人工心脏内三维剪切应力模拟系统及使用方法，属于生物医学工程领域。该系统由暴露时间控制器、活塞连杆、第一储血腔、剪切应力模拟装置、被动永磁转子、第二储血腔、主动永磁转子、主动永磁转子调速装置、高精度伺服电机组成。其中暴露时间控制器控制活塞连杆运动，改变第一储血腔的容积，从而控制被测血液流过剪切应力模拟装置的时间。在磁耦合的作用下，由高精度伺服电机通过调速装置带动主动永磁转子转动，对流经被动永磁转子的血液施加三维剪切应力。本发明专利技术除在圆周方向上产生剪切应力外，还在轴向方向上产生剪切应力，精确模拟血液在人工心脏内流动时所受到的变化的三维剪切应力，提高模拟的准确性。
Three dimensional shear stress simulation system and its application in artificial heart
【技术实现步骤摘要】
人工心脏内三维剪切应力模拟系统及使用方法
本专利技术涉及一种人工心脏内三维剪切应力模拟系统，属于生物医学工程领域。
技术介绍
血液在人工心脏中流动时，会受到非生理性的剪切应力的作用，从而对血液产生一定的损伤，其伤害程度主要与剪切应力的大小、方向和暴露时间相关。模拟血液在人工心脏中所受到的剪切应力的历程，对于评价人工心脏的血液相容性有着重要的作用，对人工心脏的研发与检测起着不可替代的作用。虽然传统的旋转流变仪(如专利CN201610496688.6中所示的测量头)可以对血液施加一定的剪切应力，但是存在着一定的问题。传统流变仪是开放式测量，容易从外界带来干扰，影响测量结果的准确性；只能施加圆周方向的剪切应力，不能施加轴向的剪切应力；不能精确模拟血液在剪切状态下的暴露时间，并且暴露时间不能做到随时间变化。专利CN201010107268.7设计了一种用于化学工程领域的转筒式流变仪循环系统，该设计在应用于血液时，存在蠕动泵对血液产生破坏引入额外干扰，不能精确控制血液暴露在剪切应力下的时间，以及被测血液暴露在外界环境中进行长时间实验时会存在蒸发和引入其他干扰等的问题。
技术实现思路
本专利技术是一种人工心脏内三维剪切应力模拟系统，其特征在于，暴露时间控制器(1)、活塞连杆(2)、第一储血腔(3)、剪切应力模拟装置(4)、被动永磁转子(5)、第二储血腔(6)、主动永磁转子(7)、主动永磁转子调速装置(8)、高精度伺服电机(9)组成；第一储血腔(3)内设有活塞，活塞连杆(2)与活塞的一侧面固定连接，暴露时间控制器(1)与活塞连杆(2)固定连接，用于控制活塞连杆(2)的运动，进而控制被测血液流过剪切应力模拟装置(4)的时间；活塞另一侧面的第一储血腔(3)部分与剪切应力模拟装置(4)的一端通过管路连通，剪切应力模拟装置(4)的另一端与第二储血腔(6)通过管路连通；所述的剪切应力模拟装置(4)结构：中间段为圆柱空腔体，前后两端即轴向的两端通过变径结构和管路分别与第一储血腔(3)和第二储血腔(6)相连通；被动永磁转子(5)为圆柱形结构，同轴位于剪切应力模拟装置(4)的圆柱空腔体内，且可沿轴转动，被动永磁转子(5)的侧壁与圆柱空腔的内侧壁之间具有空隙，使得血液在此空隙内流动；在圆柱空腔体外设有与被动永磁转子(5)平行放置的主动永磁转子(7)，主动永磁转子(7)为圆柱体结构，主动永磁转子(7)的中心轴与被动永磁转子(5)的中心轴平行，主动永磁转子(7)可带动被动永磁转子(5)转动；主动永磁转子(7)通过主动永磁转子调速装置(8)与高精度伺服电机(9)连接。人工心脏三维剪切应力模拟系统的使用方法，其特征在于，将血液放置于第一储血腔(3)内，根据计算流体力学方法(CFD)获得血液流经人工心脏时所受剪切应力与暴露时间关系曲线，或根据实验需要，对暴露时间控制器(1)进行设置，使得暴露时间控制器(1)控制活塞运动的运动速度，从而使得血液在剪切应力模拟装置(4)中所述的空隙内流动的时间为所受剪切应力与暴露时间关系曲线中当前剪切应力所对应的暴露时间；根据剪切应力与暴露时间关系曲线，调整被动永磁转子(5)的转速使得血液在剪切应力模拟装置(4)空隙内的剪切应力等于剪切应力与暴露时间关系曲线中对应大小的剪切应力；实验结束后测试并计算第二储血腔(6)中游离血红蛋白相对第一储血腔(3)中游离血红蛋白的增量，从而评估人工心脏工作时对于血液的损伤。即根据计算流体力学方法(CFD)获得血液流经人工心脏时所受剪切应力与暴露时间关系曲线，对血液施加时变的剪切应力和时变的暴露时间，评估人工心脏对于血液的损伤。本专利技术应用的剪切应力计算公式为：剪切应力(Pa)＝ω*Ri*ν/h，式中ω为被动永磁转子(5)的转速，单位弧度/秒；Ri为被动永磁转子(5)的半径，单位米；ν为液体的动力学粘度，单位Pa*s，血液的动力学粘度为0.0035Pa*s；h为被动永磁转子(5)与剪切应力模拟装置(4)之间狭缝的高度，单位米。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案，具体参考附图。暴露时间控制器控制活塞连杆运动，根据预设程序以不同速度改变第一储血腔的容积变化，从而控制被测血液通过剪切应力模拟装置流向第二储血腔的时间，调节血液在一定剪切应力下的暴露时间。高精度伺服电机通过调速装置带动主动永磁转子转动，在磁耦合的作用下，主动永磁转子带动被动永磁转子以相同的角速度转动，在被动永磁转子和剪切应力模拟装置之间的狭缝处产生和转速相关的剪切应力。通过改变被动永磁转子的角速度，产生通大小和不同方向的剪切应力。本系统可以精确调控测试血液流经被动永磁转子时，所受到的剪切应力的大小和暴露时间，真实的模拟血液在人工心脏内流动时所受的变化的剪切应力。同时由于没有轴封等结构的存在，减小了其他的干扰因素。附图说明图1生理剪切应力模拟系统示意图(1)暴露时间控制器；(2)活塞连杆；(3)第一储血腔；(4)剪切应力模拟装置；(5)被动永磁转子；(6)第二储血腔；(7)主动永磁转子；(8)主动永磁转子调速装置；(9)高精度伺服电机。具体实施方式下面结合附图1对本专利技术中的一个实施例做具体描述，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例1具体结构见图1。永磁转子内部为环形永磁体，以单对极或多对极径向充磁排列。所述被动永磁转子内部为单对极径向充磁永磁体。所述暴露时间控制器1能够控制活塞连杆2以设定速度往复运动，且该速度可以是时变的。所述高精度伺服电机9可以通过主动永磁转子调速装置8，带动主动永磁转子7做高精度变速运动，且转动方向可变。其第一储血腔和第二储血腔均为血液相容性材料，对被测血液无生物毒性。其剪切应力模拟装置4为金属的血液相容性材料，对被测血液无生物毒性，且为非铁磁性材料。本实施例中，暴露时间控制器1控制活塞连杆运动(2)，以设定的速度(5～500mm/min)改变第一储血腔3的容积(1～100ml/min)变化，从而控制被测血液通过剪切应力模拟装置(4)流向第二储血腔6的时间(0.1～10s)，即控制血液所受相应剪切应力的暴露时间的大小。剪切应力模拟装置外径为10mm，长度为60mm，材质为钛合金，前后通过锥型变径分别连接第一储血腔和第二储血腔。主动永磁转子7，直径40mm，长度50mm。被动永磁转子5，长度20mm，外径9.4mm。主动永磁转子和被动永磁转子均为径向充磁的轴向柱状钕铁硼永磁体，二者的轴线相互平行。高精度伺服电机(9)，额定功率400w，额定转速0～±3000rpm，通过调速装置(8)(速比1：3.16，带动主动永磁转子)转动，在磁耦合的作用下，主动永磁转子(7)带动被动永磁转子(5)以相同的角速度转动，从而对流经被动永磁转子(5)与剪切应力模拟装置(4)狭缝之间的血液施加相应的剪切应力，剪切应力范围0～±180Pa(±代表旋转不同方向产生的剪切应力)。剪切应力计算公式为：剪切应力(Pa本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种人工心脏内三维剪切应力模拟系统，其特征在于，暴露时间控制器(1)、活塞连杆(2)、第一储血腔(3)、剪切应力模拟装置(4)、被动永磁转子(5)、第二储血腔(6)、主动永磁转子(7)、主动永磁转子调速装置(8)、高精度伺服电机(9)组成；/n第一储血腔(3)内设有活塞，活塞连杆(2)与活塞的一侧面固定连接，暴露时间控制器(1)与活塞连杆(2)固定连接，用于控制活塞连杆(2)的运动，进而控制被测血液流过剪切应力模拟装置(4)的时间；活塞另一侧面的第一储血腔(3)部分与剪切应力模拟装置(4)的一端通过管路连通，剪切应力模拟装置(4)的另一端与第二储血腔(6)通过管路连通；/n所述的剪切应力模拟装置(4)结构：中间段为圆柱空腔体，前后两端通过变径结构和管路分别与第一储血腔(3)和第二储血腔(6)相连通；被动永磁转子(5)为圆柱形结构，同轴位于剪切应力模拟装置(4)的圆柱空腔体内，且可沿轴转动，被动永磁转子(5)的侧壁与圆柱空腔的内侧壁之间具有空隙，使得血液在此空隙内流动；在圆柱空腔体外设有与被动永磁转子(5)平行放置的主动永磁转子(7)，主动永磁转子(7)为圆柱体结构，主动永磁转子(7)的中心轴与被动永磁转子(5)的中心轴平行，主动永磁转子(7)可带动被动永磁转子(5)转动；主动永磁转子(7)通过主动永磁转子调速装置(8)与高精度伺服电机(9)连接。/n...
【技术特征摘要】
1.一种人工心脏内三维剪切应力模拟系统，其特征在于，暴露时间控制器(1)、活塞连杆(2)、第一储血腔(3)、剪切应力模拟装置(4)、被动永磁转子(5)、第二储血腔(6)、主动永磁转子(7)、主动永磁转子调速装置(8)、高精度伺服电机(9)组成；
第一储血腔(3)内设有活塞，活塞连杆(2)与活塞的一侧面固定连接，暴露时间控制器(1)与活塞连杆(2)固定连接，用于控制活塞连杆(2)的运动，进而控制被测血液流过剪切应力模拟装置(4)的时间；活塞另一侧面的第一储血腔(3)部分与剪切应力模拟装置(4)的一端通过管路连通，剪切应力模拟装置(4)的另一端与第二储血腔(6)通过管路连通；
所述的剪切应力模拟装置(4)结构：中间段为圆柱空腔体，前后两端通过变径结构和管路分别与第一储血腔(3)和第二储血腔(6)相连通；被动永磁转子(5)为圆柱形结构，同轴位于剪切应力模拟装置(4)的圆柱空腔体内，且可沿轴转动，被动永磁转子(5)的侧壁与圆柱空腔的内侧壁之间具有空隙，使得血液在此空隙内流动；在圆柱空腔体外设有与被动永磁转子(5)平行放置的主动永磁转子(7)，主动永磁转子(7)为圆柱体结构，主动永磁转子(7)的中心轴与被动永磁转子(5)的中心轴平行，主动永磁转子(7)可带动被动永磁转子(5)转动；主动永磁转子(7)通过主动永磁转子调速装置(8)与高精度伺服电机(9)连接。
2.按照权利要求1所述的一种人工心脏内三维剪切应力模拟系统，其特征在于，第一储血腔和第二储血腔以及连通管路，均为血液相容性材料。
3.按照权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘有军，符珉瑞，高斌，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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