基于心血管优化耦合原理的左心辅助生理控制研究

Impeller left ventricular assist devices(LVADs) have been widely used in end-stage heart failure therapy and myocardial recovery. In order to improve the quality of life of LVAD recipients, pulsatile speed instead of constant has become a research focus for LVAD control in recent years. However, due to the absence of in-depth studies on switching properties of cardiovascular system, LVAD control criteria have been selected without sufficient theoretical basis. In this project, a novel idea is proposed to study ventricular-vascular optimal coupling principles by means of the switched system theory, and then a physiological control criterion for maintaining the balance between left and right ventricular work is established. The main contents include: (1) A novel dynamic model incorporating dual ventricular coupling effects is developed based on the switching property of myocardial force; (2) The time-scaling transformation and dwell time methods are used to study the pulsatile characteristics of left ventricle and the switching stability of cardiovascular system; (3) Based on the minimum work criterion of left ventricle and the dual ventricular coupling model, the optimal speed law is derived using the Pontryagin maximum principle and intelligent optimization algorithms. The aim of this project is to establish a unified framework for the pulsatile speed control of LVADs by means of switched system and optimal control theories, provide a novel approach to study the ventricular-vascular optimal coupling problem and provide a more effective scheme from the viewpoint of LVAD control to deal with the right ventricular failure during left ventricular assistance.

叶轮式左心辅助装置（LVADs）广泛应用于终末期心衰的治疗和心肌功能的恢复，为了提高使用者的生存质量，搏动转速控制逐渐取代恒定转速控制成为近年来研究的热点。但是由于目前没有针对心血管系统的切换性开展深入研究，LVAD控制指标的选择一直缺乏理论依据。本项目首次提出利用切换系统理论研究心血管优化耦合原理的思想，进而建立能够维持左右心室做功均衡的生理控制指标。主要研究内容包括：（1）利用心肌力的切换特性构建一种新的双心耦合动力学模型；（2）利用时间尺度变换法、驻留时间法等研究左心室的搏动规律和心血管系统的切换稳定性；（3）基于左心室最小功原理和双心耦合模型，利用庞特里亚金极大值原理和智能优化算法研究转速控制规律。本项目旨在利用切换系统理论和最优控制理论为LVAD的搏动转速控制建立统一的理论框架；为研究心血管优化耦合问题提供一种新的思路；从血泵控制的角度为解决左心辅助右心衰问题提供更有效的方案。

在心脏病诊断和左心辅助装置控制领域，很多生理问题与控制系统理论存在联系。例如，高血压下的血压波动本质上属于系统稳定性问题；心率的调节规律满足心血管系统优化耦合规律；左心辅助后的右心衰与系统能控性存在联系；左心辅助装置的生理控制可以利用自适应控制思想进行设计。现有的心脏集中参数模型包括时变弹性腔模型和心肌力学模型。前者虽然结构简单，却是非解析的，且具有强非线性。后者具有高阶、强非线性，包含经验方程等缺点。因此，现有的心脏模型很难用控制和系统辨识理论进行分析。.本研究旨在建立一个解析的、具有可辨识结构的心脏集中参数模型，并利用控制理论定量地对心血管系统进行分析。主要研究内容包括：1. 利用心脏核磁共振研究了左心房室平面纵向位移与心衰之间的关系，并对房室平面的拟活塞运动进行验证；2. 基于切换系统方法建立了心脏的集中参数模型，并对该模型的最大顺应性进行研究；3. 利用临床的压力-容积数据对左心活塞泵模型参数进行辨识；4. 基于离散李雅谱诺夫函数方法分析了体循环系统的稳定性；5. 在嵌入式系统中实现了模糊PID、最小方差控制、自校正自适应控制、扩展卡尔曼滤波等算法。.研究证明：1. 心衰时左心房室平面位移小于正常值，可以作为评价心室功能的一项指标；2. 基于房室平面活塞运动思想，左心模型可以表示成一个线性切换系统，该模型可以较好地描述左心的动力学特征，其最大顺应性对前后负载不敏感，符合临床观测结果；3. 参数辨识结果证明该模型的某些参数是可辨识的，其中左心室的顺应性约为0.3 ml/mmHg，拟活塞模型的机械时间常数约为0.1s；4. 稳定性分析证明，系统稳定性对某些参数非常敏感，这些参数的改变可能引起系统稳定性的降低。.传统的心室功能评估方法需要多个心动周期的压力-容积数据，本研究提供了一种利用单周期数据对心室功能进行定量分析的方法。此外，该模型建立了心室压力和房室平面速度的关系，因此可以利用后者代替前者实现心室功能的非介入式诊断。