模糊控制技術(shù)在靜脈輸液速度控制中的應(yīng)用效果研究

郭 威，崔宇琛，郭建軍

（1.山西醫(yī)科大學(xué),山西030001；2.吉林大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院；3.山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院）

靜脈輸液是常見的臨床治療手段[1]，科學(xué)、合理的輸液速度已成為安全用藥的前提[2]。目前，臨床上多采用目測法判斷輸液速度，其精確性較差；同時(shí)，由于輸液過程中液體滴速會(huì)受諸多不確定因素影響，使得輸液速度難以保持穩(wěn)定[3-7]。不當(dāng)?shù)囊后w輸注速度，輕者會(huì)給病人造成不適，影響藥物治療效果，重者會(huì)造成醫(yī)療事故，嚴(yán)重影響醫(yī)患關(guān)系[8-9]。模糊控制技術(shù)作為一種常用的人工智能方法，在非線性、時(shí)變等復(fù)雜系統(tǒng)的過程控制方面被廣泛應(yīng)用[10-17]。輸液速度與影響因素間存在不確定性，二者間關(guān)系具有非線性特點(diǎn)[18]，將模糊控制理論引入液體輸注速度控制中，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液過程中因不可控因素導(dǎo)致的速度改變的自動(dòng)調(diào)整?，F(xiàn)報(bào)道如下。

1 原理與方法

1.1 靜脈輸液速度模糊控制模型原理 靜脈輸液速度控制模型的基本思想是模仿醫(yī)護(hù)人員對(duì)靜脈輸液過程的控制，把臨床靜脈輸液護(hù)理中護(hù)士長期積累的經(jīng)驗(yàn)，借助模糊數(shù)學(xué)的方法，表示成一系列控制規(guī)則，經(jīng)數(shù)學(xué)處理，生成模糊規(guī)則控制器。計(jì)算機(jī)將醫(yī)護(hù)人員預(yù)先設(shè)定的液體輸注速度值與液體輸注過程中檢測到的實(shí)際液體輸注速度值間的誤差e 及誤差變化率ec 作為輸入量，通過模糊控制器對(duì)液體輸注速度進(jìn)行控制。e 及ec 計(jì)算公式分別見公式（1）和公式（2）：

（1）式中，O(t)表示t 時(shí)刻系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的液體輸注速度，可由醫(yī)護(hù)人員根據(jù)病人年齡、病情及藥物特性事先設(shè)定；D(t)表示t 時(shí)刻液體輸注的實(shí)際速度，可由紅外線傳感器實(shí)時(shí)采集[19-20]。（2）式中，e(t)和e(t-1)分別表示t 時(shí)刻和t-1 時(shí)刻液體輸注速度的誤差值。

將e 及ec 經(jīng)整個(gè)控制器模糊化，轉(zhuǎn)化為輸入量的模糊語言值。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)模糊控制規(guī)則，經(jīng)模糊算法器進(jìn)行模糊推理，得到模糊控制量U。最后經(jīng)模糊決策器決策，得到精確的控制量u，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（步進(jìn)電機(jī)）對(duì)受控對(duì)象輸液器皮管的松緊度的控制，從而可達(dá)到對(duì)液體輸注速度調(diào)節(jié)的目的。

1.2 輸液速度模糊控制器的設(shè)計(jì) 控制模型采用雙輸入/單輸出結(jié)構(gòu)，輸入量為e 和ec，輸出量為模糊控制量u。整個(gè)控制器包括模糊量化器、模糊算法器及模糊決策器三部分[21]。

1.2.1 模糊量化器 從醫(yī)學(xué)治療角度考慮，液體輸注速度應(yīng)為每分鐘6～125 滴，一般設(shè)置為每分鐘60～80滴。當(dāng)液體停止輸注時(shí)，可發(fā)生回血。甘露醇輸注速度可為每分鐘125 滴[22]。因此，將輸入量e 和ec 的基本論域確定為-125～125，輸出量u 基本論域確定為-3～3，量化論域均為-6～6。量化因子分別為：k1=0.048，k2＝0.06，k3=2。E、EC 和U 分別為e、ec和u 的語言變量，取值劃分為PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB,依次表示“正大”“正中”“正小”“零”“負(fù)小”“負(fù)中”和“負(fù)大”。各語言變量的隸屬度函數(shù)見圖1 和圖2，對(duì)應(yīng)的模糊賦值表見表1 和表2。

圖1 E 和EC 的隸屬函數(shù)

圖2 U 的隸屬函數(shù)

表1 輸入量E 和EC 分級(jí)模糊化表

表2 輸出量U 的分級(jí)模糊化表

1.2.2 模糊算法器的設(shè)計(jì)

1.2.2.1 生成模糊控制規(guī)則 靜脈輸液速度控制規(guī)則可以反映醫(yī)護(hù)專家在靜脈輸液速度控制過程中的臨床思維。當(dāng)輸液速度誤差E 為“負(fù)大”或“正大”且誤差變化率呈EC 無減小趨勢時(shí)，為盡快消除誤差，需加大控制器控制力度，此時(shí)控制量U 應(yīng)取“正大”或“負(fù)大”，使步進(jìn)電機(jī)以最大的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)，壓緊輸液橡皮管；當(dāng)誤差變化率有減小趨勢時(shí)，應(yīng)視誤差變化率大小，采取中度、微度或者不予干預(yù)的控制策略，即控制量U 取“正中”“正小”“零”“負(fù)小”“負(fù)中”。當(dāng)誤差為“負(fù)中”或“正中”時(shí)，應(yīng)盡快消除誤差，此時(shí)采取的策略基本與誤差為“負(fù)大”或“正大”時(shí)相同。當(dāng)誤差為“負(fù)小”或“正小”時(shí)，控制量不宜太大，應(yīng)選取適度的控制策略[23]。當(dāng)誤差和誤差變化率均為“零”時(shí)，不需控制。其if-then 語句書寫形式如下：

1）IF E=NB and EC=NB THEN U=PB

2）IF E=NB and EC=NM THEN U=PB

3）IF E=NB and EC=NS THEN U=PB

4）IF E=NB and EC=Z THEN U=PB

5）IF E=NB and EC=PS THEN U=PM

6）IF E=NB and EC=PM THEN U=PS?

49）IF E=PB and EC=PB THEN U=NB

以上形成的49 條控制規(guī)則見表3。

表3 模糊控制規(guī)則表

1.2.2.2 模糊推理規(guī)則的合成 將以上控制語句用模糊關(guān)系表示為公式（3）：

對(duì)以上模糊關(guān)系，進(jìn)行模糊關(guān)系合成，計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)的控制量U，模糊控制算法見公式（4）：

1.2.3 模糊決策器的設(shè)計(jì) 由于受控對(duì)象只能接受確定的控制量，模糊算法器輸出的模糊控制量U須經(jīng)模糊決策器轉(zhuǎn)化為確定的控制量，進(jìn)而對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行精確控制。模糊決策器一般分為最大隸屬度原則轉(zhuǎn)換器、重心法、取上位數(shù)轉(zhuǎn)換器3 種類型[24]。本研究使用重心法，計(jì)算公式如下所示：

1.3 應(yīng)用 在MATLAB 環(huán)境下，利用FIS 編輯器進(jìn)行模糊控制器設(shè)計(jì)，任意給出1 個(gè)輸入值，如e=-4,ec=2，模糊控制器輸出結(jié)果U=3.25。利用simulink建立液體輸注速度控制器仿真模型以驗(yàn)證模型控制效果。

2 結(jié)果

給定液體輸注速度，觀察模糊控制器對(duì)輸液速度的控制效果，結(jié)果見表4。

表4 模糊控制器控制結(jié)果

3 討論

表4 結(jié)果顯示：采用模糊控制器對(duì)輸液速度進(jìn)行控制，預(yù)先給定不同輸入速度，控制器均能在較短時(shí)間內(nèi)給出響應(yīng)，且每分鐘液體輸注速度最終值與每分鐘液體輸注速度初始值相差較小。說明本研究設(shè)計(jì)的模糊控制器在速度控制方面實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，準(zhǔn)確度較高，有利于實(shí)現(xiàn)臨床護(hù)理輸液過程的智能控制。本研究的5次測試中，第2 次和第5 次測試每分鐘液體輸注速度最終值與每分鐘液體輸注速度初始值不完全一致，可能是由于臨床經(jīng)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)量不夠大，建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的模糊控制規(guī)則不夠精準(zhǔn)。提示在今后的工作中還需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，保證數(shù)據(jù)結(jié)果的科學(xué)性。同時(shí)，在實(shí)踐中還須不斷調(diào)整和優(yōu)化控制規(guī)則，以提高其準(zhǔn)確度。

隨著人工智能發(fā)展，利用控制技術(shù)對(duì)靜脈輸液速度實(shí)時(shí)控制已成為實(shí)現(xiàn)科學(xué)化護(hù)理的重要手段。相較于傳統(tǒng)目測法手動(dòng)調(diào)節(jié)輸液速度，基于模糊控制的靜脈輸液速度控制最大優(yōu)勢在于實(shí)現(xiàn)輸液過程的自動(dòng)控制，其不僅有利于減小輸液速度調(diào)節(jié)誤差，還有利于減輕護(hù)理工作壓力，促進(jìn)醫(yī)院護(hù)理信息化水平建設(shè)。