一种全身血液循环仿生系统的制作方法

1.本发明涉及医疗教学仪器技术领域，更具体的说是涉及一种全身血液循环仿生系统。


背景技术：

2.1895年，frank发表了一篇著名的论文《心肌动力学》，将体外骨伪影的长度——张力与心肌的关系、心肌收缩与肌纤维的长度(长度-张力)的关系。结果表明，在一定范围内延伸的离体心肌，其长度增加，可产生主动张力(收缩)；超过一定范围再继续延伸，主动张力越小；肌肉松弛到静息时绷紧长度，很少主动收缩。1914年，starling等人在开始研究体外心脏肌肉纤维长度和张力变化的反应结果时，证实静脉血变化在一定范围内增加心室充盈压力增加，心排血量增加；相比之下，主动脉阻力即使明显增高，心排血量也保持不变。其推论:心排血量与静脉血变化是相同的，并且是由静脉血变化决定的，可根据流入量的变化而在较大的范围内增减。心肌纤维的长度和心脏的张力不能直接完成，但心脏的体积取决于心肌纤维的长度，以及心肌纤维的张力对心室腔压的影响。因此在心脏生理学和临床研究中表达心脏压-容积关系-《跨容积环时，心室舒张末期容积(edv)用来表示心肌纤维的长度，心室腔内的张力压力代表心肌纤维。对于以上推论总结:静脉血变化越多，edv(在生理限度内)、心脏收缩力越大。也有人描述为静脉血变化越多，心排血量越多。心脏做功取决于静脉血液的变化；预负荷的强度调整心脏收缩等。这就是生理学上著名的frank
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斯starling定律，简称“starling定律”。根据starling定律，在心室舒张末期容积一定的预负荷范围内，心室肌开始时的长度越大，心肌收缩力越强，相应的心排血量，能产生最强收缩的心室预负荷或早期心肌长度称为最优负荷前或最优负荷初。
3.starling定律是血流动力学建立的基础，血流动力学是指血液在心血管系统中流动的力学。一般包括有血流量、血流阻力、血压等多种因素。血流动力学的监测目前对于评估患者的病情，明确诊断，指导治疗都是有很重要的意义。特别是对于一些危重或者抢救的患者血流动力学要连续动态的监测，能够更加深入，全面的了解病情的变化，并且进行判断。严格来说，血流动力学的主要监测指标是整个血液系统里的血管阻力，心脏每分钟搏出量以及心脏的每搏输出量。这些指标可以间接的从临床上的一些平均动脉压，以及心率和尿量等表现来得到初步的判断。
4.目前在重症领域，血流动力学指导下的目标干预的意义越来越重大，目前所用的研究方法是通过积累、总结大量临床病例，从中发现规律，总结治疗经验并形成共识，从而指导临床治疗方向；需要寻找一种更为高效、省时的研究途径，以更好的进行血流动力学研究。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种用于进行血流动力学分析的全身血液循环仿生系统，其运行特点符合血流动力学原理，以用于血流动力学研究和重症研究。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，主要包括：
7.一种全身血液循环仿生系统，包括有作为整套系统液体循环动力机构的心脏，所述心脏是含有房、室、瓣、流的4腔结构；还包括有动静脉血管、全身器官模型、血流量配比调节及血管顺应性调节机构，可体现静脉回流、心肺交互、器官血流量分配、器官灌注等生理特征；在参数监测方面可以反映出各种心功能参数；可进行瓣膜、心脏基础疾病的体征模拟，还可以实现心衰、休克等重症体征的仿真模拟。
8.优选的，所述动静脉血管包括有动脉血管和静脉血管，液体流动方向是：从肺静脉流出的液体到达左心房后经过左心室，通过左心室的收缩挤压进入主动脉，之后从主动脉分配到各个器官动脉，之后从各器官的静脉流出并汇集进大静脉，再由大静脉流经右心，通过右心室的收缩挤压流回肺内，这个过程即为血液循环整个过程的模拟。
9.优选的，所述心脏的4个腔室均具备独立的舒张、收缩功能，通过电动或者液压机构进行驱动，同时4个腔室又通过采用硅胶材料进行弹性物理连接，使得各腔室可以独立运动，同时又会收到其它腔室的影响，以达到更为仿真的效果。
10.优选的，在腔室运行时，其舒张位置和收缩幅度为可变变量，以模拟不同情况下的舒张、收缩性能；通常舒张位置为一个固定的值；在每个腔室的底部分别安装一个电子式液位传感器，因为各腔室形状已知，因此可以根据液位传感器测量的液位值计算出心室、心房内液体的容量，尤其是左心房舒张末期容量，此容量决定左心房收缩量，两者之间呈正相关关系，此设计保证了左心室的运动符合血流动力学的starling定律。
11.优选的，为了保证血液流动的单向性并符合临床生理解剖原理，在心脏的腔室的相应位置上安装瓣膜机构，瓣膜优先采用软质硅胶材料进行制作，也可选用单向阀实现同样的功能，右心房和右心室之间的瓣膜是三尖瓣，右心室出口和肺动脉之间安装肺动脉瓣，流经肺的液体从肺静脉流出进左心房，左心房和左心室之间安装二尖瓣，左心室和主动脉血管之间存在主动脉瓣。
12.优选的，肺内包括相互独立的气管和血管，通过控制机构可将一定压力的压缩空气向肺部周期性的充入、排出，以模拟呼吸状态下肺的体积、形态发生的变化，同时会对将压力传递到肺内部的血管，这样在对肺部血管充入液体的同时以一定的频率周期性的向肺部的气管充入和排出，这样就模拟出在对患者使用呼吸机进行正压通气的情况下，肺部的呼吸对肺部血流通过时带来的影响，此参数即为血流的呼吸变异度。
13.优选的，大脑、肝、脾、胃、肾、消化道、上下肢等血管管路的进口与循环管路的动脉血管连接，各出口管路连接到静脉血管上实现液体的汇集；各器官进口和动脉血管的连接管路上分别安装电动比例调节阀或气动调节阀，通过控制信号调节阀门开度从而改变管路通径，从而改变流经该器官的血流量，流经各器官的血流量占总血流量的比例称为血流量配比，该配比关系在不同条件下保持有一定的范围，通常人体在静息状态下，大脑血流占总血流的15％，肾脏血流占比为20％，消化道为20％-25％，四肢占20％。而在人体进行剧烈运动的时候这个占比关系发生了极大的改变：大脑、肾脏的血流占比分别降到了4％、3％，而四肢消耗血流量占总血流量的80％以上。通过改变四肢及各器官血液进口前端的比例调节阀打开程度，可以模拟不同状态下器官消耗血流的情况。
14.优选的，在四肢血管和各器官血管出口与静脉连接的管路之间安装节流阀，以改变器官血流流向静脉的流速，从而改变各器官血管的阻力，即血管的顺应性，达到改变血流
流动特性的目的。
15.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明采用全身血液循环仿生系统的设计；采用液位传感器检测心脏腔室内舒张末容量，通过舒张末容量控制心室收缩量，从而使心室做功符合staring定律的设计方法；器官流量配比的实现方法；血管顺应性的调节方法；心肺交互功能的设计实现方法；通过全身血管模型和相关执行机构和调节机构的配合，实现了全身血液循环效果的仿生效果模拟，为血流动力学的研究提供了一种有效的途径。
附图说明
16.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。
17.图1为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
18.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。
19.实施例1
20.图一所示,本发明涉及一种用于进行血流动力学分析的全身血液循环仿生系统，心脏是整套系统液体循环的动力机构，整个心脏是含有房、室、瓣、流的4腔结构。在整套循环系统中包含动静脉血管、全身器官模型、血流量配比调节及血管顺应性调节机构，可体现静脉回流、心肺交互、器官血流量分配、器官灌注等生理特征；在参数监测方面可以反映出各种心功能参数；可进行瓣膜、心脏基础疾病的体征模拟，还可以实现心衰、休克等重症体征的仿真模拟。
21.整套系统的血管包括动脉血管和静脉血管，液体流动方向是：从肺静脉流出的液体到达左心房后经过左心室，通过左心室的收缩挤压进入主动脉，之后从主动脉分配到各个器官动脉，之后从各器官的静脉流出并汇集进大静脉，再由大静脉流经右心，通过右心室的收缩挤压流回肺内，这个过程即为血液循环整个过程的模拟。
22.心脏的4个腔室均具备独立的舒张、收缩功能，通过电动或者液压机构进行驱动，同时4个腔室又通过采用硅胶材料进行弹性物理连接，使得各腔室可以独立运动，同时又会收到其它腔室的影响，以达到更为仿真的效果。在腔室运行时，其舒张位置和收缩幅度为可变变量，以模拟不同情况下的舒张、收缩性能。通常舒张位置为一个固定的值。在每个腔室的底部分别安装一个电子式液位传感器，因为各腔室形状已知，因此可以根据液位传感器测量的液位值计算出心室、心房内液体的容量，尤其是左心房舒张末期容量，此容量决定左心房收缩量，两者之间呈正相关关系，此设计保证了左心室的运动符合血流动力学的starling定律。
23.正常情况下的心脏，各腔室可进行充分的舒张并具有足够的收缩力，但在疾病状态下的心脏就会表现出舒张或收缩功能不全，对血液输送、肺内压力和器官灌注造成一定程度的影响，这些影响反过来又会进一步的使心脏的不良状况进一步加重，形成一个恶性循环，最终的结果就是造成心衰和病人死亡。这套仿生系统的心脏各腔室通过改变舒张、收缩的运行变量，可以模拟各种程度下的舒张受限、收缩异常等状况，以进行心脏基础疾病或心衰、休克等重症下的体征模拟仿真。
24.为了保证血液流动的单向性并符合临床生理解剖原理，在心脏的腔室的相应位置上安装瓣膜机构，瓣膜优先采用软质硅胶材料进行制作，也可选用单向阀实现同样的功能，右心房和右心室之间的瓣膜是三尖瓣，右心室出口和肺动脉之间安装肺动脉瓣，流经肺的液体从肺静脉流出进左心房，左心房和左心室之间安装二尖瓣，左心室和主动脉血管之间存在主动脉瓣。采用软质硅胶材料进行瓣膜制作这种方式的优势在于可以改变各瓣膜的运行性能，如改变瓣膜瓣叶的软硬程度可模拟瓣膜的钙化病变情况，还可以改变各瓣膜的打开或关闭时开口面积，以模拟瓣膜狭窄或关闭不全等心脏瓣膜疾病。
25.肺内包括相互独立的气管和血管，通过控制机构可将一定压力的压缩空气向肺部周期性的充入、排出，以模拟呼吸状态下肺的体积、形态发生的变化，同时会对将压力传递到肺内部的血管，这样在对肺部血管充入液体的同时以一定的频率周期性的向肺部的气管充入和排出，这样就模拟出在对患者使用呼吸机进行正压通气的情况下，肺部的呼吸对肺部血流通过时带来的影响，此参数即为血流的呼吸变异度。
26.大脑、肝、脾、胃、肾、消化道、上下肢等血管管路的进口与循环管路的动脉血管连接，各出口管路连接到静脉血管上实现液体的汇集。
27.各器官进口和动脉血管的连接管路上分别安装电动比例调节阀或气动调节阀，通过控制信号调节阀门开度从而改变管路通径，从而改变流经该器官的血流量，流经各器官的血流量占总血流量的比例称为血流量配比，该配比关系在不同条件下保持有一定的范围，通常人体在静息状态下，大脑血流占总血流的15％，肾脏血流占比为20％，消化道为20％-25％，四肢占20％。而在人体进行剧烈运动的时候这个占比关系发生了极大的改变：大脑、肾脏的血流占比分别降到了4％、3％，而四肢消耗血流量占总血流量的80％以上。通过改变四肢及各器官血液进口前端的比例调节阀打开程度，可以模拟不同状态下器官消耗血流的情况。
28.在四肢血管和各器官血管出口与静脉连接的管路之间安装节流阀，以改变器官血流流向静脉的流速，从而改变各器官血管的阻力，即血管的顺应性，达到改变血流流动特性的目的。
29.实施例2
30.正常血流流动状态的模拟：
31.在心脏腔室内安装活动性能良好的瓣膜，并将各器官的电动调节阀调整到适当的位置(见图-1)，在运行参数上设置心脏腔室具有完全的舒张特性，运行系统，调节各器官出口处的调节阀，已达到真实情况下正常人体的血流流动特性。
32.实施例3
33.二尖瓣反流情况下的血流效果模拟：
34.二尖瓣位于左心的位置，在左心房和左心室之间，制作时，将此瓣膜制作为无法完
全关闭的类型，运行系统后，在心脏射血末期，左心室的液体回向左心房处反向流动，血液在左心内的单向流动性能变差。二尖瓣反流会引起一系列的问题，首先是从左心室进入主动脉的血液里不足，引起器官缺血、缺氧。另外由于左心室的血液不断回流进左心房，造成左心房容积增大和房内压力增大，左心房压力的升高会通过肺静脉血管传递到肺内，有可能会引起病人肺水肿，影响血液对氧的摄取，会进一步加重组织的缺氧症状。
35.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。
36.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。