機(jī)械通氣控制原理

誼安醫(yī)療呼吸事業(yè)部劉慶平機(jī)械通氣控制原理主要內(nèi)容機(jī)械通氣控制系統(tǒng)機(jī)械通氣的控制目標(biāo)機(jī)械通氣的控制效果監(jiān)測(cè)與衡量指標(biāo)如何實(shí)施控制影響通氣控制性能的因素控制的核心思想總結(jié)機(jī)械通氣控制原理機(jī)械通氣控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)機(jī)械通氣控制原理機(jī)械通氣控制系統(tǒng)包括通氣管理者在內(nèi)的控制系統(tǒng)機(jī)械通氣控制原理機(jī)械通氣控制系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制的意義降低系統(tǒng)參數(shù)變化造成的影響；提高抗干擾能力；可抑制傳感器的高頻噪聲影響；提高穩(wěn)態(tài)跟蹤精度；使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)變得可控。閉環(huán)反饋控制的代價(jià)增加器件成本：反饋器件、控制器；加大驅(qū)動(dòng)能力需求；可能造成不穩(wěn)定。機(jī)械通氣控制原理機(jī)械通氣的控制目標(biāo)氣道壓力：PCV潮氣量（流量或壓力）：VCV、PRVC分鐘通氣量（潮氣量×通氣頻率）：MMV、ASVCO2分壓：IntelliVentSpO2脈搏血氧飽和度：CLiO2患者的舒適度？？？綜合目標(biāo)：SmartCare人機(jī)協(xié)調(diào)、盡可能快的撤機(jī)？？？目標(biāo)非常模糊！機(jī)械通氣控制原理機(jī)械通氣的控制目標(biāo)目標(biāo)的層次化：比如PRVC目標(biāo)的清晰化：可定量監(jiān)測(cè)目標(biāo)的規(guī)劃：比如目標(biāo)不能突變，應(yīng)該光滑改變PRVC控制系統(tǒng)機(jī)械通氣控制原理主要內(nèi)容機(jī)械通氣控制系統(tǒng)機(jī)械通氣的控制目標(biāo)機(jī)械通氣的控制效果監(jiān)測(cè)與衡量指標(biāo)如何實(shí)施控制影響通氣控制性能的因素控制的核心思想總結(jié)機(jī)械通氣控制原理控制效果的監(jiān)測(cè)和衡量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確：監(jiān)測(cè)如果有誤，控制將變得非常危險(xiǎn)！快速：快過(guò)整個(gè)閉環(huán)的響應(yīng)（至少5倍）控制效果的衡量保持對(duì)目標(biāo)的跟蹤（穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)），在有干擾的情況下也是如此快、準(zhǔn)、穩(wěn)機(jī)械通氣控制原理控制效果的監(jiān)測(cè)和衡量監(jiān)測(cè)精度：Xe—Xo控制精度：Xo—Xr控制中總是使：Xe

Xr，故控制精度不會(huì)高于監(jiān)測(cè)精度機(jī)械通氣控制原理控制效果的監(jiān)測(cè)和衡量階躍響應(yīng)曲線Tr：上升時(shí)間，10%～90%目標(biāo)值，或0～90%目標(biāo)值Ts：調(diào)整時(shí)間機(jī)械通氣控制原理控制效果的監(jiān)測(cè)和衡量斜坡跟蹤性能抗干擾性能機(jī)械通氣控制原理主要內(nèi)容機(jī)械通氣控制系統(tǒng)機(jī)械通氣的控制目標(biāo)機(jī)械通氣的控制效果監(jiān)測(cè)與衡量指標(biāo)如何實(shí)施控制影響通氣控制性能的因素控制的核心思想總結(jié)控制器的結(jié)構(gòu)控制算法分類執(zhí)行元件的特性被控對(duì)象的特性幾種控制器的設(shè)計(jì)機(jī)械通氣控制原理控制器的結(jié)構(gòu)分類串聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)：?jiǎn)为?dú)串聯(lián)反饋如無(wú)法滿足性能，可考慮以下兩種結(jié)構(gòu)前饋+反饋結(jié)構(gòu)：加入前饋可補(bǔ)償非線性，即將反饋控制限制在目標(biāo)值附近的線性域內(nèi)調(diào)節(jié)內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)：將內(nèi)部狀態(tài)變量進(jìn)行反饋以提高性能，常見的如閥芯速度反饋，此結(jié)構(gòu)還常見于系統(tǒng)內(nèi)部本來(lái)就存在非常快的動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)的情況機(jī)械通氣控制原理控制算法分類控制算法的分類基于模型的控制傳統(tǒng)的線性系統(tǒng)控制自適應(yīng)逆控制、內(nèi)模控制等非基于模型的控制PID控制（經(jīng)典）智能控制：如專家控制、模糊控制算法分類原理和特點(diǎn)應(yīng)用范圍PID控制算法利用誤差的比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)構(gòu)造控制輸出。其特點(diǎn)是不需要精確的系統(tǒng)建模，但合適的控制參數(shù)需試驗(yàn)整定對(duì)控制性能要求不高；系統(tǒng)模型本來(lái)就不復(fù)雜；控制核心元件的性能有限無(wú)法支持復(fù)雜的計(jì)算基于模型的算法基于復(fù)雜的控制理論如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、系統(tǒng)辨識(shí)、狀態(tài)觀測(cè)等所構(gòu)建的控制算法。其特點(diǎn)是需要精確的系統(tǒng)模型知識(shí)，任何一控制參數(shù)的設(shè)計(jì)都有理論依據(jù)可推出確定的系統(tǒng)模型；對(duì)控制性能要求高智能控制算法利用人工智能原理如專家系統(tǒng)、模糊專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等所構(gòu)建的控制算法。其特點(diǎn)也是不需要精確的系統(tǒng)模型，以經(jīng)驗(yàn)知識(shí)為基礎(chǔ)調(diào)節(jié)輸出控制量經(jīng)驗(yàn)知識(shí)量足夠大；無(wú)法建立確定的系統(tǒng)模型；不關(guān)心系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)或狀態(tài)；對(duì)控制性能要求不高機(jī)械通氣控制原理執(zhí)行元件的特性節(jié)流閥靜態(tài)特性機(jī)械通氣控制原理執(zhí)行元件的特性壓力控制閥靜態(tài)特性機(jī)械通氣控制原理執(zhí)行元件的特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性流量從上個(gè)90%減小到10%的變化時(shí)間:52.5ms流量從10%增加到90%的變化時(shí)間:35.5ms可近似看作一階慣性環(huán)節(jié)機(jī)械通氣控制原理被控對(duì)象特性Q：總流量，等于肺流量QL和回路內(nèi)流量QT之和，一般指閥出口流量，也應(yīng)包括新鮮氣體；Paw：氣道壓力；CT：氣路順應(yīng)性；CL：肺順應(yīng)性；RL：氣阻機(jī)械通氣控制原理被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型如以流量Q為輸入，氣道壓力Paw為輸出的被控呼吸力學(xué)模型為：忽略管路順應(yīng)性如以氣道壓力Paw為輸入，流量Q為輸出則顛倒之：輸入輸出互為因果，誰(shuí)為輸出，誰(shuí)為輸入，要視被控變量是誰(shuí)和執(zhí)行元件是壓力源還是流量源而定機(jī)械通氣控制原理節(jié)流閥結(jié)構(gòu)的流量控制閥后端壓力對(duì)流量影響可忽略，故而患者力學(xué)模型不必在控制器設(shè)計(jì)中考慮機(jī)械通氣控制原理節(jié)流閥結(jié)構(gòu)的壓力控制節(jié)流閥控制流量容易，控制壓力比較困難，這時(shí)一定要考慮被控對(duì)象患者的力學(xué)特性，被控對(duì)象的力學(xué)模型參數(shù)通過(guò)在線辨識(shí)算法得到機(jī)械通氣控制原理壓力閥結(jié)構(gòu)的壓力控制同前面的節(jié)流閥控制流量一樣，利用壓力控制壓力相對(duì)容易，不需要考慮被控對(duì)象的特性，采用前饋+PID反饋的形式就可以獲得較好的控制性能，其中前饋部分即校驗(yàn)得到的閥的靜態(tài)控制壓力對(duì)應(yīng)的控制電壓機(jī)械通氣控制原理主要內(nèi)容機(jī)械通氣控制系統(tǒng)機(jī)械通氣的控制目標(biāo)機(jī)械通氣的控制效果監(jiān)測(cè)與衡量指標(biāo)如何實(shí)施控制影響通氣控制性能的因素控制的核心思想總結(jié)機(jī)械通氣控制原理影響通氣控制性能的因素干擾監(jiān)測(cè)噪聲模型不確定性和參數(shù)不確定性非線性：死區(qū)、遲滯、飽和執(zhí)行器件本身的共振和失穩(wěn)高靈敏度特性數(shù)字控制的非連續(xù)性輸入端濾波輸出端濾波魯棒控制和自適應(yīng)控制執(zhí)行器件的改進(jìn)和控制器的特殊設(shè)計(jì)改進(jìn)執(zhí)行器件結(jié)構(gòu)，如增大阻尼或提高共振頻率點(diǎn)對(duì)策機(jī)械通氣控制原理高靈敏度對(duì)控制性能的影響高靈敏度是指：微小的輸入就可以產(chǎn)生很大的輸出，從控制的角度而言，輸入是指控制電流或電壓等變量，輸出是指控制的目標(biāo)流量或壓力等；反饋控制的核心思想之一就是盡量減小輸入干擾對(duì)輸出的影響，即降低輸出對(duì)干擾的靈敏度；但是干擾靈敏度的降低卻伴隨著傳感器噪聲靈敏度的提升，因此在控制器設(shè)計(jì)時(shí)，抑制傳感器噪聲（一般是高頻段）和提升抗輸入干擾（一般是低頻干擾）性能要折中考慮！兩個(gè)不易控制的極端情況：節(jié)流閥壓力控制（大氣阻、小順應(yīng)性）：壓力閥流量控制（小氣阻、大順應(yīng)性）：機(jī)械通氣控制原理影響通氣控制性能的因素提高控制性能是否一定意味要增加成本？？？通常是這樣的，但前提是系統(tǒng)中的各單元已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)化機(jī)械通氣控制原理控制的核心思想系統(tǒng)的思想：考慮系統(tǒng)中的每個(gè)因素；模塊化：數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)輸入/輸出特性；反饋：信息及時(shí)溝通并保持對(duì)目標(biāo)的跟蹤；折中設(shè)計(jì)：魯