作者:
Dr. David Keeling - School of Mechanical Engineering, University of Leeds
Mr Ali Alazmani - School of Mechanical Engineering, University of Leeds.
Prof. M. Levesley - School of Mechanical Engineering, University of Leeds
Dr. P. Walker - School of Mechanical Engineering, University of Leeds
Dr. K. Watterson - Leeds General Infirmary
Dr. O. Jaber - Leeds General Infirmary
行業:
生命科學, 機器視覺/成像設備, 醫學/ 醫療器械
產品:
LabVIEW, 圖像開發工具包, CompactRIO, cRIO-9116, cRIO-9022
挑戰:
開發一個逼真、可靠和可重新配置測試環境，幫助最新的心臟輔助裝置進行提高和改善，而無需進行動物試驗。
解決方案:
利用NI CompactRIO創建一個獨立的硬件在環（HIL）測試環境。該測試環境可以把人工機械心臟與循環血流模型相結合，創造一個包含真實血液動力環境的生動的解決方案。
"CompactRIO提供了一個堅固、可靠、獨立的平臺，使我們的團隊能夠進行持續性測試，這在普通的計算機上是不可能實現的。"
由心臟病導致的死亡占發達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最有效的方式，但捐獻的器官遠遠及不上需求。為了解決這種不平衡情況，目前人們正在研究使用。利茲大學正在開發的一種新穎的機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。
我們需要真實地把iVAD應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境對于開發來說勢在必行。在過去，其他的心臟輔助裝置的測試系統一般采用龐大的機械仿真循環系統，或者使用靠別的動物的血液循環支撐的離體心臟來完成。這兩種方法對我們而言都不實用，所以我們創造了一個獨特的HIL(硬件在環)的心臟模擬器，它可以把實時的軟件血流模型與實體3D人工心臟相結合。我們使用NI LabVIEW 圖形化程序環境和CompactRIO 進一步增強測試環境，所以心臟模擬器可以像獨立系統一樣工作并且在更長的持續期間內可靠運行。
心臟模擬器原理
我們需要心臟模擬器能夠被重新配置，以便復制不同的病人類型、疾病類型和動物模型的真實血液環境。這種調整可以減少對動物試驗的依賴，因為心臟模擬器可以延長使用iVAD原型進行的試驗，并且提供關于iVAD生理效應的信息。
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進行交互的實體對象至關重要，我們可以監測壓縮過程中的原始數據。
心臟模擬器設計
在設計心臟模擬器的過程中，我們采用了HIL仿真的原理。這是一種在工業中常見的測試技術。HIL在軟件中仿真了系統中的一些元件，并且通過I/O將它們連接到需要測試的同一系統中的特定的真實硬件。為了滿足心臟模擬器的要求，我們采用了一個機械心臟作為HIL仿真的中的硬件部分，將其放置在一個仿真的血流循環模型中。并利用兩者之間的連續不斷的相互作用的回路進行評估，以了解當iVAD被移植到人體內時如何進行輔助，并對心臟和血流產生影響。
人工心臟的形狀由兩個可變形的半圓狀的結構所確定，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節的。我們還開發了一個定制的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行機構來實現彎曲鋼條的循環控制，以逼真地表現出心臟左心室和右心室的動態運動。我們控制血流模型中的執行機構進行運動，以仿真模擬心臟的運動，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，這樣的設計還使我們可以通過單獨改變鋼條的機械屬性（例如厚度），來改變人工心臟外圍的局部硬度。最后，我們在鋼條外圍包裹了一層薄薄的松緊帶，從而實現了iVAD。
心臟模擬器實現
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）中的數據。在模型內，這些數據被轉換為對于每個心室的輔助壓力，并實時計算出隨后對血流的影響，最后輸出到硬件并且相應改變人工心臟的運動。
血流模型的工作方式與電氣網絡的閉環集中參數模型類似。因為心臟的每個區域都單獨被模擬的，所以我們可以對心臟實現局部控制，并調節出特殊的心臟條件或心臟疾病。為了滿足我們的主要目標，血流模型可以自動調整，通過使用非線性最小平方參數估計法（在LabVIEW代碼中，可以實現為一種狀態）來表征生理數據。這意味著心臟模擬器可以精確反映大多數病狀和體內模型的血液動力特征，有助于提高我們對裝置的潛在效應的了解。
我們使用CompactRIO來控制人工心臟，運行仿真并且經由TCP把數據發送到Windows主機以供顯示和保存。實時控制器可以執行兩個并行運行的回路：一個高優先級控制回路用于控制血流模型，以及一個低優先級通信回路，可以向Windows主機發送和接收隊列中的TCP數據。高優先級血流模型回路以500 Hz的速度運行，并且把兩個心室容積轉換為已校準的定位電壓。定位電壓被發送到現場可編程門陣列（FPGA）I/O，以控制所有線性執行機構來執行。FPGA經過編譯后可處理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。
NI解決方案的優勢
CompactRIO為心臟模擬器的制造提供了一個堅固、可靠、獨立的平臺，使我們的團隊能夠進行持續性測試，這在普通的計算機上是不可能實現的。系統緊湊小巧，并擁有各種插入式模塊，為我們成功創造解決方案提供了有力的保障。