CN120532013B - 基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统及方法 - Google Patents

基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统及方法

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Abstract

本发明提供的一种基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统及方法，其系统包括温控进水装置、双循环盥洗导管以及球囊式压力缓冲器，双循环盥洗导管内分设有居中设置的传感腔以及包绕在传感腔两侧的冲洗腔和引流腔，传感腔内设置有压力传感器和温度传感器；温控进水装置的出水口与冲洗腔的始端连通，引流腔的始端用于连接外部的引流装置，球囊式压力缓冲器设置在双循环盥洗导管的末端上，双循环盥洗导管的末端用于放置在患者脑室。本发明能提高脑室冲洗效率和安全性。

Description

基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统及方法
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，特别涉及一种基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统及方法。
背景技术
脑室感染作为神经外科急危重症，其临床治疗面临多重技术瓶颈：传统脑室引流术依赖被动引流机制，难以有效清除脓性分泌物及顽固性生物膜，如铜绿假单胞菌形成的致密生物膜黏附问题；抗生素治疗受限于血脑屏障穿透效率（<10%）与神经毒性风险（如万古霉素脑脊液浓度＞40μg/mL时可诱发癫痫等严重并发症），导致局部冲洗存在安全浓度窗口狭窄的困境；术后30天再感染率高达15%-25%，主要归因于引流死腔残留及生物膜清除不彻底。
这些因素共同导致脑室感染病死率居高不下，亟待开发新型智能化治疗系统。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统及方法，提高脑室冲洗效率和安全性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统，包括温控进水装置、双循环盥洗导管以及球囊式压力缓冲器，所述双循环盥洗导管内分设有居中设置的传感腔以及包绕在所述传感腔两侧的冲洗腔和引流腔，所述传感腔内设置有压力传感器和温度传感器；
所述温控进水装置的出水口与所述冲洗腔的始端连通，所述引流腔的始端用于连接外部的引流装置，所述球囊式压力缓冲器设置在所述双循环盥洗导管的末端上，所述双循环盥洗导管的末端用于放置在患者脑室。
本发明的有益效果在于：通过双循环盥洗导管的三腔结构，使得在冲洗腔和引流腔内实现双循环盥洗，以提高脑室冲洗效率；通过温控进水装置对水温进行控制，通过压力传感器和球囊式压力缓冲器进行压力反馈补偿，避免水温偏差太大或者颅内压力过大导致的手术风险，从而提高了脑室冲洗的安全性。
可选地，所述温控进水装置包括进水管、预加热器、加热丝和温度补偿微泵，所述预加热器套接在所述进水管的进水口上，所述加热丝包绕在所述进水管的管壁外，所述温度补偿微泵位于所述进水管内且与所述进水管的出水口连通。
根据上述描述可知，通过三级冗余温控，以保证冲洗水温的精准控制。
可选地，所述进水管的进水口和出水口上均设置有开关。
可选地，所述压力传感器和温度传感器为用一根集成了压力测量和温度测量的光纤传感器。
可选地，所述冲洗腔内设置有螺旋导流槽。
可选地，所述引流腔上靠近始端的位置设置有防逆流瓣膜。
第二方面，本发明提供一种基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗方法，使用第一方面的基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统，包括如下步骤：
S1、在神经导航下，将双循环盥洗导管植入到患者脑室，并往所述球囊式压力缓冲器中注入预设缓冲液，建立压力缓冲；
S2、通过温控进水装置往冲洗腔内注水，以冲洗患者脑室，通过引流腔对患者脑室内的脑脊液进行引流，实现双循环盥洗；
S3、通过压力传感器进行压力监测，并根据检测到的实时压力对所述球囊式压力缓冲器和所述双循环盥洗导管内的流速进行调控；
S4、通过温度传感器进行温度监测，并根据检测到的实时温度对所述温控进水装置进行调控。
可选地，所述步骤S3包括：
获取目标压力P_target，根据所述目标压力设定双循环盥洗导管的初始流速Q_base和所述球囊式压力缓冲器中缓冲液的初始容积；
通过压力传感器进行压力监测，得到实时压力P(t)，判断所述实时压力和所述目标压力的差是否超过预设压差，若是，则激活压力PID调节器，否则按照压力-流速动态模型得到调节流速Q(t)，根据所述调节流速调整双循环盥洗导管的实时流速，所述压力-流速动态模型的公式为：
Q(t)=Q_base×[1-0.03×(P(t)-P_target)]。
可选地，所述步骤S3还包括：
将所述实时压力以及患者的心率和呼吸频率输入到基于LSTM神经网络的颅内压预测模型中进行压力预测，得到预测压力，根据所述预测压力更新颅内压力基线值P_baseline；
根据压力安全区间动态调整模型以及颅内压力基线值P_baseline得到安全颅内压力值P_safe，其公式为：
P_safe=0.8×P_baseline+0.2×P(t)；
判断所述实时压力P(t)是否大于预设系数乘于安全颅内压力值P_safe，若是，则触发紧急泄压以调控球囊式压力缓冲器。
可选地，所述步骤S4包括：
获取目标温度，根据所述目标温度设定所述温控进水装置中的预加热器的加热温度和加热丝的加热温度，并基于PID对所述温控进水装置中的温度补偿微泵进行调控；
通过温度传感器进行温度监测，得到实时温度，判断所述实时温度是否大于温度上限，若是，则启动液冷循环，否则判断所述实时温度是否小于温度下限，若是，则激活应急加热模式来调控所述温控进水装置。
其中，第二方面所提供的基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗方法所对应的技术效果参照第一方面所提供的基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统的相关描述。
附图说明
图1为本发明实施例涉及的双循环盥洗导管和球囊式压力缓冲器配合使用的横截面示意图；
图2为本发明实施例涉及的双循环盥洗导管的纵截面示意图；
图3为本发明实施例涉及的温控进水装置的纵截面示意图；
图4为本发明实施例的基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗方法的流程示意图；
图5为本发明实施例涉及的压力控制的流程示意图；
图6为本发明实施例涉及的温度控制的流程示意图。
附图标记说明：
1、温控进水装置；11、出水口；12、出水开关、13、预加热器；14、垫圈；15、加热丝；16、进水管；17、温度补偿微泵；18、出水口；19、出水开关；
2、双循环盥洗导管；21、传感腔；22、冲洗腔；23、引流腔；
3、球囊式压力缓冲器。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
请参照图1至图3，基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统，包括温控进水装置、双循环盥洗导管以及球囊式压力缓冲器。
如图1和图2所示，双循环盥洗导管内分设有居中设置的传感腔以及包绕在传感腔两侧的冲洗腔和引流腔，传感腔内设置有压力传感器和温度传感器，在本实施例中，压力传感器和温度传感器为用一根集成了压力测量和温度测量的光纤传感器。其中，光纤传感器中压力量程为0-30cmH2O，精度±0.5cmH2O。
其中，球囊式压力缓冲器设置在双循环盥洗导管的末端上，在本实施例中，球囊式压力缓冲器的作用是缓冲液体压力。
在本实施例中，冲洗腔内设置有螺旋导流槽，其螺距为1.5mm，槽深为0.2mm，可以降低流动阻力。引流腔上靠近始端的位置设置有防逆流瓣膜。其中，图2中示出的冲洗腔和引流腔在双循环盥洗导管内的纵截面面积相同，但在本实施例中，引流腔在双循环盥洗导管内的纵截面面积大于冲洗腔在双循环盥洗导管内的纵截面面积。由此，上述三腔导管结构可以提高冲洗效率。
如图3所示，温控进水装置包括进水管、预加热器、加热丝和温度补偿微泵，预加热器套接在进水管的进水口上，加热丝包绕在进水管的管壁外，温度补偿微泵位于进水管内且与进水管的出水口连通，其中，加热丝包绕在进水管的管壁外的功率密度为0.5W/cm²，线宽为50μm，间距为200μm。由此，通过三级冗余温控，以保证冲洗水温的精准控制。
在本实施例中，进水管的进水口上设置有进水开关，出水口上设置有出水开关。
由此，在本实施例中，温控进水装置的出水口与冲洗腔的始端连通，引流腔的始端用于连接外部的引流装置，双循环盥洗导管的末端用于放置在患者脑室，从而实现双循环盥洗。
实施例二
请参照图4，基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗方法，使用实施例一的基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统，包括如下步骤：
S1、在神经导航下，将双循环盥洗导管植入到患者脑室，并往球囊式压力缓冲器中注入预设缓冲液，建立压力缓冲。
在本实施例中，缓冲液为0.9%NaCl溶液。
S2、通过温控进水装置往冲洗腔内注水，以冲洗患者脑室，通过引流腔对患者脑室内的脑脊液进行引流，实现双循环盥洗。
其中，温控进水装置是按照目标温度进行温度调控，具体参照步骤S4。在本实施例中，目标温度为37℃。
S3、通过压力传感器进行压力监测，并根据检测到的实时压力对球囊式压力缓冲器和双循环盥洗导管内的流速进行调控。
参照图5可知，步骤S3包括：
S31、获取目标压力P_target，根据目标压力设定双循环盥洗导管的初始流速Q_base和球囊式压力缓冲器中缓冲液的初始容积。
在本实施例中，目标压力P_target为15cmH2O，初始流速Q_base为0.5mL/min，球囊式压力缓冲器的容积为0.5mL±0.1mL。
S32、通过压力传感器进行压力监测，得到实时压力P(t)，判断实时压力和目标压力的差是否超过预设压差，若是，则激活压力PID调节器，否则按照压力-流速动态模型得到调节流速Q(t)，根据调节流速调整双循环盥洗导管的实时流速，压力-流速动态模型的公式为：
Q(t)=Q_base×[1-0.03×(P(t)-P_target)]。
其中，压力PID调节器作用进水的水泵上，其通过比例(P)、积分(I)、微分(D)三部分的线性组合对误差信号进行调节，连续系统的PID输出公式为：
；
其中，e(t)为连续系统的系统偏差‌，即设定值与实际输出值之间的差值，由此，离散化后适用于微处理器实现，并通过面板或通信接口设置、、。
其中，双循环盥洗导管的冲洗流速调节范围为0.1-1mL/min，精度±0.05mL/min。而当|P(t)-P_target|>3cmH2O时激活压力PID调节器，因此，本实施例的预设压差为3cmH2O。
参照图5可知，当压力传感器检测到P超过18cmH2O时，即超过了3cmH2O，激活压力PID调节器，将流速降至0.3mL/min，并激活液冷循环维持温度稳定，而当实时压力恢复至14cmH2O时，流速逐步回升至0.4mL/min。此时，再按照压力-流速动态模型进行流速调节，使其逐步回升到0.5 mL/min的流速。
S33、将实时压力以及患者的心率和呼吸频率输入到基于LSTM神经网络的颅内压预测模型中进行压力预测，得到预测压力，根据预测压力更新颅内压力基线值P_baseline。
其中，本实施例的颅内压预测模型用于预测颅内压变化趋势，其模型建立过程如下：
（1）数据预处理。包括对压力、心率、呼吸频率等输入参数进行归一化处理，并将时序数据划分为固定长度的窗口，如30分钟/窗口。
（2）网络结构设计。包括维度为时间步长*特征数的输入层、LSTM层、用于预测颅内压力的输出层。
其中，LSTM为Long Short-Term Memory的缩写，意为长短期记忆网络。
（3）模型训练。采用均方误差(mean-square error,MSE)作为损失函数，并采用随机梯度下降(Stochastic Gradient Descent,SGD)优化器，通过反向传播得到模型权重。
（4）实时预测。运用训练好的模型进行推理，预测颅内压力，并计算平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)和R2(R-squared,决定系数)评估预测精度。
其中，颅内压力基线值P_baseline指患者静息状态下的稳定颅内压(ICP)，反映个体生理常态，例如临床上ICP>30cmH2O提示颅内高压。
由此，本实施例根据颅内压预测模型所得到的预测压力来对颅内压力基线值P_baseline进行动态修正。具体来说，本实施例是通过记忆长期依赖关系，识别颅内压力基线值P_baseline的波动模式，如昼夜节律，区分生理性与病理性颅内压波动，预测颅内压力变化趋势。即颅内压相对颅内压力基线值P_baseline的偏移量，从而对颅内压力基线值P_baseline进行动态修正并更新颅内压力基线值P_baseline。
S34、根据压力安全区间动态调整模型以及颅内压力基线值P_baseline得到安全颅内压力值P_safe，其公式为：
P_safe=0.8×P_baseline+0.2×P(t)。
S35、判断实时压力P(t)是否大于预设系数乘于安全颅内压力值P_safe，若是，则触发紧急泄压以调控球囊式压力缓冲器。
在本实施例中，预设系数为120%，在其他实施例中，预设系数的范围为108%至130%。
S4、通过温度传感器进行温度监测，并根据检测到的实时温度对温控进水装置进行调控。
其中，光纤传感器进行压力监测和温度监测的采样频率为100Hz。
参照图6可知，步骤S4包括：
S41、获取目标温度，根据目标温度设定温控进水装置中的预加热器的加热温度和加热丝的加热温度，并基于PID对温控进水装置中的温度补偿微泵进行调控。
本实施例的目标温度为37℃，则预加热器的加热温度和加热丝的加热温度设定为37℃±0.2℃。温度补偿微泵的PID参数分别为Kp=1.2，Ki=0.05，Kd=0.3。
S42、通过温度传感器进行温度监测，得到实时温度，判断实时温度是否大于温度上限，若是，则启动液冷循环，否则判断实时温度是否小于温度下限，若是，则激活应急加热模式来调控温控进水装置。
其中，本实施例的温度上限为37.8℃，温度下限位36.5℃，在其他等同实施例中，温度上限可以为37.3-38.0℃，温度下限可以为36.0-36.7℃。
其中，液冷循环的设置是通过双循环设计，即冲洗腔通入低温液体，经引流腔流出，通过液体介质的热交换，完成热量转移，实现液冷循环。
根据医学-临床神经学学术刊物Neurosurgery 2023中记载的“临床数据显示其冲洗速度固定导致15%病例出现颅内压>25cmH2O”以及专注于神经工程和康复工程的学术期刊J Neuroeng Rehabil 2021中表明的“温度每偏差1℃导致癫痫风险增加18%”可知，现有技术中固定的冲洗速度和冲洗温度波动会影响手术的安全性，由此，本实施例不仅通过双循环盥洗导管的三腔结构来提高脑室冲洗效率，而且通过温度调控和压力调控提高了脑室冲洗的安全性。
由于本发明上述实施例所描述的系统/装置，为实施本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置，故而基于本发明上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该系统/装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置都属于本发明所欲保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（装置）和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (5)

1.基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统，其特征在于，包括温控进水装置、双循环盥洗导管以及球囊式压力缓冲器，所述双循环盥洗导管内分设有居中设置的传感腔以及包绕在所述传感腔两侧的冲洗腔和引流腔，所述传感腔内设置有压力传感器和温度传感器，通过压力传感器进行压力监测，并根据检测到的实时压力对所述球囊式压力缓冲器和所述双循环盥洗导管内的流速进行调控，通过温度传感器进行温度监测，并根据检测到的实时温度对所述温控进水装置进行调控；
所述温控进水装置的出水口与所述冲洗腔的始端连通，所述引流腔的始端用于连接外部的引流装置，所述球囊式压力缓冲器设置在所述双循环盥洗导管的末端上，所述双循环盥洗导管的末端用于放置在患者脑室；
所述温控进水装置包括进水管、预加热器、加热丝和温度补偿微泵，所述预加热器套接在所述进水管的进水口上，所述加热丝包绕在所述进水管的管壁外，所述温度补偿微泵位于所述进水管内且与所述进水管的出水口连通，根据目标温度设定所述温控进水装置中的预加热器的加热温度和加热丝的加热温度，并基于PID对所述温控进水装置中的温度补偿微泵进行调控；
其中，通过压力传感器进行压力监测，并根据检测到的实时压力对所述球囊式压力缓冲器和所述双循环盥洗导管内的流速进行调控包括：
获取目标压力P_target，根据所述目标压力设定双循环盥洗导管的初始流速Q_base和所述球囊式压力缓冲器中缓冲液的初始容积；
通过压力传感器进行压力监测，得到实时压力P(t)，判断所述实时压力和所述目标压力的差是否超过预设压差，若是，则激活压力PID调节器，否则按照压力-流速动态模型得到调节流速Q(t)，根据所述调节流速调整双循环盥洗导管的实时流速，所述压力-流速动态模型的公式为：
Q(t) = Q_base× [1 - 0.03×(P(t)-P_target)]；
将所述实时压力以及患者的心率和呼吸频率输入到基于LSTM神经网络的颅内压预测模型中进行压力预测，得到预测压力，根据所述预测压力更新颅内压力基线值P_baseline；
根据压力安全区间动态调整模型以及颅内压力基线值P_baseline得到安全颅内压力值P_safe，其公式为：
P_safe = 0.8×P_baseline + 0.2×P(t)；
判断所述实时压力P(t)是否大于预设系数乘以安全颅内压力值P_safe，若是，则触发紧急泄压以调控球囊式压力缓冲器。
2.根据权利要求1所述的基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统，其特征在于，所述进水管的进水口和出水口上均设置有开关。
3.根据权利要求2所述的基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统，其特征在于，所述压力传感器和温度传感器为用一根集成了压力测量和温度测量的光纤传感器。
4.根据权利要求1所述的基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统，其特征在于，所述冲洗腔内设置有螺旋导流槽。
5.根据权利要求1所述的基于动态压力反馈的智能温控脑室双循环盥洗系统，其特征在于，所述引流腔上靠近始端的位置设置有防逆流瓣膜。
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