CN105758620B

CN105758620B - 一种血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置

Info

Publication number: CN105758620B
Application number: CN201610299263.6A
Authority: CN
Inventors: 程洁; 魏延宾; 倪中华; 项楠; 张鑫杰
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-05-06
Filing date: 2016-05-06
Publication date: 2017-12-22
Anticipated expiration: 2036-05-06
Also published as: CN105758620A

Abstract

本发明公开了一种血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置，包括步进电机、齿轮减速器、滚珠丝杠、隔板、双腔室、第一电磁阀、第二电磁阀、第一单向节流阀、第二单向节流阀、第三单向节流阀、溢流阀、压力变送器、流量传感器、血管支架耦合系统、粒子注射器、压力调节装置、储液箱、高速数字摄像机、倒置显微镜、第一电脑、数据采集卡、单片机和第二电脑。本发明结构简单，能产生与人体血流特性相似的脉动流；能通过数据采集卡得到实时压力、流量数据，操作简单易于实现，且基于数据采集卡的图形化编程方便快捷。

Description

一种血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置

技术领域

本发明属于设计制造技术及测量领域，尤其涉及一种血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置。

背景技术

冠心病目前主要的治疗手段有药物治疗、经皮冠状动脉介入治疗(per-cutaneouscoronary intervention，PCI)和冠状动脉旁路移植术。PCI是指经心导管技术疏通狭窄甚至闭塞的冠状动脉管腔，从而改善心肌的血流灌注的治疗方法。介入治疗早期是将球囊沿导管送到狭窄节段，根据病变的特点用适当的压力和时间进行扩张，使血管发生一定的塑性变形，达到解除狭窄的目的。但是这种单纯靠球囊扩张的方法使血管扩张并不能很好的解决血管狭窄的问题，因为当球囊卸载撤离后，血管会有一个弹性回缩，导致管腔再次变小，从而导致再狭窄，而且再狭窄率可以达到50％以上。鉴于这一点，在球囊血管成形术中引入了支架，支架是长期或永久存在于病变血管处。植入支架后容易引起的一个显著问题是支架内再狭窄(in stent restenosis，ISR)，目前，ISR的发生机制尚不明确，可能与临床、生理、生化、病变特性和遗传等多种因素有关。传统观点认为：血管支架内的再狭窄是由于支架植入使病变血管扩张，引起血管内皮的损伤，从而在受损处引发血液中蛋白质的吸附和血小板的黏附与聚集，形成血栓；同时，支架植入使血管壁发生急、慢性炎症反应，诱发多种细胞增长因子，使血管中层的平滑肌细胞增殖，迁移到血管内膜，引发内膜增生。ISR晚期血管壁中层内大量纤维组织增生，使血管壁硬化，顺应性降低，进一步促进了ISR的发生。普遍认为，支架植入引起的局部血流紊乱所带来的血流动力学的改变也是影响支架内再狭窄的重要原因。

病变血管处的血液流动是非定常流，血管支架植入后，甚至产生扰流，在血管的近壁面处血液流速变化大，由此产生血管壁面的剪应力变化，现代研究表明，低壁面剪应力更容易产生再狭窄，因此，理想的支架必须具有良好的流体动力学性能。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种结构简单、程序设计便于实现，能够对所设计的支架植入血管之后内部的血流动力学特性进行测试的血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置，包括步进电机、齿轮减速器、滚珠丝杠、隔板、双腔室、第一电磁阀、第二电磁阀、第一单向节流阀、第二单向节流阀、第三单向节流阀、溢流阀、压力变送器、流量传感器、血管支架耦合系统、粒子注射器、压力调节装置、储液箱、高速数字摄像机、倒置显微镜、第一电脑、数据采集卡、单片机和第二电脑；所述步进电机通过齿轮减速器与滚珠丝杠连接，隔板一端与滚珠丝杠连接，另一端伸入双腔室内，将双腔室分隔为第一腔室、第二腔室；第一腔室与第一电磁阀连接，第二腔室与第二电磁阀连接，第一电磁阀、第一单向节流阀、溢流阀、压力变送器、流量传感器、血管支架耦合系统、粒子注射器、压力调节装置、储液箱、第三单向节流阀通过管路顺次连接形成回路；第二电磁阀、第二单向节流阀、溢流阀、压力变送器、流量传感器、血管支架耦合系统、粒子注射器、压力调节装置、储液箱、第三单向节流阀通过管路顺次连接形成回路；压力变送器、流量传感器分别与数据采集卡、第二电脑顺次连接；第一电磁阀、第二电磁阀、步进电机的控制端分别与单片机、第二电脑顺次连接；血管支架耦合系统设在倒置显微镜载物台上，倒置显微镜的C接口与高速数字摄像机相接，倒置显微镜与第一电脑连接。

上述隔板与双腔室滑动连接，可在双腔室内滑动，以调节第一腔室、第二腔室体积。

工作原理：本发明血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置，利用精确控制步进电机的转数来控制隔板的直线运动速度，以产生脉动流；采用压力变送器和流量传感器实时采集管路中的压力和流量，压力变送器和流量传感器的信号由数据采集卡程序处理，得到实时波形图，将之与理论波形相比较，调节步进电机转速和压力调节装置的旋钮，得到与人体流动情况相似的脉动流；流体流经血管支架耦合系统，其血流动力学特性通过高速数字摄像机进行拍摄，其拍摄过程由第一电脑控制并进行存储和处理；从血管支架耦合系统流出的工作液体流回储液箱，从而形成一个循环流动系统。

本发明假定人体血液为牛顿不可压缩流体，血液密度为1.060×10³Kg/m³，黏度为3.5×10^-3Pa·S，雷诺数约为48(Re＜1000)，我们认为血液管中流动为层流，其中雷诺数定义为：

其中，ρ为液体密度，L为水力直径，v为血流速度，η为动力黏度。

血液流动遵循连续性方程和纳维-斯托克斯方程：

其中，为血液流速变化量，ρ为血液密度，dt为脉动周期开始后的时间变化量，p为压力，η为动力黏度，对于本申请流体的计算都是基于这两个方程。

对于入口条件，成年人体冠脉流量平均为60ml/min，并且，定义血管壁为理想壁面，不存在滑移；对于出口条件，忽略出口微循环阻力的影响。

内壁面剪应力τ可以通过速度梯度计算：

其中，η为动力黏度，dv为血流速度，dh是到壁面的距离，为剪应率。

由此，将高速数字摄像机与倒置显微镜相结合，搭建一个实验平台，包括步进电机以及与步进电机相连的齿轮减速器，齿轮减速器后面连接有滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母连接有隔板，隔板将双腔室分为两个部分，两个腔室的端头都连接有电磁阀、单向节流阀，后面连接有溢流阀、压力变送器、流量传感器，后面接我们待测的血管支架耦合系统、粒子注射器、压力调节装置、储液箱、单向阀，由此形成完整的回路。步进电机和两个电磁阀的控制线接由单片机，单片机连接至电脑。压力变送器、流量传感器分别与数据采集卡相连接，数据采集卡通过USB数据线与电脑连接。血管支架耦合系统放在倒置显微镜载物台上，高速数字摄像机通过C接口与倒置显微镜相连接，显微镜与电脑连接起来。

所述血管支架耦合系统包括不锈钢支架与模拟血管；不锈钢支架在模拟血管内部，以模拟针对狭窄冠脉植入支架后血管和支架的耦合情况。

所述模拟血管为PDMS材料制成，包括PDMS溶液和固化剂，PDMS溶液与固化剂的质量配比为12:1，加热固化温度为80℃，加热时间为2小时，即得；PDMS材料透光性好，使视野清晰，便于观察；改变固化剂的添加比例，会改变PDMS弹性性能，当固化剂比例为12:1时，弹性性能与人体血管相仿，支架在其内侧扩张后不会出现撑破的现象。

上述模拟血管的制作方法：取病变心血管的血管造影图像，对病变血管进行血管的三维重构；重构后得到模拟血管的内芯模型，制作材料为蓝蜡(熔点95℃)；将蓝蜡制作的模拟血管内芯模型放入PDMS溶液，80℃加热2小时凝固后，将其放入100℃环境中，熔掉蓝蜡，得到PDMS模拟血管。

所述第一单向节流阀、第二单向节流阀均与溢流阀的入口相接，溢流阀的出口与压力变送器相接，在双腔室的两个出口与溢流阀的入口之间分别安装第一单向节流阀、第二单向节流阀，可以防止第一电磁阀或第二电磁阀换向时，管路中流体的逆流引起的流量控制精度下降；在压力变送器和流量传感器之前安装溢流阀，可以防止因系统异常引起流量过大，超过压力变送器和流量传感器的量程，损坏压力变送器和流量传感器。

所述溢流阀设有溢流口，溢流口与储液箱相接，能将过载时的液体分流，引回储液箱，重复利用；同时也避免污染液体。

所述压力调节装置为可旋转加压注射器，可旋转加压注射器包括注射器外筒、带活塞连杆、螺母和旋钮；所述注射器外筒与管路相通；带活塞连杆的活塞端设在注射器外筒内，螺母和旋钮依次设在带活塞连杆尾部连杆上；能通过调节旋钮使带活塞连杆在注射器外筒滑动，可以增大或者减小回路中的压力，与人体血管内的压力一致。

所述储液箱内液体为丙三醇与乙醇的混合物，混合比例为9:11；混合后黏度为5×10^-3Pa·S，能使混合溶液黏度与人体血液黏度(正常值在3.5×10^-3Pa·S到10×10^-3Pa·S之间)相近，可以较为真实的模拟人体血液环境。

有益效果：本发明结构简单，能产生与人体血流特性相似的脉动流；能通过数据采集卡得到实时压力、流量数据，操作简单易于实现，且基于数据采集卡的图形化编程方便快捷。

附图说明

图1为本发明血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置结构示意图；

图2为本发明血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置中压力调节装置结构示意图；

图中，1为步进电机、2为齿轮减速器、3为滚珠丝杠、4为隔板、5为双腔室、6为第一电磁阀、7为第二电磁阀、8为第一单向节流阀、9为第二单向节流阀、10为溢流阀、11为压力变送器、12为流量传感器、13为模拟血管、14为不锈钢支架、15为血管支架耦合系统、16为粒子注射器、17为压力调节装置、18为储液箱、19为第三单向节流阀、20为高速数字摄像机、21为倒置显微镜、22为第一电脑、23为数据采集卡、24为单片机、25为第二电脑、26为第一腔室、27为第二腔室、1701为注射器外筒、1702为带活塞连杆、1703为螺母、1704为旋钮。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1-2所示，一种血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置，包括步进电机1、齿轮减速器2、滚珠丝杠3、隔板4、双腔室5、第一电磁阀6、第二电磁阀7、第一单向节流阀8、第二单向节流阀9、第三单向节流阀19、溢流阀10、压力变送器11、流量传感器12、血管支架耦合系统15、粒子注射器16、压力调节装置17、储液箱18、高速数字摄像机20、倒置显微镜21、第一电脑22、数据采集卡23、单片机24和第二电脑25；所述步进电机1通过齿轮减速器2与滚珠丝杠3连接，隔板4一端与滚珠丝杠3连接，另一端伸入双腔室5内，将双腔室5分隔为第一腔室26、第二腔室27；第一腔室26与第一电磁阀6连接，第二腔室27与第二电磁阀7连接，第一电磁阀6、第一单向节流阀8、溢流阀10、压力变送器11、流量传感器12、血管支架耦合系统15、粒子注射器16、压力调节装置17、储液箱18、第三单向节流阀19通过管路顺次连接形成回路；第二电磁阀7、第二单向节流阀9、溢流阀10、压力变送器11、流量传感器12、血管支架耦合系统15、粒子注射器16、压力调节装置17、储液箱18、第三单向节流阀19通过管路顺次连接形成回路；压力变送器11、流量传感器12分别与数据采集卡23、第二电脑25顺次连接；第一电磁阀6、第二电磁阀7、步进电机1的控制端分别与单片机24、第二电脑25顺次连接；血管支架耦合系统15设在倒置显微镜21载物台上，倒置显微镜21的C接口与高速数字摄像机20相接，倒置显微镜21与第一电脑22连接；血管支架耦合系统15包括不锈钢支架14与PDMS材料制成的模拟血管13，PDMS溶液与固化剂的质量配比为12:1，加热固化温度为80℃，加热时间为2小时，即得；所述不锈钢支架14设在模拟血管13内部；第一单向节流阀8、第二单向节流阀9均与溢流阀10的入口相接，溢流阀10的出口与压力变送器11相接；溢流阀10的溢流口与储液箱18相接；压力调节装置17为可旋转加压注射器，可旋转加压注射器包括注射器外筒1701、带活塞连杆1702、螺母1703和旋钮1704；注射器外筒1701与管路相通；带活塞连杆1702的活塞端设在注射器外筒1701内，螺母1703和旋钮1704依次设在带活塞连杆1702尾部连杆上；储液箱18内液体为丙三醇与乙醇的混合物，体积混合比为9:11。

注入溶液时将储液箱18倒置，注入量为总量的3/4，然后将储液箱18正放，会在上方留出一定的空隙，方便排出管路中的气泡，排出管路中的气泡后，将储液箱18的排气口关闭；排出回路中的气泡后，在粒子注射器16中添加15um聚苯乙烯粒子；在第二电脑25上设置理想波形，采用单片机24发出指令控制步进电机1的转数，经齿轮减速器2、滚珠丝杠3控制隔板4的直线运动速度，改变双腔室5两个腔室部分的体积，产生与人体脉动流相似的波形，调节步进电机1，使输出流量为14ml/min，压力变送器11、流量传感器12发生的信号经由数据采集卡23，在第一电脑22上实时显示并保存，若采集到的流量信号与实验所需不符，可重新控制单片机24，改变步进电机1的转速，以符合实验所需的流量。考虑到管路中的压力可能会低于或者高于16Kpa，本发明中布置有压力调节装置17，通过调节压力调节装置17，可以增加或降低管路中的压力，以达到实验所需要的压力；设置倒置显微镜21放大倍数为10倍，设置高速数字摄像机20的曝光时间为3us，像素为1280×800；含有粒子的溶液通过血管支架耦合系统15时，用高速数字摄像机20拍摄粒子运动图像，由此可以计算所观测粒子的速度分布，这里的速度分布包括：距离壁面不同距离的速度梯度分布和在一个周期中的不同时刻的速度分布；进而得到此位置处的壁面剪应力在一个脉动周期内的变化情况，得到血流动力学特性，同理，通过调整显微镜的观察部位的不同，可以得到支架处、支架入口以及支架出口的壁面剪应力分布。

本发明利用精确控制步进电机1的转数来控制隔板4的直线运动速度，以产生脉动流；采用压力变送器11和流量传感器12实时采集管路中的压力和流量，压力变送器11和流量传感器12的信号由数据采集卡23程序处理，得到实时波形图，将之与理论波形相比较，调节步进电机1转速和压力调节装置17的旋钮1704，得到与人体流动情况相似的脉动流；流体流经血管支架耦合系统15，其血流动力学特性通过高速数字摄像机20进行拍摄，其拍摄过程由第一电脑22控制并进行存储和处理；从血管支架耦合系统15流出的工作液体流回储液箱18，从而形成一个循环流动系统。

Claims

1.一种血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置，其特征在于：包括步进电机(1)、齿轮减速器(2)、滚珠丝杠(3)、隔板(4)、双腔室(5)、第一电磁阀(6)、第二电磁阀(7)、第一单向节流阀(8)、第二单向节流阀(9)、第三单向节流阀(19)、溢流阀(10)、压力变送器(11)、流量传感器(12)、血管支架耦合系统(15)、粒子注射器(16)、压力调节装置(17)、储液箱(18)、高速数字摄像机(20)、倒置显微镜(21)、第一电脑(22)、数据采集卡(23)、单片机(24)和第二电脑(25)；所述步进电机(1)通过齿轮减速器(2)与滚珠丝杠(3)连接，隔板(4)一端与滚珠丝杠(3)连接，另一端伸入双腔室(5)内，将双腔室(5)分隔为第一腔室(26)、第二腔室(27)；第一腔室(26)与第一电磁阀(6)连接，第二腔室(27)与第二电磁阀(7)连接，第一电磁阀(6)、第一单向节流阀(8)、溢流阀(10)、压力变送器(11)、流量传感器(12)、血管支架耦合系统(15)、粒子注射器(16)、压力调节装置(17)、储液箱(18)、第三单向节流阀(19)通过管路顺次连接形成回路；第二电磁阀(7)、第二单向节流阀(9)、溢流阀(10)、压力变送器(11)、流量传感器(12)、血管支架耦合系统(15)、粒子注射器(16)、压力调节装置(17)、储液箱(18)、第三单向节流阀(19)通过管路顺次连接形成回路；压力变送器(11)、流量传感器(12)分别与数据采集卡(23)、第二电脑(25)顺次连接；第一电磁阀(6)、第二电磁阀(7)、步进电机(1)的控制端分别与单片机(24)、第二电脑(25)顺次连接；血管支架耦合系统(15)设在倒置显微镜(21)载物台上，倒置显微镜(21)的C接口与高速数字摄像机(20)相接，倒置显微镜(21)与第一电脑(22)连接。

2.根据权利要求1所述的血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置，其特征在于：所述血管支架耦合系统(15)包括不锈钢支架(14)与模拟血管(13)；不锈钢支架(14)设在模拟血管(13)内部。

3.根据权利要求2所述的血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置，其特征在于：所述模拟血管(13)为PDMS材料制成，包括PDMS溶液和固化剂，PDMS溶液与固化剂的质量配比为12:1，加热固化温度为80℃，加热时间为2小时，即得。

4.根据权利要求1所述的血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置，其特征在于：所述第一单向节流阀(8)、第二单向节流阀(9)均与溢流阀(10)的入口相接，溢流阀(10)的出口与压力变送器(11)相接。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置，其特征在于：所述溢流阀(10)设有溢流口，溢流口与储液箱(18)相接。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置，其特征在于：所述压力调节装置(17)为可旋转加压注射器，可旋转加压注射器包括注射器外筒(1701)、带活塞连杆(1702)、螺母(1703)和旋钮(1704)；所述注射器外筒(1701)与管路相通；带活塞连杆(1702)的活塞端设在注射器外筒(1701)内，螺母(1703)和旋钮(1704)依次设在带活塞连杆(1702)尾部连杆上。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的血管支架耦合系统血流动力学性能测试装置，其特征在于：所述储液箱(18)内液体为丙三醇与乙醇的混合物，混合体积比为9:11。