医用治疗设备的控制

1．4　医用治疗设备的控制

治疗设备的控制取决于医疗效果的反馈。这种反馈可以是自动系统的一个部分。在这样的系统中，传感器直接测量输出并影响设备。现代的治疗设备更常见的是采用一个操纵控制回路，在这个回路中包括医师、治疗员或护士来监视设备的效果，并据此进行相应的调整。这在工程术语中称为“开环控制”。本节讨论反馈控制系统的一般特性，并说明治疗设备的控制。

1．4．1　治疗设备的开环控制

大多数医用治疗设备具有开环控制系统。这个术语意指系统的输出不利用反馈进行内部调节。图1．1表明几种常用的外部反馈。医师根据理想的治疗效果确定设备必要的预置参数，然后由治疗员或护士调节设备。这个过程的关键是连续监视患者和设备的性能，调节机器的预置参数，从而修正随时变化而出现的问题。

开环控制存在着两个主要缺点。首先，系统动态响应很慢。预置得不恰当其影响在几小时内可能不明显，直到进行离线测量方能发觉。例如人工呼吸机主要的监测和反馈建立在血－气含量的基础上，到我们抽血确定O₂和CO₂浓度的时候，几小时可能已过去了，再进行校正为时已晚。再者在分析新的血气样品以前不可能有明显的征兆，会造成总控制系统常常是欠阻尼或过阻尼的，具有过分的超调或欠调。

其次是不能考虑患者随时间变化的生理状态。在进行脱机抽样检查以前，观察不到生理学或接口参数的变化。例如主动脉内气囊泵的压力，取决于某种压力负荷的大小，如果血管的阻力变化显著，那么气囊泵可能提供太高或太低的压力。使用开环系统时，必须注意这种情况并且迅速校正，以避免损伤循环系统，或者引起供血不足。

闭环反馈控制系统能弥补开环控制系统的这两个不足。

1．4．2　治疗设备的闭环控制

1．闭环控制对参数变化的作用

我们把反馈定义为具有某种形式能使变化了的参数回复的系统。图1．3所示为最普通的反馈结构。包括受控系统、控制器和比较器组成。为便于自校，控制器（反馈系统）将参数的变化提取并放大，通过比较器将反馈信号与输入信号比较，产生的差值去控制受控系统。信号可以是任何类型，但在医疗应用中不外乎电的、光的、热的、机械的、流量的或化学的几种类型。也可以是任何形式，连续的、经采样的、二进制的等等。应用反馈的最通常原因是减少由于参数变化引起的影响。在线性连续闭环系统中，这些参数变化既可能由设备本身及生理系统造成，也可能由连接二者的传感器所造成。下面举几个在治疗设备中成功应用该技术的实例。

图1．3　基本的闭环控制系统

在起搏心脏时，必须确保起搏器释放的能量恒定，当电池电压随时间下降时，可用增大起搏器的占空比（脉冲宽度）进行补偿。这是一种用反馈检测输出并校正设备参数变化的例子。

另一个例子是，用于人工呼吸机的驱动风箱的压力可以用反馈进行校正。这个系统之所以必要，是因为我们必须精确地知道呼吸机每一运转周期供给患者的空气量，以便保证获得适当的每分钟通气量。以风箱作为驱动器的呼吸机，有因风箱本身的压缩，在较高的压力下不能供给预定的吸气量（潮气量）的缺点。但用了反馈系统后可以对此进行补偿，这个反馈系统利用系统压力和机器预定量，计算依从的补偿体积和要求的体积之差，改变供给体积达到内部参数变化的补偿。

利用反馈还可校正患者的生理变化。利用计算机注射药物对心脏患者术后血压进行控制就是利用这种反馈的例子。图1．4为这个反馈系统的方框图，系统的目的是通过注射硝普盐（一种快速作用的舒血管剂）降低动脉的平均压力（MAP）。用该药控制动脉血压时，需要测量有规则的血压或平均动脉血压，从而频繁调整注射速度，因为该药是快速作用的，给药时周围血管的阻力会很快减小，而注射停止后药物作用又会迅速消退，因此用人工控制有困难，故采用自动反馈控制方式。

图1．4　装置了药品注射的平均动脉压（MAP）闭环控制系统

图1．4中的控制参数P_D为要求的压力，该值由护理医师或护士确定。手术后马上面临的医疗问题是使每一生理学的亚系统达到最佳性能，同时保持适当的储备，使药物的干扰为最小。设计者制定了一套在这种条件下确定药物注射剂量的规则，该规则倾向于药物注射速度和总量尽可能小，既使用了建立在比较实时的平均动脉压（MAP）和要求的压力值P_D基础上的反馈，又使用前馈（当MAP超过预置值不小于5mmHg时用来减小该压力）。图1．5是人工控制和计算机控制MAP的比较。自动系统给出较稳定的MAP值以后，利用反馈对未知的生物学参数的变化进行补偿。

图1．5　人工和计算机控制MAP比较

2．闭环控制对系统动态特性的影响

利用反馈的第二个同等重要的原因是能够改变设备的、或生理系统的、或两者兼而有之的系统动态性能。例如，当我们把电压加在电动机上时，转轴开始转动，直到电压被切断，转轴转过的角度是难以控制的。可是当我们把电压加在带有反馈的电动机上时，电动机旋转，直到某一角度，使角度传感器的输出电压与输入电压相等时为止。这时电动机的驱动电压为零，电动机转轴的角度保持不变。重新输入不同的控制电压时，可使电机转到新的角度。

有一些治疗设备应用反馈来影响系统动态特性，其中最常用的是按需起搏器，这种设备检测心房或心室电图，并确定心率。它将心率与预置的心率比较，如果实际心率低于预置水平就激发起搏器。在助听器中也利用了反馈来改变系统的动态特性。助听器包括防止失真或过激的自动增益控制电路，当输入超过最大允许声压水平时，这个电路利用闭环反馈将输出调到预置值。在这种电路中，其增益具有适当的响应时间，以避免任何听觉信息的遗漏，但响应又不能太快，否则会引起严重的振荡失真。正确使用反馈，可以通过补偿变化和调整系统动态特性来改善系统的性能，以便按最佳方式响应输入信号电平的变化。

使用反馈技术时，克服参数变化的敏感性和提高系统动态特性之间是有矛盾的。意欲减小由参数变化所引起误差的反馈也势必会产生不适宜的系统动态特性。例如回路高增益保证了内部参数变化引起误差最低，但势必会产生无阻尼系统动态特性，助听器的自动增益控制中面临的情况正是如此。因此，反馈系统必须在两者之间有一个折中方案。通常，越要求对参数变化不敏感，系统动态特性越要求改善，为实现控制所需测量的信号也就越多。

3．治疗设备闭环控制的技术障碍

治疗设备的闭环控制是一种监测和治疗相结合的系统，它需要精确、稳定、低噪声，并且带宽足够的传感器提供必要的控制信号。许多治疗设备的参数建立在不易被连续监测的信号的基础上，例如可以离线精确测量的血－气含量，如果要设计一个稳定的长时间植入传感器来完成，却会困难得多。因为离线系统只要通过每一个样品重复校正就能确保其精度，但插入静脉或动脉的传感器则必须在相当长的时期内保持读数稳定。不仅如此，血液内气体的创伤性测量还可能引起感染等问题。

已经有科技人员研制出一种泵系统，能在长时期内输送药物。这个系统对于需要连续注入胰岛素的糖尿病患者来说最为理想。但因为对糖尿病患者注入胰岛素的速度要随食物的摄取和身体的活动程度而变化，所以，确定注射速度必须知道当时的血糖浓度，而可以用于控制回路的合适的葡萄糖检测器还没有，致使这种系统作为糖尿病患者的全植入式注射胰岛素设备，仍存在着令人遗憾的缺点。

总之，闭环控制是许多治疗设备未来完善的方向。尚有待于研制出更多能够精确提供反馈信号以满足控制需要的新传感器。