人工模擬心臟:以不需經過動物測試的方式開發智慧型心室輔助器

十一月 16, 2017
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英國里茲大學透過 CompactRIO 與 LabVIEW 控制人工模擬心臟
在已開發國家中,有將近一半的死亡原因都是心臟疾病。目前心臟移植仍然是最有效的治療方式,但是器官捐贈卻是嚴重的供不應求。為了克服這樣的困境,我們開始探索機械心臟輔助器的使用方式。里茲大學(UniversityofLeeds)正在研發這類創新的裝置,稱為智慧型心室輔助器(intelligentVentricularAssistDevice,iVAD)。此裝置可充當人工肌肉包覆器,施加自然律動的壓縮力道來輔助衰退的心臟,安裝在心室的外部表面。循環的推擠動作可刺激心臟肌肉運作,改善衰退心臟的運作效能。
我們必須確實將iVAD用於人工模擬心臟以便量測壓縮力道,因此開發階段必須採用逼真的活體測試環境。其他心臟輔助器所採用的傳統方式通常會使用龐大的機械模擬循環系統,不然就是由其他動物的血流來協助新陳代謝的心臟切塊。對我們來說這兩個方式都不盡理想,因此我們打造出獨一無二的HIL人工模擬心臟,其中結合了即時軟體血流模型與實體的3D機械心臟。我們選用NILabVIEW圖形化程式設計環境與CompactRIO進一步改善測試環境,所以人工模擬心臟可以獨立運作,長時間保持穩定。

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,以便確實複製不同病人群組、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長期試驗iVAD原型,也可提供iVAD生理效能的相關資訊。

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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於某些難以模擬的生理因素,例如反衝(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採用了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,並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迴路中採用HIL做為硬體來模擬機械心臟。一旦在體內安裝輔助器之後,兩者之間的持續反饋迴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製扣帶組成,安裝於兩側並且可以調整邊界條件(boundarycondition)。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麼重大變化,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,並且套用iVAD。

2個LinMOTPS01-23x160H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40KHz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,我們使用反饋迴路來評估iVAD對於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50KHz,並且透過FPGA算出平均值以減少雜訊。透過直接記憶體存取(DMA)先進先出(FIFO)的方式,資訊會從FPGA傳送到CompactRIO控制器所執行的即時模型,並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,就像心臟在相同的生理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,並且在這裡以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迴路集合參數(lumpedparameter)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製作的。這樣一來即可於本端控制心血管系統,並且在安裝3個模型之後,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LabVIEWVI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非線性最小平方函式),就可以讓血流模型自動配合實際的生理壓力波形。開始執行之後,最合適的參數就會立即載入即時模型,人工模擬心臟就可以精確反映任何病人群組、心血管疾病、活體模型的血液動力。
圖片

圖 2: 活體複製掃瞄過的心臟模型

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個平行迴路:用於血流模型的主要控制迴路,以及於Windows主機來回傳輸佇列式TCP資料的次要通訊迴路。主要血流模型迴路的運作速度是500Hz,會把2個心室容量轉換為經過校準的位置電壓,並且傳送至FPGAI/O,以便每個線性啟動器採取行動。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37oC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,有助於建置人工模擬心臟,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
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(提供:NI國家儀器)

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