CompactRIO和LabVIEW控制心臟模擬器設計

3D模擬器

挑戰：開(kāi)發(fā)一個(gè)逼真、可靠和可重新配置測試環(huán)境，幫助最新的心臟輔助裝置進(jìn)行提高和改善，而無(wú)需進(jìn)行動(dòng)物試驗。
解決方案：利用NI CompactRIO創(chuàng )建一個(gè)獨立的硬件在環(huán)（HIL）測試環(huán)境。該測試環(huán)境可以把人工機械心臟與循環(huán)血流模型相結合，創(chuàng )造一個(gè)包含真實(shí)血液動(dòng)力環(huán)境的生動(dòng)的解決方案。

CompactRIO提供了一個(gè)堅固、可靠、獨立的平臺，使我們的團隊能夠進(jìn)行持續性測試，這在普通的計算機上是不可能實(shí)現的。

由心臟病導致的死亡占發(fā)達國家所有死亡人口的將近一半。心臟移植仍然是治療心臟病最有效的方式，但捐獻的器官遠遠及不上需求。為了解決這種不平衡情況，目前人們正在研究使用。利茲大學(xué)正在開(kāi)發(fā)的一種新穎的機械人工心臟輔助裝置被命名為智能心室輔助裝置（iVAD）。該裝置能夠作為人造肌肉包覆心臟，通過(guò)在心臟心室外表面周?chē)┘优c自然節律同步的壓力，為衰竭的心臟提供輔助。這種周期性的“擠壓”作用可以增加心肌動(dòng)力，提高患病心臟的排血量。

我們需要真實(shí)地把iVAD應用于一個(gè)模擬的心臟，以便測量壓力對其的影響，所以逼真的體外測試環(huán)境對于開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)勢在必行。在過(guò)去，其他的心臟輔助裝置的測試系統一般采用龐大的機械仿真循環(huán)系統，或者使用靠別的動(dòng)物的血液循環(huán)支撐的離體心臟來(lái)完成。這兩種方法對我們而言都不實(shí)用，所以我們創(chuàng )造了一個(gè)獨特的HIL(硬件在環(huán))的心臟模擬器，它可以把實(shí)時(shí)的軟件血流模型與實(shí)體3D人工心臟相結合。我們使用NI LabVIEW 圖形化程序環(huán)境和CompactRIO 進(jìn)一步增強測試環(huán)境，所以心臟模擬器可以像獨立系統一樣工作并且在更長(cháng)的持續期間內可靠運行。

心臟模擬器原理

我們需要心臟模擬器能夠被重新配置，以便復制不同的病人類(lèi)型、疾病類(lèi)型和動(dòng)物模型的真實(shí)血液環(huán)境。這種調整可以減少對動(dòng)物試驗的依賴(lài)，因為心臟模擬器可以延長(cháng)使用iVAD原型進(jìn)行的試驗，并且提供關(guān)于iVAD生理效應的信息。

對于iVAD等輔助裝置而言，輔助裝置和心臟表面的交互作用至關(guān)重要。這種交互作用很可能取決于難以模擬的人體特性，例如間隙和非線(xiàn)性摩擦；因此，對于心臟模擬器而言，擁有一個(gè)可以和iVAD進(jìn)行交互的實(shí)體對象至關(guān)重要，我們可以監測壓縮過(guò)程中的原始數據。

心臟模擬器設計

在設計心臟模擬器的過(guò)程中，我們采用了HIL仿真的原理。這是一種在工業(yè)中常見(jiàn)的測試技術(shù)。HIL在軟件中仿真了系統中的一些元件，并且通過(guò)I/O將它們連接到需要測試的同一系統中的特定的真實(shí)硬件。為了滿(mǎn)足心臟模擬器的要求，我們采用了一個(gè)機械心臟作為HIL仿真的中的硬件部分，將其放置在一個(gè)仿真的血流循環(huán)模型中。并利用兩者之間的連續不斷的相互作用的回路進(jìn)行評估，以了解當iVAD被移植到人體內時(shí)如何進(jìn)行輔助，并對心臟和血流產(chǎn)生影響。

人工心臟的形狀由兩個(gè)可變形的半圓狀的結構所確定，它們由彎曲的彈簧鋼條所組成，鋼條被固定在兩頭，其邊界形狀是可以調節的。我們還開(kāi)發(fā)了一個(gè)定制的NI視覺(jué)程序用于確定必要邊界形狀，以使每個(gè)鋼條的輪廓與參考的心臟模型相匹配。我們采用兩個(gè)線(xiàn)性執行機構來(lái)實(shí)現彎曲鋼條的循環(huán)控制，以逼真地表現出心臟左心室和右心室的動(dòng)態(tài)運動(dòng)。我們控制血流模型中的執行機構進(jìn)行運動(dòng)，以仿真模擬心臟的運動(dòng)，所以模擬心臟的任何體積變化都會(huì )直接影響到人工心臟。除了能夠匹配心臟的形狀，這樣的設計還使我們可以通過(guò)單獨改變鋼條的機械屬性（例如厚度），來(lái)改變人工心臟外圍的局部硬度。最后，我們在鋼條外圍包裹了一層薄薄的松緊帶，從而實(shí)現了iVAD。

心臟模擬器實(shí)現

如上所述，我們使用帶有反饋的回路來(lái)評估iVAD對心血管系統的幫助。在人工心臟周?chē)嗟乳g隔位置安放了四個(gè)相似的壓力傳感器，以便提供iVAD輔助過(guò)程（壓縮過(guò)程）中的數據。在模型內，這些數據被轉換為對于每個(gè)心室的輔助壓力，并實(shí)時(shí)計算出隨后對血流的影響，最后輸出到硬件并且相應改變人工心臟的運動(dòng)。

血流模型的工作方式與電氣網(wǎng)絡(luò )的閉環(huán)集中參數模型類(lèi)似。因為心臟的每個(gè)區域都單獨被模擬的，所以我們可以對心臟實(shí)現局部控制，并調節出特殊的心臟條件或心臟疾病。為了滿(mǎn)足我們的主要目標，血流模型可以自動(dòng)調整，通過(guò)使用非線(xiàn)性最小平方參數估計法（在LabVIEW代碼中，可以實(shí)現為一種狀態(tài)）來(lái)表征生理數據。這意味著(zhù)心臟模擬器可以精確反映大多數病狀和體內模型的血液動(dòng)力特征，有助于提高我們對裝置的潛在效應的了解。

我們使用CompactRIO來(lái)控制人工心臟，運行仿真并且經(jīng)由TCP把數據發(fā)送到Windows主機以供顯示和保存。實(shí)時(shí)控制器可以執行兩個(gè)并行運行的回路：一個(gè)高優(yōu)先級控制回路用于控制血流模型，以及一個(gè)低優(yōu)先級通信回路，可以向Windows主機發(fā)送和接收隊列中的TCP數據。高優(yōu)先級血流模型回路以500 Hz的速度運行，并且把兩個(gè)心室容積轉換為已校準的定位電壓。定位電壓被發(fā)送到現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）I/O，以控制所有線(xiàn)性執行機構來(lái)執行。FPGA經(jīng)過(guò)編譯后可處理CompactRIO的所有I/O，并提供加熱器（用于使心臟模擬器外殼溫度保持在37°C。（體溫））的比例積分（PI）控制。

NI解決方案的優(yōu)勢

CompactRIO為心臟模擬器的制造提供了一個(gè)堅固、可靠、獨立的平臺，使我們的團隊能夠進(jìn)行持續性測試，這在普通的計算機上是不可能實(shí)現的。系統緊湊小巧，并擁有各種插入式模塊，為我們成功創(chuàng )造解決方案提供了有力的保障。