閉環(huán)控制現(xiàn)代機(jī)械通氣

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1、.閉環(huán)控制與現(xiàn)代機(jī)械通氣公元前3世紀(jì)，古希臘科學(xué)家Ktesibios發(fā)明了一種用于調(diào)節(jié)水鐘內(nèi)液平面的裝置，他的這項(xiàng)發(fā)明至今仍在廣泛應(yīng)用，Ktesibios被譽(yù)為“閉環(huán)控制”(closed-loopcontrol)理論之父。同樣在公元前200年，中國(guó)古代工匠制造的指南車(chē)也應(yīng)用了閉環(huán)控制原理。但在此后的一千多年內(nèi)，閉環(huán)控制技術(shù)卻未得到實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。直至近代，尤其是在第二次世界大戰(zhàn)期間，閉環(huán)控制技術(shù)得到飛速發(fā)展，并且廣泛應(yīng)用于各種武器系統(tǒng)如軍用飛機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、火炮射擊控制系統(tǒng)等。而以二位著名科學(xué)家的姓名命名的Boad流程圖和Nyquist流程圖至今仍在設(shè)計(jì)反饋系統(tǒng)時(shí)得到大量應(yīng)用。一、

2、閉環(huán)控制的基本原理閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作目的是為了讓?xiě)?yīng)用者獲得預(yù)期目標(biāo)，系統(tǒng)包括比較子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、處理子系統(tǒng)及傳感器子系統(tǒng)，其中控制子系統(tǒng)就是電腦，用于處理各種輸入/輸出信息。應(yīng)用者輸入預(yù)期目標(biāo)值x，控制子系統(tǒng)(電腦)自動(dòng)將此預(yù)期目標(biāo)值x與即刻測(cè)量值y’......作比較，所得出的差值e再次輸入控制子系統(tǒng)，電腦對(duì)輸入的e作出進(jìn)一步處理，并輸出處理信息u至處理子系統(tǒng)，處理子系統(tǒng)再修改輸出信息y，直至y與x相等(圖1)。閉環(huán)控制技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是其輸出的信息可得到非常精確的控制，其控制原理的核心是在零誤差前提下迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)處理過(guò)程的變化不敏感，即使處理子系統(tǒng)發(fā)生變化，

3、預(yù)期目標(biāo)值仍能迅速達(dá)到。其次處理子系統(tǒng)的瞬間反應(yīng)速度很快，并可排除各種外源性干擾。所有這些優(yōu)點(diǎn)也帶來(lái)一些不足之處：(1)系統(tǒng)中子系統(tǒng)單元數(shù)量增加，系統(tǒng)復(fù)雜性也增加，傳感器成為系統(tǒng)中最昂貴的一部分；(2)增加了控制子系統(tǒng)的內(nèi)部不穩(wěn)定性[1]。xeuy比較子系統(tǒng)控制子系統(tǒng)處理子系統(tǒng)y’傳感器圖1.閉環(huán)控制系統(tǒng)(反饋控制系統(tǒng)或伺服系統(tǒng))的流程圖數(shù)學(xué)方程：e=x-y’，u=f(u),y’=y閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械通氣時(shí)，例如進(jìn)行容積控制通氣(VCV)時(shí)，輸入信息為潮氣量，吸入潮氣量隨著吸氣閥開(kāi)放時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，若患者氣道阻力很小，吸氣閥只須稍許打開(kāi)，而當(dāng)氣道阻力很高時(shí)，吸氣閥則可完全打

4、開(kāi)，這樣無(wú)論氣道阻力怎樣變化，閉環(huán)控制系統(tǒng)總能提供恒定的吸氣流速。而在壓力控制通氣(PCV)，閉環(huán)控制系統(tǒng)中輸入信息為氣道壓力，而傳感器則為壓力傳感器。一、閉環(huán)控制在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展1953年，Saxton與Myers成為第一批開(kāi)發(fā)閉環(huán)控制機(jī)械通氣的科學(xué)家，他們?cè)噲D讓呼吸機(jī)自動(dòng)調(diào)整吸氣壓力來(lái)控制PetCO2保持恒定[2]。隨后Frumin開(kāi)發(fā)了第一個(gè)具有實(shí)用功能的閉環(huán)控制麻醉通氣系統(tǒng)，通過(guò)應(yīng)用其所設(shè)計(jì)的麻醉機(jī)，他發(fā)現(xiàn)圍手術(shù)麻醉期間的“可重復(fù)步驟”如控制通氣、氧氣與麻醉氣體的混合及氣體濃度的監(jiān)測(cè)等采用閉環(huán)控制可比人為控制更準(zhǔn)確、有效。......Frumin對(duì)50例圍手術(shù)期患者應(yīng)

5、用PetCO2閉環(huán)控制原理對(duì)其PaCO2進(jìn)行調(diào)控，將每次呼氣后測(cè)得的PetCO2與預(yù)設(shè)目標(biāo)值進(jìn)行比較，出現(xiàn)允許范圍內(nèi)的差值(ΔPetCO2)將導(dǎo)致下一次通氣時(shí)吸氣壓產(chǎn)生0.2mmHg的調(diào)整，即閉環(huán)控制系統(tǒng)以PetCO2為靶目標(biāo)，將吸氣壓作為輸出變量[3,4]。1973年，Coles等研制的閉環(huán)控制機(jī)械通氣系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)呼出氣CO2濃度(FeCO2)、吸入氧濃度(FiO2)及麻醉氣體容積等來(lái)反饋控制機(jī)械通氣和麻醉深度，在保持通氣頻率不變的前提下，調(diào)整吸入潮氣量(VT)來(lái)控制PetCO2。其研究成果在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中獲得成功[5]。1978年，Coon等在SiemensServo900C呼吸

6、機(jī)上聯(lián)接了一個(gè)動(dòng)脈血pH傳感器從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，呼吸機(jī)自動(dòng)調(diào)整潮氣量以保持動(dòng)脈血pH處于7.3~7.5范圍內(nèi)，此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)亦獲得成功[6]。一、現(xiàn)代閉環(huán)控制機(jī)械通氣臨床醫(yī)師接觸閉環(huán)控制理論是源自于SiemensServo900C呼吸機(jī)中的“Servo”一詞，Servo(伺服)的含義即為閉環(huán)控制。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的多種通氣模式都應(yīng)用閉環(huán)控制技術(shù)控制呼吸機(jī)輸出的壓力和/或容積，而且已能做到在一次通氣內(nèi)或每一次通氣內(nèi)對(duì)輸出的壓力和/或容積進(jìn)行雙重控制(dualcontrol)[7]。1.一次通氣內(nèi)的雙重控制即呼吸機(jī)對(duì)輸出的潮氣量由單純的壓力控制轉(zhuǎn)為壓力、容積雙控制。典型代表是容積保障壓力

7、支持通氣(volume–assuredpressuresupport,VAPS)和壓力擴(kuò)增(pressureaugmentation,PA)，其通氣目標(biāo)是在保證最小潮氣量和分鐘通氣量的前提下減少患者呼吸作功(workofbreath,WOB)[8,9]......。VAPS和PA將傳統(tǒng)壓力控制通氣中的初始高吸氣流速與容積控制通氣中的恒定潮氣量相結(jié)合，吸氣觸發(fā)后呼吸機(jī)可根據(jù)患者的實(shí)際吸氣需求自動(dòng)調(diào)整吸氣流速，氣道壓迅速到達(dá)預(yù)設(shè)吸氣壓水平，隨后吸氣流速逐漸降低以保持吸氣壓恒定，同時(shí)呼