CN103854544B - 液压或气压人工肌肉驱动的心脏腔室模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可真实反映心脏收缩和舒张跳动过程压力和腔室形变的液压或气压人工肌肉驱动的心脏腔室模拟器，所述模拟器包括外鞘层、心肌层、心脏瓣膜和构成于外鞘层与心肌层之间封闭的中空腔体；所述外鞘层的壁面上开有通孔，用于液（气）体在中空腔体内的输入或输出；通过改变中空腔体内的压力大小能够实现心脏模型的收缩和舒张。该模型能够克服在外部循环管路中使用泵带来的收缩和舒张压力错误的缺点，以及通过外部机械加载导致心腔形变与实际心肌收缩和舒张过程形变差距较大的问题，真实的反映了心腔跳动过程的形变及正确的循环压力关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的心脏腔室模拟器，具体涉及一种液压或气压人工肌肉驱动的心脏腔室模拟器。该模拟器能够实现对心脏跳动的模拟，用于辅助微创心内介入医疗器械研发、血液循环和医学影像研究及培训医生。
背景技术
心脏模拟器是用于模拟心脏跳动和血液循环过程的设备，它对微创心内介入医学的发展具有以下重要的意义。首先，心血管疾病是人类健康的头号杀手，各国都非常重视心脏微创诊疗领域内的医疗器械研发。我国医疗器械企业也逐步开始向这一高端市场寻求突破，以改变市场被国外公司占领的局面，在未来的数十年内会呈现极为广泛的研发态势。动物实验作为该类产品走向临床的必要手段，存在配置复杂、耗费人力和财力以及实验条件有限等诸多缺陷，且面临着动物伦理问题，严重阻碍了医疗设备的研发进程。因此面向微创诊疗的心脏模拟器，能够在一定程度上替代动物实验，加快医疗器械的创新研发。其次，心脏微创介入手术对医生的操作水平要求很高，且手术开展过程中医生要遭受辐射伤害，医生培训过程困难且具有风险性，需要能够逼真模拟人体心脏跳动的模拟器作为辅助。此外，心脏模拟器的研制还有助于为人体血液循环、医学影像处理等提供重要的验证平台。
目前，大部分心脏模拟器是静态的医学模型，用于医学教学，无法体现血液循环的动态特性。国际上近期研发出的一些能够模拟心脏动态特征的高端心脏模拟器主要有以下两类：1、在心脏模型外部连接液压管路和液压元器件构建液压循环回路，采用泵向液压回路中提供动力实现血液循环；2、心脏模型外部构建的液压循环回路中不提供动力源，对心脏外部轴向或者侧向的载荷提供血液循环的动力。对于前者而言，外部循环管路中使用泵实现血液循环的方式与真实循环对应的压力相反，往腔室内部注入液体，压力升高同时腔室膨胀，对应着腔室舒张；从腔室向外部泵出液体，压力降低同时腔室收缩。而心脏跳动真实情况是：腔室收缩后导致内部压力升高，将血液博出；腔室舒张，压力降低，血液会涌入。对于后者而言，产生的心腔变形是由单点或者几个点挤压心腔引起的，无法逼真的描述心肌的整体收缩，导致对液体循环过程的模拟失真严重。因此按照上述两种原理实现的对心脏跳动的模拟不能够真实的反映心脏跳动过程。
发明内容
为了克服现有心脏模拟器不能正确体现心脏收缩和舒张过程中压力高低的对应关系，以及外部加载导致的变形不能体现心肌整体收缩变形导致心脏模拟器无法真实反映心脏跳动过程的问题，本发明提出了一种新型的心脏模拟器，该模拟器由液（气）压人工肌肉驱动心腔完成收缩和舒张，既能够满足正确的压力关系，也能够体现心肌的整体变形过程，从而逼真的反映了心脏跳动过程。
本发明是通过下列技术方案来实现的：
一种液压或气压人工肌肉驱动的心脏腔室模拟器，所述模拟器包括外鞘层、心肌层、心脏瓣膜和构成于外鞘层与心肌层之间封闭的中空腔体（压力腔）；所述外鞘层的壁面上开有通孔，用于液体或气体在中空腔体内的输入或输出；所述外鞘其材质为硬质高分子材料，所述心肌层和心脏瓣膜的材质为符合人体相应组织力学性能的高分子材料。
所述外鞘、心肌层和心脏瓣膜都是仿生生物组织材料，其中：外鞘材质优选为聚氨酯，邵氏硬度70～90；心肌层和心脏瓣膜的材质优选为TPE材料，邵氏硬度25~50。
所述心脏瓣膜粘接于心肌层上端面上，其粘接位置符合人体解剖结构；所述外鞘层与心肌层除中空腔体以外的部分通过粘接的方式固定在一起。
上述模拟器通过改变中空腔体的压力可实现心肌层的收缩和舒张，具体为：在中空腔体内外压力相等时，继续向中空腔体内输入液（气）体，腔体内压力增大（对应于心脏向舒张态变化），心肌层厚度不变但产生局部变形；在中空腔体内外压力相等时，从中空腔体内输出液（气）体，腔体内压力减小（对应于心脏向收缩态变化），心肌层厚度变小。中空腔体内外压力相等时的状态称为心腔的解剖形状，心腔的解剖形状是介于收缩和舒张之间的中间状态。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明利用包裹在心脏腔室外侧的液（气）压人工肌肉（包括心肌层、外鞘层和中空腔体）实现对腔室的收缩和舒张驱动，能够克服在外部循环管路中使用泵带来的收缩和舒张压力错误的缺点，以及通过外部机械加载导致心腔形变与实际心肌收缩和舒张过程形变差距较大的问题，真实的反映了心腔跳动过程的形变及正确的循环压力关系。
附图说明
图1为人体心脏（左心室）解剖结构。
图2为本发明心脏模拟器（左心室）结构示意图。
图3为本发明心脏模拟器（左心室）中间状态。
图4为本发明心脏模拟器（左心室）的舒张变化过程。
图5为本发明心脏模拟器（左心室）的收缩变化过程。
图中：1-心肌；2-心腔；3-心肌层；4-中空腔体；5-通孔（进液/气口）；6-外鞘层；7-二尖瓣；8-主动脉瓣膜。
具体实施方式
下面结合附图详述本发明。
图1为人体心脏的解剖结构，人体心脏主要由心肌1构成，有左心房、左心室、右心房、右心室四个腔，左右心房之间和左右心室之间均由间隔隔开，心房与心室之间有瓣膜。但由于心房与心室的驱动变形过程一致，因此在附图与说明中，均采用左心室作为说明对象，可以此类推到其他三个房室。本发明心脏模拟器的结构如图2所示，在人体心脏的基础上将心肌1拆分为由内部的心肌层3、外鞘层6以及心肌层3与外鞘层6之间封闭的中空腔体（压力腔）4组成，外鞘层6的壁面上开有通入或吸出液（气）体的通孔5。心肌层3和心脏瓣膜（二尖瓣7和主动脉瓣膜8）由符合人体相应组织力学性能的高分子材料制作，优选为TPE材料，邵氏硬度25~50；外鞘层6由硬质高分子材料制作，优选为聚氨酯，邵氏硬度70～90。心脏瓣膜与心肌层3连接方式为粘接，位置符合人体解剖结构（粘接采用华信胶粘剂（深圳）有限公司生产的556强力粘接胶水，介着剂为768）；外鞘层6与心肌层3除中空腔体4以外的部分通过粘接的方式固定在一起。通过进液/气口向压力腔4内通入或吸出液体或气体，以改变压力腔内的压力，能够实现心腔2的收缩和舒张。
心腔的解剖形状是介于收缩和舒张的中间状态如图3所示，该状态向收缩态变化时，心肌层厚度不变产生局部变形，该状态向舒张态变化时，心肌层厚度变薄。
心脏模拟器的舒张变化过程如图4所示。模拟器初始状态为心腔收缩状态（图4(a)），经进液/气口从压力腔内吸出液体，导致压力腔内压力减小，二尖瓣随之打开，液体进入心腔，心腔开始膨胀。膨胀过程分两个阶段，第一个阶段，心肌层厚度不变，其局部变形恢复至自然状态（图4(b)）；第二个阶段，心肌层厚度逐渐变薄，直至心腔增大到舒张最大状态（图4(c)）。
心脏模拟器的收缩变化过程如图5所示。模拟器初始状态为心腔舒张状态（图5(a)），经进液/气口从压力腔内输入液体，导致压力腔内压力增大，主动脉瓣膜随之打开，液体从心腔排出，心腔开始收缩。收缩过程分两个阶段，第一个阶段，心肌层厚度逐渐变厚，恢复至自然状态（图5(b)）；第二个阶段，心肌层厚度不变，局部变形，心腔减小到收缩最小状态（图5(c)）。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种液压或气压人工肌肉驱动的心脏腔室模拟器，其特征在于：所述模拟器包括外鞘层、心肌层、心脏瓣膜和构成于外鞘层与心肌层之间封闭的中空腔体；所述外鞘层的壁面上开有通孔，用于液体或气体在中空腔体内的输入或输出；所述外鞘其材质为硬质高分子材料，所述心肌层和心脏瓣膜的材质为符合人体相应组织力学性能的高分子材料；
通过外鞘层上的通孔向中空腔体内通入或吸出液体或气体，以改变中空腔体内的压力，能够实现心脏腔室的收缩和舒张；
心脏腔室舒张变化过程为：模拟器初始状态为心腔收缩状态，经进液/气口从中空腔体内吸出液体，导致中空腔体内压力减小，二尖瓣随之打开，液体进入心腔，心腔开始膨胀；
心脏腔室收缩变化过程为：模拟器初始状态为心腔舒张状态，经进液/气口从中空腔体内输入液体，导致中空腔体内压力增大，主动脉瓣膜随之打开，液体从心腔排出，心腔开始收缩。
2.根据权利要求1所述的心脏腔室模拟器，其特征在于：所述外鞘材质为聚氨酯，邵氏硬度70～90；所述心肌层和心脏瓣膜的材质为TPE材料，邵氏硬度25～50。
3.根据权利要求1所述的心脏腔室模拟器，其特征在于：所述心脏瓣膜粘接于心肌层上端面上，所述外鞘层与心肌层除中空腔体以外的部分通过粘接的方式固定在一起。
4.根据权利要求1或2所述的心脏腔室模拟器，其特征在于：所述中空腔体内外压力相等时，继续向中空腔体内输入液体或气体，腔体内压力增加，心肌层厚度不变但产生局部变形；所述中空腔体内外压力相等时，从中空腔体内输出液体或气体，腔体内压力减小，心肌层厚度变薄。
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