颅脑亚低温治疗中的温度控制方法研究

摘要

大脑是人体最重要的器官之一，外伤性脑损伤往往会造成死亡或者严重的后遗症。大量动物实验和临床试验都表明亚低温对颅脑损伤具有保护神经和减少二次损坏的治疗作用。如何通过颅脑表面制冷，精确控制颅脑内部的降温、维持和升温过程，最大程度地保护神经，同时减少副作用，是目前亟待研究解决的关键问题。本文通过理论分析、仿真建模和动物实验，提出了一种针对颅脑亚低温治疗，能够满足临床治疗要求，适应不同情况的控制方法，具有重要的临床意义和社会意义。
　　本文首先基于Pennes生物传热方程建立了描述颅脑产热和传热特性的颅脑简化模型，利用该模型分析了颅脑亚低温过程非线性、时变、大时滞的特性。对颅脑亚低温治疗中常见的PID控制和模糊控制进行了理论分析和仿真实验，指出常规控制方法在亚低温控制中的不足之处。据此，针对颅脑亚低温过程特点，结合模糊神经网络和模型参考控制，提出了一种新的自适应控制方法。模糊神经网络是用神经元网络来构造模糊系统，既有模糊逻辑善于表达人的经验性知识的特点，又具备神经元网络的学习和自适应能力。采用一阶线性系统作为参考模型，具有两个模糊神经网络结构，采用变步长BP学习算法，可以实现在线学习和调整规则参数及隶属函数参数，具有高度鲁棒性，适用于非线性、大时滞、时变的颅脑亚低温过程的控制。
　　针对颅脑表面制冷和深部温度间的复杂关系，以及对颅脑深部温度的可控性的实验研究，本文设计开发了一套颅脑亚低温实验平台，采用半导体制冷循环水对颅脑表面制冷的方式研究对颅脑深部温度的控制方法。利用该实验平台，以SD大鼠为实验对象，对常规控制算法和本文提出的基于模糊神经网络自适应控制算法进行了颅脑亚低温控制实验。实验结果表明，相比传统的PID控制和模糊控制，基于模糊神经网络的自适应控制具有更好的控制精度和稳定性，同时能更好地抑制参数变化和外部扰动对系统的影响，即具有更强的鲁棒性。该实验为自适应控制方法在临床亚低温治疗中的应用提供了实验依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 颅脑亚低温治疗介绍

1．2 颅脑亚低温治疗中温度控制的重要性

1．3 颅脑亚低温治疗中温度控制的研究现状

1．3．1 颅脑降温方式的相关研究

1．3．2 颅脑温度控制方法的相关研究

1．3．3 颅脑温度测量方法的相关研究

1．4 本文的研究方向

1．5 本文的结构

第二章 颅脑亚低温过程分析及其常规控制方法

2．1 简介

2．2 颅脑亚低温过程机理模型

2．2．1 基于Pennes传热方程的机理模型

2．2．2 颅脑亚低温过程的温度分布特性

2．2．3 颅脑模型参数对亚低温过程的影响

2．3 颅脑模型亚低温过程的系统辨识

2．4 颅脑亚低温的降温与升温设定

2．5 颅脑亚低温过程的PID控制

2．5．1 颅脑亚低温过程的PID控制

2．5．2 基于颅脑模型的PID控制仿真实验

2．6 颅脑亚低温过程的模糊控制

2．6．1 模糊控制简介

2．6．2 颅脑亚低温过程模糊控制

2．6．3 基于颅脑模型的模糊控制仿真实验

2．7 小结

第三章 基于模糊神经网络的自适应控制

3．1 简介

3．2 模糊神经网络

3．2．1 人工神经网络

3．2．3 模糊神经网络

3．3 模型参考自适应控制

3．4 基于模糊神经网络的自适应控制

3．4．1 基于模糊神经网络的MRAC方案

3．4．2 模糊神经网络结构

3．4．3 模糊神经网缗的字习算法

3．4．4 变步长法

3．5 基于模糊神经网络的颅脑亚低温自适应控制

3．5．1 被控对象参考模型

3．5．2 FNNC和FNNI的结构

3．6 自适应控制系统的仿真实验

3．7 小结

第四章 颅脑亚低温自动控制实验平台

4．1 简介

4．2 实验平台的设计要求

4．3 实验平台的硬件设计

4．3．1 控制器

4．3．2 半导体水温控制系统

4．3．3 水循环降温冰帽

4．3．4 温度传感器

4．4 实验平台的软件设计

4．4．1 控制器程序编写

4．4．2 上位机操作界面

4．5 实验平台的性能测试

4．6 小结

第五章 对模型动物的颅脑亚低温控制实验

5．1 简介

5．2 模型动物的选择

5．3 实验方法

5．3．1 实验相关试剂与仪器

5．3．2 实验操作

5．4 亚低温过程控制实验

5．5 鲁棒性实验

5．5．1 抗干扰实验

5．5．2 对象特性改变时的控制实验

5．6 小结

第六章 结论与展望

6．1 论文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果