基于颅脑简化传热模型的选择性制冷控制的理论研究

摘要

生物实验和临床试验表明低温治疗技术对受伤颅脑具有保护神经和减小后遗症的重大意义。但是，如何适当地控制颅脑的降温深度和降温时序，使之最大程度地满足保护大脑、减少副作用的要求是目前面临的重大挑战。本研究通过建立颅脑传热的数学模型对颅脑中温度分布预测和选择性制冷控制进行理论研究，以便通过对颅脑不同部位的降温和升温规律的研究结论指导实际的临床治疗。
　　Pennes生物传热方程能够较好地描述具有血液充盈生物组织的产热和传热特性，由此，利用Pennes方程建立了描述颅脑的产热和传热特性的颅脑简化传热模型，并利用这一模型论文研究了颅脑温度分布的预测方法，同时，针对6℃，16℃，26℃三种不同头皮降温温度，研究了选择性制冷的条件下模型中不同组织参数对颅脑温度分布及其传热特性的影响。仿真实验结果表明，颅脑的湿度分布和选择性制冷效果受模型中血液灌注率的影响最大，导热率的作用其次。对模型参数的进一步系统辨识结果确认颅脑特定测量点的温度变化呈现近似一阶过程对象。根据颅脑的这些产热和传热特性，就可以按照控制理论规则确定颅脑选择性制冷的控制方案和参数，论文检验了由此选定控制参数P=0.8，I=2的PI控制器在按照临床要求设定的温度曲线进行颅脑低温治疗的温度变化过程。在此基础上，针对不同个体带来的颅脑特性差异、受损病情和发展状态造成的参数特异性，论文分别针对模型参数的稳定状态和动态变化状态研究了两种不同的估计方法，实验结果表明两者都能较准确地估计控制对象——颅脑传热模型的参数。这样，基于简化传热模型，研究颅脑温度分布预测方法及其选择性制冷控制理论就可以指导颅脑模型参数的修正、选择性制冷控制器的设计及有临床治疗价值方案的开发。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 颅脑低温治疗的发展

1．1．1 颅脑低温治疗的重要性

1．1．2 颅脑低温治疗的发展

1．2 颅脑低温治疗研究现状

1．2．1 颅脑低温治疗的方法

1．2．2 选择性颅脑制冷研究现状

1．3 选择性颅脑制冷的影响因素

1．3．1 制冷的调节深度

1．3．2 降温和升温的时序

1．4 目标和研究方向

1．5 本文结构

2 选择性颅脑制冷的数学模型

2．1 简介

2．2 颅脑传热过程数学建模

2．2．1 Pennes生物传热方程

2．2．2 颅脑低温治疗传热模型

2．2．3 颅脑低温治疗数学模型求解

2．3 选择性颅脑制冷模型温度分布的特性分析

2．3．1 选择性颅脑制冷模型的温度分布的基本特性

2．3．2 脑组织模型参数对颅脑制冷模型温度分布特性的影响

2．4 小结

3 选择性颅脑制冷的温度控制

3．1 简介

3．2 选择性颅脑制冷模型系统辨识

3．2．1 颅脑低温数学模型系统辨识原理和方法

3．2．2 颅脑低温数学模型辨识过程和结果

3．3 选择性颅脑制冷控制

3．3．1 颅脑低温制冷温度控制参数整定

3．3．2 选择性颅脑制冷的降温与升温设定

3．3．3 选择性颅脑制冷控制结果

3．4 小结

4 选择性颅脑制冷数学模型的参数估计

4．1 简介

4．2 颅脑制冷模型稳态参数估计

4．2．1 粒子群算法

4．2．2 颅脑制冷模型稳态参数估计结果

4．3 颅脑制冷模型动态参数估计

4．3．1 卡尔曼滤波器

4．3．2 颅脑制冷模型参数估计预处理方法

4．3．3 颅脑制冷模型参数估计的增广系统

4．3．4 使用扩展卡尔曼滤波估计颅脑制冷模型参数

4．3．4 颅脑制冷模型动态参数估计结果

4．4 颅脑制冷模型参数估计方法的性能

4．5 小结

5 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 研究展望

参考文献