心臟體外脈動(dòng)循環(huán)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)研究.pdf

1、人工心臟在研發(fā)制造完成以后，還未進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)前，需要對(duì)其泵血性能進(jìn)行評(píng)估，而且人工心臟在研發(fā)設(shè)計(jì)過程中需要不斷的進(jìn)行多次試驗(yàn)達(dá)到優(yōu)化改進(jìn)。目前，有些研究機(jī)構(gòu)使用動(dòng)物活體做實(shí)驗(yàn)研究，雖然在一定程度上對(duì)解決問題是有幫助的，但是動(dòng)物心臟畢竟不同于人體心臟，收集的數(shù)據(jù)與人體對(duì)比差別較大，而且活體實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)、成本較高。因此，能夠體外準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)人體心臟正常生理與心力衰竭生理脈動(dòng)泵血狀態(tài)數(shù)據(jù)是極其重要的，這些數(shù)據(jù)可以幫助校準(zhǔn)人工心臟研發(fā)或者使用過程中

2、一些參數(shù)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，搭建一個(gè)體外脈動(dòng)循環(huán)模擬系統(tǒng)平臺(tái)就顯得尤為重要，雖然不能完全代替臨床實(shí)驗(yàn)，但是可以縮短人工心臟的開發(fā)周期，這也將為相關(guān)心臟疾病研究和醫(yī)療器械開發(fā)提供一個(gè)良好的平臺(tái)，可以施加目標(biāo)參數(shù)的脈動(dòng)流體載荷及完成相關(guān)生理性能測(cè)試。心臟、血管、血液構(gòu)成血液循環(huán)系統(tǒng)，血液循環(huán)系統(tǒng)不僅復(fù)雜，還有較多的血管非線性摩擦力影響心臟泵出的血液的能量傳遞。在體外建立心臟脈動(dòng)循環(huán)模擬系統(tǒng)所要解決的難點(diǎn)在于:(1)心動(dòng)周期時(shí)間較短，導(dǎo)致系統(tǒng)單位

3、周期內(nèi)流量波動(dòng)大，體外模擬時(shí)長(zhǎng)期高頻負(fù)荷穩(wěn)定性是一個(gè)挑戰(zhàn);(2)心血管疾病時(shí)血流狀態(tài)的模擬，如主動(dòng)脈瘤發(fā)生時(shí)如何直觀反映主動(dòng)脈壓力對(duì)主動(dòng)脈瘤的影響？(3)泵血時(shí)主動(dòng)脈的順應(yīng)性及血供的滯后性如何模擬？
　　國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有報(bào)道將心臟舒張期/收縮期時(shí)間比簡(jiǎn)化為相等，導(dǎo)致不同心率時(shí)，瞬時(shí)脈動(dòng)壓力波形的形狀相同，難以表征主動(dòng)脈瞬時(shí)壓力波形，也無(wú)法模擬心血管疾病時(shí)的血流狀態(tài)。本文采用集中參數(shù)法，提取血液循環(huán)系統(tǒng)的主要特征并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)

4、用彈性腔理論，推導(dǎo)并采用合適的激活函數(shù)，分別得出心室、主動(dòng)脈等的彈性腔規(guī)格，針對(duì)要解決的難點(diǎn)選擇合適的元器件，最終完成新型心臟脈動(dòng)循環(huán)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、搭建和數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)可設(shè)置不同心率和不同的收縮期和舒張期所占的時(shí)間比，血流量設(shè)置范圍5-35L/min，正常生理、高血壓、心衰等主動(dòng)脈瞬時(shí)壓力波形與真實(shí)生理狀況基本一致，在此基礎(chǔ)上完成腦動(dòng)脈瘤模擬器的設(shè)計(jì)、制作，連入系統(tǒng)，可模仿真實(shí)動(dòng)脈瘤變化過程;直觀的反映主動(dòng)脈血液對(duì)動(dòng)脈瘤施加的脈動(dòng)載

5、荷，可用于手術(shù)模擬器開發(fā)。采用自主開發(fā)的軟件界面控制和硬件結(jié)合的方式，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的主動(dòng)脈壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)控制;通過分析血壓瞬時(shí)波形圖與系統(tǒng)流量圖，可以正確反應(yīng)出血液動(dòng)力學(xué)的性質(zhì)，驗(yàn)證了心臟體外脈動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)模擬真實(shí)生理狀況的可行性。
　　論文的主要研究工作如下:
　　(1).對(duì)體外脈動(dòng)循環(huán)模擬系統(tǒng)依據(jù)的生理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行梳理，簡(jiǎn)要介紹了心臟的醫(yī)學(xué)解剖構(gòu)造、泵血功能及血管網(wǎng)絡(luò)。對(duì)血流動(dòng)力學(xué)涉及的血流阻力，血流量，血液壓力分別進(jìn)行概述

6、。對(duì)比論述了正常生理學(xué)與心力衰竭的血流壓力和血流流量。
　　(2).針對(duì)人體血液循環(huán)系統(tǒng)建立等效電路模型。心室與心房的數(shù)學(xué)模型采用時(shí)變彈性模型建立，動(dòng)脈、靜脈的彈性腔模型采用集中參數(shù)建模辦法建立，還對(duì)外周阻力及瓣膜進(jìn)行模擬。特別是對(duì)外周阻力和順應(yīng)性進(jìn)行帶入建立的彈性腔模型計(jì)算，滿足體外脈動(dòng)循環(huán)模擬系統(tǒng)的特性要求。
　　(3).設(shè)計(jì)體外脈動(dòng)循環(huán)模擬系統(tǒng)原理圖，對(duì)系統(tǒng)中所需要的離心泵、電磁閥、節(jié)流閥等元器件進(jìn)行選型，尤其對(duì)流量傳

7、感器和壓力傳感器的選型，完成系統(tǒng)平臺(tái)的搭建工作。將動(dòng)脈瘤模擬器連入系統(tǒng)，體外模擬動(dòng)脈瘤在主動(dòng)脈施加脈動(dòng)載荷的動(dòng)作過程。
　　(4).完成平臺(tái)系統(tǒng)中元器件與軟硬件的連接以及界面控制，解決電磁對(duì)系統(tǒng)的干擾，進(jìn)行計(jì)算機(jī)界面的調(diào)試。針對(duì)主動(dòng)脈壓力控制，分別講述了心動(dòng)周期控制，外周阻力控制及左心室控制。通過搭建好的平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成主動(dòng)脈壓力、系統(tǒng)流量等血流動(dòng)力學(xué)參量的實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示。實(shí)驗(yàn)?zāi)M人體正常與心衰生理情況下的血液循環(huán)特性，產(chǎn)生與真