Herzschrittmacher: Heart on a chip

Regelkreissimulation und Echtzeit-Implementierung

Nach Fertigstellung der Simulink- und Stateflow-Versionen des Herzmodells sowie des Herzschrittmachermodells wurde eine Simulation des geschlossenen Regelkreises durchgeführt, um das Verhalten des Herzschrittmachers zu verifizieren. Beispielsweise wurden mehrere Szenarien im geschlossenen Regelkreis simuliert, einschließlich der durch den Herzschrittmacher ausgelösten Tachykardie sowie Vorhofflattern. Dies sind Szenarien, die durch die formelle Analyse zur Verifikation als potenziell problematisch hervorgehoben wurden. Außerdem wurden Probleme aufgrund von Fehlern simuliert, wie z. B. eine verschobene Herzschrittmacherelektrode. Die Simulation wurde außerdem zum Vergleich und zur Auswertung unterschiedlicher Versionen der Herzschrittmacheralgorithmen verwendet. Eines der wichtigsten Ziele sind Tests an tatsächlichen Herzschrittmachern, statt sich auf Modelle zu beschränken. Zu diesem Zweck musste das Herzmodell in Echtzeit-Hardware implementiert werden. Es wurde der HDL-Coder verwendet, um aus dem Simulink- und Stateflow-Modell VHDL-Code zu generieren, der den Einsatz des „Heart-on-a-Chip“ auf einem Altera FPGA (Bild 4) ermöglichte. Der generierte Code war so effizient, dass zahlreiche Versionen des Herzmodells auf einem einzigen Einsteiger-FPGA implementiert werden konnten. Für die ersten Echtzeit-Tests wurde ein vereinfachter Herzschrittmacher erstellt. Dies geschah durch Generierung von C-Code des Simulink- und Stateflow-Herzschrittmachermodells mithilfe des Embedded Coder. Dieser wurde in einen integrierten Atmel-Mikrocontroller implementiert. Aufgrund des Erfolgs dieser Tests wurden Tests des geschlossenen Regelkreises durchgeführt, bei denen das ‚Heart-on-a-Chip‘ auf dem FGPA sowie serienmäßige Herzschrittmacher zum Einsatz kamen. Die ‚Heart-on-a-Chip‘-Plattform gewann den ersten Preis bei der World Embedded Systems Competition 2012 (High-Tech Medical Service) in Seoul, Korea.

Erstellen einer Schnittstelle zur Konfiguration des Modells

Das Herzmodell bietet umfangreiche Konfigurationsmöglichkeiten und ist dazu in der Lage, Variationen der elektrophysiologischen Leitfähigkeit bei unterschiedlichen Patienten abzubilden. Anfangs wurden Änderungen in der Konfiguration direkt am Simulink-Modell vorgenommen. Um diesen Schritt für die Mitarbeiter des Teams sowie andere Forscher zu vereinfachen, wurde der virtuelle Herzmodellsimulator von der University of Pennsylvania entwickelt. Hierbei handelt es sich um eine graphische Oberfläche, die mit Matlab erstellt wurde und die es Anwendern ermöglicht, eine Topologie für ein neues Herzmodell zu definieren. Anschließend können das Modell, das auf der gewünschten Topologie basiert, sowie die Konfigurationsparameter automatisch konfiguriert werden. Im Hintergrund verwendet der virtuelle Herzmodellsimulator von der University of Pennsylvania ein MATLAB-Skript, um ein Simulink- und Stateflow-Modell zu generieren, das auf der gewünschten Topologie sowie den Konfigurationsparametern basiert.

Weitere Schritte

Durch eine Zusammenarbeit mit der US-amerikanischen Gesundheitsbehörde, FDA, sowie mit Herstellern von Herzschrittmachern werden ein Framework sowie Richtlinien erstellt, nach denen das Herzmodell verwendet wird, um Herzschrittmacher-Software in einem frühen Entwicklungsstadium zu verifizieren. Es wird die Entwicklung eines Systems angestrebt, das elektrophysiologische Testergebnisse eines Patienten automatisch in ein anwenderdefiniertes Modell überträgt, welches über für das Herz des jeweiligen Patienten optimierte Parameter verfügt. Die Arbeit am Herzmodell ergänzt ein zugehöriges Projekt, bei dem Forscher von der University of Pennsylvania generische Modelle einer Infusionspumpe sowie Referenzspezifikationen entwickelt haben, die zur Verifikation von Sicherheitseigenschaften bei medizinischen Infusionspumpen verwendet werden. Ziel beider Projekte ist es, realistische Modelle biologischer Systeme zur Verfügung zu stellen, um verbesserte Tests medizinischer Geräte zu ermöglichen. Weitere Vorstöße in diesem Bereich sollen durch die Entwicklung von Simulink-Modellen menschlicher Systeme möglich werden, die mit einer Reihe von Medizinprodukten interagieren, u. a. Schmerzmittelpumpen sowie Systeme zur Blutzucker- und Insulinüberwachung. Durch die frühe Verifikation von Software sowie durch Tests des geschlossenen Regelkreises in Echtzeit können Hersteller von Medizinprodukten nun die Qualität ihrer Software verbessern und die Zahl der Geräterückrufe reduzieren.

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