CN203433728U

CN203433728U - 一种心脏腔室模拟器驱动机构

Info

Publication number: CN203433728U
Application number: CN201320491029.5U
Authority: CN
Inventors: 周圆圆; 刘浩; 韩建平; 吴晓红; 李洪谊
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2023-08-09

Abstract

本实用新型公开了一种心脏腔室模拟器驱动机构，该驱动机构包括电机、减速器、曲轴连杆机构、直线导轨和活塞气缸；其中：所述电机的输出轴连接减速器的输入轴，减速器的输出轴通过曲轴连杆机构连接直线导轨的一端，所述直线导轨的另一端通过联轴器连接活塞气缸；所述活塞气缸侧壁上开有气孔，所述气孔通过管道连接所述心脏腔室模拟器。该驱动机构可按照设定频率，排量为心脏腔室模拟器提供脉动式动力源的驱动机构。该驱动机构能够实现心脏腔室模拟器搏动的脉动特性，同时搏动频率和排量均可调节，较为真实的模拟人体心脏跳动过程。

Description

一种心脏腔室模拟器驱动机构

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种心脏腔室模拟器驱动机构。该驱动机构用于辅助微创心内介入医疗器械研发、血液循环和医学影像研究及培训医生。

背景技术

心脏腔室模拟器驱动机构是用于驱动心脏腔室模拟器按照所需方式进行有规律的运动的驱动机构，是模拟人体心脏跳动与血液循环的一个关键技术，对于微创心脏介入医学的发展具有重要的意义。

目前，大部分心脏模拟器是静态的医学模型，用于医学教学，没有动力驱动部分，无法体现血液循环的动态特性。国际上近期研发出的一些能够模拟心脏动态特征的高端心脏模拟器，其驱动主要有以下两类：1、在心脏模型外部连接液压管路和液压元器件构建液压循环回路，采用泵向液压回路中提供动力实现血液循环；2、心脏模型外部构建的液压循环回路中不提供动力源，对心脏外部轴向或者侧向的载荷提供血液循环的动力。对于前者而言，外部循环管路中使用泵实现血液循环的方式与真实循环对应的压力相反，往腔室内部注入液体，压力升高同时腔室膨胀，对应着腔室舒张；从腔室向外部泵出液体，压力降低同时腔室收缩。而心脏跳动真实情况是：腔室收缩后导致内部压力升高，将血液博出；腔室舒张，压力降低，血液会涌入。对于后者而言，产生的心腔变形是由单点或者几个点挤压心腔引起的，无法逼真的描述心肌的整体收缩，导致对液体循环过程的模拟失真严重。因此按照上述两种驱动原理实现的对心脏跳动的模拟不能够真实的反映心脏跳动过程。

实用新型内容

为了克服现有心脏模拟器不能正确体现心脏收缩和舒张过程中压力高低的对应关系以及外部加载导致的变形不能体现心肌整体收缩变形导致心脏模拟器无法真实反映心脏跳动过程的问题，本实用新型提供一种心脏腔室模拟器的驱动机构，该驱动机构采用间歇式的工作方式能够模拟人体心脏脉动式的跳动过程，既能够满足正确的压力关系，也能够体现心肌的整体变形过程，从而逼真的反映了心脏跳动过程。

本实用新型的技术方案是：

一种心脏腔室模拟器驱动机构，该驱动机构包括电机、减速器、曲轴连杆机构、直线导轨和活塞气缸；其中：所述电机的输出轴连接减速器的输入轴，减速器的输出轴通过曲轴连杆机构连接直线导轨的一端，所述直线导轨的另一端通过联轴器连接活塞气缸；所述活塞气缸侧壁上开有气孔，所述气孔通过管道连接所述心脏腔室模拟器。

所述直线导轨的另一端通过联轴器与活塞气缸的活塞杆相连接。

所述活塞气缸上与活塞杆相对的端面上开设有与外界大气连通的孔。

所述曲轴连杆机构包括曲柄、排量调节槽和连杆，曲柄上设有排量调节槽，连杆上设有孔销，通过销轴穿过销孔和排量调节槽将曲柄和连杆活动连接。所述排量调节槽为开在曲柄上的长条形孔，所述销轴能够在该长条形孔内往复移动。

心脏腔室模拟器能够通过改变通过排量调节槽改变曲柄与连杆链接位置来调节系统排气量。

本实用新型所述心脏腔室模拟器结构如下：

该心脏腔室模拟器包括外鞘层、心肌层、心脏瓣膜和构成于外鞘层与心肌层之间封闭的中空腔体（压力腔）；所述外鞘层的壁面上开有通孔，用于液体或气体在中空腔体内的输入或输出；所述外鞘其材质为硬质高分子材料，所述心肌层和心脏瓣膜的材质为符合人体相应组织力学性能的高分子材料。

所述外鞘、心肌层和心脏瓣膜都是仿生生物组织材料，其中：外鞘材质优选为聚氨酯，邵氏硬度70～90；心肌层和心脏瓣膜的材质优选为TPE材料，邵氏硬度25～50。

所述心脏瓣膜粘接于心肌层上端面上，其粘接位置符合人体解剖结构；所述外鞘层与心肌层除中空腔体以外的部分通过粘接的方式固定在一起。

本实用新型工作原理如下：

该驱动装置采用连杆机构与直线导轨机构将转动转换为直线运动来驱动气缸运动，采用活塞气缸作为执行机构，气体作为最终的动力输出介质。通过控制减速器和电机使其能够按照指定要求的频率和排量为心脏腔室模拟器提供脉动式的气动驱动动力源。

该驱动装置可实现吸气与排气两组动作，可按照系统要求提供不同频率的脉动式的驱动动力，同时可改变气缸位置来调节系统排气量，能够实现对心脏腔室模拟器按照所需运动方式进行有规律的驱动。

本实用新型有益效果如下：

1、本实用新型利用气动间歇式的驱动回路针对特定结构的心脏腔室模拟器进行驱动。通过电机带动连杆机构与直线导轨来实现往复运动，通过驱动气缸活塞实现吸气与排气动作，来驱动心脏腔室模拟器实现脉动式搏动效果。通过调节电机的转速可调节心脏腔室模拟器搏动频率，通过调节气缸安装位置，可调节调节心脏腔室模拟器的每博排量。

2、本实用新型能够模拟心脏真实的脉动跳动过程，同时可控制心脏跳动的每博输出量，跳动频率等关键参数，克服了在外部循环管路中使用泵带来的收缩和舒张压力错误的缺点，以及通过外部机械加载导致心腔形变与实际心肌收缩和舒张过程形变差距较大的问题。

附图说明

图1心脏模拟器驱动机构结构图；

图2为图1中曲轴连杆机构的结构示意图；

图中：1-电机；2-减速器；3-曲轴连杆机构；31-曲柄；32-排量调节槽；33-连杆；4-直线导轨；5-联轴器；6-活塞杆；7-活塞气缸；8-气孔；9-孔。

图3为本实用新型心脏模拟器结构示意图；图中：12-心腔；13-心肌层；14-中空腔体；15-通孔（进液/气口）；16-外鞘层；17-二尖瓣；18-主动脉瓣膜。

图4心脏模拟器驱动中间工作状态。

图5心脏模拟器驱动吸气工作状态。

图6心脏模拟器驱动排气工作状态。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本实用新型。

如图1所示，本实用新型心脏腔室模拟器驱动机构包括电机1、减速器2、曲轴连杆机构3、直线导轨4和活塞气缸7；所述电机1的输出轴连接减速器2的输入轴，减速器2的输出轴通过曲轴连杆机构3连接直线导轨4的一端，所述直线导轨4的另一端通过联轴器5与活塞气缸7的活塞杆6相连接；所述活塞气缸7侧壁上开有气孔8，所述气孔8通过管道连接所述心脏腔室模拟器（与其通孔15连接）。所述活塞气缸7上与活塞杆6相对的端面上开设有与外界大气连通的孔9。

如图2所示，所述曲轴连杆机构3包括曲柄31、排量调节槽32和连杆33，曲柄31上设有排量调节槽32，连杆33上设有空销，通过销轴穿过销孔和排量调节槽32将曲柄31和连杆33活动连接。所述排量调节槽为开在曲柄上的长条形孔，所述销轴能够在该长条形孔内往复移动。

心脏腔室模拟器能够通过改变通过排量调节槽改变曲柄与连杆连接位置来调节系统排气量。

所述心脏腔室模拟器的结构如图3所示，在人体心脏的基础上将心肌拆分为由内部的心肌层13、外鞘层16以及心肌层13与外鞘层16之间封闭的中空腔体（压力腔）14组成，外鞘层16的壁面上开有通入或吸出液（气）体的通孔15。心肌层13和心脏瓣膜（二尖瓣17和主动脉瓣膜18）由符合人体相应组织力学性能的高分子材料制作，优选为TPE材料，邵氏硬度25～50；外鞘层16由硬质高分子材料制作，优选为聚氨酯，邵氏硬度70～90。心脏瓣膜与心肌层13连接方式为粘接，位置符合人体解剖结构（粘接采用华信胶粘剂（深圳）有限公司生产的556强力粘接胶水，介着剂为768）；外鞘层16与心肌层13除中空腔体14以外的部分通过粘接的方式固定在一起。通过进液/气口向压力腔14内通入或吸出液体或气体，以改变压力腔内的压力，能够实现心腔12的收缩和舒张。

上述模拟器通过改变中空腔体的压力可实现心肌层的收缩和舒张，具体为：在中空腔体内外压力相等时，继续向中空腔体内输入液（气）体，腔体内压力增大（对应于心脏向舒张态变化），心肌层厚度不变但产生局部变形；在中空腔体内外压力相等时，从中空腔体内输出液（气）体，腔体内压力减小（对应于心脏向收缩态变化），心肌层厚度变小。中空腔体内外压力相等时的状态称为心腔的解剖形状，心腔的解剖形状是介于收缩和舒张之间的中间状态。

本实用新型心脏腔室模拟器驱动机构由电机1驱动曲轴连杆机构3，通过曲轴连杆机构3与直线导轨4的相互作用，将电机1转动转换为直线运动，活塞气缸7将直线运动转换为气动体积与压力的变化，从而驱动心脏腔室模拟器。

图4为本实用新型驱动机构初始工作状态，在此状态下，心脏腔室模拟器中的压力腔处于中间自然松弛状态，连杆机构处于中间行程状态。此状态为中间过渡状态，当连杆继续逆时针转动时，系统处于吸气工作行程，心腔膨胀，当连杆顺时针转动时，系统处于排气行程工作状态，心腔收缩。

图5为本实用新型驱动机构吸气工作行程末端状态，系统从排气工作行程末端（连杆处于最右端位置）开始，连杆机构旋转带动直线导轨向左运动，气缸进行吸气工作，导致心脏腔室模拟器的压力腔内压力减小，二尖瓣膜开启，当运动到达图示位置时，滑块向左达到最大行程，系统达到吸气工作状态末端，心腔膨胀达到最大体积。

图6为本实用新型驱动机构排气工作行程末端状态，系统从吸气工作状态末端（滑块处于最左端位置）开始，连杆机构旋转带动直线导轨向右运动，气缸进行排气工作，导致心脏腔室模拟器的压力腔内压力增大，心腔向外界排出液体，当运动到达图示位置时，滑块向右达到最大行程，系统到达排气工作状态末端，心腔收缩达到最小体积。

Claims

1.一种心脏腔室模拟器驱动机构，其特征在于：该驱动机构包括电机、减速器、曲轴连杆机构、直线导轨和活塞气缸；其中：所述电机的输出轴连接减速器的输入轴，减速器的输出轴通过曲轴连杆机构连接直线导轨的一端，所述直线导轨的另一端通过联轴器连接活塞气缸；所述活塞气缸侧壁上开有气孔，所述气孔通过管道连接所述心脏腔室模拟器。

2.根据权利要求1所述的心脏腔室模拟器驱动机构，其特征在于：所述直线导轨的另一端通过联轴器与活塞气缸的活塞杆相连接。

3.根据权利要求1所述的心脏腔室模拟器驱动机构，其特征在于：所述活塞气缸上与活塞杆相对的端面上开设有与外界大气连通的孔。

4.根据权利要求1所述的心脏腔室模拟器驱动机构，其特征在于：所述曲轴连杆机构包括曲柄、排量调节槽和连杆，连杆上设有销孔，曲柄上设有排量调节槽，通过销轴穿过销孔和排量调节槽将曲柄和连杆活动连接。

5.根据权利要求4所述的心脏腔室模拟器驱动机构，其特征在于：所述排量调节槽为开在曲柄上的长条形孔，所述销轴能够在该长条形孔内往复移动。