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《浙江大学》 2018年
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心脏体外脉动循环模拟系统设计与开发研究

刘宇  
【摘要】:人工心脏在研发制造完成以后,还未进入临床实验前,需要对其泵血性能进行评估,而且人工心脏在研发设计过程中需要不断的进行多次试验达到优化改进。目前,有些研究机构使用动物活体做实验研究,虽然在一定程度上对解决问题是有帮助的,但是动物心脏毕竟不同于人体心脏,收集的数据与人体对比差别较大,而且活体实验周期较长、成本较高。因此,能够体外准确复现人体心脏正常生理与心力衰竭生理脉动泵血状态数据是极其重要的,这些数据可以帮助校准人工心脏研发或者使用过程中一些参数。实现这个功能,搭建一个体外脉动循环模拟系统平台就显得尤为重要,虽然不能完全代替临床实验,但是可以缩短人工心脏的开发周期,这也将为相关心脏疾病研究和医疗器械开发提供一个良好的平台,可以施加目标参数的脉动流体载荷及完成相关生理性能测试。心脏、血管、血液构成血液循环系统,血液循环系统不仅复杂,还有较多的血管非线性摩擦力影响心脏泵出的血液的能量传递。在体外建立心脏脉动循环模拟系统所要解决的难点在于:(1)心动周期时间较短,导致系统单位周期内流量波动大,体外模拟时长期高频负荷稳定性是一个挑战;(2)心血管疾病时血流状态的模拟,如主动脉瘤发生时如何直观反映主动脉压力对主动脉瘤的影响?(3)泵血时主动脉的顺应性及血供的滞后性如何模拟?国内外现有报道将心脏舒张期/收缩期时间比简化为相等,导致不同心率时,瞬时脉动压力波形的形状相同,难以表征主动脉瞬时压力波形,也无法模拟心血管疾病时的血流状态。本文采用集中参数法,提取血液循环系统的主要特征并建立了相应的数学模型。应用弹性腔理论,推导并采用合适的激活函数,分别得出心室、主动脉等的弹性腔规格,针对要解决的难点选择合适的元器件,最终完成新型心脏脉动循环模拟系统的设计、搭建和数据采集。该系统可设置不同心率和不同的收缩期和舒张期所占的时间比,血流量设置范围5-35L/min,正常生理、高血压、心衰等主动脉瞬时压力波形与真实生理状况基本一致,在此基础上完成脑动脉瘤模拟器的设计、制作,连入系统,可模仿真实动脉瘤变化过程;直观的反映主动脉血液对动脉瘤施加的脉动载荷,可用于手术模拟器开发。采用自主开发的软件界面控制和硬件结合的方式,对循环系统的主动脉压力进行调节控制;通过分析血压瞬时波形图与系统流量图,可以正确反应出血液动力学的性质,验证了心脏体外脉动循环系统模拟真实生理状况的可行性。论文的主要研究工作如下:(1).对体外脉动循环模拟系统依据的生理学基础知识进行梳理,简要介绍了心脏的医学解剖构造、泵血功能及血管网络。对血流动力学涉及的血流阻力,血流量,血液压力分别进行概述。对比论述了正常生理学与心力衰竭的血流压力和血流流量。(2).针对人体血液循环系统建立等效电路模型。心室与心房的数学模型采用时变弹性模型建立,动脉、静脉的弹性腔模型采用集中参数建模办法建立,还对外周阻力及瓣膜进行模拟。特别是对外周阻力和顺应性进行带入建立的弹性腔模型计算,满足体外脉动循环模拟系统的特性要求。(3).设计体外脉动循环模拟系统原理图,对系统中所需要的离心泵、电磁阀、节流阀等元器件进行选型,尤其对流量传感器和压力传感器的选型,完成系统平台的搭建工作。将动脉瘤模拟器连入系统,体外模拟动脉瘤在主动脉施加脉动载荷的动作过程。(4).完成平台系统中元器件与软硬件的连接以及界面控制,解决电磁对系统的干扰,进行计算机界面的调试。针对主动脉压力控制,分别讲述了心动周期控制,外周阻力控制及左心室控制。通过搭建好的平台进行实验,完成主动脉压力、系统流量等血流动力学参量的实时测量和显示。实验模拟人体正常与心衰生理情况下的血液循环特性,产生与真实生理状况拟合度很高的血压瞬时波形及循环系统血流量波形,能正确反应出血液动力学的性质,验证了心脏体外脉动循环模拟系统的可行性。同时也验证了系统连入动脉瘤模拟器作为手术模拟器是可行的。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TH789

【参考文献】
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