基于CompactRIO 与LabVIEW 控制人工模拟心脏

概述：使用NI CompactRIO建置独立的硬体回路(HIL)测试环境，其中结合了实体的机械心脏与血液循环模型，打造出可确实复制活体血液动力模型的*解决方案。

人工模拟心脏的基本概念

    我们希望能够重新设定人工模拟心脏，以便确实复制不同病人群组、疾病、动物模型的血液动力。这样的调整功能可以减少动物测试的需求，因为人工模拟心脏可以*试验iVAD 原型，也可提供iVAD 效能的相关资讯。

    如果选用iVAD 这类的辅助器，就得格外注意辅助器与心脏表面之间的互动。两者的互动可能取决于某些难以模拟的因素，例如反冲(backlash) 与非线性摩擦；因此人工模拟心脏必须搭配某种实物以便我们安装iVAD，同时监控自然的压缩运作。

人工模拟心脏的设计

    我们的人工模拟心脏设计采用了HIL 模拟，这种测试技术在业界相当常见。HIL 藉由软体来模拟系统元件，并且透过需要测试的相同系统进一步连接至特定的实际硬体零件。为了满足人工模拟心脏的需求，我们在模拟血流模型回路中采用HIL 做为硬体来模拟机械心脏。一旦在体内安装辅助器之后，两者之间的持续反馈回路可协助我们评估辅助器对心脏与血流的实际效能。

    机械心脏由2 个可调整的半圆形弹性钢制扣带组成，安装于两侧并且可以调整边界条件(boundary condition)。我们开发出客制化的NI 视觉程式，以便定义必要的边界条件，才能确保每个钢带轮廓都能符合目标心脏模型。我们使用2 个线性启动器让钢带循环收缩，同时确实呈现左右心室的动作。我们在血流模型中控制启动器的动作，进而模仿人工模拟心脏，这样一来如果人工模拟心脏有什么重大变化，实体心脏都会立即反映出来。除了符合心脏的形状之外，这样的配置还可以分别修改钢带的厚度等机械属性，进而改善机械心脏周边僵硬不自然的情况。我们用一层薄薄的弹性皮来包覆钢带，并且套用iVAD。

    2 个LinMOT PS01-23x1 60H 线性启动器则是用来让钢带循环收缩，左右心室即可产生逼真的动作。我们在CompactRIO 背板内的FPGA 执行演算法，以40 KHz 的速度透过比例积分微分(PID) 来控制这两个启动器的运作。PID 的位置需求来自血流模型内的心脏变化量，进一步确保实体心脏的动作可模仿人工模拟心脏。

安装人工模拟心脏

之    前提过，我们使用反馈回路来评估iVAD 对于心血管系统的医疗成效。我们在机械心脏周边等距离安装4 个整合式压力感测器，以便提供iVAD 辅助(压缩) 资料。这4 个感测器的讯号撷取速度为50 KHz，并且透过FPGA 算出平均值以减少杂讯。透过直接记忆体存取(DMA) *先出(FIFO) 的方式，资讯会从FPGA 传送到CompactRIO 控制器所执行的即时模型，并且转换为辅助压力提供给每个心室。接着会计算对血流的影响，定义机械心脏对辅助器的回应动作，就像心脏在相同的互动下会产生的行为一样。如果把CompactRIO 连接至Windows 电脑，压力资料就会透过TCP 传送至LabVIEW 使用者介面，并且在这里以STL 影像对映至3D 心脏表面。这样一来，我们就可以取得重要的视觉资料，掌握该装置在机械心脏周边的效能表现。

    血流模型的运作原理以闭回路集合参数(lumped parameter) 模型为基础，可以比喻成一种电子网路，其中对抗血流、电容(血管顺应)、电感(流动惯性) 的阻力决定了心室的压力。. 建立出来的数字模型由6 个储血室(图2) 组成，每个部分的模型都是分开制作的。这样一来即可于本端控制心血管系统，并且在安装3 个模型之后，就可以进一步纳入特定的疾病与条件环境。为了实践主要目标之一，我们在Windows 主机LabVIEW VI 中打造出一个隔离状态，这样一来只要使用特定的参数评估演算法(具有Levenberg-Marquardt 非线性zui小平方函式)，就可以让血流模型自动配合实际的压力波形。开始执行之后，zui合适的参数就会立即载入即时模型，人工模拟心脏就可以反映任何病人群组、心血管疾病、活体模型的血液动力。

图2： 活体复制扫瞄过的心脏模型

     我们使用CompactRIO来控制机械心脏，执行模拟作业，透过TCP将资料传送至Windows主机以便显示/储存资料。即时控制器会执行2个平行回路：用于血流模型的主要控制回路，以及于Windows主机来回传输伫列式TCP资料的次要通讯回路。主要血流模型回路的运作速度是500 Hz，会把2个心室容量转换为经过校准的位置电压，并且传送至FPGA I/O，以便每个线性启动器采取行动。FPGA经过编译，可透过CompactRIO处理所有的I/O，同时提供加热器的比例积分(PI)控制功能，可以让人工模拟心脏区域维持在37 o C的常温(体温)。

NI 解决方案的优势

    CompactRIO 是一款既耐用又稳定的独立平台，有助于建置人工模拟心脏，可让我们长时间测试创新的心脏辅助器，这是传统电脑无法办到的。该系统非常精巧，具备许多外挂模组，因此我们才能够成功打造出理想的解决方案。