自動閉環機械通氣控制器的設計

端慧敏陳愛華詹寧波

自動閉環機械通氣控制器的設計

端慧敏①陳愛華②詹寧波③

目的：設計一種自動閉環機械通氣控制器，為改變臨床機械通氣治療過程中，通氣參數依靠醫生個人經驗判斷進行設定的現狀。方法：針對閉環控制系統要求，設計兩個閉環控制子系統：維持呼氣末二氧化碳(PETCO2)濃度的PETCO2控制系統和調節呼吸彈性的呼氣末正壓(PEEP)控制系統。PETCO2控制系統既可以獨立工作也能夠與PEEP控制系統聯合工作。結果：實現了患者PETCO2和呼吸彈性水平的閉環自動控制。結論：自動閉環機械通氣控制器可在維持必要通氣的基礎上，降低呼吸彈性，提高了臨床呼吸治療效果和質量。

閉環控制；呼吸彈性；呼氣末二氧化碳；機械通氣

機械通氣的主要目的是保證人體組織適當氧供給與代謝二氧化碳的充分排除。同時，機械通氣需要避免增加肺和其他相應器官的損傷。這種損傷通常被稱作通氣肺損傷(ventilator-induced lung injury, VILI)[1-2]。尤其在患者處于急性肺損傷的情況下，權衡通氣利弊的重要性將更加突出[3]。一些疾病往往導致肌肉萎縮或肌肉僵持，嚴重阻塞了正常的機械呼吸通氣。而通常的機械通氣缺乏有效的反饋控制，因此，在機械通氣期間，患者發生通氣肺損傷的可能性非常高。

在臨床操作中，為避免發生VILI，醫護人員往往會選擇最優的呼氣末正壓(positive end expiratory pressure，PEEP)進行機械通氣。最優PEEP值可以在較低的潮氣量的情況下，保證肺復張，同時避免肺泡過度膨脹，即在機械通氣過程中保持最小呼吸彈性和最大呼吸順應性。在固定的PEEP下，呼吸彈性是由呼吸潮氣量和呼吸頻率所決定。因此，當PEEP改變時為了保持一定的呼吸彈性，相應的機械通氣參數也需要進行相應的變化。

在臨床實踐中，特別是在急性肺損傷的情況下，往往需要通過減少通氣潮氣量來避免VILI，而這一作法往往是以引起高血酸癥為代價的[2,4]。為了實時評估血碳酸過多程度，有研究建立了血碳酸與肺泡CO2分壓的關系式，利用呼氣末CO2分壓來評估患者生理狀態。因此，可以在保持最小呼吸彈性的情況下，調節機械通氣相關參數，達到目標呼氣末CO2分壓。

由于眾多機械通氣參數均可影響患者生理狀態，因此目前臨床呼吸治療中，缺乏針對某種特定患者病情的最優機械通氣參數組合。在實際機械通氣過程中，醫生對通氣參數的人工設定往往缺乏科學依據，僅僅依靠個人經驗判斷。機械通氣的自動權衡機制尚未建立。

自動閉環控制提供了一種最優的自動控制方法，可根據患者的通氣呼吸狀態自動調節通氣參數，使得通氣質量保持在最佳水平。通常，在自動機械通氣呼吸頻率和潮氣量控制算法設計過程中，通氣對象模型不明確。本研究提供了一種明確的通氣對象目標函數，并基于此目標函數實時調節患者呼氣末CO2水平，將呼吸彈性降至最低。

1 自動閉環控制算法的設計與實現

本研究針對閉環控制系統要求，設計了兩個閉環控制子系統，即維持呼氣末CO2(PETCO2)濃度的PETCO2控制系統和調節呼吸彈性的PEEP控制系統。PETCO2控制系統既可以獨立工作也能夠與PEEP控制系統聯合工作。由于本研究采用定流通氣模式，因此通氣潮氣量和通氣頻率是影響機械通氣質量的關鍵因素。PETCO2誤差由公式1表示：

式中PetCO2(t)為測量值，PdesCO2(t)為目標值。本研究利用PI控制器實現PETCO2的自動調節。基于肺泡通氣的PETCO2實時濃度的定義由公式2表示：

式中VCO2為CO2的產生速率，Vd為肺死腔，PB為大氣壓力。PI控制器通過調整RR和VT的大小實現對PETCO2的控制。

在機械通氣中，由于通氣氣流擠壓肺部軟組織產生了氣道壓力。尤其是在局部支氣管氣道狹窄的情況下，高通氣氣流將非常容易產生高氣道剪切壓力。因此，為了降低肺損傷的發生，本研究設計的閉環控制器將著重平衡峰值肺泡壓力和峰值氣流流量，實現在較為安全的峰值肺泡壓力下進行較大氣流的機械通氣。經過總結大量的臨床實驗和實踐經驗，發現兩種壓力與肺損傷密切相關。一種壓力是導致肺泡膨脹過度的峰值肺泡壓力(Palv)，另一種是導致局部肺組織過度擴張和產生肺組織剪切壓力的峰值通氣壓力(Pres)[1,4]。

本研究假設Palv與Pres成比例增加，即二者之比為一定值(公式3)：

系統將穩定維持在公式(3)所表達的情況。PIout為PI控制器的輸出。

Palv和Pres的增加分別隨著VT和RR的增加而增加?；谇笆龈拍?，VT和RR的變化情況可用公式5、公式6描述：

kVT和kRR作為調節常量，與PI控制增益一起決定了閉環控制系統的動態性能。

雖然Palv和Pres不能直接測量，但是可用公式7、公式8估算：

式中Tinsp為吸氣時間，Texp為呼氣時間，Ers,e和Rrs,e分別為呼吸系統彈性和呼吸系統阻力的估算值。Ers,e和Rrs,e可利用文獻[5-7]所使用的最小二乘估算法計算得到。

為避免導致異常PEEP的產生，呼吸循環中需要保證足夠的呼吸時間，即呼吸時間必須大于以下時間常數(公式9)：

閉環控制器的采樣周期為1s，PI積分算法為梯形積分算法。整個閉環控制系統可分為兩個控制部分，可分別用公式10、公式11表示：

式中VT(0)和RR(0)分別為初始潮氣量和初始呼吸頻率，PEEP(t)為控制器實時輸出值。

自動閉環機械通氣控制范圍設置如下：①VT為110～500 ml；②RR為6～50次/min；③Finsp為15%～75%；④PEEP為2～20 cm H2O自動閉環機械通氣控制系統的控制示意如圖1所示。

表1 自動PEEP控制實驗結果

圖1 自動閉環機械通氣控制系統的控制示意圖

在總結大量實驗和臨床經驗的基礎上，本研究將機械通氣參數初始值設置如下：VT初始值為200 ml，RR初始值為20次/min，Ers初始值為40 cm H2O/ L和Rrs初始值為40 cm H2O.s/L。在Tinsp=Texp，且PEEP=5 cm H2O的情況下，Palv和Pres通常分別為13和1.3 cm H2O。因此，α應為10。

自動閉環機械通氣的控制目標是在維持目標PETCO2的情況下，盡可能降低呼吸彈性，并將Palv/ Pres維持恒定。

2 實驗結果

為評估自動閉環機械通氣控制效果，本研究基于豬模型開展了實驗研究。先開啟PETCO2濃度控制系統，將PETCO2平調節至40 mm Hg。當控制收斂之后，開啟呼吸彈性控制系統，控制器持續工作20 min。若誤差近似為零且滿足公式(4)所示情況，則控制收斂。在控制收斂后，依照此方法，分別順序將PETCO2水平調節至45、35和45 mm Hg，調節次數共3次。自動PEEP控制實驗結果見表1。

表1顯示，最小呼吸彈性估計值Emin和最小PEEP估計值變化幅度較小。到達最小呼吸彈性估計值Emin的時間約為4 min。PEEP閉環控制能夠根據正確的調節方向和適當的變化量穩定地調節PEEP的大小。但是，PEEP在達到最小值后又出現了部分超調，超調之后最終還是向著最小值的方向發展。而呼吸彈性值卻未按照PEEP的變化而變化，再未回落至最小值。這一變化導致PEEP將重新調節，從而再次尋找最小的呼吸彈性值。經過20 min的閉環自動控制實驗，最終PEEP值要比最初PEEP值小近1 cm H2O。

PETCO2調節性能表明，在PETCO2調節中首次達到目標值的時間均＜1 min，平均超調為3 mm Hg。本實驗中最大Palv估計值≤27 cm H2O，最大Pres估計值＜4 cm H2O(見表2)。

表2 呼氣末二氧化碳調節實驗

3 結論

本研究提出了一種自動閉環機械通氣控制器?；诒究刂破鳎蓪ETCO2和肺彈性量進行閉環控制調節。該自動閉環機械通氣控制器可在維持必要通氣基礎上，大幅度降低呼吸彈性，從而減少肺損傷的發生，提高臨床呼吸治療效果和質量，可應用于未來自動呼吸機的研發設計中[8-11]。

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Design of a closed-loop automatic mechanical ventilation controller

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DUAN Hui-min, CHEN Ai-hua, ZHAN Ning-bo//
China Medical Equipment,2014,11(11):43-46.

Objective: In the clinical mechanical ventilation practice, the medical workers often set the ventilator parameters only depend on their own experience. In order to change that,we design a Closed-Loop Automatic Mechanical Ventilation Controller. Methods: Design two closedloop control subsystems to meet the requirements of closed-loop control system. PETCO2control subsystem used to keep the concentration of PETCO2, and another subsystem design to regulate the respiratory elasticity called PEEP control subsystem. PETCO2control subsystem can work on its own or work with PEEP control subsystem. Results: Using this closed-loop controller, the partial CO2pressure and respiratory elasticity of patient was regulated in real time. Conclusion: By using this closed-loop automatic mechanical ventilation controller, the respiratory elasticity was largely reduced with the adequate gas exchange. Therefore, the ventilator using this closed-loop automatic mechanical ventilation controller can improve the ventilation quality and also reduce the risk of lung injury.

Closed-loop control; Respiratory elasticity; Partial CO2pressure; Mechanical ventilation

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.11.015

1672-8270(2014)11-0043-04

R197.39

A

端慧敏,女,(1976- ),本科學歷，主管技師。解放軍總醫院第一附屬醫院醫學工程科，從事醫療設備管理與研制工作。

2014-01-24

①解放軍總醫院第一附屬醫院醫學工程科 北京 100048

②解放軍第302醫院采購管理中心 北京 100039

③解放軍第302醫院醫學工程保障管理中心 北京 100039

[First-author’s address]Department of Medical Engineering, 304 Military Hospital, Beijing 100048, China.