CN106033032A - 用于体外模拟血液循环的模拟腔室及实现方法 - Google Patents

用于体外模拟血液循环的模拟腔室及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于体外模拟血液循环的模拟腔室及实现方法。包括直线电机、电机主轴、活塞、隔膜、气体腔室、压力联通孔、液位传感器、压力传感器、容积控制连接口、测试设备连接口、双向泵和液体腔室。模拟腔室与血液循环系统数值模型通过数据采集接口连接，腔室内压力经软件反馈控制跟随来自数值模型产生的标准心室或主动脉参考压力，同时软件中有容积控制器控制双向泵维持腔室内的液体容积为设定值。本发明能够方便地实现包括左右心室、心房以及主动脉和肺动脉等多个循环系统腔室在正常生理和病理等多种状况下的模拟，可应用于左、右心室辅助装置或者心脏瓣膜等心血管设备的体外性能测试，功能十分多样化。

Description

用于体外模拟血液循环的模拟腔室及实现方法
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术，尤其是涉及一种用于体外模拟血液循环的模拟腔室及实现方法。
背景技术
心室辅助装置以及心脏瓣膜等心血管设备，为患有心血管疾病的病人提供了一种现代的解决方法。心血管设备需要进行动物实验测试其血流动力学等性能，比如心室辅助装置需要测试其为循环系统提供辅助的能力，这些动物实验往往时间长，耗费大，而模拟血液循环系统可以在一定程度上替代动物实验对心血管设备的性能进行测试，从而缩短心血管设备的研发时间和耗费。
目前，绝大多数的模拟血液循环系统仍然采用传统的实物制作方式来模拟血液循环系统的主要特征，比如使用注有一定压缩空气的容器来模拟血管的顺应性，采用节流阀来实现血管的集总阻力模拟等。对于心脏泵血的模拟，采用压缩空气或者活塞杆驱动容器中的液体排出或者吸入的方式实现，容器内的压力不是实时控制的，由后续的负载（节流阀等）决定，而实际中很难使用节流阀等精确地再现循环系统的负载，因此其模拟得到的压力与人体中的压力波形有较大不同。
血液循环系统数值模型近来已经得到了较大的发展，可以实现集总参数模型或者更加详细的分布式参数模型，因此理论上可以从数值模型中获得循环系统中任何一个人们所关心的位置的压力波形，例如左心室、主动脉和肺动脉的压力波形。
随着现代数据采集和控制技术的发展，硬件在环仿真也成为可能，其综合了数值模拟和实物测试的优势。在心血管设备的体外性能测试中，让数值模型提供设备的参考工作状况，比如心室辅助装置的进出口压力等，使用反馈控制技术在物理上实现这种工作状况，将会成为一个很好的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于体外模拟血液循环的模拟腔室及实现方法，能够实现对心室腔、心房腔以及动脉腔等的模拟。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一、一种用于体外模拟血液循环系统的模拟腔室
本发明包括直线电机、电机主轴、活塞、隔膜、气体腔室、压力联通孔、液位传感器、压力传感器、容积控制连接口、测试设备连接口、双向泵和液体腔室；气体腔室位于液体腔室上面，气体腔室一侧装有直线电机，直线电机驱动活塞能在电机主轴上来回移动，活塞上套有具有弹性的隔膜，而使气体腔室成为密封腔室，气体腔室上装有液位传感器，气体腔室与液体腔室之间开有压力连通孔；液体腔室下部分别开有与双向泵相连的容积控制连接口和用于连接待测试设备的测试设备连接口，液体腔室下底面装有压力传感器。
所述双向泵或采用两个相反液体输送方向的单向泵组成。
二、一种用于体外模拟血液循环系统的模拟腔室的的实现方法：
模拟腔室与血液循环系统数值模型通过数据采集接口交互作用，血液循环系统数值模型产生标准心室参考压力、心房参考压力、主动脉参考压力或肺动脉参考压力，通过软件中的压力控制器控制活塞移动使液体腔室压力跟随标准参考压力，压力传感器实时测量液体腔室内的压力作为压力控制器的反馈；容积控制器控制双向泵正反运转，维持液体腔室内液位恒定，液位传感器实时测量液体腔室内的液位作为容积控制器的反馈。
所述直线电机根据压力传感器实时测量的反馈压力，控制活塞在电机主轴上来回移动对气体腔室内的气体进行不同程度地压缩，使模拟腔室内的实际压力实时并准确地跟随来自血液循环系统数字模型的标准心室参考压力、心房参考压力、主动脉参考压力或肺动脉参考压力。
所述液位传感器实时测量液体腔室内的液位，反馈到容积控制器，改变双向泵的液体输送方向以及转速，从而使液体腔室内的液体容积维持在设定值。
本发明具有的有益效果是：
准确的腔室压力模拟，模拟腔室的标准参考压力（心室压、主动脉压等）来自于计算机中血液循环系统数值模型的实时运算，通过反馈控制使腔室内的压力实时地跟随参考压力，同时直线电机的定位精度高，通过压缩气体体积改变压力的能力好，因此模拟得到的压力波形更加准确；生理参数易调节，心率、心室收缩能力、血管顺应性和阻力等生理参数都在血液循环系统数值模型中设置，可以方便得进行连续的调节；功能多样化，本发明能够灵活方便地实现包括左右心室、心房以及主动脉和肺动脉等多个循环系统腔室在正常生理和病理等多种状况下的模拟，可应用于左、右心室辅助装置或者心脏瓣膜等心血管设备的体外性能测试，功能十分多样化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明实现方法的原理框图。
图3是本发明两个模拟腔室连接形成部分体外模拟循环测试系统的示意图。
图中：1、直线电机，2、电机主轴，3、活塞，4、隔膜，5、气体腔室，6、压力联通孔，7、液位传感器，8、压力传感器，9、容积控制连接口，10、测试设备连接口，11、双向泵，12、液体腔室；3-1、模拟左心室腔，3-2、模拟主动脉腔，3-3、待测试人工主动脉瓣膜或者人工血泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明包括直线电机1、电机主轴2、活塞3、隔膜4、气体腔室5、压力联通孔6、液位传感器7、压力传感器8、容积控制连接口9、测试设备连接口10、双向泵11和液体腔室12；气体腔室5位于液体腔室12上面，气体腔室5一侧装有直线电机1，直线电机1驱动活塞3能在电机主轴2上来回移动，活塞3上套有具有弹性的隔膜4，而使气体腔室5成为密封腔室，气体腔室5上装有液位传感器7，气体腔室5与液体腔室12之间开有压力连通孔6，使液体腔室12的压力与气体腔室5保持相对一致；液体腔室12下部分别开有与双向泵11相连的容积控制连接口9和用于连接待测试设备的测试设备连接口10，液体腔室12下底面装有压力传感器8，液位传感器7和压力传感器8分别采集液体腔室12内的液位和压力变化。
所述双向泵11或采用两个相反液体输送方向的单向泵组成。
如图1、图2所示，模拟腔室与血液循环系统数值模型通过数据采集接口交互作用，血液循环系统数值模型产生标准心室参考压力、心房参考压力、主动脉参考压力或肺动脉参考压力，通过软件中的压力控制器控制活塞3移动使液体腔室12压力跟随标准参考压力，压力传感器8实时测量液体腔室12内的压力作为压力控制器的反馈；容积控制器控制双向泵11正反运转，维持液体腔室12内液位恒定，液位传感器7实时测量液体腔室12内的液位作为容积控制器的反馈。
所述直线电机1根据压力传感器8实时测量的反馈压力，控制活塞3在电机主轴2上来回移动对气体腔室5内的气体进行不同程度地压缩，使模拟腔室内的实际压力实时并准确地跟随来自血液循环系统数字模型的标准心室参考压力、心房参考压力、主动脉参考压力或肺动脉参考压力。
所述液位传感器7实时测量液体腔室12内的液位，反馈到容积控制器，改变双向泵11的液体输送方向以及转速，从而使液体腔室12内的液体容积维持在设定值。
以左心室为例，详细描述本发明对模拟左心室腔的具体实现过程。
如图2所示，血液循环系统数值模型进行实时运行计算，得到标准的左心室参考压力，此参考压力随着血液循环系统数值模型参数的变化而变化，同时血液循环系统数值模型可以接受来自其它传感器例如流量传感器等的数据，也能经实时运算改变左心室的参考压力，即此参考压力是实时动态变化的。此左心室参考压力和图1中的压力传感器8测得的液体腔室12内的实时压力数据相比较，并通过软件中的压力控制器，经数据采集接口输出控制信号控制直线电机1的运转，并带动活塞3在电机主轴2上来回移动定位，不同程度地压缩由隔膜4和腔室壁形成的密封气体腔室5中的气体，从而改变气体腔室5中的压力，继而通过压力联通孔6使液体腔室12中的压力也发生改变。这种压力变化被压力传感器8实时捕获，重新反馈给软件中的压力控制器，用来计算直线电机1的下一步控制信号。通过整个压力反馈控制，模拟腔室内的压力将实时地跟踪来自数值模型的左心室参考压力。此外，由于测试设备连接口10在接入设备后会有液体流出或流入，为了保持液体腔室12中的液体容量，避免液体完全流失或者溢出到气体腔室5中，同时减少液体容量的大幅度变化对压力控制的干扰，设计了模拟腔室的液体容积控制回路。该容积控制器接受来自液位传感器7测量液体腔室12得到的实时液位数据，与预先的设定值进行比较，经计算后通过数据采集接口输出控制信号，改变通过容积控制连接口9与液体腔室12相连接的双向泵11的液体输送方向和转速，从而相应地增加和减少模拟腔室中的液体容积，使其维持在设定值。通过上述方式，模拟腔室实现了对左心室压力的实时模拟，可为左心室辅助装置或者主动脉瓣膜的性能测试提供合适的血流动力学测试环境。本发明中血液循环系统数值模型及压力和容积控制器是采用Matlab等编程来实现。
如图3所示，根据上述模拟左心室腔室的实现，同样方法可实现模拟主动脉腔室，将模拟左心室腔3-1和模拟主动脉腔3-2相连接，可以迅速地形成一个体循环的体外模拟循环系统，模拟左心室腔3-1和模拟主动脉腔3-2由独立的相同软件控制，待测试人工主动脉瓣膜或者人工血泵3-3接入模拟左心室腔3-1和模拟主动脉腔3-2之间，进行血流动力学等性能测试。模拟左心室腔3-1和模拟主动脉腔3-2为待测试人工主动脉瓣膜或者人工血泵3-3提供了与人体血液循环相一致的进出口压力环境。本发明可用于人工主动脉瓣膜或者左心室辅助人工血泵的体外性能评估。
本发明可以通过将模拟左右心室腔、模拟主动脉腔和模拟肺动脉腔等多个不同的模拟腔室相连接，迅速地形成一个包括体循环和肺循环的完整的体外模拟循环系统，从而对相应的左、右心室辅助装置甚至双心室辅助装置或者心脏瓣膜等心血管设备进行血流动力学等性能测试。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.用于体外模拟血液循环系统的模拟腔室，其特征在于：包括直线电机（1）、电机主轴（2）、活塞（3）、隔膜（4）、气体腔室（5）、压力联通孔（6）、液位传感器（7）、压力传感器（8）、容积控制连接口（9）、测试设备连接口（10）、双向泵（11）和液体腔室（12）；气体腔室（5）位于液体腔室（12）上面，气体腔室（5）一侧装有直线电机（1），直线电机（1）驱动活塞（3）能在电机主轴（2）上来回移动，活塞（3）上套有具有弹性的隔膜（4），而使气体腔室（5）成为密封腔室，气体腔室（5）上装有液位传感器（7），气体腔室（5）与液体腔室（12）之间开有压力连通孔（6）；液体腔室（12）下部分别开有与双向泵（11）相连的容积控制连接口（9）和用于连接待测试设备的测试设备连接口（10），液体腔室（12）下底面装有压力传感器（8）。
2.根据权利要求1所述的用于体外模拟血液循环系统的模拟腔室，其特征在于：所述双向泵（11）或采用两个相反液体输送方向的单向泵组成。
3.一种用于实施权利要求1所述的用于体外模拟血液循环系统的模拟腔室的实现方法，其特征在于：模拟腔室与血液循环系统数值模型通过数据采集接口交互作用，血液循环系统数值模型产生标准心室参考压力、心房参考压力、主动脉参考压力或肺动脉参考压力，通过软件中的压力控制器控制活塞（3）移动使液体腔室（12）压力跟随标准参考压力，压力传感器（8）实时测量液体腔室（12）内的压力作为压力控制器的反馈；容积控制器控制双向泵（11）正反运转，维持液体腔室（12）内液位恒定，液位传感器（7）实时测量液体腔室（12）内的液位作为容积控制器的反馈。
4.根据权利要求3所述的用于体外模拟血液循环系统的模拟腔室的实现方法，其特征在于：所述直线电机（1）根据压力传感器（8）实时测量的反馈压力，控制活塞（3）在电机主轴（2）上来回移动对气体腔室（5）内的气体进行不同程度地压缩，使模拟腔室内的实际压力实时并准确地跟随来自血液循环系统数字模型的标准心室参考压力、心房参考压力、主动脉参考压力或肺动脉参考压力。
5.根据权利要求3所述的用于体外模拟血液循环系统的模拟腔室的实现方法，其特征在于：所述液位传感器（7）实时测量液体腔室（12）内的液位，反馈到容积控制器，改变双向泵（11）的液体输送方向以及转速，从而使液体腔室（12）内的液体容积维持在设定值。
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