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昆士兰大学通过dSPACE构建虚拟人体血管系统
时间:2015-10-24    评论:0
    来源:dSPACE机电控制(中国)上海分公司
    dSPACE 工具创建的人工心脏测试环境中,人工心脏是唯一保留的机械组件。因为整个人体血管系统在 PC 上被模拟,可以方便快捷地更改其特性。这一开发环境为不同需求的人工心脏创建重复的(自动化)测试提供了可能性。这一流程,使控制算法的开发变量极其容易。

    “通过使用 dSPACE 系统,我们可为 BiVACOR?人工心脏构建一个灵活、高效的开发环境。

    等待心脏移植手术的患者在手术之前通常需要等待很长时间。该手术通常使用可植入泵完成。为开发这些人工心脏的控制算法,昆士兰大学的研究人员在 PC 上模拟人体血管系统并将其与人工心脏相连。

    目前的搏动式(即有节奏的脉动)人工心脏存在一些严重的缺陷。这些心脏磨损很快(最多一年),具有较高的能量消耗,而且相对较大,仅能植入大约 75% 的男性体内,适合的女性人数更少,而且不适合儿童使用。能够提供持续血液流动的旋转泵有着搏动泵难以企及的众多优势,其设计尺寸更小,更耐用,更节能。因此,研究人员采用旋转血泵技术开发新型的人工心脏。为了让人工心脏能够自动调整其供血动力以适应变化的血流需求(例如运动或睡眠时的需求),开发人员需要一个功能强大的测试环境,以便能够模拟各种情况下的人体血管系统。


图 1:健康心血管系统的血液循环简化表示。
供应到不同身体区域的血液可以通过不同的脉冲
供血动力和血管收缩适应不断变化的局部需求。

    PC 上的虚拟血管

    直到现在,还需要在实验室中装备管道、管子、阀门和压力传感器等,以便逼真模拟人体血管系统及其特性。然而,众多的液压和机械组件使得这些装备非常复杂,且不够灵活。

    因此,昆士兰大学的研究人员选择了一条不同的道路(图 2)。他们在一台标准 PC 上将整个人体血管系统建模为一个数值模型,并通过 DS1104 R&D 控制器板扩展这台 PC,以便可以控制所有实验。人工心脏连接至一个简单的管道系统,形成液压循环。


图 2:试验台的安装示意图。
在 PC 端建模的血管系统通过各种传感器和执行器与人工心脏相连。
因此可以轻松更改血管系统的属性。

    他们将一种甘油/水混合物加入到管道系统中模拟血液,因为其流动特性与人体血液相同。

    灵活的人工心脏测试环境

    管道内的压力和流量传感器和若干夹管阀作为 PC 端的血管模型和机械人工心脏之间的接口。夹管阀控制模拟的血液流量,以保证与人体血管系统内的真实血液流量相同。PC 端的血管系统(血管的合规性)属性很容易更改,所以能够方便的模拟不同场景,例如静止或运动的人。因此可以全面测试人工心脏的控制算法。

    利用 dSPACE 设备测试人工心脏将(压力和流量)传感器和执行器(夹管阀)连接至安装在 PC  端的dSPACE DS1104 板。dSPACE 实验软件 ControlDesk Next Generation 用于中央用户界面的开发(图 3)。该软件可以记录数据,更改参数(如血管阻值和符合度)和图形化展示不同的系统状态。人工心脏的心血管模型和控制算法在 MATLAB ?/Simulink?中开发,并按照 1 ms 的步长执行。


图3:dSPACE 实验软件 ControlDesk Next Generation 提供了中央用户界面,
可以记录数据、更改参数和图形化展示不同的系统状态。

    仿真日常生活场景

    日常生活场景展示了该装备的强大功能:如果一个人站起来,全身血管阻止由于肌肉运动而下降。当这个人从躺着的状态到站立姿势时,血液从胸腔流向下肢(血容量向下移动)。其反应是血管开始收缩,阻力恢复并保持在一个高于之前的数值。最后,腿部的肌肉泵产生效果以重新分配血液(血容量向上移动)。这种机体工作方式可以避免人站起来时产生眩晕和昏厥。为了再现这一流程,开发人员将这个序列编程到了仿真模型中(图 4)。


图 4:在仿真一个人站起来的过程中,
人工心血管系统的主动脉压力曲线与人类机体的反应一致。

    通过模型中的相应变化引起液体移动,利用不同的阻值模拟血管的舒张和收缩。仿真血压得出的时间行为与人类机体的过程相匹配。

标签:dSPAC血管心脏
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