模擬血流循環中的脈動心泵的製作方法

2023-07-20 20:54:26 1

專利名稱：模擬血流循環中的脈動心泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種臨床研究和動物實驗的血流循環模擬裝置，尤其 是一種血流循環模擬裝置中的脈動心泵。
背景技術：
覆蓋在心肌表面冠狀動脈上的心肌束被稱為心肌橋。為客觀評價 心肌橋的臨床意義，了解壁冠狀動脈的血流動力學特徵十分重要。人 們己經通過多種途徑對此進行了探討，但由於以往的研究多數是在臨 床病人和實驗動物中進行，存在著一些不可避免的局限性(l)缺乏 系統性臨床研究對象中影響血流動力學參數(如心肌橋的寬度、壁 冠狀動脈受壓程度、血壓、心率等)出現的隨機性使臨床難以進行系 統和全面的研究。(2)血流量的測定冠狀動脈的血流量是決定心肌 血流灌注狀態最重要的因素，但目前臨床上還沒有令人滿意的測量冠 狀動脈血流量的方法，因此對心肌橋導致壁冠狀動脈血流量的變化尚 缺乏足夠的認識。因此，需要研製一套"心臟一冠狀動脈一心肌橋" 模擬裝置(圖l所示)用於補充臨床研究和動物實驗的局限與不足。
該裝置應能實現如下目標
1.建立心肌橋的機械壓迫與冠脈供血之間的量化關係，為判斷心 肌橋的存在與心肌缺血之間的關係提供依據。
2.研究心肌橋的機械壓迫對壁冠狀動脈近段、遠段壓力的影響。 在實現上述目標的基礎上，進一步從機理上探求血流參數的變化與冠 狀動脈粥樣硬化之間的關係,解釋心肌橋近段的粥樣硬化斑塊發生率 較高的原因。
整個裝置按功能可劃分為動力、心泵、心肌橋、管道和測量五個 子系統。共同完成對壓力、流量等血流動力學參數的測定。其中心泵
是整個模擬裝置的關鍵部件，其功能主要是實現心臟的泵血功能， 並儘可能復現左心室的輸出壓力波形。目前，還沒有一種心泵能完全 滿足上述功能要求。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種模擬血流循環中的脈動心 泵，該泵能實現心臟的泵血功能，並可復現左心室的輸出壓力波形， 適用於"心臟一冠狀動脈一心肌橋"模擬裝置，也適用於其他血流 循環模擬裝置。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案是
一種模擬血流循環中的脈動心泵，包括主軸，固定在旋轉主軸上的 心泵凸輪，槓桿，柱塞泵，其特點是心泵凸輪上面設有具有凸輪曲 線的凸輪滑槽，心泵凸輪通過其上的凸輪滑槽連接往復運動的頂杆， 頂杆驅動端連接槓桿阻力臂，槓桿中間設有對頂杆的往復運動進行放 大或縮小的可調支點，槓桿動力臂連接柱塞泵的活塞，頂杆中心線1 與活塞的中心線2平行，其之間的距離為定值。
主軸通過聯軸器與調速電機減速箱輸出軸相連。
心泵凸輪曲線是通過活塞的位移曲線積分式
S(t)二 "(Oc// = 「I&，得到，
其中P(t)二RXAXU(t)， 式中T為心率周期，A為柱塞泵橫截面積；U(t)為泵室內流體平均 流速；t為時間。
心泵流量是通過移動可調支點的位置，改變槓桿動力臂L,和阻力 臂L2的比例，調節柱塞泵活塞行程S2而成，艮口
S/ L|=S2/ L2，
S2- Si X L^/ Li
式中Si為凸輪行程。
心泵頻率是通過調節調速電機而變化，其調速範圍為18 240轉/分。
頂杆的行程為15咖時，通過改變支點相對於頂杆中心線1與活塞 的中心線2位置，槓桿阻力臂Ll與動力臂L2的比值變化範圍為
0. 375-2. 667之間，柱塞泵活塞的行程變動範圍為5. 7mm-40mm。 本發明的有益效果是
本發明的心泵能實現心臟的泵血功能，並可復現左心室的輸出壓 力波形，適用於"心臟一冠狀動脈一心肌橋"模擬裝置，也適用於 其他血流循環模擬裝置。
經模擬裝置的實驗本發明的心泵系統達到以下主要目標
1. 模擬左心室壓力波形；
2. 模擬心臟的泵血功能，在保持左心室壓力波形不變的前提下，心
髒的泵血量可在一定範圍內調節； 3.頻率可調。
另外，本發明的機械裝置結構緊湊、壓力穩定、成本低廉。


圖l是心肌橋模擬裝置框圖； 圖2是本發明的心泵系統示意圖； 圖3是人體左心室壓力波形圖； 圖4是心泵壓力波形圖5是人體壁冠狀動脈近段與遠段壓力圖形；
圖6是模擬壁冠狀動脈近段與遠段壓力圖形。
具體實施例方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。
如圖2所示，本發明的模擬血流循環中的脈動心泵，包括主軸5，
心泵凸輪4，槓桿8，柱塞泵IO。
主軸5通過聯軸器與調速電機減速箱輸出軸相連，心泵凸輪4固 定在旋轉主軸5上。
心泵凸輪4上面開有具有凸輪曲線的凸輪滑槽6，心泵凸輪4通 過其上的凸輪滑槽6連接往復運動的頂杆3，頂杆3驅動端連接槓桿 8阻力臂Ll，槓桿8中間設有對頂杆3的往復運動進行放大或縮小的 可調支點7，槓桿8動力臂L2連接柱塞泵10的活塞9，頂杆3中心 線1與活塞9的中心線2平行，其之間的距離為定值。 心泵的結構與功能
心泵由心泵凸輪4，槓桿8，柱塞泵IO三部份組成.固定在主軸5 上的心泵凸輪4繞軸旋轉，從而帶動頂杆3按凸輪滑槽6所限定的位 移曲線沿中心線1做往復運動，位於中心線1與中心線2之間的槓桿 8，通過調整支點7的位置，對頂杆3的往復運動進行放大或縮小， 以達到調節柱塞泵活塞9行程的目的，並使活塞9沿中心線2 (柱塞 泵缸體中心線)做往復運動，心泵凸輪4的位移曲線是固定不變的， 使得頂杆3的行程也固定不變(15mm)，而中心線1與中心線2的距 離也是固定的，改變支點7相對於兩中心線的位置，即可使槓桿8阻 力臂Ll與動力臂L2的比值在0. 375到2. 667之間變化，並使柱塞泵 活塞9的行程從5.7mm變到40mm。
心泵系統設計原理 (l)心泵凸輪曲線的設計
心臟的壓力波形採用機械模擬方案，凸輪曲線的設計至關重要。 其設計依據是心泵在工作時，總外周阻力R保持不變。作為初步的 分析研究，將血管視為剛性均勻圓管，定常層流流動。在剛性均勻圓 管中，定常層流流動的壓力和流量關係是法國醫生Poiseuille首先 給出準確描述的-
P:RXQ，
式中R為外周阻力，n流體粘度，L為管長，r為圓管半徑
則心泵的輸出壓力
P(t)=RXQ(t)，
P(t)二RXAXU(t)， 式中A為柱塞泵橫截面積；U(t)為泵室內流體平均流速；t為時間。 由於活塞運動速度V (t)等於泵室內流體平均流速U(t)，則有
P(t)=RXAXv (t)， 由於柱塞泵橫截面積A與外周阻力R保持不變，故P(t)^v (t)，而 輸出壓力P(t)的波形就是我們所需要的心臟壓力波形，它很容易測 得，有了它相當於獲得了活塞速度v(t)的波形曲線。據此，積分一 次便可獲得活塞的位移曲線
S(t)= =
式中T為心率周期。
據此，我們可設計驅動該活塞行程的凸輪曲線。 (2)心泵流量的調節
心臟壓力波形採用機械模擬方案的優點是仿真度較高，波形曲線 穩定。但一旦凸輪做好以後，其曲線形狀和活塞行程都將唯一確定。 要想改變壓力波形或每搏輸出量，只能另外加工凸輪。這給實驗參數 的調節帶來了諸多不便。本裝置利用槓桿機構來連接凸輪和活塞杆，
通過移動支點的位置，改變動力臂L和阻力臂L2的比例，達到調節
柱塞泵活塞行程S2的目的，艮卩
formula see original document page 9
式中S,為凸輪行程。
從而在保持壓力波形一致的前題下，實現了對每搏輸出量的調節。
當然，要想改變壓力波形，還須另換凸輪。
(3)頻率的調節
採用調速電機。主軸5通過聯軸器與調速電機減速箱輸出軸相連， 並通過安裝在主軸5上的兩個凸輪，分別驅動心泵與心肌橋.由於主 軸5的轉速與輸出軸的轉速相同，即18 240轉/分，它既是心搏頻 率，也是心肌橋的施壓頻率。 使用結果
"心泵一冠狀動脈一心肌橋"循環系統模型研製完成後，測試結 果顯示該裝置基本達到了設計要求，性能穩定。
(1) 壓力波形
A. 左心室壓力波形對照圖3、圖4的曲線，表明模擬裝置壓力波 形曲線與人體左心室波形曲線較為吻合。
B. 心肌橋存在時壁冠狀動脈壓力波形
管道受壓後記錄到的壓力圖形和臨床上用冠狀動脈腔內壓力導絲 測定的心肌橋病人的壁冠狀動脈近段和遠段的壓力圖形特徵相同(圖 5、圖6)。
(2) 心泵的流量每搏輸出量在2. 8ml到19ml之間，以最低心率4 0 次/分，最高心率200次/分計算，實際裝置所能提供的流量範圍在 0. 11升/分到3. 9升/分之間，比實驗要求的0. 25 1. 25升/分擴大 了許多。
(3) 心泵的頻率實驗顯示，通過調節電機上調速旋紐可以準確地將 頻率調整至所需要的頻率。與實驗要求確定的主要參數之一，心率40 200轉/分相比，實際裝置所能提供的心搏範圍更大(1S 240轉 /分)。
權利要求
1.一種模擬血流循環中的脈動心泵，包括主軸(5)，固定在主軸(5)上的心泵凸輪(4)，槓桿(8)，柱塞泵(10)，其特徵在於，所述心泵凸輪(4)上面設有具有凸輪曲線的凸輪滑槽(6)，心泵凸輪(4)通過其上的凸輪滑槽(6)連接往復運動的頂杆(3)，頂杆(3)驅動端連接槓桿(8)阻力臂(L1)，槓桿(8)中間設有對頂杆(3)的往復運動進行放大或縮小的可調支點(7)，槓桿動力臂(L1)連接柱塞泵的活塞(9)，頂杆(3)中心線1與活塞(9)的中心線2平行，其之間的距離為定值。
2. 根據權利要求1所述的模擬血流循環中的脈動心泵，其特徵在於， 所述主軸(5)通過聯軸器與調速電機減速箱輸出軸相連。
3. 根據權利要求1所述的模擬血流循環中的脈動心泵，其特徵在於， 所述心泵凸輪曲線是通過活塞的位移曲線積分式formula see original document page 2得到，其中P(t)=RXAXU(t)， 式中T為心率周期，A為柱塞泵橫截面積；U(t)為泵室內流體平均 流速；t為時間。
4. 根據權利要求1所述的模擬血流循環中的脈動心泵，其特徵在於， 所述心泵流量是通過移動可調支點(7)的位置，改變槓桿動力臂(LJ 和阻力臂(L》的比例，調節柱塞泵活塞(9)行程S2而成，艮P:formula see original document page 2式中S,為凸輪行程。
5. 根據權利要求1所述的模擬血流循環中的脈動心泵，其特徵在於，所述心泵頻率是通過調節調速電機而變化，其調速範圍為18 240轉 /分。
6. 根據權利要求1或4所述的模擬血流循環中的脈動心泵，其特徵 在於，所述頂杆(3)的行程為15mm時，通過改變支點(7)相對於頂杆 中心線(1)與活塞的中心線(2 )位置，槓桿阻力臂(Ll)與動力臂(L2) 的比值變化範圍為0. 375-2. 667之間，柱塞泵活塞(9)的行程變動範 圍為5. 7mm-40mm。
全文摘要
本發明涉及一種模擬血流循環中的脈動心泵，包括主軸，固定在旋轉主軸上的心泵凸輪，槓桿，柱塞泵，其特點是心泵凸輪上面設有具有凸輪曲線的凸輪滑槽，心泵凸輪通過其上的凸輪滑槽連接往復運動的頂杆，頂杆驅動端連接槓桿阻力臂，槓桿中間設有對頂杆的往復運動進行放大或縮小的可調支點，槓桿動力臂連接柱塞泵的活塞，頂杆中心線1與活塞的中心線2平行，其之間的距離為定值。本發明的心泵能實現心臟的泵血功能，並可復現左心室的輸出壓力波形，適用於「心臟-冠狀動脈-心肌橋」模擬裝置，也適用於其他血流循環模擬裝置。另外，本發明的機械裝置結構緊湊、壓力穩定、成本低廉。
文檔編號A61M1/10GK101176802SQ200710171008
公開日2008年5月14日 申請日期2007年11月27日 優先權日2007年11月27日
發明者皓 丁, 永 劉, 瑜 周, 沈力行, 酈鳴陽, 媛 顧, 黃晶晶 申請人:上海理工大學