新型機械胸外按壓閉環控制系統設計與性能驗證

王 穎，郭昊岡，楊 葳*

（1．天津市醫療器械審評查驗中心，天津300191；2．天津工業大學生命科學學院，天津300384）

0 引言

胸外按壓作為心肺復蘇(cardiopulmonary resuscitation，CPR)的重要步驟，是一項非常重要的緊急醫療措施[1]。胸外按壓可產生胸內壓，迫使血液流出心臟和周圍組織；在按壓釋放的過程中，胸部回彈會產生負壓，使血液充盈。胸外按壓可保障重要器官的血供，提升患者預后質量[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停患者提供了必要的血流量，但深度不恰當的按壓會大大增加患者肋骨骨折以及連枷胸的風險。一項臨床研究表明，至少有1/3的患者在CPR中發生肋骨骨折[3]。因此，需要同時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，幾乎所有的自動機械按壓裝置，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險，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險之間仍無法權衡。為了提高胸外按壓的效率和安全性，需要實時監測胸部損傷情況和血流相關的生理參數，再根據監測結果，以適當調整的速度和深度執行胸外按壓。

在過去的計算機仿真研究中，一種優于傳統機械胸外按壓方法的最優閉環控制策略已經得到了驗證[5]。然而在實際的自動機械胸外按壓中，優化機械按壓的性能和其相對于傳統胸外按壓的優勢尚不清楚。本研究設計了一種新型機械胸外按壓閉環控制系統，該控制系統能夠在實際按壓過程中很好地權衡為患者帶來的益處和風險。為了定量評估患者肋骨骨折的風險和按壓后改善血流灌注的益處，分別以胸部硬度(Kchest)作為風險因子(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)評估優化后的機械胸外按壓在真正的自動機械控制系統中的性能，并將其與傳統按壓方法進行比較。

1 新型機械胸外按壓閉環控制系統設計

1.1 胸外按壓質量評價的因素

pET(CO2)和自主循環恢復(return of spontaneous circulation，ROSC)[6-11]、Kchest和肋骨骨折[12-13]之間的密切關系已得到公認。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根據血流灌注改善程度分為3個等級(如圖1所示)，RF根據血流灌注改善程度分為4個等級，可定量評價胸部損傷風險程度(如圖2所示)。

圖1 BF等級

圖2 RF等級

BF值計算公式如下：

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

RF值計算公式如下：

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是臨時的，考慮到未來真實患者中胸部僵硬與風險相關的數據，RF值將進一步細化。

為了定量地綜合評價胸外按壓的利弊權衡能力，本研究引入了益處與風險指數(benefit risk index，BRI)，其計算公式如下：

BRI的范圍為0~10。如果BRI大于5，則益處大于風險；如果BRI小于5，則風險大于益處。本研究提出的BRI只是眾多可能的指標之一，是一個用來證明概念的臨時指數。

1.2 總體設計

新型機械胸外按壓閉環控制系統結構如圖3所示，由LabVIEW控制平臺和機械胸外按壓控制器2個部分組成。LabVIEW控制平臺基于LabVIEW虛擬儀器平臺(NI6225)，實時采集患者的pET(CO2)和Kchest。最優按壓深度由當前按壓深度和LabVIEW控制平臺模糊控制模塊的最優按壓深度偏移組成。最優閉環控制采用模糊神經網絡控制策略。LabVIEW控制平臺的飽和模型將按壓深度峰值限制在6.5 cm以內，以避免過深按壓造成肋骨斷裂。新型機械胸外按壓閉環控制系統實時接收最終的最優按壓深度，并根據最優按壓深度驅動按壓機構進行按壓。

圖3 新型機械胸外按壓閉環控制系統示意圖

本系統采用模糊PID(proportional integral derivative)控制器來有效地調節按壓深度。PID控制器作為閉環系統中的一種流行控制器，已成功地應用于無刷直流電動機的控制中。PID控制的目的是減少期望輸入值與實際輸出值之間的誤差。在本研究中，跟蹤誤差是LabVIEW控制平臺計算出的目標按壓深度與機械胸外按壓實際按壓深度的差值，這個誤差將被實時發送到PID控制器。通過PID控制器對誤差進行計算，得到最優的脈沖寬度調制波形占空比，從而獲得目標按壓深度所需的無刷直流電動機轉速。

1.3 系統控制策略

模糊神經網絡控制策略以模糊控制為基礎，通過神經網絡優化其參數，減小傳統模糊控制策略中的系統誤差。本文采用的模糊神經網絡控制結構如圖4所示。

圖4 模糊神經網絡控制結構圖

模糊神經網絡控制結構一共可分為2個部分：匹配規則的前件與產生規則的后件。前件網絡共有輸入層、隸屬函數層、“與”層、歸一化層4層；后件網絡共有輸入層、規則計算層、輸出層3層。

由于模糊PID控制具有原理簡單、使用方便、適應性強的特點，本系統采用模糊PID控制策略。即利用模糊邏輯并根據一定的模糊規則對PID控制參數Kp、Ki、Kd進行實時優化，以克服傳統PID控制參數無法實時調整的缺點。模糊PID控制包括模糊化、確定模糊規則、解模糊等步驟。在本研究中，控制系統通過LabVIEW控制平臺獲取目標按壓深度與機械胸外按壓實際按壓深度，確定目標按壓深度與機械胸外按壓實際按壓深度的差值e以及當前偏差和上次偏差的變化ec。結合由pET(CO2)和Kchest組成的BRI進行模糊推理，最后對模糊參數進行解模糊，輸出PID控制參數，實現最優的脈沖寬度調制波形占空比，從而獲得目標按壓深度所需的無刷直流電動機轉速。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

2.1 仿真試驗平臺

為了驗證整個系統的性能，搭建由新型機械胸外按壓閉環控制系統、按壓生理參數模型和人體模型組成的試驗平臺，如圖6所示。系統中的LabVIEW控制平臺使用串行端口命令，通過對LUCAS心肺復蘇機的改裝，實現LUCAS機械胸外按壓的自動控制。LUCAS內部位移傳感器的輸出端連接到按壓生理參數模型的取樣端口。基于機械胸外按壓的生理參數模型實時模擬機械胸外按壓時的pET(CO2)和Kchest信號，并將其發送到LabVIEW控制平臺進行機械胸外按壓深度的最優控制。

圖6 新型機械胸外按壓閉環控制系統試驗平臺實物圖

試驗比較了使用機械按壓機Thumper的傳統按壓方法與新型機械胸外按壓閉環控制系統的性能，對新型機械胸外按壓閉環控制系統的性能進行了評價。在該試驗場景中，按照國際心肺復蘇指南[14]和傳統機械胸外按壓實踐的建議，Thumper按壓機的按壓深度保持在5 cm。β和γ是胸部的脈動初始彈性和脈動后的彈性，它們分別代表初始胸部彈性特性和動態胸部彈性特性。在機械胸外按壓過程中，按壓深度不斷變化，因此胸骨和肋骨骨折的風險更容易受到動態胸部彈性特性的影響。在此試驗方案中，使用從7~15 N/cm2的9個不同的γ值(恒定的平均β值為54.9 N/cm2)來模擬不同的Kchest。基于不同γ值的Kchest，分別使用新型機械胸外按壓閉環控制系統和傳統按壓方法進行100次胸外按壓，然后對其按壓質量進行評價。

2.2 仿真試驗數據

試驗結束后，記錄BF、RF、BRI、心輸出量、pET(CO2)和Kchest峰值，見表1、2。結果表明，與傳統按壓方法相比，新型機械胸外按壓閉環控制系統在絕大多數情況下具有更突出的指數權衡性能。

表1 不同γ值下新型機械胸外按壓閉環控制系統與傳統按壓方法的BF、RF和BRI的性能比較

在這9例仿真試驗中，有8例新型機械胸外按壓閉環控制系統獲得了比傳統按壓方法更高的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，但新型機械胸外按壓閉環控制系統有效地保持了Kchest峰值小于185 N/cm的高風險閾值，并且比傳統按壓方法安全得多。相比之下，當γ較高時(γ為14和15 N/cm2)，傳統按壓方法的Kchest峰值大于185 N/cm，有很高的潛在肋骨骨折的風險。

表2 不同γ值下新型機械胸外按壓閉環控制系統與傳統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，新型機械胸外按壓閉環控制系統與傳統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個指數平均值的比較。

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

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

如圖7(c)所示，對于傳統按壓方法和新型機械胸外按壓閉環控制系統，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，新型機械胸外按壓閉環控制系統顯著改善了BRI，并且具有比傳統按壓方法更好的權衡能力。

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

圖7 新型機械胸外按壓閉環控制系統與傳統按壓方法各性能參數比較

3 討論

在臨床實踐中，CPR時的按壓深度是評價按壓質量的重要指標。臨床研究的數據表明，實際按壓中存在大量肋骨和胸骨骨折的現象，如果按壓深度大于胸廓厚度的32%，極有可能發生胸骨和肋骨骨折[15-16]。眾所周知，肋骨和胸骨骨折會嚴重威脅患者的生命，降低CPR術的效率[17-18]。因此，按壓過淺在CPR術中非常普遍，這可能是為了防止患者胸部受傷，許多急救人員執行胸外按壓時只根據自己的經驗而沒有根據國際準則的建議按壓。此外，由于沒有根據患者個體差異自動調節按壓深度的能力，傳統的按壓深度恒定的心肺復蘇機很可能會出現按壓效果不佳、胸部損傷風險大的情況。

新型機械胸外按壓閉環控制系統為按壓提供了一種有效且安全的選擇，無需擔心患者受到傷害。本系統實時檢測pET(CO2)和Kchest，可以在改善血流灌注和避免肋骨骨折風險之間進行最佳的按壓權衡。當患者胸部較軟時，在保證安全的情況下增加按壓深度，改善血流灌注；當患者胸部僵硬時，為了避免肋骨和胸骨骨折的風險，在必要的血流情況下，降低按壓深度。

不同γ值的仿真試驗表明，與傳統按壓方法相比，新型機械胸外按壓閉環控制系統具有更出色的能力，可以在益處和風險之間做出良好的權衡，同時心輸出量、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險。在9例模擬試驗中，只有1例(γ值為12 N/cm2)中傳統按壓方法的BRI值大于新型機械胸外按壓閉環控制系統。雖然傳統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，所以錯過了胸部柔軟時進一步改善血流灌注的機會。更重要的是，當胸部僵硬時，患者的肋骨很可能被傳統按壓方法折斷，這將導致更大的風險。

在本文的仿真試驗中，使用機械胸外按壓機在人體模型上進行按壓。結果表明，盡管新型機械胸外按壓閉環控制系統和傳統按壓方法的RF平均值相似，但新型機械胸外按壓閉環控制系統的BF和BRI值均高于傳統按壓方法，從而進一步驗證了新型機械胸外按壓閉環控制系統的性能更優于傳統按壓方法。

然而本研究有幾個局限性：(1)當胸部僵硬時，由于益處調節控制與風險調節控制的對抗，新型機械胸外按壓閉環控制系統的權衡調節性能較差。在這種情況下，由于BF、RF和BRI的波動較大，新型機械胸外按壓閉環控制系統很難維持穩定的按壓深度。為了進一步提高控制的穩定性，必須對閉環控制算法進行改進。其次，BRI代表整體權衡性能，BF和RF的相對權重取決于很多因素。本研究提出的BRI是一個臨時指標，為了更有效地評價按壓質量，將來會改進BRI的計算公式。最后，本研究基于硬件仿真，并且由于無法仿真實際情況而受到限制，新型機械胸外按壓閉環控制系統的優勢仍然需要動物實驗和臨床試驗的驗證。

4 結論

新型機械胸外按壓閉環控制系統有望在改善血流灌注的益處和避免肋骨骨折的風險之間進行有效的權衡。仿真試驗結果表明，在實施CPR時，新型機械胸外按壓閉環控制系統在安全有效按壓方面優于傳統按壓方法。下一步將進一步優化系統算法，開展動物實驗和臨床試驗，從而驗證該系統的實際救治效果，為有效提升CPR質量提供技術和裝備支撐。