4种药物多输入多输出滴注用模糊逻辑系统的决策制定

     4种药物多输入多输出滴注用模糊逻辑系统的决策制定 (pdf)

    ［摘要］  目的  研究多年来老年心脏病手术及手术后监护时，4种药物多输入多输出滴注用模糊逻辑系统的决策制定的原理及方法。方法  从模糊逻辑原理起到4种药物对老年心脏病6种症状的病理状态及治疗策略加以研究。 结果  求得典型的模糊逻辑用语言结构，表层结构及电脑用的深度结构。 结论  在模糊逻辑理论的概念基础上，可算得模糊化输出，代入病人症状的主要生理参数MAP，MPAD和CO检测值，应用模糊匹配及准则计算的结果就是4种药物多输入多输出滴注时的决策制定成功。以一种狗实验的结论证明此种模糊决策制定模块确能成功应用于临床。

    ［关键词］  多输入多输出;平均动脉压;平均肺动脉压;心排出量;模糊决策制定模块

       Decision making of fuzzy logic system for four drugs MIMO infusion

    XI Beili.Shanghai Xuhui District Central Hospital,Shanghai 200031,China

    ［Abstract］  Objective  To research four drugs MIMO infusion by fuzzy logic system’s decision making’s principle and method or geriatric heart disease patients’ operating and offer operating clinical monitoring for years.

    Methods  Research from the fuzzy logic principle to solutions of six cases of patient status,possible pathological states and therapeutic strategy for four drugs to geriatric patients.

    Results  Typical fuzzy logic lingual structure,surface structure and deep structure are obtained.

    Conclusion  Based on principal concepts and theory of the fuzzy logic,to calculate fuzzy outputs,substitute main physiological parameters MAP,MPAP and CO data of patients,to get achievements of fuzzy decision making of four drugs MIMO infusion by means of fuzzy matching and rule calculation.One dog experiment and one patient simulation lead to conclusion and verification of this FDMM is successfully applied to clinical case.

    ［Key words］  multiinputmultioutput;mean arterial pressure;mean pulmonary arterial pressure;cardiac output;fuzzy decisionmaking module

    多年来在老年心脏病人胸外科手术时及手术后监护时，医务人员都特别重视及时监控病人的主要生理参数如MAP、MPAP和CO等，从前由于经验及条件等不够成熟，往往采用一、二种药物人工滴注，如正性肌力作用的药物（inotropic）和血管活性药物（vasosatiove）等两种单输入单输出（SISO）滴注，结果效率很差。近30余年欧美发展了多种药物的MIMO滴注，B.C.McInnis用4种药物的MIMO滴注是用双线性模型受到干扰、噪声和时变的药物动力学滞后等影响，用自适应、自校正、多变量控制系统组成滴注系统，使病人的MAP和CO维持一定的范围内［1，2］。其原理是识别病人症状动态，在识别基础上做出决策来改变治疗法，但太复杂又不稳定。到了1965年Lotfi A. Zadeh首创模糊集理论（fuzzy set theory）以后，启发和引导了以模糊集理论为基础，结合生命科学、信息科学及计算机科学和医学实践，近10年来认识了将人体作为整个疾病所致的复杂的系统的重要概念，将模糊集理论对准整个人体系统，概括为2个概念，即模糊化（fuzzification）和微粒化（granulation）两种模式，能够提供真正理解时间、距离、形状、力度、内含、相似度、真实度和其他物理的和心理生理的属性，所以模糊集理论被成功应用于人的感知与检测之间的活动，并且不受传统性约束而将生命科学问题从检测到感知各方面，从局部到整个人体系统，逐渐解决问题，所以模糊逻辑作为4种药物多输入多输出滴注来控制人体血压及心排出量正是模糊集理论结合生命科学的典型应用实例。

    1  目的

    多年来老年心脏病人在胸外科手术时及手术后需要特别认真、仔细、及时地科学化监护，例如心脏病手术后充血性心力衰竭（congestive heart failure,CHF）就发生心肌收缩，于是将心肌耗氧量减到最小值，降低舒张压终值以增加CO或维持好的CO，可是实际上如何选好和用好多种药物滴注却是个难题。为了解决监护时用4种药物多输入多输出滴注，就要用模糊逻辑系统的决策制定原理（fuzzy decisionmaking principle,FDMP）来做成模糊决策制定模块（fuzzy decisionmaking module,FDMM），作为整个智能监控系统的第一主要模块，然后配好第二重要的模糊血流动力学控制模块（fuzzy hemodynamic control moudle,FHCM），和第三重要的治疗评定模块（therapeutic assessment moudle,TAM）。总之FDMM是整个智能监控系统的第一步关键。

    2  原理与方法

    由于在中国某医院胸外科手术室（OR）及重病监护中心（ICU）已经成功用2种药物滴注来监控MAP和CO，都有原理太简略，多方面因素欠考虑周到的缺点，而模糊集理论创始人 Lofti A. Zadeh的近年著作指出，人工系统与知识工程学的重点之一［3］，问答机Q/A系统具有归纳与演绎功能，利用概率论、模糊集理论及计算机科学就能解决实际问题，正如Zadeh在2006年4月7日在上海市2006国际智能系统与知识工程学学术会议上宣讲论文中所述。总之，本方法依据的原理是Zadeh所创的模糊集理论，所用具体即是模糊逻辑。生命科学是以人体为一个整体系统的观点，用理论联系实际的方法，尽可能少用数学模型求解，而先用动物实验后人体临床试验来进行仿真验证。

    现在采用4种药物是：（1）多巴胺（dopamine,DA）；（2）硝基甘油（nitroglycerin,NTG）；（3）硝普钠（sodium nitroprusside,NTP）；（4）脱羟肾上腺素（phenylephrine,PND）。具体的4种药物滴注及检测系统安排如图1所示。前述模糊逻辑系统方法图解如图2所示，明确其原理和方法。图2中从病人检测到的数据SVRI、DVRI和CI分别为系统血管流阻指数，等于（MAP-CVD）×79.9/CI；肺血管流阻指数，等于（MPAP-PWP）×79.9/CI；心指数为等于心排出量除以体面积，即等于CO/（0.007184×W0.425×H0.725），此处W是体重，H是体高度。然后FDMM输出病人症状的电脑符号到FHCM，这时候病人给予FHCM 3种数据：MAP、MPAP、CO，而且FHCM输出监控的4种药物调节量⊿DA、⊿NTG、⊿NTP、⊿PNP，最后由TAM滴注4种药物以一定的滴注速率到病人身上的。以此FDMM能起到4种药物对老年心脏病6种症状的病理状态及治疗策略。见表1。

       3  结果

    为了使病人的实际血流动力学参数都在监控范围之内，如图3所示粗黑色线框范围之内。当实际滴注过程中任何参数超出图3细线框范围的边界时，立即受到模糊逻辑系统的监控及调节。现在实践结果是MAP在60～120 mmHg,MPAP在12～25 mmHg,而CO只要满足有关生理功能需要的最小值60 ml/（kg·min）就行（见图3）。表1  4种药物滴注对老年心脏病患者6种症状的病理状态及治疗策略从实际结果注意到4种药物的特点:（1）多巴胺（DA）用作变力剂，剂量5～10 μg/（kg·min）,它能提高心脏功能的；（2）硝基甘油（NTG）用作预载荷减少的静脉血管扩张剂；（3）硝普钠（NTP）主要用作动脉血管扩张剂；（4）脱羟肾上腺素（PND）用作血管收缩剂，直接有效能升高MAP，能收缩心血管的。总之，此系统结果是达到心脏系统稳态而不颤动的时间最少，并且达到使用最少的药物种数及剂量，因为最少剂量的目的是减少可能发生的复杂症状或病人体内积累药物量太多。

    现用的模糊决策制定模块（FDMM）是一种根据理解做出建议，这个智能系统能引导决策制定过程靠数学定量描述的精度来分类评估的。为了简化许多数学叙述，现用医学诊断用的FDMM如图4所示实数域［-1，1］之间包括每个心脏病人有7种模糊功能：（1）VT很准确；（2）RT相当准确；（3）ST略准确；（4）SF略有错；（5）RF相当错；（6）VF很错误；（7）UN未知。这些模糊逻辑的术语允许各输出是能够对应于两进制术语的：“如果某事件是可能准确，则其性质上是准确的，而不是错误的”。因此心脏病人症状可从检测得参数CI、SVRI及PVRI来建立其描述范围，输入模糊项集合就组成7种模糊成分功能，如图5所示，即：（1）VH很高；（2）RH相当高；（3）SH略高；（4）SL略低；（5）RL相当低；（6）VL很低；（7）AV平均，这些模糊状态用梯形或三角形在实数域［-1，1］之间表示。

    图4  FDMM的输入6种准确/错误状态

    图5  FDMM的输入7种模糊集高/低对应6种症状

    模糊集用IF-THEN准则来表达FDMM的3种结构是很有科学成效的：

    （1）模糊逻辑中语言结构是医学专家早有经验或知识，或其推理肯定的准则。代入前述心脏病例：

    IF      动脉侧是很松弛，心脏泵不足够血液

    THEN  心脏性能可能是没有问题

    发现有足够血液在体循环内

    循环的右侧是正常的

    有些休克样似的将要加紧左侧

    （2）表面结构是为准则协议化所需要的模糊化准则的。代入前述心脏病例：

    IF      SVRI是临界的低的，AND

    PVRI不很低，AND

    CI是足够高的

    THEN  症状1：是略不可能的

    症状2：是相当不可能的

    症状3：是很相似的

    症状4：是略不可能的

    症状5：是略不可能的

    症状6：不决定的

    （3）深度结构是为电脑处理信息而用符号化准则运作的。代入前述心脏病例：

    IF       （SVRIerr=VL）AND（PVRIerr=RL,VH）AND（CIerr=SH,VH）

    THEN   （K1=SF）,（K2=RF）,（K3=VT）,（K4=SF）,（K5=SF）,（K6=UN）

    4  结论

    在模糊理论概念基础上，可算出模糊决策制定模块FDMM的输入及输出，输入心脏病人症状的主要生理参数MAP，MPAP和CO检测值，应用模糊匹配及准则计算的结果就得到所要求的4种药物MIMO的滴注模糊决策制定模块FDMM成功（见图6、7）。

    图6  狗实验时对CO及MAP的监控曲线

    图7  狗实验时用DA和NTP滴注过程曲线

    从图6及图7所示，可见一种狗实验使狗有充血性心力衰竭CHF，是将较高级的麻醉药物氟烷（halothane,EtHal）送入呼吸道来降低其心血流动力学参数。狗实验时最后的氟烷浓度到1.0%，刚开始时的MAP是74 mmHg和CO是81.3 ml/（kg·min），而被控的CO在125 ml/（kg·min）最低值。用狗做实验时控制其MAP，当这套模糊智能系统启动到保持血流动力学参数稳定时，就有严重的血压压抑，立即滴注多巴胺DA引导出正增力作用，因此建立起较高的CO值和避免MAP再降。考虑到多巴胺DA药效的延时，所以此系统首先避免多巴胺DA开始滴注3 min的任何变化。在3.5 min后才开始滴注NTP，以免MAP回升。当用DA提升心脏收缩性时也会升高MAP。所以DA应用应在10.5 min后减少，以求CO达到最小值。当减少DA也会间接减少的需要量，如此达到最少应用药物量目的。这个狗实验历经25 min就达到心血流动力学稳定成功，同时证明充分滴注较远端的器官是可以靠维持稳定的MAP与保持足够的CO来成功的。总之上述模糊决策制定模块在整个智能系统中首先第一步是应用成功的。其余模糊血流动力学控制模块FHCM和治疗评定模块TAM本文不再赘述。

    ［参考文献］

    1  Guosen HE,Yijin XIN.On 2drugs SISO Infusion Control.Shanghai University of Technology,1998,Shanghai,China.

    2  Held CM，Roy RJ.multiple drugs hemodynamic control by means of a supervisory fuzzy rule base adaptive control system: Validation and Model.IEEE Trans.Biomed.Eng,1995,42（4）:371-385.

    3  Huang JW.Multipledrug Hemodynamics Control using fuzzy decision theory.IEEE Trans on Biomed.Eng,1998,45（2）:213-220.

     作者单位： 200031 上海，上海徐汇区中心医院

 （编辑：江  宇）