脉动心脏模型及其脉动控制方法与流程

本发明涉及一种脉动心脏模型及其脉动控制方法，属于医疗教学器材领域。

背景技术：

为了方便医科学生或实习医生学习相关的医疗知识，通常导师需要用到人体器官模型进行讲解和演示，对于模拟心脏科实习生，导师往往要用到模拟心脏模型，现有技术中，对人体模拟心脏的仿真模拟一直是医疗器械领域的研究热点，实时掌握和呈现模拟心脏的实时状态也非常重要。然而，目前所使用的模拟心脏模型大多为静态的硬质模型，其仅仅能表现出模拟心脏的构造，无法进行动态演示，并不方便学生进行观察学习和进行其他器械的操作，而且现有的模拟心脏模型只能观察其静态结构特性，并不能观察研究动态生理特性以及其对应的生理参数。模仿血液脉冲的驱动机构用于驱动模拟心脏模型按照操作人员所期望的效果做有规律运动，是模拟人体模拟心脏跳动和血液循环的一个关键技术，对于模拟心脏教学以及医学研究的发展具有重要意义。

脉冲的液体其高压低压变换的特性使其可以模拟心脏泵送血液的效果，现有提供脉冲的装置一般是由压力脉冲系统（如活塞系统）、动力系统（如稳流泵）、管路配件、电气控制系统、数据采集测试系统等组成，这种提供液体脉冲效果的方式机构的传动件较多，体积较大，并且活塞和缸体长期摩擦会有液体泄漏的隐患，使用寿命不佳，而且此方式单次脉冲量固定，如果需要更改，需要更改活塞系统的行程，可变行程活塞机构更加复杂，而且可变的行程量不大。

因此，针对现有技术的不足，设计一种脉动心脏模型及其脉动控制方法，显得很有意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种脉动心脏模型及其脉动控制方法，旨在解决现有模拟心脏模型不能实现仿真的脉动模拟血液流动效果，教学效果不直观的问题。

本发明实现上述目的的技术解决方案是一种脉动心脏模型，包括模拟心脏模型、压力传感器、显示装置、控制单元、一级电动水泵、二级电动水泵、人机交互界面和储液箱，所述储液箱设有出水口和回流口，所述模拟心脏模型设有进液口和出液口，储液箱的出水口与模拟心脏模型的进液口通过进液管道相连通，所述模拟心脏模型的出液口和储液箱的回流口通过出液管道相连通，所述一级电动水泵和二级电动水泵均安装于进液管道上，且所述一级电动水泵位于模拟心脏模型出液口与二级电动水泵之间，所述一级电动水泵连接有和二级电动水泵均连接有水泵驱动装置，且所述水泵驱动装置与控制单元相连接。所述压力传感器安装于所述进液管道或出液管道或模拟心脏模型上，且压力传感器与显示装置相连接，所述人机交互界面与控制单元以及显示装置相连接。

进一步地，上述脉动心脏模型，其中：还包括温度检测元件以及加热器，所述温度检测元件和加热器均与控制单元相连，所述温度检测元件用于对储液箱中的液体进行测温，并将所测得的数据反馈给控制单元，所述加热器用于对储液箱中的液体进行加热。

进一步地，上述脉动心脏模型，其中：所述进液管道上设有流量计，所述流量计和显示装置相连接，通过显示装置显示液体流量。

更进一步地，上述脉动心脏模型，其中：还包括心率传感器和/或应力应变传感器和/或心电传感器和/或心音传感器，所述心率传感器、应力应变传感器、心电传感器、心音传感器均安装于模拟心脏模型上，且心率传感器、应力应变传感器、心电传感器、心音传感器均与显示装置相连接。

更进一步地，上述脉动心脏模型，其中：所述流量计、心率传感器、应力应变传感器、心电传感器、心音传感器均与数据处理模块相连接，所述数据处理模块与显示装置相连接。

本发明还公开了一种心脏模型的脉动控制方法，包括以下步骤：1）通过人机交互界面输入变量数据，（2）控制单元通过水泵驱动装置控制一级电动水泵，从而控制液体的流量，（3）控制单元通过控制水泵驱动装置使得二级电动水泵给液体提供脉冲压力，从而使得模拟心脏模型呈脉动状态。

再进一步地，上述心脏模型的脉动控制方法，其中：所述步骤（2）中液体流量控制在为1-15l/min。

再进一步地，上述心脏模型的脉动控制方法，其中：所述步骤（3）中二级电动水泵的输出流量q由以下公式得到，q=vt，v=akt+b，式中，a为加速度，加速度为输入步骤（1）中输入的变量数据，t为加速时间，加速时间为输入步骤（1）中输入的变量数据，t和b为常数。

本发明的突出的实质性特点和显著的进步性体现在：（1）本发明仿真度高，可以通过脉动心脏模型模拟出不同病理情况下的心脏脉动状态，且通过显示装置可以记录和显示心脏血压、心电、心音、心跳频率、形变量及其由于形变产生的应力、等各种生理信号，并通过数据处理模块处理记录信号并通过数值或是图表的形式显示出来，更加方便的实现对操作者的培训；（2）本发明通过采用两级电动水泵控制方式，分别对液体流量和液体脉动进行控制，仿真更为精确，相比于现有技术中通过活塞系统完成脉冲动作，实现和现有机构相同效果的基础上极大的缩减了驱动机构的体积，增大了使用寿命并降低了制造成本；（3）本发明还设有温度检测元件和加热器，从而模拟出人体血液温度，使得心脏脉动的仿真更为真实。

附图说明

图1是脉动心脏模型连接结构示意图；

图2是发送给电机驱动装置的加速度波形图；

图3是二级电动水泵根据伺服器控制输出的转速波形图；

图4是二级电动水泵输出的压力波形图。

图中，各附图标记的含义为：1-模拟心脏模型，2-压力传感器，3-显示装置，4-一级电动水泵，41-一级水泵驱动装置，5-二级电动水泵，51-二级水泵驱动装置，6-人机交互界面，7-控制单元，8-温度检测元件，9-加热器，10-储液箱，11-流量计，12-数据处理模块。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。

如图1所示，本发明脉动心脏模型包括模拟心脏模型1、压力传感器2、显示装置3、控制单元7、一级电动水泵4、二级电动水泵5、人机交互界面6和储液箱10，储液箱10设有出水口和回流口，模拟心脏模型1设有进液口和出液口，储液箱10的出水口与模拟心脏模型1的进液口通过进液管道相连通，模拟心脏模型1的出液口和储液箱10的回流口通过出液管道相连通，从而构成一个完整的液体流动回路，所述一级电动水泵4和二级电动水泵5均安装于进液管道上，且一级电动水泵4位于模拟心脏模型1的出液口与二级电动水泵5之间，一级电动水泵4用于控制液体流量，二级电动水泵5用于给液体施加脉动压力，一级电动水泵4连接有一级水泵驱动装置41，二级电动水泵连接有二级水泵驱动装置51，且一级电动水泵驱动装置41和二级电动水泵驱动装置51均与控制单元7相连接。所述传感器2安装于所述进液管道或出液管道或模拟心脏模型1上，且压力传感器2与显示装置3相连接。所述人机交互界面6与控制单元7以及显示装置3相连接。操作者通过人机界面6下达操作指令，控制单元7根据操作指令控制各元件执行相应的动作，显示装置3用于显示个元件相应的数据，便于操作者直观了解数据。

优选地，所述进液管道上还设有流量计11，流量计11和显示装置3相连接，通过显示装置3显示液体流量。

此外，为了方便实习生学习心脏病理知识，模拟心脏模型1除了压力传感器2之外还包括心率传感器、应力应变传感器、心电传感器、心音传感器的一种或几种，其中压力传感器用来检测心脏模型内的压力值，心率传感器用来记录模拟心脏模型1的跳动次数及频率，应力应变传感器用来测量心脏收缩、膨胀时模拟心脏模型1的形变量以及形变产生的应力，心电传感器用来采集记录模拟心脏模型1的心电信号，心音传感器用来采集记录模拟心脏模型1的心音信号，上述各传感器均与显示装置3相连接。优选地，上述各个传感器均安装于模拟心脏模型1的肌肉内，不影响心脏整体外观，测得的生理参数更加真实可靠，而且可以测量记录心脏血压、心电、心音、心跳频率、形变量及其由于形变产生的应力等各种生理信号，并通过数据处理模块处理记录信号并通过数值或是图表的形式显示出来，而且由脉动泵实现心脏的跳动效果，因此通过调节脉动泵可以模拟不同状态下的心脏工况，更加方便的实现对操作者的培训。

由于需要显示的数据众多，上述压力传感器2、心率传感器、应力应变传感器、心电传感器、心音传感器和流量计11均与数据处理模块12相连接，所述数据处理模块12与显示装置相连接。

此外，为了更真实地模拟出心脏脉动的效果，还设有温度检测元件8和加热器9，所述温度检测元件8和加热器9均与控制单元7相连，所述温度检测元件8用于对储液箱10中的液体进行测温，并反馈给控制单元，所述加热器9用于对储液箱10中的液体进行加热。控制单元7通过程序控制加热器9和温度检测元件8，控制加热器9对储液箱10内的液体进行加热，通过温度检测元件8对储液箱10内的液体将储液箱10内的液体温度反馈给控制单元7，具体地可采用pid算法，从而保证储液箱10内的液体温度稳定在36.5~37.5恒温，从而模拟出人体血液温度，使得通过脉动心脏模型仿真更为真实。

所述控制单元7可以是带模拟量输出功能或pwm（pulsewidthmodulation脉冲宽度调制）输出功能的mcu（microcontrollerunit微控制单元），也可以是plc（可编程逻辑控制器）。所述一级电动水泵4和二级电动水泵5可以是隔膜泵、转子泵、齿轮泵、蠕动泵、叶片泵或离心泵的一种，通过选择不同的水泵可以得到不同精度的压力波形曲线。

本发明的脉动控制方法如下：操作者通过人机交互界面6调整参数以设定模拟心脏模型1的脉动压力和频率，控制单元7根据交互界面的数据输出相应的控制信号，控制信号包括频率设定与压力设定，频率设定通过改变控制单元输出信号的周期，控制单元7控制一级电动水泵4的稳定运行转速，从而决定流量的输出大小以及管道系统内的压力最低值。控制单元7通过将控制信号转化为相应的控制电压，更改二级电动水泵5的输出功率以及转速的变化，从而产生周期性的脉动效果，从而模拟体液脉动效果，并通过显示装置3显示波形图。

具体地，所述控制单元7通过一级电动水泵4控制液体流量为1~15l/min，从而获得一个平稳且具有一定压力的流量，起到增压的作用。控制单元7通过控制二级电动水泵驱动装置51输出基本方波、t形波、三角波、正弦波或是自定义波形的一种或几种，从而模拟出不同的脉动状态。

这里用齿轮泵来做实施案例描述，齿轮泵泵输出流量是固定不变的，模拟心脏模型1可视为管道模型，就管道模型来说，输出流量与输出压力近似成正比关系。通过程序计算这些值然后给伺服器发送转速控制命令来实现波形，改变运行参数：如运行速度、加减速、高低速持续时间等，实现的途径有：输入波形变量以及选择波形函数公式。

例如，如图2所示，齿轮泵根据电机驱动装置51控制输出转速，控制单元7输入给电机驱动装置51的加速度波形函数为v=akt+b（其中a为齿轮泵的加速度，k、b为常数，t为加速时间），操作人员通过改变变量a设定波形的加减速度。如图3所示，而齿轮泵每转输出流量固定，所以泵出量q=vt，泵出量与速度成正比，而泵出量也与管道内压力成正比，所以输出压力p波形曲线如图4所示，可以通过调节加速度的大小和齿轮泵的初速度，决定齿轮泵输出压力波形曲线的变化。通过输入不同变量，即可得到不同的模拟心脏模型1的脉动状态，而不同的心脏病理对应为不同的心脏脉动状态，因此，通过设定不同的变量，即可模拟出各种不同心脏病理。

本发明使用方法如下：（1）操作员通过人机交互界面3选择不同心脏病理，（2）根据输入选择，控制单元控制一级水泵和二级水泵做出相应的动作，使得模拟心脏模型1处于脉动状态，（3）通过显示装置显示该脉动状态下的各传感器的数据，从而让实习者知道在该种病理下，具体各传感器的检测到的数据。

通过以上描述可以看出，本发明所述模拟心脏模型，仿真度高，可以通过脉动心脏模型1模拟出心脏脉动的状态，操作者可根据实际需要设定不同的参数从而模拟出各种心脏病理下的心脏脉动状态，而且通过显示装置3可以记录和显示心脏血压、心电、心音、心跳频率、形变量及其由于形变产生的应力、等各种生理信号，并通过数据处理模块处理记录信号并通过数值或是图表的形式显示出来，更加方便的实现对操作者的培训；并且，本发明通过采用两级电动水泵控制方式，分别对液体流量和液体脉动进行控制，仿真更为精确，相比于现有技术中通过活塞系统完成脉冲动作，实现和现有机构相同效果的基础上极大的缩减了驱动机构的体积，增大了使用寿命并降低了制造成本；此外，本发明还设有温度检测元件8和加热器9，从而模拟出人体血液温度，使得心脏脉动的仿真更为真实。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。