用于測(cè)試機(jī)械輔助循環(huán)的體外模擬循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā).pdf

1、心力衰竭成為嚴(yán)重威脅人類的重大疾病，其發(fā)病率逐年呈上升的趨勢(shì)。目前對(duì)于心衰末期的患者，心臟移植是最有效的治療手段，但由于心臟移植的供體嚴(yán)重缺乏，使得心臟移植受到了很大程度上的限制，很大一部分病人在等待心臟移植的過(guò)程中便會(huì)死亡。因此，心室輔助裝置（ventricular assist device，VAD）在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成為有效的終末期心衰醫(yī)療手段，可以暫時(shí)或者永久的輔助或替代心臟的部分功能，減少心臟負(fù)荷，推動(dòng)血液的循環(huán)。VAD進(jìn)入臨床應(yīng)

2、用前，需要經(jīng)歷體外（包括血流動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)和血液相容性試驗(yàn)）和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)（動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，臨床試驗(yàn)）兩個(gè)性能評(píng)估階段。體外模擬循環(huán)系統(tǒng)（mock circulatory system，MCS）能用于測(cè)試評(píng)估機(jī)械輔助設(shè)備的性能，為VAD的灌注性能設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有價(jià)值的信息。大量研究證明，基于MCS的VAD體外模擬實(shí)驗(yàn)可以為其流體動(dòng)力學(xué)性能的評(píng)價(jià)提供有效依據(jù)，實(shí)驗(yàn)不僅具有高的可控性和重復(fù)性，而且可以在前期開(kāi)發(fā)中節(jié)省大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)成本。本課題旨在開(kāi)發(fā)

3、一套能夠模擬人體循環(huán)系統(tǒng)血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，可用于VAD血流動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試的MCS體外模擬循環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)改變MCS中各個(gè)物理元件的參數(shù)（心率，心室收縮舒張期比值，心搏量，動(dòng)脈順應(yīng)性、液體流動(dòng)阻力、體靜脈壓等）來(lái)模擬人不同的生理狀態(tài)，包括健康休息狀態(tài)、心力衰竭狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。之后把VAD與MCS連接并協(xié)同工作，測(cè)量MCS中壓力和流量數(shù)據(jù)，定量研究不同程度的心室輔助對(duì)心力衰竭狀態(tài)的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴MCS的設(shè)計(jì)：MCS包含

4、水力學(xué)部分、驅(qū)動(dòng)控制部分，兩者由數(shù)據(jù)采集界面結(jié)合。在充分了解人體血液循環(huán)系統(tǒng)功能和血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)指標(biāo)范圍后，將人體循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)含有心室、血管順應(yīng)性、血管阻力等血流動(dòng)力學(xué)元件的集中參數(shù)模型，這就是MCS的水力學(xué)部分：通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞泵模擬心室的運(yùn)動(dòng)，單向閥模擬人體的瓣膜，軟管模擬血管，阻力閥以及軟管的阻力模擬血液流動(dòng)所受到的阻力，儲(chǔ)水箱模擬人體靜脈系統(tǒng)，順應(yīng)性室模擬動(dòng)脈的彈性。每個(gè)元件有相應(yīng)的壓力或流量傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集界面，

5、可以測(cè)量模擬的心輸出量以及心室，動(dòng)脈，體靜脈壓力。本課題設(shè)計(jì)的MCS的驅(qū)動(dòng)控制部分完成活塞泵（心室模擬器）的運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)活塞位置-時(shí)間曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)周期活塞運(yùn)動(dòng)的控制，借此改變心室的壓力波形。⑵MCS和基線生理狀態(tài)的調(diào)試：完成MCS的硬件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，通過(guò)調(diào)試系統(tǒng)參數(shù)得到不同的壓力和流量值，通過(guò)和臨床數(shù)據(jù)對(duì)比，定義不同的基線生理狀態(tài)(健康休息，心力衰竭，運(yùn)動(dòng))參數(shù)的平均指標(biāo)（平均動(dòng)脈壓、心排量等）。同時(shí)，針對(duì)MCS的各個(gè)參數(shù)變量進(jìn)行

6、分析，通過(guò)調(diào)試心室模擬器活塞的搏動(dòng)頻率、軌跡、順應(yīng)性、阻力等參數(shù)，研究這些參數(shù)對(duì)壓力和流量波形的影響。⑶VAD輔助下的血流動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)：將本課題組前期研發(fā)的完全磁懸浮式VAD接入MCS系統(tǒng)中，在心衰狀態(tài)下與MCS中的心室協(xié)同工作。通過(guò)調(diào)整VAD的轉(zhuǎn)速改變循環(huán)輔助量，觀察并分析VAD對(duì)壓力，流量等參數(shù)的影響。評(píng)估VAD對(duì)心衰病人血流動(dòng)力學(xué)的輔助效果。⑷開(kāi)發(fā)的MCS具有充分的可調(diào)性，能夠模擬目標(biāo)范圍內(nèi)的生理狀態(tài)，滿足VAD血流動(dòng)力學(xué)的研究需求