CN109172047A - 人工心脏瓣膜功能测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种人工心脏瓣膜功能测试系统，包括一人体模拟测试机构、一监测机构和一控制机构，所述人体模拟测试机构包括一心脏模拟泵和一血液循环模拟回路，所述控制机构连接所述监测机构和所述心脏模拟泵，所述监测机构还连接所述心脏模拟泵和所述血液循环模拟回路。本发明的一种人工心脏瓣膜功能测试系统，可模拟真实人体生理环境，提高了测试的科学性和准确性，且博出精度高，可满足不同测试环境下的瓣膜测试需求。
Description
技术领域
本发明涉及测试人工心脏瓣膜流体力学性能技术领域，尤其涉及一种人工心脏瓣膜功能测试系统。
背景技术
心脏瓣膜病是一种常见的心脏病，随着人类寿命的延长和人口的老年化，这类疾病的发病率越来越高。心脏瓣膜病是不可逆的，只会逐渐加重，人工心脏瓣膜置换手术是治疗重度心脏瓣膜病的有效方法。每年需要进行瓣膜手术的患者达30多万例，占成年人心脏手术第一位。无论是机械瓣还是生物瓣在临床应用前，都需要进行严格的体外测试、动物试验和临床试验。体外测试是人工心脏瓣膜性能评价的重要内容，目的是得到瓣膜的性能参数，评价瓣膜的质量优劣，为瓣膜的性能优化提供依据。其中，人工心脏瓣膜体外功能测试是评价瓣膜流体力学性能的重要手段。
目前现有的，我国自主研制的人工心脏瓣膜功能测试设备，沿用传统简单的设计方法，在模拟心理环境时只考虑原理没有考虑人体心血管结构，装置运行不稳定，性能不可靠，参数控制不精确，且操作复杂。国外进口设备，虽然性能稳定，但价格昂贵，造成瓣膜研发成本高，不利于瓣膜的研制和普及应用。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种人工心脏瓣膜功能测试系统，可模拟真实人体生理环境，提高了测试的科学性和准确性，且博出精度高，可满足不同测试环境下的瓣膜测试需求。
为了实现上述目的，本发明提供一种人工心脏瓣膜功能测试系统，包括一人体模拟测试机构、一监测机构和一控制机构，所述人体模拟测试机构包括一心脏模拟泵和一血液循环模拟回路，所述控制机构连接所述监测机构和所述心脏模拟泵，所述监测机构还连接所述心脏模拟泵和所述血液循环模拟回路；
所述血液循环模拟回路包括一心室腔、一分流块、一主动脉支架、一瓣膜安装台、一主动脉腔、一第一导流管、一第二导流管、一阻尼阀、一心房腔、一单向机械阀和一顺应腔；所述心室腔一侧连接所述心脏模拟泵，所述分流块固定于所述心室腔的顶部且所述分流块的底面与所述心室腔的顶面形成导通所述心室腔和所述分流块的一第一通道；所述主动脉支架和所述心房腔分别固定于所述分流块顶面的两侧，所述心房腔与所述分流块之间形成导通所述心房腔和所述分流块的一第二通道，所述单向机械阀安装于所述第二通道上；所述瓣膜安装台固定于所述主动脉支架的顶部，所述主动脉腔固定于所述瓣膜安装台的顶部，所述主动脉腔通过所述瓣膜安装台和主动脉支架与所述分流块之间形成导通所述主动脉腔和所述分流块的一第三通道，所述瓣膜安装台包括一瓣膜安装架，所述瓣膜安装架可拆卸地固定于所述第三通道上；所述主动脉腔的下部通过所述第一导流管与所述心房腔导通，所述阻尼阀安装于所述第一导流管上；所述主动脉腔的上部通过所述第二导流管与所述顺应腔连通。
优选地，所述心脏模拟泵包括一壳体、一交流伺服电机、一丝杠推缸、一活塞和一缸体，所述缸体和所述交流伺服电机固定于所述壳体内，所述丝杠推缸与所述交流伺服电机传动连接，所述活塞固定于所述丝杠推缸远离所述交流伺服电机的一端并可沿所述丝杠推缸传动方向往复运动地与所述缸体内壁活塞配合；所述缸体远离所述交流伺服电机的一端与所述心室腔导通。
优选地，所述丝杠推缸传动方向为水平方向，所述缸体与所述丝杠推缸同轴布设。
优选地，所述监测机构包括一温度控制装置、一流量计、至少一流量传感器、一信号放大器、一第一压力传感器、一第二压力传感器和多个位移传感器；所述温度控制装置连接所述血液循环模拟回路；所述流量计连接所述流量传感器，所述流量传感器安装于所述主动脉支架与所述分流块之间的所述第三通道内；所述信号放大器连接所述第一压力传感器和所述第二压力传感器，所述第一压力传感器安装于所述分流块，所述第二压力传感器安装于所述主动脉腔；所述流量计和所述信号放大器连接所述控制机构；所述位移传感器安装于所述丝杠推缸上并连接所述控制机构。
优选地，所述控制机构包括一交流伺服控制器、一数据采集卡和一上位机，所述上位机连接所述数据采集卡，所述数据采集卡连接所述交流伺服控制器、所述流量计、所述信号放大器和所述位移传感器，所述交流伺服控制器连接所述交流伺服电机。
优选地，所述分流块沿水平方向形成一分流腔，所述分流腔的两端分别形成一开口，所述开口分别设置有一密封端盖。
优选地，所述主动脉支架和所述心房腔沿所述分流腔的轴向设置于所述分流块的顶部两侧并对称布设于所述第一通道的两侧。
优选地，所述心室腔的底部形成一排水口，所述排水口设置有一排水端盖。
优选地，所述心房腔采用透明材料。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
人体模拟测试机构的采用可实现综合考虑心脏结构、血液流通环境、阻尼、顺应性等情况的人体生理环境模拟，可模拟真实人体生理环境，提高了测试的科学性和准确性。通过人体模拟测试机构、监测机构和控制机构的配合，可实现自动化的人工心脏瓣膜功能测试。阻尼阀用于调节血液循环模拟过程中阻力的大小，提高人体环境的仿真度，从而提高测试结果的精度。顺应腔用于通过改变顺应腔内液面上方空气体积，调节系统的顺应性，模拟真实的生理环境，提高测试结果的精度。瓣膜安装架可拆卸地固定于第三通道上，通过更换不同型号的瓣膜安装架，可满足不同规格的待测人工心脏瓣膜的测量。心房腔采用透明材料，可以方便直观地观察待测人工心脏瓣膜的开闭状态和运动情况。
附图说明
图1为本发明实施例的人工心脏瓣膜功能测试系统的原理图；
图2为本发明实施例的人工心脏瓣膜功能测试系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的血液循环模拟回路的结构示意图；
图4为本发明实施例的心脏模拟泵的结构示意图。
具体实施方式
下面根据附图1～图4，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1和图2，本发明实施例的一种人工心脏瓣膜功能测试系统，包括一人体模拟测试机构1、一监测机构2和一控制机构3，人体模拟测试机构1包括一心脏模拟泵11和一血液循环模拟回路12，控制机构3连接监测机构2和心脏模拟泵11，监测机构2还连接心脏模拟泵11和血液循环模拟回路12。
人体模拟测试机构1的采用可实现综合考虑心脏结构、血液流通环境、阻尼、顺应性等情况的人体生理环境模拟，可模拟真实人体生理环境，提高了测试的科学性和准确性。通过人体模拟测试机构1、监测机构2和控制机构3的配合，可实现自动化的人工心脏瓣膜功能测试。
本实施例中，心脏模拟泵11具有位置闭环控制功能，博出精度高，可满足不同测试环境下的瓣膜测试需求。
请参阅图2和图3，血液循环模拟回路12包括一心室腔1201、一分流块1202、一主动脉支架1203、一瓣膜安装台1204、一主动脉腔1205、一第一导流管1206、一第二导流管1207、一阻尼阀1208、一心房腔1209、一单向机械阀1210和一顺应腔1211；心室腔1201一侧连接心脏模拟泵11，分流块1202固定于心室腔1201的顶部且分流块1202的底面与心室腔1201的顶面形成导通心室腔1201和分流块1202的一第一通道；主动脉支架1203和心房腔1209分别固定于分流块1202顶面的两侧，心房腔1209与分流块1202之间形成导通心房腔1209和分流块1202的一第二通道，单向机械阀1210安装于第二通道上；瓣膜安装台1204固定于主动脉支架1203的顶部，主动脉腔1205固定于瓣膜安装台1204的顶部，主动脉腔1205通过瓣膜安装台1204和主动脉支架1203与分流块1202之间形成导通主动脉腔1205和分流块1202的一第三通道，瓣膜安装台1204包括一瓣膜安装架12041，瓣膜安装架12041可拆卸地固定于第三通道上；主动脉腔1205的下部通过第一导流管1206与心房腔1209导通，阻尼阀1208安装于第一导流管1206上；主动脉腔1205的上部通过第二导流管1207与顺应腔1211连通。
阻尼阀1208用于调节血液循环模拟过程中阻力的大小，提高人体环境的仿真度，从而提高测试结果的精度。顺应腔1211用于通过改变顺应腔1211内液面上方空气体积，调节系统的顺应性，模拟真实的生理环境，提高测试结果的精度。本实施例中，顺应腔1211固定于心脏模拟泵11上。瓣膜安装架12041可拆卸地固定于第三通道上，通过更换不同型号的瓣膜安装架12041，可满足不同规格的待测人工心脏瓣膜4的测量。
本实施例中，分流块1202沿水平方向形成一分流腔，分流腔的两端分别形成一开口，开口分别设置有一密封端盖1212。
主动脉支架1203和心房腔1209沿分流腔的轴向设置于分流块1202的顶部两侧并对称布设于第一通道的两侧。
心室腔1201的底部形成一排水口，排水口设置有一排水端盖1213。心房腔1209采用透明材料，本实施例中，透明材料采用透明亚力克，可以方便直观地观察待测人工心脏瓣膜4的开闭状态和运动情况。
请参阅图2和图4，心脏模拟泵11包括一壳体111、一交流伺服电机112、一丝杠推缸113、一活塞114和一缸体115，缸体115和交流伺服电机112固定于壳体111内，丝杠推缸113与交流伺服电机112传动连接，活塞114固定于丝杠推缸113远离交流伺服电机112的一端并可沿丝杠推缸113传动方向往复运动地与缸体115内壁活塞114配合；缸体115远离交流伺服电机112的一端与心室腔1201导通。
其中，丝杠推缸113传动方向为水平方向，缸体115与丝杠推缸113同轴布设。
本实施例中，监测机构2包括一温度控制装置21、一流量计22、至少一流量传感器23、一信号放大器24、一第一压力传感器25、一第二压力传感器26和多个位移传感器27；温度控制装置21连接血液循环模拟回路12；流量计22连接流量传感器23，流量传感器23安装于主动脉支架1203与分流块1202之间的第三通道内；信号放大器24连接第一压力传感器25和第二压力传感器26，第一压力传感器25安装于分流块1202，第二压力传感器26安装于主动脉腔1205；流量计22和信号放大器24连接控制机构3；位移传感器27安装于丝杠推缸113上并连接控制机构3。
另外，控制机构3包括一交流伺服控制器31、一数据采集卡32和一上位机33，上位机33连接数据采集卡32，数据采集卡32连接交流伺服控制器31、流量计22、信号放大器24和位移传感器27，交流伺服控制器31连接交流伺服电机112。本实施例中，数据采集卡32包括一I/O模块和一数据采集模块，上位机33通过USB总线发送指令给数据采集卡32的I/O模块，然后I/O模块的脉冲输出口发送脉冲数据给交流伺服控制器31，从而控制心脏模拟泵11往复运动。同时，可通过上位机33设置脉冲输出的频率和数量，可精确控制心脏模拟泵11的搏动频率，搏出量。
请参阅图2～图4，本发明实施例的一种人工心脏瓣膜功能测试系统的操作方法如下：
首先，将待测人工心脏瓣膜4固定在瓣膜安装架12041上，然后通过心房腔1209上端开设的一注液口注入血液模拟液5，由于血液循环模拟回路12内均为连通状态，所以血液模拟液5会充满整个血液循环模拟回路12的腔室。然后用端盖密封注液口。接着通过温度控制装置21模拟出一个类似于人体的温度环境，血液模拟液5需维持在37℃。
接着，开启供电电源(图中未示)，可利用医用三通阀，对第一压力传感器25和第二压力传感器26在测试前与大气相通并进行压力校准。校准压力后，可通过转换三通阀，使第一压力传感器25和第二压力传感器26与血液循环模拟回路12相通。通过上位机33启动心脏模拟泵11，并通过位移传感器27观察丝杠推缸113是否在预设原点位置，随后开始测试，在心脏模拟泵11的作用下，活塞114将力直接作用于血液模拟液5。活塞114向前运动，模拟心脏舒张动作时，血液模拟液5将加载传给待测人工心脏瓣膜4，使得待测人工心脏瓣膜4打开，单向机械阀1210闭合，血液模拟液5从心室腔1201泵出，经测待测人工心脏瓣膜4进入主动脉腔1205，通过第一导流管1206、阻尼阀1208流入心房腔1209；当活塞114向后运动时，模拟心脏收缩动作时，心室腔1201压力减小，待测人工心脏瓣膜4闭合，单向机械阀1210打开，血液模拟液5从心房腔1209回流到心室腔1201。测试结束后可打开心室腔1201下端的排水端盖1213，排出血液模拟液5。
流量传感器23、流量计21、第一压力传感器25和第二压力传感器26可实时监测待测人工心脏瓣膜4的流体力学性能；数据采集卡32的数据采集模块采集经信号放大器24处理过的电压信号和流量计22的信号，并可在上位机33上以曲线、数据形式显示出来，经过计算处理可测量主动脉压力、心室压力、平均跨瓣压差、血液通过瓣膜流量与返流量、有效开口面积等所需数据。
本发明实施例的一种人工心脏瓣膜功能测试系统，其测试结果准确，优化地模拟了心血管结构，从原理和形态上重现了瓣膜的生理环境，可以减少测试误差，提高测试结果的精准度。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种人工心脏瓣膜功能测试系统，其特征在于，包括一人体模拟测试机构、一监测机构和一控制机构，所述人体模拟测试机构包括一心脏模拟泵和一血液循环模拟回路，所述控制机构连接所述监测机构和所述心脏模拟泵，所述监测机构还连接所述心脏模拟泵和所述血液循环模拟回路；
所述血液循环模拟回路包括一心室腔、一分流块、一主动脉支架、一瓣膜安装台、一主动脉腔、一第一导流管、一第二导流管、一阻尼阀、一心房腔、一单向机械阀和一顺应腔；所述心室腔一侧连接所述心脏模拟泵，所述分流块固定于所述心室腔的顶部且所述分流块的底面与所述心室腔的顶面形成导通所述心室腔和所述分流块的一第一通道；所述主动脉支架和所述心房腔分别固定于所述分流块顶面的两侧，所述心房腔与所述分流块之间形成导通所述心房腔和所述分流块的一第二通道，所述单向机械阀安装于所述第二通道上；所述瓣膜安装台固定于所述主动脉支架的顶部，所述主动脉腔固定于所述瓣膜安装台的顶部，所述主动脉腔通过所述瓣膜安装台和主动脉支架与所述分流块之间形成导通所述主动脉腔和所述分流块的一第三通道，所述瓣膜安装台包括一瓣膜安装架，所述瓣膜安装架可拆卸地固定于所述第三通道上；所述主动脉腔的下部通过所述第一导流管与所述心房腔导通，所述阻尼阀安装于所述第一导流管上；所述主动脉腔的上部通过所述第二导流管与所述顺应腔连通。
2.根据权利要求1所述的人工心脏瓣膜功能测试系统，其特征在于，所述心脏模拟泵包括一壳体、一交流伺服电机、一丝杠推缸、一活塞和一缸体，所述缸体和所述交流伺服电机固定于所述壳体内，所述丝杠推缸与所述交流伺服电机传动连接，所述活塞固定于所述丝杠推缸远离所述交流伺服电机的一端并可沿所述丝杠推缸传动方向往复运动地与所述缸体内壁活塞配合；所述缸体远离所述交流伺服电机的一端与所述心室腔导通。
3.根据权利要求2所述的人工心脏瓣膜功能测试系统，其特征在于，所述丝杠推缸传动方向为水平方向，所述缸体与所述丝杠推缸同轴布设。
4.根据权利要求2或3所述的人工心脏瓣膜功能测试系统，其特征在于，所述监测机构包括一温度控制装置、一流量计、至少一流量传感器、一信号放大器、一第一压力传感器、一第二压力传感器和多个位移传感器；所述温度控制装置连接所述血液循环模拟回路；所述流量计连接所述流量传感器，所述流量传感器安装于所述主动脉支架与所述分流块之间的所述第三通道内；所述信号放大器连接所述第一压力传感器和所述第二压力传感器，所述第一压力传感器安装于所述分流块，所述第二压力传感器安装于所述主动脉腔；所述流量计和所述信号放大器连接所述控制机构；所述位移传感器安装于所述丝杠推缸上并连接所述控制机构。
5.根据权利要求4所述的人工心脏瓣膜功能测试系统，其特征在于，所述控制机构包括一交流伺服控制器、一数据采集卡和一上位机，所述上位机连接所述数据采集卡，所述数据采集卡连接所述交流伺服控制器、所述流量计、所述信号放大器和所述位移传感器，所述交流伺服控制器连接所述交流伺服电机。
6.根据权利要求5所述的人工心脏瓣膜功能测试系统，其特征在于，所述分流块沿水平方向形成一分流腔，所述分流腔的两端分别形成一开口，所述开口分别设置有一密封端盖。
7.根据权利要求6所述的人工心脏瓣膜功能测试系统，其特征在于，所述主动脉支架和所述心房腔沿所述分流腔的轴向设置于所述分流块的顶部两侧并对称布设于所述第一通道的两侧。
8.根据权利要求7所述的人工心脏瓣膜功能测试系统，其特征在于，所述心室腔的底部形成一排水口，所述排水口设置有一排水端盖。
9.根据权利要求8所述的人工心脏瓣膜功能测试系统，其特征在于，所述心房腔采用透明材料。
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