[论文解读] Monitoring and Control System Development and Experimental Validation for a Novel Extrapulmonary Respiratory Support Setup

Mahsa Doosthosseini, Kevin Aroom+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2021

Mechanical Circulatory Support Devices参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型的体外肺外呼吸支持系统，通过在腹膜腔内灌注氧合全氟碳化合物（PFC）来支持呼吸衰竭患者的气体交换。该系统能够实时监测和控制流量、压力、温度及氧合状态，并在猪实验中成功验证，实现了稳定的灌注和生理反应分析的数据采集。

ABSTRACT

This paper presents a novel mechatronic setup intended for providing respiratory support to patients suffering from pulmonary failure. The setup relies upon the circulation of an oxygenated perfluorocarbon (PFC) through the abdominal cavity. Such circulation provides a potential pathway for the transport of oxygen to the bloodstream. However, the viability of this technology for $CO_2$ clearance has not been established. Moreover, there is a lack of experimental data enabling the modeling and identification of the underlying dynamics of this technology. To address these gaps, we develop a flexible experimental perfusion setup capable of monitoring and controlling key variables such as perfusate flowrate, temperature, pressure, and oxygenation. The paper (i) briefly summarizes the design of this setup; (ii) highlights the degree to which its data acquisition system enables the collection and cross-correlation of both perfusion-related and physiological variables; and (iii) discusses the development of flow, pressure, and temperature control algorithms for the setup. Experiments with large animals (swine) show that the setup is capable of successfully controlling the perfusion process, as well as gathering extensive data to support subsequent modeling and identification studies.

研究动机与目标

• 开发一种灵活的闭环监测与控制系统，用于新型体外肺外呼吸支持装置，该装置利用腹腔内全氟碳化合物（PFC）灌注。
• 解决PFC灌注动力学及其在CO2清除与氧合方面疗效的实验数据缺乏问题。
• 实现实时同步采集灌注变量与生理反应（如脉搏血氧饱和度、呼气末CO2）的数据，以支持建模与验证。
• 在受控条件下，通过大型动物（猪）实验验证系统功能。
• 为未来研究此类系统实现可靠气体交换所需的最小可行复杂度提供支持。

提出的方法

• 设计并实现一种集成了流量、压力、温度及PFC氧合传感器的机电灌注回路。
• 开发反馈控制算法，以在动物实验期间维持目标灌注液流量、压力与温度。
• 集成数据采集系统，能够交叉关联灌注参数与生理指标（如脉搏血氧饱和度与呼气末CO2）。
• 使用张力计通过气管内气体测量推断吸气与呼气末CO2浓度，以响应通气变化。
• 在灌注周期结束后，采用主动负压抽吸快速降低腹膜腔内压力。
• 开展四次大型动物（猪）实验，以评估系统稳定性、控制性能与数据质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大型动物中，闭环监测与控制系统能否有效调节腹膜PFC灌注的灌注液流量、压力与温度？
• RQ2 该系统在多大程度上能够同步采集灌注变量与生理反应（如脉搏血氧饱和度、ETCO2）的数据，以供后续建模？
• RQ3 在灌注与回收阶段，系统维持腹膜腔内压力在安全限值内的能力如何？
• RQ4 PFC灌注如何影响动物的氧合与CO2清除，表现为脉搏血氧饱和度与呼气末CO2的变化？
• RQ5 为实现通过腹膜灌注实现可靠且可测量的气体交换，系统所需的复杂度水平为何？

主要发现

• 在全部四次猪实验中，监测与控制系统成功将灌注液流量、压力与温度维持在目标设定值范围内。
• 腹膜腔内压力保持在安全范围内，短暂超出设定值后迅速通过降低流量与主动抽吸恢复基线。
• 该系统实现了灌注参数与生理变量（如脉搏血氧饱和度与呼气末CO2）的连续、同步测量。
• 在诱发低氧血症期间观察到脉搏血氧饱和度下降，随后部分恢复，提示PFC灌注与生理恢复可能共同发挥作用。
• 在高碳酸血症诱导期间观察到呼气末CO2浓度改善，表明PFC灌注可能参与CO2清除，但生理机制的贡献尚无法完全分离。
• 实验装置表现出稳健的数据采集与控制性能，为未来建模与识别PFC灌注动力学奠定了基础。