人工心室輔助裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

【作 者】李晶晶，楊明，呂雪烽

上海交通大學(xué)儀器科學(xué)與工程系，上海，200240

人工心室輔助裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

【作 者】李晶晶，楊明，呂雪烽

上海交通大學(xué)儀器科學(xué)與工程系，上海，200240

人工心室輔助裝置作為高端醫(yī)療設(shè)備，需要保證其使用的便攜性和可靠性。圍繞這一目標(biāo)，研究基于嵌入式CompactRIO平臺和以太網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建心室輔助裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測并控制心室輔助裝置工作的狀態(tài)和輔助流量，支持遠(yuǎn)端WEB查詢功能,并結(jié)合試驗(yàn)室心室輔助裝置驅(qū)動模塊進(jìn)行了測試。

心室輔助裝置；CompactRIO；遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程醫(yī)療是通過電子信息和電訊技術(shù)來支持遠(yuǎn)程的醫(yī)療護(hù)理的。它的發(fā)展使單獨(dú)的生命信息監(jiān)測儀和標(biāo)準(zhǔn)的臨床信息系統(tǒng)間的分隔消除了，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可獲得病人的資料，解決重要生命信息的多參數(shù)連續(xù)記錄問題并可自動的進(jìn)行趨勢分析[1]。此外，通過可靠的網(wǎng)絡(luò)入口將相關(guān)信息傳遞至需要這些數(shù)據(jù)的醫(yī)生手中，還能夠自動地向醫(yī)生或病人發(fā)出警告信號，告訴醫(yī)生或病人要采取進(jìn)一步的醫(yī)療措施，讓病人得到更有效的二級預(yù)防。

作為高級醫(yī)療設(shè)備人工心室輔助裝置，可靠性和便攜性是其主要指標(biāo)。怎樣提高其使用的可靠性和便攜性，提供更個性化、更有效的監(jiān)測，讓心臟病患者在家中也能進(jìn)行有效安全的治療，即開發(fā)有效的人工心室輔助裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，是本文的出發(fā)點(diǎn)。

1 人工心室輔助裝置

1.1 人工心室輔助裝置簡介

人工心室輔助裝置（Ventricular assist device，VAD），是一種將血液由靜脈系統(tǒng)或心臟引出，直接泵入動脈系統(tǒng)，部分或全部代替心室做功的人工機(jī)械裝置。VAD可以分為可植入人體型和非植入人體型，又根據(jù)血流搏出方式可分為搏動泵和非搏動泵。一般來說，非植入人體型主要用于短期心臟輔助，可植入人體型裝置多用于長時間心臟輔助治療。當(dāng)今人工心室輔助裝置的研究已取得了巨大進(jìn)展[2]，從開始時外置氣動泵到后來內(nèi)置式電動泵，再到現(xiàn)在正接受臨床試驗(yàn)的小型軸流泵以及全植入式的人工心臟。技術(shù)的進(jìn)步使人工心室輔助裝置不僅可以作為心臟移植前過渡的橋梁，也是通向心肌恢復(fù)的橋梁，并越來越多的用于圍手術(shù)期急性心衰的治療，提高心衰患者生活質(zhì)量，用于心衰患者的救治[3]。

1.2 人工心室輔助裝置監(jiān)控進(jìn)展

人工心室輔助裝置也是一種血泵，用于部分或全部承擔(dān)心臟的工作，為衰竭的心臟提供有效的機(jī)械輔助。為了保證輔助裝置工作的可控性和可靠性，需要構(gòu)建一套完整的輔助裝置檢測與控制系統(tǒng)，以監(jiān)控血泵的流體機(jī)械特性、人體生理循環(huán)的血液動力學(xué)等參數(shù)。

人工心室輔助裝置監(jiān)控系統(tǒng)總體要求為：確保血泵正常工作，防止血泵中血液倒流，提供足夠的心輸出量來保證灌流，能調(diào)節(jié)心輸出量以滿足增加的生理需要或活動要求，檢測血泵對血液的破壞程度，能調(diào)節(jié)血泵工作狀態(tài)和進(jìn)行人工干預(yù)[4]。輔助裝置工作時，血泵需要監(jiān)測的參數(shù)主要有：溫度，壓力，流量及流場分布等。同時，輔助裝置根據(jù)生理控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)合適的血流，需要監(jiān)測一些人體生理參數(shù)，如心率、心電信號、搏出心室壓力、心房壓力以及流量等信息。這些參數(shù)處理后用于輔助裝置的控制，使其盡可能與自然心臟功能相近似。

心室輔助裝置的監(jiān)控發(fā)展過程中，參數(shù)檢測為其最重要的環(huán)節(jié)，存在諸多困難。比如，許多物理和化學(xué)量的測量需要傳感器與血液接觸，但與血液接觸又會引起生物兼容性問題。另外，針對植入式人工心室輔助裝置，胸腔內(nèi)有限的空間、重量、能源供給等對檢測傳感器的選擇和設(shè)計有很多限制[5]。以血泵的出口流量和壓力檢測為例，在最初的臨床應(yīng)用中多采用電磁式流量計和多普勒式流量計直接測量血泵的出口流量[6-7]，但這些均屬于介入式有創(chuàng)傷測量，增加了感染的危險性。目前還沒有研制出壽命長、可靠性高、抗凝血的流量和壓力傳感器。針對這些問題，間接測量成為輔助裝置檢測的重要發(fā)展方向，即只需要根據(jù)最少的檢測量，結(jié)合輔助裝置驅(qū)動源已知參數(shù)，建立相關(guān)參數(shù)評估的數(shù)學(xué)模型，從而預(yù)測難于通過直接測量獲取的參數(shù)[8]。

此外，隨著人們對醫(yī)療器械在時間和空間上使用的有效性要求提高，以及基于網(wǎng)絡(luò)的生物信息遙測系統(tǒng)研究的開展，傳統(tǒng)心室輔助裝置的監(jiān)控模式也正在發(fā)生改變。傳統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)品只限于醫(yī)院內(nèi)使用，病人活動范圍有限，醫(yī)護(hù)資源使用效率低，發(fā)展遠(yuǎn)程監(jiān)控可以解決上述問題。如果心室輔助裝置配置有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，為病人提供個性化的交互式醫(yī)護(hù)管理工具，包括病人重要生命信息的采集，對病人的提醒、審視、多媒體教育以及信息反饋和通訊工具等，臨床醫(yī)生就可以對居住在家中的病人進(jìn)行遠(yuǎn)程觀測，將醫(yī)療從醫(yī)院擴(kuò)展到家庭，提供更個性化、更有效的監(jiān)控。

2 人工心室輔助裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控

2.1 人工心室輔助裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展起步于上世紀(jì)70年代。隨著植入式起搏器的發(fā)展，其提供的醫(yī)療服務(wù)方式也發(fā)生了變化，出現(xiàn)了基于電話網(wǎng)絡(luò)的起搏器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)有很大的缺點(diǎn)，限于電池的使用壽命，只能在信號傳輸時感知捕獲相關(guān)數(shù)據(jù)完成檢測和通信，數(shù)據(jù)信息量有限。直至90年代，隨著更高級的植入式心率轉(zhuǎn)復(fù)除顫器（ICD）的發(fā)展，美國聯(lián)邦通信委員會確立了植入醫(yī)療服務(wù)通信體系，這是遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)[9、10]。至此，遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)迅速發(fā)展成為當(dāng)代醫(yī)療設(shè)備的重要組成部分，并拓展至更長期復(fù)雜的臨床應(yīng)用，比如充血型心力衰竭和人工心室輔助裝置。

對于使用人工心室輔助裝置的患者，為了獲得更好的健康恢復(fù)和生活質(zhì)量，需要在度過一定的穩(wěn)定期之后，仍舊能夠獲得持續(xù)的監(jiān)控，以保證裝置工作的可靠性和患者的安全?，F(xiàn)在已有一些人工心室輔助裝置支持遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，其監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的配置總結(jié)見表1[11、12]。Heart-Saver、AbioCor、LionHeart分別依托電話網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)技術(shù)提供了遠(yuǎn)端監(jiān)控的功能。

表1 VAD系統(tǒng)配置總結(jié)Tab.1 Monitoring System Configuration In VAD Systems

2.2 人工心室輔助裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

要使人工心室輔助裝置能進(jìn)行長期的支持，很重要的一點(diǎn)是要能夠隨時隨地觀測生理參數(shù)和裝置運(yùn)行情況，達(dá)到長期有效的醫(yī)療護(hù)理。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)必須具備以下基本功能：遠(yuǎn)程監(jiān)測的功能，使異地醫(yī)護(hù)人員能夠隨時獲取觀測參數(shù)，實(shí)現(xiàn)方式可以通過電腦/便攜式電話等；分析功能，在相關(guān)生理和輔助裝置模型基礎(chǔ)上，通過已知量來評估其他重要參數(shù)；警報功能，通過分析預(yù)知潛在的風(fēng)險，發(fā)送警報信息給醫(yī)護(hù)人員，避免不可挽回的事故。系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計Fig.1 Overall System Configuration

檢測與控制系統(tǒng)執(zhí)行參數(shù)采集操作并反饋執(zhí)行控制指令。監(jiān)控終端和數(shù)據(jù)中心用于數(shù)據(jù)記錄、存儲與分析，發(fā)送控制指令，并提供與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的接口，包括FTP、WWW和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。異地監(jiān)護(hù)人員可以通過授權(quán)系統(tǒng)登陸數(shù)據(jù)中心，查詢并執(zhí)行相關(guān)操作。在遠(yuǎn)程醫(yī)療逐步完善的過程中，還可將患者的醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲在個人電子病歷中，集中存放在遠(yuǎn)程醫(yī)療數(shù)據(jù)庫中，以供查詢。

3 系統(tǒng)搭建與測試

遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理裝置實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，本文采用實(shí)驗(yàn)室正在研制的搏動式血泵，基于嵌入式CompactRIO平臺和以太網(wǎng)總線接口構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是嵌入式以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)；同時，以太網(wǎng)技術(shù)的高速、大容量的特性，可以適應(yīng)不斷增長的信息要求，它可以實(shí)現(xiàn)與上層信息管理層的無縫連接，而且以太網(wǎng)技術(shù)相對來說比較普及。

3.1 心室輔助裝置的結(jié)構(gòu)

圖2 輔助裝置的剖面圖Fig.2 Section view of VAD

試驗(yàn)用心室輔助裝置采用實(shí)驗(yàn)室已研制的搏動式血泵，其利用內(nèi)、外螺紋組成的螺旋副來傳遞運(yùn)動和動力，結(jié)構(gòu)見圖2所示，電機(jī)軸直徑為Dr，血袋內(nèi)徑為d，外徑為D。螺旋副在力矩和軸向載荷作用下的相對運(yùn)動，可看成作用在中徑的水平力推動滑塊沿螺紋運(yùn)動。螺紋選擇牙型角為30°的梯形螺紋，其受力分析如圖3所示。其中ψ為螺紋升角，F(xiàn)a為軸向載荷，F(xiàn)為作用于中徑處的水平推力，F(xiàn)n為法向反力，fFn為摩擦力，f為當(dāng)量摩擦系數(shù)，ρ為當(dāng)量摩擦角，為螺紋中徑，Ph為螺紋導(dǎo)程。關(guān)于待測參數(shù)，本文選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速和血泵的輔助流量為主要指標(biāo)，采用間接測量的思路來進(jìn)行流量的估算，其原因已在1.2中進(jìn)行了詳述。根據(jù)輔助裝置的結(jié)構(gòu)尺寸和傳動分析，假設(shè)不考慮血泵出口的阻力，通過測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速Vr，間接估計輔助血液流量Q (L/min)：

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

圖3 梯形螺紋受力分析圖Fig.3 Force diagram of trapezoidal thread

監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成框圖見圖4。其中CompactRIO是由National Instrument（簡稱NI）推出的具有極高實(shí)時性的嵌入式控制和采集平臺，適用于可靠的獨(dú)立式或分布式應(yīng)用系統(tǒng)。該平臺是一個基于FPGA技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)，包含一個嵌入式實(shí)時控制器和一個可重復(fù)配置I/O FPGA核的底板，RT控制器內(nèi)嵌10/100Mb以太網(wǎng)口和內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)與文件服務(wù)器，利用遠(yuǎn)程面板網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，可以自動發(fā)布用于多客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控嵌入式應(yīng)用的圖形化用戶界面。本文中CompactRIO平臺以cRIO-9004 Real-Time控制器和cRIO-9104 FPGA底板為核心。選取C-Series模塊NI9401和NI9263來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理[13]。

電源模塊提供24V供電電壓。功率放大模塊采用試驗(yàn)室已研制的兩路帶寬為300 kHz，功率200 w的復(fù)合反饋式功率放大器。檢測元件為1024線光電編碼器。本地監(jiān)控及數(shù)據(jù)中心為PC機(jī)，完成與CompactRIO平臺數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)發(fā)送控制參數(shù)，存儲采集數(shù)據(jù)，并建立WEB發(fā)布功能，以供遠(yuǎn)端WEB查詢和控制。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成

圖4 系統(tǒng)硬件組成原理圖Fig.4 Diagram of the hardware system

軟件方面，使用LabVIEW FPGA Module、LabVIEW Real-Time Module和應(yīng)用于Windows 開發(fā)環(huán)境的LabVIEW進(jìn)行程序開發(fā)，開發(fā)時間短，系統(tǒng)性能好[14]。軟件設(shè)計主要包含用于輸入、輸出、通信和驅(qū)動控制的FPGA程序；用于嵌入式數(shù)據(jù)記錄遠(yuǎn)程面板和以太網(wǎng)通信的RT Host 程序；支持WEB發(fā)布和遠(yuǎn)程控制的本地監(jiān)控終端的PC Host程序。

3.3.1 DDS合成前級驅(qū)動信號

結(jié)合系統(tǒng)整體設(shè)計要求，需為輔助裝置電機(jī)提供前級驅(qū)動信號(圖4)，即幅度、相位和頻率均可調(diào)的正弦信號。本文采用DDS技術(shù)生成所需的正弦驅(qū)動信號，該功能部署在FPGA程序中，輸出的波形數(shù)據(jù)送入NI9263(DAC)生成正弦信號。DDS程序原理圖見圖5，設(shè)計了32-bit相位累加器，正弦查找表預(yù)存儲2048點(diǎn)16-bit整形波形數(shù)據(jù)，相位寄存器Bit 21～31作為正弦查找表的查詢地址。為提高波形輸出幅值的精度，采用線性插值的方法，相位寄存器Bit5～20作為線性插值的參考值。計算輸出波形幅值過程：(1)計算正弦查找表的查詢地址Address和線性插值的參考值Vref；(2)經(jīng)查詢得到與Address和Address+1相對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)A和B；(3)最終波形查找表的輸出幅值為Ample。

圖5 合成正弦信號原理圖Fig.5 Sinusoidal signal synthesis diagram

3.3.2 程序通信與發(fā)布

FPGA底板與RT控制器通過PCI總線進(jìn)行連接，在編程時分別對應(yīng)FPGA 程序和RT Host 程序。FPGA 程序經(jīng)過編譯后下載至FPGA底板，它和RT Host 程序的運(yùn)行是各自獨(dú)立的。在進(jìn)行通訊時，必須協(xié)調(diào)兩者同步工作，典型同步方式有：握手、中斷、握手－中斷。本文采取握手來協(xié)調(diào)兩者工作，即RT Host 程序通過觸發(fā)FPGA 程序前面板對應(yīng)控件來控制FPGA 程序的運(yùn)行。RT Host 程序通過Read/Write Control Node實(shí)現(xiàn)對FPGA 程序參數(shù)的控制。在RT Host 程序中配置控制參數(shù)時，需要注意插在FPGA底板上的C Series I/O模塊的校準(zhǔn)模式設(shè)置，如果設(shè)置NI9263為RAW Mode(非校準(zhǔn)模式)，則需要在RT Host程序中將參數(shù)進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換后再送入Read/Write Control Node。

為支持遠(yuǎn)端WEB查詢和控制功能，操作包括：本地的PC程序通過網(wǎng)絡(luò)共享變量獲得RT嵌入式控制器上運(yùn)行的數(shù)據(jù)，在本地監(jiān)控PC數(shù)據(jù)中心機(jī)上開設(shè)web服務(wù)，遠(yuǎn)程的計算機(jī)可以通過web服務(wù)得到數(shù)據(jù)和控制程序運(yùn)行。依托LabVIEW 提供的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能的方式有：遠(yuǎn)程前面板、web發(fā)布、web服務(wù)。本文采用web發(fā)布實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)上的其他計算機(jī)通過網(wǎng)頁瀏覽器，輸入本地監(jiān)控PC服務(wù)器的計算機(jī)名或IP地址，即可打開web服務(wù)頁面（其中建立安全的登陸系統(tǒng)還有待完善）。圖6為系統(tǒng)運(yùn)行框圖，監(jiān)控界面見圖7所示。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行框圖Fig.6 Scheme of system operation

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控界面Fig.7 System monitoring interface

3.4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)實(shí)物構(gòu)成見圖8。本地數(shù)據(jù)中心PC實(shí)時監(jiān)測人工心室輔助裝置工作情況，通過定時觸發(fā)或者患者觸發(fā)記錄數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程客戶端可以通過WEB訪問本地數(shù)據(jù)中心，也可以請求獲得系統(tǒng)運(yùn)行控制權(quán)。為了研究驅(qū)動信號的具體屬性對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，從而選擇合適的控制參數(shù)，使電機(jī)工作在理想的轉(zhuǎn)速設(shè)置點(diǎn)，以提供合適的輔助流量。測試時還設(shè)計了一組試驗(yàn)，用以初步研究驅(qū)動信號屬性對應(yīng)人工心室輔助裝置的特性。試驗(yàn)過程中，固定其他參數(shù)，測定正弦信號的頻率、幅值和相位分別作為控制量時，其對應(yīng)的血泵電機(jī)轉(zhuǎn)速和輔助流量。以正弦信號的幅值對應(yīng)轉(zhuǎn)速關(guān)系為例，調(diào)節(jié)驅(qū)動信號電壓時對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和人工心室輔助流量見圖9所示。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.8 Whole project layout

圖9 測量電壓對應(yīng)轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.9 Voltage of sinusoidal signal vs rotate speed

4 總結(jié)與展望

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)逐漸成為現(xiàn)代醫(yī)療服務(wù)的一部分，具有時間和經(jīng)濟(jì)的雙重效應(yīng)。本文研究中的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，啟動方式采用外界、患者觸發(fā)或設(shè)定固定的時刻來啟動系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和查詢。控制方式采取改變驅(qū)動信號的屬性（電壓幅值、頻率）來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和輔助流量。鑒于該平臺的可重復(fù)配置性，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程重新配置程序，以進(jìn)行控制參數(shù)和監(jiān)測功能的修改或完善，并兼顧了系統(tǒng)的可擴(kuò)充性和升級能力，安裝和拆卸的快速性。分別對不同控制變量對應(yīng)心室輔助裝置的特性進(jìn)行了初步研究，為后續(xù)心室輔助裝置的控制算法研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了平臺。還應(yīng)完善建立心室輔助裝置和人體生理循環(huán)系統(tǒng)的混合模型，實(shí)現(xiàn)不能直接測量參數(shù)的評估，提前預(yù)知風(fēng)險，采取措施避免之，使人工心室輔助裝置能夠更好的適應(yīng)患者的生理需求；簡化監(jiān)控裝置的使用性，以提高心臟病患者以及醫(yī)護(hù)人員對裝置使用的滿意度，同時提高輔助裝置的可靠性和便攜性才能夠使其被廣泛應(yīng)用。

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Remote Surveillance System of Artificial Ventricular Assist Device

【 Writers 】Li Jingjing, Yang Ming, Lv Xuefeng
Department of Instrument Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240

ventircular assist device, Compact RIO, remote surveillance

R318.11

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2011.01.001

1671-7104(2011)01-0001-05

2010-10-15

自然科學(xué)基金(30970750)和 (81027001)

李晶晶，碩士研究生，Email：laby2210@gmail.com

【 Abstract 】Performances of reliability and portability are important for artificial ventricular assist devices. This paper presents a remote surveillance system that can observe the condition of the patients and the driving condition of artificial heart online. The system is mainly based on the embedded Compact RIO platform and Ethernet technology. Combined with the driver module of the assist device, this remote system has been tested.