Medrad 社が MRI 血管造影剤注入ポンプの安全性を確保

確実に安全なポンプの圧力を予測するために、Medrad では患者への注入圧力を測定するテクノロジーを向上する必要性に迫られていました。このため、注入圧力の測定器にモーターの電流を使用する代わりに、歪みゲージを使って圧力の監視を向上することにしました。また、モーターのコントローラーとしてデジタル信号プロセッサー (DSP) を使用することにしたため、モーター制御信号の計算に固定小数点演算を使用する際の影響を評価する必要がありました。

さらに、安全性と最適な性能を確保するために、ポンプの圧力測定システムが他のシステム コンポーネントや DSP モーター コントローラーとどのように応答し、機能するかを完全に理解しなければなりませんでした。

Kalafut 氏は次のように述べています。「この装置の流体の動特性やユニットの圧力生成に対し、異なるサブシステムがどのような影響を与えるかを理解することが必要でした」

また Medrad は、数学モデリングとシミュレーションを活用することで、FDA の認可を受けるために必要なハードウェア テストを補完し、効率化したいとも考えていました。

さらに、競争の激しい市場に迅速に対応するために、設計期間の短縮が迫られていました。

Medrad の Spectris Solaris 造影剤注入システムは、複数のサブシステムで構成されています。Medrad では MathWorks ツールを使用して、ポンプのモーター制御と安全装置を設計しました。

Kalafut 氏は次のように述べています。「モデルベースデザインのアプローチにより、各サブシステムを数学的にモデリングできました。これによって、システムの動作を理解し、ポンプの圧力が上昇するスピードを決定できるようになりました」

Medrad では MATLAB^®、Simulink^®、Control System Toolbox™ を活用して、システムの要求仕様の定義、システムの性能の定量化、モーターの制御ループ応答の調整、モーターの引き込み電流の予測、ならびにバッテリの予測寿命の判断といった作業を行いました。

これらの作業はいずれも、実際のハードウェアが利用可能になり、ソフトウェアが作成される時点よりもずっと以前の段階で行われています。

Kalafut 氏は次のように述べています。「Simulink があれば、システムやサブシステム モデルのデモを行えるので、関係者にコンポーネント間の関係を視覚的に理解してもらうことができます」

最終テストでは、歪みゲージに対する高周波(RF)エネルギー結合により、望ましくないシャットダウンが発生することが発見されました。このため、Signal Processing Toolbox™ と DSP System Toolbox™ を利用して、信号を適切な状態に調整する高度なフィルターが設計され、徹底的なシミュレーションが行われました。

Kalafut 氏は次のように述べています。「DSP System Toolbox と Signal Processing Toolbox を利用して、元の単純な平均化フィルターを、より高度なフィルターに作り替えました。この作業では、プロジェクトの期間を 3 週間短縮できました」

Medrad では会社全体で MathWorks ツールを活用して、開発期間の短縮、製品の品質向上、新しいテクノロジーや革新的な製品の研究などを行っています。 新しい心臓血管注入システムを担当する別のチームは、既存の Simulink モデルを利用して、さまざまなシステムの要求仕様を定義することができました。Kalafut 氏は次のように述べています。「これこそが、モデルベース デザインと Simulink が C や Fortran よりも多くの利点をもつ領域です」

また、新しい患者モニター システムでは、Embedded Coder® を利用して Simulink ブロック ダイアグラムから組込みソフトウェアを自動的に作成しています。

さらに、Simulink Real-Time™ で造影剤注入ポンプの流体の動特性と人間の血管系の HIL シミュレーションを作成しました。ポンプ コントローラーの設計を検証する際には通常、実際に液体を使ったテスト (ウェット テスト) が必要とされますが、Medrad ではこのリアルタイム シミュレーションのおかげで、ウェット テスト の回数を減らすことができるでしょう。