控制理论与技术在医学中的应用

控制理论与技术可以解决许多医学中的问题，如药物、放射等治疗，以及假肢、人工脏器等控制，都能由应用控制技术而得到改进。
应用现代控制理论与技术，可以更有效地控制生物体。一般工业上应用的调节器也可以用于控制生物体； 但由于生物体存在复杂的自身控制，且有明显的个体差别和随时间变化的特性，以致用工业调节器常常不能得到较好的控制效果。应用最优控制理论和自适应控制技术，可能实现对生物体的高质量的控制。
最优控制的应用 最优控制是指在一定约束条件下，使控制指标达到最佳。例如对药物的最优控制，可以采用血液中药物的浓度不低于有效浓度条件下，使所用药总量最小。目前，已有两个解决最优控制问题的理论，即极大值原理及动态规划方法。两者均能在已知被控对象数学模型基础上，找出最优控制解。极大值原理可得到最优控制的必要条件，找出最优控制的特征。而动态规划方法则由最优性原理导出Bellman方程，一般用数字计算机求解。因此，一般说来，为获得最优控制的特征以用前者为好；而为求得具体的控制方案，则以后者为优。近年来，结合药物代谢动力学与细胞动力学模型，已对多种药物的最优给药及癌症的最优治疗方案作了较深入的研究，获得了对临床有指导意义的结果。不过最优控制解，依赖于模型参数及设定的品质指标，只有在模型参数完全确定的情况下，解才是最优的。因此，一般应在不同指标下，计算出一组最优解，供临床选用。
自适应控制的应用 生物体本身存在自适应能力，所以能在变化的环境中生存。自适应控制是能根据被控对象及环境的变化，相应地变化控制器，使在各种情况下都有优良的控制效果。有三大类实现自适应的控制方案。
❶增益规划表：通过测定被控系统品质的间接指标，相应改变控制器的增益或其他参数，以达到较好的控制品质；
❷参考模型法：建立一个满足要求的已知模型，将同样的输入加到被控系统和参考模型中，比较两者输出的差别，用此误差信号通过调整算法，调整控制器参数，使此误差信号接近零，此时，被控系统也满足了品质要求；
❸自校正(Self-turning)调节器：它要求先实时辨识被控对象和干扰参数及其变化，然后按辨识的参数实时设计满足要求的调节器。一般说，增益规划法最简单，但适应能力较差；自校正方法的算法最复杂，但适应能力强； 参考模型法则介乎两者之间。由于电子计算机，特别是微型计算机的迅速发展和广泛应用，已为实现自适应控制准备了物质条件。在医学领域中，由于生物体具有个体差别及随时间和环境变化的特点，自适应控制技术是控制生物体的合适方法。对手术中肌肉松弛剂及术后镇痛药物等的自适应控制已通过了动物试验，正向临床过渡。在整个手术过程中，用电子计算机实现麻醉药供给、人工呼吸机及肌肉松弛等的同时自适应控制的方法，已在研究中。在心脏手术中及术后对病人血压的自适应控制已在临床应用，并取得了明显的效果。由于手术创伤及麻醉药等的影响，病人常常不能依靠自身的血压调节系统来维持血压的稳定，而需采用快速降压药和自适应控制方法帮助病人稳定血压。
假肢的控制 五十年代，控制论发展初期，就提出了用生物电控制假肢，使截肢伤残病人恢复肢体运动功能。六十年代已有临床应用的简单的肌电控制假手。用肌电控制的重要问题是取得所需的肌电信号，特别是在多自由度运动时，要能分离出多组受意识控制的肌电信号。肌电检出部位，最好在原支配关节运动的肌肉上；若上肢已被切断，对应肌肉不复存在，则可考虑用他处肌肉产生的肌电来代替，但必须进行训练。在残肢病人肌电信号较弱时，可通过生物反馈等方法，以提高信号水平。假肢的控制已引起人们的注意，并做了大量的实验和研究工作。目前假肢控制的研究，大致沿着以下两个不同方向发展：
❶采用各种新技术，以提高假肢性能，使假肢更接近于人手；
❷应用现今可行的技术，设计高可靠性，适于在临床实际使用的肌电控制假肢，通过临床实际考验逐步提高。这两个方面的工作，都会对假肢控制的发展作出贡献。人工器官的控制 用人造器械代替失去功能的器官是生物医学工程的重要课题之一。正常的人体各器官，受着神经-内分泌系统的精密控制，因而，能适应机体在不同情况下的需要。因此，要建造比较理想的人工器官，应当模仿人体原来对脏器的调节控制过程。目前已应用的人工器官仅能代偿原器官的部分功能，只采用较简单的控制。例如，人工肾中只控制透析液组分及流速，达到排出尿素氮、肌酐等废物；但如进一步要求在透析过程中能最快排除废物，并保证体内水分与电解质浓度在生理范围内，则要求建立与透析有关各过程的数学模型，辨识模型的参数，并在此基础上采用最优控制或自适应控制方法定出个别病人的最优透析方案。人工心脏目前一般按Starling法则控制，还存在中心静脉压异常上升及血细胞比容下降等问题，还没有适应机体状况变化的能力。为此，需要进一步了解正常心脏的控制。已开始采用系统模拟方法，与循环系统模型一起，在计算机上研究人工心脏的控制。此外，应用自适应控制方法控制全人工心脏及左心室辅助装置的工作也已开始进行。人工胰脏是胰岛素自动释放系统，其主要问题是控制问题，即如何按体内实际血糖值情况，控制胰岛素泵的出量。从六十年代中开始研制，七十年代中期已有大型（床边式）人工胰商品出现。人工胰的基本环节包括血糖感受器、计算机、胰岛素泵，由血糖感受器测出血糖值，根据血糖值及血糖系统的数学模型，计算机可以用控制算法确定所需胰岛素用量，并控制胰岛素泵的注入量。早期采用半经验的控制算法； 近来已用自适应控制算法，能适应病人状况的变化，并减少了胰岛素用量。为了人工胰脏的小型化，克服微型血糖感受器不能长期稳定工作的困难，近年来，不用血糖感受器，仅用微处理器作程序控制的开环人工胰脏得到迅速的发展。