4種藥物多輸入多輸出滴注用模糊邏輯系統(tǒng)的決策制定

4種藥物多輸入多輸出滴注用模糊邏輯系統(tǒng)的決策制定

【關(guān)鍵詞】輸入多輸出;平均動(dòng)脈壓;平均肺動(dòng)脈壓;心排出量;模糊決策制定模塊

［摘要］目的研究多年來老年心臟病手術(shù)及手術(shù)后監(jiān)護(hù)時(shí)，4種藥物多輸入多輸出滴注用模糊邏輯系統(tǒng)的決策制定的原理及方法。方法從模糊邏輯原理起到4種藥物對(duì)老年心臟病6種癥狀的病理狀態(tài)及治療策略加以研究。結(jié)果求得典型的模糊邏輯用語言結(jié)構(gòu)，表層結(jié)構(gòu)及電腦用的深度結(jié)構(gòu)。結(jié)論在模糊邏輯理論的概念基礎(chǔ)上，可算得模糊化輸出，代入病人癥狀的主要生理參數(shù)MAP，MPAD和CO檢測(cè)值，應(yīng)用模糊匹配及準(zhǔn)則計(jì)算的結(jié)果就是4種藥物多輸入多輸出滴注時(shí)的決策制定成功。以一種狗實(shí)驗(yàn)的結(jié)論證明此種模糊決策制定模塊確能成功應(yīng)用于臨床。

［關(guān)鍵詞］多輸入多輸出;平均動(dòng)脈壓;平均肺動(dòng)脈壓;心排出量;模糊決策制定模塊

DecisionmakingoffuzzylogicsystemforfourdrugsMIMOinfusion

［Abstract］ObjectiveToresearchfourdrugsMIMOinfusionbyfuzzylogicsystem’sdecisionmaking’sprincipleandmethodorgeriatricheartdiseasepatients’operatingandofferoperatingclinicalmonitoringforyears.

MethodsResearchfromthefuzzylogicprincipletosolutionsofsixcasesofpatientstatus,possiblepathologicalstatesandtherapeuticstrategyforfourdrugstogeriatricpatients.

ResultsTypicalfuzzylogiclingualstructure,surfacestructureanddeepstructureareobtained.

ConclusionBasedonprincipalconceptsandtheoryofthefuzzylogic,tocalculatefuzzyoutputs,substitutemainphysiologicalparametersMAP,MPAPandCOdataofpatients,togetachievementsoffuzzydecisionmakingoffourdrugsMIMOinfusionbymeansoffuzzymatchingandruledogexperimentandonepatientsimulationleadtoconclusionandverificationofthisFDMMissuccessfullyappliedtoclinicalcase.

［Keywords］multiinputmultioutput;meanarterialpressure;meanpulmonaryarterialpressure;cardiacoutput;fuzzydecisionmakingmodule

多年來在老年心臟病人胸外科手術(shù)時(shí)及手術(shù)后監(jiān)護(hù)時(shí)，醫(yī)務(wù)人員都特別重視及時(shí)監(jiān)控病人的主要生理參數(shù)如MAP、MPAP和CO等，從前由于經(jīng)驗(yàn)及條件等不夠成熟，往往采用一、二種藥物人工滴注，如正性肌力作用的藥物和血管活性藥物等兩種單輸入單輸出滴注，結(jié)果效率很差。近30余年歐美發(fā)展了多種藥物的MIMO滴注，用4種藥物的MIMO滴注是用雙線性模型受到干擾、噪聲和時(shí)變的藥物動(dòng)力學(xué)滯后等影響，用自適應(yīng)、自校正、多變量控制系統(tǒng)組成滴注系統(tǒng)，使病人的MAP和CO維持一定的范圍內(nèi)［1，2］。其原理是識(shí)別病人癥狀動(dòng)態(tài)，在識(shí)別基礎(chǔ)上做出決策來改變治療法，但太復(fù)雜又不穩(wěn)定。到了1965年LotfiA.Zadeh首創(chuàng)模糊集理論以后，啟發(fā)和引導(dǎo)了以模糊集理論為基礎(chǔ)，結(jié)合生命科學(xué)、信息科學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)和醫(yī)學(xué)實(shí)踐，近10年來認(rèn)識(shí)了將人體作為整個(gè)疾病所致的復(fù)雜的系統(tǒng)的重要概念，將模糊集理論對(duì)準(zhǔn)整個(gè)人體系統(tǒng)，概括為2個(gè)概念，即模糊化和微?；瘍煞N模式，能夠提供真正理解時(shí)間、距離、形狀、力度、內(nèi)含、相似度、真實(shí)度和其他物理的和心理生理的屬性，所以模糊集理論被成功應(yīng)用于人的感知與檢測(cè)之間的活動(dòng)，并且不受傳統(tǒng)性約束而將生命科學(xué)問題從檢測(cè)到感知各方面，從局部到整個(gè)人體系統(tǒng)，逐漸解決問題，所以模糊邏輯作為4種藥物多輸入多輸出滴注來控制人體血壓及心排出量正是模糊集理論結(jié)合生命科學(xué)的典型應(yīng)用實(shí)例。

1目的

多年來老年心臟病人在胸外科手術(shù)時(shí)及手術(shù)后需要特別認(rèn)真、仔細(xì)、及時(shí)地科學(xué)化監(jiān)護(hù)，例如心臟病手術(shù)后充血性心力衰竭就發(fā)生心肌收縮，于是將心肌耗氧量減到最小值，降低舒張壓終值以增加CO或維持好的CO，可是實(shí)際上如何選好和用好多種藥物滴注卻是個(gè)難題。為了解決監(jiān)護(hù)時(shí)用4種藥物多輸入多輸出滴注，就要用模糊邏輯系統(tǒng)的決策制定原理來做成模糊決策制定模塊，作為整個(gè)智能監(jiān)控系統(tǒng)的第一主要模塊，然后配好第二重要的模糊血流動(dòng)力學(xué)控制模塊，和第三重要的治療評(píng)定模塊?？傊瓼DMM是整個(gè)智能監(jiān)控系統(tǒng)的第一步關(guān)鍵。

2原理與方法

由于在中國(guó)某醫(yī)院胸外科手術(shù)室及重病監(jiān)護(hù)中心已經(jīng)成功用2種藥物滴注來監(jiān)控MAP和CO，都有原理太簡(jiǎn)略，多方面因素欠考慮周到的缺點(diǎn)，而模糊集理論創(chuàng)始人LoftiA.Zadeh的近年著作指出，人工系統(tǒng)與知識(shí)工程學(xué)的重點(diǎn)之一［3］，問答機(jī)Q/A系統(tǒng)具有歸納與演繹功能，利用概率論、模糊集理論及計(jì)算機(jī)科學(xué)就能解決實(shí)際問題，正如Zadeh在2006年4月7日在上海市2006國(guó)際智能系統(tǒng)與知識(shí)工程學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上宣講論文中所述?？傊?，本方法依據(jù)的原理是Zadeh所創(chuàng)的模糊集理論，所用具體即是模糊邏輯。生命科學(xué)是以人體為一個(gè)整體系統(tǒng)的觀點(diǎn)，用理論聯(lián)系實(shí)際的方法，盡可能少用數(shù)學(xué)模型求解，而先用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)后人體臨床試驗(yàn)來進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

現(xiàn)在采用4種藥物是：多巴胺；硝基甘油；硝普鈉；脫羥腎上腺素。具體的4種藥物滴注及檢測(cè)系統(tǒng)安排如圖1所示。前述模糊邏輯系統(tǒng)方法圖解如圖2所示，明確其原理和方法。圖2中從病人檢測(cè)到的數(shù)據(jù)SVRI、DVRI和CI分別為系統(tǒng)血管流阻指數(shù)，等于×/CI；肺血管流阻指數(shù)，等于×/CI；心指數(shù)為等于心排出量除以體面積，即等于CO/，此處W是體重，H是體高度。然后FDMM輸出病人癥狀的電腦符號(hào)到FHCM，這時(shí)候病人給予FHCM3種數(shù)據(jù)：MAP、MPAP、CO，而且FHCM輸出監(jiān)控的4種藥物調(diào)節(jié)量DA、NTG、NTP、PNP，最后由TAM滴注4種藥物以一定的滴注速率到病人身上的。以此FDMM能起到4種藥物對(duì)老年心臟病6種癥狀的病理狀態(tài)及治療策略。見表1。

3結(jié)果

為了使病人的實(shí)際血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)都在監(jiān)控范圍之內(nèi)，如圖3所示粗黑色線框范圍之內(nèi)。當(dāng)實(shí)際滴注過程中任何參數(shù)超出圖3細(xì)線框范圍的邊界時(shí)，立即受到模糊邏輯系統(tǒng)的監(jiān)控及調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在實(shí)踐結(jié)果是MAP在60～120mmHg,MPAP在12～25mmHg,而CO只要滿足有關(guān)生理功能需要的最小值60ml/就行。表14種藥物滴注對(duì)老年心臟病患者6種癥狀的病理狀態(tài)及治療策略從實(shí)際結(jié)果注意到4種藥物的特點(diǎn):多巴胺用作變力劑，劑量5～10μg/,它能提高心臟功能的；硝基甘油用作預(yù)載荷減少的靜脈血管擴(kuò)張劑；硝普鈉主要用作動(dòng)脈血管擴(kuò)張劑；脫羥腎上腺素用作血管收縮劑，直接有效能升高M(jìn)AP，能收縮心血管的?？傊?，此系統(tǒng)結(jié)果是達(dá)到心臟系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)而不顫動(dòng)的時(shí)間最少，并且達(dá)到使用最少的藥物種數(shù)及劑量，因?yàn)樽钌賱┝康哪康氖菧p少可能發(fā)生的復(fù)雜癥狀或病人體內(nèi)積累藥物量太多。

現(xiàn)用的模糊決策制定模塊是一種根據(jù)理解做出建議，這個(gè)智能系統(tǒng)能引導(dǎo)決策制定過程靠數(shù)學(xué)定量描述的精度來分類評(píng)估的。為了簡(jiǎn)化許多數(shù)學(xué)敘述，現(xiàn)用醫(yī)學(xué)診斷用的FDMM如圖4所示實(shí)數(shù)域［-1，1］之間包括每個(gè)心臟病人有7種模糊功能：VT很準(zhǔn)確；RT相當(dāng)準(zhǔn)確；ST略準(zhǔn)確；SF略有錯(cuò)；RF相當(dāng)錯(cuò)；VF很錯(cuò)誤；UN未知。這些模糊邏輯的術(shù)語允許各輸出是能夠?qū)?yīng)于兩進(jìn)制術(shù)語的：“如果某事件是可能準(zhǔn)確，則其性質(zhì)上是準(zhǔn)確的，而不是錯(cuò)誤的”。因此心臟病人癥狀可從檢測(cè)得參數(shù)CI、SVRI及PVRI來建立其描述范圍，輸入模糊項(xiàng)集合就組成7種模糊成分功能，如圖5所示，即：VH很高；RH相當(dāng)高；SH略高；SL略低；RL相當(dāng)?shù)?；VL很低；AV平均，這些模糊狀態(tài)用梯形或三角形在實(shí)數(shù)域［-1，1］之間表示。

圖4FDMM的輸入6種準(zhǔn)確/錯(cuò)誤狀態(tài)

圖5FDMM的輸入7種模糊集高/低對(duì)應(yīng)6種癥狀

模糊集用IF-THEN準(zhǔn)則來表達(dá)FDMM的3種結(jié)構(gòu)是很有科學(xué)成效的

模糊邏輯中語言結(jié)構(gòu)是醫(yī)學(xué)專家早有經(jīng)驗(yàn)或知識(shí)，或其推理肯定的準(zhǔn)則。代入前述心臟病例

IF動(dòng)脈側(cè)是很松弛，心臟泵不足夠血液

THEN心臟性能可能是沒有問題

發(fā)現(xiàn)有足夠血液在體循環(huán)內(nèi)

循環(huán)的右側(cè)是正常的

有些休克樣似的將要加緊左側(cè)

表面結(jié)構(gòu)是為準(zhǔn)則協(xié)議化所需要的模糊化準(zhǔn)則的。代入前述心臟病例

IFSVRI是臨界的低的，AND

PVRI不很低，AND

CI是足夠高的

THEN癥狀1：是略不可能的

癥狀2：是相當(dāng)不可能的

癥狀3：是很相似的

癥狀4：是略不可能的

癥狀5：是略不可能的

癥狀6：不決定的

深度結(jié)構(gòu)是為電腦處理信息而用符號(hào)化準(zhǔn)則運(yùn)作的。代入前述心臟病例

IFANDAND

THEN,,,,,

4結(jié)論

在模糊理論概念基礎(chǔ)上，可算出模糊決策制定模塊FDMM的輸入及輸出，輸入心臟病人癥狀的主要生理參數(shù)MAP，MPAP和CO檢測(cè)值，應(yīng)用模糊匹配及準(zhǔn)則計(jì)算的結(jié)果就得到所要求的4種藥物MIMO的滴注模糊決策制定模塊FDMM成功。

圖6狗實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)CO及MAP的監(jiān)控曲線

圖7狗實(shí)驗(yàn)時(shí)用DA和NTP滴注過程曲線

從圖6及圖7所示，可見一種狗實(shí)驗(yàn)使狗有充血性心力衰竭CHF，是將較高級(jí)的麻醉藥物氟烷送入呼吸道來降低其心血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。狗實(shí)驗(yàn)時(shí)最后的氟烷濃度到%，剛開始時(shí)的MAP是74mmHg和CO是ml/，而被控的CO在125ml/最低值。用狗做實(shí)驗(yàn)時(shí)控制其MAP，當(dāng)這套模糊智能系統(tǒng)啟動(dòng)到保持血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，就有嚴(yán)重的血壓壓抑，立即滴注多巴胺DA引導(dǎo)出正增力作用，因此建立起較高的CO值和避免MAP再降。考慮到多巴胺DA藥效的延時(shí)，所以此系統(tǒng)首先避免多巴胺DA開始滴注3min的任何變化。在min后才開始滴注NTP，以免MAP回升。當(dāng)用DA提升心臟收縮性時(shí)也會(huì)升高M(jìn)AP。所以DA應(yīng)用應(yīng)在min后減少，以求CO達(dá)到最小值。當(dāng)減少DA也會(huì)間接減少的需要量，如此達(dá)到最少應(yīng)用藥物量目的。這個(gè)狗實(shí)驗(yàn)歷經(jīng)25min就達(dá)到心血流動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定成功，同時(shí)證明充分滴注較遠(yuǎn)端的器官是可以靠維持穩(wěn)定的MAP與保持足夠的CO來成功的。總之上述模糊決策制定模塊在整個(gè)智能系統(tǒng)中首先第一步是應(yīng)用成功的。其余模糊血流動(dòng)力學(xué)控制模塊FHCM和治療評(píng)定模塊TAM本文不再贅述。

［參考文獻(xiàn)］

1GuosenHE,Yijin2drugsSISOInfusionUniversityo