專利名稱：液壓或氣壓人工肌肉驅動的心臟腔室模擬器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種新型的心臟腔室模擬器，具體涉及一種液壓或氣壓人工肌肉驅動的心臟腔室模擬器。該模擬器能夠實現對心臟跳動的模擬，用于輔助微創(chuàng)心內介入醫(yī)療器械研發(fā)、血液循環(huán)和醫(yī)學影像研究及培訓醫(yī)生。
背景技術：
心臟模擬器是用于模擬心臟跳動和血液循環(huán)過程的設備，它對微創(chuàng)心內介入醫(yī)學的發(fā)展具有以下重要的意義。首先，心血管疾病是人類健康的頭號殺手，各國都非常重視心臟微創(chuàng)診療領域內的醫(yī)療器械研發(fā)。我國醫(yī)療器械企業(yè)也逐步開始向這一高端市場尋求突破，以改變市場被國外公司占領的局面，在未來的數十年內會呈現極為廣泛的研發(fā)態(tài)勢。動物實驗作為該類產品走向臨床的必要手段，存在配置復雜、耗費人力和財力以及實驗條件有限等諸多缺陷，且面臨著動物倫理問題，嚴重阻礙了醫(yī)療設備的研發(fā)進程。因此面向微創(chuàng)診療的心臟模擬器，能夠在一定程度上替代動物實驗，加快醫(yī)療器械的創(chuàng)新研發(fā)。其次，心臟微創(chuàng)介入手術對醫(yī)生的操作水平要求很高，且手術開展過程中醫(yī)生要遭受輻射傷害，醫(yī)生培訓過程困難且具有風險性，需要能夠逼真模擬人體心臟跳動的模擬器作為輔助。此外，心臟模擬器的研制還有助于為人體血液循環(huán)、醫(yī)學影像處理等提供重要的驗證平臺。目前，大部分心臟模擬器是靜態(tài)的醫(yī)學模型，用于醫(yī)學教學，無法體現血液循環(huán)的動態(tài)特性。國際上近期研發(fā)出的一些能夠模擬心臟動態(tài)特征的高端心臟模擬器主要有以下兩類:1、在心臟模型外部連接液壓管路和液壓元器件構建液壓循環(huán)回路，采用泵向液壓回路中提供動力實現血液循環(huán)；2、心臟模型外部構建的液壓循環(huán)回路中不提供動力源，對心臟外部軸向或者側向的載荷提供血液循環(huán)的動力。對于前者而言，外部循環(huán)管路中使用泵實現血液循環(huán)的方式與真實循環(huán)對應的壓力相反，往腔室內部注入液體，壓力升高同時腔室膨脹，對應著腔室舒張；從腔室向外部泵出液體，壓力降低同時腔室收縮。而心臟跳動真實情況是:腔室收縮后導致內部壓力升高，將血液博出；腔室舒張，壓力降低，血液會涌入。對于后者而言，產生的心腔變形是由單點或者幾個點擠壓心腔引起的，無法逼真的描述心肌的整體收縮，導致對液體循環(huán)過程的模擬失真嚴重。因此按照上述兩種原理實現的對心臟跳動的模擬不能夠真實的反映心臟跳動過程。

實用新型內容為了克服現有心臟模擬器不能正確體現心臟收縮和舒張過程中壓力高低的對應關系，以及外部加載導致的變形不能體現心肌整體收縮變形導致心臟模擬器無法真實反映心臟跳動過程的問題，本實用新型提出了一種新型的心臟模擬器，該模擬器由液(氣)壓人工肌肉驅動心腔完成收縮和舒張，既能夠滿足正確的壓力關系，也能夠體現心肌的整體變形過程，從而逼真的反映了心臟跳動過程。本實用新型是通過下列技術方案來實現的:一種液壓或氣壓人工肌肉驅動的心臟腔室模擬器，所述模擬器包括外鞘層、心肌層、心臟瓣膜和構成于外鞘層與心肌層之間封閉的中空腔體(壓力腔)；所述外鞘層的壁面上開有通孔，用于液體或氣體在中空腔體內的輸入或輸出；所述外鞘其材質為硬質高分子材料，所述心肌層和心臟瓣膜的材質為符合人體相應組織力學性能的高分子材料。所述外鞘、心肌層和心臟瓣膜都是仿生生物組織材料，其中:外鞘材質優(yōu)選為聚氨酯，邵氏硬度70 90 ;心肌層和心臟瓣膜的材質優(yōu)選為TPE材料，邵氏硬度25 50。所述心臟瓣膜粘接于心肌層上端面上，其粘接位置符合人體解剖結構；所述外鞘層與心肌層除中空腔體以外的部分通過粘接的方式固定在一起。上述模擬器通過改變中空腔體的壓力可實現心肌層的收縮和舒張，具體為:在中空腔體內外壓力相等時，繼續(xù)向中空腔體內輸入液(氣)體，腔體內壓力增大(對應于心臟向舒張態(tài)變化)，心肌層厚度不變但產生局部變形；在中空腔體內外壓力相等時，從中空腔體內輸出液(氣)體，腔體內壓力減小(對應于心臟向收縮態(tài)變化)，心肌層厚度變小。中空腔體內外壓力相等時的狀態(tài)稱為心腔的解剖形狀，心腔的解剖形狀是介于收縮和舒張之間的中間狀態(tài)。本實用新型的優(yōu)點及有益效果如下:本實用新型利用包裹在心臟腔室外側的液(氣)壓人工肌肉(包括心肌層、外鞘層和中空腔體)實現對腔室的收縮和舒張驅動，能夠克服在外部循環(huán)管路中使用泵帶來的收縮和舒張壓力錯誤的缺點，以及通過外部機械加載導致心腔形變與實際心肌收縮和舒張過程形變差距較大的問題，真實的反映了心腔跳動過程的形變及正確的循環(huán)壓力關系。

圖1為人體心臟(左心室)解剖結構。圖2為本實用新型心臟模擬器(左心室)結構示意圖。圖3為本實用新型心臟模擬器(左心室)中間狀態(tài)。圖4為本實用新型心臟模擬器(左心室)的舒張變化過程。圖5為本實用新型心臟模擬器(左心室)的收縮變化過程。圖中:1_心??；2_心腔；3_心肌層；4_中空腔體；5_通孔(進液/氣口)；6_外鞘層；7_ 二尖瓣；8_主動脈瓣膜。
具體實施方式
以下結合附圖詳述本實用新型。圖1為人體心臟的解剖結構，人體心臟主要由心肌I構成，有左心房、左心室、右心房、右心室四個腔，左右心房之間和左右心室之間均由間隔隔開，心房與心室之間有瓣膜。但由于心房與心室的驅動變形過程一致，因此在附圖與說明中，均采用左心室作為說明對象，可以此類推到其他三個房室。本實用新型心臟模擬器的結構如圖2所示，在人體心臟的基礎上將心肌I拆分為由內部的心肌層3、外鞘層6以及心肌層3與外鞘層6之間封閉的中空腔體(壓力腔)4組成，外鞘層6的壁面上開有通入或吸出液(氣)體的通孔5。心肌層3和心臟瓣膜(二尖瓣7和主動脈瓣膜8)由符合人體相應組織力學性能的高分子材料制作，優(yōu)選為TPE材料，邵氏硬度25飛O ;外鞘層6由硬質高分子材料制作，優(yōu)選為聚氨酯，邵氏硬度70 90。心臟瓣膜與心肌層3連接方式為粘接，位置符合人體解剖結構(粘接采用華信膠粘劑(深圳)有限公司生產的556強力粘接膠水，介著劑為768);外鞘層6與心肌層3除中空腔體4以外的部分通過粘接的方式固定在一起。通過進液/氣口向壓力腔4內通入或吸出液體或氣體，以改變壓力腔內的壓力，能夠實現心腔2的收縮和舒張。心腔的解剖形狀是介于收縮和舒張的中間狀態(tài)如圖3所示，該狀態(tài)向收縮態(tài)變化時，心肌層厚度不變產生局部變形，該狀態(tài)向舒張態(tài)變化時，心肌層厚度變薄。心臟模擬器的舒張變化過程如圖4所示。模擬器初始狀態(tài)為心腔收縮狀態(tài)(圖
4(a))，經進液/氣口從壓力腔內吸出液體，導致壓力腔內壓力減小，二尖瓣隨之打開，液體進入心腔，心腔開始膨脹。膨脹過程分兩個階段，第一個階段，心肌層厚度不變，其局部變形恢復至自然狀態(tài)(圖4 (b));第二個階段，心肌層厚度逐漸變薄，直至心腔增大到舒張最大狀態(tài)(圖 4(c))。心臟模擬器的收縮變化過程如圖5所示。模擬器初始狀態(tài)為心腔舒張狀態(tài)(圖
5(a))，經進液/氣口從壓力腔內輸入液體，導致壓力腔內壓力增大，主動脈瓣膜隨之打開，液體從心腔排出，心腔開始收縮。收縮過程分兩個階段，第一個階段，心肌層厚度逐漸變厚，恢復至自然狀態(tài)(圖5 (b));第二個階段，心肌層厚度不變，局部變形，心腔減小到收縮最小狀態(tài)(圖5(c))。上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種液壓或氣壓人工肌肉驅動的心臟腔室模擬器，其特征在于:所述模擬器包括外鞘層、心肌層、心臟瓣膜和構成于外鞘層與心肌層之間封閉的中空腔體；所述外鞘層的壁面上開有通孔，用于液體或氣體在中空腔體內的輸入或輸出。
2.根據權利要求1所述的心臟腔室模擬器，其特征在于:所述外鞘其材質為硬質高分子材料，所述心肌層和心臟瓣膜的材質為符合人體相應組織力學性能的高分子材料。
3.根據權利要求1或2所述的心臟腔室模擬器，其特征在于:所述外鞘材質為聚氨酯，邵氏硬度70 90 ;所述心肌層和心臟瓣膜的材質為TPE材料，邵氏硬度25 50。
4.根據權利要求1所述的心臟腔室模擬器，其特征在于:所述心臟瓣膜粘接于心肌層上端面上，所述外鞘層與心肌層除中空腔體以外的部分通過粘接的方式固定在一起。
專利摘要本實用新型公開了一種可真實反映心臟收縮和舒張?zhí)鴦舆^程壓力和腔室形變的液壓或氣壓人工肌肉驅動的心臟腔室模擬器，所述模擬器包括外鞘層、心肌層、心臟瓣膜和構成于外鞘層與心肌層之間封閉的中空腔體；所述外鞘層的壁面上開有通孔，用于液(氣)體在中空腔體內的輸入或輸出；通過改變中空腔體內的壓力大小能夠實現心臟模型的收縮和舒張。該模型能夠克服在外部循環(huán)管路中使用泵帶來的收縮和舒張壓力錯誤的缺點，以及通過外部機械加載導致心腔形變與實際心肌收縮和舒張過程形變差距較大的問題，真實的反映了心腔跳動過程的形變及正確的循環(huán)壓力關系。
文檔編號G09B23/32GK202996155SQ20122065940
公開日2013年6月12日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權日2012年11月30日
發(fā)明者劉浩, 周圓圓, 李貴祥, 李長吉, 李洪誼 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所