体内评估与计算机模拟评估自动化液体复苏控制器的对比研究

《Annals of Biomedical Engineering》：Comparative Assessment of In Vivo and In Silico Evaluation of Automated Fluid Resuscitation Controllers

本研究通过体内和体外模拟，验证了心血管数学模型在预测生理闭环控制系统（PCLC）性能指标（如上升时间、超调百分比、稳定时间和发散性）的有效性，为自动化液体复苏控制器的开发与评估提供了支持。

　　

摘要

目的

生理闭环控制（PCLC）医疗设备有潜力提高治疗的精确度和有效性。然而，其复杂性也带来了潜在的故障模式，如果这些模式没有得到适当评估，可能会对患者构成风险。本研究通过体内实验和计算机模拟（in silico）方法，比较血压对自动输液反应的情况，来评估心血管系统数学模型在预测PCLC性能指标方面的有效性。

方法

使用基于Java的定制软件应用程序在平板电脑上实现了一个用于调节平均动脉压（MAP）的闭环控制系统。该系统有两种控制速度模式：“慢”和“快”。研究在动物实验室中进行，共有13头猪参与实验（其中2头因硬件问题被排除）。在插管、麻醉和脾切除术后，诱导出血直至MAP降至45毫米汞柱（mmHg），然后使用闭环控制器进行液体复苏，目标压力为70毫米汞柱。持续记录动脉血压波形，并每15分钟测量一次心输出量和血细胞比容。同样的控制算法和速度模式也被应用于通过数学模型生成的计算机模拟对象上，该模型模拟了机体对液体扰动的生理反应。

结果

数学模型成功预测了关键的PCLC性能指标，包括上升时间、超调百分比、稳定时间和发散程度。模拟结果与实验数据高度吻合，并且能够体现慢速控制和快速控制之间的差异。

结论

数学模型预测PCLC性能指标的能力表明了其在支持和评估自动化液体复苏控制器开发方面的价值。