CN115376392B - 主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置及方法。包括加载组件、试件约束组件、测量组件、压力调节组件和控制组件。本发明的加载组件可模拟老化过程中主动脉轴向拉伸率的逐渐减小的过程，且可以适应不同尺寸的主动脉试样；试件约束组件为主动脉试样提供径向约束；压力调节组件为整个闭环压力系统提供所需的实验液体以及可调节的压力；测量组件对管状弹性的主动脉试样中的压力、轴向力和外径进行实时监测；控制组件将整个实验过程中的实验数据进行采集以及提供实验过程中的可视化辅助调节控制。本模拟装置可模拟工况涵盖广泛，实验数据采集准确全面、重复性好，使用过程操作简单、安全可靠，具有较好的科研和临床应用价值。

Description

主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及模拟研究领域，尤其涉及一种主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置及方法。

背景技术

血管在生物体内是被拉伸的变形状态，具有变形能，变形后的主动脉血管对血液的输送具有促进作用，相应的离体和体内血管长度的比值是主动脉的轴向预拉伸率。随着年龄的增加，主动脉轴向预拉伸率的数值逐渐减小，进而影响血管的血液传输的效率和功能。为了研究衰老过程中主动脉血管轴向预拉伸率逐渐减小，对血管的血液输送等其他生物力学能力的影响，设计该实验模拟装置。该装置模拟了主动脉在体内的受力状况和轴向预拉伸率随着衰老逐渐减小的过程。不仅能揭示这一自然现象，更能在解释衰老、老年性高血压、动脉血管硬化等心血管疾病方面，提供力学方面的解释，具有重要临床和科研意义。而且目前尚未发现有关模拟衰老过程中主动脉预拉伸率减小影响血液输送的相关研究。

发明内容

本发明的目的是为了模拟衰老的过程中，主动脉血管的预拉伸率逐渐减小，血管相应生物力学参数的改变，揭示衰老过程中弹性主动脉轴向预拉伸率的减小对血管生物力学性质的影响。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置，包括加载组件、试件约束组件、测量组件、压力调节组件和控制组件；

所述加载组件包括主动脉试样支架以及设置在其上的上夹持部和下夹持部，所述上夹持部和下夹持部分别将主动脉试样轴向两端可拆卸夹持，且所述上夹持部可沿主动脉试样支架上下移动以调节主动脉试样拉伸状态；所述上夹持部上还设有与主动脉试样上端连通的末端管路，所述末端管路上设有止水阀门；

所述试件约束组件用于将主动脉试样包裹，为其提供径向约束；

所述压力调节组件包括密封罐和生物力学试验机，所述密封罐与生物力学试验机相连通，所述生物力学试验机出水口与主动脉试样下端连通；

所述测量组件包括轴向力传感器、激光测距仪和压力传感器，所述轴向力传感器固定在上夹持部上，所述激光测距仪设置于激光测距仪支架上，且可沿激光测距仪支架上下移动至与主动脉试样相对应位置；所述压力传感器连接生物力学试验机的液体通道；

所述控制组件用于接收测量组件所测得的实验数据并进行处理和显示，还用于对压力调节组件进行控制。

所述主动脉试样支架和激光测距仪支架安装在导轨上，且两者可沿导轨相向滑动。

所述主动脉试样支架与所述激光测距仪支架结构相同，均包括一竖直螺杆，所述激光测距仪通过固定板螺接于竖直螺杆上，所述上夹持部也螺接于竖直螺杆上。

所述主动脉试样支架与所述激光测距仪支架还包括倒L形支架和两根支杆，所述竖直螺杆与倒L形支架的竖杆平行且顶部穿过倒L形支架的横杆；两根支杆分别位于竖直螺杆两侧，引导上夹持部和固定板上下滑动。

所述试件约束组件为生物医用膜，包裹于管状的主动脉试样外表面。

所述密封罐由加强塑胶材料制成，罐顶端设有阀门和两个出入水口，一个为实验液体和空气入口，另一出口通过第一供液管路连接生物力学试验机，生物力学试验机的出水口接第二供液管路并连通至主动脉试样下端。

所述主动脉试样的上端通过管道接头旋接至上夹持部内，再与末端管路相连；所述主动脉试样的下端通过管道接头旋接至下夹持部内，再与第二供液管路相连进而连通至生物力学试验机。

所述第一供液管路、第二供液管路和末端管路采用管径20mm的硅胶管制成。

本发明还提供一种主动脉老化对血管生物力学影响的模拟方法，具体步骤如下，

S1将主动脉试样上下两端分别固定至上夹持部和下夹持部内，通过密封罐压进实验液体，使整个模拟装置充满所需实验液体，排空空气，关闭末端管路上的止水阀门；再通过密封罐压入空气使管路内压力至实验压力范围中间值的基线压力，通过生物力学实验机调试，使管路内压力值达到设定压力范围，进行实验，记录测量组件探测到的数据；

S2将主动脉试样的外周包裹试件约束组件，再连接到加载组件中，沿试样轴向长度进行拉伸，拉伸至设定伸长率，在和步骤S1相同实验压力范围条件下进行实验，并记录测量组件相应的数据；

S3完成实验后，打开加载组件中的末端管路上的阀门，卸载管路内的压力，排除管路内实验液体，更换主动脉试样，进行下一次实验。

所述实验液体为蒸馏水、生理盐水、人工血液。

本发明的有益效果：本发明通过对主动脉试样施加径向约束还原了主动脉在体内的受力状况。采用压力传感器、轴向力传感器和激光测距仪进行数据采集，通过试验段支架对管状的主动脉试样进行精确调整。结合多功能的生物力学试验机模拟多种压力范围的组合，可以准确模拟老化的过程中血管相应的力学参数的变化，快速高效地采集实验系统中的参数，通过这些参数的改变揭示老化过程中主动脉具体的生物力学环境的变化。本发明操作简单、安全、可靠，实验参数覆盖范围广泛。是适用于具有显著个体差异的主动脉材料、准确模拟老化过程中轴向预拉伸缩减引起力学环境改变的实验装置，实验安全可靠真实性，具有很好的临床研究价值和科研价值。

附图说明

图1为本发明的整体结构原理示意图；

图2为本发明的加载组件结构主视图；

图3为本发明中加载组件左视图；

图4为本发明中压力调节结构图；

图中，加载组件1，上夹持部11，下夹持部12，末端管路13，止水阀门14，主动脉试样支架15；

试件约束组件2；

测量组件3，轴向力传感器31，激光测距仪32，压力传感器33，激光测距仪支架34；

压力调节组件4，密封罐41，止水阀门42，生物力学试验机43，第一供液管路44，第二供液管路45；

控制组件5。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

下面参考附图描述本发明的实验装置设置和操作方法。

实施例1：如图1-4所示，主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置，包括加载组件1、试件约束组件2、测量组件3、压力调节组件4和控制组件5；

所述加载组件1包括主动脉试样支架15以及设置在其上的上夹持部11和下夹持部12，所述上夹持部11和下夹持部12分别将主动脉试样轴向两端可拆卸夹持，且所述上夹持部11可沿主动脉试样支架17上下移动以调节主动脉试样拉伸状态；所述上夹持部11上还设有与主动脉试样上端连通的末端管路13，所述末端管路13上设有止水阀门14；

所述试件约束组件2用于将主动脉试样包裹，为其提供径向约束；

所述压力调节组件4包括密封罐41和生物力学试验机43，所述密封罐41与生物力学试验机43相连通，所述生物力学试验机43出水口与主动脉试样下端连通；为整个模拟装置提供所需的实验液体，和可调节的压力，实验过程中密封罐41的阀门和加载组件1的止水阀门14均处于密闭状态，多功能的生物力学试验机43对密闭的实验管路提供可调节的波形的压力。

所述测量组件3包括轴向力传感器31、激光测距仪32和压力传感器33，所述轴向力传感器31固定在上夹持部11上，所述激光测距仪32设置于激光测距仪支架34上，且可沿激光测距仪支架34上下移动至与主动脉试样相对应位置；所述压力传感器33连接生物力学试验机43的液体通道；

所述控制组件5用于接收测量组件3所测得的实验数据并进行处理和显示，还用于对压力调节组件4进行控制。

具体的，所述主动脉试样支架15和激光测距仪支架34安装在导轨16上，导轨16固定在实验桌上，导轨16上有圆形开槽，主动脉试样支架15和激光测距仪支架34通过下方的滚轮与导轨16相连，可沿导轨16相向自由滑动，方便调节主动脉试样支架15和激光测距仪支架34之间的位置，使激光测距仪32面对主动脉试样，用于测量主动脉试样的外径。

本发明的工作原理：本发明基于衰老过程中弹性主动脉血管轴向预拉伸率减小的现象设置了位置可调节的主动脉试样支架15以及可拆卸连接的加载组件1，本发明的试件约束组件2模拟了主动脉在体内时径向受约束的力学环境，本发明的加载组件1可模拟老化过程中主动脉轴向拉伸率的逐渐减小的过程，且可以适应不同尺寸的主动脉试样；压力调节组件4为整个闭环压力系统提供所需的实验液体以及可调节的压力；测量组件3对管状弹性的主动脉试样中的压力、轴向力和外径进行实时监测；控制组件5将整个实验过程中的实验数据进行采集以及提供实验过程中的可视化辅助调节控制。进行实验时，仅需要设置相应的轴向预拉伸率和施加不同的加载压力范围参数，将管状的主动脉试样与主动脉试样支架15相连接，即可完成不同尺寸的主动脉试样的更换和组装，进行实验即可，组装过程方便快捷，且可以通过多功能生物试验机设置不同的实验压力范围，可以模拟多种压力组合工况下的衰老状况。

实施例2：本实施例中对各部件进行进一步的详细说明。所述主动脉试样支架15与所述激光测距仪支架34结构相同，均包括一竖直螺杆，所述激光测距仪34通过固定板螺接于竖直螺杆上，固定板可为钢板即可。所述上夹持部11也螺接于竖直螺杆上。所述主动脉试样支架15与所述激光测距仪支架34还包括倒L形支架和两根支杆，所述竖直螺杆与倒L形支架的竖杆平行且顶部穿过倒L形支架的横杆；两根支杆分别位于竖直螺杆两侧，引导上夹持部11和固定板上下滑动。上夹持部11和固定板在竖直螺杆上的位置调整可以通过竖直螺杆顶部的螺旋转动实现。所述主动脉试样的上端通过管道接头旋接至上夹持部11内，再与末端管路13相连；所述主动脉试样的下端通过管道接头旋接至下夹持部12内。其中竖直螺杆、倒L形支架以及两根支杆均固定在下夹持部12上，上夹持部11和下夹持部12为方形台，方形台侧面和与竖直螺杆连接面上开设G1/2的内螺纹，连接宝塔接头，宝塔接头再连接不同尺寸的管道接头，用于连接不同口径的主动脉试样，方便安装拆卸。上端方形台的侧面连接末端管路13，下端方形台的侧面连通至生物力学试验机43。可分别在固定板两端设置激光测距仪34，将主动脉试样两侧包围，方便测试其外径。

具体的，试件约束组件2为生物医用膜，包裹于管状的主动脉试样外表面，提供径向约束。

具体的，所述密封罐41由加强塑胶材料制成，体积为15L罐顶端设有阀门42和两个出入水口，一个为实验液体和空气入口，可以根据要求调节管路内基线压力。另一出口通过第一供液管路44连接生物力学试验机43，生物力学试验机43的出水口接第二供液管路45并连通至主动脉试样下端。生物力学试验机43为模拟装置在基线压力的基础上提供可以调节的具体压力范围，本实施例中生物力学试验机43型号为ElectroForce 5500，UAS。

具体的，第一供液管路44、第二供液管路45和末端管路13采用管径20mm的硅胶管制成，主动脉试样长度不小于5cm。

具体的，控制组件包括计算机主机和显示器，用于收集测量组件3所测得的压力、轴向力、直径等参数，并应于操控压力调节组件4。

以上所述实验装置包括管材、三通、接头等优选PP材料，避免生锈。

使用上述模拟装置进行模拟实验时，首先将主动脉试样上下两端分别固定至上夹持部11和下夹持部12内，开启密封罐41的阀门42，通过密封罐41压进实验液体，使整个模拟装置充满所需实验液体，排空空气，关闭末端管路13上的止水阀门14；再通过密封罐41压入空气使管路内压力至实验压力范围中间值的基线压力，通过生物力学实验机43调试，使管路内压力值达到设定压力范围，进行实验，记录测量组件3探测到的数据；

然后将主动脉试样的外周包裹试件约束组件2，再连接到加载组件1中，沿试样轴向长度进行拉伸，拉伸至设定伸长率，在和步骤S1相同实验压力范围条件下进行实验，并记录测量组件3相应的数据；

最后完成实验后，打开加载组件1中的末端管路13上的止水阀门14，卸载管路内的压力，排除管路内实验液体，更换主动脉试样，进行下一次实验。

整个过程中，激光测距仪32记录管状主动脉试样的外径，轴向力传感器31记录试验段的轴向力，压力传感器33记录管路压力，通过数据采集卡将信号传输到计算机上，进行同步记录，并对测量数据实时显示。

实施例3：本装置中实验流体为蒸馏水、生理盐水、人工血液等牛顿和非牛顿流体，实验材料为猪主动脉血管。

本实例中采用实施例2中的装置和方法对外径为17.55mm、内径/>为12.83mm，厚度h为2.53mm的猪降主动脉进行实验，使用蒸馏水作为实验流体，分别记录轴向预拉伸率为1.45、1.33、1.23、1.08、1.05、1.03时的相应的内外径并计算相应的周向弹性模量/>和血管的顺应性C；记录数据如下表1所示。

表1猪降主动脉在不同轴向预拉伸率下的力学性质的变化

由上表可知，随着衰老进程的推进，降主动脉血管轴向预拉伸率减小，主动脉管径的内外径尺寸和厚度均缓慢增加，其中内径的测量将试样裁剪一段手工测量。主动脉的周向弹性模量逐渐增加，意味着主动脉血管硬度的增加，同时，主动脉血管的顺应性随之逐渐减小。在弹性主动脉血管的轴向预拉伸率由1.33减小到1.23时，主动脉血管的硬度出现了明显的增加，与之同时，动脉血管的顺应性逐渐降低。该实验过程模拟了弹性降主动脉在老化过程中，随着轴向预拉伸率的减小，主动脉硬度增加，顺应性降低。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要说明，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置，其特征在于：包括加载组件（1）、试件约束组件（2）、测量组件（3）、压力调节组件（4）和控制组件（5）；

所述加载组件（1）包括主动脉试样支架（17）以及设置在其上的上夹持部（11）和下夹持部（12），所述上夹持部（11）和下夹持部（12）分别将主动脉试样轴向两端可拆卸夹持，且所述上夹持部（11）可沿主动脉试样支架（15）上下移动以调节主动脉试样拉伸状态；所述上夹持部（11）上还设有与主动脉试样上端连通的末端管路（13），所述末端管路（13）上设有止水阀门（14）；

所述试件约束组件（2）用于将主动脉试样包裹，为其提供径向约束；

所述压力调节组件（4）包括密封罐（41）和生物力学试验机（43），所述密封罐（41）与生物力学试验机（43）相连通，所述生物力学试验机（43）出水口与主动脉试样下端连通；

所述测量组件（3）包括轴向力传感器（31）、激光测距仪（32）和压力传感器（33），所述轴向力传感器（31）固定在上夹持部（11）上，所述激光测距仪（32）设置于激光测距仪支架（34）上，且可沿激光测距仪支架（34）上下移动至与主动脉试样相对应位置；所述压力传感器（33）连接生物力学试验机（43）的液体通道；

所述控制组件（5）用于接收测量组件（3）所测得的实验数据并进行处理和显示，还用于对压力调节组件（4）进行控制。

2.根据权利要求1所述的主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置，其特征在于：所述主动脉试样支架（15）和激光测距仪支架（34）安装在导轨（16）上，且两者可沿导轨（16）相向滑动。

3.根据权利要求1或2所述的主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置，其特征在于：所述主动脉试样支架（15）与所述激光测距仪支架（34）结构相同，均包括一竖直螺杆，所述激光测距仪（32）通过固定板螺接于竖直螺杆上，所述上夹持部（11）也螺接于竖直螺杆上。

4.根据权利要求3所述的主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置，其特征在于：所述主动脉试样支架（15）与所述激光测距仪支架（34）还包括倒L形支架和两根支杆，所述竖直螺杆与倒L形支架的竖杆平行且顶部穿过倒L形支架的横杆；两根支杆分别位于竖直螺杆两侧，引导上夹持部（11）和固定板上下滑动。

5.根据权利要求1所述的主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置，其特征在于：所述试件约束组件（2）为生物医用膜，包裹于管状的主动脉试样外表面。

6.根据权利要求1所述的主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置，其特征在于：所述密封罐（41）由加强塑胶材料制成，罐顶端设有阀门（42）和两个出入水口，一个为实验液体和空气入口，另一出口通过第一供液管路（44）连接生物力学试验机（43），生物力学试验机（43）的出水口接第二供液管路（45）并连通至主动脉试样下端。

7.根据权利要求6所述的主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置，其特征在于：所述主动脉试样的上端通过管道接头旋接至上夹持部（11）内，再与末端管路（13）相连；所述主动脉试样的下端通过管道接头旋接至下夹持部（12）内，再与第二供液管路（45）相连进而连通至生物力学试验机（43）。

8.根据权利要求7所述的主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置，其特征在于：所述第一供液管路（44）、第二供液管路（45）和末端管路（13）采用管径20mm的硅胶管制成。

9.一种根据权利要求1至8任一所述的主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置的模拟方法，其特征在于：具体步骤如下，

S1将主动脉试样上下两端分别固定至上夹持部（11）和下夹持部（12）内，通过密封罐（41）压进实验液体，使整个模拟装置充满所需实验液体，排空空气，关闭末端管路（13）上的止水阀门（14）；再通过密封罐（41）压入空气使管路内压力至实验压力范围中间值的基线压力，通过生物力学试验机（43）调试，使管路内压力值达到设定压力范围，进行实验，记录测量组件（3）探测到的数据；

S2将主动脉试样的外周包裹试件约束组件（2），再连接到加载组件（1）中，沿试样轴向长度进行拉伸，拉伸至设定伸长率，在和步骤S1相同实验压力范围条件下进行实验，并记录测量组件（3）相应的数据；

S3完成实验后，打开加载组件（1）中的末端管路（13）上的止水阀门（14），卸载管路内的压力，排除管路内实验液体，更换主动脉试样，进行下一次实验。

10.根据权利要求9所述的主动脉老化对血管生物力学影响的模拟装置的模拟方法，其特征在于：所述实验液体为蒸馏水、生理盐水或人工血液。