文章编号：1671-7104(2009)05-0313-04
【作 者】【摘 要】【羌 键 词】【中图分类号】【文献标识码】
【 Writers 】【 Abstract 】【Key words 】吕雪烽，杨明，李晶晶
上海交通大学仪器科学与工程系，上海， 200240
提出了一种可模拟心脏的不同状态和可对不同的心室辅助装置进行评测的体外模拟循环系统，并对实验室自制的一种博
动式血泵祥机进行了测试。
模拟循环系统；心力衰竭；心室辅助装置；LabVIEW R318.6 A LV Xue-feng, YANG Ming, LI Jing-jing
Department of Instrument Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240
This paper prents a mock circulatory system in vitro, which can simulate different states of the nature heart, and
evaluate different ventricular assist devices. Bad on this system, one prototype of blood pump has been tested.
mock circulatory system, heart failure, ventricular assist device, LabVIEW
基金项回：国家自然科学基金(30670524)，上海市浦江人才计划（07pj14054）作者简介：吕雪烽，硕士研究生，E-mail:******************
Mock Circulatory System for Performance Test of
Ventricular Assist Device
心力衰竭是导致人类死亡的重大疾病之一。在美国，每年大约有29万人死于心力衰竭，2009年仅用于心力衰竭方面的治疗费用高达372亿美元[1]。目前，心力衰竭最有效的治疗方式是心脏移植，但移植的需求量远远大于器官的供给，并且还需要伺机和等待。心室辅助装置不仅可作为心脏移植的过渡桥梁，同时也被证明是治疗终末期严重心力衰竭的有效手段之一。心室辅助装置不论是要作为心脏移植的过渡支持，还是要用于治疗心力衰竭，都需要经过体外模拟循环测试，动物实验及临床试验三个阶
段[2]。将心室辅助装置在体外模拟循环系统上进行测试，容易实现对心室辅助装置结构及控制方案的优化设计，无风险，费用低。国内早在上世纪60年代就开始对心室辅助装置进行研究，对体外
模拟循环系统的研究也有许多报道，如钱坤喜[3]、
商媳燕[4]对轴流血泵构建了体外模拟循环装置，
曹 、郑小林等[5]对全人工心脏构建了模拟测试系统，潘仕荣等[6]对推板式血泵构建了体外模拟试验装置。然而，上述体外模拟循环装置都只是对心室辅助或者全人工心脏装置本身进行模拟回路的构建，
并没有考虑对自然心脏的模拟，因此无祛评估自然心脏及心室辅助装置之间的相互影响。研制一种既能模拟自然心脏状态，同时又能测试心室辅助装置性能的体外模拟循环系统，不
仅可以实现对心室辅助装置结构及控制系统的不断改
进，同时还能评估心室辅助装置对心脏的影响。
1 体外模拟循环系统的构建
1.1 系统的组成
心脏由四个房室构成，其中最重要的部分是左心室，这是由于心脏作为全身血液循环的泵血作用主要
来自于左心室的周期性收缩和舒张[7]。
参考以往实验装置[8-9]，同时考虑到系统搭建及控制的简便性，模拟系统主要模拟左心室、左心房、动脉系统、二尖瓣和动脉瓣。模拟系统采用泵、阀、管道、弹性腔等简单元件，同时在管路合适位置接入压力计及流量计，其结构如
图1 模拟循环系统结构图
Fig.1 The structure of mock circulatory system
图1所示。气路控制系统结构如图2所示。由液囊和气囊组合构建模拟左心室。通过对气囊充气，实现液囊的收缩，以模拟左心室收缩；对气囊抽气，实现液囊的舒张，以模拟左心室舒张。空压机给系统提供压缩空气，真空泵用于抽气，电气比例阀用于控制充气气路的开关及开度大小，即控制模拟心脏的收缩；电磁阀用于控制抽气气路的开关，即控制模拟心脏的舒张。动脉系统的模拟参照简单的Windkesl 模型，用内径10 mm 的硅胶管模拟血管，橡胶式弹性腔模拟动脉的顺应性，用阻尼阀模拟心血管系统的外周阻力，用内径3/8”的隔膜式单向阀模拟心脏瓣膜，用30%甘油水溶液作
为循环介质[10]。
在模拟左心室的底部及单向阀的出口处安装NS-F 压力计，在阻尼阀和动脉弹性腔之间接入L-mag 电磁式流量计（具体安装位置详见图1）。在模拟左心室的底部（相当于心尖部位）接入心室辅助装置管路，同时串接一个开关阀，用于控制心室辅助装置的接入状态。实验中采用的心室辅助装置为电机驱动的搏动式血泵，该血泵采用双血袋结构，利用丝杠传动，将电机的旋转运动转化为推板的往复直线运动，挤压和松开血袋，从而实现泵血功能。1.2 系统的控制及数据采集
整个系统的控制及数据采集基于NI PCI-6259板卡构建。利用NI 公司的图形化开发环境LabVIEW ，结合NI PCI-6259板卡输出4路周期和占空比可调的模拟信号，分别控制电气比例阀的开度、电磁阀的开关、血泵驱动电机的启停及正反转，模拟心脏的不同状态，同时实现对心室辅助装置的控制。通过软件程序实现充气和放气过程的互锁，并可实现血泵与模拟自然心脏同步搏动。电气比例阀配备专用的控制器，直接将LabVIEW 输出的模拟信号加在控制器控制端上即可实现电气比例阀的开度控制。血泵驱动电机也配备控制器，控制器具备启停和正反转接口控制端，但要求电气隔离。由于NI 板卡产生的模拟信号驱动能力小，输出的模拟信号需要经过隔离放大后输出到电磁阀、血泵
电机启停及正反转控制端，由于控制端电压均为24 V ，因此可选用3路完全相同的隔离放大电路，如图3所示。图4是在周期为1 s ，心脏收缩占空比为40 %时电气比例阀、电磁阀的LabVIEW 控制信号图。压力计及流量计采集的信号直接通过NI PCI-6259板卡的模拟输入端输到LabVIEW 程序面板，通过PC 实时显示，并将数据文件保存在PC 机上。
2 买验盲洁及结果
2.1 实验方法
改变如下的参数可以改变人体循环系统的血液动力学特性：心率、收缩期占心动周期的比值、心肌收缩力、外周阻力及动脉的顺应性。因此，改变模拟循环系统中的控制信号的频率、电气比例阀控制信
号的占空比、电气比例阀控制电压的大小、阻力阀的阻力及弹性腔的大小均可改变整个模拟循环系统中的模拟血液的动力学特性。本实验中，模拟循环系统模拟两种状态：（1）心脏完全停止跳动。此时心脏完全丧失泵血功能，在此种状态下接入心室辅助装置，可单独反应出心室辅助装置的工作状态及其血液动力学性能；（2）严重心力衰竭。此时，左心室能够产生周期性的搏动，心脏具有一定的泵血功能，
但泵血量远远不能满足正常的
图2 气路控制系统结构图
Fig.2 The structure of air channel control system
图3 隔离放大电路
Fig.3 Separation and amplifier circuit
图4 电气比例阀、电磁阀LabVIEW 控制信号图Fig.4 Control signals generated by LabVIEW
血液动力学性能。在此种状态下接入心室辅助装置，能在一定程度上反应心脏本身的搏动与心室辅助装置之间的相互影响，有助于对心室辅助装置进行性能测试及设计改进。心室辅助装置的作用是要辅助衰竭的心脏，使整个循环系统具有正常的血液动力学性能。正常人在休息状态下，心率范围为60-90 bpm ，收缩期占空比为40 %，血液流量为5-6 l/min 。在心力衰竭情况下，心率会增加，血液流量会大幅度降低，但在引入心室辅助装置时，可应用药物治疗降低心率的增加[11]。因此在实验中选取心率60 bpm ，收缩期占空比40 %对循环系统进行模拟。2.2 实验结果
实验过程中对3种状态进行了测试，分别为未接入心室辅助时严重心力衰竭状态；严重心力衰竭加入心室辅助联合作用状态；心脏停跳时心室辅助单独作用状
态。每种状态分别测量模拟循环系统的心输出量、动脉
压、心室压。3种状态对应的压力及心输出量曲线如图5、图6和7所示。
通过实验发现，模拟系统的动脉压以及心室辅助装置产生的动脉压曲线与人体的动脉压曲线幅值相近，趋势基本相同。由于血泵采用双血袋，驱动电机在初始位置时两血袋中液体的体积不完全相同，造成电机驱动推板压缩两血袋产生的压力存在一定的差异。由于模拟心室的结构还不够完善，气动控制系统精确度还不高，同时测试方祛还有待改进，导致模拟系统的心室压与人体的心室压还存在一定的差异，模拟系统的心输出量与人体的心输出量相比偏小。同时，心室辅助装置样机还有待完善，辅助产生的流量还较小。实验结果显示，将实验室自制的心室辅助装置样机加入到模拟循环系统后，模拟心脏的心室压幅值有一定程度的减小，同时动脉压变大，使得心室压始终低于动脉压，模拟心脏不能直接泵血至动脉，仅心室辅助装置给动脉泵血，但模拟心脏的搏动能加快心室辅助装置的充盈速度。
3 结论及展望
模拟循环系统不可能替代动物实验及临床试验，但其有助于在进行代价高昂的动物实验及临床试验之前，通过对心室辅助装置的性能测试，不断改进和优化心室辅助装置设计。本文所设计的体外模拟循环系统，可以模拟一定程度的心力衰竭，并且容易实现在系统中加入不同种类的心室辅助装置，便于对模拟循环系统及心室辅助装置的相互影响进行研究，同时能够测试出心室辅助装置的性能参数，
达到优化心室辅助
图5 严重心力衰竭状态下压力及心输出量曲线
Fig.5 Pressure and cardiac output curves in vere CHF condition
图6 严重心力衰竭加入心室辅助状态下压力及心输出量曲线
Fig.6 Pressure and cardiac output curves with VAD
in vere CHF condition
图7 心室辅助单独作用状态下压力及心输出量曲线
Fig.7 Pressure and cardiac output curves in only using VAD condition
装置结构及控制系统设计的目的。在今后的研究工作中，体外模拟循环系统需要模拟出心脏的4个房室在不同状态（正常休息状态，不同程度的运动状态，不同程度的心力衰竭状态等）的血液动力学特性，使其满足Frank-Starling机制[11]，并能同时评估双心辅助的性能。而且，还要提高控制系统及测量设备的精确度，使模拟装置更接近真实生理情况。
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《食品药品妄全与监管政策研究报告(2009)》正式发布由上海市食品药品安全研究中心编写、社会科学文献出版社出版的《食品药品安全与监管政策研究报告（2009）》在北京正式发布。该书是《食品药品安全与监管政策研究报告》系列丛书的第二卷。全书由主报告、食品篇、药品篇、医疗器械篇、
其他篇和大事记组成。报告对2008年我国食品药品安全领域发生的重大事件有详尽的论述、比较, 并借鉴国际上其他国家或组织在食品药品安全监管方面的先进经验，对我国食品药品安全和监管提出建议，体现了该报告的：综合性、理论性、权威性和前瞻性。全面地反映各级政府部门、机构和社会各方面在食品药品安全和监管政策的研究和进展情况，尤其对完善食品药品安全监管在体制和机制层面进行了重点探索，这些研究对我国的食品药品安全监管政策的修订和完善将起到一定的推进作用。
《食品药品安全与监管政策研究报告（2009）》的医疗器械篇的主要内容有推进医疗器械上市后安全性监测工作的研究，我国医疗器械标准管理现状、间题及对策，采用信息化技术加强植入性医疗器械上市后追溯管理的研究，中美医疗器械注册制度的比较分析，医疗器械不良事件监测与风险管理及国外医疗器械监管专业人才培养概况及对我国的启示。并且指出医疗器械作为现代科学技术产品己广泛用于疾病预防、诊断、治疗、保健和康复，成为现代医学领域中的重要诊疗手段。随着医疗器械行业的发展，公众对于医疗器械产品的安全性和有效性提出了更高的要求，而标准是保证医疗器械产品安全、有效的最基本的手段，因此，加强医疗器械标准管理工作具有重要意义。
（本刊讯）
用于心室辅助装置性能测试的体外模拟循环系统
作者：吕雪烽， 杨明， 李晶晶， LV Xue-feng， YANG Ming， LI Jing-jing
作者单位：上海交通大学仪器科学与工程系，上海,200240
刊名：
中国医疗器械杂志
英文刊名：CHINESE JOURNAL OF MEDICAL INSTRUMENTATION
年，卷(期)：2009,33(5)
被引用次数：1次
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