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

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。
　　本研究主要内容包括：⑴MCS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。⑵MCS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。⑶VAD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。⑷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。

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第一章 绪论

1.1 血液循环系统

1.2 心衰与VAD

1.3 体外MCS

1.4 本章小结

第二章 MCS设计

2.1 设计目标

2.2 系统组成

2.3 机械系统设计

2.4 控制系统设计

2.5 本章小结

第三章 实验方法

3.1 系统启动步骤

3.2 系统调试

3.3 VAD与MCS的整合

3.4 在有VAD的情况下的实验步骤

3.4 本章小结

第四章 实验结果与讨论

4.1 三种不同生理状态下的血流动力学结果

4.2 VAD辅助下的血流动力学实验结果

4.3 有效性

4.4 实验装置的进一步完善

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢

附录