通过​CompactRIO​和​LabVIEW​控制​心脏​仿真器

“CompactRIO​提供​了​坚固​可靠​的​独立​式​平台,​使​我们​能够​进行​长​时间​的​测试,​这​是​使用​传统​计算​机​所​无法​实现​的。”

- David Keeling​博士,​利兹​大学​机械​工程​学院

挑战:

开发​一个​真实、​可靠、​可​重​配置​的​测试​环境,​以​优​化​和​改进​一种​新型​心脏​辅助​装置,​无​需​进行​动物​试验。

解决​方案:

使用​NI CompactRIO​创建​一个​独立​的​硬件​在​环​(HIL)​测试​环境,​将​物理​机械​心脏​与​血液循环​流动​模型​相​结合,​从而​打造​一个​以​物理​方式​和​血流​动力​学​方式​复制​生物​体内​模型​的​最终​解决​方案。

作者:

David Keeling​博士 - 利兹​大学​机械​工程​学院
​Ali Alazmani​先生 - 利兹​大学​机械​工程​学院
​M. Levesley​教授 - 利兹​大学​机械​工程​学院
P. Walker​博士 - 利兹​大学​机械​工程​学院
K. Watterson​博士 - 利兹​综合​医院
O. Jaber​博士 - 利兹​综合​医院

 

 

在​发达​国家,​心脏​病​造成​的​死亡​人数​几乎​占据​总​死亡​人数​的​一半。​心脏​移植​依旧是​治疗​该​疾病​最为​有效​的​一种​方式,​但​捐赠​器官​却​往往​供不应求。​为了​解决​这种​失​衡,​我们​一直在​探索​是否​可以​使用​机械​心脏​辅助​装置。​利兹​大学​目前​正在​开发​这种​新型​装置,​称​之​为​智能​心室​辅助​装置​(iVAD)。​该​装置​作为​一种​人造​肌肉,​包裹​着​心脏​心室​的​外​表面,​通过​施加​与​原始​心律​同步​的​压缩​力,​协助​衰竭​的​心脏​工作。​这种​周期性​的“挤​压”作用​增强​了​心肌​的​力量,​从而​改善​患病​心脏​的​血液​输出​能力。

 

我们​需要​将​iVAD​实际​应用​到​心脏​仿真​器​上,​以​测量​其​压缩​力度,​因此​必须​需要​一个​真实​的​体外​测试​环境​来​协助​开发。​采用​传统​方法​的​其他​心脏​辅助​装置​需要​笨重​的​机械​模拟​循环​系统,​或者​使用​离​体​心脏,​由​其他​动物​血流​代谢​提供​支持。​但​我们​不​喜欢​这​两​种​方法,​所以​创建​了​一个​独特​的​HIL​心脏​仿真​器,​将​实​时​软件​血流​模型​与​物理​三维​机械​心脏​相​结合。​我们​使用NI LabVIEW图形​编​程​环境和CompactRIO来​进一步​强化​测试​环境,​心脏​仿真​器​可以​作为​一个​独立​的​系统​运行,​并​能​可靠​地​运行​很​长​一段​时间。

 

心脏​仿真​器​的​概念

我们​希望​心脏​仿真​器​可​重​配置,​这样​它​就​可以​从​物理​和​血液​动力​学​层面​复制​不同​的​病患​群体、​疾病​和​动物​模型。​这种​适应​能力​可以​减少​对​动物​试验​的​需求,​因为​心脏​仿真​器​可以​用于​iVAD​原型​的​长期​试验,​也可以​提供​iVAD​的​生理​效果​信息。

 

对于​像​iVAD​这样​的​辅助​装置,​辅助​装置​和​心脏​表面​之间​的​互动​至​关​重要。​这种​互动​很可能​取决​于​一些​难以​建​模​的​物理​特征,​如​空​转​和​非线性​摩擦;​因此,​心脏​仿真​器​必须​有​一个​作用​的​物理​对象,​我们​可以​在​上面​放置​iVAD,​监测​其​原始​的​压缩​操作。

 

心脏​仿真​器​的​设计

心脏​仿真​器​以​HIL​仿真​为​基础​进行​设计,​这​是​一种​业​内​常用​的​测试​技术。​HIL​用​软件​模拟​系统​中的​各个​部件,​并​将​这些​部件​与​同一​系统​中​需要​测试​的​指定​物理​硬件​部件​联系​起来。​为了​满足​心脏​仿真​器​的​要求,​我们​用​HIL​模拟​了​一个​在​模拟​血流​模型​循环​中​作为​硬件​运作​的​机械​心脏,​然后​使用​两者​之间​的​连续​反馈​循环​来​评估​将​装置​植​入​人体​之后,​其​物理​辅助​对​心脏​和​血流​的​影响。

 

机械​心脏​的​形状​受​两​个​可​修改​半​圆形​带​扣​弹簧​钢条​的​影响,​钢条​两​端​相接,​边界​条件​可​调整。​我们​开发​了一​款​自​定义​NI​视觉​程序,​可​帮助​定义​必要​的​边界​条件,​使​每​个​钢条​的​轮廓​与​参考​心脏​模型​相​匹配。​我们​使用​两​个​线性​致​动​器​循环​弯曲​钢条,​真实​地​表现​出​心脏​左右​心室​的​动态​运动。​我们​在​血流​模型​中​控制​致​动​器​的​运动,​从而​模仿​模拟​心脏,​因此​模拟​心脏​的​任何​体积​变化​都会​立即​反映​在​物理​心脏​上。​除了​与​心脏​形状​相​匹配​外,​这种​安排​还​可能​通过​单独​改变​钢​带​的​机械​属性​(如​厚度)​来​改变​机械​心脏​周围​的​局部​硬度。​我们​在​钢​带​上​缠绕​了​一种​纤​薄​的​弹性​皮肤,​然后​应用​iVAD。

 

使用​两​个​线性​致​动​器​(LinMOT PS01-23x1 60H)​循环​弯曲​钢条,​产生​心脏​左右​心室​的​真实​动态​运动。​两​个​致​动​器​的​运动​通过​在​CompactRIO​背​板​内​FPGA​上​运行​的​算法,​以​40 KHz​的​频率​使用​比例​积分​微分​(PID)​控制。​血流​模型​中​心脏​体积​的​不断​变化​会​要求​PID​调整​位置,​从而​确保​了​物理​心脏​模仿​模拟​心脏​进行​运动。

 

 

心脏​仿真​器​的​实现

如​前​所述,​我们​使用​一个​反馈​循环​来​评估​iVAD​对​心​血管​系统​的​辅助​作用。​机械​心脏​周围​以​相同​的​间隔​设置​了​四​个​相似​的​压力​传感器,​用以​提供​iVAD​辅助​(压缩)​数据。​四​个​传感器​的​信号​以​50 KHz​的​频率​采集,​并​在​FPGA​上​取​平均值​以​减少​噪音。​这​一​均​值​信息​采用​直接​内存​访问​(DMA)​先入​先​出​(FIFO)​的​方式,​从​FPGA​传输​到​CompactRIO​控制器​上​运行​的​实​时​模型​中,​然后​转换​为​每​个​心室​的​辅助​压力。​系统​计算​出​压力​对​血流​的​后​续​影响,​然后​确定​机械​心脏​对​装置​辅助​的​反应​性​运动,​就像​心脏​受到​相同​物理​交互作用​时​表现​出来​的​那样。​如果​将​CompactRIO​连接​到​一台​Windows​电脑​上,​压力​数据​就​会​通过​TCP​发送​至​LabVIEW​用户​界面,​以​STL​图像​的​形式​映射​到​三维​心脏​的​表面,​从而​为​我们​提供​该​装置​对​机械​心脏​周围​作用​的​关键​视觉​信息。

 

血流​模型​是​一个​基于​电路​网络​模拟​的​闭​环​集​总​参数​模型,​其中​一个​区​室​的​压力​由​血流​阻力、​电容​(血管​顺应​性)​和​电感​(流动​惯​性)​定义。​创建​的​数字​模型​由​六​个​储​血​室​组成​(图​2),​每​个​区域​单独​建​模。​这样​一​来,​心​血管​系统​可​获得​局部​控制。​因此,​通过​拟​合​三​个​模型​项,​可以​模拟​特定​疾病​和​条件。​为了​实现​我们​的​主要​目标​之一,​我们​在​Windows​主机​LabVIEW VI​中​创建​了​一个​单独​的​状态,​允许​血流​模型​使用​特制​的​参数​估计​算法​(列​文​伯​格-​马​夸​尔​特​法​非线性​最小​二​乘​函数)​自动​拟​合​真实​的​生理​压力​波形。​开始​运行​后,​最佳​拟​合​参数​就​可以​立即​加​载到​实​时​模型​中。​心脏​仿真​器​能够​准确​反映​任何​病患​群体、​心​血管​疾病​或​体内​模型​的​血液​动力​学。


​我们​使用​CompactRIO​来​控制​机械​心脏、​运行​仿真,​并​通过​TCP​将​数据​发送​到​Windows​主机​进行​显示​和​保存。​实​时​控制器​执行​两​个​并行​循环:​一个​是​血流​模型​的​高​优先​级​控制​循环,​另​一个​是​低​优先​级​通信​循环,​用于​向​Windows​主机​发送​和​从中​接收​队列​TCP​数据。​高​优先​级​的​血流​模型​循环​以​500 Hz​的​频率​运行,​并​将​两​个​心室​容积​转换​为​经​校准​的​位置​电压,​发送​到​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA) I/​O,​供​每​个​线性​致​动​器​遵循。​FPGA​经过​编译,​可​处理​CompactRIO​的​所有​I/​O,​提供​加热​器​的​比例​积分​(PI)​控制,​该​加热​器​用于​将​心脏​仿真​器​外壳​保持​在​恒定​的​37 oC(人体​温度)。

 

NI​解决​方案​的​优势

CompactRIO​为​构​建​心脏​仿真​器​提供​了​一个​坚固​可靠​的​独立​式​平台,​使​我们​的​团队​能够​对​新型​心脏​辅助​装置​执行​长​时间​测试,​这​是​使用​传统​计算​机​所​无法​实现​的。​该​系统​结构​紧凑,​提供​各种​插​件​模​块,​帮助​我们​成功​创建​了​一种​解决​方案。

 

作者​信息:

David Keeling​博士
利兹​大学​机械​工程​学院

图​2: ​ ​扫描​心脏​模型​的​体外​复制 ​