宾夕法尼亚大学发展心脏起搏器的心脏电生理模型实时闭环测试

从1990年到2000年,心脏医疗设备制造商召回超过600000。大约200000的召回是由于软件的问题。

与典型的起搏器含有80000到100000行代码,制造商很难识别软件错误使用当前的行业惯例。这些实践依赖开环测试,测试人员预录好的饲料起搏器和评估心脏信号相应的输出。开环测试可以揭示心脏起搏器如何回应各种心脏病,而不是心脏如何回应起搏器的闭环系统。这是特别重要的在pacemaker-mediated心动过速、起搏器可以把心为不安全的国家。

宾夕法尼亚大学的电气和系统工程,我们的团队已经开发出一种首开先河的心脏电生理模型,使心脏起搏器的实时闭环测试。MATLAB开发的^®和仿真软金宝app件^®,这heart-on-a-chip系统可以配置为匹配病人的特定的生理特征,它可以模拟多种心脏疾病使起搏器的早期验证软件。

构建心脏模型

更好地理解电信号如何工作的心,我们坐在医院的心脏手术操作的宾夕法尼亚大学(潘)。在这些操作中,医生在电生理学部门直接电流通过导管进入心脏。然后监测心脏的电行为和测量电导率以及途径。

我们创建了一个最初的心脏电生理模型在MATLAB。我们选择了MATLAB有几个原因。首先,我们需要进行广泛的设计探索在开发的早期阶段,和MATLAB是一个很好的环境,尝试新的想法。第二,我们的大多数研究生已经有经验的MATLAB用户,所以他们立即可以导致项目,无需学习新的软件。第三,MATLAB和Simulink金宝app支持代码金宝app生成fpga和嵌入式系统,我们需要实时测试。

模拟和精炼MATLAB心脏模型后,我们创建了一个模型和Stateflow金宝app^®的版本。这种模式给了我们一个可视化表示节点和路径的心,并使模拟比MATLAB版本快得多。仿真软件金宝app和Stateflow模型由大约30节点和30通路的子,我们开发成Stateflow图表。相对应的节点自动机子模型包括三个州休息状态和两个活跃的状态,有效不应期(ERP)和相对不应期(RRP)(图2)。

自动机的路径比较复杂,包括五个州描述的传导路径:赌注(向前传导),空闲(不导电),复古(逆向传导),双(在两个方向传导),和冲突。几个心脏心律失常模型验证了心脏电生理学主任费城VA医院。

构建起搏器模型

建模仿真软件的起搏器和Stateflow之前,我们建立了一个专门为金宝app正式的验证时间自动机模型利用UPPAAL建模环境,由Aalborg大学联合开发丹麦和瑞典乌普萨拉大学。基于一个起搏器制造商提供的规范,这种模式使我们探索设计空间和证明特定的属性的设计满足需求。一个更传统的方法是先从仿真软件和Stateflow模型,然后使用仿真软件执行正式的验证设计验证人™。金宝app我们计划使用仿真软件设计验证器金宝app的形式验证事件发生的时间,而且运行时和安全性能的设计。

我们使用UPP2SF,在潘翻译工具开发了一个模型,自动在UPPAAL timed-automata-based模型转化为一个仿真软件和Stateflow模型仿真和测试(图3)。金宝app

闭环仿真和实时实现

仿真软件和金宝appStateflow版本的心脏模型和起搏器模型完成后,我们进行了闭环仿真来验证起搏器的行为。例如,我们模拟几个闭环场景,包括pacemaker-mediated心动过速和心房扑动;场景,我们正式的验证分析了潜在的问题;和失败条件,如流离失所的起搏器领先。我们还利用仿真比较和评价不同版本的起搏器算法。

测试实际pacemakers-not只是模型是我们的主要目标之一。为了实现这一目标,我们需要实现实时硬件上我们的心脏模型。我们使用HDL编码™生成VHDL^®从仿真软件和Stateflo金宝appw模型代码,使我们能够部署heart-on-a-chip阿尔特拉^®FPGA(图4)。生成的代码非常有效,我们能够实现多个版本的心脏模型在一个低端FPGA。

对于我们的第一个实时测试,我们建立了一个简化的起搏器通过生成C代码模型和Stateflow起搏器模型与嵌入式编码器金宝app^®并将其部署到一个爱特梅尔公司^®嵌入式单片机。这些测试的成功后,我们进行了使用FPGA heart-on-a-chip闭环测试和生产起搏器。

Heart-on-a-Chip平台获得了一等奖在2012年世界嵌入式系统竞争(高科技医疗服务),在首尔,韩国。

创建一个接口,用于配置模型

我们的心脏模型是高度可配置的,并且可以占患者电生理传导率的变化。首先,我们做了配置更改直接仿真软件模型。金宝app简化这一步对于我们的团队和其他研究人员,我们开发了宾夕法尼亚大学模拟器虚拟心脏模型,用MATLAB接口,让用户为一个新的心脏模型,然后指定一个拓扑自动配置模型基于请求的拓扑结构和配置参数(图5)。

在幕后,宾夕法尼亚大学虚拟心脏模型模拟器使用MATLAB脚本生成一个模型和基于请求的拓扑和Stateflow模型配置参数。金宝app

下一个步骤

我们正在与美国食品和药物管理局和起搏器制造商建立一个框架,指导使用我们的心脏起搏器的早期验证模型软件。我们计划开发一个系统,可以自动将患者的电生理测试结果转换为一个定制的模型与参数优化病人的心。

我们的工作心脏模型补充相关项目在宾夕法尼亚大学研究人员开发通用的输液泵模型和参考规范,用于验证医疗输液泵的安全属性。两个项目的目标是提供现实的生物系统,使模型提高了医疗设备的测试。我们计划在这一领域继续进展,通过开发人力系统的仿真软件模型,与一系列的医疗设备,包括镇痛泵和血糖和胰岛素的监测系金宝app统。通过使早期验证软件的实时闭环测试,这些模型将使医疗设备制造商更容易提高软件的质量和减少设备回忆说。