基于CompactRIO 與LabVIEW 控制人工模擬心臟

概述：使用NI CompactRIO建置獨立的硬體回路(HIL)測試環(huán)境，其中結(jié)合了實體的機械心臟與血液循環(huán)模型，打造出可確實復制活體血液動力模型的*解決方案。

人工模擬心臟的基本概念

    我們希望能夠重新設(shè)定人工模擬心臟，以便確實復制不同病人群組、疾病、動物模型的血液動力。這樣的調(diào)整功能可以減少動物測試的需求，因為人工模擬心臟可以*試驗iVAD 原型，也可提供iVAD 效能的相關(guān)資訊。

    如果選用iVAD 這類的輔助器，就得格外注意輔助器與心臟表面之間的互動。兩者的互動可能取決于某些難以模擬的因素，例如反沖(backlash) 與非線性摩擦；因此人工模擬心臟必須搭配某種實物以便我們安裝iVAD，同時監(jiān)控自然的壓縮運作。

人工模擬心臟的設(shè)計

    我們的人工模擬心臟設(shè)計采用了HIL 模擬，這種測試技術(shù)在業(yè)界相當常見。HIL 藉由軟體來模擬系統(tǒng)元件，并且透過需要測試的相同系統(tǒng)進一步連接至特定的實際硬體零件。為了滿足人工模擬心臟的需求，我們在模擬血流模型回路中采用HIL 做為硬體來模擬機械心臟。一旦在體內(nèi)安裝輔助器之后，兩者之間的持續(xù)反饋回路可協(xié)助我們評估輔助器對心臟與血流的實際效能。

    機械心臟由2 個可調(diào)整的半圓形彈性鋼制扣帶組成，安裝于兩側(cè)并且可以調(diào)整邊界條件(boundary condition)。我們開發(fā)出客制化的NI 視覺程式，以便定義必要的邊界條件，才能確保每個鋼帶輪廓都能符合目標心臟模型。我們使用2 個線性啟動器讓鋼帶循環(huán)收縮，同時確實呈現(xiàn)左右心室的動作。我們在血流模型中控制啟動器的動作，進而模仿人工模擬心臟，這樣一來如果人工模擬心臟有什么重大變化，實體心臟都會立即反映出來。除了符合心臟的形狀之外，這樣的配置還可以分別修改鋼帶的厚度等機械屬性，進而改善機械心臟周邊僵硬不自然的情況。我們用一層薄薄的彈性皮來包覆鋼帶，并且套用iVAD。

    2 個LinMOT PS01-23x1 60H 線性啟動器則是用來讓鋼帶循環(huán)收縮，左右心室即可產(chǎn)生逼真的動作。我們在CompactRIO 背板內(nèi)的FPGA 執(zhí)行演算法，以40 KHz 的速度透過比例積分微分(PID) 來控制這兩個啟動器的運作。PID 的位置需求來自血流模型內(nèi)的心臟變化量，進一步確保實體心臟的動作可模仿人工模擬心臟。

安裝人工模擬心臟

之    前提過，我們使用反饋回路來評估iVAD 對于心血管系統(tǒng)的醫(yī)療成效。我們在機械心臟周邊等距離安裝4 個整合式壓力感測器，以便提供iVAD 輔助(壓縮) 資料。這4 個感測器的訊號擷取速度為50 KHz，并且透過FPGA 算出平均值以減少雜訊。透過直接記憶體存取(DMA) *先出(FIFO) 的方式，資訊會從FPGA 傳送到CompactRIO 控制器所執(zhí)行的即時模型，并且轉(zhuǎn)換為輔助壓力提供給每個心室。接著會計算對血流的影響，定義機械心臟對輔助器的回應動作，就像心臟在相同的互動下會產(chǎn)生的行為一樣。如果把CompactRIO 連接至Windows 電腦，壓力資料就會透過TCP 傳送至LabVIEW 使用者介面，并且在這里以STL 影像對映至3D 心臟表面。這樣一來，我們就可以取得重要的視覺資料，掌握該裝置在機械心臟周邊的效能表現(xiàn)。

    血流模型的運作原理以閉回路集合參數(shù)(lumped parameter) 模型為基礎(chǔ)，可以比喻成一種電子網(wǎng)路，其中對抗血流、電容(血管順應)、電感(流動慣性) 的阻力決定了心室的壓力。. 建立出來的數(shù)字模型由6 個儲血室(圖2) 組成，每個部分的模型都是分開制作的。這樣一來即可于本端控制心血管系統(tǒng)，并且在安裝3 個模型之后，就可以進一步納入特定的疾病與條件環(huán)境。為了實踐主要目標之一，我們在Windows 主機LabVIEW VI 中打造出一個隔離狀態(tài)，這樣一來只要使用特定的參數(shù)評估演算法(具有Levenberg-Marquardt 非線性zui小平方函式)，就可以讓血流模型自動配合實際的壓力波形。開始執(zhí)行之后，zui合適的參數(shù)就會立即載入即時模型，人工模擬心臟就可以反映任何病人群組、心血管疾病、活體模型的血液動力。

圖2： 活體復制掃瞄過的心臟模型

     我們使用CompactRIO來控制機械心臟，執(zhí)行模擬作業(yè)，透過TCP將資料傳送至Windows主機以便顯示/儲存資料。即時控制器會執(zhí)行2個平行回路：用于血流模型的主要控制回路，以及于Windows主機來回傳輸佇列式TCP資料的次要通訊回路。主要血流模型回路的運作速度是500 Hz，會把2個心室容量轉(zhuǎn)換為經(jīng)過校準的位置電壓，并且傳送至FPGA I/O，以便每個線性啟動器采取行動。FPGA經(jīng)過編譯，可透過CompactRIO處理所有的I/O，同時提供加熱器的比例積分(PI)控制功能，可以讓人工模擬心臟區(qū)域維持在37 o C的常溫(體溫)。

NI 解決方案的優(yōu)勢

    CompactRIO 是一款既耐用又穩(wěn)定的獨立平臺，有助于建置人工模擬心臟，可讓我們長時間測試創(chuàng)新的心臟輔助器，這是傳統(tǒng)電腦無法辦到的。該系統(tǒng)非常精巧，具備許多外掛模組，因此我們才能夠成功打造出理想的解決方案。