通过CompactRIO和LabVIEW控制心脏仿真器

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，我们一直在探索使用机械心脏辅助设备的可能性。利兹大学目前正在开发这种新型设备，称之为智能心室辅助设备(iVAD)。该设备作为​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 ℃（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