心臟體外脈動循環(huán)模擬系統(tǒng)設計與開發(fā)研究.pdf

1、人工心臟在研發(fā)制造完成以后，還未進入臨床實驗前，需要對其泵血性能進行評估，而且人工心臟在研發(fā)設計過程中需要不斷的進行多次試驗達到優(yōu)化改進。目前，有些研究機構(gòu)使用動物活體做實驗研究，雖然在一定程度上對解決問題是有幫助的，但是動物心臟畢竟不同于人體心臟，收集的數(shù)據(jù)與人體對比差別較大，而且活體實驗周期較長、成本較高。因此，能夠體外準確復現(xiàn)人體心臟正常生理與心力衰竭生理脈動泵血狀態(tài)數(shù)據(jù)是極其重要的，這些數(shù)據(jù)可以幫助校準人工心臟研發(fā)或者使用過程中

2、一些參數(shù)。實現(xiàn)這個功能，搭建一個體外脈動循環(huán)模擬系統(tǒng)平臺就顯得尤為重要，雖然不能完全代替臨床實驗，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)提供一個良好的平臺，可以施加目標參數(shù)的脈動流體載荷及完成相關(guān)生理性能測試。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循環(huán)模擬系統(tǒng)所要解決的難點在于:(1)心動周期時間較短，導致系統(tǒng)單位

3、周期內(nèi)流量波動大，體外模擬時長期高頻負荷穩(wěn)定性是一個挑戰(zhàn);(2)心血管疾病時血流狀態(tài)的模擬，如主動脈瘤發(fā)生時如何直觀反映主動脈壓力對主動脈瘤的影響？(3)泵血時主動脈的順應性及血供的滯后性如何模擬？
　　國內(nèi)外現(xiàn)有報道將心臟舒張期/收縮期時間比簡化為相等，導致不同心率時，瞬時脈動壓力波形的形狀相同，難以表征主動脈瞬時壓力波形，也無法模擬心血管疾病時的血流狀態(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的數(shù)學模型。應

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

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，對循環(huán)系統(tǒng)的主動脈壓力進行調(diào)節(jié)控制;通過分析血壓瞬時波形圖與系統(tǒng)流量圖，可以正確反應出血液動力學的性質(zhì)，驗證了心臟體外脈動循環(huán)系統(tǒng)模擬真實生理狀況的可行性。
　　論文的主要研究工作如下:
　　(1).對體外脈動循環(huán)模擬系統(tǒng)依據(jù)的生理學基礎知識進行梳理，簡要介紹了心臟的醫(yī)學解剖構(gòu)造、泵血功能及血管網(wǎng)絡。對血流動力學涉及的血流阻力，血流量，血液壓力分別進行概述

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

7、感器和壓力傳感器的選型，完成系統(tǒng)平臺的搭建工作。將動脈瘤模擬器連入系統(tǒng)，體外模擬動脈瘤在主動脈施加脈動載荷的動作過程。
　　(4).完成平臺系統(tǒng)中元器件與軟硬件的連接以及界面控制，解決電磁對系統(tǒng)的干擾，進行計算機界面的調(diào)試。針對主動脈壓力控制，分別講述了心動周期控制，外周阻力控制及左心室控制。通過搭建好的平臺進行實驗，完成主動脈壓力、系統(tǒng)流量等血流動力學參量的實時測量和顯示。實驗模擬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