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)測試環境，其中結合了實體的機械心臟與血液循環模型，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，同時監控自然的壓縮運作。

人工模擬心臟的設計

    我們的人工模擬心臟設計采用了HIL 模擬，這種測試技術在業界相當常見。HIL 藉由軟體來模擬系統元件，并且透過需要測試的相同系統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。一旦在體內安裝輔助器之后，兩者之間的持續反饋回路可協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 個可調整的半圓形彈性鋼制扣帶組成，安裝于兩側并且可以調整邊界條件(boundary condition)。我們開發出客制化的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收縮，同時確實呈現左右心室的動作。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收縮，左右心室即可產生逼真的動作。我們在CompactRIO 背板內的FPGA 執行演算法，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 對于心血管系統的醫療成效。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 控制器所執行的即時模型，并且轉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。

    血流模型的運作原理以閉回路集合參數(lumped parameter) 模型為基礎，可以比喻成一種電子網路，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，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，這樣一來只要使用特定的參數評估演算法(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。開始執行之后，zui合適的參數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，執行模擬作業，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個心室容量轉換為經過校準的位置電壓，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域維持在37 o C的常溫(體溫)。

NI 解決方案的優勢

    CompactRIO 是一款既耐用又穩定的獨立平臺，有助于建置人工模擬心臟，可讓我們長時間測試創新的心臟輔助器，這是傳統電腦無法辦到的。該系統非常精巧，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。