CN208607807U - 一种血液循环系统建模仿真辅助装置 - Google Patents

Abstract

实用新型公开了一种血液循环系统建模仿真辅助装置，用两个活塞缸分别模拟左心室和右心室的运动，两个活塞缸的活塞分别通过驱动装置驱动；用两个蓄能器分别模拟左心房和右心房的运动；用四个单向阀分别模拟二尖瓣、主动脉瓣、三尖瓣和肺动脉瓣；用管道代替血管按照人体血液循环模式连接上述部件，在主动脉和主静脉之间设置模拟毛细血管的节流阀。本实用新型可模拟血液循环系统部分病理状况，弄清在病理状态下，系统参数所发生的变化，以及恢复调整参数的辅助参数设计。对人体血液循环系统进行了建模，并在Amesim上搭建了物理模型，可以模拟出人体健康状态下和心衰状态下的生理曲线，还可模拟人体在心衰状态下，VAD辅助装置的辅助效果。

Description

一种血液循环系统建模仿真辅助装置

技术领域

本实用新型属于仿真装置领域，涉及一种仿真装置，具体涉及一种血液循环系统建模仿真辅助装置。

背景技术

众所周知，血液循环系统是人体的最重要的系统，能量的供给、废物的新陈代谢都建立在这个系统之上。随着人类社会的老龄化现象加剧，心血管疾病严重危害人类健康。心血管疾病往往最终都会导致心力衰竭，简称心衰，也可以称为心功能不全、心收缩舒张不全或者心脏衰弱。它是由于心脏收缩或者心脏舒张功能发生病变或者功能衰退引发的一种不能让静脉回到心脏的血液充分排出的疾病。心衰导致血液淤积在心脏中，使得血液不能充分的进入动脉中，从而引发血液循环系统的障碍。但在现实生活中我们不可能以活体为模型去进行实时监控和实验。因此，我们需要搭建一个完整的血液循环系统的模型。在这个模型上可以模拟血液循环系统在人体中的一些病变参数，进一步研究设计辅助装置，达到对一些系统参数进行恢复调整的目的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于把血液循环系统的工作机理弄清楚，这样才能去诊断和治疗心血管疾病。现有技术已经知道血液循环系统的组成结构。但是，其在结构与功能之间的关系还不是太清楚，需要做进一步的研究。血液循环系统的建模可以用于教学，也可以用于推进辅助装备的开发。

本实用新型分析了人体血液循环系统的原理及结构组成，心脏在血液循环系统中作为动力源，不停的收缩与舒张，把血液周而复始的供给到全身各处。它是一个周期性的活动，但不是不间断工作的，中间有一定时间的间歇心房的作用是给心室供血，心室的作用是给动脉供血，房室瓣、半月瓣的作用是防止血液回流。本实用新型专利液压仿真软件Amesim，通过设置液体的各参数值，使其更接近血液的性质，搭建了人体血液循环系统的模型，进行仿真。模拟人体在健康状态下的生理曲线及人体在心衰状态下的生理曲线，同时搭建VAD辅助装置模型，模拟了人体在心衰状态下，VAD辅助效果，VAD即心室辅助装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种血液循环系统建模仿真辅助装置，其特征在于，包括：

用两个活塞缸分别模拟左心室和右心室的运动，两个活塞缸的活塞分别通过驱动装置驱动；

用两个蓄能器分别模拟左心房和右心房的运动；

用四个单向阀分别模拟二尖瓣、主动脉瓣、三尖瓣和肺动脉瓣；

用管道代替血管按照人体血液循环模式连接上述部件，在主动脉和主静脉之间设置模拟毛细血管的节流阀。

作为改进，所述驱动活塞缸的驱动装置为液压驱动或者利用电机通过曲柄结构驱动。

作为改进，在模拟二尖瓣的单向阀前面设置一个二位二通电磁阀，在模拟左心室的活塞缸内设有压力传感器和活塞位移传感器，通过模拟左心室的活塞缸的内压力情况和活塞位移情况控制二位二通电磁阀通断，通过二位二通电磁阀和单向阀一起更准确的模拟二尖瓣功能。

作为改进，在模拟三尖瓣的单向阀前面设置一个二位二通电磁阀，在模拟右心室的活塞缸内设有压力传感器和活塞位移传感器，通过模拟右心室的活塞缸的内压力情况和活塞位移情况控制二位二通电磁阀通断，通过二位二通电磁阀和单向阀一起更准确的模拟三尖瓣功能。

作为改进，在模拟左心室和右心室的出口管道上设置流量计。

作为改进，在模拟毛细血管的节流阀前面设置模拟主动脉扩张的蓄能器。

作为改进，模拟左心房和右心房的两个蓄能器初始压力设定范围为85-95mmHg。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种把血液循环系统的工作机理弄清楚的仿真模型，通过该仿真模型可以研究血液循环系统的工作机理，理解心脏各部分结构之间的工作关系，为诊断和治疗心血管疾病提供了理论支持。另外本实用新型血液循环系统的建模可以用于教学，也可以用于推进辅助装备的开发。本实用新型模拟血液循环系统部分病理状况，弄清在病理状态下，系统参数所发生的变化，研究在该状态下，恢复调整参数的辅助参数设计。对人体血液循环系统进行了建模，并在Amesim上搭建了物理模型，也进行了仿真，可以模拟出人体健康状态下的生理曲线及人体在心衰状态下的生理曲线。模拟了人体在心衰状态下，VAD辅助装置的辅助效果。

附图说明

图1是VAD辅助系统的血液循环系统建模仿真辅助装置工作原理图。

图2是人体血液循环系统示意图。

图3是Amesim仿真程序图。

图4是周期为0.6的上弦波示意图。

图5是心室的模型。

图6是动脉瓣液压元件图。

图7是毛细血管液压元件图。

图8是蓄能器图。

图9是压力位移双重控制图。

图10是导入的上弦波信号图。

1-活塞缸，2-二位二通电磁阀，3-单向阀，4-蓄能器，5-肺静脉，6-单向阀，7-肺动脉，8-活塞缸，9-驱动电机，10-流量计，11-压力传感器，12-二位二通电磁阀，13-单向阀，14-体静脉，15-毛细血管，16-蓄能器，17-主动脉，18-单向阀，19-流量计，20-压力传感器，21-驱动电机，22-右心房。

具体实施方式

先结合附图对本实用新型进行举例说明。

如图1所示，一种血液循环系统建模仿真辅助装置，包括：

用活塞缸1和活塞缸8分别模拟左心室和右心室的运动，活塞缸1和活塞缸8的活塞分别通过驱动装置驱动；

用蓄能器4和蓄能器22分别模拟左心房和右心房的运动；

用四个单向阀分别模拟二尖瓣、主动脉瓣、三尖瓣和肺动脉瓣，其中单向阀3模拟二尖瓣，单向阀18模拟主动脉瓣，单向阀13模拟三尖瓣，单向阀6模拟肺动脉瓣；

用管道代替血管按照人体血液循环模式连接上述部件，在主动脉和主静脉之间设置模拟毛细血管的节流阀15。所述驱动活塞缸的驱动装置为液压驱动或者利用电机通过曲柄结构驱动。

在模拟二尖瓣的单向阀3前面设置一个二位二通电磁阀2，在模拟左心室的活塞缸1内设有活塞位移传感器，在与模拟左心室的活塞缸1内相连的管道上设置压力传感器20，以监测活塞缸1内压力，通过模拟左心室的活塞缸15的内压力情况和活塞位移情况控制二位二通电磁阀2通断，通过二位二通电磁阀2和单向阀3一起更准确的模拟二尖瓣功能。

在模拟三尖瓣的单向阀13前面设置一个二位二通电磁阀12，在模拟右心室的活塞缸8内设有活塞位移传感器，在与模拟右心室的活塞缸8内相连的管道上设置压力传感器11，以监测活塞缸8内压力，通过模拟右心室的活塞缸8的内压力情况和活塞位移情况控制二位二通电磁阀12通断，通过二位二通电磁阀12和单向阀13一起更准确的模拟三尖瓣功能。

在模拟左心室和右心室的出口管道上分别设置流量计19和流量计10。在模拟毛细血管的节流阀15前面设置模拟主动脉扩张功能的蓄能器16。模拟左心房和右心房的两个蓄能器4、22初始压力设定范围为85-95mmHg。

在图1中，射血阶段：左心室收缩(活塞缸1压缩)，主动脉瓣打开(单向阀18打开)，动脉扩张(蓄能器16吸收能量)，右心房舒张(蓄能器22吸收能量)，二尖瓣和三尖瓣关闭(单向阀3、13关闭)，右心室收缩(活塞缸8压缩)，肺动脉瓣打开(单向阀6打开)，左心房舒张(蓄能器4吸收能量)。

在图1中，舒张阶段：左心室舒张(活塞缸1不受力)，主动脉瓣关闭(单向阀18关闭)，动脉收缩(蓄能器16释放能量)，右心房收缩(蓄能器22释放能量)，二尖瓣和三尖瓣打开(单向阀3、13打开)，右心室舒张(活塞缸8不受力)，肺动脉瓣关闭(单向阀6关闭)，左心房收缩(蓄能器4释放能量)。

心室的设计采用活塞缸内活塞的往复运动来模拟心脏的收缩与舒张。输入力的大小决定了它的压强。

F＝AP+f (1.1)

F-f＝ma (1.2)

SA＝70ml (1.4)

联立上式

式中：

F——活塞的推力N

A——活塞的面积m²

P——活塞内的压力Pa

f——活塞受到的阻力N

m——活塞的质量kg

a——活塞的加速度m/s²

S——活塞的行程m

由公式可以知道，驱动力是时间的二次关系，可以用二次函数来描述驱动力的变化情况，为了简化模型，可以近似用三角函数的上弦波来代替。在Amesim中没有这样的上弦波可以直接用，我们可以用一个常数滤掉正弦函数中多余的部分，得到我们想要的上弦波。具体思路是设置两个输入信号，一个输入恒为0，一个输入周期为0.6s的正弦波，经过选择函数滤掉小于0的部分，这样我们就得到了一个周期为0.6s的上弦波，这个波形满足了射血周期(0.3s)不满足心动周期，我们还需要对它进行进一步的处理，取一个周期的波形在Amesim自带的动态时间表里面把波形为0的一段延长0.2s，然后使它循环起来，就到了我们想要的正弦波。具体程序如图3所示。

取活塞的直径为50mm，则活塞的行程应为

设计的心室如图5所示

主动脉瓣的设计,动脉瓣处于心室和动脉之间，当心室的压力高于动脉的压力，主动脉瓣就会打开；当心室的压力低于动脉的压力主动脉瓣就会关闭。它的作用机制类似单向阀的原理，这里采用单向阀18来模拟主动脉瓣的开启和关闭。如图6、7所示。

毛细血管网的设计毛细血管网遍布全身各个器官和组织，血液在这里流速缓慢，有利于营养物质的交换。毛细血管的直径比较小，有明显的节流效应，我们可以利用节流阀15来近似替换毛细血管网。

血液循环系统的总阻力可以由下式计算

R是毛细血管网的阻力，P₁是主动脉的压力mmHg，P₂是体静脉的压力mmHg，CO是心排量单位mmHg。

节流阀15的流量可以由下式计算得

式中

Q——节流阀的流量m³/s

C_d——节流阀的流量系数

A——小孔的面积m²

ΔP——流入流出流量的压差Pa

ρ——流体的密度kg/m³

心房的设计，心房的功能是给心室供血，体积效应并不明显，为简化模型，可以采用蓄能器来代替，蓄能器在系统中也可以起到吸能和供能的作用，当心室的压力小于心房的压力，房室瓣就会打开，蓄能器就会给心室供能，直到把活塞复位；当静脉的压力高于心房的压力，静脉瓣就会打开，蓄能器就会吸收能量。心房的压力一般在90mmHg左右，设蓄能器的初始压力为90mmHg。

房室瓣(二尖瓣和三尖瓣)的设计，由于心房采用了简化模型，蓄能器的响应性并没有那么好，而模型建模的重点在心室和主动脉，其他部分可以不完全依据实际生理构造来建模，可以实现其功能即可。这里的房室瓣虽然也是相当于一个单向阀，但是在实际的仿真中效果并没有那么好，因此，我采用了单向阀加电磁换向阀的双重控制来解决这个问题。电磁换向阀采用二位二通电磁换向阀，它的接通与断开由活塞(心室)的位移和活塞(心室)内的压力共同控制，当活塞(心室)内的压力为0的时候，电磁换向阀接通蓄能器给活塞供能，使其复位，当活塞位移为0的时候电磁换向阀断开，供能停止。原理图如图9。

动脉顺应性指的是血管壁的弹性，每一个心动周期，心脏向动脉射血一次，而动脉并不能无阻的把血液输送到静脉，动脉就会扩张吸收一部分流量，然后慢慢的把血液通过毛细血管网输送到静脉。蓄能器16可以做辅助动力源，能缓和冲击、吸收压力脉动，所以可以在管道中添加蓄能器16模拟动脉扩张体现动脉的顺应性。

蓄能器16的容量可以由以下公式计算

式中

V₀蓄能器的容量L

q为阀口关闭前的管内流量L/min

P₂为阀口关闭前管内的压力MPa

L为冲击管长m

P₁为允许的最大冲击压力MPa

t为阀口的关闭时间s(t<0.0164L)

控制模块的设计，血液循环系统是一个自封闭的系统，要运动的机械模块就只有活塞，控制起来也比较简单，只需改变作用在活塞上的力以及作用时间即可。用一个二位二通换向阀和一个单向阀控制系统的导通，当蓄能器中的压力高于活塞且活塞内的压力为0，系统就会导通，当活塞的位移为0时，系统就会关闭。从而形成一个循环，周而复始的运动。图10为导入的上弦波信号。

VAD辅助技术设计，仿真系统可以正常运行后，读取主动脉的流量曲线并保存，人体心衰根本上是对流量的影响，因为人体是靠血液来运输营养物质的，只要满足一定的流量即可，所以需要读取主动脉的流量数据，接下来可以用来做对比。在活塞(左心室)处并联一个血泵——实际上是接通了左心室和主动脉。用刚才读取的流量曲线做血泵的流量控制并时时与动脉处的流量曲线做对比，不断的调节PID的三个参数，直至曲线接近真实的生理状态，接上VAD的系统原理图如图1。

Claims (7)

1.一种血液循环系统建模仿真辅助装置，其特征在于，包括：

用两个活塞缸分别模拟左心室和右心室的运动，两个活塞缸的活塞分别通过驱动装置驱动；

用两个蓄能器分别模拟左心房和右心房的运动；

用四个单向阀分别模拟二尖瓣、主动脉瓣、三尖瓣和肺动脉瓣；

用管道代替血管按照人体血液循环模式连接上述部件，在主动脉和主静脉之间设置模拟毛细血管的节流阀。

2.如权利要求1所述的血液循环系统建模仿真辅助装置，其特征在于：所述驱动活塞缸的驱动装置为液压驱动或者利用电机通过曲柄结构驱动。

3.如权利要求1所述的血液循环系统建模仿真辅助装置，其特征在于：在模拟二尖瓣的单向阀前面设置一个二位二通电磁阀，在模拟左心室的活塞缸内设有压力传感器和活塞位移传感器，通过模拟左心室的活塞缸的内压力情况和活塞位移情况控制二位二通电磁阀通断，通过二位二通电磁阀和单向阀一起更准确的模拟二尖瓣功能。

4.如权利要求3所述的血液循环系统建模仿真辅助装置，其特征在于：在模拟三尖瓣的单向阀前面设置一个二位二通电磁阀，在模拟右心室的活塞缸内设有压力传感器和活塞位移传感器，通过模拟右心室的活塞缸的内压力情况和活塞位移情况控制二位二通电磁阀通断，通过二位二通电磁阀和单向阀一起更准确的模拟三尖瓣功能。

5.如权利要求4所述的血液循环系统建模仿真辅助装置，其特征在于：在模拟左心室和右心室的出口管道上设置流量计。

6.如权利要求5所述的血液循环系统建模仿真辅助装置，其特征在于：在模拟毛细血管的节流阀前面设置模拟主动脉扩张的蓄能器。

7.如权利要求5所述的血液循环系统建模仿真辅助装置，其特征在于：模拟左心房和右心房的两个蓄能器初始压力设定范围为85-95mmHg。