新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證

王 穎，郭昊岡，楊 葳*

（1．天津市醫(yī)療器械審評查驗(yàn)中心，天津300191；2．天津工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津300384）

0 引言

胸外按壓作為心肺復(fù)蘇(cardiopulmonary resuscitation，CPR)的重要步驟，是一項(xiàng)非常重要的緊急醫(yī)療措施[1]。胸外按壓可產(chǎn)生胸內(nèi)壓，迫使血液流出心臟和周圍組織；在按壓釋放的過程中，胸部回彈會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，使血液充盈。胸外按壓可保障重要器官的血供，提升患者預(yù)后質(zhì)量[2]。需要明確的是，胸外按壓一方面有改善血流的潛力，但另一方面，胸外按壓也可能造成胸部損傷。雖然胸外按壓為心臟驟?；颊咛峁┝吮匾难髁?，但深度不恰當(dāng)?shù)陌磯簳?huì)大大增加患者肋骨骨折以及連枷胸的風(fēng)險(xiǎn)。一項(xiàng)臨床研究表明，至少有1/3的患者在CPR中發(fā)生肋骨骨折[3]。因此，需要同時(shí)考慮血流灌注和胸部損傷等因素來確定最佳的胸外按壓深度。

目前，幾乎所有的自動(dòng)機(jī)械按壓裝置，如Thumper、LUCAS、AutoPulse等，都只是按照推薦的恒定胸外按壓深度進(jìn)行按壓[4]，但沒有評估各自按壓深度為不同患者帶來的益處和風(fēng)險(xiǎn)，在改善血流灌注的益處與肝裂傷、肋骨骨折或其他損傷等風(fēng)險(xiǎn)之間仍無法權(quán)衡。為了提高胸外按壓的效率和安全性，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測胸部損傷情況和血流相關(guān)的生理參數(shù)，再根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，以適當(dāng)調(diào)整的速度和深度執(zhí)行胸外按壓。

在過去的計(jì)算機(jī)仿真研究中，一種優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械胸外按壓方法的最優(yōu)閉環(huán)控制策略已經(jīng)得到了驗(yàn)證[5]。然而在實(shí)際的自動(dòng)機(jī)械胸外按壓中，優(yōu)化機(jī)械按壓的性能和其相對于傳統(tǒng)胸外按壓的優(yōu)勢尚不清楚。本研究設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能夠在實(shí)際按壓過程中很好地權(quán)衡為患者帶來的益處和風(fēng)險(xiǎn)。為了定量評估患者肋骨骨折的風(fēng)險(xiǎn)和按壓后改善血流灌注的益處，分別以胸部硬度(Kchest)作為風(fēng)險(xiǎn)因子(risk factor，RF)和以呼氣末二氧化碳分壓[pET(CO2)]作為益處因子(benefit factor，BF)評估優(yōu)化后的機(jī)械胸外按壓在真正的自動(dòng)機(jī)械控制系統(tǒng)中的性能，并將其與傳統(tǒng)按壓方法進(jìn)行比較。

1 新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 胸外按壓質(zhì)量評價(jià)的因素

pET(CO2)和自主循環(huán)恢復(fù)(return of spontaneous circulation，ROSC)[6-11]、Kchest和肋骨骨折[12-13]之間的密切關(guān)系已得到公認(rèn)。因此，在胸外按壓過程中分別引入pE(TCO)2和Kchest作為BF和RF。BF根據(jù)血流灌注改善程度分為3個(gè)等級(如圖1所示)，RF根據(jù)血流灌注改善程度分為4個(gè)等級，可定量評價(jià)胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)程度(如圖2所示)。

圖1 BF等級

圖2 RF等級

BF值計(jì)算公式如下：

在公式(1)中，利用max(A，B)函數(shù)求出A與B之間的最大值；min(A，B)函數(shù)用于找出A和B之間的最小值。

RF值計(jì)算公式如下：

式中，K5和K6.5分別為按壓深度為5和6.5 cm的胸部硬度。

本研究中提出的RF是臨時(shí)的，考慮到未來真實(shí)患者中胸部僵硬與風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)，RF值將進(jìn)一步細(xì)化。

為了定量地綜合評價(jià)胸外按壓的利弊權(quán)衡能力，本研究引入了益處與風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(benefit risk index，BRI)，其計(jì)算公式如下：

BRI的范圍為0~10。如果BRI大于5，則益處大于風(fēng)險(xiǎn)；如果BRI小于5，則風(fēng)險(xiǎn)大于益處。本研究提出的BRI只是眾多可能的指標(biāo)之一，是一個(gè)用來證明概念的臨時(shí)指數(shù)。

1.2 總體設(shè)計(jì)

新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由LabVIEW控制平臺(tái)和機(jī)械胸外按壓控制器2個(gè)部分組成。LabVIEW控制平臺(tái)基于LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)(NI6225)，實(shí)時(shí)采集患者的pET(CO2)和Kchest。最優(yōu)按壓深度由當(dāng)前按壓深度和LabVIEW控制平臺(tái)模糊控制模塊的最優(yōu)按壓深度偏移組成。最優(yōu)閉環(huán)控制采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略。LabVIEW控制平臺(tái)的飽和模型將按壓深度峰值限制在6.5 cm以內(nèi)，以避免過深按壓造成肋骨斷裂。新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收最終的最優(yōu)按壓深度，并根據(jù)最優(yōu)按壓深度驅(qū)動(dòng)按壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行按壓。

圖3 新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

本系統(tǒng)采用模糊PID(proportional integral derivative)控制器來有效地調(diào)節(jié)按壓深度。PID控制器作為閉環(huán)系統(tǒng)中的一種流行控制器，已成功地應(yīng)用于無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制中。PID控制的目的是減少期望輸入值與實(shí)際輸出值之間的誤差。在本研究中，跟蹤誤差是LabVIEW控制平臺(tái)計(jì)算出的目標(biāo)按壓深度與機(jī)械胸外按壓實(shí)際按壓深度的差值，這個(gè)誤差將被實(shí)時(shí)發(fā)送到PID控制器。通過PID控制器對誤差進(jìn)行計(jì)算，得到最優(yōu)的脈沖寬度調(diào)制波形占空比，從而獲得目標(biāo)按壓深度所需的無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.3 系統(tǒng)控制策略

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略以模糊控制為基礎(chǔ)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化其參數(shù)，減小傳統(tǒng)模糊控制策略中的系統(tǒng)誤差。本文采用的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)圖

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)一共可分為2個(gè)部分：匹配規(guī)則的前件與產(chǎn)生規(guī)則的后件。前件網(wǎng)絡(luò)共有輸入層、隸屬函數(shù)層、“與”層、歸一化層4層；后件網(wǎng)絡(luò)共有輸入層、規(guī)則計(jì)算層、輸出層3層。

由于模糊PID控制具有原理簡單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用模糊PID控制策略。即利用模糊邏輯并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對PID控制參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，以克服傳統(tǒng)PID控制參數(shù)無法實(shí)時(shí)調(diào)整的缺點(diǎn)。模糊PID控制包括模糊化、確定模糊規(guī)則、解模糊等步驟。在本研究中，控制系統(tǒng)通過LabVIEW控制平臺(tái)獲取目標(biāo)按壓深度與機(jī)械胸外按壓實(shí)際按壓深度，確定目標(biāo)按壓深度與機(jī)械胸外按壓實(shí)際按壓深度的差值e以及當(dāng)前偏差和上次偏差的變化ec。結(jié)合由pET(CO2)和Kchest組成的BRI進(jìn)行模糊推理，最后對模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出PID控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的脈沖寬度調(diào)制波形占空比，從而獲得目標(biāo)按壓深度所需的無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。模糊PID控制策略流程如圖5所示。

圖5 模糊PID控制策略流程圖

2 仿真試驗(yàn)

2.1 仿真試驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的性能，搭建由新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)、按壓生理參數(shù)模型和人體模型組成的試驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示。系統(tǒng)中的LabVIEW控制平臺(tái)使用串行端口命令，通過對LUCAS心肺復(fù)蘇機(jī)的改裝，實(shí)現(xiàn)LUCAS機(jī)械胸外按壓的自動(dòng)控制。LUCAS內(nèi)部位移傳感器的輸出端連接到按壓生理參數(shù)模型的取樣端口。基于機(jī)械胸外按壓的生理參數(shù)模型實(shí)時(shí)模擬機(jī)械胸外按壓時(shí)的pET(CO2)和Kchest信號，并將其發(fā)送到LabVIEW控制平臺(tái)進(jìn)行機(jī)械胸外按壓深度的最優(yōu)控制。

圖6 新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

試驗(yàn)比較了使用機(jī)械按壓機(jī)Thumper的傳統(tǒng)按壓方法與新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能，對新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評價(jià)。在該試驗(yàn)場景中，按照國際心肺復(fù)蘇指南[14]和傳統(tǒng)機(jī)械胸外按壓實(shí)踐的建議，Thumper按壓機(jī)的按壓深度保持在5 cm。β和γ是胸部的脈動(dòng)初始彈性和脈動(dòng)后的彈性，它們分別代表初始胸部彈性特性和動(dòng)態(tài)胸部彈性特性。在機(jī)械胸外按壓過程中，按壓深度不斷變化，因此胸骨和肋骨骨折的風(fēng)險(xiǎn)更容易受到動(dòng)態(tài)胸部彈性特性的影響。在此試驗(yàn)方案中，使用從7~15 N/cm2的9個(gè)不同的γ值(恒定的平均β值為54.9 N/cm2)來模擬不同的Kchest?；诓煌弥档腒chest，分別使用新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)按壓方法進(jìn)行100次胸外按壓，然后對其按壓質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

2.2 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)束后，記錄BF、RF、BRI、心輸出量、pET(CO2)和Kchest峰值，見表1、2。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)按壓方法相比，新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)在絕大多數(shù)情況下具有更突出的指數(shù)權(quán)衡性能。

表1 不同γ值下新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)按壓方法的BF、RF和BRI的性能比較

在這9例仿真試驗(yàn)中，有8例新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)獲得了比傳統(tǒng)按壓方法更高的BF值，且心輸出量、pET(CO2)的平均值更高。盡管有相對較大的Kchest和RF值，但新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)有效地保持了Kchest峰值小于185 N/cm的高風(fēng)險(xiǎn)閾值，并且比傳統(tǒng)按壓方法安全得多。相比之下，當(dāng)γ較高時(shí)(γ為14和15 N/cm2)，傳統(tǒng)按壓方法的Kchest峰值大于185 N/cm，有很高的潛在肋骨骨折的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 不同γ值下新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)按壓方法在心輸出量、p ET(CO2)、K chest峰值等方面的性能比較

圖7為γ在7～15 N/cm2的條件下，新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)按壓方法之間按壓性能的比較，包括RF、BF和BRI的比較以及RF、BF和BRI 3個(gè)指數(shù)平均值的比較。

如圖7(a)所示，對于傳統(tǒng)按壓方法，Kchest隨γ的增加以線性方式快速增加，而γ大于13 N/cm2時(shí)，Kchest處于很高的風(fēng)險(xiǎn)水平。盡管存在各種γ值，新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)仍將Kchest限制在相對安全的水平(低風(fēng)險(xiǎn)和中風(fēng)險(xiǎn))。因此，使用新型機(jī)械胸外按壓控制系統(tǒng)成功避免了巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

如圖7(b)所示，在9例仿真試驗(yàn)中，有8例使用新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)后，pET(CO2)得到了顯著增強(qiáng)，其BF值高于傳統(tǒng)按壓方法。此外，在γ小于14 N/cm2的情況下，新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)將pET(CO2)增強(qiáng)到高益處水平。但是由于按壓深度恒定，傳統(tǒng)按壓方法將BF值保持在中益處水平，且沒有任何改善。

如圖7(c)所示，對于傳統(tǒng)按壓方法和新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，在γ逐漸增大的過程中，BRI逐漸減小。除了γ為12 N/cm2的情況外，新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)顯著改善了BRI，并且具有比傳統(tǒng)按壓方法更好的權(quán)衡能力。

新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)按壓方法的BF、RF和BRI的平均值如圖7(d)所示。在相似的RF平均值下，新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的BF和BRI的平均值高于傳統(tǒng)按壓方法。

圖7 新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)按壓方法各性能參數(shù)比較

3 討論

在臨床實(shí)踐中，CPR時(shí)的按壓深度是評價(jià)按壓質(zhì)量的重要指標(biāo)。臨床研究的數(shù)據(jù)表明，實(shí)際按壓中存在大量肋骨和胸骨骨折的現(xiàn)象，如果按壓深度大于胸廓厚度的32%，極有可能發(fā)生胸骨和肋骨骨折[15-16]。眾所周知，肋骨和胸骨骨折會(huì)嚴(yán)重威脅患者的生命，降低CPR術(shù)的效率[17-18]。因此，按壓過淺在CPR術(shù)中非常普遍，這可能是為了防止患者胸部受傷，許多急救人員執(zhí)行胸外按壓時(shí)只根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)而沒有根據(jù)國際準(zhǔn)則的建議按壓。此外，由于沒有根據(jù)患者個(gè)體差異自動(dòng)調(diào)節(jié)按壓深度的能力，傳統(tǒng)的按壓深度恒定的心肺復(fù)蘇機(jī)很可能會(huì)出現(xiàn)按壓效果不佳、胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)大的情況。

新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)為按壓提供了一種有效且安全的選擇，無需擔(dān)心患者受到傷害。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測pET(CO2)和Kchest，可以在改善血流灌注和避免肋骨骨折風(fēng)險(xiǎn)之間進(jìn)行最佳的按壓權(quán)衡。當(dāng)患者胸部較軟時(shí)，在保證安全的情況下增加按壓深度，改善血流灌注；當(dāng)患者胸部僵硬時(shí)，為了避免肋骨和胸骨骨折的風(fēng)險(xiǎn)，在必要的血流情況下，降低按壓深度。

不同γ值的仿真試驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)按壓方法相比，新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)具有更出色的能力，可以在益處和風(fēng)險(xiǎn)之間做出良好的權(quán)衡，同時(shí)心輸出量、pET(CO2)和BRI值處于更安全的范圍，并且沒有較大的胸部受傷風(fēng)險(xiǎn)。在9例模擬試驗(yàn)中，只有1例(γ值為12 N/cm2)中傳統(tǒng)按壓方法的BRI值大于新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。雖然傳統(tǒng)按壓方法可以為患者提供一定的血流量，但由于按壓深度恒定，所以錯(cuò)過了胸部柔軟時(shí)進(jìn)一步改善血流灌注的機(jī)會(huì)。更重要的是，當(dāng)胸部僵硬時(shí)，患者的肋骨很可能被傳統(tǒng)按壓方法折斷，這將導(dǎo)致更大的風(fēng)險(xiǎn)。

在本文的仿真試驗(yàn)中，使用機(jī)械胸外按壓機(jī)在人體模型上進(jìn)行按壓。結(jié)果表明，盡管新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)按壓方法的RF平均值相似，但新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的BF和BRI值均高于傳統(tǒng)按壓方法，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能更優(yōu)于傳統(tǒng)按壓方法。

然而本研究有幾個(gè)局限性：(1)當(dāng)胸部僵硬時(shí)，由于益處調(diào)節(jié)控制與風(fēng)險(xiǎn)調(diào)節(jié)控制的對抗，新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的權(quán)衡調(diào)節(jié)性能較差。在這種情況下，由于BF、RF和BRI的波動(dòng)較大，新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)很難維持穩(wěn)定的按壓深度。為了進(jìn)一步提高控制的穩(wěn)定性，必須對閉環(huán)控制算法進(jìn)行改進(jìn)。其次，BRI代表整體權(quán)衡性能，BF和RF的相對權(quán)重取決于很多因素。本研究提出的BRI是一個(gè)臨時(shí)指標(biāo)，為了更有效地評價(jià)按壓質(zhì)量，將來會(huì)改進(jìn)BRI的計(jì)算公式。最后，本研究基于硬件仿真，并且由于無法仿真實(shí)際情況而受到限制，新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢仍然需要?jiǎng)游飳?shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)有望在改善血流灌注的益處和避免肋骨骨折的風(fēng)險(xiǎn)之間進(jìn)行有效的權(quán)衡。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)施CPR時(shí)，新型機(jī)械胸外按壓閉環(huán)控制系統(tǒng)在安全有效按壓方面優(yōu)于傳統(tǒng)按壓方法。下一步將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)算法，開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)，從而驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際救治效果，為有效提升CPR質(zhì)量提供技術(shù)和裝備支撐。