心力衰竭（心衰）是一种严重威胁人类健康的疾病。晚期心衰最有效的治疗方法是心脏移植与人工心脏辅助。由于移植心脏数量不足，人工心脏得到快速地发展。随着人工心脏使用量的增加，由其引起的心脏功能恢复现象引起了极大的关注。然而目前尚未建立以促进心脏功能恢复为目的的人工心脏控制策略。　　人工心脏泵是由北京工业大学研制的新一代人工心脏。本文的研究目标是通过控制人工心脏泵促进心脏功能的恢复。为此，本文建立面向心功能恢复的人工心脏泵分层控制策略以解决人工心脏泵治疗心衰中面临的三方面问题:如何确定人工心脏泵的最佳辅助水平;如何满足循环系统的血液灌注与心脏卸载需求以及如何维持人工心脏泵系统的控制稳定性。针对上述问题，论文开展三方面研究。　　第一，建立循环系统与人工心脏泵耦合模型，为人工心脏泵控制策略研究提供被控对象。首先，建立循环系统集中参数模型以研究循环系统血流动力学机理。其次，建立压力反射系统(Baroreflex System)数学模型以研究压力反射系统对心率的调节机制。再次，建立人工心脏泵流体力学模型以研究人工心脏泵的流体特性。最后，建立循环系统与人工心脏泵耦合模型将循环系统集中参数模型、压力反射系统数学模型以及人工心脏泵流体力学模型进行耦合，并采用数值方法研究耦合模型的有效性。　　第二，设计人工心脏泵分层控制策略，解决人工心脏泵促进心脏功能恢复中面临的三方面问题。首先，设计外层控制策略确定循环系统的最佳辅助水平。其次，设计中层控制策略以满足循环系统血液灌注与心脏卸载的需求。控制策略采用心率来反映循环系统血液灌注需求的变化;设计血流辅助指数(BAI)反映心脏卸载水平的变化。再次，设计内层控制策略维持人工心脏泵系统的控制稳定性。最后，将根据上述三层控制策略建立人工心脏泵分层控制策略，并利用数值方法，体外实验方法与动物实验方法研究分层控制策略的辅助效果。　　第三，研究人工心脏泵辅助引起的血液搏动性改变及其辅助模式对循环系统的血流动力学影响的问题。首先，设计人工心脏泵搏动控制策略补偿人工心脏泵辅助引起血液搏动性变化。其次，设计恒速辅助模式、同步辅助模式与反搏辅助模式等三种人工心脏泵辅助模式，采用数值方法研究三种辅助模式对循环系统产生的血流动力学影响。　　论文的研究工作共获得三个主要结论。　　1.循环系统与人工心脏泵耦合模型能够准确地反映人工心脏对循环系统的血流动力学影响。一方面能够准确地模拟心衰状态下循环系统血流动力学特性;另一方面耦合模型能够准确地模拟人工心脏泵对循环系统的血流动力学影响。　　2.本文建立的外层控制策略能够确定循环系统的最佳辅助水平，调整时间小于5s;中层控制策略能够满足循环系统血液灌注与心脏卸载的需求;内层控制策略能够减小系统的内部不确定性与外部扰动对人工心脏泵系统控制稳定性的影响，最大误差为0.1L/min;分层控制策略在一个控制策略中有效地解决上述三方面问题，并且系统调整时间小于5s，最大误差为0.1L/min。动物实验研究表明分层控制策略能够准确地确定实验动物的最佳辅助水平，并且能够获得血液灌注需求与心脏卸载水平之间的最优组合。　　3.人工心脏泵辅助能够直接影响循环系统的血流动力学特性。一方面，本文设计的人工心脏泵搏动控制策略能够补偿辅助过程中循环系统的血液搏动性的变化，使人工心脏泵辅助下循环系统的血液搏动性恢复正常。另一方面，研究表明同步辅助模式与反搏辅助模式能够更好地实现心脏卸载，其中同步辅助模式能够在实现最好的心脏压力卸载的同时能够产生最大的血液搏动性;而反搏辅助模式能够在实现心脏容积卸载的同时获得最小的心脏等效后负荷。　　论文的工作具有三方面创新性。1、论文首次提出了通过分层控制已达到优化人工心脏辅助水平和促进心脏功能恢复的方法。2、论文建立了外层控制策略确定心脏的最佳辅助水平，并作为优化人工心脏泵输出的控制变量;首次提出了血流辅助指数用于检测和控制心脏卸载水平;建立的中层控制策略能够平衡血液灌注与心脏卸载的需求;建立的内层控制策略能够维持人工心脏泵系统的控制稳定性。3、体外模拟实验、动物实验与临床应用验证该控制系统能够满足心脏辅助水平、血液灌注与心脏卸载以及人工心脏泵系统控制稳定性等三方面需求。确保了实验研究中动物和人体血液循环系统的正常运转。使用该控制系统的人工心脏已经成功应用于四例临床病例与多例动物实验中。