[发明专利]一种基于心脏泵新模型的变转速控制方法

说明书

本发明公开了一种基于心脏泵新模型的变转速控制方法，属于人工心脏控制领域。本发明根据旋转型心脏泵的水力特性和相似定理，构建了心脏泵转速、流量和压力之间的数学模型。基于该模型的控制方法将该心脏泵数学模型和现代检测控制技术相结合，通过采集血压和流量信号，应用抽吸反流检测器确定抽吸反流程度，结合生理参考模型，确定转速反馈控制方法。本发明通过旋转泵的工作原理，建立旋转泵的数学模型，基于该数学模型的心脏泵变转速控制方法可有效检测心脏泵的工作状态，对抽吸或反流进行及时消除，提高了心脏泵系统的可靠性。

技术领域

本发明属于人工心脏范畴，具体涉及一种旋转式心脏泵的数学模型的变转速控制方法。

背景技术

旋转型商业化心脏泵目前已经广泛地应用于重症心衰患者的治疗和移植手术的过渡手段。经过长期的机械辅助表明，传统的定转速工作模式，虽然提高了泵的耐久性和可靠性，由于输出的是非搏动血流，降低了整个血液循环系统的搏动压力和搏动指数，从而影响了整个心动周期各相的血液动力学特性。这种控制方式会导致肠胃出血、主动脉充盈不足、心室收缩里下降等众多并发症，降低了患者的生活质量，同时也不利于病人摆脱对心脏泵的依赖，达不到恢复治疗的目的。

因此，为解决旋转式心脏泵传统控制方式和患者生理要求的矛盾，有必要建立旋转型心脏泵的变转速数学模型和控制方法。本发明对研究高可靠性的心脏泵变转速控系统，尤其是对血流搏动性的提高，心动周期各相的血液动力学性能的改善，旋转式心脏泵的并发症的降低具有重要的现实意义。

此外，在临床应用中发现，心脏泵开始辅助工作后，将和左心室进入复杂的耦合重建过程，而且该过程还会随着患者的活动状态而变化。目前，该重建机理还不清楚。当心脏泵的转速过高时，则静脉回流过慢，心室会发生抽吸现象，这是由于心脏泵的过量抽血导致，并且伴随着泵入口处的溶血、血栓和组织破坏；而当心脏泵的转速过低时，心脏泵的输出压力低于主动脉压力，导致心脏泵反流，出现倒灌。尤其在患者心脏的功能恢复阶段，自然心脏的收缩力增强，会容易导致反流现象，反流和倒灌程度与泵产生的流量和压力相关。抽吸和反流是心脏泵应用过程中出现的异常工况，一旦发生左心室抽吸，泵的出口流量为零，无法为系统输送足够的血流量；发生反流，泵失去了辅助功能，而且导致严重的血损问题。当抽吸，反流持续时间过长，将危害患者生命。因此在变转速控制系统中实现抽吸和反流的检测和反馈控制能有效提高系统的可靠性。

经对现有技术文献的检索，中国专利号CN 104043153 A，专利名称：一种用于人工心脏压力与流量控制的装置与控制方法，该专利提出一种变转速控制方法，通过检测机体所处运动状态下的血压与流量数据，达到调节血泵中血液的血压和流速的目的。但该专利不涉及旋转泵的数学模型，也未对心脏泵的异常工况进行反馈控制。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明解决的问题是利用旋转泵的相似性定理建立转速与流量、扬程之间的数学模型，在此基础上提出可检测心脏泵抽吸反流的高可靠性的变转速控制方法。

本发明的技术方案是：一种基于心脏泵新模型的变转速控制方法，包括以下步骤：

步骤1，从心脏泵的水力特性和相似性定理出发，建立旋转型心脏泵的数学模型；步骤2，将心脏泵模型和心血管模型耦合，建立系统的耦合模型；步骤3，检测心脏泵和心血管系统的血压和压力；步骤4，根据血压和压力信息，对心脏泵进行抽吸、反流检测；步骤5，由检测结果，确定抽吸、反流状态时的调速方案；步骤6，把转速输入心脏泵和血液循环系统耦合的模型，并结合生理参考模型输出的正常生理信息，确定最终的转速，步骤7输出的转速信息输入转速反馈控制模块，通过PI或PID控制算法调节转速，并输入驱动电路转换成电压信号，调节心脏泵转速。

进一步，所述步骤1具体包括：

步骤1.1，首先确定控制模型参数：确定旋转型心脏泵的电机的转速速度ω；然后确定旋转型心脏泵的性能参数：心脏泵的扬程H；心脏泵的流量Q；