一種心臟腔室模擬器驅(qū)動機構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種心臟腔室模擬器驅(qū)動機構，該驅(qū)動機構包括電機、減速器、曲軸連桿機構、直線導軌和活塞氣缸；其中：所述電機的輸出軸連接減速器的輸入軸，減速器的輸出軸通過曲軸連桿機構連接直線導軌的一端，所述直線導軌的另一端通過聯(lián)軸器連接活塞氣缸；所述活塞氣缸側(cè)壁上開有氣孔，所述氣孔通過管道連接所述心臟腔室模擬器。該驅(qū)動機構可按照設定頻率，排量為心臟腔室模擬器提供脈動式動力源的驅(qū)動機構。該驅(qū)動機構能夠?qū)崿F(xiàn)心臟腔室模擬器搏動的脈動特性，同時搏動頻率和排量均可調(diào)節(jié)，較為真實的模擬人體心臟跳動過程。
【專利說明】一種心臟腔室模擬器驅(qū)動機構
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及醫(yī)療器械【技術領域】，具體涉及一種心臟腔室模擬器驅(qū)動機構。該驅(qū)動機構用于輔助微創(chuàng)心內(nèi)介入醫(yī)療器械研發(fā)、血液循環(huán)和醫(yī)學影像研究及培訓醫(yī)生。
【背景技術】
[0002]心臟腔室模擬器驅(qū)動機構是用于驅(qū)動心臟腔室模擬器按照所需方式進行有規(guī)律的運動的驅(qū)動機構，是模擬人體心臟跳動與血液循環(huán)的一個關鍵技術，對于微創(chuàng)心臟介入醫(yī)學的發(fā)展具有重要的意義。
[0003]目前，大部分心臟模擬器是靜態(tài)的醫(yī)學模型，用于醫(yī)學教學，沒有動力驅(qū)動部分，無法體現(xiàn)血液循環(huán)的動態(tài)特性。國際上近期研發(fā)出的一些能夠模擬心臟動態(tài)特征的高端心臟模擬器，其驅(qū)動主要有以下兩類:1、在心臟模型外部連接液壓管路和液壓元器件構建液壓循環(huán)回路，采用泵向液壓回路中提供動力實現(xiàn)血液循環(huán)；2、心臟模型外部構建的液壓循環(huán)回路中不提供動力源，對心臟外部軸向或者側(cè)向的載荷提供血液循環(huán)的動力。對于前者而言，外部循環(huán)管路中使用泵實現(xiàn)血液循環(huán)的方式與真實循環(huán)對應的壓力相反，往腔室內(nèi)部注入液體，壓力升高同時腔室膨脹，對應著腔室舒張；從腔室向外部泵出液體，壓力降低同時腔室收縮。而心臟跳動真實情況是:腔室收縮后導致內(nèi)部壓力升高，將血液博出；腔室舒張，壓力降低，血液會涌入。對于后者而言，產(chǎn)生的心腔變形是由單點或者幾個點擠壓心腔引起的，無法逼真的描述心肌的整體收縮，導致對液體循環(huán)過程的模擬失真嚴重。因此按照上述兩種驅(qū)動原理實現(xiàn)的對心臟跳動的模擬不能夠真實的反映心臟跳動過程。
實用新型內(nèi)容
[0004]為了克服現(xiàn)有心臟模擬器不能正確體現(xiàn)心臟收縮和舒張過程中壓力高低的對應關系以及外部加載導致的變形不能體現(xiàn)心肌整體收縮變形導致心臟模擬器無法真實反映心臟跳動過程的問題，本實用新型提供一種心臟腔室模擬器的驅(qū)動機構，該驅(qū)動機構采用間歇式的工作方式能夠模擬人體心臟脈動式的跳動過程，既能夠滿足正確的壓力關系，也能夠體現(xiàn)心肌的整體變形過程，從而逼真的反映了心臟跳動過程。
[0005]本實用新型的技術方案是:
[0006]一種心臟腔室模擬器驅(qū)動機構，該驅(qū)動機構包括電機、減速器、曲軸連桿機構、直線導軌和活塞氣缸；其中:所述電機的輸出軸連接減速器的輸入軸，減速器的輸出軸通過曲軸連桿機構連接直線導軌的一端，所述直線導軌的另一端通過聯(lián)軸器連接活塞氣缸；所述活塞氣缸側(cè)壁上開有氣孔，所述氣孔通過管道連接所述心臟腔室模擬器。
[0007]所述直線導軌的另一端通過聯(lián)軸器與活塞氣缸的活塞桿相連接。
[0008]所述活塞氣缸上與活塞桿相對的端面上開設有與外界大氣連通的孔。
[0009]所述曲軸連桿機構包括曲柄、排量調(diào)節(jié)槽和連桿，曲柄上設有排量調(diào)節(jié)槽，連桿上設有孔銷，通過銷軸穿過銷孔和排量調(diào)節(jié)槽將曲柄和連桿活動連接。所述排量調(diào)節(jié)槽為開在曲柄上的長條形孔，所述銷軸能夠在該長條形孔內(nèi)往復移動。[0010]心臟腔室模擬器能夠通過改變通過排量調(diào)節(jié)槽改變曲柄與連桿鏈接位置來調(diào)節(jié)系統(tǒng)排氣量。
[0011]本實用新型所述心臟腔室模擬器結構如下:
[0012]該心臟腔室模擬器包括外鞘層、心肌層、心臟瓣膜和構成于外鞘層與心肌層之間封閉的中空腔體(壓力腔)；所述外鞘層的壁面上開有通孔，用于液體或氣體在中空腔體內(nèi)的輸入或輸出；所述外鞘其材質(zhì)為硬質(zhì)高分子材料，所述心肌層和心臟瓣膜的材質(zhì)為符合人體相應組織力學性能的高分子材料。
[0013]所述外鞘、心肌層和心臟瓣膜都是仿生生物組織材料，其中:外鞘材質(zhì)優(yōu)選為聚氨酯，邵氏硬度70?90 ;心肌層和心臟瓣膜的材質(zhì)優(yōu)選為TPE材料，邵氏硬度25?50。
[0014]所述心臟瓣膜粘接于心肌層上端面上，其粘接位置符合人體解剖結構；所述外鞘層與心肌層除中空腔體以外的部分通過粘接的方式固定在一起。
[0015]本實用新型工作原理如下:
[0016]該驅(qū)動裝置采用連桿機構與直線導軌機構將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線運動來驅(qū)動氣缸運動，采用活塞氣缸作為執(zhí)行機構，氣體作為最終的動力輸出介質(zhì)。通過控制減速器和電機使其能夠按照指定要求的頻率和排量為心臟腔室模擬器提供脈動式的氣動驅(qū)動動力源。
[0017]該驅(qū)動裝置可實現(xiàn)吸氣與排氣兩組動作，可按照系統(tǒng)要求提供不同頻率的脈動式的驅(qū)動動力，同時可改變氣缸位置來調(diào)節(jié)系統(tǒng)排氣量，能夠?qū)崿F(xiàn)對心臟腔室模擬器按照所需運動方式進行有規(guī)律的驅(qū)動。
[0018]本實用新型有益效果如下:
[0019]1、本實用新型利用氣動間歇式的驅(qū)動回路針對特定結構的心臟腔室模擬器進行驅(qū)動。通過電機帶動連桿機構與直線導軌來實現(xiàn)往復運動，通過驅(qū)動氣缸活塞實現(xiàn)吸氣與排氣動作，來驅(qū)動心臟腔室模擬器實現(xiàn)脈動式搏動效果。通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)心臟腔室模擬器搏動頻率，通過調(diào)節(jié)氣缸安裝位置，可調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)心臟腔室模擬器的每博排量。
[0020]2、本實用新型能夠模擬心臟真實的脈動跳動過程，同時可控制心臟跳動的每博輸出量，跳動頻率等關鍵參數(shù)，克服了在外部循環(huán)管路中使用泵帶來的收縮和舒張壓力錯誤的缺點，以及通過外部機械加載導致心腔形變與實際心肌收縮和舒張過程形變差距較大的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1心臟模擬器驅(qū)動機構結構圖；
[0022]圖2為圖1中曲軸連桿機構的結構示意圖；
[0023]圖中:1-電機；2_減速器；3_曲軸連桿機構；31_曲柄；32_排量調(diào)節(jié)槽；33_連桿；4-直線導軌；5_聯(lián)軸器；6_活塞桿；7_活塞氣缸；8_氣孔；9_孔。
[0024]圖3為本實用新型心臟模擬器結構示意圖；圖中:12_心腔；13_心肌層；14_中空腔體；15_通孔(進液/氣口)；16_外鞘層；17-二尖瓣；18_主動脈瓣膜。
[0025]圖4心臟模擬器驅(qū)動中間工作狀態(tài)。
[0026]圖5心臟模擬器驅(qū)動吸氣工作狀態(tài)。
[0027]圖6心臟模擬器驅(qū)動排氣工作狀態(tài)?！揪唧w實施方式】
[0028]下面結合附圖及實施例詳述本實用新型。
[0029]如圖1所示，本實用新型心臟腔室模擬器驅(qū)動機構包括電機1、減速器2、曲軸連桿機構3、直線導軌4和活塞氣缸7 ;所述電機I的輸出軸連接減速器2的輸入軸，減速器2的輸出軸通過曲軸連桿機構3連接直線導軌4的一端，所述直線導軌4的另一端通過聯(lián)軸器5與活塞氣缸7的活塞桿6相連接；所述活塞氣缸7側(cè)壁上開有氣孔8，所述氣孔8通過管道連接所述心臟腔室模擬器(與其通孔15連接)。所述活塞氣缸7上與活塞桿6相對的端面上開設有與外界大氣連通的孔9。
[0030]如圖2所示，所述曲軸連桿機構3包括曲柄31、排量調(diào)節(jié)槽32和連桿33，曲柄31上設有排量調(diào)節(jié)槽32，連桿33上設有空銷，通過銷軸穿過銷孔和排量調(diào)節(jié)槽32將曲柄31和連桿33活動連接。所述排量調(diào)節(jié)槽為開在曲柄上的長條形孔，所述銷軸能夠在該長條形孔內(nèi)往復移動。
[0031]心臟腔室模擬器能夠通過改變通過排量調(diào)節(jié)槽改變曲柄與連桿連接位置來調(diào)節(jié)系統(tǒng)排氣量。
[0032]所述心臟腔室模擬器的結構如圖3所示，在人體心臟的基礎上將心肌拆分為由內(nèi)部的心肌層13、外鞘層16以及心肌層13與外鞘層16之間封閉的中空腔體(壓力腔)14組成，外鞘層16的壁面上開有通入或吸出液(氣)體的通孔15。心肌層13和心臟瓣膜(二尖瓣17和主動脈瓣膜18)由符合人體相應組織力學性能的高分子材料制作，優(yōu)選為TPE材料，邵氏硬度25?50 ;外鞘層16由硬質(zhì)高分子材料制作，優(yōu)選為聚氨酯，邵氏硬度70?90。心臟瓣膜與心肌層13連接方式為粘接，位置符合人體解剖結構(粘接采用華信膠粘劑(深圳)有限公司生產(chǎn)的556強力粘接膠水，介著劑為768);外鞘層16與心肌層13除中空腔體14以外的部分通過粘接的方式固定在一起。通過進液/氣口向壓力腔14內(nèi)通入或吸出液體或氣體，以改變壓力腔內(nèi)的壓力，能夠?qū)崿F(xiàn)心腔12的收縮和舒張。
[0033]上述模擬器通過改變中空腔體的壓力可實現(xiàn)心肌層的收縮和舒張，具體為:在中空腔體內(nèi)外壓力相等時，繼續(xù)向中空腔體內(nèi)輸入液(氣)體，腔體內(nèi)壓力增大(對應于心臟向舒張態(tài)變化)，心肌層厚度不變但產(chǎn)生局部變形；在中空腔體內(nèi)外壓力相等時，從中空腔體內(nèi)輸出液(氣)體，腔體內(nèi)壓力減小(對應于心臟向收縮態(tài)變化)，心肌層厚度變小。中空腔體內(nèi)外壓力相等時的狀態(tài)稱為心腔的解剖形狀，心腔的解剖形狀是介于收縮和舒張之間的中間狀態(tài)。
[0034]本實用新型心臟腔室模擬器驅(qū)動機構由電機I驅(qū)動曲軸連桿機構3，通過曲軸連桿機構3與直線導軌4的相互作用，將電機I轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線運動，活塞氣缸7將直線運動轉(zhuǎn)換為氣動體積與壓力的變化，從而驅(qū)動心臟腔室模擬器。
[0035]圖4為本實用新型驅(qū)動機構初始工作狀態(tài)，在此狀態(tài)下，心臟腔室模擬器中的壓力腔處于中間自然松弛狀態(tài)，連桿機構處于中間行程狀態(tài)。此狀態(tài)為中間過渡狀態(tài)，當連桿繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)處于吸氣工作行程，心腔膨脹，當連桿順時針轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)處于排氣行程工作狀態(tài)，心腔收縮。
[0036]圖5為本實用新型驅(qū)動機構吸氣工作行程末端狀態(tài)，系統(tǒng)從排氣工作行程末端(連桿處于最右端位置)開始，連桿機構旋轉(zhuǎn)帶動直線導軌向左運動，氣缸進行吸氣工作，導致心臟腔室模擬器的壓力腔內(nèi)壓力減小，二尖瓣膜開啟，當運動到達圖示位置時，滑塊向左達到最大行程，系統(tǒng)達到吸氣工作狀態(tài)末端，心腔膨脹達到最大體積。
[0037]圖6為本實用新型驅(qū)動機構排氣工作行程末端狀態(tài)，系統(tǒng)從吸氣工作狀態(tài)末端(滑塊處于最左端位置)開始，連桿機構旋轉(zhuǎn)帶動直線導軌向右運動，氣缸進行排氣工作，導致心臟腔室模擬器的壓力腔內(nèi)壓力增大，心腔向外界排出液體，當運動到達圖示位置時，滑塊向右達到最大行程，系統(tǒng)到達排氣工作狀態(tài)末端，心腔收縮達到最小體積。
【權利要求】
1.一種心臟腔室模擬器驅(qū)動機構，其特征在于:該驅(qū)動機構包括電機、減速器、曲軸連桿機構、直線導軌和活塞氣缸；其中:所述電機的輸出軸連接減速器的輸入軸，減速器的輸出軸通過曲軸連桿機構連接直線導軌的一端，所述直線導軌的另一端通過聯(lián)軸器連接活塞氣缸；所述活塞氣缸側(cè)壁上開有氣孔，所述氣孔通過管道連接所述心臟腔室模擬器。
2.根據(jù)權利要求1所述的心臟腔室模擬器驅(qū)動機構，其特征在于:所述直線導軌的另一端通過聯(lián)軸器與活塞氣缸的活塞桿相連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的心臟腔室模擬器驅(qū)動機構，其特征在于:所述活塞氣缸上與活塞桿相對的端面上開設有與外界大氣連通的孔。
4.根據(jù)權利要求1所述的心臟腔室模擬器驅(qū)動機構，其特征在于:所述曲軸連桿機構包括曲柄、排量調(diào)節(jié)槽和連桿，連桿上設有銷孔，曲柄上設有排量調(diào)節(jié)槽，通過銷軸穿過銷孔和排量調(diào)節(jié)槽將曲柄和連桿活動連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的心臟腔室模擬器驅(qū)動機構，其特征在于:所述排量調(diào)節(jié)槽為開在曲柄上的長條形孔，所述銷軸能夠在該長條形孔內(nèi)往復移動。
【文檔編號】G09B23/28GK203433728SQ201320491029
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年8月9日 優(yōu)先權日:2013年8月9日
【發(fā)明者】周圓圓, 劉浩, 韓建平, 吳曉紅, 李洪誼 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所