【摘要】：目的：自從1960年，Kouwenhoven等人揭示了胸外按壓能夠在心室纖顫期間維持患者血液循環(huán)的重要作用以來，胸外按壓技術(shù)就一直被作為搶救心臟驟�；颊叩暮诵募本却胧┖托姆螐�(fù)蘇技術(shù)中的關(guān)鍵一環(huán)。胸外按壓通過增加胸內(nèi)壓或直接擠壓心臟產(chǎn)生血液流動(dòng)，使血液流向肺臟，并輔以適當(dāng)?shù)暮粑�，為腦和其他重要器官提供相當(dāng)量的氧氣以便進(jìn)行電除顫。為提高胸外按壓血流灌注，近年來，胸外按壓深度的重要性被再次提及。甚至，2010年國際心肺復(fù)蘇指南（2010AHA）重新定義了胸外按壓深度，將按壓深度從4-5cm提高到5cm。 盡管提高胸外按壓深度有利于促進(jìn)患者的血流灌注，但是在增加按壓深度的同時(shí)也增加了患者胸骨骨折的風(fēng)險(xiǎn)。過深的胸外按壓將會導(dǎo)致患者胸骨發(fā)生骨折，從而使得胸腔失去泵血功能，極大地影響心肺復(fù)蘇效率。更嚴(yán)重的是胸肋骨的骨折將會導(dǎo)致嚴(yán)重的肺部、肝臟和其他臟器器官的損傷，威脅患者生命。我們必須認(rèn)識到，胸外按壓是一把雙刃劍，具有利弊的兩面性。因此，只有綜合患者血流灌注程度和胸骨骨折危險(xiǎn)性才能得到滿足患者個(gè)體特征的最佳胸外按壓深度。但是，遺憾的是目前國際上缺乏對胸外按壓利弊權(quán)衡問題的關(guān)注。盡管2010AHA對胸外按壓深度提出了要求（5cm），但是并未明確地指出胸外按壓深度的數(shù)值或范圍，大部分急救人員僅僅依靠臨床急救經(jīng)驗(yàn)實(shí)施胸外按壓。此外，眾多自動(dòng)胸外裝備的按壓深度恒定，并不能根據(jù)患者的個(gè)體差異進(jìn)行按壓利弊權(quán)衡后的優(yōu)化胸外按壓。權(quán)衡胸外按壓利弊的機(jī)制尚未建立。 綜上所述，有必要對胸外按壓利弊權(quán)衡優(yōu)化自控制策略和算法進(jìn)行探索和研究，實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)胸外按壓過程中提高血液循環(huán)灌注的同時(shí)降低胸骨骨折風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)。 方法與內(nèi)容：本課題基于胸外按壓復(fù)蘇理論和智能控制理論，以權(quán)衡血流灌注與骨折風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，以“血流灌注與骨折風(fēng)險(xiǎn)辨識—閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓優(yōu)化控制策略與算法—閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓心肺復(fù)蘇系統(tǒng)研制—實(shí)驗(yàn)論證”時(shí)序?yàn)檠芯恐骶�，分四個(gè)階段開展了閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓心肺復(fù)蘇優(yōu)化控制研究： (1)血流灌注與骨折風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測與辨識：我們對反映血流灌注和骨折風(fēng)險(xiǎn)的各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行了充分調(diào)研，分析了閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓復(fù)蘇技術(shù)的總體需求，篩選出呼吸末二氧化碳分壓(partial pressure of end-tidal CO_2, PETCO_2)和胸骨彈性模量(chest stiffness, Kchest)作為心肺復(fù)蘇中評估血流灌注程度和胸骨骨折危險(xiǎn)程度的生理指標(biāo)；對PETCO_2與血流灌注、Kchest與骨折危險(xiǎn)程度相關(guān)性進(jìn)行了分析，挖掘了關(guān)鍵特征值，，建立了有效的血流灌注和骨折危險(xiǎn)程度評價(jià)規(guī)則和辨識方法；構(gòu)建了心肺復(fù)蘇計(jì)算機(jī)仿真生理模型，總結(jié)了胸外按壓過程中關(guān)鍵生理參數(shù)的變化規(guī)律，為閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓優(yōu)化控制算法的建立提供了理論基礎(chǔ)。 (2)自動(dòng)胸外按壓優(yōu)化策略與閉環(huán)優(yōu)化控制算法研究：利用血流灌注、骨折風(fēng)險(xiǎn)辨識算法與心肺復(fù)蘇生理模型，結(jié)合胸外按壓臨床經(jīng)驗(yàn)和模糊控制算法，形成了一套自動(dòng)權(quán)衡血流灌注與骨折風(fēng)險(xiǎn)利弊的高魯棒性、高適應(yīng)性的閉環(huán)胸外按壓優(yōu)化控制算法。閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓優(yōu)化控制算法包含信號預(yù)處理、輸入飽和處理、模糊控制決策、輸出飽和處理和模糊PID自動(dòng)調(diào)節(jié)五個(gè)部分，分別完成輸入信號的濾波放大處理、輸入信號范圍的限定飽和處理、閉環(huán)胸外按壓的模糊控制決策、輸出信號范圍的限定飽和處理和按壓深度的模糊PID自動(dòng)調(diào)節(jié)。 (3)閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓心肺復(fù)蘇系統(tǒng)的研制：本課題采用虛擬儀器的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)研制了以LabVIEW虛擬儀器為系統(tǒng)控制平臺的閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓心肺復(fù)蘇系統(tǒng)。系統(tǒng)包括生理信號檢測處理模塊、LabVIEW虛擬儀器控制平臺、自動(dòng)胸外按壓控制器和胸外按壓機(jī)構(gòu)，利用生理信號檢測處理模塊采集患者PETCO_2和Kchest，應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器控制平臺計(jì)算處理得到優(yōu)化的按壓深度，通過自動(dòng)胸外按壓控制器驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)帶動(dòng)胸外按壓機(jī)構(gòu)完成優(yōu)化的閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓。 (4)實(shí)驗(yàn)論證：為驗(yàn)證閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓優(yōu)化控制算法與系統(tǒng)的有效性，我們搭建了計(jì)算機(jī)仿真模型，并開展了計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，對閉環(huán)優(yōu)化控制算法的性能進(jìn)行了分析測試，驗(yàn)證了優(yōu)化控制結(jié)果；為進(jìn)一步探索驗(yàn)證實(shí)際自動(dòng)胸外按壓心肺復(fù)蘇情況下的閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓優(yōu)化控制性能，我們構(gòu)建了自動(dòng)胸外按壓生理仿真模型，搭建了實(shí)物仿真平臺，并開展了基于心肺復(fù)蘇模擬人的仿真實(shí)驗(yàn)（實(shí)物模型仿真實(shí)驗(yàn)），對比了閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓心肺復(fù)蘇控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)氣動(dòng)胸外按壓器Thumper的胸外按壓利弊權(quán)衡控制性能。 結(jié)果：為了驗(yàn)證閉環(huán)優(yōu)化控制算法的有效性和可靠性，我們基于計(jì)算機(jī)仿真模型和實(shí)物仿真模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 (1)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)：在九組胸骨彈性模量不同的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中，閉環(huán)優(yōu)化控制自動(dòng)胸外按壓（簡稱優(yōu)化按壓）的有益危險(xiǎn)綜合指數(shù)BRI在大部分情況下要比傳統(tǒng)機(jī)械胸外按壓（簡稱傳統(tǒng)按壓）高（6/9）。相比傳統(tǒng)按壓，優(yōu)化按壓有效提升了心輸出量（cardiac output, CO）和PETCO_2（6/9）。優(yōu)化按壓的平均BRI、CO和PETCO_2分別為5.69、1.45L/min和15.51mmHg；傳統(tǒng)按壓的平均BRI、CO和PETCO_2分別為4.76、1.18L/min和13.26mmHg。 (2)實(shí)物模型仿真實(shí)驗(yàn)：實(shí)物模型仿真實(shí)驗(yàn)取得了與計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)相似的結(jié)果。在九組胸骨彈性模量不同的實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)中，基于閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓心肺復(fù)蘇系統(tǒng)的優(yōu)化胸外按壓（簡稱優(yōu)化按壓）的有益危險(xiǎn)度綜合指數(shù)BRI在大部分情況下要比基于Thumper的傳統(tǒng)機(jī)械胸外按壓（簡稱傳統(tǒng)按壓）高（7/9）。相比傳統(tǒng)按壓，優(yōu)化按壓有效提升了血流量（cardiac out, CO）和PETCO_2（6/9）。優(yōu)化按壓的平均BRI、CO和PETCO_2分別為6.08、1.35L/min和15.7mmHg；傳統(tǒng)按壓的平均BRI、CO和PETCO_2分別為5.21、1.14L/min和13.76mmHg。 綜上所述，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物模型仿真實(shí)驗(yàn)均表明，優(yōu)化按壓比傳統(tǒng)按壓獲得了更高的CO、PETCO_2、BRI，同時(shí)避免了胸骨骨折極端危險(xiǎn)情況的發(fā)生，表現(xiàn)出了優(yōu)秀的利弊權(quán)衡性能。相比之下，傳統(tǒng)按壓由于按壓深度單一，盡管能夠維持一定的血液循環(huán)，但是卻在胸骨柔軟時(shí)錯(cuò)過了進(jìn)一步提高血流灌注的機(jī)會，更重要的是在胸骨較硬的時(shí)候(γ=14N/cm2,15N/cm2)，有害因子RF達(dá)到了極端危險(xiǎn)水平，非常容易導(dǎo)致胸骨骨折。 結(jié)論：相比傳統(tǒng)按壓，優(yōu)化按壓具有更加優(yōu)秀的胸外按壓利弊權(quán)衡性能。優(yōu)化按壓可以在胸骨柔軟的時(shí)候，提高按壓深度，在保證安全的情況下，獲得較好的血流灌注；在胸骨較硬的時(shí)候，降低按壓深度，在維持必要血流灌注的同時(shí)，降低胸骨骨折的風(fēng)險(xiǎn)。閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓優(yōu)化控制策略可為自動(dòng)胸外按壓裝備提供一套智能化的閉環(huán)自動(dòng)胸外按壓心肺復(fù)蘇解決方案，輔助急救人員進(jìn)行高效安全的胸外按壓，不僅對提高突發(fā)事件環(huán)境下心肺復(fù)蘇效率，增加傷員生存率有著重要意義，而且在推動(dòng)心肺復(fù)蘇自動(dòng)化研究方面將發(fā)揮重要作用。
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【學(xué)位授予單位】：中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TP273;R318.6

【參考文獻(xiàn)】

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1 趙鵬;鄭捷文;吳太虎;;閉環(huán)復(fù)蘇技術(shù)在失血性休克液體治療中的應(yīng)用[J];中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào);2011年06期

本文編號：2453528