專利名稱：人體模擬循環系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種醫療器械檢測技術領域的模擬系統，具體是一種可用于 心室輔助裝置體外性能測試，并可產生搏動液流的人體模擬循環系統。
背景技術：
目前，心室輔助裝置不僅可作為心臟移植的過渡橋梁，也是通向心肌恢復的 目的方法，更多應用于終末期嚴重心力衰竭的治療。但心室輔助裝置要應用于動 物實驗和臨床試驗，必須先在體外模擬循環系統中對其性能進行測試，優化心室 輔助裝置結構和控制系統，以減少動物實驗的時間和成本。
經對現有技術的文獻檢索發現，《生物醫學工程學雜志》上發表的《體外模 擬心血管系統血液動力學性能分析》(2006年第23巻第4期第778-780頁)提 到了一種體外模擬循環實驗臺，該實驗臺基于三元件單彈性腔模型構建，主要用 于測試軸流式血泵的性能，包括轉速、循環回路中的壓力和流量等參數，但該實 驗臺并未對血泵的控制構建閉環回路，沒有將采集的信號用于實現對血泵的反饋 控制，同時沒有對自然心臟的搏動狀態進行模擬，所以不能反映出心臟模擬組件 與血泵之間的相互影響。
又經檢索發現，中國專利公開號CN101380490A的專利文件中提供了一種可 實時監測人工心臟血泵工作狀態的醫學實驗系統，該系統與上述文獻中提和的體 外模擬循環實驗臺結構基本相同，主要不同之處在于加入了對血泵的溫度測試， 并將所有檢測到的流量、溫度、壓力信號通過數據采集器同時顯示在PC機上， 但該系統與前述裝置一樣，也沒有對自然心臟的搏動狀態進行模擬。
中國專利公開號CN1846605A的專利文件中提供了一種用于對人工心臟進行 體外模擬循環測試的系統，該系統構建了體循環和肺循環模型，能夠表征人體動 脈血管的動態響應特性，系統可以按照初始選擇的生理參數進行調整，對測試生 理環境具備一定的適應性，但該系統僅僅只適用于對全人工心臟進行測試，并不 考慮自然心臟的狀態，同時也不能對心室輔助裝置進行測試。
發明內容
4本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種人體模擬循環系統，構建了 心臟模擬組件和心室輔助裝置的聯合流路系統，并能對心臟模擬組件、心室輔助 裝置的工作狀態和其相互作用進行監測和控制。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括心臟模擬組件、心臟控制 系統、傳感裝置、數據采集系統、外周模擬組件和心室輔助裝置，其中心臟控 制系統與心臟模擬組件相連接，心臟模擬組件和外周模擬組件依次串聯組成心臟 模擬流路系統，心室輔助裝置與心臟模擬組件并聯組成心室輔助流路系統。傳感 裝置連接到心臟模擬和心室輔助聯合流路系統中，數據采集系統的輸入端分別與 傳感裝置和計算機相連接以接收壓力流量信號和控制指令，數據采集系統的輸出 端與心臟控制系統和心室輔助裝置相連接。
所述的心臟模擬組件包括液囊、氣囊、第一單向閥和第二單向閥，其中 氣囊與液囊粘結固定，氣囊經氣管與心臟控制系統相連接，液囊經液管分別與第 一單向閥、第二單向閥、外周模擬組件和心室輔助裝置相連接。
所述的第一單向閥和第二單向閥用于模擬房室瓣和動脈瓣。
所述液囊的側壁和底部共有設有3處管狀開口，其中位于側壁的兩處管狀 開口分別與第一單向閥和第二單向閥相連接，位于底部的管狀開口與心室輔助裝 置相連接，該液囊用于模擬左心室。
所述氣囊的側壁設有2處管狀開口并分別經進氣管與心臟控制系統相連接， 氣囊的底部設有圓？L，使液囊底部的管狀開口通過，氣囊在側壁的上緣和底部分 別與液囊粘結密封。
所述的液囊和氣囊均為空心半球狀結構，采用醫用聚氨酯材料制成。
所述的心室輔助裝置包括血泵、控制器、手動開關閥、第三單向閥和第四 單向閥，其中手動開關閥的兩端分別與液囊和血泵相連接，第三單向閥和第四
單向閥分別連接在血泵的進口和出口位置，控制器分別與血泵和數據采集系統相 連接。
所述的血泵為搏動式血泵或非搏動式血泵。
所述的外周模擬組件包括彈性腔、阻尼閥和血液容器，其中彈性腔的輸 入端經液管分別與心臟模擬組件和心室輔助裝置的出口處相連接，彈性腔的輸出 端連接阻尼閥的一端，阻尼閥的另 一端經血液容器與心臟模擬組件的入口處相連 接。所述的阻尼閥用于模擬整個循環系統的外周阻力，所述的血液容器用于模擬 左心房。
所述的彈性腔用于模擬動脈的順應性，該彈性腔為圓筒狀結構，彈性腔的下 端兩側設有2個管狀開口，彈性腔的內部設有彈簧和密封滑塊，其中彈簧兩端 分別連接在彈性腔的上端中心和密封滑塊的中心，密封滑塊在彈性腔內滑動設置 并將彈性腔分成兩個腔室。
所述的傳感裝置包括壓力計、流量計和氣壓計，其中若干壓力計分別設 置于心臟模擬組件的下端出口處、心臟模擬組件與心室輔助裝置出口匯合處以和 彈性腔出口處，若干流量計分別設置于心臟模擬組件出口處、心室輔助裝置出口 處、心臟模擬組件和心室輔助裝置連接匯合處，壓力計和流量計的輸出端都連接 至數據采集系統，氣壓計安裝在心臟模擬組件和心臟控制系統之間，用于監測心 臟模擬組件搏動的強弱。
所述的心臟控制系統包括空氣壓縮機、真空泵、電磁閥、電氣比例閥和手 動調節閥，其中空氣壓縮機經氣管連接電氣比例闊構成進氣氣路，真空泵經氣
管依次連接手動調節閥和電磁閥構成抽氣氣路，進氣氣路和抽氣氣路經氣壓計連 接到氣囊，電磁闊和電氣比例閥均與數據采集系統連接以接收控制指令。
本發明心臟模擬組件通過液管與心室輔助裝置、外周模擬組件相連接，模擬 整個循環系統的血液循環流路。用心臟控制系統實現心臟模擬組件的收縮與舒 張，用心室輔助裝置控制器控制心室輔助的泵血狀態。傳感裝置將流量和壓力信 號傳輸給數據采集系統和計算機進行處理，實現對心室輔助裝置性能參數的實時 顯示，并輸出控制指令給心臟控制系統和心室輔助裝置控制器，以實現整個模擬 循環系統的閉環控制。
與現有技術相比，本發明具有良好的適應性，通過對氣路的控制，在模擬人 體循環系統中模擬出不同的心室壓力、心室搏動周期、動脈壓力、血液流量等， 因此可模擬不同程度的心力衰竭，實現對各種并聯式心室輔助裝置(容積泵、軸 流泵、離心泵)的性能測試，便于實現對心室輔助裝置結構和控制系統的不斷優 化。
圖l為本發明系統結構示意圖。 圖2為心臟控制系統示意圖。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下 進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限 于下述的實施例。
如圖1所示，本實例包括心臟模擬組件l、心室輔助裝置2、傳感裝置3、
數據采集系統4、外周模擬組件5和心臟控制系統6，其中心臟控制系統6與 心臟模擬組件1連接，心臟模擬組件1與外周模擬組件5串聯連接成心臟模擬流 路系統，心室輔助裝置2與心臟模擬組件1并聯組成心室輔助流路系統。傳感裝 置3連接到心臟模擬和心室輔助聯合流路中，數據采集系統4的輸入端分別與傳 感裝置3和計算機相連接以接收壓力流量信號和控制指令，數據采集系統4的輸 出端與心臟控制系統6、心室輔助裝置2和計算機相連接。
所述的心臟模擬組件1包括液囊7、氣囊8、第一單向閥9和第二單向閥 10，其中氣囊8在側壁的上緣和底部分別與液囊7粘結密封，氣囊8分別經氣 管25與心臟控制系統6相連接，液囊7共有3個管狀開口 ，分別為液流進口 11， 液流出口 12和底部液流出口 13，液流進口 11和液流出口 12經液管24分別與 第一單向閥9和第二單向閥IO連接，然后與外周模擬組件5連接，底部液流出 口經液管24和心室輔助裝置2連接。
所述的液囊7和氣囊8均為空心半球狀結構，采用醫用聚氨酯材料制成。 所述的心室輔助裝置2包括血泵14、控制器15、第三單向閥16、第四單 向閥17和手動開關閥18，其中手動單向閥18連接在心臟模擬組件1底部液 流出口 13和第三單向閥16之間，第三單向閥16和第四單向閥17分別連接在血 泵14進出口位置，血泵14是搏動式血泵，控制器15分別與血泵14和數據采集 系統4連接。
所述的外周模擬組件5包括彈性腔19、阻尼閥20和血液容器21，其中 彈性腔19的輸入端經液管24分別與心臟模擬組件1中單向閥10和心室輔助裝 置2中第四單向閥17相連接，血液容器21的輸出端經液管24與液囊7中液流 進口 11連接，血液容器21的輸入端和彈性腔19的輸出端通過液管24連接阻尼 閥20。
所述的彈性腔19為圓筒狀結構，下端兩側有2個管狀開口，彈性腔19內部 有一根彈簧22和密封滑塊23,彈簧22兩端分別連接在彈性腔19上端中心和密封滑塊23中心，密封滑塊23將彈性腔19分成兩個腔室，同時密封滑塊23可在 彈性腔19內上下滑動。
所述的傳感裝置3包括氣壓計31、壓力計32和流量計33，其中氣壓計 31安裝在心臟模擬組件1和心臟控制系統6之間，用于監測心臟模擬組件1搏 動的強弱。若干壓力計32分別設置于心臟模擬組件1底部液流出口 13處、心臟 模擬組件1液流出口 12與心室輔助裝置2出口匯合處以和彈性腔19出口位置， 若干流量計33分別設置于心臟模擬組件1中單向閥10出口位置、心室輔助裝置 2出口位置、心臟模擬組件1和心室輔助裝置2連接匯合處，壓力計32和流量 計33的輸出端分別連接至數據采集系統4。
如圖2所示，所述的心臟控制系統6包括空氣壓縮機26、真空泵27、手 動調節閥28、電磁閥29和電氣比例閥30，其中空氣壓縮機26經氣管25連接 電氣比例閥30組成進氣氣路；真空泵27經氣管25依次連接手動調節閥28、電 磁閥29組成抽氣氣路。進氣氣路和抽氣氣路經氣壓計31另一端連接到氣囊8， 數據采集系統4與電磁閥29和電氣比例閥30相連接以傳輸控制指令。
本實施例的詳細工作過程如下
當手動開關閥18關閉時，通過計算機和數據采集系統4使心臟模擬組件1 工作，心室輔助裝置2不工作，即系統只有心臟模擬流路工作。開啟空氣壓縮機 26和真空泵27，數據采集系統4傳輸控制信號至心臟控制系統6，控制電磁閥 29的開關和電氣比例閥30的開度，電磁閥29和電氣比例闊30的控制信號實現 互鎖，即電氣比例閥30打開時，電磁閥29關閉，此時空氣壓縮機26給氣囊8 充氣，實現液囊7的收縮；電氣比例閥30關閉時，電磁閥29打開，此時真空泵 27給氣囊8抽氣，實現液囊7的舒張。液囊7的收縮與舒張即實現心臟模擬組 件l的泵血功能，系統中的液體經由液囊7液流出口 12流出，依次流經單向閥 10、彈性腔19、阻尼閥20、血液容器21、單向閥9，最后經過液流進口 11流回 到液囊7中。流路中壓力計32和流量計33采集的信號傳輸給數據采集系統4， 以實現對流路壓力和流量的閉環控制。通過調節電氣比例閥30的開度和電磁閥 29的開關時間，模擬出搏動心臟不同程度的心力衰竭。
當手動開關閥18打開時，通過計算機和數據采集系統4使心臟模擬組件1 和心室輔助裝置2同時工作，此時即可測試心室輔助裝置2在不同程度心力衰竭 狀態下的性能。此時心臟模擬流路工作過程與手動開關閥18關閉時相同，心室輔助流路的工作過程如下數據采集系統4傳輸控制信號給心室輔助裝置控制器 15使血泵14工作，在血泵14的作用下，回路中的液體經液囊7的底部液流出 口 13流經手動開關閥18、單向閥17、血泵14、單向閥18、彈性腔19、阻尼閥 20、血液容器21、單向閥9，最后經液流進口 U流回到液囊7中。流路中壓力 計32和流量計33采集的信號傳輸給數據采集系統4和計算機，實時顯示出心室 輔助裝置2的壓力和流量等性能參數，同時數據采集系統4對數據進行處理后反 饋控制信號給心室輔助裝置控制器15，實現對心室輔助裝置2的閉環控制。
權利要求
1、一種人體模擬循環系統，其特征在于，包括心臟模擬組件、心臟控制系統、傳感裝置、數據采集系統、外周模擬組件和心室輔助裝置，其中心臟控制系統與心臟模擬組件相連接，心臟模擬組件和外周模擬組件依次串聯組成心臟模擬流路系統，心室輔助裝置與心臟模擬組件并聯組成心室輔助流路系統，傳感裝置連接到心臟模擬和心室輔助聯合流路系統中，數據采集系統的輸入端分別與傳感裝置和計算機相連接以接收壓力流量信號和控制指令，數據采集系統的輸出端與心臟控制系統和心室輔助裝置相連接。
2、 根據權利要求1所述的人體模擬循環系統，其特征是，所述的心臟模擬 組件包括液囊、氣囊、第一單向閥和第二單向閥，其中氣囊與液囊粘結固定， 氣囊經氣管與心臟控制系統相連接，液囊經液管分別與第一單向闊、第二單向閥、 外周模擬組件和心室輔助裝置相連接。
3、 根據權利要求2所述的人體模擬循環系統，其特征是，所述液囊的側壁 和底部共有設有3處管狀開口，其中位于側壁的兩處管狀開口分別與第一單向 閥和第二單向閥相連接，位于底部的管狀開口與心室輔助裝置相連接，該液囊用 于模擬左心室。
4、 根據權利要求2所述的人體模擬循環系統，其特征是，所述氣囊的側壁 設有2處管狀開口并分別經進氣管與心臟控制系統相連接，氣囊的底部設有圓 孔，使液囊底部的管狀開口通過。
5、 根據權利要求1所述的人體模擬循環系統，其特征是，所述的心室輔助裝置包括血泵、控制器、手動開關閥、第三單向閥和第四單向閥，其中手動 開關閥的兩端分別與液囊和血泵相連接，第三單向閥和第四單向閥分別連接在血 泵的進口和出口位置，控制器分別與血泵和數據采集系統相連接。
6、 根據權利要求1所述的人體模擬循環系統，其特征是，所述的外周模擬 組件包括彈性腔、阻尼閥和血液容器，其中彈性腔的輸入端經液管分別與心 臟模擬組件和心室輔助裝置的出口處相連接，彈性腔的輸出端連接阻尼閥的一 端，阻尼閥的另一端經血液容器與心臟模擬組件的入口處相連接。
7、 根據權利要求6所述的人體模擬循環系統，其特征是，所述的彈性腔為圓筒狀結構，彈性腔的下端兩側設有2個管狀開口，彈性腔的內部設有彈簧和密 封滑塊，其中彈簧兩端分別連接在彈性腔的上端中心和密封滑塊的中心，密封 滑塊在彈性腔內滑動設置并將彈性腔分成兩個腔室。
8、 根據權利要求1所述的人體模擬循環系統，其特征是，所述的傳感裝置 包括壓力計、流量計和氣壓計，其中若干壓力計分別設置于心臟模擬組件的 下端出口處、心臟模擬組件與心室輔助裝置出口匯合處以和彈性腔出口處，若干 流量計分別設置于心臟模擬組件出口處、心室輔助裝置出口處、心臟模擬組件和 心室輔助裝置連接匯合處，壓力計和流量計的輸出端都連接至數據采集系統，氣 壓計安裝在心臟模擬組件和心臟控制系統之間，用于監測心臟模擬組件搏動的強 弱。
9、 根據權利要求1所述的人體模擬循環系統，其特征是，所述的心臟控制 系統包括空氣壓縮機、真空泵、電磁閥、電氣比例閥和手動調節閥，其中空 氣壓縮機經氣管連接電氣比例閥構成進氣氣路，真空泵經氣管依次連接手動調節 閥和電磁閥構成抽氣氣路，進氣氣路和抽氣氣路經氣壓計連接到氣囊，電磁閥和 電氣比例閥均與數據采集系統連接以接收控制指令。
全文摘要
一種醫療器械檢測技術領域的人體模擬循環系統，包括心臟模擬組件、心臟控制系統、傳感裝置、數據采集系統、外周模擬組件、心室輔助裝置和控制器，其中心臟控制系統與心臟模擬組件相連接，心臟模擬組件和外周模擬組件依次串聯組成心臟模擬流路系統，心室輔助裝置與心臟模擬組件并聯組成心室輔助流路系統。傳感裝置連接到心臟模擬和心室輔助聯合流路系統中，數據采集系統的輸入端分別與傳感裝置和計算機相連接以接收壓力流量信號和控制指令，數據采集系統的輸出端與心臟控制系統和心室輔助裝置控制器相連接。本發明能夠測試流路中多個位置的壓力和流量，便于實現對心室輔助裝置結構和控制系統的不斷優化。
文檔編號A61M1/10GK101618239SQ20091005596
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月6日 優先權日2009年8月6日
發明者一 劉, 呂雪烽, 李世陽, 李晶晶, 明 楊 申請人:上海交通大學