利用CompactRIO和LabVIEW控制心脏模拟器

行业:
生命科学, 机器视觉/成像设备, 医学/ 医疗器械
  产品:
LabVIEW, 图像开发工具包, CompactRIO, cRIO-9116, cRIO-9022
  挑战:
开发一个逼真、可靠和可重新配置测试环境，帮助最新的心脏辅助装置进行提高和改善，而无需进行动物试验。
  解决方案:
      利用NI CompactRIO创建一个独立的硬件在环（HIL）测试环境。该测试环境可以把人工机械心脏与循环血流模型相结合，创造一个包含真实血液动力环境的生动的解决方案。
        "CompactRIO提供了一个坚固、可靠、独立的平台，使我们的团队能够进行持续性测试，这在普通的计算机上是不可能实现的。"
   
        由心脏病导致的死亡占发达国家所有死亡人口的将近一半。心脏移植仍然是治疗心脏病最有效的方式，但捐献的器官远远及不上需求。为了解决这种不平衡情况，目前人们正在研究使用。利兹大学正在开发的一种新颖的机械人工心脏辅助装置被命名为智能心室辅助装置（iVAD）。该装置能够作为人造肌肉包覆心脏，通过在心脏心室外表面周围施加与自然节律同步的压力，为衰竭的心脏提供辅助。这种周期性的“挤压”作用可以增加心肌动力，提高患病心脏的排血量。
        我们需要真实地把iVAD应用于一个模拟的心脏，以便测量压力对其的影响，所以逼真的体外测试环境对于开发来说势在必行。在过去，其他的心脏辅助装置的测试系统一般采用庞大的机械仿真循环系统，或者使用靠别的动物的血液循环支撑的离体心脏来完成。这两种方法对我们而言都不实用，所以我们创造了一个独特的HIL(硬件在环)的心脏模拟器，它可以把实时的软件血流模型与实体3D人工心脏相结合。我们使用NI LabVIEW 图形化程序环境和CompactRIO 进一步增强测试环境，所以心脏模拟器可以像独立系统一样工作并且在更长的持续期间内可靠运行。
  心脏模拟器原理
        我们需要心脏模拟器能够被重新配置，以便复制不同的病人类型、疾病类型和动物模型的真实血液环境。这种调整可以减少对动物试验的依赖，因为心脏模拟器可以延长使用iVAD原型进行的试验，并且提供关于iVAD生理效应的信息。
        对于iVAD等辅助装置而言，辅助装置和心脏表面的交互作用至关重要。这种交互作用很可能取决于难以模拟的人体特性，例如间隙和非线性摩擦；因此，对于心脏模拟器而言，拥有一个可以和iVAD进行交互的实体对象至关重要，我们可以监测压缩过程中的原始数据。
  心脏模拟器设计
        在设计心脏模拟器的过程中，我们采用了HIL仿真的原理。这是一种在工业中常见的测试技术。HIL在软件中仿真了系统中的一些元件，并且通过I/O将它们连接到需要测试的同一系统中的特定的真实硬件。为了满足心脏模拟器的要求，我们采用了一个机械心脏作为HIL仿真的中的硬件部分，将其放置在一个仿真的血流循环模型中。并利用两者之间的连续不断的相互作用的回路进行评估，以了解当iVAD被移植到人体内时如何进行辅助，并对心脏和血流产生影响。
        人工心脏的形状由两个可变形的半圆状的结构所确定，它们由弯曲的弹簧钢条所组成，钢条被固定在两头，其边界形状是可以调节的。我们还开发了一个定制的NI视觉程序用于确定必要边界形状，以使每个钢条的轮廓与参考的心脏模型相匹配。我们采用两个线性执行机构来实现弯曲钢条的循环控制，以逼真地表现出心脏左心室和右心室的动态运动。我们控制血流模型中的执行机构进行运动，以仿真模拟心脏的运动，所以模拟心脏的任何体积变化都会直接影响到人工心脏。除了能够匹配心脏的形状，这样的设计还使我们可以通过单独改变钢条的机械属性（例如厚度），来改变人工心脏外围的局部硬度。最后，我们在钢条外围包裹了一层薄薄的松紧带，从而实现了iVAD。
  心脏模拟器实现
        如上所述，我们使用带有反馈的回路来评估iVAD对心血管系统的帮助。在人工心脏周围相等间隔位置安放了四个相似的压力传感器，以便提供iVAD辅助过程（压缩过程）中的数据。在模型内，这些数据被转换为对于每个心室的辅助压力，并实时计算出随后对血流的影响，最后输出到硬件并且相应改变人工心脏的运动。
        血流模型的工作方式与电气网络的闭环集中参数模型类似。因为心脏的每个区域都单独被模拟的，所以我们可以对心脏实现局部控制，并调节出特殊的心脏条件或心脏疾病。为了满足我们的主要目标，血流模型可以自动调整，通过使用非线性最小平方参数估计法（在LabVIEW代码中，可以实现为一种状态）来表征生理数据。这意味着心脏模拟器可以精确反映大多数病状和体内模型的血液动力特征，有助于提高我们对装置的潜在效应的了解。
        我们使用CompactRIO来控制人工心脏，运行仿真并且经由TCP把数据发送到Windows主机以供显示和保存。实时控制器可以执行两个并行运行的回路：一个高优先级控制回路用于控制血流模型，以及一个低优先级通信回路，可以向Windows主机发送和接收队列中的TCP数据。高优先级血流模型回路以500 Hz的速度运行，并且把两个心室容积转换为已校准的定位电压。定位电压被发送到现场可编程门阵列（FPGA）I/O，以控制所有线性执行机构来执行。FPGA经过编译后可处理CompactRIO的所有I/O，并提供加热器（用于使心脏模拟器外壳温度保持在37°C。（体温））的比例积分（PI）控制。
  NI解决方案的优势
        CompactRIO为心脏模拟器的制造提供了一个坚固、可靠、独立的平台，使我们的团队能够进行持续性测试，这在普通的计算机上是不可能实现的。系统紧凑小巧，并拥有各种插入式模块，为我们成功创造解决方案提供了有力的保障。