CN113925647A - 人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统及实验方法。属于医疗实验装备技术领域，尤其涉及对人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统技术的改进。所述模拟循环系统包括实验介质供给源、模拟静脉系统、模拟左心房、模拟左心室和模拟动脉系统，所述模拟左心室还设有脉动驱动装置，被测人工心脏瓣膜包括人工二尖瓣和人工主动脉瓣膜。本发明不仅能对人工心脏瓣膜进行临床前安全性和风险评估，而且在计算模型和流体仿真的验证中起着重要作用，为瓣膜的性能优化提供实验依据。体外循环脉动流模拟系统不单单只能评估人工心脏瓣膜的性能，同样对发展人工心脏、人工肺等心血管人工器官有重要的作用和意义。

Description

人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统及实验方法

技术领域

本发明属于医疗实验装备技术领域，尤其涉及对人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统技术的改进。

背景技术

随着人类寿命的延长和人口的老龄化，心衰、心脏瓣膜病等的发病率越来越高。由于没有有效的药物治疗，现将人体内植入人工心脏、人工心脏瓣膜等器械作为主要治疗手段，用来恢复正常的心血管输出和血流动力学性能。对人工心脏瓣膜血液动力学性能的评估一直是生物医学工程领域的重要课题，是开发和研制新型人工心脏瓣膜的主要工作之一，虽然各种不同的人工心脏瓣膜设计的目的都是尽可能在不产生副作用的情况下恢复患者的正常心血管功能，但是大多数人工瓣膜如全球使用最多的机械心脏瓣膜，因为在设计、材料和加工等方面的缺陷，至今未能达到理想的状态，仍然有好多不可避免的问题存在。

这些人工器械在被研发出来之后，在未测试前植入人体内具有一定的危险性，植入后又很难检测其血流动力学特性，部分研究者选择将其植入动物体内进行实验，但是动物毕竟不同于人体，存在个体差异性，所得实验结果相差较大且不可多次重复测试，不仅实验周期漫长，而且不能根据在动物体内的试验结果去改变人工心脏瓣膜的设计参数来进行优化改进以满足人体内需求，研究范围有限。在目前利用计算机进行模拟人体血液循环系统结果还不太完善的情况下，搭建一个体外循环脉动流模拟系统实验台就显得异常重要。理论上，只要血液循环模拟实验装置研制的合理可靠，能最大可能的跟人体生理相似，其实验结果就能准确反映出人工心脏瓣膜的血流动力学性能，但是大量实验证明，由于测试人工心脏瓣膜性能的实验装置的设计原理和结构的不同以及实验条件和实验过程中操作的不一致性，使得不同的实验装置在性能上有很大不同，同一个人工心脏瓣膜在不同的实验装置上测得的实验结果有明显差异，所以实验结果没有客观性和可比性，这一情况成为评估人工心脏瓣膜工作性能的一大弊端。

现有技术中，国内外研究者们关于人工心脏瓣膜性能测试设计出了不同的体外测试系统，Reul等研制了一种开创性的脉动流实验装置，如图13所示，模拟了心房、心室、升主动脉腔及外周动、静脉阻力系统，该脉动流实验装置实现了对人工心脏瓣膜性能的评估，避免了以往实验过程中产生的系统误差，其结果为改进和开发人造瓣膜提供了的基础。Yoshimasa等人用弹性乳胶制作心室弹性腔，在心室腔进出口分别安装单向阀模拟二尖瓣和主动脉瓣，并将其密封装进充满液体的腔体中。通过推板活塞往复运动有节奏的驱动左心室的收缩体积变化，从而模拟心室收缩和舒张，如图14所示。国内对体外系统实验的研究开始于席葆树等研制的人工心脏性能检测装置，其装置能较好模拟人体心脏系统参数的变化，如图15所示。四川大学的樊瑜波等研制出主要含有血液体循环的模拟实验系统，如图16所示，驱动系统通过活塞上下运动模拟心室做类似天然心脏收缩与舒张活动。

通过以上对现有技术的了解，可以看出，现有技术存在稳定性差，无法调节以适应不同生理状况。因此亟待开发出一种性能稳定、系统可调、适用于多种生理状况并能测试多种类型的人工心脏瓣膜的体外循环脉动流模拟系统装置。

发明内容

本发明针对以上技术问题，提供了一种能够在实验过程中，实时掌握实验数据，进而能够及时、便利地进行循环系统参数调节，以适应多种生理状况并能测试多种类型被测物的人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统及实验方法。

本发明的技术方案是：包括测控系统和模拟循环系统，所述模拟循环系统包括实验介质供给源、模拟静脉系统、模拟左心房、模拟左心室和模拟动脉系统，所述模拟左心室还设有脉动驱动装置，被测人工心脏瓣膜包括人工二尖瓣和人工主动脉瓣膜，

所述模拟动脉系统为包括具有顺应性腔室的动脉血管模拟腔、特征阻尼和外周阻尼，所述动脉血管模拟腔包括横置的圆柱形密封容器；

所述特征阻尼包括旋转杆、动环和定环，所述动环和定环上分别设有阻尼孔，所述动环枢接在所述定环内，所述动环的上端固定连接所述旋转杆；所述特征阻尼以垂直于水平面方向贯穿所述圆柱形密封容器，所述阻尼孔伸入到所述圆柱形密封容器的内腔，所述旋转杆的上端伸出所述圆柱形密封容器，

所述圆柱形密封容器的侧面设有开口，所述开口连通所述外周阻尼，

还包括主动脉顺应性装置，所述主动脉顺应性装置包括主动脉管、小方箱和小气容，所述主动脉管由弹性材料制成，所述主动脉管设置在一密闭的小方箱内，所述主动脉管的两端伸出所述小方箱，所述主动脉管的前端连接所述人工主动脉瓣膜，所述人工主动脉瓣膜前接所述模拟左心室，所述主动脉管的后端通过一连管伸出所述小方箱、连接所述特征阻尼的定环的入口；在所述小方箱上通过旁路气管连接有一小气容；在所述小方箱上还设有小方箱气压传感器，所述小方箱气压传感器连接所述测控系统。

所述模拟静脉系统包括容器和溢流筒，所述溢流筒设置在所述容器中间部位的底部，所述溢流筒的上缘高度按照溢流高度设定，在所述溢流筒外部的容器的底面上开设有实验介质出口和实验介质进口，所述实验介质进口连通所述实验介质供给源，所述实验介质出口连通所述模拟左心房。

在所述容器的顶部设有实验介质回流管孔；

所述外周阻尼通过管道连接有实验介质分流口和实验介质分流箱，所述实验介质分流箱设有回流箱和计量箱，

所述实验介质分流口将所述实验介质分流进所述实验介质分流箱的所述回流箱和计量箱；

所述回流箱连通所述实验介质回流管孔；

所述实验介质分流箱通过一计量装置连通所述实验介质供给源。

在所述溢流筒外部还设有挡板，所述挡板设于所述介质回流管孔的下方。

所述主动脉顺应性装置中还设有气囊，所述气囊连通所述旁路气管。

所述圆柱形密封容器的上部还设有气嘴和气压传感器。

本发明人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统的实验方法，包括以下步骤，

1)、系统启动，开启实验介质泵站，为系统输入实验介质；

2)、测控系统给脉动介质驱动电机发出工作指令，控制驱动电机按照设定的频率和行程驱动活塞做往复运动；

3)、数据采集；

4)、所采集的数据是否满足预设生理参数，

如是，进入下步骤，

如否，调节外周阻尼、特征阻尼及主动脉顺应性后，回步骤2)；

5)、保存数据及波形，完毕。

在所述步骤1)与步骤2)之间，还设有流量监测步骤，所述流量监测步骤为：在系统启动后，测控系统指令实验介质分流口切换分流方向，通过流量测量装置向实验介质泵站回流实验介质。

本发明相比于现有技术，一是增设了仿生的主动脉管，并将其设置在小方箱内，通过对小方箱内气压的调剂，实现对主动脉顺应性的调节，主动脉管的顺应性，对主动脉和左心室的压力以及流量大小的影响很大，所以，其顺应性在实验时必须能根据各种人工心脏瓣膜前后负荷的情况不同进行调节，这样才能保证得到更接近生理情况的压力和流量波形。

二是本发明创新性地设计了一种模拟动脉系统，不仅考虑了动脉系统的顺应性，还考虑动脉系统自身所需的储血能力，将模拟动脉系统设置为具有一定容积的密闭容器结构。系统运行时，腔体下半部分都是实验液体，上半部分是被密封的空气，当液面高度升高时，密闭空气受压，体积减小，此时通过气嘴向密闭空气加压，保证空气体积不变，当液面高度下降时，空气体积增大，此时通过气嘴释放空气，保证空气体积不变。这样就可以通过气嘴调节压力使液面处于不同高度，从而改变动脉血管的顺应性，使满足不同的生理状态。

三是在模拟动脉系统上还设置了外周阻尼和特征阻尼，使得动脉系统的血液惯性存在于连接管中。

本发明的技术方案是在充分考虑了血管顺应性和体循环阻力的条件下而搭建。能够极好地模拟人体血液循环系统中血流动力学相关特征，产生体外循环脉动流实验系统所需的液体压力及流量等参数，完成对人体真实生理环境的高度模拟，提高对人工心脏瓣膜测试结果的科学性和可靠性。整个系统可满足不同型号以及不同测试环境的人工机械心脏瓣膜的需求，不仅能对人工心脏瓣膜进行临床前安全性和风险评估，而且在计算模型和流体仿真的验证中起着重要作用，为瓣膜的性能优化提供实验依据。体外循环脉动流模拟系统不单单只能评估人工心脏瓣膜的性能，同样对发展人工心脏、人工肺等心血管人工器官有重要的作用和意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中动脉模拟系统的结构示意图，

图3是图2的左视图，

图4是图2的俯视图，

图5是本发明中特征阻尼的结构示意图，

图6是图5的俯视图，

图7是本发明中特征阻尼拆分状态的结构示意图，

图8是本发明中主动脉管顺应性结构的示意图，

图9是本发明中静脉系统的结构示意图，

图10是图9的俯视图，

图11是本发明系统构造框图，

图12是本发明的工作流程图，

图13是本发明背景技术示意图一，

图14是本发明背景技术示意图二，

图15是本发明背景技术示意图三，

图16是本发明背景技术示意图四；

图中：

1-实验介质泵站，11-进液管，12-溢流回液管，13-流量测量装置，

2-脉动介质驱动电机，21-活塞，22-左心室透明腔体，

3-模拟左心室，31-主动脉管，310-连管，311-小方箱，312-小气容，313-气囊，

4-模拟左心房，

51-人工二尖瓣，52-人工主动脉瓣膜，

6-模拟动脉系统，60-动脉血管模拟腔，601-特征阻尼接口，602-特征阻尼调节杆出口，603-外周阻尼连通口，

61-外周阻尼，

62-特征阻尼，621-旋转杆，622-动环，6221-动环阻尼孔，623-定环，6231-定环阻尼孔，624-限位螺钉，

7-模拟静脉系统，71-溢流筒，711-挡板，72-实验介质回流管孔，73-实验介质出口，74-溢流口，75-实验介质进口，

8-实验介质分流口，81-实验介质分流箱。

具体实施方式

人体血液循环系统是由心脏、动脉、毛细血管及静脉组成的一个封闭运输系统，包括体循环和肺循环，血管错综复杂，如果要完整的模拟出来，难度较大，为了既可以评估人工心脏瓣膜的工作性能，又可以方便的开发出体外循环脉动流模拟系统，本发明对体外循环脉动流模拟系统做了简化，重点模拟的是人体体循环系统回路，以适应人工心脏瓣膜体外循环脉动流模拟系统的设计，要求其尽可能的贴近真实人体体循环的主要生理参数，主要模拟心率、每搏输出量、心排量、左心室压、动脉压、主动脉顺应性、体循环阻力等生理参数。

本发明测试系统的被测物为机械心脏瓣膜，是使用金属如钛合金、不锈钢，或低温热解碳、高分子材料等制作，按机械原理设计加工制成，具有单向阀血流功能，可代替已病损、丧失功能的原有人体心脏瓣膜功能的器件。机械心脏瓣膜功能与人体心脏瓣膜一样，阻止血液从主动脉管反流回左心室中，它有两个蝴蝶形状的刚性叶片，可以在正向和反向流动中打开和关闭。本发明以下实施例所用的机械心脏瓣膜是由兰州兰飞医疗器械有限公司生产的，尺寸齐全，如表1。

表1：

规格	内径	外径	高度
				DM210703001	19	23	8
DM210704011	21	25	8
				DM210710002	23	31	9
DM210711001	25	33	9

为了在实验中能清楚的观察到瓣膜的开合状态，安装瓣膜处被特意设计了一连接组件，连接组件由卡套和压套组成，把瓣膜紧紧地固定连接件中，卡套底部设计了一个小凸台，这样就把机械心脏瓣膜的瓣叶推到视野之下，便于观察瓣叶运动。通过沉头螺母将连接件固定在放置左心室的透明腔体上，因为二尖瓣跟左心房跟左心室连接，主动瓣膜又连接着左心室跟主动脉，所以安装机械心脏瓣膜的连接件上面都设计了凹槽，便于绑扎硅胶材料的左心室、左心房跟主动脉，使结构紧凑，减少过流损失，所有连接处均设计了密封圈凹槽，避免液体泄漏。不同尺寸的机械心脏瓣膜定制了相应尺寸的安装件，换装瓣膜时将组建整体取下来，换装好瓣膜后，将整体再装回实验台，迅速方便。

下面结合附图1-12进一步说明本发明。

本发明包括测控系统和模拟循环系统，模拟循环系统包括实验介质供给源、模拟静脉系统7、模拟左心房4、模拟左心室3和模拟动脉系统6，模拟左心室3还设有脉动驱动装置，脉动驱动装置包括脉动介质驱动电机2和活塞21，被测人工心脏瓣膜包括人工二尖瓣51和人工主动脉瓣膜52，

模拟左心室3主要是模拟自然心室的泵血功能，产生脉动血流，其主要的一个性能指标是心搏量，即在每个心动周期内心室向外射血的流量。本发明的模拟左心室3的驱动方式为电机驱动，具有控制简单，参数调节方便和精准度高等优点。

实验所用模拟左心室3由透明硅胶材料制成，形状大小跟正常人体相似，为了使模拟左心室3的运动与人体相似，采用液体加压均匀涨缩的办法，将模拟左心室3模型放置于密闭的有机玻璃腔即左心室透明腔体22内，形状呈截角的不规则矩形，便于安装硅胶模型，同时避免摄像时的影像畸变，腔内充满蒸馏水，在测控系统的上位机上生成与生理血流脉动一致的驱动波形给直线电机即脉动介质驱动电机2，进而驱动活塞21做上下往复运动，通过活塞21运动挤压有机玻璃腔内的水，从而改变模拟左心室3容积，模拟心脏收缩或舒张。由于透明硅胶具有弹性，所以模拟左心室3在收缩的时候可以模拟人体左心室的顺应性。

本发明的模拟左心室3通过人工主动脉瓣膜52与主动脉管31相连，通过人工二尖瓣51与左心房4相连，同时还要通过活塞21运动进行增压和减压来模拟心脏泵血，所以放置模拟左心室3的密闭透明有机玻璃腔被设计成上面、下面以及侧面开孔的不规则腔体，如图1中所示。上面板上的大孔用于安装人工主动脉瓣膜52(设于腔室外部)、小孔用于安装压力传感器(图中示为一个小方框、未作标记)，侧面的孔用于安装人工二尖瓣51(设于腔室内部)，同时在此处安装左心室硅胶模型(即模拟左心室3)，下面板上的孔跟活塞21连接，侧面设计了固定支架，用于将透明腔体固定在实验台架子上，所有连接处均设有密封圈保证密封。

模拟动脉系统6为包括具有顺应性腔室的动脉血管模拟腔60、特征阻尼62和外周阻尼61，动脉血管模拟腔60包括横置的圆柱形密封容器(两侧端盖未示出)。圆柱形密封容器上、下分别设有特征阻尼调节杆出口602和特征阻尼接口601。特征阻尼62由特征阻尼接口601伸入、特征阻尼调节杆出口602伸出。

特征阻尼62包括旋转杆621、动环622和定环623，动环622和定环623上分别设有阻尼孔，动环622枢接在定环623内，动环622的上端固定连接旋转杆621；特征阻尼62以垂直于水平面方向贯穿圆柱形密封容器，阻尼孔伸入到圆柱形密封容器的内腔，旋转杆621的上端伸出圆柱形密封容器，

动环622和定环623上分别设有动环阻尼孔6221和定环阻尼孔6231，动环622枢接在定环623内，动环阻尼孔6221和定环阻尼孔6231位于同一高度上，动环622底部还设有一圈限位螺钉624用于动环622与定环623枢接时的限位，旋转杆621的上端伸出部分用于对旋转杆621进行旋转调节，以改变动环622和定环623上阻尼孔的开合量。

圆柱形密封容器的侧面设有开口，开口连通外周阻尼61，在圆柱形密封容器容置特征阻尼62位置的侧面设有外周阻尼连通口603，外周阻尼连通口603连通外周阻尼61，外周阻尼61为流量阀构造，用于控制圆柱形密封容器腔体内液态介质的输出流量。

动脉是连接心室的血管及其分支，能将血液输送到器官和组织中去，其管壁主要由弹性纤维构成，所以又叫弹性动脉。动脉血管的弹性又称动脉血管顺应性，是指血液在主动脉的流动过程中由于压力的变化进而引起的血管容积的变化，它取决于动脉管径的大小以及动脉管壁的硬度，是动脉血管舒张功能的表现。因为主动脉以及大动脉管壁具有弹性，所以当左心室收缩时血管中的血压不会过高，当心室舒张时血管中的血流不会中断，主动脉及大动脉管壁的弹性作用使得血液流动平稳且持续不断，有缓冲血流的作用。

美国弗吉尼亚大学Liu等人曾提出利用密闭空气的压缩性来模拟动脉血管顺应性^[19]，其计算公式：

其中，C是密闭容器的顺应性，V_c是密闭容器的体积，A_c是密闭容器的底面积，V_a是密闭空气的体积，V_f是液体体积，P_f是液体压力，P_a是空气压力，h_f是液面高度。

公式(1)是以密闭空气的容积不变为假设前提的，但是在实际应用中由于心脏跳动时引起的动脉压力变化较大，进而用于模拟动脉顺应性的密闭气体体积也变化较大，跟假设相悖，所以应用公式(1)为原理设计的动脉血管顺应性模拟装置的理论值跟实际值相差较大。

关于动脉血管顺应性，Windkessel理论是分析血液在动脉中流动的一种非常近似的模型，可以表达出动脉血管中血液流动的部分特性，理论中将主动脉及大动脉近似为弹性腔，认为弹性腔内只要有一处地方的压力发生变化，整个腔体内压力都会跟着变化，而且腔体内的流量和压力都是时间的函数。

本发明设计的用于模拟动脉血管顺应性的腔体，设计原理就是基于Windkessel弹性腔模型以及Bowles的理论分析模型，得出密闭气体初始容积、生理状态下的平均主动脉压和主动脉顺应性之间的关系：

V₀＝X(P₁+p₂)n (2)

式中，V₀是密闭气体的初始容积，X是生理状态下的主动脉顺应性值，P₁是生理状态下的平均主动脉压，P₂是大气压强，n＝1，为气体常量。根据人体不同生理状态下的平均主动脉压以及主动脉顺应性，就能推算出所需密闭气体的体积大小。

人体动脉系统除了具有顺应性外，还具有一定的储血能力，所以设计的动脉系统顺应性腔是一个直径130mm，长500mm，两端密封的圆柱形容器，如图2-4所示，腔体侧面有两个开口，其中垂直方向的开口是过圆心的，底下连接主动脉管，水平方向的开口是偏心的，连接的是过流管道，腔体上部还设置了一个气嘴，用来调节腔体内的压力(图中未示出)。系统运行时，腔体下半部分都是实验液体，上半部分是被密封的空气，当液面高度升高时，密闭空气受压，体积减小，此时通过气嘴向密闭空气加压，保证空气体积不变，当液面高度下降时，空气体积增大，此时通过气嘴释放空气，保证空气体积不变。这样就可以通过气嘴调节压力使液面处于不同高度，从而改变动脉血管的顺应性，使满足不同的生理状态。

动脉血管除了具有顺应性，同时还具有一定的阻力和惯性，动脉系统的血液惯性存在于连接管中，所以本发明设计中不进行特意模拟。动脉血管阻力主要减缓血流的脉搏量，本发明中用一个特征阻尼62来模拟动脉血管阻力，特征阻尼62是一个可调的流阻器，主要由动环622和定环623组成，如图7所示，动环622固定不动，通过在外部转动旋转杆621带动动环622运动，从而改变阻尼孔的过流面积，进而调节动脉系统的阻力。

人体体循环过程中的血流阻力叫作体循环阻力，主要是由血液流动时其内部的摩擦阻力以及血流与血管壁之间的摩擦力造成的，对血流量及血压有重要的影响。本发明中设计的外周阻尼61是用来模拟体循环阻力的，主要是人体小动脉和毛细血管的外周阻力。早期的体外循环装置大多采用开关阀来模拟血管阻力，开关阀虽然操作简单，价格低，但是无法进行线性的调节阻力值且灵敏度差。还有部分装置采用节流阀来模拟血管阻力，但是通常工业上所用的节流阀压力等级都以MPa为单位，而人体中最大压力才200mmHg，模拟精准度差，而且工业上用的节流阀一般由金属制成，在体外循环模拟系统中不方便使用。

不同的人在不同的生理状态下的血管阻力不同，同样在体外循环脉动流模拟系统中需要根据不同的生理状态调节外周阻力值，且要求外周阻力模拟器具有较好的灵敏度。所以在设计外周阻尼的时候不仅要考虑可调节性，还要考虑灵敏度和线性度，可调节性是指外周阻尼可以根据所需的阻力值进行调节，灵敏度是指阻尼的压力跟流量变化的线性关系，线性度是指阀芯位移和过流面积的线性关系。

本发明设计的外周阻尼61也是依据节流阀的原理，其主体由阀芯和阀体组成，阀芯是螺杆挡板式的，可以通过旋转螺纹杆而带动阀芯左右移动。外周阻尼的节流口由阀体中的通孔和阀芯形成，通过移动阀芯的位置，改变过流口的面积，就可以调节外周阻力的大小。为了实验时更加方便，对阀芯的位置进行标定，使其实现在一定的位置能达到所需的阻力值，可以通过公式(3)计算：

其中，R是体循环阻力，P_a是动脉压力，P_s是静脉压力，CO是心排量。

还包括主动脉顺应性装置，主动脉顺应性装置包括主动脉管31、小方箱311和小气容312，主动脉管31由弹性材料制成，主动脉管31设置在一密闭的小方箱311内，主动脉管31的两端伸出小方箱311，主动脉管31的前端连接人工主动脉瓣膜52，人工主动脉瓣膜52前接模拟左心室3，主动脉管31的后端通过一连管310伸出小方箱311、连接特征阻尼62的定环623的入口；在小方箱311上通过旁路气管连接有一小气容312，用于调控小方箱311内的气压；在小方箱311上还设有小方箱气压传感器(图中示出，未标记，为图1中小方箱右上角的一个凸出物)，小方箱气压传感器连接测控系统。

主动脉顺应性装置中还设有气囊313，气囊313连通旁路气管。旁路气管的端头还连接有气囊313，气囊313的出口处还设有调节阀，用于控制小气容312内气体的含量。

主动脉段连接着主动脉瓣，是人体中最粗的动脉管，是向全身各处输送血液的必经之路，其根部包含主动脉窦，与左心室一样，为保证相似性，本发明所用主动脉段同样用透明硅胶材料制成，形状大小跟正常人体相似。主动脉管的顺应性，对主动脉和左心室的压力以及流量大小的影响很大，所以，其顺应性在实验时必须能根据各种人工心脏瓣膜前后负荷的情况不同进行调节，这样才能保证得到更接近生理情况的压力和流量波形。

本发明采用密封气体的方法，通过调解气体在密闭腔内占有的体积来模拟主动脉的顺应性。首先将主动脉管31密封在一个小方箱311中，并通过一段细管道(流阻)与另一圆柱形密闭空腔(即小气容312)相接，密闭空腔再与三通球阀相接，连接各处保证密封。利用小型充气球(即气囊313)充气，通过控制三通球阀的开关来控制腔体(即小气容312)内的空气含量，从而控制主动脉的粘弹性性能。在主动脉段所在的密闭腔(小方箱311)中充入一定数量的水，并用压力传感器实时监测小方箱中的压力，这样主动脉血管壁外的压力就由密闭空腔(小方箱311腔)中的空气弹性决定了。

为了换装人工心脏瓣膜操作方便，并且保证换装瓣膜后，主动脉段的性能参数不变，将各种规格的主动脉管和小方箱分别做成整体，等换装好瓣膜后，将整体组装到实验台上，简单方便。

模拟静脉系统7包括容器和溢流筒71，溢流筒71设置在容器中间部位的底部，溢流筒71的上缘高度按照溢流高度设定，在溢流筒71外部的容器的底面上开设有实验介质出口73和实验介质进口75，实验介质进口75连通实验介质供给源，实验介质供给源即实验介质泵站1，通过进液管11连接实验介质泵站1与实验介质进口75，用于接收系统实验介质进入循环，实验介质出口73连通模拟左心房4，用于往模拟左心房4内重力灌注实验介质，其灌注压力则可根据前述系统要求设计溢流高度来实现。

在容器的顶部设有实验介质回流管孔72；

在溢流筒71外部还设有挡板711，挡板711设于介质回流管孔的下方。

人体静脉系统的主要作用是储存血液且保证血液流通，能储存大约3.5L-4L的血液。同时静脉系统的压力很小，在3-10mmHg范围之内，大概相当于10cm水柱高的压强，所以本设计采用了敞口的圆柱形筒进行模拟静脉系统7，具有无穷的顺应性。

圆柱形筒的盖板上还设有温度传感器(图中未示出)，温度传感器孔的安装确保流入左心室中的溶液温度保持在37℃左右。在溢流筒71底部还开设有一个溢流口74，溢流口74通过溢流回液管12连通实验介质泵站1，溢流筒71高10cm，溢流筒71侧面还设有挡板711起缓冲作用，实验时离心式小水泵将液体通过进液管11泵到静脉系统中，当液体高达10cm时，多余的液体再通过溢流回液管12流回实验介质泵站1中，这样的设计能保证静脉系统的储液容积保持在4L不变，满足生理状态下静脉系统的容积和压强。

外周阻尼61通过管道连接有实验介质分流口8和实验介质分流箱81，实验介质分流箱81设有回流箱和计量箱，

实验介质分流口8将实验介质分流进实验介质分流箱81的回流箱和计量箱；

回流箱连通实验介质回流管孔72；

实验介质分流箱81通过一计量装置连通实验介质供给源。

模拟动脉系统6内的实验介质通过外周阻尼61流出，并经过外部管道由实验介质分流口8进入实验介质分流箱81的回流箱和计量箱，控制实验介质分流口8开口方向来选择将实验介质导流至回流箱或计量箱，实验介质经回流箱连通实验介质回流管孔72可返流至模拟静脉系统内7，实验介质经计量箱即流量测量装置13可返回进入实验介质泵站1，此时流量测量装置13计量返流的实验介质流量。

本发明的实验方法，包括以下步骤，

1)、系统启动，开启实验介质泵站1，为系统输入实验介质；测控系统包括上位机，具备发出控制信号和信号采集，测控系统处控制供电电源开启，控制实验介质泵站1启动为模拟静脉系统7注入实验介质，开始模拟人体血液循环，模拟静脉系统7内实验介质流经模拟左心房4，并通过人工二尖瓣51进入模拟左心室3，然后进行下一步骤。

2)、测控系统给脉动介质驱动电机发出工作指令，控制驱动电机按照设定的频率和行程驱动活塞做往复运动；此处模拟人体心脏脉动，通过脉动介质驱动电机2控制活塞21上下活动来使模拟左心室3收放，而将实验介质不断地经人工主动脉瓣膜52输送至主动脉管31，然后通过模拟动脉系统6的外周阻尼61流出，进入实验介质分流箱81的回流箱，返回进入模拟静脉系统7。

3)、数据采集；测控系统采集模拟左心室3和主动脉管31处的压力、主动脉管31处的流量、脉动介质驱动电机2动子的位移、模拟静脉系统7腔内的温度。

4)、所采集的数据是否满足预设生理参数，

如是，进入下步骤，

如否，调节外周阻尼、特征阻尼及主动脉顺应性(即小气容内气体压力)后，回步骤2)；5)、保存数据及波形，完毕。

在步骤1)与步骤2)之间，还设有流量监测步骤，流量监测步骤为：在系统启动后，测控系统指令实验介质分流口切换分流方向，通过流量测量装置向实验介质泵站回流实验介质。通过实验介质分流箱81的计量箱进入流量测量装置13，由流量测量装置13检测主动脉管31处的流量，最终由流量测量装置13回流至实验介质泵站1。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统，包括测控系统和模拟循环系统，所述模拟循环系统包括实验介质供给源、模拟静脉系统、模拟左心房、模拟左心室和模拟动脉系统，所述模拟左心室还设有脉动驱动装置，被测人工心脏瓣膜包括人工二尖瓣和人工主动脉瓣膜，

其特征在于，所述模拟动脉系统为包括具有顺应性腔室的动脉血管模拟腔、特征阻尼和外周阻尼，所述动脉血管模拟腔包括横置的圆柱形密封容器；

所述特征阻尼包括旋转杆、动环和定环，所述动环和定环上分别设有阻尼孔，所述动环枢接在所述定环内，所述动环的上端固定连接所述旋转杆；所述特征阻尼以垂直于水平面方向贯穿所述圆柱形密封容器，所述阻尼孔伸入到所述圆柱形密封容器的内腔，所述旋转杆的上端伸出所述圆柱形密封容器，

所述圆柱形密封容器的侧面设有开口，所述开口连通所述外周阻尼，

还包括主动脉顺应性装置，所述主动脉顺应性装置包括主动脉管、小方箱和小气容，所述主动脉管由弹性材料制成，所述主动脉管设置在一密闭的小方箱内，所述主动脉管的两端伸出所述小方箱，所述主动脉管的前端连接所述人工主动脉瓣膜，所述人工主动脉瓣膜前接所述模拟左心室，所述主动脉管的后端通过一连管伸出所述小方箱、连接所述特征阻尼的定环的入口；在所述小方箱上通过旁路气管连接有一小气容；在所述小方箱上还设有小方箱气压传感器，所述小方箱气压传感器连接所述测控系统。

2.根据权利要求1所述的人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统，其特征在于，所述模拟静脉系统包括容器和溢流筒，所述溢流筒设置在所述容器中间部位的底部，所述溢流筒的上缘高度按照溢流高度设定，在所述溢流筒外部的容器的底面上开设有实验介质出口和实验介质进口，所述实验介质进口连通所述实验介质供给源，所述实验介质出口连通所述模拟左心房。

3.根据权利要求2所述的人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统，其特征在于，在所述容器的顶部设有实验介质回流管孔；

所述外周阻尼通过管道连接有实验介质分流口和实验介质分流箱，所述实验介质分流箱设有回流箱和计量箱，

所述实验介质分流口将所述实验介质分流进所述实验介质分流箱的所述回流箱和计量箱；

所述回流箱连通所述实验介质回流管孔；

所述实验介质分流箱通过一计量装置连通所述实验介质供给源。

4.根据权利要求3所述的人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统，其特征在于，在所述溢流筒外部还设有挡板，所述挡板设于所述介质回流管孔的下方。

5.根据权利要求1所述的人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统，其特征在于，所述主动脉顺应性装置中还设有气囊，所述气囊连通所述旁路气管。

6.根据权利要求1所述的人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统，其特征在于，所述圆柱形密封容器的上部还设有气嘴和气压传感器。

7.权利要求1所述人工心脏瓣膜体外循环脉动流实验系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤，

1)、系统启动，开启实验介质泵站，为系统输入实验介质；

2)、测控系统给脉动介质驱动电机发出工作指令，控制驱动电机按照设定的频率和行程驱动活塞做往复运动；

3)、数据采集；

4)、所采集的数据是否满足预设生理参数，

如是，进入下步骤，

如否，调节外周阻尼、特征阻尼及主动脉顺应性后，回步骤2)；

5)、保存数据及波形，完毕。

8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，在所述步骤1)与步骤2)之间，还设有流量监测步骤，所述流量监测步骤为：在系统启动后，测控系统指令实验介质分流口切换分流方向，通过流量测量装置向实验介质泵站回流实验介质。

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