閉環(huán)控制與現(xiàn)代機(jī)械通氣

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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-loop control)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、 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，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]。 x e u y 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。 二、 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)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Siemens Servo 900C呼吸機(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]。 三、 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Siemens Servo 900C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(dual control)[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支持通氣(volume – assured pressure support, VAPS)和壓力擴(kuò)增(pressure augmentation, 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(work of breath, 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)呼吸機(jī)內(nèi)的微電腦自動(dòng)將實(shí)際已釋放的潮氣量與預(yù)設(shè)潮氣量進(jìn)行比較，若發(fā)現(xiàn)仍未達(dá)到預(yù)設(shè)值，呼吸機(jī)便按預(yù)設(shè)吸氣流速繼續(xù)供氣直至完成預(yù)設(shè)潮氣量(圖2)。 2. 每一次通氣內(nèi)的雙重控制 即呼吸機(jī)通過(guò)自動(dòng)調(diào)整吸氣壓水平以保持每一次通氣的潮氣量恒定不變。典型代表包括壓力調(diào)節(jié)容積控制通氣(pressure regulated volume control, PRVC)、適應(yīng)性壓力通氣(adaptive pressure ventilation, APV)及自動(dòng)變流(autoflow)等，其通氣目標(biāo)是呼吸機(jī)隨著患者呼吸系統(tǒng)力學(xué)特性的變化自動(dòng)調(diào)整吸氣壓，并完成預(yù)定的潮氣量和分鐘通氣量的釋放。此時(shí)呼吸機(jī)提供的每一次通氣均為壓力限制、容積切換方式，對(duì)每一次通氣進(jìn)行負(fù)反饋控制(圖3)[10]。 吸氣觸發(fā) 吸氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)值 是 實(shí)際潮氣量≥預(yù)設(shè)值 吸氣流速降至25%峰流速 是 否 吸氣流速>預(yù)設(shè)值 吸氣終止 否 轉(zhuǎn)為預(yù)設(shè)吸氣流速 是 否 否 是 吸氣壓<預(yù)設(shè)值 實(shí)際潮氣量≥預(yù)設(shè)值 圖2. VAPS和PA的工作流程示意圖 3. 自動(dòng)模式切換(automode) Siemens Servo 300A呼吸機(jī)具有此項(xiàng)功能。automode將PRVC與容積支持通氣(volume support ventilation, VSV)結(jié)合在一起，若患者無(wú)自主呼吸，呼吸機(jī)提供PRVC模式控制通氣，當(dāng)患者出現(xiàn)連續(xù)2次自主呼吸時(shí)，呼吸機(jī)便自動(dòng)切換為VSV模式輔助支持(圖4)。automode也可從VCV切換為VSV，故較適用于撤機(jī)階段[11, 12]。 指令觸發(fā) 吸氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)值(P = VT/Cst) 否 吸氣時(shí)間 = 預(yù)設(shè)值 是 吸氣終止 計(jì)算Cst (VT/ΔP) 否 實(shí)際潮氣量 =預(yù)設(shè)值 重新設(shè)定吸氣壓 吸氣壓不變 圖3. PRVC的工作流程示意圖 吸氣觸發(fā) 吸氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)值(P = VT/Cst) 否 吸氣流速降至5%峰流速 是 吸氣終止 計(jì)算Cst (VT/ΔP) 否 實(shí)際潮氣量 =預(yù)設(shè)值 重新設(shè)定吸氣壓 吸氣壓不變 圖4. VSV的工作流程示意圖 4. 分鐘指令通氣與適應(yīng)性支持通氣 1977年，Hewlett等報(bào)道了一種新的通氣模式—分鐘指令通氣(mandatory minute volume, MMV)[13]。即呼吸機(jī)允許患者在預(yù)設(shè)分鐘通氣量水平以上自主呼吸，并每間隔一段時(shí)間計(jì)算實(shí)際分鐘通氣量，若實(shí)際分鐘通氣量低于預(yù)設(shè)值，呼吸機(jī)便提供指令通氣直至達(dá)到預(yù)設(shè)值。故又稱為最小分鐘通氣(minimum minute volume, MMV)。不同型號(hào)呼吸機(jī)的MMV也不盡相同，有的采用雙重控制技術(shù)，呼吸機(jī)根據(jù)患者的自主呼吸狀況自動(dòng)調(diào)整吸氣壓(Hamilton Veolar)[14]。20世紀(jì)90年代Hamilton公司又開(kāi)發(fā)出適應(yīng)性支持通氣(adaptive support ventilation, ASV)，呼吸機(jī)在每一次通氣的基礎(chǔ)上逐步調(diào)整各項(xiàng)通氣參數(shù)(壓力、通氣頻率和潮氣量等)，其通氣目標(biāo)是呼吸機(jī)在提供預(yù)設(shè)的分鐘通氣量的同時(shí)盡可能減少患者吸氣作功。ASV可根據(jù)患者的實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整通氣支持程度，適用于機(jī)械通氣的各個(gè)階段，在某種程度上被認(rèn)為是一種“智能化”通氣模式[15~17]。 5. 比例輔助通氣 傳統(tǒng)的機(jī)械通氣模式提供患者恒定的通氣支持，但不管患者的實(shí)際需求。比例輔助通氣(proportional assisted ventilation, PAV或proportional pressure support, PPS)則不同，它通過(guò)對(duì)患者的吸氣努力進(jìn)行成比例的放大，提供輔助通氣支持[18]。在PAV中，吸氣壓力和吸入潮氣量不再是預(yù)設(shè)值，而是隨著患者的實(shí)際需求相應(yīng)增減，呼吸機(jī)僅提供容積輔助(volume assist, VA)和流速輔助(flow assist, FA)。VA和FA分別用于克服呼吸系統(tǒng)的順應(yīng)性和氣道阻力，但不能100%輔助，否則會(huì)出現(xiàn)“脫逸”現(xiàn)象(runaway)，呼吸機(jī)便無(wú)法與患者的吸氣努力保持同步。PAV是一種正反饋控制機(jī)械通氣模式，可明顯改善人機(jī)協(xié)調(diào)性[19, 20]。 四、 模糊邏輯控制 20世紀(jì)60年代，在人工智能研究領(lǐng)域推出了一種新技術(shù)—模糊邏輯控制(fuzzy logic control)。模糊邏輯控制技術(shù)是人類試圖尋求某種模擬人為調(diào)控方式來(lái)控制機(jī)械運(yùn)作的一種手段，在應(yīng)用模糊邏輯控制過(guò)程中，必須先對(duì)某一關(guān)鍵變量行“模糊化”處理，而這個(gè)“模糊化”處理的過(guò)程就是模擬人類自己思維方式的過(guò)程。模糊邏輯控制技術(shù)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域如制造業(yè)、紡織業(yè)等得到廣泛應(yīng)用，只是到了近10年，才開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)械通氣的設(shè)計(jì)[21]?？梢灶A(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，模糊邏輯控制技術(shù)能輔助臨床醫(yī)師判斷危重病患者的病情變化，作出相應(yīng)的反應(yīng)而無(wú)須人為干預(yù)。模糊邏輯控制技術(shù)會(huì)應(yīng)用于機(jī)械通氣的各個(gè)環(huán)節(jié)。 閉環(huán)控制包涵了一系列技術(shù)，從最簡(jiǎn)單到相對(duì)復(fù)雜的。最簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制為根據(jù)一個(gè)輸入信息而對(duì)一個(gè)輸出變量進(jìn)行控制，如壓力支持通氣(PSV)；相對(duì)復(fù)雜的閉環(huán)控制則可根據(jù)多個(gè)輸入信息來(lái)對(duì)多個(gè)輸出變量進(jìn)行調(diào)控。近年來(lái)又有人開(kāi)始研究根據(jù)人體神經(jīng)生理反應(yīng)來(lái)控制機(jī)械通氣的支持程度以及將模糊邏輯控制技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械通氣等課題[22]。故閉環(huán)控制機(jī)械通氣仍有很在的發(fā)展前景，隨著新世紀(jì)的到來(lái)，越來(lái)越多的新型通氣模式將會(huì)不斷推出。 參考文獻(xiàn) 1. 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