CN111462604A - 一种高精度心脏脉动发生系统 - Google Patents

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赵斌
宫海波
毛茅
徐方远
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Fuwai Hospital of CAMS and PUMC
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Abstract

本发明涉及医学教学领域，具体涉及一种高精度心脏脉动发生系统；包括传动模块、流体模块、控制箱、外壳及上位机，所述传动模块与流体模块相连，控制箱分别与传动模块和流体模块相连，控制箱还与上位机相连，其中，传动模块设于外壳内部。本发明通过配合设置的机械部结构与控制系统，以真实心脏的流量‑时间生理曲线为基础，通过对真实生理曲线进行数据采样，然后实时的将采样数据进行数学运算，同时将运算后的结果转化为控制系统的输出信号，最终转化为驱动电机的运行信号，从而实现了对心脏动力学特征的精确模拟，同时保证了运行过程中的流量精度和脉动频率精度。

Description

一种高精度心脏脉动发生系统
技术领域
本发明涉及医学教学领域，具体涉及一种高精度心脏脉动发生系统。
背景技术
近几十年来，我国取得了令人瞩目的经济增长，与此同时，疾病类型也从主要为传染性疾病转向了非传染性疾病，其中心血管疾病（CVD）已成为我国居民过早发病和死亡的主要原因。1990年至2013年，中国心血管死亡的绝对数量增加了46%，主要原因是人口老龄化，这一数字分别比美国和西欧高出4倍和3倍。在此期间，死于缺血性心脏病的人数翻了一番，急性缺血性卒中的死亡人数增加了40%。中国冠心病、缺血性卒中、出血性卒中和高血压心脏病的年龄标准化死亡率明显高于美国和西欧，同时也伴随着较高的过早（即70岁以下）死亡率。据估计，到2025年，在中国以及东亚其他地区的心血管死亡人数中，有11%为过早死亡，远远高于北美（6%）和西欧（3%）。此外引发心血管疾病的原因还有饮食习惯和自然环境等因素。心血管疾病给中国带来的经济负担是巨大的，包括高昂的医疗费用以及由于过早死亡和残疾造成的间接生产力损失。因此，研究针对心血管疾病的有效治疗方法和心血管疾病的形成机理，从而有效的降低发病概率，显得尤为重要；
对于心血管疾病的研究离不开相应的实验系统，人体血液循环系统的核心是心脏，但是利用人体真实心脏进行实验和研究的是不现实的，因此需要一种可以模拟心脏输出动力学特征的系统，这种系统可以很好在再现心脏的流量-时间曲线，并能满足系统运行时液体流量、脉动频率的精度要求。
但是目前为止，尚不存在能满足能应用在医学领域关于心脏动力学研究的脉动发生系统，因此有必要开发一种这样的系统，这种系统应该具备以下特点：1，能够很好的模拟心脏输出动力学特征；2，输出的液体流量、脉动频率应满足医学研究所需要达到的精度要求，并且液体流量、脉动频率可以很灵活的调节；3，能够支持人工瓣膜、血管模型的运行状态接近人体的真实生理状态。
发明内容
针对现有技术中提到的问题，本发明提供一种可复现真实人体心脏泵出血流的动力学曲线特性，并具备支持人为预设编辑以获得可控的流体曲线特性，满足流量、脉动频率、流体温度等可控调节的要求，用于人工瓣膜、心血管模型的介入手术培训以及血流动力学研究的高精度心脏脉动发生系统。
本发明一种高精度心脏脉动发生系统，包括传动模块、流体模块、控制箱、外壳及上位机，所述传动模块与流体模块相连，控制箱分别与传动模块和流体模块相连，控制箱还与上位机相连，其中，传动模块设于外壳内部。
优选地，所述传动模块包括驱动电机、电机座、丝杠、轴承、轴承座、联轴器、移动块、导向杆、活塞杆、活塞及活塞缸，所述驱动电机安装在电机座上，驱动电机通过联轴器与丝杠相连，丝杠两端均设有轴承，轴承均安装在轴承座上，其中，移动块套设于丝杠上并与丝杠螺纹相连，移动块上还相连有导向杆，所述活塞杆一端与移动块相连，另一端与活塞相连，活塞设于活塞缸内。
优选地，所述移动块上设有开孔，导向杆穿过开孔且两端与轴承座固定相连。
优选地，所述流体模块包括液压容器、连接管路、温度探头及加热装置，所述液压容器与连接管路相连，且液压容器上还分别设有温度探头与加热装置。
优选地，所述连接管路两端口分别为出口和入口，所述出口和入口均与液压容器相连，且出口处与入口处还分别安装有单向阀。
优选地，所述活塞与液压容器相连时采用橡胶圈密封相连。
优选地，所述控制箱包括相连地PLC控制器、电源、电机驱动器及制动电阻。
优选地，所述控制箱还与温度探头与加热装置相连。
本发明相对于现有技术，取得了以下的技术效果：
本发明通过配合设置的机械部结构与控制系统，以真实心脏的流量-时间生理曲线为基础，通过对真实生理曲线进行数据采样，然后实时的将采样数据进行数学运算，同时将运算后的结果转化为控制系统的输出信号，最终转化为驱动电机的运行信号，从而实现了对心脏动力学特征的精确模拟，同时保证了运行过程中的流量精度和脉动频率精度；将本发明与人工瓣膜或者模拟血管相配套，可以实现人工瓣膜或者模拟血管与人体真实生理特种相似的运行效果，对于医学领域的心脑血管介入治疗的培训及相关研究提供了帮助和支持。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明传动模块示意图。
图3为本发明流体模块示意图。
图4为本发明控制箱结构示意图。
附图标记：1-传动模块；2-流体模块；3-控制箱；4-外壳；5-上位机；6-驱动电机；7-电机座；8-丝杠；9-轴承；10-轴承座；11-联轴器；12-移动块；13-导向杆；14-活塞杆；15-活塞；16-活塞缸；17-液压容器；18-连接管路；19-温度探头；20-加热装置；21-PLC控制器；22-制动电阻；23-电源；24-电机驱动器。
具体实施方式
实施例
本发明一种高精度心脏脉动发生系统，如图1，图2，图3及图4所示，包括传动模块1、流体模块2、控制箱3、外壳4及上位机5，所述传动模块1与流体模块2相连，控制箱3分别与传动模块1和流体模块2相连，控制箱3还与上位机5相连，其中，传动模块1设于外壳4内部。本实施例中传动模块1与流体模块2可模拟出心脏运行的效果，通过上位机5与控制箱3来满足流量、脉动频率、流体温度等可控调节的要求，达到模拟出于类似心脏运动的生理效果。
所述传动模块1包括驱动电机6、电机座7、丝杠8、轴承9、轴承座10、联轴器11、移动块12、导向杆13、活塞杆14、活塞15及活塞缸16，所述驱动电机6安装在电机座7上，驱动电机6通过联轴器11与丝杠8相连，丝杠8两端均设有轴承9，轴承9均安装在轴承座10上，其中，移动块12套设于丝杠8上并与丝杠8螺纹相连，移动块12上还相连有导向杆13，所述活塞杆14一端与移动块12相连，另一端与活塞15相连，活塞15设于活塞缸16内。所述移动块12上设有开孔，导向杆13穿过开孔且两端与轴承座10固定相连。所述活塞15与液压容器17相连时采用橡胶圈密封相连。
本实施例中，采用的驱动电机6为交流伺服电机，参数为功率为200W，额定扭矩0.85N·m，额定转速3000转/min，驱动电机6的电机轴通过联轴器11与丝杠8相连，本实施例中的联轴器11为膜片式弹性联轴器，其联轴器11中的膜片间隙可有效的降低本装置运行噪音，降低运行中产生的振动；丝杠8两端均安装有轴承9，轴承9设置在轴承座10上并通过轴承座10将丝杠8进行固定，本实施例中丝杠8直径在6mm-10mm之间，能保证足够的强度的前提下尽量降低装置重量，丝杠8导程不小于10mm，可以实现超过150strokes/min的运行频率，拓宽本装置的应用场合；本实施例中活塞15与活塞缸16以过盈配合方式安装，活塞15优选采用聚四氟乙烯材料通过机械加工的方式制造出来，活塞15主体为一个圆柱形状，整个活塞15长度为50mm，在圆柱的外圆面上通过机械加工方式雕刻出两条间距20mm、宽度3mm、深度2mm的槽，在两个槽内分别安装橡胶密封圈，活塞缸16优选采用石英玻璃通过机械加工的方式制造出来，活塞缸16是一个两端带有法兰结构的圆筒形状，将安装双密封圈的活塞15以过盈配合的方式安装到活塞缸16内，双密封圈的结构可以起到很好的密封作用，设置的导向杆13两端通过轴承座10固定，导向杆13可防止移动块12移动；
驱动电机6驱动丝杠8转动，丝杠8将驱动电机6旋转运动转化为移动块12的平行移动，从而通过移动块12和活塞杆14带动活塞15运动，本装置运行时，驱动电机6做正反向交替的旋转运动，相应的，通过丝杠8、移动块12及活塞杆14相配合实现了活塞15在轴方向的往复运动，达到了模拟真实心脏周期性的“收缩”、“舒张”动作，本装置每个周期完整的往复运动称为一个stroke。
所述流体模块2包括液压容器17、连接管路18、温度探头19及加热装置20，所述液压容器17与连接管路18相连，且液压容器17上还分别设有温度探头19与加热装置20。所述连接管路18两端口分别为出口和入口，所述出口和入口均与液压容器17相连，且出口处与入口处还分别安装有单向阀。
本实施例中的液压容器17优选采用亚克力材料通过机械加工的方式制造出来，液压容器17上加工三个接口，其中一个位于液压容器17中间位置的接口用于和活塞缸16连接，另外两个接口用于连相连连接管路18的入口和出口；设置单向阀的安装方向应保证连接管路18中液体的流动方向是从入口吸入，并从出口推出的单向流动，可真实的还原了心脏舒张时血液回流进心脏，心脏收缩时将血液挤压出心脏的血液单向流动生理过程。
所述控制箱3包括相连地PLC控制器21、电源23、电机驱动器24及制动电阻22。所述控制箱3还与温度探头19与加热装置20相连。
本实施例中，电机驱动器24和制动电阻22与驱动电机6相连，以保证活塞15在快速实现往返运行的同时，处于发电状态下的驱动电机6所产生的反馈电能被快速的消耗掉，从而保证本装置的稳定运行；上位机5上安装有本装置的控制程序，控制程序对流体曲线进行采样，采样数与流体输出控制精度直接相关，控制程序对于流体曲线的采样数不少于500个，控制程序将采样到的曲线数据映射转化为驱动电机6的控制命令，从而复现流体流动曲线特征；可通过上位机5来控制箱3和温度探头19，将实时的温度与程序中设定的目标温度做进行对比，并通过PID控制模式进行计算，计算结果作为输出信号通过数据线传输到控制箱3中，控制箱3还能控制加热装置20将本装置中液体温度稳定在一个确定的范围内。
本发明通过配合设置的机械部结构与控制系统，以真实心脏的流量-时间生理曲线为基础，通过对真实生理曲线进行数据采样，然后实时的将采样数据进行数学运算，同时将运算后的结果转化为控制系统的输出信号，最终转化为驱动电机6的运行信号，从而实现了对心脏动力学特征的精确模拟，同时保证了运行过程中的流量精度和脉动频率精度；将本发明与人工瓣膜或者模拟血管相配套，可以实现人工瓣膜或者模拟血管与人体真实生理特种相似的运行效果，对于医学领域的心脑血管介入治疗的培训及相关研究提供了帮助和支持。

Claims (8)

1.一种高精度心脏脉动发生系统，其特征在于，包括传动模块（1）、流体模块（2）、控制箱（3）、外壳（4）及上位机（5），所述传动模块（1）与流体模块（2）相连，控制箱（3）分别与传动模块（1）和流体模块（2）相连，控制箱（3）还与上位机（5）相连，其中，传动模块（1）设于外壳（4）内部。
2.根据权利要求1所述一种高精度心脏脉动发生系统，其特征在于，所述传动模块（1）包括驱动电机（6）、电机座（7）、丝杠（8）、轴承（9）、轴承座（10）、联轴器（11）、移动块（12）、导向杆（13）、活塞杆（14）、活塞（15）及活塞缸（16），所述驱动电机（6）安装在电机座（7）上，驱动电机（6）通过联轴器（11）与丝杠（8）相连，丝杠（8）两端均设有轴承（9），轴承（9）均安装在轴承座（10）上，其中，移动块（12）套设于丝杠（8）上并与丝杠（8）螺纹相连，移动块（12）上还相连有导向杆（13），所述活塞杆（14）一端与移动块（12）相连，另一端与活塞（15）相连，活塞（15）设于活塞缸（16）内。
3.根据权利要求2所述一种高精度心脏脉动发生系统，其特征在于，所述移动块（12）上设有开孔，导向杆（13）穿过开孔且两端与轴承座（10）固定相连。
4.根据权利要求3所述一种高精度心脏脉动发生系统，其特征在于，所述流体模块（2）包括液压容器（17）、连接管路（18）、温度探头（19）及加热装置（20），所述液压容器（17）与连接管路（18）相连，且液压容器（17）上还分别设有温度探头（19）与加热装置（20）。
5.根据权利要求4所述一种高精度心脏脉动发生系统，其特征在于，所述连接管路（18）两端口分别为出口和入口，所述出口和入口均与液压容器（17）相连，且出口处与入口处还分别安装有单向阀。
6.根据权利要求5所述一种高精度心脏脉动发生系统，其特征在于，所述活塞（15）与液压容器（17）相连时采用橡胶圈密封相连。
7.根据权利要求6所述一种高精度心脏脉动发生系统，其特征在于，所述控制箱（3）包括相连地PLC控制器（21）、电源（23）、电机驱动器（24）及制动电阻（22）。
8.根据权利要求7所述一种高精度心脏脉动发生系统，其特征在于，所述控制箱（3）还与温度探头（19）与加热装置（20）相连。
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