用于血泵性能测试的模拟血液循环系统 【技术领域】
本发明涉及生物医学工程技术，尤其是涉及一种用于血泵性能测试的模拟血液循环系统。
背景技术
血泵作为心室辅助装置，为等待心脏移植的病人提供了一种解决方法。以往血泵需要进行动物实验测试其性能参数，往往时间长，耗费多。而模拟血液循环系统就是为了解决这一问题而研制的，它可以测试血泵的性能，缩短血泵研发的周期。
目前，模拟血液循环系统都采用弹性腔原理来模拟血管的顺应性，弹性腔采用注有一定压缩空气的容器来得到。对于血管的阻力特点，一般都采用阻尼阀来达到(可以参见中国专利CN1846605A和CN101380490A)。而至于心脏泵血的模拟，一些模拟血液循环系统直接使用研发的血泵来实现，这种方法不能观测血泵在人体心脏没有完全失效状态下对血液循环系统的影响；另外也有如昆士兰大学采用压缩空气通过电磁阀进入或者排出容器，以使容器中的液体排出或者吸入，控制电磁阀开闭的频率可以得到相应的心率，这种方法可以模拟整个血液循环系统，但是占用的体积很大，而且耗费也很高。另外上面提到的容器腔模拟血管顺应性和阻尼阀模拟血管阻力也具有相对较大的体积。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种用于血泵性能测试的模拟血液循环系统，能够实现心脏搏动以及血管生理特征的模拟。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
包括螺旋式容器和圆柱容器、两个单向膜片、气动管、带弹簧的无摩擦气缸、螺旋形管道、凸轮机构、两个接头；与直流电机连接的凸轮机构的凸轮旋转，经凸轮机构的从动件，转变为从动件的往复直线运动，从动件顶端带动内装液体的螺旋式容器的螺旋部分做伸缩运动，螺旋式容器的无螺旋部分的两端分别与第一、第二单向膜片连通，第一单向膜片与内装液体的圆柱容器连通后，内装液体的圆柱容器接螺旋形管道的一端，第二单向膜片与内装液体的带弹簧的无摩擦气缸一端液体连通，螺旋形管道另一端的液体经气动管与内装液体的带弹簧的无摩擦气缸中液体连通，内装液体的带弹簧的无摩擦气缸另一端弹簧端与调节螺钉连接，内装液体的圆柱容器和内装液体的带弹簧的无摩擦气缸上分别设有一个与血泵连通的接头。
所述的螺旋式容器由硅胶制成，分为螺旋和无螺旋两部分，其中螺旋部分的螺距P为10～15mm，有6～8个牙；底面直径30～40mm，总共的容积为100～150mL，其中可压缩部分为70～100mL。
所述的单向膜片由两个半圆形瓣膜和底盘构成，瓣膜以直径为轴对称安装在底盘上，通过支点相连接，瓣膜绕支点45～60°旋转，每个瓣膜上分别连接一个弹簧；底盘与管道相粘结，第一单向膜片的带弹簧一端朝向螺旋式容器，第二单向膜片的带弹簧一端朝向带弹簧的无摩擦气缸，整个单向膜片直径为5mm。
所述的带弹簧的无摩擦气缸的容积为100～150mL，其中可贮存液体的部分容积为70～100mL；弹簧的刚度范围为15～18N/mm，弹簧上连接一个调节螺钉。
所述的螺旋形管道管径为2～5mm。
所述的凸轮机构远毂半径和近毂半径相差60～90mm，近毂半径与远毂半径之间的夹角∠AOB为135°。
本发明的有益效果是：
结构简单，只需要普通的小型直流电机和简单的凸轮机构就能模拟心脏的运动，并且其它部件的结构也相对简单；占用体积小，所有部件体积都不大，可以集成到一个箱体里，便于移动；生理参数易于调整，可以通过调整电机地转速来控制心率，而收缩与舒张时间比则可以通过更换凸轮的形状来达到，另外血管顺应性的改变则可以通过调整弹簧的刚度来达到，血管阻力则由螺旋形管道的截面形状和管道的长度控制。所以本系统有利于模拟循环系统向简单、便携以及模拟参数多样化发展。
【附图说明】
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是螺旋式容器的结构示意图。
图3是单向膜片的正向结构图。
图4是单向膜片的侧向结构图。
图5是凸轮的结构示意图。
图中：1、螺旋式容器，2、圆柱容器，3、单向膜片，4、气动管，5、带弹簧的无摩擦气缸，6、螺旋形管道，7、凸轮机构，8、接头，3.1、支点，3.2、底盘，3.3、瓣膜，3.4、弹簧。
图中未标出单位的均为mm。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，包括螺旋式容器1和圆柱容器2、两个单向膜片、气动管4、带弹簧的无摩擦气缸5、螺旋形管道6、凸轮机构7、两个接头8；与直流电机连接的凸轮机构7的凸轮旋转，经凸轮机构7的从动件，转变为从动件的往复直线运动，从动件顶端带动内装液体的螺旋式容器1的螺旋部分做伸缩运动，螺旋式容器1的无螺旋部分的两端分别与第一、第二单向膜片连通，第一单向膜片与内装液体的圆柱容器2连通后，内装液体的圆柱容器2接螺旋形管道6的一端，第二单向膜片与内装液体的带弹簧的无摩擦气缸5一端液体连通，螺旋形管道6另一端的液体经气动管4与内装液体的带弹簧的无摩擦气缸5中液体连通，内装液体的带弹簧的无摩擦气缸5另一端弹簧端与调节螺钉连接，内装液体的圆柱容器2和内装液体的带弹簧的无摩擦气缸5上分别设有一个与血泵连通的接头。
如图1、图2所示，所述的螺旋式容器1由硅胶制成，分为螺旋和无螺旋两部分，其中螺旋部分的螺距P为10～15mm，有6～8个牙；底面直径30～40mm，总共的容积为100～150mL，其中可压缩部分为70～100mL。
如图1、图3、图4所示，所述的单向膜片3由两个半圆形瓣膜3.3和底盘3.2构成，瓣膜以直径为轴对称安装在底盘上，通过支点3.1相连接，瓣膜绕支点45～60°旋转，旋转方向朝向带弹簧一端，每个瓣膜上分别连接一个弹簧3.4；底盘3.2与管道相粘结，第一单向膜片的带弹簧一端朝向螺旋式容器1，第二单向膜片的带弹簧一端朝向无摩擦气缸5，整个单向膜片直径为5mm。
如图1所示，所述的带弹簧的无摩擦气缸5的容积为100～150mL，其中可贮存液体的部分容积为70～100mL；弹簧的刚度范围为15～18N/mm，弹簧上连接一个调节螺钉。
如图1所示，所述的螺旋形管道6管径为2～5mm。
如图5所示，所述的凸轮机构远毂半径的(即最高点A)和近毂半径的(即最低点B半径)相差60～90mm，近毂半径与远毂半径之间的夹角∠AOB为135°。
如图1所示，直流电机通电后旋转，带动凸轮转动，凸轮机构7把电机的旋转运动转变为从动件的往复运动，而从动件与螺旋式容器1的螺旋部分相连接，这样就可以实现螺旋式容器1的压缩和伸张，使容器内的液体排出或者吸入。凸轮具有特殊的形状，其最低点B和最高点A相差约20mm，结合螺旋式容器1的底面积以及可伸缩部分的长度就可以实现每搏心输出量在70mL左右；另外
∠AOB＝135°，当电机9以恒定的角速度(约75rev/min)带动凸轮7逆时针转动时，凸轮7的升程和回程时间可以控制为0.3和0.5s，从而使螺旋式容器1的压缩和伸张的时间与自然心脏的收缩和舒张相一致。当螺旋式容器1压缩，液体从螺旋式容器1中排出后，经过模拟动脉瓣的单向膜片3(防止液体倒流)，液体流入带弹簧的无摩擦气缸5中。由于弹簧的弹性，带弹簧的无摩擦气缸5的容积会短时间内增大，而后由于螺旋式容器1伸张，模拟动脉的单向膜片3关闭，弹簧又缓慢回复到原来的状态，带弹簧的无摩擦气缸5容积又缓慢减少，这整个过程类似于血管的可扩张性，即血管的顺应性。由顺应性的定义C＝ΔV/Δp以及弹簧刚度的定义，结合带弹簧的无摩擦气缸5的尺寸，可以计算出弹簧所需的刚度在15～18N/mm。另外弹簧上连接的可调螺钉可以定性调节弹簧的刚度，以改变顺应性的大小。从带弹簧的无摩擦气缸5的出口流出后，液体经过一段螺旋形管道6，管道的直径在2～5mm左右，长度有不同的规格，以使液体流过管道后，在5L/min左右的流量下产生约10KPa的压降，以达到模拟血管阻力的作用。螺旋形管道6可有不同规格，并且可以更换，以达到改变血管阻力的目的。最后液体进入一个圆柱容器2中，这是用来模拟心房的贮藏作用的。圆柱容器和螺旋式容器也通过一个单向膜片3连接，这里单向膜片3用来模拟房室瓣。整个模拟循环系统就在电机的驱动下按照上述的过程不断循环，从而达到模拟人体血液循环的作用。