葉輪式心臟泵的仿生控制研究.pdf

1、葉輪式人工心臟血泵經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的研究和發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了血液相容性、可植入性、耐久性等臨床要求，而心臟泵植入受體后的舒適性問題一直影響著它的進(jìn)一步發(fā)展，關(guān)鍵因素之一是提高血泵流量隨揚(yáng)程(血泵進(jìn)出口壓力差)變化的靈敏度，保持左心室輔助泵與右心室輸出的流量平衡。由于左心室輔助泵自身特性的限制，維持與右心室流量平衡難以自動達(dá)到，因此需要從血泵的控制系統(tǒng)中尋找新的方法。
　　 本文通過三種控制方法設(shè)計(jì)了仿生控制系統(tǒng)：A、手動控制方法。該

2、控制方法主要是為了獲得控制策略中揚(yáng)程變化與電壓補(bǔ)償之間的控制關(guān)系方程而設(shè)計(jì)的一種實(shí)驗(yàn)方法，它是利用改進(jìn)前的控制系統(tǒng)控制血泵運(yùn)行，手動調(diào)節(jié)揚(yáng)程定值變化的同時(shí)給控制系統(tǒng)一定的補(bǔ)償電壓，使流量達(dá)到符合要求的靈敏度，記錄揚(yáng)程變化與電壓的補(bǔ)償值，畫出它們之間的關(guān)系曲線，求出控制方程。該控制中的揚(yáng)程和流量都是通過手動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)人為給定的，是設(shè)計(jì)的仿生控制系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到的理想值，可用于仿生控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)后的比較分析；
　　 B、基于傳感器反饋血

3、泵參數(shù)的仿生控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)是在了解血泵基本控制原理的基礎(chǔ)上，通過分析血泵揚(yáng)程、流量與輸入電壓之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，制定了通過輸入電壓補(bǔ)償?shù)姆绞教岣吡髁侩S揚(yáng)程變化靈敏度要求的控制策略，進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)。利用單片機(jī)ATmega16作為系統(tǒng)的控制芯片，用壓阻傳感器MPXV5050GP反饋血泵進(jìn)出口的壓力，計(jì)算血泵的揚(yáng)程，根據(jù)揚(yáng)程的變化，利用控制方法A得到的控制方程計(jì)算出應(yīng)該補(bǔ)償?shù)碾妷褐?，控制電壓變化，?shí)現(xiàn)仿生控制功能；
　　 C、基

4、于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動檢測血泵參數(shù)的仿生控制系統(tǒng)，它是本論文主要研究的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的控制策略和控制方法B的控制策略完全一樣，不同點(diǎn)在于它對血泵揚(yáng)程的測量是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)電機(jī)的參數(shù)自動換算得到的。該測量方法利用Neuroshell2軟件根據(jù)血泵電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速與血泵揚(yáng)程之間的關(guān)系建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，選擇合適的激勵(lì)函數(shù)對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)模型中的參數(shù)，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對揚(yáng)程的預(yù)測值與實(shí)際測量值之間的誤差控制在5％之內(nèi)。然

5、后通過Neuroshell2軟件得到學(xué)習(xí)后網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和偏差，根據(jù)激勵(lì)函數(shù)編寫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測功能。根據(jù)控制策略，進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，選用MicroLinear公司生產(chǎn)的單片集成控制器ML4425作為血泵控制系統(tǒng)驅(qū)動芯片，驅(qū)動血泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，采用ARM Cortex-M3系列集成芯片STM32F103C8T6作為系統(tǒng)的控制芯片，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動檢測功能，根據(jù)檢測的血泵揚(yáng)程值的變化，利用控制方法A得到的控制方程計(jì)算出應(yīng)該補(bǔ)償?shù)碾?/p>

6、壓值，控制電壓變化，實(shí)現(xiàn)仿生控制功能。
　　 最后通過實(shí)驗(yàn)，對控制方法C設(shè)計(jì)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動檢測仿生控制系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)，與控制方法B設(shè)計(jì)的基于傳感器自動檢測仿生控制系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)和控制方法A手動調(diào)節(jié)獲得的理想數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出誤差，分析誤差產(chǎn)生的原因；并與等電壓和等轉(zhuǎn)速控制下得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動檢測血泵數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的仿生控制系統(tǒng)使流量隨揚(yáng)程變化的靈敏度大大提高，從現(xiàn)有1L/min對應(yīng)10mmHg，到1L/