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闭环控制与现代机械通气 公元前3世纪，古希腊科学家Ktesibios发明了一种用于调节水钟内液平面的装置，他的这项发明至今仍在广泛应用，Ktesibios被誉为“闭环控制” (closed-loop control)理论之父。同样在公元前200年，中国古代工匠制造的指南车也应用了闭环控制原理。但在此后的一千多年内，闭环控制技术却未得到实质性的发展。直至近代，尤其是在第二次世界大战期间，闭环控制技术得到飞速发展，并且广泛应用于各种武器系统如军用飞机自动导航系统、火炮射击控制系统等。而以二位著名科学家的姓名命名的Boad流程图和Nyquist流程图至今仍在设计反馈系统时得到大量应用。 闭环控制的基本原理 闭环控制系统的工作目的是为了让应用者获得预期目标，系统包括比较子系统、控制子系统、处理子系统及传感器子系统，其中控制子系统就是电脑，用于处理各种输入/输出信息。应用者输入预期目标值x，控制子系统(电脑)自动将此预期目标值x与即刻测量值y’作比较，所得出的差值e再次输入控制子系统，电脑对输入的e作出进一步处理，并输出处理信息u至处理子系统，处理子系统再修改输出信息y，直至y与x相等(图1)。闭环控制技术的最大优点是其输出的信息可得到非常精确的控制，其控制原理的核心是在零误差前提下迅速达到稳态，闭环控制系统对处理过程的变化不敏感，即使处理子系统发生变化，预期目标值仍能迅速达到。其次处理子系统的瞬间反应速度很快，并可排除各种外源性干扰。所有这些优点也带来一些不足之处：(1) 系统中子系统单元数量增加，系统复杂性也增加，传感器成为系统中最昂贵的一部分；(2) 增加了控制子系统的内部不稳定性[1]。 x e u y 比较子系统 控制子系统 处理子系统 y’ 传感器 图1. 闭环控制系统(反馈控制系统或伺服系统)的流程图 数学方程：e = x-y’，u = f (u), y’= y 闭环控制系统应用于机械通气时，例如进行容积控制通气(VCV)时，输入信息为潮气量，吸入潮气量随着吸气阀开放时间的延长而增加，若患者气道阻力很小，吸气阀只须稍许打开，而当气道阻力很高时，吸气阀则可完全打开，这样无论气道阻力怎样变化，闭环控制系统总能提供恒定的吸气流速。而在压力控制通气(PCV)，闭环控制系统中输入信息为气道压力，而传感器则为压力传感器。 闭环控制在临床医学领域的发展 1953年，Saxton与Myers成为第一批开发闭环控制机械通气的科学家，他们试图让呼吸机自动调整吸气压力来控制PetCO2保持恒定[2]。随后Frumin开发了第一个具有实用功能的闭环控制麻醉通气系统，通过应用其所设计的麻醉机，他发现围手术麻醉期间的“可重复步骤”如控制通气、氧气与麻醉气体的混合及气体浓度的监测等采用闭环控制可比人为控制更准确、有效。Frumin对50例围手术期患者应用PetCO2闭环控制原理对其PaCO2进行调控，将每次呼气后测得的PetCO2与预设目标值进行比较，出现允许范围内的差值(ΔPetCO2)将导致下一次通气时吸气压产生0.2mmHg的调整，即闭环控制系统以PetCO2为靶目标，将吸气压作为输出变量[3, 4]。 1973年，Coles等研制的闭环控制机械通气系统通过监测呼出气CO2浓度(FeCO2)、吸入氧浓度(FiO2)及麻醉气体容积等来反馈控制机械通气和麻醉深度，在保持通气频率不变的前提下，调整吸入潮气量(VT)来控制PetCO2。其研究成果在动物实验中获得成功[5]。 1978年，Coon等在Siemens Servo 900C呼吸机上联接了一个动脉血pH传感器从而构成一个闭环控制系统，呼吸机自动调整潮气量以保持动脉血pH处于7.3 ~ 7.5范围内，此项实验亦获得成功[6]。 现代闭环控制机械通气 临床医师接触闭环控制理论是源自于Siemens Servo 900C呼吸机中的“Servo”一词，Servo(伺服)的含义即为闭环控制。近年来开发的多种通气模式都应用闭环控制技术控制呼吸机输出的压力和/或容积，而且已能做到在一次通气内或每一次通气内对输出的压力和/或容积进行双重控制(dual control)[7]。 1. 一次通气内的双重控制 即呼吸机对输出的潮气量由单纯的压力控制转为压力、容积双控制。典型代表是容积保障压力支持通气(volume – assured pressure support, VAPS)和压力扩增(pressure augmentatio