CN103007391B - 用于药液推注的预测自适应控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于药液推注的预测自适应控制控制系统，涉及临床手术推药自控技术领域。系统包括包括主控制模块和药液推注模块，药液推注模块包括微控制器和医用注射器，微控制器连接于主控制模块的预测控制算法模块，预测控制算法模块将下一个心动周期的推注时刻发送至微控制器，微控制器控制微推进器进而控制医用注射器的推进速度、推注时刻和推注停止时刻。本发明中药液推注模块中的推药速度、推注时刻、推注停止时刻以及推药量通过主控制模块来控制，提高了药液推注模块的反应速度和实时控制能力，实现了科学、合理、安全用药，即以较少的药物剂量，在局部器官获得最大的药物浓度并停留足够长的时间而无返流，减少伤害健康组织。

Description

用于药液推注的预测自适应控制系统

技术领域

本发明涉及临床手术推药自控技术领域，特别涉及一种用于药液推注的预测自适应控制系统。 

背景技术

目前，临床上对癌症的治疗，普遍采用的是经血管介入注药的化学疗法，即在数字减影X光机(DSA)的监控下穿刺、插管，将导管引入给肿瘤供血动脉分支入口，在导管入口端推注化疗药。该方法最先用于心血管疾病，以后很快应用到神经系统、肿瘤等全身各部位多种疾病诊断与治疗。在我国介入治疗用于肿瘤特别多，已占介入治疗大部分，已成为肿瘤综合治疗中一种常用的疗法。介入方式也从血管性介入到肺动肺介入、支气管动脉介入，腔内介入，肿瘤内直接介入。 

当前临床上经血管介入推药时，普遍存在着只关注肿瘤病灶、癌细胞，因而采取了以消灭癌细胞为目标，用简单手推式注射器进行大剂量、高速灌注的攻击性推药化疗。但利用这种传统手工推药方式时，药液进入血管后便跟随着血管内血液流动方向流向全身各部，无法与病人的血压值、心率等会随着病人自身的调节机制做出反应而改变的参数相联系，使得药液只有部分进入病变肿瘤血管，造成该药液既杀了癌细胞、也杀了正常细胞的结果；并且推药过程中，药液的推进量过大或者速度过快还会引发诸多临床问题，不但增加病人的经济负担，也增加了医护人员的工作量。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种可减少伤害健康组织的用于药液推注的预测自适应控制系统。 

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案： 

一种用于药液推注的预测自适应控制系统，包括主控制模块和药液推注模块，其特征在于，所述主控制模块包括用于采集人体血压值的检测模块，所述检测模块包括血压传感器；所述检测模块将该血压值传递至内存区进行储存，形成血压值数组，所述内存区连接有识别模块，所述识别模块识别内存区的血压值数组得到实时的心动周期及周期中的特征参数，所述识别模块还连接有预测控制算法模块，所述预测控制算法模块通过对特征参数的计算得到下一个心动周期的推注时刻； 

所述药液推注模块连接于主控制模块的预测控制算法模块，所述药液推注模块包括微控制器和医用注射器，所述药液推注模块通过微控制器连接于预测控制算法模块，所述预测控制算法模块将下一个心动周期的推注时刻发送至微控制器，所述微控制器连接有微推进器，所述微推进器连接有医用注射器，所述微控制器控制微推进器的推进速度、推注时刻和推注停止时刻，进而控制医用注射器的注射速度、推注时刻和推注停止时刻； 

所述系统按照以下步骤处理信号： 

(1)采集血压值：通过主控制模块中的检测模块实时采集人体血压值，以递推的方式储存至主控制模块中的内存区形成血压值数组； 

(2)得到相关参数：主控制模块中的识别模块通过识别血压值数组得到实时的心动周期及周期中的特征参数；通过体检得到患者的病征参数； 

(3)计算推药时刻：根据病征参数设置推药时刻；主控制模块根据推药时刻、实时的心动周期及周期中的特征参数，通过预测控制算法计算出下一个心动周期中的推药时刻； 

(4)启动药液推注模块：主控制模块将计算出的下一个心动周期中的推药时刻发送至药液推注模块中的微控制器，所述微控制器根据该推药时刻并提前t_delay,启动药液推注模块中微推注器进行药液推注，所述t_delay为药液推注模块的时延； 

(5)推注的自适应：检测模块采集新的血压值，将新得到的采样血压值、新识别出的心动周期及周期中的特征参数与之前采集的血压值、心动周期及周期中的特征参数加权平均，更新预测控制算法的参数，实现药液预测控制推注的自适应性； 

步骤(1)中，递推的方式是指采样新血压值进入血压值数组时，同时丢掉一组最早的采样血压值，使血压值数组的维数保持不变； 

步骤(2)中，心动周期中的特征参数包括收缩压，舒张压，心舒张期时长、心收缩期时长；病征参数包括肿瘤直径、肿瘤供血动脉、肿瘤距预设的药液推注点距离； 

步骤(3)中，推药时刻是指心动周期的特征参数中的一个时相的起始时刻；下一个心动周期中的推药时刻t_r(k+1)通过等式t_r(k+1)'＝t_r(k)+T_m(k)+ 

ξ[(t_r(k)-t_r(k)',t_r(k-1)-t_r(k-1)',Lt_r(k-m)-t_r(k＝m)']^T来计算，其中，t_r(k)为当前心动周期中该时相的起始时刻，即当前的推药时刻；t_r(k)'为预测控制算法根据上一次心动周期中的特征参数计算得出的当前心动周期中该时相的起始时刻；T_m(k)为灰色预测模型GM(1,1)根据之前的心动周期波动规律计算出的当前 心动周期的时长；m为预测时域长度，且m>0；ξ为误差系数向量，决定各误差分量的权重,ξ＝[ξ₁ ξ₂ L ξ_n]，0＜ξ_n＜1，n＝1，2，3，…，m； 

灰色预测模型GM(1,1)的具体实现如下： 

设心动周期原始数据列为T⁰(k)(k＝1,2,Ln),T¹(k)(k＝1,2,Ln)为T⁰(k)一次累加和,即 $T^1\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{T}^0\left(j\right);$

灰度模型微分方程为T⁽⁰⁾(k)+aT⁽¹⁾(k)＝b k＝1,2,Ln；n>0；令 $Y=\left[\begin{array}{c}{T}^0\left(2\right)\\ T^0\left(3\right)\\ M\\ T^0\left(n\right)\end{array}\right],$ 而待辨识的参数为θ＝[a,b]^T， 

令 $B=\left[\begin{array}{cc}-(T^0\left(1\right)+T^0\left(2\right))/2& 1\\ -(T^0\left(2\right)+T^0\left(3\right))/2& 1\\ M& \\ -(T^0(n-1)+T^0\left(n\right))/2& 1\end{array}\right],$ θ＝(B^TB)^-1B^TY，得到预测表达式T⁰(k+1)＝T¹(k+1)-T¹(K)＝(1-exp(a))[T⁰(1)-b/a]exp(-ak)，上式中当k<n时,预测输出T原始数据列的还原值T⁰(k)，当k＝n时,预测输出T下一时刻的预测输出值，当k>n时,预测输出T的k+n个心动周期之后的预测输出值。 

优选的，上述用于药液推注的预测自适应控制系统中，所述药液推注模块中的微控制器连接于主控制模块的预测控制算法模块；所述微推进器包括外壳和步进电机，所述步进电机通过联轴器连接有丝杆，所述丝杆另一端固定于与步进电机相对的一侧，所述丝杆连接有针筒顶头；所述医用注射器固定于所述微推进器的外壳，所述医用注射器的活塞杆尾端与所述针筒顶头的位置相适配。步进电机通过联轴器带动针筒顶头运动，丝杆可将联轴器的旋转运动转换为针 筒顶头的直线运动，从而使针筒顶头可推动活塞杆推注药液。 

优选的，上述用于药液推注的预测自适应控制系统中，所述微推进器外壳上还设置有用于限制针筒顶头移动的第一限位开关和第二限位开关，当针筒内活塞与针筒顶端接触时，所述第一限位开关与针筒顶头接触，所述第一限位开关与第二限位开关之间的距离小于针筒长度，且第二限位开关位于活塞杆的运动方向并远离针筒的一侧。 

优选的，上述用于药液推注的预测自适应控制系统中，所述第一限位开关和第二限位开关连接有报警装置。第一限位开关在与针筒顶头接触时进行报警，通知医护人员针筒内药液注射完毕，可提醒医护人员及时更换针筒。第二限位开关与针筒顶头接触时进行报警，提醒医护人员针筒内的活塞杆已到达最后位置。 

优选的，上述用于药液推注的预测自适应控制系统中，所述针筒顶头与所述活塞杆尾端之间还设置有压力应变片。微控制器通过压力应变片感知的压力进行计算，并控制步进电机的速度，使得步进电机的推进力与血压回推力相平衡，在不进行药液推注时，可避免药液被推出针筒且血液也不会回流，处于压力平衡状态。 

药液推注模块中的推药速度以及推药量通过主控制模块来控制，提高了药液推注模块的反应速度和实时控制能力，并能实现在血流速度缓慢的心舒张期时相进行药液的推注，使得药液进入人体血管时不被高速的血流迅速稀释，从而保持较高浓度，更利于药液杀死癌细胞，因而实现了科学、合理、安全用药，即以较少的药物剂量，在局部器官获得最大的药物浓度并停留足够长的时间而无返流，减少伤害健康组织。不仅改变了当前经血管介入推药中靠手工推注不 可忽视的不规范、高速、大剂量注药而引发的诸多临床问题，还极大地减轻了国家和病人的经济负担、减少了医务人员体力和精力。 

与现有技术相比，本发明的有益效果： 

1、本发明中药液推注模块中的推药速度以及推药量通过主控制模块来控制，提高了药液推注模块的反应速度和实时控制能力，并能实现在血流速度缓慢的心舒张期时相进行药液的推注，使得药液进入人体血管时不被高速的血流迅速稀释，从而保持较高浓度，更利于药液杀死癌细胞，因而实现了科学、合理、安全用药，即以较少的药物剂量，在局部器官获得最大的药物浓度并停留足够长的时间而无返流，减少伤害健康组织。 

2、本发明使用微控制器、微推进器和医用注射器等组成药液推注模块，不仅改变了当前经血管介入推药中靠手工推注不可忽视的不规范、高速、大剂量注药而引发的诸多临床问题，还极大地减轻了国家和病人的经济负担、减少了医务人员体力和精力。 

3、由于本发明采用预测控制算法进行心动周期及周期中的特征参数的计算，依据解算出的心动周期及周期中的特征参数，预测在下一心动周期中推出的药液进入血管入口处的时相，提前启动药液推注模块，可即时调整推药时刻，避免造成患者的不适而影响治疗后果。 

4、由于本发明的推药时刻是根据患者的血压值、心动周期及周期中的特征参数计算的，医护人员在观察推药情况的同时还可看到病人血压的动态波形，可方便医护人员快速处理突发状况。 

附图说明：

图1为本发明用于药液推注的预测自适应控制系统原理示意图。 

图2为本发明中药液推注模块的结构示意图。 

图3为本发明用于药液推注的预测自适应控制方法的流程图。 

图中标记：1-外壳，2-步进电机，3-联轴器，4-第一限位开关，5-第二限位开关，6-丝杆，7-针筒顶头，8-压力应变片，9-活塞杆，10-针筒。 

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。 

实施例 

一种用于药液推注的预测自适应控制系统，如图1所示，包括主控制模块和药液推注模块，所述主控制模块包括用于采集人体血压值的检测模块，所述检测模块将该血压值传递至内存区进行储存，形成血压值数组，所述内存区连接有识别模块，所述识别模块识别内存区的血压值数组得到实时的心动周期及周期中的特征参数，所述识别模块还连接有预测控制算法模块，所述预测控制算法模块通过对特征参数的计算得到下一个心动周期的推注时刻； 

所述药液推注模块连接于主控制模块的预测控制算法模块，所述药液推注模块包括微控制器和医用注射器，所述药液推注模块通过微控制器连接于预测控制算法模块，所述预测控制算法模块将下一个心动周期的推注时刻发送至微控制器，所述微控制器连接有微推进器，所述微推进器连接有医用注射器，所述微控制器控制微推进器的推进速度、推注时刻和推注停止时刻，进而控制医 用注射器的注射速度、推注时刻和推注停止时刻。 

药液推注模块包括微控制器、微推进器和医用注射器，所述微控制器连接于主控制模块的预测控制算法模块；如图2所示，所述微推进器包括外壳1和步进电机2，所述步进电机2通过联轴器3连接有丝杆6，所述丝杆6另一端固定于与步进电机2相对的一侧，所述丝杆6连接有针筒顶头7；所述医用注射器固定于所述微推进器的外壳1，所述医用注射器的活塞杆9尾端与所述针筒顶头7的位置相适配，所述针筒顶头7与所述活塞杆9尾端之间还设置有压力应变片8；所述微推进器外壳1内还设置有用于限制针筒顶头7移动的第一限位开关4和第二限位开关5，当针筒10内活塞与针筒顶端接触时，所述第一限位开关4与针筒顶头7接触，所述第一限位开关4与第二限位开关5之间的距离小于针筒10长度，且第二限位开关5位于活塞杆9的运动方向并远离针筒10的一侧； 

当主控制模块通过预测控制算法模块向药液推注模块发送下一个心动周期的推药时刻时，微控制器启动步进电机带动联轴器旋转，并通过丝杆将旋转运动转变为直线运动，带动针筒顶头使活塞杆运动，推动针筒内的药液进入人体；压力应变片用于感应推注药液时所遇的阻力，并将该阻力发送至微控制器，通过推力的大小判断药液进入人体时血管遇到的阻力；当针筒顶头接触第一限位开关时，发出警报通知医护人员注射完毕，当针筒顶头接触第二限位开关时，发出警报通知医护人员活塞杆到达最后位置。步进电机在药液推注任务开始后，不进行药液推注时，处于低速状态，微控制器通过压力应变片感知的压力进行计算，并控制步进电机的速度，使得步进电机的推进力与血压回推力相平衡，在不进行药液推注时，可避免药液被推出针筒且血液也不会回流，处于压力平衡状态。 

如图3所示，上述用于药液推注的预测自适应控制系统按照以下步骤处理 信号： 

(1)采集血压值：通过主控制模块中的检测模块实时采集人体血压值，以递推的方式储存至主控制模块中的内存区形成血压值数组； 

(2)得到相关参数：主控制模块中的识别模块通过识别血压值数组得到实时的心动周期及周期中的特征参数；通过体检得到患者的病征参数； 

(3)计算推药时刻：根据病征参数设置推药时刻；主控制模块根据推药时刻、实时的心动周期及周期中的特征参数，通过预测控制算法计算出下一个心动周期中的推药时刻； 

(4)启动药液推注模块：主控制模块将计算出的下一个心动周期中的推药时刻发送至药液推注模块中的微控制器，所述微控制器根据该推药时刻并提前t_delay,启动药液推注模块中微推注器进行药液推注，所述t_delay为药液推注模块的时延； 

(5)推注的自适应：检测模块采集新的血压值，将新得到的采样血压值、新识别出的心动周期及周期中的特征参数与之前采集的血压值、心动周期及周期中的特征参数加权平均，更新预测控制算法的参数，实现药液预测控制推注的自适应性。 

推药时刻根据患者的血压值、心动周期及周期中的特征参数相关联，可即时调整推药时刻，避免造成患者的不适而影响治疗后果。 

步骤(1)中，检测模块包括血压传感器；递推的方式是指采样新血压值进入血压值数组时，同时丢掉一组最早的采样血压值，使血压值数组的维数保持不变。 

步骤(2)中，心动周期中的特征参数包括收缩压，舒张压，心舒张期时长、心收缩期时长等；病征参数包括肿瘤直径、肿瘤供血动脉、肿瘤距预设的药液推注点距离等。 

步骤(3)中，推药时刻是指心动周期的特征参数中的一个时相的起始时刻；下一个心动周期中的推药时刻t_r(k+1)通过等式t_r(k+1)'＝t_r(k)+T_m(k)+ 

ξ[(t_r(k)-t_r(k)',t_r(k-1)-t_r(k-1)',Lt_r(k-m)-t_r(k＝m)']^T来计算，其中，t_r(k)为当前心动周期中该时相的起始时刻，即当前的推药时刻；t_r(k)'为预测控制算法根据上一次心动周期中的特征参数计算得出的当前心动周期中该时相的起始时刻；T_m(k)为灰色预测模型GM(1,1)根据之前的心动周期波动规律计算出的当前心动周期的时长；m为预测时域长度，且m>0；ξ为误差系数向量，决定各误差分量的权重,ξ＝[ξ₁ ξ₂ L ξ_n]，0＜ξ_n＜1，n＝1，2，3，…，m。 

灰色预测模型GM(1,1)的具体实现如下： 

设心动周期原始数据列为T⁰(k)(k＝1,2,Ln),T¹(k)(k＝1,2,Ln)为T⁰(k)一次累加和,即 $T^1\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}^0\left(j\right);$

灰度模型微分方程为T⁽⁰⁾(k)+aT⁽¹⁾(k)＝b k＝1,2,Ln；n>0；令 $Y=\left[\begin{array}{c}{T}^0\left(2\right)\\ T^0\left(3\right)\\ M\\ T^0\left(n\right)\end{array}\right],$ 而待辨识的参数为θ＝[a,b]^T， 

令 $B=\left[\begin{array}{cc}-(T^0\left(1\right)+T^0\left(2\right))/2& 1\\ -(T^0\left(2\right)+T^0\left(3\right))/2& 1\\ M& \\ -(T^0(n-1)+T^0\left(n\right))/2& 1\end{array}\right],$ θ＝(B^TB)^-1B^TY，得到预测表达式 T⁰(k+1)＝T¹(k+1)-T¹(K)＝(1-exp(a))[T⁰(1)-b/a]exp(-ak)，上式中当k<n时,预测输出T原始数据列的还原值T⁰(k)，当k＝n时,预测输出T下一时刻的预测输出值，当k>n时,预测输出T的k+n个心动周期之后的预测输出值。 

Claims (5)

1.一种用于药液推注的预测自适应控制系统，包括主控制模块和药液推注模块，其特征在于，所述主控制模块包括用于采集人体血压值的检测模块，所述检测模块包括血压传感器；所述检测模块将该血压值传递至内存区进行储存，形成血压值数组，所述内存区连接有识别模块，所述识别模块识别内存区的血压值数组得到实时的心动周期及周期中的特征参数，所述识别模块还连接有预测控制算法模块，所述预测控制算法模块通过对特征参数的计算得到下一个心动周期的推注时刻；

所述药液推注模块连接于主控制模块的预测控制算法模块，所述药液推注模块包括微控制器和医用注射器，所述药液推注模块通过微控制器连接于预测控制算法模块，所述预测控制算法模块将下一个心动周期的推注时刻发送至微控制器，所述微控制器连接有微推进器，所述微推进器连接有医用注射器，所述微控制器控制微推进器的推进速度、推注时刻和推注停止时刻，进而控制医用注射器的注射速度、推注时刻和推注停止时刻；

所述系统按照以下步骤处理信号：

(1)采集血压值：通过主控制模块中的检测模块实时采集人体血压值，以递推的方式储存至主控制模块中的内存区形成血压值数组；

(2)得到相关参数：主控制模块中的识别模块通过识别血压值数组得到实时的心动周期及周期中的特征参数；通过体检得到患者的病征参数；

(3)计算推药时刻：根据病征参数设置推药时刻；主控制模块根据推药时刻、实时的心动周期及周期中的特征参数，通过预测控制算法计算出下一个心动周期中的推药时刻；

(4)启动药液推注模块：主控制模块将计算出的下一个心动周期中的推药时刻发送至药液推注模块中的微控制器，所述微控制器根据该推药时刻并提前t_delay,启动药液推注模块中微推注器进行药液推注，所述t_delay为药液推注模块的时延；

(5)推注的自适应：检测模块采集新的血压值，将新得到的采样血压值、新识别出的心动周期及周期中的特征参数与之前采集的血压值、心动周期及周期中的特征参数加权平均，更新预测控制算法的参数，实现药液预测控制推注的自适应性；

步骤(1)中，递推的方式是指采样新血压值进入血压值数组时，同时丢掉一组最早的采样血压值，使血压值数组的维数保持不变；

步骤(2)中，心动周期中的特征参数包括收缩压，舒张压，心舒张期时长、心收缩期时长；病征参数包括肿瘤直径、肿瘤供血动脉、肿瘤距预设的药液推注点距离；

步骤(3)中，推药时刻是指心动周期的特征参数中的一个时相的起始时刻；下一个心动周期中的推药时刻t_r(k+1)通过等式t_r(k+1)'＝t_r(k)+T_m(k)+

ξ[(t_r(k)-t_r(k)',t_r(k-1)-t_r(k-1)',Lt_r(k-m)-t_r(k＝m)']^T来计算，其中，t_r(k)为当前心动周期中该时相的起始时刻，即当前的推药时刻；t_r(k)'为预测控制算法根据上一次心动周期中的特征参数计算得出的当前心动周期中该时相的起始时刻；T_m(k)为灰色预测模型GM(1,1)根据之前的心动周期波动规律计算出的当前心动周期的时长；m为预测时域长度，且m>0；ξ为误差系数向量，决定各误差分量的权重,ξ＝[ξ₁ ξ₂ L ξ_n]，0＜ξ_n＜1，n＝1，2，3，…，m；

灰色预测模型GM(1,1)的具体实现如下：

设心动周期原始数据列为T⁰(k)(k＝1,2,Ln),T¹(k)(k＝1,2,Ln)为T⁰(k)一次累加和,即 $T^1\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}^0\left(j\right);$

灰度模型微分方程为T⁽⁰⁾(k)+aT⁽¹⁾(k)＝b k＝1,2,Ln；n>0；令 $Y=\left[\begin{array}{c}{T}^0\left(2\right)\\ T^0\left(3\right)\\ M\\ T^0\left(n\right)\end{array}\right],$ 而待辨识的参数为θ＝[a,b]^T，

令 $B=\left[\begin{array}{cc}-(T^0\left(1\right)+T^0\left(2\right))/2& 1\\ -(T^0\left(2\right)+T^0\left(3\right))/2& 1\\ M& \\ -(T^0(n-1)+T^0\left(n\right))/2& 1\end{array}\right],$ θ＝(B^TB)^-1B^TY，得到预测表达式T⁰(k+1)＝T¹(k+1)-T¹(K)＝(1-exp(a))[T⁰(1)-b/a]exp(-ak)，上式中当k<n时,预测输出T原始数据列的还原值T⁰(k)，当k＝n时,预测输出T下一时刻的预测输出值，当k>n时,预测输出T的k+n个心动周期之后的预测输出值。

2.根据权利要求1所述的用于药液推注的预测自适应控制系统，其特征在于，所述药液推注模块中的微控制器连接于主控制模块的预测控制算法模块；所述微推进器包括外壳和步进电机，所述步进电机通过联轴器连接有丝杆，所述丝杆另一端固定于与步进电机相对的一侧，所述丝杆连接有针筒顶头；所述医用注射器固定于所述微推进器的外壳，所述医用注射器的活塞杆尾端与所述针筒顶头的位置相适配。

3.根据权利要求2所述的用于药液推注的预测自适应控制系统，其特征在于，所述微推进器外壳上还设置有用于限制针筒顶头移动的第一限位开关和第二限位开关，当针筒内活塞与针筒顶端接触时，所述第一限位开关与针筒顶头接触，所述第一限位开关与第二限位开关之间的距离小于针筒长度，且第二限位开关位于活塞杆的运动方向并远离针筒的一侧。

4.根据权利要求3所述的用于药液推注的预测自适应控制系统，其特征在于，所述第一限位开关和第二限位开关连接有报警装置。

5.根据权利要求4所述的用于药液推注的预测自适应控制系统，其特征在于，所述针筒顶头与所述活塞杆尾端之间还设置有压力应变片。