CompactRIO​と​LabVIEW​で​心臓​シミュレータ​を​制御​する

「CompactRIO​は、​信頼​性​が​高​く​堅牢​な​スタンドアロン​の​プラットフォーム​として​機能​しま​した。​これ​を​採用​した​こと​で、​私​たち​の​チーム​は、​長期​にわたる​試験​を​実施​する​こと​が​でき​ま​した。​従来​の​コンピュータ​機器​を​使用​した​の​では、​これ​と​同じ​こと​は​達成​でき​なか​っ​た​はず​です」

― Dr.David Keeling、​リ​ーズ​大学​機械​工学部

課題:

動物​実験​なし​で​新しい​心臓​補助​装置​の​進歩​および​改善​を​可能​に​する、​現実​的​で​信頼​性​に​優​れ​た​再​構成​可能​な​テスト​環境​を​開発​する。

ソリューション:

NI CompactRIO​を​活用​する​こと​で、​人工​心臓​と​循環​血流​モデル​を​組み合わせ​た​スタンドアロン​型​の​HIL (Hardware-​In-​the-​Loop) テスト​環境​を​構築​し、​生体​モデル​を​物理​的​および​血行​動態​的​に​複製​する​最終​ソリューション​を​実現​する。

作成​者:

Dr.David Keeling ― リ​ーズ​大学​機械​工学部
​Mr Ali Alazmani ― リ​ーズ​大学​機械​工学部
​Prof. M. Levesley ― リ​ーズ​大学​機械​工学部
​Dr.P. Walker ― リ​ーズ​大学​機械​工学部
​Dr.K. Watterson ― リ​ーズ​総合​病院
​Dr.O. Jaber ― リ​ーズ​総合​病院

 

 

心臓​疾患​は、​先進​国​における​死因​の​ほぼ​半数​を​占​め​てい​ます。​心臓​移植​は​現在​心臓​病​の​最も​有効​な​治療法​ですが、​ドナー​臓器​の​需要​は​供給​を​はるかに​上回​って​い​ます。​こうした​不均衡​へ​の​対処​として、​心臓​補助​装置​を​使用​する​研究​を​行​いま​した。​リ​ーズ​大学​で​開発​中​の​新しい​装置​の​1​つ​に、​iVAD (intelligent Ventricular Assist Device) が​あり​ます。​この​装置​は​心臓​を​包み込む​人工​筋肉​として​機能​し、​心室​の​外側​の​表面​に​自己​の​心拍​数​に​同調​する​収縮​力​を​与える​こと​で​心不全​を​補助​し​ます。​この​周期​的​な​「収縮」​動作​が​心筋​収縮​力​を​補強​する​ため、​疾患​の​ある​心臓​の​血液​拍出​量​が​改善​さ​れ​ます。

 

この​iVAD​を​物理​的​に​心臓​シミュレータ​に​適用​し​て、​収縮​力​を​測定​する​必要​が​あっ​た​ため、​本物​に​近い​人工​的​な​体内​モデル​の​テスト​環境​が​開発​に​は​不可欠​で​した。​他の​心臓​補助​装置​に​用​い​ら​れ​た​従来​の​方法​では、​大型​の​機械​的​な​模擬​循環​システム​を​使用​する​または、​他の​動物​の​血流​によって​動く​摘出​心臓​を​使用​する​必要​が​ありま​した。​私​たち​は​どちら​の​方法​も​好​ま​なか​っ​た​ため、​リアルタイム​ソフトウェア​による​血流​モデル​を​物理​的​な​3D​人工​心臓​と​組み合わせ​て、​独自​の​HIL​心臓​シミュレータ​を​作製​しま​した。NI LabVIEWグラフィカル​プログラミング​環境とCompactRIOを​使用​し​て、​テスト​環境​を​より​強化​した​こと​で、​心臓シミュレータをスタンドアロン型システムとして動作させ、​より​長期​にわたって​確実​に​駆動​させる​こと​が​でき​ま​した。

 

心臓​シミュレータ​の​概念

私​たち​は​この​心臓​シミュレータ​を​再​構成​可能​な​もの​に​した​いと​考え​ま​した。​そうすれば、​異なる​患者​グループ、​疾患、​および​動物​モデル​を​物理​的​かつ​血行​動態​的​に​複製​できる​から​です。​こうした​適応​性​によって、​動物​実験​の​必要性​を​減らす​こと​が​でき​ます。​心臓​シミュレータ​によって、​iVAD​の​試作​版​を​長期​にわたって​検査​できる​うえ、​iVAD​の​生理学​的​効果​に関する​情報​も​得る​こと​が​できる​から​です。

 

iVAD​の​よう​な​補助​デバイス​では、​補助​デバイス​と​心臓​の​表面​の​相互作用​が​極めて​重要​です。​この​よう​な​相互作用​は、​反動​や​非線形​摩擦​など、​モデル​化​が​難しい​物理​的​特性​に​依存​する​場合​が​多い​ため、​心臓​シミュレータ​に​は、​iVAD​を​適用​でき、​その​未​調整​の​収縮​力​を​監視​できる​物理​的​対象​物​が​必要​で​した。

 

心臓​シミュレータ​の​設計

心臓​シミュレータ​の​設計​は、​産業​界​で​普及​し​て​いる​テスト​技術​で​ある​HIL​シミュレーション​に​基​づ​い​て​行​いま​した。​HIL​は、​テスト​を​必要​と​する​システム​の​部品​を​ソフトウェア​によって​シミュレーション​し、​これらの​部品​を​同じ​システム​の​指定​さ​れ​た​物理​的​な​ハードウェア​部品​と​関連​付け​ます。​心臓​シミュレータ​の​要件​を​満たす​ため、​私​たち​は​シミュレーション​した​血流​モデル​ループ​内​で​ハードウェア​として​機能​する​人工​心臓​に対して、​HIL​シミュレーション​を​用​いま​した。​両者​の​間​で​連続​的​な​フィードバック​ループ​を​使用​し​て、​補助​装置​が​体内​に​埋​め​込​まれ​た​場合、​心臓​と​血流​に​どの​よう​な​影響​が​ある​か​を​評価​しま​した。

 

人工​心臓​の​形状​は、​締め​金​が​付​い​た​2​つ​の​変形​可能​な​半​円形​の​圧延​鋼板​によって​決定​さ​れ​ます。​これら​は​両端​が​接続​さ​れ​て​おり、​境界​部分​の​調節​が​可能​です。​私​たち​は、​カスタム​仕様​の​NI​ビジョン​プログラム​を​開発​し​て、​基準​と​なる​心臓​モデル​に対して​各​圧延​鋼板​の​断面​を​一致​させる​の​に​必要​な​境界​条件​を​定義​し​や​すく​しま​した。​2​台​の​線形​アクチュエータ​を​使用​し​て、​周期的に圧鋼板を収縮させ、​心臓​の​右心室​と​左​心室​を​本物​の​ごと​く​動​かし​ます。​血流​モデル​内​の​アクチュエータ​の​動作​を​制御​し​て、​ソフトウェア​上​で​シミュレーション​した​心臓​を​模倣​する​こと​で、​シミュレーション​した​心臓​に対する​いかなる​体積​変化​も​物理​的​な​心臓​に​すぐさま​反映​さ​れ​ます。​心臓​の​形状​一致​の​ほか、​こうした​調整​は、​圧延​鋼板​の​特性 (厚​さ​など) を​個々​に​変更​する​こと​によって、​人工​心臓​の​周囲​の​部分​的​な​剛性​を​変化​させる​可能性​が​あり​ます。​圧延​鋼板​は​薄い​ゴム​状​皮膚​で​包​んで、​iVAD​を​適用​しま​した。

 

周期​的​に​圧延​鋼板​を​収縮​し、​心臓​の​右心室​と​左​心室​の​本物​に​近い​動き​を​作り出す​ため​に、​2​台​の​線形​アクチュエータ (LinMOT PS01-23x1 60H) を​使用​しま​した。​2​台​の​アクチュエータ​の​動作​は、​CompactRIO​バック​プレー​ン​内​の​FPGA​で​実行​さ​れ​て​いる​アルゴリズム​に従って、​40 kHz​で​PID (比例/​微分/​積分) 制御​しま​した。​PID​に対する​位置​的​な​要求​は、​血流​モデル​内​の​心臓​の​体積​の​変化​から​導​き​出​さ​れ​ます。​これ​によって、​物理​的​な​心臓​の​動き​は​シミュレーション​した​心臓​を​模倣​する​ことに​なり​ます。

 

 

心臓​シミュレータ​の​実装

前述​の​とおり、​心臓​血管​系​に対する​iVAD​の​補助​を​評価​する​の​に、​フィードバック​ループ​を​使用​し​ます。​4​つ​の​適合​する​圧力​センサ​を​人工​心臓​の​周囲​に​等間隔​に​配置​し、​iVAD​の​補助 (収縮) データ​を​得​ます。​4​つ​の​圧力​センサ​から​の​信号​は​50 kHz​で​集録​し、​FPGA​上​で​平均​値​を​算出​し​て、​ノイズ​を​軽減​し​ます。​DMA (ダイレクト​メモリ​アクセス) および​FIFO (先入れ先出し​法) を​使用​し​て、​この​平均​値​の​情報​が​FPGA​から、​CompactRIO​コントローラ上で実行されているリアルタイムモデルに渡され、​各​心室​に対する​補助​圧力​に​変換​さ​れ​ます。​これによって血流にもたらされる影響が計算され、​あたかも​心臓​が​同様​の​物理​的​な​相互作用​を​受け​て​反応​した​か​の​よう​に、​デバイス​の​補助​に対する​人工​心臓​の​反応​が​定義​さ​れ​ます。​CompactRIO​が​Windows​を​搭載​した​コンピュータ​に​接続​さ​れ​て​いる​場合、​圧力​データ​は​TCP​経由​で​LabVIEW​のユーザインタフェースに送信され、​そこで、​3D​の​心臓​表面​へ​STL​形式​の​画像​として​マッピング​さ​れ​ます。​これ​によって、​人工​心臓​の​周囲​における​補助​デバイス​の​性能​に関する​重要​な​視覚​情報​が​得​ら​れ​ます。

 

血流​モデル​は、​電気​回路​に​基​づ​い​た、​閉ループ​集中​パラメータ​モデル​として​機能​し​ます。​この​類推​において​は、​血流​に対する​抵抗、​キャパシタンス (血管​コンプライアンス) 、​および​インダクタンス (血流​の​慣性) の​観点​から、​コンパートメント​圧​が​定義​さ​れ​ます。​作成​さ​れる​数値​モデル​は、​各領域が別々にモデル化された、​血液​を​蓄え​た​6​つ​の​コンパートメント (図​2) から​構成​さ​れ​てい​ます。​これ​によって​心臓​血管​系​に対する​部分​的​な​制御​が​可能​に​なり、​3​つ​の​モデル​条件​を​一致​させる​こと​で​特定​の​疾患​や​状態​を​実装​でき​ます。​私​たち​は​主​な​目標​の​1​つ​を​達成​する​ため、​Windows​ホスト​の​LabVIEW VI​内​で​別​の​ステート​を​作成​しま​した。​これ​により、​レーベンバーグ・​マル​カート​法​の​非線形​最小​二乗​関数​を​扱​っ​た​専用​の​パラメータ​推定​アルゴリズム​を​使用​し​て、​血流​モデル​が​自動的​に​実際​の​生理​的​な​圧力​波形​に​合致​できる​よう​に​なり​ます。​一度実行すれば、​最も​合致​する​パラメータ​を​即座​に​リアルタイム​モデル​に​ロード​でき、​心臓​シミュレータ​は​いかなる​患者​グループ、​循環​器​疾患、​または​生​体内​モデル​の​血行​動態​でも​正確​に​反映​できる​よう​に​なり​ます。


​私​たち​は​CompactRIO​を​使用​する​こと​で、​人工​心臓​の​制御​を​行い、​シミュレーション​を​実行​し、​データ​の​表示​と​保存​の​ため​に​TCP​経由​で​Windows​ホスト​へ​データ​を​送信​し​ます。​リアルタイム​コントローラ​は​2​つ​の​並列​ループ​を​実行​し​ます。​優先​度​の​高い​血流​モデル​の​制御​ループ​と、​キューに入った​TCP​データ​を​Windows​ホスト​と​の​間​で​送受信​する、​優先​度​の​低い​通信​ループ​です。​優先​度​の​高い​血流​モデル​ループ​は、​500 Hz​で実行され、​2​つ​の​心室​体積​を​校正​さ​れ​た​位置​的​な​電圧​に​変換​し​て、​FPGA I/​O​に​送信​し、​各​線形​アクチュエータ​が​追跡​できる​よう​にし​ます。​FPGA​は、​CompactRIO​の​すべて​の​I/​O​に​対応​し、​加熱器​の​PI (比例/​積分) 制御​を​行う​よう​に​構成​さ​れ​てい​ます。​加熱器​は​心臓​シミュレータ​の​ケース​を​常に​37 ℃ (体温) に​保つ​ため​に​使用​し​ます。

 

NI​ソリューション​の​メリット

CompactRIO​は、​心臓​シミュレータ​を​構築​する​上​で、​信頼​性​が​高​く​堅牢​な​スタンドアロン​の​プラットフォーム​として​機能​しま​した。​これ​を​採用​した​こと​で、​私​たち​の​チーム​は、​新た​な​心臓​補助​装置​について​長期​にわたる​試験​を​実施​する​こと​が​でき​ま​した。​従来​の​コンピュータ​機器​を​使用​した​の​では、​これ​と​同じ​こと​は​達成​でき​なか​っ​た​はず​です。​この​システム​の​コンパクト​さ​と、​プラグ​イン​モジュール​の​多様​性​によって、​ソリューション​の​作成​が​成功​しま​した。

 

著者​情報:

Dr.David Keeling
リ​ーズ​大学​機械​工学部

図​2. ​ ​スキャン​した​心臓​モデル​の​人工​的​な​複製 ​