左心室辅助装置体外模拟循环测试系统及生理控制研究

【摘要】本文针对左心室辅助装置的体外模拟循环测试系统以及生理控制开展了相关研究。从两者的共同点来说,体外模拟循环系统和生理控制关注的都是左心室辅助装置的性能,前者为左心室辅助装置提供性能测试的体外平台,后者则旨在让左心室辅助装置的性能更加优异。同时,体外模拟循环系统也是生理控制策略开发必不可少的体外验证平台。总的来说,本论文的研究内容是紧密围绕左心室辅助装置“性能”这一关键点展开的。论文首先对左心室辅助装置的使用环境血液循环系统进行了基本生理学知识的梳理,详细地介绍了循环系统各主要组成部分的特征和功能,并基于此对血液循环系统进行了数学建模,同时建立了循环系统主动脉压力反射调节的数学模型,进行了正常、心衰以及主动脉压力突变等生理情况的数值模拟,验证了上述数学模型的有效性。其次,在血液循环系统研究的基础上,设计了气动方式的成人体外模拟循环系统,采用软硬件结合的方法首次在模拟系统中引入主动脉压力反射调节；同时针对小儿血液循环系统的特殊性,提出了一种简单经济的小儿体外模拟循环系统研制方法,通过反馈控制实现了模拟心室对前后负荷变化的生理敏感性,并进行了小儿左心室辅助装置的血流动力学测试实验。最后,设计了基于模糊逻辑的左心室辅助装置生理控制器,在维持主动脉平均压的同时增强微弱的脉压到正常生理范围。生理控制器在血液循环系统数学模型上进行了数值模拟,并在模拟循环系统上进行了体外实验,分别验证了控制器对生理扰动的鲁棒性以及在实际中应用的可行性。论文的主要研究工作如下：1.血液循环系统数学建模。采用时变弹性模型建立了左、右心室以及心房的数学模型,使用集中参数的建模方法建立了动脉、外周血管阻力以及静脉的弹性腔模型,利用流体和电学理论的相似性,分别用电容、电感和电阻代表顺应性、惯性和阻力,建立了血液循环系统的等效电路模型。同时,通过对传入神经通路、传出神经通路和效应器这三部分进行建模,完成了主动脉压力反射反馈调节的数学模型。在计算机中对包含主动脉压力反射调节的血液循环系统数学模型进行了数值模拟,给出了血液循环系统在正常和心衰生理情况下的血流动力学结果,验证了主动脉压力反射反馈调节对于维持动脉血压的有效性。该血液循环系统数学模型可以帮助深入理解循环系统特征,为体外模拟循环系统建设提供指导,同时也为左心室辅助装置生理控制研究提供了数值模拟验证的平台。2.成人体外模拟循环系统研究。在深入了解血液循环系统的基础上,提取了循环系统体循环各部分的主要特征,采用相应的物理流体元件进行模拟,建立了脉动式的成人体外模拟循环系统试验台,完成了压力、流量等血流动力学参量的实时测量和显示,通过实验模拟了正常和心衰生理情况下血液循环系统的血流动力学特征,验证了模拟循环系统复制血液循环系统宏观血流动力学环境的能力。此外,通过软硬件结合的方法,基于主动脉压力反射调节数学模型和实时测量的模拟系统主动脉压力波形,采用反馈和开环控制调节模拟系统中相应的物理阀门,完成了主动脉压力反射反馈调节功能在模拟循环系统中的引入,扩展了模拟系统在左心室辅助装置与血液循环系统交互研究中的能力。3.小儿体外模拟循环系统研究。针对小儿血液循环系统的特殊性,提出了一种新颖的简单快速经济地建造小儿体外模拟循环系统的方法,利用现成的低成本流体元件巧妙组合的方式模拟出心室的搏动功能,同时采用简单的反馈控制方法使模拟心室对前后负荷的敏感性更加符合生理情况,完成了系统数据采集、处理和控制程式,通过实验模拟了正常和心衰生理情况下的血流动力学特征,验证了小儿模拟系统能够提供与血液循环系统相似的生理环境。此外,通过自制小儿左心室辅助装置与小儿模拟循环系统的并联实验,完成了小儿左心室辅助装置辅助循环能力的测试,进一步证明了小儿体外模拟循环系统作为小儿左心室辅助装置测试平台的有效性。4.左心室辅助装置灌注优化生理控制器研究。针对连续流旋转血泵式左心室辅助装置辅助时主动脉脉压几乎消失的情况,采用了模糊逻辑控制方法,以维持主动脉平均压并同时增强微弱的脉压到正常生理范围为目标,设计了基于旋转血泵转速调制的生理控制器,并采用返流避免控制防止血泵中返流的出现。生理控制器以一个轴流血泵为对象,结合血液循环系统数学模型进行了数值模拟验证。数值模拟结果表明,控制器能够维持主动脉平均压在100mmHg的同时增强主动脉脉压到生理范围的下限20mmHg。同时在多种生理参数扰动下生理控制器表现了很好的鲁棒性,能够承受包括外周阻力、主动脉顺应性和左心室搏动能力变化的扰动。最后,通过体外实验进一步验证了生理控制器在实际中运用的可行性。
【作者】黄峰；
【导师】阮晓东；
【作者基本信息】浙江大学，机械电子工程，2014，博士
【关键词】模拟循环系统；左心室辅助装置；旋转血泵；生理控制器；主动脉压力反射调节；数学建模；

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