專利名稱：一種顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，尤其涉及一種顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液 流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
腦中風(fēng)是現(xiàn)今死亡率最高的三大疾病之一，超過50%的中風(fēng)發(fā)生與腦動(dòng) 脈狹窄引起的腦部供血不足有關(guān)。而腦動(dòng)脈狹窄最常見部位是頸內(nèi)動(dòng)脈(ICA) 和椎動(dòng)脈(VA)，這正處于Willis環(huán)區(qū)域。另外，Willis環(huán)的分叉處是腦動(dòng)脈 瘤易發(fā)部位。
國內(nèi)外學(xué)者對Willis環(huán)的研究從一維模型過渡到二維模型，再到現(xiàn)在基 于醫(yī)學(xué)圖像的三維模型研究，經(jīng)歷了幾十年的歷程。對Willis環(huán)內(nèi)動(dòng)脈狹窄和 動(dòng)脈瘤破裂機(jī)理，以及動(dòng)脈狹窄程度與腦供血量和腦中風(fēng)的關(guān)系取得了一定 的研究成果，對于三維Willis環(huán)內(nèi)血液流動(dòng)已經(jīng)有較為實(shí)用的理論，可以用于 指導(dǎo)其數(shù)學(xué)物理模型的建立。但是由于Willis環(huán)結(jié)構(gòu)與血液流動(dòng)的復(fù)雜性，還 有很多問題尚不能用數(shù)學(xué)分析的方法解決。在此背景下，研制顱內(nèi)三維Willis 環(huán)血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置， 它能夠模擬顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液的穩(wěn)態(tài)與脈動(dòng)流動(dòng)，方便對環(huán)內(nèi)血管的壓 力、流速、流量等流場參數(shù)進(jìn)行測量，以探索環(huán)內(nèi)血液流動(dòng)的規(guī)律。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。 一種顱內(nèi)Willis 環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括Willis環(huán)模型，與Willis
環(huán)模型的出口連通的收集液箱，與Willis環(huán)模型的入口連通的常壓液箱，汽缸，
與汽缸的活塞固定連接的直線電機(jī)，與直線電機(jī)電連接的伺服控制器，與汽 缸的缸體通過管道并聯(lián)的第一單向閥和第二單向閥，與第一單向閥的入口連
通的供給液箱；所述第一單向閥控制液體流向汽缸的缸體，所述第二單向閥 的出口連通Willis環(huán)模型的入口，控制液體流出汽缸的缸體；所述常壓液箱的 液位高于Willis環(huán)模型。
本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于
所述第二單向閥的出口和Willis環(huán)模型的入口之間通過空腔盒連通，所 述空腔盒工作時(shí)液封有氣體；其更進(jìn)一步改進(jìn)在于所述空腔盒的出口設(shè)置 有第一控制閥，所述常壓液箱的出口設(shè)置有第二控制閥；所述空腔盒頂部設(shè) 置有橡膠氣囊。
所述常壓液箱和收集液箱之間設(shè)置有連通管路和循環(huán)泵，所述常壓液箱 設(shè)置有溢流口，該溢流口連通供給液箱；其更進(jìn)一步改進(jìn)在于所述常壓液 箱通過隔板分為恒壓倉和溢流倉，所述溢流口位于溢流倉的底側(cè)。
所述供給液箱內(nèi)設(shè)置有恒溫加熱器。
本發(fā)明中，用伺服控制器控制直線電機(jī)，直線電機(jī)帶動(dòng)汽缸的活塞往復(fù) 運(yùn)動(dòng)模擬心臟的跳動(dòng)，用第一、第二單向閥形成單向流動(dòng)，對Willis環(huán)模型產(chǎn) 生脈動(dòng)壓力；用液位高于Willis環(huán)模型的常壓液箱，向Willis環(huán)模型的入口提 供一個(gè)恒定壓力，用來模擬人體顱內(nèi)Willis環(huán)入口處的平均血壓；同時(shí)，在第 二單向閥的出口和Willis環(huán)模型的入口之間設(shè)置空腔盒連通，該空腔盒工作時(shí) 液封有氣體，利用空氣的可壓縮性來模擬動(dòng)脈順應(yīng)性。因此，本發(fā)明的技術(shù)方案能夠模擬顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液的穩(wěn)態(tài)與脈動(dòng)流動(dòng)，方便對環(huán)內(nèi)血管的壓 力、流速、流量等流場參數(shù)進(jìn)行測量，以探索環(huán)內(nèi)血液流動(dòng)的規(guī)律；為進(jìn)一 步研究Willis環(huán)在各種狹窄、堵塞情況下的各支動(dòng)脈內(nèi)壓力、速度等流場參數(shù) 的分布情況奠定了基礎(chǔ)。


圖l為本發(fā)明的實(shí)施例示意圖。
圖2為脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，Willis環(huán)模型入口處的壓力波形圖；其中縱坐標(biāo)為壓力
p,單位為Pa;橫坐標(biāo)為時(shí)間Time ，單位為s。
具體實(shí)施例方式
參照圖l，顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置，主要包括伺服控 制器l、直線電機(jī)2、汽缸3、第一單向閥4、第二單向閥5、供給液箱6、空 腔盒7、 Willis環(huán)模型8、收集液箱9、循環(huán)泵IO、常壓液箱ll、第一控制閥 13、第二控制閥14、以及測量Willis環(huán)模型的壓力、流速、流量等流場參數(shù) 的傳感器。伺服控制器1控制直線電機(jī)2，直線電機(jī)2帶動(dòng)汽缸3的活塞往復(fù) 運(yùn)動(dòng)。汽缸3的缸體通過管道并聯(lián)的第一單向閥4和第二單向閥5，第一單向 閥4的入口連通的供給液箱6，控制液體流向汽缸3的缸體。第二單向閥5控 制液體流出汽缸3的缸體，其出口依次串聯(lián)空腔盒7和第一控制閥13。第一 控制閥13的另一端和第二控制閥14的一端通過管路并聯(lián)后連通Willis環(huán)模型 8的入口；第二控制閥14的另一端通過管路連接常壓液箱11的出口，常壓液 箱11放置在較高的位置，利用其液位高度為Willis環(huán)模型8的入口提供一個(gè) 恒定壓力，用來模擬人體顱內(nèi)Willis環(huán)入口處的動(dòng)脈平均壓力。Willis環(huán)模型 8的出口連通收集液箱9，收集液箱9的液體通過循環(huán)泵12泵入常壓液箱11， 保證常壓液箱11的液面高度恒定，常壓液箱11設(shè)置有溢流口，溢流液體通過管道回收到供給液箱6，實(shí)現(xiàn)液體的循環(huán)使用。
在試驗(yàn)中，為了保證常壓液箱ll的液位穩(wěn)定，本實(shí)施例通過隔板將常壓 液箱11分為恒壓倉和溢流倉，常壓液箱11的出口位于恒壓倉的底部，溢流 口位于溢流倉的底側(cè)，恒壓倉溢流過隔板的液體經(jīng)溢流倉流入供給液箱6。
在試驗(yàn)中，為了防止試驗(yàn)用液體的粘度會受到溫度的影響，在供給液箱6 內(nèi)設(shè)置有恒溫加熱器15，保持整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)液體的溫度基本恒定，使得液體粘 度在試驗(yàn)過程中不發(fā)生變化，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。
本發(fā)明中，用伺服控制器1控制直線電機(jī)2，直線電機(jī)1帶動(dòng)汽缸3的活 塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)模擬心臟的跳動(dòng)，用第一、第二單向閥4、 5形成單向流動(dòng)。在直 線電機(jī)2和活塞前進(jìn)行程，第一單向閥4關(guān)閉，第二單向閥5開啟，對Willis 環(huán)模型8產(chǎn)生脈動(dòng)壓力，提供脈動(dòng)液體；在直線電機(jī)2和活塞回位過程中， 第一單向閥4開啟，第二單向閥5關(guān)閉，從供給液箱6向汽缸3中補(bǔ)充液體。
本發(fā)明中，在第二單向閥5的出口和Willis環(huán)模型8的入口之間設(shè)置空腔 盒7連通，該空腔盒7工作時(shí)液封有氣體，利用氣體的可壓縮性來模擬動(dòng)脈 順應(yīng)性。順應(yīng)性是指在外力作用下彈性組織的可擴(kuò)張性，是靜止條件下測得 的每單位壓力改變所產(chǎn)生的容積改變。動(dòng)脈順應(yīng)性是指血管壁的緩沖能力， 是動(dòng)脈血管壁的內(nèi)在彈性特性，它是脈搏波傳播速度的決定因素，也是左心 室后負(fù)荷的一個(gè)主要決定因素。動(dòng)脈順應(yīng)性的降低可能是早期血管損害的一 個(gè)標(biāo)志，可作為動(dòng)脈搏動(dòng)功能減弱的臨床指標(biāo)之一。研究發(fā)現(xiàn)，低動(dòng)脈順應(yīng) 性的心血管病人收縮期射血功能指標(biāo)降低，舒張功能發(fā)生改變，血漿快速胰 島素水平升高，提示動(dòng)脈順應(yīng)性可能是預(yù)測心血管并發(fā)癥的一個(gè)有效指標(biāo)。 目前多采用SV/ PP(每搏量/脈壓)來表示動(dòng)脈順應(yīng)性，這一比值在心血管疾 病危險(xiǎn)性增加中起重要作用，甚至可在人口統(tǒng)計(jì)中不依賴于年齡和左室質(zhì)量指數(shù)預(yù)測高血壓病人心血管疾病死亡事件。在本實(shí)施中，利用空氣的可壓縮
性對動(dòng)脈血管的順應(yīng)性進(jìn)行模擬。在直線電機(jī)2的前進(jìn)行程中，空腔盒7中 的空氣被壓縮；當(dāng)直線電機(jī)2回位時(shí)，壓縮空氣膨脹。空腔盒7頂部設(shè)置有 壓力表及橡膠氣囊，橡膠氣囊通過閥門連通空腔盒，能夠調(diào)節(jié)空腔盒內(nèi)氣體 壓力。本發(fā)明中，通過對空腔盒內(nèi)加壓及調(diào)整空氣柱高度的改變來調(diào)節(jié)動(dòng)脈 順應(yīng)性指標(biāo)。
在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉第一控制閥13、開啟第二控制閥14。通過調(diào)整 常壓液箱11的液位高度保證Willis環(huán)模型8入口處壓力達(dá)到12KPa的腦動(dòng)脈 平均血壓。該壓力通過入口處的靜態(tài)壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測。在調(diào)整出合適壓 力后，通過流量和壓力測量裝置測量不同病理狀況(ICA， VA不同狹窄率、ICA
阻塞等)下模型內(nèi)的流量和壓力分布情況。
在進(jìn)行脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，開啟第一控制閥13、關(guān)閉第二控制閥14。通過對直 線電機(jī)2的行程及加速度通過伺服控制器1進(jìn)行編程控制得到較為理想的入 口壓力波形，如圖2所示。利用布置在Willis環(huán)模型8上的動(dòng)態(tài)壓力傳感器、 流量計(jì)以及PIV得到模型在不同病理狀況下的壓力流量分布以及近壁處的壓 力梯度、流場中二次流等流場信息。
權(quán)利要求
1、一種顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括Willis環(huán)模型(8)，與Willis環(huán)模型(8)的出口連通的收集液箱(9)，與Willis環(huán)模型(8)的入口連通的常壓液箱(11)，汽缸(3)，與汽缸(3)的活塞固定連接的直線電機(jī)(2)，與直線電機(jī)(2)電連接的伺服控制器(1)，與汽缸(1)的缸體通過管道并聯(lián)的第一單向閥(4)和第二單向閥(5)，與第一單向閥(4)的入口連通的供給液箱(6)；所述第一單向閥(4)控制液體流向汽缸(3)的缸體，所述第二單向閥(5)的出口連通Willis環(huán)模型(8)的入口，控制液體流出汽缸(3)的缸體；所述常壓液箱(11)的液位高于Willis環(huán)模型(8)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置， 其特征在于，所述第二單向閥(5)的出口和Willis環(huán)模型(8)的入口之間通 過空腔盒(7)連通，所述空腔盒(7)工作時(shí)液封有氣體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置， 其特征在于，所述空腔盒(7)的出口設(shè)置有第一控制閥(13)，所述常壓液 箱(11)的出口設(shè)置有第二控制閥(14)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置， 其特征在于，所述空腔盒(7)頂部設(shè)置有橡膠氣囊。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置， 其特征在于，所述常壓液箱(11)和收集液箱(9)之間設(shè)置有連通管路和循 環(huán)泵(12)，所述常壓液箱(11)設(shè)置有溢流口，該溢流口連通供給液箱(6)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述常壓液箱(11)通過隔板分為恒壓倉和溢流倉，所述溢流 口位于溢流倉的底側(cè)。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置， 其特征在于，所述供給液箱(6)內(nèi)設(shè)置有恒溫加熱器(15)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種顱內(nèi)Willis環(huán)三維血液流動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置，包括Willis環(huán)模型(8)，與Willis環(huán)模型(8)的出口連通的收集液箱(9)，與Willis環(huán)模型(8)的入口連通的常壓液箱(11)，汽缸(3)，與汽缸(3)的活塞固定連接的直線電機(jī)(2)，與直線電機(jī)(2)電連接的伺服控制器(1)，與汽缸(1)的缸體通過管道并聯(lián)的第一單向閥(4)和第二單向閥(5)，與第一單向閥(4)的入口連通的供給液箱(6)；第一單向閥(4)控制液體流向汽缸(3)的缸體，第二單向閥(5)的出口連通Willis環(huán)模型(8)的入口，控制液體流出汽缸(3)的缸體；常壓液箱(11)的液位高于Willis環(huán)模型(8)。
文檔編號G09B23/28GK101504804SQ20091002137
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者朱光宇, 奇 袁, 珍 陳 申請人:西安交通大學(xué)