本文關鍵詞：左心室輔助裝置體外模擬循環(huán)測試系統(tǒng)及生理控制研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《浙江大學》 2014年

左心室輔助裝置體外模擬循環(huán)測試系統(tǒng)及生理控制研究

黃峰  

【摘要】：本文針對左心室輔助裝置的體外模擬循環(huán)測試系統(tǒng)以及生理控制開展了相關研究。從兩者的共同點來說,體外模擬循環(huán)系統(tǒng)和生理控制關注的都是左心室輔助裝置的性能,前者為左心室輔助裝置提供性能測試的體外平臺,后者則旨在讓左心室輔助裝置的性能更加優(yōu)異。同時,體外模擬循環(huán)系統(tǒng)也是生理控制策略開發(fā)必不可少的體外驗證平臺。總的來說,本論文的研究內(nèi)容是緊密圍繞左心室輔助裝置“性能”這一關鍵點展開的。 論文首先對左心室輔助裝置的使用環(huán)境血液循環(huán)系統(tǒng)進行了基本生理學知識的梳理,詳細地介紹了循環(huán)系統(tǒng)各主要組成部分的特征和功能,并基于此對血液循環(huán)系統(tǒng)進行了數(shù)學建模,同時建立了循環(huán)系統(tǒng)主動脈壓力反射調(diào)節(jié)的數(shù)學模型,進行了正常、心衰以及主動脈壓力突變等生理情況的數(shù)值模擬,驗證了上述數(shù)學模型的有效性。其次,在血液循環(huán)系統(tǒng)研究的基礎上,設計了氣動方式的成人體外模擬循環(huán)系統(tǒng),采用軟硬件結(jié)合的方法首次在模擬系統(tǒng)中引入主動脈壓力反射調(diào)節(jié)；同時針對小兒血液循環(huán)系統(tǒng)的特殊性,提出了一種簡單經(jīng)濟的小兒體外模擬循環(huán)系統(tǒng)研制方法,通過反饋控制實現(xiàn)了模擬心室對前后負荷變化的生理敏感性,并進行了小兒左心室輔助裝置的血流動力學測試實驗。最后,設計了基于模糊邏輯的左心室輔助裝置生理控制器,在維持主動脈平均壓的同時增強微弱的脈壓到正常生理范圍。生理控制器在血液循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學模型上進行了數(shù)值模擬,并在模擬循環(huán)系統(tǒng)上進行了體外實驗,分別驗證了控制器對生理擾動的魯棒性以及在實際中應用的可行性。 論文的主要研究工作如下： 1.血液循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學建模。采用時變彈性模型建立了左、右心室以及心房的數(shù)學模型,使用集中參數(shù)的建模方法建立了動脈、外周血管阻力以及靜脈的彈性腔模型,利用流體和電學理論的相似性,分別用電容、電感和電阻代表順應性、慣性和阻力,建立了血液循環(huán)系統(tǒng)的等效電路模型。同時,通過對傳入神經(jīng)通路、傳出神經(jīng)通路和效應器這三部分進行建模,完成了主動脈壓力反射反饋調(diào)節(jié)的數(shù)學模型。在計算機中對包含主動脈壓力反射調(diào)節(jié)的血液循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學模型進行了數(shù)值模擬,給出了血液循環(huán)系統(tǒng)在正常和心衰生理情況下的血流動力學結(jié)果,驗證了主動脈壓力反射反饋調(diào)節(jié)對于維持動脈血壓的有效性。該血液循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學模型可以幫助深入理解循環(huán)系統(tǒng)特征,為體外模擬循環(huán)系統(tǒng)建設提供指導,同時也為左心室輔助裝置生理控制研究提供了數(shù)值模擬驗證的平臺。 2.成人體外模擬循環(huán)系統(tǒng)研究。在深入了解血液循環(huán)系統(tǒng)的基礎上,提取了循環(huán)系統(tǒng)體循環(huán)各部分的主要特征,采用相應的物理流體元件進行模擬,建立了脈動式的成人體外模擬循環(huán)系統(tǒng)試驗臺,完成了壓力、流量等血流動力學參量的實時測量和顯示,通過實驗模擬了正常和心衰生理情況下血液循環(huán)系統(tǒng)的血流動力學特征,驗證了模擬循環(huán)系統(tǒng)復制血液循環(huán)系統(tǒng)宏觀血流動力學環(huán)境的能力。此外,通過軟硬件結(jié)合的方法,基于主動脈壓力反射調(diào)節(jié)數(shù)學模型和實時測量的模擬系統(tǒng)主動脈壓力波形,采用反饋和開環(huán)控制調(diào)節(jié)模擬系統(tǒng)中相應的物理閥門,完成了主動脈壓力反射反饋調(diào)節(jié)功能在模擬循環(huán)系統(tǒng)中的引入,擴展了模擬系統(tǒng)在左心室輔助裝置與血液循環(huán)系統(tǒng)交互研究中的能力。 3.小兒體外模擬循環(huán)系統(tǒng)研究。針對小兒血液循環(huán)系統(tǒng)的特殊性,提出了一種新穎的簡單快速經(jīng)濟地建造小兒體外模擬循環(huán)系統(tǒng)的方法,利用現(xiàn)成的低成本流體元件巧妙組合的方式模擬出心室的搏動功能,同時采用簡單的反饋控制方法使模擬心室對前后負荷的敏感性更加符合生理情況,完成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理和控制程式,通過實驗模擬了正常和心衰生理情況下的血流動力學特征,驗證了小兒模擬系統(tǒng)能夠提供與血液循環(huán)系統(tǒng)相似的生理環(huán)境。此外,通過自制小兒左心室輔助裝置與小兒模擬循環(huán)系統(tǒng)的并聯(lián)實驗,完成了小兒左心室輔助裝置輔助循環(huán)能力的測試,進一步證明了小兒體外模擬循環(huán)系統(tǒng)作為小兒左心室輔助裝置測試平臺的有效性。 4.左心室輔助裝置灌注優(yōu)化生理控制器研究。針對連續(xù)流旋轉(zhuǎn)血泵式左心室輔助裝置輔助時主動脈脈壓幾乎消失的情況,采用了模糊邏輯控制方法,以維持主動脈平均壓并同時增強微弱的脈壓到正常生理范圍為目標,設計了基于旋轉(zhuǎn)血泵轉(zhuǎn)速調(diào)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現(xiàn)。生理控制器以一個軸流血泵為對象,結(jié)合血液循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學模型進行了數(shù)值模擬驗證。數(shù)值模擬結(jié)果表明,控制器能夠維持主動脈平均壓在100mmHg的同時增強主動脈脈壓到生理范圍的下限20mmHg。同時在多種生理參數(shù)擾動下生理控制器表現(xiàn)了很好的魯棒性,能夠承受包括外周阻力、主動脈順應性和左心室搏動能力變化的擾動。最后,通過體外實驗進一步驗證了生理控制器在實際中運用的可行性。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R318.6
【目錄】：

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本文編號：114770