一种多工位瓣膜流体特性测试装置的制作方法

1.本发明涉及医学教学仪器技术领域,更具体的说是涉及一种多工位瓣膜流体特性测试装置。


背景技术：

2.据调研数据提示，截至2019年我国心脏瓣膜患者已达到3.6千万人，而这一数字在5年后可能超过4千万。目前，对于中、重度瓣膜疾病，瓣膜置换或修复将是最佳治疗方案。据不完全统计，我国每年对人工心脏瓣膜的需求量达到6～8万枚以上。自1960年harken等首次将人工心脏瓣膜应用于临床以来，人工心脏瓣膜经历了机械瓣、生物瓣、经导管植入瓣和组织工程瓣等几个发展阶段。近些年来，随着结构性心脏病治疗领域的崛起、介入瓣膜的广泛使用，生物瓣膜的应用也愈加广泛。同时，人工心脏瓣膜的结构、材料、运行机制以及植入方式朝着多样化发展，新的发展方向是针对不同植入位置、不同疾病，甚至是个体患者，设计不同的瓣膜，从而满足临床需求。
3.人工心脏瓣膜必须具有良好的血流动力学性能。其设计目标是引导血液单向流动，最大限度降低瓣膜开启时对血液的阻力，减少关闭时的反流量，同时还应避免流动引起的血液损伤，否则将会增加瓣膜狭窄，引起血栓形成、血细胞破坏、严重反流及瓣膜衰败等不良状况的发生几率。对人工心脏瓣膜的血流动力学性能评估可以通过体外或在体(大型动物实验/临床试验)的方式完成，其中体外测试在风险、费用、干扰因素、研究周期、检测全面性和标准化等方面的优势，是在体实验所无法比拟的。瓣膜体外测试能够重复模拟各种生理、病理，甚至是极端条件，对于理解瓣膜的运行机理，人工心脏瓣膜的设计、测试及评价，以及新技术的构想、优化及验证，都具有重要意义。此外，体外测试装置也提供了一个良好的模拟手术的平台，不但可以优化手术规划，也可以对医生进行临床前训练。在生物瓣膜已经广泛应用、新一代国产外科/介入瓣膜大规模应用于临床的当下，临床一线工作者对于相关瓣膜工程基础知识的理解也显得尤为重要。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种多工位瓣膜流体特性测试装置，该装置可用于房室瓣和动脉瓣的流体性能测试。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多工位瓣膜流体特性测试装置，包括脉动发生模块、样件模组、piv液体流场分析模块、计算机控制系统以及连接管路；所述样件模组通过管道与脉动发生模块连接，由所述脉动发生模块向样件模组中的各测试样件提供流体脉动条件；所述piv液体流场分析模块用于对测试系统中的流体环境进行流场图像分布分析；所述计算机控制系统的作用包括按照设定参数及样件模组的配置情况控制脉动发生模块、采集压力和流量的测试数据、进行液体温度的精确控制。
6.优选的，在上述一种多工位瓣膜流体特性测试装置中，所述脉动发生模块用于准确模拟心脏做功的特征。
7.优选的，在上述一种多工位瓣膜流体特性测试装置中，所述脉动发生模块选用活塞式的脉动发生装置或者齿轮泵脉动发生装置其中一种。
8.优选的，在上述一种多工位瓣膜流体特性测试装置中，所述脉动发生模块选用齿轮泵脉动发生装置。
9.优选的，在上述一种多工位瓣膜流体特性测试装置中，所述样件模组主体是一个有一定厚度圆盘式结构，此结构用于将脉动发生装置的液体向各测试样件进行分流；各测试样件的夹持部件均布于圆盘圆周之上；脉动发生装置的液体输出管道连接到样件模组圆盘中心的开孔处，通过圆盘内部的管路向各测试样件分流，液体通过各测试样件后通过管道进行汇流。
10.优选的，在上述一种多工位瓣膜流体特性测试装置中，所述样件模组选用亚克力材质加工样件模组分流盘，圆盘中心开孔并与脉动发生装置的输出管路相连接；各测试工位均布在分流盘圆周上，在各工位处安装可拆卸的样件固定座，用于安装不同类型的瓣膜样品。
11.优选的，在上述一种多工位瓣膜流体特性测试装置中，在分流盘中央的开孔与各测试工位之间加工连接管路，各测试样件的液体流入、流出管路上分别安装电磁阀以选择该条分支管路的通断，分支管路的电磁阀在计算机控制系统中的用户软件界面上进行设置。
12.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于瓣膜流体性能测试装置，该测试装置可用于对多个瓣膜同时进行疲劳测试，测试装置中的脉动发生装置与实际测试工位的配置结果相关联，可精确控制脉动流体输出量的大小，测试系统不仅支持通过采集瓣膜样件的压力、流量等物理量进行测试结果分析，并且可以通过piv系统进行测试样件周围流场分布结果的分析。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
14.图1附图为本发明的原理框架示意图。
15.图2附图为本发明中样件模组结构示意图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.请参阅附图1、附图2，为本发明公开的一种多工位瓣膜流体特性测试装置，具体包括：该装置可用于房室瓣和动脉瓣的流体性能测试。各测试工位管路的均一性设计与用户软件的控制算法相配合，可保证每个测试工位为样件提供同样的测试条件，以得到可靠的
测试结果。系统支持瓣膜试样的脉动流测试、稳态流测试及耐久性测试，以满足iso5840标准的要求。测试系统可提供流速变换频率高达60hz的脉动流体，从而达到高效的测试要求，缩短测试时间，加快产品上市进度。配合流体流场分析装置，对瓣膜测试样件前后的流体流场进行细致的分析。
18.测试装置包含脉动发生模块1、样件模组2、piv液体流场分析模块3、计算机控制系统4以及连接管路5等。其中样件模组2通过管道与脉动发生模块1相连接，由脉动发生模块1向样件模组2中的各测试样件提供流体脉动条件。在样件模组2的液体流出管路上安装可调节顺应性腔室及阻尼机构，用以调节样件后端管路的顺应性及流通阻力。
19.计算机控制系统4的主要作用包括按照设定参数及样件模组2的配置情况控制脉动发生模块1、采集压力、流量等测试数据、进行液体温度的精确控制等。
20.脉动发生模块1的作用就是需要准确模拟心脏做功的特征，从而产生符合临床生理特征的动脉血流流动效果。
21.在临床上，心脏依靠收缩和舒张的交替活动产生类似于泵一样的效果，比如左心室充盈起始于心室舒张，期初左心室内快速充盈，随着容积增大到一定程度，充盈速度变缓，之后进入等容舒张期，在这一阶段，心室内的容积保持不变，等容舒张期结束后，左心室收缩，其内部压力快速升高，推动主动脉瓣打开，进入快速射血期，在此期间，左心室向外输出的流速较大，随着左心室内的容量减小，射血速度逐渐减慢，直到主动脉的压力大于左心室的压力，主动脉瓣关闭，完成一次射血过程后重新开始舒张，这就是心脏周而复始的活动过程。
22.为了实现心脏泵血过程的精确模拟，可以选择活塞式的脉动发生装置或者齿轮泵脉动发生装置，优先选用齿轮泵脉动发生装置，由于齿轮泵输出量和旋转圈数成严格的正比关系，齿轮泵每转一圈的输出量一定，可通过计算机控制系统向齿轮泵电机控制器发送精确的流量控制指令，并且在齿轮泵脉动发生装置系统中不含使用周期较短的损耗部件，可以保证系统长时间连续运行，从而使整套测试装置的操作变得更加便捷。
23.通过计算机控制系统4的用户软件来控制活塞式的脉动发生装置的运行，在用户软件中，有三种运行测试模式可供用户进行选择：1、脉动流测试，是模拟瓣膜在自然心脏的运行环境，尽可能真实地再现人工心脏瓣膜植入人体后的状态。通过测定血流动力学相关参数，对瓣膜性能进行评价，被公认为是表征人工心脏瓣膜血流动力学性能的“金标准”。脉动流测试的关键是模拟不同生理和病理条件下(左心或右心、各年龄段、各心率、各血流量、高/低血压、术后心脏复苏期等)人体脉动血流流场；
24.2、稳态流测试，要求瓣膜所处的流场稳定，不仅流速要稳定，还要求流体特性呈现层流状态。瓣膜呈现稳定的开启或闭合状态，跨瓣压差和流量为恒定值，对其测定排除了湍流甚至涡流的影响，使得瓣膜开口面积的计算更为可信。稳态流测试结果具有良好的一致性和重复性，既是对脉动流测试的必要补充，又是对其可信度的验证。稳态流测试分为前向流测试和反向泄漏测试。前向流测试是模拟心室射血峰值期的准定常流动状态，测试瓣膜的正向流动阻力性能；反向泄漏测试，是模拟瓣膜完全关闭后的泄漏状态，测量瓣膜的关闭质量；
25.3、耐久性测试，人工心脏瓣膜作为一种植入人体的医疗器械，植入后要求长期可靠的运行，使用寿命至关重要。耐久性测试是通过瓣膜在高频的往复流场中连续做开闭运
动，加速其材料的老化和磨损以及结构的失效，用于评价瓣膜的耐久性寿命，并确定瓣膜的预期失效模式。尽管体外耐久性测试不能完全等同于人体生理中的状态，但其对于瓣膜性能的评估仍具有极其重要的价值，疲劳测试一定程度上可以直接反映瓣膜耐久性设计是否满足较长时间的使用要求。
26.样件模组2主体是一个有一定厚度圆盘式结构，此结构用于将脉动发生装置1的液体向各测试样件进行分流。各测试样件的夹持部件均布于圆盘圆周之上。活塞式的脉动发生装置的液体输出管道连接到样件模组圆盘中心的开孔处，通过圆盘内部的管路向各测试样件分流，液体通过各测试样件后通过管道进行汇流。
27.优先选用亚克力材质加工样件模组分流盘，圆盘中心开孔并与齿轮泵脉动发生装置的输出管路相连接。测试样件工位数量根据使用需求设计，通常设置为5-8个测试工位，各测试工位均布在分流盘圆周上，在各工位处安装可拆卸的样件固定座，用于安装不同类型的瓣膜样品。
28.在样件分流盘中央的开孔与各测试工位之间加工连接管路，各测试样件的液体流入、流出管路上分别安装电磁阀以选择该条分支管路的通断，分支管路的电磁阀在计算机控制系统中的用户软件界面上进行设置，同时，脉动发生装置控制程序中包含分支管路的电磁阀的配置情况，控制算法根据流体流量、压力设定参数及样件分支管路电磁阀的配置情况对脉动发生装置进行精准的控制。
29.计算机控制系统的用户软件中还包括测试样件管路中的压力、流量的数据采集以及流体温度的精确控制。选用压阻式压力传感器对各测试样件前后的液体压力进行高速准确的采集，采用超声血流仪采集测试管路中流速数据，并通过软件进行数学运算转化为流体的流量，用户软件对测试系统的压力、流速进行同步采集。
30.测试系统在对压力、流速等物理量进行采集之外，还通过piv流场分析系统对测试系统中的流体环境进行流场图像分布分析。在脉动流测试中，将可悬浮于液体中的示踪粒子加入液体中，用激光光源照射测试样件周围的液体，同时采用高速相机拍摄瓣膜的运动过程，从而获取瓣膜周围流场的变化情况多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度，从而得知粒子所在位置流场的速度的分布。
31.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
32.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。