本文關(guān)鍵詞：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)與開發(fā)

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【摘要】：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)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,而且可以在前期開發(fā)中節(jié)省大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)成本。本課題旨在開發(fā)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。論文的主要研究工作如下:1.MCS的設(shè)計(jì):MCS包含水力學(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,通過數(shù)據(jù)采集界面,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。2.MCS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,通過調(diào)試系統(tǒng)參數(shù)得到不同的壓力和流量值,通過和臨床數(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)行分析,通過調(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。3.VAD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。研究結(jié)果顯示,本課題開發(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。另一方面,VAD協(xié)同MCS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了課題組前期研發(fā)的完全磁懸浮VAD能夠使終末期心衰病人的動(dòng)脈壓和心排量恢復(fù)到健康水平,以及實(shí)現(xiàn)不同輔助程度下血流動(dòng)力學(xué)的變化。因此,這一套MCS能夠?yàn)閂AD的設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)提供一個(gè)有效的工具,幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)一步理解VAD對(duì)重要器官灌注效果的影響。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH789

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