CN101504804A - 一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置，包括：Willis环模型(8)，与Willis环模型(8)的出口连通的收集液箱(9)，与Willis环模型(8)的入口连通的常压液箱(11)，汽缸(3)，与汽缸(3)的活塞固定连接的直线电机(2)，与直线电机(2)电连接的伺服控制器(1)，与汽缸(1)的缸体通过管道并联的第一单向阀(4)和第二单向阀(5)，与第一单向阀(4)的入口连通的供给液箱(6)；第一单向阀(4)控制液体流向汽缸(3)的缸体，第二单向阀(5)的出口连通Willis环模型(8)的入口，控制液体流出汽缸(3)的缸体；常压液箱(11)的液位高于Willis环模型(8)。

Description

一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置

技术领域

本发明涉及生物流体力学实验领域，尤其涉及一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置。

背景技术

脑中风是现今死亡率最高的三大疾病之一，超过50％的中风发生与脑动脉狭窄引起的脑部供血不足有关。而脑动脉狭窄最常见部位是颈内动脉(ICA)和椎动脉(VA)，这正处于Willis环区域。另外，Willis环的分叉处是脑动脉瘤易发部位。

国内外学者对Willis环的研究从一维模型过渡到二维模型，再到现在基于医学图像的三维模型研究，经历了几十年的历程。对Willis环内动脉狭窄和动脉瘤破裂机理，以及动脉狭窄程度与脑供血量和脑中风的关系取得了一定的研究成果，对于三维Willis环内血液流动已经有较为实用的理论，可以用于指导其数学物理模型的建立。但是由于Willis环结构与血液流动的复杂性，还有很多问题尚不能用数学分析的方法解决。在此背景下，研制颅内三维Willis环血液流动模拟试验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置，它能够模拟颅内Willis环三维血液的稳态与脉动流动，方便对环内血管的压力、流速、流量等流场参数进行测量，以探索环内血液流动的规律。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置，其特征在于，包括：Willis环模型，与Willis环模型的出口连通的收集液箱，与Willis环模型的入口连通的常压液箱，汽缸，与汽缸的活塞固定连接的直线电机，与直线电机电连接的伺服控制器，与汽缸的缸体通过管道并联的第一单向阀和第二单向阀，与第一单向阀的入口连通的供给液箱；所述第一单向阀控制液体流向汽缸的缸体，所述第二单向阀的出口连通Willis环模型的入口，控制液体流出汽缸的缸体；所述常压液箱的液位高于Willis环模型。

本发明的进一步改进在于：

所述第二单向阀的出口和Willis环模型的入口之间通过空腔盒连通，所述空腔盒工作时液封有气体；其更进一步改进在于：所述空腔盒的出口设置有第一控制阀，所述常压液箱的出口设置有第二控制阀；所述空腔盒顶部设置有橡胶气囊。

所述常压液箱和收集液箱之间设置有连通管路和循环泵，所述常压液箱设置有溢流口，该溢流口连通供给液箱；其更进一步改进在于：所述常压液箱通过隔板分为恒压仓和溢流仓，所述溢流口位于溢流仓的底侧。

所述供给液箱内设置有恒温加热器。

本发明中，用伺服控制器控制直线电机，直线电机带动汽缸的活塞往复运动模拟心脏的跳动，用第一、第二单向阀形成单向流动，对Willis环模型产生脉动压力；用液位高于Willis环模型的常压液箱，向Willis环模型的入口提供一个恒定压力，用来模拟人体颅内Willis环入口处的平均血压；同时，在第二单向阀的出口和Willis环模型的入口之间设置空腔盒连通，该空腔盒工作时液封有气体，利用空气的可压缩性来模拟动脉顺应性。因此，本发明的技术方案能够模拟颅内Willis环三维血液的稳态与脉动流动，方便对环内血管的压力、流速、流量等流场参数进行测量，以探索环内血液流动的规律；为进一步研究Willis环在各种狭窄、堵塞情况下的各支动脉内压力、速度等流场参数的分布情况奠定了基础。

附图说明

图1为本发明的实施例示意图。

图2为脉动实验时，Willis环模型入口处的压力波形图；其中：纵坐标为压力P，单位为Pa；横坐标为时间Time，单位为s。

具体实施方式

参照图1，颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置，主要包括：伺服控制器1、直线电机2、汽缸3、第一单向阀4、第二单向阀5、供给液箱6、空腔盒7、Willis环模型8、收集液箱9、循环泵10、常压液箱11、第一控制阀13、第二控制阀14、以及测量Willis环模型的压力、流速、流量等流场参数的传感器。伺服控制器1控制直线电机2，直线电机2带动汽缸3的活塞往复运动。汽缸3的缸体通过管道并联的第一单向阀4和第二单向阀5，第一单向阀4的入口连通的供给液箱6，控制液体流向汽缸3的缸体。第二单向阀5控制液体流出汽缸3的缸体，其出口依次串联空腔盒7和第一控制阀13。第一控制阀13的另一端和第二控制阀14的一端通过管路并联后连通Willis环模型8的入口；第二控制阀14的另一端通过管路连接常压液箱11的出口，常压液箱11放置在较高的位置，利用其液位高度为Willis环模型8的入口提供一个恒定压力，用来模拟人体颅内Willis环入口处的动脉平均压力。Willis环模型8的出口连通收集液箱9，收集液箱9的液体通过循环泵12泵入常压液箱11，保证常压液箱11的液面高度恒定，常压液箱11设置有溢流口，溢流液体通过管道回收到供给液箱6，实现液体的循环使用。

在试验中，为了保证常压液箱11的液位稳定，本实施例通过隔板将常压液箱11分为恒压仓和溢流仓，常压液箱11的出口位于恒压仓的底部，溢流口位于溢流仓的底侧，恒压仓溢流过隔板的液体经溢流仓流入供给液箱6。

在试验中，为了防止试验用液体的粘度会受到温度的影响，在供给液箱6内设置有恒温加热器15，保持整个系统内液体的温度基本恒定，使得液体粘度在试验过程中不发生变化，提高试验结果的准确度。

本发明中，用伺服控制器1控制直线电机2，直线电机1带动汽缸3的活塞往复运动模拟心脏的跳动，用第一、第二单向阀4、5形成单向流动。在直线电机2和活塞前进行程，第一单向阀4关闭，第二单向阀5开启，对Willis环模型8产生脉动压力，提供脉动液体；在直线电机2和活塞回位过程中，第一单向阀4开启，第二单向阀5关闭，从供给液箱6向汽缸3中补充液体。

本发明中，在第二单向阀5的出口和Willis环模型8的入口之间设置空腔盒7连通，该空腔盒7工作时液封有气体，利用气体的可压缩性来模拟动脉顺应性。顺应性是指在外力作用下弹性组织的可扩张性，是静止条件下测得的每单位压力改变所产生的容积改变。动脉顺应性是指血管壁的缓冲能力，是动脉血管壁的内在弹性特性，它是脉搏波传播速度的决定因素，也是左心室后负荷的一个主要决定因素。动脉顺应性的降低可能是早期血管损害的一个标志，可作为动脉搏动功能减弱的临床指标之一。研究发现，低动脉顺应性的心血管病人收缩期射血功能指标降低，舒张功能发生改变，血浆快速胰岛素水平升高，提示动脉顺应性可能是预测心血管并发症的一个有效指标。目前多采用SV/PP(每搏量/脉压)来表示动脉顺应性，这一比值在心血管疾病危险性增加中起重要作用，甚至可在人口统计中不依赖于年龄和左室质量指数预测高血压病人心血管疾病死亡事件。在本实施中，利用空气的可压缩性对动脉血管的顺应性进行模拟。在直线电机2的前进行程中，空腔盒7中的空气被压缩；当直线电机2回位时，压缩空气膨胀。空腔盒7顶部设置有压力表及橡胶气囊，橡胶气囊通过阀门连通空腔盒，能够调节空腔盒内气体压力。本发明中，通过对空腔盒内加压及调整空气柱高度的改变来调节动脉顺应性指标。

在进行稳态实验时，关闭第一控制阀13、开启第二控制阀14。通过调整常压液箱11的液位高度保证Willis环模型8入口处压力达到12KPa的脑动脉平均血压。该压力通过入口处的静态压力传感器进行监测。在调整出合适压力后，通过流量和压力测量装置测量不同病理状况(ICA，VA不同狭窄率、ICA阻塞等)下模型内的流量和压力分布情况。

在进行脉动实验时，开启第一控制阀13、关闭第二控制阀14。通过对直线电机2的行程及加速度通过伺服控制器1进行编程控制得到较为理想的入口压力波形，如图2所示。利用布置在Willis环模型8上的动态压力传感器、流量计以及PIV得到模型在不同病理状况下的压力流量分布以及近壁处的压力梯度、流场中二次流等流场信息。

Claims (7)

1、一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置，其特征在于，包括：Willis环模型(8)，与Willis环模型(8)的出口连通的收集液箱(9)，与Willis环模型(8)的入口连通的常压液箱(11)，汽缸(3)，与汽缸(3)的活塞固定连接的直线电机(2)，与直线电机(2)电连接的伺服控制器(1)，与汽缸(1)的缸体通过管道并联的第一单向阀(4)和第二单向阀(5)，与第一单向阀(4)的入口连通的供给液箱(6)；所述第一单向阀(4)控制液体流向汽缸(3)的缸体，所述第二单向阀(5)的出口连通Willis环模型(8)的入口，控制液体流出汽缸(3)的缸体；所述常压液箱(11)的液位高于Willis环模型(8)。

2、根据权利要求1所述的一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置，其特征在于，所述第二单向阀(5)的出口和Willis环模型(8)的入口之间通过空腔盒(7)连通，所述空腔盒(7)工作时液封有气体。

3、根据权利要求2所述的一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置，其特征在于，所述空腔盒(7)的出口设置有第一控制阀(13)，所述常压液箱(11)的出口设置有第二控制阀(14)。

4、根据权利要求2所述的一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置，其特征在于，所述空腔盒(7)顶部设置有橡胶气囊。

5、根据权利要求1所述的一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置，其特征在于，所述常压液箱(11)和收集液箱(9)之间设置有连通管路和循环泵(12)，所述常压液箱(11)设置有溢流口，该溢流口连通供给液箱(6)。

6、根据权利要求5所述的一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置，其特征在于，所述常压液箱(11)通过隔板分为恒压仓和溢流仓，所述溢流口位于溢流仓的底侧。

7、根据权利要求1所述的一种颅内Willis环三维血液流动模拟试验装置，其特征在于，所述供给液箱(6)内设置有恒温加热器(15)。

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