CompactRIO-和LabVIEW控-制心脏模拟器.doc

CompactRIO 和LabVIEW控 制心脏模拟器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。- Dr. David Keeling, School of Mechanical Engineering, University of LeedsThe Challenge: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。The Solution:3D模拟器利用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。Author (s):Dr. David Keeling - School of Mechanical Engineering, University of LeedsMr Ali Alazmani - School of Mechanical Engineering, University of Leeds.Prof. M. Levesley - School of Mechanical Engineering, University of LeedsDr. P. Walker - School of Mechanical Engineering, University of LeedsDr. K. Watterson - Leeds General InfirmaryDr. O. Jaber - Leeds General Infirmary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。1/5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37C。（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。Author Information:Dr. David KeelingSchool of Mechanical Engineering, University of Leeds3D模拟器2/5模拟器3/5模拟器图形用户界面截屏4/5LegalThis case study (this case study) was developed by a National Instruments (NI) cust