CN114944099B - 一种动态血流-血氧监测系统评估装置 - Google Patents

一种动态血流-血氧监测系统评估装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动态血流‑血氧监测系统评估装置，包括气体调控装置、液体循环装置以及参数检测装置，该模型通过模拟生物组织光学参数和血液流动特性，调控血氧饱和度、血液流速、流量等参数，为研究血流‑血氧监测系统提供了一个通用的平台，操作灵活且易于实现，可以在血流动力学建模中对血流速度、灌注量等进行量化；同时兼具血氧饱和度调节性能，对全视场的血氧饱和度空间分布进行定量分析，该模型在高时空分辨率下监测微循环血流和微环境血氧的演变具有很大的潜力，对用于临床前研究和探索性临床使用的设备，在设备开发和优化、设备间比较、质量保证和质量控制、维护和稳定性测试、标准化和认证等方面具有广泛的应用场景和发展空间。

Description

一种动态血流-血氧监测系统评估装置
技术领域
本发明涉及生物工程领域，特别涉及一种通用型动态血流-血氧监测系统评估装置。
背景技术
充足的氧气供应是生命生存的基础，氧气和营养物质在人体内的输送是通过遍布周身的血液循环系统来实现的，所以血流和血氧是临床上需要准确测量的重要参数。实时地监测血流的动态变化参数和相对静态的血氧饱和度分布，可以帮助了解器官的结构、功能和代谢情况，以及各类疾病和损伤的病理机制，对于疾病的诊断、药物的传递和组织功能状态的评估具有重要意义。随着医疗技术的发展和临床转化，缺乏标准化性能测试方法是光学成像设备快速转化和成熟的重要障碍，超声、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等成熟的医学成像技术已经克服了此类障碍，可以提供基于生物光子学的设备标准化路线图。使用组织模拟仿体进行测试是成熟成像模式性能测试的基石，通常是国际标准、共识文件和认证计划中规定使用的性能测试，已经为生物光子学技术制定了各项标准，包括脉搏血氧饱和度测定法、光学相干断层扫描等，这些标准的存在可以表明模型仿体技术已经趋于成熟。
为了了解器官的结构、功能、代谢等基本物理和生理参数，对器官血流和血氧等参数的监测将成为必不可少的诊疗技术之一，为了促进各类方法验证、技术发展及设备转化，我们提出了一种动态血流-血氧监测系统评估装置，该装置改善了以往方法的几个普遍局限性：（1）大多数使用静态血样的测试方法对血氧饱和度的控制有限，液体仿体单点测试也无法表征血氧饱和度分布图谱的特征；（2）大多数使用离体组织的测试方法缺乏可重复性和可逆性，不利于对照分析和验证实验；（3）大多数先前的测试方法对波长、组织深度、仿体尺寸严格限制，缺乏普适性和灵活性；等等。该模型创建了一个低成本的气液流动模型，不仅可以同时精确调控血流动力学参数和血氧饱和度分参数，还可以视具体研究对象定制仿体的物理参数和生理参数，可以提供关于组织特性和系统设计对性能影响的关键见解，可作为未来标准化 血流血氧监测设备性能测试方法的基础，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动态血流-血氧监测系统评估装置，以满足技术发展的需要，并克服现有测试方法中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种动态血流-血氧监测系统评估装置，包括气体调控装置、液体循环装置以及参数检测装置，所述的气体调控装置包括氧气气罐、氮气气罐和三通控制器，氧气气罐和氮气气罐分别连接三通控制器的两个接口，所述的液体循环装置包括通过管路依次连接形成闭合回路的洗气瓶、仿体模型、3D打印血管模型以及血泵，所述的洗气瓶底部设有磁力搅拌器，所述的参数检测装置包括血气分析仪，所述的血气分析仪连接所述的3D打印血管模型，所述的洗气瓶设有进气管和出气管，所述的进气管连接三通控制器的另一个接口。
作为优选，所述的氧气气罐和氮气气罐均设有减压阀。
作为优选，所述的进气管通入洗气瓶的底部。
作为优选，所述的三通控制器设有气体流量计。
所述的仿体模型通过以下步骤制备：
S1：配比混合，根据生物组织光学特性，分别用聚二甲基硅氧烷与二氧化钛粉末按比例混合模拟组织散射特性；
S2：搅拌抽真空，配比好的试剂加入凝固剂充分搅拌均匀，并进行抽真空处理；
S3：匀胶旋转，将抽去气泡的试剂均匀倒置匀胶镀铬片，镀铬片放置在匀胶机旋转托盘，经过第一阶段旋转，之后使试剂平铺，再经过第二阶段旋转，根据经验参数，得到均匀薄膜；
S4：固化剖离，将镀铬片放置在加热板上固化，之后取下，利用酒精辅助剖离得到二甲基硅氧烷和二氧化钛的均匀薄膜，该薄膜为仿体模型第一层，模拟胃表层黏膜的厚度和散射特性；
S5：模拟打印，仿体模型第二层用3D打印血管模型模拟人体血液循环系统动脉-静脉-毛细血管的分级结构，管径和直径逐渐减小，使仿体参数与人体实际情况一致；
S6：增加层结构，如果要模拟深层粗血管，则继续增加层结构。
作为优选，所述步骤S1中二氧化钛粉末和二甲基硅氧烷的配比为按质量比1：100。
作为优选，所述步骤S2中的搅拌时间为5分钟，抽真空时间为15分钟。
作为优选，所述步骤S3中第一阶段旋转的转速500rpm，时间10sec；第二阶段旋转的转速1000rpm，时间50sec；得到的均匀薄膜厚度为100微米。
作为优选，所述步骤S4中在加热板上固化的温度为80℃，时间为30min。
本发明的有益效果：
（1）本发明中仿体连接在动态血流模型的回路中，通过气液循环可以精准调控仿体的血氧饱和度，配合使用图像监测设备，即可获得血氧饱和度分布图谱信息。相比以往大多数使用静态血样的测试方法，大大提高了对血氧饱和度的控制，且弥补了单点测试无法表征血氧分布特征的问题；
（2）本发明中仿体的层结构设计，分别模拟生物组织不同深度的光学特性，确定参数和配比后，可以多次重复制作，弥补了大多数使用离体组织的测试方法缺乏可重复性和可逆性的问题，有利于误差分析和验证实验；
（3）本发明的动态血流-血氧模型可以对仿体直接调控，而仿体的层结构设计灵活性很高，可以根据需求分别模拟不同部位、不同深度、不同尺寸的生物组织特性，相比大多数先前的测试方法对波长、组织深度、仿体尺寸严格限制，本方法具有更好的普适性和灵活性。
附图说明
图1是本发明实施例的仿体模型及动态血流评估模型示意图；
图2是本发明重仿体模型的制备流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明所述的一种动态血流-血氧监测系统评估装置，包括气体调控装置、液体循环装置以及参数检测装置，所述的气体调控装置包括氧气气罐1、氮气气罐2和三通控制器3，氧气气罐1和氮气气罐2分别连接三通控制器3的两个接口，所述的液体循环装置包括通过管路依次连接形成闭合回路的洗气瓶4、仿体模型5、3D打印血管模型6以及血泵7，所述的洗气瓶4底部设有磁力搅拌器8，所述的参数检测装置包括血气分析仪9，所述的血气分析仪9连接所述的3D打印血管模型6，所述的洗气瓶4设有进气管10和出气管11，所述的进气管10连接三通控制器3的另一个接口，所述的氧气气罐1和氮气气罐2均设有减压阀12，所述的进气管10通入洗气瓶4的底部，所述的三通控制器3设有气体流量计。
其中，所述的仿体模型的制备，包括以下步骤：
S1：配比混合，根据生物组织光学特性，分别用聚二甲基硅氧烷与二氧化钛粉末按比例混合模拟组织散射特性；
S2：搅拌抽真空，配比好的试剂加入凝固剂充分搅拌均匀，并进行抽真空处理；
S3：匀胶旋转，将抽去气泡的试剂均匀倒置匀胶镀铬片，镀铬片放置在匀胶机旋转托盘，经过第一阶段旋转，之后使试剂平铺，再经过第二阶段旋转，根据经验参数，得到均匀薄膜；
S4：固化剖离，将镀铬片放置在加热板上固化，之后取下，利用酒精辅助剖离得到二甲基硅氧烷和二氧化钛的均匀薄膜，该薄膜为仿体模型第一层，模拟胃表层黏膜的厚度和散射特性；
S5：模拟打印，仿体模型第二层用3D打印血管模型模拟人体血液循环系统动脉-静脉-毛细血管的分级结构，管径和直径逐渐减小，使仿体参数与人体实际情况一致；
S6：增加层结构，如果要模拟深层粗血管，则继续增加层结构。
所述步骤S1中二氧化钛粉末和二甲基硅氧烷的配比为按质量比1：100。
所述步骤S2中的搅拌时间为5分钟，抽真空时间为15分钟。
所述步骤S3中第一阶段旋转的转速500rpm，时间10sec；第二阶段旋转的转速1000rpm，时间50sec；得到的均匀薄膜厚度为100微米。
所述步骤S4中在加热板上固化的温度为80℃，时间为30min。
实施例1
采用润泽实验室的LM60智能罐装型蠕动泵，具有校准模式、连续模式、预约模式、定量模式四种功能，转速范围1-400rpm，转速分辨率±0.1rpm，正反转可逆转，过液流量范围0-1672ml/min，57进口步进电机可精确控制转动角度，高精度分配和计量，六砖子稳定性更高，功率35W，整机3.5kg，手持便携。将设定流量进行流量校正可以获得试剂流量值与转速的比值。本实施例采用四川莱峰流体设备制造有限公司的热式质量流量控制器MFC：LF420-S，介质：氮气，量程：0.1SLM，量程比：50:1，最大耐压：3MPa，使用压差：0.1-0.4MPa，精度：±1%F.S，接头尺寸：6mm 快插；响应时间：1s-3s，输入输出信号： 4-20ma； 工作电源：24VDC。配合使用LF-1S 流量显示仪，220V 供电，配合流量控制器使用，为流量控制器供电，显示流量，调节流量大小。本实施例采用雅培便携式血气分析仪及配套的G3+试剂卡测试血气特性，测量结果包括氧分压PCO2（测量精度1mmHg）、二氧化碳分压PCO2 （测量精度0.1mmHg）、酸碱度PH（测量精度0.001）、血氧饱和度SO2（1%）等参数。本实施例采用磁力搅拌器MS-10L最大搅拌量10L，可正反转，转数范围50-1500rpm，调速精度±10rpm/min，定时范围23h/59min/59sec，整机功率20W。
如图1所示，根据示意图的顺序连接各设备，氧气采用99.9%医用纯氧，氮气同样是99.9%的浓度，通过三通连接两只气罐与气体流量计，并且控制气体的导入、断开、流量、流速，气体通入洗气瓶。洗气瓶内导入新鲜无菌抗凝牛全血，牛全血和人体血液特性相似，常用于模拟血液研究，用新鲜无菌抗凝牛全血可以直接模拟人体血液的吸收特性和血细胞的氧合特性，优于用鸡血、印度墨水、英脱利匹特（intralipid）、磷酸盐缓冲液（PBS）、氢氧化钠、盐酸等试剂调配血红蛋白溶液的液体仿体测试方案。使用双气罐洗气的方法调节血氧饱和度可以进行反复精调，也优于使用注射泵逐滴加入低亚二硫酸钠（Sodiumhydrosulfite）溶液或酵母等还原剂的调节方法，且密闭的洗气瓶可以有效防止外界空气对样本的影响，优于将液体仿体至于充满氩气容器的防干扰方案。定制的下端双开口的洗气瓶置于磁力搅拌器上，下端开口与蠕动泵、仿体及取样器连接成闭合回路，蠕动泵调控整个回路方向、流量、流速等动力学参数，磁力搅拌器保持洗气瓶内样本流动，不会凝结或分层。
本发明中的仿体模型的制备如图2所示，考虑具体研究对象的实际情况进行定制。以消化道的胃腔为例，根据生物组织光学特性，分别用聚二甲基硅氧烷与二氧化钛粉末按比例混合（PDMS+TiO2）模拟组织散射特性，其中TiO2粉末的颗粒直径，混合比例可以控制散射影响因子，本实施例采用普通TiO2粉末，与PDMS的配比为1：100，配比好的试剂加入凝固剂充分搅拌均匀（搅拌约5分钟），进行抽真空处理（约15分钟），将抽去气泡的试剂均匀倒置1.5mm匀胶镀铬片，镀铬片放置在匀胶机旋转托盘，第一阶段设置转速500rpm，时间10sec，使试剂平铺，第二阶段设置转速1000rpm，时间50sec，根据经验参数，可以得到100微米的均匀薄膜，将镀铬片放置在80℃的加热板固化30min，取下，酒精辅助剖离得到PDMS+TiO2均匀薄膜，该薄膜为仿体第一层，模拟胃表层黏膜的厚度和散射特性。第二层用3D打印的血管微结构模型模拟人体血液循环系统动脉-静脉-毛细血管的分级结构，管径和直径逐渐减小，尽量使仿体参数与人体实际情况一致。如果要模拟深层粗血管，则可继续增加层结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动态血流-血氧监测系统评估装置，其特征在于：包括气体调控装置、液体循环装置以及参数检测装置，所述的气体调控装置包括氧气气罐、氮气气罐和三通控制器，氧气气罐和氮气气罐分别连接三通控制器的两个接口，所述的液体循环装置包括通过管路依次连接形成闭合回路的洗气瓶、仿体模型、3D打印血管模型以及血泵，所述的洗气瓶底部设有磁力搅拌器，所述的参数检测装置包括血气分析仪，所述的血气分析仪连接所述的3D打印血管模型，所述的洗气瓶设有进气管和出气管，所述的进气管连接三通控制器的另一个接口；
所述仿体模型通过以下步骤制备：
S1：配比混合，根据生物组织光学特性，分别用聚二甲基硅氧烷与二氧化钛粉末按比例混合模拟组织散射特性；
S2：搅拌抽真空，配比好的试剂加入凝固剂充分搅拌均匀，并进行抽真空处理；
S3：匀胶旋转，将抽去气泡的试剂均匀倒置匀胶镀铬片，镀铬片放置在匀胶机旋转托盘，经过第一阶段旋转，之后使试剂平铺，再经过第二阶段旋转，根据经验参数，得到均匀薄膜；
S4：固化剖离，将镀铬片放置在加热板上固化，之后取下，利用酒精辅助剖离得到二甲基硅氧烷和二氧化钛的均匀薄膜，该薄膜为仿体模型第一层，模拟胃表层黏膜的厚度和散射特性；
S5：模拟打印，仿体模型第二层用3D打印血管模型模拟人体血液循环系统动脉-静脉-毛细血管的分级结构，管径和直径逐渐减小，使仿体参数与人体实际情况一致；
S6：增加层结构，如果要模拟深层粗血管，则继续增加层结构。
2.根据权利要求1所述的一种动态血流-血氧监测系统评估装置，其特征在于：所述的氧气气罐和氮气气罐均设有减压阀。
3.根据权利要求1所述的一种动态血流-血氧监测系统评估装置，其特征在于：所述的进气管通入洗气瓶的底部。
4.根据权利要求1所述的一种动态血流-血氧监测系统评估装置，其特征在于：所述的三通控制器设有气体流量计。
5.根据权利要求1所述的一种动态血流-血氧监测系统评估装置，其特征在于：所述步骤S1中二氧化钛粉末和二甲基硅氧烷的配比为按质量比1：100。
6.根据权利要求1所述的一种动态血流-血氧监测系统评估装置，其特征在于：所述步骤S2中的搅拌时间为5分钟，抽真空时间为15分钟。
7.根据权利要求1所述的一种动态血流-血氧监测系统评估装置，其特征在于：所述步骤S3中第一阶段旋转的转速500rpm，时间10sec；第二阶段旋转的转速1000rpm，时间50sec；得到的均匀薄膜厚度为100微米。
8.根据权利要求1所述的一种动态血流-血氧监测系统评估装置，其特征在于：所述步骤S4中在加热板上固化的温度为80℃，时间为30min。
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