CN114005344B - 一种多功能组合式模拟循环实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能组合式模拟循环实验台，属于生物医学领域，包括含有左右心室、心房的心脏模型、含有血管顺应性和阻力的体、肺循环模型、心室搏动模型和实验台底座。多功能模拟循环实验台通过对各模型的设计能够有效解决传统模拟循环实验台用途单一，无法定量控制心室舒张和收缩的程度，并考虑心脏frank‑starling机制问题，同时还可实现不同生理状况下单心、双心辅助装置以及全人工心脏的血流动力学实验，以及为心脏瓣膜、ECMO以及人工心肺机系统的血泵提供测试平台。

Description

一种多功能组合式模拟循环实验台

技术领域

本发明属于生物医学心室辅助装置实验技术领域，具体涉及一种多功能组合式模拟循环实验台。

背景技术

近年来，心力衰竭患者在老年人群中发病率日益增加，已成为威胁人类生活质量甚至导致人类死亡的主要原因之一。重症心衰患者在供体缺乏的情况下，可根据心衰的类型和程度选择接受左心室辅助装置、右心室辅助装置、双心辅助装置或全人工心脏作为治疗手段或心脏移植的过渡。

研制和生产心室辅助装置和全人工心脏的过程中，模拟循环实验台是在进行动物实验和临床实验前评价装置血液动力学的重要工具。目前的模拟循环实验台存在着只能针对单一辅助装置进行性能测试，无法满足多类型辅助装置的实验要求。在自然心脏中，Frank-starling机制是心室肌的固有特性，即能够根据静脉回流的变化改变其收缩力，从而改变每搏输出量。而现有的模拟循环实验台没有考虑虑自然心脏固有的frank-starling的生理机制，也无法精确控制心室舒张和收缩的程度。所以能否模拟这个机制，直接影响体外研究中收集的实验数据的有效性、精确度和准确性。

本专利提出了一种多功能组合式模拟循环实验台，以符合生理特点，并能实验多功能的模拟循环实验台的要求。该专利可以通过组合的方式，实现不同类型的辅助装置和全人工心脏的性能评价，还为心脏瓣膜、ECMO以及人工心肺机系统的血泵提供测试平台。

发明内容

本发明基于上述技术的不足之处，发明了一种能够体现心脏frank-starling机制，精准控制心室舒张与收缩程度的模拟循环实验台，可为多类型的辅助装置提供血液动力学测试平台。

本发明技术方案如下：

一种多功能组合式模拟循环实验台，包括：心室起搏器(1)、升降台(2)、动、静脉回流槽(3)、体、肺循环阻尼器(4)、心室心房模型(5)，流量、压力采集、处理设备；所述心室起搏器(1)与心室心房模型(5)连接，所述动、静脉回流槽(3)和体、肺循环阻尼器(4)置于升降台(2)上，所述动、静脉回流槽(3)与心室心房模型(5)上端一侧圆柱连接，所述体、肺循环阻尼器(4)与心室心房模型(5)上端另一侧圆柱连接，所述流量、压力采集、处理设备用于采集心室、动脉压力和动脉、心脏泵流量；所述的心室起搏器(1)包括步进电机(1-1)、联轴器(1-2)、丝杆(1-3)、缓震垫(1-4)、支撑铝板(1-5)、气缸(1-6)、节流阀(1-7)；步进电机(1-1)通过联轴器(1-2)与丝杆(1-3)相连，步进电机(1-1)转动带动丝杆(1-3)，丝杆(1-3)带动相连铝板从而带动气缸(1-6)往复运动，节流阀(1-7)通过螺纹宝塔转换头连接管子再与心室腔连接，支撑铝板(1-5)由一块大板和三块小板组成，大板作为底座，小板用于支撑气缸(1-6)，大板底部四周设有缓震垫(1-4)；所述心室心房模型(5)包括定制L型管(5-1)、心室腔(5-2)、心室(5-3)、气阀(5-4)、心脏瓣膜(5-5)、伸缩管(5-6)、心房(5-7)；L型管(5-1)外圆柱体接通压力传感器来测量心室压，或者L型管(5-1)外圆柱体与上部三通连接心脏泵入口；心室(5-3)置于心室腔(5-2)内，心室(5-3)前端对应的圆柱口通过硬管与心室起搏器(1)相连；心室(5-3)上端进口和出口穿过盖子上的圆柱和伸缩管(5-6)连接，心室(5-3)出口的一端连通至心房(5-7)，心房(5-7)和动、静脉回流槽(3)连接；心室(5-3)进口的一端连通至心脏泵出口；心室腔(5-2)上部是一个法兰结构，腔体与上部盖子中间加入一层硅胶垫来防止漏气；气阀(5-4)通过开关来控制心室腔(5-2)中的压力以及用来装入腔体填充物；心脏瓣膜(5-5)设置在伸缩管(5-6)内，通过一个卡扣结构来固定；伸缩管(5-6)可以控制自身长度来适应升降台(2)的高度改变；心房(5-7)与动、静脉回流槽(3)相连。

进一步，所述动、静脉回流槽(3)、体、肺循环阻尼器(4)、心室心房模型(5)主体部分材质为亚克力有机玻璃。

进一步，所述心室(5-3)与心房(5-7)是根据真实心脏注模定制，心脏瓣膜(5-5)为人工机械瓣膜。

进一步，肺循环阻尼器(4)中，阻尼器4-1顶部连接阀门4-2、抽气泵4-5和空气压力表4-6，阻尼器4-1一侧的螺纹宝塔头4-3通过橡胶管和动、静脉回流槽3的硬管一端连接，动、静脉回流槽3的硬管的中段设有刻度阀4-4，用于指示阻力；动、静脉回流槽3的硬管的另一端通过橡胶管连接动、静脉回流槽3；实验时阀门4-2关闭来稳定阻尼器压力，用抽气泵4-5控制液面高度，读取空气压力表数值，算出顺应性值。

进一步，根据权利要求4所述的多功能组合式模拟循环实验台，其特征在于，所述的橡胶管连接处都有卡箍加固。

进一步，所述的伸缩管(5-6)是材质为PP聚乙烯带有螺旋钢丝。

进一步，所述流量、压力采集、处理设备为超声波流量传感器、压力传感器

所述的动、静脉回流槽、体、肺循环阻尼器、心室心房模型材质为亚克力有机玻璃。

所述的心室心房模型中心室与心房是根据真实心脏模型注模制成，其材质为硅胶，心脏瓣膜用机械人工瓣膜。

所述的动、静脉回流槽和体、肺循环阻尼器中顺应性阻尼器顶部连接阀门，具有良好的气密性；全身阻力装置采用刻度阀，指示阻力大小。

所述的亚克力与橡胶管通过螺纹宝塔的转换头连接，转换头螺纹侧涂抹环氧树脂和亚克力粘合。

所述的橡胶管连接处都有卡箍加固。

所述的橡胶管的内径为25mm,外径为31mm。

所述的橡胶管必须选用透明的，以便于流量计探头采集的准确。

所述的流量、压力采集设备用于采集心室、动脉压力和动脉、辅助装置流量，步进电机驱动设备用于驱动心室起搏器。

所述的流量、压力数据处理设备和步进电机驱动设备采用stm32。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明所述的模拟心脏循环回路的模拟循环实验台，具备心脏循环的特点，可以实现不同生理状况下单心、双心的血流动力学实验，以及为心脏瓣膜、ECMO和人工心肺机系统的血泵、全人工心脏提供测试平台，能在动物试验之前提供有价值的设备性能反馈。

2.本发明所述的心室与心房是根据真实模型注模制成，可以有效模拟心室、心房的变化。

3.本发明所述的心脏起搏器通过步进电机、丝杆和气缸组成的联动装置，利用步进电机驱动器的高细分可以精准控制心室的收缩和舒张程度，同时可以独立或联合控制改变心率和每搏输出量，来模拟不同的生理、病理情况。

4.本发明所述的模拟循环实验台可以通过伸缩管和升降台的联动来控制顺应性室和静脉回流槽的高度，改变静脉回流量以及通过刻度阀来改变全身阻力来体现心脏的frank-starling机制。

5.本发明所述的模拟循环实验台易于拆卸和组装。

附图说明

图1为多功能组合式模拟循环实验台示意图

图2为心室起搏器示意图

图3为心室心房模型主视图

图4为回流槽阻尼器连接示意图

图5为升降台示意图

图6为瓣膜固定结构示意图

附图标记说明：

1心室起搏器；2升降台；3动、静脉回流槽；4体、肺循环阻尼器；5心室心房模型；1-1步进电机；1-2联轴器；1-3丝杆；1-4缓震垫；1-5支撑铝板；1-6气缸；1-7节流阀；2-1底座；2-2手柄；2-3金属支架；2-4承载板；4-1阻尼器；4-2阀门；4-3转换头；4-4刻度阀；4-5抽气泵；4-6空气压力表；5-1L型管；5-2心室腔；5-3心室；5-4气阀；5-5心脏瓣膜；5-6伸缩管；5-7心房。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征以及具体的检测方法，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种多功能组合式模拟循环实验台。

如图1所示该实验台包括心室起搏器1、升降台2、动、静脉回流槽3、体、肺循环阻尼器4、心室心房模型5。心室起搏器1的阀门接上带有环氧树脂的转换头连接硬橡胶管再与心室心房模型连接，动、静脉回流槽3和体、肺循环阻尼器4置于升降台2上，动、静脉回流槽3与心室心房模型的心房连接，体、肺循环阻尼器4与心室心房模型5上端的直角管连接。

如图2所示该心室起搏器1包括步进电机1-1、联轴器1-2、丝杆1-3、缓震垫1-4、支撑铝板1-5、气缸1-6、节流阀1-7；步进电机1-1通过联轴器与丝杆1-3相连，步进电机1-1转动带动丝杆1-3，丝杆1-3带动相连铝板从而带动气缸1-6往复运动，节流阀1-7通过螺纹宝塔转换头连接管子再与心室腔连接，气缸1-6通过脚架固定在支撑铝板1-5上，步进电机1-1通过电机固定座固定在支撑铝板1-5上，缓震垫1-4通过螺纹结构与支撑铝板1-5连接。

如图3所示该心室心房模型包括定制L型管5-1、心室腔5-2、心室5-3、气阀5-4、心脏瓣膜5-5、伸缩管5-6、心房5-7；L型管5-1上端用于连接心室5-3，下端与外侧圆柱体连接，便于测量压心室压和连接心室辅助装置；心室5-3对应的圆柱口通过硬管与心室起搏器1相连；心室腔5-2上部是一个法兰结构，通过12个螺丝螺母来固定密封，腔体与上部盖子中间加入一层硅胶垫来防止漏气；气阀5-4通过开关来控制心室腔5-2中的压力以及用来装入腔体填充物；心脏瓣膜5-5通过一个卡扣结构固定；伸缩管5-6可以控制自身长度来适应升降台2的高度改变；心房5-7与动、静脉回流槽3相连。

如图4所示该回流槽阻尼器模型中阻尼器4-1顶部连接阀门4-2、抽气泵4-5和空气压力表4-6，阻尼器4-1一侧的螺纹宝塔头4-3通过硅胶管和动、静脉回流槽连接，实验时阀门4-2关闭来稳定阻尼器压力，用抽气泵4-5控制液面高度，读取空气压力表数值，算出顺应性值。

全身阻力装置是一个刻度阀4-4，实验中拨到不同的位置来模拟不同的生理情况，能指示阻力大小。

如图5所示该升降台2由底座2-1、手柄2-2、金属支架2-3、承载板构成2-4可以通过旋转手柄2-2带动金属支架2-3移动控制自身高和伸缩管进行联动调整。

如图6所示为心脏瓣膜的固定结构设计，是一个卡扣的结构将瓣膜固定，并且方便瓣膜的取换。

所示的整个模拟循环实验台的循环液体为体积比40％的甘油水溶液，该水溶液粘度和密度与血液非常相近，使整个实验台的工作条件更接近于真实心脏。

2.所述的动、静脉回流槽、体、肺循环阻尼器、心室心房模型材质为亚克力有机玻璃。所述的亚克力与橡胶管通过螺纹宝塔头的转换头连接，转换头螺纹侧涂抹环氧树脂和亚克力粘合，气密性良好。

所述的心室心房模型中心室与心房是根据真实心脏注模定制，心脏瓣膜采用人工机械瓣膜。

所述的步进电机驱动设备使用stm32控制板连接步进电机驱动器，通过改变程序中的起跳频率，定时器时钟频率，自动重装载值以及步进电机驱动器的细分数，来得到不同的心率和每搏输出量，模拟人体心脏不同的状态。

所述的压力检测设备压力传感器可连接在心室心房模型5中的三通上，在三通上打孔与医疗三通连接，中间接有转换头；压力传感器接上鲁尔金属转换头和医疗三通相连，来测量动脉压。

所述的流量检测设备超声波流量计的探头接在心室心房模型5和阻尼器4之间的水平橡胶管上测量主动脉流量，接在心脏泵侧的橡胶管上可侧泵流量。

所诉的frank-starling机制，在实验时可通过伸缩管和升降台2的联动来控制顺应性室和静脉回流槽的高度，改变静脉回流量以及通过刻度阀4-4来改变全身阻力来体现。

所述的多功能组合式模拟循环实验台在进行单心室辅助时，从心室心房模型5底部的外接口和上部的三通口引出导管分别与辅助装置的进水口和出水口相连(ECMO泵也是如此)；在进行双心室辅助时，只需在另一个心室心房模型5同样操作；进行全人工心脏的测试时，把两个心室心房模型5取出，通过导管把全人工心脏和动、静脉回流槽3，体、肺循环阻尼器4相连；在进行瓣膜检测时，把心室腔上部的瓣膜固定装置的卡扣取下，装入待检测的瓣膜(如图6所示)。

所述的流量压力处理设备是以STM32F407为核心设计，一端连接压力流量传感器，另一端与电脑相连，在MATLAB中进行数据处理。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种多功能组合式模拟循环实验台，其特征在于，包括：心室起搏器(1)、升降台(2)、动、静脉回流槽(3)、体、肺循环阻尼器(4)、心室心房模型(5)，流量、压力采集、处理设备；

所述动、静脉回流槽(3)和体、肺循环阻尼器(4)置于升降台(2)上，所述心室起搏器(1)与心室心房模型(5)连接，所述动、静脉回流槽(3)与心室心房模型(5)上端一侧圆柱连接，所述体、肺循环阻尼器(4)与心室心房模型(5)上端另一侧圆柱连接，所述流量、压力采集、处理设备用于采集心室、动脉压力和动脉、心脏泵流量；

所述的心室起搏器(1)包括步进电机(1-1)、联轴器(1-2)、丝杆(1-3)、缓震垫(1-4)、支撑铝板(1-5)、气缸(1-6)、节流阀(1-7)；步进电机(1-1)通过联轴器(1-2)与丝杆(1-3)相连，步进电机(1-1)转动带动丝杆(1-3)，丝杆(1-3)带动相连铝板从而带动气缸(1-6)往复运动，节流阀(1-7)通过螺纹宝塔转换头连接管子再与心室腔连接，支撑铝板(1-5)由一块大板和三块小板组成，大板作为底座，小板用于支撑气缸(1-6)，大板底部四周设有缓震垫(1-4)；

所述心室心房模型(5)包括定制L型管(5-1)、心室腔(5-2)、心室(5-3)、气阀(5-4)、心脏瓣膜(5-5)、伸缩管(5-6)、心房(5-7)；L型管(5-1)外圆柱体接通压力传感器来测量心室压，或者L型管(5-1)外圆柱体与上部三通连接心脏泵入口；心室(5-3)置于心室腔(5-2)内，心室(5-3)前端对应的圆柱口通过硬管与心室起搏器(1)相连；心室(5-3)上端进口和出口穿过盖子上的圆柱和伸缩管(5-6)连接，心室(5-3)出口的一端通过伸缩管(5-6)连通至心房(5-7)，心房(5-7)和动、静脉回流槽(3)连接；心室(5-3)进口的一端通过伸缩管(5-6)连通至心脏泵出口；心室腔(5-2)上部是一个法兰结构，腔体与上部盖子中间加入一层硅胶垫来防止漏气；气阀(5-4)通过开关来控制心室腔(5-2)中的压力以及用来装入腔体填充物；心脏瓣膜(5-5)设置在伸缩管(5-6)内，通过一个卡扣结构来固定；伸缩管(5-6)可以控制自身长度来适应升降台(2)的高度改变。

2.根据权利要求1所述的多功能组合式模拟循环实验台，其特征在于，所述动、静脉回流槽(3)、体、肺循环阻尼器(4)、心室心房模型(5)主体部分材质为亚克力有机玻璃。

3.根据权利要求1所述的多功能组合式模拟循环实验台，其特征在于，所述心室(5-3)与心房(5-7)是根据真实心脏注模定制，心脏瓣膜(5-5)为人工机械瓣膜。

4.根据权利要求1所述的多功能组合式模拟循环实验台，其特征在于，体、肺循环阻尼器(4)中，阻尼器(4-1)顶部连接阀门(4-2)、抽气泵(4-5)和空气压力表(4-6)，阻尼器(4-1)一侧的螺纹宝塔头(4-3)通过橡胶管和动、静脉回流槽(3)的硬管一端连接，动、静脉回流槽(3)的硬管的中段设有刻度阀(4-4)，用于指示阻力；动、静脉回流槽(3)的硬管的另一端通过橡胶管连接动、静脉回流槽(3)；实验时阀门(4-2)关闭来稳定阻尼器压力，用抽气泵(4-5)控制液面高度，读取空气压力表数值，算出顺应性值。

5.根据权利要求4所述的多功能组合式模拟循环实验台，其特征在于，所述的橡胶管连接处都有卡箍加固。

6.根据权利要求1所述的多功能组合式模拟循环实验台，其特征在于，所述的伸缩管(5-6)是材质为PP聚乙烯带有螺旋钢丝。

7.根据权利要求1所述的多功能组合式模拟循环实验台，其特征在于，所述流量、压力采集、处理设备为超声波流量传感器、压力传感器。

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