TÉCNICA DE CONTROLE INTELIGENTE DE BOMBAS DE SANGUE
ROTATIVAS: APLICAÇÃO EM FPGA
Lucas Andrade1, Jeison Fonseca2, Evandro Drigo2 , Aron Andrade2 , Tarcisio Leão1,2
1Instituto Federal de São Paulo, São Paulo (SP), Brasil
2Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia de São Paulo, São Paulo (SP), Brasil E-mail: lucas.stos.andrade@gmail.com
Resumo.O objetivo deste projeto é desenvolver uma aplicação em FPGA (Matriz de Portas Programável em Campo, do inglês Field Programmable Gate Array) da Técnica de Controle Inteligente (TCI) de bombas de sangue rotativas, considerando sua função de aquisição de sinais e atuação na bomba. O Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV) tem sido utilizado para o tratamento de pacientes com Insuficiência Cardíaca (IC), seja como ponte para o transplante ou como terapia de destino. A TCI propõe um sistema que ajuste a rotação de forma harmoniosa com os sistemas fisiológicos, sem o uso de sensores, e que considere o estado clínico e o nível de atividade do paciente. A TCI foi desenvolvida em computador e sistemas de aquisição, mas esta estrutura não permite embarcar em dispositivos eletrônicos. A metodologia prevê o desenvolvimento de uma aplicação em FPGA da TCI com o uso de uma plataforma de desenvolvimento dedicada PXI®National Instruments, Austin, EUA). O programa Labview® é utilizado para o desenvolvimento do projeto. O programa em FPGA, das funções de aquisição e condicionamento de sinais da TCI, é o principal resultado esperado. Em futuros trabalhos, os blocos de estimação, controle da TCI passarão pelo processo de desenvolvimento de aplicação e integração com o sistema desenvolvido.
Palavras-chave: FPGA, Controle, Coração Artificial, Bomba de Sangue Rotativa.
1. INTRODUÇÃO
No Brasil, segundo o Ministério da Saúde, ocorreram 335 mil mortes causadas por doenças do aparelho circulatório em 2011, representando cerca de 30% do total de óbitos (MINISTÉRIO DA SAÚDE, 2014).
O tempo de espera na fila do transplante é outro fator contribuinte para o elevado número de mortes. Entre os problemas citados por Marinho, se destacam a compatibilidade clínica entre o órgão doado e o receptor, a logística de doação/extração e o transplante, além da manutenção de potenciais doadores em UTI (MARINHO, 2004).
A captação de órgãos enfrenta problemas sociais, culturais, religiosos e operacionais, além da sensibilidade do músculo cardíaco, que suporta, em média, 4 horas desde sua retirada até o retorno de suas atividades sem isquemia (DINKHUYSEN, 2002).
Diante da dificuldade na captação de órgãos para transplantes cardíacos e da atual necessidade dos pacientes, o desenvolvimento de dispositivos para o bombeamento de sangue em assistência à circulação sanguínea tem destacada importância.
As bombas centrífugas surgiram como uma opção para a Circulação Extracorpórea (CEC), realizando o bombeamento de sangue durante as cirurgias cardíacas e diminuindo a hemólise causada pelas bombas de roletes. Atualmente, a utilização das bombas centrífugas como Dispositivos de Assistência Ventricular (DAV) representa a maior parte das pesquisas e aplicações desenvolvidas na área, pois permitem: operar em rotações mais baixas que as bombas de fluxo contínuo axiais; obter menores taxas de hemólise; ter dimensões compatíveis com uma boa implantabilidade e alcançar vida estimada do conjunto, em assistência, superior a dois anos (NOSÉ et al., 1999) e (KIRKLIN; NAFTEL, 2008).
Segundo AlOmari et al, na revisão dos controladores de DAV de fluxo contínuo, a meta de se ter dispositivos de longa duração, para terapia de destino, de se reduzir a dependência da
constante monitoração clínica, e de possibilitar o retorno para casa com a consequente melhoria na qualidade de vida dos pacientes, implicam o uso de teorias de controle. Essa tarefa requer a modelagem de variáveis hemodinâmicas e o uso de modelos para projetar um controle que se ajuste automaticamente às demandas corporais do paciente. Para alcançar esse objetivo é imperativo o uso de estimadores, ou sensores, para a obtenção da informação de parâmetros do DAV, seja do fluxo ou da pressão diferencial. Sensores não são desejáveis, pois requerem calibração, podem causar hemólise e falhar diminuindo a confiabilidade do DAV. O desafio da assistência prolongada está na responsabilidade de algoritmos de controle que respondam às mudanças de demandas dos pacientes e à diferença entre pacientes com IC. Ressaltam ainda, que a maior parte dos controladores propostos não consideram os estados fisiopatológicos que podem surgir com a aplicação dos DAV (ALOMARI et al., 2013).
A Técnica de Controle Inteligente (TCI) da rotação de bombas de sangue consiste em 3 camadas, inter-relacionadas, que permite o controle do DAV, considerando sua interação com o sistema fisiológico do paciente. A principal interação entre o organismo e o DAV se dá pelo sistema de regulação da pressão arterial média, elemento fundamental do controle circulatório, no qual a TCI atua (SILVA, 1991a). A Figura 1 apresenta, de forma simplificada, as principais funções fisiológicas envolvidas na regulação da pressão arterial, incluindo o DAV.
2. OBJETIVOS
Desenvolver uma aplicação em FPGA da TCI, especialmente, do sistema de aquisição, condicionamento de sinais e atuação no motor da bomba de sangue rotativa.
São objetivos específicos:
1- Estudar a programação de aplicações em FPGA para a plataforma de desenvolvimento; 2- Desenvolver programa para a aquisição e condicionamento de sinais;
3- Desenvolver programa para a atuação no motor BLDC da bomba de sangue rotativa;
4- Avaliar desempenho da aplicação comparando com a implementação atual em computador e placa de aquisição.
3. METODOLOGIA
A plataforma de desenvolvimento e aplicação (PXI, National Instruments, Austin, EUA) será utilizada para o desenvolvimento da aplicação, Figura 3. O processamento digital será projetado e implementado via programa de linguagem gráfica LabView® (National Instruments, Austin, EUA). Módulos de aquisição (NI PXIe-6361, National Instruments, Austin, EUA) e processamento (NI PXI-7851R, National Instruments, Austin, EUA) também fazem parte da plataforma.
A TCI está implementada em computador pessoal por meio dos programas LabView® (2015, National Instruments, Austin, EUA) e Matlab (R2010b, Mathworks, Natick, EUA), usados como ferramentas de desenvolvimento.
Ensaios foram realizados para avaliar o desempenho da TCI quanto à capacidade de acompanhar a evolução clínica do paciente, prover maior conforto ao paciente em suas atividades físicas e manter pressão e débito cardíaco em níveis fisiológicos sob demanda metabólica. Estes foram conduzidos em um Simulador Híbrido do Sistema Cardiovascular (SHSC), onde as condições de IC são parametrizáveis (FONSECA et al., 2011).
O programa original de controle do DAV tem como método de aquisição de dados diversos sensores que são ligados de forma a dar ao programa dados que serão analisados e transformados em informações para o médico e o usuário de forma a tornar o DAV um equipamento otimizado para o paciente.
Já o novo programa em desenvolvimento tem como método de aquisição diferentes sensores que serão acoplados a uma placa FPGA e não mais a um computador, tornando assim o DAV algo mais portátil.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Espera-se obter um programa computacional em linguagem gráfica LabView® em FPGA para as funções de aquisição de sinais e atuação da TCI . O programa viabilizará futuros trabalhos para programação dos blocos de estimação e controle, bem como a implementação completa da TCI em hardware.
Até o presente momento foi adquirido conhecimento sobre o funcionamento de um dispositivo de assistência ventricular e seu impacto na sociedade como um todo, assim como o funcionamento do programa já existente no LabView® e o funcionamento da plataforma quando o alvo é o FPGA.
O LabView® tem em sua plataforma um software específico para a programação de FPGA. Na imagem da figura abaixo é possível ver como se cria um diagrama de blocos especialmente voltado para o FPGA.
Nesse diagrama é possível inserir o programa já criado no LabView® anteriormente e usa-lo como base para o novo programa.
Abaixo segue uma imagem do projeto em desenvolvimento no Labview®.
Projeto de Aquisição no Labview®
É possível ver nesse esquema de pastas e subdivisões do Labview® como é dividido o projeto dentro do software assim como algumas informações do modulo FPGA em si.
REFERÊNCIAS
ALOMARI, A. et al. Developments in control systems for rotary left ventricular assist devices for heart failure patients: a review. Physiological Measurement, 1, 2013. R1 - R27.
DEO, S. et al. De Novo Aortic Insufficiency During Long-Term Support on a Left Ventricular Assist Device: A Systematic Review and Meta-Analysis. ASAIO Journal, 60, 2014. 183-188.
DINKHUYSEN, J. Porque o número de transplantes cardíacos não tem crescido no Brasil? ABTO - Associação Brasileira de Transplantes de Órgãos, São Paulo, 2002.
FONSECA, J. et al. Cardiovascular Simulator Improvement: Pressure Versus Volume Loop Assessment. Artificial Organs, 35, n. 5, 2011. 454 - 8.
FU, M.; XU, L. Computer Simulation of Sensorless Fuzzy Control of a Rotary Blood Pump to Assure Normal Physiology. ASAIO Journal, 46, n. 3, 2000. 273 - 8.
GIRIDHARAN, G.; SKLIAR, M. Physiological control of blood pumps using intrinsic pump parameters: a computer simulation study. Artif. Org., 30, 2006. 301 - 7.
KIRKLIN, J.; NAFTEL, D. Mechanical Circulatory Support: Registering a Therapy in Evolution. Circulation: Heart Failure, 1, n. 200 - 205, 2008.
LEÃO, T. F. Técnica de controle automático da rotação de bombas de assistência ventricular. [tese]. São Paulo: Universidade de São Paulo - Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia, 2015.
MARINHO, A. Um estudo sobre as filas para internações e para transplantes no sistema único de saúde brasileiro. Rio de Janeiro. 2004.
MINISTÉRIO DA SAÚDE. DataSus, 2014. Disponivel em:
<http://www2.datasus.gov.br/DATASUS/index.php?area=0205&VObj=http://tabnet.datasus.gov.br/cgi/defto htm.exe?sim/cnv/obt10>. Acesso em: 29 mar. 2014.
NOSÉ, Y. et al. Development of a totally implantable biventricular bypass centrifugal blood pump system. Ann Thorac Surg, 68, n. 775-779, 1999.
PARNIS, S. et al. Progress in the Development of A Transcutaneous Axial Flow Blood Pump Ventricular Assist System. ASAIO Journal, 43, n. 2, 1997.
SILVA, M. R. E. Regulação Circulatória Geral. In: AIRES, M. D. M. Fisiologia. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1991a.
INTELLIGENT ROTARY BLOOD PUMP CONTROL TECHNIQUE:
APPLICATION IN FPGA
Lucas Andrade1, Jeison Fonseca2, Evandro Drigo2 , Aron Andrade2 , Tarcisio Leão1,2
1Instituto Federal de São Paulo, São Paulo (SP), Brasil
2Instituto Dante Pazzanese de Cardiologiade São Paulo, São Paulo (SP), Brasil E-mail: lucas.stos.andrade@gmail.com
Abstract. The objective of this project is to develop an FPGA (Field Programmable Gate
Array) application of the Intelligent Control Technique (TCI) of rotating blood pumps, considering its function of signal acquisition and pump actuation . The Ventricular Assist Device (VAD) has been used for the treatment of patients with heart failure, either as a bridge to the transplant or as a target therapy. The TCI proposes a system that adjusts the rotation in a harmonious way with the physiological systems, without the use of sensors, and that considers the clinical state and level of activity of the patient. The TCI was developed in computer and acquisition systems, but this structure does not allow to embark in electronic devices. The methodology foresees the development of a TCI FPGA application with the use of a dedicated PXI®National Instruments development platform, Austin, USA). The Labview® program is used for project development. The FPGA program, from the acquisition and signal conditioning functions of the TCI, is the main expected result. In future works, the blocks of estimation, control of the TCI will go through the process of application development and integration with the developed system.
