模拟心血管系统装置的研制及其在血液动力学测试中的应用

为研究心血管系统血液动力学特性和评测人工心脏,本文根据弹性腔模型建立了一套能反映血液动力学特性的体外血液循环模拟实验装置,测试血液动力学参量与心室后负荷(即外周阻力R和动脉顺应性C)以及每搏心输出量Vs,心动周期T,心室收缩时间间隔Ts和前负荷等六个参量之间的相互关系,通过改变六个参量的某一个参量而固定其余参量,测试这个参量对动脉血压及流量的影响情况.实验结果与生理情况和数学模型分析相符合,整个模拟装置能够反映血液动力学特性.     

心血管参数对动脉中压力和流量的影响

本文从建立心室-血管优化耦合模型出发,通过求解优化耦合所对应主动脉根部的压力和流量所满足方程,详细讨论动脉中压力和流量随心血管参数的变化规律,所得结果与血液循环系统的生理事实一致。     

螺旋血泵的CFD分析

溶血和血栓是目前国内心室辅助装置不能应用于临床的主要原因。血泵的不良血液动力学特性是导致溶血和血栓的主要因数。计算流体力学（CFD）方法目前被广泛应用于血泵设计,它可以准确有效地反映血泵内部流场状态、血泵压力流量曲线以及血泵内部流场剪切力分布状态等。本研究采用CFD方法对自制螺旋血泵的泵腔、出入流口进行流场分析,内部流场采用三维彩图显示。结果显示CFD分析结果很好的与体外实验结果吻合。血泵血液动力学特性,以及内部血流状态采用CFD方法分析,可以有效地分析血泵血液相溶性方面的问题。     

完全磁悬浮心室辅助装置的体外模拟循环系统实验研究

目的研究我国自主研发的第3代完全磁悬浮心室辅助装置(CH-VAD)对于心衰患者的循环辅助效果。方法建立一套体外模拟循环系统(mock circulatory system,MCS)。该系统能够模拟人体健康休息状态以及心力衰竭状态,并与CH-VAD协同工作,测试CH-VAD在连续流状态下的辅助效果。另外,对CH-VAD的搏动流控制方法进行测试,该模式采用正弦波速度波形,使CH-VAD的运行与MCS心室周期同步。结果 CH-VAD在正常连续流状态下能够使心衰状态的血流动力学参数(动脉压、心排量)恢复到正常范围。初步的搏动流测试结果显示,当前的速度搏动幅值对血流动力学影响较小,搏动流状态下与连续流状态所对应的平均动脉压、动脉脉压、平均心排量与心排量波形等差异不大。结论 CH-VAD能够通过搏动控制器产生一定程度的速度搏动,提供足够的心室辅助,并可以进一步改良优化,提供符合生理条件的搏动血流。所研制的MCS能够提供心室辅助装置以及其他机械循环辅助装置一个有效、可控的体外测试平台,是机械循环辅助装置设计、优化和验证的重要工具。     

模拟卒中脑血流和心室做功变化的动力学模型

分析脑卒中对心室做功的影响以及与高血压的关联性,为卒中和脑心综合症等心脑血管疾病的预警提供血液动力学依据.基于非对称T型管,建立心脑血管耦合的血液动力学模型,计算和分析动脉血液动力学行为；通过提高脑外周阻力和降低血管弹性,数值模拟在大脑动脉血管病变的情况下血压、脑血流量和心室做功功率的变化趋势.研究表明,相对于正常情况,卒中患者其脑外周阻力显著提高,脑阻力达到正常值2倍以上的占统计总人数的83％；其血压(尤其是收缩压和脉压)会明显高于正常值,模拟的收缩压达到140 mmHg以上；其脑部血液流量存在代偿流动和调节；其心室外功的总功率以及振荡功率占总功率的比例均增加,增加幅度达到10％以上.卒中患者的心室做功受到脑血管病变的影响,因而在治疗卒中的同时应加强对心脏的保护.     

简易模拟心血管系统的设计与控制

为评测人工心脏,尤其是直接辅助式人工心脏,本文提出了利用泵、阀、管道、弹性腔和相应的控制器建立一套能反映血液动力学特性的简易体外血液循环模拟实验装置的方法。在该装置中,任意时刻流量的估计,是利用测量模拟心脏的血压和循环周期总流量获得。通过改变控制信号的频率、占空比和阀的开度模拟心脏不同心率、不同心收缩周期、不同程度的泵血功能,实验结果与生理情况分析基本相符合。该装置的模拟心脏具有类似心脏的形状,直接心辅装置可以直接固定在其上工作。     

内皮细胞应力测试装置

目的 通过研制“内皮细胞应力测试装置”，为研究血流动力学环境对人工培养的内皮细胞生物学特性的影响提供实验平台。方法 应用流体力学及血流动力学理论与分析方法，制作了“内皮细胞应力测试装置”。结果 本装置可以精确调控正常生理水平和超生理水平下的切应力值、正应力值、以及脉动波幅和脉动频率。结论 本装置能模拟与人体生理状况较一致的血流动力学环境。     

Ⅰ型血泵左心辅助循环动物实验研究

为了对Ⅰ型血泵进行深入研究以便在此基础上进行改进，我们选择９只心脏正常犬进行左心辅助动物实验，以验证该泵的血液动力学输出性能、对心脏的辅助功能及对血液的破坏程度。在动物实验中，血泵放入胸腔内，进口通过静脉插管经左心房耳插入左心房，出口经过动脉插管插入升主动脉。输液、测试、辅助管路接通后，控制血泵的辅助流量为心输出量的２５～３０％左右。结果显示：１．辅助流量在５００～６００ｍｌ／ｍｉｎ时，主动脉收缩压可达１３０ｍｍＨｇ，证明Ⅰ型血泵输出性能满足辅助时生理血液动力学要求。２．辅助后，主动脉舒张压和心脏总输出量均升高，提示此血泵对冠状动脉血流量的增加及心脏泵血具有辅助功能。３．辅助４小时后，血浆中游离血红蛋白含量由２．４ｍｇ／ｄｌ升高到３．１ｍｇ／ｄｌ，纤维蛋白未发生明显变化，说明此血泵对血液有较轻的破坏     

一种模拟血液循环系统实验研究

目的 研究一种能够准确复现人体血流动力学环境的模拟血液循环系统（mock circulation system,MCS）用于心室辅助装置（ventricular assist device, VAD）、人工心肺机等人工器官研发过程中的体外测试。方法 建立一套包括体肺循环的双心驱动MCS,基本涵盖心血管系统的主要生理特征及功能,其中对瓣膜和动脉的模拟提出采用硅胶材料制作的新方式。该系统可以通过调整控制系统参数或结构参数来模拟正常人体、心衰、瓣膜疾病、动脉硬化以及外周阻性变化等多种生理环境,并利用传感器与控制系统实现压力、流量的实时显示、控制和数据保存。结果 该MCS模拟正常人体和多种病症下的血流动力学环境均与人体实际情况基本一致。并且新的瓣膜和动脉模拟方式减小了压力波动,使模拟效果更好。在模拟心衰病症下使用航天泰心HeartCon型VAD接入系统,可以看到其血流动力学环境（主动脉压力、左心室压力、心排量等）均能恢复到正常范围。结论 该MCS能够准确复现多种生理状态下体肺循环的血流动力学环境,为VAD等人工器官的性能测试和控制策略的设计提供有效的实验平台。同时,采用硅胶材料制作瓣膜和动脉的模拟方式也可以作为MCS研究中的新思路进一步完善。     

分岔动脉血管脉动血流的动力学分析

通过分析血管性肺癌介入治疗的特性，建立了分岔动脉血管二维几何模型和动脉血流平均流速脉动流模型。基于SMPLE算法对分岔动脉血管脉动血流的动力学进行了数值模拟，获得用导管注射药液时血液流场的变化情况。结果表明，建立的典型几何模型和血液平均流速脉动流模型可较好地分析临床上观察到的血流动力学现象，能反映分岔动脉血管脉动流的特点。为实施进一步数值模拟提供了可靠的前提，此项研究的计算结果也为优化血管性介入治疗等提供了血流动力学依据。     

A computer model of the pediatric circulatory system for testing pediatric assist devices

Lumped parameter computer models of the pediatric circulatory systems for 1- and 4-year-olds were developed to predict hemodynamic responses to mechanical circulatory support devices. Model parameters, including resistance, compliance and volume, were adjusted to match hemodynamic pressure and flow waveforms, pressure-volume loops, percent systole, and heart rate of pediatric patients (n = 6) with normal ventricles. Left ventricular failure was modeled by adjusting the time-varying compliance curve of the left heart to produce aortic pressures and cardiac outputs consistent with those observed clinically. Models of pediatric continuous flow (CF) and pulsatile flow (PF) ventricular assist devices (VAD) and intraaortic balloon pump (IABP) were developed and integrated into the heart failure pediatric circulatory system models. Computer simulations were conducted to predict acute hemodynamic responses to PF and CF VAD operating at 50%, 75% and 100% support and 2.5 and 5 ml IABP operating at 1:1 and 1:2 support modes. The computer model of the pediatric circulation matched the human pediatric hemodynamic waveform morphology to within 90% and cardiac function parameters with 95% accuracy. The computer model predicted PF VAD and IABP restore aortic pressure pulsatility and variation in end-systolic and end-diastolic volume, but diminish with increasing CF VAD support.     

基于ABAQUS的升主动脉置换术术后血流数值模拟

目的:为研究人工升主动脉置换术治疗Stanford A型主动脉夹层后的血流动力学规律,采集临床CT图像,构建术后个性化主动脉流场几何模型。基于计算流体动力学对其进行数值模拟,得到术后流域壁面压力分布和流速分布两个力学指标,从而分析术后流域规律。方法:采集术后CT图像DICOM文件并应用影像后处理软件MIMICS进行三维重构及优化获得几何模型,再将该流域模型导入网格划分软件进行CFD网格划分,最后将网格文件导入ABAQUS/CFD模块进行多周期瞬态模拟。结果:通过模拟计算,得到术后主动脉在心动周期不同时刻的血流动力学参数。结论:血流动力学参数与边界条件密切相关。主动脉内复杂流场环境与心血管疾病存在一定联系。数值模拟可为人工血管置换术后病情发展提供参考。     

颈内动脉狭窄对体循环系统影响的集中参数模型研究

研究颈内动脉病变时对整个颈动脉系统的影响。建立了一个带颈动脉分岔血管分支的体循环系统集中参数模型,基于一组可较好地模拟正常生理曲线的参数,通过改变颈内动脉段的集总参数来模拟颈内动脉狭窄,研究了其对颈动脉系统的影响。结果表明:颈内动脉发生狭窄时,会使其自身的流量、压力和颈总动脉的流量发生显著变化。这些变化主要是由液阻和液容的改变引起的,其中液阻的影响更显著。此外,颈内动脉发生狭窄对于颈外动脉的影响较小,对颈总动脉入口压力则不产生影响。由此说明:利用三维计算模型对颈动脉分岔血管进行血流动力学数值模拟时,入口边界条件用入口压力比用入口流量更合适。     

Role of intrathoracic pressure in changes in the greater and lesser circulation hemodynamics in patients with bronchial asthma

The greater and lesser circulation hemodynamics was examined in 59 patients with bronchial asthma and 23 controls by tetrapolar rheography, kinetocardiography, and ultrasonic Doppler cardiography. Simultaneously measurements of intrathoracic pressure (ITP) were carried out with an esophageal controller. Reduced stroke index, increased total peripheral resistance of the vessels, and elevated systolic pressure in the pulmonary artery were revealed in the patients as against the controls. ITP values in asthmatics surpassed twofold those in the reference group. To reveal elevated ITP effects on the hemodynamics, the authors have examined the hemodynamic parameters during Valsalva's test (with elevation of oral pressure up to 25-35 mm Hg) in 16 reference subjects. The results evidence the leading role of elevated ITP on the greater and lesser circulation hemodynamics in asthma. Elevated ITP lowers the venous blood flow to the heart and reduces the preload thus decreasing the blood flow to the lesser circulation and not increasing the pulmonary artery systolic pressure.     

血流动力学的医学应用与发展

血流动力学是指血液在血管系统中流动的力学,主要研究血流量、血流阻力、血压、切应力、扰动流等,以及它们之间的相互关系,对人类生命健康具有重要的影响。血流动力学在血管的弯曲、狭窄、堵塞、分叉以及肿瘤的治疗等方面具有重要的临床研究意义。目前,血流动力学在动脉血管搭桥、冠状动脉狭窄、腹主动脉瘤、动脉粥样硬化、脑动脉肿瘤以及旋动流等方面引起广泛研究。伴随着血流动力学的深入研究,心脑血管的手术规划、介入治疗等得到快速发展,基于血流动力学的临床检测和治疗仪器也越来越多。血流动力学因素,如血管压力、血管阻力、血流量、壁面切应力、血液黏度、流动分离、湍流、涡流等对常见血管疾病以及术后并发症的影响机理正在逐步深入探索之中,并已经取得了一定成果。     

Correlation dimension analysis of the artificial circulation

Artificial circulation has been analyzed by decomposing it into parts. However, the sum of the decomposed parts is not equal to the whole system, especially in nonlinear dynamic systems such as biological systems. To evaluate prosthetic circulation as an entity, not as decomposed parts, nonlinear mathematical analytic techniques, including fractal dimension analyzing theory, were used. Two pneumatically actuated ventricular assist devices were implanted as biventricular bypasses (BVB) in chronic animal experiments using four healthy adult goats. For comparison between natural and prosthetic circulation in the same experimental animals, the BVB-type complete prosthetic circulation model with ventricular fibrillation was adopted. All hemodynamic parameters with natural and prosthetic circulation were recorded under awake conditions and calculated by a personal computer system. By the use of nonlinear mathematical techniques, time-series data of the hemodynamics were embedded into the phase space, and correlation dimension analysis was performed to evaluate the reconstructed attractor. Our results suggest that the correlation dimension of the arterial blood pressure does not linearly increase according to the increase of the embedding dimension, even during artificial circulation, suggesting those are the fractal time series data. Dimensional analysis of the hemodynamics revealed that lower dimensional fractal dynamics were observed during prosthetic circulation. Fractal time series data are suggested to have robustness and error resistance. Thus, our results suggest that the circulatory regulatory system with the artificial heart may have these desirable characteristics. Accepted: July 14, 1995     

微血管网血流动力学的体外模拟系统

目的 :研究不同微血管网内血流动力学的特点。方法 :自行设计制做的体外循环模拟系统 ,由搏动泵、阻尼器、液容器 (Windkessel腔 )及各种不同口径的弹性管组成。根据不同器官微血管特点 ,用不同口径的弹性管制作了发夹状、树枝状及网囊状的微血管模型。用3个参数 (心率、收缩压Ps/舒张压Pd、动脉血管顺应性C)表示模拟循环系统的动力学状态 ,在此基础上对三种微血管模型在不同的循环压状态下 ,进行了血流动力学模拟研究。结果 :经检验该循环系统在循环回路上模拟的压力及脉动波形基本符合心血管循环的生理特点。当循环压改变时 ,发夹状微血管的第一排管袢内流量和压力的变化较第三排略大 ;当循环压降低时 ,树枝状微血管的终末分支毛细管内压力减少幅度大于初级分支 ,当循环压增高时 ,终末分支毛细管内压力增加幅度小于初级分支 ;网囊状微血管在微循环压降低时其顶端毛细管的压力减少幅度最大。其结果与生理研究相吻合。结论 :本模型在模拟微血管血流动力学方面 ,有较好的仿真性和实用性 ,与活体研究相结合 ,可完善微循环的基础研究。     

基于两级级联神经网络估计血泵转速及压力变化对血流量的影响

背景：对人工心脏输出流量进行及时精确的检测直接关系到人工心脏在动物实验及临床应用中的效果,但实现起来却比较困难。 目的：探究辅助循环过程中,心血管血流动力学参数如何反映血泵的工作状态？通过体外辅助循环实验,结合理论分析法,以得到掌握血泵流量特性的神经网络结果。 方法：为了正确地评估和检测心室辅助装置中血泵的工作状态,建立两种不同类型的神经网络级联模型,评估血泵转速、压力的连续变化对流量的影响。在第一级中,运用BP神经网络来评估在血泵不同转速下连续变化的压力对流量的影响;在第二级中,运用径向基网络估计血泵转速连续变化对流量的影响。 结果与结论：将经训练的级联网络应用于评估转速、压力对流量造成的影响,其结果与以往的方法相比显示了很好的评估能力。