双频指数闭环反馈吸入麻醉药用药系统的研制

　　吸入麻醉是常用的全身麻醉方法。吸入麻醉药必须先后通过麻醉环路、肺泡、血液、大脑才能发挥作用,因此吸入麻醉在调节麻醉深度方面的可控性较差。从控制论的角度来看,麻醉医生在麻醉过程中其实发挥着控制器的作用[1]。麻醉医生按照控制目标如血压值或双频指数(bispectral index,BIS)等来调整麻醉药和治疗药用量,是典型的闭环反馈的控制过程。如果使用计算机来代替麻醉医生完成此过程,将能实现自动化麻醉的梦想,使麻醉医生分配更多精力于麻醉工作的其他方面。目前,对吸入麻醉药闭环反馈用药的研究尚不充分,本研究尝试编写吸入麻醉药闭环反馈控制软件,并与麻醉深度监护仪、注射泵、紧闭循环麻醉机共同组成闭环反馈控制系统,并对系统性能进行临床验证。

　　1　建立闭环反馈用药系统

　　1.1　吸入麻醉药生理模型　系统软件《吸入麻醉执行者》采用DELPHI6.0编写,软件中的吸入麻醉药药代动力学模型参考了Lerou等[2]232的结构和算法。该模型为生理模型,它将可能影响吸入麻醉药效应的呼吸环路和人体各主要器官系统分解成14个结构板块,见图1。模拟吸入麻醉药摄取和分布的基本模型由人体和紧闭循环麻醉环路组成,麻醉药从麻醉环路进入肺脏,经肺脏摄取入血后在肾脏、脑、心脏、肝脏、肌肉、结缔组织和脂肪中分布。软件设置界面见图2,通过此设置界面输入患者的年龄、体重、身高、性别,软件按照Lerou等提出的计算公式调整组织容量、血容量、心输出量、死腔量、肺泡容量、潮气量等其他生理变量使模型更准确[2]235。

　　1.2　程序流程图　见图3。

　　1.3　控制器算法　《吸入麻醉执行者》控制器算法采用了经典的比例-积分-微分(proportional-inte-gral-derivative, PID)控制的方法[3]。为了提高麻醉安全性,增加了两个安全算法。

　　1.3.1　PID控制器　PID调节器由比例控制,积分控制,微分控制三部分组成。患者BIS与目标值的差值作为反馈信号经PID调节器在基准用药量的基础上增加或减少药量。

　　比例控制:用m(t)表示中间输出,用e(t)表示偏差信号,对增益为Kp的比例反馈有:

　　m(t)=K_pe(t)

　　积分控制:控制器的输出m(t)是输入信号e(t)的积分,即:

　　Ki称为积分时间常数。积分控制可以减小系统的累计误差。

　　微分控制:控制器的输出m(t)是输入信号e(t)的微分,即:

　　m(t)=K_dde(t)/dt

　　Kd称为微分时间常数,微分控制又称为速率控制。当e(t)变化缓慢时,它的输出非常小,当偏差信号快速变化时,它可以产生非常强的校正脉冲,从而改善系统的瞬态响应特性。