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多药物MIMO模糊逻辑智能系统监控血压与心排量 |
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www.nanhushi.com 佚名 不详 |
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[摘要] 目的 本文以动物实验证实4种药物多输入多输出的模糊逻辑智能系统的监控血压及心排量的原理及方法。方法 在模糊决策制定模块的基础上现用模糊心血流动力学控制模块和治疗评估模块组成系统。结果 对4种药物6种症状的狗实验证实此系统实际成效。结论 应用4种药物MIMO模糊逻辑系统是利用狗实验成功的方法，将会对临床应用引入创新性。
[关键词] 模糊逻辑；模糊心血流动力学控制模块；模糊治疗评估模块
Multi drugs MIMO fuzzy logic intellectual system monitors blood pressure and cardiac output
XI Beili.Shanghai Xuhui District Central Hospital,Shanghai 200031,China
[Abstract] Objective This paper demonstrates a dog experiment with 4 drugs multiinputmultioutput (MIMO) fuzzy,logic intellectual system (FLIS) for monitors of blood pressures and cardiac output by their principles and methods.Methods Based upon the fuzzy decisionmaking module (FCMM) to utilize the fuzzy homodynamic control module (FNCM) and the therapeutic assessment module (TAM) for complete system. Results For 4 drugs and 6 cases dog experiment verification leads to systems practical achievements.Conclusion This 4 drugs MIMO FLIS has shown successful dog experiments and it shows innovation of future clinic implementations.
[Key words] fuzzy logic;fuzzy homodynamic;control module (FHCM);fuzzy therapeutic;assessment module
回顾多种药物的多输入多输出滴注的发展历史，可帮助我们更全面了解问题。从前有经典理论与方法，如贝叶统计法(Bayesion Static)、模型分类法、概率近似法、决策树法等。但是美国加州贝克莱大学教授、模糊集理论的创始人L.A.Zaden首次将模糊逻辑用于医学科学的MUCIN系统成功以后，再加启发规则及不确定性概念的应用，直到2006年4月Zaden又指明智能系统与知识工程学中问题-回答机(Q-A)的发展方向。启发人们除了应用模糊决策制定于心血流动力学不稳定性的临床诊断外，对基于疾病因果的深知识和基于依靠药物与症状之间隐含关系的浅知识，都能转变为雏形的证明准则的。例如临床上多种药物的MIMO滴注是能监控的，不会有矛盾干扰的，譬如用麻醉剂、输血、病人卧位改变、有关药物的灵敏度差异、体循环的高度非线性特点等都有干扰，现都已用比例、积分、微分调节器(PID controller)来正确处理成功。譬如两种药物的单输入单输出(SISO)滴注早已应用于临床，后来加配系统随机适应控制法、数学模型参考法、基于规则的专家系统法、人工神经网络法等。随后研发多种药物MIMO滴注，都从动物试验为基础，到1992年C.Yu和R.I.Roy用4种药物来滴注以监控MAP和CO，并且都从心血流动力学和生命科学、计算机科学的基础研究开始的，然后理论密切联系实际应用于临床方面成功的。总之，模糊智能系统包含三大部分：模糊决策制定模块输出症状到模糊血流动力学控制模块(FHCM)和治疗评估模块(TAM)，是有内在密切联系的。前者已发表论文，今特阐明FHCM及TAM于本文。
1 原理与方法
1.1 模糊血流动力学控制模块(FHCM) 经过模糊决策制定模块输出的症状会显示病人心血流动力学参数的不稳定，必须再用模糊心血流动力学控制模块(FHCM)来决定每种药物的剂量及滴注速率，所以它是依据麻醉师及心脏病医师等专家的知识和经验来指引模糊集合的准则，原理也类似FDMM的模糊集函数，就在实数域[-1,1]之间用7种模糊集：(1)NB负大；(2)NM负中；(3)NS负小；(4)ZE零；(5)PS正小；(6)PM正中；(7)PB正大。方法是将模糊启发引擎的输入量先行模糊化为语言变量，例如MAPerr是MAP的误差为前面输入参数的离散导数；COerr是CO的改变量，依此类推。方法中注意在模糊化过程中应指明模糊范围的带状，譬如MAPerr是一条60 mmHg的带状范围，它有[-40,20]mmHg的血压范围；COerr是一条60 ml/(kg·min)的带状范围；MAPerr是一条8 mmHg的带状范围，它有[-6,2]mmHg血压范围。同时规定误差改变范围对MAP和CO均为[-10,10]，对MPAP为[-3,-3]，见图1。图1 FHCM用4种药物的7种模糊集症状的图解(略)
改变4种药物滴注剂量及速率都靠模糊启发引擎的模糊化控制输出的，如图1所示的7种模糊函数。模糊化方法即可用图形块的求重心方法或用计算公式计算。
药物剂量是经过1988年IEEE生物医学工程学国际会议集体讨论后规定的。硝基氢酸钠NTP的剂量范围是[-7,8]μg/(kg·min)，多巴胺DA剂量为[-0.8,0.5]μg/(kg·min)，硝基甘油NTG剂量为[-8,9]μg/(kg·min)，脱羟肾上腺素PNP剂量为[-6,5]μg/(kg·min)。
经过FHCM输出的ΔDA、ΔNTG、ΔNTP和ΔPNP到治疗评估模块(TAM)。因为模糊决策制定模块(FDMM)和模糊心血流动力学控制模块(FHCM)都应用模糊逻辑来模仿人的思维过程，但是治疗评估模块是代表人的逻辑思维过程来分析推理出结论的，因此它提供各种智能系统的线性任务的监督指令，譬如包括病人安全性监督的药物编程，以利确认准则及例外情况与意外事件的检查等。
1.2 监督控制 治疗评估模块(TAM)：TAM的原理是其编程要根据一套药物准则来编程，要定出几种参数和FDMM所考虑的症状，再执行药物滴注程序、剂量、滴注速率等。TAM应考虑前一个疗程所经过的时间，以便模拟一位麻醉师或心脏专科医院医师的决定来实现病人处方的适当治疗的。TAM系统应根据药物的延迟和现实的治疗策略来处理药物性质，并考虑如何加减药物与其剂量的。
TAM的方法首先考虑病人的安全性的好几种算法，都设计的保证其可靠的输入量，并且监督自动滴注全系统的性能要可靠。譬如延长滴注硝基氢酸钠NTP的方法会形成过份的硫代氢化物(thiocyanate)，它会使病人眼睛模糊看不清楚、心理混乱痉挛骚动，甚至神经错乱，此方法必须引起重视。一个智能TAM系统必须有一个简单的药物计数器作为其监控模块里的一部分，以便监控任何可能发生意外事故及病人体内积累总量超限。为此具体的方法，用下列语言结构、表面结构及电脑用深度结构举例为方法示例。
1.2.1 语言结构 IF：血压从原来已高的数值起升得很快心排量稳定的肺血管血压从界低值起正在降落中；THEN：适当地放慢左侧边血流循环慢慢地切断任何变力作用滴注不改变右侧边血流循环慢慢地切断任何血管的收缩药滴。
1.2.2 表面结构 IF：MAD是界高和正在很快升中，和CO是足够的，和并不改变，和MPAP是界低，和正在慢慢地降低中；THEN：增加硝基氢酸钠NTP慢慢地增界减少多巴胺DA不改变硝基甘油NTG界减少脱肾上腺素PNP。
1.2.3 深度结构 IF：(MAPerr=PM) AND (chg MAPerr=PB) AND (COerr=ZE) AND (chg COerr= ZE) AND (MPAPerr=NS) AND (chg MPAPerr=PS)；THEN：(chg NTP=PM),(chg DA=NS),(chg NTG=ZE),(chg PNP=NS)。
2 结果
根据模糊集理论结合前述多药物滴注的智能系统，所用一系列if-then准则，其准则格式都类似于前述FDMM及TAM方法所示，只不过FHCM有6个“if”条件为前提，如图1所示模糊语言对心血流动力学参数的描述，并且有4个“then”作为药物滴注速率的模糊语言变化，所以结果是很明显的统一的成功的。
经过狗试验的结果证实用多巴胺DA和硝基氢酸钠NTP来同时监控一只充血性心力衰竭(CHF)的狗和MAP和CO。而这只狗是用较高级麻醉剂氟烷(halothane EtHal)送入狗的吸气管来降低血流动力学参数的。如图2a、2b、2c、2d分别所示MAP、CO、MPAP及模糊智能系统4种药物滴注速率与症状的影响曲线。
由图2所示这只患CHF的狗滴注DA、NTG、PNP后对其MAP、MPAP和CO都是有影响的。症状6的FDMM治疗策略和用NTG在10 min后影响MAP较明显的，而影响MPAP和CO并不明显的，所以对MAP如果从95~100 mmHg增加到125~130 mmHg，并将CO从最小值95 ml/(kg·min)增加到95 ml/(kg·min)，就会改变症状了。立刻从FDMM确认这点改变，在图2d所示x点处条件改变点即在10.5 min时候次一个调节步骤使其改变，即如图2d所示从症状6改为症状1，此时刻多巴胺立即滴入，并维持滴注速率5 μg/(kg·min)约2.5 min，当即将硝基甘油NTG慢慢地减掉。所以10 min后，由于FDMM加FHCM的作用，不同程度的药物滴注，都会有所影响的。所有结论是用多药物MIMO模糊逻辑系统，是用狗做试验成功的方法，将会对临床应用引入创新性。
a 狗试验中MAP(mmHg)的变化曲线
b 狗试验中CO[ml/(kg·min)]的变化曲线
c 狗试验中MPAP(mmHg)的变化曲线
d 狗试验中用三种药物DA、NTG、PNP的滴注速率[μg/(kg·min)]变化曲线，X点处是条件改变点
图2 狗患充血性心脏衰竭症状时用三种药物滴注的变化(略)
3 讨论
展望生命科学发展形势，多药物的智能滴注系统是对临床应用具有可行性的，因为这种系统按照模糊集理论结合生命科学，计算机科学的发展，能够调节与监控人心血流动力学参数是遵照FDMM、FHCM和ATM的系统鲁棒性主要特点，所以能够维持好病人的心血流动力学参数的稳定性的。
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| 文章录入：杜斌 责任编辑：杜斌 |
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