搏動(dòng)式血泵驅(qū)動(dòng)源的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算及精確實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制

【作 者】曹云，潘鋼，臧旺福，白景峰

1 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)儀器研究所，上海200030

2 上海交通大學(xué)Med-X研究院，上海，200030

3 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院心外科，上海，200020

0 前言

左心室輔助裝置（LVAD）作為心衰病人等待心臟移植的過(guò)渡治療設(shè)備已普遍被使用，它能部分或完全替代心室泵血功能，所以也稱人造血泵[1]。依據(jù)血液流動(dòng)的形式血泵可分為搏動(dòng)型與平流型兩種。搏動(dòng)式血泵需以一定的搏動(dòng)率“跳動(dòng)”，一般均需外部動(dòng)力源，對(duì)于驅(qū)動(dòng)源的基本要求為可實(shí)現(xiàn)搏動(dòng)率、流量和壓縮比調(diào)節(jié)[2]。血泵的驅(qū)動(dòng)是人工心臟研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一，它直接影響血泵的性能和臨床應(yīng)用[3]?，F(xiàn)今臨床上囊式、膜式的搏動(dòng)血泵多使用開(kāi)放式氣壓（如氣泵）作為驅(qū)動(dòng)源，通過(guò)控制氣泵開(kāi)關(guān)的方式調(diào)節(jié)出氣量實(shí)現(xiàn)上述相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。這種方式控制的血泵精度較低，且實(shí)時(shí)性差，工作時(shí)產(chǎn)生的噪音過(guò)大，不符合臨床上相對(duì)安靜的環(huán)境要求，制作成本較高，過(guò)于龐大的體積給臨床應(yīng)用帶來(lái)了諸多不便。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述氣泵驅(qū)動(dòng)中的諸多問(wèn)題，本文提出了一種實(shí)時(shí)性好，運(yùn)行穩(wěn)定，噪音小，且可調(diào)節(jié)精確控制血泵的搏動(dòng)率、流量和壓縮比的驅(qū)動(dòng)方法。其硬件構(gòu)成如圖1所示，采用以ARM單片機(jī)為控制核心，伺服電機(jī)為動(dòng)力源，通過(guò)絲桿連接電機(jī)與氣缸將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為氣缸活塞的來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度及轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)氣缸輸出與吸入氣量及運(yùn)動(dòng)頻率的精確控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

伺服電機(jī)的控制采取一個(gè)較為獨(dú)特的方式，即采用ARM單片機(jī)作為控制核心，與現(xiàn)代典型的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)有著較大區(qū)別?，F(xiàn)代典型控制方案主要由上位計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)組成，如圖2示。運(yùn)動(dòng)控制卡基于PC總線，通常作為步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)的上位控制單元，卡上專用CPU與PC機(jī)CPU構(gòu)成主從式“雙CPU”控制模式。PC機(jī)只進(jìn)行人機(jī)界面、實(shí)時(shí)監(jiān)控和發(fā)送指令等系統(tǒng)管理工作，由卡上CPU來(lái)處理所有運(yùn)動(dòng)控制的細(xì)節(jié)，如升降速計(jì)算、行程控制和多軸插補(bǔ)等。隨卡提供各種功能的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，讓用戶更快且有效地解決復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。此種方案多用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)軌跡都比較復(fù)雜，且柔性比較強(qiáng)的設(shè)備[4]。

圖2 典型控制方案Fig.2 Typical control scheme

在本文提出的血泵驅(qū)動(dòng)方案中，我們只需控制單個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)單軸上的來(lái)回運(yùn)動(dòng)，以提供血泵的壓縮和舒張的動(dòng)力。該方案中ARM需同時(shí)完成人機(jī)交互與電機(jī)的控制兩項(xiàng)工作，用外接觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)脈沖串頻率來(lái)控制電機(jī)的速度，脈沖的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的行程位置，方向信號(hào)來(lái)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

在血泵驅(qū)動(dòng)中使用這種方案，較之傳統(tǒng)方法有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：① 使用ARM外接觸摸屏控制的單CPU模式，替代“雙CPU”模式可以減少控制卡多軸控制等復(fù)雜功能和避免PC豐富資源的浪費(fèi)；② 血泵運(yùn)行時(shí)，在較高搏動(dòng)率下電機(jī)需高速轉(zhuǎn)動(dòng)，且要求快速、準(zhǔn)時(shí)的正反轉(zhuǎn)切換，這對(duì)控制部分的實(shí)時(shí)性提出較高要求。ARM單片機(jī)程序均為實(shí)時(shí)操作，因而實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)強(qiáng)于PC機(jī)上基于PC操作系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制程序；③ 該方案顯著地降低了產(chǎn)品的成本，便于市場(chǎng)推廣，增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 參數(shù)設(shè)置與計(jì)算

設(shè)計(jì)方案包括電機(jī)參數(shù)設(shè)置及ARM單片機(jī)程序兩部分。

伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置為：輸入脈沖串的形式選用命令脈沖/命令符號(hào)形式，用命令脈沖表示旋轉(zhuǎn)量，而命令符號(hào)表示旋轉(zhuǎn)方向，控制方式選用位置控制方式，電子齒輪設(shè)定為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需1200個(gè)指令脈沖[5]。

ARM單片機(jī)資源分配為：人機(jī)交互部分使用液晶顯示接口外接液晶顯示屏，并使用8路AD通道中的前四路作觸摸屏接口； 控制信號(hào)部分取用一路I/O口設(shè)為輸出口，用于發(fā)出方向信號(hào)，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向；使用定時(shí)器Timer0開(kāi)啟其脈寬調(diào)制功能（PWM），將占空比設(shè)為50%以作為脈沖輸出信號(hào)。由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程與時(shí)間密切相關(guān)，故需使用定時(shí)器的定時(shí)功能，這里使用Timer2進(jìn)行運(yùn)動(dòng)主體控制。

血泵使用過(guò)程中主要的工作參數(shù)有搏動(dòng)率H（次/min）、壓縮量V(ml)和壓縮比c（取值范圍為1.0-2.0）。搏動(dòng)率H對(duì)應(yīng)著電機(jī)單次來(lái)回運(yùn)動(dòng)的時(shí)間總和Tp+Tn。壓縮量V即單位時(shí)間內(nèi)血泵輸出的血量，對(duì)應(yīng)著電機(jī)單次運(yùn)動(dòng)的行程。壓縮比c則對(duì)應(yīng)著電機(jī)來(lái)回運(yùn)動(dòng)的時(shí)間比Tp/Tn。電機(jī)運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)著脈沖頻率。它們的計(jì)算公式為：

(60為每毫升的輸出量對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù))

單次運(yùn)動(dòng)時(shí)間=Tp(壓縮時(shí)間)+Tn(收縮時(shí)間)

依據(jù)公式計(jì)算得出，在搏動(dòng)次數(shù)為60次/min，輸出量為6000 ml和壓縮比為1.0時(shí)，壓縮脈沖頻率同舒張脈沖頻率相同均為12000，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速需達(dá)到600r/min。由此可知，在更高的搏動(dòng)率下電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)更高。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，直接進(jìn)行啟動(dòng)與停止操作，電機(jī)在兩端急停換向再啟轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。為此在啟動(dòng)與停止處采用類似于步進(jìn)電機(jī)控制中的加減速控制方式，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)證明，采取此方案可以有效減少噪聲。

圖3 加速曲線Fig.3 Curve of acceleration

加速部分軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示，減速階段與加速階段處理方法類似。

1.3 驅(qū)動(dòng)控制

軟件部分以Timer2中斷為主體。考慮到該種應(yīng)用的高實(shí)時(shí)性要求。將該中斷設(shè)為ARM支持的FIQ(快速中斷模式)模式，其請(qǐng)求具有最高的優(yōu)先級(jí)，可以打斷IRQ(普通中斷)而不會(huì)被IRQ打斷。程序中還有多處中斷均采用IRQ，這樣使得運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制具有最高優(yōu)先級(jí)，從而保證較好的實(shí)時(shí)性。

以單次來(lái)回運(yùn)動(dòng)為一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期為例，具體處理方法為設(shè)置一個(gè)起始原點(diǎn)，在每次開(kāi)機(jī)時(shí)均會(huì)通過(guò)位置檢測(cè)裝置的反饋來(lái)自動(dòng)回到原點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)從原點(diǎn)開(kāi)始；驅(qū)動(dòng)氣缸形成壓縮壓，然后回到原點(diǎn)形成舒張壓，從而完成一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)。在工作中需進(jìn)行心率等參數(shù)的調(diào)整時(shí)，若采取停止電機(jī)，工作修改參數(shù)再啟動(dòng)電機(jī)，則會(huì)打斷血泵工作的連續(xù)性，而若在其行程中間直接修改參數(shù)并立即生效，則需要考慮剩余的時(shí)長(zhǎng)和行程等，這將導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜而出錯(cuò)。為此采取了一種緩沖的方法，在修改完參數(shù)并最終確認(rèn)后，新的參數(shù)并沒(méi)有立即生效，而是暫存在了一個(gè)緩沖區(qū)，當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)已經(jīng)回到了原點(diǎn)時(shí)則將緩沖區(qū)的新參數(shù)取出并使之生效。對(duì)于電機(jī)的停止也采取類似方法，按下停止電機(jī)并不立即響應(yīng)這一操作，而是做出標(biāo)記在回到原點(diǎn)后才檢測(cè)是否有按下停止，若有則停止運(yùn)動(dòng)，這樣可以避免再次啟動(dòng)時(shí)需重新回零。由于篇幅所限，僅給出程序流程圖，如圖5所示。

圖4 加速過(guò)程控制Fig.4 Process of accelerate

圖5 主要控制部分Fig.5 Main control section

1.4 誤差補(bǔ)償

伺服電機(jī)精度已經(jīng)較高，但機(jī)械部件的誤差一直存在，每個(gè)周期運(yùn)動(dòng)發(fā)送的脈沖數(shù)也會(huì)有誤差。隨著血泵跳動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行，不可避免的會(huì)帶來(lái)誤差累積，若任由其累積擴(kuò)大將會(huì)超出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程而發(fā)生故障。這里，我們采取的解決辦法是，取定一個(gè)允許的誤差域，每次到原點(diǎn)端時(shí)檢測(cè)其位置偏離情況，若在允許范圍內(nèi)則繼續(xù)下一次運(yùn)動(dòng)，若超出則在下一次運(yùn)動(dòng)前補(bǔ)償一定的量使其回到誤差域內(nèi)。系統(tǒng)中位置檢測(cè)裝置總長(zhǎng)為100 mm，AD采樣精度為10位即返回值為0-1023，誤差域設(shè)為15，即(15/1024)*100 mm≈1.5 mm。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出隨著參數(shù)的不同，每隔10-20次來(lái)回運(yùn)動(dòng)需進(jìn)行一次調(diào)整，即每次運(yùn)動(dòng)的誤差＜或=0.15 mm，在容許范圍內(nèi)。

2 總結(jié)

本文介紹的基于ARM為控制核心的新型搏動(dòng)型血泵的驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可依據(jù)需要在不中斷血泵工作的情況下調(diào)節(jié)心率、壓縮比和輸出量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，基于實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法的控制精確，且裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行過(guò)程中噪音較小，達(dá)到臨床應(yīng)用的要求。

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