体外模拟心血管系统血液动力学性能分析

生物医学工程学杂志J Biomed Eng　2006;23(4)∶778～780 体外模拟心血管系统血液动力学性能分析李　洪　钱坤喜△(江苏大学生物医学工程研究所,镇江　212013) 摘要　为研究人工心脏和心血管系统之间的血液动力学作用机制,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(即外周力R和动脉顺应性C)以及每搏心输出量V s,心动周期T和心室收缩时间间隔T s,前负荷等六个参量之间的相互关系,通过改变六个参量中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。

压力和流量波呈脉动性,与真实生理波形相似。

整个模拟装置能够反映血液动力学特性。

关键词　心血管系统　弹性腔模型　血液动力学　人工心脏Hemodynamics Study of Cardivoascular System In Vitro SimulationLi Hong　Qian Kunxi(Institute of B iomedical En gineering,Jiang s u University,Zhenjiang　212013,China) Abstract　In o rder to study the cardiov ascula r hemodynamic char acteristics a nd ev aluate the blo od pum p,we made a series of ca rdiov ascular simulatio n dev ices which co uld r eflect the hemo dy na mics o f blood circula tio n system by the elastic cha mbe r mo del,and tested the relatio ns betw een ca rdiov ascular hemody namic para meters(such as systo le pr essure,diastole pressure,av erag e pressure,pulsa tiv e pr essur e,flo w rate)and v entricula r afte rload(pe-ripher al resistance and va cular co mplia nce)a s w ell as cardiac o utput,dia stolic pe rio d,systole perio d a nd prelo ad.The effect o f the pa ramete rs on the ar terial pr essur e a nd flow ra te was estima ted w hen any o ne o f the para meters w as chang ed.The r esult o f simula ting experiment w as coincided with that deduced fro m ma th ema tical model and ph ysio log ic conditio n.Ther efor e the series o f car diova scula r simula tio n dev ices ca n r eflect the h emo dynamics of blo od circulatio n.Key words　Ca rdiov ascular sy stem Elastic chamber s Hemo dy na mics A rtificial h ea rt1　引　言由于心血管系统非常复杂,影响血液循环动力学性能的因素很多,并且各种因素是相互关联的,不能具体分析某一因素的作用,这对心血管疾病的动力学分析有不利之处。

假若我们运用数学模型理论思想设计体外循环模拟实验台,不仅可以单独测试某参量的具体影响情况,而且也可通过体外循环模拟装置评测人工心脏的性能特点。

模拟实验采用比较直观、简单的W esterhof三元件单弹性腔数学模型,用功能相似的实验器材模拟顺应性元件、惯性元件和阻力元件,建立起与弹性腔模型相似的模拟装置。

整个循环装置是无控制的闭环循环系统,考虑脉搏波形仅随时间变化而与空间位置无关。

2　体外模拟的数学模型—Westerhof三元件单弹性腔数学模型[1] 对于单弹性腔模型,将整个主动脉看作一个弹△通讯作者。

E-mail:sw yx@ 性腔,其顺应性为C,将小动脉与毛细血管看作外周阻力血管,其外周阻力为R。

利用血液流动参量与电学量之间的对应比拟关系,建立血液循环等效回路。

图1为描述左心室后负荷体动脉系统的Westerhof 三元件单弹性腔模型(Z C-C-R)。

其中:Z C为体动脉特性阻抗;p和p a分别为主动脉根部和主动脉的压力;q in和q ou t分别为由左心室流入主动脉的流量和由体动脉流入体静脉的血液流量。

由这个三元件弹性腔模型,在左心室的收缩期有: q m=C dp adt+q o ut(1) p=q in·Z c+p a(2) p a=q out·R(3)在关系式(3)中我们已认为静脉压为零。

若动脉顺应性C和外周阻力R是常数,则由上面的三个式子,即得:p=(f··qout+q out)Z c+Rq out(4)q in=f··qout+q out(5)式中:τ=RC称为时间常数。

由此可知,如果体动脉流入体静脉的血流量q out已知,那么主动脉根部的压力p (t )和流量q in (t )便完全确定。

通过对式(4)和(5)求解得到q in (t)及p(t)表达式为:q in (t )=m V s e mT s +e -mT s -2[e m (T s -t )-em (t -T s )]p (t )=m V s e mT s +e -mT s -2[R +z c +z c m f ]1-m f e m (T s -t )-R +z c -z c m f 1+m f e m (t -T s )]式中:m =Z c +RZ c τ2;τ=RC 为时间常数;Z C 为体动脉特性阻抗;T s 为收缩期持续时间。

这便是在给定后负荷(即Z C 、R 和C 已知)以及心输出量V S ,心动周期T 和收缩期时间间隔Z C 情况下,主动脉根部的压力p (t )和流量q in (t )的表达式。

图1　三元件Westerhof 模型Fig 1　Westerhof model3　材料与方法3.1　体外模拟循环实验台组成参照以往的测试实验[2,3]。

利用弹性腔模型设计体外循环系统模拟试验装置,模拟实验结构见图2。

本实验台采用自制的具有滚动轴承和洗刷系统的YXB -1型叶轮血泵、驱动器、方波器、专用电源、流量调节器。

在模拟循环系统的相应位置装上流量计探头,由Tra nso nic T 110型超声波流量计实时显示流量。

压力传感器置于血泵入口和出口处,通过惠普M1205A 八道生理记录仪可动观察出入口压力变化。

血泵转速、电机参数、控制器输入波形和占空比、心动周期等参数由美国产数字荧光示波器(Tek-tro nix TDS 3014B )实时显示。

可以通过调节方波器的收缩压、舒张压电压来改变收缩压、舒张压大小。

同时,调节频率改变心动周期,调节占空比(即收缩期、舒张期持续时间所占心动周期的比例)改变收缩期、舒张期的持续时间。

3.2　方法 由于影响血液动力学参量(收缩压p s 、舒张压p d 、平均压p -、脉压Δp 和最大流量q max )有心室后图2　体外模拟循环实验台结构示意图Fig 2　Structual diagram of mock experiment table i n vitro 负荷,每搏心输出量V s ,心动周期T 和心室收缩时间间隔T s 等参量。

改变这些参量中的某一个而固定其余参量,记录这个参量对弹性腔的血压和流量的影响情况,分别模拟以下情况:(1)模拟外周阻力对动脉压力和流量的影响;(2)模拟心动周期对动脉压力利流量的影响;(3)模拟占空比(即收缩期持续时间占心动周期的比值)对动脉压力和流量的影响;(4)模拟心输出量对动脉压力和流量的影响;(5)模拟动脉顺应性对动脉压力和流量的影响;(6)模拟前负荷对动脉压力和流量的影响。

4　结　果[4]4.1　模拟外周阻力对动脉压力和流量的影响当只考虑外周阻力影响时,模拟实验结果显示,随着外周阻力的增大,收缩压、舒张压和平均压都明显地增大,而最大流量却相应地减少。

出现这种结果是因为外周阻力增加而心输出量不变时,由于血液向外周流走的速度减慢,致使舒张末期主动脉内存留的血量增多,舒张压增高。

心缩期时,在此基础上加上搏出量,总血量也要增多,收缩压也相应地增高。

4.2　模拟心动周期对动脉压力和流量的影响当只考虑心动周期影响时,模拟实验结果显示,随着心动周期的增大(即心率减慢),舒张压、收缩压和平均压都下降。

出现这种结果是因为心室每次收缩射入主动脉的血液,只有一部分在收缩期内流走,其余部分则需要在舒张期内流向外周。

如果心率突然增快(心动周期减小)而搏出量和外周阻力不变,则因舒张期变短,流向外周的血量减少,致使舒张末期主动脉内存留血量增多,舒张压升高。

在此基础779第4期 李　洪等。

　体外膜拟心血管系统血液动力学性能分析上,由于“水涨船高”的关系,收缩压也升高。

但是收缩压、舒张压变化缓慢。

4.3　模拟占空比(即收缩期持续时间间隔占心动周期的比值)对动脉压力和流量的影响当只考虑心室收缩持缩时间间隔时。

模拟实验结果显示出随着收缩期持续时间的增长,动脉收缩压、舒张压与平均压都上升。

这是因为心动周期不变,收缩期持续时间增加,由于舒张期变短,血液来不及流向外周,致使舒张末期主动脉内存留的血量增多,舒张压增高。

心缩期时,在此基础上加上搏出量,总血量也要增多,收缩压也相应地增高。

4.4　模拟心输出量对动脉压力和流量的影响当只考虑心输出量的影响时。

模拟实验结果显示出,当心输出量增大时,动脉中压力和流量的各个量都呈现出一种十分明显的上升趋势。

这是因为当心室收缩加强而搏出量增加时,射入主动脉的血量增加,动脉血压升高。

此时脉压公式:ΔP(+)=ΔV(++)·E V(K)V(+)式中:ΔV和V两项参数均增加,但AV增加的程度要大于V增加的程度,这是由于动脉血压升高时,血流速度加快,在心率和外周阻力不变的情况下,血液向外周流走的量增加,因而动脉系统舒张期末总容量V虽有所增加,但增加程度不大。