CN111429787B - 人工血泵体外模拟循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工血泵体外模拟循环系统，包括实验台及装配于实验台内的左心室模拟器、主动脉模拟器、静脉模拟器、左心房模拟器和人工血泵；左心室模拟器包括容积可调的密闭腔体；左心室模拟器、主动脉模拟器、静脉模拟器、左心房模拟器通过管道依次连通，首尾相连成模拟循环；左心室模拟器自主动脉模拟器的管道上设主动脉瓣模拟器，左心房模拟器至左心室模拟器的管道上设二尖瓣模拟器以实现模拟循环内液体的单向流动；人工血泵的输入口外设三通阀，三通阀的两输入端分别于左心室模拟器和左心房模拟器连通，输出口与主动脉模拟器连通，自左心室模拟器或左心房模拟器中抽液泵入主动脉模拟器中。左心室模拟器容积可调能模拟心室容积和压力变化。

Description

人工血泵体外模拟循环系统

技术领域

本发明属于医疗器械领域，特别是涉及一种人工血泵体外模拟循环系统。

背景技术

血泵作为活体心脏的暂时性或永久性替代品应运而生，它的出现为药物和外科治疗无效的心力衰竭或心脏移植前的过渡支持提供了新的治疗手段，为心力衰竭治疗提供了新的发展方向。体外模拟循环系统主要模拟人体的血管外周阻力、血管顺应性、惯性和压力流量等生理信号，给新开发的VAD提供了一个测试平台。VAD在进行动物体内实验之前，必须要在体外模拟循环系统中进行性能测试,基于MCA的体外模拟实验可以对VAD进行全面的性能评估，为VAD的优化提供有用信息，且可控性和重复性高。这可以大幅减小实验风险,降低实验成本，缩短实验和VAD的开发周期，为血泵的开发提供支持。

目前针对体外模拟循环系统有一些发明成果，浙江大学刘宇在《心脏体外脉动循环模拟系统设计与开发研究》一文中，用离心泵和溢流阀连接密闭容积腔来模拟左心室，二位二通电磁阀的开闭来模拟心率和一个心动周期内收缩期所占比例，其缺点为：人为设定最大左心室压力，无法准确模拟左心室压力波形和容积变化，忽略了二尖瓣。其主动脉腔为容积固定的密闭腔，主动脉顺应性不具备可调节性。浙江大学黄峰在《左血泵体外模拟循环测试系统及生理控制研究》一文中，用气动的方式模拟左心室的搏动，采用闭环控制可以较好地模拟出心室收缩期的压力波形。但模拟心室舒张过程时，舒张过程无法调节，每次进入左心室模拟腔体的气体量无法准确控制，从而无法准确模拟出实际人体左心室运动过程中的容积变化过程。苏州大学黄鹏辉在《完全磁悬浮离心式血泵脉动流模式的体外实验研究》一文中，通过直线电机推动硅胶膜片，硅胶膜片产生形变的方式模拟左心室腔体的容积变化，当模拟左心室舒张时，被动舒张过程具有不确定性，故左心室舒张期的容积变化无法准确模拟。同时左心室会出现负压，与实际情况不符，并且膜片易疲劳且寿命较短。中国专利201510778366.6公开了一种用于体外模拟循环系统的活塞式心室模拟器，其采用驱动机构推动活塞的方式模拟左心室的搏动，但是结构上没有考虑活塞、腔体以及驱动轴的对中，该发明的刚性活塞与腔体间没有进行密封，泄露导致心室模拟器的压力、容积模拟存在局限性，不能准确模拟实际人体的心室动作。

综上所述，上述已有论文或发明均无法准确模拟实际人体整个心动周期的心室容积和压力变化过程，无法同时兼顾主动脉顺应性的无级调节和左心室模拟腔动作的主动准确控制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种能够准确模拟实际人体整个心动周期的心室容积和压力变化过程的人工血泵体外模拟循环系统。

本发明提供的这种人工血泵体外模拟循环系统，该系统包括实验台及装配于实验台内的左心室模拟器、主动脉模拟器、静脉模拟器、左心房模拟器和人工血泵；左心室模拟器包括容积可调的密闭腔体；左心室模拟器、主动脉模拟器、静脉模拟器、左心房模拟器通过管道依次连通，首尾相连成模拟循环；左心室模拟器自主动脉模拟器的管道上设主动脉瓣模拟器，左心房模拟器至左心室模拟器的管道上设二尖瓣模拟器以实现模拟循环内液体的单向流动；人工血泵的输入口外设三通阀，三通阀的两输入端分别于左心室模拟器和左心房模拟器连通，输出口与主动脉模拟器连通，自左心室模拟器或左心房模拟器中抽液泵入主动脉模拟器中。

在一个具体实施方式中，所述左心室模拟器包括底座、模拟腔、盖板和容积调节机构；底座轴向中心设有通孔，通孔底端螺纹连接压力传感器；模拟腔上下两端均为开口，模拟腔同轴安装于底座上；盖板同轴封闭模拟腔顶口；容积调节机构同轴设置于盖板上、自由端穿过盖板伸至模拟腔内以调节容积。

进一步的，所述底座的轴面外设与通孔连通的管接头和水阀；底座的通孔上段为匹配于所述模拟腔的阶梯孔，阶梯面设环形槽、环形槽内嵌装密封圈；底座的实体内设对拉孔。

相配套的，所述盖板包括顶板和定位凸台；顶板轴心位置处设有中心孔，中心孔外设对拉孔；定位凸台同轴安装于中心孔下；盖板与底座分置于所述模拟腔两端通过拉杆穿过对拉孔后配合相应的螺母锁紧。

作为优选，所述容积调节机构包括伺服电动缸和活塞，活塞外嵌环形密封圈，伺服电动缸的缸体安装于所述盖板上，活塞置于所述模拟腔内、环形密封圈挤紧，活塞杆穿过盖板后与活塞同轴连接；伺服电动缸控制活塞上、下行以调节模拟腔内密闭腔体的容积。

在一个具体实施方式中，所述主动脉模拟器包括气体体积调节机构以及所述底座、模拟腔、盖板；气体体积调节机构包括支架、升降管和活塞；支架为几字型架，其上设升降孔，支架可拆卸连接于盖板上；升降管为两端开口的中空螺管，顶端设有螺塞、螺塞顶设球头把手，升降管通过一对螺母夹装于支架升降孔处；活塞轴向中心设有螺纹孔，活塞置于模拟腔内螺纹连接于升降管外。

作为优选，所述静脉模拟器包括基础板和腔体；基础板为矩型板，其四角设有安装孔；腔体为两端开口的矩形腔，腔体的一对侧壁上分别设有进液口和出液口，腔体以其底面开口端粘接于基础板上；进液口与主动脉模拟器外的水阀连通，通路上设有电比例节流阀和流量传感器；出液口外设水阀，水阀的输出端与左心房模拟器连通；静脉模拟器通过基础板安装于实验台中。

作为优选，所述左心房模拟器包括安装板和矩型框；安装板为矩型板，其四角设有安装孔；矩型框的相邻三侧面分别设有管接头，矩型框粘接于安装板上，通过管接头与外部连通；左心房模拟器通过安装板连接于实验台中。

在一个具体实施方式中，所述血泵置于水槽内，水槽通过基板安装于所述实验台上。

在一个具体实施方式中，所述实验台为矩型框架，其内设底架和层架；所述左心室模拟器安装于层架上、底端悬空；所述主动脉模拟器、静脉模拟器、左心房模拟器和人工血泵分别安装于底架上，主动脉模拟器的底端悬空。

本发明将左心室模拟器、主动脉模拟器、静脉模拟器、左心房模拟器通过管道依次连通，首尾相连成模拟循环，通过人工血泵为模拟循环提供动力，并通过设置主动脉瓣模拟器和二尖瓣模拟器实现模拟循环内液体的单向流动。在使用过程中，通过调节左心室模拟器中密闭腔体的容积来模拟自然人体多种生理状态下的左心室动作，可以模拟左心室的最大收缩力和舒张过程，避免舒张过程产生负压，准确模拟左心室容积变化以及压力波形，得出比较准确的左心室压力—容积关系图，能够准确的模拟人体的心室动作。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的立体示意图。

图2为本优选实施例中模拟循环的放大示意图。

图3为本优选实施例中左心室模拟器的爆炸示意图。

图4为本优选实施例中主动脉模拟器的爆炸示意图。

图示序号：

A—实验台，A1—底架，A2—层架；

B—左心室模拟器，

B1—底座，B2—模拟腔，B3—盖板，B4—拉杆，

B5—容积调节机构、B51—伺服电动缸、B52—活塞、B53—环形密封圈，

B6—压力传感器；

C—主动脉模拟器，

C1—气体体积调节机构、C11—支架、C12—升降管、C13—螺塞、C14—球头把手、C15—螺母，

C2—底板，C3—顶盖；

D—静脉模拟器；E—左心房模拟器；F—血泵；G—三通阀；H—主动脉瓣模拟器；J—二尖瓣模拟器；K—管接头；L—水阀；M—密封圈；N—电比例节流阀；P—流量传感器；Q—水槽；R—平板；

具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例公开的这种人工血泵体外模拟循环系统，包括实验台A及装配于实验台内的左心室模拟器B、主动脉模拟器C、静脉模拟器D、左心房模拟器E和人工血泵F。左心室模拟器、主动脉模拟器、静脉模拟器、左心房模拟器通过管道依次连通，首尾相连成模拟循环。人工血泵的输入口外设三通阀G，三通阀的两输入端分别于左心室模拟器和左心房模拟器连通，输出口与主动脉模拟器连通，自左心室模拟器或左心房模拟器中抽液泵入主动脉模拟器中。并在左心室模拟器自主动脉模拟器的管道上设单向阀作为主动脉瓣模拟器H，左心房模拟器至左心室模拟器的管道上设单向阀作为二尖瓣模拟器J以实现模拟循环内液体的单向流动，使液体只能自左心室模拟器泵出至主动脉模拟器，只能从左心房模拟器返回左心室模拟器。

实验台A为矩型框架，其内设底架A1和层架A2。底架A1用于安装主动脉模拟器、静脉模拟器、左心房模拟器和人工血泵，层架用于安装左心室模拟器B。

如图3所示，左心室模拟器B包括底座B1、模拟腔B2、盖板B3、拉杆B4和容积调节机构B5。

底座B1轴向中心设有通孔，通孔底端螺纹连接压力传感器B6，底座的轴面外设与通孔连通的一对管接头K和水阀L；底座的通孔上段为匹配于模拟腔的阶梯孔，阶梯面设环形槽、环形槽内嵌装密封圈M；底座的实体内设对拉孔。

模拟腔B2上下两端均为开口，其底端开口同轴安装于底座的阶梯孔处压紧密封圈。

盖板B3包括顶板和定位凸台；顶板轴心位置处设有中心孔，中心孔外设对拉孔；定位凸台同轴安装于中心孔下；盖板与底座分置于模拟腔两端通过拉杆B4穿过对拉孔后配合相应的螺母锁紧，压接密封圈也保证密封效果。

容积调节机构B5包括伺服电动缸B51和活塞B52，伺服电动缸B51的活塞杆顶端轴心设螺纹孔，缸体通过安装法兰与盖板之间采用轴孔配合，四对螺栓螺母固定，以保证同轴度。活塞B52的中心设有通孔，外径略小于模拟腔的内径，活塞的外壁嵌装一对环形密封圈B53。活塞置于模拟腔内，装配面通过两层环形密封圈密封，伺服电动缸的活塞杆穿过活塞的中心孔后通过拧入螺纹孔内的螺栓紧固以保证同轴度，模拟腔内壁与盖板第二节凸台配合，端面与盖板的第一节凸台端面配合，进而保证模拟腔和活塞的同轴度。

左心室模拟器以盖板上设置的四个对称的通孔与实验台的层架通过四对螺栓螺母连接，安装时保证压力传感器悬空；工作时通过伺服电动缸驱动活塞轴向往复运动，周期性地改变左心室模拟器的容积，实现自然人体多种生理状态下左心室搏动的模拟，稳定可靠。

如图4所示，主动脉模拟器C与左心室模拟器B结构相似，区别在于通过气体体积调节机构C1调节模拟腔内空气体积。

主动脉模拟器C的底座与左心室模拟器B的底座结构相似，周面三个开口分别通过管接头、管接头、水阀和管路连通，接受左心室模拟器和血泵泵出的液体，并通过电比例节流阀N输出到静脉模拟器，底部开有螺纹通孔，压力传感器通过螺纹连接安装在其底部，密封垫密封，获得主动脉模拟器内的压力数据；底座安装于底板C2上，通过拉杆和顶盖C3装配，顶盖C3圆柱凸台直径略小于模拟腔的内径，端面与腔体端面配合，其上开有四个通孔和拉杆连接，拉杆上两层螺母垫片拧紧，轴向力将模拟腔和底板之间的O型密封圈压紧在梯形槽内，实现底部密封。

气体体积调节机构C1包括支架C11、升降管C12和活塞；支架C11为几字型架，其上设升降孔，支架通过螺栓配套螺母紧固于盖板上；升降管为两端开口的中空螺管，顶端设有螺塞C13、螺塞顶设球头把手C14，升降管通过一对螺母C15夹装于支架升降孔处；活塞轴向中心设有螺纹孔，活塞置于模拟腔内螺纹连接于升降管外。

装配时活塞与模拟腔之间采用两层密封圈密封，支架通过螺钉安装在顶盖上，底板外圈开有四个通孔，通过螺栓螺母连接将主动脉模拟器安装在实验台的底架。使用过程中拧松螺母，使升降管可带动活塞轴向运动，再旋出螺塞，使腔内空气与大气相通，轴向移动活塞，即可改变主动脉模拟器内密闭空气的体积，达到无级调节主动脉顺应性的目的。

如图1、图2所示，静脉模拟器D包括基础板和腔体；基础板为矩型板，其四角设有安装孔；腔体为两端开口的矩形腔，腔体的一对侧壁上分别设有进液口和出液口，腔体以其底面开口端粘接于基础板上；进液口与主动脉模拟器外的水阀连通，通路上设有电比例节流阀N和流量传感器P；出液口外设水阀，水阀的输出端与左心房模拟器连通；静脉模拟器通过基础板安装于实验台的底架。使用过程中通过调节水阀的开度调节静脉模拟器流向左心房模拟器的流量，静脉模拟器在本实验系统中的作用为储存模拟血液。

如图1、图2所示，左心房模拟器E包括安装板和矩型框；安装板为矩型板，其四角设有安装孔；矩型框的相邻三侧面分别设有管接头，矩型框粘接于安装板上。左心房模拟器的安装板通过四对螺栓螺母安装在实验台的底架，三面开孔分别通过管接头、水阀连接静脉模拟器、左心室模拟器和三通水阀，三通水阀可选择血泵F从左心室模拟器或左心房模拟器抽液，满足不同的实验需要，不需要从本处抽液时，旋转水阀至关闭即可。血泵F置于水槽Q的支架上，水槽和血泵外部驱动器通过螺钉安装在平板R，平板R通过四对螺栓螺母安装在实验台的底架上。

在体外模拟循环实验中，打开主动脉模拟器中升降管顶端的塞盖，使其模拟腔与大气相通，然后向静脉模拟器中加入一定量的水，将整个循环系统中的气体排干净，等待循环系统稳定后，打开Labview数据采集界面。将此时采集的数据作为基准数据。向静脉模拟器继续加水，直到其值接近实际人体生理状态。按照实际左心室容积—时间关系图，将其转换为电机的位时间图，控制伺服电动缸，使其分别按照计算所得的生理曲线进行运动，其中左心室心动周期中的的收缩和舒张时间用伺服电动缸进程和回程的时间来表示，心率用一分钟内电机进行了多少个心动周期来计算，调整电比例节流阀来模拟整个循环过程中的外周阻力大小，通过调节心率、收缩期和舒张期的时间、顺应性以及外周阻力的值，使其分别与实际生理值接近。在调节完循环系统后，打开血泵驱动系统，使人工血泵进行工作。通过数据采集卡采集两压力传感器的数值以及流量传感器的数值，提取系统稳定时的数值，分别绘制左心室模拟器在循环过程中的心室压曲线图、主动脉模拟器的主动脉压曲线图以及循环流量曲线图。通过分析这些曲线图，可以得到人工血泵作为心室辅助装置的性能，进而继续优化人工血泵。

相较于现有产品而言，本发明的左心室模拟器采用活塞套合密封圈的方式将模拟左心室腔体完全密封，形成一个容积可调的密闭腔，能够实现左心室模拟器的主动直接容积控制，复现不同生理状态下人体左心室容积变化过程，从而准确模拟人体的压力—容积变化。左心室模拟器对人体左心室的收缩和舒张过程的模拟能够实现全程精确主动控制，左心室模拟器可以模拟人体左心室的最大收缩力和等容过程，得到比较接近真实的压力波形。左心室模拟器采用组合式结构设计，通过轴孔配合、拉杆连接和端面定位，保证左心室模拟器中活塞、腔体和推杆的同轴度以及整体结构的稳定性和可靠性，避免活塞运动过程出现推杆偏心和结构松动的现象。

Claims (5)

1.一种人工血泵体外模拟循环系统，其特征在于：该系统包括实验台及装配于实验台内的左心室模拟器、主动脉模拟器、静脉模拟器、左心房模拟器和人工血泵；

左心室模拟器包括容积可调的密闭腔体；

左心室模拟器、主动脉模拟器、静脉模拟器、左心房模拟器通过管道依次连通，首尾相连成模拟循环；左心室模拟器自主动脉模拟器的管道上设主动脉瓣模拟器，左心房模拟器至左心室模拟器的管道上设二尖瓣模拟器以实现模拟循环内液体的单向流动；

人工血泵的输入口外设三通阀，三通阀的两输入端分别于左心室模拟器和左心房模拟器连通，输出口与主动脉模拟器连通，自左心室模拟器或左心房模拟器中抽液泵入主动脉模拟器中；

所述左心室模拟器包括底座、模拟腔、盖板和容积调节机构；底座轴向中心设有通孔，通孔底端螺纹连接压力传感器；模拟腔上下两端均为开口，模拟腔同轴安装于底座上；盖板同轴封闭模拟腔顶口；容积调节机构同轴设置于盖板上、自由端穿过盖板伸至模拟腔内以调节容积；

所述底座的轴面外设与通孔连通的管接头和水阀；底座的通孔上段为匹配于所述模拟腔的阶梯孔，阶梯面设环形槽、环形槽内嵌装密封圈；底座的实体内设对拉孔；

所述盖板包括顶板和定位凸台；顶板轴心位置处设有中心孔，中心孔外设对拉孔；定位凸台同轴安装于中心孔下；盖板与底座分置于所述模拟腔两端通过拉杆穿过对拉孔后配合相应的螺母锁紧；

所述容积调节机构包括伺服电动缸和活塞，活塞外嵌环形密封圈，伺服电动缸的缸体安装于所述盖板上，活塞置于所述模拟腔内、环形密封圈挤紧，活塞杆穿过盖板后与活塞同轴连接；伺服电动缸控制活塞上、下行以调节模拟腔内密闭腔体的容积；

实验台为矩型框架，其内设底架和层架；所述左心室模拟器安装于层架上、底端悬空；所述主动脉模拟器、静脉模拟器、左心房模拟器和人工血泵分别安装于底架上，主动脉模拟器的底端悬空。

2.如权利要求1所述的人工血泵体外模拟循环系统，其特征在于：所述主动脉模拟器包括气体体积调节机构以及所述底座、模拟腔、盖板；

气体体积调节机构包括支架、升降管和活塞；支架为几字型架，其上设升降孔，支架可拆卸连接于盖板上；升降管为两端开口的中空螺管，顶端设有螺塞、螺塞顶设球头把手，升降管通过一对螺母夹装于支架升降孔处；活塞轴向中心设有螺纹孔，活塞置于模拟腔内螺纹连接于升降管外。

3.如权利要求2所述的人工血泵体外模拟循环系统，其特征在于：所述静脉模拟器包括基础板和腔体；基础板为矩型板，其四角设有安装孔；腔体为两端开口的矩形腔，腔体的一对侧壁上分别设有进液口和出液口，腔体以其底面开口端粘接于基础板上；进液口与主动脉模拟器外的水阀连通，通路上设有电比例节流阀和流量传感器；出液口外设水阀，水阀的输出端与左心房模拟器连通；静脉模拟器通过基础板安装于实验台中。

4.如权利要求2所述的人工血泵体外模拟循环系统，其特征在于：所述左心房模拟器包括安装板和矩型框；安装板为矩型板，其四角设有安装孔；矩型框的相邻三侧面分别设有管接头，矩型框粘接于安装板上，通过管接头与外部连通；左心房模拟器通过安装板连接于实验台中。

5.如权利要求1所述的人工血泵体外模拟循环系统，其特征在于：所述血泵置于水槽内，水槽通过基板安装于所述实验台上。

Images