Steuerung eines Herzsimulators mit CompactRIO und LabVIEW

"CompactRIO bot sich als robuste, zuverlässige und unabhängige Plattform an, mit der unser Team lange Testphasen durchführen kann, die mit einem konventionellen Rechner nicht möglich gewesen wären."

- Dr. David Keeling, School of Mechanical Engineering, University of Leeds

Die Aufgabe:

Entwicklung einer realistischen, zuverlässigen und rekonfigurierbaren Testumgebung, um ein neuartiges System zur Herz-Kreislauf-Unterstützung ohne Einsatz von Tierversuchen voranzubringen und zu verbessern

Die Lösung:

Einsatz von NI CompactRIO zur Erstellung einer Stand-alone-HIL-Testumgebung, die ein mechanisches Herz mit dem Modell eines Blutkreislaufs verbindet, um schließlich eine Lösung zu schaffen, die physikalische und hämodynamische Modelle in vivo reproduziert

Autor(en):

Dr. David Keeling - School of Mechanical Engineering, University of Leeds
Mr Ali Alazmani - School of Mechanical Engineering, University of Leeds.
Prof. M. Levesley - School of Mechanical Engineering, University of Leeds
Dr. P. Walker - School of Mechanical Engineering, University of Leeds
Dr. K. Watterson - Leeds General Infirmary
Dr. O. Jaber - Leeds General Infirmary

 

Herzkrankheiten sind die Ursache für fast die Hälfte aller Todesfälle in der entwickelten Welt. Behandelt werden sie immer noch am effektivsten mit Herztransplantaten, jedoch übersteigt die Nachfrage weit das Angebot an Spenderorganen. Um dies auszugleichen, haben wir uns mit dem Einsatz mechanischer Herzunterstützungssysteme befasst. Eines dieser neuartigen ventrikulären Unterstützungssysteme ist das derzeit an der University of Leeds in Entwicklung befindliche intelligente „Ventricular Assist Device“ (iVAD). Es fungiert als künstliche Muskelhülle, die das schwache Herz durch Anwendung einer Druckkraft um die äußere Oberfläche der Herzkammern unterstützt, die seinem ursprünglichen Rhythmus entspricht. Diese zyklische Druckaktion unterstützt die Anstrengungen des Herzmuskels und führt zu einer verbesserten Leistung des kranken Herzens.

 

Das iVAD musste auf den Herzsimulator angebracht werden, um seine Druckleistung zu messen. Daher war eine realistische In-vitro-Testumgebung für die Entwicklung unerlässlich. Konventionelle Ansätze, die bei anderen Herzunterstützungssystemen angewendet werden, umfassen sperrige mechanische Systeme zur Nachahmung des Blutkreislaufs oder nutzen operativ entfernte Herzen, die metabolisch durch den Blutfluss eines anderen Tieres unterstützt werden. Da uns keine der beiden Methoden zusagte, erstellten wir einen eigenen HIL-Herzsimulator (Hardware-in-the-Loop), der ein Modell des Blutkreislaufs in Echtzeitsoftware und ein dreidimensionales mechanisches Herz kombiniert. Wir setzen die grafische Programmierumgebung NI LabVIEW und CompactRIO ein, um die Testumgebung weiter zu verbessern, so dass der Herzsimulator als Stand-alone-System arbeiten und über längere Zeiträume zuverlässig laufen kann.

 

Konzept des Herzsimulators

Der Herzsimulator sollte rekonfigurierbar sein, damit er physikalisch und hämodynamisch verschiedene Patientengruppen, Krankheiten und Tiermodelle reproduzieren kann. Durch diese Anpassungsmöglichkeit reduziert sich die Notwendigkeit für Tierversuche, da der Herzsimulator für ausgedehnte Tests von iVAD-Prototypen eingesetzt werden und zudem Informationen zu den physiologischen Auswirkungen des iVAD liefern kann.

 

Bei Einsatz eines solchen Unterstützungssystems wie dem iVAD ist die Interaktion zwischen ihm und der Herzoberfläche von entscheidender Bedeutung. Es ist davon auszugehen, dass diese Interaktion mit schwer zu modellierenden physikalischen Eigenschaften, etwa Spiel und nichtlineare Reibung, zusammenhängt. Daher musste der Herzsimulator unbedingt ein physikalisches Objekt umfassen, auf das wir das iVAD anbringen und somit seine reine Kompressionswirkung beobachten konnten.

 

Design des Herzsimulators

Das Design des Herzsimulators beruht auf einer HIL-Simulation, bei der es sich um eine in der Industrie gängige Prüftechnik handelt. HIL simuliert Komponenten eines Gesamtsystems mithilfe von Software und verbindet sie mit bestimmter physikalischer Hardware des zu testenden Systems. Um die Anforderungen des Herzsimulators zu erfüllen, setzten wir die HIL-Simulation für ein mechanisches Herz ein, das als Hardware innerhalb eines Simulationsmodells des Blutkreislaufs diente. Mit der kontinuierlichen Rückkopplungsschleife zwischen mechanischem Herz und Blutfluss wird bewertet, wie sich das Herzunterstützungssystem auf das Herz und die Durchblutung auswirkt, wenn es implantiert ist.

 

Die Form des mechanischen Herzens wird durch zwei modifizierbare halbrunde Formen aus gebogenen Federstahlstreifen vorgegeben, die an beiden Enden mit verstellbaren Rändern befestigt sind. Wir entwickelten ein speziell angefertigtes NI-Bildverarbeitungsprogramm, um damit die nötigen Randbedingungen festzulegen, die das Profil der Stahlstreifen auf ein Referenzherzmodell anpassen. Um die Stahlstreifen periodisch zu biegen und die dynamische Bewegung der rechten und linken Herzkammer realistisch nachzubilden, werden zwei lineare Aktuatoren eingesetzt. Die Bewegung des Aktuators innerhalb des Blutkreislaufmodells wird gesteuert, damit sie das simulierte Herz nachahmt, so dass jede Veränderung des Volumens am simulierten Herz sofort vom physikalischen Herz widergespiegelt wird. Der Aufbau bildet nicht nur die Herzform nach, sondern variiert auch die lokale Steifigkeit an der Peripherie des mechanischen Herzens, indem die mechanischen Eigenschaften der Streifen, beispielsweise ihre Dicke, individuell verändert werden. Wir verwenden eine dünne elastische Haut, um die Streifen zu umwickeln und das iVAD darauf aufzusetzen.

 

Implementierung des Herzsimulators

Wie erwähnt, nutzen wir eine Rückkopplungsschleife, um die iVAD-Unterstützung des kardiovaskulären Systems zu bewerten. Vier Drucksensoren sind in gleichem Abstand um das mechanische Herz angeordnet, um Daten zur iVAD-Unterstützung (Kompression) zu liefern. Innerhalb des Modells werden diese Daten in einen Hilfsdruck für jede Herzkammer umgewandelt. Die anschließende Wirkung auf den Blutkreislauf wird in Echtzeit berechnet und führt zu damit verbundenen Änderungen bei der Bewegung des mechanischen Herzens.

 

Das Modell des Blutkreislaufs fungiert als geschlossener Regelkreis mit konzentrierten Parametern, analog zu einem elektrischen Netzwerk. Da jeder Bereich des Herzens separat nachgebildet wird, können wir das Herz lokal kontrollieren und bestimmte Herzleiden und -krankheiten implementieren. Damit eines unserer Hauptziele erfüllt werden kann, lässt sich das Modell des Blutkreislaufs automatisch anpassen, so dass es die realen physiologischen Daten darstellt. Dazu wird eine nichtlineare Parameterschätzung mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate eingesetzt, die als Zustand innerhalb des LabVIEW-Codes implementiert wird. Das bedeutet, dass der Herzsimulator die Hämodynamik fast aller Patientengruppen und In-vivo-Modelle genau wiedergeben kann, so dass wir die potenziellen Auswirkungen des Herzunterstützungssystems besser verstehen können.

 

Mit CompactRIO steuern wir das mechanische Herz, führen die Simulation aus und schicken Daten über TCP an den Windows-Host zur Anzeige und Speicherung. Der Echtzeit-Controller führt zwei parallele Schleifen aus: eine Regelschleife mit hoher Priorität für das Modell des Blutkreislaufs und eine Kommunikationsschleife mit niedriger Priorität, die TCP-Daten mit dem Windows-Host austauscht. Die Schleife mit hoher Priorität für das Blutkreislaufmodell wird bei 500 Hz ausgeführt und wandelt die zwei Volumen der Herzkammern in eine kalibrierte Positionsspannung um, die an die I/O-Schnittstelle des FPGAs (Field-Programmable Gate Array) geschickt wird und der jeder lineare Aktuator folgt. Der FPGA handhabt alle I/O-Schnittstellen des CompactRIO und führt eine Proportional-Integral-Regelung eines Heizgeräts aus, welches das Gehäuse des Herzsimulators konstant auf 37 oC (Körpertemperatur) hält.

 

Vorteile der Lösung von NI

CompactRIO bietet eine robuste und zuverlässige Stand-alone-Plattform zur Erstellung des Herzsimulators, die es dem Team ermöglicht, Tests an einem neuartigen Herzunterstützungssystem über einen längeren Zeitraum durchzuführen, was mit einem herkömmlichen Rechner nicht möglich ist. Die kompakte Form des Systems und die Vielzahl an I/O-Modulen tragen dazu bei, eine Lösung erfolgreich umzusetzen.

 

Informationen zum Autor:

Dr. David Keeling
School of Mechanical Engineering, University of Leeds

Figure 2: An In-Vitro Reproduction of a Scanned Heart Model