全文摘要
本发明公开了一种模拟心血管运动的CT成像质量检测体模、控制方法及质量检测方法，包括控制系统、电缸组件、活塞泵组件、液体回路组件和心血管体模；控制系统包括控制箱和控制端PC，控制箱包括PLC控制系统和心电发生器，PLC控制系统分别与控制端PC和心电发生器连接；电缸组件包括电缸驱动组件和电缸传动组件，电缸驱动组件与PLC控制系统连接，电缸传动组件与电缸驱动组件连接；活塞泵组件与电缸传动组件连接；液体回路组件包括液路汇流模块和液体管路，分别与活塞泵组件、心血管体模连接；心血管体模包括心室体模、冠状动脉体模及水箱。本发明能够模拟心室搏动和多个运动时相，具有正常心率、心律失常及冠状动脉狭窄等标准模型。
主设计要求
1.一种模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其特征在于：包括控制系统、电缸组件(3)、活塞泵组件(6)、液体回路组件和心血管体模(11)；所述控制系统包括控制箱(1)和控制端PC(2)，控制箱(1)包括PLC控制系统和心电发生器，所述PLC控制系统分别与控制端PC(2)和心电发生器电连接；所述电缸组件(3)包括电缸驱动组件(5)和电缸传动组件(4)，所述电缸驱动组件(5)分别与PLC控制系统和电缸传动组件(4)连接；所述活塞泵组件(6)与电缸传动组件(4)连接，所述电缸组件(3)基于PLC控制系统发出的指令控制活塞泵组件(6)进行直线往复运动，将液体通过液体回路组件泵入或泵出心血管体模(11)；所述心血管体模(11)包括水箱(29)，以及设置在水箱(29)内的心室体模(18)和冠状动脉体模(26)，所述水箱(29)内装有液体；所述冠状动脉体模(26)包括多根导管，各导管分别与心室体模(18)连通；所述液体回路组件包括液路汇流模块(8)和液体管路(10)；所述液体管路(10)包括泵入液体管路和泵出液体管路；所述液路汇流模块(8)包括液体流量传感器(20)和分流块(21)；所述液体流量传感器与PLC控制系统电连接，所述液体流量传感器(20)安装于活塞泵组件(6)与分流块(21)之间；所述分流块(21)内设置有泵入单向阀(22)和泵出单向阀(25)，该泵入单向阀(22)的进水端与液体流量传感器(20)连通，泵入单向阀(22)的出水端经泵入液体管路与心室体模(18)连通，泵出单向阀(25)的出水端与液体流量传感器(20)连通，泵出单向阀(25)的进水端分别与各泵出液体管路的一端连通，多个泵出液体管路的另一端分别与多根导管一一对应连通。
设计方案
1.一种模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其特征在于：包括控制系统、电缸组件(3)、活塞泵组件(6)、液体回路组件和心血管体模(11)；
所述控制系统包括控制箱(1)和控制端PC(2)，控制箱(1)包括PLC控制系统和心电发生器，所述PLC控制系统分别与控制端PC(2)和心电发生器电连接；
所述电缸组件(3)包括电缸驱动组件(5)和电缸传动组件(4)，所述电缸驱动组件(5)分别与PLC控制系统和电缸传动组件(4)连接；
所述活塞泵组件(6)与电缸传动组件(4)连接，所述电缸组件(3)基于PLC控制系统发出的指令控制活塞泵组件(6)进行直线往复运动，将液体通过液体回路组件泵入或泵出心血管体模(11)；
所述心血管体模(11)包括水箱(29)，以及设置在水箱(29)内的心室体模(18)和冠状动脉体模(26)，所述水箱(29)内装有液体；所述冠状动脉体模(26)包括多根导管，各导管分别与心室体模(18)连通；
所述液体回路组件包括液路汇流模块(8)和液体管路(10)；所述液体管路(10)包括泵入液体管路和泵出液体管路；所述液路汇流模块(8)包括液体流量传感器(20)和分流块(21)；所述液体流量传感器与PLC控制系统电连接，所述液体流量传感器(20)安装于活塞泵组件(6)与分流块(21)之间；所述分流块(21)内设置有泵入单向阀(22)和泵出单向阀(25)，该泵入单向阀(22)的进水端与液体流量传感器(20)连通，泵入单向阀(22)的出水端经泵入液体管路与心室体模(18)连通，泵出单向阀(25)的出水端与液体流量传感器(20)连通，泵出单向阀(25)的进水端分别与各泵出液体管路的一端连通，多个泵出液体管路的另一端分别与多根导管一一对应连通。
2.根据权利要求1所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其特征在于：所述液体回路组件还包括缓冲器(9)，该缓冲器(9)的底部通过缓冲器接口(19)与分流块(21)的顶部连通，所述缓冲器(9)的顶部设置有注水阀门(17)、气体压力计和排气孔(16)。
3.根据权利要求2所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其特征在于：所述心室体模(18)采用硅胶制成，呈椭圆形且两端开口。
4.根据权利要求2或3所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其特征在于：所述冠状动脉体模(26)采用聚四氢呋喃醚多元醇与甲苯二异氰酸酯共聚的高分子材料合成，CT值范围为30HU～80HU。
5.根据权利要求4所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其特征在于：所述冠状动脉体模(26)分为正常冠状动脉体模和不同狭窄程度冠状动脉体模；所述正常冠状动脉体模的导管内径相同；所述不同狭窄程度冠状动脉体模是指导管的管腔内有狭窄程度为25％、50％和75％的模拟钙化斑块或软斑。
6.根据权利要求2或3或5所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其特征在于：所述PLC控制系统包括CPU模块、运动控制模块、两个通讯模块和电源模块，所述CPU模块分别与运动控制模块、两个通讯模块和电源模块连接，所述运动控制模块与电缸组件(3)连接；其中一个通讯模块与控制端PC(2)连接，另一个通讯模块与心电发生器连接。
7.根据权利要求6所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其特征在于：所述电缸传动组件(4)包括电机以及将电机的转动转化为直线运动的传动构件；
所述传动构件包括同步带、同步轮、滚珠丝杆、滚珠丝母、缸体和推杆；所述电机通过同步带、同步轮与滚珠丝杆连接，滚珠丝母与推杆连接，所述推杆位于缸体内，电机通过同步轮和同步带传递到滚珠丝杆，滚珠丝杆带动滚珠丝母将旋转转化为直线运动，从而使推杆沿着缸体进行直线往复运动。
8.根据权利要求2或3或5或7所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其特征在于：所述心室体模(18)的进水端通过泵入管接口(23)与泵入液体管路连接，心室体模(18)的出水端通过三通连接器(32)分别与冠状动脉体模(26)的各导管连通，三通连接器(32)上设有排水阀门(31)。
9.一种模拟心血管运动的CT成像质量检测体模的控制方法，其特征在于：采用如权利要求1至8任一所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，该控制方法包括以下步骤：
所述控制端PC(2)获取心室运动参数，将心室运动参数转化为运动控制变量并进行存储，所述心室运动参数包括心率和心室容积时间曲线，所述运动控制变量包括运动周期、各运动时相及流量数值，在启动控制时，发送启动指令至PLC控制系统，并实时显示和存储ECG波形、心室容积-时间曲线，以及心率、心动周期和每博输出量；
所述PLC控制系统接收控制端PC(2)发送的指令，若是启动指令，则解析该启动指令中的运动控制变量，利用闭环控制算法计算活塞泵组件在单位时间内的流量，根据实时反馈的位移量计算运动控制参数发送运动控制信号至电缸驱动组件(5)，同时发送心电控制指令至心电发生器输出ECG波形，等待动作完成后，分别发送停止指令到电缸组件(3)和心电发生器；若是停止指令，则等待当前动作完成后，直接发送停止指令到电缸组件(3)和心电发生器，并自动回零；然后，继续监听是否接收到控制端PC(2)的指令；如此周而复始，直到运行结束。
10.一种CT成像质量检测方法，其特征在于：采用如权利要求2至8任一所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其检测方法包括以下步骤：
第一步：建立连接，将所述控制系统、电缸组件(3)、活塞泵组件(6)、液体回路组件和心血管体模(11)置于CT设备的扫描床上，并进行安装与连接；
第二步：建立液路，打开缓冲器(9)的注水阀门(17)和排气孔(16)，将由混合蒸馏水与造影剂组成的目标溶液注入到活塞泵组件(6)与心室体模(18)中，并排除气泡，并在注入完毕后关闭注水阀门(17)，并将气体压力计安装于排气孔(16)旋紧；再将蒸馏水注入水箱(29)，作为背景溶液；
第三步：上电开机，打开控制箱(1)的电源开关，并启动控制端PC(2)；
第四步：排除气泡，打开控制端PC(2)的上位机软件，设置心率和心室容积时间曲线并启动运动，直到将液路中的气泡排除并在缓冲器(9)顶部的空气压缩后保持在预设的压力值时，停止运动；否则，检查各管路接口的密闭性，并重复上述过程；
第五步：启动控制，通过控制端PC(2)的上位机软件设置运动参数，发送运动控制指令至PLC控制系统，活塞泵组件(6)受控进行直线往复运动，将液体泵出或泵入心血管体模(11)，模拟心室搏动和多个运动时相，并同步发送ECG信号至CT设备触发心电门控扫描；
第六步：采集图像，心血管体模(11)摆位，新建病人，选择CTA检查方案，设置扫描条件，扫描体模图像；
第七步：临床评价，利用CT设备的临床应用软件进行后处理和3D重建，获得心血管体模(11)的相关评价指标，并进行该CT设备的成像质量进行评价。
设计说明书
技术领域
本发明属于数字诊疗装备质量控制标准化技术领域，具体涉及一种模拟心血管运动的CT成像质量检测体模、控制方法及质量检测方法。
背景技术
心脏计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)成像作为一种无创影像检查，对心血管疾病诊断的准确率达80％以上，已逐渐成为早期筛查及术后评估的重要检查手段。然而，心脏是人体最为复杂的运动脏器，现有的心脏CT成像技术易受患者心率差异、CT设备性能、扫描参数设置和后处理重建等影响，产生运动伪影、血管错位和边缘模糊等问题，大大降低心脏CT成像质量，严重影响心血管疾病诊断的准确率，更甚者会导致医患纠纷。因此，如何确保心脏CT成像质量对心血管疾病的精确诊疗和医疗质量安全至关重要。
目前CT的质量控制标准的制定均参照国际电工委员会的通用准则IEC 1223-2-6制定，检测器具均为头部剂量体模、影像性能体模等静态体模，检测项目有CT剂量指数、层厚、CT值线性、空间分辨率、低对比度分辨率、水的CT值、场均匀性和噪声等。上述性能指标是基于几何投影原理或物体对X线衰减的差异，并通过轴位扫描而获得，可用于CT设备对静态脏器成像质量的客观评价，但对于心血管等运动脏器，特别是心动过速、早搏、房颤等高速无规律运动时成像的质量控制却无能为力。换言之，现有CT质量控制体系中尚缺乏标准的动态体模作为检测器具。近年来，国内外学者报道了大量模拟心脏解剖结构、运动特征的动态心室或冠状动脉体模，并用于心脏CT成像的不同扫描方式和重建算法的评价研究。然而，现有CT动态心脏体模仍存在诸多不足，主要表现在：(1)解剖结构方面，大多数冠状动脉体模内充盈的液体无法流动；(2)组织材料方面，以硅橡胶或聚乙烯醇等复合材料为主，虽具有一定的生物力学特性，但未考虑辐射等效；(3)运动特性方面，仅以匀速、正弦或简单变速方式模拟心脏各房室的运动，并没有真实反映心脏在各时相运动的变化情况。
因此，有必要研制一种模拟心血管运动的CT成像质量检测体模、控制方法及质量检测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟心血管运动的CT成像质量检测体模、控制方法及质量检测方法，能模拟心室搏动和心室快速射血、慢速射血、快速充盈、缓慢充盈、等容舒张等五个时相动作，具有正常心率、心律失常及冠状动脉狭窄等标准模型，能用于CT心脏成像质量检测。
本发明所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，包括控制系统、电缸组件、活塞泵组件、液体回路组件和心血管体模；
所述控制系统包括控制箱和控制端PC，控制箱包括PLC控制系统和心电发生器，所述PLC控制系统分别与控制端PC和心电发生器电连接；
所述电缸组件包括电缸驱动组件和电缸传动组件，所述电缸驱动组件分别与PLC控制系统和电缸传动组件连接；
所述活塞泵组件与电缸传动组件连接，所述电缸组件基于PLC控制系统发出的指令控制活塞泵组件进行直线往复运动，将液体通过液体回路组件泵入或泵出心血管体模；
所述心血管体模包括水箱，以及设置在水箱内的心室体模和冠状动脉体模，所述水箱内装有液体；所述冠状动脉体模包括多根导管，各导管分别与心室体模连通；
所述液体回路组件包括液路汇流模块和液体管路；所述液体管路包括泵入液体管路和泵出液体管路；所述液路汇流模块包括液体流量传感器和分流块；所述液体流量传感器与PLC控制系统电连接，所述液体流量传感器安装于活塞泵组件与分流块之间；所述分流块内设置有泵入单向阀和泵出单向阀，该泵入单向阀的进水端与液体流量传感器连通，泵入单向阀的出水端经泵入液体管路与心室体模连通，泵出单向阀的出水端与液体流量传感器连通，泵出单向阀的进水端分别与各泵出液体管路的一端连通，多个泵出液体管路的另一端分别与多根导管一一对应连通。
进一步，所述液体回路组件还包括缓冲器，该缓冲器的底部通过缓冲器接口与分流块的顶部连通，所述缓冲器的顶部设置有注水阀门、气体压力计和排气孔。
进一步，所述心室体模采用硅胶制成，呈椭圆形且两端开口。
进一步，所述冠状动脉体模采用聚四氢呋喃醚多元醇与甲苯二异氰酸酯共聚的高分子材料合成，CT值范围为30HU～80HU。
进一步，所述冠状动脉体模分为正常冠状动脉体模和不同狭窄程度冠状动脉体模；所述正常冠状动脉体模的导管内径相同；所述不同狭窄程度冠状动脉体模是指导管的管腔内有狭窄程度为25％、50％和75％的模拟钙化斑块或软斑。
进一步，所述PLC控制系统包括CPU模块、运动控制模块、两个通讯模块和电源模块，所述CPU模块分别与运动控制模块、两个通讯模块和电源模块连接，所述运动控制模块与电缸组件连接；其中一个通讯模块与控制端PC连接，另一个通讯模块与心电发生器连接。
进一步，所述电缸传动组件包括电机以及将电机的转动转化为直线运动的传动构件；
所述传动构件包括同步带、同步轮、滚珠丝杆、滚珠丝母、缸体和推杆；所述电机通过同步带、同步轮与滚珠丝杆连接，滚珠丝母与推杆连接，所述推杆位于缸体内，电机通过同步轮和同步带传递到滚珠丝杆，滚珠丝杆带动滚珠丝母将旋转转化为直线运动，从而使推杆沿着缸体进行直线往复运动。
进一步，所述心室体模的进水端通过泵入管接口与泵入液体管路连接，心室体模的出水端通过三通连接器分别与冠状动脉体模的各导管连通，三通连接器上设有排水阀门。
本发明所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模的控制方法，采用如本发明所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，该控制方法包括以下步骤：
所述控制端PC获取心室运动参数，将心室运动参数转化为运动控制变量并进行存储，所述心室运动参数包括心率和心室容积时间曲线，所述运动控制变量包括运动周期、各运动时相及流量数值，在启动控制时，发送启动指令至PLC控制系统，并实时显示和存储ECG波形、心室容积-时间曲线，以及心率、心动周期和每博输出量；
所述PLC控制系统接收控制端PC发送的指令，若是启动指令，则解析该启动指令中的运动控制变量，利用闭环控制算法计算活塞泵组件在单位时间内的流量，根据实时反馈的位移量计算运动控制参数发送运动控制信号至电缸驱动组件，同时发送心电控制指令至心电发生器输出ECG波形，等待动作完成后，分别发送停止指令到电缸组件和心电发生器；若是停止指令，则等待当前动作完成后，直接发送停止指令到电缸组件和心电发生器，并自动回零；然后，继续监听是否接收到控制端PC的指令；如此周而复始，直到运行结束。
本发明所述的CT成像质量检测方法，采用如本发明所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其检测方法包括以下步骤：
第一步：建立连接，将所述控制系统、电缸组件、活塞泵组件、液体回路组件和心血管体模置于CT设备的扫描床上，并进行安装与连接；
第二步：建立液路，打开缓冲器的注水阀门和排气孔，将由混合蒸馏水与造影剂组成的目标溶液注入到活塞泵组件与心室体模中，并排除气泡，并在注入完毕后关闭注水阀门，并将气体压力计安装于排气孔旋紧；再将蒸馏水注入水箱，作为背景溶液；
第三步：上电开机，打开控制箱的电源开关，并启动控制端PC；
第四步：排除气泡，打开控制端PC的上位机软件，设置心率和心室容积时间曲线并启动运动，直到将液路中的气泡排除并在缓冲器顶部的空气压缩后保持在预设的压力值时，停止运动；否则，检查各管路接口的密闭性，并重复上述过程；
第五步：启动控制，通过控制端PC的上位机软件设置运动参数，发送运动控制指令至PLC控制系统，活塞泵组件受控进行直线往复运动，将液体泵出或泵入心血管体模，模拟心室搏动和多个运动时相，并同步发送ECG信号至CT设备触发心电门控扫描；
第六步：采集图像，心血管体模摆位，新建病人，选择CTA检查方案，设置扫描条件，扫描体模图像；
第七步：临床评价，利用CT设备的临床应用软件进行后处理和3D重建，获得心血管体模的相关评价指标，并进行该CT设备的成像质量进行评价。
本发明具有以下优点：
①冠状动脉体模与心室体模CT值与人体组织等效；
②具有不同狭窄程度的冠状动脉体模；
③可设置心率、时间-容积曲线(至少20各点的自定义曲线)运动参数；
④能够模拟心室搏动，具有多个运动时相；
⑤能够用于模拟真实患者的心律失常、冠脉狭窄及其他常见病变模型等；
⑥适用于CT设备及其临床应用软件符合性评价研究。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的原理框图；
图3为本发明的活塞泵组件结构示意图；
图4为本发明的液体回路组件结构示意图；
图5为本发明的心血管体模结构示意图；
图6为本发明的心室体模球囊尺寸图；
图7为本发明的内径5mm的正常冠状动脉体模尺寸图；
图8为本发明的内径5mm模拟不同狭窄程度的冠状动脉模拟尺寸图；
图9为图8中沿A-A线的剖面图；
图10为图8中沿B-B线的剖面图；
图11为图8中沿C-C线的剖面图；
图12为本发明的内径4mm模拟不同狭窄程度的冠状动脉模拟尺寸图；
图13为图12中沿D-D线的剖面图；
图14为图12中沿E-E线的剖面图；
图15为图12中沿F-F线的剖面图；
图16为本发明的内径3mm模拟不同狭窄程度的冠状动脉模拟尺寸图；
图17为图16中沿G-G线的剖面图；
图18为图16中沿H-H线的剖面图；
图19为图16中沿I-I线的剖面图；
图20为本发明的液路原理图；
图21为本发明的控制方法流程图之一；
图22为本发明的控制方法流程图之二；
图中：1-控制箱，2-控制端PC，3-电缸组件，4-电缸传动组件，5-电缸驱动组件，6-活塞泵组件，7-支撑平板，8-液路汇流模块，9-缓冲器，10-液体管路，11-心血管体模，12-泵体，13-连接杆，14-活塞，15-支撑架，16-排气孔，17-注水阀门，18-心室体模，19、缓冲器接口，20-液体流量传感器，21-分流块，22-泵入单向阀，23-泵入管接口，24-泵出管接口，25-泵出单向阀，26-冠状动脉体模，27-支架，28-底座，29-水箱，30-窗口，31-排水阀门，32-三通连接器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
(一)体模结构组成：
如图1和图2所示，本实施例中，所述模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，包括控制系统、电缸组件3、活塞泵组件6、液体回路组件和心血管体模11。
控制系统：
如图1所示，本实施例中，所述控制系统包括控制箱1和控制端PC2。
所述控制箱1包括PLC控制系统和心电发生器，控制箱1上设有RS232接口、DB18接口、ECG接口、单相电源接口和电源开关，通过单相电源接口、电源线分别为控制端PC2和电缸组件3提供工作电压。
所述PLC控制系统由CPU模块、运动控制模块、两个通讯模块(比如：RS232通讯模块)和电源模块组成，其中，运动控制模块通过DB18接口、数据线分别与电缸组件3和液体流量传感器20连接，用于发送运动控制指令、接收电缸位移数据和接收流量反馈数据；一个RS232通讯模块通过串口线与控制端PC2连接，用于与控制端PC2通讯；另一个通信模块通过RS232转USB数据线与心电发生器连接，用于发送预设心率参数；电源模块用于将AC 220V电压转化为DC 24V为PLC控制系统提供工作电源；所述心电发生器经ECG接口、肢体导联线与CT心电采集装置或CT设备连接，用于模拟心电出发心电门控扫描。
如图2所示，本实施例中，所述控制端PC2内安装有上位机软件，上位机软件分为应用层、中间层和数据层，其中应用层包括参数设置、波形显示、启动控制和统计分析四个功能模块，用于为用户提供人机交互界面，系统运行时可实时显示ECG波形、心室容积-时间曲线，以及心率、心动周期和每博输出量等数值；中间层包括运动计算引擎、数据存储引擎和通讯接口；运动计算引擎用于将心率、心室容积时间曲线的预设值，转化为运动控制变量参数，包括运动周期、各运动时相及流量数值，并将数据打包后发送至PCL控制系统；数据存储引擎用于存储运动控制变量参数与实时波形等数据；通讯接口用于通过串口协议与PCL控制系统进行数据通讯。
所述PLC控制系统上安装有下位机软件，下位机软件包括初始化、运动控制、心电控制和流程控制四个功能模块；其中，初始化模块：用于初始化系统参数和电缸位置的调零、心电发生器的复位；运动控制模块：用于解析上位机发送的运动控制变量参数，利用闭环控制算法(比如：PID控制器)与实时反馈(比如：位移与流量)计算运动控制参数并发送至电缸驱动组件5，使电缸传动组件4按照指令运动；心电控制模块：与运动控制指令同步发送心电控制指令至心电发生器输出ECG波形；流程控制模块：对代码存储器中的PLC程序，在运行时进行流程管理，以便提高系统响应速度和可靠性。
电缸组件：
如图1所示，本实施案例中，所述电缸组件3包括电缸驱动组件5和电缸传动组件4，电缸组件3上设有DB15接口和过孔；
电缸驱动组件5工作电压为220V，额定功率为100W，通过DB15接口、数据线与PLC控制系统连接，通过控制信号线与电缸传动组件4连接，能够将PLC控制系统的运动控制参数转换为电缸传动组件4所需的控制信号，并将电机的转速、转动圈数转换为电缸位移反馈至PLC控制系统；
电缸传动组件4包括电机、同步带、同步轮、滚珠丝杆、滚珠丝母、缸体和推杆，所述电机通过同步带、同步轮与滚珠丝杆连接，滚珠丝母与推杆连接，所述推杆位于缸体内。电机的额定功率为400W，最大转速为5000RPM，最大行程为100mm；所述电机在接收控制信号后进行正向或反向旋转，并通过同步轮和同步带传递到滚珠丝杆，滚珠丝杆带动滚珠丝母将旋转转化为直线运动，从而使推杆进行直线往复运动；所述电机设有霍尔传感器，可实时反馈电机转动圈数发送至电缸驱动组件5；电缸驱动组件5将电机转动圈数换算成转速，并自动调整输出至电机的控制信号，以确保电机的转速达到预期值。
活塞泵组件：
如图3所示，本实施例中，所述活塞泵组件6包括泵体12、活塞14、连接杆13、星形圈和支撑架15。
所述泵体12采用铝合金制作，主体为圆筒形，通过支撑架15安装固定于支撑平板7上，泵体12的外侧设有排水阀门31，用于排出液路中的所有液体；所述活塞14置于泵体12内，并安装有两个星形圈用于密封泵体12内的介质，同时活塞14一端与连接杆13固定连接；所述连接杆13经电缸组件3的过孔通过螺纹方式与电缸传动组件4的推杆连接，并在推杆带动下与活塞14往复运动，将液体通过液体回路组件泵入或泵出心血管体模11。
液体回路组件：
如图4所示，本实施例中，所述液体回路组件包括液路汇流模块8、缓冲器9和液体管路10；
所述液路汇流模块8包括液体流量传感器20、分流块21、泵入单向阀21、泵入管接口23、泵出单向阀25、泵出管接口24和缓冲器接口19。
所述液体流量传感器20能够输出脉冲信号，且该频率与被测液体流量成正比；液体流量传感器20通过NPT0.75螺纹接口安装于活塞泵组件6与分流块21之间，用于实时检测泵入心室体模18的液体流量和从冠状动脉体模26回流的液体流量，并经数据线实时发送至PLC控制系统。所述分流块21采用有机玻璃制成，分流块21内置有泵入单向阀21和泵出单向阀25，其一侧通过液体流量传感器20与活塞泵组件6连接，另一侧分别经泵入单向阀21通过泵入管接口23与泵入液体管路连接，经泵出单向阀25通过泵出管接口24与泵出液体管路连接；分流块21顶部通过缓冲器接口19与缓冲器9连接，底部固定于支撑平板7；所述泵出管接口24数量与冠状动脉体模26中导管的数量相同，分别经液体管路10与心血管体模11连接。
所述缓冲器9是一个圆柱形有机玻璃罐体，用于注水和排除液路中的气泡；缓冲器9底部通过缓冲器接口19安装于分流块21上，顶部采用法兰盘、橡胶圈与铝制沉头螺丝固定。所述法兰盘上分别安装有注水阀门17、气体压力计和设有排气孔16；注水阀门17用于将液体通过缓冲器9注入到活塞泵组件6与心室体模18中，若注入液体(比如：蒸馏水与造影剂的混合溶液)时，需将排气孔16打开，一旦注入完毕，则通过螺纹方式将气体压力计安装于排气孔16并旋紧封闭；所述气体压力计用于观察系统初始化时，是否将液路中的气泡排除并在缓冲器9顶部的空气压缩后保持在一定的压力值。
所述液体管路10可选用PVC软管，一根用于连接心室体模18，两根或两根以上用于连接冠状动脉体模26。
心血管体模：
如图5所示，本实施例中，所述心血管体模11包括心室体模18、冠状动脉体模26和水箱29；
所述心室体模18采用硅胶制成，呈椭圆形两端开口，具有一定的弹性，心室体模18的进口端安装于水箱29的泵入管接口23，心室体模18的出口端安装于设置在水箱29内的底座28上的三通连接器32。
所述冠状动脉体模26采用聚四氢呋喃醚多元醇与甲苯二异氰酸酯共聚的高分子材料合成，CT值范围为30HU～80HU，包括两根或两根以上的导管，内径分别为3mm、4mm和5mm，如图8至图19所示，分为正常冠状动脉体模26和不同狭窄程度的冠状动脉体模26；正常冠状动脉体模26的空腔中可放置心脏支架，不同狭窄程度的冠状动脉体模26管腔内有狭窄程度为25％、50％和75％(每段长度均为10mm)的模拟钙化斑块或软斑。
所述水箱29是一个圆柱形有机玻璃容器，其内装有背景溶液(比如：蒸馏水)，用于安装和固定心室体模18和冠状动脉体模26；水箱29顶部设有的窗口30，用于水箱29注水和避免液体溢出；水箱29的两侧均采用法兰盘、橡胶圈与铝制沉头螺丝固定，有一侧法兰盘中心开孔用于安装中心圆盘，中心圆盘安装有泵入管接口23和泵出管接口24，泵入管接口23在水箱29内一端用于安装心室体模18，泵出管接口24在水箱29内一端用于安装冠状动脉体模26，泵入管接口23和泵出管接口24在水箱29外一端用于连接液体管路10；水箱29内设有底座28，用于安装连通心室体模18和冠状动脉体模26的三通连接器32；所述三通连接器32上设有排水阀门31，用于清洗体模内残留造影剂；水箱29底部采用两个平行支架27支撑，确保水箱29处于水平位置。
如图20所示，以两根冠状动脉体模26为例，对系统液路的工作原理进行说明：
当活塞泵组件6压出液体时，泵入单向阀21打开，泵出单向阀25关闭，液体经液体流量传感器20、泵入管接口23进入心室体模18和两根冠状动脉体模26中，心室体模18因充盈而容积增大，此过程用于模拟心室舒张期；
当活塞泵组件6抽回液体时，泵入单向阀21关闭，泵出单向阀25打开，液体从心室体模18经两根冠状动脉体模26和两个泵出管接口24，通过液体流量传感器20进入活塞泵组件6，心室体模18因收缩而容积减小，此过程用于模拟心室射血期；
系统初始化时，可利用模拟心室射血的过程，将液路中的空气通过缓冲器9排入到大气中；若排气完毕，液路中仍存在气泡，也可在此过程中受液路压力影响汇集到缓冲器9顶部压缩气体区域；
如上所述，活塞泵组件6根据预设频率和容积变化往复运动，实现心血管体模11模拟心室在心动周期内的收缩-舒张运动。
(二)体模控制方法：
本发明所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测动态体模的控制方法，采用如本发明所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测动态体模，其控制方法包括以下步骤：
所述控制端PC2获取心室运动参数，将心室运动参数转化为运动控制变量并进行存储，所述心室运动参数包括心率和心室容积时间曲线，所述运动控制变量包括运动周期、各运动时相及流量数值，在启动控制时，发送启动指令至PLC控制系统，并实时显示和存储ECG波形、心室容积-时间曲线，以及心率、心动周期和每博输出量；
所述PLC控制系统接收控制端PC2发送的指令，若是启动指令，则解析该启动指令中的运动控制变量，利用闭环控制算法计算活塞泵组件在单位时间内的流量，根据实时反馈的位移量计算运动控制参数发送运动控制信号至电缸驱动组件5，同时发送心电控制指令至心电发生器输出ECG波形，等待动作完成后，分别发送停止指令到电缸组件3和心电发生器；若是停止指令，则等待当前动作完成后，直接发送停止指令到电缸组件3和心电发生器，并自动回零；然后，继续监听是否接收到控制端PC2的指令；如此周而复始，直到运行结束。
本实施例中，模拟心血管运动的CT成像质量检测动态体模的控制方法，具体步骤包括：
在系统启动控制之前，先打开控制箱1的电源和控制端PC2(比如：计算机)的开关，计算机开机后运行上位机软件，上位机软件进行初始化，如图21所示；
第一步，建立COM口通讯，选择对应的COM端口号，连接控制端PC2与PCL控制系统；
第二步，用户根据需求设置心室运动参数，包括心率、心室容积时间曲线，其中心率可选单次心率、组合心率或自定义心率序列，心室容积时间曲线对应心率设置；
第三步，系统自动将预设值转化为运动控制变量，包括运动周期、各运动时相及流量数值，并进行存储；
第四步，启动控制，上位机软件发送启动控制指令至PLC控制系统，并实时显示和存储ECG波形、心室容积-时间曲线，以及心率、心动周期和每博输出量等数值，此时，PLC控制系统将循环执行运动控制指令；
第五步，待运动完毕，用户可通过上位机软件发送停止控制指令至PLC控制系统，停止体模运动，并保存相关数据。
如图22所示，PLC控制系统上电后，下位机软件首先进行初始化，包括系统参数、电缸调零和心电复位；其次，实时监听COM端口是否接收到上位机指令，若是启动指令，则解析该指令中的运动控制变量，利用闭环控制算法(比如：PID控制器)计算活塞泵组件在单位时间内的流量，根据实时反馈的位移量计算运动控制参数(比如：速度、加速度、匀速时间、加速时间)发送运动控制信号至电缸驱动组件5，同时发送心电控制指令至心电发生器输出ECG波形(首次启动时，电缸位置以零位为起始位，心电发生器以P波作为起始点)，等待动作完成后，分别发送停止指令到电缸组件3和心电发生器；若是停止指令，则等待当前动作完成后，直接发送停止指令到电缸组件3和心电发生器，并自动回零；然后，继续监听COM端口是否接收到上位机指令；如此周而复始，直到运行结束。
以下对心室运动参数与电缸运动参数之间的换算关系进行说明：
已知心率为75次\/min，心动周期为0.8s，活塞14截面积为2826mm2<\/sup>，电机加速度为常数a(单位为mm\/s2<\/sup>)；
假设在整个心动周期内心室具有等容收缩期0.05s、快速射血期0.1s、慢速射血期0.15s、等容舒张期0.07s、快速充盈期0.11s和慢速充盈期0.22s六个运动时相，则根据心室容积时间曲线，每个运动时相可对应容积V容积<\/sub>(单位为mm3<\/sup>)、时间T时相<\/sub>(单位为s)；
一个运动时相内电缸组件3的动作包括加速运动、匀速运动和减速运动，即需要给电缸组件3输入以下运动控制参数，包括运动速度v，加速度a，匀速运动时间T1<\/sub>，加速度时间T2<\/sub>，根据以上已知条件可得；
电缸组件3位移S行程<\/sub>为：
S行程<\/sub>＝V容积<\/sub>\/2826mm2<\/sup>公式1
运动速度v为：
匀速运动时间T1<\/sub>和加速度时间T2<\/sub>为：
T2<\/sub>＝v\/a 公式3
T1<\/sub>＝T时相<\/sub>-2·T2<\/sub>公式4
另据滚珠丝杆螺距为D(单位为mm)，故电机每转一圈，电缸组件3移动D，由此而得；
电机转速：
n＝v·60·1000\/D 公式5
其中，n的单位为rpm(转每分钟)。
(三)质量检测方法：
本发明所述的CT成像质量检测方法，采用如本发明所述的模拟心血管运动的CT成像质量检测体模，其检测方法包括以下步骤：
第一步：建立连接，将所述控制系统、电缸组件3、活塞泵组件6、液体回路组件和心血管体模11(包含狭窄冠状动脉体模26)置于CT设备的扫描床上，并进行安装与连接；
第二步：建立液路，先按照一定比例混合蒸馏水与造影剂作为目标溶液，打开缓冲器9的注水阀门17和排气孔16，使用量筒将目标溶液注入到活塞泵组件6与心室体模18中，并手动排除较大气泡，一旦注入完毕(液面高度应小于缓冲器9最大刻度)，关闭注水阀门17并将气体压力计安装于排气孔16旋紧；再将蒸馏水注入水箱29至其窗口30根部，作为背景溶液；
第三步：上电开机，打开控制箱1电源开关，并启动控制端PC2(比如：计算机)，大约1min后，计算机、PCL控制系统与电缸组件3上电完毕；
第四步：排除气泡，打开控制端PC2的上位机软件，以心率20次\/min为例，选择默认“心室容积时间曲线”并启动运动，直到将液路中的气泡排除并在缓冲器9顶部的空气压缩后保持在一定的压力值，大约3-5min，停止运动；否则，检查各管路接口的密闭性，并重复上述过程；
第五步：启动控制，根据需求设置运动参数(包括：正常心率、室性早搏、缓慢房颤等)，选择“启动控制”按钮，活塞泵受控进行直线往复运动，将液体泵出或泵入心血管体模11，模拟心室搏动和多个运动时相，并同步发送ECG信号至CT设备触发心电门控扫描；
第六步：采集图像，体模摆位，新建病人，选择CTA检查方案，设置扫描条件，扫描体模图像；
第七步：临床评价，利用CT设备的临床应用软件(比如：德国SIEMENS公司SyngoVia工作站)进行后处理和3D重建，获得心血管体模11的相关评价指标，如：心律不齐成像成功率、冠状动脉狭窄程度、形态学图像质量评级、水和钙化的CT值等，并进行该CT设备的成像质量进行评价；
第八步：液路清洗，通过上位机软件发送停止运动指令，待系统停止运动，先将水箱29中的背景溶液排出，再打开活塞泵组件6的排水阀门31将目标溶液排出；排出完毕，打开缓冲器9的注水阀门17和水箱29内的排水阀门31，使用蒸馏水或去离子水对整个液路进行冲洗；冲洗完毕，拆卸体模，完成检测。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201910008685.7
申请日:2019-01-04
公开号:CN109528224A
公开日:2019-03-29
国家:CN
国家/省市:85(重庆)
授权编号:CN109528224B
授权时间:20191217
主分类号:A61B6/03
专利分类号:A61B6/03;A61B6/00
范畴分类:申请人:中国人民解放军陆军军医大学第二附属医院
第一申请人:中国人民解放军陆军军医大学第二附属医院
申请人地址:400037 重庆市沙坪坝区新桥正街183号
发明人:赵鹏;种银保;潘文才;郎朗;杨佳庆;肖晶晶;马结实;张诗慧
第一发明人:赵鹏
当前权利人:中国人民解放军陆军军医大学第二附属医院
代理人:谭小琴
代理机构:50123
代理机构编号:重庆华科专利事务所
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计