基于自适应频率观测器的心脏信号建模及跟踪控制

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1、基于自适应频率观测器的心脏信号建模及跟踪控制第1章绪论1.1课题的及研究的背景和意义冠心病（CoronaryHeartDisease，CHD），又被称为缺血性心脏病。发病原因主要是由于血液中的血小板聚集，黏附在血管内壁，导致给心肌供血的血管变硬和狭窄，从而提供给心肌的血液逐渐减少。因为血液中携带有氧气，所以心脏不能吸收足够的氧气来支持心脏跳动，久而久之，导致心肌活性降低，一旦血管完全堵塞，就会导致心肌梗死等心脏病。经调查研究，近几十年来，冠状动脉心脏病的发病率、死亡率在我国逐渐增高，已经严重威胁人类的健康。治疗冠心

2、病的手术治疗方法主要有血管形成术和冠状动脉旁路移植术[1]。若患者出现严重的单动脉堵塞或者身上多处动脉堵塞的情况，冠状动脉旁路移植术有很好的效果。冠状动脉旁路移植术（简称冠脉搭桥术，CABG）是近年来治疗冠心病的经典手段之一，它是一种长期的，针对多动脉堵塞症状的治疗方案，是治疗严重冠心病的最佳方案之一。该方法原理是截取病人自身的血管，在主动脉和发生堵塞的血管之间重新建立旁路，使血液绕过发生病变的血管，到达缺血的部位，使心肌重新获得血液供应，从而缓解心脏疼痛呼吸困难等症状，如图1-1所示。冠状动脉旁路移植术最早于上世

3、纪60年代在美国诞生。经过半个世纪的发展，这种治疗冠心病的手术方案已逐步走向成熟。冠状动脉旁路移植术主要包括体外循环和非体外循环两种方式。传统的体外循环搭桥手术是通过心肺仪临时代替心肺，实现对身体血液，氧气供应的功能。在术中，心脏是停止运动的。非体外循环方案是使用医疗器械来固定心脏，抑制心脏跳动。两种手术方案都要求心脏在是静止的状态下进行。然而心脏停止运动可能对人体造成严重的损伤，病人可能产生严重的术后并发症[3,4]。近年来，机器人不仅广泛用于工业领域，在医疗系统也已得到推广。医疗手术机器人已成为当前研究的热点课

4、题之一。医疗手术机器人技术将传统的医疗器械，生物技术，机器人技术，信号处理，机器视觉相结合。手术机器人技术的快速发展使得医生在病人心脏跳动的情况下实施手术成为可能。在心脏外科医疗机器人手术系统中，外科医生实现远程对心脏进行手术操作，取代了传统的临床手术方式。在手术过程中，手术现场上方装有摄像头，能够实时反馈心脏的图像。装备摄像头的机械臂动态的跟踪心脏跳动，使得机械臂和心脏保持同步运动，这样通过视觉反馈的画面，医生在屏幕上看到的就是心脏静止的图像。同时，另一个用于手术操作的机械臂同样实时跟踪心脏的跳动。通过这种方法实

5、现相对运动取消，医生就如同在病人心脏静止的情况下做手术。这种方法无需心脏在静止的情况下进行，所以避免了传统心脏手术的弊端。.........1.2国内外研究现状1998年5月，法国的CarpentierA和LoulmetD等人[5]利用手术机器人成功地摘除了52岁女患者身上的动脉瘤，完成了首例机器人冠状动脉旁路移植术。该手术共耗时8小时并且在16小时后病人回到病房，在手术完成的8天后，病人康复出院。其恢复速度和手术效果体现出利用机器人辅助手术的优势。putermotion公司于1998年开发了Zeus系统[6]，该

6、系统具备了现代机器人手术系统的特点，具有独立的外科操作平台以及进行手术操作的3个机器臂。其中一个机械臂上装有AESOP内窥镜，另外两个机械臂上装有手术器械。该套系统最有名的临床应用是2001年Marescaux使用Zeus系统为远在法国的患者实行了胆囊切除手术。在2000年诞生的DaVinci医疗手术机器人系统[7]被誉为现代机器人手术系统，是一种全新的微创外科手术机器人系统。它成为美国食品与药品管理局（FDA）核准的首个用于常规腹腔镜手术的手术机器人系统，如图1-2所示。DaVinci机器人手术系统主要包括三个部

7、分：操作平台，手术机械臂系统，图像处理系统。手术机械臂系统是由EndoARQUARDT辨识的运动跟踪.........424.5本章小结......46第4章控制算法比较与分析本章中所有的辨识算法和控制算法的仿真实验都是在Matlab环境中基于m文件和s-function文件实现的。在做CABG手术中，心脏血管的直径在2mm左右，最小的地方只有0.5mm。Bebek[37-39]在文章中指出，医疗机器人的机械臂对心脏运动的跟踪误差应控制在100μm左右，控制力矩应小于1.5Nm。本章首先将自适应频率观测器辨识

8、得到的心脏模型运用到输出调节器中得到仿真结果。同时，在本章中也研究了基于在自适应一步预测算法，RLS+EKF混合辨识，L-M算法下得到心脏模型的跟踪控制。最后给出4种方法的跟踪仿真图，分析试验数据，比较各个方法优缺点。4.1基于自适应频率观测器辨识的运动跟踪根据自适应频率观测器辨识算法，在描述心脏运动模型时，选取心脏运动的前7次谐波信号建立心脏运动信号的动态