【摘要】：目的：自從1960年，Kouwenhoven等人揭示了胸外按壓能夠在心室纖顫期間維持患者血液循環(huán)的重要作用以來，胸外按壓技術就一直被作為搶救心臟驟�；颊叩暮诵募本却胧┖托姆螐吞K技術中的關鍵一環(huán)。胸外按壓通過增加胸內(nèi)壓或直接擠壓心臟產(chǎn)生血液流動，使血液流向肺臟，并輔以適當?shù)暮粑�，為腦和其他重要器官提供相當量的氧氣以便進行電除顫。為提高胸外按壓血流灌注，近年來，胸外按壓深度的重要性被再次提及。甚至，2010年國際心肺復蘇指南（2010AHA）重新定義了胸外按壓深度，將按壓深度從4-5cm提高到5cm。 盡管提高胸外按壓深度有利于促進患者的血流灌注，但是在增加按壓深度的同時也增加了患者胸骨骨折的風險。過深的胸外按壓將會導致患者胸骨發(fā)生骨折，從而使得胸腔失去泵血功能，極大地影響心肺復蘇效率。更嚴重的是胸肋骨的骨折將會導致嚴重的肺部、肝臟和其他臟器器官的損傷，威脅患者生命。我們必須認識到，胸外按壓是一把雙刃劍，具有利弊的兩面性。因此，只有綜合患者血流灌注程度和胸骨骨折危險性才能得到滿足患者個體特征的最佳胸外按壓深度。但是，遺憾的是目前國際上缺乏對胸外按壓利弊權衡問題的關注。盡管2010AHA對胸外按壓深度提出了要求（5cm），但是并未明確地指出胸外按壓深度的數(shù)值或范圍，大部分急救人員僅僅依靠臨床急救經(jīng)驗實施胸外按壓。此外，眾多自動胸外裝備的按壓深度恒定，并不能根據(jù)患者的個體差異進行按壓利弊權衡后的優(yōu)化胸外按壓。權衡胸外按壓利弊的機制尚未建立。 綜上所述，有必要對胸外按壓利弊權衡優(yōu)化自控制策略和算法進行探索和研究，實現(xiàn)在自動胸外按壓過程中提高血液循環(huán)灌注的同時降低胸骨骨折風險的目標。 方法與內(nèi)容：本課題基于胸外按壓復蘇理論和智能控制理論，以權衡血流灌注與骨折風險為目標，以“血流灌注與骨折風險辨識—閉環(huán)自動胸外按壓優(yōu)化控制策略與算法—閉環(huán)自動胸外按壓心肺復蘇系統(tǒng)研制—實驗論證”時序為研究主線，分四個階段開展了閉環(huán)自動胸外按壓心肺復蘇優(yōu)化控制研究： (1)血流灌注與骨折風險的監(jiān)測與辨識：我們對反映血流灌注和骨折風險的各項生理指標進行了充分調(diào)研，分析了閉環(huán)自動胸外按壓復蘇技術的總體需求，篩選出呼吸末二氧化碳分壓(partial pressure of end-tidal CO_2, PETCO_2)和胸骨彈性模量(chest stiffness, Kchest)作為心肺復蘇中評估血流灌注程度和胸骨骨折危險程度的生理指標；對PETCO_2與血流灌注、Kchest與骨折危險程度相關性進行了分析，挖掘了關鍵特征值，，建立了有效的血流灌注和骨折危險程度評價規(guī)則和辨識方法；構(gòu)建了心肺復蘇計算機仿真生理模型，總結(jié)了胸外按壓過程中關鍵生理參數(shù)的變化規(guī)律，為閉環(huán)自動胸外按壓優(yōu)化控制算法的建立提供了理論基礎。 (2)自動胸外按壓優(yōu)化策略與閉環(huán)優(yōu)化控制算法研究：利用血流灌注、骨折風險辨識算法與心肺復蘇生理模型，結(jié)合胸外按壓臨床經(jīng)驗和模糊控制算法，形成了一套自動權衡血流灌注與骨折風險利弊的高魯棒性、高適應性的閉環(huán)胸外按壓優(yōu)化控制算法。閉環(huán)自動胸外按壓優(yōu)化控制算法包含信號預處理、輸入飽和處理、模糊控制決策、輸出飽和處理和模糊PID自動調(diào)節(jié)五個部分，分別完成輸入信號的濾波放大處理、輸入信號范圍的限定飽和處理、閉環(huán)胸外按壓的模糊控制決策、輸出信號范圍的限定飽和處理和按壓深度的模糊PID自動調(diào)節(jié)。 (3)閉環(huán)自動胸外按壓心肺復蘇系統(tǒng)的研制：本課題采用虛擬儀器的設計理念，設計研制了以LabVIEW虛擬儀器為系統(tǒng)控制平臺的閉環(huán)自動胸外按壓心肺復蘇系統(tǒng)。系統(tǒng)包括生理信號檢測處理模塊、LabVIEW虛擬儀器控制平臺、自動胸外按壓控制器和胸外按壓機構(gòu)，利用生理信號檢測處理模塊采集患者PETCO_2和Kchest，應用LabVIEW虛擬儀器控制平臺計算處理得到優(yōu)化的按壓深度，通過自動胸外按壓控制器驅(qū)動直流無刷電機帶動胸外按壓機構(gòu)完成優(yōu)化的閉環(huán)自動胸外按壓。 (4)實驗論證：為驗證閉環(huán)自動胸外按壓優(yōu)化控制算法與系統(tǒng)的有效性，我們搭建了計算機仿真模型，并開展了計算機仿真實驗，對閉環(huán)優(yōu)化控制算法的性能進行了分析測試，驗證了優(yōu)化控制結(jié)果；為進一步探索驗證實際自動胸外按壓心肺復蘇情況下的閉環(huán)自動胸外按壓優(yōu)化控制性能，我們構(gòu)建了自動胸外按壓生理仿真模型，搭建了實物仿真平臺，并開展了基于心肺復蘇模擬人的仿真實驗（實物模型仿真實驗），對比了閉環(huán)自動胸外按壓心肺復蘇控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)氣動胸外按壓器Thumper的胸外按壓利弊權衡控制性能。 結(jié)果：為了驗證閉環(huán)優(yōu)化控制算法的有效性和可靠性，我們基于計算機仿真模型和實物仿真模型進行了實驗驗證。 (1)計算機仿真實驗：在九組胸骨彈性模量不同的計算機仿真實驗中，閉環(huán)優(yōu)化控制自動胸外按壓（簡稱優(yōu)化按壓）的有益危險綜合指數(shù)BRI在大部分情況下要比傳統(tǒng)機械胸外按壓（簡稱傳統(tǒng)按壓）高（6/9）。相比傳統(tǒng)按壓，優(yōu)化按壓有效提升了心輸出量（cardiac output, CO）和PETCO_2（6/9）。優(yōu)化按壓的平均BRI、CO和PETCO_2分別為5.69、1.45L/min和15.51mmHg；傳統(tǒng)按壓的平均BRI、CO和PETCO_2分別為4.76、1.18L/min和13.26mmHg。 (2)實物模型仿真實驗：實物模型仿真實驗取得了與計算機仿真實驗相似的結(jié)果。在九組胸骨彈性模量不同的實物仿真實驗中，基于閉環(huán)自動胸外按壓心肺復蘇系統(tǒng)的優(yōu)化胸外按壓（簡稱優(yōu)化按壓）的有益危險度綜合指數(shù)BRI在大部分情況下要比基于Thumper的傳統(tǒng)機械胸外按壓（簡稱傳統(tǒng)按壓）高（7/9）。相比傳統(tǒng)按壓，優(yōu)化按壓有效提升了血流量（cardiac out, CO）和PETCO_2（6/9）。優(yōu)化按壓的平均BRI、CO和PETCO_2分別為6.08、1.35L/min和15.7mmHg；傳統(tǒng)按壓的平均BRI、CO和PETCO_2分別為5.21、1.14L/min和13.76mmHg。 綜上所述，計算機仿真實驗和實物模型仿真實驗均表明，優(yōu)化按壓比傳統(tǒng)按壓獲得了更高的CO、PETCO_2、BRI，同時避免了胸骨骨折極端危險情況的發(fā)生，表現(xiàn)出了優(yōu)秀的利弊權衡性能。相比之下，傳統(tǒng)按壓由于按壓深度單一，盡管能夠維持一定的血液循環(huán)，但是卻在胸骨柔軟時錯過了進一步提高血流灌注的機會，更重要的是在胸骨較硬的時候(γ=14N/cm2,15N/cm2)，有害因子RF達到了極端危險水平，非常容易導致胸骨骨折。 結(jié)論：相比傳統(tǒng)按壓，優(yōu)化按壓具有更加優(yōu)秀的胸外按壓利弊權衡性能。優(yōu)化按壓可以在胸骨柔軟的時候，提高按壓深度，在保證安全的情況下，獲得較好的血流灌注；在胸骨較硬的時候，降低按壓深度，在維持必要血流灌注的同時，降低胸骨骨折的風險。閉環(huán)自動胸外按壓優(yōu)化控制策略可為自動胸外按壓裝備提供一套智能化的閉環(huán)自動胸外按壓心肺復蘇解決方案，輔助急救人員進行高效安全的胸外按壓，不僅對提高突發(fā)事件環(huán)境下心肺復蘇效率，增加傷員生存率有著重要意義，而且在推動心肺復蘇自動化研究方面將發(fā)揮重要作用。
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【學位授予單位】：中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TP273;R318.6

【參考文獻】

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1 趙鵬;鄭捷文;吳太虎;;閉環(huán)復蘇技術在失血性休克液體治療中的應用[J];中國生物醫(yī)學工程學報;2011年06期

本文編號：2453528