模糊神经网络理论下的麻醉靶控输注控制算法研究

发布时间：2014-09-10 15:38

【摘要】 麻醉靶控输注是在人体药代动力学与药效学的基础上，通过调节目标药物浓度，以达到控制麻醉深度的目的，其对保证病人麻醉深度安全有着深远的意义。由于麻醉手术个体特异性较大，生理模型参数较难控制，麻醉靶控输注虽有发展，但很缓慢。麻醉靶控输注其重点在于麻醉靶控输注控制算法的研究，对于临床上麻醉深度监测个体差异大、麻醉自动控制方法不够完善的问题，本文综合临床麻醉医师的麻醉经验、模糊控制理论中的经验规则库以及神经网络具有的自容错、自学习、自适应能力，智能整定PID各个参数，研究了基于BIS指数模糊神经网络的麻醉靶控输注算法，搭建其系统控制平台，从而实现麻醉靶控输注的智能控制。从麻醉深度监测的药理学基础和电生理学基础两个方面出发，讨论了麻醉深度的监测以及麻醉深度监护仪的发展。在麻醉深度监测的电生理学基础这一部分中主要讨论了临床使用较为广泛的几种参数：BIS指数、Narcotrend指数、AEP指数、CSI指数、熵指数等；同时讨论了对应指数的相关麻醉深度监护仪的发展，揭示临床上常用麻醉深度监测方法和监护仪器、麻醉靶控输注控制系统的可靠性及局限性，为本文选择BIS麻醉深度监护指数和BIS麻醉深度监护仪提供依据。研究基于BIS麻醉深度监测指数的模糊神经网络麻醉靶控输注的PID控制算法：通过BIS麻醉深度监护仪采集病人手术过程中的BIS监测指数，利用模糊控制的经验规则库和神经网络具有的容错自学习及自适应能力，智能整定PID各个参数，从而达到控制BIS监测指数的目的并在matlab中进行了控制器的相关设计。仿真曲线中基于模糊神经网络PID的麻醉靶控输注控制阶跃响应较快；BIS曲线较为平稳，能达到设定的目标值。以80C52单片机和PC机为核心，搭建TCI给药方式的控制平台，主要包括：结构设计、功能实现、硬件平台的搭建和软件程序的开发，其重点在于系统中硬件部分平台的搭建、电路的设计，软件部分单片机上程序的编写、pc机上的界面的开发、以及指令的传输和数据的通信。最后进行算法仿真实验，验证了该系统的稳定性和可靠性，实现麻醉靶控输注的智能控制。

【关键词】 靶控输注； 模糊控制； PID控制； RBF神经网络； 麻醉深度；

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义
古往今来，麻醉这一课题是许多学者研究和关注的热点。随着医学的不断进步，麻醉所涉及到的领域还包括麻醉深度监测、麻醉安全、麻醉靶控输注、麻醉管理等方面的研究。如何定义麻醉深度这一概念，至今为止，没有任何一种解释能完整地阐述麻醉深度的确切含义[1, 2, 3, 4, 5]。大部分学者认为麻醉深度是衡量病人麻醉深浅的一个量化指标，其主要包括镇静、镇痛和肌肉松弛程度等方面的信息[6]。如何合适而又有效地控制病人的麻醉深度，对于病人来说是生死攸关的事情，对于麻醉师来说也是一件责任重大的事。麻醉过深，可能有损患者的神经组织引发痴呆或失忆，甚至危及生命；麻醉过浅，患者本能体动导致手术困难，出现意外或术中知晓，给病人带来极大的痛苦和精神方面的后遗症；麻醉不当，不仅无法消除疼痛，还会带来一些并发症[7]。因此，要达到安全合理、精确的麻醉，麻醉深度的监测与调控是关键。由于大脑机制和人体生理调节机制的复杂性和差异性，麻醉深度监测的方法和手段虽有发展但尚不完全[8]。
临床上，有效并且适当地控制手术病人的麻醉深度，从而保证手术的正常进行和病人的人身安全至关重要。由文献[8]可知：麻醉监测的对象是复杂多变、生理参数各不相同的人体，其不同的病情，不同的手术，不同的年龄以及体重等都会在一定程度上影响麻醉手术过程中的药物代谢，从而影响其药物效果和麻醉深度。其次，麻醉过程中我们不仅仅要关注病人的麻醉深度，还要考虑其可能存在的术后风险和后遗症，所以，对于麻醉靶控输注的控制算法的研究显得尤为关键。
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1.2 麻醉靶控输注国内外研究现状
二十世纪八十年代，科学家 Gepts 等人研制了异丙酚 TCI 便携式系统--"Diprifusor"系统，随后 Marsh 在此系统的基础上略作改进并与 1996 使其成功面世，这是最早的麻醉靶控输注商业化设备。在此台设备中，麻醉师只需输入病人的体重、年龄、所需靶浓度、输注速度等，即可以指定的靶控浓度自动调节持续输注，维持所需的靶浓度[8]。
计算机的快速发展，对于麻醉深度的控制不仅仅停留在早期的血压、心率和病人反映等生理参数的监测上，越来越多的研究开始应用计算机领域的相关知识，如：神经网络、模糊控制、PID 控制等学科的理论和方法来研究麻醉靶控输注的控制算法。虽然在这样的背景下，麻醉靶控输注有了一定的发展，但是基于人体这一复杂的对象个体，其对象生理模型的差异性和复杂性，在一定程度上需要我们更多的考虑到其算法的适用性和普遍性，更深的了解和认识麻醉对象的结构和药物作用性质。
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第二章 麻醉深度监测方法及监护设备

2.1 引言
本章主要介绍了麻醉靶控输注的基础：麻醉深度的监测以及麻醉深度监护仪的发展，分别从麻醉深度监测的药理学基础和电生理学基础两个方面进行阐述。在麻醉深度监测的电生理学基础这一部分中主要讨论了临床使用较为广泛的几种参数：BIS 指数、Narcotrend 指数、AEP 指数、CSI 指数、熵指数等；同时讨论了对应指数的相关麻醉深度监护仪的发展，为本文麻醉深度监护指数和监护仪器的选择提供依据。
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2.2 麻醉深度监测的药理学基础
麻醉深度其本义是反应病人手术时麻醉深浅的一个度量指标，其测定没有完全统一、准确的标准和界线。在药理学上，麻醉深度的监测主要是基于麻醉药物对手术病人的影响深度，主要是通过两个方面表现出来，即人体对药物的代谢和药物对人体的作用，其表现的是药物剂量和药物效应之间的相互关系[16]。麻醉药物与麻醉病人机体的相互作用，是通过麻醉药物在机体的代谢吸收、浓度分布和清除速率等因素来决定药物所作用机体部位处的最终浓度。从生理学的角度来看，麻醉深度的测定不仅包括作用机体部位的浓度，还包括药物对机体产生的正面、负面的生理效应，正面生理效应包括：镇痛、镇静、无术中知晓、无体动、无手术后遗症等，负面效应包括对人体的有害刺激，术中知晓、术后苏醒困难，记忆减退等后遗症[16]。
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本文编号：8781