基于主动转速调制的旋转血泵生理自适应控制研究

With the success of rotary blood pumps in the clinical application, the issue about the missing of physiological adaptive control of them is becoming more and more highlighted. The project starts from the hemodynamic study of the blood circulatory system, and then establishes the integrated mathematical model of the blood circulatory system, reveals the effect of different speed modulation methods of rotary blood pumps on the perfusion of blood circulatory system, seeks out the optimization of the pump speed modulation waveform and modulation method; researches the physiological adaptive robust control method of rotary blood pumps based on the active speed modulation and noninvasive dynamic parameter estimation, establishes the multi-objective hierarchical control system and machine learning system of rotary blood pumps, forms the physiological adaptive control design system of rotary blood pumps; completes the numerical simulation validation of the proposed physiological adaptive control of rotary blood pumps based on the model of the blood circulation system; establishes the pulsatile mock circulatory system with the physiological feedback regulation mechanism of blood circulation, carries out the in vitro experimental verification of the physiological adaptive control of rotary blood pumps. The researches of this project will provide guidance on the physiological control design of rotary blood pumps, and realize the intelligence of the pumps, and thus improve the quality of daily life of the patients with rotary blood pump implanted.

随着旋转血泵在临床应用上的成功，旋转血泵生理自适应控制缺失的问题日益突显。本项目从血液循环系统血流动力学出发，建立完整的血液循环系统数学模型，揭示旋转血泵不同转速调制方法对血液循环系统的作用规律，搜寻最优化的血泵转速调制波形和调制方法；研究基于主动转速调制和无创动态参数估计的旋转血泵生理自适应鲁棒控制方法，建立旋转血泵多目标分层控制系统和机器学习系统，形成旋转血泵生理自适应控制设计体系；基于血液循环系统模型完成旋转血泵生理自适应控制的数值模拟验证；建立具有生理反馈调节机制的脉动式体外模拟循环系统，并在此基础上开展旋转血泵生理自适应控制的体外实验验证。本项目的研究对设计和开发旋转血泵生理自适应控制策略，实现旋转血泵的智能化，提高血泵植入者的生活质量具有重要的科学和社会意义。

随着旋转血泵在临床上的成功应用，旋转血泵生理控制缺失的问题日益突显。本项目建立了包含体循环和肺循环的血液循环系统数学模型和肺部气体交换模型，形成了完整的心肺循环系统模型，并在此基础上揭示了旋转血泵转速调制对循环系统血流动力学以及肺部气体交换的影响规律；研究了基于主动脉压力和反向传播神经网络的旋转血泵多生理状态自适应控制器，并探索了以肺气体交换为目标的旋转血泵控制新方法，建立了无模型预测控制器以保证肺部充分的氧气气体交换，提出了多层级多目标的旋转血泵生理控制系统；建立了基于“硬件在环”和“半实物仿真”概念的混合式体外模拟循环系统，提出了循环系统血管参数的估计方法，实现了正常和心衰多种生理状况的体外模拟；在心肺循环系统模型和体外模拟循环系统中验证了提出的旋转血泵生理控制方法。本项目的研究对设计和开发旋转血泵生理自适应控制策略，提高血泵植入者的生活质量具有重要的科学和社会意义。