CN113674600B - 一种左心房可控式体外模拟循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种左心房可控式体外模拟循环系统，包括循环系统和控制系统；循环系统包括左心房模拟装置、二尖瓣模拟装置、左心室模拟装置、主动脉瓣模拟装置、顺应性模拟装置、血管外周阻力模拟单元和静脉模拟装置；通过硅胶管道依次相连构成循环系统；左心房模拟装置与左心室模拟装置均为容积可调的密闭装置；人工心脏的入口与左心室模拟装置相连，出口通过三通阀连接于左心室模拟装置和顺应性模拟装置之间的管路上；左心房模拟装置和左心室模拟装置均由伺服电机控制活塞以改变容积大小；本系统消除了主动脉瓣模拟装置的跨膜压差、左心室模拟装置间隙内漏和管道负压的问题，能真实模拟人体心脏不同生理特征的血液循环特性。

Description

一种左心房可控式体外模拟循环系统

技术领域

本发明涉及医疗器械测试领域，具体涉及一种左心房可控式体外模拟循环系统。

背景技术

由于世界人口老龄化日益严重，心脑血管疾病尤其是心力衰竭疾病的患者越来越多，以往治疗晚期心力衰竭最有效的方式是心脏移植，但是心脏移植存在心脏供体不足、供体等待时间长、术后排异等问题，患者往往“一心难求”。现如今，人工心脏的技术进步为心衰患者带来了希望。人工心脏不仅可以提高心衰患者的存活率，也有助于心肌功能的恢复。人工心脏在植入患者之前，需要进行多次的性能测试实验，而体外模拟循环系统可以模拟人体的血液循环特性，因此人工心脏可以借助于体外模拟循环系统模拟植入人体时的运行稳定性及血流动力学特性的变化。

体外模拟循环系统基本上是由心房腔、心室模拟装置、人工瓣膜、顺应性腔、节流阀、静脉腔等按照顺序依次相连组成的水力回路；心室模拟装置是依照心脏跳动规律来模拟人体泵血过程的装置，人工瓣膜模拟人体血液单向流动功能，顺应性腔是一种用来模拟人体主动脉弹性的带有空气腔的密闭腔体，节流阀模拟人体血管外周阻力，静脉腔是一种用来模拟人体静脉储液功能的腔体，甘油水溶液用来模拟人体血液材料属性。体外模拟循环系统可以模拟人体的血压波形和血液流量等血流动力学特性，为人工心脏提供了真实的人体血液循环模拟场景。

在体外模拟循环系统的研究过程中，国内科研机构如苏州大学、江苏大学、浙江大学等都进行过此类研究，为了模拟左心房功能，采用带有空气腔的密闭腔体结构被动地实现心房压缩和舒张的功能；采用市面上的普通单向阀来模拟人体二尖瓣和主动脉瓣功能；通过设计敞口的方腔模拟静脉功能；但目前这样的体外模拟循环存在左心房容积和压力不可主动调控、普通单向阀存在跨膜压差、敞口方腔会导致管道系统存在负压等问题，严重制约了体外模拟循环系统的实际模拟效果。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：提供一种左心房可控式体外模拟循环系统，该系统能够解决以往左心房容积和压力不可主动调控、单向阀存在跨膜压差、管道系统存在负压等问题，能够准确模拟实际人体泵血过程心房、心室容积和压力变化过程。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种左心房可控式体外模拟循环系统，包括左心房模拟装置、二尖瓣模拟装置、左心室模拟装置、主动脉瓣模拟装置、顺应性模拟装置、血管外周阻力模拟单元和静脉模拟装置，并通过硅胶管道依次相连成模拟循环系统；人工心脏入口与左心室模拟装置相连，出口通过三通阀连接于左心室模拟装置和顺应性模拟装置之间的管路上；流体介质在左心室模拟装置和人工心脏的综合作用下泵入到顺应性模拟装置中；流量检测单元连接于血管外周阻力模拟单元和静脉模拟装置之间的管道上；压力传感器设置于人工心脏入口、出口以及主动脉瓣模拟装置出口的管道上。

进一步地，左心房模拟装置与左心室模拟装置均为容积可调的密闭装置，包括安装架、心腔、压板、伺服滑台、滑台连接板、活塞轴、活塞头以及橡胶塞；心房腔下端设有进液口和出液口；压板通过四个角上的螺柱固定于安装架上；安装架安装在实验台支撑板上；伺服滑台通过滑台连接板固定在安装架上，并保证与实验台支撑板平面垂直；活塞头装配有橡胶塞，活塞头通过螺纹连接于活塞轴上并安装在伺服滑台上，安装保证活塞头的轴线与心腔轴线重合，并以过盈配合方式装配到心腔中用来调节心房容积，左心室模拟装置心腔下端设有进液口、人工心脏进液口以及出液口，三个接口在空间按照逆时针方向依次呈间隔90°分布；左心房模拟装置的连接方式与左心室模拟装置相同。

进一步地，顺应性模拟装置包括激光测距传感器、端盖、进气管道、排气阀、浮片桶、浮片、外桶、宝塔接头和底座；激光测距传感器安装在端盖上方，端盖上方分别与进气管道和排气阀螺纹连接，端盖下方有小螺纹端和大螺纹端，浮片桶上端与端盖小螺纹端螺纹连接，端盖大螺纹端与外桶螺纹连接，浮片置于浮片桶内，外桶侧壁下端开有间隔为90°的3个通孔，2个通孔与宝塔接头卡扣连接并做密封处理，外桶安装在固定底座上。

进一步地，静脉模拟装置整体呈柱状，分为上部盖板、下部腔体、旋盖、过滤器、滑槽、浮块和底座，盖板上部安装有旋盖，盖板与下部腔体密封连接，下部腔体开设进液口和出液口，滑槽中装有浮块并安装于静脉模拟装置内壁，过滤器安装于静脉模拟装置进液口外部并与入口管道相连，下部腔体安装在底座上，底座与实验台支撑板相连。

进一步地，二尖瓣模拟装置与主动脉瓣模拟装置均包括入口法兰、人工瓣膜以及出口法兰，并通过螺钉螺母连接紧固；入口法兰与出口法兰连接管道端外径为30mm，人工瓣膜由软硅胶制成，根据人体瓣膜不同生理特征的模拟需求，其厚度可选0.5-1mm；人工二尖瓣和人工主动脉瓣分别为对开式和三开式结构，人工二尖瓣入口法兰和人工主动脉瓣入口法兰的支撑结构分别为二分网格式和三分扇叶式，二者出口法兰结构相同。

进一步地，管道为食品级透明硅胶管，静脉模拟装置和左心房模拟装置、左心室模拟装置、顺应性模拟装置间的连接管道内径为30mm；顺应性模拟装置、血管外周阻力模拟单元、静脉模拟装置三者间的连接管道内径为12mm；管道通过套接方式连接，在安装完毕后管道整体具有密闭性，体外模拟循环系统整体呈无负压工作状态。

进一步地，橡胶塞侧壁与心腔内壁间的涂层材料为液体石蜡。

进一步地，流量检测单元包括循环系统流量与液体介质中气泡检测的模块。

进一步地，人工心脏通过固定支架安装在实验台支撑板上，人工心脏入口处设有流体通断开关。

进一步地，体外模拟循环系统为矩形框架结构，分为上层和下层；所述左心房模拟装置、二尖瓣模拟装置、左心室模拟装置、主动脉瓣模拟装置、顺应性模拟装置、血管外周阻力模拟单元、流量检测单元、静脉模拟装置和人工心脏均置于实验台支撑板上，实验台底板安装相应控制系统。

本发明解决了背景技术中存在的问题，实现了左心房容积和压力主动调控，改善了单向阀跨膜压差、间隙内漏、管道系统存在负压的缺陷，可真实模拟人体心脏泵血时的血流动力学特性。

附图说明

图1为左心房可控式体外模拟循环系统的原理示意图；

图2为左心房可控式体外模拟循环系统的结构示意图；

图3为左心房可控式体外模拟循环系统的左心房模拟装置示意图；

图4为左心房可控式体外模拟循环系统的二尖瓣模拟装置爆炸示意图；

图5为左心房可控式体外模拟循环系统的主动脉瓣模拟装置爆炸示意图；

图6为左心房可控式体外模拟循环系统的顺应性模拟装置示意图；

图7为左心房可控式体外模拟循环系统的静脉模拟装置示意图。

图示序号：

A1-实验台支撑板，A2-实验台底板；

B-左心房模拟装置；B1-安装架、B2-心腔、B3-压板、B4-伺服滑台、B5-滑台连接板、B6-活塞轴、B7-活塞头、B8-橡胶塞；

C-二尖瓣模拟装置；C1-出口法兰、C2-人工二尖瓣、C3-入口法兰；

D-左心室模拟装置；

E-主动脉瓣模拟装置；E1-出口法兰、E2-人工主动脉瓣、E3-入口法兰；

F-顺应性模拟装置；F1-激光测距传感器、F2-端盖、F3-进气管道、F4-排气阀、F5-浮片桶、F6-浮片、F7-外桶、F8-宝塔接头、F9-底座；

G-血管外周阻力模拟单元；

H-流量检测单元；

I-静脉模拟装置；I1-盖板、I2-下部腔体、I3-过滤器、I4-滑槽、I5-浮块、I6-浮块挡板、I7-旋盖、I8-底座；

J1、J2、J3—压力传感器；

K-流体通断开关；

L-人工心脏；

M-单向阀。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于理解本发明的技术内容，下面结合附图对其技术方案作进一步说明。在对本发明的描述中用到的“前”、“后”、“上”、“下”的等表示方位的词语，均是基于附图关系所作的陈述，目的是为了便于描述，其不能够认为是对本发明技术内容的限制。对所涉及的“连接”等配合关系的词语，除有明确限定外，应作广义理解，其可为直接配合、间接配合，固定连接、可拆卸连接等本领域人员能够根据本发明目的，理解实现的方式。

如图1、2所示，本发明包括左心房模拟装置B、二尖瓣模拟装置C、左心室模拟装置D、主动脉瓣模拟装置E、顺应性模拟装置F、血管外周阻力模拟单元G、流量检测单元H、静脉模拟装置I、单向阀M、压力传感器J、流体通断开关K和人工心脏L；左心房模拟装置B、二尖瓣模拟装置C、左心室模拟装置D、主动脉瓣模拟装置E、顺应性模拟装置F、血管外周阻力模拟单元G、流量检测单元H、静脉模拟装置I、单向阀M通过管道依次相连成模拟循环系统并安装于实验台支撑板A1上；人工心脏L入口与左心室模拟装置D相连，出口通过三通阀连接于左心室模拟装置D和顺应性模拟装置F之间的管路上，流体介质在左心室模拟装置D和人工心脏L的综合作用下泵入到顺应性模拟装置F中；压力传感器J1、J2、J3分别设置于人工心脏L的入口、出口以及主动脉瓣模拟装置E的出口。

如图3所示，左心房模拟装置包括安装架B1、心腔B2、压板B3、伺服滑台B4、滑台连接板B5、活塞轴B6、活塞头B7以及橡胶塞B8；先用压板B3压紧心腔B2腔体部分，再将伺服滑台B4安装在滑台连接板B5上并与安装架B1固定，橡胶塞B8套装在活塞头B6上，然后将活塞轴B6与伺服滑台B4用螺钉连接；橡胶塞B8与心腔B2腔体呈过盈配合，防止运行过程中出现的液体泄露问题；腔体内壁涂层为液体石蜡，可以降低活塞在腔体内运行时的阻力，防止因摩擦导致的橡胶塞B8寿命过短和杂质进入被测流体介质中影响人工心脏运行状态；通过伺服驱动器控制活塞头B7向下进入心腔B2中后拧紧螺栓，使压板B3紧固于安装架B1上；保证伺服滑台B4与心腔B2的同轴度，相应地，左心室模拟装置D安装方式与左心房模拟装置B一致。工作时通过伺服滑台B4驱动活塞轴B6轴向往复运动，周期性地改变心腔B2的密闭容积，实现人体多种生理特征的左心室搏动的模拟，具有稳定可靠且可控的优点。

如图4和图5所示，通过螺钉和螺母将入口法兰C3、人工二尖瓣C2、出口法兰C1连接到一起；用螺钉螺母将入口法兰E3、人工主动脉瓣E2、出口法兰E1连接到一起；二尖瓣模拟装置C和主动脉瓣模拟装置E中的人工二尖瓣C2和人工主动脉瓣E2由软硅胶制成，其厚度范围为0.5-1mm，具体结构形式与人体心脏瓣膜类型较为相似；软硅胶材料保证人工二尖瓣C2和人工主动脉瓣E2能轻易地实现较大幅度的开合，降低了二尖瓣模拟装置C和主动脉瓣模拟装置E单向流体导通压力。此外，入口法兰C3和入口法兰E3网状和扇叶结构既保证了流体单向导通的功能，又降低了流体流经二尖瓣模拟装置C和主动脉瓣模拟装置E时的压降，降低了流体跨膜压差，使得主动脉压力波形更符合人体实际压力波形。二尖瓣模拟装置C和主动脉瓣模拟装置E在安装时要保证流体分别从入口法兰C3和入口法兰E3处流入，同时保证各零件的配合，并在安装后进行防渗漏测试。

如图6所示，激光测距传感器F1安装在端盖F2上方，端盖F2上方分别与进气管道F3和排气阀F4螺纹连接，端盖F2下方有小螺纹端和大螺纹端，浮片桶F5上端与端盖小螺纹端螺纹连接，端盖F2大螺纹端与外桶F7螺纹连接，浮片F6置于浮片桶F5内，外桶F7侧壁下端开有间隔为90°的2个通孔，2个通孔与宝塔接头F8卡扣连接并做密封处理，外桶F7安装在底座F9上，将底座F9固定在实验台支撑板A1上，最后将进气管道F3接入气动系统，将激光测距传感器F1接入控制系统；顺应性模拟装置可减小液面波动对顺应性调节过程的影响，实现液位高度实时测量及动脉顺应性的自动调节，可以直观准确地模拟出人体动脉顺应性。

如图7所示，静脉模拟装置整体呈柱状，滑槽I4安装于下部腔体I2内壁，滑槽I4内置浮块I5和浮块挡板I6，根据波美度计的原理设计的浮块I5可以方便地测量甘油水溶液的浓度判断流体是否满足实验浓度要求，浮块挡板I6位于滑槽I4的下端防止浮块I5离开滑槽I4；上部盖板I1与下部腔体I2密封连接，盖板I1上部安装一旋盖I7，打开旋盖I7时可以向体外循环模拟系统添加甘油水溶液，关闭旋盖I7时可以保证体外循环模拟循环系统的气密性，可以大大改善管道系统存在负压的问题；下部腔体I2开设进液口和出液口，过滤器I3安装于静脉模拟装置进液口外部并与入口管道相连，过滤器I3可以过滤液体中的大颗粒杂质，防止大颗粒杂质进入人工心脏L，下部腔体I2安装在底座I8上，底座与实验台支撑板A1固定连接。

安装完左心房模拟装置B、左心室模拟装置D后，将二尖瓣模拟装置C安装进入管道并保证管道与入口法兰C3和出口法兰C1紧密套接，人工主动脉瓣E装置安装同理。管道与任何器件连接均在套接后用不锈钢喉箍紧固以防止流体外渗。

血管外周阻力模拟单元G和流量检测单元H均用上述方法连接在管道中，从顺应性模拟装置F、血管外周阻力模拟单元G、流量检测单元H到静脉模拟装置I的管道内径为12mm，人工心脏L所在支路管道内径为10mm，其余部分的管道内径为30mm。以上管路直径的选用模拟了人体心血管系统血管网络分布特点，保证体外模拟循环系统在工作时血液的压力和流量波形特性与人体心血管系统生理特性较为一致。

流体通断开关K在关闭时，该发明可以模拟人体健康、心衰等血液流通特性；流体通断开关K在打开时，该发明可以模拟人工心脏L辅助衰竭心脏工作时的血液流通特性。

在体外模拟循环实验中，打开静脉模拟装置I中的旋盖，以及顺应性模拟装置F的排气阀，使其模拟腔与大气相通，然后往静脉模拟装置I中加入甘油水溶液，当静脉模拟装置I中的浮块I5漂浮在滑槽I4标准位置时，证明所采用的甘油水溶液浓度达到实验标准，打开人工心脏L入口处的流体通断开关，控制左心房模拟装置B以及左心室模拟装置D的伺服滑台B4带动活塞头B7往复运动，流体自静脉模拟装置I流过单向阀M吸入左心房模拟装置B后流遍整个系统，待左心房模拟装置B、左心室模拟装置D、以及管道气体排干净后，通过流量检测单元H检测气泡达到实验标准维持循环系统稳定运作，完成液体灌注过程，复位左心房模拟装置B、左心室模拟装置D的活塞的位置，打开上位机控制和数据采集界面，将此时采集的数据作为基准数据。按照实际左心房、左心室容积—时间关系图，将其转换为电机的位置时间图，控制伺服滑台B4，使其分别按照计算所得的曲线进行运动，其中左心室心动周期中的收缩和舒张时间用伺服滑台B4进程和回程的时间来表示，根据不同患者心率时长统一调整为系统的一个心动周期，血管外周阻力单元G控制血管阻力大小，通过调节心率、收缩压、舒张压、顺应性以及外周阻力的值，使其分别与实际生理值接近。根据上位机设定的顺应性参数向顺应性模拟装置F充气或放气来改变模拟的顺应性值。在调节完循环系统后，通过数据采集卡获取压力传感器J1、J2和J3的数值以及流量检测单元H的数值，提取系统稳定时的数值，分别绘制左心室模拟器D在循环过程中的左心室压曲线图、主动脉压曲线图以及动脉流量曲线图。通过控制左心房模拟装置B和左心室模拟装置D就可以模拟人体健康以及心衰时的血流动力学特性。当研究人工心脏L辅助衰竭心脏工作时的血流动力学特性，首先按上述操作模拟出心衰患者心血管系统生理特征，然后打开流体通断开关K，接着打开人工心脏L控制系统，使人工心脏L稳定运行，并获得左心室压曲线图、主动脉压曲线图以及动脉流量曲线图。通过分析这些曲线图，可以获得人工心脏L辅助时的性能，进而继续优化人工心脏L结构及性能。

流量检测单元H也可以对人工心脏L辅助体外模拟循环系统工作时因空化而产生的气泡进行检测，并实时反馈给人工心脏L控制器，观测人工心脏L在不同工况下的空化特性，以便对人工心脏L的控制策略进行优化。

实验台支撑板A1用于安装上述体外模拟循环系统，实验台底板A2用于安装驱动体外模拟循环系统的控制部分。控制部分主要由电源、工控机、运动控制卡、伺服驱动器、人工心脏L控制器和信号收发单元组成。

相较于以往发明而言，本发明的左心房模拟装置B和左心室模拟装置D均采用活塞头B7外套橡胶塞B8的方式将左心房模拟装置B与左心室模拟装置D的腔体完全密封，形成一个容积可调的密闭腔，能够实现左心房模拟装置B与左心室模拟装置D的主动容积调控，复现不同生理状态下人体的左心房和左心室跳动过程容积变化规律，从而准确模拟人体心脏泵血的功能。考虑到左心房对人体左心室的收缩和舒张过程有很大的影响，左心房模拟装置B与左心室模拟装置D的配合运动才能得到比较接近真实的压力波形，从而实现体外模拟循环系统对人体复杂多变的生理特征的高效精准模拟，同时也为人工心脏L的开发提供了良好的性能测试平台。

Claims (6)

1.一种左心房可控式体外模拟循环系统，其特征在于：所述系统包括左心房模拟装置、二尖瓣模拟装置、左心室模拟装置、主动脉瓣模拟装置、顺应性模拟装置、血管外周阻力模拟单元和静脉模拟装置，并通过硅胶管道依次相连成模拟循环系统；人工心脏入口与左心室模拟装置相连，出口通过三通阀连接于左心室模拟装置和顺应性模拟装置之间的管路上；流体介质在左心室模拟装置和人工心脏的综合作用下泵入到顺应性模拟装置中；流量检测单元连接于血管外周阻力模拟单元和静脉模拟装置之间的管道上；压力传感器设置于人工心脏入口、出口以及主动脉瓣模拟装置出口的管道上；

所述左心房模拟装置与左心室模拟装置均为容积可调的密闭装置，包括安装架、心腔、压板、伺服滑台、滑台连接板、活塞轴、活塞头以及橡胶塞；心房腔下端设有进液口和出液口；压板通过四个角上的螺柱固定于安装架上；安装架安装在实验台支撑板上；伺服滑台通过滑台连接板固定在安装架上，并保证与实验台支撑板平面垂直；活塞头装配有橡胶塞，活塞头通过螺纹连接于活塞轴上并安装在伺服滑台上，安装保证活塞头的轴线与心腔轴线重合，并以过盈配合方式装配到心腔中用来调节心房容积，左心室模拟装置心腔下端设有进液口、人工心脏进液口以及出液口，三个接口在空间按照逆时针方向依次呈间隔90°分布；左心房模拟装置的连接方式与左心室模拟装置相同；

所述顺应性模拟装置包括激光测距传感器、端盖、进气管道、排气阀、浮片桶、浮片、外桶、宝塔接头和底座；激光测距传感器安装在端盖上方，端盖上方分别与进气管道和排气阀螺纹连接，端盖下方有小螺纹端和大螺纹端，浮片桶上端与端盖小螺纹端螺纹连接，端盖大螺纹端与外桶螺纹连接，浮片置于浮片桶内，外桶侧壁下端开有间隔为90°的3个通孔，2个通孔与宝塔接头卡扣连接并做密封处理，外桶安装在固定底座上；

所述静脉模拟装置整体呈柱状，分为上部盖板、下部腔体、旋盖、过滤器、滑槽、浮块和底座，盖板上部安装有旋盖，盖板与下部腔体密封连接，下部腔体开设进液口和出液口，滑槽中装有浮块并安装于静脉模拟装置内壁，过滤器安装于静脉模拟装置进液口外部并与入口管道相连，下部腔体安装在底座上，底座与实验台支撑板相连；

所述二尖瓣模拟装置与主动脉瓣模拟装置均包括入口法兰、人工瓣膜以及出口法兰，并通过螺钉螺母连接紧固；入口法兰与出口法兰连接管道端外径为30mm，人工瓣膜由软硅胶制成，根据人体瓣膜不同生理特征的模拟需求，其厚度可选0.5-1mm；人工二尖瓣和人工主动脉瓣分别为对开式和三开式结构，人工二尖瓣入口法兰和人工主动脉瓣入口法兰的支撑结构分别为二分网格式和三分扇叶式，二者出口法兰结构相同。

2.根据权利要求1所述的一种左心房可控式体外模拟循环系统，其特征在于：所述管道为食品级透明硅胶管，静脉模拟装置和左心房模拟装置、左心室模拟装置、顺应性模拟装置间的连接管道内径为30mm；顺应性模拟装置、血管外周阻力模拟单元、静脉模拟装置三者间的连接管道内径为12mm；管道通过套接方式连接，在安装完毕后管道整体具有密闭性，体外模拟循环系统整体呈无负压工作状态。

3.根据权利要求1所述的一种左心房可控式体外模拟循环系统，其特征在于：所述橡胶塞侧壁与心腔内壁间的涂层材料为液体石蜡。

4.根据权利要求1所述的一种左心房可控式体外模拟循环系统，其特征在于：所述流量检测单元包括循环系统流量与液体介质中气泡检测的模块。

5.根据权利要求1所述的一种左心房可控式体外模拟循环系统，其特征在于：所述人工心脏通过固定支架安装在实验台支撑板上，人工心脏入口处设有流体通断开关。

6.根据权利要求1所述的一种左心房可控式体外模拟循环系统，其特征在于：所述体外模拟循环系统为矩形框架结构，分为上层和下层；所述左心房模拟装置、二尖瓣模拟装置、左心室模拟装置、主动脉瓣模拟装置、顺应性模拟装置、血管外周阻力模拟单元、流量检测单元、静脉模拟装置和人工心脏均置于实验台支撑板上，实验台底板安装相应控制系统。

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