一种心血管流体动力学模拟测试系统的制作方法

1.本发明涉及医学教学技术领域,更具体的说是涉及一种心血管流体动力学模拟测试系统。


背景技术：

2.近年来，终末期心力衰竭的治疗日益成为临床心血管内、外科所面临的巨大挑战。由于药物治疗和外科手术的局限性，以及供体心脏的短缺，促进了tavr手术的发展。对于越来越多的高龄主动脉瓣疾病患者以及不能进行传统的外科开胸手术的患者，tavr手术无疑是最好的选择，风险较外科手术低，创口也非常小，患者的预后效果是非常明显的。
3.同时，随着人口老龄化，老年进行性瓣膜病的发病率不断上升，全球心脏瓣膜疾病发病率将上涨。据统计，全球中重度二尖瓣反流患病人数从2015年到2019年期间复合年增长率为1.8％，预计到2030年全球将有1.22亿患者。
4.中国老龄化速度高于全球水平，中重度二尖瓣反流患病人数增速也将高于全球，从2015年到2019年期间复合年增长率为2.5％，预计到2030年将达到1,340万人。
5.随着人均寿命延长，生活水平提高，患病人群为先进术式付费的意愿也不断增强，二尖瓣反流的就诊率将进一步提升。其中经导管二尖瓣(tmv)作为治疗一种二尖瓣反流介入治疗，具有微创、低风险、恢复快等优点。大量患有二尖瓣反流的患者是具有高手术风险的老年人，未来tmv治疗需求进一步增加。预计到2030年，全球的二尖瓣介入市场规模将达到174亿美元(约人民币1170亿元)，最终将增加到全球tavr市场的四倍。中国经导管二尖瓣置换手术台数预期将由2021年的300台增加至2025年的10,000台，市场规模将由2021年的52.5百万元增加至2025年的1,669.2百万元，复合年增长率为137.5％，预计2030年将进一步增加至4,988.2百万元。
6.为满足日益增长的瓣膜疾病病理研究和手术训练要求，需要开发出具备模拟真实人体心脏流体特征的脉动装置，并要求装置具备流体参数采集和数据分析能力，以便于心血管手术培训及心血管疾病的研究。
7.在公开专利《一种高精度心脏脉动发生系统》中，申请号202010322556.8，公开号111462604a，专利中提供了一种通过伺服电机驱动活塞的高精度心脏脉动装置，可用于心脏脉动输出功能的模拟，但是专利并不涉及心血管系统的运行特征参数比如流量、压力数据的采集以及相应的血流动力学参数的运算，不能很好的支持心血管血流动力学方面的测试和研究。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供了一种心血管流体动力学模拟测试系统，其功能主要包括血流动力学波形数据创建、编辑及保存；脉动装置泵运行控制，包括波形选择、脉动频率、流体输出量及流体加热温度等；流体模型上液体流量、血压值测量；根据测量得到的流量、压力值展开流体动力学特征的进一步计算；测试结果的评估以及测试报告输出。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，主要包括：脉动发生装置、控制系统、计算机模块和流体模块；其中，所述脉动发生装置模拟心血管流动状态，并由控制系统、计算机模块和流体模块组成测试系统进行监测，并未测量到的流量、压力值展开流体动力学特征的进一步计算；测试结果的评估以及测试报告输出。
10.优选的，在上述一种心血管流体动力学模拟测试系统中，所述脉动发生装置包括驱动电机、电机座、耦合块、导向杆、活塞杆、活塞以及活塞缸、管路接口、控制接口；所述控制系统包括电源模块、控制单元、电机驱动模块、加热模块、信号接口模块、电气接口、通讯接口；所述计算机模块上安装有通讯接口，用户程序单元运行在用户计算机上；所述流体模块包括液压腔体、连接管路、温度探头及加热装置。
11.优选的，在上述一种心血管流体动力学模拟测试系统中，所述计算机模块的通讯接口与控制系统的通讯接口建立通讯连接，实时进行数据交互；所述脉动发生装置和控制系统之间通过电气接口建立电气连接关系，脉动发生装置通过管路接口连接到流体模块上，建立流体通路；所述流体模块的温度探头及加热装置连接到控制系统的电气接口上。
12.优选的，在上述一种心血管流体动力学模拟测试系统中，所述控制系统的控制单元采用带电机轴运动控制功能的控制器。
13.优选的，在上述一种心血管流体动力学模拟测试系统中，所述用户程序单元运行在用户计算机上，所述用户程序单元可以进行生理波形文件新建、打开编辑已有文件、保存编辑结果。
14.优选的，在上述一种心血管流体动力学模拟测试系统中，所述用户程序单元实时采集血管模型管路上的液体流量、液体压力、液体温度的数值，通过数值、波形两种形式展现，所述用户程序单元至少支持3路压力检测通道以模拟血压测量。
15.优选的，在上述一种心血管流体动力学模拟测试系统中，所述用户程序单元显示的液体流量、压力参数支持实时连续显示和单个波形周期显示模式。
16.优选的，在上述一种心血管流体动力学模拟测试系统中，所述测试方法如下：
17.1)通过采用脉动发生装置进行模拟人体心血管状态；
18.2)通过流体模块对脉动发生装置进行数据监测；
19.3)通过控制系统对脉动发生装置进行电气控制，以模拟多种情况下的状态，同时实时接收流体模块中的监测数据信号，并实时传输至计算机模块；
20.4)计算机模块将收到的信号进行分析后并生成相应的波形等按照预设的格式将评估结果进行输出保存。
21.优选的，在上述一种心血管流体动力学模拟测试系统中，所述计算机模块还对控制系统下达更改状态指令，并促使改变脉动发生装置的状态。
22.优选的，在上述一种心血管流体动力学模拟测试系统中，所述状态指令包括：加热温度、流体密度、系统通讯参数等。
23.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种心血管流体动力学模拟测试系统，本发明的脉动装置以真实人体的心脏内血流动力学曲线数据或者人为编辑的流体曲线数据为基础，通过控制系统的软件处理，通过控制驱动模块的运动特性，对脉动流量流量、脉动频率进行精确调节，每搏量的重复精度为+0.03ml，流量重复精度为+0.005l/min，并通过控制系统将流体温度控制在人体真实温度值范围内。
24.心血管流体动力学模拟测试系统支持液体流量和至少路液体压力的数据采集，测试系统的用户软件以测量到的液体流量、压力数据和液体脉动循环过程的事件时刻为基础，通过流体动力学方程计算得出血流动力学参数。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
26.图1附图为本发明的模拟测试系统原理示意图。
27.图2附图为本发明的计算机模块功能框示意图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.请参阅附图1-2，为本发明公开的一种心血管流体动力学模拟测试系统
30.本发明包含脉动发生装置1、控制系统2、计算机模块3、流体模块4。脉动发生装置1包括驱动电机、电机座、耦合块、导向杆、活塞杆、活塞以及活塞缸、管路接口、控制接口。控制系统2包括电源模块、控制单元、电机驱动模块、加热模块、信号接口模块、电气接口、通讯接口。在计算机模块3上安装有通讯接口，用户查程序单元运行在计算机模块3上。流体模块4包括液压腔体、连接管路、温度探头及加热装置。
31.其中计算机模块3的通讯接口和控制系统2的通讯接口建立通讯连接，实时进行数据交互。脉动发生装置1和控制系统2之间通过电气接口建立电气连接关系，脉动发生装置1通过管路接口连接到流体模块4上，建立流体通路。流体模块4的温度探头及加热装置连接到控制系统2的电气接口上。
32.所述脉动发生装置1的驱动电机采用永磁式电机，以保证驱动活塞所需的推力，并保证活塞运行时的高动态响应要求。
33.进一步，所述脉动发生装置1的驱动电机选用高精度、高动态响应的伺服电机。
34.进一步，所述脉动发生装置1的驱动电机选用可直接驱动活塞运行的直线电机，省掉中间的传动环节，降低脉动发生装置1的运行噪音、整体重量，并提高活塞位置精度，更有利于生理条件的模拟。
35.所述脉动发生装置1的耦合块设计为带凹槽的扁平状结构，以更好的贴合驱动电机，并保证活塞杆和驱动电机之间的连接刚性。
36.所述活塞缸两侧设计有固定加紧装置，保证脉动发生装置1时活塞缸的稳定性和脉动发生装置1整体刚性。
37.所述控制系统2的控制单元采用带电机轴运动控制功能的控制器，进一步的，为了防止电机驱动模块的高频电磁干扰，采用带现场总线功能的运动控制单元。
38.所述用户查程序单元运行在计算机模块3上，所述用户查程序单元可以进行生理波形文件新建、打开编辑已有文件、保存编辑结果，支持exel、txt等数据保存类型，可以通过直接改变数值及鼠标拖拽波形数据点的方法改变波形数据。所述用户查程序单元可以选择脉动发生装置1的运动波形，设置脉动频率、液体输出量，还可以对脉动发生装置1的驱动电机进行回零、异常报警复位等操作。
39.所述用户查程序单元实时采集血管模型管路上的液体流量、液体压力、液体温度的数值，通过数值、波形两种形式展现。进一步，所述用户查程序单元至少支持路压力检测通道以模拟血压测量。
40.所述用户查程序单元显示的液体流量、压力参数支持实时连续显示和单个波形周期显示模式；进一步的，在单波形界面上可以确定液体脉动循环过程的事件时间点，比如模拟心室收缩开始、结束时刻，瓣膜打开、关闭时刻，流体流向正、负时刻；进一步的，在在单波形界面上支持手动自动两种模确定液体脉动循环过程的事件时间点，并且两种操作模式之间可以自由切换。
41.所述用户查程序单元以实时采集的液体流量、压力参数数据和液体脉动循环过程的事件时刻为基础，通过流体动力学方程进行血流动力学参数运算，并将运算结果显示在数据波形下方。
42.所述用户查程序单元将测量得到的流体参数、计算得出的血流动力学各项数据与正常值的进行对比，并将比较结果报表支持以wor、pf、exel等常见文件格式输出。
43.实施例一
44.以人工主动脉膜的性能测试应用为例，系统各模块之间的连接关系为：计算机模块3和控制系统2通过控制系统2的通讯接口建立通讯连接，实时进行数据交互。脉动发生装置1和控制系统2之间通过电气接口建立电气连接关系，脉动发生装置1通过管路接口连接到流体模块4上，建立流体通路。流体模块4的温度探头及加热装置连接到控制系统2的电气接口上。待测试的主动脉瓣安装放置于脉动发生装置1的管路接口与流体模块4之间，这样的连接方式就将脉动发生装置1作为左心室，将流体模块4作为外周血管，从而实现了一个液体流动的循环，连接时要注意瓣膜的安装朝向，其内部的液体流向应该是从脉动发生装置1流向流体模块4。
45.在测试过程中需要测量瓣膜前、后两侧的压力以及流经瓣膜的液体流量，根据iso标准(心血管植入物心脏瓣膜假体)中关于瓣膜开口面积的计算公式：
[0046][0047]
每搏量的重复精度为36*6*10-4＝0.0216ml
[0048]
流量重复性为0.0216ml*240＝0.005184l/min。
[0049]
为了进一步优化上述技术方案，测试方法如下：
[0050]
1)通过采用脉动发生装置1进行模拟人体心血管状态；
[0051]
2)通过流体模块4对脉动发生装置1进行数据监测；
[0052]
3)通过控制系统2对脉动发生装置1进行电气控制，以模拟多种情况下的状态，同时实时接收流体模块4中的监测数据信号，并实时传输至计算机模块3；
[0053]
4)计算机模块3将收到的信号进行分析后并生成相应的波形等按照预设的格式将评估结果进行输出保存。
[0054]
为了进一步优化上述技术方案，计算机模块3还对控制系统2下达更改状态指令，并促使改变脉动发生装置1的状态。
[0055]
为了进一步优化上述技术方案，状态指令包括：加热温度、流体密度、系统通讯参数等。
[0056]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0057]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。