植入式左心室辅助装置控制技术研究

摘要

人工心脏作为有效治疗心脏病的一种手段,相关技术的研究日益为国内外医学界所重视。植入式左心室辅助装置作为人工心脏研究中的一个分支,由于其自身特点被视为未来人工心脏的主流。本课题以左心室辅助装置为研究对象,通过分析左心辅助泵的结构与工作原理,在参考国内外研究经验基础上,改进了血泵驱动技术与控制算法。论文主要研究内容如下:
　　 针对现有血泵的特性,对血泵电机驱动线圈进行设计。通过与现有左心室辅助装置血泵进行对比,分析了本文所用血泵的特定性能指标与结构特征；初步确定了驱动线圈的相关参数,包括形状、匝数、尺寸、安装位置及部分电磁参数,使得血泵电机既满足了驱动要求又解决了温升问题。
　　 设计了血泵电机控制系统的硬件配置与软件架构。硬件配置包括控制器选择、电源管理、报警指示和紧急情况应对,特别针对血泵电机进行了驱动电路的设计；软件部分在经过需求分析后,设计了图形用户界面中的LCD显示和进行了上位机软件的开发。
　　 针对常规血泵控制系统只是对血泵电机转速的控制,提出了基于血泵输出压力和流量的工作点控制算法。根据受体不同的生理特征,以血压和供血量作为控制目标,实现血泵的自动控制。围绕所建立的控制系统,结合血流动力学和生理学,解决了不同受体控制参数的计算问题:利用神经网络算法对尚不能进行在线测定的血泵输出血压和流量进行了估算；对血泵三种工作状况提出了工作点控制算法、恢复控制算法和解除抽吸控制算法；为血泵转速控制设计了双闭环调速控制系统。
　　 对血泵及控制系统进行了一系列实验和仿真。包括驱动线圈反电势波形分析、血泵相电流与端电压分析、驱动线圈温升情况分析和控制系统性能仿真分析。结果表明,血泵性能达到要求,控制算法具备一定可行性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 人工心脏的研究背景和现状

1.2 心室辅助装置的控制技术

1.3 主要研究内容

第二章 左心室辅助装置工作原理

2.1 左心室的工作原理

2.2 左心室辅助装置概述

2.2.1 左心室辅助装置的类型

2.3 血泵的结构与驱动线圈设计

2.3.1 血泵的性能要求

2.3.2 血泵的结构特征

2.3.3 驱动线圈设计

2.4 本章小结

第三章 血泵电机控制系统设计

3.1 系统总体功能

3.2 硬件部分设计

3.3 软件部分设计

3.4 本章小结

第四章 基于血压和流量的血泵控制算法研究

4.1 控制系统的建立

4.2 血泵控制工作点设定

4.2.1 临床评价心脏泵功能的指标

4.2.2 左心室后负荷的体动脉系统

4.2.3 压力流量方程的确定

4.3 血泵三种工作状况界定

4.4 血泵输出压力和流量的估算

4.4.1 血泵性能实验方案设计

4.4.2 神经网络的组织与应用

4.5 控制算法实现

4.5.1 工作点控制算法

4.5.2 恢复控制算法与解除抽吸控制算法

4.6 本章小结

第五章 实验结果与分析

5.1 驱动线圈反电势分析

5.2 血泵相电流分析

5.3 血泵端电压分析

5.4 驱动线圈发热分析

5.5 驱动波形分析

5.6 控制系统仿真研究

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录