專利名稱：一種模擬人體動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，特別涉及一種適用于在不同心跳頻率下，對(duì)人體動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)情況進(jìn)行循環(huán)模擬的的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
人體血液流動(dòng)體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是利用流動(dòng)相似性原理來模擬真實(shí)血液流動(dòng)情況，從而得到與真實(shí)血液流動(dòng)相近的信息。體外仿生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成本低、操作性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論與真實(shí)情形接近度高，故被廣泛采用到現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。目前，模擬在給定心率下人體內(nèi)血液流動(dòng)的體外仿生實(shí)驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)較多，其中典型的研究如文獻(xiàn)IZhang X, Yao Z, Zhang Y, et al. Experimental andcomputational studies on the flow fields in aortic aneurysms associated withdeployment of AAA sten-grafts. Acta Mech Sin，2007，23 :495-501 和文獻(xiàn)2LieberBB, Livescu V，Hopkins LN, et al. Particle image velocimetry assessment of stentdesign influence on intra-aneurysmal flow[J]. Annals of Biomedical Engineer ing，2002，30 :768-777。但是人體心率的分布范圍較寬正常成人心率在60次/分到100次/分之間均有分布，在此區(qū)間之外的心率通常為病態(tài)心率。而心跳頻率的變化對(duì)血流動(dòng)力學(xué)因素產(chǎn)生著重要的影響，對(duì)動(dòng)脈瘤的形成、生長(zhǎng)、破裂和瘤內(nèi)血栓的形成有著密切的關(guān)系。為此開展研究心跳頻率與血流動(dòng)力學(xué)因素之間作用機(jī)制的研究，對(duì)了解和認(rèn)識(shí)動(dòng)脈瘤的發(fā)展演化過程及瘤內(nèi)血栓的形成機(jī)理顯得尤為必要和有意義。人體血液的流動(dòng)狀態(tài)在不同心跳頻率下，對(duì)血流速度、壁面剪切應(yīng)力及瘤內(nèi)渦流的影響規(guī)律均不同，而心跳頻率在傳統(tǒng)的體外仿生實(shí)驗(yàn)研究中，目前無法實(shí)現(xiàn)快速和精確的調(diào)節(jié)。故對(duì)不同心跳頻率下血液流動(dòng)狀態(tài)的模擬造成了較大的局限性，從而不利于對(duì)研究心率變化與血流動(dòng)力學(xué)因素之間的作用機(jī)制，給認(rèn)識(shí)和了解動(dòng)脈瘤的發(fā)展演化過程和瘤內(nèi)血栓的形成機(jī)理帶來很大困難。為了能夠研究心跳頻率對(duì)血流動(dòng)力學(xué)因素的影響機(jī)制，需要一個(gè)能夠很好模擬心臟蠕動(dòng)的蠕動(dòng)泵，而心臟的蠕動(dòng)對(duì)人體動(dòng)脈管內(nèi)的血液流動(dòng)狀態(tài)的兩個(gè)參數(shù)要求很高。第一個(gè)參數(shù)即為表征流體流動(dòng)狀態(tài)的雷諾數(shù)。第二參數(shù)為表征真實(shí)血流脈動(dòng)程度的沃莫斯利數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)值的大小范圍決定了體外仿生實(shí)驗(yàn)血流狀態(tài)與真實(shí)動(dòng)脈瘤管內(nèi)的血流狀態(tài)是否近似，也決定了整個(gè)體外仿生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效性和合理性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供了一種模擬人體動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它能夠模擬不同心跳頻率下，動(dòng)脈瘤內(nèi)的血液流動(dòng)狀態(tài)，為獲取瘤體內(nèi)部的血流速度分布、瘤體壁面剪切應(yīng)力、瘤內(nèi)渦流等數(shù)據(jù)提供便利。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)包括通過管路相連、并形成閉合循環(huán)回路的上、下儲(chǔ)液箱，在上、下儲(chǔ)液箱內(nèi)設(shè)置有流體工質(zhì)，上儲(chǔ)液箱的出口經(jīng)硅膠軟管與層流發(fā)生器相連通，且該硅膠軟管穿過蠕動(dòng)泵，層流發(fā)生器經(jīng)橡膠管與實(shí)驗(yàn)段、流量計(jì)及下儲(chǔ)液箱的入口相連，下儲(chǔ)液箱的出口經(jīng)橡膠管與上儲(chǔ)液箱的入口相連，且在該管道上還安裝有循環(huán)泵。所述的上、下儲(chǔ)液箱采用IOmm厚有機(jī)玻璃加工制作而成。所述的上儲(chǔ)液箱I出口的壓力為13kPa，且在上儲(chǔ)液箱I的出口硅膠軟管上安裝有閥門。所述的螺動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速可調(diào)，其轉(zhuǎn)速為60rpm 120rpm,且娃膠軟管穿過螺動(dòng)泵泵頭固定軸與蠕動(dòng)泵擠壓輪之間。
所述的層流發(fā)生器由內(nèi)徑為1mm、外徑為I. 1mm、長(zhǎng)度為IOcm的空心細(xì)管捆扎而
成,并穿過橡膠管。所述的實(shí)驗(yàn)段固定于有機(jī)玻璃腔內(nèi)，該有機(jī)玻璃腔填充滿流體工質(zhì)。所述的流體工質(zhì)采用甘油水溶液，其溫度為25 土 1°C，運(yùn)動(dòng)粘度為12. 38 X 10- 2/s，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%，密度為I. 125g/cm3。本發(fā)明通過硅膠軟管和橡膠管連通，流體工質(zhì)從上儲(chǔ)液箱出口出來經(jīng)硅膠軟管、蠕動(dòng)泵、層流發(fā)生器和像膠管進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)段，后經(jīng)流量計(jì)流入到下儲(chǔ)液箱，再經(jīng)循環(huán)泵使流體回至上儲(chǔ)液箱，完成整個(gè)循環(huán)流動(dòng)過程。通過調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速來模擬心臟跳動(dòng)頻率，控制泵頭擠壓輪對(duì)硅膠軟管的擠壓，產(chǎn)生近似人體動(dòng)脈內(nèi)血液流動(dòng)狀態(tài)。采用外部測(cè)試系統(tǒng)(常用粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)PIV)重點(diǎn)測(cè)量和研究動(dòng)脈瘤瘤內(nèi)流場(chǎng)信息，通過后處理軟件對(duì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，間接獲得動(dòng)脈瘤瘤體內(nèi)血流速度分布、瘤體壁面剪切應(yīng)力、瘤內(nèi)渦流狀態(tài)等信息，為研究分析心跳頻率與動(dòng)脈瘤的發(fā)展演化過程及瘤內(nèi)血栓的形成之間的作用機(jī)理提供了便利，從而推動(dòng)了生物醫(yī)學(xué)研究在動(dòng)脈瘤疾病方面更深刻和更全面的認(rèn)識(shí)了解。


圖I為本發(fā)明的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖；圖2為本發(fā)明的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置中蠕動(dòng)泵泵頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置中層流發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖；其中1、上儲(chǔ)液箱；2、甘油水溶液；3、閥門；4、硅膠軟管；5、蠕動(dòng)泵；6、層流發(fā)生器；7、實(shí)驗(yàn)段；8、流量計(jì)；9、下儲(chǔ)液箱；10、橡膠軟管；11、循環(huán)泵；12、泵頭固定軸；13、蠕動(dòng)泵擠壓輪；14、細(xì)管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1，本發(fā)明包括通過管路相連、并形成閉合循環(huán)回路的上、下儲(chǔ)液箱1、9，上、下儲(chǔ)液箱1、9采用IOmm厚有機(jī)玻璃加工制作而成，在上、下儲(chǔ)液箱1、9內(nèi)設(shè)置有流體工質(zhì)2，上儲(chǔ)液箱I的出口經(jīng)帶有閥門3的硅膠軟管4與層流發(fā)生器6相連通，且該硅膠軟管4穿過蠕動(dòng)泵5，層流發(fā)生器6經(jīng)橡膠管10與實(shí)驗(yàn)段7、流量計(jì)8及下儲(chǔ)液箱9的入口相連，由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椴Ａ?，為避免在測(cè)量過程，激光對(duì)曲面的散射作用，將實(shí)驗(yàn)段7固定于有機(jī)玻璃腔內(nèi)，該有機(jī)玻璃腔填充滿流體工質(zhì)，下儲(chǔ)液箱9的出口經(jīng)橡膠管10與上儲(chǔ)液箱I的入口相連，且在該管道上還安裝有循環(huán)泵11，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作過程中，儲(chǔ)液箱內(nèi)的流體體積不變，確保進(jìn)入到蠕動(dòng)泵前的流體靜壓與人體靜脈內(nèi)壓力一致，約在13kPa，流體工質(zhì)采用甘油水溶液，其溫度為25 土 1°C，運(yùn)動(dòng)粘度為12. 38 X 10_6m2/s，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64 %，密度為I. 125g/cm3，其折射率與玻璃實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突疽粯蛹s為I. 5，這樣可以減少圓管壁面對(duì)激光的散射。 參見圖2，本發(fā)明的蠕動(dòng)泵5的轉(zhuǎn)速可調(diào)，其轉(zhuǎn)速為60rpm 120rpm，且硅膠軟管4穿過蠕動(dòng)泵5泵頭固定軸12與蠕動(dòng)泵擠壓輪13之間。蠕動(dòng)泵擠壓輪13對(duì)通過其內(nèi)部的硅膠軟管4進(jìn)行擠壓，以此產(chǎn)生脈動(dòng)流體。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，蠕動(dòng)泵擠壓輪13對(duì)硅膠軟管4的擠壓頻率不同，產(chǎn)生不同流動(dòng)狀態(tài)的脈動(dòng)流體。產(chǎn)生的脈動(dòng)流體其表征流體流動(dòng)狀態(tài)的雷諾數(shù)在100 1000，表征流體脈動(dòng)程度的沃莫斯利數(shù)在3 6，與真實(shí)血液流動(dòng)范圍相吻合。 為了研究不同心跳頻率下，動(dòng)脈瘤內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)因素的變化和發(fā)展規(guī)律，通過調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速值的大小即代表心率數(shù)的大小。通過上述，可以大大方便研究不同心跳頻率下的血液流動(dòng)情況。而本體外仿生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工況在60rpm 120rpm獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，即該體外仿生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬研究心率在60次/分到120次/分情形的血流信息。參見圖3，本發(fā)明的層流發(fā)生器6由內(nèi)徑為1mm、外徑為I. 1mm、長(zhǎng)度為IOcm的空心細(xì)管14捆扎而成，并穿過橡膠管10。經(jīng)蠕動(dòng)泵擠壓流出的流體存在一定程度的脈動(dòng)，而脈動(dòng)流體的流動(dòng)狀態(tài)紊流程度較大，在蠕動(dòng)泵流出端加置層流發(fā)生器6。本發(fā)明將蠕動(dòng)泵固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上，且該實(shí)驗(yàn)臺(tái)面表面水平無振動(dòng)。上儲(chǔ)液箱置于固定支架上方，固定支架固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上。實(shí)驗(yàn)段模型，方便安裝與拆卸，并被安置于一固定透明無蓋有機(jī)玻璃方腔內(nèi)，無蓋有機(jī)玻璃方腔內(nèi)置滿流動(dòng)工質(zhì)，所述有機(jī)玻璃方腔固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上。流動(dòng)工質(zhì)設(shè)置外圍過濾器，消除雜質(zhì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)裝置內(nèi)流動(dòng)的影響。固定支架均采用不銹鋼鋼管，所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)面選取光學(xué)臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)過程中，控制蠕動(dòng)泵和循環(huán)泵同步啟動(dòng)、同步停止。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，及時(shí)松開蠕動(dòng)泵泵頭，并排出硅膠軟管內(nèi)的流體工質(zhì)，以延長(zhǎng)使用壽命。在實(shí)驗(yàn)循環(huán)過程中對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控平均流量，確保流量變化周期與真實(shí)心跳周期一致，流量計(jì)選取為葉輪式微流量計(jì)，這樣可以減少下游流體流經(jīng)流量計(jì)時(shí)產(chǎn)生的阻力對(duì)上游流場(chǎng)的影響，可以獲取質(zhì)量較高的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在流體工質(zhì)進(jìn)入到下儲(chǔ)液箱，此時(shí)開啟循環(huán)泵，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)循環(huán)，以此模擬人體血液循環(huán)的流動(dòng)狀態(tài)。循環(huán)泵的流量與蠕動(dòng)泵的流量是相一致，確保上儲(chǔ)液箱內(nèi)的流體高度恒定不變，即模擬進(jìn)入到心臟蠕動(dòng)前的靜脈血流壓力恒定，約在13kPa。本發(fā)明，通過調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速來模擬心臟跳動(dòng)頻率，控制泵頭擠壓輪13對(duì)硅膠軟管的擠壓，產(chǎn)生近似人體動(dòng)脈內(nèi)血液流動(dòng)狀態(tài)。采用外部測(cè)試系統(tǒng)(常用粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)PIV)重點(diǎn)測(cè)量和研究動(dòng)脈瘤瘤內(nèi)流場(chǎng)信息，通過后處理軟件對(duì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，間接獲得動(dòng)脈瘤瘤體內(nèi)血流速度分布、瘤體壁面剪切應(yīng)力、瘤內(nèi)渦流狀態(tài)等信息，為研究分析心跳頻率與動(dòng)脈瘤的發(fā)展演化過程及瘤內(nèi)血栓的形成之間的作用機(jī)理提供了便利，從而推動(dòng)了生物醫(yī)學(xué)研究在動(dòng)脈瘤疾病方面更深刻和更全面的認(rèn)識(shí)了解。
權(quán)利要求
1.一種模擬人體動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于包括通過管路相連、并形成閉合循環(huán)回路的上、下儲(chǔ)液箱(1、9)，在上、下儲(chǔ)液箱(1、9)內(nèi)設(shè)置有流體工質(zhì)(2)，上儲(chǔ)液箱(I)的出口經(jīng)硅膠軟管(4)與層流發(fā)生器(6)相連通，且該硅膠軟管(4)穿過蠕動(dòng)泵(5)，層流發(fā)生器(6)經(jīng)橡膠管(10)與實(shí)驗(yàn)段(7)、流量計(jì)(8)及下儲(chǔ)液箱(9)的入口相連，下儲(chǔ)液箱(9)的出口經(jīng)橡膠管(10)與上儲(chǔ)液箱(I)的入口相連，且在該管道上還安裝有循環(huán)泵(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬人體動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于所述的上、下儲(chǔ)液箱(1、9)采用IOmm厚有機(jī)玻璃加工制作而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬人體動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于所述的上儲(chǔ)液箱(I)出口的壓力為13kPa，且在上儲(chǔ)液箱(I)的出口硅膠軟管(4)上安裝有閥門(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬人體動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于所述的螺動(dòng)泵(5)的轉(zhuǎn)速可調(diào),其轉(zhuǎn)速為60rpm 120rpm,且娃膠軟管(4)穿過螺動(dòng)泵(5)泵頭固定軸(12)與蠕動(dòng)泵擠壓輪(13)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬人體動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于所述的層流發(fā)生器(6)由內(nèi)徑為1mm、外徑為I. 1mm、長(zhǎng)度為IOcm的空心細(xì)管(14)捆扎而成，并穿過橡膠管(10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬人體動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于所述的實(shí)驗(yàn)段(7)固定于有機(jī)玻璃腔內(nèi)，該有機(jī)玻璃腔填充滿流體工質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬人體動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于所述的流體工質(zhì)采用甘油水溶液，其溫度為25土 TC，運(yùn)動(dòng)粘度為12. 38X 10- 2/s，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%，密度為I. 125g/cm3。
全文摘要
本發(fā)明涉及動(dòng)脈瘤生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，公開了一種模擬不同心跳頻率下人體血液流動(dòng)的體外仿生循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，適用于在不同心跳頻率下，對(duì)人體動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)情況進(jìn)行循環(huán)模擬測(cè)試。它包括上儲(chǔ)液箱、蠕動(dòng)泵、層流發(fā)生器、實(shí)驗(yàn)段模型、流量計(jì)、下儲(chǔ)液箱、循環(huán)泵、閥門。整個(gè)系統(tǒng)通過硅膠軟管和普通橡膠管連通，通過閥門控制流體流動(dòng)和停止；所述硅膠軟管上接上儲(chǔ)液箱，經(jīng)過蠕動(dòng)泵，下接層流發(fā)生器，所屬蠕動(dòng)泵，其泵頭對(duì)硅膠軟管進(jìn)行蠕動(dòng)擠壓；所述層流發(fā)生器，由埋置于普通橡膠管內(nèi)的細(xì)管捆扎而成。流體從層流發(fā)生器流出，經(jīng)普通橡膠軟管進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)段模型，后經(jīng)流量計(jì)流入到下儲(chǔ)液箱，再經(jīng)循環(huán)泵使流體回至上儲(chǔ)液箱，完成整個(gè)循環(huán)流動(dòng)過程。
文檔編號(hào)G09B23/28GK102646351SQ20121004617
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月27日
發(fā)明者張玉蓉, 李迪, 王躍社, 馬小奇 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)