CN112945310A - 模拟体内流动环境下心脏瓣膜模型的测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟体内流动环境下心脏瓣膜模型的测试系统及测试方法，测试系统包括有：流体循环系统；瓣膜支撑系统，包括瓣膜支架、步进旋转电机，瓣膜支架固定在转子上；流体监测系统，用于实时监测流体的各项数据；成像系统，用于在流体中监测瓣膜模型的位置信息；控制系统，控制系统包括驱动器、控制器、中央处理系统，驱动器分别与步进电机和控制器相连，负责接收控制器传达指令并驱动步进电机转，控制器分别与驱动器和中央处理系统相连接，负责接收步进电机的反馈信息和接收中央处理系统的程序指令，形成闭环控制系统。本发明可模拟心脏瓣膜在不同流动环境中的流体力学变化，为心脏瓣膜疾病的早期诊断、干预及治疗提供有力的依据。

Description

模拟体内流动环境下心脏瓣膜模型的测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于医疗器械领域，涉及一种模拟体内流动环境下心脏瓣膜模型的测试系统及测试方法。

背景技术

在我国，心血管类疾病是威胁人类健康的首要原因。受当今社会竞争激烈，生活环境差的影响，呈现出发病人群年轻化，发病率逐年上升的趋势。而心脏瓣膜作为保证心脏推动血液循环定向流动的生物阀门，对心脏的健康状况有着重要影响。心脏瓣膜的病变将会影响人体正常血液循环，甚至危及生命。目前心脏瓣膜病的病因包括先天性结构异常、风湿性、感染性等，这些因素会造成瓣膜不同程度的狭窄或者关闭不全，从而导致血流动力学的改变，进而会造成一系列的并发症，目前关于心脏瓣膜疾病的研究主要针对病因、遗传基因等方面，对于血流动力学方面的研究较少，关于此类的心脏流体模型更是少见。

发明内容

为从流体动力学角度研究心脏瓣膜疾病的发生与转归，我们设计了一种以体外循环为基础，模拟体内流动环境下的心脏瓣膜开合过程，可以研究心脏瓣膜疾病早期的关闭不全、反流等疾病过程，从根本机制出发研究瓣膜疾病的发病原因、发病过程及转归，为瓣膜疾病的早期诊断、早期干预、早期治疗提供有力的依据。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种模拟体内流动环境下心脏瓣膜模型的测试系统，所述操作测试系统包括：

流体循环系统，包含有流体动力泵和水箱，水箱的两侧分通过入水管路、出水管路和流体动力泵相连形成回路；

瓣膜支撑系统，包括瓣膜支架及步进旋转电机，步进电机设有一向下竖直伸入到水箱内的转子，瓣膜支架固定在转子上，所述瓣膜支架用于固定瓣膜模型；

流体监测系统，用于实时监测流体数据，所述流体监测系统包含流量监测仪以及具有多种监测功能的传感器，流量监测仪与入水管路相连，所述传感器设有位于水箱内部的多个传感器探头；

成像系统，用于在流体中监测瓣膜模型的位置信息；

控制系统，与流体循环系统、瓣膜支撑系统、流体监测系统、成像系统相连，所述控制系统包括驱动器、控制器、中央处理系统，驱动器分别与步进电机和控制器相连，负责接收控制器传达指令并驱动步进电机转，控制器分别与驱动器和中央处理系统相连接，负责接收步进电机的反馈信息和接收中央处理系统的程序指令，形成闭环控制系统。

进一步的，流体动力泵为搏动泵或者持续非搏动泵。

进一步的，水箱设有在竖直方向上分布或者矩阵分布的多个入水口，在入水管路上装有带加注溶液开口的三通阀门；

在水箱内部位于入水口及出水口之间布置有至少一片隔水栅，隔水栅两侧抵接在水箱内壁上，隔水栅密布有水孔，水箱内的流体通过所述水孔流通。

进一步的，在水箱上方固定有水平导轨，步进电机在水平导轨上沿水箱内部液体流动方向滑动。

进一步的，瓣膜支架由连接杆以及瓣膜固定环构成，连接杆顶端与转子固定连接，瓣膜固定环的顶部通过锁扣关节铰接在连接杆底部，由锁扣关节来调节瓣膜固定环与水箱流动方向之间的夹角。

进一步的，瓣膜模型通过缝线展开固定在瓣膜固定环上，瓣膜固定环沿周向设置有一圈固定孔洞用于缝线的固定。

进一步的，所述流体动力泵每发出一次脉冲水流后，步进电机的转子带动瓣膜支架在竖直方向上旋转预设角度。

进一步的，传感器探头包括有血液指标监测器、温度监测器、流速监测器。

进一步的，还包括操作系统，所述操作系统包含有一与水箱侧壁相通的操作通道，操作通道顶部设有与大气相连的开口，且该开口高于水箱上表面，通过该操作通道伸入操作设备至水箱中；

所述操作设备包含有通过操作通道伸入到水箱内的操作导管，操作导管末端设有操作爪，操作爪通过操作导管内部的操作导丝与控制旋钮相连。

本发明还提供了一种基于上述系统的测试方法，包括如下步骤：

S1、将心脏瓣膜模型固定在瓣膜支架上并调整好瓣膜支架与流体流向的夹角；

S2、成像系统监测流体中瓣膜模型的位置，并将位置信息发送给中央处理系统，

S3、中央处理系统输出用于步进旋转电机旋转的控制信号至控制器，控制器发送信号至驱动器，由驱动器输出脉冲信号至步进旋转电机，以使步进旋转电机旋转一个步进角度或者多个步进角度；

S4、重复进行步骤S2-S3若干次，直至步进旋转电机的转子带动瓣膜支架旋转一周；

S5、调节瓣膜支架以改变与流体流向的夹角，并再次重复进行步骤S2～S3；

S6、记录瓣膜模型与流体流向不同角度下，流体环境的参数及瓣膜模型成像数据，生成瓣膜模型在不同流体环境下的分析数据。

本发明的优点在于：1)可模拟体内流动环境下的心脏瓣膜，以体外循环为基础，模拟心脏瓣膜在不同流动环境中的流体力学变化，便于从根本机制方面出发对心脏瓣膜疾病的研究，为心脏瓣膜疾病的早期诊断、早期干预及早期治疗提供有力的依据；2)瓣膜支架在水箱内可以旋转，方便我们记录并分析瓣膜与流体流向在不同角度下的数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中，本发明一种模拟体内流动环境下心脏瓣膜模型的测试系统的原理图；

图2为一实施例中，固定心脏瓣膜圆环支架正视图。

图3为一实施例中，固定心脏瓣膜圆环支架侧视图。

图4为一实施例中，水箱的正视图。

图5为一实施例中，水箱的俯视图。

图6为一实施例中，水箱的后视图。

图7为一实施例中，测试系统的控制逻辑流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

参照图1所示，本发明提供了一种模拟体内流动环境下心脏瓣膜模型的测试系统，该测试系统1包括：

流体循环系统2，包含有流体动力泵21和水箱23，水箱23的两侧分通过入水管路22、出水管路24和流体动力泵21相连形成流体回路；

瓣膜支撑系统3，包括瓣膜支架31及步进旋转电机32，步进电机32设有一向下竖直伸入到水箱23内的转子，瓣膜支架31固定在转子上，所述瓣膜支架31用于固定瓣膜模型；

流体监测系统4，用于实时监测流体数据，包含流量监测仪43以及具有多种监测功能的传感器41，流量监测仪43与入水管路22相连，传感器41设有位于水箱23内部的多个传感器探头42；

用于实时监测包含液体环境中的血生化指标、温度及瞬时流速数据；

成像系统，用于在流体中监测瓣膜模型的位置信息；

控制系统5，与流体循环系统2、瓣膜支撑系统3、流体监测系统4相连，所述控制系统5包括驱动器51、控制器52、中央处理系统53(即图7的电脑)，驱动器51分别与步进电机32和控制器52相连，负责接收控制器52传达指令并驱动步进电机32旋转，控制器52分别与驱动器51和中央处理系统53相连接，负责接收步进电机32的反馈信息和接收中央处理系统53的程序指令，形成闭环控制系统。

在一可选的实施例中，上述流体动力泵21可根据模型具体要求选择搏动泵或者持续非搏动泵，可模拟人体心脏血流环境下的搏动射血流体环境和血管内的持续射血环境。

在一可选的实施例中，如图3-6所示，水箱23设有在竖直方向上分布或者矩阵分布的多个入水口22-1，在入水管路22上装有带加注溶液的三通阀门26，三通阀门26可根据实际测得流量情况分别控制不同入水口22-1的流量，从而保证更加精准地控制水箱内部环境的流速。在水箱23内部位于入水口22-1及出水口24-1之间布置有至少一片隔水栅27，隔水栅27两侧抵接在水箱23内壁上，隔水栅27密布有水孔，流体只能通过水孔进出，从而更精准地保证在两个隔水栅27之间的流速成均匀分布。优选的，水箱23内部有两片隔水栅27，并且瓣膜支架31位于这两片隔水栅27中间。

如图1所示，在水箱23上方固定有水平导轨33，步进电机32在水平导轨33上可沿水箱23内部液体流动方向滑动。进一步参照图2和图3所示，瓣膜支架31由连接杆31-1以及瓣膜固定环36构成，连接杆31-1顶端与电机转子固定连接，瓣膜固定环36的顶部通过锁扣关节34铰接在连接杆31-1底部，由锁扣关节34来调节瓣膜固定环36与水箱23内流体流向之间的夹角(即图3瓣膜固定环36以锁扣关节34为转动点前后摆动)，用于更逼真模拟瓣膜模型在不同角度流体冲击下的瓣叶开合运动。作为可选项，瓣膜模型通过缝线展开固定在瓣膜固定环36上，瓣膜固定环36沿周向设置有一圈固定孔洞35用于缝线的固定，从而能够完整将瓣膜模型展开并固定在支架环中央。优选的，上述瓣膜支架环的中心内径可根据瓣膜模型大小进行选择，我们可以通过更换不同内径大小的瓣膜固定环36来适应安装不同大小的瓣膜模型。

在一可选的实施例中，步进电机32的转子带动瓣膜支架31在竖直方向上可以旋转一个或者多个步进角度，并且能够急动急停，能够更加精准地控制瓣膜模型的位置。

在一可选的实施例中，传感器探头42包括有血液指标监测器、温度监测器、流速监测器，这三种传感器探头42都位于水箱23内部，负责实时监测液体环境中的血生化指标、温度及瞬时流速等。

在本发明中，成像系统包含以可见光、红外光或者超声波为探测源的成像系统，通过操作孔61来对水箱内的瓣膜模型进行成像，负责在流体中监测瓣膜模型的位置信息。成像系统中利用中央处理系统53，可将可见光下瓣膜模型成像图像与红外光及超声下图像利用人工智能系统进行训练集的测试、分析。

在一可选的实施例中，测试系统还包括操作系统6，操作系统6包含有一与水箱23侧壁操作孔61相通的操作通道62，操作通道62为向上弯曲的弯管且顶部设有与大气相连的开口，为了保证在操作过程中操作导管随意伸入操作孔61中不会有液体渗出，该开口需要高于水箱23上表面。我们通过该操作通道62可伸入操作设备至水箱23中对瓣膜模型进行操作，操作设备包含有通过操作通道62伸入到水箱23内的操作导管，操作导管末端设有操作爪，操作爪通过操作导管内部的操作导丝与控制旋钮相连。操作设备包含有通过操作通道62伸入到水箱23内的操作导管，操作导管末端设有操作爪，操作爪通过操作导管内部的操作导丝与控制旋钮相连。其中，操作爪包含剪刀、抓钳、持针钳等多种手术器械种类，术者可利用操作旋钮通过导丝控制导管头端的操作爪，对瓣膜模型进行简单的手术操作，用于模拟瓣膜手术操作过程。

优选上述中央处理系统53可发送程序指令到控制器52，从而间接控制步进电机32的旋转，中央处理系统53内设有编程，可整合瓣膜模型的旋转角度、流体环境的相关参数及成像，形成一个多维度信息处理中心，能够对瓣膜模型在不同流体环境下进行多维度、全方位的模拟、分析和比对。

本发明模拟体内流动环境下的心脏瓣膜模型中，以体外循环为基础，模拟心脏瓣膜在不同流动环境中的流体力学变化，便于从根本机制方面出发对心脏瓣膜疾病的研究，为心脏瓣膜疾病的早期诊断、早期干预及早期治疗提供有力的依据。

下面就上述测试系统的测试方法进行简要的描述：

当我们准备对某个瓣膜进行流体力学测试时，我们首先打开流体动力泵21，并将液体注入整个管路中，动力泵21将注入的液体通过入水管22进入到水箱23中，水箱的水位不断上升，待没过出水口时，多余的液体会通过出水管24路流出到动力泵21，形成循环流动的流体回路，通过调整流体动力泵的输出流量来控制水箱23中的水位处于一个合适的状态。

流体监测装置41中的探头42会持续对流体内的各种指标，包括液体浓度、流速、渗透压等指标进行持续性监测，从而达到实验要求。此时我们将瓣膜模型通过缝线固定在瓣膜支架31上，然后把瓣膜支架31固定在步进电机32的转子上，通过控制系统5调整步进电机32的转动角度，保证瓣膜模型处于一个合适的位置，此时通过与成像系统或操作系统联动，完成对瓣膜模型的操作与成像，再利用中央处理系统53对各种参数进行保存、分析和优化，从而对瓣膜在流动液体环境中的变化得出相关结论。

以上对本申请所提供的一种模拟体内流动环境下的心脏瓣膜模型进行了详细介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及发明构思；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种模拟体内流动环境下心脏瓣膜模型的测试系统，其特征在于，所述操作测试系统(1)包括：

流体循环系统(2)，包含有流体动力泵(21)和水箱(23)，水箱(23)的两侧分通过入水管路(22)、出水管路(24)和流体动力泵(21)相连形成回路；

瓣膜支撑系统(3)，包括瓣膜支架(31)及步进旋转电机(32)，步进电机(32)设有一向下竖直伸入到水箱(23)内的转子，瓣膜支架(31)固定在转子上，所述瓣膜支架(31)用于固定所述心脏瓣膜模型；

流体监测系统(4)，用于实时监测流体数据，所述流体监测系统(4)包含流量监测仪(43)以及具有多种监测功能的传感器(41)，流量监测仪(43)与入水管路(22)相连，所述传感器(41)设有位于水箱(23)内部的多个传感器探头(42)；

成像系统，用于在流体中监测所述心脏瓣膜模型的位置信息；

控制系统(5)，与流体循环系统(2)、瓣膜支撑系统(3)、流体监测系统(4)、成像系统相连，所述控制系统(5)包括驱动器(51)、控制器(52)、中央处理系统(53)，驱动器(51)分别与步进电机(32)和控制器(52)相连，负责接收控制器(52)传达指令并驱动步进电机(32)旋转，控制器(52)分别与驱动器(51)和中央处理系统(53)相连接，负责接收步进电机(32)的反馈信息和接收中央处理系统(53)的程序指令，形成闭环控制系统。

2.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，流体动力泵(21)为搏动泵或者持续非搏动泵。

3.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，水箱(23)一侧设有在竖直方向上分布或者矩阵分布的多个入水口(22-1)，在入水管路(22)上装有带加注溶液开口的三通阀门(26)；

在水箱(23)内部位于入水口(22-1)及出水口(24-1)之间布置有至少一片隔水栅(27)，隔水栅(27)两侧抵接在水箱(23)内壁上，隔水栅(27)密布有水孔，流体通过所述水孔流通。

4.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，在水箱(23)上方固定有水平导轨(33)，步进电机(32)在水平导轨(33)上沿水箱(23)内部液体流动方向滑动。

5.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，瓣膜支架(31)由连接杆(31-1)以及瓣膜固定环(36)构成，连接杆(31-1)顶端与转子固定连接，瓣膜固定环(36)的顶部通过锁扣关节(34)铰接在连接杆(31-1)底部，由锁扣关节(34)来调节瓣膜固定环(36)与水箱(23)内流体流向之间的夹角。

6.如权利要求5所述的测试系统，其特征在于，瓣膜模型通过缝线展开固定在瓣膜固定环(36)上，瓣膜固定环(36)沿周向设置有一圈固定孔洞(35)用于缝线的固定。

7.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，传感器探头(42)包括有血液指标监测器、温度监测器、流速监测器。

8.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，还包括操作系统(6)，所述操作系统(6)包含有一与水箱(23)侧壁相通的操作通道(62)，操作通道(62)顶部设有与大气相连的开口，且该开口高于水箱(23)上表面，通过该操作通道(62)伸入操作设备至水箱(23)中；

所述操作设备包含有通过操作通道(62)伸入到水箱(23)内的操作导管，操作导管末端设有操作爪，操作爪通过操作导管内部的操作导丝与控制旋钮相连。

9.一种基于权利要求1-8任意一项所述测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将心脏瓣膜模型固定在瓣膜支架(31)上并调整好瓣膜支架(31)与流体流向的夹角；

S2、成像系统监测流体中瓣膜模型的位置，并将位置信息发送给中央处理系统；

S3、中央处理系统输出用于步进旋转电机(32)旋转的控制信号至控制器(52)，控制器(52)发送信号至驱动器，由驱动器输出脉冲信号至步进旋转电机(32)，以使步进旋转电机(32)旋转一个步进角度或者多个步进角度；

S4、重复进行步骤S2-S3若干次，直至步进旋转电机(32)的转子带动瓣膜支架(31)旋转一周；

S5、调节瓣膜支架(31)以改变与流体流向的夹角，并再次重复进行步骤S2～S3；

S6、记录瓣膜模型与流体流向不同角度下，流体环境的参数及瓣膜模型成像数据，生成瓣膜模型在不同流体环境下的分析数据。

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