一种右心室辅助装置体肺双循环模拟系统

本发明属于医疗器械领域，特别是涉及一种右心室辅助装置体肺双循环体外模拟循环系统。

背景技术：

1、心力衰竭和心脏瓣膜疾病等心血管疾病在人群中的发病率日益增加，严重威胁人类的生命。心衰患者在供体缺乏的情况下，可根据心衰的类型和程度选择心室辅助装置作为治疗手段的。然而心血管设备需要动物实验测试其血流动力学等性能，动物实验往往时间长，耗费大，而体外模拟血液循环系统可以在一定程度上替代动物实验，从而缩短心血管设备的研发时间和耗费。

2、目前市面上大部分的体外模拟系统只有体循环系统，缺少肺循环系统，能够模拟的生理状态功能是有限的且无法对心室辅助装置进行更全面的全身性评估；心室、心房的舒张和收缩模拟大多采用气动方式控制，难以对心室、心房模拟装置做精准的控制，且响应速度较慢、心室心房容积不可主动调控等问题；另外现在的右心室辅助装置的控制方法，使用时需根据每位患者不同生理情况来改变，对于pid控制器来说，不能解决最优化、约束以及延时问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种右心室辅助装置体肺双循环模拟系统。该体肺双循环模拟系统采用伺服电机驱动控制心室心房收缩和舒张模拟出人体类似的搏动流，解决了心室心房容积不可主动调控等问题的同时可以完成对符合人体生理特性的体、肺双循环系统脉动血流环境的模拟，能够更准确、真实地模拟出正常或者病症状态下的心室、心房、主动脉、肺动脉的压力及流量等流动力学参数；该系统同时可以对右心室辅助装置进行更全面的全身性性能评估，提出一种右心室辅助装置生理自适应的控制方法，提高对心室辅助装置的动态控制性能，为心室辅助装置的研发提供全面的实验基础。

2、进一步地，一种右心室辅助装置体肺双循环模拟系统，包括模拟血液循环系统的硬件回路、控制系统和数据采集系统；所述模拟血液循环系统回路与所述数据采集系统和控制系统连接。

3、进一步地，所述循环模拟系统的硬件回路包括体循环系统和肺循环系统。

4、进一步地，所述体循环模拟系统由(4-1)左心室、(4-2)左心房、(17)二尖瓣、(18)主动脉瓣、(7)体动顺应性、(8)体静脉模拟装置、(11)体循环血管外周阻力模拟单元、(13-1)左心室辅助装置通过硅胶管道相连成。

5、进一步地，肺循环模拟系统由(5-1)右心室、(5-2)右心房、(19)三尖瓣、(20)肺动脉瓣、(9)肺动顺应性、(10)肺静脉模拟装置和(12)肺循环血管外周阻力模拟单元、(13-1)右心室辅助装置通过硅胶管道依次相连。

6、进一步地，所述控制系统整体分为心室、心房模拟装置运动控制模块和心室辅助装置驱动模块两部分；利用上位机发出驱动控制指令，并依据该控制指令调节所述模拟血液循环系统回路中模拟的心脏的舒张、收缩模拟人体类似的搏动流及心室辅助装置的驱动。

7、进一步地，所述数据采集系统包括压力传感器、超声波流量传感器及上位机显示界面，实时采集和显示所述模拟血液循环系统回路中左右心室、左右心房、主动脉、肺动脉各预定点的压力值和主动脉、肺动脉管道中液体的流量值，并将采集到的部分压力值和流量值反馈发送给心室辅助装置。

8、进一步地，所述的控制系统包括心室、心房模拟装置的运动控制模块和心室辅助装置的驱动控制模块。心室、心房模拟装置运动模块是由雷赛acc3600运动控制卡和da22411伺服驱动器控制伺服滑台电机往复运动；心室辅助装置控制器为stm32f302r8t6，驱动板为nucleo-ihm07m1，能够对心室辅助装置叶轮转速调节和控制。

9、进一步地，所述的心房模拟装置和心室模拟装置的交替运作通过运动控制卡pvts运动模式实现，该模式需提供运动轨迹上的数据点和对应的时间，控制卡按照轨迹驱动伺服电机使得活塞采用匀加减速直线运动方式来模拟心房、心室的不同生理状态下的收缩和舒张，产生与人体类似的搏动流。

10、进一步地，所述右心室辅助装置生理自适应控制方法包括：

11、步骤1，在不同心率条件下，控制心室和心房的模拟装置，使整个循环系统启动，并测量右心室的压力值rvp作为肺动脉压力神经网络模型的输入，通过肺动脉压力神经网络模型，可以得到患者所需的动脉压力参考值papr；

12、步骤2，获取右心室辅助装置电机转速pn，通过gs滤波器和扩展卡尔曼滤波器进行去噪处理，然后根据心室辅助装置水力特性实验得到的功率-泵流量关系，计算出此时的泵流量qp；

13、步骤3，获取患者肺动脉压力pap，将papr作为参考值，rvp、pap、qp作为系统状态输入mpc控制器进行处理，输出的电流信号i对右心室辅助装置进行反馈控制，以达到满足患者生理的转速。

14、进一步地，所述步骤1具体包括以下步骤：

15、步骤1.1，右心室模拟装置底部安装有压力传感器实时检测右心室的压力，得到右心室压力rvp；

16、步骤1.2，肺动脉压力神经网络模型根据患者的右心室压力rvp得到患者所需的肺动脉压力参考值papr；

17、进一步地，肺动脉压力神经网络模型是由心衰患者右心室压力rvp及所需健康肺动脉压力papr的数据集通过bp神经网络训练的反应患者rvp与所需papr关系的模型；

18、进一步地，所述肺动脉压力神经网络模型满足在线训练功能。

19、进一步地，所述步骤2具体包括以下步骤：

20、步骤2.1，获取右心室辅助装置中叶轮转速pn，滤波器去噪处理后根据功率-泵流量关系得出泵流量qp。

21、进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：

22、mpc控制器的参考输入包括肺动脉压力神经网络模型的输出papr、获取的rvp、pap、qp，这些参数作为当前系统的状态输入提供给控制器，控制器进行预测并优化求解，选取k时刻的优化解第一分量uk作用于被控系统，uk为k时刻右心室辅助装置输入的电流值ik，调节右心室辅助装置转速，使得患者的肺动脉压力pap达到肺动脉压力参考值papr；

23、进一步地，所述mpc控制器中包含系统的三阶状态方程及输出方程如下：

24、

25、上式中，[x1,x2,x3]t为状态矢量，x1为右心室压rvp，x2为肺动脉压pap，x3为右心室辅助装置流量qp；u为系统输入右心室辅助装置电流值i；为状态矢量的一阶导数；a,b,c为系数矩阵；y为输出矢量。

26、进一步地，所述mpc控制器中包含对状态输出和系统输入的约束，其中系统输入小于0.6a。

27、进一步地，所述的一种右心室辅助装置体肺双循环模拟系统，其特征在于：所述通过设计的尖瓣模拟装置和节流阀的串连模拟瓣膜狭窄病症，另外再加一个节流阀并联来模拟瓣膜关闭不全病症；通过调节节流阀来模拟轻度、中度和重度三种不同程度下的病症。

28、进一步地，体动脉顺应性腔和体静脉腔连接的管道中间与肺动脉顺应性腔和肺静脉腔连接的管道中间和各布置一个三向循环切换阀并通过管道相连接，通过转动阀门可以选择单独使用体循环、肺循环或者整体使用模拟循环系统,体现出整个循环系统的多功能性。

29、进一步地，左、右心室模拟装置和左、右心房模拟装置均为容积可调的密闭装置，包括4)左心室、心房模拟装置和(5)右心室、心房模拟装置均为容积可调的密闭装置，包括(23)底座、(24)亚克力腔体、(25)伺服滑台、(26)活塞连接块、(27)活塞杆、(28)活塞头、(29)密封圈，整个模拟装置设计具有一体化、模块化的特点；(23)底座其四角及中间部分设有安装通孔，(25)伺服滑台后的孔及(24)心室、心房模拟装置的腔体下的阶梯孔与(23)底座上的安装孔通过螺栓和凹槽固定的同时完成定位；(28)活塞头表面设有密封环槽，槽内设有(29)密封圈，活塞头通过螺纹连接于活塞轴上，整体通过(26)活塞连接块使用螺栓安装固定在(25)伺服滑台上，安装时保证活塞的轴线与心腔轴线重合，要保证整体的同轴度，活塞置于心室、心房模拟腔内时环形密封圈挤紧并以过盈配合方式装配到心腔中用来调节心室、心房容积。

30、进一步地，体、肺动脉顺应性模拟装置包括(30)盖板、(31)激光测距传感器、(32)排气阀、(33)进气阀、(34)浮筒、(35)浮块、(36)腔体和(37)基座；(31)激光测距传感器下放设有安装板，安装板四角设有螺纹孔使其固定在(30)盖板中心部分，(30)盖板上通过螺纹安装(32)排气阀、(33)进气阀；(30)盖板与腔体紧密连接，(34)浮筒整体置于装置腔体的内部，(35)浮块漂浮在(34)浮筒内，腔体外侧下端开有间隔为90°的2个通孔并做密封处理，(36)腔体通过螺纹和凹槽固定(37)基座上。

31、进一步地，体、肺静脉顺应性模拟装置包括(38)顶盖、(39)腔体、(40)过滤装置、和(41)基座；(38)顶盖上部装有旋紧盖，顶盖与腔体密封连接，(39)腔体开设进液口和出液口，进液口安装处(40)过滤装置，出液口与心房模拟装置相连，(39)腔体通过螺栓和凹槽固定在基座上。

32、上述方案中，提供了一种心室辅助装置的体肺双循环体外模拟循环系统，该体肺双循环体外模拟循环系统不仅完成的在模拟人体心血管系统体、肺双循环回路中各类人群在不同生理状态下真实、准确的血液动力学参数，同时接入双心辅助装置后，能方便的获取装置本身的流量特性、压力特性等且提出一种右心室辅助装置生理自适应的控制方法，提高对心室辅助装置的动态控制性能，为心室辅助装置的研发提供全面的实验基础。