自动机械通气的最优控制研究

端慧敏，陈爱华，詹宁波

自动机械通气的最优控制研究

端慧敏，陈爱华，詹宁波

目的：研究一种方法使呼吸机通气量保持在适当的范围内，用以改善机械通气质量。方法：利用MATLAB仿真工具建立仿真模型，在总结大量临床实践经验的基础上，利用遗传算法和模式搜索算法寻找最优的呼吸机参数向量。结果：应用最优控制算法之后，呼吸机的各生理参数得到显著改善。结论：该自动机械通气最优控制算法不仅可有效维持血酸水平，提高血氧含量，而且有效避免了气压伤等机械通气损伤并发症的发生。

机械通气；最优控制；机械通气损伤

0 引言

机械通气是目前广泛使用的一种生命支持方法。大部分重症监护单元中的患者利用呼吸机进行肺部机械通气以维持生命。有研究表明，我国医院中使用呼吸机进行生命支持的患者超过500万，这一数字正逐年增加。使用机械通气的危重症患者死亡率为31%～37%[1-2]。39%的患者应用机械通气方法进行呼吸支持[3]。由于自动机械通气有着诸多优点，未来会有越来越多的患者依赖呼吸机进行通气治疗。但是，机械通气容易造成患者肺损伤[3-7]。机械通气肺损伤（ventilator-associated lung injury，VALI）会导致肺炎、永久性肺纤维化和多器官功能衰竭的发生，从而延长患者在重症监护单元的滞留时间。

目前，机械通气质量的综合评价方法十分有限，尚未建立一套成熟的机械通气评价指南和体系。由于地域、医院和患者的不同，机械通气控制管理方法会产生差异，且机械通气操作也无统一要求[8]。因此，VALI的定量评价将是机械通气领域中的一个重大课题。在临床治疗中，直接定量测量与机械通气有关的诸多关键生理参数存在较大的困难。因此，对这一问题的研究，我们通常借助于计算机模型。有研究提出并建立了一些较为简易的机械通气生理模型。由于这些模型并未考虑诸如肺泡顺应性的非线性及肺泡通气气道闭塞等问题，因此，不能完美仿真机械通气的真实生理过程。高肺泡峰值压将会导致肺泡损伤。高气道压是导致肺泡压较大的主要原因。但对于具有病理缺陷的肺来说，由于病理性质以及时间状态的不同，无法准确测量峰值肺泡压的分布特点。

本研究提出了一种自动机械通气最优控制方法，可依据动脉血O2和CO2的水平综合调节机械通气参数，权衡机械通气增氧量和肺损伤危险，将机械通气质量维持在最佳水平。本研究基于一种高质量机械通气仿真模型，同时调节5种机械通气控制参数（潮气量、通气频率、吸呼比、呼吸末正压（PEEP）和吸气氧体积分数），目的是在增加O2体积分数、减少CO2体积分数和维持pH值的同时，减少肺损伤发生的可能性。

1 仿真模型的建立

本研究基于诺丁汉模型，利用MATLAB仿真工具改进并丰富了该模型相关部分的功能和特性。该模型的结构如图1所示，其重要的仿真参数见表1。

诺丁汉模型基于一系列成熟的心肺功能生理关系公式，准确地仿真了心肺系统在不同情况下的动态变化特征。利用该模型可模拟不同生理参数的变化过程。机械通气模型是由外部设备（呼吸机）、解剖和肺泡死腔以及通气灌注肺泡组成的动态系统。系统模型遵循理想的空气动力学原理，模拟了由于吸入气体与核心体温之温差带来的气体流动。此外，系统模型还模拟仿真了由于吸入气体中O2、CO2和 N2的流动与交换导致的不同组织各种气体体积分数的变化。O2由肺泡进入肺部毛细血管，同时，CO2由毛细血管进入肺泡，这一过程实现了肺部气体交换的平衡。对于严重呼吸窘迫患者，本研究可将平均动脉血氧分压和平均动脉CO2分压的误差分别控制在0.05和0.09 kPa以内。

表1 诺丁汉模型相关参数

本研究综合了典型气体交换公式和内部血流循环中温度和等离子pH等生理化学效应，计算出了整个气体交换过程中血氧与血液CO2的交换量。利用耗氧量、呼吸商和心排量，本研究仿真了包括CO2产生和O2摄取的整个外周组织的氧代谢过程。本仿真研究中，呼吸机的机械通气模式为定流呼吸模式。

2 呼吸衰竭的仿真

基于诺丁汉模型建立的仿真肺由100个平行肺泡腔组成，每一个肺泡都有一定的主气管阻力（bronchiolar inlet resistance，BIR）。此外，每一个肺泡都有一个与其相对的毛细血管，且每一个毛细血管都有一定的血管阻力（pulmonary vascular resistance，PVR）。血液流经肺泡膜时进行气体交换，这是呼吸系统的主要功能。为了最优地完成气体交换，参与这一过程的通气量（用V表示）和血液灌注量（用Q表示）需要相互匹配。在很多情况下，通气量与灌注量不匹配是导致动脉血气异常的主要原因。图2显示了在正常情况下，健康仿真肺在一段时间内的压力、流量和容积特点。使用的机械通气参数为标准通气参数：潮气量400mL，通气频率12.5次/min，吸呼比1∶3，恒流方式。本研究通过调整不同的V/Q值来模拟不同的肺通气疾病。肺通气疾病往往是由于肺部气管与支气管过于狭窄导致的通气不畅，从而进一步导致肺V/Q值异常。由于V/Q值异常，导致BIR值过高，减少了肺通气量，从而导致慢性气管阻塞（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）[9]、哮喘[10]、肺栓塞[11]和急性呼吸综合征（acute respiratory distresssyndrome，ARDS）[12]等呼吸疾病。为较为逼真地仿真这些呼吸疾病的特点，本研究在调整V/Q值的基础上，不断增加肺泡的BIR和PVR值。本研究模拟的3种不同呼吸疾病的相关生理参数见表2，其中palv为最高肺泡压（alveolarpressure，palv）。从表2中我们可以看到，随着模拟病情的加剧，动脉氧分压（pa（O2））下降（均低于正常值的最小水平），而动脉二氧化碳分压（pa（CO2））上升。

图2 健康仿真肺在一段时间内的压力、流量和容积特点

表2 3种肺病的相关生理参数

3 机械通气参数优化算法

在重症监护单元的临床实践中，机械通气参数的设定范围具有较大差异。本研究在总结大量临床实践经验的基础上，统一规定了潮气量、通气频率、吸呼比、PEEP和吸气氧体积分数的设定范围。根据机械通气潮气量的设置标准（4～12mL/kg），本研究将潮气量设为280～840 mL，通气频率设置为6～35次/min，吸呼比（I∶E）设置为1∶4～4∶5，PEEP范围设置为0～24 cmH2O（1 cmH2O=98.063 8 Pa），吸氧体积分数设置为0.21～1。

本研究将pa（O2）作为一个关键的生理指标来辨识动脉氧含量。为了保证基本的生理代谢，pa（O2）需维持在8 kPa以上。此外，pa（CO2）是另一个间接反应酸平衡程度的肺通气指标，本研究将pa（CO2）维持在4～8 kPa之间。气压伤的危险程度与palv的相关性很强，因此，为避免导致气压伤，需保证palv在4 kPa以下。本研究保存了仿真实验得到的所有生理信号数据。pa（O2）和pa（CO2）为仿真实验最后2min的平均值。本研究设计的自动机械通气最优控制系统如图3所示。

图3 自动机械通气最优控制系统

本系统提出的最优化问题可以简化为以下数学公式表示

式中，J代表优化问题的目标函数，f（x）代表仿真模型，x为呼吸机优化控制参数向量。本研究中的自动机械通气的最优控制的作用即利用最优值搜索算法寻找最优x值，使得上式的计算结果最小。为获得最佳的利弊权衡效果，我们将目标函数J定义为J1与J2之和，如下式表示

J=J1+J2

J1和J2的定义分别如下

J1反映了由于高肺泡压导致肺损伤的危险程度，J2反映了由于肺通气不良导致发生相关呼吸疾病的危险程度。r1、r2和r3为归一量化因子，w1和w2为权重因子。在默认情况下，w1和w2的值为1，默认J1和J2危险程度的重要性相同。在实际应用中，可根据具体情况适当调整w1和w2的大小。为方便设计控制算法，本研究将5个呼吸机的控制参数量化在-1～1的范围内。

本研究综合利用遗传算法和模式搜索算法寻找最优的呼吸机参数向量。依据以往的经验和临床研究，我们选取30组呼吸机参数设置作为遗传算法的候选解，搜索计算代数为20。遗传算法的结果将作为模式搜索算法的初始化值。若J的改进效果小于10-3，或搜索演化次数大于600，则模式搜索算法停止运行。

4 实验结果

表3显示了应用最优控制算法之后，在3种不同疾病情况下，呼吸机控制参数设置和相应生理参数的改善结果。对比常规设置的呼吸治疗结果，可以看到生理参数得到了显著的改善，尤其是pa（O2）在3种情况下都得到了较大程度的提升。同时可以看到，血氧含量的改善是以增加palv为代价的。即使在这种情况下，palv仍然维持在最大极限值以下，处于较为安全的水平。

表3 自动机械通气最优化控制设置与相应生理参数

5 结论

本研究通过总结临床研究结果和实践治疗经验，提出了一种改善机械通气质量的最优通气参数自动设置算法。实验结果证明，该自动机械通气最优控制算法不仅可有效维持血酸水平，提高血氧含量，而且有效避免了气压伤等机械通气损伤并发症的发生。本研究提出的自动机械通气优化控制方法可方便地应用于未来高质量呼吸机的研制开发中，从而进一步提高呼吸机机械通气水平，改善通气质量。

[1]Esteban A，Anzueto A，Frutos F，etal.Characteristics and outcomes in adultpatients receiving mechanicalven tilation：a28-day international study[J].JAmerMed Assoc，2002，287：345-355.

[2]Esteban A，Erguson ND F，MeadeM O，etal.Evolution ofmechanical ventilation in response to clinical research[J].Am JResp Crit Care，2008，177：170-177.

[3]Zilberberg M D，Wit M de，Pirone JR，et al.Growth in adult prolonged acutemechanical ventilation：implications for healthcare delivery[J].CritCare Med，2008，36：1 451-1 455.

[4]Gammon R.Pulmonary barotrauma in mechanical ventilation.Patternsand risk factors[J].Chest，1992，102：568-572.

[5]DreyfussD，Saumon G.Barotrauma is volutrauma，butwhich volume istheone responsible[J].IntensiveCareMed，1992，18（3）：139-141.

[6]BoussarsarM，Thierry G，Jaber S，etal.Relationship between ventilatory settings and barotrauma in the acute respiratory distress syndrome[J].IntensiveCareMed，2002，28（4）：406-413.

[7]Anzueto A，Frutos F-Vivar，Esteban A，etal.Incidence，risk factors and outcomeofbarotrauma inmechanically ventilated patients[J].Intensive CareMed，2004，30（4）：612-619.

[8]Okamoto V N，Rubenfeld G D.Attending to the lightness of numbers：toward the understanding of critical care epidemiology[J].Crit Care，2004，8：422-424.

[9]Wagner PD，Dantzker DR，Duek R，etal.Ventilation-perfusion inequality in chronic obstructive pulmonary disease[J].JClin Invest，

（►►►►）（◄◄◄◄）1977，59（2）：203-216.

[10]Wagner P D，Dantzker D R，IacovoniV E，etal.Ventilation-perfusion inequality in asymptomatic asthma[J].Am Rev Respir Dis，1978，118（3）：511-524.

[11]Elliott C G.Pulmonary physiology during pulmonary embolism[J]. Chest，1992，101：163S-171S.

[12]Pappert D，Rossaint R，Slama K，et al.Influence of positioning on ventilation perfusion relationships in severe adult respiratory distress syndrome[J].Chest，1994，106（5）：1 511-1 516.

（收稿：2013-12-23修回：2014-02-15）

Research on optimal control of automaticmechanical ventilation

DUAN Hui-min1,CHEN Ai-hua2,ZHAN Ning-bo3
(1.DepartmentofMedical Engineering,the First Hospital Affiliated to General Hospital of the PLA,Beijing 100048,China; 2.Procurement Center,the 302nd Hospital of the PLA,Beijing 100039,China;3.Center for Medical Engineering Support and Management,the 302nd Hospital of the PLA,Beijing 100039,China)

Objective To develop a method keeping the ventilation in a suitable range,so as to improve the quality of mechanical ventilation.Methods MATLAB,genetic algorithm and pattern search algorithm were involved in determining the optimal parameters for the respirator.Results Optimal control algorithm made the parameters of the respirator improved greatly.Conclusion The optimal automatic control method can ensure a high-quality ventilation with improved oxygen content and less risk of VALI.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（7）：18-20,36]

mechanical ventilation;optimal control;ventilator-associated lung injury

R318；TL361

A

1003-8868（2014）07-0018-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.07.018

端慧敏（1976—），女，主管技师，主要从事急救设备及卫生材料质控方面的研究工作，E-mail：315744713@qq.com。

100048北京，解放军总医院第一附属医院医学工程科（端慧敏）；100039北京，解放军302医院采购中心（陈爱华），医学工程保障管理中心（詹宁波）