LabVIEW控制心臟模擬器LabVIEW控制心臟模擬器

由心臟病導(dǎo)致的死亡占發(fā)達(dá)國家所有死亡人口的將近一半。心臟移植仍然是治療心臟病zui有效的方式，但捐獻(xiàn)的器官遠(yuǎn)遠(yuǎn)及不上需求。為了解決這種不平衡情況，目前人們正在研究使用。利茲大學(xué)正在開發(fā)的一種新穎的機(jī)械人工心臟輔助裝置被命名為智能心室輔助裝置（iVAD）。該裝置能夠作為人造肌肉包覆心臟，通過在心臟心室外表面周圍施加與自然節(jié)律同步的壓力，為衰竭的心臟提供輔助。這種周期性的“擠壓”作用可以增加心肌動力，提高患病心臟的排血量。

我們需要真實(shí)地把iVAD應(yīng)用于一個模擬的心臟，以便測量壓力對其的影響，所以逼真的體外測試環(huán)境對于開發(fā)來說勢在必行。在過去，其他的心臟輔助裝置的測試系統(tǒng)一般采用龐大的機(jī)械仿真循環(huán)系統(tǒng)，或者使用靠別的動物的血液循環(huán)支撐的離體心臟來完成。這兩種方法對我們而言都不實(shí)用，所以我們創(chuàng)造了一個*的HIL(硬件在環(huán))的心臟模擬器，它可以把實(shí)時的軟件血流模型與實(shí)體3D人工心臟相結(jié)合。我們使用NI LabVIEW 圖形化程序環(huán)境和CompactRIO 進(jìn)一步增強(qiáng)測試環(huán)境，所以心臟模擬器可以像獨(dú)立系統(tǒng)一樣工作并且在更長的持續(xù)期間內(nèi)可靠運(yùn)行。

心臟模擬器原理

我們需要心臟模擬器能夠被重新配置，以便復(fù)制不同的病人類型、疾病類型和動物模型的真實(shí)血液環(huán)境。這種調(diào)整可以減少對動物試驗(yàn)的依賴，因?yàn)樾呐K模擬器可以延長使用iVAD原型進(jìn)行的試驗(yàn)，并且提供關(guān)于iVAD效應(yīng)的信息。

對于iVAD等輔助裝置而言，輔助裝置和心臟表面的交互作用至關(guān)重要。這種交互作用很可能取決于難以模擬的人體特性，例如間隙和非線性摩擦；因此，對于心臟模擬器而言，擁有一個可以和iVAD進(jìn)行交互的實(shí)體對象至關(guān)重要，我們可以監(jiān)測壓縮過程中的原始數(shù)據(jù)。

心臟模擬器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)心臟模擬器的過程中，我們采用了HIL仿真的原理。這是一種在工業(yè)中常見的測試技術(shù)。HIL在軟件中仿真了系統(tǒng)中的一些元件，并且通過I/O將它們連接到需要測試的同一系統(tǒng)中的特定的真實(shí)硬件。為了滿足心臟模擬器的要求，我們采用了一個機(jī)械心臟作為HIL仿真的中的硬件部分，將其放置在一個仿真的血流循環(huán)模型中。并利用兩者之間的連續(xù)不斷的相互作用的回路進(jìn)行評估，以了解當(dāng)iVAD被移植到人體內(nèi)時如何進(jìn)行輔助，并對心臟和血產(chǎn)生影響。

人工心臟的形狀由兩個可變形的半圓狀的結(jié)構(gòu)所確定，它們由彎曲的彈簧鋼條所組成，鋼條被固定在兩頭，其邊界形狀是可以調(diào)節(jié)的。我們還開發(fā)了一個定制的NI視覺程序用于確定必要邊界形狀，以使每個鋼條的輪廓與參考的心臟模型相匹配。我們采用兩個線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)彎曲鋼條的循環(huán)控制，以逼真地表現(xiàn)出心臟左心室和右心室的動態(tài)運(yùn)動。我們控制血流模型中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動，以仿真模擬心臟的運(yùn)動，所以模擬心臟的任何體積變化都會直接影響到人工心臟。除了能夠匹配心臟的形狀，這樣的設(shè)計(jì)還使我們可以通過單獨(dú)改變鋼條的機(jī)械屬性（例如厚度），來改變?nèi)斯ば呐K外圍的局部硬度。zui后，我們在鋼條外圍包裹了一層薄薄的松緊帶，從而實(shí)現(xiàn)了iVAD。

心臟模擬器實(shí)現(xiàn)

如上所述，我們使用帶有反饋的回路來評估iVAD對心血管系統(tǒng)的幫助。在人工心臟周圍相等間隔位置安放了四個相似的壓力傳感器，以便提供iVAD輔助過程（壓縮過程）中的數(shù)據(jù)。在模型內(nèi)，這些數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為對于每個心室的輔助壓力，并實(shí)時計(jì)算出隨后對血流的影響，zui后輸出到硬件并且相應(yīng)改變?nèi)斯ば呐K的運(yùn)動。

血流模型的工作方式與電氣網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)集中參數(shù)模型類似。因?yàn)樾呐K的每個區(qū)域都單獨(dú)被模擬的，所以我們可以對心臟實(shí)現(xiàn)局部控制，并調(diào)節(jié)出特殊的心臟條件或心臟疾病。為了滿足我們的主要目標(biāo)，血流模型可以自動調(diào)整，通過使用非線性zui小平方參數(shù)估計(jì)法（在LabVIEW代碼中，可以實(shí)現(xiàn)為一種狀態(tài)）來表征數(shù)據(jù)。這意味著心臟模擬器可以精確反映大多數(shù)病狀和體內(nèi)模型的血液動力特征，有助于提高我們對裝置的潛在效應(yīng)的了解。

我們使用CompactRIO來控制人工心臟，運(yùn)行仿真并且經(jīng)由TCP把數(shù)據(jù)發(fā)送到Windows主機(jī)以供顯示和保存。實(shí)時控制器可以執(zhí)行兩個并行運(yùn)行的回路：一個高優(yōu)先級控制回路用于控制血流模型，以及一個低優(yōu)先級通信回路，可以向Windows主機(jī)發(fā)送和接收隊(duì)列中的TCP數(shù)據(jù)。高優(yōu)先級血流模型回路以500 Hz的速度運(yùn)行，并且把兩個心室容積轉(zhuǎn)換為已校準(zhǔn)的定位電壓。定位電壓被發(fā)送到現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）I/O，以控制所有線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)來執(zhí)行。FPGA經(jīng)過編譯后可處理CompactRIO的所有I/O，并提供加熱器（用于使心臟模擬器外殼溫度保持在37°C。（體溫））的比例積分（PI）控制。

    我們開業(yè)語言以LabVIEW為主，在硬件選型方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時我們也具備獨(dú)立的硬件開發(fā)及機(jī)械設(shè)計(jì)與加工能力，可以制作、加工非標(biāo)設(shè)備，滿足個性化的需求。"術(shù)業(yè)有專攻"，每個人都有自己zui擅長的領(lǐng)域。把這些工作交給我們，使您有精力做科研，這應(yīng)該是一個雙贏的局面。

服務(wù)領(lǐng)域涵蓋：

   LabVIEW 編程 開發(fā)

     LabVIEW作為圖形化編程語言，近幾年發(fā)展迅速，它具備開發(fā)快、可靠性高等特點(diǎn)，非常適合測控領(lǐng)域的應(yīng)用。在該領(lǐng)域我們已經(jīng)有十年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，合作用戶涉及科研、國防、外企、大中小型各類企業(yè)。服務(wù)領(lǐng)域遍布自動測控系統(tǒng)眾多領(lǐng)域，包括航空航天、汽車產(chǎn)品測試、工業(yè)自動化、故障診斷、圖像處理等。

   非標(biāo)設(shè)備研制

    在系統(tǒng)開發(fā)過程中，購買不到的配件、電路板等產(chǎn)品，我們也可以進(jìn)行研制開發(fā)，為您提供一站式的服務(wù)。

   系統(tǒng)集成

為自動化測試提供完整的解決方案。我們從設(shè)備選擇、采購、安裝、調(diào)試、控制、到配套產(chǎn)品的研制，涵蓋您科研生產(chǎn)的全過程。讓您全身心的投入到核心工作中來，減輕您的工作壓力，提升工作效率。

   產(chǎn)品合作開發(fā)

    如果您那有具有市場潛力的好產(chǎn)品、好創(chuàng)意，我們也愿意與您一起合作開發(fā)。在這方面我們也具備了一定的基礎(chǔ)，例如工業(yè)*/呼吸模擬器/人工肺，勞保測試產(chǎn)品"防塵測試儀"已經(jīng)成功推向了市場。成熟的技術(shù)+有潛力的市場，一直是我們追求的目標(biāo)。如果您有好的創(chuàng)意，或者現(xiàn)有的產(chǎn)品需要升級推廣，也歡迎與我們。

      王