人工机械心瓣膜后流场速度分布的实验研究

人工机械心瓣膜后流场速度分布的实验研究 人工机械心瓣膜后流场速度分布的实验研 究 一, 磋,星谬n((n,,)Vo1.7 Mar.. No.I 1992 一 人工机械心瓣膜后流场速度分布的实验研究 刘宝森岑人经刘静1,叶尹萌 (华南理工太学生物力学研究室)(广东省人民医院)(华南理工夫学) ? f [摘要]本文采用宾验方法研究单磔片懈倾式机械人工心脏辩膜后流场的速 度分布问.主动脉瓣膜选用美国Bj0Ik—Shiley25MBR.P单碟片侧俪式机械辩, 20W热膜探针.实验结果得到收缩期和 TSI1050~L速枝和TSI1210— 舒张初期的速 度分布规律蛆及室压力,主动脉压力及主动脉流量波形. 6O年代末,由于新的测量技术不断出现,使得主动脉入口段流速的实验研究得到了迅 速的发展.据资料记载,目前能够较好地测量主动脉流速的技术主要有;1)热膜技术}2)激 光多普勒技术,3)超声波多普勒技术.激光多普勒测逮,它要求受测对象透光性好,但仅 能在体外进行.超声波多昔勒测速既能用于在休测试,也毹用于模型实验.而热膜技术在 心血管研究中,可用于模型实验和在俸实验,与后者相比既经挤又方便. 1987年,J.M.Hasenkamt等人在体外定常流动模拟装置中用导管式热膜探针测得单 叶碟片瓣后速度剖面为倾斜平面.1988年,又用同样方法论证了速度剖面为倾斜平面I, 且在主流区产生最大速度,而在次流区产生最小速度.值得注意的是他们的实验仅得到了 收缩期内的结果,却对舒张期认为无法,它正反映了热膜测速法的缺陷. 本文对此问题提出了一个解决方法,即综合考虑主动脉压力波形,心室压力波形和 主动脉流量波形来确定瓣膜的开,闭状态从而不但能{到收缩期瓣后 速度分布规律,还能 对舒张初期瓣后速度波形进行了分析,从而找出其规待,解决了用热膜测速法技术上的难 题. 1957年,Womel’sley~论证了在管流发展区域(Developedregion)可以用刚性管代替弹 性管来测量圆管流动的轴向速度,1988年岑人经【进一步论证了该区域,也可用刚性符代 替弹性管来测量圆管流动『内轴向逮度. 材料与测试系统实验 图l为本实验测试系统方框图,它由两大部分组成:人工心脏脉动流模拟系统和主动 脉瓣后流场测速系统. 人工心脏脉动流模拟系统采用清华大学研制的系统【”,尼及顺应性是由特 征阻尼器,外周阻力器及液容造『=个集l1_参数米模机的.根据生理数据和实验要求,我们 可以调节阻力的大小,敞容的不阿液面位置及活塞的零点位置来得到不同的主动脉收缩 压,舒张压,和心室,主动脉的压力波形,同时通过安装在主动脉出口处的流量计可以得 到流量波形.图2是心率为72bpm,瀛犀为5L/m~.n时的主动脉压力, 心室压力室容积 及主动脉的流瞻曲坡. 咖 ? 耍? 出 G 雹. 嚣 髫?『// 圜1主动脉辩后流扬速度分市卿试系统猛图目2模拟试验中,(a)主动 脉心室压力曲线,(b)心室容积曲 线,(c)主动脉流量曲线 主动脉瓣后流场测速系统是我们自己的它由实验段控制探针位置的位移机 构,热膜流速仪示波器,磁带仪,A/D板及计算机等仪器设备组成.实验段我们用 刚性有机玻璃直圆管制成,内径为24mm,其与主动脉瓣膜舸连接,及热膜探针的安装位 髭如图3-a所示. 本文选用美国TSI1210-20W热膜探针如图3-b,将它安放在离主动脉瓣环28ram处. TSI1050流速仪的模拟输出信号,送到p【l线示波器进行雠测的同时还送到磁带机进行记录 并联接计算机进行采样与处理. 整套系统具有以下特点: 1.可以在生理条件下模拟人体左心室的收缩,舒张过程,性能良好. 2.装置中大部分单元可调,可以按不同的要求调节各种参数. 3.具有良好的显示系统,可随时观察到各种曲线及参数的变化情况 4.测速系统中位移装置采用三级精凋位移机构,定位准确,操作方便. 5.由于大部分设备都是选用日前较先进的议臻,使得整个系统稳定性好,测量精度 高,数据采集方便. b暮 臣国星蓄 医用生物力学笫7卷 固3-a瓣膜,热膜探针覆位移机构示意固图3-bTSI1210--20W~膜探针 实验控制条件与测试方法 进行主动脉瓣后流场的精确测试,要求实验段模型与原型(正常生理条件)相似,这就 要求保证:1)几何相似,2)运动相似’3)动力相似.为此我们对本实验作了如下考虑; 1.主动脉管的形状,心室,心房的形状几何相似. 2.心房的容积变化规律,心室压力波形,主动脉压力波形,主动脉流量波形与生理 情况相似;还保持主动脉收/舒压为1.6×10/1.06×10Pa平均流量为2-5L/min.符台人 体生理情况. 3.主动脉的后负荷与生理条件相似,即主动脉阻尼,外周阻尼和主动脉的顺应性与 生理情况相似. 4.实验液体与血液相似,考虑到标定热膜探针时设备所限,我们采用生理盐水,其 粘度为lcp,密度为1.036g/cra3,温度控制在37?(?l?). 实验开始,先打开测试台的控温系统,对实验液体进行加热,使其达到37?(?1?), 并使整个系统的管路都得到预热.稳定后,标定压力传感器,流量计,和热膜测速仪等仪 器.待系统所有仪器正常后,调节功放,外周阻尼,主动脉阻力器及液容,使主动脉收/ 舒压为1.6×10/1.06×10Pa,同时调节流量分别为2L/mln~3L/mln~和5L/mln进行测 试.所有参数正常后开始逐点测量,每次采样时间为2一3O个心动周期,同时采集心室压 力,主动脉压力,主动脉流量和主动脉流速等电压信号波形,以待处理. 结果与分析 本实验中主动脉瓣膜外环直径为25ram,有效内径为20ram.作者在对应瓣膜两个互相 垂直的直径上取17个点分别测得流量为2L/min;速度为0.97m/sj流量为3L/mln时,最大速度为1.44m /s,流量为5L/min时,最大速度为2.47m/s,即流量在2,3,5L/mln时,剖面最大速度 与流量近似为线性关系 2.速度波形中的几个特殊点 综合考虑心室压力曲线,主动脉压力及流量曲线和收/舒时间比,我们可以确定如下 儿个特殊点(图5):A点为主动脉瓣膜开启始点,速度并不为零(流量为5L/m~n时,约为 0.25m/s).这是因为瓣膜的开启是靠心室与主动脉之间的压差,即当t — P.=AP?P (其中P是瓣膜开启的临界压差,对Bjork-Shiley25MBRP瓣,实测值为5.2×10 2.4×10Pa【时,瓣膜才会打开,而当 P>aP>0 时,虽然瓣膜还没打{:,但在瓣膜周围的液体在AP的驱动下已经开始从瓣膜阃隙中流入 医用生物力学 图5主动脉瓣后流场中心处速度随时间雯化曲线频率范围l0~25Hz 第7卷 主动脉,故A点的流速不为零jB点是瓣膜开启盘壶大点,这时心室收缩达峰值,流速选最 大;C点是瓣膜关闭开始点,这一点不是所有波形都能准确找到,尤其是在回流小的点位 就难以判断.由C点开始心室进入舒张期,这时由于心室压力骤降,使主动脉压远大于心 室压,瓣膜在反向压差驱动下迅速关闭,同时液体被吸回心室,形成倒流.D点是倒流 最大点,当b室压降至低于心房压时,二尖瓣打开,心室重新被快速充盈,这时热膜测得 的速度曲线相当不规则,较难分析. 3.瓣糠主,次流区流速特性 在瓣膜主流医,前部分的流速明显较大(图4的1,2,3点位置),收缩期的前冲与减速 相当明显;在瓣膜状漉医(图4的89点位置),当收缩刚开始时流速并不是增大,有倒流 的现象(尤其第9点位置),待瓣膜完全打开时才出现速度前冲段.这当瓣膜迅速打开 的瞬间,次流区嚣近瓣膜周围的血液被冲回心室. 4.澍流现象 由图6-可见,当收缩达峰值时,就出现湍流.从测得的大量曲线来看,这些湍流肯定 在这时出现,而不论这时流速多达(2一SL/min之问),湍流的频率范围估计为25—200Hz. 5.几个特殊时刻的速度割面 本实验心率为70bpm,则每个心动周期为0.857s,收缩时间与舒张时间比值是由输入 波形控制的,本实验为35,即收缩期为0.222s,舒张期为O.635s.测量剖面位于瓣膜下游 28mm.图7a一图7d分处给出x=28ram处,t=0(瓣膜准备开启,AP>O)时;t0.05s 九 . . 圈6主动脉瓣后速度随时问妻他曲线,频率范围?0~i00Hz 第1期人工机械心瓣膜后流场速度分布的实验研究 U(m『8) 凸 瑚7速度解剖面图 b d (收缩早期)时,t=0.I25S(收缩峰期)时Jt:0.262s(舒张初期,回流最太)时主动脉速度 剖面图,右边为瓣膜开启情I兕示意图? 图7a是t=0(瓣膜准备开启,?P>0)时,x28ram处的速度剖面图,这时各点速度 都大于零,说明瓣膜开启前已有跨瓣流动.图7a一.H是水平方向剖面图. 图7b是t:0.05s(收缩早期)时x=28nm处的速度剖面图,这时可以看到在瓣膜主流区 速度明显较大,流场呈”山峰”形状,状流区靠管壁一边有倒流存在.图7b—H是水平方向 音?面图. 圈7是t0.125s(收缩峰值)时,x=28m处迷度削面图,这时瓣膜完全打开,速度 达最大值,最大速度为2.47?l/s(流量为5L/min),主动脉直径为24ram).图7~-H是水平 方向剖面罔. 图7d是t:0.262s(舒张初期)时,x=28n?n处的速度剖面图,这时瓣膜处于刚关闭状 态,主奎是现倒应当指出的是,?热膜技术测主动脉瓣后流场E_【自 得到收瓢艄?靖带’ 阂 医用生物力学第7卷 流时,普遍认为难以分析.这主要因为目前热膜探针难以辨别流动方向.作者对此问题提 出用流量曲线波形和压力曲线波形(与速度波形同一时刻测得)来确定瓣膜打开的状态,从 而找到速度波形中的倒流点.具体方法是:对选用的瓣膜,先测出其各流量下的跨瓣压 差,取心室收缩开始时心室压与主动脉压相等时为心动周期始点,这样我们就可以从压力 波形中计算出瓣膜打开和关闭的时刻,再综合考虑流量波形,我们就可找出速度波形的饲 流点,从而得到舒张初期的速度剖面.确定反流大小时并没考虑探针周围热滞留等因素影 响. 结论 1.应用本文提出的方法能较好地解决热膜测速法不能确定反流点的问题. 2.在正常生理条件下测得平均流量为2,3,5L/rain的瓣后流场速度随时间变化的波 形的规律是一致的. 3.流量为2—5L/rain范围内时,剖面最大速度与流量近似为线性关系. 4.收缩达峰值前,速度随时间变化的曲线光滑上升,收缩达峰值时出现湍流.湍流 的频率范围估计为25—20OHz. 5.在瓣膜主流区前部分的流速明显较大,收缩期的前冲与减速都相当明显,在瓣膜 次流医,当收缩刚开始时流速并不是增大,而是有倒流现象(尤其在次流区靠管壁附近, 待瓣膜完全打开时才出现速度前冲段. 6.速度最大值出现在主流区前部分,并呈”山峰形流动,各个速度心脏病学求研讨台.广州:1989. 第1期人工机械心瓣膜后流场速度分布的实验研究?17 ANEXPERlMENTALSTUDYOFTHEVELOCITY DlSTRlBUTl0NAFTERTILTINGDISCMECHANlCAL A0RTlCHEARTVALVE LfuBao-$snCenRen—jingLiling (SouthChinaUniversityofTechnology)(GuansdongProvincialPeople$Ho $plte1) YeYi-r,zeng (SouthChIn_Un|ver$ityo,TechnoloEy) AninvitrovelocitystudywasperformedinapulsatiJeflowmeasurement downstreamofthetiltingdiscmechanicalaoticvalve.Asjork—Shiely25MB RP tiltingdiscvalvewasusedinprimaryorificediameter20turn.Forlocalfluid velocitymeasurement,acylindricalhot—filmanemometertarobe(TSIType 201— 20W,1.5mmindiameter)wasopertedbyacontanttemperaturehot—filmane mo— meter(TSIType1050MainUnitand1057StandardBridge).Usingaspecial analysisreelhodtothedataofourexperimentwegottheregularpatternsofthe velocitywaveformsandvelocityprofilesnotonlyinsystolicperiodbutalso indiastolicearlyperiod. 征订启事 由马元璋教授等主编的1991年国外骨科最新进展的文献摘要(中译 本)全年分两册先后 出版,第一册精选文献摘要841篇,已于1991年11月初出版,第二册 精选文献摘要830篇 已于1992年3月底出版,资料信息量大,有利于了解和掌握国外最新 骨科动态,每册24 元,全年48元(免收邮费),欢迎购阅.请汇款至上海康定路759号,上海 静安社会医疗保 健服务部(邮政编码200040)请写明收件人姓名,地址和邮政编 码.l992年国外骨科最新 进展的文献摘要(中译本)开始预订价格仍为每册24元,全年48元(免 收邮费).