Controlar un simulador de corazón con CompactRIO y LabVIEW

Autor(es):

Dr. David Keeling - Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Leeds
Mr Ali Alazmani - Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Leeds
Prof. M. Levesley - Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Leeds
Dr. P. Walker - Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Leeds
Dr. K. Watterson - Clínica General de Leeds
Dr. O. Jaber - Clínica General de Leeds

Las enfermedades cardíacas representan casi la mitad de todas las muertes en el mundo desarrollado. Los trasplantes de corazón siguen siendo la forma más eficaz de tratamiento contra la enfermedad, pero la demanda de órganos de donantes supera por mucho a la oferta. Para abordar este desequilibrio, hemos explorado el uso de dispositivos mecánicos de asistencia cardíaca. Uno de estos dispositivos novedosos en desarrollo en la Universidad de Leeds es el dispositivo inteligente de asistencia ventricular (iVAD). El dispositivo funciona como una envoltura de músculo artificial que ayuda al corazón que falla aplicando fuerza de compresión, simultánea al ritmo nativo, alrededor de la superficie externa de los ventrículos del corazón. Esta acción cíclica de "compresión" aumenta los esfuerzos del músculo cardíaco, lo que resulta en un mejor desempeño del corazón enfermo.

Necesitábamos aplicar físicamente el iVAD al simulador de corazón para medir sus esfuerzos de compresión, por lo que un entorno realista de pruebas in-vitro era imperativo para el desarrollo. Los enfoques tradicionales utilizados para otros dispositivos de asistencia cardíaca han involucrado sistemas circulatorios voluminosos de simulación mecánica o el uso de corazones extirpados que están respaldados metabólicamente por el flujo sanguíneo de otro animal. Debido a que no optamos por ninguno de los métodos, creamos un simulador HIL de corazón único que combina un modelo de flujo sanguíneo de software en tiempo real con un corazón mecánico físico 3D. Usamos el entorno de programación gráfica NI LabVIEW y CompactRIO para mejorar aún más el entorno de pruebas para que el simulador de corazón pudiera operar como un sistema autónomo y funcionar de manera confiable durante períodos de tiempo prolongados.

El concepto del simulador de corazón

Queríamos que el simulador de corazón fuera reconfigurable para que pudiera replicar de manera física y hemodinámica diferentes grupos de pacientes, enfermedades y modelos animales. Esta adaptabilidad podría reducir la necesidad de realizar pruebas con animales porque el simulador de corazón podría usarse para pruebas prolongadas de prototipos de iVAD y también proporcionar información sobre los efectos fisiológicos de iVAD.

Con un dispositivo de asistencia como el iVAD, la interacción entre el dispositivo de asistencia y la superficie del corazón es crucial. Es probable que esta interacción dependa de características físicas que son difíciles de modelar, como el juego y la fricción no lineal; por lo tanto, era imperativo que el simulador de corazón tuviera un objeto físico sobre el cual pudiéramos aplicar el iVAD y monitorear su operación de compresión.

El diseño del simulador de corazón

Basamos el diseño del simulador de corazón en la simulación HIL, que es una técnica de pruebas comúnmente utilizada en la industria. HIL simula componentes de un sistema con software y los vincula a partes de hardware físicas específicas del mismo sistema que requiere pruebas. Para cumplir con los requisitos del simulador de corazón, utilizamos la simulación HIL para un corazón mecánico que funciona como hardware dentro de un ciclo de modelo de flujo sanguíneo simulado. El ciclo de retroalimentación continua entre los dos se usa para evaluar cómo la asistencia física del dispositivo afecta el corazón y el flujo sanguíneo si se implanta dentro del cuerpo.

La forma del corazón mecánico está definida por dos patrones semicirculares modificables de tiras de acero de resorte abrochadas, que se unen en ambos extremos bajo condiciones de contorno ajustables. Desarrollamos un programa de visión personalizado para ayudar a definir las condiciones de contorno necesarias para que el perfil de cada una de las tiras de acero coincidiera con un modelo de corazón de referencia. Usamos dos actuadores lineales para flexionar cíclicamente las tiras de acero y representar de manera realista el movimiento dinámico de los ventrículos derecho e izquierdo del corazón. Controlamos el movimiento del actuador dentro del modelo de flujo sanguíneo para imitar el corazón simulado, por lo que cualquier cambio de volumen en el corazón simulado se refleja inmediatamente en el corazón físico. Además de coincidir con la forma del corazón, la disposición varía potencialmente la rigidez local alrededor de la circunferencia del corazón mecánico al ajustar individualmente las propiedades mecánicas de las tiras, como el grosor. Usamos una piel fina elástica para rodear las tiras y aplicar el iVAD.

Se utilizan dos actuadores lineales (LinMOT PS01-23x1 60H) para flexionar cíclicamente las tiras de acero y generar un movimiento dinámico y realista de los ventrículos derecho e izquierdo del corazón. El movimiento de los dos actuadores se controla utilizando el control proporcional integral derivativo (PID) a 40 KHz con algoritmos que se ejecutan en el FPGA dentro del plano trasero CompactRIO. La demanda posicional del PID se deriva del volumen cambiante del corazón dentro del modelo de flujo sanguíneo, por lo tanto, esto asegura que el movimiento del corazón físico imite el corazón simulado.

La implementación del simulador de corazón

Como se mencionó, usamos un ciclo de retroalimentación para evaluar la asistencia de iVAD al sistema cardiovascular. Cuatro sensores de presión adaptables están ubicados a intervalos iguales alrededor del corazón mecánico para proporcionar datos de asistencia (compresión) del iVAD. Las señales de los cuatro sensores se adquieren a 50 KHz y se promedian en FPGA para reducir el ruido. Usando un acceso directo a memoria (DMA), primero en entrar, primero en salir (FIFO), esta información luego se pasa del FPGA al modelo en tiempo real que se ejecuta en el controlador CompactRIO y se convierte en una presión de asistencia para cada ventrículo. Se calcula el efecto posterior que esto tiene sobre el flujo sanguíneo y luego se define el movimiento de respuesta del corazón mecánico para la asistencia del dispositivo, tal como lo exhibiría el corazón si estuviera sujeto a la misma interacción física. Si el CompactRIO está conectado a una PC Windows, los datos de presión se envían a través de TCP a una interfaz de usuario de LabVIEW donde se mapean en la superficie de un corazón 3D como una imagen STL. Esto nos proporciona información visual crucial sobre el desempeño del dispositivo alrededor de la circunferencia del corazón mecánico.

El modelo de flujo sanguíneo funciona como un modelo de parámetros agrupados de ciclo cerrado basado en una analogía de red eléctrica; donde la presión de un compartimento se define en términos de resistencia al flujo sanguíneo, capacitancia (distensibilidad de los vasos) e inductancia (inercia del flujo). El modelo numérico creado se compone de seis compartimentos de almacenamiento de sangre (Figura 2) con cada región modelada por separado. Esto permite el control local sobre el sistema cardiovascular y, por lo tanto, mediante el ajuste de los tres términos del modelo, la implementación de enfermedades y afecciones específicas. Para ayudar a satisfacer uno de nuestros objetivos principales, creamos un estado separado dentro del VI de LabVIEW del host de Windows que permite que el modelo de flujo sanguíneo se ajuste automáticamente a las formas de onda reales de presión fisiológica mediante el uso de un algoritmo de estimación de parámetros especialmente diseñado que cuenta con una función Levenberg-Marquardt de mínimos cuadrados no lineales. Una vez ejecutado, los mejores parámetros se pueden cargar instantáneamente en el modelo en tiempo real y el simulador de corazón tiene la capacidad de reflejar con precisión la hemodinámica de cualquier grupo de pacientes, enfermedad cardiovascular o modelo in-vivo.

Usamos CompactRIO para controlar el corazón mecánico, ejecutar la simulación y enviar datos a través de TCP al host de Windows para mostrarlos y guardarlos. El controlador en tiempo real ejecuta dos ciclos paralelos: un ciclo de control de alta prioridad para el modelo de flujo sanguíneo y un ciclo de comunicación de baja prioridad que envía y recibe datos TCP en cola hacia y desde el host de Windows. El ciclo del modelo de flujo sanguíneo de alta prioridad funciona a 500 Hz y convierte los dos volúmenes ventriculares en un voltaje posicional calibrado que se envía a la E/S del arreglo de compuerta programable en campo (FPGA) para cada uno de los actuadores lineales siguientes. El FPGA está compilado para manejar todas las E/S del CompactRIO, así como para proporcionar control integral derivativo (PI) de un calentador, que se utiliza para mantener el entorno del simulador de corazón a 37 °C constantes (temperatura corporal).

Ventajas de la solución de NI

CompactRIO proporcionó una plataforma autónoma, robusta y confiable para construir el simulador de corazón, lo que permitió a nuestro equipo realizar pruebas prolongadas de un nuevo dispositivo de asistencia cardíaca, lo que no habría sido posible en una PC tradicional. El tamaño compacto del sistema y la variedad de módulos insertables, nos ayudaron a crear una solución con éxito.

Información del autor:

Dr. David Keeling
Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Leeds