用于测试机械辅助循环的体外模拟循环系统的设计与开发

发布时间：2017-11-12 01:29

  本文关键词：用于测试机械辅助循环的体外模拟循环系统的设计与开发

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【摘要】：心力衰竭成为严重威胁人类的重大疾病,其发病率逐年呈上升的趋势。目前对于心衰末期的患者,心脏移植是最有效的治疗手段,但由于心脏移植的供体严重缺乏,使得心脏移植受到了很大程度上的限制,很大一部分病人在等待心脏移植的过程中便会死亡。因此,心室辅助装置(ventricular assist device,VAD)在发达国家已经成为有效的终末期心衰医疗手段,可以暂时或者永久的辅助或替代心脏的部分功能,减少心脏负荷,推动血液的循环。VAD进入临床应用前,需要经历体外(包括血流动力学性能试验和血液相容性试验)和体内实验(动物实验,临床试验)两个性能评估阶段。体外模拟循环系统(mock circulatory system,MCS)能用于测试评估机械辅助设备的性能,为VAD的灌注性能设计和优化提供有价值的信息。大量研究证明,基于MCS的VAD体外模拟实验可以为其流体动力学性能的评价提供有效依据,实验不仅具有高的可控性和重复性,而且可以在前期开发中节省大量的动物实验成本。本课题旨在开发一套能够模拟人体循环系统血流动力学状态,可用于VAD血流动力学性能测试的MCS体外模拟循环系统。通过改变MCS中各个物理元件的参数(心率,心室收缩舒张期比值,心搏量,动脉顺应性、液体流动阻力、体静脉压等)来模拟人不同的生理状态,包括健康休息状态、心力衰竭状态和运动状态。之后把VAD与MCS连接并协同工作,测量MCS中压力和流量数据,定量研究不同程度的心室辅助对心力衰竭状态的影响。论文的主要研究工作如下:1.MCS的设计:MCS包含水力学部分、驱动控制部分,两者由数据采集界面结合。在充分了解人体血液循环系统功能和血流动力学参数指标范围后,将人体循环系统简化为一个含有心室、血管顺应性、血管阻力等血流动力学元件的集中参数模型,这就是MCS的水力学部分:通过直线电机驱动活塞泵模拟心室的运动,单向阀模拟人体的瓣膜,软管模拟血管,阻力阀以及软管的阻力模拟血液流动所受到的阻力,储水箱模拟人体静脉系统,顺应性室模拟动脉的弹性。每个元件有相应的压力或流量传感器,通过数据采集界面,可以测量模拟的心输出量以及心室,动脉,体静脉压力。本课题设计的MCS的驱动控制部分完成活塞泵(心室模拟器)的运动控制,通过调节活塞位置-时间曲线,实现对周期活塞运动的控制,借此改变心室的压力波形。2.MCS和基线生理状态的调试:完成MCS的硬件和结构设计后,通过调试系统参数得到不同的压力和流量值,通过和临床数据对比,定义不同的基线生理状态(健康休息,心力衰竭,运动)参数的平均指标(平均动脉压、心排量等)。同时,针对MCS的各个参数变量进行分析,通过调试心室模拟器活塞的搏动频率、轨迹、顺应性、阻力等参数,研究这些参数对压力和流量波形的影响。3.VAD辅助下的血流动力学试验:将本课题组前期研发的完全磁悬浮式VAD接入MCS系统中,在心衰状态下与MCS中的心室协同工作。通过调整VAD的转速改变循环辅助量,观察并分析VAD对压力,流量等参数的影响。评估VAD对心衰病人血流动力学的辅助效果。研究结果显示,本课题开发的MCS具有充分的可调性,能够模拟目标范围内的生理状态,满足VAD血流动力学的研究需求。另一方面,VAD协同MCS的实验结果验证了课题组前期研发的完全磁悬浮VAD能够使终末期心衰病人的动脉压和心排量恢复到健康水平,以及实现不同辅助程度下血流动力学的变化。因此,这一套MCS能够为VAD的设计和性能评价提供一个有效的工具,帮助设计者进一步理解VAD对重要器官灌注效果的影响。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH789

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本文编号：1173768