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近生理脉动流实验仿真与测控系统的设计

董建明  
【摘要】: 寻求合适的方法构建组织工程化血管一直是血管组织工程领域各国学者研究报道的重点,作为理想的血管替代物,它应有良好的机械张力,足以承受动脉强大的血流冲击而不破裂;具有血管生物活性,对温度、血流变化有相应舒缩反应,并能分泌相应的生物活性物质。其中最重要的是血管替代物的力学性质,要经得起长时间的血流考验,这是修复血管缺损成败的关键。在血液流体力学对血管壁作用的长期研究中,学者们设计出能模拟体内血液循环、血管搏动的装置——血管生物反应器,并将其成功应用于构建组织工程化血管。相关研究中介绍的反应器虽各有特点,但其共同的特点就是模拟人体血管搏动及血流冲刷作用,在血管重建力学因素中主要研究血流动力学的影响,尤其是脉动流的影响。而在关于近生理状态下的脉动流研究相对较少。 本论文在血液流体力学的研究基础上,构建近生理动脉脉动流混合参数模型及其模拟电路网络,运用MATLAB软件计算仿真电路模型,通过仿真出来的数据对近生理动脉脉动流装置进行理论指导。论文研究的主要内容如下: (1)对国内外在血管组织工程方面的研究、文献资料进行了分析总结。对血管重建过程中的血流动力学原理进行了概述,特别是近生理脉动流在血管重建中的作用给于了详细的论述。 (2)根据心血管血流动力学原理,在动脉血管段的分布参数和集中参数模型的基础上提出了6种模拟电路网络来模拟近生理状态的动脉脉动流装置。这6种模拟电路的独特点在于系统参数是变化的而输入是不变的恒流。并运用MATLAB软件对6种电路网络模型进行了计算和仿真,并对仿真结果和数据进行了详细的分析。 (3).在分析近生理动脉脉动流装置研制原理与特点的基础上,提出系统装置的制作要求,并设计和构建近生理动脉脉动流实验装置。对实验装置的各个组成部分进行了详细介绍,特别是装置中的控制设备—液容器和液阻器,它们是装置中的关键控制元件,实时要求高、制作较复杂。近生理动脉脉动流的测控系统是一个典型的数据采集系统,由传感器、小信号放大器、数据采集卡、多串口扩展卡、蠕动泵、直线电机、计算机等部分组成。通过多功能数据采集卡实现近生理脉动流装置的压力、流量的信息检测。并运用小信号放大器将传感器输出的小信号进行调理,以便于数据采集和微机控制。 (4).运用C++Builder 5.0开发工具完成近生理动脉脉动流实验装置的测控软件开发,数据的实时采集与处理采用多线程技术实现,串口程序实现蠕动泵控制和直线步进电机控制,设计并构建了分布式直线步进电机控制系统和控制协议。根据压力传感器和流量传感器的特点,开发了传感器标定程序,对实验中所要采集的压力和流量信号的标定提供了极大的便利。 (5).讨论了仿真实验和装置制作过程中出现的难点与重点,并对装置的下一步完善作了进一步展望。


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