Medrad 确保 MRI 血管注射泵的安全性
“借助 MathWorks 工具，我们能够了解组件之间的系统级交互，进行物理建模，并非常高效快速地确定泵的安全极限值。”
挑战
解决方案
结果
- 设计时间缩短数月
- 荣膺业界大奖
- 获得 FDA 批准
Medrad（现隶属于拜耳医疗保健公司旗下）开发了一款血管注射泵，使医生能够使用放射或磁共振 (MR) 成像技术快速检测动脉阻塞，照亮单个血管，并衡量跳动的心脏的健康状况。在磁共振成像过程中，Medrad Spectris Solaris 泵以高达 10 毫升/秒的流速在高达 325 psi 的压力下向患者自动注射造影剂和生理盐水。为了确保患者的安全和图像的高质量，必须注射精确的剂量。
利用 MathWorks 工具和基于模型的设计，Medrad 工程师无需构建昂贵的硬件原型，就能预测泵的压力安全点。
Medrad 产品创新和高级开发组资深研究科学家 John F. Kalafut 解释道，“注射精确剂量的造影剂对我们的安全架构来说至关重要。MathWorks 工具帮助我们做出了正确的决策，确保这项设计安全无虞。”
挑战
为了准确预测泵的压力安全点，Medrad 需要改进用于测量患者所输液体压力的技术。该公司使用了应变计来改进压力监测，而不再以电机电流作为流体压力指标。此外，由于使用数字信号处理器 (DSP) 作为电机控制器，因此需要评估使用定点数学计算电机控制信号的效果。
为了确保安全性和最佳性能，Medrad 需要全面了解泵的压力测量系统如何响应其他系统组件和 DSP 电机控制器并与它们配合运行。
Kalafut 说，“我们需要了解不同的子系统是如何影响装置的流体动力学和压力的产生的。”
Medrad 还试着使用数学建模和仿真来增强和简化获得 FDA 批准所要求的硬件测试。
最后，Medrad 的工程师还需要缩短设计时间，以便能够更快地应对竞争挑战。
解决方案
Medrad Spectris Solaris 造影注射系统由多个子系统组成。Medrad 使用 MathWorks 工具设计了泵的电机控制器和安全系统。
Kalafut 说，“基于模型的设计使我们能够对每个子系统进行数学建模。现在，我们便能了解系统的行为，并确定压力在泵中的形成速度。”
Medrad 使用 MATLAB®、Simulink® 和 Control System Toolbox™ 来定义系统要求，量化系统性能，调整电机控制回路响应，预测电机电流消耗，并确定电池预期寿命，而这些工作在获取实际硬件或编写软件之前早就已经着手进行。
Kalafut 说，“使用 Simulink，可以演示系统或子系统模型，以便其他人可以查看和了解组件之间的关系。”
在最终测试期间，设计团队发现，耦合到应变计中的射频 (RF) 能量会导致不该有的停机。Kalafut 的团队使用 Signal Processing Toolbox™ 和 DSP System Toolbox™ 设计并详细模拟了一个更精密的滤波器来调节信号。
Kalafut 说道，“通过使用 DSP System Toolbox 和 Signal Processing Toolbox，我们让原来简单的普通滤波器变得更加精密，并在此过程中节省了三周的项目时间。”
Medrad 在全公司范围内使用 MathWorks 工具来减少开发时间，提高产品质量，研究新技术和产品创新。
利用现有的 Simulink 模型，负责研发新型心血管注射系统的另一个团队能够定义各种系统需求。Kalafut 说，“这就是基于模型的设计和 Simulink 大大优于 C 和 Fortran 的地方。”
对于他们的新型患者监测系统，Medrad 正在使用 Embedded Coder® 从 Simulink 模块图自动创建嵌入式软件。
他们还使用 Simulink Real-Time™ 实现了血管注射泵流体动力学和人体血管系统的硬件在环仿真。通过这种实时仿真，Medrad 将减少使用真实流体的测试（“湿试法”）次数。验证泵控制器设计通常需要进行这类测试。
结果
设计时间缩短数月。Kalafut 说道，“借助 Simulink，我们无需构建任何硬件或编写任何软件，即可研究和预测压力安全点。这为我们设计压力子系统节省了数月的时间。”
荣膺业界大奖。Kalafut 说道，“我们有着严格的质量标准。我们称之为 Quality For Life®。该标准贯穿于产品概念到制造和服务的始终，这使我们赢得了布德里奇美国国家质量奖。使用 MathWorks 工具为我们设计高质量的产品提供了助力。”
获得 FDA 批准。Kalafut 说道，“借助 MathWorks 工具，我们通过数学建模和仿真严格证明了我们设计的是一款安全的产品。”
