,2014,硕士.
[17]陈友东.河台金矿中深部采矿方法研究[J].有色金属(矿山部分).2006(03)
[18]陈军.地膜覆盖对烤烟生长发育和养分吸收的影响[D].湖南农业大学,种植,2003,硕士.
[19]李杨.抛掷爆破中的数据处理及三维效果展示的研究与实现[D].中国地质大学（北京）,计算机技术,2013,硕士.
[20]王新政.警用车载微波现场影音传输系统开发[D].大连理工大学,动力工程,2003,硕士.
[21]李庆超.后路手术治疗胸腰椎爆裂性骨折合并脊髓神经损伤的疗效分析[D].苏州大学,骨外科,2013,硕士.
[22]吴新芝.我国环境公益诉讼存在问题及对策研究[D].新疆大学,法律,2013,硕士.
[23]陈琼.钴基化合物纳米结构阵列的制备及其电化学电容性能研究[D].湘潭大学,2014.
[24]王娟.基于GIS的农村居民点布局优化研究[D].甘肃农业大学,土地资源管理,2013,硕士.
[25]魏仁哲.粉丝捆扎机的设计[D].天津理工大学,机械电子工程,2013,硕士.
[26]王珺玮.不同阴极条件下微生物电解池处理剩余污泥产氢[D].哈尔滨工业大学,环境科学与工程,2014,硕士.
[27]丁木子.重组人脑利钠肽对急性肺损伤犬的保护作用[D].大连医科大学,急诊医学,2012,硕士.
[28]高龙,王幼毅.强抗扰恒值系统的逆LQ设计[J].自动化学报,1986,02:120-127.
[29]杨莉巍.交际性语言测试对高中英语教学的引导作用研究[D].东北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[30]王珩.光学纳米天线设计及吸收增强特性研究[D].哈尔滨工业大学,物理电子学,2013,硕士.
[31]丁振国,梁润秋.基于FADT的入侵检测模型研究[J].网络安全技术与应用,2004,12:43-45.
[32]李晓婷.我国刑事特别没收程序研究[D].华中师范大学,法学,2014,硕士.
[33]郝文波,于继来.配电网络电容器优化投切的制约进化策略[J].电力系统自动化,2006,12:47-52.
[34]黎玮.通讯记录综合分析系统[D].南昌大学,计算机技术（专业学位）,2012,硕士.
[35]郑元景.对北京城市污水处理厂建设与污水综合利用的设想[J].环境保护.1986(08)
[36]张佳军.合成革用水性聚氨酯的无溶剂合成与性能[D].浙江大学,化学工程,2013,硕士.
[37]胡纯之.基于GIS的水库诱发地震分布式评价系统设计与开发研究[D].华中科技大学,水利水电工程,2013,硕士.
[38]孙慧敏.互联网企业并购风险识别与控制[D].内蒙古大学,会计,2014,硕士.
[39]徐月婷.7A04-T6铝合金腐蚀行为及其阳极氧化封孔工艺的研究[D].西南交通大学,材料科学与工程,2014,硕士.
[40]郑嫦娥.鞋楦数字化测量及数据处理技术的研究[D].北京林业大学,机械设计及理论,2003,硕士.
[41]王静静.金属离子改性二氧化钛光催化性质的研究[D].浙江大学,化学,2011,硕士.
[42]刘业翔,陈湘涛,张文根,任丽,邹忠,李劼,丁凤其.基于数据仓库的铝电解网络监控系统的设计与实现[J].轻金属,2003,09:25-29.
[43]刘文蕴.CT能谱成像在肺孤立性结节诊断中的应用价值[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[44]王越,曹长修.模糊聚类在数量型关联规则提取中的应用[J].计算机仿真,2003,11:64-66+69.
[45]梁勇.对危险驾驶罪的探析[D].西南政法大学,刑法学（专业学位）,2012,硕士.
[46]邱政权,尹俊勋,杨俊.在噪声环境下的分级说话人辨识[J].控制与决策,2007,05:581-584.
[47]王洪波.鹿茸多肽对低氧训练下小鼠红细胞及运动机能的影响[D].辽宁师范大学,运动人体科学,2011,硕士.
[48]刘盛武.城市震后重建家园的若干问题[J].地震学刊.1994(01)
[49]崔钦淑,杨俊杰,康谷贻.钢筋混凝土Z形截面双向受剪柱抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2013,08:126-134+157.
[50]周晓峰,王志坚.基于多Agent的分布式异构数据源访问机制研究[J].计算机工程与设计,2003,04:5-8.