CN116235846B - 一种器官灌注控制方法、系统以及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种器官灌注控制方法，属于医疗领域，通过搭建器官灌注控制系统、离心泵产生搏动流、动脉搏动式灌注、静脉稳定压力灌注等步骤，提供了一种类人体生理参数的环境，对于离体肝脏的保存和修复有益，并且本发明器官灌注控制方法中采用一个离心泵，节约成本，体积更小，耗材成本低，经济效益高；动脉搏动式灌注，降低溶血风险。本发明还涉及一种实施上述器官灌注控制方法的系统以及装置。
Description
技术领域
本发明涉及医疗领域，尤其是涉及一种器官灌注控制方法、系统以及装置。
背景技术
器官移植是指将有活力的供体器官通过手术转移至患者体内，以替代已经丧失功能的器官。目前，人体内大部分器官已能实现移植，如心脏、肺、肝、肾脏、胰、小肠等。此外，角膜和血管等组织的移植也已经非常成熟。离体器官保存主要分为静态冷保存与机械灌注两种技术路径。静态冷保存容易造成再灌注损伤，影响器官移植手术的效果。
而采用机械灌注技术，离体器官可获得模拟生理参数的环境，通过灌流液获取氧气和营养成分等，维持正常的代谢功能。
目前大多数的肝脏灌注系统采用双路离心泵对肝动脉和门静脉分别进行灌注，通过不同的控制系统对两个回路进行独立调控，但是由于离心泵价格较贵，且泵头为一次性耗材，单次灌注成本较高。另外现有的对离心泵的控制方法，调节时间长，鲁棒性差。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种采用一个离心泵对动脉和静脉进行灌注的器官灌注控制方法，成本低，并且鲁棒性强。
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种采用一个离心泵对动脉和静脉进行灌注的器官灌注控制系统，成本低，并且鲁棒性强。
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之三在于提供一种采用一个离心泵对动脉和静脉进行灌注的器官灌注控制装置，成本低，并且鲁棒性强。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种器官灌注控制方法，包括以下步骤：
搭建器官灌注控制系统：一离心泵分别通过动脉管路以及静脉管路与器官连通，动脉管路上设有第一压力传感器，静脉管路上设有第二压力传感器以及第一流阻执行器，控制器与所述离心泵、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器以及所述第一流阻执行器通信连接；
离心泵产生搏动流：将所述第一压力传感器的平均压力反馈控制转速波形和实时压力反馈控制转速波形叠加，使所述离心泵产生搏动性灌注流，模拟人体真实动脉供血压力波动；
动脉搏动式灌注：将搏动性灌注流灌注到器官动脉；
静脉稳定压力灌注：以所述第二压力传感器的实时压力作为反馈，建立双路灌注耦合模型，根据离心泵产生的搏动流，以模糊神经网络方法进行解耦调控，反向调节流阻执行器，搏动流通过流阻执行器变为稳定压力灌注，灌注到器官静脉。
进一步的，在离心泵产生搏动流步骤中，将所述第一压力传感器的平均压力反馈控制离心血泵转速波形和实时压力反馈控制离心血泵控制波形叠加具体为：采用搏动脉冲发生器生成搏动脉冲转速，采用模糊神经网络控制器输出稳定泵转速，将搏动脉冲转速与稳定泵转速合成并输出到离心泵。
进一步的，所述采用搏动脉冲发生器生成搏动脉冲转速具体为：根据所述第一压力传感器反馈的实时压力值，所述搏动脉冲发生器生成周期性搏动脉冲转速ωp。
进一步的，所述采用模糊神经网络控制器输出稳定泵转速具体为：所述控制器根据目标压力，产生初始离心泵转速，所述第一压力传感器反馈搏动周期内平均压力，通过模糊神经网络控制器输出离心泵转速ωm。
进一步的，所述通过模糊神经网络控制器输出离心泵转速ωm具体为：以压力误差和压力误差变化率作为模糊神经网络的输入变量，经过网络的模糊推理输出三个参数Kp，Ki，Kd给PID控制器，再通过PID控制器的历史调节数据进行学习训练，自动调整加权系统，输出稳定控制的PID参数，PID控制器输出实时控制转速ωm。
进一步的，所述静脉稳定压力灌注步骤具体为：所述控制器根据目标压力，产生第一流阻执行器初始流阻，第二压力传感器实时反馈实时压力值，以压力误差和压力误差变化率作为模糊神经网络的输入变量，经过网络的模糊推理输出三个参数Kp，Ki，Kd给PID控制器，再通过PID控制器的历史调节数据进行学习训练，自动调整加权系统，输出稳定控制的PID参数，PID控制器输出实时控制流阻，通过第一流阻执行器调整实时流阻。
进一步的，所述静脉稳定压力灌注步骤还包括：在静脉管路设置压力波动缓冲单元，压力波动缓冲单元为具有存储功能的容器，所述压力波动缓冲单元根据第二压力传感器实时反馈实时压力值存储灌注液。
进一步的，在所述搭建器官灌注控制系统步骤中，动脉管路上还设有第一流量传感器，所述第一流量传感器采集动脉管路的实时流量；所述静脉管路上还设有第二流量传感器，所述第二流量传感器采集静脉管路的实时流量。
进一步的，在所述搭建器官灌注控制系统步骤中，器官通过下腔静脉与储存器连通，下腔静脉设有第二流阻执行器，所述第二流阻执行器与所述控制器通信连接，所述第二流阻执行器调节所述下腔静脉的压力并调节动脉管路和静脉管路内的流量比，所述储存器通过离心泵与所述动脉管路以及静脉管路连通实现循环。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种器官灌注控制系统，用于实施上述任意一种所述的器官灌注控制方法。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
一种器官灌注控制装置，包括离心泵、动脉管路以及静脉管路，所述离心泵同时与所述动脉管路以及所述静脉管路连通，所述动脉管路以及所述静脉管与器官连通，所述动脉管路上设有第一压力传感器，所述静脉管路上设有第二压力传感器，所述器官灌注控制装置还包括处理器以及储存器，所述储存器与所述处理器通信连接；所述储存器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行以实现上述任意一种所述的器官灌注控制方法。
相比现有技术，本发明器官灌注控制方法中采用一个离心泵，节约成本，体积更小，耗材成本低，经济效益高；离心泵分别通过动脉管路以及静脉管路与器官连通进行灌注，动脉管路上设有第一压力传感器，静脉管路上设有第二压力传感器以及流阻执行器，通过离心泵产生搏动流，动脉搏动式灌注，降低溶血风险；静脉稳定压力灌注，提供了一种类人体生理参数的环境，对于离体肝脏的保存和修复提供大大的益处。
附图说明
图1为本发明器官灌注控制系统的结构示意图；
图2为本发明器官灌注控制系统的肝动脉搏动灌注控制原理示意图；
图3为模糊神经网络控制器原理示意图；
图4为静脉控制原理示意图；
图5为动脉搏动式灌注压力图；
图6为静脉稳定压力灌注压力图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图4，为器官灌注控制方法，包括以下步骤：
搭建器官灌注控制系统：一离心泵分别通过动脉管路以及静脉管路与器官连通，动脉管路上设有第一压力传感器，静脉管路上设有第二压力传感器以及流阻执行器，控制器与所述离心泵、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器以及所述流阻执行器通信连接；
离心泵产生搏动流：将所述第一压力传感器的平均压力反馈控制转速波形和实时压力反馈控制转速波形叠加，使所述离心泵产生搏动性灌注流，模拟人体真实动脉供血压力波动；
动脉搏动式灌注：将搏动性灌注流灌注到器官动脉；
静脉稳定压力灌注：以所述第二压力传感器的实时压力作为反馈，建立双路灌注耦合模型，根据离心泵产生的搏动流，以模糊神经网络方法进行解耦调控，反向调节第一流阻执行器，搏动流通过第一流阻执行器变为稳定压力灌注，灌注到器官静脉。
搭建器官灌注控制系统步骤具体为：
器官灌注控制系统还包括第一流量传感器、第二流量传感器、第二流阻执行器以及储存器，离心泵通过高速运转泵头带动灌注液在整个回路中进行循环运转，第一压力传感器采集动脉回路的实时压力值，第一流量传感器采集动脉回路的实时流量值，第二压力传感器采集静脉回路的实时压力值，第二流量传感器采集静脉回路的实时流量值，流阻执行器调节静脉回路流阻值。在本申请中，离心泵的数量为一个，一个离心泵同时与动脉回路以及静脉回路连通，节约成本，体积更小，耗材成本低，经济效益高。储存器用于存储灌注液，储存器内部还设有透析组件，以便于灌注液透析后循环利用。器官灌注控制系统还设有下腔静脉，下腔静脉与储存器连通，储存器与离心泵连通。在本实施例中，器官为肝脏。第二流阻执行器有两个作用，由于储存器为空心容器，灌注流经由动脉和静脉双路灌注到器官后，出口处压力过低，易导致系统内压力波动过大，增加第二流阻执行器，调节其流阻，可有效改善系统内压力剧烈波动；通过第二流阻执行器，可以调节动脉和静脉内的流量比，流量可通过第一流量传感器、第二流量传感器获得，使得两管路中的流量更接近于人体内真实环境。
离心泵产生搏动流步骤具体为：
控制器根据目标压力，产生初始离心泵转速，第一压力传感器反馈搏动周期(1Hz)内平均压力，通过模糊神经网络控制器输出离心泵转速ωm。另外，搏动脉冲发生器，根据第一压力传感器反馈的实时压力值，生成周期性搏动脉冲转速ωp，两个转速值合成后，输出给离心泵，产生搏动性灌注流，降低溶血风险。模糊神经网络控制器原理示意图如图3所示，控制器根据目标压力生成初始离心泵转速，以压力误差和压力误差变化率作为模糊神经网络的输入变量，经过网络的模糊推理输出三个参数Kp，Ki，Kd给PID控制器，再通过PID控制器的历史调节数据进行学习训练，自动调整加权系统，输出稳定控制的PID参数。PID控制器输出实时控制转速，控制离心泵调整转速。
静脉稳定压力灌注步骤具体为：
门静脉灌注需要维持稳定的压力，如图4所示，其具体实施方式为，控制器根据目标压力，产生流阻执行器初始流阻，第二压力传感器实时反馈实时压力值，以压力误差和压力误差变化率作为模糊神经网络的输入变量，经过网络的模糊推理输出三个参数Kp，Ki，Kd给PID控制器，再通过PID控制器的历史调节数据进行学习训练，自动调整加权系统，输出稳定控制的PID参数。PID控制器输出实时控制流阻，通过流阻执行器调整实时流阻。
在静脉稳定压力灌注步骤中，还可以再静脉回路上设置压力波动缓冲单元，压力波动缓冲单元为小型空心容器，具有存储功能，压力波动缓冲单元根据第二压力传感器实时反馈实时压力值存储灌注液。
本申请还涉及实施上述器官灌注控制方法的系统以及装置。
本发明涉及的肝脏灌注控制方法，优化了机械灌注系统，提供了一种类人体生理参数的环境，对于离体肝脏的保存和修复提供大大的益处；单离心泵，节约成本，体积更小，耗材成本低，经济效益高；肝动脉搏动式灌注，将平均压力反馈控制离心血泵转速波形和实时压力反馈控制离心血泵控制波形叠加，控制方法创新，实现肝动脉搏动压力，模拟人体真实动脉供血压力波动，如图5所示。具体实施方式为，采用搏动脉冲发生器生成搏动脉冲转速，与模糊神经网络控制器输出的稳定血泵转速合成后，输出到离心血泵，调节离心血泵转速，达到肝动脉搏动式灌注，降低溶血风险；门静脉稳定压力灌注，以实时压力作为反馈，建立双路灌注耦合模型，根据肝动脉搏动，以模糊神经网络方法进行解耦调控，反向调节流阻执行器，达到门静脉稳定压力范围，如图6所示。采用模糊神经网络PID算法控制离心泵，以压力传感器搏动周期内平均压力值作为反馈，调节离心血泵转速，利用了模糊神经网络的学习和自适应能力，对于当前的非线性控制问题具有优势，鲁棒性更强。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种器官灌注控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
搭建器官灌注控制系统：一离心泵分别通过动脉管路以及静脉管路与器官连通，动脉管路上设有第一压力传感器，静脉管路上设有第二压力传感器以及第一流阻执行器，控制器与所述离心泵、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器以及所述第一流阻执行器通信连接；
离心泵产生搏动流：采用搏动脉冲发生器生成搏动脉冲转速，所述控制器根据目标压力，产生初始离心泵转速，所述第一压力传感器反馈搏动周期内平均压力，以压力误差和压力误差变化率作为模糊神经网络的输入变量，经过网络的模糊推理输出三个参数Kp，Ki，Kd给PID控制器，再通过PID控制器的历史调节数据进行学习训练，自动调整加权系统，输出稳定控制的PID参数，PID控制器输出实时控制转速ωm，将搏动脉冲转速与稳定泵转速合成并输出到离心泵，使所述离心泵产生搏动性灌注流，模拟人体真实动脉供血压力波动；
动脉搏动式灌注：将搏动性灌注流灌注到器官动脉；
静脉稳定压力灌注：以所述第二压力传感器的实时压力作为反馈，建立双路灌注耦合模型，根据离心泵产生的搏动流，以模糊神经网络方法进行解耦调控，反向调节第一流阻执行器，搏动流通过第一流阻执行器变为稳定压力灌注，灌注到器官静脉。
2.根据权利要求1所述的器官灌注控制方法，其特征在于：所述采用搏动脉冲发生器生成搏动脉冲转速具体为：根据所述第一压力传感器反馈的实时压力值，所述搏动脉冲发生器生成周期性搏动脉冲转速ωp。
3.根据权利要求1所述的器官灌注控制方法，其特征在于：所述静脉稳定压力灌注步骤具体为：所述控制器根据目标压力，产生第一流阻执行器初始流阻，第二压力传感器实时反馈实时压力值，以压力误差和压力误差变化率作为模糊神经网络的输入变量，经过网络的模糊推理输出三个参数Kp，Ki，Kd给PID控制器，再通过PID控制器的历史调节数据进行学习训练，自动调整加权系统，输出稳定控制的PID参数，PID控制器输出实时控制流阻，通过第一流阻执行器调整实时流阻。
4.根据权利要求1所述的器官灌注控制方法，其特征在于：所述静脉稳定压力灌注步骤还包括：在静脉管路设置压力波动缓冲单元，压力波动缓冲单元为具有存储功能的容器，所述压力波动缓冲单元根据第二压力传感器实时反馈实时压力值存储灌注液。
5.根据权利要求1所述的器官灌注控制方法，其特征在于：在所述搭建器官灌注控制系统步骤中，动脉管路上还设有第一流量传感器，所述第一流量传感器采集动脉管路的实时流量；所述静脉管路上还设有第二流量传感器，所述第二流量传感器采集静脉管路的实时流量。
6.根据权利要求1所述的器官灌注控制方法，其特征在于：在所述搭建器官灌注控制系统步骤中，器官通过下腔静脉与储存器连通，下腔静脉设有第二流阻执行器，所述第二流阻执行器与所述控制器通信连接，所述第二流阻执行器调节所述下腔静脉的压力并调节动脉管路和静脉管路内的流量比，所述储存器通过离心泵与所述动脉管路以及静脉管路连通实现循环。
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