心臟輔助裝置的研發(fā)長期依賴笨重的模擬循環(huán)系統(tǒng)或需要另一只動物供血支持的離體心臟。一套基于 CompactRIO 與 LabVIEW 的系統(tǒng)把實時血流模型加物理機械心臟接成閉環(huán)讓測試可以在桌面上連續(xù)跑下去。機械心臟模擬器與實時血流模型閉環(huán)LabVIEW 界面監(jiān)測壓力與流量波形01 挑戰(zhàn)想驗證一個裝置先得有一顆能反復用的心心臟病在發(fā)達國家占了近一半的死亡原因。心臟移植至今仍是最有效的治療手段但供體器官的缺口遠遠大于供給——這個矛盾正是機械心臟輔助裝置存在的全部理由。有一類新型裝置的思路是人工肌肉包裹用一個可壓縮的裝置包住心室外表面與原生心律同步地施加壓縮力像擠海綿一樣輔助衰弱的心肌從而提升病心的輸出能力。但要驗證這類裝置會遇到一個尷尬的問題怎么測傳統(tǒng)有兩條路但都不理想笨重的機械模擬循環(huán)系統(tǒng)——體積大、可重構性差想換個病人幾乎等于重做一套離體心臟——需要另一只動物的血流做代謝支持倫理與成本壓力都很大。更關鍵的是機理問題輔助裝置與心臟表面的相互作用恰恰取決于一些很難建模的物理特性比如回程間隙和非線性摩擦。這意味著光有軟件仿真不夠——必須有一個真實的物理對象能把裝置裝上去、真實地測出它的壓縮作用。02 方案把軟件血流模型和真實機械心臟接成一個閉環(huán)這套方案的核心思路是硬件在環(huán)HIL仿真用軟件模擬系統(tǒng)中的一部分再把需要測試的真實物理部件接進這個環(huán)路。對應到心臟上就是一個物理機械心臟運行在一個軟件血流模型的閉環(huán)里。兩者之間的反饋回路用來評估裝置植入體內后其物理輔助作用究竟如何影響心臟與血流。機械心臟怎么造它的形狀由兩條可修改的半圓形屈曲彈簧鋼條定義兩端用可調邊界條件固定。通過單獨改變鋼條的機械屬性比如厚度還能調整心臟圓周方向上的局部剛度。外面再包一層薄的彈性蒙皮作為安裝輔助裝置的界面。怎么讓它跳兩臺線性執(zhí)行器周期性彎曲鋼條模擬左右心室的動態(tài)。執(zhí)行器的運動由FPGA 上以 40 kHz 運行的 PID 算法控制定位精度和實時性都在這塊芯片上保證。關鍵的一步在這里PID 的位置指令來自血流模型中心臟容積的變化。也就是說軟件模型算出的容積一變物理心臟立刻跟著動——物理心臟與仿真心臟始終保持同步這是整個閉環(huán)成立的前提。怎么測輔助效果四個共形壓力傳感器等間隔布置在機械心臟周圍采集輔助裝置施加壓縮力時的數(shù)據(jù)。這些信號以50 kHz 采集先在FPGA 上做平均以降低噪聲再通過DMA FIFO傳給運行在 CompactRIO 控制器上的實時模型。另外還有個容易被忽略的細節(jié)鋼條要匹配參考心臟模型的輪廓靠的是一套用LabVIEW 視覺程序開發(fā)的定制工具來確定所需的邊界條件。機器視覺在這里不是用來做檢測的而是用來做建模與標定的。03 為什么選 CompactRIO這類測試對平臺的要求比較特殊判斷標準很直接要能獨立運行。測試需要長時間連續(xù)進行傳統(tǒng) PC 方案撐不住——而 CompactRIO 是一個堅固、可靠、可獨立工作的平臺要夠快。40 kHz 的 PID 和 50 kHz 的采集降噪都必須放在 FPGA 上實時處理器負責跑血流模型分工清晰互不拖累要可重構。模擬器需要能在物理和血流動力學層面復現(xiàn)不同的患者群體、不同的疾病狀態(tài)、不同的動物模型。可重構性直接決定了它能替代多少動物實驗。04 結果建立了一套可重構的體外 HIL 測試環(huán)境把物理機械心臟與循環(huán)血流模型接成閉環(huán)在物理和血流動力學層面復現(xiàn)體內模型輔助裝置的壓縮作用可以被直接、連續(xù)地測量而不再依賴離體心臟或大型模擬循環(huán)系統(tǒng)為原型裝置的長時間試驗提供了條件同時能給出裝置對生理影響的定量信息顯著減少了對動物實驗的依賴。05 這類項目能給我們什么啟示難建模的部分就該用真實硬件補上回程間隙、非線性摩擦這類特性仿真永遠算不準。HIL 的價值就是把這類部件留在物理世界里其余部分交給軟件。FPGA 和實時處理器要分工別硬塞在一起這臺模擬器的分工很典型FPGA 扛 40 kHz 的 PID 和 50 kHz 的采集降噪實時處理器跑血流模型。各司其職系統(tǒng)才穩(wěn)。醫(yī)療與科研設備長時間穩(wěn)定運行是硬指標能不能連續(xù)跑幾天決定了這套系統(tǒng)是演示還是工具。選平臺時這一點的優(yōu)先級要放高。視覺不一定只用于檢測這個項目里LabVIEW 視覺被用來確定鋼條的邊界條件——機器視覺同樣可以是建模與標定的工具。06 寫在最后醫(yī)療設備與科研裝置的測試臺架往往比產(chǎn)品本身更難做既要還原真實工況又要能反復、安全、長時間地跑。而 HIL 這個思路本身是通用的——把難建模的部件留在物理世界把其余部分交給實時軟件這套方法在電機、電源、車輛、液壓系統(tǒng)的測試上同樣成立。我們專注 LabVIEW 軟件開發(fā)與測試測量系統(tǒng)集成做過硬件在環(huán)測試、實時控制與高速同步采集類項目。如果你正在搭建 HIL 測試臺架或需要實時閉環(huán)控制方案歡迎在后臺留言我們從需求梳理開始聊。我們專注 LabVIEW 軟件開發(fā)與測試測量系統(tǒng)集成從硬件選型、架構設計到現(xiàn)場交付調試提供一站式服務。有 HIL 測試臺架、實時控制或高速同步采集需求歡迎評論區(qū)留言交流身邊朋友有類似項目也歡迎幫忙引薦。