CN112419854B

CN112419854B - 多点驱动式心脏搏动模拟装置

Info

Publication number: CN112419854B
Application number: CN202011301330.6A
Authority: CN
Inventors: 万超; 李中杰
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2040-11-19
Also published as: CN112419854A

Abstract

本发明涉及一种心脏搏动过程的模拟装置，属于医疗器械领域。本发明装置包括模拟心脏、加载外壳、驱动装置和反馈控制系统。模拟心脏置于加载外壳内。所述驱动装置包括若干个各自独立的驱动子模块，对心脏不同部位进行单独加载，实现每个时刻下心脏腔室壁的位移，从而模拟还原心脏真实的搏动过程。本发明中的心脏模型可基于医学影像进行精确建模，通过多点分布的驱动子模块实现心脏真实搏动过程的模拟，有效的消除了传统心脏模拟器流量、流速、变形、载荷等无法反映真实力学环境的问题。在设置好驱动程序后，既可以模拟健康人心脏搏动的情况，还可以通过更改驱动程序模拟特定人群的心脏搏动特征。

Description

多点驱动式心脏搏动模拟装置

技术领域

本发明涉及一种心脏搏动过程的模拟装置，主要用于实现植入物在心脏搏动状态下的特性和功能测试，属于医疗器械领域。

背景技术

心血管病是由心脏和血管疾患引起的疾病，是全球人类死亡的主要原因之一。在中国，近四分之三的人存在心血管问题，且有明显的年轻化趋势；在美国，20～40岁人群中有11％患心血管疾病，40～60岁人群患病率达到71％。在心脏中安装植入物是治疗心血管疾病的常见方式，例如植入心脏起搏器可以有效治疗某些心律失常引发的心脏功能障碍，植入心律转复除颤仪能有效识别并及时终止恶性心律失常，置换人工心脏瓣膜可实现对天然心脏瓣膜(如主动脉瓣、二尖瓣、肺动脉瓣及三尖瓣)的功能替代，植入心脏封堵器可治疗先天性房室间隔缺损、动脉导管未闭等。

一般来说，心脏植入物需要在患者体内长期存在。因此，在植入物设计研发、性能验证试验、医疗器械执照审定、产品质量检验等过程中，需要在心脏的真实搏动载荷条件下对植入物的特性和功能进行优化、测试、评估和检验，才能科学地评价其在体内是否可以长期稳定可靠工作。现有的心脏搏动模拟装置通常采用液压方式来驱动模拟心脏实现整体收缩和舒张，从而对其中所安装的植入物进行特性功能测试。例如，公告号为CN102949252B的中国发明专利公开了一种用于介入瓣膜体外模拟及性能测试的装置，通过控制脉冲驱动产生模拟健康人体单心室的循环博动状态。然而，使用液压整体驱动心脏搏动时，由于心脏腔室各个部分受载相同，产生的腔室壁变形呈均匀分布，与实际心脏搏动状态不符。在公告号为CN206342566U的中国实用新型专利中，通过控制人工二尖瓣前后的液体压力来测试植入物的耐久度，但并未考虑二尖瓣植入物在心脏真实搏动过程中所产生的非均匀形变及其潜在影响。公告号为JP2006276258A的日本发明专利公开了一种模拟心脏各腔室单独输入输出液体的装置，以此来模拟心脏的泵血过程。这一装置在供液时需要在心脏原有解剖结构上增设新的通道，会改变心脏在搏动时的变形情况和内部液体流场，无法科学有效模拟心脏的真实搏动状态。此外，该装置的驱动方式是通过外部液体在心脏腔室内的抽出和泵入来驱动心脏腔室壁运动，与真实心脏搏动时通过腔室壁变形来引发液体的流入流出不同，所模拟出的心脏内部状态与实际情况差异较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有心脏搏动模拟技术不精确的问题。本发明提供了一种多点驱动式心脏搏动模拟装置，该装置能够实现对心脏搏动过程中各房室变形的精确模拟。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的多点驱动式心脏搏动模拟装置，包括模拟心脏、加载外壳、驱动装置和反馈控制系统。

所述模拟心脏为左右分开的两部分，两部分在心脏间隔部位分开。左心部分包括左心室和左心房的完整腔室壁及其所连接的主要血管，右心部分包括右心室和右心房的完整腔室壁及其连接的主要血管。心脏主要血管按真实人体的解剖特征与对应心脏腔室连接，左心室血管与右心房血管在心脏外连接形成闭合回路，右心室血管与左心房血管相互连接形成闭合回路，用以模拟真实的循环连接方式。通过对心脏各房室的完整腔室壁进行加载，进而还原心脏的真实搏动过程。

所述加载外壳包括左心外壳和右心外壳两部分，每部分由上下分开的两个薄壳零件组成，上下零件在端面处通过连接件进行装配。模拟心脏的左心和右心部分可分别置于左心加载外壳和右心加载外壳内。加载外壳上设计有多个法向通孔，孔的位置按照模拟心脏分区进行分布，每个分区至少设置一个法向通孔。

所述的心脏分区为：心房自上而下分成三层，其中最上层分为四个单元区，二、三两层分为六个单元区；心室自上而下分为底层、中层和顶层三层，每层均分为六个单元区(前壁、前侧壁、下侧壁、下壁、后间隔和前间隔)。

所述驱动装置具有与外壳法向孔数量相同的驱动子模块，每个子模块都视作一个独立控制的驱动点，固定安装在外壳法向孔上，实现沿外壳法向的位移，通过与模拟心脏表面的接触加载来实现心脏搏动过程中的房室精确运动。

所述反馈控制系统包括驱动控制器、位移传感器和中央控制系统。位移传感器测量各驱动子模块的位移情况，输出至中央控制系统进行数据处理，由中央控制系统根据设定的加载方式输出工作指令至驱动控制器，调节各驱动子模块的位移运动。

模拟心脏由硅胶、聚氨酯、水凝胶等工程聚合物材料制备而成，用以模拟真实心脏的力学特性。

加载外壳由金属、工程塑料等硬质材料制备，使用数控加工中心或3D打印技术制成。

驱动装置的驱动形式可为液压驱动、电机驱动或气压驱动。

采用上述装置对植入物性能和功能进行测试的方法为：先将植入物安装至模拟心脏中，注入体温温度的人造血液；将模拟心脏放置在加载外壳中，在中央控制系统中输入各驱动点的运动方案，通过加载外壳上的驱动装置在模拟心脏各个分区上施加法向位移，驱动模拟心脏完成搏动动作；在心脏搏动的过程中，可通过直接型或影像型流量测试技术对植入物处的流场和压强进行测量，用以评估植入物的性能和功能。

上述装置的应用

上述装置通过调节多点式驱动装置的各自位移加载设置，可还原出个性化的心脏搏动过程；针对具体个人，可通过医学影像方法获得个性化的心脏几何模型和搏动变形过程。

上述装置具备心脏及其主要连接血管的完整解剖结构，能够实现任何心脏植入物的性能和功能测试，测试结果真实可信、更具有研究价值。

有益效果

1、本发明的多点驱动式心脏搏动模拟装置，通过对心脏精确建模后不同区域的单独加载驱动模拟心脏的真实搏动过程，有效的消除了传统心脏模拟器无法再现心脏真实工作状态的问题。通过调节多点驱动的位移运动，既可模拟健康人的心脏搏动，还可模拟心脏病患者的心脏搏动，提升植入物对特定人群的精准优化，提高植入物的使用效率和使用寿命。

2、各驱动子模块间相互独立，某个驱动模块无法正常工作时可以进行更换，不会影响其他位置的驱动加载。

附图说明

图1为本发明的组成示意图。

图2为模拟心脏的结构示意图；其中，图a为左心结构的剖面示意图；图b为右心结构的剖面示意图。

图3为加载外壳的结构示意图；其中，图a为左心外壳结构的剖面示意图；图b为右心外壳结构的剖面示意图。

图4为驱动装置的驱动子模块结构示意图。

图5为模拟心脏与加载外壳的安装示意图；其中，图a为模拟左心部分与左心外壳的安装示意图；图b为模拟右心部分与右心外壳的安装示意图。

图6为心脏模拟搏动的驱动示意图。

图中，1.模拟心脏，2.加载外壳，3.驱动装置，4.反馈系统，101.模拟左心房，102.模拟左心室，103.模拟右心房，104.模拟右心室，105.模拟肺静脉，106.模拟体动脉，107.模拟体静脉，108.模拟肺动脉，201.上左心壳，202.下左心壳，203.上右心壳，204.下右心壳，205.锁紧装置，206.法向通孔，301.外套筒，302.内套筒，303.密封圈，304，紧固螺母，305.加载头，306.驱动源

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

参考图1，多点驱动式心脏搏动模拟装置由模拟心脏1、加载外壳2、驱动装置3和反馈控制系统4组成。

参考图2，模拟心脏1分为模拟左心(图2(a))和模拟右心(图2(b))两个部分，其中左心包括模拟左心房101和模拟左心室102，右心包括模拟右心房103和模拟右心室104。模拟左心房101连接有模拟肺静脉105，模拟左心室102连接有模拟体动脉106，模拟右心房103连接有模拟体静脉107，模拟右心室104连接有模拟肺动脉108。模拟左心室102与模拟体动脉106间有模拟主动脉瓣109，模拟左心房101与模拟左心室102间有模拟二尖瓣110，模拟右心室104与模拟肺动脉108间有模拟肺动脉瓣111，模拟右心房103与模拟右心室104间有模拟三尖瓣112。模拟血管具有真实的解剖位置和形态，设有阻尼单元，用来反映真实血管的阻尼和顺应性。

参考图3，加载外壳2有左心外壳(图3(a))和右心外壳(图3(b))两部分。左心外壳分为上左心壳201和下左心壳202两部分，右心外壳分为上右心壳203和下右心壳204两部分。左心外壳和右心外壳的上下部分可在端面处通过锁紧装置205连接，形成的内部空腔要分别比模拟左心和模拟右心大3～5mm。按照模拟心脏的分区位置，加载外壳上设计有多个法向通孔206，法向通孔处用来固定驱动装置。

参考图4，驱动装置3由34个驱动子模块构成，每个驱动子模块固定安装在加载外壳2上的法向通孔206处。驱动子模块由外套筒301、内套筒302、密封圈303、紧固螺母304、加载头305和驱动源306组成。外套筒301插入加载外壳法向通孔206内，使用紧固螺母304固定在加载外壳上。内套筒302与外套筒301内表面进行间隙配合，实现沿套筒轴向的自由移动。外套筒301靠内侧面端部设计有密封圈303，用来实现内外套筒间的密封。加载头305为半球型结构，固定在内套筒302靠内侧的端部，工作过程中与模拟心脏1的外表面进行接触。驱动源306可选用气压、液压或电动源，与外套筒301或内套筒302的端面连接，驱动内套筒302沿外套筒301进行精确移动。不同的驱动子模块间相互独立，在发生损坏时可以单独更换，不影响其他子模块的工作。

下面参照附图，对本发明所公布的心脏体外模拟及测试装置的具体实施方案作出更为详细的说明：

参考图5，模拟心脏与加载外壳的安装过程：将模拟左心置于下左心壳202中，将上左心壳201与上左心壳202使用锁紧装置205固定，使模拟左心与上左心壳201、下左心壳202留有3～5mm间隙(图5(a))。将模拟右心置于下右心壳204中，将上右心壳203与上右心壳203使用锁紧装置205固定，使模拟右心与上右心壳203、下右心壳204留有3～5mm间隙(图5(b))。控制驱动装置3中各驱动子模块的位移，使所有加载头同时向内移动，待接触到模拟心脏表面后停止，完成对模拟心脏初始位置的固定。

参考图6，模拟心脏搏动的驱动过程：在开始模拟心脏搏动动作前，将温度保持在体温状态的人工血液由模拟肺静脉105注入模拟左心房101中，液体沿压力梯度逐渐打开各模拟瓣膜，充满整个模拟心脏1和所连接血管。随后，参照心脏搏动的标准过程及心脏各区域在搏动过程中的时间-位移曲线，控制相应驱动子模块的动作来模拟心脏搏动动作，具体流程依次为：1)完成心脏搏动的心房收缩过程(图6(a))：首先，控制模拟左心房101和模拟右心房103对应的驱动子模块加载头305向内伸长，对所接触模拟心脏表面进行压载，实现模拟左心房101和模拟右心房103的收缩动作；同时，控制模拟左心室102和模拟右心室104对应的驱动子模块加载头305向外回缩，模拟左心室102和模拟右心室104在本身材料回弹作用下完成舒张动作；此时，模拟心脏内的二尖瓣110和三尖瓣112由于腔室间的液体压差打开。2)完成心脏搏动的动容收缩过程(图6(b))：维持模拟左心房101和模拟右心房103对应的驱动子模块加载头305所处位置，控制模拟左心室102和模拟右心室104对应的驱动子模块加载头305向内伸长；此时，由于血管内液压高于心室内液压，模拟心室与血管间的瓣膜109和111维持关闭状态。3)完成心脏搏动的心室射血过程(图6(c))：模拟左心房101和模拟右心房103对应的驱动子模块加载头305继续维持在所处位置；控制模拟左心室102和模拟右心室104对应的驱动子模块加载头305继续向内伸长，进一步对所接触模拟心脏表面进行加载，使腔室内液压高于血管内液压；此时，模拟左心室102与模拟体动脉106间的瓣膜109和模拟右心室104与模拟肺动脉108间的瓣膜111打开，人工血液流入模拟体动脉106和模拟肺动脉108。4)完成心脏搏动的等容舒张过程(图6(d))：控制所有驱动子模块加载头305的位移恢复至心房收缩过程开始时的位置，模拟心脏1中的所有瓣膜在液体压差的作用下均处于关闭状态；至此，完成一次心脏模拟搏动。5)继续执行流程1中所述的驱动子模块控制过程，开始模拟心脏的下一个搏动过程。在对心脏搏动过程的模拟中，通过改变每个流程中各驱动子模块加载头305的时间-位移曲线，可实现对个人及特殊人群心脏搏动过程的精确模拟；通过等比例缩小心脏搏动各过程中的时长，可完成心脏在不同心率状态下的搏动动作，从而在真实搏动环境下进行植入物性能和功能的加速测试。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.多点驱动式心脏搏动模拟装置，其特征在于：包括模拟心脏主体、固定加载外壳和驱动装置；心脏主体置于固定加载外壳内；所述驱动装置用于控制驱动点，对心脏不同部位单独控制，用以模拟每个时刻心肌的位移；进而控制心脏搏动，模拟还原心脏真实工作情况；

将模拟心脏的心室分为底层、中层和顶层，每层再均分为六个单元；

每层的每个单元处至少安装一个驱动点，驱动装置控制驱动点工作，达到模拟真实的效果；

所述六个单元为前壁、前侧壁、下侧壁、下壁、后间隔和前间隔单元；

所述模拟心脏主体为分开的左右结构，在间隔部位分开，在驱动的作用下能实现心脏搏动时间隔处肌肉的收缩舒张；能够还原真实心脏搏动的过程中心脏左右两部分的相互作用；

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：将心房自上而下分成三层，其中最上层再细分为四个单元，二、三两层分为六个单元；每一单元视作一个独立的驱动模块，每个模块的外部设置若干驱动点；心室自上而下分为三层，每层分为六个单元，在单元的外部设置驱动点，以此来实现心房和心室的精确运动；心脏血管连接的心外部分形成一个闭合的回路，用以模拟真实的血管。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括反馈系统，反馈装置将所示驱动点的工作情况反馈给控制装置，控制装置依据反馈情况，给出工作指令；所述反馈系统为位移传感器。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述模拟心脏主体部分为硅胶，用以模拟真实心脏的力学特性；固定加载外壳为PLA，使用3D打印技术制成。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述固定加载外壳上均匀设置有凸起，使心脏模型与加载外壳之间无直接连接，但又可以起到固定心脏的作用，能够有效的避免心脏模型与加载外壳固定造成的应力和心肌运动状态的改变；每个驱动单元可以精确的控制对应的心脏部位；在模型的上端分别于模拟的主动脉血管，肺动脉血管相连。

6.采用如权利要求1所述装置对介入物进行测试的方法，其特征在于：先将模拟血液注入模拟心脏，将温度加热至人体体温后，使用固定在加载外壳上的加载装置对左右心脏分别施加位移载荷；在心脏搏动的过程中，通过位于对植入物处的流量和压强传感器，测量待测处的流量和压强数据；所述方法能够针对不同人，真实还原每个人心脏的工作过程；真实、个性化：针对不用人制备出不同的心脏，模拟该人心脏的跳动。