用于測試機械輔助循環(huán)的體外模擬循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā).pdf

1、心力衰竭成為嚴重威脅人類的重大疾病，其發(fā)病率逐年呈上升的趨勢。目前對于心衰末期的患者，心臟移植是最有效的治療手段，但由于心臟移植的供體嚴重缺乏，使得心臟移植受到了很大程度上的限制，很大一部分病人在等待心臟移植的過程中便會死亡。因此，心室輔助裝置（ventricular assist device，VAD）在發(fā)達國家已經(jīng)成為有效的終末期心衰醫(yī)療手段，可以暫時或者永久的輔助或替代心臟的部分功能，減少心臟負荷，推動血液的循環(huán)。VAD進入臨床應(yīng)

2、用前，需要經(jīng)歷體外（包括血流動力學(xué)性能試驗和血液相容性試驗）和體內(nèi)實驗（動物實驗，臨床試驗）兩個性能評估階段。體外模擬循環(huán)系統(tǒng)（mock circulatory system，MCS）能用于測試評估機械輔助設(shè)備的性能，為VAD的灌注性能設(shè)計和優(yōu)化提供有價值的信息。大量研究證明，基于MCS的VAD體外模擬實驗可以為其流體動力學(xué)性能的評價提供有效依據(jù)，實驗不僅具有高的可控性和重復(fù)性，而且可以在前期開發(fā)中節(jié)省大量的動物實驗成本。本課題旨在開發(fā)

3、一套能夠模擬人體循環(huán)系統(tǒng)血流動力學(xué)狀態(tài)，可用于VAD血流動力學(xué)性能測試的MCS體外模擬循環(huán)系統(tǒng)。通過改變MCS中各個物理元件的參數(shù)（心率，心室收縮舒張期比值，心搏量，動脈順應(yīng)性、液體流動阻力、體靜脈壓等）來模擬人不同的生理狀態(tài)，包括健康休息狀態(tài)、心力衰竭狀態(tài)和運動狀態(tài)。之后把VAD與MCS連接并協(xié)同工作，測量MCS中壓力和流量數(shù)據(jù)，定量研究不同程度的心室輔助對心力衰竭狀態(tài)的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴MCS的設(shè)計：MCS包含

4、水力學(xué)部分、驅(qū)動控制部分，兩者由數(shù)據(jù)采集界面結(jié)合。在充分了解人體血液循環(huán)系統(tǒng)功能和血流動力學(xué)參數(shù)指標范圍后，將人體循環(huán)系統(tǒng)簡化為一個含有心室、血管順應(yīng)性、血管阻力等血流動力學(xué)元件的集中參數(shù)模型，這就是MCS的水力學(xué)部分：通過直線電機驅(qū)動活塞泵模擬心室的運動，單向閥模擬人體的瓣膜，軟管模擬血管，阻力閥以及軟管的阻力模擬血液流動所受到的阻力，儲水箱模擬人體靜脈系統(tǒng)，順應(yīng)性室模擬動脈的彈性。每個元件有相應(yīng)的壓力或流量傳感器，通過數(shù)據(jù)采集界面，

5、可以測量模擬的心輸出量以及心室，動脈，體靜脈壓力。本課題設(shè)計的MCS的驅(qū)動控制部分完成活塞泵（心室模擬器）的運動控制，通過調(diào)節(jié)活塞位置-時間曲線，實現(xiàn)對周期活塞運動的控制，借此改變心室的壓力波形。⑵MCS和基線生理狀態(tài)的調(diào)試：完成MCS的硬件和結(jié)構(gòu)設(shè)計后，通過調(diào)試系統(tǒng)參數(shù)得到不同的壓力和流量值，通過和臨床數(shù)據(jù)對比，定義不同的基線生理狀態(tài)(健康休息，心力衰竭，運動)參數(shù)的平均指標（平均動脈壓、心排量等）。同時，針對MCS的各個參數(shù)變量進行

6、分析，通過調(diào)試心室模擬器活塞的搏動頻率、軌跡、順應(yīng)性、阻力等參數(shù)，研究這些參數(shù)對壓力和流量波形的影響。⑶VAD輔助下的血流動力學(xué)試驗：將本課題組前期研發(fā)的完全磁懸浮式VAD接入MCS系統(tǒng)中，在心衰狀態(tài)下與MCS中的心室協(xié)同工作。通過調(diào)整VAD的轉(zhuǎn)速改變循環(huán)輔助量，觀察并分析VAD對壓力，流量等參數(shù)的影響。評估VAD對心衰病人血流動力學(xué)的輔助效果。⑷開發(fā)的MCS具有充分的可調(diào)性，能夠模擬目標范圍內(nèi)的生理狀態(tài)，滿足VAD血流動力學(xué)的研究需求