CN101976528B

CN101976528B - 血管内支架植入的生物力学实验模拟装置

Info

Publication number: CN101976528B
Application number: CN2010102785107A
Authority: CN
Inventors: 劳永华; 黄岳山; 支晓兴
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: CN101976528A

Abstract

本发明公开了血管内支架植入的生物力学实验模拟装置，由人工心血管系统、人工血液及脉动血流流场控制系统和力学实验观测装置组成；人工心血管系统的储液箱上方浸泡与左心室几何相似的硅胶左心室模型，硅胶左心室模型入口端通过模拟右心房的硅胶空心圆球连接上开放式储液箱；左心室硅胶模型出口端与主动脉弓模型连接；人工血液及脉动血流流场控制系统的微型计算机与功率放大器、直线步进电机和活塞依次连接；在闭环血液流场模型内设有相似血液粘度和比重且含模拟血栓颗粒聚苯乙烯微球的人工血液；应用本发明装置可以在血管内支架临床实验和动物实验之前有效直观地进行支架植入模拟手术，并对支架进行关于柔顺性、强度和稳定性的有效生物力学评价。

Description

血管内支架植入的生物力学实验模拟装置

技术领域

本发明涉及了经皮穿刺置入式支架置入手术，属于医疗器械性能测试的技术领域，特别涉及面向血管支架植入生物力学特性测试的实验模拟装置。

背景技术

世界卫生组织发布的《2004年全球疾病负担》显示，心血管疾病是全世界主要的死亡原因，2004年全球死于缺血性心脏病的患者约有720万，占总死亡率的12.2％，在20个常见死亡率疾病中高居第一。中国卫生部在《2008年中国卫生统计年鉴》中分析2007年中国城市居民主要疾病死亡率构成表明心脏疾病死亡率为16.29％，仅排于恶性肿瘤和脑血管疾病之后第三位。心血管病死亡率和致残率较高的主要有缺血性心脏病和冠脉栓塞；心血管疾病需要良好的饮食、运动等日常生活习惯去预防，但缺血性心脏病、冠脉栓塞等的病人则需要心血管外科或支架介入手术进行及时的治疗。

心血管手术以血管内支架植入的介入治疗为主。支架植入术是在经皮穿刺腔内冠状动脉成形术基础上，通过导管将支架送到病变处，并使其扩张后对血管起力学支撑作用。血管内支架可有效地防止手术后的急性闭塞，并降低了再狭窄的发生率。当前，血管内支架主要有由不锈钢、钛和钛合金、镍钛合金、钽合金等制成的裸金属支架和高分子聚合物基质制成的药物洗脱支架。在临床上的广泛应用中，血管内支架的一些弊端显现出来，支架内形成血栓造成血管再狭窄，除了患者自身和病变原因外主要存在许多技术上的问题，如支架扩张不良、贴壁不良、支架重叠、支架塌陷、支架植入后最后管腔过小和材料生物相容性不良等。

血管内支架植入过程和其在狭窄血管内扩张支撑过程充满着许多难以预测的复杂因素，会碰到许多人体组织的接触和血流的耦合等等力学问题。因此，血管内支架的设计和选用需要取决于病变血管的病症和血管内支架的性能，包括生物相容性、顺应性、传送性、张开性、柔软性、覆盖率等等因素。支架植入过程为自扩张血管支架或球囊扩张支架安装于输送导管末端，经皮插入动脉血管，沿心血管流场逆流往心脏方向将支架输运通过主动脉或冠脉分支小血管、弯曲血管分支等等，支架经受血流剪切力、血管壁接触、分支或拐弯处自身弯曲力等等的作用；直至到达狭窄血管处，释放自扩张血管支架或球囊扩张支架，支架结构形变、直径扩张至病变前正常血管直径尺寸，支架受到扩张过程的自身材料结构应力变化和血管壁的接触应力等等；此时待支架结构和位置稳定后输送导管抽出体外，支架留置于狭窄血管处起到疏通支撑血管作用，以形变后的结构残余应力来支持血管狭窄斑块。

在血管内支架进行动物实验、临床试验之前，血管内支架可以在体外进行近似真实状况地模拟植入实验测试其力学性能，这将为血管内支架的设计和研发提供尤为直观和客观的评价意见。中国发明专利200510040820.4公开了一种球囊扩张血管内支架扩张性能体外测试装置及测试方法，该装置具有血流体外模拟装置、机器视觉装置、球囊内压力测量装置以及图像处理软件等；该测试方法在体外模拟人体血运环境，封闭液压循环系统中的恒温液体经蠕动泵控制后，流经模拟血管壁的透明软管，且软管内部具有模拟患者血管堵塞的斑块环，测试时须将球囊与支架置于软管内部进行扩张实验。对支架在扩张过程中的尺寸和形状等的测量，是通过机器视觉装置对支架扩张变形图像进行采集和数字化，并经图像处理软件处理得到的。球囊内压力测量装置对支架扩张变形过程中球囊内压力进行采集和处理，得到支架扩张所需压力。本发明血流体外模拟装置使用蠕动泵来推动血流脉动循环。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够模拟经皮穿刺置入式支架置入手术，且可对血管内支架在植入过程和疏通支撑血管过程中的结构形变、应力变化进行测试的实验装置。

本发明目的通过如下技术方案实现：

血管内支架植入的生物力学实验模拟装置，由人工心血管系统、人工血液及脉动血流流场控制系统和力学实验观测装置组成；所述人工心血管系统的储液箱上方浸泡与左心室几何相似的硅胶左心室模型，硅胶左心室模型内外溶液互相隔离，硅胶左心室模型入口端通过模拟右心房的硅胶空心圆球连接上开放式储液箱；左心室硅胶模型出口端与主动脉弓模型连接，主动脉弓模型分别与入颅动脉模型和下降主动脉模型连接；下降主动脉模型分别与分支血管模型以及狭窄血管模块模型连接；其中，入颅动脉和下降主动脉的出口分别连接多个顺应器，顺应器、分支血管模型和狭窄血管模块模型的出口都分别用管道连接至上开放式储液箱，构成闭环血液流场模型；所述狭窄血管模块模型为透明硅橡胶血管模型，血管长12-15cm、壁厚2.4-3.7mm、入口和出口截面内直径均为3-6cm；狭窄血管模块模型两端设有凹槽，用于密封连接橡皮管；狭窄血管模块模型的管壁内部设有中空泡囊，中空泡囊与管壁连成一体，泡囊内壁厚为0.8-1.2mm，泡囊外壁厚为1.6-2.5mm，注射器或压力球囊通过管道连接中空泡囊；

所述人工血液及脉动血流流场控制系统的微型计算机与功率放大器、直线步进电机和活塞依次连接；活塞设置在密闭储液箱底部；使用微型计算机产生左心室模拟信号，经功率放大器驱动直线步进电机，并进而带动活塞上下运动；在闭环血液流场模型内设有相似血液粘度和比重且含模拟血栓颗粒聚苯乙烯微球的人工血液；

所述力学实验观测装置的流量计与主动脉弓模型连接，设置在硅胶左心室模型出口处，以监控脉动流场，压力传感器有四个，分别设置在狭窄血管模块模型两端以及连接注射器或压力球囊处和主动脉弓模型的管道上，狭窄血管模块模型两端设置的压力传感器用于分析检测狭窄血管两端压差；在分支血管模型和外接血管模块模型外部设置高速摄影机，观测流场及支架输运、植入、扩张、支撑过程；注射器或压力球囊与外接血管模块模型连接；压力传感器、流量计和高速摄像机分别与微型计算机信号连接；由微型计算机控制采集和分析血流剪切应力和血液流量；在分支直角弯曲血管模型以及狭窄血管模块模型外部通过高速摄像机进行拍摄，同时由微型计算机控制并完成数据采集和处理。

为进一步实现本发明目的，所述分支血管模型为弯曲玻璃导管，弯曲玻璃导管直径大小为扩张前血管内支架直径的1.5-5倍，用来模拟支架植入过程中遇到的拐弯血管分支位置，分支血管模型两端分别使用橡皮管与下降主动脉模型和上开放式储液箱连接。

所述模拟右心房的硅胶空心圆球为硅橡胶弹性球体，与人体左心房相似，在舒张期可以收缩使心室迅速充盈液体。

所述上开放式储液箱为透明有机玻璃圆柱容器。

所述上开放式储液箱底部设透明有机玻璃圆柱液面控制器，圆柱液面控制器下部与硅胶空心圆球连接，使得循环液体的液面高度不变、给模拟右心房的硅胶空心圆球的流体势能不变。

所述主动脉弓模型为直径20-30mm的弹性硅橡胶管，其形状模拟人的主动脉弓几何尺寸，长为25-30cm，入口端以45-60°角度与硅胶左心室模型相连、出口端与下降主动脉模型垂直相连，拐弯处有三个直径3-6cm的分支出口连接弹性硅橡胶的入颅动脉模型。

所述下降主动脉模型为直径20-30mm的弹性硅橡胶直管，长45-50cm。

所述人工血液是用生理盐水与右旋糖苷形成混合物，混合物在37±1℃时粘度为3.9～4cp，比重为1.055～1.287g/cm²，与正常血液相似；并在混合物中同时加入直径为10-15、15-30、30-50μm三种不同颜色的聚苯乙烯微球，每升人工血液中含三种不同颜色的聚苯乙烯微球都为1-3*10⁹个。

与现有的相关技术对比，本发明具有如下的优点：

(1)本发明通过计算机产生的模拟心室压力信号驱动电机、从而压缩心室进行脉动血流的循环，更能相似的模拟仿真了人体血流循环系统，同时通过主动脉弓的压力和流量以及下降主动脉的流量去监控模拟血液流场；

(2)本发明狭窄血管模块模型中的狭窄斑块可以由中空泡囊压力调节大小，并可以随球囊支架扩张而向外扩张，并通过狭窄血管模块模型两端的压力检测去分析球囊支架扩张以及球囊导管卸载抽出后支架支撑疏通血管过程中对血管血压、血流速度等血流动力学状况。

(3)本发明还可以模拟临床手术，从下降主动脉处插管进行分支血管的球囊支架植入手术，可以对支架研发人员和支架植入手术学习人员进行体外的临床模拟培训。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图。

图中示出：微型计算机1、功率放大器2、直线步进电机3、活塞4、密闭储液箱5、左心室硅胶空心模型6、模拟右心房的硅胶空心圆球7、上开放式储液箱8、圆柱液面控制器9、主动脉弓模型10、入颅动脉模型11、下降主动脉模型12、顺应器13、分支血管模型14、狭窄血管模块模型15、注射器或压力球囊16、压力传感器17、流量计18、高速摄像机19、人工血液20。

图2是狭窄血管模块模型15的圆管二维结构示意图。

图中示出：连接凹槽21、中空泡囊22。

图3为微型计算机软件控制程序流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

如图1所示，血管内支架植入的生物力学实验模拟装置由人工心血管系统、人工血液及脉动血流流场控制系统和力学实验观测装置组成。人工心血管系统包括密闭储液箱5、硅胶左心室模型6、模拟右心房的硅胶空心圆球7、上开放式储液箱8、主动脉弓模型10、入颅动脉模型11、下降主动脉模型12、分支血管模型14和狭窄血管模块模型15；储液箱5上方浸泡与左心室几何相似的硅胶左心室模型6，硅胶左心室模型6内外溶液互相隔离，硅胶左心室模型6入口端通过模拟右心房的硅胶空心圆球7连接上开放式储液箱8；左心室硅胶模型6出口端与主动脉弓模型10连接，主动脉弓模型10分别与入颅动脉模型11和下降主动脉模型12连接；下降主动脉模型12分别与分支血管模型14以及狭窄血管模块模型15连接；其中，入颅动脉11和下降主动脉12的出口分别连接多个顺应器13，顺应器为横置圆柱桶，上为密闭空气，下为流动液体，利用液面上的可压气体收缩性模拟血管模型的弹性；顺应器13、分支血管模型14和狭窄血管模块模型15的出口都分别用管道连接至上开放式储液箱8，构成闭环血液流场模型。在下降主动脉模型12管壁侧端分别设置三个开口，其中一入口位于下降主动脉上方，与管壁上倾30°，其可连接分支血管模型14或狭窄血管模块模型15；其下方处有另一入口，与管壁上倾45°，其可连接分支血管模型14或狭窄血管模块模型15；下降主动脉12下方设有一入口，与管壁下倾30°，该入口使用橡胶密封可做注射插管端。

分支血管模型14为弯曲玻璃导管，弯曲玻璃导管直径大小为扩张前血管内支架直径的1.5-5倍，用来模拟支架植入过程中遇到的拐弯血管分支位置，分支血管模型14两端分别使用橡皮管与下降主动脉模型12和上开放式储液箱8连接。

狭窄血管模块模型15为透明硅橡胶血管模型，血管长12-15cm、壁厚2.4-3.7mm、入口和出口截面内直径均为3-6cm，狭窄血管模块模型15两端分别使用橡皮管与下降主动脉模型12和上开放式储液箱8连接。如图2所示，狭窄血管模块模型15两端设有凹槽21，用于密封连接橡皮管；狭窄血管模块模型15管壁内部设有中空泡囊22，中空泡囊22与管壁连成一体，泡囊内壁厚为0.8-1.2mm，泡囊外壁厚为1.6-2.5mm，其中泡囊内壁为中空泡囊22在狭窄血管模块模型15管道的部分；泡囊外壁为中空泡囊22与中空泡囊22与外界接触部分；注射器或压力球囊16通过管道连接中空泡囊22，连接的管道上设有压力传感器17；通过注射器或压力球囊16的加载或卸载可控制中空泡囊22的伸缩，使狭窄血管模块模型15的内壁中心直径缩小或者加大，狭窄血管模块模型15也可在球囊和支架的扩张作用下向血管外舒张。

模拟右心房的硅胶空心圆球7为一个直径5cm的硅橡胶弹性球体，与人体左心房相似，在舒张期可以收缩使心室迅速充盈液体。上开放式储液箱8为透明有机玻璃圆柱容器，直径25cm，收集顺应器13、分支血管模型14、狭窄血管模块模型15的回流液体；底部设一高度为10cm、直径6cm的透明有机玻璃圆柱液面控制器9，圆柱液面控制器9下部与硅胶空心圆球7连接，使得循环液体的液面高度不变、给硅胶空心圆球7的流体势能不变；主动脉弓模型10为直径20-30mm的弹性硅橡胶管，其形状模拟人的主动脉弓几何尺寸，长为25-30cm，入口端以45-60°角度与硅胶左心室模型6相连、出口端与下降主动脉模型12垂直相连，拐弯处有三个直径3-6cm的分支出口连接弹性硅橡胶的入颅动脉模型11。下降主动脉模型12为直径20-30mm的弹性硅橡胶直管，长45-50cm。

人工血液及脉动血流流场控制系统包括微型计算机1、功率放大器2、步进电机3、活塞4、具有相似血液粘度和比重且含模拟血栓颗粒聚苯乙烯微球的人工血液20；微型计算机1与功率放大器2、直线步进电机3和活塞4依次连接；活塞4设置在密闭储液箱5底部；使用微型计算机1产生左心室模拟信号，经功率放大器2驱动直线步进电机3，并进而带动活塞4上下运动。由于活塞设置在密闭储液箱5底部，硅胶左心室模型6浸泡在储液箱上方，活塞4通过推动储液箱内液体从而使得左心室硅胶模型6进行收缩舒张运动。在闭环血液流场模型(人工心血管系统)内设有右旋糖苷(dextran)与生理盐水的混合物，右旋糖苷在生理盐水中的重量浓度为8-12％；混合物在37±1℃时粘度为3.9-4cp，比重为1.055-1.287g/cm²，其与正常血液相似；并在混合物中同时加入直径为10-15、15-30、30-50μm三种不同颜色的聚苯乙烯微球，每升人工血液中含三种不同颜色的聚苯乙烯微球都为1-3*10⁹个；加入聚苯乙烯微球用于模拟血液中微粒物质，并用以观测血流流线。人工血液20的循环流动由左心室模型模拟真实生理的舒张压缩搏动所驱动而形成脉动流，而左心室模型的搏动动作则为微型计算机生成左心室压力信号，通过控制直线电机活塞上下运动推动密闭溶液而得到。微型计算机1设计左心室压力信号控制步进直线电机进行运动，推动活塞挤压密闭箱内液体从而调控箱内液体中的硅胶左心室进行模拟心脏搏动，驱动整个模拟封闭血管循环系统内的血液脉动流动，脉动频率为60-120次/分钟，步进电机活塞直径为58.5mm和行程50mm，可产生550-600mmHg压强，即左心室容积变化最大值为120ml。

力学实验观测装置包括注射器或压力球囊16、压力传感器17、流量计18、高速摄像机19；流量计18与主动脉弓模型10连接，设置在硅胶左心室模型6出口处，以监控脉动流场，压力传感器17有四个，分别设置在狭窄血管模块模型15两端以及连接注射器或压力球囊16处和主动脉弓模型9的管道上，狭窄血管模块模型15两端设置的压力传感器16用于分析检测狭窄血管两端压差；在分支血管模型和外接血管模块模型外部设置高速摄影机16，观测流场及支架输运、植入、扩张、支撑过程；注射器或压力球囊16与外接血管模块模型14连接；压力传感器17、流量计18和高速摄像机19分别与微型计算机1信号连接；由微型计算机1控制采集和分析血流剪切应力和血液流量；在分支直角弯曲血管模型以及狭窄血管模块模型外部通过高速摄像机18进行拍摄，同时由微型计算机1控制并完成数据采集和处理。

如图3所示，脉动血液流场控制部分读取人体采集的左心室压力信号，控制信号波形的脉动频率T和信号幅度S，通过数据采集处理系统输出数字信号，并使用DA模数转化把数字信号转化成模拟信号，并由功率放大器将信号放大以驱动电机运动；在脉动血液流场控制的同时，进行主动脉弓、狭窄血管模块模型的血压和流量检测，通过DAQ(DataAcquisition)数据采集，并与数学模型计算结果进行信号的比较分析，结果有所差异则返回调整左心室压力信号波形的脉动频率T和信号幅度S，在微型计算机程序显示信号波形；使用高速摄影系统采集球囊支架扩张过程，使用DAQ(Data Acquisition)数据采集视频图像信号，并通过图像处理程序进行支架结构形变的分析，在微型计算机程序显示支架形变结构。

与现有的血管内支架力学性能测试装置相比，本发明通过计算机产生的模拟心室压力信号驱动电机、从而压缩心室进行脉动血流的循环，更能相似的模拟仿真了人体血流循环系统，同时通过主动脉弓的压力和流量以及下降主动脉的流量去监控模拟血液流场；本发明狭窄血管模块模型15中的狭窄斑块可以由中空泡囊压力调节大小，并可以随球囊支架扩张而向外扩张，并通过狭窄血管模块模型15两端的压力检测去分析球囊支架扩张以及球囊导管卸载抽出后支架支撑疏通血管过程中对血管血压、血流速度等血流动力学状况。本发明还可以模拟临床手术，从下降主动脉处插管进行分支血管的球囊支架植入手术，可以对支架研发人员和支架植入手术学习人员进行体外的临床模拟培训。

Claims

1.血管内支架植入的生物力学实验模拟装置，其特征在于由人工心血管系统、人工血液及脉动血流流场控制系统和力学实验观测装置组成；所述人工心血管系统包括密闭储液箱、硅胶左心室模型、模拟右心房的硅胶空心圆球、上开放式储液箱、主动脉弓模型、入颅动脉模型、下降主动脉模型、分支血管模型和狭窄血管模块模型；其中密闭储液箱上方浸泡与左心室几何相似的硅胶左心室模型；硅胶左心室模型内外溶液互相隔离，硅胶左心室模型入口端通过模拟右心房的硅胶空心圆球连接上开放式储液箱；硅胶左心室模型出口端与主动脉弓模型连接，主动脉弓模型分别与入颅动脉模型和下降主动脉模型连接；下降主动脉模型分别与分支血管模型以及狭窄血管模块模型连接；其中，入颅动脉模型和下降主动脉模型的出口分别连接多个顺应器，顺应器、分支血管模型和狭窄血管模块模型的出口都分别用管道连接至上开放式储液箱，构成闭环血液流场模型；所述狭窄血管模块模型为透明硅橡胶血管模型，血管长12-15cm、壁厚2.4-3.7mm、入口和出口截面内直径均为3-6cm；狭窄血管模块模型两端设有凹槽，用于密封连接橡皮管；狭窄血管模块模型的管壁内部设有中空泡囊，中空泡囊与管壁连成一体，泡囊内壁厚为0.8-1.2mm，泡囊外壁厚为1.6-2.5mm，所述模拟右心房的硅胶空心圆球为一个直径5cm的硅橡胶弹性球体，与人体右心房相似，在舒张期可以收缩使心室迅速充盈液体；所述上开放式储液箱为透明有机玻璃圆柱容器，直径25cm，收集顺应器、分支血管模型、狭窄血管模块模型的回流液体；上开放式储液箱底部设一高度为10cm、直径6cm的透明有机玻璃圆柱液面控制器，圆柱液面控制器下部与硅胶空心圆球连接，使得循环液体的液面高度不变，给硅胶空心圆球的流体势能不变；所述主动脉弓模型为直径20-30mm的弹性硅橡胶管，其形状模拟人的主动脉弓几何尺寸，长为25-30cm，入口端以45-60°的角度与硅胶左心室模型相连，出口端与下降主动脉模型垂直相连，拐弯处有三个直径3-6cm的分支出口连接弹性硅橡胶的入颅动脉模型；所述下降主动脉模型为直径20-30mm的弹性硅橡胶直管，长45-50cm；所述分支血管模型为弯曲玻璃导管，弯曲玻璃导管直径大小为扩张前血管内支架直径的1.5-5倍，用来模拟支架植入过程中遇到的拐弯血管分支位置，分支血管模型两端分别使用橡皮管与下降主动脉模型和上开放式储液箱连接；所述顺应器为横置圆柱桶，上为密闭空气，下为流动液体，利用液面上的可压气体收缩性模拟血管模型的弹性；

所述人工血液及脉动血流流场控制系统包括微型计算机、功率放大器、直线步进电机、活塞和人工血液；其中微型计算机与功率放大器、直线步进电机和活塞依次连接；活塞设置在密闭储液箱底部；使用微型计算机产生左心室模拟信号，经功率放大器驱动直线步进电机，并进而带动活塞上下运动；在闭环血液流场模型内设有相似血液粘度和比重且含模拟血栓颗粒聚苯乙烯微球的人工血液；所述人工血液是用生理盐水与右旋糖苷形成的混合物，右旋糖苷在生理盐水中的重量浓度为8-12％；混合物在37±1℃时粘度为3.9～4cp，比重为1.055～1.287g/cm²，与正常血液相似；并在混合物中同时加入直径为10-15、15-30、30-50μm三种不同颜色的聚苯乙烯微球，每升人工血液中含三种不同颜色的聚苯乙烯微球都为1-3*10⁹个；

所述力学实验观测装置包括注射器或压力球囊、压力传感器、流量计和高速摄像机；其中流量计与主动脉弓模型连接，设置在硅胶左心室模型出口处，以监控脉动流场，压力传感器有四个，分别设置在狭窄血管模块模型两端以及连接注射器或压力球囊处和主动脉弓模型的管道上，狭窄血管模块模型两端设置的压力传感器用于分析检测狭窄血管两端压差；在分支血管模型和狭窄血管模块模型外部设置高速摄影机，观测流场及支架输运、植入、扩张、支撑过程；注射器或压力球囊与外接血管模块模型连接；注射器或压力球囊通过管道连接中空泡囊；压力传感器、流量计和高速摄像机分别与微型计算机信号连接；由微型计算机控制采集和分析血流剪切应力和血液流量；在分支血管模型以及狭窄血管模块模型外部通过高速摄像机进行拍摄，同时由微型计算机控制并完成数据采集和处理。