CN111312050B - 一种高血压血液循环模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高血压血液循环模拟装置，包括储液箱、恒压箱、流动发生器、预压装置、流量传感器、压力传感器、若干个节流阀和模拟血管，流量传感器包括前置流量传感器和后置流量传感器，储液箱包括单向水泵和工作液体；储液箱通过模拟血管顺序连接恒压箱、流动发生器、预压装置、前置流量传感器、压力传感器、若干个节流阀和后置流量传感器；预压装置用于通过增加液压的方式向模拟血管内部施加压力。根据预压装置与压力传感器计算出得到工作液体流动时产生的压降，以及前置与后置流量传感器分析得到速度关系，通过预压装置和节流阀调节流体压力，通过流动发生器调节流体速度，使与高血压病人的相关参数达到一致，即可将该装置用于进一步的研究。

Description

一种高血压血液循环模拟装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，更具体地，涉及一种高血压血液循环模拟装置。

背景技术

高血压是指以体循环动脉血压(收缩压和/或舒张压)增高为主要特征(收缩压≥140毫米汞柱，舒张压≥90毫米汞柱)，可伴有心、脑、肾等器官的功能或器质性损害的临床综合征。对于高血压病人体外血液循环，无论是医学还是流体力学都需要作相关的研究，而研究需要高血压血液循环模拟装置进行辅助，但现今大部分研究都为在体状态，进行在体研究难度极大，且受限于种种因素，对高血压病人的血液循环研究难以开展；而对于现今存在的其他体外循环模拟装置，并未有针对于高血压病人的血液循环模拟装置系统出现，由于高血压病人的体循环血压增高，因此需要针对这一特点对模拟装置进行设计，存在一定难度。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种高血压血液循环模拟装置，用于填充高血压病人血液循环模拟装置的空缺，更加完善医学或流体力学上对高血压的研究。

一种高血压血液循环模拟装置，包括储液箱、恒压箱、流动发生器、预压装置、流量传感器、压力传感器、若干个节流阀和模拟血管，所述流量传感器包括前置流量传感器和后置流量传感器，所述储液箱包括单向水泵和工作液体；所述储液箱通过所述模拟血管顺序连接所述恒压箱、所述流动发生器、所述预压装置、所述前置流量传感器、所述压力传感器、若干个所述节流阀和所述后置流量传感器；所述预压装置用于通过增加液压的方式向所述模拟血管内部施加压力；所述流动发生器用于产生生理脉动流。

高血压血液循环模拟装置与其他外循环模拟装置的最大不同在于需要在装置模拟高血压病人的血压，本装置为顺序连接的储液箱、恒压箱、流动发生器、预压装置、前置流量传感器、压力传感器、若干个节流阀和后置流量传感器；储液箱中包括单向水泵和工作液体，单向水泵用于将储液箱中的工作液体输送至恒压箱，恒压箱内提供恒定的压力使工作液体在模拟血管中定向流动至流经整个装置。

工作液体在流经前置流量传感器、压力传感器、节流阀和后置流量传感器时，三个传感器可检测到工作液体初始流动的流量参数以及压力参数，节流阀在装置中用于模拟人体外周循环的阻力，可以通过调整节流阀改变对工作液体产生的阻力；由于高血压血液循环模拟装置需要模拟高血压病人的血压，因此在本装置中需要调节的是工作液体的流体压力，同时工作液体的流动速度要与高血压病人的血液流动速度相近，因此需要调节的还有工作液体的流动速度关系，检测工作液体初始流动的相关参数后与在体实验中高血压病人的血压参数进行对比，确定需要调节的流体压力的大小。

工作液体在流经预压装置时为预压装置提供了预压工作液体，根据检测到的工作液体初始流动的相关参数，在预压装置中以增加液压的方式向模拟血管的内部施加一定的压力，使在模拟血管中流动的工作液体的流体压力增大，增加液压的方式为增加预压装置中工作液体的高度，向预压装置中增加了工作液体的高度后，需要再次通过三个传感器检测工作液体当前的流量参数以及压力参数，利用预压装置中的工作液体高度以及压力参数可计算出工作液体在施加压力后流动时产生的压降，压降即指施加压力后，工作液体在模拟血管中流动而降低的压力值。根据当前的流量参数以及压降与在体实验中高血压病人的血压参数进行对比，如当前的流量参数及压降与在体实验的参数没有达到一致，通过调整流动发生器产生不同的生理脉动流调节工作液体的流动速度，使当前的流量参数靠近在体实验的流量参数，流动发生器所产生的生理脉动流模拟高血压病人的心脏跳动，为定向流动的工作液体叠加生理脉动流。同时需要调整工作液体的流体压力，调整的方式有两种，一是通过在预压装置中增加工作液体的高度以调整工作液体的流体压力，二是通过调节节流阀调整工作液体的流体压力，通过两种方式使当前装置的压降更加靠近在体实验的压力参数；当装置当前的流量参数及压力参数与在体实验的参数达到一致时，高血压血液循环模拟装置的调节完成，可供给医学、流体力学或其他相关领域对高血压进行进一步的研究，由于装置的模拟效果佳，因此在用于研究时可信度也会大大提升。

进一步，所述预压装置包括容器和连接管道，所述容器与所述连接管道相连通，所述预压装置通过所述连接管道与所述模拟血管相连通，所述容器的上部与大气相连通。

预压装置包括容器和连接管道，在工作液体初始流经预压装置时，为预压装置提供了预压工作液体，预压工作液体装在容器和连接管道中，由于容器的上部与大气相连通，因此在预压装置与大气的气压平衡后，预压工作液会在容器和连接管道中保持在一个稳定的高度，如需要通过预压装置通过增加液压的方式对模拟血管内部施加压力，则从装置的外部向容器上部与大气连通的开口增加额外的工作液体，由此增加了容器和连接管道中液体的高度，也即增加了液压，由于预压装置通过连接管道与模拟血管相连通，因此通过增加液压的方式能够向模拟血管的内部施加压力，由此调节了模拟血管内部流动的工作液体的流体压力。预压装置的设计非常简易，但同时实现了调节工作液体流体压力，从而达到模拟高血压病人真实的血液循环的效果。

优选地，容器和连接管道的内壁上可设有刻度，通过从装置的外部向容器上部的开口增加额外的工作液体时，可根据容器和连接管道内壁的刻度清晰记录增加的液体的高度，由此可换算出向模拟血管内部施加压力的大小，刻度能够量化增加的工作液体的高度，使整个调节工作液体流体压力的过程更加精准可控，使装置模拟的效果更贴近真实病人的体内状况。

进一步，所述流动发生器包括弹性储液箱、实验液体、两个单向阀、活塞缸、活塞和工作液体；所述活塞与所述活塞缸相连接，所述弹性储液箱设在所述活塞缸内；所述活塞缸内装有所述工作液体，所述弹性储液箱中装有所述实验液体；所述恒压箱通过所述模拟血管顺序连接所述弹性储液箱和所述预压装置，两个所述单向阀分别设置在所述弹性储液箱的入口和出口；

所述流动发生器用于产生生理脉动流，具体为：所述流动发生器通过所述活塞、所述活塞缸以及所述工作液体配合工作使所述弹性储液箱内的实验液体产生生理脉动流，两个所述单向阀配合工作控制所述生理脉动流的流动方向从所述弹性储液箱流向所述预压装置。

流动发生器的载体为活塞缸，活塞缸内设有与模拟血管相连通的弹性储液箱，弹性储液箱为一柔性心脏模拟件，其形状、大小及功能都与真人心脏高度相似，在本装置中主要用于产生生理脉动流。活塞缸与活塞相连接，两者配合工作使活塞缸中的工作液体向弹性储液箱施加压力，使弹性储液箱内的实验液体产生流动起伏，模拟真实心脏的跳动，从而产生了生理脉动流。向模拟血管中叠加生理脉动流，使原来定向流动的工作液体更加符合真实人体的血液流动，两个单向阀设在弹性储液箱的入口和出口，保证弹性储液箱中的实验液体的流动方向从弹性储液箱流向预压装置。在此基础上再对工作液体的流体压力进行调节，能够模拟出更加真实的高血压病人的血液循环。

进一步，所述预压装置呈漏斗形。其中，预压装置的连接管道相当于漏斗中的颈部，而容器相当于漏斗中开口的部分，漏斗一般被用作把液体注入入口较细的容器，在本装置中是注入模拟管道，由于需要从装置的外部向容器上部与大气连通的开口增加额外的工作液体以向模拟血管中施加压力，利用漏斗形的预压装置注入液体，能够稳定向模拟血管中施加压力，使工作液体的流体压力调节更加精准。优选地，所述连接管道的宽度与所述容器的宽度的比在1:8～1:5之间。

进一步，所述压力传感器通过两条所述模拟血管的分支与两个所述节流阀相连接，两个所述节流阀通过两条所述模拟血管的分支与所述后置流量传感器相连接。

模拟血管在与节流阀连接时通过其分支进行一对一的连接，一条模拟血管的分支连接一个节流阀，两个节流阀与两条模拟血管的分支进行连接，模拟人体血管中的外周阻力，调节节流阀可调整整个装置中的流体压力，使装置中工作液体的流体压力更接近于真实病人的血液流动压力。通过两个节流阀与两条模拟血管的分支模拟人体血管的外周循环，使整个模拟装置的模拟效果更真实。优选地，两条所述模拟血管的分支呈橄榄形。

进一步，本发明的装置还包括伺服电机，所述伺服电机与所述活塞相连接，所述伺服电机用于控制所述活塞工作。

伺服电机可从外部由计算机控制，计算机得出较为精准的计算数据后通过伺服电机推动活塞，活塞与活塞缸配合工作，使活塞缸内的工作液体向弹性储液箱施加压力，从而使弹性储液箱内的实验液流动起伏，产生生理脉动流。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)利用调节预压装置调节装置中流动的工作液体高度以及调节节流阀，从而调整整个装置中工作液体的流体压力，从而模拟出高血压病人血压循环，有助于医学和流体力学或其他相关领域对高血压进行体外研究；

(2)利用节流阀模拟人体血管外周的阻力，利用流动发生器为流动的工作液体叠加模拟心脏跳动的生理脉动流，使整个模拟装置更加贴合真实人体的血液流动情况；

(3)整个装置的安装和操作十分简易，通过预压装置、压力传感器以及两个流量传感器就能对整个装置流动的工作液体的情况进行实时监控，成本低但装置的模拟效果好，因此应用于高血压相关的研究时得到的研究结果可信度较高。

附图说明

图1为本发明实施例1中的高血压血液循环模拟装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1中预压装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种高血压血液循环模拟装置，包括储液箱1、恒压箱2、流动发生器3、预压装置4、前置流量传感器5、压力传感器6、两个节流阀7、后置流量传感器8和模拟血管9，储液箱1内包括单向水泵和工作液体，流动发生器3包括弹性储液箱10、活塞缸11、活塞12、工作液体和实验液体，活塞缸11与活塞12相连接，活塞缸11中装有工业液体，弹性储液箱10中装有实验液体，所述装置还包括由计算机控制的伺服电机13，伺服电机13与活塞12相连接。

在所述装置中，储液箱1通过模拟血管9顺序连接恒压箱2、弹性储液箱10、预压装置4、前置流量传感器5、压力传感器6、两个节流阀7和后置流量传感器8。两个节流阀7分别连接在模拟血管9的两条分支9a和9b上。

储液箱1中包括单向水泵和工作液体，单向水泵用于将储液箱1中的工作液体输送至恒压箱2，恒压箱2内提供恒定的压力使工作液体在模拟血管9中定向流动至流经整个装置。

工作液体从储液箱1逆时针方向流经整个装置，工作液体在流经前置流量传感器5和压力传感器6时，两个传感器将检测工作液体初始流动的流量参数C₀以及压力参数D₀，工作液体沿两条分支9a和9b流经两个节流阀7，两个节流阀7用于模拟人体外周循环的阻力，可以通过调整节流阀7改变对工作液体产生的阻力，工作液体流经后置流量传感器8时，后置流量传感器8检测工作液体在受到节流阀7产生的阻力影响后的流量参数C₁，比较C₀和C₁可分析出当前工作液体流动的速度关系。根据压力参数D0分析出当前工作液体的流体压力，将当前工作液体的流体压力与真实高血压病人的血压进行对比，进一步调节工作液体的流体压力，调节的方式有两种，一是通过调节节流阀7调整工作液体的流体压力；二是通过在预压装置4中增加工作液体的高度以对流动中的工作液体施加压力，使工作液体的流体压力产生变化。

结合图1、2所示，由于容器4a的上部与大气相连通，因此储液箱中的工作液体在初次流经预压装置4时，会在预压装置4中形成预压工作液，预压工作液会在容器4a和连接管道4b中保持在一个稳定的高度。预压装置4包括容器4a和连接管道4b，容器4a的内壁标有刻度，预压装置4通过连接管道4b与模拟血管9相连通，预压装置4呈漏斗形；优选地，连接管道4b的宽度与容器4a的宽度的比在1:8～1:5之间。

由于高血压血液循环模拟装置需要模拟高血压病人的血压，因此需要调节的是工作液体的流体压力，根据压力参数D₀确定整个装置中工作液体的流体压力，将压力参数D₀与高血压病人体内实验测得的压力参数进行对比，换算出预压装置4应向模拟血管9内部施加压力的大小。通过预压装置4对模拟血管9内部施加压力的方式是从装置的外部向容器4a的开口增加额外的工作液体，通过增加预压装置4中工作液体的高度调整整个装置中工作液体的流体压力，具体增加工作液体的高度可由公式△p＝ρgh计算得到，其中，△p为预压装置4中的液体压强，ρ为预压装置4中工作液体的密度，h为预压装置4中工作液体的高度。

增加了容器4a和连接管道4b中液体的高度，也即增加了预压装置4中的液压，由于预压装置4通过连接管道4b与模拟血管9相连通，因此通过增加液压的方式能够向模拟血管9的内部施加压力，由此调节了模拟血管9内部流动的工作液体的流体压力。预压装置4的设计非常简易，但同时实现了调节工作液体流体压力，从而达到模拟高血压病人真实的血液循环的效果。

此时读取压力传感器6的压力参数为D₁，根据预压装置4中工作液体的高度h换算出预压装置4中液体压力的大小记作E₁，计算出工作液体从预压装置4到压力传感器6产生的压降，压降为E₁与D₁的差值。将计算得到的压降与在体实验中高血压病人的血压参数进行对比，如当前的压降与在体实验的参数没有达到一致，则有两种方式调节工作液体的流动压力，一是通过调节节流阀7调整工作液体的流体压力；二是通过在预压装置4中继续增加工作液体的高度以对流动中的工作液体施加压力，使工作液体的流体压力产生变化；当压降与在体实验的参数达到一致时，可以启动流动发生器3。

在调整好装置中工作液体的流体压力后，启动流动发生器3产生生理脉动流，叠加至定向流动的工作液体中。如图1所示，流动发生器3的载体为活塞缸11，活塞缸11内设有与模拟血管9相连通的弹性储液箱，弹性储液箱10为一柔性心脏模拟件，其形状、大小及功能都与真人心脏高度相似，在本装置中主要用于产生生理脉动流。

伺服电机13与活塞12相连接可从外部由计算机控制，计算机得出较为精准的计算数据后通过伺服电机13推动相连接的活塞12，活塞缸11在活塞12的推动下配合工作，使活塞缸11中的工作液体向弹性储液箱10施加压力，使弹性储液箱10内的实验液体产生流动起伏，模拟真实心脏的跳动，从而产生了生理脉动流。向模拟血管9中叠加生理脉动流，使原来定向流动的工作液体更加符合真实人体的血液流动，同时也用于按照实际需求调整工作液体的流动速度。

启动流动发生器3后，需要再次通过三个传感器的数据判断装置中工作液体的流体压力以及流动速度是否与真实高血压病人的参数达到相近或一致，此时读取前置流量传感器的流动参数为C₂，后置流量传感器8的流动参数为C₃，压力传感器6的压力参数为D₂。

根据流量参数C₂、C₃分析出当前工作液体流动的速度关系，利用上述计算压降的方法根据压力参数D₂计算出当前的压降，将该速度关系和压降与在体实验中高血压病人的血压参数进行对比，如当前的工作液体流动的速度关系及压降与在体实验的参数没有达到一致，则需要调整流动发生器3产生不同的生理脉动流以调整工作液体的流动速度，且需要调整工作液体的流体压力，调节工作液体流体压力的方式有两种，一是通过调节节流阀7调整工作液体的流体压力；二是通过在预压装置4中增加工作液体的高度以对流动中的工作液体施加压力，使工作液体的流体压力产生变化。

在工作液体流动的速度关系以及压降与在体实验中高血压病人的参数达到一致时，本装置的调节完成，本装置可供给医学、流体力学或其他相关领域对高血压进行进一步的研究，由于装置的模拟效果佳，因此在用于研究时可信度也会大大提升。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高血压血液循环模拟装置，其特征在于，包括储液箱、恒压箱、流动发生器、预压装置、流量传感器、压力传感器、若干个节流阀和模拟血管；

所述流量传感器包括前置流量传感器和后置流量传感器，所述储液箱包括单向水泵和工作液体；

所述储液箱通过所述模拟血管顺序连接所述恒压箱、所述流动发生器、所述预压装置、所述前置流量传感器、所述压力传感器、若干个所述节流阀和所述后置流量传感器；

所述预压装置用于通过增加液压的方式向所述模拟血管内部施加压力；

所述预压装置包括容器和连接管道，所述容器与所述连接管道相连通，所述预压装置通过所述连接管道与所述模拟血管相连通，所述容器的上部与大气相连通；

所述储液箱中的工作液体在初次流经所述预压装置时，会在所述预压装置中形成预压工作液，预压工作液会在容器和连接管道中保持在一个稳定的高度；

从装置的外部向容器的开口增加额外的工作液体，通过增加预压装置中工作液体的高度调整整个装置中工作液体的流体压力；

所述流动发生器用于产生生理脉动流；

所述工作液体在流经所述前置流量传感器和所述压力传感器时，所述前置流量传感器和所述压力传感器将分别检测工作液体初始流动的流量参数C₀以及压力参数D₀；

所述工作液体流经所述后置流量传感器时，所述后置流量传感器检测工作液体在受到所述节流阀产生的阻力影响后的流量参数C₁，比较C₀和C₁可分析出当前所述工作液体流动的速度关系，通过所述压力参数D0可分析出当前工作液体的流体压力。

2.根据权利要求1所述的高血压血液循环模拟装置，其特征在于，所述容器的内壁上设有刻度。

3.根据权利要求1所述的高血压血液循环模拟装置，其特征在于，所述流动发生器包括弹性储液箱、实验液体、两个单向阀、活塞缸、活塞和工作液体；所述活塞与所述活塞缸相连接，所述弹性储液箱设在所述活塞缸内；所述活塞缸内装有所述工作液体，所述弹性储液箱中装有所述实验液体；所述恒压箱通过所述模拟血管顺序连接所述弹性储液箱和所述预压装置，两个所述单向阀分别设置在所述弹性储液箱的入口和出口；

所述流动发生器用于产生生理脉动流，具体为：所述流动发生器通过所述活塞、所述活塞缸以及所述工作液体配合工作使所述弹性储液箱内的实验液体产生生理脉动流，两个所述单向阀配合工作控制所述生理脉动流的流动方向从所述弹性储液箱流向所述预压装置。

4.根据权利要求1所述的高血压血液循环模拟装置，其特征在于，所述预压装置呈漏斗形。

5.根据权利要求1所述的高血压血液循环模拟装置，其特征在于，所述压力传感器通过两条所述模拟血管的分支与两个所述节流阀相连接，两个所述节流阀通过两条所述模拟血管的分支与所述后置流量传感器相连接。

6.根据权利要求5所述的高血压血液循环模拟装置，其特征在于，两条所述模拟血管的分支形成一橄榄形。

7.根据权利要求3所述的高血压血液循环模拟装置，其特征在于，还包括伺服电机，所述伺服电机与所述活塞相连接，所述伺服电机用于控制所述活塞工作。

8.根据权利要求3、4任一项所述的高血压血液循环模拟装置，其特征在于，所述连接管道的宽度与所述容器的宽度的比在1:8～1:5之间。

9.根据权利要求1～7任一项所述的高血压血液循环模拟装置，其特征在于，根据前置流量传感器、后置流量传感器测得的数据确定所述工作液体的流动速度关系，根据所述压力传感器测得的数据，以及所述预压装置增加的液压大小，确定所述工作液体的压降，根据所述压降确定所述预压装置进一步增加的液压大小。

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