閉環(huán)控制與現(xiàn)代機(jī)械通氣

1、閉環(huán)控制與現(xiàn)代機(jī)械通氣閉環(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”(closedloopcontrol)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

2、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、一、閉環(huán)控制的基本原理閉環(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’

3、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

4、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[34]。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

5、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、三、現(xiàn)代閉環(huán)控制機(jī)械通氣現(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

6、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支持通氣(volume–assuredpressuresupptVAPS)和壓力擴(kuò)增(pressureaugmentationPA)，其通氣目標(biāo)