简易模拟心血管系统的设计与控制_刘一

李世阳 模拟心心血管

第27卷　第1期生物医学工程学杂志Vol.27　No.1

2010年　2月JournalofBiomedicalEngineeringFebruary　2010

简易模拟心血管系统的设计与控制

刘　一Δ　杨　明　李世阳　郑喆俊

(上海交通大学仪器科学与工程系,上海200240)

＊

摘　要:为评测人工心脏,尤其是直接辅助式人工心脏,本文提出了利用泵、阀、管道、弹性腔和相应的控制器建立一套能反映血液动力学特性的简易体外血液循环模拟实验装置的方法。在该装置中,任意时刻流量的估计,是利用测量模拟心脏的血压和循环周期总流量获得。通过改变控制信号的频率、占空比和阀的开度模拟心脏不同心率、不同心收缩周期、不同程度的泵血功能,实验结果与生理情况分析基本相符合。该装置的模拟心脏具有类似心脏的形状,直接心辅装置可以直接固定在其上工作。关键词:心血管系统;模拟试验装置;人工心脏

中图分类号　R318.11　　文献标识码　A　　文章编号　1001-5515(2010)01-0165-05

DesignandControlofaSimulatingCardiovascularSystem

LiuYi　YangMing　LiShiyang　ZhengZhejun

(DepartmentofInstrumentScienceandEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Abstract:Inordertostudythecardiovascularhemodynamiccharacteristicsandevaluatetheartificialheart,especiallythecompressioncardiacassistdevices,weputforwardasimulatingdevicewhichismadeofpump,valve,tubesandcontroller,andcanbeusedtoimitatecardiovascularsystem.Moreover,inthisessay,weputforthanalgorithmtodrawpressure-volumeloopwiththeparametersmeasured,includingliquidpressure,volumeandairpressure.Thechangesinthefrequencyanddutyofcontrolsignalandintheangleofproportionalvalvecansymbolizecardiovascularsystemindifferentheartrates,withdifferentsystoleperiod,andatdifferentlevel,respectively.Theresultofsimu-latingdeviceexperimentprovedtobecoincidentwithphysiology.

Keywords:Cardiovascularsystem;Simulatingexperimentalequipment;Artificialheart

引言

心脏病是当今世界威胁人类生命健康的重大疾病之一。在美国,2004年因各种心脏病死亡的人数高达654092,占全年总死亡人数的23.2%

[1]

心脏辅助[2],之后许多研究机构都在从事相关研

究[3-6]。评估这些装置的性能,最好的办法是进行动物实验和临床应用,直接观察辅助装置对动物和人的影响,但是这种方法存在风险大、费用高、工作量大、条件限制等不利因素,且不易重复进行。如果能在动物实验之前,先在能反映心血管系统特性的体外模拟实验装置中进行测试,就可以避免这些问题[7]。然而目前的心脏模拟装置一般都采用叶轮血泵或轴流血泵作为动力系统,无法将直接心辅装置固定在血泵上。因此,有必要研制一种可以安装直接心辅装置的心血管模型,对这些装置初期性能进行实验研究。

。实践

证明心脏移植是治疗晚期心脏病患者的一个较为成功的技术,但对心脏移植的需求远远大于器官的供给,许多患者在等待供体的过程中死亡。这种需求使得人工心脏辅助器件的研究与开发,成为终晚期心脏病治疗研究的重点。特别是直接心室辅助器件,不仅可以避免辅助器件与血液接触引起的生物兼容性问题,还可以产生更加符合人体生理的脉动血流。AnstadtCup于1965年首次被用来进行人工

＊国家自然科学基金资助项目(30670524);上海市浦江人才计划项目资助(07pj14054);教育部留学回国人员启动经费资助

:@http://doc.guandang.net

1　装置设计与控制

1.1　模拟心血管系统实验平台的构成

模拟系统参照比较直观、简单的Windkessel三

[8]

,,

李世阳 模拟心心血管

　　　　　　　　　166　　　　　　　　　　生物医学工程学杂志　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第27卷

其顺应性为C,将小动脉与毛细血管看作外周阻力血管,其外周阻力为R。图1(a)为描述左心室后负荷体动脉系统的Westerhof三元件单弹性腔模型(ZC-C-R)。其中:ZC为体动脉特性阻抗;P为主动脉根部压力;Qin和Qout分别为由左心室流入主动脉的流量和由体动脉流入体静脉的血液流量。用于评估直接心室辅助性能的心血管模拟系统采用泵、阀、管道、弹性腔等简单元件,配以相应的控制器来搭建。

参照以往的试验[9,10],用气泵组合体模拟自然心脏,气泵组合体包括:外囊,用于储液,有一个接口,连接两个单向阀,分别控制用于泵出血液和回流血液;内囊,用于充放气,有一个接口连接控制充气的电气比例阀和放气的电磁阀;空气压缩机(带可调稳压阀),用于提供压缩空气;电气比例阀,用于控制充气量;气压传感器;电磁阀;真空泵,必要时用于抽气;手动调节阀,用于手动调节放气的速度。各个环节之间气路的连接、走向具体如图1(b)所示。外壳和内囊可以设计成仿心脏的尺寸和容量,直接心辅装置可以通过网袋绑定在外壳上,解决了在现有模拟心血管系统上不能安装直接心辅装置的问题。用内径为6mm的塑料管道模拟血管,管道阻力模拟外周阻力,橡胶制弹性腔模拟动脉适应性,用30%甘油水溶液作为循环介质,其黏滞度接近于血液[11]。各个部件连接搭建整个模拟循环装置,如图1(c)所示。在模拟循环系统的模拟动脉管道装上电磁流量计探头,由L-mag

型电磁流量计显示实时流

量和输出流量脉冲(一个脉冲相当于10ml)。在模拟心脏的出入口处和动脉安装NS-F压力变送器测量心室内的压力变化。

　　气泵组合体充放气的周期、占空比、电气比例阀

的开度等参数的控制和液压传感器、气压传感器、流量检测仪测量到的数据的采集由控制器完成,设置采样率为1000采样点/s。控制器由NI板卡6024E(PCI接口)、信号控制电路和Labview程序组成。NI板卡6024E上有1路频率输出通道,2路模拟输出通道,16路模拟输入通道,8路数字通道。Lab-view是NI公司推出的图形开发环境,在科学研究和工程领域广为应用。利用NI板卡配合Labview控制程序可以很方便地发生两路所需信号,NI板卡上发生的频率信号驱动能力较小,一路频率和占空比可调的信号(Ctr),经过电路隔离放大后施加给电磁阀(V1),调节控制气泵组合体信号的周期和占空比,改变模拟心脏的心动周期和收缩期与舒张期的持续时间;另一路为幅度可调的模拟信号(AO),经过电路调制后施加给电气比例阀(V2),通过调节所加的电压信号,改变每个周期泵出的流量,模拟不同程度的心收缩强度,信号控制电路和调制前后的信号图分别如图2(a)和图2(b)所示

。

图2　信号控制电路(a)和信号示意图(b)Fig.2　Controlcircuit(a)andoutputsignal(b)

1.2　试验装置分析

在进行试验之前,需要使整个气路工作,从而模拟心脏动作实现泵血和回血。保持空气压缩机始终

图1　三元件Westerhof模型(a)、气泵组合体结构示意图(b)和模拟

血液循环装置(c)

Fig.1　Westerhofmodel(a),heartmodel(b)andstructureofsimula-tingcirculationsystem(c)

工作。当电气比例阀开启一定程度而电磁阀截止时,压缩空气输入内囊中,从而提供泵血动力;当电气比例阀截止而电磁阀连通时,压缩空气就会从内囊中排出从而实现回血。在一次模拟泵血回血过程,

李世阳 模拟心心血管

第1期　　　　　　　　　　　　　　　刘　一等:简易模拟心 …… 此处隐藏：6297字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……