专利名称：一种模拟人体动脉瘤内血液流动的体外仿生循环实验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物医学研究领域，特别涉及一种适用于在不同心跳频率下，对人体动脉瘤内血液流动情况进行循环模拟的的体外仿生循环实验系统。
背景技术：
人体血液流动体外仿生循环实验系统是利用流动相似性原理来模拟真实血液流动情况，从而得到与真实血液流动相近的信息。体外仿生实验系统成本低、操作性强，实验结论与真实情形接近度高，故被广泛采用到现代生物医学研究领域。目前，模拟在给定心率下人体内血液流动的体外仿生实验循环系统在国内外已经较多，其中典型的研究如文献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 和文献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。但是人体心率的分布范围较宽正常成人心率在60次/分到100次/分之间均有分布，在此区间之外的心率通常为病态心率。而心跳频率的变化对血流动力学因素产生着重要的影响，对动脉瘤的形成、生长、破裂和瘤内血栓的形成有着密切的关系。为此开展研究心跳频率与血流动力学因素之间作用机制的研究，对了解和认识动脉瘤的发展演化过程及瘤内血栓的形成机理显得尤为必要和有意义。人体血液的流动状态在不同心跳频率下，对血流速度、壁面剪切应力及瘤内涡流的影响规律均不同，而心跳频率在传统的体外仿生实验研究中，目前无法实现快速和精确的调节。故对不同心跳频率下血液流动状态的模拟造成了较大的局限性，从而不利于对研究心率变化与血流动力学因素之间的作用机制，给认识和了解动脉瘤的发展演化过程和瘤内血栓的形成机理带来很大困难。为了能够研究心跳频率对血流动力学因素的影响机制，需要一个能够很好模拟心脏蠕动的蠕动泵，而心脏的蠕动对人体动脉管内的血液流动状态的两个参数要求很高。第一个参数即为表征流体流动状态的雷诺数。第二参数为表征真实血流脉动程度的沃莫斯利数。这两个参数值的大小范围决定了体外仿生实验血流状态与真实动脉瘤管内的血流状态是否近似，也决定了整个体外仿生实验系统的有效性和合理性。
发明内容
本发明目的在于提供了一种模拟人体动脉瘤内血液流动的体外仿生循环实验系统，它能够模拟不同心跳频率下，动脉瘤内的血液流动状态，为获取瘤体内部的血流速度分布、瘤体壁面剪切应力、瘤内涡流等数据提供便利。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现包括通过管路相连、并形成闭合循环回路的上、下储液箱，在上、下储液箱内设置有流体工质，上储液箱的出口经硅胶软管与层流发生器相连通，且该硅胶软管穿过蠕动泵，层流发生器经橡胶管与实验段、流量计及下储液箱的入口相连，下储液箱的出口经橡胶管与上储液箱的入口相连，且在该管道上还安装有循环泵。所述的上、下储液箱采用IOmm厚有机玻璃加工制作而成。所述的上储液箱I出口的压力为13kPa，且在上储液箱I的出口硅胶软管上安装有阀门。所述的螺动泵的转速可调，其转速为60rpm 120rpm,且娃胶软管穿过螺动泵泵头固定轴与蠕动泵挤压轮之间。
所述的层流发生器由内径为1mm、外径为I. 1mm、长度为IOcm的空心细管捆扎而
成,并穿过橡胶管。所述的实验段固定于有机玻璃腔内，该有机玻璃腔填充满流体工质。所述的流体工质采用甘油水溶液，其温度为25 土 1°C，运动粘度为12. 38 X 10- 2/s，质量分数为64%，密度为I. 125g/cm3。本发明通过硅胶软管和橡胶管连通，流体工质从上储液箱出口出来经硅胶软管、蠕动泵、层流发生器和像胶管进入到实验段，后经流量计流入到下储液箱，再经循环泵使流体回至上储液箱，完成整个循环流动过程。通过调节蠕动泵转速来模拟心脏跳动频率，控制泵头挤压轮对硅胶软管的挤压，产生近似人体动脉内血液流动状态。采用外部测试系统(常用粒子图像测速系统PIV)重点测量和研究动脉瘤瘤内流场信息，通过后处理软件对流场数据进行分析，间接获得动脉瘤瘤体内血流速度分布、瘤体壁面剪切应力、瘤内涡流状态等信息，为研究分析心跳频率与动脉瘤的发展演化过程及瘤内血栓的形成之间的作用机理提供了便利，从而推动了生物医学研究在动脉瘤疾病方面更深刻和更全面的认识了解。
图I为本发明的体外仿生循环实验系统装置图；图2为本发明的体外仿生循环实验系统装置中蠕动泵泵头结构示意图；图3为本发明的体外仿生循环实验系统装置中层流发生器结构示意图；其中1、上储液箱；2、甘油水溶液；3、阀门；4、硅胶软管；5、蠕动泵；6、层流发生器；7、实验段；8、流量计；9、下储液箱；10、橡胶软管；11、循环泵；12、泵头固定轴；13、蠕动泵挤压轮；14、细管。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。参见图1，本发明包括通过管路相连、并形成闭合循环回路的上、下储液箱1、9，上、下储液箱1、9采用IOmm厚有机玻璃加工制作而成，在上、下储液箱1、9内设置有流体工质2，上储液箱I的出口经带有阀门3的硅胶软管4与层流发生器6相连通，且该硅胶软管4穿过蠕动泵5，层流发生器6经橡胶管10与实验段7、流量计8及下储液箱9的入口相连，由于实验模型为玻璃曲面，为避免在测量过程，激光对曲面的散射作用，将实验段7固定于有机玻璃腔内，该有机玻璃腔填充满流体工质，下储液箱9的出口经橡胶管10与上储液箱I的入口相连，且在该管道上还安装有循环泵11，在实验系统工作过程中，储液箱内的流体体积不变，确保进入到蠕动泵前的流体静压与人体静脉内压力一致，约在13kPa，流体工质采用甘油水溶液，其温度为25 土 1°C，运动粘度为12. 38 X 10_6m2/s，质量分数为64 %，密度为I. 125g/cm3，其折射率与玻璃实验模型基本一样约为I. 5，这样可以减少圆管壁面对激光的散射。 参见图2，本发明的蠕动泵5的转速可调，其转速为60rpm 120rpm，且硅胶软管4穿过蠕动泵5泵头固定轴12与蠕动泵挤压轮13之间。蠕动泵挤压轮13对通过其内部的硅胶软管4进行挤压，以此产生脉动流体。调节转速，蠕动泵挤压轮13对硅胶软管4的挤压频率不同，产生不同流动状态的脉动流体。产生的脉动流体其表征流体流动状态的雷诺数在100 1000，表征流体脉动程度的沃莫斯利数在3 6，与真实血液流动范围相吻合。 为了研究不同心跳频率下，动脉瘤内的血流动力学因素的变化和发展规律，通过调节蠕动泵转速进行实现，转速值的大小即代表心率数的大小。通过上述，可以大大方便研究不同心跳频率下的血液流动情况。而本体外仿生实验系统的工况在60rpm 120rpm获取的数据质量较高，即该体外仿生实验系统可以模拟研究心率在60次/分到120次/分情形的血流信息。参见图3，本发明的层流发生器6由内径为1mm、外径为I. 1mm、长度为IOcm的空心细管14捆扎而成，并穿过橡胶管10。经蠕动泵挤压流出的流体存在一定程度的脉动，而脉动流体的流动状态紊流程度较大，在蠕动泵流出端加置层流发生器6。本发明将蠕动泵固定在实验台面上，且该实验台面表面水平无振动。上储液箱置于固定支架上方，固定支架固定在实验台面上。实验段模型，方便安装与拆卸，并被安置于一固定透明无盖有机玻璃方腔内，无盖有机玻璃方腔内置满流动工质，所述有机玻璃方腔固定于实验台面上。流动工质设置外围过滤器，消除杂质对整个系统装置内流动的影响。固定支架均采用不锈钢钢管，所述实验台面选取光学台。在实验过程中，控制蠕动泵和循环泵同步启动、同步停止。实验结束后，及时松开蠕动泵泵头，并排出硅胶软管内的流体工质，以延长使用寿命。在实验循环过程中对流量进行实时监控，监控平均流量，确保流量变化周期与真实心跳周期一致，流量计选取为叶轮式微流量计，这样可以减少下游流体流经流量计时产生的阻力对上游流场的影响，可以获取质量较高的实验数据。在流体工质进入到下储液箱，此时开启循环泵，实现动态连续循环，以此模拟人体血液循环的流动状态。循环泵的流量与蠕动泵的流量是相一致，确保上储液箱内的流体高度恒定不变，即模拟进入到心脏蠕动前的静脉血流压力恒定，约在13kPa。本发明，通过调节蠕动泵转速来模拟心脏跳动频率，控制泵头挤压轮13对硅胶软管的挤压，产生近似人体动脉内血液流动状态。采用外部测试系统(常用粒子图像测速系统PIV)重点测量和研究动脉瘤瘤内流场信息，通过后处理软件对流场数据进行分析，间接获得动脉瘤瘤体内血流速度分布、瘤体壁面剪切应力、瘤内涡流状态等信息，为研究分析心跳频率与动脉瘤的发展演化过程及瘤内血栓的形成之间的作用机理提供了便利，从而推动了生物医学研究在动脉瘤疾病方面更深刻和更全面的认识了解。
权利要求
1.一种模拟人体动脉瘤内血液流动的体外仿生循环实验系统，其特征在于包括通过管路相连、并形成闭合循环回路的上、下储液箱(1、9)，在上、下储液箱(1、9)内设置有流体工质(2)，上储液箱(I)的出口经硅胶软管(4)与层流发生器(6)相连通，且该硅胶软管(4)穿过蠕动泵(5)，层流发生器(6)经橡胶管(10)与实验段(7)、流量计(8)及下储液箱(9)的入口相连，下储液箱(9)的出口经橡胶管(10)与上储液箱(I)的入口相连，且在该管道上还安装有循环泵(11)。
2.根据权利要求I所述的模拟人体动脉瘤内血液流动的体外仿生循环实验系统,其特征在于所述的上、下储液箱(1、9)采用IOmm厚有机玻璃加工制作而成。
3.根据权利要求I所述的模拟人体动脉瘤内血液流动的体外仿生循环实验系统,其特征在于所述的上储液箱(I)出口的压力为13kPa，且在上储液箱(I)的出口硅胶软管(4)上安装有阀门(3)。
4.根据权利要求I所述的模拟人体动脉瘤内血液流动的体外仿生循环实验系统,其特征在于所述的螺动泵(5)的转速可调,其转速为60rpm 120rpm,且娃胶软管(4)穿过螺动泵(5)泵头固定轴(12)与蠕动泵挤压轮(13)之间。
5.根据权利要求I所述的模拟人体动脉瘤内血液流动的体外仿生循环实验系统,其特征在于所述的层流发生器(6)由内径为1mm、外径为I. 1mm、长度为IOcm的空心细管(14)捆扎而成，并穿过橡胶管(10)。
6.根据权利要求I所述的模拟人体动脉瘤内血液流动的体外仿生循环实验系统,其特征在于所述的实验段(7)固定于有机玻璃腔内，该有机玻璃腔填充满流体工质。
7.根据权利要求I所述的模拟人体动脉瘤内血液流动的体外仿生循环实验系统,其特征在于所述的流体工质采用甘油水溶液，其温度为25土 TC，运动粘度为12. 38X 10- 2/s，质量分数为64%，密度为I. 125g/cm3。
全文摘要
本发明涉及动脉瘤生物医学研究领域，公开了一种模拟不同心跳频率下人体血液流动的体外仿生循环实验系统，适用于在不同心跳频率下，对人体动脉瘤内血液流动情况进行循环模拟测试。它包括上储液箱、蠕动泵、层流发生器、实验段模型、流量计、下储液箱、循环泵、阀门。整个系统通过硅胶软管和普通橡胶管连通，通过阀门控制流体流动和停止；所述硅胶软管上接上储液箱，经过蠕动泵，下接层流发生器，所属蠕动泵，其泵头对硅胶软管进行蠕动挤压；所述层流发生器，由埋置于普通橡胶管内的细管捆扎而成。流体从层流发生器流出，经普通橡胶软管进入到实验段模型，后经流量计流入到下储液箱，再经循环泵使流体回至上储液箱，完成整个循环流动过程。
文档编号G09B23/28GK102646351SQ20121004617
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月27日 优先权日2012年2月27日
发明者张玉蓉, 李迪, 王跃社, 马小奇 申请人:西安交通大学