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人工心脏生理控制系统

一、概述
天然心脏是靠许多信息反馈通道来使心脏的工作与人体的生理需求相适应的。人工心脏辅助必须要与天然心脏功能相互适应，否则会损伤心脏的收缩功能，进而影响心脏功能的恢复，因此提出人工心脏生理控制系统，产生与心脏功能相适应的辅助水平，提高心衰治疗效果。
人工心脏生理控制系统实际上是一个对多个子系统控制功能的整合系统。应用目标决定了高层控制的基本内容，心脏的能源方式、具体的驱动结构和传统系统以及心脏主体部分的其他结构决定了对于高层控制的具体实现方式。一个具体的控制系统基本上可以看成上述内容通过某种控制结构进行的组合。控制系统是人工心脏系统的核心部分，随系统的结构、基本原理和应用开发背景而显现不同的形式。因此对于人工心脏系统的研制而言，开发和研究一种具备适应性的控制系统是一项重要工作[1]。
二、发展历程
人工心脏的生理控制系统的相关研究已有一系列的研究成果。Anderson[2]建立CFVAD3型人工心脏的几何模型，利用计算流体力学(CFD)方法优化人工心脏的流体结构并对血液相容性情况进行研究。Yu[3]等在前人的研究基础上将阻性元件加入到人工心脏泵模型的设计中解决了如何模拟抽吸状态下人工心脏的血流动力学特性的问题等。

其中北京工业大学心血管医学工程项目组队对人工心脏生理控制系统进行了全方位的研究，建立了一系列的算法和数学模型，深入研究了对血流动力学的影响，并进行了仿真实验，动物实验和临床试验。该系统通过人工心脏产生的流场改变血管特性、心肌收缩力、以及生物标志物等，既可以满足心脏灌注，也可以诱导心脏功能的恢复，改进了传统人工心脏对心力衰竭仅具有缓解症状（降压、利尿、增加血流量）的功能，做到标本兼治，对心力衰竭患者的康复起到了重大的作用。此研究取得了良好的成果，具有通用性和创新性，共发表了40余篇SCI论文，获得知识产权10余项，撰写专著2部。
一、首先，该方法实现了对人工心脏工作状态和器官灌注要求的满足。文章阐述了心率反应人体及其重要器官对血液需求量，构建人工心脏的灌注控制环节[4]。
二、首次提出了血流辅助指数，用于检测和控制心脏卸载水平。血流辅助指数BAI，即人工心脏做功与心脏做功之间的耦合关系，将其作为控制对象来控制心脏做功，为心脏提供可控的负载，以非参数模型自适应控制(FMAC)算法为基础设计人工心脏控制器。利用血流辅助指数来控制心脏的做功和负载，为心脏的功能恢复创造可控的环境。因此该算法可以在满足灌注与控制心脏负载之间取得最优组合，有利于长期的以心脏恢复为目的的人工心脏的控制[5]。
三、该系统能对血管纤维化保护与心肌收缩力的恢复进行系统控制。以压力反射敏感度为指标，观测心脏的损伤程度以及心肌收缩力的恢复程度，并以此作为控制信号，改善力学环境，避免心肌损伤，促进心脏功能的恢复[6]。文章阐述了以压力反射敏感度为指标，观测心脏的损伤程度以及心肌收缩力的恢复程度，并以此作为控制信号，改善力学环境，避免心肌损伤，促进心脏功能的恢复。
四、首次提出了通过分层控制达到优化人工心脏泵辅助水平和促进心脏功能恢复的方法。分层控制策略即建立的外层控制策略确定心脏的最佳辅助水平，并作为优化人工心脏泵输出的控制变量；建立的中层控制策略能够平衡血液灌注与心脏卸载的需求；建立的内层控制策略能够维持人工心脏系统的控制稳定性。分层控制系统的设计有利于促进心衰患者心脏功能恢复[1]。
五、系统对左心室血流动力学，冠状动脉血流动力学，心血管血流动力学都有积极的影响，有助于心衰患者的心脏恢复。通过研究人工心脏泵辅助不同控制模式对心血管系统的影响，得到了最佳辅助模式。其中共同模式，有助于提高冠状动脉的灌注，提高心力衰竭灌注水平，恢复心衰脉动性。反博模式有助于主要器官的血液灌注[7]。研究了人工心脏泵辅助对左心室血流动力学影响，得到人工心脏泵可以降低左心室负荷，提高灌溉水平，增加了主动脉的泵血时间，改善了每搏量，提高了射血分数，并且还可以改善了血流停滞和血栓产生的可能性[8]。研究了人工心脏泵辅助不同控制模式对冠状动脉血流动力学的影响，得到了最佳辅助模式。其中共同模式有助于提高冠状动脉的灌注以及预防粥状动脉硬化，进而改善心肌重塑[9]。
六、该系统可以通过调整人工心脏泵的相位差，达到最佳辅助水平。通过研究BJUT-II 人工心脏泵与自然心脏之间不同相位差对血流动力学的影响，得出了最佳的相位差。文章阐述了通过实验研究得到最佳相位差，从而影响冠状动脉压力以及血泵灌注水平，达到最佳治疗心衰的效果[10]。
七、课题组对人工心脏控制系统建立了一系列的算法和数学模型。通过建立两种不同类型的神经网络级联模型，正确地评估和检测心室辅助装置中血泵转速、压力的连续变化对流量的影响[11]。建立了血泵辅助循环溶血模型，能够定量评价血泵在不同工作状态下(正常状态和抽吸状态)溶血程度的数学公式[12]。设计了基于心率的血泵流量控制算法，通过血泵流量模型反映人体血流量需求，控制血泵实现人体需求的流量输出[13]。设计了主动脉内血泵的全程滑膜算法控制器。基于模糊控制算法的流量控制和基于全程滑膜算法的速度控制。用动态干扰补偿算法估算不确定性，从而克服抖震现象[14]。建立了主动脉内血泵的非线性集中参数模型能准确预测主动脉内血泵的压力差和血流量以及模拟从抽吸到肺淤血等各种血流动力学状态[15]。建立了基于血流辅助指数BAI的控制策略，有助于转速对外周阻力的响应，同时促进左心室的逆重构[16]。建立了循环系统模型研究主动脉内血泵对血流动力学的影响要依靠算法主动调节血泵，更好的满足人体心脏搏动需求[17]。建立了心血管系统集中参数模型，研究心衰阶段心血管系统血流动力学参数之间的关系[18]。
八、结合上述研究成果，通过搭建硬件、软件模块，实现了具有上述3个重要功能的人工心脏控制系统。并获得了发明专利：常宇，谷凯云，刘友军，乔爱科。基于生理参数的血泵控制设备。ZL201010554516.2；以及软件著作权：常宇，谷凯云。基于生理参数的血泵多模式控制系统软件V1.0。 2010SRBJ5873[19][20]。
九、此系统可根据心衰患者的具体生理情况设定参数，为患者提供最佳辅助水平，具有良好的通用性。目前已经应用多例动物实验，并成功挽救4名急性心衰患者的生命。

参考文献：
[1]高斌. 面向新功能恢复的人工心脏泵分层控制策略研究[D].北京工业大学,2013.
[2] J ANDERSON, HG WOOD, PE ALLAIRE, et al. Numerical Analysis of Blood Flow in the Clearance Regions of a Continuous Flow Artificial Heart Pump [J]. Artif Organs, 2000,
24(6): 492-500.
[3] YC YU,MA SIMAAN, SE MUSHI, et al. Performance Prediction of a Percutaneous Ventricular Assist System Using Nonlinear Circuit Analysis Techniques [J]. IEEE T Bio-med Eng, 2005, 55(2): 419-429.
[4] Chang Y, Gao B, Gu K Y. A Model-Free Adaptive Control to a Blood Pump Based on Heart Rate .ASAIO JOURNAL. 2011, 57(4):262-267
[5]Gao B, Gu K Y, Zeng Y, Chang Y. An Anti-Suction Control for an Intra-Aorta Pump Using Blood Assistant Index: A Numerical Simulation .ARTIFICIAL ORGANS. 2012, 36(3):275-290
[6]Gao B, Chang Y, Gu K Y, Liu Y J. Physiological Controller of an Intra-Aorta Pump Based on Baroreflex Sensitivity. Artificial Organs.2012, 36(12):1015-1025。
[7]Gao B, Chang Y, Xuan Y, et al. The hemodynamic effect of the support mode for the intra-aorta pump on the cardiovascular system.[J]. Artificial Organs, 2013, 37(2):157–165.
[8]王得水. 人工心脏泵辅助水平对左心室血流动力学影响的数值研究[D].北京工业大学,2014.
[9]Zhang Q, Gao B, Gu K, et al. The study on hemodynamic effect of varied support models of BJUT-II VAD on coronary artery: a primary CFD study.[J]. Asaio Journal, 2014, 60(Issue):643-651.
[10] Gu K, Gao B, Chang Y, et al. The hemodynamic effect of phase differences between the BJUT-II ventricular assist device and native heart on the cardiovascular system.[J]. Artificial Organs, 2014, 38:914-923.
[11]轩艳姣,常宇. 基于两级级联神经网络估计血泵转速及压力变化对血流量的影响[J]. 中国组织工程研究与临床康复,2011,09:1631-1634.
[12]轩艳姣,常宇,宋淼. 轴流式血泵溶血数学模型的探究[J].北京生物医学工程,2011,02:127-131+194.
[13]谷凯云,高斌,常宇. 基于心率的主动脉血泵流量控制[J]. 中国组织工程研究与临床复,2011,13:2390-2393.
[14]高斌,谷凯云,常宇,刘有军. 主动脉内血泵的全程滑模控制器设计[J]. 医用生物力学,2011,03:279-285.
[15]谷凯云,高斌,常宇,刘有军. 基于主动脉内血泵的集中参数模型研究[J]. 医用生物力学,2011,04:367-372.
[16]谷凯云,高斌,常宇,刘有军. 一种主动脉内血泵血流辅助指数的控制策略[J]. 医用生物力学,2012,04:403-408.
[17]常宇,谷凯云,高斌,刘有军. 主动脉内血泵对血管血流动力学的影响[J]. 北京工业大学学报,2013,04:629-633.
[18]曾毅,谷凯云,高斌,刘有军,常宇. 心血管系统在心衰阶段的生理模拟[J]. 北京工业大学报,2013,12:1911-1915.
[19]发明专利：常宇，谷凯云，刘友军，乔爱科。基于生理参数的血泵控制设备。ZL201010554516.2；
[20]软件著作权：常宇，谷凯云。基于生理参数的血泵多模式控制系统软件V1.0。 2010SRBJ5873。